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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, der auf dem Kondensatorprinzip be- ruht, mit einer im wesentlichen starren Elektrode und mit einer als Membrane ausgebildeten flexib- len Elektrode und gegebenenfalls mit einem Resonatorvorsatz.
Derartige Wandler bestehen prinzipiell aus einer starren Elektrode und einer in geringem Ab- stand von ihr gespannt gehaltenen flexiblen Elektrode, die, bei Verwendung des Wandlers als Mikrofon, von den auftreffenden Schallwellen in Schwingungen versetzt wird, wodurch sich die Kapazität des durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensators ändert, was, entsprechend umgesetzt und verstärkt, den Wandler vervollständigt. Die starre Elektrode ist zumeist mit Öffnun- gen versehen, um die Ausbildung einer Druckkammer zwischen der Membrane und der Elektrode zu vermeiden und so die Akustik beeinflussbar zu machen.
Die flexible Elektrode kann dabei aus Kunststoff bestehen und mit einem elektrisch leitfähigen Material, gegebenenfalls Gold, beschichtet sein, die starre Elektrode kann, je nach Art der La- dungsaufbringung, aus leitendem oder isolierendem Material mit aufgebrachten Ladungsträgern oder einer elektrisch leitenden Beschichtung oder Schichte bestehen. Die Kontaktierung kann auf vielfältige Weise erfolgen und ist nicht Bestandteil der Erfindung.
Bei solchen Wandlern ist es möglich, entweder eine externe Spannung anzulegen ("echtes Kondensatorprinzip") oder Ladungsträger auf einer der Elektroden permanent aufzubringen ("Elektretprinzip"). Beeinflussen lässt sich die Empfindlichkeit eines solchen Wandlers durch Ände- rung des Abstandes der Elektroden und/oder durch Änderung der anliegenden Spannung (beim Elektretprinzip durch Änderung der Ladung). Dabei führt eine Erhöhung der Spannung bzw. eine Annäherung der Elektroden (in ihrer Ruhelage) zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit (bei Ver- wendung als Mikrophon zu definieren als Verhältnis der Ausgangsspannung zum Schalldruck).
Solche Wandler arbeiten an sich zufriedenstellend und haben gegenüber den elektrodynami- schen Wandlern, bei denen die Membrane eine Spule trägt, manche Vorteile : die extrem geringe Masse der Membrane, die die flexible Elektrode bildet, können sie auch sehr hochfrequen- te Schallwellen umwandeln.
Ein derartiger Wandler ist beispielsweise aus der WO 82/00745 A1 bekannt. Um die ge- wünschte Akustik zu erhalten und doch auf die Löcher in der Elektrode verzichten zu können, wird diese nur an einzelnen Stellen ihres Umfanges durch Pratzen gehalten. Ausserdem ist sie mit einer konkaven und/oder konvexen Kontur zur Membrane hin versehen, warum ist nicht ausgeführt.
Aus der SU 1 784 111 A3 ist ein Hydrophon, ein Unterwassermikrophon, bekannt, bei dem die Membrane nicht ein gespannt gehaltenes aber an sich schlaffes Häutchen ist, sondern ein kuppel- artiges Gebilde mit merklicher Wandstärke, das seine Form selbständig aufrecht erhält. Dieses Gebilde ist in einem Gehäuse angeordnet und berührt mit seinem Scheitel die Frontkappe und mit seiner Peripherie eine Art Kontaktring, der auch die starre Elektrode trägt. Die Frontkappe kann auf das Gehäuse in unterschiedlichem Mass aufgeschraubt werden, wodurch die Membrane elastisch deformiert wird und so ihren mittleren Abstand zur Elektrode ändert. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit und die Wandlercharakteristik verändert werden.
Ein anderer Wandler ist aus der US 4,796,725 A bekannt : Druckschrift beschreibt einen Lautsprecher mit einer zur Membrane hin konvexen Elektrode und einer zwischen der Elektrode und der metallischen Membrane angeordneten Kunststoffhaut. Die Elektrode weist dabei Löcher und Vertiefungen in spezieller Anordnung auf, um den Wirkungsgrad der Energieumwandlung zu erhöhen.
Diese Wandler weisen aber auch Nachteile auf, die hauptsächlich auf die Begrenzung der Empfindlichkeit bzw. der Spannung, beim Elektretprinzip der aufbringbaren Ladung, und auf die Einhaltung eines Mindestabstandes der Elektroden zueinander zurückgehen, da durch diese Aufladung ein Anziehungseffekt zwischen den Elektroden induziert wird, der dazu führen kann, dass, insbesondere bei grösseren Ausschlägen der Membrane, diese so nahe an die starre Elekt- rode kommt, dass die Anziehungskräfte die elastischen Rückstellkräfte übersteigen und die Memb- rane sich über einen kleineren oder grösseren Bereich dauerhaft an der starren Elektrode anlegt, wodurch natürlich das Schwingungsverhalten im restlichen Bereich völlig unvorhersehbar wird und die Wandlercharakteristik undefiniert und damit unbrauchbar wird.
Da nun die Erhöhung der anliegenden Spannung auf die Wandlercharakteristik einen sehr po- sitiven Einfluss hat, da dadurch die Empfindlichkeit erhöht bzw. das Ausgangssignal bei ansonsten gleichen Wandlerparametern stärker wird, bemüht man sich hier darum, mit der anliegenden
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Spannung so hoch zu gehen, wie es nur irgend vertretbar erscheint, bzw. den Abstand der paralle- len Elektroden zu verringern, was natürlich dazu führt, dass wesentlich öfter als es dem Benutzer lieb ist, Probleme mit dem Anheften der Membrane auftreten.
Der Frequenzgang derartiger Wandler, insbesondere derartiger Elektretmikrofone, wird sehr wesentlich von einem Resonatorvorsatz und dessen Randbegrenzung beeinflusst. Der Resonator- vorsatz liegt parallel zu den beiden Elektroden und besteht im allgemeinen aus einer Folie, die deutlich stärker ist als die Membrane und weist Öffnungen auf, um den Schalldurchgang zu ermög- lichen und gleichzeitig zu beeinflussen. Dieser Resonatorvorsatz wird in der Kapsel des Wandlers (Wandlergehäuse) durch einen Ring gehalten, dessen Höhe ebenfalls die Wandlercharakteristik beeinflusst.
Im Zuge von Versuchen zur Erhöhung der Kapsel-Empfindlichkeit wurde nun gefunden, dass diese dadurch wesentlich erhöht werden kann, dass bei üblicher, etwa kreisförmiger Ausbildung der Elektroden im Bereich ihres Zentrums der Abstand von Elektrode zu Elektrode geringer ist als in ihrem Randbereich, sodass die beiden Elektroden nicht mehr parallel zueinander liegen und dass die Membrane kegel- oder kegelstumpfförmig deformiert ist. Diese Ausbildung löst auf überraschende Weise die genannten Probleme. Dabei kann die starre Elektrode eben oder gekrümmt ausgebildet sein und die Membrane kann elastisch, teilplastisch oder plastisch deformiert sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Zentrumsbereich der starren Elektrode ein zumin- dest im wesentlichen kreisförmiger Vorsprung, gegebenenfalls einstückig, ausgebildet, an dem die flexible Elektrode anliegt, beispielsweise angeklebt ist. Im Falle eines Elektretmikrofons ist dieser Zentrumsbereich bevorzugt frei von Ladungsträgern.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist im Zentrumsbereich des Resonatorvorsatzes ein zur Membran hin gerichteter, zumindest im wesentlichen kreisförmiger Vorsprung, gegebenen- falls einstückig, ausgebildet. Auch in diesem Fall kann die Membrane an diesen Vorsprung ange- klebt sein, um sicherzustellen, dass sie nicht zur starren Elektrode gezogen wird und dort unter dem Einfluss der gegennamigen Ladungen anklebt.
Durch diese Massnahme der Annäherung der Elektroden im Bereich der Membranenmitte (Zentrumsbereich) ist es tatsächlich unerwarteterweise möglich, die Kapsel-Empfindlichkeit deut- lich zu erhöhen, ohne dass es zum unerwünschten Ankleben der flexiblen Elektrode an der starren Elektrode kommt. Als völlig überraschenden Effekt wurde gefunden, dass eine Anhebung der Cha- rakteristik im Bassbereich auftritt, sodass die Linearität des Wandlers weiter in den Bassbereich reicht als bei Wandlern gemäss dem Stand der Technik.
Bevorzugt wird in der ersten Variante der Erfindung die flexible Elektrode (Membrane) auf den Vorsprung angedrückt, dies wiederum bevorzugt durch einen Nippel, der in der Mitte des Resona- torvorsatzes angebracht oder vorgesehen ist und der die flexible Elektrode unter elastischer Deformation des Resonatorvorsatzes gegen den Vorsprung presst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, die aus einer einzigen Figur besteht, näher erläutert. Dabei zeigt diese Figur einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemässen Wandlers.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichneter, auf dem Kondensatorprinzip beruhender, elektroakustischer Wandler ein Gehäuse 5 auf, in dem eine starre Elektrode 8 und, mittels eines Distanzringes 6 im Abstand von ihr, eine beschichtete, vorge- spannte Membrane 7, die als Gegenelektrode dient, mittels eines Membranringes 1 gehalten wird.
Frontseitig der Membran 7 ist ein Resonatorvorsatz 4 angeordnet, der von einem Haltering 2 gehalten und im dargestellten Ausführungsbeispiel durch umbördeln des Randes des Gehäuses 5 fixiert wird.
Erfindungsgemäss weist nun die starre Elektrode 8 in ihrem zentralen Bereich einen im wesent- lichen kreiszylindrischen Vorsprung 9 auf, an den die Membrane 7 mittels eines Nippels 3 ange- presst wird. Der Anpressdruck rührt aus der elastischen Deformation des Resonatorvorsatzes 4, an dem der Nippel 3 durch Einstecken eines Vorsprungs in eine zentrale Öffnung des Resonatorvor- satzes befestigt ist.
Bei einer üblichen Höhe des Distanzringes 6 zwischen den beiden Elektroden von etwa 60 um ist es völlig ausreichend, dem kreiszylinderförmigen Vorsprung 9 eine Höhe von etwa 20 um zu geben, um die Kapsel-Empfindlichkeit um 3 dB (Dezibel) erhöhen zu können und dennoch das Ankleben der Membrane 7 auf der starren Elektrode 8 zuverlässig zu vermeiden.
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Wenn der elektroakustische Wandler nach dem Elektretprinzip arbeitet und dabei die starre Elektrode die Ladungen trägt, so bleibt der kreiszylinderförmige Vorsprung 9 bevorzugt ungeladen, es reichen aber die Ladungsträger bis unmittelbar an den Vorsprung heran. Wenn die Membrane 7 die Ladungen trägt, so ist es vorteilhaft, den am Vorsprung 9 anliegenden Bereich der Membrane ladungsfrei zu lassen.
Aus der Figur sind auch Öffnungen in der starren Elektrode 8 ersichtlich, die verhindern, dass die Membrane 7 gegen einen Luftpolster zu schwingen hat, während die Durchbrechungen im Resonatorvorsatz nicht dargestellt sind. Da es sich dabei jeweils um Elemente des Standes der Technik handelt, scheint eine weitere Erläuterung dieser Details in der Beschreibung nicht notwen- dig.
Als Materialien können alle gemäss dem Stand der Technik bei der Herstellung elektroakusti- scher Wandler nach dem Kondensatorprinzip verwendeten Materialien verwendet werden, der Nippel 3 kann aus Kunststoff, beispielsweise aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere), bestehen. Die Kontaktierung der Elektroden wird durch die Erfindung nicht beeinflusst und bedarf daher an dieser Stelle keiner Erläuterung.
Die in der schematischen Figur gezeigten Abmessungen bzw. Relationen sind nicht als mass- stäblich anzusehen, als günstig hat sich aber herausgestellt, dass der Nippel 3 einen merklich grösseren (bevorzugt um zumindest 10 %, besonders bevorzugt um zumindest 20 %) Durchmesser aufweist als der Vorsprung 9 und dass seine äusseren Ränder merklich abgerundet (Rundungsra- dius bevorzugt zumindest gleich 1 mm) sind, was beim Vorsprung 9 nicht von Bedeutung ist. Der Vorsprung 9 (mit einem typischen Durchmesser von 5 bis 15 % des freien Elektrodendurchmes- sers) wiederum soll zylindrische oder zumindest nahezu zylindrische Mantelfläche aufweisen, um so sicherzustellen, dass die Membrane 7 schon knapp radial ausserhalb der Stirnfläche des Vor- sprunges 9 relativ grossen Abstand zur starren Elektrode 8 aufweist.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann ver- schiedentlich abgewandelt werden. So kann der Abstandhalter zwischen der Membrane 7 und dem Resonatorvorsatz 4 anders ausgebildet (z. Bsp. ringförmig) sein und anders befestigt, z. Bsp. ange- klebt, sein. Es kann auch die Membrane 7 direkt auf den Vorsprung 9 geklebt oder mit ihm ver- schweisst (Ultraschallschweissen) sein. Dabei ist es möglich, auf der dem Vorsprung abgewandten Seite der Membrane ein Verstärkungsplättchen bzw. einen Verstärkungsring aufzubringen. Übli- cherweise werden die Elektroden und der Resonatorvorsatz zumindest im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein, doch sind für Spezialanwendungen auch Abweichungen von der Kreisform denk- bar.
Es ist möglich, die Abweichung von der parallelen Anordnung der Elektroden durch entspre- chende Ausgestaltung der zur Membrane gerichteten Oberfläche der starren Elektrode zu verstär- ken oder auch abzuschwächen und so die Wandlerkennlinie weiter zu beeinflussen und an die jeweiligen Anforderungen anzupassen. Es ist ebenso möglich, die Membrane so zu deformieren, dass sie zumindest teilweise plastisch deformiert wird, wodurch ebenfalls die Wandlerkennlinie beeinflusst werden kann.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Elektroakustischer Wandler nach dem Kondensatorprinzip, mit einer im wesentlichen star- ren Elektrode (8) und mit einer als Membrane (7) ausgebildeten flexiblen Elektrode und gegebenenfalls mit einem Resonatorvorsatz (4), dadurch gekennzeichnet, dass im Zent- rumsbereich der Elektroden (7; 8) der Abstand zwischen der Membrane (7) und der star- ren Elektrode (8) geringer ist als in deren Randbereich und dass die Membrane (7) kegel- oder kegelstumpfförmig deformiert ist.