CH657490A5 - Elektretwandler. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Elektretwandler, gekennzeichnet durch eine Gegenelektrode (34), einen zentralen schwingfähigen Membran-Plattenabschnitt (50) mit mindestens einem angeformten Vorsprung (56), welcher sich an der Gegenelektrode abstützt, um den Membran-Plattenabschnitt an dieser Gegenelektrode in einer bestimmten Position anzuordnen und einen Membran-Randabschnitt (52) am Umfangsbereich des Plattenabschnitts, der mit der Gegenelektrode in Verbindung steht.

2. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (34) eine im wesentlichen flache Platte (40) und einen Film (42) aus Elektretmaterial aufweist, welches auf die dem Membran-Plattenabschnitt (50) zugewandte Seite der flachen Platte (40) auflaminiert ist.

3. Elektretwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran-Plattenabschnitt (50) Teil einer biegsamen Platte (44) mit einer Elektrodenschicht (46) auf der der Gegenelektrode (34) zugewandten Fläche ist.

4. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran-Platte einen Elektretfilm (96) mit einer Elektrodenschicht (98) auf der von der Gegenelektrode (92) abgewandten Fläche umfasst.

5. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Vorsprüngen (56) liegenden Bereiche (54) des Membran-Plattenabschnitts (50) eine ausreichende Biegefestigkeit besitzen, um in diesen Bereichen einen von der elektrostatischen Anziehung zur Gegenelektrode (34) herrührenden Durchhang praktisch zu verhindern.

6. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Randabschnitt (52) so geformt ist, dass er an der Gegenelektrode (34) anliegt und dort den Membran-Plattenabschnitt (50) abstützt.

7. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (56) länglich und zur Entlastung der Membranspannung im Plattenabschnitt (50) ausgestaltet ist.

8. Elektretwandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere, voneinander distanzierte, längliche Vorsprünge (56) im Membran-Plattenabschnitt (50), von denen jeder an der Gegenelektrode (34) anliegt und zur Entlastung der Membranspannung im Plattenabschnitt ausgestaltet ist.

9. Elektretwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche des Membran-Plattenabschnitts (50) zwischen den Vorsprüngen (56) als längliche Streifen (54) ausgebildet sind.

10. Elektretwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (56) sich im wesentlichen in parallelen Richtungen erstrecken.

11. Elektretwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (34) perforiert ist.

Bei Elektret-Kondensatorwandlern wird eine Membran, die von einer Gegenelektrode einen Abstand besitzt, in Schwingungen versetzt. Typischerweise besitzt die Membran eine Metallbeschichtung oder einen -film auf der der Gegenelektrode zugewandten Fläche,und die Gegenelektrode trägt auf ihrer Oberfläche eine Lage oder einen Film aus Elektretmaterial, das elektrostatisch geladen ist. Auch kann das Elektretmaterial auf der der Gegenelektrode zugewandten Oberfläche der Membran aufgebracht sein. Die bekannten Verfahren zur Erzielung mechanischer Stabilität der Membran lassen sich in zwei grundlegende Verfahrensweisen unterteilen. Bei der einen werden die mechanischen Rückstellkräfte zum Zurückbringen der Membran in ihre freie Lage in erster Linie durch sich in der Membran befindende Membranspannungen gebildet. Üblicherweise sind die Membran und ihre Abstützung derart gefertigt, dass die Membranspannungen gross sind, wenn die Membran nicht ausgelenkt ist, d.h. die Membran ist vorgespannt, beispielsweise wie ein Trommelfell. Bei der anderen Verfahrensart werden die Rückstellkräfte, welche zur mechanischen Stabilität notwendig sind, weitgehend durch Biegespannungen in einer Membranplatte erzeugt, die dann entwickelt werden, wenn die Membranplatte sich aus ihrer freien Lage auslenkt. Bei beiden Verfahrensarten ist es wichtig, eine genaue Plazierung der Membran relativ zur Gegenelektrode aufrechtzuerhalten, und an der Membranfläche sind für diesen Zweck Mehrfach-Abstandsstützen vorgesehen, wie dies beispielsweise im US-Patent 3 740 496 dargestellt ist.

Eine grundlegende Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, Verbesserungen an Wandlern der zweitgenannten Grundbauart vorzusehen. Bei solchen Wandlern wird angestrebt, dass Membranspannungen, d.h. Spannungsbelastungen in irgendeiner Richtung parallel zu den Oberflächenebenen ihrer Hauptflächen, welche sich entwickeln, sobald sich die Membran aus ihrer freien Lage ausbiegt, gering gehalten werden und sich nicht wesentlich auf die mechanische Festigkeit der Membran auswirken sollen. Wie in dem oben genannten Patent vorgeschlagen, verändern sich die Relativabmessungen einer Membran als eine Funktion der Temperatur, der Feuchtigkeit und des Alterns, und dementsprechend stellt auch jede Spannungsbelastung auf die Membran eine Funktion der vorgenannten Parameter dar und verändert sich auch mit ihnen. Aus diesen Gründen wird bezüglich der mechanischen Stabilität mehr Vertrauen vorzugsweise auf Biegespannungen gesetzt, da die mechanische Steifheit der Membranplatte relativ unempfindlich gegenüber den obengenannten Parametern ist.

In der Praxis haben jedoch Wandler, bei denen es für die mechanische Stabilität in erster Linie auf Biegespannungen ankommen soll, oft eine hohe Durchbiege- bzw. Durchhangcharakteristik, d.h. bei derartigen Wandlern nach dem Stand der Technik hängt die Membran zur Gegenelektrode hin als Folge elektrostatischer Anziehung durch. Der Durchhang nimmt häufig einen relativ grossen Anteil des Luftspalts weg, der existieren würde, wenn die Membran in ihrer freien unausgelenkten Position läge, und die Elektretoberfläche nicht aufgeladen wäre. Bei einer typischen Ausführungsform mit Mehrfach-Abstandshaltern für die Membranfläche verformt der grosse Durchhang die Membran zu einer mehrfach vertieften Schale, in der die aktiven Bereiche der Membran zwischen den Abstützungen lokale Membranspannungen erzeugen, die mit dem Durchhängen solcher Bereiche zur Gegenelektrode hin progressiv ansteigen. Somit ist die Membran durch unerwünschte Membranspannungen zum Teil selbstaussteifend. Ein mit der obigen Aufgabe zusammenhängendes Aufgabenmerkmal dieser Erfindung besteht mithin darin, einen verbesserten Elektretwandler mit einer Membran zu schaffen, die niedrige Durchhangseigenschaf-ten besitzt.

Gleichzeitig soll eine Strukturverbesserung durch Mittel zur Reduktion der Membranspannungen angestrebt werden, wie z.B. aufgrund des elektrostatischen Durchhangs oder Änderungen der Temperatur, der Feuchtigkeit oder aus Alterungsgründen auftreten können, um dadurch jeden Ein-fluss der Membranspannungsänderungen auf die Betriebskennwerte des Wandlers zu begrenzen. Einhergehend mit der Entlastung von Membranspannungen soll der Wandleraufbau derart sein, dass Biegespannungen in der Membran selbst ausreichen, um die Membran bei Anwesenheit destabi2

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lisierender Kräfte elektrostatischer Anziehung mit mechanischer Stabilität zu versehen.

Weiter soll ein Elektretwandler mit einer flachen oder im wesentlichen flachen Gegenelektrode resultieren. Beim Stand der Technik ist die Gegenelektrode häufig ausgeformt, um Abstandsvorsprünge zu schaffen und hat dadurch eine unregelmässige Oberfläche, auf die ein Elektretfilm laminiert sein kann. Die unregelmässige Oberfläche vergrössert die Schwierigkeit der Laminierung des Elektretmaterials aufgrund der Möglichkeit von Lufteinschlüssen um die Vorsprünge, und eine unbeständige Laminierung kann das Ergebnis sein. Mit einer flachen, oder im wesentlichen flachen Gegenelektrode kann der Elektretfilm leichter und haltbarer laminiert werden. Eine flache Elektretoberfläche ist auch einfacher zu laden und die Ladungsdichte ist gleichförmiger als dies bei einer Elektretoberfläche mit von ihr abstehenden Vorsprüngen der Fall wäre.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäss ein Elektretwandler vorgeschlagen, der nach dem Patentanspruch 1 gekennzeichnet ist. Ausführungsformen davon sind durch die abhängigen Ansprüche definiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine isometrische Teilschnittdarstellung eines Elek-tretwandlers nach den Merkmalen der Erfindung,

Fig. 2 eine Teilschnittansicht zur Veranschaulichung von Details der Membran- und Gegenelektrodenanordnung,

Fig. 3 eine Unteransicht einer ersten Ausführungsform der Membran,

Fig. 4 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 3 — 3 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Unteransicht einer zweiten Ausführungsform der Membran,

Fig. 6 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 6—6 in Fig. 5,

Fig. 7 eine Unteransicht einer dritten Ausführungsform der Membran,

Fig. 8 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 8—8 in Fig. 7,

Fig. 9 eine Unteransicht einer vierten Ausführungsform der Membran,

Fig. 10 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 10 —10 in Fig. 9,

Fig. 11 eine Unteransicht einer fünften Ausführungsform der Membran,

Fig. 12 eine Schnittansicht bei einer Schnittführung entlang der Linie 12 —12 in Fig. 11,

Fig. 13 eine Teil-Schnittansicht zur Verdeutlichung von Einzelheiten einer abgewandelten Ausführungsform der Membran- und Gegenelektrodenanordnung.

Fig. 1 zeigt einen allgemein mit 10 bezeichneten Elektretwandler, in den ein Elektretelementsatz 12 eingesetzt ist. Der Wandler besitzt ein schalenförmiges Gehäuse 14,welches bei diesem Ausführungsbeispiel eine rechteckige Form hat und eine Boden wand 16 sowie vier mit dieser einstückig verbundene Seitenwände 18. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus einer Metalltafel gefertigt und durch Tiefziehen oder auf andere Weise in die dargestellte Form gebracht worden. In den oberen Rändern der Wände 18 sind Nuten 20 ausgespart, um einen flachen Metalldeckel 22 aufzunehmen, der an seinem Umfang zum Zwecke einer dichten Einpassung entsprechend ausgeformt ist.

In der Nähe der Bodenwand 16 sind Eckvorsprünge 24 vorgesehen, die im gezeigten Fall das Gehäuse nach einwärts verformen, um von der Bodenwand beabstandete Flächen zu bilden, auf denen der Elektretelementsatz 12 abstützbar ist; dadurch werden zwei akustische Hohlräume 26 und 28 geschaffen. Ein geeignetes Mittel zur akustischen Verbindung zwischen dem Hohlraum 26 und der Aussenseite wird durch einen konisch sich erweiternden Rohransatz 30 geschaffen, der an die eine Wand 18 angeschweisst ist, wobei diese Wand eine Bohrung 32 aufweist, die eine Verbindung zwischen dem Hohlraum 26 und dem Rohr herstellt. Wie vorstehend erläutert, ist der Elektretelementsatz 12 in dem Gehäuse auf den Eckvorsprüngen 24, die das Element vom Gehäuseboden auf Abstand halten, abgestützt. Dieser Elementsatz um-fasst eine flache, feste Gegenelektrode 34 mit mehreren, in gleichen Abständen liegenden Durchgangsbohrungen 36 und eine Membran 38. Die Bohrungen 36 stellen eine Verbindung her zwischen dem akustischen Hohlraum 28 und dem Raum zwischen der Membran und der Gegenelektrode. Die Gegenelektrode 34 besitzt vorzugsweise eine Platte 40 aus Metall, auf dessen Oberfläche zur Membran hinweisend ein Elektretfilm 42 laminiert ist. Dieser Film besteht aus einem geladenen, d.h. polarisierten Material irgendeiner herkömmlich verwendeten Art, z.B. Copolymer von Tetrafluoräthylen und Hexafluorpropylen, das unter dem Markenzeichen Teflon FEP erhältlich ist. Vorzugsweise überzieht der Film 42 auch die Wände der Bohrungen 36. Die Membran weist vorzugsweise eine biegsame Polymerplatte 44 aus einem Kunststoffmaterial wie Polyäthylen-Terephthalat auf, das allgemein unter der Markenbezeichnung Mylar im Handel ist; beide Oberflächen der Platte sind mit metallisierten Lagen 46 aus leitfähigem Material beschichtet.

Das Wandlerelement umfasst ferner elektrische Schaltungsteile, die innerhalb des akustischen Hohlraums 28 untergebracht sind und Anschlusssockel oder andere Verbinder an einer Wand 18 für eine elektrische Verbindung mit externen Schaltkreisen; diese Elemente sind von herkömmlicher Form und deshalb aus Gründen der übersichtlichen Darstellung aus der Zeichnung weggelassen worden. Die Schaltkreiskomponenten besitzen ein Paar elektrischer Verbindungen mit dem Element, nämlich einen ersten Anschluss an der Platte 40 der Gegenelektrode und einen zweiten Anschluss an einer oder beiden metallisierten Lagen 46 der Membran.

Eine Abdeckung 48 aus Klebstoff befestigt das Elektret-element 12 in der Position innerhalb des Gehäuses 14. Eine atmosphärische Belüftung oder akustische Impedanz, die aus Übersichtlichkeitsgründen nicht abgebildet ist, kann die akustischen Hohlräume 26 und 28 verbinden.

In Fig. 3 ist eine Unteransicht der Membran 38 gezeigt. Die Membran umfasst einen zentralen schwingfahigen Plattenabschnitt 50 und einen Randabschnitt 52, der den Umfang des Plattenabschnitts umgibt. Der Randabschnitt ist nach unten geformt, um an der Gegenelektrode um den Umfang der Membran herum, wie in Fig. 1 gezeigt, anzuliegen und dadurch die Abstützung für die Membran zu schaffen. Der Randabschnitt ist ferner so ausgebildet, dass er genau über den Stirnseitenrand der Gegenelektrode 34 passt, wie dies auch in Fig. 1 gezeigt ist, wodurch die Membran auf der Gegenelektrode exakt lokalisiert wird.

Der zentral schwingfähige Plattenabschnitt 50 umfasst eine Anzahl aktiver Bereiche 54, die voneinander durch länglich geformte Rillen, Rippen oder Stege 56, nachstehend allgemein als Vorsprünge bezeichnet, voneinander getrennt sind. Der Plattenabschnitt 50 kann einen oder mehrere Vorsprünge 56 enthalten, welche die Entlastung der Membranspannungen, die sich beim Auslenken der Membran aus ihrer freien Position oder aus sonstigen Gründen entwickeln, bewirken. Die dargestellten Vorsprünge erstrecken sich in ihren Hauptabmessungen im wesentlichen in parallelen Richtungen. Die Vorsprünge dienen zur Entlastung der Membranspannungen, die rechtwinklig zu ihren Hauptabmessungen liegen, wie dies durch die Pfeile 58 in Fig. 2 angezeigt ist. Die Vorsprünge 56 besitzen jedoch eine beachtliche mechanische Steifheit, in der durch die Pfeile 60 angezeigten Rich5

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tung und dienen zur genauen Abstandshaltung der aktiven Abschnitte 54 des Plattenabschnitts vom Elektretfilm 42. Die inhärente Biegesteifheit der Membran ist ausreichend, um eine starke Widerstandsfähigkeit gegen die Tendenz der aktiven Bereiche 54, in Richtung auf den geladenen Elektretfilm 42 im zusammengesetzten Element durchzuhängen, auszubilden.

Bei dieser Ausführungsform sind die aktiven Bereiche 54 als längliche Streifen ausgeformt, bei denen Rand- bzw. Endeffekte relativ unwichtig sind und bei denen ferner die Entwicklung von Membranspannungen in den aktiven Bereichen der Membran, sobald diese auslenken, auf einen Kleinstwert gebracht werden. Wie gezeigt, sind die Streifen quer zu den Entspannungseinrichtungen der ausgeformten Vorsprünge oder Abstützungen 56 angeordnet.

Die Vorsprünge 56 sind so ausgeformt, dass die gesamtwirksame Kontaktfläche zwischen den Vorsprüngen und der Gegenelektrode (die äquivalente Fläche, die im Planarkon-takt mit der Gegenelektrode dieselbe elektrische Kapazität wie die tatsächlichen Vorsprünge haben würde) verglichen mit der Gesamtfläche des Plattenabschnitts 50 klein ist. Diese Kriterien gewährleisten, dass die Verlustkapazität in den Bereichen der Vorsprünge auf einem praktischen Minimum gehalten werden, wodurch eine übergrosse Abnahme der Wandlerempfindlichkeit vermieden wird, während der Plattenabschnitt gleichzeitig durch die Vorsprünge in höchst günstiger Weise abgestützt wird.

In den Fig. 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform der Membran gezeigt. Diese umfasst einen Randabschnitt 62 und einen schwingfähigen Zentralabschnitt 64. Der Zentralabschnitt enthält längliche Vorsprünge 66, die eine Membranspannungsentlastung in den Richtungen, die durch die Pfeile 68 angezeigt sind, schaffen und ferner rechtwinklig zu den Vorsprüngen 66 sich längs erstreckende Vorsprünge 70, die eine Membranspannungsentlastung in den Richtungen der Pfeile 72 schaffen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine dritte Ausführungsform der Membran, umfassend einen Randabschnitt 74 und einen schwingfähigen Zentralabschnitt 76. Längliche Vorsprünge 78 sind in zwei zueinander versetzten Reihen angeordnet.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine vierte Ausführungsform der Membran, umfassend einen Randabschnitt 80 und einen schwingfähigen Zentralabschnitt 82. Eine Anzahl kurzer Vorsprünge 84 sind über die Fläche des Zentralabschnitts 82 gleichmässig verteilt, so dass der Abstand der Vorsprünge in Verbindung mit der Eigensteifheit der Membran wesentlich der Tendenz zum Durchhängen in Abhängigkeit von der elektrostatischen Anziehung durch die Gegenelektrode widersteht. Kurze Vorsprünge der dargestellten Art oder runde Vorsprünge mit im wesentlichen punktförmigem Kontakt mit der Gegenelektrode können Verwendung finden, wo es weniger wichtig ist, eine Membranspannungsentlastung zu schaffen als Mittel zur Beherrschung des Durchhängens.

Die Fig. 11 und 12 veranschaulichen eine fünfte Ausführungsform der Membran, umfassend einen Randabschnitt 86 und einen schwingfahigen Zentralabschnitt 88. Eine Anzahl gebogener Vorsprünge 90 besitzen im wesentlichen gleiche Abstände voneinander innerhalb des schwingfahigen Zentralabschnitts 88.

Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform des Elements. Diese weist eine nicht-beschichtete metallische Gegenelektrode 92 und eine mit einer Elektrode versehene Elektret-membran 94 auf. Die Membran 94 weist einen geladenen bzw. polarisierten Elektretfilm 96 und eine metallisierte Elektrodenschicht 98 an der Seite der Membrane 94 auf, die von der Gegenelektrode wegweist. Die externen Beschal-tungselemente sind an und zwischen die Gegenelektrode und die Elektrodenschicht 98 angeschlossen. Bei dieser Ausführungsform verrichtet der Elektretfilm 96 gleichzeitig die Funktionen des Elektretfilms 42 und der Membranplatte 44 nach Fig. 2.

Bei jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele dienen die die Abstützungen für die Membran begrenzenden Vorsprün-ge auch zur Begrenzung der aktiven Membranbereiche, um diese Bereiche exakt relativ zur Gegenelektrode zu plazieren und um in Verbindung mit der Eigensteifheit der Membran zu bewirken, dass, wie vorstehend erläutert, dem Durchhang in diesen Bereichen entgegengewirkt wird.

Bei einer geeigneten Formgebung der Vorsprünge können diese auch zur Entlastung von Membranspannungen dienen, die sich aus anderen Gründen einstellen. Deshalb spielen solche Spannungen beim Aufbringen von Kräften, die die schwingungsfähigen Membranabschnitte in ihre freie, nicht-ausgelenkte Position zurückstellen sollen, nur eine kleine Rolle, und solche Rückstellkräfte werden in erster Linie durch Biegespannungen in der Membran erzeugt. Dies hat zur Folge, dass die Wandlerkennwerte weniger anfallig sind gegenüber Einflüssen, wie Änderungen der Temperatur und der Feuchtigkeit sowie gegenüber den Alterungsvorgängen und dem Durchhang, der unter Einfluss elektrostatischer Kräfte, die vom geladenen Elektret erzeugt werden, entsteht. Diese Einflüsse würden ansonsten durch auf die Membran einwirkende Änderung der Membranspannungen Schwankungen der Betriebskennwerte der Wandler hervorrufen.

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3 Blatt Zeichnungen