EP0038043B1

EP0038043B1 - Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals

Info

Publication number: EP0038043B1
Application number: EP81102766A
Authority: EP
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Koslar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1981-04-10
Publication date: 1984-04-11
Also published as: JPS57500494A; WO1981002963A1; DE3013788C2; EP0038043A1; ATE7096T1; DE3013788A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, enthaltend eine als elektromechanischer Wandler dienende, mit ganzflächiger Hauptbelegung und Gegenbelegung versehene uni- oder bimorphe schwingfähig gelagerte Piezokeramikscheibe, deren Gegenbelegung mit Ausnahme einer Freifläche die großflächige Gegenseite zur Hauptbelegung der Piezokeramikscheibe bedeckt und in der Freifläche eine durch einen Isolationsabstand getrennte Rückkopplungsbelegung angeordnet ist, wobei die Hauptbelegung der Piezokeramikscheibe mit dem Ausgang eines aktiven Bauelements (Transistor), die Gegenbelegung mit einem Potentialbezugspunkt und die Rückkopplungsbelegung mit dem Eingang (Basis) des aktiven Bauelements (Transistor) verbunden sind, so daß diese Schaltung als rückgekoppelter Verstärker wirkt.
Unimorphe bzw. bimorphe piezoelektrische Wandler sind aus den Katalogen BFE 78-004 A mit dem Titel « TDK unimorphe type transducer for electronic buzzer • , Juli 1978 und BFE 87-006 A mit dem Titel : « TDK piezoelectric buzzers •, Juli 1978, bekannt.
Bei einem unimorphen Wandler ist das piezoelektrische Element auf einer Metallplatte befestigt, die auch als Hauptbelegung wirkt Das piezoelektrische Element bei diesen bekannten Wandlern besteht aus piezokeramischem Material und ist kreisscheibenförmig. Die Belegung ist ebenfalls als kreisförmige Fläche auf dieser Scheibe aufgetragen.
Entsprechendes gilt für bimorphe Wandler, deren piezoelektrisches Element jedoch aus zwei miteinander verbundenen 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 Transistors verbunden, während die Hauptbelegung mit dem Ausgang 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 gennanten Schriften ebenfalls bekannt.
Die Anordnung der Belegungen bei den bekannten Wandlern führt dazu, daß beispielsweise unimorphe Wandler einen Durchmesser von etwa 35 mm aufweisen müssen, um im Bereich hörbarer Schwingungen (ca. 3,0 kHz) einen gutwahrnehmbaren Ton zusammen mit einem oberhalb des piezoelektrischen Biegeschwingers angeordneten Helmoltzschen Resonators zu ergeben.
Bimorphe piezoelektrische Wandler der bekannten Art weisen immerhin noch einen Durchmesser zwischen 16,5 mm bis 30 mm auf, um dabei eine 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-A-1 562 578 beschrieben ist.
Bei solchen Spannungsprüfgeräten soll neben einer optischen Anzeige durch Leuchtdioden auch ein akustisches « Anzeigemittel 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-A-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 rechteckig 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 unterdrücken. 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 piezokeramischen Körper, also einem polykristallinen Körper. Bei letzterem handelt es sich um Beigeschwingungen, nicht aber um irgendwelche Arten von Dickenscherungsschwingungen oder longitudinalen Schwingungen des piezoelektrischen Quarzkörpers.
Durch die DE-A-2 141 643 ist als Schallerzeuger ein piezoelektrischer Wandler bekannt, der als piezoelektrisches Element einen piezoelektrischen Kristall beispielsweise aus einer Blei-/Zirkon-/TitanVerbindung enthält, der samt den darauf aufgebrachten, als Haupt-, Gegen- und Rückkopplungsbelegung dienenden Elektroden mittels eines geeigneten elektrisch leitenden Binders stoffschlüssig auf einer Unterlage befestigt ist. Die Rückkopplungsbelegung ist dabei auf eine am Rande der Gegenbelegung angeordnete Freifläche aufgebracht. Hinweise über eine geeignete unverrückbare schwingungsfähige Lagerung des piezoelektrischen Kristalls sind der DE-A-2 141 643 nicht entnehmbar. Soweit die US-A-3 578 921, die einen piezoelektrischen Wandler mit beidseitig vollständig belegter Piezokeramikscheibe betrifft, eine Lagerung beschreibt, besteht diese aus starren Tragelementen oder Tragstäben aus Metall, die in dieser Form keine elastische Lagerung der Piezokeramikscheibe ermöglichen.
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 in gut hörbaren Tonfrequenzbereichen 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 angegebene Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe rechteckförmig ausgestaltet ist, daß die Freifläche in der Mitte der Gegenbelegung angeordnet ist, und daß die Piezokeramikscheibe zur unverrückbaren schwingungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten elastisch befestigt ist.
Vorzugsweise sind Freiflächen und Rückkopplungsbelegung rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten, kreisrund oder elliptisch ausgebildet.
Die Freifläche kann auch von einer Schmalseite der rechteckförmigen Piezokeramikscheibe in die Gegenbelegung streinfenförmig hineinragen und in ihr die Rückkopplungsbelegung enthalten.
Die elastische Befestigung der Piezokeramikscheibe erfolgt vorzugsweise durch Gummiringe, die in an den Längskanten angeordneten Kerben rastend die Piezokeramiskscheibe umschlingen.
Die rechteckförmige Piezokeramikscheibe ist mit Vorteil auf einer ihre Abmessungen überschreitenden Metallplatte befestigt, wobei die elastische Befestigung an dieser Metallplatte erfolgt (unimorphes Element).
Die Gummiringe enthalten an den Stellen, die mit den Belegungen in Berührung kommen, vorzugsweise elektrisch leitfähige Segmente und ergeben damit die Stromzuführung 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 vorteilhafterweise 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 20 mm, 7 mm, 0,4 mm 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

Figur 1 einen bimorphen piezoelektrischen Wandler ;
Figur 2 einen unimorphen Wandler ;
Figur 3 in Draufsicht einen rechteckförmigen Wandler, wobei die Schwingungsknoten gezeigt sind ;
Figur 4 einen rechteckförmigen Wandler mit anders geformter Freifläche ;
Figur 5 einen rechteckförmigen Wandler mit einer weiteren anderen Ausgestaltung der Freifläche ;
Figur 6 die Befestigung der erfindungsgemäßen Wandlers ;
Figur 7 die Befestigung des erfindungsgemäßen Wandlers gemäß Schnitt VII-VII in Fig. 6 ;
Figur 8 eine andere Ausführungsform der Befestigung des rechteckförmigen Wandlers.

In Fig. 1 ist mit 1 der aus zwei rechteckförmigen Piezokeramikscheiben bestehende bimorphe Wandler bezeichnet. Zur Zeichenebene hin ist die untere Keramikscheibe praktisch ganzflächig mit der Hauptbelegung 9 versehen. Die Gegenbelegung 2 erstreckt sich mit Ausnahme der Freifläche 3 auf der gesamten, der Hauptbelegung 9 gegenüberliegenden Seite des bimorphen 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 Gegenbelegung 2 kreisförmig, ebenso wie die darin angeordnete Rückkopplungsbelegung 4. Die Lagerung einer solchen rechteckigen Keramikscheibe kann längs ihrer Schmalseiten erfolgen, weil die geometrischen Abmessungen so gewählt sind, daß die Schwingungsknoten 5 längs den Schmalseiten verlaufen.
Gemäß Fig. 4 ist die Freifläche 3 innerhalb der Gegenbelegung 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 gewählten 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 gesamten 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 Piezokeramikscheibe-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 Kontaktierung der Belegungen kann mittels Drähten erfolgen, wie in den Fig. 1 und 8 durch die Stromzuführungsdrähte 21 und 22 angedeutet. 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 gemachten 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 HeImholtz-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 Piezoschwingers 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 Rückkopplungselektrode 4 versehen ist, ist über die Metallplatte 8 in federnden, schienenförmigen Führungen 17 und 18, die beispielsweise aus Silikon-Gummi bestehen, gehalten. Als Stromzuführung zur Metallplatte 8, bzw. zur Hauptbelegung 9 (Fig. 1), 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 Metallplatte 8 zusammenfällt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Blöcke 19 und 20 bilden zusammen den erforderlichen Helmholtzschen Resonator.

Claims

1. Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, enthaltend eine als elektromechanischer Wandler dienende, mit ganzflächiger Hauptbelegung und Gegenbelegung versehene uni- oder bimorphe schwingfähig gelagerte Piezokeramikscheibe (1), deren Gegenbelegung (2) mit Ausnahme einer Freifläche (3) die großflächige Gegenseite zur Hauptbelegung (9) der Piezokeramikscheibe (1) bedeckt und in der Freifläche (3) eine durch einen Isolationsabstand getrennte Rückkopplungsbelegung (4) angeordnet ist, wobei die Hauptbelegung (9) der Piezokeramikscheibe (1) mit dem Ausgang eines aktiven Bauelements (Transistors), die Gegenbelegung (2) mit einem Potentialbezugspunkt und die Rückkopplungsbelegung (4) mit dem Eingang (Basis) des aktiven Bauelements (Transistors) verbunden sind, so daß diese Schaltung als rückgekoppelter Verstärker wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezokeramikscheibe (1) rechteckförmig ausgestaltet ist, daß die Freifläche (3) in der Mitte der Gegenbelegung (2) angeordnet ist, und daß die Piezokeramikscheibe (1) zur unverrückbaren schwingungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten elastisch befestigt ist.

2. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten ausgebildet sind (Fig. 1, 2).

3. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) kreisrund ausgestaltet sind (Fig. 3).

4. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) elliptisch ausgestaltet sind (Fig. 4).

5. Signalgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freifläche (3) von einer Schmalseite (10) der rechteckförmigen Piezokeramikscheibe (1) in die Gegenbelegung (2) streifenförmig hineinragt und in ihr die Rückkopplungsbelegung (4) enthält (Fig. 5).

6. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung durch Gummiringe (6) erfolgt, die in an den Längskanten der Piezokeramikscheibe (1) angebrachten Kerben (7) rastend die Piezokeramikscheibe (1) umschlingen (Fig. 6, 7).

7. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckförmige Piezokeramikscheibe (1) auf einer ihre Abmessungen überschreitenden Metallplatte (8) befestigt ist und daß die elastische Befestigung an dieser Metallplatte (8) erfolgt (Fig. 2, 8).

8. Signalgeber nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gummiringe (6) an den Stellen, die mit den Belegungen (3, 4, 9) in Berührung kommen, elektrisch leitfähige Segmente (11, 12) enthalten und damit die Stromzuführung zu den als Elektroden wirkenden Belegungen (3, 4, 9) als Druckkontakt ergeben (Fig. 7).

9. Signalgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheibe (1) mit den Gummiringen (6) in V-förmigen Führungsschienen (13) gelagert sind (Fig. 6).

10. Signalgeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmigen Führungsschienen (13) als Stromzuführungen zu den leitenden Segmenten (11, 12) der Gummiringe (6) dienen (Fig. 6, 7).