DE1437486B2

DE1437486B2 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE1437486B2
Application number: DE19631437486
Authority: DE
Inventors: Gerhard Martin Murray Hill West James Edward Plainfield NJ Sessler (V St A )
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1961-08-07
Filing date: 1963-04-30
Publication date: 1971-05-19
Also published as: GB1033001A; DE1437486A1; US3118022A

Description

I 4ÖO

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler auf elektrostatischer Grundlage mit einer als Schwingmembran ausgebildeten Elektrode und wenigstens einer Gegenelektrode, bei dem im Luftspalt zwischen Membranelektrode und Gegenelektrode eine Mehrzahl dünner, aus dielektrischem Material bestehender, unter Einschluß unregelmäßig verteilter Lufttaschen dicht übereinandergeschichteter Folien als schwingungsfähiges Dielektrikum angeordnet sind, nach Patent 1 190 040.

Das Hauptpatent geht aus von einem elektrostatischen Wandler, bei dem eine als Membran dienende, dünne flexible Schicht aus leitendem Material am Umfange gegenüber einer im wesentlichen ebenen Oberfläche einer leitenden Hinterplatte zur Bildung eines gleichförmigen Luftspaltes angeordnet ist, elektrische Anschlüsse an der Membran und der Hinterplatte vorgesehen sind und im Luftspalt ein diesen teilweise auffüllendes Dielektrikum angeordnet ist. Es löst die Aufgabe auch bei großen Schwingungsamplituden, Berührungen zwischen der Membran und der Hinterplatte und die dadurch entstehenden harmonischen Verzerrungen zweiter und höherer Ordnung unter gleichzeitiger Erzielung eines höheren Wirkungsgrades und einer höheren Empfindlichkeit des Wandlers zu verhindern. Mit Hilfe der dielektrischen Hilfs- oder Zwischenschichten ist der Luftspalt zwischen der äußeren leitenden Schicht und der Hinterplatte durch eine Vielzahl von Zwischenluftspalten von sehr unregelmäßiger Form ersetzt, so daß große Signalchwankungen, die gewöhnlich für eine unmittelbare Berührung der äußeren metallisierten Schicht mit der Hinterplatte ausreichen, lediglich eine Berührung zwischen zwei benachbarten Schichten, jedoch nicht eine feste Berührung von vorn nach hinten bewirken können, da die Hilfsschichten, die für die verschiedenen Luftspalte verantwortlich sind, im wesentlichen nicht zusammendrückbar und doch nachgiebig sind.

Es ist bereits ein aus Membran, festem Dielektrikum und Gegenelektrode aufgebautes elektrostatisches Mikrofon mit auf der Gegenelektrode aufliegendem folienförmigen Dielektrikum aus einem Polyphenylchlorid oder einem ähnlichen Kunststoff mit etwa gleichen isolierenden und dielektrischen Eigenschaften bekannt, bei dem auf dem lose aufliegenden Dielektrikum auch die schwingungsfähige Elektrode ungespannt lose aufliegt und das ohne äußere Gleichvorspannung betrieben wird (deutsche Patentschrift 864 696).

Bei einem anderen bekannten elektroakustischen Wandler (französische Patentschrift 994 075) ist eine einschichtige Membran vorgesehen, die elektrostatisch aufladbar ist und die zwischen zwei Metallplatten angeordnet ist.

Auch die Verwendung eines Elektrets in Form einer unbeweglichen Scheibe in elektrostatischen Wandlern ist bereits bekannt (britische Patentschrift 438 672), jedoch besteht dort die verwendete Membran lediglich aus einer einzigen Schicht.

Alle diese bekannten elektroakustischen Wandler mit einschichtigen Membranen weisen aber die Nachteile auf, die zu beseitigen schon mit zur Aufgabe des Hauptpatentes gehörte.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines ohne äußere Vorspannungsquelle betreibbaren, verzerrungsarmen und darüber hinaus noch robusten Wandlers hoher Empfindlichkeit der eingangs genannten Art.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Folien aus vorpolarisiertem Elektretmaterial bestehen und die Membranelektrode zwischen den Folien liegt.

Ein solcher Wandler vereinigt in sich die vorteilhaftesten Merkmale und entspricht praktisch den Idealvorstellungen sowohl hinsichtlich seiner Empfindlichkeit als auch hinsichtlich seines Wirkungsgrades. Auch die Fertigung ist verhältnismäßig einfach. Außerdem läßt sich der erfindungsgemäße Wandler ohne äußere Gleichvorspannungsquelle im Gegentakt betreiben, so daß er auch hinsichtlich des elektrischen Schaltungsaufwandes besonders vorteilhaft ist.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Verwendung einer Mehrzahl von Elektretschichten die Polarisation gleichmäßiger ist, weil sich zufällige Schwankungen derselben in den einzelnen Schichten ausgleichen. Darüber hinaus ist die Polarisation stärker und beständiger als bei einem einschichtigen Elektretkörper vergleichbarer Gesamtdicke, der überdies zur Einfrierung eines vergleichbaren Polarisationsgrades wesentlich höhere Spannungen, d. h. einen ungleich höheren Aufwand bei der Herstellung erfordert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die leitenden Elektroden mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Löchern perforiert und in gegenseitigem Abstand voneinander gehalten sind, wobei sich die Löcher beider Elektroden annähernd fluchtend gegenüberliegen.

Eine Schaltung mit einer Wechselstrom-Signalquelle für den erfindungsgemäßen Wandler ist dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstromsignale der einen Polarität der einen leitenden Elektrode und die Signale der entgegengesetzten Polarität der anderen leitenden Elektrode zugeführt werden, und daß der dünne leitende Film der Membran auf einem Signal-Nullpunkt zwischen dem ersten und dem entgegengesetzten Signal-Potential gehalten ist.

An Hand der Zeichnungen wird nun im folgenden die Erfindung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen auseinandergenommenen Kondensator-Kopfhörer,

Fig. 2 einen zusammengebauten Kondensator-Kopfhörer im Querschnitt,

F i g. 3 in stark vergrößertem Maßstab einen Teilquerschnitt der Membranschichten und der Elektroden,

F i g. 4 ein Schaltschema.

Bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Kondensator-Kopfhörer bildet die Membran 10 das schwingende Element des Wandlers. Die Membran 10 besteht aus einer Anzahl von einzelnen Schichten, die von vorpolarisierten, dünnen Folien aus dielektrischem Material gebildet sind und aus einer Anzahl von leitenden Schichten, die dazwischen angeordnet sind. Vorzugsweise sind zwei der dünnen Folien jeweils auf der einen Seite z. B. mit einer dünnen Aluminiumschicht metallisiert. Es genügt jedoch, wenn nur eine metallisierte Folie vorhanden ist. Es wurde festgestellt, daß dünne Filme aus plastischem Material, z. B. Polyäthylenterephthalat, das handelsüblich als Mylar bekannt ist, ausreichend sind. Die metallisierten MyI arschichten werden mit den Folien zusammen-

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gebaut, wobei zwei zusätzliche nicht metallisierte elektrisch mit einem Klemmstück 24 verbunden wer-Mylarschichten auf jeder Seite der metallisierten den, das auf dem isolierenden Ring 23 angebracht ist, Schichten angeordnet werden, die die Membran ver- und zwar mit Hilfe einer Verlängerung oder eines vollständigen. Wie später beschrieben wird, werden Fortsatzes 27 der Membran eines isolierten Leiters die verschiedenen Schichten durch Adhäsion mitein- 5 od. dgl., der um die Außenfläche des Klemmrings 11 ander verbunden. Die gesamte so gebildete Membran- gewickelt ist.

schicht ist somit polarisiert, d. h., sie zeigt eine per- Der gesamte Aufbau wird vorzugsweise in ein

manente elektrostatische Ladung. Außengehäuse 19 eingeschlossen, das aus einem ge-

Die Membran 10 wird am Umfang durch zwei eigneten plastischen Material besteht und an seiner Klemmteile oder Ringe 11 und 12 gehalten. Diese io Vorderfläche mit einem Flansch od. dgl. versehen ist, können aus Aluminium bestehen. In der Praxis ist im um den Klemmring 12 (und den gesamten Aufbau) Ring 11 ein konvexer Vorsprung 13 ausgebildet, der zu halten. Ferner kann das Gehäuse 19 an seinem in eine entsprechende konkave Rille 14 im Klemm- hinteren Teil mit einem Innengewinde versehen sein, ring 12 paßt. Diese Anordnung hat sich als hin- um einen Haltering 28 aufzunehmen. Der Haltering reichend erwiesen, um eine ausreichend hohe mecha- 15 28 hält den gesamten Aufbau in seiner Lage, indem nische Spannung für die verschiedenen Schichten der er ihn gegen den Vorderflansch des Gehäuses 19 Membran zu liefern. Der Rand der Membran wird drückt.

somit in einem straffen glatten Zustand gehalten. Es F i g. 3 zeigt einen vergrößerten Schnitt durch die

können auf Wunsch selbstverständlich besser aus- beiden perforierten Scheiben 15 und 16 und die vielgebildete Befestigungsmittel verwendet werden. Die 20 schichtige vorpolarisierte Membran 10. In der Dar-Klemmringe 11 und 12 halten ferner die Halteringe stellung sind vier polarisierte Schichten aus dünnem 25 und 26, welche die leitenden Platten 15 und 16 dielektrischem Material angegeben. Dünne Filme gegen die Membran drücken. Bei diesem Aufbau ist (0,006 mm) aus Mylar sind ausreichend. Die inneren die Spannung der Membran unabhängig von der Lage Schichten 101 und 102 sind an ihren "gegenüberder anderen Elemente des Übertragers. 25 liegenden Oberflächen mit dünnen Schichten aus

Die Elemente 15 und 16 bestehen vorzugsweise aus leitendem Material, vorzugsweise Aluminium, überMetall, z. B. aus Messingscheiben. Bei dem dar- zogen. Eine geeignete metallisierte Folie ist handelsgestellten Übertrager haben sie einen Durchmesser üblich erhältlich. Die äußeren Schichten 105 und 106 von etwa 36 mm und eine Dicke von etwa 1 mm. sind nicht metallisiert. In der Praxis werden die ver-Jede Platte ist mit einer Vielzahl von kleinen Löchern 30 schiedenen Schichten zusammengebaut, indem sie so perforiert, wobei die beiden Scheiben so angeordnet dicht wie möglich zusammengebracht werden, um sind, daß die Löcher der beiden Platten in einer Linie das Einschließen von großen Luftblasen zu vermeiliegen. In der Praxis hat sich ergeben, daß etwa den. Unter normalen Herstellungsbedingungen wer-200 Löcher ausreichen, die jeweils einen Durchmesser den ohne spezielle Anstrengungen dennoch sehr kleine von etwa weniger als 1 mm aufweisen. Dies entspricht 35 Luftblasen zwischen den angrenzenden Folien eineiner leitenden Platte mit einer offenen Fläche von geschlossen. Dies ist durch die immer vorhandenen etwa 10 bis 15%. Die Größe und die Anzahl der Unregelmäßigkeiten der verschiedenen Oberflächen Löcher, d. h. das Verhältnis der offenen zur geschlos- bedingt. Somit werden zwischen den einzelnen Schichsenen Fläche kann geändert werden, um den Um- ten der Membran und zwischen den äußeren Filmen Wandlungswirkungsgrad zu ändern und in gewissem 40 und den angrenzenden leitenden Platten unregelmäßig Maße die Erzeugung von Verzerrungs-Komponenten geformte Luftschichten gebildet. Tatsächlich ist der höherer Ordnung zu begrenzen. In den Klemmringen gewöhnlich ausgebildete einzige Spalt zwischen der 11 und 12 sind Vorkehrungen getroffen, um zu ver- leitenden Membranschicht und den festen Platten hindern, daß die perforierten Platten 15 und 16 sich durch eine Vielzahl von Luftspalten ersetzt. Die Gedrehen, wenn sie einmal ausgerichtet sind. Für diesen 45 samtdicke dieser Luftspalte ist gleichmäßiger als die Zweck können (nicht dargestellte) Keile od. dgl. be- Dicke einer einzigen Schicht, so daß Punkte vermienutzt werden. den werden, wo die Membran unter dem Einfluß von

Der Abstand der Halteringe 25 und 26 und damit großen Signalausschlägen die festen Platten berührt, der beiden perforierten Scheiben 15 und 16 wird Hierdurch entsteht ein höherer Wirkungsgrad und durch zwei Stellringe 17 und 18 geregelt, die in die 50 eine geringere Verzerrung.

Innenfläche der Klemmringe 11 und 12 eingeschraubt Die verschiedenen Schichten der Membran 101,

sind. Die zur genauen Ausrichtung der axialen Lage 102,105 und 106 erhalten eine permanente elektroder Scheiben notwendige Rückstellkraft wird durch statische Ladung, d. h., sie werden polarisiert, und zwei elastische Teile 20 und 21 geliefert, die in Nuten zwar vorzugsweise vor ihrem Zusammenbau zu einer zwischen den Klemmringen 11 und 12 und den Halte- 55 einheitlichen Membrananordnung, indem sie in einem ringen 25 und 26 angeordnet sind. Gummiringe haben Spalt zwischen zwei Elektroden einem hohen elektrisich als zufriedenstellend erwiesen. sehen Feld ausgesetzt werden. Es wurde festgestellt,

Die verschiedenen Elemente des Übertragers wer- daß zufriedenstellende Elektret-Folien dadurch herden unabhängig voneinander erregt. So kann die per- gestellt werden können, daß die Elektroden in einem forierte Scheibe 15 über die am Klemmring 11 an- 60 Abstand von etwa 3 mm angeordnet werden und daß gebrachte Klemme 22 mit einer äußeren Schaltung eine Gleichspannung von etwa 3500 Volt angewandt verbunden werden. In gleicher Weise kann ein elek- wird. Wenn diese Spannung an die Elektroden antrischer Anschluß zur perforierten Scheibe 16 mit gelegt und die Folie zwischen den Platten angeordnet Hilfe eines Drahts hergestellt werden, der die Scheibe wird, wird die Folientemperatur auf etwa 120° C 16 mit einem Klemmstück 29 verbindet, das an einem 65 (Formierungs-Temperatur) erhöht und etwa 15 Minuan der Oberfläche des Klemmrings 11 befestigten ten lang konstant gehalten. Während die angelegte isolierenden Ring 23 angebracht ist. Die Mitteischich- Spannung konstant gehalten wird, wird die Temperaten der Membran 10 aus metallischer Folie können tür dann allmählich auf Raumtemperatur erniedrigt.

Als Ergebnis erhält der Film eine Polarisation, die dem Äquivalent von etwa 200 Volt einer von außen angelegten Gleichspannung entspricht. Wenn auch in bezug auf den exakten Mechanismus der elektrostatischen Polarisation von dielektrischen Materialien verschiedene Theorien bestehen, so kann man doch annehmen, daß der Mechanismus der Polarisation in der Bildung einer ionischen Raumladung innerhalb des Dielektrikums bei der Formierungs-Temperatur besteht. Diese Polarisation wird eingefroren, wenn die Raumtemperatur wiederhergestellt wird. Die Rückbildungszeit der Polarisation ist sehr groß. Für eine Mylar-Folie von 0,006 mm wurden Lebensdauern in der Größenordnung von mehreren hundert Jahren extrapoliert. In der Praxis haben in der oben beschriebenen Weise hergestellte Folien nach Monaten der Verwendung keine merkbare Verschlechterung gezeigt.

Wenn auch der Gegentakt-Ubertrager der Erfindung allein dadurch erregt werden kann, daß Signalspannungen mit entgegengesetzter Polarität an die festen Übertrager-Elemente 15 und 16 angelegt werden und daß die leitende Membran auf einem Potential gehalten wird, das symmetrisch zwischen den beiden Signalspannungen liegt, so hat man doch festgestellt, daß Hersttellungsabweichungen u. dgl. dadurch kompensiert werden können, daß der Übertrager in einer symmetrischen Schaltung erregt wird. Eine geeignete Anordnung ist in F i g. 4 dargestellt. Eine Wechselstrom-Signalenergie, die z.B. von der Programm-Signalquelle 40 ausgeht, wird mit Hilfe des Transformators 41 den festen leitenden Elektroden 15 und 16 des Übertragers in der üblichen Gegentakt-Anordnung zugeführt. Die leitende Membran 10 ist mit dem elektrischen Mittelpunkt oder Signal-Nullpunkt des symmetrischen Systems mit Hilfe von Ausgleichsimpedanzen, z. B. der Kondensatoren 42 und 43 verbunden. Selbstverständlich können auch andere Impedanz-Elemente zum Ausgleich der mechanischen Asymmetrie des Systems und zur ausreichenden Versorgung der Membran 10 benutzt werden. Die genauen Werte der Impedanzen hängen selbstverständlich von dem jeweiligen Aufbau ab und können von Einheit zu Einheit sich ändern. Bei der dargestellten Anordnung hat man festgestellt, daß Kapazitätwerte in der Größenordnung von 0,002 ± 0,005 Mikrofarad zur Erzielung des gewünschten Grades an Symmetrie ausreichend sind. Bei einer Signalspannung an den Ubertragerklemmen von etwa 36 Volt ist ein Ausgangsschalldruck von 100 db SPL typisch. Bei einem angelegten Signal von 12VoIt wurde ein Pegel von 90 db SPL erzielt. Wegen des sehr hohen ohmschen Widerstandes des Übertragers in der Größenordnung von Megohm ist der Leitungsverbrauch außerordentlich niedrig, in der Größenordnung von 0,1 Milliwatt. Weiterhin hat sich die Frequenzkurve bei einer typischen Einheit als im wesentlichen flach innerhalb 3 db von 30 bis 11 000 Hz erwiesen. Es wurde eine außerordentlich niedrige harmonische Verzerrung beobachtet, wobei die Impulswiedergabe hervorragend ist. Weiterhin ist die Stabilität des Systems verhältnismäßig gut, nachdem die anfängliche Oberflächen-Ladung der Folie verschwunden ist. Dies geschieht normalerweise auf natürlichem Wege und ohne zusätzliche Arbeitsgänge innerhalb weniger Tage nach der Polarisation.

Dem Fachmann wird es ohne weiteres einleuchten, daß das oben an Hand eines elektrostatischen Kopfhörers beschriebene Prinzip in gleicher Weise auf andere Ubertragerelemente anwendbar ist. Zum Bei-

. spiel kann allein dadurch, daß die körperliche Größe der Vorder- und Gegenplatten und der vielschichtigen Elektret-Magnet heraufgesetzt und der Übertrager in geeigneter Weise in einer Schallwand angeordnet wird, in einem großen Frequenzband gearbeitet werden, so daß die Einrichtung als Lautsprecher benutzt werden kann. Bei der geschlossenen Kopplung, die im allgemeinen mit dem Betrieb als Kopfhörer verbunden ist, läßt sich jedoch eine beträchtlich bessere Wiedergabe bei niedrigeren Frequenzen erzielen. Infolgedessen ist bei der Anwendung im freien Feld ein Betrieb als Hochtonlautsprecher zu erwarten. Ferner kann der Mechanismus zur Halterung'der verschiedenen aktiven Elemente innerhalb des Umfangs der Erfindung wesentlich geändert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler auf elektrostatischer Grundlage mit einer als Schwingmembran ausgebildeten Elektrode und wenigstens einer Gegenelektrode, bei dem im Luftspalt zwischen Membranelektrode und Gegenelektrode eine Mehrzahl dünner, aus dielektrischem Material bestehender, unter Einschluß unregelmäßig verteilter Lufttaschen dicht übereinander geschichteter Folien als schwingungsfähiges Dielektrikum angeordnet sind, nach Patent 1190 040, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien aus vorpolarisiertem Elektretmaterial bestehen und die Membranelektrode zwischen den Folien liegt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Halteteile mit einer Vielzahl von im Abstand angeordneten Löchern perforiert sind und daß Mittel vorgesehen sind, um diese Teile im Abstand zu halten, wobei die Löcher zueinander ungefähr in einer Linie liegen.

3. Schaltung für den Wandler nach Anspruch 1, bestehend aus einer Wechselstromsignalquelle, dadurch gekennzeichnet, daß erste Mittel vorgesehen sind, um die Wechselstromsignale mit einer ersten Polarität an eines der leitenden Halteteile anzulegen und Signale der entgegengesetzten Polarität an das andere der leitenden Halteteile, ferner zweite Mittel, die mit den ersten Mitteln so zusammengeschaltet sind, daß der dünne leitende Film auf einem Signal-Nullpunkt zwischen dem ersten und dem entgegengesetzten Signal-Potential gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen