WO2022028680A1 - Konvertereinheit, ultraschallschwingeinheit und ultraschallbearbeitungsvorrichtung - Google Patents

Konvertereinheit, ultraschallschwingeinheit und ultraschallbearbeitungsvorrichtung Download PDF

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WO2022028680A1
WO2022028680A1 PCT/EP2020/071921 EP2020071921W WO2022028680A1 WO 2022028680 A1 WO2022028680 A1 WO 2022028680A1 EP 2020071921 W EP2020071921 W EP 2020071921W WO 2022028680 A1 WO2022028680 A1 WO 2022028680A1
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WO
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converter
ultrasonic
longitudinal direction
unit
fitting
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PCT/EP2020/071921
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Inventor
Pascal Büchel
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Telsonic Holding Ag
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Publication date
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
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    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding

Definitions

  • the present invention relates to converter units with an ultrasonic converter, ultrasonic oscillating units and ultrasonic processing devices.
  • Such ultrasonic converters convert electrical vibrations with frequencies in the ultrasonic range into mechanical ultrasonic vibrations, which can then be used, for example, for ultrasonic welding.
  • a converter unit of this type is known from document WO 2019/101666.
  • An ultrasonic converter is disclosed there, which can be excited to oscillate in a longitudinal direction and has a retaining flange in the area of a minimum oscillation.
  • the retaining flange is mounted in a converter housing via elastic O-rings. In this way, the decoupling of vibrations and thus a loss of energy are prevented.
  • this converter unit known from the prior art also has a number of disadvantages. Because while the position of the ultrasonic converter along the longitudinal direction is fixed to some extent by the retaining flange and the O-rings, the alignment with respect to the longitudinal direction (i.e. the angle by which the ultrasonic converter is rotated about the longitudinal direction) can only be set precisely with great effort. Even if the converter is correctly aligned, the axial clamping ensures a certain degree of security against rotation due to frictional locking. In the case of high stress, twisting can still take place. Such twisting is to be avoided in particular when a non-cylindrically symmetrical, planar welding surface is aligned as precisely as possible to an opposite overlying mating surface of an anvil must be aligned.
  • a converter unit should be secured as precisely and stably as possible against twisting about the longitudinal direction.
  • a converter unit that contains an ultrasonic converter that can be excited to oscillate in a longitudinal direction and a converter mount that supports the ultrasonic converter.
  • the ultrasonic converter has at least one first form-fitting surface, and the converter holder has at least one second form-fitting surface. These two surfaces are arranged and matched to one another in such a way that the ultrasonic converter is mounted in the converter holder in the direction of the longitudinal direction. In this way, in particular, the position of the ultrasonic converter can be fixed along the longitudinal direction.
  • the converter holder can be in one piece or in several parts, so that in the second case the ultrasonic converter can be clamped between several parts of the converter holder.
  • the second form-fitting surfaces can be arranged on one, on several or on all parts of the converter holder.
  • the first form-fitting surface and the second form-fitting surface are also arranged and matched to one another in such a way that they form a form-fitting connection, by means of which rotation of the ultrasonic converter relative to the converter holder about the longitudinal direction can be prevented.
  • a positive connection is also used in the invention. This allows precise and stable anti-twist protection, which also determines the angular position of the ultrasonic converter under higher loads.
  • the form fit it is possible for the form fit to be achieved by direct contact between the first form fit surface and the second form fit surface.
  • the form-fitting is achieved indirectly via an elastic element arranged between the first form-fitting surface and the second form-fitting surface, for example by means of an elastic element described below, in particular an elastic profile ring.
  • the first form-fitting surface can be spaced apart from the second form-fitting surface in the circumferential direction in order to ensure force transmission and thus a form fit and to avoid destruction of the elastic element due to excessive buckling.
  • the first form-fitting surface is arranged in the area of a vibration minimum of the ultrasonic converter. This has the effect that only a small proportion of the mechanical vibrations generated by the ultrasonic converter are transmitted to the converter holder, which also keeps the energy loss low.
  • the ultrasonic converter has a retaining flange on which at least one of the first form-fitting surfaces is formed, in particular at least two first form-fitting surfaces lying opposite one another with respect to the longitudinal direction.
  • This arrangement ensures precise and stable fixing of the position of the ultrasonic converter along the longitudinal direction.
  • at least one of the first form-fitting surfaces is formed by a side surface of at least one projection protruding in the radial direction from the ultrasonic converter and at least one of the second form-fitting surfaces is formed by a side surface of at least one in the longitudinal direction in the converter holder and for Projection complementary depression is formed. This configuration is structurally simple to implement and ensures a precise and stable form fit.
  • the projection and the indentation can both extend in the longitudinal direction or both in the radial direction, or the projection can extend in the radial direction and the indentation in the longitudinal direction, provided that the side surfaces of the projection and indentation are not perpendicular to the longitudinal direction.
  • a plurality of projections and/or a plurality of depressions are preferably present. These can advantageously be distributed uniformly in the circumferential direction. As a result, the ultrasonic converter can be optionally mounted in one of several defined angular positions relative to the converter holder.
  • an elastic ring is clamped between the first form-fitting surface and the second form-fitting surface, which encloses the longitudinal direction and by means of which the ultrasonic converter is vibrationally decoupled from the converter holder.
  • the elastic ring In the non-assembled state (i.e. when it is not clamped between the first form-fitting surface and the second form-fitting surface), the elastic ring can be designed as a profile ring, i.e. it can be designed to be cylindrically symmetrical with respect to a longitudinal direction and thus have a direction and have a constant cross-section perpendicular to this circumferential direction.
  • the elastic ring has an essentially X-shaped profile in a section plane containing the longitudinal direction, which profile is formed by a central area and four extensions extending therefrom.
  • This geometry in turn relates to the unassembled elastic ring, which can change when assembled.
  • Such an X-shaped profile ensures that the position of the ultrasonic converter is also set precisely and stably in a plane perpendicular to the longitudinal direction.
  • the extensions particularly preferably extend at an angle to the longitudinal direction which is in the range from 30° to 60°. This enables an even more precise and stable positioning of the ultrasonic converter in a plane perpendicular to the longitudinal direction.
  • the converter holder can contain a converter housing and a pressing element which is pressed into the converter housing and which has at least one of the second form-fitting surfaces.
  • the elastic ring can be clamped between the first form-fitting surface and the second form-fitting surface of the pressing element.
  • the pressing element can, for example, be essentially ring-shaped. "Essentially ring-shaped” is understood to mean that the pressing element apart from the form-fitting the areas (such as projections or depressions) is annular.
  • the assembly is simplified even more if the converter housing has an inwardly directed collar which is arranged opposite the pressing element with respect to the longitudinal direction and which has at least one further of the second form-fitting surfaces. This results in a pinching on both sides with respect to the longitudinal direction.
  • the ultrasonic converter is preferably mounted detachably in the converter holder.
  • the ultrasonic converter is not glued in the converter holder.
  • the storage can be solved, for example, by removing the pressing ring.
  • a detachable bearing has the positive effect that an ultrasonic converter can be replaced comparatively easily without the converter holder also having to be replaced.
  • the invention also relates to an ultrasonic oscillating unit which contains a converter unit as described above and a resonator which is vibrationally coupled to the ultrasonic converter.
  • a resonator is understood to be a component which is excited to resonant vibrations at an ultrasonic frequency generated by the ultrasonic converter.
  • the resonator can be a sonotrode which is vibrationally coupled to the ultrasonic converter and with which, for example, workpieces can be welded to one another.
  • a resonator could also be used in a manner known per se to excite a sieve, so that ultrasound-assisted sieving is made possible. In other applications, the resonator can be used for cutting or cleaning.
  • the invention in a third aspect, relates to an ultrasonic machining device for machining a workpiece. It contains an ultrasonic oscillating unit as described above, the sonotrode of the ultrasonic oscillating unit having a processing surface for processing a workpiece.
  • the ultrasonic processing device can be designed as an ultrasonic welding device for welding workpieces. It then contains an ultrasonic oscillating unit as described above, the sonotrode having a welding surface and at least one anvil with a counter surface.
  • the sonotrode and the anvil are designed and arranged or can be arranged in such a way in order to weld at least one workpiece that is held between the welding surface and the counter surface.
  • FIG. 1 a converter unit according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 the converter unit according to FIG. 1 in a perspective exploded view
  • FIG. 3 an ultrasonic converter of the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a perspective view
  • FIG. 4 a compression ring of the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a perspective view
  • FIG. 5 an elastic ring according to the converter unit
  • FIGS. 1 and 2 in a lateral sectional view
  • FIG. 6a the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a first side view
  • FIG. 6b the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a first lateral sectional view
  • FIG. 6c a detail of the view shown in FIG. 6b;
  • FIG. 7a the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a second side view
  • FIG. 7b the converter unit according to FIGS. 1 and 2 in a second lateral sectional view
  • FIG. 7c a detail of the view shown in FIG. 7b;
  • FIG. 8 an ultrasonic welding device according to the invention in a lateral sectional view.
  • FIG. 1 shows a converter unit 10 according to the invention in a perspective view. This contains a converter holder 30 with a converter housing 34 and an ultrasonic converter 20 which can only be partially seen here.
  • the exploded view in FIG. 2 shows the essential components of the converter unit 10 .
  • An ultrasonic converter 20 is arranged inside the converter housing 34 and can be excited to ultrasonic vibrations in a longitudinal direction L.
  • the ultrasonic converter 20 has a retaining flange 22 which is arranged in the area of a vibration minimum M.
  • the converter holder 30 also contains a press ring 35 with second form-fitting surfaces 31 .
  • With regard to the longitudinal direction L on both sides of the projections 25 of the retaining flange 22 tical ring 40 arranged.
  • the rings 40 are shown here in a deformed condition when clamped as discussed below. In the non-deformed state, they have a profile shape, which is why they are also referred to as profile rings 40 .
  • FIG. 3 shows the ultrasonic converter 20 in detail.
  • the side surfaces of the projections 25 form first form-fitting surfaces 21 .
  • the detailed view in FIG. 4 shows that the pressing ring 35 has four projections which are distributed uniformly around the circumference and extend in the longitudinal direction L.
  • the projections 38 define intermediate depressions 32 with side surfaces 31 having second form-fitting surfaces.
  • FIG. 5 shows a cross section of one of the profile rings 40 which has not yet been clamped in, in a plane which contains the longitudinal direction L.
  • the profile is X-shaped and contains a central region 41 and four extensions 42 extending from it at an angle ⁇ of approximately 45° to the longitudinal direction L.
  • the profile rings 40 can consist of natural rubber, for example.
  • FIGS. 6a and 6b show the fully assembled converter unit 10 in a first side view and a first lateral sectional view.
  • the projections 38 of the press ring 35 engage in recesses formed between the projections 25 of the retaining flange 22 .
  • the projections 38 press the lower profile ring 40 in the direction of the profile ring 40 shown above (see FIG. 6b).
  • the profile shown above begins 40 at a collar 36 which protrudes from the inside of the converter housing 34 . This becomes even clearer in the detailed view in FIG. 6c.
  • the underside of the collar 36 is flat, ie it has no projections or depressions.
  • FIGS. 7a and 7b show a second side view, a second lateral sectional view and a second detailed view of the converter unit 10, which, however, are rotated by 45° compared to the views in FIGS. 6a to 6c.
  • the ultrasonic converter 20 is clamped in the longitudinal direction L on the projections 25 of the holding flange 22 by means of the pressing ring 35 .
  • the profile ring 40 shown below is thereby clamped between the pressing ring 35 and the projections 25 of the retaining flange 22
  • the profile ring 40 shown above is clamped between the retaining flange 22 and the collar 36 .
  • the projections 25 of the retaining flange 22 engage in the depressions 32 of the compression ring 35 .
  • the side surfaces 21 of the projections 25 and the side surfaces 31 of the depressions 32 ensure a form fit which prevents the ultrasonic converter 20 from twisting in relation to the converter holder 30 .
  • the dimensions and the material of the profile rings 40 are selected in such a way that this form fit is not impeded or only impeded to an insignificant extent.
  • An ultrasonic welding device 70 is shown schematically in FIG. This has an ultrasonic oscillating unit 50 which, in addition to the converter unit 10 , contains a sonotrode 60 which is vibrationally coupled to the ultrasonic converter 20 and has a welding surface 61 . Furthermore, the ultrasonic welding device 70 has a generator 82 with which the ultrasonic converter 20 can be excited to oscillate. In this way, ultrasonic vibrations generated by the ultrasonic converter 20 can be introduced into the sonotrode 60 .
  • the ultrasonic welding device 70 also includes an anvil 80 a counter surface 81 . For the ultrasonic welding of a workpiece (not shown here), this can be positioned between the welding surface 61 and the mating surface 81 .

Abstract

Offenbart ist eine Konvertereinheit (10), enthaltend einen in einer Längsrichtung (L) zu Schwingungen anregbaren Ultraschallkonverter (20) und eine den Ultraschallkonverter (20) lagernden Konverterhalterung (30). Der Ultraschallkonverter (20) weist mindestens eine erste Formschlussfläche (21) auf. Die Konverterhalterung (30) weist mindestens eine zweite Formschlussfläche (31) auf. Die erste Formschlussfläche (21) und die zweite Formschlussfläche (31) sind derart angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass der Ultraschallkonverter (20) in Richtung der Längsrichtung (L) in der Konverterhalterung (30) gelagert ist. Die erste Formschlussfläche (21) und die zweite Formschlussfläche (31) sind derart angeordnet und aufeinander abgestimmt, dass sie einen Formschluss bilden, mittels dessen eine Drehung des Ultraschallkonverters (20) relativ zur Konverterhalterung (30) um die Längsrichtung (L) verhinderbar ist.

Description

Konvertereinheit , Ultraschallschwingeinheit und Ultraschallbearbeitungsvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betri f ft Konvertereinheiten mit einem Ultraschallkonverter, Ultraschallschwingeinheiten und Ultraschallbearbeitungsvorrichtungen . Derartige Ultraschallkonverter wandeln elektrische Schwingungen mit Frequenzen im Ultraschallbereich in mechanische Ultraschallschwingungen um, die dann beispielsweise zum Ultraschallschweissen eingesetzt werden können .
Eine gattungsgemässe Konvertereinheit ist aus dem Dokument WO 2019/ 101666 bekannt . Of fenbart ist dort ein Ultraschalkonverter, der in einer Längsrichtung zu Schwingungen anregbar ist und im Bereich eines Schwingungsminimums einen Halteflansch aufweist . Beidseitig bezüglich der Längsrichtung ist der Halteflansch über elastische O-Ringe in einem Konvertergehäuse gelagert . Auf diese Weise werden die Auskopplung von Schwingungen und somit ein Energieverlust verhindert .
Diese aus dem Stand der Technik bekannte Konvertereinheit weist j edoch auch eine Reihe von Nachteilen auf . Denn während die Position des Ultraschallkonverters entlang der Längsrichtung durch den Halteflansch und die O-Ringe einigermassen festgelegt ist , ist die Ausrichtung bezüglich der Längsrichtung ( also der Winkel , um den der Ultraschallkonverter um die Längsrichtung verdreht ist ) nur unter grossem Aufwand präzise einzustellen . Selbst wenn der Konverter korrekt ausgerichtet ist , sorgt die axiale Einklemmung zwar auf Grund eines Reibschlusses für eine gewisse Verdrehsicherung . Im Falle grosser Beanspruchungen kann dennoch eine Verdrehung stattfinden . Eine solche Verdrehung ist insbesondere dann zu vermeiden, wenn eine nicht zylindersymmetrische , ebene Schweiss fläche möglichst präzise zu einer gegen- überliegenden Gegenfläche eines Ambosses ausgerichtet werden muss .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Konvertereinheiten, Ultraschallschwingeinheiten und Ultraschallbearbeitungsvorrichtungen derart weiterzuentwickeln, dass die genannten Nachteile überwunden werden . Insbesondere soll also eine möglichst präzise und stabile Sicherung einer Konvertereinheit gegenüber einer Verdrehung um die Längsrichtung erreicht werden .
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird dies erreicht durch eine Konvertereinheit , die einen in einer Längsrichtung zu Schwingungen anregbaren Ultraschallkonverter und eine den Ultraschallkonverter lagernde Konverterhalterung enthält . Der Ultraschallkonverter weist mindestens eine erste Formschlussfläche auf , und die Konverterhalterung weist mindestens eine zweite Formschluss fläche auf . Diese beiden Flächen sind derart angeordnet und aufeinander abgestimmt , dass der Ultraschallkonverter in Richtung der Längsrichtung in der Konverterhalterung gelagert ist . Insbesondere kann hierdurch die Position des Ultraschallkonverters entlang der Längsrichtung festgelegt werden .
Die Konverterhalterung kann einteilig und mehrteilig sein, so dass der Ultraschallkonverter im zweiten Fall zwischen mehreren Teilen der Konverterhalterung einklemmbar ist . Die zweiten Formschluss flächen können an einem, an mehreren oder an allen Teilen der Konverterhalterung angeordnet sein .
Erfindungsgemäss sind die erste Formschluss fläche und die zweite Formschluss fläche auch derart angeordnet und aufeinander abgestimmt , dass sie einen Formschluss bilden, mittels dessen eine Drehung des Ultraschallkonverters relativ zur Konverterhalterung um die Längsrichtung verhinderbar ist . Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten ausschliesslichen Reibschluss wird in der Erfindung also auch ein Formschluss eingesetzt . Dieser erlaubt eine präzise und stabile Verdrehsicherung, die auch bei höheren Beanspruchungen die Winkellage des Ultraschallkonverters festlegt .
Grundsätzlich ist es möglich, dass der Formschluss durch direkten Kontakt zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche erzielt wird . Bevorzugt ist es j edoch, wenn der Formschluss indirekt über ein zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche angeordnetes elastisches Element erreicht wird, beispielsweise durch ein nachfolgend beschriebenes elastisches Element , insbesondere einen elastischen Profilring . Hierzu kann die erste Formschlussfläche von der zweiten Formschluss fläche in Umfangsrichtung be- abstandet sein, um eine Kraftübertragung und damit einen Formschluss zu gewährleisten und eine Zerstörung des elastischen Elementes aufgrund eines zu grossen Knicken zu vermeiden .
Vorteilhafterweise ist die erste Formschluss fläche im Bereich eines Schwingungsminimums des Ultraschallkonverters angeordnet . Dies bewirkt , dass nur ein geringer Anteil der vom Ultraschallkonverter erzeugten mechanischen Schwingungen auf die Konverterhalterung übertragen wird, wodurch auch der Energieverlust gering gehalten wird .
Zweckmässig ist es weiterhin, wenn der Ultraschallkonverter einen Halteflansch aufweist , an dem mindestens eine der ersten Formschluss flächen gebildet ist , insbesondere mindestens zwei bezüglich der Längsrichtung gegenüberliegende erste Formschluss flächen . Diese Anordnung sorgt für eine präzise und stabile Festlegung der Position des Ultraschallkonverters entlang der Längsrichtung . Als vorteilhaft erweist es sich zudem, wenn mindestens eine der ersten Formschluss flächen durch eine Seitenfläche mindestens eines in radialer Richtung vom Ultraschallkonverter hervorstehenden Vorsprungs gebildet ist und mindestens eine der zweiten Formschluss flächen durch eine Seitenfläche mindestens einer in Richtung der Längsrichtung in der Konverterhalterung gebildeten und zum Vorsprung komplementären Vertiefung gebildet ist . Diese Ausgestaltung ist baulich einfach zu realisieren und sorgt für einen präzisen und stabilen Formschluss .
Alternativ dazu können sich der Vorsprung und die Vertiefung beide in Längsrichtung oder beide in radialer Richtung erstrecken, oder der Vorsprung kann sich in radialer Richtung erstrecken und die Vertiefung in Längsrichtung, sofern j eweils die Seitenflächen von Vorsprung und Vertiefung nicht senkrecht zur Längsrichtung verlaufen .
Bevorzugt sind mehrere Vorsprünge und/oder mehrere Vertiefungen vorhanden . Diese können vorteilhafterweise in Umfangsrichtung gleichmässig verteilt angeordnet sein . Denn hierdurch kann der Ultraschallkonverter wahlweise in einer von mehreren definierten Winkellagen relativ zur Konverterhalterung montiert werden .
Um die Auskopplung von Ultraschallschwingungen noch weiter zu reduzieren, ist bevorzugt vorgesehen, dass zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche ein elastischer Ring eingeklemmt ist , der die Längsrichtung umschliesst und mittels dessen der Ultraschallkonverter schwingungsmässig von der Konverterhalterung entkoppelt ist .
Im nicht montierten Zustand ( also wenn er nicht zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche eingeklemmt ist ) kann der elastische Ring als Profilring ausgebildet sein, also bezüglich einer Längsrichtung zylindersymmetrisch ausgebildet sein und damit einen entlang einer Umfangs- richtung und senkrecht zu dieser Umfangsrichtung konstanten Querschnitt aufweisen . Durch das Einklemmen des elastischen Rings zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche wird er deformiert , ohne dass j edoch der durch die Geometrien der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschluss fläche erzeugte Formschluss aufgehoben wird .
Als besonders zweckmässig hat es sich erwiesen, wenn der elastische Ring in einer die Längsrichtung enthaltenden Schnittebene ein im Wesentlichen X- förmiges Profil aufweist , das durch einen mittleren Bereich und vier sich davon erstreckende Fortsätze gebildet ist . Diese Geometrie bezieht sich wiederum auf den nicht montierten elastischen Ring, die sich im montierten Zustand verändern kann . Ein solches X- förmiges Profil sorgt dafür, dass die Position des Ultraschallkonverters auch in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung präzise und stabil festgelegt ist .
Mit besonderem Vorzug erstrecken sich die Fortsätze unter einem Winkel zur Längsrichtung, der im Bereich von 30 ° bis 60 ° liegt . Dies ermöglicht eine noch präzisere und stabilere Positionierung des Ultraschallkonverters in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung .
Um die Montage noch weiter zu vereinfachen, kann die Konverterhalterung ein Konvertergehäuse und ein Presselement enthalten, welches in das Konvertergehäuse eingepresst ist und welches mindestens eine der zweiten Formschluss flächen aufweist . Durch Einpressen dieses Presselements kann der elastische Ring zwischen der ersten Formschluss fläche und der zweiten Formschlussfläche des Presselementes eingeklemmt werden . Das Presselement kann beispielsweise im Wesentlichen ringförmig ausgebildet sein . Unter „im Wesentlichen ringförmig" wird dabei verstanden, dass das Presselement abgesehen von den den Formschluss bilden- den Bereichen (beispielsweise Vorsprüngen oder Vertiefungen) ringförmig ist .
Nochmals vereinfacht wird die Montage , wenn das Konvertergehäuse einen nach innen gerichteten Kragen aufweist , welcher bezüglich der Längsrichtung gegenüber vom Presselement angeordnet ist und welcher mindestens eine weitere der zweiten Formschluss flächen aufweist . Somit entsteht eine bezüglich der Längsrichtung beidseitige Einklemmung .
Vorzugsweise ist der Ultraschallkonverter lösbar in der Konverterhalterung gelagert . Insbesondere wird der Ultraschallkonverter nicht in der Konverterhalterung verklebt . Die Lagerung kann beispielsweise dadurch gelöst werden, dass der genannte Pressring entfernt wird . Eine lösbare Lagerung hat den positiven Effekt , dass ein Ultraschallkonverter vergleichsweise einfach ausgetauscht werden kann, ohne dass die Konverterhalterung ebenfalls ausgetauscht werden muss .
In einem weiteren Aspekt betri f ft die Erfindung auch eine Ultraschallschwingeinheit , die eine wie oben beschriebene Konvertereinheit sowie einen mit dem Ultraschallkonverter schwingungsmässig gekoppelten Resonator enthält . Unter einem Resonator wird dabei ein Bauteil verstanden, welches bei einer vom Ultraschallkonverter erzeugten Ultraschall frequenz zu Resonanzschwingungen angeregt wird . Insbesondere kann es sich bei dem Resonator um eine mit dem Ultraschallkonverter schwingungsmässig gekoppelte Sonotrode handeln, mit der beispielsweise Werkstücke miteinander verschweisst werden können . Alternativ dazu könnte ein Resonator auch auf an sich bekannte Weise zum Anregen eines Siebes eingesetzt werden, so dass ein ultraschallunterstütztes Sieben ermöglicht wird . In weiteren Anwendungen kann der Resonator zum Schneiden oder Reinigen eingesetzt werden . In einem dritten Aspekt betri f ft die Erfindung eine Ultraschallbearbeitungsvorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstücks . Sie enthält eine wie oben beschriebene Ultraschallschwingeinheit , wobei die Sonotrode der Ultraschallschwingeinheit eine Bearbeitungs fläche zum Bearbeiten eines Werkstücks aufweist .
In der bereits erwähnten Anwendung kann die Ultraschallbearbeitungsvorrichtung als Ultraschallschweissvorrichtung zum Schweissen von Werkstücken ausgebildet sein . Sie enthält dann eine wie oben beschriebene Ultraschallschwingeinheit , wobei die Sonotrode eine Schweiss fläche aufweist , sowie mindestens einen Amboss mit einer Gegenfläche . Dabei sind die Sonotrode und der Amboss derart ausgebildet und angeordnet oder anordenbar, um mindestens ein zwischen der Schweiss fläche und der Gegenfläche auf genommenes Werkstück zu Schweissen .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Aus führungsbeispiels erläutert , das in den Zeichnungen dargestellt ist . Dabei zeigen
Figur 1 : eine erfindungsgemässe Konvertereinheit in einer perspektivischen Ansicht ;
Figur 2 : die Konvertereinheit gemäss Figur 1 in einer perspektivischen Explosionsdarstellung;
Figur 3 : einen Ultraschallkonverter der Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht ;
Figur 4 : einen Pressring der Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer perspektivischen Ansicht ;
Figur 5 : einen elastischen Ring der Konvertereinheit gemäss
Figuren 1 und 2 in einer seitlichen Schnittansicht ; Figur 6a : die Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer ersten Seitenansicht ;
Figur 6b : die Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer ersten seitlichen Schnittansicht ;
Figur 6c : ein Detail der in Figur 6b gezeigten Ansicht ;
Figur 7a : die Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer zweiten Seitenansicht ;
Figur 7b : die Konvertereinheit gemäss Figuren 1 und 2 in einer zweiten seitlichen Schnittansicht ;
Figur 7c : ein Detail der in Figur 7b gezeigten Ansicht ;
Figur 8 : eine erfindungsgemässe Ultraschallschweissvorrichtung in einer seitlichen Schnittansicht .
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemässe Konvertereinheit 10 . Diese enthält eine Konverterhalterung 30 mit einem Konvertergehäuse 34 sowie einen hier nur teilweise erkennbaren Ultraschallkonverter 20 .
Die Explosionsdarstellung in Figur 2 zeigt die wesentlichen Bestandteile der Konvertereinheit 10 . Innerhalb des Konvertergehäuses 34 ist ein Ultraschallkonverter 20 angeordnet , der in einer Längsrichtung L zu Ultraschallschwingungen angeregt werden kann . Der Ultraschallkonverter 20 verfügt über einen Halteflansch 22 , der im Bereich eines Schwingungsminimums M angeordnet ist . Am Halteflansch 22 befinden sich in Umfangsrichtung gleichmässig verteilte , in radialer Richtung erstreckende Vorsprünge 25 mit ersten Formschluss flächen 21 . Die Konverterhalterung 30 enthält weiterhin einen Pressring 35 mit zweiten Formschluss flächen 31 . Bezüglich der Längsrichtung L ist beidseits der Vorsprünge 25 des Halteflansches 22 j eweils ein elas- tischer Ring 40 angeordnet . Die Ringe 40 sind hier in einem deformierten Zustand dargestellt , wenn sie wie nachfolgend erläutert eingeklemmt sind . Im nicht deformierten Zustand haben sie eine Profil form, weshalb sie auch als Profilringe 40 bezeichnet werden .
Figur 3 zeigt den Ultraschallkonverter 20 im Detail . Die Seitenflächen der Vorsprünge 25 bilden erste Formschluss flächen 21 .
Der detaillierten Ansicht in Figur 4 ist zu entnehmen, dass der Pressring 35 über vier um die Umfangsrichtung gleichmässig verteilte Vorsprünge verfügt , die sich in der Längsrichtung L erstrecken . Die Vorsprünge 38 definieren dazwischen liegende Vertiefungen 32 mit Seitenflächen 31 , die zweite Formschluss flächen aufweisen .
Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines der noch nicht eingeklemmten Profilringe 40 in einer Ebene , die die Längsrichtung L enthält . Das Profil ist X- förmig und enthält einen mittleren Bereich 41 und vier sich davon unter einem Winkel a von etwa 45 ° zur Längsrichtung L erstreckende Fortsätze 42 . Die Profilringe 40 können beispielsweise aus Naturkautschuk bestehen .
Die Figuren 6a und 6b zeigen die komplett montierte Konvertereinheit 10 in einer ersten Seitenansicht und einer ersten seitlichen Schnittansicht . Wie sich hieraus ergibt , grei fen die Vorsprünge 38 des Pressrings 35 in zwischen Vorsprüngen 25 des Halteflansches 22 gebildete Aussparungen ein . Die Vorsprünge 38 drücken den unteren Profilring 40 in Richtung des oben dargestellten Profilrings 40 ( siehe Figur 6b ) . Der oben dargestellte Profil fing 40 liegt an einem Kragen 36 an, welcher von der Innenseite des Konvertergehäuses 34 hervorsteht . Noch deutlicher wird dies in der Detailansicht in Figur 6c . In diesem Aus füh- rungsbeispiel ist die Unterseite des Kragens 36 eben ausgebildet , verfügt also über keine Vorsprünge oder Vertiefungen .
Die Figuren 7a und 7b zeigen eine zweite Seitenansicht , eine zweite seitliche Schnittansicht und eine zweite Detailansicht der Konvertereinheit 10 , die j edoch gegenüber den Ansichten in den Figuren 6a bis 6c um 45 ° verdreht sind . Wie sich hieraus ergibt , wird der Ultraschallkonverter 20 an den Vorsprüngen 25 des Halteflansches 22 mittels des Pressrings 35 in der Längsrichtung L eingeklemmt . Der unten dargestellte Profilring 40 wird dabei zwischen dem Pressring 35 und den Vorsprüngen 25 des Halteflansches 22 eingeklemmt , und der oben dargestellte Pro- fil fing 40 wird zwischen dem Halteflansch 22 und den Kragen 36 eingeklemmt .
Die Vorsprünge 25 des Halteflansches 22 grei fen in die Vertiefungen 32 des Pressringes 35 ein . Die Seitenflächen 21 der Vorsprünge 25 und die Seitenflächen 31 der Vertiefungen 32 sorgen für einen Formschluss , der eine Verdrehung des Ultraschallkonverters 20 gegenüber der Konverterhalterung 30 verhindert . Die Dimensionen und das Material der Profilringe 40 sind so gewählt , dass dieser Formschluss nicht oder nur unwesentlich behindert wird .
In Figur 8 ist schematisch eine erfindungsgemässe Ultraschallschweissvorrichtung 70 gezeigt . Diese weist eine Ultraschallschwingeinheit 50 auf , welche zusätzlich zur Konvertereinheit 10 eine Sonotrode 60 enthält , die mit dem Ultraschallkonverter 20 schwingungsmässig gekoppelt ist und eine Schweiss fläche 61 aufweist . Weiterhin verfügt die Ultraschallschweissvorrichtung 70 über einen Generator 82 , mit dem der Ultraschallkonverter 20 zu Schwingungen anregbar ist . Auf diese Weise können vom Ultraschallkonverter 20 erzeugte Ultraschallschwingungen in die Sonotrode 60 eingeleitet werden . Die Ultraschallschweissvorrichtung 70 enthält weiterhin einen Amboss 80 mit einer Gegenfläche 81 . Zum Ultraschallschweissen eines hier nicht dargestellten Werkstücks kann dieses zwischen der Schweiss fläche 61 und der Gegenfläche 81 positioniert werden .

Claims

Patentansprüche
1. Konvertereinheit (10) , enthaltend einen in einer Längsrichtung (L) zu Schwingungen anregbaren Ultraschallkonverter (20) und eine den Ultraschallkonverter (20) lagernden Konverterhalterung (30) , wobei der Ultraschallkonverter (20) mindestens eine erste Formschlussfläche (21) aufweist und die Konverterhalterung (30) mindestens eine zweite Formschlussfläche (31) aufweist, wobei die erste Formschlussfläche (21) und die zweite Formschlussfläche (31) derart angeordnet und aufeinander abgestimmt sind, dass der Ultraschallkonverter (20) in Richtung der Längsrichtung (L) in der Konverterhalterung (30) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Formschlussfläche (21) und die zweite Formschlussfläche (31) derart angeordnet und aufeinander abgestimmt sind, dass sie einen Formschluss bilden, mittels dessen eine Drehung des Ultraschallkonverters (20) relativ zur Konverterhalterung (30) um die Längsrichtung (L) verhinderbar ist.
2. Konvertereinheit (10) gemäss Anspruch 1, wobei die erste Formschlussfläche (21) im Bereich eines Schwingungsminimums (M) des Ultraschallkonverters (20) angeordnet ist.
3. Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallkonverter (20) einen Halteflansch (22) enthält, an dem mindestens eine der ersten Formschlussflächen (21) gebildet ist, insbesondere mindestens zwei bezüglich der Längsrichtung (L) gegenüberliegende erste Formschlussflächen (21) . Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der ersten Formschlussflächen durch eine Seitenfläche (21) mindestens eines in radialer Richtung vom Ultraschallkonverter (20) hervorstehenden Vorsprungs (25) gebildet ist und mindestens eine der zweiten Formschlussflächen durch eine Seitenfläche (31) mindestens einer in Längsrichtung (L) in der Konverterhalterung (30) gebildeten und zum Vorsprung (25) komplementäre Vertiefung (32) gebildet ist. Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der ersten Formschlussfläche (21) und der zweiten Formschlussfläche (31) ein elastischer Ring (40) eingeklemmt ist, der die Längsrichtung (L) umschliesst und mittels dessen der Ultraschallkonverter (20) schwingungsmässig von der Konverterhalterung (30) entkoppelt ist . Konvertereinheit (10) gemäss Anspruch 5, wobei der elastische Ring (40) in einer die Längsrichtung (L) enthaltenden Schnittebene ein im Wesentlichen X- förmiges Profil aufweist, das durch einen mittleren Bereich (41) und vier sich davon erstreckende Fortsätze (42) gebildet ist. Konvertereinheit (10) gemäss Anspruch 6, wobei sich die Fortsätze (42) unter einem Winkel (a) zur Längsrichtung (L) erstrecken, der im Bereich von 30° bis 60° liegt. Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Konverterhalterung (30) ein Konvertergehäu- se (34) und ein Presselement (35) enthält, welches in das Konvertergehäuse (34) eingepresst ist und mindestens eine der zweiten Formschlussflächen (31) aufweist. Konvertereinheit (10) gemäss Anspruch 8, wobei das Presselement (35) im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist. Konvertereinheit (10) gemäss einem der Ansprüche 8 und 9, wobei das Konvertergehäuse (34) einen nach innen gerichteten Kragen (36) aufweist, welcher bezüglich der Längsrichtung (L) gegenüber vom Presselement (35) angeordnet ist und welcher mindestens eine weitere der zweiten Formschlussflächen (31) aufweist. Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ultraschallkonverter (20) lösbar in der Konverterhalterung (30) gelagert ist. Ultraschallschwingeinheit (50) , enthaltend eine Konvertereinheit (10) gemäss einem der vorangehenden Ansprüche und einen mit dem Ultraschallkonverter (20) der Konvertereinheit (10) schwingungsmässig gekoppelten Resonator (60) , insbesondere eine mit dem Ultraschallkonverter (20) schwingungsmässig gekoppelte Sonotrode (60) . Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (70) zum Bearbeiten eines Werkstücks, enthaltend eine Ultraschallschwingeinheit (50) gemäss Anspruch 12, wobei die Sonotrode (60) der Ultraschallschwingeinheit (50) eine Bearbeitungsfläche (61) zum Bearbeiten eines Werkstücks aufweist. Ultraschallbearbeitungsvorrichtung (70) gemäss Anspruch 13, wobei die Ultraschallbearbeitungsvorrich- 15 tung (70) als Ultraschallschweissvorrichtung (70) zum Schweissen von Werkstücken ausgebildet ist, enthaltend
- eine Ultraschallschwingeinheit (60) gemäss Anspruch 12, wobei die Sonotrode (60) eine Schweissflä- ehe (61) aufweist, sowie
- mindestens einen Amboss (80) mit einer Gegenfläche (81) , wobei die Sonotrode (70) und der Amboss (80) derart ausgebildet und angeordnet oder anordenbar sind, um mindestens ein zwischen der Schweissfläche (61) und der Gegenfläche (81) auf genommenes Werkstück zu Schweissen.
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