CN100439085C - 超声波角形件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声波角形件，包括一个固定部分(1a)、一个密封部分(1c)以及一个在它们之间延伸的传导部分(1b)，至少在传导部分(1b)上形成有一个或者多个细长凹槽(3、4)，并且所述凹槽(3、4)在固定部分(1a)与密封部分(1c)之间沿着一个方向(A)进行延伸。所述凹槽(3、4)具有一个成圆形部，沿着该成圆形部，至少包括一个带有第一曲率半径的第一部分(5a、7a)、一个带有第二曲率半径的第二部分(5b、7b)以及一个带有第三曲率半径的第三部分(5c、7c)。本发明还涉及传导部分(1b)和密封部分(1c)的端部处的凹槽(9、10)的一种新颖成形方法。

Description

超声波角形件
技术领域
本发明涉及一种超声波角形件(ultrasound horn)，其包括一个固定部分、一个密封部分以及一个在它们之间延伸的传导部分，至少在传导部分上形成有一个或者多个细长凹槽，并且这些凹槽在所述固定部分与密封部分之间沿着一个方向延伸。
背景技术
在本技术领域很早就知道采用超声波来将热塑性材料焊接或者熔接在一起。通常，超声波设备包括一个驱动单元、一个所谓的转换器以及一个角形件，其中所述转换器被连接在一个交流电源上，并且在超声波单元中被设置成将电振荡转换成机械振荡，而所述角形件将所述振荡传导至待熔接在一起的物质上。作为这种类型超声波设备的一种示例，可以参见USPS 3671366。有时，为了获得预期的振荡图案(oscillation picture)，一个所谓的增强器被安装在角形件与转换器之间。
EP-A1-0615907示意性地描述了一种超声波密封设备的原理。在该公告中，还对超声波密封设备的一种特殊变型进行了描述，其相对于带有转换器、增强器和角形件的常规设计来说非常紧凑。根据该实施例的超声波密封设备包括一个超声波单元，其包括一个驱动单元、一个所谓的角形件以及大量的反作用体(feaction bodier)。角形件用于利用一个形成于其端部上的密封表面比如贴靠在一个待密封的包装材料上，所述待密封或夹紧的包装材料在密封力的作用下被压靠在一个对置的支座上。所述驱动单元被连接在一个交流电源上，并且在所述超声波单元中被设置成将电振荡转换成机械振荡。所述角形件和反作用体被置于一个标称波节面的任一侧，并且被设计成使得用作工作频率的谐振频率(或者固有频率)将在所述角形件的密封表面中形成大幅度的轴向振荡，但是在位于中部的波节面处不发生振荡。这种超声波单元在标称波节面处相对于其它机械部件被固定起来。
在包装工业中，为了将两层包覆塑料的纸层压件熔接在一起来形成一个不透液接合部，通常采用超声波密封技术。这些材料的预期熔接如此实现，即被夹持在密封表面与对置支座之间的材料经受脉动压缩，由于迟滞损耗，会引起所述材料被内部加热，转而导致所述材料局部熔融并且被熔接在一起。在所谓的辊式送料系统中，填充有产品比如牛奶、果汁或者类似物质的纸筒被沿着横向夹持在一起，从而使得该纸筒被制成封闭的衬层纸盒(cushion carton)。在所谓的板式送料系统中，一个敞口的管端部被大体压平并被夹持在一起，如同牙膏管或者类似物品的端部那样。这些技术对于本技术领域中的熟练人员来说是通常所公知的，因此在这里将不再予以详细描述。
附图中的图1示出了一个超声波角形件，其将被以常规方式连接在一个驱动单元上和可能存在的增强器上(未示出)。超声波角形件1具有一个宽度为B的密封表面2，该宽度B略微大于待形成的接合部的宽度。为了沿着密封表面2的整个宽度使得密封表面2在轴向A方向上的振荡振幅一致，超声波角形件1带有两个轴向延伸的凹槽3、4。
一个超声波角形件1无法被制成无限宽，但是必须考虑到由于材料的横向收缩(泊松数值)会发生横向振荡。如果一个角形件被制成过宽并且不带有凹槽，那么其将发生横向振荡，从而在本质上限制了在轴向上的振荡，导致沿着密封表面在轴向振幅上的变化过大。如果对于在EP-A1-0615907中所示类型的整体式铸造超声波角形件来说密封距离过大，那么既可以将大量的角形件并排设置，也可以使得一个宽的角形件带有大量的凹槽，这些凹槽相应地将该角形件分成若干个角形件。利用大量并排设置的角形件的成本效率较低，并且此外，难以使得角形件相互之间处于合适的方位。
如前所述，由此这些凹槽3、4是用于使得仅带有一个宽的角形件的构造进行合适工作所必需的。这些凹槽3、4被设计成使得它们由两条平行线3a-b、4a-b和两个位于端部的半圆形3c-d、4c-d限定而成，其中所述两条平行线之间的距离为C。半圆形3c-d、4c-d的半径为所述平行线之间的距离C的一半。
遗憾的是已证明，在超声波密封过程中，所述材料中的内部张力在这些凹槽3、4处正好达到很高的值，并且共同的情况是，超声波角形件1会由于疲劳裂缝而在这些凹槽3、4处发生故障，所述疲劳裂缝源自于凹槽3、4的下端半径3c、4c。按照一般的构造和设计规则，已经证实，在降低张力值的尝试中为了能够增大端部半径3c、4c，需要增大凹槽3、4的宽度C。但是，由于凹槽3、4的较大宽度C增加了在凹槽3、4的下端部3c、4c处的挠曲作用，所以这种尝试被证明是不成功的。所述凹槽的较大宽度C还会引起紧邻该凹槽下方的密封表面2的振荡幅度发生较大变化。
EP-A2-1088760也公开了带有轴向延伸凹槽的细长密封角形件的各种设计。关于这一点，也可以认为针对从侧部看到的它们的轮廓，超声波角形件具有不同的构造。前述EP-A1-0615907示出了一种弧形样式，在图1中，示出了带有一个直角形上部的弧形设计，并且还存在有变型，其中图1中的弧形部分被替代为直线式楔形(参见图1中的虚线)。无论轮廓的形状如何，它们均遇到于前述问题，如涉及在凹槽3、4的端部3c、4c处存在疲劳裂缝。
因此，目前尚未出现令人满意的超声波角形件的设计和构造。目前存在的一些变型具有不同的优点，这些优点涉及沿着密封表面的宽度的单位振幅一致，涉及由于制造误差而导致的固有频率扩散，涉及近似但不希望的其它固有频率等等。但是，它们也困囿于类似问题，涉及在凹槽处发生故障和在不同部件之间的不同过渡区域处发生其它故障。
发明概述
因此，本发明的一个目的在于提供前述问题的一种解决方案。
根据本发明，前述问题已经利用一种前述类型的超声波角形件得以解决，其中该超声波角形件的特征在于，所述凹槽至少在位于最接近密封区域的端部处具有一个成圆形部(rounding off)，沿着该成圆形部至少包括一个带有第一曲率半径的第一部分、一个带有第二曲率半径的第二部分以及一个带有第三曲率半径的第三部分。
通过以这种方式利用不同的半径成形所述凹槽上的成圆形部，能够均衡沿着该成圆形部的张力分布，并且还降低了最大张力。需要注意的是，如果所述成圆形部被设计成带有不止一个半径，那么这些半径中的一个将自动地小于标称半径，该标称半径是指如果成圆形部仅使用一个半径时所采用的半径。因此，根据本发明的构造要求，与常规设计和构造规则截然不同，鉴于降低所述成圆形处的张力，使得半径更小。不论如何实施这种不同设计，已经证明张力值均得以下降，并且由于成圆形部由若干个不同的半径组成，张力值得以均衡。
本发明的优选实施例在所附的从属权利要求中得知。
有益的是，位于所述成圆形部的凹槽的宽度小于第一曲率半径。利用这种方式，将在所述凹槽上的基本上平直区域至成圆形部起始处之间获得一个平滑过渡部，进一步有助于降低和均衡成圆形部的张力值。由于相同原因，所述凹槽(最好与成圆形部邻接)的宽度小于第三曲率半径。
根据一个优选实施例，第二曲率半径小于第一曲率半径。由于较小半径的存在，可以在半径之间获得平滑过渡，并且仍旧保持整个扇角为180度，从而使得成圆形部连接在凹槽的两侧。如前所述，这种较小的半径令人惊奇地有助于均衡和降低成圆形部的张力值。由于对应的原因，第二曲率半径最好也小于与成圆形部邻接的凹槽的宽度。
有益的是，所述凹槽上的成圆形部是对称的。尤其是考虑设计和生产工艺的原因，这是一个优选实施例。
为了真正确保张力值在成圆形部上的均衡分布，优选的是所述凹槽上带有不同曲率半径的不同部分之间的过渡部基本上是切向的。
涉及高的张力值和张力不均衡分布的前述问题也会出现在所示传导部分。鉴于降低张力值和均衡张力，这部分超声波角形件也可以按照本发明的构思进行设计。这种构思已经在一种超声波角形件上采用，其包括一个固定部分、一个密封部分以及一个在它们之间延伸的传导部分，该传导部分以这样一种方式发生弯曲，即从密封部分延伸至固定部分并且遵循传导部分的线是曲线。
对于这种超声波角形件来说，前述问题已经得以解决，其特征在于，所述传导部分至少具有一个带有第一曲率半径的第一部分和一个带有第二曲率半径的第二部分，并且在所述部分中，第一部分最为接近所述固定部分，该第一部分的曲率半径小于第二部分的曲率半径。如同前面详细描述的那样，所述传导部分上由大量半径组成的弯曲部有助于均衡和降低张力值，这就暗含着能够减少所述传导部分中的材料量。这不仅是由于重量和成本原因所需要的，而且是考虑功能因素所希望的。可以将这种类型的超声波角形件设想成一个大的质量块(固定部分)、一个弹簧(传导部分)以及一个小的质量块(密封部分)，其中施加在大的质量块上的轻微振荡将会由所述弹簧传导至小的质量块，该小的质量块将以基本上相同的运动量进行振荡，这就暗含着与大的质量块相比，小的质量块将以明显较大的振幅进行振荡。一个细长的传导部分会使得这种功能模型得以改善。
带有高的张力值和张力不均衡分布的前述问题也会出现在所述密封部分。为了也在直线式密封表面的外端部处均衡轴向振荡图案，通常使得超声波角形件的端壁上带有凹槽，这些凹槽对应于所述传导部分中穿通凹槽的一部分。如同所述传导部分上的凹槽一样，这些端壁凹槽会对在密封部分与传导部分之间的过渡部上的张力分布产生负面影响。鉴于降低张力值和均衡张力，这部分超声波角形件也可以按照本发明的构思进行设计。这种构思已经在一种超声波角形件上采用，其包括一个固定部分、一个密封部分以及一个在它们之间延伸的传导部分，这些部分基本上沿着一条直线进行延伸，该超声波角形件在其端面处(在密封部分与传导部分之间的过渡部)带有凹槽，并且这些凹槽呈现了一定曲度，使得从密封部分延伸至固定部分并且沿着这些凹槽沿所述端面而行的线是曲线。
对于这种超声波角形件来说，前述问题已经得以解决，其中，所述凹槽至少具有一个带有第一曲率半径的第一部分和一个带有第二曲率半径的第二部分，并且在所述部分中，第一部分最为接近所述固定部分，该第一部分的曲率半径大于第二部分的曲率半径。如前所述，由多个半径组成的所述凹槽有助于均衡和降低这些凹槽附近的张力值。
后面两种总体解决方案的共同之处是，较大的半径较为接近可以被看作弹簧的部件，而较小的半径最为接近可以被看作质量块的部件。
附图简述
下面将参照所附的示意图来更为详细地对本发明进行描述，为了例证目的，这些附图示出了本发明的目前优选实施例。在这些附图中：
图1是一个超声波角形件的现有实施例的透视图；
图2示出了成圆形部的一种现有设计方案，该成圆形部位于超声波角形件上的细长凹槽的下端部处；
图3是一个根据本发明的超声波角形件优选实施例的透视图；
图4示出了成圆形部的一种优选实施例，该成圆形部位于超声波角形件上的细长凹槽的下端部处；而
图5示出了从侧部平直看到的传导部分的一个替代性实施例。
优选实施例
在附图中，相同的附图标记被应用于那些在现有构造和根据本发明的不同实施例中共有的部件。图3示出了一个超声波角形件，其即将被以常规方式连接在一个驱动单元和可能存在的增强器上(未示出)。
超声波角形件1基本上包括一个固定部分1a、一个传导部分1b和一个沿着一条直线延伸的密封部分1c。超声波角形件1具有一个宽度为B的密封表面2，宽度B略微大于待形成的接合部的宽度。为了沿着密封表面2的整个宽度使得密封表面2在轴向A上的振荡幅度一致，超声波角形件1带有两个轴向延伸的凹槽3、4。
凹槽3、4被设计成使得它们由两条平行线3a、3b、4a、4b和两个成圆形端部5-6、7-8限定而成，其中所述两条平行线之间的距离为C。凹槽3、4进一步穿通，从而使得形成共计三个分离开的柱体，它们在固定部分1a和密封部分1c处相互连接起来。
下方的成圆形部5、7由三个具有不同曲率半径的部分5a、5b、5c、7a、7b、7c组成。具有不同曲率半径的不同部分5a、5b、5c、7a、7b、7c沿正切方向相互连接起来并且连接在凹槽3、4的基本上平直的侧边3a、3b、4a、4b上。在所图示的实施例中，上方外侧部分5a、5c、7a、7c的曲率半径为30毫米，而中部5b、7b的曲率半径为4毫米。在这种情况下，凹槽3、4的宽度C为10毫米。因此，上方外侧半径5a、5c、7a、7c大于标称半径，该标称半径是指如果仅使用一个带有正切过渡部的半径时所采用的半径。此外，内中心半径5b、7b小于上述标称半径。正如将会从图4中明白的那样，所述成圆形部是对称的，即凹槽3、4上的成圆形部5、7的两侧可以沿着一条对称线镜像对称，所述对称线沿着轴向A进行延伸并且位于凹槽3、4的中心。外侧半径5a和5c、7a和7c于相同高度处连接在侧边3a、3b、4a、4b上并且在前述对称线的任一侧于相同高度处连接在中部半径5b、7b上，即中部半径5b、7b在对称线的任一侧向上朝向所述凹槽延伸相等距离。
在凹槽3、4的上端部中，张力未被过分放大，这就意味着对于利用同样的复合构造设计上方成圆形部6、8来说不太重要。从机械强度的观点来看，优选的是以同样的组合方式构造上方的成圆形部6、8，但是从生产工艺的观点来看，优选的是仅使用一个半径。
正如将从图5看出的那样，所述传导部分也可以被制成使得其由不同的半径组成。在图3中，示出了传导部分以这样一种方式发生弯曲，即从密封部分延伸至固定部分并且沿传导部分而行的线是曲线。一个这样的方向是在图3中示出的轴向A。如果该线沿传导部分1b的表面而行，那么该线将发生弯曲。如同从图5看出的那样，传导部分1b包括一个带有第一曲率半径的第一部分1b1和一个带有第二曲率半径的第二部分1b2。第一部分1b1更接近所述固定部分，并且该第一部分1b1的曲率半径小于第二部分1b2的曲率半径。
正如从图3看出的那样，其它凹槽也可以被设计成使得它们具有多个半径。在沿着一条直线延伸的密封部分的端部上，超声波角形件带有凹槽9、10，以便均衡所述振荡图案，从而使得贯穿密封部分12的整个宽度B实现合适密封。这些凹槽9、10呈现了一定曲度，使得从密封部分延伸至固定部分并且沿着这些凹槽遵循所述端面的线是曲线。凹槽9、10至少具有一个带有第一曲率半径的第一部分9a、10a和一个带有第二曲率半径的第二部分9b、10b。第一部分9a、10a更接近固定部分1a，并且该第一部分9a、10a的曲率半径大于第二部分9b、10b的曲率半径。凹槽9、10在密封部分1c与传导部分1b之间的过渡部上延伸。
传导部分1b上的复合曲率与位于端壁处的凹槽9、10的共同之处在于，较大的半径较为接近可以被看作弹簧的部件，而较小的半径最为接近可以被看作质量块的部件。
将易于领会的是，在不脱离如所附权利要求中限定的本发明保护范围的条件下，可以对在此所描述的本发明实施例进行多种修改。
例如，带有不同曲率半径的半径数目可以与在所图示实施例中选取的数目不同。在所述凹槽的端部上，比如可以想到采用四个或者五个半径。当然，半径的数目还可以针对传导部分的曲度以及针对所述凹槽在密封部分端部处的曲度而发生变化。
由于设计和构造原因，鉴于进一步均衡张力，也可以想到所述凹槽上的成圆形部具有一种对称构造。
还需要注意的是，带有由多个半径组成的凹槽和其它形式的对应发明构思可以应用在其它超声波角形件上，所述其它超声波角形件带有除图示的基本构造之外的其它基本构造，在这种情况下，所希望的是这些变型被包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围由所附的权利要求加以限定。

Claims (10)

1.一种超声波角形件，包括一个固定部分(1a)、一个密封部分(1c)以及一个在它们之间延伸的传导部分(1b)，至少在传导部分(1b)上形成有一个或者多个细长凹槽(3、4)，并且所述凹槽(3、4)在固定部分(1a)与密封部分(1c)之间沿着一个方向(A)延伸，其特征在于，所述凹槽(3、4)至少在最为接近密封部分(1c)的端部处具有一个成圆形部(5、7)，沿着该成圆形部至少包括一个带有第一曲率半径的第一部分(5a、7a)、一个带有第二曲率半径的第二部分(5b、7b)以及一个带有第三曲率半径的第三部分(5c、7c)，并且所述第二曲率半径与所述第一和第三曲率半径不同。
2.如权利要求1中所述的超声波角形件，其特征在于：所述凹槽(3、4)在邻接成圆形部(5、7)处具有宽度(C)，该宽度(C)小于第一曲率半径(5a、7a)。
3.如权利要求1或2中所述的超声波角形件，其特征在于：所述凹槽(3、4)在邻接成圆形部(5、7)处具有宽度(C)，该宽度(C)小于第三曲率半径(5c、7c)。
4.如权利要求1所述的超声波角形件，其特征在于：所述第二曲率半径(5b、7b)小于第一曲率半径(5a、7a)。
5.如权利要求1所述的超声波角形件，其特征在于：所述第二曲率半径(5b、7b)小于第三曲率半径(5c、7c)。
6.如权利要求2-5之一所述的超声波角形件，其特征在于：所述第二曲率半径(5b、7b)小于与成圆形部(5、7)邻接的凹槽(3、4)的宽度(C)。
7.如权利要求1所述的超声波角形件，其特征在于：所述凹槽(3、4)上的成圆形部(5、7)关于沿轴向(A)延伸并位于所述凹槽(3，4)中心的对称线对称。
8.如权利要求1所述的超声波角形件，其特征在于：所述凹槽(3、4)上具有不同曲率半径的不同部分(5a、5b、5c、7a、7b、7c)之间的过渡部基本上是切向的。
9.一种超声波角形件(1)，包括一个固定部分(1a)、一个密封部分(1c)以及一个在它们之间延伸的传导部分(1b)，传导部分(1b)以这样一种方式发生弯曲，使得从密封部分(1c)延伸至固定部分(1a)并且沿传导部分(1b)而行的线是曲线，其特征在于，所述传导部分(1b)至少具有一个带有第一曲率半径的第一部分(1b1)和一个带有第二曲率半径的第二部分(1b2)；在所述部分(1b1、1b2)中，第一部分(1b1)较为接近固定部分(1a)，并且该第一部分(1b1)的曲率半径小于第二部分(1b2)的曲率半径。
10.一种超声波角形件(1)，包括一个固定部分(1a)、一个密封部分(1c)以及一个在它们之间延伸的传导部分(1b)，所述部分(1a、1b、1c)基本上沿着一条直线(A)延伸，该超声波角形件(1)在其端面处在密封部分(1c)与传导部分(1b)之间的过渡部带有凹槽(9、10)，所述凹槽(9、10)呈现一定曲度，使得从密封部分(1c)延伸至固定部分(1a)并且沿着凹槽(9、10)沿所述端面而行的线是曲线，其特征在于，所述凹槽(9、10)至少具有一个带有第一曲率半径的第一部分(9a、10a)和一个带有第二曲率半径的第二部分(9b、10b)；在所述第一和第二部分(9a、9b、10a、10b)中，第一部分(9a、10a)较为接近固定部分(1a)，并且该第一部分(9a、10a)的曲率半径大于第二部分(9b、10b)的曲率半径。
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