DE3740918A1

DE3740918A1 - Elektroakustischer oder elektromechanischer wandler nach dem elektrostatischen umwandlungsprinzip

Info

Publication number: DE3740918A1
Application number: DE19873740918
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Fidi
Original assignee: AKG Akustische und Kino Geraete GmbH
Current assignee: AKG Acoustics GmbH
Priority date: 1986-12-09
Filing date: 1987-12-03
Publication date: 1988-06-16
Also published as: AT386505B; JPS63160500A; ATA326086A

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen oder elektromechanischen Wandler nach dem elektrostati schen Umwandlungsprinzip, der Schallenergie in elektri sche Energie und/oder umgekehrt umsetzt, z. B. Lautsprecher, Kopfhörer, Mikrophon oder Beschleunigungsaufnehmer, mit einem an der Umwandlung beteiligten elektrostatischen Feld, das auf eine schwingungsfähige Membran eine An ziehungskraft ausübt.

Elektrostatische Wandler der genannten Art sind mit einem stationären elektrischen Feld versehen, das auf die schwingungsfähige Membran in deren Ruhezustand eine statische Anziehungskraft ausübt. Dabei entsteht ein Gleichgewichtszustand zwischen der aus dem elektrischen Feld auf die gesamte Membranfläche einwirkenden Kraft und jener Federkraft, die sich aus der Elastizität der Membran ergibt. Im Gleichgewichtszustand erlangt die Membran eine auf die Gegenelektrode hingerichtete ein seitige Durchbiegung. Das dabei wirksame elektrische Feld macht man gerade noch so stark, daß die im Schallfeld schwingende Membran beim Auftreten sehr hoher und auch impulsartiger Schalldrücke die der Membran gegenüber liegende Gegenelektrode nicht berührt. Damit wird ver mieden, daß ein ständiges Aufliegen der Membran auf der starren Gegenelektrode eintritt.

Die Empfindlichkeit des Wandlers ist proportional zur elektrischen Feldstärke. So lautet beispielsweise das Sendergesetz für den elektrostatischen Schallwandler

F (ω) = C · E · u (ω)

und das Empfängergesetz

u (ω) = C · E · x (ω),

wobei F die Kraft, C die Kapazität, E die elektrische Feldstärke, x die Elongation der Membran und u die an den Wandler angelegte, bzw. von ihm als Mikrophon abgegebene elektrische Spannung bedeuten. Bei den bisherigen Aus führungsformen elektrostatischer Wandler war daher stets ein Kompromiß zwischen dem Abstand der Membran von deren Gegenelektrode und der Größe der elektrischen Feldstärke zu schließen.

Um die durch die begrenzte Feldstärke bedingten Nach teile des Wandlers zu vermeiden, hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, bei unverändertem Abstand der Ge genelektrode von der Membran, die Polarisationsspannung des Wandlers und damit die Feldstärke auf ein Mehrfaches des bisher gestatteten Wertes zu erhöhen, ohne daß es dadurch zu einer Berührung der Membran mit der Gegen elektrode oder gar zum Aufliegen derselben auf der Gegenelektrode infolge der vorherrschenden elektrostati schen Anziehungskraft kommt.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß sowohl auf der Membran als auch auf der Ge genelektrode des Wandlers Permanentmagnete angeordnet sind, so daß eine die Anziehungskraft teilweise oder auch vollständig kompensierende Gegenkraft entsteht. Die erfinderische Maßnahme, mittels eines an der Um wandlung nicht beteiligten Feldes eine solche Gegen kraft auf die Membran auszuüben, daß diese durch das stationäre Feld womöglich überhaupt nicht mehr aus ihrer Ruhelage ausgelenkt ist, gestattet entsprechend der Stärke der Gegenkraft die ursprüngliche Feldstärke auf ein Mehrfaches zu steigern. Ohne die erfinderische Maß nahme konnte bisher die Steigerung der Polarisations spannung über einen bestimmten Wert hinaus nicht vorge nommen werden, weil bei dem aus akustischen Gründen vor gegebenen Abstand der Membran von deren Gegenelektrode eine Annäherung dieser an die Gegenelektrode bis zum Auf liegen darauf unvermeidbar war. Neben dem Vorteil, daß die erfindungsgemäße Maßnahme linear zur Vergrößerung der Feldstärke die Empfindlichkeit des Wandlers steigert, kommt ein weiterer Vorteil hinzu, der zu einer umgekehrt proportionalen Abnahme der nichtlinearen Verzerrungen des elektrischen Ausgangssignales mit wachsender Feld stärke führt. Beide Vorteile treffen sowohl auf den Schallsender als auch auf den Schallempfänger zu.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht nun darin, daß einer der beiden Magnete aus einer dünnen über die ganze Membranoberfläche verteilten Schicht permanentma gnetischen Materials besteht. Eine solche permanentmagne tische Schicht kann beim heutigen Stand der Technik leicht auf einer Membran angebracht werden, ohne deren schwin gungsmechanische Eigenschaften allzu sehr zu verändern. Dabei wird vor allem darauf zu achten sein, daß die Schichtdicke im Bereich einiger µm bleibt, damit die verursachte Zunahme der Membranmasse sich in vertret baren Grenzen hält. Diese permanentmagnetische Schicht erhält nach erfolgter Magnetisierung eine Nord-Süd-Polver teilung in Dickenrichtung, um damit auf einen gegenüber liegend angeordneten Magneten entgegengesetzter Polari sationsverteilung mit abstoßender Kraft zu wirken. Dazu bringt man beispielsweise auf der der Membran gegenüber liegenden Gegenelektrode des elektrostatischen Wandlers eine permanentmagnetische Schicht von gleicher Beschaffen heit wie die der Membran, oder aber auch einen kleinen Permanentmagneten von geringerem Durchmesser als dem der Gegenelektrode an.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht noch darin, daß die permanentmagnetische Schicht die Oberfläche der Membran nur teilweise bedeckt, wobei ein kreisförmiger Teil am Membranrand unbedeckt bleibt. Die Erfahrung zeigt, daß im Übertragungsbereich der hohen Frequenzen eines elektrostatischen Schallempfängers nur ein vom Membranrand nach innen gerichteter ringförmiger Bereich der gesamten Membranoberfläche durch Anregung aus einem Schallfeld schwingt. Damit ist es aber für die Anwendung der Erfindung völlig ausreichend, wenn die permanent magnetische Schicht auf einen kreisförmigen Innenteil der Membranoberfläche beschränkt bleibt. Man kann für be sondere Anwendungszwecke dadurch die zusätzliche Masse belastung der Membran auf ein Minimum reduzieren, und damit das Schwingungsverhalten der Membran durch die aufgebrachte Schicht nahezu unbeeinflußt lassen. Alle ansonst durch die Erfindung erreichbaren Effekte bleiben durch die genannte Maßnahme erhalten.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeich nung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die prinzipielle Anordnung für einen elektrostatischen Wandler,

Fig. 2 die prinzipielle Ausführung für einen elektrostatischen Schallempfänger,

Fig. 3 ein Detail der Fig. 2, die

Fig. 4 und 5 eine weitere erfindungsgemäße prinzipielle Aus führung und

Fig. 6 die prinzipielle Ausbildung eines elektromechanischen Schallgebers.

Die prinzipielle Anordnung gemäß der Erfindung bei einem elektrostatischen Wandler, der Schallgeber oder Schallempfänger sein kann, ist aus Fig. 1 ersichtlich. Gegenüber und im parallelen Abstand zu einer festen Gegenelektrode 1 ist das mechanisch bewegte System in Form einer schwingungsfähigen Membran 2 angeordnet. Die an ihrem Rand eingespannte Membran 2 ist mittels einer elektrischen Isolation 3 von der Gegenelektrode 1 isoliert angebracht. Aus einer Batterie 4 wird über einen Widerstand R die Polarisationsspannung U _o an die Gegen elektrode 1 und an die an ihrer Oberfläche elektrisch leitende Membran 2 gelegt, wodurch zwischen den beiden Elektrodenflächen 1, 2 ein elektrostatisches Feld mit der Feldstärke E entsteht. Das elektrische Wechselsignal, das entweder dem Schallgeber (Lautsprecher) zugeführt wird, oder vom Schallempfänger (Mikrophon) sich an dessen Elektroden bildet, ist der konstanten Gleichspannung U _o überlagert und wird mit Hilfe des Übertragers 5 von dieser getrennt. Öffnungen 6 in der Gegenelektrode 1 dienen akustischen Zwecken. Das stationäre elektrosta tistische Feld E übt auf seine das Feld begrenzenden Elek troden 1, 2 eine Kraft F _el gemäß dem gesetzmäßigen Zu sammenhang

F _el = ½ · ε · E ² · AA:Elektrodenfläche

aus, wodurch die schwingungsfähige Membran 2 von deren Gegenelektrode 1 angezogen wird. Sowohl die aus Elektro denabstand und Isolation bestimmte Durchbruchsspannung, als auch die maximal zulässige Durchbiegung der Membran 2, die gering genug gehalten werden muß, damit eine Berüh rung der Gegenelektrode 1 durch die Membran 2 auch im schwingenden Zustand vermieden wird, begrenzen die Stärke des elektrischen Feldes E. Erfindungsgemäß wird eine die elektrostatische Anziehungskraft F _el kompensierende Kraft F _mag dadurch zur Wirkung gebracht, daß sowohl auf der Membran 2 als auch auf der Gegenelektrode 1 eine die Elektrodenoberfläche bedeckende Schicht aus einem permanentmagnetischen Material angebracht ist. Die auf der Membran 2 aufgebrachte permanentmagnetische Schicht 8 ist magnetisch entgegengesetzt polarisiert zu der auf der Gegenelektrode 1 befindlichen permanentmagnetischen Schicht 7. Zwischen beiden Schichten 7, 8 existiert ein stationäres Magnetfeld H, durch das eine die beiden Schichten abstoßende Kraft F _mag aufrechterhalten wird. Die Stärke der Kraft beträgt:

F _mag = ½ · µ · H ² · AA: Fläche der permanentmagnetischen Schicht

Die aus dem Magnetfeld herrührende und auf die Membran 2 abstoßend wirkende Kraft F _mag kann so groß gewählt werden, daß sich die ursprünglich vorhandene elektrische Feldstärke E aus der Polarisationsspannung U _o auf ein Mehrfaches ihres bisherigen Wertes anheben läßt. Entsprechend der Vervielfachung des Wertes steigt die Empfindlichkeit des Wandlers und sinkt der Klirrfaktor.

Ein prinzipielles Ausführungsbeispiel für einen elektrostatischen Schallempfänger (Kondensatormikrophon) ist in Fig. 2 dargestellt. In einem Gehäuse 9 befindet sich mittels einer Isolationsschicht 10 von diesem ge trennt sowohl die Membran 11 als auch die feststehende Gegenelektrode 12, wobei die Membran 11 durch einen isolierten Ring 13 in parallelem Abstand zur Gegenelek trode 12 gehalten wird. Sowohl die Membran 11 als auch die Gegenelektrode 12, die aus akustischen Gründen mit Bohrungen und/oder Schlitzen 16 versehen ist, trägt eine permanentmagnetische Schicht 14, 15. Ein Detail der Fig. 2 ist in Fig. 3 in einem vergrößerten Maßstab dar gestellt. Die Magnetisierung der beiden Schichten 14 und 15 erfolgt zueinander mit entgegengesetzter magnetischer Polarisierung, wodurch zwischen der Membran 11 und der Gegenelektrode 12 eine abstoßende Kraft zustande kommt. Diese wird wie bereits erwähnt, zu der zwischen der Membran 11 und der Gegenelektrode 12 wirkenden stationären elektrostatischen Anziehungskraft ins Gleichgewicht gesetzt, um damit die erfindungsgemäßen Effekte zu er zielen.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit der Aus gestaltung zeigt Fig. 4. An Stelle der ansonst auf der Gegenelektrode 17 aufgebrachten permanentmagnetischen Schicht ist im Zentrum der Gegenelektrode 17 ein kleiner, dünner, scheibenförmiger Dauermagnet 18 angeordnet, der auf die permanentmagnetische Schicht 20 entsprechend der richtig angeordneten Polarität mit abstoßender Kraft wirkt. Öffnungen bzw. Bohrungen und/oder Schlitze 19 in der Gegenelektrode 17 werden aus akustischen Gründen benötigt. Auch bei der soeben beschriebenen Anordnung lassen sich die elektrostatischen Kräfte mit den ma gnetischen so ins Gleichgewicht setzen, daß die Membran 21 zur Gegenelektrode ohne Durchhang verläuft. Die er findungsgemäßen Effekte sind mit der genannten Anordnung ohne Schwierigkeiten erzielbar.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der im Zentrum der Gegenelektrode 22 angebrachte Dauermagnet 23 übt in diesem Fall eine ma gnetische Kraft nur auf einen Teilbereich der Membran 24 aus, weil die auf der Membran 24 angebrachte permanent magnetische Schicht 25 ebenfalls in Form einer sehr dünnen kreisförmigen Scheibe ausgeführt ist. Damit bleibt ein kreisringförmiger Teil 26 am Rand der Membran unbeschichtet, was in besonderen Anwendungsfällen des elektroakustischen Wandlers hinsichtlich der Schwingungseigenschaften der Membran von Vorteil ist. Vor allem kann die zusätzlich aufgetragene Masse klein gehalten werden und damit ihr Einfluß auf die Membraneigenresonanz. Da erfahrungsgemäß bei sehr hohen Frequenzen des Übertragungsbereiches nur noch die Randzone der Membran schwingt, während deren Zentrum in Ruhe verharrt, ist eine Ausführung der ge nannten Art schwingungsmechanisch von Vorteil.

Schließlich ist in Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem der Wandler nach dem elektromechanischen Umwandlungsprinzip arbeitet. Der elektrische Wandler wird hierbei als Beschleunigungsaufnehmer verwendet. Dazu ist seine Membran 27 mit einer Trägheitsmasse 28 beaufschlagt, die im dargestellten Fall aus einer Flüssigkeit mit hoher spezifischer Masse besteht. Diese träge Masse muß aber nicht unbedingt aus einer Flüssig keit besteht, sie kann vielmehr aus einem beliebigen Material hoher spezifischer Masse gebildet sein. Auch in der dargestellten Ausführungsform ist auf der Mem bran 27 eine Schicht 29 aus permanentmagnetischem Ma terial aufgebracht. Im Zentrum der Gegenelektrode 30, die aus akustischen Gründen mit Öffnungen 31 versehen ist, befindet sich ein kleiner Permanentmagnet 32. Die Polari sation des Magneten 32 und der permanentmagnetischen Schicht 29 ist wiederum entgegengesetzt gewählt, damit zu der elektrostatischen Anziehungskraft zwischen Mem bran 27 und Gegenelektrode 30 die entsprechende abstoßende Kraft entsteht. Die gesamte Anordnung ist von einem Ge häuse 33 umgeben, das mit einem Deckel 34 und dem Bo den 35 verschlossen ist. Der Boden 35 ist zusätzlich mit einer Vergußmasse 36 abgedichtet.

Claims

1. Elektroakustischer oder elektromechanischer Wand ler nach dem elektrostatischen Umwandlungsprinzip, der Schallenergie in elektrische Energie und/oder umgekehrt umsetzt, z. B. Lautsprecher, Kopfhörer, Mikrophon oder Beschleunigungsaufnehmer, mit einem an der Umwandlung beteiligten elektrostatischen Feld, das auf eine schwin gungsfähige Membran eine Anziehungskraft ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl auf der Membran (2) als auch auf der Gegenelektrode (1) des Wandlers Permanentmagnete angeordnet sind, so daß eine die Anziehungskraft teil weise oder auch vollständig kompensierende Gegenkraft entsteht (Fig. 1).

2. Elektroakustischer oder elektromechanischer Wand ler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Magnete aus einer dünnen über die ganze Membran oberfläche (11) verteilten Schicht (14) permanentmagne tischen Materials besteht (Fig. 2, 4).

3. Elektroakustischer oder elektromagnetischer Wand ler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die permanentmagnetische Schicht (25) die Oberfläche der Membran (24) nur teilweise bedeckt, wobei ein kreisför miger Teil (26) am Membranrand unbedeckt bleibt (Fig. 5).