DE2330800C3 - Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektfoakusti·1
sehen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentan^
Spruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Gute elektroakustische Eigenschaften besitzen Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip, wie sie
bisher für beispielsweise Kopfhörer und Lautsprecher verwendet werden. Zwischen zwei perforierten schalldurchlässigen
Außenelektroden befindet sich eine nach akustischen Kriterien ausgebildete elektrisch leitende
Membran als Innenelektrode. Entsprechend der Fig. 1 wird die Signalspannung im Gegentaktprinrip den
ίο 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, dall 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 unc die Spannung verringert sich entsprechend. Es ist bekannt, daß bei
einer derartigen Wandlerschaltung Linearität zwischen
μ 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 zu einem in der CH-PS 2 52 811 beschriebenen
Wandler geführt, dessen Membrane mit einer permanenten einheitlichen Ladung nur positiver oder
4^ negativer Art, ahn einer monopolaren Ladung, versehen
ist. Die Membrane besteht dabei aus einer dielektrischen Folie mit hohem elektrischen Widerstand,
welche eine permanente Ladung aufweist. Eine Kontaktierung für d'e Zuführung der Polarisationsspannung
entfällt hier.
Dieser Wandlertyp ist nicht mit den sogenannten Elektret-Wandlern zu vergleichen, bei denen die
Polarisationsspannung ebenfalls permanent durch ein eingebautes polarisiertes Dielektrikum erzeugt wird.
M 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 elektrisch leitenden stationären Außenelektroden wird eine
Elektretschicht aufgebracht. In jedem Fall sind jedoch in den Elektroden bipolare Ladungen enthalten. Nachteilig
ist vor allem beim Einsatz einer Etektretmembranej daß dieselbe metallisiert sein rriüß 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 Eigertentlädung
auf. Membränwerkstöffe, 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 DE-OC 2 06 210 vorgeschlagen worden, die Elektret-Membrane nach dem Zusammenbau
zu einem Wandler durcn Anlegen einer Polarisierungsspannung ziektrisch zu formieren, um die bei der
Montage auftretenden Ladungsverluste zu vermeiden. 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 Toleranzer, 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
gemäß der CH-PS 2 52 811, bei denen die Mü>nbranen
mit einer permanenten einheitlichen Ladung versehen sind, ist es schwierig. Ladungen festhaftend so
anzubringen, daß eine Lebensdauer der Wandler von vielen Jahren erzielt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandler dieser Galtung zu schaffen, der durch
seine Konstruktion eine Polarisation innerha'b enger Toleranzen nach dem Zusammenbau ermöglicht und
somit regenerierbar ist
Es wird ferner ein Verfahren angegeben. Wandler nach der Erfindung herzustellen.
Erfindungsgemäß ist ein solcher elektroakustischer Wandler gekennzeichnet durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers sowie Verfahren zu dessen Herstellung
sind den Unteransprüchen zu entnehmen. ίο
An Hand der Zeichnung wird der Gegenstand der Erfindung nachstehend beispielsweise erläutert.
F i g. 1 zeigt einen bekannten Gegentaktwandler mit äußerer Beschallung;
Fig.2 stellt einen Wandler nach der Erfindung mit
feststehenden Außenelektroden und einer Membrane als InneneLktrodedar;
Fig 3 zeigt eine zweckmäßige Ausführungsform mit einer feststehenden Innenelektrode und zwei als
Membranen ausgebildeten Außenelektroden; to
Fig.4 gibt eine Schauungsanordnung zur Herstellung
der Ladung auf der Innenelektrode sowie für ein akustisches Kontrollverfahren wieder;
F i g. 5 zeigt eine bevorzugte Ausfiihrungsform des Wandlers mit äußerer Beschallung.
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 t>*>
einem dielektrischen Werkstoff mit hohem elektrischem Widerstand, beispielsweise einer Kunststoffolie, hergestellt
und wird durch -isolierende Einspannmilte! 6 gehalten. Die als Membran 5 ausgebildete Innenelaktrode
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 !nnenelektrode 10 aus schallhartem aber mittels angebrachter öffnungen schalldurchlässigen
Dielektrikum mit einem hohen elektrischen Widerstand. Die Außenelektroden 11 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 d«m Zusammenbau derselben mit den Außenelektroden aufgeladen. Dadurch
wird vermieden, daß bereits aufgeladene Innenelektroden beim Zusammenbau wie-^r entladen werden.
Außerdem können während de*· Herstellung de«. Wandlers, wenn die Aufladung im zusammengebauten
Zustand erfolgt, die von der Ladungshöhe abhängigen akustischen Eigenschaften gut bestimmt werder.. Die
Ladespnnnung Up in Fig.4 wird während des Ladevorganges mit einem Pol an die Innenelektrode
und mit dem anderen Pol an die polaritätsmäßig parallelgeschalteten 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 Vorschlag entsprechend akustisch kontrolliert weiden.
I"1 der Fig. 4 ist ein solcher Kontrollaufbau
schematisch 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 Schaltungsanordnung arbeitet der Wandler als Schallgeber,
dessen Schalldruck, der durch ein großes P in Fig.4
symbolisiert wird, von dem Ladezustand abhängig ist. Der Wandler ist akustisch mit einem Meßmikrofon 10
gekopnelt. Über einen geeichten Meßverstärker 20 können der Ladezustand und somit die akustischen
Eigenschaften des Wandlers über das Arzeigeinstrument 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 erfolget Abkühlung der Innenelektrode sind die Ladungsträger an den
Haftstellen festgelegt, da der elektrische Widerstand der Innenelektrode stark zugenommen hat und ein
Abfließen der Laduf.g über die Einspannmittel öder den elektrischen Anschluß der Inneneleklrode nicht oder
nur langsam möglich ist. Der elektrische Anschluß der
Innenelektrode ist deshalb mit dem Wandlergehäuse
leitend verbunden, wobei die Außenelektroden bzw. deren akustisch wirksamen elektrisch leitenden Oberflächen
von demselben isoliert sind. Hierdurch ergibt sich ein besonders einfacher Wandleraufbau ohne eine
komplizierte Anschlußtechnik, wie in Fi g. 5 dargestellt. Das Wandlergehäuse 22 ist elektrisch leitend über die
Metallisierungen 23, die auf den aus Isoliefwefkstoff 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 Beschallung 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
sinnenbelag 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 Wandler vorzugsweise in einer anscheinend unsymmetrischen,
in der Wirkung jedoch ebenfalls symmetrischen Arbeitsweise betrieben, wie in der DE-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 Inneneilektrode 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 MaIerialstärke
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
ίο 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
guten 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 beim 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 Kunststoflmaterial« verwendet,
so ist eine Temperatur von etwa 135° C als besonders
vorteilhaft gefunden worden. Dieses Beispiel dient zur
Erläuterung der Erfindung, ohne sie jedoch zu begrenzen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip, vorzugsweise symmetrischer
Gegentaktwandler, mit einer eine permanente monopolare Ladung aufweisenden 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 hochpolymeren Kunststoff besteht, der im Arbeitstemperaturbereich des
Wandlers einen sehr hohen und mit darüber hinaus zunehmender Temperatur einen niedrigeren elektrischen
Widerstand aufweist, und daß die Innenelektrode an ihrem Rand mit einem elektrischen
Anschluß versehen ist, welcher mit dem Wandlergehäuse leitend verbunden ist. während die Außenelektroden
isoliert eingefaßt sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode als Membran
ausgebildet und mindestens eine der feststehenden Außenelektroden schalldurchlässig ist (F i g. 1).
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektroden als Membranen
ausgebildet sind und die feststehende Innenelektrode
schdildurchlässig ist (F i g. 2).
4. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Aufladung der Innenelektrode nach oem Zusammenbau mit derselben mit
den Außenelektroden erfolgt.
5. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers nach einem oder mehreren der vorge-annten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladung bei !erhöhter Temperatur zumindest der Innenelektrode
erfolgt.
6. 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 Temperatui von etwa 135°C und zeitlich in der Größenordnung
von einigen Stunden erfolgt.
7. 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.
Priority Applications (1)
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DE19732330800 DE2330800C3 (de) | 1973-06-16 | 1973-06-16 | Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19732330800 DE2330800C3 (de) | 1973-06-16 | 1973-06-16 | Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung |
Publications (3)
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DE2330800A1 DE2330800A1 (de) | 1975-01-09 |
DE2330800B2 DE2330800B2 (de) | 1975-09-25 |
DE2330800C3 true DE2330800C3 (de) | 1981-10-01 |
Family
ID=5884253
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE19732330800 Expired DE2330800C3 (de) | 1973-06-16 | 1973-06-16 | Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung |
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DE (1) | DE2330800C3 (de) |
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