DE3111109A1

DE3111109A1 - "piezoelektrischer tonsignalgenerator"

Info

Publication number: DE3111109A1
Application number: DE3111109A
Authority: DE
Inventors: Kohei Kosai Shizuoka Hirukawa; Shinichi Hamamatsu Shizuoka Suzuki; Michihiro Hamamatsu Shizuoka Torii; Hiroshi Aichi Urata
Original assignee: Fuji Electrochemical Co Ltd Tokyo; FDK Corp
Current assignee: Fuji Electrochemical Co Ltd Tokyo; FDK Corp
Priority date: 1981-03-16
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-09-30
Also published as: FR2502373A1; US4393373A; FR2502373B1; DE3111109C2

Description

Beschreibung :

Die Erfindung betrifft eine ein akustisches Geräusch erzeugende Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler, und insbesondere einen piezoelektrischen Tonsignalgenerator mit einem piezoelektrischen Dreielektrodenwandler, einem Verstärker, einem Phasenschieber und einer Rückkopplungsschleife.

Wie es in Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung dargestellt ist, ■weist eine typische bekannte piezoelektrische, ein akustisches Geräusch erzeugende·Vorrichtung einen piezoelektrischen Dreielektrodenwandler X₁ mit einer elastischen dünnen Metallplatte 1 als Masseelektrode, einer piezoelektrischen Platte 2 und einer Treiberelektrode 3 auf, wobei die Treiberelektrode 3 mit dem Kollektor eines Transistors CL verbunden ist, während eine Rückkopplungselektrode 4 über einen Widerstand R^ an der Basis des Transistors CL liegt.

Diese bekannte Vorrichtung mit einem rückgekoppelten piezoelektrischen Wandler erzeugt jedoch einen geringeren Schalldruck als er theoretisch von einem piezoelektrischen Zweielektrodenwandler ohne Rückkopplungselektrode zu erwarten wäre. Es ist versucht worden, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß ein Transformator verwandt wird, um die Spannung der Energieversorgungsquelle zu erhöhen, was jedoch zu großen Abmessungen der Vorrichtung führt und den industriellen und wirtschaftlichen Erfordernissen nicht genügt.

Durch die Erfindung soll eine piezoelektrische, ein akustisches Geräusch erzeugende Vorrichtung geschaffen werden, die ihre maximale Leistung liefert und einen höheren Schalldruck

bei einer niedrigen elektrischen Betriebsspannung als eine herkömmliche Vorrichtung erzeugen kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in der Rückkopplungsschaltung vom piezoelektrischen Wandler zum Verstärker eine unerwünschte Phasenverschiebung des Signals auftritt. Theoretisch beträgt der Phasenunterschied zwischen dem Treibersignal an der Treiberelektrode 3 des rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers X₁ und zwischen dem von der Rückkopplungselektrode 4 aufgenommenen Signal etwa 180°, soweit es den Wandler selbst anbetrifft, und beträgt der Phasenunterschied zwischen der Basiseingangsspannung und der Kollektorausgangsspannung des Transistors Q₁ 180°. Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß eine Vorrichtung mit einem piezoelektrischen Wandler, dem Transistorverstärker und einer Rückkopplungsschaltung zwischen der Rückkopplungselektrode und der Basis des Transistors eine Tonschwingung mit einer Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz des rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers erzeugt.

Tatsächlich wird jedoch eine unerwünschte Phasenverschiebung des Rückkopplungs signals durch den Basisvorspannungswiderstand R^ des Transistors Q₁ und die äquivalente Kapazität des piezoelektrischen Wandlers Q₁ erzeugt, was dazu führt, daß die ein akustisches Geräusch erzeugende Vorrichtung mit einer Frequenz f^ schwingt, die zu weit von der Resonanzfrequenz f_Q weg verschoben ist.· Der praktisch erzielbare Schalldruck ist folglich auf einen Wert begrenzt, der viel tiefer als der Spitzenwert Pq des Schalldruckes bei der Resonanzbedingung liegt.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Tongenerator weist einen Eigenoszillator mit einem rückgekoppelten piezoelektrischen Wandler und einem Verstärker und einen Phasenkompensator auf, um die Phasenverschiebung aufgrund der Kombination des Vorspannungswiderstandes des Verstärkers und der äquivalenten

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Kapazität des piezoelektrischen Wandlers nachzustellen.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild einer typischen bekannten

piezoelektrischen, ein akustisches Geräusch erzeugenden Vorrichtung,

Fig. 2 die graphische Darstellung der Schall

druckkennlinie eines rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers bezüglich der Frequenz, wobei die Resonanzfrequenz f_Q des Wandlers dargestellt ist, und ;

Fig. 3 bis 633 ein Ausführungsbeispiel der erfindungs- j

gemäßen piezoelektrischen, ein akusti- i sches Geräusch erzeugenden Vorrichtung, ^; wobei Fig. 3 in einem Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung den Grundschaltungsaufbau des Ausführungs beispiels, die Fig. 4A, 4B und 4C in graphischen Darstellungen die ImpedanzT Phasenwinkel-und Schalldruckkennlinien eines rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 das Schaltbild des bevorzugten Aufbaus der erfindungsgemäßer Vorrichtung und Fig. 6A und 6B in graphischen Darstellungen den Phasenwinkel gegenüber der Frequenz und dem Schalldruc gegenüber der Frequenz jeweils zeigen.

Ein rückgekoppelter piezoelektrischer Wandler, der bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbar ist, ist aus der US-PS 3 815 129 bekannt und wird nicht im einzelnen beschrieben. Der piezoelektrische Wandler hat Impedanz? Phasenwinkel- und Schalldruckkennlinien, wie sie in den Fig. 4A, 4B und 4C jeweils dargestellt sind. Der piezoelektrische Wandler X₁ hat eine Resonanzfrequenz f , die durch die äquivalente LC-Reihenresonanzschaltung wiedergegeben wird, und eine Antiresonanzfrequenz f , die durch eine äquivalente LC-Parallelresonanzschaltung wiedergegeben wird, wobei bezüglich der Impedanzkennlinie ein minimaler Wert der Resonanzfrequenz f_r entspricht, während ein maximaler Wert der Antiresonanzfrequenz

f„ entspricht. Bezüglich einesrückgekoppelten piezoelektria

sehen Wandlers X,, beträgt daneben der Phasenunterschied zwischen dem Treibersignal an der Treiberelektrode 3 und dem aufgenommenen Signal von der Rückkopplungselektrode 4 bei der Antiresonanzfrequenz f_ 180°. Die Eigenoszillatorschaltung,

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wie sie in Pig.1 dargestellt ist, arbeitet mit konstantem Strom, damit der Schalldruck P bei der Antiresonanzfrequenz f_Q ein Maximum hat, wobei jedoch der Phasenunterschied aufgrund der Kombination zwischen dem Treibersignal an der Treiberelektrode und dem Rückkopplungssignal,das zum Verstärkereingang rückgekoppelt wird, aufgrund der Kombination des Basisvorspannwiderstandes des Transistorverstärkers und der äquivalenten Kapazität des Wandlers keine vollen 180° beträgt. Der Phasenunterschied des Treiberelektrodensignals und des Rückkopplungselektrodensignals wird daher gleich 180° plus einem zusätzlichen Winkel, und der resultierende Schalldruck wird gleich P₁, was wesentlich weniger als der Maximalwert P_Q ist, wie es in Fig. 4C dargestellt ist.

Erfindungsgemäß ist daher eine Phasenkompensationsschaltung 8 vorgesehen, um den Phasenunterschied, nämlich den oben erwähnten zusätzlichen Winkel nachzustellen, so daß die ein akustisches Geräusch erzeugende Vorrichtung auf der Frequenz

des maximalen SchalLdruckes schwingen kann. Ein bevorzugter spezieller Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verstärker 7 und einem Phasenkompensator 8 ist in Fig. dargestellt.

Der Kollektor des Transistors Q, liegt über einen Kollektorwiderstand Rg an einer Energiequelle V_c und gleichfalls an der Treiberelektrode 3 eines rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers GLj. Der Emitter des Transistors CU liegt an Masse, während seine Basis über einen Basisvorspannungswiderstand Ry mit seinem Kollektor verbunden ist. Die Rückkopplungselektrode 4 des piezoelektrischen Wandlers X^ ist mit der Basis eines Transistors Q^ verbunden, dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand Rq an der Energiequelle V_c und gleichfalls über Kondensatoren C, und C₂ an der Basis eines Transistors Qc liegt. Der Emitter des Transistors Q^ liegt über einen Emitterwiderstand R^ an Masse und ist gleichfalls zwischen die Kondensatoren Cj und C₂ über einen halbfesten Trimmwiderstand R^q geschaltet. Die Basis des Transistors Qc ist über einen Basisvorspannungswiderstand R^₂ mit der Energiequelle V_c-und gleichfalls über eine Diode D^ mit Masse verbunden. Der Emitter des Transistors Q= liegt an Masse, während sein Kollektor über einen Kollektorwiderstand R^- mit der Energiequelle und gleichfalls über eine Rückkopplungsschleife 9 und einen Basiswiderstand R_Q mit dem Transistor Cü verbunden ist.

Das an der Rückkopplungselektrode 4 des piezoelektrischen Wandlers erhaltene elektrische Signal v/ird so rückgekoppelt, daß es um 180° zur Treiberspannung an der Basis des Transistors Q, mittels des Phasenkompensators 8 phasenverschoben ist, der eine Schaltung aus Widerständen und Kondensatoren aufweist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Phase durch den halbfesten Widerstand R₁₀ nachgestellt, der mit dem Transistor Q^ verbunden ist. Das bedeutet, daß durch ein Nachstellen des Widerstandes R^₀ der Phasenunterschied zwischen der Treiberspannung an der Treiberelektrode 3 und dem Signal an der Rückkopplungselektrode im Bereich von 170° bis 190° liegen kann.

Die Fig. 6A und dB zeigen die Phasenwinkel-und Schalldruckkennlinien, wenn der Widerstand R^₀ verändert wird. Wenn der Phasenunterschied -180° beträgt, wird die Schwingungsfrequenz mit der Antiresonanzfrequenz f des rückgekoppelten piezoelektrischen Wandlers X^ übereinstimmen und wird der Schall·- druck einen maximalen Wert P_Q haben. Im Phasenunterschiedsbereich von 170° bis 190° verschiebt sich die Schwingungsfrequenz im Bereich von f, bis f^, wobei der Schalldruck in der in der Zeichnung dargestellten V/eise sofort außerhalb des Bereiches abnimmt. D.h. mit anderen Worten, daß ein hoher Schalldruck im Bereich von f^ bis fλ erhalten werden kann und der halbfeste Widerstand R^q so eingestellt werden sollte, daß der Phasenunterschied im Bereich von 170° bis 190° liegt. Aus den Fig. 6a und 6B ist ersichtlich, daß es am günstigsten ist, den halbfesten Widerstand auf einen Phasenunterschied von 180° einzustellen.

Aus einem Vergleich der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der bekannten Vorrichtung vom Eigenoszillatortyp ohne Phasenkompensationseinrichtung ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Schalldruck erzeugt, der um etwa 16 dB höher als der der bekannten Vorrichtung ist.

Bei dem erfindungsgemäfren piezoelektrischen Tongenerator mit einer Phasenverschieburgseinrichtung kann daher eine Umwandlung des elektrischen Signals in ein akustisches Signal mit hohem Y/irkungsgrad durch ein Einstellen des Phasenunterschiedes erhalten werden und kann der piezoelektrische Wandler
mit einer Frequenz schwingen, "bei der der maximale Schalldruck erhalten werden kann.

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Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Ing. F. Klingseisen - Dr. F. Zumstein jun. PATENTANWÄLTE ZUGELASSENE VERTRETER BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT REPRESENTATIVES BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE 3/Li 288(E35) FUJI ELECTROCHEMICAL CO.,LTD., Tokyo Japan Piezoelektrischer Tonsignalgenerator Patentansprüche:

1.) Piezoelektrischer Tonsignalgenerator, gekennzeichnet durch einen Eigenoszillator mit einem piezoelektrischen Dreielektrodenwandler, einer Verstärkereinrichtung und einer Rückkopplungsschaltung, wobei der piezoelektrische Wandler eine Rückkopplungselektrode und eine Treiberelektrode aufweist, und durch eine Phasenkompensatoreinrlohtung zum Nachstellen der Phasenverschiebung aufgrund der Kombination des Vorspannungswiderstandes des Verstärkers vind der äquivalenten Kapazität des piezoelektrischen Wandlers, wobei die Phasenkorapensatoreinrichtung so eingestellt wird, daß ein Signal

von der Rückkopplungselektrode um 170 bis 190° relativ zum Signal von der Treiberelektrode phasenverschoben ist.

2. Tonsignalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkereinrichtung einen ersten Transistor aufweist, dessen Kollektor über einen Kollektorwiderstand an einer Energiequelle und an der Treiberelektrode liegt, dessen Emitter an Masse liegt und dessen Basis über einen Basisvorspannungswiderstand mit dem Kollektor und über einen Basiswiderstand mit der Rückkopplungsschaltung verbun-

- den ist.

3. Tonsignalgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkompensatoreinrichtung eine Schaltung aus einem Regelwiderstand und wenigstens einem einzigen Kondensator aufweist.

4. Tonsignalgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenkompensatoreinrichtung

a) einen zweiten Transistor, dessen Basis mit der Rückkopplungselektrode verbunden ist, dessen Kollektor mit der Energiequelle verbunden ist und dessen Emitter an Masse liegt,

b) einen dritten Transistor, dessen Basis über zwei Kapazitäten mit dem Kollektor des zweiten Transistors verbunden ist, und

c) eine Regelwiderstandseinrichtung aufweist, die zwischen dem Emitter des zweiten Transistors und eine der beiden Kapazitäten geschaltet ist, wobei die Rückkopplungsschaltung an ihrem Ende mit dem Kollektor des dritten Transistors verbunden ist.

5. -Tonsignalgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Regelwiderstandseinrichtung ein halbfester Wider-■ stand ist.

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