DE102021124104A1

DE102021124104A1 - Ultraschallsonotrode und Ultraschallschwingvorrichtung

Info

Publication number: DE102021124104A1
Application number: DE102021124104.9A
Authority: DE
Inventors: Albert Büttiker
Original assignee: Telsonic Holding AG
Current assignee: Telsonic Holding AG
Priority date: 2021-09-17
Filing date: 2021-09-17
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Offenbart ist eine Ultraschallsonotrode (10), enthaltend eine Einkoppelseite (16) mit einem Einkoppelbereich (14), in den Ultraschallschwingungen in einer Schwingungsrichtung (S) einkoppelbar sind; eine der Einkoppelseite (16) bezüglich der Schwingungsrichtung (S) gegenüberliegende Schweißfläche (11), die sich in einer transversal zur Schwingungsrichtung (S) verlaufenden Längsrichtung (L) erstreckt; mindestens eine Queröffnung (12), welche die Sonotrode (10) in einem zwischen der Einkoppelseite (16) und der Schweißfläche (11) angeordneten Mittelbereich (15) in einer transversal zur Schwingungsrichtung (S) und zur Längsrichtung (L) verlaufenden Querrichtung (Q) durchdringt. Die Sonotrode (10) weist mindestens einen Haltesteg (13) auf, an dem die Sonotrode (10) haltbar ist und der innerhalb der Queröffnung (12) und im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung (L) verläuft.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschallsonotrode und eine Ultraschallschwingvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Solche Ultraschallschwingvorrichtungen werden beispielsweise zum Siegeln von Beuteln mit Hilfe von Ultraschall eingesetzt.
Eine gattungsgemäße Sonotrode ist im Dokument EP 2 383 066 A2 offenbart. Das dortige System enthält eine Sonotrode mit einem Einkoppelbereich, in den von einem Konverter erzeugte Ultraschallschwingungen eingekoppelt werden. Gegenüber vom Einkoppelbereich ist eine Schweißfläche angeordnet, die sich in einer senkrecht zur Schwingungsrichtung verlaufenden Längsrichtung erstreckt. Im mittleren Bereich der Sonotrode sind zwei schlitzförmige Queröffnungen vorgesehen, die die Sonotrode durchdringen. Derartige Queröffnungen verhindern unnötige oder sogar störende Schwingungskomponenten. Zum Lagern der Sonotrode wird ein Halterungssystem mit zwei Schenkeln verwendet, an deren Enden Kerben vorgesehen sind, in die ein an der Sonotrode vorgesehener Ansatz eingreift. Diese Konstruktion benötigt jedoch seitlich der Sonotrode einen zusätzlichen Bauraum. Zudem erfordert das Halten am Ansatz der Sonotrode die Entkopplung von insbesondere radialen Schwingungskomponenten.
Eine weitere gattungsgemäße Sonotrode ist in der WO 03/068487 A1 offenbart, die sich detailliert mit der Geometrie der zuvor genannten Schlitze befasst.
Weiterhin zeigt die EP 1 097 869 A1 mehrere verschiedene Anordnungen von Schlitzen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile auszuräumen. Insbesondere soll die Halterung der Sonotrode einen geringeren Bauraum erfordern und eine hohe akustische Qualität aufweisen, also möglichst wenig Schwingungsenergie unnötig auskoppeln. Zudem sollte die Sonotrode leicht herstellbar und einfach und schnell montiert werden können. Außerdem sollen thermische Dimensions- und Positionsveränderungen im Betrieb möglichst vermieden werden.
Diese und weitere Vorteile werden erfindungsgemäß mit einer Ultraschallsonotrode mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Die Ultraschallsonotrode enthält eine Einkoppelseite, insbesondere eine Einkoppelseite, mit einem Einkoppelbereich, in den Ultraschallschwingung in einer Schwingungsrichtung einkoppelbar sind. Zudem weist die Sonotrode eine insbesondere der Einkoppelseite bezüglich der Schwingungsrichtung gegenüberliegende Arbeits-, insbesondere Schweißfläche, auf, die sich in einer transversal oder parallel zur Schwingungsrichtung verlaufenden Längsrichtung erstreckt.
Des Weiteren verfügt die Sonotrode über mindestens eine Queröffnung, welche die Sonotrode in einem zwischen der Einkoppelseite und der Arbeitsfläche angeordneten Mittelbereich durchdringt, insbesondere in einer transversal zur Schwingungsrichtung und zur Längsrichtung verlaufenden Querrichtung. Mit dem Begriff „transversal“ ist hier und im Folgenden jeweils gemeint, dass die genannten Richtungen nicht parallel zueinander verlaufen. Bevorzugt verlaufen sie unter einem Winkel, der im Bereich von 80° bis 100° und besonders bevorzugt im Bereich von 89° bis 91° liegt. Die Queröffnung kann beispielsweise einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen.
Erfindungsgemäß weist die Sonotrode mindestens einen Haltesteg auf, an dem die Sonotrode haltbar ist und der innerhalb der Queröffnung und bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung verläuft. Mit der Formulierung „im Wesentlichen parallel“ ist hier und im Folgenden gemeint, dass der Winkel betragsmäßig kleiner als 10° und besonders bevorzugt kleiner als 1° ist.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Sonotroden kann eine erfindungsgemäße Sonotrode damit an einer Stelle in ihrem Inneren gehalten werden, und zwar innerhalb einer Queröffnung, die ohnehin vorhanden ist, um ungewünschte Schwingungsmoden zu unterdrücken. Somit entfällt die Notwendigkeit, die Sonotrode seitlich zu halten, wodurch der Bauraum reduziert wird. Zudem müssen, ebenfalls anders als im Stand der Technik, nur viel kleinere radiale Schwingungskomponenten unterdrückt werden. Außerdem kann eine die Sonotrode haltende Halteeinrichtung nahe zur Arbeitsfläche angeordnet werden, so dass Abstandsveränderungen zwischen der Arbeitsfläche und der Halterung aufgrund von Temperaturveränderungen gering bleiben.
Zum Halten der Sonotrode kann eine Halteeinrichtung in der Querrichtung ein- oder beidseitig in die Queröffnung eingreifen und den mindestens einen Haltesteg halten.
In einer möglichen Ausführungsform kann die Halteeinrichtung mindestens zwei Klemmelemente aufweisen, zwischen denen der mindestens eine Haltesteg festgeklemmt ist, wobei bevorzugt die Klemmelemente in der Querrichtung voneinander beabstandet sind und somit eine in der Querrichtung verlaufende Klemmkraft bewirken.
In einer anderen Ausführungsform kann die Halteeinrichtung ein die Queröffnung durchdringendes Anschlagstück aufweisen, an das die Haltestege gedrückt werden, wenn die Sonotrode in Schwingungsrichtung auf ein Werkstück gedrückt wird.
Aus schalltechnischen Gründen kann die Sonotrode bevorzugt eine im Wesentlichen parallel zur Schwingungsrichtung verlaufende Bohrung enthalten. Diese mündet an einem ersten Ende an der Einkoppelseite der Sonotrode aus und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in die Queröffnung ein.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Haltesteg in einem bezüglich der Längsrichtung mittleren Bereich verjüngt. Hierdurch kann eine unerwünschte Kopplung benachbarter Bereiche der Sonotrode reduziert werden.
Mit weiterem Vorteil ist der mindestens eine Haltesteg entlang der Querrichtung gegenüber den Außenoberflächen der Sonotrode zurückversetzt. Hierdurch wird ebenfalls eine Entkopplung benachbarter Bereiche der Sonotrode reduziert. Außerdem ermöglicht eine solche Anordnung das Ergreifen des Haltestegs mit einer Halteeinrichtung einer Vorrichtung, ohne dass seitlich ein zusätzlicher Bauraum vorhanden sein muss.
In einigen Ausführungsformen enthält die Sonotrode mindestens zwei Haltestege, die innerhalb derselben Queröffnung verlaufen und entlang der Querrichtung voneinander beabstandet sind. Dies ermöglicht eine stabile Fixierung der Sonotrode an der Halteeinrichtung zwischen den Haltstegen, wodurch wiederum kein seitlicher Bauraum erforderlich ist. Es ist aber auch denkbar, einen einzelnen Haltesteg vorzusehen, der seitlich von außen durch die Queröffnung geklemmt wird.
Zweckmäßig ist es auch, wenn die Sonotrode mindestens zwei Queröffnungen aufweist, die bezüglich der Längsrichtung an gegenüberliegenden Seiten Sonotrode angeordnet sind und innerhalb deren jeweils mindestens ein Haltesteg verläuft. Insbesondere wenn die Queröffnungen und die darin verlaufenden Haltestege symmetrisch bezüglich des Einkoppelbereichs angeordnet sind, ergeben sich auch eine symmetrische Kraft- und Schwingungseinleitung.
Um die Auskopplung von Schwingungen weiter möglichst zu verhindern, verläuft der mindestens eine Haltesteg bevorzugt im Bereich eines Schwingungsminimums der Sonotrode.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Ultraschallschwingvorrichtung. Diese enthält eine Sonotrode wie vorgehend beschrieben sowie einen mit dem Einkoppelbereich gekoppelten Ultraschallkonverter, mittels dessen Ultraschallschwingungen in der Schwingungsrichtung einkoppelbar sind. Der Konverter kann direkt mit dem Einkoppelbereich verbunden sein. Alternativ kann er aber auch über einen oder mehrere an sich bekannte Booster mit dem Einkoppelbereich verbunden sein.
Außerdem umfasst die Ultraschallschwingvorrichtung eine Halteeinrichtung, mittels deren die Sonotrode in der oben beschriebenen Weise am Haltesteg gehalten ist.
Wie bereits erläutert wurde, ist es aus schalltechnischen Gründen von Vorteil, wenn die Sonotrode eine im Wesentlichen parallel zur Schwingungsrichtung verlaufende Bohrung aufweist, welche an einem ersten Ende an der Einkoppelseite der Sonotrode ausmündet und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende in die Queröffnung einmündet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. Darin zeigen

1: eine erste erfindungsgemäße Ultraschallschwingvorrichtung mit zwei ersten erfindungsgemäßen Ultraschallsonotroden in einer perspektivischen Ansicht;
2a: die erste erfindungsgemäße Sonotrode in einer perspektivischen Ansicht;
2b: die erste erfindungsgemäße Sonotrode in einer perspektivischen Schnittansicht;
3: einen Teil der ersten erfindungsgemäßen Ultraschallschwingvorrichtung in einer perspektivischen Schnittansicht;
4a: eine zweite erfindungsgemäße Sonotrode in einer perspektivischen Ansicht;
4b: die zweite erfindungsgemäße Sonotrode in einer perspektivischen Schnittansicht;
4c: die zweite erfindungsgemäße Sonotrode in einer Frontansicht;
4d: die zweite erfindungsgemäße Sonotrode in einer seitlichen Schnittansicht;
5a: eine zweite erfindungsgemäße Ultraschallschwingvorrichtung mit der zweiten erfindungsgemäßen Sonotrode in einer perspektivischen Ansicht;
5b: die zweite erfindungsgemäße Ultraschallschwingvorrichtung in einer perspektivischen Schnittansicht.

Die in 1 dargestellte Ultraschallschwingvorrichtung 50 enthält zwei Ultraschallsonotroden 10, die mit einem jeweiligen Ultraschallkonverter 52 gekoppelt sind.
Wie in 2a gezeigt, koppeln die Ultraschallkonverter 52 Ultraschallschwingungen in einer Schwingungsrichtung S in einen Einkoppelbereich 14 der Sonotroden 10 ein. Die Einkoppelbereiche 14 befinden sich an einer Einkoppelseite 16 der Sonotroden 10. Die Sonotrode 10 weist weiterhin eine der Einkoppelseite 16 bezüglich der Schwingungsrichtung S gegenüberliegende Schweißfläche 11 auf, die sich in einer senkrecht zur Schwingungsrichtung S verlaufenden Längsrichtung L erstreckt.
Zudem verfügt die Sonotrode 10 über vier im Querschnitt schlitzförmige Queröffnungen 12, welche die Sonotrode 10 in einem zwischen der Einkoppelseite 16 und der Schweißfläche 11 angeordneten Mittelbereich 15 durchdringen, und zwar senkrecht zur Schwingungsrichtung S und zur Längsrichtung L.
Erfindungsgemäß weist die Sonotrode 10 - wie in 2b ersichtlich - Haltestege 13 auf, an denen die Sonotrode 10 gehalten werden kann und die innerhalb der Queröffnungen 12 und parallel zur Längsrichtung L verlaufen. Wie in 2b erkennbar ist, sind in zwei der Queröffnungen 12 jeweils zwei Haltestege 13 angeordnet, die entlang der Querrichtung Q voneinander beabstandet sind. Die Haltestege 13 sind in einem bezüglich der Längsrichtung L mittleren Bereich 21 verjüngt und entlang der Querrichtung Q gegenüber den Außenoberflächen 18 der Sonotrode 10 zurück versetzt. Aufgrund des Abstandes zwischen den Haltestegen lässt sich eine ausreichend breite Auflagefläche für die Sonotrode bilden, die im Wesentlichen in einem Schwingungsminimum der Sonotrode liegt.
Die Haltestege 13 sind in den Queröffnungen 12 angeordnet, die bezüglich der Längsrichtung L seitlich an gegenüberliegenden äußeren Seiten des Einkoppelbereichs 14 angeordnet sind. Die Sonotrode 10 weist weitere Queröffnungen 12 ohne Haltestege auf.
Die Haltestege 13 weisen einen rechteckigen Querschnitt auf, so dass ein flächiger Kontakt zu einer Halteeinrichtung bereitgestellt werden kann. In Längsrichtung L ist der Querschnitt veränderlich, so dass sich Höhe und Breite der Haltestege 13 in der Schwingungsrichtung S und in der Querrichtung Q verändern. Die Haltestege 13 können in Längsrichtung L die Queröffnung 12 vollständig überbrücken oder sich nur teilweise über deren Ausdehnung in Längsrichtung L erstrecken.
Die Haltestege 13 sind jeweils in Schwingungsrichtung S gesehen im Bereich von Schwingungsminima m der Sonotrode angeordnet.
In dem in den 2a und 2b dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Sonotrode 10 zwei parallel zur Schwingungsrichtung S verlaufende Bohrungen 17. Die Bohrungen 17 münden an einem ersten Ende 19 an der Einkoppelseite 16 der Sonotrode 10 aus und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende 20 in eine der Queröffnungen 12 ein.
3 zeigt, wie die Sonotrode 10 innerhalb der Vorrichtung 50 gehalten wird:
Die Halteeinrichtung umfasst eine Trägerplatte 24, an der mittels zweier Schrauben 25 ein metallisches, im Wesentlichen L-förmiges Anschlagstück 27 mit einem horizontalen Abschnitt 28 und einem vertikalen Abschnitt 29 befestigt ist. Der horizontale Abschnitt 28 ist durch die Queröffnung 12 der Sonotrode 10 geführt. Das der Trägerplatte 24 gegenüberliegende Ende 33 des horizontalen Abschnitts 28 ist in einer Aufnahmeöffnung 30 einer Gegenplatte 31 aufgenommen und dort mittels einer Schraube 34 fixiert. Die Gegenplatte 31 ist mittels einer Schraube 32 an der Trägerplatte 24 fixiert. Auf dieser Weise ist das Anschlagstück beidseitig der Sonotrode 10 befestigt.
Die Haltestege 13 der Sonotrode 10 werden durch ein Stützelement 35 aus Kunststoff in Position gehalten. Zwischen dem Haltesteg 13 und dem vertikalen Abschnitt 29 befindet sich ein Zwischenstück 37 aus Kunststoff, das einen seitlichen Anschlag für den links dargestellten Haltesteg 13 bildet. Die Unterseite des Stützelements 35 verläuft geneigt und ist auf einem horizontal eingeschobenen Keil 38 gelagert. Durch horizontale Positionierung des Keils 38 kann die vertikale Position des Stützelements 35 eingestellt werden. Der Keil 38 ist mittels einer Schraube 39 am Anschlagstück 28 gehalten.
Wird die Sonotrode 10 beim Schweißen nach unten auf ein Werkstück gepresst, so wird das Stützelement 35 an die Sonotrode 10 und diese an das Anschlagstück 27 gepresst, wodurch die Sonotrode 10 gelagert wird. Durch den oben beschriebenen Aufbau werden beim Schweißen entstehende Kippmomente kompensiert. Durch Lösen der Schrauben 32, 34 und 39 kann zunächst der Anschlagstück 27 und danach die Sonotrode 10 von der Trägerplatte 24 demontiert werden, was den Austausch der Sonotrode 10 stark vereinfacht.
In dem in den 4a bis 4d gezeigten Ausführungsbeispiel ist in jeder der Queröffnungen 12 jeweils nur ein einziger Haltesteg 13 angeordnet.
Wie aus 5b hervorgeht, wird der Haltesteg 13 zwischen einem ersten Klemmelement 22 und einem zweiten Klemmelement 23 gehalten. Die beiden Klemmelemente 22, 23 sind in Querrichtung Q voneinander beabstandet und bewirken somit eine in der Querrichtung Q wirkende Klemmkraft. Die beiden Klemmelemente 22, 23 werden mittels einer Schraube 25 an einer Trägerplatte 24 gehalten. Das zweite Klemmelement 23 verfügt über drei Schlitze 26, die für eine weitere Schallentkopplung sorgen. Wie sich aus 5d ergibt, wird auf der der Trägerplatte 24 abgewandten Seite der Sonotrode 10 kein zusätzlicher Bauraum für die Halteeinrichtung benötigt, da die Klemmelemente 22, 23 gegenüber der Außenoberfläche 18 der Sonotrode 10 zurückversetzt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2383066 A2 [0002]
WO 03068487 A1 [0003]
EP 1097869 A1 [0004]

Claims

Ultraschallsonotrode (10), enthaltend - eine Einkoppelseite (16) mit einem Einkoppelbereich (14), in den Ultraschallschwingungen in einer Schwingungsrichtung (S) einkoppelbar sind, - eine insbesondere der Einkoppelseite (16) bezüglich der Schwingungsrichtung (S) gegenüberliegende Arbeits-, insbesondere Schweißfläche (11), die sich in einer transversal oder parallel zur Schwingungsrichtung (S) verlaufenden Längsrichtung (L) erstreckt, - mindestens eine Queröffnung (12), welche die Sonotrode (10) in einem zwischen der Einkoppelseite (16) und der Arbeitsfläche (11) angeordneten Mittelbereich (15) durchdringt, insbesondere in einer transversal zur Schwingungsrichtung (S) und zur Längsrichtung (L) verlaufenden Querrichtung (Q), dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode (10) mindestens einen Haltesteg (13) aufweist, an dem die Sonotrode (10) haltbar ist und der innerhalb der Queröffnung (12) und bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung (L) verläuft.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Haltesteg (13) in einem bezüglich der Längsrichtung (L) mittleren Bereich (21) verjüngt ist.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Haltesteg (13) entlang der Querrichtung (Q) gegenüber den Außenoberflächen (18) der Sonotrode (10) zurückversetzt ist.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sonotrode (10) mindestens zwei Haltestege (13) enthält, die innerhalb derselben Queröffnung (12) verlaufen und entlang der Querrichtung (Q) voneinander beabstandet sind.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sonotrode (10) mindestens zwei Queröffnungen (12) aufweist, die bezüglich der Längsrichtung (L) an gegenüberliegenden Seiten der Sonotrode (10) angeordnet sind und innerhalb deren jeweils mindestens ein Haltesteg (13) verläuft.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Haltesteg (13) im Bereich eines Schwingungsminimums der Sonotrode (10) verläuft.
Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Sonotrode (10) eine im Wesentlichen parallel zur Schwingungsrichtung (S) verlaufende Bohrung (17) enthält, die an einem ersten Ende (19) an der Einkoppelseite (16) der Sonotrode (10) ausmündet und an einem dem ersten Ende (19) gegenüberliegenden zweiten Ende (20) in die Queröffnung (12) einmündet.
Ultraschallschwingvorrichtung (50), enthaltend eine Sonotrode (10) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche sowie einen mit dem Einkoppelbereich (14) gekoppelten Ultraschallkonverter (52), mittels dessen Ultraschallschwingungen in der Schwingungsrichtung (S) einkoppelbar sind.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß Anspruch 7, weiterhin umfassend eine Halteeinrichtung, mittels deren die Sonotrode (10) am Haltesteg (13) gehalten ist.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß Anspruch 9, wobei die Halteeinrichtung in der Querrichtung (Q) in die Queröffnung (12) eingreift, um den mindestens einen Haltesteg (13) zu halten.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß Anspruch 10, wobei die Halteeinrichtung mindestens zwei Klemmelemente (22, 23) aufweist, zwischen denen der mindestens Haltesteg (13) festgeklemmt ist.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß Anspruch 11, wobei die Klemmelemente (22, 23) in der Querrichtung (Q) voneinander beabstandet sind und somit eine in der Querrichtung (Q) verlaufende Klemmkraft bewirken.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Halteeinrichtung ein die Queröffnung (12) durchdringendes Anschlagstück (27) aufweisen, an das die Haltestege (13) gedrückt werden, wenn die Sonotrode (10) in Schwingungsrichtung (S) auf ein Werkstück gedrückt wird.
Ultraschallschwingvorrichtung (50) gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Sonotrode (10) eine im Wesentlichen parallel zur Schwingungsrichtung (S) verlaufende Bohrung (17) enthält, welche an einem ersten Ende (19) an der Einkoppelseite (16) der Sonotrode (10) ausmündet und an einem dem ersten Ende (19) gegenüberliegenden zweiten Ende (20) in die Queröffnung (12) einmündet.