DE2129664C3 - Betriebsverfahren für ein piezoelektrisches Schwingsystem - Google Patents
Betriebsverfahren für ein piezoelektrisches SchwingsystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bertrieb eines Schwingsystemi, aach Patent 20 32 433, das Elektroden
am Wandler des zu Biegeschwingungen anzuregenden Koppelschwingers hat
In der Patentschrift zum Hauptpatent 20 32 433 ist ein Koppelschwinger mit einem piezoelektrischen Wandler
und mit einer zu Biegeschwingungen anzuregenden Platte beschrieben. Diese Platte ist mittels einer
mechanischen Verbindung mit geringem Querschnitt mit dem Koppelschwinger mechanisch gekoppelt Der
Koppelschwinger wird durch die an die Elektrode und die Gegenelektrode des Wandlers angelegte Wechsel-Spannung zu B/sgeresonanzschwingungen angeregt
Die Biegeresonanzfrequenz der mechanisch gekoppelten Platte stimmt mit der "Frequei.z der Biegeschwingung des Koppelschwingers überein. In dieser Patentschrift 20 32 433 sind verschiedene A jsführungsformen
beschrieben, auf die die vorliegende Erfindung anzuwenden ist
In der US-PS 33 71 233 ist für ein dort verwendetes, spezielles Schwingsystem die Anwendung von Rechteckwellen beschrieben. Dieses spezielle Schwingsystem
besteht aus einzelnen Wandlern, die an einem kastenförmigen Behälter angebracht sind, der wiederum
Bestandteil des gesamten Schwingsystems ist Dieses System schwingt in einer Vielzahl von Schwingungsmoden mit einer Vielzahl von Resonanzfrequenzen. Nach
dieser US-Patentschrift ist dort die Anregung mit Rechteckwellen deshalb vorgesehen, um jeweils ein
bloßes Anstoßen dieses Schwingsystems zu erreichen. Wie dort ausdrücklich darauf hingewiesen ist, soll diese
Art der Anregung es überflüssig machen, eine Abstimmung auf die Resonanzfrequenz der Wandler
vornehmen zu müssen. Vielmehr wird dort mit einer Vielzahl von Frequenzen angeregt und das ganze
System schwingt in seinen Eigenfrequenzen unabhängig von einer etwa speziell ausgewählten Anregungsfrequenz der Anregungswechselspannung. Mit einem
solchen bekannten Schwingsystem werden Ultraschall-Bewegungen in einer im Behälter befindlichen Flüssigkeit erzeugt, wobei die in der Flüssigkeit auftretenden
Schwingungen beliebiger Art sein können.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein nach dem Hauptpatent 20 32 433 ausgebildetes
Schwingsystem mit aufgrund seiner Frequenzabstimmung hohem Wirkungsgrad für eine Flüssigkeitszerstäubung eine Betriebsweise anzugeben, die sich mit
einer einfachen Transistorschaltung durchführen läßt. Dabei soll auch die elektrische Durchschlagssicherheit,
und zwar insbesondere ohne Einbuß an abgegebener
20
25
*>a
mechanischer Zerstäuberleistung, erhöht sein.
Diese Aufgabe wird für ein Schwingsystem nach dem Hauptpatent erfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches gelöst
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert
F i g. 1 zeigt ein in seiner äußeren Form im Prinzip bereits im Hauptpatent vorgeschlagenes Schwingsystem. Mit 1 ist der Wandler mit piezoelektrischer
Keramik und mit 5 ist ein Kegelstumpf bezeichnet, der mit dem Wandler 1, vorzugsweise durch Kleben, fest
verbunden ist 1 und 5 bilden zusammen einen Koppelschwinger. An diesen Koppelschwinger ist die
Platte 4 über einen Steg mit einem geringeren Querschnitt mechanisch angekoppelt Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist dieser Steg durch die
Querschnittsverringerung an der stumpfen Spitze des Kegelstumpfes 5 realisiert Die Biegeresonanzfrequenz
der Platte 4 stimmt mit der Biegeresonanzfrequenz des Koppelschwingers überein.
Der piezoelektrische Wandler des Schwingsystems wird mit einer Rechteckwechselspannung angeregt
Hierfür kann eine entsprechend verzerrte Netzwechselspannung verwendet werden. Bei einem 50-Hz-Netz ist
das Schwingsystem so bemessen, daß seine Biegeresonanzfrequenz, und zwar insbesondere die Grundfrequenz der Biegeresomoiz, 50 Hz beträgt Es kann auch
eine andere, insbesondere höherfrequente Rechteckwechselspannung vorgesehen sein.
Die Überraschenderweise erreichte Leistungssteigerung bei dem verwendeten Schwingsystem beruht auf
mehreren Gründen, die weitgehend zusammentreffen. Durch die Verwendung der Rechteckwechselspannung
wird eine maximale Energiezufuhr zum Schwingsystem bei vorgegebener Spannungsamplitude bewirkt Außerdem werden durch den Oberwcllengehalt der Rechteckwechselspannung auch Resonanzen höherer Ordnung
des Schwingsystems angeregt wodurch insbesondere bei dessen Verwendung als Zerstäuber die Zerstäubungswirkung verbessert wird. Außerdem wird durch
die Begrenzung der Spannungsamplitude die Durchschlagssicherheit für den Betrieb des Schwingsystems
erhöht
Das Schwingsystem wird mit einer Rechteckwechselspannung angeregt, die nach dem Prinzip der Selbsterregung durch Rückkopplung erzeugt und verstärkt
worden ist. Fi g. 2 zeigt einen derartigen Schwinger mit einer besonders bevorzugten Schaltung zur Erzeugung
der Rechteckwechselspannung.
Das in der Schaltung nach Fig.2 verwendete
Schwingsystem weist, wie aus F i g. 1 näher hervorgeht, eine Aufteilung der auf dem Wandler vorgesehenen
Elektrode auf. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform ist eine kreisflächenförmige Elektrode 221
und eine diese umgebende ringförmige Elektrode 121 vorgesehen. Die Gegenelektrode wird im Falle eines
elektrisch leitfähigen Kegelstumpfes 5 durch die Fläche zwischen dem Kegelstumpf 5 und dem Wandler 1
gebildet. Für den Fall, daß ein elektrisch nicht leitender Klebstoff mit nur niedriger Dielektrizitätskonstante zur
Verbindung des Wandlers 1 mit dem Kegelstumpf 5 verwendet worden ist, ist in an sich bekannter Weise
unmittelbar auf der Oberfläche der Keramik, mit der der Wandler mit dem Kegelstumpf verbunden ist, eine
elektrisch leitende Beschichtung vorgesehen, die mit dem Kegelstumpf 5 in elektrischem Kontakt steht. In
diesem Fall wird dann die Gegenelektrode durch die Beschichtung gebildet.
In der in Fig,2 angegebenen Schaltung wird zwischen der Elektrode 221 und der Gegenelektrode
eine Rückkopplungsspannung abgegriffen, die der zwischen der ringförmigen Elektrode 221 und der
Gegenelektrode anliegenden Anregungswechselspannung phasenentgegengesetzt ist Diese Phasenverschiebung
um 180" wird dadurch erreicht, daß die parallel zur
Dicke des Wandlers permanent polarisierte Keramik des Wandlers 1 im Bereich der Elektrode 221
entgegengesetzt gerichtet polarisiert ist zur Polarisationsrichtung im Bereich der Elektrode 121.
Zur Anregung des Koppelschwingers in der Grundresonanzfrequenz
seiner Biegeschwingung ist vorgesehen, daß der Durchmesser der ki eisflächenförmigen Elektrode
221 wenigstens nicht wesentlich größer ist als der Durchmesser des Schwingungsknotenkreises für die
erste Oberwelle der Biegeschwingung des Koppelschwingers, auf der mit den Elektroden 121 und 221
bedeckten Oberfläche des Wandlers 1. Durch diese Bemessung wird erreicht, daß eine phasenentgegengesetzte
Rückkopplungsspannung nur für die Frequenz der Grundweile der Biegeschwingung des 'tloppeischwingers
erzeugt und rückgekoppelt wird. Dies ergibt eine gute Ausnutzung der zur Verfügung stehenden
elektrischen Leistung,
Mit 61 und 62 sind zwei zueinander komplementäre Transistoren bezeichnet Die zwischen der Elektrode
221 und der Gegenelektrode erzeugte Rückkopplungsspannung wird den Transistoren 61 und 62 über eine
Widerstandskette aus den Widerständen 63,64,65 und
66 zugeführt Mit 57 ist eine Gleichspannungsquelle bezeichnet Durch entsprechend hohe Rückkopplung
ίο werden die Transistoren so übersteuert daß sie miteinander abwechselnd praktisch völlig leitend oder
gesperrt sind. Auf diese Weise entsteht die Rechteckwechselspannung,
die der Elektrode 121 zugeführt ist
Gegenüber der Fremdanregung mit einer Rechteckig wechselspannung hat die Anregung mit einer nach dem
Prinzip der Selbsterregung erzeugten Rechteckwechselspannung den Vorteil, daß eine Frequenzverstimmung
des Schwingsystems durch Nachstimmung der Frequenz der erzeugten Wechselspannung automatisch
ausgeglichen wird. Die Frequenz der Grundwelle der Rechteckwechselspannung ist dabei nn wesentlichen
immer gleich der augenblicklichen Biegeresonanzfrequenz des Schwingsystems.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Betrieb eines Schwingsystems nach Patent 20 32 433 mit Elektroden an dem Wandler des zu Biegeschwingungen anzuregenden Koppelschwingers, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden (U, 121) eine durch Selbsterregung in einer Transistorschaltung erzeugte Rechteckwechselspannung mit einer solchen Frequenz angelegt wird, die gleich der Grundfrequenz der Biegereso- ι ο nanz des Koppelschwingers (1,5) ist, wobei die Frequenzgleichneit durch Rückkopplung einer von einer Elektrode (221) des Wandlers (1) abgenommenen Rückkopplungsspannung gewährleistet ist15
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