DE3242554A1

DE3242554A1 - Elektretwandler mit veraenderlicher elektretfoliendicke

Info

Publication number: DE3242554A1
Application number: DE19823242554
Authority: DE
Inventors: Ilene Joy 08904 Highland Park N.J. Busch-Vishniac; Robert Lee 07060 Warren N.J. Wallace jun.; James Edward 07061 Plainfield N.J. West
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1982-11-18
Publication date: 1983-05-26
Also published as: FR2517161A1; CA1186047A; US4429192A; SE8206383D0; SE453349B; JPS5896497A; FR2517161B1; NL8204512A; SE8206383L

Description

Elektretwandler mit veränderlicher Elektretfoliendicke

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische Systeme, insbesondere auf Elektretwandler zum Erzeugen eines gerichteten Ansprechverhaltens.

Akustische Anordnungen mit mehreren diskreten Mikrofönen dienen zum Erzeugen richtungsbezogenen Ansprechverhaltens, wie es in der deutschen Patentanmeldung P3O46416.5 beschrieben ist. Es ist jedoch notwendig, daß jedes Mikrofon in einer solchen Anordnung beim Aufbau der Anordnung präzise placiert wirdj und eine von den gewünschten Stellen abweichende Placierung der Mikrofone führt zu einer wesentlichen Verschlechterung des Ansprechverhaltens der Anordnung.

Die vorstehenden Probleme, die bei der ungenauen Placierung von Mikrofonen beim Aufbau einer akustischen Anordnung entstehen, werden durch Verwendung eines Einzelstreifen-Elektretwandlers ausgeräumt. Das durch den Elektretwandler erhaltene Ansprechverhalten ist gekennzeichnet durch eine Hauptkeule und mehrere unter einem bestimmten Schwellenwert liegende Nebenkeulen, sehr ähnlich der oben beschriebenen Mikrofonanordnung.

BAD ORIGINAL

Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Elektretwandler eine gleichförmig dick metallisierte Gegenplatte, die parallel bezüglich einer flachen Oberflächenseite einer elektrostatisch aufgeladenen Elektretfolie angeordnet ist, wobei die Dicke der Elektretfolie nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung schwankt. Die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem Punkt desselben ist direkt proportional zur Dicke der Elektretfolie.

Die Elektretfolie kann direkt auf der rauhen metallisierten Oberfläche einer Gegenplatte angeordnet werden. Alternativ kann die Elektretfolie mit einem gewissen vorgewählten Abstand von der Gegenplatte entfernt angeordnet v/erden, wobei Isolierelemente zur Bildung einer Abstützung dazwischen angeordnet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Elektretfolie auf der metallisierten Ober fläche einer Gegenplatte befestigt und eine zweite Folie über der Elektretfolie aufgehängt werden. Die flache Oberflächenseite der Elektretfolie liegt der zweiten Folie gegenüber, die von Isolier

elementen über der Elektretfolie gehalten wird. Die zweite Folie ist parallel zur flachen Oberflächenseite der Elektretfolie.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 einen auseinandergenommenen Elektretwandler,

Figur 2 eine selektiv metallisierte Gegenplatte, die bei dem in Fig. 1

dargestellten Elektretwandler βίη-ο

setzbar ist,

Figur 3 eine perspektivische Ansicht . eines Teils des zusammengebauten -Elektretwandlers nach Fig. 1,

Figur 4 eine vergrößerte Ansicht des Kontaktabschnitts zwischen der Elektretfolie und der Gegenplatte in dem Elektretwandler nach Fig. 1,

Figur 5 ein Ansprechverhalten des Elektretwandlers nach Fig. 3,

Figur 6 eine von dem Elektretwandler nach Fig. 1 abweichende Ausführungsform,

P BAD ORIGINAL

Figur 7 einen Elektretwandler, der sich zum Unterscheiden zwischen tatsächlichem Luftspalt und wirksamem Luftspalt eignet,

Figuren 8, 9 und 10 Ausführungsbeispiele von Elektretwandlern, die durch Ändern des tatsächlichen Luftspalts erhalten werden,

Figuren 11, 12 und 13 Ausführungsfοmen von Elektretwandlern, die durch Ändern des v/irksamen Luft spalt s erhalten werden,

Figuren 14 und 15 Ausführungsformen eines Elektretwandlers, der durch Ändern der Dicke der Elektretfolie erhalten wird, und

Figuren 16, 17 und 18 elektrostatische Ladungsverteilungen auf der Polymerschicht der Elektretfolie nach Fig. 1.

Figur 1 zeigt einen in seine Bauteile zerlegten Elektretwandler. Man erkennt eine Elektretfolie 10, die zwei Schichten enthält: eine obere Metallschicht 12 und eine untere Kunstharz-Polymerschicht 14 (beispielsweise aus FEP TEFLON (Warenzeichen) ). Die Polymerschicht

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■ - 10 -

wird elektrostatisch auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen. In einem Anwendungsfall ist die elektrostatische Ladung mit -275 + 3 V gleichmäßig über die aufgeladene Fläche verteilt. Die Metallschicht 12 ist in diesem Anwendungsfall etwa 200 nm dick, die Polymerschicht ist etwa 25 ,um dick. Weiterhin ist in diesem Fall die Elektretfolie 21,5 cm lang und 2,5 cm breit.

Die freiliegende Oberfläche der Polymerschicht 14 der Elektretfolie 10 steht in direktem Kontakt mit der rauhen Oberfläche 16 einer selektiv metallisierten Gegenplatte 18.

Die selektive Metallisierung erhält man dadurch, daß auf der natürlich rauhen Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 eine Schicht 20 aus Metall niedergeschlagen wird, so daß sich die Breite w der Metallschicht über der Länge der Gegenplatte 18 nach Maßgabe folgender Beziehung ändert:

J₁ [öc/(i-5²)^1/2J .

K, L <<[■?[< 1 (2)

«L, = Bessel-Funktion der ersten Art;

= In r+(.r²-l)^1/2 ;

r = Verhältnis der Amplitude der Hauptkeule zu dem Nebenkeulen-Schwellenwert in dem Ansprechverhalten (dies wird unten in Zusammenhang mit Fig. 5 erläutert);

£ = normierter Abstand irgendeines Punkts ""■ der Gegenplatte von der Mitte der Gegenplatte·; und

L = normierter Abstand der Gegenplatte,

über den hinaus die Breite der Metallschicht eine Konstante K ist.

Bei einer konstanten Ladungsdichte, konstanten Luftspalten und konstanter Foliendicke ist die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem auf die Längserstreckung des ¥andlers bezogenen Punkt direkt proportional zur Breite der Metallschicht 16 auf der Gegenplatte 18 an diesem Punkt.

Alternativ ist die Schicht 12 der Elektretfolie 10 selektiv metallisiert, so daß sich die Breite der Metallschicht über der Länge der Elektretfolie 10 nach Maßgabe der obigen'Beziehungen (l) und (2) ändert. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besitzt die Metalloberfläche 16 der Gegenplatte 18 über der Länge der Gegenplatte 3.8 eine gleichmäßige Breite. Bei einer konstanten Ladungsdichte, konstanten Luftspalten und

einer konstanten Foliendicke ist die Empfindlichkeit des' Elektretwandlers an irgendeinem auf die Längserstreckung des Wandlers bezogenen Punkt direkt proportional zur Breite der Metallschicht 12 der Elektretfolie 10 an diesem Punkt. Das erhaltene Ansprechverhalten ist im wesentlichen dasselbe wie das oben erwähnte, in Fig. 5 gezeigte Ansprechverhalten .

In Fig. 5 ist das Gesamt-Ansprechverhalten des Elektretwandlers für 5067 Hz dargestellt. Das auf empirischem Wege festgestellte Ansprechverhalten iat gekennzeichnet durch eine Hauptkeule 30 und mehrere Nebenkeulen 32, 34, 36, 38 und 40, die jeweils um im wesentlichen 30 dB unterhalb' der Hauptkeule 30 liegen. Für andere Frequenzen erhält man andere Nebenkeulenmuster. In jedem Fall befindet bzw. befinden sich die Nebenkeule bzw. Nebenkeulen an oder unter dem Schwellenwert 35. Das entsprechende, theoretisch bestimmte Ansprechverhalten ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Das Verhältnis r der Amplitude der Hauptkeule 30 zum Schwellenwert 35, d. h. zur Nebenkeulen-Amplitude, wird, wie durch die obigen Beziehungen (1) und (2) zum Ausdruck kommt, zum Bestimmen der Breite der Metallschicht herangezogen.

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Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die in Fig. 1 gezeigte Gegenplatte 18, Die erwähnte rauhe Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 nimmt die durch Verdampfen oder ein anderes geeignetes Verfahren niedergeschlagene Metallschicht 20 auf. Die Gegenplatte 18 kann aus Platinenmaterial, das häufig mit Durchgangslöchern versehen ist, oder aus einem anderen elektrisch nicht-leitenden Material bestehen.

Die Breite der Metallschicht 20 ist durch die obigen Beziehungen (1) und (2) definiert. An solchen auf die Längserstreckung der Metallschicht 20 bezogenen Punkten, die auf gegenüberliegenden Seiten der Schichtmitte gleichen Abstand haben, ist die Breite der Metallschicht die gleiche. Oberhalb einer vorbestimmten, normierten Länge L der Metallschicht hat die Breite einen durchgehend konstanten Wert K an jedem Ende der Metallschicht 20.

Es sei nochmals Bezug auf Figur 1 genommen. Ein Metallzapfen 24, der in Berührung steht mit der Metallschicht 20 auf der Oberfläche 16 der Gegenplatte 18, stellt eine positive elektrische Leitung zu einem (nicht gezeigten) Verbinder dar. In ähnlicher "Weise hat eine Leitung 25 Kontakt mit der Metallschicht der Elektretfolie 10 und stellt eine elektrisch

neutrale (oder Masse-) Leitung dar, die zu dem (nicht gezeigten) Verbinder führt. Hierdurch werden die auf den oben erläuterten Elektretwandler auftreffenden akustischen Signale in elektrische Signale umgewandelt, die sich für die elektrische Übertragung eignen.

Der erwähnte Zapfen 24 paßt in eine Öffnung 26 eines Trägers 28, der in einem Anwendungsfall aus Messing Besteht, und der die Gegenplatte 18 trägt. Die Elektretfolie 10 ist der Gegenplatte 18 überlagert, wobei die Polymerschicht 14 der Elektretfolie 10 direkten Kontakt mit der metallisierten rauhen Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 hat. Die Längsseiten

27 und 29 der Elektretfolie 10 werden durch Klammern 42 und 44 gegen die Seiten 41 bzw. 43 des Trägers

28 gedrückt. Mehrere Einstellschrauben 46 und 48 halten die Klammern 42 und 44 an ihrer Stelle. Gleichermai3en halten Beilagscheiben 50 und 52 sowie Einstellschrauben 54 und 56 die Enden ^l und 59 der Elektretfolie 10 fest gegen den Träger 28.

Der zusammengebaute Elektretwandler kann vertikal gelagert werden, indem das Ende 57 in einen (nicht gezeigten) Ständer geschoben wird. In einer anderen Anordnung kann der Elektretwandler mit dem Ende 57 oder 59 oder beiden Enden ^7 und 59 an einer Decke aufgehängt v/erden. In einer weiteren Anordnung

τ-

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kann der Elektretwandler an einer Wand angebracht werden. In jedem Fall wird der Elektretwandler derart positioniert, daß die Hauptkeule 30 gemäß Figur .5 eine Zielstelle überspannt.

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des zusammengebauten Elektretwandlers. Zur Vereinfachung sind die gleichen Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 verwendet.

Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Kontaktabschnitts zwischen der Elektretfolie 10 und der Gegenplatte 18 gemäß Fig. 1. Die Polymerschicht 14 der Elektretfolie 10 kommt in direkten-Kontakt mi£ der rauhen Oberfläche 16 der Gegenplatte 18. Aufgrund der natürlichen Rauhheit der Oberfläche der Gegenplatte 18 gibt es mehrere natürliche Höhenrücken in der Oberfläche, die direkten Kontakt mit der Folie 10 bewirken und dadurch eine Resonanzbewegung der Folie 10 verhindern. Das Verhindern der Resonanzbewegung ist notwendig, um Spektralspitzen im Frequenzgang des Elektretwandlers zu vermeiden. ^v. Die unebene Oberfläche 16 schafft den notwendigen Luftspalt zwischen der Gegenplatte 18 und der Elektretfolie 10.

Figur 6 zeigt eine weitere Ausfülirungsform der vorliegenden Erfindung. Die die Polymerschicht 14 und die Metallschicht 12 enthaltende Elektretfolie 10 hat direkten Kontakt mit der Gegenplatte 18, die eine metallisierte rauhe Oberfläche 16 aufweist. Weiterhin hat die Metallschicht 12 direkten Kontakt mit der metallisierten Schicht 16. Die Polymerschicht 14 wird elektrostatisch auf einen vorbestimmten Spannungspegel aufgeladen.

Über der Elektretfolie 10 ist eine zweite Folie 66 aufgehängt, die eine Metallschicht 68 und eine Polymerschicht 70 auf v/eist. Zwei isolierte Distanzstücke 62 und 64 trennen die Polymerschicht 70 der zweiten Folie 66 von der Polymerschicht 14 der Elektretfolie 10. Durch Ändern entweder der Breite der Metallschichten 16 und 12 oder der Breite der Metallschicht 68 nach Maßgabe der obigen Beziehungen (1) und (2) sind unter Konstanthaltung der Breite der übrigen Metallschichten über deren gesamte Schichtlängen zwei Variationen möglich. In jedem Fall ist das erhaltene Ansprechverhalten im wesentlichen das gleiche wie das oben beschriebene Ansprechverhalten: eine Hauptkeule und mehrere Nebenkeulen bei oder unter einem vorbestimmten Schwellenpegel, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

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Wie oben ausgeführt wurde, ist die Empfindlichkeit des-Elektretwandlers an irgendeinem auf seine Länge bezogenen Punkt direkt proportional zu der Breite der sich ändernden Metallschicht des Elektretwandlers an diesem Punkt. Die Breite der sich ändernden Metallschicht des Elektretwandlers ist erfindungsgemäß durch die obigen Beziehungen (l) und (2) gegeben. Die Empfindlichkeit /» (x) des Wandlers bei einem gegebenen, auf die Länge des Wandlers bezogenen Abstand von der Mitte des Elektretwandlers ist durch folgende Beziehung gegeben:

(3)

j4 '(χ) ⁼ Empfindlichkeit des Elektretwandlers bei einem Abstand χ von dessen Mitte;

σ*(χ) = die Raumladungsverteilung;

S-, .~p(x) = effektive Luftspaltbreite (diese wird nachstehend noch näher beschrieben);

S-, (x) = die tatsächliche Luftspaltbreite (dies wird nachstehend noch näher erläutert);

w(x) = Breite der Metallschicht gemäß obiger Beziehungen (1) und (2);

ρ z= atmosphärischer Druck;

A = Größe der Oberfläche 16 des Elektretwandlers gem. Fig. 2;

^ s= Dielektrizitätskonstante der Elektretfolie, ■ ' . ■

4₀ = Dielektrizitätskonstante von Luft; und S(x) = Dicke der Elektretfolie.

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Das·obige Ansprechverhalten errechnet sich theoretisch aus der Beziehung

(4)

Γ
-1

1 s= Länge des Elektretwandlers von der Mitte bis zu einem Ende;

-1 = Länge des Elektretwandlers von der Mitte bis zum anderen Ende;

^(x) = Empfindlichkeit des Elektretwandlers bei einem Abstand χ von der Mitte des Wandlers;

k s= akustische. Wellenzahl; und

R(G) = Ansprechen des Elektretwandlers bei einem Winkel Θ, der gebildet wird durch den Winkel zwischen einer auftreffenden akustischen Welle und der Oberfläche des Wandlers.

Es soll nochmals Bezug auf Figur 5 genommen werden. Die ausgezogenen Linien 30, 32...40 zeigen das tatsächlich gemessene Ansprechverhalten. Das entsprechende theoretisch aus der Beziehung (4) errechnete Ansprechverhalten ist durch gestrichelte Linien dargestellt.

Wie aus der obigen Beziehung (3) hervorgeht, ist die Empfindlichkeit des Elektretwandlers direkt proportional zur Breite der Metallschicht, zur Dicke der Elektretfolie, zur Breite des wirksamen

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Luftspalts und zur Raumladungsverteilung, d. h. der elektrostatischen Ladung auf der Elektretfolie. Die Empfindlichkeit des Elektretwandlers ist außerdem umgekehrt proportional zur Breite des tatsächlichen Luftspalts. Somit wird durch einzelnes Variieren der obigen Parameter nach Maßgabe der Beziehung (l) das gewünschte Ansprechverhalten gemäß Fig. 5 erhalten.

Figur 7 zeigt eine Vorrichtung, die das Verständnis der obigen Ausdrücke "tatsächlicher Luftspalt" und "wirksamer Luftspalt" erleichtert. . ;■

Eine Gegenplatte 72 gleichförmiger Dicke t ruht auf einem Steg 74, der in dem einen Radius r aufweisenden Zylinder 78 mit einem Abstand h von der Bodenfläche 80 des Zylinders ausgebildet ist. Die Gegenplatte 72 ist mit mehreren Öffnungen 82 ausgestattet, die jeweils einen Durchmesser h-, besitzen. Oben auf dem Zylinder 78 ruht eine Elektretfolie 84 der Dicke S in einem Abstand S-, von der Oberseite der Gegenplatte 72. Aufgrund des Gewichts der Elektretfolie 84 und aufgrund von durch auf die Folie 84 auftreffendem Schall verursachten Vibrationen gibt es einige unbedeutende Schwankungen des Abstands S-^ der Folie 84 von der Gegenplatte 72.

Der tatsächliche Luftspalt ist das Volumen 86 der zwischen der Elektretfolie 84 und der Gegenplatte befindlichen Luft. Da, wie oben bemerkt wurde, nur eine unbedeutende Deformierung der Elektretfolie gegeben ist, ist die Breite oder Tiefe S-, des tatsächlichen Luftspalts im wesentlichen konstant. Der tatsächliche Luftspalt beeinflußt das elektrische Verhalten des Systems. Je näher sich die Elektretfolie 84 an der Gegenplatte 72 befindet, desto höher ist das von der Elektretfolie 84 erzeugte Ausgangssignal.

Der v/irksame Luftspalt ist die Summe des Volumens der in der rückwärtigen Kammer 88 befindlichen Luft, des Volumens der in den Öffnungen 82 befindlichen

Luft und des tatsächlichen Luftspalts 86. Die Breite oder Tiefe des v/irksamen Luftspalts ist durch die Beziehung

η h-jt
^ho ⁺ 2— ^{+ S}l (5)

gegeben,
wobei

h = Tiefe des Luftvolumens in der rückwärtigen Kammer 88;

η = Anzahl der Öffnungen 82; h-, = Durchmesser der Öffnungen 82;

t = Dicke der Gegenplatte 72; r = Radius des Zylinders 78; und S-, = Dicke des tatsächlichen Luftspalts.

Der wirksame Luftspalt beeinflußt das mechanische Verhalten des Elektretwandlers, Je größer der wirksame Luftspalt, desto stärker ist die Auslenkung der Elektretfolie 84 für einen gegebenen, auf die Folie auf treffenden akustischen Druck. Somit "bestimmt der wirksame Luftspalt die mechanische Steifheit des Elektretwandlers, beeinflußt jedoch nicht die elektrischen Eigenschaften des Elektretwandlers .

Während Figur 7 einen Zylinder 88 zum Verdeutlichen der Bedeutung der Ausdrücke "tatsächlicher Luftspalt" und "wirksamer Luftspalt" darstellt, gelten die gleichen Grundsätze für den rechteckigen Elektretwandler gemäß Fig. 1. ■-..·-■

Figur 8 zeigt einen Elektretwandler, der dadurch hergestellt wurde, daß die Breite des tatsächlichen Luftspalts über der Länge des oben erläuterten Elektretwandlers geändert wurde. Die erwähnte Breitenänderung des" tatsächlichen Luftspalts wird realisiert durch Verwendung mehrerer Zapfen 90, um die Elektretfolie 92 von der Gegenplatte 94 zu trennen. Die Höhen h^ der Zapfen 90 bestimmen sich abhängig von der Längenkoordinate des Elektretwandlers durch ■ die Beziehung

BAD ORIGINAL

w(x) die obige Beziehung (1) und K die obige Beziehung (2) darstellt.

Dies bedeutet: die Empfindlichkeit an irgendeinem Punkt bezüglich der Längserstreckung des Elektretwandlers ist umgekehrt proportional zur Höhe der Zapfen an diesem Punkt. An irgendeinem Punkt der Gegenplatte 94 haben die Zapfen auf der Breite der Gegenplatte an diesem Punkt gleiche Höhe. Alternativ werden die Zapfen ersetzt durch Höhenrücken mit konstanter Breite, die sich über die Breite der Gegenplatte erstrecken.

Die Gegenplatte 94 besitzt auf ihrer der Elektretfolie 92 gegenüberliegenden Oberfläche 96 eine dünne Metallschicht, die so breit ist wie die Gegenplatte Alternativ besteht die gesamte Gegenplatte aus Metall. Die Elektretfolie 92 enthält eine Metallschicht 91 und eine elektrostatisch aufgeladene Polymerschicht Die Polymerschicht 98 liegt der Gegenplatte gegenüber. An einen Verbinder 100 sind eine negative Leitung von der metallischen Oberfläche 91 der Elektretfolie und eine positive Leitung 99 von der metallischen Oberfläche 96 der Gegenplatte 94 angeschlossen.

Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Teils des Elektretwandlers gemäß Fig. 8, wobei die Einzelheiten der Zapfen 90 auf der Gegenplatte 94

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bei einem weggebrochenen Teil der Elektretfolie 92 dargestellt sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Metallschicht 91 der Elektretfolie 92 an der Metallschicht der Gegenplatte 96 befestigt, so daß die zwrei Metallschichten direkten Kontakt haben. Über der Elektretfolie 92 ist eine (nicht gezeigte) zweite Folie aufgehängt, wobei die beiden Folien durch die erwähnten Zapfen 90 von einander getrennt sind.

Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Elektretwandlers, der dadurch erhalten wird, daß die Breite des wirksamen Luftspalts variiert wird. Die Breite des tatsächlichen Luftspalts zwischen der Elektretfolie 102 und der Gegenplatte 104 wird erhalten durch Variieren der Dicke der Gegenplatte 104. Die Dicke der Elektretfolie 102 jedoch bleibt über deren gesamte Länge konstant. Folglich ändern sich die Höhen der Zapfen 108 über der Länge des Elektretwandlers. Die Zapfen 108 bilden eine Unterstützung für die Elektretfolie 102. Die Dicke der Gegenplatte 104 variiert über der Länge des Elektretwandlers nach Maßgabe der obigen Beziehungen · (6) und (7), d. h. die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem Punkt ist umgekehrt proportional zur Dicke der Gegenplatte an-diesem Punkt.

Die Oberfläche 110 der Gegenplatte 104 ist mit einer Metallschicht überzogen, die sich über die gesamte Breite der Gegenplatte 104 erstreckt. Alternativ besteht die gesamte Gegenplatte 104 aus Metall. Die Elektretfolie 102 enthält zwei Schichten: eine Metallschicht 101 und eine elektrostatisch aufge-. ladene Polymerschicht 112. Von der Metallschicht der Elektretfolie 102 führt eine neutrale (oder Massen-) Leitung 111, und von der Metalloberfläche 110 der Gegenplatte 104 führt eine positive Leitung 113 zu einem Verbinder 114.

Alternativ ist die Metallschicht 101 der Elektretfolie 102 an der Metalloberfläche 110 der Gegenplatte 104 derart befestigt, daß die beiden Metallschichten direkten Kontakt haben. Eine (nicht gezeigte) zweite Folie ist über der Gegenplatte 104 aufgehängt. Diese zweite Folie wird von den erwähnten Zapfen 108 abgestützt.

Das Ansprechverhalten jedes der in den Figuren 8, und 10 dargestellten Elektretwandler ist im wesentlichen ähnlich dem Ansprechverhalten gemäß Fig. 5.

Die Figuren 11, 12 und 13 zeigen drei separate Ausführungsbeispiele von Elcktretwandlern, wobei jede einzelne Ausführungsfonn durch Variieren der

BAD ORJGlNAL

wirksamen Luftspaltbreite erhalten wird. Bei jeder der drei Ausführungsformen ist eine Elektretfolie einer Gegenplatte überlagert, ähnlich den Elektretwandlern gemäß den Figuren 1 und 4. Da sich die Erfindung im wesentlichen auf die Gegenplatte konzentriert, soll nur diese beschrieben werden.

Speziell erkennt man in Figur 11 eine Elektretfolie 121 und eine Gegenplatte 116. Die Elektretfolie 121 ist direkt auf der Gegenplattenoberfläche 118 angeordnet, die natürlich rauh ist. Mehrere, jeweils einen gleichen Durchmesser aufweisende Löcher 120 sind verschieden tief durch die Oberfläche 118 der Gegenplatte 116 gebohrt₀ Da die Elektretfolie 121 sich direkt auf der Oberfläche 118 befindet, ist die tatsächliche Luftspaltbreite über der Länge der Gegenplatte 116 im wesentlichen konstant.-Folglich ist unter Bezugnahme auf die obige Beziehung (5) die wirksame Luftspaltbreite direkt proportional zur Tiefe der Löcher 120.

Durch Variieren der Tiefen der Löcher 120 ergibt sich die v/irksame Luftspaltbreite durch die obigen Beziehungen (1) und (2). Die Empfindlichkeit /ι (x) an irgendeinen Punkt bezüglich der LängserStreckung des Elektretwandlers ist direkt proportional zur wirksamen Luftspaltbreite an diesem Punkt. Die Empfindlichkeit tA (x) wird durch die obige Beziehung (3) ausgedrückt. Das Ansprechverhalten errechnet sich

theoretisch aus der obigen Beziehung (4). Das aus der Beziehung (4) errechnete Verhalten und das tatsächlich gemessene Verhalten sind im wesentlichen ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten Ansprechverhalten.

Figur 12 zeigt eine Elektretfolie 123 und eine Gegenplatte 122, durch die mehrere Öffnungen 124.verlaufen, wodurch ein weiterer Elektretwandler erhalten wird. Die Durchmesser der Öffnungen schwanken derart, daß das Volumen der Luft in den Öffnungen direkt proportional zu den obigen Beziehungen (1) und (2) variiert, d. h. die wirksame Luftspaltbreite ändert sich direkt proportional zu den obigen Beziehungen (1) und (2).

Figur 13 zeigt eine Elektretfolie 127 und eine Gegenplatte 126, durch die mehrere Öffnungen 128 gleichen Durchmessers verlaufen. Die wirksame Luftspaltbreite wird dadurch variiert, daß die Dichte der Öffnungen 126 direkt proportional zu den obigen Beziehungen (1) und (2) geändert wird.

In einer weiteren (nicht gezeigten) Ausführungsform der Erfindung, bei der sich der wirksame Luftspalt entlang der Längserstreckung des Elektretwandlers ändert, ist die Metallschicht der Elektretfolie

.- 2 7 -

direkt in Berührung mit der Metallschicht der Gegenplatte gebracht. Über der Elektretfolie 121, 123 oder 127 ist eine zweite Folie aufgehängt, die durch Isolierelemente abgestützt wird, beispielsweise durch die in Fig. 6 dargestellten Elemente 62 und 64. In drei getrennten Realisierungsformen dieses Ausführungsbeispiels wird die Breite des wirksamen Luftspalts dadurch variiert, daß der Durchmesser, die Dichte oder die Tiefe von Löchern in der Gegenplatte variiert wird, wie es in den Figuren 11, 12 und 13 dargestellt ist. Alternativ werden die Löcher in der Anordnung gemäß den Figuren 11, 12 bzw. 13 durch (nicht gezeigte) Nuten ersetzt, deren Breite, Dichte bzw. Tiefe nach Maßgabe der Beziehungen (1) und (2) geändert wird. Diese Nuten laufen parallel zur Breite der Gegenplatte.

Figur 14 zeigt einen Elektretwandler mit einer Gegenplatte 130 gleichförmiger Dicke und einer Elektretfolie 132j deren Dicke in direktem Verhältnis zu den obigen Beziehungen (l) und (2) schwankt. Die Elektretfolie 132 enthält eine Polymerschicht 136 und eine dieser überlagerte Metallschicht 142. Die Polymerschicht 136 besitzt eine flache Oberfläche 134, die direkt über einer natürlich rauhen Oberfläche 138 der Gegenplatte 130 angeordnet ist. Die Oberfläche 138 der Gegenplatte 130 ist mit einer dünnen Metallschicht 137 überzogen. An einen Verbinder 140 sind

.: BADOFUGiNAL

eine neutrale' (oder Massen-) Leitung 133 von der Metallschicht 142 und eine positive Leitung 131 von der Metallschicht auf der Oberfläche 138 der Gegenplatte 130 angeschlossen.

Die durch die obige Beziehung (3) gegebene Empfindlichkeit »Μ (x) des Elektretwandlers nach Fig. 14 an irgendeinem Punkt auf diesem ist direkt proportional zu der Dicke der Elektretfolie 132 an diesem Punkt. Das Ansprechverhalten, wie es sich theoretisch aus der obigen Beziehung (4) errechnet und wie es gemessen wird, entspricht im wesentlichen dem in Fig. 5 gezeigten Ansprechverhalten.

Die Dicke d der Elektretfolie 132 ist definiert durch die Beziehung

* 'Jl^L±l_²⁾ -, _ϊ( <.L

- 29 ■ -wobei

J-j^ = Bessel-Funktion der ersten Art, ;i = (-i)^1/2,

V= In r+(r -I)' ,

r = Verhältnis der Amplitude der Hauptkeule ■ zu dem Nebenkeulen-Schwellenpegel,

{~= normierter Abstand irgendeines Punkts auf der Gegenplatte von der Mitte, der Gegenplatte, und

L = normierte Entfernung auf der Gegenplatte, wobei oberhalb dieser Entfernung die Breite der metallischen Beschichtung einer Konstanten K entspricht»

Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Dicke der Elektretfolie 154 entlang dem Wandler nach Maßgabe der Beziehungen (1) und (2) variiert. Die Metallschicht der Elektretfolie 154 befindet sich in direktem Kontakt mit der Metalloberfläche 152 der Gegenplatte 150, Die Dicke t. der Gegenplatte 150 bestimmt sich durch die Beziehungen

t_b = 1 - w(x) (8)

= I-K (9)

_ 30 --'

Über der Elektretfolie 154 ist eine zweite Folie aufgehängt, die von Isolierelementen 162 und 164 abgestützt wird. Der Abstand zwischen der zweiten Folie 168 und der Polymeroberfläche der Elektretfolie 156 ist über die Länge und die Breite des Elektretwandlers im wesentlichen konstant. Eine elektrisch neutrale (oder Massen-) Leitung 153 ist an der Metalloberfläche 167 der zweiten Folie 168 befestigt, und eine positive Leitung 155 ist an den Metallschichten 158 und 152, die in Berührung miteinander stehen, befestigt. Die elektrischen Leitungen 153 und 155 sind an einem Verbinder 166 angeschlossen.

Die Empfindlichkeit ku (χ) des Elektretwandlers nach Fig. 15 an irgendeinem Punkt über der Länge des Elektretwandlers, ausgedrückt durch die obige Beziehung (3), ist direkt proportional zu der Dicke der Elektretfolie I54 an diesem Punkt. Das Ansprechverhalten entspricht im wesentlichen dem in Fig. 5 dargestellten Verhalten.

Eine weitere Ausführungsform eines Elektretwandlers erhält man dadurch, daß die elektrostatische Ladung unter Anwendung bekannter Verfahren auf der Polymerschicht 14 der Elektretfolie 10 in Fig. 4 direkt proportional zu den obigen Beziehungen (l) und (2) variiert wird. Die Breite der Metallschicht auf der rauhen Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 bleibt jedoch über

15/16

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die gesamte Länge der Gegenplatte 18 konstant. Anstatt die Breite der Metallschicht 16 zu variieren, kann somit die elektrostatische Ladung auf der Polymerschicht 14 variiert werden. Alternativ wird die Elektretfolie 10 direkt in Kontakt gebracht mit der Gegenplatte 18 gemäß Fig. 6, und eine zweite Folie 66 wird über der Elektretfolie angeordnet. Die durch die obige Beziehung (3) gegebene Empfindlichkeit Λ(χ) des Elektretwandlers an irgendeinem Punkt auf dem Wandler ist direkt proportional zu der elektrostatischen Aufladung an dem Punkt. Das Ansprechverhalten des oben beschriebenen Elektretwandlers ist 'im wesentlichen ähnlich dem in Fig. 5 dargestellten Ansprechverhalten.

Wie oben bemerkt wurde, ist es bekannt, wie man eine Elektretfolie elektrostatisch auflädt. Ein derartiges Verfahren ist in dem Artikel "Research" in Polymer Electrets" von G. M. Sessler'und J. E. West beschrieben, der veröffentlicht wurde von der Society of Photographic Scientists and Engineers auf der Second International Conference on Electrophotography, Seiten 162 - 166 (1974).

Figur 16 zeigt eine elektrostatische Ladungsverteilung auf der Polymeroberfläche 14 der in Fig. 1 gezeigten Elektretfolie 10. Die elektrostatische Ladung ist über die gesamte Breite der Oberfläche 14 der Elektretfolie gleichmäßig verteilt. Die Lndungsdicbte variiert

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jedoch über der Länge der Elektretfolie nach Maßgabe der obigen Beziehungen (1) und (2). ¥eiterhin ist die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgend-• einem Punkt desselben direkt proportional zu der elektrostatischen Ladung auf der Elektretfolie an diesem Punkt. Wie aus der obigen Beziehung (4) hervorgeht, hängt das Ansprechverhalten, das in Fig. 5 skizziert ist, von der Empfindlichkeit des Elektretwandlers ab.

Figur 17 zeigt eine Polymeroberfläche wie z. B. die Polymeroberfläche 14 der Elektretfolie 10 gemäß Fig. 1, die nach einem anderen Verfahren elektrostatisch aufgeladen ist. Die elektrostatische Ladung ist entsprechend Figur 16 entlang einer ausgewählten Breite gleichförmig verteilt, wobei sich die Ladung über die Länge der Polymeroberfläche 14 ändert. Die Breite der elektrostatisch aufgeladenen Polymeroberfläche jedoch ändert sich gemäß der Beziehungen (1) und (2) über die Länge. Die Breite der elektrostatisch aufgeladenen Fläche erstreckt sich jedoch nicht entsprechend der Breite des Polymers. Das erhaltene Ansprechverhalten ist im wesentlichen das gleiche wie vorher. Die in Bezug auf die Figuren 16 und 17 beschriebene elektrostatische Ladungsverteilung bezieht sich auf Oberflächenladungen. In jedem Fall kann dieselbe Ladungsverteilung dadurch erhalten werden, daß die

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elektrostatische Ladung in unterschiedlichen Tiefen der Polymerschicht der Elektretfolie 10 gemäß Fig. vorgesehen wird. Die elektrostatische Ladung or an irgendeinem Punkt ergibt sich durch die Beziehung

cT^d

do)

tT s= Ladungsdichte

4 s= Dielektrizitätskonstante des Polymers, 4;_o = Dielektrizitätskonstante der Umgebungsluft, d-, = Tiefe der elektrostatischen Ladung, d = Dicke der Polymerschicht, und

V= elektrostatische Spannung ö ■ -

darstellt.

Figur 18 veranschaulicht ein weiteres Verfahren zum Aufladen der Polymeroberfläche der Elektretfolie. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ändert sich eine negative, elektrostatische Aufladung innerhalb eines ausgev/ählten Bereichs über der Länge der Polymerschicht nach Maßgabe der obigen Beziehungen (1) und (2) Im Gegensatz zu Fig. 17 oe^-och sind in Figur 18 die nicht-aufgeladenen Bereiche der Polymeroberfläche nun positiv aufgeladen. Die Wirkung des Aufladens der Polymeroberfläche sowohl mit negativen als auch positiven Ladungen besteht darin, daß eine eindeutig definierte Kante zwischen den beiden aufgeladenen Flächenbereichen definiert wird. Hierdurch ist die

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Empfindlichkeit an irgendeinem Punkt des Wandlers genauer direkt abhängig von der elektrostatischen Ladung an diesem Punkt. Das Verhalten ist stark richtungsbezogen, und wie bereits in Fig. 5 gezeigt würde, enthält es eine Hauptkeule und mehrere Nebenkeulen unterhalb eines vorgewählten Schwellenwertes.

In drei der obigen Ausführungsformen, in denen die Metallbreite, der tatsächliche Luftspalt oder der wirksame Luftspalt variiert wird, kann die Elektretfolie ersetzt werden durch eine Folie, an die ein Vor-Gleichstrom angelegt wird. D. h.: anstatt auf die Folie eine elektrostatische Ladung aufzubringen, wird der Folie von einer externen Gleichstromquelle kontinuierlich ein Vor-Gleichstrom zugeführt.

Ferner können zwei separate Folien verwendet v/erden: eine Folie, die eine Metallschicht und eine Polymerschicht enthält, oder eine Folie, die vollständig aus Metall besteht. Wird jedoch eine eine Polymerschicht und eine Metallschicht enthaltende Folie verwendet, muß die Metallschicht zu der Gegenplatte benachbart angeordnet werden.

Weiterhin sollte die Folie nicht direkt auf der Gegenplatte angeordnet werden. Statt dessen sollte

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die Folie über der Gegenplattc aufgehängt werden, beispielsweise durch Verwendung von Distanzelementen, z. B. durch Vervrendung der in Figur 6 gezeigten Distanzelemente 62 und 64.

Die von der Metallschicht der Folie und der Metallschicht der Gegenplatte kommenden Leitungen können am Verbinderanschluß ausgetauscht werden. D. h.: die Polarität der Leitungen spielt keine Rolle.

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Leerseite

Claims

BLUMEACH . WESER .;BE«GEN-:· KRAIViER ZWIRNER . fHÖF'FMÄNN ·' ^:~

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult RadeckostraOe 43 8000 München 60 Telefon (089) SB3603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Petentconsult Sonnenbergor Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/W1998 Telex 04-186237 Telegramme Patenlconsult

Western Electric Company W/ Busch-Vishniac 4-44-21

Incorporated

New York N. Y.

Patentansprüche

Akustischer Wandler zum Erzeugen eines gerichteten Aiisprechverhaltens, das eine Hauptkeule und mehrere, im wesentlichen auf einem vorbestimmten Schwellenpegel liegende Hebenkeulen aufweist, mit einer Gegenplatte, von der eine Oberflächenseite mit einer Metallschicht überzogen ist, dadurch gekennzeichnet,

aaß eine Elektretfolie (Figur 14, 132) eine Dicke aufweist, die sich über die Länge der Folie nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung ändert, und daß eine Oberflächenseite (134) der Elektretfolie. (132) im wesentlichen flach und im wesentlichen parallel zu der Gegenplatte (130) verläuft.

München: R. Kramer Dipl.-lng. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. . E. Hoffmann Dipl.-lng. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-lng. · P. Bergen Prof.Dr. jur.Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw. bis 1979 · G. Zwirner Dipl.-Ing. Di^'.-W.-Ing.

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2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dicke d der Elektretfolio (132) durch folgende Beziehung definiert ist:

< L

wobei

J_n = Bessel-Funktion der ersten Art,

- (~i)

V= In r+(r²-l)^1>/2 ,

r = Verhältnis der Amplitude der Hauptkeule · zu dem Nebenkeulen-Schwellenpegel,

^= normierter Abstand irgendeines Punkts auf der Gegenplatte von der Mitte der Gegenplatte, und

L = normierte Entfernung auf der Gegenplatte, wobei oberhalb dieser Entfernung die Breite der metallischen Beschichtung einer Konstanten K entspricht.

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3. Akustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektretfolie (132) eine Metallschicht . (142) und eine Polymerschicht (136) aufweist, daß die Dicke der Polymerschicht (136) entlang der Folie nach Maßgabe der vorbestimmten Beziehung schwankt, und daß die Dicke der Metallschicht (142) im wesentlichen gleichförmig ist.
4. Akustischer Wandler nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet,

daß eine Oberflächenseite (134) der Polymerschicht (136) im wesentlichen flach ist, und daß die flache Oberflächenseite im wesentlichen parallel zur Gegenplatte (130) verläuft.
5. Akustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung zwischen der flachen Oberflächenseite (134) der Polymerschicht (136) und der Gegenplatte (130) über die Länge und die Breite der Gegenplatte im wesentlichen gleichförmig ist.
6. Akustischer Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die flache Polymer-Oberflächenseite (134) der mit einem metallischen Überzug (137) versehenen Oberflächenseite der Gegenplatte (136) gegenüberliegt.

« rf * W 4· «β«
7. Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektretfolie (132) elektrostatisch auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen wird.
8. Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine erste Leitung (133) von der Elektretfolie (132) und eine zweite Leitung (131) von dem metallischen Überzug (137) auf der Gegenplatte (130) an einen Verbinder (166) angeschlossen sind, um Signale zu übertragen.
9· Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine Oberflächenseite der Elektretfolie (Fig. 15, 154) an der Gegenplatte (150) derart befestigt ist, daß die Metallschicht (158) der Elektretfolie dem Metallüberzug (152) der Gegenplatte gegenüberliegt, und däß eine zweite Folie (168), die eine Polymerschicht (170) und eine Metallschicht (167) besitzt, über der Elektretfolie (154) aufgehängt ist.
10. Akustischer Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand zwischen der flachen Oberflächenseite (156) der Polymerschicht (154) und der zweiten Folie (168) über die Länge und die Breite der zweiten Folie (I68) im wesentlichen gleichförmig ist.