DE10235844B4

DE10235844B4 - Akustischer, elektrischer Wandler und Gargerät damit

Info

Publication number: DE10235844B4
Application number: DE2002135844
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Helm
Original assignee: MKN Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH and Co KG
Current assignee: MKN Maschinenfabrik Kurt Neubauer GmbH and Co KG
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-08-06
Also published as: DE10235844A1

Abstract

Akustischer, elektrischer Wandler,
mit einer ersten Elektrode (10),
mit einer zweiten Elektrode (20),
mit einem elektrisch isolierenden Medium (30) zwischen den beiden Elektroden (10, 20),
mit einer schwingfähigen Membran (40),
wobei die zweite Elektrode (20) mit der schwingfähigen Membran (40) schwingt, und
wobei die erste Elektrode (10) wenigstens einen Teil des elektrisch isolierenden Mediums (30) als fest aufgetragene Beschichtung auf der der zweiten Elektrode (20) zugewandten Seite trägt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die schwingfähige Membran (40) als Metallfolie und zugleich als zweite Elektrode (20) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen akustischen, elektrischen Wandler mit einer ersten Elektrode, mit einer zweiten Elektrode, mit einem elektrisch isolierenden Medium zwischen den beiden Elektroden, mit einer schwingfähigen Membran, wobei die zweite Elektrode mit der schwingfähigen Membran schwingt, und wobei die erste Elektrode wenigstens einen Teil des elektrisch isolierenden Mediums als fest aufgetragene Beschichtung auf der der zweiten Elektrode zugewandten Seite trägt, sowie ein Gargerät damit.
Akustische Schallwellen können nicht nur zur Übertragung von Schallinformationen genutzt werden, sondern mit Ihnen können auch physikalische Eigenschaften von Stoffen untersucht werden. So kann zum Beispiel aus der Schallgeschwindigkeit, die in einem Fluid herrscht, über bekannte physikalische Zusammenhänge die Dichte und/oder die Temperatur des Mediums berechnet werden. Um die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, beispielsweise in der Atmosphäre oder einem Gas, zu ermitteln, müssen zunächst Schallwellen erzeugt und anschließend auftreffende Schallwellen auch gemessen werden können.
Hierfür können sogenannte Elektrostaten oder auch elektrostatische Schallwandler eingesetzt werden, die auch kurz als Wandler bezeichnet werden. Diese Wandler arbeiten nach dem Kondensatorprinzip. Sie weisen zwei Elektroden auf, ferner ein dazwischen liegendes Dielektrikum bzw. ein elektrisch isolierendes Medium.
Eine der beiden Elektroden schwingt dabei. Außerdem wird eine schwingungsfähige Membran vorgesehen, die durch ihre Schwingungen den Schall erzeugt oder umgekehrt durch auftreffenden Schall zum Schwingen angeregt wird. Diese schwingungsfähige Membran bewegt sich also mit der zweiten Elektrode.
Letztlich arbeitet der Schallwandler also als Lautsprecher, wenn er elektrische Signale in Schwingungen und damit in Schall umsetzt, oder als Mikrofon, wenn von außen auf auftreffender Schall die Membran in Schwingungen versetzt und diese dann in elektrische Signale umgewandelt werden.
Bei bekannten Wandlern wird im Allgemeinen eine schwingungsfähige Membran aus möglichst dünnem Kunststoff eingesetzt und einseitig elektrisch leitend mit einem Metall beschichtet. Die Kunststofffolie bildet dabei zugleich das Dielektrikum bzw. das elektrisch isolierende Medium und die leitende Beschichtung mit einer Stärke von wenigen Nanometern bis Mikrometern bildet eine Elektrode. Die schwingungsfähige Membran bzw. Kunststofffolie muss nun mehrere Funktionen erfüllen. Einerseits muss sie möglichst dünn sein, damit die Kondensatorkapazität des aus den beiden Elektroden bestehenden Kondensators ausreichend groß ist, andererseits muss die Folie die beiden Elektroden natürlich auch sicher elektrisch voneinander isolieren können.
Die erforderlichen elektrischen Spannungen können über 1.000 Volt betragen, daher muss der Wandler mit einer Gleichspannung von mehreren 100 Volt beaufschlagt werden, und die angelegte Wechselspannung zur Schallerzeugung muss ebenfalls mehrere 100 Volt betragen, um eine ausreichende Schallleistung zu erzeugen.
Üblicherweise wird außerdem ein leitendes Gehäuse vorgesehen, dass die Beschichtung auf der schwingfähigen Membran elektrisch kontaktiert. Der gesamte Aufbau wird mittels einer Feder oder einer anderen Klemmung zusammengehalten. Die beschichtete Kunststofffolie wird gespannt eingebaut, damit auch gewährleistet ist, dass die Folie plan auf der anderen Elektrode aufliegt.

Ein Beispiel für einen derartigen Wandler mit einer schwingfähigen Membran aus Mylar, einem dimensionsstabilen Polyethylenterephthalat, wird in der DE 69 218 744 T2 beschrieben. Die Kunststofffolie ist hier auf ihrer von der ersten Elektrode abgewandten Seite mit diskreten Metallbereichen als Elektrode versehen. Die Kunststofffolie ist zwischen 2 μm und 200 μm dick.

Derartige Wandler sind zwar funktionsfähig, aber nur begrenzt einsetzbar. Aufgrund der verwendeten, Kunststofffolien ist der Aufbau nicht bzw. nur sehr bedingt temperaturbeständig. Geht es beispielsweise um Messungen an Fluiden (Atmosphäre, Gas etc.) mit erhöhten Temperaturen im Bereich von etwa 100 °C bis 1.000 °C, sind derartige Wandler nicht mehr einsetzbar. Auch die Verwendung von temperaturbeständigeren Kunststoffen kann das Problem nicht lösen. Diese sind zwar beständiger und schmelzen oder verbrennen bis zu einem bestimmten Temperaturbereich auch nicht (bis etwa 270 °C), sie verformen sich jedoch so stark, dass ihre Funktion innerhalb des Wandlers bei Temperaturen oberhalb von 150 °C nicht mehr zuverlässig gegeben ist.

Die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Metall führen auch zu einem geometrisch unbestimmten Wandleraufbau über den geforderten Temperaturbereich. Zu berücksichtigten ist ja, dass gerade eine Messung der Temperatur letztlich über den Wandler erfolgen soll und daher mit schwankenden Temperaturen gerade gerechnet werden muss.

Außerdem nimmt die Durchschlagsspannungsfestigkeit der Kunststoffe mit steigender Temperatur stark ab, so dass bei Einsatztemperaturen von 100 °C bis 500 °C keine ausreichende Spannungsfestigkeit mehr gegeben ist. Dem könnte noch durch stärkere Membranen entgegen gewirkt werden. Diese sind dann aber wiederum nur eingeschränkt schwingungsfähig und können damit aus diesem Grunde ihre Aufgabe nicht mehr erfüllen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen akustischen, elektrischen Wandler vorzuschlagen, der in Temperaturbereichen von mehr als 100 °C bis etwa 1.000 °C bessere Messungen erlaubt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die schwingfähige Membran als Metallfolie und zugleich als zweite Elektrode ausgebildet ist.

Auf diese Weise entsteht ein neuer und darüber hinaus auch sehr preisgünstiger Aufbau eines akustischen, elektrischen Wandlers, der außerdem temperaturbe ständig ist. Wenn die Membran aus einer Metallfolie besteht, sind sämtliche Probleme, die die Kunststofffolien bisher hervorgerufen haben, automatisch beseitigt.

Besonders bewährt haben sich dabei rostfreie Ausführungen vom Chrom-Nickelstahl mit einer Stärke von weniger als 0,1 mm, vorzugsweise von etwa 0,01 mm.

Diese Metallfolie bildet dann nicht nur die schwingende Membran, sondern auch die zweite, nämlich die bewegliche Elektrode des Kondensators.

Wird eine Metallfolie mit verhältnismäßig hoher Steifigkeit verwendet, wird darüber hinaus ein Spannen der Membran unnötig. Dies gilt gerade für Chrom-Nickelstähle. Dadurch kann zugleich auch jeder Aufwand vermieden werden, der sonst mit dem gleichmäßigen Spannen der Membran über einen großen Temperaturbereich verbunden wäre. Die Herstellkosten für eine solche gleichmäßig spannbare Membran wären höher, so dass auch diese Kosten eingespart werden können.

Dabei werden bevorzugt für das Gehäuse, für die Elektroden und die Membran bzw. Folien Materialien eingesetzt, die etwa die gleichen Ausdehnungskoeffizienten besitzen.

Die andere, unbewegliche Elektrode wird nun mit einer dünnen Beschichtung versehen. Diese Beschichtung bildet nur das elektrisch isolierende Medium, das sich also nicht mehr auf dem schwingenden Teil, sondern auf dem ortsfesten Bereich befindet. Die Dicke dieser Beschichtung liegt vorzugsweise unterhalb von 500 μm und beträgt insbesondere 100 μm. Auf diese Weise wird eine genügende Kondensatorkapazität sichergestellt.

Besonders gut geeignet sind für diese Beschichtung keramische oder ggf. Kunststoffschichten. Das Material sollte möglichst temperaturfest sein und eine ausreichende Spannungsfestigkeit aufweisen. Die Anforderungen für diesen Anwendungsfall sind jedoch ganz andere und wesentlich geringere als im Stand der Technik, wo das Material der beweglichen und schwingfähigen Membran diesen Temperaturanforderungen genügen musste.

So kann als Beschichtung eine aufgebrachte temperaturbeständige Kunststoffschicht (Polytetrafluorethylen (PTFE), Perfluoralkoxipolymere (PFA)) oder auch eine andere geeignete verwendet werden, die fest mit der Elektrode verbunden ist. Damit ist die Gefahr einer Verformung unter Temperatureinfluss nicht mehr vorhanden, die beim Stand der Technik im erheblichen Grade vorhanden war. Außerdem kann der temperaturbedingte Verlust an elektrischer Spannungs festigkeit in diesem Falle relativ einfach durch eine dickere Beschichtung ausgeglichen werden. Da das Dielektrikum bei der erfindungsgemäßen Anordnung eben gerade nicht schwingt, wird die Membran nicht beeinflusst.

Mit Polytetrafluorethylen (PTFE) kann insbesondere der Temperaturbereich bis etwa 350 °C, unter Umständen bis 400 °C ausgezeichnet abgedeckt werden.

Von besonderem Vorteil wäre als elektrisch isolierendes Medium auch eine keramische Beschichtung, beispielsweise Al₂O₃, Tantaloxid oder ähnliches. Diese besitzen den Vorteil einer besonders hohen Temperaturbeständigkeit. Sie sind also auch für noch höhere Temperaturen geeignet. Diese Beschichtungen können durch Flammspritzen oder auch andere Verfahren seriell aufgetragen werden. Viele keramische Schichten, vor allem Al₂O₃, weisen eine hohe Durchschlagsspannungsfestigkeit auf.

Sehr förderlich für die Funktionstüchtigkeit der Wandler ist die hohe Oberflächenqualität der beschichteten Elektrode. Dadurch wird die elektrisch isolierende Wirkung der keramischen Schicht unterstützt.

Nachteilig ist daher ein gewisser unvermeidbarer Grad von Porösität. Der Grad der Porösität ist stark von der verwendeten Keramik und der Auftragsart abhängig.

Besonders bevorzugt ist es daher, wenn eine Versiegelung, beispielsweise mit Polytetrafluorethylen, vorgenommen wird, die die Poren weitestgehend verschließt. Dadurch wird verhindert, dass sich in den Porösitäten Wasser oder andere Stoffe aus der unmittelbaren Umgebung im Laufe der Zeit anlagern und so die Spannungsfestigkeit herabsetzen.

Eine weitere Möglichkeit für die Erzeugung einer geeigneten Beschichtung als elektrisch isolierendes Medium besteht darin, das Grundmaterial der Elektrode gezielt oxidieren zu lassen. Dies ist z. B. mit Aluminiumlegierungen besonders gut möglich, die beim Oxidieren Eloxalschichten bilden. Diese Schichten sind ebenfalls elektrisch isolierend und können in ausreichender Schichtdicke hergestellt werden.

Um den Wirkungsgrad des Wandlers zu erhöhen, ist es außerdem vorteilhaft, wenn in der ortsfesten Elektrode außerhalb des Klemmbereiches eine Vertiefung mit einer Tiefe von etwa 1 μm bis 50 μm angebracht wird. Dadurch kann die Membran in diese Vertiefung frei schwingen, was den Wirkungsgrad entsprechend erhöht.

Eine durchgehende etwa napfförmige Vertiefung ist auch für die Qualität der Beschichtung vorteilhaft, da an Kanten die Schichtstärke tendenziell dünner wird und somit die Spannungsfestigkeit herabgesetzt ist. Idealerweise werden die Kanten verrundet, wodurch einer Herabsetzung der Dicke der Beschichtung im Kantenbereich entgegengewirkt wird.

Besonders interessant werden die erfindungsgemäßen temperaturfesten Schallwandler für Gargeräte. Die Feuchtigkeit der Atmosphäre im Garraum ist ein sehr interessantes Kriterium, um die Garprozesse zu steuern. Es sind bereits viele Ansätze unternommen worden, um diese Feuchtigkeit zu messen. Ein vielversprechender Ansatz hierfür ist es, aus der Schallgeschwindigkeit im Garraum über bekannte physikalische Zusammenhänge die Feuchtigkeit zu berechnen. Um die Schallgeschwindigkeit aber zunächst messen zu können, bedarf es eines entsprechenden Wandlers zur Erzeugung und zum Empfang der Schallsignale. Die Temperaturen im Garraum liegen während der Garprozesse in sehr unterschiedlichen Bereichen von Zimmertemperatur bis beispielsweise 400 °C. In dem gesamten Messbereich müssen die Schallwandler aber zuverlässig und möglichst wartungsarm oder reparaturunanfällig arbeiten. Zu bedenken ist ja, dass solche Gargeräte nicht von Fachleuten auf dem Gebiet der Messtechnik, sondern von Endverbrauchern benutzt werden. Die bisher bekannten akustischen, elektrischen Wandler sind nicht für diesen Verwendungszweck und im Regelfall auch nicht für höhere Temperaturen gedacht und ausgelegt und daher nur mit erheblichen Einschränkungen oder gar nicht für Gargeräte verwendbar. Gerade für diesen Einsatzzweck haben sich die erfindungsgemäßen akustischen, elektrischen Wandler jedoch in Versuchen bereits sehr bewährt.

Im Folgenden werden anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines akustischen Wandlers;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung in zwei Ansichten.
Ein akustischer, elektrischer Wandler aus dem Stand der Technik ist in 1 dargestellt. Zu erkennen ist eine erste Elektrode 10, die ortsfest ist. Eine zweite Elektrode 20 ist vorgesehen, ferner zwischen den beiden Elektroden 10 und 20 ein elektrisch isolierendes Medium 30, das zugleich auch das Dielektrikum bildet, das zusammen mit den beiden Elektroden 10 und 20 einen Kondensator aufbaut. Zu erkennen ist ferner eine schwingfähige Membran 40, die gemeinsam mit der zweiten Elektrode 20 schwingt.
Die schwingfähige Membran 40 besteht im Wesentlichen aus einer schwingenden Kunststofffolie, die hier das elektrisch isolierende Medium 30 bildet, und die mit einer leitenden Beschichtung versehen ist, die die zweite Elektrode 20 bildet.
Schließlich ist noch ein elektrisch leitendes Gehäuse 50 vorgesehen, das die (Beschichtung bzw. zweite Elektrode 20 kontaktiert. Eine Feder 55 stützt sich am Gehäuse 50 ab und hält so den Gesamtaufbau zusammen.
Die beschichtete Kunststofffolie der schwingfähigen Membran 40 wird gespannt aufgebaut, damit gewährleistet ist, dass die schwingfähige Membran 40 mit dem Medium 30 und der die zweite Elektrode 20 bildenden Metallschicht plan auf der ortsfesten Elektrode 10 aufliegt.
In 2 ist eine Ausführungsform gemäß der Erfindung dargestellt. Hier ist die erste Elektrode 10 wiederum ortsfest und die zweite Elektrode 20 demgegenüber beweglich. Die schwingfähige Membran 40 ist hier jedoch nicht wie beim Stand der Technik aus einer Kunststofffolie hergestellt, die zugleich ein elektrisch isolierendes Dielektrikum bilden könnte, sondern ist statt dessen eine Metallfolie, die damit die zweite Elektrode 20 darstellt.
Die Metallfolie besistzt vorzugsweise eine rostfreie Ausführung mit einer Stärke von weniger als 0,1 mm, vorzugsweise von 0,01 mm. Die hohe Steifigkeit der Metallfolie beruht insbesondere aus der in dieser Ausführungsform verwendeten Stahlsorte, nämlich Chrom-Nickelstahl. Ein Einspannen der Membran ist bei dieser Ausführungsform unnötig.
Auch ein Gehäuse 50 ist hier vorgesehen, dass aus einem Material mit dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Elektrode 10 und die Metallfolie der schwingfähigen Membran 40 bestehen.
Die ortsfeste erste Elektrode 10 weist nun anders als im Stand der Technik eine dünne Beschichtung auf, die zugleich die elektrische Isolierung bzw. das elektrisch isolierende Medium 30 bildet. Die Dicke dieser Beschichtung liegt unterhalb von 500 μm, sie beträgt vorzugsweise 100 μm. Es kann eine keramische oder Kunststoffschicht sein oder auch eine Eloxalschicht, sofern die erste Elektrode 10 aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Auch hier ist wiederum eine Klemmfeder 55 zum Zusammenhalt des Gesamtaufbaus vorgesehen.
3 zeigt eine spezielle Ausführungsform in vergrößerter Darstellung. Es ist wiederum links die erste Elektrode 10 dargestellt. Diese weist hier allerdings auf ihrer nach rechts weisenden Fläche eine Vertiefung 15 auf.
In der rechts stehenden Darstellung ist eine Draufsicht auf diese Seite gezeigt. Zu erkennen ist, dass die Vertiefung kreisförmig und napfförmig ist und von einem stehen gelassenen Rand 16 rundum umgeben ist. Die Kanten der Vertiefung gegenüber dem Rand sind abgerundet.
In der 3 sind die weiteren Elemente (zweite Elektrode, Membran etc.) weggelassen.

10: erste, ortsfeste Elektrode
15: Vertiefung in der ersten Elektrode
16: Rand der Vertiefung
20: zweite Elektrode
30: elektrisch isolierendes Medium
40: schwingfähige Membran
50: Gehäuse
55: Klemmfeder

Claims

Akustischer, elektrischer Wandler, mit einer ersten Elektrode (10), mit einer zweiten Elektrode (20), mit einem elektrisch isolierenden Medium (30) zwischen den beiden Elektroden (10, 20), mit einer schwingfähigen Membran (40), wobei die zweite Elektrode (20) mit der schwingfähigen Membran (40) schwingt, und wobei die erste Elektrode (10) wenigstens einen Teil des elektrisch isolierenden Mediums (30) als fest aufgetragene Beschichtung auf der der zweiten Elektrode (20) zugewandten Seite trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (40) als Metallfolie und zugleich als zweite Elektrode (20) ausgebildet ist.
Akustischer, elektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolie der schwingfähigen Membran (40) Stahl enthält, insbesondere Chrom-Nickelstahl.
Akustischer, elektrischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähige Membran (40) im Normalzustand ungespannt ist.
Akustischer, elektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die das elektrisch isolierende Medium (30) bildende Beschichtung eine keramische Beschichtung ist.
Akustischer, elektrischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der keramischen Beschichtung mit einer Versiegelung, insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silicon, überwiegend verschlossen sind.
Akustischer, elektrischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Medium (30) eine isolierende Oxidschicht des Grundmaterials der ersten Elektrode (10) aufweist.
Akustischer, elektrischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren der Oxidschicht mit einer Versiegelung. insbesondere aus Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Silicon, überwiegend verschlossen sind.
Akustischer, elektrischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (10) auf ihrer der zweiten Elektrode (20) und der schwingfähigen Membran (40) zugewandten Seite eine Vertiefung (15) im Schwingungsbereich der schwingfähigen Membran (40) aufweist, und dass die schwingfähige Membran (40) frei in diese Vertiefung (15) schwingen kann.
Akustischer, elektrischer Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (15) napfförmig mit einem umlaufenden Rand (16) ist, und dass der Rand (16) der Vertiefung (15) abgerundet ist.
Gargerät mit einem akustischen, elektrischen Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in der Garraumatmosphäre.