WO2001008448A2

WO2001008448A2 - Piezoelektrischer akustischer alarmgeber

Info

Publication number: WO2001008448A2
Application number: PCT/DE2000/002430
Authority: WO
Inventors: Thomas HÄNISCH; Peter Frank
Original assignee: Msa Auer Gmbh
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 2000-07-18
Publication date: 2001-02-01
Also published as: EP1197121B1; CA2380244A1; CA2380244C; EP1197121A2; ATE249133T1; DE19935768C2; AU7268100A; DE50003563D1; ZA200200491B; WO2001008448A3; AU762902B2; DE19935768A1; US6541894B1

Abstract

Bei einem piezoelektrischen akustischen Alarmgeber sind in einem Resonanzhohlraum (1) jeweils durch eine Rechteckspannung erregte Piezoelemente (2a, 2b) einander gegenüberliegend und jeweils in entgegengesetzter Richtung schwingend angeordnet. Die beiden von einem Mikroprozessor (8) gesteuerten Rechteckspannungen (Va, Vb) sind um eine Rechteckimpulslänge phasenverschoben und positiv bzw. negativ. Ein derart ausgebildeter und erregter Piezo-Schallgeber zeichnet sich bei geringer Stromentnahme und kleiner Baugrösse durch ein hohes Schallvolumen aus.

Description

Beschreibung

Piezoelektrischer akustischer Alarmgeber

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen akustischen Alarmgeber, der einen Resonanzhohlkörper mit bestimmter Resonanzfrequenz und ein an diesen gekoppeltes Piezoelement umfaßt, das über Spannungsverstärker und eine Rechteckspannung erzeugende Oszillationsmittel an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist.

Derartige Schallerzeuger, mit denen auf der Basis der in Umkehrung des piezoelektrischen Effektes (Elektrostriktion) durch elektrische Energie erzeugten Schwingungen eines piezoelektrischen Kristalls oder ähnlichen Stoffes mit piezoelektrischen Wirkungen ein akustisches Warnsignal erzeugt wird, sind bei Alarmanlagen seit langem bekannt. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an einen solchen Kristall ändert dieser seine Form, um beim Entfernen der elektrischen Spannung wieder in seine Ausgangsform zurückzukehren. Das Anlegen einer pulsierenden Spannung bewirkt eine schnelle Schwingung des Kristalls und folglich die Emission von Schallwellen.

Akustische Alarmgeber mit einem piezoelektrischen Wandler, die naturgemäß einen geringen Platzbedarf erfordern, sind in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie zum Beispiel bei Fehlerwarngeräten, Feuer- und Rauchdetektoren, Monitoren für medizinische Instrumente und dgl . , gebräuchlich. Da sie jedoch kein ausreichend großes Schallvolumen erzeugen, sind ihre Einsatzmöglichkeiten dennoch begrenzt. In vielen Anwendungsfällen, zum Beispiel bei Warngeräten für unter gefährlichen Bedingungen tätige Personen, wie Taucher, Feuerwehrleute, Bergleute u.v.a., ist es erforderlich, daß das bei bestimmten kritischen Zuständen einen akustischen Alarm auslösende Warngerät einerseits hinsichtlich Größe und Gewicht ein bestimmtes Maß nicht überschreitet, andererseits aber ein akustisches Signal erzeugt, das von der betreffenden Person unter den jeweiligen Bedingungen nicht überhört werden kann. Darüber hinaus ist auch die zur Verfügung stehende

Energie, und zwar in bezug auf den nur beschränkt zur Verfügung stehenden Platz und in bestimmten Anwendungsfällen den Explosionsschutz, begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen akustischen Alarmgeber zu schaffen, der bei geringem Platzbedarf und geringer Stromentnahme ein großes Schallvolumen zur Verfügung stellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten piezoelektrischen akustischen Alarmgeber gelöst.

Der grundlegende Erfindungsgedanke besteht dabei darin, daß in einem einzigen Resonanzhohlkörper zwei

Piezoelemente einander gegenüberliegend angeordnet sind und so von einer rechteckförmig pulsierenden Gerätespannung erregt werden, daß sie sich voneinander weg bzw. aufeinander zu bewegen bzw. biegen und somit jeweils in entgegengesetzter Richtung schwingen. Das entgegengesetzte Schwingen der beiden Piezoelemente wird in der Weise realisiert, daß an das eine Piezoelement eine jeweils zwischen Null und einem positiven Wert pulsierende Rechteckspannung und an das andere Piezoelement eine umgekehrte, jeweils zwischen Null und einem negativen Wert wechselnde Rechteckspannung angelegt wird und beide Rechteckspannungen, ausgehend von entsprechenden Steuersignalen eines Mikroprozessors, um eine Impulslänge zueinander phasenversetzt sind. Dadurch wird das erste Piezoelement bei einem Spannungsimpuls in einer Richtung gebogen, während das zweite Piezoelement bei seinem umgekehrten Spannungsimpuls in der nachfolgenden stromlosen Phase des ersten, jetzt zurückschwingenden Piezoelements, in entgegengesetzter Richtung gebogen wird.

Durch das phasenversetzte Anlegen einer jeweils umgekehrten oszillierenden Spannung werden in ein und demselben Resonanzhohlkörper gegeneinander gerichtete Schwingungen von zwei Piezoelementen erzeugt, deren gemeinsames Schallvolumen größer als das von zwei einzelnen piezoelektrischen Schallgebern ist. Zudem ist der Platzbedarf und der Bauteil- und Steuerungsaufwand bei dem erfindungsgemäßen Vorschlag geringer, und durch die phasenversetzte Stromzufuhr werden den Explosionsschutzvorschriften entgegenstehende Spannungsspitzen vermieden.

Aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform eines Schallgebers ergeben sich weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung, in deren einziger Figur ein Resonanzhohlkörper mit den an diesem erfindungsgemäß angebrachten Piezoelementen sowie eine vereinfacht dargestellte Schaltungsanordnung zur erfindungsgemäß phasenversetzten und umgekehrten Spannungszufuhr und Erregung der Piezoelemente wiedergegeben ist, näher erläutert. Der piezoelektrische akustische Alarmgeber umfaßt einen Resonanzhohlkörper 1, dessen Eigenfrequenz auf die Frequenz der mit diesem verbundenen ersten und zweiten Piezoelemente 2a, 2b abgestimmt ist. An zwei einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Resonanzhohlkörpers 1 ist jeweils ein Piezoelement 2a bzw. 2b so angebracht, daß sich diese bzw. deren Schwingebenen genau gegenüberstehen. Die Ausbildung der Piezoelemente 2a und 2b, zum Beispiel die Anordnung von Elektroden zur Energiezufuhr, oder deren Befestigung und Lagerung an der Wand des Resonanzhohlkörpers 1, ist in der Zeichnung nicht dargestellt. An den gegenüberliegenden Stirnseiten des Resonanzhohlkörpers 1 sind Schallaustrittsöffnungen 3 vorgesehen .

Um die Piezoelemente 2a, 2b zum Schwingen zu bringen, sind diese zur Versorgung mit Energie über jeweils eine erste und eine zweite Stromleitung 4a bzw. 4b und erste und zweite Spannungsverstärker 5a und 5b sowie eine gemeinsame Sicherung 6 an eine Gleichstromquelle 7 angeschlossen. Ein ebenfalls von der Gleichstromquelle 7 mit Energie versorgter Mikroprozessor 8 ist jeweils über eine erste und eine zweite Steuersignalleitung 9a und 9b mit dem betreffenden Spannungsverstärker 5a bzw. 5b verbunden.

Von dem Mikroprozessor 8 wird über die erste Steuerleitung 9a ein erstes rechteckförmig pulsierendes Steuersignal V_ca (5 V-Rechteckspannung) zum ersten Spannungsverstärker 5a sowie über die zweite

Steuerleitung 9b ein zum ersten Steuersignal V_ca um 180° phasenverschobenes zweites rechteckförmig pulsierendes Steuersignal V_cb (5 V-Rechteckspannung) zum zweiten Spannungsverstärker 5b geleitet. Während das Steuersignal V_C im Spannungsverstärker 5b lediglich verstärkt wird, ist dem ersten Spannungsverstärker 5a zusätzlich ein Spannungsumkehrer 5a zugeordnet.

Das erste Piezoelement 2a wird somit mit einer zwischen Null und einem negativen Wert wechselnden verstärkten

(negativen) Rechteckspannung V_a versorgt. Hingegen erhält das zweite Piezoelement 2b eine verstärkte, zwischen Null und einem positiven Wert pulsierende (positive) Rechteckspannung, deren Spannungsimpulse zu denen der negativen Rechteckspannung V_b um eine Impulsweite versetzt wird.

Wenn im Alarmfall - ausgelöst durch den Mikroprozessor 8 - an die beiden Piezoelemente 2a und 2b die betreffende Rechteckspannung V_a und V_b angelegt wird, werden die

Piezoelemente bei jedem Spannungsimpuls zum Biegen und durch die aufeinanderfolgenden Spannungsimpulse zum Schwingen veranlaßt.

Aufgrund der entgegengesetzt gerichteten Rechteckspannungen V_a und V_b und deren Phasenverschiebung wird das erste Piezoelement 2a bei dem an dieses angelegten negativen Spannungsimpuls nach innen gedrückt (punktierte Linie) , um in der folgenden Null-Volt-Phase in die strichpunktierte Lage zurückzuschwingen. Zu diesem

Zeitpunkt wird aber das zweite Piezoelement 2b aufgrund des positiven Spannungsimpulses in die strichpunktierte Lage nach außen gedrückt, um in der folgenden Nullvoltphase in die punktiert dargestellte Position nach Innen zurückzuschwingen, in der aber gleichzeitig das erste Piezoelement 2a wieder nach innen gedrückt wird.

Aufgrund der direkt einander gegenüberliegenden Anordnung der beiden Piezoelemente 2a und 2b und deren einander entgegengesetzten Schwingens in ein und demselben Resonanzhohlkörper 1 wird eine besonders große Schallausbeute erzielt, die mehr als das Doppelte eines piezoelektrischen Schallgebers mit nur einem Piezoelement beträgt. Unter diesen räumlichen Voraussetzungen ist zudem der Platzbedarf und der Schaltungsaufwand gering. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist durch die den beiden Piezoelementen phasenversetzt zugeführte Spannung bedingt, und zwar insofern, als trotz des gleichzeitigen Schwingens von zwei Piezoelementen nur jeweils ein Piezoelement im Wechsel mit dem anderen mit Energie versorgt werden muß und mithin Stromspitzen vermieden werden. Der akustische Alarmgeber kommt somit mit einer kleinen Sicherung aus und wird zudem den Ex-Schutz- Vorschriften gerecht.

Bezugszeichenliste

1 Resonanzhohlkorper 2a erstes Piezoelement

2b zweites Piezoelement

3 Schallaustrittsoffnungen

4a erste Stromleitung

4b zweite Stromleitung 5a erster Spannungsverstarker

5a' Spannungsumkehrer

5b zweiter Spannungsverstarker

6 Sicherung

7 Gleichstromquelle (Batterie) 8 Mikroprozessor

9a erste Steuersignalleitung

9b zweite Steuersignalleitung

V_ca erstes rechteckformig pulsierendes Steuersignal

(Rechteckspannung) V_cb zweites rechteckformig pulsierendes Steuersignal

(Rechteckspannung)

Va verstärkte negative Rechteckspannung

Vb verstärkte positive Rechteckspannung

Claims

Patentansprüche

1. Piezolektrischer akustischer Alarmgeber, der einen Resonanzhohlkörper mit bestimmter Resonanzfrequenz und ein an diesen gekoppeltes Piezoelement umfaßt, das über Spannungsverstarker und eine Rechteckspannung erzeugende Oszillationsmittel an eine Gleichstromquelle angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Resonanzhohlkörper (1) zwei einander gegenüberliegend angeordnete und jeweils in zueinander entgegengesetzter Richtung schwingende Piezoelemente (2a, 2b) vorgesehen sind, wobei Mittel (8) zur Phasenverschiebung der jeweils an die Piezoelemente (2a, 2b) angelegten

Rechteckspannungen um eine Rechteckimpulsweite und Mittel (5a') zur Umkehrung einer Rechteckspannung gegenüber den anderen angeordnet sind.

2. Piezoelektischer akustischer Alarmgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (2a, 2b) über entsprechende Tragelemente an oder in den einander gegenüberliegenden Wänden des Resonanzhohlkörpers (1) zueinander deckungsgleich angebracht sind.

3. Piezoelektischer akustischer Alarmgeber nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der

Resonanzhohlkörper (1) seitliche, schräg nach außen gerichtete Schallaustrittsöffnungen (3) aufweist.

4. Piezoelektischer akustischer Alarmgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , gekennzeichnet durch einen Mikroprozessor (8) zur Erzeugung von zwei zueinander phasenverschobenen Rechteckspannungen als Steuersignale (V_ca, V_cb) jeweils für die einerseits mit dem betreffenden Piezoelement (2a, 2b) und andererseits mit der Gleichstromquelle (7) verbundenen Spannungsverstarker (5a, 5b) .

5. Piezoelektischer akustischer Alarmgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einem der Spannungsverstarker (5a oder 5b) ein Spannungsumkehrer (5a') zugeordnet ist.