DE2308338A1

DE2308338A1 - Kapazitiver wandler

Info

Publication number: DE2308338A1
Application number: DE19732308338
Authority: DE
Inventors: Marcel Herve
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-02-22
Filing date: 1973-02-20
Publication date: 1973-09-06
Also published as: FR2172802A1

Description

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7396-IV/St.

Marcel HERVE
Paris 15_} Rue Lacordaire 55 (Frankreich)

Edmond CHAGOURY
Vitry-sur-Seine, Voie Monsigny 15, (Frankreich)

"Kapazitiver Wandler"

Priorität vom 22. Februar 1972 aus der französischen Patentanmeldung 72 05933

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wandler, ^bestehend aus einer Brücke aus vier gleichzeitig veränderbaren Kondensatoren mit festen und beweglichen Belägen und aus vier festen Kondensatoren, von denen je zwei unter Bildung zweier Koppelkondensatoren zusammengeschaltet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler dieser Art zu schaffen, der unter Vermeidung von Lötstellen oder Kontakten und galvanischen Drahtverbindungen zwischen den einzelnen Kondensatoren unter Einbeziehung der Koppelkondensatoren in den Wandler selbst einfach und preisgünstig herstellbar ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die festen Beläge der Kondensatoren sich isoliert voneinander auf

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zwei einander in geringem Abstand gegenüberliegenden Isolierplatten und die beweglichen Beläge sich auf einer einzigen, einseitig oder beidseitig teilweise metallisierten, in dem Zwischenraum zwischen den beiden festen Isolierplatten eingespannten Membran befinden, und daß in einem oder beiden festen Belägen und in der sie tragenden Isolierplatte Perforationen vorgesehen sind.

»Diese acht Kondensatoren haben somit als Beläge Einerseits die metallisierten Oberflächen der beiden ebenen, parallelen und festen Isolierplatten, die die Rolle des Stators spielen, und andererseits die metallisierten Oberflächen der zwischen diesen Isolierplatten liegenden, eben eingespannten, biegsamen Membran. Durch deren Lageänderungen in Bezug auf die Isolierplatten entsteht die Wandlerwirkung, wobei die Lageänderungen der Membran beispielsweise durch sich in der Luft fortpflanzende Druckwellen, die durch die Perforationen hindurch auf die Membran gelangen, verursacht sein können. Der besondere Vorteil dieses Wandlers besteht darin, daß für die Zusammenschaltung der Kondensatoren keinerlei galvanische Verbindungen oder Drahtverbindungen mit den beweglichen Belägen auf der Membran benötigt werden, so daß sich Lötstellen oder Kontakte, die Rauschquellen darstellen, erübrigen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers besteht darin, daß einerseits die voneinander isolierten festen Beläge der die Brücke bildenden Kondensatoren die Form von durch einen diametralen, isolierenden Streifen getrennten Halbkreisen haben, und daß andererseits die festen Beläge der Koppelkondensatoren die Form von konzentrischen, außerhalb der Halbkreise liegenden Halbkreisringen haben, und daß die auf der Membran befindlichen beweglichen Beläge die Form von zwei Halbkreisen haben, deren Durch messer etwa gleich dem größeren Durchmesser der beiden festen Halbkreisringe ist.

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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform, die eine Verwendung des Wandlers als empfindlichen Beschleunigungsaufnehmer gestattet, besteht darin, daß die die beweglichen Beläge der Kondensatoren tragende Membran stark eingespannt ist und in der Mitte eine kleine Masse trägt.

In der Zeichnung ist der Wandler nach/der Erfindung anhand von Schaltbildern und einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigen:

Fig. la das Prinzipschaltbild des Wandlers, wobei die festen Beläge der Kondensatoren in starken Strichen und die beweglichen Belägen in dünnen Strichen dargestellt sind,

Fig. Ib die Lage der einzelnen Beläge relativ zueinander und die Kreuzung der Leiter der festen Beläge,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der festen Belöge (Stator S) und der beweglichen Beläge (Membran M),

Fig. 3 einen auseinandergezogenen dargestellten Schnitt mit den beiden Statoren S¹, S", bestehend aus je einer perforierten Isolierplatte 9^! ₅ 9" niit den festen Belägen der Brückenkondensatoren 2¹, 2", 3', 3" und den festen Belägen der Koppelkondensatoren 1', 1", 4', V, sowie mit den isolierenden Abstands- oder Zwischenstücken 7', 7" und mit der Membran M, deren Metallisierungen 5 und 6 die zweiten Beläge sämtlicher Kondensatoren des Wandlers bilden,

Fig. 4 ein Schaltbild des Wandlers in.Verbindung mit einer zweckmäßigen nachfolgenden oder Ausgangsschaltung.

Im zusammengesetzten abstand ist die Membran durch Schrauben, Verklebung oder ein anderes geeignetes Mittel zwischen die Platten oder Statoren eingespannt; die Abstände zwischen den festen und den beweglichen Belägen sind dabei sehr gering und liegen beispielsweise bei einigen zehntel Millimeter.

Die Kapazitäten des Wandlers schwanken in Abhängigkeit von

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der jeweiligen Größe des Abstandes zwischen der Membran und den Statoren nach einem durch die folgenden Gleichungen gegebenen Gesetz:

^c' = τ* (Lc) ^{oder c}" ⁼ ιπγ- ^;

während jedoch die die Brücke bildenden Kondensatoren wegen ihrer gekreuzten Verbindungen(3' verbunden mit 3"₅ 2^f verbunden mit 2") ein zu der Bewegung χ der Membran proportionales Ungleichgewicht der Brücke hervorrufen, sind je zwei Koppelkondensatoren derart zusammengeschaltet, daß diejenigen, die sich gegenüberliegen, parallel geschaltet sind und zwei Kapazitäten

(d-x) Hst (d+x) " _{27r d} _±_ _χ2

bilden. Dieser Wert ist etwa konstant, da χ im allgemeinen klein gegenüber d ist. Dabei bedeuten d den Abstand zwischen den festen Belägen und den beweglichen Belägen im Ruhefstand und χ die Änderung dieser Abstände im Betrieb.

Die Beläge sind in Fig. 2 kreisförmig dargestellt; sie können jedoch auch eine andere Form haben, vorausgesetzt, daß ihre Oberfläche jeweils paarweise gleich groß sind:

S 2· : S 2" : S 3¹ = S3" ; sl^f = s 1" = s I¹ = s V ;

Die festen Beläge der Koppelkondensatoren sind am Rand bzw. an Umfang angeordnet, wo die an ihrem Umfang eingespannte Membran die kleinsten Bewegungen ausführt. Die Beläge der Brückenkondensatoren sind dagegen in der Mitte angeordnet., um das Ungleichgewicht der Brücke in Abhängigkeit von χ zu verstärken, d.h. das Ausgangssignal des Wandlers zu erhöhen.

Der aus den in den Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels

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veranschaulichten Teilen zusammengesetzte Wandler wird durch eine nicht dargestellte äußere Metallabschirmung vervollständigt.

Zur Peststellung von langsamen und raschen Bewegungen eines flüssigen oder gasförmigen Mediums wird an die Anschlüsse 2 und 3 der Brücke eine hochfrequente Erregerspannung angelegt. Die Ausgangsanschlüsse 1 und ¹I sind gemäß Fig. 4 mit einem örtlich sehr nahe angeordneten symmetrischen Trennverstärker verbunden, der mit Feldeffekttransistoren ausgerüstet ist, deren Eingangsimpedanz zufolge der verwendeten Drainschaltung hoch und deren Ausgangsimpedanz niedrig ist. Diese Schaltung ermöglicht die Verwendung eines Kabels großer Länge zwischen dem Wandler und der zugehörigen Verarbeitungsschaltung, der je einen Hochfrequenzoszillator , einen Synchrondemodulator und einen Gleichstromoder Niederfrequenzverstärker enthält.

Zur Feststellung rascher Bewegungen kann dieselbe Schaltung verwendet werden, wjhn die Wechselspannungserregung durch eine Gleichspannungserregung unter Fortfall des Hochfrequenzoszillators und des Synchrondemodulator ersetzt wird. Die Statoren können aus kupferkaschierten und auf chemischen Wege gravierten Kunststoffplatten, wie sie für die Herstellung gedruckter Schaltungen verwendet werden, bestehen; ebenso können metallisierte Keramikoder Glasplatten verwendet werden. Die Membran kann aus Glimmer oder einem metallisierten Kunststoff hergestellt werden.

Der Wandler ist insbesondere für die Erfassung von Schallwellen sehr niedriger Frequenz (unterhalb des Hörbereichs liegenden atmosphärischen Druckwellen, Herzschlag und andere Bewegungen innerhalb des Körpers usw.) geeignet. Ferner kann der Wandler auch als Differenzdruckmesser verwendet werden. Mit einem sehr straff gespannten Membran, die in ihrer Mitte mit einer kleinen Masse belastet ist, kann der Wandler auch als empfindlicher Beschleunigungsaufnehmer dienen.

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Claims

19. Februar 1973 7396-IV/St.

Marcel Herve
Paris 15j Rue Lacordaire 55 (Prankreich)

Edmond Chagoury
Vitry-sur-Seinej Voie Monsigny 15, (Frankreich)

Patentansprüche :

Kapazitiver Wandler, bestehend aus einer Brücke aus vier gleichzeitig veränderbaren Kondensatoren mit festen und beweglichen Belägen und aus vier festen Kondensatoren, von denen je zwei unter Bildung zweier Koppelkondensatoren zusammengeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Beläge der Kondensatoren sich isoliert voneinander auf zwei einander in geringem Abstand gegenüberliegenden Isolierplatten und die beweglichen Beläge sich auf einer einzigen, einseitig oder beidseitig teilweise metallisierten, in dem Zwischenraum zwischen den beiden festen Isolierplatten eingespannten Membran befinden, und daß in einem oder beiden festen Belägen und in der sie tragenden Isolierplatte Perforationen vorgesehen sind.

Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die voneinander isolierten festen Beläge (2¹, 3', 2", 3" in Fig. 3) der die Brücke bildenden Kondensatoren die Form von durch einen diametralen, isolierenden Streifen ge-

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trennten Halbkreisen (B in Fig. 2) haben, und daß andererseits die festen Beläge (I¹, 4', 1", H" in Fig. 3) der Koppelkondensatoren die Form von konzentrischen, außerhalb der Halbkreise liegenden Halbkreisringen haben, und daß die auf der Membran befindlichen beweglichen Beläge die Form von zwei Halbkreisen (5» 6) haben, deren Durchmesser etwa gleich dem größeren Durchmesser der beiden festen Halbkreisringe ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die beweglichen Beläge der Kondensatoren tragende Membran stark eingespannt ist und in der Mitte eine kleine Masse trägt.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorenbrücke an von einer zugehörigen Verarbeitungsschaltung gelieferter Hochfrequenzspannung liegt.

5· Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorenbrücke an von einer zugehörigen Verarbeitungsschaltung gelieferter Gleichspannung liegt.

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