DE2047883B2

DE2047883B2 - Schwingungsübertrager für eine Ultraschallvorrichtung

Info

Publication number: DE2047883B2
Application number: DE2047883A
Authority: DE
Inventors: Tamas A. Biro; Jeffrey R. Sherry
Original assignee: Branson Ultrasonics Corp
Current assignee: Branson Ultrasonics Corp
Priority date: 1969-11-21
Filing date: 1970-09-29
Publication date: 1975-04-17
Also published as: DE2047883C3; US3601084A; DE2047883A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schwingungsübertrager für eine Ultraschallvorrichtung, der an entgegengesetzten Seiten je eine Eintritts- und mne Austrittsfläche aufweist, deren Abstand eine ganzzahlige Anzahl von halben Wellenlängen ist, mit Ausnehmungen, deren Achsen parallel zur Achse der erzeugten stehenden Wellen verlaufen und die sich quer durch die Knotenebene hindurcherstrecken.

Wenn Schwingungsenergie auf einen begrenzten Bereich der Eintrittsfläche eines Schwingungsübertragers einwirkt, so erhält man Schwingungen einheitlicher Amplituden, d. h. eine ebene Wellenfront an der entgegengesetzten Austrittsfläche nur dann, wenn die Abmessungen des Schwingungsübertragers in senkrecht zur Richtung der zu übertragenden Schwingung liegenden Ebenen einen bestimmten Wert nicht überschreiten; dieser Wert ist von der Wellenlänge der Schwingungen abhängig, die durch den für den Schwingungsübertrager verwendeten Werkstoff sowie von der Schwingungsfrequenz bestimmt wird. Im allgemeinen dürfen die maximalen Abmessungen in senkrecht zur Richtung der Schwingungen liegenden Ebenen ein Drittel der Schwingungswellenlängen nicht überschreiten. So erhält man z. 8. im Falle eines Schwingungsübertragers aus Aluminium oder Titan in der Form eines Zylinders oder Blocks, auf den am Mittelpunkt der Eintrittsfläche Schwingungen im Bereich von 20 kHz von einem gewöhnlichen elektromechanischen Schwinger einwirken, eine ebene Wellenform an der entgegengesetzten oder Austrittsfläche nur dann, wenn die Maximalabmessungen in zu den beiden Stirnflächen parallelen Ebenen etwa 76 mm nicht überschreiten. Wenn diese Maßgrenzen nicht eingehalten werden, so besitzen die an der Austrittsfläche auftretenden Schwingungen am Mittelpunkt größere Amplituden als am Umfang. Diese Erscheinung schränkt offensichtlich

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die Anwendungen für derartige Schwingungsüberira-

ger ein.

Aus der US-PS 31 13 225 ist ein Schwingungsübertrager mit großen Abmessungen bekannt, der von mehreren Schwingern beaufschlagt ist und an dessen Austrittsfläche Schwingungen mit im wesentlichen gleichförmigen Amplituden erzeugt werden. Dies wird durch Anordnung von Schlitzen im Schwingungsübertrager zur Unterbrechung der Querkontraktion erreicht. Diese Schlitze sind vor allem in einer Richtung von der Eintrittsfläche zur entgegengesetzten Austrittsfläche des Schwingungsübertragers vorgesehen, erstrecken sich quer durch den Schwingungsübertrager und sind überdies so angeordnet, daß sie die Knotenebene des Übertragers schneiden. Die Knotenebene ist die Fläche, an welcher praktisch keine Bewegung längs der Hauptschwingungsachse auftritt; infolge der Querkontraktion verläuft die Bewegung in einer zur gewünschten Abgabebewegung des Schwingungsübertragers senkrechten Richtung. Durch Anordnung der Schlitze als Emkopplungseinrichtungen in der Knotenebene bleibt eine ebene Wellenfront an der Austrittsfläche des Schwingungsübertragers erhalten.

Die Einarbeitung solcher Schlitze in bestimmte Werkstoffe, wie 2. B. Titan, ist schwierig, zeitraubend und kostenaufwendig. Die Erfindung zielt daher auf ein weniger kostspieliges Verfahren zur Unterbrechung der Querkontraktion bei verhältnismäßig massiven Schwingungsübertragern ab.

Demnach besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin, den Schwingungsüberlrager der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß in einfacher Weise die Querkontraktion verhindert wird.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Ultraschallvorrichtung mit nur einem Schwinger die Ausnehmungen als Bohrungen ausgebildet sind.

Durch die parallel zur Richtung der übertragenen Schwingung verlaufenden Bohrungen läßt sich die Querkontraktion auch bei Schwingungsübertragern mit einer verhältnismäßig großen Eintritts- und Austrittsfläche zuverlässig unterbrechen. Diese Bohrungen sind sehr einfach herzusteilen.

Ez. wird noch darauf hingewiesen, daß Bohrungen in einer an einer Stirnseite eines Schwingers angeordneten Schwingmasse bekannt sind (DT-AS 12 63 373). Diese Bohrungen verlaufen zwar parallel zur Achse der Schwingungen, erstrecken sich jedoch nicht durch die Knotenebene der stehenden Wellen; damit wird erreicht, daß die Schwingmasse aus einem Werkstoff hergestellt werden kann, der eine bessere Befestigung ermöglicht. Die Erfindung unterscheidet sich hiervon sowohl nach Aufgabe als auch nach Lösung.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ultraschallvorrichtung in schematischer Darstellung,

F i g. 2 die Eintrittsfläche eines Schwingungsübertragers in einer ersten Ausführungsform,

F i g. 3 eine Seitenansicht des Übertragers nach F i g. 2,

F i g. 4 die Eintrittsfläche eines Schwingungsübertragers in einer zweiten Ausführungsform,

F i g. 5 eine Seitenansicht des Übertragers der F i g. 4,

F i g. 6 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Schwingungsübertragers,

F i g. 7 eine Seitenansicht der anderen Seite des in

F i g. 6 gezeigten Übertragers.

Der elektrische Hochfrequenzgenerator 10 der Fig. 1 gibt über das Kabel 12 hochfrequente elektrische Energie an den Schwinger 14 ab, der die eingespeiste elektrische Energie in akustische Energie im Schall- oder Ultraschallbereich umsetzt. Der Schwinger 14 besitzt zu diesem Zweck bekannte magnetostriktive oder piezoelektrische Wandler. Ein Schwinger dieser Art eignet sich am besten zum Betrieb im Bereich von 18 bis 25 kHz, obwohl andere Frequenzen verwandt werden können.

Der Schwinger 14 ist an den Schwingungsübertrager 16 gekoppelt, dor die durch den Schwinger 14 erzeugten Schwingungen an die Werkstücke 18 und 20 überträgt, die an der Fläche 19 zusammenstoßen. Wenn die Werkstücke aus thermoplastischem Material gefertigt sind, so kann die dargestellte Anordnung zur Erzeugung einer Schweißnaht zwischen den Teilen 18 und 20 längs der Berührungsfläche 19 dienen.

Der Schwingungsübertrager 16 ist ein verhältnismä-Big massives Bauteil aus Aluminium oder Titan, und so bemessen, daß der Abstand zwischen der Eintrittsfläche, an welcher der Schwingungsübertrager die Schwingungsenergie vom Schwinger aufnimmt, und der Abgabefläche, an welcher die Schwingungsenergie an das Werkstück abgegeben bzw. übertragen wird, gleich einer ganzzahligen Anzahl von halben Schwingungswellenlänge im Übertrager ist.

In den F i g. 2 und 3 ist ein normales Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schwingungsüüertragers gezeigt. Der z. B. aus Aluminium oder Titan bestehende Schwingungsübertrager ist ein rechteckiger länglicher Block mit der Eintrittsfläche 22 und der ihr entgegengesetzt liegenden Abgabefläche 24. Die Eintrittsfläche 22 ist mit dem Gewindebolzen 23 versehen, der in die Gewindebohrung des Schwingers 14 eingreift. Der Schwingungsübertrager ist so ausgelegt, daß seine Abmessungen von der Eintrittsfläche 22 zur entgegengesetzt liegenden Abgabefläche 24 eine ganzzahlige Anzahl von halben Schwingungswellenlängen betragen, wodurch die Resonanzfrequenz -des Übertragers 16 auf der Längsachse liegt, auf der die Schwingungsenergie eingegeben wird (s. F i g. 1).

Zur Unterbrechung der Querkonlraktion zwischen den Teilen des Schwingungsübertragers 16 ist dieser mit einer Gruppe von Innenbohrungen 25 versehen, die sich von der Eintrittsfläche 22 zur Abgabefläche 24 hin erstrecken. Somit liegen diese Bohrungen parallel zur Schwingungsrichtung und quer zum Knotenbereich oder den Knotenbereichen des Schwingungsübertragers, wenn der Übertrager 16 als ein einziger Halbwellenresonator ausgebildet ist, so liegt der Knotenbereich halbwegs zwischen den Rächen 22 und 24, die am Schwingungs- oder Wellenbauch der Bewegung auf der Längsachse liegen. Es ist für den Fachmann ersichtlich, daß die kreisförmigen Löcher oder Bohrungen viel leichter bearbeitet werden können als Schlitze, die sowohl eine Bohr- als auch eine Fräsbearbeitung verlangen, .

Die Fig.4 und 5 zeigen einen ähnlichen Schwingungsübertrager. Der Schwingungsübertrager 16/4 besitzt wieder die Eintrittsfläche 224 und die gegenüberliegende Abgabefläche 24/4. Zur Unterbrechung der Querkontraktion ist der Schwingungsübertrager 16/4 mit einer Anzahl von Bohrungen 25Λ versehen, die sich von der Eintrittsfläche 22/4 zur Abgabefläche 24Λ erstrecken. Beim Vergleich des Ausführungsbeispiels der F i g. 4 mit dem der F i g. 2 erkennt man, daß jetzt drei Bohrungen 25A die einzige Bohrung 25 der Seite des Bolzens 23 ersetzen. Diese Mehrlochausführung ist besonders vorteilhaft, wenn der Übertrager ziemlich massiv ist und mit einer einzigen Bohrung entweder zu viel Material entfernt werden würde oder zu viel Zeit zur Bearbeitung verbraucht werden würde. Kleinere Bohrungen können im Hinblick auf die Standzeiten und Werkzeugkosten leichter bearbeitet werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Schwingungsübertragers ist in den F i g. 6 und 7 gezeigt. Der Übertrager 16ßist so ausgelegt, daß an seiner Abgabefläche 24Ö eine vergrößerte Schwingungsamplitude auftritt, und daher besitzt der Abgabe- oder Austrittsteil des Übertragers einen verkleinerten Querschnitt. Zur Unterbrechung der Querkontraktion ist der Übertrager mit einer Gruppe von Bohrungen 25B versehen, die von der Eintrittsfläche 22ß zur Abgabefläche 24ß in einer Richtung verlaufen, die parallel zu den übertragenen und den Stehwellen im Übertrager verlaufen. Wenn die Bohrungen die Fläche mit verringertem Querschnitt des Schwingungsübertragers erreichen, so werden sie durchschnitten und nehmen Schlitzform an. Im gezeigten Ausführungsbeispiel enden diese Schlitze in einem kurzen Abstand vor der Abgabefläche 24ß.

In der Praxis besitzt ein nach den F i g. 2 und 3 als Halbwellenresonator ausgelegter Schwingungsübertrager aus Aluminium für eine Frequenz von 20 kHz die folgenden Abmessungen: Querschnittfläche 3,8 χ 15,2 cm, Länge etwa 13 cm (auf 20 kHz abgestimmt), zwei Bohrungen von 2,54 cm Durchmesser im Mittenabstand von 5,92 cm.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schwingungsübertrager für eine Ultraschallvorrichtung, der an entgegengesetzten Seiten je eine Eintritts- und eine Austrittsfläche aufweist, deren Abstand eine ganzzahlige Anzahl von halben Wellenlängen ist, mit Ausnehmungen, deren Achsen parallel zur Achse der erzeugten stehenden Wellen verlaufen und die sich quer durch die KLnotenebene hindurcherstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ultraschallvorrichtung mit nur einem Schwinger (14) die Ausnehmungen als Bohrungen (25,25A, 25B) ausgebildet sind.

2. Schwingungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungsübertrager (16) einen rechteckigen Querschnitt besitzt.

3. Schwingungsübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrungen (25, 25A) über die gesamte Abmessung des Schwingungsübertragers (16, 16/4) von der Eintrittsfläche (22.22A) zur Austrittsfläche (24, 24A) erstrecken.

4. Schwingungsübertrager nach Anspruch 1 oder 2 mit einem an der Austrittsfläche verringerten Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (25ß) im Bereich des verringerten Querschnitts enden.