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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Erfassung von Körpergeräuschen und
insbesondere electroakustische Wandler zum Erfassen derselben insbesondere
für Stethoskope.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Stethoskope
werden im Gesundheitswesen verbreitet zur Erfassung von Körpergeräuschen eingesetzt.
Die Vorgehensweise des Behörens
und der Analyse von Körpergeräuschen (die "Auskultation") ist oft schwer
zu erlernen, da ein akustisches Stethoskop typischerweise nur sehr
leise Töne
erzeugt. Man hat elektronische Stethoskope entwickelt, die die schwachen
Körpergeräusche verstärken. Solche Vorrichtungen
leiden jedoch unter Verzerrungen und der Aufnahme von Umgebungsgeräuschen.
Diese Verzerrungen und Störungen
werden im wesentlichen von den elektroakustischen Wandlern erzeugt, die
sich in der Arbeitsweise von den mechanischen Membranen in akustischen
Stethoskopen unterscheiden.
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Für Stethoskopschall
waren bisher akustische Stethoskope das Bewertungsnormal. Akustische
Stethoskope wandeln die Bewegung der Stethoskopmembran in Luftdruckschwankungen
um, die über
Anschlussschläuche
direkt auf die Ohren des Zuhörers übertragen
werden. Der Zuhörer
hört daher durch
die Luftschläuche
die Schwingungen der Membran direkt.
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Vorhandene
elektrische Stethoskope gehören
typischerweise zu zwei Typen: (1) hinter der Stethoskopmembran angeordnete
Mikrofone oder (2) piezoelektrische Sensoren, die auf der Membran
angeordnet oder körperlich
mit ihr verbunden sind.
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Hinter
der Stethoskopmembran angeordnete Mikrofone nehmen den von der Membran
erzeugten Schalldruck auf und wandeln ihn zu elektrischen Signalen
um. Das Mikrofon hat selbst auch eine Membran, so dass der akustische Übertragungsweg
die Stethoskopmembran, die Luft im Stethoskopgehäuse und schließlich die
Mikrofonmembran aufweist. Das Vorhandensein von zwei Membranen und
des Luftwegs zwischen ihnen bewirkt eine übermässige Aufnahme von Umgebungs-
bzw. Raumschall durch das Mikrofon sowie wenig effiziente Übergänge der
akustischen Energie. In verschiedenen Erfindungen wurde versucht,
dieser fundamental minderwertigen Erfassungstechnik entgegenzuwirken – bspw.
die adaptive Störunterdrückung sowie
verschiedene, mechanisch isolierende Mikrofonhalterungen. Diese Methoden
gleichen aber oft genug nur die fundamentalen Unzulänglichkeiten
der elektroakustichen Wandler aus.
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Piezoelektrische
Sensoren arbeiten nach einem etwas anderen Prinzip als nur der Erfassung
des Schalldrucks mit einer Membran. Sie erzeugen elektrische Energie
durch das Verformen einer Kristallsubstanz. In einem Fall wird durch
die Bewegung der Membran ein piezoelektrischer Sensorkristall verformt,
der mechanisch mit der Stethoskopmembran gekoppelt ist, und es ergibt
sich dabei ein elektrisches Signal. Das Problem bei solchen Sensoren
ist, dass in Folge der Umwandlungsmechanik das Signal gegenüber dem
aus der reinen Membranbewegung verzerrt wird. Der resultierende
Schall zeigt also im Vergleich zu dem eines akustischen Stethoskops eine
etwas andere und verzerrte Tonqualität.
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Kapazitive
Sensoren sind bekannt und in Hochleistungs-Mikrofonen und -Hydrophonen
verbreitet im Einsatz. Ein kapazitives bzw. Kondensator-Mikrofon
arbeitet mit der variablen Kapazität, die entsteht, indem man
einen Kondensatorbelag in Schwingungen versetzt, um eine elektroakustische Umwandlung
zu bewirken. Ein hinter eine Stethoskopmembran gesetztes Kondensator-Mikrofon
leidet unter den gleichen Raumschall- und Energieübergangsproblemen
wie jedes andere hinter einer Stethoskopmembran liegende Mikrofon.
Die US-A-5 022 405
offenbart ein solches Stethoskop mit einem Kondensatormikrofon;
diese Druckschrift liegt dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu Grunde.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach
der vorliegenden Erfindung, die im Anspruch 1 definiert ist, wird
ein Stethoskop mit einem elektroakustischen Wandler zum Erfassen
von Körpergeräuschen bereit
gestellt, dessen Wandler aufweist: eine Membran mit einer elektrisch
leitfähigen Oberfläche, wobei
die Membran in einem Gehäuse so
gehaltert ist, dass sie einen Körper
berühren
kann, um dessen Geräusche
zu erfassen; eine leitfähige Platte,
die im Gehäuse
im wesentlichen parallel zur Membran und hinter dieser von ihr beabstandet
so angeordnet ist, dass die Membran sich bewegen kann, wobei die
Membran und die leitfähige
Platte miteinander zu einer elektrischen Kapazität in einer elektrischen Schaltung
verbunden sind; und einem Kapazität/Signal-Wandler, mit dem Kapazitätsänderungen
zu elektrischen Signalen umwandelbar sind.
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Die
vorliegende Erfindung schafft einen elektroakustischen Wandler zum
Erfassen von Körpergeräuschen bspw.
in einem Stethoskop. Der Ausdruck "Körper" kann belebte und
nicht belebte Körper
umfassen. Belebte Körper
können
dabei Menschen und Tiere, nicht belebte Körper wie bspw. Gebäude, Maschinen,
Behälter,
Rohrleitungen u.dergl. einschließen. Der Sensor arbeitet nach
dem Prinzip der Umwandlung einer Kapazität zu einer elektrischen Größe.
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Der
Sensor erfasst die Bewegungen der Stethoskopmembran direkt und wandelt
sie zu einem elektrischen Signal um, das ein Maß für die Membranbewegung ist.
Die weitere Verstärkung
oder Verarbeitung des elektrischen Signals erleichtert die Erzeugung
verstärkter
Töne mit
denen des akustischen Stethoskopschalls sehr ähnlichen Eigenschaften, die aber
verstärkt
und weniger verzerrt sind. Dies stellt eine erhebliche Verbesserung
gegenüber
der indirekteren Membranschallerfassung durch die oben beschriebenen
Mikrofon- oder piezoelektrischen Methoden dar. Da die Membranbewegung
direkt erfasst wird, ist der Sensor gegenüber erxternen Störungen weniger
empfindlich als bei den anderen beschriebenen Verfahren und ist
das Signal ein genaueres Maß für die Membranbewegung.
Im Fall des akustischen Stethoskops erzeugt die Membranbewegung
die akustischen Druckwellen, die die Ohren des Zuhörers erreichen.
Im Fall der vorliegenden Erfindung erzeugt die gleiche Membranbewegung
das elektrische Signal direkt und dient dieses schließlich dazu,
einen akustischen Ausgangswandler wie einen Kopfhörer anzusteuern,
der die gleichen akustischen Druckwellen erzeugt, die auf die Ohren
des Zuhörers
fallen.
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Die
vorliegende Erfindung arbeitet mit einem kapazitiven Erfassungsverfahren.
Kapazititve akustische Sensoren sind bekannt und in Hochleistungs-Mikrofonen
und -Hydrophonen verbreitet im Einsatz. Die vorliegende Erfindung
benutzt die Stethoskopmembran selbst als eine Elektrode des kapazitiven
Sensors, die die Körperoberfläche direkt
berührt.
Dieses Verfahren der direkten kapazitiven Erfassung von Körpergeräuschen durch
direkten Kontakt, wie oben beschrieben, ist bisher einmalig.
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Der
Sensor weist eine bewegbare Membran mit einer leitfähigen Oberfläche, hinter
der Membran eine koplanare leitfähige
Oberfläche
(Elektrode oder Belag) sowie zwischen den beiden Elementen einen Zwischenraum
oder einen Elektrolyt auf. Die leitfähige Oberfläche der Membran bildet gemeinsam
mit der zweiten leitfähigen
Platte einen Kondensator. Bei einer Bewegung der Mem bran in Folge
des Schalldrucks wird der Abstand zwischen Membran und Platte moduliert
und damit die Kapazität
geändert. Ein
einzigartiger Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Umstand,
dass die Stethoskopmembran eine Elektrode des Kondensators bildet.
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Eine
Besonderheit der Erfindung liegt darin, dass die Membran, die auch
das den Körper
berührende
Element ist, primär
auf Töne
reagiert, die aus dem Körper
stammen, nicht auf aus der Umgebung übertragenen Störschall.
Durch das Berühren
des Körpers
wird die akustische Impedanz des Sensors an die des Körpers angepasst,
nicht an die der Umluft. Daher werden Kapazitätsänderungen in Folge der Membranbewegung
primär
durch Körpertöne verursacht,
nicht durch den umgebenden Störschall.
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Während diverse
Einrichtungen verfügbar sind,
um Kapazitätsänderungen
in elektrische Signale umzuwandeln, erfolgt diese Umwandlung in
der bevorzugten Ausführungsform
durch Laden der von der Membran und der Platte gebildeten Kapazität mit einer
hohen Gleichspannung über
einen hohen Widerstand. Dadurch erhält man eine im wesentlichen konstante
Ladung des Kondensators. Bei einer Bewegung der Membran ändert sich
dadurch die Kapazität.
Liegt die Kondensatorladung fest und ändert sich die Kapazität zeitlich,
erhält
man eine kleine Änderung
der Spannung über
dem Kondensator in Form einer Wechselgröße. Diese Änderung wird von einem hochohmigen
Verstärker
erfasst, der aufgebaut ist, Wechseländerungen der Kondensatorspannung
zu erfassen, aber ein schnelles Entladen des Kondensators zu vermeiden.
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Ein
zweites Verfahren zum Erfassen von Kapazitätsänderungen ist, die gleiche
Membran-Platte-Kapazität
in einen HF-Resonanz- bzw. -Schwingkreis aufzunehmen und die Änderungen
der Schwingfrequenz zu ermitteln, die die Änderungen der Zeitkonstante
des kapazitiven Kreises bewirken.
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Ein
drittes Verfahren zum Aufbau eines kapazitiven Sensors und zum Erfassen
der Kapazitätsänderungen
ist der Einsatz einer Elektret-Technik. Bei diesem Verfahren müssen eine
oder beide Beläge
des Membran-Belag-Kondensators mit einem permanent geladenen Material – bspw.
einen Elektret-Material – beschichtet
sein, so dass man zwischen den Belägen bzw. Elektroden ein permanentes elektrisches
Feld erhält.
Da zwischen den Belägen ein
permanentes elektrisches Feld herrscht, wird die Erzeugung einer
hohen Gleichspannung umgangen und es lassen sich aus der Bewegung
Spannungsänderungen
erzeugen, ohne dass eine zusätzliche Schaltung
vorhanden sein muss, die eine Ladegleichspannung erzeugt.
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Die
vorliegende Erfindung umfasste daher alle Verfahren zum Erfassen
von Kapazitätsänderungen
und Umwandeln derselben in ein elektrisches Signal und damit sämtliche
Verfahren der Erfassung von durch Membranbewegungen erzeugten Kapazitätsänderungen.
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Es
sei auch darauf hingewiesen, dass in der bevorzugten Ausführungsform
eine feste Platte hinter der Membran angeordnet ist, die Erfindung
aber auch Verfahrensweisen umfasst, bei denen beide Elektroden biegsam
sind und eine Kapazität
bilden. In einem solchen Fall gilt das Grundprinzip einer durch
Schalldruck aus dem Körper
veränderten
Kapazität,
wobei die zweite Elektrode nicht unbedingt starr ist.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die feste Platte hinter der Membran gelagert. Um eine akustische
Isolierung gegen externen bzw. Raumschall zu gewährleisten, sollte die feste
Elektrode vorzugsweise über
eine Einrichtung gelagert sein, die sie vom Gehäuse akustisch isoliert, oder
sollte eine Einrichtung verwendet werden, die die feste Elektrode
daran hindern soll zu vibrieren. Darin liegt eine wichtige Verbesserung,
die eine Isolation gegen Störschall
fördert.
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Eine
Variante des grundsätzlichen
Arbeitsprinzips ist, zwei Kondensatoren vorzusehen, indem die leitfähige Membran,
wie beschrieben, und eine leitfähige
Platte hinter ihr einen Kondensator bilden und eine dritte Platte
hinter der zweiten und letztere einen zweiten Kondensator bilden.
Die Membran und die dritte Platte werden geladen, während die
zweite Platte zwischen ihnen an eine Verstärkerschaltung gelegt ist. Dieses
Zwei-Kondensator-Verfahren arbeitet im Wesentlichen nach dem gleichen
Prinzip, dass die Spannung über
einem geladenen Kondensator sich abhängig vom Abstand zwischen den
Elektroden ändert,
von denen eine von der Membran gebildet ist.
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Eine
weitere Besonderheit der Erfindung liegt im Verfahren des Ausbaus
und des Erzeugens der Membran. Das Membranmaterial muss biegsam sein
und elektrisch leitfähig
sein, um als für
Schalldruck empfindlicher Belag eines variablen Kondensators fungieren
zu können.
Aus Gründen
der Sicherheit und des Vermeidens von Störungen ist diese elektrisch
leitfähige
Fläche
vorzugs-, aber nicht notwendigerweise von der den Körper berührenden Membranseite
elektrisch isoliert.
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Eine
weitere Besonderheit der bevorzugten Ausführungsform ist die die kapazitiven Änderungen erfassende
Schaltung, die an den Membran-Platte-Kondensator angeschlossen ist.
In der bevorzugten Ausführungsform
weist diese Schaltung zwei kritische Elemente auf: (1) einen Generator,
der eine hohe Gleichspannung mit hoher Impedanz liefert, und (2)
einen sehr hochohmigen Wechselspannungsverstärker, der die wechselnden Spannungsänderungen
erfasst, ohne den Kondensator zu entladen.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung Verfahren zur Amplitudenregelung, zur GS-Spannungsregelung
zwecks Batteriestromeinsparung und zum Aufbau und zur Fertigung
des kapazitiven Sensors.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
den grundsätzlichen
mechanischen Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Kapazitätselemente
des Sensors, die einen Doppelkondensator bilden;
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
einer Halterung für
die Membran;
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4 zeigt
weitere Einzelheiten von Einrichtungen zur Umweltschallisolierung
der kapazitiven Platte;
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5 zeigt
den Gesamt-Schaltungsaufbau des Sensors in der Verwendung mit einer
GS/GS-Ladeschaltung und den zugehörigen Funktionen;
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6 zeigt
eine Ausführungsform
des Sensors mit einem 3-Belag-Kondensator;
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7 zeigt
den Sensor im Einsatz in einer generalisierten Kapazitätserfassungsschaltung;
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8 zeigt
den Sensor, wobei die Membran, der Belag oder beide permanent geladen
sind derart, dass ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden vorliegt
und eine Kapazitätsladeschaltung
entfallen kann; und
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9 zeigt
schaubildlich und nicht maßstabgerecht
ein Stethoskop mit dem erfindungsgemäßen Sensor.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
den Figuren zeigt die 1 den grundlegenden mechanischen
Aufbau der Erfindung in ihrer bevorzugten Ausführungsform. Ein Gehäuse 1 enthält eine
kapazitive Sensormechanik mit einer bewegbaren biegsamen Membran 2 mit
einer elektrisch leitfähigen
Oberfläche 4,
die sich vorzugsweise auf der Innenseite befindet und koplanar mit
einer elektrisch leitfähigen
Platte 3 verläuft,
wo bei der Zwischenraum 7 mit Luft, einem elektrisch nicht
leitfähigen
Fluid oder einer gasförmigen
Suibstanz gefüllt ist.
Die Membran 2 und die Platte 3 bilden einen Kondensator.
Die Bewegung der Membran in Folge von Schalldruck ändert den
Abstand zwischen der Membran 2 und der Platte 3 und
damit die Kapazität 6 des Membran-Platte-Kondensators,
da die Kapazität
umgekehrt proportional zum Abstand zwischender Membran 2 und
der Platte 3 ist. Eine einzigartige Besonderheit der Erfindung
ist, dass die Stethoskopmembran 2 eine Elektrode eines
kapazitiven Sensors bildet, wobei eine Bewegung der Membran 2 die
Kapazität ändert, die
dann andere Schaltungsparameter in einer elektronischen Schaltung
variiert, um ein zeitveränderliches
elektrisches Signal als Maß für die Membranbewegung
zu erzeugen. Die Membranbewegung ist dann ein Maß für den erfassten Schalls; die
Erfindung bildet damit einen wirkungsvollen Körpergeräuschsensor.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Membran 2 im Gehäuse 1 mit einer Einrichtung 9 gehaltert,
die eine akustische Isolierung bzw. eine wesentliche Dämpfung vom
Gehäuse 1 kommender akustischer
Wellen bewirkt. Dies lässt
sich erreichen durch die Auswahl eines Schall absorbierenden Werkstoffs
für die
Einrichtung 9 und/oder eine Formgebung der Membran 2 derart,
dass Schwingungen vom Außenrand
der Membran 2 nicht auf deren Hauptflächenbereich gekoppelt werden.
Die Platte 3 ist über
Halter 6 hinter der Membran gehaltert; diese Halter bewirken
eine akustische Isolierung oder Dämpfung gegen das Gehäuse, um
eine Aufnahme von Raumschall abzuschwächen, indem sie die Platte 3 am
Schwingen hindern.
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Die
Membran 2 ist mechanisch so untergebracht, dass sie sich
direkt auf den Körper
aufsetzen lässt,
um durch die Berührung
Töne aus
ihm direkt, nicht über
ein Fluid oder Luft zu erfassen, wie es bei Mikrofonen und Hydrophonen
typisch ist. Dadurch sollte eine bevorzugte Eigenschaft der Membran 2 sein,
dass sie erheblich weiter auslenken kann als für eine Mikrofon- oder Hydrophonmem bran
typischerweise erforderlich, so dass der Zwischenraum 7 größer wird
als für
Luftmikrofone oder Hydrophone üblich.
In einer bevorzugten Ausführungsform
beträgt der
Abstand zwischen der Membran 2 und der Platte 3 typischerweise
mehr als 0,5 mm, obgleich kleinere Abstände möglich sein können. Hierin
liegt eine neuartige Eigenschaft der vorliegenden Sensoranwendung,
die eine sehr niedrige Membran-Platte-Kapazität ergibt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zwischen der Membran 2 und der Platte 3 ein
hohes Spannungspotential erzeugt. Mit diesem Verfahren ist daher
eine elektrische Isolierung einer Anzahl von Elementen in der Erfindung
erforderlich. Optional wird ein dielektrischer Isolator 5 aus
einem Werkstoff wie Mylar®-Folie (Fa. E. I. du Pont)
oder Ultem®-Folie
(Fa. General Electric) zwischen die Membran 2 und die Platte 3 eingebracht. Dadurch
senkt man die elektronischen Störungen aus
Entladungen der Kapazität über den
Raum 7 zwischen der Membran 2 und der Platte 3.
Während
der Isolator 5 für
die Funktion des Sensors nicht wesentlich ist, verbessert er die
Tonqualität.
Die Platte 3 ist am Gehäuse 1 über ein
Halter 6 aus einem Werkstoff wie Nylon oder Teflon® befestigt,
der eine hohe elektrische Isolation bewirkt. Er verhindert ein allmähliches
Entladen der Platte 3. Die oben festgestellten bevorzugten
Anforderungen an eine elektrische Isolation sind für eine Ausführungsform
der Erfindung relevant, die ein hohes Potenzial zwischen der Platte 3 und
der Membran 2 fordert. Andere Ausführungsformen benötigen eine
hochisolierende Trennschicht nicht unbedingt, da sie u.U. auf Verfahren
der Kapazitätsmessung
beruhen, bei denen der Kondensator keine sehr hohe Gleichspannung
braucht.
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Die 1 zeigt
die elektrischen Verbindungen für
eine Ausführungsform
der Erfindung. Eine elektronische Schaltung 10 ist vorzugsweise
innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet,
wobei die Verbindung 13 zum Gehäuse 1, die Verbindung 11 zur
leitfähigen
Membranoberfläche 4 und
die Verbindung 12 zur Platte 3 verlaufen. Die
Verbindungen 14 führen den
externen Stromversorgungs- und den Signalanschluss. Das Arbeitsprinzip
des Sensors erfordert nicht, die zugehörige Schaltung im Gehäuse 1 unterzubringen.
Man erhält
jedoch die beste Leistung, wenn die Verstärkerschaltung sich nahe bei
der Sensorkapazität
befindet.
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Die 2 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung mit kapazitiven Sensorelementen, die einen Doppelkondensator
bilden. Die Membran 2 hat eine leitfähige Oberfläche 4, die mit der
Platte 20, die aus einem leitfähigen Werkstoff besteht, eine
Kapazität
bildet. Die Platte 20 bildet dann mit der Platte 3 zusammen
eine zweite Kapazität,
wobei zwischen der Platte 20 und der Platte 45 optional eine
Isolierschicht 5 eingefügt
ist. Auch hier ist die Membran 2 mit einer Einspannung 9 am
Gehäuse festgelegt.
Das Doppelkondensator-Verfahren arbeitet nach einem ähnlichen
Prinzip wie die Ausführungsform
der 1. Die Schaltungsanschlüsse sind jedoch etwa anders
angelegt, wie unten ausführlich beschrieben.
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Die 3 zeigt
eine alternative Einspannung 9 für die Membran 2. Hierbei
handelt es sich um einen kreisförmigen
Ring, der im Schnitt dargestellt ist. Der Werkstoff des Einspannrings 9 besteht
aus einem Schall dämpfenden
Werkstoff wie Gummi und verhindert, dass Schwingungen des Gehäuses 1 in 1 die
Oberfläche
der Membran 2 erreichen. Die Membran hat jedoch eine elektrisch
leitfähige
Oberfläche 4 auf,
die mit der elektronischen Schaltung zu verbinden ist, wie in 1 mit
de Verbindung 11 gezeigt. Diese Verbindung 11 erreicht
man, wie in 3 gezeigt, mit einer Leiterbahn 30 auf
dem Einspannung 9. Die 3 zeigt
eine Konfiguration zum Erreichen einer akustischen Isolierung und
einer elektrischen Verbindung zur leitfähigen Oberfläche 4 der Membran 2.
Hat der Einspannung 9 einen anderen Querschnitt oder ist
er aus einem Leitgummi gefertigt, lassen sich die angestrebte akustische
Isolierung und elektrische Verbindung immer noch erreichen.
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Ein
wichtiger Aspekt der Raumschallisolierung für die Platte 3 ist
in 4 ausführlicher
dargestellt. Die Platte 3 sollte nicht vom Gehäuse oder
extern zu Schwingungen angeregt werden, wie es bei Raumschall oder
der Handhabung des Gehäuses 1 der
Fall sein kann. Die Platte 3 muss daher von umgebenden
Schallquellen akustisch isoliert werden, was sich auf verschiedene
Weise erreichen lässt.
Zunächst
kann ein Halter 6 aus einem akustisch absorbierenden Werkstoff
mit einem Abschnitt 40 vorgesehen sein, der Schwingungen
dämpft.
Es sei darauf verwiesen, dass der Halter 6 und die Abschnitte 40 als
vertikale Pfosten dargestellt sind. Eine derartige Halterung lässt sich
auch durch Flächen,
die zum Abfangen der Platte in das Gehäuse 1 eingeformt sind, oder
andere Einrichtungen zum Ansetzen der Platte 3 erreichen.
Die Erfindung erfordert nur, dass die Platte 3 vom Gehäuse 1 akustisch
isoliert ist, um eine optimale Leistung zu erreichen. Die 4 zeigt
auch eine zweite Alternative für
eine akustische Isolierung der Platte 3. Dabei kann die
Platte 3 auf einer Oberfläche 41 aus einem akustisch
absorbierenden Werkstoff angeordnet sein, die Schwingungen aus dem Halter 6 dämpft. Eine
dritte Methode der akustischen Isolierung ist, die Platte 3 aus
Leitschaum oder einem anderen elektrisch leitfähigen, aber akustisch absorbierenden
Werkstoff herzustellen. Die drei oben angegebenen Methoden üben die
gleiche Funktion aus – sie
isolieren die Platte 3 akustisch. Auch andere Verfahren
lassen sich einsetzen, um das gleiche Ziel zu erreichen.
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Das
Arbeitsverfahren der bevorzugten Ausführungsform ist, in dem in 1 gezeigten
Kondensator aus der Membran 2 und der Platte 3 ein
elektrisches Feld aufzubauen. Hierzu ist eine Anzahl von Methoden
geeignet. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine GS-Quelle 51,
bei der es sich um einen GS/GS-Aufwärtswandler
handelt, über
eine hochohmige Verbindung 52 (vergl. 5)
mit der Kapazität
zu verbinden. Der GS/GS-Wandler 51 wandelt eine niedrige
Spannung aus der Batterie 50 in eine höhere Spannung um. Die Sollspannung
ist höher
als 50 V; auch erheblich höhere
Spannungen – in der
Größenordnung von
600 V bis 1000 V – sind
in der Vorrichtung einsetzbar. Höhere
Spannungen ergeben einen höheren Übertragungsfaktor
der elektrischen Signalstärke
als Funktion der mechanischen Auslenkung. Die hohe Spannung, die über den
Widerstand 52 an die Platte 3 gelangt, erteilt
dieser ein hohes Potenzial gegenüber
der Platte 2, die in einer bevorzugten Ausführungsform
ihrerseits auf Massepotenzial 55 gelegt ist, da man dadurch
zusätzlich
zur Funktion als Kondensatorelektrode eine elektromagnetische Abschirmung
erhält.
Ein Verstärker 54 ist
mit dem kapazitiven Sensor über
eine Kapazität 53 angeschlossen,
die den Verstärker
von der hohen Gleichspannung an der Platte 3 entkoppelt,
aber die zeitveränderliche
Spannung in Folge der Modulation des Membran-Platte-Abstands hindurchlässt. Der Eingangswiderstand
des Verstärkers 54 muss
sehr hoch sein, damit der Kondensator 53 auch niedrige Frequenzen
hindurchlässt.
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Schaltungsfunktionen
für die
Hochspannungsrealisierung der Erfindung sind in der 5 gezeigt.
Die Platte 3 wird mit der Hochspannung relativ zu Platte 3 aus
dem GS/GS-Wandler 51 geladen. Änderungen des Abstands zwischen
der Membran 2 und der Platte 3 bewirken eine zeitveränderliche Spannung über dem
Kondensator, wobei der hohe Widerstand 52 und der hohe
Eingangswiderstand des Verstärkers 54 eine
zu schnelle Änderung
der Kondensatorladung verhindern. Die zeitveränderliche Spannung am Kondensator
wird vom Verstärker 54 zu
einem niederohmigen zeitveränderlichen
Signal verstärkt,
das ein Maß für die Kapazitätsänderung und
damit für
die Membranbewegung ist.
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In
bestimmten Ausführungsformen
kann die Kapazität
des Membran-Platte-Kondensators
mit etwa 10 pF extrem niedrig sein. Daraus ergibt sich beim Anschluss
an eine externe Schaltung eine sehr kleine Zeitkonstante. Ein wesentlicher
Aspekt der Hochspannungs-Ausführungsform
des Sensors ist die Verwendung einer sehr hochohmigen GS-Lade- und
Signalverstärkungsschaltung.
In einer bevorzugten Ausführungsform
liegt für
sowohl die GS-Ladeschaltung als auch den Eingang des Signalverstärkers dieser
Widerstand vorzugsweise über 400
MΩ, obgleich
niedrigere Widerstände
möglich
sind. Daher müssen
in der 5 der Widerstand 52 oder der Quellwiderstand
der GS-Quelle 51 und der Eingangswiderstand des Verstärkers 54 allesamt
hochohmig sein.
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Das
Gehäuse
liegt vorzugsweise auf Massepotenzial, um als Abschirmung zu wirken.
Eine Abschirmung erfordert, dass das Gehäuse 1 aus einem elektrisch
leitfähigen
Werkstoff gefertigt ist oder eine leitfähige Oberfläche auf das Gehäuse 1 aufgetragen ist.
Das Gehäuse 1 und
die Membran 2 bilden daher eine abgeschirmte Kammer für den Sensor
und die Elektronik. Es sei darauf hingewiesen, dass entweder die
Platte 3 oder die Membran 2 auf ein hohes Potenzial
gelegt werden kann, da die Ladung der Kapazität wichtig ist, nicht die Polarität. Weiterhin
ist die Masse 55 eine Schaltungsmasse, keine direkte Erdverbindung.
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Stethoskope
sind typischerweise tragbare Instrumente und arbeiten batteriegespeist.
Eine Erweiterung der Erfindung liegt im minimierten Stromverbrauch.
Die in der bevorzugten Ausführungsform über die
Membran-Platte-Kapazität
gelegte Gleichspannung wird in einer typischen batteriegespeisten Anordnung
aus einer Niederspannungsquelle 50 erzeugt, wie in 5 gezeigt.
Da die Zeitkonstante der kapazitiven Schaltung notwendigerweise
so groß ist, dass
Frequenzen unter 100 Hz erfasst werden, bleibt die GS-Ladung auf
der Sensor-Kapazität über einen gewissen
Zeitraum auf einem hohen Niveau. Daher kann die GS-Ladeschaltung 51 auch
gepulst bzw. intermittierend arbeiten oder auch abgeschaltet werden,
sobald die GS-Ladung auf den Kondensatorbelägen erzeugt ist. So erreicht
man erhebliche Stromeinsparungen gegenüber einer stetig durcharbeitenden
GS-Ladeschaltung und erteilt der bevorzugten Ausführungsform
eine weitaus längere
Batterie-Lebensdauer als bei einer durcharbeitenden GS-Quelle. Mit
der Stromregelschaltung 56 lässt sich die vom GS/GS-Wandler 51 erzeugte
Hochspannung auf einen niedrigen Leistungsverbrauch regeln.
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Die
Stromregelung 56 wird entweder mit einem Schalter 57 oder
selbsttätig
durch Erfassen des Ausgangssignals des Verstärkers 54 betätigt. Der Schalter 57 kann
auch die Form eines Regelsignals aus einem regelnden Mikroprozessor
annehmen. Im Leistungsregelmodus wird mit der Leistungsregelung aus
einer Signalverarbeitung des Verstärkerausgangssignals ermittelt,
ob die Membran einen Körper berührt. Hierzu
liegt eine Anzahl von Methoden vor. Eine davon ist das Erfassen
einer Herzschlag-Wellenform. Bevorzugt ist das Erfassen der niederfrequenten
Energieanteile im Verstärkerausgangssignal,
da diese völlig
fehlen, wenn die Membran keinen Körper berührt.
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Da
die Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers 54 von der Gleichspannung
abhängt, kann
die Stromregelung 56 auch eingesetzt werden, um das Verstärkerausgangssignal
zu überwachen, und
als automatische oder manuelle Verstärkungsregelung des Sensors
dienen, indem die Gleichspannung zur Regelung der Ausgangsamplitude
des Verstärkersignals
eingesetzt wird. Dadurch erhält
man den Vorteil von Einsparungen der Batterieleistung sowie stabiler
Signalniveaus. Während
weiterhin die Verstärkungsregelung
in späteren
Verstärkungsstufen
eingesetzt werden kann, ist ein Nachstellen des Vorstufen-Signalniveaus
vorteilhaft, um ein Übersteuern
zu vermeiden und den Störabstand
des Verstärkungsvorgangs
insgesamt zu maximieren.
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Im
Verstärker 54 ist
optional auch eine automatische Verstärkungsregelung implementiert.
Dies ist besonders wichtig als Mittel, überlaute Signale zu verhindern.
So weist der Verstärker 5 optional
eine automatische Stummschalt- oder Dämpfungseinrichtung auf, die
von wesentlichen Signalpegeln ausgelöst wird. Diese Ausgleichs-
bzw. Einschwingvorgänge
treten typischerweise auf, wenn die Membran an den Körper angesetzt
bzw. von ihm abgehoben oder auf dem Körper verschoben wird.
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Ein
alternatives Verfahren zum Schaffen eines kapazitiven Sensors ist
in der 2, die zugehörige
elektrische Verbindung in der 6 gezeigt.
In dieser Realisierung sind die Sensorplatte 20 an den Verstärkereingang,
die Platte 3 wie oben an eine Hochspannung und die Membran 2 ebenfalls
wie oben auf Massepotenzial 55 gelegt. Die von der Platte 20 und
der Membran gebildete Kapazität
dient jedoch dem doppelten Zweck der Bewegungserfassung und der
Trennung des Verstärkereingangs
von der Hochspannung auf der Platte 3.
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Ein
alternatives Verfahren zum Anlegen einer Spannung über die
Membran 2 und die Platte 3 ist in der 8 dargestellt,
in der die Membran 2, die Platte 3 oder beide
mit einem Elektret bzw. einer permanent geladenen Substanz ausgeführt sind,
die auf einem oder beiden Elementen eine permanente Oberflächenladung
aufrecht erhält,
so dass ohne eine externe GS-Treiberschaltung ein elektrisches Feld 80 aufgebaut
wird. Damit erhält
man den signifikanten Vorteil, dass der GS/GS-Wandler entfallen kann
und die zeitveränderliche
Spannung über
der Membran-Platte-Kapazität
sich direkt verstärken lässt. Dieses
Verfahren ist in kleinen und kostengünstigen Elektret-Kondensatormikrofonen üblich. Die vorliegende
Erfindung ist jedoch darin einzigartig, dass einer der Kondensatorbeläge eine
Stethoskopmembran bildet und ein direkter Kontakt mit dem Körper möglich ist,
dessen Schall erfasst werden soll. Die Fertigung einer Elektret-Realisierung
lässt sich erreichen,
indem man eine Elektret-Substanz auf die Membran-Innenfläche klebt.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Platte 3 mit einer Elektret-Oberfläche aufgebaut
oder ein Elektret-Material auf die Platte 3 geklebt werden.
Der wesentliche Punkt ist, dass ein elektrisches Feld zwischen der
Membran 2 und der Platte 3 vorliegen muss, und
die Erfindung umfasst alle Verfahren, nach denen ein solches Feld
sich entweder aktiv unter Einsatz einer GS-Stromquelle oder mit
Substanzen, die ein permanentes elektrisches Feld zwischen der Membran 2 und
de Platte 3 aufbauen, erzeugen lässt.
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Die 7 zeigt
ein alternatives Verfahren zum Erfassen kapazitiver Änderungen
in dem Sensor. Die leitfähigen
Flächen
der Platte 3 und der Membran 2 sind an eine Kapazitätserfassungsschaltung 70 angeschlossen.
Das Ausgangssignal 71 ist ein elektrisches Signal oder
eine digitale Meldung, die den Kapazitätsmesswert als Zeitfunktion überträgt. Es gibt
zahlreiche Methoden, eine Kapazitätsänderung in Folge der Auslenkung
einer Membran zu erfassen. Einige Beispiele sind:
- a.
Anschalten der Membran-Platte-Kapazität an einen Oszillator und Umsetzen
der von der Kapazitätsänderung
verursachten Frequenzänderung in
eine Spannung, die die Membranbewegung darstellt;
- b. Anschließen
der Kapazität
an einen Resonanzkreis und Messen der Änderungen der Resonanzeigenschaften
als Funktion der Kapazitätsänderung;
- c. Anschließen
der Kapazität
an eine Ladeschaltung, wobei die Lade- und/oder Entladezeitkonstante
der Schaltung zu einer Messspannung umgesetzt wird, die die Kapazitätsänderung
wiedergibt;
- d. Anschließen
des Kondensators an eine digitale Mess- und Wandlerschaltung, wobei
die Kapazitätsänderung Änderungen
der Impulsbreite oder digitaler Werte verursacht;
- e. Anschließen
der Kapazitäts
als zeitbestimmendes Element an einen Analog/Digital-Wandler, so das
man digitale Codes als Funktion der Kapazität erhält.
-
Alle
diese Methoden basieren auf dem fundamentalen Aspekt der Erfindung,
nach dem die Membran gemeinsam mit einem anderen Element eine Kapazität bilden
und man so einen direkten Wandler erhält, der Membranbewegungen zu
Kapazitätsänderungen
umsetzt. Im Prinzip verwenden die genannten Verfahren als Element
in einer Schaltung, deren Zeitkonstante den zeitlichen Verlauf einer
elektrischen Größe beeinflusst.
-
Die 9 zeigt
schaubildlich nur ein Stethoskop mit dem erfindungsgemäßen Sensor
bzw. Wandler. Der Sensor entspricht im wesentlichen der Darstellung
der 1, wobei die Sensorelemente weggeschnitten und
vergrößert gezeigt
sind. Das Gehäuse 1 (vergrößert und
geschnitten und im Verhältnis
zum Rest des Stethoskops nicht maßstabgerecht gezeigt) nimmt
die Elemente des Sensors und die zugehörigen Bauteile auf. Die Membran 2 ist
so gelagert, dass sie sich problemlos an einen Körper heranbringen lässt, um
Schall zu erfassen. Eine Platte 3 ist über Halter 6 hinter
der Membran 2 und parallel zu ihr gehaltert. Die Elektronik 10 ist
im Gehäuse 1 angeordnet
und wird von einer Stromquelle 50 gespeist. Eine elektrische
Anschlussleitung 14 überträgt NF-Signale
an NF-Ausgangswandler 90. Weitere Einzelheiten des Sensors
sind in der 1 und anderen Zeichnungen gezeigt
und in der 9 u.U. nicht sichtbar.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass die 9 nur eine
spezielle Ausführungsform
der Erfindung, nämlich
in deren Anwendung auf ein Stethoskop zeigt. Ohne Abweichung von
den hier offenbarten grundsätzlichen
Aufbaumerkmalen und Methoden sind auch verschiedene andere Methoden
der Unterbringung des Sensors, des Anordnens der Elektronik in demselben
oder einem anderen Gehäuse
und des Übertragens
der Signale an die NF-Wandler möglich.
-
Stethoskopmembranen
unterliegen langfristig einem Verschleiß und einer Bruchgefahr. In
einem mechanischen Stethoskop ist der Austausch der Membran einfacher.
Bei einer kapazitiven Membran wie der zur vorliegenden Erfindung
beschriebenen ist es potenziell nützlich, die Membran 2 und
die Platte 3 der 1 gemeinsam
mit einiger Elektronik 10 in einem dicht verschlossenen
Behälter
zu verkapseln, der sich vom Hauptteil des Stethoskops leicht entfernen
lässt.
So lassen die Membran und zugehörige Bauteile
sich auf einfache Weise austauschen, während der dicht abgeschlossene
Raum für
die Hochspannung, das Fluid oder andere Elemente des kapazitiven
Sensors hinter der Membran erhalten bleibt, die am besten gegen
eine Verunreinigung aus der Umluft abgeschlossen bleiben oder von
den Benutzern nicht berührt
werden sollten. Die Erfindung ermöglicht es also, solche Elemente
der Erfindung in einem derartigen dichten Gehäuse zwecks einfachen Austauschens
oder Reparierens unterzubringen.
-
Der
im Gehäuse 1 enthaltene
Sensor lässt sich
als periphere, an eine externe NF-Aufnahme-, Übertragungs-, Verstärkungs-
und Wiedergabevorrichtung anschließbare NF-Erfassungseinrichtung verwenden.
Alternativ setzt man das Gehäuse 1 an ein
Stethoskop an, wo es einen Teil des Stethoskopgehäuses insgesamt
bildet.
-
Während die
bevorzugte Ausführungsform als
kapazitiver Sensor mit einer bewegbaren Membran und einer ortsfesten
Platte vorliegt, lässt
sich ein Kondensator ausbilden, dessen beide Elektroden flexibel
sind. Eine solche Konstruktion weist eine Membrankapazität aus zwei
flexiblen Oberflächen
auf, die ein Dielektrikum trennt, das eine Modulation des Abstands
zwischen den beiden Elektroden in Folge der Bewegung der Zweibelag-Membran
zulässt.
Die Erfindung soll daher alle Verfahren umfassen, in der eine Membran
als Teil eines kapazitiven Sensors wirkt.
-
1
- 10
- Elektronische
Schaltung
-
5 & 6
- 51
- GS/GS-Wandler
- 56
- Leistungsregler
-
7
- 70
- Kapazitätserfassungsschaltung