DE2749987A1 - Ultraschall-wandler - Google Patents

Description

Patentanwä!te Dipl.-Ing. C u rt Wallach Dipl.-Ing. 6ünther Koch Dipl.-Phys. Dr.TinöJ-jaiJ Dipl.-Ing. RainerTöral

D-8000 München 2 ■ Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 24 02 75 Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 8. November 1977

Unser Zeichen: 16 019 - Κ/Αρ

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Anmelder: Polaroid Corporation

Technology Square,
Cambridge, Massachusetts 02139 USA

Bezeichnung: Ultraschall-Wandler

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POLAROID CORPORATION in Cambridge (Massachusetts, USA)

Ultraschall-Wandler

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Wandler, insbesondere einen elektrostatischen Wandler vom Seil-Typ, der für ein Ultraschall-Entfernungsmeßsystem einer Kamera bestimmt ist.

Ultraschall-Entfernungsmeßsysteme für Kameras sind in der US-PS 3,522.764, der DT-PS 864.048 und im IBM Disclosure Bulletin,": Bd. 9, No. 7, Dezember 1966, Seiten 744-745 geschildert. Jedes dieser Systeme sendet periodisch UIt ras cha! IiApIiTsW 'gegen^ den zu photographierenden Gegenstand, der einige Energie zur Kamera reflektiert. Die ausgesandten und empfangenen Signale werden miteinander verglichen, was getrennte Sende- und Empfangswandler erforderlich macht; dabei wird ein Steuersignal erzeugt, das die Entfernung des Gegenstandes repräsentiert. Das Steuersignal dient zur Bewegung der Objektivhalterung der Kamera in eine Ppsition, die eine Funktion der Gegenstandsentfernung ist; hiedurch wird die Kamera auf den Gegenstand scharf eingestellt.

ORIGINAL INSPECTED 809820/08* Jieo\0$8£0a

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Die US-Patentanmeldung Nr. 729.392 vom 4. Oktober 1976 offenbart ein Entfernungsmeßsystem zum Scharfeinstellen einer Kamera durch Aussendung eines einzigen Ultraschallimpulses, dessen Frequenz zwischen 65 und 50 kHz beträgt. Diese Anordnung ermöglicht aufeinanderfolgend eine Entfernungsmessung, Scharfeinstellung und Verschlußbetätigung innerhalb einer - verglichen mit der menschlichen Reaktionszeit - relativ kurzen Zeit, z.B. beim Niederdrücken eines Verschlußauslöseknopfes.

Für die praktische Anwendung muß der mechanische Dämpfungsfaktor des Wandlers eines mit Einzelimpulsen arbeitenden Entfernungsmeßsystems groß sein, damit ein rascher Schwingungsabfall nach Beendigung des Treibersignals sichergestellt wird und der Wandler für den Empfang desEchos bereit ist. Zusätzlich muß eine starke elektromechanische Kopplung zwischen dem Wandler und dem Medium vorhanden sein, weil der Wandler sowohl den Impuls abgeben als auch sein Echo empfangen muß. Die Entfernung des nächstpelegenen, noch zu messenden Gegen-Standes hängt von der Zeit ab, welche für den Abfall der Wandlerschwingung erforderlich ist, nachdem das Treibersignal aufgehört hat. Wenn das Entfernungsmeßsystem der Kamera auf einen Gegenstand scharfeinstellen soll, der nur 25 cm von der Kamera entfernt ist, muß der Abfall innerhalb von 0,3 msec beendet sein.

Ein Wandler mit der erforderlichen mechanischen Dämpfung und elektromechanischen Kopplung ist der sogenannte Seil-Wandler, der ursprünglich von H. Seil im Jahre 1937 entwickelt worden ist. Bei einem solchen Wandler ist ein dünner (d.h. 5 - 10 um dicker) Kunststoffilm, der auf einer seiner Oberflächen zur Bildung einer Elektrode metallisiert ist, über eine relativ massive, plattenförmige metallische Elektrode gespannt, wobei

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die nichtleitende Filmoberfläche mit der plattenförmigen Elektrode in Berührung steht. Die metallisierte Filmoberfläche, die von der plattenförmigen Elektrode durch den isolierenden Filmkörper getrennt ist, definiert eine Kapazität, derart, daß bei Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden dieser Kapazität Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche der plattenförmigen Elektrode örtlich konzentrierte elektrische Felder im Film ergeben. Wenn der Ruhegleichspannung während einer Sendephase im Betrieb ein Wechselspannungssignal überlagert wird, wird der Film gespannt und zu einer Schwingung angeregt, die eine akustische Wellenfront ergibt, welche von der Membrane abgestrahlt wird. Während der Empfangsphase bewegt der veränderliche akustische Druck auf die Membrane den Filmkörper, wodurch eine veränderliche Spannung an den Elektroden entsteht.

Die Oberflächeneigenschaften der plattenförmigen Elektrode sind mitbestimmend für den Frequenzgang und die Empfindlichkeit des Wandlers. Bei einer sehr glatten, hochpolierten Oberfläche erstreckt sich der Frequenzbereich bis zu 500 kHz, obwohl die Empfindlichkeit ziemlich gering ist. Bei einer durch Sandstrahlen aufgerauhten oder bei einer mit Nuten versehenen Oberfläche ist die Empfindlichkeit höher, aber die .Obergrenze des Frequenzbereiches niedriger.

Aus einem Artikel von K. Geide mit dem Titel "Oscillation Characteristics of Elektrostatic Transducers Using the Sell Principle", der in "Acustica", Band 10, 1960, Seiten 295-303 erschienen ist, geht hervor, daß eine genutete plattenförmige Elektrode ein Maximum an Abstrahlung akustischer Energie mit Frequenzen im Bereich

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von 5 bis 80 kHz bei Atmosphärendruck ergibt. Versuche mit einem Seil-Wandler sind von D. Anke in einem Artikel mit dem Titel "Air Transducer Using the Sell Principle for Frequencies from 50 kHz to 100 kHz" in "Acustia", Band 30, 1974, Seiten 30 - 39 veröffentlicht worden. Bei diesen Versuchen sind genutete Elektrodenplatten angewendet worden, wobei die Nutenbreite im Bereich zwischen 0,25 mm und 0,5 nun lag.

In der vorstehend erläuterten Art aufgebaute Wandler eignen sich zwar für einige Anwendungsfälle, sind jedoch für tragbare, in Massenproduktion hergestellte Geräte nicht geeignet, wie die Kamera nach der erwähnten Patentanmeldung, wo eine spezielle Gesamtwirkung erwünscht ist, z.B. eine hohe Ausgangsleistung, minimale Seitenlappen im Richtdiagramm, geeignete Empfangseigenschafter und gleichmäßige Arbeitsweise bei für die Massenproduktion geringen Kosten.

Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, einen Schallwandler zu schaffen, der eine verbesserte Wandlercharakteristik aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schallwandlers, der eine leicht herzustellende kompakte Bauweise hat und mit hoher Gleichmäßigkeit reproduzierbar ist.

Ein anderes Ziel besteht in der Schaffung eines Schallwandlers, der für akustische Entfernungsmeßsysteme von Kameras geeignet ist. Schließlich soll ein Wandler des Seil-Typs geschaffen werden, der zum Einsatz im Entfernungsmeßsystem einer Kamera verbesserte Richt-Charakteristiken !u.t, sowohl für die Abstrahlung als auch für den Empfang von Schal!energie.

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Gegenstand der Erfindung ist ein elektrostatischer Wandler des Seil-Typs für einen Frequenzbereich von 45 - 70 kHz; der Wandler weist erfindungsgemäß eine hohle Basis auf, die eine eine erste Elektrode bildende metallische Platte enthält, welche eine genutete Oberfläche aufweist, die mit einer Oberfläche einer über die Basis gespannten Kunststoffmembrane in Berührung steht, während die andere Oberfläche der Membrane zur Bildung einer zweiten Elektrode metallisiert ist.

Auf der Oberfläche der plattenförmigen Elektrode sind Mittel zur Änderung der Richtcharakteristiken der Empfangs- und Sendefelder des Wandlers vorgesehen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden durch seichtere Nuten nahe dem Umfang der Elektrodenplatte verbesserte Richtcharakteristiken erzielt. Außerdem wird eine gute Reproduzierbarkeit und eine lange Lebensdauer erreicht, wenn die Elektrodenplatte so ausgebildet ist, daß die Scheitel der die Nuten begrenzenden Vorsprünge eine konvexe Oberfläche bilden. Ferner wird eine niedrige Kapazität durch einheitliche Profilierung der Scheitel, durch Vorsehung von Erhebungen auf den Scheiteln oder durch geringfügige Änderung der Höhe der Scheitel im Bereich der Kronenzone der Platte erzielt.

Bei einer bevorzugten Ausführung sind die Nuten konzentrisch auf der Oberfläche der Elektrodenplatte angeordnet und haben eine Breite und Tiefe von etwa 0,25 mm und eine Steigung von etwa 0,4 mm, wobei die Scheitel der die Nuten begrenzenden Vorsprunge unter 45° abgeschrägt sind, um von den Scheiteln etwa 25yum zu entfernen.

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Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

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 Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Scheitels eines Vorsprunges, der auf der Oberfläche der plattenförmigen Elektrode des Wandlers nach Fig. 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;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer platten^ Elektrode, wobei die Konvexität der mit der Membrane in Eingriff versetzbaren Oberfläche der Elektrodenplatte übertrieben dargestellt ist;

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

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Alternativausführung der Elektrodenplatte nach Fig. 1;

Fig. 8 einen Teilschnitt durch die Elektrodenplatte nach der Linie 8-8 in Fig. 7»

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Fig. 9 eine perspektivische Ansicht von Teilen der Scheitel, die beim Wandler nach Fig. 1 angewendet werden können, wobei eine Alternativausführung der Scheiteloberfläche gezeigt ist, und

Fig. 10 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil

einer Alternativausführung der Elektrodenplatte nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist im Querschnitt ein Wandler 10 vom Seil-Typ gemäß der Erfindung dargestellt. Der Wandler 10 weist eine Basis 11, eine Abdeckung 12, eine Elektrodenplatte 13» eine Membrane 14 und eine Federeinrichtung 15 auf. Lie 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 70 klfc durchlässig ist. Der Abstand S zwischen der Wand

20 und der Membrane 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 nun, oder etwa eine halbe Wellenlänge betragen, z.B. 3 mm.

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Die Membrane 14 ist eine kreisförmige dünne Folie, die vorzugsweise, wie dies Fig. 2 zeigt, einen dielektrischen Folienkörper 14A aufweist, der mit einer dünnen Metallschicht 22 überzogen ist; durch Einschließen des Umfangsrandes der Membrane 14 zwischen dem Flansch der Abdeckung 12 und der Nut 18 in der Wand 17 der Basis 11 wird die Membrane 14 über die Elektrodenplatte 13 gespannt. Die in Fig. 1 gezeigte "farbdosenartige" Verbindung soll lediglich als Erläuterung der vielen möglichen Arten dienen, in denen ein dünner Film straff gespannt werden kann. Zu dem gleichen Zweck kann jedes andere Mittel verwendet werden, z.B. kann der Umfang des Filmes durch Klebstoff an der Basis 11 oder an der Platte 12 fixiert werden. Wie am besten aus Fig. 2 hervorgeht, ist die der Wand 20 zugekehrte obere Fläche der Membrane 14 metallisiert, wogegen die der Bodenwand 16 der Basis zugekehrte untere Fläche 23 isolierend wirkt. Eine bevorzugte Membrane ist ein Kapton-Film, mit einer Dicke von etwa 6 um, der auf einer Oberfläche mit Gold mit einer Dicke von etwa 3OO A plattiert ist. Für Frequenzen im Bereich von 45 bis 70 kHz sollte die Membrane einen Durchmesser von etwa 3,5 cm haben.

Wie später noch im Detail beschrieben werden wird, braucht die Membrane an sich lediglich aus einem dünnen Metallfilm zu bestehen. Der Wandler enthält somit im wesentlichen ein Sandwich aus einer im wesentlichen unflexiblen Stützplatte (z.B. der Platte 13), einer Schicht aus dielektrischem Material (z.B. der Schicht 14A) und einer dünnen flexiblen bzw. vibrationsfähigen leitenden Schicht. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß unter der in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Bezeichnung "Membrane" lediglich eine

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leitende vibrationsfähige Schicht verstanden zu werden braucht, die gegebenenfalls an einer Isolierschicht fixiert sein kann.

Die Elektrodenplatte 13 besteht vorzugsweise aus Metall (Aluminium ist ein geeignetes Material, obwohl auch andere Metalle verwendet werden können, die es ermöglichen, die mit der Membrane in Berührung stehende Oberfläche der Elektrodenplatte mit Nuten zu versehen) und ist scheibenförmig ausgebildet, wobei sie eine ge- nutete obere Fläche 24 aufweist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, und eine mit einer Ausnehmung versehene untere Fläche 25» wie dies aus Fig. 1 hervorgeht. Die obere Fläche 24 der Elektrodenplatte wird durch ein Federorgan 15 in Eingriff mit der isolierenden unteren Fläche 23 der Membrane gehalten. Das Federorgan 15 wird durch eine Metallfeder gebildet, die so ausgebildet ist, 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, so daß die Platte in Berührung mit der Membrane steht. Der BasiSteil 26 der Feder ist an der Bodenwand 16 der Basis 11 mittels eines metallischen Befestigungsorganes 28 starr befestigt, welches die Bodenwand der Basis durchsetzt und sich über diese hinauserstreckt. Der äußere Abschnitt des Befestigungsorganes 28 endet in einer elektrischen Verbindung 29, an welche ein Leiter 30 zum Anlegen eines elektrischen

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Potentials an die Elektrodenplatte 13 über das elektrisch leitende Federorgnn 15 angeschlossen ist. Das Federorgan 15 erfüllt somit in Kombination mit dem Befestigungsorgan 28 einen doppelten Zweck; einerseits halten diese Organe die Platte 13 in Eingriff mit der Membrane vorgespannt und anderseits dienen sie als Elektrode sowie Anschlußeinrichtung für das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Platte.

Wie Fig. 2 zeigt, i£3t die metallisierte Oberfläche der Membrane 1Λ über einen Leiter 31 mit ^iner Seite einer Treiberschaltung 32 verbunden, deren andere Seite über den Leiter 30 mit der Elektrodenplatte 13 verbunden ist. Die Schaltung 32 bewirkt eine relativ hohe Ruhegleichspannung am dielektrischen Material 14A der Membrane 14, z.B. 150 V; wenn der Wandler als Sonder arbeitet, wird der Gleichspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 50 bis 70 kHz überlagert. Die Wechselspannung beträgt etwa 300 V von Spitze zu Spitze.

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 Materialien wie Teflon und Mylar 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

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ab/ Phase und Verteilung der SchafPstrahlung über die Fläche des Vandlers 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 Membrane und dadurch örtlich große Kräfte erzeugen; eine weitere Voraussetzung ist, daß die angelegten Spannungen hoch sind. Die Resonanzfrequenz des Vandlers hängt von der angelegten Spannung und von den Parametern der Membrane 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 Vj echs el spannung. Bei einem zu hohen Spannungsniveau wird die Schallabstrahlung geringer, weil die angelegte Spannung die Membrane streckt und dadurch ihre Resonanzfrequenz erhöht, überdies

?^lj 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 Membrane sollte

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großen Feldstärken ohne Aufladung widerstehen und ohne daß ein Durchschlag auftritt.

V/ie Fig. 2 zeigt, stehen die Scheitel 33 einer Vielzahl von quadratischen Vorsprüngen 3^Z)-i welche die konzentrischen Nuten in der Oberfläche 24 der Elektrodenplatte definieren, mit der isolierenden Oberfläche 23 der Membrane in Berührung, die zwischen der Abdeckung und der Basis ausgespannt ist, wobei las l^ederorgaK 15 dazu dienen, die Scheitel in engem Kontakt mit der isolierenden Oberfläche zu halten. Vorzugsweise sind die Vorsprünge 34 etwa 0,15 nun breit und haben einen gegenseitigen Abstand von etwa 0,4 mm. Damit haben die Nuten einen gegenseitigen Abstand von 0,15 nun und die Steigung der Nuten beträgt etwa 0,4 mm. Das freie Ende jedes Vorsprunges 34 nahe dem Scheitel 33 ist vorzugsweise mit einer Abschrägung 36 versehen, um das örtliche elektrische Feld im dielektrischen Material 14A zu modifizieren, wo dieses einen Scheitel berührt. Dies hat eine vorteilhafte Auswirkung auf die Reproduzierbarkeit der Richtcharakteristik des V/andlers.

Die bevorzugte Abschrägung beträgt etwa 45°, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, wobei eine Randzone von etwa 25 Jum von jedem Scheitel entlang dessen Längskanten entfernt wird.

Zwischen den Vorsprüngen 34 ist die Membrane 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. Bei einem elektrostatischen Wandler vom Seil-Typ ist es wichtig, daß zumindest einige Teile der Scheitel in enger Anlage an der nichtleitenden Oberfläche der

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Membrane stehen, wodurch diese Art von Wandler eich von einem Wandler unterscheidet, der in der US-PC 3,5?5·275 dargestellt ist. Das Federorgan 15 spannt die Elektrodenplatte ständig zur Membrane hin vor und ist besonders wesentlich, wenn eine Membrane aus einem Kunststoffilm, wie Mylar, angewendet wird, die zum "Kriechen" neigt, wenn sie über eine längere Zeitperiode unter mechanischer Spannung steht. Diese Vorspannung alleine ergibt jedoch häufig noch keinen ausreichenden Unterschied gegenüber ähnlich ausgebildeten Wandlern und keine ausreichende Reproduzierbarkeit eines vorgegebenen Wandlers, sei es anfänglich oder während der Lebensdauer desselben.

Um die letztgenannten Vorteile W^HerZielen, wird die obere Fläche der erfindungsgemäßen Elektrodenplatte 13, die durch die Scheitel 33 der Vorsprünge 3^ definiert ist, geringfügig gewölbt bzw. mit einer konvexen Krümmung versehen. Mit anderen Worten sollte die Mitte der Elektrodenplatte geringfügig höher als die Umfangs- PO ränder der Platte sein, d.h. bei einer Elektrodenplatte mit einem Durchmesser von 35 nun, 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 Fig. 5 dargestellt.

Zusätzlich zu der vorstehend erwähnten Reproduzierbarkeit wird ein niedriger Wert der Kapazität bevorzugt, um den erforderlichen S,trom zu verringern, so daß eine Treiberelektronik mit niedrigen Stromwerten verwendet werden kann. Eine kleine Kapazität verbessert auch den Empfang, weil ein besseres Verhältnis von Signal zu Rauschen erhalten wird. Sine kleine Kapazität kann dadurch erzielt werden, .daß die Kontaktfläche sandstrahl-

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geblasen wird, d.h. die Scheitel der Vorsprünge, doch kann dies Probleme hinsichtlich der Reproduzierbarkeit ergeben. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Vorsprünge bzw. Scheitel gleichmäßig gerieft, so daß sie einen gleichmäßigen Kontakt mit verminderter Kontaktfläche ergeben. Beispielsweise kann ein gleichmäßiges Kreuzrändelmuster oder ein Riefenraster auf den Scheitelflächen ausgebildet werden, wie dies in Fig. dargestellt ist. Eine Riefentiefe von 5 bis 10 um erweist sich als geeignet. Überdies können die Vorsprünge 34, wie dies Fig. 9 zeigt, relativ kleine, in gleichmäßigen Abständen angeordnete Erhebungen 38 tragen, die sich quer über jeden Scheitel 35 erstrecken; die Erhebungen 38 verlaufen vorzugsweise senkrecht zur Scheitellängsrichtung. Senkrecht zur Scheitellängsrichtung verlaufende Riefen oder Erhebungen 38 werden bevorzugt, weil sie die Länge des tatsächlich mit der Membrane in Berührung stehenden Scheitelteiles verringern. Die kleinen Rippen oder Erhebungen 38 können eine Breite von bis zu 100 11m und eine Höhe von 10 11m haben und in einem gegenseitigen Abstand von 0,5 nun angeordnet sein. Ein kleinerer gegenseitiger Abstand der kleinen Erhebungen 38 kann angewendet werden, wenn diese Erhebungen geringere Höhe als vorstehend angegeben haben.

Eine Alternativausführung zur Erzielung einer kleinen Kapazität besteht darin, die Höhe der Scheitel zwischen 5 und 10 um zu variieren. Wie bei D in Fig. 4 gezeigt ist, weicht jeder dritte Scheitelring von der gewölbten Oberfläche um den vorstehend angegebenen Betrag ab.

Die Verteilung der durch Bewegung der Membrane erzeugten und abgestrahlten Wellen im Fernfeld wird durch die Amplitude der Schwingungen der Membrane an unterschiedlichen Punkten ihrer Oberfläche bestimmt. Es hat sich

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gezeigt, daß die Richtcharakteristiken des Wandlers für das Empfangs- und Sendefeld im Sinne einer Verringerung der Seitenlappen geändert werden können, indem eine unterschiedliche Konfiguration der Nuten oder Vorsprünge nahe dem Umfang der Elektrodenplatte im Vergleich zur Konfiguration nahe der Plattenmitte angewendet wird.

Dies bedeutet, daß die Nuten und Vorsprünge in der Plattenmitte optimiert werden, um bei der betreffenden Frequenz eine maximale Abstrahlung zu ergeben, und von dieser optimalen Struktur ausgehend gegen den Umfang hin geändert werden, um die Abstrahlung (für die gegebene Frequenz) am Umfang zu verringern und dadurch die Seitenlappen zu unterdrücken. Diese Abweichung von der optimalen Struktur sollte vorzugsweise eine progressive Änderung sein, die einer im wesentlichen stetigen Kurve folgt, welche von der Plattenmitte bis etwa zur halben Radialerstreckung im wesentlichen konstant verläuft und dann ihre Krümmung mit Annäherung an den Umfang allmählich ändert.

Da die Breite der Vorsprünge und Nuten kritischer ist, wird vorzugsweise die Tiefe der Nuten geändert. Diese Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt, wo die Nuten 50 nahe dem Umfang 51 der Elektrodenplatte 13 seichter sind als jene Nuten, die näher der Plattenmitte liegen.

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 um, wogegen

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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 um erzielt werden. Dies ist in Fig. 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 Umfangonut 53 hin fortschreitet.

Bezüglich der Membrane 14 sei weiter bemerkt, daß zwar eine Membrane aus einem Kaptonfilm gegenwärtig für die Isolierschicht 14a bevorzugt wird, diese Schicht aber auch aus vielen verschiedenen Arten von Isoliermaterialien, wie sie unter den Handelsnamen Mylar, Teflon, Kimföl, Kimfone usw. im Handel sind, hergestellt werden kann. Alternativ kann die Membrane aus einer Metallfolie aus Beryllium, Aluminium oder Titan bestehen, wie dies in der japanischen Patentschrift 45-5818 vom 26. Februar 1970 angeregt ist. In diesem Fall wird vorzugsweise ein Isolierüberzug auf die Folie aufgebracht und im wandler so orientiert, daß der Isolierüberzug der metallischen Elektrodenplatte zugekehrt ist.

Überdies kann eine metallische Elektrodenplatte oder eine leitend beschichtete nichtmetnllische Elektrodenplatte mit einem Isolierüberzug verwendet und direkt in Verbindung mit einer Metallfolie angewendet werden, ohne daß die Folie mit einem Isolierüberzug beschichtet werden müßte.

Es ist auch möglich, eine nichtmetallische ELektrodenplatte zu verwenden; in diesem Fall könnte eine leitende Plattierung auf die genutete Oberfläche 24 aufge-

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bracht v/erden. Die Plattierung soll aus einem Material bestehen und eine Dicke aufweisen, die einen V/iderstand von weniger als etwa 1 kÄ je Flächenquadrat ergibt. Eine auf diese Weise aufgebaute Elektrodenplatte 60 ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt und weist eine Isolierabstützung 62 aus einem starren Kunststoff auf, die mit einer leitenden Schicht 64 überzogen oder plattiert ist. Die Platte 60 enthält eine Vielzahl von konzentrischen Muten 66, die wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.

1 ausgebildet sind. Zusätzlich erstrecken sich radiale Nuten 68 über die Oberfläche der Abstützung 62 bis zur Tiefe der konzentrischen Nuten 66, wodurch gesichert wird, daß über die Plattenoberfläche eine Plattierungsverbindung besteht, d.h. daß die Plattierung innerhalb der Hüten und über die Scheitel nicht unterbrochen ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die elektrische Ver bindung mit der Schicht 64 wie beim schon erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel durch den Federarm 27 hergestellt, der auf der unteren Plattenfläche 72 angreift. Die Platte 60 ist über ihren Umfangsrand bis zur unteren Plattenfläche metallisiert. Um eine Entfernung dieser Kanten- bzw. Randbeschichtung infolge Roibens des Randes am Wandlergehäuse zu vermeiden, ist eine Vielzahl von mit gegenseitigem Abstand angeordne-

?^lj ten kleinen Randausschnitten bzw. Vertiefungen 70 vorgesehen. Diese sichern eine unterbrechungsfreie Erstreckung der Schicht 64 über die Platte 60 bis zu deren Unterseite. Alternativ können andere Plattenausnehmungen vorgesehen werden.

In Fig. 6 ist eine abgeänderte Ausführung des Wandlers dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der Wandler 100 enthält eine Basis 111, eine Membrane 114, die zwischen der Basis und einer Abdeckung 112 angeordnet ist,

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und eine Elektrodonplal te 113, die durch eine zwischen der Basis und der Eleklrodenplal Ie angeordnete gewellte Feder 11*5 in Berührung mit der Membrane gehalten ist. Die Abdeckung 11? ist mit einem nach unten gerichteten Mantel teil 116 versehen, der am Umfang der Membrane 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 Fig. 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 Kleinmeingriff mit der Membrane 114- und der Basis 111 steht , wodurch die Membrane 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.

Es wird angenommen, daß die Vorteile und verbesserten Ergebnisse des Wandlers gemäß der Erfindung aus der vorangehenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele klar hervorgehen. Es versteht sich, daß innerhalb des Erfindungsgedankens verschiedene Änderungen und Abwandlungen dieser Ausführungsbeispiele vorgenommen werden können.

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L β e r s e i f e

Claims (22)

1. Polaroid Corporation

   Patentansprüche

   Elektrostatischer Schallwandler, gekennzeichnet durch eine relativ starre Stützplatte mit zumindest einer Hauptoberfläche aus leitendem Material zur Bildung einer ersten leitenden Schicht, eine relativ flexible Schicht aus leitendem Material, die eine zweite leitende Schicht bildet und über die Hauptoberfläche gespannt ist, wobei eine Schicht aus Isoliermaterial zwischen der zweiten leitenden Schicht und der Hauptoberfläche angeordnet und die Hauptoberfläche so geformt ist, daß Teile derselben, die in Berührung mit dem Isoliermaterial stehen, eine im wesentlichen konvexe Krümmung der Hauptoberfläche definieren, um einen verläßlichen Kontakt zwischen den Schichten sicherzustellen.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Hauptoberfläche der Stützplatte durch eine Vielzahl von Vorsprüngen gebildet ist, die durch dazwischenliegende Nuten im Abstand liegen.
3. 3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nahe dem Umfang der Hauptoberfläch'e der Stützplatte liegenden Nuten andere Konfiguration als die übrigen Nuten der Hauptoberfläche haben.
4. 4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge und die Nuten auf konzentrischen Kreisen liegen.
5. 5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konfiguration der Vorsprünge

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   und Nuten nahe der Stützplattenmitte für eine m?iximale Schallabstrahlung bei einer vorbestimmten Frequenz optimiert ist und nahe dem Umfang der Hauptoberfläche von diesem Optimum abweicht, um die Richtcharakteristiken des Wandlers zu ändern.
6. 6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Nuten nahe dem Umfang der Hauptoberflache gegenüber den Nuten nahe der Oberflächenmitte unterschiedliche Tiefe haben.
7. 7· Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Nuten nahe dem Umfang der Hauptoberflache seichter als die Nuten nahe der Oberflächenmitte ausgebildet sind.

   oder 7/
8. 8. Wandler nach Anspruch 6/^ dadurch gekennzeichnet,

   daß die Tiefe der Nuten von der Plattenmitte bis etwa zur Hälfte der Radialerstreckung der Platte konstant ist und sodann gegen den Umfang hin zunehmend abnimmt, so daß die Nut am Umfang relativ seicht ist.
9. 9. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitel der Vorsprünge im wesentlichen einheitliche Oberflachenprofilierung aufweisen.
10. 10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Oberflachenprofilierung im wesentlichen einheitliche Riefen einschließt.
11. 11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige Vorsprünge eine Höhe von

    etwa 0,25 nun aufweisen und die einheitlich ausgebildeten

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    Riefen eine Tiefe von etwa 10 um, vorzugsweise zwischen 5 und 10 um, haben.
12. 12. Wandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Riefen sich im wesentlichen quer zu den Vorsprüngen über diese erstrecken.
13. 13· Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Riefen durch von den Vorsprüngen abstehende, mit über die Vorsprunglange im wesentlichen gleichen gegenseitigen Abständen angeordnete Erhebungen gebildet sind, die kleine Breite und im Vergleich zu den Vorsprüngen geringe Höhe haben.
14. 14. Wandler nach Anspruch I3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Vorsprünge eine Höhe von

    etwa 0,25 mm haben und die Erhebungen sich bis zu einer Höhe von 10 11m erstrecken.
15. 15. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe zumindest eines die

    konvexe Krümmung der Hauptoberfläche der Stützplatte bildenden Vorsprunges von der Höhe eines benachbarten oder nächstbenachbarten Vorsprunges abweicht, so daß eine wellenförmige konvexe Krümmung erhalten wird.
16. 16. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15» gekennzeichnet durch eine hohle Basis, über welche die

    zweite leitende Schicht straff gespannt ist, eine die Hauptoberfläche mit der ersten leitenden Schicht bildende Elektrodenplatte, die innerhalb der Basis so angeordnet ist, daß die Hauptoberfläche nahe der leitenden Schicht liegt, wobei die erste leitende Schicht der Elektrodenplatte sich von deren Hauptoberfläche zur

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    gegenüberliegenden Plattenoberfläche erstreckt, ein die Elektrodenplatte gegen die zweite leitende Schicht vorspannendes Leiterglied und Mittel, die sich von dem Leiterglied weg zur Außenseite der Basis erstrecken, um das Leiterglied und dadurch die erste leitende Schicht der Elektrodenplatte mit einer äußeren Spannungsquelle zu verbinden.
17. 17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte einen im wesentlichen starren Isolierkörper aufweist, der einen die erste leitende Schicht bildenden Überzug trägt.
18. 18. Wandler nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Leiterglied durch ein Federglied gebildet ist, das innerhalb der hohlen Basis zwischen der Elektrodenplatte und der Innenfläche der Basis angeordnet und mit einem im wesentlichen ebenen Basisteil an der Innenfläche der Basis montiert ist, wobei sich von dem Federglied eine Vielzahl von Federfingern zur Elektrodenplatte erstreckt.
19. 19. Wandler nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte an ihrem Umfang Ausnehmungen zur Bildung einer metallischen Verbindung zwischen der Hauptoberfläche und der dieser gegenüberliegenden Plattenoberfläche aufweist und daß Mittel zur Verbindung von Teilen der leitenden Schicht der letztgenannten Plattenoberfläche mit der äußeren Spannungsquelle vorgesehen sind.
20. 20. Wandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

    daß die Hauptoberfläche der Elektrodenplatte mit einer Vielzahl von durch Nuten getrennten konzentrischen Vorsprüngen versehen ist und daß zumindest ein

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    radial verlaufender Schlitz vorgesehen ist, der sich etwa bis zur Riefe der Nuten erstreckt und die Verbindung zwischen den Metallüberzügen aufeinanderfolgender Vorsprünge sichert.
21. 21. Wandler nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Basis eine sich von deren Bodenwand nach oben erstreckende Umfangswand aufweist, deren freies Ende die Öffnung der Basis begrenzt, daß die Elektrodenplatte innerhalb der Basis so angeordnet ist, daß sich ihre Hauptoberfläche nahe der Basisöffnung befindet, daß sich die zweite leitende Schicht, gegen welche die Elektrodenplatte vorgespannt ist, über das freie Ende der Umfangswand erstreckt, und daß eine Einrichtung zum Festklemmen der zweiten leitenden Schicht am freien Ende der Umfangswand vorgesehen ist, wobei die Klemmeinrichtung Mittel aufweist, die sich vom Rand der zweiten leitenden Schicht an der Außenseite der Umfangswand zur Unterseite der Basis erstrecken, um den Rand der zweiten leitenden Schicht gegen die Unterseite und dadurch in Eingriff mit der Umfangswand zu spannen.
22. 22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet,

    daß eine perforierte Abdeckung vorgesehen ist, deren Mittelteil sich über die zweite leitende Schicht im wesentlichen parallel zu dieser erstreckt, wobei die Abdeckung einen im wesentlichen C-förmigen Umfangsabschnitt aufweist, der sich als Klemmittel um die Umfangsflache der Basis erstreckt.

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