DE3208456A1

DE3208456A1 - Piezoelektrisches schwingsystem

Info

Publication number: DE3208456A1
Application number: DE19823208456
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Phys. 8000 München Kleinschmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-03-09
Filing date: 1982-03-09
Publication date: 1983-09-22
Also published as: DE3208456C2

Description

Piezoelekrisches Schwingsystem.
Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schwingsystem, wie es im Oberbegriff des Patentansnruchs 1 angegeben ist.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche piezoelektrische Schwingsysteme bekannt, die aus einem piezokeramischen Wandler und einem mit diesem Wandler verbundenen Metallkörper bestehen. Insbesondere ist aus der deutschen Patentschrift 20 32 433 bzw. aus der US-Patentschrift 3 904 895 ein solches Schwingsystem bekannt, bei dem der piezokeramische Wandler eine Scheibe aus z.B. Bleizirkonattitanat ist, die ganzflächig mit der Basisfläche eines im wesentlichen konus-bzw. kegelförmigen Metallkörpers verbunden ist. Die auf dem Markt befindlichen Schwingsysteme nach diesem Patent weisen eine Klebverbindung zwischen keramischem Wandler und Metallkörper auf, die im Betrieb im wesentlichen Scherkräften unterworfen ist.
Ss ist auch schon der Vorschlag gemacht worden, die Scheibe des keramischen Wandlers und den Metallkörper durch eine Lötverbindung, miteinander zu verbinden, nämlich um eine Beschleunigung des Fertigungsverfahrens zu erreichen, denn die bisher und noch immer seit Jahren verwendeten Klebverbindungen benötigen eine reletiv lange Zeit für das unvermeidlich notwendige Aushärten des Klebers.
in anderes Problem im Zusammenhang mit solche verwendeten Wandlersystem ist, daß bei Verwendung von Klebverbindungen Temperaturgrenzen gesetzt sind. Für den Normalbetrieb sind diese Temperaturgrenzen an sich hoch genug. Wenn jedoch ein solches zur Flüssigkeitszerstäubung verwendetes Schwingsystem, das außerdem noch für Hochleistungsbetrieb ausgelegt und vorgesehen ist, trockengeht, d.h. aus irgendwelchen Gründen die Flüssigkeitszufuhr unterbleibt, kann der Fall eintreten, daß sich das Schwingsystem nach Wegfall dieser Kühlung durch die Flüssigkeit zu stark erwärmt und die Klebverbindung sich irreversibel löst.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, insbesondere für ein piezoelektrisches Schwingsystem nach Patent 20 32 433 und/oder insbesondere für einen tlopfsensor mit Dehnungsstreifen nach Pantent(anmeldung) Mr, 31 43 203.4 eine solche Klebverbindung anzugeben, die im Fertigungsverfahren in kürzester Zelt herzustellen ist und/oder die hohen Temperaturen standhält.
Diese Aufgabe wird für ein piezoelektrisches Schwingsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den Merkmalen des Kennzeichens dieses Anspruchs gelöst.
Das erfindungsgemäß für die Klebschicht verwendete Polyphenylensulfid ist bereits seit mIndestens einen Jahrzehnt bekannt und vielseitig in der Technik eingesetzt worden. Es f.ir eine Klebverbindung bei einem piezoelektrischen Schwingsystem zu verwenden, ist offenber der einschlägigen Fachwelt nicht nahegelegt gewesen, denn einerseits sind zahlreiche einschlägige Untersuchungen und Vorschläge an bTÄ. für verschiedenste Klebersorten gemacht worden und sind Entwicklungen betrieben worden, die Klebvorbindung durch eine geeignet herstellbare Lötverbindun zu ersetzen, nämlich um die mit Klebverbindungen einhergehenden Machteile zu vermeiden.
Mit dem Polyphenylensulfid lassen sich mit einem Schlag die anstehenden Probleme völlig zufriedenstellend lösen. Das Polyphenylensulfid wird vorzugsweise in pulverförmigem Ausgangszustand verwendet. Vorzugsweise wird das Pulver in entsprechender Menge möglichst gleichmäßig verteilt auf die Wlebfläche des Metallkörpers aufgebracht. Auf diese Pulverschich+ wird dann die Scheibe des piezokeramischen Wandlers aufgelegt, wobei diese Scheibe bereits mit den üblichen Elektroden versehen ist. Unter Druckkraft, die zwischen dem Wandler und dem Metallkörper auf die Pulverschicht einwirkt, wird dieses System dann kurzzeitig auf z.B. wenigstens 350°C, vorzugsweise etwa 400°C, erwärmt. Mit Erreichen der vorgesehenen Maximaltemperatur kann sofort die Abkühlung beginnen, denn wenigstens mit dem Erreichen der vorgesehenen Maximaltemperatur ist das Pulver der Schicht bereits in flüssig/plastischen Zustand übergegangen und hat die einander gegenüberstehenden Flächen von Metallkörper und Wandler gut benutzt. In abgekühlten Zustand liegt dann schon sofort die fertige Klebverbindung vor.
Wegen der verwendeten hohen Temperaturen beim Erzeugen der Klebverbindung empfiehlt es sich, die elektrische Polarisation der Scheibe des piezokeramischen Wandlers erst nach Herstellung der Klebverbindung, gegebenenfalls bei entsprechend erhöhter Temperatur, herzustellen bzw. zu wiederholen.
Sehr auffallend ist, daß die erfindungsgemäße Klebverbindung bei einem piezoele'.rischen Schwingsystem, insbesondere einem Schwingsystem nach Patent 20 32 433 oder einem Klopfsensor nach Patent(ameldung) 31 43 203.4 nur wenig mechanischen Verlust im Schwingbetrieb vewirkt, d.h. daß das ganze Schwngsystem trotz Vorhandenseins einer Klebverbindung noch hohe Schwinggüte beibehalt. Völlig unvorhergesehen und entsprechend überre- schend waren noch weitere positive Feststellungen, nämlich daß die erfindungsgemäße Klebverbindung mit Polyphenylensulfid nicht nur einen reverslblen Charakter aufweist, sondern außerdem auch noch eine immanente Schutzfunktion zusätzlich mit sich bringt. Ein Schwingsystem mit erfindungsgemäßer Klebverbindung läßt sich ohne weiteres bis zu Betriebstemperaturen von 200 0C verwenden. Für zuvor bekannterweise verwendete Klebverbindungen war eine so hohe Temperatur nicht zulässig; und wenn sie eintrat, führte dies zu einer irreversiblen Lösung der Klebverbindung. Dieser Nachteil entfällt bei erfindungsgemäß verwendetem Pkolyphenylensulfid. Darüber hinaus wird andererseits auch noch der besonders vorteilhafte Effekt beobachtet, daß ein mit erfindungsgemäßer Klebverbindung ausgerüstetes Schwingsystem mit zunehmender Temperatur, beginnend bei etwa 1500C, sein Schwingungsverhalten derart reversibel andert, daß ein mit erfindungsgemäßer Klebverbindung ausgerüstetes Schwingsystem eine stark nichtlineare Leistungsaufnahme-Charakteristik hat, und zwar mit sich stark verringernder weiterer Leistungsaufnahme. Das Schwingsystem verändert sich also derart, daß es Selbstzerstörung durch starke Verminderung zusatzlicher Leistungsaufnahrie weitgehend ausschließt. Besonders erstaunlich war aber die Feststellung, daß auch nach mehrmaligem Eintreten die ses das betriebsmäßig vorgesehene Maß übersteigenden Belastungszustandes das Schwingsystem reversiblen Charakter hat, d.h. auch ein mehrmalig über die betriebsmäßige Grenze hinaus belastetes Schwingsystem mit erfindungsgemäßer Klebverbindung weiterhin voll verwendungsfähig ist.
Tjeitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibun hervor.
Fig.1 zeigt ein piezoelektrisches Schwlngsystem nach Patent 20 32 433 und Fig.2 zeigt einen Klopfsensor nach Patent(anmeldung) Nr. 31 43 203.4.
Die beiden Fig.1 und 2 betreffen bevorzugte Anwendungen der Erfindung. Das Schwingsystem nach Fig.1 besteht aus einer vorzugsweise kreisrunden Scheibe 1 aus piezoelektrischer Keramik, die durch die erfindungsgemäß vorgesehene Klebschicht 2 mit dem kegelstumpfförmigen Metallteil 5 fest verbunden ist. An der Spitze dieses Teils 5 befindet sich die Zerstäuberplatte 4 mit ihrer Oberfläche 41, auf der die Flüssig1eitszerstäubung erfolgt.
Hit 6 ist eine auf der einen Oberfläche der Keramikscheibe 1 befindliche Elektrode bezeichnet. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Keramikscheibe 1 befindet sich zwischen dieser Scheibe 1 und der Klebschicht 2 eine Gegenelektrode 7. Durch Anlegen einer Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 3 kann das Schwingsystem in bestlrimungsgemaße Schwingungen versetzt werden, wobei zwischen der Keramikscheibe 1 mit ihrer Gegenelektrode 7 und dem Metallteil 5 in der erfindungsgemäßen Klebschicht 2 mechanische Scherspannungen auftreten.
ei de bereits erwähnten Trockengehen eines solchen Schwingsystems kann sich dieses auf sehr hohe Temperaturen erhitzen, wobei Jedoch bei der Erfindung bei Annäherung an den reversiblen Erweichungszustand des erfindungsgemäß verwendeten Polyphenylensulfids sich eine derartig Verminderung der Leistungsaufnahme ergibt, daß damit ein mit erfindungsgemäßer Klebschicht 2 versehenes Schwingsystem immanent eine Schutzfunktion enthält.
Fig.2 zeigt einen wie erwähnten Klopfsensor mit einer Scheibe 11 aus wiederum piezoelektrischer Keramik. Die erfindungsgemäß vorgesehene Klebschicht ist wieder mit 2 bezeichnet. Sie verbindet die Keramikscheibe 11 bzw.
die auf der Kerqamikscheibe 11 fest angebrachte Gegenelektrode 17 mit dem Metallteil 15. Wie dargestellt, ist das Metallteil 15 mit Hilfe der Schrauben an einem Metallstück 15' - z.B. eInes Verbrennungsmotors - angebracht, dessen Schwingbewegungen von der Keramikacheibe 11 als Sensor detektiert werden soll. Mit 6 ist die eine Elektrode auf der Keramikscheibe 11 bezeichnet.
Mit 8 sind die Anschlüsse für die beiden Elektroden 6 und 17 bezeichnet. Die in der Fig.2 nicht näher bezeicnneten Pfeile weisen auf die mechanischen Bewegungen, und zwar auf die primäre Bewegung des Teils 15' und die daraus folgende Bewegung des Teils 15 und die wiederum daraus entstehende Bewegung der Keramikscheibe 11 - hin.
Wie ersichtlich, wirken auch hier in der Klebschicht 2 wenigstens Im wesentlichen Scherkräfte.
3 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

P a n t e n t a n s p r ü c h e 1. Piexoelektrisches Schwingsystem mit einem piezokeramischen Wandler und einem Metallkörper, die mittels einer Klebverbindung flächenmäßig miteinander fest verbunden sind, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß für diese Klebverbindung Polyphenylensulfid verwendet ist, das als Zwischenschicht (2) zwischen dem Wandler (1, 11) und dem Metallkörper (5, 15) vorliegt.
2. 'Piezoelektrisches Schwingsystem nach Patentanspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß das schwingsystem (Fig. 1) ein solches nach Patent 20 32 433 ist, bei dem der piezokeramische Wandler eine Scheibe (i) ist und der Metallkörper in wesentlichen die Form eines Konus (5) mit daran befindlicher Zerstäuberplatte (4) ist, und bei dem Wandler und metallkörper zusammen Schwing bewegungen mit Scherspannungen in der Klebverbindung (2) ausführen.
3. Piezoelektrisches Schwingsystem als Klopfsensor (Fig.2) nach Patent 31 L3 203, bei dem der andler e--n piezokeramischer Streifen (11) ist, der durch diese Klebverbindung (2) mit einem Metallteil (15) des Sensors bzw. des Motors als Metallkörper verbunden ist, wobei der Wandler als Dehnungsstreifen wirksam ist und die Klebverbindung (2) Scherkräften unterworfen ist.