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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einer
Mikrofongehäusekappe mit
einer Schalleinlassöffnung,
einem Mikrofongehäuse
mit einer der Mikrofongehäusekappe
zugewandten Querschnittsöffnung
und einer auf der die Querschnittsöffnung umgebenden Stirnseite
des Mikrofongehäuses über der
Querschnittsöffnung
aufliegenden Membran sowie einer dieser Membran zugeordneten, in
einem geringen Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode.
Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung
eines solchen Kondensatormikrofons.
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Jährlich werden
weltweit mehrere hundert Millionen Miniaturkondensatormikrofone
produziert. In der Regel sind diese Mikrofone unter Verwendung der
Stapeltechnologie aufgebaut. Die einzelnen Elemente des dabei verwendeten
Wandlers, also insbesondere ein Membranring mit aufgeklebter Membran, ein
Abstandsring, die Gegenelektrode usw., werden dabei einfach aufeinander
in das Mikrofongehäuse gestapelt.
Ein derartiger Aufbau ist zwar besonders einfach, weist jedoch auch
Mängel
auf, die die Anwendung für
die Herstellung hochwertiger Mikrofone und besonders hochwertiger
Miniaturmikrofone sehr aufwändig
macht.
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Erstens
ist die Stapeltechnologie mit relativ hohen Streuungen der elektroakustischen
Parameter verbunden. Die zugelassenen Abweichungen der Empfindlichkeit
und des Frequenzganges von Sollwert und Sollkurve liegen meistens
im Bereich ± 3
dB und höher.
Die Erfahrung zeigt, dass sogar bei diesen großzügigen Toleranzen ein Ausschuss
nicht vermieden werden kann. Da das Ergebnis erst erkennbar ist,
nachdem die Kapseln schon zusammengebaut sind (in der Regel gebördelt),
sind die Teile der Ausschusskapseln nicht mehr brauchbar. Nicht nur
die Lohnkosten, sondern auch zusätzliche
Materialkosten belasten dabei das Endprodukt. Eine der wichtigsten
Ursachen für
die Streuung der Empfindlichkeit und der Frequenzgänge ist
die Unebenheit der einzelnen Teile. Das betrifft vor allem die innere Fläche des
Mikrofongehäuses,
des Membranrings und der Elektretoberfläche, die als Bezugsfläche für den Luftspalt
zwischen der Membran und der Gegenelektrode dient. Durch die mechanische
Verformung des Membranrings beim Zusammenbau der Kapsel ändert sich
die Membransteifigkeit, was seinerseits Veränderungen der elektroakustischen
Parameter verursacht.
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Zweitens
besitzt die betrachtete Kapsel eine sehr hohe Streukapazität, die durch
die Kapazitäten zwischen
Gegenelektrode und Membranring sowie zwischen Gegenelektrode und
Mirkofongehäuse
gebildet ist. In den Miniaturmikrofonen mit sehr kleiner effektiver
Membranfläche
bedingt die Streukapazität Verluste
von 3–6
dB in der Empfindlichkeit.
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Drittens
hat der Abstandsring aus Kunststofffolie oft einen Grat. Dieser
ist die Ursache dafür,
dass der Luftspalt seinem nominellen Wert nicht mehr entspricht.
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Viertens
führt die
Anwendung des Membranrings zu einer Reduzierung der schwingungsfähigen Membranfläche. So
macht die schwingungsfähige Membranfläche in Miniaturmikrofonen
häufig
nur die Hälfte
der Querschnittsfläche
der Kapsel aus, was erhebliche Verluste im Dynamikbereich des Mikrofons bedingt.
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Aus
DE 10 2004 024 729
A1 ist ein Kondensatormikrofon bekannt, bei dem die Membran
direkt an dem Mikrofongehäuse
befestigt ist, z.B. indem die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen
mit identischem Durchmesser angeordnet ist und am äußeren Rand
mit den Gehäuseteilen
verschweißt
ist oder indem der Rand der Membran über ein inneres Gehäuseteil
geklappt wird und der umgeklappte Rand an dem inneren Gehäuseteil
angeklebt wird oder mittels eines Ringes oder eines äußeren Gehäuseteils
daran festgeklemmt wird. Gegenüber
dieser Lösung kann
die Ebenheit der Membran jedoch noch verbessert werden und auch
der fertigungstechnische Aufwand sowie der Materialaufwand können noch
reduziert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kondensatormikrofon
sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Kondensatormikrofons
anzugeben, womit die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden
sollen und bei dem gleichzeitig der fertigungstechnische Aufwand
verringert wird und somit Kosten reduziert werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem
eingangs genannten Kondensatormikrofon dadurch gelöst, dass
die Membran in einem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran
und der Außenseite
des Mikrofongehäuses
mit dem Mikrofongehäuse
verklebt ist, sowie einem entsprechenden Verfahren zur Herstellung
eines solchen Kondensatormikrofons.
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Der
Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch solches
Verkleben, sogenanntes Mikrokleben, der Membran mit dem Mikrofongehäuse zum
einen die Anwendung des üblicherweise
verwendeten Membranrings völlig überflüssig ist,
was eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt. So kann dadurch fast
die gesamte Querschnittsfläche
des Mikrofongehäuses
effektiv ausgenutzt werden, so dass das Mikrofongehäuse und
damit das gesamte Mikrofon auch kleiner gebaut werden kann. Gleichzeitig lassen
sich dadurch aber ein höherer
Rauschabstand und verbesserte elektroakustische Eigenschaften erreichen,
da die maximal mögliche
Membranfläche
ausgenutzt wird und frei schwingen kann.
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Zum
anderen kann mit dieser Anordnung eine größere Ebenheit der Membran erreicht
werden, da keine Verklebung der Membran auf der Stirnseite des Mikrofongehäuses erfolgt.
Außerdem
sind die Verluste der schwingungsfähigen Membranfläche äußerst gering
(z.B. 0,2 mm im Durchmesser), da die Klebeflä che sehr klein ist. Gleichzeitig
können
Kosten durch geringeren Materialaufwand und Zeitaufwand reduziert
werden, da die Membran keinen umklappbaren Rand aufweisen muss und
die Befestigung leichter vorzunehmen ist. Ferner werden bei der Herstellung
des Mikrofons thermische Verformungen, wie sie beim Verschweißen der
Membran auftreten, vermieden. Beim UV-Kleben werden außerdem bessere
Belichtungsbedingungen, z.B. kürzere
Belichtungszeiten, ermöglicht.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons sind
in den Unteransprüchen
angegeben. Bevorzugt ist die Membran nur in dem Winkelbereich zwischen
der Unterseite der Membran und der Außenseite des Mikrofongehäuses mit
dem Mikrofongehäuse
verklebt. Dadurch wird eine besonders material- und kostensparende
Verklebung realisiert.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Mikrofongehäuse an der
Stirnseite auf der Außenseite
des Mikrofongehäuses
eine Fase auf und die Membran ist in dem Winkelbereich zwischen der
Unterseite der Membran und der durch die Fase gebildeten Außenseite
des Mikrofongehäuses
mit dem Mikrofongehäuse
verklebt. Dies hat den Vorteil, dass die Membran einen geringeren
Durchmesser aufweisen kann und nicht über die Außenseite des Mikrofongehäuses hinausragen
muss. Außerdem
ist das Klebemittel auf diese Weise sparsamer einsetzbar, da der
Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der durch
die Fase gebildeten Außenseite
des Mikrofongehäuses
kleiner ist als ohne die Fase. Vorzugsweise beträgt der Winkel zischen der durch
die Fase gebildeten Außenseite
und der Stirnseite des Mikrofongehäuses zwischen 15° und 45°. Die radiale
Breite der Verklebung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30 μm bis 100 μm.
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Um
sicherzustellen, dass die Membran zuverlässig mit dem Mikrofongehäuse kontaktiert
und eine höhere
Ebenheit aufweist, ist vorzugsweise zwischen der Stirnseite des
Mikrofongehäuses
und der Membran oder einer mindestens teilweise auf der Membran
angebrachten elektrisch leitfähigen
Beschichtung kein Klebemittel angeordnet.
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Bevorzugt
ist die Unterseite der Membran mit der Außenseite des Mikrofongehäuses mittels
eines hochflüssigen
Klebemittels, z.B. eines einkomponentigen lösungsmittelfreien UV-härtenden
Klebestoffs auf Acrylatbasis, mit dem Mikrofongehäuse verklebt.
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In
einem bevorzugten Verfahren wird zum Verkleben der Membran mit dem
Mikrofongehäuse nur
in einem Punkt in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der
Membran und der Außenseite
des Mikrofongehäuses
Klebemittel aufgetragen, und das Klebemittel verteilt sich anschließend von
selbst in dem Winkelbereich. Auf diese Weise kann das Kondensatormikrofon
mit geringerem Zeitaufwand hergestellt werden.
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Ferner
ist bevorzugt, dass der Innendurchmesser der Mikrofongehäusekappe
und/oder einer Abschlusskappe größer ist
als der Außendurchmesser
des Mikrofongehäuses
und die Mikrofongehäusekappe über dem
Mikrofongehäuse
angeordnet ist. So kann die Mikrofongehäusekappe und/oder die Abschlusskappe
leicht durch Aufstecken mit dem Mikrofongehäuse verbunden werden. Dabei
weist das Mikrofongehäuse
vorzugsweise auf seinem Außenumfang
konzentrisch angeordnete Stege, beispielsweise Lamellen, auf. Diese
verhindern, dass die einmal aufgesteckte Mikrofongehäusekappe
und/oder Abschlusskappe leicht vom Mikrofongehäuse zu lösen ist. Die Stege können dabei
unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, z.B. einen rechteckigen oder
dreieckigen Querschnitt, und in unterschiedlichen Bereichen auf
dem Außenumfang
angebracht sein, z.B. meänderförmig oder
schraublinien-/gewindeförmig.
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Ferner
ist bevorzugt vorgesehen, dass an dem Mikrofongehäuse eine
Leiterplatte mit einer Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung
angebracht ist, die zur Gegenelektrode beabstandet angeordnet ist
und mittels elektrischer Verbindungsmittel mit der Gegenelektrode
elektrisch verbunden ist, wobei der Abstand der Leiterplatte zur
Gegenelektrode durch das Mikrofongehäuse selbst definiert wird.
Diese Ausgestaltung hat vor allem fertigungstechnische Vorteile.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein die Gegenelektrode
tragendes Isolierteil vorgesehen ist, das nicht in seinem vollständigen Umfangs bereich
mit dem Mikrofongehäuse
verbunden ist, so dass zwischen Rand des Isolierteils und Innenwand
des Mikrofongehäuses
mindestens ein zum Luftabfluss dienender Spalt gebildet ist. Dadurch
wird die Schwingungsfähigkeit
der Membran am äußeren Rand
verbessert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons,
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2 einen
Ausschnitt aus dem Querschnitt durch die erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons,
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3 einen
Ausschnitt aus dem Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons
und
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4 eine
schematische Darstellung eines Verschlussmechanismus von Mikrofongehäusekappe
und/oder Abschlusskappe mit Mikrofongehäuse.
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Eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons
ist in 1 gezeigt. Das Kondensatormikrofon umfasst ein
Mikrofongehäuse 10,
eine Mikrofongehäusekappe 12 sowie
eine Abschlusskappe 14. Das Mikrofongehäuse 10 ist als ein
an beiden Enden offenes Röhrchen ausgestaltet
und enthält
praktisch den ganzen Wandler.
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Die
Mikrofongehäusekappe 12 und
die Abschlusskappe 14 sind jeweils als eine Art Hülse ausgestaltet
und dienen im wesentlichen als Schutz- und Dekorativverkleidung
für das
Mikrofongehäuse 10. Die
Mikrofongehäusekappe 12 und
die Abschlusskappe 14 weisen jeweils einen Innendurchmesser auf,
der größer ist
als der Außendurchmesser
des Mikrofongehäuses 10,
so dass Mikrofongehäusekappe 12 und
Abschlusskappe 14 jeweils über eine Querschnittsöffnung des
Mikrofongehäuses 10 gesteckt werden
können.
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Die
Mikrofongehäusekappe 12 weist
Schalleintrittsöffnungen 16 auf.
Innerhalb der Mikrofongehäusekappe 12 ist
hinter den Schalleintrittsöffnungen 16 eine
akustisch durchlässige
Schutzgaze 18 angeordnet. Der Innendurchmesser der Mikrofongehäusekappe 12 weist
einen Absatz auf, so dass der Innendurchmesser nahe den Schalleintrittsöffnungen 16 geringer
ist als der von den Schalleintrittsöffnungen 16 entfernte
Innendurchmesser. Nur der von den Schalleintrittsöffnungen 16 entfernte
Innendurchmesser ist größer als
der Außendurchmesser
des Mikrofongehäuses 10,
so dass die Mikrofongehäusekappe 12 mit
dem Absatz auf einer auf dem Mikrofongehäuse 10 angebrachten
Membran 24 aufliegt.
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Die
Abschlusskappe 14 weist eine Bodenöffnung 20 auf. Auf
der Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses 10, die die Querschnittsöffnung umgibt,
die der Mikrofongehäusekappe 12 zugewandt
ist, liegt die beidseitig elektrisch leitfähig beschichtete Membran 24 auf.
Die Beschichtung der Membran 24 kontaktiert das Membrangehäuse 10.
Die Stirnseite 25 weist auf der Außenseite 27 des Mikrofongehäuses 10 eine
die Außenseite 27 bildende
Fase 26 (ersichtlich aus 2) auf.
Die Fase 26 weist z.B. in dieser Ausführungsform einen Winkel von
45° zur
Stirnseite 25 auf. In der Fase 26 ist ein Klebemittel 28 angeordnet,
das die Unterseite der Membran 24 mit der Außenseite 27 des
Mikrofongehäuses 10 verklebt.
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Um
die Membran 24 derart an dem Mikrofongehäuse 10 zu
befestigen wird zunächst
die vorgespannte Membran 24 auf die Stirnseite 25 des
Mikrofongehäuses 10,
die die Querschnittsöffnung
umgibt, die der Mikrofongehäusekappe 12 zugewandt
ist, gelegt. Anschließend
wird zwischen der Unterseite der Membran 24 und der Außenseite 27 des
Mikrofongehäuses 10 Klebemittel 28 nur
in einem Punkt aufgetragen, welches sich dann von selbst in der
Fase 26 auf dem Umfang verteilt. Der überstehende Rand der Membran 24 wird
abgeschnitten und der gegebenenfalls verbleibende überstehende
Teil wird durch das Aufstecken der Mikrofongehäusekappe 12 leicht
umgebogen, so dass sich ein Kontakt zwischen der Beschichtung der
Membran 24, z.B. aus Gold, und der Innenseite der Mikrofongehäusekappe 12 ergibt.
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In
dem Mikrofongehäuse 10 ist
ein beispielsweise aus Kunststoff bestehendes Isolierteil 30 angeordnet.
In dieser ersten Ausführungsform
weist das Isolierteil 30 an seiner der Membran 24 abgewandten Seite
eine Fase 32 auf, in der Klebemittel 28 angeordnet
ist, so dass das Isolierteil 30 mit der Innenseite des
Mikrofongehäuses 10 verklebt
ist.
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Eine
Gegenelektrode 34 ist auf der der Membran 24 zugewandten
Seite des Isolierteils 30 angeordnet und mit diesem mittels
Klebemittels 28, das in einer auf dem Isolierteil 30 angeordneten
Nut 36 angeordnet ist, mit diesem verklebt. Auf der der
Membran 24 zugewandten Seite der Gegenelektrode 24 ist eine
Elektretschicht 38 mit geringem Abstand zur Membran angeordnet.
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Beispielsweise
wird bei der Herstellung des Kondensatormikrofons zunächst die
Gegenelektrode 34 (mit Elektretschicht 38) in
dem Mikrofongehäuse 10 so
angebracht, dass sich ein Luftspalt, definiert als Abstand zwischen
Stirnseite des Mikrofongehäuses und
Gegenelektrodenoberfläche,
der gewünschten Größe, zumeist
in der Größenordnung
20 bis 30 μm, ergibt.
Danach wird die Membran 24 auf die Stirnseite 25 des
Mikrofongehäuses 10 aufgelegt.
Anschließend
wird die Membran wie oben beschrieben mit dem Mikrofongehäuse verklebt.
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An
der Querschnittsöffnung
des Membrangehäuses 10,
die der Abschlusskappe 14 zugewandt ist, ist eine Leiterplatte 40 so
angeordnet, dass sie an der zweiten Stirnseite 41 des Mikrofongehäuses 10 isoliert
anliegt. Die Leiterplatte 40 ist auf ihrer der Abschlusskappe 14 zugewandten
Seite mit einem äußeren Kupferring 50 und
einer inneren Kupferfläche 22 versehen. Über den äußeren Kupferring 50 kontaktiert
die Leiterplatte 40 die Abschlusskappe 14. Auf
der dem Membrangehäuse 10 zugewandten
Seite weist die Leiterplatte ebenfalls eine ringförmige Kupferbeschichtung 46 auf.
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Innerhalb
des Mikrofongehäuses 10 erstreckt
sich von der Gegenelektrode 34 bis zur ringförmigen Kupferbeschichtung 46 auf
der Leiterplatte 40 ein Verbindungselement 42,
das bspw. als Kontaktfeder ausgestaltet sein kann. Auf dem der Leiterplatte 40 nahen
Teil des Verbindungselementes 42 ist eine Schaltungsanordnung 44,
z.B. eine Integralschaltung, angebracht.
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Ein
Distanzelement zur Wahrung des Abstands zwischen der Leiterplatte
und der Gegenelektrode ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich,
da das Gehäuse
selbst die Funktion des Distanzelements übernimmt. Alternativ können jedoch
auch separate Distanzelemente zum Einsatz kommen.
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In
einer alternativen Ausführungsform
weist die Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses keine Fase auf, sondern
das Klebemittel 28 ist, wie aus 3 ersichtlich,
in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran 24 und
der Außenseite 27 des
Mikrofongehäuses 10 angebracht.
Der überstehende Rand
der Membran 24 wird wiederum abgeschnitten und der verbleibende überstehende
Teil von z.B. 200 μm
Breite wird durch das Aufstecken der Mikrofongehäusekappe 12 leicht
umgebogen, so dass sich ein Kontakt zwischen Membran 24 und
Mikrofongehäusekappe 12 ergibt.
In dieser Ausführungsform
ist der Spalt zwischen Mikrofongehäuse 10 und Mikrofongehäusekappe 12 dementsprechend
ein wenig größer.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass die Mikrofongehäusekappe
einen einheitlichen Innendurchmesser aufweist, also nicht auf der
auf dem Mikrofongehäuse
angebrachten Membran aufliegt, und z.B. das Mikrofongehäuse einen
Absatz als Abstandshalter aufweist, auf dem die aufgesteckte Mikrofongehäusekappe
aufsitzt.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein,
dass das die Gegenelektrode tragende Isolierteil nicht in seinem
vollständigen
Umfangsbereich mit dem Mikrofongehäuse verbunden ist, so dass
zwischen Rand des Isolierteils und Innenwand des Mikrofongehäuses mindestens
ein zum Luftabfluss dienender Spalt gebildet ist.
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4 zeigt
eine mögliche
Verbindung von Mikrofongehäusekappe 12 und/oder
Abschlusskappe 14 mit dem Mikrofongehäuse 10. Dabei weist
das Mikrofongehäuse 10 auf
seinem Außenumfang
Stege 48 auf, hier in Form von Lamellen mit dreieckigem Querschnitt.
Diese können
beispielsweise eine Breite von 20–30 μm und eine Tiefe bis zu 50 μm aufweisen. Wenn
Mikrofongehäusekappe 12 und/oder
Abschlusskappe 14 auf das Mikrofongehäuse 10 gesteckt werden,
wird auf die Lamellen ein leichter Druck ausgeübt, und es ist nur sehr schwer
möglich, Mikrofongehäusekappe 12 und/oder
Abschlusskappe 14 wieder vom Mikrofongehäuse 10 zu
lösen.
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Erfindungsgemäß wird somit
vorgeschlagen, dass die Membran an ihrer Unterseite mit dem Mikrofongehäuse an seiner
Außenseite
in einem Winkelbereich verklebt wird. Die Anwendung eines üblicherweise
verwendeten Membranrings, der die effektiv nutzbare Fläche der
Membran verringert, wird somit überflüssig. Ebenso
wird ein Umklappen und Einklemmen der Membranfläche überflüssig. Außerdem kann gegenüber dem
Stand der Technik die Ebenheit der Membranfläche weiter erhöht werden
und können
die Verluste schwingungsfähiger
Membranfläche weiter
verringert werden. Durch die Erfindung können Miniatur-Kondensatormikrofone
mit noch geringerem Zeit- und Materialaufwand gebaut werden, die dabei
eine höhere
Qualität
aufweisen. Die Erfindung weist darüber hinaus den Vorteil auf,
dass die Ausschusskosten gesenkt werden können, da die einzelnen Baugruppen
geprüft
werden können,
bevor sie endgültig
montiert werden.