DE3013788C2

DE3013788C2 - Piezokeramikscheibe für einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals

Info

Publication number: DE3013788C2
Application number: DE3013788A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. 4840 Rheda-Wiedenbrück Koslar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1980-04-10
Filing date: 1980-04-10
Publication date: 1982-11-25
Also published as: JPS57500494A; DE3013788A1; ATE7096T1; EP0038043B1; WO1981002963A1; EP0038043A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Piezokeramikscheibe für

is einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, bei dem die als elektromechanischer Wandler dienende Piezokeramikscheibe mit Metallbelegungen versehen, uni- oder bimorph und schwingfähig gelagert ist, 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 BFE 78-004A mit dem Titel: »TDK unimorph type transducer for electronic buzzer« und BFE87-006A (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 piezoelektrische Element bei diesen bekannten Wandlern besteht aus piezokeramischem Material und ist kreisscheibenförmig. Die Belegung ist ebenfalls als kreisförrm^p 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

so 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 obengenannten 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 Helmholtzschen Resonator zu ergeben.

Bimorphe piezoelektrische Wandler der bekannten

Art weisen immerhin noch einen Durchmesser zwischen

16,5 mm bis 30 mm au^r, 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-PS !5 62 578 beschrieben ist.

Bei solchen Spannungsprüfgeräten soll neben einer optischen Anzeige durch Leuchtdioden auch ein akustische.¹ »Anzeigemittel« verwendet werden, und zwar IUr die Fäüe, wenn beispielsweise durch helle Sonneneinstrahlung das Aufleuchten der Leuchtdioden nicht sichtbar ist und die Prüfperson dennoch ein Warnsignal erhalten soli.

In der US-PS 26 35 199 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-Einkrisialischeibe 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 dczu, 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 Biegeschwingungen, nicht aber um irgendwelche Arten von Dickenscherungsschwingungen oder longitudinalen Schwingungen des piezoelektrischen Quarzkörpers.

Dem Anmeldungsgegenstand 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 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 diese Piezokeramikscheibe zur unverrückbaren schwingungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten elastisch befestigt ist.

Vorzugsweise sind Freifläche und Rückkopplungsbelegung' rechleckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten, kreisrund oder elliptisch ausgebildet.

Die Freifläche kann auch von einer Schmalseite der rechteckförmigen Piezr>keramikscheibe in die Gegenbelegung streifenförmig hineinragen und in ihr die Rückkopplitn^belegung enthalten.

Die elastische Befestigung der Pi
erfolgt vorzugsweise durt-h Gini-rstiriiVjo, ₍Jir> in ·>.ι den UHgskanten angeordneten Keri'i'T rasictid die· he- * zoK ·.! amikscheibe umschlingen.

Die rechteckförnr.ige Piezokeramikscheibe ist mit Vt-"teil auf einer ihre Abmessungen überschreitenden Metallplatte befestigt, wobei die elastische Befestigung an dieser Metallplatte erfolgt (unimorphes Element).
ίο Die Gummiringe enthalten an den Stellen, die mit den Belegungen in Berührung kommen, vorzugsweise elektrisch leitfähige Segmenie 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.

Beim Anmeldungsgegenstand wird in überraschender Weise erreicht, daß die Abmessunger J.er rechteckförmigen Kerarnikscheibc in der GröQcvio-dnung Länge · Breite · Dicke 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 in Rede stehende Piezokeramikscheibe wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen bimorphen piezoelektrischen Wandler; F i g. 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;
F i;,. 6 die Befestigung des Wandlers;
Fig. 7 die Befestigung des Wandlers gemäß Schnitt «5 VII-VII in Fig. 6;

F i g. 8 eine andere Ausführungsform der Befestigung des rechteckförmigen Wandlers.

In Fig. 1 ist mit J_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 l± Innerhalb des Freiraumes 3 ist — unter Freilassung eines der Isolation dienenden Abstandes — die Rikkkopplungsbelegung 4 angeordnet.

Gemäß F i g. 2 ist die PiezokeramikscheibeJ_auf einer sie in ihren Abmessungen überragenden Metallplatte 8, die z. S. aus Messing besteht und gut federnd ist, befestigt. Die Metallplatte 8 dient als Hauptbelegung.

Auch hier ist die Gegenbelegung 2 mi» einer Freiflrche 3 auf der gesamten großen Fläch? der Keran.ikscheibeJ_

^b) angebracht. Innerhalb rler Freifläche ist die Rückkopp-Iungsb-^J!egung 4 Suiger-agcn.

Gemäß Fig. 1 ist dir Freifläche innerhrlb oer Gegenbelegung 2 kreisförmig, ebenso wie die darm

angeordnete Rückkopplungsbelegiing 4. Die Lagerung einer solchen rechteckigen Kcrainikscheibe kann längs ihrer Schmalseiten erfolgen, weil die geometrischen Abmessungen so gewählt sind, daß die Schwingiingsknoten 5 längs den Schmalseiten verlaufen.

Gemäß Fig.4 ist die Freifläche 3 innerhalb der Gegenbelegung 2 elliptisch, ebenso wie die darin angeordnete Rückkopplungsbelegiing 4.

Gemäß F i g. 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 F i g. 5 sind Kerben 7 an den langen Seiten der Keramikscheibe J_ gezeigt, die entsprechend der gewählten geometrischen Anordnungen so angebracht sind, daß die Schwingungsknoten 5 der Piezokeramikscheibe J_erfaßt sind. Die Abstände a von den beiden Schmalseiten der rechteckförmigen Kcramikscheibe_l_bis zu den Schwingungsknoten 5 betragen etwa je bis ein Vienei 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 F i g. 6 und 7 ist gezeigt, wie die Piezokeramikscheibe \_ längs ihrer Schwingungsknotenebene (vgl. F i g. 5) vorteilhafterweise gehalten werden kann.

Um die KeramikscheibeJ_herum und in die Kerben 7 (Fig. 5) eingelegt sind Gummiringe 6 vorhanden. Die Kontaktierung der Belegungen kann mittels Drähtin erfolgen, wie in F i g. 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 ausgestaltet 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 \_ weg den erforderlichen Helmholtz-Resonator oberhalb des Biegeschwingers bilden. Die Führungsschienen 13 dienen ggf. gleichzeitig a veh als Stromzuführungen zu den leitenden Segmenten 11 utid 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 ein/einen gezeigt).

In Fig. 8 ist eine andere Art der Halterung des Piezoschwingers gezeigt. Die Piezokeramikscheibe U die auf einer als Hauptelektrode wirkenden Metallplatte 8 befestigt ist und auf der gegenüberliegenden Seite mit der Gegenelektrode 2 und der Rückkopplungselcktrode 4 versehen ist. ist über die Metallplatte 8 in federnden, schicnenförmigen Führungen 17 und 18. die beispielsweise aus Silikon-Gummi bestehen, gehalten. Als Stromzuführung zur Metallplatte 8 und damit zur Keramikscheibe^dient ein Stromzuführungsdraht 23. Die Führungen 17 und 18 werden von Blöcken 19 und 20 gehalten, die z. U. aus Isoliermaterial bestehen und ein Teil des Gehäuses sein können. Diese Art der Halterung der Platte ist sinnvoll, wenn der Schwmgungsknoten mit dem Randbereich der Metallplatte 8 zusammenfällt, wie dies in F i g. 3 gezeigt ist. Die Blöcke 19 und 20 bilden zusammen den erforderlichen Helmholztschen Resonator.

Bezugszeichen liste

Piezokeramikscheibe

Gegenbelegung

Freifläche in der Gegenbelegung Rückkopplungsbelegung

(Achsen der) Schwingungsknoten Gummiringe

Kerben zur Aufnahme der Gummiringe Metallplatte

Hauptbelegung

Schmalseite der Piezokeramikscheibe Leiifähige Segmente der Gummiringe 6 für Kuitakt mit Hauptbelegung 9 Leitfähige Segmente der Gummiringe 6 für Kontakt mit Rückkopplungsbeiegung ^Λ V-fcrmige Führung-wcr :'-nen Gedruckte Schaltung

> Zapfen für Verbindung mit gedruckter Schaltung

Führungen
Halteblöcke

Strcmzuführiin.gsdrähte

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezokeramikscheibe für einen Signalgeber zur Erzeugung eines akustischen Signals, bei dem die als elektromechanischen Wandler dienende Piezokeramikscheibe mit Metallbelegungen versehen, uni- oder bimorph und schwingfähig gelagert ist, deren Hauptbelegung, die eine ihrer beiden großflächigen Seiten praktisch ganzflächig bedeckt, mit dem A.usgang 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, dadurch gekennzeichnet, 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 diese Piezokeramikscheibe (1) zur unverrückbaren schwi lgungsfähigen Lagerung quer zu ihrer Längsausdehnung in den Achsen der Schwingungsknoten (5) elastisch befestigt ist

2. Piezokeramikscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegur^, (4) rechteckförmig mit abgerundeten schmalen Seiten ausgebildet si-d (F i g. 1,2).

3. Piezokeramikscheib«: nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) kreisrund ausgestaltet sind (F ig. 3).

4. Piezokeramikscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Freifläche (3) und Rückkopplungsbelegung (4) elliptisch ausgestaltet sind (F ig. 4).

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

6. Piezokeramikscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung durch Gummiringe (6) erfolgt, die in an den Längskanten der Piezokeramikschcibo (V^ angebrachten Kerben (7) rastend die Piezokeramikscheibe (J) umschlingen (F i g. 5,6,7).

7. Piezokeramikscheibe 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 (F i g. 2,8).

8. Piezokeramikscheibe nach einem oder mehreren der Ansprüche I 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. Piezokeramikscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheibe (I) mit den Gummiringen (6) in V-förmigen Führungsschienen (13) gelagert sind (F ig. 6).

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