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Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlermembrane
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlermembrane.
Ein Ziel der Erfindung ist eine flache Schallwandlermembrane mit geringer Federsteife. Ein weiteres
Ziel der Erfindung ist die Vereinfachung der Erzeugung solcher Membranen, insbesondere für Druck-Gradienten-Kondensator-Mikrophone und Tauchspulenmikrophone.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlermembrane ist dadurch gekennzeichnet, dass eine dünne Folie aus thermoplastischem, bei Wärme schrumpfbarem Material, gleichmä- ssig in mindestens zwei Richtungen unter Einwirkung von Wärme vorgereckt wird (erste Wärmebehandlung), dann das Material innig und gleichmässig auf einer Oberfläche mit einer Metallschicht, die wesentlich dünner wie die Schicht aus thermoplastischem Material ist, überzogen wird, weiters die so behandelte zusammengesetzte Folie einer zweiten Wärmebehandlung unterzogen wird, um zumindestens einen Teil der Rest-Spannungen nach der ersten Wärmebehandlung zu beseitigen, wobei sich ein runzeliges Muster mikroskopischer Riffelung und Wellung der zusammengesetzten Folie ergibt.
Nach der weiteren Erfindung ist vorgesehen, dass die zusammengesetzte Folie einer dritten Wärmebehandlung unter gleichmässiger radialer Streckbeanspruchung unterworfen wird, wodurch das Material von der Oberflächenwelligkeit ohne Verlust der Oberflächenriffelung befreit wird und dann das Material unter einer solchen Spannung abgekühlt wird, dass sich das Material stabilisiert und eine im wesentlichen ebene Oberfläche entsteht.
Nach einer vorzugsweisen Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei der ersten Wärmebehandlung das in Wärme schrumpfbare thermoplastische Material auf zwei-bis dreifache Fläche gegenüber der ursprünglichen Fläche gedehnt wird, u. zw. bei einer Temperatur von 150 bis 200 C, die Dicke der Folie dann nicht mehr als 0,050 mm beträgt, nach dem Aufbringen der Metall-
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150 und 1700C getempert wird bis eine Schrumpfung von 10 bis 2CJO erfolgt ist, dass dann eine Fläche der getemperten Folie für die Verwendung als Schallwandlermembrane ausgesucht wird, diese Fläche leicht über einen Ring gespannt wird, um die restliche Welligkeit zu entfernen,
die aus derr Temperprozess resultiert und dass schliesslich die gestreckte Fläche wieder beizirka 150 C erwärmt wird und dann unterAuf- rechterhaltung der Spannung abgekühlt wird.
Bei diesem Verfahren kann eine domförmige Ausbuchtung in der ausgewähltenFläche geformt werden oder eine domförmige Kappe getrennt hergestellt und auf die Folie aufgebracht bzw. aufgeklebt werden.
Bei dem erwähnten Verfahren wird schliesslich nach einer weiteren Ausführung der Erfindung die ausgewählte Fläche leicht über einen Montierungsring gespannt und mit diesem durch ein Klebemittel verbunden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Figuren näher erläutert.
Die Fig. la und Ib zeigen Schnitte durch eine gerunzelte Oberfläche. Diese Figuren dienen nur der Definition des Ausdruckes"eben", wie er in der Beschreibung und in den Ansprüchen verwendet wird. Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine bekannte Form eines Kondensatormikrophones. Die Fig. 3 zeigt die Herstellung einer ebenen Membrane der bekannten Art. Die Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines Teiles der Membrane wie sie nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt wird.
Die Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer mit einer Kuppe versehenen Membrane sowie die Spulenanordnung für ein
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Ebenheit während des Herstellungsprozesses zu gewährleisten und eine genügend niedrige Federsteife nach dem Einbau zu erhalten.
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brane ist vollständig "eben", da die Oberflächen 9 und 10 eben und parallel sind innerhalb der Grenzen von Mikrons, Die Folie nach Fig. la ist ebenfalls "eben", da die Vertiefungen nicht grösser wie die Dicke der Folie ist. Die Folie nach Fig. 1b jedoch ist nicht "eben", da die Wellen ein Vielfaches der Dicke der Folie sind.
Ein Druck-Gradienten-Kondensator-Mikrophon bekannter Bauart ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Metall- behälter 1 mit mehreren Löchern 6 in seiner Grundplatte, beinhaltet eine poröse Masse 3 körnigen Mate- rials, welches einen hohen Isolationswiderstand besitzt und in ihrer Lage festgehalten wird von einer An- zahl von Stellen 8 eines Klebemittels, z. B. Araldit. Die obere Oberfläche der Masse 3 ist flachgeschlif- fen. Eine Plastikmembrane 2 ist auf dem Metallgefäss aufgespannt mit einer Dicke des Klebemittels 7, um einen Abstand von 0,0254 mm oder weniger zwischen der Membrane und der oberen Oberfläche des Kör- pers 3 zu bilden.
Die obere Oberfläche des Körpers 3 sowie die äussere Oberfläche der Membrane 2 sind mit elektrisch leitenden Schichten versehen. Die elektrischen Verbindungen 4 und 5 sind mit den elektrisch leitenden
Schichten durch ein leitendes Klebemittel verbunden. Die elektrische Schicht im Falle des Körpers 3 er- streckt sich von der oberen Oberfläche um die Ecken herum bis zum Leiter 4. Die äusseren Dimensionen sind gewöhnlich in der Grössenordnung von 12, 7 mm bis 25,4 mm breit, 12,7 mm bis 25,4 mm lang und
2,54 mm'dick.
Diese Type von Mikrophon ist ein Druck-Gradienten-Mikrophon. Um die flache Bassbetonung zu be- kommen, muss die reaktive Impedanz der Membrane kleiner sein wie die resistive Impedanz des porösen
Körpers 3 (Fig. 2) bei der niedrigsten Übertragungsfrequenz. Praktisch muss die Federsteife der Membrane so niedrig wie möglich sein, um eine gute Bassempfindlichkeit zu erhalten.
Die Probleme, die während der Erzeugung solcher Mikrophone gemeistert werden müssen, sind die, dass die Membrane 2 nach dem Montieren"eben"sein muss und deshalb gleichmässig gespannt werden muss, um nicht zu schlottern. Infolge der innewohnenden Steifheit der Membrane beim Dehnen zieht bei einem geringfügigen ungleichmässigen Spannen eine Faltung der Oberfläche nach sich. Eine solche Montage ist daher sowohl kompliziert wie auch genau durchzuführen. Weiters ist die Arbeitsweise einer solchenMem- brane keineswegs befriedigend wegen der Verformung der Membrane 2 aus der Mittellage, welche eine
Längsstreckung des Materials erfordert und damit eine hohe Federsteife hervorruft.
Wenn jedoch eine geringfügige Runzelung in das Material eingeführt wird, dann sind kleine radiale
Streckungen der Membrane mit nur geringfügiger Längsstreckung der Membrane möglich, wobei die Fe- dersteife der Folie ein Vielfaches geringer bleibt.
Die Fig. 3 zeigt einen Teil einer Membrane der bekannten Art, bei welcher eine Plastikfolie 9 mit einer elektrisch leitenden Schicht 10 versehen ist. Die zusammengesetzte Schicht ist über einen Montie- rungsring 11 gespannt und mit einem Klebemittel zwischen den Berührungsflächen 12 festgehalten, um die darauffolgende Montierung des Mikrophons zu erleichtern. Eine solche Konstruktion kann bei der Er- zeugung von gerunzelten Membranen gemäss der Erfindung verwendet werden.
Die gewünschte gerunzelte Bildung kann durch die Verwendung irgendeines in Wärme schrumpfbaren thermoplastischen Materials als Membranenmaterial erreicht werden. In einer bevorzugten Ausführung- form der Erfindung wurde Polyäthylen-Terephthalat in Folienform verwendet. Ein solches Material ist normalerweise in einer in zwei Richtungen vorgestreckten Form erhältlich, d. h., dass als Teil ihres Herstellungsvorganges dieses Material in mindestens zwei Richtungen bei einer vergleichsmässig hohen Temperatur vorgestreckt ist, u. zw. auf ein Vielfaches der ursprünglichen Ausdehnung und dann unter Einwirkung von Wärme bei zirka 2000C sitzen gelassen wird (erste Wärmebehandlung). Durch diese Behandlung wird ein ausserordentlicher Streckwiderstand und eine Temperaturbeständigkeit bis zu 150 C erreicht.
Wenn jedoch die Wärme über 1500C in einem Temperprozess steigt, dann schrumpft das Material und neigt dazu in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren (zweite Wärmebehandlung).
Die in zwei Richtungen gestreckte plastische Folie kann innig, z. B. durch Aufbringung im Vakuum, mit einer metallischen Leitschicht, wie z. B. Aluminium, Zinn, Zink, Kadmium (umnurwenigezunennen), versehen werden, ohne dass ihre physikalischen Eigenschaften verändert werden. Wenn eine solche metallisierte Folie bei 150 bis 1700C getempert wird, dann schrumpft das Plastikmaterial, was die Me-
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tallschicht nicht tut. Während eines solchen Erwärmungsvorganges wird die Folie vorzugsweise zwischen Glasscheiben gehalten, damit sie sich nicht einrollt.
Die nachfolgende verschiedenartige Zusammenziehung zwingt die zusammengesetzte Folie in ein gerunzeltes Muster mikroskopischer Vertiefungen, wie es in Fig. 4 und in Fig. la dargestellt ist.
Folien von der gewünschten Dicke (0, 00635,0, 0127 und 0,0254 mm) sind nicht genügend "eben", um unmittelbar als Membranenmaterial verwendet zu werden, da die Oberfläche der Folie durch makroskopische Wellen unterbrochen ist. Die bei Wärme plastifizierenden Eigenschaften des Plastikstoffes können jedoch wieder ausgenutzt werden.
Die kleine Fläche, welche für die Membrane verwendet werden soll, kann radial von 2 bis 3% ihrer Ausdehnung gestreckt werden, in der Gegend von 150 bis 1900C kurze Zeit erwärmt und dann unter Beibehaltung der Dehnung abgekühlt werden. Die geringfügige Dehnung zeigt die makroskopischen Wellen flach, aber lässt die mikroskopischen Runzelungen unangetastet, wobei durch die Wärmebehandlung unter Dehnung dieser Zustände stabilisiert wird (drme warmebehandlung).
Die Folie, welche in diesem Zustand vollständig fertig ist, kann, falls dies gewünscht wird, auf einem Montierungsring 11 (Fig. 3) aufmontiert werden, um z. B. in einem Mikrophon Verwendung zu finden.
Dieser Montierungsvorgang wird durch die radiale Elastizität durch Runzelung vereinfacht, wodurch das Schlottern der Membrane eliminiert und das Ausmass der erforderlichen Streckung vermindert werden kann und folglich das Risiko des Flatterns der Membrane vermieden wird.
Zusätzlich zu den vorangehenden beschriebenen Vorteilen im Falle von Kondensatormikrophonen, kann eine solche Membrankonstruktion vorteilhaft bei Tauchspulenmikrophonen verwendet werden. Die üblichen Membranen in solchen Mikrophonen haben eine Kuppe auf der Spule, mit Vertiefungen, die entweder tangential oder konzentrisch bei der Anschlusslinie angeordnet sind. Dies dient dazu, die Membrane als Ganzes bei angewendetem Druck verbiegen zu lassen. Die tangentialen Vertiefungen sind in ihrer Wir- kung steife Stäbe und begrenzen die für die Biegsamkeit bleibende Fläche auf zwei schmale Ringe auf ihren inneren und äusseren Teilen, während die konzentrischen Vertiefungen das Material des Kreisringes zwischen der Kuppe und dem Montierungsring versteifen.
Die nichtlinearen Eigenschaften, welche von den Versuchen herrühren, flaches Folienmaterial im Kreisring zu verwenden, kommen von der Tatsache, dass sehr kleine Bewegungen der Kuppe (als Ganzes) ausgeführt werden können, ohne die Notwendigkeit einer radialen Ausdehnung des tragenden Kreisringes, obwohl grössere Bewegungen eine solche Ausdehnung erfordern. Die Federsteife für geringe Bewegungen ist eine Biegesteifheit und ist niedrig. Für grössere Bewegungen muss das Material longitudinal gestreckt werden und die resultierende Federbeine ist hoch.
Die Verwendung von wärmebehandeltem Plastikmaterial gemäss der Erfindung für mit Kuppen versehenen Membranen vermeidet die Notwendigkeit besonderei Versteifungsmassnahmen innerhalb des Kreisringes, da durch die Erfindung die Biegesteife für alle Ausdehnungen erreicht ist und die Bewegung linear und die Federsteife niedrig ist.
In Fig. 5 ist ein Tauchspulenmikrophon schematisch dargestellt. Die Membrane 13 ist gemäss der Erfindung hergestellt. Sie ist mit einem Klebemittelaufdem Montierungsring 14 aufgeklebt und besitzt eine
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Runzelung in der Oberfläche der Kuppe aller Wahrscheinlichkeit nach ausgebügelt wird, ohne jedoch die Wirkungsweise der Membrane zu beeinträchtigen.
In einer andern Ausführungsform kann die Kuppe als separater Teil hergestellt werden und auf der Membrane mittels eines Klebemittels befestigt werden. Auf der gegenüberliegenden Fläche der Membrane 13 ist eine Sprechspule 16 in axialer Übereinstimmung mit der Kuppe 15 vorgesehen und begrenzt einen Kreisring 17 zwischen der Kuppe 15 und dem Montierungsring 14. Im Gegensatz zu den bekannten Ausführungsformen sind weder tangentiale noch konzentrische Vertiefungen, wie sie weiter oben für die üblichen Ausführungsformen beschrieben wurden, notwendig. Die im übrigen"ebene"Oberfläche des Kreisringes ist nur mit den winzigen während des Verfahrens hergestellten Runzelungen versehen.
Die Erfindung hat noch einen weiteren Vorteil bei ihrer Verwendung bei Tauchspulenmikrophonen.
Wegen der niedrigen Federsteife des tragenden Kreisringes 17 (Fig. 5) kann die radiale Breite des Kreisringes verringert werden im Vergleich zu den Ausführungen mit tangentialen oder konzentrischen Vertiefungen, wodurch eine Vergrösserung des elektrisch-akustischen Wandlerwirkungsgrades derMembrane samt Spule erreicht wird.
Es sei noch erwähnt, dass bei der Verwendung der erfindungsgemässen Folie bei Tauchspulenmikrophonen die Metallisierung keinem elektrischen Zweck dient, sondern nur dem mechanischen Zweck.
Die Erfindung ist nicht auf eine Folie für einen Schallwandler beschränkt. Die Folie kann auch eine
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langgestreckte Form erhalten und als eine einzige Membrane für zwei oder mehrere Mikrophone in einer
Säulenanordnung verwendet werden.
Als eine weitere Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, dass das gerunzelte Material als Membrane für elektrostatische Lautsprecher verwendet wird.
PATENTANSPRÜCHE : ! 1. Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlermembrane, dadurch gekennzeichnet, dass eine dünne
Folie aus thermoplastischem, bei Wärme schrumpfharem Material, gleichmässig in mindestens zwei Rich- tungen unter Einwirkung von Wärme vorgereckt wird (erste Wärmebehandlung), dann das Material innig und gleichmässig auf einer Oberfläche mit einer Metallschicht, die wesentlich dünner wie die Schicht aus thermoplastischem Material ist, überzogen wird, weiters die so behandelte zusammengesetzte Folie einer zweiten Wärmebehandlung unterzogen wird, um zumindestens einen Teil der Rest-Spannungen nach der ersten Wärmebehandlung zu beseitigen, wobei sich ein runzeliges Muster mikroskopischer Riffelung und
Wellung der zusammengesetzten Folie ergibt.