DE2129664C3 - Betriebsverfahren für ein piezoelektrisches Schwingsystem - Google Patents

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)

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 ist

   15