DE2339230A1

DE2339230A1 - Ultrasonic piezoelectric vibrator coupling - uses contactless electrodes supplying alternating current at resonant frequency

Info

Publication number: DE2339230A1
Application number: DE19732339230
Authority: DE
Inventors: Claus Colani
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1973-08-02
Filing date: 1973-08-02
Publication date: 1975-02-13

Abstract

The ultrasonic transducer consists of a cylindrical piezo ceramic body which is mounted in a holder by a clamp around the centre. The transducer is energised by an alternating current of a frequency equal to that of the transducer resonant frequency. The supply electrodes consists of rings placed concentrically around but out of contact with the ends of the cylindrical body. In an alternative form the electrodes are flat metal panels placed parallel and close to the cylinder ends. One panel has an aperture for the transmission of the ultrasonic waves. The design uses capacitative coupling which at the frequency used gives good energy transfer.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallschwinger mit einem piezoelektrischen Wandler, der anschließbar ist an eine Anregeelektronik, die einen Wechselstrom erzeugt, und zwar mit einer solchen Frequenz, bei der der piezoelektrische Wandler eine Resonanzschwingung ausführt. The invention relates to an ultrasonic transducer with a piezoelectric transducer that can be connected to excitation electronics that generate an alternating current, namely with such a frequency at which the piezoelectric transducer performs a resonance oscillation.

Zur Erzeugung von Ultraschall bedient man sich oft piezokeramiseher Wandler. Das sind Körper aus piesokeraraischem Material, die elektrischen Wechselfeldern ausgesetzt ■werden. Aufgrund des Piezoeffekts entstehen Materialverforaungen im Takt der elektrischen Wechselfelder. Für die Zuführung der elektrischen Wechselspannung besitzen die piezokeramischen Wandler metallisierte Oberflächen zv.m Anschluß an Zul<: itungskabel. Die Metallisierung und die Zuleitungskabel bedingen einen oft erheblichen herstellungstechriischen Aufwand. Hinzu kommt, daß die metallisierten Flächen bisweilen beträchtliche ineehauisehe Schwingungsann"¹ ituden ausführen, die durch die Zuleitungßkabel nicht bedampft werden sollen, wobei noch zu berücksichtigen i3t, daß die Verbindung der metallisierten Flächen mit den Zuleitungskabeln durch den Schwingbetrieb nicht zerstört werden darf.Piezoceramic transducers are often used to generate ultrasound. These are bodies made of Piesokeraraic material that are exposed to alternating electrical fields. Due to the piezo effect, material deformations occur in time with the alternating electrical fields. For the supply of the electrical alternating voltage, the piezoceramic converters have metallized surfaces for connection to supply cables. The metallization and the supply cables often require a considerable manufacturing effort. In addition, the metallized areas sometimes significant ineehauisehe vibration Sann ^"1 run ituden, which should not be vaporized by the Zuleitungßkabel, said still to be considered I3T that the compound of the metalized faces to the lead wires by the voice operation can not be destroyed.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders robuste und billig herzustellende Bauform für einen Ultraschallschwinger anxugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ultraschallschwinger der eingangs beschriebenen Art, er-One object of the invention is to provide a particularly robust and inexpensive design for an ultrasonic transducer. This object is achieved by an ultrasonic transducer of the type described above,

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findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einem piezokeramischen Körper besteht, der zwischen zwei wenigstens weitgehend fächenmäßigen Elektroden angeordnet ist, wobei zwischen jeder Elektrode und dem piezokeramischen Körper ein räumlicher Abstand besteht.according to the invention characterized in that the transducer consists of a piezoceramic body between two at least largely two-dimensional electrodes is arranged, with between each electrode and the piezoceramic body there is a spatial distance.

Unter flächenmäßig werden hier insbesondere auch die in den Piguren dargestellten und weiter unten im Text genauer beschriebenen Ausführungsformen der Elektroden verstanden.In terms of area, in particular those shown in the Piguren and further down in the text are also used here more specifically described embodiments of the electrodes Understood.

Der Erfindung liegen folgende Gedanken zugrunde: Das Ersatzschältbild für einen piezoelektrischen Wandler besteht aus einer Kapazität, einer Induktivität und einem ohaschen Widerstand, die in Serie liegen, und einer weiteren Kapazität, die zu der Serienschaltung parallel liegt. Wird an einen selchen piezoelektrischen Wandler eine elektrische Wechselspannung angelegt, so treten zwei Resonanzen auf, eine niederohmige Serienresonans und eine hochohmige Parallelresonanz. Pur den erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger, der kapazitiv an die AnregeeleLtronik angekoppelt ist, ist es vorteilhaft, einen Wechselstrom zu benutzen, dessen Prequenz der hoehohxnigen Parallelresonanz entspricht. Bei Piezokeramik lassen sich so hohe Parallelresonanzwiderstände realisieren, daß für die kapazitive Ankopplung sehr geringe Kapazitäten von nur einigen, Zehntel pP ausreichen.The invention is based on the following ideas: Replacement circuit diagram for a piezoelectric transducer consists of a capacitance, an inductance and a single resistor, which are in series, and a further capacitance, which is connected in series is parallel. If an electrical alternating voltage is applied to such a piezoelectric transducer, so two resonances occur, a low-resistance series resonance and a high-resistance parallel resonance. Pure the Ultrasonic transducer according to the invention, which is capacitively coupled to the excitation electronics, it is advantageous to use an alternating current, the frequency of which corresponds to the high parallel resonance. With piezoceramic so high parallel resonance resistances can be realized that for the capacitive coupling very high low capacities of only a few tenths of a person are sufficient.

Anhand der Pigur 1 wird ein Ausführungsbeispiel des erfinduagsge.aäßen Ultraschallschwingers genauer erläutert. Der zylindrische piezoelektrische Wandler 1 ist mittig in einer Halterung 10 gehalten. Man beachte, daß der piezoelektrische Wandler keinerlei metallisierte Flächen besitzt. Die Enden des zylindrischen piezoelektrischen Wandlers 1 werden von'zwei metallischen Elektrodenringen 2 und 3» deren innere Durchmesser erheblich größer als derBased on the Pigur 1, an embodiment of the invention is shown Ultrasonic vibrator explained in more detail. The cylindrical piezoelectric transducer 1 is central held in a holder 10. Note that the piezoelectric transducer does not have any metallized surfaces owns. The ends of the cylindrical piezoelectric transducer 1 are made of two metal electrode rings 2 and 3 »whose inner diameter is considerably larger than that

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Durchmesser des piezoelektrischen Wandlers 1 sind, konzentrisch umschlossen, und zwar so, daß sich die Ringe und der piezoelektrische Wandler nicht berühren. Von den Ringen 2 und 3 führen die Leitung 4 und 5 zu den Anschlußklemmen 6 und 7. Beim Anlegen einer Wechselspannung an diese Klemmen "bildet sich ein elektrisches Wechselfeld aus, das von den Ringen 2 und 3 ausgehend über die Luftspalte sich erstreckend den piezokeramischen Wandler 1 durchsetzt und ihn au mechanischen Schwingungen anregt.Diameter of the piezoelectric transducer 1, enclosed concentrically in such a way that the rings and the piezoelectric transducer do not touch. Lines 4 and 5 lead from rings 2 and 3 to terminals 6 and 7. When an alternating voltage is applied An alternating electrical field is formed at these terminals, which starts from rings 2 and 3 Extending over the air gap, the piezoceramic transducer 1 penetrates and causes it to vibrate mechanically stimulates.

Pig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform: Anstelle der Ringe sind hier zwei Elektrodenbleche 20 und 30 in geringem Abstand zu den Stirnflächen des zylindrischen piezoelektrischen Wandlers angeordnet« Die Bleche 20 und 30 sind wiederum mit den Leitungen 4 und 5 verbunden, die zu den Anschlußklemmen 6 und 7 führen. Das Blech 20 ist in der Achse des zylindrischen piezoelektrischen Wandlers mit einer Bohrung 21 versehen, durch die die Schallschwingung in axialer Richtung austreten kann. Das Blech 30 wirkt als Reflektor und enthält deshalb keine solche Bohrung. Dadurch wird der Schallaustritt durch die Bohrung des Bleches 20 in vorteilhafter '.Weise verstärkt.Pig. 2 shows an alternative embodiment: Instead of the rings, there are two electrode sheets 20 and 30 in FIG arranged a small distance from the end faces of the cylindrical piezoelectric transducer «The sheets 20 and 30 are in turn connected to lines 4 and 5 which lead to terminals 6 and 7. The sheet 20 is provided in the axis of the cylindrical piezoelectric transducer with a bore 21 through which the sound vibration can exit in the axial direction. The sheet 30 acts as a reflector and therefore does not contain such a hole. This will cause the sound to exit through the hole of the sheet 20 in an advantageous' .Weise reinforced.

Der Doppelpfeil in beiden Figuren symbolisiert eine gegenphasige synchrone Schwingung der beiden Stirnflächen des Wandlers.The double arrow in both figures symbolizes an out-of-phase synchronous oscillation of the two end faces of the converter.

Bei einem Ausführungsmuster besaß der piezoelektrische Wandler eine zylindrische Form mit einer Länge von 17 ram und deinem Durchmesser von 9 mm. Die AnregungsfrequenzIn one embodiment, the piezoelectric transducer was cylindrical in shape with a length of 17 ram and your diameter of 9 mm. The excitation frequency

betrug 105 kH. Der Resonanzwiderstand in Luft betrug ca. 20 MA-. Bei einem Blindwiderstand von maximal 3 Mil zwischen ^e einem Ring bzw. einem Blech und der einen Seite des piezoelektrischen Wandlers ergibt sich eine erforderlichewas 105 kH. The resonance resistance in air was approx. 20 MA-. With a reactance of 3 mil or less between ^ e a ring or sheet metal and one side of the piezoelectric transducer results in a required

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Kapazität von nur 0,5 pF« Dies ist besonders vorteilhaft, denn ein so niedriger Wert der Kapazität ermöglicht große Luftspalte zwischen den Elektroden und dem dem piezoelektrischen Wandler und stellt daher keine Ansprüche an die Genauigkeit der Herstellung. Damit ist der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger insbesondere auch für Geräte des Niedrigstpreis-Konsummarktes geeignet.Capacitance of only 0.5 pF «This is particularly advantageous because such a low value of the capacitance allows large air gaps between the electrodes and the piezoelectric Converter and therefore does not make any demands on the accuracy of manufacture. This is the inventive Ultrasonic transducer particularly suitable for devices in the low-cost consumer market.

Beim Einbau des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers in hochwertige Geräte, ist besonders vorteilhaft, daß sich durch die Einbauinaßnahmen die Schv/ingungscharakteristik des Schwingers nicht unerwünscht beeinflußt wird.When installing the ultrasonic transducer according to the invention in high-quality devices, it is particularly advantageous that the vibration characteristics of the oscillator are not undesirably influenced by the installation measures.

Die wichtigsten Merkmale des Erfindungsgedankens lassen sich wie folgt zusammenfassen: Der piezoelektrische Wandler wird kapazitiv angekoppelt. Er wird entspechend seinem Ersatzschaltbild in der Parallelresonanz betrieben. Die Ausführung der Elektroden erfolgt dergestalt, daß ausreichend hohe Kapazitäten zwischen den Elektroden und dem piezoelektrischen Wandler auftreten, so daß der gesamte elektroakustische Wirkungsgrad der Anordnung des Schwingers mit seiner kapazitiven Kontaktierung nur unwesentlich vom Wirkungsgrad des Schwingers allein abweicht.The most important features of the inventive concept can be summarized as follows: The piezoelectric transducer is capacitively coupled. It is operated in parallel resonance in accordance with its equivalent circuit diagram. The electrodes are designed in such a way that sufficiently high capacitances occur between the electrodes and the piezoelectric transducer, so that the overall electroacoustic efficiency of the arrangement of the oscillator with its capacitive contacting differs only insignificantly from the efficiency of the oscillator alone.

4 Patentansprüche
2 Figuren4 claims
2 figures

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Claims

/ '1 J Ultrasonic transducer with a piezoelectric transducer, which can be connected to an excitation electronics, the one Alternating current generated, with such an event, "in which the piezoelectric transducer has a resonance oscillation executes, characterized in that the transducer consists of a piezoceramic body, which is arranged between two at least largely flat electrodes, wherein between each There is a spatial distance between the electrode and the piezoceramic body.

2. Ultrasonic transducer according to claim 1, characterized by a cylindrical piezoelectric transducer (1), the middle of a holder (10) comprises v.'ird, and electrodes, which are as rings (2 and 3) -. are formed, which surround the cylindrical piezoelectric transducer (1) at its ends concentrically and non-berubxend, these rings (2 and 3) are provided with supply cables (4 and 5) which have terminals (6 and 7) for connection to the excitation electronics are adapted.

3. Ultrasonic transducer according to claim 1, g- eke η η is characterized by a cylindrical piezoelectric transducer (1) which is surrounded in the center of a holder (10), and two electrode plates (20 and 30) at the ends of the cylindrical piezoelectric transducer these are arranged in a non-touching manner, with one sheet (20) axially to the cylindrical piezoelectric, electrical transducer having a bore (21) which is dimensioned for an exit of the generated ultrasonic waves, and both sheets with supply cables (4 and 5) Connection terminals (6 and 7) for the excitation electronics

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4. Procedure for operating an ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, characterized in that - indicates that the frequency of the excitation voltage is chosen so that the piezoelectric Converter is excited in parallel resonance.

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