DE4115221A1

DE4115221A1 - Electrostatic, electro-acoustic transducer - has stationary counter electrodes which has conductive film on side away from diaphragm

Info

Publication number: DE4115221A1
Application number: DE19914115221
Authority: DE
Inventors: Bert Dipl Ing Zinserling
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1991-05-10
Filing date: 1991-05-10
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2011-05-11
Also published as: DE4115221C2

Abstract

The electro-acoustic transducer has at least one stationary counterelectrode (1) consisting of an insulating support plate (2) with an electrically conductive film (3). Spaced from the support plate is an oscillating, electrically conductive diaphragm. The conductive film is deposited on the counterelectrode side, away from the diaphragm. The insulating support plate of specified thickness (d2) has a dielectric constant, meeting a specified relation considering the diaphragm counterelectrode distance (d1). Pref. the transducer is of push-pull, symmetric type, in which the diaphragm is located between two support plates with the conductive films on the outside. USE/ADVANTAGE - For electro-acoustic reproduction, with compact design and high sensitivity.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler nach dem elektrostatischen Prinzip entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an electroacoustic transducer according to the electrostatic principle according to the generic term of claim 1.

Wandler der genannten Art werden insbesondere für die Wiedergabe elektroakustischer Darbietungen als symmetrische Gegentaktwandler ausgeführt. Zwischen zwei feststehenden Gegenelektroden ist eine schwingungsfähige Membran angeordnet. Die Gegenelektroden sind entweder zur Gänze aus Metall gefertigt oder aus einem Isolier- und Trägermaterial, das mit einer leitenden Schicht belegt ist. Die Schalldurchlässigkeit der Elektroden ist durch eine Vielzahl von Kanälen gegeben. Der Wirkungsgrad eines solchen Wandlers wird einerseits durch die Abstände zwischen den Elektroden bzw. zwischen der Membran in feststehenden Gegenelektroden beeinflußt und andererseits durch die Höhe der angelegten Polarisations spannung. Aufgrund des elektrostatischen Prinzips treten Anzie hungskräfte zwischen der Membran und der oder den Gegenelek troden auf, die im Betrieb leicht zu einem sogenannten Anklatschen der Membran an die Gegenelektrode führen können. Hierdurch wird die Wiedergabequalität drastisch vermindert, wenn nicht sogar eine Beschädigung der Membran auftreten kann. Die durch die Höhe der angelegten Spannung entstehenden Feldstärken können zu einem Spannungsüberschlag zwischen den Elektroden führen. Um diese Nachteile zu vermeiden, kann der Abstand zwischen der Membran und den Elektroden erhöht werden, wodurch sich jedoch die Empfindlich keit des Wandlers vermindert.Converters of the type mentioned are used especially for playback electro-acoustic performances as symmetrical push-pull converters executed. There is one between two fixed counter electrodes vibrating membrane arranged. The counter electrodes are either made entirely of metal or from an insulating and carrier material, which is covered with a conductive layer. The sound permeability of the electrodes is numerous given by channels. The efficiency of such a converter will on the one hand by the distances between the electrodes or between the membrane in fixed counter electrodes and on the other hand by the amount of polarization applied tension. Due to the electrostatic principle, attract forces between the membrane and the counterelectron (s) occur that easily cause a so-called clap the membrane can lead to the counter electrode. This will playback quality drastically reduced, if not one Damage to the membrane can occur. The by the amount of applied field strengths can lead to a There is a voltage flashover between the electrodes. Around To avoid disadvantages, the distance between the membrane and the electrodes are raised, which, however, increases the sensitivity speed of the converter is reduced.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrostatischen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der eine hohe Empfindlich keit aufweist und trotzdem bei geringem mechanischen Abstand zwischen Membran und Gegenelektrode eine erhöhte Durchschlags festigkeit aufweist. Ferner treten bei Wandlern der bekannten Bauart sogenannte Totkapazitäten zwischen den Elektroden und der Membran auf, die durch die Erfindung beseitigt werden sollen.The invention has for its object an electrostatic to create electroacoustic transducers that are highly sensitive speed and yet with a small mechanical distance increased breakdown between membrane and counter electrode has strength. Furthermore occur in converters of the known Design so-called dead capacities between the electrodes and the Membrane to be eliminated by the invention.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Wandler der beschriebe nen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Wandlers ist, daß die Gegenelektrode aus einer Isolierstoff-Trägerplatte mit ei ner Dielektrizitätskonstante ε_r besteht, die wesentlich größer als die der Luft ist. Ferner wird die elektrisch leitende Schicht nicht direkt der Membran gegenüber angeordnet sondern wird der der Membran abgewandten Seite der Isolierstoff-Trägerplatte aufgetra gen. Somit ergibt sich zunächst gegenüber den bekannten Ausführun gen eines solchen Wandlers ein erhöhter Abstand der elektrisch leitenden Schicht zu der Membran. Durch die höhere Dielektrizi tätskonstante des verwendeten Isolierstoffs tritt jedoch trotz des erhöhten Abstandes keine Verringerung der Empfindlichkeit auf.The object is achieved in a converter of the type described with the characterizing features of claim 1. An essential feature of the transducer according to the invention is that the counterelectrode consists of an insulating material carrier plate with a dielectric constant ε _r , which is substantially larger than that of the air. Furthermore, the electrically conductive layer is not arranged directly opposite the membrane but is applied to the side of the insulating material carrier plate facing away from the membrane. Thus, compared to the known designs of such a transducer, there is initially an increased distance between the electrically conductive layer and the membrane. Due to the higher dielectric constant of the insulating material used, there is no reduction in sensitivity despite the increased distance.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Zweckmäßige Ausbildungsformen eines Wandlers nach der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The invention is described below with reference to the drawing, for example explained. Appropriate forms of training of a converter after Invention are described in the subclaims.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen elektrostatischen elektro akustischen Gegentaktwandler gemäß der Erfindung. Fig. 2 zeigt ei ne zweckmäßige Ausbildungsform der der Gegenelektrode angeordneten Kanäle. Fig. 1 shows a section through an electrostatic electro-acoustic push-pull converter according to the invention. Fig. 2 shows egg ne expedient embodiment of the channels arranged on the counter electrode.

In der Fig. 1 ist ein Wandler nach der Erfindung dargestellt, der als symmetrischer Gegentaktwandler ausgeführt ist. Die schwin gungsfähige leitfähige Membran 1 befindet sich zwischen den Gegenelektroden 2, die aus einer Isolierstoff-Trägerplatte beste hen. Auf dieser Isolierstoff-Trägerplatte ist die elektrisch lei tende Schicht 3 auf der Membran abgewandten Seite, also nach außen hinweisend, aufgetragen. Die akustische Durchlässigkeit der Gegen elektroden ist durch die Kanäle 4 gegeben. Die wesentlichen Merk male der Erfindung bestehen nun darin, daß einerseits die elek trisch leitende Schicht mehr in der Nähe der schwingungsfähigen Membran angeordnet ist und andererseits für die Isolierstoff- Trägerplatte 2 eine Dielektrizitätskonstante ε_r2 aufweist, die wesentlich größer als die Dielektrizitätskonstante der im Wandler innenraum eingeschlossenen Luft ist. Wird beispielsweise, einer praktischen Ausführungsform entsprechend, die Materialstärke d₂ der Isolierstoff-Trägerplatte ungefähr dem Abstand d₁ zwischen Membran und Isolierstoff-Platte gewählt, so kann unter die Annah me, daß die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Isolierstoff- Trägerplatte-Materials ein ε von ungefähr 7 aufweist, davon ausge gangen werden, daß sich der um die Materialstärke d₂ erhöhte Ab stand zwischen Membran 1 und der leitenden Schicht 3 nur zu einem Siebentel auswirkt, und somit trotz des erhöhten Abstandes eine Empfindlichkeitsverminderung vermieden wird. Da jedoch die Feld stärke innerhalb des Systems wegen der erhöhten Abstände der lei tenden Schichten der Gegenelektroden zueinander als auch der je weiligen leitenden Schicht zu der Membran wesentlich erhöht werden kann, tritt eine Erhöhung der Wandlerempfindlichkeit auf.In FIG. 1, a transformer is shown according to the invention, which is designed as a symmetrical push-pull converter. The vibra tion conductive membrane 1 is between the counter electrodes 2 , the best from an insulating support plate hen. On this insulating material carrier plate, the electrically conductive layer 3 is applied on the side facing away from the membrane, ie pointing outwards. The acoustic permeability of the counter electrodes is given by the channels 4 . The essential features of the invention now consist in that, on the one hand, the electrically conductive layer is arranged more near the vibrating membrane and, on the other hand, for the insulating carrier plate 2 has a dielectric constant ε _r2 , which is substantially greater than the dielectric constant of the inside of the converter trapped air. For example, according to a practical embodiment, the material thickness d _{2 of} the insulating carrier plate is chosen approximately at the distance d ₁ between the membrane and the insulating plate, it can be assumed that the dielectric constant of the insulating carrier plate material used is a ε of approximately 7 has, it is assumed that the increased by the material thickness d ₂ from stood between membrane 1 and the conductive layer 3 affects only one-seventh, and thus a sensitivity reduction is avoided despite the increased distance. However, since the field strength within the system can be significantly increased due to the increased distances between the conductive layers of the counter electrodes to one another and the respective conductive layer to the membrane, an increase in transducer sensitivity occurs.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht dar in, daß selbst bei einem sogenannten Anklatschen der Membran an eine Gegenelektrode aufgrund zu hoher elektrostatischer Kräfte keine unmittelbare elektrische Berührung entsteht. Insofern kann die Membrane einerseits elektrisch nicht beschädigt werden und an dererseits wird das nach dem Konstantladungsprinzip betriebene Wandlersystem nicht kurzzeitig entladen.Another advantage of the arrangement according to the invention is in that even with a so-called clap on the membrane a counter electrode due to excessive electrostatic forces there is no direct electrical contact. So far the membrane on the one hand is not damaged electrically and on on the other hand, it operates on the constant charge principle Do not temporarily discharge the converter system.

Sehr vorteilhaft wird als Material für die Isolierstoff-Träger platten ein glaskeramisches Material gewählt. Ein solches Material ist beispielsweise unter dem Markennamen "Foturan" der Firma Schott erhältlich. Dieses Material weist eine Dielektrizitäts konstante ε_r zwischen 5 und 10 auf. Die die akustische Durchläs sigkeit der Gegenelektroden bestimmenden Kanäle 4 können bei die sem Material vorzugsweise mit einem Ätzvorgang hergestellt werden. Die durch den Ätzvorgang mögliche Querschnittsform der Kanäle be einflußt nicht nur die akustischen Eigenschaften des Wandlers, sondern es kann vielmehr auch die Spannungsfestigkeit im System selber erhöht werden.A glass-ceramic material is very advantageously chosen as the material for the insulating material carrier plates. Such a material is available, for example, under the brand name "Foturan" from Schott. This material has a dielectric constant ε _r between 5 and 10. The channels 4 determining the acoustic permeability of the counterelectrodes can preferably be produced in this material with an etching process. The cross-sectional shape of the channels possible by the etching process influences not only the acoustic properties of the transducer, but rather the dielectric strength in the system itself can also be increased.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Gegenelektrode 2 einer be vorzugten Ausführungsform dargestellt. Die elektrisch leitende Schicht 3 ist auf der der Membran 1 abgewandten Seite der Elektro de aufgebracht. Die Kanäle 4 weisen eine Querschnittsfläche auf, die sich von der Mitte aus zu den Außenflächen konisch erweitert. Durch diese gewählte Form treten an den Mündungen der Kanäle stumpfe Winkel auf, die die elektrische Feldverteilung im System nur gering stören, da die Potentiallinien nicht wie bei scharfen Lochkanten dichter werden. Damit wird die Gefahr der Ionisation von Luft im Innenraum des Systems vermindert und die Durchschlags festigkeit des Systems erhöht.In Fig. 2, a cross section through the counter electrode 2 of a preferred embodiment is shown. The electrically conductive layer 3 is applied to the side of the electro de facing away from the membrane 1 . The channels 4 have a cross-sectional area that widens conically from the center to the outer surfaces. Due to this selected shape, obtuse angles occur at the mouths of the channels, which only slightly disturb the electrical field distribution in the system, since the potential lines do not become denser as with sharp perforated edges. This reduces the risk of ionization of air in the interior of the system and increases the dielectric strength of the system.

Die Eigenschaften des für die Gegenelektrode eingesetzten glaske ramischen Materials gestatten eine freizügige geometrische Gestal tung der Gegenelektrode bezüglich der Stärke und vor allem auch in der Fläche. Einer weiteren besonderen Ausbildungsform kann eine elliptische Form der Gegenelektroden zugrunde gelegt werden. Da damit die akustisch wirksame Fläche der Membran ebenfalls eine elliptische Form erhält, wird die Membran selber stabiler und neigt weniger zu Partialschwingungen. Sie kann nachgiebiger einge spannt werden und weist damit eine niedrigere Resonanzfrequenz auf, wodurch sich das elektroakustische Verhalten des Wandlers im tieffrequenten Bereich verbessert. Sollte durch diese sogenannte Tiefabstimmung der Membran bei hohen Schallpegeln ein Anlegen der Membran an eine der Gegenelektroden erfolgen, so ist dies wie be reits oben dargelegt wurde, nicht weiter schädlich. The properties of the glaske used for the counter electrode ramischen material allow a revealing geometric shape tion of the counterelectrode in terms of thickness and, above all, in the area. Another special form of training can be a elliptical shape of the counter electrodes are used. Since the acoustically effective surface of the membrane is also a receives elliptical shape, the membrane itself becomes more stable and is less prone to partial vibrations. You can turn more flexible be stretched and thus has a lower resonance frequency on, which changes the electro-acoustic behavior of the transducer in the low-frequency range improved. Should be through this so-called Deep tuning of the membrane at high sound levels an application of Membrane to one of the counter electrodes, so this is like be was already explained above, no further harmful.

Der Aufbau eines Wandlers nach der Erfindung in der vorgestellten Art ist sehr einfach gestaltet; die nach den kennzeichnenden Merk malen der Erfindung ausgebildeten Gegenelektroden 2 bilden mit der Membrane 1, welche zwischen zwei einfachen metallenen Ringen 5 eingespannt ist, ein System. Die elektrische Kontaktierung sowohl der Membran 1 als auch der elektrisch leitenden Belege 3 der Gege nelektroden gestaltet sich offensichtlich sehr einfach.The construction of a converter according to the invention in the manner presented is very simple; the counter electrodes 2 designed according to the characterizing features of the invention form with the membrane 1 , which is clamped between two simple metal rings 5 , a system. The electrical contacting of both the membrane 1 and the electrically conductive documents 3 of the Gege nelektroden is obviously very simple.

Sogenannte Totkapazitäten in elektrischen Wandlersystemen führen zu einem hohen Strombedarf und belasten insbesondere bei hohen Frequenzen die elektrische Spannungsquelle. Diese Totkapazitäten können vermindert werden, wenn auf der Isolierstoff-Trägerplatte 2 die elektrisch leitende Schicht 3 zur Verminderung elektroaku stisch nicht wirksamer Kapazitäten nur im akustisch wirksamen Be reich der Membran-Gegenelektrodenanordnung aufgebracht wird, wie in der Fig. 1 dargestellt ist.So-called dead capacitances in electrical converter systems lead to a high current requirement and stress the electrical voltage source particularly at high frequencies. These dead capacities can be reduced if the electrically conductive layer 3 for reducing electro-acoustically ineffective capacities is only applied in the acoustically effective region of the membrane counter-electrode arrangement on the insulating substrate 2 , as shown in FIG. 1.

Claims

1. Electroacoustic transducer according to the electrostatic principle with at least one fixed counter electrode, which consists of an insulating material carrier plate covered with an electrically conductive layer, and an oscillating electrically conductive membrane arranged at a distance therefrom, characterized in that the electrically conductive layer ( 3 ) is applied on the side of the counterelectrode facing away from the membrane ( 1 ) and the insulating material carrier plate ( 2 ) with a material thickness d _{2 has} a dielectric constant ε _{r2 of} the size that the relationship is fulfilled at a distance d _{1 of} the membrane from the counter electrode.

2. Electroacoustic transducer according to claim 1, characterized in that the transducer is constructed as a push-pull converter so symmetrically that the membrane ( 1 ) between two insulating material plates ( 2 ) is arranged with outwardly facing electrically conductive layers ( 3 ).

3. Electroacoustic transducer according to claim 2, characterized in that the insulating material carrier plates consist of a glass-ceramic material with a dielectric constant ε _r2 »ε _{r1 air} .

4. Electroacoustic transducer according to claim 3, characterized in that the dielectric constant ε _{r2 of} a material for the insulating material carrier plates is in the range between 5 and 10.

5. Electroacoustic transducer according to claim 3, characterized in that the channels ( 4 ) determining the acoustic permeability of the counter electrodes are produced with an etching process.

6. Electroacoustic transducer according to one of the preceding Expectations, characterized, that the counter electrodes have an elliptical shape.

7. Electroacoustic transducer according to one of the preceding Expectations, characterized, that the electrically conductive on the insulating base plate Layer to reduce electro-acoustically ineffective capaci would only in the acoustically effective area of the membrane counterelectrics Troden arrangement is applied.

8. Electroacoustic transducer according to claim 5, characterized in that the channels ( 4 ) produced with an etching process have a cross-sectional area which widens conically from the center to the outer surfaces.