DE1299724B

DE1299724B - Mikrophonkapsel mit einem piezoelektrischen Wandlerelement und einem Transistorverstaerker

Info

Publication number: DE1299724B
Application number: DE1966S0106632
Authority: DE
Inventors: Brauer; Dr Horst; Mohaupt Jutta
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-10-21
Filing date: 1966-10-21
Publication date: 1969-07-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrophonkapsel, die einen Wandler und einen Transistorverstärker in einem Gehäuse enthält.
Üblicherweise werden in Mikrophonen zur Umwandlung mechanischer, hier durch Schall erzeugter Schwingungen in elektrische Schwingungen Membranen von einigen Zentimetern Durchmesser verwendet.
Es sind Mikrophone mit elektromagnetischem oder elektrodynamischem Antriebssystem bekannt, bei denen in einer Mikrophonkapsel, d. h. innerhalb eines elektroakustischen Wandlers, ein Transistorverstärker eingebaut ist. Die bei solchen Antriebssystemen zu verwendenden Transistorverstärker sind nicht brauchbar, wenn ein piezoelektrisches Antriebssystem bei der Mikrophonkapsel angewendet wird. Ein piezoelektrisches Antriebssystem macht einen Verstärker mit hohem Eingangswiderstand erforderlich.
Die Anwendung piezoelektrischer Wandlerelemente bei Mikrophonen ist in anderem Zusammenhang und ohne Transistorverstärker bekannt. Bei diesen bekannten Mikrophonen sind zwei piezoelektrische Wandlerelemente nebeneinander auf einer Unterlage angeordnet und darüber mit einem Steg als obere Halterung versehen. Bei diesen Wandlerelementen sind die Enden oder Ecken der Kristallfläche schwingungsfähig. Die Wandlerelemente sind über Schrauben und Gummibeilagen mit einer Membrane oder mit einer Brücke verbunden, die eine Trichtermembrane oder einen Tästkopf trägt. Abgesehen davon, daß diese bekannte Anordnung der Piezowandlerelemente in der Herstellung umständlich und hinsichtlich der zu verwendenden Teile aufwendig ist, wird die Schwingungsfähigkeit der Membrane oder der Brücke außerhalb des Zentrums ausgenutzt.
Es ist auch bekannt, Kohlegrießmikrophone zu. verwenden. Die Nachteile dieser Mikrophone (relativ höher Stromverbrauch und hoher Rauschpegel) lassen sich vermeiden, wenn man piezokeramische Wandler in Verbindung mit Verstärkern für die Piezospannung verwendet. Ein nicht zum Stande der Technik gehörender Vorschlag sieht ein Piezokeramikmikrophon vor, dessen Membrane aus Piezokeramik von hohem Kopplungsfaktor und Piezomodul in Verbindung mit einem Unipolartransistorverstärker oder einem mehrstufigen Transistorverstärker, z. B. in DARLINGTON-Schaltung, besteht. Ein solcher Wandler eignet sich für den Einsatz in Fernsprechanlagen (Telefon).
Um normale Gerätekapseln verwenden zu können, müssen die Keramikscheiben einen Durchmesser von etwa 45 mm und eine Dicke von etwa 0,25 mm haben.; Die Herstellung solcher Keramikmembranen ist zwar grundsätzlich möglich und wurde auch bereits verwirklicht, doch es sind damit noch erhebliche Nachteile bezüglich einer wirtschaftlichen Herstellungsmethode und vor allem. im Hinblick auf die Bruchfestigkeit verbunden.
Der vorliegenden Erfindung- liegt die Aufgabe zugrunde, die geschilderten Nachteile zu verringern bzw. zu beseitigen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient eine Mikrophonkapsel, die einen Wandler und einen Transistorverstärker in einem Gehäuse enthält und erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß als Wandler, wie in anderem Zusammenhang bekannt, ein piezoelektrisches Wandlerelement vorgesehen ist, daß dieses Piezowandlerelement ein- oder beidseitig an einer dünnen, piezoelektrisch nichtaktiven und als Membrane wirkenden Trägerfolie aus Metall oder Kunst-Stoff zentrisch befestigt ist und vergleichsweise zum. Durchmesser der Trägerfolie einen kleinen Durchmesser hat und -daß ein wenigstens zweistufiger Transistorverstärker in sogenannter DARLINGTON-Schaltung mit seinem hochohmigen Eingang mit den Elektroden des Piezowandlerelements elektrisch verbunden ist und niederohmigen Ausgang hat.
Die piezoelektrisch nichtaktive und als Membrane wirkende Trägerfolie ist etwa 0;05 mm stark. Das piezoelektrische Wandlerelement weist einen vergleichsweise kleinen Durchmesser auf und führt unter dem Einftuß von Schalldruck Biegeschwingungen aus.
Die Mikrophörikäpsel nach der Erfindung läßt sich aus wenigen Teilen zusammenbauen und ergibt somit gegenüber dem Bekannten eine erhebliche Bauliche Vereinfachung. Die Wirksamkeit des Mikrophons ist mit den bekannten Mikrophonen wenigstens vergleichbar.
Vorteilhafterweise verhalten sich die Durchmesser von Piezowandlerelement und Trägerfolie wie 1: 1,5 bis 1: 3. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Piezowandlerelement bzw. wenigstens eines der in Serie geschalteten Piezowandlerelemente - in Richtung seiner Achse polarisiert ist. Andererseits kann die Polarisierung auch ringförmig in Radialrichtung sein.
Als Piezokeramik mit hohem Kopplungsfaktor wird vorzugsweise -ein- Material auf' Blei Titanat-Zirkonat-Basis verwendet. -Der Transistorverstärker besteht aus wenigstens einem'Unipolartransistor. ' @--Zur Glättung des. Frequenzgänges der Empfindlichkeit der Mikrophonkapsel- -ist -die- -Ausbildung von Eigenschwingungen der Trägerfolie, z. B. durch Formgebung und/oder Einspannung derselben,- beeinflußbar.
Weitere Einzelheiten gehen aus der folgenden Beschreibung und aus den F i g. 1 bis 4 hervor. Nachdem es heute Piezokeramikmassen, z. B. auf BaTi03- oder Pb(TiZr)03-Basis mit gezielten Fremdatomzusätzen, z. B. in Form von Oxiden der Seltenen Erden oder anderer Metalle, mit Kopplungsfaktoren bis über 60 °/o und außerdem leistungsfähige und dennoch einfach aufgebaute Transistorverstärker, z. B. auf Si-Basis gibt, ist es technisch möglich, gute Übertragungseigenschaften mit einem oben beschriebenen Piezokeramikmikrophon zu erzielen.
Als piezöelektrisch nichtaktive Trägerfolie kann eine dünne, etwa 0,05 mm dicke Folie von gewünschtem Durchmesser - bei Membranen für übliche Telefone also etwa 45 mm = aus Metall, z. B. Aluminium oder Kupfer, oder auch aus Kunststoff, etwa Pertinax, verwendet werden, die peripher zur Stabilisierung noch durch einen Spannring verstärkt sein kann. Auf dieser Trägerfolie ist zentrisch das piezokeramische Wandlerelement mit einem Durchmesser-von etwa 15 bis 30 mm aufgebracht. Dieses kann als Einfachwandler, auf einer Seite der Trägerfolie- aufgebracht oder auch als in Serie geschalteter Doppelwandler, beiderseits der Trägerfolie je ein Einfachwandler, ausgebildet sein. Die Dicke beträgt für jeden Einfachwandler etwa 0,2 bis 0,5 mm. Bei den ringförmig in Radialrichtung polarisierten Wandlern beträgt der Abstand für die ringförmig aufgebrachten Kammelektroden z. B: etwa 2 mm (vgl. F i g. 4).
Die gesinterten Piezokeramikscheiben sind mit Rufdampf- oder Einbrennelektroden versehen und werden z. B. bei 180°C mit Feldstärken von etwa 3 kV pro Millimeter polarisiert. Beim Verbiegen der Wandler unter dem Einfluß von Schalldruck entsteht an den Elektroden unterschiedlicher Polarität dann eine Piezospannung, die auf den Verstärkereingang gegeben wird.
Der in gemessene Übertragungsfaktor ü und damit auch die in gemessene Empfindlichkeit

wo = 2.f, = 300 Hz

E = ü wo C mit (Bezugsfrequenz),

C = Kapazität der Membrane

sind in den hier interessierenden Frequenzbereich (Hauptsprechgebiet) zwischen etwa 300 und 4000 Hz von der Frequenz abhängig.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung kann dieser Frequenzgang des Übertragungsfaktors bzw. der Empfindlichkeit durch Formgebung und/oder Wahl des Materials und/oder Art der Einspannung der Trägerfolie beeinflußt werden.
Als wesentliche Vorteile gegenüber dem im älteren Vorschlag bereits angegebenen Piezokeramikmikrophon sind vor allem die wesentlich kleinere Ausbildung der piezokeramischen Wandler, d. h. die wesentlich einfachere technologische Herstellung, und die damit verbundene größere Bruchfestigkeit, sowie die Verwendung einer Trägerfolie, mit der der Frequenzgang der Empfindlichkeit geglättet werden kann, anzusehen.
Besonders geeignet als erforderlicher kleindimensionierter Halbleiterverstärker mit hochohmigem Eingang (einige MSZ) und niederohmigem Ausgang (etwa 200 SZ) ist ein mehrstufiger, z. B. ein zweistufiger Transistorverstärker in DARLINGTON-Schaltung, wie er in F i g. 1 skizziert ist. Wegen ihres hochohmigen Eingangs können aber auch Unipolartransistoren verwendet werden.
Die F i g. 2 bzw. 3 zeigen schematisch die Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Piezokeramikmikrophons mit einem piezokeramischen, in Richtung der Scheibenachse polarisierten Einfach-bzw. einem aus zwei in Serie geschalteten Einfachwandlern bestehenden Doppelwandler, der zentrisch auf einer piezoelektrisch nichtaktiven Trägerfolie elektrisch leitend aufgebracht ist.

Es bedeuten in

Fig.1

1' und 1" = zwei Transistoren (z. B. zwei BFY 33),

2 und 3 = Verstärker-Eingang, vom Piezo-

wandler her,

4 und 5 = Verstärker-Ausgang (Polurig

und -),

F i g. 2 bzw. 3

1 = Halbleiter-Verstärker (schematisch,

vgl. dazu z. B. F i g. 1),

2' und 3' = Elektrodenkontaktierungen des

Piezokeramikwandlers (Einfach-

wandler in F i g. 2 bzw. Doppel-

wandler in F i g. 3), die den Ver-

stärker-Eingang bilden,

4' = Kontaktierung des Mikrophon-

gehäuses 7,

5' = isolierte Durchführung durch das

Mikrophongehäuse 7,

. 4- und 5- = Verstärker-Ausgang (Polurig

-j- und-), - -

6 = schalldurchlässige Schutzhülle vor

der Membrane, 1 -

7 -= Mikrophongehäuse, -

8 = Einspannvorrichtung für die Träger-

folie 9,

- : : 9 = nichtaktive Trägerfolie aus Metall,

z. B. Cu, oder Kunststoff, z. B.

Pertinax,

10 = Piezokeramikwandler (10' = zweiter

Wandler des aus zwei in Serie ge-

schalteten Einfachwandlern be-

stehenden Doppelwandlers in

F i g. 3),

11 = elektrische Kontaktierung der Ein-

fach- bzw. Doppelwandlers mit der

Trägerfolie 9.

In F i g. 4 ist eine Möglichkeit für die Anordnung. von - schraffiert gezeichneten - Kammelektroden auf einer ringförmig in Radialrichtung polarisierte Keramikscheibe veranschaulicht; die Bezeichnungen entsprechen denen der F i g. 2 und 3.

Claims

Patentansprüche: 1. Mikrophonkapsel, die einen Wandler und einen Transistorverstärker in einem Gehäuse enthält, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler, wie in anderem Zusammenhang bekannt, ein piezoelektrisches Wandlerelement (10, 10') vorgesehen ist, daß dieses Piezowandlerelement (10,10') ein- oder beidseitig an einer dünnen, piezoelektrisch nichtaktiven und als Membrane wirkenden Trägerfolie (9) aus Metall oder Kunststoff zentrisch befestigt ist und vergleichsweise zum Durchmesser der Trägerfolie (9) einen kleinen Durchmesser hat, und daß ein wenigstens zweistufiger Transistorverstärker (1) in sogenannter DARLINGTON-Schaltung mit seinem hochohmigen Eingang (2, 3) mit den Elektroden ( 2', 3') des Piezowandlerelements (10,10') elektrisch verbunden ist und niederohmigen Ausgang (4, 5) hat.
2. Mikrophonkapsel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Durchmesser von Piezowandlerelement (10; 10') und Trägerfolie (9) wie 1: 1,5 bis 1: 3 verhalten.
3. Mikrophonkapsel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezowandlerelement (10) bzw. wenigstens eines der in Serie geschalteten Piezowandlerelemente (10,10)' in Richtung seiner Achse polarisiert ist.
4. Mikrophonkapsel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezowandlerelement (10) bzw. wenigstens eines der in Serie geschalteten Piezowandlerelemente (10, 10') ringförmig in Radialrichtung polarisiert ist.
5. Mikrophonkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo, keramik mit hohem Kopplungsfaktor aus Material auf Pb (Zr, Ti)03-Basis besteht.
6. Mikrophonkapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistorverstärker aus wenigstens einem Unipolartransistor besteht.
7. Mikrophonkapsel nach einem der Ansprüche l bis 6, dadurch gekennzeichnet, daB zur Glättung des Frequenzganges der Empfindlichkeit die Ausbildung von Eigenschwingungen der Trägerfolie (9), z. B. durch Formgebung und/oder Einspannung derselben, beeinflußbar ist.