DE3241810A1 - Kapazitiver messgroessenaufnehmer - Google Patents
Kapazitiver messgroessenaufnehmerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven MessgrSssenaufnehmer,
der ein metallisches Aufnehmergehäuse mit zwei auf diesem oder in diesem montierten, elektrisch
leitenden Platten umfasst, von welchen die eine eine stationäre Elektrode bildet, während die andere eine in bezug
auf die stationäre Elektrode bewegliche Elektrode darstellt, und wobei die bewegliche Elektrode auf der
Stirnseite des Aufnehmergehäuses angebracht ist, während die stationäre Elektrode auf einem isolierenden Element
montiert ist, das im Inneren des Aufnehmergehäuses festgehalten wird und die stationäre Elektrode in kleinem
Abstand von der genannten beweglichen Elektrode unterstützt.
Ein Aufnehmer der obengenannten Art kann z.B.
ein Kondensatormikrophon sein. Die Erfindung hat die
grösste Bedeutung in Verbindung mit Kondensatormikrophonen
einer gewissen Güte, wie z.B. Studio- oder Messmikrophonen. Bis auf wenire Ausnahmen sind alle Messmikrophone
als Kondensatormikrophone ausgebildet, weil das
Prinzip, nach dem derartige Mikrophone konstruiert sind, besser als alle anderen Prinzipien die Erfüllung der generellen
Anforderungen ermöglicht, die an ein Messmikrophon hoher Güte gestellt werden.
Eine primäre Anforderung besteht darin, dass die akustische Leistungsfähigkeit des Mikrophons hoch ist,
damit sich eine hohe Genauigkeit der Messergebnisse erreichen lässt. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass
seine Empfindlichkeit gegen Schwankungen in den Umweltgegebenheiten, wie Druck, Temperatur und Feuchtigkeit,
gering ist.
Um reproduzierbare Messergebnisse zu erzielen
und die zeitlichen Intervalle zwischen erforderlichen Eichungen zu verlängern, ist es ebenfalls erforderlich,
dass das Mikrophon sowohl eine gute Kurzzeit- als auch. Langzeitstabilität aufweist. Ausserdem muss sich seine
Eichung auf einfache Weise ausführen lassen, sein Übertragungsfaktor
und seine Frequenzcharakteristik müssen sich leicht nachprüfen lassen und seine Leistungsfähigkeit
muss sich nicht nur durch direkte Messungen, sondern
auch durch Berechnungen vorhersagen lassen, denen theoretische Überlegungen zugrunde liegen, die eine unabhängige
Bestätigung der gemessenen Daten darstellen können.
Kondensatormikrophone für Mess— und Studioswecke sind gewohnlich aus mechanischen Teilen konstruiert, die
zusammengeschraubt werden. Diese Teile bestehen aus im wesentlichen zylindrischen Konstruktionselementen,, die
an geeigneten Stellen entweder auf der Innen- oder der Aussenseite mit den erforderlichen Gewindegängen versehen sind. Die Hauptelemente in einem Kondensatormikro-
phon sind eine stationäre Elektrode, auch Gegenelektrode genannt, und eine bewegliche Elektrode in Form einer
Membran, die im Ruhesustand in einem wohldefiriierten Abstand
von der Gegenelektrode gehalten wird. Diese beiden Elektroden bilden die beiden parallelen Platten in einem
Kondensator, bei dem gewöhnlich atmosphärische Luft als Dielektrikum dient. Die stationäre Elektrode oder Gegenelektrode
ist an einer verhältnismässig dicken Scheibe aus einem hochisolierenden und formstabilen Material
festgeschraubt. Der scheibenförmige Isolator ist auf der Innenseite eines äusseren, rohrförmigen Mikrophongehäuses
aus z.B. Monel-Metall, Titan oder Neusilber festgespannt.
An der Stirnseite des Mikrophongehäuses ist eine ausgespannte Folie oder Membran montiert, die bei hochwertigen
Aufnehmern aus Metall oder Metallegierungen besteht. Diese Folie oder Membran bildet die bewegliche
BAD ORtPlNAL
Elektrode. Das Mikrophongehäuse, der Isolator und die Membran bilden einen geschlossenen Raum. Beim Auftreten
eines Druckunterschiedes zwischen der umgebenden Atmosphäre und diesem geschlossenen Raum wird die Membran
bewegt, und diese Bewegung bewirkt eine Kapazitätsänderung, die sich elektrisch messen lässt. Die Frequenzcharakteristik
des Mikrophons wird im wesentlichen vom Resonanzpunkt der Membran sowie von der Dämpfung bestimmt,
der sie ausgesetzt ist. Die Resonanzfrequenz wird von der Masse und von der mechanischen Spannung
der Membran bestimmt. Die Dämpfung ist von der Beweglichkeit der Luft im Zwischenraum zwischen der Membran
und der Gegenelektrode abhängig und kann deshalb teils durch Wählen einer geeigneten Formgebung der Gegenelektrode,
teils durch Wählen eines geeigneten Abstandes zwischen der Membran und der Gegenelektrode variiert
werden.
Da die Schwankungen des atmosphärischen Luftdrucks bei weitem die kleinen Druckvariationen übersteigen,
die von der Ausbreitung des Schalls herrühren, ist wenigstens ein Druckausgleichskanal vorgesehen, der vom
geschlossenen Hohlraum zur äusseren Atmosphäre führt. Die lichte Weite und die Länge dieses Kanals sind so abgestimmt,
dass bei langsamen atmosphärischen Druckschwankungen ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem
inneren Hohlraum des Mikrophons erfolgen kann, aber nicht derartig, dass ein solcher Druckausgleich bei gewöhnlich
vorkommenden Schallfrequenzen geschehen kann. Bei den Mikrophonen, deren Anwendung am üblichsten ist, liegt
die untere Grenzfrequenz des Druckausgleichssystems bei 1 Hz bis 10 Hz.
Ausser als die stationäre Elektrode in einem Kondensator zu wirken, hat die Gegenelektrode durch ihre
Anwesenheit in nächster Nähe der Membran die Aufgabe, die Bewegung der Membran so zu beeinflussen, dass sich eine
erwünschte Frequenzcharakteristik ergibt.
BAD ORIGINAL
Der Abstand zwischen den Elektroden liegt bei modernen Mikrophontypen typisch zwischen 10 jam und
30 jam. Bei den einzelnen Typen' muss der gewählte Abstand eine Toleranz einhalten, die typisch plus/minus 2-5f*9
d.h. von 0,2 um bis 1,5 um, beträgt, damit sich in der
Praxis eine geeignete gleichmässjge Dämpfung der !tembranbewegung
im Bereich um die Resonanzfrequenz erreichen lässt. Dadurch wird mit Bezug auf die Frequenzcharakterist
3 ken und Übertragungsfaktoren eine angestrebte Gleichartigkeit der einzelnen P4ikrophone erzielt. Die
Gegenelektrode beeinflusst die Bewegung der Membran dadurch, dass Energie verbraucht wird, wenn die Luft im
engen Zwischenraum zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode durch die.Bewegungen der Membran
hin- und hergepumpt wird. Diese Dämpfung der Membranbewegungen wird normalerweise durch die Anordnung.einer
geeigneten Anzahl von Bohrungen mit einer geeigneten Grosse in der Gegenelektrode reguliert, welche Bohrungen
vom engen Zwischenraum zwischen den Elektroden sur Rtickseite der stationären Elektrode führen, aber nicht aus
dem geschlossenen Hohlratim des Mikrophons herausführen«
Auf diese V/eise ist es möglich, für einen gegebenen Mikrophontyp einen gewünschten Dämpfungsgrad der Bewegungen
der Membran zu erreichen.
Um Mikrophone herstellen zu können, die sich unter den verschiedenartigsten Uniweitbedingungen stabil
verhalten, d.h. ihre Eigenschaften nicht verändern, ist
es ausserordentlich wichtig, dass bei deren Ausgestaltung
Sorgfalt bei der Wahl von Materialien aufgewiesen
und bei der Herstellung dot· einzelnen Elemente oder Werkstücke
mit der erforderlichen Genauigkeit gearbeitet
wird. Die Materialien müssen aus Rücksicht auf die Langzeitstabilität formstabil sein. An den Isolator wird zusätzlich
die Anforderung gestellt, dass er im Hinblick auf Messungen bei niedrigen Frequenzen aus einem hoch-
BAD ORIQSNM.
isolierenden Material besteht, was in der Praxis bedeutet,
dass Keramik, Glas, Saphir, Quarz oder damit verwandte Materialien verwendet werden müssen. Es ist typisch
für derartige Materialien, dass sie einen sehr niedrigen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
haben, d.h. einen Koeffizienten, der von dem der Metalle stark abweicht· Dies ist von Wichtigkeit, da die übrigen
Konstruktionselemente des Mikrophons aus Metallen oder Metallegierungen hergestellt sind. Es kann Einfluss
auf den Temperaturempfindlichkeitskoeffizienten und auch auf die Gefahr erhalten, dass bei Temperaturänderungen
sprunghafte Änderungen des Ubertragungsfaktors des Mikrophons
auftreten können.
Der Übertragungsfaktor eines Kondensatormikrophons
ist dem Abstand zwischen den Elektroden direkt proportional. Hält man sich die weiter vorn angegebenen
Grossen vor Augen, so ist ersichtlich, dass eine Ungenauigkeit
des Abstandes zwisehen den Elektroden von
0,2 um typisch eine Abweichung von lf>
von einem angestrebten Übertragungsfaktor bewirken würde. Eine derartige
Abweichung ist bei Anwendung des Mikrophons für gewisse Zwecke nicht akzeptabel.
Der Ubertragungsfaktor eines Kondensatormikrophons ist ausserdem der inneren Spannung der Mernbranfolie
umgekehrt proportional. Da diese Spannung von der Dehnung der Folie abhängig ist, nuss die Folie in einer
wohldefinierten V/eise in bezug auf das Mikrophongehäuse
eingespannt werden.
Bei der Herstellung von hochwertigen Mikrophonen werden für die Membran und das Mikrophongehäuse meistens
Metalle benutzt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient
der verwendeten Metalle liegt zwischen ß · 10 /0C und
22 · 10~6/°C. Für Konstruktionen hoher Güte werden Materialien
gewählt, bei denen der Unterschied zwischen diesen Koeffizienten wesentlich kleiner ist als 1 · 10" /0C.
Dies ist erforderlich, da die Dehnung der Folie, die zur
gewünschten Membranspannung führt, nur wenige jam beträgt.
Eine temperaturbedingte Dehnung der Folie muss deshalb durch eine entsprechende Dehnung des Mikrophongehäuses
ausgeglichen werden.
Ein wesentliches Problem bei den bekannten Mikrophonen ist, dass die Einhaltung der erforderlichen
Toleranzen für den Abstand zwischen den Elektroden einen umfassenden Herstellungsvorgang mit vielen verschiedenen
zeitraubenden Arbeitsgängen mit sich führt. Als Beispiele können Planschleifen, Läppen und Polieren von Mikrophongehäuse und Gegenelektrode zusammen angeführt werden,
da sich diese Teile nicht jeweils für sich mit den notwendigen
Toleranzen herstellen lassen. Diese Arbeitsgänge sollen Parallelität zwischen der Referenzebene der
Membran, die von der Auflagefläche derselben am Mikrophongehäuse gebildet ward, und der stationären Elektrode
sicherstellen. Dazu kommen andere Vorgänge, wie z.B. mechanisches
Zerlegen, Entgraten, Putzen und Reinigen, auf die eine zeitraubende Endnontage folgt, da der korrekte
Abstand zwischen den Elektroden durch Einlegen von ganz dünnen Abstandsscheiben entweder zwischen die bewegliche
Elektrode und deren Auflagefläche am Mikrophongehäuse oder zwischen die Isolationsscheibe und deren Auflagefläche
im Makrophongehäuse sichergestellt wird»
Ein weiteres Problem ist, dass das Material, aus dem der Isolator hergestellt ist, einen Temperaturausdehnungskoeffizienten
besitzt, der von dem der Metalle abweicht. Es ist deshalb erforderlich, die Isolationsscheibe
in einer solchen V/eise zu montieren, dass das Mikrophongehäuse an der Stelle, wo die Membran befestigt
ist, von der weit geringeren Ausdehnung des Isolators unbeeinflusst bleibt. Bei bekannten Mikrophontypen wird
dies dadurch erreicht, dass die Isolationsscheibe in einer derartigen Weise in das Mikrophongehäuse eingepasst
wird, dass diese beiden Elemente relativ zueinander längs aneinander anliegender Flächen gleiten können, die rechtwinklig
aur Längsachse des Mikrophons verlaufen, und derselben Massnahm'e bedient man sich bei der Montage der Gegenelektrode
an der Isolationsscheibe. Diese Montageweise hat je nach der praktischen Ausführung die Gefahr zur
Folge, dass diskontinuierliche Änderungen des Übertragungsfaktors auftreten können.
Ein kapazitiver Messgrössenaufnehmer der eingangs erwähnten Art ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet,
dass im Inneren des Aufnehmergehäuses im Abstand von der Innenwand des Gehäuses eine im wesentlichen zylindrische
Tragwand vorgesehen ist, deren eine Stirnseite durch eine Querwand oder einen Boden mit dem Aufnehmergehäuse
fest verbunden ist und deren andere, von der Quer- oder Bodenwand abgekehrte Stirnseite einen Sitz
für das genannte isolierende Element bildet, und dass die Tragwand und das isolierende Element derartig dimensioniert
sind, dass das letztgenannte Element durch Einpressen oder Einführen in seinem Sitz montiert und da-*
nach dort durch Reibung bzw. durch einen Klebstoff festgehalten werden kann.
Dadurch lassen sich mehrere Vorteile erreichen. Erstens wird nunmehr ermöglicht, auf einfache und billige
Weise mit Hilfe eines Präzisionsstempels oder eines Präzisionsdorns die Isolati.onsscheibe so zu plazieren,
dass sich die Lage der stationären Elektrode in Axialrichtung des Gehäuses mit ausserordentlich hoher Genauigkeit
in bezug auf eine im voraus festgelegte Referenzebene, die auch bei der Plazierung der beweglichen Elektrode
benutzt wird, festlegen lässt. Ausser ausserst präzis zu sein, ist dieses Verfahren auch weit billiger
als das bisher verwendete. Zweitens können die Einzelteile des Mikrophons jeweils individuell mit der erforderlichen
Präzision hergestellt werden, so dass sich
eine kostspielige abschliessende Bearbeitung der Teile,
um diese einander paarweise anzupassen, erübrigt.
Die Tragwand und die Isolationsscheibe werden relativ zueinander derartig dimensioniert, dass die
Stirnseite der Wand, die der Querwand oder dem Boden abgekehrt ist, beim Einsetzen der Scheibe eine so grosse
elastische Dehnung ihres Umfanges erfährt, dass sich die Kräfte, die die Scheibe festhalten, infolge von Unterschieden zwischen den thermischen Längenausdehmangskoef-
fizienten der Materialien innerhalb des Temperaturintervalls, in dem der betreffende Aufnehmer seinen Spezifikationen
gemäss arbeiten soll, nicht wesentlich ändern.
Die thermische Dehnung derjenigen Stirnseite der
Tragwand, die den Sitz für die Isolationsscheibe bildet,
folgt der Dehnung der Scheibe, während sich die entgegengesetzte Stirnseite der Wand, die mit dem übrigen
Teil des Aufnehmergehäuses fest verbunden ist und im
übrigen aus bevorzugterweise demselben Material besteht,
in Übereinstimmung mit dem für das betreffende Metall
oder die betreffende Legierung charakteristischen, grösseren Ausdehnungskoeffizienten ausdehnt. Die Spannungen,
die dadurch veranlasst auftreten, bewirken eine elastische Verformung der dünnen Tragwand, während der übrige
Teil des Aufnehmergehäuses davon unbeeinflusst bleibt.
Ein kapazitiver Aufnehmer der obengenannten Art kann erfindungsgemäss zusätzlich dadurch gekennzeichnet
sein, dass die stationäre Elektrode und das isolierende Element als eine integrierte Einheit in Form einer Isolationsscheibe mit einer einseitigen, elektrisch leiten-
den Beschichtung ausgebildet sind, oder alternativ dadurch,
dass die stationäre Elektrode als ein separates Element auf einer Scheibe aus einem elektrisch isolierenden
Material montiert ist.
Eine Sicherheit gegen eine axiale Verschiebung der stationären Elektrode und damit für die Beibehaltung
eines bestimmten Abstandes zwischen den Elektroden wird erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass man die äussere,
der Innenseite der Tragwand zugekehrte Fläche der Isolationsscheibe konvex sein lässt und ihr eine derartige
Form oder ein derartiges Profil verleiht, dass eine schmale, symmetrische Berührungsfläche mit der Innenseite
der Tragwand entsteht, welche Fläche spiegelsymmetrisch ist um eine rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende
Ebene, die einen grössten Durchmesser der Isolationsscheibe
enthält, und dass man diese Scheibe so tief in ihrem Sitz anbringt, dass die Projektionen der
Kräfte, die in axialer Richtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene auf beiden Seiten der genannten,
rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich gross, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind. Die
obengenannte Ausbildung der Scheibe erleichtert ausserdem ihr Einführen in die Zylindermündung oder in den
Sitz. .
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erklärt. Es zeigt
Fig. 1 in perspektivischer Ansicht und teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines nach dem Stand der
Technik konstruierten Kondensatormikrophons,
Fig. 2 eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemässen
Kondensatormikrophons in perspektivischer Ansicht und mit einigen der Elemente in Längsschnittdarstellung,
Fig. 3 dasselbe Kondensatormikrophon wie Fig. 2,
aber in zusammengebautem oder montiertem Zustand, Fig. 4 eine alternative Ausführungsform eines
erfindungsgemässen Kondensatormikrophons in perspektivischer
Ansicht und teilweise im Schnitt,
Fig. 5 in grössererr, Kassstab einen lotrechten Schnitt durch eine Einzelheit nach Fig. 3,
Fiß· 6 ein waagerechter Schnitt längs der Linie
VT-VT in Fig. 3 und
BAD ORIGINAL
Fig. 7 in grösserem Massstab eine Einzelheit ·
nach Fig. 6.
Die in Fig. 1 wiedergegebene Ausfuhrungsfortn eines
nach dem Stand der Technik konstruierten Kondensatormikrophons umfasst ein,äusseres Mikrophongehäuse 10,
das im wesentlichen als zylindrisches Konstruktionselement ausgebildet ist. Auf das Mikrophongehäuse 10 ist
auf die auf der Zeichnung nach oben gekehrte Stirnseite ein Membranelement aufmontiert, das generell mit der Bezugsziffer
11 bezeichnet ist. Das Membranelement besteht aus einer kurzen zyli.nderförmigen Buchse 12 mit einem
Flansch 13, die zusammen mit dem Mikrophongehäuse 10 eine
Membran 14 ausspannen. Diese Membran, die bei hochwertigen
Mikrophonen normalerweise eine Folie aus einem ausgesuchten Metall oder einer Legierung von solchen Metallen
ist, die aber auch eine metallbeschichtete Folie sein kann, bildet die bewegliche Elektrode des Mikrophons. Das Membranelement 11 ist auf das Mikrophongehäuse
10 aufgeschraubt oder auf andere Weise so an diesem befestigt, dass eine elektrisch leitende Verbindung zwischen
dem Gehäuse 10 und der Membran 14 hergestellt wird, Das Mikrophongehäuse 10 endet auf der Zeichnung oben in
einer ringförmigen, horizontalen Auflagefläche 15, die, wenn das Mernbranelement 11 aufgeschraubt ist, am Flansch
13 gegen die Innenseite der Membran 14 anliegt. Die Erstellung
dieser Auflagefläche 15 ist, was die Genauigkeit dabei betrifft, ein sehr kritischer Vorgang, da
diese Fläche eine Referenzebene für die Lagen von teils
der beweglichen Elektrode, teils der stationären Elektrode festlegt, so wie es aus dem in der Einleitung mit
Bezug auf die Toleranz für die Breite des Zwischenraumes zwischen der stationären und der beweglichen Elektrode
Angeführten ersichtlich ist.
Die Innenseite des Mikrophongehäuses 10 ist mit
einem Rezess 20 mit einer Auflagefläche 21 für einen
scheibenförmigen Isolator 22 versehen. Der Isolator wird
im Mikrophongehäuse 10 mit Hilfe eines Spannringes 23 fixiert, der mit Hilfe eines Gewindeganges 24 auf der
Innenseite des Gehäuses eingeschraubt wird. Das Festziehen
dieses Spannringes 23 soll die axiale Lage des Isolators so absichern, dass er sich nicht in Längsrichtung
des Mikrophongehäuses verschiebt, aber dass eine gewisse Verschiebebewegung zwischen dem Isolator und dem Mikrophongehäuse
längs der radialen Auflageflächen ermöglicht wird, da dadurch der Unterschied zwischen den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Materialien ausgeglichen werden kann.
Eine stationäre Elektrode, die generell mit 26 bezeichnet ist und in der Fachsprache auch Gegenelektrode
oder Gegenplatte genannt wird, besteht aus einem Kopf 27 mit einer planen Oberseite 2Ö, der die eigentliche
stationäre Kondensatorplatte darstellt, sowie einem stammförmigen Teil 29 mit einer Schulter 30. Der Stamm
29 ist durch eine Bohrung 31 in der Mitte des Isolators
22 hindurchgeführt, so dass die Schulter 30 auf der Oberseite des Isolators aufliegt, und wird mit Hilfe einer
aufgeschraubten Spannbuchse 32 auf der Unterseite des Isolators festgehalten. Auch dort sind so grosse
Luftzwischenräume zwischen den Seitenwänden der Bohrung
31 und dem Stamm 29 der Gegenelektrode vorhanden, dass diese die Unterschiede zwischen den Materialausdehnungen
aufnehmen können, die auf Unterschiede zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien zurückzuführen
sind.
Das Membranelement 11, das Mikrophongehäuse 10, die Gegenelektrode 26 und der Isolator 22 schliessen somit
einen Luftraum 33 ein, der nur durch einen im Mikrophongehäuse 10 vorgesehenen Druckausgleichskanal 34 mit
Kapillarrohrditnensionen mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht. Zwischen der Membran 14 und der Ober-
BAD QBlGINAL
seite 2# der Gegenelektrode befindet sich ein ganz dünner
LuftZwischenraum 35, der das Dielektrikum im Kondensator
darstellt. ·
Wie eingangs angeführt, ist der Übertragungsfaktor
eines Kondensatormikrophons dem Abstand zwischen den Elektroden direkt proportional und der inneren Spannung
der Membranfolie umgekehrt proportional. In der Einleitung
ist auch erwähnt,, dass die Toleranzen für den etwa
20 um schmalen Luft Zwischenraum zwischen 0,2 pm und
1,5 pm gehalten werden sollten. Wenn man sich die obige
Beschreibung einer bekannten Ausführungsform eines Kondensatormikrophons
vor Augen hält, ist es deshalb unmittelbar' einleuchtend, dass die Einhaltung der genannten
Toleranzen und damit die Erfüllung der an ein hochwertiges Mikrophon gestellten Anforderungen zeitraubende und damit kostspielige Ted!vorgänge bei der Herstellung der einzelnen Elemente des Mikrophons mit sich führt. Die
Gewährleistung der erforderlichen Planheit der Auflagefläche 15 des Gehäuses für die Membranfolie 14» welche
Toleranzen und damit die Erfüllung der an ein hochwertiges Mikrophon gestellten Anforderungen zeitraubende und damit kostspielige Ted!vorgänge bei der Herstellung der einzelnen Elemente des Mikrophons mit sich führt. Die
Gewährleistung der erforderlichen Planheit der Auflagefläche 15 des Gehäuses für die Membranfolie 14» welche
Fläche, wie erwähnt, eine Referenzfläche festlegt, und
für die Oberseite 2Ö der Gegenelektrode sowie die Sicherstellung der Parallelität mit der Membranfolie 14
machen, wie bereits in der Einleitung angegeben ist, so zeitraubende Arbeitsgänge wie Planschleifen, Läppen und Polieren u.a.m..notwendig.
für die Oberseite 2Ö der Gegenelektrode sowie die Sicherstellung der Parallelität mit der Membranfolie 14
machen, wie bereits in der Einleitung angegeben ist, so zeitraubende Arbeitsgänge wie Planschleifen, Läppen und Polieren u.a.m..notwendig.
Im folgenden werden einige Ausführungsformen
eines erfindungsgemässen Kondensatormikrophons beschrieben, bei deren Herstellung die oben skizzierten Probleme eine elegantere und vor allem wesentlich billigere
eines erfindungsgemässen Kondensatormikrophons beschrieben, bei deren Herstellung die oben skizzierten Probleme eine elegantere und vor allem wesentlich billigere
Lösung gefunden haben.
Es wird auf die Fig. 2 und 3 gleichzeitig Bezug
genommen. Die Figuren sind, genau wie in Fig«. I1, in bezug
auf die Wirklichkeit ziemlich vereinfacht, und zwar enthalten sie nur das, was zum Verständnis der Erfindung
erforderlich ist. Bezüglich der ausführlicheren und für
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die Erfindung irrelevanten Merkmale, wie die Anordnung
von Gewindegängen und ähnliche Einzelheiten, wird vorausgesetzt, dass der Durchschnittsfachmann dazu imstande
ist, sie ohne nähere Anweisungen auszugestalten. In seiner neuen Ausführung ist das Mikrophongehäuse
10 wiederum im wesentlichen zylindrisch. Im Inneren des Gehäuses und im Abstand von dessen Innenwand
ist eine im wesentlichen zylindrische Tragwand 40 vorgesehen,
die auf einer querverlaufenden Bodenwand 41 festsitzt oder sich von dieser aus emporerstreckt und
das Innere des Gehäuses in eine äussere Kammer 42 und
eine innere Kammer 43 aufteilt. Die Tragwand ist im wesentlichen koaxial mit dem Mikrophongehäuse angeordnet
und kann entweder einstückig mit der Bodenwand 41 hergestellt
oder auf andere Weise fest mit dieser verbunden sein. Die radial verlaufende Stirnfläche 44 der
Tragwand 40 ist in bezug auf die Auflagefläche 15 des Mikrophongehäuses für das Membranelement 11, die in derselben
Weise ausgebildet ist, wie es in der Beschreibung des Standes der Technik angeführt ist, zurückgezogen.
Im Gegensatz zu dem, was bei der bekannten Ausführungsform
der Fall ist, sind bei der neuen Ausführungsform die stationäre Elektrode und der Isolator erfindungsgemäss
bevorzugterweise als eine integrierte
Einheit ausgebildet. Auf der Zeichnung ist ein relativ dicker, scheibenförmiger Isolator 4# mit einer zentralen
Bohrung 49 und mit einer dünnen, elektrisch leitenden Schicht 50 auf der Oberseite wiedergegeben. Diese
Schicht stellt die Gegenelektrode des Mikrophons dar.
Sie kann aus einem Metallfilm bestehen, der z.B. aufgedampft
sein kann. Falls das Aufdampfverfahren Anwendung findet, so erfolgt dies zweckmässigerweise unter einem
von 90 Grad verschiedenen Winkel, wodurch erreicht wird,
dass sich die Elektrodenschicht in die Bohrung 49 in der Isolationsscheibe hi naberstrecken kann, so dass dort auf
bequeme Weise eine Kontaktzone zum Anschliessen eines
Kontaktdrahtes 51 geschaffen werden kann. Die Schicht erstreckt sich nicht ganz bis an den Rand der Isolationsscheibe
4Ö, wodurch eine geeignete Isolation zwischen
den Elektroden erreicht wird, wenn das Mikrophon zusammengebaut istj, vgl. Fig. 3.
Aus Fig. 3 geht hervor, dass der Isolator mit
der auf ihn aufgebrachten Gegenelektrode in das offene„
von der Bodenwand 41 abgekehrte Ende der Tragwand 40
hineingepresst ist. Das Einsetzen der integrierten Einheit kann ausserordentlich präzise erfolgen, da das Einpressen
dieser Einheit mit einem speziell ausgebildeten Präzisionsdorn vorgenommen werden kann, der sicherstellt,
dass die Gegenelektrode 50 mit der erforderlicher! Genau»
igkeit in einer gewünschten Höhe unter der Membran 14
plaziert wird, wobei die Auflagefläche 15 des Gehäuses mit der Membran 14, wie bereits erwähnt, bei der Anordnung
der stationären Gegenelektrode als Referenzfläche dient.
Eine alternative Verwirklichung der Erfindung ist in Fig. 4 wiedergegeben. Darin ist wiederum ein'Mikrophongehäuse
10 mit aufgesetztem Membranelement 11 und mit einer inwendigen Tragwand 40 von derselben Art wie
die in den Fig. 2 und 3 gezeigte sowie mit einer Isolationsscheibe
4$ dargestellt, die, genau so wie es in
Fig. 3 gezeigt ist, auf der Stirnseite der Tragwand 40
eingesetzt ist. Das alternative Merkmal besteht erfindungsgemäss darin, dass die stationäre Elektrode als ein
separates Element 52 mit einem Kopf und einem Stamm ausgebildet
und auf bekannte Weise auf der Isolationsscheibe montiert ist, so wie es in Fig. 1 veranschaulicht ist.
Dies hat den Vorteil, dass man sich bei der Detailausbildung der stationären Elektrode technischer Verfahren
bedienen kann, die leichter zu handhaben sind, da nur relativ wenige Unternehmen dazu in der Lage sind2 die
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speziellen Materialien zu bearbeiten, aus denen die Isolationsscheibe
normalerweise besteht, wie z.B. Quarz, Saphir, Rubin oder ähnliche Materialien.
Die Tragwand 40 ist derartig dimensioniert, d.h.
sie hat eine derartige Wandstärke und eine derartige Ausdehnung in Axialrichtung, dass sie sich an ihrem
. freien Ende beim Hineinpressen der Isolationsscheibe 4Ö
mit aufgebrachter bzw. aufmontierter Elektrode ein wenig dehnen kann, so dass die Scheibe durch die Reibung
zwischen der Innenseite der Tragwand 40 und der zylindrischen
Aussenseite der Isolationsscheibe 4# in ihrer Lage festgehalten wird. Alternativ können Scheibe und
Tragwand so dimensioniert sein, dass sich die Scheibe gerade eben in das offene Ende der Tragwand einsetzen
lässt, ohne dass die Wand dabei radial gedehnt wird. Dies erfordert dann, dass die Scheibe z.B. an der Tragwand
festgeleimt wird und während des Festleimens vom
genannten Präzisionsdorn am vorgesehenen Platz festgehalten wird, bis der Leim gehärtet ist. Die Dimensionen
der Tragwand müssen im übrigen den restlichen Dimensionen des Gehäuses 10 so angepasst werden, dass der Unterschied
zwischen den thermischen Ausdehnungen der Stirnseiten der Tragwand durch ein federndes Verhalten der
Tragwand aufgenommen wird, so dass der äussere Teil des
25. Mikrophongehäuses davon unbeeinflusst bleibt, vgl. die welter vorn stehenden Ausführungen. Ein federndes Verhalten
der Tragwand hat soirüt das Aufeinandergleiten von aneinander anliegenden Konstruktionsteilen in herkömmlich
ausgebildeten Mikrophonen abgelöst, wodurch man, wie bereits erwähnt, die Gefahr ausschaltet, dass wie
bei den nach dem Stand der Technik hergestellten Mikrophonen ggf. sprunghafte Änderungen des Übertra£ungsfaktors
auftreten.
Die äussere, zylindrische und der Innenseite der Tragwand 40 zugekehrte Fläche der Isolationsscheibe
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kann konvex ausgebildet sein, wie aus Fig. 5 ersichtlich
ist. Diese Figur ist in einem in bezug auf Fig. 3 fünffach vergrösserten Massstab gezeichnet. Der Scheibe 43
ist ein, in einem diametralen Schnitt gesehen, derartiges Profil verliehen worden, dass eine ganz schmale und
symmetrische Berührungsfläche 53 zwischen der Scheibe 4&
und der Tragwand 40 entstanden ist. Die Fläche ist sehmal
gehalten, um Gleitbewegungen zwischen den beiden aneinander anliegenden Flächen zu reduzieren, was die Wirkung
aufweist, dass die Gefahr des Auftretens einer axialen Verschiebung der Scheibe, die durch die Einwirkung wechselnder
Temperaturen verursacht wird, reduziert wird» Die Berührungsfläche 53 ist spiegelsymmetrisch um eine
rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende Ebene ausgebildet, in der ein grösster Durchmesser 54 der Scheibe
48 liegt. Es sei ferner bemerkt, dass diese Ebene nicht
unbedingt in gleichen Abständen von den beiden Stirnflächen 55 und 56 der Scheibe zu liegen braucht. Der Grund
dafür ist der Umstand, dass sich die Tragwand 40 nicht
gleich weit zu beiden Seiten der Isolationsscheibe erstreckt und dass man durch Anwendung einer geeigneten
Einsetztiefe die Möglichkeit hat, es bei dieser Profilierung der Scheibe zu erreichen, dass die Projektionen
der Kräfte, die in Axialrichtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene zu beiden Seiten der genannten
rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich gross, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind. Dadurch
wird zusätzlich gesichert, dass die stationäre Elektrode nicht infolge von Tenperatureinwirkungen von
ihrem bestimmten Platz verrückt wird. Ausserdem erleichtert
die konvexe Form das Einführen der Isolationsscheibe.
Es sei bemerkt, dass sich die Figur auf den Fall bezieht, in dem die Scheibe durch Friktion an ihrem bestimmten
Platz festgehalten wird, d.h. nicht festgeleimt
3ÄD OKSC
ist. Die Ausbuchtung der Tragwand in bezug auf eine spannungsfreie Lage ist durch eine gestrichelte Linie
57 angedeutet.
Bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen
eines erfindungsgemässen Aufnehmers ist es besonders einfach, einen Druckausgleichskanal zwischen
dem Inneren des Aufnehmergehäuses und der umgebenden Atmosphäre vorzusehen. Ausser auf die Fig. 2 und 3 wird
auf Fig. 6 und Fig. 7 Bezug genommen. Fig. 7 veranschaulicht
eine Einzelheit aus Fig. 6 in dreifach vergrössertem
Massstab.
Durch eine Bohrung 52 in der Quer- oder Bodenwand
41 ist eine Buchse 60 aus einem elastischen Isolationsmaterial
hindurchgeführt. Die Buchse liegt mit einem Flansch 61 gegen die Unterseite der Eodenwand an.
Der Kontaktdraht 51 ist vom Inneren des Mikrophons her
durch die Buchse 60 hindurchgeführt, während von aussen . her ein Pfropfen 62 aus elektrisch leitendem Material
in die Buchse eingesetzt ist, der sich ganz durch die Buchse hindurcherstreckt, so dass der Kontaktdraht zwischen
der Buchsenwand und dem Pfropfen eingeklemmt liegt, der als mittig angeordneter Anschlusskontakt dienen kann.
Auf Grund der Elastizität der Buchse 60 bildet sich auf jeder Seite des Kontaktdrahtes 51 ein kleiner
Kanal 63 bzw. 64, durch welche Kanäle Druckänderungen in
der umgebenden Atmosphäre ausgeglichen werden können.
Durch geeignete Wahl der Drahtstärke lässt sich die Druckausgleichsgeschwindifkeit nach Wunsch regulieren.
Es handelt sich jeweils um einen Kompromiss zwischen der
Druckausglei, chsgeschwindigkeit und der erwünschten Frequenzcharakteristik
bei niedrigen Frequenzen.
Statt den Druckausgleichskanal durch die Bodenwand 4-1 verlaufen zu lassen, kann es in Verbindung mit
anderen Ausführungsformen, z.B. bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel, zweckmässig sein, einen Druckaus-
gleichskanal durch eine Bohrung in der Tragwand oder in
der Wand des eigentlichen Gehäuses zu erstellen, weiche Bohrung eine Buchse aus einem -elastischen Isolationsmaterial
enthält, das einen· harten Kern umschliesst, und wobei sich zwischen dem Isolationsmaterial und dem harrten Kern ein oder mehrere Drähte befinden, deren Stärke
auf geeignete Weise gewählt werden kann.
Die Vorteile dieser neuartigen Ausgestaltung eines erfindungsgemässen Kondensatormikrophons lassen
sich folgendermassen zusammenfassen;
Es lässt sich einfach zusammenbauen, und es
lässt sich auf sehr einfache Weise ein gewünschter Abstand
zwischen den Elektroden erreichen; die einzelnen Teile des Mikrophons können jeweils für sich mit der
erforderlichen Präzision hergestellt werden, so dass sich eine kostspielige abschliessende, paarweise Bearbeitung
der Teile, um diese jeweils genau aneinander
anzupassen, erübrigt; und schliesslich werden Probleme hinsichtlich der KurzzeitstabilitÜt auf ein Minimum reduziert,
da Unterschiede zwischen thermischen Ausdehnungskoeffizienten durch ein federndes Verhalten der
Tragwand statt durch Gleitbewegungen zwischen Konstruktionselementen ausgeglichen werden, so dass sprunghafte
Änderungen des Übertra^ungsfaktors verhindert werden.
Eine spezielle Ausführungsform des Kondensatormikrophons ist das vorpolarisierte Mikrophon, auch Elektretmikrophon
genannt. Ein derartiges Mikrophon enthält ein Element, in dem eine permanente elektrische Ladung
gespeichert ist, die das Feld erzeugt, das für die Funktion des Mikrophons notwendig; ist. Dieses Element besteht
normalerweise aus einem Kunststoffmaterial. Bei einfacheren Mikrophonen ist das Element ein integrierter Teil
der Membranfolie, während es bei hochwertigen Mikrophonen notwendig ist, dieses Element auf der Gegenelektrode
anzubringen, da man dadurch Schwierigkeiten mit der ge-
BAD ORIGINAL
ringen mechanischen Festigkeit des Kunststoffmaterials
vermeidet. Typisch wird das geladene Element, der Elektret, von einer Polymerschicht gebildet, die in einer
Stärke von 10 bis 30 um oben auf die Stationäre Elektrode aufgebracht wird. Diese aufgebrachte Schicht bringt zusätzliche Komplikationen der Herstellung von Kondensatormikrophonen, der der Stand der Technik zugrunde gelegt ist, mit sich, da die Beschichtung, was die Stärke der Schicht anbelangt, mit einer gewissen Unsicherheit erfolgt, aber diese Unsicherheit ist unwesentlich bei
Kondensatormikrophonen, die in Libereinstimmung mit der Erfindung hergestellt werden, da das Einsetzen der Gegenelektrode mit dem vorpolarisierten Element unter Einhaltung der gewünschten Genauigkeit des Abstandes zwisehen der beweglichen Elektrode und der Oberfläche des Elektrets erfolgen kann.
Stärke von 10 bis 30 um oben auf die Stationäre Elektrode aufgebracht wird. Diese aufgebrachte Schicht bringt zusätzliche Komplikationen der Herstellung von Kondensatormikrophonen, der der Stand der Technik zugrunde gelegt ist, mit sich, da die Beschichtung, was die Stärke der Schicht anbelangt, mit einer gewissen Unsicherheit erfolgt, aber diese Unsicherheit ist unwesentlich bei
Kondensatormikrophonen, die in Libereinstimmung mit der Erfindung hergestellt werden, da das Einsetzen der Gegenelektrode mit dem vorpolarisierten Element unter Einhaltung der gewünschten Genauigkeit des Abstandes zwisehen der beweglichen Elektrode und der Oberfläche des Elektrets erfolgen kann.
BAD ORIGINAL
Claims (1)
- case : 5965-/eod/ks ·'·- ·-- *-.*.:..Aktieselskabet Brüel & Kjaer, 2Ö5Q Nserum, DänemarkKapazitiver MessgrössenaufnehmerPatentansprüche1»J Kapazitiver Messgrössenaufnehmer, der ein metallisches Aufnehmergehäuse mit zwei auf diesem oder in diesem montierten, elektrisch leitenden Platten umfasst^ von welchen die eine eine stationäre Elektrode bildet, während die andere eine in bezug auf die stationäre Elektrode bewegliche Elektrode darstellt, und wobei die bewegliche Elektrode auf der Stirnseite des Aufnehmergehäuses angebracht ist, während die stationäre Elektrode auf einem isolierenden Element montiert ist, das im Inneren des Aufnehmergehäuses festgehalten wird und die stationäre Elektrode in kleinem Abstand von der genannten beweglichen Elektrode unterstützt, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Aufnehmergehäuses (IG) im Abstand von der Innenwand des Gehäuses eine im wesentliehen zylindrische Tragwand (40) vorgesehen ist, deren eine Stirnseite durch eine Querwand oder einen Boden (41) mit dem Aufnehmergehäuse (10) fest verbunden ist und deren andere, von der Quer- oder Bodenwand (41) abgekehrte Stirnseite einen Sitz für das genannte isolierende Element (4#) bildet, und dass die Tragwand (40) und das isolierende Element (4Ö) derartig dimensioniert sind, dass das Element (4#) durch Einpressen oder Einführen in seinem Sitz montiert und danach dort durch Reibung bzw. durch einen Klebstoff festgehalten werden kann.2. Aufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Elektrode und das isolierende Element als eine integrierte Einheit in Form einer Isolationsscheibe (4&) mit einer einseitigen, elektrisch leitenden Beschichtung (50) ausgebildet sind« 3» Aufnehmer nach Anspruch 1," dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Elektrode als ein separatesBADElement (52) auf einer Scheibe (4&) aus einem elektrisch isolierenden Material montiert j st.4. Aufnehmer nach Anspruch 1, 2 oder 3 und bei dem die Isolationsscheibe (4#) durch Reibung in ihrem Sitz festgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere, zylindrische, der Innenseite der Tragwand (40) zugekehrte Fläche der Isolationsscheibe (48) konvex ist und eine derartige Form oder ein derartiges Profil besitzt, dass eine schmale Berührungsfläche (53) mit der Innenseite der Tragwand entsteht, welche Fläche (53) spiegelsymmetrisch ist um eine rechtwinklig zur Aufnehmerachse verlaufende Ebene, die einen grössten Durchmesser (54) der Isolationsscheibe (4ß) enthält, und dass diese Scheibe so tief in ihrem Sitz angebracht ist, dass die Projektionen der Kräfte, die in axialer Richtung auf die Scheibe einwirken können, auf eine Ebene auf beiden Seiten der genannten, rechtwinklig verlaufenden Ebene annähernd gleich gross, aber einander entgegengesetzt gerichtet sind.5. Aufnehmer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stationäre Elektrode in Form einer einseitigen, elektrisch leitenden Beschichtung (50) auf die Isolationsscheibe (46) aufgebracht ist durch eine Aufdampfung in schräger Richtung in bezug auf die Achse der Scheibe und in einer solchen IVeise, dass auf der die Elektrode tragenden Fläche der Isolationsscheibe (4#) ein peripheres, unbeschichtetes Randgebiet übrig ist. 6. Aufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Bohrung (58-) in der Quer- oder Bodenwand (41) hindurch eine Buchse (60) aus einem elastischen Tso.lationsmater.ia3. eingeführt ist, die einen harten Kern (62) urnschü iesst, und dass sich zwischen der Buchse (60) ijnd dem genannten harten Kern (62) ein oder mehrere durchgehende Drähte (51) zwecks Erstellung von engen Druckausgleichskanälen (63, 64) auf jeder SeiteBAD ORIGINAL ,,des Drahtes bzw. der Drähte befinden.7. Aufnehmer nach Anspruch.6, dadurch flekenngeichnetf dass der genannte harte Kern (62) ein Anschlusskontakt aus einem elektrisch leitenden Material ist und dass der genannte Draht oder die genannten Drähte (51) als Kontaktdraht oder -drahte für die stationäre Elektrode (50) dient bzw. dienen.
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