DE2411997A1

DE2411997A1 - ELECTROSTATIC CONVERTER

Info

Publication number: DE2411997A1
Application number: DE19742411997
Authority: DE
Inventors: Jun Robert F Young
Original assignee: GTE Automatic Electric Laboratories Inc
Current assignee: GTE Automatic Electric Laboratories Inc
Priority date: 1973-03-15
Filing date: 1974-03-13
Publication date: 1974-09-19
Also published as: CA1001293A

Description

Elektrostatischer Wandler Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrostatischen Wandler, insbesondere für die Anwendung als Kondensatormikrofon, vorzugsweise vom Elektrettyp.Electrostatic Converter The present invention relates to one electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type.

Elektrostatische Wandler und insbesondere Kondensatormikrophone sind be-kannt und finden Anwendung in fast jedem Milieu, in dem Mikrophone erforderlich sind.Electrostatic converters and especially condenser microphones are well-known and are used in almost every environment in which microphones are required are.

Kondensatormikrophone sind von besonderem Interesse wegen ihrer einfachen Konstruktion und ihrer leichten Herstellbarkeit. Bis vor kurzem benötigten aber die Kondensatormikrophone eine zugeordnete Gleichstrom-Hochspannungsquelle, um eine für das Mikrophon erforderliche Polarisationsspannung zu liefern.Condenser microphones are of particular interest because of their simplicity Construction and their ease of manufacture. Until recently, however, they were needed the condenser microphones an associated direct current high voltage source to a to supply the necessary polarization voltage for the microphone.

Dieses besondere Problem ist überwunden worden, indem man ein vorher aufgeladenes dielektrisches Material als ein Element des Kondensatormikrophons verwendete. Diese Elemente bezeichnet man als Elektrete.This particular problem has been overcome by getting one beforehand used charged dielectric material as an element of the condenser microphone. These elements are called electrets.

Elektrete bestehen normalerweise aus einem organischen oder aber einem anorganischen Material. In der Vergangenheit sind organische Substanzen, wie z.B.Electets usually consist of an organic one or one inorganic material. In the past, organic substances such as

Bienenwachs oder Karnaubawachs, allgemein verwendet worden. Aber auf Grund ihres natürlichen Volumens konnten nur relativ dicke Wandlerelemente reproduziert werden, so daß die Aufrechterhaltung enger Toleranzen bei diesen Substanzen schwierig war. Es war äußerst schwer, aus solchem Material ausreichend dünne Membranen herzustellen, die schwingfähig genug waren und doch die notwendige Masse und rezibroke Steifigkeit (compliance) besaßen, um einen hohen Umwandlungswirkungsgrad zu liefern.Beeswax, or carnauba wax, has been widely used. But on Due to their natural volume, only relatively thick transducer elements could be reproduced making these substances difficult to maintain close tolerances was. It was extremely difficult to make sufficiently thin membranes from such a material, which were able to vibrate enough and yet had the necessary mass and rezibroke rigidity (compliance) to provide high conversion efficiency.

Bestimmte Kunststoffolienmaterialien zeigten aber ausgezeichnete Möglichkeiten für die Ausbildung von aus dünnen Folien bestehenden Elektreten. Materialien wie Mylar und Teflon Teflon ist ein eingetragenes Warenzeichen für verschiedene Fluoroplaste, die in Folienform srhältlich sind) haben sich in dieser Hinsicht als besonders hervorragend erwiesen.However, certain plastic film materials showed excellent potential for the formation of electrets consisting of thin foils. Materials like Mylar and Teflon Teflon is a registered trademark for various fluoroplastics, which are available in film form) have proven to be particularly outstanding in this regard proven.

Beschreibung des Standes der Technik Erfolgreiche Elektretwandler sind in den früheren Patenten Nr. 3 115 022 und 3 118 979 von G.M. Sessler et al dargestellt worden. In ursprünglichen Bemühungen, einen elektrostatischen Wandler unter Verwendung von Elektretelementen zu erfinden, schlug man die Verwendung der Elektretfolie als schwingfähige Membran vor, die zum Vibrieren mit Bezug auf eine feststehende, starre Rückplatte geeignet war. Sessler setzt eine oder mehrere zusätzliche dünne dielektrische Schichten zwischen die Membran und die Rückplatte (backplate) ein. Folglich ist der Abstand zwischen der Membran und der Rückplatte relativ groß und die Wandlerkapazität relativ klein.Description of the Prior Art Successful electret transducers are disclosed in G.M.'s earlier Patent Nos. 3,115,022 and 3,118,979. Sessler et al has been shown. In original efforts, an electrostatic transducer To invent using electret elements, the use of the Electret film as an oscillating membrane, which vibrates with reference to a fixed, rigid back plate was suitable. Sessler puts one or more additional thin dielectric layers between the membrane and the back plate (backplate). Hence the distance between the diaphragm and the backplate relatively large and the converter capacity relatively small.

Damit ist die Wandlerempfindlichkeit gering, weil die elektrische Feldstärke zwischen der Membran und der Rückplatte für die gleiche Vorspannung relativ niedrig ist. Die Patente von Sessler lehren die Verwendung von Blindbohrungeh bzw. Sacklöchern sowie von dielektrischen Schichten zwischen der Membran und der Rückplatte. In dieser Anordnung stehen darin eingeschlossene Luftpolster bzw. Luftblasen mit der Außenluft nicht in Verbindung und verhindern dadurch einen Luftdruckausgleich. Dies führt dazu, daß sich die Luftblasen bei Veränderungen in der Temperatur una-im Luftdruck ausdehenen und zusammenziehen und damit die Kapazität und Empfindlichkeit des Wandlers ändern. Auf diese Weise sind die mit Luft gefüllten Löcher des bekannten Wandlers gänzlich eingeschlossen, was zu einer akustischen Impedanz führt, die ziemlich hoch ist und nur durch die Verwendung von mehrfachen Schichten vermindert wird, welche die Luftblasen mechanisch in Reihen anordnen. Ein anderes US-Patent Nr. 3 373 251 von C.E. Seeler lehrt die Verwendung einer starren, porösen Rückplatte, welche teilweise oder ganz luftdurchlässig ist. In der Anordnung von Seeler liegt eine aus einer dünnen Kunststoffolie bestehendevMembran direkt auf einer starren, porösen Rückplatte, die sie je nach der Oberflächenstruktur der Rückplatte nur an bestimmten verteilten Punkten berührt. Die von einer Metallfolie gebildete Schicht wird auf die andere Seite des Elektretelementes aufgebracht, um ein Mikrophon zu bilden. Das Patent von Seeler schlägt vor, daß ein geeignetes poröses Material für die starre Rückplatte zum Beispiel ein Sintermaterial sein kann, das aus einer Vielzahl von kugelförmigen Bronzepulverelementen besteht, die zur Herbeiführung der gewünschten Porosität komprimiert und wärmebehandelt worden sind.This means that the transducer sensitivity is low because the electrical Field strength between the membrane and the backplate for the same bias relative is low. Sessler's patents teach the use of blind bores. Blind holes and dielectric layers between the membrane and the backplate. In this arrangement there are also enclosed air cushions or air bubbles not in contact with the outside air and thus prevent air pressure equalization. This causes the air bubbles to become una-im with changes in temperature Air pressure expands and contracts, and with it capacity and sensitivity of the converter. In this way, the air-filled holes are familiar Transducer entirely enclosed, resulting in an acoustic impedance that is quite is high and only diminished through the use of multiple layers, which mechanically arrange the air bubbles in rows. Another U.S. Patent No. 3 373 251 by C.E. Seeler teaches the use of a rigid, porous backplate, which is partially or completely permeable to air. In the arrangement of Seeler lies a membrane consisting of a thin plastic film directly on a rigid, porous backplate, which they only adhere to depending on the surface structure of the backplate touches certain distributed points. The layer formed by a metal foil is applied to the other side of the electret element to close a microphone form. The Seeler patent suggests that a suitable porous material for the rigid Backplate, for example, can be a sintered material made up of a variety of spherical bronze powder elements, which are used to bring about the desired Porosity compressed and heat treated.

Andere Wandler von Interesse werden im US-Patent Nr. 2 868 894 von T.J.Schultz und Nr. 3 612 778 von P.V. Murphy dargestellt.Other transducers of interest are shown in U.S. Patent No. 2,868,894 to US Pat T.J.Schultz and No. 3,612,778 by P.V. Murphy pictured.

In der Vergangenheit bestand kein Problem bei der Erzielung eines flachen Frequenzganges mit herkömmlichen Elektretmikrophonen, wobei die Kosten dieser Vorrichtungen angemessen niedrig sind. Probleme treten jedoch auf, wenn der gewünschte Frequenzgang nicht flach sein soll.There has been no problem in obtaining one in the past flat frequency response with conventional electret microphones, the cost of this Devices are reasonably low. However, problems arise when the desired Frequency response should not be flat.

Die Frequenzgangformung erfolgt gewöhnlich durch elektrische und/oder akustische Mittel. Den Fachleuten bekannte elektrische Ausgleichsverfahren können ebenso angewendet werden wie akustische Verfahren, z. B. Vertiefungen bzw. Kanäle, Widerstände, Hohlraumresonatoren usw. Diese Verfahren bringen aber beträchtliche zusätzliche Kosten mit sich.The frequency response shaping is usually done by electrical and / or acoustic means. Electrical balancing methods known to those skilled in the art can can be used as well as acoustic methods, e.g. B. recesses or channels, Resistors, cavity resonators, etc. However, these methods bring considerable benefits additional costs with it.

Hieraus ergab sich die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde lag, nämlich ein Mikrophon des genannten Typs zu erstellen, das ohne zusätzliche Kosten erlaubt, auch andere als einen flachen Frequenzgang zu erzielen ohne die genannten Verfahren zum Ausgleich dabei anzuwenden.This gave rise to the object on which the present invention is based lay, namely to create a microphone of the type mentioned, without additional Cost allows other than flat frequency response to be achieved without the to apply the above-mentioned procedure to compensate for this.

Zusammenfassung der Erfindung Diese Aufgabe wird für den Gattungsbegriff erfindungsgemäß nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs gelöst.Summary of the Invention This object is for the generic term solved according to the invention according to the characterizing part of the main claim.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen sind den Folgeansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Further details and refinements can be found in the subsequent claims as well as the following description of two exemplary embodiments.

Im vorliegenden Mikrophon wird ein Aufbau aus mehreren Membranen angewendet, indem jede Membran aus wirksamer Masse, Widerstand und rezibroker Steifigkeit in Reihe besteht und indem jede Membran von einer benachbarten Membran durch einen reziproke Steifigkeit und Widerstand in Nebenschluß getrennt ist. Durch Verwendung mehrerer Elektretmembranen und/oddr dielektrischer Membranen sowie durch Behandlung jeder Membran als abgestimmten Kreis kann folglich eine Frequenzgangformung einschließlich eines flachen Frequenzganges erzielt werden. Ein zusätzlicher Nebenvorteil tritt dadurch ein, daß die Dehnungskoeffizienten aller Membranen die gleichen sind,-da alle Membranen aus dem gleichen Material bestehen Auf den ersten Blick mag es scheinen als fände keine Relativbewegung zwischen den Membranen statt, da alle Membranen die gleiche mechanische Impedanz haben (können), so daß sich alle Membranen in die gleiche Richtung um den gleichen Abstand bewegen würden und deshalb keine Ausgangsspannung da wäre. Es muß aber daran erinnert werden daß die akustische Impedanz zweier Membranen größer ist als die akustische Impedanz einer Membran zweimal die Steifigkeit, zweimal die Masse usw.) und daß deshalb die der Schallquelle näher liegende Membran sich um eine größere Strecke bewegt als die entfernter liegende Membran bzw. die entfernter liegenden Membranen. Wenn alle Membranen in gleicher Entfernung von der Schallquelle liegen, gibt es natürlich keine Relativbewegung und folglich keine Ausgangsspannung.In the present microphone a structure of several membranes is used, by making each membrane of effective mass, resistance and rezibroker stiffness in Series consists and by dividing each membrane from an adjacent membrane through one reciprocal stiffness and drag is separated in shunt. By using several electret membranes and / or dielectric membranes and by treatment Each diaphragm as a tuned circle can consequently include frequency response shaping a flat frequency response can be achieved. An additional side benefit occurs in that the expansion coefficients of all membranes are the same, -da all membranes are made of the same material At first glance it may seem as if there were no relative movement between the membranes because all the membranes have (can) have the same mechanical impedance, so that all membranes are in the would move the same direction the same distance and therefore no output voltage there would be. But it must be remembered that the acoustic impedance of two membranes is greater than the acoustic impedance of a membrane twice the stiffness, twice the mass etc.) and that is why the one closer to the sound source Membrane moves a greater distance than the more distant membrane or the more distant membranes. When all membranes are at the same distance from the sound source, there is of course no relative movement and consequently no output voltage.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Fig. 1 zeigt in einer Querschnittansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines elektrostatischen Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung.Brief Description of the Drawings Fig. 1 shows in a cross-sectional view a preferred embodiment of an electrostatic transducer according to the present invention Invention.

Fig. 2 zeigt in einer Ouerschnittansicht eine andere Ausführungsform.Fig. 2 shows a cross-sectional view of another embodiment.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen In Fig. 1 ist ein Mikrophon gezeigt, welches die Grundlagen der vorliegenden Erfindung verkörpert. Das Mikrophon besteht aus einem Gehäuse 11, das aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Material hergestellt wurde und eine Vielzahl von Bohrungen bzw.Description of the Preferred Embodiments In Figure 1 is a microphone which embodies the principles of the present invention. The microphone consists of a housing 11, which is made of metal or some other electrically conductive Material was made and a large number of holes or

öffnungen 19 aufweist. Im Gehäuse eingeschlossen befindet sich ein elektrisch leitender Unterstützungsring 12, der in direktem Kontakt mit dem Gehäuse steht.has openings 19. Enclosed in the case is a electrically conductive support ring 12 which is in direct contact with the housing stands.

Unmittelbar unterhalb des oberen Unterstützungsringes liegt eine mit diesem in Berührung stehende Membran mit einem aus Metallfolie oder einem ähnlichen, leitenden Material bestehenden Stirnelement 13. Direkt unterhalb des Stirnelementes 13 befindet sich eine Schicht aus Kunststoffolie 14, z.B. aus Teflon, die einen Teil der Membran bildet und als ein dielektrisches Element des vorliegenden Kondensatormikrophons wirkt. In einer Ausführungsform kann die Kunststoffolie vorher polarisiert worden sein, um einen Elektret zu bilden. Die Art und Weise, in welcher die Schicht aus Kunststoffolie 14 vorpolarisiert wird, kann nach einer der bekannten Methoden zum Herstellen von Elektreten erfolgen, indem man zum Beispiel das Material einer Koronaentladung aussetzt, es in einem Hochspannungsfeld erhitzt usw.Immediately below the upper support ring there is one with this in contact with a membrane made of metal foil or similar, conductive material existing end element 13. Directly below the end element 13 there is a layer of plastic film 14, e.g. made of Teflon, which has a part of Membrane forms and as a dielectric element of the present Condenser microphone works. In one embodiment, the plastic film can beforehand polarized to form an electret. The way in which the layer of plastic film 14 is pre-polarized, can according to one of the known Methods for making electrets are done by, for example, the material exposing it to a corona discharge, heating it in a high voltage field, etc.

Das zweite Element 14A, das man entweder als Membran oder als Rückplatte bezeichnen kann - je nach dem, wie man das Mikrophon hält oder stellt und wie man es verwendet -, befindet sich direkt unter dem ersten Element und kann, muß aber nicht, mit diesem in direktem Kontakt stehen. Der dem ersten Element am nächsten liegende Abschnitt des zweiten Elementes wird wiederum von einer Schicht aus Kunststoffolie, z. B. aus Teflon, gebildet. Der untere Abschnitt dieser Membran 13A ist eine Metallfolie oder ein ähnliches leitendes Material.The second element 14A, which can be used as either a membrane or a backplate - depending on how you hold or place the microphone and how you do it it uses -, is located directly below the first element and can, but must not to be in direct contact with this. The one closest to the first element The lying section of the second element is in turn covered by a layer of plastic film, z. B. made of Teflon. The lower portion of this diaphragm 13A is a metal foil or a similar conductive material.

Das erste und das zweite Element müssen auf irgendeine Weise im Abstand voneinander angeordnet werden, indem man entweder die jeweils in den Elementen selbst vorhandene natürliche Rauhigkeit benutzt oder aber irgendeine Art von Abstandshaltern 16 verwendet.The first and second elements must be spaced in some way can be arranged from each other by either placing each in the elements themselves used existing natural roughness or some kind of spacers 16 used.

Direkt unterhalb des zweiten Elementes befindet sich ein Isolierungsring 15. Eine elektrische Verbindung wird zwischen dem zweiten Element 13A und der Klemme 17A hergestellt, durch das Mikrophongehäuse geführt und gegenüber dem Gehäuse isoliert. Eine zweite elektrische Verbindung wird zum leitenden Gehäuse 11 hergestellt und zur Klemme 17B geführt. Von den Anschluß'klemmen 17A und 175 werden dann Verbindungen zu einem Verstärker hergestellt, der vom Mikrophon der vorliegenden Erfindung gesteuert werden soll.An isolation ring is located directly below the second element 15. An electrical connection is made between the second element 13A and the clamp 17A produced, passed through the microphone housing and isolated from the housing. A second electrical connection is made to the conductive housing 11 and led to terminal 17B. Connections are then made from the connection terminals 17A and 175 made into an amplifier controlled by the microphone of the present invention shall be.

Die in Figur 2 gezeigte andere Ausführungsform in gleicher Darstellung wie Figur 1 besitzt bei sonst gleichem Prinzip die weiteren Kunststoffolien 28, die als Elektretmembranen ohne Metallfolie unter Zwischeniage von Abstandhaltern 26 gelagert sind. Die Metallfolien 23 und 23A sind mit den Anschlußklemmen 27A und 27B leitend verbunden, wobei der leitende Unterstützungsring 22 die Metallfolie 23 mit dem Gehäuse verbindet und die Metallfolie 23A sich am Isolierring 25, der mit dem Gehäuse verbunden ist, abstützt. Mit den Metallfolien 23 und 23A sind die beiden Kunststoffolien 24 und 24A unter jeweils entgegengesetzter Schichtfolge verbunden. Sie bilden somit eine vordere und rückwärtige Membran. Analog zu der Ausführung der Figur 1 sind an den parallel zu den Membranen verlaufenden Gehäuseseiten die Bohrungen 29 vorgesehen.The other embodiment shown in Figure 2 in the same representation As in Figure 1, with otherwise the same principle, the further plastic films 28, as electret membranes without metal foil with spacers between them 26 are stored. The metal foils 23 and 23A are connected to the terminals 27A and 27B conductively connected, the conductive support ring 22 being the metal foil 23 connects to the housing and the metal foil 23A is attached to the insulating ring 25, the is connected to the housing, is supported. With the metal foils 23 and 23A are the two plastic films 24 and 24A are connected with an opposing layer sequence. They thus form a front and rear membrane. Analogous to the execution of Figure 1 are on the housing sides running parallel to the membranes Bores 29 are provided.

Die beschriebene Anordnung kann, ohne den Rahmen der Erfindung und ihrer Grundgedanken zu verlassen, als Doppelmikrophon oder zweiseitig gerichtetes Mikrophon verwendet werden.The arrangement described can, without the scope of the invention and To abandon their basic idea, as a double microphone or bidirectional Microphone can be used.

Claims

C Electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type, characterized in that several parallel, from Diaphragms made of dielectric material in one on the front and back at least one housing provided with an opening are provided in a rigidly mounted manner, with the two outer sides on opposite sides are provided with a metal foil which are isolated from each other by the first being conductively connected to the housing and the second is provided with a conductor isolated from the housing as an output is 2 electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type, according to claim 1, characterized in that one A plurality of spacers is provided, with different groups of spacers are arranged between adjacent or adjacent surfaces of the membranes, to keep the membranes separate from each other.

3. Electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the Ebaktkettyp, according to claim 2, characterized in that the Spacer from one of the adjoining membrane surface areas Pieces of existing sections are formed.

4. Electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type, according to one or more of the preceding claims , characterized in that the dielectric material of the membrane polarizes beforehand has been.

5. Electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type, according to one or more of the preceding claims, characterized in that the membrane material is produced by applying a pretension is polarized on the electrical conductor.

6. Electrostatic converter, especially for use as a condenser microphone, preferably of the electret type, according to one or more of the preceding claims, characterized in that a fastening device is further included to to rigidly mount and adjust the membrane structure within the housing.