-
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.