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ELEKTRETVORRICHTUNG Die Erfindung betrifft eine Elektretvorrichtung.
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Ein Elektret ist ein dielektrischer Körper, der mit einem Volumen
aus oberflächenseitiger elektrischer Ladung versehen ist. Der dielektrische Körper
des Elektrets hält die elektrische Ladung für sehr lange Zeit, die häufig in Jahrzehnten
gemessen wird.
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Die elektrische Ladung oder die dielektrische Polarisation wird bei
einem Beispiel eines Verfahrens durch Erwärmen eines Körpers aus dielektrischem
Werkstoff auf eine relativ hohe Temperatur, wobei der Werkstoff einem starken elektrischen
Feld während einer wesentlichen Zeitdauer ausgesetzt istlund durch das Abkühlen
des Werkstoffes, wobei er weiter dem dielektrischen Feld ausgesetzt bleibt, erhalten.
Beim Abkühlen zeigt der Werkstoff Charakteristiken einer permanenten Ladungsverteilung.
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Elektrete haben viele Am'endungen als Wandler wie für Mikrofone, Lautsprecher
und Schallplatten-Tonaufnehmer. Darüberhinaus ist zu hoffen, Elektrete als Speicher,
Hochpotentialquellen, Meßeinrichtungen und andere Vorrichtungen in naher Zukunft
verwenden zu können.
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Elektrete sind Dielektrikas, die statische elektrische Felder mit
relativ langer Lebensdauer erzeugen. Deren lange Lebensdauer ist hauptsächlich der
Entwicklung neuer Werkstoffe zuzuschreiben, die stabiler sind als die früher verwendeten
Wachse. Zur Zeit werden Kunststoffe wie Polyäthylen, Polypropylen, Polyäthylen-Terephthalat
in starkem Umfang zur Bildung von Elektreten verwendet.
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Herkömmlich sind Elektrete in Form elektrischer Vorrichtungen ausgebildet,
bei denen ein Elektret-Körper auf einer Leiterelektrode befestigt ist. Nachteilig
bei diesen Elektretvorrichtungen ist, daß das Oberflächenladungspotential relativ
niedrig ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Elektretvorrichtung anzugeben,
die relativ hohes Oberflächenladungspotential besitzt.
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Weiter soll eine Elektretvorrichtung ermöglicht werden, die verlängerte
Lebensdauer besitzt. Weiter soll eine Elektretvorrichtung ermöglicht werden, die
bezüglich der Oberflächenladung auf eine Soll-Größe einstellbar ist. Schließlich
soll eine Elektretvorrichtung ermöglicht werden, die relativ gleichmäßige Oberflächenladungsverteilung
besitzt.
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Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine Elektretvorrichtung angegeben,
die aufweist ein erstes Elektretelement mit einer negativ polarisierten dielektrischen
Schicht und einer Leiterschicht und ein zweites Elektretelement mit einer positiv
polarisierten dielektrischen Schicht und einer Leiterschicht, wobei das zweite Elektretelement
mit dem ersten Elektretelement übereinandergeschichtet angeordnet ist, wobei die
dielektrischen Schichten einander gegenüber liegen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Elektretvorrichtung
vorgesehen, die aufweist ein erstes Elektretelement mit einer negativ polarisierten
dielektrischen Schicht und einer Leiterschicht, ein zweites Elektretelement mit
einer positiv polarisierten dielektrischen Schicht und einer Leiterschicht, wobei
das zweite Elektretelement mit dem ersten Elektretelement übereinandergeschichtet
angeordnet ist, wobei die Leiterschichten einander direkt gegenüberliegen, und Außenplattens
die auf dem ersten
bzw. dem zweiten Elektretelement geschichtet
angeordnet sind, wobei mindestens eine der Außenplatten Leiterwerkstoff aufweist.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 im Schnitt ein Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Elektretvorrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 3 Darstellungen zur Erläuterung der Ladungspotentialverteilungen
auf Elektretvorrichtungen, Fig. 4 Darstellungen zur Erläuterung der Ladungsretentionseigenschaften
der Elektretvorrichtungen gemäß den Ausführungsbeispielen, Fig. 5 im Schnitt ein
modifiziertes Ausführunqsbeispiel einer Elektretvorrichtung gemäß der Erfindung.
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Fig. 1 zeigt im Schnitt eine Elektretvorrichtung 10 mit zwei Elektretelementen
12 und 14, die miteinander über eine Zwischenplatte 16 übereinandergeschichtet angeordnet
sind. Jedes der Elektretelemente 12, 14 besitzt jeweils eine zugeordnete dielektrische
Schicht 18 bzw. 20, die jeweils der Zwischenclatte- 16 gegenüberliegt , und eine
jeweilige Leiterschicht 22 bzw. 24.
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Jede dielektrische Schicht 18, 20 ist mit einem Volumen elektrischer
Ladung oder Polarisation versehen. Das heißt, die dielektrischen Schichten 18 und
20 sind sog. Elektrete. Jedoch besitzt jede der dielektrischen Schichten 18, 20
Ladung mit zueinander unterschiedlicher Polarität. Beispielsweise besitzt die dielektrische
Schicht 18 positive Ladungen und besitzt die andere dielektrische Schicht 20 negative
Ladungen. Die Zwischenplatte 16 ist aus einem leitenden, nichtleitenden oder halbleitenden
Werkstoff gebildet.
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Bei der Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 ergeben sich viele negative
Ladungen auf einer Außenseite des Elektretelements 14 oder der Außenseite der Leiterschicht
24 aufgrund der dielektrischen Polarisat-ionen sowohl der dielektrischen Schicht
20 des Elektretelements selbst als auch der dielektrischen Schicht 18 des anderen
Elektretelements 12. Deshalb besitzt die Elektretvorrichtung
10
ein hohes Oberflächenladungspotential, das nahezu das Zweifache desjenigen eines
einzelnen der Elektretelemente 12, 14 ist.
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Es sei angenommen, daß sich das Ladungspotential Es ergibt gemäß:
Es K K.(E14 - E12) ---.... (1), wobei Es das Ladungspotential der Elektretvorrichtung
10 insgesamt, E10 und E12 die durchschnittlichen Ladungspotentiale der Elektretelemente
14 bzw. 12 und K eine Konstante wiedergeben, die als Polarisationskonstante des
Werkstoffs der Zwischenplatte 16 bezeichnet werden kann.
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Die Konstantes von Metall ist ein Zahlenwert zwischen etwa 0,6 und
0,99 und die Konstante K von Glas ist etwa 0,83 gemäß Messungen der Erfinder.
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Unter der Annahme, daß die Ladungspotentiale E14 und E12 nahezu in
ihren Absolutwerten gleich sind und durch E wiedergegeben wer den können, ergibt
sich aus der Gleichung (1): Es = 2#K#E ......... (2).
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Die einzelnen Elektretelemente 12 und 14 sind jeweils Shnlich einer
herkömmlichen Elektretvorrichtung.
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Üblicherweise wird die Polarisation jeder der dielektrischen Schichten
18, 20 beispielsweise durch Anlegen eines elektrischen Feldes oder Zuführen geladener
Teilchen wie Ionen erreicht, bevor oder nachdem die jeweiligen Leiterschichten 22,
24 mit den zugehörigen dielektrischen Schichten kombiniert werden. Die Polarität
der dielektrischen Schichten 18 oder 20 kann durch die Polarität des elektrischen
Feldes oder der geladenen Teilchen bestimmt werden.
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Nahezu alle dielektrischen Werkstoffe, die für ein Elektret geeignet
sind, können für die dielektrischen Schichten 18 und 20 verwendet werden. Verbindungen
bzw. Zusammensetzungen hohen Molekulargewichtes
wie Polypropylen,
fluorhaltige Polyolefine wie Polytetrafluoräthylen, oder Polyäthylen sind jedoch
insbesondere geeignet, weil die elektrische Ladung in diesen Werkstoffen im Potential
relativ hoch wird und für lange Zeit gehalten wird.
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Wie sich aus Gleichung (1) oder (2) ergibt, ist das Ladungspotential
Es der Elektretvorrichtung 10 sehr wesentlich höher als diejenige der einzelnen
Elektretelemente 12 und 14. Deshalb ist die erläuterte Elektretvorrichtung sehr
zweckmäßig auf vielen Gebieten. Beispielsweise wird ein elektrostatischer Wandler
wie ein Mikrofon oder ein Kopfhörer, der die Elektretvorrichtung 10 verwendet, hochempfindlich
und besitzt andere wirksame Eigenschaften.
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Insbesondere wird ein leistungsstarker elektrostatischer Lautsprecher
auf einfache Weise durch Verwendung der Elektretvorrichtung 10 ermöglicht, der bisher
schwierig zu verwirklichen war.
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Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Elektretvorrichtung 10 gemäß einem anderen
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 2 weist
ebenfalls zwei Elektretelemente 12 und 10 auf, die aufeinandergestapelt bzw. übereinandergeschichtet
angeordnet sind. Jedes der Elektretelemente 12, 14 besitzt ebenfalls Jeweils eine
dielektrische Schicht 18, 20, die voneinander geftrennt sindsund Leiterschicht 22
bzw. 24, die einander direkt gegenüberliegen Auf den dielektrischen Schichten 18
und 20 sind zwei Außenplatten 26 bzw. 28 gestapelt. Zumindest eine Außenplatte bzw.
die Außenplatte 26 besteht aus Leiterwerkstoff zur Verwen-Ladung als leitende Elektrode
der Elektretvorrichtung 10. Andererseits kann die andere Außenplatte aus einem leitenden,
einem nichtleitenden oder einem halbleitenden Werkstoff bestehen.
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Fig. 3 zeigt Darstellu1gn io auf einer Elektretvorrichtung 10 und
einer herkömmlichen Elektretvorrichtung wiedergeben, wobei die Ladungsverteilung
in-Volt gegen den Ort auf der Oberseite aufgetragen ist, beginnend an einem Ende
und endend am entgegengesetzten Ende. Die Kurve A zeigt die Poten-s tialverteilungsnharakteristik
einer Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 und die Kurve B zeigt eine
Potentialverteilungscharakteristik
einer herkömmlichen Elektretvorrichtung,
die in der Größe ähnlich der der Elektretvorrichtung 10 ist.
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Wie sich aus der Kurve A ergibt, beträgt das Ladungspotential -einer
Elektretvorrichtung 10 nahezu das Zweifache derjenigen einer herkömmlichen Elektretvorrichtung
gemäß der Kurve B. Das Ladungspotential gemäß der Kurve A besitzt geringe Streuung.
Wie sich aus der sehr flachen Charakteristik der Kurve A ergibt, besitzt eine Elektretvorrichtung
10 eine außerordentlich gleichförmige Oberflächenladung.an jedem Teil der Oberseite
der Elektretvorrichtung 10. Andererseits besitzt eine wie oben erläuterte herkömmliche
Elektretvorrichtung keine gleichförmige Oberflächen ladung wie sich das aus der
Kurve B ergibt.
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Eine Elektretvorrichtung 10 (gemäß der Erfindung) ist daher sehr zweckmäßig
anwendbar. Beispielsweise können Wandler, die eine Elektretvorrichtung 10 verwenden,
eine Wandlercharakteristik hohen Wirkungsgrades besitzen aufgrund des hohen- Oberflächenladungspotentials
der Elektretvorrichtung 10.
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Weiter können Wandler, die eine Elektretvorrichtung 10 verwenden,
eine Wandlercharakteristik hoher Wiedergabetreue erreichen, weil die elektrischen
Kräfte, die zwischen einer Elektretvorrichtung 10 als einer Elektrode eines -Wandlerkondensators
und einer gegenüberliegenden Elektrode auftreten, gleichförmig an jedem Teil des
Wandlerkondensators sind.
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Eine Elektretvorrichtung 10 wird angegeben mit langlebiger Ladung
oder Polarisationsretentioneigenschaften, weil die dielektrischen Schichten 18 und
20 davor geschützt sind, daß sie der Luft ausgesetzt sind, weshalb es schwierig
ist, die Ladung von den dielektrischen Schichten 18 und 20 abzuziehen. Daher sind
die dielektrischen Schichten 18 und 20 der Elektretelemente 12 und 14 dagegen geschützt,
daß sie der Luft ausgesetzt sind, mittels der Leiterschichten 22 und 24 (Fig. 1),
bzw. der Außenplatten 26 und 28 (Fig. 2), wodurch die Ladung sehr schwierig von
den dielektrischen Schichten 18 und 20 abzuziehen ist.
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Die Ladungsretentionseingenschaften sind in Fig. 4 dargestellt, in
der das Ladungspotential in Volt (V) gegenüber der Zeit in Stunden (H) aufgetragen
ist. Die Kurve C zeigt die Eigenschaft der Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 2,
deren Außenplatten 26 und 28 aus Leiterwerkstoff oder Metall bestehen. Andererseits
zeigt die Kurve B die Eigenschaft einer Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 2, deren
Außenplatte 28 aus nichtleitendem Werkstoff besteht, beispielsweise aus einem ABS-Kopolymer
(ABS: Acrylnitril-Butadien-tyrol). Das Ladungspotential gemäß der Kurve C wird auf
nahezu dem gleichen Wert gehalten, wie zum Zeitpunkt der Herstellung, während langer
Zeit. Obwohl das Ladungspotential gemäß Kurve D allmählich nach dem Zeitpunkt deren
Herstellung absinkt, erreicht das Ladungspotential einen Dauerzustand nach etwa
24 Stunden. Danach bleiben beide Ladungspotentiale auf den Dauerzuständen während
sehr langer Zeit.
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Weiter kann bei einer Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 1 oder Fig.
2,deren Außenschichten-22 und 24 oder Platten 26 und 28 aus Leiterwerkstoff bestehen,
deren verringerte Oberflächenladung sehr leicht erhöht werden durch das Anlegen
einer Spannung hohen Potentials zwischen die Leiterschichten 22 und 24 (Fig 1) bzw.
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den Außenplatten 26 und 28 (Fig. 2), weil die dielektrischen Schichten
18 und 20 durch die Spannungahohen Potentials-re-polarisiert werden.
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Fig. 5 zeigt im Schnitt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel einer
Elektretvorrichtung 10 mit mehreren Elektretelementen, beispielsweise vier Elektretelementen,
12a, 14a, 12b und 14b,die aufeinandergestapelt sind. Die Elektretelemente 12a und
12b sind negativ polarisiert und die Elektretelemente 14a und 14b sind positiv polarisiert.
Die dielektrischen Schichten 18a und 20a von erstem und zweitem Elektretelement
12a und 14a liegen einander gegenüber. Die Leiterschichten 24a und 22b von zweitem
und drittem Elektretelement 14a und 12b liegen einander gegenüber und die dielektrischen
Schichten 18L und 20b von drittem und viertem Elektretelement 12b und 14b liegen
einander gegenüber. Die Leiterschichten 22a uEd 24b von erstem und viertem Elektretelement
12a und 14b sind an entgegengesetzten Enden der Elektretvorrichtung 10 angeordnet.
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Die Elektretvorrichtung 10 gemäß Fig. 5 besitzt ein sehr hohes Oberflächenladungspotential,
das nahezu dem Vierfachen desjenigen eines einzelnen Elektretelements ist.
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Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen möglich.
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