DE2363236C3

DE2363236C3 - Piezoelektrischer Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen

Info

Publication number: DE2363236C3
Application number: DE2363236A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1972-12-27
Filing date: 1973-12-19
Publication date: 1979-04-05
Also published as: JPS5214156B2; GB1457530A; DE2363236B2; FR2327677B1; DE2363236A1; NL7317099A; JPS4990496A; FR2327677A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen aus einem ringförmigen bzw. zylindrischen Glied aus kreisförmig polarisiertem piezolektrischem Material mit ausgebrachten Antriebselektroden sowie auf ein Verfahren zur abschnittsweisen kreisförmigen Polarisation der piezoelektrischen Glieder.

Aus der GB-PS 7 13 339 ist ein Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen mittels eines kreisförmig polarisierten dickwandigen Rohres bekannt, an dessen innerer und äußerer Wand Treibelektroden angeordnet sind. Ferner weist dieses Rohr in seiner Wand Bohrungen auf, die mit einem elektrisch leitenden Material aufgefüllt sind und zum kreisförmigen Polarisieren dienen.

Die Anordnung weist die Nachteile auf, daß die Herstellung des Rohres und das Anbringen der Elektroden umständlich ist. Das Polarisationsverfahren hat die Nachteile, daß zuerst die Polarisationselektroden in der Rohrwand hergestellt werden müssen und zudem die Bereiche, in denen die Polarisationselektroden angeordnet sind, nicht kreisförmig polarisiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen robusten Wandler zu schaffen, der zum Erzeugen von hochfrequenten Drehschwingungen mit großer Amplitude über eine lange Zeit geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Polarisation der piezoelektrischen Glieder geschieht nach den Merkmalen des Anspruchs 2.
Aus dem IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 6

in Nr. 8 Januar 1964, S. 26 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt. Es werden jedoch weder Anregungen hinsichtlich des Anmeldungsgegenstandes noch hinsichtlich des Verfahrens zur Polarisierung gegeben.

Bei einer anderen Anordnung (L Bergmann, Der ultraschall, 1954, S. 143/144) wird ein Bariumtitanat-Zylinder nach einem Verfahren nach Bradfield nicht kreisförmig polarisiert. In einem weiter beschriebenen Verfahren nach Mason lassen sich Torsionsschwingungen mit einem Zylinder aus ADP-Kristall erzeugen.

Beide Verfahren geben keine Anregung für die Anordnung des Wandlers bzw. für das erfindungsgemäße Verfahren zum kreisförmigen Polarisieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der F i g. 1 bis 3 erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in einer Draufsicht ein elektrostriktives Glied mit Elektroden zur ersten Stufe der Polarisation.

F i g. 2 in einer Draufsicht ein elektrostriktives Glied mit Elektroden zur zweiten Stufe der Polarisation,

ju F i g. 3 im Längsschnitt einen Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen.

In dem Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen wird die kreisförmige Restpolarisation des elektrostriktiven Gliedes ausgenutzt. Diese Restpolarisation

ji wird wie folgt erzeugt:

Gemäß F i g. 1 besitzt ein ringförmiges Glied 1 ein zentrales Loch Xa. Das Glied t besteht aus einem elektrostriktiven Material, beispielsweise einem keramischen Material auf der Basis von Blei-Titanat-Zirkonat.

4n Auf der vorderen und hinteren fläche d^s 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 Polarisationselektro-

4-, den 2 ist auf der Mantelfläche des Gliedes I verlängert und mit der entsprechenden Klektrode auf der nicht gezeigten hinteren Fläche des Gliedes verbunden. Wenn man Spannungen nacheinander jeweils zwischen zwei einander benachbarten Elektroden 2 anlegt, wird

W das Glied 1 in den Bereichen 3 /wischen 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 F ι g. I durch die Pfeile angedeutet ist.

Nachdem die gemäß Fig. I an dem Glied 1 ausgebildeten Polarisationselektroden 2 von dem Glied entfernt worden sind, werden gemäß F i g. 2 auf der vorderen und hinleren Fläche des Gliedes 1 neue

bo fächerförmige Polarisationselektroden ausgebildet, und zwar innerhalb der bereits in der beschriebenen Weise polarisierten Bereiche 3. Jetzt werden jene Bereiche, von denen die zuerst verwendeten Polarisationselektroden entfernt wurden, dadurch polarisiert, daß Spannungen nacheinander an jeweils zwei einander benachbarte neue Polarisationselektroden 4 angelegt werden, wobei die Potentialgradienten zwischen den Elektroden 4 immer die Richtung der vorher erzeugten, kreisförmi-

gen Polarisation haben müssen, wie dies durch die Pfeilern F i g. 2 angedeutet ist Auf diese Weise erhält das für den Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen besonders gut geeignete piezoelektrische Glied in aufeinanderfolgenden Polarisationsvorgängen eine kreisförmige Polarisation auf besonders zweckmäßige Weise.

Fig.3 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform eines sandwichartigen Wandlers zum Erzeugen von Drehschwingungen. Dabei sind mit Emehrere kreisförmig polarisierte, elektrostriktive Glieder bezeichnet, die den vorstehend beschriebenen Gliedern 1 entsprechen, von denen jedoch die Polarisationselektroden 2 und 4 vollständig entfernt worden sind. Mit 5 und 6 sind zwei Masseelemente aus Metall bezeichnet, die zum Einstellen der Drehschwingungs-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 Antriebselektrode 10 ist zwischen einander benachbarten, kreisförmig polarisierten, elektrostriktiven Gliedern E und zwischen diesen >ind den Metallelementen 5 und 6 angeordnet Ein Isolierrohr 11 ist zwischen der kreisförmigen Innenumfangs Landung der ringförmigen Glieder E und der ringförmigen Treibelektroden 10 und dem zylindrischen Außenumfang des Spannbolzens 9 angeordnet.

Ein Endteil des Spannbolzens durchsetzt die 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. In 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 E sind erfindungsgemäß in einander entgegengesetzten Richtungen kreisförmig polarisiert, weil auf diese Weise die größte Drehschwingungsamplitude zwischen den beiden Metallelementen 5 und 6 erzielt wird.

Praktisch ausgeführte Wandler /um Erzeugen von Drehschwingungen wurden auf ihr Betriebsverhalten untersucht.

Diese Wandler waren gemäß Fig. 3 sandwichartig aufgebaut und mit einem Spannbolzen verspannt. Die zylindrischen Metallelemente 5 und 6 bestanden aus einer hochzugfesten Aluminiumlegierung und hatten einen Durchmesser von 30 mm und eine Länge von 31.5 mm. Der zentrale Spannbolzen 9 bestand aus hoch/ugfestem Stahl und hatte einen Durchmesser von 14 mm und eine Lange von 64 mm. Der Spannbolzen hatte an beiden Fndcn ein Gewinde mit einer Ganghöhe von I mm.

Die ringförmigen eleklrostriktiven Glieder E bestanden aus einem keramischen Material auf der Grundlage von Blei-Titanat-Zirkonat und hatten einen Außendurchmesser von 30 mm, einen Innendurchmesser von

·> 15 mm und eine Dicke von 7 mm. Die ringförmigen Elektroden 10 bestanden aus 0,2 mm starker Beryllium-Kupfer-Folie. Es wurden zwei Arten von Wandlern hergestellt und untersucht. Die Wandler der einen Art besaßen je vier ringförmige Glieder E\, die in der an

κ» Hand der F i g. 1 erläuterten Weise polarisiert worden waren. Die anderen Wandler besaßen vier ringförnvge Glieder Ej, die gemäß F i g. 2 ein zweites Mal polarisiert worden waren. In den Wandlern werden die elektrostriktiven Glieder, Metallelemente und Elektrodenfolien

ι· 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 kleine Menge eines elektrisch leitenden Klebstofls. /. B. aus

>o Silberpaste, vorhanden.

Diese Wandler zum Erzeugen vo., Orehschwingun gen wurden durch Anlegen einer Hochirequenzspannung von etwa 20 kHz an die positiven und negativen Elektroden 10 zu Schwingungen erregt. Die Meße'-geb-

r> nisse für die beiden Arten von Wandlern sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben, in der für jeden Kennwert ein Maximum und ein Minimum angegeben ist.

Tabelle

Resonanzfrequenz
Admittanz im unbelasteten Zustand
(Millisiemens)

Einmal
polarisiert

19,944 19.977
10J 11.8

Zweimal
polarisiert

19.835 19.904 14.0 16.5

Aus der Tabelle geht hervor, daß bei den zum Erzeugen von Drehschwingungen dienenden Wandlern, deren elektrostriktive Glieder in der anhand der F i g. 2

4Ί erläuterten Weise ein zweites Mal polarisiert worden waren, die Admittanz im unbelasteten Zustand um etwa 30% höher war als bei den Wandlern, deren elektrostriktive Glieder in der anhand der Fig. I erläuterten Weise nur einmal polarisiert worden waren.

w Eine höhere Admittanz im unbelasteten Zustand hat den Vorteil, daß die an den Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen angelegte Antriebsspannung herabgesetzt werden kann.

Hicr/u I niiilt Zc

Claims

Patentansprüche:

I. Piezoelektrischer Wandler zum Erzeugen von Drehschwingungen aus einem ringförmigen bzw. zylindrischen Glied aus kreisförmig polarisiertem piezoelektrischem Material mit aufgebrachten Antriebselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der piezoelektrischen Glieder (E) axial gestapelt und sandwichartig zwischen zwei Metallelementen (S, 6) angeordnet und von einem Spannbolzen (9) axial durchsetzt sind, an dessen Enden je eines der Metallelemente (5, 6) befestigt sind, und die Antriebselektroden (10) zwischen einander benachbarten Gliedern (E) und zwischen diesen und den Metallelementen (5,6) so angeordnet sind, daß ihre Flächen parallel zu der Richtung der kreisförmigen Polarisation sind.

Z Verfahren zur abschnittsweisen kreisförmigen Polarisation der piezoelektrischen Glieder nach Anspruch 1 .dadurch gekennzeichnet, daß

a) am Umfang mindestens der einander entgegengesetzten Flächen eines piezoelektrischen Gliedes (1) mehrere Polarisationselektroden (2) in Abständen von einander ausgebildet werden,

b) Spannungen nacheinander jeweils an einander benachbarte Polarisationse^;ektroden (2) angelegt werden,

c) die Bereiche (3) zwischen den Polarisationselektroden (2) kreisförmig polarisiert werden,

d) die Polarisationselektroden (2) von dem Glied abgenom .en werden,

e) an den bereits polarisie-'en Bereichen (3) mehrere neue Polarisiemngselektroden (4) ausgebildet werden, und

f) Spannungen nacheinander jeweils an einander benachbarte der neuen Polarisationselektroden (4) angelegt und

g) dadurch die Bereiche polarisiert werden, von denen die zuerst verwendeten Polarisierungselektroden (2) abgenommen worden sind.