DE3242561A1 - Elektretwandler mit veraenderlich aufgeladener elektretfolie - Google Patents
Elektretwandler mit veraenderlich aufgeladener elektretfolieInfo
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Description
Elektretwaridler mit.veränderlich aufgeladener Elektretfolie
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
P3046416.5 beschrieben ist. Es ist jedoch notwendig,
daß jedes Mikrofon in einer solchen Anordnung beim Aufbau der Anordnung präzise placiert wird» 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
.
-3-2^2-5-64
Gemäß einer b'eispielhaften Ausführungsform der Erfindung enthält ein Elektretwandler eine metallisierte
Gegenplatte, über der eine elektrostatisch aufgeladene Elektretfolie angeordnet ist. Die elektrostatische
Aufladung ändert sich über der Länge der Elektretfolie nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung.
Die Empfindlichkeit der Elektretfolie an irgendeinem Punkt der Folie ist direkt proportional
zu der dortigen elektrostatischen Aufladung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Elektretfolie auf der Metalloberfläche der
Gegenplatte befestigt. Über der Elektretfolie ist eine zweite Folie aufgehängt, die von Isolierelementen
e?
abgestützt wird. Die elektrostatische Aufladung der .zweiten Elektretfolie schwankt nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung.
abgestützt wird. Die elektrostatische Aufladung der .zweiten Elektretfolie schwankt nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen auseinander
genommenen Elektretwandler,
Figur 2 eine selektiv metallisierte Gegenplatte, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Elektretwandler
einsetzbar ist,
Figur 3 eine perspektivische
Ansicht eines Teils des zusammengebauten Elektretwandlers
nach Figur 1,
Figur 4 eine vergrößerte Ansicht des Kontaktabschnitts zwischen
ö der Elektretfolie und der Gegenplatte in dem Elektretwandler
nach Figur 1,
Figur 5 ein Ansprechverhalten , des Elektretwandlers nach
Figur 3,
Figur 6 eine von dem Elektretwandler nach Figur 1 abweichende Ausführungsform,
■ . S-
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 Ausführungsformen ' 10 von Elektretwandlern, die durch Ändern
des wirksamen Luftspalts 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
wird elektrostatisch auf einen vorbestimmten ¥ert aufgeladen. In einem Anwendungsfall ist die elektro
statische 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 jxa 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 metallisier
ten 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:
20
W= K, L ί<1<
1
(2)
3/4
wobei
J^ = Bes.sel-Funktion der ersten Art;
V= In
r = Verhältnis der Amplitude der Haupt-
. keule zu dem Nebenkeulen-Schwellenwert
in dem Ansprechverhalten (dies wird unten in Zusammenhang mit Fig. 5
erläutert);
j£ = 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 Poliendicke ist die Empfindlich-.keit des Elektretwandlers an irgendeinem auf die Längserstreckung
des Wandlers 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 (1) und (2) ändert.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung besitzt die Metalloberfläche 16 der Gegenplatte 18 über der Länge
der Gegenplatte 18 eine gleichmäßige Breite. Bei einer konstanten Ladungsdichte, konstanten Luftspalten und
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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 .5 Elektretfölie 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 ist
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 Fäll befindet bzw. befinden sich die Nebenkeule bzw. Nebenkeulen an oder unter dem
Q 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
(l) und (2) zum Ausdruck kommt, zum Bestimmen der Breite der Metallschicht herangezogen.
32A25S1
Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die in Pig. I 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 be-/-■
stehen.
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
- 13 ·-
. . 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
v-' 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 gedruckt. Mehrere Einstellschrauben 46 und 48 halten die Klammern 42 und 44 an ihrer Stelle* Gleicher-
f maßen halten Beilagscheiben $0 und $2 sowie Einstellschrauben
54 und 56 die Enden 57 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
• 25 oder 59 oder beiden Enden 57 und 59 an einer Decke aufgehängt v/erden. In einer weiteren Anordnung
- 14 -
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
mit 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.
Die unebene Oberfläche 16 schafft den notwendigen Luftspalt zwischen der Gegenplatte 18 und der
Elektretfolie 10.
6/7
32425Si
- 15 -
Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform 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.
lü über der Elektretfolie 10 ist eine zweite Folie 66
aufgehängt, die eine Metallschicht 68 und eine Polymerschicht 70 aufweist. Zwei isolierte Distanzstücke
62 und 64 trennen die Polymerschicht 70 der zueiten 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. ' . '
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 Elektretv/andlers
an diesem Punkt, Die Breite der sich ändernden Metallschicht des Elektretv/andlers ist erfindungsgemäß
durch die obigen Beziehungen (l) und (2) gegeben. Die Empfindlichkeit JU (x) des Wandlers bei
einem gegebenen, auf die Länge des Wandlers bezogenen Abstand von der Mitte des Elektretwandlers ist durch
folgende Beziehung gegeben:
4>rcr(x) S1 eff (X)
wobei
^ -(χ) = Empfindlichkeit des Elektretv/andlers
bei einem Abstand χ von dessen Mitte;
<r (x) = die Raumladungsverteilung;
S-, ff(x) = effektive Luftspaltbreite (diese wird
nachstehend noch näher beschrieben); s (x) = die tatsächliche Luftspaltbreite
(dies wird nachstehend noch näher erläutert);
w(x) S= Breite der Metallschicht gemäß
obiger Beziehungen (1) und (2); Pq = atmosphärischer Druck;
A = Größe der Oberfläche 16 des Elektretwandlers gem. Fig. 2;
4 = Dielektrizitätskonstante der Elektretfolie,
40 = Dielektrizitätskonstante von Luft; und
S(x.) = Dicke der Elektretfolie.
7/8
Das- obige Ansprechverhalten errechnet sich theoretisch aus der Besiehung
Γ Λ(χ)ύχ
wobei
1 = Länge des Elektretwandlers von der Mitte bis zu einem Ende;
C. -1 = Länge des Elektretwandlers von der
Mitte bis zum anderen Ende;
A (x) =s Empfindlichice it des Elektretwandlers
bei einem Abstand χ von der Mitte des Wandlers;
k = akustische Wellenzahl; und R(6) = Ansprechen des Elektretv/andlers bei
einem Winkel Θ, der gebildet wird ö 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 Empfindlichice it des Elektretwandlers direkt
proportional zur Breite der Metallschicht, zur •Dicke der Elektretfolie, zur Breite des wirksamen
8/9
BAD ORIGINAL
3242581
- .18 - " ■·
Luftspalts und zur Raumladungsverteilung, d. h. der*elektrostatischen Ladung auf der Elektretfolie.
Die Empfindlichkeit des Elektretwandlers ist außer-.
dem umgekehrt proportional■zur Breite des tatsächliehen
Luftspalts. Somit wird durch einzelnes Variieren der obigen Parameter nach Maßgabe der
Beziehung (1) 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-j_ 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 S1 der Folie 84 von der Gegenplatte 72.
9/lo
■■- 19 -
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 84
gegeben ist, ist die Breite oder Tiefe S-j_ 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 wirksame 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 wirksamen Luftspalts ist durch die Beziehung
C η h?
C η h?
h + £■— + si
4 ro
gegeben,
wobei
h = Tiefe des Luftvolumens in der rückwärtigen
Kammer 88;
η = Anzahl der Öffnungen 82; h-j_ = Durchmesser der Öffnungen 82;
t = Dicke der Gegenplatte 72;
ro = Radius des Zylinders 78; und
S-^ = Dicke des tatsächlichen Luftspalts.
« t
» 1
- 20 -
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 auftreffenden 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 fcL· der Zapfen 90 bestimmen sich abhängig
von der Längenkoordinate des Elektretwandlers durch · die Beziehung
■25 hp = Mx))"1
(6)
und
lo/ll
- 21 -wobei ·
w(x) die obige Beziehung (l) 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 Funkt* An irgendeinem Punkt der Gegenplatte
94 haben die Zapfen auf der Breite der Gegenplatte 94 ·
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 Elektretfplie
92 gegenüberliegenden Oberfläche 96 eine dünne Metallschicht, die so breit ist wie die Gegenplatte 94.
.15 Alternativ besteht die gesamte Gegenplatte aus Metall.
Die Elektretfolie 92 enthält eine Metallschicht 91
v— und eine elektrostatisch aufgeladene Polymerschicht 98.
Die Polymerschicht 98 liegt der Gegenplatte gegenüber.
An einen Verbinder 100 sind eine negative Leitung 97 von der metallischen Oberfläche 91 der Elektretfolie 92
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 Pig. 8, wobei die
Einzelheiten der Zapfen 90 auf der Gegenplatte 94
11/12
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- 22 -
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 zwei 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 103 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 Elektret-2.5
wandlers an irgendeinem Punkt ist umgekehrt proportional zur Dicke der Gegenplatte an diesem Punkt.
12 .
■ - 23 -
Die Oberfläche 110 der Gegenplatte 104 ist mit einer Metallschicht überzogen, die sich über die
gesamte Breite der Gegenplatte 104 erstreckt.■ Alter-'
nativ 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-)
r 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 Metall-.schichten
direkten Kontakt haben. Eine (nicht gezeigte) zweite Folie ist über der Gegenplatte 104
aufgehängt. Diese zweite Folie wird von den erf
wähnten 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 Elektretwandlern, wobei
jede einzelne Ausführungsform durch Variieren der
12/13
• *
■ *
- 24 .-
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
Q 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 gebohrto 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 (l) und (2). Die Empfindlichkeit /i (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
13
32425*1
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 er-.halten
wird. Die Durchmesser der Öffnungen schwanken derart, daß das Volumen der Luft in den Öffnungen
direkt proportional zu den obigen Beziehungen (l) und (2) variiert, d. h. die wirksame Luftspaltbreite
ändert sich direkt proportional zu den obigen Beziehungen (l) und (2).
Figur 13 zeigt eine Elektretfolie 127 und eine
Gegenplatte 126, durch die mehrere Öffnungen 128 v. gleichen Durchmessers verlaufen. Die wirksame Luftspaltbreite
wird dadurch variiert, daß die Dichte der Öffnungen 126 direkt proportional zu den obigen
Beziehungen (l) 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
13/14
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 v/erden 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
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 v/erden 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 (l) und (2) geändert wird. Diese Nuten laufen parallel zur Breite der Gegenplatte.
Figur 14 zeigt einen Elektretwandler mit einer
C Gegenplatte 130 gleichförmiger Dicke und einer Elektretfolie 132, deren Dicke in direktem Verhältnis zu den
obigen Beziehungen (1) 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
25. der Gegenplatte 130 angeordnet ist. Die Oberfläche 138 der Gegenplatte I30 ist mit einer dünnen Metallschicht
137 überzogen. An einen Verbinder 140 sind
14/15
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 im (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.
Figur 15 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Dicke der Elektretfolie
154 entlang dem Wandler nach Maßgabe der Beziehungen (l) und (2) variiert. Die Metallschicht
C der Elektretfolie 154 befindet sich in direktem Kontakt mit der Metalloberfläche 152 der Gegenplatte
150. Die Dicke tfe der Gegenplatte 150 bestimmt sich durch die Beziehungen
= 1 - w(x) (8)
= 1 - K (9)
15
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 & (x) des Elektretwandlers nach
Fig. 15 an irgendeinem Punkt über der Länge des Elektretwahdlers, ausgedrückt durch die obige Beziehung (3),
ist direkt proportional zu der Dicke der Elektretfolie 154 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 (1) und (2) variiert . 30 wird. Die Breite der Metallschicht auf der rauhen
Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 bleibt jedoch über
15/16
die gesamte Lange 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 Elektret-' folie 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 /»(x) 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).
4- 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 Ladungsdichte variiert
. 16/17
324256t
jedoch über der Länge der Elektretfolie nach Maßgabe der obigen Beziehungen (1) und (2). Weiterhin 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 Elektret- r wandlers 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
17
BAD ORIGINAL
3242.581.
elektrostatische Ladung in unterschiedlichen Tiefen der Polymerschicht der Elektretfolie 10 gemäß Fig.
vorgesehen wird. Die elektrostatische Ladung <r an •irgendeinem Punkt ergibt sich durch die Beziehung
(ίο)
wobei
tT = Ladungsdichte
4 = Dielektrizitätskonstante des Polymers, <:o = Dielektrizitätskonstante der Umgebungsluft,
d-, = Tiefe der elektrostatischen Ladung, d = Dicke der Polymerschicht, und
V = elektrostatische Spannung
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 ausgewählten Bereichs über der Länge der Polymerschicht
nach Maßgabe der obigen Beziehungen (1) und (2).
im Gegensatz zu Fig. 17· jedoch sind in Figur 18 die
nicht-aufgeladenen Bereiche der Polymeroberfläche nun positiv aufgeladen. Die Wirkung des Aufladens
der Polymeroberflache sowohl mit negativen als auch positiven Ladungen besteht darin, daß eine eindeutig
definierte Kante zwischen den beiden aufgeladenen Flächenbereichen definiert wird* Hierdurch ist die
32A25S1
η t
- 32 -
. 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
•5 wurde, 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 werden: eine Folie, die eine Metallschicht und eine Polymer-
ζ~- schicht 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
18
3242&61
die Folie über der Gegenplatte aufgehängt werden, beispielsweise durch Verwendung von Distanzelementen,
2. B. durch Verwendung 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.i
die Polarität der Leitungen spielt keine Rolle.
Leerseite
Claims (1)
- BLUMBACH . WESER · BERGEN · KRAMER ZWIRNER - HOFFMANN• PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN.Patentconsult RadeckestraSe 43 8000 München 60 Telefon (089) 883605/883604 Telex 05-212313 Telegramme PatentConsült Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme PatentconsultWestern Electric Company . W/Busch-Vishniac 5-45-22Incorporated .New York N. Y.PatentansprücheHJ Akustischer Wandler zum Erzeugen eines gerichteten Ansprechmusters, das eine Hauptkeule und mehrere, im wesentlichen auf einem vorbestimmten Schwellenpfegel befindliche Nebenkeulen enthält, mit einer Gegenplatte und einer Elektretfölie, dadurch gekennzeichnet,daß sich die elektrostatische Ladung auf der Elektretfölie (10) im Verhältnis zu einer vorbestimmten Beziehung räumlich ändert.2. Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß die vorbestimmte Beziehung der elektrostatischen Ladung definiert ist durch:München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nal. · E. Hoffmann DipL-lng. Wiesbaden: P. G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Prof.Dr. jur,Dipl.-Ing., Pat.-Ass., Pat.-Anw.bis 1979 · G. Zwirner Dlpl.-Int,. Dipl.-W.'lng.• ·• Ί ·Ci-12) 1/2< LJ1wobei '. J, =s Bessel-Funktion der ersten Art,Ü = (-1 V ^ Inr = Verhältnis der Amplitude der Hauptkeulezu dem Nebenkeulen-Schwellenpegel, " i = normierter Abstand irgendeines Punktsauf der Gegenplatte von der Mitte der Gegenplatte, und L = normierte Entfernung auf der Gegenplatte, wobei oberhalb dieser Entfernung die Breite der metallischen Beschichtungeiner Konstanten K entspricht.3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche der Gegenplatte (18) einen metallischen Überzug (20) aufweist.4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektretfolie (10) eine Metallschicht (12) und eine Polymerschicht (14) enthält, und■daß' die Polymerschicht der metallischen Oberfläche (20) der Gegenplatte gegenüberliegt.. 5· Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die· elektrostatische Aufladung über die Länge der Polymerschicht (14) nach Maßgabe der vorbestimmten Beziehung verteilt ist.6. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, · dadurch gekennzeichnet, ·daß die elektrostatische Ladung an irgendeinem auf die Längserstreckung der Polymerschicht (14) bezogenen Punkt über der Breite der Polymerschicht ■ an diesem Punkt gleichmäßig ist.7. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,• daß die elektrostatische Ladung an irgendeinem auf die Längserstreckung der Polymerschicht (14) bezogenen Punkt über die gesamte Breite der Polymerschicht an diesem Punkt ungleichmäßig ist.8. Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostatische Ladung an irgendeinemauf die LängserStreckung der Polymerschicht (14)· bezogenen Punkt auf gegenüberliegenden • ' Seiten einer parallel zur .kürzeren Seite der Polymerschicht verlaufenden Mittellinie bei gleichen Entfernungen von der Mittellinie etwa die gleiche ist.9· Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektretfolie derart an der Gegenplatte (18) befestigt ist, daß die Metallschicht (12) der Elektretfolie (10) dem Metallüberzug (20) der Gegenplatte (18) gegenüberliegt, und daß über der Elektretfolie eine zweite Folie (Fig. 6, 66) aufgehängt ist, die eine Polymerschicht (70) und eine Metallschicht (68) aufweist.10. Wandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet,daß die Elektretfolie direkt über der Gegenplatte angeordnet ist, daß ein erster Flächenbereich der Polymerschicht elektrostatisch mit einer negativen Ladung aufgeladen wird, daß die Breite des ersten Flächenbereichs über der Länge der Polymerschicht variiert, und daß der Rest der Polymerschicht elektrostatisch mit einer positiven Ladung aufgeladen wird.
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