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DE60008074T2 - Steuersystem zur zerstäubung von flüssigkeiten mit einem piezoelektrischen schwinger - Google Patents

Steuersystem zur zerstäubung von flüssigkeiten mit einem piezoelektrischen schwinger

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DE60008074T2
DE60008074T2 DE2000608074 DE60008074T DE60008074T2 DE 60008074 T2 DE60008074 T2 DE 60008074T2 DE 2000608074 DE2000608074 DE 2000608074 DE 60008074 T DE60008074 T DE 60008074T DE 60008074 T2 DE60008074 T2 DE 60008074T2
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DE
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Grant
Patent type
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DE2000608074
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A. George CLARK
J. Dennis DENEN
M. Leon HEADINGS
L. Todd JAMES
E. Gary Myers
R. Eric NAVIN
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S C Johnson and Son Inc
Original Assignee
S C Johnson and Son Inc
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Publication date
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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION, OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS, OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS, OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L9/00Disinfection, sterilisation or deodorisation of air
    • A61L9/14Disinfection, sterilisation or deodorisation of air using sprayed or atomised substances including air-liquid contact processes
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A01AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
    • A01MCATCHING OR TRAPPING OF ANIMALS; APPARATUS FOR THE DESTRUCTION OF NOXIOUS ANIMALS OR NOXIOUS PLANTS
    • A01M1/00Stationary means for catching or killing insects
    • A01M1/20Poisoning, narcotising, or burning insects
    • A01M1/2022Poisoning or narcotising insects by vaporising an insecticide
    • A01M1/2027Poisoning or narcotising insects by vaporising an insecticide without heating
    • A01M1/2044Holders or dispensers for liquid insecticide, e.g. using wicks
    • A01M1/205Holders or dispensers for liquid insecticide, e.g. using wicks using vibrations, e.g. ultrasonic or piezoelectric atomizers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0638Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers spray being produced by discharging the liquid or other fluent material through a plate comprising a plurality of orifices
    • B05B17/0646Vibrating plates, i.e. plates being directly subjected to the vibrations, e.g. having a piezoelectric transducer attached thereto
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING LIQUIDS OR OTHER FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05BSPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
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    • B05B17/06Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B05B17/0607Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations generated by electrical means, e.g. piezoelectric transducers
    • B05B17/0653Details
    • B05B17/0676Feeding means
    • B05B17/0684Wicks or the like

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • [0001]
    Die vorliegende Erfindung betrifft das Zerstäuben von Flüssigkeiten mittels eines piezoelektrischen Schwingers und insbesondere neuartige Methoden und eine neuartige Vorrichtung zum effizienten Steuern einer solchen Zerstäubung.
  • [0002]
    Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Verteilen eines flüssigen Wirkstoffs – bspw. eines Parfums, Luftauffrischers, Insektizidansatzes oder anderen Materials in Form feiner Teilchen oder Tröpfchen – bspw. als feinteiligen Sprühnebel – mittels einer piezoelektrischen Vorrichtung. Insbesondere ist die Erfindung gerichtet auf ein piezoelektrisches Flüssigkeitsabgabesystem zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen bzw. Flüssigkeitssuspensionen mittels eines elektromechanischen oder elektroakustischen Betätigungselements. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Steuerschaltung zum Einsatz mit einer solchen Vorrichtung.
  • Beschreibung verwandter Druckschriften
  • [0003]
    Die Verwendung piezoelektrischer Schwinger zum Zerstäuben von Flussigkeiten ist bekannt; Beispiele solcher Einrichtungen sind in der EP 0123 277 A , die den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 15 zu Gründe liegt, sowie in den US-PSn 5 164 740 , 4 632 311 und 4 533 734 beschrieben. Allgemein wird in diesen Vorrichtungen eine Wechselspannung an ein piezoelektrisches Element gelegt, so dass dieses expandiert und kontrahiert. Das piezoelektrische Element ist mit einer perforierten Platte bzw. Lochplatte gekoppelt, die ihrerseits mit einer Flüssigkeitsquelle in Berührung steht. Das Expandieren und Kontrahieren des piezoelektrischen Elements bewirkt ein Auf- und Abwärtsschwingen der Lochplatte, in Folge deren Flüssigkeit durch die Öffnungen in der Lochplatte getrieben und in Form feinster Aerosolteilchen aufwärts abgeworfen wird.
  • [0004]
    Es soll ein batteriegespeister Zerstäuber bereit gestellt werden, der über längere Zeit ohne Leistungsabfall arbeitet und den Einsatz kostenkünstiger Alkali-Trockenzellen ermöglicht, deren Ausgangsspannung bekanntermaßen über ihre Nutzungsdauer abnimmt.
  • [0005]
    Eine Methode des wirtschaftlichen Antriebs eines piezoelektrischen Zerstäubers ist, ihn so anzusteuern, dass er in Ansteuerintervallen angetrieben wird, die von Schlafintervallen getrennt sind, so dass die Flüssigkeit in den Ansteuerintervallen in aufeinander folgenden kurzen Stößen zerstäubt wird. In den Schlafintervallen zwischen den Stößen sammelt sich jedoch Flüssigkeit auf der Lochplatte an; um zu Beginn des nächsten Ansteuerintervalls einen nachfolgenden Stoß zu starten, muss die Lochplatte mit sehr großer Amplitude angesteuert werden.
  • [0006]
    Eine andere Methode des wirtschaftliche Betriebs eines batteriegespeisten Zerstäubers ist das Ansteuern desselben mit der Resonanzfequenz des schwingenden Systems desselben, d.h. der Lochplatte, des piezoelektrischen Elements und der mechanischen Kopplung zwischen der Lochplatte und dem Element. Hier tritt jedoch ein Problem dahingehend auf, dass die Resonanzfrequenz sich von Einrichtung zu Einrichtung unterscheiden kann, so dass jede Vorrichtung auf eine andere Ansteuerfrequenz eingestellt werden muss.
  • [0007]
    Das Verteilen von Flüssigkeiten durch Herstellen eines Sprühnebels – bzw. das Zerstäuben – ist bekannt. Eine Methode eines solchen Verteilens ist, eine Flüssigkeit durch akustische Schwingungen zu zerstäuben, die man mit einem piezoelektrischen Ultraschallschwinger erzeugt. Ein Beispiel einer solchen Methode zeigt die US-PS 4 702 418 ; die ein Aerosol-Abgabegerät offenbart, die eine Düsenkammer zur Aufnahme einer auszugebenden Flüssigkeit sowie eine Membran aufweist, die mindestens einen Teil der Kammer mit bildet. Eine Aerosol-Ausgabedüse enthält einen verengten Kanal, durch den Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter der Düse zugeführt wird. Ein Impulsgenerator in Kombination mit einer Niederspannungs-Antriebsquelle dient zum Antrieb eines piezoelektrischen Biegeelements, das Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter durch die Düse austreibt, um einen Aerosolnebel zu erzeugen.
  • [0008]
    Eine andere Zerstäuber-Sprüheinrichtung ist in der US-PS 5 518 179 gezeigt, die eine Einrichtung zum Erzeugen von Flüssigkeitströpfchen mit einer Lochplatte lehrt, die von einem Betätigungselement in Schwingungen versetzt wird, das einen dünnwandigen Verbundaufbau hat und in einem Biegemodus arbeitet. Die Flüssigkeit wird direkt auf eine Oberfläche der Lochplatte gegeben und beim Schwingen von dieser in Form feinster Tröpfchen abgesprüht.
  • [0009]
    Die US-PS 5 297 734 und 5 657 926 lehren Ultraschall-Zerstäubervorrichtungen mit piezoelektrischen Schwingern, mit denen jeweils eine Schwingplatte verbunden ist.
  • [0010]
    Die US-PS 5 297 734 beschreibt die Schwingplatte mit einer großen Anzahl winziger Öffnungen zum Durchgang der Flüssigkeit.
  • [0011]
    Während eine Anzahl zusätzlicher Patentschriften Einrichtungen zur – auch zeitgesteuert intervallweisen – Ausgabe von Flüssigkeiten durch Ultraschallzer stäuben offenbaren, war deren Zerstäubungserfolg für Stoffe wie Parfums nur mäßig. Vergl. bspw. die US-PSn 3 543 122 , 3 615 041 , 4 479 609 , 4 533 082 und 4 790 479 . Die Offenbarung dieser Patentschriften und aller anderen hier erwähnten Druckschriften soll als Teil der vorliegenden Anmeldung gelten.
  • [0012]
    Derartige Zerstäuber schaffen keine problemlos tragbare batteriegespeiste Abgabevorrichtung, in der eine Lochplatte in mechanischer Verbindung mit einem piezoelektrischen Element eingesetzt ist und die zu langen Nutzungszeiträumen mit wenig oder keiner Schwankung der Abgaberate in der Lage ist. Weiterhin kann der Wirkungsgrad dieser Zerstäuber in Folge von Fertigungstoleranzen seiner piezoelektrischen Pumpkomponenten schwanken. Es besteht also Bedarf an verbesserten Zerstäubern oder Abgabevorrichtungen zum Verteilen von Wirkflüssigkeiten wie Duftstoffe und Insektizide, die hoch wirksam arbeiten, die geringstmögliche elektrische Leistung verbrauchen, die Flüssigkeiten aber weiträumig verteilen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • [0013]
    Die vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten überwindet die oben genannten Probleme.
  • [0014]
    Nach einem Aspekt geht es bei der vorliegenden Erfindung um ein neuartiges Verfahren zum Betreiben eines schwingenden Zerstäubers für Flüssigkeiten nach Anspruch 1.
  • [0015]
    Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung geht es bei ihr um einen neuartigen schwingenden Zerstäuber für Flüssigkeiten nach Anspruch 15.
  • [0016]
    Diese und noch andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die sich jedoch nur auf bevorzugte Aus führungsformen derselben richtet. Zum vollen Umfang der Erfindung wird daher auf die Ansprüche verwiesen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • [0017]
    1 ist ein Vertikalschnitt durch eine Zerstäubervorrichtung, in der die Erfindung einsetzbar ist;
  • [0018]
    2 zeigt anhand eines Zeitdiagramms die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1;
  • [0019]
    3 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm, das die Anordnung von Elementen einer erfindungsgemäßen Steuerung zeigt;
  • [0020]
    4 ist eine isometrische Teilansicht einer Schaltungsplatine zum Einsatz in einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Zerstäubers;
  • [0021]
    5 ist eine isometrische Ansicht eines Flüssigkeitsbehälters und einer Flüssigkeitsfördereinrichtung, mit der sich die Flüssigkeit der Oberfläche der Lochplatte zuführen lässt;
  • [0022]
    6 ist ein Schnitt, der den Zusammenhang zwischen dem Flüssigkeitsbehälter, einer Speiseeinrichtung und dem piezoelektrischen Element im zusammengesetzten Zustand zeigt;
  • [0023]
    7 zeigt vergrößert die im Kreis befindliche Einzelheit der 6;
  • [0024]
    8 zeigt als Draufsicht das piezoelektrische Element und die Schaltungsplatine auf dem Chassis einer bevorzugten Ausführungsform;
  • [0025]
    9 zeigt als sehr vereinfachten Schnitt eine piezoelektrische Pumpanordnung zum Einsatz mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • [0026]
    10 ist ein Blockdiagramm einer bevorzugten Ansteuerschaltung für das piezoelektrische Element;
  • [0027]
    11 zeigt die Einzelheiten der Zustandsmaschine der 10; und
  • [0028]
    12 zeigt graphisch die Modulation des Ausgangssignals der Steuerung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • [0029]
    Die 1 zeigt einen Schwingzerstäuber, der erfindungsgemäß betreibbar ist. Diese Vorrichtung weist ein ringförmiges piezoelektrisches Betätigungsglied (Piezoelement) 10 mit einer mittigen Öffnung 12 und eine kreisförmigen Lochplatte 14 auf, die auf der Unterseite des Betätigungsglieds über die Öffnung 12 verläuft und einen Innenbereich 15 des Betätigungsglieds geringfügig überlappt. Die Lochplatte 14 ist an der Unterseite des Betätigungsglieds 10 im Überlappungsbereich 15 befestigt. Zum Festlegen der Lochplatte 14 am Piezoelement 10 lässt sich ein beliebiges Klebemittel verwenden; wo jedoch die Vorrichtung zum Zerstäuben von Flussigkeiten verwendet werden kann, die korrodierend oder aggressiv wirken und das Material, das die Lochplatte mit dem Piezoelement verbindet, löst oder aufweicht, wird man bevorzugt die Lochplatte mit einem Zinn-Blei- oder Silberlot an das Piezoelement anlöten.
  • [0030]
    Das Piezoelement 10 kann aus einem beliebigen Material mit piezoelektrischen Eigenschaften gefertigt sein, in Folge deren es seine Abmessungen rechtwinklig zu einem angelegten elektrischen Feld ändert. In der dargestellten Ausführungsform sollte das Piezoelement 10 in radialer Richtung expandieren oder kontrahieren, wenn ein elektrisches Feld über seine Ober- und Unterseite angelegt wird. Das Piezoelement 10 kann bspw. aus einer Bleizirconattitanat-(PZT)oder Bleimetaniobat-(PN)-Keramik bestehen. In der dargestellten Ausführungsform hat das Piezoelement einen Außendurchmesser von etwa 0,382 inches [9,703 mm] und eine Dicke von etwa 0,025 inches [0,635 mm]. Der Durchmesser des mittigen Lochs 12 beträgt etwa 0,177 inches [4,5 mm]. Diese Abmessungen sind nicht kritisch und nur als Beispiel angegeben.
  • [0031]
    In der dargestellten Ausführungsform hat die Lochplatte 14 einen Durchmesser von etwa 0,250 inches [6,35 mm] und eine Dicke von etwa 0,002 inches [51 μm]. Die Lochplatte 14 ist mit einem leicht aufgewölbten Mittenbereich 16 und einem umgebenden flexiblen Flanschbereich 18 ausgeführt, der zwischen dem gewölbten Mittenbereich 16 und demjenigen Bereich sich erstreckt, wo die Lochplatte am Piezoelement 10 befestigt ist. Der gewölbte Mittenbereich 16 hat einen Durchmesser von etwa 0,103 inches [2,616 mm] und steht etwa 0,0065 inches [0,165 mm] weit aus der Ebene der Lochplatte hinaus vor. Der gewölbte Mittenbereich enthält mehrere (bspw. 85) kleine Öffnungen 20 eines Durchmessers von jeweils etwa 0,000236 inches (0,006 μm], die etwa 0,005 inches [0,127 mm] voneinander beabstandet sind. Im Flanschbereich 18 ist ein Paar diametral gegenüber liegenden Löcher 22 mit etwa 0,029 inches [0,737 mm] ausgebildet.
  • [0032]
    Auch diese Abmessungen sind nicht kritisch und dienen nur zur Erläuterung einer bestimmten Ausführungsform.
  • [0033]
    Es sei darauf verweisen, dass die Wölbung des Mittenbereichs 16, der die Öffnungen 20 enthält, diesen Bereich versteift, so dass er bei Betätigung nicht ausbiegt, während der Flanschbereich 18, der die Löcher 22 enthält, flexibel bleibt, so dass er bei Betätigung ausbiegt. Zwar ist der gewölbte Mittenbereich hier sphärisch; es ist jedoch jede Gestalt zulässig, bei der seine Steife erhalten bleibt. Bspw. kann der Mittenbereich 16 parabolisch oder bogenförmig gestaltet sein.
  • [0034]
    Die Lochplatte 14 ist vorzugsweise durch Elektroformung hergestellt, wobei dabei auch die Löcher 20, 22 mit ausgebildet werden. Die Lochplatte lässt sich jedoch auch auf andere Weise – bspw. durch Walzen – herstellen; die Löcher bringt man dann separat ein. Zur leichteren Fertigung wird der gewölbte Mittenbereich 16 ausgebildet, nachdem die Löcher 18 in die Lochplatte eingebracht worden sind.
  • [0035]
    Die Lochplatte 14 ist bevorzugt aus Nickel hergestellt, obgleich auch andere Werkstoffe einsetzbar sind, sofern sie fest und flexibel genug sind, dass die Gestalt der Lochplatte unter den auftretenden Biegekräften erhalten bleibt. Beispielhafte verwendbare Legierungen sind Nickelcobalt- und Nickelpalladium-Legierungen.
  • [0036]
    Das Piezoelement 10 kann beliebig so gehaltert sein, dass es ohne Störung seiner Schwingungen in einer Solllage fest gehalten wird – so bspw. in einer Lagerbuchse bzw. Durchführung (nicht gezeigt). Die Beschichtungen können aus anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen – einschl. bspw. Silber und Nickel – ausgebildet sein.
  • [0037]
    Das Piezoelement 10 ist auf der Ober- und der Unterseite mit einem elektrisch leitfähigen Belag bspw. aus Aluminium versehen. Wie gezeigt, sind an die elektrisch leitfähigen Beläge auf der Ober- und der Unterseite des Piezoelements elektrische Zuleitungen 26, 28 von einer Wechselspannungsquelle (nicht gezeigt) kommend angelötet.
  • [0038]
    Ein Flüssigkeitsbehälter 30, der eine zu zerstäubende Flüssigkeit 31 enthält, ist unter dem Piezoelement 10 und der Lochplatte 14 angeordnet. Ein Docht 32 verläuft aus dem Inneren des Vorratsbehälters so zur Unterseite der Lochplatte 14, dass er diese und die Öffnungen 20 im Mittenbereich 16 leicht berührt. Der Docht sollte jedoch die Löcher 22 nicht berühren; diese sollten seitlich vom Docht versetzt liegen. Der Docht 32 kann aus einem porösen flexiblen Werkstoff hergestellt sein, der auf die Flüssigkeit im Vorratsbehälter 30 eine Kapillarwirkung ausübt, so dass diese zur Unterseite der Lochplatte 14 hoch gesaugt wird. Gleichzeitig sollte der Docht flexibel genug sein, dass er auf die Lochplatte keinen Druck ausübt, der deren Schwingungsbewegungen behindern würde. Dann kann der Docht aus einem von mehreren Werkstoffen hergestellt sein – bspw. Papier, Nylon, Baumwolle, Polypropylen, Glasfasern usw. Eine bevorzugte Form des Dochts 30 ist ein Nylon-Chenille-Garn, das dort, wo es die Lochplatte berührt, auf sich selbst zurück gefaltet ist. Dadurch verlaufen sehr dünne Fasern des Strangs bis zur Oberfläche der Lochplatte. Diese sehr dünnen Fasern sind in der Lage, eine Kapillarwirkung auszuüben, durch die Flüssigkeit zur Lochplatte hinauf gefördert wird; sie üben jedoch keinerlei wesentliche Kraft auf die Lochplatte aus, die deren Schwingungen stören würde.
  • [0039]
    Im Betrieb des Zerstäubers werden elektrische Wechselspannungen aus einer externen Quelle über die Zuleitungen 6, 28 an die elektrisch leitfähigen Beläge auf der Ober- und Unterseite des Piezoelements 10 gelegt. Dadurch entsteht im Material des Betätigungsglied ein piezoelektrischer Effekt, in Folge dessen es in radialen Richtungen expandiert und kontrahiert und der Durchmesser der Mittenöffnung 12 entsprechend diesen Wechselspannungen zu- und abnimmt. Diese Durchmesseränderungen gehen als Radialkräfte auf die Lochplatte 14 über, deren Flanschbereich 18 sich folglich ausbiegt und den gewölbten Mittenbereich 16 auf und ab drückt. Durch die dadurch erzeugte Pumpwirkung hebt der Docht 32 Flüssigkeit an die Unterseite des Mittenbereichs 16. In Folge der Kapillarwirkung des Dochts ist der Druck der Flüssigkeit auf der Unterseite der Lochplatte 14 geringfügig höher als der atmosphärische Druck über der Lochplatte, so dass die Flüssigkeit 31 durch die Öffnungen 20 aufwärts gedrückt und in Form feiner Aerosolteilchen von der Oberseite der Lochplatte in die Umluft abgeworfen wird.
  • [0040]
    Die 2 zeigt die erfindungsgemäße Ansteuersequenz des Piezoelements 10. Wie dort gezeigt, ist die Ansteuersequenz zu abwechselnden Ansteuerinterval len von jeweils 5,5 ms Dauer und Schlafintervallen von jeweils 9 bis 18 s Dauer unterteilt.
  • [0041]
    Während der 5,5-ms-Ansteuerintervalle nimmt die zum Ansteuern des Piezoelements 10 dienende Spannung exponentiell von 3,3 V auf etwa 1 V ab. So wird das Piezoelement 10 zunächst mit hoher Amplitude angesteuert, so dass Flüssigkeit von seiner Oberfläche beseitigt und das Zerstäuben eingeleitet wird; dann wird es mit erheblich niedrigeren Amplituden angesteuert, die ausreichen, um die Betätigung beizubehalten, bei denen aber nur minimale Leistung verbraucht wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf einen einzigen Ansteuerzyklus hoher und niedriger Amplitude während eines bestimmten Ansteuerintervalls beschränkt ist; Sequenzen hoher und niedrige Amplitude lassen sich beliebig oft wiederholen, wie erforderlich, um das Zerstäuben aufrecht zu erhalten.
  • [0042]
    Nach jedem Ansteuerintervall geht das System in ein Schlafintervall von 9 bis 18 s Dauer über. Während der ersten 4 s jedes Schlafintervalls lädt das System sich zurück auf 3,3 V auf und diese Spannung bleibt zur Verwendung im nächsten Ansteuerintervall erhalten. Es wird darauf hingewiesen, dass in einigen Anwendungen die Aufeinanderfolge von Ansteuerintervallen hoher und niedriger Spannung ohne zwischengeschaltete Schlafintervalle stetig wiederholt werden kann.
  • [0043]
    Es wird auffallen, dass das Piezoelement 10 die Lochplatte 14 mit einer zum Zerstäuben der Flüssigkeit 31 ausreichenden Amplitude antreiben kann, wenn das Element 10 aus einer Speisespannungsquelle von nur 1,5 V angesteuert wird; um den Zerstäubungsvorgang einzuleiten, muss jedoch das Element 10 mit einer höheren Versorgungsspannung wie 3,3 V angesteuert werden, um die Lochplatte 14 so stark schwingen zu lassen, dass eine Flüssigkeitsschicht abgeworfen wird, die sich im vorhergehenden Schlafintervall auf der Außenfläche der Lochplatte angesammelt hat. So wird die Lochplatte 14 zunächst mit hoher Leistung angesteuert, um Schwingungen hoher Amplitude auszuführen, die das Zerstäuben einleiten; nach dem Beginn des Zerstäubens kann eine viel geringere Schwingungsamplitude angewandt werden, um das Zerstäuben aufrecht zu erhalten. Indem man die Ansteuerspannung exponentiell von 3,3 V auf 1 V abfallen lässt, verringert man die insgesamt verbrauchte Energie und verlängert die Nutzungsdauer der Batterie erheblich.
  • [0044]
    Am Ende jedes 5,5-ms-Ansteuerintervalls geht das System in ein "Schlafintervall" von 9 s bis 18 s Dauer. Mittels einer Wählschalters lässt sich die Dauer dieses Schlafintervalls auf 9 s, 13,5 s oder 18 s einstellen, wie unten beschrieben.
  • [0045]
    Die ersten vier Sekunden jedes Schlafintervalls dienen zum Erhöhen der Systemansteuerspannung von 1 V auf 3,3 V. Bei Beginn des nächsten AnsteuerIntervalls wird also die Lochplatte 14 aus einer 3,3-V-Spannungsversorgung zunächst mit hoher Amplitude angesteuert.
  • [0046]
    Die Schwingungsamplitude der Lochplatte 14 hängt nicht nur von der Spannung ab, die zum Erzeugen der Schwingungen dient. Sie hängt auch von der Frequenz ab, mit der die Lochplatte angesteuert wird, weil das Schwingungssystem aus der Lochplatte 14, dem sie antreibenden Piezoelement 10 und jeder Verbindung zwischen diesen eine natürliche Resonanz- bzw. Eigenfrequenz hat. Wird dieses System mit seiner natürlichen Resonanzfrequenz angetrieben, wird die Schwingungsamplitude der Lochplatte maximiert, während die Ansteuerleistung minimal bleibt. In Folge von Fertigungstoleranzen können sich die Resonanzfrequenzen der Lochplatte und des Betätigungssystems jedoch von Vorrichtung zu Vorrichtung unterscheiden.
  • [0047]
    Um dieses Problem zu lösen, lässt man die Ansteuerfrequenz einen Bereich durchlaufen, der eine Harmonische der Resonanzfrequenz des Systems Lochplatte/Betätigungssystem beinhaltet. So sollte die Ansteuerfrequenz einen Bereich, der die natürliche Resonanz-Grundfrequenz (erste Harmonische) enthält, oder einen Bereich durchlaufen, der irgendeine höhere Harmonische der natürlichen Resonanzfrequenz des Systems Lochplatte/Betätigungssystem enthält. Obgleich also die jeweilige Resonanzfrequenz eines bestimmten Systems unbekannt ist, wird es, wenn über einen Bereich von Frequenzen angesteuert, an irgendeinem Punkt in diesem Frequenzbereich eine Resonanz erzeugen. Wie die 2 zeigt, durchläuft die Ansteuerfrequenz einen vorbestimmten Frequenzbereich von 120 kHz bis 160 kHz. Dieser Bereich wird während jedes 5,5-ms-Ansteuerintervalls mindestens elfmal durchlaufen. Wie bereits in Verbindung mit den Ansteueramplituden beschrieben, lässt dieser Bereichsdurchlauf sich auch stetig ohne zwischengeschaltete Schlafintervalle ausführen.
  • [0048]
    Die 3 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild zur Erläuterung einer Schaltungsanordnung, wie sie zum erfindungsgemäßen Ansteuern des Piezoelements 10 einsetzbar ist. Zur Erläuterung wird diese Schaltungsanordnung als Gruppe von Funktionseinheiten beschrieben, die gestrichelt umrissen sind. Diese Funktionseinheiten sind wie folgt:
    • (a) Betriebsspannungsversorgung 40;
    • (b) Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42;
    • (c) Ansteuersignalverstärker 44;
    • (d) piezoelektrisches Betätigungselement 10
    • (e) Schlafintervallsteuerung 46;
    • (f) Frequenz-Verlaufssteuerung 48; und
    • (g) Batterie-Unterspannungserfassung und -steuerung 50.
  • [0049]
    Teile alle dieser Einheiten sind in einem gemeinsamen integrierten Schaltkreis 52 (gepunktet gezeigt) enthalten, während andere gemeinsam mit dem inte grierten Schaltkreis 52 auf einer Leiterbaugruppe (nicht gezeigt) angeordnet sind, wie unten ausführlicher beschrieben.
  • [0050]
    Die Arbeitsweise der Schaltungsanordnung der 3 wird zunächst hinsichtlich des Betriebs der Funktionseinheiten 40, 42, 44, 46, 48 und 50 insgesamt und danach anhand der Arbeitsweise jeder einzelnen Funktionseinheit beschrieben.
  • Gesamtbeschreibung der Funktionseinheiten
  • [0051]
    Die Betriebsspannungsversorgung 40 setzt die Ausgangsspannung einer 1,5-V-AA-Alkali-Trockenzelle 54 in eine 3,3-V-Arbeitsspannung um. Die Arbeitsspannung von 3,3 V dient zur Speisung der anderen Schaltungsteile im System einschl. der Ansteuerspannungs-Verlaufssteuerung 42.
  • [0052]
    Die Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 bewirkt, dass in den aufeinander folgenden 5,5-ms-Ansteuerintervallen (2) die Betriebsspannung allgemein exponentiell von 3,3 V auf 1 V abfällt. Es sei hier darauf verwiesen, dass ein exponentieller Abfall für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist. Sobald am Beginn jedes Ansteuerintervalls das Zerstäuben eingeleitet ist, lässt sich, um Batterieleistung zu sparen, die Spannung schnellstmöglich absenken, so lange die Zerstäubefunktion erhalten bleibt.
  • [0053]
    Die Spannung aus der Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 wird der Signalverstärker-Steuerung 44 zugeführt, wo sie verstärkt und zu einer gewobbelten Ausgangsspannung umgesetzt wird, die zum Erregen des Piezoelements 10 dient.
  • [0054]
    Die Schlafintervall-Steuerung 46 steuert die Dauer der Schlafintervalle (2). In der dargestellten Ausführungsform lassen diese Schlafintervalle sich auf eine Dauer von 9 s, 13,5 s oder 18 s einstellen. Die Schlafintervalle lassen sich auch auf eine andere Dauer einstellen, sofern sie lang genug sind, dass die Betriebsspannungsversorgung 40 die Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 für das nächste Ansteuerintervall auf das 3,3-V-Niveau zurückführen kann. In der vorliegenden Ausführungsform erfordert das Zurückführen auf 3,3 V etwa 4,5 s.
  • [0055]
    Die Frequenz-Verlaufssteuerung 48 erzeugt ein Wechselspannungssignal einer Frequenz, die den Bereich von 120 kHz bis 160 kHz durchläuft. Dieses Signal wird auf die Ansteuersignal-Verstärker- und Frequenzsteuerung 44 gegeben, die ihrerseits das Piezoelement 10 mit diesen Frequenzen und abnehmender Amplitude entsprechend dem Spannungsverlauf für das Ansteuerintervall ansteuert.
  • [0056]
    Die Batterie-Unterspannungserfassung und -steuerung 50 erfasst die Ausgangsspannung der Batterie 54; ist diese auf einen vorbestimmten Wert abgefallen, bei dem die Batterie nicht mehr zuverlässig arbeitet, verhindert die Erfassungs- und Steuereinheit 50 ein weiteres Arbeiten des Systems. Gleichzeitig entlädt die Einheit 50 die Batterie 54 so weit, dass sie keine Ausgangsspannung mehr annehmen kann, bei der der Zerstäuber versehentlich sporadisch in Betrieb treten würde.
  • Betriebsspannungsversorgung
  • [0057]
    Die Betriebsspannungsversorgung 40 weist zusätzlich zur Batterie 54 eine Pumpspule 56, eine Zener-Diode 58 und einen Speicherkondensator 60 auf. Die Batterie 54 ist mit der Kathode an Masse und an ein Ende der Pumpspule 56 gelegt. Das andere Ende der Spule 56 liegt an der Anode der Zener-Diode 58, deren Kathode an einer Seite des Speicherkondensators 60 und dessen andere Seite an Masse. Ein spannungsgesteuerter Schalter 62 ist auf einer Seite zwischen die Spule 56 und die Diode 58 und mit der anderen Seite an Masse gelegt. Der Schalter 62 wird von einem 200-kHz-Pumposzillator 64 mit einer Frequenz von 200 kHz abwechselnd geöffnet und geschlossen. Ein Spannungsdetektor 66 erfasst die Spannung an einem Punkt zwischen der Zener-Diode 58 und dem Speicherkondensator 60. Der Spannungsdetektor 66 hat einen Ausgang 66a "Hohe Spannung erfasst" und einen Ausgang 66b "Niedrige Spannung erfasst". Diese Ausgänge sind an den Stopp- bzw. den Start-Eingang 64a bzw. 64b des Pumposzillators 64 gelegt.
  • [0058]
    An den Starteingang 64b des Pumposzillators 64 ist auch direkt die 1,5-V-Ausgangsspannung der Batterie 54 gelegt. Daher liegen, wie dargestellt, der Anschluss 66b "Niedrige Spannung erfasst" und der Ausgang der Batterie 54 über ein ODER-Glied 68 am Startanschluss des Pumposzillators 64.
  • [0059]
    Wird die Batterie 54 erstmals eingesetzt, geht ihre Ausgangsspannung von 1,5 V über das ODER-Glied 68 an den Start-Anschluss des Pumposzillators 64 und lässt diesen anlaufen. Das Oszillator-Ausgangssignal bewirkt, dass der Schalter 62 mit 200 kHz öffnet und schließt. Bei geschlossenem Schalter fließt Strom von der Batterie 54 über die Pumpspule 56 nach Masse. Schließt der Schalter 62 dann, wird der Strom plötzlich unterbrochen; in Folge der Induktivität der Pumpspule erfährt diese einen plötzlichen Spannungsanstieg, so dass Strom durch die Zener-Diode 58 und in den Speicherkondensator 60 fließen kann. Öffnet der Schalter 62 wieder, sinkt die Spannung der Pumpspule; in Folge des Diodeneffekts kann aber kein Strom durch die Spule 56 zurück fließen. Da der Oszillator 64 weiter läuft, steigt die Spannung auf dem Speicherkondensator 60 an, bis sie etwa 3,3 V erreicht.
  • [0060]
    Die Spannung am Speicherkondensator 60 wird vom Spannungsdetektor 66 erfasst, der, sobald die Spannung gerade über 3,3 V liegt, an seinem Ausgang 66a "Hohe Spannung erfasst", ein Signal abgibt. Dieses Signal geht an den Stopp- Anschluss 64a des Oszillators 64 und setzt diesen still, wobei der Schalter 62 offen ist. Mit dem Abfluss von Strom aus dem Speicherkondensator sinkt dessen Spannung, bis sie einen Punkt erreicht, an dem der Spannungsdetektor 66 an seinem Ausgang 66b"Niedrige Spannung erfasst" ein Signal abgibt.
  • [0061]
    Die niedrige erfasste Spannung wird an den Startanschluss 64a des Oszillators 64 gelegt und bewirkt dort, dass der Schalter 62 wieder zu schalten beginnt und wieder Strom in den Speicherkondensator 60 gepumpt wird.
  • [0062]
    Wie ersichtlich, schwankt also die Spannung am Kondensator 60 zwischen "etwas über 3,3 V" und "etwas unter 3,3 V" – abhängig von der Ober- und der Unterspannungseinstellung des Spannungsdetektors 66 – hin und her. Die 3,3 V am Kondensator 60 speisen die übrigen Komponenten, wie durch den Betriebsspannungsanschluss 70 angedeutet.
  • Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung
  • [0063]
    Die Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 weist einen Widerstand 72 auf, der mit einem Anschluss am Speicherkondensator 60 in der Betriebsspannungsversorgung 40 liegt. Der andere Anschluss des Widerstands 72 liegt an einer Seite eines Spannungsverlauf-Steuerkondensators 74, dessen anderer Anschluss an Masse liegt. Der Widerstand 72 und der Kondensator 74 bilden ein Standard-RC-Zeitglied und die Spannung am gemeinsamen Anschluss des Widerstands und des Kondensators sinkt exponentiell, wenn an eine endliche Impedanz angeschlossen. In der vorliegenden Ausführungsform nimmt die Spannung am gemeinsamen Anschluss 76 in etwa 5,5 ms von 3,3 V auf etwa 1 V ab.
  • Ansteuersignalverstärker
  • [0064]
    Der Ansteuersignalverstärker 44 weist einen Autotransformator 78 und eine Glättungsspule 60 auf, die in Reihe zwischen dem Verbindungspunkt 76 in der Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 und einer Seite des piezoelektrischen Betätigungsglieds 10 liegen. Weiterhin ist ein Feldeffekttransistor 82 vorgesehen, der zwischen einem Anzapf 78a des Autotransformators 78 und Masse geschaltet ist. Der Feldeffekttransistor 62 wirkt als Schalter; erhält er eine positive Spannung aus der Frequenzverlaufsteuerung 48, schaltet er durch und legt den Punkt 78a an Masse.
  • [0065]
    Der Punkt 78a liegt nahe dem der Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 zugewandten Ende des Autotransformators 78, so dass zwischen dem Punkt 78a und der Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 nur der kleinere Teil der Spulen des Autotransformators liegt. Wird der Punkt 78a von Masse getrennt, bewirkt der Effekt des Autotransformators eine sehr hohe Spannung an seinem dem Betätigungsglied 10 zugewandten Ende sowie ein Expandieren und Kontrahieren des letzteren. Das Spannungssignal aus dem Autotransformator durchläuft erst die Glättungsspule 80, um ihm einen Verlauf zu erteilen, der dem Schwingungsmuster des Betätigungsglieds 10 näher entspricht.
  • Schlafintervallsteuerung
  • [0066]
    Die Schlafintervallsteuerung 46 weist einen Wählschalter 84 mit drei Stellungen auf, dessen gemeinsamer Anschluss an Masse liegt; zwei seiner drei Wählanschlüsse liegen über Zeitsteuerwiderstände 86, 88 an einem Abtastschalter 90. Der Schalter 90 ist seinerseits an die 3,3-V-Versorgungsspannung gelegt. Der dritte Wählanschluss des Wählschalters liegt frei.
  • [0067]
    Je nach dem an Masse gelegten Wählanschluss führen die Widerstände 86, 88 einer Schlafintervalllogik 92 unterschiedliche Spannungen zu. Die Logik 92 ver gleicht die Spannungen, die sie von den Widerständen 86, 88 her aufnimmt, und gibt an einem Ausgang 92a eine von drei Spannungen ab. Diese Spannung geht an eine Schlafintervall-Tastverhältnisschaltung 94, die als Zeitgeber wirkt und 9 s, 13,5 s oder 18 s nach Eingang eines Signals aus der Logik 92 am Ausgang 94a eine Ausgangsspannung abgibt.
  • [0068]
    Weiterhin ist ein Systemtaktgenerator 96 vorgesehen, der ein 2-kHz-Taktsignal liefert. Dieser Takt speist alle Zeitgabe- und Tabellenleseschaltungen der Vorrichtung einschl. der Tastverhältnisstufe 94.
  • [0069]
    Erreicht die Tastverhältnisschaltung 94 das 9 s-, 13,5 s- oder 18 s-Intervall, auf das es eingestellt ist, gibt es sie Ausgang 94a ein Signal ab, das an die Frequenzverlaufssteuerung 48 gelegt wird, um das Ansteuern des Piezoelements 10 einzuleiten. Die Art und Weise, wie dies geschieht, ist unten im Zusammenhang mit der Freguenzverlaufssteuerung 48 erläutert.
  • [0070]
    Das Signal am Ausgang 94a der Schlafintervall-Tastverhältnisschaltung geht auch auf einen Ansteuerzeitgeber 98, der das Ansteuerintervall für das Piezoelement 10 setzt. Im erläuterten Ausführungsbeispiel beträgt das Ansteuerintervall 5,5 ms. Am Ende dieses Intervalls gibt der Ansteuerzeitgeber 98 am Ausgang 98a ein Signal ab, das an die Freguenzverlaufssteuerung 48 geht, um die Ansteuerung des Piezoelements 10 zu beenden.
  • [0071]
    Das Signal vom Ausgang 98a des Ansteuerzeitgebers geht auch an den Abtastschalter 90 und lässt diesen kurzzeitig schließen. Dadurch tritt am Widerstand 86 oder 88, der mittels des Wählschalters 84 ausgewählt worden ist, ein Spannungsabfall auf; ist der Wählschalter auf den freien Wählanschluss gestellt, erfolgt kein Spannungsabfall. Bei jedesmaligem Schließen des Abtastschalters 90 wird also entweder die Spannung null, eine erste oder eine zweite Spannung erzeugt. Diese Spannung ist an die Schlafintervall-Wähllogik 92 gelegt und leitet ein Schlafintervall einer Dauer entsprechend der Stellung des Schlafintervall-Wählschalters 84 ein. Folglich wird am Ende jedes Ansteuerintervalls des Piezoelements 10 ein neues Schlafintervall eingeleitet, dessen Länge von der Stellung des Wählschalters zu Beginn des Schlafintervalls abhängt.
  • Frequenzverlaufssteuerung
  • [0072]
    Die Freguenzverlaufssteuerung 48 enthält einen Wobbeloszillator 100, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Dreieckwelle mit zwischen 130 kHz und 160 kHz gewobbelter Frequenz abgibt. Dieses Ausgangssignal geht an den Ansteuerintervall-Ein/Aus-Schalter 102. Der Schalter 102 wird von einem Signal am Ausgang 94a der Schlafintervall-Taktverhältnisschaltung 94 geschlossen und von einem Signal am Ausgang 98a des Ansteuerzeitgebers 98 geöffnet. Das Ausgangssignal variabler Frequenz des Oszillators 100 durchläuft den Ansteuerintervall-Ein/Aus-Schalter 102 nur während der 5,5-ms-Ansteuerintervalle für das Piezoelement 10.
  • [0073]
    Das den Ansteuerintervall-Ein/Aus-Schalter 102 durchlaufende Ausgangssignal variabler Frequenz wird an einen Wellenspannung-Schwellenwertdetektor 104 gelegt. Diese Stufe erzeugt an einem Ausgang 104a an einem bestimmten Punkt jeder Ausgangsperiode des Wobbeloszillators 100 ein Ausgangssignal, nämlich an demjenigen Punkt jeder Periode, an dem die Oszillator-Ausgangsspannung einen vorbestimmten Schwellenwert erreicht.
  • [0074]
    Dieses Ausgangssignal des Wellen-Schwellenwertdetektors 104 geht an einen Ansteuerschalter 106, um ihn zu schließen. Der Ansteuerschalter 106, wenn geschlossen, legt eine positive Spannung wie die 3,3-V-Betriebsspannung an die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 82, um ihn durchzuschalten.
  • [0075]
    Das Signal am Ausgang des Schwellenwertdetektor 104 geht auch an einen Wellensegment-Steuerzeitgeber 108. Dieser Zeitgeber gibt ein Ausgangssignal nach Ablauf einer festen Zeitspanne ab, die kürzer ist als eine Periode des Wobbeloszillators 100.
  • [0076]
    Das Ausgangssignal des Zeitgebers 108 geht an den Ansteuerschalter 106 und öffnet diesen. Mit dem Öffnen des Ansteuerschalters 106 wird der Feldeffekttransistor 82 gesperrt, so dass kein Strom mehr vom oberen Teil des Autotransformators 78 nach Masse fließen kann. Währenddessen legt der Autotransformator eine sehr hohe Spannung an das piezoelektrische Betätigungsglied 10.
  • [0077]
    Aus vorgehender Erläuterung ist zu ersehen, dass während jeder Ausgangsperiode des Wobbeloszillators 100 der Ansteuerschalter 106 für eine feste Zeitspanne geschlossen ist, um eine feste Energiemenge zum Ansteuern des piezoelektrischen Betätigungsglieds 10 zu erzeugen. Gleichzeitig verändert der zeitliche Abstand zwischen diesen aufeinanderfolgenden Zeitintervallen sich mit der Frequenz des Wobbeloszillators 100. Die feste Ansteuerdauer jeder Ansteuerperiode erlaubt, das Piezoelement 10 mit variabler Frequenz anzusteuern, während die Ansteuerenergie frequenzunabhängig bleibt. Dadurch hängt die Ansteuerenergie bzw. -amplitude für das Piezoelement 10 ausschließlich ab von der Spannung, die an einem bestimmten Zeitpunkt am gemeinsamen Anschluss 76 des Kondensators 74 und des Widerstands 72 in der Ansteuerspannung-Verlaufssteuerung 42 ansteht. Im Ergebnis wird in jedem Ansteuerintervall das Piezoelement 10 mit veränderlicher Frequenz und abnehmender Amplitude angesteuert. Ersichtlich wird diese Frequenz in jedem Ansteuerintervall etwa elfmal zwischen 130 kHz und 160 kHz gewobbelt, während die Ansteueramplitude einmal abnimmt.
  • Batterie-Unterspannungserfassung und -steuerung
  • [0078]
    Mit der Batterie-Unterspannungserfassung und -steuerung 50 wird das System so lange in Betrieb gehalten, wie sich die Spannung der Batterie 54 innerhalb einer vorbestimmten Dauer, nämlich innerhalb der ersten 4 s jedes Schlafintervalls, auf 3,3 V pumpen lässt. Die Stufe 50 weist einen Batterieunterspannungszeitgeber 110 auf, der ein Eingangssignal 110 "Zeitgabestart" vom Unterspannungsausgang 66b sowie ein Eingangssignal "Zeitgabe-Stopp" vom Überspannungsausgang 66a der Spannungserfassungsschaltung 66 in der Betriebsspannungsversorgung 40 aufnimmt. So wird beim Einleiten des Betriebs und Beginn der Betriebsspannung auf 3,3 V die Zeitgabefunktion des Unterspannungszeitgebers 110 eingeleitet.
  • [0079]
    Wird das Pumpen innerhalb der Einstelldauer des Zeitgebers – bspw. 4 s – abgeschlossen, stoppt das Signal am Überspannung-Ausgang des Spannungsdetektors 66 die Zeitgabe. Dauert jedoch das Pumpen länger – bspw. wenn der Zustand der Batterie sich verschlechtert hat –, gibt der Unterspannungs-Zeitgeber 110 an einem Ausgang 110a ein Signal ab.
  • [0080]
    Das Ausgangssignal des Unterspannung-Zeitgebers 110a geht an einen Schließeingang 106a CLOSE des Ansteuerschalters 106, um diesen geschlossen zu halten. Dadurch wird die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors 82 an die 3,3-V-Speisespannung geklemmt und hält den Transistor durchgeschaltet. Im Ergebnis wird die Spannung der Kondensatoren 60, 74 abgeleitet und aus der Batterie 54 über den Feldeffekttransistor 82 Strom nach Masse gezogen. Dadurch wird die verbleibende Nutzenergie zwangsweise aus der Batterie abgeleitet, so dass sie das piezoelektrische Betätigungsglied 10 nicht mehr sporadisch betätigen kann, falls ihre Spannung geringfügig wieder ansteigt, wie es bei erschöpften Batterien oft geschieht.
  • [0081]
    Es ist einzusehen, dass mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung zum Ansteuern des Piezoelements eine kostengünstige Alkali-Zelle niedriger Spannung einsetzbar ist und die Funktion des Piezoelements gleichmäßig bleibt, auch wenn die Batterie sich abnutzt. Ist die Batterie auf ein vorbestimmtes Niveau abgenutzt, schaltet sich die Vorrichtung zwangsweise ab, ohne dass sich ihre Funktion allmählich abschwächt.
  • [0082]
    Es sei darauf hingewiesen, dass die Figuren und deren Diskussion auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet sind, die Erfindung selbst aber allgemeiner ist als hier dargestellt. Insbesondere ist sie gleichermaßen anwendbar auf andere Formen des piezoelektrischen Zerstäubens – bspw. die Anwendung auskragender Träger und/oder verstärkender Platten – sowie auf Zerstäuber, die mit herkömmlichem elektrischem Strom, d.h. aus Wandsteckdosen anstelle von Batterien gespeist werden.
  • [0083]
    Es ist einzusehen, dass die hier gezeigten speziellen Schaltungen für die Erfindung nicht kritisch sind; mögliche Modifikation liegen für den Fachmann auf der Hand. Die hier gezeigten Schaltungsanordnungen sollen lediglich die wichtigen Konzepte der vorliegenden Erfindung deutlich darlegen und erläutern.
  • [0084]
    Die 4 zeigt den allgemeinen Zusammenhang zwischen der Leiterbaugruppe 201 und dem in ihr angeordneten Piezoelement 202. Die Leiterbaugruppe, kann, wie ersichtlich, im Einsatz an das Chassis der Ausgabevorrichtung angesetzt sein, das seinerseits in ein dekoratives Schalengehäuse (nicht gezeigt) eingesetzt sein kann. Die Chassisplatte 211 ist in 8 in der Draufsicht gezeigt; das Gehäuse ist nicht gezeigt. Das Dekorgehäuse kann in beliebiger Form oder Gestalt vorliegen, wie sie zur Aufnahme und zum Schutz der Elemente der Ausgabevorrichtung geeignet ist, dem Verbraucher ein angenehmes Aussehen bietet und den Durchgang der Flüssigkeit in Form eines Sprühnebels aus der Ausgabevorrichtung an die Umluft gestattet. Als solches lässt das Gehäuse der Ausgabevorrichtung sich mit Vorteil durch den Schnellspritzguss aus einem beliebigen Werkstoff herstellen, der für die Benutzung mit und die Berührung durch die auszugebende Flüssigkeit geeignet ist.
  • [0085]
    Das Piezoelement 202 kann, wie gezeigt, in der Leiterbaugruppe 201 angeordnet und in der Solllage von einer Durchführung 204 oder einer anderen geeigneten Einrichtung gehalten werden, die seine Schwingungen nicht behindert. Das Piezoelement 202 in Form eines Rings ist um die Lochplatte 203 herum positioniert und in Schwingungsverbindung an deren Flansch angesetzt. Bei dem Piezoelement handelt es sich allgemein um eine piezoelektrische Keramik wie ein Bleizirconattitanat (PZT) oder Bleimetaniobat (PN); jedes andere Material mit piezoelektrischen Eigenschaften ist jedoch ebenfalls geeignet.
  • [0086]
    Die Lochplatte besteht aus einem beliebigen herkömmlichen Werkstoff, der für den Zweck geeignet ist, vorzugsweise aus einer Nickelcobalt-Zusammensetzung, die galvanisch auf ein Photoresist-Substrat aufgetragenen wird, das man dann auf herkömmliche Weise entfernt, so dass eine gleichmäßige poröse Nickelcobalt-Struktur von etwa 10 μm bis 100 μm, vorzugsweise von etwa 20 μm bis 80 μm und am besten von etwa 50 μm Dicke zurück bleibt. Andere geeignete Werkstoffe für die Lochplatte lassen sich verwenden – bspw. Nickel, Magnesium-Zircon-Legierung, verschiedene andere Metall, Metalllegierungen, Verbund- oder Kunststoffe einzeln sowie in Kombination. In dem man die Nickelcobalt-Schicht galvanisch herstellt, lässt sich eine poröse Struktur mit den Konturen des Photoresist-Substrats herstellen, deren Durchlässigkeit man durch Ausbilden konischer Löcher mit etwa 6 μm Durchmesser auf der Austritts- und größerem Durchmesser auf der Zuströmseite erreicht. Die Lochplatte ist vorzugsweise in der Mitte domartig aufgewölbt, kann aber von flach bis parabel-, bogen- oder halbkugelförmig oder in einer sonstigen geeigneten Gestalt ausgeführt sein, die ihr Verhalten verbessert. Die Platte sollte eine verhältnismäßig hohe Biegesteifigkeit aufweisen, um zu gewährleisten, dass ihre Öffnungen im wesentlichen der gleichen Schwingungsamplitude ausgesetzt sind und somit gleichzeitig Flüssigkeitströpfchen mit gleichem Durchmesser abwerfen.
  • [0087]
    Die vorliegende Erfindung ist in Form eines ringförmigen piezoelektrischen Keramikelements gezeigt, das eine Lochplatte bzw. Öffnung umgibt; es ist jedoch auch vorstellbar, dass sie geeignet ist für ein herkömmliches piezoelektrisches Element mit einem Schwinger und einem auskragenden Träger in Kontakt mit einer zum Verteilen von Flüssigkeitströpfchen oder eines Flüssigkeitsnebels geeigneten Membran, Düse oder Lochplatte.
  • [0088]
    Ebenfalls in 5 gezeigt ist der Flüssigkeitsbehälter 205 zur Aufnahme und zum Vorhalten des auszugebenden Duftstoffs, Luftauffrischers, Insektenbekämpfungsmittels oder anderen Stoffs. Wie dargestellt, ist der Behälter von einem Verschluss 208 verschlossen. Ebenfalls gezeigt sind Bajonettspangen 206, die einen abnehmbaren Überverschluss bzw. eine solch Kappe (nicht gezeigt) halten sollen, der für den Versand und die Lagerung des Behälters Einsatz findet und sich problemlos entfernen lässt, wenn der Behälter in die Ausgabevorrichtung eingesetzt und sein Inhalt benutzt werden soll. Aus der Flaschenmündung 209 steht durch den Verschluss 208 hindurch die Flüssigkeit-Speiseeinrichtung 207 vor, d.h. ein Docht oder eine aufgewölbte Flüssigkeitzufuhreinrichtung. Zur eindeutigen Darstellung soll diese Flüssigkeitzufuhreinrichtung als Docht bezeichnet werden, obgleich es sich um vielfältige, unterschiedlich gestaltete Materialien – von harten Kapillarsystemen bis zu weichen porösen Dochten – handeln kann. Die Aufgabe des Dochts ist es, Flüssigkeit aus dem Behälter 205 an eine Stelle in Berührung mit der Lochplatte zu transpor tieren. Daher sollte der Docht mit der transportierten Flüssigkeit verträglich, porös und mit der Lochplatte nachgiebig sein. Die Porosität des Dochts sollte ausreichen, um einen gleichmäßigen Flüssigkeitszufluss über seinen gesamten Flexibilitätsbereich und in jeder Konfiguration zu ermöglichen. Um den besten Flüssigkeitstransport zur Unterseite der Lochplatte zu erreichen, hat es sich als nötig erwiesen, dass der Docht selbst die Lochplatte direkt berührt. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise an die Lochplatte so abgegeben, dass im wesentlichen die gesamte abgegebene Flüssigkeit durch Oberflächenspannung an der Lochplatte haftet und an sie übergeht. Unter den geeigneten Dochtmaterialien lassen sich vorzugsweise Papier und Nylon-, Baumwolle-, Polypropylen- oder Glasfasergewebe usw. verwenden. Der Docht kann in der Gestalt vorzugsweise der Oberfläche der angrenzenden Lochplatte angepasst sein und von einem Dochthalter 210 in der Solllage gehalten werden, der in der Flaschenmündung 209 des Verschlusses 208 des Flüssigkeitsbehälters 205 sitzt. In Folge der Viscosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit fließt diese problemlos vom Docht zur Lochplatte. Es sei darauf hingewiesen, dass der Docht ein integraler Bestandteil einer Flüssigkeit-Nachfülleinheit sein soll, die den Behälter, die Flüssigkeit, den Flaschenverschluss, den Docht und den Dochthalter sowie einen Überverschluss aufweisen soll, um die Einheit zum Versand und zur Lagerung zu verschließen. Eine solche Einheit kann also eine Nachfüllflasche für die Ausgabevorrichtung aufweisen, die für den Benutzer bequem und problemlos in die Ausgabevorrichtung einsetzbar ist. Hierzu kann der Flüssigkeitsbehälter 205 am Flaschenverschluss 208 eine in eine geeignete Aufnahme im Chassis 211 einführbare Ansetzeinrichtung 201 aufweisen, die nach dem Entfernen des Überschlusses/der Kappe in der Arbeitsstellung zwangsversperrt wird.
  • [0089]
    Die 6 zeigt im Schnitt den Flüssigkeitsbehälter 205, den Docht 207, das Piezoelement 202 und die Lochplatte 203 einer bestimmten bevorzugten Aus führungsform der Erfindung miteinander zusammengesetzt. Das Piezoelement 202 ist bspw. mittels Durchführungsringen 204 oder auf beliebige andere Weise, die dessen Schwingungen nicht behindert, in die Schaltungsplatine 201 eingesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umgibt das ringförmige Piezoelement die Lochplatte 203 in mechanischer Kopplung mit dieser. Die Lochplatte steht ihrerseits in Berührung mit dem Docht 207, der Flüssigkeit aus dem Behälter 205 zur Lochplatte transportiert, wo durch den Flächenkontakt die Übergabe erfolgt. Nicht gezeigt ist die Chassiskugel der Ausgabevorrichtung, die die Schaltungsplatine und den Flüssigkeitsbehälter in der Solllage hält, um den Docht 207 an die Lochplatte 203 heran zu bringen. Der Docht 207 wird vom Dochthalter 210 in der Öffnung des Verschlusses 208 gehalten, was dem flexiblen Docht 207 eine gewisse Bewegungsfreiheit belässt und einen gewissen Justierbereich erzeugt, während der Auslauf 215 des Dochts ein vollständiges Aufbrauchen des gesamten Flüssigkeitsinhaltes des Behälters 205 gewährleistet. Diese Bewegungsfreiheit gewährleistet eine Selbstjustage des Dochts relativ zur Unterseite der Lochplatte zum Ausgleich von Lageunterschieden in Folge von Fertigungstoleranzen sowie eine nachgiebige Speiseeinrichtung zum Flüssigkeitstransport aus dem Behälter zur Lochplatte. Wie für den Fachmann einzusehen, lässt die Höhe des Dochts (vergl. 6 und 7) sich justieren, um die Breite des Flüssigkeitsspalts 214 zu variieren und so einen ausreichenden Kontakt des Dochts und der Lochplatte sicher zu stellen (7). Der Zusammenhang zwischen dem Docht und der Lochplatte ist ausführlicher in der 7 dargestellt, einer vergrößerten Einzelheit der Schnittdarstellung der 6, wo der zu einer Schlaufe umgebogene Docht 207 der gewölbten Lochplatte 203 gegenüber gezeigt ist, wobei ein Spalt 214 entsteht, in dem die zu übertragende Flüssigkeit in Flächenspannungskontakt mit der Lochplatte steht. Die 7 zeigt zwar den Docht und die Platte nicht in direktem gegenseitigem Kontakt; dieser Spalt ist jedoch nur zur Illustration gezeigt; die Lochplatte 203 steht in der Tat mit dem Docht 207 in Berührung, um die Flüssigkeit zu übertragen. Wie gezeigt, wird der Durchgang des Dochts 207 durch die Öffnung 209 im Verschlusselement 208 vom Dochthalter/Positionierer 210 kontrolliert. Die 7 zeigt auch die halternde Durchführung 204 für das Piezoelement 202, die Öffnungsplatte 203 und den Flansch 212 sowie die Spangen 206, die die abnehmbare Kappe (nicht gezeigt) auf dem Flaschenverschluss halten.
  • [0090]
    Die Draufsicht der 8 zeigt den Zusammenhang zwischen der Schaltungsplatine 201, dem Piezoelement 202, der Lochplatte 203, der Durchführung 204 und der Chassisfläche 211. Wie bereits festgestellt, ist das Piezoelement 202 als Ring um die Lochplatte 203 herum in der Schaltungsplatine 201 durch die Durchführung 204 gehaltert. Die Schaltungsplatine ist auf der Chassisfläche 211 auf herkömmliche Weise festgelegt – bspw. mit Rastnasen und 217 und Passwinkeln 218.
  • [0091]
    Die 9 zeigt als vereinfachten Schnitt durch die Erfindung deren verschiedene Elemente im Zusammenhang. Die Lochplatte 203 weist, wie dargestellt, Flansche 212 auf, die ihrerseits durch geeignete Befestigungsmittel 213 – bspw. einen Epoxyklebstoff – am Piezoelement 202 festgelegt sind. Der Docht 297 ist in teilweisem Kontakt mit der Lochplatte 203 gezeigt, wobei ein Spalt 214 entsteht, über den die auszugebende Flüssigkeit an die Lochplatte übergeben wird. Der Docht ist auch mit Gewebeschwänzen 215 dargestellt, die in den (nicht gezeigten) Flüssigkeitsbehälter 205 hinein reichen.
  • [0092]
    Das Piezoelement 202 wird mittels einer Steuerschaltung auf der Schaltungsplatine 201 angesteuert, um eine gleichmäßige Leistung über einen längeren Zeitraum zu sichern. Wie die 10 zeigt, liegt die Steuerschaltung als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC) 300 vor, den eine Batterie 302 speist. Die Batterie 302 ist mit einer Ladungspumpe 304 verschaltet, die zusam men mit externen Bauteilen 305 als GS/GS-Aufwärts-Spannungswandler arbeitet. Die Ladepumpe wird von einer Zustandsmaschine 306 angesteuert, die Zeitsignale aus einem Oszillator 308 übernimmt, der bspw. einen 20-MHz-Takt erzeugt, der an die Ladungspumpe 304 gelegt ist. Die Zustandsmaschine nimmt auch ein Meldesignal aus einem Batterie-Unterspannungsmelder 310 auf.
  • [0093]
    Die Funktion der Steuerschaltung und insbesondere der Zustandsmaschine 306 wird von einer Gruppe von drei Wählschaltern 312 bestimmt, die Eingangssignale A, B, C für die Zustandsmaschine 306 erzeugen. Die Eingänge der Zustandsmaschine aus den Wählschaltern 312 sind jeweils mit Pullup-Widerständen 313 verschaltet, die vom Freischaltsignal ENABLE der Zustandsmaschine wahlweise an die positive Betriebsspannung Vcc gelegt werden. Dadurch lässt sich zum Sparen von Batterieleistung in den inaktiven Intervallen der Steuerschaltung die Spannung von den Pullup-Widerständen 313 abnehmen. Wie unten beschrieben, erzeugt die Zustandsmaschine auf der Leitung 314 ein Ausgangssignal einer Amplitude und Frequenz zum Ansteuern des Piezoelements 202. Das Ausgangssignal auf der Leitung 314 steuert einen Ausgangstreiber 216 an, der das Ausgangssignal des ASIC 300 erzeugt. Der Ausgangstreiber 216 bestimmt den Durchschaltzustand des Metalloxid-Feldeffekttransistors (MOSFET) 316, der seinerseits den elektrischen Stromfluss von der Ladungspumpe 304 zum Piezoelement 202 steuert.
  • [0094]
    Die Einzelheiten der Zustandsmaschine 306 sind in der 11 gezeigt. Die bevorzugte Ausführungsform der Zustandsmaschine 306 verwendet Hardware in einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis, ließe sich aber alternativ auch als programmierbare Einrichtung wie ein Mikroprozessor mit den zugehörigen Schaltungsteilen implementieren. Die Zustandsmaschine 306 hat die Entscheidungslogik 320, an die die Wähleingangssignale A, B, C gelegt sind. Die Entscheidungslogik 306 ist auch mit Speichern 322, 324 verbunden, die Daten hinsichtlich der Dauer bzw. des Tastverhältnisses für das Ausgangssignal enthalten, das das Piezoelement 102 ansteuert. Die Entscheidungslogik wählt geeignete Dauer- und Tastverhältniswerte aus dem Speicher 322 bzw. 324 aus und übergibt sie an die Vorladeeingänge eines Frequenzzählers 326 bzw. eines Amplitudenzählers 328. Diese Zähler 326, 328 werden vom Oszillator 308 getaktet und mit einem Signal aus der Entscheidungslogik 320 frei geschaltet. Hat, wie unten beschrieben, der Frequenzzähler 326 auf null gezählt, erzeugt er einen Ausgangsimpuls PERIOD (Intervalldauer), der an den S-Eingang eines Flipflops 330 geht. Erreicht entsprechend der Amplitudenzähler 328 den Zählwert null, erzeugt er ein Signal DUTY (Tastverhältnis) für den R-Eingang des Flipflops 330. Das Flipflop wird von dem Signal aus der Entscheidungslogik 320 frei geschaltet und erzeugt das Ausgangssignal auf der Leitung 314.
  • [0095]
    Die Ansteuerschaltung für das Piezoelement 102 arbeitet zum Ansteuern desselben amplituden- und frequenzmoduliert; man erhält so eine tragbare batteriegespeiste Ausgabevorrichtung zum Dauereinsatz mit Luftauffrischern oder Schädlingsbekämpfungsmitteln. Die Schaltung ermöglicht einen Langzeitbetrieb bei Verwendung einer Batterie 302 mit verhältnismäßig niedriger Spannung und bietet einen Bereich von Ausgaberaten. Die Schaltung treibt das Piezoelement 202 amplituden- und frequenzmoduliert an und verwendet Dabei ein intermittierendes Tastverhältnis. Die Elektronikschaltung ist programmierbar und erlaubt eine präzise Zerstäubungs- und Ausgaberate (mg/h). Dies erfolgt mit einem Wählschalter 312, mit dem der Benutzer die Aus-Zeit zwischen den Arbeitszyklen einstellen und damit die Intensität/Effektivität auf ein Sollniveau – auf Grund persönlicher Präferenzen oder unterschiedliche Raumgrößen – umschalten kann. Wie sich ergeben hat, steht die Leistung des Zerstäubers in direktem Zusammenhang mit der Erregungsspannung des Piezoelements 202. Wie sich ebenfalls ergeben hat, nutzt der Zerstäuber bei höherer Spannung die begrenzte Batterieenergie weniger effizient aus. Indem man daher die Erregungsspannung von einem hohen auf einen niedrigem Wert abfallen lässt, verbessert man das Ausgabeverhalten, ohne die Effizienz zu beeinträchtigen. Dieses Ergebnis erzielt man mit einer momentanen starken Erregung, die das Zerstäuben in einem "Hochleistungs"-Modus einleitet. Danach reicht eine schwächere Erregung, um das Leistungsniveau aufrecht zu erhalten.
  • [0096]
    Weiterhin hat sich herausgestellt, dass – vermutlich in Folge von Fertigungstoleranzen der Schaltung der Bauteile der Ausgabevorrichtung wie bspw. des Piezoelements 202 – dessen optimale Arbeitsfrequenz von Element zu Element unterschiedlich ist. Dieses Phänomen lässt sich überwinden, indem man die Erregungsfrequenz über einen vorbestimmten Bereich wobbelt und so Unterschiede zwischen den Elementen kompensiert.
  • [0097]
    Als weitere Besonderheit der vorliegenden Ansteuerschaltung ist die Wirkstoffabgabe unabhängig vom Ladungszustand der Batterie konstant. Diese Schaltung enthält einen Schaltungsteil 318, der eine ausreichende Ladung zum Pulsen des Piezoelements 202 speichert. Mit abnehmender Batteriespannung stellt die Schaltung sicher, dass stets die richtige Energiemenge für ein gleichmäßiges Pumpen verfügbar ist. Ist die Batteriespannung auf einen Wert abgefallen, mit dem die Schaltung die Sollenergie nicht mehr liefern kann, schaltet die Schaltung die Vorrichtung ab. Die Schaltung sorgt also für eine konstante Wirkstoffausgabe unabhängig vom Ladungszustand der Batterie 302. Ist die Batteriespannung auf einen Wert abgefallen, mit dem eine konstante Wirkstoffabgabe nicht mehr möglich ist, schaltet die Ausgabevorrichtung sich ab.
  • [0098]
    Im Betrieb der Ausgabevorrichtung befindet sich die Ansteuerschaltung meistens in einem Zustand niedrigen Leistungsverbrauchs, dem so genannten Schlafzustand. Im Schlafzustand steuert das Signal aus dem Oszillator 308 einen Zeitgeber in der Entscheidungslogik 320 der Zustandsmaschine 306 an. Dabei ist hat Ausgangssignal auf der Leitung 314 der Zustandsmaschine den L-Pegel, so dass das Piezoelement 202 inaktiv ist. Die Dauer des Schlafzustands wird bestimmt von der Stellung des Wählschalters 312, insbesondere den Eingangssignalen A, B, C der Zustandsmaschine 306. Der Zusammenhang zwischen den Schalterstellungen und den resultierenden Signalen A, B, C ist in der Tabelle A gezeigt.
  • Tabelle A
    Figure 00310001
  • [0099]
    Ist der Wählschalter 312 so gestellt, dass die Ausgabevorrichtung AUSgeschaltet ist, oder merkt die Batterie-Unterspannungssteuerung 240, dass die Ladung der Batterie 302 auf einen Wert abgefallen ist, mit dem ein Normalbetrieb nicht möglich ist, wird die Modulationssequenz abgebrochen und geht die Vorrichtung in einen inaktiven Zustand über.
  • [0100]
    Ist die Ausgabevorrichtung EINgeschaltet und wacht die Zustandsmaschine 306 auf, gibt sie ein kurzes Ausgangssignal ab, das das Piezoelement 102 ansteuert. Die Zustandsmaschine 306 erzeugt für das Piezoelement ein Ansteuersignal, das einen Frequenz- und einen Amplitudenbereich durchläuft. In der bevorzugten Ausführungsform sind in der Taktverhältnistabelle 322 neunzehn Amplituden- und in der Intervalldauertabelle vierzig Frequenzwerte gespeichert. Die Entscheidungslogik 320 enthält einen internen Zeitgeber, der dafür sorgt, dass alle 26,2 μs der Amplituden- und der Frequenzwert des jeweils nächsten Tabellenplatzes ausgelesen und in zwei Zähler 326, 328 geladen werden. Da die Anzahl de diskreten Amplituden- und Frequenzwerte sich unterscheidet, ändert die Amplitude sich so, dass, während das Piezoelement 102 periodisch mit einer gegebenen Frequenz angesteuert wird, auch die Amplitude variiert. Dieses Konzept ist in der 12 dargestellt, wo während des Frequenzdurchlaufs über vierzig Werte (135 kHz bis 155 kHz) in der Intervalldauertabelle 322 die Amplitude neunzehn Werte aus der Tastverhältnistabelle 324 durchläuft. Es sei darauf verwiesen, dass 40 sich nicht ganzzahlig durch 19 teilen lässt; wenn der Frequenzdurchlauf sich wiederholt, hat die erste Frequenz (135 kHz) die Amplitude 3.
  • [0101]
    Dieser Vorgang wird von der Entscheidungslogik 306 in 11 ausgeführt, die den Frequenz- und den Amplitudenzähler 326 bzw. 328 frei schaltet. Die Zähler 326, 328 steuern die Dauer und das Tastverhältnis des Wechselsignals auf der Ausgangsleitung 314. Im Prinzip teilen die beiden vorladbaren 8-Bit-Zähler 326, 328 den 20-MHz-Takt aus dem Oszillator 308 durch die Werte aus den beiden Tabellen 322, 324, um die Dauer und das Tastverhältnis des Ausgangssignals zu steuern. Der Frequenzzähler teilt den 20-MHz-Takt auf einen Wert zwischen 135 kHz und 155 kHz. Alle 26,2 μs setzt die Entscheidungslogik den Zähler zurück, indem sie der Intervalldauertabelle den nächsten Frequenzwert entnimmt und in über die Ladeleitung in den Frequenzzähler 326 lädt. Dadurch wird der Zähle 326 mit dem richtigen Abwärtszählwert geladen.
  • [0102]
    Gleichzeitig wird ein neuer Tastverhältniswert aus der Tabelle 324 in den Amplitudenzähler 328 geladen. Die Tastverhältniswerte variieren die Impulsbreite des Ausgangssignals auf der Leitung 314 zwischen 1,4 μs und 5 μs. Dieses Tastverhältnis steuert die Amplitude des Ausgangssignals; eine längere Dauer ergibt eine größere Amplitude.
  • [0103]
    Das Ausgangssignal auf der Leitung 314 ist ein digitales Signal, das über einen Ausgangstreiber 216 an den Leistungs-MOSFET 316 geht und dessen Durchschaltzustand steuert. Die Zähler 326, 328 steuern das Flipflop 314, das ein Rechtecksignal abgibt, dessen Frequenz und Tastverhältnis von den beiden Zählern 326, 328 bestimmt variieren; vergl. bei 340 und 344 in 12.
  • [0104]
    Die Erfindung ist oben anhand der derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, aber auf diese nicht beschränkt. Vielmehr soll sie verschiedene Modifikationen und Äquivalente umfassen, die die angefügten Ansprüche mit umfassen.
  • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • [0105]
    Die in der vorliegenden Anmeldung beschriebenen erfindungsgemäßen Zerstäubersystemelassen sich zur selbsttätigen Ausgabe von Flüssigkeiten wie Luftauffrischer, Parfums oder Insektizide an eine beliebige gegebene Umgebung über längere Zeiträume einsetzen, wobei vorteilhafterweise über die Lebensdauer der die Ausgabevorrichtung speisenden Batterie die Flüssigkeit in gleichmäßigen Mengen ausgegeben wird. Weiterhin lässt sich die Ausgabevorrichtung mittels Nachfüllungen und Ersatzbatterien beliebig oft einsetzen, so dass der Benutzer auch die abgegebene Flüssigkeit beliebig wechseln kann. Dabei lässt die ausgegebene Flüssigkeitsmenge sich variieren, um die Intensität und die Wirksamkeit der Abgabe der persönlichen Präferenz, Wirksamkeit oder Raumgröße anzupassen. LEGENDE ZU DEN ENGLISCHEN FIGURENTEXTEN Fig. 2
    drive period Ansteuerintervall
    drive voltage Ansteuerspannnng
    freq.mod. Frequenzmodulation
    frequency Frequenz
    milliseconds Millisekunden
    sleep period Schlafintervall
    time Zeit
    volts Volt
    Fig. 3
    3.3 power supply 3,3 V-Spannungsversorgung
    close Schließen
    drive period timer Ansteuerintervall-Zeitgeber
    low battery timer Batterie-Unterspannungszeitgeber
    open Öffnen
    osc. Oszillator
    sleep duty cycle Schlaf-Tastverhälrtislogik
    sleep period logic Schlaf-Dauerlogik
    swept freq. osc. Wobbeloszillator
    system clock Systemtaktoszillator
    timer Zeitgeber
    voltage detector Spannungsdetektor
    wave voltage detector Wellenspannungsdetektor
    Fig. 10
    charge pump Ladepumpe
    enable Freischalten
    low battery Batterie-Unterspannung
    oscillator Oszillator
    output driver Ausgangstreiber
    state machine Zustandsmaschine
    Fig. 11
    amplitude counter Amplitudenzähler
    charge pump Ladepumpe
    clock Takt
    decision logic Entscheidungslogik
    duty cycle table Tastverhältnis-Tabelle
    duty load Tastverhältnis laden
    duty Tastverhältnis
    enable Freischalten
    flip/flop Flipflop
    frequency counter Frequenzzähler
    low battery Batterie-Unterspannung
    out Ausgangssignal
    period load Intervalldauer laden
    period table Intervalldauer-Tabelle
    period Intervalldauer
    selector inputs Wähleingänge
    Fig. 12
    frequency Frequenz
    dwell = ... Verweildauer = 26,2 μs (Mittelwert)
    frequency lookup table Frequenztabelle
    amplitude lookup table Amplitudentabelle
    number Wert
    FM sweep period ... FM-Wobbelperiode 1048 μs (954 Hz)
    out signal Ausgangssignal
    AM sweep period ... AM-Wobbelperiode 497,8 μs (2009 Hz)
    uS μs

Claims (39)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Schwingungs-Flüssigkeitszerstäubers derjenigen Art, bei der eine Lochplatte (14), der zu zerstäubende Flüssigkeit (31) zugeführt wird, in Schwingungen versetzt wird, um die Flüssigkeit (31) von deren Oberfläche in Form kleiner Teilchen in Ansteuerintervallen abzuwerfen, die sich mit Schlafintervallen abwechseln, in denen die Lochplatte (14) nicht schwingt, mit folgenden Schritten: Versetzen der Lochplatte (14) in Schwingungen zu Beginn jedes Ansteuerintervalls mit einer verhältnismäßig hohen Amplitude, die ausreicht, eine Flüssigkeitsschicht von einer Außenfläche der Lochplatte (14) abzuwerfen, um das Zerstäuben der Flüssigkeit einzuleiten; und nachfolgendes Versetzen der Lochplatte in Schwingungen mit verhältnismäßig kleiner Amplitude, die ausreicht, das Zerstäuben aufrecht zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, dass man die Lochplatte für den Rest des Ansteuerintervalls mit der kleinen Amplitude in Schwingungen versetzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Versetzen der Lochplatte (14) in Schwingungen ausgeführt wird, indem man die Lochplatte (14) mit Amplituden in Schwingungen versetzt, die zeitlich allgemein exponentiell abnehmen.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem man beim Versetzens der Lochplatte (14) in Schwingungen die Schwingungsfrequenz über einen Bereich variiert, der eine Harmonische der natürlichen Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems beinhaltet, das die Lochplatte (14) enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem man beim Durchführen der Schritte die Schwingungsfrequenz den genannten Bereich mehrmals durchlaufen lässt.
  5. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem man die Lochplatte mittels eines piezoelektrischen Betätigungsglieds (10) in Schwingungen versetzt, das unter Erregung durch eine Wechselspannung expandiert und kontrahiert; wobei man die Schwingungen verhältnismäßig hoher Amplitude erreicht, indem man eine hohe Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) legt, und die verhältnismäßig kleinere Amplitude erreicht, indem man eine niedrigere Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied legt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Anlegen einer hohen Wechselspannung und das nachfolgende Anlegen einer niedrigeren Wechselspannung erfolgen, indem man zwischen aufeinander folgenden Ansteuerintervallen einen Kondensator (74) auflädt, den Kondensator (74) sich während der Ansteuerintervalle entladen lässt, während der Ansteuerintervalle Wechselspannungen entsprechend der Spannung über dem Kondensator (74) erzeugt und diese Wechselspannungen an das piezoelektrische Element (10) legt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Anlegen einer hohen Wechselspannung und das nachfolgende Anlegen einer niedrigeren Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) erfolgen, indem man eine abnehmende Gleichspannung an ein Ende eine Spule (78) legt, deren anderes Ende mit dem piezoelektrischen Betätigungsglied (10) verbunden ist, und während jedes Ansteuerintervalls einen kleineren, dem einen Ende nächstliegenden Teil der Spule (78) mit hoher Frequenz mit Masse verbindet und von Masse trennt.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das schnelle Verbinden und Trennen mit einer variablen Frequenz erfolgt, die eine Harmonische der natürlichen Resonanzfrequenz eines Systems enthält, das die Lochplatte (14) und das piezoelektrische Betätigungsglied (10) aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Intervalle, in denen der Teil der Spule (78) mit Masse verbunden wird, untereinander gleich lang sind und die Intervalle, in denen der Teil der Spule (78) von Masse getrennt ist, variieren.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Anlegen einer hohen Wechselspannung beinhaltet, eine Batterie (54) über eine Spule (56) und eine Diode (58) an einen Kondensator (60) zu schalten sowie einen Punkt zwischen der Spule (56) und der Diode (58) aufeinanderfolgend mit Masse zu verbinden und von Masse zu trennen, um den Kondensator (60) auf eine geregelte Spannung zu laden, die höher ist als die Spannung der Batterie.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die zum Laden des Kondensators (60) erforderliche Dauer die des Ansteuerintervalls erheblich übersteigt.
  12. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das Verbindung und das Trennen nach jedem Schlafintervall eingeleitet wird und sich über ein vorbestimmtes Ansteuerintervall erstreckt.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem man weiterhin die Dauer des Verbindens und Trennens des Punktes zwischen der Spule (56) und der Diode (58) mit bzw. von Masse zeitlich steuert und, wenn die Dauer einen vorbestimmten Wert übersteigt, die Batterie nach Masse schaltet, um sie völlig zu entladen.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem man weiterhin das weitere Anlegen von Wechselspannungen an das piezoelektrische Element (10) verhindert, wenn das Verbinden und Trennen eine vorbestimmte Dauer übersteigt.
  15. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber mit: einer Lochplatte (14); einer Flüssigkeitsleitung (32), mit der zu zerstäubende Flüssigkeit (31) der Lochplatte (14) zuführbar ist; und einem schwingenden Betätigungsglied (10), das mit der Lochplatte (14) gekoppelt und konfiguriert ist, die Lochplatte (14) in Ansteuerintervallen in Schwingungen zu versetzen, die sich mit Schlafintervallen abwechseln, während deren die Lochplatte (14) nicht schwingt, wobei die Lochplatte (14) zu Beginn eines Ansteuerintervalls mit hoher Amplitude in Schwingungen versetzt wird, um das Zerstäuben der Flüssigkeit einzuleiten, und danach mit kleinerer Amplitude in Schwingungen versetzt wird, um das Zerstäuben aufrecht zu erhalten; dadurch gekennzeichnet, dass das schwingende Betätigungsglied (10) so konfiguriert ist, dass es die Lochplatte (14) für den Rest des Ansteuerintervalls mit der kleineren Amplitude in Schwingungen versetzt.
  16. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 15, dessen Betätigungsglied eine Steuerung (52) aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie nach einem Ansteuerintervall das Versetzen der Lochplatte in Schwingungen für ein Schlafintervall vorbestimmter Dauer beendet und danach das Versetzen der Lochplatte (14) in Schwingungen mit der hohen Amplitude und dann mit der niedrigen Amplitude wiederholt.
  17. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 16, dessen Steuerung (52) so konfiguriert ist, dass sie die Lochplatte (14) mit Amplituden in Schwingungen versetzt, die während des Ansteuerintervalls zeitlich allgemein exponentiell abnehmen.
  18. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 16, dessen Steuerung (52) ein Frequenzwobbelelement (100) aufweist, das die Lochplatte (14) so schwingen lässt, dass die Schwingungsfrequenz über einen Bereich variiert, der eine Harmonische der natürlichen Resonanzfrequenz des Schwingungssystems beinhaltet, das die Lochplatte (14) enthält.
  19. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 18, dessen Frequenzwobbelelement so aufgebaut ist, dass es während des Ansteuerintervalls die Schwingungsfrequenz den Frequenzbereich mehrmals durchlaufen lässt.
  20. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 15–19 mit: einem piezoelektrischen Betätigungsglied (10), das mit der Lochplatte gekoppelt ist, um sie beim Expandieren und Kontrahieren des ersteren in Schwingungen zu versetzen; und einer elektrischen Spannungsversorgung (40, 46, 96, 48, 42, 44), die im Ansteuerintervall dem Betätigungsglied (10) eine Wechselspannung zuführt, die es expandieren und kontrahieren lässt, um so die Lochplatte (14) in Schwingungen zu versetzen, wobei die Schwingungen hoher Amplitude erreicht werden, indem die Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) eine hohe Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) legt, und die Schwingungen niedriger Amplitude erreicht werden, indem die Spannungsversorgung (40, 46, 96, 48, 42, 44) eine niedrigere Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) legt.
  21. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 20, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) Zeitgeber (94, 98) und Schalter (92) aufweist, die so verschaltet und angeordnet sind, dass sie während des auf das Ansteuerintervall folgenden Schlafintervalls das Anlegen von Wechselspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) beenden und während eines nachfolgenden Ansteuerintervalls das Anlegen von Wechselspannungen an das Element (10) wieder aufnehmen.
  22. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 21, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) eine Spannungsversorgungsschaltung (40, 42) aufweist, die eine Spannung liefern kann, die zu Beginn eines Ansteuerintervalls anfänglich hoch ist und während des Ansteuerintervalls allgemein exponentiell abnimmt.
  23. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 20, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) einen Oszillator (100) variabler Frequenz aufweist, dessen Wobbelbereich eine Harmonische der natürlichen Resonanzfrequenz eines schwingenden Systems beinhaltet, das die Lochplatte (14) enthält, wobei der Oszillator (100) so verschaltet ist, dass er Signale variabler Frequenz an das Betätigungsglied (10) legen kann.
  24. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 23, bei dem die Wobbelfrequenz des variablen Oszillators (100) derart ist, dass während des Ansteuerintervalls die Frequenz der Wechselspannungen den Frequenzbereich mehrmals durchläuft.
  25. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 20, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) einen Ladungsspeicherkondensator (74) sowie Lade- und Zeitsteuerschaltungen (72), die so verschaltet sind, dass sie den Ladungsspeicherkondensator (74) zwischen aufeinander folgenden Ansteuerintervallen wieder aufladen, wobei der Ladungsspeicherkondensator (74) so verschaltet ist, dass er sich entlädt, während er in den Ansteuerintervallen Ansteuerspannung an das piezoelektrische Betätigungsglied (10) liefert, sowie weiterhin einen Wechselspannungsgenerator (44) aufweist, der während der Ansteuerintervalle entsprechend der Entladespannung über dem Kondensator (74) Wechselspannungen erzeugt, die an das piezoelektrische Element (10) gelegt werden.
  26. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 20, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) eine Spule (78), die mit einem Ende mit einer Quelle (42) einer abnehmenden Spannung und mit dem anderen Ende mit dem piezoelektrischen Betätigungsglied (10) verbunden ist, sowie eine Schaltstufe (48, 82) aufweist, die so verschaltet ist, dass sie in jedem Ansteuerintervall einen kleineren Teil der Spule (78), der näher am einen Ende derselben liegt, mit hoher Frequenz mit Masse verbindet und von Masse trennt.
  27. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 26, dessen Schaltstufe (48, 82) von einem Oszillator (100) einer solchen Frequenz betätigt wird, dass das schnelle Verbinden und Trennen mit veränderbarer Frequenz einschl. der natürlichen Resonanzfrequenz eines Systems erfolgt, das die Lochplatte (14) und das piezoelektrische Betätigungsglieds (10) enthält.
  28. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 26, dessen Schaltstufe (48, 82) so verschaltet ist, dass das Verbinden und Trennen jeweils so verläuft, dass der erwähnte Teil der Spule (78) jeweils gleich lange mit Masse verbunden und unterschiedlich lange von Masse getrennt wird.
  29. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach einem der Ansprüche 20–28, dessen Spannungsversorgung eine Batterie zum Speisen des Zerstäubers aufweist.
  30. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 20, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) eine Batterie (54), eine Spule (56) und eine Diode (58), die in Reihe geschaltet sind und einem Ladungsspeicherkondensator (60) Strom zuführen, einen Schalter (62), der von einem Punkt zwischen der Spule (56) und der Diode (58) nach Masse gelegt ist, und eine Schalteransteuerschaltung (64) aufweist, die so verschaltet ist, dass der Schalter (62) nacheinander öffnet und schließt, wenn die Spannung über dem Ladungsspeicherkondensator (60) unter einen ersten niedrigeren Wert abfällt, und offen gehalten wird, wenn die Spannung über dem Ladungsspeicherkondensator (60) einen zweiten höheren Wert übersteigt.
  31. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 30, dessen Spule (56) und Ladungsspeicherkondensator (60) so bemessen sind, dass das Laden des letzteren (60) sich über einen Zeitraum erstreckt, der erheblich länger ist als ein Ansteuerintervall des Zerstäubers.
  32. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 26, dessen zum schnellen Verbinden und Trennen eines kleineren Teils der Spule (78) verschaltete Schaltstufe (48, 82) so angeordnet ist, dass sie nach jedem Schlafintervall anläuft und für die Dauer eines vorbestimmten Ansteuerintervalls arbeitet.
  33. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 30, dessen elektrische Spannungsversorgung (40, 42, 44, 46, 48, 96) weiterhin einen Zeitgeber (110) aufweist, der so verschaltet ist, dass er die Dauer des aufeinander folgenden Verbindens und Trennens der Schalters (62) misst und, wenn diese Dauer einen vorbestimmten Wert übersteigt, die Batterie (54) nach Masse legt, um sie vollständig zu entladen.
  34. Schwingender Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 33 mit einem weiteren Schalter (106), der betätigt wird, wenn die Dauer des Öffnens und Schließens des an einen Punkt zwischen der Spule (56) und der Diode (58) angeschlossenen Schalters (62) einen vorbestimmten Wert übersteigt, wobei der weitere Schalter so verschaltet ist, dass beim Betätigen desselben die Zufuhr von Wechselspannungen zum Betätigungsglied beendet wird.
  35. Flüssigkeitszerstäuber nach Anspruch 15, dessen schwingendes Betätigungsglied (10) eine Ansteuerschaltung und ein piezoelektrisches Betätigungsglied (10) aufweist, das mit der Lochplatte (14) gekoppelt ist, um diese in Schwingungen zu versetzen, wobei die Ansteuerschaltung gekennzeichnet ist durch: ein Paar Anschlüsse (26, 28), über die eine Spannung und zwischen die das piezoelektrische Betätigungsglied (10) gelegt ist; einen elektronischen Schalter (82), der ebenfalls zwischen die Anschlüsse (26, 28) parallel zum piezoelektrischen Betätigungsglied (10) gelegt und zwischen einem Durchschalt- und einem Sperrzustand hin und her schaltbar ist; und eine Schalteransteuerstufe (52), mittels der der elektronische Schalter zwischen dem Durchschalt- und dem Sperrzustand hin und her schaltbar ist.
  36. Zerstäuber nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (82) ein Feldeffekttransistor ist.
  37. Zerstäuber nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule (78) in Reihe mit dem piezoelektrischen Betätigungsglied zwischen den Anschlüssen geschaltet ist.
  38. Zerstäuber nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (82) parallel zu einem Teil der Spule (78) und dem piezoelektrischen Betätigungsglied geschaltet ist.
  39. Zerstäuber nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteransteuerstufe (52) einen Oszillator aufweist.
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