DE4103784A1 - Elektrostatischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Wand­ ler, der aus Membran, Gegenelektrode und zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Teilen besteht.

Elektrostatische Wandler der genannten Art gehören zum Stand der Technik und sind aus der dafür einschlägi­ gen Fachliteratur bekannt. Eine Beschreibung eines sol­ chen Wandlers ist z. B. im Sonderdruck aus der Zeitschrift Funkschau, Heft 15, August 1971, mit dem Titel "Technolo­ gie und akustische Fortschritte im Bau von Kondensator­ mikrophon-Kapseln" zu finden.

Alle bisher bekannten elektrostatischen Wandler sind mit dem Nachteil behaftet, daß im Inneren des Wandlers bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit, wenn sich ein Nie­ derschlag von Tauwasser auf sämtlichen Oberflächen bil­ det, der hochohmige Oberflächenwiderstand auf den Iso­ lierteilen zusammenbricht. Die dabei sich örtlich ausbil­ denden Strecken elektrischer Leitfähigkeit führen zu als Prasseln bezeichneten Störgeräuschen, zu erhöhtem Rau­ schen und im ungünstigsten Fall zum totalen elektrischen Ausfall des elektrostatischen Wandlers. Erst nach langer Erholzeit ist eine volle Wiedereinsetzbarkeit möglich. Diese durch das Bilden von Tauwasser im Betriebsfall als äußerst störend auftretenden Erscheinungen sind im prak­ tischen Einsatz solcher vor allem in Mikrophonen verwen­ deter elektrostatischer Wandler unangenehm, und bedürfen zu deren Eindämmung umständlicher, zeitaufwendiger Maß­ nahmen, wie beispielsweise der klimatischen Anpassung der zum Einsatz gelangenden Mikrophone an deren Umgebungs­ klima.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die eben genannten Nachteile durch eine geeignete Maßnahme gänzlich auszuschalten, die das Betauen der kritischen Isolierstrecken zwischen Membran und Gegenelektrode ent­ weder vermeidet, zumindest aber das Ausbilden einer elek­ trisch leitend werdenden Isolierstrecke verhindert. Aus­ gehend vom Stand der Technik besteht die Erfindung nun darin, daß die elektrisch isolierenden Teile zur Gänze, zumindest aber teilweise im Vergleich zur Gegenelektrode und zu dem den Wandler umgebenden Gehäuse eine zumindest um ein Drittel geringere volumenbezogene Wärmekapazität und eine zumindest um das 10^-2-fache geringere Wärmeleit­ fähigkeit besitzen.

Der erfinderische Gedanke beruht darauf, daß beim Erreichen des Taupunktes der Niederschlag von Tauwasser auf einer Körperoberfläche nur dadurch zu vermeiden ist, daß in der nahen Umgebung der Oberfläche des sich im Tau­ klimas befindenden Körpers raschestmöglich jene Tempera­ tur erreicht wird, für die die relative Luftfeuchtigkeit gerade noch nicht 100% erreicht. Dazu muß die Wärmekapa­ zität und die Wärmeleitfähigkeit des in Betracht kommen­ den Körpers wesentlich geringer sein als die der ihn um­ gebenden Körper, im Anwendungsfall die der Isolierteile des Wandlers wesentlich geringer als die der anderen Bau­ teile. Im Idealfall bildet sich überall, nur nicht auf der Isolierstrecke, bzw. der isolierenden Oberfläche ein Niederschlag von Tauwasser, wodurch die hochohmige Be­ schaffenheit der Isolation aufrecht erhalten bleibt.

Durch die äußerst geringe Wärmekapazität des Iso­ lierkörpers ist für den raschestmöglichen Temperaturaus­ gleich beim Wärmeaustausch zwischen ihm und der feuchten Luft gesorgt, während die äußerst geringe Wärmeleitfähig­ keit des Isolierkörpers selbst bei hohem Temperaturge­ fälle ein nur geringstfügiges Abströmen der Wärme sicher­ stellt. Die Bedingung geringster Wärmekapazität ist im allgemeinen dadurch erfüllbar, daß man den Isolierkörper mit geringster Masse versieht, was in praktischer Hin­ sicht zu einer folienförmigen, membranartigen Ausfüh­ rungsform führt. Die äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit ist durch besondere Wahl des Isoliermaterials zu verwirk­ lichen, beispielsweise wird man PVC bevorzugen, das eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von etwa 3 × 10^-5 kcal/msec Grad aufweist. Der Erfindungsgedanke findet darüber hi­ naus seinen Niederschlag in entsprechend konstruktiver Ausgestaltung der Isolierstrecke und der diese bildenden Teile.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß ein elektrisch isolierender ringförmiger Teil zur Gänze die elektrische Isolation zwischen Membran und Gegenelektrode bildet, dessen volumenbezogene Wärmekapa­ zität zumindest um ein Drittel geringer und dessen Wärme­ leitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der Gegenelektrode.

Für den Fall, daß die in das Innere des elektrosta­ tischen Wandlers eingedrungene feuchte Luft auf Grund von Druck und Temperatur den Taupunkt erreicht, der die Kon­ densation auf den Körperoberflächen eintreten läßt, wird die als ringförmiger Teil ausgebildete Isolation auf ihrer Oberfläche nicht betaut werden, weil wegen der ge­ nannten Bedingungen für die Beschaffenheit dieses Teiles ein Feuchtigkeitsniederschlag nicht begünstigt wird. Dank der geringen Wärmekapazität gegenüber den anderen Teilen des elektrostatischen Wandlers wird die Temperatur der an den Isolierteil angrenzenden Luft von diesem im Wärmeaus­ tausch in so kurzer Zeit erreicht, daß sich auf diesem kein Niederschlag mehr bilden kann.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß der elektrisch isolierende Teil eine aus Iso­ liermaterial bestehende Scheibe ist, die eine ringförmige Nut aufweist und die Scheibe bis auf einen ringförmigen, die Nut enthaltenden Randbereich die Gegenelektrode als metallisch bedampfte Schicht bildet, mit einem Ring aus Isolierfolie überbrückt ist, dessen volumenbezogene Wär­ mekapazität zumindest um ein Drittel geringer und dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der den Isolierring tragenden Scheibe. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht darin, daß auf eine bereits bekannte Ausführungsform eines elektrostatischen Wandlers zurückgegriffen werden kann, der nach Einfügen des erfindungsgemäßen Ringes aus Isolierfolie die bisherigen Mängel schlagartig verliert.

Die Erfindung kann ferner auch so ausgestaltet sein, daß der elektrisch isolierende Teil als trogförmiger Ring zwischen der domförmig ausgestalteten Gegenelektrode und der den Membranrand spannenden Haltering ausgebildet ist, in dem eine kragenförmige Isolierfolie eingebracht ist, deren volumenbezogene Wärmekapazität zumindest um ein Drittel geringer und deren Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der sie umgebenden Wandlerteile. Die erfindungsgemäße Anordnung der kragen­ förmigen Isolierfolie unterbricht auf einer verhältnis­ mäßig großen Strecke die durch Betauen leitend gewordene Isolationsoberfläche zwischen Gegenelektrode und Membran, wodurch die eingangs genannten Mängel nicht mehr in Er­ scheinung treten.

Schließlich besteht noch eine vorteilhafte Ausge­ staltung der Erfindung darin, daß die Isolation zwischen Gegenelektrode und elektrisch leitendem Gehäuse als ke­ gelstumpfförmiges mit einem zylindrischen Ansatz verse­ henes Gebilde aus Isolierfolie ausgestaltet ist, dessen volumenbezogene Wärmekapazität zumindest um ein Drittel geringer und dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die des Gehäuses und der Gegenelektrode. Solche elektrostatischen Wandler, deren Gehäuse als elektrische Leitung benützt werden, wobei zu­ meist die Membran mit dem Gehäuse elektrisch leitend ver­ bunden ist, bedürfen einer besonderen Isolation zwischen dem Gehäuse und dem Wandler, weil das Gehäuse stets beim Erreichen des Taupunktes auf seiner Oberfläche einen Nie­ derschlag von Tauwasser erhält. Die erfindungsgemäße Aus­ gestaltung der Isolation verhindert, daß zwischen Gehäu­ seoberfläche und leitenden Teilen des elektrostatischen Wandlers elektrisch leitende Feuchtigkeitsbrücken ausge­ bildet werden, wodurch die Isolation voll wirksam bleibt. Betriebsstörungen der zuvor genannten Art treten nicht mehr auf.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen noch ein­ gehender erläutert. Es zeigen

Fig. 1 im Querschnitt eine prinzipielle Ausgestaltung der Erfindung,

Fig. 2 im Quer­ schnitt eine Ausführungsform mit einem eine Nut über­ brückenden Ring aus Isolierfolie,

Fig. 3 im Querschnitt die Ausgestaltung einer kragenförmigen Isolierstrecke und

Fig. 4 im Querschnitt eine Ausführung, bei der die Isola­ tion zwischen Gehäuse und elektrostatischem Wandler an­ geordnet ist.

Ein im wesentlichen aus der Membran 1, der Gegen­ elektrode 2 und der zwischen beiden angeordneten elek­ trischen Isolation 3 aufgebauter elektrostatischer Wand­ ler ist in Fig. 1 dargestellt. Die Membran 1 ist an der nach außen gerichteten Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Metallschicht 4 versehen, die an ihrem Rand 5 mit dem elektrisch leitenden Gehäuse 6 leitend verbunden ist. Von Bedeutung ist, daß beim Erreichen des Taupunktes die strichliert hervorgehobene Oberfläche 7a und 7i der elektrischen Isolation 3 von der sie umgebenden feuchten Luft nicht betaut wird, wodurch sie gegenüber den mit Tauwasser benetzten übrigen Teilen des elektrostatischen Wandlers an der Oberfläche die hohe Isolation aufrecht erhält. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Isola­ tion 3 durch geringste Wärmekapazität und Wärmeleitfähig­ keit gegenüber den übrigen Teilen des Wandlers garan­ tiert, daß kein Niederschlag von Tauwasser auf deren Oberfläche bei 100% relativer Luftfeuchtigkeit eintritt. Die störungsfreie Arbeitsweise des elektrostatischen Wandlers ist damit bei höchster Luftfeuchtigkeit sicher­ gestellt. Die Bezugszeichen 8 und 9 weisen auf die nach außen geführten elektrischen Anschlüsse des elektrosta­ tischen Wandlers hin. Es ist aber auch in Fig. 1 die zur Gänze ringförmige Ausführungsform der Isolation 3 ge­ zeigt, wobei der Rand der Isolation 3 in Form einer stu­ fenförmigen Schulter 10 ausgebildet ist, damit ein erfor­ derlicher Abstand zwischen Gegenelektrode 2 und Membran 1 eingehalten wird. Im allgemeinen beträgt dieser Abstand 20 µm bis 60 µm je nach spezifischer Bauart des elektro­ statischen Wandlers. Wichtig dabei ist, die gesamte Iso­ lationsstrecke so auszugestalten, daß ein eventuell im Bereich dieser extrem niedrigen Schulter vorhandener Tau­ wasserniederschlag den hochohmigen Widerstand der gesam­ ten Isolationsstrecke nicht beeinträchtigt. Beispiels­ weise wird man die übrigen Bereiche der Isolationsstrecke besonders lang ausführen.

Eine vorzugsweise Ausgestaltung der Erfindung zeigt Fig. 2. Die Gegenelektrode 11, die aus keramischem Mate­ rial als Scheibe ausgebildet ist, besitzt in ihrem Rand­ bereich 12 eine ringförmige Nut 13. Diese Nut 13 ist er­ findungsgemäß mit einer ringförmigen Isolierfolie 14 überbrückt, wobei dieser Isolationsring an seinem inneren und äußeren Rand mit der Gegenelektrode 11 verklebt ist. Aus akustischen Gründen können nicht in der Zeichnung dargestellte Abstützungen zum Boden der Nut 13 in Form von in die Folie eingeprägter Noppen, Rillen oder Sicken erforderlich sein.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform be­ steht zwischen der domförmig ausgebildeten Gegenelek­ trode 15 und dem den Membranrand 16 spannenden Halte­ ring 17 die gestrichelt gezeichnete Isolierfläche 18 des dazwischen liegenden trogförmigen Ringes 19. Am Boden dieses trogförmigen Ringes 19 ist die kragenförmige Iso­ lierfolie 20 eingebracht, durch deren erfindungsgemäße Anordnung und Beschaffenheit im Fall eines Feuchtenieder­ schlages auf der die Isolation bildenden Oberfläche 18 leitend werdende Abschnitte unterbrochen sind, wodurch die erforderliche hochohmige Isolation erhalten bleibt.

Schließlich ist jener Anwendungsfall, bei dem die Isolation zwischen Gegenelektrode 21 und elektrisch lei­ tendem Gehäuse 22 als kegelstumpfförmiges, mit einem zylindrischen Ansatz versehenes Gebilde 23 ausgestaltet ist, in Fig. 4 dargestellt. Eine einfache nur im Randbe­ reich 24 angeordnete Isolationsschicht reicht nicht aus, für den Fall des Betauens eine ausreichende Isolation zu gewährleisten, weil zufolge der äußerst dünnen Isolier­ schicht an deren Rand Feuchtigkeitsbrücken unvermeidbar entstehen. Erst die erfindungsgemäße Ausbildung der Iso­ lierfolie zusammen mit den erfindungsgemäßen Bedingungen führt zum gewünschten Erfolg.

Claims (5)

1. Elektrostatischer Wandler, der aus Membran, Ge­ genelektrode und zwischen diesen angeordneten elektrisch isolierenden Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierenden Teile (3, 11, 19, 23) zur Gänze, zumindest aber teilweise im Vergleich zur Gegen­ elektrode (2, 11, 15, 21) und zu dem den Wandler umgeben­ den Gehäuse (6, 22) eine zumindest um ein Drittel gerin­ gere volumenbezogene Wärmekapazität und eine zumindest um das 10^-2-fache geringere Wärmeleitfähigkeit besitzen.

2. Elektrostatischer Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß ein elektrisch isolierender ringförmiger Teil (3) zur Gänze die elektrische Isolation zwischen Membran (1) und Gegenelektrode (2) bildet, des­ sen volumenbezogene Wärmekapazität zumindest um ein Drit­ tel geringer und dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der Gegenelektrode (2) (Fig. 1).

3. Elektrostatischer Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Teil eine aus Isoliermaterial bestehende Scheibe (11) ist, die eine ringförmige Nut (13) aufweist und die Scheibe (11) bis auf einen ringförmigen, die Nut enthaltenden Randbe­ reich (12) die Gegenelektrode als metallisch bedampfte Schicht bildet, mit einem Ring (14) aus Isolierfolie überbrückt ist, dessen volumenbezogene Wärmekapazität zu­ mindest um ein Drittel geringer und dessen Wärmeleitfä­ higkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der den Isolierring (14) tragenden Scheibe (11) (Fig. 2).

4. Elektrostatischer Wandler nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrisch isolierende Teil als trogförmiger Ring (19) zwischen der domförmig ausge­ stalteten Gegenelektrode (15) und der den Membranrand (16) spannenden Haltering (17) ausgebildet ist, in dem eine kragenförmige Isolierfolie (20) eingebracht ist, deren volumenbezogene Wärmekapazität zumindest um ein Drittel geringer und dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die der sie umgebenden Wandlerteile (Fig. 3).

5. Elektrostatischer Wandler nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Isolation (23) zwischen Gegenelektrode (21) und elektrisch leitendem Gehäuse (22) als kegelstumpfförmiges mit einem zylindrischen Ansatz versehenes Gebilde aus Isolierfolie ausgestaltet ist, dessen volumenbezogene Wärmekapazität zumindest um ein Drittel geringer und dessen Wärmeleitfähigkeit zumindest um das 10^-2-fache geringer ist als die des Gehäuses (22) und der Gegenelektrode (21) (Fig. 4).