DE3242578A1

DE3242578A1 - Elektretwandler mit veraenderlichem tatsaechlichem luftspalt

Info

Publication number: DE3242578A1
Application number: DE19823242578
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: SE454124B; CA1186045A; US4434327A; FR2517160B1; SE8206382L; SE8206382D0; FR2517160A1; NL8204511A; JPS5895500A

Description

Beschreibung Elektretwandler mit veränderlichem tatsächlichem Luftspalt

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

Akustische Anordnungen mit mehreren diskreten Mikrofonen 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 .

BAD ORIGINAL

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Elektretwandler eine Gegenplatte und eine Elektretfolie, die durch mehrere Stifte getrennt .sind, deren Höhe über der Länge des Elektretwandlers nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung variiert. D. h.: die Breite des tatsächlichen Luftspalts zwischen der Elektretfolie und der Gegenplatte ändert sich. An irgendeinem Punkt des Elektretwandlers sind die Höhen der Stifte über die Breite des Elektretwandlers gleich. Alternativ können die Stifte durch vorstehende Höhenrücken ersetzt werden, die sich über die Breite der Gegenplatte erstrecken. Die Elektretfolie enthält eine Metallschicht und eine elektrostatisch aufgeladene Polymerschicht. Die der Elektretfolie gegenüberliegende Oberfläche der Gegenplatte ist mit einer Metallschicht versehen.

Die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem Punkt ist umgekehrt proportional zur Höhe der oben erwähnten Stifte oder Höhenrücken an diesem Punkt.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ändert sich die Dicke der Gegenplatte nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung. D. h.: die Dicke des tatsächlichen Luftspalts wird geändert. Die Empfind-

BAD

lichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem Punkt des Wandlers ändert sich umgekehrt zur Dicke der Gegenplatte. Das sich ergebende Ansprechverhalten des Elektretwandlers ist stark richtungsbezogen, und es enthält eine Hauptkeule und mehrere Nebenkeulen, die·unter einem Schv/ellenpegel liegen.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Elektretfolie an der metallisierten Oberfläche der Gegenplatte befestigt, und über der Elektretfolie ist eine zweite Folie aufgehängt, die durch Isolierelemente abgestützt wird. Der Abstand zwischen der zweiten Folie und der Elektretfolie ändert sich über der Länge des Wandlers nach Maßgabe einer vorbestimmten Beziehung. Das sich ergebende Ansi>rechverhalten ist stark richtungsbezogen und enthält eine Hauptkeule und mehrere, unter einem Schv/ellenpegel liegende Nebenkeulen.

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

Figur 1 einen auseinandergenommenen Elektretwandler,

Figur 2 eine selektiv metallisierte Gegenplatte, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Elektretwandler einsetzbar ist,

BAD ORIGINAL

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,

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

Figuren 8, 9 und 10 Ausführungsbeispiele von Elektretwandlern₅ die durch Ändern des tatsächlichen Luftspalts erhalten werden,

Figuren 11, 12 und 13 Ausführungsformen von Elektretwandlern, die durch Ändern des wirksamen Luftspalts erhalten werden,

Figuren 14 und 15 Ausführungsformen eines Elektretv/andlers, der durch Ändern der Dicke der Elektretfolie erhalten wird, und

BAD ORIGINAL

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 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 >im dick. Weiterhin ist in diesem Fall die Elektretfolie 21,5 cm lang und 2,5 cm breilk

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 Gogenplatte 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:

W =

K, L . -<]j

J^ -- Bessel-Funlction der ersten Art;

= In r+(r²-l)^1>/21

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 Wandlers bezogenen Punkt direkt proportional zur Breite der· Metallschicht 16 auf der Gegenplatte 18 an diesem Punkt.

BAD

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 18 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 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 Fall befindet bzw. befinden sich die Nebenkeule bzw. Nebenkeulen an oder unter dem Schwellenwert 35. Das entsprechende, theoretisch be-

BAD ORIGiNAL

stimmte 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.

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.

BAD ORIGINAL

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 12 der Elektretfolie 10 und stellf eine elektrisch neutrale (oder Masse-)Leitung dar, die zu dem (nicht gezeigten) Verbinder führt. Hierdurch v/erden 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. Gleichermaßen halten Beilagscheiben 50 und 52 sowie Einstellschrauben 54 und 56 die Enden 57 und 59 der Elektretfolie 10 fest gegen den Träger 28.

5AD ORfGiNAL

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 oder 59 oder beiden Enden 57 und 59 an einer Decke aufgehängt werden. In einer weiteren Anordnung 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

BAD ORiGINAL

Resonanzbev.'egung 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.

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.

über der Elektretfolie 10 ist eine zweite Folie 66 aufgehängt, die eine Metallschicht 68 und eine Polymerschicht 70 aufweist. Zwei isolierte DistanzsLücke 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

BAD ORIGINAL

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 Elektretwandlers an diesem Punkt. Die Breite der sich ändernden Metallschicht des Elektretwandlers ist erfindungsgemäß durch die obigen Beziehungen (l) und (2) gegeben. Die Empfindlichkeit ι£-ι (x) des Wandlers bei einem gegebenen, auf die Länge des Wandlers bezogenen Abstand von der Mitte des Elektretwandlers ist durch folgende Beziehung gegeben:

<r

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

(x) = die Raumladungsverteilung;

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

BAD ORIGINAL

S-, (χ) = die tatsächliche Luft spaltbreite (dies wird nachstehend noch näher erläutert);

w(x) = Breite der Metallschicht gemäß obiger Beziehung (l) und (2);

P = atmosphärischer Druck;

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

4r = Dielektrizitätskonstante der' Elektretfolie,

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

Das obige Ansprechverhalten errechnet sich theoretisch aus der Beziehung

(4)

= Länge des Elektetwandlers 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 = akustische Wellenzahl; und

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

BAD ORIGINAL

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 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 (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_Q aufweisenden Zylinder 78 mit einem Abstand h_Q von der

BADK)RIGINAL

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 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 wirksame Luftspalt ist die Summe des Volumens der in der rückwärtigen Kammer 88 befindlichen Luft, des Volumens der in den Öffnungen 82 befindlichen

BAD ORIGINAL

Luft und des tatsächlichen Luftspalts 86. Die Breite oder Tiefe des wirksamen Luftspalts ist durch die Beziehung

η h?t

gegeben,
wobei

h = Tiefe des Luftvolumens in der rückwärtigen Kammer 88;

η = Anzahl der Öffnungen 82; tu = 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 sbarker 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 .

BAD ORIGINAL

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

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

Dies bedeutet: die Empfindlichkeit an irgendeinem Punkt bezüglich der Längserstreckung des Elektret-

BAD ORIGINAL

Wandlers ist tungekehrt proportional zur Höhe der Zapfen an diesem Punkt. 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.

Für die allgemeine Situation ist der Abstand d zwischen der ELektretfolie 92 und der Gegenplatte 94 an irgendeinem Punkt der Elektr'etfolie durch folgende Beziehung definiert:

_d=

Π-ξ

< L

d-K.

< ι

J-, = Bessel-Funktion der ersten Art,

ö = C-D¹⁷²,

(/= In r+(r²-l)^1/2,

r = Verhältnis der Amplitude der Hauptkeulc 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.

BAD

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 Elektetfolie 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 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.

BAD ORIGINAL

- .25 -

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 Elektre.twandlers. 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-Wandlers an irgendeinem Punkt ist umgekehrt proportional zur Dicke der Gegenplatte an diesem Punkt.

Die Oberfläche llü 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-)

BAD ORSGlNAL

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 Elektretwandlern, wobei jede einzelne Ausführungsform durch Variieren der 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.

BAD QRIGINAL

Speziell erkennt man in Figur U 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'Oberflache 118 der Gegenplatte 116 gebohrt. 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 wirksame Luftspaltbreite durch die obigen Beziehungen (1) und (2). Die Empfindlichkeit lA (x) an irgendeinen Punkt bezüglich der LängserStreckung des Elektretwandlers ist direkt proportional zur wirksamen Luftspaltbreite an diesem Punkt. Die Empfindlichkeit ypk (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 Eiektretfolie 123 und eine Gegenplatte 122, durch die mehrere Öffnungen 124 verlaufen, wodurch ein v/eiterer 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 v/irksame Luftspaltbreite ändert sich direkt proportional zu den obigen Beziehungen (1) und (2).

Figur 13 zeigt eine Eiektretfolie 127 und eine Gegenplatte 126, durch die mehrere Öffnungen 128 gleichen Durchmessers verlaufen. Die v/irksame 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) Ausfüarungsform der Erfindung, bei der sich der wirksame Luftspalt entlang der LängserStreckung des Elektretwandlers ändert, ist die Metallschicht der Eiektretfolie direkt in Berührung mit der Metallschicht der Gegenplatte gebracht. Über der Eiektretfolie 121, 123 oder 127 ist eine zweite Folie aufgehängt, die durch Isolierelemente abgestützt wird, beispiels-

BAD ORIGINAL

■weise 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 (l) 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 132, 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 14-2. 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

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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 \£λ (χ) 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 Ausfülirungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Dicke der Elektret folie 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)

t_b *= 1 - K (9)

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Über der Elektretfolie 154 ist eine zweite Folie auf gehängt, die von Isolierelementen 162 und 164 abgestützt wird. Der Abstand zwischen der zweiten Folie 168 und der Polymeroberflache der Elektretfolie 156 ist über die Länge und die Breite des Elektretwandlers im wesentlichen konstant. Eine elektrisch neutrale (oder Mass,en-) Leitung 153 ist an der Metalloberfläche I67 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 Empf indlichkeit f« (x) 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 154 an diesem Punkt. Das Ansprechverhalten entspricht im wesentlichen dem in Fig. 5 dargestellten Verhalten,

Eine v/eitere 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 wird. Die Breite der Metallschicht ayf der rauhen Oberfläche 16 der Gegenplatte 18 bleibt jedoch über

die gesarate 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 /» (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).

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 gleichmäi3ig verteilt. Die Ladungsdichte variiert

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jedoch über der Länge der Elektretfolle nach Maßgabe der obigen Beziehungen (l) und (2). V/eiterhin ist die Empfindlichkeit des Elektretwandlers an irgendeinem 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 14 jedoch ändert sich gemäß der Beziehungen (1) und (2) über die Längje. 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 v/erden, daß die

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

σ -Z_x-Z- .....(ίο)

T ^d

wobei

tS" = Ladungsdichte

4 = Dielektrizitätskonstante des Polymers, <: = 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 (l) 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 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 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 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

die Folie über der Gegenplatte aufgehängt werden, beispielsweise durch Verwendung von Distanzelementen, z. 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 v/erden. D. h.: die Polarität der Leitungen spielt keine Rolle.

Claims

BLUMBACH · WES ER::.« ER GS N::. KRAM E R ZWIRNER V HOFFMANN ο ο / ^ r η ο PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UNDVVIESBADEN Patentconsult Radeckestroße« 8000 Mi"·. :.. :\ 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsull Patenlconsult Sonnenbergei Straße 45 6200\- . baden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsull Western Electric Company BUSCH-VISHNIAC 2-42-19 Incorporated New York N. Y. Pat entanspräche

1. Akustischer Wandler mit einer Elektretfolie und einer mit einem Metall überzogenen Gegenplatte, dadurch gekennzeichnet,

da% die Elektretfolie (92) über die Breite der Folie an irgendeinem auf die Längserstreckung der Elektretfolie bezogenen Punkt im wesentlichen parallel zu der Gegenplatte (94) ist, daß der Abstand zwischen der Elektretfolie (92) und der Gegenplatte (94) über der Länge der Elektretfolie durch eine vorbestiramte Beziehung festgelegt ist, und daß die Empfindlichkeit des akustischen Wandlers an irgendeinem Punkt der Elektretfolie umgekehrt proportional zu dem Abstand zwischen der Elektretfolie und der Gegenplatte an diesem Punkt ist, um ein gerichtetes Ansprechverhalten

München: R. Kramer Dipl. Ina - W Wesm IMpl.l'hy·;. Or. for. not. · ΐ. Hoffmann Dipl.-Iricj. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Irig. · P. Borge» l'rof. Dr. ]ur.I)ipl.-lng., Pal.-Ass., Pat.-Aiw.bis 1979 - G. Zwirrier i.ipl.-lng. Di"i.-W.-Ing.

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zu erzeugen, das eine Hauptkeule und mehrere, im wesentlichen auf einem vorbestimmten Schwellenpegel befindliche Nebenkeulen enthält.

2. Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Abstand d zwischen der Elektretfolie (92) und der Gegenplatte (94) an irgendeinem Punkt der Elektretfolie durch folgende Beziehung definiert ist:

_d «

wobei

J-, = Bess el-Funk tion der ersten Art,

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

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

daß der Abstand zwischen der Elektretfolie (92) und der Gegenplatte (94) dadurch realisiert wird, daß mehrere Stifte (90) über der Gegenplatte angeordnet werden, um die Elektretfolie abzustützen, wobei die Höhen der Stifte über der Länge der Gegenplatte nach Maßgabe des Abstands variieren.

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

daß der Abstand zwischen der Elektretfolie (92) und der Gegenplatte dadurch realisiert wird, daß die Elektretfolie über mehreren Höhenrücken auf der Gegenplatte zum Abstützen der Elektretfolie angeordnet wird, wobei die Höhen der Höhenrücken nach Maßgabe des Abstands über der Länge der Gegenplatte variieren und die obere Oberfläche des jeweiligen Höhenrückens parallel zu der Oberfläche der Gegenplatte ist.

5. Akustischer V/andler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Gegenplatte auf ihrer gesamten Länge gleichmäßig dick ist.

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6. Akustischer Wandler nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet,
• daß sich die Dicke der Gegenplatte ändert.

7· Akustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß in der Gegenplatte (116) mehrere Löcher (120) vorgesehen sind, und daß das Luftvolumen in den Löchern der Gegenplatte über die Länge und Breite der Gegenplatte gleichmäßig ist.

8. Akustischer Wandler nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch

in der Gegenplatte vorgesehene Nuten, die parallel zur Breitenerstreckung der Gegenplatte laufen und deren Luftvolumen auf der Länge der Gegenplatte gleichmäßig ist.

9·.Akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, .
dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektretfolie eine Metallschicht (Sl) und eine Polymerschicht (98) aufweist, und daß die Metallschicht und die Polymerschicht Rechteckform haben.

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10. Akustischer V/andler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

• daß die Elektretfolie (92) elektrostatisch auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen wird.

11. Akustischer V/andler nach Anspruch 1,

bei dem die Gegenplatte mit einem Metall überzogen ist und die Elektretfolie derart an der Gegenplatte befestigt ist, daß die Metallschicht der Elektretfolie dem Metallüberzug der Gegenplatte gegenüberliegt,

dadurch gekennzeichnet,

daß eine eine Polymerschicht (170) und eine Metallschicht (167) aufweisende zweite Folie (168) über der Elektretfolie (154) aufgehängt ist, und daß der Abstand zwischen der zweiten Folie (168) und der Elektretfolie (154) über der Länge C^v Elektretfolie (154) durch eine vorbestimmte Beziehung gegeben ist, wobei die Empfindlichkeit des akustischen Wandlers an irgendeinem Punkt der Elektretfolie umgekehrt proportional zum Abstand zwischen der Elektretfolie und der zweiten Folie an diesem Punkt ist.

12. Akustischer V/andler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Elektretfolie dauernd mit einem Vor-Gleichstrom aufgeladen wird.

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