-
Die Erfindung betrifft Transformationssonotroden, welche als Verstärker/Booster dienen, Sonotroden, welche einen Verstärker aufweisen und ein Verfahren zur Herstellung von Transformationssonotroden.
-
In diversen Gebieten, wie beispielsweise bei der Ultraschall-Reinigung, der Verfahrenstechnik, der Ultraschallfügung und der Erzeugung von "Accoustic Streaming", werden hochintensive Ultraschallfelder benötigt. Zur Erzeugung des Ultraschalls werden elektromechanische Wandler eingesetzt, die in der Regel Piezoelemente als elektromechanische Wandler aufweisen. Die Schwingungsamplituden der Piezoelemente sind jedoch nicht groß genug, um die benötigten Schallintensitäten zu erzeugen. Diese müssen dabei mechanisch verstärkt werden.
-
Eine Möglichkeit der Vergrößerung der Amplitude wird durch sogenannte Transformationssonotroden dargestellt. Diese, auch Booster/Verstärker genannten Elemente, sind in der Regel stabförmige Bauteile, welche nach vorne hin abnehmende Querschnittsflächen aufweisen. Durch die Verringerung der Querschnittsfläche wird die axial durchlaufende Welle bzw. deren Amplitude verstärkt. Das Verhältnis der Stirnfläche am Eingang eines solchen Verstärkers zu dem der Stirnfläche am Ausgang, in Richtung auf die eigentliche Sonotrode, gibt Auskunft über den Verstärkungsfaktor, welcher der Querschnittsänderung entspricht. Die Form der Transformationssonotroden richtet sich nach der Frequenz der zu verstärkenden Schwingung. Die lange Bauform der beschriebenen Transformationssonotroden ist für viele technische Anwendungen wesentlich zu lang. Kompakte Bauformen solcher Elemente sind bisher nicht bekannt.
-
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Transformationssonotrode zu beschreiben, deren Bauform bei üblicher Amplitudenverstärkung kompakt ausgeführt ist.
-
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination der jeweils unabhängig formulierten Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine kompakte Bauweise einer Transformationselektrode bei üblicher Amplitudenverstärkung erzielbar ist, wenn diese durch einen Hohlzylinder dargestellt ist, welcher einseitig nach innen gekehrt oder nach innen gestülpt ist. Da der Hohlzylinder zwischen seiner ersten Stirnfläche und seiner gegenüber liegenden zweiten Stirnfläche eine zur Verstärkung abnehmende Querschnittsfläche aufweist, ist eine Stülpung an der Seite des Hohlzylinders möglich, welche den kleineren Querschnitt aufweist. Dies führt insgesamt zu einem Gebilde, bei dem beide, die erste und die zweite Stirnfläche des ursprünglichen Hohlzylinders in eine Richtung weist.
-
Da die Querschnittsfläche bei einem Hohlzylinder quadratisch vom Radius abhängt, kann trotz des großen Querschnitts eine starke Abnahme der Fläche erreicht werden. Somit ergibt sich der Vorteil, dass eine kompakte Bauweise der Transformationssonotrode eine deutliche Verstärkung der Amplitude mit sich bringt.
-
Die Verstärkung der Amplitude einer Welle in der Transformationssonotrode wird durch die kontinuierliche Querschnittsabnahme von Mantelflächen des Hohlzylinders bewirkt, welche insgesamt keine Sprünge zwischen den ersten und zweiten Stirnflächen aufweist. In diesem Fall werden die von der ersten Stirnfläche der Transformationssonotrode aufgenommenen Schall- oder Ultraschallwellen kontinuierlich umgelenkt.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung bewirkt durch die Ausbildung der Mantelflächen des Hohlzylinders in gestufter Form Querschnittsabnahmen, die eine Verstärkung der Schallwellen durch Reflexion an bestimmten Reflexionsflächen, vorzugsweise in Mantelflächen ausgebildet, ausnützen.
-
Eine insgesamt radial symmetrische Ausbildung der Transformationssonotrode ist vorteilhaft, da diese leicht an die meist radial symmetrische Form von Sonotroden bzw. von elektromechanischen Wandlern angepasst werden kann.
-
Der Einsatz von Sonotroden ist insbesondere dann wesentlich, wenn eine Erzeugung von Ultraschall über einen elektromechanischen Wandler betrieben wird. Damit wird in besonderer Weise Ultraschall vom elektromechanischen Wandler erzeugt und bis zu einer Sonotrode weitergeleitet. Auf dem Weg dorthin wird eine Verstärkung der Amplitude durch Querschnittsabnahme erreicht.
-
Der elektromechanische Wandler kann vorteilhafterweise ringförmig ausgeführt werden, sodass die erste Stirnfläche des Hohlzylinders abgedeckt ist. Damit bleibt die nach innen gestülpte zweite, im Querschnitt verjüngte, Stirnfläche in Richtung auf die Seite der Ankoppelung des elektromechanischen Wandlers sichtbar.
-
Zur Erzeugung von Ultraschall kann in vorteilhafter Weise ein piezoelektrischer Wandler eingesetzt werden. Die von einem Piezowandler erzeugten Schallwellen weisen zwar einen stabilen ‚Form auf, welcher jedoch für praktische Anwendungen vergrößert werden muss. Die insgesamt übertragene Leistung durch eine Transformationssonotrode oder auch durch eine Sonotrode ist frequenzabhängig.
-
Ein piezoelektrischer Wandler, welcher mit einer hohlzylinderförmigen Transformationssonotrode gekoppelt werden kann, ist in der Form einer Münze oder eines flachen Zylinders ausgebildet. Die Außendurchmesser stimmen ungefähr überein. Soll der piezoelektrische Wandler zur besseren Handhabung des Gesamtsystems die Sicht und den Eingriff nach innen hin freigeben, so ist es vorteilhaft, dass der piezoelektrische Wandler ringförmig ausgebildet ist und beispielsweise die erste Stirnfläche abdeckt. Da der elektromechanische Wandler damit weniger Volumen aufweist, kann er theoretisch auch weniger Kraft übertragen. Insgesamt kommt jedoch durch die erste Stirnfläche eine Einkoppelung zustande, sodass der gleiche Effekt wie mit einer vollen Fläche eines elektromechanischen Wandlers mit gleichem Außendurchmesser erzeugt wird. Dies lässt sich über eine angepasste Regelung erzielen.
-
Im Folgenden werden anhand der begleitenden schematischen Figuren, die die Erfindung nicht einschränken, Ausführungsbeispiele beschrieben.
-
1 zeigt eine Transformationssonotrode, die die Schallwelle im Körper umlenkt,
-
2 zeigt eine Transformationssonotrode, in der die Schallwelle an einer, der ersten Stirnfläche 13 gegenüber liegenden, Reflexionsfläche 22 reflektiert wird,
-
3 zeigt eine Darstellung einer Transformationssonotrode, von unten betrachtet,
-
4 zeigt eine Transformationssonotrode in Seitenansicht mit an der Unterseite angekoppeltem elektromechanischem Wandler 1.
-
Zunächst werden die in den 1 bis 4 verwendeten Bezugszeichen erklärt:
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 3
- elektromechanischer Wandler
- 3
- Transformationssonotrode
- 4
- Bereich, mit geringer Schwingung und hoher mechanischer Kraft
- 5
- Bereich, mit hoher Schwingung und geringer mechanischer Kraft
- 6
- Bohrung
- 7
- Achse
- 8
- Ring, ringförmige Ausbildung des elektromechanischen Wandlers
- 9
- Elektrokabel
- 10
- Umlenkung der Schallwelle
- 11
- Reflexion
- 12
- erste äußere Stirnfläche des Hohlzylinders bei Umlenkung der Schallwelle
- 13
- erste äußere Stirnfläche des Hohlzylinders bei Reflexion der Schallwelle
- 16
- axialer Abstand zwischen erster und zweiter Stirnfläche
- 17
- zweite innere Stirnfläche des Hohlzylinders bei Umlenkung der Schallwelle
- 18
- zweite innere Stirnfläche des Hohlzylinders bei Reflexion der Schallwelle
- 19
- Wandstärke
- 20, 21
- mittlerer Durchgang
- 22
- Reflexionsfläche
-
Ultraschall kann beispielsweise eingesetzt werden zur Ausführung von Ultraschallschweißungen oder beispielsweise auch zur Säuberung von Oberflächen oder von Kanälen durch die Abscherung von Verunreinigungen oder Ähnlichem. Unter dem Begriff "accoustic streaming" versteht man allgemein ein Fließen einer Flüssigkeit, welches durch die Absorption von Ultraschall mit hoher Amplitude angetrieben wird. Durch die Ausbildung von Schallbäuchen und Schallknoten an einer Sonotrode wird Energie von der Sonotrode auf die umliegende Flüssigkeit übertragen. Die Konzentration der Energie „rüttelt“ Verschmutzungen, beispielsweise an Wänden locker und löst sie ab.
-
Um von einem elektromechanischen Wandler, der Ultraschall erzeugt, eine Ultraschallwelle zu übertragen, muss regelmäßig eine Verstärkung dieser Ultraschallwelle stattfinden. Das sind Ultraschallsonotroden, meist stabförmig ausgebildet, mit abnehmendem Querschnitt. Durch die Verringerung der Querschnittsfläche wird die axial durchlaufende Welle verstärkt.
-
Die 1 bis 4 zeigen Transformationssonotroden, welche für eine kompakte Ausführung des Sonotrodensystems im Gegensatz zu den üblichen Bauformen stark verkürzt sind.
-
1 zeigt eine solche Transformationselektrode 3 mit dem elektromechanischen Wandler 1, der Ultraschall über die erste äußere Stirnfläche 12 des Hohlzylinders 12 einkoppelt und verstärkte Ultraschallschwingungen an der zweiten inneren Stirnfläche 17 des Hohlzylinders anbietet. Dabei kann die Ausbildung des elektromechanischen Wandlers 1 vollflächig in Form eines runden, plattenförmigen Piezoelementes geschehen. Vorteilhaft ist die Darstellung eines elektromechanischen Wandlers als Ring 8, welcher derart ausgelegt ist, dass er mit der ersten äußeren Stirnfläche des Hohlzylinders zur Ultraschalleinkoppelung gekoppelt werden kann.
-
Die in 1 dargestellte Transformationssonotrode ist derart entstanden, dass, ausgehend von einer Wandstärke 19 im Bereich der ersten Stirnfläche 12 zur zweiten Stirnfläche 17 des Hohlzylinders hin eine Verjüngung der Wandstärke 19 vorliegt. Zur Verkürzung der Baugröße in axialer Richtung ist das Ende des Hohlzylinders im Bereich der dünneren Wandstärke nach innen gestülpt, sodass die zweite Stirnfläche 17 in die gleiche Richtung weist wie die erste Stirnfläche 12. Die gegenseitige Beabstandung zwischen der ersten und zweiten Stirnfläche wird durch den Abstand 16 gekennzeichnet.
-
1 zeigt somit eine Bauform, die insbesondere durch eine stetige Biegung der Mantelflächen eines ursprünglichen Hohlzylinders die Umlenkung einer vom elektromechanischen Wandler 1 eingekopppelten Ultraschallwelle durch Umlenkung bei gleichzeitiger Verstärkung zu übertragen. Zur endgültigen Übertragung von Ultraschallwellen auf eine nicht dargestellte Sonotrode lässt sich beispielsweise ein Stab in den mittleren Durchgang 20 einbauen. Dies kann durch ein beliebiges Verbindungsverfahren bestehen, wobei die Verbindung entsprechend stabil ausgelegt sein muss. Dabei steht ein eingebauter Stab in der Regel axial relativ zur Achse 7 nach oben heraus.
-
In den 1 und 2 ist jeweils ein Bereich 4 bezeichnet, welcher stellvertretend ist für eine geringere Schwingung bzw. Schwingungsamplitude bei relativ großer mechanischer Kraft. Gleichzeitig ist der Bereich 5 gekennzeichnet, der stellvertretend ist für eine relativ hohe Schwingung bzw. Schwingungsamplitude bei geringerer mechanischer Kraft.
-
2 zeigt eine analoge Darstellung entsprechend 1, wobei die Mantelflächen eines ursprünglichen Hohlzylinders nach der Einstülpung auf einer Seite des Hohlzylinders nach innen hin im Schnitt zumindest partiell geradlinig verlaufen. Ausgehend von der ersten Stirnfläche 13 der Transformationssonotrode 3, entsprechend 2, wird vom elektromechanischen Wandler 2 Ultraschall eingekoppelt, übertragen und verstärkt. Im Gegensatz zur 1 wird jedoch in 2 eine einfache oder mehrfache Reflexion an der Innenseite der Mantelfläche stattfinden, sodass eine entsprechende Ultraschallwelle spätestens an der Reflexionsfläche 22, die der ersten Stirnfläche 13 etwa gegenüberliegt, reflektiert wird und in Richtung auf die zweite Stirnfläche 18 wandert.
-
Auch in 2 kann dem zentralen mittleren Durchgang 21 eine nicht dargestellte Sonotrode eingebaut werden, welche nach oben hervorsteht. Die Sonotrode kann vorzugsweise stabförmig ausgebildet sein. Weiterhin ist in den 1 und 2 eine Bohrung 6 angedeutet, durch die ein Elektrokabel 9 zur elektrischen Versorgung des elektromechanischen Wandlers, der insbesondere ein piezoelektrischer Wandler sein kann, vorgesehen ist.
-
Der Abstand 16 ist der axiale Abstand zwischen der ersten und der zweiten Stirnfläche 12, 17; 13, 18. Dieser axiale Abstand der ersten und der zweiten Stirnfläche ist je nach Bauweise einstellbar. Dabei besteht die Möglichkeit, dass eine Sonotrode, mit der bestimmte Arbeiten durchgeführt werden, derart in den mittleren Durchgang 20, 21 eingebaut wird, dass diese bei einer Ausbildung des elektromechanischen Wandlers als Ring 8 nach unten aus der Transformationssonotrode 3 herausragt.
-
Eine Transformationssonotrode, die allgemein als Horn oder auch als Koppelhorn bezeichnet wird, stellt grundsätzlich eine Verbindung zwischen einem elektromechanischen Wandler 1, 2 und einer in den Figuren nicht dargestellten Sonotrode, die auch als Arbeitssonotrode bezeichnet wird, dar. Die Anpassung der Sonotrode insgesamt ergibt eine wesentlich kürzere Baulänge.
-
Die genaue Abstimmung eines Sonotrodensystems muss entsprechende Einstellungen, beispielsweise im Frequenzabgleich vorsehen, da die Auslenkung eine Funktion der Leistung ist. Da die Bauform wesentlich kürzer im Verhältnis zu bekannten Sonotrodensystemen ist, ergeben sich damit andere Leistungswerte. Diese können auch durch entsprechenden Frequenzabgleich optimiert werden.
-
Entsprechend 1 kann durch die Umlenkung 10 der Schallwelle eine ungestörte, kontinuierliche Welle umgelenkt werden. Entsprechend 2 wird nach dem Spiegel- oder Reflexionsprinzip eine Welle durch entsprechende Ausgestaltung der Transformationssonotrode 3 reflektiert. Die Umlenkung 10 beginnt im Bereich der Krümmung, wie es in 1 dargestellt ist, und die Reflexion 11 beginnt in einem Bereich, indem die Schallwelle zumindest partiell gespiegelt wird und an eine Reflexionsfläche 22 reflektiert wird.
-
Ein piezoelektrisches Element wandelt beispielsweise elektrische Energie in mechanische Schwingungen um und koppelt diese auf der ersten Stirnfläche 12, 13 an der Unterseite einer Transformationssonotrode ein. Entsprechend 1 wird in der Transformationssonotrode 3 die Schallwelle umgelenkt, entsprechend 2 wird eine Transformationssonotrode, in der die Schallwelle an der oberen Stirnfläche reflektiert wird, dargestellt. Die Piezoelemente können bei beiden Varianten als Ringe 8 ausgeführt sein. Durch den mittleren Durchgang 20, 21 ist es möglich, mit einem Pass-Stift oder einer Verschraubung die Schwingung abzugreifen und beispielsweise an eine Sonotrode weiterzuleiten.
-
Allgemein ist durch die Ausführung der Transformationssonotrode als in sich gekehrter oder in sich gestülpter Hohlzylinder der Verlauf der Schallwelle derart lenkbar, dass bei gleich bleibender Querschnittsverjüngung trotz des hohlen Querschnittes eine starke Abnahme der Fläche erreicht werden kann. So ergibt sich der Vorteil bei kompakter Bauweise, eine deutliche Verstärkung der Amplitude erreichen zu können.
-
Die 3 und 4 zeigen eine reale Ausführung einer Bauform entsprechend der Transformationssonotrode 3 entsprechend 1. in 3 ist ungefähr eine Unteransicht dargestellt und in 4 eine Seitenansicht der Transformationssonotrode 3. In den beiden 3 und 4 ist jeweils der mittlere Durchgang 20, 21 angedeutet. Weiterhin ist in 3 sowohl die erste Stirnfläche 12 als auch die zweite Stirnfläche 17 der Transformationssonotrode 3 erkennbar. Sichtbar ist auch die Bohrung 6 für eine elektrische Zuleitung sowie der Bereich 4 geringerer Schwingung und hoher Kraft.
-
4 zeigt eine Außenansicht bzw. Seitenansicht in nicht geschnittener Form einer Transformationssonotrode 3. Der elektromechanische Wandler 1 kann auch als Ring 8 ausgeführt sein. Damit wäre die Sicht von unten her auf eine zweite Stirnfläche 17 gegeben.
