DE3241810C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Meßgrößenaufnehmer, der ein metallisches Aufnehmergehäuse mit zwei auf diesem oder in diesem montierten, elektrisch leitenden Platten umfaßt, von welchen die eine eine stationäre Elektrode bildet, während die andere eine in bezug auf die stationäre Elektrode bewegliche Elektrode darstellt, und wobei die bewegliche Elektrode auf der Stirnseite des Aufnehmergehäuses angebracht ist, während die stationäre Elektrode auf einem isolierenden Element montiert ist, das im Inneren des Aufnehmergehäuses festgehalten wird und die stationäre Elektrode in kleinem Abstand von der genannten beweglichen Elektrode unterstützt.

Eine Übersicht von Ausführungsarten von kapazitiven Meßgrößenaufnehmern und ihre technischen Eigenschaften wird von CH. Rohrbach im Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI-Verlag Düsseldorf, 1967, S. 151-152 gegeben. Kapazitive Abstandsgeber werden als sogenannte Druckgeber insbesondere in der Akustik als Kondensator-Mikrofon verwendet. Im wesentlichen besteht ein solcher Druckgeber aus einer festen Elektrode und einer im Abstand dazu angeordneten beweglichen Elektrode z. B. einer Biegeplatte, wobei infolge einer durch Druck entstehenden Durchbiegung der Biegeplatte eine Kapazitätsänderung herbeigeführt wird. Diese Kapazitätsänderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt, daß für eine weitere Verarbeitung zur Verfügung steht. Eine entsprechende Anordnung zur Umsetzung einer Abstandsänderung in ein elektrisches Signal ist aus der US 28 64 056 bekannt.

Ein Aufnehmer der obengenannten Art kann z. B. ein Kondensatormikrophon sein. Die Erfindung hat die größte Bedeutung in Verbindung mit Kondensatormikrophonen einer gewissen Güte, wie z. B. Studio- oder Meßmikrophonen. Bis auf wenige Ausnahmen sind alle Meßmikrophone als Kondensatormikrophone ausgebildet, weil das Prinzip, nach dem derartige Mikrophone konstruiert sind, besser als alle anderen Prinzipien die Erfüllung der generellen Anforderungen ermöglicht, die an ein Meßmikrophon hoher Güte gestellt werden.

Eine primäre Anforderung besteht darin, daß die akustische Leistungsfähigkeit des Mikrophons hoch ist, damit sich eine hohe Genauigkeit der Meßergebnisse erreichen läßt. Darüber hinaus ist es erforderlich, daß seine Empfindlichkeit gegen Schwankungen in den Umweltgegebenheiten, wie Druck, Temperatur und Feuchtigkeit, gering ist.

Um reproduzierbare Meßergebnisse zu erzielen und die zeitlichen Intervalle zwischen erforderlichen Eichungen zu verlängern, ist es ebenfalls erforderlich, daß das Mikrophon sowohl eine gute Kurzzeit- als auch Langzeitstabilität aufweist. Außerdem muß sich seine Eichung auf einfache Weise ausführen lassen, sein Übertragungsfaktor und seine Frequenzcharakteristik müssen sich leicht nachprüfen lassen und seine Leistungsfähigkeit muß sich nicht nur durch direkte Messungen, sondern auch durch Berechnungen vorhersagen lassen, denen theoretische Überlegungen zugrunde liegen, die eine unabhängige Bestätigung der gemessenen Daten darstellen können.

Kondensatormikrophone für Meß- und Studiozwecke sind gewöhnlich aus mechanischen Teilen konstruiert, die zusammengeschraubt werden. Diese Teile bestehen aus zylindrischen Konstruktionselementen, die an geeigneten Stellen entweder auf der Innen- oder der Außenseite mit den erforderlichen Gewindegängen versehen sind. Die Hauptelemente in einem Kondensatormikrophon sind eine stationäre Elektrode, auch Gegenelektrode genannt, und eine bewegliche Elektrode in Form einer Membran, die im Ruhezustand in einem wohldefinierten Abstand von der Gegenelektrode gehalten wird. Diese beiden Elektroden bilden die beiden parallelen Platten in einem Kondensator, bei dem gewöhnlich atmosphärische Luft als Dielektrikum dient. Die stationäre Elektrode oder Gegenelektrode ist an einer verhältnismäßig dicken Scheibe aus einem hochisolierenden und formstabilen Material festgeschraubt. Der scheibenförmige Isolator ist auf der Innenseite eines äußeren, rohrförmigen Mikrophongehäuses aus z. B. Monel-Metall, Titan oder Neusilber festgespannt. An der Stirnseite des Mikrophongehäuses ist eine ausgespannte Folie oder Membran montiert, die bei hochwertigen Aufnehmern aus Metall oder Metallegierungen besteht. Diese Folie oder Membran bildet die bewegliche Elektrode. Das Mikrophongehäuse, der Isolator und die Membran bilden einen geschlossenen Raum. Beim Auftreten eines Druckunterschiedes zwischen der umgebenden Atmosphäre und diesem geschlossenen Raum wird die Membran bewegt, und diese Bewegung bewirkt eine Kapazitätsänderung, die sich elektrisch messen läßt. Die Frequenzcharakteristik des Mikrophons wird im wesentlichen vom Resonanzpunkt der Membran sowie von der Dämpfung bestimmt, der sie ausgesetzt ist. Die Resonanzfrequenz wird von der Masse und von der mechanischen Spannung der Membran bestimmt. Die Dämpfung ist von der Beweglichkeit der Luft im Zwischenraum zwischen der Membran und der Gegenelektrode abhängig und kann deshalb teils durch Wählen einer geeigneten Formgebung der Gegenelektrode, teils durch Wählen eines geeigneten Abstandes zwischen der Membran und der Gegenelektrode variiert werden.

Da die Schwankungen des atmosphärischen Luftdrucks bei weitem die kleinen Druckvariationen übersteigen, die von der Ausbreitung des Schalls herrühren, ist wenigstens ein Druckausgleichskanal vorgesehen, der vom geschlossenen Hohlraum zur äußeren Atmosphäre führt. Die lichte Weite und die Länge dieses Kanals sind so abgestimmt, daß bei langsamen atmosphärischen Druckschwankungen ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem inneren Hohlraum des Mikrophons erfolgen kann, aber nicht derartig, daß ein solcher Druckausgleich bei gewöhnlich vorkommenden Schallfrequenzen geschehen kann. Bei den Mikrophonen, deren Anwendung am üblichsten ist, liegt die untere Grenzfrequenz des Druckausgleichssystems bei 1 Hz bis 10 Hz.

Außer als stationäre Elektrode in einem Kondensator zu wirken, hat die Gegenelektrode durch ihre Anwesenheit in nächster Nähe der Membran die Aufgabe, die Bewegung der Membran so zu beeinflussen, daß sich eine erwünschte Frequenzcharakteristik ergibt.

Der Abstand zwischen den Elektroden liegt bei modernen Mikrophonen typisch zwischen 10 µm und 30 µm. Bei den einzelnen Typen muß der gewählte Abstand eine Toleranz einhalten, die typisch plus/minus 2-5%, d. h. von 0,2 µm bis 1,5 µm, beträgt, damit sich in der Praxis eine geeignete gleichmäßige Dämpfung der Membranbewegung im Bereich um die Resonanzfrequenz erreichen läßt. Dadurch wird in bezug auf die Frequenzcharakteristiken über Übertragungsfaktoren die angestrebte Gleichartigkeit der einzelnen Mikrophone erzielt. Die Gegenelektrode beeinflußt die Bewegung der Membran dadurch, daß Energie verbraucht wird, wenn die Luft im engen Zwischenraum zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode durch die Bewegungen der Membran hin- und hergepumpt wird. Diese Dämpfung der Membranbewegungen wird normalerweise durch die Anordnung einer geeigneten Anzahl von Bohrungen mit einer geeigneten Größe in der Gegenelektrode reguliert, wobei die Bohrungen vom engen Zwischenraum zwischen den Elektroden zur Rückseite der stationären Elektrode führen, aber nicht aus dem geschlossenen Hohlraum des Mikrophons herausführen. Auf diese Weise ist es möglich, für einen gegebenen Mikrophontyp einen gewünschten Dämpfungsgrad der Bewegungen der Membran zu erreichen.

Um Mikrophone herstellen zu können, die sich unter den verschiedenartigsten Umweltbedingungen stabil verhalten, d. h. ihre Eigenschaften nicht verändern, ist es außerordentlich wichtig, daß bei deren Ausgestaltung Sorgfalt bei der Wahl von Materialien aufgewiesen und bei der Herstellung der einzelnen Elemente oder Werkstücke mit der erforderlichen Genauigkeit gearbeitet wird. Die Materialien müssen aus Rücksicht auf die Langzeitstabilität formstabil sein. An den Isolator wird zusätzlich die Anforderung gestellt, daß er im Hinblick auf Messungen bei niedrigen Frequenzen aus einem hochisolierenden Material besteht, was in der Praxis bedeutet, daß Keramik, Glas, Saphir, Quarz oder damit verwandte Materialien verwendet werden müssen. Es ist typisch für derartige Materialien, daß sie einen sehr niedrigen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten haben, d. h. einen Koeffizienten, der von dem der Metalle stark abweicht. Dies ist von Wichtigkeit, da die übrigen Konstruktionselemente des Mikrophons aus Metallen oder Metallegierungen hergestellt sind. Es kann Einfluß auf den Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten und auch auf die Gefahr erhalten, daß bei Temperaturänderungen sprunghafte Änderungen des Übertragungsfaktors des Mikrophons auftreten können.

Der Übertragungsfaktor eines Kondensatormikrophons ist dem Abstand zwischen den Elektroden direkt proportional. Hält man sich die weiter vorn angegebenen Größen vor Augen, so ist ersichtlich, daß eine Ungenauigkeit des Abstandes zwischen den Elektroden von 0,2 µm typisch eine Abweichung von 1% von einem angestrebten Übertragungsfaktor bewirken würde. Eine derartige Abweichung ist bei Anwendung des Mikrophons für gewisse Zwecke nicht akzeptabel.

Der Übertragungsfaktor eines Kondensatormikrophons ist außerdem der inneren Spannung der Membranfolie umgekehrt proportional. Da diese Spannung von der Dehnung der Folie abhängig ist, muß die Folie in einer wohldefinierten Weise in bezug auf das Mikrophongehäuse eingespannt werden.

Bei der Herstellung von hochwertigen Mikrophonen werden für die Membran und das Mikrophongehäuse meistens Metalle benutzt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der verwendeten Metalle liegt zwischen 8 · 10^-6/°C und 22 · 10^-6/°C. Für Konstruktionen hoher Güte werden Materialien gewählt, bei denen der Unterschied zwischen diesen Koeffizienten wesentlich kleiner ist als 1 · 10^-6/°C. Dies ist erforderlich, da die Dehnung der Folie, die zur gewünschten Membranspannung führt, nur wenige µm beträgt. Eine temperaturbedingte Dehnung der Folie muß deshalb durch eine entsprechende Dehnung des Mikrophongehäuses ausgeglichen werden.

Ein wesentliches Problem bei den bekannten Mikrophonen ist, daß die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen für den Abstand zwischen den Elektroden einen umfassenden Herstellungsvorgang mit vielen verschiedenen zeitraubenden Arbeitsgängen mit sich führt. Als Beispiele können Planschleifen, Läppen und Polieren von Mikrophongehäuse und Gegenelektrode zusammen angeführt werden, da sich diese Teile nicht jeweils für sich mit den notwendigen Toleranzen herstellen lassen. Diese Arbeitsgänge sollen Parallelität zwischen der Referenzebene der Membran, die von der Auflagefläche derselben am Mikrophongehäuse gebildet wird, und der stationären Elektrode sicherstellen. Dazu kommen andere Vorgänge, wie z. B. mechanisches Zerlegen, Entgraten, Putzen und Reinigen, auf die eine zeitraubende Endmontage folgt, da der korrekte Abstand zwischen den Elektroden durch Einlegen von ganz dünnen Abstandsscheiben entweder zwischen die bewegliche Elektrode und deren Auflagefläche am Mikrophongehäuse oder zwischen die Isolationsscheibe und deren Auflagefläche im Mikrophongehäuse sichergestellt wird.

Ein weiteres Problem ist, daß das Material, aus dem der Isolator hergestellt ist, einen Temperaturausdehnungskoeffizienten besitzt, der von dem der Metalle abweicht. Es ist deshalb erforderlich, die Isolationsscheibe in einer solchen Weise zu montieren, daß das Mikrophongehäuse an der Stelle, wo die Membran befestigt ist, von der weit geringeren Ausdehnung des Isolators unbeeinflußt bleibt. Bei bekannten Mikrophontypen wird dies dadurch erreicht, daß die Isolationsscheibe in einer derartigen Weise in das Mikrophongehäuse eingepaßt wird, daß diese beiden Elemente relativ zueinander längs aneinander anliegender Flächen gleiten können, die rechtwinklig zur Längsachse des Mikrophons verlaufen, und derselben Maßnahme bedient man sich bei der Montage der Gegenelektrode an der Isolationsscheibe. Diese Montageweise hat je nach der praktischen Ausführung die Gefahr zur Folge, daß diskontinuierliche Änderungen des Übertragungsfaktors auftreten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Meßgrößenaufnehmer bereitzustellen, bei dem sich in einfacher Weise ein gewünschter Abstand zwischen den Elektroden einstellen läßt, der einfach herstellbar ist und bei dem sowohl eine Kurzzeit- wie auch eine Langzeitstabilität gewährleistet ist.

Ein kapazitiver Meßgrößenaufnehmer der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Aufnehmergehäuses im Abstand von der Innenwand des Gehäuses eine zylindrische Tragwand vorgesehen ist, deren eine Stirnseite durch eine Querwand oder einen Boden mit dem Aufnehmergehäuse fest verbunden ist und deren andere, von der Quer- oder Bodenwand abgekehrte Stirnseite einen Sitz für das genannte isolierende Element bildet, und daß die Tragwand und das isolierende Element derartig dimensioniert sind, daß das letztgenannte Element durch Einpressen oder Einführen in seinem Sitz montiert und danach dort durch Reibung bzw. durch eine Klebstoff festgehalten werden kann.

Dadurch lassen sich mehrere Vorteile erreichen. Erstens wird nunmehr ermöglicht, auf einfache und billige Weise mit Hilfe eines Präzisionsstempels oder eines Präzisionsdorns die Isolationsscheibe so zu plazieren, daß sich die Lage der stationären Elektrode in Axialrichtung des Gehäuses mit außerordentlich hoher Genauigkeit in bezug auf eine im voraus festgelegte Referenzebene, die auch bei der Plazierung der beweglichen Elektrode benutzt wird, festlegen läßt. Außer äußerst präzis zu sein, ist dieses Verfahren auch weit billiger als das bisher verwendete. Zweitens können die Einzelteile des Mikrophons jeweils individuell mit der erforderlichen Präzision hergestellt werden, so daß sich eine kostspielige abschließende Bearbeitung der Teile, um diese einander paarweise anzupassen, erübrigt.

Die Tragwand und die Isolationsscheibe werden relativ zueinander derartig dimensioniert, daß die Stirnseite der Wand, die der Querwand oder dem Boden abgekehrt ist, beim Einsetzen der Scheibe eine so große elastische Dehnung ihres Umfanges erfährt, daß sich die Kräfte, die die Scheibe festhalten, infolge von Unterschieden zwischen den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten der Materialien innerhalb des Temperaturintervalls, in dem der betreffende Aufnehmer seinen Spezifikationen gemäß arbeiten soll, nicht wesentlich ändern.

Die thermische Dehnung derjenigen Stirnseite der Tragwand, die den Sitz für die Isolationsscheibe bildet, folgt der Dehnung der Scheibe, während sich die entgegengesetzte Stirnseite der Wand, die mit dem übrigen Teil des Aufnehmergehäuses fest verbunden ist und im übrigen aus bevorzugterweise demselben Material besteht, in Übereinstimmung mit dem für das betreffende Metall oder die betreffende Legierung charakteristischen, größeren Ausdehnungskoeffizienten ausdehnt. Die Spannungen, die dadurch veranlaßt auftreten, bewirken eine elastische Verformung der dünnen Tragwand, während der übrige Teil des Aufnehmergehäuses davon unbeeinflußt bleibt.

Ein kapazitiver Aufnehmer der obengenannten Art kann erfingungsgemäß zusätzlich dadurch gekennzeichnet sein, daß die stationäre Elektrode und das isolierende Element als eine integrierte Einheit in Form einer Isolationsscheibe mit einer einseitigen, elektrisch leitenden Beschichtung ausgebildet sind, oder alternativ dadurch, daß die stationäre Elektrode als ein separates Element auf einer Scheibe aus einem elektrisch isolierenden Material montiert ist.

Eine Sicherheit gegen eine axiale Verschiebung der stationären Elektrode und damit für die Beibehaltung eines bestimmten Abstandes zwischen den Elektroden wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man die äußere, der Innenseite der Tragwand zugekehrte Fläche der Isolationsscheibe konvex sein läßt und ihr eine derartige Form oder ein derartiges Profil verleiht, daß eine schmale, symmetrische Berührungsfläche mit der Innenseite der Tragwand entsteht, welche Fläche spiegelsymmetrisch ist um eine rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende Ebene, die einen größten Durchmesser der Isolationsscheibe enthält, und daß man diese Scheibe so tief in ihrem Sitz anbringt, daß die Projektionen der Kräfte, die in axialer Richtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene auf beiden Seiten der genannten, rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich groß, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die obengenannte Ausbildung der Scheibe erleichtert außerdem ihr Einführen in die Zylindermündung oder in den Sitz.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines nach dem Stand der Technik konstruierten Kondensatormikrophons,

Fig. 2 eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrophons in perspektivischer Ansicht und mit einigen der Elemente in Längsschnittdarstellung,

Fig. 3 dasselbe Kondensatormikrophon wie Fig. 2, aber in zusammengebautem oder montiertem Zustand,

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrophons in perspektivischer Ansicht und teilweise im Schnitt,

Fig. 5 in größerem Maßstab einen lotrechten Schnitt durch eine Einzelheit nach Fig. 3,

Fig. 6 ein waagerechter Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 3 und

Fig. 7 in größerem Maßstab eine Einzelheit nach Fig. 6.

Die in Fig. 1 wiedergegebene Ausführungsform eines nach dem Stand der Technik konstruierten Kondensatormikrophons umfaßt ein äußeres Mikrophongehäuses 10, das als zylindrisches Konstruktionselement ausgebildet ist. Auf das Mikrophongehäuse 10 ist auf die auf der Zeichnung nach oben gekehrte Stirnseite ein Membranelement aufmontiert, das generell mit der Bezugsziffer 11 bezeichnet ist. Das Membranelement besteht aus einer kurzen zylinderförmigen Buchse 12 mit einem Flansch 13, die zusammen mit dem Mikrophongehäuse 10 eine Membran 14 ausspannen. Diese Membran, die bei hochwertigen Mikrophonen normalerweise eine Folie aus einem ausgesuchten Metall oder einer Legierung von solchen Metallen ist, die aber auch eine metallbeschichtete Folie sein kann, bildet die bewegliche Elektrode des Mikrophons. Das Membranelement 11 ist auf das Mikrophongehäuse 10 aufgeschraubt oder auf andere Weise so an diesem befestigt, daß eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse 10 und der Membran 14 hergestellt wird. Das Mikrophongehäuse 10 endet auf der Zeichnung oben in einer ringförmigen, horizontalen Auflagefläche 15, die, wenn das Membranelement 11 aufgeschraubt ist, am Flansch 13 gegen die Innenseite der Membran 14 anliegt. Die Erstellung dieser Auflagefläche 15 ist, was die Genauigkeit dabei betrifft, ein sehr kritischer Vorgang, da diese Fläche eine Referenzebene für die Lagen von teils der beweglichen Elektrode, teils der stationären Elektrode festlegt, so wie es aus dem in der Einleitung mit Bezug auf die Toleranz für die Breite des Zwischenraumes zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode Angeführten ersichtlich ist.

Die Innenseite des Mikrophongehäuses 10 ist mit einem Rezeß 20 mit einer Auflagefläche 21 für einen scheibenförmigen Isolator 22 versehen. Der Isolator wird im Mikrophongehäuse 10 mit Hilfe eines Spannringes 23 fixiert, der mit Hilfe eines Gewindeganges 24 auf der Innenseite des Gehäuses eingeschraubt wird. Das Festziehen dieses Spannringes 23 soll die axiale Lage des Isolators so absichern, daß er sich nicht in Längsrichtung des Mikrophongehäuses verschiebt, aber daß eine gewisse Verschiebebewegung zwischen dem Isolator und dem Mikrophongehäuse längs der radialen Auflageflächen ermöglicht wird, da dadurch der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien ausgeglichen werden kann.

Eine stationäre Elektrode, die generell mit 26 bezeichnet ist und in der Fachsprache auch Gegenelektrode oder Gegenplatte genannt wird, besteht aus einem Kopf 27 mit einer planen Oberseite 28, der die eigentliche stationäre Kondensatorplatte darstellt, sowie einem stammförmigen Teil 29 mit einer Schulter 30. Der Stamm 29 ist durch eine Bohrung 31 in der Mitte des Isolators 22 hindurchgeführt, so daß die Schulter 30 auf der Oberseite des Isolators aufliegt, und wird mit Hilfe einer aufgeschraubten Spannbuchse 32 auf der Unterseite des Isolators festgehalten. Auch dort sind so große Luftzwischenräume zwischen den Seitenwänden der Bohrung 31 und dem Stamm 29 der Gegenelektrode vorhanden, daß diese die Unterschiede zwischen den Materialausdehnungen aufnehmen können, die auf Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien zurückzuführen sind.

Das Membranelement 11, das Mikrophongehäuse 10, die Gegenelektrode 26 und der Isolator 22 schließen somit einen Luftraum 33 ein, der nur durch einen im Mikrophongehäuse 10 vorgesehenen Druckausgleichskanal 34 mit Kapillarrohrdimensionen mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht. Zwischen der Membran 14 und der Oberseite 28 der Gegenelektrode befindet sich ein ganz dünner Luftzwischenraum 35, der das Dielektrikum im Kondensator darstellt.

Wie eingangs angeführt, ist der Übertragungsfaktor eines Kondensatormikrophons dem Abstand zwischen den Elektroden direkt proportional und der inneren Spannung der Membranfolie umgekehrt proportional. In der Einleitung ist auch erwähnt, daß die Toleranzen für den etwa 20 µm schmalen Luftzwischenraum zwischen 0,2 µm und 1,5 µm gehalten werden sollten. Wenn man sich die obige Beschreibung einer bekannten Ausführungsform eines Kondensatormikrophons vor Augen hält, ist es deshalb unmittelbar einleuchtend, daß die Einhaltung der genannten Toleranzen und damit die Erfüllung der an ein hochwertiges Mikrophon gestellten Anforderungen zeitraubende und damit kostspielige Teilvorgänge bei der Herstellung der einzelnen Elemente des Mikrophons mit sich führt. Die Gewährleistung der erforderlichen Planheit der Auflagefläche 15 des Gehäuses für die Membranfolie 14, welche Fläche, wie erwähnt, eine Referenzfläche festlegt, und für die Oberseite 28 der Gegenelektrode sowie die Sicherstellung der Parallelität mit der Membranfolie 14 machen, wie bereits in der Einleitung angegeben ist, so zeitraubende Arbeitsgänge wie Planschleifen, Läppen und Polieren u. a. m. notwendig.

Im folgenden werden einige Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrophons beschrieben, bei deren Herstellung die oben skizzierten Probleme eine elegantere und vor allem wesentlich billigere Lösung gefunden haben.

Es wird auf die Fig. 2 und 3 gleichzeitig Bezug genommen. Die Figuren sind, genau wie in Fig. 1, in bezug auf die Wirklichkeit ziemlich vereinfacht, und zwar enthalten sie nur das, was zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Bezüglich der ausführlicheren und für die Erfindung irrelevanten Merkmale, wie die Anordnung von Gewindegängen und ähnliche Einzelheiten, wird vorausgesetzt, daß der Durchschnittsfachmann dazu imstande ist, sie ohne nähere Anweisungen auszugestalten.

In seiner neuen Auführung ist das Mikrophongehäuse 10 wiederum zylindrisch. Im Inneren des Gehäuses und im Abstand von dessen Innenwand ist eine zylindrische Tragwand 40 vorgesehen, die auf einer querverlaufenden Bodenwand 41 festsitzt oder sich von dieser aus emporerstreckt und das Innere des Gehäuses in eine äußere Kammer 42 und eine innere Kammer 43 aufteilt. Die Tragwand ist koaxial mit dem Mikrophongehäuse angeordnet und kann entweder einstückig mit der Bodenwand 41 hergestellt oder auf andere Weise fest mit dieser verbunden sein. Die radial verlaufende Stirnfläche 44 der Tragwand 40 ist in bezug auf die Auflagefläche 15 des Mikrophongehäuses für das Membranelement 11, die in derselben Weise ausgebildet ist, wie es in der Beschreibung des Standes der Technik angeführt ist, zurückgezogen.

Im Gegensatz zu dem, was bei der bekannten Ausführungsform der Fall ist, sind bei der neuen Ausführungsform die stationäre Elektrode und der Isolator erfindungsgemäß bevorzugterweise als eine integrierte Einheit ausgebildet. Auf der Zeichnung ist ein relativ dicker, scheibenförmiger Isolator 48 mit einer zentralen Bohrung 49 und mit einer dünnen, elektrisch leitenden Schicht 50 auf der Oberseite wiedergegeben. Diese Schicht stellt die Gegenelektrode des Mikrophons dar. Sie kann aus einem Metallfilm bestehen, der z. B. aufgedampft sein kann. Falls das Aufdampfverfahren Anwendung findet, so erfolgt dies zweckmäßigerweise unter einem von 90 Grad verschiedenen Winkel, wodurch erreicht wird, daß sich die Elektrodenschicht in die Bohrung 49 in der Isolationsscheibe hinaberstrecken kann, so daß dort auf bequeme Weise eine Kontaktzone zum Anschließen eines Kontaktdrahtes 51 geschaffen werden kann. Die Schicht 50 erstreckt sich nicht ganz bis an den Rand der Isolationsscheibe 48, wodurch eine geeignete Isolation zwischen den Elektroden erreicht wird, wenn das Mikrophon zusammengebaut ist, vgl. Fig. 3.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß der Isolator mit der auf ihn aufgebrachten Gegenelektrode in das offene, von der Bodenwand 41 abgekehrte Ende der Tragwand 40 hineingepreßt ist. Das Einsetzen der integrierten Einheit kann außerordentlich präzise erfolgen, da das Einpressen dieser Einheit mit einem speziell ausgebildeten Präzisionsdorn vorgenommen werden kann, der sicherstellt, daß die Gegenelektrode 50 mit der erforderlichen Genauigkeit in einer gewünschten Höhe unter dem Membran 14 plaziert wird, wobei die Auflagefläche 15 des Gehäuses mit der Membran 14, wie bereits erwähnt, bei der Anordnung der stationären Gegenelektrode als Referenzfläche dient.

Eine alternative Verwirklichung der Erfindung ist in Fig. 4 wiedergegeben. Darin ist wiederum ein Mikrophongehäuse 10 mit aufgesetztem Membranelement 11 und mit einer inwendigen Tragwand 40 von derselben Art wie die in den Fig. 2 und 3 gezeigte sowie mit einer Isolationsscheibe 48 dargestellt, die, genau so wie es in Fig. 3 gezeigt ist, auf der Stirnseite der Tragwand 40 eingesetzt ist. Das alternative Merkmal besteht erfindungsgemäß darin, daß die stationäre Elektrode als ein separates Element 52 mit einem Kopf und einem Stamm ausgebildet und auf bekannte Weise auf der Isolationsscheibe montiert ist, so wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist. Dies hat den Vorteil, daß man sich bei der Detailausbildung der stationären Elektrode technischer Verfahren bedienen kann, die leichter zu handhaben sind, da nur relativ wenige Unternehmen dazu in der Lage sind, die speziellen Materialien zu bearbeiten, aus denen die Isolationsscheibe normalerweise besteht, wie z. B. Quarz, Saphir, Rubin oder ähnliche Materialien.

Die Tragwand 40 ist derartig dimensioniert, d. h. sie hat eine derartige Wandstärke und eine derartige Ausdehnung in Axialrichtung, daß sie sich an ihrem freien Ende beim Hineinpressen der Isolationsscheibe 48 mit aufgebrachter bzw. aufmontierter Elektrode ein wenig dehnen kann, so daß die Scheibe durch die Reibung zwischen der Innenseite der Tragwand 40 und der zylindrischen Außenseite der Isolationsscheibe 48 in ihrer Lage festgehalten wird. Alternativ können Scheibe und Tragwand so dimensioniert sein, daß sich die Scheibe gerade eben in das offene Ende der Tragwand einsetzen läßt, ohne daß die Wand dabei radial gedehnt wird. Dies erfordert dann, daß die Scheibe z. B. an der Tragwand festgeleimt wird und während des Festleimens vom genannten Präzisionsdorn am vorgesehenen Platz festgehalten wird, bis der Leim gehärtet ist. Die Dimensionen der Tragwand müssen im übrigen den restlichen Dimensionen des Gehäuses 10 so angepaßt werden, daß der Unterschied zwischen den thermischen Ausdehnungen der Stirnseiten der Tragwand durch ein federndes Verhalten der Tragwand aufgenommen wird, so daß der äußere Teil des Mikrophongehäuses davon unbeeinflußt bleibt, vgl. die weiter vorn stehenden Ausführungen. Ein federndes Verhalten der Tragwand hat somit das Aufeinandergleiten von aneinander anliegenden Konstruktionsteilen in herkömmlich ausgebildeten Mikrophonen abgelöst, wodurch man, wie bereits erwähnt, die Gefahr ausschaltet, daß wie bei den nach dem Stand der Technik hergestellten Mikrophonen ggf. sprunghafte Änderungen des Übertragungsfaktors auftreten.

Die äußere, zylindrische und der Innenseite der Tragwand 40 zugekehrt Fläche der Isolationsscheibe 48 kann konvex ausgebildet sein, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Diese Figur ist in einem in bezug auf Fig. 3 fünffach vergrößerten Maßstab gezeichnet. Der Scheibe 48 ist ein, in einem diametralen Schnitt gesehen, derartiges Profil verliehen worden, daß eine ganz schmale und symmetrische Berührungsfläche 53 zwischen der Scheibe 48 und der Tragwand 40 entstanden ist. Die Fläche ist schmal gehalten, um Gleitbewegungen zwischen den beiden aneinander anliegenden Flächen zu reduzieren, was die Wirkung aufweist, daß die Gefahr des Auftretens einer axialen Verschiebung der Scheibe, die durch die Einwirkung wechselnder Temperaturen verursacht wird, reduziert wird. Die Berührungsfläche 53 ist spiegelsymmetrisch um eine rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende Ebene ausgebildet, in der ein größter Durchmesser 54 der Scheibe 48 liegt. Es sei ferner bemerkt, daß diese Ebene nicht unbedingt in gleichen Abständen von den beiden Stirnflächen 55 und 56 der Scheibe zu liegen braucht. Der Grund dafür ist der Umstand, daß sich die Tragwand 40 nicht gleich weit zu beiden Seiten der Isolationsscheibe erstreckt und daß man durch Anwendung einer geeigneten Einsetztiefe die Möglichkeit hat, es bei dieser Profilierung der Scheibe zu erreichen, daß die Projektionen der Kräfte, die in Axialrichtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene zu beiden Seiten der genannten rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich groß, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind. Dadurch wird zusätzlich gesichert, daß die stationäre Elektrode nicht infolge von Temperatureinwirkungen von ihrem bestimmten Platz verrückt wird. Außerdem erleichtert die konvexe Form das Einführen der Isolationsscheibe.

Es sei bemerkt, daß sich die Figur auf den Fall bezieht, in dem die Scheibe durch Friktion an ihrem bestimmten Platz festgehalten wird, d. h. nicht festgeleimt ist. Die Ausbuchtung der Tragwand in bezug auf eine spannungsfreie Lage ist durch eine gestrichelte Linie 57 angedeutet.

Bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Aufnehmers ist es besonders einfach, einen Druckausgleichskanal zwischen dem Inneren des Aufnehmergehäuses und der umgebenden Atmosphäre vorzusehen. Außer auf die Fig. 2 und 3 wird auf Fig. 6 und Fig. 7 Bezug genommen. Fig. 7 veranschaulicht eine Einzelheit aus Fig. 6 in dreifach vergrößertem Maßstab.

Durch eine Bohrung 58 in der Quer- oder Bodenwand 41 ist eine Buchse 60 aus einem elastischen Isolationsmaterial hindurchgeführt. Die Buchse liegt mit einem Flansch 61 gegen die Unterseite der Bodenwand an. Der Kontaktdraht 51 ist vom Inneren des Mikrophons her durch die Buchse 60 hindurchgeführt, während von außen her ein Pfropfen 62 aus elektrisch leitendem Material in die Buchse eingesetzt ist, der sich ganz durch die Buchse hindurcherstreckt, so daß der Kontaktdraht zwischen der Buchsenwand und dem Pfropfen eingeklemmt liegt, der als mittig angeordneter Anschlußkontakt dienen kann.

Auf Grund der Elastizität der Buchse 60 bildet sich auf jeder Seite des Kontaktdrahtes 51 ein kleiner Kanal 63 bzw. 64, durch welche Kanäle Druckänderungen in der umgebenden Atmosphäre ausgeglichen werden können. Durch geeignete Wahl der Drahtstärke läßt sich die Druckausgleichsgeschwindigkeit nach Wunsch regulieren. Es handelt sich jeweils um einen Kompromiß zwischen der Druckausgleichsgeschwindigkeit und der erwünschten Frequenzcharakteristik bei niedrigen Frequenzen.

Statt den Druckausgleichskanal durch die Bodenwand 41 verlaufen zu lassen, kann es in Verbindung mit anderen Ausführungsformen, z. B. bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel, zweckmäßig sein, einen Druckausgleichskanal durch eine Bohrung in der Tragwand oder in der Wand des eigentlichen Gehäuses zu erstellen, wobei die Bohrung eine Buchse aus einem elastischen Isolationsmaterial enthält, das einen harten Kern umschließt, und wobei sich zwischen dem Isolationsmaterial und dem harten Kern ein oder mehrere Drähte befinden, deren Stärke auf geeignete Weise gewählt werden kann.

Die Vorteile dieser neuartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrophons lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

Es läßt sich einfach zusammenbauen, und es läßt sich auf sehr einfache Weise ein gewünschter Abstand zwischen den Elektroden erreichen; die einzelnen Teile des Mikrophons können jeweils für sich mit der erforderlichen Präzision hergestellt werden, so daß sich eine kostspielige abschließende, paarweise Bearbeitung der Teile, um diese jeweils genau aneinander anzupassen, erübrigt; und schließlich werden Probleme hinsichtlich der Kurzzeitstabilität auf ein Minimum reduziert, da Unterschiede zwischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch ein federndes Verhalten der Tragwand statt durch Gleitbewegungen zwischen Konstruktionselementen ausgeglichen werden, so daß sprunghafte Änderungen des Übertragungsfaktors verhindert werden.

Eine spezielle Ausführungsform des Kondensatormikrophons ist das vorpolarisierte Mikrophon, auch Elektretmikrophon genannt. Ein derartiges Mikrophon enthält ein Element, in dem eine permanente elektrische Ladung gespeichert ist, die das Feld erzeugt, das für die Funktion des Mikrophons notwendig ist. Dieses Element besteht normalerweise aus einem Kunststoffmaterial. Bei einfacheren Mikrophonen ist das Element ein integrierter Teil der Membranfolie, während es bei hochwertigen Mikrophonen notwendig ist, dieses Element auf der Gegenelektrode anzubringen, da man dadurch Schwierigkeiten mit der geringen mechanischen Festigkeit des Kunststoffmaterials vermeidet. Typisch wird das geladene Element, der Elektret, von einer Polymerschicht gebildet, die in einer Stärke von 10 bis 30 µm oben auf die stationäre Elektrode aufgebracht wird. Diese aufgebrachte Schicht bringt zusätzliche Komplikationen der Herstellung von Kondensatormikrophonen, der der Stand der Technik zugrunde gelegt ist, mit sich, da die Beschichtung, was die Stärke der Schicht anbelangt, mit einer gewissen Unsicherheit erfolgt, aber diese Unsicherheit ist unwesentlich bei Kondensatormikrophonen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt werden, da das Einsetzen der Gegenelektrode mit dem vorpolarisierten Element unter Einhaltung der gewünschten Genauigkeit des Abstandes zwischen der beweglichen Elektrode und der Oberfläche des Elektrets erfolgen kann.

Claims (7)

1. Kapazitiver Meßgrößenaufnehmer, der ein metallisches Aufnehmergehäuse mit zwei auf diesem oder in diesem montierten, elektrisch leitenden Platten umfaßt, von welchen die eine eine stationäre Elektrode bildet, während die andere eine in bezug auf die stationäre Elektrode bewegliche Elektrode darstellt, und wobei die bewegliche Elektrode auf der Stirnseite des Aufnehmergehäuses angebracht ist, während die stationäre Elektrode auf einem isolierenden Element montiert ist, das im Inneren des Aufnehmergehäuses festgehalten wird und die stationäre Elektrode in kleinem Abstand von der beweglichen Elektrode unterstützt, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Aufnehmergehäuses (10) im Abstand von der Innenwand des Gehäuses eine zylindrische Tragwand (40) vorgesehen ist, deren eine Stirnseite durch eine Querwand oder einen Boden (41) mit dem Aufnehmergehäuse (10) fest verbunden ist und deren andere, von der Quer- oder Bodenwand (41) abgekehrte Stirnseite einen Sitz für das isolierende Element (48) bildet, und daß die Tragwand (40) und das isolierende Element (48) derartig dimensioniert sind, daß das Element (48) durch Einpressen oder Einführen in seinem Sitz montiert und danach dort durch Reibung bzw. durch einen Klebstoff festgehalten werden kann.

2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Elektrode und das isolierende Element als eine integrierte Einheit in Form einer Isolationsscheibe (48) mit einer einseitigen, elektrisch leitenden Beschichtung (50) ausgebildet sind.

3. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Elektrode als ein separates Element (52) auf einer Scheibe (48) aus einem elektrisch isolierenden Material montiert ist.

4. Aufnehmer nach Anspruch 1,2 oder 3 und bei dem die Isolationsscheibe (48) durch Reibung in ihrem Sitz festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, zylindrische, der Innenseite der Tragwand (40) zugekehrte Fläche der Isolationsscheibe (48) konvex ist und eine derartige Form oder ein derartiges Profil besitzt, daß eine schmale Berührungsfläche (53) mit der Innenseite der Tragwand entsteht, deren Fläche (53) spiegelsymmetrisch ist um eine rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende Ebene, die einen größten Durchmesser (54) der Isolationsscheibe (48) enthält, und daß diese Scheibe so tief in ihrem Sitz angebracht ist, daß die Projektionen der Kräfte, die in axialer Richtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene auf beiden Seiten der rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich groß, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind.

5. Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stationäre Elektrode in Form einer einseitigen, elektrisch leitenden Beschichtung (50) auf die Isolationsscheibe (48) aufgebracht ist durch eine Aufdampfung in schräger Richtung in bezug auf die Achse der Scheibe und in einer solchen Weise, daß auf der die Elektrode tragenden Fläche der Isolationsscheibe (48) ein peripheres, unbeschichtetes Randgebiet übrig ist.

6. Aufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Bohrung (58) in der Quer- oder Bodenwand (41) hindurch eine Buchse (60) aus einem elastischen Isolationsmaterial eingeführt ist, die einen harten Kern (62) umschließt, und daß sich zwischen der Buchse (60) und dem harten Kern (62) ein oder mehrere durchgehende Drähte (51) zur Herstellung von engen Druckausgleichskanälen (63, 64) auf jeder Seite des Drahtes bzw. der Drähte befinden.

7. Aufnehmer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte harte Kern (62) ein Anschlußkontakt aus einem elektrisch leitenden Material ist und daß der genannte Draht oder die genannten Drähte (51) als Kontaktdraht oder -drähte für die stationäre Elektrode (50) dient bzw. dienen.