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Elektrostatischer Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf elektroakustische Wandler der elektrostatischen Bauart. Eines der Hauptziele der Erfindung liegt darin, bei solchen Wandlern das Erfordernis einer Gleichvorspannung zu vermeiden und im Zusammenhang damit die elektrische Schaltung der Wandler zu vereinfachen.
Ferner zielt die Erfindung darauf ab, bei elektrostatischen Wandlern den Wirkungsgrad zu erhöhen, die nichtlinearen Verzerrungen zu vermindern und einen linearen Frequenzgang sicherzustellen.
Ein elektrostatischer Wandler, beispielsweise ein'Kopfhörer der Kondensatortype, weist normalerweise eine starre metallische Platte und eine dünne leitende Membrane auf, die mit ihrem Rand in einer Parallelebene zu der erwähnten starren Platte in geringem Abstand und von dieser isoliert verspannt ist.
Wenn zwischen der metallischen Platte und der Membrane eine Potentialdifferenz wirksam ist, so tritt
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druckwelle erzeugt, die näherungsweise ein Ebenbild des elektrischen Signales ist. Im allgemeinen unter- scheidet sich aber die Schalldruckwelle erheblich von der angelegten elektrischen Welle, weil bei der - Umwandlung der elektrischenEnergie inSchall verschiedene Verzerrungen auftreten. Um wenigstens eini- ge der Verzerrungsursachen auszuschalten, ist es allgemein üblich, zwischen den beiden Elementen des
Wandlers einerelativ hoheGleichvorspannung anzuwenden.
DieAnwendung einer hinreichend hohen elek- trischen Vorspannung (für guten Wirkungsgrad ist eine erhebliche Vorspannung erforderlich) ist häufig un- angenehm, besonders wenn der Wandler in innigem Kontakt mit dem menschlichen Körper verwendet wer- den soll, wie dies beispielsweise bei Kopfhörern der Fall ist.
Eine weitere Bauweise von elektrostatischen Wandlern, die häufig angewendet wird, um nichtlineare
Verzerrungen zu vermeiden, beruht auf der Verwendung einer zusätzlichen festen metallischen Platte in einem symmetrischen Aufbau. Die Membrane ist dabei zwischen den beiden metallischen Platten ange- ordnet und alle drei Elemente des Wandlers werden im Gegentakt gespeist. Auch in diesem Falle wird aber ein guter-Wirkungsgrad nur bei Anwendung einer relativ hohen elektrischen Vorspannung erzielt.
Um einen hohen Wirkungsgrad sicherzustellen und den Frequenzgang des Wandlers günstig zu gestal- ten, muss ferner der Abstand zwischen der beweglichen Membrane und der festen metallischen Platte bzw. den Platten genau eingeregelt werden. Wenn dieser Abstand zu klein ist, bewirken starke Signale über- mässige Membranauslenkungen, so dass die Membrane die eine oder andere feste metallische Platte be- rühren kann. Durch eine solche Berührung wird die normale Schwingungsart der Membrane gestört, u. zw. wird die Schwingung der Membrane im Berührungspunkt unterbunden und es treten mehrere Sekundär- schwingungen in der Membrane auf. Dadurch entstehen Verzerrungen in Form einer zweiten Harmoni- schen und Harmonischer höherer Ordnung.
Es sind also bereits mehrere Massnahmen zur Verminderung der verschiedenen Verzerrungsursachen in elektrostatischen Wandlern bekannt, doch verbleibt weiterhin die Schwierigkeit, dass an den Wandler eine relativ hohe Vorspannung angelegt werden muss. Um diese Vorspannung zu vermeiden, sind aus zwei Elementen bestehende elektrostatische Wandler vorgeschlagen worden, bei denen an Stelle eines der leitenden Elemente ein remanent polarisiertes Material verwendet wird. Materialien, die befähigt sind, polarisiert zu werdenund den Polarisationszustand für längere Zeit beizubehalten, werden Elektrete ge-
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nannt und können aus organischen oder anorganischen Stoffen bestehen.
Bisher wurden für diesen Zweck natürliche organische Stoffe, wie Bienenwachs oder Karnaubaharz verwendet, woraus aber nur relativ dicke Wandlerelemente hergestellt werden können. Überdies sind natürlich enge Toleranzen mit solchen Stoffen kaum einzuhalten. Insbesondere ist es äusserst schwierig, wenn nicht unmöglich, aus solchen Stoffen dünne Membranen herzustellen, die hinreichend schwingungsfähig sind und doch die erforderliche Masse und Elastizität aufweisen, um einen hohen Wirkungsgrad der Energieumwandlung sowie eine hohe Resonanzfrequenz zu ergeben. Aus den geschilderten Gründen ist bisher das so vielversprechende ElektretPrinzip beim Bau von elektroakustischen Wandlern der elektrostatischen Bauart nur wenig ausgenutzt worden.
Mit der Entwicklung anorganischer filmbildender Kunststoffe haben sich jedoch die Voraussetzungen grundlegend geändert. Wegen der ausgezeichneten dielektrischen Eigenschaften von Filmen aus solchen Stoffen lassen sich daraus dünne Elektretfilme mit hoher Koerzitivkraft herstellen. Ähnlich, wie gewisse Materialien magnetisiert werden können, können derartige dünne Filme aus Kunststoff elektrostatisch polarisiert werden. Wenn diese Polarisation nicht absichtlich beseitigt wird, verbleibt sie in dem Stoff für lange Zeiträume in der Grössenordnung von Jahren.
Der elektrostatische Wandler nach der Erfindung vermeidet zahlreiche der vorstehend erläuterten Schwierigkeiten. Seine Membrane besteht aus mehreren Schichten aus dünnem synthetischem Elektretmaterial und mehreren leitenden Schichten, die straff gespannt zwischen zwei perforierten leitenden Platten angeordnet sind ; die verschiedenen Elemente des Wandlers, nämlich die Membrane und die beidseits derselben liegenden Platten, sind voneinander isoliert und werden im Gegentakt gespeist. Die auf die Membrane wirkende elektrische Kraft F ist nach dem Coulomb'schen Gesetz gegeben durch
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worin Edc das vom Elektretmaterial, d. h. von den polarisierten Schichten gelieferte Gleichpotential und Eac die angelegte Signalwechselspannung ist.
Aus dieser Gleichung ist erkennbar, dass ctie auf die Membrane wirkendeelektrische Kraft frei von nichtlinearen Verzerrungen ist. Die gleichzeitige Anwendung zweier wichtiger Merkmale, nämlich einer Bauweise mit drei Elektroden, die im Gegentakt gespeist werden, und einer mehrschichtigen vorpolarisierten Membrane, ergibt daher einen Wandler, der ohne Anwendung einer von aussen angelegten Gleichvorspannung arbeitet und bei dem die elektrische Kraft, die auf die Membran wirkt, keine nichtlinearen Verzerrungen verursacht.
Es ist besonders zu beachten, dass die verschiedenen Merkmale der Erfindung einander unterstützen, d. h. dass ein gemäss der Erfindung aufgebauter Wandler die günstigsten Merkmale mehrererbekannter Bauarten und Materialien für Wandler in solcher Weise vereinigt, dass die Vorteile dieser Merkmale wesentlich gesteigert und gleichzeitig ihre Nachteile im wesentlichen behoben werden. Ein Gegentaktsystem mit gewöhnlicher, also nichtpolarisierter Membrane erfordert das Anlegen einer äusseren Gleichvorspannung, weil ansonsten die auf die Membrane ausgeübte Kraft gleich Null ist. Überdies muss zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades diese Vorspannung relativ hoch bemessen werden.
Durch die erfindungsgemässe Verwendung eines dünnen Filmes aus anorganischem Elektretmaterial wird das Erfordernis einer äusseren Vorspannung beseitigt, wobei aber dennoch eine geringe Masse und ein elastisch schwingungsfähiges Gebilde erhalten wird, das leicht aus billigemWerkstoff herstellbar ist. Anderseits hat ein System mit nur zwei Elektroden, das eine vorpolarisierte Membran aufweist, noch einen Veizerrungsterm in der Gleichung für die elektrische Kraft. Der Wandler nach der Erfindung ist hingegen infolge seines symmetrischen Auf-
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kannbranennachder'Erfindung der Abstand zwischen den verschiedenen Elementen genau eingeregelt werden, so dass bei sehr hohem Wirkungsgrad ein linearer Frequenzgang erzielbar ist.
Die Erfindung soll nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden. Fig. l zeigt perspektivisch und voneinander getrennt die einzelnen Bestandteile eines Kopfhörers gemäss der Erfindung. Fig. 2 ist ein Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Fig. 3 stellt in wesentlich grösserem Massstab einen Querschnitt durch einen kleinen Teil der Membranschichten und der angrenzenden leitenden Platten eines erfindungsgemässenWandlers dar, und Fig. 4 zeigt schliesslich ein schematisches Schaltbild für einen Wandler nach der Erfindung.
Der in den Fig. l und 2 dargestellte Kopfhörer hat eine Membran 10, die das schwingungsfähige Element des Wandlers bildet. Die Membran besteht aus mehreren Schichten aus vorpolarisiertem dünnem dielektrischem Material und mehreren leitenden Schichten, die in Sandwich-Bauweise zusammengefügt
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sind. Vorzugsweise werden zwei der dünnen Schichten durch dünne Folien gebildet, die auf einer Seite metallisiert sind, beispielsweise mit einer dünnen Schicht aus Aluminium. Es ist jedoch an sich nur eine einzige solcher metallisierter Folien erforderlich. Es wurde gefunden, dass dünne Kunststoffolien etwa aus Polyäthylenterephthalat, die unter der Bezeichnung"Mylar"vertrieben werden, besonders geeignet sind.
Die metallisierten Mylar-Folien werden mit den Metallüberzügen einander zugekehrt flach aufeinandergelegt und beiderseits dieser metallisierten Folien werden dünne, nichtmetallisierte Mylar-Folien angeordnet, um den Schichtenstapel der Membran zu vervollständigen. Wie später noch beschrieben wird, haften die einzelnen Schichten durch Adhäsion aneinander. Der so erhaltene Schichtenstapel der Membran wird polarisiert, so dass er eine permanente elektrostatische Ladung erhält.
Die Membran 10 wird an ihrem Umfang zwischen zwei Klemmringen 11 und 12 eingespannt. Diese Klemmringe können aus Aluminium bestehen. Es empfiehlt sich, am Klemmring 11. einen konvexen ringförmigen Vorsprung 13 vorzusehen, der in eine konkave ringförmige Ausnehmung 14 im Klemmring 12 passt. Diese Anordnung hat sich als geeignet erwiesen, um eine hinreichende mechanische Zugspannung auf die verschiedenen Schichten der Membran auszuüben und so die Membraninglattgespanntem Zustand zu halten. Gegebenenfalls können natürlich auch kompliziertere Befestigungsmittel für die Membran verwendet werden. Die Klemmringe 11 und 12 haben auch den Zweck, Sprengringe 25 und 26 zu haltern, welche die leitenden Platten 15 und 16 gegen die Membran drücken. Bei dieser Bauweise ist die Spannung der Membran unabhängig von der Lage der übrigen Elemente des Wandlers.
Die plattenförmigen Elemente 15 und 16 des Wandlers bestehen vorzugsweise aus Metall ; beispielsweise sind sie als Messingscheiben ausgebildet und haben beim dargestellten Wandler einen Durchmesser von ungefähr 36 mm und eine Dicke von ungefähr 1 mm. Jede Platte ist mit einer Perforation in Form vieler kleiner Löcher versehen und die beiden Scheiben sind so angeordnet, dass ihre Löcher aufeinander eingefluchtet sind. In der Praxis haben sich ungefähr 200 Löcher mit einem Durchmesser von etwas unter
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Gesamtfläche der leitenden Platte. Die Grösse und Anzahl der Löcher, die für das Verhältnis der Öffnungsfläche zur Gesamtfläche massgeblich sind, kann geändert werden, um den Wirkungsgrad des Wandlers zu ändern und in einem gewissen Ausmass auch das Auftreten von Verzerrungen höherer Ordnung zu beschränken. In den Klemmringen 11 und 12 sind Mittel vorgesehen, um zu verhindern, dass sich die perforierten Platten 15 und 16 nach ihrer richtigen gegenseitigen Ausrichtung noch gegeneinander verdrehen können. Für diesen Zweck eignen sich (nicht dargestellte) Keile od. dgl.
Der Abstand der Sprengringe 25 und 26 und damit der Abstand der beiden perforierten Platten 15 und 16 wird durch zwei Justierringe 17 und 18 geregelt, welche in ein Innengewinde der Klemmringe 11 bzw.
12 eingeschraubt sind. Die Andrückkraft, die erforderlich ist, um die genaue Einstellung der axialen Lage der Platten sicherzustellen, wird durch zwei nachgiebige Glieder 20 und 21 erzeugt, die sich in Nuten zwischen den Klemmringen 11, 12 und den Sprengringen 25, 26 befinden. Für diesen Zweck haben sich Gummiringe als brauchbar erwiesen.
Die verschiedenen Elemente des Wandlers werden voneinander unabhängig erregt. So kann die perforierte Platte 15 mit dem äusseren Stromkreis über eine Klemme 22 verbunden werden, die am Klemmring 11 befestigt ist. Analog kann der elektrische Anschluss der perforierten Platte 16 mit Hilfe eines Drahtes erfolgen, der die Platte 16 mit einem Klemmenblock 29 an einem Isolierring 23 verbindet, der seinerseits an der Oberseite des Klemmringes 11 angeordnet ist. Die durch metallisierte Folien gebildeten mittleren Schichten der Membran 10 können elektrisch an einen Klemmenblock 24 am Isolierring 23 mit Hilfe eines Fortsatzes 27 der Membran oder mit Hilfe eines isolierten Leiters od. dgl., der um die Aussenfläche des Klemmringes 11 geschlungen wird, angeschlossen werden.
Die gesamte Baueinheit ist vorzugsweise in einAussengehäuse 19 eingeschlossen, das aus geeignetem Kunststoff besteht und an seiner Vorderseite mit einem Flansch od. dgl. zur Halterung des Klemmringes 12 (und der gesamten Baueinheit) ausgestattet ist. Überdies kann das Gehäuse 19 an seiner Hinterseite mit einem Innengewinde für Aufnahme eines Halteringes 28 versehen sein. Der Haltering 28 hält die gesamte Baueinheit fest, beispielsweise dadurch, dass er sie gegen den Flansch an der Vorderseite des Gehäuses drückt.
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen Teilschnitt durch die perforierten Platten 15 und 16 sowie durch die mehrschichtige vorpolarisierte Membran 10. Im dargestellten Beispiel sind vier polarisierte Schichten aus dünnem Elektretmaterial vorgesehen. Beispielsweise können hiefür 0, 006 mm starke Filme aus Mylar verwendet werden. Die inneren Schichten 101 und 102 sind an den einander zugekehrten Oberflächen mit dünnen Überzügen aus leitendem Material, vorzugsweise Aluminium, versehen. Derartige metallisierte Folien sind im Handel erhältlich. Die äusseren Schichten 105 und 106 sind nicht metalli-
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gen Frequenzen eine wesentlich bessere Wiedergabe erreicht. Deshalb ist bei Betrieb des Wandlers im freien Raum eine Funktionsweise nach Art der Hochtonlautsprecher zu erwarten.
Die konstruktiven Massnahmen für die Abstützung der einzelnen aktiven Elemente des Wandlers können natürlich im Rahmen der Erfindung verschiedentlich abgewandelt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrostatischer Wandler mit zwei festen Elementen, die einander mit Abstand gegenüberliegen, einer zwischen diesen Elementen im gespannten Zustand gehaltenen dünnen beweglichen Membran und getrennten Anschlüssen an die festen Elemente und an die Membran, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (10) aus einer Mehrzahl von dünnen Isolierschichten (101, 102,105, 106) aus einem synthetischen Elektretmaterial und einer Mehrzahl von dünnen Schichten (103, 104) aus leitendem Material zusammengesetzt ist, die zwischen den Schichten aus Elektretmaterial eingefügt sind.