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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensatormikrofon mit einer Mikrofongehäusekappe mit einer Schalleinlassöffnung, einem Mikrofongehäuse mit einer der Mikrofongehäusekappe zugewandten Querschnittsöffnung und einer auf der die Querschnittsöffnung umgebenden Stirnseite des Mikrofongehäuses über der Querschnittsöffnung aufliegenden Membran sowie 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.
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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 sehr aufwändig macht.
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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 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.
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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.
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Drittens hat der Abstandsring aus Kunststofffolie oft einen Grat. Dieser ist die Ursache dafür, dass der Luftspalt seinem nominellen Wert nicht mehr entspricht.
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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.
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Aus
DE 10 2004 024 729 A1 ist ein Kondensatormikrofon bekannt, bei dem die Membran direkt an dem Mikrofongehäuse befestigt ist, z. B. indem die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen mit identischem Durchmesser angeordnet ist und am äußeren Rand mit den Gehäuseteilen verschweißt ist oder indem der Rand der Membran über ein inneres Gehäuseteil geklappt wird und der umgeklappte Rand an dem inneren Gehäuseteil angeklebt wird oder mittels eines Ringes oder eines äußeren Gehäuseteils daran festgeklemmt wird. Gegenüber dieser Lösung kann die Ebenheit der Membran jedoch noch verbessert werden und auch der fertigungstechnische Aufwand sowie der Materialaufwand können noch reduziert werden.
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DE 10 2004 024 729 A1 zeigt ein Kondensatormikrofon mit einer Mikrofongehäusekappe, einem Mikrofongehäuse, einer Membran und einer Gegenelektrode. Die Membran weist eine elektrisch leitfähige Schicht auf.
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DD 72 035 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Ultraschallempfang mit einer Kappe, mit einer Schalleinlassöffnung, einem Gehäuse, einer Membran, einer Gegenelektrode und einer elektrisch leitfähigen Schicht auf der Membran.
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DE 1 939 130 A zeigt eine kapazitive Mikrofonkapsel mit einer Mikrofonkappe mit einer Schalleinlassöffnung, einem Mikrofongehäuse, eine Membran mit einer elektrisch leitfähigen Schicht und einer Gegenelektrode.
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EP 1 395 084 A2 zeigt ein Kondensatormikrofon mit einer Gehäusekappe, einer Membran und einer Gegenelektrode, wobei die Membran eine elektrisch leitfähige Schicht aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Kondensatormikrofon sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines solchen Kondensatormikrofons anzugeben, womit die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden sollen und bei dem gleichzeitig der fertigungstechnische Aufwand verringert wird und somit Kosten reduziert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kondensatormikrofon mit einer Mikrofongehäusekappe mit einer Schalleinlassöffnung, einem Mikrofongehäuse mit einer der Mikrofongehäusekappe zugewandten Stirnseite, die eine Querschnittsöffnung des Mikrofongehäuses umgibt, einer Membran mit einem ersten Abschnitt, der auf der Stirnseite aufliegt und einem zweiten Abschnitt, der über die Stirnseite nach außen hinaus ragt, und einer der Membran zugeordneten, in einem geringen Abstand zu der Membran angeordneten Gegenelektrode, gelöst.
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Eine Unterseite des zweiten Abschnitts der Membran ist mit dem Mikrofongehäuse verklebt. Die Membran weist eine elektrisch leitfähige Schicht auf, die die Stirnseite des Mikrofongehäuses elektrisch kontaktiert. Das Mikrofongehäuse weist an der Stirnseite auf der Außenseite des Mikrofongehäuses eine Fase auf und die Membran in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der durch die Fase gebildeten Außenseite des Mikrofongehäuses mit dem Mikrofongehäuse verklebt.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch solches Verkleben, sogenanntes Mikrokleben, der Membran mit dem Mikrofongehäuse zum einen 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.
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Zum anderen kann mit dieser Anordnung eine größere Ebenheit der Membran erreicht werden, da keine Verklebung der Membran auf der Stirnseite des Mikrofongehäuses erfolgt. Außerdem sind die Verluste der schwingungsfähigen Membranfläche äußerst gering (z. B. 0,2 mm im Durchmesser), da die Klebefläche sehr klein ist. Gleichzeitig können Kosten durch geringeren Materialaufwand und Zeitaufwand reduziert werden, da die Membran keinen umklappbaren Rand aufweisen muss und die Befestigung leichter vorzunehmen ist. Ferner werden bei der Herstellung des Mikrofons thermische Verformungen, wie sie beim Verschweißen der Membran auftreten, vermieden. Beim UV-Kleben werden außerdem bessere Belichtungsbedingungen, z. B. kürzere Belichtungszeiten, ermöglicht.
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Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons sind in den Unteransprüchen angegeben. Bevorzugt ist die Membran nur in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der Außenseite des Mikrofongehäuses mit dem Mikrofongehäuse verklebt. Dadurch wird eine besonders material- und kostensparende Verklebung realisiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Mikrofongehäuse an der Stirnseite auf der Außenseite des Mikrofongehäuses eine Fase auf und die Membran ist in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der durch die Fase gebildeten Außenseite des Mikrofongehäuses mit dem Mikrofongehäuse verklebt. Dies hat den Vorteil, dass die Membran einen geringeren Durchmesser aufweisen kann und nicht über die Außenseite des Mikrofongehäuses hinausragen muss. Außerdem ist das Klebemittel auf diese Weise sparsamer einsetzbar, da der Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der durch die Fase gebildeten Außenseite des Mikrofongehäuses kleiner ist als ohne die Fase. Vorzugsweise beträgt der Winkel zischen der durch die Fase gebildeten Außenseite und der Stirnseite des Mikrofongehäuses zwischen 15° und 45°. Die radiale Breite der Verklebung liegt vorzugsweise in einem Bereich von 30 μm bis 100 μm.
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Um sicherzustellen, dass die Membran zuverlässig mit dem Mikrofongehäuse kontaktiert und eine höhere Ebenheit aufweist, ist vorzugsweise zwischen der Stirnseite des Mikrofongehäuses und der Membran oder einer mindestens teilweise auf der Membran angebrachten elektrisch leitfähigen Beschichtung kein Klebemittel angeordnet.
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Bevorzugt ist die Unterseite der Membran mit der Außenseite des Mikrofongehäuses mittels eines hochflüssigen Klebemittels, z. B. eines einkomponentigen lösungsmittelfreien UV-härtenden Klebestoffs auf Acrylatbasis, mit dem Mikrofongehäuse verklebt.
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In einem bevorzugten Verfahren wird zum Verkleben der Membran mit dem Mikrofongehäuse nur in einem Punkt in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran und der Außenseite des Mikrofongehäuses Klebemittel aufgetragen, und das Klebemittel verteilt sich anschließend von selbst in dem Winkelbereich. Auf diese Weise kann das Kondensatormikrofon mit geringerem Zeitaufwand hergestellt werden.
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Ferner ist bevorzugt, dass der Innendurchmesser der Mikrofongehäusekappe und/oder einer Abschlusskappe größer ist als der Außendurchmesser des Mikrofongehäuses und die Mikrofongehäusekappe über dem Mikrofongehäuse angeordnet ist. So kann die Mikrofongehäusekappe und/oder die Abschlusskappe leicht durch Aufstecken mit dem Mikrofongehäuse verbunden werden. Dabei weist das Mikrofongehäuse vorzugsweise auf seinem Außenumfang konzentrisch angeordnete Stege, beispielsweise Lamellen, auf. Diese verhindern, dass die einmal aufgesteckte Mikrofongehäusekappe und/oder Abschlusskappe leicht vom Mikrofongehäuse zu lösen ist. Die Stege können dabei unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen, z. B. einen rechteckigen oder dreieckigen Querschnitt, und in unterschiedlichen Bereichen auf dem Außenumfang angebracht sein, z. B. meänderförmig oder schraublinien-/gewindeförmig.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass an dem Mikrofongehäuse eine Leiterplatte mit einer Schaltungsanordnung zur Signalverarbeitung angebracht ist, die zur Gegenelektrode beabstandet angeordnet ist und mittels elektrischer Verbindungsmittel mit der Gegenelektrode elektrisch verbunden ist, wobei der Abstand der Leiterplatte zur Gegenelektrode durch das Mikrofongehäuse selbst definiert wird. Diese Ausgestaltung hat vor allem fertigungstechnische Vorteile.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein die Gegenelektrode tragendes Isolierteil vorgesehen ist, das 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.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons,
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2 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt durch die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons,
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3 einen Ausschnitt aus dem Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons und
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4 eine schematische Darstellung eines Verschlussmechanismus von Mikrofongehäusekappe und/oder Abschlusskappe mit Mikrofongehäuse.
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Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kondensatormikrofons ist in 1 gezeigt. Das Kondensatormikrofon umfasst ein Mikrofongehäuse 10, eine Mikrofongehäusekappe 12 sowie eine Abschlusskappe 14. Das Mikrofongehäuse 10 ist als ein an beiden Enden offenes Röhrchen ausgestaltet und enthält praktisch den ganzen Wandler.
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Die Mikrofongehäusekappe 12 und die Abschlusskappe 14 sind jeweils als eine Art Hülse ausgestaltet und dienen im wesentlichen als Schutz- und Dekorativverkleidung für das Mikrofongehäuse 10. Die Mikrofongehäusekappe 12 und die Abschlusskappe 14 weisen jeweils einen Innendurchmesser auf, der größer ist als der Außendurchmesser des Mikrofongehäuses 10, so dass Mikrofongehäusekappe 12 und Abschlusskappe 14 jeweils über eine Querschnittsöffnung des Mikrofongehäuses 10 gesteckt werden können.
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Die Mikrofongehäusekappe 12 weist Schalleintrittsöffnungen 16 auf. Innerhalb der Mikrofongehäusekappe 12 ist hinter den Schalleintrittsöffnungen 16 eine akustisch durchlässige Schutzgaze 18 angeordnet. Der Innendurchmesser der Mikrofongehäusekappe 12 weist einen Absatz auf, so dass der Innendurchmesser nahe den Schalleintrittsöffnungen 16 geringer ist als der von den Schalleintrittsöffnungen 16 entfernte Innendurchmesser. Nur der von den Schalleintrittsöffnungen 16 entfernte Innendurchmesser ist größer als der Außendurchmesser des Mikrofongehäuses 10, so dass die Mikrofongehäusekappe 12 mit dem Absatz auf einer auf dem Mikrofongehäuse 10 angebrachten Membran 24 aufliegt.
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Die Abschlusskappe 14 weist eine Bodenöffnung 20 auf. Auf der Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses 10, die die Querschnittsöffnung umgibt, die der Mikrofongehäusekappe 12 zugewandt ist, liegt die beidseitig elektrisch leitfähig beschichtete Membran 24 auf. Die Beschichtung der Membran 24 kontaktiert das Membrangehäuse 10. Die Stirnseite 25 weist auf der Außenseite 27 des Mikrofongehäuses 10 eine die Außenseite 27 bildende Fase 26 (ersichtlich aus 2) auf. Die Fase 26 weist z. B. in dieser Ausführungsform einen Winkel von 45° zur Stirnseite 25 auf. In der Fase 26 ist ein Klebemittel 28 angeordnet, das die Unterseite der Membran 24 mit der Außenseite 27 des Mikrofongehäuses 10 verklebt.
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Um die Membran 24 derart an dem Mikrofongehäuse 10 zu befestigen wird zunächst die vorgespannte Membran 24 auf die Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses 10, die die Querschnittsöffnung umgibt, die der Mikrofongehäusekappe 12 zugewandt ist, gelegt. Anschließend wird zwischen der Unterseite der Membran 24 und der Außenseite 27 des Mikrofongehäuses 10 Klebemittel 28 nur in einem Punkt aufgetragen, welches sich dann von selbst in der Fase 26 auf dem Umfang verteilt. Der überstehende Rand der Membran 24 wird abgeschnitten und der gegebenenfalls verbleibende überstehende Teil wird durch das Aufstecken der Mikrofongehäusekappe 12 leicht umgebogen, so dass sich ein Kontakt zwischen der Beschichtung der Membran 24, z. B. aus Gold, und der Innenseite der Mikrofongehäusekappe 12 ergibt.
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In dem Mikrofongehäuse 10 ist ein beispielsweise aus Kunststoff bestehendes Isolierteil 30 angeordnet. In dieser ersten Ausführungsform weist das Isolierteil 30 an seiner der Membran 24 abgewandten Seite eine Fase 32 auf, in der Klebemittel 28 angeordnet ist, so dass das Isolierteil 30 mit der Innenseite des Mikrofongehäuses 10 verklebt ist.
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Eine Gegenelektrode 34 ist auf der der Membran 24 zugewandten Seite des Isolierteils 30 angeordnet und mit diesem mittels Klebemittels 28, das in einer auf dem Isolierteil 30 angeordneten Nut 36 angeordnet ist, mit diesem verklebt. Auf der der Membran 24 zugewandten Seite der Gegenelektrode 24 ist eine Elektretschicht 38 mit geringem Abstand zur Membran angeordnet.
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Beispielsweise wird bei der Herstellung des Kondensatormikrofons zunächst die Gegenelektrode 34 (mit Elektretschicht 38) in dem Mikrofongehäuse 10 so angebracht, dass sich ein Luftspalt, definiert als Abstand zwischen Stirnseite des Mikrofongehäuses und Gegenelektrodenoberfläche, der gewünschten Größe, zumeist in der Größenordnung 20 bis 30 μm, ergibt. Danach wird die Membran 24 auf die Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses 10 aufgelegt. Anschließend wird die Membran wie oben beschrieben mit dem Mikrofongehäuse verklebt.
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An der Querschnittsöffnung des Membrangehäuses 10, die der Abschlusskappe 14 zugewandt ist, ist eine Leiterplatte 40 so angeordnet, dass sie an der zweiten Stirnseite 41 des Mikrofongehäuses 10 isoliert anliegt. Die Leiterplatte 40 ist auf ihrer der Abschlusskappe 14 zugewandten Seite mit einem äußeren Kupferring 50 und einer inneren Kupferfläche 22 versehen. Über den äußeren Kupferring 50 kontaktiert die Leiterplatte 40 die Abschlusskappe 14. Auf der dem Membrangehäuse 10 zugewandten Seite weist die Leiterplatte ebenfalls eine ringförmige Kupferbeschichtung 46 auf.
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Innerhalb des Mikrofongehäuses 10 erstreckt sich von der Gegenelektrode 34 bis zur ringförmigen Kupferbeschichtung 46 auf der Leiterplatte 40 ein Verbindungselement 42, das bspw. als Kontaktfeder ausgestaltet sein kann. Auf dem der Leiterplatte 40 nahen Teil des Verbindungselementes 42 ist eine Schaltungsanordnung 44, z. B. eine Integralschaltung, angebracht.
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Ein Distanzelement zur Wahrung des Abstands zwischen der Leiterplatte und der Gegenelektrode ist bei dieser Ausführungsform nicht erforderlich, da das Gehäuse selbst die Funktion des Distanzelements übernimmt. Alternativ können jedoch auch separate Distanzelemente zum Einsatz kommen.
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In einer alternativen Ausführungsform weist die Stirnseite 25 des Mikrofongehäuses keine Fase auf, sondern das Klebemittel 28 ist, wie aus 3 ersichtlich, in dem Winkelbereich zwischen der Unterseite der Membran 24 und der Außenseite 27 des Mikrofongehäuses 10 angebracht. Der überstehende Rand der Membran 24 wird wiederum abgeschnitten und der verbleibende überstehende Teil von z. B. 200 μm Breite wird durch das Aufstecken der Mikrofongehäusekappe 12 leicht umgebogen, so dass sich ein Kontakt zwischen Membran 24 und Mikrofongehäusekappe 12 ergibt. In dieser Ausführungsform ist der Spalt zwischen Mikrofongehäuse 10 und Mikrofongehäusekappe 12 dementsprechend ein wenig größer.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Mikrofongehäusekappe einen einheitlichen Innendurchmesser aufweist, also nicht auf der auf dem Mikrofongehäuse angebrachten Membran aufliegt, und z. B. das Mikrofongehäuse einen Absatz als Abstandshalter aufweist, auf dem die aufgesteckte Mikrofongehäusekappe aufsitzt.
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In einer weiteren alternativen Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das die Gegenelektrode tragende 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.
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4 zeigt eine mögliche Verbindung von Mikrofongehäusekappe 12 und/oder Abschlusskappe 14 mit dem Mikrofongehäuse 10. Dabei weist das Mikrofongehäuse 10 auf seinem Außenumfang Stege 48 auf, hier in Form von Lamellen mit dreieckigem Querschnitt. Diese können beispielsweise eine Breite von 20–30 μm und eine Tiefe bis zu 50 μm aufweisen. Wenn Mikrofongehäusekappe 12 und/oder Abschlusskappe 14 auf das Mikrofongehäuse 10 gesteckt werden, wird auf die Lamellen ein leichter Druck ausgeübt, und es ist nur sehr schwer möglich, Mikrofongehäusekappe 12 und/oder Abschlusskappe 14 wieder vom Mikrofongehäuse 10 zu lösen.
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Erfindungsgemäß wird somit vorgeschlagen, dass die Membran an ihrer Unterseite mit dem Mikrofongehäuse an seiner Außenseite in einem Winkelbereich verklebt wird. Die Anwendung eines üblicherweise verwendeten Membranrings, der die effektiv nutzbare Fläche der Membran verringert, wird somit überflüssig. Ebenso wird ein Umklappen und Einklemmen der Membranfläche überflüssig. Außerdem kann gegenüber dem Stand der Technik die Ebenheit der Membranfläche weiter erhöht werden und können die Verluste schwingungsfähiger Membranfläche weiter verringert werden. Durch die Erfindung können Miniatur-Kondensatormikrofone mit noch geringerem Zeit- und Materialaufwand gebaut werden, die dabei eine höhere Qualität aufweisen. Die Erfindung weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass die Ausschusskosten gesenkt werden können, da die einzelnen Baugruppen geprüft werden können, bevor sie endgültig montiert werden.