DE2032433C3 - Piezoelektrisches Schwingsystem, insbesondere für Flüssigkeitszerstäubung - Google Patents

Description

tine gegenüber den die Biegeschwingung erzeu- so größert.

genden Platten (1,2) dünnere Arbeits-Platte vor- Aus der VDI-Zeitschrift, Bd. 108 (1966), Seiten

. gesehen ist, daß der den Schwinger (1, 2) und die 1669 bis i674 (1673), ist ein Schwingsystem mit

Arbeits-Platte(4) mechanisch verbindende Steg(3) einem Longitudinalschwinger als anregenden Schwin-

lur Kopplung der Biegeschwingung dient und ger und mit einem daran angeordneten abgestimmten

daß die Biegeresonanzfrequenz des Schwingers (1. 25 Biegeschwinger bekannt. Der Longitudinalschwinger

t) und die der dünneren Arbeits-Platte (4) in- ist als zweistufiger Koppelschwinger mit einem

folge Wahl ihres Durchmessers miteinander über- Piezoeiement als Wandler ausgebildet. Er weist einen

einstimmen. Anteil mit größerem Durchmesser und einen Anteil

2. Piezoelektrisches Schwingsystem nach An- mit dagegen geringerem Durchmesser auf, aus denen sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezo- 3° die zwei Stufen des Koppelschwingcrs gebildet sind. elektrische Wandler (1) in Dickenrichtung pola- Dieser Anteil mit geringerem Querschnitt ist zusamtisicrt ist. men mit dein anderen Anteil frequenzbestimmend

3. Piezoelektrisches Schwingsystem nach An- für diesen Longitudinalschwinger. An dem außcn-•pruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die liegenden Ende des Anteils mit geringerem Quer-Platte (2) dt:s Koppelschwingers und der Steg (3) 35 schnitt befindet sich eine Abschlußfläche aus einem miteinander zusammengefaßt als Kegelstumpf (5) auf die Resonanzfrequenz des Koppelschwingers abnusgebildet sind (F i g. 2). " gestimmten kreisförmigen Biegeschwinger. Dieser

4. Piezoelektrisches Schwingsystem nach An- Biegeschwinger transformiert, wie dort angegeben »pruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß (SeUe 1673 links unten), die Amplitude am Außendie Arbeits-Platte (4). der Steg (3) und die Platte 40 rand hoch, wodurch ein Abtropfen einer auf die

s| (2) des Schwingers bzw. die Arbeits-Platte (4) und Abschlußfläche aufgebrachten Flüssigkeit über den

U der Kegelstumpf (5) als einstückiger Körper aus- Rand des Biegeschwingers hinweg verhindert wer-

gebildet sind. den soll.

5. Piezoelektrisches Schwingsystem nach einem Es wurde festgestellt, daß sich, will man einen tier Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, 45 solchen longitudinal schwingenden Ultraschallschwindaß der Wandler (1) aus piezoelektrischer Kera- ger mit einem piezoelektrischen Keramiksystem aninik an der Platte (2) angeklebt ist. treiben, unter anderem folgende Schwierigkeiten

6. Piezoelektrisches Schwingsystem nach einem ergeben. Bei großen Amplituden hat ein solches der Ansprüche 1 bis 5 für einen Spannungswand- System geringe mechanische Gesamtschwinggüte, ler, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Arbeits- 50 Außerdem erfordert eine solche Anordnung wegen Platte (5) ein weiteres Piezokeramikelement (6) der notwendigen erheblichen Dicke des Piczoanteils befestigt ist. daß die Arbeits-Plattc und das EIe- eine sehr große elektrische Betriebsspannung.

ment (6) rechteckig ausgebildet und in ihrer Es ist mithin eine Aufgabe der Erfindung, ein

Resonanzfrequenz so abgestimmt sind, daß Bic- piezoelektrisches Schwingsystem für die Ampli-

gungcn nur in einer Kantenrichtung auftreten. 55 tudentransformation anzugeben, das bei kleiner

lind daß die Polarisation (8) und eine Elektroden- Leistungsaufnahme, insbesondere bei niedrigerer

«nordnung (7) an dem Element (6) so gewählt Betriebsspannung, eine relativ große Schwingungs-

«ind, daß von dem Element (6) eine Ausgangs- amplitude aufweist. Diese Aufgabe wird bei einem

spannung abgenommen werden kann. wie eingangs angegebenen Schwingsystem erfindungs-

7. Piezoelektrisches Schwingsystem nach An- 60 gemäß dadurch gelöst, daß der das piezoelektrische spruch 6, dadurch gekennzeichnet daß das EIe- Schwingsystem anregende Schwinger aus einer Biegement (6) in Biegerichtung polarisiert ist und daß schwingerplattc und daran befestigter Wandler-Platte auf der der Arbeits-Plattc gegenüberliegenden besteh) und daß für die zu Biegeschwingungen anOberfläche des Elements (6) zwei streifenförmige zuregende Platte eine gegenüber den die Biege-Mctallelektrodcn (7) zur Entnahme der Aus- 65 schwingung erzeugenden Platten dünnere Arbeitsgangsspannung angebracht sind. Platte vorgesehen ist, daß der den Schwinger und

die Arbeits-Platte mechanisch verbindende Steg zur Kopplung der Biegefchwingung dient, und daß die

ßicgeresonanzfrequenz des Schwingers und die der dünneren Arbeits-Platte infolge Wahl ihres Durchmessers miteinander übereinstimmen.

Mk der Erfindung ergeben sich die Vorteile, daß der piezoelektrische Wandler eine hohe mechanische s Güte aufweist, daß eine geringe elektrische Spaneungsamplitude zum Betrieb des Wandlers ausreicht, daß eine hohe elektromechanische Kopplung erreicht wird und daß an der Verbindungsstelle zwischen Wandler und dem übrigen mechanischen System nur Scherspannungen auftreten. Die Keramik bedämpft das erfindungsgemäße Schwingsystem mit dem Biegeschwinger weniger, als dies bei gleichgroßem Kopplungsfaktor bei einem wie bekannten Longitudinalschwinger der Fall ist. ~

Bei dem bekannten, oben beschriebenen Longitudinalschwinger könnte zwar mit Hilfe eines dünaeren Piezoelementes der Nachteil der hohen Betriebsspannung an sich vermieden werden. Um jedoch dabei eine große elektromechanische Kopplung ?a erreichen, müßte dann der keramische Wandler an einer Stelle großer mechanischer Spannungen angebracht werden. Es käme dann dazu, daß die Befestigungsstelle in einem Gebiet großer mechanischer Spannung liegt und dementsprechend extrem beansprucht werden würde. Eine Befestigung des Wandlers an dem Koppelschwinger durch Kleben ist bei diesem hier angenommenen Lösungsweg daher praktisch unmöglich. Die bekannten Kleber halten den dabei auftretenden Zugkräften bei erhöhter Leistung nicht stand.

Vorzugsweise sind die Platte des Koppelschwingers, an der der piezoelektrische Wandler befestigt ist. der koppelnde Steg und die Arbeits-Platte einstückig ausgebildet und bestehen aus Metall.

Durch die Verwendung von Metall wird die Zuführung der elektrischen Energie zu dem Wandler erleichtert, da die Platte, auf der der Wandler befestigt ist, gleichzeitig als großflächige Stromzuführung benutzt werden kann.

Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Schwingsystem als Zerstäuber zur Zerstäubung von Flüssigkeiten verwendet weiden. Bringt man auf die kleinere Arbeits-Platte eine Flüssigkeit, so wird diese mit ausreichender Schwingungsamplitude zerstäubt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Biegeschwingerplatte, auf der der piezoelektrische Wandler befestigt ist und der Steg zusammengefaßt als Kegelstumpf ausgebildet. Diese Ausführungsform ist für die technische Anwendung durch ihre robuste Bauart besonders geeignet.

Ein erfindungsgemäßes Schwingsystem kann vorteilhaft auch zum Bau eines elektrischen Spannungswandlers verwendet werden. Ein solcher Spannungswandler ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der Arbeits-Platte ein weiteres Keramikelement, z. B. eine Platte aus piezoelektrischer Keramik, befestigt ist, wobei die Arbeits-Platte und das weitere Keramikelemcnt im Längsschnitt rechteckig ausgebildet und in ihrer Resonanzfrequenz so abgestimmt sind, daß Biegungen nur in einer der Kantenrichtungen auftreten, und daß die Polarisation und eine Elektrodenanordnung an dem Element so gewählt sind, daß von dem weiteren Keramikclcmcnt eine elektrische Ausgangsspannung abgenommen werden kann.

Vorzugsweise ist das weitere Keramikelement, in dem die Ausgangsspannung erzeugt wird, in Biegerichtung polarisiert und es sind auf der der Arbeits-PIaUe, an der das Element befestigt ist, gegenüberliegenden Oberfläche des Elements zwei streifenfjrnv.ge Metallelektroden zur Abnahme der Ausgangsspannung angebracht.

Es läßt sich eine Ausgangsspannung abnehmen, die ei" Vielfaches der Eingangsspannung beträgt.

Da der piezoelektrisch anregende Wandler 1,2 ertiridungsgemäß als Biegeschwinger betrieben wird, können die Keramikplättchcn des Wandlers und gegebenenfalls des weiteren Elements vorteilhafterweise an die Platten 1 bzw. gegebenenfalls 4 angeklebt werden. An der(den) Klebestelle(n) wirken nur Scherspannungen, die von Klebstoffen besser vertragen werden als eine Zugspannung. Der das System anregende Wandler ist in Dickenrichtung polarisiert, so daß sich die elektrische Energie leicht zuführen läßt und eine hohe Kopplung erreicht werden kann.

An Hand der Figuren zu bevorzugten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes piezoelektrisches Schwingsystem in Seitenansicht. Eine in Dickvnrichtung polarisierte piezoelektrische Keramikscheibe ist als Wandler 1 auf eine Platte 2 des Koppelschwingers auf für Schwinger geeignetem Material, z. B. Aluminium, aufgeklebt. Mit Hilfe der Stromzuführungen 11 wird die Wechselspannung an den Wandler 1 angelegt, der die Platte 2 mit dem Wandler 1 zu Biegeschwingungen anregt. Die Schwingungen werden über den koppelnden Steg 3 auf die dünnere Arbeits-Platte 4 gekoppelt, deren Durchmesser gerade so gewählt ist, daß sie in ihrer Resonanzfrequenz mit der Platte 2, d. h. dem anregenden Schwinger, übereinstimmt. Auf Grund des Prinzips der Erhaltung des Schwerpunktes wird durch diese Anordnung erreicht, daß bei gegenphasiger Schwingung der beiden Platten, der Platte 2 mit dem Wandler 1 und der Arbeits-Platte 4, ein Amplitudenverhältnis auftritt, welches dem Masseverhältnis dieser beiden Platten etwa umgekehrt proportional ist.

Fig. 2 zeigt ebenfalls in Seitenansicht eine, gegenüber F i g. 1 abgewandelte, besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingsystems, das ganz besonders zur Zerstäubung von Flüssigkeiten geeignet ist. Man erkennt wiederum den in Dickenrichtung polarisierten piezoelektrischen Wandler 1, an den mit Hilfe der Stroniführungen 11 eine Wechselspannung angelegt wird. Die Platte2 und der Kopplungssteg3 aus Fig. 1 sind zusammen als Kegelstumpf 5 ausgebildet, auf dessen Spitze die Platte4 befestigt ist, auf der z.B. die Zerstäubung erfolgt.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgcmäßon Systems, das zur Verwendung als Spannungswandler vorgesehen ist. Man erkennt die Biegeschwingerplatle 2, auf deren l'nterseite der hier nicht sichtbare Wandler 1 befestigt ist, an dem mit Hilfe der Stromzuführungen 11 die zur Erregung benötigte Wechselspannung angelegt wird. Die Ausgangsspannung wird in einem als Plättchen ausgebildeten Piezokeramikelement 6 erzeugt, das auf die hier nicht sichtbare Arbeits-Plalte (Platte4 in Fig. 1 und 2) aufgeklebt ist. Die Abmessungen des Keramikplättchens sind so gewählt, daß nur Biegeschwingungen vorzugsweise in Richtung der längeren Kante des Plättchens auftreten.

Bei einer derartigen Schwingung treten in dem Element 6 infolge der Ampliludentransformation größere mechanische Spannungen auf. Hierdurch läßt sich infolge der mit dem Pfeil 8 angedeuteten Polarisation an den streifenförmigen Metallelektroden? eine elektrische Ausgangsspannung entnehmen, die ein Vielfaches der Eingangsspannung beträgt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Schwing- Patentansprüche: system, insbesondere für Flüssigkeitszerstäubung, das mit elektrischer Wechselspannung in Resonanz

1. Piezoelektrisches Schwingsystem, insbeson- erregt wird, bestehend aus einem anregenden Schwinde« für Flüssigkeitszerstäubung, das mit elek- 5 ger mit daran befestigtem, piezoelektrischem Wandtrischer Wechselspannung in Resonanz erregt |er und aus einer zu Biegeschwingungen anzuregenden wird, bestehend aus einem anregenden Schwinger Platte, die sich an einem Steg mit geringem Quermit daran befestigtem, piezoelektrischem Wand- schnitt befindet, wodurch die Platte mit dem Schwin-Ier und aus einer zu Biegeschwingungen anzu- ger mechanisch gekoppelt ist und wobei die Resonanzregenden Platte, die sich an einem Steg mit so frequenz der Platte auf die des Schwingers abgegeringem Querschnitt befindet, wodurch die Platte stimmt ist.

mit dem Schwinger mechanisch gekoppelt ist Zur Erzeugung möglichst großer U traschall-

und wobei die Resonanzfrequenz der Platte auf amplituden werden in der Technik im allgemeinen

die des Schwingers abgestimmt ist, dadurch magnetostriktiv oder piezoelektrisch angetriebene

gekennzeichnet, daß der das piezoelektri- 15 Longitudinalschwinger verwendet, die in der Form

sehe Schwingsystem anregende Schwinger (1, 2) so ausgebildet sind, daß sich eine Amphtudentrans-

aus einer Biegeschwingerplatte (2) und daran be- formation ergibt, J. h. die relativ geringe Iongitudi-

festigter Wandler-Platte (1) besteht, und daß für nale Schwingungsamphtude des Wandlers wird durch

<ie zu Biegeschwingungen anzuregende Platte ein angekoppeltes mechanisches Schwingsystem ver-