DE102019130230A1

DE102019130230A1 - Partiell profiliertes Schwingelement

Info

Publication number: DE102019130230A1
Application number: DE102019130230.7A
Authority: DE
Inventors: Ralf Broszeit
Original assignee: Weber Ultrasonics AG
Current assignee: Weber Ultrasonics AG
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-12

Abstract

Schwingelement (1) zum Ausführen mechanischer Ultraschall-Schwingungen, insbesondere für Ultraschallreinigungsvorrichtungen, welches Schwingelement (1) dazu ausgebildet ist, bei einer Arbeitsfrequenz zu schwingen, und welches Schwingelement (1) eine Oberfläche (6) aufweist, die mindestens einen Hochamplitudenbereich (15a, 15b) und mindestens einen Niederamplitudenbereich (16a, 16b, 16c) umfasst. Der Hochamplitudenbereich (15a, 15b) weist eine Oberflächenprofilierung (Pa, Pb) auf, der Niederamplitudenbereich (16a, 16b, 16c) ist hingegen glatt ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schwingelement zum Ausführen mechanischer Ultraschallschwingungen, insbesondere für Ultraschallreinigungsvorrichtungen, welches Schwingelement dazu ausgebildet ist, bei einer Arbeitsfrequenz zu schwingen, und welches Schwingelement eine Oberfläche aufweist, die mindestens einen Hochamplitudenbereich und mindestens einen Niederamplitudenbereich umfasst.
Solche Schwingelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen insbesondere in Ultraschallreinigungsvorrichtungen dazu, infolge mechanischer Anregung zu schwingen und dabei mechanische Leistung an ein Koppelmedium, insbesondere eine Koppelflüssigkeit, zu übertragen.
Die mechanische Anregung des Schwingelements erfolgt über einen Konverter, beispielsweise ein piezoelektrisches Element. Dafür wandelt der Konverter eine elektrische Wechselspannung (Schwingung) in eine mechanische Anregungsschwingung um. Die mechanische Anregungsschwingung weist eine Anregungsfrequenz auf und wird auf das Schwingelement übertragen, wodurch dieses in eine Arbeitsschwingung mit einer Arbeitsfrequenz versetzt wird. Insbesondere bei auszubildenden Ultraschallschwingungen liegen die Anregungsfrequenz sowie die Arbeitsfrequenz in einem Resonanzfrequenzbereich des Schwingelementes.
Die Arbeitsschwingung geht mit oszillierenden Bewegungen des Schwingelements einher, sodass sich im Allgemeinen ein örtlich und/oder zeitlich veränderlicher Amplitudenverlauf an der Oberfläche des Schwingelements ausbildet. Liegt die Anregungsfrequenz in einem Resonanzfrequenzbereich des Schwingelements, wird die Ausbildung stehender Wellen begünstigt. Dabei weist der Amplitudenverlauf stark ausgeprägte Schwingungsamplituden auf, die sich jeweils in räumlich unveränderlichen Hochamplitudenbereichen des Schwingelements ausbilden. In den Hochamplitudenbereichen ist die abgegebene mechanische Leistung des Schwingelements überdurchschnittlich hoch. Bei Bereichen, in denen die Schwingungsamplituden hingegen schwach ausgeprägt sind, handelt es sich um Niederamplitudenbereiche, in denen die abgegebene mechanische Leistung entsprechend gering ist.
Um die an das Koppelmedium übertragbare mechanische Leistung des Schwingelements zu erhöhen, kann die Oberfläche des Schwingelements vergrößert werden, indem sie profiliert ausgebildet wird. Führt das Schwingelement eine Schwingbewegung aus, wird über die profilierte Oberfläche im Gegensatz zu einem glatt ausgestalteten Schwingelement eine höhere Leistung an das Koppelmedium abgegeben, wodurch insbesondere die Reinigungswirkung in Ultraschallreinigungsvorrichtungen verbessert wird. Ein derart profiliertes Schwingelement ist z.B. in DE 20 307 648 U1 gezeigt.
Der Nachteil einer profilierten Oberfläche ist allerdings, dass im Zuge ihrer Erzeugung Material des Stabschwingers abgetragen und/oder die Steifigkeit des Schwingelements infolge einer Deformation beeinträchtigt wird. Dies wirkt sich auf die Masse und/oder die Steifigkeit des Schwingelements aus, wodurch das Schwingelement „verstimmt“ und sein Resonanzfrequenzbereich in einen anderen Frequenzbereich verlagert wird. Eine Anpassung der Anregungsfrequenz an die verlagerte Resonanzfrequenz ist häufig nicht ohne weiteres möglich, da der Konverter für die mechanische Anregung nur in einem vorgegebenen Frequenzbereich betrieben werden kann, der unter Umständen nicht der veränderten Resonanzfrequenz entspricht. Sofern sich Schwingelemente in ihren mechanischen und geometrischen Eigenschaften unterscheiden, kann die Verlagerung der Resonanzfrequenz ebenso unterschiedlich stark ausgeprägt sein und nur mit hohem Aufwand ermittelt werden. Durch den betragsmäßigen Unterschied zwischen Anregungsfrequenz und dem neu gebildeten Resonanzfrequenzbereich sinkt die übertragbare mechanische Leistung des Schwingelements trotz seiner Oberflächenprofi lierung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die übertragbare Leistung von Schwingelementen zu erhöhen, ohne ihr Schwingverhalten zu verändern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Schwingelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bei einem erfindungsgemäßen Schwingelement handelt es sich um ein Schwingelement zum Ausführen mechanischer Ultraschall-Schwingungen, insbesondere für Ultraschallreinigungsvorrichtungen, welches Schwingelement dazu ausgebildet ist, bei einer Arbeitsfrequenz zu schwingen, und welches Schwingelement eine Oberfläche aufweist, die mindestens einen Hochamplitudenbereich und mindestens einen Niederamplitudenbereich umfasst. Dabei weist der Hochamplitudenbereich eine Oberflächenprofilierung auf. Der Niederamplitudenbereich ist glatt ausgebildet.
Durch Anregung des Schwingelements können sich stehende Welle ausbilden, bei denen die Amplituden einer Arbeitsschwingung des Schwingelements ortsabhängig über die Oberfläche des Schwingelements verteilt sind. Dabei weist die Oberfläche mindestens einen Hochamplitudenbereich und mindestens einen Niederamplitudenbereich auf. Im Hochamplitudenbereich überschreiten die dort auftretenden Amplituden mindestens einen vorgegebenen Grenzwert, z.B. eine mittlere Schwingungsamplitude, im Niederamplitudenbereich wird dieser Grenzwert oder mindestens ein anderer Grenzwert unterschritten. Dabei sind die Schwingungsamplituden in dem Hochamplitudenbereich größer als in dem Niederamplitudenbereich.
Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Schwingelements nur in dem Hochamplitudenbereich eine Oberflächenprofilierung auf, während der Niederamplitudenbereich im Wesentlichen glatt ausgebildet ist. Die Oberflächenprofilierung ist damit nicht durchgehend über die gesamte Oberfläche des Schwingelements ausgebildet, sondern auf den Hochamplitudenbereich beschränkt.
Im Gegensatz zum Stand der Technik macht der Erfinder sich die unterschiedlich stark ausgebildeten Amplituden auf der Oberfläche des Schwingelements während der Arbeitsschwingung zunutze. Da eine Oberflächenprofilierung in den Niederamplitudenbereichen nahezu keine Auswirkung auf die übertragbare Leistung hat, muss sie dort folglich auch nicht auf die Oberfläche des Schwingelements aufgebracht werden, wodurch seine Masse und Geometrie dort nicht beeinträchtigt wird. Dadurch lassen sich die negativen Auswirkungen der Oberflächenprofilierung auf das Schwingverhalten reduzieren, sodass dieses verbessert wird; insbesondere kommt es nicht zu einer Verlagerung des Resonanzfrequenzbereiches des Schwingelements.
Konzentriert sich die Oberflächenprofilierung alleine auf den Hochamplitudenbereich, so lässt sich die übertragene mechanische Leistung gegenüber durchgehend profilierten Schwingelementen sogar steigern. Grund dafür ist, dass der relevante Resonanzfrequenzbereich des Schwingelements durch die lokal eingeschränkten Veränderungen seiner Geometrie nahezu unbeeinträchtigt bleibt.
Damit die Oberflächenprofilierung im Hochamplitudenbereich auf die Oberfläche des Schwingelements aufgebracht werden kann, müssen die Hochamplitudenbereiche sowie die Niederamplitudenbereiche des Schwingelements identifiziert werden. Dies kann anhand eines Amplitudenverlaufs erfolgen, der für die Aufbringung der Oberflächenprofilierung durch Modalanalysen simulativ oder experimentell ermittelt werden kann. Dieser kann Informationen darüber enthalten, welche Amplituden sich an der Oberfläche des Schwingelements einstellen. Daraufhin kann ein Grenzwert definiert werden, der einem beliebigen skalaren Wert, insbesondere einem arithmetischen Mittelwert aller ermittelten Amplituden an der Oberfläche des Schwingelements entsprechen kann. Wird untersucht, in welchen Bereichen des Schwingelements der Amplitudenverlauf den definierten Grenzwert über- oder unterschreitet, lässt sich die Oberfläche in Hochamplitudenbereiche bzw. in Niederamplitudenbereiche einteilen.
Abhängig von der Definition des Grenzwertes können die Hochamplituden- und Niederamplitudenbereiche unterschiedliche Abmessungen, insbesondere unterschiedliche Erstreckungslängen und/oder -breiten, aufweisen. Ferner können mehrere Grenzwerte definiert werden, anhand derer die Hochamplituden- sowie die Niederamplitudenbereiche jeweils in weitere Teilbereiche untergliedert werden können.
Anhand dieser räumlichen Unterteilung kann die Oberflächenprofilierung gezielt nur in den Hochamplitudenbereichen des Schwingelements aufgebracht werden. Die Oberflächenprofilierung kann in Form von regelmäßig oder unregelmäßig angeordneten Vertiefungen oder Erhebungen in/an der Oberfläche des Schwingelements ausgebildet sein. Die Vertiefungen und Erhebungen können durch zerspanende und/oder umformende und/oder urformende und/oder beschichtende Fertigungsverfahren hergestellt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement eine an der Oberfläche verlaufende Erstreckungsachse auf. Entlang der Erstreckungsachse weist das Schwingelement wiederum eine Elementlänge auf, welche Elementlänge einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
In dieser Ausführungsform entspricht die Elementlänge einem Vielfachen einer definierten Länge, sodass eine Verlängerung oder eine Verkürzung des Schwingelementes nur stufenweise erfolgen kann. Durch eine Abstufung der Elementlänge auf ein Vielfaches einer halben Wellenlänge, können insbesondere die Vorteile der Ausbildung stehender Wellen ausgenutzt werden.
Bei der Arbeitsschwingung, d.h. im Betrieb des Schwingelements wird eine Welle, insbesondere eine stehende Welle, über die gesamte Elementlänge des Schwingelements ausgebildet, und kann durch eine Wellenlänge charakterisiert werden. Die Hälfte der Wellenlänge beschreibt einen Abstand, in dem das Schwingelement mindestens einen Bereich überdurchschnittlich hoher oberflächlicher Auslenkung (Wellenberg) sowie mindestens einen Bereich niedriger oberflächlicher Auslenkung (Wellental) aufweist, welche jeweils dem Hochamplitudenbereich bzw. dem Niederamplitudenbereich zugeordnet werden können. Wird die Elementlänge demnach stufenweise in ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz ausgebildet, weist jedes Segment mindestens einen Hochamplitudenbereich auf. Somit geht jede konstruktive Veränderung der Elementlänge mit der Aufbringung eines Hochamplitudenbereichs einher, welcher durch die Oberflächenprofilierung die übertragbare mechanische Leistung auf ein Koppelmedium erhöht.
Die Erstreckungsachse beschränkt das erfindungsgemäße Schwingelement nicht auf Bauformen, bei denen das Schwingelement im Wesentlichen entlang der Erstreckungsachse ausgebildet sein muss. Dadurch gelten die Ausführungen allgemeingültig für stabförmige Schwingelemente ebenso wie für flächig und/oder volumenförmig ausgebildete Schwingelemente wie z.B. Membranen, Bleche oder Bälge.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement auf der Erstreckungsachse einen Einkoppelpunkt zum Einkoppeln einer mechanischen Anregung und mindestens einen Hochamplitudenpunkt auf, um den herum der Hochamplitudenbereich angeordnet ist, welcher Einkoppelpunkt in einem Abstand zu dem Hochamplitudenpunkt angeordnet ist, welcher Abstand einem ungeradzahligen Vielfachen einer Viertel-Wellenlänge einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Der Einkoppelpunkt entspricht einem Punkt, an dem die Anregungsschwingung in das Schwingelement eingeleitet wird. Die Anregung kann dabei in idealisierter Weise über mindestens einen Punkt erfolgen, der dem Einkoppelpunkt entspricht, oder über mindestens eine Anregungsfläche, welche den Einkoppelpunkt umfasst. Die Anregungsfläche kann auch durch einen flächigen Kontakt des Schwingelements zum Konverter ausgebildet sein.
Durch geeignete konstruktive Festlegung des Einkoppelpunktes kann auf eine aufwändige simulative und/oder experimentelle Lokalisierung des Hochamplitudenbereiches verzichtet werden. Dies liegt daran, dass sich insbesondere bei einer Anregung im Resonanzfrequenzbereich stehende Wellen an der Oberfläche des Schwingelements ausbilden können. Dies geht mit einem oder mehreren lokalen Maxima im Amplitudenverlauf an der Oberfläche des Schwingelements einher, die jeweils in einem Abstand eines ungeradzahligen Vielfachen einer Viertel-Wellenlänge von dem Einkoppelpunkt beabstandet sind. Der Hochamplitudenpunkt entspricht dem Punkt, an dem sich ein lokales Maximum im Amplitudenverlauf an der Oberfläche des Schwingelements ausbildet. Im Falle mehrerer lokaler Maxima kann das Schwingelement eine entsprechende Anzahl an Hochamplitudenpunkten aufweisen.
Ausgehend vom Hochamplitudenpunkt, an dem der Amplitudenverlauf ein lokales Maximum aufweist, nimmt die Amplitude stetig ab. Somit liegt die Amplitude in unmittelbarer Nähe zum Hochamplitudenpunkt oberhalb eines ermittelten Grenzwertes, der zur Definition des Hochamplitudenbereichs herangezogen werden kann. Dadurch grenzt der Hochamplitudenbereich unmittelbar am Hochamplitudenpunkt an oder umschließt diesen ganz oder teilweise.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Schwingelement einen Hochamplitudenbereich auf, der sich entlang der Erstreckungsachse ausgehend von dem Hochamplitudenpunkt über höchstens ein Achtel der Wellenlänge einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz erstreckt.
Die benannte maximale Erstreckungslänge für den Hochamplitudenbereich beruht auf Erfahrungswerten des Erfinders und kann bei der Konstruktion des Schwingelements als Richtwert für die Ausbildung der Oberflächenprofilierung verwendet werden. Dadurch kann die analytische Identifikation von Grenzwerten zur räumlichen Einschränkung des Hochamplitudenbereiches entfallen, wodurch Entwicklungs- und Konstruktionszeiten verkürzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Schwingelement auf der Erstreckungsachse einen Niederamplitudenpunkt auf, um den herum der Niederamplitudenbereich angeordnet ist. Der Einkoppelpunkt ist zu dem Niederamplitudenpunkt in einem Abstand angeordnet, welcher Abstand einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Analog zur Ausbildung des Hochamplitudenbereiches um den Hochamplitudenpunkt ist insbesondere im Fall stehender Wellen davon auszugehen, dass sich der Niederamplitudenbereich um den Niederamplitudenpunkt ausbildet. Je nach Elementlänge, welche vorzugsweise einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht, ist ein Niederamplitudenpunkt bzw. sind mehrere Niederamplitudenpunkte (jeweils) in einem Abstand zum Einkoppelpunkt beabstandet angeordnet, welcher Abstand einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge der Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Durch diese Regelmäßigkeit kann der Niederamplitudenpunkt als Bezugspunkt bei der Herstellung des Schwingelements herangezogen werden, dessen Oberfläche in dem Niederamplitudenbereich glatt ausgestaltet sein muss. Dies bietet Vorteile bei der Auslegung und Einstellung von Werkzeugen für die Erzeugung glatter Oberflächen. Insbesondere kann der Niederamplitudenpunkt als absolute Bezugsgröße für die Steuerung automatisierter zerspanender Verfahren genutzt werden. Dadurch reduzieren sich mögliche Fertigungsabweichungen, insbesondere bei großen Schwingelementlängen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Schwingelement eine Oberflächenprofilierung auf, welche eine Vertiefung in der Oberfläche des Schwingelements umfasst. Die Vertiefung weist dabei eine Vertiefungslänge, eine Vertiefungsbreite und eine maximale Profiltiefe auf.
Die Ausbildung einer Vertiefung an bzw. in der Oberfläche des Schwingelements ist vorteilhaft, weil deren geometrische Merkmale mit gängigen zerspanenden Verfahren einfach hergestellt werden können. Im Gegensatz zu aufzubringenden Erhebungen an der Oberfläche muss kein Stoffschluss geschaffen werden, der durch eine hochfrequente Schwingung des Schwingelements beeinträchtigt oder gar aufgelöst werden kann.
Insbesondere Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide sind vorteilhaft zur Ausbildung der Vertiefungen, da deren geometrische Merkmale mit hoher Wiederholbarkeit gefertigt werden können. Damit lassen sie sich sowohl an der Oberfläche eines einzelnen Schwingelements replizieren oder sich unter Wahrung enger Toleranzgrenzen auf andere Schwingelemente übertragen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung betrifft ein Schwingelement, bei dem die maximale Profiltiefe höchstens ein Fünfundzwanzigstel, insbesondere ein Zwanzigstel, vorzugsweise ein Fünfzehntel, höchst vorzugsweise ein Zehntel einer Schwingelementdicke entspricht.
Neben der erfindungsgemäß räumlichen Eingrenzung der Oberflächenprofilierung auf dem Schwingelement kann die Begrenzung der maximalen Profiltiefe der Vertiefung dazu genutzt werden, um die negative Beeinflussung des Schwingverhaltens zu minimieren.
Dem Erfinder ist es gelungen, einen maximalen Grenzwert zu definieren, bis zu dem die Vertiefung in ihrer Profiltiefe in einen Grundkörper des Schwingelements hineinragen kann, ohne dessen Schwingverhalten negativ zu beeinflussen. Dieser Grenzwert kann sich allerdings in Relation zur Schwingelementdicke verändern, weswegen diese als Bezugsgröße herangezogen wird.
Eine Einhaltung der Grenzwerte, welche die maximale Profiltiefe in einem Verhältnis zur Schwingelementdicke angeben, erlaubt die Wahrung von Resonanzfrequenzbereichen und vermeidet die Verstimmung des Schwingelements.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Schwingelement eine Vertiefung auf, die in einem (Profil-)Querschnitt trapezförmig ausgestaltet ist, und zwei Trapezflanken sowie einen Trapezgrund aufweist.
Während der Schwingung bewegt sich das Schwingelement in einer Bewegungsrichtung. Ist die Oberfläche des Schwingelements in einem Bereich orthogonal zu dieser Bewegungsrichtung ausgerichtet, so übt das Schwingelement im Wesentlichen Normalkräfte auf das ihn umgebende Koppelmedium aus. Ist die Oberfläche des Schwingelements hingegen parallel zur Bewegungsrichtung ausgerichtet, so übt das Schwingelement in diesem Bereich Scherkräfte aus, welche das Koppelmedium geringer beeinflussen als Normalkräfte.
Durch die Trapezform kann erreicht werden, dass alle Seiten der Vertiefung, insbesondere die Trapezflanken, während einer Schwingung zumindest anteilig orthogonal zur Bewegungsrichtung der Oberfläche ausgerichtet sind. Dadurch kann die übertragbare Leistung auf das Medium erhöht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Schwingelement mehrere trapezförmige Vertiefungen an der Oberfläche im Bereich der Oberflächenprofilierung auf.
Durch die Vervielfältigung der trapezförmigen Vertiefung an der Oberfläche des Schwingelements lassen sich die positiven Effekte einer einzelnen trapezförmigen Vertiefung verstärken. Dies geht insbesondere mit der Erhöhung der übertragenen Leistung einher. Ferner kann durch eine einheitliche Gestaltung der trapezförmigen Vertiefungen im Bereich der Oberflächenprofilierung der Konstruktionsaufwand verringert werden, da identische Konstruktionsschritte insbesondere bei großflächig ausgebildeten Oberflächenprofilierungen wiederholt angewandt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Schwingelement trapezförmige Vertiefungen auf, die entlang ihrer Vertiefungslängen parallel zueinander ausgebildet sind.
Durch winkelig zulaufende, insbesondere spitzwinkelig zulaufende, sich überkreuzende Vertiefungen können mechanisch anfällige, dünnwandige Profilbereiche entstehen, was durch eine parallele Ausrichtung der Vertiefungen vermieden werden kann. Dies ist vorteilhaft, da insbesondere zerspanende Fertigungsverfahren in der Herstellung dünnwandiger Profile in ihren Prozessparametern wie Schnittgeschwindigkeit oder Vorschub angepasst werden müssten. Durch eine parallele Ausrichtung der Vertiefungen sinkt die Fehleranfälligkeit in der Fertigung trapezförmiger Vertiefungen, wodurch die Qualität der Schwingelemente gesteigert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Schwingelements umfasst dieses trapezförmige Vertiefungen, welche parallel verlaufend paarweise in einem konstanten Profilabstand zueinander angeordnet sind.
Durch die parallele Ausbildung konstant beabstandeter Vertiefungen lässt sich über den gesamten Bereich der entsprechenden Oberflächenprofilierung ein einheitliches Schwingungsbild erzeugen. Insbesondere im Einsatz des Schwingelements in einer Ultraschallreinigungsvorrichtung kann dies zu Vorteilen führen, da hierdurch eine gleichmäßige Reinigung einer zu säubernden Oberfläche erfolgen kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement ein konstantes erstes Längenverhältnis zwischen dem Profilabstand und einer Länge der Trapezflanke und/oder ein konstantes zweites Längenverhältnis zwischen dem Profilabstand und einer Breite des Trapezgrundes auf.
Über die Ausbildung konstanter Geometrieverhältnisse lässt sich bei der Konstruktion des Schwingelements ohne aufwändige Simulationen oder Berechnung abschätzen, wie groß der Leistungszuwachs infolge einer Oberflächenprofilierung an der Oberfläche des Schwingelements sein kann. Soll insbesondere ein vorgegebener Leistungszuwachs erreicht werden, können das erste Längenverhältnis und/oder das zweite Längenverhältnis als Stellgrößen dienen, die schrittweise angepasst werden können, um den vorgegebenen Leistungszuwachs bei einer gegebenen Fläche des Hochamplitudenbereiches erreichen zu können. Damit wird die Konstruktionsdauer des Schwingelements verkürzt, und eine fehlerhafte Anpassung ungeeigneter Konstruktionsparameter wird vermieden. Ferner wird das Schwingungsbild durch eine einheitliche Oberflächenprofilierung homogenisiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement Vertiefungen auf, die paarweise in mindestens zwei unterschiedlichen Profilabständen voneinander beabstandet sind.
Im Gegensatz zur Ausbildung homogen verteilter Vertiefungen im Hochamplitudenbereich können so die Vertiefungen auf bestimmte Teilbereiche des Hochamplitudenbereiches konzentriert werden. Dies kann erforderlich sein, wenn der Amplitudenverlauf innerhalb des Hochamplitudenbereiches inhomogen ausgebildet ist und die Amplituden insbesondere in den Randbereichen des Hochamplitudenbereiches niedriger sind als in seinem innenliegenden Abschnitt.
Durch eine Ausbildung unterschiedlicher Profilabstände kann z.B. erreicht werden, dass die Randbereiche des Hochamplitudenbereiches eine höhere Anzahl an Vertiefungen aufweisen als der innenliegende Abschnitt, um die abgegebene Leistung in diesen Randbereichen zu erhöhen.
Alternativ können zur Erreichung örtlicher Leistungsspitzen bevorzugt Vertiefungen überwiegend in einem innenliegenden Abschnitt des Hochamplitudenbereiches ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Schwingelements handelt es sich bei dem Schwingelement um einen Stabschwinger oder einen Membranschwinger.
Stabschwinger und Membranschwinger weisen charakteristische Bauformen auf, die insbesondere im Einsatz von Ultraschallreinigungsvorrichtungen weit verbreitet sind. Eine Ausbildung des Schwingelements als Stabschwinger und Membranschwinger geht folglich mit dem Vorteil einher, dass das Schwingelement in unterschiedlichen Arten von Ultraschallreinigungsvorrichtungen eingesetzt werden kann. Damit beschränkt sich der Absatzmarkt des Schwingelements nicht nur auf Sonderlösungen im Bereich der Ultraschallreinigungsvorrichtungen, da das Schwingelement als nachrüstbares Bauelement für gängige Ultraschallreinigungsvorrichtungen verwendet werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement im Bereich der Oberfläche eine Oberflächenprofilierung mit einer Beschichtung auf, insbesondere einer Hochleistungspolymerbeschichtung.
Da durch die Vergrößerung der Oberfläche die Kopplung insbesondere an das Koppelmedium verbessert wird und somit die Schallintensität steigt, können Kavitationsschäden an der profilierten schallabgebenden Fläche schneller entstehen. Dies kann zur Folge haben, dass profilierte Ultraschallschwinger eine kürzere Lebensdauer haben. Dem kann entgegengewirkt werden, wenn die Fläche mit einer Beschichtung aus einem Hochleistungspolymer oder einem anderen geeigneten Werkstoff versehen wird. Hochleistungspolymere sind Kunststoffe, welche gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Gleichzeitig kann durch Aufbringung einer Beschichtung eine Resistenz gegen aggressive Chemikalien bewirkt werden.
In weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Schwingelement eine Beschichtung mit einer Dicke von höchstens einem Fünfundzwanzigstel, insbesondere eine Zwanzigstel, vorzugsweise einem Fünfzehntel, höchst vorzugsweise einem Zehntel der maximalen Profiltiefe auf.
Eine Begrenzung der Beschichtungsdicke geht mit dem Vorteil einher, dass die Profilierung nur geringfügig durch die Aufbringung der zusätzlichen Beschichtung beeinflusst wird. Dadurch erhöht sich die Masse des Schwingelements nur unwesentlich, wodurch sein Resonanzfrequenzbereich nicht beeinträchtigt wird.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren zu entnehmen.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Stabschwingers, der bereichsweise eine Oberflächenprofilierung aufweist und bereichsweise glatt ist mit einer schematischen Darstellung der Oberflächenamplituden während seiner Arbeitsschwingung;
2 zeigt eine erste Oberflächenprofilierung mit trapezförmigen Vertiefungen, welche konstant beabstandet sind;
3 zeigt eine zweite Oberflächenprofilierung mit trapezförmigen Vertiefungen, welche nicht konstant beabstandet sind;
4 zeigt einen Stabschwinger, dessen Profilierung entlang seiner Längsachse ausgerichtet ist; und
5 zeigt einen Stabschwinger, dessen Profilierung spiralförmig um seine Längsachse ausgerichtet ist.

1 zeigt einen Stabschwinger 1, welcher über ein Anschlusselement 2 mechanisch an einen Konverter 3 gekoppelt ist, z.B. einen piezoelektrischen Konverter, der ein elektrisches Anregungssignal in eine mechanische Schwingung umsetzt. Der Stabschwinger weist eine Erstreckungsachse 4 auf, entlang derer er eine Elementlänge 5 aufweist. Ferner weist der Stabschwinger 1 einen Durchmesser D auf.
Der Stabschwinger 1 wird bevorzugt in einer Ultraschallreinigungsvorrichtung eingesetzt, in der er durch den Konverter 3 zu mechanischen Schwingungen angeregt wird. Die Anregung erfolgt über das Anschlusselement 2, indem eine Anregungsschwingung über einen Einkoppelpunkt 9 in den Stabschwinger 1 eingeleitet wird. Während der Schwingung befindet sich der Stabschwinger 1 in Kontakt mit einer nicht dargestellten Koppelflüssigkeit und gibt seine mechanische Leistung an diese ab, um einen mechanischen Reinigungseffekt an einer verunreinigten Oberfläche (eines Werkstücks oder dgl.) zu erreichen, welche Oberfläche ebenfalls nicht dargestellt ist und ihrerseits mit dem Koppelmedium in Kontakt steht.
Die Anregungsschwingung des Konverters 3 weist eine Anregungsfrequenz auf, die bevorzugt im Bereich einer Resonanzfrequenz des Stabschwingers 1 liegt. Dadurch bildet sich eine stehende Welle 7 an der Oberfläche 6 des Stabschwingers 1 aus, die durch einen ortsabhängigen Amplitudenverlauf 8 gekennzeichnet ist.
Die stehende Welle 7 weist eine Wellenlänge Ä auf, die zu Darstellungszwecken gerade der Elementlänge 5 des Stabschwingers 1 entspricht. Die Elementlänge 5 kann einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge λ/2 entsprechen.
Entlang der Erstreckungsachse 4 weist der Stabschwinger 1 Hochamplitudenpunkte 10a, 10b sowie Niederamplitudenpunkte 11a, 11 b und 11c auf.
Um die Hochamplitudenpunkte 10a und 10b herum weist die Oberfläche 6 des Stabschwingers 1 jeweils Hochamplitudenbereiche 15a und 15b mit Oberflächenprofilierungen Pa und Pb auf. Die Oberflächenprofilierungen Pa, Pb weisen parallel zueinander verlaufende Vertiefungen V auf, welche quer zur Erstreckungsachse 4 ausgerichtet sind und mit einer Hochleistungspolymerbeschichtung B versehen sind.
Die Erstreckungslängen der Hochamplitudenbereiche 15a und 15b entsprechen jeweils dem Doppelten einer Achtel Wellenlänge 17 und sind jeweils zu beiden Seiten der Hochamplitudenpunkte 10a und 10b ausgebildet.
Um die Niederamplitudenpunkte 11a, 11b und 11c herum ist die Oberfläche 6 des Stabschwingers 1 in den Bereichen Na, Nb, Nc im Wesentlichen glatt ausgebildet. Die glatt ausgebildeten Bereiche Na, Nb, Nc erstrecken sich entlang der Erstreckungsachse 4 über einen jeweiligen Niederamplitudenbereich 16a, 16b und 16c.
Aufgrund der gezeigten relativen Lage des Stabschwingers 1 zu dem Konverter 3 stellt der Stabschwinger 1 einen einseitig eingespannten Stabschwinger 1 dar. Daher befindet sich der Niederamplitudenpunkt 11a an derselben Position wie der Einkoppelpunkt 9.
Die Abstände der Niederamplitudenpunkte 11a, 11b, 11c zu den jeweils benachbarten Hochamplitudenpunkten 10a und 10b entsprechen einer Viertel-Wellenlänge 13.
Die jeweils zueinander benachbarten Niederamplitudenpunkte 11a und 11b sowie 11b und 11c sind in einem Abstand einer halben Wellenlänge 14 voneinander beabstandet. Dies gilt ebenso für die Abstände zwischen den benachbarten Hochamplitudenpunkten 10a und 10b.
Die Oberflächenprofilierungen Pa und Pb des Stabsschwingers 1 können identische oder aber unterschiedliche geometrische Ausprägungen aufweisen. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Oberflächenprofilierung Pa ist in 2 dargestellt.
Die Oberflächenprofilierung Pa weist Vertiefungen V auf, welche im Querschnitt trapezförmig ausgebildet sind. Zwei benachbarte Vertiefungen V sind in einem konstanten Profilabstand 20 zueinander angeordnet und weisen jeweils eine Profiltiefe 21, jeweils zwei Trapezflanken 22 sowie einen Trapezgrund 23 auf. Die Trapezflanken weisen jeweils eine Länge 24 und der Trapezgrund eine Breite 25 auf.
Die Hochleistungspolymerbeschichtung B ist in einem Teilbereich der Oberflächenprofilierung Pa aufgebracht, kann sich jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen über den gesamten Bereich der Oberflächenprofilierung Pa erstrecken. Die Schichtdicke der Hochleistungspolymerbeschichtung entspricht etwa einem Zehntel der Profiltiefe 21, welche ihrerseits etwa einem Zehntel des Durchmessers D entspricht.
Die Oberflächenprofilierung Pa ist durch ein konstantes Verhältnis zwischen dem Profilabstand 20 und der Länge einer Trapezflanke 24 sowie durch ein konstantes Verhältnis zwischen dem Profilabstand 20 und der Breite eines Trapezgrundes 25 gekennzeichnet.
Im Vergleich zu einem (nicht dargestellten) Stabschwinger mit einer Oberfläche, die in ihrem Hochamplitudenbereich keine Oberflächenprofilierung aufweist, kann die Oberflächenvergrößerung infolge der Oberflächenprofilierung Pa über den Profilabstand 20, die Länge einer Trapezflanke 24 sowie durch das konstante Verhältnis zwischen dem Profilabstand 20 und der Breite eines Trapezgrundes 25 unter geringem Aufwand berechnet werden.
Unter Annahme beispielhafter Abmessungen für einen Stabschwinger mit einem Durchmesser D von 50 mm und einer Oberflächenprofilierung Pa, welche sich über eine Länge von 45 mm erstreckt, einen Profilabstand 20 von 3 mm aufweist, eine Länge einer Trapezflanke 24 von 2 mm aufweist und eine Breite der Trapezgrunde 25 von 1 mm aufweist, kann infolge der Oberflächenprofilierung eine Oberflächenvergrößerung von 25% erreicht werden. Dieser Wert lässt sich steigern, indem die jeweiligen Abmessungen der Oberflächenprofilierung vergrößert werden.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Oberflächenprofilierung Pb ist in 3 gezeigt.
Die Oberflächenprofilierung Pb weist Vertiefungen V auf, welche trapezförmig ausgebildet sind. Im Gegensatz zur Oberflächenprofilierung Pa ist ein erster Profilabstand 26 von einem zweiten Profilabstand 27 verschieden. Ebenso ist eine erste Breite eines Trapezgrundes 28 verschieden von einer zweiten Breite eines (anderen) Trapezgrundes 29.
Damit ergeben sich jeweils ungleiche Verhältnisse zwischen dem ersten Profilabstand 26 und den Breiten 28 oder 29 bzw. dem zweiten Profilabstand 27 und den Breiten 28 oder 29.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Stabschwingers 30 mit Bezugszeichen, die denen der 1 entsprechen.
Im Gegensatz zum Stabschwinger 1 gemäß der 1 weist der Stabschwinger 30 Vertiefungen V in den Bereichen mit den Oberflächenprofilierungen Pa und Pb auf, welche parallel zur Erstreckungsachse 4 ausgebildet sind.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Stabschwingers 30 mit Bezugszeichen, die denen in 1 und 4 entsprechen.
Im Gegensatz zu den Stabschwingern 1 (1) und 30 (4) weist der Stabschwinger 31 gemäß 5 Vertiefungen V in den Bereichen mit den Oberflächenprofilierungen Pa und Pb auf, welche spiralförmig um die Längsachse des Stabschwingers 31 verlaufen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20307648 U1 [0005]

Claims

Schwingelement (1, 30, 31) zum Ausführen mechanischer Ultraschall-Schwingungen, insbesondere für Ultraschallreinigungsvorrichtungen, welches Schwingelement (1, 30, 31) dazu ausgebildet ist, bei einer Arbeitsfrequenz zu schwingen, und welches Schwingelement (1, 30, 31) eine Oberfläche (6) aufweist, die mindestens einen Hochamplitudenbereich (15a, 15b) und mindestens einen Niederamplitudenbereich (16a, 16b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochamplitudenbereich (15a, 15b) eine Oberflächenprofilierung (Pa, Pb) aufweist und der Niederamplitudenbereich (16a,16b) glatt ausgebildet ist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 1, welches eine an der Oberfläche (6) verlaufende Erstreckungsachse (4) aufweist, entlang der das Schwingelement (1, 30, 31) eine Elementlänge (5) aufweist, welche Elementlänge (5) einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge (14) einer Schwingung des Schwingelements (1, 30, 31) bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 2, welches auf der Erstreckungsachse (4) einen Einkoppelpunkt (9) zum Einkoppeln einer mechanischen Anregung und mindestens einen Hochamplitudenpunkt (10a, 10b) aufweist, um den herum der Hochamplitudenbereich (15a,15b) angeordnet ist, und bei dem der Einkoppelpunkt (9) in einem Abstand zu dem Hochamplitudenpunkt (10a, 10b) angeordnet ist, welcher Abstand einem ungeradzahligen Vielfachen einer Viertel-Wellenlänge (13) einer Schwingung des Schwingelements (1, 30, 31) bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 3, bei dem der Hochamplitudenbereich (15a,15b) sich entlang der Erstreckungsachse (4) ausgehend von dem Hochamplitudenpunkt (10a, 10b) über höchstens ein Achtel-Wellenlänge (17) einer Schwingung des Schwingelements (1, 30, 31) bei der Arbeitsfrequenz erstreckt.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 3 oder 4, welches auf der Erstreckungsachse (4) einen Niederamplitudenpunkt (11a, 11b, 11c) aufweist, um den herum der Niederamplitudenbereich (16a, 16b) angeordnet ist, und bei dem der Einkoppelpunkt (9) zu dem Niederamplitudenpunkt (11a, 11b, 11c) in einem Abstand angeordnet ist, welcher Abstand einem geradzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge (14) einer Schwingung des Schwingelements bei der Arbeitsfrequenz entspricht.
Schwingelement (1, 30, 31) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Oberflächenprofilierung (Pa, Pb) eine Vertiefung (V) in der Oberfläche (6) des Schwingelements (1, 30, 31) umfasst, welche Vertiefung (V) eine Vertiefungslänge, eine Vertiefungsbreite und eine maximale Profiltiefe (21) aufweist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 6, bei dem die maximale Profiltiefe höchstens einem Fünfundzwanzigstel, insbesondere einem Zwanzigstel, vorzugsweise einem Fünfzehntel, höchst vorzugsweise einem Zehntel einer Schwingelementdicke (D) entspricht.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Vertiefung in einem Profilquerschnitt trapezförmig ausgestaltet ist und zwei Trapezflanken (22) sowie einen Trapezgrund (23) aufweist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 8, bei dem mehrere trapezförmige Vertiefungen an der Oberfläche (6) im Bereich der Oberflächenprofilierung vorgesehen sind.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 9, bei dem die trapezförmigen Vertiefungen entlang ihrer Vertiefungslängen parallel zueinander ausgebildet sind.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 10, bei dem die Vertiefungen paarweise in einem konstanten Profilabstand zueinander angeordnet sind.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 11, bei dem ein konstantes erstes Längenverhältnis zwischen dem Profilabstand (20) und einer Länge der Trapezflanke (24) und/oder ein konstantes zweites Längenverhältnis zwischen dem Profilabstand (20) und einer Breite des Trapezgrundes (25) ausgebildet ist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 10, bei dem die Vertiefungen (V) paarweise in mindestens zwei unterschiedlichen Profilabständen (26, 27) voneinander beabstandet sind.
Schwingelement (1, 30, 31) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welches Schwingelement (1, 30, 31) als Stabschwinger oder als Membranschwinger ausgebildet ist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach einem der voranstehenden Ansprüche, bei dem die Oberfläche (6) im Bereich der Oberflächenprofilierung (Pa, Pb) eine Beschichtung (B), insbesondere eine Hochleistungspolymerbeschichtung, aufweist.
Schwingelement (1, 30, 31) nach Anspruch 15 unter Rückbezug auf Anspruch 6, bei dem die Beschichtung (B) eine Dicke von höchstens einem Fünfundzwanzigstel, insbesondere einem Zwanzigstel, vorzugsweise einem Fünfzehntel, höchst vorzugsweise einem Zehntel der maximalen Profiltiefe (21) aufweist.