DE2240923B2 - Piezoelektischer, elektroakustischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler.

Zu einem piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler gehört ein Schwingsystem, welches einerseits Wellen von einem elektrischen System empfangen und diese Wellen einem akustischen System zuführen oder andererseits Wellen von einem akustischen System empfangen und diese Wellen einem elektrischen System zuführen kann. Ein derartiges Schwingsystem benötigt Schwingelemente mit piezoelektrischen Eigenschaften.

Es ist bekannt, daß Polyvinylchlorid, Polyvinylfluorid, Polyvinylidenfluorid und andere Polymerisate, die vergleichsweise hohe polare, molekulare Einheiten aufweisen, durch Polarisation mit piezoelektrischen Eigenschaften versehen werden können. Andererseits kann ein Polymerisat leicht in die Form einer Folie gebracht werden, die eine sehr geringe Dicke und eine große Fläche hat und selbst als Vibrationsmembrane verwendet werden kann.

Wenn auf beiden Oberflächen einer Piezoelektrischen Polymerisatfolie jeweils eine Elektrode vorgesehen ist. bewirkt ein an die Elektroden angelegtes elektrisches Feld eine Dehnung oder Schrumpfung der Folie, während eine mechanische Verformung der Polymerisation ein elektrisches Feld oder einen Strom zwischen den beiden Elektroden der Polymerisatfolie erzeugt. Wenn daher eine mechanische Vibration, beispielsweise ein Schalldruck an eine piezoelektrische Polymerisatfolie angelegt wird, kann die durch die Vibration hervorgerufene Verformung der Polymensatfoiie sofort in elektrische Größen, beispielsweise in einen dem Schall entsprechenden elektrischen Strom umgewandelt werden.

Wenn jedoch ein dem Schall entsprechender, elektrischer Strom an die Elektroden einer in flachem Zustand gehaltenen, piezoelektrischen Polymerisatfolie angelegt wird, erfolgt die Verformung der Polymerisatfolie nur in der Richtung der Ebene der Folie, wobei kaum eine Vibration der Folie auftritt. Es ist daher schwierig. Lautsprecher. Kopfhöhrer, Empfänger usw. aus einer piezoelektrischen Polymerisatfolie mit einem derartigen Aufbau herzustellen.

Es war daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler zu schaffen, dessen piezoelektrische Elemente so gestaltet sind, daß ausreichend starke Schwingungen für Lautsprecher. Kopfhörer, Empfänger u. dgl. erreicht werden.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß zwei piezoelektrische Polymerisatfolien jeweils auf ihren beiden Seiten mit Elektroden versehen, einander zugekehrt und in konvex oder konkav gebogenem Zustand gehalten sind und die Elektroden der Polymerisatfolien derart an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß sich die eine Polymerisatfolie unter der Wirkung des elektrischen Feldes in einer Richtung ausdehnt und die andere Polymerisatfolie unter der Wirkung des gleichen elektrischen Feldes in dieser Richtung schrumpft.

Die Art der Zuordnung und die äußere Form der piezoelektrische Polymerisatfolien führt zu einem piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler, der einen geschlossenen Schwingkörper für Schwingungen mit großen Amplituden darstellt. Der piezoelektrische, elektroakustische Wandler gemäß der Erfindung ist aufgrund seiner hervorragenden Schwingungseigenschaften zur Verwendung für Lautsprecher, Kopfhörer, Empfänger u. dgl. bestens geeignet.

Der von den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien eingeschlossene Raum steht unter Über- oder Unterdruck, um den konvex oder konkav gebogenen Zustand der beiden Pclymerisatfolien zu erreichen. Es ist jedoch auch möglich, einen leichten Feststoff, wie Bimsstein oder Polymerisatschaum in den Raum

zwischen den beiden Polymerisatfolien einzusetzen, um den konvex gebogenen Zustand der Folien zu erreichen, statt den Raum unter einem Überdruck zu halten.

Wenn eine piezoelektrische Folie in einer Richtung verformt wird, entsteht in dieser Richtung ein elektrisches Feld. Wenn dagegen ein elektrisches Feld an die piezoelektrische Folie in einer Richtung angelegt •wird, wird die Folie in dieser Richtung verformt. Die Seite der Folie, deren Elektrode eine positive Ladung trägt und sich dehnt, wird im nachstehenden »EN-Pol oder normaler Dehnungspol« genannt, während die gegenüberliegende Seite der piezoelektrischen Polymerisatfolie »SN-Pol oder normaler Schrumpfpol« genannt wird.

Besonders gute Vibrationswirkungen in Verbindung mit einem einfachen Aufbau werden dadurch erzielt, daß jeweils zwei Elektroden mit verschiedenen Polaritäten parallel miteinander verbunden und in einer Anschlußklemme zusammengefaßt sind.

Bestimmte Schwingungseigenschaften lassen sich dadurch erzielen, daß die einander zugekehrten Elektroden der Polymerisatfolien verschiedene Polaritäten aufweisen und jeweils die beiden inneren Elektroden und die beiden äußeren Elektroden der Folien parallel miteinander verbunden sind.

Ein anderes Schwingungsverhalten kann dann erreicht werden, wenn die einander zugekehrten Elektroden der Polymerisatfolien gleiche Polaritäten aufweisen und jeweils eine innere und eine äußere Elektrode der verschiedenen Polymerisatfolien parallel miteinander verbunden sind.

Wenn die piezoelektrischen Polymerisatfolien aus Polyvinylidenfluorid bestehen, wird zum einen eine kostengünstige Herstellung und zum anderen eine verbesserte Wirkungsweise des elektroakustischen Wandlers erreicht.

Im nachstehenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 eine schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform eines piezoelektrischen, elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig.2 einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 2und

F i g. 3 bis 5 Querschnitte durch verschiedene Abwandlungsformen des elektroakustischen Wandlers gemäß der Erfindung.

Die in den F1 g. 1 und 2 wiedergebene Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers weist zwei piezoelektrische Polymerisatfolien 1 und Γ auf, die jeweils auf ihren Oberflächen mit Elektroden 2 und 3 bzw. 2' und 3' versehen sind. Zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien ist ein elektrisch leitender Zwischenring 4 mittels leitender Flansche 5 und 5' eingespannt. Der elektrisch leitende Zwischenring 4 ist jedoch nicht immer erforderlich. Der SN-Pol 3 der piezoelektrischen Polymerisatfolie 1 ist dem EN-Pol 2' der Folie Γ zugekehrt. Die beiden Polymerisatfolien 1 und Γ schließen einen Raum 7 ein, welcher mit Druckluft oder einem unter Druck stehenden Gas gefüllt ist. Der Luft- oder Gasdruck im Raum 7 hält die beiden Folien 1 und Γ in konvexem Zustand. Die Elektroden der Polymerisatfolien sind an einen elektrischen Stromkreis 11 angeschlossen, in welchem eine Schallfrequenzquelle 6 angeordnet ist.

Wenn der den Flansciien 5 und 5' zugeführte Schallfrequenzstrom positiv ist, werden der EN-Pol 2 der piezoelektrischen Polymerisatfolie 1 und der SN-Pol

35

40

45

55 3' der piezoelektrischen PoIj merisatfolie 1' positiv aufgeladen, wodurch sich die Folie 1 in die durch die gestrichelte Linie la angedeutete Stellung ausdehnt während die andere Folie Γ in die durch die gestrichelte Linie la angedeutete SteUung schrumpfL Wenn dagegen die Flansche 5 und 5' negativ aufgeladen werden, gelangen die Folien 1 und Γ in die durch die gestrichelten Linien Ib und Vb angedeuteten Stellungen. Die in der vorstehend beschriebenen Weise angeordneten beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien schwingen daher als ein Körper in Abhängigkeit von den Änderungen des Schallfrequenzstroms.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2 ist der SN-Pol der Folie 1 dem EN-Pol der Folie Γ zugewandt, jedoch kann bei einer anderen Ausführungsform der EN-Pol (oder der SN-Pol) der einen Folie dem EN-Pol (oder dem SN-Pol) der anderen Folie zugekehrt sein, wie dies in Fig.3 wiedergegeben ist. In diesem Fall sind die beiden Folien 1 und Γ mittels eines Isolierringes 8 voneinander isoliert, so daß der EN-Pol der einen Folie mit dem EN-Pol der anderen Folie nicht elektrisch verbunden ist. Wenn die Elektroden der piezoelektrischen Folien an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen werden, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist. können die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und Γ in der gleichen Weise schwingen wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist der Raum zwischen den beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und 1' mit einem leichten Feststoff 9, wie Bimsstein oder Polymerisatschaum gefüllt, so daß sich die beiden Folien in konvex gebogenem Zustand befinden. In diesem Fall schwingen die Folien wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 und 2.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 muß der Feststoff 9 nicht notwendigerweise den ganzen Raum zwischen den beiden Folien ausfüllen, sondern er kann beispielsweise nur in dem zentralen Teil des Raumes vorhanden sein. Wenn ein solcher leichter Feststoff in den Raum nicht notwendigerweise geschlossen sein.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 5 befinden sich die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und Γ durch geringfügige Verminderung des Drucks im Raum T zwischen den beiden Folien in einem konkaven Zustand. In diesem Fall schwingen die piezoelektrischen Polymerisatfolien 1 und 1' ebenfalls als ein Körper wie in dem oben beschriebenen Fall.

Die vorstehenden Beispiele zeigen, daß der SN-Pol der Folie 1 und der EN-Pol der Folie Γ sowie der EN-Pol der Folie 1 und der SN-Pol der Folie 1' jeweils parallel geschaltet sind, so daß sie die gleichen Spannungen aufweisen, und daß diese beiden Polaritäten den beiden Elektroden des elektroakustischen Wandlers parallelgeschaltet werden. Diese elektrische Verbindung führt zu einem elektrischen Stromkreis, in welchem die eine der beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien aufgrund der Wirkung des gerichteten elektrischen Feldes schrumpft, während sich die andere Folie aufgrund der Wirkung des gleichen Feldes dehnt.

Da der piezoelektrische Elektroakustische Wandler gemäß der Erfindung die oben beschriebene Ausbildung hat, kann durch Anlegen eines Wechselstroms, beispielsweise eines Schallfrequenzstromes, an die Elektroden der beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien unmittelbar eine Schallschwingung aus dem Strom erzielt werden. Außerdem schwingt der aus den beiden Folien gebildete Oszillator, wie bereits oben erwähnt, als ein

Körper in einem freien Raum, so daß die Wirksamkeit der Umwandlung von Elektrizität in Schall sehr gut ist

Im vorstehenden wurde die Umwandlung von Elektrizität in Schall erläutert, jedoch kann der piezoelektrische Wandler gemäß der Erfindung, wie andere piezoelektrische Wandler, zum Umwandeln der Schwingung der piezoelektrischen Folien in elektrische Stromänderung oder zur Umwandlung von Schall in Elektrizität verwendet werden.

Beispiel

Nachdem die beiden Oberflächen einer biaxial gestreckten, 12 Mikron dicken Polyvinyl idenfluoridfolie einer Koronaentladungsbehandlung unterworfen worden waren, wurde auf die Oberflächen Aluminium im Vakuum niedergeschlagen, um auf beiden Oberflächen der Folie Aluminiumelektroden zu bilden. Dann wurde an die beiden Elektroden der Folie ein elektrisches Gleichspannungsfeld von 400 kV/cm bei 100° C für die Dauer einer Stunde angelegt. Nach der Abkühlung der Folie auf Raumtemperatur, wobei an sie das gleiche elektrische Feld angelegt war, wurde das elektrische Feld entfernt, so daß eine piezoelektrische Polymerisatfolie erhalten wurde. Es wurden zwei solche piezoelektrische Polymerisatfolien hergestellt.

Es wurde ein Polyäthylenschaum zu einer konvexen Linse geformt, die in der Mitte eine Dicke von 10 mm und einen Durchmesser von 75 rnm hatte. Die so geformte Linse wurde zwischen den beiden in der vorstehend beschriebenen Weise hergestellten piezoelektrischen Polyvinylidenfluoridfolien angeordnet, und der Umfang dieses Gebildes wurde mittels zweier ringförmiger Aluminiumflansche, die einen Außendurchmesser von 90 mm und einen Innendurchmesser von 80 mm hatten, und einer Isolierpackung aus Polyäthylen abgestützt, um einen Aufbau zu schaffen, wie er in F i g. 4 wiedergegeben ist.

Wenn ein sinusförmiger Wechselstrom von 20 Volt zwischen einem Anschluß 10 und einem Anschluß 10' des Aufbaus gemäß F i g. 4 mittels eines Oszillators 6 angelegt wurde, der eine Ausgangsimpedanz von 600 0hm hatte, wurden Schalldrücke über HOdb in einem Bereich von 50 Hz bis 20 IcHz erhalten. Der Schalldruck wurde gemessen, indem die durch den vorgenannten Aufbau gebildeten Lautsprecher und ein künstliches Ohr mit einer Ohrmuschel eines Kopfhörers verbunden wurden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer, elektroakustischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß zwei piezoelektrische Polymerisatfolien (1, Y) jeweils auf ihren beiden Seiten mit Elektroden (2, 3; 2', 3') versehen, ,einander zugekehrt und in konvex oder konkav gebogenem Zustand gehalten sind und die Elektroden der Polymerisatfolien derart an eine Stromquel-Ie angeschlossen sind, daß sich die eine Polymerisatfolie unter der Wirkung des elektrischen Feldes in einer Richtung ausdehnt und die andere Polymerisatfolie unter der Wirkung des gleichen elektrischen Feldes in dieser Richtung schrumpft

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Elektroden mit verschiedenen Polaritäten parallel miteinander verbunden und in einer Anschlußklemme zusammengefaßt sind.

3. Wandler nach einem de· Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Elektroden (2', 3) der Polymerisatfolien (1, Γ) verschiedene Polaritäten aufweisen, und jeweils die beiden inneren Elektroden und die beiden äußeren Elektroden der Folien paralle miteinander verbunden sind.

4. Wandler nach einem de- Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugekehrten Elektroden (3, 3') der Poymerisatfolien (1, 1 ) gleiche Polaritäten aufweisen und jeweils eine innere und eine äußere Elektrode der verschiedenen Polymerisatfolien parallel miteinander verbunden sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Polymerisatfolien aus Polyvinylidenfluorid bestehen.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum (7) einschließen, der unter Überdruck steht, welcher die Polymerisatfolien in konvexem Zustand hält.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum einschließen, in welchem ein leichter Feststoff (9) untergebracht ist, welcher die beiden Folien in konvexem Zustand hält.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Feststoff aus Bimsstein oder Polymerisatschaum besteht.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der leichte Feststoff aus einem zu einer Linse geformten Polymerisatschaum besteht.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrischen Polymerisatfolien einen Raum einschließen, in welchem ein Unterdruck herrscht, welcher die Folien in konkavem Zustand hält.

60