DE2749987C3 - Elektrostatischer Schallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrostatischen Schallwandler der im Oberbegriff des Anspruchs il angegebenen Gattung. Ein solcher Schallwandler ist aus der Zeitschrift »Acustica«, 1954, Vol. 4; Nr. 5; Seite 51!) bis 532 bekannt. Hierbei sind die Unebenheiten auf den Oberflächen der Ringstege durch Sandstrahlung hergestellt. Die auf diese Weise aufgerauhte Oberfläche der Ringstege weist in zufälliger Folge Erhöhungen und Vertiefungen auf, die nach statistischen Gesetzen verteilt sind und eine sehr unterschiedliche Beschaffenheit über die gesamte Oberfläche haben können. Entsprechend der zufälligen Verteilung der Vertiefungen und Erhebungen kommt auch eine zufällige Berührung mit der Membran zustande. Durch die Aufrauhung wird zwar erreicht, daß die Berührungsfläche insgesamt vermindert wird, jedoch in einer zufälligen Verteilung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler der eingangs genannten Bauart derart zu verbessern, daß bei geringer Auflagefläche der Membran definierte und eindeutig reproduzierbare Auflagestellen geschaffen werden.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Derartige Rippen bzw. die zwischen ihnen verbleibenden Vertiefungen können mit hoher Genauigkeit sehr präzise hergestellt werden, so daß sich stets gleichbleibende Eigenschaften der Wandler ergeben. Es kann dann unter Berechnung der erforderlichen Abmessungen für die jeweils in Frage kommende Ultraschallfrequenz ein optimales Verhalten erreicht werden, so daß mit geringer Erregerleistung kräftige Ultraschallsignale abgestrahlt werden können, die nach Rückkehr als Echo wieder in elektrische Impulse umwandelbar sind. Außerdem wird durch die genaue Festlegung der mechanischen Abmessungen eine gute Dämpfung erreicht und ein Nachschwingen verhindert Dies ist insbesondere vorteilhaft in der Anwendung als Entfernungsmeßsystem für photographische Kameras, wo derartige Wandler in zunehmendem Maße Anwendung Finden. Hierbei werden kurze Ultraschall-Impulse abgestrahlt, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung in einem Abschnitt eine Konstantfrequenz und in einem zweiten Abschnitt eine variable Frequenz aufweisen, damit für entferntere Ziele durch schmalbandige

ίο Ausbildung an der Empfängerseite eine deutliche Unterscheidung gegenüber Störsignalen möglich wird, während im Nahbereich die sich ändernden Frequenzen einen Empfang auch dann gewährleisten, wenn eine Interferenz einiger Frequenzen zu befürchten ist

Für derartige Anwendungszwecke eignet sich die Erfindung in besonderem Maße, weil eine präzise Abstimmung auf die jeweiligen Frequenzen möglich wird und ein hoher Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt erreicht ist, so daß die in einer Kamera zur Verfügung stehende Batterie nicht wesentlich belastet wird.

Es hat ."ich gezeigt, daß durch die radiale Anordnung der die Membran abstützenden Rippen mechanisch

besonders günstige Übertragungen erlangt werden können, und zwar im Hinblick auf die in der Membran auftretenden Spannungen.

Unter Einhaltung der durch die Wellenlänge der Ultraschallfrequenz bestimmten Abstände können die Rippen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung nach Anspruch 2 eine Riffeifläche bilden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 können jedoch die Rippen auch in einem vorbestimmten Abstand entsprechend der Frequenz zueinander angeordnet und in ihrer Breite optimal bemessen werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 kann die Oberfläche konvex gekrümmt sein. Eine solche Ausbildung ist an sich aus der DE-OS 26 03 691 bekannt. Hierbei ist jedoch die Oberfläche der

•ίο Stege wulstartig ausgebildet, wobei sich eine relativ große Berührungsfläche ergibt, die jeweils auf Kreisringflächen verläuft.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 nimmt die Tiefe der Ringnuten nach dem Rand hin ab. Es ist zwar durch die DE-ANG 9 409 HO4R 19-00-7. Mai 1953 bereits bekannt, die Ringausdrehungen zwischen den Ringstegen mit unter sich ungleichem Querschnitt herzustellen, der sich nach einer bestimmten Gesetzmäßigkeit ändert.

Eine sich vertiefende Ausbildung der Nuten nach der Mitte hin stellt zwar eine solche gesetzmäßige Änderung dar, ist jedoch in dieser bekanntgemachten Anmeldung nicht beschrieben und außerdem sind die Oberflächen der Ringstege nicht mit Rippen versehen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen elektrostatischen Wandler vom Seil-Typ gemäß der Erfindung;

Fig.2 einen vergrößerten Teilquerschnitt durch die plattenförmige Elektrode des Wandlers nach F i g. 1;

F i g. 3 eine perspektivische Teilansicht eines Ringsteges, der auf der Oberfläche der Elektrodenplatte des Wandlers nach F i g. 1 ausgebildet ist;

Fig. 4 einen der Fig. 2 ähnlichen Querschnitt, welcher den Umfangsrand der Elektrodenplatte zeigt und die abnehmende Tiefe der Nuten bei Annäherung an den Plattenrand illustriert;

F i g. 5 eine schematische Seitenansicht einer plattenförmigen Elektrode, wobei die Wölbung der mit der Membran in Berührung gelangenden Oberfläche der Elektrodenplatte übertrieben dargestellt Lt;

F i g. 6 einen Schnitt durch einen Teil einer abgeänderten Ausführung eines Wandlers vom Seil-Typ gemäß der Erfindung;

F i g. 7 eine Draufsicht auf eine A'ternativausführung der Elektrodenplatte nach Fig. 1;

Fig.8 einen Teilschnitt durch die Elektrodenplatte nach der Linie 8-8 in F i g. 7;

F i g. 9 eine perspektivische Teilansicht zweier Ringstege mit im Abstand zueinander auf der Oberfläche angeordneten Radiairippen;

Fig. 10 einen Schnitt durch einen Teil einer Alternativausführung der Elektrodenplatte nach F i g. 2 in größerem Maßstab.

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Wandler 10 vom Seil-Typ dargestellt Der Wandler 10 weist eine Basis 11, eine Abdeckung 12, eine Elektrodenplatte 13, eine Membran 14 und eine Feder 15 auf. Die Basis 11 ist als offene, kreisförmige Schale ausgebildet, und besteht vorzugsweise aus starrem Kunststoffmaterial; sie weist eine Bodenwand 16 und eine von dieser nach oben ragende Umfangswand 17 auf, deren freier Rand mit einer Nut 18 versehen ist, in welche ein komplementär ausgebildeter Flansch 19 der kreisförmigen Abdeckung 12 mit engem Sitz hineinpaßt. Die Abdeckung 12 ist ebenfalls als Schale ausgebildet. Die Stirnwand 20 der Abdeckung 12 ist mit einer Vielzahl von öffnungen 21 versehen, damit sie für Ultraschall innerhalb des Frequenzbereiches 45 bis 7OkHz durchlässig ist. Der Abstand 5 zwischen der Wand 20 und der Membran 14 ist für die Optimierung der Kopplung zwischen dem Wandler und dem Medium, in welchem der Wandler arbeitet, wesentlich. Wenn eine Welle mit einer Länge von 6 mm (50 kHz) ausgesendet werden soll, sollte S entweder sehr klein sein, d. h. kleiner als 0,5 mm, oder etwa eine halbe Wellenlänge betragen, z. B. 3 mm.

Die Membrane 14 ist eine kreisförmige dünne Folie, die, wie dies F i g. 2 zeigt, einen dielektrischen Folienkörper 14Λ aufweist, der mit einer dünnen Metallschicht 22 überzogen ist; durch Einschließen des Umfangsrandes der Membran 14 zwischen dem Flansch 19 der Abdeckung 12 und der Nut 18 in der Wand 17 der Basis 11 wird die Membrane 14 über die Elektrodenplatte 13 gespannt. Wie am besten aus F i g. 2 hervorgeht, ist die der Wand 20 zugekehrte obere Fläche 22 der Membran 14 metallisiert, wogegen die der Bodenwand 16 der Basis zugekehrte untere Fläche 23 isolierend wirkt. Eine bevorzugte Membrane ist ein Film, mit einer Dicke von etwa 6 μηι, der auf einer Oberfläche mit Gold mit einer Dicke von etwa 30 nm plattiert ist. Für Frequenzen im Bereich von 45 bis 70 kHz sollte die Membrane einen Durchmesser von etwa 3,5 cm haben.

Die Elektrodenplatte 13 besteht vorzugsweise aus Metall und ist scheibenförmig ausgebildet und weist eine genutete obere Fläche 24 auf, wie dies in l· i g. 2 gezeigt ist, und eine mit einer Ausnehmung versehene untere Fläche 25, wie dies aus F',; i hervorgeht. Die obere Fläche 24 der Elektrodenplatte wird durch die Feder 15 in Eingriff mit der isolierenden unteren Fläche 23 der Membrane gehalten. Die Feder 15 ist so ausgebildet, daß sie eine Vorspannkraft von 1 bis 4 N erzeugt; die Feder weist einen kreisförmigen Basisteil 26 und eine Vielzahl von Federfingern 27 auf, die sich von dem Basisteil 26 in radialer Richtung und relativ zum Basisteil geneigt wegerstrecken. Die freien Enden der Finger 27 greifen

an der Oberfläche 25 der Elektrodenplatte an und halten die Membrane unter Vorspannung. Die Feder 15 ermöglicht eine schwimmende Lagerung der Elektrodenplatte 13 und eine Federvorspannung derselben, se daß die Platte in Berührung mit der Membran steht. Der Basisteil 26 der Feder ist an der Bodenwand 16 der Basis 11 mittels einer Schraube 28 starr befestigt, welche die Bodenwand der Basis durchsetzt und sich über diese hinauserstreckt. Der äußere Abschnitt der Schraube 28 endet in einer elektrischen Verbindung 29, an welche ein Leiter 30 zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Elektrodenplatte 13 über die elektrisch leitende Feder 15 angeschlossen ist Die Feder 15 erfüllt somit in Kombination mit der Schraube 28 einen doppelten Zweck; einerseits halten diese Teile die Platte 13 in Eingriff mit der Membrane vorgespannt und andererseits dienen sie als Elektrode sowie Anschlußeinrichtung für das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Platte.

Wie F i g. 2 zeigt, ist die metallisierte Oberfläche 22 der Membran 14 über einen Leiter 31 mit einer Seite einer Treiberschaltung 32 verbunden, deren andere Seite über den Leiter 30 mit der Elektrodenplatte 13 verbunden ist Die Schaltung 32 bewirkt, daß eine relativ hohe Ruhegleichspannung am dielektrischen Material 14/4 der Membran 14, z.B. 150 V anliegt. Wenn de>Wandler als Sender arbeitet, wird der Gleichspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 bis 70 kHz überlagert. Die Wechselspannung beträgt etwa 300 V Spitzenspannung.

Der Betrieb des Wandlers erfordert, daß eine Gleichspannung an die leitende Oberfläche 22 und die metallische Elektrodenplatte 13 als Vorspannung angelegt wird. Diese Ruhegleichspannung kann durch eine permanente Polarisierung des Isolierkörpers der Membrane ersetzt werden, wie sie in gewissen Kunststoffen auftritt. In einem solchen Fall wäre der Wandler ein Wandler vom Elektret-Typ. In diesem Fall ist die Wirkung des Elektretfeldes kleiner als die eines Gleichspannungsfeldes, das angelegt werden kann.

Wenn der Wandler zum Entfernungsmessen verwendet wird, sollte ein Maximum an Schall abgestrahlt werden; die Phase und Verteilung der Schallabstrahlung über die Fläche des Wandlers sollten gut definiert und vorbestimmt sein, weil sie das Richtdiagramm bestimmen. Je größer der Durchmesser, je höher die Frequenz und je genauer die Phasengleichheit sind, desto stärker gebündelt ist der erzeugte Strahl. Die Abstrahlung ist stark, wenn die Arbeitsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Wandlers liegt, vorausgesetzt, daß die Masse der Membrane klein ist und eine große Anzahl von Nuten mit einigermaßen scharfen Kanten vorhanden ist, die örtlich starke Felder im dielektrischen Material der Membran und dadurch örtlich große Kräfte erzeugen; eine weitere Voraussetzung ist, daß die angelegten Spannungen hoch sind. Die Resonanzfrequenz des Wandlers hängt von der angelegten Spant ung und von den Parametern der Membran ab, z. B. von deren spezifischer Masse, Dicke, mechanischer Spannung und vom Elastizitätsmodul, sowie von den Parametern der Elektrodenplatte, z. B. der Breite und Tiefe der Nuten.

Bei gegebener Anordnung besteht eine Obergrenze für die Gleichspannung und die Wechselspannung. Bei einem zu hohen Spannungsniveau wird die Schallabstrahlung geringer, weil die angelegte Spannung die Membran streckt und dadurch ihre Resonanzfrequenz erhöht. Überdies neigt das Isoliermaterial abhängig von der Form der Nuten dazu, sich aufzuladen, wodurch die

Schallabstrahlung mit der Zeit abnimmt; bei noch höheren Spannungen tritt ein totaler Zusammenbruch des Dielektrikums auf und die Spannung schlägt durch. Die Nuten sollten nicht zu seicht sein, weil die dynamische Kompression der eingeschlossenen Luft die Resonanzfrequenz erhöht. Eine ideale Membrane muß deshalb hart, leicht und extrem dünn sein. Der Isolierteil der Membran sollte großen Feldstärken ohne Aufladung widerstehen und ohne daß ein Durchschlag auftritt.

Wie F i g. 2 zeigt, stehen die Oberflächen 33 der im Querschnitt quadratischen Ringstege 34, welche die konzentrischen Nuten in der Oberfläche 24 der Elektrodenplatte definieren, mit der isolierenden Oberfläche 23 der Membran in Berührung, die zwischen der Abdeckung und der Basis ausgespannt ist, wobei die Feder 15 dazu dient, die Oberflächen 33 in engem Kontakt mit der isolierenden Oberfläche 23 zu halten. Vorzugsweise sind die Ringstege 34 etwa 0,15 mm breit und haben einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,25 mm. Damit haben die Nuten einen gegenseitigen Abstand von 0,15 mm und die Teilung der Nuten beträgt etwa 0,4 mm. Das freie Ende jedes Ringsteges 34 nahe der Oberfläche 33 ist mit einer Abschrägung 36 versehen, um das örtliche elektrische Feld im dielektrischen Material 14,4 zu modifizieren. Dies hat eine vorteilhafte Auswirkung auf die Reproduzierbarkeit der Richtcharakteristik des Wandlers. Die bevorzugte Abschrägung beträgt etwa 45°, wie dies in Fig.3 gezeigt ist, wobei eine Randzone von etwa 25 μίτι von jedem Scheitel entlang dessen Längskanten entfernt wird.

Zwischen den Ringstegen 34 ist die Membran frei beweglich und kann angeregt werden, so daß sie unter der Wirkung der über die metallische Oberfläche 23 und die leitende Elektrodenplatte 13 von der Treiberschaltung 32 angelegten elektrostatischen Kräfte schwingt.

Die obere Fläche der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte 13, die die Oberflächen 33 der Ringstege 34 definieren, ist geringfügig gewölbt bzw. mit einer konvexen Krümmung versehen. Mit anderen Worten sollte die Mitte der Elektrodenplatte geringfügig höher als die Umfangsränder der Platte sein, d. h. bei einer Elektrodenplatte mit einem Durchmesser von 35 mm, die für einen Bereich von 45 bis 70 kHz ausgelegt ist, sollte die Erhöhung der Plattenmitte gegenüber dem Plattenumfang etwa 0,5 mm betragen. Diese Krümmung ist in übertriebener Form in F i g. 5 dargestellt.

Die Oberflächen 33 sind gleichmäßig gerieft, so daß sie einen gleichmäßigen Kontakt mit verminderter Kontaktfläche ergeben. Beispielsweise kann eine Riffelflärhe bestehend aus radialen Rippen 35 auf den Oberflächen 33 ausgebildet werden, wie dies in Fig 3 dargestellt ist. Eine Riefentiefe von 5 bis 10 μηι erweist sich als geeignet Überdies können die Oberflächen 33Λ' der Ringstege 34Λ', wie dies Fi g. 9 zeigt, relativ kleine, in gleichmäßigen Abständen angeordnete Rippen 38 tragen, die sich quer über jede Oberfläche 33 erstrecken. Diese Rippen 38 verringern die Länge der mit der Membran in Berührung stehenden Oberfläche. Die Rippen 38 können eine Breite von bis 7u 100 μίτι und eine Höhe von 10 μίτι haben und sind in einem gegenseitigen Abstand von 0,5 mm angeordnet. Ein kleinerer gegenseitiger Abstand der Rippen 38 kann angewendet werden, wenn sie eine geringere Höhe als vorstehend angegeben haben. Zur Erzielung einer kleinen Kapazität ist die Höhe der Stege 34Λ zwischen 5 und 10 um variiert Wie bei D in Fig. 10 gezeigt ist.

weicht jeder dritte Ringsteg von der gewölbten Oberfläche um den vorstehend angegebenen Betrag ab. Da die Änderung der Breite der Ringstege und Nuten schwierig herstellbar ist, wird vorzugsweise die Tiefe der Nuten geändert. Diese Anordnung ist in Fig.4 gezeigt, wo die Nuten 53 nahe dem Umfang der Elektrodenplatte 13 seichter sind als jene Nuten, die näher der Plattenmitte liegen, so daß die Nuten 52, 51, 50 zunehmend tiefer werden.

ίο Vorzugsweise nimmt die Tiefe der Nuten mit Annäherung an den Umfang der Elektrodenplatte nach einer stetigen Kurve ab. Die Änderung der Tiefe der Nuten von der Plattenmitte bis etwa zur halben Radialerstreckung ist vorzugsweise geringfügig, so daß diese Nuten im wesentlichen eine konstante Tiefe haben, z. B. 250 μ~., wogegen von einer etwa nahe der halben Radialerstreckung liegenden Stelle an die Tiefe der Nuten abnimmt, wobei sich die Tiefe entsprechend einer im wesentlichen stetigen Kurve ändert und sehr seichte Nuten mit einer Tiefe von z. B. 50 μΐη erzielt werden. Dies ist in F i g. 4 gezeigt, wo die äußeren vier Nuten 50 bis 53 dargestellt sind und die Nut 51 geringere Tiefe als die Nut 50 hat, und die Tiefenabnahme zur Umfangsnut 53 hin fortschreitet.

Es ist auch möglich, nichtmetallische Elektrodenplatten mit Metallplattierung zu benutzen. Eine auf diese Weise aufgebaute Elektrodenplatte 60 ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt und weist einen Isolierkörper aus einem starren Kunststoff auf, der mit einer leitenden Schicht 64

J<> überzogen oder plattiert ist. Die Platte 60 enthält eine Vielzahl von konzentrischen Nuten 66, die wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ausgebildet sind. Zusätzlich erstrecken sich radiale Nuten 68 über die Oberfläche bis zur Tiefe der konzentrischen Nuten 66, wodurch gesichert wird, daß über die Plattenoberfläche eine Plattierungsverbindung besteht, d. h. daß die Plattierung innerhalb der Nuten und über die Scheitel nicht unterbrochen ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Verbindung mit der Schicht 64 wie beim schon erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel durch den Federarm 27 hergestellt, der auf der unteren Plattcnfläche 72 angreift. Die Platte 60 ist über ihren Umfangsrand bis zur unteren Plattenfläche metallisiert.

Um eine Entfernung dieser Kanten- bzw. Randbeschichtung infolge Reibens des Randes am Wandlergehäuse zu vermeiden, ist eine Vielzahl von mit gegenseitigem Abstand angeordneten kleinen Randausschnitten bzw. Vertiefungen 70 vorgesehen. Diese sichern eine unterbrechungsfreie Erstreckung der Schicht 64 über die Platte 60 bis zu deren Unterseite.

In F i g. 6 ist eine abgeänderte Ausführung des Wandlers dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der Wandler 100 enthält eine Basis 111, eine Membran 114, die zwischen der Basis und einer Abdeckung 112 angeordnet ist, und eine Elektrodenplatte 113, die durch eine zwischen der Basis und der Elektrodenplatte angeordnete gewellte Feder 115 in Berührung mit der Membran gehalten ist. Die Abdeckung 112 ist mit einem nach unten gerichteten Mantelteil 116 versehen, der am Umfang der Membran 114 angreift und diesen gegen einen nach oben gerichteten Flansch 117 der Basis 111 drückt und festhält Der Druck auf den Umfang der Membrane wird dadurch aufrecht erhalten, daß das freie Ende 118 des Mantelteiles 116 der Abdeckung 112 in Eingriff mit der Unterseite der Basis gebogen oder umgerollt ist, wie dies in F i g. 6 gezeigt ist Die Eigenelastizität des Abdeckungsmaterials sichert, daß

keine Gleitbewegung der Membrane bezüglich der Basis auftritt; dadurch wird die Spannung in der Membrane aufrecht erhalten. Die Abdeckung 112 ist somit mit einem U-förmigen Umfangsabschnitt versehen, der in Klemmeingriff mit der Membran 114 und der

Basis 111 steht, wodurch die Membran gegen den Umfang der oberen Fläche der Basis 111 gedrückt wird, u.zw. unter der Wirkung der von der Abdeckung 112 ausgeübten Kraft, insbesondere der Lippe 118, welche am Umfang der unteren Basisfläche angreift.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Schallwandler der Seil-Bauart mit einer metallisierten Plastikmembran, die einer starren Elektrodenplatte aufliegt, die an der der Membran zugewandten Seite mit konzentrischen Nuten versehen ist, zwischen denen Ringstege gebildet sind, deren Oberflächen Unebenheiten aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen (33) der Ringstege (34) radial verlaufende Rippen (35;38) tragen.

2. Elektrostatischer Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (35) eine Riffeifläche bilden.

3. Elektrostatischer Schallwandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (38) umfangsciäßig in einem Abstand zueinander angeordnet sind, der etwa fünf mal so groß ist, wie die Breite der Rippen.

4. Elektrostatischer Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran (14) zugewandte Oberfläche konvex gekrümmt ist.

5. Elektrostatischer Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ringnuten (50, 51, 52) nach dem Rand hin abnimmt.