DE69218744T2

DE69218744T2 - Elektretwandler-Anordnung

Info

Publication number: DE69218744T2
Application number: DE69218744T
Authority: DE
Inventors: Gary Wayne Elko; Michael Mark Goodwin; Robert Alfred Kubli; James Edward West
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1991-12-23
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-12-11
Also published as: DE69218744D1; JPH0686398A; US5388163A; ES2099225T3; CA2081038A1; JP2837600B2; EP0549200A1; CA2081038C; EP0549200B1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Elektretwandlergruppen.

Stand der Technik

Akustische Gruppen mit einem oder mehreren diskreten Mikrofonwandlern finden bei der Erzeugung von Richtcharakteristiken Anwendung. Gruppen mit einer derartigen Charakteristik sind insbesondere in geräuschbehafteten Umgebungen nützlich, in denen zu erfassende Schallguellen und zu unterdrückendes Geräusch sich richtungsmäßig unterscheiden.
Beim Bereitstellen einer gewünschten Richtcharakteristik können Anzahl, Form und Stelle der Mikrofonwand-1er in einer Gruppe von Anwendung zu Anwendung stark variieren. Die Herstellung von Wandlern mit unregelmäßiger oder ungenormter Form und Größe kann teuer sein. Außerdem kann eine unprazise Herstellung und eine unpräzise Einbautechnik zu einer wesentlichen Verschlechterung des Frequenzgangs einer Gruppe führen.
Erfindungsgemäß wird ein Wandler nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektretwandlergruppe und eine zugeordnete Herstellungstechnik bereit. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Elektretwandlergruppe durch Bereitstellen einer Elektretfolie, die eine Schicht aus elektrostatisch geladenem Isoliermaterial und eine Schicht aus Metall umfaßt, hergestellt. Die Folie wird derart auf eine Grundplatte aus gesintertem Metall plaziert, daß die geladene Isolierschichtmit der Oberfläche der Grundplatte in Kontakt steht. Die Grundplatte bildet für den Wandler der Gruppe eine gemeinsame Elektrode. Die auf der Folie befindliche Schicht aus Metall umfaßt ein oder mehrere diskrete Gebiete aus Metall, die die Form, Größe und Stelle der aktiven Gebiete von einem oder mehreren Wandlern der Gruppe definieren. Diese diskreten Gebiete aus Metall bilden Elektroden für die individuellen Wandler der Gruppe.
US 4 653 606 offenbart eine herkömmliche Wandlergruppe, bei der jedes Wandlerelement von jedem der anderen Wandler in der Gruppe physisch unabhängig ist. Jeder Wandler besteht aus einer individuellen, auf einer individuellen Grundplatte montierten Membran.
DE 3232772 offenbart ebenfalls eine Wandlergruppe herkömmlicher Form.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 stellt eine beispielhafte Wandlergruppe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
Figur 2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform einer Differentialelektretwandlergruppe dar;
Figur 3 stellt eine beispielhafte Wandlergruppenanordnung dar, die aus verschachtelten Ringen besteht; Figur 4 stellt eine beispielhafte Wandlergruppenanordnung dar, die aus verschachtelten Halbringen besteht; und
Figur 5 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren beispielhaften Elektretwandlergruppe dar.

Ausführliche Beschreibung

In Figur 1 wird eine beispielhafte Elektretwandlergruppe 10 dargestellt. Die Gruppe 10 besteht aus einer Elektretfolie 20 und einer Grundplatte 30. Die Elektretfolie 20 ist flexibel. Sie besteht aus zwei Schichten, einer Metallschicht 21 (beispielsweise Aluminium) und einer Schicht 25 aus synthetischem Polymer (wie zum Beispiel PTFE TEFLON ). Die Metallschicht 21 kann zum Beispiel zweitausand Angström stark sein, während die Polymerschicht 25 zum Beispiel zwischen 2-100 Mikrometer stark sein kann. Die Polymerschicht 25 erhält durch herkömmliche Techniken eine permanente Ladung (Elektret) auf einen vorbestimmten Wert von zum Beispiel -300 Volt. Die Ladung wird in der Figur als eine Reihe von "Minuszeichen" (d.h. "-") gezeigt. die eine negative elektrostatische Ladung anzeigen. Die positive ausgleichende Ladung, die die Grundplatte 30 und die Metallschicht 21 der Folie 20 aufweisten, wird als eine Reihe von "Pluszeichen" (d.h. "+") dargestellt.
Die Grundplatte 30 ist porös und kann aus einem gesinterten Metall wie zum Beispiel gesintertem Aluminium bestehen. Durch die Verwendung eines gesinterten Metalls wird auf der ganzen Grundplatte 30 eine rauhe Oberfläche 31 mit zahlreichen Luftkanälen bereitgestellt. Die Grundplatte 30 kann derart zur Atmosphäre oder zu einem Hohlraum hin offen sein, daß ihre akustische Gesamtimpedanz niedrig ist (z.B. ungefähr gleich der von Luft). Eine niedrige akustische Impedanz sorgt für einen großen Weg der Elektretfolie und dadurch für eine erhöhte Wandlerempfindlichkeit. Für die Herstellung von Differentialelektretwandlergruppen kann eine Grundplatte 30 aus einem gesinterten Metall bevorzugt sein.
Die rauhe Metalloberfläche 31 steht mit der geladenen Polymerschicht 25 der Elektretfolie 20 in direktem Kontakt. Die Elektretfolie 20 kann durch die elektrostatische Anziehungskraft zwischen sich und der Grundplatte 30 oder durch geeignete mechanische Mittel wie zum Beispiel Randklammern oder Klebstoff an ihrer Stelle gehalten werden. Die rauhe Oberfläche 31 und die Luftkanäle der Grundplatte 30 sorgen für eine Nachgiebigkeit zwischen der Grundplatte 30 und der Elektretfolie 20.
Je nach der Stärke der Grundplatte 30 aus gesintertem Metall kann es wünschenswert sein, ein Metallgitter 35 daran zu kuppeln, um für eine verstärkte Festigkeit zu sorgen. Wie bei der Grundplatte 30 kann es bevorzugt sein, daß das Gitter 35 (bzw. das perforierte Metall) eine niedrige akustische Impedanz liefert.
Die Grundplatte 30 kann neben einem gesinterten Metall auch aus anderen Materialien bestehen. So zum Beispiel kann sie aus einem porösen Nichtmetallmaterial mit einer rauhen Oberfläche 31 bestehen, die mit einem Metall überzogen worden ist. (Die mit einem Metall überzogene Oberfläche kann für die Wandler der Gruppe 10 als gemeinsame Elektrode dienen.)
Bezug nehmend auf die Elektretfolie 20 und insbesondere auf die Metallschicht 21 werden mehrere diskrete Gebiete 22 geschaffen, die miteinander und dem Rest 23 der Metallschicht elektrisch nicht verbunden sind. Diese Gebiete 22 definieren die Form, Größe und Stelle der aktiven Gebiete der individuellen Elektretwandler der Gruppe 10. Das aktive Gebiet eines Wandlers ist dasjenige Gebiet, das die elektroakustische Wandlerempfindlichkeit bereitstellt. Außerdem dienen die Gebiete 22 als Elektroden für die individuellen Elektretwandler. Die Gebiete 22 können durch gezieltes Entfernen der Metallschicht 21 von der Elektretfolie 20 gebildet werden, um Wandler jeder beliebigen Form, Größe und Stelle zu erzielen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat das gezielte Entfernen der Metallschicht 21 zu den kreisförmigen Gebieten 22 geführt. Gezieltes Entfernen der Metallschicht 21 von der Folie 20 zum Zweck des Bildens der Gebiete 22 kann dadurch bewerkstelligt werden, daß das Metall unter Verwendung eines chemischen Reagenz, wie zum Beispiel einer Natriumhydroxidlösung (d.h. NaOH) mit einer zur Auflösung des Aluminiums der Schicht 21 geeigneten Konzentration geätzt oder aufgelöst wird. Das Reagenz kann durch ein absorbierendes Applikatorgerät aufgetragen werden, das das Ausmaß des Reagenzauftrags auf die Metalloberfläche 21 der Folie 20 steuern kann, wie zum Beispiel einen Baumwollwattebausch oder dergleichen.
Alternativ dazu kann das Gebiet 22 auch vor dem Laden und Montieren auf der Grundplatte 30 auf der Folie 20 vorgeformt sein. Dies kann durch gezieltes überziehen der Polymerschicht 25 mit Metall zur Bildung einer Folie geschehen. Um die Gebiete 22 beliebiger Größe, Form und Stelle zu bilden, kann ein gezielter überzug mit Metall durch herkömmliche Metallabscheidungstechniken (z.B. Maskieren, Verdampfen, Zerstäuben usw.) durchgeführt werden. Es kann aber auch eine durchgehende Elektrodenfohe mit einer an definierten Stellen (mit jeweils einer oder beiden Polaritäten) geladenen Polymerschicht verwendet werden.
Die Gruppe 10 kann, wie die individuellen Gebiete 22, die die Wandlerformen definieren, selbst mit einer beliebigen Größe und Form gebildet sein. So zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung einen einzelnen Wandler herkömmlicher Form oder eine Mehrwandlergruppe, die so gebogen ist, daß sie sich einer dreidimensionalen Kontur anpaßt, bereitstellen.
An jedes individuelle Gebiet bzw. jede individuelle Elektrode 22 sind Stromleitungen 22' angekoppelt. Es ist ebenfalls eine Stromleitung 32 bereitgestellt, die an die Grundplatte 30 angekoppelt ist und als gemeinsame Leitung für die Wandler der Gruppe dient, z.B. als gemeinsame Masseleitung. (Die Leitungen 22' und 32 sind zwar als Adern gezeigt, können aber auch die Form von geätzten Gebieten des Metalls annehmen.) Mit Hilfe dieser Leitungen kann auf von jedem Wandler als Reaktion auf auftreffende akustische Signale erzeugte elektrische Signale zum Zweck der Verstärkung oder anderweitiger Verarbeitung zugegriffen werden.
In Figur 2 wird eine bevorzugte Ausführungsform einer Differentialelektretwandlergruppe 50 dargestellt. Diese Ausführungsform ist der in Figur 1 dargestellten ähnlich und enthält eine zweite Kombination aus einer Platte 40 aus gesintertem Metall und einem Gitter 45, die über der Metallfolie 21 liegen und mit ihr einen Luftspalt 46 bilden. Die Verwendung der zweiten Platte 40 und des zweiten Gitters 45 stellt eine Abschirmung von den Auswirkungen elektromagnetischer Streufelder bereit. Die zweite Platte 40 und das zweite Gitter 45 stellen ebenfalls eine Symmetrie der physikalischen Auswirkungen bereit, die mit den auftreffenden akustischen Signalen auf beiden Seiten der Gruppe 50 verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform können die beiden Platten 30, 40 elektrisch aneinander und an Masse angekoppelt sein. Zur Unterstützung der Gruppe kann die von den Gittern 35, 45, den Platten 30, 40 und der Elektretfolie 20 gebildete "Schichtung" mechanisch zusammengehalten werden, z.B. durch (nicht gezeigte) Verbinder, wo dies erforderlich ist (z.B. an den Ecken).
Weitere beispielhafte Elektretwandlergruppen 60, 70 werden in den Figuren 3 bzw. 4 dargestellt. In Figur 3 bestehen die durch das gezielte Entfernen von Metall 21 von der Folie 20 definierten aktiven Wandlergebiete aus einem oder mehreren (verschachtelten) ringförmigen Bereichen 62, 63. An jeden derartigen Bereich ist eine Stromleitung 62', 63' angekoppelt. In Figur 4 bestehen die durch gezieltes Entfernen von Metall 21 von der Folie 20 definierten aktiven Wandlergebiete aus einem oder mehreren (verschachtelten) Teilen der Ringe 72, 73; in diesem Fall ist jedes Gebiet die Hälfte eines Rings. Stromleitungen 72' und 73' sind ebenfalls in der Figur dargestellt.
In den Fällen der oben erörterten Ausführungsbeispiele ist eine Gruppe mit einer Schicht von Elektretfolie gebildet, wobei die Polymerschicht der Folie die rauhe Oberfläche einer Grundplatte berührt. Zusätzlich zu diesen Ausführungsformen kann die vorliegende Erfindung auf Gruppen Anwendung finden, die mit alternativen Elektretwandler-Ausbildungstechniken gebildet werden, wie zum Beispiel die in Figur 5 dargestellte.
Figur 5 stellt eine Querschnittsansicht einer weiteren beispielhaften Elektretwandleranordnung 100 dar. Die Folie 80 besteht aus einer Metallschicht 81 und einer dünnen (z.B. 2-200 Mikrometer starken) Mylar-Schicht 82. Das Metall ist gezielt von der Metallschicht 81 entfernt worden, um (nicht gezeigte) diskrete Elektroden zu bilden, die die Größe, Form und Stelle der aktiven Gebiete eines oder mehrerer Elektretwandler definieren (aus Gründen der übersichtlichkeit sind in der Figur die Stromleitungen weggelassen worden). Die Grundplatte 90 besteht aus einem gesinterten Metall. Auf die Grundplatte 90 ist eine dünne (z.B. 25 Mikrometer starke), poröse Polymerschicht 91 geklebt, die wie gezeigt geladen ist. Zusammen stellen die Grundplatte 90 und die Polymerschicht 91 zahlreiche Luftkanäle in ihrem gesamten gemeinsamen Volumen bereit, einschließlich Luftkanäle, die auf die rauhe Oberfläche der Schicht 91 münden. Die poröse Polymerschicht 91 kann gebildet werden, indem ein dünnes Polymer auf eine gesinterte Grundplatte 90 aufgetragen wird und durch das Anlegen eines Hochvakuums an die gegenüberliegende Seite der Grundplatte 90 Kanäle durch die Schicht 91 gezogen werden. Die Mylar-Schicht 82 steht mit der rauhen Oberfläche des porösen, geladenen Polymers 91 in Kontakt. Bei dieser Ausführungsform kann die Grundplatte 90 als gemeinsame Elektrode für jeden Wandler der Gruppe 100 dienen, während die diskreten Gebiete der Metallschicht 81 für jeden Wandler Elektroden mit der entgegengesetzten Polarität bilden.

Claims

1. Elektretwandlergruppe mit einem oder mehreren Wandlern, wobei die Wandlergruppe eine Folie mit folgendem enthält:

eine Schicht (25) aus isolierendem Material; und gekennzeichnet durch

eine mit der Schicht aus isolierendem Material in Kontakt stehende Schicht aus Metall, wobei die Schicht aus Metall mehrere physisch diskrete Gebiete (22) aus Metall umfaßt, wobei eines oder mehrere der diskreten Gebiete Gebiete definieren, die bei Verwendung der Folie in der Wandlergruppe durch veränderung der Kapazität eines oder mehrerer der Wandler der Gruppe zwischen akustischer und elektrischer Energie konvertieren.

2. Wandlergruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes diskrete Gebiet eine Form aufweist, die einen der Wandler der Wandlergruppe definiert.

3. Wandlergruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form jedes diskreten Gebiets eine Form aufweist, die aus mehreren Formen einschließlich runden Scheiben (22) oder Ringen (62, 63) oder Teilen (72, 73) davon ausgewählt ist.

4. Wandlergruppe nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, die weiterhin eine erste Grundplatte (30, oder 90, 91) umfaßt, bei der die Grundplatte poros ist und neben der Schicht aus isolierendem Material eine rauhe Oberfläche aufweist und entweder ein metallisches oder metallisiertes Material (30) oder eine alternative Grundplatte mit einem gesinterten, metallischen porösen Metallkörper (90) mit einer porösen Polymerschicht (91) umfaßt.

5. Wandlergruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus isolierendem Material (25) mit der ersten Grundplatte elektrostatisch geladen wird oder daß die poröse Polymerschicht (91) mit der alternativen Grundplatte elektrostatisch geladen wird.

6. Wandlergruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweilige elektrische Leitungen (z.B. 22') an jedes diskrete Gebiet und/oder an das metallisierte oder Metallmaterial der ersten Grundplatte angeschlossen sind.

7. Wandlergruppe nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die porösen Grundplatten eine niedri ge akustische Impedanz aufweisen und ein oder kein Gewebe (35) aufweisen.

8. Wandlergruppe nach Anspruch 4, 5, 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine an die erste Grundplatte angekoppelte und neben den diskreten Gebieten des metal lischen Materials befindliche zweite Grundplatte (40).

9. Wandlergruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Grundplatte aus porösem Material mit niedriger akustischer Impedanz ist, wobei die zweite Grundplatte ein oder kein Gewebe (45) aufweist.