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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallschwingelement mit einer Mantelfläche und einer Längsachse, das mit einer akustischen Schwingung der Wellenlänge λ und der Frequenz f entlang der Längsachse in eine Resonanzschwingung gebracht werden kann.
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Solche Ultraschallschwingelemente sind grundsätzlich bekannt.
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Beispielsweise gibt es Ultraschallschwingeinheiten, die aus einem Konverter, der eine elektrische Wechselspannung in eine akustische Schwingung umwandelt, einem Amplitudentransformator, der die akustische Schwingungsamplitude transformiert, die Frequenz jedoch gleich lässt, und einer Sonotrode, die für das Aufbringen einer mechanischen Ultraschallschwingung auf ein zu bearbeitendes Material vorgesehen ist, bestehen. Sowohl Konverter als auch Amplitudentransformator und Sonotrode sind einzelne Ultraschallschwingelemente, die aufeinander abgestimmt sind, sodass sie einzeln jeweils mit einer Ultraschallschwingung der Frequenz f und der Wellenlänge λ in eine Resonanzschwingung gebracht werden können. In Richtung der Längsachse werden diese Ultraschallschwingelemente von Stirnflächen begrenzt, die im Resonanzfall ein Schwingungsmaximum aufweisen. Die jeweiligen Stirnflächen sind miteinander verbunden. Gegebenenfalls können auch mehrere Ultraschallschwingelemente aus einem Stück gefertigt sein, sodass keine Schraub- oder Schweißverbindung notwendig ist.
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Jedes dieser Ultraschallschwingelemente weist, wenn es in eine resonante Schwingung in Richtung der Längsachse versetzt worden ist, mindestens einen Schwingungsknoten auf, d.h. es gibt in Richtung der Längsachse des Ultraschallschwingelementes einen Bereich, in welchem die Schwingungsamplitude der resonanten, akustischen Schwingung minimal ist.
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Die beschriebene Ultraschallschwingeinheit muss in irgendeiner Form gehalten werden, um sie in Richtung des zu bearbeitenden Materials zu bewegen und gegebenenfalls eine Kraft auf das Material auszuüben. Dazu wird eine Halterung verwendet, die jedoch das Schwingungsverhalten der Ultraschallschwingeinheit und ihrer einzelnen Ultraschallschwingelemente möglichst wenig beeinflussen soll. Daher wird die Halterung in der Regel so ausgeführt, dass sie an die Mantelfläche eines Ultraschallschwingelementes angreift und zwar an einer Stelle, die im Wesentlichen dem beschriebenen Schwingungsknoten entspricht, d.h. an einem Ort, in welchem die akustische Ultraschallschwingung in Längsrichtung eine minimale Schwingungsamplitude aufweist.
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Allerdings hat das Ultraschallschwingelement eine endliche Ausdehnung senkrecht zur Längsrichtung mit der Folge, dass die akustische Schwingung in Längsrichtung von einer Dickenschwingung begleitet wird. Dies bedeutet, dass die Mantelfläche des Ultraschallschwingelementes sich senkrecht zur Längsrichtung bewegt, sodass die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsrichtung mit der gleichen Frequenz f abwechselnd größer und kleiner wird.
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Auch bei der beschriebenen Dickenschwingung gibt es in Richtung der Längsachse Bereiche mit größerer und Bereiche mit kleinerer Schwingungsamplitude der Dickenschwingung. Dort wo die Halterung an der Mantelfläche angreift, d.h. dort wo die beschriebene akustische Longitudinalschwingung ein Schwingungsminimum hat, ist die Schwingungsamplitude der Dickenschwingung relativ groß.
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Da die Halterung in der Regel von einem im wesentlichen starren Aufnahmeelement gehalten wird und mit diesem in der Regel verschraubt oder verklemmt ist, übt die Halterung zwangsläufig eine oszillierende Kraft auf das Aufnahmeelement aus. Diese unvermeidliche Kraft kann zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung, zu Energieverlusten und zu einer vorzeitigen Ermüdung der Schraub- oder Klemmverbindung führen.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ultraschallschwingelement bereitzustellen, welches die beschriebenen Nachteile zumindest teilweise vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Ausgleichselement vorgesehen ist, welches mit der Halterung verbunden ist, wobei das Ausgleichselement derart ausgebildet ist, dass es mit einer Schwingung der Frequenz f, die von der Halterung senkrecht zur Längsachse auf das Ausgleichselement aufgebracht wird, in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird somit das Ausgleichselement in die schwingungstechnische Betrachtung integriert. Das Ausgleichselement schwingt somit mit der Halterung mit. Vorzugsweise ist das Ausgleichselement derart ausgebildet, dass an dem Verbindungspunkt zwischen Halterung einerseits und Ausgleichselement andererseits sich ein Schwingungsmaximum der Resonanzschwingung des Ausgleichselementes ausbildet.
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Ausgleichselement und Ultraschallschwingelement lassen sich somit mit derselben (oder mit nahezu derselben) Resonanzfrequenz anregen, wobei das Ultraschallschwingelement mit einer Longitudinalschwingung angeregt wird, während das Ausgleichselement z. B. mit einer Transversalschwingung angeregt wird. Grundsätzlich sind für das Ausgleichselement beliebige Schwingungsmoden denkbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ausgleichselement an einem Aufnahmeelement befestigt ist, wobei vorzugsweise die Befestigung mittels eines Klemmelementes erfolgt.
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Im Unterschied zu dem Stand der Technik ist somit das Ultraschallschwingelement mit seiner Halterung nicht direkt an einem Aufnahmeelement befestigt, sondern unter Zwischenschaltung des erfindungsgemäßen Ausgleichselementes.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Resonanzschwingung des Ausgleichselementes zumindest einen Schwingungsknoten auf und das Ausgleichselement ist am Schwingungsknoten an dem Aufnahmeelement befestigt.
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Durch diese Maßnahme wird die Schwingung des Ausgleichselementes durch die Verbindung mit dem Aufnahmeelement möglichst wenig beeinflusst, sodass die Verbindungsstelle zwischen Ausgleichselement und Halterung nahezu kräftefrei schwingen kann mit der Folge, dass die Verbindung nicht unter Spannung steht und eine hohe Lebensdauer hat.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hat das Ausgleichselement in Richtung der Längsachse die größte Ausdehnung.
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Die Halterung kann stoffschlüssig mit der Mantelfläche verbunden sein, wobei vorzugsweise Halterung und Mantelfläche aus einem Stück gefertigt sind. Dadurch werden Spalte und Hinterschnitte, die in einer hygienischen Umgebung von Nachteil sind, vermieden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung die Mantelfläche vollständig umschließt und das Ausgleichselement als Hülse ausgebildet ist, die sich in Längsrichtung erstreckt, wobei vorzugsweise zumindest ein Teil des Ultraschallschwingelementes innerhalb der Hülse angeordnet ist. Eine Hülse hat ein einfaches Schwingungsverhalten, sodass gewährleistet ist, dass die Verbindung zwischen dem als Hülse ausgebildeten Ausgleichselement und der Halterung schwingen kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ausgleichselement mit der Halterung verschraubt ist. Dadurch, dass das Ausgleichselement schwingt und damit die Kräfte, die von der Halterung auf das Ausgleichselement ausgeübt werden, minimiert werden, kann die einfachste Verbindung, nämlich eine Schraubverbindung zwischen Ausgleichselement und Halterung, gewählt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Halterung einen sich senkrecht zur Längsachse von der Mantelfläche nach außen erstreckenden Flansch, einen Halteabschnitt, mit welchem das Ausgleichselement verbunden ist, und einen sich in Längsrichtung erstreckenden Zwischenabschnitt hat, welcher den Flansch mit dem Halteabschnitt verbindet, aufweist.
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Durch diese im Querschnitt Z-förmige Halterung wird die Schwingung des Ultraschallschwingelementes stärker von der Halterung bzw. dem Halteabschnitt entkoppelt, sodass die auf das Ausgleichselement übertragene Schwingung geringer ist.
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Das Ultraschallschwingelement kann prinzipiell jedes beliebige Ultraschallschwingelement, wie z.B. ein Konverter, ein Amplitudentransformator oder eine Sonotrode, sein. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße Ultraschallschwingelement als Amplitudentransformator ausgebildet ist, d.h. zwischen dem Konverter einerseits und der Sonotrode andererseits angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Ultraschallschwingeinheit bestehend aus einem Konverter, einer Sonotrode und einem gegebenenfalls zwischen Konverter und Sonotrode zwischengeschalteten Amplitudentransformator, wobei Konverter, Sonotrode oder Amplitudentransformator und besonders bevorzugt der Amplitudentransformator als Ultraschallschwingelement wie eingangs beschrieben ausgebildet ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung.
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In 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Dargestellt ist eine Ultraschallschwingeinheit bestehend aus einzelnen Ultraschallschwingelementen, nämlich einem Konverter 3, einem Amplitudentransformator 2 und einer Sonotrode 1. Der Konverter 3 ist dafür vorgesehen, eine elektrische Wechselspannung, die über einen Generator (nicht gezeigt) dem Konverter zugeführt wird, in eine akustische Schwingung entlang der Längsrichtung 14 umzuwandeln. Der Konverter weist hierzu in der Regel Piezoelemente auf.
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Der Konverter 3 ist mit dem Amplitudentransformator 2 in Richtung der Längsachse, der sogenannten Längsrichtung, verbunden. Beispielsweise können sowohl Konverter 3 als auch Amplitudentransformator 2 eine entsprechende Sackgewindebohrung aufweisen, in welche ein Gewindestab eingreift, um die beiden Bauteile miteinander zu verbinden. An dem dem Konverter 3 abgewandten Ende des Amplitudentransformators 2 ist die Sonotrode 1 angeordnet, die hier mit drei Schlitzen 13 dargestellt ist, welche das Schwingungsverhalten der Sonotrode 1 verbessern sollen.
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Die einzelnen Ultraschallschwingelemente 1, 2, 3 sind aufeinander abgestimmt, sodass sie mit einer Resonanzfrequenz f angeregt werden können, sodass das gesamte Ultraschallschwingsystem mit dieser Frequenz schwingt. Im Resonanzfall bilden sich Bereiche mit deutlich reduzierter Schwingungsamplitude aus. Diese Bereiche werden häufig als Schwingungsknoten bezeichnet. Sie liegen in etwa in der Mitte jedes Ultraschallschwingelementes zwischen den in etwa senkrecht zu der Längsachse 14 verlaufenden Stirnflächen. Im Bereich des Schwingungsknotens des Amplitudentransformators 2 ist mit dem Amplitudentransformator 2 eine Halterung 6, 7, 8 verbunden. Diese Halterung 6, 7, 8 besteht aus einem sich radial zur Längsachse 14 erstreckenden Flanschabschnitt 6, einem Verbindungsabschnitt 7, der im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist und sich parallel zur Längsachse 14 erstreckt, und einem Halteabschnitt 8. Die Halterung 6, 7, 8 kann mit dem Amplitudentransformator aus einem Stück gefertigt sein. Die Halterung 6, 7, 8 bzw. der Flanschabschnitt 6 befindet sich im Schwingungsknoten, damit dort möglichst wenig der in Richtung der Längsachse 14 verlaufenden Longitudinalschwingung auf die Halterung übertragen wird. In diesem Bereich findet jedoch zwangsläufig eine Dickenschwingung statt, d.h. der Amplitudentransformator 2 wird in diesem Bereich abwechselnd dicker und dünner. In der gezeigten Ausführungsform sind der Konverter 3 und der Amplitudentransformator 2 rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 14 ausgebildet.
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Aufgrund der Dickenschwingung wird die Halterung 6, 7, 8 mit hoher Frequenz, nämlich einer Ultraschallfrequenz, radial nach außen und radial nach innen bewegt. Durch die spezielle Form der Halterung wird diese Dickenschwingung bereits nicht vollumfänglich auf den Halteabschnitt 8 übertragen. Der Halteabschnitt 8 ist mit einem weiteren Element, dem sogenannten Ausgleichselement 4, verbunden. Zu diesem Zweck weist der Halteabschnitt 8 eine Reihe von Sacklöchern mit Sacklochgewinde auf, in welche Schrauben 9 eingreifen, die durch entsprechende Durchgangslöcher im Ausgleichselement 4 geführt werden.
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Das Ausgleichselement 4 ist im Wesentlichen hülsenförmig. Es hat jedoch in dem Halteabschnitt 8 der Halterung 6, 7, 8 zugewandten Ende ebenfalls einen Flansch, in welchem die Durchgangsbohrungen für die Schrauben 9 angeordnet sind.
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Aufgrund der Dickenschwingung kommt es trotz der speziellen Ausbildung der Halterung 6, 7, 8 zu einer Radialbewegung des Halteabschnittes 8.
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Wäre nun, wie im Stand der Technik üblich, der Halteabschnitt 8 an einem starren Element befestigt, würde diese Schwingung auf ein starres Element treffen und ständig eine Kraft auf die Schraubverbindung ausüben, was zu einem Energieverlust, einer Beeinträchtigung der Longitudinalschwingung und einer vorzeitigen Ermüdung der Verbindung führen würde.
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Erfindungsgemäß ist daher in dieser Ausführungsform das Ausgleichselement 4 vorgesehen, das nun nicht starr angeordnet sein soll, sondern die Schwingungsbewegung des Halteabschnittes 8 der Halterung 6, 7, 8 mitmachen soll. Zu diesem Zweck ist das Hülsenelement 4 derart ausgebildet, dass es durch eine Bewegung des mit dem Halteabschnitt 8 der Halterung 6, 7, 8 verbundenen Abschnitts in radialer Richtung mit der Frequenz f selbst in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann. In diesem Fall bewegt sich das Ausgleichselement 4 zusammen mit dem Halteabschnitt 8 der Halterung 6, 7, 8 und es kommt zu keiner vorzeitigen Ermüdung der Schraubverbindung.
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Um diese Bewegung möglichst nicht zu unterbinden, ist im Bereich des Schwingungsknotens der im Ausgleichselement 4 angeregten Schwingung ein Flansch 10 vorgesehen, mit welchem das Ausgleichselement an ein Aufnahmeelement 5 geklemmt werden kann. Durch diese Klemmung wird zwar der Flansch 10 im Wesentlichen starr mit dem Ausgleichselement 5 verbunden, die Schwingung des Ausgleichselementes wird jedoch nur minimal beeinträchtigt. Daher weist das Ausgleichselement 4 einen Abschnitt 11 zwischen der Halterung 6, 7, 8 und dem Flansch 10 sowie einen Abschnitt 12, der sich von dem Flansch 10 weg von der Halterung 6, 7, 8 erstreckt, auf.
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Bei jeder Verbindungsstelle zwischen einem schwingenden Element und einem nicht schwingenden Element kommt es zwangsläufig zu Kräften, die die Verbindungsstellen auf Dauer beeinträchtigen. Durch das erfindungsgemäße Ausgleichselement 4, das sich mit der Halterung bewegen soll, wird die Kraft auf zwei Verbindungsstellen verteilt, nämlich einmal die Verbindungsstelle zwischen Haltung 6, 7, 8 und Ausgleichselement 4 und andererseits auf die Verbindung zwischen dem Flansch 10 des Ausgleichselementes 4 und dem Aufnahmeelement 5.
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Insgesamt ist die Lebensdauer des Ultraschallschwingelementes deutlich erhöht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sonotrode
- 2
- Amplitudentransformator
- 3
- Konverter
- 4
- Ausgleichselement
- 5
- Aufnahmeelement
- 6
- Flanschabschnitt
- 7
- Verbindungsabschnitt
- 8
- Halteabschnitt
- 9
- Schrauben
- 10
- Flansch
- 11
- Abschnitt
- 12
- Abschnitt
- 13
- Schlitze
- 14
- Längsrichtung
