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Druckelektrischer Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf druckelektrische Wandler, insbesondere Mikrophone, mit einem einen pn-Übergang enthaltenden Halbleiter, auf den mit Hilfe eines Steuerorgans, beispielsweise einer Membran, über ein Druckelement, beispielsweise eine Saphirspitze, ein Druck ausgeübt wird. Derartige Wandler haben den Nachteil, dass sie gegen Überlastungen, wie sie z. B. auftreten, wenn der Wandler einem Schlag oder Stoss oder als Mikrophon einem Knallgeräusch od. dgl. ausgesetzt wird, ausserordentlich empfindlich sind, da bei derartigen Beanspruchungen der Halbleiter durch das Druckelement beschädigt oder sogar zerstört werden kann.
Ein weiterer Nachteil ist, dass auch durch zeitlich langsam verlaufende Veränderungen des Steuerorgans, die beispielsweise durch thermische Einflüsse hervorgerufen werden können, aber auch durch plötzliche Überlastungen, die nicht zur Beschädigung des Halbleiters führen, auftretende dauernde Verformungen des Steuerorgans zu einer Änderung der Übertragungseigenschaften der Wandler führen, da durch Veränderung der Ruhelage des Steuerorgans der Druck, mit dem das Steuerelement in der Ruhelage am Halbleiter angreift, Veränderungen erfährt.
Zweck der Erfindung ist es, die angegebenen Nachteile zu vermeiden.
Erreicht wird dieser Zweck dadurch, dass ein vom Steuerorgan gesteuertes Übertragungsglied vorgesehen ist, das mit zumindest einer seiner im wesentlichen in seiner Bewegungsrichtung verlaufenden Seiten mit einem federnd beweglichen, das Druckelement tragenden Halteglied bis zum Überschreiten einer vorbestimmten Grösse der vom Steuerorgan auf das Übertragungsglied ausgeübten Kraft in kraftschlüssiger Verbindung gehalten ist.
Bei plötzlichen Überlastungen durch auf das Steuerorgan einwirkenden Schlag, Stoss od. dgl. wird das Übertragungsglied infolge schlagartiger Beschleunigung mit einer solchen Kraft angetrieben, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen Übertragungsglied und Halteglied aufgehoben wird. Da das Übertragungsglied erfindungsgemäss mit zumindest einer seiner im wesentlichen in seiner Bewegungsrichtung verlaufenden Seiten bei normaler Beanspruchung des Wandlers mit dem Halteglied in kraftschlüssiger Verbindung gehalten ist, die bei Überlastung des Wandlers aufgehoben wird, kann es an dem an der erwähnten Seite anliegenden Teil des Mechanismus vorbeigleiten, so dass eine Kraftübertragung auf das Halteglied nicht mehr stattfindet.
Es wurde festgestellt, dass auch bei extrem starken plötzlichen Auslenkungen des Steuerorgans keine schädliche Beeinflussung des Halbleiters mehr zu beobachten ist. Ein Durchrutschen des Übertragungsgliedes wird ebenso auch erfolgen, wenn infolge zeitlich langsam verlaufender Änderungen des Steuerorgans unzulässig grosse Kräfte auf das Übertragungsglied einwirken. Der erfindungsgemäss aufgebaute Wandler ist somit, wie sich gezeigt hat, allen im praktischen Betrieb eines solchen Wandlers vorkommenden, auf das Steuerorgan einwirkenden Belastungen gewachsen, ohne dass der Wandler dadurch unbrauchbar oder zerstört würde.
Die erfindungsgemässe Kupplung zwischen dem das Druckelement tragenden Halteglied und dem Übertragungsglied kann in einfacher Weise so aufgebaut sein, dass das Übertragungsglied unmittelbar am Halteglied angreift. Es ist jedoch auch möglich, zwischen Übertragungsglied und Halteglied beispielsweise zur Erzielung besonderer Übersetzungsverhältnisse zwischen den Bewegungen des Übertragungsglie-
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des und des Haltegliedes ein oder mehrere Zwischenglieder anzuordnen.
Das federnd bewegliche Halteglied kann zumindest teilweise aus Federmaterial ausgebildet sein, so z. B. als einseitig oder zweiseitig befestigte Blattfeder. Es ist jedoch auch möglich, das das Druckelement tragende Halteglied starr auszubilden und unter dem Einfluss eines oder mehrerer Federelemente stehend beweglich, insbesondere schwenkbar, zu lagern.
Für die Lage des Haltegliedes zum Übertragungsglied ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. So ist es z. B. möglich, das Halteglied im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Übertragungsgliedes liegend anzuordnen. Es ist aber auch möglich, das Halteglied im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Übertragungsgliedes anzuordnen. Diese Möglichkeiten lassen es zu, die Konstruktion eines erfindungsgemäss aufgebauten Wandlers den jeweils vorliegenden Verhältnissen angepasst, weitgehend zu variieren.
Verwendet man eine erfindungsgemäss aufgebaute Anordnung, bei der das Übertragungsglied direkt am Halteglied angreift, so ergeben sich verschiedene Möglichkeiten bezüglich der Lage des Angriffspunk- tes des Übertragungsgliedes am Halteglied. So kann man beispielsweise das Übertragungsglied bezüglich des Haltegliedes so anordnen, dass es an eine der das Halteglied begrenzenden Aussenflächen angedrückt ist. Es kann das Übertragungsglied beispielsweise an das freie Ende einer einseitig eingespannten, als Halteglied dienenden Blattfeder angedrückt sein. Es ist aber auch möglich, das Übertragungsglied an eine der Schnittkanten einer zweiseitig eingespannten Blattfeder anzudrücken. Entsprechende Angriffspunkte können bei einem schwenkbar gelagerten starren Halteglied gewählt werden.
Ist das Halteglied im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Übertragungsgliedes liegend angeordnet, wird es zweckmässig sein, das Halteglied mit einer auf das Übertragungsglied zugerichteten Ausformung zu versehen, an welcher das Übertragungsglied angreift. Durch die Formgebung dieser Ausformung lässt sich auf einfache Weise zugleich die Grösse der Berührungsfläche des Haltegliedes mit dem Übertragungsglied bestimmen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführung greift das Übertragungsglied in einem Durchbruch des Haltegliedes an diesem an. Durch diesen Durchbruch lässt sich eine gute Führung des Übertragungsgliedes erzielen.
Die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Übertragungsglied und dem Halteglied kann durch Federkraft bewirkt sein. Die Federkraft kann beispielsweise durch Eigenfederung eines zumindest teilweise aus Federmaterial bestehenden Haltegliedes als auch durch Eigenfederung eines zumindest teilweise aus Federmaterial bestehenden Übertragungsgliedes, aber auch beispielsweise durch ein zusätzliches Federelement aufgebracht werden. Bei der Ausnutzung der Eigenfederung des Haltegliedes bei einer Anordnung mit einem Übertragungsglied, das in einem Durchbruch des Haltegliedes geführt ist, werden zweckmässig federnde Lappen vorgesehen, die an dem frei im Durchbruch geführten Übertragungsglied angreifen.
Bei einem aus Federmaterial bestehenden Halteglied können in vorteilhafter Weise die federnden Lappen bei derHerstellung des Durchbruches aus dem Material des Haltegliedes herausgedrückt werden. Es ist zweckmässig, Mittel vorzusehen, durch welche die die kraftschlüssige Verbindung bewirkende Federkraft ver- ändert werden kann. Das kann beispielsweise bei der Verwendung eines zusätzlichen Federelementes mit Hilfe einer Stellschraube erreicht werden, mit der die Vorspannung des Federelementes veränderbar ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäss aufgebauten Wandlers wird die kraftschlüssige Verbindung zwischen Übertragungsglied und Halteglied durch Magnetkraft bewirkt. Dies ist grundsätzlich sowohl mit Hilfe von Elektromagneten als auch in besonders einfacher Weise mit Hilfe eines oder mehrerer Dauermagnete möglich. Eine einfache Ausbildung wird bei einer Anordnung, bei der das Übertragungsglied direkt am Halteglied angreift und die kraftschlüssige Verbindung mit Hilfe von Dauermagneten bewirkt, wird erzielt, wenn eines der beiden in kraftschlüssiger Verbindung stehenden Glieder (Halteglied, Übertragungsglied) zumindest teilweise aus dauermagnetischem Material und das jeweils andere zumindest teilweise aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet wird.
Es ist jedoch auch möglich, beide Glieder zumindest teilweise aus dauermagnetischem Material auszubilden.
Eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Übertragungsglied und Halteglied lässt sich jedoch auch mit Hilfe zumindest eines zusätzlichen Magneten, insbesondere eines zusätzlichen Dauermagneten, herstellen. So kann man das Übertragungsglied ganz oder teilweise aus magnetisch leitfähigem Material herstellen und in geeigneter Lage einen Dauermagneten anordnen, in dessen Feld das Übertragungsgliedbeispielsweise direkt an das Halteglied angedrückt wird, das in diesemFall nicht aus magnetisch leitfähigem Material zu bestehen braucht, so dass es lediglich mit Rücksicht, beispielsweise auf seine Federeigen- schaften, ausgewählt werden kann.
Zur Einstellung der die kraftschlüssige Verbindung bewirkenden Kraft wird es zweckmässig sein, Mit-
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tel vorzusehen, durch welche die die Verbindung bewirkende Magnetkraft veränderbar ist. So kann man beispielsweise einen Dauermagneten in seiner Lage zum Übertragungsglied verstellbar befestigen oder ihm einen verstellbaren Nebenschluss zuordnen.
Um beispielsweise die Grösse der Fläche an die das mit dem Halteglied in kraftschlüssiger Verbindung stehende Übertragungsglied angedrückt ist, unabhängig von der Ausbildung des Haltegliedes zu wählen, kann man zwischen dem Halteglied und dem Übertragungsglied ein federnd bewegliches Zwischenglied anordnen. Wenn man dieses Zwischenglied aus dauermagnetischem Material ausbildet und Halteglied und Übertragungsglied zumindest teilweise aus magnetisch leitfähigem Material herstellt, ist durch den zwischen den Gliedern liegenden Dauermagneten in einfacher Weise eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Halteglied und Übertragungsglied hergestellt.
Das Übertragungsglied kann direkt am Steuerorgan, beispielsweise der Membran eines Wandlers, befestigt sein. Es ist jedoch auch möglich, das Übertragungsglied an einem Zwischenglied zu befestigen, auf welches die Bewegung des Steuerorgans übertragen wird.
Zweckmässig wird man, um auch sehr weitgehende Verformungen des Steuerorgans für den Übertragungsmechanismus unschädlich zu machen, das Übertragungsglied so ausbilden und bzw. oder an dem seiner Halterung dienenden Bauteil, z. B. dem Steuerorgan befestigen, dass es in seiner Bewegungsrichtung starr, in dazu senkrechter Richtung beweglich ist. Das lässt sich z. B. mit Hilfe einer kugelgelenkartigen Befestigung machen.
Einen einfachen Aufbau des erfindungsgemässen Wandlers erzielt man, wenn man das Halteglied mit dem Druckelement, den Halbleiter und die gegebenenfalls zur Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung zwischen Übertragungsglied und Halteglied vorgesehene Vorrichtung, z. B. eine Andruckfeder oder einen Dauermagneten, zu einer in den Wandler einsetzbaren Einheit zusammenfasst. Es lassen sich dann die erforderlichen Justiervorgänge am ausgebauten Einsatz ohne Störung durch den Wandleraufbau vornehmen.
Es ist darüber hinaus jedoch auch möglich, an diesem Einsatz zusätzlich einen federnden Träger vorzusehen, der das Übertragungsglied trägt. Man kann dann den Einsatz so in den Wandler einsetzen, dass der Träger mit dem Steuerorgan, beispielsweise durch einfaches Andrücken an das Steuerorgan, gekuppeltwird.
Im folgenden sei die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen die Fig. l und 2 im Schnitt erfindungsgemäss ausgebildete, als Mikrophone dienende druckelektrische Wandler, die Fig. 3-11 verschiedene Ausführungsformen von Einsätzen in druckelektrische Wandler mit der erfindungsgemässen Anordnung und Fig. 12 teilweise ein Steuerorgan eines erfindungsgemäss aufgebauten druckelektrischen Wandlers mit daran befestigtem Übertragungsglied.
Der in Fig. l dargestellte druckelektrische Wandler besitzt einen Trägerkörper 1, eine Membran 2 und ein aus Blecheinfassungen 3,4 und 5 bestehendes Gehäuse. In eine Öffnung 6 des Trägers 1 ist ein Einsatz 7 eingebracht, der einen Halbleiter 8 trägt. Am Träger 1 ist weiterhin mit Hilfe einer Schraube 9 eine Blattfeder 10 befestigt, die eine Saphirspitze 11 trägt. Die Feder ist an ihrem freien Ende mit einerAbbiegung 12 versehen. An diese Abbiegung wird ein mit der Membran 2 in Verbindung stehendes stiftartiges Übertragungsglied 13 mit Hilfe einer zweiten, ebenfalls am Träger 1 befestigten Andruckfeder 14 angedrückt. Die Feder 14 ist mit Hilfe einer Schraube 15 am Träger so befestigt, dass sie in Richtung der eingezeichneten Pfeile verschoben werden kann.
Es ist also so auf einfache Weise die Möglichkeit gegeben, die von der Feder ausgeübte Andruckkraft auf das Übertragungsglied 13 zu verändern.
Der in Fig. 2 dargestellte druckelektrische Wandler besitzt einen Trägerkörper 16, eine auf diesem gelagerte Membran 17 und ein aus Blecheinfassungen 18,19 und 20 gebildetes Gehäuse. In einer zylindrischen Öffnung 21 des Gehäuses, die mit einem Innengewinde versehen ist, ist ein Einsatz 22 eingeschraubt. Auf diesem Einsatz ist ein Ansatz 23 vorgesehen, an dem ein Halbleiter 24 befestigt ist. Der Ansatz 23 trägt weiterhin eine mit Hilfe einer Schraube 25 befestigte Blattfeder, die eine Saphirspitze 27 trägt, die auf den Halbleiter drückt. Mit der Membran ist mit Hilfe eines Gelenkes 28 ein stiftartiges Übertragungsglied 29 befestigt. Dieses wird mitHilfe einer Feder 30 an die Feder 26 angedrückt.
Die Feder 30 ist mit einem Ansatz 31 in eine Ausnehmung des Einsatzes 22 eingesteckt und so geformt, dass ihre Andruckkraft mit Hilfe einer Schraube 32, die den Einsatz durchgreift, verändertwerdenkann. DiezylinderförmigeAufnahmeöffnung für den Einsatz 22 ist durch den Teil 20 des Gehäuses des Wandlers nach unten verschlossen. Die durch die Feder 30 auf das Übertragungsglied ausgeübte Andruckkraft lässt sich mit Hilfe der Einstellschraube 32 nach Abnehmen des Teiles 20 des Gehäuses des Wandlers auf einfache Weise regulieren.
In Fig. 3 ist ein Einsatz dargestellt, wie er zum Einsetzen in den in Fig. 2 gezeigten Wandler geeignet ist. Auf diesem mit 33 bezeichneten Einsatz ist ein Halbleiter 34 befestigt, auf den eine Saphir-
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spitze 35 drückt, die an einer Blattfeder 36, die mit Hilfe einer Schraube 37 einseitig befestigt ist, angebracht ist. Ein Übertragungsglied 38 greift am freien Ende der Feder an. Das Übertragungsglied ist in seinem unteren Bereich 39 als Dauermagnet ausgebildet. Die Feder 36 besteht aus magnetisch leitfähigem Material, das Übertragungsglied wird also im Feld seines dauermagnetischen Teiles 39 an die als Halteglied für das Druckelement dienende Feder 36 angedrückt.
Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung der erfindungsgemässen Anordnung zeigen die Fig. 4 und 5 an einem ebenfalls zum Einsetzen in einen Wandler gemäss Fig. 2 geeigneten Einsatz 40, auf dem eine zweiseitig befestigte Feder 41 angebracht ist. Diese Feder besitzt einen Durchbruch 42, durch den ein Übertragungsglied 43 hindurchgeführt ist. Aus der Feder sind zwei federnde Lappen 44 und 45 herausgedrückt, die sich an das Übertragungsglied 43 mit ihren abgebogenen Enden andrücken. Die Feder trägt eine Saphirspitze 46, die an einem Halbleiter 47 angreift.
In den Fig. 6-10 sind weitere Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung jeweils an entsprechend ausgebildeten Einsätzen dargestellt, die in einen druckelektrischen Wandler eingebracht werden können. Der Einsatz 47, der in den Fig. 6 und 7 in einer seitlichen Ansicht und in einer Draufsicht dargestelltist, ist mit einer zweiseitig befestigten Blattfeder 48 versehen, die einen Durchbruch 49 besitzt. In diesen Durchbruch ragt ein stiftartiges Übertragungsglied 50, das in seinem unteren Bereich aus dauermagnetischem Material besteht. Die Feder 48 ist aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet, so dass sich das Übertragungsglied an einen Rand des Durchbruches andrückt. Die durch das Übertragungsglied hervorgerufene Bewegung der Feder 48 wird auf einen Saphir 51, der auf einen Halbleiter 52 drückt, übertragen. Zur Befestigung der Feder dienen Schrauben 53 und 54.
Bei der Anordnung nach Fig. 8 ist auf einem Einsatz 55 ein Halbleiter 56 angebracht. Auf diesem wird mit Hilfe einer Saphirspitze 57 ein Druck ausgeübt. Die Spitze ist an einem starr ausgebildeten Halteglied 58 befestigt, welches um eine Achse 59 schwenkbar gelagert ist und unter dem Einfluss einer Feder 60 steht. Das Übertragungsglied 61 ist aus dauermagnetischem Material ausgebildet, das Halteglied 58 aus magnetisch leitfähigem Material. Das Übertragungsglied 61 wird also im Dauermagnetfeld an das Halteglied 58 angedrückt.
Der Einsatz 62 nach Fig. 9 trägt einen Halbleiter 63. Eine Saphirspitze 64 ist an einer Feder 65 befestigt, die mit Hilfe einer Schraube 66 am Einsatz 62 befestigt ist. Das Übertragungsglied 67 besteht aus magnetisch leitfähigem Material und wird im Feld eines Dauermagneten 68 an das Halteglied 65 angedrückt.
Eine weitere Möglichkeit des Aufbaues der erfindungsgemässen Anordnung zeigt schliesslich dieFig. l0.
Auf einem Träger 69 ist eine Blattfeder 70 mit Hilfe von Schrauben 71 und 72 zweiseitig be- festigt. Sie trägt ein Druckelement 73, das auf einen Halbleiter 74 drückt. Das Übertragungsglied 75 greift durch einen Durchbruch 76 der Feder 70 hindurch. In seinem unteren Teil ist das Übertragungsglied aus magnetisch leitfähigem Material ausgebildet. Es liegt mit diesem Teil im Feld eines Dauermagneten 77, der auf einem Träger 78 angebracht ist. Dieser Träger 78 ist mit Hilfe einer Schraube 79 am Einsatz 69 befestigt. Die Schraube greift durch einen Längsschlitz 80 im Träger 69 hindurch. Es ist so die Möglichkeit gegeben, durch Verschieben des Trägers 78 mit dem Dauermagneten 77 den Abstand zwischen Übertragungsglied 75 und Dauermagnet 77 zu ändern und so die vom Dauermagneten auf das Übertragungsglied ausgeübte Andruckkraft zu regulieren.
In Fig. 11 ist eine Anordnung gezeigt, bei der zwischen dem Halteglied für das Druckelement und dem vom Steuerorgan gesteuerten Übertragungsglied ein Zwischenglied angeordnet ist. Das Halteglied ist als einseitig befestigte Feder 91 auf einem Träger 92 angebracht. Es liegt mit der Saphirspitze 93 an einem Halbleiter 94 an. Die Feder 91 besteht aus magnetisch leitfähigem Material. Zwischen dieser Feder 91 und dem Übertragungsglied 95, das ebenfalls aus magnetisch leitfähigem Material besteht, ist als Zwischenglied ein Dauermagnet 96 angeordnet, der über eine Feder 97 am Einsatz 92 gelagert ist. Die die kraftschlüssige Verbindung zwischen Halteglied und Übertragungsglied bewirkende Kraft wird also durch den zwischen diesen Gliedern liegenden Dauermagneten 96 aufgebracht.
Bei dem vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die erfindungsgemässe Anordnung an Beispielen erläutert, bei denen der Halbleiter und das Halteglied an einem Einsatz, der in einem druckelektrischen Wandler eingebracht werden kann, angeordnet sind. Es sei jedoch bemerkt, dass sich die Erfindung natürlich auch realisieren lässt, wenn auf derartige Einsätze verzichtet wird und die genannten Teile und weitere Teile des Mechanismus an einem einstückigen Träger, der beispielsweise auch gleichzeitig Teil eines Wandlergehäuses sein kann, angebracht werden.
Eine Möglichkeit der Befestigung des Übertragungsgliedes zeigt Fig. 12. Ein im Schnitt dargestelltes, membranartig ausgebildetes Steuerorgan ist mit einer Einbuchtung 86 versehen, die eine zentrale Öff-
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