BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen akustischen Signalgeber, bei welchem elektrische Schwingungen in einer aus einer Trägerscheibe und einem Piezo-Element zusammengesetzten Membran Schallwellen erzeugende mechanische Schwingungen hervorrufen, wobei die Membran mit ihrer Randpartie in einer Halterung abgestützt ist, welche in einem die Membran aufnehmenden und mit einer Abdeckung versehenen Gehäuse vorgesehen ist.
Akustische Signal- und Schallgeber sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. In diesen werden elektrische Schwingungen in analoge akustische Schwingungen umgesetzt, wobei die elektrischen Schwingungen zunächst in einer schwingungsfähigen Vorrichtung mechanische Schwingungen erzeugen, welche ihrerseits in der Luft Schallwellen erzeugen, welche vom menschlichen Ohr wahrgenommen werden können, wenn sie in dem vom menschlichen Ohr erfassbaren Frequenzbereich (16 Hz bis 20' 000 Hz) liegen.
Geräte, bei welchen durch mechanische Schwingungen Schallwellen erzeugt werden, sind in verschiedenen Ausführungen, sogar z.B. als Mikrophon, bekannt. Es seien hier nur das Kohle-Mikrophon, das dynamische Mikrophon und das Kondensator-Mikrophon beispielsweise genannt.
Als weiterer Signalgeber ist der Piezo-Schallgeber bekannt, welcher als Warn- und Signal-Geber in vielen Gebieten der Technik Eingang gefunden hat und anstelle optischer Signalgeber verwendet wird. Er zeichnet sich durch eine verhältnismässig kleine Stromaufnahme aus und kann somit dort, wo wegen der hohen Stromaufnahme mechanischer Schwinger optische Signalgeber verwendet werden mussten, mit Vorteil eingesetzt werden. Der Piezo-Schallgeber besteht im wesentlichen aus einer am Rand eingespannten Membran, die aus einer elektrisch leitenden metallischen Scheibe besteht, auf welcher auf der einen Seite ein scheibenförmiges Piezo-Element befestigt ist.
Das Piezo-Element besteht aus piezokeramischem Material, mit einer Materialstärke von einigen Zehntel Millimeter.
Damit solche Piezo-Signalgeber Schallstärken von 80 dB und mehr erzeugen können, ist die Einspannung der Membran von besonderer Bedeutung und muss besonders sorgfältig vorgenommen werden, da bereits geringfügige Abweichungen in der Einspannung zu erheblichen Schallverlusten führen können.
Dabei ist es auch erforderlich, den im Bereich der Membran befindlichen Luftraum in geeigneter Weise auszubilden. Da die Membran in einem Gehäuse eingebaut ist, müssen Öffnungen zur Aussenatmosphäre vorgesehen werden, um die erforderliche Schalleistung zu erreichen. Dies hat jedoch zur Folge, dass durch diese Öffnungen Feuchtigkeit eindringen kann, durch welche die Funktion des Schallgebers gestört oder ganz unterbrochen wird. Solange diese Piezo-Schallgeber in Schalttafeln und in Räumen mit normaler Luftfeuchtigkeit verwendet werden, bleiben sie über lange Zeiträume funktionstüchtig. Wenn aber hohe Luftfeuchtigkeit oder sogar Wasser im Bereich der Piezo-Schallgeber auftreten, sind Störungen unvermeidlich.
Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, akustische Signalgeber der eingangs beschriebenen Art so weiter auszugestalten, dass sie problemlos und unter Beibehaltung ihrer Schalleistung in Räumen hoher Luftfeuchtigkeit und beim Auftreten von Spritzwassern funktionieren.
Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung dadurch gelöst, dass die Membran gehäusestirnseitig durch eine Isolationsschicht abgedeckt ist, die im Gehäuse eingespannt ist und das Piezo-Element vor Benetzung durch Wasser schützt. Zweckmässig wird hierbei die Membran auf einem, vorzugsweise ein Schneidenlager bildenden Kontaktring abgestützt und gehäusestirnseitig durch einen elastischen Dichtungsring abgedichtet, welcher zum Anpressen der Membran auf dem Kontaktring unter einer vorbestimmten Vorspannung steht. Dadurch wird er reicht, dass die Schalleistung nicht beeinträchtigt wird und eine Einspannung hoher Lebensdauer erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines akustischen Signalgebers in überflutungsgeschützter Ausführung,
Fig. 2 einen Teilschnitt des akustischen Signalgebers nach Fig. 1 und
Fig. 3 ein Detail der Abdichtung der Membran des akustischen Signalgebers nach Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte akustische Schallgeber weist ein zylinderförmiges Gehäuse 1 auf, das an dem einen Ende 2 durch einen Gehäusesockel 3 abgeschlossen ist. Am anderen Ende 4 ist das Gehäuse durch eine kappenförmige Abdeckung 5 abgeschlossen, welche aus einem Deckelteil 6 und einem Ringteil 7 zusammengesetzt ist. Der Ringteil 7 weist am Innenumfang ein Innengewinde 8 auf, mit welchem die Abdeckung 5 auf ein am Aussenumfang des Gehäuses 1 angeordneten Aussengewinde 9 aufgeschraubt ist. Im Deckelteil 6 sind zudem mehrere Öffnungen 10 vorgesehen, die zweckmässig am Rand des Deckelteils 6 angeordnet sind, damit bei horizontaler Geberachse 11 eingedrungene Feuchtigkeit oder Wasser wieder abfliessen kann.
Am Mittelteil 12 des Gehäuses 1 ist ein Haltering 15 aufgeschraubt, mit dem das Gehäuse 1 in einer Platte, z.B. einer Schalttafel, festgeklemmt werden kann, wobei ein Auflagering 16 unter eine Schulter 17 des Gehäuses 1 gelegt und das Gehäuse 1 zusätzlich durch im Haltering 15 angeordnete Fixierschrauben 18 in der Platte 13 gehalten ist.
Im Gehäusesockel 3 sind die elektrischen Zuleitungen 19, 20 eingelegt, die sich bis zu einer Leiterplatte 25 zur Speisung einer Steuerung erstrecken, die auf der Leiterplatte 25 angeordnet ist.
Der akustische Schallgeber wird anhand von Fig. 2 beschrieben, der den oberen Teil von Fig. 1 in vergrösserter Darstellung zeigt. Gleiche Bezugszahlen wie in Fig. 1 bezeichnen gleiche Teile.
Der aktive Teil des Schallgebers ist eine Membran 30, die als Schichtkörper ausgebildet ist, siehe Fig. 3. Die Membran 30 weist eine gegen die Aussenluft gerichtete, isolierende Trägerscheibe 31 aus einem Kunststoff, beispielsweise aus einem Epoxyharz, auf, auf welcher gehäusesockelseitig eine Metallschicht 32, beispielsweise eine Kupferschicht, aufgebracht, beispielsweise aufgedampft ist. Auf der Metallschicht 32 ist ein scheibenförmiges Piezo-Element 33 befestigt. Die Trägerscheibe 31 kann lose oder auch fest mit den übrigen Teilen der Membran 30 verbunden sein.
Die Membran 30 ist auf einem metallische Kontaktring 34, beispielsweise aus Messing, abgestützt, wobei der Kontaktring ein Schneidenlager 35 bildet, auf dem die Metallschicht 32 abgestützt ist. Auf diese Weise wird die eine Seite des Piezo-Elementes 33 mit der einen der Zuleitungen 19, 20 verbunden. Die Verbindung der andern Seite des Piezo-Elementes 33 mit der andern Zuleitung erfolgt mittels einer Kontaktfeder 36, die sich mit dem einen Ende auf dem Piezo-Element 33 und auf dem andern Ende auf der Leiterplatte 25 abstützt, wobei sie durch einen in der Leiterplatte 25 befestigten Führungsstift geführt ist.
Der Kontaktring 34 stützt sich auf dem Rand der Leiterplatte 25 ab, welche auch am Innenumfang des Gehäuses 1 angeordneten Lagerstegen 38 abgestützt ist.
Auf dem Rand der Trägerscheibe 31 ist ein elastischer Dichtungsring 39, beispielsweise ein O-Ring, angeordnet, welcher auf der der Membran 30 abgewandten Seite einen Druckring 40 trägt, der einen Bund 41 aufweist, mit welchem der O-Ring teilweise umfasst wird. Eine weitere Umfassung des O-Rings 39 erfolgt durch einen Schutzkragen 42, welcher das andere Ende 4 des Gehäuses 1 bildet.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass am montierten Schallgeber durch den Druckring 40 ein vorbestimmter Druck ausgeübt wird. Da der Dichtungsring 39 innenseitig durch den Bund 41 teilweise umfasst ist, presst sich der Dichtungsring 39 einerseits gegen den Schutzkragen 42 und andererseits gegen die Trägerscheibe 31 der Membran 30. Dadurch werden zwei Dichtstellen 43, 44 gebildet, die die Metallschicht 32 und das Piezo-Element 33 zuverlässig gegen den mit der Aussenluft verbundenen Innenraum 45 abdichten. Hierbei ist es zweckmässig, dass die resultierende Druckkraft an der Dichtstelle 43 senkrecht über dem vom Kontaktring 34 gebildeten Schneidenlager 35 liegt. Der Druckring 40 kann nur soweit durch die Abdeckung 5 zusammengedrückt werden, bis eine auf der Innenseite des Ringteils 7 angeordnete Schulter 46 auf der Stirnseite des Schutzkragens 42 aufliegt.
Durch diese Art der Abdichtung der Metallschicht 32 und des Piezo-Elementes 33 kann erreicht werden, dass keine ungünstige Beeinflussung des Schwingverhaltens der Membran 30 auftritt.
Ausser einem Innenraum 45 zwischen dem Deckelteil 6 und der Membran 30 ist zwischen der Membran 30 und der Leiterplatte 25 ein weiterer Innenraum 47 gebildet. Die beiden Innenräume 45, 47 beeinflussen das Schwingverhalten der Membran 30 ebenfalls. Eine Erhöhung der Lautstärke kann dadurch erreicht werden, dass ausser den Öffnungen 10 zum Innenraum 45 in der Leiterplatte 25 weitere Öffnungen 48 angebracht sind, die eine Verbindung zu einem geschlossenen Raum 49 im Inneren des Gehäuses 1 bilden.
Wesentlich ist bei dem beschriebenen akustischen Signalgeber, dass durch die Trägerscheibe 31 der Membran 30, welche zugleich eine Isolationsschicht bildet, und durch den Dichtungsring 39 ein vollständiger Abschluss des Piezo-Elementes 33 und des weiteren Innenraumes 47 gegenüber der Umgebung erreicht wird.
Das Gehäuse 1 ist zweckmässig aus Kunststoff hergestellt.
Dagegen kann die Abdeckung 5 sowohl aus Kunststoff als auch aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, gefertigt sein. Dagegen ist der Druckring 40 aus Kunststoff hergestellt. Dadurch wird die Bildung eines elektrischen Kriechweges wesentlich erschwert, wenn Flüssigkeit in den Innenraum 45 eindringt, da dann der Dichtungsring 39 auch auf der der Membran 30 abgewandten Seite isoliert ist.
Der beschriebene akustische Signalgeber ist wesentlich kleiner, als es in den Figuren 1-3 dargestellt ist. In Wirklichkeit weist die Abdeckung 5 einen Durchmesser auf, der 30 mm und weniger betragen kann. Trotz der erreichten vollständigen wasser- und feuchtigkeitsgeschützten Ausführung können dieselben Schalleistungen, d.h. bis etwa 85-95 dB erreicht werden.
Zudem wird auch ein Schutz vor Berührung des Piezo-Elementes 33 und anderen schädlichen Einflüssen erreicht.
DESCRIPTION
The invention relates to an acoustic signal generator, in which electrical vibrations in a membrane composed of a carrier disk and a piezo element produce sound waves generating mechanical vibrations, the membrane being supported with its edge part in a holder which accommodates the membrane and a Cover provided housing is provided.
Acoustic signal and sound transmitters are known in various designs. In these, electrical vibrations are converted into analog acoustic vibrations, the electrical vibrations first generating mechanical vibrations in an oscillatory device, which in turn generate sound waves in the air which can be perceived by the human ear if they are in the frequency range that can be detected by the human ear ( 16 Hz to 20,000 Hz).
Devices in which sound waves are generated by mechanical vibrations are available in different versions, even e.g. known as a microphone. Only the carbon microphone, the dynamic microphone and the condenser microphone are mentioned here, for example.
The piezo sounder is known as a further signal transmitter, which has found its way into many areas of technology as a warning and signal transmitter and is used instead of optical signal transmitters. It is characterized by a relatively small current consumption and can therefore be used with advantage where optical transducers had to be used due to the high current consumption. The piezo sounder essentially consists of a membrane clamped at the edge, which consists of an electrically conductive metallic disk on which a disk-shaped piezo element is attached on one side.
The piezo element consists of piezoceramic material with a material thickness of a few tenths of a millimeter.
So that such piezo signal generators can generate sound levels of 80 dB and more, the clamping of the membrane is of particular importance and must be carried out particularly carefully, since even slight deviations in the clamping can lead to considerable sound losses.
It is also necessary to design the air space in the area of the membrane in a suitable manner. Since the membrane is installed in a housing, openings to the outside atmosphere must be provided in order to achieve the required formwork performance. However, this has the consequence that moisture can penetrate through these openings, through which the function of the sound generator is disturbed or completely interrupted. As long as these piezo sounders are used in control panels and in rooms with normal air humidity, they remain functional for long periods. However, if there is high humidity or even water in the area of the piezo sounder, interference is inevitable.
This is where the invention comes in, which is based on the object of further designing acoustic signal transmitters of the type described at the outset in such a way that they function without problems and while maintaining their sound power in rooms with high atmospheric humidity and when splash water occurs.
This object is achieved according to the invention in that the membrane is covered on the front side of the housing by an insulation layer which is clamped in the housing and protects the piezo element against wetting by water. In this case, the membrane is expediently supported on a contact ring, preferably forming a cutting edge bearing, and sealed on the housing end side by an elastic sealing ring which is under a predetermined prestress for pressing the membrane onto the contact ring. This means that the formwork performance is not impaired and that a long service life is achieved.
An embodiment of the invention is shown in the drawing and described below. Show it:
1 shows a longitudinal section of an acoustic signal generator in a flood-protected design,
Fig. 2 is a partial section of the acoustic signal generator according to Fig. 1 and
3 shows a detail of the sealing of the membrane of the acoustic signal generator according to FIG. 1.
The acoustic sounder shown in FIG. 1 has a cylindrical housing 1, which is closed at one end 2 by a housing base 3. At the other end 4, the housing is closed by a cap-shaped cover 5, which is composed of a cover part 6 and a ring part 7. The ring part 7 has an internal thread 8 on the inner circumference, with which the cover 5 is screwed onto an external thread 9 arranged on the outer circumference of the housing 1. In the cover part 6 there are also a plurality of openings 10 which are expediently arranged on the edge of the cover part 6 so that moisture or water which has penetrated in the horizontal sensor axis 11 can flow off again.
On the middle part 12 of the housing 1, a retaining ring 15 is screwed, with which the housing 1 in a plate, e.g. a control panel, can be clamped, wherein a support ring 16 is placed under a shoulder 17 of the housing 1 and the housing 1 is additionally held in the plate 13 by fixing screws 18 arranged in the retaining ring 15.
In the housing base 3, the electrical leads 19, 20 are inserted, which extend to a circuit board 25 for supplying a controller, which is arranged on the circuit board 25.
The acoustic sound generator is described with reference to FIG. 2, which shows the upper part of FIG. 1 in an enlarged view. The same reference numerals as in Fig. 1 denote the same parts.
The active part of the sound generator is a membrane 30, which is designed as a laminated body, see FIG. 3. The membrane 30 has an insulating carrier disk 31 directed against the outside air and made of a plastic, for example of an epoxy resin, on which a metal layer is located on the housing base 32, for example a copper layer, is applied, for example vapor-deposited. A disk-shaped piezo element 33 is fastened on the metal layer 32. The carrier disk 31 can be connected loosely or also firmly to the remaining parts of the membrane 30.
The membrane 30 is supported on a metallic contact ring 34, for example made of brass, the contact ring forming a cutting edge bearing 35 on which the metal layer 32 is supported. In this way, one side of the piezo element 33 is connected to one of the feed lines 19, 20. The connection of the other side of the piezo element 33 to the other supply line takes place by means of a contact spring 36, which is supported at one end on the piezo element 33 and at the other end on the printed circuit board 25, by one in the printed circuit board 25 attached guide pin is guided.
The contact ring 34 is supported on the edge of the circuit board 25, which is also supported on the inner circumference of the housing 1 arranged bearing webs 38.
Arranged on the edge of the carrier disk 31 is an elastic sealing ring 39, for example an O-ring, which on the side facing away from the membrane 30 carries a pressure ring 40 which has a collar 41 with which the O-ring is partially encompassed. The O-ring 39 is surrounded by a protective collar 42, which forms the other end 4 of the housing 1.
It can be seen from FIG. 3 that a predetermined pressure is exerted on the mounted sound generator by the pressure ring 40. Since the sealing ring 39 is partially encompassed on the inside by the collar 41, the sealing ring 39 presses on the one hand against the protective collar 42 and on the other hand against the carrier disk 31 of the membrane 30. This forms two sealing points 43, 44 which cover the metal layer 32 and the piezo Seal element 33 reliably against the interior 45 connected to the outside air. It is expedient here that the resulting compressive force at the sealing point 43 is perpendicular to the cutting edge bearing 35 formed by the contact ring 34. The pressure ring 40 can only be pressed together by the cover 5 until a shoulder 46 arranged on the inside of the ring part 7 rests on the end face of the protective collar 42.
This type of sealing of the metal layer 32 and the piezo element 33 can ensure that the oscillation behavior of the membrane 30 is not adversely affected.
In addition to an interior space 45 between the cover part 6 and the membrane 30, a further interior space 47 is formed between the membrane 30 and the printed circuit board 25. The two interior spaces 45, 47 also influence the vibration behavior of the membrane 30. The volume can be increased in that, in addition to the openings 10 to the interior 45 in the circuit board 25, further openings 48 are provided which form a connection to a closed space 49 in the interior of the housing 1.
It is essential in the acoustic signal generator described that the carrier disk 31 of the membrane 30, which also forms an insulation layer, and the sealing ring 39 completely seal the piezo element 33 and the further interior 47 from the environment.
The housing 1 is expediently made of plastic.
In contrast, the cover 5 can be made of both plastic and metal, for example aluminum. In contrast, the pressure ring 40 is made of plastic. As a result, the formation of an electrical creepage path is made considerably more difficult if liquid penetrates the interior 45, since the sealing ring 39 is then also insulated on the side facing away from the membrane 30.
The acoustic signal generator described is considerably smaller than that shown in FIGS. 1-3. In reality, the cover 5 has a diameter that can be 30 mm and less. Despite the complete water and moisture-proof design achieved, the same formwork performance, i.e. up to about 85-95 dB can be achieved.
In addition, protection against touching the piezo element 33 and other harmful influences is also achieved.