DE69635308T2

DE69635308T2 - Piezoelektrischer wandler

Info

Publication number: DE69635308T2
Application number: DE69635308T
Authority: DE
Inventors: E. Glenn WARNAKA; E. Mark WARNAKA
Original assignee: New Transducers Ltd
Current assignee: NVF Tech Ltd
Priority date: 1995-11-06
Filing date: 1996-11-04
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JP3383314B2; ATE307472T1; ES2249788T3; KR100310349B1; IN192273B; US5838805A; BR9611417A; US6195440B1; CA2235754A1; CA2235754C; JPH11500294A; DE69635308D1; KR19990064236A; WO1997017820A1; EP0872158A4; EP0872158A1; EP0872158B1

Description

Lautsprecher mit einem piezoelektrischen Wandler, der dazu in der Lage ist, akustische Oberflächenwellen zum Antreiben einer Membran zu verbreiten, wurden als eine Alternative zu Lautsprechern mit einer sich bewegenden Spule vorgeschlagen. Eine derartige Einrichtung wurde von Martin im US-Patent Nr. 4,368,401 und später von Takaya im US-Patent Nr. 4,439,640 beschrieben. Beide Erfindungen befassten sich mit dem Befestigen eines scheibenförmigen Piezoelements an einer Membran. Martin's Einrichtung verwendete eine dicke Klebstoffschicht (10 bis 50% der Dicke der Trägerplatte) zwischen einer Trägerplatte und der Piezokeramik. Die Klebstoffschicht diente dazu, Resonanzen zu dämpfen. Jede Verlagerung in dem piezoelektrischen Element ist unmittelbar mit dem angelegten elektrischen Potential korreliert.
Ein Nachteil beim Einsatz von Wandlern mit einem piezoelektrischen Element besteht darin, dass derartige Materialien sehr teuer sind und dass mit der Verwendung eines ausreichend groß ausgebildeten piezoelektrischen Materials zum Antreiben großer Membranen beträchtliche Ausgaben verbunden wären. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass piezoelektrische Materialen in der Regel vergleichsweise spröde sind und sich nicht gut verformen. Wenn man versucht, piezoelektrische Materialien an die Krümmung einer unregelmäßig geformten Membran anzupassen, können sie daher springen oder brechen, was dazu führt, dass Ausgaben erforderlich sind.
Es wäre daher vorteilhaft, zu versuchen, die Kosten des Einsates piezoelektrischer Elemente in einem Wandler zu verringern und sie solchermaßen an eine Membran anzupassen, dass die Möglichkeit einer Beschädigung des Piezoelements verringert wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler gemäß dem Patentanspruch 1 zum Aufbringen einer Bewegung auf eine Membran, insbesondere eine vergleichsweise große Membran. Der Wandler besteht aus einer piezoelektrischen Schicht (oder einer Schicht aus einem anderen Material, das mit einer Schicht aus piezoelektrischem Material bedeckt ist), die dazu in der Lage ist, akustische Biegewellen zu verbreiten, wobei das piezoelektrische Material typischerweise eine flache Schicht ist, die auf der Oberseite einer Substratschicht angeordnet ist, welche im Wesentlichen das gleiche Maß an Steifigkeit (gemessen durch ihren Elastizitätsmodul und ihre Dicke) wie das piezoelektrische Material hat, jedoch eine höhere Steifigkeit als das Membranmaterial hat, so dass sich die Membran entsprechend bewegt, wenn das Substratmaterial durch die Bewegung des piezoelektrischen Materials deformiert wird. In dieser Hinsicht kann die Dicke des Substrats entsprechend den Eigenschaften des piezoelektrischen Materials optimiert werden. Die Oberfläche des Substrats ist größer als das piezoelektrische Element, um eine Bewegung auf eine größere Fläche der Membran aufzubringen. Die Erfindung umfasst darüber hinaus den Einsatz einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wandler, die an einer einzigen Membran befestigt sein können, beispielsweise um den Frequenzbereich zu erweitern. Größere Wandler können dazu eingesetzt werden, niedrige Frequenzen zu erzeugen und kleinere Wandler können dazu eingesetzt werden, höhere Frequenzen zu erzeugen. Der Einsatz mehrerer Wandler kann dazu dienen, die auf die Membran aufgebrachte Bewegung und folglich das Volumen oder die Lautstärke des Schalls zu erhöhen. Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispielhaft mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers zeigt.
2 mögliche Formen piezoelektrischer Elemente zeigt, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden.
3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers zeigt, bei der das piezoelektrische Element zusammen mit Bewegungskopplern eingesetzt wird.
4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers zeigt, bei der dargestellt ist, wie das piezoelektrische Element in einer anderen Art und Weise zusammen mit Bewegungskopplern eingesetzt wird.
5 eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der zwei Wandler über eine mechanische Verbindung miteinander verbunden sind.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Wandlerkonstruktion 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein piezoelektrisches Element 11 ist auf der Oberseite eines Substrats 12 angeordnet, das eine größere Oberfläche hat als die piezoelektrische Schicht. Die piezoelektrische Schicht kann durch jedes geeignete Material mit dem Substrat verbunden sein.
Das Substrat hat eine größere Oberfläche als das piezoelektrische Element, um eine Bewegung auf einen größeren Bereich der Membran aufzubringen, als wenn das Substrat alleine an der Membran befestigt wäre. Dies führt zu Kostenersparnissen, da geringere Mengen des kostspieligen piezoelektrischen Materials verwendet werden müssen. Das Substrat hat eine Steifigkeit, die nicht größer ist als die Steifigkeit des piezoelektrischen Elements, aber größer als die Steifigkeit einer Membran, an der das Substrat befestigt wird.
Viele Materialien können vorteilhaft als Substrat eingesetzt werden. Diese Materialien umfassen Stahl, Aluminium, Messing, Kupfer und andere Metalle, Kunststoffe, Verbundmaterialien, etc. Aufgrund seiner geringen Kosten, seiner Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse, seiner einfachen Verbindbarkeit und aufgrund der Tatsache, dass sein Elastizitätsmodul ähnlich dem bestimmter piezoelektrischer Materialien wie z.B. PZT (Blei-Zirkon-Titanat) ist, ist Messing ein bevorzugtes Material für das Substrat. Der Wandler umfasst darüber hinaus eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an das piezoelektrische Element, die in der dargestellten Ausführungsform einen Verbinder 13 für einen Kabelstrang umfasst, der optional an dem Rand 14 des Substrats 12 befestigt ist und sich von diesem erstreckt. 1 zeigt darüber hinaus elektrische Leitungen 15 von dem piezoelektrischen Element 11 zu dem Verbinder 13.
Das Substrat 12 wird auf der Seite, die der an dem piezoelektrischen Element befestigten Seite gegenüberliegt, unmittelbar an einer Membran (nicht gezeigt) befestigt. Das Substrat und möglicherweise das piezoelektrische Element können vorgeformt oder anderweitig konfiguriert sein, um zu der Krümmung oder einer anderen Form der schallabstrahlenden Membran zu passen, an der das Substrat befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sollten für maximale Effizienz und minimale Verzerrung sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Impedanzen des Wandlers angepasst sein. D.h., die mechanische Impedanz des Wandlers sollte an die der schallabstrahlenden Membran angepasst sein, während die elektrische Impedanz des Verstärkers, der den Wandler antreibt, an die des Wandlers angepasst sein sollte, wenn er Schall abstrahlt. In einer weiteren Ausführungsform kann der Wandler auch mit einer konformen Beschichtung bedeckt sein, um für eine elektrische Isolierung und Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse zu sorgen. Darüber hinaus kann das piezoelektrische Element aus zwei oder mehr Schichten bestehen, die aufeinander angeordnet und wechselseitig elektrisch miteinander verbunden sind, um die Bewegung des piezoelektrischen Elements zu verbessern.
2 zeigt Beispiele möglicher Formen für das piezoelektrische Element. Das Element kann in verschiedenen Formen, wie z.B. quadratisch, rechteckig und rund hergestellt werden. Unregelmäßige Formen können ebenfalls eingesetzt werden, um Resonanzen an dem Wandler selbst zu minimieren und/oder um den Frequenzbereich zu erweitern. Um das letztgenannte Ziel zu erreichen, können elliptische, halbelliptische, abgeschnittene rechteckige und abgeschnittene quadratische Formen, etc. eingesetzt werden.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers, bei der ein piezoelektrisches Element 20, das in der Zeichnung eine rechteckige Form hat (obwohl jedes anders geformte piezoelektrische Element in dieser Ausführungsform eingesetzt werden kann), besonders bevorzugt an allen seinen Seiten 21, 22, 23 und 24 mit Bewegungskopplern 25, 26, 27, 28 gekoppelt ist, um die Kopplung der Bewegung des piezoelektrischen Elements an das Substrat 29 weiter zu gewährleisten, indem in allen Bewegungsrichtungen ein Kopplungsübergang auf das Substrat bereitgestellt wird, mit dem das Piezoelement 20 verbunden und auf dem es angeordnet ist. Falls gewünscht, können die Bewegungskoppler nur an bestimmten Seiten des piezoelektrischen Elements befestigt werden. Durch die Bereitstellung eines Kopplungsübergangs auf das Substrat wird weiter gewährleistet, dass die Bewegung des piezoelektrischen Elements an die schallabstrahlende Membran (nicht gezeigt) gekoppelt wird. Dies wird durch eine enge Kopplung vorzugsweise sowohl der Querals auch Seitbewegungen des piezoelektrischen Elements zuerst an die Bewegungskoppler erreicht, mit dem Endergebnis, dass die Bewegung anschließend durch das Substrat zu der schallabstrahlenden Membran geleitet wird. Die Bewegungskoppler sind darüber hinaus an dem Substrat angebracht. Es wurde herausgefunden, dass der Einsatz der Bewegungskoppler die Lautstärke des durch die schallabstrahlende Membran erzeugten Schalls erhöht und den erzeugten Bassschall auf niedrigere Frequenzen erweitert.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers, bei der gezeigt ist, wie das piezoelektrische Element 41 in einer anderen Art und Weise zusammen mit Bewegungskopplern eingesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Außenumfang 42 des piezoelektrischen Element 41 vollständig von einer einzigen Bewegungskopplerplatte 43 umgeben. Die Bewegungskopplerplatte 43 hat eine Öffnung, die sich in der dargestellten Ausführungsform in ihrer Mitte befindet, welche ausgeschnitten ist, um das piezoelektrische Element 41 aufzunehmen. Das piezoelektrische Element muss sehr eng anliegend in die Öffnung in der Bewegungskopplerplatte 43 passen, damit das piezoelektrische Element 41 an seinen Rändern 42 mit den Rändern der Öffnung in der Bewegungskopplerplatte 43 verbunden ist. Allgemein sollte die Bewegungskopplerplatte 43 die gleiche Dicke aufweisen wie das piezoelektrische Element 41. Das piezoelektrische Element 41 und die Bewegungskopp-lerplatte 43 sind beide mit dem darunterliegenden Substrat 45 verbunden. Das Material der Bewegungskopplerplatte 43 und des Substrats 45 können das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien sein, so dass die Bewegung des piezoelektrischen Elements 41 nicht wesentlich beschränkt wird. Ein Vorteil dieses Konzepts besteht darin, dass weniger Teile beteiligt sind und folglich der Wandler schneller an eine Massenproduktion anpassbar ist.
Der erfindungsgemäße Wandler wird, wenn er an einer Membran befestigt ist, selbstverständlich einen Lautsprecher bilden. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der mehr als ein integrierter Wandler, in diesem Fall ein Paar von Wandlern 51 und 52, die entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, an der selben Membran 53 befestigt ist. Es wurde herausgefunden, dass der Einsatz von mehr als einem Wandler in Verbindung mit der selben Membran ein Stereoschallbild erzeugt und darüber hinaus die Lautstärke erhöht und/oder den Frequenzbereich erweitert. Der bevorzugte Abstand, durch den die Wandler voneinander getrennt sein sollten, hängt von der Größe, dem Material, dem Aufbau und der Konfiguration des Lautsprechers ab. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Wandler 51 und 52 über einen mechanischen Verbinder 54 miteinander verbunden sind. Es wurde gezeigt, dass dann, wenn eine derartige mechanische Verbindung eingesetzt wird, die Qualität des erzeugten Stereoeffekts verbessert wird und die Gesamtqualität und die Lautstärke des Schalls verbessert wird. In einer untersuchten Ausführungsform war der mechanische Verbinder ein Metallbalken aus 0,508 mm (0,02 inch) dickem Stahlblech und war 25,4 mm (ein Inch) breit. Die Länge des mechanischen Verbinders sollte so sein, dass eine gewisse nach außen gerichtete Kraft auf die integrierten Wandler ausgeübt wird. Selbstverständlich können andere Baumaterialien und/oder andere Abmessungen des mechanischen Verbinders 54 eingesetzt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der mechanische Verbinder dann, wenn mehr als ein Wandler in Verbindung mit einer speziellen Membran eingesetzt wird, ein integriertes Teil des Wandlers sein. Beispielsweise kann das Substrat zwischen den Wandlern kontinuierlich ausgebildet werden, um die mechanische Verbindung zu bilden. Alternativ dazu können die oben beschriebenen Bewegungskoppler in eine integrierte mechanische Verbindung eingeformt werden. Für größere Membranen können so mehr als zwei Wandler eingesetzt werden. Wenn mehr als zwei Wandler eingesetzt werden, ist es bevorzugt, dass sie in Paaren eingesetzt werden, vorzugsweise so, dass die Wandler jedes Paars durch einen mechanischen Verbinder miteinander verbunden sind.
Wie dargestellt, weist das piezoelektrische Material typischerweise die Form einer Platte auf, die auf der Oberseite einer Substratplatte angeordnet ist, welche im Wesentlichen das gleiche Maß an Steifigkeit (gemessen durch ihren Elastizitätsmodul und ihre Dicke) aufweist wie das piezoelektrische Material. In dieser Hinsicht sollte die Flächensteifigkeit (engt. extension stiffness) (K), dargestellt durch K = EA/L = wt/l berücksichtigt werden, wobei E = Elastizitätsmodul, A = Querschnittsfläche der Platte, l = Länge der Platte, w = Breite der Platte, t = Dicke der Platte ist. Für eine Einheitslänge und -breite einer Platte wird die Flächensteifigkeit K = Et.
Daher gibt es zwei Parameter, E = Elastizitätsmodul und t = Dicke der Schicht, die dazu verwendet werden können, die Steifigkeit oder Starrheit des piezoelektrischen Materials an diejenige des Substrats und der Bewegungskopplerschichten anzupassen. Um die Bewegung des piezoelektrischen Materials an das Substrat und die Bewegungskopplerschichten zu koppeln, sollte die Steifigkeit aller Schichten (oder nur die des piezoelektrischen Elements und des Substrats, falls keine Bewegungskoppler vorhanden sind) im Wesentlichen gleich sein und auf alle Fälle eine Größenordnung aufweisen. D.h., die Flächensteifigkeit des piezoelektrischen Materials unter einer elektrischen Stimulation sollte im Wesentlichen gleich der Flächensteifigkeit des Substrats und (falls vorhanden) der Flächensteifigkeit der Bewegungskoppler sein.
Das Obenstehende wird als die Prinzipien der Erfindung lediglich illustrierend betrachtet. Darüber hinaus ist es aufgrund der Tatsache, dass für den Fachmann zahlreiche Modifikationen und Veränderungen ohne weiteres ersichtlich sind, nicht erwünscht, die Erfindung auf den gezeigten und beschriebenen exakten Aufbau und Betrieb zu beschränken, und demgemäss fallen alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente, auf die zurückgegriffen werden kann, in den Schutzbereich der Erfindung, wie er in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Wandlersystem (10, 51, 52) zum Aufbringen einer Bewegung auf eine schallabstrahlende Membran (53), die eine bestimmte mechanische Impedanz aufweist, mit: – einem piezoelektrischen Element (11, 20, 41), das durch ein angelegtes elektrisches Potential einer Verlagerung unterliegt und eine Oberseite, eine Unterseite und einen Außenumfang (42) aufweist; und – einer Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Potentials an das piezoelektrische Element (11, 20, 41), dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlersystem (10, 51, 52) eine mechanische Impedanz hat, die an die mechanische Impedanz der schallabstrahlenden Membran angepasst ist, und dass das Wandlersystem aufweist: – ein Substrat (12, 29, 45) zum Aufbringen einer Bewegung von dem piezoelektrischen Element (11, 20, 41) auf eine schallabstrahlende Membran (53), wobei das Substrat (12, 29, 45) eine obere und eine untere Seite aufweist, wobei die obere Seite des Substrats (12, 29, 45) unmittelbar mit der Unterseite des piezoelektrischen Elements verbunden ist, und wobei das Substrat (12, 29, 45) einen größeren Oberflächeninhalt als das piezoelektrische Element (11, 20, 41) und im Wesentlichen die gleiche Steifigkeit wie das piezoelektrische Element (11, 20, 41), aber eine größere Steifigkeit als die Membran (53) hat, an der die untere Seite des Substrats befestigt wird, um die Membran anzutreiben.
Wandler nach Anspruch 1, bei dem das Substrat (12, 29, 45) Messing ist.
Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der ferner mindestens einen Bewegungskoppler (25, 26, 27, 28, 43) mit einer Oberseite und einer Unterseite und einem äußeren Rand umfasst, wobei zumindest ein Abschnitt des äußeren Rands des Bewegungskopplers (25, 26, 27, 28, 43) mit zumindest einem Abschnitt des Außenumfangs des piezoelektrischen Elements (11, 20, 41) verbunden ist, und wobei der Bewegungskoppler (25, 26, 27, 28, 43) an seiner Unterseite mit der oberen Seite des Substrats (12, 29, 45) verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 3, bei dem der mindestens eine Bewegungskoppler (25, 26, 27, 28) Messing ist.
Wandler nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem der mindestens eine Bewegungskoppler (43) in Form eines Teils ausgebildet ist, das das piezoelektrische Element vollständig umgibt.
Lautsprecher, mit – einer schallabstrahlenden Membran (53), die eine bestimmte mechanische Impedanz sowie eine Unterseite und eine Oberseite hat, – einem Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem piezoelektrischen Element und einem Substrat, wobei die untere Seite des Substrats (12, 29, 45) an der Oberseite der Membran befestigt ist, um die Membran anzutreiben, und der Wandler (10, 51, 52) eine mechanische Impedanz hat, die an die mechanische Impedanz der schallabstrahlenden Membran (53) angepasst ist.
Lautsprecher nach Anspruch 6, bei dem eine Mehrzahl von Wandlern (51, 52) nach den Ansprüchen 1 bis 5 an der Membran (53) befestigt ist, um die Membran anzutreiben.
Lautsprecher nach Anspruch 7, bei dem die Mehrzahl von Wandlern (51, 52) aus Wandlernpaaren besteht.
Lautsprecher nach Anspruch 8, bei dem die Wandler (51, 52) jedes Paars miteinander durch einen mechanischen Verbinder (54) verbunden sind.
Lautsprecher nach Anspruch 9, bei dem der mechanische Verbinder ein integrales Teil der Wandler ist.
Lautsprecher nach Anspruch 10, bei dem der mechanische Verbinder aus dem Substrat geformt ist.
Lautsprecher nach Anspruch 10, der ferner mindestens einen Bewegungskoppler (25, 26, 27, 28, 43) mit einer Oberseite und einer Unterseite und einem äußeren Rand umfasst, wobei zumindest ein Abschnitt des äußeren Rands des Bewegungskopplers (25, 26, 27, 28, 43) mit zumindest einem Abschnitt des Außenumfangs des piezoelektrischen Elements (11, 20, 41) verbunden ist, wobei der Bewegungskoppler (25, 26, 27, 28, 43) an seiner Unterseite mit der oberen Seite des Substrats (12, 29, 45) verbunden ist, und wobei der mechanische Verbinder aus dem mindestens einen Bewegungskoppler geformt ist.