EP2059351A1 - Vibrationsgenerator - Google Patents

Vibrationsgenerator

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Publication number
EP2059351A1
EP2059351A1 EP07822254A EP07822254A EP2059351A1 EP 2059351 A1 EP2059351 A1 EP 2059351A1 EP 07822254 A EP07822254 A EP 07822254A EP 07822254 A EP07822254 A EP 07822254A EP 2059351 A1 EP2059351 A1 EP 2059351A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
swing arm
vibration generator
piezoelectric actuator
leg
carrier
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP07822254A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2059351B1 (de
Inventor
Wolfgang Athenstaedt
Heinz Florian
Igor Kartashev
Klaus Reichmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
Epcos AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Epcos AG filed Critical Epcos AG
Publication of EP2059351A1 publication Critical patent/EP2059351A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2059351B1 publication Critical patent/EP2059351B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0603—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a piezoelectric bender, e.g. bimorph

Definitions

  • a vibration generator with a piezoelectric element is known from the publication US 5,229,744.
  • An object to be solved is to provide a further vibration generator which is particularly efficient.
  • a vibration generator provided for generating a vibration alarm is provided with a vibratable oscillating arm which has at least one bend or an angled region, wherein the oscillating arm is coupled to a piezoactuator.
  • the swing arm By the specified embodiment of the swing arm it is possible to achieve a particularly large length of the swing arm with a small size.
  • the great length has the advantage that a low oscillation frequency can be achieved with it.
  • a further reduction of the oscillation frequency can be effected by a weight connected to the oscillating arm.
  • the swing arm can be attached to a carrier.
  • the bend may be formed as a fold.
  • the oscillating arm is capable of oscillating except for its end region fastened in or on the carrier.
  • a first end of the swing arm is preferably vibratable and a second end attached to or in the carrier.
  • the carrier is preferably the housing or a printed circuit board of a radio, which is preferably portable.
  • the piezoelectric actuator can be connected to a voltage source, from which it is electrically driven to vibrate.
  • the piezoelectric actuator has a body, in which a plurality of internal electrodes lying parallel to one another can be arranged, which are alternately connected to a first and a second outer electrode.
  • the outer electrodes are preferably arranged on the opposite side surfaces of the body. These side surfaces are arranged in a variant parallel to the main surface of the swing arm. Alternatively, they can stand perpendicular to the main surface of the swing arm.
  • the swing arm preferably has a major surface which is disposed substantially parallel to the surface of the carrier.
  • the oscillating arm has an angled or curved coupling region, which is coupled to the carrier.
  • the coupling region is arranged in a variant perpendicular or oblique to the main surface of the swing arm.
  • the swing arm is formed in an advantageous embodiment as a U-piece with two legs and a yoke connecting the legs, ie connector.
  • the remote from the connector end of the first, z. B. upper leg is preferably freely oscillatable, whereas the end remote from the connecting piece of the second leg is coupled to the carrier.
  • the second, z. B. lower leg preferably has a major surface which is aligned parallel to the main surface of the first leg, as well as min. at least one angled area, which is provided for attachment to the carrier or in the carrier interior.
  • the swing arm is preferably made of an electrically conductive material and can be used as an electrical lead to the piezoelectric actuator.
  • the swing arm is preferably in one piece, for example formed from a multiply bent metal sheet.
  • the swing arm contains in a further variant, preferably reinforced with glass fibers plastic.
  • the surface of the swing arm may in this case have a metallization, which can be used as an electrical supply to the piezoelectric actuator.
  • the main surfaces of the legs running parallel to the carrier surface have, in a variant, different lengths from each other.
  • the length of the major surface of the leg of the U-piece coupled to the carrier may be greater than that of the leg having a free end. It can also be chosen shorter.
  • the piezoelectric actuator is attached in a variant on the first or second leg of the U-piece and spaced from the other leg.
  • the piezoelectric actuator can also be arranged between the legs of the U-piece, wherein it is preferably spaced from the connecting piece.
  • the piezoelectric actuator is preferably clamped in this case between the legs and biased.
  • a preferably electrically insulating intermediate layer is arranged between the piezoactuator and the oscillating arm.
  • the intermediate layer is preferably as one Adhesive layer provided to mediate the adhesion between the actuator and the swing arm.
  • the piezoelectric actuator is firmly connected in one variant by means of the intermediate layer over the entire surface with the swing arm.
  • the piezoelectric actuator is arranged in an advantageous variant between the swing arm and the carrier, preferably clamped and biased.
  • a weight is attached in a variant.
  • the weight value is - depending on the length of the swing arm and the weight of the piezoelectric actuator - preferably chosen such that a predetermined resonance frequency is achieved in the vibration generator.
  • the piezoelectric actuator is preferably excited with an electrical signal whose frequency is at the resonant frequency of the vibration generator or in the vicinity of this frequency.
  • each transmission element preferably has a taper.
  • the base surface is preferably fixedly connected to the actuator body. The edge remote from the base surface and an area of the prism adjacent to this edge touches the swinging arm.
  • the actuator body with such tapers to minimize a contact area between the actuator and the swing arm.
  • the oscillating arm preferably has at least one formation into which a contact region of the piezoelectric actuator or the transmission element protrudes.
  • the molding is formed in a variant in the form of a groove and formed for example by a bulge or notch of the swing arm. If the piezoelectric actuator between the swing arm and the carrier should be biased, such a shape can be provided in the carrier.
  • the orientation of the vibration axis of the piezoelectric actuator, d. H. an axis along which the vibrations of the actuator body are excited preferably corresponds to the maximum cross-sectional size, d. H. the length, the body. Thus vibrations with the lowest frequency can be excited. Other orientations of the vibration axis are also possible.
  • the oscillation axis of the piezoelectric actuator is preferably aligned in the longitudinal direction of this oscillating arm in the case of a piezoactuator fastened to the oscillating arm.
  • a region of the oscillating arm connected to it is pulled along and thus deformed. Due to the expansion of the actuator upon application of an electrical voltage occurs a mechanical bending stress, which deflects the swing arm.
  • vibrations of the system can be excited, comprising the composite of the actuator and the swing arm.
  • the vibration axis of the piezoactuator which is arranged between two major surfaces of the legs of the swing arm, is preferably perpendicular to these major surfaces, that is aligned perpendicular to the alignment of the legs of the swing arm.
  • the piezoelectric actuator may comprise two bodies with mutually oppositely directed polarization axes. These bodies are in a first variant z. B. by bonding to form a composite of the body firmly connected. This composite is firmly connected to the swing arm, whereby a composite of the body and the swing arm comes about.
  • the swing arm is arranged between these bodies.
  • Each body is firmly connected to the swing arm, whereby a composite of the body and the swing arm comes about.
  • bending vibrations of the composite of the body and the swinging arm are produced.
  • Figure 1 in cross section a vibration generator with a swing arm in U-shape with unequal length legs, wherein the lower leg a piezoelectric actuator is attached;
  • Figure 2 in cross-section a vibration generator with a swing arm in U-shape with unequal length of legs, wherein the upper leg a piezoelectric actuator is attached;
  • FIG. 3A in cross section an exemplary piezoelectric actuator
  • FIG. 3B is a perspective view of another exemplary piezoactuator;
  • Figure 4 shows a variant of the vibration generator shown in Figure 1, in which between the piezoelectric actuator and the swing arm, a gap is formed.
  • FIG. 5 in cross-section a vibration generator with a piezoelectric actuator, which is clamped between a swing arm and a carrier;
  • FIG. 6 in cross section a vibration generator with a swing arm in a U-shape, wherein between the legs of the swing arm, a piezoelectric actuator is arranged;
  • FIG. 7 shows a cross-section of a vibration generator with a swinging arm which has formations for receiving the piezoactuator
  • FIG. 8 shows a perspective view of a piezoelectric actuator with tapered edge regions.
  • FIG. 1 shows a vibration generator with a swinging arm 2, which is angled several times, one end, fastening area 2d, of the swinging arm being fastened in the carrier 4.
  • the swing arm 2 has a U-piece with a lower leg 2a and an upper leg 2b and a yoke, d. H. Connecting piece 2c, which connects the legs 2a, 2b. The main surfaces of the legs 2a, 2b are aligned in the rest state parallel to the surface of the carrier 4.
  • a piezoelectric actuator 1 is attached at the top of the lower leg 2a.
  • a Weight 3 is attached at the free end of the upper leg 2b.
  • the lower leg 2a is formed shorter than the upper leg 2b. In this case, a particularly large oscillation amplitude of the free end of the swing arm can be achieved.
  • the piezoelectric actuator 1 is arranged between the legs 2a, 2b, but is coupled only to the lower leg 2a, while it is spaced from the upper leg 2b.
  • the piezoelectric actuator can be arranged on the upper leg 2b.
  • an intermediate layer 5 is arranged between the piezoactuator 1 and the leg to which it is coupled.
  • This layer is preferably electrically insulating, if electrical contact between the actuator and the electrically conductive swing arm 2 is to be prevented.
  • this layer may also be electrically conductive, if an electrical contact, for example, between the lower outer electrode of the actuator and the electrically conductive swing arm 2 is intended.
  • the piezoelectric actuator 1 comprises a body with a plurality of piezoelectric layers, which preferably contain ceramic. Internal electrodes 7 are arranged between the piezoelectric layers and external electrodes 71, 72 are arranged on the surface of the body, see FIGS. 3A, 3B. A plurality of first internal electrodes are conductively connected to the first external electrode 71 and a plurality of second internal electrodes are connected to the second external electrode 72. First and second internal electrodes are arranged alternately. The outer electrodes 71, 72 are electrically contacted via connecting wires 9. The surfaces of the inner electrodes 7 in the variant according to FIG.
  • the lower region of the outer electrode 71 may in this case be conductively connected to the oscillating arm 2 by means of a conductive adhesive, ie a conductive intermediate layer 5.
  • the upper portion of the outer electrode 72 is connected to a lead wire 9. Alternatively, it is possible to contact the arranged on the side surfaces of the actuator body portions of the outer electrodes 71, 72 via connecting wires.
  • the surfaces of the inner electrodes 7 in the variant according to FIG. 3B are arranged perpendicular to the contact surface of the piezoactuator 1. In this case, vibrations are excited perpendicular to the internal electrodes with the piezoelectric coefficient d33. So that a short circuit between the outer electrodes 71, 72 can be prevented, the piezoelectric actuator is in this case preferably secured by means of an electrically insulating intermediate layer 5 on the swing arm 2.
  • FIG. 4 shows a variant in which an air gap is provided between the piezoactuator 1 and the lower leg of the oscillating arm 2, to which the actuator is fastened.
  • the actuator is connected to the swing arm by means of connecting elements 6, which serve as spacers to form the gap.
  • the piezoelectric actuator 1 is arranged in this case between the main surface 2b of the swing arm and the carrier.
  • the position of a contact area between the actuator and the surface 2b determines the length of a lever arm formed by a swingable portion of the surface 2b and its oscillation frequency.
  • the actuator is spaced from the angled portion 2c of the swing arm 2, but disposed in the vicinity of this range. Alternatively, the actuator can directly adjoin this area.
  • the piezoelectric actuator 1 is arranged between the legs 2 a, 2 b of the U-shaped swinging arm 2.
  • the carrier 4 forms in this case a housing in which the vibration generator is included. In other embodiments, the carrier 4 may be formed as a housing.
  • a transmission element 8 is arranged between the piezoactuator 1 and the respective limb of the oscillating arm 2, which is preferably fixedly connected to the actuator body or is part of this body.
  • the transmission elements 8 are used to transmit vibrations from the piezoelectric actuator 1 to the oscillating arm 2.
  • Each transmission element 8 is in the form of a prism whose base surface faces the piezoelectric actuator, see FIG. 8.
  • a groove-shaped formation 10 is formed in each leg. The formation 10 is formed as a bulge.
  • the inner electrodes 7 are preferably aligned in the arrangement of the actuator between the legs of the swing arm 2, as in the variant according to the figure 8 parallel to the main surfaces of the legs.
  • the vibration is excited in this case perpendicular to the internal electrodes 7 with a piezoelectric coefficient d 33 .
  • a different orientation of the internal electrodes is also possible in principle, wherein in particular a piezoelectric effect can be exploited which is characterized by piezoelectric coefficients cbi and di5.
  • the design of the vibration generator in particular the shape of the oscillating arm and the internal structure of the piezoelectric actuator, is not limited to the examples shown in the figures.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

Es wird ein Vibrationsgenerator für ein Funkgerät mit einem an einem Träger (4) befestigbaren, schwingfähigen Schwingarm (2) angegeben, der mindestens eine Biegung oder einen abgewinkelten Bereich aufweist und mit einem Piezoaktor gekoppelt ist.

Description

Beschreibung
Vibrationsgenerator
Ein Vibrationsgenerator mit einem Piezoelement ist aus der Druckschrift US 5,229,744 bekannt.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, einen weiteren Vibrationsgenerator anzugeben, der besonders effizient ist.
Es wird ein zur Erzeugung eines Vibrationsalarms vorgesehener Vibrationsgenerator mit einem schwingfähigen Schwingarm angegeben, der mindestens eine Biegung oder einen abgewinkelten Bereich aufweist, wobei der Schwingarm mit einem Piezoaktor gekoppelt ist.
Durch die angegebene Ausgestaltung des Schwingarms gelingt es, eine besonders große Länge des Schwingarms bei einer geringen Baugröße zu erzielen. Die große Länge hat den Vorteil, dass damit eine niedrige Schwingfrequenz erreicht werden kann. Eine weitere Erniedrigung der Schwingfrequenz kann durch ein mit dem Schwingarm verbundenes Gewicht bewirkt werden .
Der Schwingarm ist an einem Träger befestigbar. Die Biegung kann als eine Falte ausgebildet sein.
Der Schwingarm ist in einer bevorzugten Ausführungsform bis auf seinen im oder am Träger befestigten Endbereich schwingfähig. Ein erstes Ende des Schwingarms ist vorzugsweise schwingfähig und ein zweites Ende am oder im Träger befestigt. Der Träger ist vorzugsweise das Gehäuse oder eine Leiterplatte eines Funkgerätes, das vorzugsweise tragbar ist.
Der Piezoaktor ist an eine Spannungsquelle anschließbar, von der er zu Vibrationen elektrisch angetrieben wird.
Der Piezoaktor weist einen Körper auf, in dem mehrere parallel zueinander liegende Innenelektroden angeordnet sein können, die abwechselnd an eine erste und eine zweite Außenelektrode angeschlossen sind. Die Außenelektroden sind vorzugsweise an den gegenüber liegenden Seitenflächen des Körpers angeordnet. Diese Seitenflächen sind in einer Variante parallel zur Hauptfläche des Schwingarms angeordnet. Sie können alternativ senkrecht auf der Hauptfläche des Schwingarms stehen .
Der Schwingarm weist vorzugsweise eine Hauptfläche auf, die im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Trägers angeordnet ist. Der Schwingarm weist in einer Variante einen abgewinkelten oder gekrümmten Koppelbereich auf, der an den Träger gekoppelt ist. Der Koppelbereich ist in einer Variante senkrecht oder schräg zur Hauptfläche des Schwingarms angeordnet .
Der Schwingarm ist in einer vorteilhaften Ausführungsform als ein U-Stück mit zwei Schenkeln und einem die Schenkel verbindenden Joch, d. h. Verbindungsstück, ausgebildet. Das vom Verbindungsstück abgewandte Ende des ersten, z. B. oberen Schenkels ist vorzugsweise frei schwingfähig, wohingegen das vom Verbindungsstück abgewandte Ende des zweiten Schenkels an den Träger gekoppelt ist. Der zweite, z. B. untere Schenkel weist vorzugsweise eine Hauptfläche auf, die parallel zur Hauptfläche des ersten Schenkels ausgerichtet ist, sowie min- destens einen abgewinkelten Bereich, der zur Befestigung am Träger oder im Trägerinneren vorgesehen ist.
Der Schwingarm ist vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material gefertigt und kann als eine elektrische Zuleitung zum Piezoaktor benutzt werden. Der Schwingarm ist vorzugsweise einstückig, beispielsweise aus einem mehrfach gebogenen Metallblech ausgebildet.
Der Schwingarm enthält in einer weiteren Variante einen vorzugsweise mit Glasfasern verstärkten Kunststoff. Die Oberfläche des Schwingarms kann in diesem Fall eine Metallisierung aufweisen, die als eine elektrische Zuleitung zum Piezoaktor benutzt werden kann.
Die parallel zur Trägeroberfläche verlaufenden Hauptflächen der Schenkel weisen in einer Variante voneinander unterschiedliche Längen auf. Die Länge der Hauptfläche des an den Träger gekoppelten Schenkels des U-Stücks kann größer als diejenige des Schenkels mit einem freien Ende gewählt sein. Sie kann aber auch kürzer gewählt werden.
Der Piezoaktor ist in einer Variante am ersten oder zweiten Schenkel des U-Stücks befestigt und vom anderen Schenkel beabstandet. Der Piezoaktor kann aber auch zwischen den Schenkeln des U-Stücks angeordnet sein, wobei er vom Verbindungsstück vorzugsweise beabstandet ist. Der Piezoaktor ist in diesem Fall vorzugsweise zwischen den Schenkeln eingeklemmt und vorgespannt.
Zwischen dem Piezoaktor und dem Schwingarm ist in einer Variante eine vorzugsweise elektrisch isolierende Zwischenschicht angeordnet. Die Zwischenschicht ist vorzugsweise als eine Haftschicht zur Vermittlung der Haftung zwischen dem Aktor und dem Schwingarm vorgesehen. Der Piezoaktor ist in einer Variante mittels der Zwischenschicht vollflächig mit dem Schwingarm fest verbunden. Alternativ besteht die Möglichkeit, den Piezoaktor mit dem Schwingarm über Verbindungselemente zu verbinden, die im Abstand voneinander angeordnet sind und als Distanzelemente zur Bildung eines Spaltes zwischen dem Aktor und dem Schwingarm dienen.
Der Piezoaktor ist in einer vorteilhaften Variante zwischen dem Schwingarm und dem Träger angeordnet, vorzugsweise eingeklemmt und vorgespannt.
Am frei schwingenden Ende des Schwingarms, vorzugsweise am Ende des ersten Schenkels, ist in einer Variante ein Gewicht befestigt. Der Gewichtswert ist - abhängig von der Länge des Schwingarms und vom Gewicht des Piezoaktors - vorzugsweise derart gewählt, dass im Vibrationsgenerator eine vorgegebene Resonanzfrequenz erzielt wird. Der Piezoaktor wird vorzugsweise mit einem elektrischen Signal angeregt, dessen Frequenz bei der Resonanzfrequenz des Vibrationsgenerators oder in der Nähe dieser Frequenz liegt.
Zur Übertragung der Schwingung vom Aktorkörper zum Schwingarm sind in einer vorteilhaften Variante Übertragungselemente vorgesehen, die zwischen dem Aktor und dem jeweiligen Schenkel des U-förmig gefalteten Schwingarms angeordnet sind. Jedes Übertragungselement weist vorzugsweise eine Verjüngung auf. Als ein Übertragungselement ist insbesondere ein Prisma geeignet, dessen Basisfläche mit dem Aktorkörper vorzugsweise fest verbunden ist. Die von der Basisfläche abgewandte Kante und ein an diese Kante anliegender Bereich des Prismas berührt den Schwingarm. Es besteht die Möglichkeit, alternativ den Aktorkörper mit derartigen Verjüngungen auszubilden, um eine Kontaktfläche zwischen dem Aktor und dem Schwingarm zu minimieren .
Der Schwingarm weist vorzugsweise mindestens eine Ausformung auf, in die ein Kontaktbereich des Piezoaktors oder das Übertragungselement hinein ragt. Die Ausformung ist in einer Variante in Form einer Rille ausgebildet und beispielsweise durch eine Ausbuchtung oder Einkerbung des Schwingarms gebildet. Falls der Piezoaktor zwischen dem Schwingarm und dem Träger vorgespannt sein sollte, kann im Träger auch eine solche Ausformung vorgesehen sein.
Die Ausrichtung der Schwingungsachse des Piezoaktors, d. h. einer Achse, entlang der die Schwingungen des Aktorkörpers angeregt werden, entspricht vorzugsweise der maximalen Querschnittsgröße, d. h. der Länge, des Körpers. Somit können Schwingungen mit der niedrigsten Frequenz angeregt werden. Andere Ausrichtungen der Schwingungsachse sind auch möglich.
Die Schwingungsachse des Piezoaktors ist bei einem am Schwingarm befestigten Piezoaktor vorzugsweise in Längsrichtung dieses Schwingarms ausgerichtet. Bei der Deformation des Aktors wird ein fest mit diesem verbundener Bereich des Schwingarms mitgezogen und somit verformt. Aufgrund der Ausdehnung des Aktors bei Anlegen einer elektrischen Spannung tritt eine mechanische Biegespannung auf, die den Schwingarm auslenkt. Bei entsprechend zyklischer Anregung des Aktors können somit Schwingungen des Systems angeregt werden, das den Verbund des Aktors und des Schwingarms umfasst.
Die Schwingungsachse des Piezoaktors, der zwischen zwei Hauptflächen der Schenkel des Schwingarms angeordnet ist, ist vorzugsweise senkrecht zu diesen Hauptflächen, also senkrecht zur Ausrichtung der Schenkel des Schwingarms, ausgerichtet.
Der Piezoaktor kann zwei Körper mit zueinander entgegengesetzt gerichteten Polarisationsachsen umfassen. Diese Körper sind in einer ersten Variante z. B. durch Klebung zur Bildung eines Verbunds der Körper fest miteinander verbunden. Dieser Verbund ist mit dem Schwingarm fest verbunden, wodurch ein Verbund der Körper und des Schwingarms zustande kommt.
In einer zweiten Variante ist der Schwingarm zwischen diesen Körpern angeordnet. Jeder Körper ist mit dem Schwingarm fest verbunden, wodurch ein Verbund der Körper und des Schwingarms zustande kommt. In beiden Fällen werden bei der Anregung des Piezoaktors Biegeschwingungen des Verbunds der Körper und des Schwingarms hervorgerufen.
Der angegebene Vibrationsgenerator wird nun anhand von schematischen und nicht maßstabgetreuen Figuren erläutert. Es zeigen :
Figur 1 im Querschnitt einen Vibrationsgenerator mit einem Schwingarm in U-Form mit ungleich langen Schenkeln, wobei am unteren Schenkel ein Piezoaktor befestigt ist;
Figur 2 im Querschnitt einen Vibrationsgenerator mit einem Schwingarm in U-Form mit ungleich langen Schenkeln, wobei am oberen Schenkel ein Piezoaktor befestigt ist;
Figur 3A im Querschnitt einen beispielhaften Piezoaktor;
Figur 3B in einer perspektivischen Ansicht einen weiteren beispielhaften Piezoaktor; Figur 4 eine Variante des in Fig. 1 gezeigten Vibrationsgenerators, bei dem zwischen dem Piezoaktor und dem Schwingarm ein Spalt gebildet ist;
Figur 5 im Querschnitt einen Vibrationsgenerator mit einem Piezoaktor, der zwischen einem Schwingarm und einem Träger eingeklemmt ist;
Figur 6 im Querschnitt einen Vibrationsgenerator mit einem Schwingarm in U-Form, wobei zwischen den Schenkeln des Schwingarms ein Piezoaktor angeordnet ist;
Figur 7 im Querschnitt einen Vibrationsgenerator mit einem Schwingarm, der Ausformungen zur Aufnahme des Piezoaktors aufweist;
Figur 8 in einer perspektivischen Ansicht einen Piezoaktor mit verjüngten Randbereichen.
In der Figur 1 ist ein Vibrationsgenerator mit einem Schwingarm 2 gezeigt, der mehrfach abgewinkelt ist, wobei ein Ende, und zwar Befestigungsbereich 2d, des Schwingarms im Träger 4 befestigt ist.
Der Schwingarm 2 weist ein U-Stück mit einem unteren Schenkel 2a und einem oberen Schenkel 2b und einem Joch, d. h. Verbindungsstück 2c auf, das die Schenkel 2a, 2b verbindet. Die Hauptflächen der Schenkel 2a, 2b sind im Ruhezustand parallel zur Oberfläche des Trägers 4 ausgerichtet.
An der Oberseite des unteren Schenkels 2a ist ein Piezoaktor 1 befestigt. Am freien Ende des oberen Schenkels 2b ist ein Gewicht 3 befestigt. Der untere Schenkel 2a ist kürzer ausgebildet als der obere Schenkel 2b. In diesem Fall kann eine besonders große Schwingamplitude des freien Endes des Schwingarms erzielt werden.
In der Variante gemäß der Figur 1 ist der Piezoaktor 1 zwar zwischen den Schenkeln 2a, 2b angeordnet, aber nur an den unteren Schenkel 2a gekoppelt, während er vom oberen Schenkel 2b beabstandet ist. In der Figur 2 ist angedeutet, dass der Piezoaktor auch am oberen Schenkel 2b angeordnet sein kann.
Zwischen dem Piezoaktor 1 und demjenigen Schenkel, an den er gekoppelt ist, ist gemäß der Figur 2 eine Zwischenschicht 5 angeordnet. Diese Schicht ist vorzugsweise elektrisch isolierend, falls ein elektrischer Kontakt zwischen dem Aktor und dem elektrisch leitfähigen Schwingarm 2 verhindert werden soll. Diese Schicht kann aber auch elektrisch leitend sein, falls ein elektrischer Kontakt beispielsweise zwischen der unteren Außenelektrode des Aktors und dem elektrisch leitfähigen Schwingarm 2 beabsichtigt ist.
Der Piezoaktor 1 umfasst in einer vorteilhaften Variante einen Körper mit mehreren Piezoschichten, die vorzugsweise Keramik enthalten. Zwischen den Piezoschichten sind Innenelektroden 7 und an der Oberfläche des Körpers Außenelektroden 71, 72 angeordnet, siehe Fig. 3A, 3B. Mehrere erste Innenelektroden sind leitend mit der ersten Außenelektrode 71 und mehrere zweite Innenelektroden mit der zweiten Außenelektrode 72 verbunden. Erste und zweite Innenelektroden sind abwechselnd angeordnet. Die Außenelektroden 71, 72 sind über Anschlussdrähte 9 elektrisch kontaktierbar . Die Flächen der Innenelektroden 7 in der Variante gemäß der Figur 3A sind parallel zur Auflagefläche des Piezoaktors 1, d. h. parallel zum Oberflächenbereich des Schwingarms 2 angeordnet, an den der Piezoaktor 1 gekoppelt ist. In diesem Fall werden Schwingungen parallel zu den Innenelektroden mit dem piezoelektrischen Koeffizienten cbi angeregt. Der unten liegende Bereich der Außenelektrode 71 kann in diesem Fall mittels eines Leitklebers, d. h. einer leitfähigen Zwischenschicht 5, leitend mit dem Schwingarm 2 verbunden sein. Der oben liegende Bereich der Außenelektrode 72 ist mit einem Anschlussdraht 9 verbunden. Alternativ besteht die Möglichkeit, die an den Seitenflächen des Aktorkörpers angeordneten Bereiche der Außenelektroden 71, 72 über Anschlussdrähte zu kontaktieren .
Die Flächen der Innenelektroden 7 in der Variante gemäß der Figur 3B sind senkrecht zur Auflagefläche des Piezoaktors 1 angeordnet. In diesem Fall werden Schwingungen senkrecht zu den Innenelektroden mit dem piezoelektrischen Koeffizienten d33 angeregt. Damit ein Kurzschluss zwischen den Außenelektroden 71, 72 verhindert werden kann, wird der Piezoaktor in diesem Fall vorzugsweise mittels einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht 5 am Schwingarm 2 befestigt.
In der Figur 4 ist eine Variante gezeigt, in der zwischen dem Piezoaktor 1 und dem unteren Schenkel des Schwingarms 2, an dem der Aktor befestigt ist, ein Luftspalt vorgesehen ist. Der Aktor ist mit dem Schwingarm mittels Verbindungselementen 6 verbunden, die als Distanzelemente zur Bildung des Spaltes dienen .
In der Figur 5 ist angedeutet, dass die Länge des unteren Schenkels gegen Null gehen kann, so dass der Schwingarm 2 im Prinzip als ein L-Stück ausgebildet ist, dessen abgewinkelter Bereich 2c im Träger 4 befestigt ist.
Der Piezoaktor 1 ist in diesem Fall zwischen der Hauptfläche 2b des Schwingarms und dem Träger angeordnet. Die Lage eines Kontaktbereichs zwischen dem Aktor und der Fläche 2b bestimmt die Länge eines durch einen schwingfähigen Bereich der Fläche 2b gebildeten Hebelarms und seine Schwingfrequenz.
Der Aktor ist vom abgewinkelten Bereich 2c des Schwingarms 2 beabstandet, aber in der Nähe dieses Bereichs angeordnet. Alternativ kann der Aktor unmittelbar an diesen Bereich angrenzen .
In der Variante gemäß der Figur 6 ist der Piezoaktor 1 zwischen den Schenkeln 2a, 2b des U-förmigen Schwingarms 2 angeordnet. Den Träger 4 bildet in diesem Fall ein Gehäuse, in dem der Vibrationsgenerator eingeschlossen ist. Auch in anderen Ausführungsformen kann der Träger 4 als ein Gehäuse ausgebildet sein.
In der Figur 7 ist angedeutet, dass der untere Schenkel des Schwingarms 2 im Prinzip länger als der obere gewählt werden kann .
In der Variante gemäß der Figur 7 ist zwischen dem Piezoaktor 1 und dem jeweiligen Schenkel des Schwingarms 2 ein Übertragungselement 8 angeordnet, das vorzugsweise fest mit dem Aktorkörper verbunden oder Bestandteil dieses Körpers ist. Die Übertragungselemente 8 dienen zur Übertragung von Schwingungen vom Piezoaktor 1 auf den Schwingarm 2. Jedes Übertragungselement 8 ist in Form eines Prismas ausgebildet, deren Basisfläche dem Piezoaktor zugewandt ist, siehe Fig. 8. Zur Aufnahme eines Kontaktbereichs des Übertragungselements 8 ist in jedem Schenkel eine rillenförmige Ausformung 10 ausgebildet. Die Ausformung 10 ist als eine Ausbuchtung ausgebildet.
Die Innenelektroden 7 sind bei der Anordnung des Aktors zwischen den Schenkeln des Schwingarms 2 vorzugsweise wie in der Variante gemäß der Figur 8 parallel zu den Hauptflächen der Schenkel ausgerichtet. Die Schwingung wird in diesem Fall senkrecht zu den Innenelektroden 7 mit einem piezoelektrischen Koeffizienten d33 angeregt.
Eine andere Ausrichtung der Innenelektroden ist grundsätzlich auch möglich, wobei insbesondere ein Piezoeffekt ausgenutzt werden kann, der durch piezoelektrische Koeffizienten cbi und di5 charakterisiert ist.
Die Ausgestaltung des Vibrationsgenerators, insbesondere die Form des Schwingarms und der Innenaufbau des Piezoaktors, ist auf die in den Figuren gezeigten Beispiele nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste
1 Piezoaktor
2 Schwingarm
2a unterer Schenkel des U-Stücks
2b oberer Schenkel des U-Stücks
2c Verbindungsstück
2d Befestigungsbereich
3 Gewicht
4 Träger
5 Zwischenschicht
6 Verbindungselemente
7 Innenelektroden
71, 72 Außenelektroden
8 Übertragungselement mit Verjüngung
9 AnSchlussdrahte
10 Ausformung

Claims

Patentansprüche
1. Vibrationsgenerator für einen Vibrationsalarm,
- mit einem an einem Träger (4) befestigbaren, schwingfähigen Schwingarm (2), der mindestens eine Biegung aufweist,
- wobei der Schwingarm (2) mit einem Piezoaktor gekoppelt ist .
2. Vibrationsgenerator nach Anspruch 1,
- wobei der Schwingarm (2) einen abgewinkelten Endbereich aufweist, der an den Träger (4) gekoppelt ist.
3. Vibrationsgenerator nach Anspruch 1,
- wobei der Schwingarm (2) als ein U-Stück mit zwei Schenkeln und einem die Schenkel verbindenden Verbindungsstück ausgebildet ist,
- wobei das vom Verbindungsstück abgewandte Ende eines dieser Schenkel an den Träger (4) gekoppelt ist.
4. Vibrationsgenerator nach Anspruch 3,
- wobei der an den Träger (4) gekoppelte Schenkel kürzer als der Schenkel mit einem freien Ende ausgebildet ist.
5. Vibrationsgenerator nach Anspruch 3,
- wobei der an den Träger (4) gekoppelte Schenkel länger als der Schenkel mit einem freien Ende ausgebildet ist.
6. Vibrationsgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
- wobei der Piezoaktor an einem Schenkel des U-Stücks befestigt und vom anderen Schenkel beabstandet ist.
7. Vibrationsgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
- wobei der Piezoaktor zwischen den Schenkeln des U-Stücks vorgespannt ist.
8. Vibrationsgenerator nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
- wobei der Piezoaktor zwischen dem Schwingarm (2) und dem Träger (4) vorgespannt ist.
9. Vibrationsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- wobei am frei schwingenden Ende des Schwingarms (2) ein Gewicht (3) befestigt ist.
10. Vibrationsgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
- wobei der Schwingarm (2) mindestens eine Ausformung aufweist, in die ein Kontaktbereich des Piezoaktors hinein ragt
11. Vibrationsgenerator nach Anspruch 10,
- wobei der Piezoaktor im Querschnitt eine Verjüngung aufweist, die in die Ausformung hinein ragt.
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