DE3635968A1 - Resonator mit gleichmaessiger ausgangsschwingungsamplitude - Google Patents

Resonator mit gleichmaessiger ausgangsschwingungsamplitude

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Description

Die Erfindung betrifft Resonatoren, die auch unter den Bezeichnungen massive Hornvibratoren (solid horns), Konzentratoren, Werkzeuge, mechanische Amplituden­ oder Frequenzwandler (Geschwindigkeitswandler) bekannt sind, die dazu verwendet werden, mechanische Schwin­ gungen im Schall- oder Ultraschallfrequenzbereich von einer Schwingungsquelle auf ein Werkstück zu über­ tragen. Resonatoren dieser Art werden weitgehend in Verbindung mit Ultraschallgeräten verwendet, die zum Verschweißen thermoplastischer Werkstücke, metalli­ scher Werkstücke, Ultraschallbohren, Erzeugen von Emulsionen usw. eingesetzt werden.
Resonatoren der vorbezeichneten Art sind metallische Abschnitte, die so bemessen sind, daß ihre Resonanz­ frequenz bei der halben Wellenlänge liegt, wenn diese Resonatoren mit einer bestimmten Schallfrequenz an­ gesteuert werden, welche in Längsrichtung durch sie von einem Eingangsende bis zu einem entgegengesetzt liegenden Ausgangsende läuft. In Abhängigkeit von den Bedingungen des Einsatzes sind diese Resonatoren meist aus Aluminium oder Titan gefertigt und weniger häufig aus Stahl oder Monel-Metall. Eine ziemlich umfassende Beschreibung der verschiedenen Arten von Resonatoren und ihrer Konstruktion findet sich in dem Buch "Ultrasonic Engineering" von Julian R. Frederick, John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y. (1965), S. 87- 103.
Beim Verschweißen oder Verbinden von übereinander­ liegenden Schichten von Textilmaterial mit Ultraschall­ energie werden sogenannte Stabresonatoren (bar resona­ tors) verwendet. Resonatoren dieser Art weisen einen rechteckigen Querschnitt auf und besitzen fast immer eine Querschnittverengung nahe dem Knotenpunktbereich des Resonators, um am Ausgangsende eine gegenüber dem Eingangsende, an dem die mechanischen Schwingungen wirken, erhöhte Bewegungsamplitude zu erzeugen. Auf diese Weise dient der Resonator, der einem Blatt ähn­ lich sieht, nicht nur zur Übertragung von Schwingungen von einer Quelle an ein Werkstück, sondern auch als mechanischer Verstärker für die Schwingungsamplitude.
Ein normaler blattartiger Resonator ist in der US-PS 31 13 225 "Ultrasonic Vibration Generator" vom 3. Dezember 1963 gezeigt, und die Verwendung eines solchen Resonators in Verbindung mit dem Verschweißen von geschichtetem Textilmaterial durch Ultraschall­ energie ist in der US-PS 37 33 238 vom 15. Mai 1973 "Apparatus for Vibration Welding of Sheet Material" offenbart. Eine ähnliche Ultraschall-Schweißanordnung wird in der US-PS 35 62 041 vom 9. Februar 1971 "Method and Apparatus for the Ultrasonic Joining of Materials According to a Pattern" bekanntgemacht, wobei die Herstellung von Manschetten für Hemden­ ärmel und ähnliche Gegenstände gezeigt werden.
Die Schwierigkeit, die bisher angetroffen wurde, ist, daß die Frontfläche dieser Hörner, die eine Breite zwischen 4 und 8 Zoll (ca. 100-200 mm) oder mehr haben kann, auf ihrer Breite eine ungleichmäßige Schwingungsamplitude zeigt. In den meisten Fällen ergibt sich eine Schwingungsamplitude von der ge­ wünschten Größe im Mittelbereich des Resonators, fällt jedoch erheblich gegen die Seitenkanten hin ab. Beim Verschweißen von plastischem Film und Textil­ materialien ist eine verhältnismäßig hohe Bewegungs­ amplitude erforderlich, normalerweise mit einer Spitzen-Spitzen-Versetzung von 0,003 bis 0,005 Zoll (ca. 0,08 bis 0,13 mm), und da das Ultraschallver­ schweißen, wenn es auf weichem oder biegsamem Material ausgeführt wird, auf den Bereich direkt unterhalb des Resonators beschränkt bleibt, hat ein einwandfreies Verschweißen des Materials unterhalb des Mittelab­ schnittes des Resonators erfolgen, nicht jedoch zu seinen Seitenkanten hin.
Bisher wurden Versuche gemacht, einen rechteckigen Resonator zu konstruieren, besonders einen blattarti­ gen Resonator, der eine im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude auf seiner gesamten Ausgangsfläche zeigt. Einer der frühesten Versuche ergab die Anbrin­ gung von Schlitzen, welche im Knotenpunktbereich des Resonators queren und damit die Poisson-Ankopplung unterbrechen, siehe die oben erwähnte US-PS 31 13 225. Weitere Verbesserungen werden in der US-PS 41 31 505 vom 26. Dezember 1978 "Ultrasonic Horn" und der DE-PS 23 43 605 vom 29. August 1973 bekanntgemacht.
Die US-PS 41 31 505 zeigt die Verwendung einer am Umfang entlang laufenden Nut im unteren (Ausgangs-) Abschnitt des Resonators, wobei das Konzept dieser Nut auch auf feste runde und rechteckige Resonatoren an­ gewandt wird. Die DE-PS 23 43 605 behandelt insbesondere blattförmige Resonatoren und fügt abgestimmte Halb­ wellenresonatoren an den Seitenabschnitt des Resona­ tors hinzu, um im wesentlichen einen gleichförmigen Bewegungs- oder Schwingungsausgang auf der gesamten Ausgangsfläche des Resonators vom Mittelabschnitt bis zu den Kanten zu erzielen. Bei einer angenommenen Frequenz von 20 kHz und einem Material, wie Aluminium, Stahl oder Titan, ist ein Halbwellenresonator ca. 5 1/4 Zoll (ca. 134 mm) lang. Daher weist ein normalerweise bereits sehr schwerer Resonator ein erhebliches Zusatz­ gewicht und eine erhebliche Zusatzhöhe auf, indem zwei zusätzliche Halbwellenresonators "rucksackweise" in der Eingangsfläche des Resonators zugefügt werden, siehe Fig. 4 der DE-PS 23 43 605.
Ein anderer Versuch einen einheitlichen Bewegungs­ oder Schwingungsausgang über die Breite der Ausgangs­ fläche solch eines Hornes zu erzielen, wird in der US-PS 43 15 181 vom 9. Februar 1982 gezeigt. Die Längs­ schlitze sind hier nicht parallel, sondern im Winkel zueinander angeordnet, wie dies auch in der US-PS 31 13 225 angegeben ist. Obwohl dieses Horn den ge­ wünschten gleichmäßigen Bewegungs- oder Schwingungs­ ausgang liefert, weist es den Nachteil einer hohen örtlichen Spannungskonzentration auf und kann daher nicht bei der höchsten Bewegungsamplitude verwendet werden.
Ein weiterer Resonator mit blattähnlicher Formgebung und einer im wesentlichen gleichmäßigen Bewegungs­ amplitude über die gesamte Ausgangsfläche ist in der US-PS 43 63 992 vom 14. Dezember 1982 gezeigt. Bei dieser Konstruktion ist die Eingangsfläche des Hornes mit seitlich angeordneten Wülsten versehen, um die Masse des Resonators an diesen Seitenabschnitten gegenüber dem Mittelabschnitt des Resonators zu er­ höhen. Diese Ausführung war weitgehend befriedigend, ausgenommen der seitlich angeordneten Wülste, die in bestimmten Fällen die Anbringung eines Zwischen­ resonators stören, welcher Schwingungen von der me­ chanischen Schwingungsquelle an die Eingangsfläche des Resonators abgibt. Dies trifft insbesondere zu, wenn der zwischengekoppelte Resonator am Hauptresonator durch Schweißen befestigt werden soll.
Die Erfindung betrifft Resonatoren von vornehmlich einer rechteckigen oder blattähnlichen Form, die im wesentlichen einen gleichmäßigen Bewegungsausgang (Schwingungsamplitude) auf ihrer Ausgangsfläche er­ zeugen. Die Verbesserung wird dadurch erreicht, indem die erforderliche Änderung der Querschnittsfläche zum Erzeugen einer erhöhten Schwingungsamplitude auf der Ausgangsfläche so in Beziehung zum Knotenpunktbereich oder zur Knotenebene des Resonators gesetzt wird, daß die Seitenabschnitte des Resonators einen größeren Verstärkungsgrad der Schwingungsamplitude als der Mittelabschnitt des Resonators aufweisen. Wie in der Technik bekannt ist, wird eine erhöhte Ausgangs­ schwingungsamplitude durch Verringerung der Quer­ schnittsfläche des Resonators erzielt, und eine maxi­ male Verstärkung wird erreicht, wenn diese Verringe­ rung der Querschnittsfläche im wesentlichen im Knoten­ punktbereich des Resonators auftritt, der im wesent­ lichen in der Mitte zwischen der Eingangsfläche und der Ausgangsfläche des Halbwellenresonators liegt. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt beim Resonator die Querschnittsverringerung im wesent­ lichen in der Gegend des Knotenpunktbereiches für die Seitenabschnitte des Resonators, während die Verringe­ rung der Querschnittsfläche des Mittelteils des Reso­ nators auf der Fläche zwischen dem Knotenpunktbereich und der Ausgangsfläche vorgenommen wird. Versuche haben gezeigt, daß durch die richtige Wahl der Flächen der Querschnittsverringerung eine durchschnittliche Gleichmäßigkeit der Bewegung oder Schwingung von 97% auf der Breite der Ausgangsfläche erreicht werden kann.
Somit besteht eines der Hauptziele der Erfindung darin, einen im allgemeinen rechteckigen Resonator zu schaf­ fen, der im wesentlichen über seine gesamte Ausgangs­ fläche eine gleichmäßige Schwingungsamplitude auf­ weist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen blatt­ förmigen Resonator zu schaffen, der durch Schwingungs­ energie an einem Mittelabschnitt seiner Eingangsfläche beaufschlagt wird und eine im wesentlichen gleich­ mäßige Schwingungsamplitude über seine gesamte Aus­ gangsfläche erzeugt.
Ein anderes Ziel der Erfindung ist ein im allgemeinen rechteckiger Resonator, der sich besonders für den Einsatz beim Verschweißen von Kunststoffilmen und Textilmaterial mit Ultraschallenergie eignet, wobei der Resonator eine im wesentlichen gleichmäßige Aus­ gangsbewegung oder Ausgangsschwingung über seine ge­ samte lange Ausgangsfläche erzeugt, die mit dem zu verschweißenden Film oder Gewebe in Berührung steht.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen blattförmigen Resonator zu schaffen, dessen Verstär­ kungsabschnitte so angeordnet sind, daß sich in den Seitenabschnitten des Resonators ein größerer Ver­ stärkungsgrad der Schwingungsamplitude ergibt als im Mittelabschnitt des Resonators.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben. Die Zeich­ nungen zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines normalen Resonators nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Aufriß eines anderen Ausführungsbei­ spiels der Erfindung; und
Fig. 3 einen Seitenriß der Ausführungsform der Fig. 2.
In den Figuren und insbesondere in Fig. 1 ist ein blattförmiger Resonator 10 aus Aluminium oder Titan gezeigt, der eine Eingangsfläche 12 und eine gegen­ überliegende Ausgangsfläche 14 aufweist. Der Resonator ist so bemessen, daß er als Halbwellenresonator für akustische Energie arbeitet, die ihn in Längsrichtung von der Eingangsfläche 12 zur Ausgangsfläche 14 durch­ wandert. Wenn der Resonator für eine Arbeitsfrequenz von 20 kHz ausgelegt und aus Aluminium gefertigt ist, beträgt die Abmessung von der Eingangsfläche zur Aus­ gangsfläche annähernd 5 1/4 Zoll (ca. 13,33 cm). Der Resonator ist mit zwei Längsschlitzen 16 versehen, um die Poisson-Ankopplung zu unterbrechen, wie dies in der vorerwähnten US-PS 31 13 225 offenbart wurde. Diese Schlitze erstrecken sich von einem Bereich nahe der Eingangsfläche 12 bis zu einem Bereich nahe der Ausgangsfläche 14. Schwingungsenergie wird der zentralen Stelle der planparallelen Eingangsfläche 12 durch eine Zwischenkopplungsvorrichtung 18 zugeführt, die ihre Schwingungsenergie von einem nicht gezeigten elektro-akustischen Wandler erhält, wie er in der US-PS 33 28 610 vom 27. Juni 1967 "Sonic Wave Generator" gezeigt wird.
Um eine erhöhte Schwingungsamplitude an der Ausgangs­ fläche 14 gegenüber der Schwingungsamplitude an der Eingangsfläche 12 zu erzielen, weist der Resonator 10 eine Veränderung der Querschnittsfläche zwischen der Eingangsfläche und der Ausgangsfläche auf. Das Verhältnis der Ausgangsschwingungsamplitude zur Ein­ gangsschwingungsamplitude wird im allgemeinen als Verstärkung bezeichnet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, liegt die Verringerung der Querschnittsfläche der Seitenabschnitte 20 des Resonators 10 im wesentlichen im Knotenpunktbereich der Schwingungen, die durch den Resonator übertragen werden, während die Fläche mit verringertem Querschnitt des Mittelabschnittes 22 des Resonators, die zwischen den Schlitzen 16 liegt, im Bereich zwischen dem Knotenpunktbereich und der Aus­ gangsfläche 14 auftritt. Eine maximale Verstärkung wird meist erzielt, wenn die Veränderung der Quer­ schnittsfläche im wesentlichen im Knotenpunktbereich des Resonators liegt, der im wesentlichen in der Mitte zwischen der Eingangsfläche 12 und der Ausgangsfläche 14 angeordnet ist. Obwohl die maximale Verstärkung zu erzielen ist, wenn die Verringerung der Querschnitts­ fläche in der Form einer scharfen Abstufung vorge­ nommen wird, tragen scharfe Ecken zur örtlichen Spannungs­ konzentration bei, und es ist vorzuziehen, einen Radius zu benützen, um eine sanftere Veränderung der Quer­ schnittsfläche zu erzielen. Wie Fig. 1 zeigt, sind die Seitenabschnitte 20 mit einer konkav gekrümmten Fläche 24 versehen, um eine verringerte Querschnitts­ fläche zu gewinnen, und der Mittelabschnitt 22 ist mit einem ähnlich gekrümmten Abschnitt 28 versehen, um dieselbe Verringerung der Querschnittsfläche zwi­ schen Eingangsfläche und Ausgangsfläche zu erreichen. Wie jedoch vorstehend bemerkt, sind diese Verringerun­ gen nicht in derselben Ebene in bezug auf den Knoten­ punktbereich des Resonators wie bei den Resonatoren auf dem früheren Stand der Technik angeordnet. Die Konstruktion des Resonators nach Fig. 1 ist so, daß die Seitenabschnitte 20 eine höhere Bewegungs- oder Schwingungsverstärkung aufweisen als der Mittelab­ schnitt 22, um eine im wesentlichen gleichmäßige Aus­ gangsschwingung über die gesamte Breite der Ausgangs­ fläche 14 zu erzielen. Die Analyse Finiter Elemente kann zur Berechnung der entsprechenden Weg- oder Hub­ amplituden verwendet werden, siehe P.L.L.M. Derks: "The Design of Ultrasonic Resonators With Wide Output Cross-Sections", Dissertation an der Technischen Hogeschool Eindhoven, Niederlande, 1984.
Die Fig. 2 und 3 zeigen einen ähnlichen Resonator 30 mit einer Eingangsfläche 32 und einer gegenüber­ liegenden Ausgangsfläche 34. Zwei Längsschlitze 36 dienen, wie erwähnt, zum Unterbrechen der Poisson- Ankopplung. Eine Quelle von Schwingungsenergie wirkt am Resonator durch Ankopplung einer Quelle von Schwin­ gungsenergie an einen Vorsprung oder Stumpf 38, der in der Mitte der Eingangsfläche 32 angeordnet ist. Die seitlichen Resonatorabschnitte 40 weisen eine Verringerung der Querschnittsfläche durch eine ge­ krümmte Fläche 42 auf, die bei der Fläche 41 beginnt, die im wesentlichen im Knotenpunktbereich des Reso­ nators liegt, während der Mittelabschnitt 44 seine Verringerung der Querschnittsfläche durch eine ge­ krümmte Fläche 46 erfährt, die an einer Fläche 48 beginnt, die zwischen dem Knotenpunktbereich und der Ausgangsfläche 34 angeordnet ist. Der Resonator ist auf jeder Seite mit leicht hervorstehenden Ohren 50 versehen, welche den Schwingungshub der Kante des Resonators stabilisieren.
Außer den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (7)

1. Blattförmiger Ultraschallresonator mit einer Halbwellenresonanzfrequenz für Schwingungsenergie einer bestimmten Ultraschallfrequenz, die an einer zentralen Stelle entlang einer Eingangsfläche des Resonators wirkt und in Längsrichtung durch diesen von der Eingangsfläche einer entgegengesetzt liegen­ den Ausgangsfläche wandert, wodurch die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche im wesentlichen in Schwingungs­ bauchbereichen der Schwingungsenergie liegen, und ein Schwingungsknotenbereich im wesentlichen in der Mitte zwischen der Eingangs- und Ausgangsfläche angeordnet ist, wobei der Resonator einen mittleren Längsabschnitt und zwei seitliche Längsabschnitte aufweist, die je­ weils eine Veränderung der Querschnittsfläche besitzen, um an der Ausgangsfläche eine erhöhte Schwingungs­ amplitude der Schwingungsenergie zu erzeugen, die an der Eingangsfläche wirkt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Veränderung der Querschnittsfläche in den entspre­ chenden Abschnitten (24, 26) in bezug auf den Knoten­ punktbereich liegt, damit die seitlichen Abschnitte (20) eine größere Verstärkung der Schwingungsamplitude aufweisen als der Mittelabschnitt (22), wodurch eine im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude an der Ausgangsfläche (14) entsteht.
2. Blattförmiger Ultraschallresonator nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er (10) zwei seitlich im Abstand voneinander an­ geordnete Längsschlitze (16) aufweist, die sich im allgemeinen von einem Bereich nahe der Eingangsfläche (12) über den Knotenpunktbereich bis zu einem Bereich bei der Ausgangsfläche (14) erstrecken, um eine Poisson-Ankopplung zu unterbrechen, wobei der Mittel­ abschnitt (22) durch den Abschnitt des Resonators (10) gebildet wird, der zwischen den Schlitzen (16) liegt.
3. Blattförmiger Ultraschallresonator nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Querschnittsfläche eine Ver­ ringerung der Querschnittsfläche (24, 26) zwischen der Eingangsfläche (12) und der Ausgangsfläche (14) aufweist und daß die Veränderung der Querschnitts­ fläche (24) im wesentlichen im Knotenpunktbereich der seitlichen Abschnitte (20) sowie an einer Stelle (26) auftritt, die zwischen dem Knotenpunktbereich und der Ausgangsfläche (14) des Mittelabschnittes (22) liegt.
4. Blattförmiger Ultraschallresonator nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Querschnittsfläche (24, 26) einen gekrümmten Abschnitt aufweist.
5. Blattförmiger Ultraschallresonator nach An­ spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfläche (12) im wesentlichen eine planparallele Fläche darstellt.
6. Blattförmiger Ultraschallresonator mit einer Halbwellenresonanzfrequenz für Schwingungsenergie einer bestimmten Ultraschallfrequenz, die an einer zentralen Stelle entlang einer Eingangsfläche des Resonators wirkt und in Längsrichtung durch diesen von der Eingangsfläche einer entgegengesetzt liegen­ den Ausgangsfläche wandert, wodurch die Eingangsfläche und die Ausgangsfläche im wesentlichen in Schwingungs­ bauchbereichen der Schwingungsenergie liegen, und ein Schwingungsknotenbereich im wesentlichen in der Mitte zwischen der Eingangs- und Ausgangsfläche angeordnet ist, wobei der Resonator einen mittleren Längsabschnitt und zwei seitliche Längsabschnitte aufweist, die je­ weils eine Veränderung der Querschnittsfläche besitzen, um an der Ausgangsfläche eine erhöhte Schwingungs­ amplitude der Schwingungsenergie zu erzeugen, die an der Eingangsfläche wirkt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Veränderung der Querschnittsfläche (42) der seit­ lichen Abschnitte (40) gegenüber der Veränderung der Querschnittsfläche (46) des Mittelabschnittes (44) in bezug auf den Knotenpunktbereich des Resonators (30) versetzt ist.
7. Blattförmiger Ultraschallresonator nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (30) zwei seitlich im Abstand von­ einander angeordnete Längsschlitze (36) aufweist, die sich im allgemeinen von einem Bereich nahe der Ein­ gangsfläche (32) über den Knotenpunktbereich bis zu einem Bereich erstreckt, der nahe der Ausgangsfläche (34) liegt, um die Poisson-Ankopplung zu unterbrechen, wobei der Mittelabschnitt (44) durch den zwischen den Schlitzen (36) liegenden Abschnitt (44) des Resonators (30) gebildet wird.
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