DE761203C - Stromzufuehrungselektrode fuer piezoelektrische Ultraschallerzeuger - Google Patents

Stromzufuehrungselektrode fuer piezoelektrische Ultraschallerzeuger

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DE761203C
DE761203C DES140113D DES0140113D DE761203C DE 761203 C DE761203 C DE 761203C DE S140113 D DES140113 D DE S140113D DE S0140113 D DES0140113 D DE S0140113D DE 761203 C DE761203 C DE 761203C
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DE
Germany
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electrode
power supply
transducer
supply electrode
ultrasonic generator
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Expired
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DES140113D
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English (en)
Inventor
Conradin Dr Phil Kreutzer
Walter Taube
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Siemens Reiniger Werke AG
Original Assignee
Siemens Reiniger Werke AG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • Stromzuführungselektrode für piezoelektrische Ultraschallerzeuger Bei einem piezoelektrischen Ultraschallerzeuger, bei dem die in Richtung des elektrischen Erregerfeldes entstehende Ultraschallstrahlung verwertet werden soll, ist die Stromzuführung zum Schwinger deshalb schwierig, weil die Stromzuführungselektroden, die im Hinblick -auf eine möglichst gleichmäßige Erregung des Schwingers seine Erregerflächen möglichst vollständig bedecken müssen, tlie Ultraschallabstrahlung von diesen Flächen nicht wesentlich beeinträchtigen dürfen. Bei der Erzeugung kleinerer und kurzzeitiger Erzeugung größerer Ultraschalleistungen haben sich auf den Schwinger aufgeklebte Metallfolien oder elektrolytisch auf den Schwinger aufgebrachte, aufgespritzte oder aufgedampfte äußerst dünne Metallschichten als Stromzuführungselektroden bewährt. Einer Leistungsentnahme von 3 und mehr Watt pro Quadratzentimeter im Dauerbetrieb halten diese Stromzuführungselektroden jedoch nicht stand. Die elektrolytisch aufgebrachten, aufgespritzten oder aufgedampften Metallschichten blättern in diesem Fall verhältnismäßig schnell ab. Bei der Verwendung von Metallfolien als Elektroden geben die beim Aufkleben der Folien nicht zu vermeidenden Lufteinschlüsse zwischen Elektrode und Schwinger zu Überschlägen Anlaß. Diese 'Mängel sind vermieden, wenn, wie bekannt, als Stromzuführungseiektrode für die zur Schallabstrahlung benutzte Fläche eines piezoelektrischen Ultraschallerzeugers eine selbständige, o,5 bis i mm dicke kreisringförmige Messingscheibe mit einem inneren Durchmesser, der etwa 2"«3 des äußeren Durchmessers beträgt, benutzt und federnd an den Schwinger angedrückt wird. Die Schallstrahlung geht in diesem Fall allerdings nur von dem unbedeckten Teil der Erregerfläche des Schwingers aus und ist infolge Fehlens einer unmittelbaren Stromzuführung zu diesem Flächenteil verhältnismäßig gering und ungleichmäßig. Infolgedessen beträgt die bei Verwendung dieser Elektrode erzielte Leistung im günstigsten Fall nur etwa 28 °, o der Leistung, die bei Verwendung des gleichen Schwingers mit einer aufgespritzten Metallschicht als Elektrode bei gleicher Erregerspannung erzielt wird. 'Man war indessen bisher gezu-unaen, den durch diese Elektrode bedingten schlechten Wirkungsgrad bei einem piezoelektrischen Ultraschallerzeuger für größere Leistungen und Dauerbetrieb in Kauf zu nehmen, weil eine andre, für die Erzeugung einer Ultraschalleistung ;-cn ti und mehr «-att pro Quadratzentimeter und Dauerbetrieb geeignete Elektrode nicht bekannt war.
  • Bei piezoelektrischen Ultraschallerzeugern bestehen aber bisher hinsichtlich der Stromzuführun.:selektrode auch dann Schwierigkeiten, wenn sie für eine nicht zur Schallabstrahlung benutzte Fläche des Schwingers bestimmt ist. Die Elektrode kann zwar in diesem Fall die Ultraschallabstrahlung nicht unmittelbar beeinträchtigen, sie muß aber trotzdem sehr dünn sein, weil sie sonst mit einer anderen Frequenz als der Schwinger schwingt, was eine ungleichmäßige Erregung des Schwingers zur Folge hat. Bei Verwendung einer Folie oder einer z. B. elektrolytisch auf den Schni-inger aufgebrachten Metallschicht als Elektrode treten indessen auch in diesem Fall die eingangs erwähnten Schwierigkeiten auf.
  • Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer insbesondere für die zur Schallabstrahlung benutzte Fläche eines piezoelektrischen U ltraschallschwingersgeeigneten Stromzuführungselektrode, die sowohl die gute Brauchbarkeit und praktisch unbegrenzte Lebensdauer der ringförmigen Scheibenelektrode bei hohen Belastungen und Dauerbetrieb als auch den guten Wirkungsgrad einer Folie bzw. einer aufgespritzten, elektrolytisch aufgebrachten oder aufgedampften 'MetallschIcht besitzt. Der Erfindung liegt die aus systematischen Untersuchungen g onnene neue Erkenntnis zc:C-runde, daß eine wesentliche Beeinträchti.gUng der Ultraschallabstrahlung eintritt bzw. die Elektrode der. Schwingungen des Schwingers nicht mehr folgen kann, sobald bei der Elektrode ein bestimmtes, von der Frequenz der erzeugten Ultraschallschwingungen abhängiges Gewicht pro Quadratzentimeter überschritten wird. Ferner geht die Erfindung davon aus, daß zu Überschlägen zwischen Elektrode und Schwinger führende Lufteinschlüsse beim Aufbringen der Elektrode auf den Schwinger mit Sicherheit dann vermieden werden, wenn die dem Schwinger zugewandte Seite der Elektrode gut plan geschliffen ist.
  • Bei den Messungen, die der Erfindung zugrunde liegen, wurden stets Elektroden verwendet, die dicker als Folien waren, die sich also bei der in Betracht kommenden Beanspruchung durch die Ultraschallschwingungen noch nicht unelastisch deformierten und sich vor dem Aufbringen auf den Schwinger gut plan schleifen ließen. Die 'Messungen mit diesen Elektroden haben ergeben, daß die gleiche Ultraschallleistung wie mit dem gleichen Schwinger bei der gleichen Erregerspannung, aber mit einer ringförmigen Messingscheibe von o,5 mm Dicke als Elektrode bei der Frequenz 35o kHz bei einem Gewicht von o,iS g cm2 und bei der Frequenz 1050 kHz bei einem Gewicht von 0,o6 g;'cm2 trotz nahezu vollständiger Bedeckung der Erregerfläche des Schwingers erreicht wird. Diese Leistung konnte bei 35o kHz durch Verringerung des Gewichtes der Elektrode auf etwa o,to gJcmQ verdoppelt werden. Eine Verdreifachung der Leistung wurde bei einem Gewicht von etwa 0,045 g,'cm2 erreicht. Bei der Frequenz von to5o kHz ergab eine Elektrode mit einem von 0,o6 auf etwa 0,03 g;'em2 verringerten Gewicht die doppelte und bei einem Gewicht von etwa o,oi5 g.'cm2 die dreifache Leistung.
  • Auf Grund dieser neuen Erkenntnis besitzt die selbständige, feste Stromzuführungselektrode gemäß der Erfindung einerseits noch keine Folieneigenschaften, d. h. sie ist so dick, daß sie sich bei der in Betracht kommenden Beanspruchung durch die Ultraschallschwingungen noch nicht unelastisch deformiert, und erfüllt andererseits die Bedingung, daß d-Q-v<6,3-to4, möglichst sogar < 3,5 - 1o4 ist, wobei mit d ihre Dicke in Zentimeter, mit o ihr spezifisches Gewicht in Gramm pro Kubikzentimeter und mit v die Frequenz der erzeugten Ultraschallschwingungen in Hertz bezeichnet ist.
  • Um trotz eines geringen Gewichtes pro Quadratzentimeter die Dicke der Elektrode möglichst groß machen zu können, so daß sie gut plan geschliffen «erden kann, ist es empfehlenswert, sie aus einem Stoff herzustellen, der ein möglichst geringes spezifisches Gewicht besitzt. Als besonders zweckmäßig haben sich Elektroden aus Leichtmetall oder Leichtmetallegierungen, z. B. Elektroden aus Aluminium und Elektron, erwiesen. Eine weitere Möglichkeit, das Gewicht pro Quadratzentimeter der Elektrode bei einerverhältnismäßiggroßenDickeherabzusetzen; besteht darin, sie in an sich bekannter Weise mit Löchern zu versehen oder in der dem Schwinger abgewandten Seite Vertiefungen anzubringen.
  • Obwohl an sich eine Folie als Stromzizführungselektrode für den Fall der Erzeugung größerer Ultraschalleistungen und Dauerbetrieb ungeeignet ist, kann man sie doch verwenden, wenn man ihr die in diesem Fall störende Folieneigenschaft, d. h. die Eigenschaft, sich bei der in Betracht kommenden Beanspruchung durch die Ultraschallschwingungen unelastisch zu deformieren, nimmt. Das kann dadurch geschehen, daß man sie über einen Ring od. dgl., auf den sie zweckmäßig aufgelötet wird, spannt.
  • Beim Aufbringen der Elektrode gemäß der Erfindung auf den Schwinger muß dafür gesorgt werden, daß sie möglichst fest am Schwinger haftet. Reicht ein federndes Andrücken der Elektrode an den Schwinger' nicht aus, so empfiehlt es sich, dasHaftvermögenderElektrode am Schwinger durch Zwischenfügung eines Fettes guter Konsistenz zu vergrößern oder, wenn ein noch stärkeres Haften der Elektrode am Schwinger erforderlich ist, die Elektrode auf den Schwinger aufzukleben. Löst sich auch in diesem Fall nach längerem Betrieb die Elektrode noch vom Schwinger ab, so versucht man es zweckmäßig mit einem Aufkitten der Elektrode auf den Schwinger.
  • Bei der Entnahme größterUltraschalleistungen genügen in der Regel alle im vorstehenden behandelten Maßnahmen nicht, um ein plötzliches Löslösen der Elektrode vom Schwinger und eine Zerstörung des Schwingers .zu vermeiden. Die Ursache hierfür sind, wie an sich bekannt, Gase, die aus der Elektrode und aus dem Schwinger bzw. aus dem Zwischenmedium (Öl, Kitt od. dgl.) austreten und sich zwischen Schwinger und Elektrode ansammeln. Diese Gasansammlungen ergeben eine fast vollkommene Schallisolation, so daß der Schwinger seine Energie nicht mehr abgeben kann. Dieser Übelstand wird in an sich bekannter Weise dadurch vermieden, daß die Elektrode mit einer möglichst großen Anzahl kleiner, zweckmäßig gleichmäßig über die ganze ElektrodeverteilterLöcherversehenwird. Durch diese Löcher können die zwischen dem Schwinger und der Elektrode angesammelten Gase austreten. Es genügt, wenn die Löcher einen Durchmesser von i mm besitzen.
  • Bei Verwendung eines Schwingers von 8o mm Durchmesser hat sich eine Elektrode mit einem Durchmesser von 75 mm gut bewährt, die mit ioo gleichmäßig über die Elektrode verteilten Löchern von i mm Durchmesser versehen war und an ihrem Rande durch einen Kontaktring federnd gegen den Schwinger gedrückt wurde. Die durch die Löcher hindurchgehende Schallstrahlung war auch in diesem Fall gegenüber der gesamten, durch die Elektrode hindurchgehenden Ultraschallstrahlung vernachlässigbar klein. Bildet man die Gasaustrittslöcher konisch aus, derart, daß sich ihr Durchmesser nach der dem Schwinger abgewandten Seite zu vergrößert, so bewirken diese Löcher gleichzeitig eine erhebliche Verringerung des Gewichtes pro Quadratzentimeter.
  • Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung elektrisch guter Leiter, also nicht auf die Verwendung von Metallen als Stoff für die Elektrode beschränkt. Es können auch Halbleiter in fester Form verwendet werden. Aus keramischem Material gebildete Elektrodenkörper, die auf der dem Kristall zugekehrten Fläche metallisiert sind, sind bekannt.
  • In der Figur ist ein Schwingquarz mit einer zum größten Teil von ihm heruntergenommenen Elektrode gemäß der Erfindung und einem von der Elektrode zum größten Teil heruntergenommenen, mit Versteifungen versehenen Kontakt= ring für die Elektrode in Draufsicht veranschaulicht. Der Schwingquarz ist mit i, die Elektrode mit 2 und der Kontaktring mit 3 bezeichnet. -Der Schwingquarz i von 8o mm Durchmesser hat eine Dicke von 8 mm, schwingt also im Betrieb mit einer Frequenz von 35o kHz. Der Durchmesser der Elektrode 2 beträgt 75 mm. Sie besteht aus einem 0,3 mm dicken Elektronblech und ist mit hundert gleichmäßig verteilten Löchern q. von i mm Durchmesser versehen. Der Kontaktring 3 mit den Versteifungen 5 dient dazu, die Elektrode 2 an den Schwinger anzudrücken. Der Ring 3 kann zu diesem Zweck mittels nicht dargestellter, an den Auslegern 6 angeschraubter Spiralfedern gegen die Unterlage des Schwingers i gezogen werden. Die Unterlage des Schwingers i kann z. B. eine Luftdose sein, die unter Zwischenschaltung einer der Elektrode 2 entsprechenden Elektrode am Schwinger i anliegt.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Stromzuführungselektrode für piezoelektrische Ultraschallerzeuger, bestehend aus einer selbständigen, zweckmäßig mehrfach durchlochten Leiterschicht, dadurch gekennzeichnet, daß sie einerseits entweder keine Folieneigenschaften besitzt, das heißt, sich bei der in Betracht kommenden Beanspruchung durch die Ultraschallschwingungen noch nicht unelastisch deformiert oder über einen Ring gespannt ist, und andererseits die Bedingung erfüllt, daß d-O-v < 6,3-i04, möglichst sogar < 3,5 ' i04 ist, wobei mit d ihre Dicke in Zentimetern, mit Q ihr spezifisches Gewicht in Gramm pro Kubikzentimeter und mit v die Frequenz der erzeugten Ultraschallschwingungen in Hertz bezeichnet ist.
  2. 2. Stromzuführungselektrode nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daB sie aus einem elektrisch leitenden Stoff mit möglichst geringem spezifischem Gewicht, insbesondere aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung, z. B. aus Aluminium oder Elektron, besteht.
  3. 3. Stromzuführungselektrode nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB sie aus einem Halbleiter besteht. Zur Abgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften N r. 441583, 494 716, 658289, französische Patentschrift Nr. 745 611; Buch von Bergmann, »Der Ultraschall«, 2. Aufl., VDI.-Verlag 1939, insbesondere S, 56, Zeilen g bis io; Veröffentlichung von Ardenne, abgedruckt in der Zeitschrift -Funk« 1935, Heft 2o, S. 665 bis 668, insbesondere S. 666, rechte Spalte, 2. Absatz; Aufsatz von Mainka, »Ultraschallwellen im Dienste der 3Ieereskundea, abgedruckt in der Zeitschrift ;Funk« 1936, Heft 6, S. i8off., insbesondere S. 181, Abb. 4.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE441583C (de) * 1927-03-07 Gen Electric Piezo-elektrischer Schwingungserzeuger
DE494716C (de) * 1927-07-08 1930-04-29 Elektrotechnischer Trust Der S Piezoelektrischer Schwingungserzeuger
FR745611A (de) * 1933-05-13
DE658289C (de) * 1934-11-06 1938-03-25 Telefunken Gmbh Fassung fuer piezoelektrische Schwingkristalle mit Lagerung des Kristalls ohne Beruehrung der Elektroden

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