DE2363236A1 - Wandler zum erzeugen von drehschwingungen - Google Patents

Wandler zum erzeugen von drehschwingungen

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Description

28654
SPARK PLUG CO., LTD Nagoya-shi, Aichi-ken (Japan)
Wandler zum Erzeugen von Drehschwingimgen
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen, insbesondere einen sandwichartigen elektromechanischen Wandler, der zum Erzeugen von Drehschwingungen dient und auch als Langevin-Wandler bezeichnet werden kann.
Sin Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen kann für dl· verschiedenartigsten Zweck« verwendet werden, z. B. als Meßinstrument zum Messen der Scherelastizität oder Viskosität einer Flüssigkeit, als dentales Instrument zum Entfernen von Zahnstein von Zähnen, als ophtalmologisch.es Instrument zur Operation des grauen Stars und als Schleif- oder Schneidmaschine.
Einer der üblichen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen besitzt ein elektromechanisches Wandlerglied, das aus Ferrit besteht und von Wicklungen umgeben ist, an die eine Eingangswechselspannung angelegt werden kann. Dieser mit einem Ferritelement versehene Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen kann keine große DrehechwingungsIeistung erzeugen und kann daher nur für Zwecke verwendet werden, für die geringe "Schwingungsleistungen genügen, beispielsweise in medizinischen Instrumenten.
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In anderen Fällen ist eine Einrichtung zum Konzentrieren der von mehreren Vibratoren erzeugten Schwingungen erforderlich« Ein weiterer Nachteil des Vibrators besteht darin, daß es schwierig ist, an ihm ein seinen Schwingungszustand anzeigendes Vibrometer zu befestigen, vor allem, weil die Wicklungen stören» Ferner muli man befürchten, daß ein Drehschwingungen übertragendes Horn, das an dem zentral angeordneten Ferritelement festgeklebt werden muß, sich im Betrieb ablöst.
Um diese Nachteile zu beseitigen, ist zum ^Erzeugen von Drehschwingungen ein anderer Wandler vorgeschlagen worden, in dem das die Drehe chwingungen erzeugende, elektromechanische Glied rohrförmig ist und aus zwei Rohrhälften »us einer elektroetriktiven keramischen Substanz besteht, wobei jede Rohrhälfte halbkreisförmig polarisiert ist und zwischen diesen Rohrhälften Treibelektroden angeordnet sind. Dieser Wandler ist jedoch nicht allgemein als robuster Wandler akzeptiert worden, weil infolge des zwischen den Rohrhälften vorhandenen Spaltes, in dem die Elektroden angeordnet sind, das Wandlerglied sich schließlich in seine Teile auflöst, vrenn der Wandler längere Zeit hindurch zum Erzeugen von Drehschwingungen mit großer Amplitude verwendet worden ist. ■■·.·
In.einem anderen üblichen Wandler wird ein zylindrisches Element verwendet, das aus ferroelektrischem Material besteht und eine komplexe Polarisation besitzt, und sind an dem zylindrischen Außenumfang dieses Gliedes Treibelektroden befestigt. Dieser Wandler stellt zwar hinsichtlich der Nachteile der vorher erwähnten Wandler eine beträchtliche Verbesserung dar,
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hat aber den großen Nachteil, daß die am Umfang befestigten Treibelektroden eich leicht ablösen, weil eine Drehschwingung um die Achse des elektrostriktion Gliedes erzeugt wird und die Massenkraft daher am Außenumfang am stärksten ist. Die Befestigung der Treibelektroden an dem Wandlerglied eines Wandlers zum Erzeugen von Drehschwingungen stellt- ein Problem dar, das gelöst werden muß.
Die Erfindung schafft einen verbesserten Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen. ·
Der erfindungsgemäße Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen besitzt mindestens ein elektrostriktives Glied, Treibelektroden und Metallelemente- und ist dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktiv^ Glied kreisförmig polarisiert ist, daß die Elektroden an zwei einander entgegengesetzten Flächen des elektrostrxktxven Gliedes angebracht sind, daß diese zwei Flächen zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation des elektrostriktiven Gliedes im wesentlichen parallel sind und daß die Metallelemente das elektrostriktive Glied und die Elektroden in einer zu der kreisförmigen Richtung der kreisförmigen Polarisation im wesentlichen rechtwinkligen, axialen Richtung «andwichartig zusammenhalten.
Der erfindungsgemäße Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen besitzt daher mindestens ein elektrostriktives Glied, das kreisförmig polarisiert ist und an dem an einander entgegengesetzten Flächen, die zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation des Gliedes im wesentlichen parallel sind, Treibelektroden befestigt sind. Zum kreisförmigen Polarisieren des elektrostriktiv^! Gliedes werden an dessen Umfang in Abständen mehrere Polarisationselektroden ausgebildet und werden jeweils an zwei einander benachbarte Elektroden nacheinander Spannungen angelegt, so daß die Bereiche zwischen
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den Polarisationselektroden in ein und derselben Richtung, kreisförmig polarisiert werden»
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein elektrostriktives Glied zu Drehechwingungen erregt werden kann, wenn das Glied eine kreisförmige Restpolarisation um seine Achse besitzt und an zwei einander axial entgegengesetzten Flächen des Gliedes eine axiale Treibspannung angelegt wird, sofern diese beiden Flächen zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation des Gliedes parallel sind·
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines verbesserten Wandlers, der zum Erzeugen von Drehschwingungen dient und sich durch eine hohe Drehschwingungsleistung und hohe Zuverlässigkeit auszeichnet»
Eine weiter· Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines robusten Wandlers, der zum Erzeugen von Drehschwingungen dient und lange Zeit hindurch hochfrequente Drehschwingungen mit großer Amplitude erzeugen kann·
Ferner besteht eine Aufgab· der Erfindung in der Schaffung eines Verfahrene zu» Herstellen eines verbesserten Wandlers zum Erzeugen von Drehsehwingungen.
Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen aus nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die »uf der beigefügten Zeichnung dargestellt sind» Xn dieser zeigt
Fig. 1 in einer Draufsicht ein elektrostriktives Glied zur Verwendung in dem erfindtmgsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen,
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Fig. 2 in einer Draufsicht ein bevorzugtes elektrostriktiv«« Glied zur Verwendung in dem erfindungsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingun- -gen und
Pig· 3 im Längsschnitt einen erfindungsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen·
In dem erfindungsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen wird die kreisförmige Restpolarisation des elektroetriktiven Gliedes ausgenutzt. Diese Hestpolarisation wird wie folgt erzeugtt
Gemäß Pig« 1 besitzt ein ringförmiges Glied 1 ein zentrales Loch 1 a. Das Glied 1 besteht aus einem elektrostriktiven Material» beispielsweise einem keramischen Material auf der Basis von Blei-Titanat-Zirkonat. Auf der vorderen und hinteren Flüche des Gliedes 1 sind fächerförmige Polarisationselektroden 2 ausgebildet, die in Winkelabständen voneinander am Umfang des ringförmigen Gliedes 1 angeordnet sind. Jede der auf der Vorderfläche vorgesehenen Polarisationselektroden 2 ist.auf der Mantelfläche des Gliedes 1 verlängert und mit der entsprechenden Elektrode auf der nicht gezeigten hinteren Fläche des Gliedes verbunden. Wenn man Spannungen nacheinander jeweils zwischen zwei einander benachbarten Elektroden 2 anlegt, wird das v Glied 1 in den Bereichen 3 zwischen den Elektroden kreisförmig polarisiert, sofern der durch die angelegten Spannungen in den Bereichen 3 erzeugte Potentialgradient immer die Richtung hat, die der kreisförmigen Polarisation entspricht, wie dies in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet, ist.
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Da« derart vorpolarisierte Glied kann als Antriebeglied des nachstehend beschriebenen βrfindung«gemäßen Wandlers zum Erzeugen von Drehschwingungen verwendet werden« wobei die Polarisationselektroden 2 vorzugsweise vorher entfernt werden. Ea ist jedoch noch zweckmäßiger, das Glied erst zu verwenden, nachdem es erfindungsgemäß in der nachstehend beschriebenen Weise weiterbehandelt worden ist.
Nachdem die gemäß Figo 1 an dem Glied 1 ausgebildeten Polarisationselektroden 2 von dees Glied entfernt worden sind, werden gemäß Fig» 2 auf der vorderen und hinteren Fläche de» Gliedes 1 neue fächerförmige Polarisationselektroden ausgebildet, und zwar innerhalb der bereite in der beschriebenen Weise polarisierten Bereiche 3· Jetzt werden jene Bereiche, von denen die zuerst verwendeten Polarieationselektroden entfernt wurden, dadurch polarisiert v daß Spannungen nacheinander an jeweils zwei einander benachbarte neue Polarisationselektroden 4 Angelegt werden, wobei di® Potentialgradienten zwischen den Elektroden 4 immer die Richtung der vorher erzeugten, kreisförmigen Polarisation haben müssen, wie dies durch die Pfeile in Fig· 2 angedeutet ist. Auf diese Weise erhält das für den erfindungsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen besonders gut geeignete ferroelektrische Glied in aufeinanderfolgenden Polarisationsvorgangen eine kreisförmige Polarisation auf besonders zweckmäßige Weise.
Fig. 3 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines sandwicharvtigen Wandler« gemäß der Erfindung zum Erzeugen von Drehsehwiagungen. Dabei sind mit E mehrere kreisförmig polarisierte, elektrostriktive Glieder bezeichnet, die
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den vorstehend beschriebenen Gliedern 1 entsprechen, vom denen jedoch die Polarisationselektroden 2 und 4 vollständig entfernt worden sind. Hit 5 und 6 sind zwei. Masseeleaiente aus Metall bezeichnet, die zum Einstellen der Drehschwingung*—Resonanzfrequenz des Wandlers dienen· Jedes dieser Glieder hat eine Gewindebohrung 7 oder 8, in die einer der gewindetragenden Endteile eines Spannbolzens 7 eingeschraubt ist. Je eine Treibelektrode 10 ist zwischen einander benachbarten, kreisförmig polarisierten, elektrostriktion Gliedern E und zwischen diesen und den Metallelementen 5 und.6 angeordnet. Ein Isolierrohr 11 ist zwischen der kreisförmigen Innenumfang«wandung der ringförmigen Glieder E und der ringförmigen Treibelektroden 10 und dem zylindrischen Außenumfang des Spannbolzene 9 angeordnet·
Ein Endteil des Spannbolzens durchsetzt di« zentralen Löcher der Glieder E und der Elektroden 10 und ist in dem Metallelement 5 eingeschraubt· Der andere Endteil ist in dem Metallelement 6 eingeschraubt· Xn der axialen Richtung, die zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation der Glieder E rechtwinklig ist, sind alle Teile fest verspannt·
Die in dem erfindungsgemäßen Wandler einander benachbarten Glieder S sind erfindungsgemäß in einander entgegengesetzten Richtungen kreisförmig polarisiert, weil auf diese Weise die größte Drehschwingungsamplitude zwischen den beiden Metallelementen 5 und 6 erzielt wird*
Die erfindungsgemäßen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen wurden auf ihr Betriebeverhalten geprüft·
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Die geprüften Wandler waren gemäß Fig. 3 sandwichartig aufgebaut und mit einem Spannbolzen verspannt. Di« zylindrischen MetäIT©leinente 5 und 6 bestanden aus einer hochzugfesten Aluminiumlegierung (JXS A 5056 BE) und hatten einen Durchmesser von 30 mm und eine Länge von 31» 5 nm*· Der zentrale Spannbolzen 9 bestand aus hochzugfestem Stahl (JIS KCH 4lKT) und hatte einen Durchmesser von Ik mm und eine Länge von 64 ann« Der Spannbolzen hatte an beiden Enden ein Gewinde mit einer Ganghöhe von 1 mm«
Die ringförmigen elektrostriktion Glieder E bestanden aus einem keramischen Material a·" ler Grundlage von Blei-Titanat-Zirkonat und hatten einen Außendurchmesser von 3® mm, einen Innendurchmesser von 15 mm und eine Dick« von 7 so™· Die ringförmigen Elektroden 10 bestanden aus 0,2 mm starker Beryllium-Kupfer-Folie· Bs wurden zwei Arten von Wandlern hergestellt und geprüft. Die Vandler der einen Art besaßen je vier ringförmige Glieder E1, die in der an Hand der Fig· I erläuterten Weise polarisiert worden waren. Di· anderen Wandler besaßen vier ringförmige Glieder E2, die gemäß Fig. 2 ein zweites Mal polarisiert worden waren. Xn den Wandlern werden die elektrostriktiven Glieder, Metallelemente und Elektrodenfolien mittels des zentralen Spannbolzens gemäß Fig. 3 sandwichartig unter dem Druck zusammengehalten, der durch ein Drehmoment von 700 cmkp erzeugt wurde. Zwischen einander benachbarten Teilen war eine klein« Menge ®in©ss elektrisch leitenden Klebstoffs, ζ. B, aus Silb®rp&Bt®5 vorhanden.
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Diese Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen wurden durch Anlegen einer Hochfrequenzepannung von etwa 20 kHz an die positiven und negativen Elektroden 10 zu Schwingungen erregt. Die Prüfungsergebnisse für die beiden Arten von Wandlern sind in der nachstehenden Tabelle i angegeben, in der Tür jeden Kennwert ein Maximum und ein Minimum angegeben ist.
Tabelle 1
Einmal Zweimal
polarisiert polarisiert
Resonanzfrequenz (IcHz) 19,944 19t977 19.335 19»9O4 Admittanz im
unbelasteten
Zustand
(Millisiemen«) 10,3 11,8 14,0 16,5
Aus der Tabelle 1 geht hervor, daß bei jenen zum Erzeugen von Drehschwingungen dienenden Wandlern, deren elektrostriktive Glieder in. der anhand der Fig. 2 erläuterten Weise ein zweites Mal polarisiert worden waren, die Admit tanz int unbelasteten Zustand um etwa 3O % höher war als bei den Wandlern, deren elektrostriktive Glieder in der anhand der Fig. 1 erläuterten Weise nur einmal polarisiert worden waren. Eine höhere Admittanz im unbelasteten Zustand hat den Vorteil, daß die an den Wandler zum Erzeugen von Drehs chwingung en angelegte Tx-eibspannung herabgesetzt werden kann.
Vorstehend wurde das derzeit bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das jedoch im Rahmen des Erfindfuigs ge danken» abgeändert werden kann. ~
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Claims (6)

  1. Patentanspruch®i
    fl7) Wandler zum Erzeugen von Drehechwingungen, gekennzeichnet durch ein slektrostriktives Glied, das kreisförmig polarisiert ist, und durch Treibelektroden, die an einander entgegengesetzten Flächen des elektrostriktiven Gliedes angebracht sind, wobei diese Flächen zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation im wesentlichen parallel sind.
  2. 2. Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen, gekennzeichnet durch mehrere elektrostriktive Glieder, die kreisförmig polarisiert sind,, und durch Treibelektroden, die an einander entgegengesetzten Flächen jedes dieser ®l*ktroetriktiv®n Glieder angebracht sind, wobei die genannten Flächen zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation dar elektrostriktiven Glieder im wesentlichen parallel sind, die elektrostriktiv©!! Glieder in der Richtung ihr»r Achse miteinander verbunden sind und einander benachbarte elektrostriktiv© Glieder in einander entgegengesetzten Richtungen kreisförmig polarisiert sind·
  3. 3. Wandler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem elektrostriktiven Glied mindestens ein Metallelement axial verbunden ists das zum Einstellen der Drehe chwizigunga-Resonanzfrequenz des Wandlers dient.
  4. 4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit wenigstens einem der elektrostriktiven Glieder ein Metallelement axial verbunden ist, das zum Einstellen der Drehschwiitgungs-Resonanzfrequenz des Wandlers dient«
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  5. 5. Wandler nach Anspruch 3». dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Glied sandwichartig zwischen zwei Metallelementen angeordnet und von einem Spannbolzen axial durchsetzt ist, der an beiden Enden Gewinde besitzt, mit denen er in je eines der Metallelemente eingeschraubt ist·
  6. 6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrostriktiven Glieder sandwichartig zwiscnen zwei Metallelomenten angeordnet und von einem Spannbolzen axial
    durchsetzt sind, der an beiden Enden Gewinde besitzt, mit
    denen er in je eines der Metallelemente eingeschraubt ist·
    7· Wandler nach einem der vorhergehenden" Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß da« elektrostatische Glied kreisförmig polarisiert worden ist, indem an dem Umfang eines elektrostz^iktiven Gliedes mehrere Polarisationselektroden in Winkelabständen voneinander ausgebildet und Spannungen nacheinander jeweile an einander benachbarte Polarisationselektroden angelegt und dadurch die Bereiche zwischen den Polarisationselektroden kreisförmig polarisiert worden sind.
    G. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrostriktive Glied kreisförmig po>larisiert worden ist, indem am Umfang eines elektrostriktiven Gliedes mehrere Polarisationselektroden in Winkelabständen voneinander ausgebildet worden, Spannungen nacheinander jeweils an einander benachbarte Polarisationselelctrodon angelegt und dadurch die Bereiche zwischen den Polarisatiojiselektroden kreisförmig polarisiert worden, die PolarieationseleKtroden von dein Glied abgenommen worden, an den bereits polarisierten Bereichen mehrere neue Polarisationselektroden ausgebildet worden und Spannungen, nacheinander jeweils an einander timiachbarte der neuen Folarisationseiektroden angelegt und dadurch die jJeroiche ^ο-iarisiert vordem sind, von aenen die zuerst·verwendeten PoIa- -risations-eler.troden entfemi uordeu waren.
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