DE1597003A1

DE1597003A1 - Elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE1597003A1
Application number: DE19671597003
Authority: DE
Inventors: Minchenko Hildegard Maria
Original assignee: Ohio University; Ohio State University
Current assignee: Ohio University; Ohio State University
Priority date: 1966-08-10
Filing date: 1967-07-06
Publication date: 1970-08-13
Also published as: US3396285A; CH481546A; GB1210392A

Description

"Die Erfindur>g besieht sich auf elektro\nechanische Warrior ut3 inp^uen^n-']ere auf einer· Wandler mit hohem Q-i'/ert, der einen verbesserten Aufbau besitzt und mit dec extrem hohe Leistungsausgänge erzielt werden können.

Ein elektromeehanischer Wandler, z.B. eine piezoelektrische Vorrichtung, ist in der Lage, elektrische, hochfrequente Impulse in mechan'·-so^e, hocHfre^uentei^nlso oder· vrifelrehrt ur^^iiforn ?n . Wird oi¹-^ ^T;^;.^r:,_:"jar!£^r5spannung mit wechselnder Polarität den Piezoelektrischer; ^Lementen aufgegeben, oo erzeugt, überträgt und verstärkt der ν/-*"-:^/:1')Γ eine Reihe von TGobaniadtn Brurvrv-.'el" e^ I^ oie';oole'+r' .·:■' er ::a!erial υηΊ de;.-' !''etallauflou. lietraciitet man den V/an dl er allein, so erzeugt eine Po l.go von identischen Verdi chtur^p

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ur^ Dehnungswellen, die in einem Wandler geeigneter Länge übertragen werden, eine stehende Welle.

In einen; geradlinigen Stab entsprechen die Stellen der Kaxima und Minima eirer stehender Welle Stellen maxi-n;3ler und mir.i^aler Geschwindigkeit, minimaler v.vA maximaler Beanspruchung und maxiiraler und riniir-aler Verschiebung auf dein V/andlerkörper. Diese Stellen bestimmen die optimaler Stellungen für Abßtützpurkte, "Stufen" oder vnderunger irr Durchmesser, Werkzeuge oder mechanische Kcpplurgseinrichtungen, und dergl. Die Schwingungskr.otensteller sui" dem Wandler entsprechen Stellen minimaler axialer Verschiebung und Geschwindigkeit, die Schwingungsbauchstellen entsprecher. Stellen maximaler axialer Verschiebung und Geschwindigkeit oder Bewegung. Der auf dem Wandler zwischen benachbarten Schwingungsbäuchen gemessene Abstand ist gleich einer halber Wellenlänge bei der Grundresoner.sfreq.uer ζ, wobei die Large vor der Form abhängig ist urd mit ihr variabel ist.

In der gleichlaufenden Anmeldung (unsere Akte 5072) der

ilrmelderir vo~ gleichen Ar-rel'furgstage ist ein Schallwandler beschrieben und dargestellt, der das Antriebselement (piezoelektrisches Hlemer.t) nrit de" mechanischen Verschiebungsverstärker (Horn) in r.euartigerJDifeise verbindet. Es handelt sich hierbei im ve* örtlich en ar eine Eesorarzhornanordtung, die im Irrerer, r-ahe dem 3chwingun_c;e>r.oter. erregt vird. Die Erregung steht ir¹ Gegensatz zu lor ä'-ßerer Irregung, die üblich ist, weilr. Uörner in einem Schallwandler verwendet werden. Der dort beschriebene Ve*Var'.:ler ist ein Wandler ro it hohen Q-Wert, der außerordentlich i/o tust und "Koi;:p3.^t ist und kontinuierliche Arbeitsbelastungen aufnehmen kann.

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In einer weiteren Anmeldung (unsere Akte 5073) der

Anmelderin vom gleichen Anmeldetage ist die Anwendung des Wandlerprinzips beschrieben und dargestellt. Der Ger-amtaufbau ist verbessert und in eine praktisch brauchbare Form gebracht. Bestimmte Merkmale dieses Wandlers umfassen eine Vorrichtung zum Einstellen oder Aufbringen einer äußeren Xraft über eine Halterung, die in der Nähe des Schwingungsknotens des Wandlers abgestützt ist. Die Klemmvorrichtung, die eir.e innere statische Beanspruchung oder mechanische Vorspannung ergibt, ist akustisch ein einstückiges Bauteil des Hornes. Das Ausgangsende des Wandlers ist air Befestigungskupplung mit de") Werkzeug mit Schraubgewinde versehen.

Die Verwendung von Schall energie ist auf der mannigfaltigsten Gebieten versucht worden. Obgleich die Anwendung von Schallenergie einen zunehmenden Platz einnimmt, ist ihre praktische Verwendung durch einen Hauptfaktor, nämlich die Energie, begrenzt worden. Bei bekannten Anordnurrrer siri urter "oc^v Ί ei.stung^wan''-lern Wandler bis zu 10 Watt zu verstehen. Pur Anwendungfalle wie Erdbewegung, Betonzerstörung (Straßenaufbruoh^ und andere ähnliche Arbeiten ist dieser Energiebetrag verr.achlMssigbar. Ein Wandler, der wirtschaftlich für SchwerlastbetrieV angewendet werden kann, muß eine Leistungsabgabe vor. rirdestens 1 FS besitzen. Bekannte Wandler haben nicht dl ie Fähigkei + , kontinuierlich τ?it hohen leiptungspegeln umzugehen. Ferner sind ei ie zu- · lässigen Beanspruchungen und Belastungen, die vor. de*r Material des elektromechanischen Vanilers -u--rehalten werden können, so gering, daß diese Materialien bald durch die hohe Energie zerstört werden, die bei solcher. Vorgängen angewendet verier, kann. Die einzig praktisch brauchbare 'i.ösur.g war bis'- er das unsureichen-

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de Verfahren, mehr V/andler zu verwenden oder aber die Anzahl der Hörner zu vergrößern. Die Plosten für eine Anlage 'brauchbarer Größe liege" über den wirtschaftlich vertretbaren Grenzen. Somit wird in der Technik ein Wandler benötigt, der bei vernünftigen Kosten eine hohe Leistungsabgabe besitzt.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wandler, der eine extrem hohe Leistung, die in PS (oder kW) meßbar ist, in; akustischen Frequenzbereich abgibt. Das Prinzip, das der Abgabe "hoher Leistung zugrunde liegt, ist im Aufbau der Bestandteile W zn re^ven, -lie unmittelbar den piezoelektrischen Antriebselementer zugeordnet sind. Ir. der Theorie und Praxis stehen die piezoelektrischen Elemente unter radialen": und axialem Druck, der ^ewährleinte"· , daß sie nicht, selbst nicht unter intensiver Schallwirkung,'unter Spannung arbeiten. Lie bauliche Auslegung des Wandlers nach vorliegender Erfindung, die die außerordentlich } n\e leistungsabgabe aus den Antriebselementen ermöglicht, beruht s\'f ^er neuartigen Kethode des Festklemmens der piezoelektrischen Eleirer.te sowohl in radialer als auch in longitudinal er (axialer} Richtung. Auf diese Weise werden die akustischen Beanspruchungen ir. der. piezoelektrischen Elementen stets Druckbear.struchurgen ur.i nie Zurbear.Rpruchur.ger. sein, selbst unter maxiiraler Spannungserregur.g.

Es ΐεΐ deshalb v.'esentliches Ziel vorliegender »Erfindung, eine neuartige ur.d verbesserte bauliche kr.nvnnvr.^ für einen Schallv;ar.öler, und ir.sbesondere für eir. Artripbselement eir.es derartiger. Viandlers anzubeten. labei soller, die akustischen Beanspruchungen in der. Ar. triebsei em er ten stets Iruck- und nie Zugbeanhvr.r'er , selbst ur.ter maximaler Zrsr.rungserregung .sein. Der

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Wandler soll-außerordentlich hohe Leistung abgeben.

Gemäß der Erfindung wird dies mit Hilfe eines elektromechanischen Wandlas erreicht, der einen piezoelektrischen Ring, ein Paar Ringe aus hal"bfederndem Material, die auf die Außenseite und die Innenseite des piezoelektrischen Ringes aufgepaßt sind und ein Paar Ringe aus nachgiebigem Material, die auf die Außenseite eines der nachgiebigen Ringe und auf die Innenseite des anderer nachgiebigen Ringes aufgepaßt sind, auf v/eist.

Nachstehend wird die Erfindung ir Verbirg->η- ^it der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren zeigen:

Fig. 1 den einteiligen Aufbau eines Schallwandlerhorr.es und -körpers,

Fig. 2 eine vollständige bevorzugte Ausführungsform des Wandlers, bei dem die piezoelektrische Antriebsanordnung vorliegender Erfindung verwendet wird,

Pig·.2a eine Querschnittsansicht, aus der die piezoelektrische m Antriebsanordnung gemäß der Erfindung sichtbar ist,

Pig. 3 eine andere vollständige Ausführungsform des Wandlers, bei dem die piezoelektrische Antriebsanordnung nach der Erfindung sichtbar ist,

Pig. 4 eine weitere geänderte, vollständige Ausführungsform des Wandlers mit piezoelektrischer Antriebsanordnung gemäß der· Erfindung,

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Fig. 5 die Anpassung der piezoelektrischen Antriebsanordnung nach Fig. 2a in einer weiteren Schallwandleranordnung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die die Teilvolumenexpansion ale Funktion der Temperatur des federnden Materiales in der Antriebsanordnung nach Fig. 2a angibt, und

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die den Massenmodulus und die Federkonstante des federnden Materiales in der Antriebsanordnung nach Flg. 2a zeigt.

ITach den Prinzipien des elektromechanischen Wandle-rs, der in der Patentanmeldung ........(unsere Akte 5072) beschrieben und dargestellt ist, weist ein hornartiger Verschi^bungsverstärker halber Wellenlänge zwei einstückig ausgebildete Abschnitte auf. Der untere Teil des Homes ist verjüngt (in der einen oder in der anderen Richtung), damit die Werkstückbewegung übertragen wird. Der obere Teil des Homes ist auf Schraubenmuttergröße abgedreht und paßt bündig in eine Bohrung, so daß der obere Teil vervollständigt wird. Die piezoelektrischen Wandlerelemente werden zwischen die beiden Abschnitte eingesetzt. Der Schraubenbolzen ergibt die mechanische Vorspannung als Druckbeanspruchung, die größer ist als die maximale Amplitude der wechselnden Beanspruchung, die in den piezoelektrischen Elementen erzeugt wird. Eine Schraubenmutter auf dem oberen Teil des Schraubenbolzens verbindet die unter Druck stehenden Teile miteinander.

Vorliegende Erfindung macht von der Theorie und den Prinzipien des mechanischen Aufbaus des Wandlers nach der vorgenannten Patent anmeldung Gebrauch und verbessert den dort beschriebenen und gezeigten Aufbau.

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Die bevorzugte Aus ftih runge for πι der Erfinder, r; weift, wie Ir; den figuren 1, 2 und 3 dargestellt ist, ein Antriebselement halber Wellenlänge auf. Das Antriebs element enthält ferner die YJ enmanordnung, die das AntriebseleTient mit den:· Horn verbindet. Ein einstüclciger Schraubenbolzen verbindet das Horn rn.t den Artriebselementen und bildet das Zugelement in der longitudinalen K] emmanordnung. Das radiale Prucksystetr besteht aus korzentrischen Ringen federnden Materiales, die die piezoelektrischen Ringe auf beiden Seiten umgeben. Die Ringe aus Federmaterial sind sowohl in ihren» inneren Durchmesser als auch in ihren¹ äußeren Durchmesser durch nichtfedernde Ringe festgehalter.. ^ Die piezoelektrische Antriebsanordnung 74a besteht aus konzentrischen Ringen und ist in Pig. 2a dargestellt.

Nach den Figuren 1 und 2 weist der einteilige Aufbau den verjüngten Stab 12 auf, der von der Spitze 20 zur Basis dee Ππrr.es 22a verläuft. Das verjüngtt Metallstück besteht urp^riir.glich aus atabförniigem Material und ist so abgedreht, daß es den Schraubenbolzen 50 ausbildet, der sich durch die piezoelektrische Antriebsanordnung 74a und 76a mit der dazwischenliegenden Elektrode 86 erstreckt, Im oberen Bereich des Schraubenbolzens a $0 ist der obere metallische Abstandhalter 30 und die Schraubenmutter 32 (Fig.. 2} mit dem Schraubende 25 befestig (in Fig. 1 gezeigt). Ισ unteren Bereich des Schraubenbolzens 50 ist der Abstandhalter 40 zwischen der piezoelektrischen Antriebsanordnung 76a und der Basis des Fornes 22a angeordnet.

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Wie in den oben erwähnter. Patentanmeldungen ausgeführt, zeigt die Vibratiorsamplitude gegenüber der longitudinalen Stellung "auf dem Wandler die Knotenpunkte als Stellen der Nullverschie-. bung. Pie Knotenpunkte werden an oder in der Nähe der Stellen gefunden, die der Lage der Elektrode ^f entspricht, und am Plansch 22b. lie Stelle maximaler Amplitude tritt an der Hornspitze 20 oder am 3chwingungsbauc^v' auf, und die Verstärkung des Kornes wird durch das Verhältnis der Verschiebung an der Spitze 22 des Hornes zu der an der Basis des Hornes 22a dargestellt.

Eine weitere Anordnung des Hornec und des Körpers des Wandlers {-'emäß vorliegender Erfindung ist in Fig. 3 feezeigt. Ursprünglich wurden eine Vielzahl von piezoelektrischen Ringen zwischen die Basis des Hornes 22a und die Mutter 32 gesteckt. Da sehr hohe Spannungen notwendig sind, um jeden piezoelektrischen Ring zu erregen, wurden die Ringe elektrisch parallel geschaltet. Dies geschah unter Verwendung einer Reihe von Elektroden, die zwischen die Ringe eingesetzt wurden. Versuche haben gezeigt, daS eine erhebliche Phasenverschiebung ir, cen Spannungen vorhanden war, d:e zwischen den jriszcel ektriscl· en Ringer, irr. Stapel gemessen wurier.. Ss wird arger.cr.irer:, dä3 diese Verschiebung teilweise die Leistungsfähigkeit eines ^eder. Rir.gec aufhebt. Deshalb wurden alle r.it Ausnahme vor zwei piezoelektrisch en Ar.triehselementen durch Stahlscheiber 42, 44, 46, /Ii, 52, 54 und 56 ersetzt.

lar.r. wurden Versuche τ.it verschiedener. Stellen der piezoelektri-

en,

scher. Arordr.ur.g/7 4a urd 76a in bezug auf das 7/andlerhorn gerächt, ur c ie Le rsturgs eigen schaft en zu eir.eTi Kaziirum zu bringen. Unter Verv;er.cur.g elr.es Irredar.z-Adrrittar.z-KZeßgerätes und eines X-Y-Aufzeichr.ur.£rsger^b'*e!5 wurden It^edanzkreise für verschiedene i: ur.d alle wichtigeren Resoranzfreelerzer. aufgetragen.

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Hierbei wurden die verschiedenen piezoelektrischen Ringe, die zwischen den Antriebseleroenten und dem Horn angeordnet waren, durch Stahlscheiben ersetzt. Infolgedessen wurden Impedanzkreisdurchmesser als Punktion des aufgebrachten Drehmomentes aufgetragen, wobei der Wandler in der in Pig. 3 gezeigten Stellung zusammengebaut wurde. Durch Einstellung des Drehmomentes auf einen bestimmten Wert wurde die Kreisdurchmessercharakteristik des Wandlers wesentlich verbessert. Bei diesem Drehmoment wird die Resonanzfrequenz der vollständigen Anordnung gleich der Auslegungsfreq.iHiz.

*ⁿi.s Pig. 2 läßt sich entnehmen, daß die Wandlerkonstruktion dadurch wesentlich vereinfacht worden ist, daß ein einziger konischer Abstandshalter 40 anstelle der verschiedener scheibenförmigen Abstandshalter, die In eier Ua¹Ie des Hornes, wie in Pig. 3 gezeigt, angeordnet waren, vereinfacht. Diese '^!inderung hat nicht nur eine bessere Impedanzanpassung zwischen den Antriebselementen und dem Horn ergeben, sondern auch Energieverluste durch Verringerung der Anzahl von Metallzwischenflächen zwischen den Antriebselementen und dem Horn beseitigt. Urn weiter die Wandlereigenschaften zu verbessern, wurden dLe beiden Abstandshalter 42 und 44 in derMhe der Schraubenmutter durch einen einzigen Abstandshalter 30 ersetzt.

In Pig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des Hornwandlers gemäß vorliegender Erfindung gezeigt. In bestimmter Hinsicht kann diese Ausführungsform als Kombination der Merkmale nach den Piguren 2 und 3 angesehen werden. Wie weiter oben ausgeführt wurde, waren bestimmte Verluste durch die Ausbildung nach Pig. bedingt; das Mehrfachantriebselement weist jedoch eine erhöhte

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Leistung auf. Demgemäß ergibt das piezoelektrische Mehrfachantriebselement nach Fig. 4 einenWandler mit der insgesamt höchsten PS-Leistung, obgleich die Ausbildung des Wandlers nach Fig. 2 die höchste PS-Leistung pro Raumsinheit ergibt.

In Fig. 4 ist ein Wandler gezeigt, der ähnlich dem nach Fig. ißt. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß vier piezoelektrische Antriebsanordnur.ger: 73a, 74a, 75a und 76a anstelle der beiden Antriebsar.ordr.ungen nach Fig. 2 verwendet werden. Ferner werden zur Vervollständigung des Aufbaues drei Elektroden 84, 85 und 86 anstelle der einzigen Elektrode nach Fig. 2 verwendet.

Der Betrieb des Wandlers nach Fig. 4 ist ähnlich dem nach Fig. 3» wobei allerdings durch Erhöhung der Gesamtleistung eine erhebliche Verbesserung erreicht v/ird .

Weiter oben ist ziemlich ins einzelne gehend der hornartige Wandler der eingangs erwähnten gleichlaufenden Anmeldungen beschrieben. Obgleich die Aufbauten nach den Figuren 2, 3 und 4 einen Wandler zeigen, der sehr gute Ergebnisse bringt und der einen kontinuierlichen Betrieb mit Abgaben in PS (kW) ergibt, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Art von Wandler beschränkt. Die piezoelektrische Antriebsanordnung, d.h. das primäre Merkmal des neuartigen und verbesserten Wandlers nach vorliegender Erfindung, war anfänglich in dem hornähnlichen Wandler vorgesehen, da diese Wandlerart (a) eine Umwandlung von elektrischer in mechanische' Energie ergab, (b) einen Resonanzaufbau hatte, (c) einen Resonanzaufbau mit hohem Q-Wert ' besaß, und (d) einen kontinuierlichen Betrieb gewährleistete.

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Diese vier Merkmale waren für den besonderer. ?weck wesentlich. Pur andere Zwecke, Aufgaben oder Anwendungen können ardere Arten von Wandlern oder Anordnungen von Elementen für einen kontinuierlichen oder pulsierenden Betrieb wünschenswerter sein. Die piezoelektrische Anordnung nach vorliegender Erfindung paßt pich in einfacher Weise selbst einer anderen Anordnung von Bauelementen an, die einen Wandler darstellen.

wie

In Verbindung mit Fig. 5 ist gezeigt,/die piezoelektrische Antriebsanordnung die Prinzipfen nach vorliegender Erfindung bei einem anderen Schallwandleraufbau verwendet. Tn dieser Fig. 5 ist ein Schallwandler mit flacher Platte und irit T.sngevir-Schicht gezeigt. Grundsätzlich weist der Wandler nach Fig. ? zwei Platten 14 und 16 auf, die zwei Peare von piezoelektrischen Antriebsanordnungen 7 und 9 aufweisen, welche als Zwischenschicht eingesetzt sind und welche für Hochleistungsbetrieb durch Bolzen 9 und 10 befestigt sind. Pie Bodenplatte 17 ist das Arbeitsübertragungsroedium. In einer ebenen Beziehung zur "lat⁺e l^r ist die Arbeitsflechenplatte I⁷ angeordnet. Diese beiden Platten werden durch Schrauben 19a, 19b und 19c im'Falle dieser Ausführungsform befestigt. D.· e obere Platte 14 kann etwa die gleiche Gestalt wie die untere Platte If annehmen. Diese Platten haben im Falle vorliegenden Ausführungsbeispieles rechteckförrige Gestalt, d.h. 'zwei Seite an Seite liegende Quadrate. Zentrisch in jedem der beiden Quadrate sind die ?aare von piezoelektrischen Antriebsanordnungen " und 8 angebracht. Diese Antriebsanordnungen sind in ihren Aufbau und in ihrer Arbeitsweise identisch den Antriebsarordnungen nach den Figuren 2, 2a, 3 und 4. Die Bolzen 9 und 10 befestigen die beiden Platten 14 ur.d 16 ir enger

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Druckverbindung mit den Antriebselementen 7 und 8. Ife Bolzen 9 und 10 ruhen auf abgeschrägten Teilen 18 und 18a und sind am entgegengesetzten Ende über Schraubenmuttern, z.B. 13, lestgeschraubt.

Während früherer Versuche ist festgestellt worden, daß die piezoelektrischen Ringe sehr leicht brechen, wenn hohe Spannungen angelegt werden. Demzufolge war es nur eine sehr kurze Zeitdauer möglich, den vollen Spannungsbetrieb durchzuführen. Um einen Wandler hoher Leistung und kontinuierlicher Belastung zu erreichen, wurden die piezoelektrischen Ringe 74 und 76 unter radiale Druckbeanspruchung gesetzt. In bezug auf Fig. 2a wurde die spezielle Verbesserung durch Verwendung von konzentrischen Ringen aus hochtemperaturbeständigem Silikongummi 60 und 64 erreicht, die den piezoelektrischen Ring 74 auf dem inneren und dem äußeren Durchmesser umgeben. Des weiteren sind die Gummiringe innerhalb vor. melarninimprägnierten Glasfaserhülsen 62 und 66, . auch auf ihrer, inneren und äußeren Durchmessern begrenzt. Eine longitudinale Druckbeanspruchung des Gummis ergibt abgeglichene radiale Kräfte sowohl auf den inneren als auch.den äußeren Durchmesser der piezoelektrischen Elemente. Obgleich dadurch der Q-Wert der Wandler vermindert wird, hat sich die bauliche Anordnung als sehr vorteilhaft unter äußerst harten Betriebsbedingungen herausgestellt. Es wurde nicht nur verhindert, daß das piezoelektrische Material (Keramik) zu Bruch ging, sondern es wurde gleichzeitig die Kögliehkeit des Überschlages an den Kanten der · piezoelektrischen Ringe verhindert.

Tie Silikonguiüciringe 60 und 64 werden in den äußeren und inneren !'elaminringen 62 und 66 auf genommen oder festgehalten. Der innere >:elan;ir!ring 66 ist eine verhältnismäßig lange Röhre, die den

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verschiedenen piezoelektrischen Ringen gemeinsam ist. Konzentrische Ringe 60, 62, 64, 66, und 74 stellen die piezoelektrische Antriebsanordnung 74a in Pig. 2a dar, wie oben "beschrieben. Der äußere Melaminring 62 ist in Segmente geteilt, so daß die Elektro— denscheiben 36 sich in radialer Richtung nach außen erstrecken können, damit die piezoelektrischen Ringe 74 und 76 zu ihrer Erregung angeschlossen werden können.

Die oben beschriebene Kl eimnan Ordnung stellt ein Verfahren zur Ausübung einer gesteuerten statischen Beanspruchung auf die J| piezoelektrischen Antriebselemente 74 und 76 sowohl ζ**, der radialen als auch in der axialen Richtung dar. Dadurch sind die nutzbaren djrnamischen Beanspruchungen, die in den piezoelektrischen Elementen 74 und 76 erzeugt werden, stets Druckbeanspruchungen, sogar unter intensiver Erregung (mit Hochspannung).

Das radiale Trucksystem ist r;icht nur in der Lage, der erforderlichen Druck zu erzeugen, sondern es ist auch ein gesteuertes Drucksyste^iT!. D.h., daß der radiale Druck ir dieser Anordnung meistens erzeugt wird, nachdem die piezoelektrischen Elemente 74 und 76 zuerst unter ziemlich hohem axialen Druck .festgeklemmt φ word or. sind. Aufgrund dieser zeitlichen Folge wird verhindert, daß den halbplastische Medium 60 und 64 (das den Truck hydrostatisch «auf die piezoelektrischen Elemente überträgt) selbst unter oder zwischen die piezoelektrischen Elemente 74 und 76 eingesetzt wird. Aufgrund der Auslegung des Sperrsystems kann der Druck, der innerhalb der Gummiringe erzeugt wird, nur in radiale¹" Richtung auf die keramischer! Tinge einwirken.

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In Betrieb wird ein Druck von außer, in radialer Richtung auf die piezoelektrischen Ringe in der Ringenordnung erzeugt. Ein longitudiraler Druck oder eine mechanische Vorspannung wird dann auf die keramischen Elemente dadurch ausgeübt, daß die obere Schraubenmutter 32 auf den vorgeschriebenen Drehmomentwert angezogen wird (dies ist in den oben erwähnten Patentanmeldungen beschrieben). Die Dimensionen sind so gewählt, daß die Gummiringe 60 und 64 auch einer bestimmten axialer ICrs^'t unterworfen werden. Da sie begrenzt sind, wie in Verbindung wit Pig. 2a beschrieben,

^ üben sie einen Druck sowohl ir radialer als in axialer Richtung aus. Der Gumiri wird daran gehindert (durch lirensiOESteuerung) , daß er einer ausreichenden radialer Druck erzeugt,-der bewirkt, daß Gummi über die flachen Oberflächen der piezoelektrischer: Elemente ausweicht. Ferner wird der Gummi innerhalb des begrenzten Raumes aufgrund des Temperaturkoeffizienten der Expansion ausgedehnt. lie Wärmequelle, die den TercpeKturanstieg bewirkt, wird durch die Wandlerverluste während des leistungsbetriebes dargestellt. Da der Gummi ei·*:er intensiven Schallbehandlung unterzogen wird, wirkt er als hydrostatisches Medium und drückt die piezoelektrischen Ringe ir. radialer Richtung zusammen. Während

fl| dieser Zeit reicht der longitudinale Druck auf die piezoelektrischen ülererte aus, darit ein Flie'Ser des Guwis unter piezoelektrischen Elementen verhindert vird.

Wä^rerd des Zu:--a!nⁱr.>er;bauea v/iri ein statischer Druck von etwa 180 kg/cnT" in raüpler Richtung· von außen auf das Antriebselemente ausgeübt, Es ist wichtig, daß dort auch ein Iruck herrscht, der den riezoelektrieorr-r· Rirr vor. irrer. irnFanurendrückt, damit' eine Druo■'""··■·raft vor εΐΐβη Richtw ;er. zv p.ller ^eiten gevfährleistet Ir ⁺ . ^t ist auch w^'r-htif, öe-fj der Nut^druck (Differential) .

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stets radial von außen auftritt.

Das piezoelektrische Element wird durch zwei entgegenwirkende radiale Kräfte zusammengedrückt - eine wirkt von außen nach innen und die andere von innen nach außen. Der tatsächlich ausgeübte • radiale Druck hängt von der Betriebstemperatur des handlers ^b und baut sich linear als Punktion der Temperatur auf. Ein Temperaturzuwachs von 38 C ergibt einen Druckzuwachs von 400 kg/cm

In Pig. 6 ist die Teilvolumenexpansion der Silikongummiringe 60 ^ und 64 (der Fig. 1) als Punktion der Temperatur wie auch der hydrostatische Druck, der durch den begrenzten Silikongummi als Punktion der Temperatur ausgeübt wird, gezeigt. Ferner sind die Volumenkoeffizienten der Expansion der anderen Materialien dargestellt, die in bevorzugten Ausführungsformen verwendet werden.

Die axiale länge des äußeren Melaminringes 62 ist so gewählt, daß die longitudinale Druckbeanspruchung, die während des "Anziehens" erzeugt wird, nur die Inneren piezoelektrischen Ringe 74 und 76 und die Gummiringe 60 und 64 zusammendrückt. Die Eeanspruchunger, die während des Anziehens erzeugt werden, drücken ^m den äußeren Kelairinring 62 nicht merklich zusammen. In der grafischen Darstellung nach Pig. 7 ist die Höhe eines begrenzten Zylinders aus nachgiebigem Material als Punktion des Druckes dargestellt. Die grafische Darstellung zeigt Dater, die aufgetragen sind, UB! die Katerialdichte der Silikongummiringe 60 und 64 (der Pig. 1) festzulegen, welche in den bevorzugten gezeigten Ausführungsformen verwendet werden.

Das halbplastische oder federnde Material 60 und 64 ist obaisls Silikongumrci bezeichnet. Als Gattungebegriff und r.ach der

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Definition in Directory/Encyclopedia Issue of Insulation, auf Seite 192, vom Mai 1965, hat sich dieses 'bestimmte Material, das in den bevorzugten Ausftihrungsfortnen verwendet wurde (Detroit Silikon, 50 Durometer, Komponente 150 von Fournier Rubber Co) als ge3Eue geeignet für den "beabsichtigten Zweck herausgestellt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das "beschriebene Material beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf andere Materialien, r.h. auf Flüssigkeiten, Strömungsmedien oder Substanzen, die ähnliche Eigenschaften aufweisen. Die im Material 60 und 64 besonders wichtigen charakteristischen Eigenschaften sind: (1) der volumetrische Temperaturkoeffizient, d.h. die Eigenschaft, das Volumen pro Grad zu ändern; (2) die Änderung des Volumens pro Oruokeinheit und (3) die Änderung des Druckes bei einer Voluirenär.derur.g. Andere charakteristische Eigenschaften des Materiales 60 und 64 sind, daß das Material eir. !lichtleiter selbst bei hohen TeI⁷¹P era tür er. Pein muß und daß es, wie oben ausgeführt, elastisch int.

Die nichtfedernder. Rrnge 62 ur.d 66 sind oben als melaminharzimprägnierte Glasfaserringe bezeichnet. Das besondere Material wurde in der bevorzugten Ausführungsform verwendet und es ist als ^.ehr gut geeignet zur zwangsweisen Festlegung der inneren Anordnung gefunden worden. Ee können jedoch auch andere Materialler, τ? it ähr.l icher. E"⁵ fens c^v aft en in der Klemmen Ordnung nach vor-,

liegender Erfir.d\;r.£ verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche:

l.j Antriebsabschnitt für einen elektromechanischen Wandler,

l.j
—^

zeichnet durch einen piezoelektrischen Ring, ein Paar Ringe aus halbfederndem Material, die auf die Außenseite und die Innenseite des piezoelektrischen Ringes aufgepaßt sind, und ein Paar Ringe aus federndem Material, die auf die Außenseite eines der federn^ den Ringe und auf die Innenseite des anderen federnden Ringes aufgepaßt sind.

2. Antriebsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,.daß die Ringe einer innerhalb des anderen unter Drue¹⁷" aufgepaßt sind, und daß eine Vorrichtung vorgesehen ist, die einen axialen Druck auf den Antriebsabschnitt aufbringt, damit eine gesteuerte π ta** tische Beanspruchung sowohl in radialer als in axialer Richtung ausgeübt viv-i.,

3. Antriebsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe einer innerhalb des anderen unter Druck aufgepaßt werden wobei eine gesteuerte statische Beanspruchung auf die piezoelek^ trischen Elemente ausgeübt wird.

4. Antriebsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung eine axiale, äußere Kraft auf die piezoe,lektri~ sehen Elemente und das federnde Material aufbringt, und daß eine. Vorrichtung das federnde Material an einer Radialbewegung hinderf,

5. Antriebsabschnitt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeiohnett

ist das halbfedernde Material Silikongummi/und daß das federnde Ma»

terial melaminimprägnierte Faser ist.

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6. Antriebsabschnitt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Klemmvorrichtung für das hydrostatische Medium und eine Vorrichtung, die das liediur in der Nähe der piezoelektrischen Elemente unter Druck hält.

7. Elektro^echanischer Hochleistungswandler, gekennzeichnet durch einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt, einen Antriebs abschnitt mit einer elektrischen Antriebsanordnung, eine Vorrichtung zur Einstellung des Antriebsabschnittes zwischen den oberen und unteren Abschnitten und eine Elektrode in der Hähe des Antriebsabschr.ittes, wobei der Antriebsabschnitt eine Vorrichtung j η Verbindung mit der Einstellvorrichtung aufweist, um einen radialen und axialen 7)rucV" auf die piezoelektrischen Elemente auszuüben.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Abschnitte zusammen mit den Antriebsabschnitt einen langevin-Schichtwardler darstellen.

9. Wandler nach. Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Abschnitte flache Platten sind, und daß der Antriebsabschnitt verhältnismäßig flach ausgebildet ist, wobei dieser Antriebsabschnitt ferner eine Vorrichtung zur Aufnahme der Einstellvorrichtung aufweist.

10, Wandler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsabschnitt ferner eine Klemmvorrichtung für das hydrostatische' Medium und eine Vorrichtung aufweist, um das Medium in der Nähe der piezoelektrischen Elemente unter Druck zu halten. \

11, Wandler nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das statische Medium Silikongummi ist,

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12. Wandler nach Anspruch 71 dadurch gekennzeichnet, daß die den Druck "■ aufrechterhaltende Vorrichtung eine melaminimprägnierte Glasfaser ist und daß die Einstellvorrichtung eine lorigitudinale Klemmvorrichtung darstellt.

13. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, da(? der Antriehsabschnitt eine Reihe von Ringen aufweist, die unter Truck einer innerhalb des anderen aufgepaßt sind.

14. Wandler nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eineijpiezoelektrisehen Ring, ein Paar Ringe aus halbfederndem Material, die auf der Außenseite und Innenseite.des piezoelektrischen Hinges aufgepaßt sind, und einem Paar Ringe aus federnden¹ Katerial, die auf der Außenseite des einen der federnden Ringe und auf der Innenseite des anderen federnden Ringes aufgepaßt pind.

1?. Elektromechanischer Hochleistungswandler, gekennzeichnet durch einen länglichen Aufbau nit einem verjüngter Stab und einem oberen Abschnitt, welcher einen verlängerten festen Teil ein?t^;ic>ig mit dem verjüngten Abschnitt aufweist, einen Antriebsatschnitt, der wenigstens ein Paar verhältnismäßig flacher piezoelektrischer Elemente besitzt, welche eine zentrische öffnung aufweisen, um den verlängerten festen Teil aufzunehmen, wobei die Elemente in einer gemeinsamen Ebene mit dem größten Ende des verjüngten Abschnittes ausgebildet sind, und einer Elektrode, die zwischen den piezoelektrischen Elementen angeordnet ist, wobei der Antriebsabschnitt ferner eine Vorrichtung zum Aufbringen eines radialen und axialen Druckes auf die piezoelektrischen Elemente ausübt.

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16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in dem Antriebsabschnitt eine radiale und longitudinale Klemmvorrichtung besitzt.

17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Klemmvorrichtung im Antriebsabschnitt ferner ein hydrostatisches

. Medium aufweist.

18." Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemm- ^ vorrichtung ferner ein hydrostatisches F.edium und eine Vorrichtung aufweist, die das Mediurr in der ITähe der piezoelektrischen Elemente unter Druck hält.

19. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das hydrostatische Medium Silikongummi ist.

20. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die den Druck aufrechterhaltende Vorrichtung eine melaminimprägnierte Paser aufweist.

21. Viandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebs anschnitt eine Reihe von Ringen aufweist, die unter Druck einer innerhalb des anderen aufgepaßt sind.

22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung vor. Ringer, einen piezoelektrischen Ring, ein Paar Ringe -aus halbfederndeffi Katerial, die auf der Außenseite und Innenseite des piezoelektrischen Ringes aufgepaßt sind, und ein Paar Ringe aus federndem Material, die auf der Außenseite des einen federn-

und

den Ringes/auf der Innenseite des anderen federnden Ringes aufgeragt sind, aufweist.

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23. Wandler nach Anspruch 21, dadiirch gekennzeichnet, daß die Ringe einer innerhalb des anderen unter Druck aufgepaßt sind, wobei eine gesteuerte statische Druckbeanspruchung au*¹ die piezoelektrischen Elemente ausgeübt wird.

24. Elektromechanischen Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Abstandshalter/^wisehen dem verjüngten Abschnitt und dem Antriebsabschnitt angeordnet ist, daß eine Haltevorrichtung im Ende des verlängerten Teiles ausgebildet ist, daß ein zweiter Abstandshalter zwischen der Haltevorrichtung und dein M Antriebsabschnitt angeordnet ist, und daß eine Vorrichtung das piezoelektrische Element erregt.

25. Wandler nach Anftruc^ 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe einer innerhalb des anderen u^ter Druck aufgepaßt sind, und daß eine Vorrichtung einen axialen Druck auf den Antriebsabschnitt iiber die Haltevorrichtung aufbringt, damit eine gesteuerte statische Druckbeanspruchung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ausgeübt wird.

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