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Elektrostatischer Wandler, insbesondere Kondensatormikrophon
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Gegenstand der Erfindung ist ein elektrostatischer Wandler, insbesondere
ein Kondensatormikrophon mit einer Membran und einer Gegenelektrode.
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Bei einem Kondensatormikrophon dieser Art bildet die im Abstand von
30 /um bis 50 /um hinter der Membran angeordnete Gegenelektrode die starre, unbewegliche
Elektrode des Kondensatormikrophones, die zumeist aus einer flachen, elektrisch
leitenden Scheibe besteht.
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Diese Scheibe ist mit einer größeren Anzahl von Bohrungen oder Schlitzen
versehen, um die sehr niedrige und kleine Luftkammer zwischen Membran und Gegenelektrode
entweder an weitere akustisch wirksame Mittel innerhalb des Mikrophongehäuses anzukoppeln
oder aber, wie es für Richtmikrophone erforderlich ist, über angekoppelte akustische
Mittel mit dem äußeren Schallfeld zu verbinden.
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Derartige Gegenelektroden sind beispielsweise in der DE-AS 14 37
420 und in der DE-OS 24 30 068 beschrieben.
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Bei elektrostatischen Wandlern, insbesondere Kondensatormikrophonen,
wird die Kondensatorkapazität im wesentlichen von der Fläche der Gegenelektrode
und der davor befindlichen elektrisch leitenden Membran und deren Abstand zueinander
bestimmt. Wird die Membran des Kondensatormikrophons
mit Schall
beaufschlagt, so ist jedoch nur ein Teil der Gesamtkapazität für die übertragung
des Signals nutzbar wirksam; der zur wirksamen Eapazität verbleibende Rest der Gesamtkapazität
- die sogenannte parasitäre Kapazität -, verursacht im wesentlichen durch konstruktionsbedingte
feststehende Teile, führt zur Verschlechterung des übertragungsfaktors, des Signal-Rauschabstandes
und der nicht linearen Verzerrungen. Daher erweist es sich als notwendig, das Verhältnis
von nutzbar wirksamer Kapazität zu parasitäler Kapazität möglichst groß zu halten.
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Die bisher bekannt gewordenen Gegenelektroden haben es bei einem
Durchmesser, größer als 15 mm, noch ermöglicht, das vorgenannte Verhältnis hinreichend
groß zu halten, damit die negativen Auswirkungen, wie Verschlechterung des übertragungsfaktors,
des Signal-Rauschabstandes und der nichtlinearen Verzerrungen, in erträglichen Grenzen
bleiben.
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Die auch bei Kondensatormikrophonen fortschreitende Miniaturisierung
verlangt einen Durchmesser von Membran und Gegenelektrode, der kleiner als 7 mm
ist. Daraus ergibt sich das Problem, daß die parasitäre Kapazität gegenüber der
nutzbaren Wirkkapazität unvertretbar groß wird. So beträgt beispielsweise bei einem
Elektrodendurchmesser von 5,8 mm und einem Abstand der Membran von der Gegenelektrode
von 40 /umbei einer herkömmlichen Ausbildung der Gegenelektrode die parasitäre Kapazität
3,4 pF und die wirksame Kapazität nur 3 pF.
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Es ist nun das Ziel der Erfindung, eine Form für die Gegenelektrode
zu finden, für die die nutzbar wirksame Kapazität etwa 7/o der Gesamtkapazität und
die parasitäre Kapazität etwa 30% der Gesamtkapazität beträgt.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die plättchenförmige
Gegenelektrode an ihrem Umfang mit Aussparungen versehen ist. Eine solchermaßen
ausgebildete Gegenelektrode weist an ihrem Umfang durch die verbleibenden sternartigen
Stege eine parasitäre
Kapazität von 1,3 pF gegenüber einer nutzbar
wirksatten Kapazität von 3 pF bei einem Gesamtdurchmesser der Gegenelektrode von
5,8-mm auf. Das Verhältnis nutzbar wirksamer Kapazität zu parasitärer Kapazität
ist dadurch wieder zu einem günstigen Wert gerückt. Vor allem nimmt die Empfindlichkeit
des Kondensatormikrophones durch diese neue Form der Gegenelektrode gegenüber der
herkömmlichen Form für Gesamtdurchmesser kleiner als 7 mm um nahezu 3o' zu.
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Die am Umfang der Gegenelektrode ausgesparten Stellen bilden für
die in der niedrigen und kleinen Luftkammer zwischen Membran und Gegenelektrode
vorhandene Suft einen DurchlaB nach hinten. Die Funktion der Bohrungen oder Schlitze
in einer herkömmlichen Elektrode wird durch die Aussparungen im Zusammenwirken mit
dem Distanzring zwischen Gegenelektrode und Membran übernommen, sodaß die Ankopplung
weiterer akustisch wirksamer Mittel, wie beaspielsweise akustische Reibungen, Federungen
oder Massen, und die für Richtmikrophone erforderliche Verbindung zum Schallfeld
über die aus Distanzring und Aussparung gebildeten Schlitze erfolgt.
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Die Herstellung einer erfindungsgemäßen plättchenförmigen Gegenelektrode
mit Aussparungen am Umfang, insbesondere einer solchen mit Sternform, ist durch
Stanzen des Materials besonders einfach und vorteilhaft durchführbar im Vergleich
zur Herstellung einer Gegenelektrode herkömmlicher Bauweise. Wenn der Durchmesser
der Gegenelektrode nämlich kleiner als 7 mm wird, treten im bekannten Fall große
Schwierigkeiten auf, einen zum Stanzen der Löcher geeigneten Lochdurchmesser im
Verhältnis zur Materialdicke des Plättchens festzulegen. Vielfach muß auf Ätzmethoden
ausgewichen werden, die wesentlich aufwendiger als Stanzen sind. Besonders das sehr
schwierige Stanzen von löchern oder Schlitzen in Eunststoffen wie s.B.
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Teflon für elektretisierbare Gegenelektroden wird durch die neue Art
der Elektrodenform nicht mehr erforderlich, weil die am Umfang des Plättchens vorgesehenen
Aussparungen
leicht zu stanzen sind.
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Da die parasitäre Kapazität nur im Bereich des Elektrodenrandes wirksam
wird, wird man di-- ausgesparte Fläche zweckmäßiger Weise so groß wählen, daß durch
sie die parasitäte Kapazität weitestgehend herabgesetzt wird. Gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung beträgt die ausgesparte Fläche bis zu 7A' der verbleibenden
Elektrodenfläche. Dadurch wird erreicht, daß das Verhältnis der nutzbaren Kapazität
zur parasitären Yapazität tatsächlich einen solchen Wert annimmt, der erforderlich
ist, um ein in Hinblick auf hohe vmpfindlichkeit, guten übertragungsfaktor, guten
Signal-Rauschabstand und niedrige nichtlineare Verzerrungen hochwertiges Kondensatormikrophon
zu realisieren.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die von den Aussparungen
begrenzte Fläche der Gegenelektrode nicht nur die Form eines Kreises haber kann,
sondern gegebenenfalls auch die eines Polygons, eines Ovals oder einer Ellipse.
Aus praktischen Gründen wird man jedoch im allgemeinen bei der Herstellung eines
Kondensatormikrophones auf die Kreisform zurückgehen.
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Es sind aber für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise für Hörhilfen
für Schwerhörige, auch andere Formen zweckmäßig, sodaß garz allgemein gesehen als
UTmfargsbegrenzung für die Gegenelektrode und damit auch für die Membran eines Kondensatormikrophons
auch ein Polygon, ein Oval oder eine Ellipse denkbar sind.
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Für die verschiedenen, heute bekannten Ausführungsformen eines elektrostatischen
Wandlers, wie mit von außer an den Wandler zugeführter Polaristionsspannung oder
im Wandler selbst mittels eines Xlektreten erzeugter Polarisationsspannung, ist
eine Gegenelektrode vorgesehen, die in an sich bekannter Art aus F¢tall, aus metallbeschichteten
Kunststoff oder aus as Elektret wirksamen Material bestehen kann.
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Im folgenden wird die Erfindung an Fand der Zeichnung, die im wesentlichen
Ausführungsbeispiele darstellt,
näher erläutert. Es zeiger die Fig.
la bis ic Draufsichten auf einige herkömmliche Elektrodenausführungen, Fig. 2 einen
Querschnitt eines Kondensatormikrophones mit der erfindungsgemäßen Gegenelektrode,
Fig. 3 eine Draufsicht af eine erfindungsgemäße Gegenelektrode in Kreisform und
die Fig. 4a bis 4d Draufsichten auf verschiedene Formen der erfindungsgemäßen Gegenelektrode.
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Die in den Fig. la bis ic gezeigten Draufsichten auf mit Diirchbrechungen
versehene, insbesondere durchbohrte Gegenelektroden 1, 2, 3 stellen den bekannten
stand der Technik dar. Die Bohrungeru 4 sind im allgemeinen nach einem geometrischen
Muster angeordnet, wogegen die Schlitze 5 kreisförmig angeordnet sind. Sowohl durch
die Bohrungen als auch durch die Schlitze können weitere akustische Mittel, die
hinter der Gegenelektrode angeordnet sind, an die niedere Luftkammer zwischen Membran
und GegenelekEPode angekoppelt werden.
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Die im Randbereich der Gegenelektrode befindliche Fläche, die zur
Ausbildung der parasitären Kapazität beiträgt, ist als gepunktete Zone 6 dargestellt.
Der durch diese ringförmige Fläche, zusammen mit der als Elektrode wirksamen gegenüberliegenden
Membran, gebildete kreisringförmige Kondensator besitzt einen Ea:pazitätswert, der
größer ist als die Hälfte der gesamten, aus Membran und Gegenelektrode entstehenden
Kapazität.
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Fig. 2 stellt den Querschnitt eines mit der erfindllngsgemä3en Gogenelektrode
versehenen Eondensatormikrophones dar. Innerhalb des Mikrophongehäuses 7, das an
seiner Vorderseite Schalleintrittsöffnungen 7a besitzt, wird die auf dem Membranhaltering
8 aufgespannte Membran 9 zusammen mit dem elektrisch isolierenden Distanzring 10
und der Gegenelektrode 11 von der Haltefeder 12 ueben die schulter 7b gedrückt,
wobei sich die Haltefeder 12 gegen die Bodenplatte 13 abstützt. Die plättchenförmige
Gegenelektrode 2'.ist längs ihres Umfangs mit den Aussparungen 11a versehen, die
über die Schlitze 14a die Ankopplung der Luftkammer 14 an akustische
Mittel
hinter der Gegenelektrode 11 ermöglichen.
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Die Fig. 3 zeigt die voraussichtlich wichtigste Gestalt einer erfindungsgemäßen
Gegenelektrode 15 in Kreisform mit sternförmigen Ansätzen 16, die durch am Umfang
der Elektrode vorhandenen Aussparungen 17 gebildet werden. Die zur Ausbildung der
parasitären Kapazität maßgeblichen Elektrodenflächen sind auf den Ansätzen 15 als
punktierte Zonen 18 gekennzeichnet. Diese Zanen sind gegenüber der Gesamtfläche
der Elektrode so klein, daß die parasitäre Kapazität nur mehr ein Drittel der Gesamtkapazität
beträgt, wodurch ein günstiges Verhältnis von nutzbar "wirksamer Kapazität" zu "parasitärer
Kapazität erzielt wird.
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den In7Fig. 4a bis 4d sind weitere mögliche Ausbildungsformen einer
erfindungsgemäßen, plättehenförmigen Gegenelektrode dargestellt. So stellen die
Urrandungen 19 und 20 der Ausführungsformen nach den Fig. 4a und 4b einen Polygonzug
dar, während die Ausführungsform nsh Fig. 4c auf einer ovalen Umrandung 21 und die
Ausführungsform nach Fig. 4d auf einer elliptischen Umrandung 22 aufbaut. Die längs
des Elektrodenrandes vorgenommenen Aussparungen sind mit lava, 20a, 21a und 22a
bezeichnet.
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