DE2253721C3

DE2253721C3 - Electrostatic electro-acoustic converter

Info

Publication number: DE2253721C3
Application number: DE19722253721
Authority: DE
Inventors: Naohiro; Oikawa Takao; Nakamura Kenichi; Iwaki Fukushima Murayama (Japan)
Original assignee: PrO4.11.71 Japan 87854-71
Priority date: 1971-11-04
Filing date: 1972-11-02
Publication date: 1976-09-30

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen ehktrostati- 2α sehen elektro-akustischen Wandler, dessen eine Elektrode zur Bildung der Vorspannung aus einem Elektreten besteht.The invention relates to an ehktrostati- 2α see electro-acoustic converter, one of which is an electrode for forming the bias voltage from an electret.

Bei einem bekannten kapazitiven elektro-akustischen Wandler (DT-AS 14 37 486) ist der Elektret in Form einer dünnen schwingenden Folie ausgebildet, welche zwischen zwei leitenden perforierten Platten als Mittelelektrode geschaltet angeordnet ist. Unter dem Einfluß einfallender Schallwellen gerät die Folie in Schwingung, so daß die Abstände zwischen den Elektroden bzw. zwischen den elektrischen Ladungen auf den Elektroden verändert werden und elektrische Ströme erzeugt werden, die den einfallenden Schallwellen entsprechen.In a known capacitive electro-acoustic converter (DT-AS 14 37 486) the electret is in Form of a thin vibrating film formed, which is between two conductive perforated plates as Center electrode is arranged switched. Under the influence of incident sound waves, the film gets into Vibration, so that the distances between the electrodes or between the electrical charges The electrodes are changed and electrical currents are generated that carry the incident sound waves correspond.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit von elektro-akustischen Wandlern zu erhöhen. The invention is based on the object of the sensitivity of electro-acoustic converters to increase.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Kombination eines kapazitiven elektro-akustischen Wandlers mit einem piezoelektrischen elektro-akustischen Wandler erfüllt, indem bei einem Wandler der eingangs genannten Art die feste Elektrode den Elektreten bildet, während die bewegliche Elektrode aus einer Folie besteht, die mit einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften verbunden ist.According to the invention, this object is achieved by combining a capacitive electro-acoustic transducer met with a piezoelectric electro-acoustic transducer by the input of a transducer named type the solid electrode forms the electret, while the movable electrode consists of a film covered with a material with piezoelectric Properties is connected.

Piezoelektrische Wandler sind bekannt. Ein derartiger Wandler (F i g. 1) weist eine Folie 1 aus piezoelektrischem Material auf. An beiden Seiten der Folie 1 sind Metallschichten 2 und 2' aufgedampft und als Elektrode in einen elektrischen Stromkreis geschaltet. Die Wirkungsweise des bekannten piezoelektrischen Wandlers wird an Hand der F i g. 2 erläutert, in welcher ein piezoelektrisches Element gezeigt ist, welches von einem elektrischen Feld in Richtung B durchsetzt wird und in Richtung C eine dem elektrischen Feld entsprechende Kontraktion durchführt. Fntsprechend gilt, daß ein in Richtung C verformtes piezoelektrisches Element ein elektrisches Feld in Richtung B erzeugt.Piezoelectric converters are known. Such a transducer (FIG. 1) has a film 1 made of piezoelectric material. Metal layers 2 and 2 'are vapor-deposited on both sides of the film 1 and connected as an electrode in an electrical circuit. The mode of operation of the known piezoelectric transducer is illustrated in FIGS. 2 explains, in which a piezoelectric element is shown, which is penetrated by an electric field in direction B and in direction C performs a contraction corresponding to the electric field. Correspondingly, a piezoelectric element deformed in direction C generates an electric field in direction B.

Bedingt durch die Kombination der beiden bekannten Wandlerarten ist durch die Erfindung ein Wandler geschaffen, dessen Empfindlichkeit sowohl über die des einen als auch die des anderen Wandlers hinaus erhöht ist.Due to the combination of the two known types of transducers, the invention creates a transducer created whose sensitivity increases both over that of the one and that of the other transducer addition is.

F i g. 1 ist eine Querschnittsansicht eines bekannten Wandlers, dessen Schwinger ein piezoelektri.sches Material aufweist;F i g. Fig. 1 is a cross-sectional view of a known transducer whose vibrator is a piezoelectric material having;

F i g. 2 ist eine schaubildiiche Darstellung eines piezoelektrischen Elements, die zur Erläuterung der Bezie-F i g. 2 is a diagrammatic representation of a piezoelectric Elements, which are used to explain the relationship

hung zwischen dem elektrischen Feld und der Kontraktion des Elements dienen soll;hung between the electric field and the contraction of the element;

F i g. 3 ist eine Querschnittsansicht eines bekannten kapazitiven elektro-akustischen Wandlers;F i g. 3 is a cross-sectional view of a known capacitive electro-acoustic transducer;

Fig.4a und 4b zeigen Querschnittsansichten eines elektrostatischen elektro-akustischen Wandlers gemäß der Erfindung;4a and 4b show cross-sectional views of a electrostatic electro-acoustic transducer according to the invention;

F i g. 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer abgewandelten Ausführungsform eines elektrostatischen elektro-akustischen Wandlers gemäß der Erfindung;F i g. 5 shows a cross-sectional view of a modified embodiment of an electrostatic electro-acoustic Converter according to the invention;

Fig.6 zeigt die Schaltung zum Wandler gemäß F i g. 4;6 shows the circuit to the converter according to F i g. 4;

F i g. 7 zeigt die Schaltung zum Wandler gemäßF i g. 7 shows the circuit for the converter according to FIG

F i g. 5;F i g. 5;

Fig.8 zeigt eine Querschnittsansicht emes elektrostatischen elektro-akustischen Wandlers gemäß der Erfindung, der als Kopfhörer ausgebildet istFig. 8 shows a cross-sectional view of an electrostatic electro-acoustic transducer according to the invention, which is designed as headphones

Bevor die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wird, wird eine Ausführung eines bekannten kapazitiven elektro-akustischen Wandlers an Hand der F i g. 3 beschrieben, um auf diese Beschreibung aufbauend die wesentlichen Merkmale der Erfindung klarer herausstellen zu können.Before the invention is described with reference to preferred embodiments, an embodiment of a known capacitive electro-acoustic transducer with reference to FIG. 3 described in order to this Building on the description to be able to emphasize the essential features of the invention more clearly.

In F1 g. 3 ist ein Schwinger 3 aus einer Schwingfolie 4 und einer an der Schwingfolie 4 angebrachten Elektrode 5 zusammengesetzt. Eine feste elektrode ist aus einem Flektret 7 und einer Gegenhalteplatte 8 /usammergesetzt. Die dem Schwinger 3 zugewandte Flache des Elektrets 7 ist positiv geladen gezeigt, und entsprechend ist die gegenüberliegende Fläche des Schwingers 3 negativ aufgeladen gezeigt. Die Gegenhalteplatte 8 ist mit einem Anschluß der Sekundärwicklung eines Transformators 15 verbunden, während die Elektrode 5 des Schwingers mit dem anderen Anschluß der Sekundärwicklung des Transformators 5 verbunden ist. Wenn eine feste Elektrode in einem kapazitiven elektro-akustischen Wandler verwendet wird, ist eine Gleichstromvorspannung erforderlich. Wird jedoch eine feste Elektrode mit einem Elektret verwendet, braucht keine Gleichspannungsvorspannung angelegt zu werden.In F1 g. 3 is a vibrator 3 made from a vibrating foil 4 and an electrode 5 attached to the vibrating foil 4. A fixed electrode is off a Flektret 7 and a backing plate 8 / usammer. The surface of the electret 7 facing the oscillator 3 is shown positively charged, and accordingly the opposite surface of the oscillator 3 is shown negatively charged. The backing plate 8 is connected to one terminal of the secondary winding of a transformer 15, while the electrode 5 of the oscillator is connected to the other terminal of the secondary winding of the transformer 5. When A fixed electrode used in a capacitive electro-acoustic transducer is a DC bias necessary. However, if a fixed electrode with an electret is used, none is required DC bias to be applied.

Wenn ein Wechselstromsignal von einer Signalquelle 16 an die Primärwicklung des Transformators 15 angelegt wird, ändert sich die Ladungsverteilung an der festen Elektrode 6, so daß Kräfte zwischen der festen Elektrode 6 und dem Schwinger 3 entstehen und der Schwinger 3 entsprechend dem angelegten Wechselstromsignal schwingt.When an AC signal from a signal source 16 is applied to the primary winding of the transformer 15 is, the charge distribution on the fixed electrode 6 changes, so that forces between the fixed Electrode 6 and the oscillator 3 arise and the oscillator 3 according to the applied alternating current signal swings.

Nachstehend wird eine Ausführungsform eines elektrostatischen elektro-akustischen Wandlers gemäß der Erfindung an Hand der Fig.4a und 4b beschrieben. Eine feste Elektrode 9 besteht aus einem Elektret 10 und einer Halteplatte 11. Der Elektrode 9 steht ein Schwinger 12 gegenüber, der aus einer Schwingfolie 14 und einer Elektrode 13 besteht. Die Oberfläche der festen Elektrode 9 bzw. des Elektret 10 ist positiv geladen gezeigt und entsprechend ist die Oberfläche der Elektrode 13 negativ geladen gezeigt. Der Schwinger 12 ist zur festen Elektrode 9, bedingt durch die Anziehungskraft der elektrostatischen Ladungen an dem Elektret 10, hin deformiert.An embodiment of an electrostatic electro-acoustic transducer according to FIG Invention described with reference to FIGS. 4a and 4b. A fixed electrode 9 consists of an electret 10 and a holding plate 11. Opposite the electrode 9 is an oscillator 12 made of an oscillating foil 14 and an electrode 13. The surface of the fixed electrode 9 or of the electret 10 is positively charged and accordingly the surface of the electrode 13 is shown negatively charged. The Schwinger 12 is to the fixed electrode 9, due to the attraction of the electrostatic charges on the Electret 10, deformed towards.

Wenn ein Wechselstromsignal der Signalquelle 16 über den Transformator 15 an die Elektrode 9 angelegt wird, ändert sich die Ladungsverteilung an der Elektrode, so daß der Schwinger 12 zufolge der elektrostatischen Kräfte schwingt. Da die Schwingfolie 14 aus einem piezoelektrischen Material besteht, verformt sie sich auf Grund ihrer piezoelektrischen Eigenschaften.When an alternating current signal from the signal source 16 is applied to the electrode 9 via the transformer 15 is, the charge distribution on the electrode changes, so that the oscillator 12 according to the electrostatic Forces vibrates. Since the vibrating film 14 is made of a piezoelectric material, it deforms due to their piezoelectric properties.

Je nach Polarität des Wechselstromsignals schwingtDepending on the polarity of the alternating current signal, it oscillates

bzw. verformt sich die Schwingfolie 14 zwischen den in F i g. 4b mit ausgezogenen bzw. mit unterbrochenen Linien gezeigten Stellungen. Um die Änderung der Wölbung bzw. Krümmung der piezoelektrischen Schwingfolie unter dem Einfluß der elektrosiatischen Kräfte verstärkt auszunützen, kann der Schwinger 12 mit einer Krümmung im zusammengezogenen Zustand der Schwingfolie 14 ausgebildet sein.or the vibrating foil 14 is deformed between the phases shown in FIG. 4b with solid or broken lines positions shown. About the change in the curvature or curvature of the piezoelectric vibrating foil To use intensified under the influence of the electrosiotic forces, the oscillator 12 can with a Curvature in the contracted state of the vibrating foil 14 may be formed.

Die Erfindung kann auch auf einen elektr^-akustischen Gegentaktwandler angewendet werden, wie er in F i g. 5 dargestellt ist. Die dort gezeigte Ausführungsform weist zwei feste, aus einem Elektret und einer Elektrode zusammengesetzte Elektroden 9 an gegenüberliegenden Seiten des Schwingers 12 auf, die mit der Sekundärwicklung des Transformators 15 verbunden sind. Die Elektrode des Schwingers 12 ist mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung des Transformators 15 verbunden. Die Elektrete der Elektroden 9 sind auf ihren gegenüberliegenden Flächen entgegengesetzt geladen, d. h. der links gezeigte Elektret ist positiv und der rechts gezeigte Elektret negativ geladen.The invention can also be applied to an electr ^ -acoustic Push-pull converters are used, as shown in FIG. 5 is shown. The embodiment shown there has two fixed ones, one made of an electret and one Electrode composite electrodes 9 on opposite sides of the oscillator 12, which with the Secondary winding of the transformer 15 are connected. The electrode of the oscillator 12 is with the one terminal of the secondary winding of the transformer 15 is connected. The electrets of the electrodes 9 are oppositely charged on their opposite faces, d. H. the electret shown on the left is positive and the electret shown on the right is negatively charged.

Neben der reinen Schwingung des Schwingers 12 unter dem Einfluß des elektrostatischen Feldes bzw. des Schalls entwickelt der Schwinger weiterhin eine Verformung auf Grund seiner piezoelektrischen Eigenschäften. Die Schwingfolie kann mit einer Krümmung oder Wölbung ausgebildet oder an wenigstens einer Stelle festgelegt sein, beispielsweise kann sie an einem mittleren Teil gehalten sein.In addition to the pure oscillation of the oscillator 12 under the influence of the electrostatic field or the The transducer continues to develop a deformation due to its piezoelectric properties. The vibrating foil can be designed with a curvature or arching or on at least one Place be specified, for example, it can be at a be kept in the middle part.

Die zu den Wandlern gemäß den F i g. 4 und 5 gehörenden Schaltungen sind in den F i %. 6 und 7 wiedergegeben, dabei handelt es sich um Stromkreise, bei denen zwei oder drei Kondensatoren parallel geschaltet sind.The to the transducers according to the F i g. Circuits belonging to 4 and 5 are in the F i %. 6 and 7, these are circuits in which two or three capacitors are connected in parallel.

Unter Verwendung des bereits beschriebenen Schwingers 12 und der bereits beschriebenen Elektrode mit einem Elektret 10 und einer Halteplatte 11 ist ein Kopfhörer, wie in F ig.8 gezeigt, hergestellt worden. Die bereits beschriebenen Elemente sind zwischen Schutzplatten 17 und 18 angeordnet, wobei die Schutzplatte 18 Schalldurchgangslöcher 19 aufweist, zwischen den beiden Elementen sind ringförmige Abstandsteile 20. 21 und 22 angeordnet, um die einzelnen Elemente voneinander zu trennen. Der Schwinger 12 ist mittels einer Packung 23 zwischen den Abstanditeilen 21 und 22 abgestützt Der Abstand zwischen dem Schwinger 12 und der festen Elektrode beträgt 1 mm.Using the vibrator 12 already described and the electrode already described with an electret 10 and a holding plate 11 is a Headphones as shown in Fig. 8 have been manufactured. The elements already described are arranged between protective plates 17 and 18, the protective plate 18 has sound passage holes 19, between the two elements are annular spacers 20. 21 and 22 arranged to separate the individual elements from one another. The oscillator 12 is means a packing 23 supported between the spacer parts 21 and 22 The distance between the transducer 12 and the fixed electrode is 1 mm.

Wenn der auf diese Weise ausgebildete Kopfhörer mit einem handelsüblichen Plattenspielerverstärker verbunden wurde, wurde ein ausreichender Tonausgang erhalten, obwohl weier eine Gleichstromvorspannung noch e>n Transformator verwendet wurden. Im Gegensatz dazu wurde bei einem kapazitiven elekiro-akustischen Kopfhörer, bei welchem eine PoIvcsterfolie mit gleicher Dicke wie die piezoelektrische Polyvinvlidenfluondfolie als Schwinger verwendet w jrde, kein ausreichender Tonausgang erhalten. Dies ν*.ar erst der Fall, als ein Transformator zwischengeschaltet wurde, um die Spannung des Eingangssignals um etwa das Drei3igfache zu erhöhen.If the headphones formed in this way with a commercially available turntable amplifier was connected, a sufficient sound output was obtained, albeit with a DC bias a transformer was still used. In contrast, with a capacitive elekiro-acoustic Headphones in which a polyester film with the same thickness as the piezoelectric Polyvinylidene fluorine film was used as a transducer, insufficient sound output can be obtained. This ν * .ar only the case when a transformer is interposed to increase the voltage of the input signal by approximately thirty times.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

2222nd

...1. Electrostatic electroacoustic transducer, one electrode of which for the formation of the bias voltage consists of an electret, characterized in that, that the fixed electrode (9) forms the electret (10), while the movable electrode (12) consists of a film (13), connected to a material with piezoelectric properties is.

2. Converter according to claim 1, characterized in that. that two fixed electrodes (9) with electrets (10) are arranged on both sides of the movable electrode (12).