NL9400923A - Transducent van een elektrostatische luidspreker en werkwijze voor het vervaardigen van een geisoleerde statorplaat van een dergelijke transducent. - Google Patents

Description

Korte Titel: Transducent van een elektrostatische luidspreker en werkwijze voor het vervaardigen van een geïsoleerde statorplaat van een dergelijke transducent

De uitvinding heeft betrekking op een transducent voor een elektrostatische luidspreker, bestaande uit een stator en een elektrisch geladen of op te laden folie of membraan, welk membraan over een omtrek met behulp van inspanmiddelen is ingeklemd, welke stator bestaat uit tenminste één elektrisch geleidende statorplaat, die op een afstand tegenover het membraan en evenwijdig met het membraan is geplaatst, welke statorplaat of -platen is aangesloten op een variabele spanningsbron.

Dergelijke transducenten zijn reeds lang bekend en worden toegepast in geluidsapparatuur voor geluidsweergave, alsmede in apparatuur voor medisch en materiaalkundig onderzoek met behulp van bijvoorbeeld echoscopie. Op het membraan bevindt zich een constante lading Q ten opzichte van de stator. Op de statorplaat wordt een spanning gezet, waarop een signaalspanning wordt gesuperponeerd. De verhouding tussen de lading Q en de spanning U is de capaciteit C van de condensator, hetgeen tot uitdrukking wordt gebracht in de formule Q = U x C. De lading Q wordt constant gehouden. Als de spanning U wordt gewijzigd zal daardoor de capaciteit C omgekeerd evenredig toe of af moeten nemen. De capaciteit C is omgekeerd evenredig met de afstand tussen het membraan en de statorplaat en wordt gewijzigd door de afstand tussen de stator en het membraan toe of af te laten nemen. Bij wisselende spanning zal het membraan dus in trilling worden gebracht en geluid voortbrengen.

Om een groot frequentie-bereik en een lineaire overdracht te verkrijgen wordt de stator in het algemeen uitgevoerd als een samenstel van twee statorplaten, die aan weerszijden van het membraan zijn geplaatst. Deze statorplaten zijn dan voorzien van openingen of perforaties om zo weinig mogelijk het door het membraan voortgebrachte geluid te dempen. Om doorslag te voorkomen zijn deze statorplaten voorzien van een isolatielaag. Op elk van beide statorplaten wordt een signaalspanning gesuperponeerd, waarbij het superponeren van de signaalspanning op de statorplaten tegenovergesteld ten opzichte van elkaar plaatsvindt, zodat het membraan steeds om beurten van beide statorplaten af beweegt. Een dergelijke constructie wordt ook wel een push-pull configuratie genoemd.

Om een grote akoestische output te verkrijgen met een hoge efficiëntie moet de capaciteit C en dus de verhouding tussen de voorspanning U en de lading Q hoog zijn, terwijl om vervorming van het geluid te voorkomen de transducent zelf relatief klein uitgevoerd dient te worden. Dit heeft tot gevolg, dat een dergelijke luidspreker slechts bij extreem hoge spanningen van ca 10.000 Volt kan functioneren. Omdat voor een goede werking de afstand tussen het membraan en de statorplaten meestal slechts ongeveer een millimeter is, is het gevaar van doorslag groot. Het membraan en de geleidende lagen in de statorplaten moeten daarom onderling zeer goed geïsoleerd zijn. Echter met de gebruikelijke isolatiematerialen treedt op den duur materi-aalveroudering op, waardoor het gevaar van doorslag aanzienlijk toeneemt met de leeftijd van de luidspreker.

Het membraan is bij de huidige elektrostatische luidsprekers veelal vervaardigd uit een folie High Density Polye-theen, HDPE, dat aan één zijde is bedekt met een laagje geleidend materiaal, zoals koolstof of goud.

Doordat het membraan aan de randen zit ingeklemd en aldaar de afstand tussen het membraan en de stator niet veranderd kan worden, zal ingevolge de formule Q = U x C ter plaatse de lading op het membraan naar de ingeklemde rand toe willen verschuiven. Doordat er meer lading aanwezig is nabij de ingeklemde randen is het gevaar van doorslag is nabij de randen groot.

Ladingsverschuivingen op het membraan veroorzaken vervorming van het weer te geven geluid en zijn daarom ongewenst. Hierom wordt meestal de elektrische geleidbaarheid van het membraan laag gehouden, zodat de ladingsverschuivingen tot een minimum beperkt blijven. Aan de ingeklemde randen van het membraan betekent dit echter ingevolge de formule Q = ü x C dat bij constante C en Q en een verhoogde spanning U de kans op doorslag ter plaatse verder wordt verhoogd. Ook zal aan de randen een grote trekkracht op het membraan komen te staan, waardoor trekspanningen in het materiaal aanzienlijk toenemen.

De uitvinding heeft als doel een transducent van het boven beschreven elektrostatische type, waarbij de kans op doorslag sterk is gereduceerd.

Dit doel wordt met de vinding bereikt, doordat de geleidende statorplaat of -platen een kleiner oppervlak heeft of hebben dan het membraan en dat het gedeelte van het membraan dat recht tegenover de geleidende statorplaat of -platen ligt, op een afstand ligt van de omtrek van de inklemming. Nabij de inspanmiddelen bestaat dan niet het gevaar dat, door een constante lading en een constante capaciteit, bij verhoogde spanning doorslag zou kunnen optreden. Het membraan kan over het gehele oppervlak van de statorplaat of -platen de afstand aanpassen aan de gewijzigde spanning, zodat de bovenbeschreven problemen zich niet of nauwelijks zullen voordoen. Gebleken is, dat met een transducent, die aldus is uitgevoerd, een doorslag-vastheid is te bereiken van ca. 20.000 Volt bij een afstand van 1 mm tussen het membraan en de stator.

Doordat het membraan met een zelfde amplitude uitwijkt bij een kleiner condensatoroppervlak neemt door deze ingreep de totale capaciteit van de luidspreker als geheel af bij gelijkblijvende akoestische output. De luidspreker is daardoor makkelijker aan te sturen en bijbehorende versterkers worden minder belast.

Bij voorkeur bedraagt de oppervlakte van elke geleidende statorplaat tussen de 70 en de 80 % van het door de omtrek van de inklemming ingesloten oppervlak. Gebleken is dat de bovengenoemde voordelen dan optimaal tot uiting komen. De capaciteitsverkleining van de luidspreker is dan ca. 30% bij gelijkblijvende akoestische output. Indien de oppervlakte van de geleidende statorplaat nog kleiner wordt gehouden ten opzichte van het membraan, dan kan het membraan niet meer optimaal worden aangestuurd en kunnen geluidsvervormingen optreden.

Bij voorkeur is de transducent zodanig uitgevoerd, dat ongeveer in het midden tussen de stator en het membraan één of meer afstandstukjes zijn geplaatst en dat de geleidende statorplaat rond de afstandstukjes een onderbreking omvat. Deze afstandstukjes dienen ervoor om te voorkomen, dat het membraan te ver doorbuigt en tegen één van de statorplaten aan blijft plakken. Omdat het risico van het blijven plakken hierdoor sterk wordt verminderd is het mogelijk een hogere elektrische lading aan te brengen op het membraan.

Om te voorkomen, dat het membraan op die punten niet door afstandvergroting de capaciteit kan verlagen bij veranderende spanning, is de geleidende statorplaat rond het afstandstuk uitgevoerd met een onderbreking. De isolerende laag die de geleidende statorplaat omhult kan bij deze onderbreking doorlopen.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van geïsoleerde statorplaten voor een als boven beschreven transducent. Gebruikelijk is om twee geleidende statorplaten te voorzien van een isolerende laag. Zoals reeds gesteld treedt na verloop van tijd mate-riaalveroudering op waardoor het gevaar van doorslag sterk wordt vergroot.

Overeenkomstig de uitvinding wordt het gevaar van doorslag sterk gereduceerd, doordat dat met behulp van multi-layer techniek een plaat wordt gemaakt, die is opgebouwd uit verschillende lagen isolerend materiaal en tenminste één laag geleidend materiaal, die volledig door de lagen isolerend materiaal wordt omhuld en die is voorzien van een patroon van gaten, en dat vervolgens materiaal van de plaat wordt verwijderd totdat de laag geleidend materiaal wordt omhuld door een laag isolerend materiaal met een gewenste dikte, en dat vervolgens ter plaatse van de gaten in de laag geleidend materiaal gaten worden aangebracht in de isolerende laag met een diameter, die kleiner is dan de diameter van de gaten in de geleidende laag, dat vervolgens aan één zijde op de rand van de plaat een verhoogde rand wordt aangebracht.

Deze reeds bestaande multi-layertechniek is in eerste instantie ontwikkeld met het oog op het verkrijgen van printplaten met een extreem hoge dichtheid van schakelingen. De printplaten bestaan uit lagen geleidend materiaal, waarin een patroon van verbindingen is uitgeëtst. De geleidende lagen worden omhuld door isolerend materiaal, meestal glasvezel versterkte epoxyhars.

Door bij het vervaardigen van'de statorplaat eerst uit te gaan van een plaat met meerdere lagen kan een relatief dikke en daardoor stijve plaat worden samengesteld, die niet gedurende het produktie-proces zal kromtrekken. De verhoogde randen op beide aldus vervaardigde statorplaten van een stator vormen in samenwerking met elkaar de af-standsring en klemmen tezamen het membraan vast. Door gebruik van epoxy-hars met glasvezelversterking wordt een extreem goede isolatie verkregen, waarbij de glasvezels bijdragen aan een zeer hoge doorslagspanning. Met deze werkwijze is op goedkope en beheersbare wijze een zeer goed geïsoleerde statorplaat te vervaardigen, waarbij de geleidende statorplaat een kleinere omtrek heeft dan de inklem-middelen, die als een afstandring op de uiterste randen van de isolerende laag van de statorplaat zijn aangebracht. Ook wordt de binnenomtrek van elk van de gaten in de geleidende laag volledig door het isolatiemateriaal omhuld.

De uitvinding zal nu nader worden verklaard aan de hand van de tekeningen. Hierin tonen:

Figuur 1 Schematische dwarsdoorsnede van een luidspre ker volgens de uitvinding;

Figuur 2 Vooraanzicht van een statorplaat van een luidspreker overeenkomstig figuur 1;

Figuur 3 Gedeeltelijke dwarsdoorsnede van een transdu- cent met een afstandsstukje.

In figuur 1 is in dwarsdoorsnede een transducent 1 van een luidspreker van het elektrostatische type weergegeven, die is opgebouwd uit een eerste statordeel 2 en een tweede statordeel 3. De beide statordelen 2, 3 zijn elk opgebouwd uit een geleidende statorplaat 4, die geheel wordt omhuld door een laag isolatiemateriaal 5. De beide statordelen 2, 3 zijn voorts voorzien van openingen 6 voor een minimale demping van het geluid door beide statordelen 2, 3. De openingen 6 in de statordelen 2, 3 lopen concentrisch door openingen 7 in de geleidende statorplaten 4. De openingen 7 hebben een grotere diameter dan de openingen 6 in de statordelen 2, 3, zodat de omtrek van de openingen 7 in de geleidende statorplaten 4 geheel wordt afgedekt door isolatiemateriaal. De beide statordelen 2, 3 zijn op elkaar aangebracht en worden daarbij op een afstand van elkaar gehouden door inspanmiddelen in de vorm van een afstands-ring 8. De afstandsring 8 is opgebouwd uit een verhoogde rand 9 van het eerste statordeel 2 en een verhoogde rand 10 van het tweede statordeel 3. De hoogte van de randen 9, 10 ligt in de orde van grootte van ca. een millimeter. De beide randen 9, 10 zijn op elkaar bevestigd. Tussen de randen 9, 10 is een folie of membraan 11 opgespannen. De afstand tussen de binnenomtrek van de randen 9, 10 en de buitenomtrek van de geleidende statorplaten 4 ligt tussen de 5 en de 30 mm. Bij deze afstanden wordt bij gelijkblijvende akoestische output een capaciteitsverkleining van ca. 30 % bereikt.

Op het membraan 11 is een elektrische lading aangebracht, die constant blijft. De geleidende statorplaten 4 zijn elk aangesloten op een spanningsbron. Het membraan 11 vormt met beide geleidende statorplaten 4 een condensator. Als op één van beide statorplaten 4 de spanning wordt verhoogd, dan zal ingevolge de formule Q = U x C bij gelijk blijvende lading de capaciteit omlaag gebracht moeten worden, zodat het membraan 11 van die statorplaat af zal bewegen. Doordat op beide statorplaten 4 steeds tegenovergesteld ten opzichte van elkaar de spanning wordt verhoogd, zal het membraan 11 heen en weer bewegen. Bij de juiste frequenties zal daardoor geluid worden voortgebracht.

De uiterste randen 12 van de geleidende statorplaten 4 bevinden zich op ruime afstand van de afstandsring 8. Hierdoor wordt voorkomen, dat plaatselijk het membraan 11 de afstand tot de geleidende statorplaat 4 niet zou kunnen vergroten, zodat het risico van doorslag aanzienlijk wordt verkleind.

Figuur 2 toont een vooraanzicht van een statordeel 2 of 3 overeenkomstig figuur 1. In het midden omvat de statordeel 2 een volledig in isolatiemateriaal ingebedde geleidende statorplaat 4, die via aansluitpunten 13 kan worden aangesloten op een spanningsbron. Op een zekere afstand vanaf de uiterste randen 12 van de geleidende statorplaat 4 omvat het statordeel 2 een verhoogde rand 9. Ongeveer in het midden omvat de geleidende statorplaat 4 onderbrekingen 14, waarop afstandstukjes kunnen worden aangebracht, die ongeveer even hoog zijn als de verhoogde rand 9 en die voorkomen, dat het membraan te ver doorbuigt en tegen het statordeel 2 aan gaat plakken. Ook het op het statordeel 2 aan te brengen tweede statordeel dient dan van dergelijke afstand-stukjes te worden voorzien op een overeenkomstige plaats. Het membraan wordt dan door de afstandstukjes plaatselijk ingeklemd. De omtrek van de afstandstukjes bevindt zich dan overeenkomstig de uitvinding op een afstand van de omtrek van de onderbreking 14 in de geleidende statorplaat 4.

Figuur 3 toont een gedeeltelijke dwarsdoorsnede van een transducent 1, voorzien van twee tegenover elkaar gelegen afstandstukjes 15. Deze afstandstukjes zijn vervaardigd van een goed isolerend materiaal en klemmen plaatselijk het membraan 11 vast. De afstandstukjes 15 zijn aangebracht ter plaatse van onderbrekingen 14 in de geleidende statorplaten 4. De omtrek 16 van de onderbrekingen 4 bevindt zich op enige afstand van de afstandstukjes 15, zodat het risico van doorslag ter plaatse van de inklemming door de afstand-blokjes 15 klein is.

Claims (4)

1. Transducent voor een elektrostatische luidspreker, bestaande uit een stator en een elektrisch geladen o£ op te laden folie of membraan, welk membraan over een omtrek met behulp van inspanmiddelen is ingeklemd, welke stator bestaat uit tenminste één elektrisch geleidende statorplaat, die op een afstand tegenover het membraan en evenwijdig met het membraan is geplaatst, welke statorplaat of -platen is aangesloten op een variabele spanningsbron met het kenmerk, dat de geleidende statorplaat of -platen een kleiner oppervlak heeft of hebben dan het membraan en dat het gedeelte van het membraan dat recht tegenover de geleidende statorplaat of -platen ligt, op een afstand ligt van de omtrek van de inklemming.

2. Transducent volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de oppervlakte van elke geleidende statorplaat tussen de 70 en de 80 % bedraagt van het door de omtrek van de inklemming ingesloten oppervlak.

3. Transducent volgens één van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat ongeveer in het midden tussen de stator en het membraan één of meer afstandstukjes zijn geplaatst en dat de geleidende statorplaat rond de βίε tandstukjes een onderbreking omvat.

4. Werkwijze voor het vervaardigen van statorplaten voor een transducent volgens één van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat met behulp van multi-layer techniek een plaat wordt gemaakt, die is opgebouwd uit verschillende lagen isolerend materiaal en tenminste één laag geleidend materiaal, die volledig door de lagen isolerend materiaal wordt omhuld en die is voorzien van een patroon van gaten, en dat vervolgens materiaal van de plaat wordt verwijderd totdat de laag geleidend materiaal wordt omhuld door een laag isolerend materiaal met een gewenste dikte, en dat vervolgens ter plaatse van de gaten in de laag geleidend materiaal gaten worden aangebracht in de isolerende laag met een diameter, die kleiner is dan de diameter van de gaten in de geleidende laag, dat vervolgens aan één zijde op de rand van de plaat een verhoogde rand wordt aangebracht.