DE2726019A1 - Schichten-schallwandler - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG

Gegenstand der Erfindung ist ein Schallwandler, der ausgedehnte Anwendung überall dort fändet, wo eine hohe Schallstärke verlangt wird, insbesondere bei Elektroschall-Wascheinrichtungen, Emulgatoren, Ultraschall-Schweißmaschinen oder Hydrolakationseinrichtungen.

Die bekannten Schichten-Schallwandler weisen eine oder mehrere Platten aus piezokeramischem Material auf, die zwischen mindestens zwei belastenden Massen angeordnet sind, die die mechanische Resonanz der Querschwingungen der piezokeramischen Platten in Richtung niedrigerer Frequenzen verschieben. Die belastenden Massen, die meist aus Metallkörpern bestehen, sind mit den piezokeramischen Platten durch eine oder mehrere Schrauben verbunden. Die für eine ordnungsgemäße Arbeit des Schallwandlers notwenigen Druckspannungen im piezokeramischen Material werden durch die Wahl eines entsprechenden Dreh-Momentes für das Anziehen der Schrauben erzielt. Diese Schrauben haben einen großen Einfluß auf die Tätigkeit eines solchen Wandlers, da insbesondere ihre Köpfe oder Muttern die Ursache des Auftretens unerwünschter Resonanzen sein können, die außerhalb der Grundresonanz der Querschwingungen der Belastungsmassen liegen. In der Praxis kann dieser Einfluß durch Einsenkung des Schraubenkopfes in eines der Metallkörper beruhen. Vorteilhaft ist eine maximale Verringerung des Verhältnisses des über die Massenfläche hinausstehenden Schraubenteiles zur Masse des Körpers selbst, jedoch gewährleistet dies keine vollständige Eliminierung schädlicher Resonanzen.

Aus der US-PS 3 183 378 ist ein Wandler bekannt, der aus drei Metallkörpern in Form von Quadern besteht, diein der Mitte eine öffnung aufweisen, durch die eine im unteren Metallkörper befestigte Schraube hindurchgeht, deren Kopf sich auf den oberen Metallkörper stützt. Zwischen dem oberen und mittleren, sowie

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dem mittleren und dem unteren Metallkörper sind Je 4 Plättchen in Walzenform aus piezokeramischem Material angebracht, die an den Grundflächen der Walzen metallisiert sind. Die Größe der Plättchen ist so gewählt, daß die Schrauben nicht über den Umriß der Metallkörper hervorstehen. Die zur Arbeit des Wandlers unbedingt notwenige Vorspannung wird durch das Gewinde der ganzen Schraube erzielt. Die wechselnde, den Wandler in Schwingungen versetzende Spannung wird durch den äußeren und mittleren Metallkörper zugeführt. Eine andere Ausführungsform des bekannten Wandlers ist nur mit zwei Walzenplatten aus piezokeramischem Material mit öffnungen in der Mitte ausgestattet, die zwischen 3 Körpern angebracht sind, wobei die Berührungsfläche der Platten zu den Körpern etwas kleiner ist, als die Körperfläche.

Aus der US-PS 3 218 488 ist ein Schichten-Schallwandler bekannt, der aus zwei Metallkörpern in verschiedener Form und zwischen ihnen angebrachten zwei oder mehreren Schichten piezokeramisehen Materials besteht. Die Befestigungsschraube geht durch eine zentrale öffnung der Körper und Schichten hindurch, wobei der Schraubenkopf in einer gewissen Tiefe in einen der Körper eingelassen ist, während das Gewinde in die innen ebenfalls mit einem Gewinde versehene öffnung des unteren Körpers von entsprechender Tiefe eingeschraubt ist.

Die Erfindung betrifft einen Schichten-Schallwandler aus Metallkörpern, zwischen denen mindestens eine Schicht piezoelektrischen Materials mit elektrisch leitenden Flächen angebracht ist, zu denen eine Speisespannung zuführbar ist, wobei zwischen den Körpern oder zwischen den Körpern und der piezoelektrischen Schicht ein elektroisolierendes Material angeordnet ist. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß mindestens ein Körper zumindest ein vorstehendes Element aufweist, das an dem zweiten Körper anliegt und mit ihm durch eine Bindesubstanz verbunden ist, während zwischen den Schichten des piezoelektrischen Materials und den Metallkörpern Spannungen entstehen, die aus

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dem piezoelektrischen Material stammen. Je nach Bedarf verlaufen die Stoßflächen der Körper entweder schräg oder senkrecht zur Stoßfläche des piezoelektrischen Materials mit diesen Körpern. Es ist vorteilhaft, wenn das hervorstehende Element eines der Körper ein Dorn ist, der von der Mantel-Fläche der im zweiten Körper befindlichen öffnung umgeben ist. Es ist auch zweckmäßig, wenn das hervorstehende Element in Form eines Flansches ausgebildet ist, der entweder den zweiten Körper umfaßt, oder durch den zweiten Körper wenigstens von einer Seite umgeben ist.

Der Schallwandler nach der Erfindung bedarf keiner Verbindungselemente, wie z.B. Schrauben, die ihn während des Betriebes unter Spannung setzen. Dies wurde dadurch erzielt, daß die während des Verbindungsprozesses der Metallkörper erzeugten Primärkräfte, die aus der auf die piezoelektrische Schicht wirkenden Polarisationsspannung und aus der Vorspannung stammen und während der Tätigkeit des Wandlers eine Verminderung der piezoelektrischen Schichtstärke verursachen, nach Aufhebung der Verbindung der Körper untereinander, eine Spannung zwischen diesen Körpern und den piezoelektrischen Schichten hervorrufen, wodurch die Tätigkeit des Wandlers bedingt wird. Dank dieser Konstruktion und dieser Wirkungsweise des Schallwandlers erhält man eine gute akustische Kopplung zwischen den Körpern und den piezoelektrischen Schichten und vermeidet das Auftreten schädlicher Resonanzen in den Verbindungselementen. Es erübrigt sich dadurch die Anwendung von Ausschnitten im Körpermaterial, was bei den bekannten Umwandlern zur Verringerung schädlicher Resonanzen notwendig ist und was die Verwendung von Befestigungsschrauben mit kleinem Kopf und mit großer Zerreißfestigkeit bedingte. Hingegen sind im Schallwandler nach der Erfindung diese Verluste verringert und die Leistungsfähigkeit ist erhöht. Auf die Bindungssubstanz des Schallwandlers wirken hauptsächlich Schubkräfte, gegen die die bekannten Bindungssubstanzen, wie z.B. Epoxyhar, am widerstandsfähigsten sind. Je nach der Gestaltung der Körper können ihre Stoßflächen, die mit der Bindesubstanz verbunden sind, vergrößert oder verkleinert werden, was die Möglichkeit eines Einflusses auf die Einzelgrößen der Schubbe-

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lastungen und damit auf die Zuverlässigkeit der Bindung mit sich bringt. Das Fehlen mechanischer Verbindungselemente im Schallwandler beeinflußt seine Wirkeigenschaften nicht, was bei den bekannten Lösungen der Fall sein kann, z.B. durch Losewerden von Schrauben.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in drei AusfUhrungsbeispielen dargestellt, die schematisch den Wandler in drei Konstruktionsversionen im Längsschnitt zeigen, wobei in

Figur 1 eine Version mit Kern mit erzeugten Polarisationsspannung,

Figur 2 eine Version mit Flansch, die den wirksamen Körper umfaßt, und

Figur 3 eine Version mit Flansch, der von beiden Seiten mit dem zweiten Körper umgeben ist,

darstellt. Beispiel I

Es ist eine Metallwalze 1 , mit einem im Verhältnis zu ihr zentral angebrachten Walzendorn 2 vorgesehen, der senkrecht zur oberen Fläche der Walze 1 ist und ihren integralen Teil bildet. Auf der Walze 1 um ihren Dorn herum befinden sich zwei Scheiben 3 aus piezokeramischem Material mit metallisierten Oberflächen. Auf diesen Scheiben 3 ist eine mit einer zentralen Bohrung versehene Metallwalze 4 angeordnet, die als Belastungsmasse wirkt. Die Lochfläche der Walze 4 ist mit der Fläche des Domes 2 mittels einer Klebemasse 5 verbunden. Zu den aneinander stoßenden metallisierten Flächen der piezokeramischen Scheiben 3, die eine der elektrischen Klemmen des Wandlers darstellen, wird während des Betriebes ein Signal in Form einer Wechselspannung Us zugeleitet, während die metallisierten Scheibenflächen 3, die an Walze 1 und Walze 4 stoßen, elektrisch miteinander verbunden sind und die zweite elektrische Klemme bilden, die mit der Wandlermasse ver-

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bxinden ist. Während der Wirkung des Wandlers wird auf die Metallkörper, d.i. auf die Walzen 1 und 4 mit einer Druckkraft F in zur piezokeramischen Schicht, d.h. zu den Scheiben 3, senkrechter Richtung eingewirkt und gleichzeitig wird an die elektrischen Klemmen des Wandlers anstatt einer Wechselspannung Us eine Polarisierungsspannung Up angelegt, deren Polarität der Polarität der Polarisierungsvorspannung entgegengesetzt ist, die im Prozeß der Erzeugung eines piezokeramischen Materials angewendet wird, während die Größe der Spannung den Wert dieser Polarisationsvorspannung nicht überschreitet. Die Druckkraft F und die Spannung Up werden während der Einführung des Klebers 5 zwischen den Dorn 2 und die Walzenöffnung 4, sowie während des Bindeprozeßes dieses Klebers 5 ununterbrochen aufrecht erhalten. Nach Beendigung des Klebeprozesses wird die Druckkraft F fortgenommen und die Polarisierungsspannung Up abgeschaltet. Im fertigen, auf diese Weise erzeugten Schallwandler entstehen Spannungen P, die aus der Einwirkung des piezokeramischen Materials auf die geklebten Metallkörper stammen und mit denen der an die Spannung Us angeschlossene Wandler zu gewünschten Schwingungen gebracht werden kann, insbesondere zu Schwingungen in der mechanischen Resonanzfrequenz des Wandlers.

Beispiel II

Ein Aluminiumkörper hat die Form einer Walze 6, die eine kegelförmige Vertiefung 8 aufweist, mit einem Außenflansch 7. Am Boden der Vertiefung 8 befindet sich eine Scheibe 9 aus piezokeramischem Material mit metallisierten Stirnflächen. Ein zweiter Körper aus Stahl, der die Belastungsmasse darstellt, hat die Form eines Kegelstumpfes 10 und ist in der Vertiefung 8 der ausgehöhlten Walze 6 angeordnet, wo er sich auf die Scheibe 9 stützt. Die äußere Kegelfläche 10 ist mit der inneren kegelförmigen Fläche der Vertiefung 8 mittels einer Klebeschicht 5 verbunden, wobei diese innere kegelförmige Fläche 8 mit einer Schicht aus elektroisolierendem Material 11 bedeckt ist. An den Kegelstumpf 10 wird während des Betriebes eine Wechselspannung Us angelegt, während die ausgehöhlte Walze 6 mit der Masse ver-

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bundeη wird. Die Funktion und die Eigenschaften des Schallwandlers sind analog dem ersten Beispiel.

Beispiel III

Eine Walze 12 ist mit einem Ringflansch 13 ausgestattet, der in entsprechender Entfernung von der Seitenfläche der Walze 12 angeordnet ist. Der zweite Metallkörper als Belastungsmasse ist eine ausgehöhlte Walze 14, in der sich eine Ringnut 15 befindet, die mit ihrer Form und Größe dem Ringflansch 13 zugeordnet ist, auf den sie nach Zusammensetzung der Wandlerelemente geschoben wird. Im Inneren der Metallwalze 12, die durch den Ringflansch 13 und die unteren Flächen der ausgehöhlten Walze 14 durch die Ringnut 15 begrenzt ist, befinden sich drei volle Scheiben 16 aus piezoelektrischem Metall mit metallisierten Flächen, die abwechselnd miteinander elektrisch verbunden sind und entsprechend mit der Wechselspannung Us und der Wandlermasse verbunden sind. Zwischen der unteren Fläche der ausgehöhlten Walze 14, die durch die Nut 15 begrenzt ist, und der oberen Fläche der an sie stoßenden Scheibe 16 befindet sich eine Schicht elektroisolierendes Material 11. Die Nutfläche 15, die beiderseitig an den Flansch stößt, ist mit ihm durch eine Klebeschicht 5 verbunden. Die Funktion und die Eigenschaften des Schallwandlers sind analog dem ersten Beispiel.

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OFHQINAL INSPECTED

Claims (1)

1. SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-ΗΟΡΓ EBBiNGHAUS FINCK

   MARIAHILFPLATZ 2*3. MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O, D-80O0 MÖNCHEN 95

   POLITECHNIKA WROCLAWSKA

   KARL LUDWfe SCHIFF

   DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER

   DIPL. INO. PETER STHEHL

   DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEl.-HOPr OIPL. ING. DIEIf 13 EBBINOHAUS DR. INQ. DlETE** FINCK

   TELEFON (OBb) 48 2O64

   TELEX (-23 666 AURO D TELEGRAMME AIJROMARCPAT MÜNCHEN

   DA/G-17 995

   8. Juni 1977

   Schichten-Schallwandler

   PATENTANSPRÜCHE

   1.j Schichten-Schallwandler aus Metallkörpern, zwischen denen mindestens eine Schicht piezoelektrischen Materials mit elektrisch leitenden Flächen angebracht ist, an die eine Speisespannung angelegt wird, wobei zwischen den Körpern, oder zwischen den Körpern und der piezoelektrischen Materialschicht ein elektroisolierendes Material eingelegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Körper mindestens ein hervorstehendes Element aufweist, das an dem zweiten Körper anliegt und mit ihm durch eine Bindesubstanz (5) verbunden ist, während zwischen den Schichten des piezoelektrischen Materisl und den Metallkörpern Spannungen (P) entstehen, die aus diesem piezoelektrischen Material stammen.

   2. Schichten-Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßf2äche der Körper zueinan-

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   der, vertikal zur Stoßfläche der piezoelektrischen Schichten zu diesen Körpern ist.

   3. Schichten-Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Stoßflächen der Körper zueinander schräg zur Stoßfläche der piezoelektrischen Schichten im Verhältnis zu diesen Körpern ist.

   4. Schichten-Schallwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das hervorstehende Element des Körpers (6 oder 12) ein Flansch oder dergleichen (7 oder 13) ist.

   5· Schichten-Schallwandler nach Anspruch 4, dadurch g e-

   kennzeichnet, daß der Flansch oder dergleichen (7) den zweiten Körper (10) umfaßt.

   6. Schichten-Schallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Flansch oder dergleichen (13) wenigstens von einer Seite durch den zweiten Körper (4) umfaßt ist.

   7. Schichten-Schallwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das hervorstehende Element eines Körpers (1) ein durch den zweiten Körper (4) umfaßter Dorn oder dergleichen (2) ist.

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