DE3208456C2

DE3208456C2 - Piezoelektrisches Schwingsystem

Info

Publication number: DE3208456C2
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: 1985-03-07
Also published as: DE3208456A1

Abstract

Durch Kleben zusammengesetztes Schwingsystem, dessen Klebschicht (2) Scherbelastungen unterworfen ist. Diese Klebschicht (2) besteht erfindungsgemäß aus Polyphenylensulfid. Das Schwingsystem mit einer solchen Klebschicht verträgt nicht nur höhere Temperaturen, sondern enthält infolge "nichtlinearer" Eigenschaft dieser Klebschicht (2) einen immanenten Überlastungsschutz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Schwingsystem, wie es im Oberbegriff des Patentanspruchs 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 39 04 896 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.

Es 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 relativ lange Zeit für das unvermeidlich notwendige Aushärten des Klebers.

Ein anderes Problem im Zusammenhang mit solchem 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.

Fs ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, inss besondere für ein piezoelektrisches Schwingsystem nach Patent 20 32 433 und/oder insbesondere für einen Klopfsensor mit Dehnungsstreifen nach DE-OS 31 43 203 eine solche Klebverbindung anzugeben, die im Fertigungsverfahren in kürzester Zeit herzustellen

ίο ist und/oder die hohen Temperaturen standhält.

Diese Aufgabe wird für ein piezoelektrisches Schwingsystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit dem Merkmal des Kennzeichens dieses Anspruchs gelöst Das erfindungsgemäß für die Kleb-

IS schicht verwendete Polyphenylensuind ist bereits seit mindestens einem Jah/zehnt bekannt und vielseitig in der Technik eingesetzt worden. Es für eine Klebverbindung bei einem piezoelektrischen Schwingsystem zu verwenden, ist offenbar der einschlägigen Fachwelt nicht nahegelegt gewesen, denn einerseits sind zahlreiche einschlägige Untersuchungen und Vorschläge an bzw. für verschiedenste Klebersorten gemacht worden und sind Entwicklungen betrieben worden, die Klebverbindung durch eine geeignet herstellbare Lötverbindung zu ersetzen, nämlich um die mit Klebverbindungen einhergehenden Nachteile 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 Klebfläche des Metallkörpers aufgebracht. Auf diese Pulverschicht 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 gcgenüberstehenden Flächen von Metallkörper und Wandler gut benetzt. Im abgekühlten Zustand liegt dann schon sofort die fertige Klebverbindung vor. Wegen der verwendeten hohen Temperaturen beim Erzeugen der Klebverbindung empfiehlt es sich, die elekirisehe 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 piezoelektrischen Schwingsystem, insbesondere einem Schwingsystem nach Patent 20 32 433 oder einem Klopfsensor nach DE-OS 31 43 203 nur wenig mechanischen Verlust im Schwing betrieb bewirkt, d.h. daß das ganze Schwingsystem.

trotz Vorhandenseins einer Klebverbindung noch hohe Schwinggüte beibehält. Völlig unvorhergesehen und entsprechend überraschend waren noch weitere positive Feststellungen, nämlich daß die erfindungsgemaßc Klebverbindung mit Polyphenylensulfid nicht nur einen reversiblen Charakter aufweist, sondern außerdem auch noch eine immanente Schutzfunktion zusätzlich mit sich bringt. Ein Schwingsystem mit erfindungsgemäßer Klebverbindung läßt sich ohne weiteres bis zu Betriebs-

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temperaturen von 200⁰C 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 effindungsgemäß verwendetem Polyphenylensulfid. 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 ändert, 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 zusätzlicher Leistungsaufnahme weitgehend ausschließt Besonders erstaunlich war aber die Feststellung, daß auch nach mehrmaligem Eintreten dieses 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.

Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.

F i g. 1 zeigt ein piezoelektrisches Schwingsystem nach Patent 20 32 433 und

Fig. 2 zeigt einen Klopfsensor nach DE-OS 31 43 203.4.

Die beiden F i g. 1 und 2 betreffen bevorzugte Anwendungen der Erfindung. Das Schwingsystem nach F i g. 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 Flüssigkeitszerstäubung erfolgt. Mit 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 8 kann das Schwingsystem in bestimmungsgemäße Schwingungen versetzt werden, wobei zwischen der Keramikscheibe 1 mit ihrer Gegenelektrode 7 und dem Metallteil 5 in der erfindungsgemäßen Klebschicht

2 mechanische Scherspannungen auftreten.

Bei dem 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 derartige 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 Keramikscheibe 11 fest angebrachte Gegenelektrode i/ 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 Keramikscheibe 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 F i g. 2 nicht näher bezeichneten 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Schwingsystem mit einem piezokeramischen Wandler und einem Metalikörper, die mittels einer Klebverbindung flächenmäßig miteinander fest verbunden sind, wobei das Klebemittel als Zwischenschicht zwischen dem Wandler und dem Metallkörper vorliegt, gekennzeichnetdadurch, daß als Klebemittel für diese Klebverbindung Polyphenylensulfid verwendet ist

2. Piezoelektrisches Schwingsystem nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es ein solches nach Patent 20 32 433 ist, bei dem der piezokeramische Wandler eine Scheibe (!) ist und der Metallkörper im wesentlicher die Form ehws Konus (5) mit daran befindlicher Zerstäuberplatte (4) ist, und bei dem Wandler und Metallkörper zusammen Schwingbewegungen mit Scherspannungen in der Klebverbindung (2) ausführen (F i g. 1).

3. Piezoelektrisches Schwingsystem nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß es ein Klopfsensor nach DE-OS 31 43 203 ist, bei dem der Wandler ein piezokeramischer Streifen (11) ist, der durch die 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 (F i g. 2).