DE4433679C2 - Schwingungserreger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drallschwingungen hervorrufen­ den Schwingungserreger mit einem piezoelektrischen Element, das aus zwei Schichten unterschiedlicher Polarität (pie­ zoelectric bimorph) besteht.

Nach der JP-Patentschrift Hei 5-13401 B2 ist für einen Drall­ schwingungen hervorufenden Schwingungserreger ein solches beiden Ends Drallschwingungen unterworfenes piezoelektri­ sches Element vorgesehen, das aus zwei rechteckförmigen durch eine Klebverbindung zusammengefaßten Schichten (Plat­ ten) zusammengesetzt ist. Jede der das piezoelektrische Element ausbildenden Platten ist in vier Quadranten unter­ teilt. Bei angelegter Spannung werden die Eckbereiche der Quadranten der jeweiligen Polarität entsprechend aus der Ebene des plattenförmigen piezoelektrischen Elements nach der einen oder anderen Seite hin weggebogen, woraus beim piezoelektrischen Element als Ganzes gesehen die Drall­ schwingungen resultieren.

Das bekannte, Bestandteil eines Drallschwingungen hervorru­ fenden Schwingungserregers bildende piezoelektrische Ele­ ment unterliegt im angeregten Zustand an beiden Enden Drall­ schwingungen, obwohl es zur Nutzung der erzeugten Drall­ schwingungen nur abgangsseitig, also am etwa einem Flüssig­ keitsdetektor zugewandten, damit in Wechselwirkung stehen­ den Ende des piezoelektrischen Elementes kommt. Bei der bekannten Anordnung muß das piezoelektrische Element, spe­ ziell was seine Länge betrifft, dann auch groß aus­ gelegt werden. Hierfür wird also eine große Menge kostenträchtigen keramischen Materials benötigt, wodurch die Wirtschaftlichkeit beeinträchtigt wird.

Nachteilig erweist sich nach dem Stand der Technik dann auch die aus Kostengründen kurz zu haltende Einspannlänge des piezoelektrischen Elementes. Auch wenn der Bereich des sich im piezoelektrischen Element ausbildenden Schwingungs­ knotens sich für die Einspannung des piezoelektrischen Ele­ mentes anbietet, so bereitet es im übrigen doch Schwierig­ keiten, diesen Bereich hinreichend genau zu definieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Schwingungserreger bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Drallschwingungen her­ vorrufender Schwingungserreger auf der Basis eines aus zwei Schichten bestehenden piezoelektrischen Elementes vorge­ schlagen, bei dem am piezoelektrischen Element einen Ends ein verwindungssteifes Element angesetzt wird, das bei sich im aktivierten Zustand des Schwingungserregers am freien Ende des piezoelektrischen Elementes ausbildenden Drallschwingungen am ihm zugewandten und mit ihm zusammen­ gefaßten Ende des piezoelektrischen Elementes eine entspre­ chende Deformation dieses Endes ausschließt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das piezoelektrische Element aus einer vom verwindungssteifen Element ausgehen­ den Vibrationsplatte, an deren Breitseiten ein Zweischicht- Element ausbildende piezoelektrische Platten mit der Vibrationsplatte eine Klebverbindung eingehend angesetzt werden, die selbst nicht unmittelbar mit dem verwindungs­ steifen Element verbunden sind.

Das piezoelektrische Element und damit seine Bestandteile sind vorzugsweise rechteckförmig ausgebildet. Als zweck­ mäßig erweist es sich, daß das verwindungssteife Element eine Breite bzw. einen Durchmesser aufweist, die/der der Länge des Stoßes zwischen dem piezoelektrischen Element und dem verwindungssteifen Element entspricht. Bei einem zylin­ drisch ausgebildeten verwindungssteifen Element erstreckt sich das piezoelektrische Element zweckmäßigerweise in einer das verwindungssteife Element zentrisch durchsetzen­ den Ebene.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungserreger, bei dem das piezoelektrische Element einen Ends einem verwindungsstei­ fen Element in einer Weise zugeordnet ist, daß dieses Ende des piezoelektrischen Elementes bei Aktivierung des Schwin­ gungserregers einer Schwingungsbeanspruchung nicht unter­ liegt, bilden sich aktive Drallschwingungen ausschließlich am vom verwindungssteifen Element abgekehrten freien Ende des piezoelektrischen Elementes mit dem Ergebnis der wirkungsvollen Nutzung des freien, Schwingungen unterworfe­ nen Endes des piezoelektrischen Elementes als Schwingungs­ quelle aus. Da sich am verwindungssteifen Element selbst Schwingungen nicht einstellen, kann dieses in vorteilhafter­ weise für die unmittelbare oder mittelbare Einspannung des Schwingungserregers in eine Lagerstelle genutzt werden, weil in diesem Bereich keine Schwingungsbeanspruchungen auftreten. Das verwindungssteife Element bietet dann auch eine hinreichende Möglichkeit für die einwandfreie Lagerung des Schwingungserregers.

Bei vergleichbarem Schwingungsverhalten, d. h. sich in ver­ gleichbarer Größenordnung abgangsseitig ausbildenden Drall­ schwingungen, kommt der erfindungsgemäße Schwingungserreger mit einem wesentlich kürzer ausgelegten piezoelektrischen Element aus als das nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Praktisch läuft das auf einen auf die Hälfte reduzier­ ten Bedarf an keramischem Material hinaus, was sich in erster Linie dann auch kostensparend auswirkt.

In der Beschreibung ist die Erfindung weitergehend erläu­ tert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Schwingungserre­ gers in schaubildlicher Darstellung,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungs­ form des Schwingungserregers in Fig. 1 ebenfalls in schau­ bildlicher Darstellung,

Fig. 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungserregers in Ansicht von unten, die Vibra­ tionsplatte und die ihr zuge­ ordneten piezo-elektrischen Platten im Schnitt,

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungs­ form des Schwingungserregers in Fig. 3 in einer der Fig. 3 entsprechenden Darstellung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungserregers in einer den Fig. 1 und 2 ent­ sprechenden Darstellung.

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schwingungserregers in einer den Fig. 3 und 4 entsprechenden Darstellung.

Der Schwingungserreger setzt sich zusammen aus einem piezo­ elektrischen Element (piezoelectric bimorph) 1 und einem verwindungssteifen Element (rigid block) 2, wobei sich Schwingungen nur einen Ends des piezoelektrischen Elements ausbilden. Das piezoelektrische Element 1 besteht aus einer Vibrationsplatte 3 aus Metall oder dergleichen und einem Paar piezoelektrischer Platten 4a und 5a aus keramischem Material oder dergleichen, die sich stoßend an einer Breit­ seite der Vibrationsplatte 3 angesetzt sind und einem wei­ teren Paar von piezoelektrischen Platten 4b und 5b, die sich stoßend an der anderen Breitseite der Vibrationsplatte 3 angesetzt sind, wobei die Platten 4a und 4b sowie 5a und 5b jeweils eine unterschiedliche Polarität aufweisen, von den Platten also dementsprechend jeweils gegenläufige Ef­ fekte ausgehen. Was die piezoelektrischen Platten 4a und 4b betrifft, verkürzt sich die Platte 4a bei angelegter Span­ nung (Pfeil a in Fig. 1), während sich die Platte 4b längt (Pfeil b in Fig. 1). Die Längenänderungen, also das Ver­ kürzen der piezoelektrischen Platten im Sinne des Pfeiles a und das Längen der piezoelektrischen Platten im Sinne des Pfeiles b erfolgen also gegenläufig. Im Ergebnis führt das dazu, daß das piezoelektrische Element 1 an einer Schmal­ seite im Sinne des Pfeiles C1 aus seiner Normallage abgebo­ gen wird, die das Element in seiner Ruhelage einnimmt.

Gleichzeitig unterliegt die piezoelektrische Platte 5a des Plattenpaares 5a und 5b einer Längung im Sinne des Pfeiles b in Fig. 1, einhergehend damit die piezoelektrische Platte 5b einer Verkürzung im Sinne des Pfeiles a in Fig. 1, die Längung und die Verkürzung der piezoelektrischen Platten 5b und 5a also auch wieder gegenläufig erfolgen. Im Ergebnis führt das zum Abbiegen des piezoelektrischen Ele­ mentes 1 an seiner zweiten Schmalseite im Sinne des Pfeiles C2 in Fig. 1, gegenläufig zur Abbiegung an seiner durch die piezoelektrischen Platten 4a und 4b definierten Schmal­ seite.

Die piezoelektrischen Platten 4a, 4b, 5a und 5b sind im allgemeinen einer Vibrationsplatte 3 zugeordnet, die die Biegeverformungen im Sinne der Pfeile C1 und C2 in Fig. 1 bei angelegter Spannung definiert. Dabei kommt es im Wech­ sel zu den Biegeverformungen an den aneinander gegenüber­ liegenden Schmalseiten des piezoelektrischen Elementes 1 im Sinne der Pfeile C1 und C2 in Fig. 1. Auf diese Weise bil­ den sich am freien Ende des piezoelektrischen Elementes 1 somit Drallschwingungen aus.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 kommt es zu den Biege­ verformungen im Sinne der Pfeile C1 und C2, also den Drall­ schwingungen, an einem piezoelektrischen Element 1, das aus einer Vibrationsplatte 3 und vier daran angesetzt pie­ zoelektrischen Platten 4a, 4b, 5a und 5b besteht, während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zwei piezoelektrische Platten 6a und 6b einander gegenüberliegend an dar Vibrati­ onsplatte 3 angesetzt sind, wobei die piezoelektrischen Platten 6a und 6b durch eine imaginäre Halbierende in jeweils zwei Teilbereiche 7a und 7b bzw. 8a und 8b unter­ teilt sind. Die Ausführungsform nach Fig. 2 ergibt ein ähnliches Schwingungsverhalten wie die Ausführungsform nach Fig. 1. Die einander gegenüberliegenden Teilbereiche 7a und 7b der piezoelektrischen Platte 6a und 6b entsprechen den piezoelektrischen Platten 4a und 4b bei der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1, die Teilbereiche 8a und 8b der pie­ zoelektrischen Platten 6a und 6b den piezoelektrischen Platten 5a und 5b. Mit der Verkürzung des Teilbereichs 7a geht eine Längung des Teilbereichs 7b einher, glei­ chermaßen mit der Längung des Teilbereichs 8a eine Verkür­ zung des Teilbereichs 8b, wobei auch wieder Längung und Kürzung sowohl der einander angrenzenden als auch der ein­ ander gegenüberliegenden Teilbereiche gegenläufig erfolgen.

Die Vibrationsplatte 3 und die piezoelektrischen Platten 4a, 4b, 5a und 5b bzw. 6a und 6b weisen jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, dementsprechend weist dann auch das piezoelektrische Element 1 einen rechteckigen Querschnitt auf. Bei rechteckigem Querschnitt der die Schwingungen definierenden Platte 3 können die piezoelektrischen Platten auch andere Konturen aufweisen, etwa dergestalt, daß die Umfangsfläche denen eines Halbzy­ linders entsprechen. In einer oder beiden paarweise vorge­ sehenen piezoelektrischen Platten 4a und ab und/oder in einer oder beiden paarweise vorgesehenen piezoelektrischen Platten 5a und 5b kann jeweils eine Mehrzahl von piezoelek­ trischen Plattenbereiche zusammengefaßt sein.

Bei dem zwei piezoelektrische Platten aufweisenden pie­ zoelektrischen Element (Fig. 2) können die Platten 6a und 6b an der sogenannten Vibrationsplatte 3 angesetzt sein, wie das in Fig. 2 dargestellt ist.

Am vom freien, den Schwingungen unterworfenen Ende des pie­ zoelektrischen Elements 1 abgekehrten Ende, befindet sich das verwindungssteife Element 2, das eine Deformation dieses Endes bei angelegter Spannung unterbindet. An dem Ende des piezoelektrischen Elementes 1, an dem das verwindungssteife Element 2 angesetzt ist, bilden sich also keine Schwingungen entsprechend den Pfeilen C1 und C2 aus, wie sie am freien Ende des piezoelektrischen Elementes 1 hervorgerufen werden.

Eine Art und Weise der Zusammenfassung des verwindungsstei­ fen Elementes 2 mit dem piezoelektrischen Element 1 stellt die Klebverbindung der piezoelektrischen Platten 4a, 4b, 5a und 5b (Fig. 1) bzw. 6a und 6b (Fig. 2) mit der Vibrati­ onsplatte 3 dar, die ihrerseits mit dem verwindungssteifen Element 2 unter Ausschluß einer unmittelbaren Verbindung zwischen den piezoelektrischen Platten und dem verwindungs­ steifen Element 2 zusammengefaßt ist. Bei vorzugsweise rechteckigem Querschnitt des piezoelektrischen Elementes 1 sollte das verwindungssteife Element 2 das piezoelektrische Element 1 vollständig übergreifen, um jegliche Deformierung des dem verwindungssteifen Element 2 zugewandten Endes des piezoelektrischen Elementes 1 zu unterbinden.

Nach den Fig. 1, 2, 3 und 5 ist die Vibrationsplatte 3 vollständig in das piezoelektrische Element 1 integriert, wobei die Vibrationsplatte 3 dann auch Bestandteil des ver­ windungssteifen Elementes 2 ist. Dabei kann das verwindungssteife Element 2 mit der Vibrationsplatte 3 aus dem vollen herausgearbeitet sein oder aber ein Formgußteil sein. Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die Vibra­ tionsplatte 3 von zwei über einen vom verwindungssteifen Element 2 ausgehenden zentrischen Schaft 9 vorspringenden, in einer den Schaft 9 durchsetzenden Ebene liegenden Flanken gebildet. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 erstrec­ ken sich die Flanken parallel zueinander verlaufend in zwei zueinander versetzten Ebenen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 besteht die Vibrati­ onsplatte 3 aus zwei Teilbereichen, die im vom verwindungs­ steifen Element 2 ausgehenden Schaft 9 zusammengefaßt sind. Auch in diesem Fall können die Teilbereiche in einer den Schaft durchsetzenden Ebene liegen oder aber parallel zueinander verlaufend in zwei zueinander versetzten Ebenen. Die an den Teibereichen der Vibrationsplatte 3 angesetzten piezoelektrischen Platten bilden zusammen mit den Teilbe­ reichen der Vibrationsplatte 3 auch wieder das piezo­ elektrische Element 1 aus. In diesem Fall handelt es sich bei dem verwindungssteifen Element 1 und den Teilbereichen der Vibrationsplatte 3 zunächst um eigenständige Elemente, die durch Schweinen, Löten, Schraubverbindungen oder der­ gleichen zusammengefaßt werden.

Fig. 6 zeigt eine von der Konstruktion her der Fig. 3 entsprechende Ausführungsform, bei der zwei Vibrationsbe­ reiche in sich kreuzenden, den vom verwindungssteifen Ele­ ment 2 ausgehenden Schaft 9 durchsetzenden Ebenen ausgebil­ det sind.

Das verwindungssteife Element 2 ist symmetrisch zu der Achse des Systems orientiert, um die das System schwingt. Das Gewicht des verwindungssteifen Elementes 2 ist so ange­ setzt, daß sich an diesem Element selbst Schwingungen nicht ausbilden. Am Schwingungserreger, und zwar am freien Ende des vom verwindungssteifen Elementes 2 ausgehenden Schaftes 9 und damit dann auch am freien Ende des piezoelektrischen Elementes 1, ist ebenfalls in der Flucht der Schwingungsachse ein Flüssigkeitsdetektor angesetzt, ein Visko­ simeter, einen Dichtemesser, einen Füllstandsanzeiger oder dergleichen ausbildend.

Bei angeregtem Schwingungserreger und damit dann auch zugeordnetem Flüsigkeitsdetektor bildet das ein hinreichen­ des Gewicht bzw. eine hinreichende Masse aufweisende ver­ windungssteife Element 2 ein gutes Gegengewicht zum Flüs­ sigkeitsdetektor mit dem Ergebnis eines ausgezeichneten Schwingungsverhaltens.

Die piezoelektrischen Elemente müssen nicht symmetrisch zur Schwingungsachse ausge­ bildet sein, wie das bei den Ausführungsbeispielen der Fall ist.

Bei dem Schwingungserreger nach der Erfindung, dem einen Ends ein verwindungssteifes Element 2 zugeordnet ist, unter­ liegt lediglich das freie Ende des piezoelektrischen Ele­ ments sich bei angeregtem Schwingungserreger um die Schwin­ gungsachse ausbildenden Drallschwingungen, nicht hingegen das dem verwindungssteifen Element 2 zugeordnete Ende des piezoelektrischen Elements. Als Schwingungsquelle dient also ausschließlich das freie Ende des piezoelektrischen Elements, an dem etwa ein Flüssigkeitsdetektor angesetzt ist.

Das verwindungssteife Element bietet sich für die unmittelbare oder mittelbare Installation des Schwingungserregers an, unbeeinträchtigt durch die sich am freien Ende des piezo­ elektrischen Elements 1 bei angeregtem Schwingungserreger ausbildenden Drallschwingungen. Das verwindungssteife Ele­ ment erweist sich dabei als ausgezeichnete Handhabe für die Installation.

Als weiterer Vorteil stellt sich bei dem erfindungsgemäßen Schwingungserreger ein, daß das piezoelektrische Element unter Einsparung von Material wesentlich kleiner ausgelegt werden kann. Einher geht damit eine einfachere Herstellung und insgesamt eine Reduzierung der Kosten.

Claims (3)

1. Drallschwingungen hervorrufender Schwingungserreger mit einem piezoelektrischen Element (1), der die folgenden Merkmale aufweist:

• - ein verwindungssteifes Element (2),
• - eine vom verwindungssteifen Element (2) ausgehende Vibrationsplatte (3), an deren Breitseiten sich in ihrer Längsrichtung jeweils längende und verkürzende piezoelektrische Platten (4a, 4b; 5a, 5b) angesetzt sind, und zwar unter Eingehung einer Klebeverbindung, wobei

die Vibrationsplatte (3) zwei Teilbereiche aufweist, die von einem vom verwindungssteifen Element (2) ausgehenden Schaft (9) zusammengefaßt sind, wobei die piezoelektrischen Platten (4a, 4b; 5a, 5b) zusammen mit den Teilbereichen der Vibrationsplatte (3) das piezoelektrische Element (1) ausbilden,
und wobei im Betrieb des Schwingungserregers die Längung und Kürzung von je zwei piezoelektrischen Platten (4a, 4b; 5a, 5b) gegenläufig erfolgt.

2. Schwingungserreger nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine rechteckförmige Ausbildung des piezoelektrischen Elementes.

3. Schwingungserreger nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein zylindrisches verwindungs­ steifes Element (2).