DE1263373B - Ultraschallschwinger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B06b

Deutsche Kl.: 42 s -1/02

Nummer: 1263 373

Aktenzeichen: B 83821IX a/42 s

Anmeldetag: 21. September 1965

Auslegetag:; 14. März 1968

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallschwinger mit art beiden schwingenden Stirnseiten des Schallgenerators angeordneten, metallischen, auf die Resonanzfrequenz abgestimmten Sehwingmassen.

Die Verwendung von Wandlern, um elektrische Energie in Schallenergie umzuwandeln, ist bekannt. Es wurden auch bereits elektromeehanische Wandler gebaut, mit denen mechanische Schwingungen auf ein an den Wandler angrenzendes System, beispielsweise ein Reinigungsbad, übertragen werden können.

Typisches Vorrichtungen dieser Art sind in den USA-Patentschriften 2044000, 3101419', 2895061, 2998535, 2947889 und 3066232 beschrieben. Alle bekannten Wandler sind so ausgelegt, daß die Impedanztransformation durch die Verwendung von zwei verschiedenen homogenen Übertragermedien an^; beiden Seiten: der Knotenebene oder des Erzeugerelementes oder der Erzeugerelemente eines zusammengesetzten Wandlers erfolgt. Die Übertragungsmedien des Wandlers haben verschiedene Querschnitte und unterschiedliche Dichten, In solchen Wandlern werden die Massen zu beiden Seiten der Knotenebene oder des oder der die Schwingungen erzeugenden Elemente durch Verwendung von Metallen verschiedener Dichte eingestellt. Zum Beispiel wird bei dem Gegenstand nach der USA.-Patentschrift 2 947 889 ein sehr dichtes Material, beispielsweise Stahl, an einer Seite der Knotenebene und ein Material mit geringer Dichte, beispielsweise Aluminium,, auf der anderen Seite dieser Knotenebene angeordnet. Der Grund für' die Verwendung verschiedener Massen ist, den Wert£) des Wandlers zuverringern und eine bessere akustische Impedanzanpassung zwischen dem Wandler und dem zu beschallenden System zu erreichen,, wenn Impedanze® dieses Systems stark von der Materialimpedanz des Wandlers abweichen. Bei einer idealen Konstruktion würde die Ausgangsimpedanz des Wandlers gleich der Eingangsimpedanz der Belastung oder des zu beschallenden Systems bei maximalem Energietibergang, bei einem kleinen Q und bei einem breiten Frequenzband im Resonanzbetrieb sein.

Eine Betrachtung der Gegenstände nach den oben aufgeführten Patentschriften zeigt, daß in allen Fällen Leichtmetall verwendet wird, beispielsweise Aluminium, um eine Verringerung des Wertes für Q und eine Verbesserung der Impedanzanpassung bei maximaler Ausgangsenergie für die Beschallung von Systemen mit relativ niederer Impedanz, z. B. Reinigungsbädern, zu erhalten. Diese Maßnahmen haben schwerwiegende Nachteile zur Folge. Der größte dieser Nachteile ist vielleicht darin zu sehen;, daß der Ultraschallschwinger

Anmelder:

Blackstone Corporation,

Jamestown* N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr. I. M. Maas und Dr. W, Pfeiffer,

Patentanwälte, 8000 München 23, Ungererstr. 25

Als Erfinder benannt:

John Nicholas Antonevich,

County of Chautauqua, N.Y. (V· St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom 5. Februar 1965 (430 543)

Wandler mit dem üblichen, eine relativ geringe Impedanz aufweisenden zu beschallenden System nicht

as metallurgisch verbunden werden kann, sondern mit einem Klebstoff befestigt werden muß. Da die Behälter für Ultrasehallreimgungsbäder gewöhnlich aus Stahl hergestellt werden, ist es klar, daß es wünschenswert wäre, Stahlwandlerelemente zu verwenden, die direkt an den Behälter des Bades angeschweißt oder auf andere Weise mit diesem Behälter direkt metallurgisch verbunden werden können. Dies ist mit den bekannten Formen von Impedanzwandlern, die verschiedene Metalle zu beiden Seiten der Knotenebene aufweisen, nicht ohne weiteres möglieh. Ein anderes, schwerwiegendes Problem bei den bekannten Impedanzwandlern besteht darin, daß sie sehr teuere Materialien für die Wandlerelemente benötigen. Schließlich resultieren weitere Schwierigkeiten bei bekannten Wandlern daraus, daß sie nicht überhitzt werden dürfen, insbesondere da Klebstoffe für ihre Befestigung erforderlich sind.

Die Erfindung schafft einen Schallschwinger, dem die oben aufgeführten Nachteile nicht anhaften, wobei erfindungsgemäß die eine, zum Werkstück hin gelegene Schwingmasse mit mehreren quer zu der Stirnseite des Schallgenerators verlaufenden Ausnehmungen versehen ist, die andere Schwingmasse aus demselben Material besteht und mit Ausnahme einer Mittelbohrung nicht perforiert ist und die Länge des Schwingers gleich wenigstens einer halben Wellenlänge der elektrischen Erregungsfrequenz ist.

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An Hand der Figuren wird die Erfindung näher erläutert.

Die F i g. 1 bis 5 zeigen perspektivische Ansichten von fünf verschiedenen Ausführungsformen nach dieser Erfindung zum Teil in Teilschnittansichten.

F i g. 6 zeigt eine Seitenansicht einer sechsten Ausführungsform nach der Erfindung, bei der mehrere Wandlerelemente der Ausführungsform nach F i g. 1 verwendet werden, und

F i g. 7 zeigt eine Endansicht der in F i g. 6 dargestellten Anordnung.

In F i g. 1 ist ein Schwingungserzeuger 10 dargestellt, der aus Quarz, Bariumtitanat oder einem anderen elektrostriktiven-Material bestehen kann. Die Platte 11 ist ein zweites aktives Element oder ein elektrisch isolierender Teil. Eine elektrisch leitfähige Platte 12 ist zwischen den Teilen 10 und 11 angeordnet, und diese Zusammensetzung ist zwischen einem Stahlkörper 13 und einem perforierten, d. h. mit quer zur Stirnseite des Schallgenerators verlaufenden Ausnehmungen versehenen Körper 14 angeordnet. Die Anordnung oder Schichtung wird mit einer Schraube 15 zusammengehalten und vorgespannt, die durch eine Bohrung 16 in dem Stahlkörper 13, den Teil 11, ein Loch 17 in der Elektrode 12 und den Teil 12 geführt ist und in ein Gewinde 18 in dem perforierten Körper 14 eingeschraubt ist. Ein elektrisch isolierendes Rohr 19 isjLzwischen die Schraube 15 und die elektrisch erregten Teile eingesetzt. Entweder der Körper 14 oder der Körper 13 ist geerdet und eine Wechselspannung mit gewünschter Frequenz liegt zwischen der Masse und der Elektrode 12, um den Teil 10 und/oder den Teil 11 elektrisch zu erregen, so daß die zusammengesetzte Anordnung mit der Frequenz der elektrischen Erregung oder mit einer mechanischen Resonanzfrequenz schwingt.

In F i g. 2 ist eine andere Form des erfmdungsgemäßen Wandlers dargestellt. Der perforierte Körper besteht aus einer Stahlplatte 20, an die metallurgisch eine Reihe von Rohren 21 befestigt sind und die eine Gewindebohrung in ihrer Mitte hat. Der nicht perforierte Körper 24 ist zylindrisch und hat eine Gewindebohrung 25, die längs seiner Achse verläuft. Zwischen den Platten 20 und 24 sind das elektrostriktive Element 26 und der Teil 27, der ein elektrischer Isolator oder ein elektrostriktives Element sein kann, die Elektrode 28 und das Isolierrohr 29 angeordnet. Ein Zapfen 30 ist in die Gewindebohrungen 23 und 25 eingeschraubt. Die Anordnung wird durch Drehen des zylindrischen Körpers 24 auf dem Zapfen 30 vorgespannt. Die Einheit wird, wie in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, elektrisch erregt.

In F i g. 3 ist ein Wandler dargestellt, dessen Form mit der des in Fig. 1 oder 2 dargestellten Wandlers identisch ist, mit Ausnahme, daß der perforierte Körper aus langen hexagonalen Teilen 31 besteht, die metallurgisch durch Schweißen oder Löten an einer Platte 32 befestigt sind, um eine perforierte Konstruktion in Form einer Bienenwabe zu bilden. Die übrigen Teile entsprechen gleichen Teilen nach F i g. 2 und sind auch mit denselben Bezugszeichen wie in F i g. 2 unter Hinzufügung eines kleinen »α« bezeichnet.

In F i g. 4 ist ein Wandler dargestellt, der ähnlich wie ein Wandler nach F i g. 1 oder ein Wandler nach F i g. 2 aufgebaut ist. Bei dieser Ausführungsform sind die elektrostriktiven Teile 33 und 34 und die dazwischen angeordnete Elektrode 35 zwischen eine nicht perforierte Platte 36 und einen perforierten Block 37 eingelegt, der hergestellt wurde, indem mehrere Löcher 38 in den Block eingebohrt wurden, um die gewünschte akustische Impedanzanpassung durch Verringerung der Querschnittsfläche und der Masse zu erhalten.

In Fig. 5 ist ein Wandler dargestellt, der im wesentlichen mit dem in Fig. 4 gezeigten identisch

ίο ist, mit Ausnahme, daß der perforierte Block 39 mit den Öffnungen 40 ein Gußstück ist. Die anderen Teile sind dieselben wie bei der Ausführungsform nach F i g. 4 und deshalb mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, denen ein kleines »α« angefügt ist.

In den F i g. 6 und 7 ist ein Wandler mit mehreren Einheiten, wie sie in Fig. 1 gezeigt werden, dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist ein gemeinsamer, perforierter Körper aus einem durchgehenden Teil 41 mit aufrecht stehenden Rippen 42 vorgesehen. Zwischen diesem Körper und den nicht perforierten Körpern sind die elektrostriktiven Teile angeordnet. Die elektrostriktiven Teile und die nicht perforierten Körper sind mit denen in Fig. 1 dargestellten identisch und werden deshalb mit gleichen Bezugszeichen angedeutet, denen ein kleines »&« beigefügt ist. Dadurch wird eine sehr günstige Konstruktion zum Erzeugen größerer Mengen von Ultraschallenergie und es werden Einrichtungen zur Impedanzanpassung des Wandlers an eine Last mit großen Flächen und niederer Impedanz geschaffen, wie z. B. ein Reinigungsbehälter, mit dem die aufrecht stehenden Rippen vorzugsweise durch metallurgische Bindung, wie z. B. Schweißen oder Löten, verbunden werden.

Aus den oben beschriebenen Konstruktionen ist ersichtlich, daß die Erfindung große Vorteile bei der Steuerung des Geschwindigkeitsausgangs des Wandlers, bei der Steuerung der akustischen Impedanz des Wandlers und bei der Steuerung des Q des Wandlers mit einem minimalen Aufwand an Wandlermaterialien bringt. .""■■- == Durch die Erfindung wird die Notwendigkeit, unterschiedlich oder verschieden dichte Materialien zu verwenden, vermieden, wodurch die Materialkosten gesenkt werden. In Fällen, in denen die Materialkosten vernachlässigbar sind, können die oben aufgeführten Vorteile voll ausgenützt werden, die durch die kombinierte Wirkung von Materialdichteverringerung und Volumenverringerung möglich sind.

Die Erfindung schafft einen Wandler, der angelötet oder angeschweißt oder sonst metallurgisch befestigt oder mit einem zu beschallenden System oder mit einem Körper verbunden werden kann. Dies ist mit Wandlern nach dem Stande der Technik, die unterschiedliche Metalle mit verschiedenen Dichten verwenden, nicht möglich. Dadurch wird, wenn erforderlich, die unerwünschte Verklebung zwischen Wandler und zu beschallendem System vermieden, so daß eine Anordnung mit wesentlich größerer Zuverlässigkeit geschaffen wird. Außerdem kann eine große.Fläche mit minimalen Mengen von kostspieligen elektrostriktiven Elementen erregt werden, um eine gleichmäßige Energieverteilung über eine Fläche zu erhalten.

Schließlich ist nicht zuletzt von großer Bedeutung, daß die Wandler nach dieser Erfindung sehr wirksam mit Luft gekühlt werden können, beispielsweise die Wandler nach den Fig. 1 und 6 oder nach den

F i g. 1 und 2, wenn die Elemente 21 und 31 lose gepackt sind, ermöglichen sie einen Gasstrom oder einen Flüssigkeitskühlstrom durch das Labyrinth, das von den Elementen 14 und 39 gebildet wird.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Ultraschallschwinger mit an beiden schwingenden Stirnseiten des Schallgenerators angeordneten, metallischen, auf die Resonanzfrequenz abgestimmten Schwingmassen, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die eine, zum Werkstück hin gelegene Schwingmasse mit mehreren quer zu der Stirnseite des Schallgenerators verlaufenden Ausnehmungen versehen ist, daß die andere Schwingmasse aus demselben Material besteht und mit Ausnahme einer Mittelbohrung nicht perforiert ist und daß die Länge des Schwingers gleich wenigstens einer halben Wellenlänge der elektrischen Erregungsfrequenz ist.

2. Ultraschallschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Ausnehmungen versehene Schwingmasse bienenwabenförmig profiliert ist und aus einer Basis, auf der sich mehrere im Abstand voneinander angeordnete Rohre befinden, oder aus einer Basis und im Abstand voneinander angeordneten mit der Basis fest verbundenen perforierten Segmenten besteht.

3. Ultraschallschwinger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte Einrichtung zum Anwenden einer Druckspannung in Längsrichtung des Wandlers vorgesehen ist, die die Anordnung mechanisch zusammenhält.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 044 000, 2 895 061,
947 889, 2 998 535, 3 066 232, 3 101419.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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