DE2719172A1

DE2719172A1 - Elektro-mechanischer umformer

Info

Publication number: DE2719172A1
Application number: DE19772719172
Authority: DE
Inventors: George C Tibbetts
Original assignee: Tibbetts Industries Inc
Current assignee: Tibbetts Industries Inc
Priority date: 1976-04-30
Filing date: 1977-04-29
Publication date: 1977-11-17
Also published as: JPS52133208A; CA1071750A; US4056742A; AU2467277A; AU515067B2; GB1577678A; NL7704748A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektromechanische oder elektroakustische Umformer und insbesondere auf solche Umformer, welche zwischen elektrischer und mechanischer (einschließlich akustischer) Energie mittels des in dünnen hochpolymeren Filmen verfügbaren piezoelektrischen Effektes umwandeln, wobei solche Filme aus Polyvinylidenfluorid bestehen können, das eine einachsige Orientierung und eine elektrische Polarisierung aufweist und wobei Oberflächenelektroden zum Anschluß an elektrische Schaltkreise vorgesehen sind.

Seit seiner anfänglichen Entdeckung durch die Arbeit von Kawai, über die in dem 8. Japan. J. Appl. Phys. 975-976 (1969) berichtet wurde, hat die Entwicklung des piezoelektrischen Effektes in dünnen hochpolymeren Filmen aufgrund der einachsigen Ausrichtung und der sich daraus ergebenden elektrischen Polarisierung zu elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von mehr als 15 $> geführt. Wie bei der Arbeit von Kawai hat sich die nachfolgende Entwicklung auf Polyvinylidenfluorid (abgekürzt PVF«) konzentriert, wobei jedoch verbesserte Materialien in Zukunft ebenso zu erwarten sind wie mit der weiteren Verbesserung des Kopplungskoeffizienten von PVF« zu rechnen ist.

Die Anwendung solcher Filme auf praktische Umformer wurde durch die ungewöhnliche mechanische Charakteristik der Filme im Vergleich mit herkömmlichen piezoelektrischen Materialien und durch die Form, in der sie verfügbar waren, verhindert.

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Das hsißt, die Dünnheit und der niedrige elastische Modul der Filme stellen neue Probleme im Umformeraufbau dar, während zur gleichen Zeit diese gleichen Charakteristiken zusammen mit dem niedrigen Massen/Flächenverhältnis der Filme die Möglichkeit für weitgehendst verbesserte Umformer in verschiedenen Anwendungsbereichen anbieten.

Bei der Verwendung piezoelektrischer Filme für elektromechanische oder elektroakustische Umformer wurde in jüngster Zeit der Film in einer einfachen Hülsenkonfiguration angeordnet, beispielsweise als Zylinder oder als Teil eines Zylinders,um erstens zwischen der Zugbeanspruchung in dem Film entlang der Einachsenrichtung (die dem größten piezoelektrischen Effekt entspricht) und der Tangente an die Filmoberfläche umzuwandeln, und um zweitens die Bewegung senkrecht zur Filmoberfläche umzuformen, was für eine direkte elektroakustische Umformung erforderlich ist und zu dem niedrigen Massen/Flächenverhältnis führt.

In einer zylindrischen Hülse wird beispielsweise eine akustische Druckdifferenz zwischen den Oberflächen des piezoelektrischen Filmes durch den Bogen der zylindrischen Form abgestützt und teilweise in Zug und Dehnung tangential zu dem Film und in der Einachsenrichtung umgewandelt. Aufgrund des elektromechanischen Kopp'lungskoeffizienten K des Filmes wird eine Signalspannung zwischen den Elektroden des Filmes erzeugt. Umgekehrt wird, wenn ein elektrisches Signal an die Elektroden angelegt wird, eine Zugbeanspruchung in der Einachsenrichtung durch den piezoelektrischen Effekt erzeugt und die zylindrische Form des Filmes verändert sich durcn Auslenkung senkrecht zu der Oberfläche, was zu der Ausgabe akustischer Energie führt.

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Der PiIm ist jedoch sehr dünn, typischerweise 8 bis stark, und sein elastischer Modul ist gering, was für organische Polymere typisch ist.Somit kann eine elastische Instabilität bei sehr geringen Druckdifferenzen einsetzen, was zu nicht akzeptierbaren harmonischen Störungen, zu Fehlern im Prequenzverhalten, die annähernd unabhängig vom Signalpegel sind, und zur fehlender Reproduzierbarkeit der Leistungscharakteristik im allgemeinen führt. Beispielsweise kann eiie Luftdruckwelle oder eine andere akustische Überlast zu einem irreversiblen Schaden oder zu einer Formänderung des Films bis zu einem s olchen Punkt führen, an dem im wesentlichen die Biegung umgekehrt wird. Aus diesen Gründen ist der im praktischen Gebrauch mit dieser Ausbildung erreichbare Pegel der elastischen Stabilität unzureichend.

Ein Verfahren zur Herstellung der elastischen Stabilität sieht eine mechanische Vorspannung des Umformers vor, das heißt, die Erzeugung eines statischen Druckes auf einer Seite des Filmes, wobei eine Spannung in der .Einachsenrichtung in dem Film erzeugt wird. Typischerweise wird dieser Druck mechanisch durch ein Polster von flexiblem Schaumstoff geliefert, der durch eine perforierte Stützplatte unter Druck gehalten wird, wodurch auf die Unterseite des gebogenen Filmes ein Druck ausgeübt wird, der eine statische Spannung hervorruft. Die akustisch aktive Vibration des Films addiert eine dynamische Komponente zu dieser Spannung, aber die elastische Stabilität ist mehr als sichergestellt, wenn die Gesamtspannung ihr Vorzeichen nicht umkehrt,um einen Druck auszuüben.

Der sich ergebende Nachteil bei der Verwendung von zusammengepreßtem Schaumstoff zur Errichtung einer mechanischen Vor-

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spannung, um die elastische Stabilität zu erzielen, besteht in dem störenden Einfluß der anfänglichen Steifigkeit des Schaumstoffes auf den effektiven elektroakustischen Kopplungskoeffizienten des Umformers. In den meisten praktischen Umformern wird ein mit der einen Seite des Films gekoppeltes Luftvolumen vorgesehen und die akustische Federung dieses Raumes ist einer der grundlegenden Parameter, der die Leistungsfähigkeit des Umformers begrenzt. Die wachsende Versteifung des Schaumstoffes vermindert beachtlich die effektive akustische Federung dieses Raumes ohne irgendeine entsprechende Verminderung des durch den Umformer beanspruchten Raumes. Ferner wird durch den Schaumetoff eine effektive Masse zu der des Filmes hinzuaddiert und der Vorteil des geringen Massen/Flächenverhältnisses des Filmes geht verloren.

Eine andere bekannte Lösung, die eine mechanische Vorspannung durch die Durchzugskraft eines elektrischen Feldes erzeugt, ist in der US-PS 3 894 198 dargestellt und beschrieben, wobei diese Anordnung aber die Kombination eines piezoelektrischen Dünnfilm-Umformers mit einem elektroakustischen Umformer erfordert, der entweder extern oder elektretpolarisiert ist.

Trotz dieser Anstrengungen im Stand der Technik wurden unter Verwendung hochpolymerer piezoelektrischer Filme keine Umformerstrukturen erzielt, die in ihrer Leistungscharakteristik das Potential voll ausschöpfen, das durch die solchen Filmen anhaftenden Eigenschaften angeboten wird.

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung liegt in der Herstellung

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eines verbesserten Umformers vom Typ, der von einem piezoelektrischen Film als Umformelement Gebrauch macht. Weitere Ziele der Erfindung liegen in der Schaffung eines piezoelektrischen DUnnfilm-Umformers, der erstens elastisch stabil im Betrieb und Gebrauch ist, zweitens keine statische Druckdifferenz auf dem Film-Umformerelement verwendet, drittens einen elektromagnetischen Kopplungskoeffizienten in der Nähe des durch den Film vorgegebenen Koeffizienten aufweist, und viertens eine minimale Nicht-Linearität beim Betrieb aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer Umformerstruktur, die für eine kommerzielle Herstellung und für den Gebrauch geeigneter ist.

In einer speziellen Ausführxmgsform der Erfindung, die nachstehend in Einzelheiten beschrieben wird, konvertiert der Umformer zwischen elektrischer und mechanischer Energie mittels des piezoelektrischen Effektes in einem unterstützten Blatt eines einachsig ausgerichteten, elektrisch polarisierten, dünnen, hochpolymeren Pilmes mit Oberflächenelektroden und ist dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film in Form einer Reihe gebogener im wesentlichen zylindrischer Segmente mit abwechselnder Biegung angeordnet ist, wobei jedes Segment in der Lage ist, als getrenntes und unterschiedliches Umformerelement zu arbeiten. Darüber hinaus sind die Oberflächenelektroden auf dem Film unterteilt, das heißt, mit Lücken versehen und an ausgewählten Stellen zwischen benachbarten Segmenten angeordnet, um die getrennten Umformelemente in einer vorgegebenen Weise, das heißt, in Reihe, parallel oder reihenparallel elektrisch miteinander zu verbinden. Wenn die Anzahl der Segmente gerade ist, so verschwinden die harmonischen Störungen der zweiten und anderer

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ungerader Ordnung im wesentlichen, woraus in jedem Fall eine verbesserte linearität beim Betrieb resultiert. Zur gleichen Zeit wird durch die Anordnung einer Anzahl von unterstützten zylindrischen Segmenten oder Bögen eine elastische Stabilität erteilt, ohne daß irgendwelche statischen Druckmittel erforderlich sind.

Nach weiteren Gesichtspunkten der Erfindung ist der piezoelektrische Film auf einem Rahmen unterstützt, welcher ein Paar von im Abstand angeordneten Oberflächen mit abwechselnder Biegung aufweist, über denen der Film unter einer entsprechenden Spannung beim Zusammenbau befestigt ist, und der Rahmen besitzt Rippen, die den Film an Stellen unterstützen, die zwischen benachbarten gebogenen Segmenten liegen. Die Spannung beim Zusammenbau kann gegebenenfalls bedeutend zur elastischen Stabilität der Filmoberfläche innerhalb der Segmente beitragen. Beim Gebrauch für elektroakustische Zwecke kann der Umformerrahmen und der Film an einem Gehäuse montiert werden, das eine akustische Öffnung aufweist.

Andere Ziele, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung offenbart, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in den anliegenden Zeichnungen dargestellt ist, beschrieben werden.

Hierbei zeigen:

•Fig. 1 eine perspektivische Ansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Trägers und eines Blattes eines piezoelektrischen Filmes für den Gebrauch in einem elektromechanischen Umformer gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei jedoch andere Elemente de3 Umformers der Übersicht wegen weggelassen wurden;

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Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht der piezoelektrischen Filmanordnung gemäß Pig. 1, in einem Schnitt entlang der Linie 2-2 in Pig. 1;

Pig. 3 eine schematische Schnittansicht eines anderen piezoelektrischen Filmes gemäß der Erfindung zur Veranschaulichung einer Parallelverbindung der Umformerelemente;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines weiteren piezoelektrischen Filmes gemäß der Erfindung zur Veranschaulichung einer besonderen Serien-Parallelverbindung der Umfonnerelemente;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen elektroakustischen Wandler unter Benutzung eines piezoelektrischen Filmes,der gemäß der vorliegenden Erfindung unterstützt ist und wobei das Umformergehäuse weggelassen wurde, und

Pig. 6 einen Schnitt gemäß Linie 6-6 in Pig. 5, wobei das Umformergehäuse in gestrichelten Linien dargestellt ist.

Gemäß der Zeichnung ist in den Figuren 1 und 2 ein piezoelektrischer Dünnfilm 1 dargestellt ,der gemäß der vorliegenden Erfindung der Verwendung in einem elektromechanischen Umformer dient, und ein Rahmen 2 unterstützt den piezoelektrischen Film 1. Zwecks klarer Darstellung sind andere Umformerelemente in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt.

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Der piezoelektrische Film 1 ist in typischer Weise aus einer zentralen Polymerschicht 3 aufgebaut, beispielsweise aus P olyvinylidenfluorid , dao sich zwischen einer oberen Oberflächenelektrode 4 und einer unteren Oberflächenelektrode 5 befindet. Zur deutlichen Darstellung ist der piezoelektrische Film 1 und seine anteiligen Elemente in übertriebener Stärke dargestellt.Die Elektroden 4 und 5 können aus im Vakuum metallisiertem Aluminium bestehen und sie sind sehr dünn, so daß das niedrige Massen/Flächenverhältnis des Filmes nicht nennenswert erhöht wird. Der Film 1 ist in Dickenrichtung homogen polarisiert, und die Einachsenrichtung oder die Achse des Filmes erstreckt sich in der Ebene des Filmes parallel zu dem Pfeil 6. Wie bekannt, wird, wenn ein solcher piezoelektrischer Film parallel zu seiner Einachsenrichtung 6 gedrückt oder gedehnt wird, ein elektrisches Signal mit einer Polarität an den Oberflächenelektroden 4 und 5 erzeugt, wobei bei einer Druckbeanspruchung die eine Polarität und bei einer Zugbeanspruchung die andere Polarität erzeugt wird. Der piezoelektrische Effekt ist am größten, wenn die Druckoder Zugbeanspruchung in der Filmebene liegt. In bestimmten Fällen kann eine komplexere Schichtstruktur als die in den Figuren 1 und 2 wünschenswert sein. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn die Adhäsion zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Film verbessert werden sollen. Schichtstrukturen des zuletzt erwähnten Typs sind in der US-PS 3 912 830 beschrieben.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der piezoelektrische Film 1 aus einer Reihe gleicher, gebogener, zylindrischer Segmente aufgebaut, die mit S 1 bis S 6 bezeichnet sind und deren Biegung abwechselndes Vorzeichen aufweist. Die

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Segmente sind in ihrem Querschnitt vorzugsweise im wesentlichen kongurent zueinander.Der piezoelektrische Film 1 besitzt somit von oben gesehen Segmente S 1, S 3 und S 5 mit konvexer Biegung, die mit Segmenten S 2, S 4 und S 6 mit konkaver Biegung abwechselt. Die Achsen der zylinderischen Segmente erstrecken sich senkrecht zu der Einachsenrichtung 6 des Filmes. Der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform sind 6 Segmente angeordnet, von denen jedes vorzugsweise annähernd einen Teil eines geraden kreisförmigen Zylinders umfaßt. Andere gebogene zylindrische Formen, die in der Lage sind, Druckdifferenzen über dem Film 1 in eine Beanspruchung entlang der Einachsenrichtung 6 des Filmes 1 umzuwandeln, können ebenfalls verwendet werden. Die Anzahl der vorzusehenden Segmente hängt von der Größe des Umformers und dem effektiven Betriebsdruck ab,dem sie widerstehen muß. Im allgemeinen wird die Spannweite 1 eines jeden zylindrischen Segmentes aufgrund der mechanischen Eigenschaften des Films gewählt, so daß jedes zylindrische Segment elastisch stabil ist, ohne daß eine mechanische Vorspannung im Bereich der effektiv festzustellenden Druckdifferenzen erfordeii ich ist.

βemäß den Figuren 1 und 2 unterstützt der Rahmen 2 den piezoelektrischen Film 1 an seinem äußeren Umfang mit Endwänden 2E und Seitenwänden 23. Die Endwände 2E besitzen obere Oberflächen, die zylindrische Segmente mit abwechselnder Biegung bilden, welche ihrerseits mit dem gewünschten Querschnitt des Filmes 1 übereinstimmen. Zusätzlich besitzt der Rahmen 2 .mehrere im Abstand angeordnete longitudinale Rippen 7, die sich parallel zu den Achsen erstrecken und den Film 1 an den Verbindungspunkten benachbarter zylindrischer Segmente S1, S2, usw. unterstützen . Der Film 1 wird somit in Bereichen unter-

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stützt, wo die Filmbiegung von konkav zu konvex und umgekehrt sich verändert. Als Folge dieser Art und Weise der Unterstützung des piezoelektrischen Filmes 1 bildet jedes zylindrische Segment einen getrennten Umformer.

Wenn dementsprechend eine Druckdifferenz über dem gesamten Film angelegt wird, so bilden die konvexen Elemente S 1, S und S 5 elektrische Signale mit Polaritäten, die den elektrischen Signalen entgegengesetzt sind, welche von den konkaven Segmenten S 2, S 4 und S 6 gebildet werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung besitzen die oberen und unteren Oberflächenelektroden 4 und 5 Stellen oder Abschnitte 4G und 5 G, die die Oberflächenelektroden in ausgewählte Abschnitte an den Verbindungsstellen benachbarter Segmente unterteilen, das heißt, an den Stellen,wo die Filmbiegung ihr Vorzeichen umkehrt. Diese Stellen werden typisch erweise in einem vollständig mit Elektroden versehenen Film durch ein chemisches oder elektrochemisches Ätzverfahren gebildet.

Aufgrund der Bereichs 4G und 5G können die durch die Segmente S1 bis S6 dargestellten verschiedenen Umformerelemente nützlicherweise miteinander verbunden werden. In der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Anordnung sind die Bereiche der oberen Elektrode 4 zwischen den Segmenten S1 und S2, S3 und S4, und S5 und S6 angeordnet, und sie sind somit gegenüber den Bereichen der unteren Elektrode 5 versetzt angeordnet,die zwischen den Segmenten S2 und S3 und S4 und S5 angeordnet sind. Die sich ergebenden Teile der oberen Elektrode 4 überlappen mit Teilen der unteren Elektrode 5 und legen alle Umformerelemente elektrisch in Reihe. Auf-

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grund der Biegungsumkehr zwischen "benachbarten Segmenten, wie beispielsweise S1 und S2, sind die Umformerelemente in Reihe in solcher Weise angeordnet, daß die elektrischen Signale, die über den piezoelektrischen Umformerelementen gebildet werden, einander überlagern und eine elektrische GesamtSignalspannung an den Ausgangsklemmen 8 und 9 erzeugen, deren Größe etwa der 6-fachen Signalgröße über einem einzelnen Segment entspricht. Der Effekt des Kapazitätsverlustes reduziert diesen Multiplikationswert etwas gegenüber dem Idealwert 6.

Eine geeignete Verbindung der Segmente, wie beispielsweise die additive Serienverbindung der Filmsegmente S1 bis S6 gemäß den Figuren 1 und 2, bringt einen wichtigen Vorteil dergestalt, daß die Umformerleistungsfähigkeit und Linearität verbessert wird, indem die harmonische Störung gerader Ordnung aufgehoben wird. Bei hohen akustischen Drücken kann die maximale Verschiebung der Umformerelemente beträchtlich in bezug auf die Höhe der zylindrischen Bögen werden. Beispielsweise vermindern Abwärtsverschiebungen die Höhe der konvexen Bögen und vergrößern die Höhe der konkaven Bögen. In irgendeinem Umformelement verursacht die entsprechende Betriebsasymmetrie unter positiven und negativen Verschiebungen eine Asymmetrie in der mechanischen Kopplung zwischen der Druckdifferenz auf dem Film und der Beanspruchung in der Einachsenrichtung des Filmes. Als Folge hiervon tritt die dominierende Nichtlinearität eines einzelnen Umformerelementes in Form einer harmonischen Störung zweiter Ordnung auf. Die Phase der harmonischen Störung zweiter Ordnung und aller harmonischen Störungen gerader Ordnung ist jedoch zwischen konvexen und konkaven

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Umformerelementen einander entgegengerichtet. Wenn daher alle Umformerelemente, abgesehen von dem Vorzeichen ihrer Biegung, einander gleich sind, und wenn die Anzahl der konkaven Elemente der Anzahl der konvexen Elementen entspricht, so werden die harmonischen Störungen gerader Ordnung, die den einzelnen Segmenten zugeordnet sind, einander entgegengerichtet, und es verschwindet die harmonische Störung gerader Ordnung in der elektrischen (iesamtsignalspannung an den Klemmen 8 und 9 des Mehrelement-Umformers. In dieser Weise wird die Nicht-Linearität des Umformers auf ein Minimum reduziert und die verbleibende Nicht-Linearität tritt im wesentlichen als harmonische Störung dritter und höherer ungerader Ordnung auf.

Die Umformerelemente S1 bis S6 müssen jedoch nicht in Reihe geschaltet werden.Wie in Figur 3 dargestellt, können die Bereiche 4G und 5G in den Elektroden 4 und 5 so angeordnet werden, daß jedes Umformerelement, beispielsweise das Element S1,ein getrenntes Paar von Elektroden besitzt. Alle Elektroden einer elektrischen Polarität können durch elektrisch leitende Mittel miteinander verbunden werden, die teilweise durch.das Ätzmuster der Oberflächen --Elektroden 4 und 5 gebiM et werden, die sich in der Nähe einer Kante des Filmes parallel zu der Richtung 6 erstrecken. Alle Elektroden der anderen elektrischen Polarität können in gleicher Weise durch elektrisch leitende Mittel in der Nahe der entgegengesetzten Kante des Filmes gebildet werden. Diese Verbindungen sind in Figur 3 schematisch dargestellt und an die Ausgangsklemmen 1OA und 10B angeschlossen.

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Zusätzlich zu der Serienverbindung der Elemente gemäß der Figur 1 und der Parallelverbindung gemäß Figur 3 kann eine Anzahl von Serien-Parallelverbindungen verwendet werden. Ein Beispiel ist in Figur 4 dargestellt, wobei eine Reihenverbindung zwischen benachbarten Elementen S1 und S2, S3 und S4, und S5 und S6 geschafffen wurde und die drei Grpppen von reihenverbundenen Elementen parallel verbunden sind. Serien-Parallelverbindungen sind von einiger Bedeutung, da die Anzahl der TJmformerelemnte sehr groß sein kann und der geforderte Impedanzpegel des Umformers bei einer reinen Reihen- oder Parallelverbindung der Elemente nicht damit ve re inbar,s e in kann.

Die Figuren 5 und 6 veranschaulichen einen vollständigen Aufbau eines elektromechanischen Umformers eines Typs, der beispielsweise zur Verwendung als Miniatur-Hörhilfenmikrophon geeignet ist. In dem Umformer ist ein dem Film 1 gemäß Figur 1 entsprechender piezoelektrischer Film 11 durch einen Kleber auf einen Träger 12 geklebt, der aus einem elektrisch isolierenden Plastik material gegossen ist. Der Träger 12 besitzt einen Rahmen, der an seiner oberen Oberfläche flache Teile 15 und 16 und unebene Flächen 17 und aufweist, die wie die Oberflächen der Endwände 2E gemäß Fig. 1 der Kontur des Filmes 11 gemäß Fig. 6 angepaßt sind. Der Träger 12 besitzt ferner Rippen 13 mit Dachflächen 19, die sich den Rippen entlang erstrecken und der Querrichtung zu den Rippen den Oberflächen 17 und 18 angepaßt sind. Der Träger 12 besitzt Perforierungen 14, die eine Verbindung zwischen der Unterseite des Filmes 11 und dem Luftraum 2 8 herstellen.

Vor dem Zusammenbau mit dem Träger 12 ist der Film 11 länger als in Fig. 5 dargestellt, so daß eine Befestigungsspannung

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auf ihn parallel zu den Rippen 13 ausgeübt werden kann. Der Film 11 wird sodann nach untern auf den mit einem Kleber beschichteten Träger 12 gebracht, wobei die Spannung teilweise der Anpassung des Filmes an die Oberflächen 17, 18 und 19 und Teilen der Oberflächen 15 und 16 dient. Der Film wird somit gezwungen,in seinem Querschnitt im wesentlichen die Form der Oberflächen 17 Und 18 entlang der Länge der Rippen 13 einzunehmen (wie dies in Fig. 6 dargestellt ist). Die Rippenoberflächen 19 liegen im wesentlichen den Elektrodenlücken 4G und 5G gemäß Figur 1 gegenüber, wodurch ein kapazitiver Nebenschluß des Umformers durch jene Teile des Filmes 11 minimalisiert wird, die elektromechanisch inaktiv durch Verkleben der Oberflächen 19 gehalten werden. Nach dem vollständigen Aufkleben wird der Film 11 auf die in Fig. dargestellte Länge zugeschnitten,wobei eine Restspannung in dem Film parallel zu den Rippen 13 verbleibt.

Ein keramisches Substrat 22, das an seiner Bodenfläche eingebrannte leitende Schichten aufweist, bildet Leitungen zu einem gekapselten Flächen-Feldeffekttransistor( JFET) 23,der als Quellenfolger geschaltet ist. Das keramische Substrat 22 ist in einer Ausnehmung in dem Träger 12 eingeklebt. . Leitende Schichten 20 und 2.1, z.B. silberpigmentierte Epoxydechichten, erstrecken sich entlang Kanälen in dem Rahmen des Trägers 12 und bilden Kontakte zwischen den äußersten Elektroden des Filmes 11 und entsprechenden Leitungen auf dem Substrat 22. Die Schicht 21 ist an die Steuerelektrode des Quellenfolgers angeschlossen und dementsprechend ist der Kanal für die Schicht 21 tiefer, um die Leckkapazität gegenüber einem metallischen

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Gehäuse 25 und einem Deckel 26 um den Film 11 und den Träger 12 zu reduzieren. Das Gehäuse 25 und der Deckel 26, die einen akustischen Hohlraum auf jeder Seite des Films festlegen, sind in gestrichelten Linien gezeigt, um einen besonderen elektroakustischen Umformer zu kennzeichnen, der diese elektromechanische Ausführung der Erfindung umfaßt. Der Gehäusetopf 25 ist gezogen und weist einen leichten Steg auf, auf welchem sich der Träger 12 zum Zwecke der Befestigung abstützt. Die Lücke 24 in einem der Kanäle zwischen dem Träger und der Gehäusewand ist abgedichtet und weist lediglich eine akustische Öffnung oder ein anderes akustisches Impedanzelement auf. Beispielsweise kann die Lücke 24 durch einen nicht korrosiven Silikon-Isoliergrund abgedichtet sein und die akustische öffnung kann durch die Wegnahme eines adhäsiv an der Oberfläche angeordneten Fadens oder Drahtes von dem ausgehärteten Isoliergrund gebildet werden. Der Rest des Trägers 12 ist abgedichtet und mit der Wand des Gehäuses 25 mit einem Kleber wie beispielsweise Epoxyd verklebt und der Deciel 26 ist in gleicher Weise abgedichtet und mit dem Träger 12 und der oberen Kante des Gehäuses 25 verklebt. Der Träger 12 dient der seitlichen Führung des Deckels in bezug auf das Gehäuse. Der Deckel 26 enthält einen akustischen Einlaß 27, der durch ein akustisches Dämpfungsmittel abgedeckt sein kann, und der als eine akustische Verbindung durch die Wand des Gehäuses mit dem akustischen Hohlraum innerhalb des Gehäuses über dem Film 11 dient. Leitungsdrähte erstrecken sich von dem Substrat zu Anschlußklemmen in der Gehäusewand, die fiDhematisch durch die Bezugsziffer 29,30 und 31 angedeutet sind. Die Anschlußklemme 31 ist mit der Senke und die Anschlußklemme 30 ist mit der Quelle des Feldeffektransistors JFET des Quellenfolgers 23 verbunden. Eine elektrische Gleichspannungsquelle,

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die durch eine Batterie oder eine andere Einrichtung gebildet wird,ist an die Anschlußklemmen 31 und 29 angeschlossen und der elektrische Signalausgang des Quellenfolgers wird den Ausgangsklemmen 30 und 29 abgenommen.

Der in Pig. 6 dargestellte elektroairustische Umformer ist ein druckbetriebenes Allrichtungs-Mikrophon. Die akustische Volumenverschiebung, die am Einlaß ein- oder austritt, verursacht eine mechanische Verschiebung eines jeden der zylindrischen Bögen, die durch den Film 11 zwischen irgendeinem benachbarten Paar der Rippen 13 gebildet werden, und diese Verschiebungen haben ungefähr die gleiche Phase. Eine Abwärtsverschiebung setzt somit beispielsweise die Filmteile mit konvexen Bögen in der in Fig. 1 durch den Fall 6 angedeuteten Richtung unter Druck und versetzt die Filmteile unter Spannung, die durch konkave Bögen gebildet werden. Die resultierende Änderung der elektrischen Signalfelder .zwischen benachbarten Umformerelementen, die durch den piezoelektrischen Effekt in Dickenrichtung des homogen polarisierten Films erzeugt wird, ist genau diejenige, die für die reine Reihenschaltung der Elektrodenkonfiguration gemäß Fig. 1 benötigt wird. Die leitenden Schichten 20 und 21, die als Leitung zu den Anschlußklemmen 8 und 9 gemäß Fig. 1 wirken, übertragen die gesamte elektrische Signalspannung auf den Eingang des Quellenfolgers 23, der seinerseits die Ausgangsklemmen 30 und 29 ansteuert.

Die in einem praktischen Umformer geforderte elastische Stabilität wird bei der Erfindung erstens durch die Biegesteifigkeit des unterstützten und befestigten Filmes oder

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zweitens durch ei, 3 Kombination einer solchen Biegesteifigkeit und durch die Spannung in dem Film erhalten, die nach dem Aufspannen und dem Zusammenbau mit dem Träger verbleibt.

Die kritische Druckdifferenz für den Beginn des elastischen Ausbeulens hängt aufgrund des Effektes der Biegesteifigkeit eng mit seiner Spannweite zusammen^ Tatsächlich ist bei fehlender Biegesteifigkeit die kritische Druckdifferenz gleich Null, wenn keine zusätzliche Membran-Beanspruchung vorliegt, die der Ausbeulung entgegenwirkt. Wie aus den Fig. 1 und 6 hervorgeht,wird die kritische Druckdifferenz für einen dünnen hochpolymeren piezoelektrischen Film auf einen nützlichen Wert gesteigert, in dem der Film 11 in einer Anzahl von Bögen relativ kleiner Spannweite unterteilt wird, wobei jeder Bogen durch ein Paar benachbarter Rippen 13 unterstützt und mit diesen befestigt wird.

Die Verwendung der Biegesteifigkeit als primäres Mittel zur Erzielung einer nützlichen kritischen Druckdifferenz führt zu einer Reduktion des wirksamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten des Filmumformers. Tatsächlich ruft jedes Mittel zur Erzielung einer ausreichenden elastischen Stabilität eine Reduktion, des wirksamen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten hervor. Die Verwendung der Biegesteifigkeit ist jedoch höchst wirksam und bei der Erhöhung der kritischen Druckdifferenz leicht zu steuern, so daß auf diese Weise die Reduktion des Kopplungskoeffizienten minimali-.siert wird, während das niedrige Massen/Flächenverhältnis des Filmes voll bewahrt bleibt.

Der elektromagnetische Kopplungskoeffizient des Filmes ist ebenfalls nahezu völlig realisiert durch die natürliche Folge

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des Aufbaus fremäß der vorliegenden Erfindung. Wie aus Fig. 5 ersicluxu.ch,sind die Umformerelemente ziemlich lang , während die Einachsenrichtung 6 sich quer zu der Längsdimension erstreckt. An den Enden eines Jeden Elementes ist der Film 11 durch den Träger 12 an den Oberflächen 17 und 18 gehalten, so daß der Film, in der Einachsenrichtung nicht merklich "beansprucht werden kann. Die Wirkung dieser Beanspruchung nimmt rapide vom Ende des Elementes ab, aber der Nutzeffekt besteht in der Schaffung einer Totzone des Elementes, die elektromechanisch inaktiv ist, aber eine elektrische Kapazität im Nebenschluß mit dem aktiven Teil des Elementes besitzt, wenn das Element vollständig über seine ganze Länge mit einer Elektrode versehen ist. Dieses Äquivalent zu dem kapazitiven Nebenschluß vermindert den effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffizienten, aber bei der Erfindung ist dieser Effekt minimal, da als direkte Folge der sehr langen Ausbildung eines jeden Elementes der Bereich der "Totzone" relativ klein in bezug auf die Fläche des Elementes ist.

Figur 6 veranschaulicht die Ausführung eines Allrichtungs-Mikrophones gemäß der vorliegenden Erfindung, aber der gleiche elektromechanische Zusammenbau und der zugeordnete Quellenfolger ist bei einer Vielzahl von Richtungsmikrophonen gewünsentenfalls anwendbar, wobei der Film 11 benutzt wird, um die Druckdifferenz zwischen zwei akustischen Räumen zu fühlen.

Der elektromechanische Umformer gemäß den Figuren 5 und 6 ist ebenfalls für Kopfhörer und HochtonlautSprecher anwendbar, vorausgesetzt, daß die Auslenkung des Filmelementes 11 nicht die Filmdicke überschreiten soll und daher ein an-

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nehmbarer Linear!tätsgrad erreicht werden kann. Zusätzlich kann in solchen Anwendungsfällen die reine Parallelschaltung gemäß Fig. 3 die reine Serienschaltung gemäß Fig. 1 ersetzen um die erforderliche elektrische Signalsteuerspannung soweit wie möglich zu reduzieren. In einer Anordnung, in der beispielsweise das Filmelement gemäß Fig. 3 durch das Filmelement 11 gemäß den Figuren 5 und 6 ersetzt wird, wird das elektrische Eingangssignal von einem Transformator, elektronischem Verstärker oder anderen Einrichtungen an die Klemmen 1OA und 10B angelegt. Dieses Signal veranlaßt die Umformerelemente zu einer annähernd phasenrichtigen akustischen Vibration und die resultierende akustische Volumenverschiebung verursacht einen akustischen Druck in einem Hohlraum oder die Abstrahlung von akustischer Energie aus dem Umformer heraus je nach den Gegebenheiten. Die Erläuterungen hinsichtlich der elastischen Stabilität, des effektiven elektromechanischen Kopplungskoeffzienten und der Aufhebung harmonischer Störung gerader Ordnung sind für diese Tonerzeugungsanordnungen gemäß der Erfindung in gleicher Weise gültig. . .. ..

Obgleich ein spezielles Ausführungsbeispiel der Erfindung vorstehend näher beschrieben wurde, liegt es auf der Hand, daß dies nur zum. Zweck der Erläuterung der Erfindung erfolgt ist, und nicht ausgelegt werden soll, um die Erfindung unnötigerweise zu beschränkende es auf der Hand liegt, daß viele Änderungen durch den Fachmann hinsichtlich der offenbarten Strukturen vorgenommen werden können, um Anpassung an "spezielle Anwendungsfälle vorzunehmen.

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Claims

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DIPL-ING.

HELMUT GÖRTZ

Frankfurt am Main 70
Schneckenhcislr. 27 - Tel. 617079

26. April 1977

GzHz/Lo Tibbetts Industries Inc.

Elektro-mechanischer Umformer

Patentansprüche:

1) Anordnung zur Umformung zwischen elektrischer und mechanischer Energie aufgrund des piezoelektrischen Effektes in einem unterstützten Blatt eines einachsig ausgerichteten elektrisch polarisierten hochpolymeren Films mit Oberflächenelektroden zum Anschluß an einen elektrischen Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film eine Reihe gebogener im wesentlichen zylindrischer Segmente mit abwechselnder Biegung aufweist, und daß die Oberflächenelektroden auf dem Film in ausgewählten Stellen zwischen benachbarten Segmenten aufgeteilt sind, wobei die Reihe unterstützter gebogener Segmente dem piezoelektrischen Film eine nützliche elastische Stabilität erteilt und die durch die unterstützten gebogenen Segmente und die unterteilten Oberflächenelektroden gebildeten einzelnen Umformer elektrisch miteinander verbunden werden können, um eine gewünschte Übertragung* und Impedanzcharakteristik des Umformers zu erhalten.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenelektroden so unterteilt sind, daß ein benach-

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bartes Segmentpaar mit entgegegengesetzt er Biegung elektrisch in Reihe schaltbar ist.

3.Umformer nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein weiteres nicht-benachbartes Paar gebogener Segmente, die elektrisch parallel geschaltet sind.

4.Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Verbindungen, um die gebogenen Segmente elektrisch parallel zu schalten.

5.Umformer nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Segmente im wesentlichen im Querschnitt kongruent zueinander sind, und daß die unterteilten Oberflächenelektroden elektrisch miteinander verbunden, sind,um die den einzelnen gebogenen Segmenten harmonischen Störungen gerader Ordnung einander entgegenwirken zu lassen und die harmonische Gesamtstützung gerader Ordnung zu reduzieren.

6.Umformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl gebogener Segmente vorliegt und die harmonische Störung gerader Ordnung im wesentlichen unterdrückt wird.

7.Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die gebogenen Segmente xn Längsrichtung erstrecken und im wesentlichen Teile von kreisförmigen Zylindern bilden.

8.Umformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Unterstützung des piezoelektrischen Films, welche im Abstand angeordnete Oberflächen umfassen, die der abwechselnd gebogenen Ausbildung des Films angepaßt sind und durch Mittel, um den Film auf diesen Oberflächen zu befestigen.

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9. Umformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der piezoelektrische Film unter Spannung zwischen den im Abstand angeordneten Oberflächen befindet.

10. Umformer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützmittel für den piezoelektrischen Film ferner Rippen aufweist, die den Film an den Stellen zwischen benachbarten Segmenten unterstützen.

11. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film an seinem Rand und an Stellen zwischen benachbarten gebogenen Segmenten unterstützt ist.

12. Umformer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die gebogenen Segmente in Längsrichtung erstrecken, und daß effektiv inaktive Bereiche des Films nahe den unterstützten Enden der Segmente eine kleine Fläche in bezug auf die Gesamtfläche der Segmente aufweisen.

13. Elektroakustischer Umformer beruhend auf dem piezoelektrischen Effekt in einem unterstützten Blatt eines einachsig ausgerichteten elektrisch polarisierten hochpolymeren Films mit Oberflächenelektroden zum Anschluß an einen elektrischen Schaltkreis, gekennzeichnet durch Mittel zur Unterstützung des Filmes, bestehend aus einem Rahmen zur Unterstützung des Filmes an seinem Rand mit einem Paar im Abstand angeordneten Oberflächen, die eine Reihe gebogener im wesentlichen zylindrischen Segmente mit abwechselnder Biegung aufweisen und auf der der Film befestigt dät, um dadurch eine entsprechende Reihe gebogener

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im wesentlichen zylindrischer Segmente mit abwechselnder Biegung in *~>ra Film zu bilden und bestehend aus Rippen,die sich zwischen dem Oberflächenpaar erstrecken und den Film an Stellen zwischen benachbarten Segmenten unterstützen, wobei jedes Segment als getrenntes elektroakustisches Umformerelement arbeitet, "und den piezoelektrischen Film eine nützliche elastische Stabilität erteilt und durch eine Unterteilung der Oberflächenelektroden auf dem Film in ausgewählte Stellen zwischen benachbarten Segmenten, um ' ,· elektrische Verbindungen der Umformerelemente in einer vorbestimmten Weise zu gestatten.

H. Umformer nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch ein Gehäuse, auf das die Unterstützungsmittel montiert sind, wobei das Gehäuse zumindest einen akustischen Hohlraum bildet,an dem der piezoelektrische Film angeschlossen ist.

15· Umformer nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine akustische Verbindung durch eine Wand des Gehäuses, welches sich in den akustischen Hohlraum erstreckt.

16. Umformer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Segmente einander gleich sind, und daß die Umformerelemente elektrisch so miteinander verbunden sind, daß die den einzelnen Umformerelementen zugeordneten harmonischen Störungen gerader Ordnung einander entgegenwirken und die harmonische Gesamtstörung gerader Ordnung hinsichtlich der elektroakustIschen Charakteristik des Umformers reduziert wird.

17. Umformer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl gebogener Segmente vorliegt und die

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harmonische Störung gerader Ordnung im wesentlichen unterdrückt wird.

18. Umformer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichtnet, daß sich die gebogene Segmente in Längsrichtung erstrecken und im wesentlichen Teile von kreisförmigen Zylindern bilden.

19..Umformer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich der piezoelektrische Film zwischen dem Paar im Abstand angeordneten Oberflächen in gespannten Zustand befindet.

20. Umformer unter Verwendung des piezoelektrischen Effektes in einem unterstützten Blatt eines einachsig ausgerichteten elektrisch polarisierten hochpolymeren Filmes mit Oberflächenelektroden zum Anschluß an einen ' elektrischen Schaltkreis, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Film die Form einer Reihe von Segmenten von im wesentlichen gewölbtem Querschnitt mit abwechselnder Biegung aufweist,

daß sich mehrere Rippen entlang der Segmente erstrecken, um den Film an Stellen zwischen benachbarten Segmenten zu unterstützen,

wobei jedes Segment als unterschiedliches Umformerelement arbeitet und dem piezoelektrischen Film eine nützliche elastische Stabilität erteilt wird und wobei die Oberflächenelektroden des Filnßin getrennte Stellen zwischen benachbarten Segmenten unterteilt sind, um eine elektrische Verbindung der Umformerelemen-fe in einer vorbestimmten Weise zu gestatten.

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21. Umformer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die gebogenen Segmente einander gleich sind, und daß die Umformerelemente so miteinander verbunden sind, daß die den einzelnen Umformerelementen zugeordneten harmonischen Störungen gerader Ordnung einander entgegenwirken, um die harmonische Gesamtstörung gerader Ordnung des Umformers zu reduzieren.

22. Umformer nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl gebogener Segmente vorliegt, und die harmonische Störung gerader Ordnung im wesentlichen unterdrückt wird.

23. Umformer nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Segmente in Längsrichtung erstrecken und im wesentlichen Teile von kreisförmigen Zylindern bilden.

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