EP1762117B1

EP1762117B1 - Kondensatormikrofon

Info

Publication number: EP1762117B1
Application number: EP05750240A
Authority: EP
Inventors: Vladimir Gorelik; Eckhard Welker
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2025-05-19
Also published as: CN101002503B; DE502005007951D1; WO2005115052A1; DE102004024729A1; US20070242847A1; JP4843607B2; EP1762117A1; US7881484B2; JP2007538435A; CN101002503A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einem Mikrofongehäuse mit einer Schalleinlassöffnung und einer Membran einer dieser Membran zugeordneten, in einem geringen Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode. Um ein solches Kondensatormikrofon mit möglichst geringen Abmessungen bei gleichzeitig hohem Rauschabstand und ohne Verschlechterung der elektroakustischen Parameter bauen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Mikrofongehäuse zwei Ge häuseteile aufweist, von denen das zweite Gehäuseteil einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil als Kappe oder Hülse über dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist und dass der Rand der Membran über den Rand des ersten Gehäuseteils umgeklappt und an der Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einem Mikrofongehäuse mit einer Schalleinlassöffnung, einer Membran und einer dieser Membran zugeordneten, in einem geringen Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode. Ferner betrifft die Erfindung ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines solchen Kondensatormikrofons.
Jährlich werden weltweit mehrere hundert Millionen Miniaturkondensatormikrofone produziert. In der Regel sind diese Mikrofone unter Verwendung der Stapeltechnologie aufgebaut. Die einzelnen Elemente des dabei verwendeten Wandlers, also insbesondere ein Membranring mit aufgeklebter Membran, ein Abstandsring, die Gegenelektrode. usw., werden dabei einfach aufeinander in das Mikrofongehäuse gestapelt. Ein derartiger Aufbau ist zwar besonders einfach, weist jedoch auch Mängel auf, die die Anwendung für die Herstellung hochwertiger Mikrofone und besonders hochwertiger Miniaturmikrofone praktisch unmöglich macht.
Erstens ist die Stapeltechnologie mit relativ hohen Streuungen der elektroakustischen Parameter verbunden. Die zugelassenen Abweichungen der Empfindlichkeit und des Frequenzganges von Sollwert und Sollkurve liegen meistens im Bereich ± 3 dB und höher. Die Erfahrung zeigt, dass sogar bei diesen großzügigen Toleranzen ein Ausschuss nicht vermieden werden kann. Da das Ergebnis erst erkennbar ist, nachdem die Kapseln (also die Mikrofone) schon zusammengebaut sind (in der Regel gebördelt), sind die Teile der Ausschusskapseln nicht mehr brauchbar. Nicht nur die Lohnkosten, sondern auch zusätzliche Materialkosten belasten dabei das Endprodukt. Eine der wichtigsten Ursachen für die Streuung der Empfindlichkeit und der Frequenzgänge ist die Unebenheit der einzelnen Teile. Das betrifft vor allem die innere Fläche des Mikrofongehäuses, des Membranrings und der Elektretoberfläche, die als Bezugsfläche für den Luftspalt zwischen der Membran und der Gegenelektrode dient. Durch die mechanische Verformung des Membranrings beim Zusammenbau der Kapsel ändert sich die Membransteifigkeit, was seinerseits Veränderungen der elektroakustischen Parameter verursacht.
Zweitens besitzt die betrachtete Kapsel eine sehr hohe Streukapazität, die durch die Kapazitäten zwischen Gegenelektrode und Membranring sowie zwischen Gegenelektrode und Mirkofongehäuse gebildet ist. In den Miniaturmikrofonen mit sehr kleiner effektiver Membranfläche bedingt die Streukapazität Verluste von 3-6 dB in der Empfindlichkeit.
Drittens hat der Abstandsring aus Kunststofffolie oft einen Grat. Dieser ist die Ursache dafür, dass der Luftspalt seinem nominellen Wert nicht mehr entspricht.
Viertens führt die Anwendung des Membranrings zu einer Reduzierung der schwingungsfähigen Membranfläche. So macht die schwingungsfähige Membranfläche in Miniaturmikrofonen häufig nur die Hälfte der Querschnittsfläche der Kapsel aus, was erhebliche Verluste im Dynamikbereich des Mikrofons bedingt.
Aus der US 2002/0154790 A1 ist eine Kondensatormikrofon bekannt, bei dem die Membran an der Unterseite eines mit einer Schalleinlassöffnung versehenen Halterings angeklebt ist. Dort wird ein Verhältnis von schwingungsfähiger Fläche der Membran zu Gesamtquerschnittsfläche des Kondensatormikrofons (bei Annahme einer dünnen Gehäuseaußenwand im Bereich von 0.1mm) von (1.9/2.5)² = 0.76² = 0,57 erreicht.
Aus der DE 3616638 C2 , DE 10064359 A1 , DE 3852156 T2 , DE 2445687 B2 , EP 0 305 540 B1 und DD 72 035 sind ebenfalls Kondensatormikrofone bekannt, bei denen die Membran an einem Teil des Mikrofongehäuses befestigt ist.
Als nachteilig hat sich bei den bekannten Lösungen insbesondere gezeigt, dass die Art der Befestigung der Membran an dem Mikrofongehäuse einen Einfluss auf die Breite des Luftspaltes zwischen Membran und Gegenelektrode hat, der jedoch einen möglichst genauen Wert einhalten soll. So kann beispielsweise bei Befestigung mittels eines. Klebers kaum eine exakte Ebenheit der Membran und ein Luftspalt zwischen Membran und Gegenelektrode exakter Breite aufgrund der nicht exakt vorhersehbaren Dicke der Klebeschicht eingestellt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kondensatormikrofon sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines hochwertigen Miniatur-Kondensatormikrofons anzugeben, womit die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden sollen und insbesondere ein hoher Rauschabstand erreicht werden kann. Ferner soll das Verhältnis zwischen schwingungsfähiger Membranfläche und Gesamtfläche des Querschnittes des Kondensatormikrofons möglichst groß und die vorgesehene Luftspaltbreite zwischen Membran und Gegenelektrode bzw. zumeist vorgesehener Elektretschicht möglichst exakt erreicht werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß bei einem eingangs genannten Kondensatormikrofon dadurch gelöst, dass das Mikrofongehäuse zwei Gehäuseteile aufweist, von denen das zweite Gehäuseteil einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil als Kappe oder Hülse über dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist und dass der Rand der Membran über den Rand des ersten Gehäuseteils umgeklappt und an der Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigt sind.
Ein entsprechendes Verfahren ist in Anspruch 12 angegeben und weist die folgenden Schritte auf:

a) eine Gegenelektrode wird in dem ersten Gehäuseteil derart angeordnet, dass zwischen Oberseite der Gegenelektrode und Rand des ersten Gehäuseteils ein vorbestimmter Abstand in axialer Richtung besteht;
b) über den Rand des Gehäuseteils wird eine der Gegenelektrode zugeordnete Membran gelegt;
c) der Rand der Membran wird über den Rand des ersten Gehäuseteils umgeklappt;
d) der umgeklappte Rand wird an der Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigt; und
e) das zweite Gehäuseteil wird als Kappe oder Hülse über dem ersten Gehäuseteil angeordnet.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch die vorgeschlagene direkte Befestigung der Membran an dem ersten Gehäuseteil des Mikrofongehäuses die Anwendung des üblicherweise verwendeten Membranrings völlig überflüssig ist, was eine Reihe von Vorteilen mit sich bringt. So kann dadurch fast die gesamte Querschnittsfläche des Mikrofongehäuses effektiv ausgenutzt werden, so dass das Mikrofongehäuse und damit das gesamte Mikrofon auch kleiner gebaut werden kann. Gleichzeitig lassen sich dadurch aber ein höherer Rauschabstand und verbesserte elektroakustische Eigenschaften erreichen, da die maximal mögliche Membranfläche ausgenutzt wird und frei schwingen kann.
Die Membran wird erfindungsgemäß über den oberen Rand des ersten Gehäuseteils, das quasi als dünnwandiges Röhrchen ausgestaltet ist, das zu der in dem zweiten Gehäuseteil vorgesehenen Schalleinlassöffnung offen ist, gelegt und umgeklappt. Das zweite Gehäuseteil wird dann quasi als Schutz- oder Dekorativkappe oder -hülse über das erste Gehäuseteil gestülpt und mit diesen an geeigneten Stellen verbunden, beispielsweise ebenfalls verschweißt, verklebt oder verlötet. Alternativ ist das zweite Gehäuseteil ebenfalls als Röhrchen ausgestaltet und über die Membran wird noch ein Gehäusedeckel gelegt, so dass die Verbindungsstelle zwischen Membran und erstem Gehäuseteil abgedeckt ist.
Insbesondere aufgrund verbesserter technischer Möglichkeiten, Mikroschweißen und Mikrokleben anzuwenden, kann die Erfindung dazu verwendet werden, Miniaturmikrofone, für die es einen immer größeren Bedarf gibt, herzustellen.
Insbesondere wird durch die Erfindung erreicht, dass die Luftspaltbreite exakt eingehalten werden kann, da die Befestigung der Membran an dem Mikrofongehäuse an einer Stelle erfolgt, wo eine Klebe-, Schweiß- oder Lötschicht keinen Einfluss auf die Luftspaltbreite hat. Dort, d.h. auf der äußeren Mantelfläche des Röhrchens, ist überdies ausreichend Platz für die Befestigung der Membran vorhanden, ohne dass die schwingungsfähige Fläche der Membran reduziert werden müsste. Die Wandstärke des ersten und zweiten Gehäuseteils kann somit auch äußerst gering gewählt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons sind in den Unteransprüchen angegeben. Bevorzugt ist die Membran direkt mit der Außenseite des ersten Gehäuseteils verschweißt oder verklebt. Vorzugsweise wird Verkleben verwendet.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen der Außenseite des ersten Gehäuseteils und der Innenseite des zweiten Gehäuseteils ein Luftspalt vorgesehen ist. Dieser Luftspalt bietet ausreichend Platz, um die umgeklappte Membran dort an die Außenseite des ersten Gehäuseteils anzubringen, z.B. anzukleben. Auch wenn dabei die umgeklappte Membranschicht Falten bildet und sich somit beispielsweise unregelmäßige Erhebungen in diesem Bereich bilden, hat das keinen Einfluss auf die Luftspaltbreite zwischen Membran und Gegenelektrode bzw. Elektretschicht, und der Luftspalten zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil bietet auch ausreichend Platz dafür.
Die Luftspaltbreite ist ferner bevorzugt so dimensioniert, dass eine leitfähige Verbindung zwischen einer - im umgeklappten Teil der Membran - zur Innenseite des zweiten Gehäuseteils weisenden leitfähigen Schicht der Membran und der Innenseite des zweiten Gehäuseteils entsteht. Allerdings sollte die Luftspaltbreite so groß sein, dass sich die Membran ausreichend gut positionieren lässt und dass der umgeklappte Bereich der Membran nicht beschädigt wird. Alternativ kann die Luftspaltbreite auch so dimensioniert sein, dass der umgeklappte Bereich der Membran die Innenseite des zweiten Gehäuseteils nicht berührt. Eine leitfähige Verbindung zwischen Membran und Gehäuse wird dann an anderer Stelle hergestellt, beispielsweise zwischen einem Gehäusedeckel und der Membran an einer die Membran zwischen Gehäusedeckel und erstem Gehäuseteil einklemmenden Stelle.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gegenelektrode auf einer an dem Mikrofongehäuse befestigten ersten Platine oder auf einem an dem Mikrofongehäuse befestigten Isolierteil angeordnet ist.. Diese Platine dient somit als Träger für die Gegenelektrode und eine ggf. vorgesehene Elektretschicht. Die erste Platine wird bevorzugt ebenfalls mit dem Mikrofongehäuse direkt fest verbunden, vorzugsweise verklebt, verschweißt oder verlötet. Dann wird der Elektret aufgeladen. Erst danach wird die Membran an dem Mikrofongehäuse angebracht. Die erste Platine wird dabei so an dem Mikrofongehäuse angebracht, dass sich der gewünschte Luftspalt bildet.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass in dem Mikrofongehäuse eine zweite Platine mit einer Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung angebracht ist, die mittels elektrischer Verbindungsmittel mit der Gegenelektrode elektrisch verbunden ist. Diese Ausgestaltung ist herstellungstechnisch recht einfach, da zunächst die erste Platine mit der Gegenelektrode in dem ersten Gehäuseteil, dann die Membran und abschließend die zweite Platine in dem Mikrofongehäuse angebracht werden. Das erste Gehäuseteil kann dabei gleichzeitig die Funktion eines Distanzelements zur Einstellung des Abstands zwischen erster und zweiter Platine übernehmen, so dass ein gesondertes Distanzelement entfallen kann.
Die Gegenelektrode kann auch auf der Oberfläche der ersten Platine angeordnet sein.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass der Durchmesser der Gegenelektrode geringer ist als der Durchmesser der Membran. In diesem Fall kann die Platinenoberfläche, die nicht von der Gegenelektrode überdeckt ist, als Bezugsfläche zur Bemessung des Luftspaltes dienen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Isolierteil nicht in seinem vollständigen Umfangsbereich mit dem Mikrofongehäuse verbunden ist, so dass zwischen Rand des Isolierteils und Innenwand des Mikrofongehäuses mindestens ein zum Luftabfluss dienender Spalt gebildet ist. Dadurch wird die Schwingungsfähigkeit der Membran am äußeren Rand verbessert.
Bei bekannten Kondensatormikrofonen ist die Membran, die als Trägerschicht eine nicht-leitfähige Filmschicht, z.B. aus einem Kunststoffmaterial, aufweist, nur auf einer Seite der Trägerschicht mit einer leitfähigen Schicht, z.B. einer dünne Goldschicht, versehen. Die Membran ist dabei dann so in dem Kondensatormikrofon angeordnet, dass die leitfähige Schicht entweder der Gegenelektrode (mit ggf. darauf aufgebrachter Elektretschicht) gegenüber liegt, wie beispielsweise in der US 2002/0154790 offenbart ist, oder dass die leitfähige Schicht der Schalleinlassöffnung gegenüber liegt.
Bei der Ausgestaltung, bei der die leitfähige Schicht der Schalleinlassöffnung gegenüber liegt, ergibt sich jedoch als Nachteil, dass zwischen der Gegenelektrode (bzw. der Elektretschicht) und der leitfähigen Schicht der Membran die nicht-leitfähige Trägerschicht der Membran liegt, was einen Einfluss auf die sich zwischen leitfähiger Schicht der Membran und Gegenelektrode (bzw. Elektretschicht) bildende Kapazität und damit auf die akustischen Eigenschaften des Mikrofons hat. Ferner muss die leitfähige Schicht bei dieser Ausgestaltung irgendwie mit dem auf Bezugspotential liegenden Gehäuse leitend verbunden werden, was meist durch Ankleben an einem Gehäusering oder einem ringförmigen Vorsprung am Gehäusedeckel erfolgt, wobei sich der Kleber (der bei ausreichend guter Leitfähigkeit keine guten Klebeeigenschaften hat) dann ebenfalls nachteilig auf die Leitfähigkeit dieser Verbindung auswirkt.
Die erste Ausgestaltung, bei der die leitfähige Schicht der Gegenelektrode gegenüber liegt, hat häufig Kontaktprobleme. Es sind beispielsweise Ausgestaltungen bekannt, bei denen die Membran mit der nicht leitfähigen Trägerschicht auf einen Ring aufgeklebt ist. Um eine leitfähige Verbindung bei einer solchen Ausgestaltung zu schaffen, ist dann häufig eine seitliche (leitfähige) Lasche an der Membran vorgesehen, die umgeklappt und in Berührung mit dem Ring gebracht wird, um eine leitfähige Verbindung herzustellen. Es ist jedoch sehr aufwändig, derartige Laschen herzustellen und richtig zu positionieren.
Zur Beseitigung dieser Nachteile ist In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Membran beidseitig eine leitfähige Schicht aufweist. Somit kann bei der erfindungsgemäßen Verbindung, ggf. durch Verkleben, der Membran mit dem ersten Gehäuseteil, die ggf. durch Verkleben realisiert wird, eine von der mechanischen Verbindung unabhängige leitfähige Verbindung wenigstens einer der leitfähigen Schichten der Membran mit einem auf Bezugspotential liegenden Gehäuseteil erreicht werden. Beispielsweise kann Kleber nur in einem kleinen Bereich des umgeklappten Randes der Membran vorgesehen sein, so dass der restliche Randbereich der Membran die Außenseite des ersten Gehäuseteils direkt berührt. Ferner kann auch der Luftspalt zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil derart dimensioniert sein, dass der umgeklappte Rand der Membran die Innenseite des zweiten Gehäuseteils berührt, um dadurch eine leitfähige Verbindung zu schaffen.
Zwar bildet sich bei einer solchen Ausgestaltung der Membran zwischen den beiden leitfähigen Schichten eine zusätzliche Kapazität aus. Diese ist jedoch so groß gegenüber der für die Signalerzeugung bedeutsamen Kapazität zwischen Membran und Gegenelektrode bzw. Elektretschicht, dass sie keine Auswirkungen auf die akustischen Eigenschaften des Kondensatormikrofons hat.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: ein Schaltbild einer äquivalenten Signalschaltung eines Kondensatormikrofons,
Figur 2: ein Schaltbild einer äquivalenten Signalschaltung für thermisches Rauschen,
Figur 3: einen Querschnitt durch ein bekanntes Kondensatormikrofon,
Figur 4: einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines bekannten Kondensatormikrofons,
Figur 5: eine mögliche Ausgestaltung der Verbindung zwischen Membran und Mikrofongehäuse,
Figur 6: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines bekannten Kondensatormikrofons,
Figur 7: einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons,
Figur 8: einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Kondensatormikrofons, und
Figur 9: eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Isolierteil.

Einer der wichtigsten Parameter von Kondensatormikrofonen - Rauschabstand oder Ersatzschallpegel - ist vor allem von der Nutz- bzw. Streukapazität der Kapsel sowie der Eingangskapazität und den Rauscheigenschaften des Impedanzwandlers abhängig. Dies kann anhand von Figur 1 erläutert werden, in der das Schaltbild einer äquivalenten Signalschaltung eines Kondensatormikrofons gezeigt ist. Je kleiner die Nutzkapazität der Kapsel C_K im Vergleich zu der Summe aus der Streukapazität C_Str und der Eingangskapazität C_Ein ist, desto kleiner wird der Übertragungsfaktor K=U_S/E_S (E_S ist hier die Kapselempfindlichkeit im Leerlaufbetrieb, U_S ist das Ausgangssignal), und desto schlechter wird auch der Rauschabstand. Der Einfluss des Eingangswiederstandes auf K ist dabei vernachlässigbar klein, da die Bedingung $R ≫ \frac{1}{ω_{N} (C_{Str} + C_{Ein})}$

(ω_N = unterste Grenze des Arbeitsfrequenzbereiches) bei den Kondensatormikrofonen immer erfüllt werden soll.
Das Rauschen bei Kondensatormikrofonen setzt sich aus thermischem Rauschen des Eingangswiederstandes, molekularem Rauschen der Kapsel und Eigenrauschen des Impedanzwandlers zusammen. Bestimmend für den Rauschabstand des Mikrofons sind die ersten beiden Komponenten. Besonders hoch sind diese Komponenten bei Miniaturmikrofonen mit kleiner Fläche der Membran, da das molekulare Rauschen umgekehrt proportional ist zum Radius der Membran.
In Figur 2 ist ein Schaltbild einer Äquivalentschaltung für die Berechnung des thermischen Rauschens des Eingangswiederstandes dargestellt. Darin bezeichnen k die Boltzmannsche Konstante, T die Temperatur in Kelvin und Δf die Bandbreite in Hz. Dieser Schaltung lässt sich entnehmen, dass der Übertragungsfaktor $K_{R} = \frac{U_{R}}{e}$
(e ist hier das thermische Rauschen des Widerstandes) für die Rauschspannung U_R frequenzabhängig ist und mit kleiner werdenden Kapazitäten C_K, C_Str und C_Ein wächst.
Die oben angeführten Überlegungen zeigen, dass der hohe Rauschabstand bei Miniatur-Kondensatormikrofonen nur bei maximal möglicher freischwingender Membranfläche erreichbar ist.
Ein Querschnitt durch ein bekanntes Kondensatormikrofon, welches vielfach in identischer oder ähnlicher Weise produziert wird, ist in Figur 3 gezeigt. Innerhalb des mit einer Schalleinlassöffnung 11 versehenen Mikrofongehäuses 10 sind dort folgende Elemente vorgesehen: Ein Membranring 12, eine auf dem Membranring 12 aufgeklebte Membran 13, ein Abstandsring 14, eine Elektretfolie 15, eine damit verbundene Gegenelektrode 16, ein Kontaktring 17, ein Isolierteil 18, eine Platine 19 mit einer darauf angebrachten Schaltungsanordnung 20 (insbesondere einem IC) und mit Anschlusskontakten 21. Der Luftspalt 22 zwischen der Membran 13 und der Elektretfolie 15 bzw. der Gegenelektrode 16 wird dabei definiert durch den Abstandsring 14. Die einzelnen Elemente des Wandlers, also der Membranring 12 mit aufgeklebter Membran 13, der Abstandsring 14 usw. werden dabei einfach unter Anwendung der Stapeltechnologie aufeinander in das Mikrofongehäuse 10 gestapelt.
Eine solche Konstruktion weist jedoch eine Reihe wesentlicher Mängel auf, so dass ein solches Mikrofon sich nicht besonders als hochwertiges Mikrofon, insbesondere hochwertiges Miniaturmikrofon eignet. Insbesondere führt die Stapeltechnologie, wie eingangs bereits erläutert, zu relativ hohen Streuungen der elektroakustischen Parameter, was zu nicht unbeachtlichen Ausschüssen bei der Herstellung führt. Dies ist insbesondere bedingt durch die Unebenheit einzelner Bauteile, insbesondere deren Oberflächen. Ferner kann durch eine mechanische Verformung des Membranrings 12 beim Zusammenbau des Mikrofons die Steifigkeit der Membran 13 verändert werden, was ebenfalls Veränderungen der elektroakustischen Parameter verursacht.
Ferner besitzt ein solches Mikrofon eine hohe Streukapazität, was bei sehr kleiner effektiver Membranfläche zu deutlichen Verlusten in der Empfindlichkeit führt. Auch der Abstandsring kann aufgrund von Dicken Abweichungen oder eines oft vorhandenen Grats zu Abweichungen in dem vorgesehenen Wert des Luftspalts führen. Schließlich verringert die Anwendung des Membranrings 12 die Größe der schwingungsfähigen und effektiv nutzfähigen Membranfläche, oftmals um bis zu 50 %, weshalb das Mikrofon entweder insgesamt größer dimensioniert werden muss oder erhebliche Verluste im Dynamikbereich hingenommen werden müssen.
Bei der bekannten Elektretkapsel OB 22L der Firma Primo beträgt der Durchmesser der Kapsel 6 mm, der innere Durchmesser des Membranrings 3,7 mm, so dass als schwingungsfähige Membranfläche nur 38 % der Gesamtfläche der Membran genutzt werden können.
Eine weitere Ausgestaltung eines bekannten Kondensatormikrofons ist im Querschnitt in Figur 4 gezeigt. Das Mikrofongehäuse 10 besteht dabei aus zwei Teilen, nämlich einem ersten Gehäuseteil 101 und einem zweiten Gehäuseteil 102, die beide einen identischen Innendurchmesser aufweisen. Eine erste Platine 23, auf deren der Membran 13 zugewandten Oberfläche eine dünne Gegenelektrode 16 und die Elektretschicht 15 (ganzflächig oder partiell) aufgebracht sind, ist in dem ersten Gehäuseteil 101 so fixiert, dass die Elektretoberfläche und der Gehäuserand den gewünschten Luftspalt 22 zum Membran 13 hin bilden. Die Befestigung der ersten Platine 23 kann beispielsweise durch Mikroschweißen eines Kupferringes auf der Platine an Schweißpunkten 25 mit dem ersten Gehäuseteil 101 erfolgen. Ferner ist in der ersten Platine 23 eine Durchkontaktierung 24 zur galvanischen Verbindung der Gegenelektrode 16 mit dem Kontaktbereich 26 auf der Unterseite der ersten Platine 23 vorgesehen.
Im unteren Bereich des ersten Gehäuseteils 101 ist ferner die zweite Platine 19 mit der Schaltungsanordnung 20 und den Kontakten 21 fest an dem ersten Gehäuseteil 101 angebracht, vorzugsweise an Schweißpunkten bzw. Schweißnähten 27 mit dem ersten Gehäuseteil 101 verschweißt. Die Position dieser Platine 19 ist durch das dielektrische Distanzelement 18 bestimmt. Für den galvanischen Kontakt zwischen der Gegenelektrode 16 und der Schaltungsanordnung. 22 sorgt das Verbindungselement 17 zusammen mit dem Kontaktbereich 26 und der Durchkontaktierung 24. Das Verbindungselement 17 kann dabei beispielsweise als Kontaktfeder ausgeführt sein.
Die Membran 13 ist bei dieser Ausführungsform zwischen den beiden Gehäuseteilen 101, 102 angeordnet und an dem äußeren Rand mit den beiden Gehäuseteilen 101, 102 verschweißt (Schweißnaht 28). Dadurch sind auch die beiden Gehäuseteile 101, 102 miteinander verschweißt. Dazu wird zunächst in das erste Gehäuseteil 101 die erste Platine 23 mit der Gegenelektrode 16 und der Elektretschicht 15 eingebracht, so dass sich der gewünschte Luftspalt ergibt. Die erste Platine 23 wird dann an Schweißpunkten 25 mit dem ersten Gehäuseteil 101 verschweißt. Danach wird die Membran 13 auf den Rand des ersten Gehäuseteils 101 aufgelegt, das zweite Gehäuseteil 102 darüber gelegt und dann die Membran 13 mit den beiden Gehäuseteilen 101, 102 an den Schweißnähten 28 verschweißt. Schließlich werden dann das Distanzelement 18, das Verbindungselement 17 und die zweite Platine 19 in das erste Gehäuseteil 101 eingebracht und befestigt.
Außerdem ist die Totkapazität der Kapsel bei dieser Lösung äußerst klein, da ein bei den bekannten Kondensatormikrofonen vorhandener Membranring vollständig entfällt und die Gegenelektrode 16 eine äußerst geringe Dicke (d.h. keine seitliche Fläche) aufweist. Bevorzugt kann die Gegenelektrode 16 auch einen geringeren Durchmesser aufweisen als die Membran 13, wie dies bei der gezeigten Ausführungsform der Fall ist. Dies hat den Vorteil, dass der Peripheriebereich der Membran 13, der kaum an den Schwingungen beteiligt ist und als nur ungewünschte Totkapazität wirkt, kleiner ist. Berechnungen haben gezeigt, dass der Empfindlichkeitsgewinn dabei bis zu 2-3 dB betragen kann. Ferner kann dann der äußere Rand 29 der Oberfläche der Platine 23 als Bezugsfläche für die Bemessung des Luftspaltes dienen.
Eine abgewandelte Ausführungsform zur Befestigung der Membran zwischen den beiden Gehäuseteilen 101, 102 ist in Figur 5 angedeutet. Dort sind die einander zuweisenden Ränder der beiden Gehäuseteile 101, 102 als komplementäre Steckverbindung ausgestaltet, zwischen die der Rand der Membran 13 eingelegt und somit eingeklemmt wird, bevor am äußeren Rand die Verschweißung erfolgt. Die Steckverbindung kann dabei natürlich auch anders ausgestaltet sein, als es in Figur 5 gezeigt ist. Darüber hinaus kann die Membran auch direkt an der Innenseite des ersten Gehäuseteils 101 oder an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Gehäuseteilen 101, 102 angeschweißt sein.
Eine weitere Ausführungsform eines Kondensatormikrofons ist in Figur 6 gezeigt. Dabei besteht das Gehäuse 10 ebenfalls aus zwei Gehäuseteilen 103, 104, wobei das erste Gehäuseteil 103 als an beiden Enden offenes Röhrchen ausgestaltet ist und praktisch den ganzen Wandler enthält. Das zweite Gehäuseteil 104 dient im wesentlichen als Schutz- und Dekorativkappe und ist an der Schweißnaht 30 mit dem ersten Gehäuseteil 103 verschweißt. Dadurch wird die Schweißnaht 31 zur Befestigung der Membran 13 an dem ersten Gehäuseteil 103 abgedeckt.
Als weitere Besonderheit ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, dass die Membran 13 mittels eines Spannrings 32 in eine entsprechende Nut am Rand des ersten Gehäuseteils 103 eingeklemmt wird, bevor sie dort verschweißt wird. Insbesondere kann dadurch die Membran gespannt werden. Da die minimal notwendige Wandstärke der Gehäuseteile beim Mikroschweißen etwa 0,15-0,2 mm beträgt, ist der Flächenverlust auch bei dieser Ausführungsform mit außen über dem ersten Gehäuseteil 103 angebrachten zweiten Gehäuseteil 104 sehr klein.
Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons ist in Figur 7 gezeigt. Das Gehäuse besteht wiederum aus zwei Gehäuseteilen 105, 106, wobei das erste Gehäuseteil 105 ähnlich wie bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform als an beiden Enden offenes Röhrchen ausgestaltet ist und praktisch den ganzen Wandler enthält. Das zweite Gehäuseteil 106 ist als Gehäusehülse ausgestaltet und dient im wesentlichen als Schutz- und Dekorativverkleidung für das erste Gehäuseteil 105. Das zweite Gehäuseteil 106 weist am oberen und unteren Ende jeweils einen Bördelrand 37, 38 auf, der um die Platine 19 umgreift (Bördelrand 37) bzw. in oder um einen Gehäusedeckel 107 greift (Bördelrand 38), um das zweite Gehäuseteil 106 zu befestigen.
Die Membran 13 ist bei dieser Ausführungsform vorzugsweise mit dem ersten Gehäuseteil 105 in einem Klebebereich 39 verklebt. Dazu wird bevorzugt vor der Montage der Membran 13 in diesem Klebebereich 39 von außen auf das erste Gehäuseteil 105 Kleber aufgebracht. Die Membran 13 wird dann von oben auf die Öffnung des ersten Gehäuseteils 105 aufgelegt, zwischen Gehäusedeckel 107 und beispielsweise einer weiteren Hülse, deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des ersten Gehäuseteils 105, unter Spannung gebracht und dann umgeklappt, so dass die umgeklappten Ränder der Membran 13 in dem Klebebereich 39 mit der Außenseite des ersten Gehäuseteils 105 verklebt werden. Durch das zweite Gehäuseteil 106 wird dieser Klebebereich 39 dann verdeckt.
Alternativ kann dafür eine Vorrichtung verwendet werden, in der die Membran zwischen das erste Gehäuseteil und die Stirnseite eines Stiftes gespannt wird. Die Hülse sitzt erst auf dem Stift und wird zur Membranverklebung nach unten verschoben.
Bei der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform ist ferner über der Membran eine bekannte Schutzmembran 33 zum Schutz der Membran 13 vor Feuchtigkeit vorgesehen. Ferner liegt die Gegenelektrode 16 bei dieser Ausführungsform auf einem, beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Isolierteil 34 auf. In dem Isolierteil 34 ist im zentralen Bereich ein Verbindungsdraht 36 zur Leiterplatte 19 mittels eines Leitklebers 35 (oder mittels einer Druck-Kontaktfeder) befestigt.
Ein Distanzelement 17 wie bei den in Figur 4 und 6 gezeigten Ausführungsformen ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich, da das Gehäuse selbst die Funktion des Distanzelements übernimmt. Ferner können der Gehäusedeckel 107 und die Schutzmembran 33 auch als ein gemeinsames Bauelement ausgestaltet sein.
Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Lösung erreicht, dass der schwingungsfähige Bereich der Membranfläche im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser des Kondensatormikrofons sehr groß ist. Bei einem Innendurchmesser des ersten Gehäuseteils 105 (= Größe der schwingungsfähigen Membranfläche) von 2,8 mm, einem Außendurchmesser des ersten Gehäuseteils 105 von 3 mm, einer Luftspaltbreite des Luftspalts zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil 105 und 106 von 0,05 mm (was bei einer Membrandicke von ca. 0,002-0,003 mm ausreichend ist) und einer Wandstärke des zweitem Gehäuseteils 106 von 0,1 mm, ergibt sich ein Außendurchmesser des Kondensatormikrofons von 3,3 mm, so dass das genannte Flächenverhältnis bei (2,8 / 3,3)² = 0,85² = 0,72 und damit deutlich höher als bei den bekannten Kondensatormikrofonen liegt.
Zudem beeinflusst dort keinerlei Klebeschicht die Luftspaltbreite zwischen Membran 13 und Gegenelektrode 16 (bzw. darauf aufgebrachter Elektretschicht), die somit sehr genau eingestellt werden kann. Zur Verklebung kann auch soviel Platz auf der Außenseite des ersten Gehäuseteils beansprucht werden, wie nötig ist, da der dadurch beanspruchte Platz ja auch keinen Einfluss auf die Größe des schwingfähigen Bereich der Membran hat. Die Wandstärke des ersten Gehäuseteils 105 kann deshalb auch sehr dünn gewählt werden und es gibt keine Kontaktprobleme.
Bevorzugt wird das Isolierteil 34 derart in dem ersten Gehäuseteil 105 befestigt, dass an der Unterseite des Isolierteils in der ringsum laufenden Ecke zwischen Isolierteil 34 und erstem Gehäuseteil 105 ein Kleber, z.B. an vorbestimmten Klebestellen, eingebracht wird.
Die Membran 13 kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Auf einer nichtleitenden Trägerschicht ist entweder nur auf einer Seite (sowohl oben oder unten ist möglich) oder auf beiden Seiten eine leitfähige Schicht aufgebracht.
Wenn die leitfähige Schicht nur oben der Membran aufgebracht ist, wird die leitfähige Verbindung zum auf Bezugspotential liegenden Gehäuse mindestens an der Klemmstelle zwischen erstem Gehäuseteil und Gehäusedeckel 107 herstellt (nämlich mit dem Gehäusedeckel 107). Wenn ferner der Luftspalt zwischen erstem und zweitem Gehäuseteil 105, 106 sehr gering ist, kann der umgeklappte Rand der Membran mit seiner nach außen weisenden leitfähigen Schicht das zweite Gehäuseteil 106 berühren.
Wenn die leitfähige Schicht nur unten auf der Membran aufgebracht ist, wird die leitfähige Verbindung zum auf Bezugspotential liegenden Gehäuse beispielsweise dadurch herstellt, dass auf der Leiterplatte 19 ein Kontaktring vorgesehen ist, so dass die leitfähige Schicht der Membran über das erste Gehäuseteil 105 mit diesem Kontaktring, der mit dem zweiten Gehäuseteil 106 verbunden sein kann, elektrisch verbunden ist. Ferner kann bevorzugt nicht im gesamten Klebebereich 39 Kleber vorgesehen werden, so dass die nach innen weisende leitfähige Schicht des umgeklappten Randes der Membran zumindest in einem Teilbereich die Außenseite des ersten Gehäuseteils 105 direkt (ohne dazwischen liegendem Kleber) berührt.
Wenn die leitfähige Schicht sowohl oben als auch unten auf der Membran aufgebracht ist, sind die sämtliche oben beschriebenen Möglichkeiten verfügbar.
Eine weitere Ausführungsform eines Kondensatormikrofons ist in Figur 8 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Membran 13, wie bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform, zwischen die beiden Gehäuseteile 101 und 102 eingelegt und mit diesen an der Schweißnaht 28 verschweißt. Jedoch weist auch hier das erste Gehäuseteil 101 am unteren Rand einen Bördelrand 37 auf zur Befestigung des ersten Gehäuseteils 101. Das Gehäuse selbst übernimmt somit erneut die Funktion des Distanzelements, das erneut entfallen kann. Das Isolierteil 34 und die Gegenelektrode 16 sind bevorzugt als eine gemeinsame Baugruppe ausgestaltet, die auch in einem einzigen Verfahrensschritt montiert wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung eines Isolierteils 34 ist in Figur 9 gezeigt, in Figur 9A im Querschnitt und in Figur 9B in Draufsicht. Zu erkennen sind vier über den Umfang verteilte Durchgangsbohrungen 342 sowie eine zentrale Durchgangsbohrung 341, die zur Aufnahme des Leitklebers 35 vorgesehen ist. Zu erkennen ist ferner in Figur 9B, dass bei dieser Ausgestaltung das Isolierteil 34 keinen kreisrunden Außenumfang aufweist, sondern an mehreren Stellen Ausbuchtungen 343 aufweist. Diese Ausbuchtungen 343 dienen zur Befestigung und Zentrierung des Isolierteils innerhalb des Gehäuses. Zwischen diesen Ausbuchtungen liegt das Isolierteil 34 in den Bereichen 344 nicht direkt an der Innenwand des Gehäuses an, sondern es ergibt sich ein Spalt zwischen Isolierteil 34 und Gehäuse. Dieser Spalt verbessert die Schwingungsfähigkeit der Membran an deren Rand, da dadurch ein besserer Luftabfluss beim Schwingen der Membran in diesen Bereichen gewährleistet wird.
Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass das Mikrofongehäuse oder Teile des Mikrofongehäuses zur Befestigung der Membran benutzt werden, indem der Rand der Membran über den Rand eines ersten Gehäuseteils umgeklappt und dort auf der Außenseite befestigt wird. Die Anwendung eines üblicherweise verwendeten Membranrings, der die effektiv nutzbare Fläche der Membran verringert, oder anderer Befestigungselemente, die in einer Ebene mit der Membran liegen, wird somit überflüssig. Durch die Ereindung können Miniatur-Kondensatormikrofone gebaut werden, die einen hohen Rauschabstand bei verringertem Durchmesser und Gewinn bei den elektroakustischen Parametern aufweisen.

Claims

Kondensatormikrofon mit einem Mikrofongehäuse mit einer Schalleinlassöffnung, einer Membran und einer dieser Membran zugeordneten, in einem geringen Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode, wobei das Mikrofongehäuse zwei Gehäuseteile aufweist, von denen das zweite Gehäuseteil einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Gehäuseteil und das zweite Gehäuseteil als Kappe oder Hülse über dem ersten Gehäuseteil angeordnet ist und
wobei der Rand der Membran über den Rand des ersten Gehäuseteils umgeklappt und an der Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigt ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membran mit der Außenseite des ersten Gehäuseteils verschweißt oder verklebt ist.
Kondensatormikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenseite des ersten Gehäuseteils und der Innenseite des zweiten Gehäuseteils ein Luftspalt vorgesehen ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt so groß ist, dass der auf,die Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigte Rand der Membran die Innenseite des zweiten Gehäuseteils berührt.
Kondensatormikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der umgeklappte Rand der Membran durch das zweite Gehäuseteil verdeckt ist.
Kondensatormikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gehäuseteil als Hülse ausgestaltet ist und dass das Mikrofongehäuse ferner einen Gehäusedeckel aufweist, der die schwingungsfähige Membranfläche überdeckt.
Kondensatormikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode auf einer an dem Mikrofongehäuse befestigten ersten Platine oder auf einem an dem Mikrofongehäuse befestigten Isolierteil angeordnet ist.
Kondensatormikrofon nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikrofongehäuse eine zweite Platine mit einer Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung angebracht ist, die mittels elektrischer Verbindungsmittel mit der Gegenelektrode elektrisch verbunden ist.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Gegenelektrode geringer ist als der Durchmesser der Membran.
Kondensatormikrofon nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierteil nicht in seinem vollständigen Umfangsbereich mit dem Mikrofongehäuse verbunden ist, so dass zwischen Rand des Isolierteils und Innenwand des Mikrofongehäuses mindestens ein zum Luftabfluss dienender Spalt gebildet ist.
Kondensatormikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Membran beidseitig mit einer leitfähigen Schicht beschichtet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Kondensatormikrofons mit einem Mikrofongehäuse mit einer Schalleinlassöffnung, wobei das Mikrofongehäuse zwei Gehäuseteile aufweist, von denen das zweite Gehäuseteil einen größeren Durchmesser aufweist als das erste Gehäuseteil, mit den Schritten:
a) eine Gegenelektrode wird in dem ersten Gehäuseteil derart angeordnet, dass zwischen Oberseite der Gegenelektrode und Rand des ersten Gehäuseteils ein vorbestimmter Abstand in axialer Richtung besteht;

b) über den Rand des Gehäuseteils wird eine der Gegenelektrode zugeordnete Membran gelegt;

c) der Rand der Membran wird über den Rand des ersten Gehäuseteils umgeklappt;

d) der umgeklappte Rand wird an der Außenseite des ersten Gehäuseteils befestigt; und

e) das zweite Gehäuseteil wird als Kappe oder Hülse über dem ersten Gehäuseteil angeordnet.
Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Membran mittels einer Hülse umgeklappt wird, die einen geringfügig größeren Innendurchmesser aufweist als der Außendurchmesser des ersten Gehäuseteils.