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1. WO1981002963 - DEVICE FOR GENERATING UN ACOUSTIC SIGNAL

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals.

Die Erfindung betrifft einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, enthaltend eine als elektro mechanischer Wandler dienende, mit Metallbelegungen ver sehene uni- oder bimorphe schwingfähig gelagerte Piezo keramikscheibe, deren Hauptbelegung, die eine ihrer beiden großflächigen Seiten praktisch ganzflächig bedeckt, mit dem Ausgang eines aktiven Bauelements (Transistors), deren Gegenbelegung, die nur einen Teil der anderen großflächigen Seite bedeckt, mit einem Potentialbezugspunkt und deren Rückkopplungsbelegung, die den anderen Teil dieser Seite unter Freilassen eines Isolationsabstandes bedeckt, mit dem Eingang (Basis) des aktiven Bauelements (Transistors) verbunden sind, so daß diese
Schaltung als rückgekoppelter Verstärker (Emitterfolger) wirkt.

Unimorphe bzw. bimorphe piezoelektrische Wandler sind aus den Katalogen BEE 78 -004 A mit dem Titel: "TDK unimorph type transducer for electronic buzzer" und BFE 87 -006 A (7/1978) mit dem Titel: "TDK piezoelectric buzzers" bekannt.

Bei einem unimorphen Wandler ist das piezoelektrische Element auf einer Metallplatte befestigt, die auch als Hauptbelegung wirkt. Das piezoelektrisdE Element bei diesen bekannten Wandlern besteht aus piezokeramischem Material und ist kreisscheibenförmig. Die Belegung ist ebenfalls als kreisförmige Fläche auf dieser Scheibe aufge tragen.

Entsprechendes gilt für bimorphe Wandler, deren piezoelektrisches Element jedoch aus zwei miteinander verbundenen Bck 1 Lk / 3.4.1980 piezoelektrischen Keramikscheiben besteht, bei denen die Belegung auf der einen Seite die gesamte Fläche der
Kreisscheibe bedeckt (Hauptbelegung), während auf der anderen Seite zwei voneinander durch eine Isolierstrecke getrennte Belegungen vorhanden sind, von denen eine als Gegenbelegung und die andere als Rückkopplungsbelegung dienen.

Die Rückkopplungsbelegung ist mit der Basis eines Tran sistors verbunden, während die Hauptbelegung mit dem Aus gang dieses Transistors und die Gegenbelegung, die nur einen Teil der Stirnseite der Piezokeramikscheibe bedeckt mit einem Potentialbezugspunkt verbunden ist.

Die Schaltung mit einem solchen Signalgeber als rückgekoppelter Verstärker (Emitterfolger) ist aus den oben genannten Schriften ebenfalls bekannt.

Die Anordnung der Belegungen bei den bekannten Wandlern führt dazu, daß beispielsweise unimorphe Wandler einen Durchmesser von etwa 35mm aufweisen müssen, um im Bereich hörbarer Schwingungen (ca. 3,0 kHz) einen gutwahrnehmbaren Ton zusammen mit einem oberhalb des piezoelektrischen Biegeschwingers angeordneten Helmholtzschen Resonators zu ergeben.

Bimorphe piezoelektrische Wandler der bekannten Art weisen immerhin noch einen Durchmesser zwischen 16,5mm bis 30mm auf, um dabei ehe Tonfrequenz von etwa 3,0 kHz zu ergeben.

Diese Abmessungen sind zu groß, um diese Wandlerelemente als Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals zu verwenden, wenn dieser Signalgeber beispielsweise in einer aus zwei Griffen bestehenden Vorrichtung zum Messen oder Bestimmen einer Spannung verwendet werden soll, wie sie beispielsweise in der GB-PS 1562578 (VPA 77 P 8011) beschrieben ist.

Bei solchen Spannungsprüfgeräten soll neben einer optischen Anzeige durch Leuchtdioden auch ein akustisches 'An zeigemittel' verwendet werden, und zwar für die Fälle, wenn beispielsweise durch helle Sonneneinstrahlung das Aufleuchten der Leuchtdioden nicht sichtbar ist und die Prüfperson dennoch ein Warnsignal erhalten soll.

In der US-PS 2,635,199 ist eine piezoelektrische Kristallvorrichtung beschrieben, bei der auf einer piezoelektrischen Kristallplatte aus Quarz, die in aller Regel einkristallin ist, auf beiden Seiten Elektroden angebracht sind. Die Quarzkristallplatte kann dabei kreisförmig oder recht eckig sein. Die Elektroden sind auf einer Seite einer solchen Quarz-Einkristallscheibe die gesamte Fläche bedeckend und auf der anderen Seite die gesamte Fläche in zwei Elektroden aufteilend aufgetragen. Dabei ist ein innerer Teil dieser Gegenelektrode auf der gleichen Seite von einem um ihn herum reichenden Flächenteil einer anderen Elektrode belegt. Derartige piezoelektrische Kristall Einrichtungen werden benutzt, um im MHz-Bereich verwendet zu werden. Die Anordnung der Elektroden dient dazu, die Interferenz von ungewünschten Schwingungsarten zu unter drücken. Die vorliegende Erfindung wird durch diese bekannte Einrichtung nicht nahegelegt, weil die Schwingungsarten eines Quarz-Einkristalls im MHz-Bereich anders sind als die Schwingungsarten im kHz-Bereich bei einem piezokeramisehen Körper, also einem polykristallinen Kör per. Bei letzterem handelt es sich um Biegeschwingungen, nicht aber um irgendwelche Arten von Dickenscherungs schwingungen oder longitudinalen Schwingungen des piezoelektrischen Quarzkörpers.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals anzugeben, dessen elektromechanischer Wandler aus einer Piezokeramikscheibe besteht, wobei die Abmessungen auch im gut hörbaren Tonfrequenzbereich in der Größenordnung von etwa 3 kHz so klein wie möglich sind; dieser Wandler soll in einer Schaltung als rückgekoppelter Verstärker verwendet werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Signalgeber der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe rechteckförmig ausgestaltet ist, daß die Gegenbelegung mit Ausnahme einer in ihrer Mitte vorgesehenen Freifläche die großflächige Gegenseite zur Hauptbelegung der Piezokeramikscheibe bedeckt, daß in der Freifläche die Rückkopplungsbelegung angeordnet ist und daß die Piezokeramikscheibe zur unverrückbaren schwin gungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten elastisch befestigt ist.

Vorzugsweise sind Freifläche und Rückkopplungsbelegung rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten, kreis rund oder elliptisch ausgebildet.

Die Freifläche kann auch von einer Schmalseite der recht eckförmigen Piezokeramikscheibe in die Gegenbelegung streifenförmig hineinragen und in ihr die Rückkopplungs belegung enthalten.

Die elastische Befestigung der Piezokeramikscheibe erfolgt vorzugsweise durch Gummiringe, die in an den Längs kanten angeordneten Kerben rastend die Piezokeramikschei be umschlingen.

Die rechteckförmige Piezokeramikscheibe ist mit Vorteil auf einer ihre Abmessungen überschreitenden Metallplatte befestigt, wobei die elastische Befestigung an dieser Me tallplatte erfolgt (unimorphes Element).

Die Gummiringe enthalten an den Stellen, die mit den Be legungen in Berührung kommen, vorzugsweise elektrisch leitfähige Segmente und ergeben damit die Stromzufünrung zu den als Elektroden wirkenden Belegungen.

Die Keramikscheibe wird mit Vorteil in der Weise gehalten, daß die Gummiringe in V-förmigen Führungsschienen gelagert sind.

Diese V-förmigen Führungsschienen dienen vorteilhafter weise auch als Stromzuführung zu den leitenden Segmenten der Gummiringe.

Durch die vorliegende Erfindung wird in überraschender Weise erreicht, daß die Abmessungen der rechteckförmigen Keramikscheibe in der Größenordnung L.B.D von etwa
20mm.7mm.0,4mm liegen, wobei dennoch ein auch bei Nebengeräuschen gut hörbares akustisches Signal mit einer Frequenz von etwa 3 kHz erzeugt wird. Es ist bekannt, daß es günstig ist, eine Tonfrequenz erzeugende Quelle (hier der Biegeschwinger) mit einem Helmholtz-Resonator, der auf die erzeugte Tonfrequenz abgestimmt ist, in ihrer Lautstärke erheblich zu verstärken.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen bimorphen piezoelektrischen Wandler;
Fig. 2 einen unimorphen Wandler;
Fig. 3 in Draufsicht einen rechteckförmigen Wandler,
wobei die Schwingungsknoten gezeigt sind;
Fig. 4 einen rechteckförmigen Wandler mit anders geformter Freifläche;
Fig. 5 einen rechteckförmigen Wandler mit einer weiteren anderen Ausgestaltung der Freifläche;
Fig. 6 die Befestigung des erfindungsgemäßen Wandlers; Fig. 7 die Befestigung des erfindungsgemäßen Wandlers
gemäß Schnitt VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 eine andere Ausführungsform der Befestigung des
rechteckförmigen Wandlers.

In Fig. 1 ist mit 1 der aus zwei rechteckförmigen Piezo keramikscheiben bestehende bimorphe Wandler bezeichnet. Zur Zeichenebene hin ist die untere Keramikscheibe prak tisch ganzflächig mit der Hauptbelegung 9 versehen. Die Gegenbelegung 2 erstreckt sich mit Ausnahme der Freiflä che 3 auf der gesamten, der Hauptbelegung 9 gegenüberlie genden Seite des Dimorphen Wandlers 1. Innerhalb des

Freiraumes 3 ist - unter Freilassung eines der Isolation dienenden Abstandes - die Rückkopplungsbelegung 4 angeordnet.

Gemäß Fig. 2 ist die Piezokeramikscheibe 1 auf einer sie in ihren Abmessungen überragenden Metallplatte 8, die z.B. aus Messing besteht und gut federnd ist, befestigt . Die Metallplatte 8 dient als Hauptbelegung. Auch hier ist die Gegenbelegung 2 mit einer Freifläche 3 auf der gesamten großen Fläche der Keramikscheibe 1 angebracht. Innerhalb der Freifläche ist die Rückkopplungsbelegung 4 aufgetragen.

Gemäß Fig. 3 ist die Freifläche innerhalb der Gegenbele gong 2 kreisförmig, ebenso wie die darin angeordnete

Rückkopplungsbelegung 4. Die Lagerung einer solchen recht eckigen Keramikscheibe kann längs ihrer Schmalseiten er folgen, weil die geometrischen Abmessungen so gewählt sind, daß die Schwingungsknoten 5 längs den Schmalseiten verlaufen.

Gemäß Fig. 4 ist die Freifläche 3 innerhalb der Gegenbe legung 2 elliptisch, ebenso wie die darin angeordnete Rückkopplungsbelegung 4.

Gemäß Fig. 5 ragt die Freifläche 3 von einer Schmalseite 10 der rechteckförmigen Piezokeramikscheibe 1 etwa in der Mitte der Fläche in die Gegenbelegung 2 hinein. Innerhalb dieser Freifläche ist die Rückkopplungsbelegung 4 angeordnet. In Fig. 5 sind Kerben 7 an den langen Seiten der Keramikscheibe 1 gezeigt, die entsprechend der ge wählten geometrischen Anordnungen so angebracht sind, daß die Schwingungsknoten 5 der Piezokeramikscheibe 1 erfaßt sind. Die Abstände a von den beiden Schmalseiten der rechteckförmigen Keramikscheibe 1 bis zu den Schwingungsknoten 5 betragen etwa je bis ein Viertel der ge samten Länge dieser Scheibe, während der Abstand b zwischen den Schwingungsknoten 5 etwa 0,5 bis 0,55 der Länge der Piezokeramikscheibe ausmacht.

In den Figuren 6 und 7 ist gezeigt, wie die Piezokera-mik scheibe 1 längs ihrer Schwingungsknotenebenen (vgl.Fig.5) vorteilhafterweise gehalten werden kann.

Um die Keramikscheibe 1 herum und in die Kerben 7 (Fig.5) eingelegt sind Gummiringe 6 vorhanden. Die Kontaktie rung der Belegungen kann mittels Drähten erfolgen, wie in Fig.8 durch die Stromzuführungsdrähte 21 und 22 angedeu tet. Zur Kontaktierung mit den Belegungen 4 und 9 können die Gummiringe 6 aber auch mit leitfähigen Segmenten 11 und 12 ausgestattet sein. Gummiringe mit leitfähig ge machten Teilen sind an sich bekannt und im Handel erhältlich. Die Leitfähigkeit wird durch Einlagerung von z.B. Metallpartikeln bewirkt. Die Gummiringe liegen in V-förmigen Führungsschienen 13, die durch ihre Verlängerung von der Piezokeramikscheibe 1 weg den erforderlichen Helmholtz-Resonator oberhalb des Biegeschwingers bilden. Die Führungsschienen 13 dienen ggf. gleichzeitig auch als Stromzuführungen zu den leitenden Segmenten 11 und 12 der Gummiringe 6. Für ihre Verbindung und mechanische Halterung an einer gedruckten Schaltungsplatte 14 sind die Führungsschienen 13 mit Zapfen 15 und 16 versehen, die mit den Leiterbahnen der gedruckten Schaltung verlötet sind (hier nicht im einzelnen gezeigt).

In Fig. 8 ist eine andere Art der Halterung des Piezo schwingers gezeigt. Die Piezokeramikscheibe 1, die auf einer als Hauptelektrode wirkenden Metallplatte 8 befestigt ist und auf der gegenüberliegenden Seite mit der Gegenelektrode 2 und der Rückkopplungseiektrode 4 versehen ist, ist über die Metallplatte 8 in federnden, schienenförmigen Führungen 17 und 18, die beispielsweise aus Silikon-Gummi bestehen, gehalten. Als Stromzuführun zur Metallplatte 8 und damit zur Keramikscheibe 1 dient ein Stromzuführungsdraht 23. Die Führungen 17 und 18 werden von Blöcken 19 und 20 gehalten, die z.B. aus Isoliermaterial bestehen und ein Teil des Gehäuses sein können. Diese Art der Halterung der Platte ist sinnvoll, wenn der Schwingungsknoten mit dem Randbereich der Metall platte 8 zusammenfällt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Blöcke 19 und 20 bilden zusammen den erforderlichen Helmholtzschen Resonator.

10 Patentansprüche
8 Figuren