DE60109953T2

DE60109953T2 - Kapazitiver wandler

Info

Publication number: DE60109953T2
Application number: DE60109953T
Authority: DE
Inventors: Ole Jens GULLOV; Niels Eirby
Original assignee: Bruel and Kjaer Sound and Vibration Measurement AS
Current assignee: Hottinger Bruel and Kjaer AS
Priority date: 2000-10-20
Filing date: 2001-10-19
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2021-10-20
Also published as: WO2002034008A1; DE60107876T2; DE60109953D1; CN1481654A; AU2002210400A1; CN1284414C; EP1329129A1; EP1329129B1; DE60107876D1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf kapazitive Wandler, d. h. kapazitive Mikrofone des extern polarisierten Typs oder des Elektret-Typs, auch bekannt als vorpolarisierter Typ, und basiert auf Patent GB A 2 112 605.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen kapazitiven Wandlertyp mit zwei elektrisch leitenden Platten oder Elektroden, von denen sich die eine relativ zur anderen, als stationär bezeichneten Elektrode bewegen lässt. Die bewegliche Elektrode ist auf einem ringförmigen Element mit einer mittigen Öffnung so montiert, dass die Membrane über der Öffnung in der Mitte liegt, während die stationäre Elektrode in der mittigen Öffnung des ringförmigen Elements und von Letzterem isoliert angebracht ist; zwischen der stationären Elektrode und der beweglichen Elektrode besteht ein geringer Abstand. Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit Kondensatormikrofonen für Messungen und wissenschaftliche Zwecke, wo hohe Anforderungen an Gleichförmigkeit, Linearität, Stabilität und Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen gestellt werden. Im Folgenden werden die Begriffe "Kondensator-" und "kapazitiv" austauschbar angewendet.
Die Erfindung bezieht sich vor allem auf einen kapazitiven Wandler wie beispielsweise einen Wandler für ein Kondensatormikrofon.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
Eine primäre Forderung, die ein Mikrofon erfüllen muss, das für Messungen und wissenschaftliche Zwecke verwendet wird, ist ein gutes akustisches Verhalten, was bedeutet, dass zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit die Linearität und Stabilität des Mikrofons gut sein müssen und dass das Mikrofon das zu messende Schallfeld nur gut kontrollierbar und vorhersagbar stören oder beeinflussen darf. Es ist weiterhin erforderlich, dass das Mikrofon eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur und statischen Druck hat. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten und die Abstände zwischen den Eichungen groß zu halten, ist es auch von Bedeutung, dass das Mikrofon eine gute Kurzzeit- und Langzeit-Stabilität besitzt. Außerdem muss es möglich sein, zur Überprüfung der primären Kenndaten des Mikrofons, nämlich seines Frequenzverhaltens und seiner Empfindlichkeit, die Eichung auf einfache Art und Weise durchzuführen. Schließlich muss es möglich sein, zwecks unabhängiger Bestätigung der gemessenen Signale das Verhalten des Mikrofons nicht nur durch direkte Messungen vorauszusagen, sondern auch mit Hilfe von Berechnungen, die auf theoretischen Betrachtungen basieren.
Kondensatormikrofone für wissenschaftliche und Messzwecke bestehen normalerweise aus präzisionsgefertigten mechanischen Teilen. Die hauptsächlichen Komponenten eines Kondensatormikrofons sind eine stationäre Elektrode, auch Gegenelektrode genannt, und eine bewegliche Elektrode in Gestalt einer Membrane, die sich in der Ruhestellung in einem definierten Abstand zur Gegenelektrode befindet. Gegenelektrode und Membrane zusammen stellen die Elektroden eines Kondensators dar, der gewöhnliche Luft als Dielektrikum verwendet. Die Membrane, welche bei hochwertigen Wandlern aus Metall besteht, wird üblicherweise an einem Ende des Mikrofongehäuses befestigt. Das Mikrofongehäuse, der Isolierkörper und die Membrane bilden einen geschlossenen Raum. Tritt zwischen der Außenluft und dem Inneren des Raumes ein Druckunterschied auf, bewegt sich die Membrane, und diese Bewegung verursacht eine Änderung der Kapazität, die elektrisch gemessen werden kann. Bei höheren Frequenzen wird das Frequenzverhalten im Wesentlichen von der Resonanz der Membrane und von ihrer Dämpfung bestimmt, während die Resonanzfrequenz durch die Masse der Membrane und durch ihre mechanische Spannung bestimmt wird. Die Dämpfung hängt von der Bewegung der Luft im Raum zwischen der Membrane und der Gegenelektrode ab und kann daher durch Änderung der Geometrie der Gegenelektrode und durch Wahl eines passenden Abstandes zwischen der Membrane und der Gegenelektrode verändert und gesteuert werden. Bei den meisten Messmikrofonen beträgt der Abstand zwischen der Membrane und der Gegenelektrode typischerweise 10 bis 30 μm. Um im interessierenden Bereich eine gleichförmige Dämpfung der Membranbewegung zu erzielen, muss bei einem bestimmten Typ der Abstand zwischen der Membrane und der Gegenelektrode in einem Toleranzbereich von ±5% gehalten werden. Gewöhnlich wird die Dämpfung durch eine Reihe von Löchern in der Gegenelektrode geregelt, die vom Raum zwischen der Membrane und der Gegenelektrode bis zur Rückseite der Gegenelektrode reichen. Die Empfindlichkeit eines Kondensatormikrofons ist proportional zum Abstand zwischen den Elektroden und umgekehrt proportional zur Spannung in der Membrane. Da die Spannung von der Ausdehnung der Folie abhängt, muss die Membrane genau definiert am Mikrofongehäuse oder am ringförmigen Element befestigt werden, um eine gute Langzeit-Stabilität zu erreichen.
Im US-Patent 5 854 846 wird ein kapazitiver Wandler beschrieben, bei dem eine Membrane mit einem scheibenförmigen Element entlang ihres gemeinsamen Umfangs überall mit dem gleichen Abstand verbunden ist. Diese Konstruktion wird gemeinsam mit einem Vorverstärker in einem röhrenförmigen Gehäuse befestigt und bildet ein Kondensatormikrofon.
Im Patent GB 2 112 605 wird ein Kondensatormikrofon beschrieben, das dem bekannten Stand der Technik entspricht; es ist in 1 dargestellt. Dieses Mikrofon umfasst ein zylindrisches Mikrofongehäuse mit einer quer liegenden Wand, auf der eine innenliegende zylindrische Wand koaxial zum Mikrofongehäuse angeordnet ist. Eine ringförmige Scheibe aus einem Isoliermaterial ist in die Öffnung der inneren zylindrischen Wand eingepresst. Ein Überzug aus einem elektrisch leitenden Material bedeckt den mittleren Teil der oberen Fläche der Isolierscheibe und hat einen bestimmten Abstand zur inneren zylindrischen Wand. Das leitfähige Material bedeckt auch die Oberfläche in der Öffnung der ringförmigen Scheibe, wo ein Leiter mit dem Überzug verbunden ist. Der Draht ist mit einer Mikrofon-Klemme verbunden, die vom Gehäuse isoliert ist. Über dem Ende des Gehäuses ist in einem geringen Abstand vom Überzug auf der ringförmigen Scheibe eine leitfähige Membrane angebracht.
Das dem bekannten Stand der Technik entsprechende und in 1 dargestellte Mikrofon weist einige fundamentale Probleme auf, die darin bestehen, dass das Mikrofon vollständig zusammengebaut werden muss, bevor eine Prüfung und Kenndatenbestimmung möglich sind, und dass alle Teile des Mikrofons einen großen Einfluss auf die Empfindlichkeit des Mikrofons gegenüber Temperaturen hat, was wiederum bedeutet, dass die Werkstoffe und Maße aller dazugehörigen Teile mit großer Sorgfalt ausgewählt werden müssen. Auch ist diese bekannte Art von Mikrofonen teuer in der Herstellung, wohingegen die Erfindung ein Mikrofon einfacher Konstruktion, unkomplizierter Herstellung und niedrigeren Preises anbietet.
Im Patent EP 371 620 wird ein typisches Mikrofon für kostengünstige Anwendungen beschrieben. Bei diesem Aufbau braucht keine separate stationäre Elektrode oder Gegenelektrode mehr verwendet zu werden, da die stationäre Elektrode in das Gehäuse integriert wurde. Während dies eine elegante Art darstellt, die Anzahl der Komponenten bei kostengünstigen Mikrofonen zu reduzieren, eignet sich dieses Mikrofon jedoch aus vielen Gründen nicht für Messzwecke.
Einer dieser Gründe ist, dass für Messmikrofone gefordert wird, beim Abstand zwischen den beiden Elektroden die Toleranz in einem Bereich von ±5% einzuhalten, was bei diesem Aufbau nicht möglich ist; wenn das Mikrofon beispielsweise einem mechanischen Stoß ausgesetzt wird, weil es aus Versehen fallen gelassen wird, könnte sich das Gehäuse verformen und als Folge davon der Abstand zwischen der Membrane und der stationären Elektrode verändern. Auch müssen Mikrofone für Mess- und wissenschaftliche Zwecke eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Temperatur, der Feuchte und des statischen Druckes haben und das ist bei dieser Konstruktion nur schwer zu bewerkstelligen. Außerdem muss es bei Messmikrofonen möglich sein, das Verhalten des Mikrofons mit Hilfe von Berechnungen, die auf theoretischen Annahmen basieren, vorherzusagen, damit die Messdaten unabhängig bestätigt werden können; auch das ist bei dieser Konstruktion schwierig.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ein Problem der derzeitigen Wandler besteht darin, dass sie erst vollständig zusammengebaut werden müssen, bevor Prüfung und Kenndatenbestimmung möglich sind. Ein Wandler, der den Spezifikationen entspricht, muss dann möglicherweise weggeworfen oder zur Neujustierung oder Instandsetzung eingeschickt werden.
Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines kapazitiven Wandlers, der zum Beispiel in Kondensatormikrofonen verwendet werden kann, wo der kapazitive Wandler die wesentlichen Parameter des Wandlers definiert, so dass eventuelle Abweichungen von den Spezifikationen frühzeitig erkannt werden können, d. h. bevor der komplette Wandler fertig gestellt worden ist und so die Produktion wirtschaftlicher erfolgt.
Im vorliegenden Kontext umfasst der Begriff "Elektrode" ein elektrisch leitendes Teil einschließlich eventueller Trägermittel für die Elektrode.
Die zwei Elektroden können beide beweglich oder beide feststehend sein oder eine kann fest und die andere beweglich sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrode stationär und die zweite beweglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform bilden der Sockel und die Elektroden im zusammengebauten Zustand einen geschlossenen Raum, der Luft enthält.
Im vorliegenden Text bedeutet der Begriff "geschlossener, Luft enthaltender Raum", dass das vom Sockel und von den Elektroden umschlossene Luftvolumen hermetisch abgedichtet sein kann oder nicht.
Wenn der Sockel einen zylindrischen, röhrenförmigen Körper umfasst, der eine axiale Richtung definiert; wenn der Körper eine Innenfläche und eine Außenfläche hat sowie ein erstes und ein zweites axiales Ende; wenn die stationäre Elektrode am ersten axialen Ende oder in der Nähe dieses Endes an der Innenfläche des Körpers befestigt ist und wenn die bewegliche Elektrode an ihrem Umfang am zweiten axialen Ende des Körpers angeordnet ist, und zwar parallel zur stationären Elektrode und in einem bestimmten Abstand zu ihr, dann ist sichergestellt, dass damit ein flexibles Mittel zur Positionierung der Elektroden des Wandlers in einer festen geometrischen Lage zueinander geschaffen wurde.
Gemäß Erfindung umfasst der kapazitive Wandler zwei elektrisch leitende Platten, von denen eine zum Beispiel eine stationäre Elektrode ist und die andere zum Beispiel eine Elektrode, die im Verhältnis zur stationären beweglich ist. Die bewegliche Elektrode ist am Ende eines ringförmigen Wandlerelements angebracht, während die stationäre Elektrode auf einen Isolierkörper gesetzt wird, der im Inneren des ringförmigen Elements befestigt ist und die stationäre Elektrode in einem genau definierten geringen Abstand zur beweglichen Elektrode hält. Da beide Elektroden des ringförmigen Elements auf oder in ihm angebracht sind, kann das ringförmige Element in eine Vielzahl von Mikrofongehäusen eingesetzt werden, ohne dass bei den generellen Anforderungen an die Stabilität und Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen Kompromisse eingegangen werden müssen. Dadurch kann das Gehäuse mit weniger genauen Toleranzen und aus preiswerteren Materialien als bisher hergestellt werden. Das hat eine Reihe von Vorteilen. Die Mikrofonteile können mit der erforderlichen Genauigkeit separat, d. h. ohne die Notwendigkeit einer individuellen Behandlung hergestellt werden. Auch die Auswahl der Materialien und der Geometrie für die Teile ist weniger kritisch als zuvor, da nur der kapazitive Wandler die Empfindlichkeit und das Frequenzverhalten sowie im Wesentlichen die Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen bestimmt. Schließlich kann die Funktionalität des Wandlers bei den zwei Hauptparametern, nämlich dem Frequenzverhalten und der Empfindlichkeit, geprüft werden, bevor er endgültig in ein Mikrofongehäuse eingebaut wird. Damit können kritische Parameter, die außerhalb der Toleranzgrenzen liegen, oder Abweichungen von den Sollparametern oder Fehler und Mängel viel früher im Herstellungsprozess festgestellt werden als es vorher der Fall war. Das Resultat sind beträchtliche Kosteneinsparungen in der Produktion. Früher konnte diese Prüfung erst durchgeführt werden, nachdem das ganze Mikrofon zusammengebaut worden war.
Wenn der röhrenförmige Körper eine äußere Wand und ein im Wesentlichen zylindrisches inneres Stützwandteil umfasst, das nahe am ersten Achsenende durch eine quer liegende Wand starr mit der äußeren Wand verbunden ist, und sich das innere Stützwandteil in axialer Richtung des röhrenförmigen Körpers über einen Teil seiner axialen Länge erstreckt und eine Auflagefläche für die stationäre Elektrode bildet, dann ist gewährleistet, dass die stationäre Elektrode (eventuell mit ihrem Trägerelement) auf einfache Art in den röhrenförmigen Körper eingesetzt werden kann. Außerdem wird dadurch gewährleistet, dass die beiden Elektroden in einem konstanten und genau definierten Abstand zueinander gehalten werden, der von Gerät zu Gerät reproduzierbar ist.
Wenn die erste Elektrode ein elektrisch isolierendes Trägerelement umfasst, das ein elektrisch leitendes Teil trägt, ist gewährleistet, dass die erste Elektrode auf einfache Art und Weise auf dem Sockel befestigt werden kann. Anstatt die Elektrode teilweise aus elektrisch isolierenden und teilweise aus elektrisch leitenden Elementen herzustellen, kann sie gänzlich aus einem elektrisch leitenden Element (z. B. aus Metall) bestehen oder aus einem elektrisch leitenden Material, gemischt mit einem elektrisch isolierenden Material auf mikroskopischer oder makroskopischer Ebene.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der röhrenförmige Körper und die Elektroden in Bezug auf den mechanischen Aufbau und die Wahl der Werkstoffe so konstruiert, dass Spannungen – einschließlich thermisch hervorgerufener Spannungen – minimiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht der zylindrische röhrenförmige Körper des Sockels aus einem elektrisch leitenden Material. Anstatt den Körper ganz aus einem elektrisch leitenden Material herzustellen, kann er auch aus einem elektrisch isolierenden Material (z. B. einem Keramikmaterial) bestehen oder aus einem elektrisch isolierenden Material, das mit einem metallischen Material o. ä. überzogen ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die stationäre Elektrode und der röhrenförmige Körper so aneinander angepasst, dass die stationäre Elektrode durch Reibungskräfte zwischen der stationären Elektrode und dem röhrenförmigen Körper mit dem röhrenförmigen Körper des Sockels verbunden ist. Das hat den Vorteil, dass die stationäre Elektrode allein durch eine Presspassung fixiert wird, d. h. es werden keine weiteren Befestigungsmittel benötigt.
Alternativ ist die stationäre Elektrode mittels Klebetechnik mit dem röhrenförmigen Körper des Sockels verbunden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die stationäre Elektrode die Form einer Gegenelektrode, die aus einem elektrisch isolierenden Trägermaterial besteht, dessen zwei gegenüberliegenden Enden ganz oder teilweise mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen sind, wobei die Schichten elektrisch miteinander verbunden sind und einen solchen Abstand zu den Kontaktflächen zwischen der Gegenelektrode und dem röhrenförmigen Körper haben, dass eine elektrische Isolation zwischen der Gegenelektrode und dem röhrenförmigen Körper gewährleistet ist. Der Vorteil dieser bequemen und reproduzierbaren Lösung besteht in der einfachen mechanischen Ankopplung an den röhrenförmigen Körper, der einfachen elektrischen Verbindung der stationären Elektrode mit anderen Teilen und der Sicherheit, dass die stationäre Elektrode elektrisch nicht mit dem röhrenförmigen Körper verbunden ist.
Wird das elektrisch isolierende Material aus der Gruppe von Materialien ausgewählt, zu der Keramik, Kunststoffe, Glas, Rubine, Saphire und Quarz gehören, ist auch sichergestellt, dass es sich um ein Spektrum relevanter Materialien handelt, aus denen solche mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit ausgewählt werden können.
Wird der elektrisch leitende Überzug auf dem elektrisch isolierenden Trägermaterial der stationären Elektrode durch Siebdruck, mittels Schablone oder durch Aufdampfen hergestellt, ist gewährleistet, dass eine aus einer Reihe von in der Elektronik üblicherweise angewendeten Standardmethoden gewählt wird, die sowohl eine genaue als auch eine wirtschaftliche Lösung darstellt.
Besteht die bewegliche Elektrode aus einem Metall, einer Metalllegierung oder einem metallisierten Isolator, ist gewährleistet, dass es sich um eine Membrane handelt, die sich sehr gut für qualitativ hochwertige Wandler, auch für Messmikrofone, eignet.
Wird ein Überzug eines Isolators, der als Elektret dient, auf eine oder beide Elektroden aufgetragen, dann ist gewährleistet, dass sich das Teil zur Verwendung in vorpolarisierten Mikrofonen eignet.
Die stationäre Elektrode besteht aus einem Isolierkörper, zum Beispiel in Form einer Isolierscheibe, mit einem elektrisch leitenden Überzug, der mittels Siebdruck, Schablonendruck oder Aufdampfen aufgebracht wird. Der Isolierkörper besteht vorzugsweise aus Keramik und hat auf einer Seite einen per Siebdruck aufgebrachten oder aufgedampften elektrisch leitenden Überzug. Zur Verwendung in vorpolarisierten Mikrofonen, auch unter dem Namen Elektret-Mikrofone bekannt, kann die stationäre Elektrode mit einer dünnen Schicht aus fluoriertem Ethylen-Propylen oder einem ähnlichen Isoliermaterial versehen werden.
Wird das elektrisch isolierende Trägerelement durch Laserschneiden oder Laserbohren aus einer Platte aus keramischem Material gefertigt, dann stellt dies eine besonders wirtschaftliche Lösung dar.
Wird die Gegenelektrode dergestalt gefertigt, dass auf die gegenüberliegenden Seiten einer Keramikplatte per Siebdruck, Schablonendruck oder Aufdampfen ein Muster aus elektrisch leitenden Schichten aufgetragen wird – wobei das Muster eine Anordnung von einzelnen Gegenelektroden darstellt – und dass die Gegenelektrode durch Laserschneiden oder Laserbohren von der Platte abgetrennt wird, dann stellt dies eine besonders wirtschaftliche Lösung dar, die sich gut für die Massenproduktion von Wandlern hoher Genauigkeit eignet.
Hat der Sockel im Verhältnis zur zweiten Elektrode an einer genau definierten Position eine Bezugsebene und ist die erste Elektrode im Sockel in einer bestimmten Position dazu befestigt, dann ist gewährleistet, dass die stationäre Elektrode relativ zur beweglichen Elektrode genau und reproduzierbar angeordnet ist.
Wird die Position der Bezugsebene im Verhältnis zur beweglichen Elektrode durch einen Siebdruck-, Schablonendruck- oder Aufdampfprozess definiert, ist die stationäre Elektrode im Verhältnis zur beweglichen Elektrode sehr genau, leicht einstellbar und reproduzierbar angeordnet.
Wird mittels eines Siebdruckmusters auf der Gegenelektrode zwischen den Elektroden im Ruhezustand ein genau vorgegebener Abstand definiert, ist die stationäre Elektrode im Verhältnis zur beweglichen Elektrode sehr genau, leicht einstellbar und reproduzierbar angeordnet.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf einen Wandler, der ein Gehäuse und eine Baugruppe aufweist, die eine erste und eine zweite Elektrode hat, welche durch ein nicht leitendes Material voneinander getrennt sind; der eine hintere Kammer mit einer Bodenplatte und elektrischen Klemmen hat, die mit den Elektroden verbunden sind; und der über Mittel zum Befestigen der Baugruppe im Gehäuse verfügt. Wenn die erste und die zweite Elektrode, die durch ein dielektrisches Material voneinander getrennt sind, als kapazitiver Wandler wie in den Ansprüchen beschrieben gestaltet sind und dieser kapazitive Wandler so angepasst wird, dass er im Gehäuse montiert werden kann, dann wird ein Wandler geschaffen, der qualitativ hochwertig ist, den unterschiedlichsten Anwendungen angepasst werden kann, verschiedene technische Daten aufweisen und verschiedene geometrische Formen annehmen kann und in der Herstellung kostengünstig ist.
Wird der Wandler durch Anbringung einer oder mehrerer Öffnungen in der ersten – stationären – Elektrode so ausgelegt, dass er als Kondensatormikrofon verwendet werden kann, entsteht ein Mikrofon hoher Qualität, das sich gut als Messmikrofon einsetzen lässt.
Das kapazitive oder Kondensatormikrofon besteht aus einem ringförmigen Element, auf dessen einer Seite eine bewegliche Elektrode oder eine Membrane angebracht ist. Innerhalb des ringförmigen Elements befindet sich nahe an der Membrane eine stationäre Elektrode, auch Gegenelektrode genannt. Das ringförmige Element mit der Membrane und der Gegenelektrode bilden eine kapazitive Wandlereinheit, die in einem Gehäuse untergebracht werden kann. Das ringförmige Element mit Membrane und Gegenelektrode kann bereits die meisten Funktionen des kompletten Mikrofons ausführen, bevor dieses endgültig zusammengebaut wird – d. h. die Prüfung und Ermittlung der primären Kenndaten, der Empfindlichkeit und des Frequenzverhaltens. Das bedeutet einfachere und weitaus kostengünstigere Herstellung und einfachere Prüfung des Mikrofons. Außerdem wird die Empfindlichkeit des Mikrofons gegenüber Umwelteinflüssen in hohem Maße vom ringförmigen Element mit der Membrane und der Gegenelektrode bestimmt, wodurch die Wahl der Materialien für das Gehäuse, den Innenraum und die Bodenplatte weniger schwierig ist, als das bei Mikrofonen vom bekannten Stand der Technik der Fall ist, bei denen jedes Teil sorgfältig ausgewählt werden musste.
Ein sehr flaches Mikrofon ergibt sich, wenn man das Gehäuse so gestaltet, dass seine Höhe auf ein Minimum reduziert wird, welches hauptsächlich durch die Höhe des kapazitiven Wandlers senkrecht zu den Elektroden bestimmt ist, und wenn die Fläche der Bodenplatte größer als die Fläche der zweiten Elektrode ist.
Eine genau reproduzierbare und präzise Methode zur Steuerung der Niederfrequenz-Begrenzung des Wandlers ergibt sich, wenn die Bodenplatte mit Mitteln für den Druckausgleich zwischen der hinteren Kammer und der Umgebung versehen ist; wenn zur Bodenplatte ein Teil mit einer im Wesentlichen ebenen Kontaktfläche zur hinteren Kammer gehört; und wenn die Mittel zum Druckausgleich ein geometrisches Muster umfassen, das sich von der Oberfläche des Teils aus erstreckt und die Kontaktfläche dergestalt überlappt, dass mindestens eine Öffnung zwischen der hinteren Kammer und ihrer Umgebung gebildet wird, wenn die Rückwand mit der hinteren Kammer zusammengebracht wird. Das Muster kann nach vielerlei standardisierten Methoden hergestellt werden, zum Beispiel mittels Siebdruck und/oder Laserschneiden oder -bohren, so dass unter produktionstechnischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten diese Methoden höchst vorteilhaft sind.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Wandlersystem, das ein Gehäuse mit einer ersten und einer zweiten Elektrode, welche durch ein nicht leitendes Material voneinander getrennt sind, sowie eine hintere Kammer mit einer Bodenplatte und elektrischen Klemmen besitzt, die mit den Elektroden verbunden sind. Wenn zum System ein erfindungsgemäßer kapazitiver Wandler gehört und der kapazitive Wandler so gestaltet ist, dass er zusammen mit Verstärker- und elektronischen Schnittstelleneinheiten im Gehäuse untergebracht werden kann, wird ein System geschaffen, das sich wirtschaftlich günstig an verschiedene Spezifikationen und Ausführungsformen anpassen lässt.
Das Wandlergehäuse kann so gestaltet werden, dass sich ein elektrischer Verstärker oder andere elektronische Bauteile leicht unterbringen lassen, ohne dass die allgemeinen Anforderungen an die Stabilität, Linearität und Umweltempfindlichkeit reduziert werden müssten. Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik ist dies hier möglich, weil die Membrane und die Gegenelektrode unabhängig vom Gehäuse in einem ringförmigen Element eingebaut werden, wodurch die Konstruktion des Wandlergehäuses weitaus weniger kritisch ist als vorher. Damit kann das Wandlergehäuse so gestaltet werden, dass sich der Verstärker leicht in das Mikrofon einbauen lässt, ohne die Kosten für das Wandlergehäuse zu erhöhen. Auch beim vorherigen Stand der Technik wäre der Einbau eines Verstärkers möglich, aber das würde bedeuten, dass ein so schon komplizierter Körper, nämlich das Wandlergehäuse, noch komplizierter würde – was höhere Kosten zur Folge hätte.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen kapazitiven Wandlers können wie folgt zusammengefasst werden:

– Der Wandler kann auf viel einfachere Art und Weise als vorher zusammengebaut werden.
– Die primären Kenndaten des Wandlers können vor dem endgültigen Einbau in das Gehäuse ermittelt werden, wodurch sich die Kosten reduzieren.
– Durch einen kapazitiven Wandler, der ein ringförmiges Element mit einer Membrane und einer Gegenelektrode umfasst, können die Wandlergehäuse mit weniger engen Toleranzen bei den Abmessungen und mit geringeren Anforderungen an die Materialien hergestellt werden.
– Auf Grund der Tatsache, dass die erfindungsgemäßen Wandlergehäuse dünner sind als die vorherigen, können neue Anwendungen erschlossen werden, für die die jetzigen Wandler wegen der Anforderungen an die Größe nicht einsetzbar sind.
– Anstelle von komplizierten Komponenten können für den Wandler einfache Komponenten verwendet werden, die sich bei weitaus geringeren Kosten und getrennt herstellen lassen. Beispielsweise war das Gehäuse eines dem vorherigen Stand entsprechenden Mikrofons kompliziert und teuer in der Herstellung. Bei der Erfindung wird dieser komplizierte Körper durch ein einfaches Gehäuse und eine einfache hintere Kammer ersetzt, die viel kostengünstiger herzustellen sind.
– Der Einbau eines Verstärkers oder anderer elektronischer Bauteile ist möglich, ohne dass sich die Kosten für das Wandlergehäuse signifikant erhöhen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird weiter unten im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezug auf die Zeichnungen im Detail erläutert. Dabei zeigen:
1 ein Kondensatormikrofon nach dem bekannten Stand der Technik;
2 eine perspektivische Explosivdarstellung eines Kondensatormikrofons mit einem kapazitiven Wandler gemäß Erfindung;
3 eine Explosivdarstellung eines Querschnitts durch einen kapazitiven Wandler gemäß Erfindung;
3a den kapazitiven Wandler in 3 nach dem Zusammenbau;
4 eine Explosivdarstellung der Bodenplatte des Mikrofons und des Innenhohlraumstücks; und
die 5a und 5b eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen kapazitiven Wandlers in einem Kondensatormikrofon.
Die Figuren sind schematischer Art und wegen der Übersicht etwas vereinfacht; sie zeigen Details nur dort, wo es zum Verständnis der Erfindung notwendig ist, unwesentliche Details wurden weggelassen. Für identische oder korrespondierende Teile sind in der gesamten folgenden Beschreibung die gleichen Positionsnummern verwendet worden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
2 ist eine perspektivische Explosivdarstellung eines Kondensatormikrofons mit einem erfindungsgemäßen kapazitiven Wandler, und die 3, 3a und 4 zeigen Details davon, wobei die 3 und 3a eine Darstellung des in einem Kondensatormikrofon verwendeten kapazitiven Wandlers sind und 4 eine Explosivansicht der Mikrofon-Bodenplatte und des Innenhohlraumstücks des Mikrofons von 2.
Das Mikrofon 100 (2) hat einen kapazitiven Wandler 1 (3 und 3a). Der kapazitive Wandler 1 umfasst ein ringförmiges Element 12 mit einer Bodenplatte 13 und zwei aufrecht stehende konzentrische ringförmige Wände mit einem Zwischenraum in radialer Richtung. Auf der äußeren ringförmigen Wand liegt eine Membrane 11. Das freie Ende der inneren ringförmigen Wand liegt tiefer als das freie Ende 15 der äußeren ringförmigen Wand und hält in ihrem Inneren eine stationäre Elektrode, auch Gegenelektrode 17 genannt. Das ringförmige Element 12, die Gegenelektrode 17 und die Membrane 11 bilden zusammen den kapazitiven Wandler 1.
Das ringförmige Element 12 ist ein elektrisch leitender zylindrischer Körper aus Metall. Die innere ringförmige Wand 16 ist so dimensioniert, dass eine Ausdehnung möglich ist, wenn die Gegenelektrode 17 dergestalt in sie eingelegt ist, dass die Gegenelektrode 17 durch Reibungskräfte in ihrer Lage gehalten wird, die zwischen der Innenfläche des Stützwandelements 16 und der Außenfläche der Gegenelektrode 17 wirken.
Außerhalb des äußeren Umfangs der Membrane 11 hat das ringförmige Element 12 eine freie Fläche 14, die zusammen mit einer entsprechenden Bezugsebene 23 innerhalb des Mikrofongehäuses 21 als Bezugsebene für das genaue Montieren des ringförmigen Elements 12 dient. Die Bezugsebene 14 des ringförmigen Elements 12 und die entsprechende Bezugsebene 23 im Mikrofongehäuse sind Passflächen mit vorzugsweise ebener Oberfläche; die Flächen können aber auch leicht konisch sein, wodurch der Wandler nach 3a im Mikrofongehäuse 21 zentriert wird.
Am ringförmigen Element 12 befindet sich eine aufrecht stehende ringförmige Außenwand mit einer Endfläche 15 zur Befestigung der Membrane 11. Die Fläche 15 des ringförmigen Elements 12 hat eine abgerundete Außenkante und dient ebenfalls als Bezugsebene beim Einsetzen der Gegenelektrode 17 in das ringförmige Element 12. Beim Einsetzen ist es wichtig, dass die Gegenelektrode 17 genau im gewünschten Abstand zur Membrane 11 angebracht wird. Dazu wird die Fläche 15 als Bezugsebene verwendet. Bei Verwendung geeigneter Geräte kann dies mit einer Genauigkeit von 1 μm oder höher erfolgen. Die Gegenelektrode 17 wird in das ringförmige Element 12 eingesetzt, indem sie von einer Seite der ringförmigen Wand 16 hineingepresst wird, die so dimensioniert ist, dass sich die ringförmige Wand beim Einsetzen der Gegenelektrode ausdehnt und die Gegenelektrode darin durch Reibungskräfte festgehalten wird; alternativ wird die Gegenelektrode in die ringförmige Wand 16 eingesetzt, ohne sie zu verformen, und dort mittels eines Klebstoffs oder eines anderen Befestigungsmittels festgehalten.
Die Gegenelektrode 17 verfügt über einen Körper 20 aus einem Isoliermaterial, zum Beispiel einem keramischen Material wie Al₂O₃; auf der Oberseite, die zur Membrane 11 hin zeigt, und auf der Unterseite (nicht dargestellt), die von der Membrane 11 weg gerichtet ist, ist der Körper mit je einer leitenden Schicht 19 (in 3) überzogen. Für den scheibenförmigen Körper 20 können auch andere Isoliermaterialien verwendet werden, zum Beispiel Keramikmaterialien, Kunststoffe, Glas, Rubin, Saphir und Glas. Der leitende Überzug 19 kann durch ein geeignetes Verfahren, zum Beispiel Siebdruck, Schablonendruck oder Aufdampfen, aufgetragen werden. Zwecks Dämpfung der Membranbewegungen ist die Gegenelektrode mit durchgehenden Löchern 24 versehen.
Die Überzüge auf den beiden Seiten der Gegenelektrode sind über eine senkrecht angeordnete elektrische Durchführung 18 in der Gegenelektrode 17 oder über eines oder mehrere der durchgehenden Löcher 24 elektrisch miteinander verbunden. Da der Überzug nicht bis zur Kante der Isolierscheibe reicht, ist der leitende Überzug 19 auf der Gegenelektrode ausreichend von der Membrane 11 auf dem ringförmigen Element 12 isoliert. Alternativ kann die Gegenelektrode 17 als Metallscheibe mit einem Rand aus einem elektrisch isolierenden Material gestaltet werden, um so eine elektrische Trennung zwischen der Metallscheibe und dem ringförmigen Element herbeizuführen.
Um eine optimale Langzeit-Stabilität zu erzielen, wird die Membrane 11 auf die Fläche 15 des ringförmigen Elements 12 geschweißt – z. B. mittels eines Laserstrahls – oder gelötet. Vor dem Schweißen wird die Membrane 11 zur Herstellung der für die gewünschte Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz usw. erforderliche korrekte Spannung gestreckt. Bei dem in 3a dargestellten kapazitiven Wandler sind die Rückseite der Gegenelektrode 17, d. h. die der Membrane gegenüberliegende Seite, und insbesondere der leitende Überzug direkt zugänglich.
Wie in 2 zu sehen ist, wird das ringförmige Element 12, nachdem eine Membrane 11 und eine Gegenelektrode 17 angebracht worden sind, in ein Mikrofongehäuse 21 eingesetzt, wobei die Bezugsebene 14 und die Bezugsebene 23 des Mikrofongehäuses zum präzisen Einpassen des ringförmigen Elements verwendet werden. Danach wird ein Innenhohlraumstück 31 in das Mikrofongehäuse 21 eingesetzt, wobei ein Ende an das Ende 13 des ringförmigen Elements anstößt. Durch Vergrößerung oder Verringerung des Innendurchmessers und/oder der Länge des Gehäuses und des Innenhohlraumstücks 31 kann die Größe des Volumens der hinteren Kammer im Mikrofon eingestellt werden. Nach dem Innenhohlraumstück 31 wird eine Mikrofongehäuse-Bodenplatte 41 aus einem elektrisch isolierenden Material eingesetzt, die mit einem Druckausgleichskanal 42 mit einem ganz bestimmten Luftströmungswiderstand versehen ist. Durch eine Öffnung in der Mikrofongehäuse-Bodenplatte 41 wird ein elektrisch leitender Körper 43, z. B. aus Metall, eingesetzt, der so gestaltet ist, dass er in elektrischem Kontakt mit der Rückseite der Gegenelektrode 17 ist, wenn die Komponenten ordnungsgemäß zusammengebaut sind. Dadurch kann das elektrische Signal von der Gegenelektrode 17 durch die isolierende Mikrofongehäuse-Bodenplatte 41 übertragen werden. Auch bestimmt die Bodenplatte 41 zusammen mit dem Innenhohlraumstück 31 das Volumen der hinteren Kammer. Das ringförmige Element 12 mit der Membrane 11 und der Gegenelektrode 17, das Volumenstück 31 und die Mikrofongehäuse-Bodenplatte 41 werden mit Hilfe eines ringförmigen Körpers 51 im Mikrofongehäuse in der richtigen Position gehalten. Dieser Körper kann z. B. mit einem Gewinde versehen werden oder als Feder ausgebildet sein, wie es in 2 zu sehen ist. Die tatsächliche Gestaltung des ringförmigen Körpers hat eine nur geringe Bedeutung für das Betriebsverhalten des Mikrofons und ist nicht im Detail dargestellt.
Die 5a und 5b zeigen ein anderes Kondensatormikrofon, in dem ein erfindungsgemäßer kapazitiver Wandler verwendet wird. 5a ist eine Totalansicht und 5b eine Vergrößerung des zentralen Teils des in 5a dargestellten Mikrofons.
Bei dem in 5a und 5b gezeigten Kondensatormikrofon wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, den in 3a dargestellten Wandler 1 in ein Mikrofongehäuse einzusetzen, dessen Gestalt von der aller bekannten Messmikrofone abweicht, ohne dass die allgemeinen Anforderungen an die Stabilität und Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen reduziert werden müssten. Wie bei der Ausführungsform in 2 wird der Wandler 1 in ein Mikrofongehäuse 21 eingesetzt. Das Mikrofongehäuse 21 ist jedoch so gestaltet, dass seine Gesamthöhe auf ein Minimum reduziert ist, das hauptsächlich durch die Dicke der Gegenelektrode 17 und des ringförmigen Elements 12 bestimmt wird. Vor allem zum Schutz der Membrane 11 kann eine Schutzabdeckung 45 verwendet werden. Durch Vergrößerung oder Verringerung des Innendurchmessers und/oder der Länge des Gehäuses kann die Größe des Volumens der hinteren Kammer im Mikrofon eingestellt werden. Die Bodenplatte 41 des Mikrofongehäuses wird unter den gleichen allgemeinen Gesichtspunkten hergestellt wie zuvor, nur ist bei dieser Ausführungsform der Durchmesser der Bodenplatte 41 größer als der der Membrane 11.
Zur Verwendung in dieser Ausführungsform hat das ringförmige Element 12 in der äußeren zylindrischen Wand nahe der Bodenplatte 13 eine oder mehrere radial verlaufende Öffnungen. Wenn das Mikrofon zusammengebaut ist, gehört zu einem geschlossenen Volumen hinter der Membrane ein Volumen außen am ringförmigen Element 12, wo das Gehäuse 21 und die Bodenplatte 41 das Volumen begrenzen.
Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik ist diese Ausführungsform möglich, weil das ringförmige Element 12 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung verkleinert werden kann und die radial verlaufenden Öffnungen den Zugang zu einem Luftvolumen außerhalb des ringförmigen Elements 12 ermöglichen. Die vorgestellte Ausführungsform wird sich erheblich auf Bereiche auswirken, wo die physischen Abmessungen nur den Einsatz eines sehr dünnen Wandlers gestatten und wo es notwendig ist, mit der gleichen hohen Genauigkeit und Stabilität zu messen wie bei normalen Messmikrofonen.
Die 3 und 3A zeigen, dass die Fläche 14 im Verhältnis zur Fläche 15, welche die Membrane 11 trägt, zurückgesetzt ist. Wenn der kapazitive Wandler von 3A im zylindrischen Mikrofongehäuse 21 der 2 oder im plattenförmigen Gehäuse 21 der 5B und 5A, das einen großen Durchmesser hat, mit der Bezugsebene 14, die an die korrespondierende Bezugsebene 23 des jeweiligen Mikrofongehäuses angrenzt, dann schließt die Membrane 11 bündig mit dem vorderen Ende des Mikrofongehäuses ab, wodurch insbesondere kein Hohlraum mit der den Boden des Hohlraumes bildenden Membrane gebildet wird. Ein solcher Hohlraum ist unerwünscht, da er unvermeidlich das Betriebsverhalten des Mikrofons beeinflussen würde.
Eine Membrane, die mit dem vorderen Ende des Mikrofongehäuses bündig abschließt, kann jedoch leicht beschädigt werden, und es ist daher eventuell wünschenswert, die Membrane einen Bruchteil eines Millimeters, zum Beispiel, 20 bis 100 μm, vom vorderen Ende des Mikrofongehäuses zurückzusetzen. Das lässt sich leicht durchführen, indem man die Höhe der aufrecht stehenden, die Membrane tragenden Wand 15 und die Dicke des nach innen zeigenden Flansches des Mikrofongehäuses mit der Bezugsebene 23 entsprechend dimensioniert.
Eine besondere Variante des Kondensatormikrofons ist das vorpolarisierte Mikrofon, auch als Elektret-Mikrofon bekannt. Ein Mikrofon dieser Art verfügt über ein vorpolarisiertes Material, das eine permanente elektrische Ladung speichert, welche das elektrische Feld aufbaut, das für das Funktionieren des Mikrofons benötigt wird. Das vorpolarisierte Material ist ein Isolierstoff, üblicherweise eine dünne Kunststoffplatte. Bei der Erfindung wird das vorpolarisierte Material entweder auf die stationäre Elektrode oder auf die Gegenelektrode 17 aufgebracht, bevor diese in das ringförmige Element 12 eingebaut wird.
Ein System, das aus einem Mikrofon ähnlich dem in 2 dargestellten, einem Vorverstärker und eventuell anderen Elektronikbauteilen besteht, kann leicht zusammengesetzt werden.
Einige bevorzugte Ausführungsformen sind oben vorgestellt worden, es soll hier aber betont werden, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern auf vielfältige Art im Rahmen des in den folgenden Ansprüchen definierten Gegenstandes der Erfindung ausgeführt werden kann. Anstelle der in den Figuren dargestellten Planarelektroden und Gegenelektroden können diese Teile jede beliebige – beispielsweise eine hyperbolische, parabolische oder domartige – Form oder eine stufenförmige oder kurvenförmige Kontur haben.

Claims

Ein kapazitiver Wandler (1), bestehend aus – einem ringförmigen Element (12) mit einer mittigen Öffnung sowie einer Achse, die eine axiale Richtung definiert, wobei das ringförmige Element (12) einen sich radial erstreckenden scheibenförmigen Teil (13), eine äußere ringförmige Wand (15) und eine innere ringförmige Wand (16) besitzt, die beide starr mit dem sich radial erstreckenden scheibenförmigen Teil (13) verbunden sind und sich in axialer Richtung erstrecken, wobei sich zwischen äußerer und innerer ringförmiger Wand ein Zwischenraum befindet; – einer Membrane (11), die an der äußeren ringförmigen Wand (15) des ringförmigen Elements (12) befestigt ist und über der mittigen Öffnung liegt, wobei die Membrane (11) ein äußeres Umfangsteil und ein elektrisch leitendes Teil aufweist und sich die Membrane und das elektrisch leitende Teil als Reaktion auf Schalldruck bewegen können, – einem scheibenförmigen Element (17), das in der inneren ringförmigen Wand (16) befestigt ist und parallel zur Membrane (11) liegt, wobei das scheibenförmige Element (17) eine erste Seite mit einem elektrisch leitenden Teil (19), das zur Membrane (11) zeigt, und eine zweite, ihr gegenüberliegende Seite hat und die zweite Seite mit einem Kontaktelement versehen ist, das in elektrischem Kontakt mit dem elektrisch leitenden Teil (19) auf der ersten Seite des scheibenförmigen Elements (17) steht, und wobei das elektrisch leitende Teil (19) auf der ersten Seife des scheibenförmigen Elements (17) einen bestimmten Abstand zur Membrane (11) hat, wodurch die Membrane (11) und das elektrisch leitende Teil (19) auf dem scheibenförmigen Element (17) einen elektrischen Kondensator bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite des scheibenförmigen Elements (17) und das Kontaktelement direkt zugänglich sind.
Ein Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (12) außerhalb des äußeren Umfangs der Membrane (11) eine freie Fläche (14) aufweist, die quer zur Achse des ringförmigen Elements (12) liegt.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Gehäuse (21, 41) hat, das zusammen mit der Membrane (11) ein im Wesentlichen geschlossenes Volumen definiert, und dass das Gehäuse über einen von außen zugänglichen Anschluss zum elektrisch leitenden Teil (19) des scheibenförmigen Elements (17) verfügt.
Ein Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich das im Wesentlichen geschlossene Volumen über eine oder mehrere radial angeordnete Öffnungen im ringförmigen Element (12) erstreckt.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Element (12) aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (17) durch Reibung im ringförmigen Element (12) festgehalten wird.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass das scheibenförmige Element (17) aus einem elektrisch isolierenden Material (20) besteht, das das elektrisch leitende Teil (19) trägt, wobei das elektrisch isolierende Material aus der Werkstoffgruppe ausgewählt wird, zu der keramische Materialien, Kunststoffe, Rubin, Saphir und Quarz gehören.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch isolierende Material Al₂O₃ ist.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch vorpolarisiertes Material die erste Seite des scheibenförmigen Elements (17) oder die dem scheibenförmigen Element (17) gegenüberliegende Seite der Membrane (11) oder beide zumindest teilweise abdeckt.
Ein Wandler nach einem der Ansprüche 3–9, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Fläche (14), die quer zur Achse des ringförmigen Elements (12) liegt, gegenüber der Membrane (11) versetzt ist.
Ein Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ein ringförmiges oder röhrenförmiges Element (21, 41) mit einer ersten Fläche umfasst, die an die freie Fläche (14) des ringförmigen Elements anstößt, und einer Vorderfläche, die parallel zur Membrane (11) verläuft und der ersten Fläche gegenüberliegt, und dass die Membrane (11) gegenüber der Vorderfläche zwischen 20 μm und 100 μm zurückgesetzt ist.
Ein Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass er ein ringförmiges oder röhrenförmiges Element (21, 41) mit einer ersten Fläche umfasst, die an die freie Fläche (14) des ringförmigen Elements anstößt, und einer Vorderfläche, die parallel zur Membrane (11) verläuft und der ersten Fläche gegenüberliegt, und dass die Membrane (11) im Wesentlichen bündig mit der Vorderfläche abschließt.