DK149245B - Hf-resonator med indstilbar resonansfrekvens - Google Patents

Description

J

149245

Opfindelsen angår en HF-resonator med indstilbar resonansfrekvens til forsegling eller svejsning af tynde, især termoplastiske materialer såsom emballagefolier, og hvor der i et resonatorhulrum findes ^ ferromagnetiske legemer, der er medbestemmende for resonansfrekvensen, og hvis magnetiske permeabilitet kan ændres af magnetfeltet fra en uden for resona-toren anbragt elektrisk spole.

HF-resonatorer med indstilbar resonansfrekvens ^0 kendes allerede, eksempelvis fra DE-AS 11 86 119 og DE-PS 937 475.

En resonatorkreds omfatter altid en induktans og en kapacitans, hvilken induktans og hvilken kapa-citans ved en given for den aktuelle værdi af induk-15 tansen og kapacitansen karakteristisk frekvens bringes i resonans, hvilket for eksempelvis en parallelresonanskreds indebærer, at kredsens impedans har et maksimum .ved resonansfrekvensen, medens impedansen i en serieresonanskreds har et minimum ved denne reso-20 nansfrekvens.

Hulrums- og koaksiallinieresonatorer har også en induktans og en kapacitans, hvis størrelse afhænger af resonatorens dimensioner. En sådan resonator kan afstemmes til en vis frekvens ved ændring af re-25 sonatorens volumen eller af dens højde. Det er imidlertid mekanisk indviklet at udforme en resonator, som kan justeres på den måde, at dens volumen eller dens højde kan ændres med henblik på afstemning af resonansfrekvensen.

30 Det er kendt at anvende resonatorer af den ovennævnte art i forbindelse med apparater til forsegling af tyndt emballagemateriale i emballeringsmaskiner, og i SE-PS 396 033 beskrives en forseglingsanordning, hvori der indgår en resonator. Det er 35 kendt, at man ved anvendelse af resonatorer kan opnå en stærkt koncentreret varmeafgivelse i i og for sig 2 149245 isolerende materialer, ved i disse materialer at tilvejebringe dielektriske tab, når materialet udsættes for et højfrekvent elektrisk felt.

Ved de kendte resonatoranordninger, og specielt 5 de resonatorer, der indgår i forseglingsapparater, hvor emballagelaminatet forsegles ved hjælp af varme, som tilvejebringes i laminatet ved hjælp af resonato-ren, har det hidtil været en ulempe, at emballagelaminatets karakteristiske egenskaber, f.eks. godstykkel-10 se, fugtighed, plastkvalitet osv. varierer, hvilket indvirker på forseglingsapparatets resonansfrekvens, som derfor ikke holder sig konstant til trods for, at resonatorens geometriske parametre ikke ændrer sig. Da den generator, som føder resonatoren, sædvan-15 ligvis arbejder med en fastindstillet frekvens for fødestrømmen, indebærer dette, at resonatoren bringes ud åf resonans, hvis resonatorfrekvensen ændrer sig, hvilket igen indebærer, at den tilvejebragte energi i det til forsegling anvendte materiale ikke 20 bliver maksimal. Hvis resonatorfrekvensen ændrer sig alt for meget, kan energien blive utilstrækkelig til at frembringe en acceptabel forsegling.

Et andet aspekt er, at en ændring af resonatorens resonansfrekvens f.eks. på grund af anvendelsen 25 af et emballagemateriale med større godstykkelse også kan indvirke på generatorens frekvens, og da generatorfrekvensen som almindeligvis ligger i området fra 400-500 MHz, f.eks. 433,43 MHz, i henhold til de gældende bestemmelser må holdes inden for ±0,2%, er 30 det vigtigt at sørge for, at forseglingsapparatets resonator ikke påvirker generatorfrekvensen på en sådan måde, at denne frekvens kommer til at ligge uden for de tilladte tolerancer.

Der foreligger således et behov for at kunne 35 justere fødefrekvensen fra generatoren eller resona- 149245 3 torens frekvens på en sådan måde, at resonatoren altid arbejder ved sin resonansfrekvens, og da generatoren almindeligvis arbejder med en fast indstillet frekvens, er det ønskeligt at kunne afstemme resonatoren 5 på en sådan måde, at den altid arbejder på sin resonansfrekvens .

Den foreliggende opfindelse giver en løsning på dette problem, og en HF-resonator ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at resonatoren ved hjælp af 10 en midtervæg er delt op i to hulrum, at der i disse hulrum og i det område af disse, der befinder sig ved resonatorens endevæg, er indlagt ferromagnetiske legemer, og at en række elektriske spoler strækker sig over hele længden af resonatoren.

15 Ved en således udformet resonator vil de mag netfelter, der tjener til at styre resonansfrekvensen, ikke alene koncentreres i de ferromagnetiske legemer, hvilket i sig selv er kendt, men de bringes også til at udøve deres hovedvirkning i den del af resona-20 toren, der befinder sig længst bort fra det egentlige forseglingsområde, dvs. den "åbne" ende af hulrummet.

Der opstår faktisk en vis adskillelse mellem det optimale magnetiske felt og det optimale elektriske felt og opdelingen i to kamre eller hulrum begunstiger 25 denne virkning. Desuden behøver foliematerialet ikke længere at blive svejst over et bredt område, og sammensvejsningen kan faktisk begrænses til to praktisk taget parallelle, smalle zoner. Dette indvirker hensigtsmæssigt på varigheden af svejseoperatio-30 nen, bidrager til opnåelse af en forøget opvarmning og skåner foliematerialet.

Det forhold, at spolerne og de ferromagnetiske legemer forøger induktansen bevirker også, at resonatorens volumen kan gøres mindre, hvilket kan være 35 en fordel, når resonatoren skal indbygges i et svejseapparat, hvor der til svejsning er en begrænset plads til rådighed.

4 149245

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til den skematiske tegning, hvor fig. 1 viser et snit gennem en kendt resonator til forsegling af plastlaminat, 5 fig. 2 et snit gennem en resonator udstyret med et indlagt legeme af ferromagnetisk materiale, fig. 3 manetiseringskurven for et ferromagnetisk materiale, og fig. 4-9 tre forskellige udførelsesformer for 10 en resonator, der er udstyret med magnetiseringsspoler til formagnetisering af det i resonatoren indlagte ferromagnetiske materiale.

Som tidligere nævnt har det ved en resonator af den i fig. 1 viste, kendte art vist sig at være 15 vanskeligt præcist at afstemme resonatorens resonansfrekvens til fødegeneratorens frekvens, og da det til forsegling anvendte materiale til en vis grad påvirker resonansfrekvensen, kommer en sådan resonator ikke altid til at arbejde med maksimalt energiudbytte, 20 dvs. ved sin resonansfrekvens, hvilket kan medføre, at energiafgivelsen bliver for svag og forseglingsresultatet utilfredsstillende. Desuden har den i fig. 1 viste udførelsesform den ulempe, at resonatorhuset har en relativt stor højde, der i det viste udførel-25 seseksempel betegnes h. Den foreliggende opfindelse kan finde anvendelse på forskellige typer resonatorer, men for overskuelighedens skyld koncentrerer den følgende beskrivelse sig om den såkaldte koaksialli-nieresonator, som er den type resonator, som hyppigst 30 anvendes til forsegling i emballeringsmaskiner.

Som det fremgår af fig. 1, består resonatoren 1 af to parallelle sidevægge 4 af metal, der er forbundet med hinanden ved hjælp af en væg 5 af metal, på hvis centrale del der er anbragt en mellem-35 liggende metalplade 3. Mellemrummene 2 mellem si- 5 U9245 devæggene 4 og den centrale plade 3 danner reso-natorens hulrum, og udformningen af dette hulrum og sidevæggenes og den centrale plades højde og indbyrdes afstand er afgørende for resonatorens resonansfre-5 kvens, som bør afpasses således, at den falder sammen med fødegeneratorens arbejdsfrekvens. Strømmen og energien fra den her ikke viste højfrekvensgenerator kan overføres til resonatoren ved kapacitiv eller induktiv kobling eller som vist på tegningen ved, at 10 midterlederen 8 i et til generatoren koblet koaksi-alkabel 6 direkte er forbundet med resonatoren 1's centrale plade 3, medens yderskærmen 7 på koaksi-alkablet er forbundet med en af sidevæggene 4. Som omtalt i indledningen kan en resonator betragtes som 15 en parallelresonanskreds, og ved resonansfrekvensen kan resonatorens induktans og dermed det magnetiske felt anses for at være koncentreret i området 11 i nærheden af resonatorens væg 5, medens resonatorens kapacitans og dens maksimale elektriske felt kan anses 20 for at være koncentreret ved resonatorens åbne del 12. Når emballagematerialet 9 bestående af et laminat, der omfatter et materiale med passende tabsfaktor, placeres ved resonatoren 1's åbne del og fortrinsvis presses mod denne del ved hjælp af en iso-25 lerende kontraplade 10, frembringes der varme i et eller flere af emballagematerialets laminatlag, når dele af emballagematerialet udsættes for et stærkt koncentreret, højfrekvent, elektrisk felt, som opstår mellem den nedre ende 13 af sidevæggene 4 og den 30 nedre del 14 af midterpladen 3. Dette stærke og koncentrerede elektriske felt fremkalder så store dielektriske tab i et eller flere af laminatmaterialet 9's lag, at de i laminatmaterialet indgående termo-plastiske lag kan bringes til at smelte og smelter 35 sammen til dannelse af koncentrerede forseglingszoner U9245 6 16, hvor laminatmaterialets lag får fast forbindelse med hinanden i en mekanisk solid sammenføjning.

For at kunne tilvejebringe en tilstrækkelig stor varmeafgivelse i laminatmaterialet på kort tid 5 kræves der et elektrisk felt med høj frekvens. Trods dette bliver resonatorens højde h i mange tilfælde alt for stor, hvilket er en ulempe bl.a. ved indbygning af anordningen i automatiske emballeringsmaskiner .

10 Den store højde af resonatoren ifølge fig. 1 kan reduceres væsentligt, hvis resonatoren i henhold til fig. 2 udstyres med et indlagt legeme 15 af ferromagnetisk materiale, fortrinsvis ferrit. Et sådant legeme 15 af ferromagnetisk materiale kan øge 15 induktansen i resonatoren, og hvis legemet 15 placeres på det sted, hvor magnetfeltet, dvs. H-feltet er størst, kommer det ferromagnetiske legemes bidrag til induktansen til at ændre resonatorens resonansfrekvens på en sådan måde, at resonatorens højde h 20 må reduceres for at resonatorens resonansfrekvens igen kan stemme overens med fødegeneratorens frekvens.

Man opnår således den fordel, at resonatorens højde h kan begrænses, hvilket som tidligere nævnt er en fordel med hensyn til maskinekonstruktionen.

25 En videre fordel som tidligere blev nævnt, og som udgør det egentlige mål ved den foreliggende opfindelse er, at man ved at ændre formagnetiseringen i det ferromagnetiske legeme 15 kan ændre induktansen og dermed også ændre resonatorens resonansfrekvens på en 30 sådan måde, at den altid er afpasset efter fødegeneratorens frekvens uafhængigt af, om det til forsegling anvendte materiales karakteristik eller dimensioner påvirker resonatoren på en sådan måde, at dens resonansfrekvens har tendens til at ændre sig. Formagne-35 tiseringen af legemet 15 kan f.eks. ske ved hjælp 149245 7 af en i legemet indført spole, som fødes fra en regulerbar jævnstrømskilde.

For at kunne formagnetisere det ferromagnetiske legeme 15 bør resonatoren bestå af ikke-magnetisk 5 materiale såsom aluminium, messing eller rustfrist stål, og for yderligere at mindske resonatorens dimensioner kan det i visse tilfælde være hensigtsmæssigt at fylde hulrummene 2 med f.eks. olie, og i så fald må resonatorens åbne del tætlukkes med 10 et materiale, som har en så lav tabsfaktor, at det ved resonatorens åbne del optrædende elektriske felt ikke udvikler varme i dette materiale. En yderligere fordel ved at anvende en oliefyldt resonator er, at man undgår kondensdannelse eller dampdannelse inden 15 i resonatoren, hvilket er en fordel, eftersom kondenseller dampdannelse på resonatorens indre flader ændrer resonatorens elektriske egenskaber.

Som ovenfor nævnt kan det være fordelagtigt at anvende ferrit til legemet 15, som kan bestå af stave 20 med rektangulært eller cirkulært tværsnit, hvilke stave igen kan være sammensat af kortere stykker. For at holde ferritlegemet 15 på plads i resonatoren kan det hensigtsmæssigt fastgøres ved hjælp af et passende bindemiddel. Ferritmaterialerne har den 25 egenskab, at deres permeabilitet eller μ-værdi er en funktion af den magnetiske induktion B og den magnetiske feltstyrke H. Permeabiliteten er forskellig for forskellige materialer, og fig. 3 viser en karakteristisk hysteresekurve, som angiver relationen mel-30 lem den magnetiske induktion B, som er afsat på ordinataksen og den magnetiske felstyrke H, som er afsat på abscisseaksen.

Ved den her beskrevne anordning magnetiseres det eller de ferromagnetiske legemer dels af en jævn-35 strømskomposant, som hidrører fra nævnte spoler eller 8 149245 elektromagneter, som fødes fra en regulerbar jævnstrømskilde, dels af en vekselstrømskomposant, som hidrører fra det højfrekvente magnetfelt. Ved at ændre jævnstrømskomposanten, dvs. formagnetiseringen ved 5 hjælp af spoler som er indlagt i ferriten eller ved hjælp af ydre elektromagneter, kan der vælges forskellige arbejdspunkter I, II, III på magnetiseringskurven, jvf. fig. 3. På hvert arbejdspunkt er der en såkaldt sidesløjfe 26, der grafisk repræsen-10 terer den vekselstrømsmagnetisering som overlejres på jævnstrømsmagnetiseringen og hældningen hos disse sidesløjfer 26 er et mål for permeabiliteten som er μ = tg ti.

I punktet I er permeabiliteten μχ, som er 15 større end permeabiliteten Mjj* som igen er større end permeabiliteten Pjjj·

Eftersom induktansen øges med den magnetiske induktion i en kreds, kan man således ved ændring af den magnetiske induktion B i de indlagte ferritstave 20 også ændre induktanstilskuddet hos den med ferritstave udstyrede resonator. Dette kan man som vist gøre ved at formagnetisere ferritstavene ved hjælp af spoler eller jævnstrømsfødede elektromagneter, der i forhold til resonatoren og ferritstavene placeres som 25 vist i fig. 4-9. Ved formagnetisering af ferritstavene på den ovenfor angivne måde kan permeabiliteten hos materialet ændres. Med andre ord kan permeabiliteten hos materialet ændres ved hjælp af formagnetiseringen, som vælges på en sådan måde, at der på magne-30 tiseringskurven opnås et passende arbejdspunkt. Det er således muligt med en ydre påvirkning fra jævnstrøms fødede elektromagneter at ændre den magnetiske induktion i de indlagte ferritstave på en sådan måde, at induktansen ændrer sig, og det er derfor muligt i 35 de enkelte tilfælde at afstemme induktansværdien i 149245 9 resonatoren på en sådan måde, at dens resonansfrekvens stemmer overens med fødegeneratorens frekvens, selv om andre ydre faktorer, f.eks. det ved resonatorens åbne del anbragte, til forsegling bestemte laminatma-5 teriale, påvirker og ændrer resonatorens resonansfrekvens .

Som tidligere nævnt viser fig. 4-9 tre i praksis anvendelige udførelsesformer for en afstemmelig resonator ifølge opfindelsen, og for overskuelighedens 10 skyld er der i fig. 4-9 anvendt de samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1 og 2. Den i fig. 4 viste resonator er som de øvrige udførelsesformer forsynet med indlagte stave 15 af ferritmateriale i det indre af resonatoren på det sted, hvor den magnetiske 15 feltstyrke er maksimal. På resonatorens ydre sider er der som vist i fig. 4 anbragt elektromagneter 17 med form som hestesko, hvilke elektromagneter har magnetiseringsviklinger 18. Fig. 5, som er et snit langs snitlinien A-A i fig. 4, viser, hvorledes magne-20 terne er anbragt langs resonatorens sider, og magnetiseringsspolerne 18 kan være seriekoblede eller parallelkoblede, men skal i hvert fald være tilsluttet en jævnstrømskilde, der gennem en resonansfrekvensen affølende regulator kan afstemme resonatorens induk-25 tans på en sådan måde, at resonatorens resonansfrekvens altid stemmer overens med fødegeneratorens frekvens.

Fig. 6, som er et snit langs snitlinien B-B i fig. 7, viser en anden udførelsesform for resona-30 toren, hvor de indlagte ferritstave 15 har et cirkulært tværsnit, og hvor elektromagneten er placeret centralt på resonatorens væg 5 ved hjælp af et antal ben 21 af magnetisk materiale, der er fikseret til og fortrinsvis boret ind i væggen 5.

35 Nævnte ben 21 bærer et fælles åg 19, på hvilket 14 9 2 A 5 10 er anbragt et antal magnetiseringsspoler 20, der gennem en regulator kan tilsluttes en jaevnstrømskilde.

Den i fig. 8 viste udførelsesform kan nærmest karakteriseres som en U-formet magnetkrop, som er så 5 lang, at dens ben 22 omslutter resonatoren 1, som desuden er udstyret med indlagte ferritstave 15. Elektromagnetens åg 23 bærer et antal magnetiseringsspoler 24, der på samme måde som i de foregående tilfælde kan være seriekoblede eller parallelkoblede 10 og er forbundet med en regulator, som tjener til regulering af strømmen gennem magnetiseringsspolerne på en sådan måde, at de i resonatoren indlagte ferritstave 15 kan formagnetiseres med henblik på regulering af resonatorens induktans og dermed tilpasning 15 af dens resonansfrekvens til fødegeneratorens frekvens .

Det har ved forsøg vist sig, at resonatoren ifølge opfindelsen fungerer tilfredsstillende, og at det er muligt med stor nøjagtighed at afstemme reso-20 natorens frekvens på en sådan måde, at der opnås et maksimalt energiudbytte og dermed et tilfredsstillende forseglingsresultat.

I de her beskrevne udførelseseksempler har man kun behandlet sådanne resonatorer, som anvendes i 25 . forbindelse med forseglingsapparater ved emballeringsmaskiner og kun resonatorer af typen koaksialli-nieresonator. Opfindelsens idé kan imidlertid finde anvendelse på andre typer resonatorer, f.eks. hulrums-resonatorer, eftersom placeringen af ferritelementerne 30 kan tilpasses resonatorens fysiske egenskaber og lokaliseres til de dele af resonatoren, hvor den magnetiske feltstyrke og dermed induktansen er maksimal. Opfindelsen kan også tænkes anvendt i forbindelse med resonatorer, som ikke anvendes til forsegling af em-35 balleringsmateriale eller til frembringelse af varme i tynde laminatlag, men til andre formål. Den idé,

Claims (4)

1492A5 der ligger til grund for opfindelsen, er således ikke begrænset til de ovenfor angivne udførelsesformer og kan tilpasses alle typer resonatorer til alle mulige anvendelsesområder, hvor man ønsker kontinuerligt at 5 kunne afstemme og tilpasse en resonators resonansfrekvens til fødegeneratorens frekvens.

1. HF-resonator (1) med indstilbar resonansfre-10 kvens til forsegling eller svejsning af tynde, især termoplastiske materialer (9), såsom emballagefolier, og hvor der i et resonatorhulrum findes ferromagnetiske legemer, der er medbestemmende for resonansfrekvensen, og hvis magnetiske permeabilitet kan ændres af raagnet-15 feltet fra en uden for resonatoren anbragt elektrisk spole, kendetegnet ved, at resonatoren ved hjælp af en midtervæg (3) er delt op i to hulrum (2), at der i de områder (11) af disse hulrum, der befinder sig ved resonatorens (1) endevæg (5), er indlagt fer-20 romagnetiske legemer (15), og at en række elektriske spoler (18, 20, 24) strækker sig over hele længden af resonatoren (1).

2. Resonator ifølge krav 1, kendetegnet ved, at de udvendige elektriske spoler (18, 25 20, 24) i rækken er sat under jævnspænding med ind stilbar strømstyrke eller spænding.

3. Resonator ifølge krav 2, kendetegnet ved, at der findes en regulator til forsyning af de udvendige spoler (18, 20, 24) i den pågældende 30 række med spænding eller strøm på en sådan måde, at resonatoren (1) i drift altid befinder sig i resonans .

4. Resonator ifølge ethvert af de foregående krav, kendetegnet ved, at der i tilknyt- 35 ning til de elektriske spoler (18, 20, 24) findes en