DE2330800B2 - Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wan'fäJer nach dem elektrostatischen Prinzip mit einer zwischen zwei. Außenelektroden angeordneten innenelektrode, vorzugsweise auf einen symmetrischen Gegentaktwandler. und ein Verfahren zu dessen Her ■stehung

Gute elektroakustische Eigenschaften besitzen Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip, wie sie bisher für beispielsweise Kopfhöter und Lautsprecher verwendet werden. Zwischen zwei perforierten schalldurchlässigen Außenelektroden befindet sich eine nach akustischen Kriterien ausgebildete elektrisch leitende Membran als Innenelektrode. Entsprechend der F i g. 1 wird die Signalspannung im Gegentaktprinzip den Elektroden zugeführt. Die Membran wird über einen hohen Widerstand an die Polarisationsspannungsquelle Up geschaltet.

Die Verwendung einer festen Polarisationsspannung in dieser bekannten Schaltung weist jedoch Nachteile auf. Da die elektrostatischen Kräfte proportional dem Quadrat der Spannung und reziprokproportional dem Abstand zwischen Membrane und Außenelektrode sind, nehmen sie bei Verringerung des Abstandes stark zu, so daß nichtlineare Verzerrungen entstehen und eine Anschlag- und Durchschlagsgefahr besteht.

Der Vorwiderstand wird deshalb so groß gewählt, daß nicht die Spannung zwischen den Elektroden sondern die Ladung bei der Bewegung der Membran konstant bleibt. Nähen sich bei diesem Konstantladungsprinzip die Membrane eine der beiden Außenelektroden, so vergrößert sich die Kapazität zwischen Membran und der Außenelektrode und die Spannung verringert sich entsprechend. Es ist bekannt, daß bei einer derartigen Wandlerschaltung Linearität zwischen der angelegten Signalspannung und der auf die Membrane ausgeübten Kraft besteht

Es ist weiterhin bekannt, daß der Vorwiderstand entfallen kann, wenn die Membrane aus einem Material niedriger elektrischer Leitfähigkeit besteht Die Membrane wird in dieser Ausführungsform an. ihrem Rand kontaktiert. Ein Vorteil dieses Wandlers besteht darin, daß bei gelegentlichem Anschlagen der Membran an die Außenelektrode nur eine örtlich begrenzte Entladung erfolgt, durch die die Funktion des Wandlers kaum beeinträchtigt wird.

Die weitere Entwicklung dieser Wandlerausführung hat dazu geführt, daß die Membrane mil einer permanenten einheitlichen Ladung nur positiver oder negati-

(>5 ver Art versehen ist. Die Membrane besteht dabei aus einer dielektrischen Folie mit hohem elektrischer Widerstand, welche eine permanente Ladung aufweist Eine Kontaktierung (ür die Zuführung der Polarisa·

tionsspannung entfällt hier.

Dieser Wandlertyp ist nicht mit den sogenannten Elektret-Wandlern zu vergleichen, bei denen die PoIarisationsspannung ebenfalls permanent durch ein eingebautes polarisiertes Dielektrikum srzeugt wird. Bei diesen bekannten Wandlern ist die elektretisierte Elektrode zweischichtig ausgeführt; wird die Membrane aus einem Elektretmaterial hergestellt, so muß deren eine Oberfläche metallisiert werden oder auf elek-risch leitenden stationäre« Außenelektroden wird eine Elektretschicht aufgebracht In jedem Fafl sind jedoch in den Elektroden bipolare Ladungen enthalten. Nachteilig ist vor allem beim Einsatz einer E'.ektretmembrane. daß dieselbe metsüisiert sein muß und somit ungünstige akustische Eigenschaften erhält Da außerdem, wie oben angeführt, eine bipolare Ladung auf den Elektroden vorhanden ist tritt durch ein starkes inneres Feld innerhalb der äußerst dünnen Membran eine Eigenentladung auf. Membranwerkstoffe, die durch einen äußerst hohen elektrischen Widerstand diese Entladung wenn nicht verhindern, so doch auf einen langen Zeitraum ausdehnen können, weisen akustisch ungünstige Eigenschaften auf. Die bisher bekannten akustisch zu bevorzugenden Werkstoffe weisen dagegen niedrigere Isolationswiderstände auf.

Es ist auch in der DT-OS 2 06 210 vorgeschlagen worden, die Elektret-Membrane nach dem Zusammenbau zu einem Wandler durch Anlegen einer Polarisierungsspannung elektrisch zu formieren, um die bei der Montage auftretenden Ladungsverluste zu vormeiden. Die bei der Polarisierung nach diesem Vorschlag auftretende Feldverteilung ist jedoch bestimmt von dem Verhältnis der Membrandicke (Elektretmaterialstärke) zum Luftspalt und von dem Verhältnis der Elektrizitätskonstanten von Luft und Elektretmaterial zueinander. Durch unvermeidbare Toleranzen in den Materialeigenschaften und der Geometrie der Wandler wird die endgültige Polarisation unterschiedliche Werte aufweisen, wodurch auch die akustischen Eigenschaften an sich gleicher Wandler unterschiedlich ausfallen.

Auch bei Wandlern der eingangs beschriebenen Art, bei denen die Membranen mit einer permanent einheitlichen Ladung versehen sind, ist es schwierig. Ladungen festhaftend so anzubringen, daß eine Lebensdauer der Wandler von vielen Jahren erzielt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Wandlern des elektrostatischen Prinzips mit einer zwischen zwei Außenelektroden angeordneten Innenelektrode die aufgeführten Nachteile der bekannten Wandler zu vermeiden.

Es wird ferner ein Verfahren angegeben. Wandler nach der Erfindung herzustellen.

Erfindungsgemäß ist ein solcher elektroakustischer Wandler dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode aus einem Dielektrikum mit hohem elektrischem Widerstand besteht und eine permanente Ladung nur einer Art (positiv oder negativ) gegenüber der Außenelektrode aufweist und an ihrem Rand mit einem elektrischen Anschluß versehen ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers sowie Verfahren zu dessen Herstellung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

An Hand der Zeichnung wird der Gegenstand der Erfindung nachstehend beispielsweise erläutert.

F i g. 1 zeigt einen bekannten Gegentaktwandler mit äußerer Beschaltung;

F i g. 2 stellt einen Wandler nach der Erfindung mit feststehenden Außenelektroden und einer Membrane als Innenelektrode dar;

F i g, 3 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform mit einer feststehenden Innenelektrode und zwei als Membranen ausgebildeten Außenelektroden;

F i g. 4 gibt eine Schaltungsanordnung zur Herstellung der Ladung auf der Innenelektrode sowie für ein akustisches Kontrollverfahren wieder;

F i g. 5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers mil äußerer Beschaltt'ng;

ίο F i g. 6 und 7 zeigen konstruktive Möglichkeiten für die Einspannung der Innenelektrode,

Ein elektroakustischer Wandler nach der Erfindung besteht wie in F i g. 2 dargestellt aus den Außenelektroden 1 und 2, die entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform feststehend sind und von denen mindestens eine Elektrode durch geeignete akustische öffnungen 3 schalldurchlässig ist Diese Außenelektroden können aus elektrisch leitendem oder nicht leitendem Werkstoff hergestellt sein, es muß jedoch mindestens die der Innenelektrode jeweils zugewandte Oberfläche 4 leitfähig sein. Die Membrane 5 ist aus einem dielektrischen Werkstoff mit hohem elektrischem Widerstand, beispielsweise einer Kunststoffolie, hergestellt und wird durch isolierende Cinspannmittel 6 gehalten. Die als Membran S ausgebildete Innenelektrode wird an ihrem Rand mit einem elektrischen Anschluß 7 versehen. Die Außenelektroden 1 und 2 werden über die Anschlüsse 8 und 9 mit der elektrischen Schaltung verbunden.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Wandlers

wird in F i g. 3 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform besteht die Innenelektrode 10 aus schallhartem aber mittels angebrachter öffnungen schalldurchlässigen Dielektrikum mit einem hohen elektrischen Widerstand. Die Außenelektroden Il und 12 sind als Membranen ausgebildet und bestehen beispielsweise aus einer elektrisch leitenden Folie. Die Halterung der Innenelektrode sowie die elektrischen Anschlüsse sind wie in F i g. 2 ausgeführt. Gemäß einem Verfahrensmerkmal zur Herstellung eines Wandlers nach der Erfindung wird in vorteilhafter Weise die Innenelektrode erst nach dem Zusammenbau derselben mit den Außenelektroden aufgeladen. Dadurch wird vermieden, daß bereits aufgeladene Innenelektroden beim Zusammenbau wieder entladen werden. Außerdem können während der Herstellung des Wandlers, wenn die Aufladung im zusammengebauten Zustand erfolgt, die von der Ladungshöhe abhängigen akustischen Eigenschaften gut bestimmt werden. Die Ladespannung Up in F i g. 4 wird während des Ladevorganges mit einem Pol an die Innenelektrode und mit dem anderen Pol an die polaritätsmäßig parallel geschalteten Außenelektroden angelegt. Besteht die innenelektrode gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung aus einem hochpolymeren Kunststoff, der im Arbeitstemperaturbereich des Wandlers einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweist, so kann durch Erhöhung der Temperatur während des Ladevorganges eine Verkürzung desselben erreicht werden. Bei der Zunahme des Leitwertes der Innenelektrode durch die Temperaturerhöhung können sich Ladungsträger an allen möglichen Haftstellen des Dielektrikums anlagern. Der Aufladevorgang und das Erreichen des Sättigungspunktes können einem weiteren erfindungsgemäßen Vorlschlag entsprechend akustisch kontrolliert werden.

In der F i g. 4 ist ein solcher Kontrollaufbau schemalisch dargestellt. Während des Ladevorganges ist der Wandler über die Elektrodenanschlüsse 14,15 und 16 in

der angegebenen Weise an die Ladespannungsquelle Up angeschlossen. An die Außenelektroden 14 und 16 wird zusätzlich über den Kondensator 17 ein von der Signalspannungsquelle 18 erzeugtes Wechselstromprüfsignal angelegt. In der angegebenen Schaltungsan- Ordnung arbeitet der Wandler als Schallgeber, dessen Schalldruck, der durch ein großes P in F i g. 4 symbolisiert wird, von dem Ladezustand abhängig ist. Der Wandler ist akustisch mit einem Meßmikrofon 19 gekoppelt. Über einen geeichten Meßverstärker 20 kön- nen der Ladezustand und somit die akustischen Eigenschaften des Wandlers über das Anzeigeinstrument 21 laufend kontrolliert werden. Selbstverständlich ist die elektroakustische Kontrolle derart umkehrbar, daß der Wandler während des Aufladevorganges als Schallempfänger wirkt und akustisch mit einem Meßschallgeber gekoppelt ist.

Nach Erreichen der Sättigung und erfolgter Abkühlung der Innenelektrode sind die Ladungsträger an den Haftstellen festgelegt, da der elektrische Widerstand der Innenelektrode stark zugenommen hat und ein Abfließen der Ladung über die Einspannmittel oder den elektrischen Anschluß der Innenelektrode nicht oder nur langsam möglich ist Der elektrische Anschluß der Innenelektrode kann deshalb mit dem Wandlergehäuse leitend verbunden sein, sofern die Außenelektroden bzw. deren akustisch wirksamen elektrischen leitenden Oberflächen isoliert sind. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Wandleraufbau ohne eine komplizierte Anschlußtechnik, wie in F i g. 5 dargestellt. Das Wandlergehäuse 22 ist elektrisch leitend über die Metallisierungen 23. die auf den aus Isolierwerkstoff bestehenden Außenelektroden 24 und 25 aufgebracht sind, mit der Innenelektrode 26 verbunden und schirmt den Wandler gegen äußere Störfelder ab, wenn es beispielsweise gemäß der äußeren Beschattung in F i g. 5 an Bezugspotential gelegt wird. Der Wandler wird hier als Schallempfänger betrieben. Die der Schallquelle, die durch das Schalldrucksignal P symbolisiert wird, zugewandte Außenelektrode 24 mit dem leitenden Innenbe- lag 27 ist ebenfalls auf Bezugspotential gelegt. Die zweite rückwärtige Außenelektrode 25 mit dem leitenden Innenbelag 28 ist mit der Eingangsklemme 29 eines unsymmetrischen Niederfrequenzverstärkers 30 verbunden. In dieser Schaltungsanordnung wird der 4s Wandler vorzugsweise in einer anscheinend unsymmetrischen, in der Wirkung jedoch ebenfalls symmetrischen Arbeitsweise betrieben, wie in der DT-OS 21 55 026 näher erläutert wird.

Der Vorteil des Wandlers nach der Erfindung liegt nicht nur darin, daß er durch die Kontaktierungen der Innenelektrode erst nach dem Zusammenbau formiert werden kann, sondern auch in der Möglichkeit daß nach längerer Betriebszeit, wenn notwendig, eine Nachladung der Innenelektrode ohne Zerlegen des Wandlers leicht durchgeführt werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Wandlers besteht darin, daß die Ladung der Innenelektrode nur ein äußeres Feld erzeugt. Ein Ladungsausgleich kann also nicht durch ein inneres Feld in der Elektrode selbst erfolgen, sondern nur über deren Oberfläche, die einen hohen Isolationswiderstand und vor allem einen langen Isolationsweg von mehreren Millimetern (Radius der Membran) aufweist. Die innere Entladung bei den bekannten Elektretmembranen erfolgt dagegen durch die Materialstarke der Membranen, die in der Größenordnung von einigen Mikrometern liegt Das bedeutet, daß bei einem Wandler nach der Erfindung das Dielektrikum, sofern die Innenelektrode als Membran ausgebildet ist im besonderen Maße nach akustischen Kriterien ausgewählt werden kann, wobei dem Isolationswert eine geringere Bedeutung zuzumessen ist. Der Wandler ermöglicht es, ein Mikrofon mit hohen akustischen Eigenschaften und langem Gebrauchswert zu schaffen, da eine eventuell erforderliche Nachladung der wertvollen Kapsel durchaus möglich ist.

Werden die bekannten Elektretmembranen vorzugsweise aus Fluoräthylenpropylen-Folien mit äußerst gu ten elektrischen Eigenschaften hergestellt so kann eine Membran für einen Wandler nach der Erfindung aus dem mit besseren akustischen Eigenschaften behafteten Polyethylenterephthalat, auch unter dem Handelsnamen »Mylar« bekannt gefertigt werden, obwohl dessen elektrischer Widerstand keine so günstigen Werte aufweist.

Vorteilhafterweise wird einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung zufolge bein Aufladevorgang die Temperatur zumindest der Innenelektrode so hoch gewählt daß die Aufladung bis zu der der jeweils vorgesehenen Polarisationsspannung entsprechenden Sättigung in der Größenordnung von einigen Stunden erfolgt. Wird beispielsweise als Dielektrikum das bereits angeführte Kunststoffmaterial »Mylar« verwendet so ist eine Temperatur von etwa 135° als besonders vorteilhaft gefunden worden. Dieses Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung, ohne sie jedoch zu begrenzen.

In F i g. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Wandlers dargestellt Erfindungsgemäß wird die Innenelektrode 31 zwischen den Außenelektroden 32 und 33 an ihrem Rand durch isolierende Einspannmittel 34 und 35, die beispielsweise ringförmig ausgebildet sein können, gehalten, deren zur Innenelektrode zugewandten Flächen 36 und 37 elektrisch leitend und mit dem Anschluß 38 versehen sind.

In Abänderung der in F i g. 6 dargestellten Art der Kontaktierung werden, wie in Fig.7 dargestellt, die Oberflächen 39 und 40 der Innenelektrode 41 mindestens an ihrem Rand elektrisch leitfähig gemacht Hier durch ist es möglich, den Bereich elektrischer Leitfähig keil über den Einspannbereich hinaus auszudehnen Diese Maßnahme gewährleistet, daß die während de Aufladungsvorganges fiber den Anschluß 42 zugeführt« elektrische Ladung auf die Innenelektrode fließt um nicht durch die Isolationswiderstände der Emspannmit tel abgeleitet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip, vorzugsweise symmetrischer Gegentaktwandler mit einer Innenelektrode, die zwischen zwei Außenelektroden angeordnet ist, welche mindestens auf den der Innenelektrode zugewandten Oberflächen elektrisch leitfähig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode aus einem Dielektrikum mit hohem elektrischen Widerstand besteht und eine permanente Ladung nur einer Art (positiv oder negativ) gegenüber der Außenelektrode aufweist und an ihrem Rand mit einem elektrischen Anschluß versehen ist

2. Wandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode als Membran ausgebildet und mindestens eine der feststehenden Außenelektroden schalldurchlässig ist (Fig. 1).

3. Wandler nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektroden als Membranen ausgebildet sind und die feststehende Innenelektrode schalldurchlässig ist (F i g. 2).

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode an ihrem Rand durch isolierende Einspannmittel gehallen wird, deren zur Innenelektrode zugewandten Flächen elektrisch leitend sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode mindestens an ihrem Rand ein- oder beidseitig elektrisch leitende Oberflächen aufweist.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bereich elektrischer Leitfähigkeit der Innenelektrode größer als der Einspannbereich derselben isi.

7. Wandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode aus einem hochpolymeren Kunststoff besteht, der im Arbeitstemperaturbereich des Wandlers einen sehr hohen elektrischen Widerstand and mit zunehmender Temperatur einen niedrigeren Widerstand aufweist.

8. Wandler nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Anschluß der Innenelektrode mit dem Wandlergehäuse leitend verbunden und die Außenelektroden isoliert eingefaßt sind.

9. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung der Innenelektrode nach dem Zusammenbau mit derselben mit den Außenelektroden erfolgt.

10. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem oder mehreren der vorgenannten Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung bei erhöhter Temperatur zumindest der Innenelektrode erfolgt.

11. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von Polyäthylenterephthalat als Werkstoff für die Innenelektrode die Aufladung bei einer Temperatur von etwa 135°C und zeitlich in der Größenordnung von einigen Stunden erfolgt.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand der Innenelektrode während des Ladevorganges akustisch kontrolliert wird, derart daß die Außenelektroden (14 und 16) des Wandlers mit einem kalibrierten Wechselspannungsprüfsignal beaufschlagt werden und der auf Grund der elektroakustischen Umwandlung entstehende Schalldruck, der von dem Ladungszustand der Innenelektrode abhängig ist, einem Meßmikrofon mit nachgeschaltetem Meß- und Anzeigeverstärker angezeigt und ausgewertet wird oder daß der Wandler als Schallempfänger einem Meß- und Anzeigeverstärker vorgeschaltet und akustisch mit einem Meßschallgeber gekoppelt ist