DE2320811A1 - Elektrostatischer wandler - Google Patents

Description

Patentanwalt

D;p!.-b:3-

D-8023 Müdhsn - ."uüach '

Wiener^-. 2.ϊ.Κώ.;:.7ί50570,79ΐ1732

v.I.Ata - D.B. 3OL München-Pullaeh, den 19. April 1973;

AMALGAMATED WIRELESS (AUSTRALIA) LIMITED, eine Gesellschaft j nach den Gesetzen der Provinz Ken-Süd-Wales, Commonwealth Australien, 47 York Street, Sydney, Feu-Süd-Wales, Australien

Elektrostatischer Wandler

Die Erfindung "betrifft elektrostatische Wandler des sogenannten Gegentakttyps. Diese Vorrichtungen konvertieren mechanische Energie in elektrische Energie und umgekehrt, was durch Modulation der in einem elektrostatischen PeId gespeicherten Energie erfolgt. Bei herkömmlichen Vorrichtungen der Vorliegenden Art wird das Feld mit Hilfe von einer äußeren Stromversorgung mit hoher Spannung erzeugt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Erregung der Gegentaktklasse elektrostatischer Wandler mit Hilfe von Ferrodielektrika.

Das grundlegende Konzept existierender gegentakt-elektrostatischer Wandler ist gut bekannt. Gleichartige und entgegengesetzte elektrische Felder werden auf einer von zwei Seiten einer flexiblen Membran aufgebaut, und zwar durch Zuführung einer hohen Gleichspannung, die zwischen der Membran und festen Platten angelegt wird, die auf jeder Seite der Membran angeordnet sind. Ein Wechselspannungssignal wird (im Falle einer Ton- oder Klangerzeugung) den zwei festen Platten mit Hilfe eines mittenangezapften Transformators zugeführt. Die dabei resultierende und auf die Membran wirkende Kraft bewirkt eine Bewegung und führt zu einer akustischen Atisgangsgröße.

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ORIGINAL

Ss ist Ziel der vorliegenden Erfindung, gegentakt-elektroakustische Wandler mit verbesserter Form zu schaffen, bei denen die Erregung durch, ein oder mehrere Ferrodielektrika (electrets) "vorgesehen wird, und es ist ebenso Ziel, eine neue Form eines j gegentakt-elektrostatischen Wandlers einer asymmetrischen Kon- i struktion zu schaffen, bei welcher die Erregung ebenfalls durch j ein oder mehrere Ferroelektrika vorgesehen wird.

Der gegentakt-elektrostatische Wandler besteht ans einer bewegbaren Membran, die nahe einem elektrischen Feld angeordnet ist, und zwar zwischen zwei festen Elektroden. Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß das elektrische Feld durch wenigstens ein Ferrodielektrikum (eledtret) erzeugt wird.

Der gegentakt-elektrostatische Wandler mit der beweglichen Membran, die also nahe einem elektrischen Feld zwischen zwei festen Elektroden angeordnet ist, besteht gemäß einer weiteren^ Ausgestaltung darin, daß das elektrische Feld an irgendeinem Punkt der Membran nur zwischen der Membran bei diesem Punkt und der dorthin zeigenden und befestigten Elektrode vorhanden ist und durch wenigstens ein Ferrodielektrikum erzeugt wird.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung. Es zeigt:

Fig.-1 a eine Darstellung zur Betrachtung des statischen Gleichgewichtes einer leitenden Folie zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Platten»

Fig. 1 b eine einseitige Vorrichtung ausgehend von Fig. 1 a;

Fig. 2 a und 2 b eine Anordnung entsprechend zweier Be-'

triebsmöglichkeiten der gegentakt-elektrostatischen Wandler entsprechend konstanter Spannung und konstanter Ladung.

"■ 309848/0803 :

"Fig. 3 zeigt ein erstes Ausführungabeispiel eines Wandlers mit den Merkmalen nach, der vorliegenden Er- · findung; i

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wandlers mit den Merkmalen nach, der Erfindung;

"Pig. 5 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wandlers nach der vorliegenden Erfindimg;

Fig. 6 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gegentaktwandlers mit asymmetrischer Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine abgewandelte Konstruktion eines gegentaktelektrostatischen Wandlers;

Fig. 8 eine Darstellung zur Veranschaulichung .des Vorganges bei der Aufladung der ferrodielektrischen Folie; und

"S¹Ig. 9 eine Anordnung für die Formation der Flächenladungen in einem Isolator.

Fig. 1 a veranschaulicht eine Anordnung für die Betrachtung des statischen Gleichgewichtes einer leitenden Folie zwischen zwei j parallel verlaufenden Platten, wobei jedoch erwähnt sei, daß die Leitfähigkeit äer Folie sehr gering sein kann. Die Folie wird Kräften ausgesetzt, die von den vorhandenen elektrostatischen Kräften herrühren und ebenso von ihrer eigenen Spannung herrühren. Es sei angenommen, daß die Spannung auf die Folie eine Wieder-Rückführ-Kraft pro Flächeneinheit von F=- k^x vorsieht, wobei χ die Verschiebung aus der Gleichgewichtslage (T-Tittellage) ist, und k₁ ein Maß für die Foliensteifigkeit ist. Bei Gleichgewicht wird die Folie gleichen und entgegengesetzten elektrostatischen Kräften ausgesetzt.

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- "4 -■..■■■■■ -

Wenn die Folie um die Strecke χ verschoben wird, so werden die elektrischen Felder .auf jeder Seite bei Gleic.hspannungshe&in-.. gungeη gleich E=- V/(a + χ). Es wird auf einer der zwei Seiten der "Folie eine Ladungsdi elite von ί =* t | 3 / induziert, so daß die resultierende gesamte Kraft an-der Stelle,χ-gegeben ist durchi " ■ · " ■ - ■

F₁Cx) = t ₀V²/(a - x)² - £ ₀V²/(a + x)² ^x

' Bei dieser Analyse ist eine planparallele Geometrie angenommen, , und sie ist eine Annäherung hinsichtlich dem Ausmaß,..in welchem I die Folie eine gekrümmte Form oder ein gekrümmtes Profil in i einer praktischen realisierten. Vorrichtung annimmt, l^an ■ erkennt ! jedoch dabei die relevanten Merkmale, die für die folgende Sr-I läuterung erforderlich sind. -

Damit die zentrale Lage der Folie eine derartige ist, daß ein ; stabiles Gleichgewicht herrscht, benötigt man:

Ϊ Ix = O^O
?=£„Y² T(SAa-X)

so daß für Stabilität gilt: " .~

k₁ > 4 .£ ₀V²/a³ , .

Fig. 1 b zeigt' nun andererseits eine einseitige Vorrichtung. j Nimmt man an, daß bei Abwesenheit elektrostatischer Kräfte die ! Folie an einer Stelle mit χ = 0 gelegen ist, so ergibt sich I aus denselben Ableitungen und Überlegungen, wie dies zuvor ge-', schehen ist, die Nettokraft, die auf die Folie wirkt·.--

! F₀Cx) = £ „V²/(a - x)² - k₉x - ".■

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wobei kg ein Maß der Steifigkeit der Folie in diesem Fall ist.

Gleichgewicht wird erreicht, wenn F₂(x) = O. Für eine maximale Empfindlichkeit muß k₂ so klein wie möglich sein. Ss gibt jedoch für die Größe eine Grenze, die durch ein Folien-Stabilitätskriterium bestimmt ist. In der Gleichgewichtslage χ = ο muß o FZ 0 χ^Ι,Ο sein, da sonst die Folie weiterhin nach innen zur festen Platte hin bewegt wird.

Daher gilt:

2 8 J²As, - x_o)³ - k₂<^ O

8 J²As, - x)³
Jedoch ist:

so daß:

■ -

2k₂x_o/(a - x_o) - k₂< O

x <. a/3, so daß:

k₂ > 27 <f _QV²/4a³ ist.

Man erkennt, daß es, wie erwartet, in dem Ein-Seiten-Fall erforderlich ist, eine steifere Folie zu verwenden, um eine Un-Stabilität zu verhindern. Ss ist jedoch bemerkenswert, daß die Folie zweimal so steif sein muß wie in dem Doppelseitenfall.

Es existieren zwei Betriebsphasen der gegentakt-elektrostatischen Wandler, konstante Spannung und konstante Ladung. Diese zwei Betriebsphasen sind jeweils in den Fig. 2 a und 2 b veran schaulicht. Im Betrieb entsprechend konstanter Spannung wird die Membran von der Fittelanzapfung des Treibertransformators

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β -

über eine niedrige.Impedanz gespeist. Bei diesen ist es für die Ladungen auf der Folie möglich, daß sich diese über die Transformatorwicklnng auf den festen Platten von selbst verteilen. Diese Bewegung findet während jedes Audiozyklusses statt. Die Wirkung dieser Rückverteilung besteht darin, die "Vorrichtung nichtiinear für alle Ablenkungen zu machen,, ausgenommen für sehr kleine Auslenkungen. Es sei hervorgehoben, daß gleichartige Argumente auch für den einseitigen Wandler gemäß Fig. 1 b ihre Gültigkeit haben.

In der Konstantladungs-Betriebsphase wird die Ladung auf der Membran durch einen großen Widerstand 5. (Fig. 2 b) an einer Be- ' wegung gehindert. Dieser Widerstand ist so ausgewählt, daß j HC >■>" V , wobei T die Periode der niedrigsten interessierenden Frequenz ist und C die Kapazität zwischen der Membran und den Außenseitenplatten. 3s sei erwähnt, daß es erforderlich j ist, daß eine Leitfähigkeit zwischen der Membran und den Außen- j seitenplatten vorhanden ist, damit die Gleichspannungspotent La- J Ie ausgeglichen werden können. Die polarisierende Spannungs-C[UeIIe kann wie gezeigt angeschlossen sein oder alternativ kann diese an einen Mittelabgriff des Transformators angeschlossen sein. In der Praxis werden Widerstände in der Größenordnung von

S 10
10 - 10 Ohm verwendet. Die Vorteile der Konstantladungs-Betriebsphase sind unmittelbar klar. Da keine Ladungsbewegung möglich ist, .ist.die auf die .Membran wirkende Kraft unabhängig von der Lage über dem gesamten Spalt zwischen den Außenseitenplatten.= Der Betrieb kann so betrachtet werden, daß dieser durch eine auf eine feste Ladungsverteilung wirkende Kraft verursacht wird, die in geeigneter Weise in einem einheitlichen elektrostatischen Feld hängt bzw. angreift (suspended). Es sind Ausschläge oder Auslenkungen mit einer Größe bis zur äußeren Plattentrennung möglich, ohne eine Verzerrung dabei einzufüh- . ■ ren. In der Konstantlade-Betriebsphase ist'es nicht erforderlich, die Treiberspannungswerte auf einen kleinen Bruchteil der Polarisierungsversorgungsspannung zu begrenzen. Dies ist jedoch eine Vorschrift bei einem Sin-Seiten-Betriet) oder bei Konstant-3pannungsbetrieb, um die Verzerrung zu begrenzen.

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_ 7 —"

Bei der Konstantladungs-Betrlebsweise ergeben sich eine Reihe, von. praktischen ."Vorteilen. Der hohe Widerstand K "kann aus einem sohlecht-leitenden Überzug auf einer ansonsten isolierenden ivtembran bestehen. Ortliche zeitweilige Kurzschlüsse legen die Vorrichtung nicht mehr lahm und fähren lediglich zu einer zeitweiligen Örtlichen Abnahme in der Ausgangsgröße.· Diese 3rläuterunatrifft spezifisch für Wandler zn, die durch eine äußere Spannungsversorgung erregt werden,- "und nicht .für Wandler nach der vorliegenden Erfindung. ^: . . ■■".

Im folgenden sollen nun -mehrere Ausführungsbeispiele der Wandler mit den LTe rk mal en nach der vorliegenden !Erfindung beschrieben werden. Alle zu beschreibenden Wandler arbeiten im (Jegentaktbetrieb, jedoch sind nicht alle diese Wandler in einer symmetrischen Weise konstruiert. Der "Einfachheit halber sind daher Ausführungsbeispiele von Wandlern nach der vorliegenden Erfindung aufgeteilt in solche, die symmetrisch konstruiert sind, und in solche, die asymmetrisch konstruiert sind.;

"ΐχη erstes Ausführungsbeispiel eines Wandlers nach der vorliegenden Erfindung ist in "Pig. 3 gezeigt und besteht aus einer S7fmmetris.ch konstruierten Einheit. Bei diesem Beispiel besteht die Membran 1 aus einer flexiblen gleichgeladenen (homocharged) ferrodielektrischen ^olie, die zwischen zwei festen perforierten Platten 2 und 3 gespannt ist. Aufgrund der Έatur.eines ^errodielektrikums ergibt sich, daß die Mittel zum Aufhängen der "Folie einfacher gestaltet sein können als im ?alle von extern polarisierten Vorrichtungen, bei denen unmittelbar in Bewegung gesetzte Ladungen und Potentiale vorkommen. In wenigstens einigen fällen ist es vorweggenommen, daß keine elektrische Verbindung mit der Membran erforderlich ist. Die einfache Anordnung dieses Beispiels führt insbesondere dazu, daß der Treibertransformator weggelassen werden kann, und eine einendige Speisung oder Erregung der einen festen Platte gegenüber der anderen festen Platte möglich ist, die an das Bezugspotential angeschlossen ist.

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- B-

Gleich, aufgeladene Ferrodielektrika mit langer lebensdauer und hohem effektivem Potential lassen sich, beim gegenwärtigen Stand der Technik schwieriger realisieren als hetero-geladene Ferrbelektrika," die effektiv gleiche und entgegengesetzte Ladungenauf einer von zwei Seiten aufweisen.-Aus diesem Gründe sind weitere Ausführungsbeispiele von Wandlern nach der Erfindung ·

. mit hetero-geladenen Perrodielektrika ausgeführt ·. Damit jedoch derartige Ferrodielektrika. in symmetrisch konstruierten Wand-' lern des Gegeritakttyps-verwendet werden können,- ist es'erfor-

. derlich, paarweise Ferrodielektrika zu verwenden. ^: " ' ■-' ·

Ein zweites Beispiel eines Wandlers mit den Merkmalen nach, der

j Erfindung ist in Fig. '4 gezeigt und besteht wiederum· aus einer j symmetrisch konstruierten Einheit. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Membran 1 ans zwei flexiblen hetero-geladenen ferrodielektrischen Membranen, die die gleiche Ladungspolarität- und Fläche aufweisen. T'ie zwei'Folien sind Fläche an Fläche aneinander angeordnet und miteinander verbunden, wobei sie die leitenden Flächen"gemeinsam aufweisen. In diesem Fall sind.die ihnen gemeinsamen leitenden Flächen elektrisch mit einem Symmetriepunkt der signalzuführenden Einrichtung verbunden*

Die zwei Ferrodielektrika können aus zwei metallisierten Folien' hergestellt werden. Es besteht" jedoch auch die Möglichkeit, .die Metallisierung nach der Formation der ferrodielektrischen Ladungen aufzubringen. Als weitere Möglichkeit kann die· leitende Fläche eine andere Form oder Art sein- als eine metallene.· Auch besteht die Möglichkeit, eine Einfachfolie (piain foil) aufzuladen und diese dann auf eine gemeinsame Metallfolie zu binden. Wie auch immer die Einzelheiten der Konstruktion sein mögen, so erfüllt die Fläche an Fläche geladene Membran die angenommenen Bedingungen für die Erregung eines symmetrischen Gegentakt-j wandlers. Es sei hervorgehoben, daß die Form der Konstruktion, wobei zwei einfach-ferrodielektrische Folien an eine vergleichsweise ,starke, jedoch flexible Metallfolie gebunden sind, sehr"attraktiv ist, da dadurch die unvermeidbare (physikalische) Alterung und Kriecheffekte (creep effects), die in den

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meisten organischen Faterialien des hier interessierenden Gebietes vorhanden sind bzw. auftreten, vermieden werden.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wandlers mit den Merkmalen nach der Erfindung ist in Fig. 5 veranschaulicht und besteht wiederum aus einer symmetrisch konstruierten Einheit. Bei diesem Beispiel sind die Dielektrika auf die festen Platten 2, 3 aufgetragen, und die Membran 1 besteht aus einem ebenen Element bzw. Einfachelement, beispielsweise aus Metall. Ein Ferrodielektrikum ist auf jeder festen Platte aufgebracht, und die Polaritäten sind wiederum so angeordnet, daß die angenommenen Bedingungen der Erregung hergestellt werden. Ss ist bekannt, daß die festen Platten bei Wandlern dieses Typs perforiert sein müssen. Es ist ausreichend, Folien auf den Platten zu befestigen und die Anordnungen vor der Formung und Herstellung der elektrischen ladungen in den Folien zu perforieren. Dieses Ausführungsbeispiel eines Yfandlers führt zu dem Vorteil, daß die mechanischen Folieneigenschaften und die Dielektrikumseigenschaften getrennt werden, wodurch eine,größere Flexibilität in der Auslegung und Gestaltung möglich wird.

Das zweite und dritte Ausführungsbeispiel des Wandlers nach der vorliegenden Erfindung, wie dies dargelegt wurde, verwendet die Elektrika in Paaren, um die angenommenen Feldbedingungen für Gegentaktwandler des symmetrisch konstruierten Typs aufzubauen. Die Elektrika haben jedoch eine weitere Klasse eines gegentakt-elektrostatischen Wandlers möglich gemacht, wobei die Konstruktion asymmetrisch ausgeführt werden kann, und die Notwendigkeit, die Dielektrika paarweise zu verwenden, vermieden wird. Im folgenden sollen nun Ausführungsbeispiele dieses Typs eines neuartigen Wandlers beschrieben werden.

Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gegentaktwandlers in einer asymmetrischen Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung, wobei dieses Ausführungsbeispiel in einer Konstantladungs-Betriebsweise arbeitet. Die Membran 1 besteht in diesem Fall aus einem einzigen Dielektrikum, von dem die.

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eine Seite ."durch. Auftragen, einer geeigneten Schicht oder eines geeigneten Überzugs leitend gemacht wurde," und zwar entweder vor oder nach der Aufladung. In diesem Fall beträgt das PeId , auf der linken Seite des Dielektrikums (in der Zeichnung), d. h. zwischen der nichtleitenden Fläche und der benachbarten festen Platte 2, bei G-lei chspannungsbe dingungen gleich E = V' /(d + t/£ ), wobei V die äquivalente Dielektrikumsspannung ist, d der Luftspalt, t die Dielektrikumsdicke und die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikummaterials. Das Feld a"f der rechten Seite des Dielektrikums (in der Zeichnung), d. h. zwischen der leitenden Fläche und der benachbarten festen Platte 3, ist bei G-lei chspannungsbe dingungen gleich null. -Daher gilt die übliche Bedingung einer Kraft von null bei G-lei chgewicht für eine Gregentaktkonstruktion-nicht mehr. Wie man jedoch aus der vorausgehenden Beschreibung entnehmen kann, macht dies lediglich eine Zunahme in der Folienspannung um weniger als einen Faktor von 2 erforderlich. , ~

Unter diesen-Bedingungen weist die gesamte Folie eine Nicht-Rull-Ladungsdichte auf, die gegeben ist durch ~C = £ ^r/'¹^ + "J⁵/£ )· Dies ist genau gleich der Ladung auf einer Seite einer herkömmlichen G-egentaktkonstruktic-n ähnlicher Geometrie. In diesem Fall befindet sich jedoch eine gleiche Ladung auf der anderen Seite. Hier befindet sich die gesamte Ladung auf der linken Seite, d. h. auf der Dielektrikumsseite der Membran. Wenn dann eine Wechselspannung an die zwei äußeren Platten angelegt wird, so erfährt die Membran j eine Kraft, die unabhängig von der Lage zwischen den zwei Platten ist, und zwar für Konstantladungs-Betrieb. Die G-egen-■ taktbedingung wurde somit zufriedengestellt, obwohl die Vorrichtung asymmetrisch ist.

Eine weitere Konstruktionsmöglichkeit für einen gegentaktelektrοstatischen Wandler ist in FIg,'7 veranschaulicht. In diesem Fall sind leitende Streifen geeigneter Breite auf gegenüberliegenden Seiten einer flexiblen Folie angeordnet, so daß lediglich eine Seite an irgendeiner Stelle überzogen ist.

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geringfügige Überlappung der Schablonen hat keinen Einfluß auf die Betriebsweise der Vorrichtung, ausgenommen eine proportionale Abnahme in der Empfindlichkeit. "Die Dielektrikumsfoiie wird dann in zwei Vorgängen geladen, und zwar in einer V/eise, ähnlich wie dies in "Pig. 8 veranschaulicht ist. Das Ziel besteht dabei darin, gleiche Ladungen (sprich negative Ladungen) auf den nichtleitenden "Flächen auf jeder Seite zu erzeugen bzw. abzusetzen, ohne dabei die Ladung auf der gegenüberliegenden Seite zu stören. "Bei dem veranschaulichten. Verfahren sind die leitenden überzüge zu Beginn elektrisch isoliert. Die untere Seite wird auf eine segmentierte Elektrode gelegt oder über diese gezogen, die nur Kontakt mit den leitenden Flächen .schließt, und es wird die obere Seite geladen, beispielsweise durch einen Flüssigkeitskontakt, wie dies an späterer Stelle erläutert werden soll.

Im· Betrieb wird keine Ladung auf die untere Fläche in den nichtleitenden Zonen erzeugt. Der Vorgang wird daran anschlie- I Send wiederholt, und zwar mit vertauschten Rollen der Oberseite i und der Unterseite, und es wird dann die untere Seite' in ähnlicher 7/eise geladen. Wenn die geladene Folie zwischen den äußeren Platten angeordnet wird, so werden abwechselnd Flächen der Folie Kräften in entgegengesetzten Richtungen ausgesetzt. Die auf die Folie wirkende ITettokraft; integriert über eine große Fläche, beträgt null. Yv^renn daher die einzelnen Segmente ausreichend klein auegeführt werden, so wird die Bedingung entsprechend einer elektrostatischen Kraft von null bei Gleichgewicht wiederhergestellt. Die Gegentaktbetriebsweise bleibt weiterhin erhalten und gültig, und zwar unter Konstantladungsbedingungen, da jedoch die gesamte Folie eine von null abweichende Ladung besitzt (in diesem Fall mit negativer Polarität), ist die auf die Folie wirkende Kraft gleich derjenigen bei dem asymmetrischen Fall, der in Fig. 6 veranschaulicht ist.

Die Verwendung von Dielektrika bei Vorrichtungen mit Konstantladungs-Betrieb eröffnet die Möglichkeit für eine große Vereinfachung hinsichtlich der Konstruktionstechniken. Ss wurde zuvor

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ausgeführt, daß für eine Vorrichtung, die durch eine äu-ßere ■ Spannungsquelle' erregt wird, ein zeitweilig auftretender■ Kurz-. Schluß auf einer der Gegenplatten zu einer örtlichen zeitweili- : gen Reduzierung der.Empfindlichkeit führt, vorausgesetzt, daß eine leitende Schicht mit ausreichend hohem elektrischem Wider- ; stand verwendet wird. Ein konstanter Kurzschluß führt jedoch zu ι einem Verlust in der Empfindlichkeit über eine große Fläche der . Folie, da die Ladung Zeit findet, über den hohen Widerstand auf der Folie abzufließen. Eine stark unterschiedliche .Situation besteht bei den zwei' asymmetrischen dielektrikum-erregten Vorrichtungen, die zuvor beschrieben wurden. Bei diesen Anordnungen befindet sich bei Gleichspannungszuständen bzw. -bedingungen auf der leitenden Seite der Folie keine ladung. Die aktivierende Ladung befindet sich vollständig auf einer stark isolierenden Fläche. Ein Kontakt mit der geladenen Fläche führt daher nicht zu einem Ladungsabfluß, auch nicht bei Gleichspannungsbedingungen, ausgenommen an der unmittelbaren Kontaktstelle oder -fläche. Von größerer Wichtigkeit ist jedoch, daß ein Kontakt mit der leitenden Seite nicht zu einem Ausfall der Vorrichtung führt, wenn ein leitender Film mit hohem Wideretandyerwendet wird. Der Kontakt erscheint lediglich als verlustbehaftetes Element in der Kapazität, welches willkürlich klein gemacht werden kann. Man kann daher eine Konstruktion ins Ange fassen, bei der abstützende Säulen für die "^olie auf einer der festen Platten verteilt werden können, und zwar ohne Rücksicht anf das Vorhandensein oder irgendeine andere Ladung oder Leiter auf der Folie-. Alternativ können diese Pfeiler vorsätzlich unter einem Leiter in Lage gebracht werden, um dadurch die erforderliche Gleichstromrückführung für die flexible Folie zu den äußeren Metallplatten vorzusehen.

Die vorangegangene Beschreibung hat gezeigt, auf welche Weise gegentakt-elektrostatische Wandler konstruiert werden können, und zwar unter der Verwendung von Dielektrikum-Folien als aktivierende Quelle. In der neuen Klasse der asymmetrischen.Ge- , gentaktwandler wurde die Forderung, zwei Dielektrika zu verwenden, um einen abgeglichenen Betrieb zu erreichen, beseitigt,

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und es wurde gezeigt, daß derartige Konstruktionen in der Tat einen echten Gegentaktbetrieb ermöglichen. Auch'wurden die Un- i empfindlichkeit und Immunität der Dielektrikum-Aktivierung hin- ^: sichtlich innerer Kurzschlüsse und auch die dadurch erzielbaren Vorteile demonstriert. ^v j

Ein Verfahren zur Herstellung eines Ferrodielektrikums, wie an ■ früherer Stelle erwähnt wurde, besteht darin, einen Isolator \ zwischen zwei Elektroden in Lage zu bringen und mit diesen in I Kontakt zu bringen, wobei wenigstens eine dieser Elektroden ef- i fektiv einen elektrischen Kontakt mit dem Isolator aufweist, ! und zwar über eine Zwischenschicht aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit; es wird dann ein elektrisches Potential den Elektroden aufgedrückt, um zwischen diesen ein elektrisches Feld zu erzeugen, und es wird während des Vorhandenseins des Feldes die elektrisch leitende Flüssigkeit entfernt.

Ein weiteres Verfahren umfaßt das vorausgehend geschilderte Verfahren und besteht weiterhin darin, daß man das Dielektrikum erwärmt, bis die Anfangs-Polarisationsspannung, die diesem aufgedrückt wurde, auf einen bestimmten Wert gefallen ist, und indem man dann die vorausgegangen geschilderte Methode wiederholt.

Ein weiteres Verfahren, welches besonders für die durchgehende Produktion von geladenem Material geeignet ist, umfaßt eines der grundlegenden Verfahren, wie sie voraufgehend geschildert wurden, wobei zusätzlich eine relative Bewegung zwischen dem Isolator und dem Elektrodensystem eingeführt wird. Sin derartiges Verfahren ist auch für die Speicherung einer Information auf einem durchgehenden Band oder Körper geeignet, beispielsweise einer Scheibe a^s isolierendem Material.

Eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens, um also die Flächenladungen in einem Isolator herzustellen, ist schematisch in Fig. 9 gezeigt. Gemäß dieser Figur wird der Isolator 1, bei-.spielsweise ein Polymerfilm, in Berührung mit einer Elektrode 2

gebracht. Eine zweite "Elektrode 3, die einen Abstand von dem 'Isolator aufweist, wird in Kontakt mit dem Isolator gebracht, und zwar über eine Zwischenschicht auf einem leitenden "Flüssigkeitsfilm 4. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, ^! indem man die Elektrode 3 mit der flüssigkeit benetzt und indem! man dann die benetzte Elektrode auf den Isolator gibt. . ;

Ein enger und intensiver Kontakt zwischen dem Isolator und der i Elektrode 2 kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Ss j kann beispielsweise dort ausreichend sein, wo der Isolator auf j

derjenigen Seite einen elektrisch leitenden I¹Hm aufweist, die ! sich am nächsten der Elektrode befindet, daß"man diese leitende Seite lediglich in Berührung mit der Elektrode bringt. Der Kontakt kann verbessert werden, indem man eine Vielzahl von kleinen löchern in der Elektrode 2 vorsieht, die dann an eine Vakuumpumpe angeschlossen werden. Auch besteht die Möglichkeit, die zur Elektrode 2 hin weisende Fläche des Isolators und die Elektrode mit der leitenden Flüssigkeit zu benetzen.

Die Elektroden ,2 und 3 werden an eine Potentialquelle 5 angeschlossen, um zwischen diesen ein elektrisches Feld zu erzeugen . Bewegliche Ionen in der Flüssigkeit trennen sich unter dem Einfluß des angelegten Feldes, und bei der in der Zeichnung dargestellten Polarität werden positive Ionen zu der Metallelektrode 3 gezogen, und negative Ionen werden zur Fläche des Isolators gezogen. Die Flüssigkeit wird nun von der geladenen Fläche des Isolators entfernt, und dadurch wird die Formation des Dielektrikums im wesentlichen vervollständigt. Die Flüssigkeit kann typisch durch Schieben oder Rollen des Flüssigkeitskontaktes seitlich entlang der Fläche des Isolators entfernt werden. Es besteht auch die Möglichkeit, die Flüssigkeit beispielsweise durch eine öffnung oder Öffnungen abzusaugen, die in der Elektrode 3 vorgesehen sind. Das Entfernen der Flüssigkeit findet jedoch statt, während das elektrische Feld vorhanden ist, um die Ladungstrennung aufrechtzuerhalten.

Die Gleitbewegung kann dazu verwendet werden, den Kontakt "~ ^: ~~~~ 309848/08PT⁷ ~~~

aufzuheben, beispielsweise bei durchgehenden Prozeßanordnungen, bei denen typisch flache oder rollenartige Elektroden verwendet: werden können, durch welche der Isolator gezogen wird. Sine weitere Möglichkeit besteht darin, daß man dort, -wo zwei koin- ■ zidente Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes verwendet werden, durch Verschieben eines Isolators aus der T-eckung mit dem anderen heraus verschiebt, das zur Erzeugung einer diskreten geladenen Fläche in dem Isolator ausreichend ist. Dieselbe Situation besteht dann, wenn die Elektroden in Lage gehalten werden, jedoch die Flüssigkeit entfernt wird, beispielsweise durch Absaugen. Bei einer relativen Bewegung zwischen dem Isolator und den Elektroden erhält man ein Informationsspeichersystem, indem man beispielsweise eine von der Information abhängige Veränderung der Intensität des elektrischen Feldes verwendet.

"Die verwendete leitende Flüssigkeit ist nicht kritisch. Obwohl man Äthylalkohol sehr erfolgreich bei Ausführungen verwendet hat, existiert ein breiter Bereich von anderen Flüssigkeiten, der zu zufriedenstellenden Ergebnissen führt. Natürlich ist die Verwendung einer stark flüchtigen Flüssigkeit, die nach dem Verdampfen eine saubere Fläche hinterläßt, sehr von Vorteil. Ss wurde jedoch sogar übliches Leitungswasser verwendet, welches ausreichend Verunreinigungen enthielt, um eine Leitungsfähigkeit aufzuweisen. Bei durchgehenden oder Wiederhol-Prozessen sind Einrichtungen erforderlich, um für eine durchgehende Befeuchtung der sich ändernden Flächen, die geladen werden sollen, zu sorgen. Geeignete Kittel hierzu sind gut bekannt und brauchen nicht weiter erläutert zu werden.

Fit Hilfe dieses Verfahrens lassen sich relativ scharf umgrenzte Flächen mit einheitlicher Ladung herstellen, die der Größe und der Form der verwendeten Elektroden entsprechen. Eine Abtastung d^rch Sonden während des Abfalls der Polarisationsspan-•nung zeigt keine seitliche Änderung in dieser Spannung während des Abfallprozesses. Dies bedeutet, daß keine Wanderung aufgebauter Ladung entlang der Isolatorfläche auftritt, und daß der

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Vb fall direkt durch die Körpermasse des Isolators ei"folgt.

Der Beitrag zum Abfall der Polarisationsspannung durch Sammlung von Ionenpaaren, die in dem Umgebungsgas durch natürliche Strahlungs-quellen erzeugt werden, ist aufgrund der extrem niedrigen G-leichgewichtakonzentration von Ionenpaaren unbedeutend. - ■ .

"Die anfängliche Abfallfolge der Polarisationsspannung ist ähnlich derjenigen, die man in Verbindung mit einigen anderen Verfahren der Dielektrikums-Formation oder -Bildung festgestellt hat. Tan hat jedoch festgestellt, daß es möglich ist, die anfängliche A.bfallfolge um einen "Faktor von ο bis 7 zu vermindern, indem man eine'Doppelladetechnik zur Anwendung bringt. Bei einem typischen Beispiel dieser Technik wird der Isolator flächen-geladen, wird erwärmt, um den Abfall zu beschleunigen, bis die Polarisationsspannung bis ca. auf die Hälfte des Anfangswertes abgefallen ist, und wird dann wieder auf Umgebungstemperatur zurückgeführt. Während'der Erwärmungsphase wird die Flächenladung schnell in die Masse des Isolators verdrängt oder getrieben, und zwar unter dem Einfluß des starken inneren "Feldes, und diese Ladung wird dann in Form einer verteilten Raumladung gefangen gehalten, wenn das Dielektrikum.abgekühlt wird. Das"Dielektrikum wird dann auf die ursprüngliche Polarisationsspannung durch Absetzen einer zweiten Flachenladung wieder aufgeladen, es wird jedoch nun das "Feld kurz unterhalb der Fläche des Isolators durch das Vorhandensein der inneren Raumladung vermindert. Die Nach-Innen-Wanderung der Flächenladung und damit die Polarisations-Abfallgeschwindigkeit oder -folge werden daher beträchtlich, reduziert. . . .

Es wurde festgestellt, daß das "Zuschneiden" (tailoring) der Ladungsverteilung innerhalb dem Isolator, d. h. die Einstellung des Profils der Ladungsintensität durch den Isolator, eine ! merkliehe Wirkung auf die Faktoren, wie beispielsweise das vor-; herrschende A.b fall-System in den Dielektrika und die effektive Lebensdauer der Dielektrika, hat.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in der Zeichnung veranschaulichten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (9)

1. - 18 - ' - ■ . ■

   P at e nt an s ρ r ü c h e

   , G-egentakt-elektr ο statischer Wandler, bestehend aus einer beweglichen Membran, die abhängig von einem elektrischen PeId zwischen zwei festen Elektroden angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch wenigstens ein Ferrodielektrikum (electret) erzeugt ist.
2. 2. Gegentakt-elektrostatischer Wandler, bestehend aus einer · beweglichen Membran,· die in Abhängigkeit von einem elektri- ■ sehen Feld zwischen zwei festen Elektroden angeordnet ist, !

   ι dadurch gekennzeichnet,.daß das elektrische Feld durch ein Ferrodielektrikum (electret) erzeugt ist und an irgendeiner Stelle auf der Membran nur.zwischen der Membran an dieser Stelle und der dorthin weisenden festen Elektrode vorhanden ist.
3. 3. Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus einer flexiblen gleich geladenen oder homogen geladenen Dielektrikumsfolie besteht.
4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch.gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus zwei hetero-geladenen Dielektrikumsfolien besteht, die jeweils auf einer Seite eine leitende Fläche aufweisen und an diesen leitenden Flächen aneinandergebunden sind.
5. 5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) aus zwei hetero-geladenen Dielektrikumsfolien besteht, die an eine von zwei Seiten einer leitenden Folie gebunden sind.
6. 6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrika auf den inneren Flächen der festen Elektroden (2, 3) ausgebildet sind oder auf diese aufgebracht sind. ~

   309843/0801" ~
7. 7. Wandler nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die j Membran (1) ein einziges Dielektrikum aufweist, welches j vollständig auf einer Seite der Membran angeordnet ist. ;
8. 8. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die j

   Membran (1) auf jeder Seite mit einer Anordnung einer ; oder Musters !

   Schablone/von eich abwechselnden Flächen versehen ist, die

   eine leitende Fläche mit Flächen mit Dielektrika aufweisen

   oder Misfer
   bzw. tragen, wobei die Anordnung dieser Schablonen/derart ; getroffen ist, daß jede Fläche auf der einen Seite gegenüber¹ einer Fläche des anderen Type auf der anderen Seite gelegen _: ist. I
9. 9. Wandler nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Flächen der
   festen Elektroden mit Mitteln ausgestattet sind, um die
   i'embran in Lage festzuhalten.

   ¥09 84 87 0 80-3

   Le erse ι te