SIGNAL GENERATOR FOR OBTAINING AN ACOUSTIC SIGNAL

Abstract: Device for generating acoustic signals using as an electromechanical transducer element a piezoelectric quadrangular ceramic plate (1) which is covered on the face opposite to the main layer (9) with a layer having on its center an opening (3) provided for the reactive coupling layer (4).

Description: Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals. Die Erfindung betrifft einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, enthaltend eine als elektromechanischer Wandler dienende, mit Metallbelegungen versehene uni- oder bimorphe schwingfähig gelagerte Piezokeramikscheibe, 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 1s ruckgekoppelter Verstärker (Emitterfolger) wirkt. Unimorphe bzw. bimorphe piezoelektrische Wand1er sindaus den Katalogen BFE 78-004 A mit dem Titel: "TDE unimorph type transducer for electronic buzzern 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 die- sen bekannten Wandlern besteht aus piezokeramischernNate- rial und ist kreisscheibenförmig. Die Belegung ist ebenfalls als kreisförmige Fläche auf dieser Scheibe aufgetragen. Entsprechendes gilt für bimorphe Wandler, deren piezoelis tisches 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 Biegungen vorhanden sind, von denen eine als Gegenbelegung und die andere als Rückkopplungsbelegung dienen. Die Rtickkopplungsbelegung ist mit der Basis eines Transistors verbunden, während die Hauptbelegung mit dem AuF gang dieses Transistors und die Gegenbelegung, die nur einen Teil der Stirnseite der Piezokeramikscheibe bedeckt; mit einem Potentialbezugspnnkt verbunden ist. Die schaltung mit einem solchen Signalgeber als ruckge- koppelter 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 Schwingangen (ca. 3,0 kHz) einen gutwahrnehmbann Ton zusammen mit einem oberhalb des piezoelektrischen Biegeschwingers angeordneten Relmholtzschen Resonators zu ergeben. Bimorphe piezoelektrische Wandler der bekannten Art weisen immerhin noch einen Durchmesser zwischen 16,5mm bis 30mm auf, um dabei ene Tonfrequenz von etwa 50 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 1 562 5i8 (VPA 77 P 8011) beschrieben ist. Bei solchen Spannungsprüfgeräten soll neben einer optisehen 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 Prtifperson dennoch ein Warnsignal erhalten soll. In der US-PS 2,635,199 ist eine piezoelektrische Kristall- vorrichtung beschrieben, bei der auf einer piezoelektrisehen Kristallplatte aus Quarz, die in aller Regel einer stallin ist, auf beiden Seiten Elektroden angebracht sind Die Quarzkristallplatte kann dabei kreisförmig oder redss eckig sein. Die Elektroden sind auf einer Seite einer solchen Ouarz-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 EristaIW Einrichtungen werden benutzt, um im MHz-Bereieh verw#endet zu werden. Die Anordnung der Elektroden dient dazu, die Interferenz von ungewünschten Schwingungsarten zu unterdrucken. 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 Biegeschwingungen, nicht aber um irgendwelche Arten von Dickenscherungsschwingungen 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 3kHz so klein wie möglich sind; dieser Wandler soll in einer Schaltung als ruckgekoppelter Verstärker verwendet werden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist der Signalgeber der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Piezokeramikscheibe rechteckformig 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 unverruckbaren schwm- gungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten elastisch befestigt ist. Vorzugsweise sind Freifläche und Rückkopplungsbelegung rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten, kreisrund oder elliptisch ausgebildet. Die Freifläche kann auch von einer Schmalseite der rechteckförmigen Piezokeramikscheibe in die Gegenbelegung streifenförmig hineinragen und in ihr die Rückkopplungsbelegung enthalten. Die elastische Befestigung der Piezokeramikscheibe erfolgt vorzugsweise durch Gummiringe, die in an den La¯ngs- 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- Metallplatte 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 Stromzuführung zu den als Elektroden wirkenden Belegungen. Die Keramikscheibe wird mit Vorteil in der Weise gehaltes, dass die Gummiringe in V-förmigen Fu¯hrungsschienen gelagert sind. Diese V-förmigen Führnngsschienen dienen vorteilhter- 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 etwa3kRzerzeugt wird. Es ist bekannt, dass es günstig ist, eine Tonfrequenz erzeugende Quelle (hier der Biegeschwinger) mit einem Relmholtz-Resonator, der auf die erzeugte Tonfrequenz abgestimmt ist, in ihrer taut- stärke 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 geform ter 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 l 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 gegenUberlie- genden 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 RQckkopplungsbelegung 4. Die Lagerung einer solchen rechts eckigen 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 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 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 Piezokeramik- scheibe 1 längs ihrer Schwingungsknotenebenen #gl.Fig.5) vorteilhafterweise gehalten werden kann. Um die Keramikscheibe 1 herum und in die Kerben 7 teig.5) eingelegt sind Gummiringe 6 vorhanden. Die Kontaktierung der Bebgungenkaun mittels Drähten erfolgen, wie in Fig.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 erhilt- lich. Die Leitfähigkeit wird durch Einlagerung von z.B. Metallpartikeln bewirkt. Die Gummiringe liegen in V-formigen Fuhrungsschienen 13, die durch ihre Verlängerung von der Piezokeramikscheibe 1 weg den erforderlichen Helmholtz-Resonator oberhalb des Biegeschwingers bilden. Die Führnngsschienen 13 dienen ggf. gleichzeitig auch als Stromzuführungen zu den leitenden Segmenten 11 undl2 der Gummiringe 6. Für ihre Verbindung und mechanische Halterung an einer gedruckten Schaltungsplatte 14 sind die Ftrhrungsschienen 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 i 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 #8, die beispielsweise aus Silikon-Gummi bestehen, gehalten. Als Stromzuführung 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 Schwingangsknoten mit dem Randbereich der Meta6 platte 8 zusammenfällt, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Blöcke 19 und 20 bilden zusammen den erforderlichen Helmholtzschen Resonator. 10 Patentanspruche 8 Figuren Bezugszeichen1iste 1 Piezokeramikscheibe 2 Gegenbelegung 3 Freifläche in der Gegenbelegung 4 Rückkopplungsbelegung 5 (Achsen der) Schwingungsknoten 6 Gummiringe 7 Kerben zur Aufnahme der Gummiringe 8 Metallplatte 9 Hauptbelegung 10 Schmalseite der Piezokeramikscheibe 11 Leitfähige Segmente der Gummiringe 6 für Kontakt mit Hauptbelegung 9 12 Leitfähige Segmente der Gummiringe 6 für Kontakt mit Rückkopplungsbelegung 4 13 V-förmige Führungsschienen 14 Gedruckte Schaltung 15 16 17 18 19 20 21 22 23 EMI9.1 zapfen für Verbindung mit gedruckter Schaltung Führungen Halteblocke Stromzuführungsdrähte

Claims: Patentansprüche 1. Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, enthaltend eine als elektromechanischer Wandler dienende, mit Metallbelegungen versehene uni- oder bimorphe schwing fähig gelagerte Piezokeramikscheibe, 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 (Basi¯ des aktiven Bauelements (Transistors) verbunden sind, so dass diese Schaltung als ruckgekoppelter Verstärker (Emitterfolger) wirkt, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass die Piezokeramikscheibe (1) rechteckförmig ausgestaltet ist, dass die Gegenbelegung (2) mit Ausnahme einer in ihrer Mitte vorgesehenen Freifläche (3) die grossflächige Gegenseite zur Hauptbelegung (9) der Piezokeramikscheibe (1) bedeckt, dass in der Freifläche (3) die Rückkopplungsbelegung (4) angeordnet ist und dass die Piezokeramikscheibe (1) zur unverrEickbaren schwingungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten (5) elastisch befestigt ist. 2. Signalgeber nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z-e i c h n e t, dass Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten ausgebildet sind (Fig. 1, 2). 3. Signalgeber nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Freifläche (3) und Rück kopplungsbelegung (4) kreisrund ausgestaltet sind (Fig.3). 4. Signalgeber nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n et, dass Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) elliptisch ausgestaltet sind (Fig. 4). 5. Signalgeber nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Freifläche (3) son 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, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, 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). #- signalgeber nach einem der Anspruche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die rechteckförmige Piezokeramikscheibe (1) auf einer ihre Abmes snngen 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 Anspruche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gummiringe (6) an den Stellen, die mit den Belegungen (3, 4, 9) in Beruhrung kommen, elektrisch leit fähige Segmente (11, 12) enthalten und damit die Strom zufuhsnng zu den als Elektroden wirkenden Belegungen (3, 4, 9) als Druckkontakt ergeben (Fig. 7). 9. Signalgeber nach einem der Anspruche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kera- mikscheibe (1) mit zen Gummiringen (6) in V-förmigen 'Führungsschienen (13) gelagert sind (Fig. 6). 10. Signalgeber nach Anspruch 9, d a d u r c h g ek e n n z e i c h.n e t, dass die V-förmigen Fnrrungs- schienen (13) als Stromzuführungen zu den leitenden Segmenten (11, 12) der Gummiringe (6) dienen (Fig. 6, 7).

Inventors: KOSLAR, MANFRED, DIPL.-ING.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1981
Main classification: H04R17
IPC codes: G10K9, H04R17