CN105960291B - 变换器单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变换器单元，该变换器单元包括超声传递元件和至少一个超声换能器，该超声传递元件具有：传递表面，该传递表面用于将超声振动传递至工具，该工具可在纵向上沿超声传递元件的纵向轴线附连至传递表面或与其接触的材料，该超声换能器用于产生传播方向不沿纵向定向的超声振动，其中，变换器单元具有超声固有频率。为了提供一种变换器单元，该变换器单元包括超声传递元件和至少一个超声变送器，该超声传递元件具有：传递表面，该传递表面用于将超声振动传递至工具，该工具可在纵向上沿超声传递元件的纵向轴线附连至传递表面或与其接触的材料，该超声换能器用于生成传播方向不沿纵向定向的超声振动，其中，变换器单元具有超声固有频率，借助该超声固有频率可生成高振动能量，根据本发明，超声换能器沿传播方向布置在绕超声传递元件的纵向轴线±λ/4的区域内，其中λ为属于超声固有频率的振动的波长。

Description

变换器单元

技术领域

本发明涉及一种变换器单元和具有该种变换器单元的超声振动单元。

背景技术

材料的超声处理有着不断增加的重要性，尤其是在包装技术中。

因而，例如EP 1 514 670 A2公开了一种用于借助超声波连续地联结和/或加强材料网的设备，其中呈旋转辊形式的焊极布置在径向相对设置的配对工具处，且其中材料网在焊极与配对工具之间穿过，用于对材料网连续加强和/或联结。焊极由超声振动借助超声变换器激励，超声变换器通过振幅转换部分轴向安装。总体上具有合适的压电元件的超声变换器将交流电压变换为机械振动。包括焊极的超声振动单元、振幅转换部分和变换器相互配合使得当向超声变换器提供与焊极的固有频率相关的交流电压时，就产生了共振。

如果例如两个材料网同时移动穿过焊极与配对工具之间且用预定义的力将焊极压在配对工具上，则超声振动传递至材料网并在材料网之间的界面区域中发生了材料网的局部加热和可能地焊接。

超声加工确保能量基本上仅施加在需要加热用以形成联结或产生焊接的区域。由此，借助超声加工可实施十分节省能量的材料加工。

因而，需要更强大的超声加工设备。为该目的，上述呈旋转辊形式的焊极的尺寸不断增加且材料网的速度增加得越来越快。此外，目的是借助超声来焊接越来越厚的材料网。然而其结果为焊极必须传递不断增加的功率等级。为实现上述目的，必须增加焊接力，即将焊极压向材料网上的力，这进而导致增加的振动阻尼效应，因而导致振幅减小。

为了不管阻尼的增加而保持焊极的振幅恒定，例如交流电压幅值和/或交流电流幅值可在变换器处增加。然而将注意到，这仅在一定程度上是可能的，因为压电元件在极限电压下呈最大尺寸。此外，压电元件在高电压和/或高电流下呈现更高的电气损耗。

用于保持机械振幅恒定和较高焊接力的另一方法可涉及使用更多的压电盘。然而将注意到，压电盘具有有限的尺寸且其在超声振动结构内的定位可能仅在驻波的振动最大值的附近相对窄的范围内得以实现。

因此，还已尝试将各具有相应压电堆的多个变换器与焊极连接。然而将注意到，就调控技术而言，此处需要高等级的复杂度和费用以合适地同步两个变换器。

DE 18 10 406已描述了一种用于分配振动能量的设备，该设备具有基本上以直角关系连接在一起的多个传递元件。激励传递元件的换能器布置在某些元件的端面。然而，该种传递元件的研发和制造是复杂且费力的。此外，额外的振动模式由装置在横向上相对大的尺寸产生，且具体为变换器布置在相对于纵向轴线相对大的间距处。那些附加振动模式基本上是不期望的弯曲模式，然而不期望的弯曲模式也在运转中被激励，并因而导致换能器上更高的机械载荷和不期望的加热效果和因而系统中增加的能量损失，使得该种传递元件没有盛行。

发明内容

将所描述的现有技术作为基本的起点，因而本发明的目的为提供一种变换器单元，该变换器单元具有超声传递元件和至少一个用于产生传播方向不沿纵向定向的超声振动的超声换能器，该超声传递元件具有传递表面，该传递表面用于将超声振动传递至工具，该工具可在纵向上沿超声传递元件的纵向轴线固定至传递表面或与传递表面接触的材料，其中，变换器单元具有超声固有频率，借助该超声固有频率可生成高振动能量。

根据本发明，由于超声换能器沿传播方向布置在绕超声传递元件的纵向轴线±λ/4的区域内，其中λ为属于超声固有频率的振动的波长，故而目的得以实现。

当在本申请中涉及元件的超声固有频率时，这意味着该元件对应于沿纵向的纵向振动的最低固有频率。

换言之，根据本发明的变换器单元利用了在超声振动单元内形成的振动结构具有横向振动分量和用于激励焊极的纵向振动分量的事实。因而，变换器不用于生成实际期望的纵向振动，而是用于生成不期望但无法避免的横向振动。因而在共振的情况下，在纵向也在横向产生了纵向驻波。尽管在纵向上基本为平面纵波，但在横向上形成的基本为圆柱形波。

变换器单元则被设计使得超声换能器沿传播方向布置在中心共振半波λ/2内的区域中。在该情形下，超声换能器不布置在纵向轴线上但相互间隔。

在该情形下，优选地，超声换能器布置使得传播方向与纵向轴线相交在一点，该点基本上位于对于纵向振动也对于横向振动的振动节点处。

特别优选的实施例中设有至少两个超声换能器，至少两个超声换能器被布置使得分别由至少两个超声换能器生成的超声波具有不平行于纵向的传播方向，其中优选地，至少两个超声换能器分别沿其传播方向布置在绕超声传递元件的纵向轴线±λ/4的区域内。

在该方面，传播方向有利地垂直于纵向延伸。原理上不可否认的是，超声换能器布置使得其产生不与纵向垂直的超声波是可能的。然而，总体上这导致了在变换器单元中的非最优化的共振。垂直的布置因而是有利的。借助使用尽可能以沿轴线对称关系布置的至少两个超声换能器，横波可被均匀地激励，这导致根据材料特性的期望的纵向振动。

在优选的实施例中有偶数个超声换能器，其中两个超声换能器总是布置在纵向轴线的相对两侧。有利地，在周向上有四个分别相互间隔90°的超声换能器。

在该方面，如果变换器单元在传播方向具有约λ/2的横向尺寸，则是有利的。

在优选实施例中，变换器单元具有基本上立方形基座部分以及至少一个沿纵向延伸的纵向臂和四个沿横向延伸的横向臂，其中至少一个纵向臂和各横向臂固定至基座部分，其中横向臂各自具有对应的超声换能器。特别优选地，设有两个沿纵向延伸的纵向臂。待激励的焊极则可固定在纵向臂之一上。

在另一优选实施例中，变换器单元的长度在横向上以及在纵向上都为约λ/2。

例如，立方形基座部分在横向上可具有螺纹孔，超声换能器可与该螺纹孔螺纹连接。然而将注意到，特别是当涉及较高的振幅时，在材料的螺纹孔的区域内可产生显著的应力，由此螺纹连接可严重受载甚至被损坏。因而，在特别优选的实施例中，设置超声传递元件(即例如立方形基座部分)具有至少一个一件式成形于其上且通过超声生成装置内的开口配合的保持销。一件式连接排除了螺纹连接的疲劳和对螺纹连接的损坏。

本发明还涉及一种具有优选地呈旋转辊形式的可旋转焊极的超声振动单元。为激励该种焊极，根据本发明，提出可选地通过一个或多个幅值转换部分将所述变换器单元轴向地配装至可旋转焊极。多个幅值转换部分的使用例如WO 2007/079796中的描述。

如果不能满足待传递的超声能量，还可能轴向地配装两个所述变换器，在该情形下，优选地两个变换器单元配装在焊极的相对两侧上。

附图说明

本发明的其它优点、特征和可能的用途将从此后对一些实施例的说明和附图中变得明显，附图中：

图1示出了根据本发明的第一变换器单元的立体视图，

图2示出了图1中的变换器单元的沿纵向的平面图，

图3示出了图1中的变换器单元的纵向截面视图，

图4示出了图1中的实施例的超声传递元件的立体视图，

图5示出了根据本发明的第二变换器单元的立体视图，

图6示出了图5中的变换器单元的沿纵向的平面图，

图7示出了图5中的变换器单元的纵向截面视图，

图8示出了图5中的实施例的超声传递元件的立体视图，

图9示出了根据本发明的超声振动单元的第一实施例的平面视图，

图10示出了图9中的实施例的立体视图，

图11示出了根据本发明的超声振动单元的第二实施例的平面视图，以及

图12示出了图11中的实施例的立体视图。

具体实施方式

图1至3示出了根据本发明的变换器单元1的各种视图。变换器单元1具有超声传递元件2，超声传递元件2包括立方形基座部分4和沿纵向延伸的两个臂3。沿纵向延伸的臂3为圆柱形构造且在其端面具有用作固定例如焊极之类的工具的相应的螺纹孔5。超声传递元件2至少在端面受到纵向超声振动作用，待激励的工具固定在端面上。因而，在共振的情况下，在端面形成振动的最大值，且纵向振动的振动节点产生在超声传递元件2的中心点处。

图4示出了超声传递元件2的立体视图。可见从立方形主体延伸的两个纵向臂3，且其中一个具有传递表面9和用于固定至焊极或幅值转换构件的螺纹孔5。在立方形主体上一件式形成四个用于超声换能器的接触表面14，各接触表面14内制有分别的螺纹孔15，螺钉8可在螺纹孔15内与其配合用以固定压电盘6。

即使总体上仅关心纵向振动，纵向振动与基本垂直于其延伸的横向振动相关是任何振动元件的固有特性。

根据本发明，该相关性得到应用。为该目的，超声传递元件2具有四个超声换能器10，它们各自包括压电盘6、端部盘7和固定螺钉8。压电盘6与端部盘7一起借助固定螺钉8固定至超声传递元件2的立方形基座部分4的沿横向定向的表面。

因而可借助超声变送器10在变换器单元内生成横向振动。在该方面，变换器单元的尺寸使得在共振的情况下产生横向驻波，从而产生基本在变换器单元的中心点处的纵向轴线上的振动节点，且在沿横向定向的臂的端面产生了振动最大值。因而，如图2中可见，变换器单元在横向的尺寸为λ/2，其中λ为横向共振的波长。

就如纵向振动固有地与实际上不期望的横向振动相关，横向振动的生成同样导致纵向振动，且根据本发明这点得到了应用。

尽管因此所有变换器单元10一起生成横向上的圆柱形波，但平的纵向振动生成于超声传递元件2内。借助超声变送器布置在中心共振半波λ/2的区域内，能量损失也借助横向振动的激励而最小化。

图5至7示出了根据本发明的变换器单元的第二实施例的各种视图。图8示出了第二实施例的超声传递元件2’的立体视图。

第二实施例与第一实施例的不同仅在于一件式成形于超声传递元件2’上的、具有具有公螺纹件18的部分的保持销17用于将压电盘6固定至超声传递元件2’。压电盘6被压在保持销17上方，并借助固定螺母16固定至超声传递元件2'。借助保持销17与超声传递元件2’之间的一件式连接避免了螺纹连接。特别是当涉及大的振幅时，保持销与超声传递元件2’连接区域内的材料应力非常大，这在螺纹连接的情形下可导致螺纹连接上的高应力。

图9和10示出了根据本发明的超声振动单元11的第一实施例的两个视图。其包括焊极12、13，焊极12、13具有辊形部分12和两个轴向上配装的部分13。如已结合图1至3所描述的变换器单元1布置在两个轴向上配装的部分13中的一个处。

图11和12示出了根据本发明的超声振动单元的第二实施例的两个视图。其与图9与图10中所示的实施例的不同在于两个变换器单元1布置在焊极的轴向上相对的两端的轴向连接部分13处，由此可产生较大能量的超声激励。

附图标记列表

1 变换器单元

2,2' 超声传递元件

3 臂

4 基座部分

5 螺纹孔

6 压电盘

7 端部盘

8 固定螺钉

9 传递表面

10 超声换能器

11 超声振动单元

12 焊极的辊形部分

13 焊极的轴向连接部分

14 接触表面

15 接触表面的螺纹孔

16 固定螺母

17 保持销

18 公螺纹件

Claims (18)

1.一种变换器单元，所述变换器单元包括超声传递元件和至少一个超声换能器，所述超声传递元件具有传递表面，所述传递表面用于将超声振动传递至工具，所述工具可在纵向上沿所述超声传递元件的纵向轴线固定至所述传递表面或与所述传递表面接触的材料，所述超声换能器用于生成传播方向不沿所述纵向定向的超声振动，其中，所述变换器单元具有超声固有频率，其特征在于，所述超声换能器沿所述传播方向布置在绕所述超声传递元件的纵向轴线±λ/4以内的区域内，其中λ为属于所述超声固有频率的振动的波长。

2.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，设有至少两个超声换能器，所述至少两个超声换能器布置成使得分别由所述至少两个超声换能器生成的超声波具有不平行于所述纵向的传播方向。

3.如权利要求2所述的变换器单元，其特征在于，所述至少两个超声换能器分别沿其传播方向布置在绕所述超声传递元件的所述纵向轴线±λ/4的区域内。

4.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，所述传播方向垂直于所述纵向延伸。

5.如权利要求2至4中任一项所述的变换器单元，其特征在于，设有偶数个所述超声换能器，其中总是有两个所述超声换能器相对于所述纵向轴线对称布置。

6.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，至少一个所述超声换能器布置成使得传播方向与纵向轴线相交在一点，所述点基本上位于对于纵向振动以及对于横向振动的振动节点处。

7.如权利要求6所述的变换器单元，其特征在于，所有所述超声换能器布置成使得其所有传播方向和纵向轴线相交在一点，所述点基本上位于对于纵向振动以及对于横向振动的振动节点处。

8.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，沿所述传播方向的单元具有λ/2的横向尺寸。

9.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，所述变换器单元具有立方形基座部分以及至少一个沿所述纵向延伸的纵向臂和四个沿横向延伸的横向臂，其中，至少一个所述纵向臂和所述横向臂固定至所述基座部分，其中，所述横向臂各自具有对应的超声换能器。

10.如权利要求9所述的变换器单元，其特征在于，设有沿所述纵向延伸的两个纵向臂。

11.如权利要求9所述的变换器单元，其特征在于，所述变换器单元在横向上以及在纵向上都具有小于或等于λ/2的长度。

12.如权利要求11所述的变换器单元，其特征在于，所述长度在横向上以及在纵向上都为λ/2。

13.如权利要求1所述的变换器单元，其特征在于，所述超声传递元件具有一体式成形于所述超声传递元件上且通过所述超声换能器内的开口配合的至少一个保持销。

14.一种超声振动单元，所述超声振动单元具有可旋转焊极和轴向配装至所述焊极的如权利要求1至9中的一项所述的变换器单元。

15.如权利要求14所述的超声振动单元，其特征在于，所述可旋转焊极呈旋转辊形式。

16.如权利要求14所述的超声振动单元，其特征在于，所述变换器单元通过幅值转换部分的方式轴向配装至所述焊极。

17.如权利要求14所述的超声振动单元，其特征在于，两个如权利要求1至9中的一项所述的变换器单元轴向地配装。

18.如权利要求17所述的超声振动单元，其特征在于，所述两个变换器单元配装在所述焊极的相对两侧。