DE102022126738A1 - Ultrasonic transducer, device with and use of an ultrasonic transducer and corresponding methods - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallschwinger (1; 101; 201) zum Erzeugen von hochfrequenten Schwingungen, wobei der Ultraschallschwinger (1; 101; 201) einstückig und plattenförmig mit einer Dicke (D) in Dickenrichtung (DR), einer Länge (L) in Längenrichtung (LR) und einer Breite (B) in Breitenrichtung (BR) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass seine Dicke (D) m*λ/2, mit m als einer natürlichen ungeraden Zahl, und seine Länge (L) n*λ/2, mit n als einer natürlichen Zahl größer oder gleich 2, beträgt, wobei der Ultraschallschwinger (1; 101; 201) durch Einleitung von hochfrequenten mechanischen Schwingungen zu einer oder mehreren, dann sich in Längenrichtung (LR) des Ultraschallschwingers (1; 101; 201) hintereinander anschließenden Dickenschwingungen mit in Längenrichtung (LR) gemessener Wellenlänge λ und mit zudem über die Länge (L) des Ultraschallwandlers (1; 101; 201) gesehen im Wesentlichen in Breitenrichtung (BR) konstanten Schwingungsamplituden anregbar ist. Auch betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Ultraschallschwingers. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem solchen Ultraschallschwinger sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.The invention relates to an ultrasonic oscillator (1; 101; 201) for generating high-frequency oscillations, wherein the ultrasonic oscillator (1; 101; 201) is formed in one piece and in the form of a plate with a thickness (D) in the thickness direction (DR), a length (L) in the length direction (LR) and a width (B) in the width direction (BR), characterized in that its thickness (D) is m*λ/2, with m being a natural odd number, and its length (L) is n*λ/2, with n being a natural number greater than or equal to 2, wherein the ultrasonic oscillator (1; 101; 201) is adapted to generate one or more thickness oscillations, which then follow one another in the length direction (LR) of the ultrasonic oscillator (1; 101; 201), by introducing high-frequency mechanical oscillations, with a wavelength λ measured in the length direction (LR) and with a wavelength λ measured over the length (L) of the Ultrasonic transducer (1; 101; 201) can be excited to vibration amplitudes that are essentially constant in the width direction (BR). The invention also relates to a use of such an ultrasonic oscillator. In addition, the invention relates to a device with such an ultrasonic oscillator and a method for operating such a device.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallschwinger zum Erzeugen von hochfrequenten Schwingungen, wobei der Ultraschallschwinger einstückig und plattenförmig mit einer Dicke in Dickenrichtung, einer Länge in Längenrichtung und einer Breite in Breitenrichtung ausgebildet ist. Gleichfalls betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem solchen Ultraschallschwinger sowie dessen Verwendung und entsprechende Verfahren.The present invention relates to an ultrasonic oscillator for generating high-frequency oscillations, wherein the ultrasonic oscillator is formed in one piece and in the shape of a plate with a thickness in the thickness direction, a length in the length direction and a width in the width direction. The invention also relates to a device with such an ultrasonic oscillator and its use and corresponding methods.
Bisher sind plattenförmige Ultraschallschwinger vornehmlich für den Einsatz in Reinigungsvorrichtungen bekannt. Hierbei wird ein plattenförmiger Ultraschallschwinger vertikal in ein Reinigungsbad eingetaucht, wobei an dessen flächiger Rückseite, abgewandt vom Reinigungsbad, eine Vielzahl von Ultraschallkonvertern angebracht ist. Diese versetzen den Ultraschallschwinger in nicht-harmonische Schwingungen, die auf das Wasser übertragen werden. Durch den somit permanent erzeugten Über- und Unterdruck im Wasser entstehen sehr kleine Luftbläschen, die auf ein Vielfaches ihres ursprünglichen Durchmessers anschwellen, bis sie platzen und Energie freisetzen, die beispielsweise Schmutz von Oberflächen beseitigt.To date, plate-shaped ultrasonic oscillators have been known primarily for use in cleaning devices. A plate-shaped ultrasonic oscillator is immersed vertically in a cleaning bath, with a large number of ultrasonic converters attached to its flat back, facing away from the cleaning bath. These cause the ultrasonic oscillator to vibrate in a non-harmonic manner, which is transferred to the water. The resulting permanent overpressure and underpressure in the water creates very small air bubbles that swell to many times their original diameter until they burst and release energy, which, for example, removes dirt from surfaces.
Die bekannten plattenförmigen Reinigungs-Ultraschallschwinger, die überwiegend mit Oberflächenwellen arbeiten, sind allesamt auf ein Viertel ihrer harmonischen Wellenlänge λ/4 abgestimmt, um die Ankopplung an das Reinigungsmedium, zumeist Wasser oder überwiegend Wasser, zu optimieren. Die Maße von bekannten Ultraschallschwingern sind dabei so gewählt, dass ihre Länge und Breite wesentlich größer sind als ihre Dicke.The well-known plate-shaped ultrasonic cleaning transducers, which mainly work with surface waves, are all tuned to a quarter of their harmonic wavelength λ/4 in order to optimize the coupling to the cleaning medium, usually water or predominantly water. The dimensions of well-known ultrasonic transducers are chosen so that their length and width are significantly larger than their thickness.
Die bekannten Ultraschallschwinger sind jedoch aufgrund ihres Aufbaus nur sehr eingeschränkt einsetzbar.However, the known ultrasonic transducers can only be used to a very limited extent due to their design.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen plattenförmigen Ultraschallschwinger zur Verfügung zu stellen, mit dem sich neue Anwendungsgebiete erschließen lassen. Auch werden entsprechende Vorrichtungen mit einem solchen Ultraschallschwinger, Verwendungen und Verfahren angestrebt.The object of the present invention is to provide a plate-shaped ultrasonic oscillator with which new areas of application can be opened up. Corresponding devices with such an ultrasonic oscillator, uses and methods are also sought.
Die Aufgabe wird durch einen Ultraschallschwinger mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Gleichfalls lösen die Merkmale der anderen unabhängigen Ansprüche die gestellte Aufgabe.The problem is solved by an ultrasonic oscillator having the features of the independent patent claims. The features of the other independent claims also solve the problem.
Vorgeschlagen wird ein Ultraschallschwinger, dessen Dicke des Ultraschallschwingers m*λ,/2, mit m als einer natürlichen ungeraden Zahl, beträgt und dessen Länge n*λ,/2, mit n als einer natürlichen Zahl ≥ 2, beträgt. Bei entsprechender Anregung von außen mittels eines Ultraschallkonverters, der hochfrequente mechanische Schwingungen in den Ultraschallschwinger einleitet, schwingt der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger in Form von einer Dickenschwingung oder mehreren sich in Längenrichtung des Ultraschallschwingers hintereinander anschließenden Dickenschwingungen, wobei die Dickenschwingungen in Längenrichtung des Ultraschallschwingers gemessen die Wellenlänge λ aufweisen. Insbesondere zeichnet sich der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger dadurch aus, dass über seine Länge gesehen die Schwingungsamplituden in Breitenrichtung im Wesentlichen konstant sind. Es ergibt sich somit eine sich über die Breite des Ultraschallschwingers erstreckende Welle mit in Breitenrichtung konstanter Schwingungsamplitude, die sich sinusförmig in Längenrichtung erstreckt und die sich durch ein Ausdehnen und Kontrahieren in der lokalen Dicke des Ultraschallschwingers kennzeichnet.An ultrasonic oscillator is proposed, the thickness of the ultrasonic oscillator being m*λ,/2, with m being a natural odd number, and the length being n*λ,/2, with n being a natural number ≥ 2. When excited from the outside using an ultrasonic converter that introduces high-frequency mechanical oscillations into the ultrasonic oscillator, the ultrasonic oscillator according to the invention oscillates in the form of a thickness oscillation or several thickness oscillations that follow one another in the length direction of the ultrasonic oscillator, the thickness oscillations measured in the length direction of the ultrasonic oscillator having the wavelength λ. In particular, the ultrasonic oscillator according to the invention is characterized in that the oscillation amplitudes in the width direction are essentially constant over its length. This results in a wave that extends across the width of the ultrasonic oscillator and has a constant oscillation amplitude in the width direction, which extends sinusoidally in the length direction and is characterized by an expansion and contraction in the local thickness of the ultrasonic oscillator.
Mit anderen Worten wechseln sich - entlang einer Linie in Breitenrichtung des Ultraschallschwingers - nicht Wellenberge und Wellentäler ab, sondern entlang der besagten Linie findet sich im Wesentlichen eine gemeinsame Wellenfront. Hierdurch lässt sich ein gleichmäßigerer Energieübertrag mit einer höheren Amplitude auf beispielsweise zu bearbeitende Medien erzielen, die beispielsweise in Längenrichtung des Ultraschallschwingers an dem Ultraschallschwinger vorbeigeführt werden.In other words, there is no alternating wave crests and troughs along a line in the width direction of the ultrasonic oscillator, but rather a common wave front is found along the said line. This allows a more even energy transfer with a higher amplitude to be achieved, for example to media to be processed, which are guided past the ultrasonic oscillator in the length direction of the ultrasonic oscillator.
Die vorliegende Erfindung schlägt somit erstmals vor, einen plattenförmigen Ultraschallschwinger in zumindest Dicke und Länge auf eine Wellenlänge abzustimmen, bei der dieser sinusförmig in Form von Dickenschwingungen schwingt, wobei ein oder mehrere (dann in Längenrichtung aufeinander folgenden) Dickenschwingungen auftreten. Auf diese Weise lassen sich überraschenderweise hohe Energien aus dem Ultraschallschwinger ausleiten, die eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.The present invention therefore proposes for the first time to tune a plate-shaped ultrasonic oscillator in at least its thickness and length to a wavelength at which it oscillates sinusoidally in the form of thickness oscillations, with one or more thickness oscillations occurring (which then follow one another in the direction of length). In this way, surprisingly high energies can be derived from the ultrasonic oscillator, which opens up a multitude of new application possibilities.
Unter dem Begriff „einstückig“ wird vorliegend eine zusammenhängende Einheit verstanden, die insbesondere nicht erst durch stoffschlüssiges Verbinden von zwei oder mehr Teilen entstanden ist, sondern als ein einziges Stück hergestellt wird, insbesondere durch Fräsen aus einem einzigen Block eines geeigneten Metalls.The term “one-piece” is understood here to mean a coherent unit which, in particular, is not created by the material-locking connection of two or more parts, but is manufactured as a single piece, in particular by milling from a single block of a suitable metal.
Mit Vorteil besitzt der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger eine einheitliche Dicke von λ/2. In diesem Fall entstehen über die Dicke des Ultraschallschwingers keine Knoten, was für viele Anwendungsfälle bevorzugt ist.The ultrasonic oscillator according to the invention advantageously has a uniform thickness of λ/2. In this case, no knots are formed across the thickness of the ultrasonic oscillator, which is preferred for many applications.
Besonders bevorzugt weist der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger eine Breite von n*λ,/4 auf, wobei n eine natürliche Zahl ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Wahl die Dickenschwingungen und die konstanten Schwingungsamplituden in Breitenrichtungen optimiert werden können.Particularly preferably, the ultrasonic oscillator according to the invention has a width of n*λ,/4 , where n is a natural number. It has been found that with such a choice, the thickness vibrations and the constant vibration amplitudes in width directions can be optimized.
Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführungsformen beträgt die Breite des Ultraschallschwingers n*λ,/2, wobei n eine natürliche Zahl und vorzugsweise eine natürliche ungerade Zahl ist. Gemäß einer solchen Ausgestaltung beträgt die Breite des Ultraschallschwingers vorteilhafterweise also 1/2*λ, oder λ oder 3/2*λ, oder 2*λ, oder 5/2*λ, oder 3*λ, usw. und vorzugsweise 3/2*λ, oder 5/2*λ, oder 7/2*λ, oder 9/2*λ, usw. Insbesondere bei einer exakten Einstellung der Breite des Ultraschallschwingers hat es sich gezeigt, dass nahezu reine Longitudinalwellen in Richtung der Längenrichtung bzw. der Längenerstreckung des Ultraschallschwingers entstehen.According to further advantageous embodiments, the width of the ultrasonic oscillator is n*λ,/2, where n is a natural number and preferably a natural odd number. According to such an embodiment, the width of the ultrasonic oscillator is therefore advantageously 1/2*λ, or λ or 3/2*λ, or 2*λ, or 5/2*λ, or 3*λ, etc. and preferably 3/2*λ, or 5/2*λ, or 7/2*λ, or 9/2*λ, etc. In particular, with an exact adjustment of the width of the ultrasonic oscillator, it has been shown that almost pure longitudinal waves are generated in the direction of the length direction or the length extension of the ultrasonic oscillator.
Bei bestimmten Ausführungsformen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Breite des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers mindestens λ beträgt.In certain embodiments, it has proven advantageous that the width of the ultrasonic vibrator according to the invention is at least λ.
Bei bestimmten sich als vorteilhaft erwiesenen Ausführungsformen beträgt die Länge des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers k*λ/2, wobei keine natürliche gerade Zahl größer oder gleich 2 ist. Die Länge beträgt in diesen Fällen demgemäß also λ oder 2*λ, oder 3*λ, usw. Es hat sich bei einer solchen Wahl gezeigt, dass sich sehr gleichförmige Sinuswellen in Richtung der Längenrichtung des Ultraschallschwingers erhalten lassen. Aber auch bei einer Länge von 3/2*λ, 5/2*λ, 7/2*λ, 9/2*λ, wenn also in der Formel n*λ/2 für die Länge des Ultraschallschwingers n eine natürliche ungerade Zahl ist, lässt sich der erfindungsgemäße Effekt, dass nämlich über die Länge des Ultraschallschwingers gesehen im Wesentlichen in Breitenrichtung konstante Schwingungsamplituden zu beobachten sind, erzielen. In beiden Fällen werden die Sinuswellen von sehr geringen bis gar keinen Amplitudenschwankungen in Breitenrichtung überlagert.In certain embodiments which have proven to be advantageous, the length of the ultrasonic oscillator according to the invention is k*λ/2, whereby no natural even number is greater than or equal to 2. The length in these cases is therefore λ or 2*λ, or 3*λ, etc. With such a choice it has been shown that very uniform sine waves can be obtained in the direction of the length of the ultrasonic oscillator. But even with a length of 3/2*λ, 5/2*λ, 7/2*λ, 9/2*λ, i.e. when n is a natural odd number in the formula n*λ/2 for the length of the ultrasonic oscillator, the effect according to the invention can be achieved, namely that essentially constant oscillation amplitudes can be observed in the width direction over the length of the ultrasonic oscillator. In both cases the sine waves are superimposed by very little to no amplitude fluctuations in the width direction.
Der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger ist besonders bevorzugt durchgehend homogen ausgebildet und weist hierbei insbesondere keine Schlitze oder vollständig umschlossene Ausnehmungen auf. Hierdurch wird eine gleichmäßige Schwingungsanregung des Ultraschallschwingers erreicht. Aus dem Stand der Technik sind Plattenschwinger in Form von Schweißsonotroden bekannt, bei denen ausschließlich Longitudinalwellen aus dem Ultraschallschwinger herausgeleitet werden sollen. Transversalwellen sollen durch die vorbekannten Ausnehmungen und/oder Schlitze unterdrückt werden. Es resultieren im Stand der Technik plattenförmige Schweißsonotroden, die als Ganzes plan hin und her schwingen, sich also keine Schwingungen über die Platte selbst aufbauen. Bei der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls Longitudinalwellen erwünscht, wobei aber keine Schlitze oder Ausnehmungen vonnöten sind. Vielmehr bauen sich bei den erfindungsgemäßen Ultraschallschwingern Longitudinalschwingungen auf, die sich über die gesamte Platte erstrecken, ein planes Hin- und Herschwingen des Ultraschallschwingers als Ganzes also nicht auftritt.The ultrasonic oscillator according to the invention is particularly preferably designed to be homogeneous throughout and in particular has no slots or completely enclosed recesses. This achieves a uniform vibration excitation of the ultrasonic oscillator. Plate oscillators in the form of welding sonotrodes are known from the prior art, in which only longitudinal waves are to be conducted out of the ultrasonic oscillator. Transverse waves are to be suppressed by the previously known recesses and/or slots. In the prior art, plate-shaped welding sonotrodes result which oscillate back and forth in a flat manner as a whole, so that no vibrations build up over the plate itself. Longitudinal waves are also desired in the present invention, but no slots or recesses are required. Rather, longitudinal vibrations build up in the ultrasonic oscillators according to the invention which extend over the entire plate, so that a flat back and forth oscillation of the ultrasonic oscillator as a whole does not occur.
Für alle erfindungsgemäßen Ausführungsformen hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, dass die halbe Wellenlänge, also λ/2, im Bereich zwischen 90 und 120 mm liegt. Die Anregungsfrequenz liegt bei solchen Wellenlängen vorzugsweise im Bereich von 19 bis 22 kHz, wobei das Finden der passenden Anregungsfrequenz nicht streng aus der Formel (Frequenz = Lichtgeschwindigkeit / Wellenlänge) berechnet werden kann, sondern experimentell bzw. durch vorherige Simulation zu ermitteln ist. Bei einer kleineren Wellenlänge λ muss eine größere Anregungsfrequenz gewählt werden, um den Ultraschallschwinger in harmonische Schwingungen zu versetzen. Bei λ/2 im Bereich von 80 mm liegt die Anregungsfrequenz beispielsweise bei grob 30 kHz, bei λ/2 im Bereich von 50 mm bei grob 35 kHz.For all embodiments according to the invention, it has been found to be advantageous that half the wavelength, i.e. λ/2, is in the range between 90 and 120 mm. The excitation frequency at such wavelengths is preferably in the range of 19 to 22 kHz, whereby finding the appropriate excitation frequency cannot be calculated strictly from the formula (frequency = speed of light / wavelength), but must be determined experimentally or by prior simulation. With a smaller wavelength λ, a higher excitation frequency must be selected in order to set the ultrasonic oscillator into harmonic oscillations. For λ/2 in the range of 80 mm, for example, the excitation frequency is roughly 30 kHz, and for λ/2 in the range of 50 mm, it is roughly 35 kHz.
Eine vorteilhafte Breite des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers beträgt mindestens 100 mm und vorzugsweise mindestens 500 mm. Größere Breiten sind ohne weiteres möglich, beispielsweise auch solche von mindestens 1000 mm oder 2000 mm oder 3000 mm oder noch breiter. Auch bei diesen sehr großen Breiten ist in entsprechenden Experimenten die Anregung eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers mit hohen Schwingungsamplituden realisiert worden.An advantageous width of the ultrasonic oscillator according to the invention is at least 100 mm and preferably at least 500 mm. Larger widths are easily possible, for example those of at least 1000 mm or 2000 mm or 3000 mm or even wider. Even with these very large widths, the excitation of an ultrasonic oscillator according to the invention with high oscillation amplitudes has been achieved in corresponding experiments.
Die vorteilhaften Längen des erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers liegen ebenfalls im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend Millimetern. Es hat sich für als vorteilhaft erwiesen, wenn bei kleineren Wellenlängen λ die äußeren Maße des Ultraschallschwingers ebenfalls kleiner gewählt werden als bei größeren Wellenlängen λ, um eine optimale Anregung des Ultraschallschwingers zum harmonischen Schwingen in Longitudinalrichtung zu erzeugen.The advantageous lengths of the ultrasonic oscillator according to the invention are also in the range of several hundred to several thousand millimeters. It has proven to be advantageous if, for smaller wavelengths λ, the external dimensions of the ultrasonic oscillator are also selected to be smaller than for larger wavelengths λ in order to generate optimal excitation of the ultrasonic oscillator for harmonic oscillation in the longitudinal direction.
Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen ist der erfindungsgemäße Ultraschallschwinger quaderförmig ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass bei dieser einfachen geometrischen Ausgestaltung Ultraschallschwinger mit harmonischen Longitudinalwellen mit einer in Breitenrichtung konstanten, in Längenrichtung sich sinusförmig erstreckenden Schwingungsamplitude möglich sind, mit denen eine Auskopplung der Energie der Longitudinalwellen aus dem Ultraschallschwinger möglich ist.According to advantageous embodiments, the ultrasonic oscillator according to the invention is cuboid-shaped. It has been shown that with this simple geometric design, ultrasonic oscillators with harmonic longitudinal waves with an oscillation amplitude that is constant in the width direction and sinusoidally extending in the length direction are possible, with which it is possible to couple the energy of the longitudinal waves out of the ultrasonic oscillator.
Gemäß anderer Ausführungsformen ist es vorteilhaft, wenn der einstückig ausgeführte Ultraschallschwinger mindestens einen ersten und einen zweiten Quaderabschnitt umfasst, wobei diese beiden Quaderabschnitte an ihren Breitenseiten aneinander angrenzen und jeweils eine Breite eines Vielfachen von λ/2 besitzen. Diese beiden Quaderabschnitte sind in Breitenrichtung gegeneinander versetzt angeordnet, wodurch der erste Quaderabschnitt auf einer Seite - in Breitenrichtung gesehen - den zweiten Quaderabschnitt um einen Quaderteilabschnitt überragt. Auf der anderen Seite des Ultraschallschwingers - ebenfalls in dessen Breitenrichtung gesehen - sind die Verhältnisse umgekehrt, d.h. der zweite Quaderteilabschnitt überragt den ersten Quaderteilabschnitt. Hierbei weisen die in Breitenrichtung jeweils überstehenden Quaderteilabschnitte eine Breite von λ/4 oder einem ungeraden Vielfachen von λ/4 auf. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei einer solchen Ausgestaltung die Schwingungsberge und Schwingungstäler von in Längenrichtung des Ultraschallschwingers erregten Longitudinalschwingungen des einen Quaderabschnitts - über die Breite des Ultraschallschwingers gesehen - mit den entsprechenden Schwingungsbergen und Schwingungstälern des anderen Quaderabschnitts weitgehend oder vollständig in Deckung gebracht werden können. Es wird also über die Breite des Ultraschallschwingers gesehen eine weitgehend gleichmäßige sinusförmige Wellenfront in dessen Längenrichtung aufgebaut.According to other embodiments, it is advantageous if the one-piece ultrasonic oscillator comprises at least a first and a second cuboid section, wherein these two cuboid sections adjoin one another on their width sides and each have a width that is a multiple of λ/2. These two cuboid sections are offset from one another in the width direction, whereby the first cuboid section on one side - viewed in the width direction - projects one cuboid section beyond the second cuboid section. On the other side of the ultrasonic oscillator - also viewed in its width direction - the situation is reversed, i.e. the second cuboid section projects beyond the first cuboid section. The cuboid sections that project in the width direction each have a width of λ/4 or an odd multiple of λ/4. Surprisingly, it has been found that with such a design, the peaks and valleys of longitudinal vibrations of one cuboid section excited in the length direction of the ultrasonic oscillator - seen across the width of the ultrasonic oscillator - can be largely or completely aligned with the corresponding peaks and valleys of the other cuboid section. A largely uniform sinusoidal wave front is therefore built up in the length direction of the ultrasonic oscillator across its width.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Quaderabschnitte gleich breit, so dass die beiden Quaderteilabschnitte, die den ersten bzw. den zweiten Quaderabschnitt überragen, ebenfalls gleich breit sind. Mit Vorzug beträgt die Breite der beiden Quaderteilabschnitte jeweils λ/4.Preferably, the at least two cuboid sections are of equal width, so that the two cuboid sections that protrude beyond the first and second cuboid sections are also of equal width. Preferably, the width of the two cuboid sections is each λ/4.
Gemäß einer Alternative zu einer in Breitenrichtung versetzten Anordnung der Quaderabschnitte überragt - bei sonst gleicher Ausgestaltung des Ultraschallschwingers - einer der beiden Quaderabschnitte den angrenzenden Quaderabschnitt an seinen beiden Enden in Breitenrichtung um jeweils einen Quaderteilabschnitt. Hierbei weisen die beiden in Breitenrichtung jeweils überstehenden Quaderteilabschnitte der Quaderabschnitte eine Breite von λ/4 oder einem ungeraden Vielfachen von λ/4 auf. Der bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform entstehende Vorteil des über die Breite des Ultraschallschwingers einheitlichen Wellenverlaufs wird auch bei dieser Ausführungsform realisiert.According to an alternative to an offset arrangement of the cuboid sections in the width direction - with the ultrasonic oscillator otherwise being designed the same - one of the two cuboid sections projects beyond the adjacent cuboid section at both ends in the width direction by one cuboid section each. In this case, the two cuboid sections of the cuboid sections projecting in the width direction each have a width of λ/4 or an odd multiple of λ/4. The advantage of the uniform wave path across the width of the ultrasonic oscillator that arises in the previously described embodiment is also realized in this embodiment.
Mit Vorteil beträgt die Länge jedes Quaderabschnitts λ/2 oder ein Vielfaches von λ/2. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine präzise Abstimmung der sich in Längenrichtung des Ultraschallschwingers ausbreitenden Schwingungswellen.The length of each cuboid section is advantageously λ/2 or a multiple of λ/2. This design enables precise tuning of the vibration waves propagating in the length direction of the ultrasonic oscillator.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die mindestens zwei Quaderabschnitte gleich lang sind.Furthermore, it is preferred that the at least two cuboid sections are of equal length.
Gemäß einer Weiterentwicklung der oben ausgeführten Ausführungsformen besteht der Ultraschallschwinger aus mehreren in Längenrichtung hintereinander anschließenden Blockabschnitten, wobei jeder Blockabschnitt jeweils aus mindestens zwei der vorgenannten Quaderabschnitte gebildet ist. Durch diese Maßnahme wird eine größere Arbeitslänge erreicht, beispielsweise bei der Entlangführung von mit dem Ultraschallschwinger zu bearbeitenden Materialbahnen in Längenrichtung des Ultraschallschwingers.According to a further development of the embodiments described above, the ultrasonic oscillator consists of several block sections that are connected one after the other in the length direction, with each block section being formed from at least two of the aforementioned cuboid sections. This measure achieves a greater working length, for example when guiding material webs to be processed with the ultrasonic oscillator along the length direction of the ultrasonic oscillator.
Ein bevorzugtes Material für den erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger ist Aluminium. Der einstückige plattenförmige Ultraschallschwinger ist dann bevorzugt aus einem einzigen Aluminiumblock herausgefräst.A preferred material for the ultrasonic oscillator according to the invention is aluminum. The one-piece plate-shaped ultrasonic oscillator is then preferably milled out of a single aluminum block.
Alternative Materialien für den Ultraschallschwinger sind Stahl, eine Stahllegierung oder Titan. Auch hier wird der Ultraschallschwinger bevorzugt durch Fräsen hergestellt.Alternative materials for the ultrasonic transducer are steel, a steel alloy or titanium. Here too, the ultrasonic transducer is preferably manufactured by milling.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Erzeugen von hochfrequenten Schwingungen mit mindestens einem Ultraschallkonverter sowie einem Ultraschallschwinger, wie er zuvor beschrieben wurde, wobei der Ultraschallschwinger mit dem mindestens einen Ultraschallkonverter verbunden ist. Der Ultraschallkonverter kann insbesondere als elektromechanischer (z.B. piezoelektrischer oder magnetostriktiver) Energiewandler ausgebildet sein. Der Ultraschallschwinger kann dann insbesondere als Ultraschallwerkzeug Verwendung finden. Der Konverter dient dazu, elektrische Wechselspannungen in mechanische Wechseldehnungen zu transformieren und auf diese Weise Strukturschwingungen im mechanisch angekoppelten Ultraschallschwinger anzuregen, der dann seine Schwingungen auf ein mit ihm in Verbindung gebrachtes Werkstück überträgt.The invention also relates to a device for generating high-frequency vibrations with at least one ultrasonic converter and an ultrasonic oscillator, as described above, wherein the ultrasonic oscillator is connected to the at least one ultrasonic converter. The ultrasonic converter can be designed in particular as an electromechanical (e.g. piezoelectric or magnetostrictive) energy converter. The ultrasonic oscillator can then be used in particular as an ultrasonic tool. The converter serves to transform electrical alternating voltages into mechanical alternating strains and in this way to excite structural vibrations in the mechanically coupled ultrasonic oscillator, which then transmits its vibrations to a workpiece connected to it.
Es kann weiterhin mit Vorteil ein sog. Booster zwischen dem Ultraschallkonverter und dem Ultraschallschwinger platziert werden, mit dem eine Amplitudenübersetzung vom Ultraschallkonverter zum Ultraschallschwinger erzielt werden kann. Sowohl Ultraschallkonverter als auch Booster sind vielfältig aus dem Stand der Technik bekannt.It is also advantageous to place a so-called booster between the ultrasonic converter and the ultrasonic oscillator, with which an amplitude translation from the ultrasonic converter to the ultrasonic oscillator can be achieved. Both ultrasonic converters and boosters are widely known from the state of the art.
Mit besonderem Vorteil wird der mindestens eine Ultraschallkonverter von der Ober- oder von der Unterseite an den mindestens einen Ultraschallschwinger angekoppelt. Der Ultraschallkonverter wird hierbei bevorzugt in einem Schwingungsknoten (der nach einer halben Schwingung zum Schwingungsbauch wird) des Ultraschallschwingers angekoppelt, um einen optimalen Energieeintrag zu erreichen.It is particularly advantageous if the at least one ultrasonic converter is coupled to the at least one ultrasonic oscillator from the top or bottom. The ultrasonic converter is preferably connected to a vibration node (which becomes an antinode after half an oscillation) of the ultrasonic oscillator. coupled to achieve optimal energy input.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Ultraschallkonverter mit einem Abstand von λ/4 oder einem Vielfachen von λ/4 zum in Breitenrichtung verlaufenden Breitenrand und auch zum in Längenrichtung verlaufenden Längsrand des Ultraschallschwingers an den Ultraschallkonverter angekoppelt. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Anschlussstelle für den Ultraschallkonverter an den Ultraschallschwinger eine optimale Schwingungsanregung realisieren lässt. Bei einem Abstand von λ/4 vom Breitenrand bzw. einem Vielfachen von λ/4 koppelt der Ultraschallkonverter an einer Stelle des Ultraschallschwingers an, die mit einer maximalen Auslenkungsamplitude schwingt.Preferably, the at least one ultrasonic converter is coupled to the ultrasonic converter at a distance of λ/4 or a multiple of λ/4 from the width edge running in the width direction and also from the length edge of the ultrasonic oscillator running in the length direction. It has been shown that such a connection point for the ultrasonic converter to the ultrasonic oscillator enables optimal vibration excitation. At a distance of λ/4 from the width edge or a multiple of λ/4, the ultrasonic converter couples to a point on the ultrasonic oscillator that oscillates with a maximum deflection amplitude.
Besonders bevorzugt ist zum Zwecke der Anregung der besagten Longitudinalwellen lediglich ein einziger Ultraschallkonverter von der Ober- oder der Unterseite an den Ultraschallschwinger angekoppelt. Eine solche Ausgestaltung steht insbesondere im Gegensatz zu Reinigungsschwingern, bei denen eine Vielzahl von Ultraschallkonvertern an eine Seite des Ultraschallschwingers angekoppelt wird, üblicherweise an der dem Reinigungsbad abgewandten Seite.Particularly preferably, for the purpose of exciting the said longitudinal waves, only a single ultrasonic converter is coupled to the ultrasonic oscillator from the top or bottom. Such a design is in particular in contrast to cleaning oscillators in which a large number of ultrasonic converters are coupled to one side of the ultrasonic oscillator, usually on the side facing away from the cleaning bath.
Gemäß vorteilhafter Ausführungsformen ist der mindestens eine Ultraschallschwinger mit einer Einrichtung gekoppelt, die in Dickenrichtung des Ultraschallschwingers mitschwingt, wobei diese Einrichtung ein Prägewerkzeug, ein Stempel oder ein Erosionswerkzeug sein kann. Durch die mittels der Erfindung zu erreichenden hohen Amplituden sowie die hohe Energieabgabe an ein zu bearbeitendes Werkstück lässt sich eine hohe Effizienz mittels einer derart ausgebildeten Vorrichtung erreichen.According to advantageous embodiments, the at least one ultrasonic oscillator is coupled to a device that oscillates in the thickness direction of the ultrasonic oscillator, wherein this device can be an embossing tool, a stamp or an erosion tool. Due to the high amplitudes that can be achieved by means of the invention and the high energy output to a workpiece to be processed, a high level of efficiency can be achieved by means of a device designed in this way.
Für die Bearbeitung von flächig ausgebildeten Werkstücken wie beispielsweise Materialbahnen ist vorzugsweise der Unter- oder der Oberseite des mindestens einen Ultraschallschwingers eine Transporteinrichtung zugeordnet, die ein Durchführen von mindestens einer Materialbahn durch die Vorrichtung und insbesondere eine Durchführung zwischen Ultraschallschwinger und Transporteinrichtung ermöglicht. Die Transporteinrichtung umfasst vorzugsweise eine oder mehrere aktiv und/oder passiv angetriebene Rollen bzw. Walzen. Gemäß einer Alternative ist eine Abzugseinrichtung stromabwärts des Ultraschallschwingers vorgesehen, wobei der Ober- oder der Unterseite des Ultraschallschwingers eine Gegenplatte zugeordnet ist, um eine oder mehrere Materialbahnen zwischen dem als Arbeitswerkzeug fungierenden Ultraschallschwinger und der Gegenplatte hindurchzuführen.For processing flat workpieces such as material webs, a transport device is preferably assigned to the bottom or top of the at least one ultrasonic oscillator, which enables at least one material web to be passed through the device and in particular between the ultrasonic oscillator and the transport device. The transport device preferably comprises one or more actively and/or passively driven rollers or cylinders. According to an alternative, a removal device is provided downstream of the ultrasonic oscillator, with a counter plate being assigned to the top or bottom of the ultrasonic oscillator in order to pass one or more material webs between the ultrasonic oscillator acting as a working tool and the counter plate.
Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung eines wie vorbeschriebenen Ultraschallschwingers für eine oder in einer wie vorbeschriebenen Vorrichtung.The invention further relates to the use of an ultrasonic vibrator as described above for or in a device as described above.
Gleichfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer wie vorbeschriebenen Vorrichtung, wobei diese zum Verbinden mindestens zweier Materialbahnen, zum Verfestigen, zum Trocknen, zum Prägen oder Glätten mindestens einer Materialbahn, zum Erwärmen, zum Filtern, zum Stofftrennen, zum Klärschlammreinigen und/oder zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie, insbesondere mittels Piezowandlern, eingesetzt wird. The invention also relates to a method for operating a device as described above, which is used for joining at least two material webs, for solidifying, drying, embossing or smoothing at least one material web, for heating, for filtering, for separating materials, for cleaning sewage sludge and/or for converting mechanical energy into electrical energy, in particular by means of piezoelectric transducers.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine sich flächig erstreckende Gesamtbahn aus mehreren Materialbahnen mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung miteinander verbunden werden. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines kontinuierlichen Transports der Gesamtbahn durch die Vorrichtung in Längenrichtung des Ultraschallschwingers. Die Längenrichtung des Ultraschallschwingers entspricht also der Transportrichtung der Gesamtbahn. Beispielsweise wird ein Kleber, flächig oder nur bereichsweise, vorteilhafterweise in einem Muster, auf eine der Materialbahnen aufgebracht, woraufhin die Gesamtbahn zwischen der Unter- oder Oberseite des Ultraschallschwingers und einem pressenden Gegenwerkzeug, insbesondere aktiv oder passiv angetriebenen Rollen bzw. Walzen, hindurchgeführt wird. Bei passiven, dem Ultraschallschwinger gegenüber angeordneten Rollen oder Walzen kann die Gesamtmaterialbahn beispielsweise von stromabwärtigen Abzugsrollen durch die Vorrichtung gezogen werden. Durch den hohen Energieeintrag einschließlich der großen Schwingungsamplitude, die durch den Ultraschallschwinger einkoppelbar sind, wird der Kleber in optimaler Weise geschmolzen und die Materialbahnen durch den Druck zu einer Gesamtbahn miteinander verbunden. Je länger der Ultraschallschwinger (d.h. je länger der Transportweg entlang des Ultraschallschwingers ausgebildet ist), desto größer ist die Arbeitslänge und umso gleichmäßiger und zuverlässiger kann die Verbindung der Materialbahnen erfolgen.A method according to the invention is characterized in that a flatly extending overall web made up of several material webs is connected to one another by means of a device according to the invention. This is preferably done by means of a continuous transport of the overall web through the device in the length direction of the ultrasonic oscillator. The length direction of the ultrasonic oscillator therefore corresponds to the transport direction of the overall web. For example, an adhesive is applied to one of the material webs, either over the entire surface or only in certain areas, advantageously in a pattern, whereupon the overall web is passed between the bottom or top of the ultrasonic oscillator and a pressing counter tool, in particular actively or passively driven rollers or cylinders. In the case of passive rollers or cylinders arranged opposite the ultrasonic oscillator, the overall material web can be pulled through the device by downstream take-off rollers, for example. Due to the high energy input including the large vibration amplitude that can be coupled in by the ultrasonic oscillator, the adhesive is melted in an optimal manner and the material webs are connected to one another by the pressure to form an overall web. The longer the ultrasonic transducer (i.e. the longer the transport path along the ultrasonic transducer), the greater the working length and the more evenly and reliably the material webs can be joined.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous further developments are characterized by the features of the subclaims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert, wobei für Merkmale, die gleich ausgestaltet sind und/oder gleich wirken, dieselben Bezugszeichen verwendet werden. Es zeigen:
-
1a-1c eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers; -
2 eine Vorderansicht des Ultraschallschwingers der1 mit angeschlossenen Ultraschall-Erregungseinrichtungen; -
3a ,3b eine simulierte Dickenschwingung einer zweiten Ausführungsform eines Ultraschallschwingers zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt; -
4a ,4b eine simulierte Dickenschwingung einer dritten Ausführungsform eines Ultraschallschwingers zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt; -
5a-5c eine Draufsicht, eine Seitenansicht und eine Vorderansicht einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers; -
6 eine Vorderansicht des Ultraschallschwingers der5 mit angeschlossenen Ultraschall-Erregungseinrichtungen; -
7a-7d eine Draufsicht, eine Seitenansicht, eine Vorderansicht und eine perspektivische Draufsicht einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers; -
8a ,8b eine simulierte Dickenschwingung einer sechsten Ausführungsform eines Ultraschallschwingers zu einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt; -
9a ,9b eine simulierte Dickenschwingung der sechsten Ausführungsform gemäß der8a ,8b zu zwei Zeitpunkten, dargestellt mit einem angeschlossenen Booster; -
10 eine Draufsicht auf eine siebte Ausführungsform eines Ultraschallschwingers; -
11 eine Draufsicht auf eine achte Ausführungsform eines Ultraschallschwingers; -
12 eine Draufsicht auf eine neunte Ausführungsform eines Ultraschallschwingers; -
13 eine Seitenansicht des Ultraschallschwingers der1 mit unterseitig angeordneten Werkzeugen und stromabwärts angeordneten Abzugsrollen; -
14 eine Seitenansicht des Ultraschallschwingers der7 mit unterseitig angeordneten Transportrollen, und -
15 eine Seitenansicht des Ultraschallschwingers der7 mit unterseitig angeordneter Gegendruckplatte und stromabwärts angeordneten Abzugsrollen.
-
1a-1c a plan view, a side view and a front view of a first embodiment of an ultrasonic vibrator according to the invention; -
2 a front view of the ultrasonic transducer of the1 with connected ultrasonic excitation devices; -
3a ,3b a simulated thickness oscillation of a second embodiment of an ultrasonic oscillator at a first and a second point in time; -
4a ,4b a simulated thickness oscillation of a third embodiment of an ultrasonic oscillator at a first and a second point in time; -
5a-5c a plan view, a side view and a front view of a fourth embodiment of an ultrasonic vibrator according to the invention; -
6 a front view of the ultrasonic transducer of the5 with connected ultrasonic excitation devices; -
7a-7d a plan view, a side view, a front view and a perspective plan view of a fifth embodiment of an ultrasonic vibrator according to the invention; -
8a ,8b a simulated thickness oscillation of a sixth embodiment of an ultrasonic oscillator at a first and a second time; -
9a ,9b a simulated thickness oscillation of the sixth embodiment according to the8a ,8b at two points in time, shown with a connected booster; -
10 a plan view of a seventh embodiment of an ultrasonic vibrator; -
11 a plan view of an eighth embodiment of an ultrasonic vibrator; -
12 a plan view of a ninth embodiment of an ultrasonic vibrator; -
13 a side view of the ultrasonic transducer of the1 with tools arranged underneath and take-off rollers arranged downstream; -
14 a side view of the ultrasonic transducer of the7 with transport rollers arranged underneath, and -
15 a side view of the ultrasonic transducer of the7 with counterpressure plate arranged underneath and take-off rollers arranged downstream.
In den
Der Ultraschallschwinger 1 weist eine Dicke D in Dickenrichtung DR, eine Länge L in Längenrichtung LR und eine Breite B in Breitenrichtung BR auf. Vorliegend beträgt die Dicke D des in der
Alle Maße des Ultraschallschwingers 1 der
Die besagte Wellenlänge λ beträgt vorzugsweise zwischen 180 mm und 240 mm, so dass also λ/2 zwischen 90 und 120 mm liegt. Die Breite B des Ultraschallschwingers beläuft sich vorteilhafterweise auf mindestens 100 mm, vorzugsweise mindestens 500 mm, beispielsweise mindestens 1000 mm oder mindestens 2000 mm.The said wavelength λ is preferably between 180 mm and 240 mm, so that λ/2 is between 90 and 120 mm. The width B of the ultrasonic oscillator is advantageously at least 100 mm, preferably at least 500 mm, for example at least 1000 mm or at least 2000 mm.
Die
Die Anregungsfrequenz wird vorteilhafterweise im Bereich zwischen 19 und 22 kHz gewählt für eine Wellenlänge λ im Bereich von 90 und 120 mm und zwar so, dass sich die erfindungsgemäßen harmonischen Schwingungen einstellen.The excitation frequency is advantageously chosen in the range between 19 and 22 kHz for a wavelength λ in the range of 90 and 120 mm in such a way that the harmonic oscillations according to the invention are established.
Der Booster 14 ist hierbei an der Anschlussstelle 14a am Ultraschallschwinger 1 angekoppelt (s.a.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 50 lediglich einen einzigen Ultraschallkonverter 12, der demgemäß - hier über den Booster 14 - an die Oberseite des Ultraschallschwingers 1, alternativ an dessen Unterseite, angekoppelt ist.Preferably, the
Die erfindungsgemäßen Ultraschallschwinger 1 schwingen in Form von Dickenschwingungen mit über die Länge L des Ultraschallschwingers 1 im Wesentlichen in Breitenrichtung BR konstanten Schwingungsamplituden. Diese Schwingungsmerkmale sind beispielsweise in den
In den
Eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers 1 ist in den
In der
In den
In den
In den
In den
Ein erfindungsgemäßer, vorliegend nicht dargestellter Ultraschallschwinger kann auch nur aus einem Blockabschnitt 8, wie er in
Die achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers 201 gemäß der
Die neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ultraschallschwingers 201 gemäß der
In der
In der
In der
Entsprechend ausgerüstete erfindungsgemäße Vorrichtungen lassen sich insbesondere zum Verbinden mindestens zweier Materialbahnen, zum Verfestigen, zum Trocknen, insbesondere zum Trocknen von Leim oder Kleber, zum Prägen oder Glätten mindestens einer Materialbahn, zum Erwärmen, Filtern, Stofftrennen, zur Auftrennung von chemischen Verbindungen, zum Klärschlammreinigen, zur Klärschlammauftrennung, und zum Umwandeln von mechanischer in elektrische Energie, insbesondere mittels Piezowandlern, einsetzen.Appropriately equipped devices according to the invention can be used in particular for joining at least two material webs, for solidifying, for drying, in particular for drying glue or adhesive, for embossing or smoothing at least one material web, for heating, filtering, separating materials, for separating chemical compounds, for cleaning sewage sludge, for separating sewage sludge, and for converting mechanical into electrical energy, in particular by means of piezo converters.
BezugszeichenReference symbols
- 11
- UltraschallschwingerUltrasonic transducer
- 1a1a
- LängsrandLongitudinal edge
- 1 b1 b
- BreitenrandWidth margin
- 22
- erster Quaderabschnittfirst cuboid section
- 2`2`
- erster Quaderteilabschnittfirst cuboid section
- 2a2a
- BreitseiteBroadside
- 33
- zweiter Quaderabschnittsecond cuboid section
- 3`3`
- zweiter Quaderteilabschnittsecond cuboid section
- 3a3a
- BreitseiteBroadside
- 88th
- BlockabschnittBlock section
- 1010
- SpannungsversorgungPower supply
- 1212
- UltraschallkonverterUltrasonic converter
- 1414
- Boosterbooster
- 14a14a
- Anschlussstelle für den Ultraschallkonverter oder den BoosterConnection point for the ultrasonic converter or booster
- 2020
- TransporteinrichtungTransport facility
- 20a20a
- TransportrollenTransport rollers
- 2222
- GegenplatteCounter plate
- 2424
- AbzugsrollenpaarTake-off roller pair
- 2626
- WerkzeugTool
- 2727
- StempelRubber stamp
- 5050
- Vorrichtungcontraption
- 101101
- UltraschallschwingerUltrasonic transducer
- 201201
- Ultraschallschwinger Ultrasonic transducer
- LL
- Länge des UltraschallschwingersLength of the ultrasonic transducer
- LRLR
- LängenrichtungLength direction
- BB
- Breite des UltraschallschwingersWidth of the ultrasonic transducer
- BRBR
- BreitenrichtungWidth direction
- DD
- Dicke des UltraschallschwingersThickness of the ultrasonic transducer
- DRDR
- DickenrichtungThickness direction
- MM
- MaterialbahnMaterial web
- M1M1
- erste Materialbahnfirst material web
- M2M2
- zweite Materialbahnsecond material web
- GMGM
- GesamtbahnTotal track
- TT
- TransportrichtungTransport direction
Claims (26)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: B23K0020100000 Ipc: B06B0003020000 |
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