DE2129664A1 - Method for operating a piezoelectric oscillating system - Google Patents

Method for operating a piezoelectric oscillating system

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DE2129664A1 DE19712129664 DE2129664A DE2129664A1 DE 2129664 A1 DE2129664 A1 DE 2129664A1 DE 19712129664 DE19712129664 DE 19712129664 DE 2129664 A DE2129664 A DE 2129664A DE 2129664 A1 DE2129664 A1 DE 2129664A1
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Description

Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schwingsystems Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einer elektrischen Wechselspannung in Resonanz zu erregenden, piezoelektrischen Schwingsystems für Amplitudentransformation nach Patentanmeldung P 20 32 433.8 vom 30.6.70, das einen Koppeischwinger mit einem piezoelektrischen Wandler und eine zu Biegeschwingungen anzuregende Platte, die durch eine mechanische Verbindung mit geringem Querschnitt mit dem Koppeischwinger mechanisch gekoppelt ist, aufweist, wobei der Koppeischwinger durch die an die Elektrode und die Gegenelektrode des Wandlers angelegte Wechselspannung zu Biegeresonanzschwingungen angeregt ist und die Biegeresonanzfrequenz in der mechanisch gekoppelten Platte mit der Frequenz der Biegeschwingung des Koppelschwingers übereinstimmt.Method of operating a piezoelectric oscillating system The invention relates to a method for operating an with an electrical alternating voltage Piezoelectric oscillating system to be excited in resonance for amplitude transformation according to patent application P 20 32 433.8 from 6/30/70, which has a Koppeischwinger with a piezoelectric transducer and a plate to be excited to flexural vibrations, the by means of a mechanical connection with a small cross-section with the Koppeischwinger is mechanically coupled, wherein the coupling oscillator by the to the electrode and alternating voltage applied to the counter electrode of the transducer for flexural resonance vibrations is excited and the bending resonance frequency in the mechanically coupled plate coincides with the frequency of the flexural oscillation of the coupling oscillator.

Verschiedene Ausführungsformen eines für die vorliegende Erfindung zu verwendenden Schwingsystems sind in der älteren Patentanmeldung P 20 32 433.8 vorgeschlagen worden.Various embodiments of one for the present invention to be used vibration system are in the older patent application P 20 32 433.8 has been proposed.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren anzugeben, mit dem eine Leistungssteigerung des Schwingsystems, und zwar insbesondere in der Verwendung als Flüssigkeitszerstäuber, erreicht wird. Vorzugsweise soll auch die elektrische Durchschlagssicherheit, und zwar insbesondere ohne Einbuße an abgegebener mechanischer Leistung erhöht sein.It is an object of the present invention to provide a method of operation indicate with which an increase in the performance of the oscillation system, in particular in use as a liquid atomizer. Preferably should too the electrical breakdown security, in particular without any loss of output mechanical performance be increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schwingsystem mit einer Rechteckwechselspannung angeregt wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anregung mit einer nach dem Prinzip der Selbsterregung in einer rückgekoppelten Schaltung erzeugten und verstärkten Rechteckwechselspannung.This object is achieved in that the Oscillation system is excited with a square wave alternating voltage. According to a further development of the invention the excitation takes place with a feedback based on the principle of self-excitation Circuit generated and amplified square wave alternating voltage.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der Beschreibung zu den Figuren einer bevorzugten Ausführung der Erfindung hervor.Further details of the invention can be found in the description of the Figures of a preferred embodiment of the invention.

Figur 1 zeigt ein in seiner äußeren Form im Prinzip bereits in der obengenannten älteren Anmeldung vorgeschlagenes Schwingsystem. Mit 1 ist der Wandler mit piezoelektrischer Keramik und mit 5 ist ein Kegelstumpf bezeichnet, der mit dem Wandler 1, vorzugsweise durch Kleben, fest verbunden ist. 1 und 5 bilden zusammen einen Koppelschwinger. An diesen toppelschwinger ist die Platte 4 über einen Steg mit einem geringeren Querschnitt mechanisch angekoppelt. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist dieser Steg durch die Querschnittsverringerung an der stumpfen Spitze des Kegelstumpfes 5 realisiert.rDie Biegeresonanzfrequenz der Platte 4 stimmt gemäß dem Vorschlag der älteren Erfindung mit der Biegeresonanzfrequenz des Koppelschwingers überein.Figure 1 shows a in its external form in principle already in the above-mentioned earlier application proposed oscillation system. With 1 is the converter with piezoelectric ceramic and 5 denotes a truncated cone, which with is firmly connected to the transducer 1, preferably by gluing. 1 and 5 together form a coupling transducer. The plate 4 is attached to this top vibrator via a web mechanically coupled with a smaller cross-section. In the exemplary embodiment According to Figure 4, this web is due to the cross-sectional reduction on the blunt The tip of the truncated cone 5 is realized. The bending resonance frequency of the plate 4 is correct according to the proposal of the older invention with the flexural resonance frequency of the coupling oscillator match.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der piezoelektrische Wandler des Schwingsystems mit einer Rechteckwechselspannung angeregt. Hierfür kann eine entsprechend verzerrte Netzwechs«; spannung verwendet werden. Bei einem 50-Hz-Netz ist das Schwingsystem so bemessen, daß seine Biegeresonanzfrequenz, und zwar insbesondere die Grundfrequenz der Biegeresonanz, 50 Hz beträgt.According to the present invention, the piezoelectric transducer the oscillation system is excited with a square wave alternating voltage. For this, a correspondingly distorted network changes «; voltage can be used. With a 50 Hz network the oscillation system is dimensioned so that its flexural resonance frequency, in particular the fundamental frequency of the bending resonance is 50 Hz.

Es kann auch eine andere, insbesondere höherfrequente~-Rechteckwechselspannung vorgesehen sein.Another, in particular higher-frequency ~ square alternating voltage can also be used be provided.

Die überraschenderweise erreichte Leistungssteigerung bei dem verwendeten Schwingsystem beruht auf mehreren Gründen, die weitgehend zusammentreffen. Durch die erfindungsgemäße Verwendung der Rechteckwechselspannung wird eine maximale Energiezufuhr zum Schwingsystem bei vorgegebener Spannungsamplitude bewirkt. Außerdem werden durch den Oberwellengehalt der Rechteckwechselspannung auch Resonanzen höherer Ordnung des Schwingsystems angeregt, wodurch insbesondere bei dessen Verwendung als Zerstäuber die Zerstäubungswirkung verbessert wird. Außerdem wird durch die Begrenzung der Spannungsamplitude die Durchschlagsstherheit für den Betrieb des Schwingsystems erhöht.The surprisingly achieved increase in performance with the Oscillation system is based on several reasons largely coincide. The inventive use of the square wave alternating voltage is a maximum Caused energy supply to the oscillating system at a given voltage amplitude. aside from that Due to the harmonic content of the square-wave alternating voltage, resonances are also higher Order of the oscillation system stimulated, which is particularly important when using it as an atomizer, the atomizing effect is improved. In addition, the Limitation of the voltage amplitude the breakdown strength for the operation of the Vibration system increased.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird das Schwingsystem mit einer Rechteckwechselspannung angeregt, die nach dem Prinzip der Selbsterregung durch Rückkopplung erzeugt und verstärkt worden ist. Figur 2 zeigt einen derartigen Schwinger mit einer besonders bevorzugten Schaltung zur Erzeugung der Rechteckwechselspannung.According to a preferred development of the invention, the oscillation system excited with a square wave alternating voltage, which works on the principle of self-excitation generated and amplified by feedback. Figure 2 shows one such Oscillator with a particularly preferred circuit for generating the square-wave alternating voltage.

Das in der Schaltung nach Figur 2 verwendete Schwingsystem weist, wie aus Figur 1 näher hervorgeht, eine Aufteilung der gemäß der älteren Patentanmeldung auf dem Wandler vorgesehenen Elektrode auf. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist eine kreisflächenförmige Elektrode 221 und eine diese umgebende ringförmige Elektrode 121 vorgesehen. Die Gegenelektrode wird im Falle eines elektrisch leitfähigen Kegelstumpfes 5 durch die Fläche zwischen dem Kegelstumpf 5 und dem Wandlers1 gebildet. Für den Fall, daß ein elektrisch nicht leitender Klebstoff mit nur niedriger Dielektrizitätskonstante zur Verbindung des Wandlers 1 mit dem Kegelstumpf 5 verwendet worden ist, ist in an sich bekannter Weise unmittelbar auf der Oberfläche der Keramik, mit der der Wandler mit dem Kegelstumpf verbunden ist, eine elektrisch leitende Beschichtung vorgesehen, die mit dem Kegelstumpf 5 in elektrischem Kontakt steht. In diesem Falle wird dann die Gegenelektrode durch die Beahichtung gebildet.The oscillating system used in the circuit according to FIG. 2 has as can be seen in more detail from FIG. 1, a division of the according to the earlier patent application provided on the transducer electrode. According to a preferred embodiment is a circular area-shaped electrode 221 and an annular surrounding it Electrode 121 is provided. The counter electrode is in the case of an electrically conductive one Truncated cone 5 formed by the area between the truncated cone 5 and the transducer 1. In the event that an electrically non-conductive adhesive with only a low dielectric constant has been used to connect the transducer 1 to the truncated cone 5 is shown in FIG in a known manner directly on the surface of the ceramic with which the Converter connected to the truncated cone, an electrically conductive coating provided, which is in electrical contact with the truncated cone 5. In this case the counter electrode is then formed by the treatment.

In der in Figur 2 angegebenen Schaltung wird zwischen der Elektrode 221 und der Gegenelektrode eine Rüökkopplungsspannung abgegriffen, die der zwischen der ringförmigen Elektrode 221 und der Gegenelektrode anliegenden Anregungswechselspannung phasenentgegengesetzt ist. Diese Phasenverschiebung um 1800 wird dadurch erreicht, daß die parallel zur Dicke des Wandlers permanent polarisierte Keramik des Wandlers 1 im Bereich der Elektrode 221 entgegengesetzt gerichtet polarisiert ist zur Polarisationsrichtung im Bereich der Elektrode121.In the circuit shown in Figure 2 is between the electrode 221 and the counter electrode tapped a feedback voltage that the between of the annular electrode 221 and the counter electrode AC excitation voltage is opposite in phase. This phase shift around 1800 is achieved in that the permanently polarized parallel to the thickness of the transducer Ceramic of the transducer 1 polarized in opposite directions in the area of the electrode 221 is to the direction of polarization in the area of the electrode 121.

Zur Anregung des Koppelschwingers in der Grundresonanzfrequenz seiner Biegeschwingung ist vorgesehen, daß der Durchmesser der kreisflächenförmigen Elektrode 221 wenigstens nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des Schwingungsknotenkreises für die erste Oberwelle der Biegeschwingung des Koppelschwingers auf der mit den Elektroden 121 und 221 bedeckten Oberfläche des Wandlers 1. Durch diese Bemessung wird erreicht, daß eine phasenentgegengesetzte Rückkopplungsspannung nur für die Frequenz der Grundwelle der Biegeschwingung des Koppelschwingers erzeugt und rückgekoppelt wird. Dies ergibt eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung.To excite the coupling oscillator in the basic resonance frequency of its Bending vibration is provided that the diameter of the circular electrode 221 is at least not significantly larger than the diameter of the circle of oscillation nodes for the first harmonic of the flexural oscillation of the coupling oscillator on the one with the Electrodes 121 and 221 covered surface of the transducer 1. By this dimensioning it is achieved that a phase opposite feedback voltage only for the Frequency of the fundamental wave of the bending oscillation of the coupling oscillator generated and fed back will. This results in a good utilization of the available electrical power Power.

Mit 61 und 62 sind zwei zueinander komplementäre Transistoren bezeichnet. Die zwischen der Elektrode 221 und der Gegenelektrode erzeugte Rückkopplungsspannung wird den Transistoren 61 und 62 über eine Widerstandskette aus den Widerständen 63, 64, 65 und 66 zugeführt. Mit 57 ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet. Durch entsprechend hohe Rückkopplung werden die Transistoren so übersteuert, daß sie miteinander abwechselnd praktisch völlig leitend oder gesperrt sind. Auf diese Weise entsteht die Rechteckwechselspannung, die der Elektrode 121 gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung zugeführt ist.With 61 and 62 two mutually complementary transistors are designated. The feedback voltage generated between the electrode 221 and the counter electrode is connected to transistors 61 and 62 via a chain of resistors 63, 64, 65 and 66 supplied. With 57 a DC voltage source is designated. By correspondingly high feedback, the transistors are overdriven so that they work together are alternately practically fully conductive or blocked. This is how it arises the square wave alternating voltage that the electrode 121 according to this development of the Invention is supplied.

Gegenüber der Fremdanregung mit einer Rechteckwechselspannung hat die Anregung mit einer nach dem Prinzip der Selbsterregung erzeugten Rechteckwechselspannung den Vorteil, daß eine Frequenzverstimmung des Schwingsystems durch Nachstimmung der Frequenz der erzeugten Wechselspannung automatisch ausgeglichen wird.Compared to the external excitation with a square wave alternating voltage excitation with a square-wave alternating voltage generated according to the principle of self-excitation the advantage that a frequency detuning of the oscillating system by retuning the frequency of the generated alternating voltage is automatically compensated.

Die Frequenz der Grundwelle der Rechteckwechselspannung ist dabei im wesentlichen immer gleich der augenbliklichen Biegeresonanzfrequenz des Schwingsystems.The frequency of the fundamental wave of the square wave alternating voltage is included essentially always the same as the current bending resonance frequency of the oscillation system.

Claims (9)

Patentansprüche Claims Verfahren zum Betrieb eines piezoelektrischen Schwingsystems nach Patent (Patentanmeldung P 20 32 433.8 vom 30.6.70 = VPA 70/7034) dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schwingsystem mit einer Rechteckwechselspannung angeregt wird.Method for operating a piezoelectric oscillating system according to Patent (patent application P 20 32 433.8 dated June 30, 1970 = VPA 70/7034) thereby g e k e n n z e i c h n e t that the oscillation system is excited with a square wave alternating voltage will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß eine rechteckförmige verzerrte Netzwechselspannung verwendet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t that a square-wave, distorted AC mains voltage is used. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c hn e t , daß das Schwingsystem so bemessen ist, daß die Grundfrequenz der Biegeresonanz des Koppelschwingers bzw. des Schwingsystems mit der Grundfrequenz der Wechselspannung im wesentlichen übereinstimmt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized g e k e n n z e i c hn e t that the oscillation system is dimensioned so that the fundamental frequency of the bending resonance the coupling oscillator or the oscillating system with the fundamental frequency of the alternating voltage essentially coincides. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine nach dem Prinzip der Selbsterregung durch Rückkopplung erzeugte und verstärkte Rechteckwechselspannung verwendet wird.4. The method according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that one generated and amplified by feedback on the principle of self-excitation Square wave alternating voltage is used. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Anregung des Schwingsystems mit einer Rechteckwechselspannung erfolgt, deren Grundfrequenz gleich der Grundfrequenz der Biegeresonanz des Koppelschwingers bzw. des Schwingsystems im wesentlichen übereinstimmt.5. The method according to claim 4, characterized g e k e n n z e i c h n e t that the excitation of the oscillation system takes place with a square wave alternating voltage, whose Base frequency equal to the base frequency of the bending resonance of the coupling oscillator or of the oscillation system essentially coincides. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß ein Schwingsystem nach dem Hauptpatent verwendet ist, bei dem die.6. Device for performing the method according to one of the claims 3 to 5, characterized in that an oscillating system according to the main patent is used where the. eine Elektrode des Wandlers in zwei voneinander elektrisch getrennte Elektroden aufgeteilt ist. one electrode of the transducer in two electrically separated from each other Electrodes is divided. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß eine Aufteilung der Elektrode in eine kreisflächenförmige und eine darum herum befindliche ringförmige Elektrode vorgesehen ist.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that a division of the electrode into a circular area and one around it annular electrode located around is provided. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß eine als Gegenelektrode wirksame Beschichtung der Keramik des Wandlers vorgesehen ist.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that a coating effective as a counter electrode on the ceramic of the transducer is provided. 9. Elektronische Schaltung zum Betrieb eines Schwingsystems nach Hauptpatent .... zu Patentanmeldung P 20 32 433.8) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t R daß zwei zueinander komplementäre Transistoren (61, 62) vorgesehen sind, denen über eine Widerstandskette (63, 64, 65, 66) eine Rückkopplungsspannung zugeführt ist, wobei eine Gleichspannungsquelle (57) vorgesehen ist.9. Electronic circuit for operating an oscillating system according to the main patent .... to patent application P 20 32 433.8) according to one of claims 1 to 8, characterized g e k e n n -z e i c h n e t R that two mutually complementary transistors (61, 62) are provided, which a feedback voltage via a resistor chain (63, 64, 65, 66) is supplied, a DC voltage source (57) being provided.
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DE2408828A1 (en) * 1973-03-16 1974-09-26 Ibm DRIVER CIRCUITS FOR A CRYSTAL ACTING AS AN ELECTROMECHANICAL CONVERTER

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