DE2430068C2 - Kondensatormikrophon - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist pin Kondensatormikrophon, bestehend aus einer mit Erhebungen versehenen Gegenelektrode und einer Membran, wobei entweder die Elektrode und bzw. oder die Membran aus elektrisierbaren Materialien bestehen und die Membran im Abstand vor der Oberfläche der Gegenelektrode angeordnet ist, welche vorstehende Erhebungen trägt, von denen die Membran einen geringen Abstand aufweist.

Eine derartige Kondensatormikrophonkapsel ist üblicherweise so aufgebaut, daß einer planen, an ihrer -»5 Oberfläche leitenden Elektrode eine ebenfalls elektrisch leitende Membran in einem geringen Abstand gegenüberliegt. Die Elektrode kann z. B. direkt aus einem Metall oder auch aus Kunststoff bestehen, dessen Oberfläche metallisiert wurde. Im allgemeinen beträgt der Abstand zwischen Elektrode und Membran 30 bis 40 μ, wobei die notwendige Isolationsschicht entweder durch einen dünnen Lacküberzug der Elektrode oder durch Verwendung von einseitig bedampften Kunststoffolien gewonnen wird.

Derartige Mikrophonkapseln werden üblicherweise über einen hochohmigen Widerstand mit einer Spannungsquelle verbunden, wobei diese extern angelegte Spannung zirka 60 V beträgt. Infolge der Bewegung der Membran kommt es direkt zu Spannungsschwankungen, die mittels hochohmiger Verstärker abgenommen werden. Solche Kapselkonstruktionen bedeuten einen hohen feinmechanischen Aufwand und bringen Schwierigkeiten in der Serienfertigung mit sich. Um dem entgegenzuwirken, ist es bekannt, Gegenelektrode mit Erhebungen zu versehen, die die Membran in mehreren Punkten bzw. Bereichen unterstützen, womit eine einfachere Montage und auch Betriebssicherheit gewährleistet wird. So ist in der DE-AS 16 39 444 ein elektroakustischer Wandler in Gestalt eines Kondensatormikrophons beschrieben, der derart aufgebaut ist, daß auf der der Membran zugekehrten Seite der zweiten Elektrode ein Muster, insbesondere ein Gitter von Stützelementen vorgesehen ist, die die Membran mindestens in einem festen Abstand von der zweiten Elektrode halten und der Erzeugung einer Vielzahl von akustisch parallel geschalteten Wandlerzellen dienen und über die die Membran gespannt ist Dabti kann die Membran einen geringen Abstand vom Drahtgitter haben, aber auch gegen dieses anliegen. Es ist nämlich nicht ganz einfach, die Membran über ihre ganze Fläche im unbeschallten Zustand gleichmäßig auf dem Drahtgitter aufliegen zu lassen. Deshalb muß in Kauf genommen werden, daß innerhalb der Herstellungstoleranzen die Membran im unbeschallten Zustand ganz oder teilweise in einem geringen Abstand von dem Drahtgitter sich erstreckt Dieser Abstand muß aber so klein sein, daß er vernachlässigbar bleibt und in jedem Falle gewährleistet ist daß sich im Normalbetrieb ein festes Anliegen der Membran an dem Drahtgitter ergibt weil sonst die zwingend vorgeschriebenen akustisch parallel geschalteten Wandlerzellen nicht erzeugt werden können.

Der Nachteil dieses Mikrophons liegt aber darin, daß derartige Konstruktionen einerseits die wirksame Membranfläche herabsetzen, anderseits die Membran in ihrer Beweglichkeit behindern, was sich insbesondere bei Kapseln mit nierenförmiger Richtcharakteristik in einem Verlust an Empfindlichkeit äußert.

Da mit Hilfe derartiger Maßnahmen im allgemeinen optimale akustische War.dlereigenschaften nicht erreichbar sind, verzichtete man bis jetzt in der Praxis auf partielle Unterstützung der gespannten Membran und baute Kapseln üblicher Technik.

Die Empfindlichkeit der Kondensatormikrophonkapseln ist direkt proportional der angelegten Gleichspannung — Polarisationsspannung genannt — und es ist daher sinnvoll, diese so groß wi... möglich zu machen. Praktisch ist dies nur bis zu einem bestimmten Grenzwert möglich, der dann erreicht wird, wenn bei Auftreten extrem hoher Schalldrücke, von Winddrükken o. ä. die Membran infolge der elektrostatischen Anziehungskraft sich nach Aufhören derselben nicht mehr von der Elektrode abhebt. Das heißt, die mechanische Rückstellkraft der Membran muß in allen Fällen größer als die elektrostatische Anziehungskraft — auch im Falle des Aufliegens der Membran auf der Elektrode — sein.

Bei Verwendung von Elektretfolien als Membran ist infolge der nicht so gleichmäßigen Ladungsverteilung auf einer Folie und unterschiedlichen Ladungen auf verschiedenen Folien eine zusätzliche Schwierigkeit gegeben, die bis jetzt nur dadurch zu lösen war, daß der Abstand zwischen Membran und Elektrode entsprechend groß gemacht wurde. Damit ist ein erheblicher Empfindlichkeitsverlust in Kauf zu nehmen.

Die Verhältnisse sind ähnlich ungünstig, wenn die Elektrode selbst aus Elektretmaterial mit metallisierter Oberfläche besteht.

Um nun diese Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei einem Mikrophon der eingangs beschriebenen Art die aus der Oberfläche der Gegenelektrode vorstehenden Erhebungen um ein solches Maß niedriger zu machen, als es dem Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Membran entspricht, so daß bei normaler Schallbeaufschlagung

des Mikrophons ein für die Membranschwingungen hindernisfreier Raum erhalten bleibt.

Gemäß der Erfindung liegt also die Membran im Normalfall völlig frei von jeder Unterstützung von seiten der Gegenelektrode, so daß sie als Ganzes den Schallschwingungen folgen kann. Tritt nun eine der vorstehend beschriebenen extremen Beanspruchungen auf, die ein Anklatschen der Membran an der Gegenelektrode zur Folge hätte, wenn es sich um ein Kondensatormikrophon konventioneller Bauart handelte, dann steh; diesem Anklatschen beim erfiiidungsgemäßen Mikrophon ein Hindernis in Form der von der Gegenelektrode ausgehenden Erhebung im Wege, die zumindest das Anlegen einer größeren Membranfläche an der Gegenelektrode verhindern, wenn nicht sogar ausschließen, daß überhaupt eine Berührung mit der eigentlichen Elektrode zustande kommt

Da in diesem Fall die auftretende elektrostatische Kraft nur einen Bruchteil jener Kraft, darstellt, die bei sattem Anliegen der Membran an der Gegenelektrode auftritt, reicht die mechanische Spannung der Membran vollkommen aus, um sie wieder in die Ruhelage zurückzubringen, wenn die äußere Krafteinwirkung aufgehört hat.

Sollten die äußeren Krafteinwirkungen so groß sein, daß es trotz der Erhebungen zu einem satten Aufliegen auf der Gegenelektrode kommt, so reicht die infolge des punktförmigen Aufliegens der Membran auf den einzelnen Erhebungen vergrößerte Rückstellkraft immer noch aus, die Membran nach Aufhören dieser m Kräfte wieder abzuheben.

Die Erfindung ist allgemein für kapazitive Wandler anwendbar, besonders vorteilhaft aber für solche, die die Polarisationsspannung aus dem Elektret-Prinzip gewinnen, wobei es unerheblich ist, ob Elektretfolien oder Elektret-Elektroden Verwendung finden.

Die Erfindung ermöglicht es, die Polarisationsspannung zu erhöhen, oder bei Anwendung des Elektreteffektes den Abstand zu verringern, um so die Empfindlichkeit wesentlich zu erhöhen.

Üblicherweise genügt es, um den Effekt der erfindungsgemäßen Maßnahme zu erreichen, die aus der Oberfläche der Gegenelektrode vorstehenden Erhebungen, die vorzugsweise eine zylindrische Gestalt haben, an ihrer, der Membran zugewendeten Stirnseite plan zu machen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß sich der Effekt noch verbessern läßt, und zwar dadurch, daß man die vorgenannte Stirnfläche der Erheoungen nicht plan, sondern konkav ausbildet. Durch diese Maßnahme wird die Membran bei sattem Anliegen auf diesen Erhsbungen gezwungen, eine wellenartige Form anzunehmen, wodurch infolge der Biegesteife der Membran das satte Aufliegen an der Elektrode weiter erschwert wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen entnommen werden, in der

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes ausgebildetes Kondensatormikrophon im Normalzustand zeigt,

Fig. 2 hingegen die Lage der Membran bei &o außergewöhnlichen Druckverhältnissen od. dgl. erkennen läßt, und

Fig.3 einen Querschnitt durch eine sehr stark vergrößerte Erhebung darstellt.

Das in Fi g. I schematisch im Querschnitt dargestellte ^' Kondensatormikrophon ist nicht maßstabgerecht gezeichnet, denn es soll ja nur das Prinzip der Erfindung an Hand der Zeichnungsfiguren erläutert werden. Die Membran des Mikrophons, beispielsweise eine Elektretfolie, ist mit 1 bezeichnet; sie ist am oberen Rand eines aus Isoliermaterial hergestellten ringförmigen Teiles 2 befestigt, beispielsweise durch Kleben. Die Gegenelektrode 3 ist am unteren Rand des ringförmigen Körpers i eingesetzt Die Gegenelektrode besitzt einen ringförmigen Vorsprung 3', der ihre Eintauchtiefe in den Hohlraum des ringförmigen Teiles 2 definiert Üblicherweise besitzt die Gegenelektrode 3 eine Anzahl von Bohrungen 4, so daß eine Verbindung zwischen der niederen Luftkammer hinter der Membran mit der Außenluft hergestellt werden kann. Auf den Stegen zwischen den Bohrungen 4 der Gegenelektrode 3 sind nun vorzugsweise in regelmäßiger Verteilung die erfindungsgemäßen Erhebungen 5 angeordnet Ihre Höhe entspricht nun nicht mehr, wie bekannt, dem ganzen Abstand a zwischen Gegenelektrode und Membran, sondern sie sind niedriger und enden in einem Abstand c von der Membranunterseke entfernt Wenn man die Erhebungen 5 nicht allzu zahlreich machen will, dann ist es zweckmäßig, die Höhe der Erhebungen über der Gegenelektrode etwa ²Z₃ a zu machen. Für die Membran verbleibt dann ein freier Ra<."m mit der Höhe c = V₃ a, in dem sie ungehindert schwingen kann. In der Praxis beträgt der Abstand a etwa 40 μπι.

Bei übergroßer Beanspruchung der Membran ί wird diese ge?en die Gegenelektrode 3 gedruckt Infolge der auf der Gegenelektrode 3 angeordneten Erhebungen 5 wird nun erfindungsgemäß das satte Aufliegen der Membran 1 an der Gegenelektrode 3 verhindert. Die Membran 1 wird daher eine Lage Γ tinnehmen, wie sie angenähert im Schnitt in Fig.2 dargestellt ist. Die Erhebungen 5 wirken als Unterstützung für die Membran Γ und verhindern, daß diese mit den von Erhebungen 5 freien Flächen der Gegenelektrode 3 in Berührung kommen. Da die elektrostatische Anziehungskraft direkt proportional mit der Berührungsfläche zunimmt, anderseits aber quadratisch mit dem Abstand der gegenüberliegenden Flächen abnimmt, ist ersichtlich, daß bei einem Kondensatormikrophon gemäß der Erfindung die Wirkung der elektrostatischen Anziehung im Falle einer Überbeanspruchung der Menbran nur einen Bruchteil jener ausmacht, die bei einem satten Aufliegen der Membran 1 an der Gegenelektrode 3 zustande käme. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Kondensatormikrophons reicht daher auf jeden Fall die mechanische Spannung der Membran 1 aus, um diese nach dem Aufhören der Überbeanspruchung wieder in die Normallage zurückzubringen.

Wie bereits erwähnt, können die Erhebungen 5 als kleine Zylinder mit einer ebenen, der Membran zugekehrten Stirnsuite ausgebildet sein. Es hat sich jedoch besonders dann als vorteilhaft erwiesen, wen.i die äußeren Kräfte so groß sind, daß die Membran auf der eigentlichen Elektrode zum Aufliegen kommt, die Stirnseite 5' einer solchen Erhebung zu vertiefen, also konkav auszubilden, wie dies in Fig. 3 im Schnitt dargestellt ist. Damit wird die mechanische Spannung der Membran und somit die Rückstellkraft wesentlich erhöht.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Kondensälörrnikföphön im Vergleich zu den bisher bekanntgewordenen Konstruktionen entweder hohe Empfindlichkeit oder bei mindestens gleicher Empfindlichkeit eine wesentlich bessere Reproduzierbarksit bei größerer Widerstandsfähigkeit liegen Überbelastungen aller Art aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kondensatormikrophon, bestehend aus einer mit Erhebungen versehenen Gegenelektrode und einer Membran, wobei entweder die Elektrode und bzw. oder die Membran aus elektrisierbaren Materialien bestehen und die Membran im Abstand vor der Oberfläche der Gegenelektrode angeordnet ist, weiche vorstehende Erhebungen trägt, von denen die Membran einen geringen Abstand i" aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen (5) um ein solches Maß niedriger sind, als es dem Abstand (a) zwischen der Gegenelektrode (3) und der Membran (1) entspricht,

so daß bei normaler Schallbeaufschlagung des '5 Mikrophons ein für die Membranschwingungen hindernisfreier Raum erhalten bleibt

2. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der aus der Oberfläche der Gegenelektrode (3) vorstehenden Erhebungen (5) etwa ²/₃ des Abstandes (a) zwischen der Membran (i) und der Oberfläche der Gegenelektrode (3) entspricht

3. Kondensatormikrophon nach Anspruch 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (5') der Erhebung (5), die der Membran (1) zugewendet ist konkav ausgebildet ist (F i g. 3).

4. Kondensatormikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite (5') der Erhebung (5), die der Membran (1) zugewendet ist nicht metallisiert ist