DE2330800C3

DE2330800C3 - Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2330800C3
Application number: DE19732330800
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr. 3004 Isernhagen Griese
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1973-06-16
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1981-10-01
Also published as: DE2330800B2; DE2330800A1

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

Patentansprüche:

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.