DE4329991A1

DE4329991A1 - Kopfhörer mit elektrostatischem Gegentaktwandler

Info

Publication number: DE4329991A1
Application number: DE19934329991
Authority: DE
Inventors: Bert Dipl Ing Zinserling; Joerg Dipl Ing Andres
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1993-09-04
Filing date: 1993-09-04
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2013-09-05
Also published as: DE4329991B4

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen Kopfhörer der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Bei elektrostatischen Kopfhörern unterschei det man grundsätzlich zwei Bautypen. Bei der einen Bautype ist eine elek trische Konstantladung in die Membran eingebracht. Diese Konstantladung kann durch Verwendung eines Ferroelektrikums oder eines Elektrets im Bereich der Membran erzeugt werden.

Die andere Bautype elektrostatischer Wandler besteht darin, die statische Ladung einer metallisch beschichteten Membran durch eine Polarisationsspan nung zu erzeugen. Die Erfindung nimmt vor allem auf diese Bautype Bezug. Der Vorteil dieser Bautype liegt in der weitgehend freien Auswahl des Membranmaterials. Dies wirkt sich in der Praxis so aus, daß man die Mem branen von Wandlern dieser Art wesentlich dünner als diejenigen der vorge nannten ersten Bautype ausbilden kann.

Bei elektrostatischen Gegentaktwandlern ist es erforderlich, die beiden Gegenelektroden, welche die Membran schließen, mit einer hochverstärkten Signalspannung zu beaufschlagen. Dazu werden im Stand der Technik Geräte verwendet, die entweder als Übertrager ausgebildet sind oder Hochvoltver stärker beinhalten. Übertrager sind nachteilig, weshalb man, vor allem bei höherwertigen Wandlern, zu Hochvoltverstärkern greift. Diese Geräte sind entsprechend dimensioniert und kostenaufwendig. Zur Stromversorgung der Hochspannungsverstärker genügt eine Spannung unter 20 V. Die ursprüng lichen Signalspannungen, die in der Größenordnung von 1 V liegen, müssen aber von den Hochspannungsverstärkern auf Hochspannungen in der Größen ordnung von 1000 V gebracht werden, bevor sie über entsprechende Zuleitun gen zu den beiden Gegenelektroden im Kopfhörer gebracht werden. Dazu sind extreme sicherheitstechnische Anforderungen an das Gehäuse des Ver stärkers zu stellen, aber auch für die Steckverbindung zwischen der Zulei tung und dem Verstärkergerät und für den Aufbau der Zuleitung selbst erforderlich. So müssen z. B. im Stecker ausreichend große Abstände zwi schen allen spannungsführenden Elementen eingehalten werden, um Span nungsüberschläge und ein Fließen von Kriechströmen zu verhindern. Gegen über Zuleitungen anderer Kopfhörer müssen die Zuleitungen für die hochver stärkte Signalspannung besonders reißfest und mit einer doppelten Isolation versehen sein, wozu noch weitere sicherheitstechnische Vorschriften hinzu treten. Die doppelte Isolation der Zuleitungen benachteiligt die gewünschte Flexibilität der Leitungen. Das reißfeste Material in den Zuleitungen verrin gert die innere Dämpfung, was ungünstig ist, weil dann ein Körperschall leichter zu den Kopfhörerkapseln gelangen kann. Besonders schwerwiegend ist aber bei den bekannten elektrostatischen Wandlern die anfallende Lei tungskapazität. Wie nachfolgend anhand der Beschreibung näher erläutert werden soll, wird bei den bekannten Wandlern dieser Art ein Großteil der vom Verstärker gerät in die Zuleitung eingespeisten Leistung in den Zuleitungen verbraucht und nur ein kleiner Teil davon gelangt tatsächlich zu den beiden Gegenelektroden, um dort zur Schallwandlung genutzt zu werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die einander scheinbar widerspre chenden Forderungen nach sparsamem Betrieb derartiger elektrostatischer Wandler einerseits und den gestellten sicherheitstechnischen Anforderungen an die Zuleitung andererseits miteinander in Einklang zu bringen. Die Erfin dung löst dieses Problem durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 ange gebenen Maßnahmen, denen folgende, in der nachfolgenden Beschreibung näher erläuterte Bedeutung zukommt.

Die Erfindung schlägt zunächst vor, den Hochspannungsverstärker im Bereich des Kopfhörers selbst zu integrieren, wodurch die Zuleitungen nicht mehr hochverstärkte Signalspannungen zu übertragen brauchen. In die Zuleitungen werden bei der Erfindung vielmehr die unverstärkten, sehr niedrigen Signal spannungen eingespeist. Abgesehen davon, daß ein externes Gerät eingespart wird, fallen auch die extremen Sicherheitsvorschriften für die Hochspannung weg, die bisher in den Zuleitungen und in den Buchsen beachtet werden mußten. Bei den zu übertragenden geringen Spannungen spielt die Reißfestig keit der Zuleitungen keine Rolle. Die Zuleitungen werden ideal flexibel und vor allem ist die Kapazität der Zuleitungen vernachlässigbar klein.

Die Vorteile und weiteren Maßnahmen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie ein Gegentaktwandler nach dem Stand der Technik dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a ein Blockschaltbild einer bei der Erfindung verwendeten Kopfhörer kapsel,

Fig. 1b schematisch, in einer detaillierteren Darstellung, das Schaltprinzip und den Aufbau der erfindungsgemäßen Kopfhörerkapsel,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine gemäß der Erfindung gestaltete Kopfhörerkapsel,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Kopfhörerkapsel von Fig. 2, nachdem ein äußeres Abdeckgitter der Kapsel entfernt worden ist,

Fig. 4a in einer der Fig. 1a entsprechenden Darstellung das Blockschaltbild eines elektrostatischen Wandlers nach dem Stand der Technik und

Fig. 4b in einer der Fig. 1b entsprechenden Darstellung, schematisch die Schaltung des bekannten Schalters anhand einer Kopfhörerkapsel.

Der Aufbau eines bekannten elektrostatischen Gegentaktwandlers ist aus den Fig. 4a und 4b ersichtlich. Der bekannte Kopfhörer 10′ umfaßt ein nachfolgend kurz als "Kapsel" bezeichnetes Gehäuse 11′, in welchem eine metallbeschichtete Membran 12 schwingungsfähig zwischen zwei Gegenelek troden 13, 14 angeordnet ist. An die Kapsel 11′ ist ein Kabel 15 ange schlossen, welches mehrere Leitungen 16 bis 18 beinhaltet, von denen die eine Leitung 16 die erforderliche Polarisationsspannung der Membran 12 zuführt. Die beiden anderen Leitungen 17, 18 leiten eine hochverstärkte Signalspannung u_H zu den beiden kapselseitigen Gegenelektroden 13, 14. Diese hochverstärkte Signalspannung u_H wird in einem externen Verstärker gerät 20 generiert.

Dieses Verstärkergerät 20 umfaßt ein in Fig. 4b strichpunktiert dargestell tes Gerätegehäuse 21, das Eingänge 22 für den Anschluß einer die unver stärkten Signalspannungen u_S zuführenden Eingangsleitung 23 hat. Diese Signalspannungen u_S liegen, wie bereits erwähnt wurde, in der Größenordnung von 1 V. Das Gerätegehäuse 21 besitzt aber noch weitere Eingänge 25 für eine Versorgungsleitung 24, welche eine Betriebsspannung u_V dem Hoch spannungsverstärker 26′ zuführt, der sich bei dem bekannten Kopfhörer 10′ im Inneren des Gerätegehäuses 21 befindet. Unter Berücksichtigung der Innenwiderstände 27′ münden die geräteinternen Leitungen schließlich in Ausgängen 28, an welche, über Buchsen 19 die diversen Zuleitungen 16 bis 18 des bekannten Kabels 15 angeschlossen sind. Die Polarisationsspan nung für die Membran 12 wird geräteintern ebenfalls aus der Betriebsspan nung U_V generiert, was durch die in Fig. 4b eingezeichnete Spannungsquelle 29 veranschaulicht ist. Dazu gehört ein hochohmiger Schutzwiderstand 45, der in der Größenordnung von 10 MΩ liegt.

Bei dem bekannten Kopfhörer 10′ fallen also an den Buchsen 19 und zwi schen den Leitungen 17 bis 18 außer der Polarisationsspannung für die Membran 12 hochverstärkte Signalspannungen u_H an, die sich in einer ent sprechend hohen Leitungskapazität C_L des Kabels 15 äußern. Der elektrosta tische Wandler im Kopfhörer 10′ läßt sich idealerweise als Kondensator ansehen, dem eine Kapazität C_W zuzusprechen ist. Diese Kapazitäten C_L und C_W sind parallel geschaltet, deren Gesamtkapazität sich durch einfache Addition nach der Gleichung ergibt

C_ges = C_L + C_W (1).

Aus den gegebenen Daten ist erkennbar, daß zwischen diesen Leitungskapazi täten die folgende Beziehung besteht:

C_L < 2·C_W (2).

Wegen der Beziehung (2) geht ein Großteil der einzuspeisenden Last durch die Zuleitungen 16 bis 18 des Kabels 15 verloren und nur ein entsprechend kleiner Rest des durch den Verstärker eingespeisten Stroms gelangt ins Innere der Kapsel 11′, um dort zur Schallwandlung genutzt zu werden. Diese ungünstigen Verhältnisse vermeidet die Erfindung aus folgendem Grund.

Die Fig. 1a und 1b verdeutlichen, in entsprechender Weise wie die vorbehan delten Fig. 4a und 4b die beim Kopfhörer 10 gemäß der Erfindung sich ergebenden besonderen Verhältnisse. Zur Bezeichnung gleicher Bauteile sind die gleichen Bezugszeichen wie beim in Fig. 4a und 4b beschriebenen Stand der Technik verwendet. Entsprechende, bei der Erfindung aber abge wandelt gestaltete Bauteile sind zahlenmäßig zwar mit dem gleichen Bezugs zeichen versehen, aber zur Unterscheidung gegenüber dem Stand der Technik mit einem Strich (′) versehen. Sofern nachfolgend nichts Besonderes gesagt ist, gelten auch für den erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 die vorausgehenden Erläuterungen.

Ein wesentlicher Unterschied gegenüber dem Stand der Technik besteht beim erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 darin, daß die Kopfhörer-Kapsel 11 selbst, außer den zum eigentlichen Wandler gehörenden Bauteilen 12, 13, 14, auch noch die erforderlichen Hochspannungsverstärker 26 mit ihren Innenwiderständen 27 beinhaltet zusammen mit der Spannungsquelle 29 und ihrem hochohmigen Schutzwiderstand 45 zum Erzeugen der Polarisa tionsspannung der Membran 12. Die jetzt an die Kapsel 11 des Kopfhörers 10 angeschlossenen Zuleitungen 31 bis 34 haben, im Vergleich mit dem Stand der Technik, nicht nur einen anderen Aufbau, sondern auch eine neue Funktion. Sie können, wie in Fig. 1b und den weiteren, noch näher zu erläuternden Fig. 2 und 3 zu entnehmen ist, zu einem gemeinsamen Kombinationskabel 30 vereinigt werden.

Die Eingangsleitungen 23 geben das niederfrequente Signal u_H über einfache Steckverbindungen 35 direkt an die Zuleitungen 31, 32 des Kombinationska bels 30 ab, so daß auch dort nur kleine Signalspannungen u_S in der Größen ordnung von 1 V anfallen. Die Zuleitungen 31, 32 können also direkt an einen CD, einen DAT, einen Cassettenrecorder od. dgl. angeschlossen sein. Dadurch entfallen die bisher im Stand der Technik erforderlichen hohen sicherheitstechnischen Anforderungen sowohl an die Steckverbindungen 35 als auch an die Zuleitungen 31, 32.

Zwei weitere Zuleitungen 33, 34 im Kombinationskabel 30 sind dazu be stimmt, die in der Kapsel 11 des Kopfhörers 10 integrierten Hochspannungs verstärker 26 mit der erforderlichen Betriebsspannung u_V zu versorgen. Dazu kann man sich einer Niederspannungsquelle bedienen in Form eines Steckernetzteils. Die Betriebsspannung u_V liegt in jedem Fall unter 20 V, weshalb es sich auch in diesem Fall nicht um berührungsgefährliche Spannungen handelt. Auch hier brauchen keine besonderen sicherheitstechni schen Anforderungen beachtet zu werden. Die Stromversorgungs-Zuleitungen 33, 34 für den integrierten Verstärker 26 haben daher ebenfalls einen sehr einfachen Aufbau, was ebenso für die aus Fig. 1b ersichtlichen Steck verbindungen 36 zwischen diesen Zuleitungen 33, 34 und der Versorgungslei tung 24 gilt.

Die im Stand der Technik sich ergebende hohe Leitungskapazität fällt in den Zuleitungen 31, 32 des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 nicht mehr an und ist für die weitere Betrachtung mit Sicherheit zu vernachlässi gen. Zur Beaufschlagung der Wandlerkapazität C_W ist jetzt die volle Leistung verfügbar, wie in Fig. 1a verdeutlicht ist. Durch den Wegfall der Leitungskapazität C_L kann außerdem die Dimensionierung und der Aufbau der Verstärker 26 beim erfindungsgemäßen Kopfhörer 10 wesentlich vereinfacht werden. Man kommt mit leistungsmäßig und räumlich kleineren Bauteilen aus, welche die Integration des Verstärkers 26 innerhalb der Kopfhörerkapsel 11 entscheidend verringern. Die Leistungsersparnis ist beachtlich; bei gleicher Leistungsbandbreite reduziert sich der Leistungsbe darf des Hochspannungsverstärkers 26 bei der Erfindung gegenüber demjeni gen 26′ nach dem Stand der Technik auf mindestens ein Drittel. Das ist aus der oben genannten Beziehung (2) ablesbar.

Die Fig. 2 und 3 zeigen den Aufbau des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 im Detail. Die zugehörige Kapsel 11 beinhaltet einen Gehäusering 37, der zur Anbringung eines inneren und äußeren Abdeckgitters 38, 39 dient. Die Abdeckgitter 38, 39 sind für die elektrische Sicherheit notwendig. Der Gehäusering 37 trägt auch ein Ohrpolster 44 und dient zur Montage der beiden Gegenelektroden 13, 14 sowie der Membran 12. Die Membran 12 ist im Gehäusering 37 durch nicht näher gezeigte Abstandsringe gegen über den Elektroden 13, 14 federnd gelagert. Die erwähnten, im Kombina tionskabel 30 zusammengefaßten Zuleitungen 31 bis 34 sind über eine zug entlastete, knickfeste Tülle 43 in einer Einführöffnung des Gehäuserings 37 aufgenommen und in der geschilderten Weise an die Elemente des dorti gen elektrostatischen Wandlers 12 bis 14 und der Hochspannungsverstärker 26 angeschlossen.

Auf der dem Ohrpolster 44 abgekehrten Seite der äußeren Gegenelektrode 14 ist eine Leiterplatte 40 angeordnet, die ringförmig ausgebildet ist und mit ihrer aus Fig. 3 ersichtlichen Ringöffnung 41 den akustisch wirksamen Bereich 42 der Gegenelektrode 14 frei läßt. Wegen dieses freien Bereiches 42 tritt keine Verschlechterung der elektroakustischen Übertragungsqualität durch die Integration der Leiterplatte 40 in die Kopfhörerkapsel 11 ein. Die Leiterplatte 40 ist Träger diverser elektrischer Bauelemente, die an ihre Leiterbahnen angeschlossen sind. Zu diesen Bauelementen zählt vor allem der bereits beschriebene Hochspannungsverstärker 26 und die Quelle 29 zur Erzeugung der Polarisationsspannung.

Gegenüber dem dargestellten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 und 3 ist eine Abwandlung dadurch möglich, daß der Hochspannungsverstärker 26 unmittelbar von der äußeren Gegenelektrode 14 getragen wird. Dies läßt sich verwirklichen, indem man die Leiterplatte 40 mit der Gegenelektrode 14 zusammenlegt.

Üblicherweise gehören zu einem Kopfhörer 10 zwei der vorbeschriebenen Kapseln 11. Beide Kapseln 11 werden dann in der geschilderten Weise durch Kombinationsleitungen 30 mit den beschriebenen Spannungen versorgt. In Abwandlung des geschilderten Aufbaus ist es auch möglich, lediglich einer der beiden Kapseln 11 sämtliche Zuleitungen 31 bis 34 für die elektro akustischen Wandler beider Kapseln 11 weiterzuführen und die der zweiten Kapsel zugeordneten Zuleitungen über den die beiden Kapseln verbindenden, nicht näher gezeigten Bügel zuzuführen. Die geschilderte vorteilhafte Ausbil dung des erfindungsgemäßen Kopfhörers 10 ergibt sich aber auch dann, wenn man die maßgeblichen Hochspannungsverstärker 26 nicht im Inneren der Kapsel 11 sondern im Bereich eines solchen Kopfhörerbügels anordnet, welcher die beiden Kapseln 11 miteinander verbindet.

Die Erfindung ist auch anwendbar auf Gegentaktwandler, deren Membran anstelle einer Polarisationsspannung ein Elektret für die Konstantladung aufweist.

Bezugszeichenliste

10 erfindungsgemäßer Kopfhörer
10′ bekannter Kopfhörer (Fig. 4a, 4b)
11 Kapsel von 10
11′ Kapsel von 10′
12 Membran
13 eine Gegenelektrode
14 andere Gegenelektrode
15 Kabel für 11
16 Zuleitung für Polarisationsspannung
17 Zuleitung für hochverstärkte Signalspannung
18 Zuleitung für hochverstärkte Signalspannung
19 Buchsen für 15
20 externes Verstärkergerät
21 Gerätegehäuse von 20
22 Eingang für 23
23 Eingangsleitung für Signalspannung
24 Versorgungsleitung
25 Eingang für 24
26 Hochspannungsverstärker in 11
26′ Hochspannungsverstärker in 21
27 Innenwiderstand bei 10
27′ Innenwiderstand bei 20
28 Ausgang von 20
29 Spannungsquelle für 12
30 Kombinationskabel für 11
31 erste Zuleitung für u_S
32 zweite Zuleitung für u_S
33 Zuleitung für u_V
34 zweite Zuleitung für u_V
35 Steckverbindung für 31
36 Steckverbindung für 32
37 Gehäusering von 11
38 inneres Abdeckgitter
39 äußeres Abdeckgitter
40 Leiterplatte
41 Ringöffnung von 40
42 akustisch wirksamer Bereich von 14
43 Tülle bei 30
44 Ohrpolster von 11
45, 45′ hochohmiger Widerstand bei 29
C_L Leitungskapazität von 15
C_W Wandlerkapazität von 10′
u_S unverstärkte Signalspannung
u_V Betriebsspannung für 26 bzw. 26′
u_H hochverstärkte Signalspannung

Claims

1. Kopfhörer (10, 10′) mit wenigstens einer Kopfhörerkapsel (11, 11′), die einen elektrostatischen Gegentaktwandler beinhaltet, wobei der Gegentaktwandler umfaßt
eine vorzugsweise durch eine angelegte Polarisationsspannung elektrisch aufladbare Membran (12),
ferner zwei von hochverstärkten Signalspannungen (u_H) beaufschlagbare Gegenelektroden (13, 14), zwischen denen die Membran (12) schwin gungsfähig gelagert ist,
und schließlich Zuleitungen (16 bis 18) für die Spannungen,
und mit einem durch eine Stromversorgung (24) betriebenen Hochspan nungsverstärker (26, 26′) für die an den beiden Gegenelektroden (13, 14) wirksam werdende hochverstärkte Signalspannung,
dadurch gekennzeichnet,
daß auch der Hochspannungsverstärker (26) in den Kopfhörer (10) integriert ist
und die mit der Kopfhörerkapsel (11) verbundenen Leitungen einerseits aus Zuleitungen (31, 32) für die noch unverstärkten Signalspannungen (u_S)
und andererseits aus Zuleitungen (33, 34) für die Stromversorgung (u_V) des Hochspannungsverstärkers (26) bestehen.

2. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspan nungsverstärker (26) im Innenraum der Kopfhörerkapsel (11) angeordnet ist.

3. Kopfhörer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspan nungsverstärker (26) an einem Bügel angeordnet ist, der ggf. zwei Kopfhörerkapseln (11) miteinander verbindet.

4. Kopfhörer nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leiterplatte (40) Träger des Hochspannungsverstärkers (26) ist, die Leiterplatte (40) neben der Gegenelektrode (14) angeordnet liegt und den akustisch wirksamen Bereich (42) dieser Gegenelektrode (14) frei läßt.

5. Kopfhörer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochspannungsverstärker (26) tragende Leiterplatte (40) ringförmig ausgebildet ist und mit ihrer Ringöffnung (41) den akustisch wirksamen Bereich (42) der Gegenelektrode (14) umschließt.

6. Kopfhörer nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die den Hochspannungsverstärker (26) tragende Leiterplatte (40) auf derjenigen Seite des Gegentaktwandlers (14) liegt, die im Benutzungs fall des Kopfhörers (10) dem menschlichen Ohr abgewandt ist.

7. Kopfhörer nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode (14) selbst Träger des Hochspannungsverstärkers (26) ist und zugehörige Leiterbahnen aufweist.

8. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits die Zuleitungen (31, 32) für die noch unverstärkten Signalspannungen (u_S) und andererseits die Zuleitungen (33, 34) für die Stromversorgung (u_V) des Hochspannungsverstärkers (26) zu einem gemeinsamen Kombinationskabel (30) zusammengefaßt sind.

9. Kopfhörer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (31 bis 34) für einen zwei Kapseln (11) umfassenden Kopfhörer (10) zwar nur zu der ersten der beiden Kapseln (11) geführt sind, aber die der zweiten Kapsel (11) zugeordne ten Zuleitungen von dort über einen die beiden Kapseln verbindenden Kopfhörerbügel von der ersten zur zweiten Kapsel (11) weitergeführt sind.