DE2320811B2 - Im gegentakt arbeitender elektroakustischer wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen im Gegentakt arbeitenden elektroakustischen Wandler, mit einer bewegbaren Membran aus polarisiertem Elektretmaterial, die »wischen zwei festen Elektroden schwingfähig angeordnet ist.

Ein im Gegentakt arbeitender elektroakustischer Wandler ist bereits in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Gewöhnlich werden bei einem derartigen Wandler gleich große, jedoch entgegengesetzte elektrische Felder an beiden Seiten einer flexiblen Membran mit Hilfe einer hohen Gleichspannung erzeugt, die zwischen der Membran und den festen Platten angelegt wird. An die zwei festen Platten wird darüber hinaus ein Wechselstromsignal angelegt, beispielsweise mit Hilfe eines mittenangezapften Transformators. Die sich daraus ergebende und auf die Membran wirkende Kraft bewirkt eine Bewegung derselben bzw. führt zur Entstehung eines akustischen Signals.

Aus der österreichischen Patentschrift 2 39 342 ist ein elektroakustischer Wandler bekannt, der so ausgelegt und konstruiert ist, daß das Erfordernis einer Gleichspannung, die an den Membranabschnitt des Wandlers angelegt wird, vermieden wird. Mit Hilfe dieser bekannten Konstruktion sollen darüber hinaus nichtlineare Verzerrungen vermieden werden und ein linearer Frequenzgang sichergestellt werden. Dieser bekannte elektroakustische Wandler besteht aus zwei festen Elementen, die einander mit Abstand gegenüberliegen, einer zwischen diesen Elementen im gespannten Zustand gehaltenen dünnen beweglichen Membran und getrennten Anschlüssen an den festen Elementen und an der Membran. Die Membran besteht jedoch bei diesem bekannten elektroakustischen Wandler aus einer Mehrzahl von dünnen Isolierschichten aus einem synthetischen Elektretmaterial und mehreren dünnen Schichten aus leitendem Material, die zwischen den Schichten aus Elektretmaterial eingefügt sind. Da bei dem bekannten elektroakustischen Wandler mehrere Schichten aus Elektretmaterial für die Membran verwendet werden, wird auch das Polarisationsfeld nicht an einem Punkt durch nur ein Elektret sondern durch mehrere erzeugt

Aus der britischen Patentschrift 13 02 430 ist ebenfalls ein elektroakustischer Wandler bekannt, bei welchem die Elektretschichten bzw. Dielektrika auf den im Abstand zueinander angeordneten festen Platten aufgetragen und die Membran aus einem ebenen Element, beispielsweise aus Metall, besteht Die festen Platten sind perforiert ausgebildet wobei sich die Perforation auch durch die Elektretschichten erstreckt.

Schließlich ist aus der US-Patentschrift 36 46 280 eine Wandlerkonstruktion bekannt bei welcher lediglich die im Abstand zueinander angeordneten festen Platten des Wandlers in besonderer Weise ausgebildet sind. Auch bei dieser bekannten Konstruktion bestehen die zu einer schwingfähig angeordneten Membran hinweisenden Flächen der Elektroden aus Elektretmaterial, welches mit Poren durchsetzt ist. An der nach außen weisenden Fläche der Elektroden ist ein isolierendes Druckmaterial mit Poren aufgetragen, wobei bei dieser Konstruktion der Vorteil besteht, daß sich die Poren der Elektretschichten nicht mit den Poren des Elektrodenmaterials decken müssen.

Darüber hinaus sind aus der französichen Patent schrift 9 40 524, der schweizer Patentschrift 2 52 811 und der deutschen Offenlegungsschrift 19 39130 elektroakustische Wandler bekannt, bei welchen zwischen zwei Elektroden eine aus Elektretmaterial bestehende Membran schwingfähig angeordnet ist wobei die eine Elektrode beispielsweise geerdet sein kann, während die andere mit einer Spannung versorgt wird, und gemäß einer anderen bekannten Konstruktion (Schweizer Patentschrift 2 52811) die Elektroden mit Poren ausgebildet sind. Bei der anderen bekannten Konstruktion (deutsche Offenlegungsschrift 19 39 130) kann beispielsweise die Perforation der Gegenelektroden so stark ausgeführt sein, daß diese akustisch wenig wirksam sind, so daß die relativ schlaff gespannte Membran alleine schwingen kann. Die Membran kann dabei aus einer Doppelmembran bestehen, deren Elektretfolien gegensinnig polarisiert sind.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen elektroakustischen Wandler der eingangs definierten Art derart auszubilden, daß er auch in asymmetrischer Konstruktion ausgeführt werden kann und dabei die Notwendigkeit der Verwendung einer mehrschichtigen Membran aus polarisiertem Eiektretmaterial vermieden wird.

Ausgehend von dem im Gegentakt arbeitenden elektroakustischen Wandler der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran in der Weise polarisiert ist daß das elektrische Polarisationsfeld an irgendeinem beliebigen Punkt der Membran nur zwischen der Membran an diesem Punkt und nur einer der beiden Elektroden vorhanden ist

Bei dem elektroakustischen Wandler nach der Erfindung kann die Membran aus einem einzigen

Dielektrikum bestehen, von dem die eine Seite durch Auftragen einer geeigneten Schicht aus leitendem Material elektrisch leitend gemacht ist Das Feld besitzt auf der elektrisch nichtleitenden Seite der Membran eine bestimmte Größe, die von der Diclektrikumsspan-Hung, der Größe des Luftspaltes und der Dicke des Dielektrikums und der Dielektrizitätskonstanten des Eiektretmaterials abhängt Auf der gegenüberliegenden Seite, also der leitenden Seite der Membran, ist bei Gleichspannungsbedingungen das Feld gleich NuIL

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des asymmetrisch aufgebauten elektroakustischer! Wandlers nach der Erfindung besteht darin, daß die Membran auf jeder Seite mit einem Muster von sich abwechselnden Flächen oder Zonen ausgestattet ist die aus einer elektrisch leitenden Hache und aus Elektretmaterial bestehenden Flächen oder Abschnitten bestehen, daß die Anordnung des Musters derart ausgelegt ist daß irgendeine Fläche oder Zone auf der emen Seite einer Fläche oder Zone des anderen Typs auf der anderen Seite der Membran gegenüberliegt

Schließlich kann die Erfindung auch noch dadurch weiter ausgestaltet werden, daß die inneren zur Membran hinweisenden Flächen der festen Elektroden mit Mitteln zum Inlagehalten der Membran ausgestattet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gegentaktwandlers mit asymmetrischer Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung,

F i g. 2 eine abgewandelte Konstruktion eines gegentaktelektrostatischen Wandlers,

Fig.3 eine Darstellung zur Veranschaulichung des Vorganges bei der Aufladung der ferrodielektrischen Folie.

Durch die Konstruktion nach der Erfindung wird eine Klasse eines gegentakt-elektrostatischen Wandlers möglich gemacht der asymmetrisch aufgebaut ist, wobei die Notwendigkeit die Dielektrika paarweise zu verwenden, vermieden wird.

F i g. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gegentaktwandlers in einer asymmetrischen Konstruktion nach der vorliegenden Erfindung, wobei dieses Ausführungsbeispiel in einer Konstantladungs- Betriebsweise arbeitet Die Membran 1 besteht aus einem einzigen Dielektrikum, von dem die eine Seite durch Auftragen einer geeigneten Schicht oder eines geeigneten Überzugs leitend gemacht wurde, und zwar entweder vor oder nach der Aufladung, in diesem Fall beträgt das Feld auf der linken Seite des Dielektrikums (in der Zeichnung), d. h. zwischen der nichtleitenden Fläche und der benachbarten festen Platte 2, bei Gleichspannungsbedingungen gleich Π = Vo/(d + t/t), wobei V₀ die äquivalente Dielektrikumsspannung ist, d der Luftspalt f die Dielektrikumsdicke ε die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikummaterials. Das Feld auf der rechten Seite des Dielektrikums (in der Zeichnung), d. h. zwischen der leitenden Fläche und der benachbarten festen Platte 3, ist bei Gleichspannungsbedingungen gleich Null. Daher gilt die übliche Bedingung einer Kraft von Null bei Gleichgewicht für eine Gegentaktkonstruktion nicht mehr. Dies macht jedoch lediglich eine Zunahme in der Folienspannung um weniger als einen Faktor von 2 erforderlich.

Unter diesen Bedingungen weist die gesamte Folie eine von Null abweichende Ladungsdichte auf, die gegeben ist durch τ = εο Vo/(d + t/t). Dies ist genau gleich der Ladung auf einer Seite einer herkömmlichen Gegentaktkonstruktion ähnlicher Geometrie. In diesem Fall befindet sich jedoch eine gleiche Ladung auf der anderen Seite. Hier befindet sich die gesamte Ladung auf einer Seite, d.h. auf der Dielektrikumsseite der Membran. Wenn dann eine Wechselspannung an die zwei äußeren Platten angelegt wird, so erfährt die Membran eine Kraft die unabhängig von der Lage zwischen den zwei Platten ist und zwar für Konstantladungs-Betrieb. Die Gegentaktbedingung wird dabei zufriedengestellt obwohl die Vorrichtung asymmetrisch ist

Eine weitere Konstruktionsmöglichkeit für einen gegentaktelektrostatischen Wandler ist in F i g. 2 veranschaulicht In diesem Fall sind beispielsweise leitende Streifen geeigneter Breite auf gegenüberliegenden Seiten einer flexiblen Membran angeordnet, so daß lediglich eine Seite an irgendeiner Stelle überzogen ist

Eine geringfügige Überlappung der Schablonen hat keinen Einfluß auf die Betriebsweise der Vorrichtung, ausgenommen eine proportionale Abnahme in der Empfindlichkeit. Die Dielektrikumsmembran wird dann in zwei Vorgängen geladen, und zwar in einer Weise, ähnlich wie dies in F i g. 3 veranschaulicht ist Das Ziel besteht darin, gleiche Ladungen (sprich negative Ladungen) auf den nichtleitenden Flächen auf jeder Seite zu erzeugen, ohne dabei die Ladung auf der gegenüberliegenden Seite zu stören. Bei dem veranschaulichten Verfahren sind die leitenden Überzüge zu Beginn elektrisch isoliert. Die untere Seite wird auf eine segmentierte Elektrode gelegt oder über diese gezogen, die nur Kontakt mit den leitenden Flächen schließt, und es wird die obere Seite geladen, beispielsweise durch einen Flüssigkeitskontakt, wie dies an späterer Stelle erläutert werden soll.

Im Betrieb wird keine Ladung auf die untere Fläche in den nichtleitenden Zonen erzeugt. Der Vorgang wird daran anschließend wiederholt, und zwar mit vertauschten Rollen der Oberseite und der Unterseite, und es wird dann die untere Seite in ähnlicher Weise geladen. Wenn die geladene Folie zwischen den äußeren Platten angeordnet wird, so werden abwechselnd Flächen der Folie Kräften in entgegengesetzten Richtungen ausgesetzt. Die auf die Folie wirkende Nettokraft, integriert über eine große Fläche, beträgt Null. Wenn daher die einzelnen Segmente ausreichend klein ausgeführt werden, so wird die Bedingung entsprechend e^;ner elektrostatischen Kraft von Null bei Gleichgewicht wiederhergestellt. Die Gegentaktbetriebsweise bleibt weiterhin erhalten und gültig, und zwar unter Konstantladungsbedingungen, da jedoch die gesamte Membran eine von Null abweichende Ladung besitzt (in diesem Fall mit negativer Polarität), ist die auf die Membran wirkende Kraft gleich derjenigen bei der asymmetrischen Konstruktion, die in F i g. 1 veranschaulicht ist.

Die Verwendung von Dielektrika bei Vorrichtungen mit Konstantladungs-Betrieb eröffnet die Möglichkeit für eine große Vereinfachung hinsichtlich der Konstruktionstechniken. Es wurde festgestellt daß für eine Vorrichtung, die durch eine äußere Spannungsquelie erregt wird, ein zeitweilig auftretender Kurzschluß auf einer der Gegenplatten zu einer örtlichen zeitweiligen Reduzierung der Empfindlichkeit führt, vorausgesetzt, daß eine leitende Schicht mit ausreichend hohem elektrischem Widerstand verwendet wird. Ein konstanter Kurzschluß führt zu einem Verlust in der

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Empfindlichkeit über eine große Fläche der Membran, da die Ladung Zeit findet, über den hohen Widerstand auf der Membran abzufließen. Eine stark unterschiedliche Situation besteht bei den zwei asymmetrischen Wandlern gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen. Bei diesen Anordnungen befindet sich bei Gleichspannungszuständen bzw. -bedingungen auf der leitenden Seite der Membran keine Ladung. Die aktivierende Ladung befindet sich vollständig auf einer stark isolierenden Fläche. Ein Kontakt mit der geladenen Fläche führt daher nicht zu einem Ladungsabfluß, auch nicht bei Gleichspannungsbedingungen, ausgenommen an der unmittelbaren Kontaktstelle oder -fläche. Von größerer Wichtigkeit ist jedoch, daß ein Kontakt mit der leitenden Seite nicht zu einem Ausfall der Vorrichtung führt, wenn ein leitender Film mit hohem Widerstand verwendet wird. Der Kontakt erscheint lediglich als verlustbehaftetes Element in der Kapazität, welches willkürlich klein gemacht werden kann. Man kann daher eine Konstruktion ins Auge fassen, bei der abstützende Säulen für die Membran auf einer der festen Platten verteilt werden können, und zwar ohne Rücksicht auf das Vorhandensein oder irgendeine andere Ladung oder Leiter auf der Membran. Alternativ können diese Säulen vorsätzlich unter einem Leiter in Lage gebracht werden, um dadurch die erforderliche Gleichstromrückführung für die flexible Membran zu den äußeren Metallplatten vorzusehen.

Die vorangegangene Beschreibung hat gezeigt, auf welche Weise gegentakt-elektrostatische Wandler konstruiert werden können, und zwar unter der Verwendung von Dielektrikum-Folien als aktivierende Quelle.

25 In der neuen Klasse der asymmetrischen Gegentaktwandler wurde die Forderung, zwei Dielektrika zu verwenden, um einen abgeglichenen Betrieb zu erreichen, beseitigt, und es wurde gezeigt, daß derartige Konstruktionen in der Tat einen echten Gegentaktbetrieb ermöglichen. Auch wurden die Unempfindlichkeit und Immunität der Dielektrikum-Aktivierung hinsichtlich innerer Kurzschlüsse und auch die dadurch erzielbaren Vorteile demonstriert

Ein Verfahren zur Herstellung eines Ferrodielektrikums besteht darin, einen Isolator zwischen zwei Elektroden in Lage zu bringen und mit diesen in Kontakt zu bringen, wobei wenigstens eine dieser Elektroden effektiv einen elektrischen Kontakt mit dem Isolator aufweist, und zwar über eine Zwischenschicht aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit; es wird dann ein elektrisches Potential den Elektroden aufgedrückt um zwischen diesen ein elektrisches Feld zu erzeugen und es wird während des Vorhandenseins des Feldes die elektrisch leitende Flüssigkeit entfernt

Ein weiteres Verfahren umfaßt das vorausgehend geschilderte Verfahren und besteht weiterhin darin, daG man das Dielektrikum erwärmt bis die Anfangs-Polarisationsspannung, die diesem aufgedrückt wurde, aul einen bestimmten Wert gefallen ist und indem mar dann die vorausgegangen geschilderte Methode wieder holt.

Ein weiteres Verfahren, welches besonders für die durchgehende Produktion von geladenem Materia geeignet ist, umfaßt eines der grundlegenden Verfahren wie sie voraufgehend geschildert wurden, wöbe zusätzlich eine relative Bewegung zwischen den Isolator und dem Elektrodensystem eingeführt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Im Gegentakt arbeitender elektroakustischer Wandler, mit einer bewegbaren Membran aus polarisiertem Elektretmaterial, die zwischen zwei festen Elektroden schwingfähig angeordnet st, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) in der Weise polarisiert ist, daß das elektrische Polarisationsfeld an irgendeinem beliebi- to gen Punkt der Membran nur zwischen der Membran an diesem Punkt und nur einer der beiden Elektroden (2 oder 3) vorhanden ist

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran aus einer flexiblen einfach geladenen Elektretfulie besteht, die auf einer .Seite mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran auf jeder Seite mit einem Muster von sich abwechselnden Flächen oder Zonen ausgestattet ist, die aus einer elektrisch leitenden Fläche und aus Elektretmaterial bestehenden Rächen oder Abschnitten bestehen, daß die Anordnung des Musters derart ausgelegt ist, daß irgendeine Fläche oder Zone auf der einen Seite einer Fläche oder Zone des anderen Typs auf der anderen Seite der Membran gegenüberliegt.

4. Wandler nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren zur Membran hinweisenden Flächen der festen Elektroden mit Mitteln zum Inlagehalten der Membran ausgestartet sind.