DE19727951A1

DE19727951A1 - Vibratoreinrichtung zur Erzeugung eines stillen Alarms

Info

Publication number: DE19727951A1
Application number: DE1997127951
Authority: DE
Inventors: Bernhard Doellgast
Original assignee: Stettner & Co GmbH
Current assignee: Stettner & Co GmbH
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1997-07-01
Publication date: 1999-01-21

Description

Die Erfindung betrifft eine Vibratoreinrichtung zur Erzeugung eines stillen Alarms, insbesondere für am menschlichen Körper zu tragende Gegenstände, mit einer Steuerungseinrichtung und einer von dieser angesteuerten elektro-mechanischen Wandlereinrichtung.

Solche Vibratoreinrichtungen kommen beispielsweise bei tragbaren Telefonen, Pagern oder ähnlichen elektronischen Geräten, die zur Datenübertragung dienen und unmittelbar am Körper getragen werden, zum Einsatz. Mittels einer solchen Vibratoreinrichtung ist es möglich, im Falle eines ankommenden Signales vom Träger spürbare Vibrationen zu erzeugen, die diesen darauf hinweisen, daß eine Mitteilung oder ähnliches für ihn vorliegt. Dabei ist es erforderlich, für eine spürba re Vibration zu sorgen, damit diese hinreichend deutlich und sicher vom Träger wahrnehmbar ist. Zu diesem Zweck ist bei einer aus US 5 488 351 entnehmbaren Einrichtung vorgesehen, an einem Trägergehäuse zwei Wandlereinrichtungen endseitig anzulenken, so daß diese nach Art eines Hebels um ihre Anlenkstellen beweglich sind. Dabei sind die beiden Wandlereinrichtungen einander entgegen gesetzt angeordnet. Zum Betrieb werden die beiden Wandlereinrichtungen inver tiert zueinander angesteuert. Dies bewirkt, daß sich im Betrieb der eine Wandler hebel nach unten biegt, während der andere gleichzeitig nach oben gebogen wird. Das resultierende Moment wirkt damit bedingt durch die einander entgegenge setzte Anlenkung letztlich in die gleiche Richtung, so daß es deutlich stärker ist, als wenn beispielsweise nur ein einzelner Wandlerhebel vorgesehen wäre. Diese Einrichtung ist aber in mehrerlei Hinsicht nachteilig. Denn zum einen ist der Ein satz zweier Wandlereinrichtungen erforderlich, die in einem entsprechend ausge stalteten Gehäuse gelagert werden müssen, so daß die gesamte Einrichtung äu ßerst aufwendig ist und sich mithin auch Platzprobleme ergeben können. Darüber hinaus ist die Ansteuerschaltung auch hinreichend kompliziert im Hinblick auf die invertierte Ansteuerung ausgelegt. Im Stand der Technik sind ferner Vibratorein richtungen bekannt, bei denen zur Vibrationserzeugung eine motorisch bewegte Unwucht vorgesehen ist.

Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, eine Vibratoreinrichtung anzuge ben, die einfach aufgebaut ist und ein hinreichend starkes und sicher sensierba res Vibratorsignal liefert.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Vibratoreinrichtung der eingangs ge nannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Steuerungseinrichtung und die Wandlereinrichtung für einen Betrieb der Wandlereinrichtung bei oder im Bereich nahe ihrer Resonanzfrequenz ausgebildet sind.

Die erfindungsgemäße Vibratoreinrichtung beschreitet einen völlig neuen Be triebsweg. Denn bei der vorgeschlagenen Vibratoreinrichtung wird die Wand lereinrichtung unmittelbar oder im nahen Bereich um ihre Resonanzfrequenz her umbetrieben. Dieser Betrieb resultiert in einer beachtlich überhöhten Auslenkung der Wandlereinrichtung, was zu einem wesentlich stärkeren Vibrieren führt. Sämt liche bisher bekannten gattungsgemäßen Vibratoreinrichtungen werden bei Fre quenzen weit außerhalb des Resonanzbereichs betrieben, um die bis dato gege benen Resonanzschwierigkeiten, die bis zur Zerstörung der Wandlereinrichtung führen können, zu vermeiden. Hier aber setzt die Erfindung an, indem sie gerade auf den Resonanzbetrieb und die sich hieraus ergebenden beachtlichen Vorteile abstellt. Um die resonanzbedingten Probleme zu umgehen, wird mit besonderem Vorteil eine Wandlereinrichtung verwendet, die eine Wandlerschicht aus piezo elektrisch hartem Material oder aus elektrostriktivem Material besteht, wobei diese Materialien sich einerseits durch eine sehr hohe Güte und geringe Hysterese wie auch einen geringen Verlustfaktor auszeichnen und mithin den im Resonanzfall bestehenden beachtlichen Beanspruchungen standhalten können. Bei Versuchen hat sich im Verhältnis zum Betrieb weit außerhalb der Resonanzfrequenz eine Überhöhung der Auslenkung um einen Faktor von ca. 100 realisieren lassen, oh ne daß in irgendeiner Weise Probleme aufgetreten sind. Besonders zweckmäßig wird eine piezoelektrische harte Wandlerschicht verwendet, die aus einem Mate rial auf der Basis von dotiertem Pb (Ti_µZr)O₃ besteht. Als Dotierungen können beispielsweise Fe³⁺, Mn³, K⁺ verwendet werden. Diese Dotierungen wirken als Akzeptoren, was zur Erzeugung von Sauerstoff-Leerstellen führt. Hierdurch wird die Mobilität der Domänenwände verringert und die Verluste in der Keramik sind gering.

Zwar ist es möglich, aufgrund der gegebenen Geometrie der Wandlereinrichtung bzw. der aktiven Schicht rechnerisch die Resonanzfrequenz zu bestimmen. Als für den Betrieb besonders zweckmäßig hat es sich aber erwiesen, wenn Mittel zum Bestimmen der Momentanfrequenz der Wandlereinrichtung vorgesehen sind, wo bei die Steuerungseinrichtung zur Einstellung der Betriebsfrequenz der Wand lereinrichtung in Abhängigkeit des Bestimmungsergebnisses ausgebildet ist. Das heißt, bei dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung kommt ein Regelkreis zum Einsatz, womit die Betriebsfrequenz in Abhängigkeit der Wandlerfrequenz bei Be darf nachgeregelt wird und so für einen stets gleichbleibenden Resonanzbetrieb Sorge getragen ist. Die Wandlereinrichtung ist damit das frequenzbestimmende Element, das heißt sie ist bestimmend für die Steuerung des Frequenzgenerators und damit dessen Signalfrequenz, die entsprechend eingeregelt wird. Dabei kön nen die Mittel zum Bestimmen der Momentanfrequenz basierend auf dem wäh rend des Betriebs der Wandlereinrichtung zugeführten Stromes und/oder der Spannung und/oder der jeweiligen Phase und/oder der Phasendifferenz Strom-Spannung ausgebildet sein, wobei insbesondere die Bestimmung und Nachrege lung basierend auf einem lokalen Maximum des Stroms zweckmäßig ist.

In weiterer Erfindungsausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Wandlerein richtung eine Elektrodenplatte mit einer einseitig darauf aufgebrachten Wandler schicht aufweist, das heißt, es ist hier nur eine aktive Schicht vorgesehen. Alter nativ hierzu kann die Wandlereinrichtung auch zwei aktive Schichten aufweisen, das heißt, die Elektrodenplatte ist in diesem Fall beidseitig mit einer aktiven Schicht belegt. In diesem Fall ist es besonders zweckmäßig, wenn die Polarisatio nen der Wandlerschichten einander gleich gerichtet sind, wobei die Wandler schichten während des Betriebs simultan entgegengesetzt angesteuert werden, wodurch sich ein noch extremeres Biegeverhalten realisieren läßt. Besonders zweckmäßig sowohl im Hinblick auf die Auslegung als auch die Anpassung an die bei den Geräten, innerhalb welcher die Vibratoreinrichtung zum Einsatz kommt, herrschenden Platzverhältnissen hat es sich erwiesen, wenn die Wandlereinrich tung die Form eines Stabes oder Balkens aufweist. Dabei kann in Weiterbildung des Erfindungsgedankens die Wandlereinrichtung im Bereich eines Endes oder im wesentlichen in der Mitte gelagert sein, das heißt, im ersteren Fall existiert ein schwingender Wandlerhebel, während im zweiten Fall zwei wenngleich gegebe nenfalls kürzer bemessene Wandlerhebel vibrieren können.

Um die Biegebeanspruchung des Bereichs, an dem die Wandlerschicht vorgese hen ist, auch im Resonanzfall noch hinreichend gering zu halten, kann im Rahmen der Erfindung ferner vorgesehen sein, daß die Elektrodenplatte im Bereich ihrer Befestigung am Vibratorträger einen Bereich mit einem erniedrigten Biegewider stand aufweist, das heißt, es ist ein Bereich ausgebildet, der bevorzugt gebogen wird. Der Bereich der größten Biegebeanspruch wird damit vorteilhaft in das Metall und in einen Wandlerabschnitt verlegt, der außerhalb des Bereichs der Wandler schicht liegt. Hierdurch kann mit besonderem Vorteil die Lebensdauer des Wand lers beachtlich gesteigert werden, da eben die Verbiegung bevorzugt innerhalb dieses Bereichs erfolgt. Dieser wie ein Federgelenk wirkender Bereich kann erfin dungsgemäß durch eine lokale Querschnittsverringerung der Elektrodenplatte realisiert werden, wobei dabei der Querschnitt in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verringert werden kann.

Erfindungsgemäß kann an der Wandlereinrichtung insbesondere im Bereich des, gegebenenfalls der freien Enden eine Schwingmasse, vorzugsweise eine Metall masse angeordnet sein. Dabei kann das Gewicht der Schwingmasse und/oder ihre Position an der Wandlereinrichtung in Abhängigkeit der einzustellenden Re sonanzfrequenz gewählt sein, da sich bedingt durch die beim Vibrieren mitzube wegende Schwingmasse die Resonanzfrequenz entsprechend einstellen läßt, so daß auf diese Weise die Resonanzfrequenz in einen vom Träger als angenehm empfundenen Bereich bringen läßt. Die Resonanzfrequenz selbst liegt dabei be vorzugt im Bereich zwischen 50 bis 300 Hz, insbesondere zwischen 80 bis 150 Hz.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines die erfindungsgemäße Vibratoreinrichtung aufweisenden Geräts,

Fig. 2 ein Diagramm betreffend die frequenzabhängige Auslenkung und den dabei der Wandlereinrichtung gegebenen Strom, und

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Wandlereinrichtung einer zweiten Ausfüh rungsform.

In der Prinzipskizze nach Fig. 1 ist eine elektronische Empfangseinrichtung 1 ge zeigt, beispielsweise ein mittels eines Armbandes an einem Arm 13 (stilisiert dar gestellt) zu tragender Pager, in dem die erfindungsgemäße Vibratoreinrichtung angeordnet ist. Diese umfaßt eine an einem Vibratorträger 2 angeordnete elektro mechanische Wandlereinrichtung 3, bestehend aus einer Elektrodenplatte 4 mit endseitig angebrachter Schwingmasse 12 und einer oberseitig angebrachten Wandlerschicht 5 aus piezokeramischem Material. Als solches Material wird ein piezoelektrisch hartes Material auf der Basis von dotiertem Pb (Ti_µZr)O₃ verwen det. Dieses Material zeichnet sich durch eine hohe Güte Q_M, geringe Hysterese und einen niedrigen Verlustfaktor tanδ aus. Die Wandlereinrichtung 3 ist im ge zeigten Beispiel mit ihrem linken Ende an dem Vibratorträger 2 gehaltert, so daß sie hebelartig um ihren Anlenkpunkt vibrieren kann, wie durch den Doppelpfeil A dargestellt.

Die gezeigte Vorrichtung umfaßt ferner eine Empfangseinrichtung 6, mittels wel cher externe Signale, beispielsweise in Form eines Paging-Signals, empfangen werden und die zum Auslösen des Vibratorbetriebes dienen. Ferner ist eine Lei stungsversorgung 7 in Form einer Batterie vorgesehen. Die Ansteuerung der Wandlereinrichtung 3 selbst erfolgt über die Steuereinrichtung 8, die - neben an deren Komponenten - unter anderem einen Frequenzgenerator 9, der bevorzugt ein Sinussignal mit ca. 150 bis 160 Hz erzeugt, sofern die Resonanzfrequenz in diesem Bereich liegt und elektronische Ansteuermittel 10 beinhaltet. Diese elek tronischen Ansteuermittel 10 dienen einerseits zum Ansteuern des Frequenzgene rators, andererseits dazu, die generatorseitig erzeugten Signale an die Wand lereinrichtung 3 zu legen. Gespeist wird der gesamte Betrieb über die Leistungs versorgung 7. Gezeigt sind ferner Mittel 11, mittels denen die Momentanfrequenz, mittels welcher die Wandlereinrichtung 3 schwingt, gemessen wird, wobei das je weilige Meßergebnis der Steuerungseinrichtung 8 gegeben wird. Die Ermittlung der Momentanfrequenz erfolgt bevorzugt basierend auf dem der Wandlereinrich tung 3 von der Steuerungseinrichtung 8 zugeführten Stroms. Diese regelt nun in Abhängigkeit der gemessenen Momentanfrequenz die Betriebsfrequenz der Wandlereinrichtung 3 derart, daß diese bei der Resonanzfrequenz oder im unmit telbaren Bereich um diese betrieben wird.

Bedingt durch den Betrieb der Wandlereinrichtung 3, an deren freien Ende zu sätzlich die Schwingmasse 12 angeordnet ist, bei der Resonanzfrequenz läßt sich die durch den piezoelektrischen Effekt erzielbare Auslenkung auf ein beachtliches Maß steigern. Versuche haben gezeigt, daß eine Auslenkungsüberhöhung um ca. einen Faktor 100 im Vergleich zu einem Betrieb bei Frequenzen weit außerhalb des Resonanzbereichs erzielt werden können. Die Resonanzfrequenz einer hier verwendbaren Wandlereinrichtung kann bestimmt und eingestellt werden, wenn die Geometrien entsprechend gewählt werden. Für die Berechnung der Reso nanzfrequenz, also für die Auslegung der Wandlereinrichtung, läßt sich diese als Balken betrachten. Sie errechnet sich zu

mit
m = schwingende Masse,
c = Federkonstante.

Die schwingende Masse selbst berechnet sich zu
m = (33/140.M) + S,
mit
M = Masse der Wandlereinrichtung (Elektrodenplatte + Wandlerschicht),
S = Schwingmasse.

Die Federkonstante berechnet sich zu

mit
Y = Elastizitätsmodul
I_y = Widerstandsmoment,
l = Länge der Wandlereinrichtung.

Das Widerstandsmoment selbst berechnet sich schließlich zu

mit
b = Breite
z = Gesamtdicke.

Aufgrund dieses als Balkenmodell betrachteten Ansatzes ist es möglich, die Re sonanzfrequenz zu bestimmen. Durch entsprechende geometrische und ge wichtsmäßige Variation der in die Berechnung eingehenden Parameter ist es möglich, die Resonanzfrequenz der Wandlereinrichtung entsprechend einzustel len und in einen vorbestimmten Bereich zu bringen. Die Wandlereinrichtung selbst ist bei der erfindungsgemäßen Vibratoreinrichtung stets das frequenzbestimmen de Element.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, an welchem gezeigt werden kann, wie die Momentan frequenz ermittelt werden kann und basierend hierauf die Wandlereinrichtung in den Resonanzbereich geregelt werden kann. In dem gezeigten Diagramm ist die Auslenkung der Wandlereinrichtung sowie der zugeführte Strom gegen die Be triebsfrequenz aufgetragen. Dabei zeigt die Kurve A den frequenzabhängigen Verlauf der Auslenkung, die Kurve B zeigt den bei der jeweiligen Frequenz der Wandlereinrichtung zugeführten Strom. Ersichtlich zeigt die Kurve B des Stromes ein lokales Maximum in dem Bereich, in dem auch die Auslenkung maximal ist, im gezeigten Ausführungsbeispiel bei ca. 78 Hz. Für den Steuerungsbetrieb heißt dies, daß zur Einregelung in den Bereich der Resonanzfrequenz dieses lokale Strommaximum, bei dem die resonanzbedingte Auslenkung maximal ist, zu ermit teln ist.

Schließlich zeigt Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer Wandlereinrichtung 14. Auch diese besteht aus einer Elektrodenplatte 15 mit einseitig aufgebrachter piezoelektrisch harter Wandlerschicht 16 sowie endseitig angeordneter Schwing masse 17. Im Bereich nahe des Befestigungsendes 18 der Wandlereinrichtung 14 am Vibratorträger ist der Querschnitt der Elektrodenplatte mittels zweier Einker bungen 19 verringert, wodurch in diesem Bereich das lokale Biegewiderstands moment erniedrigt wird. Das heißt, der Biegewiderstand in diesem Bereich ist ge ringer als im übrigen Bereich der Elektrodenplatte 15, so daß diese sich leichter um diesen querschnittlich verjüngten Bereich verbiegen läßt. Hierdurch wird der Bereich der größten während des Resonanzbetriebs auftretenden Biegebean spruchung in das Metall verlegt, das heißt, dieser Bereich wird bedingt durch die Längenänderung der Wandlerschicht sowie bedingt durch die aufgebrachte Schwingmasse am stärksten gebogen. Demgegenüber wird der Bereich, der die Wandlerschicht 16 trägt, bei dieser Ausführungsform wesentlich weniger belastet, so daß die Lebensdauer der Wandlereinrichtung beachtlich gesteigert wird. Neben der horizontalen Querschnittsänderung kann alternativ oder zusätzlich auch eine vertikale Querschnittsänderung vorgesehen sein.

Claims

1. Vibratoreinrichtung zur Erzeugung eines stillen Alarms, insbesondere für am menschlichen Körper zu tragende Gegenstände, mit einer Steuerungs einrichtung und einer von dieser angesteuerten elektro-mechanischen Wandlereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrich tung (8) und die Wandlereinrichtung (3, 14) für einen Betrieb der Wand lereinrichtung (3) bei oder im Bereich nahe ihrer Resonanzfrequenz aus gebildet sind.

2. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (3, 14) eine Wandlerschicht (5, 16) aus piezoelektrisch hartem Material oder aus elektrostrikitivem Material aufweist.

3. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrisch harte Wandlerschicht (5, 16) der Wandlereinrichtung (3, 14) aus Material auf der Basis von dotiertem Pb(Ti_µZr)O₃ besteht.

4. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (11) zum Bestimmen der Momentanfrequenz der Wandlereinrichtung (3, 14) vorgesehen sind, wobei die Steuerungsein richtung (8) zur Einstellung der Betriebsfrequenz der Wandlereinrichtung (3, 14) in Abhängigkeit des Bestimmungsergebnisses ausgebildet ist.

5. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (11) zum Bestimmen der Momentanfrequenz basierend auf dem wäh rend des Betriebs der Wandlereinrichtung zugeführten Stromes und/oder der Spannung und/oder der jeweiligen Phase und/oder der Phasendifferenz Strom-Spannung ausgebildet sind.

6. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (3, 14) eine Elektrodenplatte (4, 15) mit einer einseitig darauf angebrachter Wandlerschicht (5, 16) auf weist.

7. Vibratoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandlereinrichtung eine Elektrodenplatte mit beidseitig daran angebrachten Wandlerschichten aufweist.

8. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationen der Wandlerschichten einander entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die Wandlerschichten während des Betriebs simultan entge gengesetzt angesteuert werden.

9. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (3) die Form eines Stabes oder Balkens aufweist.

10. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlereinrichtung (3) im Bereich eines Endes oder im wesentlichen in der Mitte gelagert ist.

11. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6-10, da durch gekennzeichnet, daß die Elektrodenplatte (15) im Bereich (18) ihrer Befestigung am Vibratorträger einen Bereich mit einem erniedrigten Bie gewiderstand aufweist.

12. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich durch eine lokale Querschnittsverringerung (19) der Elektrodenplat te realisiert ist.

13. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt in horizontaler und/oder vertikaler Richtung verringert ist.

14. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wandlereinrichtung (3, 14) insbesondere im Bereich des, gegebenenfalls der freien Enden eine Schwingmasse (12, 17), vorzugsweise eine Metallmasse angeordnet ist.

15. Vibratoreinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht der Schwingmasse (12, 17) und/oder ihre Position an der Wand lereinrichtung (3, 14) in Abhängigkeit der einzustellenden Resonanzfre quenz gewählt ist.

16. Vibratoreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz im Bereich zwischen 50 bis 300 Hz, insbesondere zwischen 80 bis 150 Hz liegt.

17. Elektronischer, insbesondere am menschlichen Körper zu tragender Ge genstand, wie Pager, Handy oder dergleichen, umfassend eine Vibra toreinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche.