AT520509A1 - Wandler und Verfahren zur Bestimmung einer Membranauslenkung - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) mit einer Membran (2), einer an der Membran (2) angebrachten Spule (3) und einem Magnetsystem (4, 5, 6). Der Wandler (1b ... 1c) umfasst bewegliche leitfähige Strukturen (9, 10) auf beiden Seiten der Membran (2) und unbewegliche leitfähige Strukturen (11, 12), die feststehend gegenüber den beweglichen leitfähigen Strukturen (9, 10) angeordnet sind. Des Weiteren wird ein Wandlersystem mit einem Wandler (1b ... 1c) der vorstehenden Art und einer Auswertungsschaltung (13) vorgestellt. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen einer Auslenkung (x) der Membran (2) durch Messen einer ersten Spannung (U1) und einer zweiten Spannung (U2) zwischen den beweglichen leitfähigen Strukturen (9, 10) und den unbeweglichen leitfähigen Strukturen (11, 12).

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Schallwandler, insbesondere eines Lautsprechers, umfassend eine Membran, eine an der Membran angebrachte Spule und ein Magnetsystem, das dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld quer zu einer Längsrichtung eines gewickelten Drahts der Spule zu erzeugen. Des Weiteren umfasst der Wandler eine erste bewegliche leitfähige Struktur, die auf einer von der Spule abgewandten ersten Seite der Membran angeordnet ist, und eine erste unbewegliche leitfähige Struktur, die in Bezug auf das Magnetsystem feststehend gegenüber der ersten beweglichen leitfähigen Struktur angeordnet ist. Zudem betrifft die Erfindung ein Wandlersystem mit einem Wandler der vorstehend genannten Art, wobei das Wandlersystem Verbindungsanschlüsse umfasst, die elektrisch mit der ersten beweglichen leitfähigen Struktur, der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur und einer elektronischen Auswertungsschaltung verbunden sind. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer Auslenkung einer Membran eines Wandlers der vorstehend offenbarten Art, wobei zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur eine erste Spannung gemessen wird und wobei die Auslenkung auf Grundlage der ersten Spannung berechnet wird.

Ein Wandler, ein Lautsprechersystem und ein Verfahren der vorstehend genannten Art sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. In diesem Zusammenhang offenbart die WO 2004/080116 A2 einen elektrodynamischen Lautsprecher, der einen kapazitiven Sensor umfasst, wobei eine erste Platte des kapazitiven Sensors durch eine elektrisch leitfähige Frontplatte eines Gehäuses der Lautsprechereinheit gebildet ist und wobei eine zweite Platte des kapazitiven Sen sors durch eine leitfähige Schicht auf der Membran gebildet ist. Eine Bewegung der Membran wird unter Verwendung der durch die Frontplatte und die zweite Platte gebildeten Kapazität bestimmt.

Ein Nachteil der Bestimmung des Membranhubs mittels des Sensors gemäß Stand der Technik besteht in der umgekehrten Proportionalität zwischen der Kapazität und dem Hub, die dazu führt, dass eine relativ aufwändige Auswertungsschaltung nötig ist. Weitere Nachteile sind eine geringe Stabilität gegenüber elektromagnetischer Beeinträchtigung, ein relativ starker Einfluss von Schwankungen der Lautsprechereigenschaften auf die Messung und eine erhöhte Anfälligkeit für Messfehler bei starken Auslenkungen.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und einen verbesserten elektrodynamischen Schallwandler, ein verbessertes Wandlersystem und ein verbessertes Verfahren zum Messen einer Auslenkung einer Membran bereitzustellen. Insbesondere soll ein zur Membranauslenkung proportionales Signal bereitgestellt werden, das gegenüber Störeinwirkungen robust ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen elektrodynamischen Schallwandler gelöst, wie er im einleitenden Absatz definiert ist, der zusätzlich Folgendes umfasst: eine zweite bewegliche leitfähige Struktur, die auf einer der Spule zugewandten zweiten Seite der Membran angeordnet ist, und eine zweite unbewegliche leitfähige Struktur, die in Bezug auf das Magnetsystem feststehend gegenüber der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur angeordnet ist.

Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Wandlersystem gelöst, das einen elektrodynamischen Schallwandler wie vorstehend definiert und Verbindungsanschlüsse umfasst, die elektrisch mit der ersten beweglichen leitfähigen Struktur, der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur, der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur sowie mit einer elektronischen Auswertungsschaltung verbunden sind.

Schließlich wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gelöst, wie es im einleitenden Absatz definiert ist, wobei zwischen einer zweiten beweglichen leitfähigen Struktur, die auf einer der Spule zugewandten zweiten Seite der Membran angeordnet ist, und einer zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur, die in Bezug auf das Magnetsystem feststehend gegenüber der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur angeordnet ist, eine zweite Spannung gemessen wird und die Auslenkung auf Grundlage der ersten Spannung und der zweiten Spannung berechnet wird.

Erfindungsgemäß werden zwei kapazitive Erfassungselemente verwendet, um die Auslenkung der Wandlermembran zu bestimmen. Vorteilhafterweise wird ein direkt proportionales Hubsignal erhalten. Infolgedessen ist für die Bestimmung der Membranauslenkung eine weniger aufwändige Auswertungsschaltung nötig. Des Weiteren wird ein Signal erhalten, das robust gegenüber Störeinwirkungen, robust gegenüber Schwankungen der Lautsprechereigenschaften und weniger anfällig für elektromagnetische Beeinträchtigung ist.

Insbesondere sind die erste bewegliche leitfähige Struktur und die zweite bewegliche leitfähige Struktur elektrisch verbunden, so dass sie eine vorteilhafte Reihenschaltung zweier Kapazitäten bereitstellen, die durch die erste bewegliche leitfähige Struktur, die zweite bewegliche leitfähige Struktur, die erste unbewegliche leitfähige Struktur und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur gebildet wird.

Insbesondere wird die Auslenkung x auf Grundlage der Formel

berechnet, wobei d1 der Abstand zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur in der Ruheposition der Membran ist und d2 der Abstand zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen

Struktur und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur in der Ruheposition der Membran ist. Die erste Spannung U1 wird zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur (d.h. an einer ersten Kapazität C1) gemessen, und die zweite Spannung U2 wird zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur (d.h. an einer zweiten Kapazität C2) gemessen.

Die Spannungen U1 und U2 resultieren aus dem Spannungsteiler der komplexen Spannung auf Grundlage der Reihenschaltung der Kapazitäten C1 und C2. Diese Reihenschaltung wird durch eine Spannungsquelle bzw. eine Versorgungsspannung versorgt, die vorteilhafterweise Anteile oberhalb einer bestimmten Frequenz (d.h. Hochfrequenzanteile) umfasst. Je höher die Frequenzanteile (insbesondere oberhalb von Audiofrequenzen, das heißt > 20 kHz), desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis für die erfassten Spannungen U1 und U2, und desto besser ist somit die Messung der Membranauslenkung x. Die Spannungsquelle kann ein Sinussignal oder eine Kombination aus Sinussignalen und einem Rauschsignal erzeugen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile eines Schallwandlers der offenbarten Art werden aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen ersichtlich.

Vorteilhafterweise weisen die erste bewegliche leitfähige Struktur und die erste unbewegliche leitfähige Struktur im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf und/oder weisen die zweite bewegliche leitfähige Struktur und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf.

Auf diese Weise wird die Bestimmung bzw. Berechnung der Membranauslenkung vereinfacht.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform des elektrodynamischen Schallwandlers umfasst die erste unbewegliche leitfähige Struktur einen ersten inneren leitfähigen Bereich innerhalb eines ersten leitfähigen Rings und/oder umfasst die zweite unbewegliche leitfähige Struktur einen zweiten inneren leitfähigen Bereich innerhalb eines zweiten leitfähigen Rings.

Insbesondere sind die erste bewegliche leitfähige Struktur, die zweite bewegliche leitfähige Struktur, der erste leitfähige Ring und der zweite leitfähige Ring elektrisch verbunden.

Durch die vorstehenden Maßnahmen wird das elektrische Feld auf den Bereich innerhalb der leitfähigen Ringe konzentriert, wobei das elektrische Feld in diesem Bereich im Wesentlichen homogen ist. Entsprechend kann die Membranauslenkung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

In obigem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste innere leitfähige Bereich und der zweite innere leitfähige Bereich im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen und/oder der erste leitfähige Ring und der zweite leitfähige Ring im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen.

Auf diese Weise wird die Bestimmung bzw. Berechnung der Membranauslenkung vereinfacht.

Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Auslenkung durch Anlegen einer Steuerspannung an die Spule auf ein Niveau eingestellt wird, bei dem die erste Spannung U1 oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter und die zweite Spannung U2 oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen (insbesondere im Wesentlichen gleich sind). Auf diese Weise wird ein Einfluss von Fehlern, die durch Streufelder verursacht sind, ausgeglichen. „Im Wesentlichen“ bedeutet in diesem Zusammenhang eine Abweichung von ±10 % von einem Referenzwert.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn das Verhältnis aus der Fläche der ersten beweglichen leitfähigen Struktur und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur und dem Abstand zwischen diesen dem Verhältnis aus der Fläche der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur und dem Abstand zwischen diesen entspricht. Mit anderen Worten gleicht die erste Kapazität C1 dann der zweiten Kapazität C2. Bei gleichen Spannungen U1 und U2 ist die Membran in der Mitte bzw. im Zentrum der ersten und der zweiten Kapazität C1 und C2 positioniert.

In einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform wird eine Steuerspannung an die Spule angelegt, um die Auslenkung auf ein Niveau einzustellen, bei dem die erste Spannung U1 oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter und die zweite Spannung U2 oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung (insbesondere im Wesentlichen Gleichheit) unterhalb einer bestimmten Frequenz erreichen, beispielsweise unterhalb von 50 Hz. In der üblichen Verwendung werden Audiosignale, die ein Bündel von Frequenzen umfassen, in einen Wandler eingespeist, im Falle von Mikrofonlautsprechern beispielsweise im Bereich von 100 Hz bis 20 kHz. Ohne die Angleichung der Spannungen U1 und U2 vor der Verarbeitung der Spannungen U1 und U2 auf Niederfrequenzen zu limitieren, z.B. durch Verwendung eines Tiefpassfilters (z.B. mit einer Grenzfrequenz von 50 Hz), würde das Anlegen der Steuerspannung an die Spule die Umwandlung des angelegten Audiosignals tendenziell behindern.

Die Messung der Membranauslenkung oder das Einstellen einer Ruheposition der Membran kann auf Grundlage der Spannungen U1 und U2 oder auf Grundlage von aus diesen abgeleiteten Parametern erfolgen. Vorteilhafterweise handelt es sich bei aus den Spannungen U1 und U2 abgeleiteten Parametern um die Absolutwerte der Spannungen U1 und U2, um Quadratwerte der Spannungen U1 und U2 oder um quadratische Mittelwerte der Spannungen U1 und U2. Entsprechend kann eine Steuerspannung an die Schwingspule angelegt und solange verändert werden, bis ein Absolutwert der ersten Spannung U1 und ein Absolutwert der zweiten Spannung U2 oder ein Quadratwert der ersten Spannung U1 und ein Quadratwert der zweiten Spannung U2 oder ein quadratische Mittelwert der ersten Spannung U1 und ein quadratischer Mittelwert der zweiten Spannung U2 im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen. Auf diese Weise erfolgt das Abweichungsausgleichverfahren auf Grundlage einer Beziehung der Energie in den Kondensatoren 01, C2 bzw. auf Grundlage einer Beziehung eines aus der Energie in den Kondensatoren C1, C2 abgeleiteten Parameters. Besonders wenn es sich bei der vorab bestimmten Beziehung um ein vorab bestimmtes Verhältnis handelt, verändern sowohl am Zähler als auch am Nenner vorgenommene Rechenoperationen das Verhältnis nicht.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und weitere Aspekte, Merkmale, Einzelheiten, Nutzungsaspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, den sich anschließenden Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen besser ersichtlich, wobei die Zeichnungen Merkmale gemäß beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen. Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Wandlers gemäß dem Stand der Technik;

Figur 2 eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit leitfähigen Strukturen, die zwei Kapazitäten oberhalb und unterhalb der Membran bilden;

Figur 3 einen Schaltplan des in Fig. 2 gezeigten Wandlers;

Figur 4 eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit leitfähigen Strukturen, die das elektrische Feld auf den Mittelbereich des Wandlers konzentrieren;

Figur 5 einen Schaltplan des in Fig. 4 gezeigten Wandlers und

Figur 6 den Wandler aus Fig. 2 mit einer taumelnden Membran.

In den verschiedenen Ansichten beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder äquivalente Teile.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Vorliegend werden verschiedene Ausführungsformen für verschiedene Vorrichtungen beschrieben. Es werden zahlreiche konkrete Einzelheiten aufgeführt, um ein umfassendes Verständnis der Gesamtstruktur, Funktion, Herstellung und Verwendung der Ausführungsformen wie in der Spezifikation beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht zu vermitteln. Für einen Fachmann versteht es sich jedoch, dass die Ausführungsformen auch ohne solche konkreten Einzelheiten umgesetzt werden können. In anderen Fällen wurden allgemein bekannte Vorgänge, Komponenten und Elemente nicht im Einzelnen beschrieben, um nicht von den in der Spezifikation beschriebenen Ausführungsformen abzulenken. Für den Fachmann versteht es sich, dass es sich bei den vorliegend beschriebenen und veranschaulichten Ausführungsformen um nicht einschränkende Beispiele handelt, und somit versteht es sich, dass die vorliegend offenbarten konkreten strukturellen und funktionellen Einzelheiten repräsentativ sein können und nicht notwendigerweise den Umfang der Ausführungsformen einschränken, deren Umfang allein durch die sich anschließenden Ansprüche definiert wird. Überall dort, wo in der Spezifikation wird auf „verschiedene Ausführungsformen“, „einige Ausführungsformen“, „(genau) eine Ausführungsform“ oder „(irgend)eine Ausführungsform“ oder dergleichen Bezug genommen, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben werden, in mindestens einer Ausführungsform enthalten sind. Die an verschiedener Stelle der Spezifikation zu lesenden Formulierungen „in verschiedenen Ausführungsformen“, „in einigen Ausführungsformen“, „in (genau) einer Ausführungsform“ oder „in (irgendeiner Ausführungsform“ oder dergleichen beziehen sich somit nicht unbedingt alle auf dieselbe Ausführungsform. Des Weiteren können in einer oder mehreren Ausführungsformen die jeweiligen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in jeglicher geeigneten Weise kombiniert werden. Die in Verbindung mit einer Ausführungsform veranschaulichten oder beschriebenen jeweiligen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften können somit ohne Einschränkung ganz oder teilweise mit den Merkmalen, Strukturen oder Eigenschaften einer oder mehrerer weiterer

Ausführungsformen kombiniert werden, sofern eine solche Kombination nicht unlogisch oder zwecklos ist.

Es ist zu beachten, dass die in dieser Spezifikation und den sich anschließenden Ansprüchen verwendeten Singularformen „ein/e/“ und „der/die/das“ die Möglichkeit mehrerer Bezugsobjekte miteinschließen, sofern nicht der Inhalt klar etwas anderes vorgibt.

Die Bezeichnungen „erste/r/s“, „zweite/r/s“ und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen, soweit vorhanden, werden verwendet, um zwischen ähnlichen bzw. gleichartigen Elementen zu unterscheiden, und dienen nicht unbedingt der Beschreibung einer bestimmten sequenziellen oder chronologischen Reihenfolge. Es ist zu beachten, dass die so verwendeten Bezeichnungen unter entsprechenden Umständen insofern austauschbar sind, als die Ausführungsformen der vorliegend beschriebenen Erfindung beispielsweise in anderen Reihenfolgen als den vorliegend veranschaulichten oder anderweitig beschriebenen betrieben werden können. DesWeiteren sollen die Bezeichnungen „beinhalten“, „aufwei-sen/besitzen“ und deren Variationen eine nicht ausschließliche Einbeziehung derart abdecken, dass ein Prozess, Verfahren, Gegenstand oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfassen, nicht notwendigerweise auf diese Elemente eingeschränkt sind, sondern weitere Elemente beinhalten können, die nicht ausdrücklich aufgeführt sind oder im Wesen des Prozesses, Verfahrens, Gegenstands oder der Vorrichtung liegen. Sämtliche Richtungsangaben (z.B. „plus“, „minus“, „obere/r/s“, „untere/r/s“, „aufwärts“, „abwärts“, „links“, „rechts“, „nach links“, „nach rechts“, „vorne“ bzw. „vorde-re/r/s“, „hinten“ bzw. „hintere/r/s“, „oben“, „unten“, „über“, „unter“, „oberhalb“, „unterhalb“, „vertikal“, „horizontal“, „im Uhrzeigersinn“ und „gegen den Uhrzeigersinn“) werden nur zu Kennzeichnungszwecken verwendet, um dem Leser das Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erleichtern, und bewirken keine Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich der Position, Ausrichtung oder Verwendung des jeweiligen Aspekts der Offenbarung. Es ist zu beachten, dass die so verwendeten Bezeichnungen unter entsprechenden Umständen insofern austauschbar sind, als die Ausführungsformen der vorliegend beschriebenen Erfindung beispielsweise in anderen Ausrichtungen als den vorliegend veranschaulichten oder anderweitig beschriebenen betrieben werden können.

Die hierin verwendeten Ausdrücke „dafür konfiguriert, um“ und „konfiguriert für“ und ähnliche Ausdrücke zeigen an, dass die betreffende Einrichtung, Vorrichtung oder das System dafür ausgelegt und/oder konstruiert ist (z.B. durch entsprechende Hardware, Software und/oder Bauteile), einen oder mehrere konkrete aufgabenbezogene Zwecke zu erfüllen, und nicht, dass die betreffende Einrichtung, Vorrichtung oder das System lediglich zur Durchführung des aufgabenbezogenen Zwecks in der Lage ist.

Verbindungsangaben (z.B. „angebracht“, „gekoppelt“, „verbunden“ und dergleichen) sind breit auszulegen und können zwischen einer Verbindung von Elementen vorhandene Zwischenelemente sowie Relativbewegung zwischen Elementen beinhalten. Somit lässt sich aus Verbindungsangaben nicht notwendigerweise schließen, dass zwei Elemente direkt verbunden und in Bezug zueinander feststehend sind. Es ist beabsichtigt, dass jeglicher in der vorstehenden Beschreibung oder in den begleitenden Zeichnungen enthaltene Gegenstand als lediglich veranschaulichend und nicht einschränkend verstanden wird. Einzelheiten oder Strukturen können geändert werden, ohne vom Grundgedanken der Erfindung wie in den sich anschließenden Ansprüchen definiert abzuweichen. Sämtliche in der Spezifikation und den Ansprüchen verwendeten Zahlenangaben, die Messungen usw. ausdrücken, sind in jedem Fall als durch den Ausdruck „etwa“ oder „im Wesentlichen“ modifiziert zu verstehen, was insbesondere eine Abweichung von ±10 % von einem Referenzwert bedeutet.

Fig. 1 zeigt einen Wandler 1a gemäß dem Stand der Technik, der eine Membran 2, eine an der Membran 2 angebrachte Spule 3 und ein Magnetsystem umfasst, das in diesem Beispiel einen Magnet 4, eine Topf-Platte 5 und eine obere Platte 6 umfasst. Das Magnetsystem 4, 5, 6 erzeugt ein Magnetfeld B quer zu einer Längsrichtung eines gewickelten Drahts der Spule 3, wie in Fig. 1 gezeigt. Die Membran 2 umfasst einen Biegeabschnitt 2a und einen Mittelabschnitt 2b, der in diesem Beispiel durch eine Platte versteift ist. Des Weiteren umfasst der Wandler 1a ein

Gehäuse 7 mit einem Auslass 8. Die Auslenkung der Membran 2 ist in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel mit „x“ bezeichnet. Der elektrodynamische Schallwandler 1a kann als Lautsprecher ausgeführt sein. Bekanntlich bewirkt ein durch die Spule 3 fließender Strom eine Bewegung der Membran 2 und somit Schall, der durch den Auslass 8 tritt.

Fig. 2 zeigt ein erstes Beispiel eines Wandlers 1b, dessen Bauart mit dem in Fig. 1 gezeigten Wandler 1a vergleichbar ist. Im Unterschied zu Letzterem umfasst der Wandler 1b jedoch eine erste bewegliche leitfähige Struktur 9, die auf einer von der Spule 3 abgewandten ersten (oberen) Seite der Membran 2 angeordnet ist, und eine zweite bewegliche leitfähige Struktur 10, die auf einer der Spule 3 zugewandten zweiten (unteren) Seite der Membran 2 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst der Wandler 1 b eine erste unbewegliche leitfähige Struktur 11, die in Bezug auf das Magnetsystem 4, 5, 6 feststehend gegenüber der ersten beweglichen leitfähigen Struktur 9 angeordnet ist, und eine zweite unbewegliche leitfähige Struktur 12, die in Bezug auf das Magnetsystem 4, 5, 6 feststehend gegenüber der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 angeordnet ist.

Die erste bewegliche leitfähige Struktur 9 und die zweite bewegliche leitfähige Struktur 10 sind in diesem Beispiel elektrisch verbunden. Des Weiteren ist ein erster Verbindungsanschluss T1 elektrisch mit der ersten beweglichen leitfähigen Struktur 9 und der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 verbunden. Ein zweiter Verbindungsanschluss T2 ist elektrisch mit der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur 11 verbunden, und ein dritter Verbindungsanschluss T3 ist elektrisch mit der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12 verbunden. Des Weiteren sind in Fig. 3 die Verbindungsanschlüsse T1 ... T3 mit einer optionalen elektronischen Auswertungsschaltung 13 verbunden, wodurch ein Wandlersystem bereitgestellt wird.

Figur 3 zeigt eine vereinfachte Darstellung des in Fig. 2 gezeigten Wandlers 1b. Konkret zeigt Fig. 3 eine die Versorgungsspannung U erzeugende Spannungsquelle, die mit einer ersten Kapazität C1, die durch die erste bewegliche leitfähige Struktur 9 und die erste unbewegliche leitfähige Struktur 11 gebildet wird, und einer zweiten Kapazität C2 verbunden ist, die durch die zweite bewegliche leitfähige

Struktur 10 und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur 12 gebildet wird. Die erste Kapazität C1 und die zweite Kapazität C2 können wie folgt berechnet werden:

wobei A1 die Fläche der ersten beweglichen leitfähigen Struktur 9 bzw. der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur 11 ist, d1 der Abstand zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur 9 und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur 11 im Ruhezustand der Membran 2 ist, A2 die Fläche der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 bzw. der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12 ist, d2 der Abstand zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12 im Ruhezustand der Membran 2 ist und εο die Permittivität im leeren Raum ist.

Zwischen dem zweiten Anschluss T2 und dem ersten Anschluss T1 kann eine erste Kondensatorspannung U1 gemessen werden, und zwischen dem ersten Anschluss T1 und dem dritten Anschluss T3 kann eine zweite Kondensatorspannung U2 gemessen werden. Die Spannungen U1 und U2 können wie folgt berechnet werden:

wobei Z1 der komplexe Widerstand der ersten Kapazität C1 ist und Z2 der komplexe Widerstand der zweiten Kapazität C2 ist. Der Strom I durch die Kondensatoren C1 und C2 kann wie folgt berechnet werden:

Vorteilhafterweise weisen die erste bewegliche leitfähige Struktur 9 und die erste unbewegliche leitfähige Struktur 11 im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf und weisen die zweite bewegliche leitfähige Struktur 10 und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur 12 im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf, wie in Fig. 2 gezeigt. Unter dieser Bedingung können die Spannungen U1 und U2 wie folgt berechnet werden:

Die Auslenkung x beträgt somit

Falls der Abstand d1+d2 zwischen der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur 11 und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12 bekannt ist und die Auslenkung x auf Null eingestellt ist (statische Ruheposition), können d1 und d2 unter Verwendung des Verhältnisses

berechnet werden. Falls U1 gleich U2 ist, liegt die Situation eines symmetrischen Luftspalts vor, in der selbst durch Streufelder verursachte Fehler ausgeglichen werden. Nichtsymmetrische Werte von U1 und U2 können durch Anlegen einer Spannung an die Spule 3 korrigiert werden, um die Ist-Position auf die gewünschte symmetrische Nullposition zu verschieben. Insbesondere werden die Werte von U1 und U2 tiefpassgefiltert, bevor sie verglichen werden. Die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters beträgt beispielsweise 50 Hz. Entsprechend wird an die Spule 2 eine Steuerspannung so angelegt, dass die erste Spannung U1 im Wesentlichen

der zweiten Spannung U2 unterhalb einer Frequenz von 50 Hz gleicht oder die erste Spannung U1 und die zweite Spannung U2 eine vorab bestimmte Beziehung unterhalb einer Frequenz von 50 Hz erreichen.

Die Messung der Membranauslenkung oder das Einstellen einer Ruheposition der Membran 2 kann auf Grundlage der Spannungen U1 und U2 oder auf Grundlage von aus diesen abgeleiteten Parametern erfolgen. Vorteilhafterweise handelt es sich bei aus den Spannungen U1 und U2 abgeleiteten Parametern um die Absolutwerte der Spannungen U1 und U2, um Quadratwerte der Spannungen U1 und U2 oder um quadratische Mittelwerte der Spannungen U1 und U2. Entsprechend kann eine Steuerspannung an die Spule 3 angelegt und solange verändert werden, bis ein Absolutwert der ersten Spannung U1 und ein Absolutwert der zweiten Spannung U2 oder ein Quadratwert der ersten Spannung U1 und ein Quadratwert der zweiten Spannung U2 oder ein quadratischer Mittelwert der ersten Spannung U1 und ein quadratischer Mittelwert der zweiten Spannung U2 im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen. Auf diese Weise erfolgt das Abweichungsausgleichverfahren auf Grundlage einer Beziehung der Energie in den Kondensatoren C1, C2 bzw. auf Grundlage einer Beziehung eines aus der Energie in den Kondensatoren C1, C2 abgeleiteten Parameters. Besonders wenn es sich bei der vorab bestimmten Beziehung um ein vorab bestimmtes Verhältnis handelt, verändern sowohl am Zähler als auch am Nenner vorgenommene Rechenoperationen das Verhältnis nicht.

Allgemein ist es von Vorteil, wenn die Versorgungsspannung U Anteile oberhalb einer bestimmten Frequenz (d.h. Hochfrequenzanteile) umfasst. Je höher die Frequenzanteile (insbesondere oberhalb von Audiofrequenzen, das heißt insbesondere > 20 kHz) gewählt werden, desto besser ist das Signal-Rausch-Verhältnis für die erfassten Spannungen U1 und U2, und desto besser ist somit die Messung der Membranauslenkung x. Die Spannungsquelle kann ein Sinussignal oder eine Kombination aus Sinussignalen und einem Rauschsignal erzeugen.

Die vorstehend angegebenen Formeln gelten für den Fall eines zwischen den leitfähigen Strukturen 9 ... 12 vorliegenden homogenen elektrischen Felds. Um die Feldlinien konzentriert zwischen den leitfähigen Strukturen 9 ... 12 zu halten, können der Anordnung leitfähige Ringstrukturen hinzugefügt werden. Fig. 4 zeigt daher eine Ausführungsform eines elektrodynamischen Schallwandlers 1c, wobei die erste unbewegliche leitfähige Struktur 11 einen ersten inneren leitfähigen Bereich 11a innerhalb eines ersten leitfähigen Rings 11b umfasst und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur 12 einen zweiten inneren leitfähigen Bereich 12a innerhalb eines zweiten leitfähigen Rings 12b umfasst. In dieser Ausführungsform sind die erste bewegliche leitfähige Struktur 9, die zweite bewegliche leitfähige Struktur 10, der erste leitfähige Ring 11b und der zweite leitfähige Ring 12b elektrisch verbunden. Vorteilhafterweise weisen auch der erste innere leitfähige Bereich 11a und der zweite innere leitfähige Bereich 12a im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf und weisen auch der erste leitfähige Ring 11b und der zweite leitfähige Ring 12b im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe auf, so wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Figur 5 zeigt eine vereinfachte Darstellung des in Fig. 4 gezeigten Wandlers 1c. Zusätzlich zu den aus Fig. 3 bekannten Kondensatoren C1 und C2 umfasst die elektrische Schaltung eine erste Streukapazität C1p, die durch den ersten inneren leitfähigen Bereich 11a und den ersten leitfähigen Ring 11b gebildet wird, und eine zweite Streukapazität C2p, die durch den zweiten inneren leitfähigen Bereich 12a und den zweiten leitfähigen Ring 12b gebildet wird. Die Spannungen U1 und U2 können wie folgt berechnet werden:

Diese zusätzliche Kapazität verändert das vorstehend genannte einfache Verhältnis zu einem komplexeren nichtlinearen Verhältnis zwischen U1 und U2. Andererseits ist die Homogenität der Felder wesentlich verbessert und die Streufeldkapa

zität ist ein mehr oder weniger konstanter Faktor, der in einer erweiterten Formel berücksichtigt werden kann. Das Streufeld könnte tatsächlich etwas schwächer sein, da es jedoch mehr oder weniger konstant und von der Auslenkung x der Membran 2 unabhängig ist, ist es durch die vorstehenden Formeln in vorteilhafter Weise berücksichtigt.

Zusätzlich zu den vorgestellten Messverfahren zum Bestimmen der Auslenkung x (Kolbenmodus) kann unter Verwendung der leitfähigen Strukturen 9 ... 12 des Wandlers 1b, 1c ein Taumeln der Membran 2 erfasst werden. Fig. 6 zeigt einen Zustand des aus Fig. 2 bekannten Wandlers 1b, in dem die Membran 2 ohne eine kolbenartige Bewegung taumelt. Obwohl die Membran 2 sich bezüglich der Auslenkung x in ihrem Ruhezustand befindet (die Auslenkung beträgt in Fig. 6 null), verändert sich ein Abstand zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur 9 und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 11 und zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12. Der Abstand zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur 10 und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur 12 ist in Fig. 6 mit „y“ bezeichnet.

Da die Kapazität C2 umgekehrt proportional zum Abstand y ist, übersteigt die Verstärkung auf der linken Seite in Fig. 6 den Verlust auf der rechten Seite. Aus diesem Grund verursacht eine durch eine Taumelamplitude von ~10 % von d2 verursachte Modulation der Kapazität C2 in einem herkömmlich bemessenen Wandler 1b eine Strommodulation von etwa 1,34 % bei verdoppelter Frequenz, die klar von einer durch den Kolbenmodus verursachten gleichphasigen Strommodulation getrennt werden kann. Das Gleiche gilt grundsätzlich für die erste Kapazität C1, die in gleicher Weise durch Taumeln moduliert wird.

Das vorgestellte Verfahren zum Berechnen der Position x der Membran 2 kann verwendet werden, um Nichtlinearitäten des Wandlers 1b, 1c auszugleichen. Beispielsweise führt der nichtlineare Graph des Triebkraftfaktors BL zu einer nichtlinearen Umwandlung der in die Spule 3 eingespeisten elektrischen Signale in eine Bewegung der Membran 2. Wenn die Position x der Membran 2 bekannt ist, kann diese Nichtlinearität durch Verändern der elektrischen Signale ausgeglichen werden.

Allgemein kann der Wandler 1b, 1c bzw. die Membran 2 in Draufsicht jedwede Form aufweisen, insbesondere eine Rechteck-, Kreis- oder Eiform.

Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend erwähnten Ausführungsformen und beispielhaften Umsetzungen eingeschränkt ist. Weiterbildungen, Abwandlungen und Kombinationen liegen ebenfalls im Umfang der Patentansprüche und sind für den Fachmann aus der vorstehenden Offenbarung zu entnehmen. Entsprechend sind die vorliegend beschriebenen und veranschaulichten Methoden und Strukturen als veranschaulichend und beispielhaft und nicht als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend zu verstehen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert, einschließlich zur Zeit der Einreichung dieser Anmeldung bereits bekannter sowie noch nicht absehbarer Äquivalente. Auch wenn vorstehend zahlreiche Ausführungsformen dieser Erfindung bis zu einem gewissen Grad konkretisiert wurden, sind für den Fachmann vielerlei Änderungen an den offenbarten Ausführungsformen denkbar, ohne vom Grundgedanken oder dem Umfang dieser Offenbarung abzuweichen.

BEZUGSZEICHENLISTE 1a... 1c Wandler 2 Membran 2a Biegeabschnitt 2b versteifter Mittelabschnitt 3 Spule 4 Magnet 5 Topf-Platte 6 obere Platte 7 Gehäuse 8 Auslass 9 erste bewegliche leitfähige Struktur 10 zweite bewegliche leitfähige Struktur 11 erste unbewegliche leitfähige Struktur 11 a erster innerer leitfähiger Bereich 11 b erster leitfähiger Ring 12 zweite unbewegliche leitfähige Struktur 12a zweiter innerer leitfähiger Bereich 12b erster leitfähiger Ring 13 Auswertungsschaltung C1 erste Kapazität C1p erste Streukapazität C2 zweite Kapazität C2p zweite Streukapazität d1 Abstand zwischen erster beweglicher und unbeweglicher leitfähiger

Struktur im Ruhezustand des Wandlers d2 Abstand zwischen zweiter beweglicher und unbeweglicher leitfähiger

Struktur im Ruhezustand des Wandlers I Strom T1...T3 Verbindungsanschlüsse U Versorgungsspannung für den Spannungsteiler der komplexen Span nung U1 erste Spannung U2 zweite Spannung x Auslenkung y Abstand zwischen zweiter beweglicher und unbeweglicher leitfähiger

Struktur im Taumelzustand des Wandlers

Claims (16)

ANSPRÜCHE

1. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c), umfassend eine Membran (2), eine an der Membran (2) angebrachte Spule (3) und ein Magnetsystem (4, 5, 6), das dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld (B) quer zu einer Längsrichtung eines gewickelten Drahts der Spule (3) zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine erste bewegliche leitfähige Struktur (9), die auf einer von der Spule (3) abgewandten ersten Seite der Membran (2) angeordnet ist, eine zweite bewegliche leitfähige Struktur (10), die auf einer der Spule (3) zugewandten zweiten Seite der Membran (2) angeordnet ist, eine erste unbewegliche leitfähige Struktur (11), die in Bezug auf das Magnetsystem (4, 5, 6) feststehend gegenüber der ersten beweglichen leitfähigen Struktur (9) angeordnet ist, und eine zweite unbewegliche leitfähige Struktur (12), die in Bezug auf das Magnetsystem (4, 5, 6) feststehend gegenüber der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur (10) angeordnet ist.

2. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bewegliche leitfähige Struktur (9) und die zweite bewegliche leitfähige Struktur (10) elektrisch verbunden sind.

3. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bewegliche leitfähige Struktur (9) und die erste unbewegliche leitfähige Struktur (11) im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen und/oder die zweite bewegliche leitfähige Struktur (10) und die zweite unbewegliche leitfähige Struktur (12) im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen.

4. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste unbewegliche leitfähige Struktur (11) einen ersten inneren leitfähigen Bereich (11a) innerhalb eines ersten leitfähigen Rings (11b) umfasst und/oder die zweite unbewegliche leitfähige Struktur (12) einen zweiten inneren leitfähigen Bereich (12a) innerhalb eines zweiten leitfähigen Rings (12b) umfasst.

5. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste innere leitfähige Bereich (11a) und der zweite innere leitfähige Bereich (12a) im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen und/oder der erste leitfähige Ring (11 b) und der zweite leitfähige Ring (12b) im Wesentlichen die gleiche Form und die gleiche Größe aufweisen.

6. Elektrodynamischer Schallwandler (1b ... 1c) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste bewegliche leitfähige Struktur (9), die zweite bewegliche leitfähige Struktur (10), der erste leitfähige Ring (11b) und der zweite leitfähige Ring (12b) elektrisch verbunden sind.

7. Wandlersystem, gekennzeichnet durch einen elektrodynamischen Schallwandler (1b ... 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend Verbindungsanschlüsse (T1 ... T3), die elektrisch mit der ersten beweglichen leitfähigen Struktur (9), der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur (10), der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur (11) und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur (12) sowie mit einer elektronischen Auswertungsschaltung (13) verbunden sind.

8. Verfahren zum Messen einer Auslenkung (x) einer Membran (2) eines elektrodynamischen Schallwandlers (1b ... 1c), der zusätzlich eine an der Membran (2) angebrachte Spule (3) und ein Magnetsystem (4, 5, 6) umfasst, das dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld (B) quer zu einer Längsrichtung eines gewickelten Drahts der Spule (3) zu erzeugen, wobei zwischen einer ersten beweglichen leitfähigen Struktur (9), die auf einer von der Spule (3) abgewandten ersten Seite der Membran (2) angeordnet ist, und einer ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur (11), die in Bezug auf das Magnetsystem (4, 5, 6) feststehend gegenüber der ersten beweglichen leitfähigen Struktur (9) angeordnet ist, eine erste Spannung (U1) gemessen wird und zwischen einer zweiten beweglichen leitfähigen Struktur (10), die auf einer der Spule (3) zugewandten zweiten Seite der Membran (2) angeordnet ist, und einer zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur (12), die in Bezug auf das Magnetsystem (4, 5, 6) feststehend gegenüber der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur (10) angeordnet ist, eine zweite Spannung (U2) gemessen wird und die Auslenkung (x) auf Grundlage der ersten Spannung (U1) und der zweiten Spannung (U2) oder auf Grundlage eines aus der ersten Spannung (U1) abgeleiteten Parameters und eines aus der zweiten Spannung (U2) abgeleiteten Parameters berechnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung (x) auf Grundlage der Formel

berechnet wird, wobei (d1) der Abstand zwischen der ersten beweglichen leitfähigen Struktur (9) und der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur (11) in der Ruheposition der Membran (2) ist und (d2) der Abstand zwischen der zweiten beweglichen leitfähigen Struktur (10) und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur (12) in der Ruheposition der Membran (2) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung (x) durch Anlegen einer Steuerspannung an die Spule (3) auf ein Ni

veau eingestellt wird, bei dem die erste Spannung (U1) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter und die zweite Spannung (U2) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkung (x) durch Anlegen einer Steuerspannung an die Spule (3) auf ein Niveau eingestellt wird, bei dem die erste Spannung (U1) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter und die zweite Spannung (U2) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung unterhalb einer bestimmten Frequenz erreichen.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spannung (U1) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter und die zweite Spannung (U2) oder ein aus dieser abgeleiteter Parameter durch ein Tiefpassfilter gefiltert werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei aus den Spannungen (U1) und (U2) abgeleiteten Parametern um Absolutwerte der Spannungen (U1) und (U2) handelt und an die Spule (3) eine Steuerspannung angelegt und solange verändert wird, bis ein Absolutwert der ersten Spannung (U1) und ein Absolutwert der zweiten Spannung (U2) im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen, oder es sich bei aus den Spannungen (U1) und (U2) abgeleiteten Parametern um Quadratwerte der Spannungen (U1) und (U2) handelt und an die Spule (3) eine Steuerspannung angelegt und solange verändert wird, bis ein Quadratwert der ersten Spannung (U1) und ein Quadratwert der zweiten Spannung (U2) im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen, oder es sich bei aus den Spannungen (U1) und (U2) abgeleiteten Parametern um quadratische Mittelwerte der Spannungen (U1) und (U2) handelt und an die Spule (3) eine Steuerspannung angelegt und solange verändert wird, bis ein quadratischer Mittelwert der ersten Spannung (U1) und ein quadratischer Mittel wert der zweiten Spannung (U2) im Wesentlichen eine vorab bestimmte Beziehung erreichen.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten unbeweglichen leitfähigen Struktur (11) und der zweiten unbeweglichen leitfähigen Struktur (12) eine Versorgungsspannung (U) angelegt wird, wobei die erste bewegliche leitfähige Struktur (9) und die zweite bewegliche leitfähige Struktur (10) elektrisch verbunden sind und wobei die Versorgungsspannung (U) Anteile über einer bestimmten Frequenz umfasst.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung (U) nur Anteile über einer bestimmten Frequenz umfasst.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Versorgungsspannung (U) um ein Rauschsignal handelt.