DE2129664C3 - Operating method for a piezoelectric oscillating system - Google Patents

Operating method for a piezoelectric oscillating system

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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 hatThe invention relates to a drive of a Schwingsystemi, aach Patent 20 32 433, the electrodes on the transducer of the coupling oscillator to be excited to flexural oscillations

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 istIn the patent for the main patent 20 32 433 is a coupling oscillator with a piezoelectric transducer and described with a plate to be excited to flexural vibrations. This plate is by means of a mechanical connection with small cross-section with the coupling oscillator mechanically coupled The Coupling oscillator is excited to B / sgeresonanzo oscillations by the alternating voltage applied to the electrode and the counter electrode of the transducer The flexural resonance frequency of the mechanically coupled plate corresponds to the frequency of the flexural oscillation of the coupling oscillator. This patent specification 20 32 433 shows various embodiments to which the present invention is to be applied

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.In US-PS 33 71 233 the use of square waves is described for a special vibration system used there. This special oscillation system consists of individual transducers that are attached to a box-shaped container, which in turn This system vibrates in a multitude of oscillation modes with a multitude of resonance frequencies. To this US patent there is the excitation with square waves therefore provided to each one to achieve merely pushing this oscillation system. As is expressly pointed out there, this should Type of excitation make it superfluous to tune to the resonant frequency of the transducer to have to make. Rather, it is stimulated there with a multitude of frequencies and the whole The system oscillates in its natural frequencies independently of a specially selected excitation frequency of the alternating excitation voltage. With a such known oscillating system, ultrasonic movements are generated in a liquid located in the container, with those occurring in the liquid Vibrations of any kind can be.

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 abgegebenerIt is the object of the present invention, for a designed according to the main patent 20 32 433 Oscillating system with high efficiency for a liquid atomization due to its frequency tuning to specify a mode of operation that deals with a simple transistor circuit can be carried out. The electrical breakdown security should also be and in particular without sacrificing the delivered

2020th

2525th

*>a*> a mechanischer Zerstäuberleistung, erhöht sein.mechanical atomizer performance, be increased.

Diese Aufgabe wird für ein Schwingsystem nach dem Hauptpatent erfindungsgemäß entsprechend den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruches gelöstThis object is achieved according to the invention for a vibration system according to the main patent in accordance with the features of the characterizing part of the patent claim

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutertThe invention is explained in more detail below with reference to the figures

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.F i g. 1 shows an oscillating system that has already been proposed in principle in the main patent in its external form. With 1 the transducer is with a piezoelectric Ceramic and 5 denotes a truncated cone, which is fixed to the transducer 1, preferably by gluing connected is 1 and 5 together form a coupling transducer. On this coupling transducer is the Plate 4 mechanically coupled via a web with a smaller cross section. In the embodiment according to FIG. 1 is this bridge through the Reduction of the cross section at the blunt tip of the truncated cone 5 realizes the bending resonance frequency the plate 4 corresponds to the flexural resonance frequency of the coupling oscillator.

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.The piezoelectric transducer of the oscillating system is excited with a square-wave alternating voltage A correspondingly distorted AC mains voltage can be used for this. In the case of a 50 Hz network, dimension the oscillation system so that its flexural resonance frequency, in particular the fundamental frequency of the flexural resonance, is 50 Hz. It can also another, in particular higher-frequency square-wave alternating voltage can be provided.

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 erhöhtThe surprisingly achieved increase in performance in the oscillating system used is based on several reasons that largely coincide. By using the square wave alternating voltage a maximum energy supply to the oscillating system is effected at a given voltage amplitude. In addition, higher-order resonances are caused by the harmonic content of the square-wave alternating voltage the vibrating system is excited, which improves the atomizing effect, especially when it is used as an atomizer. In addition, through the limitation of the voltage amplitude the breakdown safety for the operation of the oscillation system elevated

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.The oscillation system is excited with a square-wave alternating voltage, which is generated and amplified through feedback based on the principle of self-excitation has been. Fi g. 2 shows an oscillator of this type with a particularly preferred generation circuit the square wave alternating voltage.

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.The one used in the circuit of Figure 2 As shown in FIG. 1 shows in more detail a breakdown of those provided on the converter Electrode on. According to a preferred embodiment, a circular area-shaped electrode is 221 and an annular electrode 121 surrounding it is provided. The counter electrode is in the case of a electrically conductive truncated cone 5 through the area between the truncated cone 5 and the transducer 1 educated. In the event that an electrically non-conductive adhesive with only a low dielectric constant is used Connection of the transducer 1 with the truncated cone 5 has been used in a manner known per se directly on the surface of the ceramic with which the transducer is connected to the truncated cone, a electrically conductive coating is provided which is in electrical contact with the truncated cone 5. In In this case, the counter electrode is then formed by the coating.

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.In the circuit shown in FIG. 2, between the electrode 221 and the counter electrode a feedback voltage is tapped which is that between the annular electrode 221 and the This phase shift is opposite in phase to the alternating excitation voltage applied to the counter electrode by 180 "is achieved in that the parallel to the Thickness of the transducer, permanently polarized ceramic of transducer 1 in the area of electrode 221 is polarized in the opposite direction to the polarization direction in the region of the electrode 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,To excite the coupling oscillator in the basic resonance frequency its flexural vibration is provided that the diameter of the ice surface-shaped electrode 221 is at least not significantly larger than the diameter of the node circle for the first harmonic of the flexural oscillation of the coupling oscillator on which the electrodes 121 and 221 covered surface of the transducer 1. By this dimensioning is achieved that a phase opposite Feedback voltage only for the frequency of the fundamental wave of the flexural vibration of the 'tloppeischwingers is generated and fed back. This results in a good utilization of the available electrical power,

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 istWith 61 and 62 two mutually complementary transistors are designated between the electrode 221 and the counter electrode generated feedback voltage is the transistors 61 and 62 via a Resistance chain from the resistors 63,64,65 and 66 supplied With 57 a DC voltage source is designated by a correspondingly high feedback ίο the transistors are so overdriven that they alternate with each other or practically completely conductive are locked. In this way the square wave alternating voltage arises, which is supplied to the electrode 121

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.Compared to the external excitation with a square alternating voltage, the excitation with one after the Principle of self-excitation generated square wave alternating voltage has the advantage that a frequency detuning of the oscillating system by re-tuning the frequency of the generated alternating voltage is balanced. The frequency of the fundamental wave of the square-wave alternating voltage is nn essential always equal to the current bending resonance frequency of the vibration system.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: 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 istOperation of an oscillating system according to patent 20 32 433 with electrodes on the transducer of the coupling oscillator to be excited to flexural oscillations, characterized in that the Electrodes (U, 121) a square-wave alternating voltage generated by self-excitation in a transistor circuit is applied at such a frequency that is equal to the basic frequency of the bending reso- ι ο nance of the coupling oscillator (1,5), the frequency equality by feedback one of an electrode (221) of the transducer (1) removed feedback voltage is ensured 1515th
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