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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konvertereinheit zur Umwandlung einer elektrischen Wechselspannung in eine mechanische Schwingung mit einem ersten Konverterelement, welches ein erstes Konvertergrundteil und ein erstes piezoelektrisches Element umfasst, wobei das erste piezoelektrische Element entlang einer ersten Achse neben dem ersten Konvertergrundteil angeordnet und derart mit dem ersten Konvertergrundteil gekoppelt ist, dass eine von dem ersten piezoelektrischen Element erzeugte mechanische Schwingung an das erste Konvertergrundteil übertragen wird.
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Solche Konvertereinheiten sind grundsätzlich bekannt. Häufig weist das piezoelektrische Element einer Mehrzahl von Piezoscheiben auf, die nebeneinander entlang der ersten Achse angeordnet sind. Beispielsweise können diese eine Durchgangsöffnung aufweisen und das Konvertergrundteil kann einen Bolzen aufweisen, der die Durchgangsöffnungen der Piezoscheiben durchgreift. Mit Hilfe einer Mutter, die auf ein am Ende des Bolzen angeordnetes Außengewinde angeschraubt wird, kann der Stapel aus Piezoelemente gegen das Konvertergrundteil gedrückt werden, sodass, wenn das piezoelektrische Element mit einer elektrischen Wechselspannung beaufschlagt wird, eine akustische Schwingung entlang der ersten Achse von den Piezoscheiben erzeugt und an das erste Konvertergrundteil übertragen wird.
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Im Ergebnis wird das gesamte Konvertergrundteil in Schwingung versetzt. Solche Konvertereinheiten werden häufig zur Erzeugung einer Ultraschallschwingung eingesetzt, die dann auf eine Sonotrode zur Ultraschallbearbeitung von Materialien übertragen wird. Insbesondere in der Verpackungstechnik gewinnt die Ultraschallbearbeitung von Materialien eine immer größer werdende Bedeutung.
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Dazu kann das Konvertergrundteil mit einer Sonotrode verbunden werden, auf die dann die Schwingung übertragen wird. Die Sonotrode wiederum weist eine Schweiß- oder Siegelfläche auf, die mit einem zu bearbeitenden Material in Kontakt tritt, um die akustische Schwingung auf das zu bearbeitende Material zu übertragen.
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Die Siegelfläche kann gegenüberliegend zu der Verbindungsfläche zwischen Konvertergrundteil und Sonotrode angeordnet sein. Es gibt jedoch auch walzenförmige Sonotroden, bei welchen die Ultraschallschwingung entlang der Walzenachse in das Schwingungssystem eingekoppelt wird.
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So ist beispielsweise aus der
EP 1 514 670 A2 eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Verbinden und/oder Verfestigen von Materialbahnen mittels Ultraschall bekannt, bei der eine als rotierende Walze ausgebildete Sonotrode an einem radial gegenüberliegendem Gegenwerkzeug angeordnet ist, bei der Materialbahnen zum kontinuierlichen Verfestigen und/oder Verbinden zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug hindurchgeführt werden. Die Sonotrode wird mit Hilfe eines, über ein Amplitudentransformationsstück axial angesetzten, Ultraschallkonverter mit einer Ultraschallschwingung angeregt. Der Ultraschallkonverter, der in der Regel entsprechende Piezoelemente aufweist, wandelt eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Schwingung um. Die Ultraschallschwingeinheit bestehend aus Sonotrode, Amplitudentransformationsstück und Konverter sind so aufeinander abgestimmt, dass, wenn der Ultraschallkonverter mit einer Wechselspannung mit der Eigenfrequenz der Sonotrode versorgt wird, eine Resonanzschwingung angeregt wird. Insbesondere bei den walzenförmigen Sonotroden wird häufig eine hohe Schwingungsamplitude zur Bearbeitung des Materials gewünscht.
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Werden beispielsweise zwei Materialbahnen gleichzeitig zwischen Sonotrode und Gegenwerk zeug hindurch bewegt und die Sonotrode mit einer vorgegebenen Kraft auf das Gegenwerkzeug gedrückt, so wird die Ultraschallschwingung auf die Materialbahnen übertragen und es kommt im Bereich der Grenzfläche zwischen den Materialbahnen zu einer lokalen Erwärmung und gegebenenfalls Verschweißung der Materialbahnen.
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Durch die Ultraschallbearbeitung ist sichergestellt, dass Energie im Wesentlichen nur in den Bereich eingebracht wird, der für die Verbindung bzw. Verschweißung erwärmt werden muss. Dem zufolge kann mittels der Ultraschallbearbeitung eine sehr energiesparende Materialbearbeitung erfolgen.
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Daher besteht der Bedarf an immer leistungsfähigeren Ultraschallverarbeitungseinrichtungen. Zu diesem Zweck werden die eingangs beschriebenen als rotierende Walze ausgebildeten Sonotroden immer größer ausgebildet und die Materialbahngeschwindigkeit wird immer weiter erhöht. Zudem sollen immer dickere Materialbahnen mittels Ultraschall verschweißt werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Sonotrode eine immer größere Leistung übertragen muss. Um dies zu bewerkstelligen muss die Schweißkraft, d.h die Kraft mit der die Sonotrode auf die Materialbahn gedrückt wird, erhöht werden, was wiederum zu einer erhöhten Schwingungsdämpfung und da mit zu einer Reduzierung der Schwingungsamplitude führt.
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Um die Schwingungsamplitude der Sonotrode trotz erhöhter Dämpfung konstant zu halten, kann beispielsweise die Wechselspannungsamplitude und/oder die Wechselstromamplitude am Konverter erhöht werden. Allerdings ist dies nur bis zu einem gewissen Maße möglich, da Piezoelemente eine maximale Ausdehnung bei einer Grenzspannung zeigen. Zudem zeigen Piezoelemente bei hohen Spannungen und/oder Strömen höhere elektrische Verluste.
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Eine weitere Maßnahme um die mechanische Schwingungsamplitude bei höherer Schweißkraft konstant zu halten, kann die Verwendung einer größeren Anzahl von Piezoscheiben sein. Allerdings haben die Piezoscheiben eine endliche Ausdehnung und ihre Positionierung innerhalb des Ultraschallschwinggebildes kann nur innerhalb eines relativ engen Bereiches in der Nähe eines Schwingungsmaximums der stehenden Welle erfolgen.
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Es ist daher auch schon versucht worden, mehrere Konverter, die jeweils einen Piezostapel aufweisen, mit einer Sonotrode zu verbinden. Allerdings ist hier ein hoher regelungstechnischer Aufwand notwendig, um die beiden Konverter geeignet zu synchronisieren.
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In der
DE 18 10 406 ist bereits eine Vorrichtung zum Verteilen von Schwingungsenergie beschrieben, die mehrere Übertragungselemente aufweist, die in im Wesentlichen rechtwinkliger Beziehung miteinander verbunden sind. An den Endflächen einiger Elemente sind Wandler angeordnet, die die Übertragungselemente anregen. Die Entwicklung und Herstellung solcher Übertragungselemente ist jedoch aufwändig. Darüber hinaus werden durch die relative große Ausdehnung der Vorrichtung in Querrichtung und insbesondere die Anordnung der Wandler in relativ großem Abstand zur Längsachse zusätzliche Schwingungsmoden erzeugt. Diese zusätzlichen Schwingungsmoden sind im wesentlichen unerwünschte Biegemoden, die jedoch im Betrieb mit angeregt werden und daher zu einer höheren mechanischen Belastung der Wandler sowie einer unerwünschten Erwärmung und damit zu einem erhöhten Energieverlust im System führen, so dass sich solche Übertragungselemente nicht durchgesetzt haben.
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In der
WO 2015/110347 ist eine ähnliche Einheit beschrieben bei welcher die Ultraschallwandler näher an der Längsachse des Ultraschallübertragungselementes angeordnet sind. Auch hier sind die Ultraschallwandler allerdings nicht parallel zur Längsachse angeordnet, was die Herstellung aufwendig und das System relativ groß macht.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Konvertereinheit zur Verfügung zu stellen, die es erlaubt, eine größere Schwingungsenergie in die angekoppelten Elemente zu übertragen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, dass die Konvertereinheit ein Kopplungselement und mindestens ein zweites Konverterelement aufweist. Dabei umfasst das zweite Konverterelement ein zweites Konvertergrundteil und ein zweites piezoelektrisches Element, wobei das zweite piezoelektrische Element entlang einer zweiten Achse neben dem zweiten Konvertergrundteil angeordnet und derart mit dem zweiten Konvertergrundteil gekoppelt ist, dass eine von dem zweiten piezoelektrischen Element erzeugte mechanische Schwingung an das zweite Konvertergrundteil übertragen wird.
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Dabei sind sowohl das erste als auch das zweite Konverterelement derart mit dem Kopplungselement gekoppelt, dass eine mechanische Schwingung des ersten und des zweiten Konvertergrundteils an das Kopplungselement übertragen wird.
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Im Grunde genommen werden zwei bekannte Konverterelemente mit einem gemeinsamen Kopplungselement verbunden, welches dann beispielsweise mit einer Sonotrode verbunden werden kann. Zur Erzeugung der Schwingungsenergie stehen dann zwei Konverterelemente zur Verfügung, sodass in etwa die doppelte Schwingungsenergie in das System eingeführt werden kann, ohne dass es zu einer Überlastung der Piezoscheiben der piezoelektrischen Elemente kommt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erzeugt das erste Konverterelement eine akustische Schwingung entlang der ersten Achse und das zweite Konverterelement eine akustische Schwingung entlang der zweiten Achse, wenn das erste und das zweite piezoelektrische Element mit einer Wechselspannung angetrieben wird, wobei die erste und die zweite Achse parallel zueinander angeordnet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform regen beide Konverterelemente dieselbe Schwingungsmode an, sodass beide Konverterelemente in gleichem Umfang Energie in das Schwingungssystem übertragen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste und das zweite Konverterelement identisch ausgebildet, sodass diese gegeneinander ausgetauscht werden könnten, ohne dass am Schwingungssystem eine Änderung feststellbar ist. Es ist allerdings auch möglich unterschiedlich ausgebildete Konverterelemente zu verwenden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Kopplungselement eine Einkoppelfläche auf, wobei sowohl das erste Konvertergrundteil als auch das zweite Konvertergrundteil mit der Einkoppelfläche verbunden sind, wobei die Einkoppelfläche vorzugsweise eben ist.
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Auch hierdurch wird eine gleichmäßige Übertragung der von den Piezoelementen erzeugten longitudinalen Schwingung in das Kopplungselement gewährleistet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein drittes Konverterelement vorgesehen, dass ein drittes Konvertergrundteil und ein drittes piezoelektrisches Element umfasst, wobei das dritte piezoelektrische Element entlang einer dritten Achse neben dem dritten Konvertergrundteil angeordnet und derart mit dem dritten Konvertergrundteil gekoppelt ist, dass eine von dem dritten piezoelektrischen Element erzeugte mechanische Schwingung an das dritte Konvertergrundteil übertragen wird. Dabei ist auch das dritte Konverterelement derart mit dem Kopplungselement gekoppelt, dass eine mechanische Schwingung des dritten Konvertergrundteils an das Kopplungselement übertragen wird.
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Durch diese Maßnahme kann die in das System eingebrachte Schwingungsenergie noch weiter erhöht werden, da nun jedes der drei Konverterelemente Schwingungsenergie in das Gesamtsystem bestehend aus Konvertereinheit und daran angeschlossene Sonotrode einbringt.
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Besonders bevorzugt sind die erste, zweite und dritte Achse parallel zueinander angeordnet und eine senkrechte zu den Achsen angeordnete Ebene wird von den drei Achsen an drei Punkten geschnitten, die auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Durch die gleichmäßige Anordnung ist sichergestellt, dass das Kopplungselement gleichmäßig angeregt wird.
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Prinzipiell können noch mehr Konverterelemente, z.B. n Konverterelemente parallel zueinander angeordnet werden, wobei deren Achse eine senkrecht zu den Achsen verlaufende Ebene an Punkten schneidet, die auf den Eckpunkten eines gleichseitigen n-Ecks liegen.
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Weiterhin ist es möglich, die Konvertereinheit dafür auszulegen, mit einer Ultraschallschwingung der Wellenlänge λ in eine Resonanzschwingung angeregt zu werden, wobei vorzugsweise das Kopplungselement in Richtung der ersten und zweiten Achse eine Ausdehnung hat, die der halben Wellenlänge der Resonanzschwingung entspricht.
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Zusammen mit den Konverterelementen hat dann die Konvertereinheit eine Ausdehnung die der gesamten Wellenlänge λ der Resonanzschwingung entspricht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kopplungselement eine Einkoppelfläche, mit der die Konvertergrundteile der Konverterelemente verbunden sind, und eine Auskoppelfläche, die dafür vorgesehen ist, mit einer Sonotrode verbunden zu werden und die an der Einkoppelfläche eingekoppelte Schwingung über die Auskoppelfläche an die Sonotrode zu übertragen, hat. Dabei ist vorzugsweise die Auskoppelfläche gegenüberliegend zur Einkoppelfläche angeordnet. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Querschnittsfläche des Kopplungselementes von der Einkoppelfläche zur Auskoppelfläche abnimmt.
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Im Grunde genommen funktioniert die Konvertereinheit zugleich als Amplitudentransformator. In vielen bekannten Ausführungsformen ist es nämlich üblich, zwischen Konverter und Sonotrode einen Amplitudentransformator anzuordnen, welcher die Schwingungsamplitude, nicht jedoch die Schwingungsfrequenz ändert. Auf diesen Amplitudentransformator kann verzichtet werden, wenn die Konvertereinheit die Funktion des Amplitudentransformators übernimmt. Zudem steht dann in der Regel mehr Einkoppelfläche zur Verfügung, an der die entsprechenden Konverterelemente angekoppelt werden können.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Kopplungselement eine Einkoppelfläche, mit der die Konvertergrundteile der Konverterelemente verbunden sind, und eine Siegelfläche, die dafür vorgesehen ist mit einem zu bearbeitenden Material in Kontakt zu treten und die an der Einkoppelfläche eingekoppelte Schwingung über die Siegelfläche an das zu bearbeitende Material zu übertragen.
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Bei dieser Ausführungsform arbeitet die Konvertereinheit selbst als Sonotrode.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und der zugehörigen Figuren. Es zeigen:
- 1 eine erste perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine zweite perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 1,
- 3 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von 1 entlang der Achse,
- 4 eine Draufsicht auf die Ausführungsform von 1 ähnlich zu 4, jedoch in umgekehrter Blickrichtung und
- 5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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In den 1-4 sind verschiedene Ansichten einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die dargestellte Konvertereinheit 1 weist ein im Wesentlichen zylinderförmiges Kopplungselement 5 auf mit einer Einkoppelfläche 6 und einer Auskoppelfläche 7. Mit der Einkoppelfläche 6 sind eine Mehrzahl, im gezeigten Beispiel 4, Konverterelemente 2 verbunden. Jedes Konverterelement 2 weist eine Vielzahl von Piezoscheiben auf, die ein Piezoelement bilden, welche an ein Konvertergrundteil 4 gekoppelt sind. Das Piezoelement ist in einem Gehäuse 3 angeordnet, welches die Piezoscheiben gegenüber Staub und anderen Verunreinigungen schützt, und daher in der Figur nicht zu sehen. Die vier Konvertergrundteile 4 sind dann mit der Einkoppelfläche 6 des Kopplungselementes 5 verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise durch eine Verschraubung erfolgen.
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In der gezeigten Ausführungsform sind alle Konverterelemente 2 identisch ausgebildet. Sie werden alle mit der gleichen Wechselspannung angetrieben, sodass sie in Phase und mit gleicher Schwingungsamplitude schwingen. Es ist daher möglich und bevorzugt, alle Konverterelemente mit einem Generator, der die Wechselspannung erzeugt, anzutreiben.
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Jeder der vier Konverterelemente überträgt somit die gleiche Schwingungsenergie phasengleich auf die Einkoppelfläche 6, wodurch das Kopplungselement 5 in eine Resonanzschwingung gebracht wird. Der Abstand zwischen der Einkoppelfläche 6 und der gegenüberliegenden Stirnfläche beträgt
d. h. die halbe Wellenlänge der Ultraschallschwingung, mit welcher die gesamte Konvertereinheit 1 in Schwingung versetzt wird. Die Auskoppelfläche 7 steht in dieser Ausführungsform über die der Einkoppelfläche 6 gegenüberliegenden Stirnfläche vor und schwingt gegenphasig zur Einkoppelfläche 6. Innerhalb der Auskoppelfläche 7 ist eine Gewindebohrung 8 vorgesehen, an der ein weiteres Element, wie z.B. die anzuregende Sonotrode angeschraubt werden kann. Man erkennt in den Figuren, dass die Einkoppelfläche 6 deutlich größer als die Auskoppelfläche 7 ist. Die Konvertereinheit arbeitet somit auch als Amplitudentransformator, wobei das Kopplungselement 5 die Aufgabe des Amplitudentransformators übernimmt.
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In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese Konvertereinheit 11 weist ebenfalls vier Konverterelemente 12 auf, die aus verschiedenen Piezoscheiben und Konvertergrundteilen 14 besteht. Auch hier sind die Piezoscheiben in einem Gehäuse 13 untergebracht und daher in der Figur nicht zu erkennen. Diese Konvertergrundteile 14 sind mit der Einkoppelfläche 16 des Kopplungselementes 15 verbunden, da sie in dieser Ausführungsform nicht zylinderförmig, sondern quaderförmig ausgebildet ist. Dabei ist der Querschnitt senkrecht zu den Achsen der Konverterelemente 12 quadratisch ausgebildet. Die Kopplungspunkte der Konverterelemente 2 bzw. 12 mit den Einkoppelflächen 6 bzw. 16 der beiden gezeigten Ausführungsformen liegen auf den Ecken eines Quadrates. Es ist nicht unbedingt notwendig, die Kopplungspunte auf den Ecken eines Quadrates anzuordnen.
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Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform weist das Kopplungselement 15 schlitzförmige Ausnehmungen 19 auf, die das Schwingungsverhalten des Kopplungselementes 15 verbessern sollen.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 11
- Konvertereinheit
- 2, 12
- Konverterelement
- 3, 13
- Gehäuse
- 4, 14
- Konvertergrundteil
- 5, 15
- Kopplungselement
- 6, 16
- Einkoppelfläche
- 7
- Auskoppelfläche
- 8
- Gewindebohrung
- 19
- schlitzförmige Ausnehmung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1514670 A2 [0006]
- DE 1810406 [0013]
- WO 2015/110347 [0014]
