DE3542741A1 - Torsionsschwingungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Torsionsschwingungseinrichtung insbesondere zur Ver­ wendung bei einer Werkzeugmaschine od. dgl. nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrostriktivelements für eine solche Torsionsschwingungseinrichtung.

Torsionsschwingungseinrichtungen haben eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Wird beispielsweise eine Werkstückbearbeitung unter Anwen­ dung von Ultraschallschwingungen auf eine Schnittkante an einer Werkzeug­ maschine wie einer Drehbank, einem Fräser, einem Bohrer oder einem Gewin­ deschneider, ausgeführt, so wird der Schnittwiderstand drastisch verrin­ gert, die Bearbeitungsgenauigkeit erhöht, die Lebensdauer des Werkzeugs entsprechend erhöht und die Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Ma­ terialien erleichtert. Ein Torsionsschwingungsgenerator, der für derarti­ ge Anwendungen geeignet ist, erfordert eine relativ große Antriebsleistung. Zur Erreichung der zuvor erläuterten Effekte wird eine Torsionsschwingungs­ einrichtung vorgeschlagen, die ein Elektrostriktivelement aufweist, das in Umfangsrichtung polarisiert ist und in Abhängigkeit von einer in Dicken­ richtung angelegten Betriebsspannung in Umfangsrichtung Schubschwingungen erzeugt. Das Elektrostriktivelement wird zwischen Metallteilen gehalten, insbesondere mit diesen integral verspannt, und wird aktiviert um Resonanz­ schwingungen zu induzieren. Ein Beispiel eines bekannten Elektrostriktiv­ elements wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnung erläutert.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten bekannten Elektrostriktivelement 1 sind mehre­ re Elektroden 2 in gleichen Abständen über den Umfang des Elektrostriktiv­ elements 1 verteilt. Die Elektroden 2 erstrecken sich dabei von einer Ober­ fläche über eine Umfangsfläche zu der anderen Oberfläche. Eine hohe Gleichspannung wird zwischen jeweils benachbarte Elektroden 2 angelegt, um alle Elektroden nacheinander in Umfangsrichtung in der durch Pfeile angedeuteten Weise zu polarisieren. Im Anschluß an die Polarisierung auf dem gesamten Umfang werden die vollständigen Elektroden entfernt und an­ schließend die Oberflächen nachbearbeitet, um so die durch die Polarisa­ tion verursachten Oberflächenströme zu korrigieren. Danach werden erneut Elektroden auf den beiden Oberflächen ausgebildet, um so das gewünschte Elektrostriktivelement zu gewinnen. In einem beispielhaften Torsionsschwin­ gungsgenerator (JA-PS 50-9 159) werden mehrere Elektrostriktivelemente wechselseitig aufeinandergelegt, so daß sie elektrisch parallel liegen. Nachdem dann Metallteile an die beiden Seiten angeschlossen worden sind, werden alle miteinander mit Hilfe einer mittigen Schrauben od. dgl. ver­ spannt.

Die voranstehenden Erläuterungen machen deutlich, daß bei dem bekannten Elektrostriktivelement der Schritt der Polarisation jeweils benachbarter Elektroden zur Ausbildung von Restpolarisierungen in Umfangsrichtung eine der Anzahl von Abschnitten entsprechende Anzahl von Malen wiederholt wer­ den muß. Außerdem muß die Anzahl von Abschnitten erheblich vergrößert wer­ den, wenn man eine in Umfangsrichtung im wesentlichen gleichmäßige Polari­ sation erreichen möchte. Das wiederum führt zu einer erheblichen Kompli­ zierung des Arbeitsablaufs.

Weiter besteht ein Problem darin, daß die Polarisation nur jeweils teil­ weise durchgeführt wird. Dadurch ist das Material in der Gefahr, aufgrund der auftretenden Spannungen zu brechen, so daß der Ausschußanteil relativ groß ist. Ist die Anzahl der Abschnitte klein, so können entgegengerich­ tete elektrische Felder in anderen Bereichen durch eine Umfangsverschie­ bung erzeugt werden, was dazu führt, daß die erwünschten Polaritäten aus­ gelöscht werden. Damit wird die Wirkung der Polarisation verschlechtert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Torsions­ schwingungseinrichtung anzugeben, bei der lediglich ein einziger Polarisa­ tionsschritt ausreicht zur Erzielung der vollständigen Polarisation, ohne daß Bruchprobleme auftreten und mit einer gleichwohl verbesserten Wirkung der Aufteilung in einzelne Abschnitte.

Die erfindungsgemäße Torsionsschwingungseinrichtung ist durch die Merk­ male des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Ein Verfahren zur Herstellung eines besonders zweckmäßigen Elektrostriktivelements ist in Anspruch 3 an­ gegeben.

In der vorliegenden Erfindung werden mehrere Elektroden auf der Oberfläche eines ringförmigen Elements aus elektrostriktivem Material ausgebildet und jeweils benachbarte Elektroden werden so polarisiert, daß sie in Um­ fangsrichtung wechselseitig entgegengerichtet polarisiert sind. Der Pola­ risationsschritt muß nur noch einmal ausgeführt werden und folglich gibt es keine Bruchprobleme bei der Polarisation. Im übrigen wird eine merklich größere Polarisationswirkung erreicht.

Weitere Erläuterungen zu der erfindungsgemäßen Torsionsschwingungseinrich­ tung finden sich in der nachfolgenden Erläuterung eines bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel eines be­ kannten Elektrostriktivelements,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines Elements aus elektrostriktivem Material gemäß der Erfindung,

Fig. 3 in Draufsicht ein Elektrostriktivelement während der Polarisa­ tion,

Fig. 4 in Draufsicht ein Elektrostriktivelement mit Steuer-Elektroden,

Fig. 5 in Draufsicht eine Elektrodenplatte,

Fig. 6 im Vertikalschnitt einen Torsionsschwingungsgenerator,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Schwingungs­ vorgänge,

Fig. 8 eine Ansicht zur Erläuterung der Schwingungsvorgänge entsprechend Fig. 7,

Fig. 9 und Fig. 10 in Draufsicht abgewandelte Ausführungsbeispiele von Elektro­ striktivelementen und

Fig. 11 in einer Draufsicht ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenplatte.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 8 näher erläutert. Das hier dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel einer Torsionsschwingungsein­ richtung weist vier Segmentelektroden auf. Fig. 2 zeigt zunächst ein ring­ förmiges Element 3 aus elektrostriktivem Material, bei dem sich die zu polarisierenden Elektroden 5 von einer Außenfläche zur anderen Außenfläche über eine Umfangsfläche erstrecken und einen gürtelartigen Kreuzbereich 4 in diametraler Richtung frei lassen. Eine Polarisations-Spannungsquelle 6 ist beim Element 3 mit diesem verbunden, um eine Polarisation in der Weise auszuführen, daß die Polaritäten jeweils benachbarter Polarisations-Seg­ mentelektroden 5 einander entgegengerichtet sind. Im Ergebnis werden also wechselseitig entgegengesetzte Polarisationen in allen Bereichen zwischen den Polarisations-Segmentelektroden 5 gleichzeitig erzeugt, wie das durch die Pfeile in Fig. 3 angedeutet ist. Diese Polaritäten verbleiben als Restpolaritäten (Remanenzpolaritäten) im Element 3 erhalten. Die Polari­ sations-Segmentelektroden 5 werden nach der Polarisation entfernt und auf einer Außenfläche des Elements 3 werden, wie in Fig. 4 gezeigt, Steuer-Segmentelektroden 7 ausgebildet. Die Steuer-Segmentelektroden 7 weichen um 45° von den zuvor erläuterten Polarisations-Segmentelektroden 5 in Umfangsrichtung ab. Auf der gegenüberliegenden Außenfläche wird eine gemeinsame Elektrode ausgebildet, die sich über die volle Außenfläche er­ streckt. Insgesamt wird dadurch ein gewünschtes fertiges Elektrostriktiv­ element 8 geschaffen.

Eine Elektrodenplatte 9 ist in Fig. 5 dargestellt. Eine solche Elektroden­ platte 9 besteht aus einer Leiterplatte für eine gedruckte Schaltung, die ihrerseits dadurch erzeugt wird, daß Kupferfolien auf die beiden Außen­ flächen einer dünnen Tragplatte 10 aus Epoxidharz oder einem anderen Kunst­ stoff aufgebracht werden. Elektroden 11 als Steuer-Segmentelektroden 11, die in der Form mit den Steuer-Segmentelektroden 7 von Fig. 4 übereinstim­ men, sind auf den beiden Außenflächen mit dazwischen verbleibenden Ab­ standsbereichen 12. Außerdem ist jede der Steuer-Segmentelektroden 11 mit einem Anschluß 13 für den Anschluß an eine elektrische Spannung versehen, der im hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Anschlußlappen mit einer mittiqen Öffnung 14 ausgeführt ist.

Das Elektrostriktivelement 8 und die Elektrodenplatte 9, die auf diese Wei­ se hergestellt worden sind, werden in der in Fig. 6 dargestellten Weise zur Herstellung eines Torsionsschwingungsgenerators 15 zusammengebaut. Die Steuer-Segmentelektroden 7 werden auf beiden Seiten der Elektrodenplatte 9 an den dortigen Steuer-Segmentelektroden 11 zur Anlage gebracht. Ein Me­ tallteil 16 wird an der Außenfläche eines der Elektrostriktivelemente 8 zur Anlage gebracht. An der vollständigen Außenfläche des anderen Elektro­ striktivelements 8 wird eine Masseelektrode 17 angebracht und danach wird auch an diese Außenfläche der Masseelektrode 17 ein Metallteil 18 zur An­ lage gebracht. Im Metallteil 16 ist im hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel eine Gewindebohrung 19 ausgebildet, während Durchgangsbohrungen 20, 21, 22, 23 in der Elektrodenplatte 9, den beiden Elektrostriktivelementen 8, der Masseelektrode 17 und dem weiteren Metallteil 18 vorgesehen sind. Ein in die Gewindebohrung 19 durch die Durchgangsbohrungen 20, 21, 22, 23 ein­ geschraubter Gewindebolzen 24 dient zur integralen Verspannung aller Teile miteinander. Um zu verhindern, daß ein dielektrischer Durchschlag erfolgt, der ansonsten unter Umständen durch Kriechströme zwischen den Elektroden erfolgen könnte, wird in den Abstandsbereichen 12 zwischen den Elektroden der Elektrostriktivelemente 8 und der Elektrodenplatte 9 ein Isolierlack od. dgl. aufgebracht, bevor der Torsionsschwingungsgenerator 15 endgültig zusammengebaut wird.

Die elektrischen Verbindungen werden in der in Fig. 4 dargestellten Weise ausgeführt. Eine Primärwicklung 26 eines Übertragers 27 ist mit einer Be­ triebsspannungsquelle 25 verbunden. Ein Abgriff 29 einer Sekundärwicklung 28 des Übertragers 27 ist mit der Masseelektrode 17 verbunden. Die beiden En­ den der Sekundärwicklung 28 sind mit den Steuer-Segmentelektroden 7 so ver­ bunden, daß die Polaritäten benachbarter Elektroden 7 einander entgegenge­ richtet sind. Während das Metallteil 18 über die Masseelektrode 17 unmit­ telbar mit Masse verbunden ist, ist das Metallteil 16 auf dem Weg über den Gewindebolzen 24 und das Metallteil 18 ebenfalls damit verbunden.

Bevor weiter unten die Funktionsweise des hier dargestellten Ausführungs­ beispiels einer Torsionsschwingungseinrichtung erläutert wird, soll zu­ nächst eine Erläuterung des Grundprinzips der Erzeugung von Schubschwin­ gungen anhand der Fig. 7 und 8 gegeben werden. Zunächst werden auf den Seiten A und B eines rechteckigen Elements aus elektrostriktivem Material Elektroden ausgebildet und eine Polarisation in Längsrichtung er­ zeugt. Dann werden die Elektroden auf den Seiten A und B entfernt und wei­ tere Elektroden auf den Seiten C und D angebracht. Wird nun ein elek­ trisches Feld in Dickenrichtung angelegt, das senkrecht zur Polarisations­ richtung verläuft, so werden die Seiten C und D in Richtung der Polarisa­ tion gegeneinander verschoben. Geschieht die Spannungsbeeinflussung mit einer hochfrequenten Wechselspannung, die auf die Resonanzfrequenz für die Schubschwingungen des rechteckigen Elements aus elektrostriktivem Ma­ terial abgestimmt ist, so werden Resonanzschwingungen in Längsrichtung in­ duziert.

Zurück zum Ausführungsbeispiel der dargestellten Torsionsschwingungsein­ richtung ergibt die voranstehende Erläuterung, daß nach Anlegen einer Span­ nung an die Steuer-Segmentelektroden 7 das Elektrostriktivelement 8 in Polarisationsrichtung einer Verschiebung der Außenflächen gegeneinander, also einer Scherung unterworfen wird. Die Bereiche des Elektrostrik­ tivelements 8 unter den Steuer-Segmentelektroden 7 sind vorzugsweise so polarisiert, daß die benachbarten Bereiche wechselseitig entgegengerich­ tete Polaritäten in Umfangsrichtung aufweisen, daß aber die angelegte Spannung hinsichtlich benachbarter Steuer-Segmentelektroden 7 entgegengerichtet ist, so daß die resultierenden Schubkräfte in Umfangsrichtung gleichgerichtet sind. Daraus folgt, daß der Torsionsschwingungsgenerator 15 eine Resonanz-Torsionsschwingung erzeugt, die ihre maximale Amplitude an den beiden Enden des Torsionsschwingungsgenerators 15 hat, jedoch in wechsel­ seitig entgegengesetzten Richtungen umfangsmäßig schwingt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen Beispiele von Abwandlungen des Elektrostriktiv­ elements 8. Unter Bezugnahme zunächst auf die Abwandlung von Fig. 9 ist darauf hinzuweisen, daß hier zwei Polarisations-Segmentelektroden 5 durch Aufteilung in Umfangsrichtung ausgebildet werden, wie das in Fig. 9a dargestellt ist. Zur Ausbildung der in Fig. 9a gezeigten Polarisierungs­ richtungen werden die Polarisations-Segmentelektroden 5 dann polarisiert. Danach werden Steuer-Segmentelektroden 7 wie in Fig. 9b gezeigt ausgebildet. Von diesem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich die in Fig. 10 dargestellte Modifikation lediglich dadurch, daß insgesamt sechs Segmentelektroden 5 bzw. 7 durch Aufteilung in Umfangsrichtung ausgebildet werden, wobei die Polari­ sation in der zuvor erläuterten Weise abläuft.

Wenn auch im zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel alle Teile des Tor­ sionsschwingungsgenerators 15 miteinander mit Hilfe eines Gewindebolzens 24 verspannt sind, kann doch die Gesamtanordnung auch so abgewandelt werden, daß die mittige Gewindebohrung entfernt und am Umfang angeordnete Bolzen für die Verspannung der Teile verwendet werden. Auch kann eine größere An­ zahl von Elektrostriktivelementen 8 verwendet werden. Die Elektrodenplat­ te 9 in Form einer zuvor erläuterten Leiterplatte kann auch durch eine Isolatorplatte aus Keramik od. dgl. mit darauf ausgebildeten Elektroden, beispielsweise ausgebildet durch Aufdampfen, Beschichten oder Aufdrucken, ersetzt werden. Auch kann der Torsionsschwingungsgenerator 15 mit nur einem Elektrostriktivelement 8 mit Steuer-Segmentelektroden 11 auf nur einer Seite der Elektrodenplatte 9 konstruiert werden.

Ein besonderes Ausführungsbeispiel einer Elektrodenplatte 9 ist in Fig. 11 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist der Außendurchmesser größer als der des Elektrostriktivelements 8, der hier strichpunktiert dargestellt ist, und Schlitze 30 in Form eines Kreuzes erstrecken sich von einer mittigen Ausnehmung her nach außen. Die in Fig. 11 noch gezeichneten, stehenblei­ benden Verbindungsbereiche 31 außerhalb der Schlitze 30 werden nach er­ folgtem Zusammenbau des Torsionsschwingungsgenerators 15 dann einfach weggeschnitten, so daß sich separate Segmentelektroden 11 ergeben. Das ist natürlich isolationstechnisch besonders zweckmäßig.

Entsprechend der zuvor erläuterten Erfindung wird eine gerade Anzahl von Polarisations-Segmentelektroden 5 auf einem Element 3 aus elektrostrikti­ vem Material ausgebildet und so polarisiert, daß jeweils benachbarte Po­ larisations-Segmentelektroden 5 einander entgegengerichtete Restpolaritä­ ten aufweisen. Folglich kann die erforderliche Polarisation in Umfangsrich­ tung durch einen einzigen Arbeitsschritt ausgeführt werden, wobei sich ein ganz erheblicher Wirkungsgrad der Polarisation ergibt. Dadurch wird die Herstellung eines Hochleistungs-Torsionsschwingungsgenerators 15 erheblich vereinfacht, Bruchprobleme während der Polarisation werden vermieden und die Ausschußrate wird auf ein Minimum gesenkt.

Claims (4)

1. Torsionsschwingungseinrichtung mit mindestens einem Elektrostriktiv­ element und Metallteilen, wobei die Metallteile an die Außenflächen des Elektrostriktivelements angeschlossen und mit dem Elektrostriktivelement integral verspannt sind, wobei das Elektrostriktivelement mehrere auf einem ringförmigen Element aus elektrostriktivem Material verteilte Po­ larisations-Segmentelektroden aufweist, die zwischen sich in Umfangsrich­ tung polarisierte Bereiche bilden und wobei auf einer Seite des ringför­ migen Elements mehrere Steuer-Segmentelektroden angeordnet und jeweils auf die im ringförmigen Element ausgebildeten polarisierten Bereiche zen­ triert sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektro­ striktivelement (8) eine gerade Anzahl von Polarisations-Segmentelektro­ den (5) aufweist und jeweils benachbarte Polarisations-Segmentelektro­ den (5) einander entgegengerichtete Polaritäten aufweisen, so daß je­ weils benachbarte polarisierte Bereiche in Umfangsrichtung wechselseitig entgegengesetzt polarisiert sind, und daß auf der anderen Seite des ring­ förmigen Elements (3) eine gemeinsame Elektrode angeordnet ist.

2. Torsionsschwingungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeweils benachbarte Steuer-Segmentelektroden (7; 11) einander in der Phase entgegengerichtete Betriebsspannungen anlegbar sind.

3. Verfahren zur Herstellung eines Elektrostriktivelements für eine Tor­ sionsschwingungseinrichtung, bei dem an einem ringförmigen Element aus elektrostriktivem Material in Umfangsrichtung verteilt mehrere Polarisa­ tions-Segmentelektroden ausgebildet, an die Polarisations-Segmentelektro­ den Spannungen angelegt und so zwischen den Polarisations-Segmentelektro­ den in Umfangsrichtung polarisierte Bereiche des Elements aus elektro­ striktivem Material ausgebildet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an alle Polarisations-Segmentelektroden gleichzeitig Spannungen angelegt werden, und zwar an jeweils benachbarte Polarisations- Segmentelektroden Spannungen mit einander entgegengerichteten Polaritäten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Ausbildung der in Umfangsrichtung polarisierten Bereiche im Element aus elektrostrik­ tivem Material die Polarisations-Segmentelektroden entfernt und auf die polarisierten Bereiche zentrierte Steuer-Segmentelektroden aufgebracht wer­ den und daß die Steuer-Segmentelektroden mit Steuerspannungen einander ent­ gegengerichteter Polaritäten angesteuert werden.