DE1437412B2

DE1437412B2 - Elektrostatischer elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE1437412B2
Application number: DE19641437412
Authority: DE
Inventors: Tomio Yokohama; Riko Yasuhiro Kawasaki; Yoshida (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1963-01-25
Filing date: 1964-01-24
Publication date: 1971-12-09
Also published as: DE1437412A1; NL6400506A; US3372245A; FR1389670A

Description

1 2

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro- Membran stets so verteilt ist, daß in der Mitte der

statischen elektroakustischen Wandler mit einer Membran eine große Kraft und an den Rändern

ebenen, elektrisch leitenden Membran und mindestens eine kleine Kraft angreift und damit eine knotenfreie

einer Steuerelektrode, die ein in seinem zeitlichen Schwingung herrscht. Sind andererseits etwa bei sehr

Verlauf dem Nutzsignal entsprechendes elektrisches 5 großen Membranen Knotenlinien stehender Wellen

Feld gegen die Membran und durch ihre ungleich- vorgesehen, so liegen diese bei allen Frequenzen

mäßige Ausbildung in ihrer Wirksamkeit hinsichtlich gleich. . ■

ihres Krafteinflusses auf die Membran eine durch Zum Zweck der Verteilung der Kraft stehen dem

das Feld bewirkte, in ihrem örtlichen Verlauf variable Fachmann verschiedene, teilweise an sich bekannte

Kraft zwischen der Membran und der Elektrode io Mittel zur Verfügung, insbesondere kann er eine

erzeugt. entsprechende Verteilung der Steuerspannung, der

Bei den elektrostatischen elektroakustischen Wand- Vorspannung oder der Kraftkoeffizienten vorsehen, lern tritt das Problem auf, daß die Membran bei Beispielsweise ist es zweckmäßig, die Elektrode den Frequenzen ihrer Grundschwingung und ihrer flächenmäßig zu unterteilen und die örtlichen Flächen-Oberschwingungen im Verhältnis zur Erregung relativ 15 teile sich entsprechend dem Verhältnis der jeweils zu hohe Amplituden aufweist. Diese Schwingungen örtlich geforderten Kraft verhaltend auszubilden, entsprechen der Bildung von Schwingungsknoten an Die Unterteilung der Steuerelektrode ist zwar an den Rändern der Membran bzw. linienförmig über sich zur Anpassung des kapazitiven Leitwerts an ihre Fläche verlaufend. Insbesondere bei groß- unterschiedliche Frequenzen (deutsche Patentschrift flächigen Membranen, wie sie bei elektrostatischen 20 581 339) oder auch zur Beeinflussung der Kraftver-Lautsprechern anwendbar sind, kann die Anregung teilung (deutsche Patentschrift 547 916) an sich in der Frequenz solcher Schwingungen einen äußerst bekannt, sie wird jedoch im Rahmen der Erfindung ungünstigen Einfluß auf den Frequenzgang des dazu angewandt, der Kraft die gegebene erfindungs-Wandlers ausüben. Beim Überwandern dieser Fre- gemäße Verteilung mitzuteilen.

quenzen kann sich das Schwingungsbild sprunghaft 25 Die gegebene Kraftverteilung kann auch durch

ändern. Wahl eines örtlich verschiedenen Abstands der Steuer-

Es ist bekannt (deutsche Patentschrift 547 916, elektrode zur Membran erzielt werden; unterschied-USA.-Patentschrift 1 948 637), die sich durch solche liehe Abstände der Steuerelektrode zur Membran sich ändernden Schwingungsknotenverteilungen erge- sind ebenfalls an sich bekannt, und zwar zum Unterbenden Probleme so anzugehen, daß an denjenigen 30 teilen der Membran im Bereich für verschiedene Stellen, an denen örtlich die Schwingungsscheitel- Frequenzen (USA.-Patentschrift 3 008 013) oder in punkte der wichtigsten störenden Resonanzfrequenz Form einer mehrfach gewölbten Elektrode zur zu erwarten sind, eine höhere Dämpfung vorgesehen Steuerung der auftretenden Zugspannungen in der wird als an anderen Orten der Membran. Zur ört- Membran (USA.-Patentschrift 1 877 868).
liehen Beeinflussung der Dämpfung dient nach dem 35 Schließlich kann die Elektrode auch örtlich mit Stand der Technik die Anordnung von Luftlöchern unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt sein, beiin einer Deckwand unweit der abstrahlenden Fläche spielsweise können unterschiedliche Gleichvorspander Membran, im allgemeinen in der steuernden nungen angelegt sein. Eine unterschiedliche Span-Elektrode selbst, wodurch an den stärker zu dämp- nungsbeaufschlagung einzelner Elektroden aus Grünfenden Stellen ein weniger leicht wegdrückbares Luft- 40 den der Wandlerimpedanz ist ebenfalls an sich kissen entsteht. Es ist auch bekannt, die örtliche bekannt (USA.-Patentschrift 3 008 013). Schließlich Dämpfung dadurch zu ersetzen, daß an den betref- ist auch eine verteilte Belegung der Steuerelektrode fenden Stellen die elektrische Erregung etwa durch mit unterschiedlichen Dielektrika möglich,
eine Unterbrechung der metallenen Steuerelektrode Für die Wahl der Resonanzenschwingung, auf vermindert wird. 45 die die Kraftverteilung auf die Membran abgestimmt

Eine solche Unterdrückung der für am störendsten werden soll, bietet sich vor allem die Grundschwingung

befundenen resonanten Schwingung schafft jedoch an, besonders für den Niederfrequenzbereich, in der

noch keine vollkommen idealen Verhältnisse und die Schallwellenlänge gegebenenfalls verhältnismäßig

stabilen Schwingungszustände für alle Frequenzen, groß im Vergleich zur Größe der Membran ist.

da hierdurch ein Umschlagen der Schwingungsknoten 50 Zur weiteren Stabilisierung der Schwingung, ins-

und ein störender Einfluß insbesondere der höheren besondere im Verwendungsfall des Wandlers als

Harmonischen nicht verhindert werden kann. Mikrophon, kann es zweckmäßig sein, durch ein

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe elektro-mechano-elektrisches Rückkopplungssystem zugrunde, einen für alle Frequenzen stabilen, gleichen die Amplitude zu regeln, indem sie elektrisch abge-Schwingungsmodus zu erzwingen. Diese Aufgabe 55 tastet und zur Beeinflussung der Schwingungsparawird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die meter weiterverarbeitet wird, so daß auch im Frean der Membran angreifende variable Kraft an quenzbereich resonanter Schwingungen die auftrejedem Punkt der Membran proportional der senk- tenden Amplituden leicht zu beherrschen sind,
rechten Auslenkung dieses Punktes aus der Nullage Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der bei einer gewählten resonanten Schwingung der 60 Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei-Membran ist. Es wird also die an der Membran bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsangreifende Kraft so über ihre Fläche verteilt, daß weise veranschaulicht,
unabhängig von der Frequenz stets der gleiche und zwar zeigen

Schwingungsmodus herrscht, also beispielsweise mit F i g. 1 und 2 das Prinzip von elektrostatischen

einer Kraftverteilung entsprechend der örtlichen Aus- 65 elektroakustischen Wandler,

lenkung bei der Resonanz-Grundschwingung, wobei F i g. 3 einen Wandler mit einer kreisförmigen

die im Betrieb mit wechselnden Frequenzen auf- Steuerelektrode mit veränderlicher effektiver Fläche,

tretende elektrostatische Krafteinwirkung auf die F i g. 4 einen Wandler mit einer kreisförmigen

' steuerelektrode mit veränderlichem Elektrodenab- ε die Dielektrizitätskonstante, S die effektive Fläche 'stand, der Elektrode und E die Vorspannung. Die auf die

F i g. 5 einen Wandler mit einer kreisförmigen Membran 1 wirkende Auslenkkraft kann dadurch Steuerelektrode mit veränderlicher Vorspannung, verteilt werden, daß die Dielektrizitätskonstante ε,

F i g. 6 einen Wandler mit einer kreisförmigen 5 die Elektrodenfläche S, die Vorspannung E oder der Steuerelektrode und mit veränderlicher Dielektrizitäts- Elektrodenabstand d variiert werden, konstante des Dielektrikums, Zur Erzwingung einer Auslenkungsverteilung ent-

F i g. 7 bis 9 Ausführungsformen der Erfindung sprechend einer «-ten resonanten Schwingung der j ohne Verwendung einer Gleichspannungsquelle zur Membran für alle durch die Ansteuerung erzwungenen j Erzeugung der Vorspannung, io Frequenzen ist die Verteilung des Kraftfaktors pro-

1 F i g. 10 bis 11 Beispiele von Hilfselektroden zur portional der bei dieser resonanten Schwingung auf-I Feststellung von Schwingungsamplituden, tretenden senkrechten Auslenkung der Membran 1

F i g. 12 und 13 die Amplitudenkontrolle unter ,. , , ι r\......... . ., ,

Verwendung der Modulation von hoher Frequenz, S^emacht' ^also ^J° («» ä) ^{fur eine} kreisförmige Membran

F i g. 14 die Amplitudenkontrolle unter Verwen- 15 ,„ . , ,. „ , „. η ... . , . . . _Λ/Γ dung von piezoelektrischen Materialien, ^(F ' * ^{3 bls 6}> ^{und διη}α^{πΓ fur eine} rechteckige Mem-

F i g. 15 einen Blockschaltplan für Bewegungs- bran, wobei J₀ (x) die Bessel-Funktion erster Art Rückkopplung. nullter Ordnung mit χ als Argument bezeichnet,

Wie in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, besteht ein tx_n der Wert der w-ten Wurzel ist, die die Gleichung elektrostatischer elektroakustischer Wandler allgemein 20 J₀ (χ) = 0 befriedigt, α der Radius der kreisförmigen aus einem mittig angeordneten vibrierenden EIe- Membran oder die halbe Seitenlänge der rechteckigen ment 1, das aus einer dünnen Metallplatte oder einer Membran und r der Abstand vom Mittelpunkt ist. metallisierten Kunststoffmembran, beispielsweise einer F i g. 3 zeigt eine unterteilte Steuerelektrode, deren

elektrisch leitenden Membran aus geschäumtem relative Flächenbelegung mit leitendem Material der Kunststoff besteht, und einer oder zwei festen Steuer- 25 jeweiligen örtlichen Auslenkung der Membran bei elektroden 2, die in der Nähe der Membran 1 dieser ihrer Resonanz-Grundschwingung proportional ist. gegenüber auf einer oder beiden Seiten angeordnet Im mittleren Bereich der Membran 1 befindet sich sind. Zwischen der Membran 1 und der Steuerelek- ein großes metallisches Stück der Steuerelektrode 2, trode 2 werden eine Gleichvorspannung von einer so daß hier eine maximale elektrostatische Anzie-Spannungsquelle 3 und eine Wechsel-Signalspannung 30 hungskraft auf die Membran einwirkt. Zum Rand von einer Signalquelle 4 angelegt, wodurch elektro- zu werden die leitenden Flächenteile der Steuerstatische Kräfte an der Membran 1 angreifen und elektrode 2 immer kleiner, so daß dort die Kraft sie zum Schwingen bringen. Ein Blockkondensator 5 abnimmt. Die Änderung der die Auslenkung bewir- und ein Schutzwiderstand 6 liegen zwischen der kenden Kraft mit dem Ort erfolgt zwar stufenweise, Signalquelle 4 und der Vorspannungsquelle 3, und 35 in ihrem mittleren Verlauf entspricht die Kraft jedoch ihre Relativwerte sind durch den Kraftfaktor oder der jeweiligen örtlichen Normal-Auslenkung. Die die Proportionalitätskonstante zwischen der Signal- Membran 1 kann deshalb bei jeder Frequenz nur in spannung und der auf die Membran wirkenden Aus- ihrer ganzen Fläche schwingen, ohne daß in Ablenkkraft in bekannter Weise korreliert. Gemäß hängigkeit von der jeweiligen Schwingungsfrequenz F i g. 2 wird die Vorspannung von der Gleichspan- 4° Knotenlinien od. dgl. auftreten und über die Membran nungsquelle 3 geliefert, statt dessen können jedoch wandern.

auch einige Kunststoffmembranen, wie eine Poly- Nach F i g. 4 wird die örtliche elektrostatische

carbonatmembran, bei hoher Temperatur polarisiert Kraft durch den Abstand der Steuerelektrode 2 von werden, jedoch im allgemeinen nicht permanent, der Membran 1 beeinflußt, wobei leicht eine stetige einige von ihnen fallen mit der Zeit ab. Dement- 45 Kraftverteilung vorgesehen werden kann. Beim darsprechend kann das System dadurch zum Arbeiten gestellten Wandler ist wiederum eine Auslenkvergebracht werden, daß die Steuerelektrode 2 perio- teilung entsprechend der Resonanz-Grundschwingung disch geladen wird. Die Vorspannung kann auch der Membran 1 vorgesehen.

in Form einer elektrischen Ladung vorgesehen sein, Bei der Anordnung nach F i g. 5 wird durch die

mit der die Kapazität zwischen den Elektroden 50 Wahl der von der Stromquelle 3 stammenden Vorgeladen wird, beispielsweise indem der Schutzwider- spannung, die über Widerstände 66 von einem mittstand 6 in F i g. 2 nur während einer Ladezeit ange- leren Steuerelektrodenteil bis zu dem äußersten Randschlossen ist, in Betrieb aber unterbrochen ist. Weil Steuerelektrodenteil von der maximalen Vorspannung es einfach ist, Transformatoren mit relativ hohen bis zum Erdpotential abfällt, der gewünschte Verlauf Übersetzungsverhältnissen im Radiofrequenzbereich 55 der elektrostatischen Kraft erzielt, zu erhalten, kann auch eine Halbwellengleichrichtung Wiederum eine andere Möglichkeit ist in F i g. 6

zur Erzielung der Vorspannung verwendet werden dargestellt, nach der die Steuerelektrode 2 mit kon-(F i g. 7), mit einem Transformator 7, einem Gleich- zentrischen Ringen unterschiedlicher Dielektrika 51, richter 8 und einem elektroakustischen Wandler 9. 52, 53, 54, 55 und 56 belegt ist, deren Dielektrizitäts-Es kann auch eine Impulslängenmodulation oder 60 konstante in dieser Reihenfolge abnimmt, eine Impulshöhenmodulation gemäß F i g. 8 ver- Dementsprechend wird durch Verteilung der Steuerwendet werden. Für Gegentaktbetrieb gemäß F i g. 9 kraft in der oben beschriebenen Art eine stabilisierte kann Vollweggleichrichtung benutzt werden. In F i g. 8 Vibration in einem bestimmten Modus des Vibrationsist R₁ ein Integrierelement. Als Vorspannung stellt sich elementes erreicht. Ist die auslenkende Kraft örtlich die Gleichspannungskomponente der gleichgerichteten 65 proportional der Normalauslenkung der Membran 1 Wechselspannung ein. bei der ersten oder der η-ten Resonanzschwingung,

Der Kraftfaktor wird durch ε SE/d² ausgedrückt, wird die Schwingung stabil festgelegt. Wenn also wobei d der Abstand zwischen den Elektroden ist, η — 1 ist, kann die Vibration in Phase über der

ganzen Fläche stabil sein, während bei η 1 eine Vibration mit Knotenpunkten oder Knotenlinien stabil sein kann.

Ergänzend kann zur noch weiteren Stabilisierung der Schwingung der Membran bei allen Frequenzen, insbesondere auch bei der Verwendung des Wandlers als Mikrofon, und zur Erzielung einer geradlinigen Charakteristik eine Bewegungs-Rückkopplung geschaffen werden. Es wird eine Spannung proportional der Auslenkungsgeschwindigkeit dadurch erhalten, daß die Schwingungsamplitude der Membran 1 des Wandlers überwacht wird, die eine Kraftverteilung proportional der örtlichen Normalauslenkung hat, und zwar mittels einer Hilfselektrode 10 gemäß F i g. 12 oder 13, oder durch die Veränderung der elektrostatischen Kapazität zwischen der Membran 1 und der Steuerelektrode2 gemäß Fig. 14; auch kann die Oszillationsfrequenz eines hochfrequenten Oszillators 11 gemäß F i g. 15 entsprechend der Amplitude moduliert werden oder die Schwingungsbeschleunigung mittels piezoelektrischem Material 20 an einem Ende der Membran 1 gemäß F i g. 16 überwacht werden. Weil die Vibrationsgeschwindigkeit durch die erste Differentiation der Amplitude erhalten wird, werden die Ausgangsspannungen nach F i g. 12 bis 15 einmal differenziert, während nach F i g. 16 die Ausgangsspannungen einmal integriert wird. In F i g. 14 und 15 bezeichnen 12 eine Resonanzspule, 13 einen Niederfrequenz-Blockkondensator, 14 eine Hochfrequenzdrossel, 15 einen Gleichrichter, 17 eine Triode und 18 einen Hochfrequenztransformator.

Durch geeignete Entzerrung der so erhaltenen Spannung und deren Rückkopplung an einen Verstärker kann die Charakteristik des Wandlers gesteuert und jede gewünschte akustische Impedanz gegen von außen ankommenden Schall erreicht werden.

Fig. 15 zeigt eine solche Rückkopplungsanordnung, mit einem Wandler 21, einem Verstärker 22 mit der Verstärkung Gd, einen Rückkopplungs-Glätter oder -Ausgleicher 23 mit einer Verstärkung Ge und einer Schwingungsabtastvorrichtung 24 mit einer Empfindlichkeit Gp. Auf der Oberfläche der Membran des Wandlers 21 wird ein Schalldruck P₀ auf Grund eines von außen kommenden Schalls erzeugt. In den Wandler 21 wird die Ausgangsspannung des Verstärkers 22 eingespeist, dessen Eingangssignal das ankommende elektrische Signal ei ist, und außerdem die Ausgangsspannung e/ des Ausgleichers 23 entsprechend der Ausgangsspannung e_P des Fühlers 24, der die Amplitude der Membranschwingung abgreift. Es entsteht ein Schalldruck P an der Achse senkrecht zur schwingenden Membran. Durch geeignete Wahl der Verstärkung des Ausgleichers 23 kann die scheinbare akustische Impedanz der Membran erhöht oder erniedrigt werden und so der Frequenzgang optimiert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer elektroakustischer Wandler mit einer ebenen, elektrisch leitenden Membran und mindestens einer Steuerelektrode, die ein in seinem zeitlichen Verlauf dem Nutzsignal entsprechendes elektrisches Feld gegen die Membran und durch ihre ungleichmäßige Ausbildung in ihrer Wirksamkeit hinsichtlich ihres Krafteinflusses auf die Membran eine durch das Feld bewirkte, in ihrem örtlichen Verlauf variable Kraft zwischen der Membran und der Elektrode erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Membran (1) angreifende variable Kraft an jedem Punkt der Membran proportional der senkrechten Auslenkung dieses Punktes aus der Nullage bei einer gewählten resonanten Schwingung der Membran ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) fiächenmäßig unterteilt ist und die örtlichen Flächenteile sich entsprechend dem Verhältnis der jeweils örtlich geforderten Kraft verhalten (F i g. 3).

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektrode (2) zur Membran (1) örtlich verschieden und jeweils der örtlich geforderten Kraft zugeordnet ist (F i g. 4).

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) fiächenmäßig unterteilt und an den einzelnen Flächenteilen entsprechend der jeweils örtlich geforderten Kraft mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagt ist (F i g. 5).

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die einzelnen Flächenteile unterschiedliche Gleichvorspannungen angelegt sind.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (1) und der Elektrode (2) Dielektrika (51 bis 56) mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante zur Erzeugung örtlicher Felder entsprechend der jeweils örtlich geforderten Kraft angeordnet sind (F i g. 6).

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als resonante Schwingung die Grundschwingung gewählt ist.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein elektro-mechano-elektrisches Rückkopplungssystem, das die Amplitude der Schwingung der Membran elektrisch abtastet und ein entsprechendes Signal an eine die Schwingungsparameter ändernde Steuerschaltung für die Elektrode zur Regelung der Amplitude zurückmeldet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen