DE2032433A1 - Piezoelektrisches Schwing- und Antriebssystem - Google Patents

Piezoelektrisches Schwing- und Antriebssystem

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Description

  • Piezoelektrisches Schwing- und Antriebssystem Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Schwing- und Antriebs system mit Amplitudentransformation für Ultraschallanwendung.
  • Zur Erzeugung möglichst großer Ultraschallamplituden werden in der Technik im allgemeinen magnetostriktiv angetriebene Longitudinalschwinger verwendet, die in der Form so ausgebildet sind, daß sich eine Amplitudentransformation ergibt, d.h. die relativ geringe Schwingungsamplitude des magnetostriktiven Wandlers wird durch ein geeignetes mechanisches Schwingssystem vergröBert.
  • Will man einen solchen Ultraschallschwinger durch ein piezoelektrisches Keramiksystem antreiben, so ergeben sich folgende Schwierigkeiten. Ersetzt man das magnetostriktive Schwingsystem durch ein piezoelektrisches, so wird wegen der besonders für große Amplituden geringen mechanischen Schwinggüte des Keramikmaterials die Gesamtschwinggüte des Systems gering.
  • Außerdem erfordert eine solche Anordnung wegen der notwendigen erheblichen Dicke des Piezoelementes eine sehr große elektrische Betriebsspannung.
  • Mit Hilfe eines dünneren Antriebselementes kann der Nachteil der hohen Betriebsspannung vermieden werden. Um große elektromechanische Kopplung zu erreichen, muß dann jedoch der keramische Wandler an einer Stelle großer mechanischer Spannung angebracht werden, so daß die Verminderung der Schwinggüte bestehen bleibt. Hinzu kommt noch der Nachteil, daß auch die Befestigungsstel7e in einem Gebiet großer mechanischer Spannung liegt und daher extrem beansprucht wird. Eine Befestigung des Wandlers auf dem mechanischen Transformationsystem durch Kleben ist daher praktisch unmöglich, da die meisten Kleber die dabei auftretenden Zugkräfte nicht aushalten.
  • Es ist auch schon bekannt, piezoelektrische Wandler auf das mechanische System aufzuschrauben. Auch diese Ausführungsform weist erhebliche Nachteile auf.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Schwing- und Antriebasystem anzugeben, das bei kleiner Leistungsaufnahme eine relativ große Schwingungsamplitude aufweist und dabei die Nachteile der bekannten Ausführungen vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß aufWeiner ersten Platte aus ochwingungsfähigem Material ein Biegeschwinger aus piezoelektrischer Keramik befestigt ist und daß huber einen Steg die erste Platte mit einer zweiten, dünneren Platte gekoppelt ist, deren Durchmesser so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenzen der beiden Platten Ubereinstirninen.
  • Damit ergeben sich die Vorteile, daß der piesoelektrische Wandler in einem Arbeitsbereich mit kleinen Auslenkungen und damit hoher mechanischer Güte betrieben wird9 daß eine geringe Arbeitsepannung zur Anregung des Wandlers ausreicht, daß eine hohe elektromechanische Kopplung erreicht wird und daß a4r. der Verbindungsstelle zwischen Wandler und mechanischen System nur Scherspannungen auftreten. Außerdem bedämpft die Keramik einen Blegeschwinger weniger als dies bel gleichem Kopplungsfaktor bei Longitudinalschwingern der Fall ist.
  • Vorzugsweise sind die erste Platte, auf der der piezoelektrisehe Wandler befestigt ist, der Kopplungssteg und die zweite Schwingplatte einstückig ausgebildet und bestehen aus Metall.
  • Durch die Verwendung von Metall wird die Zuführung der elektrischen Energie zu dem Wandlersystem erleichtert, da die Befestigungsplatte gleichzeitig als großflächige Stromzuführung dient.
  • Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Schwing- und Antriebssystem als Zerstäuber zur Zerstäubung von Flüssigkeiten dienen.
  • Bringt man auf die zweite kleinere Platte eine Flüssigkeit, so wird diese bei ausreichender Schwingungsamplitude zerstäubt.
  • Da die Amplitude am Rande der "latte maximal ist, wird ein Ablaufen der Flüssigkeit weitgehend verhindert.
  • Hierzu werden vorteilhaft die erste Platte, auf der der piezoelektrische Wandler befestigt ist und der Xopplun4ssteg zusawengefaßt una als Kegel¢tumpS ausgebildet. Diese Ausführungsform ist für eine technische Anwendung durch ihre robuste Bauart besonders geeignet.
  • Das erfindungagemäße Schwing- und Antriebssystem kann vorteilhaft auch zum Bau eines elektrischen Spannungewandler verwendet werden. Ein solcher Spannungswandler iet dadurch gekennzeichnet, daß auf der zweiten Platte ein weiterer Schwinger aus piezoelektrischer Keramik befestigt ist, daß die zweite Platte und das zweite Keramikelement rechteckig ausgebildet und in ihrer Resonanzfrequenz so abgestimmt sind, daß Biegungen nur in einer Kantenrichtung auftreten, und daß Polarisations- und Elektrodenanordnung so gewählt sind, daß von der zweiten Keramikplatte eine Ausgangaspannung abgenommen werden kann.
  • Vorzugsweise ist die zweite Keramikplatte, in der die Ausgangsspannung erzeugt wird, in Biegerichtung polarisiert und auf der der Befestigungsplatte gegenüberliegenden Oberfläche sind zwei streifenförmige Metallelektroden zur Abnahme der Ausgangsspannung angebracht. Hierdurch läßt sich eine Ausgangsspannung entnehmen, die ein Vielfaches der Ausgangsspannung beträgt.
  • Da der piezoelektrische Wandler als Biegeschwinger betrieben wird, können die Keramikplättchen vorteilhaft an das mechanische Schwingsystem angeklebt werden. An der Klebe stelle wirken nur Scherspannungen, die von den meisten Klebstofien besser ertragen werden als eine Zugspannung. Außerdem ist der das System anregende Schwinger in Dickenrichtung polarisiert, da sich so leicht die elektrische Energie zuführen läßt und eine hohe Kopplung erreicht werden kann.
  • An Hand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert werden.
  • Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße piezoelektrische Schwing-und Antriebasystem in Seitenansicht.
  • Eine in Dickenrichtung polarisierte piezoelektrische Keramikscheibe 1 ist auf eine Platte 2 aus sohwlngungsfähigem Material, z.B. Aluminium, aufgeklebt. Mit Hilfe der Stromzuführungen 11 wird eine Wechselspannung an das Keramikplättchen 1 gebracht, das dadurch zu Biegeschwingungen angeregt wird. Die Schwingungen werden mit Hilfe des Kopplungesteges 3 auf die zweite dünnere Platte 4 gekoppelt, deren Durchmesser gerade so gewählt ist, daß sie in der Resonanzfrequenz mit der Platte 2 übereinstimmt.Aufgrund des Prinzips der Erhaltung des Schwerpunktes wird durch diese Anordnung erreicht, daß bei gegenphaiger Sohwingung der beiden Platten 1, 2 und 4 ein Amplitudenverhältnis auftritt, welches dem Masseverhältnis der beiden Platten etwa umgekehrt proportional ist.
  • Figur 2 zeigt ebenfalls in Seitenansicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßenSchwing- und Antriebssystems, das insbeeondere zur Zerstäubung von Flüssigkeiten geeignet ist.
  • Man erkennt wiederum den in Dickenrichtung polarisierten piezoelektrischen Wandler 1, an den mit Hilfe der Stromzuführungen 11 eine Wechaelspannung angelegt wird. Die Platte 2 und der Kopplungssteg 3 sind hierbei als Kegelstumpf 5 ausgebildet, auf dessen Spitze die Zerstäubungsplatte 4 befestigt ist.
  • Figur 3 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems als Spannungswandler Man erkennt die erste Platte 2, auf deren Unterseite der hier nicht sichtbare Wandler 1 befestigt ist, an den mit Hilfe der Stromzuführungen 11 die zur Erregung benötigte Wechselspannung 11 angelegt wird. Die Ausgangsspannung wird in einem Keramikplättchen 6 erzeugt, das auf die hier nicht sichtbare zweite Schwingplatte 4 aufgeklebt ist. Die Abmessungen des Keramikplättchens sind so gewählt, daß nur Miegeschwingungen z.B.
  • in Richtung der längeren Kante auftreten können. Bei einer derartigen Schwingung treten in der Platte 6 infolge der Amplitudentransformation größere mechanische Spannungen auf.
  • Hierdurch lä13t sich im Verein mit der durch den Pfeil 8 angedeuteten Polarisation an den streifenförmigen Metallelektroden 7 eine Ausgangsepannung entnehmen, die ein Vielfaches der Eingangsepannung beträgt.
  • 3 Figuren 9 Patentansprüche

Claims (9)

  1. Patentansprüche Piezoelektrisches Schwing- und Antriebssystem mit Amplitudentransformation für Ultraschallanwendung, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß eine erste Platte (2) aus schwingungsfähigem Material durch einen daran befestigten piezokeramischen Korper (1) zu Biegeschwingung angeregt wird, und daß über einen Steg die erste Platte (2) mit einer zweiten, dünneren Platte (4) gekoppelt ist, deren Durchmesser so gewählt ist, daß die Resonanzfrequenzen der beiden Platten (2, 4) übereinstimmen.
  2. 2. Schwing- und Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die erste Platte, der Kopplungssteg und die zweite Platte einstückig ausgebildet sind.
  3. 3. Schwing- und Antriebssystem nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die erste Platte, der Kopplungssteg und die zweite Platte aus Metall bestehen.
  4. 4. Schwing- und Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß es als Zerstäuber zur Zerstäubung von Flüssigkeiten verwendet wird,
  5. 5. Schwing- und AntriebsBystem nach Anspruch 4, dadurch g ek e n n z e i c h n e t, daß die erste Platte und der Kopplungssteg zusammengefaßt, und als KegelstumpBiausgebr.ldet sind.
  6. 6. Schwing- und Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der zweiten Platte (4) ein weiterer Schwinger (6) aus piezoelektrischer Keramik befestigt ist 9 daß die zweite Platte (4) und das zweite Keramikelement (6) rechteckig ausgebildet und in ihrer Resonanz frequenz so abgestimmt sind 9 daß Biegungen nur in einer Kantenrichtung auftreten9 und daß Polarisation (8) und Elektrodenanordnung (7) so gewählt sind, daß von der zweiten Keramikplatte (6) eine Au'sgangsspannung abgenommen werden kann.
  7. 7. Schwing- und Antriebssystem nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zweite Keramikplatte in Biegerichtung polarisiert ist und daß auf der der Befestigungsplatte gegenüberliegenden Oberfläche zwei streifenförmige Metallelektroden zur Entnahme der Ausgangs spannung angebracht sind.
  8. 8. Schwing- und Antriebssystem nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die piezoelektrischen Keramikplättchen angeklebt sind.
  9. 9. Schwing- und Antriebesystem nach wenigstens einem der vorhergehenden AnsprUche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der das System anregende Schwinger (1) in Dickenrichtung polarisiert ist.
    Leerseite
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