EP3785810A1 - Vorrichtung zur übertragung von ultraschall - Google Patents

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EP3785810A1 EP20188867.4A EP20188867A EP3785810A1 EP 3785810 A1 EP3785810 A1 EP 3785810A1 EP 20188867 A EP20188867 A EP 20188867A EP 3785810 A1 EP3785810 A1 EP 3785810A1
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curved
indentation
coupling surface
sonotrode
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Lea Rohrbach
Joachim Engenhart
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/32—Sound-focusing or directing, e.g. scanning characterised by the shape of the source

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for transmitting ultrasound.
  • Such devices are known in principle from the prior art and are used, inter alia, for amplitude transformation or amplitude amplification of the ultrasonic vibrations transmitted from a converter to a sonotrode.
  • the device has a curved oscillating body with a coupling surface provided at one end for coupling a converter, the oscillating body being curved in particular in the form of a U, an S or a J. is trained. Furthermore, the oscillating body has at least one indentation running over the circumference of the oscillating body between the coupling surface and the end opposite it.
  • the oscillating body apart from the retraction, can have an essentially constant cross-sectional shape. This means that the oscillating body is designed to be uniform over its essential course and, apart from the indentation or a base for coupling surfaces, has the same cross-sectional shape.
  • the oscillating body can have quarter-circular sections on both sides of the indentation, so that with each section a deflection of 90 ° in the same plane or in different planes is achieved.
  • quarter-circular sections between which there is a recess has achieved good results in tests.
  • the retraction can be curved in cross section, for example as a circumferential annular groove.
  • a further coupling surface for a sonotrode can be provided at the end opposite the coupling surface.
  • the vibrating body can be equipped with different sonotrodes and converters thanks to a modular structure.
  • a sonotrode can be integrally formed on the end opposite the coupling surface.
  • the oscillating body can have a rectangular or square cross section. In contrast to other or asymmetrical cross-sections, a particularly uniform vibration behavior can be achieved in this way.
  • the vibrating body is constructed in several parts.
  • the oscillating body can be designed to be curved in any planes, which can be advantageous in complex installation situations. However, it can also be advantageous to design the oscillating body to be curved only within one plane. Another advantageous embodiment can be formed in that the oscillating body is curved in two planes extending at right angles to one another.
  • Fig. 1 shows a first device for transmitting ultrasound to a sonotrode, which shows a curved oscillating body 10 with a coupling surface 14 formed at one end 12 for coupling a converter.
  • the oscillating body 10 is designed in the form of an (inverted) U and has a further coupling surface 18 for a sonotrode at the end 16 opposite the coupling surface 14.
  • Both coupling surfaces 14 and 18 are designed in the shape of a circular ring and are molded onto the oscillating body 10 via a base 20 or 22, respectively.
  • an indentation 24 is provided which runs over the circumference of the oscillating body and divides the oscillating body into two quarter-circle sections A and B.
  • the oscillating body 10 has a constant, approximately rectangular cross-sectional shape.
  • the indentation 24 has a concave curvature in cross section, so that the indentation 24 forms a total of four grooves running at right angles to one another on the outer circumference of the oscillating body 10.
  • the vibrating body 10 of Fig. 1 made in one piece from metal is made, has a constant radius of curvature on both sides of the indentation 24, so that the overall shape of a U results.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of an oscillating body 30, the same reference numerals being used for the same components.
  • the vibrating body 30 of Fig. 2 differs from the vibrating body 10 of Fig. 1 solely in the fact that the two curved sections A and B are oriented on both sides of the indentation 24 in such a way that the shape of an S (or approximately a Z) results for the oscillating body.
  • the oscillating body has a constant radius of curvature on both sides of the indentation 24.
  • the curvature of the oscillating body has a point of inflection in its center, ie in the area of the indentation 24.
  • the in Fig. 3 The vibrating body 40 shown corresponds in its basic structure to the vibrating body 10 of FIG Fig. 1 .
  • the oscillating body 40 has no base and no further coupling surface at its end 16 opposite the coupling surface 14. Rather, a sonotrode S is formed in one piece on the end 16, with a further indentation 44 being provided between the sonotrode S and the section A of the oscillating body 40, which is designed in the same way as the indentation 24.
  • Fig. 4 shows a further embodiment of an oscillating body 50, the basic structure of which is the oscillating body 30 of Fig. 2 corresponds, but the two sections A and B, which are each formed in the shape of a quarter circle, compared to the embodiment of FIG Fig. 2 are rotated by 90 °.
  • the oscillating body 50 is curved in two planes standing at right angles to one another, ie the two coupling surfaces 14 and 18 do not run in the same plane Fig. 1 ) and also not within two parallel planes ( Fig. 2 ). Rather, in the oscillating body 50, the two coupling surfaces 14 and 18 run in two planes running at right angles to one another.
  • the confiscation 24 is in the embodiment of FIG Fig. 4 also curved in cross-section.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschall umfasst einen gekrümmt ausgebildeten Schwingkörper mit einer Koppelfläche zur Ankopplung eines Konverters, wobei der Schwingkörper gekrümmt ausgebildet ist und eine Einziehung aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschall. Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und dienen unter anderem zur Amplitudentransformation bzw. zur Amplitudenverstärkung der von einem Konverter auf eine Sonotrode übertragenen Ultraschallschwingungen.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschall zu schaffen, die bei beengten oder komplexen Platzverhältnissen eine kompakte Bauweise ermöglicht.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass die Vorrichtung einen gekrümmt ausgebildeten Schwingkörper mit einer an einem Ende vorgesehenen Koppelfläche zur Ankopplung eines Konverters aufweist, wobei der Schwingkörper insbesondere in Form eines U, eines S oder eines J gekrümmt ausgebildet ist. Weiterhin weist der Schwingkörper zwischen der Koppelfläche und dem zu dieser entgegengesetzten Ende zumindest eine über den Umfang des Schwingkörpers verlaufende Einziehung auf. Mit einem derart ausgebildeten Schwingkörper lassen sich trotz der gekrümmten Ausbildung aufgrund der über den Umfang des Schwingkörpers verlaufenden Einziehung sehr gute Ergebnisse erzielen, wobei aufgrund der gekrümmten Ausbildung des Schwingkörpers eine Montage der gesamten Anordnung auch bei sehr komplexen oder beengten Platzverhältnissen problemlos erfolgen kann.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.
  • Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann der Schwingkörper abgesehen von der Einziehung eine im Wesentlichen gleichbleibende Querschnittsform aufweisen. Dies bedeutet, dass der Schwingkörper über seinen wesentlichen Verlauf gleichförmig ausgebildet ist und abgesehen von der Einziehung oder von einem Sockel für Koppelflächen die gleichen Querschnittsform aufweist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Schwingkörper zu beiden Seiten der Einziehung viertelkreisförmige Teilabschnitte aufweisen, so dass mit jedem Teilabschnitt eine Umlenkung um 90° in der gleichen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen erreicht ist. Ein solcher Aufbau aus viertelkreisförmigen Teilabschnitten, zwischen denen sich eine Einziehung befindet, hat in Versuchen gute Resultate erzielt.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann die Einziehung im Querschnitt gekrümmt ausgebildet sein, beispielsweise als umlaufende Ringnut.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann an dem der Koppelfläche gegenüberliegenden Ende eine weitere Koppelfläche für eine Sonotrode vorgesehen sein. Auf diese Weise kann durch einen modularen Aufbau der Schwingkörper mit unterschiedlichen Sonotroden und Konvertern bestückt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann an dem der Koppelfläche gegenüberliegenden Ende eine Sonotrode einstückig angeformt sein. Mit einem solchen sehr kompakt bauenden Bauteil lassen sich komplizierte Einbausituationen bewerkstelligen und aufgrund eines unterbrechungsfreien Materialübergangs zwischen Sonotrode und Schwingkörper lassen sich Verluste minimieren.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform zwischen der Sonotrode und dem Schwingkörper ebenfalls eine Einziehung vorgesehen ist, da hierdurch das Schwingungsverhalten der Gesamtvorrichtung verbessert werden kann.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann der Schwingkörper einen rechteckigen oder einen quadratischen Querschnitt aufweisen. Im Gegensatz zu anderen oder auch zu unsymmetrischen Querschnitten lässt sich hierdurch ein besonders gleichmäßiges Schwingungsverhalten erzielen.
  • Ein ähnlicher Vorteil kann erzielt werden, wenn der Schwingkörper zu beiden Seiten der Einziehung einen konstanten Krümmungsradius aufweist.
  • Weiterhin konnten gute Ergebnisse mit einem Schwingkörper erzielt werden, dessen Krümmung zumindest einen Wendepunkt und insbesondere genau einen Wendepunkt aufweist.
  • Für komplexe Formen des Schwingkörpers kann es vorteilhaft sein, wenn der Schwingkörper mehrteilig ausgebildet ist.
  • Grundsätzlich kann der Schwingkörper in beliebigen Ebenen gekrümmt ausgebildet sein, was bei komplexen Einbausituationen von Vorteil sein kann. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, den Schwingkörper lediglich innerhalb einer Ebene gekrümmt auszubilden. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kann dadurch gebildet sein, dass der Schwingkörper in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen gekrümmt ausgebildet ist.
  • Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die biegefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Schwingkörper in Form eines U;
    Fig. 2
    einen Schwingkörper in Form eines S;
    Fig. 3
    einen Schwingkörper in Form eines J; und
    Fig. 4
    einen in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen gekrümmt ausgebildeten Schwingkörper.
  • Fig. 1 zeigt eine erste Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschall auf eine Sonotrode, die einen gekrümmt ausgebildeten Schwingkörper 10 mit einer an einem Ende 12 ausgebildeten Koppelfläche 14 zur Ankopplung eines Konverters zeigt. Der Schwingkörper 10 ist in Form eines (umgedrehten) U ausgebildet und weist an dem der Koppelfläche 14 entgegengesetzten Ende 16 eine weitere Koppelfläche 18 für eine Sonotrode auf. Beide Koppelflächen 14 und 18 sind kreisringförmig ausgebildet und über einen Sockel 20 bzw. 22 an den Schwingkörper 10 angeformt.
  • In der Mitte zwischen den beiden Enden 12 und 16, d.h. zwischen der Koppelfläche 14 und der Koppelfläche 18 ist eine über den Umfang des Schwingkörpers verlaufende Einziehung 24 vorgesehen, die den Schwingkörper in zwei viertelkreisförmige Abschnitte A und B teilt.
  • Wie Fig. 1 verdeutlicht, weist der Schwingkörper 10 abgesehen von der Einziehung 24 und den Sockeln 20 und 22 mit den daran angeformten Koppelflächen 14 und 18 eine gleichbleibende, annähernd rechteckige Querschnittsform auf. Die Einziehung 24 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Querschnitt konkav gekrümmt ausgebildet, so dass durch die Einziehung 24 insgesamt vier rechtwinklig zueinander verlaufende Rinnen am Außenumfang des Schwingkörpers 10 gebildet sind. Der Schwingkörper 10 von Fig. 1, der einstückig aus Metall hergestellt ist, weist zu beiden Seiten der Einziehung 24 einen konstanten Krümmungsradius auf, so dass sich insgesamt die Form eines U ergibt.
  • Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schwingkörpers 30, wobei für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Der Schwingkörper 30 von Fig. 2 unterscheidet sich von dem Schwingkörper 10 von Fig. 1 ausschließlich darin, dass die beiden gekrümmten Abschnitte A und B zu beiden Seiten der Einziehung 24 so orientiert sind, dass sich für den Schwingkörper die Form eines S (oder angenähert eines Z) ergibt. Auch hier weist der Schwingkörper zu beiden Seiten der Einziehung 24 einen konstanten Krümmungsradius auf. Jedoch besitzt die Krümmung des Schwingkörpers in dessen Mitte, d.h. im Bereich der Einziehung 24, einen Wendepunkt.
  • Der in Fig. 3 dargestellte Schwingkörper 40 entspricht in seinem grundsätzlichen Aufbau dem Schwingkörper 10 von Fig. 1. Allerdings weist der Schwingkörper 40 an seinem der Koppelfläche 14 gegenüberliegenden Ende 16 keinen Sockel und keine weitere Koppelfläche auf. Vielmehr ist an dem Ende 16 eine Sonotrode S einstückig angeformt, wobei zwischen der Sonotrode S und dem Abschnitt A des Schwingkörpers 40 eine weitere Einziehung 44 vorgesehen ist, die in ihrer Ausgestaltung in gleicher Weise wie die Einziehung 24 ausgebildet ist.
  • Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Schwingkörpers 50, der in seinem grundsätzlichen Aufbau dem Schwingkörper 30 von Fig. 2 entspricht, wobei jedoch die beiden Abschnitte A und B, die jeweils viertelkreisförmig ausgebildet sind, gegenüber der Ausführungsform von Fig. 2 um 90° verdreht sind. Hierdurch ist der Schwingkörper 50 in zwei rechtwinklig aufeinander stehenden Ebenen gekrümmt ausgebildet, d.h. die beiden Koppelflächen 14 und 18 verlaufen nicht in ein und derselben Ebene (Fig. 1) und auch nicht innerhalb von zwei parallelen Ebenen (Fig. 2). Vielmehr verlaufen bei dem Schwingkörper 50 die beiden Koppelflächen 14 und 18 in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen. Die Einziehung 24 ist bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 im Querschnitt ebenfalls gekrümmt ausgebildet.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Übertragung von Ultraschall, umfassend einen gekrümmt ausgebildeten Schwingkörper (10, 30, 40, 50) mit einer an einem Ende vorgesehenen Koppelfläche (14) zur Ankopplung eines Konverters, wobei der Schwingkörper insbesondere in Form eines U, eines S oder eines J gekrümmt ausgebildet ist und wobei der Schwingkörper zwischen der Koppelfläche (14) und dem zu dieser entgegengesetzten Ende (16) zumindest eine über den Umfang des Schwingkörpers verlaufende Einziehung (24) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50), abgesehen von der Einziehung (24), eine im Wesentlichen gleichbleibende Querschnittsform aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) zu beiden Seiten der Einziehung (24) viertelkreisförmige Teilabschnitte aufweist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Einziehung (24) im Querschnitt gekrümmt ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem der Koppelfläche (14) gegenüberliegenden Ende (16) eine weitere Koppelfläche (18) für eine Sonotrode (S) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an dem der Koppelfläche (14) gegenüberliegenden Ende (16) eine Sonotrode (S) einstückig angeformt ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen der Sonotrode (S) und dem Schwingkörper (10, 30, 40, 50) eine Einziehung (24) vorgesehen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) einen rechteckigen oder einen quadratischen Querschnitt aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) zu beiden Seiten der Einziehung (24) einen konstanten Krümmungsradius aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Krümmung des Schwingkörpers (30, 50) zumindest einen Wendepunkt und insbesondere genau einen Wendepunkt aufweist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) mehrteilig ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) nur in einer Ebene gekrümmt ist ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Schwingkörper (10, 30, 40, 50) in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Ebenen gekrümmt ausgebildet ist.
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