DE2034928A1 - Ultraschallgenerator und Platte fur diesen zum Halten des Arbeitselementes an einem Halter - Google Patents

Description

Eaatman Kodak Company, Rochester, U.S_-A,

Ultraschallgenerator und Platte für diesen zum Halten des Arbeitselementes an einem Halter

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallgenerator mit einem Halter und einem Arbeiteelement, das mittels einer metallischen Platte, die Durchbrüche aufweist, mit dem Halter verbunden ist. "

Ein älterer, nicht vorveröffentlieher Vorschlag sieht für einen Ultraschallgenerator zur Halterung des einen elektroakustischen Wandler aufweisenden Arbeitselementes einen Gummi-0-Ring und eine mit Durchbrüchen versehene Metallplatte ^Vj&r, die am Halter des Ultraschallgenerators befestigt ist. Diese Platte weist vom Arbeitseiement zum .Halter sich geradlinig erstreckende,-zwischen den Durchbrüchen verlaufende Metallstege auf. Ein Teil der vom Arbeitselement ausgehenden Schwingungen wird daher direkt

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über diese eich geradlinig erstreckenden Stege der Platte auf den Halter übertragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Ultra-· öchallgenerator zu schaffen, bei dem die Schwingungen des Arbeitselements praktisch nicht auf den Halter übertragen werden.

Biese Aufgabe ist bei dem eingangs genannten Ultraschallgenerator erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß alle geradlinigen Schallwege, die vom Arbeitaelement innerhalb der Platte zum Halter führen, durch sich überlappende Durchbrüche unterbrochen sind. Die zwischen den Durchbrüchen verbleibenden Stege die das Arbeitselement mit dem Halter verbinden, verlaufen im wesentlichen zickzackförmig und bilden somit für die vom Arbeitselement ausgehenden Schwingungen ungeradlinige Schallwege, wodurch die zum Halter eventuell noch übertretenden Schwingungen sehr stark verringert werden. Dies trifft besonders dann zu, wenn die Durchbrüche als Schlitze ausgebildet sind, da diese am Besten für ein starkes Überlappen geeignet sind und die zwischen ihnen angeordneten Stege besonders lange und gekrümmte Wege für die vom Arbeitselement ausgehenden Schwingungen ergeben.

Es ist besonders vorteilhaft die Platte aus Metall zu fertigen, da Metall in gleicher Weise hohe Druck- und Zugkräfte aufnehmen kann. Die erfindungsgemäße Platte kann ein selbständiges. Bauteil bilden, sie kann aber auch als Flansch an einem der Bauteile des Arbeitselements angeformt sein. Die Platte kann sich in Art einer Konsole vom Halter aus erstrecken oder ringförmig das Arbeitselement umschließen und mit geeigneten Mitteln, z.B. mit Metallschrauben oder dergleichen, am das Arbeitselement im Abstand umschließenden Halter befestigt sein.

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Di e Erfindung betrifft auch eine Platte für einen erfindungegemäßen Ultraschallgenerator·,- die dadurch gekennzeichnet ist» daß alle möglichen geraden von Funkten Aeβ Randes der Platte, der mit dem Arbeiteelement verbindbar ist, zu Punkten des Randes, der mit dem Halter verbindbar ist, durch eich Überlappende DurchBrüche unterbrochen sind»

Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten AuöfÜhrungsbeispielen im einzelnen beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 einen teilweise in Seitenansicht dargestellten ' Diametralschnitt eines erfindungsgemäßen Ultraschallgenerator a j

Fig. 2,3»4 und 5 Draufsichten verschiedener Ausftih-

rungsformen erfindungsgemäßer Platten für den Ultraschallgenerator nach Fig. 1;

Fig. 6 einen abgebrochen dargestellten Schnitt einer anderen Ausfünrungsform einer Platte die als Flansch einstückig an einem Teil des Ultraschallgenerators ausgebildet ist.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeo/jpiel des Ultraschallgenerators. Dieser besitzt ein aus Bauteilen zusammengesetztes Arbeitselement_? das einen aus mehreren Teilen zusammengesetzten elektroakustischen Wand ler T aufweist, der zum Erzeugen von Ultraschallschwingungen, beispielsweise mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz, vorgesehen ist. Ein Horn H als weiteres Bauteil ist mittels eines Bolzens 11 mit dem Wandler T verbunden und

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bildet mit diesem zusammen das Arbeitselement. Der Bolzen 11 erstreckt sich durch eine zentrale Bohrung einer hinteren Masse 13 des Arbeitselements, duröh den elektroakustischen tandler T und in eine zentrale Bohrung des Homes H, mit dem er verschraubt ist. Eine'dünne, kreisförmige Platte P ist annähernd in einer Knotenfläche des Arbeitselements zwischen dem hinteren Ende des Homes H und dem elektroakustischen Wandler T eingeklemmt und dient zur Befestigung des Arbeiteelements. '

Der zwischen der Platte P und einer Ebene A-A liegende Teil des Homes H bildet eine vordere Masse 14 und stellt ein Funktionselement des elektroakustischen Wandlers T dar. Beide Massen 13 und 14 sind die Resonanzfrequenz des Arbeitselements bestimmende Elemente. Der Abstand vom freien Ende der Masse 13 Ms zur Ebene A-A beträgt ebenso wie der Abstand von der Ebene A-A zum freien Ende 16 des Homes H "je eine halbe Wellenlänge. Die Ebene A-A ist in einem Schwingungsbauch angeordnet. Die vordere Masse 14 ist einstückig mit dem Horn H ausgebildet, sie kann jedoch ein Teil für sich sein, das mit dem hinteren Teil des Hornes auf beliebige Art, z.B. durch den Bolzen 11 verbunden ist.

Der Durchmesser der Platte P ist größer als der des Arbeitselements. Die Platte P erstreckt sich radial von diesem unter Bildung eines-ringförmigen Flansches 15» Dieser ist nahe an seiner Peripherie mit"einem zylindrischen Halter S durch mehrere Metallschrauben 17 verbunden, welche" die Platte P durch entsprechend angeordnete Bohrungen 19 durchgreifen und in entsprechende Bohrungen im Halter S eingreifen.

Wenn die Platte P ohne Unterbrechungen! aus massivem Metall gebildet ist oder wenn sich in Radialdichtung vom Arbeitselement zum Halter S mehrere radiale, also geradlinige

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Metallstege erstrecken, dann wird die Schwingungsenergie des elektröakustisehen Wandlers 5! in unerwünschter Weise auf den Halter S übertragen, wodurch der Wirkungsgrad des Ultraschallgenerators herabgesetzt und dessen übriger Teil schädigenden Schwingungen ausgesetzt wird.

Zum Beseitigen dieses Nachteiles weist die Platte P eine erste und eine zweite Gruppe von _ setzten Durchbrüchen auf, die als bogenförmig gekrümmte Schlitze 21 bzw. 23 ausgebildet und auf zwei konzentrischen Kreislinien auf der Platte P so angeordnet sind, daß jeder Schlitz 21 in Radialrichtung die Enden zweier benachbarter Schlitze 23i.ü"!L_] 1/3 ihrer Iiänge überlappt. Dadurch sind alle Geraden, die'das Arbeitselement innerhalb der Platte P mit dem Halter S verbinden, durch diese sich überlappenden Schlitze 21 und 23 der beiden Schlitzgruppen und dadurch alle geradlinigen, innerhalb der Platte liegenden vom Arbeitselement zum Halter S führenden Schallwege unterbrochen. Eine Ausführungsform einer solchen Platte P hat einen Durchmesser von 63,5 mm und eine Stärke von etwa 1,6 mm und weist 2,4 mm breite Schlitze 21·. und 23 auf. Die Gruppen der Schlitze 21 und 23 sind an dem als flansch 15 "sich radial aus dem Arbeitselement erstreckenden Teil der Platte P angeord-·· net, so daß jeder vom Arbeitselement zum Halter S führende geradlinige, radiale Schallweg durch mindestens einen dieser Schlitze unterbrochen ist.

Die zuvor beschriebene Ausbildung der Platte P ermöglicht auf vorteilhafte· Weise eine wirkungsvolle hochgradige Isolation zwischen dem stark schwingenden Arbeitselement Und dem nichtschwingenden Halter S und außerdem eine zuverlässige feste Lagerung für den-Ultraschallgenerator, um das Horn H passend anzuordnen und eine statische Last- und Klemmkraft von dem Halter S über das Arbeitselement

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auf daa Werkstück zu übertragen.

Die oben erwähnten.vorteilHiften Eigenschaften sind am Besten zu erlangen, Worin die Platte P in eirier Enötenflache der durch den Wandler Ϊ erzeugten» überWieg-ehd longitudinalen Schwingung^ wie in fig*· 1 gezeigt* angeordnet ist. Dies könnte ebenöo an einer kndtenflache des Homes H sein, z.B. an dessen Schulter 27. Die Anordnung nach Pig. 1 bietet jedoch den Vorteil, niehr Arbeitsraum zwischen dem Werkstück und dem Halter S zu scfiäffen.

.Fig. 3 zeigt eine andere erfindungsgemäß ausgebildete Platte P¹ für den Ultraschallgenerator, in der die Durchbrüche durch mehrere lange und gerade Schlitze 31 gebildet sind, die mit den Radien der Platte P¹ Winkel bilden. Jeder Schlitz 31 überlappt in Radialrichtung annähernd die halbe Länge der beiden benachbarten Schlitze 31. Die Enden der Schlitze 31 liegen auf zwei konzentrischen Kreisliniens die nach innen weisenden Enden auf der Kreislinie mit kleinerem Radius, die nach äußert weisenden Enden auf der Kreislinie mit größerem Radius nahe an der Peripherie der Platte P¹. Statt gerade ^ können die Schlitze 31 auch gekrümmt sein.

Pig. 4 zeigt eine weitere erfindungsgemäß atisgebildete Platte P¹¹ für den Ultraschallgenerator. Diese Weist als Durchbrüche zwei Gruppen vöri öehmalea, laflgeh und geraden Schlitzen 35 und· 37 auf, die senkrecht zu dert durch ihre Mi^Ae gehenden Radien stehen. Die eiste Gruppe Weist vier Schlitze 35 auf,· die längs dert'Seiteti eines kleineren das Arbeitselement umfassenden Quadrats verlaufen. Die zweite Gruppe weist vier längere Schlitze 37 auf, die längs den Seiten eines größeren, das-erste umfassenden Quadrates angeordnet sind. Die Diagonalen der beiden Quadrate schneiden sich im'Plattenmittelpunkt und die Diagonalen

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des einen Quadrates bilden Winkelhalbierende der von den Diagonalen des anderen Quadrates eingeschlossenen Winkel. Das größere Quadrat schneidet mit seinen Seiten die Ecken des kleineren Quadrates. Durch diese Anordnung und durch die Länge der Schlitze 35"bzw. 37 ergibt sich, daß jeweils ein Schlitz der einen Gruppe die beiden" benachbarten Schlitze der anderen Gruppe in Radialrichtung ungefähr um 1/3 ihrer Länge überlappt.

Fig. 5 zeigt eine andere erfindungBgemäß ausgebildete Platte P¹¹¹ für den Ultraschallgenerator, deren Durchbrüche von in zwei Reihen auf konzentrischen Kreislinien angeordneten Bohrungen 38 und 40 gebildet sind, die sich in Radialrichtung Überlappend alle Radien der Platte ρ «»· unterbrechen. Die zwischen den Bohrungen 38 und 40 liegenden, das Platteninnere mit dem äußeren Teil der Platte pin verbindende Stege, bilden daher gekrümmte Wege für die vom'Arbeitselement ausgehenden Schwingungen. Ist der Plattenradius der Platte P¹¹¹ nur um weniges größer als der Radius des Arbeitselemente, dann können die als Bohrungen ausgebildeten Durchbrüche sich in Radialrichtung nicht so stark überlappen wie die als Schlitze ausgebildeten Durchbrüche, die daher zu bevorzugen sind.

Fig. 6 zeigt eine andere erfindungsgenfiße Ausbildung eines Teiles des Ultraschallgenerators, bei dem das Horn H¹ einen sich radial erstreckenden Flansch 15' aufweist, der an dem Horn H' angeformt ist. Der "Flansch 15* weist Durchbrüche 21^f/and 23" von der Art "auf," wie sie in Fig. 2 oder in den Fig. 3 bis 5 dargestellt sind. ~

Die zuvor beschriebenen erfindungsgemäß ausgebildete^ Plattenoder der Flansch für den Ultraschallgenerator sind im allgemeinen aus dünnem Stahl oder einem anderen Metall gefertigt und haben eine ausreichende Federelastizität, um

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gleichzeitig radiale und longitudinale Biegungen _t _J _{ zuzulassen« Beispielsweise wurde eine Platte mit einer Stärke von 1,6 mm und einem Durchmesser von 63*5 mm erfolgreich benutzt. Das Platteninnere der Platte schwingt frei in einer Richtung senkrecht zur Plattenebene, d.h. parallel zur Längsachse des Arbeitselementes, Dies ergibt eine Nachgiebigkeit für die longitudinalen Schwingungen mit geringer Amplitude in dem Bereich nahe der Knotenfläche der Ultraschallschwingungenϊ trotzdem besitzt die Platte eine ausreichende Steifigkeit, um das Arbeitselement in der gewünschten Ausrichtung und Lage zu halten und eine statische Kraft auf das zu behandelnde Werkstück zu übertragen·

Die zweite Schwingungsrichtung ist radial« In der Knotenfläche des Arbeitselements, in der die Platte angeordnet ist, bewirken die sich abwechselnden Zug- und Druckkräfte der longitudinalen Schwingungen ein entsprechendes Schrumpfen und Expandieren des Durclurcessers / } in einer Größenordnung, die durch die Poisonsche Zahl für das Material bestimmt ist, da sich dessen Volumen nicht ändert. Es hat sich gezeigt, daß diese radiale Schwingung skomponente eingeschränkt wird und sich eine starke Dämpfung der Schwingungen ergibt _r wenn vom Arbeitselement zum Halter radial erstreckende Metallwege vorhanden sind, z.B. in einer Platte, die Durchbrüche aufweist, die sich in Radialrichtung nicht überlappen. Die ,erfindungsgemäß ausgebildete Platte weist jedoch mehrere radial versetzte, in Radialrichtung sich überlappende Durchbrüche auf, so daß alle möglichen radialen Geraden,"also alle möglichen geradlinigen Schallwege vom Arbeitselement zum Halter von mindestens einem Durchbruch unterbrochen sind. Dadurch ergibt sich eine radiale Nachgiebigkeit und die"Dämpfung wird auf ein Minimum verringert. *

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Diese Kombination der Biegungsnachgiebigkeit ■in zwei Richtungen und" der statischen Steifigkeit in einer ganzmetallischen Halterung ergabt hervorragende Eigenschaften.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen weist der Ultraschallgenerator als Antrieb einen elektroakustischen Wandler mit piezoelektrischen Kristallen auf. Ebensogut kann ein magnetostriktiver Mechanismus verwendet werden.

Der elektroakustische Wandler T, der Antriebsteil des Ultraschallgenerators, bildet ein zylindrisches Bauteil, das zwei piezoelektrische Kristalle 41 und 42 aufweist, die durch eine elektrisch leitende Schicht 43 als Abstandhalter voneinander getrennt sind. Je eine elektrische Leitung ist mit der hinteren Masse 13 und mit der Schicht 43 verbunden, daeit durch die Erregung der piezoelektrischen Kristalle 41 und 42 eine gewünschte Resonanzfrequenz des elektroakustischen Wandlers T erzeugt werden kann.

Wenn die piezoelektrischen Kristalle 41 und 42 erregt werden, dann wird im elektröakustisehen Wandler T eine Sinusschwingung erzeugt. Diese bewirkt, daß das freie Ende des Homes H in verstärkter Weise schwingt. Auf diese Weise' kann die Schwingungsenergie über das freie Ende 16 des Homes H vom Arbeitselement direkt auf das Werkstück übertragen werden (z.B. zum Zusammenschweißen zweier sich überlappender thermoplastischer Streifen)·

Die erfindungsgemäße Platte P für den Ultraschallgenerator kann auch zwischen deurpiezoelektrischen Kristall 41 und der hinteren Masse 13 angeordnet seinj wenn für

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eine geeignete Isolierung gesorgt wird, sogar zwischen der leitenden Schicht 43 und einem der benachbarten piezoelektrischen Kristalle. In einem Ultraschallgenerator mit einem elektroakustiächen Wandler aus mehrschichtigen piezoelektrischen Kristallen kann die erfindungsgemäße Platte zwischen den vorderen und hinteren mehrschichtigen Kristallen angeordnet sein,, wenn für die geeigneten elektrischen Verbindungen Sorge getragen wird, z.B. daß die Platte und die vordere und die hintere Masse geerdet sind.

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Claims (9)

1. la t e ή t i;s epr ti ο

   ί tV/uitraschallgenerator mit einem Halter und einem. Ar- ^"beitselement, das mittele einer metallischen Blatte, die Durchbrtiche aufweist, mit dem Halter verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß alle geradlinigen, Schallwege", die vom Arbeitselement (H,T) innerhalb der Platte (P) zum Halter (S) führen, durch sioh überlappende Durchbrüche (21, 23$ 31, 35, 37| 38, 40) unterbrochen sind· " ,
2. 2) Ultraschallgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) vorzugsweise ringförmig ist und zwischen Bauteilen (H und T) des Arbeitselements (H, T) eingeklemmt ist.
3. 3) Ultraschallgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte einen ringförmigen Flansch (15') bildete "~ ·
4. 4) Ultraschallgenerator nach Anspruch 3, bei- dem die Bauteile de*s Arbeitselements eine vordere und eine hintere Masse vorzugsweise aus Metall aufweisen, dadurch gefcpnnaeichnet, daß der Plansch an einer der Massen angeformt ist. ■ '
5. 5) Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche als * Schlitze (21, 23; 31; 35, 37) ausgebildet sind, die mit den geradlinigen Schallwegen Winkel bilden.

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6. 6) Ultraschallgenerator nach Anspruch 5, dadurch, gekenn-" zeichnet, daß die Schlitze-(21, 23) gekrümmt sind und aiöh vorzugsweise längs zwei verschiedenen konzentrischen Kreislinien erstrecken.
7. 7) Ultraschallgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Schlitze (35, 37) längs den Seiten von zwei verschieden großen Quadrate erstrekken, deren Diagonalen sich im Mittelpunkt der Platte schneiden, wobei die Seiten des einen Quadrates zu den Diagonalen des anderen Quadrates parallel sind.
8. 8) Ultraschallgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche als Bohrungen (38, 40) ausgebildet sind.
9. 9) Platte für einen Ultraschallgenerator nach einem der " Ansprüche 1 bis 8 zum Verbinden des Arbeitselementes mit dem Halter, dadurch gekennzeichnet, daß alle möglichen Geraden von Punkten des Randes der Platte (P), der mit dem Arbeitselement (H, T) verbindbar ist, zu Punkten des Randes, der mit dem Halter (S) verbindbar ist, durch sich überlappende Durchbrüche (21, 23; 31? 35, 37; 38, 40) unterbrochen sind.

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   Lee rs e i t e