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Die Erfindung betrifft ein Vibrationsmodul zum Auflegen auf ein Trommelfell, das einen flächigen Schallwandler und eine Trommelfellkontaktform zum Kontaktieren des Trommelfells aufweist.
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Herkömmliche Hörgeräte übertragen verstärkten Schall mittels eines akustischen Schallwandlers, auch Lautsprecher oder Receiver genannt, an das Trommelfell. Dieser Schallwandler wird im Gehörgang platziert, oder er liegt in einem Hinter-dem-Ohr-Gehäuse und der Schall wird mit einem Schallschlauch in den Gehörgang geleitet. Der Gehörgang wird hinter dem Schallauslass oft akustisch verschlossen, um Rückkopplungen zu vermeiden und eine effizientere Übertragung zu ermöglichen. Wird er offengelassen, ist die Übertragung insbesondere im niederfrequenten Bereich ineffizient, der Tragekomfort ist jedoch höher, da es nicht zum so genannten Okklusionseffekt kommt. Die Lage der Schallauslassöffnung und die akustische Übertragung des Schalls auf das Trommelfell führen weiterhin aufgrund von Resonanzen im Gehörgangsvolumen zu einem über der Frequenz stark variierenden Übertragungsverhalten.
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Diese Nachteile herkömmlicher Hörgeräte können überwunden werden, indem der Schallwandler in einem direkten mechanischen Kontakt das Trommelfell und die daran angreifenden Gehörknöchelchen im Mittelohr stimuliert. Luftschall ist dann nicht mehr beteiligt, wodurch die Übertragung der Schwingung auf das Ohr mit flachem Frequenzgang und sehr effizient möglich wird. Der in den Gehörgang abgestrahlte Schall ist dabei deutlich reduziert, wodurch ein offener Gehörgang ohne Rückkopplungsproblematik möglich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Vibrationsmodul anzugeben, das direkt auf dem Trommelfell aufliegt und durch einen flächigen elektromechanischen Aktor eine Kraft auf das Trommelfell und die Gehörknöchelchen ausübt, die zu einer Schwingung derselben im hörbaren Frequenzbereich und damit zu einem Höreindruck führen.
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Die Verwendung eines flächigen Schallwandlers erlaubt es, das Gewicht des Vibrationsmoduls gering zu halten und den Schwerpunkt des Vibrationsmoduls näher an das Trommelfell zu verlagern. Eine zuverlässige Befestigung nur mittels adhäsiver Kräfte, ohne ein Abstützen am Gehörgang wird dadurch möglich. Dies ermöglicht einen hohen Tragekomfort und macht außerdem eine Abformung des Gehörgangs unnötig. Vorteilhafterweise in Dünnschichttechnik hergestellte piezoelektrische Schichten können optional in dem geringen Bauraum dennoch ausreichende Kräfte und Auslenkungen erreichen, um einen äquivalenten Schalldruck von 120 dB SPL und mehr bei Spannungen bis 4 V zu erzielen. Die geringe bewegte Masse ermöglicht dabei ein im hörbaren Bereich wenig frequenzabhängiges Übertragungsverhalten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Vibrationsmodul zum Auflegen auf ein Trommelfell nach Anspruch 1 und das Verfahren zur Herstellung eines solchen Vibrationsmoduls nach Anspruch 19. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls an.
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Erfindungsgemäß wird ein Vibrationsmodul angegeben, das geeignet ist, auf ein Trommelfell aufgelegt zu werden. Vorteilhafterweise kann dabei das Vibrationsmodul so auf das Trommelfell aufgelegt werden, dass es dabei nicht oder nur geringfügig mit der Gehörgangswand in Kontakt kommt. Die Geeignetheit zum Auflegen auf das Trommelfell ist dabei eine Aussage über die Abmessungen des Vibrationsmoduls, die beispielsweise derart sein können, dass das Vibrationsmodul auf das Trommelfell einer durchschnittlichen erwachsenen Person oder einer durchschnittlichen Person einer gegebenen Altersklasse, für die das Vibrationsmodul vorgesehen ist, auflegbar ist.
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Als Vibrationsmodul kann hier vorzugsweise eine Einheit von miteinander verbundenen Komponenten angesehen werden, die so ausgestaltet sind, dass sie im auf dem Trommelfell aufliegenden Zustand vom Trommelfell getragen werden und/oder ausschließlich mit dem Trommelfell in Kontakt sind. Vorzugsweise ist dabei jedoch diese Ausschließlichkeit so zu verstehen, dass Kontaktierungen zur Übertragung von elektrischer Energie und/oder Signalen mit anderen Komponenten, wie beispielsweise einer Steuerungskomponente, dennoch gegeben sein können.
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Das erfindungsgemäße Vibrationsmodul weist einen flächigen Schallwandler und eine Trommelfellkontaktform auf. Unter einem flächigen Schallwandler kann dabei ein Schallwandler verstanden werden, der in einer Fläche, vorzugsweise einer Ebene, weiter ausgedehnt ist, als in einer hierzu senkrechten Dickenrichtung. Vorteilhaft kann dabei die größte Ausdehnung in der flächigen Richtung größer oder gleich dem 5-fachen der größten Ausdehnung in der Dickenrichtung sein, vorzugsweise dem 7-fachen, vorzugsweise dem 10-fachen, vorzugsweise dem 20-fachen. Bevorzugterweise erstreckt sich die Fläche des Schallwandlers, in der er sich flächig erstreckt, über die gesamte Ausdehnung der Trommelfellkontaktform mit Ausnahme jener Bereiche, die der Halterung des flächigen Schallwandlers und/oder der Verbindung des flächigen Schallwandlers mit der Trommelfellkontaktform dienen. Als Ausdehnung der Trommelfellkontaktform kann dabei eine Projektion der Oberfläche der Trommelfellkontaktform auf die Ebene verstanden werden, in der sich der Schallwandler flächig erstreckt. Alternativ oder zusätzlich kann unter einem flächigen Schallwandler auch ein solcher Schallwandler verstanden werden, der Schwingungen in Richtung einer Normalen auf der Fläche des Schallwandlers ausführt. In diesem Fall steht vorzugsweise die Richtung der maximalen Amplitude der Schwingungen schwingungsfähiger oder schwingender Komponenten senkrecht auf der Fläche, in der sich der Schallwandler flächig erstreckt.
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Unter einem Schallwandler kann hier ein Element verstanden werden, das ein elektrisches oder optisches Eingangssignal in eine mechanische Schwingung umwandelt und/oder das mechanische Schwingungen in elektrische oder optische Signale umwandelt.
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Das erfindungsgemäße Vibrationsmodul weist außerdem eine Trommelfellkontaktform zum Kontaktieren des Trommelfells auf. Die Trommelfellkontaktform ist so ausgestaltet, dass sie mit dem Trommelfell direkt oder über zumindest eine vermittelnde Schicht in Kontakt bringbar ist. Sofern ein oder mehrere vermittelnde Schichten zwischen der Trommelfellkontaktform und dem Trommelfell vorgesehen sind, können diese optional auch als Teil der Trommelfellkontaktform angesehen werden. Vorzugsweise weist die Trommelfellkontaktform eine Oberfläche auf, die bei bestimmungsgemäßer Verwendung dem Trommelfell zugewandt ist und die so geformt ist, dass sie zumindest bereichsweise der Form des Trommelfells folgt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Vibrationsmodul so ausgebildet sein, dass der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform ein Innenvolumen einschließen. Dass der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform das Innenvolumen einschließen, bedeutet dabei, dass sie dieses Innenvolumen von allen Seiten umschließen oder umgeben. Alternativ können der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform auch ein Innenvolumen eingrenzen, vorzugsweise in alle drei Raumrichtungen. Es kann also vom Innenvolumen aus in alle Raumrichtungen eine Fläche angeordnet sein, die das Innenvolumen in dieser Richtung begrenzt, wobei die Begrenzung vollständig sein kann, aber nicht vollständig sein muss. Zwar ist es möglich, dass der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform das Innenvolumen abschließend einschließen, so dass sie das Innenvolumen vollständig umgeben, vorteilhaft ist jedoch, wenn ein oder mehrere Öffnungen oder Durchlässe durch den flächigen Schallwandler und/oder die Trommelfellkontaktform vorgesehen sind. Auch dies soll vorzugsweise als Einschließen, Umschließen oder Umgeben angesehen werden. Das Innenvolumen kann leer bzw. luftgefüllt sein oder es kann Elemente und/oder andere Materialien enthalten, beispielsweise zur Schwingungsübertragung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der flächige Schallwandler auf zumindest einem Teil seiner Fläche oder als zumindest Teil seiner Fläche eine Membranstruktur aufweisen. Diese kann zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine auf der Trägerschicht angeordnete, zumindest ein piezoelektrisches Material aufweisende, Piezoschicht aufweisen. Dabei kann die Membranstruktur so ausgestaltet sein, dass durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Piezoschicht der Schallwandler zumindest bereichsweise zum Schwingen anregbar ist.
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Vorteilhaft kann dabei die Membranstruktur in der Fläche durch zumindest eine, alle Schichten der Membranstruktur durchtrennende, Schnittlinie in zumindest ein, zwei oder mehr Segmente unterteilt sein, so dass die Membranstruktur an der Schnittlinie mechanisch entkoppelt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Schallwandler eine Membranstruktur aufweisen, die zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine auf der Trägerschicht angeordnete, zumindest ein piezoelektrisches Material aufweisende, Piezoschicht aufweist. Die zumindest eine Trägerschicht und die zumindest eine Piezoschicht bilden also ein Schichtsystem, in dem die Trägerschicht und die Piezoschicht parallel zueinander aufeinander angeordnet sind. In dieser Ausgestaltung können durch Anlegen einer Spannung an die Piezoschicht, insbesondere einer Wechselspannung, Schwingungen der Membranstruktur erzeugt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die Piezoschicht bei Anlegen der Spannung deformiert, wobei die Richtung der Deformation vom Vorzeichen der angelegten Spannung abhängt. Unter einer Membranstruktur kann hierbei eine Struktur verstanden werden, die sich im Wesentlichen flächig erstreckt, die also in zwei Dimensionen eine deutlich größere Ausdehnung aufweist, als in der zu den zwei Dimensionen senkrechten Dimension. Die beiden Dimensionen, in denen sich die Membranstruktur hauptsächlich erstreckt, spannen dabei eine Membranfläche und die Fläche des Schallwandlers auf.
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Die Membranstruktur des Schallwandlers kann durch zumindest eine Schnittlinie in ihrer flächigen Ausdehnung in zumindest ein, zwei oder mehrere Segmente unterteilt sein. Unterteilung der Membranfläche bedeutet, dass die gesamte Membran, also sowohl die Trägerschicht als auch gegebenenfalls die Piezoschichten, und gegebenenfalls Elektrodenschichten, durch gemeinsame Schnittlinien unterteilt sind, so dass die Membran an der oder den Schnittlinien mechanisch entkoppelt ist, was bedeutet, dass zwei durch eine Schnittlinie getrennte Bereiche der Membranstruktur unabhängig voneinander bewegbar sind. Die Unterteilung bzw. Segmentierung der Membranfläche bedeutet also entsprechende Segmentierung der Trägerschicht und entsprechende Segmentierung gegebenenfalls der Piezoschichten und gegebenenfalls Elektrodenschichten.
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Die Segmentierung ermöglicht eine hohe Amplitude einer Schwingung bei sehr kleiner Baugröße, ohne dass durch diese Maßnahme die Kraft zu niedrig wird.
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Unter Schallschwingungen werden im Sinne der Anmeldung Schwingungen mit Frequenzen verstanden, die vom menschlichen Gehör wahrnehmbar sind, d.h. Schwingungen zwischen ca. 20 Hz und 20.000. Die Schallschwingungen sind außerdem geeignet, in einem Medium, insbesondere Luft oder Perilymphe, Schallwellen anzuregen.
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Vorteilhafterweise weist die Membranstruktur zumindest eine Trägerschicht und zumindest eine, auf der Trägerschicht angeordnete Piezoschicht auf, welche zumindest ein piezoelektrisches Material aufweist. Die Trägerschicht und die Piezoschicht bilden dann eine Bimorph-Struktur und sind daher vorteilhaft so angeordnet und ausgebildet, dass die Membranstruktur durch Anlegen einer Spannung, insbesondere einer Wechselspannung, an die Piezoschicht in Schwingung versetzbar ist und/oder dass durch Schwingung der Membran erzeugte Spannungen in der Piezoschicht detektierbar sind. Die Trägerschicht und die Piezoschicht können hierzu mit parallelen Schichtebenen aufeinander oder aneinander angeordnet sein und sollten direkt oder mittelbar miteinander verbunden sein. Die genannten Schnittlinien durchtrennen vorzugsweise alle Schichten der Membranstruktur.
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Vorteilhafterweise wird, um eine gute audiologische Qualität zu gewährleisten, die Membranstruktur so ausgebildet, dass sie bei bestimmungsgemäßer Platzierung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell am Umbo eine maximale Auslenkung von 0,01 bis 5 µm ermöglicht, vorzugsweise von 5 µm. Dabei wird vorzugsweise eine mechanische Steifigkeit am Umbo von ca. 1200 N/m (gültig bis ca. 1 kHz) überwunden. Die erforderliche Kraft für 5 µm liegt in diesem Fall also bei ca. 6 mN. Bei höheren Frequenzen steigt die Steifigkeit, das Gehör ist dort jedoch gleichzeitig empfindlicher, so dass die erforderliche Auslenkung abnimmt.
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Die Segmente können so gestaltet werden, insbesondere bezüglich ihrer Länge, dass die Impedanz optimal ist.
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Besonders bevorzugt ist hierzu die Membranstruktur in Dünnschichttechnik ausgeführt. Dünne Schichten sind vorteilhaft, da hohe Felder erforderlich sind, um hohe Energiedichten zu erzeugen, während aber die anlegbaren Spannungen wegen der biologischen Umgebung möglichst niedrig sein sollten. In einer Dünnschichtmembran sind die erforderlichen Energiedichten erzielbar.
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Dabei können insbesondere die Piezoschichten erfindungsgemäß in Dünnschichttechnik hergestellt werden. Hierzu wird für eine herzustellende Piezoschicht der Membranstruktur Piezomaterial in der Dicke der Piezoschicht aufgetragen. Das Auftragen kann über Abscheidetechniken wie Physical Vapor Deposition-, Chemical Vapor Deposition, Sol-Gel-Prozess und andere erfolgen.
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Vorzugsweise haben die Piezoschichten eine Dicke von ≤ 20 um, bevorzugt ≤ 10 µm, besonders bevorzugt ≤ 5 um und/oder ≥ 0,2 µm, vorzugsweisen ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 1,5 µm, besonders bevorzugt = 2 um. Die Elektrodenschichten haben vorzugsweise eine Dicke von ≤ 0,5 um, vorzugsweise ≤ 0,2 µm, besonders bevorzugt ≤ 0,1 um und/oder ≥ 0,02 um, vorzugsweise ≥ 0,05 um und besonders bevorzugt ≥ 0,08 µm.
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Dünne Schichten des Schallwandlers - sowohl die der Silizium-Balkenstruktur als auch die der Piezoschicht(en) - sorgen dafür, dass bei Auslenkung der Balken nur eine kleine Masse in Bewegung versetzt wird. Die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems befindet sich für die beschriebenen Aktorvarianten im oberen Bereich der Frequenzbandbreite des menschlichen Gehörs. Es ist also eine gleichmäßige Anregung des Trommelfells bei bestimmungsgemäßer Platzierung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell über den gesamten menschlichen Frequenzbereich möglich.
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Die Erzeugung der mechanischen Schwingungen des erfindungsgemäßen Schallwandlers beruht dabei auf dem Prinzip der elastischen Verformung eines Biegebalkens, wobei die Membran oder Segmente der Membran als Biegebalken betrachtet werden können. Die piezoelektrische Schicht (Piezoschicht) ist dabei durch Anlegen der Spannung und des hierdurch erzeugbaren elektrischen Feldes verkürzbar und/oder verlängerbar. Im Materialverbund aus Trägerschicht und Piezoschicht werden hierbei mechanische Spannungen erzeugt, die zu einer Aufwärtsbiegung des Balkens bzw. der Membranstruktur bei sich verkürzender Piezoschicht führen und zu einer entsprechenden Abwärtsbewegung bei sich verlängernder Piezoschicht. Ob die Piezoschicht sich verlängert oder verkürzt hängt dabei von der Polarisationsrichtung der Piezoschicht und der Richtung der anliegenden Spannung bzw. des anliegenden elektrischen Feldes ab.
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Bei einem einschichtigen Schallwandler kann die beschriebene Trägerschicht eine einzelne Schicht piezoelektrischen Materials tragen. Zusätzlich dazu bilden die Elektroden weitere Komponenten des Schichtaufbaus. Eine Bottom-Elektrode kann dabei direkt oder über einer Barriereschicht auf dem Siliziumsubstrat aufgebracht sein, wohingegen sich eine Top-Elektrode auf der piezoelektrischen Schicht befinden kann. Die Polungsrichtung des piezoelektrischen Materials ist vorzugsweise senkrecht zur Oberfläche der Siliziumstruktur. Wenn nun zwischen Top- und Bottom-Elektrode eine elektrische Spannung angelegt wird und sich ein elektrisches Feld ausbildet, verkürzt oder verlängert sich (je nach Vorzeichen der Spannung) das Piezomaterial in Balkenlängsrichtung durch den transversalen piezoelektrischen Effekt, mechanische Spannungen im Schichtverbund werden erzeugt und die Balkenstruktur erfährt eine Biegung.
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Es ist bevorzugt, wenn die Membranstruktur einen kreisförmigen oder ovalen Umfang hat. Insbesondere ist es hierbei günstig, wenn der Umfang der Membranstruktur dem Umfang des Trommelfells eines Ohres entspricht, so dass die Umfangslinie der Membranstruktur in etwa parallel zum Umfang des Trommelfells läuft, wenn der Schallwandler platziert wird. Auch ein n-eckiger Umfang der Membranstruktur mit n vorzugsweise ≥ 6 ist möglich.
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Insbesondere im Falle eines kreisförmigen Umfangs, aber auch bei anderen Formen, der Membranstruktur ist es weiter bevorzugt, wenn die Schnittlinien, welche die Membranfläche in Segmente unterteilen, radial von einem Rand der Membranstruktur in Richtung eines Mittelpunktes der Membran verlaufen. Hierbei müssen die Schnittlinien nicht unmittelbar am Rand starten und nicht bis zum Mittelpunkt reichen, es ist auch hinreichend, wenn die Schnittlinien von der Nähe des Randes bis in die Nähe des Mittelpunktes verlaufen. Sofern allerdings die Schnittlinien den Mittelpunkt nicht erreichen, sollte im Mittelpunkt ein freier Bereich vorliegen, in welchem die Schnittlinien enden, so dass die mechanische Entkopplung der Segmente an jenem dem Mittelpunkt zugewandten Ende gewährleistet ist.
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Die Segmente können hierbei so ausgestaltet sein, dass sie kuchenstückförmig sind, also zwei in einem Winkel zueinander verlaufende Ränder als Seitenränder sowie einen Außenrand aufweisen, der am Umfang der Membranstruktur parallel zu diesem Umfang verläuft. Am anderen Ende der Seitenränder, dem Außenrand gegenüber, können die Segmente spitz zulaufen oder so abgeschnitten sein, dass sich um den Mittelpunkt ein freier Bereich ergibt. Die Segmente können dann am äußeren Rand am Rand der Membranstruktur fest angeordnet sein und an den Seitenrändern und gegebenenfalls jenem dem Mittelpunkt zugewandten Rand voneinander unabhängig sein, so dass sie um den äußeren Rand frei schwingen können. Die größte Auslenkung wird hierbei normalerweise an jenem dem Mittelpunkt zugewandten Ende des Segmentes auftreten. Vorzugsweise ist die Zahl der Segmente ≥ 6, besonders bevorzugt ≥ 8.
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Die Schnittlinien können hierbei radial gerade verlaufen, so dass die Segmente gerade radiale Kanten haben.
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Es ist jedoch auch möglich, dass die radial verlaufenden Schnittlinien gekrümmt verlaufen, so dass sich Segmente mit nicht geraden radial verlaufenden Kanten ergeben. Insbesondere können hierdurch Segmente gebildet werden, die in radialer Richtung bogenförmig, wellenförmig oder entlang einer Zickzacklinie verlaufen. Zahlreiche andere Geometrien sind denkbar.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann die Membranstruktur durch zumindest eine Schnittlinie spiralförmig strukturiert sein. Die zumindest eine Schnittlinie verläuft dabei so, dass sich zumindest ein spiralförmiges Segment ergibt, das sich vorzugsweise um einen Mittelpunkt der Membranstruktur windet. Möglich ist es auch, mehrere Schnittlinien vorzusehen, welche die Membranstruktur so unterteilen, dass sich zwei oder mehr spiralförmige Segmente ergeben, die sich vorteilhaft jeweils um den Mittelpunkt der Membranstruktur winden und besonders bevorzugt ineinander verlaufen.
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Um die Membranstruktur in Schwingung zu versetzen und/oder um eine Spannung an der Piezoschicht abzugreifen, können zumindest eine erste und zumindest eine zweite Elektrodenschicht an der Membranstruktur angeordnet sein, wobei die zumindest eine Piezoschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist. Die Elektrodenschichten überdecken hierbei vorzugsweise die Piezoschicht und sind mit parallelen Schichtebenen an oder auf der Piezoschicht angeordnet. Vorzugsweise ist die erste oder zweite Elektrodenschicht zwischen der Trägerschicht und der Piezoschicht angeordnet, so dass die Piezoschicht über eine der Elektrodenschichten auf der Trägerschicht angeordnet ist. Besonders bevorzugt bedecken die Piezoschicht und die Elektrodenschichten einander vollständig.
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Die Verwendung von Segmentstrukturen erlaubt gegenüber einer unstrukturierten Membran eine höhere Auslenkung, da sich die Balkenelemente dort, wo sie durch die Schnittlinien separiert sind, z.B. im Zentrum der Scheibe, frei verformen können und somit eine konstante Biegung in nur eine Richtung erfahren. Die Verformung einer zusammenhängenden Membran ist hingegen durch eine Richtungsänderung der Krümmung charakterisiert, was zu niedrigeren Auslenkungen führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Membranstruktur eine Mehrzahl von mit parallelen Flächen aufeinander angeordneten Piezoschichten auf, wobei zwischen je zwei benachbarten Piezoschichten eine Elektrodenschicht angeordnet ist. Es ist also auf der Trägerschicht abwechselnd jeweils eine Elektrodenschicht und eine Piezoschicht angeordnet. Elektrodenschichten und Piezoschichten können unmittelbar aufeinander, miteinander verbunden, angeordnet sein oder über ein oder mehrere Zwischenschichten aufeinander angeordnet sein. Mit dieser Ausführungsform lassen sich Schwingungen mit besonders großer Kraft bzw. Leistung erzeugen und Schwingungen besonders genau detektieren.
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Bei dieser Wandlermodifikation wechseln sich also im Schichtaufbau Elektroden mit unterschiedlichem elektrischem Potential mit Piezoschichten ab. Auf die Siliziumstruktur folgt zunächst eine Bottom-Elektrode, darauf eine erste Piezoschicht, eine Elektrode mit entgegen gesetztem Potential, eine zweite Piezoschicht, eine Elektrode mit dem Potential der Bottom-Elektrode, usw.
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Die Polungsrichtung der einzelnen Piezoschichten kann wie beim Einschichtwandler senkrecht zur Oberfläche der Membranstruktur liegen, allerdings zeigt sie für abwechselnde Piezoschichten in entgegengesetzte Richtung. Das sich zwischen den Elektroden entgegen gesetzten Potentials aufbauende elektrische Feld und die für die einzelnen Piezoschichten abwechselnde Polarisierungsrichtung sorgt für eine gemeinsame Längenänderung des gesamten Schichtaufbaus, was wiederum eine Biegung der Siliziumstruktur hervorruft.
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Vorteilhafterweise sind die Elektrodenschichten so ausgestaltet bzw. so kontaktiert, dass je zwei benachbarte Elektrodenschichten mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind. Es ist hierdurch ein elektrisches Feld in den Piezoschichten erzeugbar, das jeweils von einer Elektrodenschicht zur benachbarten Elektrodenschicht verläuft. Auf diese Weise können die Piezoschichten besonders gleichmäßig mit elektrischen Feldern durchsetzt werden. Im Falle einer Schwingungsdetektion können vorzugsweise unterschiedliche Vorzeichen einer an der Piezoschicht entstehenden Spannung jeweils durch benachbarte Elektrodenschichten abgegriffen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können zumindest zwei bandförmige, also längliche, Elektroden, die ein Elektrodenpaar bilden, auf der Oberfläche der zumindest einen Piezoschicht oder auf der Oberfläche der Trägerschicht so angeordnet sein, dass sie parallel zur entsprechenden Oberfläche verlaufen und vorzugsweise auch parallel zueinander verlaufen. Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaars sind jeweils mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar, so dass sich zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaars ein elektrisches Feld ausbildet, welches zumindest bereichsweise die Piezoschicht durchsetzt. Sind mehrere Elektrodenpaare vorgesehen, so kann sich auch zwischen Elektroden unterschiedlicher Polarität benachbarter Elektrodenpaare ein elektrisches Feld ausbilden, das die Piezoschicht durchsetzt. Im Fall einer Schwingungsdetektion kann durch das Elektrodenpaar eine elektrische Spannung abgreifbar bzw. detektierbar sein.
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Die Leiterbahnstrukturen der bandförmigen Elektroden können vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt haben.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Vielzahl von Elektrodenpaaren mit jeweils zwei Elektroden, die mit unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind, so angeordnet sind, dass die Elektroden der Vielzahl von Elektrodenpaaren parallel zueinander verlaufen. Dabei sollten die Elektrodenpaare außerdem so angeordnet sein, dass jeweils zwei benachbart verlaufende Elektroden mit Ladung unterschiedlicher Polarität beaufschlagbar sind. Auf diese Weise bildet sich zwischen je zwei benachbarten Elektroden ein die Piezoschicht durchsetzendes elektrisches Feld. Für den Fall, dass, wie hier beschrieben, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren vorgesehen sind, liegen also eine Vielzahl von Elektroden auf einer Oberfläche der Piezoschicht oder der Trägerschicht vor, die parallel zueinander verlaufen können und mit abwechselnder Polarität nebeneinander angeordnet sein können.
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Die Polung des Piezomaterials ist in diesem Fall nicht homogen über die gesamte Piezoschicht verteilt, vielmehr verläuft die Polarisationsrichtung feldlinienförmig von der negativen zur positiven Elektrode. Wenn im Betrieb des Wandlers die kammförmigen Elektroden mit wechselndem elektrischem Potential beaufschlagt werden, bildet sich entlang der Polarisierungsrichtung des Piezomaterials ein elektrisches Feld aus, entlang dessen sich das Piezomaterial ausdehnt bzw. verkürzt. Dadurch verlängert bzw. verkürzt sich die gesamte Piezoschicht in Balkenlängsrichtung, was zu einer Abwärtsbiegung bzw. Aufwärtsbiegung der Siliziumstruktur führt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Elektroden hierbei außerdem parallel zu dem Rand der Membranstruktur verlaufen. Ist also die Membranstruktur kreisförmig, so bilden die Elektroden bevorzugt konzentrische Kreise um den Mittelpunkt der Membranstruktur. Entsprechend sind bei einer ovalen Membranstruktur auch die Elektroden bevorzugt oval ausgestaltet. Die Elektroden können jeweils entlang des gesamten Umfangs parallel zum Umfang der Membranstruktur verlaufen oder nur auf einem Teil des Umfangs, so dass sie beispielsweise die Form von Kreisumfangsabschnitten haben.
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Bandförmige Elektroden lassen sich besonders vorteilhaft über gemeinsame Leiter kontaktieren, wobei eine Mehrzahl der Elektroden durch einen gemeinsamen Leiter kontaktiert wird. So können eine Mehrzahl der Elektroden einer Polarität mit zumindest einem ersten Leiter verbunden sein und Elektroden der anderen Polarität mit zumindest einem zweiten Leiter. Damit die Elektroden unterschiedlicher Polarität abwechselnd angeordnet sind, können die den unterschiedlichen Leitern zugeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität kammförmig ineinandergreifen. Die gemeinsamen Leiter können hierbei die Elektroden der ihnen entsprechenden Polarität schneiden und verlaufen z.B. bei kreisförmigen Elektroden besonders bevorzugt radial.
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Auch im Falle einer bandförmigen Ausgestaltung der Elektroden kann die Membranstruktur mehrschichtig ausgestaltet sein. Hierbei ist es zum einen wiederum möglich, dass mehrere Piezoschichten aufeinander angeordnet sind, wobei dann bandförmige Elektroden zwischen jeweils zwei benachbarten Piezoschichten verlaufen können. Die Anordnung der Elektroden entspricht hierbei der oben beschriebenen Anordnung auf der Oberfläche einer Piezoschicht. Möglich ist es aber auch, dass die Membranstruktur zumindest eine Piezoschicht aufweist, die von bandförmigen Elektroden bzw. Elektrodenpaaren in einer oder mehreren Ebenen durchsetzt ist. In diesem Fall verlaufen die Elektroden der Elektrodenpaare im Inneren der entsprechenden Piezoschicht. Die verschiedenen Möglichkeiten der Anordnung entsprechen auch hier jenen der oben genannten Anordnung auf der Oberfläche der Piezoschicht.
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Diese Variante des Schallwandlers weist gegenüber der vorigen Lösung eine dickere Piezoschicht auf, die von mehreren Lagen kammförmiger Elektroden durchzogen werden kann. Die Polarisierung im Piezomaterial verläuft wiederum feldlinienförmig von den negativen zu den positiven Leiterbahnelektroden. Bei anliegender Spannung bildet sich entlang der Polarisierungsrichtung ein elektrisches Feld aus, das zu einer Ausdehnung bzw. Verkürzung des Piezomaterials entlang der Feldlinien und zu einer Abwärtsbiegung bzw. Aufwärtsbiegung der Balkenstruktur führt.
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Im Falle spiralförmiger Segmente können bandförmige Elektroden entlang der Längsrichtung der Segmente angeordnet sein. Vorzugsweise reicht hier ein Elektrodenpaar aus.
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Die Effektivität und Linearität des Piezowandlers kann gesteigert werden, indem eine Gleichspannung an die Aktorelektroden angelegt wird, welcher die für die akustische Schwingung maßgebliche Wechselspannung überlagert ist. Dadurch wird die Polarisierung des piezoelektrischen Materials verstärkt, wodurch eine kleinerer Spannungsänderung eine größere Kraft- oder Auslenkungsänderung hervorruft.
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Da der Schallwandler in einer möglicherweise feuchten biologischen Umgebung zum Einsatz kommt, ist es vorteilhaft, wenn die Spannung, insbesondere die Gleichspannung, mit welcher die Elektroden beaufschlagt werden, kleiner ist als 5 Volt, bevorzugt kleiner als 4,3 Volt, besonders bevorzugt kleiner als 1,3 Volt. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, die Elektroden flüssigkeitsdicht und/oder elektrisch isolierend zu kapseln, so dass sie mit einer den Schallwandler gegebenenfalls umgebenden Flüssigkeit nicht in Kontakt kommen, oder den Schallwandler regelmäßig zu ersetzen, wenn es zu einem korrosionsbedingten Ausfall kommt.
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Da der piezoelektrische Effekt im betrachteten Bereich proportional zur Stärke des elektrischen Feldes ist, welches das Material durchdringt, können durch Verwendung sehr dünner piezoelektrischer Schichten bei sehr kleinem Abstand der Elektroden so hohe Felder erzeugt werden (das elektrische Feld berechnet sich im homogenen Fall als Quotient aus anliegender Spannung und Abstand der Elektroden), dass der Piezoeffekt ausreicht, um bei bestimmungsgemäßer Platzierung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell die für die Anregung des Trommelfells notwendigen Schwingungsauslenkungen und Kräfte zu erreichen.
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Die Trägerschicht kann Silizium aufweisen oder daraus bestehen. Als Piezomaterialien kommen u.a.
PbZrxTi1-xO3 mit vorzugsweise 0.45 < x < 0.59, besonders bevorzugt mit Dotierungen von beispielsweise La, Mg, Nb, Ta, Sr und dergleichen, vorzugsweise mit Konzentrationen zwischen 0,1 und 10 %, in Frage. Auch weitere feste Lösungen mit PbTiO3, wie beispielsweise Pb(Mg1/3, Nb2/3)O3, Pb(Sn1/3Nb2/3)O3 kommen in Frage. Mögliche Materialien sind auch bleifreie Materialien, die KNbO3, NaNbO3 enthalten, Dotierungen mit Li, Ta, etc., Bi-haltige Piezoschichten, Auriviliusphasen mit Ti, Ta, Nb, ferner auch Perovskitphasen, wie BiFe3. Auch klassische Dünnschichtmaterialien, wie AIN und ZnO sind möglich.
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Silizium als Trägermaterial für die Piezoschichten ermöglicht das Herstellen der scheibenförmigen Struktur und der kuchenstückförmigen Biegebalken mit den Strukturierungstechniken der Mikrosystemtechnik. Es können bekannte und erprobte Beschichtungs- und Ätzverfahren zur Herstellung von Balken, Elektroden und Piezoschicht verwendet werden, z.B. Sol-Gel-Techniken, Sputter-Verfahren, chem. Ätzen, lonenätzen, etc. Weiterhin erlauben die Verfahren der Mikrosystemtechnik ein Parallelisieren des Fertigungsprozesses; aus einem Silizium-Wafer lässt sich in einem Fertigungsdurchgang eine Vielzahl von Schallwandlern herstellen. Dies ermöglicht eine kostengünstige Produktion.
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Die zumindest eine Piezoschicht hat vorzugsweise eine Dicke von ≤ 20 um, vorzugsweise ≤ 10 µm, besonders bevorzugt ≤ 5 µm und/oder ≥ 0,2 µm, vorzugsweise ≥ 1 µm, bevorzugt ≥ 1,5 µm, besonders bevorzugt = 2 um. Die Elektrodenschichten haben jeweils vorzugsweise eine Dicke von ≤ 0,5 um, vorzugsweise ≤ 0,2 µm, besonders bevorzugt ≤ 0,1 µm und/oder ≥ 0,02 µm, vorzugsweise ≥ 0,05 µm, besonders bevorzugt ≥ 0,08 µm. Ein Durchmesser der Membranstruktur ist vorzugsweise ≤ 4 mm, bevorzugt ≤ 3 mm, besonders bevorzugt ≤ 2 mm und/oder ≥ 0,2 mm, vorzugsweise ≥ 0,5 mm, bevorzugt ≥ 1 mm, besonders bevorzugt = 1,5 mm. Als besonders günstig hat sich eine Schichtdicke von 0,7 µm erwiesen.
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Erfindungsgemäß kann der Schallwandler auch mehrere wie oben beschriebene Membranstrukturen aufweisen. Diese Membranstrukturen sind dabei gleich strukturiert und parallel zueinander so übereinander angeordnet, dass gleiche Segmente der Struktur bzw. die Schnittlinien der Membranstrukturen übereinander liegen. Gleiche Segmente sind dann so miteinander gekoppelt, dass sich eine Auslenkung und/oder Kraftausübung eines der Segmente auf die benachbarten Segmente überträgt. Die Membranstrukturen können dabei so übereinander angeordnet sein, dass bei Anlegen einer Spannung einer gegebenen Polung an den Schallwandler alle Segmente in die gleiche Richtung ausgelenkt werden. Die Membranstrukturen sind hierbei gleich orientiert. In diesem Fall kann eine Gesamtkraft realisiert werden, die höher ist als die einer einzelnen Membranstruktur. Es ist auch möglich, die Membranstrukturen so aufeinander anzuordnen, dass benachbarte Membranstrukturen jeweils umgekehrt orientiert sind, so dass sich bei Anlegen einer Spannung einer gegebenen Polung benachbarte Membranstrukturen jeweils in unterschiedliche Richtung auslenken. In diesem Fall lässt sich eine Gesamtauslenkung realisieren, die größer ist als die einer einzelnen Membranstruktur.
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Bevorzugterweise kann die Membranstruktur in der Fläche der Membranstruktur durch zumindest eine, alle Schichten der Membranstruktur durchtrennende, Schnittlinie in zumindest ein, zwei oder mehr Segmente unterteilt sein, so dass die Membranstruktur an der Schnittlinie mechanisch entkoppelt ist. Dass die Membranstruktur an der Schnittlinie mechanisch entkoppelt ist bedeutet dabei, dass eine Bewegung der Membranstruktur auf einer Seite der Schnittlinie keine oder nur eine sehr geringe Bewegung der Membranstruktur auf der gegenüberliegenden Seite der Schnittlinie bewirkt, die dadurch verursacht wird, dass eine Kraft über die Schnittlinie hinweg wirkt. Ist die Membranstruktur in zwei oder mehr Segmente unterteilt, so können diese beispielsweise durch radial verlaufende Schnittlinien gebildet werden. Hier kann beispielsweise die Membranstruktur selbst einen kreisförmigen Umfang in der Ebene der Membranstruktur haben, zu dessen Mittelpunkt die Schnittlinien radial verlaufen. Bevorzugterweise sind dabei alle Schnittlinien im Mittelpunkt mechanisch entkoppelt.
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Weist die Membranstruktur nur eine Schnittlinie auf, so kann diese besonders vorteilhaft spiralförmig verlaufen. Auch hier kann vorteilhafterweise die Membranstruktur einen kreisförmigen Umfang haben.
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Bevorzugterweise ist die Trommelfellkontaktform an ihrem Rand mit dem Rand des flächigen Schallwandlers zumindest bereichsweise verbunden. Die Verbindung kann unmittelbar sein oder über ein oder mehrere weitere Komponenten erfolgen, wobei jedoch eine unmittelbare Verbindung bevorzugt ist. Es ist besonders bevorzugt, wenn der flächige Schallwandler mit der Trommelfellkontaktform auf seinem gesamten Umfang verbunden ist. Bevorzugterweise können der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform gleiche Umfangsformen haben, so dass die Membranstruktur und die Trommelfellkontaktform über ihren gesamten Rand miteinander verbunden sein können.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der flächige Schallwandler eine Membran oder die beschriebene Membranstruktur aufweisen, sowie außerdem einen die Membran oder die Membranstruktur umlaufenden starren Rand. Vorzugsweise kann dabei der Rand entlang der Oberfläche der Trommelfellkontaktform verlaufen, die bei bestimmungsgemäßer Platzierung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell in Richtung des Gehörgangs orientiert ist, und/oder von dieser Oberfläche begrenzt werden. Der Rand kann jedoch vorteilhaft eine größere Dicke als die Membran oder Membranstruktur aufweisen.
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Die Trommelfellkontaktform kann dann mit dem starren Rand des flächigen Schallwandlers auf zumindest einem Teil des Randes des flächigen Schallwandlers, bevorzugt auf der gesamten Länge dieses Randes, verbunden sein.
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Wie beschrieben ist es vorteilhaft, wenn das Vibrationsmodul vollständig auf dem Trommelfell aufliegen kann, ohne oder nur in geringem Maße sich dabei an der Gehörgangswand abzustützen. Hierzu ist es bevorzugt, wenn der flächige Schallwandler und/oder die Trommelfellkontaktform einen kleinsten Durchmesser kleiner als ein kleinster Durchmesser des Trommelfells haben und/oder der flächige Schallwandler und/oder der Trommelfellkontakt einen größten Durchmesser kleiner als den größten Durchmesser des Trommelfells haben. Auf diese Weise kann durch geeignete Ausrichtung des Vibrationsmoduls dieses vollständig auf dem Trommelfell aufliegen, ohne den Rand des Trommelfells zu berühren. Vorzugsweise können diese Abmessungen dabei individuell an die Abmessungen des Trommelfells jenes Ohres jener Person angepasst werden, in dem das Vibrationsmodul getragen werden soll. Es ist jedoch auch möglich, diese Abmessungen an durchschnittliche Abmessungen von Trommelfellen von Personen einer entsprechenden Altersklasse oder anders kategorisierten Personengruppe anzupassen. Vorteilhaft kann beispielsweise der größte Durchmesser des flächigen Schallwandlers und/oder der Trommelfellkontaktform kleiner oder gleich 12 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 9 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 7 mm sein. Vorteilhaft kann außerdem der kleinste Durchmesser des flächigen Schallwandlers und/oder der Trommelkontaktform größer oder gleich 3 mm, vorzugsweise größer oder gleich 5 mm sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Vibrationsmodul ein Schwingungsübertragungselement aufweisen, mit dem Schwingungen des flächigen Schallwandlers zur Trommelfellkontaktform übertragbar sind. Dabei kann vorteilhaft das Schwingungsübertragungselement zum einen mit dem flächigen Schallwandler verbunden sein oder an diesen anliegen und zum anderen mit der Trommelfellkontaktform verbunden sein oder an diese anliegen. Insbesondere kann dabei das Schwingungsübertragungselement an einer Position seiner Oberfläche mit dem flächigen Schallwandler verbunden sein oder an diesen anliegen und an einer weiteren gegenüberliegenden Position seiner Oberfläche mit der Trommelfellkontaktform verbunden sein oder an diese anliegen. Besonders bevorzugt ist bei dieser Ausgestaltungsform der Erfindung das Schwingungsübertragungselement mit einer Position des flächigen Schallwandlers verbunden oder an diese anliegend, die beim Anlegen einer Spannung an den Schallwandler oder beim Aussetzen des Schallwandlers einer akustischen Schwingung eine maximale Auslenkung erfährt. Durch ein solches Schwingungsübertragungselement kann die Übertragung von durch den Schallwandler erzeugten Schwingungen auf die Trommelfellkontaktform und damit auf das Trommelfell verbessert werden. Das Schwingungsübertragungselement kann das Innenvolumen teilweise oder auch vollständig ausfüllen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Innenvolumen mit einem kompressiblen oder elastischen oder auch mit inkompressiblen Schwingungsübertragungsmaterial teilweise oder vollständig gefüllt sein. Auch hierdurch kann eine Übertragung der von dem flächigen Schallwandler erzeugten Schwingungen auf die Trommelfellkontaktform verbessert werden.
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Folgende Lösungen mit dem Schwingungsübertragungselement und/oder dem Schwingungsübertragungsmaterial sind besonders vorteilhaft. Es kann vorteilhaft ein Schwingungsübertragungselement im Innenvolumen vorgesehen sein, das im Innenvolumen von Luft umgeben ist. Hier füllt also das Schwingungsübertragungselement das Innenvolumen nicht vollständig aus und ein Teil des Innenvolumens ist mit Luft gefüllt.
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Ebenfalls vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, in der ein Schwingungsübertragungselement zusammen mit einem kompressiblen Material wie beispielsweise Silikonschaum im Innenvolumen vorgesehen ist. In diesem Fall füllt das Schwingungsübertragungselement einen Teil des Innenvolumens aus und das kompressible Material das restliche Innenvolumen.
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Auch möglich ist eine Ausgestaltung, in der ein Schwingungsübertragungselement zusammen mit einem inkompressiblen Material zum Einsatz kommt. In diesem Fall ist vorzugsweise eine im Folgenden noch beschriebene Ausgleichsöffnung vorgesehen, durch die das inkompressible Material verdrängbar ist.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, in der das Innenvolumen vollständig mit inkompressiblem Schwingungsübertragungsmaterial gefüllt ist und kein getrenntes Schwingungsübertragungselement vorgesehen ist. Auch hier kann die im Folgenden noch beschriebene Öffnung vorteilhaft sein, insbesondere wenn das Trommelfell dem Schwingungsübertragungsmaterial einen geringeren Widerstand als die Öffnung entgegensetzt. Das Elastizitätsmodul des Materials sollte nicht zu klein sein, das Material also nicht zu weich. Die konkrete Größe hängt insbesondere von der Größe der Öffnung ab.
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Schließen der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform wie beschrieben ein Innenvolumen ein, und ist außerdem das Innenvolumen mit einem Schwingungsübertragungsmaterial teilweise oder vollständig gefüllt, so ist es vorteilhaft, wenn der flächige Schallwandler eine Ausnehmung oder Öffnung aufweist und/oder wenn die Trommelfellkontaktform in ihrer Fläche eine Ausnehmung oder Öffnung aufweist. Dabei ist die Öffnung oder Ausnehmung so angeordnet, dass das Schwingungsübertragungsmaterial in sie hinein verdrängbar ist. Dies liegt daran, dass das vom Schallwandler verdrängte Volumen mit dem vom Trommelfell bzw. der Trommelfellkontaktform überstrichenen Volumen bei erzwungener Kopplung der Auslenkung eines Ortes auf dem Trommelfell bzw. der Trommelfellkontaktform mit einem Ort auf der Aktoroberfläche durch das Schwingungsübertragungselement nicht natürlicherweise übereinstimmt. Es würde eine zusätzliche Zwangsbedingung eingeführt, die die Bewegung behindert und dem Schallwandler eine zusätzliche Last entgegensetzt. Durch die Ausgleichsöffnung wird erreicht, dass die Auslenkung des flächigen Schallwandlers beim Schwingen nicht durch das Schwingungsübertragungsmaterial behindert wird. Die Ausnehmung oder Öffnung bzw., die Ausnehmung kann dabei im Inneren der Fläche des flächigen Schallwandlers oder der Trommelfellkontaktform vorgesehen sein oder an deren Wand, so dass die Öffnung bzw. die Ausnehmung auf einem Teil ihres Umfangs durch den flächigen Schallwandler bzw. die Trommelfellkontaktform begrenzt wird und auf einem weiteren Teil ihres Umfangs durch den Rand des flächigen Schallwandlers bzw. der Trommelfellkontaktform. Anders formuliert wird in diesem Fall das Innenvolumen von der Trommelfellkontaktform, dem Schallwandler und der Öffnung bzw. der Ausnehmung eingeschlossen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann im Innenvolumen auch ein Schwingungsübertragungselement als ein Teilbereich eines Schwingungsübertragungsmaterials ausgebildet sein. In diesem Fall kann beispielsweise das Schwingungsübertragungsmaterial das Innenvolumen vollständig ausfüllen, jedoch an unterschiedlichen Orten eine unterschiedliche Steifigkeit aufweisen. Das Schwingungsübertragungselement kann dann als Bereich erhöhter Steifigkeit dieses Materials ausgebildet sein. Vorzugsweise kann dabei die Steifigkeit dieses Bereichs größer oder gleich 1.000 N/m, besonders bevorzugt größer oder gleich 10 kN/m, besonders bevorzugt größer oder gleich 100 kN/m sein.
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Ist ein kompressibles Material vorgesehen, so ist es bevorzugt, wenn es ein sehr viel geringeres Elastizitätsmodul als der Stößel oder das Material erhöhter Steifigkeit hat, vorzugsweise um mehr als einen Faktor 10, besonders bevorzugt mehr als einen Faktor 100.
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Vorteilhaft kann beispielsweise eine Ausgestaltung wie folgt sein. Die Steifigkeit des Umbo liegt bei etwa 1.200 N/m. Das Schwingungsübertragungselement sollte dann vorteilhafterweise ebenso steif, besonders bevorzugt steifer sein. Mit dem Zehnfachen der Steifigkeit des Umbo ergibt sich ein Verlust der Schwingungsenergie, die vom Schallwandler auf den Umbo übertragen wird, von etwa 1dB, mit hundertfacher Steifigkeit von 0,1 dB. Je größer also die Steifigkeit des Schwingungsübertragungselements ist, desto geringer sind die Verluste.
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Als Material für das Schwingungsübertragungselement eignet sich beispielsweise Acrylharz. Dieses hat ein Elastizitätsmodul von beispielsweise 1.300 e6 Pa. Mit typischen Abmessungen ergibt sich dadurch eine Steifigkeit von 1,3 e6 N/m, was also um Größenordnungen über der Steifigkeit des Umbo liegt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Schwingungsübertragungselement von einem Ort maximaler Auslenkung des flächigen Schallwandlers zu einem Ort der Trommelfellkontaktform verlaufen, der bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell in einem Abstand von weniger als 5 mm, vorzugsweise weniger als 2 mm vom Umbo und/oder vom Maleus entfernt liegt. Als Abstand kann dabei der Abstand der jeweiligen Ränder des Schwingungsübertragungselementes und des Umbo bzw. Maleus angesehen werden. Der Abstand ist dann der kleinste Abstand dieser Ränder.
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Das Schwingungsübertragungselement kann vorteilhafterweise eine Länge in Richtung senkrecht zur Fläche des flächigen Schallwandlers von größer oder gleich 0,5 mm, vorzugsweise von größer oder gleich 1,5 mm und/oder von kleiner oder gleich 4 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm aufweisen. Vorteilhafterweise kann das Schwingungsübertragungselement an seiner an den Schallwandler grenzenden Seite einen kleineren Durchmesser als der Schallwandler haben, wobei der Durchmesser vorzugsweise kleiner oder gleich 2 mm und/oder größer oder gleich 0,5 mm ist. Vorteilhafterweise kann sich ein Querschnitt des Schwingungsübertragungselements in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Schwingungsübertragungselementes in Richtung der Trommelfellkontaktform erweitern, so dass eine größere Kontaktfläche zwischen dem Schwingungsübertragungselement und der Trommelfellkontaktform erzielt wird.
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Vorteilhafterweise weist die Trommelfellkontaktform eine dem flächigen Schallwandler abgewandte Oberfläche auf, deren Form der Form einer dem Gehörgang zugewandten Oberfläche des Trommelfells entspricht oder zu dieser zumindest bereichsweise oder vollständig parallel verläuft, wenn die Trommelfellkonktaktform in bestimmungsgemäßer Weise auf dem Trommelfell angeordnet ist. Dabei kann die Trommelfellkontaktform auch so ausgestaltet sein, dass sie sich dieser Oberfläche des Trommelfells beim Auflegen anpasst. Welche Variante hier gewählt wird, kann vom Material der Trommelfellkontaktform abhängen. Ist das Material unflexibel, aber gut modellierbar, so kann die entsprechende Oberfläche der Trommelfellkontaktform vor dem Einsetzen in das Ohr entsprechend modelliert werden, so dass diese Fläche teilweise oder vollständig auf dem Trommelfell aufliegt, wenn das Vibrationsmodul ins Ohr eingesetzt ist. Ist hingegen das Material flexibel, so ist eine vorhergehende Modellierung gegebenenfalls nicht erforderlich, da sich diese Oberfläche der Trommelfellkontaktform beim Aufsetzen auf das Trommelfell dessen Oberfläche anpasst. Auch möglich ist eine Ausgestaltung, in der die genannte Oberfläche der Trommelfellkontaktform der Oberfläche des Trommelfells bis zu einer maximalen Detailliertheit folgt, und auf die Oberfläche der Trommelfellkontaktform einem Material aufgebracht ist, welches sich beim Aufsetzen des Vibrationsmoduls auf das Trommelfell diesem anpasst, oder bei der die Trommelfellkontaktform selbst die übrige Abweichung durch Formänderung ausgleicht.
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Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung, in der die Trommelfellkontaktform in einem Bereich, der bei bestimmungsgemäßer Verwendung am Trommelfell anliegt, eine Dicke hat, die so klein ist, dass sie im Wesentlichen nur Spannungen in Richtungen parallel zur Oberfläche der Trommelfellkontaktform in diesem Bereich ausbilden kann. In diesem Fall verhält sich die Trommelfellkontaktform in diesem Bereich wie eine Folie. Vorzugsweise ist die Dicke der Trommelfellkontaktform in diesem Bereich kleiner oder gleich 500 µm, bevorzugt kleiner oder gleich 200 µm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 150 µm.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Trommelfellkontaktform Silikon aufweisen oder daraus bestehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Vibrationsmodul eine auf jener dem Schallwandler abgewandten Oberfläche der Trommelfellkontaktform aufliegende Schicht aufweisen, die eingerichtet ist, eine Adhäsion der Trommelfellkontaktform am Trommelfell zu verbessern. Eine solche Schicht kann beispielsweise Weißöl, Fett, Silikonöl, Glyzerin und/oder Paraffin aufweisen oder daraus bestehen. Auf diese Weise wird ein guter Sitz des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell bei gleichzeitig guter Schwingungsübertragung gewährleistet.
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Vorteilhafterweise ist ein minimaler Abstand zwischen dem flächigen Schallwandler und einer dem Schallwandler abgewandten Oberfläche der Trommelfellkontaktform kleiner oder gleich 2 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 1 mm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 400 µm, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 200 µm.
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Es kann vorteilhaft sein, wenn die Trommelfellkontaktform eine in Richtung des Trommelfells konvexe Form aufweist, die die Form des Trommelfells so abbildet, dass bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell zwischen der Trommelfellkontaktform und der dem Gehörgang zugewandten Oberfläche des Trommelfells ein dünner Spalt von einer Breite von zwischen 15 und 100 µm entsteht. Dieser kann bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit einer natürlich vorhandenen Flüssigkeit oder auch mit einer zusätzlich eingebrachten Flüssigkeit wie z. B. Weißöl gefüllt sein. Hierzu könnte die Trommelfellkontaktform eine Formgebung mit entsprechendem Untermaß aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der flächige Schallwandler in die Trommelfellkontaktform an deren Rand eingegossen sein oder in eine Ausnehmung in der Trommelfellkontaktform eingeklebt sein. Auf diese Weise kann also der flächige Schallwandler in die Trommelfellkontaktform eingesetzt sein, so dass insbesondere ein Außenrand des Vibrationsmoduls durch die Trommelfellkontaktform bestimmt werden kann. In diesem Fall wird die größte Abmessung des Vibrationsmoduls in der Ebene des Schallwandlers durch die Abmessung der Trommelfellkontaktform in dieser Ebene bestimmt. Die Ausnehmung in der Trommelfellkontaktform, in die der flächige Schallwandler eingesetzt ist, kann vorzugsweise am Rand der Trommelfellkontaktform verlaufen oder umlaufen.
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Bevorzugterweise kann der flächige Schallwandler monolithisch ausgebildet sein, also aus einer Grundstruktur aus einem einzigen Material geformt sein, in das der Schallwandler durch Entfernen von Material und/oder Hinzufügen von fest haftendem Material geformt wird, wobei alle beweglichen Elemente durch Festkörpergelenke realisiert werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, dass bei der Ausbildung des monolithischen Schallwandlers die hinzugefügten Materialien andere sind als dasjenige, aus dem die Grundstruktur gebildet ist.
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Um eine Orientierung des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell zu vereinfachen, kann vorteilhafterweise eine Markierung an dem Vibrationsmodul angebracht sein, welche dessen Winkelausrichtung um eine zum Schallwandler senkrechte Achse ermöglicht. Vorteilhafterweise kann die Markierung so vorgesehen sein, dass sie bei bestimmungsgemäßer Anordnung parallel zum Maleus oder zur Körperlängsachse verläuft oder in einem definierten Winkel dazu. Vorzugsweise sollte die Markierung so angebracht sein, dass sie bei einer Blickrichtung auf den Schallwandler sichtbar ist, so dass sie beim Anordnen des Vibrationsmoduls auf dem Trommelfell zu erkennen ist. Möglich ist es auch, ein Kabel, das am Schallwandler angebracht ist und unter einem bestimmten Winkel von diesem weggeführt wird, als Markierung zu verwenden.
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Erfindungsgemäß wird außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Vibrationsmoduls wie vorstehend beschrieben angegeben. Es werden dabei der flächige Schallwandler und die Trommelfellkontaktform hergestellt.
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Bevorzugterweise kann in einem ersten Schritt eine Geometrie einer Trommelfelloberfläche aufgenommen werden, in der aufgenommenen Geometrie ein tiefster Punkt und/oder eine Position des Maleus ermittelt werden, aus der aufgenommenen Geometrie eine Negativform hergestellt werden und mittels dieser Negativform die Trommelfellkontaktform hergestellt werden. Die Erstellung einer Negativform ist nicht wesentlich, da die Silikonform auch direkt, beispielsweise in einem 3D-Druckverfahren aus Silikon hergestellt werden kann.
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Im Folgenden soll die Erfindung beispielhaft anhand einiger Figuren beschrieben werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen dabei gleiche oder entsprechende Merkmale. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können auch unabhängig vom konkreten Beispiel realisiert sein und zwischen verschiedenen Beispielen kombiniert werden.
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Es zeigt
- 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls,
- 2 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls,
- 3 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls,
- 4 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls,
- 5 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls,
- 6 zwei Beispiele erfindungsgemäßer Vibrationsmodule in einer Aufsicht, und
- 7 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls in einer Aufsicht.
- 8 eine Aufsicht auf einen beispielhaften Schallwandler mit einer segmentierten Membranfläche.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Vibrationsmodul 111, das auf einem Trommelfell 1 angeordnet ist. Im gezeigten Beispiel ist zwischen dem Vibrationsmodul 111 und dem Trommelfell 1 ein schmaler Spalt 14 ausgebildet, in dem eine Schicht zur Verbesserung der Adhäsion des Vibrationsmoduls 111 am Trommelfell 1 vorgesehen sein kann. Diese Adhäsionsschicht kann als Teil des Trommelfellmoduls 111 angesehen werden. Sie kann beispielsweise Weißöl, Fett, Silikonöl, Glyzerin, Paraffin oder vergleichbare Materialien aufweisen oder daraus bestehen.
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Das Trommelfellmodul 111 weist zum einen einen flächigen Schallwandler 3 sowie eine Trommelfellkontaktform 2 zum Kontaktieren des Trommelfells 1 auf. Im gezeigten Beispiel schließt der flächige Schallwandler 3 und die Trommelfellkontaktform 2 ein Innenvolumen 4 ein.
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Der flächige Schallwandler 3 weist als Teil seiner Fläche eine Membranstruktur 3a auf, die eine Trägerschicht und zumindest eine auf der Trägerschicht angeordnete Piezoschicht aufweisen kann, wobei die Piezoschicht zumindest ein piezoelektrisches Material aufweist. Beispielsweise über zwei Drähte 15a und 15b ist eine Spannung an die Membranstruktur 3a anlegbar, durch welche die Membranstruktur 3a zumindest bereichsweise zum Schwingen anregbar ist. Mögliche bevorzugte aber nicht notwendige Ausführungsformen der Drähte sind Bonddrähte oder flexible Leiterplatten mit einer elektrisch leitenden Komponente auf Basis von Gold, Platin, Kupfer, Aluminium, Iridium oder einer Kombination dieser Materialien. Diese können für eine elektrische Isolierung mit einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Polyimid, Parylene, Flüssigkristallpolymer, Silikon oder einem anderen Material umgeben sein.
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Die Trommelfellkontaktform 2 hat im gezeigten Beispiel eine dem Schallwandler 3 abgewandte Oberfläche, die jener dem Gehörgang zugewandten Oberfläche des Trommelfells 1 folgt, also im Wesentlichen parallel zu dieser verläuft. Dadurch ist das Vibrationsmodul 111 mit dieser Oberfläche der Trommelfellkontaktform 2 auf dem Trommelfell 1 auflegbar. Die Trommelfellkontaktform 2 ist an ihrem Rand mit einem Rand 3b des flächigen Schallwandlers 3 verbunden. Im gezeigten Beispiel sind der Schallwandler 3 und die Trommelfellkontaktform 2 auf dem gesamten Umfang ihres jeweiligen Randes miteinander verbunden. Dabei ist die Trommelfellkontaktform 2 so ausgestaltet, dass sie dort, wo sie oberhalb der Membranstruktur 3a liegt, dünn wie eine Membran oder Folie ausgestaltet ist, so dass sie im Wesentlichen nur in Richtung der Fläche dieses Bereichs der Trommelfellkontaktform wirkenden Kräften eine Kraft entgegensetzt, nicht jedoch Kräften, die senkrecht zu ihrer Fläche wirken. Der dünne Bereich der Trommelfellkontaktform 2 geht an seinem Rand monolithisch über in eine Stufe in Richtung des Schallwandlers 3, auf deren dem Schallwandler 3 zugewandter Oberfläche der Rand 3b des Schallwandlers aufliegt. In Richtung zum Rand hin endet diese Stufe an einer Innenwand des Randes der Trommelfellkontaktform 2, an welcher eine Außenwand des Randes 3b des Schallwandlers 3 anliegt. Der Rand der Trommelfellkontaktform 2 ist dabei so bemessen, dass der Rand 3b des Schallwandlers 3 vollständig von diesem Rand der Trommelfellkontaktform 2 umschlossen wird. Auf diese Weise wird der Schallwandler 3 von der Trommelfellkontaktform 2 umschlossen und ist in die durch die Innenwand des Randes der Trommelfellkontaktform 2 und die besagte Stufe gebildete Ecke eingesetzt. Diese Innenwand und die Oberfläche der Stufe bilden dabei wie die entsprechenden Wände des Randes 3b des Schallwandlers 3 in diesem Beispiel einen rechten Winkel. Im gezeigten Beispiel steht die Innenwand des Randes der Trommelfellkontaktform 2 etwas in Richtung des Gehörgangs über den Rand 3b des Schallwandlers über. Der Rand 3b des Schallwandlers 3 steht etwas in radialer Richtung nach innen über die Fläche der Stufe über. Diese Überstände sind Merkmale des gezeigten Beispiels, jedoch nicht wesentlich, so dass dieses Beispiel auch ohne diese Überstände realisiert sein kann. Auch ein teilweises Umschließen im Randbereich des Aktors durch die Trommelfellkontaktform ist möglich.
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Jene dem Trommelfell 1 zugewandte Oberfläche der Trommelfellkontaktform 2 folgt bis zum äußersten Rand der Trommelfellkontaktform 2 der Form der Oberfläche des Trommelfells 1. Auf diese Weise kann das Vibrationsmodul 111 vollständig auf dem Trommelfell 1 aufliegen, ggf. über eine vermittelnde oder adhäsive Schicht im Spalt 14.
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Der Rand 3b des Schallwandlers 3 hat im gezeigten Beispiel eine größere Dicke in Richtung senkrecht zur Fläche des Schallwandlers 3 als die Membranstruktur 3a. Hierdurch kann der Rand 3b den Schallwandler 3 stabilisieren.
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Im in 1 gezeigten Beispiel ist der Innenraum 4 mit einem Schwingungsübertragungsmaterial vollständig gefüllt, über welches Schwingungen der Membranstruktur 3a auf die Trommelfellkontaktform 2 übertragbar sind. Vorteilhafterweise kann die Steifigkeit des Schwingungsübertragungsmaterials inhomogen sein, so dass im Innenvolumen 4 ein Bereich mit erhöhter Steifigkeit von beispielsweise größer oder gleich 100 kN/m vorhanden ist.
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Im gezeigten Beispiel wird die Form der Trommelfellkontaktform 2 durch die Form des Trommelfells 1 bestimmt. Die dem Gehörgang zugewandte Oberfläche des Trommelfells 1 hat am Umbo 10 den größten Abstand von einer durch den Rand des Trommelfells aufgespannten gedachten ebenen Fläche. Im gezeigten Beispiel hat daher jene dem Trommelfell 1 zugewandte Oberfläche der Trommelfellkontaktform 2 am Umbo 10 den größten Abstand von der Fläche der Membranstruktur 3a.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls 111, das hier unmittelbar direkt auf dem Trommelfell 1 aufliegt. Die Trommelfellkontaktform 2 und der Schallwandler 3 sind wie in 1 beschrieben ausgestaltet, so dass auf die Ausführungen dort verwiesen werden soll. Im in 2 gezeigten Beispiel ist im Innenvolumen 4 ein Schwingungsübertragungselement 6, hier in Form eines Stößels 6, angeordnet, dass sich länglich von der Membranstruktur 3a zu einer dem Schallwandler 3 zugewandten Oberfläche der Trommelfellkontaktform 2 erstreckt und an einer Seite mit der Membranstruktur 3a verbunden ist oder an dieser anliegt und mit seiner gegenüberliegenden Seite mit der Trommelfellkontaktform 2 verbunden ist oder an diese anliegt. Vorzugsweise grenzt das Schwingungsübertragungselement an jene Stelle der Membranstruktur 3a an, wo diese beim Anlegen der Spannung mit der maximalen Auslenkung schwingt. Auf Seiten der Trommelfellkontaktform 2 ist es vorteilhaft, wenn das Schwingungsübertragungselement 6 in einem Bereich an die Trommelfellkontaktform 2 angrenzt, der über dem Umbo 10 liegt. In allen Ausführungsformen ist es bevorzugt, wenn das Schwingungsübertragungselement 6 eine Steifigkeit hat, die größer ist als jene des Umbo von 1.200 N/m. Bevorzugt hat das Schwingungsübertragungselement eine Steifigkeit von größer oder gleich 10 kN/m, besonders bevorzugt von größer oder gleich 100 kN/m.
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Der Stößel 6 kann eine Länge in Richtung senkrecht zum Schallwandler 3 von beispielsweise zwischen 0,5 mm und 4 mm haben. Ein Durchmesser des Stößels 6 ist vorzugsweise kleiner als ein Durchmesser der Membranstruktur 3a und besonders vorteilhaft kleiner oder gleich 2 mm und/oder größer oder gleich 0,5 mm.
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Im in 2 gezeigten Beispiel ist jener Bereich des Innenvolumens 4, in dem nicht das Schwingungsübertragungselement 6 vorliegt, mit einem weichen elastischen Material gefüllt. Dieses weiche Material kann ein deutlich geringeres Elastizitätsmodul haben als das Schwingungsübertragungselement 6. Im in 2 gezeigten Beispiel erstreckt sich das Schwingungsübertragungselement 6 bis kurz vor die Innenoberfläche der Trommelfellkontaktform 2, so dass zwischen jener der Trommelfellkontaktform 2 zugewandten Oberfläche des Schwingungsübertragungselementes 6 und der Innenoberfläche der Trommelfellkontaktform 2 ein Spalt besteht, in dem das weiche Material vorliegen kann.
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Vorzugsweise ist die Steifigkeit des Schwingungsübertragungselementes 6 zumindest um den Faktor 10 größer als die Steifigkeit des weichen Materials.
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Das Schwingungsübertragungselement 6 ist im gezeigten Beispiel von der Membranstruktur 3a ausgehend zunächst zylindrisch geformt, und erweitert sich dann vor seinem Ende in Richtung der Trommelfellkontaktform. Hierdurch ist jene der Trommelfellkontaktform 2 zugewandte Oberfläche des Schwingungsübertragungselementes 6 größer als ein Querschnitt des Schwingungsübertragungselementes 6 in dem dem Schallwandler 3 zugewandten Bereich. Die Form jener der Trommelfellkontaktform 2 zugewandten Oberfläche des Schwingungsübertragungselements 6 folgt der Form der Innenoberfläche der Trommelfellkontaktform 2 in jenem Bereich, der der Oberfläche des Schwingungsübertragungselementes 6 gegenüberliegt.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls. Das in 3 gezeigten Beispiel ist wie jenes in 2 gezeigte ausgestaltet, mit den folgenden Unterschieden. In 2 grenzt das Schwingungsübertragungselement 6 mit einem Bereich konstanter Querschnittsfläche an die Membranstruktur 3a an. Im Gegensatz dazu erweitert sich in 3 die Querschnittsfläche des Schwingungsübertragungselementes 6 ausgehend von einem Bereich konstanten Querschnitts in Richtung der Membranstruktur 3a, um dort mit einer maximalen Fläche anzugrenzen. Die Erweiterung kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, dass das Schwingungsübertragungselement 6 in seiner Ausgestaltung wie in 2 gezeigt in ein auf der Membranstruktur 3a aufliegendes Material eingebettet wird, das das Schwingungsübertragungselement 6 umgibt.
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Im in 2 gezeigten Beispiel bestand ein schmaler Abstand zwischen jener der Trommelfellkontaktform 2 zugewandten Oberfläche des Schwingungsübertragungselements 6 und der Innenoberfläche der Trommelfellkontaktform 2. Im in 3 gezeigten Beispiel ist dieser Spalt mit einem Material 7 gefüllt, das auch als Teil des Schwingungsübertragungselements 6 angesehen werden kann. In diesem Fall grenzt das in 2 gezeigte ausgestaltete Schwingungsübertragungselement 6 über das Material 7 an die Trommelfellkontaktform 2 an.
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Die Materialien 5 und 7 können zum Beispiel Klebstoff zur Verbindung des Schwingungsübertragungselements mit dem Schallwandler bzw. der Trommelfellkontaktform aufweisen oder sein, z.B. Silikon, Epoxidharz, Cyanacrylat und/oder Gummi.
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Jener nicht von dem Schwingungsübertragungselement 6 und den Materialien 5 und 7 ausgefüllte Bereich des Innenvolumens 4 ist wiederum mit einem weichen Material gefüllt, wie in 2 gezeigt. Der Schallwandler 3 und die Trommelfellkontaktform 2 sind hier ebenfalls wie in 2 gezeigt ausgestaltet.
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4 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls. Abgesehen von den folgenden Unterschieden ist das in 4 gezeigte Vibrationsmodul 111 wie das in 3 gezeigte ausgestaltet.
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Während in 3 das Innenvolumen 4 dort, wo nicht das Schwingungsübertragungselement 6 und die Materialien 5 und 7 vorliegen, mit einem weichen Material gefüllt ist, ist in 4 dieser Bereich des Innenvolumens 4 leer bzw. mit Luft gefüllt. Das Schwingungsübertragungselement 6, der Schallwandler 3 und die Trommelfellkontaktform 2 sind wie in 2 gezeigt ausgestaltet, so dass auf die Beschreibung dort verwiesen werden soll. Die Materialien 5 und 7 sind in 4 wie 3 gezeigt ausgeführt, so dass auf die Beschreibung zu 3 verwiesen werden soll.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls 111. Im in 5 gezeigten Beispiel weist die Trommelfellkontaktform 2 einen Rand auf, der mit einer gerade Innenwand an den dünnen bzw. membranförmigen Bereich der Trommelfellkontaktform 2 angrenzt. Der Schallwandler 3 liegt mit seinem äußeren Rand an dieser Innenwand der Trommelfellkontaktform 2 an und ist bis zum membranförmigen Bereich der Trommelfellkontaktform 2 in eine von dem Rand der Trommelfellkontaktform 2 umlaufenen Öffnung eingesetzt.
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Zwischen dem Schallwandler 3 und dem membranförmigen Abschnitt der Trommelfellkontaktform 2 ist wiederum ein Schwingungsübertragungselement 6 angeordnet, das von einem Punkt maximaler Auslenkung der Membranstruktur 3a zu einem Punkt der Trommelfellkontaktform 2 verläuft, der über dem Umbo angeordnet ist, wenn das Vibrationsmodul bestimmungsgemäß auf einem Trommelfell 1 angeordnet ist. Das Innenvolumen 4 ist im gezeigten Beispiel mit einem weichen, im Wesentlichen inkompressiblen Material gefüllt. Wird nun die Membranstruktur 3a im Laufe der Schwingung in eine ausgelenkte Position ausgelenkt, die mit 12 gekennzeichnet ist, so verdrängt die Membranstruktur 3a das inkompressible Material. Im in 5 gezeigten Beispiel weist das Vibrationsmodul 111 in der Fläche des Schallwandlers 3 eine Öffnung 9 auf, in welche das inkompressible Material hinein verdrängt werden kann.
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5 zeigt eine Überlagerung zweiter Phasen der Schwingung der Membranstruktur 3a. Dabei soll als erste Phase im Folgenden jene Phase bezeichnet werden, in der die Membranstruktur 3a unausgelenkt, also eben ist und als zweite Phase jene Phase, in der die Membranstruktur 3a die mit 12 gekennzeichnete Form hat, die hier als maximale Auslenkung angesehen werden soll.
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Zu erkennen ist, dass in der zweiten Phase das Schwingungsübertragungselement 6 in die Position 6b verschoben ist und dadurch die Trommelfellkontaktform 2 in die Form 2b überführt, die hierdurch auf das Trommelfell 1 wirkt. Gleichzeitig wird das inkompressible Material verdrängt und weist daher im Bereich der Öffnung 9 eine nach außen gewölbte Oberfläche 8b auf. Im unausgelenkten Zustand der Membranstruktur 3a ist die Oberfläche des Materials 8 hingegen eben.
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Das Volumen, das von der Membranstruktur 3a zwischen unausgelenktem und ausgelenktem Zustand 12 überstrichen wird, unterscheidet sich normalerweise von dem Volumen, das von der Trommelfellkontaktform 2 zwischen unausgelenktem und ausgelenktem Zustand 2b überstrichen wird. Das inkompressible Füllmaterial im Innenvolumen 4 wird daher teilweise in die Öffnung 9 verdrängt und führt zu einer Oberflächenverformung des Füllmaterials an der Öffnung 9.
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In den in 2, 3 und 4 gezeigten Beispielen stand das Schwingungsübertragungselement 6 im Wesentlichen senkrecht auf einem Bereich in oder nahe der Mitte der Membranstruktur 3a, da die Mitte der Membranstruktur 3a in diesen Ausgestaltungen im Wesentlichen direkt unter dem Umbo 10 liegt. Durch die im in 5 gezeigten Beispiel vorgesehene Öffnung 9 kann sich unter bestimmten Umständen der Ort maximaler Auslenkung der Membranstruktur 3a von der Mitte der durch den Rand der Trommelfellkontaktform 2 gebildeten Öffnung weg verschieben. Dies ist in 5 gezeigt. Soll das Schwingungsübertragungselement 6 auch hier am Bereich maximaler Auslenkung an die Membranstruktur 3a angrenzen, so steht das Schwingungsübertragungselement 6 mit seiner Längsrichtung in einem Winkel von ungleich 90° zur Ebene, in der sich die Membranstruktur 3a erstreckt.
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6 zeigt in den Teilfiguren A und B zwei Aufsichten auf die in 5 gezeigte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Vibrationsmoduls, jedoch mit unterschiedlich positionierten Öffnungen 9.
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Es ist zu erkennen, dass das Vibrationsmodul 111 sowie die Trommelfellkontaktform 2 und der Schallwandler 3 im Wesentlichen kreisförmigen Umfang haben. Der Maleus 11 ist gepunktet eingezeichnet, da er in der gezeigten Aufsicht eigentlich nicht zu erkennen ist, hier jedoch zur Orientierung eingezeichnet ist. Im in 6A gezeigten Beispiel ist die Öffnung 9 kreisförmig ausgestaltet und liegt vollständig innerhalb der Fläche der Membranstruktur des Schallwandlers 3. Der Rand der Öffnung 9 wird also auf seiner gesamten Länge durch die Membranstruktur 3a gebildet.
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Im in 6B gezeigten Beispiel ist die Öffnung 9 als Ausnehmung im Rand der Membranstruktur 3a des Schallwandlers 3 ausgestaltet. Ein Teil des Randes der Öffnung 9 wird also durch die Membranstruktur 3a gebildet, während ein anderer Teil des Randes der Öffnung durch den Rand der Trommelfellkontaktform 2 gebildet wird. Die Öffnung könnte auch durch einen von der Kreisform abweichenden Rand gebildet werden.
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7 zeigt ein weiteres beispielhaftes Vibrationsmodul 111 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Gezeigt ist wiederum eine Aufsicht auf die Fläche der Membranstruktur 3a des Schallwandlers 3. Der Maleus 11 ist hier wiederum gestrichelt eingezeichnet, da er in dieser Aufsicht eigentlich nicht zu erkennen ist. Der Schallwandler 111 ist im gezeigten Beispiel auf dem Trommelfell 1 angeordnet. In vielen Ausgestaltungen der Erfindung ist es vorteilhaft oder erforderlich, das Vibrationsmodul in der richtigen Ausrichtung um eine auf der Membranstruktur 3a senkrecht stehende Achse auf dem Trommelfell 1 anzuordnen. Um diese Ausrichtung zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, wenn auf jener der Trommelfellkontaktform 2 abgewandten Oberfläche des Schallwandlers 3 zumindest eine Markierung 16 vorgesehen ist, die beispielsweise in Richtung der Längsachse des Maleus 11 zeigen kann. Der Malleus scheint oft durch das opake Trommelfell hindurch oder drückt sich hindurch und bildet sich in der Oberflächen form ab und ist damit meist durch den Gehörgang erkennbar.
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8 zeigt ein Beispiel eines Schallwandlers 3, wie er im Vibrationsmodul 111 gemäß der Erfindung zum Einsatz kommen kann.
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Im gezeigten Beispiel weist der Schallwandler 3 einen kreisförmigen Umfang auf. Allgemein ist vorzugsweise die Umfangsform des Schallwandlers 3 identisch zur Umfangsform der Trommelfellkontaktform 2. Der Schallwandler 3 weist im in 8 gezeigten Beispiel eine Membranstruktur 3a auf, die durch einen kreisförmigen Rand 3b begrenzt wird.
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Dabei ist die Membranstruktur 3a durch Schnittlinien 89a, 89b und 89c unter anderem in die Segmente 88a, 88b und 88c unterteilt. Die Schnittlinien 89a, 89b und 89c sind dabei so ausgestaltet, dass sie alle Schichten der Membranstruktur 3a durchtrennen. Die Segmente 88a, 88b und 88c sind also an den Schnittlinien 89a, 89b und 89c mechanisch entkoppelt. An ihren äußeren Rändern sind die Segmente 88a, 88b und 88c am Rand fest angeordnet. Die Segmente 88a, 88b und 88c haben dadurch Kuchenstückform und sind an ihren Spitzen auslenkbar.
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Die Membranstruktur 3a kann dabei eine Trägerschicht und zumindest eine auf der Trägerschicht angeordnete zumindest ein piezo-elektrisches Material aufweisende Piezo-Schicht aufweisen, so dass durch Anlegen einer Spannung an die Piezo-Schicht Schwingungen der Membranstruktur 3a erzeugbar sind.
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Im in 8 gezeigten Beispiel schwingen daher durch Anlegen einer solchen Spannung unter anderem die Segmente 88a, 88b und 88c mit ihren der Mitte der Kreisform zugewandten Spitzen.
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Die Membranstrukur des Schallwandlers 3 ist im gezeigten Beispiel in der Fläche der Membranstruktur 3a durch Schnittlinien 89a, 89b, 89c, die alle Schichten der Membranstruktur 3a durchtrennen, in sechs Segmente wie beispielhaft die Segmente 88a, 88b und 88c unterteilt, so dass die Membranstruktur an den Schnittlinien 89a, 89b, 89c mechanisch entkoppelt ist. Im gezeigten Beispiel verlaufen die Schnittlinien radial zu einem Mittelpunkt des Schallwandlers 3 und treffen sich am Mittelpunkt, so dass alle Segmente wie beispielhaft die Segmente 88a, 88b und 88c am Mittelpunkt mechanisch entkoppelt sind. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Zahl der Segmente wie beispielhaft die Segmente 88a, 88b und 88c, die Zahl der Schnittlinien 89a, 89b, 89c wie auch die Form der Schnittlinien 89a, 89b, 89c und Segmente wie beispielhaft die Segmente 88a, 88b und 88c auf vielerlei andere Weise realisiert werden können. Beispielsweise sind auch spiralförmige Schnittlinien möglich.
