DE2914434C2 - Rod ultrasonic transducer - Google Patents
Rod ultrasonic transducerInfo
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- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
Description
3 43 4
Membran. Die Aluminiumdichtungen 7 dienen zum bes- Wandlers t als Ganzes mit dem Viertelwellen-Wellenseren akustischen Kontakt der Elemente des Pakets. leiter 2 ausgeführt und weist ein Gewindeloch zur Befe-Membrane. The aluminum seals 7 serve for the best transducer t as a whole with the quarter-wave wave serum acoustic contact of the elements of the package. head 2 and has a threaded hole for fastening
Zum gleichen Zweck ebenso wie zur Verhinderung stigung des Bolzens 11 auf, während der vordere Grundeines Durchdrehens des Grundkörpers 4 bezüglich des körper 3 eine zentrale Durchgangsbohrung besitzt,For the same purpose as well as preventing the bolt 11 from stiffening, during the front base Rotation of the base body 4 with respect to the body 3 has a central through hole,
Schwingungserzeugers 5 und damit zur Vermeidung ei- 5 durch die der Bolzen 11 hindurchgelassen ist Die Ab-Vibration generator 5 and thus to avoid a 5 through which the bolt 11 is passed.
nes Bruches seiner spröden Piezoelemente beim Fest- messungen des Schwingers verringern sich hierbei imThe breakage of its brittle piezo elements during fixed measurements of the oscillator is reduced by the
ziehen mit Hilfe des Bolzens 11 dient eine zwischen dem Vergleich zu den anderen Ausführungsformen um einpull with the help of the bolt 11 is a between the comparison to the other embodiments
Kopf des Bolzens 11 und dem Grundkörper 4 unterge- Viertel der Wellenlänge.The head of the bolt 11 and the base body 4 are below quarter of the wavelength.
brachte und aus dünnem verzinktem Blech hergestellte F i g. 5, 6 zeigt eine Ausführungsform eines zum Ein-.brought and made from thin galvanized sheet metal. 5, 6 shows an embodiment of a for one.
Scheibe 10. Die" zwei Kontaktstreifen 8 mit der Trenn- io satz in einem Vibromotor mit stirnseitiger Drehung ge-Disk 10. The "two contact strips 8 with the separation set in a vibromotor with face-end rotation.
wand S sind zum Anschluß einer (nicht gezeigten) Spei- eigneten Schwingers. Von der in Fi g. 4 wiedergegebe-wall S are for the connection of a stored oscillator (not shown). From the in Fi g. 4 reproduced
sequelle an den Schwinger vorgesehen. Einem (grund- nen Konstruktion unterscheidet sich diese Konstruktionsequelle provided to the transducer. A (basic construction, this construction differs
sätzlich gleichgültig welchem) der Piezoelemente des dadurch, daß zum rotatorischen Antrieb eines nicht ein-additionally irrespective of which) of the piezo elements of the fact that for the rotary drive a not
Schwingungserzeugers 5 wird über dessen Kontakt- gezeichneten Läufers des Vibromotors und zu dessenVibration generator 5 is via its contact-drawn runner of the vibromotor and to its
elektroden eine vorgebende elektrische Sinusspannung 15 Zentrierung im Knotenbereich des Halbwellenwandlerselectrodes a predetermined electrical sinusoidal voltage 15 centering in the node area of the half-wave converter
zugeführt Währenddessen arbeitet das zweite Piezoele- 1 drei in Umfangsrichtung geneigte, mit einer Länge vonMeanwhile, the second Piezoele- 1 works three inclined in the circumferential direction, with a length of
ment als Frequenzrückkopplungsgeber und ist zur Auf- ein Viertel der Wellenlänge der Resonanzschwingungenment as a frequency feedback transmitter and is up to a quarter of the wavelength of the resonance vibrations
rechterhaltung des Betriebs des Schwingers im Reso- ausgeführte Stäbe 12 als Viertelwellen-Wellenleiter an-right maintenance of the operation of the oscillator in Reso designed rods 12 as quarter-wave waveguides.
nanzzustand bei einer sich ändernden Belastung sowie geordnet sind. Dabei wird der Läufer des Vibromotorsnance state in the event of a changing load and are in order. Thereby the runner of the vibromotor becomes
bei anderen Störungen notwendig. Daher röhrt die Not- 20 an die Stirnseite des Schwingers (an *ie Stirnseiten dernecessary for other malfunctions. Therefore, the emergency 20 roars on the front side of the transducer (on the front sides of the
wendigkeit einer elektrischen Isolation der Piezoele- geneigten Stäbe 12) von oben angedrückt, während deragility of electrical insulation of the piezoelectric inclined rods 12) pressed from above, during the
mente, was mit Hilfe der Glimmertrennwand 9 verwirk- die Konkstruktion des Schwingers festziehende Bolzenelements, which with the help of the mica partition 9 realize the construction of the oscillator tightening bolts
licht wird. Der Werkstoff Glimmer ermöglicht eine mi- 11 eine Durchgangsbohrung 14 aufweist, in der die Ach-light becomes. The material mica enables a mi- 11 has a through hole 14 in which the axle
nimale Schwingungsdämpfung der akustischen Schwin- se des Vibromotors untergebracht werden kann,minimal vibration damping of the acoustic oscillations of the vibromotor can be accommodated,
gungen. 25 Der Betrieb der beschriebenen Stab-Ultraschall-worked. 25 The operation of the described rod ultrasound
Der Viertelwellen-Wellenleiter 2 wird in der Regel schwinger verläuft wie folgtThe quarter-wave waveguide 2 is usually oscillated as follows
aus dem gleichen Werkstoff einstückig mit dem Grund- Dem Kontaktstreifen 8 eines der Piezoelemente des körper 3 hergestellt Da der spezifische (auf den Quer- Schwingungserzeugers 5 wird eine elektrische Wechselschnitt bezogene) Wellenwiderstand W5 = ρ ■ c (mit spannung von einem nicht gezeigten Generator zuge- p = Dichte des Werkstoffs und c = Schallgeschwindig- 30 führt Die Frequenz dieser Spannung entspricht der Rekeit) beträgt und der gesamte Wellenwiderstand sich sonanzfrequenz der Längsschwingungen des gesamten durch Multiplikation mit der Querschnittsfläche Wandlers 1. In diesem entsteht also eine Stehwelle der F(WgCs = W5 · F) ergibt wird bei einstückiger Ausbil- Längsschwingungen mit Bäuchen an den Enden des dung von Grundkörper 3 mit Viertelwellen-Wellenleiter Wandlers 1 und mit einem Knoten im Zentralbereich, 2 das Verhältnis der gesamten Wellenwiderstände die- 35 wo der Wandler mit Hilfe des federnden Flansches 6 ser Teile gleich dem Verhältnis ihrer Querschnitte sein. befestigt ist.Made of the same material in one piece with the basic The contact strip 8 of one of the piezo elements of the body 3 Since the specific (on the transverse vibration generator 5 is an electrical alternating cut related) characteristic impedance W 5 = ρ ■ c (with voltage from a generator, not shown conces- p is = density of the material and c = Schallgeschwindig- 30 performs the frequency of this voltage corresponds to the Rekeit) and the total impedance sonanzfrequenz the longitudinal vibrations of the whole by multiplication with the cross-sectional area of the converter 1. this therefore creates a standing wave of the F ( WgCs = W 5 · F) results in one-piece formation longitudinal vibrations with bulges at the ends of the base body 3 with quarter-wave waveguide converter 1 and with a node in the central area, 2 the ratio of the total wave resistances the- 35 where the converter with Help the resilient flange 6 ser parts be equal to the ratio of their cross-sections. is attached.
In F i g. 2 ist die Verteilungskurve der Schwingungs- Der Anschluß des Wellenleiters 2 (der Stäbe 12) an y
amplituden längs des Schwingers gezeigt Die Buchsta- die Stirnseite des Wandlers 1 verringert die Scnwinben
A, B, C und D bezeichnen einander entsprechende gungsamplitude des Wandlers 1 nur wenig, weil der ge-Querschnittspunkte
im Schwinger nach F i g. 1 und in 40 sarate Wellenwiderstand des angekoppelten Wellenleider
graphischen Darstellung der Amplitudenverteilung ters 2 wesentlich (um mehr als ein Fünftel) kleiner als
in Fig. 2. Die Amplituden sind auf der Oberfläche des der gesamte Wellenwiderstand des Wandlers 1 ist
Schwingers im Nullbelastungszustand gemessen. Hier- Es entstehen am Ende des angeschlossenen Wellenbei
ist zu betonen, daß die Amplitudenverteilung im leiters 2 unter der Voraussetzung, daß dessen Länge ein
Schnitt B nicht unbedingt eben, d.fe. gleich über den 45 Viertel der Länge der Längswelle im Wandler 1 beträgt,
gesamten Querschnitt sein muß. In dem Maße der An- Schwingungen, deren Amplitude um so viel größer als
näherung an den Fuß des angeschlossenen Wellenleiters die Schwingungsamplitude der der angeschlossenen
2 können die Amplituden-abnehmen, was bei einem be- Stirnseite gegenüberliegenden Stirnseite des Wandlers
lasteten Schwingungssyslcm deutlicher ausgeprägt ist 1 (im Punkt D) ist, um wie viel der gesamte Wellenwi-In Fig. 2 is the distribution curve of the vibration The connection of the waveguide 2 (the bars 12) amplitudes at y along the vibrator shown The Buchsta- the end face of the transducer 1 reducing the Scnwinben A, B, C, and D indicate corresponding supply amplitude of the transducer 1 only little because the ge cross-sectional points in the transducer according to FIG. 1 and in 40 sarate wave impedance of the coupled waveguide graphical representation of the amplitude distribution age 2 significantly (by more than a fifth) smaller than in Fig. 2. The amplitudes are on the surface of the total wave impedance of the transducer 1 is
Measured vibrator in the no-load condition. It should be emphasized that the amplitude distribution in the conductor 2 under the condition that its length is a section B not necessarily flat, i.e. equal to 45 quarters of the length of the longitudinal shaft in transducer 1 must be the entire cross-section. The amplitudes can decrease to the extent of the initial oscillations, the amplitude of which is so much greater than the approximation to the foot of the connected waveguide the oscillation amplitude of the connected 2, which is more pronounced in the case of an end face opposite the end face of the transducer 1 (at point D) is by how much the entire wave
F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform des Schwingers 50 derstand des Wandle.-s 1 größer als der gesamte Wellen-F i g. 3 shows an embodiment of the oscillator 50, the position of the transducer 1 is greater than the entire shaft
die sich von der in F i g. 1 wiedergegebenen dadurch widerstand des angeschlossenen Wellenleiters 2 ist.which differs from the one shown in FIG. 1 represented thereby the resistance of the connected waveguide 2 is.
unterscheidet daß der angeschlossene Viertelwellen- Hierbei bleibt dieses Verhältnis bis zur technisch maxi-distinguishes that the connected quarter-wave- Here, this ratio remains up to the technically maximum
Wellenleiter in Gestalt eines Systems aus drei unter mal möglichen Querschnittsabstufun« aufrechterhalten,Maintain waveguide in the form of a system of three cross-sectional gradations that are less than possible,
einem gewissen Winkel α zur Richtung der Längs- während bei den bekannten Stab· Ultraschallschv/in-a certain angle α to the direction of the longitudinal while in the known rod ultrasonic shear
schwingungen geneigten Stäben 12 ausgeführt ist 55 gern ein Grenzwert der Querschnittiabstufung existiert.vibrations inclined rods 12 is executed 55 like a limit value of the cross-sectional gradation exists.
An Stelle des federnden Befestigungsflansches ist an Dieser Effekt ist zum einen darauf zurückzuführen, daß der dem Punkt C in F i g. 2, d. h. dem Knotenbereich der der Wellenleiter nicht im Bereich der Spannungsmaxi-Schwingungen entsprechenden Ebene ein Befestigungs- ma angekoppelt is*, und zum anderen darauf, daß die ansatz 13 vorgesehen. Diese Ausführungsform des Schwingungen ungeachtet des Vorhandenseins einer Schwingers ist zum Einsatz in einem stirnseitigen Vibro- so gewissen Belastung am Arbeitsende des Schwingers (im motor geeignet. Punkt A) auf Grund dessen nicht zusammenbrechen,Instead of the resilient mounting flange, this effect is due on the one hand to the fact that the point C in FIG. 2, ie the junction area of the plane that does not correspond to the level of the waveguide in the area of the maximum stress oscillations, a fastening ma is coupled *, and on the other hand that the attachment 13 is provided. This embodiment of vibrations regardless of the presence of a vibrator is suitable for use in a front-side vibro- so a certain load at the working end of the vibrator (in the motor. Point A) because of this, do not collapse,
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform des Schwingers, daß vom schwingenden Halbwellenwandler 1, in demFig.4 shows an embodiment of the oscillator that from the oscillating half-wave converter 1, in which
die sich von der vorhergehenden dadurch unterscheidet, ein hoher Pegel der Stehwelle existiert, ständig Schwin-which differs from the previous one in that there is a high level of the standing wave,
daß der Viertelwellen-Wellenleiter 2 in Form eines Sta- gungsenergie nachgereist wird,that the quarter-wave waveguide 2 is followed in the form of stagnation energy,
bes ausgeführt und mit dem Wandler 1 in dem dem 65 Aus dem zweiten Grund ist das Schwingungssystembes carried out and with the transducer 1 in the dem 65 For the second reason is the oscillation system
Punkt Cder graphischen .Darstellung in F i g. 2 entspre- weniger empfindlich gegenüber Belastungsänderungen,Point C of the graphic representation in FIG. 2 corresponds to less sensitive to changes in load,
chenden Knotenbereich der Schwingungen gekoppelt weil bei einer Erhöhung der Belastung die Arbeitsampli-corresponding node area of the vibrations because when the load increases, the work ampli
ist. Dabei ist der hintere Grundkörper 4 (F i g. 4) des tude durch eine entsprechend größere Entnahme deris. The rear main body 4 (Fig. 4) is the tude by a correspondingly larger removal of the
Schwingungsenergie aus dem als Speicher wirkenden, im Resonanzzustand schwingenden Wandler 1 aufrechterhalten wird.Vibration energy from the transducer 1, which acts as a memory and vibrates in the resonance state, is maintained will.
Bei den Ausführungsformen der in Fig.4, 5, 6 dargestellten Schwinger mit dem Anschluß des Wellenleiters im Knotenbereich der Schwingungen muß das Verhältnis der gesamten Wellenwiderstände genauer beachtet werden, weil die Stäbe 12 (Wellenleiter 2) an der Maximumstelle der mechanischen Spannungen angeschlossen sind. Daher ist die Einleitung mechanischer Spannungen vom Wandler in den Wellenleiter nicht bei beliebig großen Verhältnissen der gesamten Wellenwiderstände möglich. Die Empfindlichkeit dieser Schwinger gegen Lastschwankungen ist aber wiederum dank der Wirkung des Speichers für Schwingungsenergie in Form des im Resonanzzustand schwingenden Wandlers 1 reduziert.In the embodiments shown in FIGS Oscillators with the connection of the waveguide in the nodal area of the oscillations must have the ratio the entire wave resistance must be observed more precisely because the rods 12 (waveguide 2) at the maximum point the mechanical stresses are connected. Hence the initiation of mechanical stresses from the transducer into the waveguide not with arbitrarily large ratios of the total wave resistances possible. The sensitivity of these oscillators to load fluctuations is in turn thanks to the Effect of the store for vibration energy in the form of the transducer vibrating in the resonance state 1 reduced.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
20 For this purpose 2 sheets of drawings
20th
2525th
3535
4040
4545
5555
6060
6565
Claims (1)
zwecken, z. B. für Plattenspielerteller. F i g. 5 eine Ausführungsform des Schwingers gemäß Bei den bekannten Ausbildungen ist der Wandler ein 40 Fig.4, bei dem der Viertelwellsn-Wellenleiter als Viertelwellenwandler, und sie unterscheiden sich bezug- Dreistabkonstruktion ausgeführt ist, im Längsschnitt;
Hch der Anordnungsstelle der Piezoelemente des F i g. 6 die Draufsicht von F i g. 5.
Schwingungserzeugers im Bereich des Wandlers. Der in F i g. 1 gezeigte Stab-Ultraschallschwinger beStab-Ultraschallschwinger dieser Art sind von hoher steht aus einem elektromechanischen Wandler 1 und Empfindlichkeit gegen Belastungsänderungen, und die 45 einem mit ihm gekoppelten, in Ausbreitungsrichtung Nutzamplitude am freien Ende des Viertelwellen-WeI- der Schwingungen angeordneten Stabwellenleiter 2. lenleiters ist sehr abhängig von der abgenommenen Lei- Hierbei hat der Wandler 1 eine Länge gleich der HaIbstung. Auch ist die Nutzamplitude überhaupt begrenzt, wellenlänge der Resonanzfrequenz der Längsschwinweil bei Überschreiten eines bestimmten Verhältnisses gungen und der Wellenleiter 2 eine Länge gleich der (ungefähr 5) der Querschnittsflächen des Wandlers und 50 Viertelwellenlänge und das Verhältnis seines Querdes Wellenleiters die erwartete Vergrößerung der Schnitts zum Querschnitt eines Grundkörpers 3 des Schwingungsamplitude nicht eintritt. Wandlers 1 ist derart, daß der gesamte Wellenwider-Beieiner weiteren Vergrößerung des Querschnittsun- stand des Wellenleiters 2 weniger als ein Fünftel des terschieds kommt es nicht mehr zur Einleitung aller me- gesamten Wellenwiderstandes des Wandlers 1 beträgt
chanischen Schwingungen in den Wellenleiter. Da die 55 Der Wandler 1 enthält außer dem bereits erwähnten Übergangsstelle zwischen dem Wandler und dem WeI- vorderen Grundkörper 3 auch einen hinteren Grundlenleiter sich im Spannungsbauch befindet, ergibt sich körper 4, einen Schwingungserzeuger 5 aus ringförmieine erhebliche Krümmung der sich fortpflanzenden gen Piezoelementen, einen federnden Befestigungs-Wellenfront bei Belastung. Bei einem ziemlich großen flansch 6, Aluminiumdichtungen 7, Kontaktstreifen 8 des f? Verhältnis der Wellenwiderstände in der Größenord- 60 Stromabnehmers, eine Glimmertrennwand 9 und eine f| nung von 1Z2O bis V30 ist überhaupt keine bemerkenswer- Zwischenlage 10. Alle aufgezählten Elemente des H' te Schwingungsamplitude am Ende des Wellenleiters zu Wandlers 1 sind mit einem durch eine Zentralbohrung W1 beobachten. im Grundkörper 4, dem Flansche, den Dichtungen 7,der |ί Ähnliches gilt für Stab-Ultraschallschwinger mit ei- Trennwand 9 und den Streifen 8 hindurchgehenden und pi nem Halbwellenwandler und einem an diesen ange- t5 mittels einer Gewindeverbindung in einem Loch des (ij schlossenen Halbwellen-Wellenleiter, wie sie aus »Ein- Grundkörpers 3 befestigten Bolzen 11 festgezogen.
;q führung in die Ultraschalltechnik« von Matanschek, Der Befestigungsflansch 6 ist zur Verringerung von ά 1962. S. 248—250 bekannt sind. Diese Ultraschall- Verlusten ein dünnes federndes Element in der Art einer68 085 known ultrasonic transducers of this type die- F i g. 4 a rod ultrasonic transducer with an in the NEN z. B. to different types of ultrasonic work- node area of the vibrations coupled rod piece processing or in vibromotors to drive waveguides in partial longitudinal section:
purposes, e.g. B. for turntable platters. F i g. 5 an embodiment of the oscillator according to In the known designs, the transducer is a 40 Figure 4, in which the quarter-wave waveguide is designed as a quarter-wave transducer, and they differ with respect to three-bar construction, in longitudinal section;
Hch the arrangement point of the piezo elements of the F i g. 6 shows the top view of FIG. 5.
Vibration generator in the area of the converter. The in F i g. 1 rod ultrasonic vibrator shown beStab ultrasonic vibrators of this type are made up of an electromechanical transducer 1 and are sensitive to changes in load, and the rod waveguide 2 is very dependent on the power removed. The length of the transducer 1 is equal to that of the power. The useful amplitude is also limited at all, the wavelength of the resonance frequency of the longitudinal oscillation when a certain ratio is exceeded and the waveguide 2 has a length equal to (approximately 5) the cross-sectional areas of the transducer and 50 quarter wavelengths and the ratio of its cross-section of the waveguide is the expected increase in the section to the cross-section of a base body 3 of the oscillation amplitude does not occur. The transducer 1 is such that the total wave impedance of a further increase in the cross-sectional area of the waveguide 2 is less than a fifth of the difference, there is no longer any introduction of all the total wave impedance of the converter 1
mechanical vibrations in the waveguide. Since the transducer 1 contains, in addition to the already mentioned transition point between the transducer and the white front base body 3, a rear base conductor is also located in the tension belly, the result is body 4, a vibration generator 5 made of annular shape, a considerable curvature of the propagating piezo elements, a resilient mounting wavefront when loaded. With a fairly large flange 6, aluminum seals 7, contact strips 8 of the f? Ratio of the wave resistances in the order of magnitude 60 pantograph, a mica partition 9 and a f | tion from 1 Z 2 O to V30 is not at all a remarkable intermediate layer 10. All listed elements of the H'th oscillation amplitude at the end of the waveguide to transducer 1 can be observed through a central bore W 1. in the base body 4, the flanges, the seals 7, the | ί The same applies to rod ultrasonic transducers with a partition 9 and the strips 8 passing through and a pin half-wave transducer and a pin half-wave transducer connected to this by means of a threaded connection in a hole in the (ij closed half-wave waveguides, as tightened from »a base body 3 fastened bolts 11.
q guidance in the ultrasonic technique "of Matanschek, The fastening flange 6 is known to reduce ά 1962. p 248-250. This ultrasound losses a thin resilient element in the manner of a
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