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Die
Erfindung betrifft eine durch ein aktives longitudinal arbeitendes
Ultraschallsystem anregbare, amplitudentransformierende Ultraschallsonotrode.
Die Erfindung betrifft ferner eine Ultraschalleinrichtung, welche
eine erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode
enthält.
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In
der viele Bereiche umfassenden Ultraschalltechnik, insbesondere
in der Labor- und Verfahrenstechnik, werden seit Jahrzehnten sogenannte Ultraschall-Desintegratoren oder
auch -Homogenisatoren eingesetzt, mit überwiegend longitudinal arbeitenden,
stabförmigen
Ultraschallsonotroden, die über ein
aktives Ultraschallsystem angetrieben werden, nach dem Längsschwingungsmodus
arbeiten, meist eine Länge
n × λ/2 aufweisen
und über
ihre Stirnflächen
eine reproduzierbare Ultraschallleistung applizieren.
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Diese
bewährte
Technik erlaubt, oft unter Zuhilfenahme von sogenannten Amplitudentransformatoren
(Boostern), die Einbringung sehr hoher Ultraschallamplituden über die
Stirnfläche
der Sonotroden in flüssige
oder pastöse
Medien. In der Regel geschieht die Amplitudentransformation auf
Kosten einer Querschnitts-Verringerung
der meist kreisförmigen
Stirn- und Abstrahlfläche.
Geht man davon aus, dass die Querabmessungen – zum Beispiel der Sonotrodendurchmesser – üblicherweise
unterhalb der λ/4-Materialwellenlänge liegt,
kann von annähernd gleichen
Ultraschallamplituden (Auslenkung und Phase) auf der Sonotroden-Stirnfläche ausgegangen werden.
Dies bietet die Gewähr
für ein
genaues und reproduzierbares Arbeiten. Zum Beispiel in der Analytik,
da die Auslenkung über
die gesamte Stirnfläche der
Sonotrode immer sehr gleichmäßig erfolgt,
annähernd
gleiche Amplitudenwerte aufweist und ultraschallbedingte Wirkungen
mit diesem Parameter verknüpft
werden können.
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In
der Regel bestehen die Sonotroden und Spitzen derartiger Sonotroden
aus sehr schwingungsfesten und gleichzeitig verlustarmen Materialien
wie zum Beispiel Titan. Es werden aber auch spezielle Keramik- oder Glaswerkstoffe
eingesetzt.
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In
der Analytik und Probenaufbereitung spielen sogenannte Mikrotiter-
oder Deep-well-Platten eine zunehmende Rolle. Bei der Beschallung
dieser sehr kleinen Probenvolumen, Wells genannt, ist der Beschallungsaufwand
mit einer einzelnen und notwendig dünnen Sonotrodenspitze für zum Beispiel Mikrotiterplatten
mit 96 oder mehr Wells, sehr hoch.
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Zur
Lösung
dieses beispielhaften Problems gibt es verschiedene Lösungsansätze. Zum
einen wird versucht, eine ganze Mikrotiterplatte indirekt, von unten über den
Boden, intensiv mit Ultraschall zu beschallen. Dazu wird die Platte
in ein flaches Ultraschallbad gelegt, wobei das Bad aus einer Eindrehung
oder Vertiefung in einer sehr dicken Sonotrode an der Stirnfläche besteht,
die zu diesem Zweck kopfüber
betrieben wird. Als Ultraschallquelle dient ein mit der Sonotrode
fest gekoppelter aktiver Ultraschallwandler, der durch einen HF-Generator
gespeist wird. Mit zunehmenden Durchmesser oder der Dicke von Sonotroden
verstärkt
sich aber der Einfluss von Querkontraktion deutlich, da der Durchmesser
der Schallleiter zur Viertelwellenlänge im Material auch für relativ
niedrige Ultraschallfrequenzen schon größer als Eins wird. Es kommt
zur Bildung von zusätzlichen
Schwingungsknoten, Phasenunterschieden der Schwingung und Amplitudenverzerrungen an
der Stirnfläche
dieser Sonotroden. über
die große Bad-
oder Abstrahlfläche
ist dadurch eine sehr ungleichmäßige und
nicht reproduzierbare Beschallung der Wells in der Mikrotiterplatte
die Folge.
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Eine
weitere Lösungsmöglichkeit
ließe
sich aus den häufig
in der Ultraschallschweißtechnik
verwendeten, sehr breiten und gleichzeitig schmalen Sonotroden ableiten.
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Derartige
Spezial-Sonotroden werden meist auch über ein aktives Ultraschallsystem
angetrieben. Sie haben aber den Nachteil, dass ihre breite und gleichzeitig
schmale Stirnfläche
durch den gekoppelten Longitudinal- und Biegeschwingungsmodus die hohen
Ultraschallamplituden nicht gleichmäßig abstrahlen. Längs der
Stirnfläche
wechseln sich Zonen mit höherer
und schwächerer
Amplitude ab. Über
die abstandsweise Anbringung kleiner und dünner Spitzen in einer Reihe
auf dieser Fläche
wäre prinzipiell die
gleichzeitige und direkte Beschallung mehrerer Wells einer Mikrotiterplatte
durchführbar.
Durch die vorgenannten Unterschiede bei den Auslenkungsamplituden
lassen sich allerdings keine identischen Beschallungsergebnisse
in den Wells von Mikrotiterplatten erzielen.
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Eine
weitere Lösungsmöglichkeit
für die
Beschallung kleinster Probenmengen in Mikrotiterplatten ist in der
DE 101 48 916 A1 beschrieben.
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Kernpunkt
und gleichzeitig Nachteil der dort beschriebenen Anordnung sind,
dass die Breite des Abgabeortes der Schallwelle nicht über die
Breite bzw. dem Durchmesser des aktiven, antreibenden Ultraschallsystemes
hinausgeht. Dadurch ist es nötig,
dass für
die Beschallung auch nur einer Reihe einer Mikrotiterplatte schon
mehrere Wandler mit wellenübertragenden
Zwischenelementen bis hin zum Abgabeort nötig sind. Allein für die kurze
Seite einer Mikrotiterplatte sind deshalb schon mindestens zwei Einheiten
der dort beschriebenen Anordnung nötig. Hinzu kommt der Aufwand
für die
exakte Positionierung und Halterung der Einheiten gegenüber der Platte
als auch der erhöhte
elektronische Ansteueraufwand für
zwei oder mehrere aktive Ultraschallsysteme durch den HF-Generator.
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DE 102 12 266 C1 zeigt
ein Verfahren zur Herstellung von Mikrotiterplatten. Dort wird eine
Ultraschallbohrvorrichtung für
die Bearbeitung von Glaswafern aus Borosilikatglas beschrieben,
die unter anderem mehrere aneinander gekoppelte λ/2-Resonatoren in Längsschwingungsrichtung
aufweist (Abfolge: kerami scher Schallwandler, Transformator und
Sonotrode). In die Sonotrode können
durch einen Löt-,
Kegelpress- oder
Klebverbindung an der Spitze verschiedene kleine Formwerkzeuge zur
Filigraneinarbeitung von Mikrokanälen und Mikronäpfchen angebracht
werden. Aufgrund der dort angegebenen lateralen Abmessung sind das
Auftreten oder auch Biegeschwingungen nicht aus zu schließen. Die dortige
Sonotrode weist keinen Flachabschnitt auf, mit dem über einen
großen
Bereich hoher Amplituden gleicher Phasenlage und Richtung abgegeben werden
können.
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Die
DE 19 03 325 C3 zeigt
eine Sonotrode bzw. einen Sonotrodeneinsatz für ein Ultraschallschweißgerät. Die dortige
Ultraschallvorrichtung dient zum Schweißen von aus Kunststoff bestehenden,
elektrische Leiter tragenden Bauteilen, zum Beispiel kleinen Steckerleisten.
Hierzu wird ein aktiver, zylindrischen Schallgeber mit einer Sonotrode
verbunden, so dass diese in Längsschwingungsrichtung arbeitet.
Die Sonotrodenspitze ist für
das Schweißen an
ihre Arbeitsfläche
durch zweifaches Plasmaspritzen mit einer Haftschicht aus Nickelaluminit
und einer darauf folgenden Decksicht aus Metalloxyd überzogen.
Der rechteckige Querschnitt der Sonotrode verjüngt sich bis zur Spitze (siehe
1),
so dass ein länglicher
Flachabschnitt entsteht, dessen Länge aber deutlich unter der
Querabmessung bzw. dem Durchmesser des entsprechenden Schallgebers liegt.
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Die
deutsche Auslegeschrift
23 55 333 B2 zeigt ein Ultraschallbearbeitungsgerät, insbesondere Ultraschallschweißgerät. Die dort
gezeigten Sonotrodenformen sind typisch für Schweißsonotroden mit langen Querabmessungen,
allerdings gestatten sie keine konstante und in der Phasenlage gleichförmige Amplitu denabgabe über die
lange Abstrahlfläche.
Mit diesen Sonotroden können
keine hohen Amplituden mit gleicher Phasenlage und Richtung über einen großen Bereich
abgegeben werden.
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Die
deutsche Offenlegungsschrift
DE 33 28 614 A1 zeigt eine Ultraschall Sonotrode
für die
Ultraschallschweißung,
mit mehreren durch nicht ausmündenden
Schlitze begrenzten Schenkeln, die durch einen Stab gebildet ist.
Die dortige Ultraschallsonotrode sieht vor, dass zur Erzielung einer
konstanten Amplitude auf der Arbeits- oder Ausgangsfläche der
Sonotrode der Stabquerschnitt in der Nähe des Schwingungsknotens,
das heißt
in einer zentralen Zone, verringert wird.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ultraschallsonotrode
zu schaffen, welche einfach und kostengünstig auf eine Fläche (beispielsweise
auf eine schmale Rechteckfläche)
hohe Ultraschallamplituden annähernd
gleicher Amplitude, Phasenlage und Richtung abgeben kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode
bzw. die erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung.
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Die
erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode ist
geeignet zur Abstrahlung von Ultraschallenergie in flüssige oder
pastöse
Medien, wobei die Ultraschallsonotrode im Wesentlichen in Längsrichtung
einander abfolgend folgende Abschnitte aufweist:
- – einen
Ankopplungsanschnitt zum Ankoppeln eines in Längsrichtung longitudinal anregenden
aktiven Ultraschallsystems,
- – einen
Basisabschnitt, wobei die größte Abmessung
des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung größer (vorzugsweise
mehr als doppelt so groß) ist
als die Länge
des Basisabschnittes in Längsrichtung,
- – einen Übergangsabschnitt
zur Querschnittsverringerung in mindestens einer Querschnittsfläche gegenüber dem
Basisabschnitt sowie
- – einen
Flachabschnitt mit einer Länge
von vorzugsweise ca. λ/4
Materialwellenlänge
und mit einem Stirnbereich als Abstrahlfläche, wobei der Flachabschnitt
in mehrere im Stirnbereich unverbundene Zungen geteilt ist.
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Diese
Teilung des Flachabschnittes in mehrere Zungen (siehe Figuren, welche
Zungen zeigen, also Flachabschnitte, welche durch einen einseitigen Schlitz
getrennt sind) bewirken eine bevorzugte longitudinale Schwingung
in Längsrichtung
des Flachabschnittes.
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Durch
die offenen Schlitze an den Zungenenden des Flachabschnittes werden
große
Querabmessungen und in folge davon transversale Schwingungskomponenten
an den Zungenenden wirksam unterdrückt.
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Mit
dieser Anordnung ist es möglich,
mittels eines einzigen Erregers (beispielsweise einer piezoelektrisch
anregenden Scheibe) eine rechteckförmige Ultraschallerregung vorzunehmen,
welche im Sinne der Erfindung annähernd gleiche Amplitude, Phasenlage
und Richtung aufweist.
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Hierbei
ist es sinnvoll, dass der Basisabschnitt in seiner größten Abmessung
quer zur Längsrichtung
größer ist
als in Längsrichtung.
Mit "größte Abmessung" ist hierbei beispielsweise
bei einem rechteckigen Querschnitt quer zur Längsachse die Flächendiagonale
zu verstehen, bei einem Kreis der Durchmesser, bei einer Ellipse
die Länge
der längsten
Achse etc.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung,
welche neben der erfindungsgemäßen Sonotrode
ein mit dieser koppelbares aktives Ultraschallsystem aufweist, können diese
erfindungsgemäßen Vorteile
ausgenutzt werden.
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Hierbei
ist außerdem
bemerkenswert, dass die größte Querschnittsfläche des
Basisteils möglicherweise
größer (vorzugsweise
mehr als dreimal) ist als die Ankoppelfläche des Ankopplungsabschnittes zu
einem angekoppelten aktiven Ultraschallsystem hin. Somit kann es
also durchaus zu einer "Querschnittsvergrößerung" von einem anzukoppelnden Ultraschallsystem
zu der Sonotrode (insbesondere zu dem Basisteil/Flachabschnitt)
hin kommen.
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Es
ist an der Erfindung bemerkenswert, dass der durch einen ankoppelbaren
Longitudinalschwinger zum Schwin gen angeregte Basisabschnitt keinem üblichen
Schwingungsmodus gehorcht, sondern eine Volumenschwingung ausführt, die
einzig durch seine Formgebung und Masse bestimmt ist. Diese Volumenschwingung
lässt sich
mit bisherigen Methoden physikalisch nicht als einfacher Einzelschwingungsmodus
beschreiben. Sie entspricht eher einem biaxialem Schwingungsmodus
mit einer Kombination aus transversalen und longitudinalen Komponenten. Es
ist aber sehr überraschend,
dass durch die Querschnitts- bzw. Massenverringerung vom Basisabschnitt über den Übergangsabschnitt
zu dem Flachabschnitt hin letztlich an der offenen Stirnfläche des Flachabschnitts
sich ein sehr homogenes Ultraschallfeld ergibt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung werden in den anhängigen Patentansprüchen gezeigt.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode einstückig ausgeführt ist.
Es wird somit möglich,
diese Sonotrode mit einfachsten Mitteln herzustellen, auch die Langzeitbeständigkeit
wird vorteilhaft dadurch beeinflusst, dass keine Fügungen innerhalb der
Sonotrode möglich
sind bzw. Booster etc. angekoppelt werden müssen.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Ultraschallsonotrode
aus Metall ist, dies ist insbesondere auch bei der einstückigen Herstellbarkeit
von Vorteil, da auf einfache Weise hier ein sehr langzeitbeständiges Element
herstellbar ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Gesamtlänge der
Sonotrode in Längsrichtung
maximal 1,2 × λ/2 der longitudinalen
Materialwellen länge
der Sonotrode beträgt,
vorzugsweise maximal λ/2
der longitudinalen Materialwellenlänge der Sonotrode. Somit es
also möglich,
die Gesamtlänge
der Sonotrode (inklusive Ankopplungsabschnitt, Basisabschnitt, Übergangsabschnitt
sowie Flachabschnitt) auf maximal 1,2 × λ/2 bzw. 1 × λ/2 zu begrenzen, so dass die
Gesamtanordnung hier ein relativ geringes Volumen hat und sehr hohe
Ultraschallleistungen durch die ankoppelbaren Schwinger erreicht
werden können.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass am Basisabschnitt
Ausnehmungen zur Massen- und/oder
Amplitudenanpassung vorgesehen sind. Dies können beispielsweise Bohrungen
am Umfang des Basisabschnitts sein. Es ist jedoch auch möglich, in
Verlängerung
der Schmalseiten des Flachabschnitts Einbuchtungen am Basisabschnitt vorzusehen
(s. 3 weiter unten), hierdurch wird einerseits die
Masse des Basisabschnittes verkleinert, andererseits wird die Longitudinalabstrahlung
der Stirnfläche
des Flachabschnittes eher noch verbessert.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Übergangsabschnitt
zwischen Basisabschnitt sowie Flachabschnitt einen unstetigen oder (vorzugsweise)
stetigen Verlauf hat. Der stetige Verlauf kann hierbei insbesondere
kreisabschnittsförmig,
linear oder exponentiell sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
mindestens einen, vorzugsweise bis in den Bereich des Übergangsabschnittes
verlaufenden, Schlitz aufweist. Hierdurch wird der Flachabschnitt
in mehrere erfindungsgemäße "Zungen" geteilt, es hat
sich gezeigt, dass hierdurch eine weitere Homogenisierung des longitudinal abgestrahl ten
Ultraschallfeldes über
den Flächenabschnitt
zum Stirnbereich hin gegeben ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
auf seiner Breitseite eine Ausdehnung aufweist, welche kleiner,
gleich oder größer der
größten Abmessung
des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung
ist. Bei der Variante "gleich" ist hierbei praktisch
in einer Draufsicht eine gleichbleibende Breite vom Basisabschnitt über den Übergangsabschnitt
zu dem Flachabschnitt hin erkennbar (wie in 1, 2, 3 und 4 dargestellt,
in den hierzu um die Längsrichtung
gedrehten Querschnitten ergibt sich allerdings eine Querschnittsverringerung).
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Es
ist aber auch möglich,
dass die Breitseite des Flachabschnittes sich zur Stirnfläche hin
auch in diesem (also in den 1 bis 4 gezeigten)
Querschnitt verjüngt,
auch eine Verbreiterung ist möglich.
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Der
Flachabschnitt weist vorzugsweise einen quaderförmigen Querschnitt auf, es
ist jedoch auch möglich,
dass die Quaderform zum Beispiel dadurch abgewandelt ist, dass stark
gerundete Kanten vorgesehen sind, so dass sich in Draufsicht in
Längsrichtung
auf die Sonotrodenspitze bzw. auf die Abstrahlfläche hier ein "ellipsenförmiger" Querschnitt zeigt.
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Eine
weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
im Stirnflächenbereich Nuten,
Einfräsungen,
Bohrungen oder Einschnitte aufweist, hierdurch ist eine Homogenisierung
bzw. Feinabstimmung des abzugebenden Ultraschallfeldes steuerbar.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Flachabschnitt
im Stirnflächenbereich
mindestens eine, vorzugsweise mehrere, vorzugsweise in gleichmäßigen Abständen angeordnete stabförmige Spitzen
aufweist. Diese können
aus der Sonotrode selbst gebildet sein oder auch aus einem anderen,
auch nicht metallischem Material bestehen. Wesentlich ist, dass
diese Spitzen keine Resonanzlänge
aufweisen müssen,
das heißt
beispielsweise aufgrund kleiner Abmessungen bzw. kleiner Massen treten
diese für
die Gesamtmasse der Sonotrode praktisch nicht in den Vordergrund.
Auch von der Länge
her sind diese klein gehalten und stellen für sich genommen keine eigenen
Sonotroden dar, so dass die Spitzen in Längsrichtung eine Ausdehnung von
maximal λ/4,
vorzugsweise weniger als λ/8
aufweisen, wobei sich λ auf
die Materialwellenlänge
der Ultraschallsonotrode bezieht.
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Die
erfindungsgemäßen Vorteile
der Ultraschallsonotrode können
mit einer erfindungsgemäßen Ultraschalleinrichtung
genutzt werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der Ankoppelabschnitt
eine durchaus geringere Fläche
aufweisen kann (Querschnittsfläche
senkrecht zur Längsrichtung)
als beispielsweise der Querschnitt des Basisabschnittes. Der Ankoppelabschnitt
kann daher beispielsweise auf übliche
aktive longitudinal arbeitende Schwingungssysteme abgestimmt werden,
beispielsweise kann die Ankopplungsfläche des Ankoppelabschnittes
0,8 bis 1,2, vorzugsweise 0,9 bis 1,1 der Ankopplungsfläche eines
aktiven, beispielsweise piezoelektrischen, Systems betragen. Dieses
System kann hierbei so ausgeführt
sein, dass es Längsschwingungen
im Bereich zwischen 16 bis 50 kHz, vorzugsweise Niederfrequenzultraschall
im Bereich von 18 bis 22 kHz erzeugt.
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Nachdem
auf die wesentlichen Aspekte der Patentansprüche eingegangen wurde, wird
im Folgenden nochmals die Vorteilhaftigkeit der Erfindung mit anderen
Worten zusammengefasst.
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Vorteil
der Erfindung ist es, eine über
nur ein aktives Ultraschallsystem angetriebene Ultraschallsonotrode
zu schaffen, mit der über
eine sehr breite und gleichzeitig schmale Stirnfläche hohe
Ultraschallamplituden annähernd
gleicher Amplitude, Phasenlage und Richtung abgegeben werden kann. Ein
weiterer Vorteil ist, dass die homogen schwingende Stirn- oder Abstrahlfläche dieser
Sonotrode in bestimmten Grenzen bearbeitet oder verformt werden kann.
Zum Beispiel für
die Einbringung kleiner Nuten, Einfräsungen oder Bohrungen oder
auch beispielsweise zur Aufnahme dünner und massenarmer Spitzen
für die
Beschallung von Mikrotiterplatten oder ähnlichen Beschallungsaufgaben.
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Für die Erlangung
dieser Vorteile wichtig ist, dass die Sonotrode zur Ankopplungs-
oder Anschraubseite hin aus einem Volumenschwingungen ausführenden
Basisteil mit beträchtlicher
Querabmessung (die Querabmessung kann mehr als λ/4 der longitudinalen Materialwellenlänge der
Sonotrode betragen), geringer Länge
in Längsrichtung
der Sonotrode (deutlich geringer als λ/4 der longitudinalen Materialwellenlänge der
Sonotrode) und einem sich nach einem Übergangsabschnitt anschließenden, longitudinal
schwingenden Flachabschnitt mit beispielsweise rechteckförmigen Querschnitt
besteht, über
dessen breite und gleichzeitig schmale Stirnfläche amplitudentransformierte
Ultraschallamplituden abgestrahlt werden können, die in Betrag und Phase gleich
groß sind.
Zur Optimierung des Schwingverhaltens und Angleichung der Ausgangs amplituden auf
der Stirnfläche
ist es zweckmäßig, den
flachen Teil durch Einschnitte in Längsschwingungsrichtung zur
Abstrahlseite hin zu unterteilen.
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Die
Längsabmessung
der erfindungsgemäßen Ultraschallsonotrode
entspricht vorzugsweise in etwa der λ/2-Resonanzlänge üblicher Laborsonotroden. Dahingegen
liegt die Querabmessung des relativ kurzen Basisabschnitts vorzugsweise über der λ/4-Materialwellenlänge.
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Der
Basisteil gehorcht keinem üblichen Schwingungsmodus,
sondern führt
eine Volumenschwingung aus, die einzig durch seine Formgebung und
Masse bestimmt ist. Das sich an den Basisabschnitt bzw. den nachfolgenden Übergangsabschnitt anschließende rechteckförmige flache
Teil schwingt im Wesentlichen longitudinal. Seine Länge beträgt zirka λ/4-Materialwellenlänge, dessen
Gesamtbreite über
die Zungen entspricht vorzugsweise der Querabmessung des Basisabschnitts,
kann aber davon auch abweichen. Zur Erzielung sehr gleichmäßiger Amplitudenverteilung
und gleich hoher Auslenkungen auf der schmalen Abstrahlseite ist
es zweckmäßig, den
flachen Teil mit dünnen
Schlitzen, von der Abstrahlseite bis an das Basisteil zu versehen.
Es ist weiterhin zweckmäßig, den Übergangsabschnitt
zwischen Basis- und Flachabschnitt nicht abrupt zu gestalten, sondern über eine
kontinuierliche Funktion, zum Beispiel über einen Radius.
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Das
Massenverhältnis
zwischen Basis- und Übergangsabschnitt
zum Flachabschnitt bestimmt wesentlich die mögliche Amplitudentransformation oder
Amplitudenverstärkung
zwischen der Ankopplungs- und der Abstrahlseite der erfindungsgemäßen Sonotrode.
Je nach geometrischer Dimensionierung, zum Beispiel auch mit ei nem
sehr dünnem
oder stark verjüngtem
flachen Teil, und dem Massenverhältnis, lassen
sich Verstärkungsfaktoren
bis zu 10 realisieren.
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Mit
der erfindungsgemäßen Sonotrode
können über eine
schmale Abstrahlfläche
mit beträchtlicher
Breite, die ein Mehrfaches der Querabmessung eines üblichen
longitudinalen Schwingsystems beträgt, hohe und gleichphasige
Ultraschallamplituden abgestrahlt werden.
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Die
Querabmessung des Basisabschnitts und damit die Breite des Flachabschnittes
der erfindungsgemäßen Sonotrode
kann mindestens so groß gewählt werden,
dass sie der Längsabmessung
einer üblichen
Mikrotiterplatte entspricht. Auf die schmale und breite Abstrahlfläche können in
definierten Abständen
kleine Spitzen aus dem Sonotrodenmaterial oder aus nichtmetallischem
Werkstoffen eingesetzt werden, mit denen dann gleichzeitig eine
ganze Reihe einer Mikrotiterplatte beschallt werden kann. Die eingesetzten
Spitzen können
und sollten sehr kurz und dünn
sein. Zum einen verstimmen sie dadurch die erfindungsgemäße Sonotrode
nur unwesentlich und zum anderen ist dies für kleine Probenvolumina auch
zweckmäßig.
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Durch
die gleichen Auslenkungsamplituden ist über die eingesetzten Spitzen
eine sehr gleichmäßige und
reproduzierbare Beschallung der Wells in Mikrotiterplatten möglich. Aufgrund
der großen
Breite der erfindungsgemäßen Sonotrode
auf der Abstrahlseite kann eine ganze Reihe einer Längsseite heute üblicher
Mikrotiterplatten auf einmal beschallt werden. Dadurch, dass die
erfindungsgemäße Sonotrode
nur ein aktives Schwingsystem auf der Ankopplungsseite benötigt, verbessert
sich der Herstellungs-, Ab stimmungs-, Justier- und Kostenaufwand gegenüber dem
bekannten Stand der Technik beträchtlich.
Die erfindungsgemäße Sonotrode
lässt sich
heutzutage rationell auf modernen Dreh- und Fräsbearbeitungszentren herstellen
und stellt damit auch von der Bearbeitung her keinen Kostenfaktor dar.
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Anhand
der nachfolgenden Figuren werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sonotrode
beschrieben.
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Es
zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße Sonotrode
mit einem quaderförmigen
Basisabschnitt großer
Querabmessung,
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2 eine
erfindungsgemäße Sonotrode
mit einem runden, plattenförmigen
Basisabschnitt,
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3 eine
weitere erfindungsgemäße Sonotrode,
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4 eine
erfindungsgemäße Ultraschalleinrichtung.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Ultraschallsonotrode 10.
Anhand der in 1 gezeigten Ultraschallsonotrode
erfolgt die allgemeine Beschreibung der vorliegenden Erfindung.
Bei der Beschreibung der nachfolgenden Figuren gilt dann das zu 1 Gesagte
sinngemäß, sofern
nicht ausdrücklich etwas
anderes gesagt wird.
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Die
in 1 gezeigte Ultraschallsonotrode 10 ist
zur Abstrahlung von Ultraschallenergie in flüssige oder pastöse Medien
geeignet. Die Ultraschallsonotro de weist in Längsrichtung (in Längsrichtung z)
einander abfolgend folgende Abschnitte auf:
Einen Ankopplungsabschnitt 4 zum
Ankoppeln eines in Längsrichtung
z longitudinal anregenden aktiven Ultraschallsystems (s. 4).
Die Anschraubung eines entsprechenden Ultraschallsystems, welches vorzugsweise
als piezoelektrisches Schwingersystem ausgeführt ist, erfolgt beispielsweise
mit einem Schraubbolzen, eine entsprechende Gewindebohrung ist auf
der Unterseite der Sonotrode in 1 zu sehen.
Der zylinderförmige
Abschnitt an der Unterseite der Sonotrode ist der Ankopplungsabschnitt 4.
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An
diesen Ankopplungsabschnitt 4 schließt sich (nach einem kleinen Übergangsbereich,
welcher allerdings noch dem Ankopplungsabschnitt zuzuordnen ist)
ein Basisabschnitt 1 an. Dieser Basisabschnitt weist eine
im Wesentlichen quaderförmige Struktur
auf und ist sehr massiv ausgeführt.
Der Basisabschnitt 1 hat in der größten Abmessung quer zur Längsrichtung
eine Abmessung, welche größer ist als
die Länge
des Basisabschnittes in Längsrichtung. Das
heißt,
dass der im Wesentlichen quaderförmige Basisabschnitt
in z-Richtung seine kleinste Ausdehnung hat und seine größte Ausdehnung
in der x-y-Ebene. Diese größte Ausdehnung
in der x-y-Ebene ist die längste
Flächendiagonale
des Quaders in der x-y-Ebene (sinngemäß wäre dies beispielsweise in 2 der
Durchmesser als entsprechendes Maß). Der Basisabschnitt wird
im Wesentlichen zu "Volumenschwingungen" angeregt, auf diesen
Begriff wurde weiter oben bereits eingegangen.
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Die
Abmessung (x1) des Basisabschnitts quer
zur Längsrichtung
im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt
ist hierbei stets größer als
bzw. gleich λ/4.
In 1 ist dies durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
Selbst an der "schmaleren" Seite des dortigen
rechteckigen Querschnittes ist x1 immer noch
größer oder
zumindest gleich λ/4.
Egal welchen Querschnitt der Basisabschnitt hat (ellipsoid, rund, mehreckig),
ist x1 immer ≥ λ/4.
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Die
kürzeste
Länge (x2) des Basisabschnitts in Längsrichtung
ist auch immer kleiner als λ/4.
Diese Größe ist ebenfalls
in 1 abzulesen.
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In
positiver z-Richtung fortlaufend schließt sich dann ein Übergangsabschnitt 9 an.
Dieser zeigt einen im Wesentlichen kreisumfangsförmigen verjüngenden Verlauf und mündet in
einen im Wesentlichen quaderförmigen
Flachabschnitt. Dieser Flachabschnitt weist eine Schmalseite der
Länge s
auf sowie eine Breitseite der Länge
b, wobei die Länge
der Breitseite b einer Kantenlänge
des Quaders des Basisabschnittes 1 entspricht, also hier
die Breite im Bereich des Flachabschnittes genauso groß ist wie
im Bereich des Basisabschnittes. Die Länge b könnte hier allerdings auch kleiner
oder auch größer ausgeführt sein
als die Breite des Basisabschnittes. Der Flachabschnitt weist dann
auf seiner Oberseite einen Stirnbereich 3 auf, welcher
als Abstrahlfläche
für Longitudinalschwingungen
dient.
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Die
Länge S
der Schmalseiten ist vorzugsweise nur 1/8 bis 1/12 so groß wie die
kürzeste
Abmessung des Querschnitts quer zur Längsrichtung (x1).
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Der
Flachabschnitt ist außerdem
durch mindestens einen Schlitz in mehrere, im Stirnbereich unverbundene,
Zungen geteilt. Hierdurch gibt es also keine Verbindung der Zungen
an deren dem Basisabschnitt abweisen den Ende. Die Zungen kragen
somit vollständig
frei aus, dies ist ein deutlicher Unterschied zu üblichen "Schlitzen", welche beidseitig
geschlossen sind.
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Durch
die offene Schlitzaufteilung in Zungen geringer Breite (<< λ/4)
und kurzer Länge
s wird eine durchgehend longitudinale Schwingung in Längsrichtung
des Flachabschnittes erzielt. Der unverbundene Stirnbereich verhindert
zusätzlich
das Auftreten transversaler Schwingungskomponenten und gewährleistet
Amplituden gleichen Betrages und Phase an den Zungenenden. Eine
Verjüngung
des Flachabschnittes zu den Zungenenden hin bewirkt eine zusätzliche
Amplitudentransformation.
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Die
gesamte Ultraschallsonotrode ist einstückig und aus Metall bestehend.
Die Länge
der Sonotrode 10 in Längsrichtung
(gemessen von der Unterseite des Ankoppelabschnitts 4 bis
zur Oberseite des Stirnbereichs 3) beträgt 1,1 × λ/2 der longitudinalen Materialwellenlänge der
Sonotrode.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Sonotrode,
wobei hier im Unterschied zu der in 1 gezeigten
Sonotrode der Basisabschnitt 1 einen runden Querschnitt
aufweist.
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Der
Flachabschnitt weist auch hier einen Schlitz 5 auf, welcher
von der Oberkante des Stirnbereichs 3 bis in den Übergangsabschnitt 9 hinein
verläuft.
Dieser Schlitz teilt den Flachabschnitt in zwei etwa gleichgroße zungenförmige Abschnitte,
welche beide in z-Richtung verlaufen. Der Schlitz dient hierbei
der besseren Homogenisierung des abzustrahlenden Longitudinalschallfeldes.
Seitlich an dem Ankopplungsab schnitt 4 ist außerdem eine
Montagebohrung seitlich zu sehen.
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Außerdem zeigt
die Ultraschallsonotrode in 2 eine längs der
Breitseite b zentral im Stirnbereich verlaufende Nut (6)
bzw. rinnenförmige
Einbuchtung, so dass in z-Richtung am obersten Ende vier rechteckförmige Abstrahlflächen gegeben
sind, welche sehr konzentriert Ultraschallenergie abgeben.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Ultraschallsonotrode.
Diese zeigt zusätzlich
zu der in 2 gezeigten Sonotrode eine Ausbuchtung 11 im
Basisabschnitt, wobei diese Ausbuchtung im Wesentlichen in Richtung
der Schmalseite des Flachabschnitts orientiert ist.
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Im
Gegensatz zu der in 2 gezeigten Sonotrode weist
hierbei der Flachabschnitt 2 insgesamt zwei Längsschlitze
auf, so dass der Flachabschnitt 2 insgesamt drei "Zungen" aufweist. Hierbei
können die
Schlitze jeweils bereichsweise, beispielsweise kreisförmige, Einschnitte
aufweisen.
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Auch
hier ist zu sehen, dass die Abmessungen des Basisabschnitts quer
zur Längsrichtung
(also der Durchmesser d) im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt hin (siehe
hierzu Strichlinie in 3) stets ≥ λ/4 sind und die kürzeste Länge des
Basisabschnitts in Längsrichtung < λ/4 ist (siehe
x'2).
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Auf
dem Stirnbereich 3 sind mehrere, in gleichmäßigen Abständen angeordnete
stabförmige Spitzen 7 gezeigt,
welche aus Metall sind. Allerdings ist deren Abmessung bzw. deren
Masse so klein, dass diese keine Resonanzlänge aufweisen. Die Spitzen
haben in Längs richtung
z eine Ausdehnung von weniger als λ/8, wobei sich λ hier auf
die Materialwellenlänge
der Ultraschallsonotrode bezieht.
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Abschließend sei
auf 4 verwiesen. Diese zeigt eine betriebsbereite
Ultraschalleinrichtung 12. Diese besteht aus einer Ultraschallsonotrode,
an deren Ankopplungsabschnitt 4 ein aktives Ultraschallsystem 8 (mittig
ist dort ein piezoelektrisches Antriebssystem zu sehen) gezeigt.
Die untere Fläche des
Ankoppelabschnitts entspricht hierbei im Wesentlichen der Querschnittsfläche des
anzukoppelnden Ultraschallschwingersystems 8, das Ultraschallschwingersystem 8 ist
zur Anregung von 20 kHz ausgelegt.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG SEHEN VOR:
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- – einen
Ankopplungsanschnitt zum Ankoppeln eines in Längsrichtung longitudinal anregenden
aktiven Ultraschallsystems,
- – einen
Basisabschnitt, wobei die größte Abmessung
des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung größer (vorzugsweise
mehr als doppelt so groß) ist
als die Länge
des Basisabschnittes in Längsrichtung,
wobei die Abmessungen des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung
im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt
hin stets ≥ λ/4 sind und die
kürzeste
Länge des
Basisabschnittes in Längsrichtung
(z) < λ/4 ist,
- – einen Übergangsabschnitt
zur Querschnittsverringerung in mindestens einer Querschnittsfläche gegenüber dem
Basisabschnitt sowie
- – einen
Flachabschnitt mit einem Stirnbereich als Abstrahlfläche, wobei
der Flachabschnitt durch mindestens einen Schlitz in mehrere, im
Stirnbe reich unverbundenen Zungen geteilt ist.
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Die
Erfindung sieht vor, dass der Flachabschnitt mindestens einen, vorzugsweise
bis in den Bereich des Übergangsabschnittes
verlaufenden, Schlitz aufweist. Hierdurch wird der Flachabschnitt
in mehrere "Zungen" geteilt, es hat
sich gezeigt, dass hierdurch eine weitere Homogenisierung des longitudinal
abgestrahlten Ultraschallfeldes über
den Flächenabschnitt
zum Stirnbereich hin gegeben ist.
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Bei
der longitudinalen Materialwellenlänge λ gilt grundsätzlich:
mit c
L als
Schallgeschwindigkeit der Sonotrode (also wenn die Sonotrode aus
Titan ist, ist c
L ungefähr gleich 4.900 m/s), mit f
ist die anregende Frequenz gemeint, beispielsweise 20 kHz. Für eine bestimmte Sonotrode
kann also bei Anregung mit einer bestimmten Frequenz (beispielsweise
Ultraschall von 20–25
kHz) das entsprechende λ ermittelt
werden.
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Erfindungsgemäß beträgt hierbei
die Abmessung des Basisabschnitts quer zur Längsrichtung im Grenzbereich
zum Übergangsabschnitt
hin stets (immer) mehr als λ/4.
Dies heißt,
dass im Grenzbereich zum Übergangsabschnitt
(also im "obersten" Abschnitt des Basisabschnittes,
welcher zum Übergangsbereich
hin orientiert ist) stets eine größere Abmessung als λ/4 in allen
Orthogonalen zur Längsachse
gegeben ist.
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Die
kürzeste
Länge des
Basisabschnittes in Längsrichtung
beträgt
hingegen deutlich weniger als λ/4.
Damit ist offensichtlich, dass die Gesamtlänge der erfindungsgemäßen Sonotrode über Flachabschnitt
und Basisteil mit Ankopplungsabschnitt nicht einem klassischen Halbwellenresonator
entspricht, da der Basisabschnitt hierfür "zu kurz" und quer "zu dick" ist. Aufgrund dieser großen Quer-
und kleinen Längsabmessung
führt das
Basisteil eine Volumenschwingung aus, die keiner vereinfachten/klassischen
Schwingungsform zugeordnet werden kann. Die entstehende Volumenschwingung
lässt sich
am ehesten als eine biaxiale Schwingung charakterisieren, die aus
einer transversalen und longitudinalen Komponente besteht.
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Ein
weiterer wichtiger Punkt ist, dass der Flachabschnitt durch mindestens
einen Schlitz in mehrere, im Stirnbereich unverbundene, Zungen geteilt
ist. Hierbei ist wesentlich, dass diese Zungen wirklich "Zungen" sind, also im Stirnbereich
frei auskragen und insofern nicht miteinander verbunden sind. Die
entstehende Zungenbreite beträgt
damit maximal der Hälfte
des Flachabschnittes b bzw. b/2, liegt deutlich unter λ/4-Länge in Längsrichtung
und gewährleistet
hierdurch, dass die Zungen in Längsrichtung
in gleicher Weise longitudinal schwingen können. Die Länge des Schlitzes, also auch
die Länge
der Zungen, geht üblicherweise
bis in den Übergangsbereich
hinein, allerdings nicht bis in den Basisabschnitt und entspricht
zirka λ/4-Länge in Längsrichtung.
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Eine
weitere wichtige Abgrenzung des erfindungsgemäßen Gegenstandes zum Stand
der Technik ist, dass die Abstrahlfläche des Flachabschnittes insgesamt
bzw. der einzelnen Zungen ungewöhnlich schmal
ist. Der Flachabschnitt, welcher üblicherweise rechteckförmig ist,
hat hierbei eine extrem "kurze" Seitenkante s, deren
Länge (größte Ausdehnung,
gemessen am freien Ende) maximal 1/8 bis 1/12 der größten Abmessung
des Basisabschnittes quer zur z-Richtung beträgt (also der Längsachsenrichtung der
Sonotrode). Die so er zielte Verjüngung
des Flachabschnittes bzw. der einzelnen Zungen zur Abstrahlseite
hin bewirkt eine zusätzliche
Verstärkung der
Ultraschallamplitude. Der Verstärkungsgrad
lässt sich
aus dem Verhältnis
der Querschnittsverringerung der Zungenflächen am Basisteil und am Zungenende
ableiten.
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- 1
- Basisabschnitt
- 2
- Flachabschnitt
- 3
- Stirnbereich
- 4
- Ankopplungsabschnitt
- 5
- Schlitze
- 6
- Nuten
- 7
- Spitzen
- 8
- aktives
Ultraschallsystem
- 9
- Übergangsabschnitt
- 10
- Ultraschallsonotrode
- 11
- Ausnehmung
- 12
- Ultraschalleinrichtung
- x,
y, z
- Raumrichtungen
- b
- Breitseite
- s
- Schmalseite
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann auf eine kostengünstige Weise über den
Stirnbereich Ultraschall mit hoher und gleich bleibender Amplitude, Phasenlage
und Richtung abgegeben werden.
