EP1197121B1 - Piezoelektrischer akustischer alarmgeber - Google Patents

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EP1197121B1
EP1197121B1 EP00960322A EP00960322A EP1197121B1 EP 1197121 B1 EP1197121 B1 EP 1197121B1 EP 00960322 A EP00960322 A EP 00960322A EP 00960322 A EP00960322 A EP 00960322A EP 1197121 B1 EP1197121 B1 EP 1197121B1
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acoustic alarm
piezoelectric
piezoelectric acoustic
square
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric Acoustic alarm device that has a resonance hollow body certain resonance frequency and a coupled to it Piezo element includes that via voltage amplifier and a square wave generating oscillating means a direct current source is connected and goes from DE-A-342300 out.
  • Such sound generator with which on the basis of in Inversion of the piezoelectric effect (Electrostriction) generated by electrical energy Vibrations of a piezoelectric crystal or similar substance with piezoelectric effects acoustic warning signal is generated are at Alarm systems known for a long time.
  • When creating one electrical voltage to such a crystal changes this its shape to when removing the electrical Tension to return to its original form.
  • the Applying a pulsating voltage causes a quick one Vibration of the crystal and consequently the emission of Sound waves.
  • the invention is therefore based on the object to create piezoelectric audible alarm that with a small footprint and low power consumption provides a large volume of sound.
  • the task is carried out according to the Features of claim 1 trained piezoelectric acoustic alarm device solved.
  • the basic idea of the invention is that two in a single resonance hollow body Piezo elements are arranged opposite one another and so of a rectangular pulsating Device voltage are excited so that they differ from each other move away or towards each other or bend and thus swing in opposite directions.
  • the opposite swing of the two piezo elements realized in such a way that one piezo element each between zero and a positive value pulsating square wave voltage and to the other Piezo element an inverse, each between zero and a rectangular voltage that changes with a negative value and both square wave voltages, starting from corresponding control signals of a microprocessor in order a pulse length are out of phase with each other.
  • the first piezo element in the event of a voltage pulse bent in one direction while the second piezo element at its reverse voltage pulse in the subsequent de-energized phase of the first, now swinging back piezo element, in opposite Direction is bent.
  • An embodiment of the invention is based on the attached drawing, in the only figure Resonance hollow body according to the invention on this attached piezo elements and a simplified Circuit arrangement shown for the invention out of phase and reverse voltage supply and Excitation of the piezo elements is reproduced, closer explained.
  • the piezoelectric acoustic alarm device includes one Resonance hollow body 1, the natural frequency of which Frequency of the first and second connected to it Piezo elements 2a, 2b is matched. At two each other opposite side walls of the resonance hollow body 1 a piezo element 2a or 2b is attached in each case, that these or their vibration levels are exactly face.
  • the formation of the piezo elements 2a and 2b, for example the arrangement of electrodes for Energy supply, or their attachment and storage on the Wall of the resonance hollow body 1 is in the drawing not shown.
  • On the opposite faces of the resonance hollow body 1 are sound outlet openings 3 intended.
  • piezo elements 2a, 2b vibrate, these are for supplying energy via one each first and a second power line 4a or 4b and first and second voltage amplifiers 5a and 5b and one common fuse 6 to a direct current source 7 connected.
  • a direct current source 7 One also from the direct current source 7 powered microprocessor 8 is each over first and second control signal lines 9a and 9b with the relevant voltage amplifier 5a or 5b connected.
  • a first rectangular pulse control signal V ca (5 V square-wave voltage) is sent via the first control line 9a to the first voltage amplifier 5a, and a second rectangular pulse signal V cb (180 °) out of phase with the first control signal V ca is sent via the second control line 9b. 5 V square wave voltage) to the second voltage amplifier 5b. While the control signal V cb is only amplified in the voltage amplifier 5b, a voltage inverter 5a is additionally assigned to the first voltage amplifier 5a.
  • the first piezo element 2a is thus supplied with an amplified (negative) square-wave voltage V a which changes between zero and a negative value.
  • the second piezo element 2b receives an amplified (positive) square-wave voltage pulsating between zero and a positive value, the voltage pulses of which are offset by one pulse width from those of the negative square-wave voltage V b .
  • the piezo elements are caused to bend with each voltage pulse and to oscillate due to the successive voltage pulses.
  • the first piezo element 2a Due to the oppositely directed square-wave voltages V a and V b and their phase shift, the first piezo element 2a is pressed inwards (dotted line) when the negative voltage pulse is applied to it, in order to swing back into the dot-dash position in the following zero volt phase. At this time, however, the second piezo element 2b is pressed outwards due to the positive voltage pulse into the dash-dotted position in order to swing back inward in the following zero-volt phase to the position shown in dotted lines, but in which the first piezo element 2a is pressed inwards again at the same time.

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Description

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 und geht von DE-A-342300 aus.
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 Schailvolumen 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 ändere 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 Vca (5 V-Rechteckspannung) zum ersten Spannungsverstärker 5a sowie über die zweite Steuerleitung 9b ein zum ersten Steuersignal Vca um 180° phasenverschobenes zweites rechteckförmig pulsierendes Steuersignal Vcb (5 V-Rechteckspannung) zum zweiten Spannungsverstärker 5b geleitet. Während das Steuersignal Vcb 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 Va 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 Vb um eine Impulsweite versetzt wird.
Wenn im Alarmfall - ausgelöst durch den Mikroprozessor 8 - an die beiden Piezoelemente 2a und 2b die betreffende Rechteckspannung Va und Vb angelegt wird, werden die Piezoelemente bei jedem Spannungsimpuls zum Biegen und durch die aufeinanderfolgenden Spannungsimpulse zum Schwingen veranlaßt.
Aufgrund der entgegengesetzt gerichteten Rechteckspannungen Va und Vb 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
Resonanzhohlkörper
2a
erstes Piezoelement
2b
zweites Piezoelement
3
Schallaustrittsöffnungen
4a
erste Stromleitung
4b
zweite Stromleitung
5a
erster Spannungsverstärker
5a'
Spannungsumkehrer
5b
zweiter Spannungsverstärker
6
Sicherung
7
Gleichstromquelle (Batterie)
8
Mikroprozessor
9a
erste Steuersignalleitung
9b
zweite Steuersignalleitung
Vca
erstes rechteckförmig pulsierendes Steuersignal (Rechteckspannung)
Vcb
zweites rechteckförmig pulsierendes Steuersignal (Rechteckspannung)
Va
verstärkte negative Rechteckspannung
Vb
verstärkte positive Rechteckspannung

Claims (5)

  1. Piezoelektrischer akustischer Alarmgeber mit benachbart angeordneten Piezoelementen (2a, 2b), die jeweils entgegengesetzt orientiert und phasenverschoben erregt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Piezoelemente (2a, 2b) unabhängig voneinander entgegengesetzt schwingend in einem Resonanzhohlkörper (1) an dessen gegenüberliegenden Seitenwänden angeordnet sind, wobei Mittel zur Erzeugung einer positiven und einer negativen Rechteckspannung und Mittel (8) zur Phasenverschiebung der beiden Rechteckspannungen um eine Impulsweite vorgesehen 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 (Vca, Vcb) jeweils für die einerseits mit dem betreffenden Piezoelement (2a, 2b) und andererseits mit der Gleichstromquelle (7) verbundenen Spannungsverstärker (5a, 5b).
  5. Piezoelektischer akustischer Alarmgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß einem der Spannungsverstärker (5a oder 5b) ein Spannungsumkehrer (5a') zugeordnet ist.
EP00960322A 1999-07-23 2000-07-18 Piezoelektrischer akustischer alarmgeber Expired - Lifetime EP1197121B1 (de)

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