DE4115221C2 - Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf einen elektroakustischen Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip. Dieser Wandler besitzt mindestens eine feststehende Gegenelektrode und eine im Abstand dazu angeordnete schwingungsfähige, elektrisch leitende Membran. Die Gegenelektrode trägt auf ihrer von der Membran abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht.

Bei dem bekannten Wandler dieser Art (DE-OS 19 52 999) liegt eine durch ein Ferroelektrikum oder ein Elektret gebildete feste Gegenelektrode vor, die auf ihrer der Membran abgekehrten Seite mit leitfähigem Material beschichtet ist. Kanäle, welche die Gegenelektrode durchsetzen, sind nicht vorgesehen. Mit zunehmender Dicke des Elektrets nimmt einerseits die Konstantladung zu und erhöht sich andererseits der Abstand der leitenden Schicht von der Membran. Diese führt, trotz der Ladungszunahme, zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads. Um vertretbare Werte zu erhalten, soll der Quotient aus den beiden Produkten zwischen der Dielektrizitätskonstanten der Luft und der Dicke des Elektrets einerseits und der Dielektrizitätskonstante des Elektrets und der Größe des Luftspalts andererseits zwischen einer oberen und unteren Grenze liegen. Ein optimaler Zustand soll sich ergeben, wenn dieser Quotient den Wert eins hat. Dieser Wandler arbeitet im optimalen Zustand nur mit dem halben Wert des zwischen der Membran und der leitenden Schicht sich ausbildenden elektrischen Felds.

Der Erfindung liegt die Aufgbe zugrunde, einen Wandler mit einer hohen Empfindlichkeit zu entwickeln, der trotz eines geringen Abstandes zwischen der Membran und der Gegenelektrode sich durch eine hohe Durchschlagfestigkeit auszeichnet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Die im Kennzeichen von Anspruch 1 genannte Beziehung ist sowohl für die Dimensionierung des Luftspalts als auch für die Dicke und die Materialauswahl der aus Glas oder keramischem Material gebildeten Isolierstoff- Trägerplatte bedeutsam. Die Dielektrizitätskonstante der Isolierstoff- Trägerplatte ist gegenüber derjenigen von Luft wesentlich höher. Zwar schwächt die Isolierstoff-Trägerplatte das äußere elektrische Feld, aber ihre elektrische Isolation erlaubt eine derartige Erhöhung des inneren elektrischen Feldes, daß ein Verlust im Wirkungsgrad nicht auftritt. Das elektrische Feld wird durch Vergrößerung der Polarisationsspannung oder der elektrischen Vorspannung erreicht. Die in der Trägerplatte vorgesehenen Kanäle sorgen für eine gute akustische Durchlässigkeit. Durch die stumpfen Winkel an den Mündungen der vorgesehenen Kanäle auf der Außenfläche der Trägerplatte wird die elektrische Feldverteilung nur wenig gestört. Weil spitze Elemente fehlen, tritt eine unerwünschte Ionisierung der zwischen der Trägerplatte und der Membran befindlichen Luft nicht ein. Es ist eine hohe elektrische Signalspannung anwendbar, die zu einer hohen elektrischen Feldstärke des äußeren Feldes und somit zu einer hohen Ansteuerbarkeit des Wandlers führt.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen elektrostatischen elektro­ akustischen Gegentaktwandler gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt ei­ ne zweckmäßige Ausbildungsform der der Gegenelektrode angeordneten Kanäle.

In der Fig. 1 ist ein Wandler nach der Erfindung dargestellt, der als symmetrischer Gegentaktwandler ausgeführt ist. Die schwin­ gungsfähige leitfähige Membran 1 befindet sich zwischen den Gegenelektroden 2, die aus einer Isolierstoff-Trägerplatte beste­ hen. Auf dieser Isolierstoff-Trägerplatte ist die elektrisch lei­ tende Schicht 3 auf der Membran abgewandten Seite, also nach außen hinweisend, aufgetragen. Die akustische Durchlässigkeit der Gegen­ elektroden ist durch die Kanäle 4 gegeben. Die wesentlichen Merk­ male der Erfindung bestehen nun darin, daß einerseits die elek­ trisch leitende Schicht mehr in der Nähe der schwingungsfähigen Membran angeordnet ist und andererseits für die Isolierstoff- Trägerplatte 2 eine Dielektrizitätskonstante ε_r2 aufweist, die wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante der im Wandler­ innenraum eingeschlossenen Luft ist. Wird beispielsweise, einer praktischen Ausführungsform entsprechend, die Materialstärke d₂ der Isolierstoff-Trägerplatte ungefähr dem Abstand d₁ zwischen Membran und Isolierstoff-Platte gewählt, so kann unter die Annah­ me, daß die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Isolierstoff- Trägerplatte-Materials ein ε von ungefähr 7 aufweist, davon ausge­ gangen werden, daß sich der um die Materialstärke d₂ erhöhte Ab­ stand zwischen Membran 1 und der leitenden Schicht 3 nur zu einem Siebentel auswirkt, und somit trotz des erhöhten Abstandes eine Empfindlichkeitsverminderung vermieden wird. Da jedoch die Feld­ stärke innerhalb des Systems wegen der erhöhten Abstände der lei­ tenden Schichten der Gegenelektroden zueinander als auch der je­ weiligen leitenden Schicht zu der Membran wesentlich erhöht werden kann, tritt eine Erhöhung der Wandlerempfindlichkeit auf.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht dar­ in, daß selbst bei einem sogenannten Anklatschen der Membran an eine Gegenelektrode aufgrund zu hoher elektrostatischer Kräfte keine unmittelbare elektrische Berührung entsteht. Insofern kann die Membrane einerseits elektrisch nicht beschädigt werden und an­ dererseits wird das nach dem Konstantladungsprinzip betriebene Wandlersystem nicht kurzzeitig entladen.

Sehr vorteilhaft wird als Material für die Isolierstoff-Träger­ platten ein glaskeramisches Material gewählt. Ein solches Material ist beispielsweise unter dem Markennamen "Foturan" der Firma Schott erhältlich. Dieses Material weist eine Dielektrizitäts­ konstante ε_r zwischen 5 und 10 auf. Die die akustische Durchläs­ sigkeit der Gegenelektroden bestimmenden Kanäle 4 können bei die­ sem Material vorzugsweise mit einem Ätzvorgang hergestellt werden. Die durch den Ätzvorgang mögliche Querschnittsform der Kanäle be­ einflußt nicht nur die akustischen Eigenschaften des Wandlers, sondern es kann vielmehr auch die Spannungsfestigkeit im System selber erhöht werden.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Gegenelektrode 2 einer be­ vorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrisch leitende Schicht 3 ist auf der der Membran 1 abgewandten Seite der Elektro­ de aufgebracht. Die Kanäle 4 weisen eine Querschnittsfläche auf, die sich von der Mitte aus zu den Außenflächen konisch erweitert. Durch diese gewählte Form treten an den Mündungen der Kanäle stumpfe Winkel auf, die die elektrische Feldverteilung im System nur gering stören, da die Potentiallinien nicht wie bei scharfen Lochkanten dichter werden. Damit wird die Gefahr der Ionisation von Luft im Innenraum des Systems vermindert und die Durchschlags­ festigkeit des Systems erhöht.

Die Eigenschaften des für die Gegenelektrode eingesetzten glaske­ ramischen Materials gestatten eine freizügige geometrische Gestal­ tung der Gegenelektrode bezüglich der Stärke und vor allem auch in der Fläche. Einer weiteren besonderen Ausbildungsform kann eine elliptische Form der Gegenelektroden zugrunde gelegt werden. Da damit die akustisch wirksame Fläche der Membran ebenfalls eine elliptische Form erhält, wird die Membran selber stabiler und neigt weniger zu Partialschwingungen. Sie kann nachgiebiger einge­ spannt werden und weist damit eine niedrigere Resonanzfrequenz auf, wodurch sich das elektroakustische Verhalten des Wandlers im tieffrequenten Bereich verbessert. Sollte durch diese sogenannte Tiefabstimmung der Membran bei hohen Schallpegeln ein Anlegen der Membran an eine der Gegenelektroden erfolgen, so ist dies wie be­ reits oben dargelegt wurde, nicht weiter schädlich.

Der Aufbau eines Wandlers nach der Erfindung in der vorgestellten Art ist sehr einfach gestaltet; die nach den kennzeichnenden Merk­ malen der Erfindung ausgebildeten Gegenelektroden 2 bilden mit der Membrane 1, welche zwischen zwei einfachen metallenen Ringen 5 eingespannt ist, ein System. Die elektrische Kontaktierung sowohl der Membran 1 als auch der elektrisch leitenden Belege 3 der Gege­ nelektroden gestaltet sich offensichtlich sehr einfach.

Sogenannte Totkapazitäten in elektrischen Wandlersystemen führen zu einem hohen Strombedarf und belasten insbesondere bei hohen Frequenzen die elektrische Spannungsquelle. Diese Totkapazitäten können vermindert werden, wenn auf der Isolierstoff-Trägerplatte 2 die elektrisch leitende Schicht 3 zur Verminderung elektroaku­ stisch nicht wirksamer Kapazitäten nur im akustisch wirksamen Be­ reich der Membran-Gegenelektrodenanordnung aufgebracht wird, wie in der Fig. 1 dargestellt ist.

Claims (7)

1. Elektroakustischer Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip mit mindestens einer feststehenden Gegenelektrode und einer im Abstand (d1) dazu angeordneten schwingungsfähigen, elektrisch leitenden Membran, wobei die Gegenelektrode auf ihrer von der Membran abgewandten Seite eine elektrisch leitende Schicht trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektrode eine Isolierstoff-Trägerplatte (2) ist, aus einem glasartigen oder keramischen Material mit einer Dielektrizitätskonstante εr₂ besteht, die wesentlich größer als diejenige von Luft εr1 ist, und Kanäle (4) besitzt, deren Mündungen an den Außenflächen der Isolierstoff-Trägerplatte stumpfe Winkel aufweisen, wobei die Isolierstoff-Trägerplatte (2) eine Materialstärke (d₂) hat, welche mit dem freien Abstand (d₁) zwischen der Membran (1) und der Trägerplatte (2) die Beziehung erfüllt:

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4) durch einen Ätzvorgang hergestellt sind.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (4), von der Kanalmitte zu den beiden Außenflächen der Isolierstoff- Trägerplatte (2) hin, sich konisch erweitern.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante (εr₂) der Isolierstoff- Trägerplatte (2) im Bereich zwischen 5 und 10 liegt.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierstoff-Trägerplatte (2) einen elliptischen Umriß aufweist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht auf der Isolierstoff- Trägerplatte (2) nur im akustisch wirksamen Bereich der Membran- Gegenelektroden-Anordnung aufgebracht ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als Gegentaktwandler ausgebildet ist mit einer symmetrisch zwischen zwei Isolierstoff-Trägerplatten (2) angeordneten Membran (1).