DE3025250A1

DE3025250A1 - Kapazitiver elektroakustischer wandler und gesenk zum praegen der membranstuetzplatte desselben

Info

Publication number: DE3025250A1
Application number: DE19803025250
Authority: DE
Inventors: John M Reynard
Original assignee: Polaroid Corp
Current assignee: Polaroid Corp
Priority date: 1979-07-05
Filing date: 1980-07-03
Publication date: 1981-01-15
Also published as: FR2461422B1; JPS5610799A; CH654158A5; DE3025250C2; AT369216B; IT1132160B; FR2461422A1; ATA350480A; IT8023175A0; AU532535B2; AU5958180A; CA1150393A; US4311881A; GB2055017A; GB2055017B

Description

Patentanwälte Dip!.-Ing. Curt Wallach

Dipl.-Ing. öünther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

'3' Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex^ 29^13 waRard

Datum: jS.Juli I98O

Unser Zeichen: ^6 g42 - Ja

ANMELDER: POLAROID CORPORATION,

Cambridge, Mass./USA

GEGENSTAND: Kapazitiver elektroakustischer

Wandler und Gesenk zum Prägen der Membranstützplatte desselben.

PRIORITÄT: 5.JuIi I979

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POLAROID CORPORATION in Cambridge (Massachusetts, USA)

Kapazitiver elektroakustischer Wandler und Gesenk zum Prägen der Membranstützplatte desselben

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf zum Sende- und Empfang st» e trieb geeignete kapazitive elektroakustisch^ Wandler, die impulsförmige Ultraschallenergie aussenden und empfangen können, und betrifft insbesondere die Nutenausbildung in der Membranstützplatte solcher Wandler.

Ein kapazitiver elektroakustischer Wandler, der befähigt ist, Ultraschallenergie auszusenden und Reflexionen oder Echos der ausgesendeten Energie aufzunehmen, ist in der US-PS 4,081.626 beschrieben. Bei dem bekannten Wandler ist ein dünner, auf einer Seite zwecks Ausbildung einer Elektrode metallisierter Kunststoffilm, der "Membrane" bezeichnet wird, über eine relativ massive metallische Gegenelektrode gespannt, die "Membranstützplatte" bezeichnet wird, wobei die nichtleitende Oberfläche des Kunststoffilms mit der Stützplatte in Berührung steht. Die von der Stützplatte durch den isolierenden EiIm getrennte leitende Oberfläche des Filmes bildet gemeinsam mit der Stützplatte einen Kondensator, und bei Anlegen einer Gleichspannung an die beiden Elektroden entstehen infolge von Unebenheiten der Oberfläche der. Stützplatte im Film örtlich konzentrierte elektrische Felder. Wird der Gleichspannung zum Sendebetrieb ein Signal überlagert,·

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so ergeben sich im Pilm mechanische Spannungen, die Schwingungen zur Folge haben, welche zur Abgabe von -Ultraschallenergie bzw. zur Aussendung einer "akustischen Wellenfront" von der Membrane führen. Während des Empfangsbetriebes treffen auf die Membrane veränderliche Ultraschalldruckwellen auf, welche den isolierenden PiIm deformieren, wodurch sich zwischen den beiden Elektroden eine veränderliche elektrische Spannung ergibt.

Die unebene Oberfläche der Membranstützplatte des bekannten kapazitiven Wandlers wird durch eine Vielzahl von in gleichen gegenseitigen Abständen angeordneten konzentrischen kreisförmigen Nuten gebildet, deren Abmessungen einen wesentlichen Einfluß auf das Ultraschall-Übertragungsdiagramm des Wandlers haben. Wenn eine große Anzahl von kapazitiven elektroakustischen Wandlern für die Verwendung in der Massenfertigung unterliegenden Geräten, wie z.B. in Ultraschall-Entfernungsmessern für Kameras mit automatischer Scharfeinstellung (vgl. US-Patentanmeldung 3-371 vom 15· Jänner 1979) erzeugt werden soll, ist es wichtig, daß die Übertragungsdiagramme aller Wandler möglichst gut übereinstimmen, damit alle Wandler die von einem vorgegebenen Treibersignal erzeugte Ultraschallenergie hinsichtlich Betrag und Richtung möglichst gleich abstrahlen. Ein Übertragungsdiagramm, das beispielsweise insgesamt oder in einem Teilbereich größer oder kleiner als das Solldiagramm ist, kann ein System mit einem Wandler, der ein solches abweichendes Diagramm aufweist, unbrauchbar machen.

Die Membranstützplatten der gegenwärtig üblichen elektrostatischen Wandler werden durch einen Prägevorgang in einem Gesenk erzeugt, wobei auf einer Seite eines metallischen Werkstückes, das gewöhnlich Scheibenform hat und weicher als das Metall des Gesenkes ist, die

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erwähnten konzentrischen Nuten eingeprägt werden. Dem Gesenk wird ein Schmiermittel zugeführt, um die Relativbewegung der vom Gesenk verdrängten Teile des scheibenförmigen Werkstückes während des PrägeVorganges sowie die Entnahme des fertig geprägten Werkstückes aus dem Gesenk zu erleichtern. Während eine ring- oder kreisförmige Nut in das Werkstück eingeprägt wird, verfängt sich nun aber zwischen dem Gesenk und dem Werkstück in jeder Nut ein Gemisch von Luft und Schmiermittel. Das auf diese Weise eingeschlossene Schmiermittel ist im wesentlichen nicht zusammendrückbar, und auf Grund ihrer Materialeigenschaften verursachen daher das unter Druck stehende Schmiermittel und in wesentlich geringerem Ausmaß auch die eingeschlossene, ebenfalls unter Druck stehende Luft während des Prägevorganges ungleichmäßige und nicht vorherbestimmbare örtliche Vergrößerungen der Nutenabmessungen, in erster Linie der Nutentiefe. Durch diese Vergrößerungen der Nutenabmessungen wird die Größe, Gestalt und Vorherbestimmbarkeit des Ultraschall-Übertragungsdiagrammes der Wandler, bei welchen solche Stützplatten verwendet werden, nachteilig beeinflußt.

Erfindungsgemäß weist die Membranstützplatte eines kapazitiven elektroakustischen Wandlers der vorstehend geschilderten Gattung sich über ihre gesamte Stützfläche bis zu ihrem Umfangsrand erstreckende, endseitig offene Nuten auf, um die vorstehend beschriebene unkontrollierbare Vergrößerung der Nuten während des Prägeνorganges, hervorgerufen durch Einschlüsse von Schmiermittel und Luft zwischen dem Gesenk und dem Werkstück, zu vermeiden. Zwischen den Nuten sind Stege oder Vorsprünge vorhanden, die sich ebenfalls durchgehend über die Stützplatte erstrecken.

Zum Prägen der erfindungsgemäßen Membranstützplatten unter Zuhilfenahme eines den Pragevorgang begünstigenden

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Schmiermittels wird gemäß der Erfindung ein Gesenk verwendet, dessen wirksame Fläche durch eine Reihe von in gegenseitigen Abständen angeordneten Vorsprüngen und Nuten gebildet ist, die sich über die gesamte wirksame Fläche des Gesenkes erstrecken und so zwischen den Vorsprüngen beidseitig offene Kanäle bilden, durch welche zwischen dem Gesenk und dem Werkstück eingeschlossenes Schmiermittel beim Prägevorgang entweichen kann, wodurch eine wesentlich genauere Übertragung des Prägemusters vom Gesenk auf das Werkstück möglich ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung genauer erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines kapazitiven elektroakustischen Wandlers mit einer vorteilhaften Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Membranstützplatte;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung der einzelnen Teile des Wandlers nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die konzentrischen Nuten der Membranstützplatte eines Wandlers nach dem

Stande der Technik;

Fig. 4A einen in größerem Maßstab gehaltenen Schnitt nach der Linie 4A-4A in Fig. 3;

Fig. 4B einen in noch größerem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch eine der in Fig. 4A gezeigten

Nuten;

Fig. 5-A- eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Membranstützplatte für einen Wandler, die gerade Nuten aufweist, und

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Fig. 5B in größerem Maßstab einen Schnitt längs der Linie 5B-5B in Fig. 5A.

Der in Fig. 1 in zusammengebautem und in Fig. 2 in zerlegtem Zustand dargestellte erfindungsgemäße kapazitive elektroakustische Wandler 10 hat eine Schutzkappe 12, deren Endfläche 16 perforiert ist und die zwei zylindrische Außenwandzonen 18, 20 verschiedenen Durchmessers aufweist, die zwischeneinander eine zur perforierten Endfläche 16 parallele Schulterfläche 22 bilden.

Mit 24 ist eine kreisförmige Membrane bezeichnet, die aus einem relativ dünnen dielektrischen Kunststoffilm besteht, beispielsweise aus dem unter dem Handelsnamen "Capton" vertriebenen Material, und auf einer Seite metallisiert ist.

Der Hauptteil des Wandlergehäuses wird von einem kreiszylindrischen Ring 26 aus Kunststoff gebildet, der an einem Ende einen sich radial nach außen erstreckenden Flansch 28 aufweist. In der Wandung des zylindrischen Ringes 26 sind einander diametral gegenüberliegend T-förmige Schlitze 30 > 32 zum Einführen und Festhalten der beiden Enden einer Spannfeder 34 für die Membrane 24 vorgesehen. Die Membrane 24 wird so in das offene Ende 14 der Schutzkappe 12 eingesetzt, daß ihre metallisierte Oberfläche der perforierten Endfläche 16 der Kappe 12 zugekehrt ist, wobei der Außenrand der Membrane 24 an der Schulterfläche 22 der Kappe 12 anliegt. Der Flansch 28 des zylindrischen Ringes 26 wird sodann in das offene Ende 14 der Schutzkappe 12 so weit eingeschoben, daß er einen gleichmäßigen Druck auf die nicht metallisierte Oberfläche der Membrane 24 ausüben kann. Der Umfangsrand der Membrane 24 und der Flansch 28 des Ringes 26 werden durch Umbördeln oder Umbiegen des freien Randes der Schutzkappe 12 in eine feste Lage

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bezüglich, der Kappe gebracht, in welcher sich der Umfangsrand der Membrane 24 und der Flansch 28 zwischen ■der Schulterfläche 22 der Schutzkappe 12 und dem umgebördelten oder umgebogenen Rand dieser Kappe befinden.

Die metallische Membranstützplatte 36, welche die Form einer relativ massiven und im wesentlichen starren kreisförmigen Scheibe hat, bildet auf der einen Seite eine glatte konkave Fläche und auf der gegenüberliegenden Seite eine konvexe Fläche mit einer Vielzahl von geraden Nuten. Die konvexe Ausbildung der Oberfläche der Stützplatte 36 hat den Zweck, eine gleichmäßige Berührung mit der Membrane 24 zu begünstigen. Die konvexe Oberfläche der Stützplatte 36 und die an dieser Oberfläche ausgebildeten geradlinigen Nuten stellen die strukturellen Merkmale der Erfindung dar und werden deshalb später noch genauer beschrieben.

Die Stützplatte 36 wird, mit ihrer genuteten, konvexen Seite der Membrane 24 zugekehrt, in den nicht geflanschten Endteil des zylindrischen Ringes 26 eingeschoben und so in Berührung mit der nicht metallisierten Oberfläche der Membrane 24 gebracht. Sobald sich die Stützplatte 36 in Berührung mit der Membrane 24 befindet, werden die Enden einer Spannfeder 34- durch die T-förmigen Schlitze 32, 30 des zylindrischen Ringes 26 geschoben, bis die zungenähnlichen Federendteile 38 ₅ 40 in die vertikal verlaufenden Teile der T-förmigeii Schlitze 32 eintreten, wodurch die als Blattfeder ausgebildete Spannfeder 34 innerhalb des zylindrischen Ringes 26 verriegelt wird, u.zw. in einer Stellung, in welcher die Stützplatte 36 in Druckberührung mit der Membrane 24 steht und diese entsprechend spannt und abstützt.

Zwischen der metallisierten Oberfläche der Membrane 24 und der Stützplatte 36 können nun über eine Anschluß-

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falme 42 der metallisclieii Schutzkappe 12 und ein Ende der Spannfeder 34 eine Gleichspannung und ein Wechselspannungssignal angelegt werden, was zur Folge hat, daß "bei Verwendung des Wandlers in einem Entfernungsmesser Ultraschallenergie zu einem Meßobjekt abgestrahlt wird. Eeflektierte Energie "bzw. das Echo dieses Sendesignals trifft sodann beim Wandler 10 ein und liefert zwischen der Anschlußfahne 42 der Schutzkappe 12 und der Spannfeder 34 ein Meßsignal, das in an sich bekannter Weise zur Ermittlung der Entfernung zwischen dem Meßort und dem reflektierenden Meßobjekt verwendet werden kann.

Die die Membrane 24 berührenden Oberflächen der bisher für Wandler der hier behandelten Art üblichen Membranstützplatten weisen, wie schon erwähnt, eine Vielzahl "von in regelmäßigen gegenseitigen Abständen angeordneten kreisförmigen Nuten auf, die ein konzentrisches Nutensystem bilden. Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine Stützplatte 44 nach dem Stand der Technik. Bei der Herstellung dieser Stützplatten muß getrachtet werden, die Abmessungen der Nuten möglichst genau einzuhalten, um reproduzierbare Ultraschall-Übertragungsdiagramme zu erhalten, wenn in Massenfertigung erzeugte Wandler mit dem gleichen Treibersignal beaufschlagt werden. Ein Wandlerdiagramm, das insgesamt zu einer größeren oder kleineren Empfindlichkeit als das Solldiagramm führt oder aber in bestimmten Eichtungen höhere oder geringere Empfindlichkeit ergibt, kann in unerwünschter Weise zur Feststellung bzw. Nichtfeststellung eines reflektierenden Objektes außerhalb bzw. innerhalb des gewünschten Empfindlichkeitsbereiches führen und beispielsweise bei Entfernungsmessern für die automatische Scharfeinstellung von Kameras eine falsche Kameraeinstellung verursachen. Wie schon erwähnt, werden die Membranstützplatten durch einen Prägevorgang in einem Gesenk erzeugt, wobei sich bisher Einschlüsse von Schmiermittel und Luft ergeben

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haben, welche die Erzielung reproduzierbarer Nutenabmessungen verhinderten. Die in Fig. 4A gezeigte vergrößerte Schnittansicht mehrerer Nuten der Stützplatte 44 in Pig. 3 und der noch stärker vergrößerte Schnitt nach S¹Xg. 4B durch eine Einzelnut lassen erkennen, daß die Nutenböden/unregelmäßige Gestalt annehmen, wenn der Prägevorgang durch Einschlüsse von Schmiermittel und Luft zwischen Gesenk und Werkstück beeinträchtigt wird. Auch die Oberflächen 47 der zwischen den Nuten verbleibenden Vorsprünge werden während des Prägevorganges durch eingeschlossenes Schmiermittel und Luft, wenn auch in geringerem Ausmaß als die Nutenböden, unregelmäßig verformt. Eine Vergrößerung der Nutenabmessungen kann sich schädlich auf das Übertragungsdiagramm für die Ultraschallenergie auswirken, u.zw. sowohl hinsichtlich der Größe, der Gestalt als auch Vorherbestimmbarkeit des Diagramms, und in dem vorstehend erläuterten Verwendungsfall bei Entfernungsmessern zum Empfang falscher bzw. zum Ausbleiben gewünschter Meßsignale führen. Die geschilderten Unregelmäßigkeiten treten in den kreisförmigen Nuten willkürlich auf, weshalb nicht mit äniger Sicherheit vorausgesagt werden kann, welchen Einfluß sie auf die Ultraschall-Übertragungsdiagramme der Wandler haben, in welchen die Stützplatten verwendet werden.

Gemäß der Erfindung hat die Stützplatte des Wandlers an der die ^mbrane berührenden Oberfläche Nuten, die sich über die gesamte Plattenoberfläche erstrecken und an dieser an beiden Enden offene Kanäle bilden. Fig. 5^B zeigt als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine ßtützplatte 48 mit geraden Nuten, die gleichmäßige Abstände voneinander haben und parallel zueinander verlaufen. Infolge der offenen Enden der Nuten kann überschüssiges Schmiermittel, das dem Gesenk beim Prägen der Nuten zugeführt wird, ebenso wie Luft aus den offenen Nutenenden in den Richtungen 50» 52 entweichen, wie dies

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in Fig. 5-Ä- angedeutet worden ist. Auf diese Weise werden unter Druck stehende Einschlüsse "beim Prägevorgang vermieden und dadurch wird eine wesentlich genauere Übertragung der Gestalt des Gesenkes auf das Werkstück ermöglicht. Die offene und insbesondere geradlinige Ausbildung der Hüten ändert anderseits weder das Sende- nach das Empfangssignal gegenüber den Signalen, die mit einem Wandler erzielt werden, dessen Stützplatte nach dem Stande der Technik kreisförmige, in sich geschlossene Nuten aufweist, wie die Stützplatte 44 in Fig. 3·

Der in Fig. 5B gezeigte Schnitt nach der Linie 5B-5B in Fig. 5-A- läßt die durch die Erfindung erzielte verbesserte Gestalt der Nuten erkennen, die sich über die gesamte Stützplatte erstrecken und offene Enden haben. Wie Fig. 5B zeigt, sind die Oberflächen 54 und 55 der Stützplatte 48 relativ glatt und regelmäßig, wenn man sie mit den unregelmäßigen Oberflächen 46 und 47 der dem Stande der Technik angehörenden Elektrodenplatte 44 in den Fig.

4A und 4B vergleicht. Die Gesenke, welche die endseitig offenen, vorzugsweise geraden Nuten in einer Membranstützplatte gemäß der Erfindung erzeugen, haben an ihrer wirksamen Fläche ebenfalls endseitig offene, vorzugsweise • gerade Nuten und können sowohl mit Hilfe von Schleifwerkzeugen als auch nach traditionellen Verfahren zum Herstellen von Gesenken, beispielsweise durch Materialabtragung mittels elektrischer Entladungen, erzeugt werden. Ferner können die Abmessungen einer Membranstützplatte mit geraden Nuten gut und ohne Beeinträchti-

JO gung des Prüflings mit Hilfe eines Schattenschreibers oder !Comparators geprüft werden.

Im Rahmen der Erfindung können gerade und auch ungerade, offen endende Nuten angewendet werden, doch hat die bevorzugte Ausführung der Erfindung gerade Nuten, wie sie

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die Stützplatte 48 in Fig. 5A zeigt. Durch die Erfindung ist es nun möglich, in Massenfertigung eine große Anzahl von sowohl zum Senden als auch zum Empfangen geeigneten elektroakustischen Wandlern herzustellen, die ziemlich gleichmäßige und vorbestimmte Ultraschallt)~bertragungsdiagramme aufweisen.

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Claims

POLAEOID CORPORATION in Cambridge (Massachusetts, USA)

Patentansprüche:

Kapazitiver elektroakustischer Wandler mit einer biegsamen Membrane und einer relativ starren Membranstützplatte aus leitendem Material, an deren Stützfläche zwischen Vorsprüngen Nuten ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nuten über die gesamte Stützfläche der Membranstützplatte bis zum Umfangsrand derselben erstrecken, so daß sie zwischen den Vorsprüngen liegende, zum Plattenrand hin offene Kanäle bilden.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorsprünge und Nuten geradlinig und zueinander parallel verlaufen.
3. Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsrand der Stützplatte Kreisform hat und die Vorsprünge und Nuten parallel zu einem Durchmesser verlaufen.
4. Gesenk zum Prügen der zum Zusammenwirken mit einer biegsamen Membran bestimmten Membranstützplatte

eines elektrostatischen Wandlers nach Anspruch 1 unter Verwendung eines Schmiermittels beim Prägen, dadurch gekennzeichnet,·daß die wirksame Fläche des Gesenkes

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durch, eine Reihe von in gegenseitigen Abständen angeordneten VorSprüngen und Nuten gebildet ist, die sich über die gesamte wirksame Fläche des Gesenkes erstrecken und so zwischen den Vorsprüngen beidseitig offene Kanäle bilden, durch welche zwischen dem Gesenk und dem Werkstück eingeschlossenes Schmiermittel beim Prägevorgang entweichen kann.
5. Gesenk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge und Nuten geradlinig und zueinander parallel verlaufen.
6. Gesenk nach den Ansprüchen 4- und 5» dadurch gekennzeichnet, daß sein ümfangsrand Kreisform hat und

die Vorsprünge und Nuten parallel zu einem Durchmesser verlaufen.

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