PL101987B1 - Electro-acoustic laminar transducer and method for manufacturing such transducers - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest warstwowy przetwornik elektroakustyczny i sposób wytwarzania warstwowego przetwornika elektroakustycznego. Przetwornik ten znajduje szczególne zastosowanie wszedzie tam, gdzie jest wymagany duzy poziom mocy akustycznej, zwlaszcza w ultradzwiekowych urzadze¬ niach myjacych, emulgatorach, zgrzewarkach ultradzwiekowych czy urzadzeniachhydrolokccyjnych.

Stan techniki. Znane z literatury i stosowania warstwowe przetworniki elektroakustyczne sa zbudowane nastepujaco. Jedna lub wiecej plytek z materialu piezoceramicznego umieszczone sa pomiedzy co najmniej dwiema masami obciazajacymi, przesuwajacymi rezonans mechaniczny drgan grubosciowych plytki piezocera- micznej w kierunku nizszych czestotliwosci. Masy obciazajace, którymi sa najczesciej bryly metalowe, polaczone sa z plytkami piezoceramicznymi za pomoca jednego lub kilku nagwintowanych trzpieni, tworzacych polaczenia srubowe. Wstepne naprezenia sciskajace w materiale piezoceramicznym, niezbedne dla prawidlowej pracy prze¬ twornika, sa uzyskiwane przez dobór odpowiedniego momentu dokrecenia srub. Sruby te maja duzy wplyw na prace takiego przetwornika, gdyz zwlaszcza ich lby lub nakretki sa przyczyna wystepowania niepozadanych rezonansów, lezacych poza podstawowym rezonansem drgan grubosciowych mas obciazajacych.

W praktyce, wplyw ten zmniejsza sie przez odpowiednia modyfikacje konstrukcji mechanicznej, polegajaca na wpuszczeniu lba sruby do wnetrza jednej z metalowych bryl. Korzystne jest maksymalne zmniejszenie stosun¬ ku masy czesci sruby wystajacej ponad powierzchnie bryly do masy tej bryly, jednakze nie zapewnia to calkowitego wyeliminowania szkodliwych rezonansów.

Z opisu patentowego wynalazku pt. Sandwich transducer - przetwornik warstwowy, patent USA nr 3183378, znany jest z jednego z przykladowych rozwiazan przetwornik, zbudowany z trzech bryl metalo¬ wych w ksztalcie prostopadloscianów, majacych w srodku otwór, przez który przechodzi mocujaca sruba wkrecana w dolna bryle metalowa, opierajaca sie lbem o górna bryle. Miedzy górna a srodkowa bryla oraz miedzy srodkowa a dolna sa umieszczone po cztery plytki w ksztalcie walca, wykonane z materialu piezocera¬ micznego, metalizowane na powierzchniach podstaw walca. Wielkosc plytek jest tak dobrana, ze umieszczone wokól sruby i obok siebie nie vystaja poza obrys bryt metalowych. Wstepne naprezenie, niezbedne do pracy2 101987 ukladu, uzyskiwane jest przez skrecenie calosci sruba. Przemienne napiecie pobudzajace przetwornik do drgan jest doprowadzane poprzez bryly zewnetrzne i bryle srodkowa. Z innego przykladu tego wynalazku znany jest przetwornik wyposazony tylko w dwie walcowe plytki z materialu piezoceramicznego z otworami posrodku, umieszczone pomiedzy trzema brylami, przy czym powierzchnia przylegania plytek do bryl jest nieco mniejsza od powierzchni bryl.

Z opisu patentowego wynalazku pt. Transducer- przetwornik, patent USA nr 3218488 znany jest war* stwowy przetwornik elektroakustyczny zbudowany z dwóch bryl metalowych o róznym ksztalcie i umieszczo¬ nych pomiedzy nimi dwóch lub wiecej warstw materialu piezoceramicznego. Mocujaca sruba przechodzi przez centralny otwór wykonany w brylach i warstwach przy czym jej leb jest wpuszczony na pewna glebokosc w jedna z bryl, zas gwint wkrecony w otwór nagwintowany wewnetrznie wykonany w dolnej bryle na okreslona glebokosc.

Istota wynalazku. Wynalazek dotyczy warstwowego przetwornika elektroakustycznego zbudowanego z bryl metalowych, pomiedzy którymi jest umieszczona co najmniej jedna warstwa materialu piezoelektrycznego o elektrycznie ^przewodzacych powierzchniach, do których jest doprowadzane zasilajace napiecie, przy czym ewentualnie miedzy bryly lub miedzy bryly a warstwy materialu piezoelektrycznego wprowadzony jest mate¬ rial elektroizolacyjny. Istota wynalazku jest to, ze co najmniej jedna bryla ma co najmniej jeden wystajacy element, przylegajacy do drugiej bryly a polaczony z nia laczaca substancja, zas pomiedzy warstwami materialu piezoelektrycznego a brylami metalowymi sa wytworzone naprezenia pochodzace od tego materialu piezoelek¬ trycznego. Zaleznie od potrzeb powierzchnie przylegania bryl do siebie sa, albo skosne, albo prostopadle do powierzchni przylegania warstw materialu piezoelektrycznego do tych bryl. Korzystne jest, gdy wystajacy ele¬ ment jednej z bryl jest trzpieniem otoczonym powierzchnia otworu wykonanego w drugiej bryle. Celowe jest takze wykonanie wystajacego elementu w postaci kolnierza, badz otaczajacego druga bryle, badz otoczonego druga bryla przynajmniej z jednej strony.

Wynalazek dotyczy ponadto sposobu wytwarzania warstwowego przetwornika elektroakustycznego, który wykonuje sie z bryl metalowych i pomiedzy nimi umieszcza sie co najmniej jedna waistwe materialu piezoelek¬ trycznego o elektrycznie przewodzacych powierzchniach, przeznaczonych io doprowadzania do nich napiecia zasilajacego, zas miedzy bryly lub miedzy bryly a warstwy materialu piezoelektrycznego wprowadza sie ewen¬ tualnie material elektroizolacyjny. Istota sposobu jest to, ze jedna bryle wyposaza sie w wystajacy element, zas druga w odpowiadajace mu wglebienie, którego powierzchnia jest przeznaczona do przylegania do wystajacego elementu, po czym naklada sie jedna bryle na druga bryle, umieszczajac pomiedzy nimi warstwy materialu piezoelektrycznego, a nastepnie wprowadza sie miedzy wystajacy element a wglebienie laczaca substancje i przyklada sie do bryl przetwornika sciskajace sily prostopadle do warstw materialu piezoelektrycznego, równoczesnie poddajac te warstwy polaryzacji napieciem o kierunku przeciwnym i wartosci mniejszej od napiecia wstepnej polaryzacji, stosowanego podczas procesu wytwarzania tego materialu piezoelektrycznego, zas po za¬ konczeniu procesu laczenia sie bryl zdejmuje sie te sily i to napiecie polaryzacji.

Przetwornik zgodny z wynalazkiem nie wymaga stosowania zadnych elementów laczacych, np. srub zapew¬ niajacych mu podczas eksploatacji nacisk zewnetrzny. Uzyskane to zostalo dzieki temu, ze wytworzone podczas procesu laczenia bryl metalowych przetwornika wstepne sily, pochodzace od napiecia polaryzacji dzialajacego na warstwy materialu piezoelektrycznego i od wstepnego nacisku, powodujace w trakcie wytwarzania przetwor¬ nika zmniejszenie sie grubosci warstw materialu piezoelektrycznego, wywoluja po calkowitym zakonczeniu laczenia sie bryl ze soba naprezenia pomiedzy tymi brylami a tymi warstwami, warunkujace dzialanie przetwor¬ nika. Dzieki takiej budowie i takiemu procesowi wytwarzania przetwornika uzyskuje sie dobre sprzezenie akusty¬ czne pomiedzy brylami a warstwami piezoelektrycznymi oraz unika sie wystepowania szkodliwych rezonansów, pochodzacych od elementów laczacych. Zbedne jest zatem stosowanie wyciec w materiale bryl, co bylo ko¬ nieczne w znanych przetwornikach dla zmniejszenia szkodliwych rezonansów, wymagajacych takze uzywania w nich srub mocujacych o malym lbie i duzej wytrzymalosci na rozrywanie. W rezultacie w przetworniku we¬ dlug wynalazku zmniejszone zostaly jego straty i podniesiona sprawnosc. Na substancje laczaca przetwornika dzialaja glównie sily scinajace, na które znane substancje laczace, np. zywica epoksydowa, sa najbardziej odporne.

Zaleznie od konfiguracji bryl, powierzchnie ich przylegania, zwiazana substancja laczaca, mozna zwiekszac lub zmniejszac, co daje mozliwosc wplywu na wielkosc jednostkowych obciazen scinajacych, a tym samym na niezawodnosc polaczenia. Brak mechanicznych elementów laczacych w przetworniku nie naraza go na zmiane jego wlasnosci podczas eksploatacji, co moglo wystepowac w znanych rozwiazaniach np. przez rozluznienie srub.101987 3 Objasnienie rysunku. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w trzech przykladach wykonania zilustro¬ wanych rysunkiem, na którym sa schematycznie przedstawione trzy wersje konstrukcyjne przetwornika, w prze¬ kroju wzdluznym, przy czym fig. 1 przedstawia wersje z rdzeniem, wraz z doprowadzonym.napieciem polaryza¬ cji, fig. 2 - wersje z kolnierzem otaczajacym wspólpracujaca bryle, a fig. 3 - wersje z kolnierzem otoczonym z obu stron druga bryla.

Przyklady realizacji.

Przyklad I. Pierwsze przykladowe rozwiazanie przetwornika wedlug wynalazku przedstawia sie na¬ stepujaco. Jedna bryla, spelniajaca role masy promieniujacej, jest metalowym walcem 1 z centralnie usytuowa¬ nym wobec niego walcowym trzpieniem 2, prostopadlym do górnej powierzchni walca 1 i bedacym jego integral¬ na czescia. Na walec 1 wokól jego trzpienia 2 sa nalozone dwa centralnie perforowane krazki 3 z materialu piezoceramicznego o metalizowanych powierzchniach, zas na tych krazkach 3 jest usytuowany centralnie perfo¬ rowany metalowy walec 4, spelniajacy role masy obciazajacej. Powierzchnia otworu walca 4 jest polaczona z powierzchnia trzpienia 2 warstwa kleju 5. Do przylegajacych do siebie metalizowanych powierzchni krazków 3 'i materialu piezoceramicznego, stanowiacych jeden z elektrycznych zacisków przetwornika doprowadzany jest podczas eksploatacji sygnal w postaci przemiennego napiecia Us, zas metalizowane powierzchnie krazków 3 stykajace sie z walcem 1 i walcem 4 sa ze soba zwarte i stanowia drugi elektryczny zacisk, polaczony z masa przetwornika. Podczas wytwarzania przetwornika, na bryly metalowe, to jest na walce 1 i 4, oddzialuje sie sciskajacymi silami F w kierunku prostopadlym do warstw materialu piezoceramicznego, to znaczy do krazków 3, a równoczesnie do elektrycznych zacisków przetwornika doprowadza sie, zamiast przemiennego napiecia US, napiecie Up polaryzacji, którego biegunowosc jest przeciwna biegunowosci napiecia wstepnej polaryzacji stoso¬ wanego w procesie wytwarzania tego materialu piezoceramicznego, zas wartosc nie przekracza wartosci tego wstepnego napiecia polaryzacji. Sciskajace sily F i napiecie Up polaryzacji utrzymuje sie nieprzerwanie podczas wprowadzania kleju 5 miedzy trzpien 2 a otwór walca 4 i podczas procesu wiazania sie tego kleju 5. Po zakoncze¬ niu procesu klejenia zdejmuje sie sciskajace sily F i odlacza napiecie Up polaryzacji. W gotowym przetworniku, wytworzonym tym sposobem, powstaja naprezenia P, pochodzace od oddzialywania materialu piezoceramiczne¬ go na sklejone bryly metalowe, dzieki czemu przetwornik zasilany napieciem Us moze byc pobudzany do drgan stosownie do potrzeb, w szczególnosci do drgin na czestotliwosci rezonansu mechanicznego przetwornika.

Przyklad II. Przetwornik przedstawiony w drugim przykladowym rozwiazaniu zgodnym z wynalaz¬ kiem ma aluminiowa bryle, spelniajaca role masy promieniujacej w postaci drazonego walca 6 z zewnetrznym kolnierzem 7 tworzacym stozkowe wglebienie 8. Na dnie wglebienia 8 jest umieszczony krazek 9 z materialu piezoceramicznego o metalizowanych powierzchniach. Druga bryla, stalowa, spelniajaca role masy obciazajacej ma ksztalt scietego stozka 10, jest wlozona we wglebienie 8 drazonego walca 6 i opiera sie na krazku 9.

Powierzchnia stozka 10 jest polaczona ze stozkowa powierzchnia wglebienia 8 warstwa kleju 5, przy czym ta stozkowa powierzchnia wglebienia 8 jest pokryta warstwa 11 materialu elektroizolacyjnego. Do scietego stozka jest doprowadzane podczas eksploatacji przemienne napiecie Us, zas drazony Walec 6 jest polaczony z masa.

Proces wytwarzania i wlasciwosci przetwornika sa analogiczne jak opisane w przykladzie I.

Przyklad III. Rozwiazanie wedlug trzeciego przykladu przedstawia przetwornik, którego metalowa bryla spelniajaca role masy promieniujacej jest walcem 12 wyposazonym w pierscieniowy kolnierz 13 usytuowa¬ ny w dobranym oddaleniu od bocznej powierzchni walca 12. Druga metalowa bryla spelniajaca role masy obciazajacej jest drazonym walcem 14 ima wykonany pierscieniowy rowek 15 wymiarami i i usytuowaniem dostosowany do pierscieniowego kolnierza 13, na który zachodzi po zlozeniu elementów przetwornika w calosc.

W wewnetrznej przestrzeni metalowego walca 12 ograniczonej pierscieniowym kolnierzem 13 oraz dolna po¬ wierzchnia drazonego walca 14 objeta pierscieniowym rowkiem 15 sa umieszczone trzy pelne krazki 16 z mate¬ rialu piezoelektrycznego o metalizowanych powierzchniach zwartych ze soba naprzemiennie i polaczonych od¬ powiednio z przemiennym napieciem Us i masa przetwornika. Pomiedzy dolna powierzchnia drazonego walca 14 ograniczona rowkiem 15, a górna powierzchnia przylegajacego do niej krazka 16 jest umieszczona warstwa 11 materialu elektroizolacyjnego. Powierzchnia rowka 15 przylegajaca dwustronnie do kolnierza 13 jest z nim polaczona warstwa kleju 5. Proces wytwarzania i wlasciwosci przetwornika sa analogiczne jak opisane w przykla¬ dzie pierwszym.

Claims (8)

Zastrzezenia patentowe

1. Warstwowy przetwornik elektroakustyczny, zbudowany z bryl metalowych, pomiedzy którymi jest umieszczona co najmniej jedna warstwa materialu piezoelektrycznego o elektrycznie przewodzacych powierz-4 101987 chniach, do których jest doprowadzane zasilajace napiecie, przy czym ewentualnie miedzy bryly lub miedzy bryly a warstwy materialu piezoelektrycznego wprowadzony jest material elektroizolacyjny, znamienny - t y m, ze co najmniej jedna bryla ma co najmniej jeden wystajacy element przylegajacy do drugiej bryly a pola¬ czony z nia laczaca substancja (5), zas pomiedzy warstwami materialu piezoelektrycznego a metalowymi bryla¬ mi sa wytworzone naprezenia (P) pochodzace od tego materialu piezoelektrycznego.

2. Przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze powierzchnia przylegania bryl do siebie jest prostopadla do powierzchni przylegania warstw materialu piezoelektrycznego do tych bryl.

3. Przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 1,znamienny tym, ze powierzchnia przylegania bryl do siebiejest skosna do powierzchni przylegania warstw materialu piezoelektrycznego do tych bryl.

4. Przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, ze wystajacy element jednej bryly (6 lub 12)jest kolnierzem (7 lub 13).

5. Warstwowy przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze kolnierz (7) otacza druga bryle (10).

6. Warstwowy przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 4, znamienny tym, ze kolnierz (13) jest otoczony druga bryla (14) przynajmniej z jednej strony.

7. Warstwowy przetwornik elektroakustyczny wedlug zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, ze wystajacy element jednej bryly (1)jest trzpieniem (2) otoczonyn. drug;a bryla (4).

8. Sposób wytwarzania warstwowego przetwornika elektroakustycznego, który wykonuje sie z bryl meta¬ lowych i pomiedzy nimi umieszcza co najmniej jedna warstwe materialu piezoelektrycznego o elektrycznie prze¬ wodzacych powierzchniach, zas miedzy bryly lub miedzy bryly a warstwy materialu piezoelektrycznego wpro¬ wadza sie ewentualnie material elektroizolacyjny, znamienny tym, ze jedna bryle wyposaza sie w wysta¬ jacy element zas druga w odpowiadajace mu wglebienie, którego powierzchnia jest przeznaczona do przylegania do wystajacego elementu, po czym naklada sie jedna bryle na druga i umieszcza pomiedzy nimi warstwy materialu piezoelektrycznego, a nastepnie wprowadza sie miedzy wystajacy element a wglebienie laczaca sub¬ stancje (5) i przyklada sie do bryl sciskajace sily (F) prostopadle do warstw materialu piezoelektrycznego, równoczesnie poddajac te warstwy polaryzacji napieciem (Up) o kierunku przeciwnym i wartosci mniejszej od napiecia wstepnej polaryzacji stosowanego podczas procesu wytwarzania materialu piezoelektrycznego, zas po zakonczeniu procesu laczenia sie bryl zdejmuje sie te sciskajace sily (F) i odlacza to napiecie polaryzacji (Up). Fig. 1101 987 Fig.2 ng.3