DE2906823A1

DE2906823A1 - Piezoelektrischer koppelschwinger fuer ultraschallfrequenzen

Info

Publication number: DE2906823A1
Application number: DE19792906823
Authority: DE
Inventors: Wolfgang-Martin Dipl Phy Heide; Ernst-Guenter Dipl Phys Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1979-02-22
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1980-09-04

Description

Piezoelektrischer Koppelschwinger
für Ultraschallfrequenzen Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Koppelschwinger für Ultraschallfrequenzen, bei dem das piezoelektrische Anregungssystem in einen mechanischen Resonator eingefügt und zur Kopplung mechanisch vorgespannt ist.
Im unteren Ultraschallbereich, d.h. bei Frequenzen von weniger als 100 kllz wurden früher vorwiegend magnetostriktive Sendeiwandler eingesetzt, während für piezoelektrische Wandler der Frequenzbereich von mehr als 100 kHz vorbehalten war.
Inzwischen haben sich aber Spezialkonstruktionen mit piezoelektrischer Anregung wegen ihres besseren elektromechanischen Wirkungsgrades und geringerer Herstellungskosten auch im unteren Frequenzbereich durchgesetzt. Derartige Spezialkonstruktionen benutzen scheiben- oder ringförmige piezoelektrische Dicken- oder Radialschwinger in Kombination mit höher belastbaren Metallteilen, z.B. aus Titan, Stahl oder Aluminium oder aus Kombinationen dieser Metalle, um bei reduzierten Gesamtkosten und höherer mechanischer Belastbarkeit tiefere Resonanzfrequenzen zu erreichen, die fürvieletechnische Anwendungen, z.B. Bohren, Schweißen, Reinigen, Flüssigkeitszerstäubung usw. bevorzugt werden.
Typische Koppelschwinger benutzen geschraubte Kombinationen aus zwei zylindrischen Metallteilen zwischen die ein piezokeramisches Ringpaar mit gemeinsamer Mittelelektrode nach Möglichkeit in der Nähe eines axialen Schnelleknotens angeordnet wird. Das piezokeramische Ringpaar wird dabei durch eine zentrale Schraube unter hohem mechanischen Vordruck eingeklemmt, um die Zugbelastungen während der Schwingung, die im Bereich des Schnelleknotens über die mechanischen Festigkeitsgrenzen der Piezokeramik führen würden, herabzusetzen. Dos Schraubverfahren hat sich für /2-Koppelschwinger, an die beliebig geformte, abgestimmte Werkzeuge angeschraubt werden können, in der industriellen Praxis bewährt, ist aber, da Koppelschwinger aus mehreren Einzelteilen bestehen, deren Koppelf1ächen zur Erzielung optimalen mechanischen Kontakt es geläppt werden müssen, in der Herstellung teuer und birgt außerdem durch die Verschraubung einen Verlustmechanismus, der den Wirkungsgrad bei speziellen Anwendungen herabsetzt. So sind z.B. bei der Vernebelung von Flüssigkeiten die Eigenverluste des Wandlers weit größer als die Abstrahlungsverluste und der geschraubte Koppelschwinger kann sich bei großen Amplituden durch Eigenverluste erwärmen.
Fir derartige Anwendungen sind deshalb Koppelschwinger im Einsatz, die anstelle des in der Nähe des Schnelleknotens geklemmten piezokeramischen Ringpaares eine einzige piezokeramische Scheibe benutzen, die am freien Ende des Wandlers, d.h. in der Nähe eines Schnellebauches auf den Metallpartner aufgeklebt werden. Insbesondere bei kleinen Amplituden, bei dünnen Piezokeramikscheiben und Durchmessern unter etwa 40 mm sind dabei die mechanischen Spannungen im Keramikmaterial und in der Klebestelle tolerierbar. Die Amplituden im Bereich der Piezokeramik und der Klebestelle werden zusätzlich durch die Formgebung des Koppelschwingers reduziert, so z.B. durch Abstufung oder exponentielle bzw. konische Verjüngung des, Wandlers, wobei die Arbeitsfläche an dem der Klebestelle gegenüberliegenden freien Ende des Wandlers bei erheblicher Amplitudenverstärkung zunächst verkleinert wird. Durch weitere Formgebungsmnßnahmen, z.B. durch Biegeschwinger oder relativ dünne, unabgestimmte, die Frequenz des Wandlers wenig beeinflussende Fläcenerweiterungen am verjüngten Ende des Wandlers kann die Arbeitsfläche ohne großen Amplitudenverlust und bei kleinem Lastwiderstand wieder vergrößert werden. - Geklebte Koppelschwinger mit Amplitudentransformation sind als reine Axialschwinger und als Radial-Axial-Schwinger-Kombination bekannt (R. Pohlmann, E.G. Lierke, VDI-Z,, Bd.
108, Nr. 34, Dezember 1966, S. 1669; W.D. Drews, I(eram.Z.
(29), Nr. l, 1977). Ihre Schwachstelle ist in der Regel insbesondere bei Langzeiteinsatz die Klebezone.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile bekannter Koppelschwinger zu vermeiden und einen neuen piezoelektrischen Koppelschwinger anzugeben, der die Zuverlässigkeit und den großen clektromechanischen Kopplungsfaktor des geschraubten Wandlers aufweist und bei dem nur geringe Eigenverluste auftreten.
Es hat sich gezeigt, daß sich diese Aufgabe in technisch fortschrittlicher Weise lösen läßt, wenn der Resonator mit einer Aussparung versehen ist, die der Form der piezoelektrischen Anregungselemente entspricht und deren Breite in ungekoppeltem Zustand geringfügig kleiner als die Dicke des piezoelektrischen Anregungssystems und zur Einführung bzw.
Vorspannung des piezoelektrischen Anregungssystems thermisch oder mechanisch reversibel vergrößerbar ist. Weitere bevorzugte Ausfiihrungsformen des erfindungsgemäßen Eoppelschwingers sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 beschrieben.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näller erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figuren l bis 4 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen goppelschwingers.
Der in Figur la dargestellte Koppelschwinger weist einen Resonator l aus einem gestuften zylindrischen Metallteil auf, das z.B. aus Stahl angefertigt sein kann und eine vergrößerte Abstrahlfläche 2 besitzt. Zur Aufnahme des piezoelektrischen Anregungssystems ist der Resonator 1 ringsum mit einer Nut versehen. Das piezoelektrische Anregungssystem besteht aus 2 jeweils halbierten Ringpaaren 3 und 4, wie es in Figur Ib im Beispiel der halbierten Ringscheibe 3 gezeigt ist. Diese Ringscheiben müssen beidseitig aufgedampfte und eingebrannte leitfähige Schichten aufweisen.
Die Abstrahlfläche 2 des Resonators l kann in diesem Fall durch einen Bohrkanal 5mit Flüssigkeit versorgt werden, wenn der Wandler z.B. als Ölbrenner, Vergaser, Luftbefeuchter usw. zur Vernebelung eingesetzt werden soll.
Die Ringnut wird auf etwa 300 OC, d.h. etwa unterhalb der Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials, aufgeheizt und erweitert sich bei einer axialen Breite von ca. 6 mm um ca. 25 /um. Dadurch kann das halbierte Ringpaar 3 und 4 mit entgegengesetzter Polarisationsrichtung ggfs. unter Zwischenlegen einer Kontaktfolie 6, wie es in Figur lc gezeichnet ist, ohne Schwierigkeit in die Ringnut des Resonators l eingeschoben werden. Durch ein geringes Untermaß der Ringnut läßt sich die Piezokeramik nach dem Abkühlen unter Vorspannung einschrumpfen. Die Schrumpfspannung bzw. der Spielraum zum Einschrumpfen der Keramikscheiben 3 und 4 kann vergrößert werden, wenn man unpolarisierte Piezokeramik in die auf höhere Temperaturen von mehr als 300 0C, d.h. ohne Rücksicht auf die Curie-Temperatur des piezoelektrischen Materials, erhitzte Ringnut einschiebt und später in eingebautem Zustand in an sich bekannter Weise polarisiert. Die axiale Breite der Ringnut kann auch mechanisch, z.B. durch Zug oder Biegung vergrößert werden.
Zur Kontaktierung der Mittelelektroden mündet die üblicherweise aufgedampfte und eingebrannte leitfähige Schicht an der Scheibenperipherie in eine Nut 7 ein, die mit einem Zuführungsdraht 8 mit Spannung versorgt wird. Diese Ausführungsform ist in Figur 1d gezeigt. Durch Auftragen eines dünnflüssigen, kapillaraktiven Klebers lassen sich die halbierten Scheiben im Bereich der Sägeschnittstellen 9 nachträglich sichern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird der zylindrische Resonator anstelle einer Ringnut mit einer einseitigen Aussparung versehen. Das piezoelektrische System besteht ebenfalls aus einem Scheibenpaar, das die Form eines Ereisscheibensegmentes aufweist. In Figur 2 wird die Herstellung zweier solcher Koppelschwinger gezeigt. Die die Piezokeramik aufnehmenden, nicht rotationssymmetrischen Radialnuten werden hierbei durch Biegemomente, die durch Pfeile dargestellt sind, elastisch, also ohne Vorheizen, erweitert. Somit können mehrere Wandler aus metallischem Rundmaterial gleichzeitig oder nacheinander gedreht und erst nach dem Einschieben der Piezokeramik-Scheiben an den entsprechenden Teilen abgest ochen werden.
Der Resonator kann grundsätzlich jede beliebige Form besitzen, sofern er als Resonanzsystem durch die schwingende Piezokeramik angeregt werden kann. Eine Variante mit rechteckigem Querschnitt ist in Figur 3 gezeigt. In diesem Fall ist der schlanke Metallteil 10 als Biegearm ausgebildet.
Bei den in Figuren 4a und 4b dargestellten Ausführungsformen wird der Resonator l mit einer senkrecht zur Symmetrieachse verlaufenden Bohrung versehen. Als piezoelektrisches Element kann ein Hohlschwinger 11 oder Stabschwinger 12 in diese Bohrung eingeführt werden. In ungekoppeltein Zustand ist der Durchmesser der Bohrung gering£ügig kleiner als der Außenmesser des Hohl- bzw. Stabschwingers. Die Beinführung und Vorspannung kann wic oben erläutert durch Erwärmung und Abkühlung erfolgen. Es ist aber auch möglich, den Bohrungsdurchmesser mechanisch zu erweitern, wenn der Resonator an einer entsprechenden Stelle mit einem zur Bohrung führenden Schlitz versehen wird.
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Claims

Patentansprüche Piezoelektrischer Koppelschwinger für Ultraschallfrequenzen, bei dem das piezoelektrische Anregungssystem in einen mechanischen Resonator eingefügt und zur Kopplung mechanisch vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) mit einer Aussparung versehen ist, die der Form der piezoelektrischen Änregungselemente (3,4) entspricht und deren axiale Breite in ungekoppeltem Zustand geringfügig kleiner als die Dicke des piezoelektri- schein Anregungssystems und zur Einführung bzw. Vorspannung des piezoelektrischen Anregungssystems thermisch oder mechanisch reversibel vergrößerbar ist.
2. Piezoelektrischer Koppelschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Anregungselemente aus zwei jeweils halbierten Ringscheiben (3, 4) bestehen und der Resonator (i) mit einer entsprechenden Ringnut versehen ist.
3. Piezoelektrischer Koppelschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Anregungselemente aus zwei Kreisscheibensegmenten (3, 4) bestehen und der Resonator (1) mit einer entsprechenden einseitigen Aussparung versehen ist.
4. Piezoelektrischer Koppelschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Anregungselemente aus zwei rechteckigen Scheiben (3, 4) bestehen und der Resonator (i) mit einer entsprechenden einseitigen Aussparung und einem Biegearm (10) versehen ist.
5. Piczoelektrischer Koppelschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Peripherie der piezoelektrischen Scheiben (3, 4) eine Nut (7) vorgesehen ist, in die die Mittelelektrode einmündet und die mit einem Zuführungsdraht (8) mit Spannung versorgt wird.
6. Piezoelektrischer Koppelschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Anregungselement aus einem zylindrischen Hohlschwinger (11) oder einem Stabschwinger (12) besteht und der Resonator (1) senkrecht zur Symmetrieachse mit einer entsprechenden Bohrung versehen ist.
7. Piezoelektrischer Koppelschwinger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) einen zur Bohrung führenden Schlitz aufweist.