DE3234060A1

DE3234060A1 - Elektrostatischer wandler

Info

Publication number: DE3234060A1
Application number: DE3234060A
Authority: DE
Inventors: Susumu Hirakata Osaka Katayama
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1984-03-15
Also published as: DE3234060C2; GB2110901A; GB2110901B; CA1202113A; US4796725A; JPS5846800A

Description

Elektrostatischer Wandler

Die Erfindung bezieht sifh Mf sinen elektrostatischen Wand ler zur Verwendung in Siazälitsikr

Fig. 1 ist eine scheraatisehs Darstellung eines elektro statischen Wanälsrs als ZSins-sImikrophon mit einer fest stehenden scheibenförirdg-an Elektrode Ä. Eine Schwingmembran B liegt auf der Oberfläche dsr feststehenden Elektrode A auf. Eine scheibenförmige bsi^clichs Elektrode C ist auf der Ober fläche der Schwingmembran 3 angebracht. Die bewegliche Elek trode C und die fsststsiisrids Elektrode A liegen jeweils an einem Anschluß siiier Stromquelle S „ Die Stromquelle S lie fert beispielsweise si;vi SMdisannung zwischen 100 und 200 V und FrequenssR s"-?Isohsu 50 und 60 kHz. Wenn von der Strom quelle S aus elektrische Signals auf die bewegliche Elek trode C und clis fsststsbsrd^ Elektrode A gegeben werden, ge rät die Schwingmembran 3 in Schwingungen und sendet Ultra schallwellen. £izs„ Die i'licLt^irkiKig äer feststehenden Elek trode A sind fer Schv/irig^s-^r^ii 3 und dergleichen lassen sich näherungsweiss durch die fclgsade Glsichung der Theorie der Richtwirkung von kreis£ö-riuic:en Kclbenschwingern ausdrücken, weil sie arciiähsrrio; ebsr.3 =i^hi-?in.gende Flächen aufweisen:

_z _ -J^sin θ

worin A die Wellen IM jigs, 5 ds^ Durchmesser der Schallquelle und θ äea Wisiksl badsutst, Ζ:ϊ die Gleichung wird eingesetzt λ-= 8,7 hm UHiG d « 3S $_s ~:κ>τ--Ά-& sich die Richtwirkung mit

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den Merkmalen der Fig. 2 ergibt. Man sieht, daß die Nebenkeule nur um 16 dB geschwächt ist. Die Anwendung eines Schwingers mit einer derartigen Richtwirkung beispielsweise bei einem Ultraschallschalter führt zur Ausbildung eines Identifikationsbereichs an der Stelle, die wegen der genannten Nebenkeule unbrauchbar ist. Ein derartiger, in Fig. 3 gezeichneter Schwinger, bei dem der Randbereich D der Schwingerfläche vorwärts geneigt ist (in Abstrahlrichtung der Schallwellen Y), um Phasen von beiden Seiten der Schwingfläche zur Geltung zu bringen, ist von dem Erfinder bereits vorgeschlagen worden, um den Nachteil der großen Nebenkeulen auszuschalten.

Gemäß Fig. 3 stimmt der Schichtaufbau aus der feststehenden Elektrode 1, der Schwingmembran 2 und der beweglichen Elektrode 3 genau überein mit dem Aufbau des üblichen elektrostatischen Ultraschall-Einzelschwingers, aber der Mittelteil E der ersten Elektrode 1 ist eben, die Randpartie D der feststehenden Elektrode ist konisch ausgeführt, und die feststehende Elektrode 1 besitzt über die Oberfläche der feststehenden Elektrode verteilt eine große Zahl Schallwellen abstrahlender Löcher 8. Die Ränder der Schwingmembran 2 und der beweglichen Elektrode 3 sind zwischen einem Einspannrahmen 6 und den Endflächen eines Befestigungsgestells 7 festgelegt. Die Austrittsrichtung der Schallwellen ist durch einen Pfeil bezeichnet* Mit diesen Mitteln wird, obwohl, wie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet, die Nebenkeule um 30 dB geschwächt werden kann, die Resonanzfrequenz von mindestens 80 kHz erzeugt. Die Anwendung eines Schwingers mit derart hohen Resonanzfrequenzen ist unzweckmäßig, weil die Abnahme des Schalldrucks erheblich ist. Die für den Gebrauch eines Schwingers geeignetsten Frequenzen liegen zwischen etwa 40 und 60 kHz.

Danach liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen Ultraschallschwinger zu entwickeln, bei

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dem die Resonanz freqiieas erniedrigt und der Konversionskoeffizient zwischen, akustischen und elektrischen Signalen erhöht werden kann.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend im einzelnen anhand der Fig. 4 bis 9, insbesondere der Fig. β beschrieben, Im übrigen stellen die Figuren dar:

Fig. 1 ein Schema für sinsii üblichen elektrostatischen -Wandler;

Fig. 2 die Kennlinien sinss üblichen elektrostatischen Wandlers _g wie er in Fig« I angedeutet ist;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen weiteren Wandler;

Fig. 4 einen Schnitt in größerem Maßstab durch die wesentlichen Elements d'sr bsvorsugten- Aus führungs form de r Erfindung?

Fig. 5 eine psrspsktivischs Ansicht der. Hauptelemente einer fests-cehsiifian 3iaktrode nach Fig. 4 in grösserem Maßstab?

Fig. 6 eiiiSii Schnitt oxidati clsa Gssamtaufbau eines erfinöttiigsgeaiäßsn alaktrostatischen Wandlers;

Fig. 7 eins Draufsicht cs:-.£ sine feststehende Elektrode

Fig. 8 eine Rückansicht ainer feststehenden Elektrode uö.oh Fig» 5?

Fig, 9 ein perspefetivischsis Serlegbiid eines erfindungsgeroäSea elektros-t-^^isshea Wandlers;

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Fig. 10 ein Diagramm, des -Zusammenhangs zwischen Frequenz und Ausgangsschalldruck . im Falle einer feststehenden Elektrode mit eingearbeiteten Nuten und andererseits einer feststehenden Elektrode ohne Nuten;

Fig. 11 ein Diagramm der Beziehung zwischen Frequenz und Ausgangsschalldruck in Abhängigkeit von der Lagebeziehung zwischen Nuten und Löchern;

Fig. 12 eine Draufsicht zur Veranschaulichung der Gestaltung einer weiteren feststehenden Elektrode zur Verwendung bei Vergleichsversuchen.

In den Figuren bezeichnet 1 eine scheibenförmige feststehende Elektrode mit ebenem Mittelteil und konisch geformtem Randteil. Eine Schwingmembran 2 liegt zwischen der feststehenden Elektrode 1 und einer beweglichen Elektrode 3; der Aufbau entspricht also dem üblichen. Eine große Zahl von Nuten 4 sind konzentrisch in die Oberfläche der feststehenden Elektrode 1 eingelassen, die die Schwingmembran 2 berührt (vgl. Fig. 8); die Nuten 4 öffnen sich zu der Schwingmembran hin und haben Rechteckquerschnitt. Ferner sind radial von der Mitte der feststehenden Elektrode 1 aus Löcher 5 dort eingeschnitten / wo sich auch Nuten 4 befinden; die Löcher 5 durchsetzen die ganze feststehende Elektrode 1, und ihre Weite ist größer als die Breite der Nuten 4. Wenn die feststehende Elektrode 1 eine Dicke von 1 mm hat und ihr Außendurchmesser 38 mm beträgt, haben die Nuten 4 zweckmäßigerweise eine Breite zwischen 0,2 und 0,5 mm, ihre Tiefe liegt bei 0,3 bis 0,5 mm, und der Durchmesser der Löcher beträgt 1 mm.

Die Schwingmembran 2 ist als Kunststoffolie aus Polyesterharz od. dgl. ausgebildet. Metallmembranen, etwa aus Aluminium,

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werden auf die Schwingmembran 2 aufgedampft und dienen als bewegliche Elektrode 3» Die Schwingmembran 2 sitzt unbeweglich zwischen einer Einbauunterlage 9 aus Kunststoff und

der inneren Abschlußfläche einer gewölbten Einspanneinrichtung 10 aus Aluminium oder einem anderen leitenden Werkstoff an deren Randteil. Die Befestigung der Einbauunterlage 9 und der Einspanneinrichtung 10 aneinander erfolgt durch Umfalzen des gezahnten Randes 10a der Einspanneinrichtung 10 um den Randteil 9a der Einbauunterlage 9. Die Schwingmembran '. wird durch die Federkraft einer druckausübenden Blattfeder gegen die feststehende Elektrode 1 gedrückt; die Blattfeder 12 ist zwischen einem χ-ückseitigen Deckel 11, der die offene Seite der feststehenden Elektrode 1 abschließt, und der Einspanneinrichtung 10 angeordnet.

Die Schwingmembran 2 wird vor der Montage mit einer gewissen Lose zwischen der Einbauunterlage9 und der Einspanneinrichtung 10 gehalten. Die Schwingmembran 2 liegt bei der Montage an der gesamten Fläche der feststehenden Elektrode 1 an. Die druckausübende Blattfeder 12 ist aus elektrisch leitendem Werkstoff hergestellt und weist eine herausgeschnittene Lasche 12a auf, die aus einer Öffnung 11a vorsteht, die sich in der Mitte des rückseitigen Deckels 11 befindet. Eine Halteschraube 13 hält den Deckel 11 an der feststehenden Elektrode 1 fest.

Die Halteschraubs 13 ist mit einem (nicht gezeichneten) aussenliegenden Anschluß verbunden und dient als Stromzuführung für die feststehende Elektrode 1. Die Stromzuführung zu der beweglichen Elektrode 3 erfolgt durch die druckausübende Blattfeder 12 - deren Laschanteil 12 a mit dem nicht gezeichneten außenliegenäen Anschluß verbunden ist, und durch die Einspanneinrichtung IC»

Durch das Zuführen "on elektrischen Signalen an die beweg-

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■·* 8· -

liehe Elektrode 3 und die feststehende Elektrode 1 wird die Schwingmembran 2 auf den Nuten 4 in Schwingungen versetzt. Die entstehende Schwingung pflanzt sich in der von der Schwingmembran 2 abgewandten Richtung (Y-Richtung) durch Löcher 5 am Ort der Nuten 4 fort und tritt in Form von Schalldrücken nach außen. Fig. 10 zeigt die Beziehung zwischen Frequenzen und Austrittsschalldrücken für den Fall, daß die feststehende Elektrode 1 mit Nuten 4 versehen ist (Kurve a), und für den Fall, daß solche Nuten 4 nicht vorgesehen sind (Kurve b). Aus Kurve a ist zu entnehmen, daß die Resonanzfrequenzen erniedrigt werden können.

Fig. 11 zeigt Kennlinien für die Beziehung zwischen der Lage der Nuten 4 und der Lage der Löcher 5, die beide in die feststehende Elektrode 1 eingelassen sind; die Frequenzen sind auf der Abszissenachse und die Austrittsschalldrücke auf der Ordinatenachse abgetragen. Die Kurve c gilt für den Fall, daß die Löcher 5 an den gleichen Stellen wie die Nuten 4 angebracht sind, während die Kurve d den Fall zeigt, daß die Löcher 5 auf Geraden liegen und die Nuten 4 konzentrisch verlaufen, wobei die Löcher 5 teilweise die Nuten

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4 überlappen. Danach können die Resonanzfrequenzen erniedrigt werden, indem Nuten 4 ausgebildet werden, während der Konversionskoeffizient sich erhöhen läßt, indem die Löcher 5 an den gleichen Stellen angeordnet werden wie die Nuten 4.

Für den Verlauf der in den Fig. 11 und 12 gezeichneten Kennlinien haben die Erfinder folgende Erklärung:

Die den öffnungen der Nuten 4 gegenüberliegenden Teile der Schwingmembran 2verden frei, wobei die Teile der Schwingmembran 2, die den genannten Öffnungen der Nuten 4 entsprechen, mit niedrigerer Resonanzfrequenz schwingen und die Ränder der genannten öffnungen der Nuten 4 Unterstützungspunkte der Schwingmembran darstellen.

Die Löcher 5 v?erden an der gleichen Stelle ausgeschnitten wie die Nuten 4, weil die von den Teilen nahe den Nuten 4 erzeugten Schwingungen, die die obenbezeichnete zweckmäßige Resonanzfrequenz einhalten, mit höchstem Wirkungsgrad in Schalldrücke umgesetzt werden. Das schließt die Möglichkeit ein, den Schall im Schallbereich der genannten zweckmäßigen Resonanzfrequenzen zu verstärken. Die Kennlinien in den Fig. 10 und 11 wurden unter folgenden Bedingungen gewonnen:

Der Durchmesser der feststehenden Elektrode in dem zur Erzeugung von Schallweilen wirksamen Bereich (vgl. Fig. 6) betrug f = 36 mm, der Durchmesser der feststehenden Elektrode in ihrem mittleren ebenen Teil g = 25 mm, der Winkel θ = 12°, der Trichterflächenanteil in dem genannten wirksamen Bereich zum Erzeugen von Schallwellen 29 %, der Durchmesser der Löcher 5 1,0 ram, die an die feststehende und df e bewegliche Elektrode gelegte Spannung 100 V Wechselspannung und 1*11 Y. Gleichspannung., und der Abstand zwischen einem Meßmikrophon und dem Schwinger 30 cm«

Bei der beschriebenen bevorzugten ausfuhrungsform der Erfindung ist eir.e feststehende Elektrode mit Nuten zum Festlegen von Resonanzfrequenzen in der Oberfläche der Elektrode vorgesehen, die einer Schwingmembran zugewandt ist; anstelle der Nuteu. können aber auch kreisförmige oder rechteckige Vertiefungen oder Einschnitts vorgesehen werden, die die feststehende Elektrode durchsetzen. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist, kurz gesagt, Vertiefungen vor der Schwingmembran zu formen^ um Zwischenräume entstehen· zu lassen.

Zwar sind die Nuten bai den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung konzentrisch angeordnet; im übrigen liefert aber jede Anordnung von Hüten (Vertiefungen), bei der die Nuten symmetrisch au der i-litte der feststehenden Elektrode

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als Symmetriepunkt verlaufen, unverändert die gleichen erwünschten Kennlinien. Auch derartige Abänderungen liegen somit im Rahmen der Erfindung.

Wie oben angegeben, ist gemäß der Erfindung eine große Zahl von sich zu einer Schwingmembran hin öffnenden Vertiefungen in der die Schwingmembran berührenden Oberfläche einer feststehenden Elektrode vorgesehen, wodurch die Resonanzfrequenzen im Vergleich zu einer Elektrode ohne Nuten erniedrigt werden können; eine Vielzahl von Löchern ist an den gleichen Stellen geschnitten, an denen sich auch die Vertiefungen befinden, wodurch, wie sich aus Fig. 11 ergibt, der Austrittsschalldruck um ungefähr 10 dB im Vergleich zu dem Fall erhöht wird, daß die Löcher nicht an den gleichen Stellen angebracht sind wie die Vertiefungen, und damit läßt sich der Konversionskoeffizient erhöhen.

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_ 4JU Leerseite

Claims

Patentanwälte

Dietrich Lewinsky

Heinz - Joachim Huber

Reiner Prietsch

Gotthardstr. 81

βΟΟΟ München 21 _{li|# September 1982}

Matsushita Electric Works, Ltd.

ate η tans ?:» r ü ehe :

^) Elektrostatischer wandler-;, mit ainer Schwingmembran zwischen einer feststehenden und einer beweglichen Elektrode, wobei an den beicvan Elektroden elektrische Signale anliegen₅

dadurch gekennzeichnet _D claif- die die Schwingmembran (2) berührende Oberfläche der feststehenden Elektrode (1) mit einer Vielzahl von der- Festlegung der Resonanzfrequenz dienenden Vertiefung®η versehen ist, die sich zu der Seite der Schwingnssibra.n (2) hin öffnen, sowie mit einer Vielzahl von üffnungsn (5) sum Herausführen des Schalldrucks an einer* Vielsaiil von Stellen, die den Stellen der Vertiefungen entsprechen.
2. Elektrostatischer- Wandler, insbesondere nach Anspruch 1, bei dem die feststehende Elektrode (i) auf ihrer Oberfläche mit der- Schi7ingmenibv£ii -(2) versehen ist und die bewegliche Elektrode (3) auf ο.θτ Oberfläche der Schwingmembran angebracht ist., so clE.fi, elektrische Signale an

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die bewegliche Elektrode (3) und die feststehende Elektrode (1) anlegbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß eine große Zahl von zu der Schwingmembran (2) hin sich öffnenden rechteckigen Nuten(4) konzentrisch in die die Schwingmembran (2) berührende Oberfläche der feststehenden Elektrode (1) eingelassen sind, und daß eine Vielzahl von durch die feststehende Elektrode (1) hindurchführenden Öffnungen (5) am Ort der Nuten (H) ausgebildet ist.

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