DD283077A5 - Ultraschallwandlersystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallwandlersystem mit mehreren Paaren jeweils in entgegengesetzter Polaritaet angeordneter, ein Koppelglied aus Blech zwischen Koppelflaechen gleicher Polaritaet einschlieszender, piezokeramischer Schwinger in Sandwich-Bauweise und Tandemanordnung, beispielsweise fuer Ultraschallschweiszen. Erfindungsgemaesz sind die Koppelglieder gleicher Polaritaet ueber einstueckig mit den Koppelgliedern ausgefuehrte Stege miteinander und mit dem entsprechenden Pol einer HF-Spannungsquelle verbunden. Die Koppelglieder mit den sie verbindenden Stegen bestehen aus federhartem Feinblech. Die Laenge der Stege ist groeszer als der axiale Abstand der durch sie verbundenen Koppelglieder. Fig. 1{Ultraschallwandlersystem; Sandwich-Bauweise; Tandemanordnung; Koppelglieder; Polaritaet; Stege; Feinblech federhart; HF-Spannungsquelle; Pol; Steglaenge}

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ultraschaliwandlersystem mit mehreren Paaren piezokeramischer Schwinger für Ultraschallanwendungen, beispielsweise Ultraschallschweißen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, piezokeramische Schwinger paarweise und in entgegengesetzter Polarität anzuordnen, wobei die elektrische HF-Spannung über ein zwischen den piozokeramischen Schwingern befindliches Koppeiglied, beispielsweise aus Aluminiumblech von 0,5mm Dicke, das ringsherum etwas übersteht, zuzuführen. An diesem in der Knotonpunktebene der Ultraschallschwingung liegenden Koppelglied ist eine Zuleitungslitze befestigt, vgl. Lehfeldt, W.: Ultraschall, Vogel-Verlag, Würzburg 1973.

Diese Lösung hat sich im weiteren Verlauf der Entwicklung von Ultraschallwmdlersystemen als nachteilig erwiesen, da zur Erzielung höherer Wandlerleistungen mehrers derartige Snhwingerpaare nach dem gleichen Prinzip in der sogenannten Sandwich-Bauweise angeordnet wurden, beispielsweise zwei piezokeiamische Schwingerpaare mit insgesamt drei Koppelgliedern. In einem weiteren Entwicklungsschritt wurden beispielsweise zwei derartige Schwingerpaargruppen elektrisch parallelgeschaltet und zu einer Tandemanordnung zusammengefaßt. Hierbei befindet sich nur noch das jeweils mittlere Koppelglied einer Schwingerpaargruppe in der Knotenpunktebene und somit in relativer Ruhe. Die übrigen, äußeren Koppelglieder befinden sich in einer gewissen Entfernung von der Knotenpunktebene und sind somit einer ständigen Schwingungsbeanspruchung ausgesetzt. Die Folge ist ein relativ häufiger Bruch der Vorbindungsstelle von Zuleitungslitze und Koppelglied.

Es ist bekannt, diesem Mangel zu begegnen, indem Koppelglieder in Form massiver Stahlscheiben verwendet werden, an denen die Zuleitungslitze in einer Bohrung und mit Hilfe einer Klemmschraube befestigt ist, vgl. Jandok, W.: Sozialistische Rationalisierung... 6/86, S. 135-136, Verlag Institut f>":r Rationalisierung, Dresden, 1986.

Von Nachteil ist hierbei, daß aufgrund des vergleichsweise grüßen Höhenmaßes dieser Koppelglieder die jeweils äußeren Schwingerpaare einer Gruppe noch weiter aus der Knotenpunktebene entfernt sind, wodurch deren Schwingungsbeanspruchung steigt und sich die Klemmschrauben trotz Anwendung bekannter Sicherungsmaßnahmen lösen. Darüber hinaus steigen mit der Schwingungsbeanspruchung die mechanischen Verluste in den piezokeramischen Schwingern, die zu einer unzulässigen Erwärmung führen, da mit steigender Temperatur der Wirkungsgrad der piezokeramischen Schwinger sinkt. Schließlich müssen zum Erreichen eines guten Ankopplungsgrades zwischen den piezokeramischen Schwingern die Stirnflächen sowohl der piezokeramischen Schwinger als auch der massiven Koppelglieder planparallel ausgeführt werden. Das bedingt nach einer präzisen Vorarbeit ein zeitaufwendiges Läppen der Teile. Darüber hinaus wohnt beiden Lösungen der Nachteil inne, daß bei den kombinierten Ultraschallwandlersystemen mit mehreren mechanisch gekoppelten und elektrisch parallelgeschalteten Schwingerpaaren in Sandwich-Bauform und Tandemanordnung in dem Raum zwischen dem säulenartigen Ultraschaliwandlersystem und dem umgebenden Gehäuse eine Vielzahl von Zuleitungslitzen geführt ist, zwischen denen bei der ständigen Schwingungsbeanspruchung die Gefahr von Kurzschlüssen besteht und die im Reparaturfall die Arbeiten behindern.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, trotz verminderter Aufwendungen bei der Herstellung und im Einsatz von Ultraschallwandlersystemen deren Gebrauchseigenschaften zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem an sich bekannten Ultraschallwandlersystem mit mehreren Paaren jeweil in entgegengesetzter Polarität angeordneter, ein Koppelfeld aus Blech zwischen Koppelflächen gleicher Polarität einschließender, piezokeramisnher Schwinger in Sandwich-Bauweise und Tandemanordnung derartige Koppelglieder einzusetzen, mit denen sich ohne mechanische Bearbeitung ihrer Koppelflächen ein hoher Ankopplungsgrad und zugleich eine zuverlässige HF-Spannungsversorgung dur piezokeramischen Schwingerpaare erzielen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Koppelglieder gleicher Polarität über einstückig mit den Koppelgliedern ausgeführte Stege miteinander und mit dem entsprechenden Pol einer HF-Spannungsquelle verbunden sind, daß dia Koppelglieder und die sie verbindenden Stege aus federhartem Feinblech bestehen und daß die Länge der Stege größer als der axiale Abstand der miteinander verbundenen Koppelglieder ist. Der Steg zwischen zwei miteinander verbundenen, in dem Ultraschallwandlersystem angeordneten Koppelgliedern besitzt einen mindestens einen Bogen aufweisenden Verlauf. Der Verlauf der Stege ist in bezug auf das Ultraschallwandlersystem radial gerichtet. In einer Variante ist der Verlauf der Stege in bezug auf das Ultraschallwandlersystem zusätzlich spiralförmig gerichtet. Der Steg zwischen zwei miteinander verbundenen Koppelgliedern liegt mit dem Scheitelpunkt seines bogenförmigen Verlaufs mit Druck an einer mit der HF-Spannungsquelle verbunden Kontaktfläche an.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Ultraschallwandlersystems ist infolge der Oberflächenqualität der Koppelglieder aus Feinblech eh β Bearbeitung ihrer Koppelflächen nicht erforderlich, die Abstände c'er piezokeramischen Schwingerpaare zur Knotenpunktebene werden verringert und Verbindungsstellen zwischen den Koppelgliedern und Zulsitungslitzen entfallen. Die schwingungsförmige Relativbewegung zwischen den piezokeramischen Schwingerpaaren des Ultraschallwandlersystems wird durch den bogenförmigen Verlauf der Stege aus dem foderharten Material aufgenommen, so daß damit auch die Betriebszuverlä'jsigkeit des Ultraschallwandlersystems steigt.

Ausführung'ibeispisl

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: die schematischo Darstellung eines Ultraschallwandlersystems in Sandwich-Bauweise und Tandemausführung Fig. 2: Fragment zweier Koppelglieder mit einem Steg

Fig. 3: die um 90° gedrehte Darstellung des Ultraschallwandlersystems mit dem radial gerichteten Verlauf der Stege und Fig. 4: die um 270° gedrehte Darstellung des Ultraschallwandlersystems mit dem zusätzlich spiralföimig gerichteten Verlauf der Stege.

Die Darstellung gemäß Fig. 1 enthält ein Ultraschallwandlersystem, bei dem insgesamt acht piezokeramische Schwinger 1 in an sich bekannter Weise in Sandwich-Bauweise und Tandemanordnung säulenartig zwischen zwei Endmassen 2,2' und einem Trennstück 3 derart gestapelt sind, daß jeweils Koppelflächen gleicher Polarität zueinander weisen. Zur Verdeutlichung sind entsprechende Vorzeichen in die Zeichnung eingetragen. Zwischen den Koppelflächen der piezokeramischen Schwinger 1, der Endmassen 2,2' und des Trennstücks 3 befinden sich Koppelglieder 4. Koppelglieder 4 gleicher Polarität sind durch einstückig mit den Koppelgliedern 4 ausgeführte Stege 5 miteinander verbunden. Das Ultraschallwandlersystem ist von einem zylindrischan Gehäuse 6 umgeben, an dessen Innenwandung zwei mit der HF-Spannungsquelle in Verbindung stehende Kontaktflächen 7, T angeordnet sind. Mi; den Buchstaben K sind zwei Knotenpunktebenen der Ultraschallschwingung angedeutet.

Fig. 2 zeigt als Fragment zwei Koppelglieder 4, die einstückig durch einen Steg 5 miteinander verbanden sind. In der um 90° gedrehten Darstellung des Ultraschallwandlersystems gemäß Fig. 1 zeigt Fig. 3 den radial gerichteten Verlauf der Stege 5. In analoger Weise zeigt Fig.4 in der um 270° gedrehten Darstellunn des Ultraschallwandlersystems gemäß Fig. 1 den zusätzlich spiralförmig gerichteten Veilauf der Steje G.

Die Funktionsweise des erfindungsger laßen Ultraschallwandlersystems ist folgende.

Erste Stege 5 verbinden die vier Koppelglioder 4 zwischen den positiv polarisierten Koppelflächen der piezokeramischen Schwinger 1. Diese Koppelglieder 4 sind zusammen mit den sie verbindenden Stegen 5 als ein gemeinsames Teil aus federhartem Feinblech, beispielsweise mit einer Dicke von 0,1 mm, hergestellt. Da die Länge der Stege 5 größer ist als der axiale Abstand der durch sie verbunden Jn Koppelglieder 4 bilden die Stege 5 im montierten Zustand des Ultraschallwandlersystems einen bogenförmigen Verlauf. Djbei ist die Länge des mittleren Steges 5 derart bemessen, daß dieser Steg 5 mit dem Scheitelpunkt seines bogenförmigen Verlaufs an der ersten Kontaktfläche 7 mit Druck anliegt. In gleicher Weise verbinden zweite Stege 5 die sechs Koppelglieder 4 zwischen den negativ polarisierten Koppelflächcn der piezokeramischen Schwinger 1, der Endmassen 2,2' und des Trennstücks 3. Die Länge der Stege 5 ist ebenfalls größer als der axiale Abstand der durch sie verbundenen Koppelgliede, 4, so daß auch diese Stege 5 im montierten Zustand des Ultraschallwandlersystems Bögen bilden. Die Länge des mittleren Stages 5 ist ebenfalls derart bemessen, daß dieser Steg 5 mit dem Scheitelpunkt seines bogenförmigen Verlaufs an der zweiten Kontaktfläche T mit Druck anliegt. Über die beiden Kontaktflächen 7, T₁ die mit den beiden Polen einer HF-Spannungsquelle in Verbindung stehen, über die Stege 5 und über die Koppelglieder 4 wird das Ultraschaliwandlersystem zum Schwingen angeregt. Denkbar ist aber auch, jeweils das Ende eines Steges 5 zu dem Pol der HF-Spannungsquelle zu führen und dort zu befestige·!.

Über die Koppelglieder 4 sind in an sich bekannter Weise die piezokeramischen Schwinger 1, die Endmassen 2,2' und das Trennstück 3 mechanisch miteinander gekoppelt. Dazu sind die Koppelfläch6n dieser Teile planparallel ausgeführt. Die ohnehin vorhandene Oberflächenqualität des für die Koppelglieder 4 einschließlich der Stege 5 vorgesehenen Feinblechs sowie dessen Nachgiebigkeit gestatten, auf eine zusätzliche Bearbeitung der Koppelglieder 4 hinsichtlich ihrer Planparallelität und Oberflächengüte zu verzichten.

Der bogenförmige Verlauf der Stege 5 ist in dem Raum zwischen dem säulenartigen Ultraschallwandlersystem und dem umgebenden Gehäuse 6 radial gerichtet. Die Stege 5 sind dabei derart angeordnet, daß es nicht zu einer Berührung der Stege untereinander kommen kann.

In einer Variante ist der bogenförmige Verlauf der Stege 5 zusätzlich spiralförmig gerichtet. Die Stege 5 weisen in dieser Anordnung besondere Federeigenschaften in bezug auf die Ultraschallschwingung auf. Darüber hinaus läßt sich in dieser Anordnung die Zugänglichkeit zu bestimmten Teilen des Ultraschallwandlersystems verbessern.

Claims (5)

1. Ultraschallwandlersystem mit mehreren Paaren jeweils in entgegengesetzter Polarität angeordneter, ein Koppelglied nus Blech zwischen Koppelflächen gleicher Polarität einschließender, piezokeramisv' her Schwinger in Sandwich-Bauweise und Tandemanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder (4) gleicher Polarität über einstückig mit den Koppelgliedern (4) ausgeführte Stege (5) miteinander und mit dem entsprechenden Pol einer HF-Spannungsquelle verbunden sind, daß die Koppelglieder (4) und die sie verbindenden Stege (5) aus federhartem Feinblech bestehen und daß die Länge der Stege (5) größer als der axiale Abstand der miteinander verbundenen Koppelglieder (4) ist.

2. Ultraschallwandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (5) zwischen zwei miteinander verbundenen, in dem Ultraschallwandlersystem angeordneten Koppelgliedern (4) einen mindestens einen Bogen aufweisenden Verlauf besitzt.

3. Ultraschallwandlersystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Stege (5) in bezug auf das Ultraschallwandlersystem radial gerichtet ist.

4. Ultraschaliwandlersystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Stege (5) in bezug auf das Ultraschaliwandlersystem zusätzlich spiralförmig gerichtet ist.

5. Ultraschaliwandlersystem nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (5) zwischen zwei miteinander verbundenen Koppelgliedern (4) mit dem Scheitelpunkt seines bogenförmigen Verlaufs mit Drück an einer mit der HF-Spannungsquelle verbundenen Kontaktfläche (7) anliegt.