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Halterung für das schwingende Element eines Ultraschallschwingers
Die Erfindung bezieht sich auf die Halterung für das schwingende Element eines Ultraschallschwingers,
z. B. eines magnetostriktiven oder elektrostriktiven Längsschwingers, mit einem
ein Werkzeug haltenden Kupplungsteil sowie einem parallel und im Abstand zum Kupplungsteil
angeordneten stab-oder hülsenförmigen Resonanzkörper, der ein frei schwingendes
Ende aufweist und am anderen Ende den Kupplungsteil an der Stelle eines Schwingungsbauches
trägt und an einer Halterung an der Stelle eines Schwingungsknotens befestigt ist,
der von der Verbindungsstelle des Resonanzkörpers mit dem Kupplungsteil einen Abstand
von A/4 oder einem ungeraden Vielfachen von A/4 aufweist.
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Halterungen der genannten Art werden vornehmlich bei Vibrationswerkzeugen
zum Aufreißen der Oxydhaut beim Löten, ferner zum Bohren, Schweißen, zur Oberflächenbearbeitung,
zum Mischen, Homogenisieren, Emulgieren, Sterilisieren usw. verwendet. Mit :der
Halterung soll das Vibrationswerkzeug unter Ausübung eines gewissen Druckes gegen
das Werkstück geführt werden, wobei die Halterung des Gerätes am Gehäuse möglichst
wenig Schwingungsenergie absorbieren darf, d. h. an der Stelle eines seine Lage
nicht ändernden Schwingungsknotens liegen muß.
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Bei einer bekannten Halterung ist zwischen dem Gehäuse und dem Ultraschallschwinger
.ein dünnwandiges, zu beiden Teilen konzentrisches elastisches Rohr angeordnet,
das eine wesentlich geringere Masse als der Ultraschallschwinger und im übrigen
eine Länge hat, die einer Viertel Wellenlänge bei Betriebsfrequenz (A/4-Schwinger)
entspricht. Der starre Halter erzwingt dann am zugehörigen Rohrende einen Wellenknoten
mit Totalreflexion, so daß an der Verbindungsstelle des A/4-Schwingers mit dem Ultraschallschwinger
ein Wellenbauch entsteht, unabhängig von den Übertragungsverhältnissen zwischen
dem Ultraschallschwinger und dem Werkstück. Diese bekannte Anordnung ist aber insofern
nachteilig, als das hülsenförmige Gehäuse verhältnismäßig schwer ausgeführt und
an beiden Enden fest eingespannt sein muß, um die für die Totalreflexion erforderliche
Starrheit zu gewährleisten, während der die Verbindung zum Ultraschallschwinger
übermittelnde ?./4-Schwinger umgekehrt möglichst dünnwandig sein muß. Es ist deshalb
nicht möglich, ein solches Gerät etwa freihändig .anzuwenden und. damit auch noch
nennenswerte Andruckkräfte auf das Werkstück zu übertragen, wie das beispielsweise
beim Löten und Bohren notwendig ist.
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Es wurde daher zur Vermeidung dieser Mängel bereits vorgeschlagen,
zwischen Halter und Ultraschallschwinger einen stab- .oder hülsenförmigen Resonanzkörper
vorzusehen, der an einem Ende den Kupplungsteil des Ultraschallschwingers an der
Stelle eines Schwingungsbauches trägt und im Abstand von 7./2 oder einem Vielfachen
von A/2 ein frei schwingendes Ende aufweist und am Halter des Ultraschallschwingers
an der Stelle eines Schwingungsknotens befestigt ist; der von diesem Ende einen
Abstand von A/4 oder einem ungeraden Vielfachen von A/4 aufweist. Dabei ist der
Resonanzkörper auf eine bestimmte; der vorgesehenen Arbeitsfrequenz des Ultraschallschwingers
entsprechende Wellenlänge abgestimmt, beider er also in Resonanz schwingt.
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Nachteilig ist. aber bei. solchen Resonanzkörpern noch, da.ß ihre
Wirkung beim etwaigen Auftreten kleiner Abweichungen der Betriebsfrequenz von der
vorgesehenen Arbeitsfrequenz nicht mehr voll zum Tragen kommt.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den vorgenannten
Resonanzkörper so zu vervollkommnen, daß der Ultraschallschwinger auch bei von einer
gewünschten Arbeitsfrequenz in gewissem Umfang abweichenden Betriebsfrequenz trotzdem
noch vorteilhaft anwendbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Vielzahl
Resonanzkörper im Abstand und parallel zum Kupplungsteil ,angeordnet und auf unterschiedliche
Wellenlängen abgestimmt .sind.
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Sollte von vornherein festliegen, welche Abweichungen von der normalen.
Arbeitsfrequenz beim praktischen Betrieb eintreten können, dann können .
die
unterschiedlichen Wellenlängen der einzelnen Resonanzkörper von vornherein hierauf
abgestimmt werden.
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Selbst wenn es sich aber nur um unvorhergesehene Abweichungen in einem
bestimmten Toleranzbereich handeln sollte, der z. B. durch Temperaturänderungen
des Systems bedingt sein kann, können die verschiedenen Wellenlängen der einzelnen
Resonanzkörper ohne weiteres so bestimmt werden, daß der Ultraschallschwinger innerhalb
dieses Toleranzbereiches von etwa 211/o der Arbeitsfrequenz noch gut brauchbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Befestigungsstelle
des Ultraschallschwingers als ein zugleich die Resonanzkörper tragender Flansch
ausgebildet, wobei die Länge der verschiedenen Resonanzkörper zwischen der Ebene
des Flansches und ihren frei schwingenden Enden jeweils J/4 oder ein ungerades Vielfaches
von A/4, bezogen auf die unterschiedlichen Wellenlängen, beträgt. Dabei können die
einzelnen Resonanzkörper als konzentrisch zueinander angeordnete Hülsen oder entlang
dem Umfang des Kupplungsteiles verteilt angeordnete Resonanzstäbe ausgebildet sein.
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Die Erfindung ist -in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen
veranschaulicht; es zeigt F i g. 1 einen in Arbeitsstellung befindlichen Ultraschallschwinger
nebst Halterung in einer schematisch gehaltenen Seitenansicht, F i g. 2 die Anordnung
der Resonanzkörper und des Kupplungsteiles gemäß F i g. 1 in einem axialen Teilschnitt,
F i g. 3 und 4 zwei abgewandelte Resonanzkörperanordnungen, F i g. 5 einen aus zwei
konzentrischen Hülsen zusammengesetzten Resonanzkörper.
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Der in F i g. 1. dargestellte Ultraschallschwinger 110 weist
einen magnetostriktiven Schallerzeuger 112
auf, der beiderseits einer rechtwinkligen
Öffnung 114
je eine Polarisationsspule 116 und eine Erregerspule 118 trägt.
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Eine nicht zur Erfindung gehörige Vorrichtung 113
dient zum
beliebigen Verändern der Arbeitsfrequenz des Schallerzeugers 112 und damit des Ultraschallschwingers
110 über einen größeren Bereich z. B. zwischen 14 900 und 15 100 Hz, bei einer normalen
Arbeitsfrequenz von 15 000 Hz.
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Der Schallerzeuger 112 iGt mit einem einerseits anschließenden Kupplungsteil
120 verbunden, der einen zylindrischen Teid 122 und daran anschließend einen exponentiell
verjüngten Teil 124 mit einem an der Spitze befindlichen, z. B. kugelförmigen Werkzeug
126 aufweist. Die Gesamtlänge des Kupplungsteiles 120 .beträgt ein ganzes Vielfaches
einer halben Wellenlänge der Frequenz des Schallerzeugers 112, wobei die
Verbindungsstelle zwischen dem Schallerzeuger 112 und dem Kupplungsteil 120 im Bereich
eines Schwingungsbauches liegt und somit keiner besonderen Beanspruchung unterworfaa
ist.
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Der Ultraschallschwinger 110 dient z. B. zum Verschweißen zweier Platten
128 und 130, die aus Folien oder Blechstreifen bestehen können und auf einem Amboß
132 g®halten sind. Ein zugleich zur Halterung des Schwingers 110 dienender
Resonanzkörper 134 besteht aus einem Paar gegenüberliegender Resonanzstäbe 136
a und 136 b aus rostfreiem Stahl, die durch Streben 138
a und 138 b an der Stelle des Überganges des zylindrischen Teiles
122 des Kupplungsteiles 120 in den konischen Teil 124 im Bereich eines
Schwingungsbauches befestigt sind. Die Resonanzstäbe 136a und 136b haben
eine axiale Länge von einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen von ,i/2 und
sind z. B, auf die obere oder untere Grenze des gewünschten Frequenzbereiches des
Gerätes abgestimmt, also z. B. bei einem Arbeitsbereich des Gerätes zwischen 14,9
und 15,1 kHz haben die Resonanzstäbe 136 a und 136 b eine Länge, die
für das Material, aus dem sie hergestellt sind, bei der oberen Frequenz von 15,1
kHz einer halben Wellenlänge entspricht.
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An -der Stelle eines Knotenpunktes, eine Viertelwellenlänge oder ein
ungerades Vielfaches davon vor dem freien Ende 142a bzw. 142 b
des Resonanzstabes 136a bzw. 136b, ist ein radial nach außen ragender
Verbindungsflansch 140a bzw. 140b angeordnet. Ein weiterer Resonanzstab
144 a bzw. 144 b ist mit seinem einen Ende 146a bzw. 146b am
Verrindungsflansch 140a bzw. 140b befestigt und erstreckt sich mit Abstand
parallel zum Resonanzstab 136a bzw. 136 b.
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Vorzugsweise sind der Verbindungsflansch 140a bzw. 140 b und
die Resonanzstäbe 136 a und 136 b und 144a und 144b aus gleichem Material
hergestellt.
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Während die Resonanzstäbe 136a und 136b auf eine Viertelwellenlänge
oder einem ungeraden Vielfachen davon entsprechend der, oberen Frequenz von 15,1
kHz abgestimmt sind, sind die Resonanzstäbe 144a und 144b so bemessen, daß
sie zwischen ihren Enden 146 a, 146 b und
148 a, 148 b einer Viertelwellenlänge oder einem ungeraden Vielfachen
davon bei der unteren Frequenz von 14,9 kHz für das Material entsprechen, aus dem
sie hergestellt sind.
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Der Verbindungsflansch 140a kann bei 150 um einen Gelenkzapfen
152 schwenkbar sein. Auf die zu schweißenden Platten 128 und 130 kann
eine am oberen Ende des Verbindungsflansches 140b engewendete Kraft ausgeübt werden,
wie durch Pfeil F angedeutet. Trotz der Belastung des Systems in der angegebenen
Art bleibt der Resonanzkörper 134 im wesentlichen kraftunempfindlich, da sein Schwingungsknoten
immer an den Verbindungsflanschen 140a und 140b liegt, und zwar über den gesamten
gewünschten Frequenzbereich zwischen 14,9 und 15;1 kHz. Dies gestattet z. B. beim
Schweißen trotz eines veränderlichen Bereiches von Arbeitsfrequenzen hohe Klemmdrücke
zu verwenden und trotzdem eine große Schwingungsenergie auf die Platten
128
und 130 zu übertragen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 enthält die Resonanzkörperanordnung
134a eine Vielzahl von Resonanzstäben, die im Abstand und parallel zum Kupplungsteil
120a liegen. So sind zwei gegen;-überliegende Resonanzstäbe 134a und 1.54b Kupplungsteil
120a an der Stelle eines Schwin8uagsbauches mittels radial einwärts gerichteter
Ansäte 196a und 156b befestigt.
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Ein Verbindungsflansch 138 a bzw. 158 b erstreckt sich
vom freien Ende 160a, 160 b der Resonanzstäbe 154 a und 154 b radial nach
außen. Der Verbindungsflansch 158a kann innerhalb einer Klemme oder riner (nicht
gezeigten) Tülle z: B. durch Stifte 1(r2 gehalten sein.
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Der Verbindungsflansch 158 a bzw. 158 a trägt
im Abstand und pamliel zum Resonanzstab 154a bzw. 134 b einen weiteren Rmonanzstah
164 a bzw. 164 b.
Ein weiterer Resonanzstab
166a bzw. 166b wird vom Verbindungsflansch 158d bzw. 158b im
Abstand und parallel zum Resonanzstab 164a bzw. 164b getragen. Bei einem gewünschten
Arbeitsfrequenzbereich zwischen 14,9 und 15,1 kHz haben z. B. die Resonanzstäbe
154 a und 154 b eine Länge entsprechend einer Viertelwellenlänge (oder
einem ungeraden Vielfachen davon) für eine Frequenz von 15 kHz, .die Resonanzstäbe
164a und 164b eine solche Länge für eine Frequenz von 14,9 kHz und
die Resonanzstäbe 166a und 166b eine solche Länge für eine Frequenz von 15,1
kHz.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der F i -g. 4 weist die Resonanzkörperanordnung
134 b wiederum eine Vielzahl von Stäben auf, die im Abstand und parallel zum Kupplungsteil
120 b liegen, wobei die Resonanzstäbe 168 a und 168 b .am Kupplungsteil
120 b durch Ansätze 169 a und 169 b befestigt sind und ein
Verbindungsflansch 170a bzw. 170b sich vom freien Ende 172 a
bzw. 172 b das Stabes 168 a bzw. 168 b
radial nach außen erstreckt.
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Etwa in radialer Mitte des Verbindungsflansches 170 a bzw.
170 b ist an diesem ein Stab 174 a bzw. 174 b befestigt, der
im Abstand und parallel zum Stab 168 a bzw. 168 b verläuft. Ein weiterer Resonanzstab
176 a bzw. 176 b ist in seinem Mittelteil mit dem Verbindungsflansch
170a bzw. 170b an einer radial weiter außen gelegenen Stelle verbunden.
Die Stäbe 168a und 168b haben eine Länge von z. B. einer Dreiviertelwellenlänge
für eine Frequenz von 15 kHz, die Stäbe 174a und 174b eine Länge von
einer halben Wellenlänge für eine Frequenz von 15,1 kHz und die Stäbe 176
a und 176 b eine Länge von einer halben Wellenlänge für eine Frequenz
von 14,9 kHz.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 besteht der Resonanzkörper
180 aus konzentrischen Hülsen 182 und 184, die über einen Verbindungsflansch 186,
der zugleich zur Halterung des Gerätes am Gehäuse dient, miteinander verbunden und
um den Kupplungsteil 120 c herum angeordnet sind. Dabei ist die Hülse 182 am Kupplungsteil
mittels eines Flansches 188 befestigt. Die Hülse 182 hat z. B. eine Länge entsprechend
einer Wellenlänge bei einer Frequenz von 15,1 kHz, wobei der Verbindungsflansch
186 in einer Viertelwellenlänge Abstand vom freien Ende 190 der Hülse 182 befestigt
ist. Die Hülse 184 hat z. B. eine Länge entsprechend einer Dreiviertelwellenlänge
zwischen ihrem freien Ende 192 und dem Verbindungsflansch 186 bei einer Frequenz
von 14,9 kHz.