DE19710512A1 - Sendevorrichtung zur Erzeugung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sendevorrichtung zur Erzeugung und Abstrahlung elektromagnetischer Wellen mit mindestens einem bezüglich seiner Eigen­ frequenzen abgestimmten Piezoelement.

Nach dem Stand der Technik sind Sendevorrichtungen als Bestandteil von elektromagnetischen Übertragungssystemen seit langem in einer Vielzahl von Ausführungsformen bekannt. Die von einem Sender erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Wellen, d. h. Radiowellen, haben in der Regel eine möglichst definierte Frequenz bzw. ein charakteristisches Frequenzspektrum, welches mittels entsprechender Empfängerschaltungen detektiert und mittels darin enthaltener Diskriminatorschaltungen wieder aus einem beliebigen Frequenzgemisch bzw. -rauschen herausgefiltert werden kann. Derartige Übertragungsstrecken finden sowohl in Fernsteuer- bzw. Fernwirksystemen als auch zur allgemeinen Datenübertragung, beispielsweise von Sprache oder Meßdaten, weiteste Verbreitung.

Die bisher bekannten Sender funktionieren nach dem Grundprinzip, daß ein elektrischer Schwingkreis, bestehend aus miteinander verschalteten Induk­ tivitäten und Kapazitäten, zunächst durch Zuführung elektrischer Energie aus einer externen Energiequelle zum Schwingen angeregt wird und anschließend durch periodische Energieeinspeisung - in der Regel gesteuert durch Rückkopplung - eine ungedämpfte Schwingung aufrechterhalten wird. Um dabei die Eigenfrequenzen des Resonanzkreises möglichst genau zu definieren, werden als frequenzselektive Elemente häufig Piezoelemente wie Quarzkristalle oder dergleichen in den Schwingkreis integriert, die sich jeweils durch ein durch deren elektromechanische Eigenschaften relativ eng definiertes Eigenfrequenzspektrum auszeichnen.

Durch die Nutzung des piezostriktiven Effektes, also der Eigenschaft von Piezoelementen, die äußeren Abmessungen beim Anlegen einer elektrischen Spannung zu verändern und umgekehrt, erreicht man bei bekannten Sendeoszillatoren durch elektrische Einkopplung der Schwingung in den Piezokristall eine resonante Abstimmung des Schwingkreises auf dessen Eigenfrequenzen. Daraus resultiert der Vorteil, daß derartig aufgebaute Sender praktisch ein eng begrenztes Frequenzspektrum abstrahlen, welches im wesentlichen durch die Eigenfrequenzen des Piezoelementes bestimmt wird. Die elektrische Einkopplung der Schwingungen, d. h., die Anregung des Piezoelementes durch Anlegen elektrischer Spannung, erfordert jedoch grundsätzlich das Vorhandensein einer entsprechenden elektrischen Energiequelle. Diese Abhängigkeit von einer externen elektrischen Energie­ versorgung ist insbesondere insofern nachteilig, als daß mit Batterien oder Akkus gespeiste Sender versagen, sobald die Energiespeicher infolge Ent­ leerung oder anderen Defekten keine elektrische Spannung mehr abgeben. Besonders nachteilig wirkt sich diese Situation in Systemen aus, die über lange Zeit nicht gewartet werden, beispielsweise Fernwirk- oder Alarm­ systeme, bei denen die Energiespeicher infolge von Selbstentladung und Alterung unbrauchbar werden und der Sender in einem in der Regel nicht vorhersehbaren Anwendungsfall nicht einsatzbereit ist.

Bei Sendern nach dem Stand der Technik besteht folglich das objektive technische Problem darin, daß sie zum Betrieb zwingend eine externe elek­ trische Energiequelle benötigen und eine mehr oder weniger komplexe elek­ tronische Schaltung aufweisen. Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfin­ dung, einen durch ein Piezoelement stabilisierten Sender zur Verfügung zu stellen, der unabhängig von einer externen elektrischen Energiequelle ist und einen einfachen Aufbau hat.

Zur Lösung dieses Problems schlägt die Erfindung vor, daß die Sende­ vorrichtung mindestens einen mechanischen Impulsgeber aufweist, mit dem mechanische Impulse in das Piezoelement einkoppelbar sind.

Ein erfindungsgemäßer Sender erfordert lediglich ein schwingfähiges Piezo­ element, welches durch seine äußere Form, Abmessungen und Material­ eigenschaften auf bestimmte mechanische bzw. elektromechanische Eigen­ frequenzen abgestimmt ist, sowie eine rein mechanische Anregungsvorrich­ tung, die mechanische Impulse, d. h. Schläge, unmittelbar auf das Piezo­ element abgibt. Der mechanische Impulsgeber kann prinzipiell beliebig aus­ gestaltet sein und braucht lediglich ein Schlagstück oder dergleichen zu enthalten, welches durch eine beliebige äußere Kraft beschleunigbar ist und die Oberfläche des Piezokristalls direkt anschlägt und diesen dabei zu mechanischen bzw. elektromechanischen Eigenschwingungen anregt.

Ausgehend von dieser Funktionsweise, die einen besonders einfachen mechanischen Aufbau zuläßt, liegt der besondere Vorteil der Erfindung darin, daß die durch den mechanischen Impulsgeber in das Piezoelement eingekoppelte mechanische, d. h. kinetische Energie aufgrund der piezoelek­ trischen Eigenschaften unmittelbar in ein elektrisches Wechselfeld umge­ setzt wird, was zu einer Abstrahlung elektromagnetischer Wellen führt. Bei der Abgabe eines mechanischen Impulses auf das Piezoelement wird dieses nämlich zu Schwingungen angeregt, deren Eigenfrequenzspektrum durch die mechanischen und elektrischen Eigenschaften des Piezoelementes bzw. Piezomaterials - wie bereits aus den bisherigen Anwendungen von Piezo­ kristallen als frequenzselektiven Elementen - mit hoher Genauigkeit definiert sind. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts bewirkt eine mechanische Spannung in dem Piezoelement das Entstehen eines elektrischen Felds; die periodischen Änderungen der mechanischen Spannung bei den Eigen­ schwingungen führen dementsprechend zu einer periodischen Änderung des elektrischen Felds. Anders ausgedrückt: das elektrische Feld wird durch den piezoelektrischen Effekt moduliert. Ungeachtet der komplexen gegen­ seitigen Abhängigkeiten von elektrischen und mechanischen Größen ent­ stehen folglich in einem Piezokristall mit vorgegebenen Eigenschaften charakteristische Schwingungen des elektrischen Felds, die gemäß der Maxwell'schen Feldgleichungen als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden. Diese Radiowellen weisen ebenfalls das charakteristische Frequenzspektrum der vorgenannten Eigenschwingungen auf, so daß belie­ bige einzelne Eigenfrequenzen mit entsprechend abgestimmten Empfängern hochselektiv detektierbar sind. Damit liegt eine besonders günstige Aus­ gangsvoraussetzung für die Errichtung elektromagnetischer Übertragungs­ strecken für beliebige Anwendungszwecke mit geringem Aufwand vor.

Bei einer Anregung durch einen einzelnen mechanischen Impuls wird zwar nur eine gedämpfte, d. h. mit der Zeit abfallende, unmodulierte elektrische Schwingung erzeugt, also quasi ein digitaler Impuls. Es ist jedoch offen­ sichtlich, daß durch einen entsprechenden seriellen digitalen Code, d. h. einer Impulsfolge, beliebige Informationen bereits mit einem einzigen erfin­ dungsgemäßen Sender übertragbar sind. Infolge der hochgenau definierten Eigenfrequenzen ist einerseits eine präzise Codierung möglich, andererseits können durch einen darauf abgestimmten, hochselektiven Empfänger schädliche Umwelteinflüsse weitgehend ausgeschaltet werden.

Durch die Wahl eines entsprechenden Piezoelementes kann die Arbeits­ frequenz der Sendevorrichtung prinzipiell beliebig vorgegeben werden, d. h., von Ultralang- bis Ultrakurzwellen. Lang- oder Ultralangwellen im Bereich bis zu einigen 100 kHz sind dabei besonders günstig, da sie trotz relativ geringer Sendeleistungen der direkt vom Piezokristall abgestrahlten Wellen eine ausgesprochen gute Materie-Durchdringungskraft haben.

Das einfache Funktionsprinzip der Sendevorrichtung führt zu einer ein­ fachen, preisgünstigen technischen Umsetzbarkeit. Eine weitgehende Miniaturisierung ist ebenfalls möglich. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht beispielsweise vor, daß der Impulsgeber manuell betätigbar ist. Dieser kann beispielsweise einen federvorgespannten Schlagbolzen oder derglei­ chen aufweisen, der bei manueller Betätigung bei einer bestimmten Feder­ spannung ausgelöst wird und dem Piezoelement einen definierten mechani­ schen Schlag versetzt. Die Energie des Impulsgebers kann dabei einstellbar sein, so daß bestimmte Eigenfrequenzen bevorzugt angeregt werden.

Miniaturisierte Ausführungsformen derartiger manueller Sender können in beliebigen Personenrufsystemen oder auch als Sicherheitssender bzw. Alarmgeräte für gefährdete Personen genutzt werden. In abgewandelten Ausführungsformen können die manuellen Betätigungsvorrichtungen, d. h. die Mittel, die unmittelbar eine von außen ausgeübte mechanische Kraft in den Piezokristall einleiten, in mannigfaltigen technischen Anwendungen ein­ gesetzt werden. Dadurch, daß keine elektrische Versorgungsenergie not­ wendig ist, können Steuerungen nachträglich besonders einfach installiert werden, da insbesondere keine Verkabelung erforderlich ist. Die Nachteile durch entladene Energiespeicher können ebenfalls nicht auftreten. Bei­ spielsweise können erfindungsgemäße Sender Anwendung in folgenden Bereichen finden:

• - Erschütterungsmelder, beispielsweise bei Alarmanlagen,
• - Sensoren, beispielsweise Tür- oder Fensterkontakte bei Alarmanlagen,
• - Fahrzeug-Sicherheitssysteme, beispielsweise Airbag-Auslöser an Kraft­ fahrzeugen,
• - Sensoren für die Fernsensorik zur gleichzeitigen Erfassung und draht­ losen Übermittlung mechanischer Meßgrößen,
• - Sicherheitssysteme, beispielsweise Schließ-/Schloßsysteme,
• - jegliche Formen von Kurzstrecken-Fernbedienungen, beispielsweise für Elektrogeräte, Schließanlagen, etc.
• - Erfassung und Übermittlung von Daten bei Eingabegeräten für Com­ puter, beispielsweise sogenannte "Cybergloves" bzw. "Cybersuits",
• - Datenerfassung an Sportgeräten, beispielsweise Integration in Sport­ schuhe, Absprungbalken oder sonstige Sportgeräte.

Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich prinzipiell auf beliebige weitere Anwendungen, bei denen mechanische Kräfte erfaßt und drahtlos über­ mittelt werden sollen.

Der Impulsgeber kann auch motorisch antreibbar sein, wodurch sowohl die Erfassung von Parametern des Antriebs möglich ist, als auch Relais-Systeme mit erfindungsgemäßen Sendevorrichtungen aufgebaut werden können.

Die Anwendungsmöglichkeiten lassen sich dadurch in vorteilhafterweise nochmals erweitern, daß der Impulsgeber eine Ablaufsteuerung zur Abgabe codierter Impulsfolgen aufweist. Auf diese Weise können digitale serielle Codeworte automatisch abgesendet werden.

Durch die hohe Genauigkeit der jeweils von einem Piezoelement abge­ strahlten Sendefrequenz können ohne weiteres mehrere Piezoelemente mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen in einem Mehrkanal-Sender integriert werden. Die Betätigung kann sowohl über einen einzelnen Impulsgeber, als auch über eine Mehrzahl von Impulsgebern erfolgen, mit denen jeweils ein oder mehrere Piezoelemente angeregt werden. Durch die Kombination von seriellen Impulscodes mit unterschiedlichen Sendefrequenzen läßt sich eine große Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten erreichen.

Vorzugsweise ist das Piezoelement isoliert aufgehängt, so daß die elektro­ magnetische Welle unmittelbar von diesem abgestrahlt wird. Es ist aber gleichfalls möglich, das Piezoelement an einen äußeren elektrischen Kreis anzukoppeln und auf diese Weise eine drahtgebundene Übertragung der emittierten Wellen zu erreichen, beispielsweise über bestehende Kabelnetze.

Zur Verbesserung der Abstrahlcharakteristik und damit zur Erhöhung der Reichweite ist es vorteilhaft, daß an das Piezoelement eine Antenne ange­ schlossen ist. Durch eine solche Sendeantenne, die im einfachsten Fall ein kurzes Drahtstück sein kann, erfolgt eine optimierte Abstrahlung der im Piezoelement erzeugten elektromagnetischen Impulspunkt. Die Verwendung einer frequenzmäßig abstimmbaren bzw. abgestimmten Antenne, die hin­ sichtlich ihrer Frequenzcharakteristik an die Eigenfrequenzen des Piezo­ elementes angepaßt ist, kann eine definierte Bandbreite erzeugt werden, wodurch die Selektivität erhöht wird. Zur Abstimmung der Antenne können bekannte selektive Elemente, beispielsweise LC-Glieder oder dergleichen Verwendet werden.

Zweckmäßigerweise besteht das Piezoelement aus Quarz, einer piezoelek­ trischen Keramik oder sonstigen piezoelektrischen Materialien. Gegebenenfalls kann es auch als Stapel aus mehreren einzelnen Elementen, als sogenannter Piezo-Stack, ausgebildet sein.

Neben den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist ebenfalls das Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen dadurch, daß ein bezüglich seiner Eigenfrequenzen abgestimmtes Piezoelement unmittelbar durch Ein­ kopplung mechanischer Impulse zu Eigenschwingungen angeregt wird, die als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden, Gegenstand der vor­ liegenden Erfindung. Gegebenenfalls kann dabei eine Modulation der elek­ tromagnetischen Wellen über eine Codierung der Impulsfolge vorgenommen werden.

Da es sich bei der Erfindung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren um eine grundlegende Technologie handelt, ist die Anwendung nicht auf die beschriebenen Einsatzbereiche beschränkt, sondern in einer Vielzahl wei­ terer Gebiete denkbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierzu zeigt Fig. 1 in einer schematischen Darstellung einen erfindungs­ gemäßen Sender, der als ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Dieser weist ein Piezoelement 2 auf, welches durch seine geometrischen Abmessungen und das verwendete Piezomaterial auf ein charakteristisches Eigenfrequenzspektrum abgestimmt ist.

Mit dem Bezugszeichen 3 ist ein mechanischer Impulsgeber - symbolisch als Hammer dargestellt - bezeichnet. Dieser weist einen Schlagbolzen oder ein Schlagstück auf, mit dem Schläge, d. h. kurze mechanische Impulse, auf die Oberfläche des Piezoelementes 2 ausgeübt werden können. Dessen Betäti­ gung kann sowohl manuell erfolgen, beispielsweise direkt oder über eine vorgespannte Feder, die beim Auslösen das Schlagstück beschleunigt.

An das Piezoelement 2 ist eine Antenne 4 angeschlossen, die im ein­ fachsten Falle aus einem Drahtstück besteht, welches mit einer Fläche des Piezoelementes 2 kontaktiert ist.

Wie gestrichelt angedeutet, können ein oder mehrere Piezoelemente 2 samt dazugehöriger mechanischer Impulsgeber 3 in einem Gehäuse 5 angeordnet sein.

Ein Empfänger 6 für den Sender 1 weist im wesentlichen eine Empfangs­ antenne 7 auf, die an den Eingang eines niederohmigen NF-Verstärkers mit hoher Empfindlichkeit angeschlossen ist. An den Ausgang dieses Verstär­ kers können beispielsweise beliebige Schaltvorrichtungen angeschlossen sein, die durch über die Empfangsantenne 7 empfangene Signale des Sen­ ders 1 angesteuert werden.

Die Funktion des Senders 1 ist denkbar einfach: Beim Betätigen des mechanischen Impulsgebers 3 wird mittels des Schlagstücks ein kurzer mechanischer Impuls, d. h. ein Schlag, auf das Piezoelement 2 ausgeübt, wodurch dieses zu charakteristischen Eigenschwingungen angeregt wird. Das dabei erzeugte elektrische Feld wird durch den piezoelektrischen Effekt mit der Frequenz der Eigenschwingungen moduliert, wodurch elektro­ magnetische Wellen derselben Frequenz angeregt und über die Antenne 4 abgestrahlt werden. Diese werden von der Empfangsantenne 7 des Empfängers 6 empfangen und selektiv weiterverarbeitet. Hierzu ist dessen Verstärkerschaltung selektiv auf eine oder mehrere Eigenfrequenzen des Piezoelementes 2, d. h. des Senders 1, abgestimmt.

Durch die Umsetzung des erfindungsgemäßen Sendeverfahrens benötigt der Sender 1 keine externe elektrische Energieversorgung. Dessen technische Umsetzung ist sehr einfach und dementsprechend preisgünstig, so daß eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten problemlos umsetzbar ist.

Claims (18)

1. Sendevorrichtung zur Erzeugung und Abstrahlung elektro­ magnetischer Wellen mit mindestens einem bezüglich seiner Eigenfrequen­ zen abgestimmten Piezoelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (1) mindestens einen mechanischen Impulsgeber (3) aufweist, mit dem mechanische Impulse in das Piezoelement (2) ein­ koppelbar sind.

2. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (3) manuell betätigbar ist.

3. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie des Impulsgebers (3) einstellbar ist.

4. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (3) motorisch antreibbar ist.

5. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgeber (3) eine Ablaufsteuerung zur Abgabe codierter Impuls­ folgen aufweist.

6. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (1) eine Mehrzahl von Piezoelementen (2) unter­ schiedlicher Eigenfrequenzen aufweist.

7. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (1) eine Mehrzahl von Impulsgebern (3) aufweist.

8. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) isoliert aufgehängt ist.

9. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) an einen äußeren elektrischen Kreis angekoppelt ist.

10. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an das Piezoelement (2) eine Antenne (4) angeschlossen ist.

11. Sendevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (4) abstimmbar ist.

12. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) aus Quarz besteht.

13. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (2) aus Piezokeramik besteht.

14. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (1) als Datenübertragungseinrichtung ausgebildet ist.

15. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendevorrichtung (1) als Fernsteuersender ausgebildet ist.

16. Sendevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus mehreren kaskadiert angeordneten Sendevorrichtungen (1) ein Fernüberwachungssystem gebildet wird.

17. Verfahren zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen, insbe­ sondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bezüglich seiner Eigenfrequenzen abgestimmtes Piezoelement (2) unmittelbar durch Einkopplung mechanischer Impulse zu Eigenschwingungen angeregt wird, die als elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnete daß eine Modulation der elektromagnetischen Wellen über eine Codierung der Impulsfolge erfolgt.