DE879929C

DE879929C - Piezoelectric transducer

Info

Publication number: DE879929C
Application number: DES23139A
Authority: DE
Inventors: Clemens Dipl-Ing Probst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1951-05-16
Filing date: 1951-05-16
Publication date: 1953-06-18

Description

Piezoelektrischer Schwinger Als piezoelektrischerSchwinger «-erden schwingfällige Körper bezeichnet, die beim Vorhandensein einer elektrischen Spannung zwischen gegenüberliegenden Flächen ihre äußere Form verändern. Abgesehen von Biegeschwingern, die meist stabförinig ausgeführt sind, sind solche Schwingkörper fast durchweg scheibenförmig und auf ihren Scheibenflächen mit Elektroden zum Zuführen der Spannung versehen. Bei scheibenförmigen Schwinern, die auch als Dickenschwinger bezeichnet werden, ergeben sich Dilatationen oder Kompressionen je nach dem Vorzeichen der elektrischen Spannung an den Elektroden bzw. an den Flächen der Schwingkörper. -Man unterscheidet natürliche Piezoschwinger, Kristalle, z. B. aus Quarz, und künstliche, z. B. aus Bariumtitanat. Wird an einen piezoelektrischen Schwingkörper eine Wechselspannung gelegt, deren Frequenz mit der elastischen Eigenfrequenz !V des Schwingers, die dieser auf Grund seines Elastizitätsmoduls c, seiner Dichte o und seiner Dicke d nach der Formel hat, so besteht Resonanz, und der Schwingkörper kann je nach Höhe der angelegten Spannung beträchtliche Amplituden erreichen.Piezoelectric oscillator Piezoelectric oscillator «- earths which are susceptible to oscillation and which change their external shape when an electrical voltage is present between opposing surfaces. With the exception of flexural oscillators, which are mostly rod-shaped, such oscillating bodies are almost entirely disc-shaped and are provided with electrodes for supplying the voltage on their disc surfaces. In the case of disk-shaped oscillators, which are also referred to as thickness oscillators, dilatations or compressions occur depending on the sign of the electrical voltage on the electrodes or on the surfaces of the oscillating bodies. -A distinction is made between natural piezo oscillators, crystals, e.g. B. made of quartz, and artificial, z. B. from barium titanate. If an alternating voltage is applied to a piezoelectric oscillating body, its frequency is equal to the elastic natural frequency! V of the oscillator, which is determined by the oscillator due to its modulus of elasticity c, its density o and its thickness d according to the formula there is resonance and the oscillating body can reach considerable amplitudes depending on the level of the applied voltage.

Man nutzt die piezoelektrische Eigenschaft der Schwingkörper für verschiedene Anwendungszwecke aus, z. B. für die elektrisch-akustische Schallumwandlung, in der Nachrichtentechnik, zur Behandlung von Mensch oder Tier in der Medizin und zum Behandeln eines Gutes in der Technik. Besonders im letzten Fall werden die Schwingkörper zur Erzielung großer Leistungen zu großen Amplituden erregt.The piezoelectric property of the vibrating body is used for various purposes Applications from, e.g. B. for the electro-acoustic sound conversion, in the Telecommunications, for the treatment of humans or animals in medicine and for treatment of a good in technology. Especially in the latter case, the vibrating bodies become Achieving great powers excited at great amplitudes.

Eine wichtige Frage, besonders bei großen Amplituden, ist die Halterung der Schwingkörper und die Befestigung der Elektroden nebst ihren Zuführungen an den Schwingkörperflächen. In der Regel wendet man eine Lagerung in Gummi oder auch in Blei an, jedenfalls in elastischem oder nachgiebigem Werkstoff, @ damit die Schwingkörper, die aus sprödem Werkstoff bestehen, nicht durch die Schwingungsbewegung zerspringen und zerstört werden.An important question, especially with large amplitudes, is the bracket the vibrating body and the attachment of the electrodes along with theirs Feeds on the vibrating body surfaces. Usually one turns into a storage Rubber or lead, in any case in elastic or flexible material, @ So that the vibrating bodies, which are made of brittle material, are not caused by the vibratory movement shatter and be destroyed.

Es ist auch bekannt, piezoelektrische Schwingkörper an solchen Stellen zu halten, an denen keine mechanischen Beanspruchungen auftreten, also in einem Schwingungsknoten der Schwingkörper. Diese Halterungsart genügt jedoch für technische Beschallungszwecke, namentlichbei großenLeistungen, nicht immer, und auch für nachrichtentechnische Zwecke ist dabei die Anbringung der Elektroden noch nicht gelöst.It is also known to have piezoelectric vibrating bodies in such locations to hold, where no mechanical stresses occur, so in one Vibration nodes of the vibrating body. However, this type of bracket is sufficient for technical Sound reinforcement purposes, especially for large performances, not always, and also for communications For this purpose, the attachment of the electrodes has not yet been resolved.

Der Schwinger nach der Erfindung weist die geschilderten Nachteile nicht auf. Die Erfindung geht einen neuen Weg und ermöglicht eine starre Halterung von piezoelektrischen Schwingkörpern; sie löst gleichzeitig die Frage der Elektrodenanbr ingung auf einfache Weise. Durch die Schwingungsbewegung werden die Schwingkörper mechanisch nicht beansprucht; trotzdem schwingen diese praktrisch ohne äußere Dämpfung.The oscillator according to the invention has the disadvantages outlined not on. The invention takes a new approach and enables a rigid mount of piezoelectric vibrating bodies; it also solves the question of electrode attachment ing in a simple way. The vibrating bodies become through the vibratory movement mechanically not stressed; nevertheless these vibrate practically without external damping.

Erfindungsgemäß werden zwei piezoelektrische Schwingkörper gleicher Schwingungsamplitude und Eigenfrequenz mit einer zwischen den Schwingkörpern liegenden Mittelelektrode und zwei miteinander leitend verbundenen Gegenelektroden auf der Außenseite der Schwingkörper derartig aufeinander angeordnet, daß beim Anliegen einer Wechselspannung an den Elektroden die Schwingkörper um i8o° phasenverschoben schwingen, so daß die Gesamtdicke des Schwingers gleichbleibt.According to the invention, two piezoelectric vibrating bodies are the same Vibration amplitude and natural frequency with one lying between the vibrating bodies Center electrode and two opposing electrodes that are conductively connected to one another on the Outer side of the vibrating body arranged one on top of the other in such a way that when they are in contact An alternating voltage on the electrodes causes the oscillating body to be phase shifted by 180 ° vibrate so that the total thickness of the vibrator remains the same.

Als Schwingkörper für die Schwinger nach der Erfindung eignen sich alle piezoelektrischen Schwingkörper, insbesondere jedoch solche keramischer Art, z. B. als Bariumtitanat, da diese mit verhältnismäßig niedriger Spannung betrieben werden, somit hinsichtlich der Isolation keine besonderen Anforderungen stellen -und ferner leicht in den verschiedensten Formen herstellbar sind.As a vibrating body for the vibrator according to the invention are suitable all piezoelectric vibrating bodies, but especially those of a ceramic type, z. B. as barium titanate, since this operated with a relatively low voltage therefore do not have any special requirements in terms of insulation -and can also be easily produced in a wide variety of shapes.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen.To further explain the invention, reference is made below to the exemplary embodiments referenced in the drawing.

In Fig. i sind zwei beispielsweise scheibenförmige .Schwingkörper i und 2 beiderseits einer ebenfalls scheibenförmigen Mittelelektrode 3 angebracht. Die Außenelektroden q und 5 sind zwei Metallplatten, die leitend miteinander verbunden sind und als Gegenelektrode zu der Mittelelektrode 3 dienen. Die Anschlüsse für die Elektroden sind mit 6 und 7 bezeichnet. Die Polarisationsrichtung der Schwinger i und 2 ist -durch zwei .Pfeile auf diesen angedeutet. Liegt an den Klemmen 6 und 7 eine Spannung, so erfährt der Schwingkörper i eine Dilatation, während gleichzeitig der Schwingkörper 2 eine Kompression erfährt. Bei Umkehr der angelegten Spannung verhalten sich die Schwingkörper entgegengesetzt. Da die beiden Schwingkörper gleiche Schwingungsamplituden und Eigenfrequenzen haben, bleibt also ihre Gesamtdicke D unabhängig von Höhe und Richtung der angelegten Spannung. Die beiden Schwingkörper dagegen verändern ihre Dicke d nach der oben angegebenen Formel, und die Mittelelektrode 3 schwingt frei relativ zu den Außenelektroden 4. und 5. Da die Gesamtdicke D unabhängig von der Größe der angelegten Spannung gleichbleibt, ist es möglich, die Schwingkörper bzw. den Schwinger in einer Halterung ohne elastisches Lagerungsmittel starr zu lagern, beispielsweise in einem Gehäuse aus dielektrisch hochwertigem Material. Eine weitere, besonders einfache Halterung kann auf die Weise erfolgen, daß die Schwingkörper sowie deren Außenelektroden mittels einer durch sie hindurchgehenden Schraube zusammengehalten werden. Die Schwingkörper erfahren erfindungsgemäß keine mechanische Dämpfung durch die Halterungsmittel, und zugleich ist die Frage der Elektrodenanbringung auf den Schwingkörperflächen auf eine einfache und stabile Art gelöst.In Fig. I there are two, for example, disk-shaped oscillating bodies i and 2 are attached on both sides of a center electrode 3, which is also disk-shaped. The outer electrodes q and 5 are two metal plates that are conductively connected to one another and serve as a counter electrode to the center electrode 3. The connections for the electrodes are labeled 6 and 7. The direction of polarization of the transducers i and 2 are indicated by two arrows on them. Located on terminals 6 and 7 a tension, the vibrating body i experiences a dilatation, while at the same time the vibrating body 2 experiences compression. When the applied voltage is reversed the vibrating bodies behave in opposite directions. Since the two vibrating bodies are the same Have oscillation amplitudes and natural frequencies, so their total thickness remains D regardless of the level and direction of the applied voltage. The two oscillating bodies on the other hand change their thickness d according to the formula given above, and the center electrode 3 oscillates freely relative to the outer electrodes 4. and 5. Since the total thickness D is independent on the size of the applied voltage remains the same, it is possible to use the vibrating body or the transducer rigidly in a holder without an elastic bearing means store, for example in a housing made of dielectrically high quality material. Another, particularly simple holder can be done in such a way that the Vibrating bodies and their outer electrodes by means of a through them Screw are held together. According to the invention, the vibrating bodies do not experience any mechanical damping by the support means, and at the same time the question of Electrode attachment on the vibrating body surfaces in a simple and stable way Kind of solved.

Soll eine Einrichtung nach der Erfindung für medizinische Behandlungszwecke oder zur Beschallung eines Gutes verwendet werden, so muß dafür gesorgt werden, daß die Schwingungsbewegung nach außen in Erscheinung tritt. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden.Is a device according to the invention for medical treatment purposes or are used to sound a good, care must be taken to ensure that that the vibrational movement appears outward. This can be done in different ways Way to be achieved.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine hierfür geeignete Einrichtung im Schnitt und in Aufsicht. Der Schwingkörper 8 ist mit Durchbrechungen in Form von runden Löchern versehen, während der Schwingkörper 9 massiv ist. Die Elektroden und die Anschlüsse sind wie in Fig. i bezeichnet. Die Form der Durchbrechungen kann beliebig sein. Die Abstrahlung der Schwingungen erfolgt von der Mittelelektrode 3 aus durch die Durchbrechungen der Elektrode 8 hindurch auf das Gut.2 and 3 show a device suitable for this in section and under supervision. The oscillating body 8 has openings in the form of round ones Provided holes, while the vibrating body 9 is solid. The electrodes and the Connections are indicated as in Fig. I. The shape of the perforations can be any be. The vibrations are emitted from the center electrode 3 the openings in the electrode 8 through to the material.

In Fig. q. und 5 ist der Schwingkörper io als Ring ausgeführt, der die Mittelelektrode z i bzw. den anderen Schwingkörper i2 nur am Rand überdeckt. Der Schwingkörper 12 braucht nicht rund zu sein. Bei eckiger Ausführung kann man den Schwingkörper io auch rahmenförmig ausbilden. Die Abstrahlung der Schwingungen erfolgt sinngemäß wie bei Fig. 2.In Fig. Q. and 5, the oscillating body is designed as a ring, the the center electrode z i or the other oscillating body i2 only covers the edge. The oscillating body 12 does not need to be round. With an angular design you can the oscillating body io also form a frame-shaped. The radiation of the vibrations takes place analogously to FIG. 2.

In Fig. 6 überdeckt der Schwingkörper 13 nur den mittleren Teil der Mittelelektrode 14. bzw. des Schwingkörpers 15. Hier ist noch gezeigt, wie auf einfache Weise zwei Schwingkörper 13 und 15 mit ihren Elektroden 17, 18 und i9 mittels einer durch sie hindurchgehenden Schraube 2o zusammengehalten werden können. Die Schraube 2o kann gleichzeitig zur Halterung des ganzen Schwingers in einem Beschallungsbehälter dienen. Das Gehäuse 21 hat dazu eine Bohrung, in der eine Gummidichtung 22 sitzt. Durch sie hindurch geht die Schraube 2o. Zwei Unterlegscheiben sind mit 23, die Elektrodenzuführungen wieder mit 6 und 7 bezeichnet.In Fig. 6, the vibrating body 13 covers only the central part of the Center electrode 14. or the oscillating body 15. Here it is still shown how a simple Way two oscillating bodies 13 and 15 with their electrodes 17, 18 and i9 by means of a can be held together by screw 2o passing through them. The screw 2o can also be used to hold the entire transducer in a sound tank to serve. For this purpose, the housing 21 has a bore in which a rubber seal 22 is seated. The screw 2o goes through it. Two washers are with 23 that Electrode leads are again denoted by 6 and 7.

In Fig. 7 besteht der Schwinger aus zwei ringförmigen Schwingkörpern io und loa. Die Schwingungen werden von der gemeinsamen Mittelelektrode i i nach beiden Seiten hin abgestrahlt. Uin bei der Schwingungsbewegung Durchbiegungen der Mittelelektrode zu verhindern, kann diese mit Versteifungen, z. B. beiderseits mit radialen Rippen i i 11, versehen sein.In Fig. 7 the oscillator consists of two ring-shaped oscillating bodies io and loa. The vibrations are from the common center electrode i i after radiated on both sides. Uin deflections of the oscillation movement Center electrode to prevent this can be done with stiffeners, e.g. B. on both sides with radial ribs i i 11, be provided.

Will man eine möglichst große schwingungsabstrahlende Fläche bei einem Schwinger erzielen, so kann man die Einrichtung nach der Erfindung auch wie in Fig. 8 und g dargestellt ausführen. .In Stelle eines Schwingers sind mehrere kleine Schwingerstückchen 24, hier z. B. drei Stück, auf dem Schwinger 25 bzw. der Mittelelektrode 26 angeordnet. Als Halterung dienen drei U-förmige Klammern 27.If you want the largest possible vibration-radiating surface for one Achieve vibrators, you can use the device according to the invention as shown in Fig. 8 and g. In place of a transducer there are several small transducer pieces 24, here e.g. B. three pieces, arranged on the oscillator 25 or the center electrode 26. Three U-shaped brackets 27 serve as a holder.

In Fig. io ist ein weiterer Schwinger nach der Erfindung dargestellt, bei dem die Mittelelektrode 31 über den Rand der Schwinger 3-2 und 33 hinausragt und zugleich als Halterung in einem Durchlaufgefäß 34. dient. Die Schraube 35 hält die Schwingkörper 32 und 33 zusammen. Es ist angenommen, daß der Schwinger zum Beschallen einer elektrisch leitenden Flüssigkeit dient, die selbst die Außenelektrode bildet; besondere mechanische Außenelektroden, wie sie in den vorhergehenden Figuren enthalten sind, erübrigen sich daher hier. Damit die Mittelelektrode 3i nicht von der zu beschallenden Flüssigkeit berührt werden kann, ist sie elektrisch isoliert, z. B. durch eine Schicht aus zähem, biege- und schlagfestem Isolierlack. Bei 36 ist die Zuführung der Mittelelektrode 31 aus dein Durchlaufrohr 3.I herausgeführt. Die Einrichtung nach Fig. io kann auch in der Weise ausgebildet sein, daß die illittelelektrode 31 verhältnismäßig stark und dick ist, oder auch so, daß sie gleichsam als Membran dient. Im ersten Fall wird die Schwingungsbewegung hauptsächlich von den Schwingkörpern 32 und 33, im zweiten Fall hauptsächlich von der Mittelelektrode 31 abgestrahlt.FIG. 10 shows a further oscillator according to the invention, in which the center electrode 31 projects beyond the edge of the oscillators 3-2 and 33 and at the same time serves as a holder in a flow-through vessel 34. The screw 35 holds the oscillating bodies 32 and 33 together. It is assumed that the transducer is used to sonicate an electrically conductive liquid, which itself forms the outer electrode; special mechanical external electrodes, such as those contained in the previous figures, are therefore not required here. So that the center electrode 3i cannot be touched by the liquid to be sonicated, it is electrically insulated, e.g. B. by a layer of tough, flexible and impact-resistant insulating varnish. At 36, the feed of the central electrode 31 is led out of the flow tube 3.I. The device according to FIG. 10 can also be designed in such a way that the central electrode 31 is relatively strong and thick, or also in such a way that it serves as a membrane, as it were. In the first case, the oscillation movement is mainly radiated from the oscillating bodies 32 and 33, in the second case mainly from the center electrode 31.

Es ist vorteilhaft, wenn die Halterungsmittel, die die aus den Schwingkörpern und Elektroden bestehenden baulichen Einheiten zusammenhalten, zumindest annähernd den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben wie die baulichen Einheiten. Dies trifft bei den Ausführungsbeispielen der Zeichnung für die Klammern 27 (Fig. 7, 8) und für die Schrauben 20 und 35 (Fig. 6 bzw. io) zu. Auf diese Weise können mechanische Beanspruchungen infolge Erwärmung der Schwingkörper durch die piezoelektrischen Schwingungen nicht auftreten.It is advantageous if the holding means, which consist of the oscillating bodies and electrodes hold existing structural units together, at least approximately have the same coefficient of thermal expansion as the structural units. this applies in the embodiments of the drawing for the brackets 27 (Fig. 7, 8) and for the screws 20 and 35 (Fig. 6 or io). This allows mechanical Stresses due to heating of the vibrating body by the piezoelectric Vibrations do not occur.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Piezoelectric oscillators, especially ceramic ones Kind, preferably for sonication of a good, characterized by two such Vibrating bodies arranged on top of one another with the same vibration amplitude and natural frequency with a center electrode lying between the oscillating bodies and two with each other Conductively connected counter electrodes on the outside of the vibrating body that when If an alternating voltage is applied to the electrodes, the oscillating body is phase shifted by 180 ° vibrate so that the total thickness of the vibrator remains the same.

2. Schwinger after Claim i, characterized in that at least one of the oscillating bodies has openings having.

3. vibrator according to claim 2, characterized in that the one vibrating body forms a ring or frame that only partially covers the other oscillating body, for example only its edge, covered.

4. transducer according to claim i, characterized in that that one of the vibrating bodies is smaller than the other.

5. transducer according to claim i, characterized in that instead of one of the oscillating bodies, several smaller ones Vibrating body distributed on the other vibrating body in such a way with a mutual distance are attached that the largest possible vibration-radiating surface of the latter remains free.

6. vibrator according to claim i, characterized in that the center electrode protrudes over the edge of the vibrating body and that the protruding part as a holder of the vibrator and / or as a transmitter of the vibrations to a sound source Serves well.

7. Vibrator according to one of claims to 6 for sonication of electrically conductive liquids, characterized in that the center electrode is insulated from the outside and has an insulated supply line and that the conductive liquid serves as a counter electrode. B. oscillator according to claim 7, characterized in that a tough, bending and impact-resistant insulating varnish is used as the insulating means. G. Oscillator according to one of claims i to 8, characterized in that the holding means, e.g. B. brackets (27), screws (20, 35), which hold the structural unit consisting of the oscillating bodies and the electrodes together, have at least approximately the same coefficient of thermal expansion as the structural unit.