DE1911743A1 - Electromechanical transducer - Google Patents
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Description
Dr- Ing. H ^ ^gsmfcrDr- Ing. H ^ ^ gsmfcr
D-! Ir- ii. iiD-! Ir- ii. ii
Ρ.μ . ir-· '.i< Ρ.μ. ir- · '.i <
Dr ar.3 oii Instruments, Inc. 8iv:üi:ü.-.·· · i,>»e·*-Dr ar.3 oii Instruments, Inc. 8i v : üi: ü .-. ·· · i,> »e · * -
IeI. 5J80586IeI. 5J80586
7ο Progress Drive7ο Progress Drive
■Stamford, Connect. Pci j) 02, U3A 25. Februar 11 j 9■ Stamfo rd, Conne ct. Pci j) 02, U3A 25 February 11 j 9
Ant-.'alt.sakte K-^rI, Ant-. 'Alt.sakte K- ^ rI,
EIe kkrOinechanis eher ScnwinrerEIe kkrOinechanis rather sniffers
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen als Kalbwellenre-3onatorausgebildeten Schwinger für Schallschwingungens insbesondere für Ultraschallschv;ingungen, bei dem ein piezoelektrisciies Element an einem ..assene lenient angekoppelt ist.The invention relates to an electromechanical transducer as Kalbwellenre-3onatorausgebildeten for sound vibrations s particular for Ultraschallschv; ingungen in which a piezoelektrisciies element is coupled to a ..assene lenient.
Elektromechanlsche Schwinger,die akustische Energie im Schalloder IJltraschallfrequenzbereich abgeben, sind bekannt, GewöhnlichElectromechanical oscillators, the acoustic energy in sound or Ultrasonic frequency range output are known, usually
wird eine Metallmasse verwendet, die mit einer Scheibe aus-piezoelektrischem Ilater.ial versehen ist, das bei Erregung mit hochfrequenter elektrischer Energie die Masse als Halbwellenresonator zu Resonanzschwingungen anregt. Ein Resonator dieser Art ist durch einen Schwingungsknoten und Stellen maximaler Schwingungsamplitude gekennzeichnet. An dem Schwingungsknoten ist die mechanische Auslenkung des Resonators in Längsrichtung Im wesentlichen gleich Null, und an den Stellen maximaler Schwingurigsamplitude ist die longitudinale Auslenkung am größten. Es ist bekannt, das piezoelektrische Material an dem.Schwingungsknotena metal mass is used which is provided with a disk made of piezoelectric material, which when excited with high frequency electrical energy stimulates the mass as a half-wave resonator to resonance oscillations. A resonator of this type is by a vibration node and points of maximum vibration amplitude marked. The mechanical deflection of the resonator in the longitudinal direction is essentially at the vibration node equal to zero, and the longitudinal deflection is greatest at the points of maximum oscillation amplitude. It is known, the piezoelectric material at dem.Schwingungsknoten
909850/0709909850/0709
SAD ORfGlNALSAD ORfGlNAL
--..LSLLl 74 3- .. LSLLl 74 3
oder in dessen I iahe anzubringen, da in diesem Bereich die Geschwindigkeit der longitudirialen-Auslenkung minimal ist. Um den Schwinger an dem Schwingungsknoten zu unterstützen und um das piezoelektrische i-'aterial immer unter Druck zu halten, vrir.l die piezoelektrische Scheibe im allgemeinen leicht von dem Schwingungsknoten abgerückt, bleibt jedoch in dem Bereich geringer . Geschwindigkeit.or in its I iahe to be attached, since in this area the speed the longitudinal deflection is minimal. To the To support vibrators at the vibration node and around the piezoelectric i-'material to keep always under pressure, vrir.l the Piezoelectric disc generally moved slightly away from the node, but remains less in the area. Speed.
Die maximale Schwingungsamplitude., die bei solch einem .Schwinger erzielt werden kann, ist im wesentlichen durch die maximale Spannungsbelastung begrenzt, der das piezoelektrische (keramische) Material unterworfen werden kann. Aus der. physikalischen Eigenschaften der Materialien, die gewöhnlich bei dem Aufbau von Schwingern verwendet werden, folgt, daß die zulässige Spannungs- ' belastung des keramischen Materials immer erheblich kleiner ist i als die größte zulässige Spannung in dem anliegenden Metall, beispielsweise Stahl, Aluminium und vor allem Titan. Daherkönnte ' die bei einem Halbwellenresonator der oben beschriebenen Art erzielbare Schwingungsamplitude wesentlich bei einem Schwinger vergrößert werden, der so aufgebaut ist, daß die maximal zulässige Spannung in dem Metall und nicht die in dem piezoelektrischen Material die die Betriebsweise begrenzende Größe wird.The maximum oscillation amplitude that can be achieved with such a can be achieved is essentially limited by the maximum voltage load that the piezoelectric (ceramic) Material can be subjected. From the. physical properties of materials commonly used in the construction of Vibrators are used, it follows that the permissible stress' load on the ceramic material is always considerably smaller i as the greatest allowable stress in the adjacent metal, for example steel, aluminum and especially titanium. Therefore could ' the oscillation amplitude that can be achieved in a half-wave resonator of the type described above is significantly increased in the case of an oscillator which is constructed so that the maximum allowable voltage is in the metal and not in the piezoelectric Material that will limit the operating mode.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Schwinger zu schaffen, der durch einen großen Wirkungsgrad und eine große Schwingungsamplitude ausgezeichnet ist, und bei dem die Ausnutzung des piezoelektrischen Materials verbessert wird. Der elektromechanisch Schwinger der oben beschriebenenThe invention is based on the object of creating an electromechanical oscillator which is highly efficient and a large vibration amplitude is excellent, and in which the efficiency of the piezoelectric material is improved will. The electromechanical transducer of the one described above
909850/0709- I909850 / 0709- I.
Art soll f'.challener.frie hoher Intensität abgeben.. i;enn er durch elektrische hochfrequenzenergie angeregt viird.Kind is supposed to give off high intensity f'.challener.frie .. if he is through electrical high frequency energy is excited.
Zur Lcsun;; dieser /*ufgabc ist ein elektromecLanlscher Schwinger gemäk der Erfindung dadurch gekennzeichnet, da£ die'Abmessungen des stabförminen iiasaenelements, des piezoelektrischen Clements und der Befestigungsmittel derart gewählt sind , daß der Longitudinal^ehwinger als Ealbwellenresonator arbeitet, und daß das piezoelektrische Element an einer Gegenüber dem Schwingungsknoten versetzten Stelle der Längsachse des Schwingers angeordnet ist, an der in dem piezoelektrischen Element die durch mechanische Spannungen erzeugte Verlustleistung gleich der durch elektrische Belastung bewirkten Verlustleistung ist, wenn der Schwinger mit großen Ausgangs-Scbvingungsamplitudcn betrieben v:ird.To Lcsun ;; this / * ufgabc is an electro-mechanical transducer according to the invention characterized in that the dimensions of the rod-shaped iiasaenelement, the piezoelectric clement and the fastening means are chosen such that the longitudinal ^ ehwinger works as a half-wave resonator, and that that piezoelectric element at a point opposite the vibration node is arranged offset point of the longitudinal axis of the transducer, at which in the piezoelectric element the power loss generated by mechanical stresses is equal to that by electrical The power loss caused by the load is when the oscillator is operated with a large output vibration amplitude.
Es hat sich gezeigt, daß ein Schwinger, der durch eine große Schviin^ungsamplitude ausgezeichnet und verbesserte Betriebseigenschaf tei. aufweist, erreicht werden kann, wenn das piezoelektrisehe i;iaturial zwischen dem Schwingungsknoten und den Stellen maxi- ^ maler Schwinruri;^amplitude in solch einer Lage angeordnet wird, ~ daß der Energieverlust des piezoelektrischen Materials, der sich aus den mechanischen Spannunp-en ergibt, im wesentlichen gleich dem von der elektrischen Beanspruchung herrührenden Energieverlust ist wenn der Schwinger bei großen Schwingungamplituden arbeitet. Es hat sich gezeigt, daß die Stelle, an der erfineungsgemäß das piezoelektrische Material eines elektromechanischen Halbwellenresonators angeordnet viird, eine optimale Größe darstellt -t um Im Betrieb des Resonators einen hohen Wirkungsgrad zu "erreichen, ; Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der beilie- ■It has been shown that an oscillator, which is distinguished by a large oscillation amplitude and has improved operating properties. can be achieved if the piezoelectric i ; iaturial between the oscillation node and the points of maximum oscillation amplitude is arranged in such a position that the energy loss of the piezoelectric material resulting from the mechanical stresses is essentially equal to the energy loss resulting from the electrical stress is when the oscillator works with large oscillation amplitudes. It has been found that the location viird disposed on the erfineungsgemäß the piezoelectric material of an electromechanical Halbwellenresonators, represents an optimum size - t to achieve high efficiency to "In operation of the resonator; embodiments of the invention will be with reference to the beilie- ■
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J 19117-Λ3J 19117-Λ3
genden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:described in the drawings. Show it:
Fign. IA bis IP eine schematische Darstellung eines üblichen Halbwellen-Schallschwinger-s und graphische Darstellungen, die sich auf denselben beziehen; ! Figs. IA to IP a schematic representation of a conventional half-wave sound oscillator and graphic representations relating to the same; !
Fig. 2 eine graphische Darstellung der inneren Verlustleistung j eines Halbwellenschwingers als Funktion der Amplitude der mechanischen Ausgangsleistung und als Funktion der Lage des piezoelektrischen Elementes-} das die zugeführte elektrische Energie in mechanische Bewegung umsetzt;2 shows a graphical representation of the internal power loss j of a half-wave oscillator as a function of the amplitude of the mechanical output power and as a function of the position of the piezoelectric element - } which converts the supplied electrical energy into mechanical movement;
Fig. 3 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Schwingers;3 shows an illustration of an oscillator according to the invention;
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich Fig. 3 einer abgewandelten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingers.FIG. 4 shows a representation similar to FIG. 3 of a modified one Embodiment of the oscillator according to the invention.
In Fig. IA ist ein zusammengesetzter piezoelektrischer Schwinger gezeigt3 der ein piezoelektrisches Element 12 aufweist, das zwischen zwei λ. /4-Massen 14 und 16. angeordnet ist, so daß sich die bekannte aus Schichten zusammengesetzte Vorrichtung ergibt. Die Kopplung zwischen den Massen 14 und 16 und dem Element 12 kann durch eine Epoxyverbindung erfolgen. Ferner ist die Verwendung eines mittleren Bolzens zum Zusammendrücken der Vorrichtung bekannt. Die hintere Masse l4 und die vordere Masse 16 haben die gleichen Abmessungen und bestehen aus demselben Werkstoff, beispielsweise Stahl, AlumMum oder Titan, und bilden zusammen mit dem piezoelektrischen scheibenförmigen Element einen Halbwellenresonator. Zur Erläuterung der Darstellungen in den Fign. IB bis IF ist das piezoelektrische Element 12 an einem SchwingungsknotenIn Fig. 1A, a composite piezoelectric oscillator is shown 3 which has a piezoelectric element 12 , which is between two λ. / 4 masses 14 and 16. is arranged, so that the known device composed of layers results. The coupling between the masses 14 and 16 and the element 12 can be effected by means of an epoxy compound. It is also known to use a central bolt to compress the device. The rear mass l4 and the front mass 16 have the same dimensions and consist of the same material, for example steel , aluminum or titanium, and together with the piezoelectric disk-shaped element form a half-wave resonator. To explain the representations in FIGS. IB to IF is the piezoelectric element 12 at a vibration node
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des Resonators zentriert. Diese bekannte Ausführungsform eines piezoelektrischen Schwingers wirkt als Halbwellenresonator.of the resonator centered. This known embodiment of a piezoelectric oscillator acts as a half-wave resonator.
•Der grundlegende Mangel des in Pig. IA gezeigten Schwingers beruht darauf, daß das piezoelektrische (keramische) Material, das die kleinste mechanische Spannungsbelastbarkeit und die größte mechanische Verlustlei&ung pro Einheit der mechanischen SOannung aufweist, an oder in der Nähe von dem Schwingungsknoten angeordnet ist, wo die mechanische Kraft am größten ist. Daher ist die maximale Schwingungsamplitude solch eines Schwingers durch die mechanische Überbeanspruchung und die daraus folgende mechanische Verlustleistung begrenzt, die das piezoelektrische Material aushält.• The basic flaw in Pig. IA shown oscillator is based that the piezoelectric (ceramic) material that the smallest mechanical stress resistance and the greatest mechanical loss per unit of mechanical stress has, is arranged at or in the vicinity of the node where the mechanical force is greatest. Hence the maximum vibration amplitude of such a vibrator due to mechanical overstress and the resulting mechanical Power loss is limited by the piezoelectric material endures.
Der übliche, in der Mitte angeordnete Bolzen (nicht gezeigt), der dazu dient, die Vorrichtung unter Druck zusammenzuhalten, und der wegen seines verhältnismäßig kleinen Querschnittes unter hoher Spannung steht, liegt ebenfalls in dem Bereich der größten Kraft und stellt daher eine Begrenzung der von dem Schwinger maximal abgegebenen Amplitude dar.The usual center bolt (not shown), the serves to hold the device together under pressure, and which because of its relatively small cross-section below high voltage is also in the region of the greatest force and is therefore a limitation of the vibrator represents the maximum output amplitude.
Offenbar ist daher die Schwingungsamplitude des Schwingers durch die zulässigen mechanischen Kräfte auf die Bauteile in dem Bereich des Schwingungsknotens begrenzt. Die mechanische Spannung und der Leistungsverlust, der sich aus diesen Spannungen ergibt, hängt von der Sehwingungsamplitude ab und wird Jedoch nicht erheblich durch die äußere mechanische Belastung des Schwingers beeinflußt-, solange die Amplitude des Schwingers unverändert bleibt. Zxiisohen der mechanischen Amplitude des Schwingers undApparently, therefore, the oscillation amplitude of the oscillator is through the permissible mechanical forces on the components in the area of the node of oscillation. The mechanical stress and the power loss resulting from these stresses, depends on the visual oscillation amplitude and is not however significant influenced by the external mechanical load on the transducer, as long as the amplitude of the transducer remains unchanged remain. Zxiisohen the mechanical amplitude of the oscillator and
909 850/Ö7GS909 850 / Ö7GS
BAD ORiGfNA?.,BAD ORiGfNA?.,
1 9117 4 -1 9117 4 -
der reellen, in Bewegungsenergie umsetzbaren Komponente des: dem piezoelektrischen Element zugeführten elektrischen Stromes besteht eine direkte Beziehung.the real, convertible into kinetic energy of the component: the piezoelectric element supplied electric current is a direct relationship.
Die Eingangsleistung des Schwingers ist das Produkt aus der an dem piezoelektrischen Element anliegenden Spannung und dem Wirkwert des Stromes, der durch das piezoelektrische Element fließt» Daher ist bei unbelastetem Schwinger, wenn die Eingangsleistung nur zum Ausgleichen der inneren Verlustleistung des Schwingers ausreichen muß/die Spannung; an dem piezoelektrischen Element verhältnismäßig klein. Wenn die äußere Belastung des Schwingers steigt, während eine konstante Schwingungsamplitude beibehalten wird, steigt auch die elektrische Spannung an dem piezoelektri-"" sehen Element und eine andere Komponente des inneren Energieverlustes in dem Schwingers nämlich die von der Last abhängige , durch die elektrische Beanspruchung" des piezoelektrischen Materials bedingte Verlustleistung, wird bedeutsam. ,The input power of the transducer is the product of the voltage applied to the piezoelectric element and the effective value of the current flowing through the piezoelectric element ; relatively small on the piezoelectric element. If the external load of the vibrator increases, while maintaining a constant amplitude of vibration is maintained, and the electrical voltage at the piezoelectric "" see element and another component of the internal energy loss in the vibrator s that is dependent on the load by the electrical stress "The power loss caused by the piezoelectric material becomes significant.,
Wenn nun der in Pig. IA gezeigte Schwinger mit einer bestimmten Schwingungsamplitude bei seiner Resonanzfrequenz schwingt und von außen belastet ist s so daß die benötigte Eingangs leistung ai dem piezoelektrischen Element einen bestimmten wert hat dann die Geschwindigkeit., die mecha.nischen und dieNow if the one in Pig. IA swinging oscillator shown with a particular amplitude of oscillation at its resonant frequency and loaded from the outside s is such that the input power required ai the piezoelectric element has a certain value then the velocity., The mecha.nischen and
BeanspruchungenStresses
in dem piezoelektrischen Element und diein the piezoelectric element and the
den Energieverluste j die sieh aus diesen der Lage dss piezoelektrischen Elementes zwis-efrea dem -Sr.-hwingungsknoten und den Stellen des S'ehwingers $ i Amplitude schwingen,, betr,acfrtet werden, 'keimen diethe energy losses j which can be seen from the position of the piezoelectric element between the -Sr.-hwingungsknoten and the places of the S'ehwingers $ i amplitude, are affected, 'germinate
9098 50/(^7099098 50 / (^ 709
BAD ORIGINALBATH ORIGINAL
Kurven abgeleitet werden:Curves can be derived:
Fig. IB zeigt eine Kurve, bei der die Geschwindigkeit (m/sec) t
gegen die Lagekoordinate (angegeben in auf die Wellenlänge Λ. ,!
bezogenen Winkeleinheiten) des Halbweilen-Resonators aufgetragen :
ist. Die Geschwindigkeit ist Null bei dem Schwingungsknoten, und'
nimmt einen maximalen Wert an den Stellen maximaler Schwingungs- =
amplitude, d.h. an den Enden des Schwingers, an. Die mechanischeFig. IB shows a curve in which the speed (m / sec) t is plotted against the position coordinate (given in angular units related to the wavelength Λ.,!) Of the half-wave resonator. The velocity is zero at the node, and '
assumes a maximum value at the points of maximum oscillation amplitude, ie at the ends of the oscillator. The mechanical
2 '2 '
Spannung (Newton/m ) in dem piezoelektrischen Element 12 ist ;
direkt mit der Kraft verknüpft und kann durch die in Pip. IC ;
gezeigte Kurve dargestellt werden, bei der die mechanische Spannung
gegen die Lagekoordinate aufgetragen ist. Die Verlustlei- :
stung (Watt/m"*), die durch die mechanischen Spannungen verursacht ί
wird, ändert sich in erster Näherung mit dem Quadrat der Spannung.;
Die entsprechende Kurve ist in Fig. II dargestellt, wobei die |
Verlustleistung an dem piezoelektrischen Element auf Grund der j mechanischer. Spannungen gegen die Lagekoordinate aufgetragen ist, \
Die elektrische Beanspruchung (Volt/m) ist umgekehrt proportional ;
EU der Kraft. Diese-r Zusammenhang ist in der in Pig. ID gezeigten
Kurve dargestellt, bei der die elektrische Spannung an dem piezoelektrischen Element gegen die Lagekoordinate aufgetragen ist. >
Der Leistunp.sverlust, der sich aus der elektrischen Belastung er- ,
gibt, ist in erster Iläherung proportional zu dem Quadrat der
elektrischen Beanspruchung, wie in Fig. IP zu sehen ist, wobei
die Verlustleistung an dem piezoelektrischen Illement auf Grund
der elektrischen Beanspruchung gegen die Lagekoordinate aufgetragen
ist.Voltage (Newtons / m) in the piezoelectric element 12; directly linked to the force and can be accessed through the in Pip. IC ; The curve shown, in which the mechanical stress is plotted against the position coordinate. The power loss (watt / m "*), which is caused by the mechanical stresses ί, changes in a first approximation with the square of the voltage .; The corresponding curve is shown in Fig. II, with the | power loss at the The piezoelectric element is plotted against the position coordinate on the basis of the mechanical stresses, \ The electrical stress (volts / m) is inversely proportional; EU of the force. This relationship is in the one shown in Pig. ID
Curve shown in which the electrical voltage on the piezoelectric element is plotted against the position coordinate. The power loss resulting from the electrical load is initially proportional to the square of the
electrical stress, as can be seen in Fig. IP, where
the power loss on the piezoelectric Illement due to
the electrical stress is plotted against the position coordinate.
Die Zaalenwerte der beiden Komponenten der an derä -piezoelcktri-The zaalen values of the two components of the at derä -piezoelcktri-
"7^ ■" ™'9 0"9 8'SO/07 0 9" 7 ^ ■" ™ '9 0 "9 8'SO / 07 0 9
8AD ORIGINAV8AD ORIGINAV
sehen Element auftretenden Verlustleistung hängen von der mechanischen Schwingungsamplitude des Schwingers, von dem jeweiligen Haß der Belastung und von den Abmessungen des piezoelektrischen Elementes ab. Pur einen bestimmten, bei seiner maximal zulässigen Amplitude betriebenen Schwinger (Pig. IA) ist das Verhältnis je-' doch bezeichnenderweise soa wie es in den Pign. IE und IP dargestellt ist, die zeigen, daß die auf das piezoelektrische Element wirkende" mechanische Spannung viel größer als die elektri-See element occurring power loss depend on the mechanical oscillation amplitude of the oscillator, on the respective hatred of the load and on the dimensions of the piezoelectric element. Pur a certain operating at its maximum permissible amplitude oscillator (Pig. IA) the ratio is JE 'but, significantly, so as a. In the Pign IE and IP is shown, which show that the "mechanical stress acting on the piezoelectric element is much greater than the electrical
Beanspruchurif
sehe ist. wenn das piezoelektrische Element an einemClaim requirement
see is. when the piezoelectric element is attached to a
Schwingungsknoten angeordnet ist.Vibration node is arranged.
Eii Betrieb mit viel größerem V/irkungsgrad bei großen Schwingungsamplituden kann dann erreicht werden, wenn das piezoelektrische Element 12 von dem Schwingungsknoten abgerückt wird. Umgekehrt kann eine noch größere Schwingungsamplitude bei dem gleichen zulässigen Gesamtenergieverbrauch erreicht werden. Dies wird an Hand von Fig. 2 deutlich, die die innere Verlustleistung des piezoelektrischen Elementes (die sich aus der elektrischen und der mechanischen Wärmeverlustleistung zusammensetzt) des belasteten elektroakustischen Schwingers als Funktion der mechanischen Ausgangsamplitude gezeigt 1st. Die Abszisse und die Ordinate sind in willkürliche Einheiten unterteilt, geben jedoch einen überblick über die Größenverhältnisse, ■Operation with a much greater degree of efficiency at large oscillation amplitudes can then be achieved if the piezoelectric Element 12 is withdrawn from the node of vibration. Conversely, an even larger oscillation amplitude can be permitted with the same Total energy consumption can be achieved. This is clear from FIG. 2, which shows the internal power loss of the piezoelectric element (which is composed of the electrical and mechanical heat dissipation) of the loaded electroacoustic oscillator as a function of the mechanical output amplitude is shown 1st. The abscissa and the ordinate are divided into arbitrary units, but give an overview about the proportions, ■
Die Kurve 15 zeigt die innere Verlustleistung des piezoelektrischen Elementes als Funktion der mechanischen Ausgangsamplitude, wenn das piezoelektrische Element an einem Schwingungsknoten angeordnet ist (Fig. 1). Wie aus Fig. 2 zu entnehmen ist, fälltThe curve 15 shows the internal power loss of the piezoelectric Element as a function of the mechanical output amplitude when the piezoelectric element is at a vibration node is arranged (Fig. 1). As can be seen from Fig. 2, falls
909850/0709909850/0709
19117A319117A3
die innere Verlustleistung bis auf ein Minimum ab, bei dem die Schwingungsamplitude den Wert "1" hat., und steigt dann beim Fortschreiten zu größeren mechanischen Schwingungsamplituden des Schwingers steil an. Wie oben erwähnt wurde, begrenzt der steile Anstieg in der Verlustleistung an dem piezoelektrischen Element die Schwingungsamplitude, die mit dem Schwinger erzielt werden kann. Die Kurve 16 zeigt das.Verhalten einer verbesserten Ausführungsform;, bei der das piezoelektrische Element an eine Stelle zwischen dem Schwingungsknoten und dem Schwingungsbauch gerückt ist (Fig. 1). Insbesondere ist das piezoelektrische Element an der Stelle angeordnet, wo die Verlustleistung auf Grund mechanischer Spannungen im wesentliehen gleich der Verlust-the internal power loss down to a minimum, at which the Vibration amplitude has the value "1", and then increases as the mechanical vibration amplitudes progress of the transducer steeply. As mentioned above, the steep increase in power dissipation at the piezoelectric is limited Element is the oscillation amplitude that can be achieved with the transducer. The curve 16 shows the behavior of an improved Embodiment; in which the piezoelectric element to a Place between the vibration node and the vibration antinode is moved (Fig. 1). In particular, the piezoelectric element arranged at the point where the power loss is due mechanical stress is essentially equal to the loss
_ , Beanspruchungen_, Strains
leistung elektrischer , ist. Diese Stelle ist in der Nähe von 30° von dem linken Ende (Fig. 1) des Schwingers. Der minimale Wert der inneren Verlustleistung tritt bei einer Amplitude mit dem Wert "2r? auf. Dies zeigt, daß die Ausgangsamplitude des Schwingers um einen Faktor 2 bei der gleichen inneren Verlustleistung verbessert ist. Die Kurve 17 zeigt das Verhalten einer noch weiter verbesserten Ausführungsform, wobei das die Ausgangsleistung abgebende Ende des Schwingers (der vordere,power electrical is. This location is near 30 ° from the left end (Fig. 1) of the transducer. The minimum value of the internal power loss occurs at an amplitude with the value "2 r ?". This shows that the output amplitude of the oscillator is improved by a factor of 2 with the same internal power loss. Curve 17 shows the behavior of an even further improved embodiment , whereby the end of the transducer delivering the output power (the front,
A /^-Abschnitt in Fig. 3) im Querschnitt, beispielsweise um einen Faktor 2, reduziert ist (Fig. 3). Dadurch wird eine mechanische Verstärkung der Bewegung erzielt, während das piezoelektrische Element in der Gegend von 30° gehalten wird. Das Minimum der Verlustleistung liegt bei diesem Ausführungsbeispiel bei einer mechanischen Amplitude mit dem Wert "k". Wenn der ursprüngliche, in Fig. 1 gezeigte Schwinger bei dieser Schwingungsamplitude betrieben würdq würde, wie sich aus der Kurve 15A / ^ - section in Fig. 3) is reduced in cross section, for example by a factor of 2 (Fig. 3). This achieves a mechanical amplification of the movement while the piezoelectric element is kept in the region of 30 °. In this exemplary embodiment, the minimum of the power loss is at a mechanical amplitude with the value “k”. If the original oscillator shown in FIG. 1 were operated at this oscillation amplitude, as can be seen from curve 15
.qt, "- 9098|0/0 7O9 .qt, "- 9 098 | 0/0 7O9
ORTGfNAtORTGfNAt
ergibt 3 die Verlustleistun,;'; des keramisch en Materials etwa um *gives 3 the power loss ,; '; of the ceramic material by about *
einen Faktor 0 ansteigen. Daraus ergibt sich, daß die verbesserte; Ausführungsfbrm einen Schwinger schafft, der bei einer großen Schwingungsampltide betrieben werden kann., während er eine vergleichsweise kleine Verlustleistung auf Vielst und daher mit sehr . * großen Wirkungsgrad arbeitet. Die neuartige Ausführung&form des Schwingersj dessen Verhalten nach Kurve 17 in-Pip. 2 berechnet ist j ist in Fig. 3 gezeigt. Das piezoelektrische Element 12 ist an einer Stelle angeordnet. v;o die Verlustleistung die durch Mechanische,- an dae -piezoelektrische E.leir.cnt angelegte Spannungen erzeugt v.irdj Iu ho^enllichcu gleich der Verlustleistung ist, diu jich auj α er elektrischen xjeanöpruciuuv. ergibt, wobei der Schwinger bei einer großen Πchwinguncsamplitude betrieben wird. Diese Gtelle lio[jt unf;ef:-hr bei 30°. Die :juer3chnittsflache des vorderen oder Ausgangs-Abschnittes 20 des Resonators . r.:urde reduziert, um die Kraft an uen. Sc?r-,ringung3kncten bei einer gegebenen Ausgangsairiplitude zu verkleinern. Ivenn die Einrichtung.' mit dea piezoelektrischen Element von dem Schwin^ungsknöten abegrückt wird, kann die Verr.inderunf; der Querschnittsfläche genau an dem ' Schwingungsknoten 21 vorgenommen werden 3 wobei die Wirkung auf die Ausgangsamplitude j die an 4er Stirnfläche 23 erscheintI3 danii besonders groß ist. Zusätzlich ergibt sich bei ijieser Ausfiih"-*:' rungsform die iiöglichkeit, den Querschnitt des vorderen Ahsehnitt;" als dem Schwingungsknoten so zu gestalten, wie 'es. diirah eile gewünschte Anwendung riotv/endig ist. ' _'"■ "■■'*? ' '":y increase by a factor of 0. It follows that the improved; Ausführungsfbrm a vibrator creates, which can be operated at a large Schwingungsampltide., While a comparatively small power dissipation Vielst and therefore with very. * works great efficiency. The new design & shape of the oscillator j its behavior according to curve 17 in-pip. 2 j is shown in FIG. The piezoelectric element 12 is arranged in one place. v; o the power loss is generated by the mechanical, - to the piezoelectric electrical power supply, v.irdj Iu ho ^ enllichcu equal to the power loss, diu jich also α er electrical xjeanöpruciuuv. results, with the oscillator being operated at a large oscillation amplitude. This gtelle lio [jt unf; ef: -hr at 30 °. The: cross-sectional area of the front or exit section 20 of the resonator. r .: was reduced in order to apply the force. Sc? R to reduce r ingung3kncten at a given Ausgangsairiplitude. Ivenn the establishment. ' is moved away from the node with the piezoelectric element, the locking can be reduced; of the cross-sectional area can be carried out exactly at the oscillation node 21 3 whereby the effect on the output amplitude j which appears at the 4 end face 23 I 3 is particularly great. In addition, with this design there is the possibility of changing the cross-section of the front section; " than to shape the node of vibration as' it. diirah rush desired application is riotv / endig. '_'"■" ■■ '*? ''" : y
Der hintere Abschnitt 22 des■■ Schwingers hat einen■ grüßei»;eri Uur'cii-?.-messer als das piezoelektrische Element, um eine Auatiftiaung eier. The rear section 22 of the ■■ transducer has a ■ greetings » ; eri Uur'cii -? .- knife as the piezoelectric element to make an egg.
9Q&85O/Q7ÖS9Q & 85O / Q7ÖS
mechanischen Impedanz zwischen den: I* et all und dem piezoelektrischen Lleiaent, gewöhnlich aus Bleizirkonat-Titanat, zu bewirken. Das piezoelektrische Element hat in den meisten Fällen eine größere Dichte als die metallische Abschnitte 22 und 20. die gewöhnlich aus Stahl,"Aluminium oder Titan bestehen.mechanical impedance between the I * et all and the piezoelectric Lleiaent, usually of lead zirconate titanate to effect. In most cases, the piezoelectric element has a greater density than the metallic sections 22 and 20, which are usually made of steel, aluminum or titanium.
Das piezoelektrische Element- 12 trägt auf seiner Rückseite eine dünne metallische ringförmige Elektroüenscheibe 2k und einen Isolatorblock 26,- beispielsweise aus Berylliumoxyd. Die Vorrichtung wird durch einen in der Mitte angeordneten Bolzen 28 unter " Druck gehalten, der in den Abschnitt 22 des Schwingers eingeschraubt ist. über die Zuführungsleiter 30 und 32 wird den planen Oberflächen des scheibenförmigen piezoelektrischen Elements 12 elektrische Energie zugeführt. ■The piezoelectric element 12 carries on its back a thin metallic ring-shaped Elektroüenscheibe 2k and an insulator block 26, - for example made of beryllium oxide. The device is held under pressure by a centrally located bolt 28 which is screwed into the section 22 of the transducer. Electrical energy is supplied to the flat surfaces of the disk-shaped piezoelectric element 12 via the supply conductors 30 and 32
Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausfuhrungsform des in Fig. 3 gezeigten Schwingers. Um die Verwendung eines elektrischen Isolators zu vermeiden, werden zwei piezoelektrische Scheiben 12A und 12B verwendet, wobei eine mittlere metallische Elektrodenscheibe 24 dazwischengelegt ist. Das hintere Stück 27 kann aus elektrisch leitendem Material (Metall) bestehen und liegt auf demselben ; elektrischen Potential wie der vordere Abschnitt des Schwingers.FIG. 4 shows a modified embodiment of that shown in FIG. 3 Schwingers. To avoid the use of an electrical insulator, two piezoelectric disks 12A and 12A are used 12B is used, with a central metal electrode disk 24 is interposed. The rear piece 27 can be made of electrical conductive material (metal) and rests on the same; electrical potential like the front section of the transducer.
Ein typisches Ausführ^ngsbeispiel eines Schwingers der in Fig. 4 gezeigten Art, der für eine Frequenz von 20 KHz bemessen ist, xveist eine innere Verlustleistung von ungefähr 6 Watt auf und kann mit Leistungen über 200 Watt belastet werden, so daß sich eine Schwingungsamplitude von 0,015 mm und ein elektro-A typical embodiment of an oscillator of the type shown in FIG type shown, which is dimensioned for a frequency of 20 KHz, x has an internal power dissipation of approximately 6 watts and can be loaded with powers over 200 watts, so that a vibration amplitude of 0.015 mm and an electrical
_ 909850/0709_ 909850/0709
AftAft
akustischer Wirkungsgrad von 97?! ergibt. Der. verwendete metallische Werkstoff ist Aluminium, wobei der hintere Abschnitt 22 einen Durchmesser von 55. mm und eine Länge von 38 mm und der vordere Abschnitt 20 einen Durchmesser von 28 mm und eine Länge von 64 mm aufweist. Ein ähnlicher Schwinger aus Titan gab eine Ausgangsamplitude von 0,063 mm ab, wenn er bei einer inneren Verlustleistung von 30 Watt betrieben wurde. Der Schwinger kann mit einer Belastung von mehr als 700 Watt betrieben werden, wobei der Wirkungsgrad über 95Si liegt.acoustic efficiency of 97 ?! results. Of the. used metallic The material is aluminum, with the rear section 22 has a diameter of 55 mm and a length of 38 mm; and the front section 20 has a diameter of 28 mm and a length of 64 mm. A similar titanium transducer gave an output amplitude of 0.063 mm when used with an internal Power dissipation of 30 watts was operated. The Schwinger can be operated with a load of more than 700 watts, with the efficiency being over 95Si.
Es zeigt sich somit, daß der oben beschriebene Schwinger durch einen hohen Wirkungsgrad ausgezeichnet ist und einen erheblichen Fortsehritt gegenüber bekannten Schwingern erbringt.'Bei dem erfindungsgemäßen Schwinger bilden die Verluste in dem piezoelektrischen Element nicht mehr den begrenzenden Paktor beim Erzeugen-großer Schwingungsamplituden. Die Betriebsweise des Schwingers wird nur noch durch die Eigenschaften des Metalls begrenzt, das eine größere Spannungsbelastbarkeit aufweist. Es hat sich gezeigt, daß in Schwingern der in den Fign. 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen ein durch übermäßige Spannungen und Γ Ermüdung bewirkter Bruch des Metalls und nicht, wie es früher der Fall war, die Spannungen in dem keramischen Material die Leistungsfähigkeit des Schwingers begrenzt.It can thus be seen that the oscillator described above by a high degree of efficiency is excellent and brings about a considerable progress compared to known Schwingern.'Bei dem According to the invention, the oscillators no longer form the limiting factor in the losses in the piezoelectric element Generate-large vibration amplitudes. How the The oscillator is only limited by the properties of the metal, which has a higher voltage resistance. It has it has been shown that in Schwingern the one shown in FIGS. 3 and 4 shown Embodiments a by excessive tension and Γ Fatigue causes breakage of the metal and not how it used to be was the case, the stresses in the ceramic material limited the performance of the transducer.
Y :C:Ä|V> Y: C: Ä | V>
Claims (7)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US72790568A | 1968-05-09 | 1968-05-09 | |
| US72790568 | 1968-05-09 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1911743A1 true DE1911743A1 (en) | 1969-12-11 |
| DE1911743B2 DE1911743B2 (en) | 1972-07-06 |
| DE1911743C3 DE1911743C3 (en) | 1976-09-02 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3027533A1 (en) * | 1980-07-21 | 1982-02-11 | Telsonic Aktiengesellschaft für elektronische Entwicklung und Fabrikation, Bronschhofen | METHOD AND DEVICE FOR GENERATING AND RADIATING ULTRASOUND ENERGY |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3027533A1 (en) * | 1980-07-21 | 1982-02-11 | Telsonic Aktiengesellschaft für elektronische Entwicklung und Fabrikation, Bronschhofen | METHOD AND DEVICE FOR GENERATING AND RADIATING ULTRASOUND ENERGY |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US3524085A (en) | 1970-08-11 |
| DE1911743B2 (en) | 1972-07-06 |
| JPS4930744B1 (en) | 1974-08-15 |
| GB1258105A (en) | 1971-12-22 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |