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Piezoelektrischer Schwinger Als piezoelektrischerSchwinger «-erden
schwingfällige Körper bezeichnet, die beim Vorhandensein einer elektrischen Spannung
zwischen gegenüberliegenden Flächen ihre äußere Form verändern. Abgesehen von Biegeschwingern,
die meist stabförinig ausgeführt sind, sind solche Schwingkörper fast durchweg scheibenförmig
und auf ihren Scheibenflächen mit Elektroden zum Zuführen der Spannung versehen.
Bei scheibenförmigen Schwinern, die auch als Dickenschwinger bezeichnet werden,
ergeben sich Dilatationen oder Kompressionen je nach dem Vorzeichen der elektrischen
Spannung an den Elektroden bzw. an den Flächen der Schwingkörper. -Man unterscheidet
natürliche Piezoschwinger, Kristalle, z. B. aus Quarz, und künstliche, z. B. aus
Bariumtitanat. Wird an einen piezoelektrischen Schwingkörper eine Wechselspannung
gelegt, deren Frequenz mit der elastischen Eigenfrequenz !V des Schwingers, die
dieser auf Grund seines Elastizitätsmoduls c, seiner Dichte o und seiner Dicke d
nach der Formel
hat, so besteht Resonanz, und der Schwingkörper kann je nach Höhe der angelegten
Spannung beträchtliche Amplituden erreichen.
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Man nutzt die piezoelektrische Eigenschaft der Schwingkörper für verschiedene
Anwendungszwecke aus, z. B. für die elektrisch-akustische Schallumwandlung, in der
Nachrichtentechnik, zur Behandlung von Mensch oder Tier in der Medizin und zum Behandeln
eines Gutes in der Technik. Besonders im letzten Fall werden die Schwingkörper zur
Erzielung großer Leistungen zu großen Amplituden erregt.
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Eine wichtige Frage, besonders bei großen Amplituden, ist die Halterung
der Schwingkörper
und die Befestigung der Elektroden nebst ihren
Zuführungen an den Schwingkörperflächen. In der Regel wendet man eine Lagerung in
Gummi oder auch in Blei an, jedenfalls in elastischem oder nachgiebigem Werkstoff,
@ damit die Schwingkörper, die aus sprödem Werkstoff bestehen, nicht durch die Schwingungsbewegung
zerspringen und zerstört werden.
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Es ist auch bekannt, piezoelektrische Schwingkörper an solchen Stellen
zu halten, an denen keine mechanischen Beanspruchungen auftreten, also in einem
Schwingungsknoten der Schwingkörper. Diese Halterungsart genügt jedoch für technische
Beschallungszwecke, namentlichbei großenLeistungen, nicht immer, und auch für nachrichtentechnische
Zwecke ist dabei die Anbringung der Elektroden noch nicht gelöst.
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Der Schwinger nach der Erfindung weist die geschilderten Nachteile
nicht auf. Die Erfindung geht einen neuen Weg und ermöglicht eine starre Halterung
von piezoelektrischen Schwingkörpern; sie löst gleichzeitig die Frage der Elektrodenanbr
ingung auf einfache Weise. Durch die Schwingungsbewegung werden die Schwingkörper
mechanisch nicht beansprucht; trotzdem schwingen diese praktrisch ohne äußere Dämpfung.
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Erfindungsgemäß werden zwei piezoelektrische Schwingkörper gleicher
Schwingungsamplitude und Eigenfrequenz mit einer zwischen den Schwingkörpern liegenden
Mittelelektrode und zwei miteinander leitend verbundenen Gegenelektroden auf der
Außenseite der Schwingkörper derartig aufeinander angeordnet, daß beim Anliegen
einer Wechselspannung an den Elektroden die Schwingkörper um i8o° phasenverschoben
schwingen, so daß die Gesamtdicke des Schwingers gleichbleibt.
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Als Schwingkörper für die Schwinger nach der Erfindung eignen sich
alle piezoelektrischen Schwingkörper, insbesondere jedoch solche keramischer Art,
z. B. als Bariumtitanat, da diese mit verhältnismäßig niedriger Spannung betrieben
werden, somit hinsichtlich der Isolation keine besonderen Anforderungen stellen
-und ferner leicht in den verschiedensten Formen herstellbar sind.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung sei im folgenden auf die Ausführungsbeispiele
der Zeichnung verwiesen.
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In Fig. i sind zwei beispielsweise scheibenförmige .Schwingkörper
i und 2 beiderseits einer ebenfalls scheibenförmigen Mittelelektrode 3 angebracht.
Die Außenelektroden q und 5 sind zwei Metallplatten, die leitend miteinander verbunden
sind und als Gegenelektrode zu der Mittelelektrode 3 dienen. Die Anschlüsse für
die Elektroden sind mit 6 und 7 bezeichnet. Die Polarisationsrichtung der Schwinger
i und 2 ist -durch zwei .Pfeile auf diesen angedeutet. Liegt an den Klemmen 6 und
7 eine Spannung, so erfährt der Schwingkörper i eine Dilatation, während gleichzeitig
der Schwingkörper 2 eine Kompression erfährt. Bei Umkehr der angelegten Spannung
verhalten sich die Schwingkörper entgegengesetzt. Da die beiden Schwingkörper gleiche
Schwingungsamplituden und Eigenfrequenzen haben, bleibt also ihre Gesamtdicke D
unabhängig von Höhe und Richtung der angelegten Spannung. Die beiden Schwingkörper
dagegen verändern ihre Dicke d nach der oben angegebenen Formel, und die Mittelelektrode
3 schwingt frei relativ zu den Außenelektroden 4. und 5. Da die Gesamtdicke D unabhängig
von der Größe der angelegten Spannung gleichbleibt, ist es möglich, die Schwingkörper
bzw. den Schwinger in einer Halterung ohne elastisches Lagerungsmittel starr zu
lagern, beispielsweise in einem Gehäuse aus dielektrisch hochwertigem Material.
Eine weitere, besonders einfache Halterung kann auf die Weise erfolgen, daß die
Schwingkörper sowie deren Außenelektroden mittels einer durch sie hindurchgehenden
Schraube zusammengehalten werden. Die Schwingkörper erfahren erfindungsgemäß keine
mechanische Dämpfung durch die Halterungsmittel, und zugleich ist die Frage der
Elektrodenanbringung auf den Schwingkörperflächen auf eine einfache und stabile
Art gelöst.
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Soll eine Einrichtung nach der Erfindung für medizinische Behandlungszwecke
oder zur Beschallung eines Gutes verwendet werden, so muß dafür gesorgt werden,
daß die Schwingungsbewegung nach außen in Erscheinung tritt. Dies kann auf verschiedene
Weise erreicht werden.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen eine hierfür geeignete Einrichtung im Schnitt
und in Aufsicht. Der Schwingkörper 8 ist mit Durchbrechungen in Form von runden
Löchern versehen, während der Schwingkörper 9 massiv ist. Die Elektroden und die
Anschlüsse sind wie in Fig. i bezeichnet. Die Form der Durchbrechungen kann beliebig
sein. Die Abstrahlung der Schwingungen erfolgt von der Mittelelektrode 3 aus durch
die Durchbrechungen der Elektrode 8 hindurch auf das Gut.
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In Fig. q. und 5 ist der Schwingkörper io als Ring ausgeführt, der
die Mittelelektrode z i bzw. den anderen Schwingkörper i2 nur am Rand überdeckt.
Der Schwingkörper 12 braucht nicht rund zu sein. Bei eckiger Ausführung kann man
den Schwingkörper io auch rahmenförmig ausbilden. Die Abstrahlung der Schwingungen
erfolgt sinngemäß wie bei Fig. 2.
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In Fig. 6 überdeckt der Schwingkörper 13 nur den mittleren Teil der
Mittelelektrode 14. bzw. des Schwingkörpers 15. Hier ist noch gezeigt, wie auf einfache
Weise zwei Schwingkörper 13 und 15 mit ihren Elektroden 17, 18 und i9 mittels einer
durch sie hindurchgehenden Schraube 2o zusammengehalten werden können. Die Schraube
2o kann gleichzeitig zur Halterung des ganzen Schwingers in einem Beschallungsbehälter
dienen. Das Gehäuse 21 hat dazu eine Bohrung, in der eine Gummidichtung 22 sitzt.
Durch sie hindurch geht die Schraube 2o. Zwei Unterlegscheiben sind mit 23, die
Elektrodenzuführungen wieder mit 6 und 7 bezeichnet.
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In Fig. 7 besteht der Schwinger aus zwei ringförmigen Schwingkörpern
io und loa. Die Schwingungen werden von der gemeinsamen Mittelelektrode i i nach
beiden Seiten hin abgestrahlt. Uin bei der Schwingungsbewegung Durchbiegungen der
Mittelelektrode
zu verhindern, kann diese mit Versteifungen, z. B. beiderseits mit radialen Rippen
i i 11, versehen sein.
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Will man eine möglichst große schwingungsabstrahlende Fläche bei einem
Schwinger erzielen, so kann man die Einrichtung nach der Erfindung auch wie in Fig.
8 und g dargestellt ausführen. .In Stelle eines Schwingers sind mehrere kleine Schwingerstückchen
24, hier z. B. drei Stück, auf dem Schwinger 25 bzw. der Mittelelektrode 26 angeordnet.
Als Halterung dienen drei U-förmige Klammern 27.
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In Fig. io ist ein weiterer Schwinger nach der Erfindung dargestellt,
bei dem die Mittelelektrode 31 über den Rand der Schwinger 3-2 und 33 hinausragt
und zugleich als Halterung in einem Durchlaufgefäß 34. dient. Die Schraube 35 hält
die Schwingkörper 32 und 33 zusammen. Es ist angenommen, daß der Schwinger zum Beschallen
einer elektrisch leitenden Flüssigkeit dient, die selbst die Außenelektrode bildet;
besondere mechanische Außenelektroden, wie sie in den vorhergehenden Figuren enthalten
sind, erübrigen sich daher hier. Damit die Mittelelektrode 3i nicht von der zu beschallenden
Flüssigkeit berührt werden kann, ist sie elektrisch isoliert, z. B. durch eine Schicht
aus zähem, biege- und schlagfestem Isolierlack. Bei 36 ist die Zuführung der Mittelelektrode
31 aus dein Durchlaufrohr 3.I herausgeführt. Die Einrichtung nach Fig. io kann auch
in der Weise ausgebildet sein, daß die illittelelektrode 31 verhältnismäßig
stark und dick ist, oder auch so, daß sie gleichsam als Membran dient. Im ersten
Fall wird die Schwingungsbewegung hauptsächlich von den Schwingkörpern 32 und 33,
im zweiten Fall hauptsächlich von der Mittelelektrode 31 abgestrahlt.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Halterungsmittel, die die aus den Schwingkörpern
und Elektroden bestehenden baulichen Einheiten zusammenhalten, zumindest annähernd
den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben wie die baulichen Einheiten. Dies
trifft bei den Ausführungsbeispielen der Zeichnung für die Klammern 27 (Fig. 7,
8) und für die Schrauben 20 und 35 (Fig. 6 bzw. io) zu. Auf diese Weise können mechanische
Beanspruchungen infolge Erwärmung der Schwingkörper durch die piezoelektrischen
Schwingungen nicht auftreten.