DE4035828C2 - Überwachungsverfahren bei Ultraschallwandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Energieübertragung von Ultraschallwandlern an eine Mem­ bran bei Einrichtungen zur Ultraschallreinigung von Werk­ stücken, wobei Ultraschallwandler und Membran eine gegen­ seitige Verbindung mittels eines Klebers aufweisen, sowie eine Einrichtung für dieses Verfahren.

Werkstücke der verschiedensten Art werden zur lösungs­ mittelarmen Reinigung in Ultraschallbädern behandelt. Diese Bäder haben als Membranen ausgebildete Schwing­ böden, an denen ein oder mehrere Ultraschallwandler befestigt sind, üblicherweise sind sie angeklebt.

Auf eine derartige Ausführungsform von Ultraschallbädern wird in den Druckschriften DE 19 51 075 A1 und DE 38 15 925 C1 verwiesen, womit diese im Stand der Technik bekannt ist.

Die Druckschriften selbst behandeln aber keine mit solchen Verklebungen befestigten Ultraschallwandler.

Im Laufe der Zeit können sich diese Verklebungen lösen. Dann setzen die Ultraschallwandler zwar noch elektrische Energie in mechanische Energie um, aber die mechanische Energie wird nur noch zum Teil oder, falls sich die Ver­ klebung ganz löst und der Ultraschallwandler von der Mem­ bran abfällt, gar nicht mehr an das Reinigungsbad abgege­ ben.

Dadurch ergibt sich im Bad eine verminderte Ultraschall- und damit Reinigungsleistung.

Bei mehreren Wandlern kann sich auch eine ungleichmäßige Verteilung der Leistung im Bad ergeben.

Diese führt dazu, daß bei in einem Bad gereinigten Losen einzelne Werkstücke erheblich schlechter gereinigt werden als andere. Es kann vorkommen, daß bis dies festgestellt wird, bereits weitere Lose durch das Reinigungsbad gelau­ fen sind, so daß schon eine erhebliche Anzahl an schlecht gereinigten Werkstücken angefallen ist.

Diese müssen alle unter erheblichem Aufwand aussortiert und nachbehandelt werden.

Um einen Leistungsverlust im Reinigungsbad festzustellen, kann man nicht die von den Ultraschallwandlern umgesetzte elektrische Leistung messen, da die Ultraschallwandler diese auch dann umsetzen, wenn sie sich ganz oder teil­ weise von der Membran abkoppeln. Als weitere Möglichkeit bleibt, im Reinigungsbecken selbst die vorhandene Energie und/oder Energieverteilung zu prüfen. Die dafür benutzten Meßverfahren sind aber sehr ungenau, da sie von vielen Einflüssen abhängig sind, wie zum Beispiel Temperatur, Reinigungsflüssigkeit, Füllstand des Beckens, Reflexionen und der Position der Prüfsonde.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzuge­ ben, mit dem eine Veränderung in der Verbindung, insbe­ sondere der Güte der Klebverbindung von Ultraschallwand­ ler und Membran, festgestellt werden kann, wobei dieses Verfahren einfach, sicher und im wesentlich nur mit den vorhandenen Bauteilen arbeiten soll und ohne hohen kon­ struktiven Aufwand in die Praxis umsetzbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der der Membran zugewandten Abschlußfläche des Ultraschallwandlers und der Membran die Kapazität des aus Abschlußfläche, Kleber und Membran gebildeten Kondensa­ tors geprüft wird.

Aus der US 25 44 673 ist zwar bekannt, die Güte von Klebeverbindungen mit Hilfe von Kapazitätsmessungen zu überprüfen, allerdings sieht die Druckschrift dies unter Aufbringung von Druck vor, was einen hohen apparativen Aufwand erfordert. Darüberhinaus erfolgt die Messung nur einmalig und nicht etwa kontinuierlich, was zum Detek­ tieren einer nachlassenden Verklebung des Ultraschall­ wandlers mit der Membran im Reinigungsbetrieb notwendig ist.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß schon kleinste Ablösungsbereiche in den Ver­ bindungen von Ultraschallwandlern und Membran festge­ stellt werden können, da die in diesen Bereichen zusätz­ lich in den Kondensatorspalt gelangende Luft aufgrund ihrer spezifischen Dielektrizitätskonstante eine deutli­ che Änderung der elektrischen Kondensatorkapazität be­ wirkt, die außerdem auch durch den sich ändernden Abstand zwischen Ultraschallwandler und Membran verändert wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, daß auch Feuch­ tigkeit im Schwingsystem bzw. im Kondensatorspalt festge­ stellt werden kann. Diese tritt zum Beispiel dann auf, wenn an der als Schwingboden ausgebildeten Membran durch Kavitationserscheinungen in den Bereichen, in denen die Ultraschallwandler befestigt sind, Undichtigkeiten be­ wirkt werden, durch die Reinigungsflüssigkeit in den Kon­ densatorspalt gelangt.

Außerdem kann die Feuchtigkeit aber auch aus Flüssig­ keitsspritzen oder aus auf andere Weise an den Kleber ge­ langender Flüssigkeit aus anderen Undichtigkeiten herrüh­ ren. Diese Feuchtigkeit verschlechtert das Dielektrikum und kann auch zu Spannungsüberschlägen zwischen den Kon­ densatorflächen führen.

Um die Kapazitätsprüfung durchzuführen, ergeben sich mehrere Möglichkeiten. Diese haben gemein, daß bei der ersten Inbetriebnahme der Ultraschallreinigungsanlage die elektrische Kapazität gemessen wird und dann im weiteren nur noch geprüft wird, ob sich dieser Wert ändert.

An dieser Stelle soll erwähnt werden, daß auch schon bei der Befestigung mehrerer Ultraschallwandler an der glei­ chen Membran es vorteilhaft ist, die sich bildenden Kapa­ zitäten zwischen einzelnen Ultraschallwandlern und der Membran zu messen. So kann sichergestellt werden, daß bei gleicher Einzelkapazität zwischen den einzelnen Ultra­ schallwandlern und der Membran deren jeweilige Verbindung von der jeweils selben Qualität ist und alle Ultraschall­ wandler ein gleiches Schwing- und Energieabgabeverhalten haben. Dies führt im späteren Betrieb der Ultraschall­ reinigungsanlage zu einer gleichmäßigen Energieverteilung im Reinigungsbad.

Die Messung der elektrischen Kapazität kann entweder durchgeführt werden, indem zwischen Abschlußfläche des Ultraschallwandlers und der Membran eine elektrische Wechselspannung angelegt wird und die Kapazität dann über Messung des Blindwiderstandes erfolgt, oder der Kondensa­ tor wird in einen Schwingkreis mit bekannter Induktivität und ohmscher Last integriert und dann wird die Änderung der Resonanzfrequenz dieses Schwingkreises als Prüfkrite­ rium benutzt, oder es wird die Änderung des Phasenwinkels zwischen Strom und Spannung ermittelt.

Es ist aber auch denkbar, den Kondensator mit einer Gleichspannung aufzuladen und dann die Zeitkonstante zu messen. Damit sind einige unterschiedliche Methoden zur Kapazitätsprüfung nicht abschließend aufgezählt.

Wenn die Messung der Kapazität mit Hilfe eines separaten Meßgenerators kontinuierlich erfolgt, wird eine besonders lückenlose Überwachung erreicht.

Um eine mögliche Verfälschung der Prüfergebnisse zu ver­ hindern, kann bei abgeschalteten Ultraschallwandlern ge­ messen werden.

Es ist vorteilhaft, die Kapazitätsprüfung bei Betriebs­ temperatur des Ultraschall-Reinigungsprozesses durch­ zuführen, da eine sich verändernde Temperatur die Prüf­ ergebnisse beeinflussen könnte.

Für die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der die der Membran zugewandte Abschlußfläche des Ultraschallwandlers, der Kleber und die Membran als elektrischer Kondensator aus­ gebildet und mit einer Vorrichtung zur Kapazitätsprüfung verbunden sind.

Dabei ist es sowohl denkbar, daß die Membran und die Ab­ schlußfläche des Ultraschallwandlers aus elektrisch leit­ fähigem Material sind, als auch daß sie aus nicht elek­ trisch leitfähigem Grundmaterial sind und mit einer zu­ sätzlichen elektrisch leitfähigen Schicht versehen sind.

Dabei können die leitfähigen Schichten durch nicht elek­ trisch leitfähiges Grundmaterial der Membran bzw. des Ultraschallwandlers vom Kleber getrennt sein.

Wenn der Kleber direkt mit elektrisch leitfähigem Materi­ al in Berührung kommt, so muß er elektrisch isolierend sein.

Bei einigen Ausführungsformen von Ultraschallwandlern ist vor die Abschlußfläche des eigentlichen Ultraschallwand­ lers ein Befestigungskörper gesetzt, über den die Ankop­ pelung des Ultraschallwandlers an die Membran erfolgt. Bei diesen Ausführungsformen wird die elektrische Kapazi­ tät zwischen der Membran und der dieser zugewandten An­ schlußfläche des Befestigungskörpers gemessen.

Dabei verringern aus Leichtmetall bestehende Befesti­ gungskörper der Ultraschallwandler durch ihr niedriges spezifisches Gewicht dynamisch ungünstige träge Massen. Dabei bietet sich Aluminium an, da es sehr preiswert ist.

Durch eine Membran, die aus Edelstahl besteht, wird wegen dessen Widerstandsfähigkeit die Auswahl der für das Rei­ nigungsbad möglichen Reinigungsflüssigkeiten erhöht.

Der Ultraschallwandler kann sowohl aus elektrostriktivem Material bestehen, als auch aus magnetostriktivem Materi­ al.

Überlicherweise sind für den Betrieb des Kondensators zwei Stromleitungen nötig. Für den Betrieb des Ultra­ schallwandlers müssen ebenfalls zwei Leitungen vorhanden sein. Außerdem verlangen die einschlägigen Vorschriften, daß die Reinigungsbadwanne mit einer Erdungsleitung zu versehen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die auf Massepotential liegende Leitung zum Be­ trieb des Ultraschallwandlers einerseits und die von dieser galvanisch getrennte Erdungsleitung der Reini­ gungsbadwanne andererseits gleichzeitig als Anschluß­ leitungen für den Betrieb des Kondensators genutzt.

So wird eine erhebliche Materialeinsparung erzielt, da keine zusätzlichen Kabel angebracht werden müssen. Außer­ dem ergibt sich auch eine einfache Möglichkeit, festzu­ stellen, wenn ein Ultraschallwandler durch Bruch des Mas­ sekabels oder der Verbindungsstelle von Kabel und Ultra­ schallwandler nicht mehr im Stromkreislauf ist und des­ wegen nicht mehr zum Schwingen angeregt wird.

Auf die beschriebene Art lassen sich außer den Klebungen von Ultraschallwandlern auch andere, insbesondere dyna­ misch belastete Klebestellen überwachen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spiels. Dabei zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Ultraschallreini­ gungsbades,

Fig. 2 Prinzipskizze eines nach der Erfindung arbeiten­ den elektrostriktiven Ultraschallwandlers,

Fig. 3 Prinzipskizze eines nach der Erfindung arbeiten­ den magnetostriktivem Ultraschallwandler.

Fig. 1 zeigt den Schnitt durch ein Ultraschallreinigungs­ bad. In einem metallischen Becken 1 befindet sich Reini­ gungsflüssigkeit 2. In dieses Becken werden Werkstücke eingelegt, die durch Ultraschallerregung gereinigt werden sollen.

Dazu fungiert der Schwingboden des Beckens 1 als Membran 3, an der mehrere Ultraschallwandler 4 befestigt sind. Im dargestellten Beispiel sind die Ultraschallwandler 4 mit einem Kleber 5 an der Membran 3 befestigt.

Die Ultraschallwandler 4 werden durch einen Hochfrequenz­ generator 6 erregt, mit dem sie über einen hinführenden Leiter 7 und einen rückführenden Leiter 8 verbunden sind.

Der auf Massepotential liegende rückführende Leiter 8 ist gleichzeitig an ein Kapazitätsmeßgerät 9 angeschlossen.

Dieses ist mit einer zweiten Anschlußleitung 10 an den Schutzleiter 11, mit dem das Becken 1 am Erdungsbolzen 12 geerdet ist, verbunden.

An der Schnittstelle 13 werden die Leitungen 7, 8 und 11 aus dem Gehäuse des Ultraschallreinigungsbades nach außen gelegt.

In der Fig. 2 ist ein entsprechender Aufbau noch einmal für einen einzelnen Ultraschallwandler 4 skizziert:

Oben ist die Membran 3 zu erkennen, an der der Erdungs­ bolzen 12 mit dem Schutzleiter 11 befestigt ist und die eine Schicht des Klebers 5 trägt. Der eigentliche Ultra­ schallwandler setzt sich in dem dargestellten Beispiel aus mehreren Teilen zusammen.

Als zentrale Elemente erkennt man zwei piezokeramische Bauteile 14, 15, die durch den Hochfrequenzgenerator 6 zu striktiven Bewegungen angeregt werden. Dazu wird über den hinführenden Leiter 7 eine Seite der piezokeramischen Bauteile 14, 15 über ein zwischen ihnen liegendes Zwi­ schenblech 16 mit Spannung gegenüber den Elementen 17, 18 beaufschlagt, die über den rückführenden Leiter 8 auf Massepotential liegen.

Das Element 17 ist aus besonders schwerem Material, um eine träge Masse zu bilden, damit die Schallenergie in die von ihm weggerichtete Richtung abgestrahlt wird.

Damit auf der anderen Seite der piezokeramischen Bauteile 14, 15 keine ungünstigen trägen Massen auftreten, ist das als Befestigungskörper fungierende Element 18 aus Leicht­ metall, vorzugsweise aus Aluminium gefertigt.

In dem vorliegenden Beispiel wird dann über den rückfüh­ renden Leiter 8, der mit der Anschlußfläche 19 leitend verbunden ist, und dem Schutzleiter 11, der mit der Mem­ bran 3 verbunden ist, mit dem Kapazitätsmeßgerät 9 die Kapazität zwischen Membran 3 und Ultraschallwandler 4 gemessen, wobei die Anschlußfläche 19 dem Ultraschall­ wandler 4 zugerechnet wird.

Damit der Schutzleiter 11 und der rückführende Leiter 8 galvanisch voneinander getrennt sind, um eine Kapazitäts­ messung zu ermöglichen, ist im Hochfrequenzgenerator 6 ein Trenntrafo 20 vorgesehen.

In der Fig. 3 ist das gleiche Prinzip noch einmal für einen magnetostriktiven Ultraschallwandler dargestellt.

Als Kondensatorfläche wird dabei auf der Wandlerseite zum einen die durch die Wicklungen der Leiter 7, 8 überstri­ chenen Fläche 21 als auch die Ankoppelflächen 22 der Trafobleche 23 berücksichtigt.

Durch eine entsprechende Prüfschaltung kann mit der vom Kapazitätsmeßgerät 9 festgestellten Änderung der Kapazi­ tät des durch die Anschlußfläche 19 bzw. 21, 22, den Kle­ ber 5 und der Membran 3 gebildeten Kondensators überwacht werden. Diese Kapazität C ist gemäß der folgenden Glei­ chung abhängig von der Größe der den Kondensator bilden­ den Fläche A, dem Abstand d zwischen den Flächen 19, 21, 22 und der Membran 3 sowie der Elektrizitätskonstante ε des den Kondensatorspalt füllenden Klebers 5:

C = (A × ε)/d.

Es soll noch darauf hingewiesen werden, daß in dem nach Fig. 2 gebauten Ultraschallbad der Kleber 5 elektrisch isolierend sein muß.

Claims (19)

1. Verfahren zur Überwachung der Energieübertragung von Ultraschallwandlern an eine Membran bei Einrichtungen zur Ultraschallreinigung von Werkstücken, wobei Ultra­ schallwandler und Membran eine gegenseitige Verbindung mittels eines Klebers aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der der Membran (3) zugewandten Abschlußflä­ che (19; 21, 22) des Ultraschallwandlers (4) und der Mem­ bran (3) die Kapazität des aus Abschlußfläche (19; 21, 22), Kleber (5) und Membran (3) gebildeten Kondensators mit Hilfe eines Kapazitätsmeßgerätes kontinuierlich geprüft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abschluß des Ultraschallwandlers (19; 21, 22) und der Membran (3) eine elektrische Wechselspannung angelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsprüfung als Messung des Blind­ widerstandes durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kapazitätsprüfung der Kondensator in einen Schwingkreis mit bekannter Induktivität und ohmscher Last integriert wird und dann die Änderung der Resonanzfre­ quenz dieses Schwingkreises als Prüfkriterium benutzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Kapazität die Änderung des Phasenwin­ kels zwischen Strom und Spannung ermittelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Abschluß des Ultraschallwandlers (19; 21, 22) und der Membran (3) eine elektrische Gleichspannung angelegt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Prüfung der Kapazität die Zeitkonstante gemessen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei abgeschaltetem Ultraschallwandler (4) gemessen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsprüfung bei Betriebstemperatur des Ultraschall-Reinigungsprozesses erfolgt.

10. Einrichtung zur Überwachung der Energieübertragung von Ultraschallwandlern an eine Membran bei Einrichtungen zur Ultraschallreinigung von Werkstücken, wobei Ultra­ schallwandler und Membran eine gegenseitige Verbindung mittels eines Klebers aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membran (3) zugewandte Abschlußfläche (19; 21, 22) des Ultraschallwandlers (4), der Kleber (5) und die Membran (3) als elektrischer Kondensator ausgebildet und mit einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Kapazi­ tätsprüfung (9) verbunden sind.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) und die Abschlußfläche (19; 21, 22) des Ultraschallwandlers (4) aus elektrisch leitfähigem Material sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) und die Abschlußfläche (19; 21, 22) des Ultraschallwandlers (4) aus nicht elektrisch leit­ fähigem Grundmaterial und mit einer elektrisch leitfähi­ gen Schicht versehen sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähigen Schichten durch nicht elektrisch leitfähiges Grundmaterial der Membran (3)/des Ultra­ schallwandlers (4) vom Kleber (5) getrennt sind.

14. Einrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (5) elektrisch isolierend ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abschlußfläche des Ultraschallwandlers (4) ein Befestigungskörper (18) sitzt, über den Ankopplung an die Membran (3) erfolgt und daß dieser Befestigungskörper aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium besteht.

16. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (3) des Reinigungsbeckens (1) aus Edel­ stahl besteht.

17. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (14, 15) aus elektro-strikti­ vem Material bestehen.

18. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (23) aus magnetostriktivem Material bestehen.

19. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß von den zwei für den Betrieb des Ultraschallwandlers (4) benötigten Stromleitungen (7, 8) die auf Massepoten­ tial liegende (8) und eine von dieser galvanisch getrenn­ te Erdungsleitung (11) der Reinigungsbadwanne (1) An­ schlußleitungen für den Kondensator sind.