CN101039774A - 有一个装在支座内的传感器的超声换能器 - Google Patents

有一个装在支座内的传感器的超声换能器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种包括至少一个传感器的超声换能器，尤其用于超声焊接，其中，至少一个传感器(4、6)装在超声换能器的支座(2、3)内/上，尤其借助传感器可按测量技术检测垂直于传播的激励的超声波的横向应变。

Description

有一个装在支座内的传感器的超声换能器
本发明涉及一种包括至少一个传感器的超声换能器。该超声换能器在先有技术中是众所周知的，用于将形式上为超声波的超声能量从发生地点导向应用地点。例如，超声换能器使用在焊接机中，在焊接机内超声波从振荡发生器经焊头(原文为Horn，亦称电极臂或声波杆)和工具导向工具尖端，为的是在两个元件之间，例如在接触电极与导线之间实施焊接。这种焊接机可见到它们使用于半导体芯片的触点接通。
尤其如在焊接机中使用的那些超声换能器，作为重要构件包括至少一个超声振荡发生器(例如由压电元件构成)、一个焊头和一个工具，工具通过焊头与振荡发生器连接。
由先有技术已知，在超声换能器的焊头上设传感器，以便控制过程参数，例如瞬时超声功率或施加的力，或在焊接过程中监测并在必要时重调，由此尤其使焊接机有质量保证地运行。
例如由EP0275877已知在焊头上带有传感器元件的超声换能器。此文件展示了一种有一个焊头的超声换能器，焊头有一些其中可以安置传感器的削平面、铣削面或其他凹槽。例如在此文件中介绍了在焊头的上和下削平面内配置应变片，以便测量焊接过程中焊头的垂直翘度，并由此量确定作用的焊接力。
所述已知装置的缺点在于，超声换能器或在这里的焊头必须为安置传感器专门加工，例如通过上述铣平、削平或其他材料切削加工。这些材料切削工艺最终对整个超声换能器的稳定性带来影响，提高制造成本，以及取决于使用领域需要专门适配的超声换能器。此外，在已知的装置中传感器本身属于振荡系统，其最终结果是使此振荡系统的调谐更加困难。
除此以外还确认为缺点的是，现有的超声系统或超声换能器不能按已知的方式方法配备用于监测过程参数的传感器。
本发明的目的是提供一种带有至少一个传感器的超声换能器，借助该传感器有可能以结构上简单的方式方法监测可能感兴趣的过程参数，在这里尤其避免通过传感器对已调谐的振荡系统带来显著的影响。此外，本发明的目的是提供一种可能性，即，可以重新装备现有的超声换能器或超声换能器系统，以实现监测感兴趣的过程参数。
按本发明此目的采取下列措施达到：将带有至少一个传感器的超声换能器设计为，将所述至少一个传感器装在超声换能器的一个支座之内/之上，尤其借助传感器可按测量技术检测垂直于传播的超声波的横向应变(横向变形)。
按本发明将一个或多个传感器布置在超声换能器的支座之内/之上有突出的优点，即，使得超声换能器和尤其按本发明类型的超声换能器，为了配备传感器不必有任何特殊的结构设计。因此当传感器安置在支座之内/之上时取消了全部结构性措施，以便尤其在焊头上实施已知类型的铣平、削平或其他材料切削加工。
以此方式还存在可能性，用传感器重新装备现有的超声换能器，因为通过将传感器安置在超声换能器的支座内/上，可以保持原来的焊头或整个超声换能器不变，并因而对于总系统的调谐不产生明显的影响。
在超声换能器内纵向振荡与横向应变(通过横向收缩)耦合，所以在测量横向振荡时或测量体现横向振荡或横向应变的被测量时，可以推断出纵向振荡。
超声换能器的支座在本发明的范围内理解为一种装置，即借助它可以将超声换能器固定在另一个设备上，例如焊接机的焊接头上。在这里，超声换能器的支座可例如设在焊头上/内，或例如设在振荡发生器(例如压电元件)上或内。
这种支座优选地可以设在传播的激励的纵向超声波节点中，从而在超声换能器内，例如在焊头内，在这些地方基于是纵向波中的节点，因而存在大的横向应变或最大横向应变，此外在这种情况下特别优选地，可借助一个安置在支座内或上的传感器，按测量技术检测在超声换能器一个地点垂直于传播的激励的超声波的横向应变。因为在纵向波的节点存在最大的纵向应变，所以在此地点也造成最大的横向应变。
在这里超声换能器的支座可例如是焊头的组成部分，尤其是焊头可以向支座的两侧延伸或穿过支座延伸。同样，支座可例如是超声换能器的组成部分或设置在超声换能器中。因此，例如通过在支座前或后设振荡发生元件，例如压电元件，超声换能器可例如向支座的两侧延伸。振荡发生元件可例如以这样的方式(例如对称地)布置，即，使得在支座内造成纵向超声波的一个振荡节点。
借助至少一个在超声换能器支座之内或之上的传感器，按测量技术检测在超声换能器元件之一中的被测量(至少一个被测量)，例如体现横向应变的被测量，提供了可能性评估焊接过程中的过程参数，例如用于焊接过程的质量评价，和/或利用所述的过程参数作为被控量例如重调焊接力、超声功率或超声频率。
按一种特别优选的设计，超声换能器的支座成形为垂直于超声换能器纵轴线延伸的尤其环形的薄膜，在这里按本发明可以规定将至少一个传感器安置在薄膜上或内。但支座也可以按任何其他方式实现。
这种类型的薄膜在超声换能器与周围设备之间构成一种结构简单而有利的连接装置，由于与径向尺寸相比厚度很小因而有很小的质量，此外，对于按测量技术具有高灵敏度地检测大面积薄膜内的横向应变或任何其他变形而言，有杰出的特性。
因此按一种优选的实施形式规定，将至少一个传感器安置在薄膜的至少一侧上。当然，同样可以规定在薄膜的两侧各安置至少一个传感器。
传感器可以采取任何类型的固定措施达到在薄膜上的安置，其中特别优选的是可以将传感器粘贴在薄膜上。因此还正好提供可能性，为现有的超声换能器事后配备传感器用于过程参数的监测，在此情况下对于已调谐的超声波系统不会造成显著的影响。
传感器同样可以用螺钉例如固定在薄膜上，例如借助小旗状成一个角度地从薄膜伸出的连接舌板状构件，优选地成90度和特别优选地成45度。
按一种优选和简单的实施形式，传感器可例如设计为压电式传感器，更简单地设计为一个压电元件。这样做的优点是，通过在传感器上作用的应变或变形在传感器上产生电压，它可以用特别简单的方法按测量技术检测。
这例如在压电元件中尤其基于压电元件沿规定的优先方向给定的极轴，可通过应变或变形得出。
在这里原则上可以规定，压电元件的极轴根据应用情况既垂直于也在必要时平行于薄膜平面定向。
同样，存在不同的可能性抽取压电传感器/元件电压值。例如压电元件或传感器表面(在受压、拉或剪切负荷时这些表面之间可产生电压)之一可以与支座并尤其与支座的薄膜直接接触。以此方式例如可以将这样一个表面与设备，例如焊接机的地电位连接。薄膜本身因而可构成压电元件的一个电极。
在压电元件受负荷时相应地产生的电压，可以通过在压电元件一个电极上抽取压电表面之一相对于地电位的电位确定，并按测量技术进一步处理。
同理可以检测同一个压电元件的两个相对于周围绝缘的电极之间的电压，或也可以测量多个设在支座上的压电传感器尤其是多个压电元件之间的电压。在这里尤其可以使用不同构型的压电元件，例如那些基于压力或拉动或推动或剪切运动有压电效应的压电元件。
按一种特别优选的设计也可以规定，传感器包括至少一个压电元件或多个压电元件，它或它们尤其环形地围绕超声换能器，在此尤其是围绕焊头或一般而言纵轴线。因此支座的薄膜可例如分成多个分区，这些围绕着例如超声换能器的分区中的每一个，可以有一个包括一个或多个用于抽取电压的电极的压电元件。
同样，可以环形地构造一个唯一的压电元件，在这种情况下一个这种压电元件可以围绕纵轴线和尤其围绕焊头固定在薄膜上。
按有利的设计，一个这种环形压电元件可以有多个，至少两个环形地彼此同轴布置的电极，在这里一个电极也可以通过薄膜本身构成。然后有可能在不同的环形电极之间实施电压抽取，并在此时可以推断出例如在超声换能器或支座中以及尤其在薄膜内存在的应变，尤其是横向应变，或变形。
通过在薄膜的压电元件上配置更多个抽取电极，其中，各个电极设计为有一个规定张角(例如2π/电极数)的部分圆，可以检测寄生振荡，例如扭转振荡、横向振荡等。
按具有一个压电元件和多个尤其环形电极的传感器的一种优选设计，提供可能性在每两个电极之间抽取电位差，在这里根据选出的电极可以改变应沿此方向检测应变或变形的方向。从而存在可能性，采用按本发明的在其支座内一个或多个压电元件上包括多个尤其环形电极的超声换能器，同时测量不同的电位，并基于在规定的电极或压电元件之间的电位差，可以推断出沿选出的、例如与选出的电极/压电元件所处方向一致的方向的应变量。
下面借助附图所示先有技术和按本发明的实施例详细说明本发明。附图中：
图1表示按先有技术EP0275877的超声换能器；
图2a-2d表示在换能器支座薄膜上一个压电元件的一个或多个电极的配置；
图3表示通过图2所示按本发明的装置的横剖面；
图4表示在换能器薄膜上连接舌板状传感器的配置。
图1表示一种在先有技术中按EP0275877已知的超声换能器1，它有多个其中安置一些传感器6或9的铣平面或材料凹槽4、5、8。在这里可以清楚看出，为了配置传感器6、9，按此已知的超声换能器例如为了准确调谐总的振荡质量，需要焊头1认真的结构性加工。同样可以看出，通过铣平面4和5损害焊头1的抗弯强度，而铣平面使用在这里已知的应用情况下，以便正好检测焊头在焊接时产生的翘度并由此得出焊接力。
与之相对，图2、3和4在不同的图中表示按本发明的多种可能的实施形式。在图2a-2d和图3中分别表示超声换能器的焊头1，它有一个支座2、3用于将这种焊头1固定在另一个设备上，例如这里没有表示的焊接机的焊接头上。在这里，支座可以构成焊头的一部分，例如与它设计为一体。支座也可以设计为单独的部分，它与焊头或与超声换能器任何其他部分或构件，例如振荡发生器连接。
支座优选地设在纵向振荡的节点内，以及在本实施例中主要包括一个薄的薄膜2，它垂直于超声换能器或焊头1的纵轴线延伸，并过渡为一个又与之垂直延伸的同轴地绕焊头1延伸的装配环3。借助此装配环3，例如在这里表示的按本发明类型的超声换能器1，可夹紧地固定在另一个设备，例如焊接机上。
基于将薄膜2作为支座布置在纵向波的节点上，所以在支座中的垂直于换能器纵轴线的平面内并因而优选地在薄膜2中达到大的横向应变，所以按本发明推荐，借助此薄膜2通过配置至少一个传感器在此薄膜2上或内，记录薄膜2的横向应变或其他变形。
任何类型的薄膜2优选地沿任何期望方向的应变和/或变形，如这里按图2a-2d所示的应用情况中那样，可以通过有电极4的压电元件6获得，在本设计中该压电元件6例如通过粘贴安置在薄膜2处于装配环3外面的那个表面上。按图3的剖面图对此表示得特别清楚。
在按图2a的设计中，在薄膜2的表面粘贴一个环形地围绕焊头1的压电元件6，其中，在本设计中压电元件6可见的表面有一个电极4，以及压电元件6粘贴在薄膜2上的表面构成另一个在本例中接地的电极。在这里，接地优选地通过使用一种导电的胶粘剂以及用于固定焊头1的设备、例如焊接机本身及其金属部分接地实现。
然后可以在压电元件6这里可见的表面与地之间抽取一个电压US，它根据压电材料特性和极轴的定向，体现薄膜2并因而压电元件6沿规定方向的应变或变形。因此由电压被测量US可以推断出过程参数。
与此相比，图2b表示一种设计，其中在一环形的压电元件6上两个半环状电极元件4a和4b彼此对置环形地围绕焊头1。按此设计可以例如分别抽取一个相对于薄膜地电位的电压US1和US2，从而也可以按测量技术检测两个电极元件4a和4b之间的电压差。由此同样可以测得应变和变形，尤其沿垂直轴方向的应变。
图2c表示一种配置，其中在一个环形压电元件上总共四个电极4a、4b、4c和4d环形地围绕焊头1布置在薄膜2上。因此环形压电元件6可最终分成四个象限，为的是沿两个处于对置或并列的象限的连接方向确定电压差，并由此推断出薄膜沿此观测方向的应变或变形。以此方式可以同样识别寄生振荡，例如扭转振荡、俯仰振荡和横向振荡。
图2d表示另一种配置，其中设计为环形的两个电极4a和4b彼此同轴环绕地安置在环形压电元件6的表面上，压电元件6固定在薄膜2上。在这里也可以按测量技术检测两个环形电极4a和4b之间的电压差，并由此推断出在薄膜中产生的一定变形或应变。
上述具体表示的设计可通过在一个或多个固定在薄膜旁/上的压电元件表面上电极不同方式的配置任意扩展。同样可以如这里没有表示的那样，在内和外表面上安排彼此对置的压电元件以及同样可以测量这些元件之间的电压差。
另一种按图4的设计，一连接舌板状构件5例如通过螺钉以这样的方式固定在薄膜2的表面上，即，使此构件大约成45度角呈小旗状从薄膜2表面伸出。此构件5带一个压电元件6，压电元件在其外表面有一个电极4，借助它可以测量在电极4与构成另一个电极的压电元件6后侧之间的电压。为此，连接舌板状支承构件优选地由金属构成并以此方式接地。
同样可以设多个连接舌板状构件，借助它们如在前面说明的设计中那样可以检测取决于方向的寄生振荡。
基于所述的结构，在出现横向振荡时连接舌板状构件被激励振荡，这在压电元件内产生可抽取的电压。
总之，可以看出，通过在超声换能器中通常设置的用于将此换能器固定在另一个设备上的支座，提供了一种安置传感器，尤其压电传感器的极佳的可能性，检测一个可以推断出超声波使用中过程参数或过程量的被测量。
例如可以推断出当前经换能器传输的超声功率，或也可推断出在超声工具尖端内可能作用的力。对于力、尤其是焊接力的测量，也可以采用按本发明的设备以特别简单的方式实现，因为在安装在换能器上的工具尖端作用的力可以影响焊头的运动并因而大面积薄膜2内的应变和/或变形，以及可以制止被测电量的明显改变。
由所说明的实施形式可以特别清楚地看出，现有的超声换能器可以事后补充传感器，以便能按测量技术检测过程参数或过程量。按本发明没有必要改变超声换能器的几何形状。

Claims (9)

1.一种包括至少一个传感器的超声换能器，尤其用于超声焊接，其特征为：至少一个传感器(4、6)装在该超声换能器的支座(2、3)内/上，尤其借助传感器可按测量技术检测垂直于传播的激励的超声波的横向应变。
2.按照权利要求1所述的超声换能器，其特征为，所述支座(2、3)包括一个垂直于超声换能器纵轴线延伸、尤其是环形的薄膜(2)并且至少一个传感器(4、6)装在该薄膜(2)上/内。
3.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，所述薄膜(2)的至少一侧安装有至少一个传感器(4、6)。
4.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，所述传感器(4、6)粘贴和/或用螺钉固定在所述薄膜(2)上，尤其是一个从该薄膜伸出的连接舌板状构件(5)上。
5.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，所述传感器(4、6)设计为压电式传感器。
6.按照权利要求5所述的超声换能器，其特征为，一个传感器(4、6)包括至少一个压电元件(6)，尤其是该至少一个压电元件(6)环状地围绕该超声换能器的纵轴线。
7.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，所述压电元件(6)有至少两个电极(4a、4b、4c、4d)，在它们之间可测量电位差，尤其在这里所述至少两个电极互相同轴排列。
8.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，通过测量
·在两个压电元件(6)的电极(4a、4b、4c、4d)之间或
·在两个在一个压电元件(6)上隔开距离布置的电极(4a、4b、4c、4d)之间或在多个隔开距离布置的电极之间相对于一个公共电极，尤其是接地电位的电位差，
可以检测至少一个与横向应变有关的被测量(US)，尤其在这里薄膜本身构成一个电极。
9.按照上述任一项权利要求所述的超声换能器，其特征为，在所述薄膜(2)上可固定或固定有至少一个连接舌板状构件(5)，该连接舌板状构件(5)至少局部带有一个尤其具有电极(4)的压电元件(6)。
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