DE2809820A1 - Ultraschallwandler - Google Patents
UltraschallwandlerInfo
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Description
28Ü982Ü
Beschreibung
ULTRASCHALLWANDLER
Die Erfindung betrifft Ultraschallwandler.
Bei herkömmlichen Ultraschallwandlern befinden sich im allgemeinen piezoelektrische Elemente zwischen zwei mit
Flansch versehenen Metallblöcken, die durch Befestigungsvorrichtungen
wie Bolzen, die in die Flanschteile der einzelnen Blöcke geschraubt sind, zusammengeklemmt werden.
Bei dieser Anordnung kommt es zu Schwierigkeiten, da während eines langen Ultraschallbetriebs mit großer Amplitude
Biegeschwingungen auf die Flanschteile ausgeübt werden, was
zu einem Brechen der eingebetteten piezoelektrischen Elemente führt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, das Brechen der piezoelektrischen Elemente auszuschließen, an dem die herkömmlichen
Ultraschallwandler litten, und Ubergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz des Wandlers
zu verhindern, wodurch ein stabiler Betrieb sichergestellt wird und kontinuierliche Ultraschallschwingungen
großer Amplitude über eine lange Zeitdauer ermöglicht werden.
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Bevor die Erfindung im einzelnen erläutert wird, werden
zunächst die Mängel herkömmlicher Vorrichtungen ausführlicher erläutert.
Herkömmliche Ultraschallwandler mit Schwingungsamplitudenverstärkung
benutzen gewöhnlich eine Anordnung, bei der ein Ultraschallwandler, der ein Halbwellenlängen-Grundlängsresonanz
schwingungssystem zum Umwandeln elektrischer Schwingungen
in mechanische Schwingungen aufweist, in Reihe mit einem Ultraschallhorn gekoppelt ist, das ein weiteres Halbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingungssystem
zur Verstärkung der Amplitude der mechanischen Schwingung aufweist, wobei die Kopplung
durch eine geeignete Befestigungsvorrichtung, wie Löten,
Verschrauben etc. gebildet ist. Ein solcher schwingungsamplitudenver
stärk ender Ultraschallwandler besitzt den Nachteil, daß er große Abmessungen aufweist und schwer ist, da
er aus zwei in Reihe gekoppelten Grundlängsresonanzschwingungssystemen
besteht, nämlich aus einem Ultraschallwandlerteil einer halben Wellenlänge und einem Ultraschallhorn ebenfalls
einer halben Wellenlänge, und daß er somit notwendigerweise eine Länge aufweist, die einer Wellenlänge entspricht. Beim
schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandler mit zwei in Reihe verbundenen Grundresonanzsystemen müssen die
Eigenresonanzfrequenzen der beiden Systeme vollkommen übereinstimmen,
um wirksam Ultraschallschwingungen zu erzeugen.
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Bei der Benutzung von Ultraschallschwingungsenergie für industrielle Anwendungen ist es oft der Fall, daß ein Bearbeitungswerkzeug
oder ein Ansatz, wie eine Schwingungsplatte, am Vorderende des Ultraschallhorns befestigt ist.
In einem solchen Fall wird die Eigenresonanzfrequenz des ultraschallhorns beeinflußt durch das Gewicht, die Form und
die Abmessungen des Ansatzes, der am Vorderende des Horns befestigt ist, sowie durch die Last, die zur Durchführung
irgendeines Arbeitsvorgangs von außen aufgeprägt wird. Deshalb müssen die Ultraschallhörner herkömmlicher Wandler
mit Schwingungsamplitudenverstärkung so ausgelegt und hergestellt werden, daß sie eine Resonanzfrequenz besitzen,
die mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlerteils unter tatsächlichen Arbeitsbedingungen übereinstimmt. Folglich
umfaßte der Entwurf und die Herstellung der Ultraschallhörner bisher komplizierte Berechnungen und Experimente
für die Bestimmung der Abmessungen der Hörner. Für das Entwerfen und Herstellen der schwingungsamplitudenverstärkenden
Wandler herkömmlicher Konstruktion waren ein enormer Arbeitsaufwand und eine enorme Erfahrung erforderlich.
Beim Versuch, diese Mangel auszuschalten, kamen die Erfinder
der vorliegenden Erfindung zu einem Schwingungsamplitudenverstärkenden
Ultrascha11wandler, wie er in Fig. 1 gezeigt
ist. Ein solcher Ultraschallwandler besteht aus einem mecha-
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nische Schwingungen verstärkenden Block A (im folgenden lediglich zur Vereinfachung auch Schallschwingungsverstärkungsblock,
Schallschwingungsverstärkungsteil etc. genannt) mit einem Flansch A1 großen Durchmessers, der an einer
Stelle angeordnet ist, die vom Schallschwingungsausgangsende A2 einen Abstand entsprechend einem Viertel der übertragenden
Ultraschallwellenlänge besitzt, zur Aufnahme einer Anzahl von Bolzen E, einem Gegenblock B, der aus einem zylindrischen
Block einer vorbestimmten Länge besteht und an seinem Basisende einen kreisförmigen Flansch B1 vorbestimmter
Wanddicke besitzt ,einem Paar piezoelektrischer Elemente C1 und C2, die zwischen den genannten Flanschen angeordnet
sind und Bolzen E und Muttern F, welche die sich gegenüberliegenden Flansche über eine ringförmige Tragplatte D,
die am Flansch A1 des Schallschwingungsverstärkungsblock A angreift,
aneinander festhalten. Bei diesem Wandler sind die Flanschteile und die piezoelektrischen Elemente in der
Nachbarschaft eines Punktes (beim Knoten des Längsschwingungsmoden)
angeordnet, der um eine Länge entsprechend einem Viertel der ultraschallwellenlänge vom Schallschwingungsausgangsende
A2 entfernt ist, das am Schwingungsbauch des Längsschwingungsmoden des Schallschwingungsverstärkungsblocks A liegt. Bei
diesem Wandler ist das andere Ende B2 des Gegenblocks an einem Punkt vorgesehen (beim Schwingungsbauch des Längsschwingungsmoden)
, der um eine Länge entsprechend einer halben Ultra-
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schallwellenlänge entfernt liegt. Somit wirkt er als
ein Ultraschallwandler mit einem Halbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingungssystem
als Ganzes, und gleichzeitig funktioniert er als ein Ultraschallhorn eines HaIbwellenlängen-Grundresonanzschwingungssystems
für die Verstärkung der Amplitude. Deshalb besitzt der Wandler einen äußerst kompakten Aufbau und ein sehr geringes Gewicht, und
daher kann er viele Anwendungen auf solchen Gebieten finden, auf welchen es ernsthafte Raumbeschränkungen gab.
Bei einem Wandler mit einem solchen Aufbau besteht jedoch noch die Möglichkeit, daß ein Brechen des piezoelektrischen
Elementes, wie PZT, das am Flanschteil des Schallschwingungsverstärkungsblocks
anliegt, aufgrund der Biegeschwingung des Blocks verursacht wird, die sich auf das piezoelektrische
Element auswirken kann, wenn der Wandler über eine sehr lange Zeitdauer kontinuierlich in Schwingungen großer Amplitude
versetzt wird, wobei sich Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz des Wandlers ergeben.
Gleichermaßen wie bei den herkömmlichen Vorrichtungen besitzt auch der zuvor beschriebene Wandler das Problem, daß
dann, wenn der Wandler über eine ringförmige Halteplatte D, die in einem Knoten der Längsschwingung vorgesehen ist, an
einer äußeren Struktur festgehalten wird, die feste Halterung des Schwingelementes Energieverluste und Verschlechterungen
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der Betriebseigenschaften des Wandlers mit sich bringt.
Die Ergebnisse einer bei der Anmelderin durchgeführten Untersuchung der Gründe der genannten Probleme werden nun
anhand der Fig. 1 erläutert. Der Wandler T besitzt den Knoten seiner Längsschwingung in der Nachbarschaft des Mittelpunkts
G einer ringförmigen ebenen Oberfläche A11 des Schallschwingungsverstärkungsblocks
A, wobei die einzelnen Teile längs der Achse des Wandlers im Schwingungsmoden mit Längsschwingungsverschiebungen,
wie sie in der grafischen Darstellung der Fig. 1 gezeigt mit, mitschwingen.
Diese Schwingung bewirkt eine Längsschwingung L mit Schwingungsverschiebungen parallel zur Wandlerachse. Gleichlaufend mit
den axialen Schwingungsverformungen treten jedoch auch radiale Schwingungsverformungen in einem Betrag entsprechend
dem Poisson'sehen Verhältnis auf. Folglich besitzt der Wandler
auch eine Radialschwingung R, so daß er sich in den Radialrichtungen
ausdehnt und zusammenzieht, wenn auch in kleinem Maß. Die RadialschwingungsverSchiebung ist am größten im
Schwingungsknoten, in welchem die Spannung aufgrund der Längsschwingung maximal oder die Verschiebung aufgrund der Längsschwingung
Null ist, wie es in der grafischen Darstellung der Fig. 1 durch die gestrichelten Linien gezeigt ist. Diese
RadialSchwingungsverschiebung induziert und verursacht eine
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Biegeschwingung K des Flanschteils A1 des Schallschwingungsverstärkungsteils
A, so daß auf den ebenen Endteil A3 des Flanschteils KrümmungsschwingungsverSchiebungen ausgeübt
werden und dem piezoelektrischen Element wiederholt eine Biegebelastung auferlegt wird. Die piezoelektrischen Elemente
sind daher anfällig auf Bruchbeschädigungen, insbesondere bei einem langen Betrieb mit großer Amplitude.
Bei dem beschriebenen Wandler ist der Flansch A 1 des Schallschwingungsverstärkungsteils
mit einem großen Durchmesser ausgebildet, um eine Anzahl von Bolzen E aufzunehmen, die
als Befestigungs- oder Klemmmittel benutzt werden, und seine Konstruktion erlaubt eine geeignete elastische Verformung
auf eine Biegeverformung des Flansches hin, was dazu führt, daß unerwünschte Biegeschwingungen in dem Flanschten induziert
werden, wie es zuvor beschrieben worden ist.
Zudem ist beim beschriebenen Wandler die ringförmige Tragplatte D einfach angeordnet, um eine gleichmäßige und elastische
Halterung für den Flansch A1 zu schaffen, wobei es jedoch an einer Beschränkung oder Unterdrückung der Biegeschwingungen
des Flansches und daran, den gesamten Bereich der ringförmigen ebenen Oberfläche A11 des Schallschwingungsverstärkungsblocks
A vollständig als Knoten der Längsschwingung v/irken zu lassen, mangelt. Deshalb kann die ringförmige Trag-
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platte D gleichlaufend mit der Schwingung des Wandlers
schwingen, wenn auch in kleinem Ausmaß, was die Resonanzeigenschaften
des Wandlers beeinflußt. Dies hat Verluste der Schwingungsenergie und eine Verschlechterung der Betriebseigenschaften
dann zu Folge, wenn der Wandler über die ringförmige Tragplatte D an einer äußeren Struktur befestigt
ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen schwingungsamplitudenverstärkenden
Ultraschallwandler verfügbar zu machen, der die genannten Nachteile der beschriebenen Wandler überwindet.
Damit soll ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht werden, bei dem ein Brechen der piezoelektrischen Elemente,
wie PZT, verhindert ist, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen, ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz
und der Resonanzfrequenz, und um kontinuierlichen Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer zu
ermöglichen.
Dabei liegen Ergebnisse systematischer Experimente und theoretischer Analysen zugrunde, die von den Erfindern des
Erfindungsgegenstandes durchgeführt worden sind.
Ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler umfaßt:
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Ein erstes zylindrisches Teil, das an einem axialen Ende einen mechanische Schwingungen verstärkenden Teil
(Schallschwingungsverstärkungsteil) und am anderen Ende einen Flansch mit einer schmalen, ringförmigen, ebenen
Oberfläche aufweist, die längs einer Knotenebene des Längsresonanzschwingungsmoden
etwas radial nach außen vorsteht, wobei das erste zylindrische Teil am anderen Ende eine
vertikale ebene Oberfläche einer vorbestimmten Fläche besitzt; ein ringförmiges Teil, das im Vergleich zum Flansch
des ersten zylindrischen Teils eine ausreichende Steifigkeit und Dimensionierung aufweist und am axialen Ende seines
Innenumfangswandteils einen abgestuften Teil aus einer ringförmigen Innenoberfläche, die parallel zu seiner Achse
verläuft, und einer ringförmigen flachen Bodenfläche, die senkrecht zur Achse verläuft, aufweist, wobei die Bodenfläche
des abgestuften Teils gleichförmig an der ringförmigen ebenen Oberfläche des Flansches des ersten zylindrischen
Teils anliegt und die innere ringförmige Oberfläche einen schmalen Ringspalt um den Außenumfang des Flansches aufrechterhält,
wenn das erste zylindrische Teil koaxial in das Ringteil eingesetzt ist; ein zweites zylindrisches Teil
mit einem Zylinderkörper vorbestimmten Außendurchmessers und vorbestimmter Länge, der an seinem Basisende mit einem
Flansch versehen ist, der eine zu seiner Achse senkrecht
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stehende ebene Oberfläche vorbestimmter Fläche, einen
vorbestimmten Außendurchmesser und eine vorbestimmte Wanddicke aufweist; einen Ultraschallwandlerteil, der
zwischen den ebenen Oberflächen an gegenüber angeordneten axialen Endflächen des ersten und des zweiten zylindrischen
Körpers angeordnet ist und ein Paar piezoelektrische Elemente aufweist, die zu beiden Seiten einer Elektrodenplatte
angeordnet sind, mit einem Ultraschalloszilator verbunden sind und ebene Oberflächen aufweisen, die senkrecht zur
Achse der sich gegenüberliegend angeordnet axialen Enden stehen und eine Fläche aufweisen, die kleiner als die ebenen
Oberflächen von erstem und zweitem zylindrischen Teil sind; und eine Befestigungsvorrichtung, welche die ebenen Oberflächen
des Ultraschallwandlerteils gegen die ebenen Oberflächen von erstem und zweitem zylindrischem Teil preßt
und den ringförmigen steifen Körper und den Flansch des zweiten zylindrischen Teils in integrierter Weise zusammenklemmt
und zwar derart, daß sie den Ringspalt und den Ultraschallwandlerteil umgibt.
Beim erfindungsgemäßen Ultraschallwandleraufbau besitzt
der Flansch des ersten zylindrischen Teils einen verringerten Durchmesser, um die Eigenfrequenz des Flansches zu dem
Zweck, seine Biegeschwingungen auszuschalten, zu erhöhen, so daß ein Brechen der piezoelektrischen Elemente des Ultra-
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schallwandlers durch die Unterdrückung der Biegeschwingung
des Flansches und der ebenen Oberfläche des ersten zylindrischen Teils verhindert ist, was
einen Ultraschallschwingungsbetrieb mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer erlaubt.
Nach einem Aspekt (dem ersten Aspekt), der sich auf einen schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandler
bezieht, umfaßt die Erfindung: einen Schallschwingungsverstärkungsteil,
der als erster Zylinderteil dient und aus einem Block mit einem Schallschwingungsausgangsende kleiner
Querschnittsfläche, einem Schallschwingungseingangsende
großen Querschnittsbereichts, einem Flansch kleinen Durchmessers, der eine vorbestimmte Wanddicke aufweist und sich
an einer Stelle befindet, die vom Schallschwingungsausgangsende einen Abstand entsprechend einer Viertelwellenlänge
des Längsresonanzschwingungsmoden aufweist, und einer ebenen Oberfläche vorbestimmter Fläche, die in der Nähe des
Flansches vorgesehen ist und als Schallschwingungseingangsende dient, besteht; ein ringförmiges steifes Teil, das eine
relativ große Wanddicke bestitzt, um ausreichende Steifigkeit und ausreichendes Gewicht zu haben und gleichförmig
und sicher an der gesamten Fläche der schmalen, ringförmigen, ebenen Oberfläche anliegt, die an dem einen kleinen Durchmesser
aufweisenden Flansch auf der Seite des Schallschwingungs-
ausgangsendes in einer Position vorgesehen ist, die mit
der Knotenebene des Längsresonanzschwingungsmoden des Schallschwingungsverstärkungsteils übereinstimmt, und das
einen Ringspalt um den Umfang des Flansches mit kleinem Durchmesser bildet; einen als zweites zylindrisches Teil
dienenden Gegenblock, der aus einem Block einer vorbestimmten Länge, die kürzer als eine Viertelwellenlänge ist,
besteht und an seinem Basisende einen Flansch mit vorbestimmter Wanddicke und mit einer ebenen Oberfläche vorbestimmter
Fläche aufweist; einen Ultraschallwandlerteil mit einem Paar piezoelektrischer Elemente, die zwischen den
ebenen Oberflächen von Schallschwingungsverstärkungsteil und Gegenblock angeordnet und mit einem Ultraschalloszilator
verbunden sind, wobei die entgegengesetzten Endflächen der piezoelektrischen Elemente eine kleinere Fläche als die
ebenen Oberflächen der Blöcke besitzen; und eine Befestigungsvorrichtung, welche die ebenen Oberflächen des Wandlerteils
gegen die sich gegenüberliegenden ebenen Oberflächen von Schallschwingungsverstärkungsteil und Gegenblock drängt
und die Flansche über das ringförmige steife Teil derart aneinanderklemmt,
daß sie den Ringspalt und den Ultraschallwandlerteil umgibt; dadurch wird der ringförmige ebene Oberflächenteil
des Flansches des Schallschwingungsverstärkungs- teils auf der Seite des Schallschwingungsausgangsendes starr
und begrenzt gehalten, um die Knotenebene des Halbwellenlängen-
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Grundlängsresonanzschwingungssystems zu umgeben, und
wird der Ultraschallwandlerteil in integrierter Weise an den sich gegenüberliegenden Flanschen festgeklemmt,
um als Ganzes einen Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingungsmoden
auszuführen.
Bei der beschriebenen Ultraschallwandlerkonstruktion gemäß
dem ersten Aspekt der Erfindung ist der Durchmesser des Flansches am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils
im Vergleich zu den herkömmlichen Gegenstücken beträchtlich minimiert worden, und die ringförmige ebene Oberfläche
des Flansches auf der Seite des Schallschwingungsausgangsendes
steht in sicherem Eingriff mit einem dicken, ringförmigen steifen Körper mit ausreichender Steifigkeit
und ausreichendem Gewicht, um die Biegesteifigkeit des Flansches als Ganzes und dessen relatives Gewicht zu erhöhen,
wodurch die Erzeugung einer Biegeschwingung der ebenen Oberfläche des Flansches, der das piezoelektrische Element innig
berührt, verhindert ist, um ein Brechen oder Beschädigungen des piezoelektrischen Elementes auszuschalten und einen
kontinuierlichen Betrieb mit großer Amplitude über eine sehr lange Zeitdauer zuzulassen, ohne Übergangsänderungen der
elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz zu bewirken.
Um Verschiebungen der Längsschwingung in der gesamten Basis-
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schnittebene, längs der Knotenebene der Halbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingung,
auszuschalten, ist beim Wandler nach dem ersten Aspekt der die Basisebene umgebende
Flansch des Schallschwingungsverstärkungsteils starr und begrenzt an seiner ringförmigen ebenen Oberfläche auf der
Seite des SchallSchwingungsausgangsendes gehalten. Folglich befindet sich der Wandler in seiner Gesamtheit in einem
idealen Längsschwingungsmoden in Resonanz, wobei als Knotenebene die zuvor erwähnte ringförmige flache Oberfläche am
Knoten der Längsschwingung (Schwingungsverschiebung Null) und der gesamte Bereich der Schnittebene (Basisschnittebene),
der von der ringförmigen ebenen Oberfläche umgeben ist, verwendet wird. Der Ringspalt um den die Knotenebene der Längsschwingung
umgebenden Flanschteil verhindert, daß radiale Schwingungen, die gleichlaufend mit der Längsschwingung erzeugt
werden, direkt auf den ringförmigen starren Körper übertragen werden. Daher kann der Wandler extrem stabile Resonanzschwingungen
durchführen. Der ringförmige steife Körper bleibt ein steifer Körper mit einer Schwingungsverschiebung
Null, so daß der Wandler über den ringförmigen steifen Körper mit anderen Strukturen zusammengebaut werden kann, ohne daß
sich Verschlechterungen bezüglich der Resonanz und anderer Betriebsbedingungen des Wandlers ergeben.
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Zudem befindet sich beim Wandler gemäß erstem Aspekt
der dicke, ringförmige, steife Körper über die kleine ringförmige Oberfläche des Flansches in Eingriff mit der
Flanschoberfläche des Schallschwingungsverstärkungsteils, so daß ein großer Abfall der akkustische Impedanz über .
der mechanischen Kopplung zwischen dem dicken, ringförmigen steifen Körper und dem Flansch erzeugt wird, wodurch
eine übertragung von Ultraschallwellenenergie vom Flansch auf den ringförmigen steifen Körper verhindert wird und
Streuenergieverluste, die auftreten würden, wenn der Wandler an einer äußeren Struktur festgehalten würde, auf einem
Minimum gehalten werden.
Ferner ist beim Wandler gemäß erstem Aspekt der Flansch des Schallschwingungsverstärkungsteils starr und begrenzt
an der ringförmigen ebenen Oberfläche auf der Seite des Schallschwingungsausgangsendes gehalten, so daß unabhängig
von der Resonanzfrequenz die Knotenebene des Längsresonanzschwingungssystems
sich immer in der Schnittebene (Basisschnittebene) befindet, die von der ringförmigen ebenen
Oberfläche umgeben ist. Die beiden Elemente, d. h., der Schallschwingungsverstärkungsteil, der einen Viertelwellenlängen-Resonanzmoden
mit einem Schwingungsknoten in der die ringförmige ebene·Oberfläche enthaltenden Schnittebene aufweist,
und das dagegengesetzte Teil (der Ultraschallwandler-
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teil und der Gegenblock), der einen weiteren Viertelwellenlängen-Resonanzmoden
besitzt, sind miteinander gekoppelt, so daß sie als Ganzes eine Halbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingung
ausführen. Der Gegenblock kann ausgewechselt werden, um dessen Länge beliebig zu
ändern. Deshalb kann selbst dann, wenn am Vorderende des Schallschwingungsverstärkungsteils ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug,
eine Schwingungsplatte oder ein anderer Ansatz befestigt ist, die Resonanz des gesamten
Wandlers durch Auswechseln des Blocks des gegengesetzten Teils leicht und vollständig aufrecht erhalten werden,
ohne die Position des Knotens der Längsresonanzschwingung zu verschieben oder zu ändern.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung (zweiter Aspekt) ist die ringförmige ebene Oberfläche des Flansches des
ersten zylindrischen Teils auf der Seite des Schallschwingungsverstärkungsteils in integrierter Weise mit der Bodenoberfläche
des abgestuften Teils des ringförmigen steifen Körpers durch Löten oder Schweißen verbunden, wodurch der Eingriff
zwischen dem ersten zylindrischen Teil und dem ringförmigen
steifen Körper verstärkt ist, um stabilisierte Ultraschall-Schwingungen sicherzustellen und gleichzeitig den Ultraschallwellenumwandlungswirkungsgrad
zu verbessern.
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28Ü9Ö2U
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung (dritter Aspekt) springt die am Ultraschallwandlerteil anliegende ebene
Oberfläche des ersten zylindrischen Teils axial vor, wodurch die Biegesteifigkeit der ebenen Oberfläche des ersten
zylindrischen Teils erhöht wird. Dadurch wird die Biegesteifigkeit der ebenen Oberfläche des ersten zylindrischen
Teils erhöht, um die Verschiebung des die piezoelektrischen Elemente umfassenden Ultraschallwandlerteils auszuschließen
und folglich Bruchbeschädigungen der piezoelektrischen Elemente zu verhindern und wird auf den Ultraschallwandlerteil
mit der vorstehenden ebenen Oberfläche Druck ausgeübt, um dessen Anliegen in solcher Weise zu verbessern, daß ein
gleichförmiger Druck auf die gesamten ebenen Oberflächen des Ultraschallwandlerteils ausgeübt und stabilisierte Ultraschallschwingungen
durchgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung (vierter Aspekt) sind der erste zylindrische Teil und der ringförmige steife
Körper durch eine einzige integrierte Struktur gebildet, die mit einer als Ringspalt dienenden Ringnut versehen ist.
Dadurch wird der Eingriff zwischen dem ersten zylindrischen Teil und dem ringförmigen steifen Körper im Vergleich zum
zweiten Aspekt noch mehr verstärkt, so daß noch stabilere Ultraschallschwingungen ausgeführt werden und gleichzeitig
der Ultraschallwellenumwandlungswirkungsgrad noch mehr verbessert wird.
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- 27 -
280982Ü
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung (fünfter Aspekt) ist die Wand des Flansches des zweiten zylindrischen Teils
mit Ausnahme jener Teile, die von der Befestigungsvorrichtung
festgeklemmt werden, gekerbt, in Form einer Blütenkrone, so daß an den Kerbteilen unnötige Biegeschwingungen abgeschnitten
werden, die ansonsten längs des Umfangs des Flansches des zweiten zylindrischen Teils erzeugt würden. Zur Verhinderung
von Biegeschwingungen wird es möglich, das Gewicht im Vergleich zum herkömmlichen Gegenstück zu verringern und durch Vergrößerung
der Wanddicke der Befestigungsteile die Steifigkeit auf einen gewünschten Wert zu erhöhen. Der Ultraschallwandlerteil
wird somit gleichförmig eingepreßt, um stabile Ultraschallschwingungen sicherzustellen, mit einem erhöhten Wirkungsgrad
der Umsetzung von elektrischen in mechanische Schwingungen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung (sechster Aspekt) besitzt der Schallschwingungsverstärkungsteil ein Verstärkungshorn,
das aus einem austauschbaren Vorderendteil und aus einem Basisendteil besteht, und der Gegenblock besteht
aus einem Hauptblock und aus einem austauschbaren Resonanzjustierblock.
Dies macht es möglich, die Frequenz der Ultraschallwelle leicht und beliebig zu ändern, indem man die
Längen des Vorderendteils des Verstärkungshorns und des Resonanzjustierblocks
ändert.
2803820
Es ist also mit der Erfindung ein Ultraschallwandler verfügbar gemacht worden, bei dem der Flanschteil des
zylindrischen Körpers für den Schallschwingungsverstärkungsteil
eine geringe Breite aufweist sowie einen kleinen Außendurchmesser, der vom zylindrischen Körper etwas radial nach
außen vorsteht, und der axial durch einen ringförmigen steifen Körper festgehalten wird, der durch eine Befestigungsvorrichtung
am Plansch eines anderen zylindrischen Körpers festgeklemmt ist, wobei ein Ringspalt rund um den Flanschteil
des ersten zylindrischen Körpers bleibt. Dadurch wird eine Biegeschwingung des Flanschteils des ersten zylindrischen
Körpers des Schallschwingungsverstärkungsteils und dessen ebener Oberfläche, die am piezoelektrischen Element
anliegt, verhindert.
Ferner ist mit der Erfindung ein schallschwingungsverstärkender
Ultraschallwandler verfügbar gemacht worden, der ein Brechen piezoelektrischer Elemente, wie PZT, verhindern kann.
Spezieller ausgedrückt ist mit der vorliegenden Erfindung ein verbesserter schwingungsamplitudenverstärkender Ultraschallwandler
verfügbar gemacht worden, der aus einem HaIbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingungssystem
besteht und elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen umzuwan-
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dein und die Amplitude der umgewandelten mechanischen
Schwingungen zu verstärken vermag. Dabei sind piezoelektrische Elemente angeordnet zwischen einer ebenen Oberfläche eines Flansches am Basisende eines Schallschwingungsverstärkungsteils, das eine einer Viertelwellenlänge entsprechende Länge aufweist^und einer ebenen Oberfläche eines Flansches eines Gegenblocks, wobei die Flansche durch ein
ringförmiges Teil, das im Eingriff mit dem Flansch des Schallschwingungsverstärkungsteils steht, mittels einer Anzahl
Bolzen aneinander befestigt sind. Zudem ist dabei der ringförmige Flansch am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils so schmal, daß dessen Umfang von der durch die Befestigungsbolzen definierten Kreisfläche umschlossen ist, um eine Induzierung einer Biegeschwingung des Flansches aufgrund
einer Radialschwingung des Wandlers zu verhindern. Die ringförmige ebene Oberfläche des genannten Flansches auf der
Seite des Schallschwingungsausgangsendes steht in sicherem
Eingriff mit einem dicken, ringförmigen steifen Körper mit
ausreichender Steifigkeit und ausreichendem Gewicht, um den Flansch in einer starren und begrenzten Weise zu halten und die Biegesteifigkeit des Flansches zu erhöhen. Dadurch wird die Erzeugung einer Biegeschwingung des Flansches aufgrund
der radialen Schwingung des Wandlers gewaltsam unterdrückt, um ein Brechen der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, zu ver-
Schwingungen zu verstärken vermag. Dabei sind piezoelektrische Elemente angeordnet zwischen einer ebenen Oberfläche eines Flansches am Basisende eines Schallschwingungsverstärkungsteils, das eine einer Viertelwellenlänge entsprechende Länge aufweist^und einer ebenen Oberfläche eines Flansches eines Gegenblocks, wobei die Flansche durch ein
ringförmiges Teil, das im Eingriff mit dem Flansch des Schallschwingungsverstärkungsteils steht, mittels einer Anzahl
Bolzen aneinander befestigt sind. Zudem ist dabei der ringförmige Flansch am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils so schmal, daß dessen Umfang von der durch die Befestigungsbolzen definierten Kreisfläche umschlossen ist, um eine Induzierung einer Biegeschwingung des Flansches aufgrund
einer Radialschwingung des Wandlers zu verhindern. Die ringförmige ebene Oberfläche des genannten Flansches auf der
Seite des Schallschwingungsausgangsendes steht in sicherem
Eingriff mit einem dicken, ringförmigen steifen Körper mit
ausreichender Steifigkeit und ausreichendem Gewicht, um den Flansch in einer starren und begrenzten Weise zu halten und die Biegesteifigkeit des Flansches zu erhöhen. Dadurch wird die Erzeugung einer Biegeschwingung des Flansches aufgrund
der radialen Schwingung des Wandlers gewaltsam unterdrückt, um ein Brechen der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, zu ver-
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J! »ί
hindern und stabilisierten Betrieb sicherzustellen,, ohne
Ubergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz
selbst bei einem kontinuierlichen Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude und über eine extrem lange Zeitdauer.
Ferner ist mit der vorliegenden Erfindung ein schwingungsamplitudenverstärkender
Ultraschallwandler hoher praktischer Verwendbarkeit verfügbar gemacht worden, bei dem die ringförmige
ebene Oberfläche des Flansches, der die im Knoten der Längsschwingung des Wandlers angeordnete Schnittfläche des
Schallschwingungsverstärkungsteils (Basisschnittebene) umgibt, in starr begrenzter Weise gehalten wird, um Längsschwingungsverschiebungen
der ringförmigen ebenen Oberfläche zu verhindern und die gesamte Struktur des Wandlers in eine
ideale Längsresonanzschwingung- zu versetzen, wobei als Knotenebene die gesamte Fläche der ringförmigen ebenen Oberfläche
und des Querschnitts (Basisschnittebene)/ der von der ringförmigen
ebenen Oberfläche umgeben ist, benutzt wird, und bei dem um den Flanschteil ein Ringspalt vorgesehen ist, derart,
daß er die Knotenebene der Längsschwingung umgibt, um zu
verhindern, daß die Radialschwingungen, die gleichlaufend
mit der Längsschwingung auftreten, auf den ringförmigen steifen
Körper übertragen werden. Dadurch wird der ringförmige steife
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Körper in einem Zustand einer Schwingungsverschiebung Null isoliert, um zu erlauben, daß der Wandler über den
ringförmigen steifen Körper an anderen Strukturen befestigt oder mit diesen zusammengesetzt wird, ohne die Resonanzschwingungseigenschaften
zu beeinträchtigen.
Weiterhin ist mit der vorliegenden Erfindung ein schwingungsamplitudenverstärkender
Wandler verfügbar gemacht worden, bei dem der Flanschteil des Schallschwingungsverstärkungsteils
mit dem ringförmigen steifen Körper über eine kleine ringförmige Fläche auf der Flanschoberfläche in Eingriff
steht, um einen großen Abfall der akkustischen Impedanz über der mechanischen Kopplung zwischen dem Flanschteil und dem
ringförmigen steifen Körper zu erzeugen und eine übertragung von Ultraschallwellenenergie vom Flanschteil auf den ringförmigen
steifen Körper zu verhindern, wodurch die Energieverluste, die auftreten könnten, wenn der Wandler festgehalten
würde, auf einem Minumum gehalten werden.
Außerdem ist mit der vorliegenden Erfindung ein schwingungsamplitudenverstärkender
Ultraschallwandler verfügbar gemacht worden, bei dem am Vorderende des Schallschwingungsverstärkungsteils
des Ultraschallhorns verschiedene Ansatzstücke, wie Ultraschallbearbeitungswerkzeuge, Schwingungsplatten etc., aus-
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wechselbar befestigt werden können, ohne daß Änderungen bezüglich der Form und der Abmessungen der Hauptstrukturen
des Wandlers, einschließlich des Schallschwingungsverstärkungsteils
und der piezoelektrischen Elemente wie PZT, des Ultraschallwandlerteils, erforderlich werden, und eine vollkommene
Resonanz des Wandlers kann einfach durch Ändern der Länge des Gegenblocks bewirkt werden.
Zudem ist mit der vorliegenden Erfindung ein schwingungsamplitudenverstärkender
Ultraschallwandler verfügbar gemacht worden, bei dem unter Aufrechterhaltung der vorausgehend
genannten Vorteile die Längen von Schallschwingungsausgangsteil
und Gegenblock in einer vereinfachten Weise geändert werden können, ohne Änderungen der Hauptstrukturen
des Wandlers nach sich zu ziehen, um es möglich zu machen, die Frequenz der erzeugten Ultraschallewellen beliebig und
leicht zu ändern.
Überdies ist mit der vorliegenden Erfindung ein schwingungsamplitudenverstärkender.Ultraschallwandler
verfügbar gemacht worden, bei dem der Gegenblock mit einem blumenkronenartigen Flansch mit mehreren Haltearmen versehen ist, um die Erzeugung
unerwünschter falscher Schwingungen oder der unnötigen Schwingung des sog. Störmoden, die gleichlaufend mit den beabsichtigten
Hauptschwingungen erzeugt werden, auszuschließen, wodurch ein stabilisierter Betrieb des Wandlers sichergestellt und der
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28Ü382U.
Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischen Schwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen noch erhöht wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht und eine grafische Darstellung der Schwingungsausschläge verschiedener
Teile des bereits erläuterten Ultraschallwandlers ;
Fig. 2 eine Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
Fig. 3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
Fig. 4 eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
Fig. 5 eine Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
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Fig. 7 eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers
;
Fig. 8 eine Darstellung einer siebenten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;
und
Fig. 9-11 Darstellungen von Abwandlungen des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.
In den Zeichnungen bedeuten:
1 einen mechanische Schwingungen verstärkenden Teil (im folgenden Schallwellenverstärkungsteil genannt) als eine
Form des ersten zylindrischen Teils; 12 einen Flansch mit
reduziertem Durchmesser; 14 einen Gegenblock als zweites zylindrisches Teil; 13 einen ringförmigen starren Körper;
13C einen Ringspalt; 15 einen Flansch des Gegenblocks;
16 eine Befestigungsvorrichtung; 17A und 17B piezoelektrische Elemente; und 18 eine Elektrodenplatte.
.«Π9838/Οβ9β
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Bei der in Fig. 2 beschriebenen ersten Ausführungsform
wird die vorliegende Erfindung auf einen Ultraschallwandler mit Schwingungsamplitudenverstärkung angewendet,
der dem zuvor erwähnten ersten Aspekt der Erfindung entspricht. Der Ultraschallwandler mit Schwingungsamplitudenverstärkung
gemäß erster Ausführungsform besitzt als erstes zylindrisches Teil einen mechanische Schwingungen verstärkenden
Teil 1 (im folgenden Schallschwingungsverstärkerteil genannt), der aus einem exponentiellen Schwallschwingungsausgangsteil
11 und einem scheibenartigen Flansch 12, der an dessen Basis vorgesehen ist und einen kleineren Durchmesser
aufweist als sein Gegenstück bei der bereits beschriebenen Vorrichtung. Der Flansch 12 ist mit dem Schallschwingungsausgangsteil
11 integriert und besitzt an seiner axialen Endfläche eine ebene Oberfläche 12A, die als Schallschwingungseingangsende
dient, und eine ringförmige ebene Oberfläche 12B geringer Breite für das Eingreifen mit einem
ringförmigen steifen Körper 13. Der ringförmige steife Körper ist durch ein Ringteil gebildet, das bezüglich Innen- und
Außendurchmesser und Dicke ausreichend größer als der Flansch ist und eine ausreichende Steifigkeit und ein ausreichendes
Gewicht aufweist. Der ringförmige steife Körper ist mit einer L-förmig abgestuften Anlagefläche 13A, die dazu dient, mit
dem gesamten Bereich der ringförmigen ebenen Oberfläche 12B
des Schallschwingungsverstärkungsteils eine innige Berührung herzustellen^ und mit einer Anzahl Gewindelöchern 13B, die
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22/23 - - - ...
in gleichen Abständen längs des Umfangs verteilt sind und der Schraubverbindung mit einer entsprechenden Anzahl Bolzen
16 dienen, versehen. Ein als zweites zylindrisches Teil dienender rückseitiger Block 14 besteht in einem zylindrischen
Körper, der einen mit seiner Basis integrierten scheibenartigen Flansch 15 für Befestigungszwecke aufweist. Der
Flansch 15 besitzt eine Anzahl Durchgangslöcher 15B zur Aufnahme
der in die Gewindelöcher 13B im ringförmigen steifen Körper 13 geschraubten Bolzen 16, die einen ausreichend
großen Durchmesser besitzen, um den einen kleinen Durchmesser aufweisenden Flansch 12 des Schallschwingungsverstärkungsteils
1 und den gegenüberliegenden Flansch 15 des Gegenblocks 14 dicht zusammenzudrücken und dabei zwischen diesen piezoelektrische
Elemente 17A und 17B in Form fester Kreisplatten und eine Elektrodenplatte 18, die den Ultraschallwandlerabschnitt
bilden, einzubetten. Folglich werden die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B und die Elektrode 18 durch
die ebenen Endflächen der sich gegenüberliegenden Flansche in Axialrichtung gepreßt und zwischen diesen gehalten. Der
an der Basis des Schallschwingungsverstärkungsblocks vorgesehene Ringflansch 12 ist so klein, daß sich sein Außendurchmesser
innerhalb der Kreiszone befindet, die von den Spannbolzen umgeben ist, um die Einführung von Biegeschwingungen
zu verhindern. Die ringförmige ebene Oberfläche 12 B besitzt
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eine glatte Oberfläche, damit deren gesamter schmaler
Ringbereich die Anlageoberfläche 13A des steifen ringförmigen
Körpers 13 gleichmäßig und innig berührt, nachdem die Bolzen 16 fest angezogen sind. Längs der Grenzlinien
zwischen dem Umfang des Ringflansches 12 und dem ringförmigen
steifen Körper 13 ist ein Ringzwischenraum 13C vorgesehen, der den Ringflansch 12 umgibt, um zu verhindern,
daß Radialschwingungen, die während der Längsschwingungen des Wandlers am Flanschteil auftreten, direkt auf den ringförmigen
steifen Körper 13 übertragen werden. Andererseits ist der Flansch 15 des Gegenblocks 14 mit einem größeren
Durchmesser versehen, um die Spannhalterung durch die Bolzen 16 vorzusehen. Außerdem ist der Flansch 15 mit einer
vorbestimmten Dicke ausgebildet, um eine geeignete Elastizität zu schaffen, die als Blattfeder hoher Steifigkeit wirkt,
wenn auf sie eine Biegeversetzung innerhalb ihres elastischen Verformungsbereichs einwirkt. Wie Fig. 2 (a) zeigt,
ist der ringförmige steife Körper 13 mittels Bolzen BT an einem festen Trageteil SM befestigt, um den Wandler festzuhalten.
Die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B sind mit einem (nicht dargestellten) Ultraschalloszilator verbunden, und
ihre positiven Pole liegen sich auf entgegengesetzten Seiten der Elektrode 18 gegenüber.Die negativen Pole der piezoelektrischen
Elemente 17A und 17B werden unter dem statischen
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Druck, der durch den als Blattfeder wirkenden Flansch 15
des Gegenblocks ausgeübt wird, mit der ebenen Oberfläche 12A, die das Schallschwingungseingangsende des Schallschwingungsverstärkungsteils
bildet, bzw. der ebenen Oberfläche 15A des Flansches 15 des Gegenblocks in Berührung gehalten.
Der Schallschwingungsverstärkungsteil 1, die piezoelektrischen
Elemente' 17A und 17B, die Elektrode 18 und der Gegenblock
14 schwingen alle als integrierter Körper bei der vorbestimmten Frequenz, wobei die einzelnen Teile so dimensioniert
sind, daß sie eine Halbwellen-Längsgrundresonanzschwingung erzeugen. Dabei liegt die Knotenebene der Schwingung
in der Ringebene 12B des Schallschwingungsverstärkungsteils und in der Schnittbasisebene 12, welche die Verlängerung
dieser Ringebene darstellt. Genauer ausgedrückt entspricht der Abstand zwischen dem Schallschwingungsausgangsende 11A
und der Schnittbasisebene 12C (der Knotenebene der Halbwellenlängsresonanzschwingung)
des Schallschwingungsverstärkungsteils 11 einer Viertelwellenlänge des Resonanztyps, in welchem
der Wandler bei der vorbestimmten Frequenz Resonanzschwingungen ausführt. Andererseits ist die Länge des
Gegenblocks 14 experimentell so bestimmt, daß der Wandler als Ganzes eine Halbwellenlängenlängsresonanzschwingung ausführt,
wobei ein Knoten auf der Ringebenenoberfläche 12B und
der Schnittbasisebene 12C liegt. Zuleitungsdrähte 19 sind mit
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der Elektrode 18 bzw. dem ringförmigen steifen Körper 13
verbunden.
Der Ultraschalloszilatorwandler mit Amplitudenverstärkung gemäß der ersten Ausführungsform arbeitet folgendermaßen.
Eine externe Ultraschallquelle liefert elektrische Schwingungsströme an die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B, und zwar
mit der Resonanzfrequenz des Ultraschallwandlers mit Schwingungsamplitudenverstärkung,
wodurch mechanische Schwingungen erzeugt werden (die vorliegend auch als Schallschwingungen bezeichnet
werden). Die Schallschwingung versetzt das Schallschwingungsverstärkungsteil 1, die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B
und den Gegenblock 14' als integrierten Körper in Längsresonanzschwingung, wobei ein Schwingungsknoten in der ringförmigen
ebenen Oberfläche 12B des Schallschwingungsverstärkungsteils 1
und der Schnittbasisebene 12C, die eine Verlängerung dieser
ringförmigen ebenen Oberfläche darstellt, liegt. Dabei wird die Schwingungsamplitude am Schallschwingungsausgangsteil 11
verstärkt, und das SchallSchwingungsausgangsende 11A wird
in Ultraschallschwingungen großer Amplitude versetzt, um Ultraschallwellen zu erzeugen.
Bei dem Wandler der ersten Ausführungsform, der gemäß obiger Beschreibung aufgebaut ist, besitzt der Flansch 12 des Schall-
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schwingungsverstärkungsteils 1 einen kleinen Durchmesser, und es ist möglich, die Eigenfrequenz der Schwingung des
Flansches auf eine äußerst hohe Frequenz zu erhöhen, während eine Biegeverschiebung verhindert wird, um auszuschließen,
daß dem Flansch eine Biegeschwingung aufgeprägt wird und der anliegende Oberflächenbereich des Flansches
verringert wird, so daß ein gleichförmiges Anliegen sichergestellt ist. Ferner befindet sich der ringförmige steife Körper
13 in enger Anlage an Flansch 12, um den Flansch festzuhalten und gewaltsam Biegeschwingungen der flachen Oberfläche
12A des Flansches zu unterdrücken. Dadurch wird ein Brechen der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, verhindert
und ein Betrieb ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz sichergestellt, selbst
wenn der Wandler über eine lange Zeitdauer kontinuierlich in'Schwingungen großer Amplitude versetzt wird.
Durch starres Beschränken und Halten der ringförmigen ebenen Oberfläche 12B des Flansches, die im Schwingungsknoten des
Halbwellenlängen-Längsschwingungssystem des Wandlers angeordnet
ist, wodurch die ringförmige ebene Oberfläche an Längsschwingungsverschiebungen gehindert wird, wird es möglich,
den Wandler als Ganzes in eine ideale Längsresonanzschwingung zu versetzen und eine extrem stabilisierte Schwingung
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zu erzeugen, von der ein Knoten in der erwähnten ringförmigen
ebenen Oberfläche und der Schnittbasisebene des Schallschwingungsverstärkungsteils, die eine Verlängerung
der ringförmigen ebenen Oberfläche darstellt, liegt. Ferner verhindert der Ringspalt 13C eine Übertragung der gleichlaufend
mit den Längsschwingungen erzeugten radialen Schwingungen auf den ringförmigen steifen Körper. Daher
wirkt der ringförmige steife Körper des Wandlers als ein Schwingungsknoten (Schwingungsausschlag Null) und hält die
schmale ebene Ringoberfläche 12B des Flanschteils 12 fest, ohne die Schwingung des Wandlers zu behindern, so daß die
Betriebseigenschaften des Wandlers selbst dann nicht nachteilig beeinflußt werden, wenn dieser über den ringförmigen
steifen Körper 13 von einem äußeren Tragteil SM starr gehalten wird.
Ferner wird der ringförmige steife Körper über die schmale Ringoberfläche in Eingriff mit dem Schallschwingungsverstärkungsteil
gehalten, um einen großen Abfall der akustischen Impedanz über der mechanischen Kopplung zwischen dem
Flanschteil und dem ringförmigen steifen Körper vorzusehen. Dies verhindert, daß die Ultraschallenergie vom
Flanschteil auf den ringförmigen steifen Körper übertragen wird, so daß dann, wenn der Wandler bei der tatsächlichen Be-
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nutzung an einem äußeren Halter befestigt ist, der befestigte Halter lediglich einen sehr kleinen Energieverlust
bewirkt.
Der Wandler gemäß vorliegender Ausführungsform besitzt
den weiteren Vorteil, daß er eine sehr kompakte Konstruktion aufweist, bestehend aus einem einzigen, die Basis
bildenden Halbwellenlängenschwingungssystem, das eine
doppelte Rolle als Ultraschallwandler zum Umwandeln elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen und als
ein Ultraschallhorn zur Verstärkung der Amplitude der mechanischen
Schwingungen spielt.
Dieser Wandler besitzt den weiteren Vorteil, daß die Position des Knotens des Resonanzschwingungssystems konstant
auf eine vorbestimmte Stelle festgelegt und der Gegenblock durch Abnehmen der Spannvorrichtung ersetzbar ist, so daß
ein die Resonanzbedingungen des Wandlers erfüllender Antrieb leicht erhalten werden kann durch Ändern der Länge des Gegenblocks
entsprechend der Last im wirklichen Betrieb. Die Handhabung bei der praktischen Verwendung ist somit extrem
vereinfacht.
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Die vorliegende Erfindung kann in Form der in Fig. 3 gezeigten zweiten Ausführungsform in die Praxis umgesetzt
werden. Der schwingungsamplitudenverstärkende Ultraschallwandler der zweiten Ausführungsform besitzt das
Merkmal, daß der Basisteil des Schallschwingungsverstärkungsteils im Vergleich zur ersten Ausführungsform eine
modifizierte Form (dritter Aspekt) besitzt. In der folgenden Beschreibung sind jene Teile, die auch bei der ersten
Ausführungsform vorhanden sind, mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet und nicht noch einmal beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist der Basisendteil des Schallschwingungsausgangsteils
11 des Schallschwingungsverstärkungsteils 1A in Form eines abgestuften Horns mit einem
einen kleinen Durchmesser aufweisenden, scheibenartigen Flansch 12 versehen, an dem einstückig ein kreisförmiger
Vorsprung 12D angeformt ist, der sich vom Flansch 12 in
Achsenrichtung erhebt und eine kreisförmige flache Oberfläche 12A besitzt, die zusammen mit der flachen Oberfläche
15A des Flansches 15 des Gegenblocks 15 piezoelektrische Elemente 17A und 17B und eine Elektrode 18, die den Ultraschallwandlerteil
bilden, unter Druck festhält. Der kreisförmige Vorsprung 12D dieser Ausführungsform besitzt den
gleichen Außendurchmesser wie das piezoelektrische Element 17A, und er steht stufenartig vom Flanschteil vor. Die Wand-
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dicke des Flansches ist stufenartig an jenen Teilen erhöht, die in Berührung mit den piezoelektrischen Elementen
17A stehen, um diesem eine hohe Biegesteifigkeit zu vermitteln
und gleichzeitig den Einfluß von Flanschschwingungen zu reduzieren, die dem kreisförmigen Vorsprung ansonsten
aufgeprägt wurden. Dadurch wird der Einfluß der Krüranungsschwingungsverschiebung
der kreisförmigen flachen Oberfläche 12A, der ansonsten auf das piezoelektrische Element einwirken
würde, nur umso mehr unterdrückt. Der Wandler gemäß vorliegender Ausführungsform kann daher ein Brechen der
piezoelektrischen Elemente, wie PZT,.in sichererer Weise
als bei der ersten Ausführungsform verhindern und er erlaubt einen stabilisierten, kontinuierlichen Schwingungsbetrieb
mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer, ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz sowie der Resonanzfrequenz
zu bewirken. Gleichermaßen kann der Wandler gemäß vorliegender Ausführungsform selbst dann das Brechen der piezoelektrischen
Elemente verhindern und einen langen, stabilisierten Betrieb sicherstellen, wenn ein Hochleistungwandler mit
einer Ultraschallwandlereinrichtung verwendet wird, die piezoelektrische Elemente größeren Durchmessers aufweist. Zu den .
eben genannten Wirkungen besitzt die zweite Ausführungsform die gleichen ausgezeichneten Wirkungen wie die erste Ausführungsform.
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Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform besitzt der Wandler der zweiten Ausführungsform einen kreisförmigen
Vorsprung 12D am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils und ist so ausgelegt, daß er die piezoelektrischen
Elemente über den kreisförmigen Vorsprung 12D unter
Druck festhält, was zu einem besseren Einspannen des piezoelektrischen Elementes führt, so daß dieses in einem gleichförmig
eingespannten Zustand gehalten wird und eine stabilisierte Ultraschallschwingung zugelassen wird.
Der Wandler gemäß zweiter Ausführungsform verwendet ein abgestuftes Horn für das Schallschwingungsverstärkungsteil.
Dadurch besitzt der Basisendteil (Flanschteil) eine geringere Biegesteifigkeit als andere konische oder exponentielle
Hörner. Der kreisförmige Vorsprung 12D trägt jedoch zur Verbesserung der Biegesteifigkeit und zur Verhinderung von
Biegeschwingungen bei.
Der Wandler gemäß zweiter Ausführungsform wird durch den
ringförmigen steifen Körper 13 in Position gehalten, der durch Bolzen BT zwischen dem Halteteil SM mit Gewindelöchern
und einem ringförmigen Halteteil SM1, das einen mit dem
Außenumfang des ringförmigen steifen Körpers 13 in Eingriff stehenden L-förmigen Stufenteil aufweist, eingespannt ist.
Der Wandler selbst wird in Position gehalten durch die Boden-
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oberfläche des schmalen L-förmig abgestuften Teils des ringförmigen steifen Körpers 13, so daß die Schwingung
des Wandlers frei von jeglichen Beschränkungen ist.
Die Erfindung wird nun anhand der in Fig. 4 gezeigten dritten Ausführungsform beschrieben.
Das Merkmal des schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandlers
der dritten Ausführungsform beruht darin, daß der Eingriff zwischen dem Flansch 22 des Schallschwingungs-Verstärkungsteils
2 und dem ringförmigen steifen Körper durch metallische Verbindungsmittel wie Löten, Schweißen
etc. bewirkt wird (zweiter Aspekt der Erfindung). Ein weiteres
Merkmal dieser Ausführungsform besteht darin, daß das Schallschwingungsausgangsteil mit einer Vorrichtung zur Ankopplung
verschiedener Ultraschallbearbeitungswerkzeuge versehen ist. In der folgenden Beschreibung sind solche Teile,
die mit jenen der ersten Ausführungsform übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Beim Wandler der dritten Ausführungsform besitzt das Schallschwingungsverstärkungsteil
2 einen hohlen Schallschwingungsausgangsteil 21 in Form eines konischen Horns und eines
scheibenartigen Flansches 22, der am Basisende des Ausgangs-
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teils 21 vorgesehen ist. Der Flansch 22 ist mit dem SchallSchwingungsausgangsteil 21 integriert und mit
einer als Schallschwingungseingangsende dienenden, kreisförmigen ebenen Oberfläche 22A und mit einer ringförmigen
Verbindungsoberfläche 22B geringer Breite für den Berührungseingriff
mit dem ringförmigen steifen Körper 23 versehen. Der ringförmige steife Körper 23 besitzt eine ausreichend
große Querschnittsfläche im Vergleich zum Flansch- -teil, um eine dicke ringförmige Struktur mit ausreichender
Steifigkeit und ausreichendem Gewicht zu bilden. Der ringförmige steife Körper 23 ist mit einer ringförmigen Verbindungsoberfläche
23A zur Anlage an die ringförmige Verbindungsoberfläche 22B des Flansches 22 des Schallschwingungsverstärkungsteils
versehen. Der ringförmige steife Körper 23 und der Flansch 22 des Schallschwingungsverstärkungsteils
sind über die ringförmigen Verbindungsoberflächen 23A und 22B gleichförmig und fest über ihre gesamten Oberflächen
zusammengelötet, um den Flansch 22 des SchallschwingungsrVerstärkungsteils
2 starr an der ringförmigen Verbindungsfläche 22B zu halten. Gleichermaßen wie bei vor vorausgehenden
Ausführungsform ist längs der Grenzen zwischen dem Außenumfang des Flansches 22 und dem ringförmigen steifen
Körper 23 ein ringförmiger Spaltabstand 23C vorgesehen. Das Schallschwingungsverstärkungsteil 2 ist mit einer Mittelbohrung
21B versehen, die sich längs dessen Längsachse
vom SchallSchwingungsausgangsende 21A zu einer Basisschnittebene 21C des Schallschwingungsverstärkungsteils
erstreckt. Die Mittelbohrung 21B besitzt an ihrem vorderen Ende einen Teil 21D mit Innengewinde, um die Befestigung
einer Vielzahl von Ultraschallbearbeitungswerkzeugen zu
ermöglichen. Der ringförmige steife Körper 23 ist ferner mit einer Anzahl Gewindelöchern 23B versehen, die in gleichmäßigen
Abständen um den Umfang verteilt sind und zur Schraubverbindung mit einer entsprechenden Anzahl Bolzen 16
vorgesehen sind. Die Bolzen 16 halten die piezoelektrischen Elemente des Ultraschallwandlers und den Gegenblock 14 je
in ihrer Position fest. Der Gegenblock 14 besitzt die gleiche Konstruktion wie bei der ersten Ausführungsform.
Der einen kleinen Durchmesser aufweisende Flansch 22 des Schallschwingungsverstärkungsteils 2 und der dem gegenüber
angeordnete, einen großen Durchmesser aufweisende Flansch des Gegenblocks 14 sind durch den ringförmigen steifen Körper
23 aneinander befestigt. Letzterer hält das Schallschwingungsver Stärkung steil 2 und die Bolzen 16, die in die Gewindelöcher
23B des ringförmigen steifen Körpers 23 geschraubt sind, dicht aneinander und spannt dazwischen in integrierter
Form die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B in Form fester Scheiben und eine Elektrode 18, die den Ultraschallwandlerabschnitt
bilden, ein. Die piezoelektrischen Elemente 17A und 31/32
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280382Ü
17b und die Elektrode 18 werden in Axialrichtung zwischen den ebenen Oberflächen der sich gegenüberliegenden Flansche
gleichförmig aneinandergepreßt. Am entfernten Ende des Schallschwingungsausgangsteils 21 ist über einen Montageteil
24, der in den Teil 21D mit Innengewinde geschraubt,
ist, ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug 24 befestigt.
Der am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils 21
vorgesehene Flansch 22 besitzt wie im Fall der ersten Ausführungsform kleine Abmessungen, um die Eigenfrequenz des
Flansches zu erhöhen und gleichzeitig große Biegeverschiebungen zu verhindern, die Biegeschwingungen induzieren würden.
Die ringförmige Verbindungsfläche 22B des Flansches, welche die Basisschnittebene 21C des Schallschwingungsverstärkungsteils
umgibt, wird vom ringförmigen steifen Körper 23 in einer zwangsweisen und starren Weise gehalten.
Das Schallschwingungsverstärkungsteil 2, die piezoelektrischen
Elemente 17A und 17B, die Elektrode 18 und der Gegenblock 14 schwingen gemeinsam und zusammen mit dem Ultraschallbearbeitungswerkzeug
24 bei der vorbestimmten Frequenz. Die einzelnen Teile sind so dimensioniert, daß eine Grund-HaIbwellenlängen-Längsresonanzschwingung
mit einer Knotenebene erzeugt wird, die auf der ringförmigen Verbindungsoberfläche
22B des Schallschwingungsverstärkungsteils und in der Basis-
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2Ö09S2Ü
ebene 21C, die sich auf einer Verlängerung dieser ringförmigen
Verbindungsoberfläche befindet, liegt.
Genauer ausgedrückt entspricht die Länge des Schallschwingungsverstärkungsteils
2 zwischen dessen Schallschwingungsausgangsende 21A und dessen Basisschnittebene 21C (der Knotenebene
der Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingung) einer Viertelwellenlänge des Schwingungsbetriebes, in welchem sich der
Wandler bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz befindet. Andererseits ist die Länge des Gegenblocks 14 durch Berechnungen
und auf experimentelle Weise derart bestimmt worden, daß der Wandler Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingungen
mit einer Knotenebene auf der ringförmigen Verbindungsoberfläche 22B und in der Basisschnittebene 21C erzeugt. Ansonsten
ist der Aufbau wie bei der ersten Aufführungsform, so daß eine weitere Erläuterung unterbleiben kann.
In einer der ersten Ausführungsform vergleichbaren Weise
wandelt der schwingungsamplitudenverstärkende Ultraschallwandler der dritten Ausführungsform elektrische Schwingungen,
die ihm von einem externen Ultraschalloszilator zugeführt
werden, in mechanische Schwingungen um, verstärkt die Amplitude der Schwingungen und versetzt das Schallschwingungsausgangsende
21A und die mit ihm verbundenen Teile des Wandlers
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in Ultraschallschwingungen großer Amplitude, wodurch gleichzeitig dem Ultraschallbearbeitungswerkzeug 24
UltraschallSchwingungen großer Amplitude aufgeprägt werden. Bei dieser Wandlerkonstruktion ist ein Brechen
der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, verhindert, und der Wandler kann einen extrem stabilisierten kontinuierlichen
Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude für eine lange Zeitdauer schaffen, ohne Übergangsänderungen der
elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz. Selbst
wenn der Wandler über den ringförmigen steifen Körper von einem äußeren Tragteil starr gehalten wird, können die
ausgezeichneten Wirkungen wie bei der ersten Ausführungsform erhalten werden, d. h., die Wirkungen, daß eine Verschlechterung
der Umwandlungseigenschaften des Wandlers und Energieverluste, die von der starren Halterung des
Wandlers herrühren würden, vermieden sind.
Zudem wird beim Wandler gemäß vorliegender Ausführungsform der Eingriff zwischen dem Flansch 22 des Schallschwingungsvers
tärkungs te ils und dem ringförmigen steifen Körper durch ein metallisches Verbindungsmittel, wie Löten, bewirkt,
um eine starre und zwangsweise Halterung des Flansches sicherzustellen. Folglich wird es möglich, einen Flansch
mit einer im Vergleich zur ersten Ausführungsform kleineren Wanddicke zu verwenden und den Ultraschallwellenumwandlungs-
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wirkungsgrad des Wandlers zu verbessern.
Außerdem ist der Wandler gemäß dritter Ausführungsform so ausgelegt, daß er in auswechselbarer Weise die Befestigung
verschiedener Ultraschallbearbeitungswerkzeuge am Vorderende des SchallschwingungsVerstärkungsteils 2 zuläßt.
Der Wandler ist so ausgelegt, daß er in einem Halbwellen-
längen-Längsschwingungseinzelmoden schwingt. Dabei ist eine Knotenebene der Längsschwingung genau an
der ringförmigen Verbindungsoberfläche 22B des Schallschwingungsverstärkungsteils
und der Basisschnittebene 21C, die von der ringförmigen Verbindungsoberfläche 22B umlaufen
wird, bestimmt , und zwar unabhängig von der Resonanzfrequenz. Der Gegenblock ist auswechselbar, so daß dann,
wenn ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug unterschiedlicher Form und Größe befestigt wird, eine Schwingung des Schallschwingungsverstärkungsteils
bei der Resonanzfrequenz einfach und vollständig korrigiert werden kann, indem der
Gegenblock 14 durch einen solchen geeigneter Länge ersetzt wird, der die Resonanzbedingungen des Wandlers erfüllt.
In diesem Zusammenhang sei auf folgendes hingewiesen. Bei einem herkömmlichen oder dem der Fig. 1 entsprechenden Wandler
mit Schwingungsamplitudenverstärkung sind ein Ultraschallhorn
wie das Schallschwingungsverstärkungsteil und
ein Wandler wie der Ultraschallwandlerteil je so konstruiert,
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53 " 28Q982Ü
daß sie ein unabhängiges Halbwellenlängen-Grundresonanzsystem aufweisen und in Serie gekoppelt sind, um die jeweilige
Resonanzfrequenz zu erreichen. Wenn am äußersten freien Ende des ültraschallhorns ein Bearbeitungswerkzeug
befestigt wird, ist es deshalb notwendig gewesen, zuvor die Änderung der Resonanzfrequenz des Horns zu bestimmen, die
durch das Hinzufügen der äquivalenten Masse verursacht werden würde, und Form und Abmessungen des Horns entsprechend
zu korrigieren. Eine solche Korrektur beinhaltet verschiedene Probleme, die enorme Arbeit und Erfahrung erfordern.
Somit war es schwierig, Ultraschallbearbeitungswerkzeuge unterschiedlicher Formen und Abmessungen anzubringen. Der
Wandleraufbau gemäß der dritten Ausführungsform erlaubt es
dagegen, aus Bearbeitungswerkzeugen verschiedener Formen und Abmessungen auszuwählen und diese gegeneinander auszuwechseln^und
somit hat ein solcher Wandleraufbau in der Praxis einen enormen Vorteil.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand einer in Fig. 5 gezeigten vierten Ausführungsform erläutert. Das Merkmal
des Schwingungsamplitudenverstärkenden Wandlers der vierten
Ausführungsform besteht darin, daß das Schallschwingungsverstärkungsteil
3 und ein ringförmiger steifer Körper 33 integriert ausgebildet sind (vierter Aspekt der Erfindung), daß
das Schallschwingungsverstärkungsteil 3 einen Flansch 3 2 auf-
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weist, der als ein Element ausgebildet ist, das mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängt und
daß der Flansch des Gegenblocks in einen blumenkronenartigen Flansch 35 abgewandelt ist (fünfter Aspekt der
Erfindung).
Der Wandler der vierten Ausführungsform besitzt ein Schallschwingungsverstärkungsteil
31, das ein abgestuftes Horn aufweist, das an seinem Basisende einen Flansch aufweist,
der zusammenhängend und einstückig mit dem ringförmigen steifen Körper 33 verbunden ist. Der ringförmige steife
Körper, der eine mit dem Schallschwingungsverstärkungsteil zusammenhängende Struktur aufweist, besitzt die Form
einer dicken Ringplatte mit ausreichender Steifigkeit und ausreichendem Gewicht. Der ringförmige steife Körper 33
ist mit einer Ringnut 33A versehen, die sich von einer ebenen Oberfläche 33B dieses Körpers aus in solcher Weise
erstreckt, daß sie die kreisförmige Basisschnittebene 3 2C umgibt, die sich beim Knoten der Längsschwingung des Schallschwingungsverstärkungsteils
befindet, und zwar in der Nähe des ümfangs der Basisschnittebene 32C, und er besitzt eine
Ringnut 33A mit einer Tiefe, die wenigstens eine imaginäre Ebene auf der Verlängerung der Basisschnittebene 32C erreicht.
Dadurch sind ein einen kleinen Durchmesser aufweisender Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils 3 und eine
ebene Oberfläche 3 2A, die als SchallSchwingungseingangsende
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dient, definiert.
Auf diese Weise bildet der Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils
ein Element, das mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängt und mit diesem über einen
schmalen, ringförmigen Querschnittsbereich in Eingriff steht, der die Basisschnittebene 32C des Schallschwingungsverstärkungsteils
umgibt. Der ringförmige steife Körper ist ferner mit vier in gleichem Abstand längs der Ringnut 33A angeordneten
Gewindelöchern 33C zur Schraubverbindung mit einer entsprechenden Anzahl Bolzen 16 versehen, welche die piezoelektrischen
Elemente 17A und 17B des ültraschallwandlerteils und den Gegenblock 34 festhalten. Der Gegenblock 34 besitzt
die Form einer zylindrischen Säule, an deren Basisende ein blumenkronenartiger Flansch 35 mit mehreren Tragarmen 35A,
die als Befestigungsvorrichtung dienen, einstückig angeformt
ist. Der blumenkronenartige Flansch 35 weist die Haltearme 35A an symmetrischen Stellen bezüglich der Achse des Gegenblocks
auf. Jeder Haltearm ist mit den benachbarten Haltearmen über eine bogenförmige seitliche Oberfläche verbunden. Der
Flansch 35 besitzt eine Dicke, die eine vorbestimmte Biegesteifigkeit schafft, um diesen als Blattfeder wirken zu
lassen.
809038/0696
Die Tragarme 35A des Flansches 35 sind mit Durchgangslöchern 35b zur Aufnahme von vier Bolzen 16 versehen,
die den Gegenblock 34 in Position halten. Der Flansch des Schallschwingungsverstärkungsteils 3 und der gegenüber liegende
Flansch 35 des Gegenblocks 34 sind über den ringförmigen steifen Körper 33, der mit dem Schallschwingungsverstärkung
steil integriert ist, und eine Anzahl Bolzen 16, die in die Gewindelöcher 33C des ringförmigen steifen Körpers
geschraubt sind, dicht und integriert aneinander befestigt. Dazwischen sind piezoelektrische Elemente 17A und 17B in
Form fester Scheiben und eine Elektrode 18, die den Ultraschallwandlerabschnitt bilden, und Weichmetallblätter 36A
und 36B aus Aluminiuni, Kupfer oder dergleichen eingebettet. Die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B und die Elektrode
18 werden zwischen den sich gegenüber liegenden ebenen Oberflächen der Flansche 3 2 und 35 gehalten und in Axialrichtung
zusammengedrückt. Die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B sind mit einem (nicht gezeigten) Ultraschalloszilator
verbunden und ihre je positiven Pole sind zueinander weisend auf entgegengesetzten Seiten der Elektrode 18 angeordnet.
Ihre negativen Pole werden unter dem statischen Druck, der durch den als Blattfeder wirkenden Flansch 35
des Gegenblocks ausgeübt wird, über die Metallblätter 36A
bzw. 36B gleichförmig in inniger Berührung mit der ebenen Oberfläche 32A des Flansches 32 des Schallschwingungsverstär-
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kungsteils und der ebenen Oberfläche 35C des Flansches 3 5 des Gegenblocks gehalten.
Das Schallschwingungsverstärkungsteil 3, die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B, die Elektrode 18, die
Metallblätter 36A und 36B und der Gegenblock 34 schwingen gemeinsam bei der vorbestimmten Frequenz. Dabei sind die
Abmessungen der einzelnen Teile so bestimmt, daß sich der Wandler in seiner Gesamtheit bei der Halbwellenlängen-Längsgrundschwingung
in Resonanz befindet. Dabei befindet sich eine Knotenebene in der Basisschnittebene 32C des
Schallschwingungsverstärkungsteils 3 und im schmalen ringförmigen Querschnittsbereich, der die Basisschnittebene 3 2C
in den in Eingriff stehenden Teilen des Schallschwingungsverstärkungsteils
3 und des ringförmigen steifen Körpers 33 umgibt.
Genauer gesagt, entspricht die Länge des Schallschwingungsverstärkungsteils
3 von dessen Schallschwingungsausgangsende 31A bis zu dessen Basisschnittebene 32, auf der Knotenebene von dessen Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingung,
einer Viertelwellenlänge des Schwingungsbetriebs, in welchem sich der Wandler bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz
befindet. Der Gegenblock 34 besitzt eine Länge, die durch Berechnungen und auf experimentelle Weise so bestimmt worden
ist, daß der Wandler in seiner Gesamtheit in einer HaIb-
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wellenlängen-Längsresonanzschwingung gehalten wird, wobei sich eine Knotenebene der Schwingung in der Basisschnittebene 3 2C und dem kleinen ringförmigen Querschnittsbereich, der diese Basisschnittebene umgibt, befindet.
Gleichermaßen wie bei der ersten Ausführungsform bezeichnet die Bezugsziffer 19 mit der Elektrodenplatte 18 und
dem ringförmigen steifen Körper 33 verbundene Zuleitungsdrähte für die Eingabe der elektrischen Schwingungen.
Wie bei der ersten Ausführungsform wandelt der schwingungsamplitudenverstärkende
Ultraschallwandler der vierten Ausführungsform die elektrischen Schwingungen, die ihm von
einem externen Ultraschalloszilator zugeführt werden, in
mechanische Schwingungen um und verstärktt die Amplitude der Schwingung, wodurch das Schallschwingungsausgangsende
31A des Wandlers in Ultraschallschwingungen großer Amplitude versetzt wird, um Ultraschallwellen zu erzeugen. Bei dieser
Ausführungsform sind das Schallschwingungsverstärkungsteil 3 und der ringförmige steife Körper 33 in integrierter
Form ausgebildet und der einen kleinen Durchmesser aufweisende Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils ist
als ein Teil vorgesehen, das mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängt, um den Flansch 32 in einer starrer
begrenzten Weise zu halten. Diese Konstruktion beugt dem Brechen des piezoelektrischen Elementes, wie PZT, vollständig
vor und stellt extrem stabilisierte Betriebsweisen
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38/39 ..... . .
selbst dann sicher, wenn der Wandler über eine lange Zeitdauer kontinuierlich in Schwingungen großer Amplitude
versetzt wird, ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz zu bewirken.
Falls der Wandler fest an einem äußeren Tragteil mit steifer Struktur befestigt ist, kann man auch die Wirkungen
erhalten, die sich durch das Unterdrücken eines Abfalls der Resonanzschwingungseigenschaften des Wandlers und von
Energieverlusten aufgrund der festen Halterung ergeben, und zwar in gleichem Ausmaß wie bei den vorausgehenden
ersten drei Ausführungsformen oder in besserem Ausmaß.
Beim Wandler der vorliegenden Ausführungsform sind das
Schallschwingungsverstärkungsteil und der ringförmige steife Körper integriert ausgebildet, so daß für den Flansch
des Schallschwingungsverstärkungsteils vollständig konstante Begrenzungsbedingungen aufrecht erhalten werden, was eine
wichtige Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften des Wandlers spielt. Dies erlaubt einen konstanten und stabilisierten
Betrieb des Wandlers über eine lange Zeitdauer, und bei der Erzeugung des Wandlers eine Herstellung und einen
Zusammenbau der Erzeugnisse mit kontanter und gleichmäßiger Qualität.
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Ferner besitzt der Wandler dieser Ausführungsform einen Gegenblock 34, der einen blumenkronenartigen
Flansch mit mehreren Tragarmen 35A und bogenförmigen
Kerben zwischen den einzelnen mit Bolzen befestigten Halteteilen aufweist, wodurch zur Sicherstellung
eines stabilisierten Betriebs des Wandlers als Ganzes und zu einer noch weitergehenden Vergrößerung des Wirkungsgrades
des Wandlers beigetragen wird.
Genauer gesagt: der Gegenblock bei den ersten drei Ausführungsformen
(vgl. Fig. 2b) besitzt einen Flansch 15 mit Scheibenform, der für das feste Halten einer Anzahl
von Bolzen 16 angepaßt ist. Während des Betriebs des Wandlers wird der Flansch 15 in einer Biegeschwingung gehalten,
deren Frequenz gleich derjenigen der Resonanzschwingung des Wandlers ist. In manchen Fällen werden den Flanschteilen
15C zwischen den durch die jeweiligen Bolzen festgehaltenen Trageteilen unnötige Biegeschwingungen aufgeprägt. Die
Biegeschwingung überlagert sich der Resonanzschwingung des
Wandlers als Ganzes und setzt die Schwingungseigenschaften des Wandlers herab, wenn auch in geringem Maße. Dieses Problem
wird bei der vorliegenden Ausführungsform vollständig gelöst mit einem Gegenblock, der in den Flanschteilen zwischen
den benachbarten., befestigten Haltepunkten eine Nut aufweist, wie bereits beschrieben, um unnötige Schwingungen des
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sog. Störschwingungsmoden auszuschließen, die ansonsten gleichlaufend mit der Längsschwingung des Wandlers erzeugt
würden, wobei der Flansch als ein Element des Wandlers in idealer Längsresonanzschwingung wirkt, um einen stabilisierten
Betrieb sicherzustellen und gleichzeitig den Wirkungsgrad des Wandlers noch mehr zu verbessern.
Das Anbringen der Nuten in den Zwischenflanschteilen erlaubt
es, die Dicke der befestigten Halteteile zu erhöhen, ohne das Gewicht des Flansches des Gegenblocks zu vergrößern.
Dadurch wird die Biegesteifigkteit des Flansches erhöht und
somit eine Biegeschwingung des Störschwingungsmoden unterdrückt, so daß auf die piezoelektrischen Elemente keine
Wirkung einer solchen Biegeschwingung ausgeübt wird.
Ferner wird bei dem Wandler gemäß der vierten Ausführungsform der ringförmige steife Körper 33 durch Bolzen BT eingespannt
zwischen dem ringförmigen Halteteil SM4 mit Gewindelöchern und dem befestigten Halteteil SM3 mit Gewindelöchern
und mit einem ringartigen, L-förmig abgestuften Teil, der mit dem Außendurchmesser des ringförmigen steifen Körpers
in Eingriff steht, so daß die Schwingung des Wandlers wie bei der zweiten Ausführungsform frei von jeglicher Beschränkung
ist.
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28Q982U
Die vierte Ausfiihrungsforra kann nach Art der in Fig. 6
gezeigten fünften Ausführungsform abgeändert werden. Das Merkmal des schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandlers
der fünften Ausführungsform, das sich gegenüber der vierten Ausführungsform unterscheidet, wird nun
beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind Teile, die auch bei der vierten Ausführungsform vorhanden sind, mit
gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet, und deren Erläuterung kann unterbleiben.
Bei dieser Ausführungsform ist das Schallschwingungsverstärkungsteil
3A einstückig mit dem ringförmigen steifen Körper ausgebildet und es besitzt an seinem Basisendteil
einenFlansch 32, der als ein mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängendes Element gebildet ist. Am Mittelendteil
des Flansches 3 2 ist ein kreisförmiger Vorsprung integriert (dritter Aspekt), der eine kreisförmige ebene
Oberfläche 32A zur Anlage an ein piezoelektrisches Element besitzt. Die piezoelektrischen Elemente 17A, 17B, die Elektrode
18 und Metallblätter 36A, 36B, die den Ultraschallwandlerteil bilden, werden zwischen der kreisförmigen ebenen Oberfläche
3 2A des kreisförmigen VorSprungs 32B und der ebenen
Oberfläche 35C des Flansches 35 des Gegenblocks unter Druck zusammengehalten. Die seitliche Oberfläche des kreisförmigen
Vorsprungs 32B dieser Ausführungsform ist mit dem Flansch-
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teil über eine glatte Kurve verbunden, und die vom Flansch vorstehende kreisförmige ebene Oberfläche 3 2A
besitzt im wesentlich den gleichen Außendurchmesser wie das piezoelektrische Element 17A, so daß über die
Metallblätter 36A und 36B eine innige und gleichförmige Berührung mit dem piezoelektrischen Element 17A besteht.
Der kreisförmige Vorsprung 3 2B dient zur Erhöhung der Wanddicke des das piezelektrische Element 17A berührenden
Flanschteils. Dadurch wird die Biegesteifigkeit dieses Flanschteils in einem beträchtlichen Ausmaß erhöht und
eine Krümmungsschwingungsverschiebung verhindert, die ansonsten auf die kreisförmige ebene Oberfläche 3 2A ausgeübt
werden könnte. Der kreisförmige Vorsprung 3 2B dient auch zur Verbesserung des Anlageeingriffs mit dem piezoelektrischen
Element, wodurch der gesamte Körper des piezoelektrischen Elementes gleichförmig eingespannt wird.
Folglich kann der Wandler dieser Ausführungsform ein Brechen
der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, in einer noch sichereren Weise verhindern. Diese Wirkung bekommt mehr
Bedeutung speziell im Fall eines Wandlers großer Energie, der einen Ultraschalltreiberteil aufweist, für den piezoelektrische
Scheiben großen Durchmessers verwendet werden, was einen kontinuierlichen und stabilen Schwingungsbetrieb
mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer zuläßt, ohne
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Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz sowie
der Resonanzfrequenz zu bewirken. Zusätzlich zu obiger Wirkung besitzt die vorliegende Ausführungsform die
gleichen ausgezeichneten Wirkungen wie die vierte Ausführungsform
.
Alternativ kann die vierte Ausführungsform in die in Fig. 7 gezeigte sechste Ausführungsform abgewandelt werden.
Bei der folgenden Beschreibung des Schwingungsamplitudenverstärkenden
Ultraschallwandlers der sechsten Ausführungsform werden die mit Teilen der vierten Ausführungsform
übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet
und nicht extra erläutert. Das Merkmal des schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandlers der vierten Ausführungsform
besteht darin, daß das Schallschwingungsverstärkungsteil
3B mit dem ringförmigen steifen Körper 33 integriert ist und einen Flansch besitzt, der als ein Element
mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängt, in einer der vierten Ausführungsform ähnlichen Weise. Der Schallschwingungsverstärkungsteil
3B ist an seinem vorderen Ende mit einem ein Gewinde aufweisenden Kopplungsteil 31B versehen,
so daß in austauschbarer Weise verschiedene Ultraschallschwingungsscheiben und Ultraschallbearbeitungswerkzeuge
befestigt werden können. Der Gegenblock 34B ist mit einem ein Gewinde aufweisenden Vorsprung kleinen Durchmessers
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und einem rückseitigen Block, der austauschbar am Gewindevorsprung befestigt ist, versehen. Indem der
rückwärtige Endteil des Gegenblocks 34B austauschbar gemacht wird, wird es möglich, in einer die Resonanzbedingungen
des Wandlers zufriedenstellenden Weise die Länge des Blocks leicht zu ändern, und zwar entsprechend
der äquivalenten Masse der Ultraschallschwingungsscheibe oder des Ultraschallbearbeitungswerkzeugs.
Genauer gesagt ist der Schallschwingungsausgangsteil 31 dieser Ausführungsform an seinem äußersten freien Ausgangsende
mit einem ein Gewinde aufweisenden Kopplungsteil 31B
versehen, was die Befestigung verschiedener Ultraschallschwingungsscheiben und -bearbeitungswerkzeuge zuläßt,
'und der Gegenblock 34B besteht aus einem Hauptblock 341 und einem Resonanzjustierblock 34 2. Der Hauptblock 341
besteht aus einem zylindrischen Säulenteil mit einem mit dessen Basis integrierten blumenkronenartigen Flansch, wie
bei der vierten Ausführungsform^und einem am anderen Ende
einstückig angeformten zylindrischen Teil 341A mit reduziertem
Durchmesser. Der zylindrische Teil 341A mit verringertem Durchmesser ist koaxial bezüglich des Hauptblocks
341 ausgebildet und an seinem Umfang mit einem Schraubgewinde 341B zur Befestigung des ResonanzJustierblocks 342
versehen.
Der Resonanzjustierblock 342 besteht aus einer zylindrischen
Säule mit dem gleichen Durchmesser wie der Hauptblockkörper 341, und er ist mit einem um seine Achse verlaufenden
Mutterschraubenteil 342A versehen, mit dessen Hilfe eine Verbindung mit dem Außengewinde auf dem zylindrischen
Teil reduzierten Durchmessers 341A des Hauptblockkörpers
hergestellt werden kann. Der Resonanzjustierblock 342 ist über den Mutterschraubenteil 342A fest am
Hauptblockkörper 341 befestigt. Die Länge des Gegenblocks 34B kann somit durch Auswechseln des ResonanzJustierblocks
342 geändert werden. Die Bezugsziffer 37 bezeichnet bei dieser Ausführungsform eine Ultraschallschwingungsscheibe
mit einem mit Gewinde versehenem Montageteil 37A, der auf den Kopplungsschraubenteil 31B am äußersten freien Ende des
Schallschwingungsverstärkungsteils 31 geschraubt ist. Die Ultraschallschwingungsscheibe dient zur Vergrößerung der
Schwingungsfläche am SchallSchwingungsausgangsende des Wandlers
und zur Erzeugung von Ultraschallwellen, die von einer schwingenden Oberfläche vergrößerter Fläche kommen. Die
Scheibe ist an dem äußersten freien Ende des Schallschwingungsausgangsteils
31 sicher befestigt und schwingt gemeinsam mit diesem.
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Ansonsten gleicht der Wandler der vorliegenden Ausführungsform
demjenigen der vierten Ausführungsform. Der Schallschwingungsverstärkungsteil 3B ist mit dem
ringförmigen steifen Körper 33 integriert und besitzt einen Flansch kleinen Durchmessers 32, der als ein Element
ausgebildet ist, das mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängt. Deshalb wird der Flansch 32 vom
ringförmigen steifen Körper 33 in einer starren und begrenzten Weise fester gehalten. Daher befindet sich der
Wandler in seiner Gesamtheit in Resonanz mit einer HaIbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingungsart,
die eine Knotenebene in der Basisschnittebene 32C des Schallschwingungsvers
ta rkungs teils 3B und in der ringförmigen Schnittzone, in
welcher der Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils und der ringförmige steife Körper 33 ineinandergreifen,
besitzt. Genauer ausgedrückt ist die Länge des Schallschwingungsverstärkungsteils
3B von dessen Schallschwingungsausgangsende 31A bis zu dessen Basisschnittebene 3 2C, d. h.
der Knotenebene der Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingung, entsprechend einer Viertelwellenlänge der Schwingungsart,
bei welcher der Wandler bei der erforderlichen Frequenz bei angesetzter Ultraschallschwingungsscheibe 37 in Resonanz
ist. Der Gegenblock 34B kann durch Auswechseln des Resonanzjustierblocks 342 in verschiedene Längen gebracht und so
eingestellt werden, daß der Wandler in seiner Gesamtheit
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in eine Halbwellenlängen-Längsresonanzschwingung versetzt
wird, wobei eine Knotenebene in der Basisschnittebene 32C liegt. Somit besitzt der Wandler der vorliegenden
Ausführungsform zusätzlich zu den Wirkungen, die er wie die vierte Ausführungsform aufweist, den Vorteil, daß
die Länge des Gegenblocks durch Auswechseln des Resonanzjustierblocks 34 2 leicht so eingestellt werden kann, daß
sie der Resonanz des Wandlers entspricht. Selbst wenn eine Ultraschallschwingungsscheibe oder ein Ultraschallbearbeitungswerkzeug
mit Abmessungen, die von denen der bei der vorliegenden Ausführungsform verwendeten Schwingungsscheibe
abweichen, am äußersten freien Ende des Schallschwingungsverstärkungsteils befestigt ist, kann die gewünschte Resonanz des
Wandlers in vereinfachter und sicherer Weise einfach dadurch erreicht werden, daß der Resonanzjustierblock 342
ausgewechselt wird, um die Länge des Gegenblocks entsprechend der äquivalenten Masse der befestigten Scheibe oder des befestigten
Werkzeugs und der Last, welche auf den Schallschwingungsverstärkungsteil ausgeübt wird, einzustellen.
Alternativ kann die vierte Ausführungsform in eine andere Form abgewandelt werden, die in Fig. 8 als siebente
Ausführungsform gezeigt ist. Das Merkmal des schwingungsamplitudenverstärkenden
Ultraschallwandlers der siebenten
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Ausführungsform besteht ebenfalls darin, daß das Schallschwingungsverstärkungsteil
3C mit dem ringförmigen steifen Körper 33 integriert ist (vierter Aspekt der Erfindung)
und an seinem Basisende einen Flansch 32 aufweist, der als ein mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängendes
Element ausgebildet ist, damit letzterer ersteren durch einen vollständig starren Zusammenhalt zwischen beiden halten
kann. Der Schallschwingungsverstärkungsteil 3C ist durch zwei Komponentenelemente gebildet, nämlich einen
Vorderendteil 311 und einen Hinterendteil 312 des Amplitudenverstärkungsteils.
Die beiden Komponententeile sind durch einen Bolzen 313, der sich axial durch diese erstreckt, in
integrierter Form aneinander befestigt, um ein Viertelwellenlängen -Resonanzhorn zu bilden. Der Gegenblock 34C ist durch
zwei Komponentenelemente gebildet, nämlich einen Hauptblockkörper 343 und einen Resonanzjustierblock 344, die durch einen
Kopplungsbolzen 345 in integrierter Form aneinander befestigt
sind. Vorliegend sind der Amplitudenverstärkungsendteil des Schwingungsverstärkungsteils und der Resonanzjustierblock
344 des Gegenblocks auswechselbar, so daß die Resonanzfrequenz der siebenten Ausführungsform nach Belieben durch
Ändern von deren Länge geändert werden kann=
Der Schallschwingungsverstärkungsteil des Wandlers gemäß siebenter Ausführungsform besitzt einen Schallschwingungs-
ausgangsteil 31 in Form eines abgestuften Horns mit einem Flansch 32, der an dessen Basisende vorgesehen
ist. Der Flansch 3 2 hängt in integrierter Weise mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammen, wie bei der vierten
Ausführungsform. Der Schallschwingungsausgangsteil besitzt als Hauptkomponenten den Vorderendteil 311 und den
Hinterendteil 312 des Verstärkungshorns, das in seiner
ganzen Länge Gewindelöcher aufweist, die in Schraubverbindung mit dem durch sie hindurchgehenden Bolzen 313 stehen.
Der Bolzen 313 befestigt den Vorderendteil 311 und den Hinterendteil
312 des Verstärkungshorns fest und in integrierter Weise aneinander, um einen Viertelwellenlängen-Längsresonanzschwingungsmoden
zu erzeugen.
Der ringförmige steife Körper 33 besteht aus einem dicken, ringförmigen Tragteil mit ausreichender Steifigkeit und
ausreichendem Gewicht und ist in integrierter Weise mit dem Flansch 32 verbunden, der den Basisendteil des Hinterteils
312 des Verstärkungshorns umgibt.
Der Flansch 32 umgibt die Basisschnittebene 32C, d. h.,
die Knotenebene der Längsschwingung des Schallschwingungsverstärkungsteils
3C, an der Verbindungsstelle zwischen dem ringförmigen steifen Körper 33 und dem Schallschwingungsverstärkungsteil
3C. Der ringförmige steife Körper 33 besitzt
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an seiner einen Endfläche 33B eine Ringnut 33A, die dicht
beim Außenumfang der Basisschnittebene 32C angeordnet ist und eine Tiefe aufweist, die wenigstens eine gedachte Ebene
erreicht, die sich von der Basisschnittebene 3 2c aus erstreckt. Der Flansch 32 ist somit als ein am ringförmigen steifen Körper
hängendes Teil ausgebildet= Der das Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils umgebende Flansch 3 2
besitzt einen kleinen Durchmesser und ist starr und gleichförmig mit dem ringförmigen starren Körper 33 verbunden, und
zwar in dem schmalen, ringförmigen Querschnittsbereich, der auf einer Ebene liegt, die sich von der Basisschnittebene 3 2C,
d. h., der Knotenebene der Längsschwingungfaus erstreckt.
Ferner ist der Schallschwingungsverstärkungsteil 3C an sei-,
nem Basisende mit einem kreisförmigen Vorsprung 32B versehen, der eine kreisförmige ebene Oberfläche 32A aufweist,
die als SchallSchwingungseingangsende dient. Der ringförmige
steife Körper 33 ist mit mehreren Gewindelöchern 33C versehen, die in gleichem Abstand rund um dessen Umfang angeordnet
sind und mit der Ringnut 33A ausgerichtet sind. Sie dienen zum Einschrauben einer entsprechenden Anzahl Bolzen
16, die den die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B einschließenden Ultraschallwandlerteil am Gegenblock 34C
festhalten.
809838/069$
Der Gegenblock 34C besteht aus einem Hauptblockkörper 343 in Form einer zylindrischen Säule, einem Resonanzjustierblock
344, der gleichermaßen die Form einer zylindrischen Säule aufweist und einem Kopplungsbolzen 345, der die beiden
Blöcke fest miteinander verbindet. Der Hauptblockkörper 343 und der Resonanzjustierblock 344 sind je mit einar axialen
Innengewindebohrung zum Einschrauben des Bolzens 345 versehen. Die beiden Blöcke werden vom Bolzen 345 dicht und
in integrierter Form aneinander befestigt, so daß sie bei der Resonanzschwingung als einziger Gegenblock wirken. Der
Hauptblockkörper 343 ist an seinem Basisende in integrierter Weise mit einem blumenkronenartigen Flansch 343B versehen,
der vier Tragarme 343A als Befestigungsteile aufweist.
Die Tragarme 343A des blumenkronenartigen Flansches 343B
sind symmetrisch bezüglich der Achse des Gegenblocks angeordnet und benachbarte Tragarme sind durch eine bogenförmige
seitliche Oberfläche 343C verbunden. Der Flansch 343B besitzt eine Wanddicke, die eine geeignete Biegesteifigkeit
für die Wirkung als Blattfeder aufweist. Ferner sind die vier Tragarme 343A des Flansches 343B je mit einem Durchgangsloch
343D zur Aufnahme je eines Bolzens 16, welche den Gegenblock 34C in Position halten, versehen.
Der ringförmige, steife Körper 33, der mit dem Schallschwingungsverstärkungsteil
3C integriert ist, und der
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blumenkronenförmige Flansch 343B des Gegenblocks 34C,
der dem ringförmigen steifen Körper gegenüber liegt, werden aneinander durch die Bolzen 16 befestigt, die
in Mutterschraubenteile 33C des ringförmigen steifen Körpers 33 geschraubt sind. Dabei werden zwischen diesen piezoelektrische
Elemente 17A und 17B in Form fester Scheiben, eine Elektrodenplatte 18 und Weichmetallblätter 36A und
36B, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, welche die Ultraschallwandleranordnung bilden, eingebettet. Die piezoelektrischen
Elemente 17A und 17B und die Elektrodenplatte werden zwischen der kreisförmigen ebenen Oberfläche 3 2A am
Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils 3C und der ebenen Oberfläche 343E auf dem Flansch des Gegenblocks
34C axial zusammengepreßt. Bei diesem Aufbau sind die als SchallSchwingungseingangsende des Schallschwingungsverstärkungsteils
3C dienende kreisförmige ebene Oberfläche 32A, das Weichmetallblatt 36A, das piezoelektrische Element
17A, die Elektrodenplatte 18, das andere piezoelektrische Element 17B und das andere Weichmetallblatt 36B aneinander
mit Hilfe eines Klebstoffs befestigt, der auf die Berührungsflächen der einzelnen Elemente aufgetragen ist, um zwischen
diesen eine innigere und sicherere Berührung zu erzeugen. Die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B sind mit einem
(nicht gezeigten) Ultraschalloszilator verbunden. Ihre je
positiven Pole liegen sich auf entgegengesetzten Seiten der Elektrodenplatte 18 gegenüber. Ihre negativen
Pole werden unter dem statischen Druck, der durch den als Blattfeder wirkenden blumenkronenförmigen
Flansch 343B des Gegenblocks ausgeübt wird, über die
Metallblätter 36A und 36B in gleichmäßiger Berührung mit
der ebenen Oberfläche 32A am Basisende des Schallschwingungsverstärkungsteils
bzw. der ebenen Oberfläche 343E auf dem Flansch des Gegenblocks gehalten.
Der Schallschwingungsverstärkungsteil 3C, die piezoelektrischen
Elemente 17A und 17B, die Elektrodenplatte 18,
die Metallblätter 36A und 36B und der Gegenblock 34C schwingen gemeinsam bei der vorbestimmten Frequenz. Die
einzelnen Teile sind so dimensioniert, daß der Wandler in seiner Gesamtheit in einer Halbwellenlängen-Grundlängsresonanzschwingung
gehalten wird. Dabei liegt eine Knotenebene in der Basisschnittebene 32C des Schal1schwingungsverstärkungsteils
und im ringförmigen, schmalen Querschnittsbereich, der die Basisschnittebene 32C an der
Verbindungsstelle zwischen dem Schallschwingungsverstärkungsteil 3C und dem ringförmigen steifen Körper 33 umgibt.
Genauer gesagt entspricht die Länge des Schallschwingungsverstärkungsteils 3C von dessen freiem Ende des Vorderend-
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teils 311 des Verstärkungshorns bis zu dessen Basisschnittebene 3 2C, d. h., der Knotenebene der Halbwellen-Längsresonanz
schwingung, einer Viertelwellenlänge des
Schwingungsmoden, bei dem sich der Wandler bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz befindet. Der Gegenblock 34c besitzt eine Länge, die derart bestimmt ist, daß der Abstand von der Basisschnittebene 32C des Schallschwingungsverstärkungsteils 3C bis zur hinteren Endfläche 344A des
Resonanzjustierblocks 344 des Gegenblocks einer Viertelwellenlänge des Resonanζschwingungsmoden entsprechend der vorbestimmten Resonanzfrequenz entspricht.
Schwingungsmoden, bei dem sich der Wandler bei der vorbestimmten Frequenz in Resonanz befindet. Der Gegenblock 34c besitzt eine Länge, die derart bestimmt ist, daß der Abstand von der Basisschnittebene 32C des Schallschwingungsverstärkungsteils 3C bis zur hinteren Endfläche 344A des
Resonanzjustierblocks 344 des Gegenblocks einer Viertelwellenlänge des Resonanζschwingungsmoden entsprechend der vorbestimmten Resonanzfrequenz entspricht.
Bei dem schwingungsamplitudenverstärkenden Ultraschallwandler der vorliegenden Ausführungsform sind der Vorderendteil
311 des Verstärkungshorns und der Resonanzjustierblock
344 des Gegenblocks auswechselbar, so daß es möglich ist, deren Längen zu ändern und bei der Erzeugung der Ultraschallwellen
die Resonanzfrequenz beliebig zu ändern. Beispielsweise
ist der Ultraschallwandler nach Fig. 8 zur Erzeugung von Ultraschallwellen einer Frequenz von 38,0 KHz
ausgelegt/ wobei piezoelektrische Elemente in Form von
Scheiben mit einem Durchmesser von 20 mm Verwendung finden. Der Vorderendteil 311 des Verstärkungshorns besitzt einen Durchmesser von 7,3 mm und eine Lange von 15 mm, und er
ist aus Stahl hergestellt. Die Länge des Schallschwingungs-
Scheiben mit einem Durchmesser von 20 mm Verwendung finden. Der Vorderendteil 311 des Verstärkungshorns besitzt einen Durchmesser von 7,3 mm und eine Lange von 15 mm, und er
ist aus Stahl hergestellt. Die Länge des Schallschwingungs-
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verstärkungsteils 3C von dessen vorderem Ende bis zu
dessen Basisebene 32C beträgt 33,7 mm. Der Resonanzjustierblock 344 des Gegenblocks besitzt einen Durchmesser
von 20 mm und eine Länge von 12 mm, und er ist aus Stahl hergestellt. Der Abschnitt von der Basisschnittebene 32C bis zum hinteren Ende des Resonanzjustierblocks
344 beträgt 34,3 mm. Mit einem derartigen Aufbau liegt der Schwingungsknoten des Ultraschallwandlers dieser
Ausführungsform in der Basisschnittebene 3 2C, und der Schallschwingungsausgangsteil 31 schwingt in einem Viertelwellenlängen-Längsresonanzschwingungsmoden,
und der Gegenblock 34C schwingt gleichermaßen in einem Viertelwellenlängen-Längsresonanz
schwingungsmoden. Der Wandler als Ganzes schwingt bei einem Halbwellenlängen-Resonanzschwingungsmoden
mit und erzeugt Ultraschallwellen von 38,0 KHz, wie in Fig. 8 (a) gezeigt. Um die Frequenz der von diesem Wandler
erzeugten Ultraschallwellen zu ändern, reicht es aus, die Länge des vorderen Endteils 311 des Verstärkungshorns und
die Länge des ResonanzJustierblocks 344 zu ändern. Wenn
Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 20 KHz erzeugt werden sollen, werden der Vorderendteil 311 des Horns und
der Resonanzjustierblock 344 durch ähnliche Elemente ersetzt,
die eine Länge von 45,1 mm bzw. 42,1 mm aufweisen.
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Mit anderen Worten, der Schwingungsknoten des Wandlers befindet sich in der Basisschnittebene 3 2C, und der
Schallschwingungsausgangsteil 31 und der Gegenblock besitzen Längen, die je für einen Viertelwellenlängen-Längsresonanz
schwingungsmoden von 20 KHz geeignet sind=
Bei diesem Wandler kann das Horn mit dem Vorderendteil 311
leicht ersetzt werden durch ein Horn, das einen Vorderendteil 311A mit einem zylindrischen Schwingungsteil 314
aufweist., das Biegeschwingungen der in Fig. 8 (c) durch gestrichelte Linien dargestellten Art durchführt, oder
durch ein Horn, das einen Vorderendteil 311B mit einem
scheibenartigen Schwingungsteil 315 aufweist, der Biegeschwingungen
der in Fig. 8 (d) durch gestrichelte Linien gezeigten Art ausführt, um Ultraschallwellen mit Hilfe
dieser Schwingungsteile zu erzeugen. D. h., wenn am vorderen Ende des Horns des schwingungsamplitudenverstärkenden
Wandlers dieser Ausführungsform ein Schwingungsteil befestigt ist, kann die Korrektur der Resonanzbedingungen, die durch
das Hinzufügen der äquivalenten Masse des befestigten Teils erforderlich ist, in einer erleichteren und sicheren
Weise durchgeführt werden, indem einfach der Resonanzjustierblock
344 und das Vorderendteil 311 des Verstärkungshorns in den Resonanzbedingungen genügende Längen abgeändert und
justiert werden.
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Gleichermaßen wie bei der vierten bis sechsten Ausführungsform
besitzt der schwingungsamplitudenverstärkende Ultraschallwandler dieser Ausführungsform einen Schallschwingungsverstärkungsteil
3C7 der mit dem ringförmigen steifen Körper 33 großen Durchmessers, der ausreichende
Steifigkeit und ausreichendes Gewicht besitzt, integriert ist. Der einen kleinen Durchmesser aufweisende Flansch 3 2
des Schallschw'ingungsverstärkungsteils ist als ein mit dem ringförmigen steifen Körper 33 zusammenhängendes Element
ausgebildet, um den Flansch 32 sicherer in einer starren und begrenzten Weise an einer Stelle zu halten,
die auf einer Ebene liegt, die sich von der Basisschnittebene 32C in der Knotenebene erstreckt. Die Ringnut 33A,
die den Umfang des Flansches 32 umgibt, verhindert Begrenzungen der RadialSchwingungsverschiebungen, die notwendigerweise
gleichlaufend mit der Längsschwingung des Wandlers auftreten. Daher wird es möglich, eine ideale
Längsresonanzschwingung zu erhalten, deren Knoten im ganzen Bereich der Basisschnittebene 3 2C liegt, so daß ein Brechen
der piezoelektrischen Elemente, wie PZT, vollständig verhindert ist. Gemäß einem kontinuierlichen Dauertest (der
derzeit noch andauert), der von den Erfindern der vorliegenden
Erfindung durchgeführt wird, hat es sich bestätigt, daß ein extrem stabilisierter kontinuierlicher Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude über eine 5000 Stunden über-
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steigende Langzeitdauer möglich ist, ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz
nach sich zu ziehen.
Ferner besitzt der schwingungsamplitudenverstärkende Wandler der vorliegenden Ausführungsform den einen kleinen
Durchmesser aufweisenden, mit dem ringförmigen steifen
Körper 33 idealerweise in der Knotenebene der Längsschwingung verbundenen Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils,
zusammen mit der ringförmigen Nut 33A, welche die Knotenebene der Längsschwingung umgibt, so daß
die Längsschwingung des Wandlers und die gleichlaufend mit der Längsschwingung entstehende Radialschwingung daran
gehindert sind, direkt auf den ringförmigen steifen Körper übertragen zu werden. Der ringförmige steife Körper wirkt
in dem Schwingungssystem des Wandlers als starre Struktur mit einer Schwingungsverschiebung Null, so daß es möglich
ist, den Wandler über den ringförmigen starren Körper starr an anderen Strukturen oder an einer äußeren Haltestruktur
zu montieren, ohne die Resonanzschwingungseigenschaften und die Betriebseigenschaften des Wandlers zu beeinträchtigen.
Beim Wandler der vorliegenden Ausführungsform sind der einen kleinen Durchmesser aufweisende Flansch 32 des Schallschwingungsverstärkungsteils
und der ringförmige starre Kör-
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per 33 miteinander über den schmalen Querschnittsbereich der Flanschoberfläche verbunden, so daß ein
großer Abfall der akkustischen Impedanz über der mechanischen Kopplung zwischen dem Flansch 32 und dem dickwandigen,
ringförmigen, steifen Körper erzeugt wird, was eine Übertragung von Ultraschallenergie vom. Flansch auf
den ringförmigen, steifen Körper verhindert. Dadurch werden Streuenergieverluste, die verursacht werden, wenn der
Wandler fest an einer äußeren Halterung befestigt wäre, bis zu einem Minimum unterdrückt. Der Wandler kann somit
Ultraschallwellen mit einem äußerst hohen Wirkungsgrad erzeugen.
Zudem verwendet der Wandler der vorliegenden Ausführungsform gleichermaßen wie die Wandler der vierten bis sechsten
Ausführungsform den Gegenblock 34C, der mit einem blumenkronenförmigen
Flansch 343B mit mehreren Haltearmen 343A versehen ist, d. h., mit einem diskontinuierlichen Flansch
mit der erforderlichen Steifigkeit. Dies verhindert Störmodenschwingungen, die ansonsten in den Flansch des Gegenblocks
induziert würden, wodurch ein stabilisiertes Antreiben des Wandlers sichergestellt und der Ultraschallschwingungsumwandlungswirkungsgrad
noch mehr verbessert ist.
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Wie zuvor beschrieben sind die piezoelektrischen Elemente 17A und 17B, die Elektrodenplatte 18 und Metallblätter
36A und 36B, die den Antriebsteil des Wandlers bilden, nach dem Auftragen eines Klebstoffs auf die
Berührungsflächen der einzelnen Elemente innig und eng anliegend aneinander befestigt, um das Auftreten irgendeines
feinen Zwischenraums oder eines Spaltes dazwischen auszuschließen. Diese Anordnung erlaubt eine sichere übertragung
des UltraschallSchwingungsdrucks und verbessert noch mehr den Wirkungsgrad der Umwandlung elektrischer
Schwingungen in mechanische Ultraschallschwingungen„
Beim erfindungsgemäßen Wandler ist der einen wichtigen
Teil des Wandlers bildende Treibteil an einer Stelle in der Nachbarschaft des Knotens der Längsschwingung des
Wandlers angeordnet, in welchem die Verschiebung aufgrund der Ultraschall-Längsschwingung nahezu Null ist. Unter
dieser Bedingung ist das Vorhandensein irgendeines feinen Spaltes oder Zwischenraums nicht erlaubt, um die Ultraschall
schwingung s energie wirksam auf den Schallschwingungsverstärkungsteil
und den Gegenblock zu übertragen. In diesem Zusammenhang kann der Wandler gemäß der siebenten Ausführungsform
die beabsichtigten Wirkungen in einer besonders zufriedenstellenden Weise erreichen,
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2808820
Aus der vorausgehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß bei einem Ultraschallwandler mit einem ültraschallwandlerteil,
der piezoelektrische Elemente etc. einschließt und zwischen einem ersten und einem zweiten
zylindrischen Teil angeordnet ist, die aneinander durch Spannvorrichtungen wie Bolzen befestigt sind, um zwischen
ihnen den ültraschallwandlerteil einzuspannen, die vorliegende Erfindung einen Flansch mit verringertem Durchmesser
vorsieht, der am ersten zylindrischen Teil des Schallschwingungsverstärkungsteils vorgesehen ist, und
einen ringförmigen steifen Körper mit großer Querschnittsfläche, der einen abgestuften Teil aufweist, der mit dem
Flansch verringerten Durchmessers in Eingriff steht und einen Spalt zwischen dem abgestuften Teil und dem Umfang
des Flansches mit verringertem Durchmesser bildet, wobei der ringförmige steife Körper am Flansch des zweiten zylindrischen
Teils mittels einer Klemm- oder Spannvorrichtung befestigt ist. Durch diese Anordnung ist durch Verringern
des Durchmessers des Flansches des ersten zylindrischen Teils die Eigenfrequenz des Flanschteils beträchtlich erhöht,
und dessen Biegeverschiebung ist bis auf ein Minumum unterdrückt. Dadurch sind Biegeschwingungen verhindert, die
ansonsten an der ebenen Oberfläche/des einen verringerten
Durchmesser aufweisenden Flansches des ersten zylindrischen Teils, der am ültraschallwandlerteil anliegt, erzeugt würden.
*) des ersten zylindrischen Teils und
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Gleichzeitig wird das Bersten oder Brechen der piezoelektrischen Elemente ausgeschlossen, was einen kontinuierlichen
UltraschallSchwingungsbetrieb mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer zuläßt.
Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen wurde
die vorliegende Erfindung auf einen Ultraschallwandler angewendet, bei dem zum Zweck der Kompaktheit die die
piezoelektrischen Elemente haltenden Metallblöcke die Schallschwingungsverstärkungsfunktion ausüben. Die vorliegende
Erfindung kann jedoch auf einen Ultraschallwandler des in den Fig. 9 (a) und 9 (b) gezeigten Typs angewendet
werden, bei dem die piezoelektrischen Elemente zwischen
.zwei als erstes und zweites Zylinderteil dienenden Metallblöcken eingebettet sind, von denen einer an seinem Ausgangsende
ein integriert angeformtes Schallschwingungsverstärkungsteil (Horn) aufweist. In diesen Figuren sind Teile,
die mit zuvor beschriebenen Teilen übereinstimmen, mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
überdies kann der erfindungsgemäße Wandler für eine Verwendung
an einer Stelle, die einer hohen Temperatur ausgesetzt ist, beispielsweise der Wärme von einem Brenner
oder dergleichen, in eine Form abgewandelt werden, wie sie
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280S820
in Fig. 10 gezeigt ist. Dabei ist das Horn, das mit dem ersten zylindrischen Teil integriert ist, um als
Schallschwingungsverstärkungsteil zu wirken, ausreichend verlängert, um die piezoelektrischen Elemente in einem
Abstand von der Wärmequelle zu halten. In der Figur sind Teile, die denen vorausgehender Ausführungsformen entsprechen,
mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auf einen Wandler angewendet werden, dessen erstes zylindrisches Teil gemäß
Fig. 11 in Hintereinanderschaltung zwei oder mehr Schallschwingungsverstärkungsteile
für eine noch stärkere Verstärkung der mechanischen Schwingung oder Schallschwingung
aufweist. In dieser Figur sind Teile, die mit solchen der vorausgehenden Ausführungsformen übereinstimmen, mit gleichen
Bezugsziffern gekennzeichnet.
Als Schallschwingungsverstärkungsteil, das am ersten zylindrischen Teil auszubilden oder vorzusehen ist, benutzten
die vorausgehenden Ausführungsformen beispielsweise ein exponentielles Horn, ein abgestuftes Horn und
ein konisches Horn. Die Erfindung ist jedoch auch auf andere Horntypen, einschließlich Kettenlinienhörner und
Fourier-Hörner, anwendbar.
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Claims (16)
- BLUMBACH · WESER . BERGEN · KRASVSERo w q üq y η ZWSRNER . HIRSCH . BREHMPATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADENPatentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089) 883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561993 Telex 04-186237 Telegramme PatentconsuliKABUSHIKI KAISAH TOYOTA CHUO KENKYUSHO 78/87 09 2-12, Hisakata, Tempaku-ku, Nagoya-shi
Aichi-ken, JapanPATENTANSPRÜCHE.) ültraschallwandler,mit einem ersten zylindrischen Teil, das einen mechanische Schwingungen verstärkenden Teil aufweist, der symmetrisch rund um dessen Achse angeordnet ist und in Richtung zu seinem Basisteil eine graduell zunehmende Querschnittsfläche besitzt, wobei der Basisteil mit einem Ringteil, dessen Wand in Axialrichtung am dünnsten ist, und mit einer flachen, zu dessen Achse senkrecht verlaufenden Oberfläche versehen ist, mit einem zweiten zylindrischen Teil, das einen Gegenblock aus einem zylindrischen Körper aufweist und dessen Basisteil mit einem Flansch und einer zu dessen Achse1 809838/0698München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. ■ P. Hirsch Dipl.-Ing. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.S. Blumbadi Dipl.-Ing. · P.Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.senkrecht verlaufenden ebenen Oberfläche versehen istf mit einem Ultraschallwandlerteil, das zwischen den ebenen Oberflächen des ersten und des zweiten zylindri-unci
■sehen Teils angeordnet ist/ein Paar piezoelektrische Elemente mit zu den Achsen von erstem und zweitem zylindrischem Teil senkrecht verlaufenden ebenen Oberflächen und eine zwischen den piezoelektrischen Elementen angeordnete Elektrodenplätte aufweist,und mit einer Befestigungsvorrichtung, welche die ebenen Oberflächen der piezoelektrischen Elemente gegen die ebenen Oberflächen des ersten und des zweiten zylindrischen Teils preßt,dadurch gekennzeichnet,daß das erste zylindrische Teil (z. B. 1} einen ringförmigen steifen Teil (z. B. 13) aufweist, der mit dem mechanische Schwingungen verstärkenden Teil (z. B. 1) in koaxialer Weise integriert ist, sich vom dünnsten Wandteil axial und radial nach außen erstreckt, um ausreichende Steifigkeit und Gewicht zu besitzen/und in der Nähe des dünnsten Wandteils eine Ringnut (z. B. 13C) besitzt, die sich von der Oberfläche des ringförmigen steifen Teils in eine Tiefe erstreckt, die mindestens der axialen Dicke des dünnstenWandteils des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils entsprichtund daß die Befestigungsvorrichtung (z„ B. 16) den ringförmigen steifen Teil und den Flansch (z. B. 15) des zweiten zylindrischen Teils (z. B. 14) in solcher Weise zusammenklammert, daß sie die Ringnut und den ültraschallwandlerteil· umgibt,wodurch ein Brechen der piezoelektrischen Elemente (17A, 17B) verhindert ist, so daß ein stabiler Betrieb ohne Übergangsänderungen der elektrischen Impedanz und der Resonanzfrequenz sichergestellt und ein kontinuierlicher Schwingungsbetrieb mit großer Amplitude über eine lange Zeitdauer ermöglicht ist. - 2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste zylindrische Teil ein mechanische Schwingungen verstärkendes Teil und ein ringförmiges steifes Teil, die getrennt ausgebildet sind, aufweist,daß das mechanische Schwingungen verstärkende Teil in integrierter Weise mit einem Flansch kleinen Durchmessers ausgebildet ist, der etwas vom dünnsten Wandteil des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils radialnach außen vorsteht und eine schmale, ringförmige,auf der
ebene Oberfläche auf der/AusgangsSeite des mechanischeSchwingungen verstärkenden Teils liegenden Seite des Flansches aufweist,809838/069628Q982Udaß das ringförmige steife Teil eine ebene ringförmige Oberfläche auf seiner einen Seite aufweist, die mit der ringförmigen ebenen Oberfläche des Flansches des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils im Eingriff steht,und daß die Befestigungsvorrichtung das ringförmige steife Teil und den Flansch des zweiten zylindrischen Teils derart zusammenklammert, daß sie den Flansch kleinen Durchmessers umgibt,so daß das Paar piezoelektrischer Elemente gegen die ebenen Oberflächen des ersten und des zweiten zylindrischen Teils gepreßt wird. - 3. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige steife Teil am axialen Ende seines Innenumfangswandteils einen abgestuften Teil besitzt, der aus einer ringförmigen inneren Oberfläche, die parallel zu seiner Achse gebildet ist, und einer ringförmigen ebenen Bodenfläche, die senkrecht zu seiner Achse gebildet ist, besteht, daß die Bodenfläche des abgestuften Teils gleichmäßig an der schmalen, ringförmigen, ebenen Oberfläche des Flansches des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils anliegt und daßdie ringförmige Innenoberfläche einen schmalen ringförmigen Spalt (13C) um den Umfang des Flansches des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils aufrecht erhält.
- 4. Ultraschallwandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Oberflächen des ringförmigen steifen Teils und des einen kleinen Durchmesser aufweisenden Flansches durch ein Löt- oder Schweißmittel in integrierter Weise miteinander verbunden sind.
- 5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Oberfläche des mechanische Schwingungen verstärkenden Teils in integrierter Weise mit einem kreisförmigen Vorsprung ausgebildet ist, der sich in axialer Richtung von ihr erhebt und eine kreisförmige ebene Oberfläche aufweist, und daß die piezoelektrischen Elemente zwischen der kreisförmigen ebenen Oberfläche des kreisförmigen Vorsprungs und der ebenen Oberfläche des zweiten zylindrischen Teils zusammengepreßt gehalten sind, wodurch die ebene Oberfläche des ersten zylindrischen Teils verstärkt und die Biegeschwingung der ebenen Oberfläche wei-280982Uter reduziert ist.
- 6. ültraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Schwingungen verstärkende Teil ausgewählt ist aus einem exponentiallen Horn, einem abgestuften Horn, einem konischen Horn, einem Fourier-Horn und einem Kettenlinien-Horn.
- 7. ültraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil des ersten zylindrischen Teils eine scheibenartige Form kleinen Volumens aufweist.
- 8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil des ersten zylindrischen Teils eine Zylinderform großen Volumens besitzt.
- 9. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Basisteil des mechanische Schwingungen verstärken-809838/0696
4/5 . .„ .—. *7 —28Ü982Üden Teils in einer Knotenebene eines vorbestimmten Resonanzschwingungsmoden angeordnet ist, und daß das mechanische Schwingungen verstärkende Teil, das zweite zylindrische Teil, das Ultraschallwandlerteil und die Befestigungsvorrichtung derart dimensioniert und aufgebaut sind, daß die Gesamtlänge des Wandlers mit einer vorbestimmten Wellenlänge einer Resonanzschwingung eines vorbestimmten Schwingungsmoden übereinstimmt. - 10. Ultraschallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil auf einer Knotenlinie einer Viertelwellenlänge bei einem Halbwellenlängen -Längsresonanzschwingungsmoden angeordnet ist und daß die Gesamtlänge des Wandlers eine halbe Wellenlänge beträgt.
- 11. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil auf einer Knotenlinie einer Dreiviertelwellenlänge bei einem Eine-Wellenlänge-Längsresonanzschwingungsmoden angeordnet ist und daß die Gesamtlänge des Wandlers eine Wellenlänge beträgt.809838/0696280982Ü
- 12. ültraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch des zweiten zylindrischen Teils Blumenkronenform (Fig. 5c) aufweist und außer an den Stellen, die durch die Befestigungsvorrichtung eingespannt sind, Kerben besitzt.
- 13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenblock mit einem ein Gewinde aufweisenden Teil (z. B. 341A) versehen ist, an dem auswechselbar ein Ansatzteil (342) mit einem entsprechenden Gewindeteil (34 2A) befestigt werden kann.
- 14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Schwingungen verstärkende Teil mit einem Gewindeteil (ζ. B. 31B) versehen ist, an dem auswechselbar ein Ansatzstück (37) mit einem entsprechenden Gewindeteil (37A) befestigt werden kann.
- 15. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenblock (34C) einen Hauptblockkörper (343) und einen Resonanzjustierblock (344) aufweist, die mit einem Kopplungsbolzen (345) in809830/089828Ü982Üintegrierter Weise aneinander befestigt sind.
- 16. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11 und 13,dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Schwingungen verstärkende Teil (3C) einen Vorderendteil (311) und einen Hinterendteil (312) mit Gewindebohrungen entlang ihrer gesamten Länge aufweist, die durch einen hierdurch passenden Bolzen (313) in integrierter Weise aneinander befestigt sind,809838/0898
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