DE2828148C2 - Biegeanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Biegeanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer derartigen bekannten Biegeanordnung (vgl. US-PS 36 29 625) besteht das Trägerelement aus einer gewellten Mittelschicht deren Oberflächen mit den piezoelektrischen Elementen verklebt sind. Die gewellte Mittelschicht wirkt dabei als steifes Gelenk, welches eine Bewegung der piezoelektrischen Elemente relativ zueinander ermöglicht Diese Biegenanordnung hat zwar eine gute Kopplung zwischen dem Trägerelement und den piezoelektrischen Elementen, jedoch ist die Flexibilität in Biegerichtung gering, so daß der Wirkungsgrad gering ist. Außerdem werden für die gewellte Mittelschicht gestanzte Metallteile verwendet, die an die Fertigung hinsichtlich der Einschaltung der Abmessungen und der Qualität der Werkzeuge hohe Anforderungen stellen, da sie äußerst dünn sein müssen, so

Weiterhin ist es bekannt (vgl. US-PS 35 48 116), eine piezoelektrische Biegeanordnung als akustischen Übertrager am Scheitel eines Lautsprecherkonus anzuordnen und dabei zwei piezoelektrische Plättchen mittels einer als Elektrode dienenden Zwischenschicht miteinander zu versteifen.

Die piezoelektrischen Elemente verwenden dünne, kreisförmige Scheiben aus piezoelektrischem Material, wobei jede Scheibe flache, einander gegenüber angeordnete Flächen aufweist, auf denen sehr dünne Elektroden ausgebildet sind. Die piezoelektrischen Elemente werden polarisiert, indem ein geeignetes Polarisierungspotential zwischen den einander gegenüber angeordneten Flächen angelegt wird. Die Polarisation dieser Elemente richtet in ihnen die elektrischen Dipole in einer Vorzugsrichtung aus. Beim Betrieb wird ein elektrisches Potential zwischen den Elektroden des piezoelektrischen Elementes aufgebaut welches entweder die Polarisation unterstützen oder ihr entgegenwirken kann. Wenn das angelegte Potential die Polarisation unterstützt zeigt das Element die Tendenz, in seiner Dicke etwas zuzunehmen und in seinen radialen Abmessungen etwas abzunehmen. Wenn hingegen das angelegte Potential der Polarisation des piezoelektrischen Elementes entgegenwirkt besteht bei diesem die Tendenz, daß seine Dicke leicht abnimmt und die radialen Abmessungen etwas zunehmen. Auf diese Weise kann die Dicke eines piezoelektrischen Elementes durch ein externes Steuerpotential beeinflußt werden.

In einer Biegeanordnung kann ein einzelnes Piezoelektrisches Element in einer festen Beziehung in bezug auf ein piezoelektrisch inaktives Element in Form einer Platte gehalten werden. Wenn das piezoelektrische Element sich ausdehnt und zusammenzieht und zwar aufgrund der angelegten Spannung, kommt es bei dem piezoelektrischen Element und bei dem piezoelektrisch inaktiven Element, zu einer Durchbiegung, so daß Schallwellen in Reaktion auf ein angelegtes Spannungssignal erzeugt werden. In ähnlicher Weise erzeugt eine der Biegeanordnung zugeführte akustische Energie ein entsprechendes Potential zwischen den leitenden Oberflächen des piezoelektrischen Elements.

Wie bereits erläutert wurde, gibt es auch Biegeanordnungen mit zwei piezoelektrischen Elementen, bei denen jedes Element auf seinen Oberflächen dünne leitende Elektroden aufweist. Eine leitende Mittelschicht dient dazu, die piezoelektrischen Elemente steif miteinander zu verbinden und zwischen den inneren Oberflächen der piezoelektrischen Elemente eine Elektrode anzuordnen. Die Elemente werden polarisiert und elektrisch derart miteinander verbunden, daß das eine Element sich in radialer Richtung ausdehnt, während sich das andere Element in radialer Richtung zusammenzieht und zwar in Reaktion auf ein zwischen den einzelnen Elektroden angelegtes elektrisches Potential. Dadurch wird die Biegeanordnung dazu gebracht, daß eine Biegung in axiaier Richtung entlang den Durchmessern der Elemente erfolgt, so daß das einzelne Element sich schalenförmig oder schüsseiförmig deformiert während das eine Element sich ausdehnt und das andere Element sich zusammenzieht Wenn hingegen einer aus zwei Elementen bestehenden Biegeanordnung eine akustische Energie zugeführt wird, wird eine piezoelektrische Spannung erzeugt.

Wenn eine feste Metallplatte als Mittelschicht zwischen zwei piezoelektrischen Elementen oder zwischen einem piezoelektrischen Element und einem piezoelektrisch inaktiven Element verwendet wird, so wird zwar eine gute Kopplung zwischen den Elementen in radialer Richtung erreicht; die Biegeanordnung ist jedoch in der Biegerichtung nicht hinreichend flexibel, was dazu führt, daß eine verlustreiche Anordnung mit geringem Wirkungsgrad entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Biegeanordnung der eingangs genannten Art im Wirkungsgrad zu verbessern, ohne die Herstellung aufwendiger werden zu lassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentanspruch 1 niedergelegten Merkmale.

Die erfindungsgemäße Biegeanordnung hat zusätzlich zur erforderlichen Festigkeit in Radialrichtung eine ausreichend hohe Flexibilität in Biegerichtung, so daß ein hoher Wirkungsgrad gewährleistet ist. Außerdem ist das Trägerelement wesentlich einfacher herstellbar als ein entsprechendes Stanzteil.

Die erfindungsgemäße Biegeanordnung hat also insbesondere ein erstes und ein zweites piezoelektrisches Element, die beide über das leitende Trägerelement verbunden sind. Zumindest eines der Elemente ist verformbar, und zwar in Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Signal. Das andere der Elemente hat etwa dieselben Abmessungen wie das erste Element Ein gewebtes Gitter aus mit einem leitenden Oberzug versehenen Fäden ist zwischen den einander zugewandten Oberflächen des ersten und des zweiten Elementes als Trägerelement derart angeordnet daß das leitende Gitter mit den Elementen in Berührung ist und sie miteinander koppelt Anstelle piezoelektrischer Elemente können ggf. auch magnetostriktive und elektrostriktive Elemente verwendet werden. Das zweite Element hat dieselben elektromechanischen Eigenschaften wie das erste Element Das erste und das zweite piezoelektrische Element sind als dünne Scheiben ausgebildet Umfangsbereiche des Gitters dienen zur Befestigung der Biegeanordnung.

Zur Herstellung der Biegeanordnung wird ein gewebtes Gitter aus steifen Fäden mit einem noch nicht gehärteten Epoxyharz beschichtet, so daß auf dem Gitter eine leitende Schicht angeordnet ist Das Gitter wird dann zwischen ein Paar von piezoelektrischen Elementen gebracht, die jeweils flache, einander gegenüber angeordnete Oberflächen haben, auf denen Elektroden angeordnet sind. Unter Hitze und Druck wird das Epoxyharz zum Schmelzen gebracht, so daß die Fäden des leitenden Gitters mit den Oberflächen der piezoelektrischen Elemente in Berührung kommen. Bei weiterer Anwendung von Hitze und Druck härtet das Epoxyharz aus, während die piezoelektrischen Elemente dicht miteinander in Verbindung gehalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

F i g. 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung eine Lautsprecheranordnung mit der erfindungsgemäßen Biegeanordnung,

F i g. 2 eine Teildarstellung der in der F i g. 1 veranschaulichten Lautsprecheranordnung, die teilweise in einer perspektivischen Explosionsdarstellung wiedergegeben ist,

Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in der F i g. 2 in vergrößertem Maßstab und

F i g. 4 einen Grundriß eines Gitters.

In der F i g. 1 ist eine Lautsprecheranordnung 10 dargestellt, welche eine Biegeanordnung 11 aufweist. Die Fig.2 zeigt die Biegeanordnung 11, wie sie an einem Haltering 12 befestigt ist.

Die Biegeanordnung 11 hat ein Paar von keramischen, piezoelektrischen, dünnen Scheiben 20, von denen jede ihrerseits ein Paar von flachen einander gegenüber angeordneten Flächen 21, 22, 23 bzw. 24 aufweist. Jede der Scheiben 20 ist aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial hergestellt und hat einen Durchmesser von 31,75 mm (1,25 Zoll) sowie eine Dicke von 0,13 mm (0,005 Zoll). Eine sehr dünne leitende Schicht 25, 26,27 bzw. 28 ist auf jeder Fläche 21, 22, 23 bzw. 24 ausgebildet und stellt eine Einrichtung dar, welche dazu dient, ein Spannungspotential zwischen den Oberflächen jeder Scheibe aufzubauen. Eine der Scheiben 20 kann elektromagnetisch inaktiv sein. Ein höherer Wirkungsgrad wird aber mit zwei aktiven Scheiben erreicht.

Ein gewebtes Gitter 30, welches eine im wesentlichen kreisförmige Konfiguration mit etwa denselben Abmessuneen wie bei den piezoelektrischen Scheiben 20 aufweist ist gemäß F i g. 1 zwischen den piezoelektrischen Scheiben 20 angeordnet Von dem Hauptkörper des gewebten Gitters 30 aus erstrecken sich drei Befestigungsansätze 31,32 und 33, welche dazu dienen, die Biegeanordnung 11 an dem Haltering 12 anzubringen. Die F i g. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab die tinzelnen Bauteile der Biegeanordnung 11. Eine Detaildarstellung des gewebten Gitters 30 ist in der F i g. 4 veranschaulicht, und das gewebte Gitter ist dort mit 34 bezeichnet Die gewebte Anordnung wird dadurch hergestellt, daß aus einer Faser bestehende Polyesterfäden 35 verwebt werden, wie es in der F i g. 4 veranschaulicht ist und wie es aus dem Teilschnitt gemäß Fig. 3 ersichtlich ist Ein gleichförmiger Nickelüberzug wird auf das Polyester-Maschengitter aufgebracht Die einzelnen Fasern sind verhältnismäßig steife Poylesterfäden, und in der Metallschicht des Überzuges sind die Polyesterfäden eingebetttet, und zwar in der Weise, daß an den Kreuzungspunkten eine leichte Verschmelzung erfolgt Ein metallisiertes Polyestermaschengitter, welches eine Dicke von 0,122 mm (0,0048 Zoll) aufweist, kann beispielsweise verwendet werden.
Die Fig.3 zeigt in einem Teilschnitt eine entsprechende Anordnung, wie sie oben beschrieben wurde. Wenn das gewebte Gitter 30 mit den piezoelektrischen Scheiben 20 zusammengefügt wird, berühren die metallisierten Fasern bzw. Fäden 35 die dünnen leitenden Schichten 26 und 27 auf den inneren Oberflächen der Scheiben 20 und führen einen elektrischen Kontakt damit herbei. Mit einem Epoxyharz wird das gewebte Gitter 30 mit den Scheiben 20 verklebt. Es ist nicht erforderlich, daß das Epoxykarz ein leitendes Material enthält, weil die Maschen des Gitters direkt mit den leitenden Schichten auf den Scheibenoberflächen in Kontakt stehen. Die auf diese Weise gebildete Gesamtanordnung, welche das gewebte Gitter 30 und die Scheiben 20 aufweist, ist aufgrund der Festigkeit der Polyesterfäden verhältnismäßig steif und gegen eine Bewegung in der radialen Richtung sehr widerstandsfähig. In der Biegerichtung wird aufgrund der außerordentlich geringen Dicke der Biegeanordnung 11 eine Flexibilität oder leichte Biegbarkeit gewährleistet. Diese Eigenschaften sind bei einem Biegeübertrager sehr erwünscht, bei welchem angestrebt wird, daß die piezoelektrische Scheibe oder die piezoelektrischen Scheiben in der radialen Richtung dicht miteinander verbunden sind, wobei jedoch eine Durchbiegung im Hinblick auf einen guten Übertragungswirkungsgrad leicht möglich ist.

Gemäß Fig. 1 sind ein Paar von leitenden dünnen Folien 40 anden Umfangsteilen der äußeren Flächen 21 und 24 der piezoelektrischen Scheiben 20 befestigt, und zwar mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebstoffes.

Die leitenden Folien oder Schichten sind aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material hergestellt, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer. Ansätze 41 und 42 sind auf den leitenden Folien 40 vorgesehen, um entsprechende Verbindungen mit einer externen Schaltung herstellen zu können. Die F i g. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Teilschnitt durch eine zusammengebaute Biegeanordnung 11 mit den leitenden Folien 40.

Die Lautsprecheranordnung 10 weist einen Konus 43 auf, ?er einen etwas abgeflachten Scheitelbereich 44 hat und einen Umfangsbereich 45 aufweist. Der Scheitelbereich 44 ist in der Mitte an einer der Flächen 24 angebracht. Die Biegeanordnung 11 bewirkt eine

Bewegung bei dem Konus 43, welcher einen Teil der Lautsprecheranordnung darstellt.

Es ist zu bemerken, daß die Biegeanordnung 11 als Bestandteil einer Lautsprecheranordnung beschrieben ist. Die Biegeanordnung 11 ist jedoch auch beispielsweise als Mikrophonelement oder für andere Übertragungsanwendungen geeignet.

Ein ringförmig ausgebildetes Element 46 wird dazu verwendet, die Resonanzen in dem Konus 43 leicht zu dämpfen. Das ringförmige Element 46 ist in dem Haltering 12 in einer Innenbohrung 13 desselben angebracht. Der Haltering 12 ist aus einem geeigneten Material hergestellt, beispielsweise aus einem schmelzbaren synthetischen Kunststoffmaterial. Anschlußklemmen 47 und 48 sind an dem Haltering 12 vorgesehen, um geeignete elektrische Anschlüsse mit einer externen Schaltung herstellen zu können. Drei flache Ausnehmungen 50 sind auf der Oberseite des Halteringes 12 vorgesehen, und zwar benachbart zu der Innenbohrung 13, so daß ein Bewegungsabstand für die Abschnitte der Befestigungsansätze 31,32 und 33 des gewebten Gitters 30 vorhanden ist. Lokalisierungsstifte 51 und Schraubenabstandsöffnungen 52 sind ebenfalls an dem Haltering 12 vorgesehen. Auf der Unterseite des Halteringes 12 ist eine Lippe 53 angeordnet, welche um den Rand der Innenbohrung herum angebracht ist. Der Umfangsbereich 45 des Konus 43 ist gegen die Lippe 53 gedrückt. Eine Umfangsringanordnung 54 hat einen Innenring, welcher den Umfangsbereich 45 des Konus 43 aufnimmt und in Verbindung mit der Lippe 53 des Halteringes 12 den Umfangsrand des Konus 43 festlegt, wenn der Haltering 12 und die Umfangsringanordnung 54 zusammengebaut sind. Führungsstifte 56, welche mit (nicht dargestellten) Ausnehmungen in dem Haltering 12 zum Eingriff kommen, sind zur Ausrichtung der Unfangsanordnung 54 mit dem Haltering 12 vorgesehen. Ein Reihenlastwiderstand 49 ist ebenfalls innerhalb des Halteringes 12 angeordnet.

Die Lautsprecheranordnung gemäß F i g. 2 weist ein Impedanzanpaßhorn 60 auf, hat weiterhin eine Dichtung 61, eine rückwärtige Abdeckplatte 62 und eine Mehrzahl von Befestigungsschrauben 63. Die Biegeanordnung 11, welche das gewebte Gitter 30, ein Paar von piezoelektrischen Scheiben 20 und die leitenden Folien 40 aufweist, ist nach entsprechender Verklebung der genannten Bauteile zu einer Einheit an dem Haltering 12 an der Oberseite 14 des Halteringes 12 durch die Befestigungsansätze 31, 32 und 33 angebracht, welche beispielsweise an solchen Stellen durch Umbiegen eine Halterung bilden, welche benachbart zu den flachen Ausnehmungen 50 angeordnet sind, wobei diese Stellen auf Abstand von der Mittelbohrung des Halteringes 12 angeordnet sind. Die flachen Ausnehmungen 50 führen zu einem Abstand der entsprechenden Teile der Befestigungsansätze 31, 32 und 33, wenn die Biegean-Ordnung sich in Reaktion auf die angelegten Erregerspannungen durchbiegt bzw. bewegt Nach dem Zusammenbau ist das elastische ringförmige Element 46 benachbart zu der Außenseite des Konus 43 angeordnet und dämpft die Biegeanordnung 11 leicht in bezug auf ßo den Konus 43. Die Ansätze 41 und 42 der leitenden Folien 40 sind mit der Klemme 47 verlötet und bilden einen elektrischen Kontakt zwischen den Flächen 21 und 24 der piezoelektrischen Scheiben 20. Auf diese Weise wird auch der elektrische Kontakt mit diesen Außenflächen hergestellt. Der Ansatz 33 hat einen verlängerten Abschnitt, der eine öffnung aufweist, um eine Lötverbindung mit einem Anschluß des Reihenlast-Widerstandes 49 herzustellen. Der andere Anschluß des Reihenlast-Widerstandes 49 ist mit der Anschlußklemme 48 verlötet. Die Biegeanordnung 11 wird durch die Befestigungsansätze 31,32 und 33 gehalten, welche mit der Oberseite 14 des Halteringes 12 verklemmt sind, wie es unten beschrieben wird. Die Biegeanordnung U wird auch gehalten, indem sie an dem Scheitelbereich 44 des Konus 43 befestigt ist, wobei der Konus 43 mit dem Umfangsbereich 45 zwischen dem ringförmigen Teil 55 der Umfangsringanordnung 54 und der Lippe 53 des Halteringes 12 (siehe Fig. 1) verklemmt ist. Die Befestigungsansätze 31, 32 und 33 liefern eine zusätzliche Halterung für die Biegeanordnung 11, welche insbesondere bei niedrigen Frequenzen wirksam wird, wenn das Biegemoment der Biegeanordnung 11 abnimmt und der Übertragerwirkungsgrad abfällt Indem die Ansätze auf diese Weise verwendet werden, wird der Wirkungsgrad der Lautsprecheranordnung im Bereich niedriger Frequenzen verbessert. Die Dichtung 61 liefert eine Abdichtung zwischen der Oberseite 14 des Halteringes 12 und der rückwärtigen Abdeckplatte 62, welche an dem Haltering 12 durch vier Befestigungsschrauben 63 angebracht ist.

Die Biegeanordnung 11, die in der Fig. 1 und in weiteren Einzelheiten in der F i g. 3 veranschaulicht ist, wird hergestellt durch ein Verfahren, bei welchem das (im einzelnen in der F i g. 4 dargestellte) gewebte Gitter 30 mit einem Epoxyharz beschichtet wird. Das gewebte Gitter wird aus Polyesterfäden hergestellt, welche mit Nickel beschichtet sind, wobei das Gitter auf einer exakt vorgegebenen Dicke gehalten wird, die etwa 0,122 mm (0,0048 Zoll) beträgt. Das Gittermaterial wird dann auf beiden Seiten mit einer auf Nylonpolyamidbasis aufgebauten Epoxylösung beschichtet, welche auf einen Zwischenzustand auf den beiden Oberflächen des Gittermaterials eintrocknet Die Scheiben 20 werden dann mit dem Gittermaterial in Berührung gebracht, und die Anordnung wird unter Hitze und Druck zum Verfestigen bzw. Aushärten weiterbehandelt, so daß das Epoxymaterial leicht zum Schmelzen und zum Fließen gebracht wird. Auf diese Weise wird bei dem Verfestigungsvorgang erreicht, daß die höchsten Erhebungen des Gitters mit den Elektroden einen Kontakt herstellen und aufrechterhalten, weiche auf die Innenseiten der Scheiben 20 aufgebracht sind. Das Gittergrundmaterial wird in Rollenform hergestellt, und die Konfiguration des gewebten Gitters 30 wird durch einen Stanzvorgang erreicht wobei auch die drei Befestigungsansätze 31,32 und 33 gebildet werden, die sich von dem Hauptkörper der gewebten »Mittelscheibe« aus nach außen erstrecken. Die leitenden Folien 40, welche kreisringförmig ausgebildet sind, werden an den Außenumfangsbereichen der Scheiben 20 mit einem geeigneten elektrisch leitenden Klebstoffmaterial befestigt Andere Materialien als Polyesterfäden, beispielsweise Glasfasern, können ebenfalls verwendet werden, vorausgesetzt, daß solche Materialien die erforderliche Steifigkeit aufweisen, um eine hinreichende Festigkeit in der radialen Richtung der Biegeanordnung zu gewährleisten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Biegeanordnung mit einem oder zwei piezoelektrischen Elementen mit jeweils zwei flachen, einander gegenüberliegenden Flächen, auf denen s Elektroden angeordnet sind, sowie mit einem elektrisch leitenden Trägerelement mit etwa der gleichen Ausdehnung wie das piezoelektrische Element wobei das Trägerelement auf einer Seite mit dem piezoelektrischen Element fest verbunden ist und im Fall von zwei piezoelektrischen Elementen diese beabstandet parallel hält, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement aus einem Gitter (30) besteht, daß das Gitter (30) aus nichtmetallischen Fäden gebildet ist und daß die Fäder« des Gitters eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen.

2. Biegeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (30) aus Polyesterfäden gebildet ist

3. Biegeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Gitter (30) aus Glasfasern besteht.

4. Biegeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die elektrisch leitfähige Beschichtung aus Nickel besteht

5. Biegeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Dicke des Gitters (30) etwa 0,122 mm beträgt

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