DE1144793B

DE1144793B - Piezoelectric radial oscillator

Info

Publication number: DE1144793B
Application number: DES71623A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Eugen Traenkle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-12-12
Filing date: 1960-12-12
Publication date: 1963-03-07
Also published as: NL272403A

Description

Piezoelektrischer Radialschwinger Die Erfindung geht aus von piezoelektrischen Radialschwingern, die in seither bekannter Weise in Form von keramischen Kreisscheiben mit auf beiden Seiten der Kreisscheiben aufgebrachten, als Elektroden dienenden Belägen ausgebildet sind. Die Kreisscheiben sind vorpolarisiert. Bei den bisher bekannten Anordnungen (z. B. aTransfilters) verlaufen sowohl das remanente Gleichfeld als auch das Wechselfeld in Richtung der Zylinderachse, also senkrecht zum Radius. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden treten radiale Schwingungen im Schwingkörper auf. Derartige Kreisscheiben haben abhängig von ihren Abmessungen eine bestimmte Anzahl von Schwingresonanzen, einmal der Grundschwingung und zum anderen der Oberschwingungen. Elektrisch ist ein derartiger Radialschwinger mit einem elektrischen Schwingkreis in der Weise vergleichbar, daß er ersatzschaltbildmäßig durch eine Parallelschaltung einer Kapazität und eines Serienresonanzkreises dargestellt ist. Die Ausbildung von Oberschwingungen ist bei derartigen Kreisscheiben verhältnismäßig unübersichtlich und kann nicht genau festgelegt werden.Piezoelectric Radial Oscillator The invention is based on piezoelectric vibrators Radial vibrators in the form of ceramic circular disks, which have been known since then with applied as electrodes on both sides of the circular disks Coverings are formed. The circular disks are pre-polarized. With the so far Known arrangements (e.g. aTransfilters) run both the remanent constant field as well as the alternating field in the direction of the cylinder axis, i.e. perpendicular to the radius. Radial vibrations occur when an alternating voltage is applied to the electrodes in the vibrating body. Such circular disks have depending on their dimensions a certain number of oscillation resonances, one of the fundamental oscillation and one of the other of the harmonics. Such a radial oscillator is also electrical comparable to an electrical oscillating circuit in such a way that it is equivalent to the equivalent circuit diagram represented by a parallel connection of a capacitance and a series resonant circuit is. The formation of harmonics is proportionate in such circular disks confusing and cannot be precisely defined.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem piezoelektrischen Radialschwinger ausgeprägte Oberschwingungen zu erzeugen, ohne daß die Abmessungen des radialschwingenden Körpers ausgesprochen groß werden. Derartige Radialschwinger sollen sich insbesondere zum Einbau in Mikrobaugruppen eignen.The object of the invention is, in a piezoelectric radial oscillator Generate pronounced harmonics without reducing the dimensions of the radially oscillating Body become extremely large. Such radial oscillators should in particular suitable for installation in micro assemblies.

Die Erfindung bei einem piezoelektrischen Radialschwinger aus einer Kreisscheibe oder einem Kreisring piezoelektrischen keramischen Materials mit radialer Vorpolarisierung sowie auf Ober- und Unterseite des Schwingkörpers befindlichen Belägen besteht darin, daß 1. die Beläge in 2 n + 1 (n = 1,2 ... ) Kreisringe verschiedener Abmessungen aufgeteilt sind, wobei jeweils der innere Durchmesser eines Belagsringes größer ist als der äußere Durchmesser des nächstkleineren Belagsringes, daß sich 2. der jeweils nächstgrößere Belagsring auf der anderen Seite des Schwingkörpers befindet, so daß die Belagsringe koaxial wechselseitig auf beiden Schwingkörperseiten angeordnet sind, und die Belagsringe derjenigen Schwingkörperseite, auf der die geringere Anzahl von Belagsringen angeordnet ist, mit der Lage der Knotenringe zusammenfallen, und daß 3. die Belagsringe der einen und gegenpolig der anderen Schwingkörperseite miteinander z. B. durch dünne Drähte elektrisch in Verbindung stehen.The invention for a piezoelectric radial oscillator made of a circular disk or a circular ring of piezoelectric ceramic material with radial pre-polarization and deposits on the top and bottom of the oscillating body consists in that 1. the deposits in 2 n + 1 (n = 1.2 ... ) Circular rings of different dimensions are divided, whereby the inner diameter of a lining ring is larger than the outer diameter of the next smaller lining ring, that 2. the next largest lining ring is on the other side of the vibrating body, so that the lining rings are arranged coaxially alternately on both sides of the vibrating body are, and the lining rings of that vibrating body side on which the smaller number of lining rings is arranged, coincide with the position of the knot rings, and that 3. the lining rings of the one and opposite polarity of the other vibrating body side with each other z. B. be electrically connected by thin wires.

Durch die Aufteilung der Beläge in einzelne Ringe wird erreicht, daß die zwischen den gegenpoligen, auf gegenüberliegenden Seiten des Schwingkörpers angeordneten Belagsringen auftretenden elektrischen Felder in der Weise aufgeteilt werden, daß die radialen Komponenten des Wechselfeldvektors einmal parallel und zum anderen antiparallel zum Gleichfeldvektor der Vorpolarisierung des keramischen Körpers stehen. Auf diese Weise wird der Radialschwinger zu solchen Schwingungen angeregt, die zwischen den Belagsringen Schwingknoten ausbilden und auf diese Weise zu Oberschwingungen führen. Die Knoten sind entsprechend der kreisringförmigen Belagsaufteilung als Knotenkreise ausgeprägt. Der Schwingkörper wird also auf diesen Knotenkreisen in Ruhe sein und in den dazwischenliegenden Gebieten schwingen.By dividing the pads into individual rings it is achieved that those between the opposite polarity, on opposite sides of the vibrating body arranged covering rings occurring electric fields divided in the way become that the radial components of the alternating field vector once parallel and on the other hand, antiparallel to the constant field vector of the pre-polarization of the ceramic Body stand. In this way the radial oscillator becomes such oscillations stimulated, which form swing nodes between the lining rings and in this way lead to harmonics. The nodes are according to the circular pavement distribution pronounced as nodal circles. The oscillating body is thus on these knot circles be at rest and swing in the areas in between.

An Hand der Fig. 1 bis 5, die Beispiele von erfindungsgemäß ausgebildeten piezoelektrischen Radialschwingern zeigen, ist die Erfindung näher erläutert.With reference to FIGS. 1 to 5, the examples of those designed according to the invention show piezoelectric radial oscillators, the invention is explained in more detail.

In Fig. 1 ist die Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen piezoelektrischen Radialschwinger dargestellt, bei dem auf der Oberseite ringförmige Beläge 1 a und 1 b koaxial angeordnet und nur durch dünne Drähte 4a, 4b miteinander kontaktiert sind. Der Knotenkreis ist mit 5 und die Richtung der radialen Vorpolarisierung mit den Pfeilen 6 bezeichnet.In Fig. 1 the plan view of a piezoelectric radial oscillator according to the invention is shown, in which on the upper side annular pads 1 a and 1 b are arranged coaxially and are only contacted by thin wires 4a, 4b. The nodal circle is denoted by 5 and the direction of the radial pre-polarization by the arrows 6.

In der Fig. 2 ist der Schnitt A-B des in Fig. 1 dargestellten Radialschwingers dargestellt. Aus diesem Schnitt ist ersichtlich, daß die auf der Oberseite des piezoelektrischen keramischen Körpers 3 aufgetragenen Belagsringe 1 a und 1 b durch die Kontaktdrähte 4a und 4b elektrisch gleichpolig verbunden sind. Auf der Unterseite ist ein gegenpoliger Belagsring 2 derartig aufgebracht, daß er, radial betrachtet, zwischen den Belagsringen der Oberseite 1 a und 1 b angeordnet ist. Auf diese Weise wird, wie in den Fig. 3 und 4 veranschaulicht, das durch die angelegte Wechselspannung hervorgerufene elektrische Wechselfeld aufgespalten. Nach Fig. 3 wird ein Teil des elektrischen Wechselfeldes 7 von dem Belagsring der Unterseite auf den äußeren Belagsring der Oberseite und ein anderer Teil auf den inneren B.elagsring der Oberseite gerichtet. Auf diese Weise stehen die radialen Komponenten dieses elektrischen Wechselfeldes im äußeren Teil des Ringes parallel zur Richtung des vorpolarisierten elektrischen Gleichfeldes 6 .und auf dem inneren Teil entgegengesetzt zu dieser Richtung.In Fig. 2, the section AB of the radial oscillator shown in Fig. 1 is shown. From this section it can be seen that the covering rings 1 a and 1 b applied to the top of the piezoelectric ceramic body 3 are electrically homopolar connected by the contact wires 4a and 4b. On the underside, a facing ring 2 of opposite polarity is applied in such a way that, viewed radially, it is arranged between the lining rings of the top side 1 a and 1 b. In this way, as illustrated in FIGS. 3 and 4, the alternating electrical field caused by the applied alternating voltage is split. According to Fig. 3, part of the alternating electric field 7 is directed from the lining ring on the underside to the outer lining ring on the top side and another part is directed to the inner lining ring B. In this way, the radial components of this alternating electric field are in the outer part of the ring parallel to the direction of the prepolarized direct electric field 6 and on the inner part opposite to this direction.

Fig.4 zeigt die entsprechende Ausbildung der elektrischen Wechselfelder 8 bei der nächsten Halbwelle der Wechselspannung. Diesmal sind die Radialkomponenten des elektrischen Wechselfeldes auf der inneren Seite des Ringes in gleicher Richtung und auf der äußeren Seite des Ringes in entgegengesetzter Richtung zum Gleichfeldvektor ausgeprägt.4 shows the corresponding design of the alternating electrical fields 8 at the next half cycle of the alternating voltage. This time the components are radial of the alternating electric field on the inner side of the ring in the same direction and on the outer side of the ring in the opposite direction to the constant field vector pronounced.

Auf diese Weise wird der Radialschwinger in der ersten Oberschwingung angeregt.In this way, the radial oscillator is in the first harmonic stimulated.

Durch weitere Aufteilung der Beläge können weitere Oberschwingungen angeregt werden. In Fig. 5 ist der Schnitt eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Radialschwingers dargestellt, der mit der Frequenz der zweiten Oberschwingung schwingt. Zu diesem Zweck sind die Beläge auf der Oberseite in drei Ringe l a, 1 b und 1 c aufgeteilt und miteinander durch elektrische Leitungsdrähte 4 kontaktiert, während auf der Unterseite, radial gesehen, zwischen den Belagsringen der Oberseite diesen gegenüber gegenpolige Belagsringe 2a und 2b aufgebracht sind. Auch hier bilden sich Aufspaltungen der elektrischen Wechselfelder aus, so daß in bestimmten Abschnitten des Kreisringes die radialen Komponenten des elektrischen Wechselfeldes entweder in gleicher oder in entgegengesetzter Richtung zum elektrischen Feld der Vorpolarisierung 6 verlaufen. Dabei sind die Vektoren des elektrischen Wechselfeldes der einen Halbwelle mit 7 und die der anderen Halbwelle mit 8 bezeichnet. Bei dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Radialschwingers treten zwei Knotenkreise 5a und Sb auf, so daß die zweite Oberschwingung angeregt wird. Die piezoelektrischen Längenänderungen haben also zwischen den Belägen verschiedenes Vorzeichen.By dividing the pads further, further harmonics can be excited. In Fig. 5 the section of a piezoelectric radial oscillator according to the invention is shown, which oscillates at the frequency of the second harmonic. For this purpose, the pads on the top are divided into three rings la, 1b and 1c and contacted with each other by electrical conductor wires 4 , while on the bottom, seen radially, between the pad rings on the top opposite these opposite polarity pads 2a and 2b are applied . Here, too, splits of the alternating electrical fields are formed, so that in certain sections of the circular ring the radial components of the alternating electrical field run either in the same direction or in the opposite direction to the electrical field of the pre-polarization 6. The vectors of the alternating electric field of one half-wave are denoted by 7 and those of the other half-wave are denoted by 8. In this embodiment of the radial oscillator according to the invention, two node circles 5a and Sb occur, so that the second harmonic is excited. The piezoelectric changes in length therefore have different signs between the linings.

Verwendet man beispielsweise einen Ring aus Bariumtitanat mit dem Außendurchmesser von d" = 12 mm und dem Verhältnis (ri, r" Innen- bzw. Außenradius), dann liegt der Knotenkreis bei der ersten Oberschwingung bei ungefähr rk = 0,7r" (rk Radius des Knotenkreises). Das Verhältnis ist bei dem oben angegebenen Verhältnis unabhängig von dem Werkstoff und vom Außenradius. Der Belag 2 nach den Fig. 2 bis 4 wird also diesen Durchmesser bedecken. Bei Ausbildung der zweiten Oberschwingung treten zwei Knotenkreise, nämlich bei ungefähr rx, = 0,5 r" und rxz = 0,8 r" auf, so daß die Beläge 2a und 2b nach Fig. 5 in diese Abmessungen fallen.If, for example, a ring made of barium titanate is used with the outer diameter of d ″ = 12 mm and the ratio (ri, r "inner or outer radius), then the nodal circle for the first harmonic is approximately rk = 0.7r" (rk radius of the nodal circle). The relationship is at the ratio given above regardless of the material and the outer radius. The covering 2 according to FIGS. 2 to 4 will therefore cover this diameter. When the second harmonic is formed, two nodal circles occur, namely at approximately rx = 0.5 r "and rxz = 0.8 r", so that the coatings 2a and 2b according to FIG. 5 fall within these dimensions.

Die Berechnung derartiger radialschwingender Gebilde kann beispielsweise an Hand des Aufsatzes über »Die Berechnung der Resonanzfrequenzen radial schwingender Kreisscheiben und Kreisringe« von E. Tränkle in »Frequenz«, Bd. 11 (1957), Heft 5, erfolgen. Dabei ergibt sich, daß der radiale Abstand der Belagsringe mit wachsendem Radius abnehmen muß.The calculation of such radially oscillating structures can, for example on the basis of the article on »The calculation of the resonance frequencies radially oscillating Circular disks and circular rings ”by E. Tränkle in“ Frequency ”, Vol. 11 (1957), issue 5. It follows that the radial distance between the lining rings with increasing Radius must decrease.

Durch weitere Anordnung zusätzlicher Belagsringe mit der entsprechenden Bemessung kann die dritte oder eine höhere Oberschwingung angeregt werden.By further arranging additional lining rings with the corresponding Dimensioning, the third or a higher harmonic can be excited.

Claims

PATENT CLAIM: Piezoelectric radial oscillator with excited harmonics from a circular disk or a circular ring of piezoelectric ceramic material, e.g. B. barium titanate, with radial pre-polarization and on top and bottom of the vibrating body located pads, characterized in that the pads are divided into 2h +1 (n = 1, 2 ... ) circular rings of different dimensions, each with the inner diameter of one The lining ring is larger than the outer diameter of the next smaller lining ring, so that the next larger lining ring is on another side of the vibrating body, so that the lining rings with increasing diameter are arranged alternately on both sides of the body and the lining rings on that side of the vibrating body on which the smaller one Number of lining rings is arranged, coincide with the position of the node rings, and that the lining rings of one and the opposite polarity of the other vibrating body side with each other z. B. are electrically contacted by thin wires.