DE2758666B2

DE2758666B2 - Elektroakustischer Elektret-Wandler sowie Verstärkerschaltung für einen solchen Wandler

Info

Publication number: DE2758666B2
Application number: DE2758666A
Authority: DE
Inventors: Elmer V. Prospect Heights Carlson; Mead Clifford Elk Grove Village Killion
Original assignee: Industrial Research Products Inc
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 1976-12-30
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1980-01-24
Also published as: US4063050A; US4151480A; DE2758666C3; GB1565157A; DE2758666A1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, der in einem Gehäuse mit Boden und Seitenwinden eine Elektret-Anordnung aufweist, gemäß dem Oberhegriff des Anspruchs 1, sowie eine Verstärkerschaltung für einen solchen Wandler.

Bei einem bekannten gattungsgemäßen Wandler (DE-OS 22 54 692) ist die Elektret-Anordnung in dem Gehäuse so untergebracht, daß auf den beiden gegenüberliegenden Seiten der Membran akustische Kammern gebildet sind. Das Gehäuse umfaßt einen Kanal, durch den ein äußeres akustisches Signal in eine der beiden Kammern eintreten und so die Membran

■»ο zum Ansprechen bringen kann. Die Rückplatte ist perforiert, damit die durch die Schwingungen der Membran erzeugte Luftdruckschwankcng in die andere akustische Kammer eintreten kann. Der Elektret-Film ist an eine elektronische Schaltung angeschlossen, welche die elektroakustisch^ Wechselwirkung zwischen der Membran und dem Elektret-Film herbeiführt und so ein elektrisches Signal liefert, welches dem akustischen Signal entspricht.

Bekanntlich kenn ein solcher Wandler auch in

umgekehrter Richtung betrieben werden, nämlich so, daß ein elektrisches Signal an das Elektret angelegt und so die Membran zu Schwingungen angeregt wird, «vodurch ein akustisches Signal entsteht, welches sich aus der ersten akustischen Kammer auskoppeln läßt.

'»3 Der bekannte elektroakustische Wandler baut vergleichsweise voluminös.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Wandler dahingehend fortzuentwickeln, daß er kleiner ausgebildet werden kann.

Ein diese Aufgabe lösender elektroakustischer Wandler ist in Patentanspruch 1 und hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis 6 gekennzeichnet. Eine vorteilhafte Verstärkerschaltung für den erfindungsgemäßen Wandler ist im Anspruch 7 angegeben.

Die beim erfindungsgemäßen Wandler vorgesehenen StUtzsäulen ermöglichen eine viel dünnere und kleinere

Bauart des Wandlers, als sie mit dem bisherigen Wandler, z. B. dem gemäß der genannten DE-OS 22 54 692, möglich ist Außerdem lassen die Stützsäulen eine sehr genaue Positionierung der Elektret-Anordnung im Gehäuse zu mit der Folge, daß sich präzis definierte akustische Kammern ergeben.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt '

F i g. I eine teilweise im Querschnitt ausgeführte isometrische Ansicht eines Elektret-Wandlers nach der Erfindung;

F i g. 2 eine Draufsicht auf das Gehäuse des Wandlers nach F i g. 1, wobei ein Teil der Elektret-Anordnung und ' der Membran fortgelassen ist, um eine Stützsäule im Gehäuse sichtbar werden zu lassen, auf welcher die Elektret-Anordnung angebracht ist, und ferner die keramische Platte, auf welcher die elektronische Schaltung angebracht ist, sowie die Unterstützung der keramischen Platte;

Fig.3 ein Schaltbild eines Teiles der in Fig.2 sichtbaren Verstärkerschaltung, welche zwei Feldeffekt-Transistoren und zugeordnete Bauele/.iente umfaßt;

F i g. 4 eine isometrische Ansicht der in F i g. 1 und Fig.2 erkennbaren keramischen Platte, wobei diese gegenüber den Fig. 1 und 2 in umgekehrter Stellung dargestellt ist, um die Anordnung der Bauelemente auf der Platte sichtbar werden zu lassen.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein erfindungsgemäßer Elektret-Wandler 11 ein tassen- oder schalenförmige·= Gehäuse 13, das bei der gezeigten Ausführungsform im wesentlichen rechteckig ausgerichtete und geformte Wände 15 umfaßt. Ein passender Deckel 17 umfaßt eine im ganzen flache Platte mit nach unten abgewinkelten oder geneigten Ecken 18, die oben auf die Wände 15 paßt und an diesen fest zementiert ist, um das Gehäuse 13 zu verschließen. Die geneigten Ecken 18 erleichtern die richtire Anordnung des Deckels 17 auf dem *o Gehäuse 13 beim Zusammenbau. Ein geeignetes Einlaßrohr 19 für ein akustisches Signal ist am Gehäuse 13 angebracht und steht über eine geeignete akustische öffnung 40 in der Stirnwand 15 mit dem Inneren des Gehäuses in Verbindung, und zwar im einzelnen mit einer akustischen Kammer 20, die im Gehäuse 13 ausgebildet ist

Eine Elektret-Wandler-Anordnung 21 ist im Gehäuse 13 untergebracht Die Elektret-Anordnung hat im wesentlichen einen Aufbau, wie er aus der US-PS 37 40 496 hervorgeht. Die Elektret-Anordnung 21 umfaßt eine einstückige Membran 22, die als plattenförmiger Abschnitt 23 ausgebildet ist, welcher sich über den gesamten, relativ flachen Boden bzw. die untere Wand 32 des Gehäuses 13 erstreckt, sowie eine Einfassung bzw. einen Rand 25. Die Membran 22 kann beispielsweise aus Polyäthylen-Terephthalat (Mylar) oder einem ähnlichen Material bestehen. Der plattenförmige Abschnitt 23 kann mit einer nicht gezeigten, metallisierenden Schicht aus leitfähigem Material überzogen sein, «> welche beispielsweise im Vakuum auf ihre Oberfläche aufgebracht wurde.

Die am Rand des plattenförmigen Abschnittes 23 ausgebildete Einfassung 25 kann ebenfalls metallisiert sein, um einen akustischen Anschluß zu bilden. Die Einfassung 25 umfaßt einen Umfangsflansch 26, welcher sich quer zur Ebene des plattenförmigen Abschnittes 23 erstreckt Der Flansch 26 ist so geformt, daß er mit der Innenseite der Wände 15 des Gehäuses 13 zusammenpaßt. Eine einstückige Lasche, die durch eine Verlängerung des Flansches 26 gebildet sein kann, erstreckt sich nach oben zwischen der Wand 15 und dem elektrischen Leiter, der an den Anschluß 51 angeschlossen ist, vergleiche die leitfähige Lasche 73 in F i g. 2 und 3. Die Oberseite der Membran 22 wird hierdurch elektrisch mit dem Anschluß 51 und dem Gehäuse 13 an der Schweißstelle 75 verbunden.

Eine relativ steife, feste Rückplatte 33 erstreckt sich ebenfalls praktisch über die gesamte Bodenwand 32 des Gehäuses 13. Die Rückplatte 33 ist so dimensioniert, daß sie zum Flansch 26 der Membran 22 paßt Wie aus F i g. 1 hervorgeht, ist der Flansch 26 der Membran 22 zwischen der Kante der Rückplatte 33 und den Wänden 15 des Gehäuses 13 angeordnet und dort festgehalten. Die Membran 22 und die Rückplatte 33 unterteilen das Gehäuse 13 in zwei akustische Kammern 20 und 24. Geeignete öffnungen 35 in der Rückplatte 33 ermöglichen es, daß die Schallschwingungen von einer akustischen Kammer in die andere j-ilangen.

Ein polarisierter dielektrischer Fiim bzw. ein Elektret 31 ist auf der Unterseite der RUckplatte 33 mit bekannten Mitteln angebracht. Bei einer Ausführungsform kann der Elektret-Film 31 auf der Rückplatte 33 so angeordnet oder aufgebracht sein, daß er durch öffnungen 35 hindurch fließt und bis zur gegenüberliegenden Seite der Rückplatte 33 reicht wodurch Verankerungslaschen für den Film 31 gebildet sind, wie dies beispielsweise in der US-PS 37 72133 näher erläutert is¹. Ein Flansch 30 auf dem Film 31 kann sich um die Kante der Rückplatte 33 herum erstrecken. Die Rückplatte 33 umfaßt ferner an der Unterseite ein Muster aus voneinander beabstandeten Vorsprüngen 37. Der plattenförmige Abschnitt 23 der Membran liegt auf den Vorsprüngen 37 auf, wodurch er seine richtige Lage erhält. Mit anderen Worten wird ein bestimmter Abstand 42 zwischen dem plattenförmigen Abschnitt 23 der Membran und dem Abschnitt des Öektrrt-Filmes 31, der zwischen den Vorsprüngen angeordnet ist genau einbehalten.

Mehrere Stützsäulen 16, vgl. auch Fig. 2, sind mit gegenseitigem Abstand auf dem ganzen Boden bzw. der ganzen inneren Unterseite 32 des Gehäuses 13 angebracht oder dort ausgebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 werden drei Stützsäulen 16 in Dreieck-Konfiguration angewandt, die mit drei Vorsprüngen 37 der Rückplatte 33 fluchten und zur Halterung und sicheren Befestigung der Elektret-Anordnung 21 im Inneren des Gehäuses 13 dienen. Wie bereits erwähnt, können die Stützsäulen 16 durch Vorsprünge des Bodens 32 gebildet sein, die durch Lindrücken einzelner Zonen des Bodens 32 zum Inneren de^r Gehäuses 13 hin erzeugt werden. Alternativ können die Stützsäulen 16 separate Stütz-Bauteile sein, weiche in der ausgewä'ilten Anordnung am Soden 32 des Gehäuses 13 angeschweißt oder in anderer Weise befestigt sind. Darauf hinzuweisen ist, daß die Stützsäulen nicht nur eine sichere Halterung für die Anordnung 21 bilden, sondern außerdem die Abmessungen der akustischen Kammer 20 genau festlegen, die zwischen der Membran 22 und dem Baden des Gehäuses 13 gebildet ist.

Im zusammengebauten Zustand ist die Membran 22 neben der Rückplatte 33 angeordnet. Wie oben erläutert wurde, richtet sich der Abstand zwischen dem plattenförmigen Abschnitt 23 der Membran und den ebenen Zonen der Rückplatte 33 nach den Vorsprüngen

37 an der Rückplatte 33. Die F.lektret-Anordnung bzw. •Unteranordnung 21 aus Rückplatte 33 und Membran 22 kann dann so in das Gehäuse 13 eingesetzt werden, daß sie auf den Stützsäulen 16 auf der Innenseite des Gehäuses aufliegt und die akustische Kammer 20 in der erläuterten Weise gebildet wird. Die Rückplatte 33 und der Flansch 26 der Membran 22 können anschließend an den Wänden 15 des Gehäuses 13 angebracht werden, z. B. mittels eines Tropfens bzw. eines Streifens Klebstoff 36.

Fine Stoßplatte 41, die aus keramischen oder einem anderen nicht leitenden Material besteht, ist mit Abstand von der Rückplattc 32 im Inneren des f penalises 1 3 gehallen, vgl I ι g 1 und 2. Die Platte 41 ist mittels eines länglichen Stabes 41 positioniert und befestigt, der sich von einer Kante der Ebene der Platte 41 nach außen erstreckt. Der Stab 43 ist beispielsweise durch Schweißen an einer (,hierlasche 45 befestigt, die .,•ι ,l.w U.., L,U>||.. XX l...r.,it....K,>..«., ι»,η L >».< IV..

F£T-I ist über einen Serien-Widerstand 57 zum anderer Anschluß 51 der Speisequelle geführt. Der Anschluß 5t ist außerdem über eine Leitung 61 und einen Leiter 73 der gestrichelt dargestellt ist, an die Eingangssignalquel

ι Ie 60 angeschlossen. Das in F i g. 4 gezeigte Kissen 5f stellt einen Leiter dar, der mit der Verstärkerschaltung 50 in Verbindung steht. Der Widerstand 57 ist se ausgesucht, daß er einen Spannungsabfall zwischen H Millivolt und 100 Millivolt erzeugt, wenn im Widerstanc

ίο der Normalstrom fließt. Beispielsweise ist für einer Verstärker, der einen Strom von 25 Mikro-Amperc vor der .Speisequelle zieht, erfahrungsgemäß ein Wider stand von 1000 Ohm geeignet, um wirksam eint Beschädigung der Schaltung aufgrund einer ziifiilligei

ι ί elektrostatischen IEntladung über die Anschlüsse 47 unc 49 beim Anfassen des Gehäuses 13 zu verhindern. Dei Widerstand 57 kann als Teil einer Halbleiter-Basis bzw Matrize 48 gebildet sein, vgl. F i g. 4. Alternativ kanr /!*.»»■ W/ i< li-irc t ο cw) ^|\^ pin rlicL· rptpc \\'X%%{*\t>t*\t*n% cpin /wl*>i

Stab 43 kann an der Seite der Querlasche 45 angebracht sein, wie es in den Figuren dargestellt ist; er kann aber auch in einfacher Weise an der Oberseite der Onerlasche 45 befestigt sein Schließlich kann die QiK-Hasche 45 auch durch ein separates Stück gebildet sein, das sowohl mit der Rückplattc 33 als auch mit dem Stab 43 verschweißt ist.

Die andere Kante der keramischen Platte 41 ist im (iehäuse 13 mittels relativ steifer elektrischer Anschlüsse 47, 49 und 51 gehalten, von denen jeder einen •\bschnilt hat. der an der Plattt 41 befestigt ist. sowie einen gegenüberliegenden Abschnitt, welcher sich durch Zementierung zu AnsehluL'kissen bzw. -stücken 54 auf der Isolierplatte 52 erstreckt, die an der Wand 15 des Gehäuses 13 angebracht ist Außerdem kann die Platte 41 weiterhin mittels eines Klebstoffes 77 befestigt sein, welcher zwischen die Ränder der Platte und der Wand des (iehäuse? 13 eingebracht ist. Die Enden der elektrischen Anschlüsse 47, 49 und 51. die an der Platte 41 befestigt sind, sind außerdem mit de- zugeordneten elektronischen Schaltung 50. \gl. F-" i ,.;. S. verbunden, die auf der Plane 41 angebracht ist. Die bereits erläuterte Masse Lasche 73. vgl. F < g. 2. die am Flansch 26 der Membran 22 ausgebildet ist. stellt die elektrische Verbindung mit dem Anschluß 51 her. während sich die Schweißstelle 75 zwischen dem Anschluß 51 und dem Gehäuse 13 befindet.

Gemäß F ι g. 3 umfaßt die elektronische Schaltung zwei Feldeffekt-Transistoren FfT-I und FET-2. ferner zwei Dioden 53 und 55 sowie einen Widerstand 57. Die Schaltung nach Fig. 3 stellt die Abwandlung einer Schaltung dar, wie sie in der US-PS 35 12 100 beschrieben wurde.

Nach Fig. 3 umfaßt der Feldeffekt-Transistor FETA eine Senkelektrode 65, eine Quellelektrode 67 und eine Torelektrode 63 Die Senkelektrode 65 steht über den Anschluß 47 mit einer geeigneten Speisequelle in Verbindung, z. B. mit einer Batterie, deren Spannung im Bereich zwischen 0,9 und 20 Volt, üblicherweise zwischen 03 und 2 Volt, liegt.

Die Quellelektrode 67 ist an die Senkelektrode 71 des Feldeffekt-Transistors FET-2 angeschlossen. In bekannter Weise erhält der Feldeffekt-Transistor FfT-I das Signal zur Verstärkung welches durch die gegenseitige Wechselwirkung von Membran 22 und Elektret 31 entsteht

Die Quelieiektrode 74 des Feideffekt-Transistors

auch auf der Platte 41 durch Aufdrucken odei Aufdampfen aufgebracht sein.

Die Torelektrode 63 des ersten Feldeffekt-Transi stors ist über zwei parallel zusammengeschaltete Dioden 53 und 5^r> an die Quellelektrode 74 des /weiter Feldcf!ekt-Transistors FET-2 angeschlossen. Die Di öden 53 und 55 sind einander entgegengesetzt parallc geschaltet und haben die gleiche Funktion, wie sie in dei gcnair tin US-PS 35 12 100 erläutert ist. Die Torelek trode 69 des zweiten Feldeffekt-Transistors ist ebenfall: an die Dioden 53 und 55 angeschlossen.

In F i g. 4 ist die Verstärkerschaltung nach Fig. 3 se dargcstcll!. daß sie eine einzige Halbleiter-Unterlage 41 umfaßt, die durch Zementierung oder eutektisch* Klebung mit einer geeigneten gedruckten Schaltung au der keramischen Platte 41 verbunden ist.

Die Schaltung nach Fi g. 3 ist insofern eine Vcrbesse rung gegenüber der Schaltung gemäß der US-Pi 35 12 100. als der zweite Feldeffekt-Transistor FET-2 der als Last-Transistor arbeilet, in die Schaltung einbezogen ist. Das Ausgangssignal wird an der \nschlüssen 49 und 51 vom zweiten Feldeffekt-Transi stör abgegriffen, der einen niedrigen Gleichstrom Widerstand und einen hohen Wechselstrom-Wider stand darstellt. Außerdem umfaßt die verbesserte Schaltung nach F i g. 3 den Serien-Widerstand 57, der ir die Schaltung aufgenommen ist, um den maximalen durch den ersten oder zweiten Feldeffekt-Transistoi fließenden Strom im Falle einer elektrostatischer Entladung über emweder den Speisespannungs-An schluß 47 oder den Ausgangs-Anschluß 49 zu begren zen.

Die Eingangssignalquelle für die Schaltung 50 is durch das Rechtecksymbol 60 dargestellt, welche; zwischen den Leitungen 28 und 73 liegt. Bekanntlich is der Signaleingang für die Schaltung vom dynamische! bzw. anfänglichen Abstand des Membran-Abschnitte: 23 vom Elektret 3ϊ abhängig. Der Ausgang dei Schaltung 50 ist ein verstärktes elektrisches Signal, da: an den Anschlüssen 49 und 51 ansteht und den Eingangssignal entspricht

Natürlich hängt die Polarität der Anschlüsse dei Speisequelle, an welche die beiden Feldeffekt-Transisto ren angeschlossen sind, vom Polaritäts-Typ bzw. dei Polaritätsorientierung der beiden verwendeten Feldef fekt-Transistoren ab.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler, der in einem Gehäuse mit Boden und Seitenwänden eine Elektret-Anordnung aufweist, welche eine Membran mit einem mittleren, schwingfähigen, plattenförmigen Abschnitt und mit einer relativ flexiblen Einfassung am Umfang des plattenförmigen Abschnittes, ferner eine Rückplatte mit hindurchgehenden öffnungen und Vorsprängen auf einer Seite der Rückplatte und schließlich einen Elektret-Film umfaßt, der auf der Seite der Rückplatte mit den Vorsprüngen ausgebildet ist und mit der Membran zur Erzeugung eines Signales zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite des Bodens (32) des Gehäuses (13) gegenseitig beabstandete Stützsäulen (16) zur Halterung der Elektret-Anordnung (21) im Gehäuse und zur Bildung einer akustischen Kammer (20) zwischen der Elektret-Anordnung und der Innenseite des Gehiuse-Bodens vorgesehen sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (13) eine nichtleitende Platte (41) angeordnet ist, auf der sich eine Signal-Verstärkerschaltung (50) mit zwei Feldeffekt-Transistoren (FET) befindet, von denen ein erster Feldeffekt-Transistor das να, ikr Membran (22) und dem Elektret (31) erzeugte Signal erhält und verstärkt und von denen der zweite Feldeffekt-Transistor eine Ausgangs-Lastimpedanz für das verstärkte Signal bildet

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die richtlei'"nde Platte (41) über Anschluß-Mittel (47, 49. 51) mit der Seite des Gehäuses (13) verbunden und r ittels einer Klammer (45) an der Rückplatte (33) festgehalten ist.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (22) und die Rückplatte (33) das Gehäuse (13) in zwei unterschiedliche akustische Kammern (20;24) unterteilen.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einfassung (25) an ihrem Umfang einen zu den Wand-Flächen ues Gehäuses (13) passend geformten Flansch (26) aufweist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse-Deckel (17) mit einer ebenen Hauptfläche und geneigten Ecken (18) zur erleichterten Positionierung des Deckels am Gehäuse (13) während des Zusammenbaus vorgesehen ist.

7. Verstärkerschaltung für einen Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, die an eine Speisequelle mit einer Spannung von 0,9 bis 2 Volt anschließbar ist und mindestens zwei Feldeffekt-Transistoren mit jeweils mindestens drei Elektroden umfaßt, von denen eine Elektrode des ersten Feldeffekt-Transistors an eine Seite der Speisequelle angeschlossen ist, bei der eine Dioden-Vorspannungseinrichtung zwei mit entgegengesetzter Polung parallelgeschaltete Dioden umfaßt, bei der eine zweite Elektrode des ersten Feldeffekt-Transistc rs mit einem Wechselspannungssignal beaufschlagbar und außerdem an einem Anschluß der Vorspannungseinrichtung angeschlossen ist, bei der die die dritte Elektrode des ersten Feldeffekt-Transistors an die erste Elektrode des zweiten Feldeffekt-Transistors angeschlossen ist. bei der die zweite und die dritte Elektrode des zweiten Feldeffekt-Transistors an den den anderen Anschluß der Vorspannungseinrichtung angeschlossen sind, und bei der das zwischen der ersten und der dritten Elektrode des zweiten Feldeffekt-Transistors erzeugte verstärkte Wechseispannungssignal zu einem Ausgang auskoppelbar ist, wobei der zweite Feldeffekt-Transistor eine niedrige Gleichstrom-Impedanz und eine hohe Wechselstrom-Impedanz bildet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die

ίο zweite Elektrode (69) und die dritte Elektrode (74) des zweiten Feldeffekt-Transistors (FET-2) einerseits und die andere Seite (51) der Speisequelle andererseits ein Widerstand (57) geschaltet ist, welcher hierdurch in Serie mit dem Gleich-

:5 strom-Weg liegt, der von den ersten zu den dritten Elektroden (65, 67 bzw. 71, 74) der beiden Feldeffekt-Transistoren und zwischen der Dioden-Vorspannungseinrichtung (53, 55) und der anderen Seite der Speisequelle verläuft, und so den durch die Feldeffekt-Transistoren und durch die Vorspannungseinrichtung hindurchfließenden Strom zum Schutz derselben, zum Beispiel gegenüber elektrostatischen Entladungen, begrenzt