EP4558286A1

EP4558286A1 - Ultraschallwerkzeug und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks mittels mechanischer ultraschallschwingungen

Info

Publication number: EP4558286A1
Application number: EP22782462.0A
Authority: EP
Inventors: Ulrich Vogler; Tobias Rosenkranz
Original assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Herrmann Ultraschalltechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2022-09-05
Filing date: 2022-09-05
Publication date: 2025-05-28
Also published as: JP2025531076A; US11759968B1; WO2024051918A1; CN119768239A

Abstract

Ultraschallwerkzeug und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen.

Description

Ultraschallwerkzeug und Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen

BESCHREIBUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ultraschallwerkzeug und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen.

Ultraschallwerkzeuge werden zum Beispiel eingesetzt, um Werkstücke, insbesondere Materialbahnen, zu verschweißen oder zu trennen. Hierzu weisen Ultraschallwerkzeuge eine Ultraschallschwingeinheit auf, die ein Konverterglied und eine Sonotrode umfasst. Dabei kann die Sonotrode direkt mit dem Konverterglied oder über einen Amplitudenverstärker mit dem Konverterglied verbunden sein.

Das Werkstück, beispielsweise eine Kunststofffolie, ist in der Regel auf einem Gegenwerkzeug (Amboss) angeordnet, wobei das Werkstück auch kontinuierlich über das Gegenwerkzeug gefördert werden kann. Bei der Bearbeitung des Werkstücks befindet sich das Werkstück jedenfalls zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug.

Das Konverterglied weist einen in der Regel mehrere Piezoelemente umfassenden Konverter auf, welcher die anliegende elektrische Wechselspannung, die im Allgemeinen von einem Generator zur Verfügung gestellt wird, in eine mechanische Bewegung gleicher Frequenz umwandelt. Jedes Piezoelement ist einerseits mit einem Phasenleiter des Generators und andererseits mit einem Neutralleiter des Generators verbunden. Liegt an diesen Leitern eine Wechselspannung an, so werden die Piezoelemente abwechselnd länger und kürzer und erzeugen auf diese Weise eine Ultraschallschwingung.

Die Piezoelemente sind oftmals in einem Konvertergehäuse angeordnet, welches dazu dient, die Piezoelemente gegenüber Umwelteinflüssen weitestgehend zu schützen. Das Konvertergehäuse ist oftmals mit dem Neutralleiter verbunden, liegt also auf dessen Potential. Falls die Leitung zwischen Generator und Neutralleiter versagt, also beispielsweise bricht, kann es zu einem Fehlerfall kommen. Der Phasenleiter führt weiter Ladung zu, die Piezoele- mente werden weiter angeregt. Am anderen Ende eines jeden Piezoelements entsteht dadurch ein Potential, das aufgrund des Fehlers jedoch nicht über den Neutralleiter abgeführt werden kann. Dieses Potential liegt dann auch an dem Konvertergehäuse an. Aus Gründen der Arbeitssicherheit ist das unerwünscht, da umstehende Personen auf diese Weise mit spannungsführenden Bauteilen in Berührung kommen können. Das Problem wird in der Regel gelöst, indem das Konvertergehäuse zusätzlich mittels eines Schutzleiters geerdet wird.

Gleichzeitig soll in manchen Fällen eine Berührung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug erfasst werden. So ist aus der EP 0 790 888 B1 bekannt, dass mittels einer Messeinrichtung eine Änderung des Widerstands, des Stromflusses oder der Spannung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug erfasst werden soll. Dort ist eine Erdung des Konvertergehäuses mittels Schutzleiter bisher nicht möglich. Daher waren in der Vergangenheit bei diesen Anwendungen umfassende Sicherheitsvorkehrungen, beispielsweise eine aufwendige Isolierung der Piezoelemente in dem Konvertergehäuse, notwendig.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Arbeitssicherheit von Ultraschallwerkzeugen, bei denen eine Berührung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug erfasst werden soll, zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Ultraschallwerkzeug nach Anspruch 1 gelöst.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Ultraschallwerkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen mit einem Konverterglied und einer Sonotrode, wobei das Konverterglied einen mindestens ein Piezoelement aufweisenden Konverter umfasst, wobei das Konverterglied einen Phasenleiter für eine Zuleitung einer elektrischen Wechselspannung und einen Neutralleiter aufweist. Der Phasenleiter und der Neutralleiter bilden die beiden Pole für den Konverter bzw. das mindestens eine Piezoelement. Das mindestens eine Piezoelement ist eingerichtet, eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung umzuwandeln. Das Konverterglied kann mit einer mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden und ist mechanisch mit der Sonotrode gekoppelt. Die Sonotrode und das Konverterglied sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Sonotrode mit der mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann. Die Sonotrode weist eine Siegelfläche auf, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt zu treten. Die Siegelfläche der Sonotrode und der Neutralleiter sind galvanisch getrennt. Im Fehlerfall kann auf dem Neutralleiter ein Potential liegen, das nicht abgeführt wird. Die galvanische Trennung verhindert, dass dieses Potential auf die Siegelfläche übertragen wird.

Bevorzugt ist auch der Phasenleiter galvanisch von der Siegelfläche der Sonotrode getrennt.

Die Piezoelement sind üblicherweise entlang einer Konverterachse hintereinander angeordnet.

Die Piezoscheiben sind polarisiert, damit sie sich bei angelegter Spannung verformen. Dabei haben die Piezoscheiben eine positive Seite und eine negative Seite. Die positiven Seiten aller Piezoscheiben werden mit dem gleichen Pol, beispielsweise dem Phasenleiter, verbunden und die negativen Seiten werden alle mit dem anderen Pol, bei diesem Beispiel dem Neutralleiter verbunden. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Piezoscheiben alle gleichartig verformen, also bei einer bestimmten Spannung alle Piezoscheiben ausgedehnt (gelängt) oder zusammengezogen werden. Die Piezoscheiben werden bevorzugt abwechselnd in umgekehrter Polarisierung hintereinander entlang der Konverterachse angeordnet, damit zwei benachbarte Piezoscheiben von der gleichen, zwischen ihnen liegenden Elektrode (Kontaktscheibe) kontaktiert werden können.

Zur Erzeugung der Wechselspannung ist vorzugsweise eine Wechselspannungsquelle, auch Ultraschallgenerator genannt, vorgesehen. Die Wechselspannungsquelle wird mit dem Phasenleiter und dem Neutralleiter verbunden.

Beispielsweise können Konverterglied und Sonotrode in einer Ausbreitungsrichtung der Ultraschallschwingung hintereinander angeordnet sein. Sowohl Konverterglied als auch Sonotrode können in dieser Ausbreitungsrichtung eine Länge von A/2 oder ein Vielfaches von A/2 haben. Dadurch ist sichergestellt, dass sich im Falle einer Anregung mit einer Schwingung der Wellenlänge A aufgrund von Reflexionen der Ultraschallschwingung am Ende des Schwinggebildes eine stehende Welle mit einem Schwingungsmaximum an den Grenzflächen von Sonotrode und Konverterglied bildet. Die Ausbreitungsrichtung kann entlang der Konverterachse verlaufen, es ist aber beispielsweise auch möglich, dass Konverterachse und Ausbreitungsrichtung senkrecht zueinander stehen. Die Ausbreitungsrichtung verläuft insbesondere von dem Konverter in Richtung der Sonotrode und/oder in Richtung der Siegelfläche der Sonotrode. Unter dem Bearbeiten des Werkstücks werden insbesondere das Trennen, das Fügen und das Schweißen des (ggf. mehrteiligen) Werkstücks verstanden.

Die Gesamtheit aus Sonotrode und Konverterglied sowie einem optional zwischen Sonotrode und Konverterglied angeordneten Amplitudenverstärker wird auch als Schwinggebilde bezeichnet. Wenn ein Amplitudenverstärker zum Einsatz kommt, ist auch dieser so ausgebildet, dass er mit einer Schwingung mit der Wellenlänge A in Resonanz versetzt werden kann. Auch der Amplitudenverstärker weist in der Ausbreitungsrichtung vorteilhafterweise eine Länge von A/2 oder ein Vielfaches von A/2 auf.

Das Schwinggebilde wird bevorzugt in einer Halterung gehalten (geklemmt), wobei die Halterung bevorzugt an der Sonotrode angreift, insbesondere im Bereich eines Schwingungsknotens. Alternativ kann die Halterung aber auch an dem Amplitudenverstärker, dem Konverterglied oder mehreren der Komponenten angreifen. Die Halterung der Ultraschallschwingeinheit kann in einer bekannten Weise, z.B. wie in der WO 96/14202 A2 gezeigt, erfolgen. Dem Fachmann sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Halterungen bekannt, so dass aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Darstellung einer speziellen Halterung hier verzichtet wurde.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist auch die Halterung mit einer galvanischen Trennung versehen, um eine Erdung der Sonotrode über die Halterung zu verhindern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Halterung ausgehend von der Siegelfläche der Sonotrode hinter der galvanischen Trennung angreift. So kann auf die zusätzliche Isolierung der Halterung verzichtet werden. In diesem Fall weist die Halterung also keine zusätzliche Isolierung auf.

Unter einer galvanischen Trennung wird eine Einrichtung verstanden, die einen Stromfluss zwischen dem Neutralleiter und der Siegelfläche verhindert. Dies kann und wird in der Regel eine elektrische Isolierung sein. Allerdings wäre es auch denkbar, dass eine mit dem Neutralleiter verbundene Leitung über elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder mit der Siegelfläche der Sonotrode verbunden sind, welche den Austausch von Signalen erlauben, beispielsweise mittels Induktion. Bei der elektrischen Isolierung haben die Stromkreise hingegen keine Auswirkungen aufeinander. Mit anderen Worten wird im Folgenden von einer elektrischen Isolierung gesprochen, wenn eine galvanische Trennung vorliegt und zugleich ein Signalaustausch ausgeschlossen ist.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist vorgesehen, dass die Sonotrode einen mit der Siegelfläche elektrisch verbundenen Signalanschluss für eine elektrische Signalspannung aufweist, wobei der Neutralleiter und der Signalanschluss galvanisch getrennt und vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert sind. Eine Signalspannung wird insbesondere dann angelegt, wenn ein Kontakt zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und einem weiteren Teil, beispielsweise einem Gegenwerkzeug (Amboss), detektiert werden soll (Kontakterkennung). Durch die galvanische Trennung von Neutralleiter und Signalanschluss wird sichergestellt, dass die Signalspannung nicht durch den Neutralleiter abgeführt wird und dass auch im Fehlerfall an der Siegelfläche immer die Signalspannung und keine andere Spannung anliegt. Dadurch wird die Kontakterkennung vor störenden Einflüssen geschützt und zudem wird verhindert, dass Personen über die Sonotrode mit hohen, nicht der Signalspannung entsprechenden Potentialen in Kontakt kommen.

Greift die Halterung an der Sonotrode an, so weist sie bevorzugt eine galvanische Trennung auf, wobei ein Teil der Halterung leitend mit der Sonotrode verbunden ist, insbesondere im Bereich eines Schwingungsknotens, und ein anderer Teil von diesem Teil galvanisch getrennt ist. Im Rahmen der Erfindung ist es dann möglich, den Signalanschluss statt an der Sonotrode an dem Teil der Halterung anzuordnen, der leitend mit der Sonotrode verbunden ist. Auch auf diese Weise kann die Siegelfläche der Sonotrode mit der Signalspannung beaufschlagt werden. Wird der Signalanschluss an der Sonotrode angeordnet, so beeinflusst er das Schwingungsverhalten des Schwinggebildes. Bei der Halterung ist das nicht der Fall, weshalb die Anordnung des Signalanschlusses an der Halterung besonders vorteilhaft ist.

Das Konverterglied weist bevorzugt ein Konvertergehäuse auf, in welchem das mindestens eine Piezoelement angeordnet ist.

Vorteilhafterweise weist das Ultraschallwerkzeug einen Schutzleiter auf, der bevorzugt an dem Konvertergehäuse angeordnet ist. Der Schutzleiter ist mit der Masse verbunden oder verbindbar. Das Ultraschallwerkzeug weist dann bevorzugt einen ersten Abschnitt, einen zweiten Abschnitt und einen dritten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt umfasst mindestens den Neutralleiter. Der zweite Abschnitt umfasst mindestens den Schutzleiter und das Konvertergehäuse. Der dritte Abschnitt umfasst die Siegelfläche der Sonotrode und kann über den Signalanschluss eine Signalspannung abgeben oder aufnehmen.

Bei bevorzugten Ausführungsformen kann durch die Erfindung auf eine galvanische Trennung von erstem Abschnitt und zweitem Abschnitt verzichtet werden. Der zweite Abschnitt und der dritte Abschnitt sind dann galvanisch getrennt. Dadurch ist sichergestellt, dass die Signalspannung nicht über den Schutzleiter abfließt. Bei diesen Ausführungsformen ist aufgrund der Erfindung eine zusätzliche Erdung des Konvertergehäuses mittels des Schutzleiters möglich. Im Falle einer Fehlfunktion des Neutralleiters wird verhindert, dass auf dem Konvertergehäuse ein Potential liegt, da jegliches Potential durch den Schutzleiter abgeleitet wird. Somit besteht durch die zusätzliche Erdung nicht mehr die Gefahr einer Verletzung von Personen durch eine Berührung des Konvertergehäuses. Auch besteht nicht die Gefahr, dass ein anderes als das gewünschte Potential der Signalspannung an der Siegelfläche der Sonotrode anliegt. Auf diese Weise ist trotz der zusätzlichen Erdung des Konvertergehäuses eine Kontakterkennung möglich.

Auch der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt können galvanisch getrennt und am besten voneinander elektrisch isoliert sein. Der zweite Abschnitt ist dann also von dem ersten und dem dritten Abschnitt galvanisch getrennt. Der zweite Abschnitt liegt dabei vorteilhafterweise zwischen dem ersten Abschnitt und dem dritten Abschnitt, sodass zwischen dem Neutralleiter (erster Abschnitt) und der Siegelfläche der Sonotrode (dritter Abschnitt) zwei elektrische Isolierungen vorhanden sind. Auf diese Weise wird zwischen dem ersten Abschnitt, an welchem im Fehlerfall eine hohe Spannung anliegen kann, und dem dritten Abschnitt, an welchem die Signalspannung anliegt, ein zusätzlicher Abschnitt geschaffen, der geerdet ist.

Innerhalb des Konvertergehäuses kann ein einen Isolationsraum definierendes Isolationsgehäuse aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen sein, wobei das mindestens eine Pie- zoelement und der Neutralleiter in dem Isolationsraum angeordnet sind. Das Isolationsgehäuse stellt dann die galvanische Trennung zwischen erstem und zweitem Abschnitt dar. Besonders bevorzugt ist das Isolationsgehäuse torusförmig oder hohlzylinderförmig. Das Konverterglied umfasst insbesondere einen Schaft, insbesondere eine Konverterschraube mit einem Schaft, der von dem torusförmigen oder hohlzylinderförmigen Isolationsgehäuse umgeben ist. Durch das Isolationsgehäuse werden die Piezoelemente sicher von dem Rest des Konverterglieds, insbesondere der Konverterschraube, mittels der die Piezoelemente verspannt werden, galvanisch getrennt. Das Isolationsgehäuse kann dabei aus mehreren Isolationsteilen bestehen, insbesondere axial angeordneten Isolationsscheiben und radial isolierende, zylinderförmige Isolationsteile. Auf diese Weise können die Piezoelemente weiterhin in axialer Richtung zusammengedrückt werden, wodurch die Übertragung der Ultraschallschwingung sichergestellt wird. Das Isolationsgehäuse dient insbesondere einer Grundisolierung des Konverters.

Vorteilhafterweise ist ein Gegenwerkzeug mit einer Siegelfläche vorgesehen, welches derart positioniert ist, dass das zu bearbeitende Werkstück während der Bearbeitung zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeugs angeordnet werden kann. Die Siegelfläche des Gegenwerkzeugs ist bevorzugt geerdet. Durch das Anlegen der Signalspannung kann dann wie oben beschrieben ein Kontakt zwischen den Siegelflächen von Sonotrode und Gegenwerkzeug erfasst werden. Es ist im Rahmen der Erfindung auch möglich, die Signalspannung an dem Gegenwerkzeug anzulegen und stattdessen den Signalanschluss zu erden. Das Gegenwerkzeug ist bevorzugt eine Walze, insbesondere eine rotierende Walze, die das Werkstück während der Bearbeitung fördert. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Schweißung des Werkstücks ermöglicht. Das Gegenwerkzeug ist zumindest teilweise elektrisch leitend.

Die Sonotrode oder das Schwinggebilde insgesamt ist bevorzugt entlang einer Verstellrichtung bewegbar, insbesondere mittels einer Verstelleinrichtung des Ultraschallwerkzeugs. Die Verstelleinrichtung kann Teil der Halterung sein. Auf diese Weise kann die Sonotrode in Richtung des Gegenwerkzeugs und von diesem weg bewegt werden. Auf diese Weise kann der Abstand zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug jederzeit angepasst werden. Auch kann während der Bearbeitung die Sonotrode oder das Schwinggebilde als Ganzes nach und nach in Richtung des Gegenwerkzeugs bewegt werden, insbesondere falls die Bearbeitung in einem Trennvorgang besteht.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist eine Spannungsquelle vorgesehen, mit welcher der dritte Abschnitt, insbesondere der Signalanschluss, mit einer Signalspannung beaufschlagt werden kann, wobei ein Sensor zur Erfassung von auf dem dritten Abschnitt aufgebrachter elektrischer Spannung oder von dem dritten Abschnitt abgeführter elektrischer Spannung vorgesehen ist. Wird eine elektrische Spannung auf dem dritten Abschnitt aufgebracht oder von diesem abgeführt, so wird dies von dem Sensor erfasst. Aus dieser Erfassung kann auf einen Kontakt zwischen den Siegelflächen geschlossen werden.

Die an dem mindestens einen Piezoelement angelegte Wechselspannung beträgt bevorzugt zwischen 500 V_rms (root mean square, Effektivspannung) und 3000 V_rms und weist bevorzugt eine Frequenz zwischen 20 kHz und 70 kHz auf. Es hat sich gezeigt, dass für die Signalspannung geringe Spannungen von Vorteil sind. Die Abstände zwischen den Siegelflächen während der Bearbeitung und die Kontaktzeiten sind aufgrund der hohen Frequenzen und der Piezotechnik sehr gering. Ist die Signalspannung zu hoch, so kommt es bereits vor einer tatsächlichen Kontaktierung zwischen den Siegelflächen zu Spannungsüberschlägen (Lichtbogen), wodurch der Sensor einen Stromfluss erfasst. Bei einer zu geringen Spannung hingegen fließt auch bei einem geringfügigen Kontakt kaum Strom, was die frühzeitige Erkennung der Kontakte erschwert. Die Signalspannung ist bevorzugt eine Gleichspannung und beträgt ferner bevorzugt weniger als 30 V, vorzugsweise weniger als 25 V und am besten zwischen 5 V und 12 V. Die Erfinder haben ermittelt, dass sich der Bereich von 5 V von 12 V am besten für die Kontakterkennung eignet, wobei auch Spannungen bis 25 V zu akzeptablen Ergebnissen führen. Oberhalb von 30 V kommt es hingegen in manchen Anwendungsfällen viel zu früh zu Spannungsüberschlägen. Die Signalspannung kann auch eine Wechselspannung sein, wobei eine Gleichspannung zu bevorzugen ist, da sie im Falle eines Kontakts zu einer gleichmäßigen Entladung führt, die gut erfasst werden kann.

Kommt es zu einem Kontakt der Siegelflächen, so fließt ein Strom zwischen den Siegelflächen. Endet der Kontakt, so wird durch die Spannungsquelle der Signalspannung wieder ein Potential aufgebaut. Da die Abstände zwischen den einzelnen Kontakten sehr gering kurz sein können, soll dieser Aufbau extrem schnell vonstattengehen. Hierfür hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die elektrische Leitung, mit der die Signalspannung aufgebracht wird, geschirmt ist und/oder eine vorgegebene Gesamtkapazität nicht überschreitet. Der dritte Abschnitt ist daher bevorzugt mittels einer elektrischen Leitung mit der Spannungsquelle verbunden, die abgeschirmt ist und/oder deren Gesamtkapazität < 2500 pF, insbesondere < 1500 pF, beträgt. Beträgt die Gesamtkapazität < 1500 pF können auch Kontakte, die sehr kurz hintereinander erfolgen, erkannt und unterschieden werden. Bei bis zu 2500 pF können immer noch ausreichend Kontakte erkannt werden, wohingegen die Erkennung bei über 2500 pF erheblich leidet.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist vorgesehen, dass ein Isolationswiderstand zwischen zweitem Abschnitt und drittem Abschnitt mindestens 5 kQ beträgt, insbesondere mindestens 7 kQ. Grundsätzlich ist die galvanische Trennung besser, je größer der Isolationswiderstand ist. Allerdings ist ein sehr großer Isolationswiderstand in manchen Fällen nur mit erheblichem Aufwand zu realisieren. Als Obergrenze für den Isolationswiderstand kann daher eine Grenze von 100 MQ angesehen werden, wobei jeder größere Wert ebenfalls akzeptabel ist, solange nicht weitere Randbedingungen dagegen sprechen.

Zwischen dem Konverterglied und der Sonotrode ist bevorzugt ein Amplitudenverstärker vorgesehen. Das Konverterglied ist mechanisch mit dem Amplitudenverstärker gekoppelt und der Amplitudenverstärker ist mechanisch mit der Sonotrode gekoppelt. Die Sonotrode, der Amplitudenverstärker und das Konverterglied sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Sonotrode mit der mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann. Die Sonotrode, der Amplitudenverstärker und das Konverterglied bilden das Schwinggebilde.

Sonotrode, Amplitudenverstärker und Konverterglied können auch als Komponenten bezeichnet werden, die miteinander verbunden werden. Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist zumindest ein Isolationsmittel vorgesehen, welches bewirkt, dass die Siegelfläche der Sonotrode und der Neutralleiter galvanisch getrennt, insbesondere elektrisch isoliert, sind. Verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten des mindestens einen Isolationsmittels werden nachfolgend beschrieben.

Besonders bevorzugt sind jeweils mindestens ein Isolationsmittel an genau zwei Stellen vorgesehen, nämlich zum Einen an einer direkten Kontaktstelle zwischen zwei betroffenen, also zu verbindenden Komponenten, also dort, wo die Ultraschallschwingung von einer Komponente auf die jeweils nachfolgende Komponente in Ausbreitungsrichtung übertragen wird, und zum Anderen an einer Verbindungsstelle, an welcher die Komponenten zusammengehalten werden, was insbesondere durch Kraftschluss, aber auch durch Formschluss und/oder Stoffschluss passieren kann. Es können auch mehrere Verbindungsstellen Zusammenwirken, um die Komponenten zusammen zu halten. An der Kontaktstelle werden insbesondere Druckkräfte übertragen und an der Verbindungsstelle insbesondere Zugkräfte.

Das Konverterglied und die Sonotrode und/oder das Konverterglied und der Amplitudenverstärker und/oder der Amplitudenverstärker und die Sonotrode sind bevorzugt über mindestens ein Verbindungselement miteinander verbunden. Das Verbindungselement bewirkt insbesondere einen Kraftschluss entlang der Ausbreitungsrichtung. Hierdurch werden die jeweiligen Komponenten so miteinander verbunden, dass sich die Ultraschallschwingung entlang des Ultraschallwerkzeugs ausbreiten kann. Bevorzugt ist das Verbindungselement eine Schraube und/oder ein Gewindebolzen und/oder eine Gewindebuchse. Das mindestens eine Verbindungselement verbindet die jeweiligen Komponenten insbesondere mit einer Spannkraft von mindestens 20 kN und bevorzugt weniger als 150 kN, insbesondere mindestens 30 kN und/oder weniger als 90 kN. Mit diesen Spannkräften wird sichergestellt, dass die Komponenten so miteinander verbunden sind, dass sich die Ultraschallschwingung gleichmäßig ausbreiten kann. Das Verbindungselement ist bevorzugt als Isolationsmittel ausgebildet und zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen und/oder zumindest teilweise aus einem isolierenden Material bestehend. Auf diese Weise wird dort, wo der Kraftschluss zwischen den jeweiligen Komponenten geschlossen ist, eine galvanische Trennung vorgenommen. Die Gewindebuchse kann auch ein Drahtgewindeeinsatz sein.

Zwischen dem Konverterglied und der Sonotrode, insbesondere zwischen dem Konverterglied und dem Amplitudenverstärker und/oder zwischen dem Amplitudenverstärker und der Sonotrode, ist bevorzugt zumindest ein Isolierelement, insbesondere eine Isolierscheibe, vorgesehen, welches als Isolationsmittel ausgebildet ist und zumindest teilweise aus einem isolieren- den Material besteht und/oder zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Die Isolierscheibe weist besonders bevorzugt eine Bohrung auf, durch die beispielsweise das Verbindungselement ragen kann, ist also bevorzugt als Ringscheibe ausgeführt. Das Isolierelement bewirkt insbesondere eine galvanische Trennung an einer Kontaktstelle zwischen den betroffenen Komponenten, wo die Ultraschallschwingung auf die jeweils nachfolgende Komponente in Ausbreitungsrichtung übertragen wird. Besonders bevorzugt werden daher das Verbindungselement und das Isolationselement in Kombination verwendet.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist das Konverterglied und/oder der Amplitudenverstärker und/oder die Sonotrode als Isolationsmittel ausgebildet und besteht zumindest teilweise aus einem isolierenden Material und/oder ist zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Auf diese Weise kann auf eine galvanische Trennung durch das Verbindungselement und/oder das Isolationselement verzichtet werden. Die jeweils betroffene Komponente wird dann an der Kontaktstelle, wo die Ultraschallschwingung übertragen wird, und/oder dort, wo ein Kraftschluss erzeugt wird, beschichtet oder besteht dort aus einem isolierenden Material. Auf diese Weise kann die Anzahl der verwendeten Bauteile reduziert werden, was insbesondere bei Ultraschallwerkzeugen von Vorteil ist, da zusätzliche Bauteile das Schwingungsverhalten des gesamten Schwinggebildes verändern. Die Verwendung einer Beschichtung hat den besonderen Vorteil, dass diese so dünn ausgeführt werden kann, dass sich das Schwingungsverhalten des Schwinggebildes kaum oder nur geringfügig verändern. Wird ein Bauteil, beispielsweise eine Isolierscheibe, aus einem isolierenden Material verwendet, muss das Bauteil in der Regel eine Dicke aufweisen, die wesentlich größer ist als eine Beschichtung. Das Bauteil beeinflusst das Schwingungsverhalten des Schwinggebildes dann erheblich stärker. Das gilt insbesondere für die Kontaktstelle zwischen zwei Komponenten.

Die Beschichtung von Gewinden mit einer isolierenden Beschichtung ist möglich, aber wegen der teilweise filigranen Gewindekontur oft schwierig. Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist als Verbindungselement eine Kaskade mehrerer Bauteile vorgesehen, wobei bevorzugt ein erstes Kaskadenteil von einem zweiten Kaskadenteil mittels Formschluss in der Ausbreitungsrichtung gehalten wird und das erste Kaskadenteil und/oder das zweite Kaskadenteil an der jeweiligen Kontaktfläche für den Formschluss mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Alternativ kann mindestens eines der Kaskadenteile aus einem isolierenden Material bestehen. Wesentlicher Vorteil der Kaskade ist, dass keine Gewindeabschnitte, sondern nur die Kontaktfläche(n) beschichtet werden müssen. Je nach Ausgestaltung der Kaskade kann durch die Kaskade auch das Isolationsmittel an der Kontaktstelle realisiert werden oder es kommt zusätzlich zur Kaskade ein Isolierelement, insbesondere eine Isolierscheibe zum Einsatz. Bei vorteilhaften Weiterbildungen weist das Verbindungselement einen glatten, insbesondere zylinderförmigen, Abschnitt auf, der mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist, wobei dieser Abschnitt in die Sonotrode oder das Konverterglied oder den Amplitudenverstärker eingeschrumpft ist. Dabei kann beispielsweise die Sonotrode erhitzt werden, wodurch sich eine dort vorgesehene Bohrung aufweitet, woraufhin der glatte Abschnitt in die Bohrung eingeführt werden kann. Beim Abkühlen schrumpft die Bohrung wieder und hält das Verbindungselement dann reibschlüssig. Glatt bedeutet insbesondere, dass der Abschnitt entlang seiner axialen Ausdehnung einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist und insbesondere kein Gewinde aufweist. Der Querschnitt kann rund, aber auch sternförmig oder anders ausgestaltet sein. Rund hat den Vorteil, dass die Geometrie leichter herzustellen ist, beispielsweise durch schleifen. Beim Einschrumpfen sind sehr enge Toleranzen einzuhalten, um einen genügend großen Kraftschluss zu erreichen, aber gleichzeitig das Grundmaterial nicht durch ein zu großes Übermaß mit Spannungen zu überlasten. Auch bei diesen Ausführungsformen besteht der wesentliche Vorteil darin, dass keine Gewindeabschnitte beschichtet werden müssen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verbindungselement einen glatten Abschnitt und einen Gewindeaufsatz umfassen, der auf den glatten Abschnitt aufgeschrumpft ist. Der Gewindeaufsatz stellt dann ein Außengewinde bereit, welches in eine Bohrung mit Innengewinde einer anderen Komponente eingeschraubt werden kann.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Amplitudenverstärker eine Durchgangsbohrung vorgesehen, wobei der Amplitudenverstärker einen Abschnitt aufweist, der mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Alternativ kann auch ein Teil Konverterglieds, insbesondere ein Konverterunterteil die Durchgangsbohrung und den Abschnitt mit der isolierenden Beschichtung aufweisen. Bei diesen Ausführungsformen ist ferner eine Schraube vorgesehen, die mit ihrem Kopf auf dem beschichteten Abschnitt aufliegt und von einer Innenfläche der Durchgangsbohrung beabstandet ist. Bei dem Amplitudenverstärker mit Durchgangsbohrung kann die Schraube mit ihrem Gewinde in das Konverterglied oder die Sonotrode eingeschraubt sein, bei dem Konverterunterteil mit Durchgangsbohrung kann die Schraube mit ihrem Gewinde in den Amplitudenverstärker oder die Sonotrode eingeschraubt sein. Auch bei diesen Ausführungsformen muss kein Gewindeabschnitt mit einer Beschichtung vorgesehen werden. Die Schraube kann eine Senkkopfschraube sein, was zu einer automatischen Zentrierung der miteinander verbundenen Komponenten führt.

An einer Innenwandung der Durchgangsbohrung können zusätzliche Isoliermittel vorgesehen sein, um bei einem ungeplanten Kontakt trotzdem eine ausreichende Isolierung zu gewährleisten. An diese Isoliermittel werden keine großen Anforderungen gestellt, da sie keine großen Kräfte übertragen, sondern nur den elektrischen Widerstand sicherstellen müssen. Daher kann es sich bei diesen Isoliermitteln beispielsweise um Isolierhülsen, Sprühlack oder isolierende Folien handeln.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Konverterglied oder dem Amplitudenverstärker oder der Sonotrode eine Querbohrung, die quer zur Ausbreitungsrichtung verläuft, vorgesehen, in welcher ein zumindest teilweise beschichtetes Querteil mit einer Gewindebohrung eingeschoben ist. Das Querteil kann ein quaderförmiges Nutenstück oder ein Bolzen sein. Das Konverterglied, der Amplitudenverstärker oder die Sonotrode weist dann zusätzlich zu der Querbohrung eine zu der Gewindebohrung konzentrische Bohrung auf, in der eine Schraube oder ein Gewindebolzen angeordnet ist, wobei die Schraube oder der Gewindebolzen mittels der Gewindebohrung mit dem Querteil verbunden ist. Die Schraube oder der Gewindebolzen kann dann mit einem angrenzenden Teil, also im Falle der Sonotrode mit dem Amplitudenverstärker oder dem Konverterglied, im Falle des Amplitudenverstärkers mit dem Konverterglied oder der Sonotrode und im Falle des Konverterglieds der Amplitudenverstärker oder die Sonotrode verbunden sein. Auch hier muss für den Kraftschluss kein Gewinde beschichtet werden. An der Kontaktstelle zwischen den Komponenten wird aber zusätzlich ein Isolierelement, insbesondere eine Isololierscheibe, oder eine isolierende Beschichtung benötigt.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist ein Koppelstück, insbesondere ein Flanschteil, als Isolationsmittel vorgesehen, welches zumindest teilweise beschichtet ist. Das Koppelstück wird mittels Schrauben an einer der Komponenten befestigt, wobei das Koppelstück dort, wo die Schrauben aufliegen, mit der isolierenden Beschichtung versehen ist. Auch hier muss für den Kraftschluss kein Gewinde beschichtet werden.

Über die isolierende Beschichtung bzw. das isolierende Material müssen bei einem Ultraschallwerkzeug hohe Kräfte und die Ultraschallschwingung übertragen werden. Die Erfinder haben ermittelt, dass bei weitem nicht alle elektrisch isolierenden Materialien für die galvanische Trennung in Ultraschallwerkzeugen geeignet sind. Die isolierende Beschichtung und/oder das isolierende Material umfasst bevorzugt mindestens eine der folgenden Komponenten: Keramik, insbesondere Chromoxid (C^Os) und/oder Aluminiumoxid (AI2O3), Glas, Polymerkomposit, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und/oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK). Diese Materialien haben sich als besonders vorteilhaft sowohl hinsichtlich der galvanischen Trennung als auch hinsichtlich der Kraft- und Ultraschallschwingungsübertragung herausgestellt.

Bei der Wahl der Dicke der Beschichtung ist zu beachten, dass die Beschichtung je nach Dicke eine Auswirkung auf das gesamte Schwinggebilde haben kann. An der Kontaktstelle zwischen den betroffenen Komponenten verändert die Beschichtung die Ausbreitung/Übertragung der Ultraschallschwingung. Wird die isolierende Beschichtung auf einen Gewindeabschnitt aufgebracht, so verändert sie das Maß des Gewindes, was schon bei der ursprünglichen Herstellung des Gewindes berücksichtigt werden muss. Die isolierende Beschichtung weist bevorzugt eine Dicke von mindestens 0,02 mm auf. Ferner bevorzugt beträgt die Dicke höchstens 0,5 mm. Es hat sich gezeigt, dass Beschichtungen unterhalb von 0,02 mm zwar mitunter eine ausreichende Isolierwirkung haben. Jedoch kann insbesondere im Bereich der Gewinde durch das Einschrauben des entsprechenden Gegenparts (beispielsweise eine Schraube) die Isolierung beschädigt werden kann. Wird die Beschichtung zu dünn ausgeführt, so besteht im Falle einer solchen Beschädigung die Gefahr, dass es zu einem Spannungsüberschlag kommt, die Isolierwirkung also verringert wird oder gänzlich verloren geht. Dicken von > 0,5 mm sind aus Sicht der Isolierwirkung schlicht nicht notwendig. Im Bereich von Gewinden der üblichen Größen führt eine solch dicke Beschichtung auch dazu, dass die Gewindegänge geradezu eingeebnet werden, was den Verbindungsvorgang beeinträchtigt.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist das Verbindungselement ein Bolzen mit zwei in Axialrichtung benachbarten Außengewindeabschnitten, wobei jeder Außengewindeabschnitt mit einem Außengewinde versehen ist, wobei die Außengewinde voneinander getrennt sind und wobei mindestens einer der Außengewindeabschnitte, insbesondere genau einer der Außengewindeabschnitte, mit einem isolierenden Material beschichtet ist. Das so ausgeführte Verbindungselement weist also zwei axial hintereinander angeordnete Gewindeabschnitte mit jeweils einem Außengewinde auf, wobei die Außengewinde nicht ineinander übergehen. Wird das Verbindungselement mit dem einen Gewindeabschnitt in eine der Komponenten eingeschraubt, so ist der Einschraubvorgang maximal bis zum Anfangspunkt des zweiten Gewindeabschnitts möglich. Dort passt das in der Komponente vorhandene Innengewinde nicht zu dem Gewindegang des zweiten Gewindeabschnitts, weshalb das weitere Einschrauben unterbunden ist. Bei diesen Weiterbildungen muss nur einer der Gewindeabschnitte beschichtet sein, was die Kosten für die Beschichtung erheblich senkt. Dennoch wird hinsichtlich des Kraftschlusses zwischen den beiden Komponenten durch das so gestaltete Verbindungselement eine galvanische Trennung zwischen den Komponenten realisiert. Bei besonders vorteilhaften Weiterbildungen ist zwischen den Gewindeabschnitten ein Vorsprung vorgesehen, insbesondere ein umlaufender, radial vorstehender Wulst, der ein Weiterschrauben über den Vorsprung hinaus behindert. Dieser Vorsprung ist bevorzugt ebenfalls beschichtet, da er mit dem nicht beschichteten Gegenpart in Kontakt kommen kann.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist das Verbindungselement eine Schraube oder ein Gewindebolzen mit zusätzlich einer Ringscheibe, wobei die Schraube bzw. der Gewindebolzen und die Ringscheibe entweder einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind, wobei die Schraube oder der Gewindebolzen und die Ringscheibe jeweils als Isolationsmittel ausgebildet sind und zumindest teilweise aus einem isolierenden Material bestehen und/oder zumindest teilweise mit einem isolierenden Material beschichtet sind. Die Schraube oder der Gewindebolzen bewirken dann eine galvanische Trennung bezogen auf den Kraftschluss zwischen den beiden betroffenen Komponenten und die Ringscheibe bewirkt die galvanische Trennung bezogen auf die Kontaktfläche zwischen den beiden Komponenten. Diese Ausführungsformen sind vergleichsweise einfach umzusetzen und benötigen insbesondere keine Anpassung bereits vorhandener Komponenten (Sonotrode, Amplitudenverstärker, Konverterglied). Die einteilige Ausführung macht das isolierende Bauteil komplex, erleichtert aber die Montage der Komponenten. Ebenso muss die Ringscheibe bei einer einteiligen Ausführung eine gewisse Grunddicke besitzen, was sich nachteilig auf das Schwingungsverhalten auswirken kann.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen ist das Verbindungselement ein an einer äußeren Umfangsfläche angreifendes Element, insbesondere eine Überwurfmutter. Der besondere Vorteil einer Überwurfmutter besteht darin, dass sie von außen sichtbar ist und beispielsweise eine Beschädigung der Beschichtung oder der Überwurfmutter selbst leichter erkannt werden kann.

Die verschiedenen beschriebenen Verbindungselemente sind grundsätzlich miteinander kombinierbar.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen sind das Konverterglied und die Sonotrode und/oder das Konverterglied und der Amplitudenverstärker und/oder der Amplitudenverstärker und die Sonotrode über einen isolierenden Klebstoff, insbesondere Polyurethan und/oder Epoxidharz, miteinander verbunden, wobei insbesondere das Verbindungselement mit dem Konverterglied und/oder der Sonotrode und/oder dem Amplitudenverstärker über einen isolierenden Klebstoff verbunden ist. Die Verwendung eines Klebstoffs bietet den Vorteil, dass mit einem Arbeitsschritt sowohl die galvanische Trennung als auch die Verbindung zwischen den Komponenten realisiert werden kann. Auch wenn es grundsätzlich denkbar ist, dass der Klebstoff an der Kontaktstelle zwischen den zwei zu verbindenden Komponenten eingesetzt wird, liegt der bevorzugte Einsatzbereich des isolierenden Klebstoffs darin, ein Verbindungselement, beispielsweise eine Schraube oder einen Gewindebolzen, mit einer der beiden Komponenten zu verbinden, sodass diese Komponente anschließend in eine zweite Komponente hineingedreht werden kann. Das Ultraschallwerkzeug umfasst bevorzugt eine Steuereinheit, die insbesondere eingerichtet ist, die Kontakterkennung durchzuführen. Die Steuereinheit ist bevorzugt mit der Verstelleinrichtung und dem Sensor zur Erfassung von auf den dritten Abschnitt aufgebrachter elektrischer Ladung oder von dem dritten Abschnitt abgeführter elektrischer Ladung verbunden. Dadurch kann die Steuereinheit auf Basis des Sensorsignals die Verstelleinrichtung ansteuern und die Sonotrode näher an das Gegenwerkzeug oder von diesem weg bewegen. Die Steuereinheit kann darüber hinaus auch mit der Spannungsquelle der Signalspannung, der Spannungsquelle der Wechselspannung, weiteren Sensoren und/oder Ausgabeeinrichtungen, wie beispielsweise einem Display oder einer Signallampe, verbunden sein. So können auch die Spannungsquellen in Abhängigkeit von dem Sensorsignal angesteuert werden, um beispielsweise die Amplitude der Wechselspannung zu reduzieren, wenn zu viele oder zu lange Kontakte erkannt werden, oder die Wechselspannung gänzlich abzuschalten. Eine Ausgabeeinrichtung ermöglicht eine für Personen wahrnehmbare Ausgabe des Sensorsignals, beispielsweise als Warnung im Falle zu vieler Kontakte oder als Auflistung sämtlicher erfassten Kontakte.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen mittels eines Ultraschallwerkzeugs gemäß der obigen Beschreibung gelöst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zur Bearbeitung zwischen der Sonotrode und einem Gegenwerkzeug angeordnet und das Werkstück mittels des Ultraschallwerkzeugs bearbeitet wird, dass an einem mit der Siegelfläche der Sonotrode elektrisch verbundenen Signalanschluss der Sonotrode eine elektrische Signalspannung, insbesondere eine Signalspannung weniger als 100 V, vorzugsweise weniger als 30 V und am besten zwischen 5 und 25 V, angelegt wird, wobei ein elektrischer Stromfluss zwischen dem Neutralleiter und dem Signalanschluss unterbunden wird und dass zumindest zeitweise ermittelt wird, ob ein Strom zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug fließt und/oder eine Spannung zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug abfällt. Durch das Anlegen der Signalspannung und das Ermitteln, ob ein Strom fließt und/oder eine Spannung abfällt, kann ermittelt werden, ob es zu Kontakten zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug kommt. Durch die galvanische Trennung in dem Ultraschallwerkzeug wird unterbunden, dass die Signalspannung über den Neutralleiter abgeleitet wird, sodass die Kontakterkennung nicht beeinträchtigt wird. Es besteht zudem im Fehlerfall nicht die Gefahr, dass ein hohes, von den Piezoelementen erzeugtes Potential an der Sonotrode und/oder an dem Gegenwerkzeug anliegt. Bei der Bearbeitung wird bevorzugt eine Kraft auf die Sonotrode ausgeübt, die von der Sonotrode auf das Werkstück übertragen wird. Diese Kraft stellt eine gleichmäßige Übertragung der Ultraschallschwingung auf das Werkstück sicher.

Die an dem Konverter des Ultraschallwerkzeugs anliegende Wechselspannung (Effektivspannung) beträgt vorzugsweise zwischen 500 V_rms und 3000 V_rms und weist bevorzugt eine Frequenz zwischen 20 kHz und 70 kHz auf. Mit diesen Spannungen und diesen Frequenzen ist das Erzeugen einer Ultraschallschwingung zur Bearbeitung des Werkstücks effektiv möglich.

Die Ultraschallschwingung an der Siegelfläche der Sonotrode weist bevorzugt eine Frequenz von 20 kHz bis 70 kHz und/oder eine Amplitude von 5 pm bis 50 pm auf. Die Frequenz der Ultraschallschwingung entspricht der Frequenz der Wechselspannung. Die Amplitude wird maßgeblich von der Höhe der Wechselspannung, der konstruktiven Ausgestaltung des Konverterglieds, des Amplitudenverstärkers und der Sonotrode sowie dem Konverter, also dem mindestens einen Piezoelement selbst, beeinflusst. Die Kontakterkennung ist besonders für Amplituden von 5 pm bis 50 pm geeignet.

Das Werkstück umfasst bevorzugt zumindest teilweise ein Polymer, insbesondere ein thermoplastisches Polymer. Das Werkstück besteht besonders bevorzugt im Bereich einer Kontaktfläche mit der Sonotrode vollständig aus einem Polymer. Das Werkstück wird während der Bearbeitung im Bereich einer Kontaktfläche mit der Sonotrode durch die Ultraschallschwingung bevorzugt zumindest teilweise aufgeschmolzen. Für die Kontakterkennung ist es von besonderem Vorteil, wenn das Werkstück, insbesondere im Bereich der Kontaktfläche mit der Sonotrode, ein Polymer umfasst. Bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen besteht das Werkstück aus mehreren Teilen, insbesondere mehreren Materialbahnen, die durch die Bearbeitung zusammengefügt werden. Die Materialbahnen werden bevorzugt kontinuierlich durch den Bereich zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug gefördert, insbesondere mittels Walzen. Die erfindungsgemäße Kontakterkennung ist bei solch dünnen Bauteilen besonders vorteilhaft, da es aufgrund der geringen Dicken oft zu Kontakten zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug kommt. Jeder Kontakt beeinträchtigt die Lebensdauer von Sonotrode und Gegenwerkzeug. Daher ist eine genaue Einstellung des Spalts zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug besonders vorteilhaft. Diese Einstellung kann durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt werden.

Für mindestens einen Stromfluss und/oder Spannungsabfall zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug wird bei vorteilhaften Weiterbildungen eine Dauer ermittelt und, wenn die Dauer einen vordefinierten Zeitgrenzwert übersteigt, wird der Stromfluss und/oder Spannungsabfall als Kontakt zwischen den Siegelflächen der Sonotrode und des Gegenwerkzeugs mit einer Kontaktzeit, die der Dauer des Stromflusses oder des Spannungsabfalls entspricht, gewertet. Der Zeitgrenzwert beträgt insbesondere > 0,01 ps und besonders bevorzugt > 1 ps. Es kann eine Obergrenze von 1000 ps für den Zeitgrenzwert festgelegt werden, um Störfälle auszuschließen. Es hat sich gezeigt, dass ein Strom nicht nur dann fließt, wenn sich Sonotrode und Gegenwerkzeug tatsächlich kontaktieren, sondern dass es auch zu einem Stromfluss kommen kann, wenn die Sonotrode und das Gegenwerkzeug einander sehr nahekommen oder teilweise berühren. Da die Siegelfläche der Sonotrode mit der Frequenz der Ultraschallschwingung schwingt und sich dabei hin und her bewegt, kommt es insbesondere in der einen Extremposition, in welcher der Abstand zwischen den Siegelflächen minimal ist zu einem Überschlag der Spannung zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug und folglich zu einem Stromfluss. Es hat sich daher gezeigt, dass es von Vorteil ist, wenn nicht jeder Stromfluss als Kontakt zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug gewertet wird, sondern nur Stromflüsse/Span- nungsabfälle, die für einen gewissen Zeitraum andauern, z.B. >1 ps. Bevorzugt werden also Stromflüsse und/oder Spannungsabfälle, deren Dauer den vordefinierten Zeitgrenzwert unterschreitet, verworfen und nicht als Kontakt gewertet. Die angegebenen Bereiche für den Zeitgrenzwert haben sich als besonders vorteilhaft für die oben angegebenen Frequenzen der Ultraschallschwingung herausgestellt. Oberhalb von 1000 ps kann eher nicht mehr davon ausgegangen werden, dass es sich um einen einzelnen Kontakt handelt.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen wird für mindestens einen Stromfluss und/oder Spannungsabfall zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug eine Stromstärke ermittelt und, wenn die Stromstärke einen vordefinierten Stromgrenzwert übersteigt, der Stromfluss und/oder Spannungsabfall als Kontakt zwischen den Siegelflächen gewertet. Der Stromgrenzwert beträgt bevorzugt > 1 mA. Es kann eine Obergrenze von 300 ps für den Stromgrenzwert festgelegt werden, um Störfälle auszuschließen. Die Stromstärke ist ebenfalls ein Indikator dafür, wie nahe sich die Siegelflächen tatsächlich kommen. Daher kann auch anhand der Stromstärke eine Unterscheidung zwischen zu wertenden Kontakten und Nicht- Kontakten vorgenommen werden. Auch weisen die Siegelflächen eine flächige Ausdehnung und eine - wenn auch geringe - Rauheit auf. Es kann also sein, dass auch geringe Bereiche der Siegelflächen schon Kontakt haben und somit zu einem Stromfluss führen, diese aber so gering sind dass dies noch nicht als Kontakt gewertet werden sollte. Beide Grenzwerte eignen sich auch in diesen Fällen dafür, die Kontakte qualitativ zu bewerten. Die Ermittlung der Stromstärke und die davon abhängige Kontaktwertung kann alternativ oder zusätzlich zu der Dauer des Stromflusses und/oder Spannungsabfalls verwendet werden. Besonders bevorzugt wird ein Stromfluss und/oder Spannungsabfall nur dann als Kontakt gewertet, wenn sowohl der Zeitgrenzwert als auch der Stromgrenzwert überschritten wird. Bei vorteilhaften Weiterbildungen wird für mindestens einen vorgegebenen (vergangenen) Zeitraum, insbesondere für die zuletzt vergangene Millisekunde, mindestens einer der folgenden Parameter ermittelt, wobei der Parameter bevorzugt gespeichert und/oder ausgegeben wird:

- Gesamtanzahl der Kontakte zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug

- größte Kontaktzeit aller Kontakte

- Summe der Kontaktzeiten aller Kontakte

Die Ermittlung dieser Parameter dient der Auswertung der Kontakterkennung. Kommt es beispielsweise während des vorgegebenen Zeitraums nur zu einer geringen Anzahl von Kontakten oder ist die Gesamtkontaktzeit trotz einer hohen Anzahl von Kontakten sehr gering, so kann daraus geschlossen werden, dass sich die Siegelflächen noch nicht sehr nahegekommen sind. Für jeden der Parameter kann ein Grenzwert vorgesehen sein, oberhalb dessen eine bestimmte Aktion, beispielsweise ein Warnsignal, erfolgt.

Die Parameter können von einer Steuereinheit des Ultraschallwerkzeugs weiterverarbeitet werden. Insbesondere kann das Ultraschallwerkzeug in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Parameter die Position des Ultraschallwerkzeugs oder des Schwinggebildes, insbesondere der Sonotrode, anpassen, die auf die Sonotrode ausgeübte Kraft reduzieren oder erhöhen, eine Warnung ausgeben und/oder den Bearbeitungsvorgang stoppen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft dargestellt und erläutert. Es zeigt dabei:

Figur 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines Ultraschallwerkzeugs in einem seitlichen Querschnitt;

Figur 2 bis 16 schematisch weitere Ausführungsformen von Ultraschallwerkzeugen

Das in Figur 1 dargestellte Ultraschallwerkzeug 100 umfasst ein Konverterglied 10 und eine Sonotrode 40. Das Konverterglied 10 umfasst einen Konverter 20, ein Konverterunterteil 12, eine ringscheibenförmige Deckplatte 16 und eine Konverterschraube 18. Der Konverter 20 weist vier ringscheibenförmige Piezoelemente 22 auf, die hintereinander zwischen der Konverterunterteil 12 und der Deckplatte 16 angeordnet sind. Der Konverter 20 umfasst ferner insgesamt fünf Elektroden, die auch als Kontaktscheiben bezeichnet werden: drei Neutralelektroden 24 und zwei Phasenelektroden 26, die ebenfalls ringscheibenförmig ausgebildet sind. Die Elektroden 24, 26 sind abwechselnd mit den Piezoelementen 22 entlang einer Konverterachse K zwischen dem Konverterunterteil 12 und der Deckplatte 16 angeordnet. Die Elektroden 24, 26 wechseln sich dabei ab. Zu unterst und zu Oberst ist daher eine Neutralelektrode 24 angeordnet.

Die Konverterschraube 18 liegt mit ihrem Schraubenkopf auf der Deckplatte 16 auf und verläuft durch sämtliche Bohrungen der Piezoelemente 22, der Elektroden 24, 26 sowie der Deckplatte 16. Die Konverterschraube 18 ist in das Konverterunterteil 12 eingeschraubt und sorgt dafür, dass die Piezoelemente 22 und die Elektroden 24, 26 kompakt gehalten werden. Anders als in der schematischen Darstellung der Figur 1 gezeigt, liegen die Piezoelemente und die Elektroden 24, 26 also in direktem Kontakt aufeinander und werden durch die Konverterschraube 18 kompakt gehalten. Die Konverterschraube 18 wird dabei mit einer ausreichenden Vorspannungskraft angezogen, beispielsweise mit 70 kN.

Das Konverterglied 10 umfasst ferner einen Phasenleiter 31 für eine Zuleitung einer elektrischen Wechselspannung und einen Neutralleiter 33 für deren Ableitung. Der Phasenleiter 31 und der Neutralleiter 33 bilden die beiden Pole für den Konverter 20. Die Neutralelektroden 24 sind mit dem Neutralleiter 33 und die Phasenelektroden 26 mit dem Phasenleiter 31 verbunden. Die Piezoelemente 22 sind polarisiert und jeweils so angeordnet, dass sie zu jedem Zeitpunkt mit Ausnahme einer Nullstellung entweder alle gelängt oder alle gestaucht werden.

Wird an dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 33 eine elektrische Wechselspannung angelegt, so wandeln die Piezoelemente 22 die elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung um, wobei das Konverterglied 10 mit einer mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt wird. Die Ultraschallschwingung breitet sich insbesondere entlang einer Ausbreitungsrichtung R auf, die bei der gezeigten Ausführungsform von dem Konverter 20 zu der Sonotrode 40, also entlang der Konverterachse K nach unten, verläuft. Das Konverterglied 10 und die Sonotrode 40 weisen bei der gezeigten Ausführungsform beide entlang der Ausbreitungsrichtung R eine Länge von jeweils A/2 auf. Dadurch sind Sonotrode 40 und Konverterglied 10 derart aufeinander abgestimmt, dass die Sonotrode 40 mit der mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt wird. Die Sonotrode 40 weist eine Siegelfläche 42 auf, die dafür vorgesehen ist, mit einem zu bearbeitenden Werkstück 200 in Kontakt zu treten. Das Werkstück 200 ist hier schematisch dargestellt. Oft weist das Werkstück 200 mehrere Teile auf, die miteinander verschweißt werden, insbesondere werden mehrere Materialbahnen miteinander verschweißt, die dann gemeinsam das Werkstück 200 bilden.

Das Ultraschallwerkzeug 100 umfasst ferner ein Gegenwerkzeug 110 mit einer Siegelfläche 111. Das Ultraschallwerkzeug 100 ist zum Bearbeiten des Werkstücks 200 mittels mechanischer Ultraschallschwingung ausgestaltet. Das Werkstück 200 wird zur Bearbeitung zwischen die Siegelflächen 42, 111 gelegt oder durch den Spalt zwischen den Siegelflächen 42, 111 durchgeführt, wobei das Werkstück 200 in jedem Fall die Siegelflächen 42, 111 berührt. Dabei wird auch eine Kraft in der Ausbreitungsrichtung R auf das Werkstück 200 ausgeübt, die von einer nicht dargestellten Verstelleinrichtung einer Halterung erzeugt werden kann. Wird nun eine Ultraschallschwingung erzeugt, so wird das Werkstück 200 bearbeitet, wobei oftmals mehrere Teile, wie zum Beispiel Materialbahnen, miteinander verbunden werden.

Zwischen dem Konverterglied 10 und der Sonotrode 40 ist ein Isolationsmittel 300 angeordnet. Das Isolationsmittel 300 umfasst ein gewindebolzenförmiges Verbindungselement 310 und ein Isolierelement 350 in Form eines isolierscheibenförmigen Abschnitts. Das Verbindungselement 310 und das Isolierelement 350 sind einstückig ausgeführt. Das Isolationsmittel 300 besteht bei der gezeigten Ausführungsform vollständig aus einem Keramikmaterial. Das Isolationsmittel 300 ist mit dem Verbindungselement 310 sowohl in das Konverterunterteil 12 als auch in die Sonotrode 40 eingeschraubt. Das Konverterunterteil 12 und die Sonotrode 40 berühren sich nicht, da sie durch das Isolationsmittel 300 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise werden die Siegelfläche 42 der Sonotrode 40 und der erste Neutralleiter 33 des Konverters 20 galvanisch getrennt. Ein Stromfluss zwischen dem Konverterunterteil 12 und der Sonotrode 40 ist unterbunden.

Das Konverterglied 10 umfasst ein schematisch dargestelltes Konvertergehäuse 11 , welches insbesondere die Piezoelemente 22 und die Elektroden 24, 26 nach außen hin abschirmt. An dem Konvertergehäuse 11 ist ein Schutzleiter 35 vorgesehen, der mit der Masse verbunden ist. Das Konvertergehäuse 11 ist im Bereich eines Schwingungsknotens mit dem Konverterunterteil 12 verbunden.

Die Sonotrode 40 weist einen mit der Siegelfläche 42 elektrisch verbundenen Signalanschluss 44 für eine elektrische Signalspannung auf. Der Neutralleiter 33 und der Signalanschluss 44 sind durch das Isolationsmittel 300 galvanisch voneinander getrennt. Das Ultraschallwerkzeug 100 umfasst eine Spannungsquelle 400, die eine Gleichspannungsquelle ist. Die Spannungsquelle 400 ist einerseits über einen Sensor 410 in Form eines Strommessgerätes mit dem Signalanschluss 44 der Sonotrode 40 und andererseits mit dem Gegenwerkzeug 110 elektrisch verbunden. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch wird durch die Spannungsquelle 400 eine Gleichspannung an dem Signalanschluss 44 und damit an der Siegelfläche 42 angelegt. Kommt es bei der Bearbeitung des Werkstücks 200 zu einer Berührung der Siegelflächen 42, 111 , so fließt ein Strom. Dieser Stromfluss kann mittels des Sensors 410 erfasst werden. Die Sonotrode 40 und das Gegenwerkzeug 110 sind hierzu leitend ausgebildet und bestehen insbesondere aus einem metallischen Werkstoff ausgebildet. Aus dem Signal des Sensors 410 kann somit auf einen Kontakt zwischen den Siegelflächen 42, 111 geschlossen werden (Kontakterkennung).

Für die Erzeugung der Wechselspannung des Konverters 20 ist eine Wechselspannungsquelle 39 vorgesehen, die mit dem Phasenleiter 31 und dem Neutralleiter 33 verbunden ist.

Falls die Leitung von der Wechselspannungsquelle 39 zu dem Neutralleiter 33 bricht, kann es vorkommen, dass die Piezoelemente 22 weiter angeregt werden, wodurch sie dann ein Potential auf den Neutralelektroden 24 und damit dem Neutralleiter 33 erzeugen. Dieses Potential liegt dann auch auf dem Konverterunterteil 12 an. Durch den Schutzleiter 35 ist sichergestellt, dass in diesem Fehlerfall das Potential abgeführt wird und eine Berührung des Konvertergehäuses 11 nicht zu einer Verletzung führt. Durch das Isolationsmittel 300 wird zudem verhindert, dass dieses Potential im Fehlerfall an der Siegelfläche 42 der Sonotrode 40 anliegt und die Kontakterkennung beeinflusst. Andersherum ist der Schutzleiter 35 durch das Isolationsmittel 300 von der Siegelfläche 42 sowie dem Signalanschluss 44 galvanisch getrennt, um zu verhindern, dass die Signalspannung über den Schutzleiter 35 abgeführt wird.

Bei anderen Ausführungsformen kann das Isolationsmittel 300 auch aus einem nicht keramischen, beispielsweise metallischem, Material bestehen. In diesen Ausführungsformen ist das Isolationsmittel 300 dann auf zumindest einer Seite oder auf der gesamten Oberfläche mit einer isolierenden Beschichtung versehen.

Bei anderen Ausführungsformen kann auch ein Amplitudenverstärker 60 zwischen dem Konverterunterteil 12 und der Sonotrode 40 vorgesehen sein. Das Isolationsmittel 300 kann dann zwischen Konverterunterteil 12 und Amplitudenverstärker 60 oder zwischen Amplitudenverstärker 60 und Sonotrode 40 angeordnet sein. In der Figur 2 ist nur ein Ausschnitt eines Ultraschallwerkzeugs 100 dargestellt, nämlich der Bereich um eine Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und einem Amplitudenverstärker 60.

Bei dieser Ausführungsform sind zwei Isolationsmittel 300 zwischen der Sonotrode 40 und dem Amplitudenverstärker 60 vorgesehen. Es ist ein Verbindungselement in Form eines Gewindebolzens vorgesehen, der sowohl in die Sonotrode 40 als auch in den Amplitudenverstärker 60 eingeschraubt ist. Der Gewindebolzen ist vollumfänglich beschichtet und verbindet die Sonotrode 40 und den Amplitudenverstärker 60 kraftschlüssig miteinander, stellt also die Verbindungsstelle zwischen den Komponenten dar. Auf diese Weise ist das Verbindungselement als Isolationsmittel 300 ausgebildet. Als weiteres Isolationsmittel 300 ist ferner ein Isolierelement 350 in Form einer Isolierscheibe vorgesehen. Die Isolierscheibe ist eine Ringscheibe und an der Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 angeordnet. Die Isolierscheibe ist ebenfalls mit einer isolierenden Beschichtung versehen, wobei die isolierende Beschichtung vollumfänglich vorhanden sein kann, oder nur auf einer der axialen Seiten, beispielsweise auf der Oberseite 352 oder der Unterseite 354. Zusammen stellen das Verbindungselement 310 und das Isolierelement 350 eine galvanische Trennung der Sonotrode 40 und des Amplitudenverstärkers 60 sicher.

Die in Figur 2 gezeigten Isolationsmittel 300 können bei anderen Ausführungsformen auch für eine Verbindung von Sonotrode 40 und Konverterglied 10 oder für eine Verbindung zwischen Amplitudenverstärker 60 und Konverterglied 10 verwendet werden.

In Figur 3 ist ein Ausschnitt eines Ultraschallwerkzeugs 100 um eine Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 dargestellt. Das Ultraschallwerkzeug 100 umfasst bei dieser Ausführungsform ein Isolierelement 350 in Form einer ringscheibenförmigen Isolierscheibe sowie einen Drahtgewindeeinsatz 320 als Isolationsmittel 300. Der Drahtgewindeeinsatz 320 kann vollständig aus einem isolierenden Material bestehen oder mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein. Der Drahtgewindeeinsatz 320 ist in eine Gewindebohrung der Sonotrode 40 eingeschraubt. Gleiches gilt für das Isolierelement 350. Es ist ferner ein Verbindungselement 310 in Form eines Gewindebolzens vorgesehen. Der Gewindebolzen wird an einem Ende in den Amplitudenverstärker 60 eingeschraubt und am anderen Ende in den Drahtgewindeeinsatz 320. Gemeinsam stellen das Isolierelement 350 und der Drahtgewindeeinsatz 320 eine galvanische Trennung zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 dar. Auch diese Art der Verbindung kann bei anderen Ausführungsformen zwischen der Sonotrode 40 und dem Konverterglied 10 oder zwischen dem Amplitudenverstärker 60 und dem Konverterglied 10 eingesetzt werden.

In der Figur 4 ist ein Ultraschallwerkzeug 100 ausschnittsweise um eine Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 dargestellt. Sowohl die Sonotrode 40 als auch der Amplitudenverstärker 60 weisen bei dieser Ausführungsform keine Bohrung auf. Zwischen den Komponenten 40, 60 ist ein Isolierelement 350 in Form einer Isolierscheibe ohne Bohrung als Isolationsmittel 300 vorgesehen. Bei anderen Ausführungsformen kann auch hier die Isolierscheibe eine Bohrung aufweisen, beispielsweise wenn es schwingungstechnisch o- der hinsichtlich einer gleichmäßigen Kraftübertragung von Vorteil ist. Das Isolierelement 350 stellt eine galvanische Trennung an der Kontaktstelle 112 dar. Die Sonotrode 40 weist ein Außengewinde 46 auf und der Amplitudenverstärker 60 weist eine umlaufende Schulter 62 auf. Es ist ferner ein Verbindungselement 310 in Form einer Überwurfmutter vorgesehen. Die Überwurfmutter weist an ihrem oberen Ende einen radial nach innen vorstehenden Vorsprung 316 auf und an ihrem unteren Ende ein Innengewinde 314. Die Überwurfmutter liegt bei bestimmungsgemäßem Gebrauch mit dem Vorsprung 316 auf der Schulter 62 auf und das Innengewinde 314 ist auf das Außengewinde 46 geschraubt und verbindet die Sonotrode 40 und den Amplitudenverstärker 60 dadurch an der Verbindungsstelle kraftschlüssig. Die Überwurfmutter kann vollständig aus einem isolierenden Material bestehen. Sie kann aber auch in einzelnen Bereichen mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein, insbesondere im Bereich des Vorsprungs 316 und bevorzugt überall dort, wo sie auf der Schulter 62 aufliegt. Dadurch kann kein Strom von dem Amplitudenverstärker 60 über die Überwurfmutter hin zu der Sonotrode 40 fließen. Die Überwurfmutter und die Isolierscheibe bilden auf diese Weise zwei Isolationsmittel 300 aus.

Auch diese Art der galvanischen Trennung kann bei anderen Ausführungsformen zwischen der Sonotrode 40 und dem Konverterglied 10 oder zwischen dem Amplitudenverstärker 60 und dem Konverterglied 10 zum Einsatz kommen.

Das in Figur 5 dargestellte Ultraschallwerkzeug 100 umfasst ebenfalls eine Sonotrode 40 und einen Amplitudenverstärker 60. Zwischen den beiden Komponenten 40, 60 ist an der Kontaktstelle 112 ein Isolationsmittel 300 in Form eines Flanschteils vorgesehen, welches eine Ringscheibe als Isolierelement 350 und einen daran angebundenen Gewindebolzen als Verbindungselement 310 umfasst. Verbindungselement 310 und Isolierelement 350 sind einstückig ausgeführt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Unterseite 354 der Isolierscheibe mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Bei anderen Ausführungsformen kann das gesamte Flanschteil aus einem isolierenden Material, beispielsweise Keramik, bestehen.

Die Isolierscheibe steht in radialer Richtung gegenüber dem Amplitudenverstärker 60 vor und bildet dort eine Flanschschulter 358 aus. Die Flanschschulter 358 ist umlaufend. Es ist ferner eine Überwurfmutter als weiteres Verbindungselement 310 vorgesehen. Die Überwurfmutter weist einen radial nach innen stehenden Vorsprung 316 am oberen Ende und ein Innengewinde 314 am unteren Ende auf. Der Vorsprung 316 liegt auf der Flanschschulter 358 auf und das Gewinde 314 ist auf ein Außengewinde 46 der Sonotrode 40 geschraubt. Die Isolierscheibe ist dort, wo die Überwurfmutter aufliegt, also auf der Oberseite 352, ebenfalls mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Diese ist nicht notwendig, wenn das Flanschteil vollständig aus einem isolierenden Material besteht.

Das Flanschteil ist mit dem Gewindebolzen in eine Gewindebohrung des Amplitudenverstärkers 60 eingeschraubt. Durch die isolierende Beschichtung werden die Sonotrode 40 und der Amplitudenverstärker 60 galvanisch getrennt.

Auch diese Art der Verbindung kann bei anderen Ausführungsformen zwischen Sonotrode 40 und Konverterglied 10 oder zwischen Amplitudenverstärker 60 und Konverterglied 10 zum Einsatz kommen.

In der Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallwerkzeugs 100 dargestellt, auch hier ausschnittsweise um die Kontaktstelle 112 zwischen den beiden Komponenten 40, 60. Zwischen der Sonotrode 40 und dem Amplitudenverstärker 60 sind erneut Isolationsmittel 300 angeordnet. Bei dieser Form ist ein Flanschteil vorgesehen, welches eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 und einen Gewindebolzen als Verbindungselement 310 einstückig aufweist auf. Das Flanschteil besteht aus einem isolierenden Material, beispielsweise Keramik. Das Isolationsmittel 300 weist entlang einer Kreisbahn angeordnete Bohrungen auf, durch welche jeweils eine Flanschschraube 356 verläuft. Das Isolationsmittel 300 ist mit den Flanschschrauben 356 mit der Sonotrode 40 verbunden. Die Flanschschrauben 356 werden hierzu in Gewindebohrungen der Sonotrode gedreht. Auf den Gewindebolzen wird der Amplitudenverstärker 60 aufgeschraubt. Die Flanschschrauben 356 sind mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Somit stellen auch die Flanschschrauben 356 Isolationsmittel 300 und Verbindungsmittel 310 dar. Durch die isolierende Beschichtung und das isolierende Material sind die Sonotrode 40 und der Amplitudenverstärker 60 galvanisch voneinander getrennt. Bei alternativen Ausführungsformen kann auch das Flanschteil nur mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein und/oder die Flanschschrauben 356 können aus einem isolierenden Material bestehen.

Auch diese Art der Verbindung und Isolierung kann bei anderen Ausführungsformen zwischen der Sonotrode und dem Konverterglied 10 oder zwischen dem Amplitudenverstärker 60 und dem Konverterglied 10 zum Einsatz kommen.

Bei der in Figur ? dargestellten Ausführungsform eines Ultraschallwerkzeugs 100 ist zwischen der Sonotrode 40 und dem Amplitudenverstärker 60 eine ringförmige Isolierscheibe als Isolierelement 350 vorgesehen. Die Isolierscheibe bildet die galvanische Trennung an der Kontaktstelle 112 aus. In dem Amplitudenverstärker 60 ist eine Gewindebohrung vorgesehen. In der Sonotrode 40 ist eine Sackbohrung ohne Gewinde vorgesehen. Die beiden Bohrungen sind konzentrisch.

Das Ultraschallwerkzeug 100 umfasst ferner einen Bolzen als Verbindungselement 310, der an einem Ende mit einem Gewinde versehen ist und an dem anderen Ende einen glatten Abschnitt 311 aufweist. Der Bolzen wird mittels eines Klebstoffs 360 mit der Sonotrode 40 verklebt, also stoffschlüssig verbunden. Dabei ragt der Bolzen dann über das obere Ende der Sonotrode 40 hinaus. Auf diese Weise kann der Amplitudenverstärker 60 auf den Bolzen aufgeschraubt werden. Der Klebstoff 360 ist isolierend und bewirkt die galvanische Trennung an der Verbindungsstelle zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60.

Bei anderen Ausführungsformen kann der Bolzen auch an seiner gesamten Umfangsfläche mit einem Gewinde versehen sein und/oder die Bohrung in der Sonotrode 40 kann mit einem Innengewinde versehen sein, wobei die Bohrungen nicht zueinander passen. Wird ein Klebstoff 360 in den entstehenden Zwischenraum eingebracht, so wird zusätzlich zu der stoffschlüssigen Verbindung ein Hinterschnitt und damit ein Formschluss erzielt.

Die hier beschriebene Art der galvanischen Trennung zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 kann bei anderen Ausführungsformen auch für eine galvanische Trennung zwischen Sonotrode 40 und Konverterglied 10 oder zwischen Amplitudenverstärker 60 und Konverterglied 10 verwendet werden.

Die Figur 8 zeigt einen Ausschnitt eines Ultraschallwerkzeugs 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform weist der Amplitudenverstärker 60 eine Durch- gangsbohrung 64 auf, die an ihrem oberen Ende in einer Schulter 62 endet. In der Durchgangsbohrung 64 ist eine Schraube als Verbindungselement 310 angeordnet. Die Schraube ragt nach unten aus dem Amplitudenverstärker 60 bzw. aus der Durchgangsbohrung 64 hinaus und ist dort in eine Gewindebohrung der Sonotrode 40 eingeschraubt. An einer Innenwandung der Durchgangsbohrung sind zusätzliche, nicht dargestellte Isoliermittel vorgesehen. Durch diese zusätzlichen Isoliermittel wird bei einem ungeplanten Kontakt von Durchgangsbohrung 64 und Schraube eine ausreichende Isolierung gewährleistet. Diese zusätzlichen Isoliermittel müssen keine großen Kräfte übertragen, sondern nur den elektrischen Widerstand sicherstellen. Auch bei anderen Ausführungsformen können dort, wo zwischen zwei Bauteilen keine isolierende Beschichtung vorgesehen, eine Berührung aber nicht vollständig auszuschließen ist, diese zusätzlichen Isoliermittel eingesetzt werden.

An der Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 ist zudem eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 angeordnet. Die Isolierscheibe ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen oder vollständig aus einem isolierenden Material, beispielsweise Keramik, bestehend und stellt dadurch ein Isolationsmittel 300 dar. Auf einer Schulterfläche 66 der Schulter 62, also auf der Fläche, auf welcher der Schraubenkopf der Schraube aufliegt, ist ebenfalls eine isolierende Beschichtung vorgesehen. Ansonsten berührt die Schraube den Amplitudenverstärker 60 nicht. Auf diese Weise sind Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 galvanisch getrennt. Auf diese Weise stellt der Amplitudenverstärker 60 ein Isolationsmittel 300 dar.

Oberhalb der Durchgangsbohrung 64 weist der Amplitudenverstärker ein Innengewinde auf, in welches das Konverterunterteil 12 eingeschraubt ist.

Die Figur 9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallwerkzeugs 100. Bei dieser Ausführungsform weist der Amplitudenverstärker 60 eine Durchgangsbohrung 64 auf, die am oberen Ende eine konische Verjüngung aufweist. In die Durchgangsbohrung 64 kann von unten eine Schraube als Verbindungselement 310 eingebracht werden, die auf einer Schulterfläche 66 einer Schulter 62 der konischen Verjüngung aufliegt. Dort befindet sich die Verbindungsstelle. Die Schraube ragt in dieser Position nach oben aus der Durchgangsbohrung 64 hinaus und ist dort in eine Gewindebohrung des Konverterunterteils 12 eingeschraubt. Zwischen dem Konverterunterteil 12 und dem Amplitudenverstärker 60 ist eine ringförmige Isolierscheibe als Isolierelement 350 angeordnet. Auf der Schulterfläche 66 der Schulter 62 ist eine isolierende Beschichtung angeordnet. Auf diese Weise stellt der Amplitudenverstärker 60 ein Isolationsmittel 300 dar. Die Isolierscheibe ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen oder vollständig aus einem isolierenden Material aufgebaut und bildet damit ein Isolationsmittel 300. Auf diese Weise sind Amplitudenverstärker 60 und Konverterunterteil 12 galvanisch getrennt.

Bei der Ausführungsform gemäß Figur 10 weist das Ultraschallwerkzeug 100 eine Sonotrode 40, einen Amplitudenverstärker 60 und ein Konverterunterteil 12 auf. Der Amplitudenverstärker 60 weist zwei konzentrische Gewindebohrungen mit jeweils einem Innengewinde auf. In die untere Bohrung wird die Sonotrode 40 eingeschraubt. Das Konverterunterteil 12 weist eine Durchgangsbohrung 13 auf, die mit der oberen Gewindebohrung in dem Amplitudenverstärker konzentrisch ist. Zwischen dem Konverterunterteil 12 und dem Amplitudenverstärker 60 ist eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 angeordnet. Die Isolierscheibe ist aus einem isolierenden Material oder ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen und stellt dadurch ein Isolationsmittel 300 dar. In die Durchgangsbohrung 13 kann von oben eine Schraube als Verbindungselement 310 eingebracht werden. Die Schraube liegt dann auf einer Schulter 15 des Konverterunterteils 12 auf, wobei die Durchgangsbohrung 13 im Bereich der Schulter 15 mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Auf diese Weise stellt das Konverterunterteil 12 ein Isolationsmittel 300 dar. Die Schraube wird in die obere Gewindebohrung des Amplitudenverstärkers eingedreht und verbindet den Amplitudenverstärker 60 kraftschlüssig mit dem Konverterunterteil 12. Von der isolierenden Beschichtung und zusätzlich der Isolierscheibe sind der Amplitudenverstärker 60 und das Konverterunterteil 12 galvanisch getrennt.

Am oberen Ende der Durchgangsbohrung 13 ist ein Innengewinde vorgesehen, in welches die Konverterschraube 18 eingeschraubt werden kann. Bei dieser Ausführungsform können die Piezoelemente 22 erst nach der Verbindung von Konverterunterteil 12 und Amplitudenverstärker 60 ergänzt und der Konverter 20 vollständig aufgebaut werden.

Durch die Isolierscheibe und die Beschichtung im Bereich der Schulter 15 sind der Amplitudenverstärker und das Konverterunterteil 12 galvanisch getrennt.

Die Figuren 11A, 11 B und 11 C zeigen eine weitere Ausführungsform eines Ultraschallwerk- zeugs 100. Dargestellt ist der Bereich um die Kontaktstelle 112 zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60. Der Amplitudenverstärker 60 weist eine Durchgangsbohrung 64 auf, die im unteren Bereich eine Schulter 62 aufweist. Zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 ist eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 angeordnet, die ringförmig ausgebildet ist. Die Isolierscheibe ist aus einem isolierenden Material oder ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen und stellt dadurch ein Isolationsmittel 300 dar. In der Sonotrode 40 ist eine Querbohrung 48 und eine zentrische Sackbohrung 49 vorgesehen, wobei die Sackbohrung 49 in die Querbohrung 48 mündet. Die Querbohrung 48 ist im Querschnitt rechteckig und die Sackbohrung 49 rund. In die Querbohrung 48 kann von der Seite ein quaderförmiges Querteil 330 in Form eines Nutenstücks eingeschoben werden. Das Querteil 330 weist eine zentrische Gewindebohrung 332 auf, die konzentrisch mit der Sackbohrung 49 angeordnet wird. Anschließend kann durch die Durchgangsbohrung 64 von oben eine Schraube eingebracht werden, welche auf der Schulter 62 zum Liegen kommt und in die Bohrung 332 des Nutenstücks eingeschraubt werden kann. Das Nutenstück wird dabei nach oben gezogen, bis es an der Decke der Querbohrung 48 anliegt. Wird die Schraube weiter hineingedreht, so wird eine Spannkraft aufgebracht. Das Querteil 330 ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen, wobei die Bohrung nicht beschichtet ist. Auf diese Weise stellt das Querteil 330 ein Isolationsmittel 300 dar. Da das Querteil 330 mit einer Oberseite an der Oberseite der Querbohrung 48 anliegt, wird eine galvanische Trennung geschaffen.

Bei anderen Ausführungsformen kann das Querteil 330 auch zylinderförmig ausgestaltet sein. Wird das Querteil 330 zylinderförmig ausgestaltet, so ist die Querbohrung 48 bevorzugt im Querschnitt rund oder oval.

Durch die Isolierscheibe und das Querteil 330 wird eine galvanische Trennung zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 geschaffen.

Die gezeigte Ausführungsform kann auch bei einer Verbindung von Sonotrode mit Konverterglied 10 oder Amplitudenverstärker mit Konverterglied 10 verwendet werden.

Alternativ kann das Querteil 330 auch vollständig aus einem isolierenden Material bestehen.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Ausführungsform weist das Ultraschallwerkzeug 100 ein Konverterunterteil 12 und einen Amplitudenverstärker 60 auf, welche an einer Kontaktstelle 112 zusammenkommen. Das Konverterunterteil 12 weist eine Durchgangsbohrung 13 auf. Als Verbindungselement 310 ist bei dieser Ausführungsform eine Kaskade mehrerer Bauteile vorgesehen. Die Kaskade umfasst einen Gewindebolzen mit zwei getrennten Gewindeabschnitten. Mit dem einen Gewindeabschnitt ist der Gewindebolzen in ein Innengewinde des Konverterunterteils 12 eingeschraubt. Das andere Ende des Gewindebolzens kann in ein erstes Kaskadenteil 340 eingeschraubt werden. Das erste Kaskadenteil 340 hält ein zweites Kaskadenteil 342 mittels Formschluss in der Ausbreitungsrichtung R. Das zweite Kaskadenteil 342 weist ein Außengewinde auf, mittels dem es mit einem Innengewinde des Amplitudenverstärkers 60 verbunden werden ist. Das zweite Kaskadenteil 342 ist auf einer Oberseite 344 und einer Unterseite 346 mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Auf diese Weise stellt das zweite Kaskadenteil 342 ein Isolationsmittel 300 dar. Mit der Oberseite 344 berührt das zweite Kaskadenteil 342 das Konverterunterteil 12. Mit der Unterseite 346 berührt das zweite Kaskadenteil 342 das erste Kaskadenteil 340. Der Gewindebolzen berührt das zweite Kaskadenteil 342 nicht. Auch hier können zwischen dem Gewindebolzen und dem zweiten Kaskadenteil 342 zusätzliche Isoliermittel, wie beispielsweise eine isolierende Hülse, vorgesehen sein. Auf diese Weise sind das Konverterunterteil 12 und der Amplitudenverstärker 60 galvanisch voneinander getrennt.

Eine derartige Kaskade kann auch für eine Verbindung zwischen Amplitudenverstärker 60 und Sonotrode 40 oder zwischen Sonotrode 40 und Konverterglied 10 eingesetzt werden.

Auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13 ist eine Kaskade als Verbindungselement 310 vorgesehen. Der wesentliche Unterschied zu der Ausführungsform gemäß Fig. 12 besteht darin, dass das zweite Kaskadenteil 342 einen geringeren Durchmesser aufweist und mit dem Amplitudenverstärker 60 nach oben abschließt. Aus diesem Grund ist zwischen dem Amplitudenverstärker 60 und dem Konverterunterteil 12 eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 vorgesehen. Die Isolierscheibe ist aus einem isolierenden Material oder ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen und stellt dadurch ein Isolationsmittel 300 dar.

Ferner ist bei dieser Ausführungsform das zweite Kaskadenteil 342 nicht beschichtet. Stattdessen ist das erste Kaskadenteil 340 an einer axialen Kontaktfläche mit dem zweiten Kaskadenteil 342 mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Alternativ kann das erste Kaskadenteil 340 bei dieser Ausführungsform auch vollständig aus einem isolierenden Material, bspw. Keramik, bestehen. In jedem Fall bildet das erste Kaskadenteil 340 ein Isolationsmittel 300 aus. In radialer Richtung berühren sich das erste Kaskadenteil 340 und das zweite Kaskadenteil 342 nicht. Auch hier können zusätzliche Isoliermittel, wie beispielsweise eine isolierende Hülse, vorgesehen sein.

Auch diese Verbindungsart kann zwischen der Sonotrode 40 und dem Amplitudenverstärker 60 oder zwischen Sonotrode 40 und Konverterglied 10 zum Einsatz kommen.

Die Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ultraschallwerkzeuges 100. Bei dieser Ausführungsform ist als Verbindungselement 310 ein Bolzen vorgesehen, der einen Außengewindeabschnitt und einen glatten Abschnitt 311 aufweist. Der glatte Abschnitt 311 ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen und der Bolzen ist mit dem glatten Abschnitt 311 in eine Sackbohrung der Sonotrode 40 eingeschrumpft. Auf diese Weise bildet der Bolzen ein Isolationsmittel 300 aus. Der Gewindeabschnitt des Bolzens steht dabei nach oben aus der Sonotrode 40 vor. Auf diese Weise kann der Amplitudenverstärker 60 mittels einer Gewindebohrung auf den Gewindeabschnitt aufgeschraubt werden. An der Kontaktstelle 112 ist ferner eine ringförmige Isolierscheibe als Isolierelement 350 vorgesehen, die aus einem isolierenden Material besteht oder ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist und dadurch ein Isolationsmittel 300 darstellt. Auf diese Weise wird eine galvanische Trennung zwischen Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60 hergestellt.

Bei der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform weist das Ultraschallwerkzeug 100 eine Sonotrode 40 und einen Amplitudenverstärker 60 auf. An der Kontaktstelle 112 ist eine Isolierscheibe als Isolierelement 350 vorgesehen. Die Isolierscheibe ist ringförmig. Die Isolierscheibe ist aus einem isolierenden Material oder ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen und stellt dadurch ein Isolationsmittel 300 dar.

Die Sonotrode 40 weist einen Bolzen 47 auf, der integral mit der Sonotrode 40 hergestellt ist. Der Bolzen 47 ragt durch die Ausnehmung der Ringscheibe nach oben. Der Bolzen 47 der Sonotrode 40 ist mit einer isolierenden Beschichtung versehen. Auf diese Weise bildet die Sonotrode 40 ein Isolationsmittel 300 aus. Auf den Bolzen 47 ist ein Gewindeaufsatz 313 mit einem Außengewinde als Verbindungsmittel 310 aufgeschrumpft. Auf das Außengewinde des Gewindeaufsatzes 313 wird der Amplitudenverstärker 60 mittels einer Gewindebohrung aufgeschraubt.

Bei alternativen Ausführungsformen kann auf die Isolierscheibe verzichtet werden, wenn die gesamte Oberseite der Sonotrode 40 mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist.

Diese Art der Verbindung kann bei anderen Ausführungsformen auch zwischen der Sonotrode 40 und dem Konverterglied 10 oder zwischen dem Amplitudenverstärker 60 und dem Konverterglied 10 eingesetzt werden.

Die in Figur 16 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von jener der Figur 2 im Wesentlichen darin, dass der Gewindebolzen, der das Verbindungsmittel 310 bildet, zwei in Axialrichtung benachbarte Außengewindeabschnitte 317, 318 aufweist, wobei jeder Außengewindeabschnitt mit einem Außengewinde versehen ist, wobei die Außengewinde voneinander getrennt sind und wobei zwischen den Außengewindeabschnitten 317, 318 ein umlaufender Wulst vorgesehen ist, der die Außengewinde voneinander trennt. Nur der erste Außengewindeabschnitt 317 und der Wulst sind mit einem isolierenden Material beschichtet. Auf diese Weise bildet der Gewindebolzen ein Isolationsmittel 300 aus.

Anstelle der Isolierscheibe oder anstelle einer Beschichtung auf der Isolierscheibe kann auch von zwei miteinander verbundenen Komponenten, hier Sonotrode 40 und Amplitudenverstärker 60, wenigstens eines mit einer isolierenden Beschichtung versehen sein oder zumindest teilweise aus einem isolierenden Material bestehen, insbesondere an der jeweiligen Kontaktfläche. Dann kann entweder auf die Isolierscheibe insgesamt oder auf deren Beschichtung verzichtet werden. Dies gilt für alle Ausführungsformen mit Isolierscheibe.

B e z u g s z e i c h e n

10 Konverterglied

11 Konvertergehäuse

12 Konverterunterteil

13, 64 Durchgangsbohrung

15, 62 Schulter

16 Deckplatte

18 Konverterschraube

20 Konverter

22 Piezoelement

24 Neutralelektroden

26 Phasenelektroden

31 Phasenleiter

33 Neutralleiter

35 Schutzleiter

39 Wechselspannungsquelle

40 Sonotrode

42 Siegelfläche

44 Signalanschluss

46 Außengewinde

47 Bolzen

48 Querbohrung

49 Sackbohrung

60 Amplitudenverstärker

66 Schulterfläche

100 Ultraschallwerkzeug

112 Kontaktstelle

110 Gegenwerkzeug

112 Siegelfläche

200 Werkstück

300 Isolationsmittel

310 Verbindungselement /Gewindebolzen

311 glatter Abschnitt

313 Gewindeaufsatz

314 Innengewinde

316 Vorsprung 317 erster Außengewindeabschnitt

318 zweiter Außengewindeabschnitt

320 Drahtgewindeeinsatz

330 Querteil 332 Gewindebohrung

340 erste Kaskadenteil

342 zweite Kaskadenteil

350 Isolierelement

344, 352 Oberseite 346, 354 Unterseite

356 Flanschschraube

358 Flanschschulter

360 Klebstoff

400 Spannungsquelle 410 Sensor

K Konverterachse

R Ausbreitungsrichtung

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Ultraschallwerkzeug zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen mit einem Konverterglied und einer Sonotrode, wobei das Konverterglied einen mindestens ein Piezoelement aufweisenden Konverter umfasst, wobei das Konverterglied einen Phasenleiter für eine Zuleitung einer elektrischen Wechselspannung und einen Neutralleiter aufweist, wobei das mindestens eine Piezoelement eingerichtet ist, eine elektrische Wechselspannung in eine mechanische Ultraschallschwingung umzuwandeln, wobei das Konverterglied mit einer mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann, wobei das Konverterglied mechanisch mit der Sonotrode gekoppelt ist und die Sonotrode und das Konverterglied derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Sonotrode mit der mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann, wobei die Sonotrode eine Siegelfläche aufweist, die dafür vorgesehen ist, mit dem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt zu treten, dadurch gekennzeichnet, dass die Siegelfläche der Sonotrode und der Neutralleiter galvanisch getrennt sind. Ultraschallwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Sonotrode einen mit der Siegelfläche elektrisch verbundenen Signalanschluss für eine elektrische Signalspannung aufweist, wobei der Neutralleiter und der Signalanschluss galvanisch getrennt sind. Ultraschallwerkzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterglied ein Konvertergehäuse aufweist, in welchem das mindestens eine Piezoelement angeordnet ist, und ein Schutzleiter vorgesehen ist, wobei das Ultraschallwerkzeug einen ersten Abschnitt, welcher mindestens den Neutralleiter umfasst, einen zweiten Abschnitt, welcher mindestens den Schutzleiter und das Konvertergehäuse umfasst, und einen dritten Abschnitt aufweist, der die Siegelfläche der Sonotrode umfasst und über den Signalanschluss eine Signalspannung abgeben oder aufnehmen kann, wobei zweiter und dritter Abschnitt galvanisch getrennt sind und wobei optional erster und zweiter Abschnitt zusätzlich galvanisch getrennt sind. Ultraschallwerkzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Konvertergehäuses ein einen Isolationsraum definierendes Isolationsgehäuse aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen ist, wobei das mindestens eine Piezoelement und der Neutralleiter in dem Isolationsraum angeordnet sind, wobei vorzugweise das Isolationsgehäuse torusförmig oder hohlzylinderförmig ist.

5. Ultraschallwerkzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gegenwerkzeug, insbesondere eine Walze, mit einer Siegelfläche vorgesehen ist, welches derart positioniert ist, dass das zu bearbeitende Werkstück während der Bearbeitung zwischen der Siegelfläche der Sonotrode und der Siegelfläche des Gegenwerkzeuges angeordnet werden kann, wobei vorzugsweise die Siegelfläche des Gegenwerkzeuges geerdet ist.

6. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsquelle vorgesehen ist, mit welcher der dritte Abschnitt mit einer Signalspannung beaufschlagt werden kann, wobei ein Sensor zur Erfassung von auf den dritten Abschnitt aufgebrachter elektrischer Ladung oder von dem dritten Abschnitt abgeführter elektrischer Ladung vorgesehen ist.

7. Ultraschallwerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalspannung eine Gleichspannung ist und weniger als 30 V, vorzugsweise weniger als 25 V und am besten zwischen 5 V und 12 V beträgt.

8. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt mittels einer elektrischen Leitung mit der Spannungsquelle verbunden ist, die geschirmt ist und/oder deren Gesamtkapazität < 2500 pF, insbesondere < 1500 pF, beträgt.

9. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolationswiderstand zwischen zweitem Abschnitt und drittem Abschnitt mindestens 5 kQ beträgt, insbesondere mindestens 7 kQ, wobei der Isolationswiderstand bevorzugt weniger als 100 MQ beträgt.

10. Ultraschallwerkzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Konverterglied und Sonotrode ein Amplitudenverstärker vorgesehen ist, wobei das Konverterglied mechanisch mit dem Amplitudenverstärker gekoppelt ist und der Amplitudenverstärker mechanisch mit der Sonotrode gekoppelt ist, wobei die Sonotrode, der Amplitudenverstärker und das Konverterglied derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Sonotrode mit der mechanischen Ultraschallschwingung der Wellenlänge A in eine Resonanzschwingung versetzt werden kann.

11 . Ultraschallwerkzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halterung vorgesehen ist, die an der Sonotrode, dem Konverterglied und/oder dem Amplitudenverstärker angreift.

12. Ultraschallwerkzeug nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Isolationsmittel vorgesehen ist, welches bewirkt, dass die Siegelfläche der Sonotrode und der Neutralleiter galvanisch getrennt sind.

13. Ultraschallwerkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens ein Isolationsmittel an genau zwei Stellen vorgesehen ist, insbesondere an einer Kontaktstelle zwischen Konverterglied, Sonotrode und/oder Amplitudenverstärker und an einer Verbindungsstelle von Konverterglied, Sonotrode und/oder Amplitudenverstärker.

14. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Konverterglied und Sonotrode und/oder Konverterglied und Amplitudenverstärker und/oder Amplitudenverstärker und Sonotrode über mindestens ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube und/oder einen Gewindebolzen und/oder eine Gewindebuchse, miteinander verbunden sind, insbesondere mit einer Spannkraft von mindestens 20 kN und bevorzugt weniger als 150 kN, insbesondere mindestens 30 kN und/oder weniger als 90 kN und dass das Verbindungselement als Isolationsmittel ausgebildet ist und zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist und/oder zumindest teilweise aus einer isolierenden Material besteht.

15. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Konverterglied und der Sonotrode, insbesondere zwischen dem Konverterglied und dem Amplitudenverstärker und/oder zwischen dem Amplitudenverstärker und der Sonotrode, zumindest ein Isolierelement, insbesondere eine Isolierscheibe, vorgesehen ist, welches als Isolationsmittel ausgebildet ist und zumindest teilweise aus einem isolierenden Material besteht und/oder zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Konverterglied und/oder der Amplitudenverstärker und/oder die Sonotrode als Isolationsmittel ausgebildet ist und zumindest teilweise aus einem isolierenden Material besteht und/oder zumindest teilweise mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindungselement eine Kaskade mehrerer Bauteile vorgesehen, wobei bevorzugt ein erstes Kaskadenteil von einem zweiten Kaskadenteil mittels Formschluss in der Ausbreitungsrichtung gehalten wird und das erste Kaskadenteil und/oder das zweite Kaskadenteil an der jeweiligen Kontaktfläche für den Formschluss mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen glatten Abschnitt aufweist, der mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist, wobei dieser Abschnitt in die Sonotrode oder das Konverterglied oder den Amplitudenverstärker eingeschrumpft ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement einen glatten Abschnitt und einen Gewindeaufsatz umfasst, der auf den glatten Abschnitt aufgeschrumpft ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Amplitudenverstärker eine Durchgangsbohrung vorgesehen, wobei der Amplitudenverstärker einen Abschnitt aufweist, der mit einer isolierenden Beschichtung versehen ist, wobei ferner eine Schraube vorgesehen ist, die mit ihrem Kopf auf dem beschichteten Abschnitt aufliegt, von einer Innenfläche der Durchgangsbohrung beabstandet ist und mit ihrem Gewinde in das Konverterglied oder die Sonotrode eingeschraubt ist. Ultraschallwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Konverterglied oder dem Amplitudenverstärker oder der Sonotrode eine Querbohrung vorgesehen, in welcher ein zumindest teilweise beschichtetes Querteil mit einer Gewindebohrung eingeschoben ist, wobei das Konverterglied, der Amplitudenverstärker oder die Sonotrode zusätzlich zu der Querbohrung eine zu der Gewindebohrung konzentrische Bohrung aufweist, in der eine Schraube o- der ein Gewindebolzen angeordnet ist, wobei die Schraube oder der Gewindebolzen mittel der Gewindebohrung mit dem Querteil verbunden ist.

22. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 12 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelstück, insbesondere ein Flanschteil, als Isolationsmittel vorgesehen ist, welches mittels Schrauben an dem Konverterglied oder dem Amplitudenverstärker oder der Sonotrode befestigt ist, wobei das Koppelstück dort, wo die Schrauben aufliegen, mit der isolierenden Beschichtung versehen sind.

23. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung und/oder das isolierende Material mindestens eine der folgenden Materialien umfasst: Keramik, insbesondere Chromoxid (Cr₂Os) oder Aluminiumoxid (AI2O3), Glas, Polymerkomposite, insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK) und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK).

24. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierende Beschichtung eine Dicke von mindestens 0,02 mm aufweist und bevorzugt eine Dicke von höchstens 0,5 mm.

25. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ein Bolzen mit zwei in Axialrichtung benachbarten Außengewindeabschnitten ist, wobei jeder Außengewindeabschnitt mit einem Außengewinde versehen ist, wobei die Außengewinde voneinander getrennt sind und wobei mindestens einer der Außengewindeabschnitte, insbesondere genau einer der Außengewindeabschnitte, mit einem isolierenden Material beschichtet ist.

26. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement eine Schraube oder ein Gewindebolzen mit zusätzlich einer Ringscheibe ist, wobei die Schraube oder der Gewindebolzen und die Ringscheibe entweder einteilig oder mehrteilig ausgeführt sind, wobei die Schraube oder der Gewindebolzen und die Ringscheibe jeweils als Isolationsmittel ausgebildet sind und zumindest teilweise aus einem isolierenden Material bestehen und/oder zumindest teilweise mit einem isolierenden Material beschichtet sind.

27. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement ein an einer äußeren Umfangsfläche angreifendes Element ist, insbesondere eine Überwurfmutter.

28. Ultraschallwerkzeug nach einem der Ansprüche 14 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass Konverterglied und Sonotrode und/oder Konverterglied und Amplitudenverstärker und/oder Amplitudenverstärker und Sonotrode über einen isolierenden Klebstoff, insbesondere Polyurethan und/oder Epoxidharz, miteinander verbunden sind, wobei insbesondere das Verbindungselement mit dem Konverterglied und/oder der Sonotrode und/oder dem Amplitudenverstärker über einen isolierenden Klebstoff verbunden ist.

29. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels mechanischer Ultraschallschwingungen mittels eines Ultraschallwerkzeugs gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück zur Bearbeitung zwischen der Sonotrode und einem Gegenwerkzeug angeordnet und das Werkstück mittels des Ultraschallwerkzeugs bearbeitet wird, dass an einem mit der Siegelfläche der Sonotrode elektrisch verbundenen Signalanschluss der Sonotrode eine elektrische Signalspannung insbesondere eine Signalspannung weniger als 30 V, vorzugsweise weniger als 25 V und am besten zwischen 5 V und 12 V, angelegt wird, wobei ein elektrischer Stromfluss zwischen dem Neutralleiter und dem Signalanschluss unterbunden wird und dass zumindest zeitweise ermittelt wird, ob ein Strom zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug fließt und/oder eine Spannung zwischen der Sonotrode und dem Gegenwerkzeug abfällt.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Stromfluss und/oder Spannungsabfall zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug eine Dauer ermittelt wird und, wenn die Dauer einen vordefinierten Zeitgrenzwert übersteigt, der Stromfluss und/oder Spannungsabfall als Kontakt zwischen den Siegelflächen mit einer Kontaktzeit, die der Dauer des Stromflusses oder des Spannungsabfalls entspricht, gewertet wird, wobei der Zeitgrenzwert insbesondere > 0,01 ps und besonders bevorzugt > 1 ps beträgt. Verfahren nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Stromfluss und/oder Spannungsabfall zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug eine Stromstärke ermittelt wird und, wenn die Stromstärke einen vordefinierten Strom grenzwert übersteigt, der Stromfluss und/oder Spannungsabfall als Kontakt zwischen den Siegelflächen gewertet wird, wobei der Stromgrenzwert insbesondere > 1 mA und besonders bevorzugt < 300 mA beträgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen vorgegebenen Zeitraum, insbesondere für die zuletzt vergangene Millisekunde, mindestens einer der folgenden Parameter ermittelt wird, wobei der Parameter bevorzugt gespeichert und/oder ausgegeben wird:

- Gesamtanzahl der Kontakte zwischen Sonotrode und Gegenwerkzeug

- Größte Kontaktzeit aller Kontakte

- Summe der Kontaktzeiten aller Kontakte Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einem oder mehreren der Parameter die Position des Ultraschallwerkzeugs, insbesondere der Sonotrode, angepasst, eine auf die Sonotrode ausgeübte Kraft reduziert oder erhöht, eine Warnung ausgeben und/oder den Bearbeitungsvorgang gestoppt wird, insbesondere durch Abschaltung der Wechselspannung.