DE3425175A1

DE3425175A1 - Piezoelektrischer, akustischer wandler

Info

Publication number: DE3425175A1
Application number: DE19843425175
Authority: DE
Inventors: Horst Etzrodt; Klaus-Jürgen 4300 Essen Schmidt
Original assignee: Fernsprech- und Signalbau KG Schueler & Vershoven; FERNSPRECH und SIGNALBAU KG SC; Fernsprech und Signalbau Kg Schueler & Vershoven 4300 Essen
Current assignee: Fernsprech- und Signalbau & Co KG Schueler & GmbH
Priority date: 1984-07-09
Filing date: 1984-07-09
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DE3425175C2

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen, akustischen
Wandler nach dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1.
In der Fernsprechtechnik werden neben elektrodynamischen Wandlern immer häufiger piezoelektrische Wandler eingesetzt, weil sie sehr einfach im Aufbau sind und gute elektroakustische Eigenschaften besitzen. Diese piezoelektrischen, akustischen Wandler weisen in der Regel einen Verstärker auf, um das von der Piezo-Membran kommende oder an die Piezo-Membran angegebene elektrische Signal zu verstärken.
Diese piezoelektrischen Wandler müssen bestimmte technische Bedingungen erfüllen, wie sie beispielsweise in der "Berichtigung Nr. 1 zur Norm FTZ 439 1 TV, 1. Ausg. Januar 80, Spechkapseln Ts, Technische Vorschriften" der deutschen Bundespost niedergelegt sind. Eine wichtige technische Bedingung ist die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Hierbei werden die Grenzwerte für die Störfestigkeit gegen leitungsgebundene Störsignale z. B. auf einen Frequenzbereich von 20 KHz bis 30 MHz festgelegt, wobei sogar 150 MHz anzustreben sind.
Die Beeinflussungsspannung soll kleiner oder gleich 1,5 V an 50 Ohm sein, während bei Amplitudenmodulation die Frequenz 1 KHz bei einem Modulationsgrad von 80 % betragen soll.
Neben der Störfestigkeit gegen leitungsgebundene Signale wird auch noch eine Störfestigkeit gegen Felder gefordert.
Diese mus Feldstärken von größer oder gleich 3 V/m und einen Frequenzbereich von 20 KHz bis 30 MHz umfassen, wobei wieder eine obere Frequenz von 150 MHz anzustreben ist.
Für die Amplitudenmodulation. gelten die bereits oben erwähnten Werte 1 KHz bzw. 80 % Modulationsgrad. Als Störfestigkeitskriterium wird eine Geräuschspannung von kleiner als 1 mV an 600 Ohm festgelegt.
Es ist bereits bekannt, einen Verstärker mit den Elektroden einer piezoelektrischen Keramikschicht zu verbinden (DE-AS 1 961 211, Fig. 1). Dieser Verstärker weist indessen keine besondere elektrische Beschaltung auf, um Störungen der elektrischen Nutzsignale zu verhindern.
Rei einem anderen bekannten Piezo-Wandler ist ein Differenzverstärker mit zwei unipolaren Feldeffekt-Transistoren an die Elektroden eines Piezoelements angeschlossen, wobei die Quellen dieser Tansistoren mit dem negativen Anschluß einer symmetrischen Stromversorgung verbunden sind. (GB-OS 2 111 799, Fig. 9).
Auch bei diesem bekannten Wandler sind keine Vorkehrungen getroffen, um Störungen von von dem Verstärker fernzuhalten.
Es ist ferner eine Schaltungsanordnung fUr einen Piezokapsel-Verstärker bekannt, die eine Kapazität aufweist, welche parallel zum Verstärker liegt (CH-PS 592 392). Hiermit läßt sich indessen noch keine hinreichende EMV-Fertigkeit erreichen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem piezoelektrischen, akustischen Wandler, der einen Verstärker enthält, einen wirksamen Schutz gegen elektrische oder magnetische Störungen vorzusehen.
Diese Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die von den Postbehörden aufgestellten Forderungen bezüglich der EMV-Festigkeit erfUllt werden. Störfrequenzen bis Uber 150 Mli7 werden hierdurch wirksam eliminiert.
Ein AusfiihrlJngsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung derqestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig.1 eine perspektivische Darstellung einer findungsgemäßen Fernsprech-Kapsel; Fig.2 eine Seitenansicht der in der Fig.l darqestellten Fernsprech-Kapsel; Fig.3 eine Draufsicht auf die in der Fig.2 dargestellten Kap-' sel; Fiq.4 eine Ansicht von unten auf die in der Fig.2 dargestellte Kapsel; Fia.5 eine Explosionsdarstellung der in der Fig.2 dargestellten Kapsel; Fig.6 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Fernsprechkapsel bei abgenommenem Deckel und bei abgenommenem Dampfungsfilz; Fig.7 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Kapsel gemäß Fig.6 bei abgenommener Lochscheibe; riq.P eine Draufsicht auf die erfindungsqemiiße Kapsel bei abgenommener Membran und abgenommenen Membran-Lagerringen; Fig.9 eine Draufsicht auf das Gehäuse der Kapsel, in dem sich die leiterplatte befindet; fig.10 eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß Fig.9 bei herausgenommener Leiterplatte; Fig.11 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Kapsel; Fig.12 eine erste teilweise Schnittdarstellung der Kapsel; Fig.13 eine zweite teilweise Schnittdarstellung der Kapsel; Fig. 14 zwei Anschlußkontakte für die Piezo-F1embran; Fig.15 die elektrische Boschaltung eines Verstärkers fUr den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler In der Fig.1 ist eine Fernsprechkapsel 1 dargestellt, die zwar als Sprechkapsel dient, aber in an sich bekannter Weise (vergl.
DE-OS 32 32 177) auch als Hörkapsel ausnehildet sein kann.
Diese Fernsprechkapsel 1 weist ein Gehäuse 2 und einen Deckel 3 auf, die beide' aus Aluminium hergestellt sind. Der Deckel 3 weist einen Randbereich 4 mit horizontaler Oherflaiche auf, der in einen schräg ansteigenden Teil 5 übergeht. Am rnde dieses Teils 5 weist der Deckel 3 einen Wtilst 6 auf, an den sich ein Kreisring 7 anschließt, der mit mehreren Löchern 8 versehen ist.
Auf der Unterseite des Gehäuses 2 befindet sich ein Körper 9 aus Kunststoff.
In der Fig.2 ist dieselbe Kapsel 1 noch einmal dargestellt, und zwar von der Seite. Hierbei erkennt man. daß unterhalb des Deckels 3 eine konisch verlaufende Bbschrriqung 10 des Gehäuses 2 vorgesehen ist.
Die Fig.3 zeigt die Kapsel 1 von oben, wobei die Einzelheiten der Oberseite des Deckels 3 erkennbar sind.
In der Fig.4 ist die Kapsel 1 in einer Ansicht von unten dargestellt. Man erkennt hierbei den Kwßnststoffkörper 9, der einen äußeren erhöhten Kreisring 11 und einen inneren vertieften Kreisring 12 aufweist, wobei der innere Kreisring 12 einen erhabenen Kreis 13 einschließt. In dem Kreisring 12 befinden sich zwei quadratische Ausnehmungen 14,15 fUr elektrische Anschlüsse 16,17.
In der Fig.5 ist die erfindungsgemäße Kapsel 1 in einer Explosionsdarst.ellunn gezeigt. Zwischen dem Gehäuse 2, das einen waagrechten oberen Rand 18 besitzt und dem Deckel 3 sind die Einzelteile dargestellt, die sich in der Kapsel ] befinden. Unmittelbar unterhalb des Deckels 3 ist eine Dämpfingsschribe 19 angeordnetz die sich über einer Lochscheibe 20 befindet. Diese Lochscheibe 20 ist wiederum silber einer Piezo-Membran 71 angeordnet, die von zwei elastischen Lagerrinqen 22,23 umfaßt wird. Unterhalb der Membran 2'-1 ist ein Aufbaukörper 24 vornesehen, der mehrere Vertiefungen 25-29 auf seinem unteren zylindrischen Teil 30 aufweist, die durch-den oberen Teil 31 hindurchführen.
Der obere Teil 31 Weist seinerseits einen konisch verlaufenden unteren Teil 32 und einen oberen Teil 33 mit zylindrischem Umfang auf. Unterhalb des Aufbaukörpers 24 ist eine Leiterplatte 34 dargestellt, die zwei untere Kontakte 35 und zwei obere Kontakte 36 besitzt, von denen man jeweils nur einen Kontakt erkennt. Hinter dem Kontakt 35 ist ein Verstärker 37 zu sehen neben dem sich ein Widerstand 38 befindet. Auf der Oberseite der Leiterplatte 34 sind mehrere Lötstellen 39 erkennbar.
In der Fig.6 ist die Kapsel 1 in der Draufsicht dargestellt, wobei der Deckel 3 und die Dämpfunqsscheibe 19 abgenommen sind.
Man erkennt hierbei die Lochscheibe 20, die einen äußeren Kreisring 40 und einen inneren Kreisring 41 aufweist. Der äußere Kreisring 40 ist gegenüber dem inneren Kreis 41 erhöht, während der innere Kreis 41 zwei Löcher 42*43 aufweist.
In der Fig.7 ist die Lochscheibe 20 weggenommen, so daß man den Lagerring 22 und die Membran 21 erkennt.
In der Fig.8 sind im Vergleich zur Fig.7 auch noch die Membran 21 und die beiden Lagerringe 21,22 weggenommen, wodurch der Blick auf den Aufbaukörper 24 freigegeben wird. Dieser Aufbaukörper 24 weist einen schmalen äußeren Rand 44 und im Anschluß hieran einen vertieften und horizontal verlaufenden Kreisring 45 auf.
Dieser Kreisring 45 umschließt einen Kreis 46, der mit einer Vertiefung 47 versehen ist, welche die Form eines Kreisringausschnitts hat. In dem Kreis 46 und in unmittelbarer Nähe zum Kreisring 45 sind mehrere rechteckige Löcher 48 auf einem Kreisumfang vorgesehen, die zu den Nuten . 25-29 in Fig.5 korrespondieren.
Die Fig.9 zeigt noch einmal das Gehäuse 2, wobei im Vergleich zur Fig.8 zusätzlich der Aufbaukörper 24 weggenommen ist. Man erkennt hierbei die Leiterplatte 34 mit den Leitungsbahnen 49, 50,51 und den Kontakten 36,36'. Mit 52 ist der konisch nach innen verlPlifende teil des Gehäuses 2 Ci r Kapsel 1 bezeichnet.
Die Fig.10 zeigt das leere Gehäuse 2 der Kapsel 1. In dieses Gehäuse ragen Kunststoffteile 53,54 bzw. 55,56,57,58, die durch entsprechende Durchbrechungen im Boden des Gehäuses geführt sind. Diese Kunststoffteile gehören zu dem bereits erwähnten Kunststoffkörper 9. Während die Kunststoffteile 53,54 für die Aufnahme von Kontakten dienen, sind die Kjnststoffteile 55-58 fiir die Befestigung des Kunststoffkörpers 9 am Boden des Gehäuses 2 vorgesehen.
Jn der Schnittdarstellung der Fig. 11 sind die Einzelteile der Kapsel 1, von denen die meisten schon beschrieben wurden, noch einmal in vergrößertem Maßstab dargestellt. Zusätzlich erkennt man die Anschlußdrähte 59 für die Verbindung zwischen der Leiterplatte 34 und der Membran 21. Das obere Ende der Lötfahne 36 ist in einer Nische des Aufbaukörpers 24 untrlebracht, so daß sich die elektrische Verbindung zwischen Leiterplatte 34 und Membran 21 leicht herstellen läßt.
Die Fig.12 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Kapsel 1, der neben den-bereits beschriebenen Bauteilen auch noch eine Lötfahne 60 zeigt, die von der Oberseite 61 der Lsiterplatte 34 durch diese Leiterplatte 34 hindurch bis zur Innenwand des Gehäuses 2 führt. Diese Lötfahne 60 ist im wesentlichen U-förmig ausgebildet und stellt eine elektrische Verbindung zwischen dem metallischen Gehäuse 2 und der Leiterplatte,34 her. Die Lötfahne 60 ist filr die Erfindung von großer Bedeutung, da sie den Verstärker 37 an hasse legt und somit zur Erfiillung der postalischen Vorschriften dient.
In der Fig.13 ist ein Längsschnitt durch eine andere Seite der Kapsel 1 dargestellt, der zeigt, daß die Verbindung zwischen Leiterplatte 34 und Membran 21 auch auf eihe andere Weise hergestellt werden kann als dies in der Fig.ll gezeigt ist. Die Kontakt- oder Lötfahne wird hierbei nicht in einer Mulde des Aufbaukörpers 24 angeordnet, sondern in einem Lcerraum zwischen dem Deckel 3 und der Membran 21. Auf diese Weise können die Anschlupistellen 63,64 auch noch nach der Montage der Membran. 21 mit dnn Kontakten 66 der Lötfahne 36 in dem Leerraum 62 verbunden worden.
In der Fig.14 sind die Lötfahnen 36,36' mit ihren Kontaktstellen 65,66 noch einmal in vergrößertem Maßstah und in der Draufsicht dargestellt.
Die erfindungsgemäße elektronische Reschalcung des Verstärkers 37 ist in der Fig.15 gezeigt. Der Eingang 67. des Verstärkers 37 mit den Anschlüssen 68,69 ist mit dem eigentlichen elektroakustischen Wandler, d.h. mit der Piezo-tlembran, verbunden, während der Auspana 70 des Verstärkers 37 mit den Anschlüssen 71, 72 zu dem Fernsprechapparat führt. Parallel zu den /\nschlüssen 71,72 ist ein Knndensator 73 geschaltet, der in der Praxis 22 Nanofarad haben kann. Der Anschluß 71 ist außerdem rnit dem Gehäuse 2 der Kapsel 1 elektrisch verbunden. Jeder der Anschlüsse 71,72 ist außerdem Uber jeweils eine Zenerdiode 74*75 an Klasse gelegt, wobei die Kathoden der Zenerdioden 74,75 den Anschlüssen 71 bzw.
72 zugekehrt sind. Ein Widerstand 38 ist an den Verstärker 37 so ar., eschaltet, daß er eine Stromgegr'nkopplunq bewirkt. Dieser Widerstand wird zweckmäßigerweise 7u lon Ohm gewihlt und zur Arbeitspunkteinstellung des Verstärkers 37 verwendet. Die Zener-Dioden 74,75 dienen als Oberspannunnsschutz, wahrend der Kondensator 73 zur Erftillung der EMV-Forderung vorgsehen ist. Obwohl die Anschaltung des Kondensators 73 und die elektrische Verbindung von dem Anschluß 71 zum Gehäuse 2 jeweils fr sich genommen eigenen Erfindungsgehalt besitzen, ist die Kombination beider !1merkmale besonders effektiv und als solche ebenfalls erfinderisch.
Die Erfindung ist insbesondere vorteilhaft anwendbar, wenn es sich bei dem Verstärker (37) um einen solchen vom Typ SCS LS 188 2ES handelt. Der Aufbau dieses Verstärkers ist bekannt und in entsprechenden Datenblättern und anderen Publikationen veröffentlicht. Eine nähere Beschreibung dieses Verstärkers erübrigt sich deshalb.

Claims

Piezoelektrischer, akustischer Wandler Patentansprüche 1. Piezoelektrischer, akustischer Wandler mit einer piezoelektrischen Membran, die an den Eingang eines Verstärkers angeschlossen ist, dessen Ausgang zu einem Fernsprechapparat führt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (71) des Ausgangs (70) des Verstärkers (37) an Masse gelegt ist.
2. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Ausqang (70) des Verstärkers (37) eine Kapazität (73) geschaltet ist.
3. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach den Ansprichen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein widerstand (38) als Stromgegenkopplungselement an den Verstärker (37) geschaltet ist.
4. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die beiden Anschlüsse (71,72) des Ausgangs (70) des Verstärkers (37) jeweils eine Zenerdiode (74,75) angeschlossen ist.
5. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler in eine Fernsprechkapsel (1) eingebaut ist.
6. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach Anspruch 5, dadurchw kennzeichnet, daß die Fernsprechkapsel (1) ein Gehäuse (2) und einen Deckel (3) enthält.
7. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fernsprechkapsel (1) teilweise aus elektrisch leitendem Metall und teilweise aus elektrisch nicht leitendem Kunststoff besteht.
8. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) aus elektrisch leitendem Metall, vorzugsweise aus Aluminitin, besteht.
9. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verbindung des Verstärkers (37) mit klasse eine Lötfahne (60) vorgesehen ist, die einerseits mit dem Verstärker (37) elektrisch verbunden ist und die andererseits auf der Innenseite des metallischen Gehäuses (2) der Kapsel anliegt.
10. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Lötfahne (60) auf der einen Seite der Leiterplatte (34) angelötet ist, daß die Lötfahne (60) durch eine Bohrung in der Leiterplatte (z4) geführt i-st, daß die Lötfahne (60) parallel zur anderen Seite der Leiterplatte (34) bis zum Gehäuse (2) der Kapsel (1) verläuft und von dort parallel zur Gehäuseinnenwand angeordnet ist.
11. Piezoelektrischer, akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (37) als integrierte Schaltung ausgelegt ist, die sich auf der Unterseite der Leiterplatte (34) befindet, wobei die Anschlüsse des Verstärkers (37) durch die Leiterplatte (34) hindurchgefuhrt sind und auf der Oberseite der Leiterplatte (34) enden, wo sie an Leiterbahnen (49-51) angelötet sind.
12. Piezoelektrischer, akustischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler für eine Sprechkapsel vorgesehen ist.