DE1851389U

DE1851389U - MAGNETOSTRICTIVE COMPOUND SWINGER.

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Publication number: DE1851389U
Application number: DE1962J0010352
Authority: DE
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1962-03-09
Filing date: 1962-03-09
Publication date: 1962-05-10

Description

MagnetostriktiverVerbundschwinger Die Neuerung betrifft einen magnetostriktiven Verbundschwinger, bestehend aus zwei sich zu einem einseitig angeregten Halbwellenschwinger ergänzenden Viertelwellenschwingern. Magnetostrictive composite transducer The innovation concerns a magnetostrictive composite oscillator, consisting of two quarter-wave oscillators that complement each other to form a half-wave oscillator excited on one side.

Es ist bekannte als Ultraschallerzeuger Stabschwinger mit einer Länge von einer Viertelwellenlänge bis zu mehreren Wellenlängen zu verwenden. Ebenso ist es bekannte die Ultraschallschwinger mit Verlängerungsstücken zu versehen, die die Länge einer geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge aufweisen. Man verlegt dadurch die die Schallenergie abstrahlende Fläche in die Endfläche des Verlängerungsstückes. Diese Verlängerungsstücke sind vielfach als mechanische Transformatoren ausgebildet. Der mechanische Transformator entsteht aus einem Verlängerungsstück durch stetige oder auch stufenweise Verringerung seines Querschnittes. Er dient dazu, auf Kosten einer Verkleinerung der nützlichen Arbeitsfläche eine Zunahme der Schwingungsintensität zu erhalten. Ein bekanntes System besteht z. B. aus einem elektroakustischen Wandler, verbunden mit einem mechanischen Transformator als Kopplung zu einem Bohrkopf bei der Ultraschall-Bohrmaschine.It is known as a single length rod transducer from a quarter wavelength to several wavelengths to be used. Likewise is it is known to provide the ultrasonic transducer with extension pieces that the Have length an even multiple of half a wavelength. One relocates thereby the surface radiating the sound energy into the end surface of the extension piece. These extension pieces are often designed as mechanical transformers. The mechanical transformer is created from an extension piece through continuous or also gradually reducing its cross-section. He is used at the expense a reduction in the useful work surface an increase in the vibration intensity to obtain. A known system consists e.g. B. from an electroacoustic transducer, connected to a mechanical transformer as Coupling to one Drill head at the ultrasonic drill.

Das System Wandler-Transformator-Bohrer ist im Prinzip eine in Resonanz befindliche mechanische Ubertragungsleitung mit einer Länge von zwei oder mehr Halbwellenlängen. Gehaltert wird das System mit Hilfe eines im Abstand einer Viertelwellenlänge vom freien Ende des mechanischen Transformtore, angeschweißten Ringflansches.The converter-transformer-drill system is basically one in resonance located mechanical transmission line with a length of two or more half-wavelengths. The system is supported with the help of a quarter-wave distance from the free end of the mechanical transformer, welded ring flange.

-. Die Halterung derartiger Schwinger ist bei allen möglichen Anwendungsf. ällen, handelt es sich um Filterbetrieb oder um Leistungsgeneratorn von besonderer Wichtigkeit. Insbesondere im ersten Fall soll durch die Halterung nur geringe und dann vor allem eine definierte Dämpfung entstehen. Beim Betrachten des zweiten Falles erkennt man, daß an der Halterung erhebliche Kräfte auftreten können. Aus den genannten Gründen wird beim symmetrisch angeregten Stabschwinger die Halterung möglichst in der Ebene des Energie-Maximums angebracht, weil dort der Bewegungsknoten ist und der symmetrische Schwinger, wie die mechanische Leistungsbilanz zeigte ausgeglichen ist. Weit schwieriger sind die Verhältnisse beim einseitig angeregten Halbwellenschwinger, da hier eine nahezu völlige Symmetrie des Wechseldruckes bzw. der beiden Energiechhalte in den -Teilsohwingern erst im eingesohwungenen Zustand herrscht. Insbesondere beim Einschwingen und dort wieder vor allem während der ersten Injektionsintervalle, wirkt dieser Schwinger mehr als ein Viertelwellenschwinger. Erst nach und nach, wenn die pro Intervall zugeführte Energie klein gegenüber der im Schwinger befindlichen Gesamtenergie wird, kann man den Schwinger als Halbwellenschwinger auffassen. In diesem Falle werden demnach höchste Beanspruchungen an die Halterung gestellt. Es wird gefordert, daß die Lage des Schwein-1 gers, insbesondere z. B. bei seiner Verwendung als Ultraschall-Bohrer oder Ultraschall-Drucker, streng fixiert ist. Andererseits darf aber die Einspannung nicht zu starr sein, da sonst nur wenig Leistung vom angeregten Schwingerteil auf die weiteren Sohwingerteile übertragen wird. Außerdem ist es erforderliche daß durch die Halterung ein guter Wärmeübergang vom Schwinger zur ihn umgebenden Masse geschaffen wird da dadurch die im Schwinger erzeugte Verlustwärme abgeführt werden kann.-. The mounting of such transducers is possible in all possible applications. In all cases, it is a question of filter operation or power generators of particular importance Importance. In the first case in particular, the bracket should only provide small and then, above all, a defined damping occurs. When looking at the second case you can see that considerable forces can occur on the bracket. From the above In the case of a symmetrically excited rod-type transducer, the bracket should, if possible, be in attached to the level of the energy maximum, because that is where the knot of motion is and the symmetrical oscillator, as the mechanical power balance showed, balanced is. The conditions are far more difficult with the one-sided excited half-wave oscillator, there is an almost complete symmetry of the alternating pressure or the two energy levels in the -partial swingers only prevails in the settled state. Especially with Settling and there again especially during the first injection intervals, this oscillator acts more than a quarter-wave oscillator. Only gradually when the energy supplied per interval is small compared to that in the transducer Total energy, the oscillator can be understood as a half-wave oscillator. In In this case, the highest demands are placed on the bracket. It it is required that the location of the Schwein-1 gers, especially z. B. in its use as an ultrasonic drill or ultrasonic printer, is strictly fixed. on the other hand but the restraint must not be too rigid, otherwise only a little Transfer power from the excited oscillator part to the other Sohwinger parts will. In addition, it is necessary that a good heat transfer through the bracket From the transducer to the mass surrounding it, the mass in the transducer is thereby created generated heat loss can be dissipated.

Die genannten$ bekannten Schwingsysteme weisen bei ihrer Verwendung, z. B. als Ultraschall-Druckero mehrere Nachteile auf.The known oscillating systems mentioned show when used, z. B. as an ultrasonic printer several disadvantages.

Insbesondere ist bei diesem Anwendungsfall zu beachten, daß es sich um einen Impulsbetrieb handelt. Der Schwinger soll beim Einschwingvorgang möglichst schnell große Amplituden hervorbringen, die dann möglichst schnell wieder abklingen. Schwingsysteme mit einer Länge von zwei oder mehreren Halbwellenlängen haben aber eine große Einschwingzeit, weisen eine oft hinderliche Baulänge auf und es ist zu ihrer Anregung eine verhältnismäßig große Energie notwendig. Die im Schwinger erzeugte mechanische Verlustwärme ist groß und ihre Ableitung durch die Halterung allein, ohne umfangreichere Kühlmaßnahmen, ist meistens mangelhaft. Dies kann zu störenden Längsverschiebungen des die Energie abstrahlenden bzw. die gewünschte Arbeit errichtenden Schwingerendes infolge Märmeausdehnung führen.In particular, it should be noted in this application that it is a pulse operation. During the transient process, the oscillator should produce large amplitudes as quickly as possible, which then decay again as quickly as possible. Oscillating systems with a length of two or more half-wavelengths have a long settling time, are often cumbersome and require a relatively large amount of energy to excite them. The mechanical heat loss generated in the transducer is great and its dissipation through the bracket alone, without extensive cooling measures, is mostly poor. This can lead to disruptive longitudinal displacements of the end of the oscillator radiating the energy or producing the desired work as a result of the expansion of the myth.

Ungünstig ist vor allem auch noch das langsame Abklingen des Schwingvorganges nach Beendigung der Anregung. Systeme, die aus einem symmetrisch angeregten Halbwellenschwinger oder nur aus einem Viertelwellenschwinger bestehen, haben den Nachteil, daß der die Energie abstrahlende Stab gleichzeitig magnetes striktiver Wandler ist. Man muß also Material für den Stab verwenden, das vor allem günstige Wandlereigenschaften aufweist, was aber im Hinblick auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten ungünstig sein kann. Zusätzlich ist auch hier das langsame Abklingen der nur schwach bedampfen Schwingung nach Beendigung der Anregung störend.Above all, the slow decay of the oscillation process is also unfavorable after termination of the excitation. Systems that consist of a symmetrically excited half-wave oscillator or only consist of a quarter-wave oscillator, have the disadvantage that the the energy-radiating rod is at the same time magnet's strict transducer. Man must therefore use material for the rod, which mainly has favorable transducer properties has, but this can be unfavorable in terms of the coefficient of thermal expansion can. In addition, here too there is the slow fading of the only weakly steamed Vibration disruptive after termination of the excitation.

Gemäß der Neuerung werden die genannten Nachteile vermieden durch den Aufbau eines magnetostriktiven Verbundschwingersl bestehend aus zwei sich zu einem einseitig angeregten Halbwellenschwinger ergänzenden Viertelwellenschwingern, derart, daß er an der in Nähe des Bewegungsknotens liegenden Verbindungsstelle beider Viertelwellenschwinger mittels einer Membrane gehaltert ist, deren äquivalente Federsteifigkeit so gewählt ist, daß sich ein fester Zusammenhang zwischen Schwebungsdauer und Einschwingzeit des Systems ergibt. Unter Einschwingzeit T 1 wird dabei die Zeit verstanden, die der magnetostriktiv primär angeregte Viertelwellenschwinger benötigt, um bei gegebener Anregungsenergie sein Amplitudenmaximum zu entwickeln. Die Schwebungsdauer T 2 bedeutet die Dauer einer Schwebung zwischen den beiden Viertelwellenschwingern.According to the innovation, the disadvantages mentioned are avoided by the construction of a magnetostrictive composite oscillator consisting of two quarter-wave oscillators supplementing a unilaterally excited half-wave oscillator, in such a way that it is located at the junction of the two in the vicinity of the movement node Quarter-wave oscillator is supported by a membrane, the equivalent spring stiffness of which is chosen so that there is a fixed relationship between the beat duration and the settling time of the system results. Settling time T 1 is understood to mean the time that the magnetostrictively excited quarter-wave oscillator needs to be able to with a given Excitation energy to develop its amplitude maximum. The beat duration T 2 means the duration of a beat between the two quarter-wave oscillators.

Zur Vergrößerung der Schwingungsintensität wird der sekundär angeregte Viertelwellenschwinger als mechanischer Transformtor ausgebildet. Insbesondere wird zur Vermeidung einer störenden Längenänderung des Energie abstrahlenden mechanischen Transformators die membranartige Halterung derart ausgebildet, daß sie die Ableitung der Verlustwärme zur umgebenden Masse bewirkt.. Ein weiteres Merkmal der Neuerung besteht darin daß die maxi- malen Ausschläge des nicht magnetostriktiv angeregten Viertel- wellenschwingers im Gebiet der mechanischen Hysterese des verwendeten Materials liegen. Das Schwingersystem gemäß der Neuerung bietet folgende Vorteile : Der Ankopplungsort des sekundär angeregten Teilschwingers, z. B. ein Schreibdraht, ist über das gesamte Anregungsintervall streng definiert. Die Energieflußgeschwindigkeit und die damit verkettete Schwebungsfrequenz zwischen dem primär magnetostriktiv und dem sekundär angeregten Teilschwinger kann kontrolliert und auf gewünschte optimale Werte gebracht werden. Insbesondere kann durch die Einstellung der durch die Wahl der Eigenfrequenz der membranartigen Halterung bestimmten Schwebungsfrequenz der Sekundärschwinger möglichst schnell zu solchen Amplituden angeregt werden, daß infolge der auftretenden mechanischen Hystereseverluste eine kritische Dämpfung des gesamten Systems erfolgt und damit ein möglichst schnelles Abklingen des Schwingvorganges erzielt wird. Die wirkungsvolle Ableitung der im magnetostriktiv angeregten-Teilschwinger erzeugten magnetischen Verlustwärme am Ankopplungsort des sekundär angeregten Teilschwingers verhindert dessen störende Erwärmung. An Hand der Zeichnungen wird die Neuerung im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schwingeraufbau gemäß der Neuerung, Fig. 2 den Amplitudenverlauf des Antriebsstromes I in der Wicklung 4 in Abhängigkeit von der Zeit t. Die folgenden Figuren zeigen den Amplitudenverlauf der mechanischen Bewegung und zwar in Fig. 3 am freien Ende des magnetostriktiv primär angeregten Teilschwingers 3 (A 1), in Fig. 4 am freien Ende des sekundär angeregten Tellschwingers 2 (A 2) bei erfindungsgemäßer Abstimmung der membranartigen Halterung in Fig. 5 desgleichen$ jedoch bei zu steif. gewählteK.-Nembrane..- und in Fig. 6 desgleichen jedoch bei zu elastisch gewählter Membrane.To increase the vibration intensity, the secondarily excited quarter-wave oscillator is designed as a mechanical transformer. In particular, to avoid a disruptive change in length of the mechanical transformer radiating energy, the membrane-like holder is designed in such a way that that they dissipate the heat loss to the surrounding mass causes .. Another feature of the innovation is that the maximum paint rashes of the non-magnetostrictively excited quarter wave oscillators lie in the area of the mechanical hysteresis of the material used. The oscillator system according to the innovation offers the following advantages: The coupling point of the secondary excited partial oscillator, z. B. a writing wire is strictly defined over the entire excitation interval. The energy flow speed and the interlinked beat frequency between the primary magnetostrictive and the secondary excited partial oscillator can be controlled and brought to the desired optimal values. In particular, by setting the beat frequency determined by the choice of the natural frequency of the membrane-like holder, the secondary oscillator can be excited as quickly as possible to such amplitudes that, due to the mechanical hysteresis losses, a critical damping of the entire system takes place and thus the oscillation process is decayed as quickly as possible. The effective dissipation of the magnetic heat loss generated in the magnetostrictively excited partial oscillator at the coupling point of the secondary excited partial oscillator prevents it from heating up. The innovation is explained in more detail below with reference to the drawings. 1 shows an oscillator structure according to the innovation, FIG. 2 shows the amplitude curve of the drive current I in the winding 4 as a function of the time t. The following figures show the amplitude curve of the mechanical movement, namely in Fig. 3 at the free end of the magnetostrictively primarily excited partial oscillator 3 (A 1), in Fig. 4 at the free end of the secondary excited partial oscillator 2 (A 2) with the inventive coordination of the membrane-like Bracket in Fig. 5 is the same but too stiff. selectedK.-Nembrane ..- and in FIG. 6 the same, however, with the membrane selected as being too elastic.

Der Schwinger besteht aus zwei #/4 - Teilschwingern 2 und 31 die in der Nähe des Bewegungsknotens fest miteinander verbunden sind. Teilschwinger 3 ist aus einem Material mit magnetostrik- . tiven Eigenschaften hergestellt, so daß er sich durch über die Wicklung 4 eingespeiste Schwingungsenergie zu Resonanz- schwingungen anregen läßt. Teilschwinger 2 besteht aus einem für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten schwingfähigen Material und ist als mechanischer Transformator ausgebildet, um an seinem freien Ende größere Ausschläge zu erzielen, Seine Abmessungen sind so gewählte daß er mit Teilschwinger 2 einen Halbwellenschwinger bildet mit dem Bewegungsknoten kurz nach der gemeinsamen Verbindungsstelle 1. Die Halterung des Schwingers ist als membranartige Ringflansch 7 ausgeführte der mit seinem inneren Rand 6 an der Verbindungsstelle 1 und mit seinem äußeren Rand an der umgebenden Masse 5 befestigt ist.The transducer consists of two # / 4 partial transducers 2 and 31 which are firmly connected to one another near the movement node. Part oscillator 3 is made of a material with magnetostric . tive properties so that it stands out through over the winding 4 fed vibration energy to resonance can excite vibrations. Partial oscillator 2 consists of a material suitable for the respective application and is designed as a mechanical transformer to achieve larger deflections at its free end.Its dimensions are chosen so that it forms a half-wave oscillator with partial oscillator 2 with the movement node shortly after the common connection point 1. The mounting of the oscillator is designed as a membrane-like annular flange 7 which is fastened with its inner edge 6 to the connection point 1 and with its outer edge to the surrounding mass 5.

Die Funktion der membranartigen Halterung gemäß der Neuerung wird nun an Hand der Figuren 2 bis 6 erklärt. Bei einer kurzzeitigen Anregung des magnetostriktiven Viertelwellenschwingers 3 mit seiner Resonanzfrequenz über die Wicklung 4 durch den Antriebsstrom gemäß Fig. 3 wirkt dieser als Viertelwellenschwinger und gibt seine Schwingenergie allmählich mehr oder weniger fest, durch die Membrane 7 gekoppelt, an den zweiten Viertelwellenschwinger bzw. mechanischen Transformator 2 ab.The function of the membrane-like holder according to the innovation is now explained with reference to FIGS. 2 to 6. With a brief excitation of the magnetostrictive Quarter-wave oscillator 3 with its resonance frequency through the winding 4 the drive current according to FIG. 3, this acts as a quarter-wave oscillator and gives its vibration energy gradually more or less fixed, coupled by the membrane 7, to the second quarter-wave oscillator or mechanical transformer 2.

Die Schwingungsenergie wandert nunmehr periodisch zwischen den beiden Viertelwellenschwingern hin und her.The vibration energy now moves periodically between the two Quarter-wave oscillators back and forth.

Einen Amplitudenverlauf am freien Ende des mechanischen Transformators 2 gemäß Fig. 6 erhält man, wenn die Eigenfrequenz der membranartigen Halterung mit der des Schwingers übereinstimmt. Der einmalig angeregte Schwingvorgang klingt allmählich leicht gedämpft ab. Die Höhe der maximalen Amplitude ist gering, da die zu feste Verkopplung mit dem primär angeregten Teilschwinger 3 ein ungehemmtes Abfließen der dort gespeicherten Schwingungsenergie ermöglicht. Ist dagegen die Membrane zu steif, d. h. die Energieflußgeschwindigkeit vom primär angeregten Teilschwinger 3 zum sekundär angeregten Teilschwinger 2 wesentlich kleiner als die Einschwingzeit des Systems, so erhält man den in Fig. 5 gezeigten Amplitudenverlauf. Auch hier ist die Höhe der maximalen Amplitude geringe da eine zu lose Kopplung mit dem primär angeregten Teilschwinger 3 vorliegt.An amplitude curve at the free end of the mechanical transformer 2 according to FIG. 6 is obtained when the natural frequency of the membrane-like holder with that of the transducer matches. The oscillation process, excited once, sounds gradually slightly dampened. The level of the maximum amplitude is low because it is too fixed Coupling with the primary excited partial oscillator 3, an uninhibited flow the vibration energy stored there. On the other hand, is the membrane to stiff, d. H. the speed of energy flow from the primary excited partial oscillator 3 to the secondary excited partial oscillator 2 is much smaller than the settling time of the system, the amplitude curve shown in FIG. 5 is obtained. Here too if the level of the maximum amplitude is low because the coupling with the primary is too loose excited partial oscillator 3 is present.

Wird nun die Membrane gemäß der Neuerung abgestimmt, so ergibt sich ein Amplitudenverlauf nach Fig. 4. Dieser Fall tritt ein, wenn die halbe Schwebungsdauer etwa mit der Einschwingzeit des Systems übereinstimmt, also T 1 gleich oder etwas T 2 kleiner als T22 ist. Die vom kurzzeitig angeregten Teilschwin- ger 3 auf den mechanischen Transformator 2 übertragene Schwing gungsenergie regt diesen zu kräftigen Schwingungen an, die aber rasch abklingen. Beim abermaligen Zurückpendeln der Schwingungsenergie auf den mechanischen Transformator 3 ist diese bereits so vermindert, daß sich keine technisch interessierendenauaschläge mehr ausbilden. Dieser Vorgang kann dadurch noch begünstigt werden, daß der mechanische Transformtor 2 beim ersten Amplitudenmaximum ins Gebiet der mechanischen Hysterese gesteuert und dadurch zusätzliche Energie verbraucht wird.If the membrane is now tuned in accordance with the innovation, the result is an amplitude curve according to FIG. 4. This case occurs when half the beat duration roughly coincides with the settling time of the system, i.e. T 1 is equal to or slightly T 2 is smaller than T22. The short-term excited partial ger 3 vibrational energy transmitted to the mechanical transformer 2 stimulates this to strong vibrations, which, however, quickly subside. When the oscillation energy oscillates back again to the mechanical transformer 3, it is already reduced to such an extent that no more technically interesting blows develop. This process can be further promoted by the fact that the mechanical transformer 2 is controlled into the area of mechanical hysteresis at the first amplitude maximum and thus additional energy is consumed.

Claims

S c hut z ans p rüc h e 1. Magnetostrictive composite transducer, consisting from two quarter-wave oscillators p characterized in that it is located at the junction located in the vicinity of the movement node (l) both quarter-wave oscillators (2, 3) are supported by a membrane (7), whose equivalent spring stiffness is chosen so that there is a fixed relationship between the beat duration (T 2) and the settling time (T l) of the system.

2. Magnetostrictive composite oscillator according to claim 1, characterized in that that the quarter-wave oscillator (2), which is not magnetostrictively excited, is known per se Way is designed as a mechanical transformer.

3. Magnetostrictive composite oscillator according to claims 1 and 2, characterized in that the maximum deflections of the not magnetostrikitv excited Quarter-wave oscillator (2) in the area of the mechanical hysteresis of the used Materials lie.

4. Magnetostrictive composite swinger according to claims 1 to 3 characterized in that the membrane (7) with regard to fastening, cross-section and material is designed such that it dissipates the heat loss surrounding mass (5) causes.