-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallwerkzeug sowie eine Werkzeugbasis und ein Konverter-Werkzeugelement jeweils für ein Ultraschallwerkzeug.
-
Die Anregung von Werkzeugelementen zur Oszillation mittels Ultraschall bietet gegenüber anderen Techniken in verschiedenen Anwendungsbereichen große Vorteile. So können besonders glatte, saubere Arbeitskanten erzielt werden, das Verfahren ist geräuscharm und eignet sich für verschiedenste Materialien. Beispielsweise im Vergleich zu Laser- oder Wasserstrahlverfahren treten weder Verbrennungen noch Aufweichungen des Materials auf, zudem kann z.B. beim Schneiden eine Spanbildung vermieden werden. Insbesondere eignen sich Ultraschallwerkzeuge zur Lebensmittelbearbeitung, bei der rein mechanische Verfahren häufig eine lediglich geringe Präzision ermöglichen.
-
Die Ultraschallantriebe von Ultraschallwerkzeugen umfassen in der Regel eine Elektronik zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung, deren Frequenz also im Frequenzbereich von Ultraschall liegt, sowie einen Konverter, der dazu eingerichtet ist, die elektrische Hochfrequenz in mechanische Schwingungen umzuwandeln und so das jeweilige Einsatzwerkzeug (z.B. eine Klinge oder ein Bohrelement) anzutreiben.
-
Damit die Einsatzwerkzeuge jeweils gut gereinigt, bei Bedarf ersetzt oder auch gegen ein Einsatzwerkzeug eines anderen Typs bzw. Anwendungsbereichs ausgetauscht werden können, sind sie im Allgemeinen vom Ultraschallantrieb trennbar. Dazu muss ein Anwender herkömmlicherweise eine Verbindung von Einsatzwerkzeug und Konverter lösen, das Einsatzwerkzeug gegen ein anderes Einsatzwerkzeug auswechseln und dieses dann mit einem festgelegten Anzugsmoment mit dem Konverter verbinden.
-
Ein Nachteil derartiger herkömmlicher Ultraschallwerkzeuge liegt darin, dass der Konverter ein Hochfrequenzsystem ausbildet, zu dem das jeweilige Einsatzwerkzeug nicht nur hinsichtlich seiner Geometrie, sondern auch in Bezug auf die Frequenzabstimmung kompatibel sein muss; andernfalls kann die Funktion des Ultraschallwerkzeugs beeinträchtigt sein oder sogar ausfallen. Die Anzahl an Kombinationsmöglichkeiten bzw. verwendbaren Einsatzwerkzeugen ist deshalb bei herkömmlichen Ultraschallwerkzeugen stark eingeschränkt.
-
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Technik für Ultraschallwerkzeuge bereitzustellen, mit der der oben genannte Nachteil umgangen werden kann, so dass insbesondere eine große Variationsbreite an für ein Ultraschallgerät verwendbaren Einsatzwerkzeugen möglich ist.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Werkzeugbasis für ein Ultraschallwerkzeug gemäß Anspruch 1, ein Konverter-Werkzeugelement nach Anspruch 4 und ein Ultraschallwerkzeug gemäß Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
-
Eine erfindungsgemäße Werkzeugbasis bildet ein Teil eines Ultraschallwerkzeugs. Sie umfasst eine Elektronik zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung, also einer Wechselspannung, deren Frequenz im Frequenzbereich von Ultraschall liegt (mindestens 16 kHz, vorzugsweise mindestens 18 kHz oder sogar mindestens 20 kHz). Die Werkzeugbasis weist eine Schnittstelle mit elektrischen Kontakten auf, an der ein auswechselbares (insbesondere ein erfindungsgemäßes) Konverter-Werkzeugelement mit einem Konverter zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen (mit Hochfrequenz) angeschlossen werden kann; zur Unterscheidung von einer korrespondierenden Schnittstelle eines derartigen Konverter-Werkzeugelements wird die Schnittstelle der Werkzeugbasis im Folgenden als „Basisschnittstelle“ bezeichnet. Zusammen mit einem Konverter-Werkzeugelement (und einem zugehörigen Einsatzwerkzeug wie beispielsweise einer Klinge, einem Sägeblatt oder einem Bohrelement) bildet eine erfindungsgemäße Werkzeugbasis somit ein Ultraschallwerkzeug aus.
-
Ein erfindungsgemäßes Konverter-Werkzeugelement für ein Ultraschallwerkzeug weist einen Konverter zum Umwandeln einer Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen (mit Ultraschallfrequenz) und ein Einsatzwerkzeug auf; der Konverter umfasst vorzugsweise mindestens ein piezoelektrisches Keramikelement. Das Konverter-Werkzeugelement hat eine Anschlussschnittstelle, an der es an eine Werkzeugbasis mit einer Elektronik zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung angeschlossen werden kann, insbesondere an eine erfindungsgemäße Werkzeugbasis gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen. Die Anschlussschnittstelle kann mindestens einen Eingang des Konverters (z.B. eines piezoelektrischen Keramikelements) und/oder mindestens einen elektrischen Kontakt einer Zuleitung zum Konverter umfassen, der jeweils mit einem elektrischen Kontakt der Werkzeugbasis zu verbinden ist.
-
Das Einsatzwerkzeug kann insbesondere dazu eingerichtet sein, zum Bearbeiten (z.B. zum Schneiden) von Lebensmitteln verwendet zu werden, oder es kann für einen Heimwerker- und/oder Bastelbedarf vorgesehen sein; insbesondere kann es ein Sägeblatt, eine Messer- bzw. Schneidklinge, ein Bohrer-, Stanz- oder Gravierwerkzeugelement oder dergleichen umfassen.
-
Ein erfindungsgemäßes Ultraschallwerkzeug umfasst eine erfindungsgemäße Werkzeugbasis gemäß einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen sowie mindestens ein an die Werkzeugbasis angeschlossenes oder anzuschließendes erfindungsgemäßes Konverter-Werkzeugelement nach einer der in dieser Schrift offenbarten Ausführungsformen.
-
Die vorliegende Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein Auswechseln eines jeweiligen Einsatzwerkzeuges, ohne dass das Hochfrequenzschwingsystem aus Konverter und Einsatzwerkzeug durch den Anwender wiederholt geöffnet und geschlossen werden muss: Mögliche Wechseleinheit ist dabei das Konverter-Werkzeugelement, das neben dem Einsatzwerkzeug noch den Konverter umfasst.
-
Aufgrund der erfindungsgemäßen Kopplung von Konverter und Einsatzwerkzeug als eigenständige Wechseleinheit (in Form des Konverter-Werkzeugelements) kann der Konverter zudem speziell an das Einsatzwerkzeug und/oder an eine spezielle Gruppe von Einsatzwerkzeugen angepasst ausgebildet sein. Die Werkzeugbasis ist damit besonders flexibel einsetz- bzw. kombinierbar, so dass die Bandbreite möglicher auswechselbarer Einsatzwerkzeuge des Ultraschallwerkzeugs gegenüber herkömmlicher Technik signifikant erhöht ist.
-
Das Einsatzwerkzeug kann dauerhaft im Konverter-Werkzeugelement installiert sein. Aufgrund der nicht vorgesehenen Herauslösung des Einsatzwerkzeugs kann dieses dabei besonders solide ausgebildet werden.
-
Alternativ kann das Einsatzwerkzeug des Konverter-Werkzeugelements auswechselbar sein. Einsatzwerkzeug und Konverter des Konverter-Werkzeugelements sind in diesem Falle lösbar miteinander verbunden oder zu verbinden. Insbesondere kann das Einsatzwerkzeug bei dieser Ausführungsform beispielsweise bei Verschleiß ersetzt werden, ohne dass auch ein neuer Konverter gebraucht würde, und/oder der Konverter des Konverter-Werkzeugelements kann wahlweise mit einem von mehreren verschiedenen passenden Einsatzwerkzeugen (beispielsweise mit einer ähnlichen Größe, die sich also z.B. um nicht mehr als 15% unterscheidet) kombiniert werden. Das Konverter-Werkzeugelement kann in diesem Fall mehrere zugehörige (auswechselbare bzw. wahlweise einsetzbare) Einsatzwerkzeuge umfassen.
-
Eine Werkzeugbasis kann somit vorzugsweise je nach Bedarf mit verschiedenen Konvertern und jeweils zugehörigen, ggf. mehreren jeweils auswählbaren Einsatzwerkzeugen kombiniert werden, so dass sich eine große Variationsbreite ergibt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Werkzeugbasis umfasst die Basisschnittstelle ein Einsteck-, ein Einklick-, ein Klemm-, ein Schraub- und/oder ein Bajonettverbindungselement, das dazu eingerichtet ist, mit einem entsprechenden Anschlusselement des auswechselbaren Konverter-Werkzeugelements (bzw. dessen Anschlussschnittstelle) zusammenzuwirken.
-
Analog umfasst die Anschlussschnittstelle eines erfindungsgemäßen Konverter-Werkzeugelement in einer vorteilhaften Ausführungsvariante ein Einsteck-, ein Einklick-, ein Klemm-, ein Schraub- und/oder ein Bajonettverbindungselement, das dazu eingerichtet ist, mit einem entsprechenden Verbindungselement der Werkzeugbasis (bzw. dessen Basisschnittstelle) zusammenzuwirken.
-
Auf diese Weise ist die Werkzeugbasis bzw. das Konverter-Werkzeugelement dazu eingerichtet, schnell, mit geringem Aufwand, ohne erforderliche größere Vorkenntnisse, fehlerunanfällig und vorzugsweise zusatzwerkzeugfrei (also ohne Erfordernis eines Zusatzwerkzeugs zum Lösen und/oder Verbinden) mit einem Konverter-Werkzeugelement bzw. einer Werkzeugbasis zusammengesetzt bzw. von diesem gelöst zu werden.
-
Vorteilhaft sind Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Werkzeugbasis, bei denen die Basisschnittstelle mindestens einen Kontakt zur Übertragung und/oder Aufnahme eines oder mehrerer Betriebsparameter wie beispielsweise einer Betriebsfrequenz, einer Betriebsspannung (insbesondere eine jeweils erforderliche Spannungsamplitude) und/oder mindestens einer Regelungsgröße (z.B. einer Temperatur des Konverters und/oder des Einsatzwerkzeugs) aufweist. Auf diese Weise kann die Werkzeugbasis dazu eingerichtet sein, die jeweilige Information an ein angeschlossenes Konverter-Werkzeugelement zu übertragen und/oder von diesem Information zu empfangen. Insbesondere kann die Werkzeugbasis damit dazu eingerichtet sein, die jeweilige Aktion des Konverters und/oder Einsatzwerkzeugs zu steuern bzw. zu regeln und/oder die Elektronik auf jeweilige Eigenschaften des (mit dem Konverter-Werkzeugelement auswechselbaren) Konverters einzustellen.
-
Die Anschlussschnittstelle eines erfindungsgemäßen Konverter-Werkzeugelements weist vorzugsweise analog mindestens einen Kontakt zur Übertragung und/oder Aufnahme eines oder mehrerer Betriebsparameter wie beispielsweise einer Betriebsfrequenz, einer Betriebsspannung (insbesondere eine jeweils erforderliche Spannungsamplitude) und/oder mindestens einer Regelungsgröße (z.B. einer Temperatur des Konverters und/oder des Einsatzwerkzeugs) auf. So ist das Konverter-Werkzeugelement vorzugsweise dazu eingerichtet, entsprechende Information von einer verbundenen Werkzeugbasis zu empfangen und/oder an diese zu übermitteln.
-
Ein Ultraschallwerkzeug mit einer derartigen Werkzeugbasis und einem solchen Konverter-Werkzeugelement kann aufgrund der ermöglichten Kommunikation besonders vielseitig und sicher einsetzbar sein.
-
Beispielsweise kann eine vorzugsweise in die Werkzeugbasis integrierte Steuerungs- und/oder Regelungseinheit des Ultraschallantriebs dazu eingerichtet sein, eine Steuerung bzw. Regelung unter Berücksichtigung eines oder mehrerer derart übertragbarer Betriebsparameter zu realisieren. Analog kann eine vorzugsweise in die Werkzeugbasis und/oder das Konverter-Werkzeugelement integrierte Sicherungseinrichtung dazu eingerichtet sein, eine Implementation mindestens eines Sicherheitsmechanismus und/oder -prozesses (z.B. einen Überhitzungsschutz) unter Berücksichtigung mindestens eines derart übertragbaren Betriebsparameters zu realisieren.
-
Vorzugsweise ist das Ultraschallwerkzeug als (tragbares) Handgerät ausgebildet, beispielsweise mit einer Masse von höchstens 5kg, höchstens 2,5kg oder höchstens 1 kg. Es kann insbesondere dazu eingerichtet sein, im Bastel- bzw. Heimwerkerbedarf verwendet zu werden (beispielsweise zum Schneiden, Sägen, Bohren, Prägen, Gravieren oder Stanzen), oder es kann als Küchenwerkzeug (z.B. für den professionellen und/oder für den Haushaltsbedarf) ausgebildet sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein erfindungsgemäßes Konverter-Werkzeugelement spülmaschinengeeignet abgedichtet.
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass einzelne Elemente und Komponenten auch anders kombiniert werden können als dargestellt.
-
Es zeigen schematisch:
- 1: ein herkömmliches Ultraschallwerkzeug; und
- 2: eine exemplarische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwerkzeugs mit einer erfindungsgemäßen Werkzeugbasis und einem erfindungsgemäßen Konverter-Werkzeugelement.
-
In 1 ist ein exemplarisches herkömmliches Ultraschallwerkzeug 100 dargestellt. Es weist einen Ultraschallantrieb auf, der eine Elektronik 110 zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung und einen damit verbundenen Konverter 120 zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen umfasst; die Elektronik ist dabei an eine (nicht dargestellte) Stromquelle angeschlossen oder anzuschließen.
-
Das Ultraschallwerkzeug 100 umfasst zudem ein Einsatzwerkzeug 130, das mittels des Konverters 120 zur Oszillation in Ultraschallfrequenz angeregt werden kann. Im gezeigten Fall ist das Einsatzwerkzeug als eine Klinge ausgebildet, die auswechselbar mit dem Gehäuse des Ultraschallwerkzeugs verbunden ist; im dargestellten Beispiel ist ein Abschnitt des Einsatzwerkzeugs zur sicheren Halterung in eine Kassette 140 des Gehäuses eingesetzt. Die Kassette 140 weist einen Verschlussmechanismus 141 auf, der mittels eines separaten (nicht dargestellten) Werkzeugs betätigt werden kann.
-
Da ein mögliches Auswechselwerkzeug, das anstelle des Einsatzwerkzeugs 130 in das Ultraschallwerkzeug 100 eingesetzt werden können soll, mit dem Konverter 120 hinsichtlich Geometrie und Frequenzabstimmung kompatibel sein muss, ist die Auswahl verwendbarer Auswechselwerkzeuge beschränkt. Damit gleichwohl eine gewisse Variationsbreite gewährleistet ist, ist der Konverter 120 nicht spezifisch an das Einsatzwerkzeug 130 angepasst.
-
In 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwerkzeugs 1 schematisch dargestellt. Es umfasst eine erfindungsgemäße Werkzeugbasis 10 und ein (dazu passendes) erfindungsgemäßes Konverter-Werkzeugelement 20. In der gezeigten Situation sind die Werkzeugbasis 10 und das Konverter-Werkzeugelement 20 lösbar miteinander verbunden.
-
Die Werkzeugbasis 10 weist eine Elektronik 11 zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung auf. Als Stromquelle für die Elektronik kann das Ultraschallwerkzeug 1 beispielsweise eine Batterie oder einen Akkumulator umfassen, oder das Ultraschallwerkzeug 1 kann mittels eines Netzkabels anzuschließen sein (jeweils nicht dargestellt).
-
Eine Basisschnittstelle 12 der Werkzeugbasis dient einer Verbindung der Werkzeugbasis 10 mit dem Konverter-Werkzeugelement 20 (an dessen Anschlussschnittstelle 22), das als eine eigenständige Wechseleinheit ausgebildet ist. Die Basisschnittstelle kann beispielsweise ein Einsteck-, ein Einklick-, ein Klemm-, ein Schraub- und/oder ein Bajonettverbindungselement umfassen, das dazu eingerichtet ist, mit einem entsprechenden Anschlusselement des auswechselbaren Konverter-Werkzeugelements 20 bzw. dessen Anschlussschnittstelle 22 zusammenzuwirken (jeweils nicht dargestellt). So kann ein einfaches, sicheres und schnelles Lösen und Anschließen des Konverter-Werkzeugelements 20 bzw. eines anderen Konverter-Werkzeugelements ermöglicht werden, bei dem jeweils kein Eingriff in das fragile Hochfrequenzschwingsystem erforderlich ist.
-
Elektrische Kontakte 13 der Basisschnittstelle 11 werden beim Anschließen eines jeweiligen Konverter-Werkzeugelements 20 mit zugehörigen elektrischen Kontakten 23 der Anschlussschnittstelle 22 verbunden, so dass ein Konverter 21 des Konverter-Werkzeugelements 20 (der beispielsweise eine piezoelektrische Keramik enthalten kann) die Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen umwandeln und so das Einsatzwerkzeug 25 antreiben kann, das im dargestellten Beispiel als eine Klinge ausgebildet ist.
-
Als Teil der eigenständigen Wechseleinheit, die das Konverter-Werkzeugelement 20 darstellt, ist der Konverter vorzugsweise auf die geometrische Form und das Schwingungsverhalten des Einsatzwerkzeugs 25 abgestimmt und so für dieses optimiert. Dadurch kann eine besonders hohe Lebensdauer des Einsatzwerkzeugs sowie eine große Effizienz bei dessen Verwendung erzielt werden. Beispielsweise ein (nicht dargestelltes) Einsatzwerkzeug, das aufgrund seiner geometrischen Form bzw. Größe ein anderes Schwingungsverhalten aufweist als das gezeigte Einsatzwerkzeug 25, kann als Teil eines anderen Konverter-Werkzeugelements mit einem anderen, entsprechend passenden Konverter anstelle des Konverter-Werkzeugelements 20 mit der Werkzeugbasis 10 kombiniert werden, die damit universell für eine Vielzahl von Einsatzwerkzeugen einsetzbar ist.
-
Das Einsatzwerkzeug 25 des Konverter-Werkzeugelements 20 kann ebenfalls auswechselbar sein (nicht dargestellt), so dass der Konverter 21 auch mit einem anderen, passenden Einsatzwerkzeug (dessen Größe beispielsweise im Bereich von 85% - 115% einer Größe des Einsatzwerkzeugs 25 liegt) kombiniert werden kann. Somit ergibt sich für eine Werkzeugbasis eine besonders breite Variationsmöglichkeit unter Vermeidung einer großen Anzahl an dazu benötigten identischen oder ähnlichen Konvertern.
-
Im dargestellten Beispiel weisen die Basisschnittstelle 12 der Werkzeugbasis und die Anschlussschnittstelle 22 des Konverter-Werkzeugelements 20 jeweils einen Kontakt 14 bzw. 24 zur Übertragung und/oder Aufnahme eines oder mehrerer Betriebsparameter wie beispielsweise einer Betriebsfrequenz, einer Betriebsspannung und/oder mindestens einer Regelungsgröße (z.B. einer Temperatur des Konverters und/oder des Einsatzwerkzeugs) auf. Wie oben beschrieben, kann eine vorzugsweise in die Werkzeugbasis und/oder das Konverter-Werkzeugelement integrierte Sicherungseinrichtung und/oder Steuerungs- und/oder Regelungseinheit des Ultraschallantriebs dazu eingerichtet sein, eine Implementation mindestens eines Sicherheitsmechanismus und/oder-prozesses bzw. eine Steuerung bzw. Regelung unter Berücksichtigung eines oder mehrerer derart übertragbarer Betriebsparameter zu realisieren.
-
Offenbart ist eine Werkzeugbasis 10 für ein Ultraschallwerkzeug 1, die eine Elektronik 11 zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung sowie eine Basisschnittstelle 12 mit elektrischen Kontakten 13 umfasst, an der ein auswechselbares Konverter-Werkzeugelement 20 mit einem Konverter 21 zum Umwandeln der Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen angeschlossen ist oder werden kann.
-
Offenbart ist ferner ein Konverter-Werkzeugelement 20 für ein Ultraschallwerkzeug 1. Das Konverter-Werkzeugelement umfasst einen Konverter 21 zum Umwandeln einer Hochfrequenzspannung in mechanische Schwingungen und ein Einsatzwerkzeug 25. Das Konverter-Werkzeugelement weist eine Anschlussschnittstelle 22 zum Anschluss an eine Werkzeugbasis 10 mit einer Elektronik zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung auf.
-
Offenbart ist zudem ein Ultraschallwerkzeug 1 mit Werkzeugbasis 10 und Konverter-Werkzeugelement 20.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Ultraschallwerkzeug
- 10
- Werkzeugbasis
- 11
- Elektronik zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung
- 12
- Basisschnittstelle
- 13
- elektrischer Kontakt der Basisschnittstelle
- 14
- Kontakt an der Basisschnittstelle zur Übertragung und/oder Aufnahme mindestens eines Betriebsparameters
- 20
- Konverter-Werkzeugelement
- 21
- Konverter
- 22
- Anschlussschnittstelle
- 23
- elektrischer Kontakt der Anschlussschnittstelle
- 24
- Kontakt an der Anschlussschnittstelle zur Übertragung und/oder Aufnahme einer mindestens eines Betriebsparameters
- 25
- Einsatzwerkzeug
- 100
- herkömmliches Ultraschallwerkzeug
- 110
- Elektronik
- 120
- Konverter
- 130
- Einsatzwerkzeug
- 140
- Kassette im Gehäuse
- 141
- Verschlussmechanismus
