DE3143461A1 - Resonator mit gleichmaessiger ausgangsschwingung - Google Patents

Resonator mit gleichmaessiger ausgangsschwingung

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DE3143461A1 DE19813143461 DE3143461A DE3143461A1 DE 3143461 A1 DE3143461 A1 DE 3143461A1 DE 19813143461 DE19813143461 DE 19813143461 DE 3143461 A DE3143461 A DE 3143461A DE 3143461 A1 DE3143461 A1 DE 3143461A1
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Description

-Sf-
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft Resonatoren, die auch unter dem Namen von Vollhörnern, Konzentratoren, Werkzeugen, Amplituden- oder Geschwindigkeitswandlern bekannt sind und dazu dienen, mechanische Schwingungen im Schall- oder UltraschaJ lbereicli von einer Schwingungsquelle an ein Werkstück zu übertragen. Die Resonatoren dienen vor allem im Zusammenhang mit Ultraschal lgeräten, die zum Schweißen von thermoplastischen Werkstücken, metallischen Werkstücken sowie zur Herstellung von Emulsionen usw. eingesetzt werden.
Resonatoren dieser Art sind Metallabschnitte oder -Sektoren, die so bemessen sind, daß sie als A. /2-Resonatoren schwingen, wenn sie mit einer bestimmten Schallfrequenz beaufschlagt werden, die sie vom Eingang zu einem gegenüberliegenden Ausgang in Längsrichtung durcheilt. In Abhängigkeit vom Verwendungszweck bestehen diese Resonatoren meist au;? Aluminium und Titan, weniger häufig aus Stahl und Monel. Eine ziemlich umfassende Beschreibung der verschiedenen Arten von Resonatoren und ihrer Auslegung findet sich im Buch von Julian R. Frederick: "Ultrasonic Engineering" (Ultraschalltechnikj, John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y. (1965), S. 87-103.
Werden übereinanderliegende Textilschichten oder -lagen mit Ultraschallenergie versiegelt oder verklebt, so werden sogenannte Stabresonatoren verwendet. Diese Resonatoren weisen einen rechteckigen Querschnitt auf und besitzen meist eine Querschnittsverengung in der Knotenzone des Resonators, um am Ausgang einige gegenüber dem Eingang erhöhte Bewegungsamplitude zu schaffen, mit welcher die mechanischen Schwingungen angelegt werden. Auf diese Weise dient der schwingenähnliche Resonator nicht nur dazu, Schwingungen von einer Quelle an ein Werkstück zu übertragen, sondern auch als mechanischer Verstärker der Schwingungsamplitude·
—6 —
: I : : : 3U3461
Ein normaler Klingenresonator ist in der US-Patentschrift 3 113 225 gezeigt, und die Anwendung eines solchen Resonators auf das Verschweißen übereinanderliegender Textilschichten mit Ultraschallenergie ist in der US-Patentschrift 3 733 238 beschrieben. Eine gleichartige Ultraschallverschweißungsanlage ist in der US-Patentschrift 3 562 041 dargestellt, wobei die Herstellung von Hemdärmelmanschetten und dergl. erläutert wird.
Die Schwierigkeit bei diesen Einrichtungen besteht darin, daß die Frontfläche dieser Hörner, die eine Breite von 4 Zoll (ca. 100 mm) bis 8 Zoll (ca. 200 mm) oder mehr haben kann, eine ungleichmäßige Schwingungsamplitude aufweist. Diese Schwingungsamplitude besitzt normalerweise die SoIl-
If) amplitude im Mittelbereich des Resonators, fällt jedoch gegen die Seitenkanten hin deutlich ab. Beim Verschweißen von Kunststoffolien und Textilien ist eine verhältnismäßig hohe Bewegungsamplitude erforderlich, normalerweise in einem Bereich von 0,003 - 0,005 Zoll (ca. 0,08 - 0,13 mm) Versetzung von Spitze-Spitze und, da sich die Ultraschallverschweißung bei weichen oder biegsamen Stoffen auf die Fläche direkt unterhalb des Resonators beschränkt, kann die Verschweißung des Stoffes unterhalb des Mittelteils des Resonators einwandfrei, jedoch gegen die Seitenkanten des Resonators hin völlig unbefriedigend sein.
Es wurden früher Versuche gemacht, einen rechteckigen Resonator, vor allem einen Klingenresonator, zu entwickeln, der längs der gesamten Ausgangsoberfläche eine praktisch gleichmäßige Ausgangsbewegungsenergie abgibt. Eine der frühesten Bemühungen bestand in der Anbringung von Schlitzen, welche den Knotenbereich des Resonators überqueren und dadurch Ppisson-Kupplung unterbrechen (siehe oben erwähntes Patent No. 3 113 225). Weitere Verbesserungen wurden nötig, die in der US-Patentschrift 4 131 505 und in der deutschen Patentschrift P 23 43 605 veröffentlicht sind.
-7-
3H3461
Die US-Patentschrift 4 131 505 zeigt den Einsatz einer peripheren Nut im unteren Teil (Ausgangsteil) des Resonators, wobei diese. Nut auf runde und rechteckige Vollresonatoren angewandt wird. Die deutsche Patentschrift P 2343 605 behandelt insbesondere klihgenförmige Resonatoren und fügt abgestimmte Λ /2-Resonatoren an den Seitenteilen des Resonators hinzu, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Bewegungsausgangsschwingung längs der gesamten Resonatorabgabefläche vom Mittelteil bis zu den Kanten zu gewinnen. Bei einer angenommenen Frequenz von 20 kHz und einem Werkstoff wie Aluminium, Stahl oder Titan ist der A /2-Resonator ca. 5 1/4 Zoll (ca. 134 mm) lang. Daher wird dem normalerweise sehr schweren Resonator noch erhebliches Gewicht und Höhe zugefügt, indem die beiden zusätzlichen -R./2-Resonatoren in "Rucksackweise" der Einganqsflache des Resonators aufgeladen werden (siehe Fig. 4 der deutschen Patentschrift P 23 43605).
Die Erfindung betrifft Resonatoren, hauptsächlich mit einer rechteckigen oder klingenförmigen Gestalt, die eine im wesentlichen gleichmäßige Bewegungsausgangsenergie (Schwingungsamplitude) auf einer Ausgangsfläche abgeben. Diese Verbesserung wird durch eine leichte Erhöhung der Masse des Resonators an seinem Seitenteil erreicht, wodurch die normalerweise niedrigere Schwingungsamplitude des Resonators gegen seine Kante hin erhöht wird. Die Schwingungsamplitude an der Abgabe- oder Ausgangsfläche eines Resonators gegenüber der Schwingungsamplitude an der Eingangsfläche weist grob das Massenverhältnis von ItI1ZnU auf, wobei m* gleich ist der Masse des Resonators von der Eingangsfläche zur Knotenebene und nu die Masse des Resonators von der Knotenebene zur Ausgangsfläche. Wenn ein Resonator aus vielen parallelen Massenschnitten von der Eingangsfläche zur Ausgangsfläche besteht, so ist es offensichtlich, daß durch eine geringe Erhöhung der Masse an den Seitenteilen der Eingangsfläche des Resonators die Verringerung der Schwingungsamplitude
3U3461
— JS —
an der Ausgangsfläche korrigiert werden kann. Die wirkliche
Erhöhung der Masse ist verhältnismäßig gering und wird leicht durch Verstärkungsplättchen erreicht, die einstückig mit der Eingangsfläche des Resonators ausgeformt sind. 5
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen im allgemeinen rechteckigen Resonator zu schaffen, der eine im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude auf seiner gesamten Ausgangsfläche aufweist. Erfindungsgemäß soll ein klingenförmiger Resonator geschaffen werden, der durch' Schwingungsenergie an einem Mittelteil einer Eingangsfläche angetrieben wird und eine im wesentlichen gleichmäßige Schwingungsamplitude längs einer gesamten Ausgangsfläche abgibt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein im allgemeinen rechteckiger Resonator vorgesehen, der sich besonders in Verbindung von Kunststoffolien und Textilien durch Ultraschallenergie eignet, wobei der Resonator eine im wesentlichen gleichmäßige Ausgangsbewegung auf seiner gesamten Längsausgangsfläche abgibt, die mit der zu verbindenden Folie oder dem zu verbindenden Gewebe in Berührung steht.
Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen: 25
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines früheren Resonators,
Fig. 2 ein Kurvenbild der Bewegungsamplitude längs der Ausgangsfläche des Resonators der Fig.· 1, Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Resonators der Fig. 1 mit Schnittlinien zur Darstellung der Grundlage der Erfindung,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß verbesserten Resonators.
—9 —
-Jf -
In Fig. 1 ist ein klingenförmiger Resonator gezeigt, der herkömmlicherweise zum Verschweißen und Verbinden von Kunststoffen mit hochfrequenter Schall- oder Ultraschallenergie verwendet wird« Die normalen Frequenzen liegen im Bereich zwischen 10 und 50 kHz, wobei die meisten Arbeitsgänge bei 20 oder 25 kHz ausgeführt werden. Der normalerweise aus Aluminium, Titan oder Stahl gefertigte Resonator 10 weist eine Eingangsfläche 12 auf, die an ihrem Mittelteil mit einem Stahlzapfen oder -bolzen 14 versehen ist, der mit einer Quelle für hochfrequente Schwingungen 16 in Verbindung steht, die als elektroakustischer Wandler oder Umsetzer bekannt ist, der durch hochfrequente elektrische Energie beaufschlagt wird und mechanische Schwingungen in Abhängigkeit von der anliegenden elektrischen Spannung erzeugt. Ein für die Erfindung geeigneter Umsetzer ist in der US-Patentschrift 3 328 610 beschrieben. Der Resonator 10 ist als X /2-Resonator für Schall von einer vorgegebenen Frequenz (z.B. 20 kHz) von der Eingangsfläche 12 zur gegenüberliegenden Ausgangsfläche 18 ausgelegt. Bei dieser Ausführung sind die Eihgangsflache 12 und die Ausgangsfläche 18 an den entsprechenden Schwxngungs bauchbereichen der Längsbewegung angeordnet, wobei ein Knotenbereich 20 dazwischenliegt. Der Resonator verstärkt die anstehenden Eingangsschwingungen kraft der Veränderung der Querschnittsfläche von der Eingangs fläche zur Ausgangsfläche. Wie allgemein bekannt ist, erfolgt die Querschnittsänderung im allgemeinen im Knotenbereich der Längsschwingung. Während des Betriebs des Resonators ist die Ausgangsfläche 18 einer durch den Teil 22 angezeigten hin- und hergehenden Bewegung unterworfen. Um eine hohe Spannungskonzentration zu vermeiden, erfolgt die Veränderung des Querschnittes nicht plötzlich, sondern über eine mit entsprechendem Radius versehene Fläche 20.
Der Resonator, dessen Breite an seiner Ausgangsfläche 18 6 Zoll (ca. 150 mm) oder mehr sein kann, ist mit zwei Schlitzen 24 versehen, um die Poisson-Kopplung zu unterbrechen (vgl. US-Patentschrift 3 113 225). Diese Schlitze
-TO-
-w-
ragen durch den gesamten Knotenbereich 20 hindurch und hören kurz vor der Eingangsfläche 12 und der Ausgangsfläche 18 auf. Die beiden Schlitze 24 sind ganz allgemein so angeordnet, daß der Resonator einen Mittelteil zwischen den Schlitzen und zwei Seitenteile auf jeder Seite der Schlitze aufweist, wobei alle Teile von gleicher Größe sind.
Fig. 2 zeigt ein Kurvenbild der Schwingungsamplitude auf der Ausgangsfläche. Die Kurve .zeigt die maximale momentane Versetzung der Frontfläche 18 gegenüber einem geometrischen Ort auf der Frontfläche. Die Zeichnung zeigt, daß gegen die Seitenkanten des Resonators hin eine deutliche Verringerung der Schwingungsamplitude auftritt. In Abhängigkeit von der speziellen Auslegung des Resonators kann die Verringerung der Schwingungsamplitude in der Größenordnung von 50% liegen.
In Fig. 3 ist durch gestrichelte Linien angezeigt, daß der Resonator eine unendliche .Vielzahl von nebeneinanderliegenden schmalen Längsschnitten 30a - 3Oe aufweisen kann. Wie bekannt ist und bereits erwähnt wurde, ist die Schwingungsamplitude an der Ausgangsfläche gegenüber der an der Ein gangsfläche anstehenden Schwingung eine Funktion der Querschnittänderung des Knotenbereiches und damit eine Funktion des Massenverhältnisses m../m2 , worin m.. die Masse eines entsprechenden Abschnitts 30a - 3Oe von der Eingangsfläche zur Knotenebene und m^ die Masse des entsprechenden Abschnittes von der Knotenebene zur Ausgangsfläche ist. Daraus geht hervor, daß durch eine Erhöhung der Masse m.. der Seitenteile des Resonators eine Verringerung der Schwingungsamplitude nach Fig. 2 kompensiert werden kann.".
Der verbesserte Resonator 34 der Fig. 4 weist eine zusätzliehe von Auflageflächen oder Schultern 36 auf, die der Eingangsfläche 12 an den Seitenteilen hinzugefügt sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind.die Schultern oder Auf-
3U346T
lagen einstückig mit dem Resonator ausgeformt, d.h. die Eingangsfläche des Resonators ist abgestuft ausgebildet. Die Schultern erstrecken sich von den Seitenkanten bis zu einem Punkt, der sich mit der Außenkante des entsprechenden Schlitzes 24 deckt (Fig. 4). Offensichtlich ist eine .kleine Abweichung vom bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht kritisch. Die durch die beschriebene Abänderung erzielte Verbesserung ergibt sich aus der folgenden Tabelle:
Grundausführung des Resonators ohne Schultern oder Aufsätze
Höhe: 5,235 Zoll (ca. 133 mm)
Ausgangsfläche: 6"x 1/2" (ca. 152,4 χ 12,7mm)
Eingangsfläche: 6"x 1 1/2" (ca. 152,4 χ 38,1mm)
Schlitze: 3/8" χ (ca. 9,52 χ 88,9 mm) 3 1/2"
Knotenbereich:Radius 1 1/2" (ca. 38,1 mm) Nennfrequenz: 20 kHz.
Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung: 86,6 % Derselbe Resonator mit Schultern von 1/8" (ca.3,17 mm) Höhe:
Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung: 88,7% Derselbe Resonator mit Schultern von 1/4 " (ca.6,35 mm) Höhe:
Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung 91,5% Derselbe Resonator mit Schultern von 1/2" (ca.12,7 mm) Höhe:
Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung 98,3%, worin
Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung in % =
Min.Schwingungsamplitude χ 100
max. Schwingungsamplitude.
-to
Es sei bemerkt, daß der Zusatz der Schultern oder Aufsätze eine geringe Änderung der HornhÖhe mit sich bringt, wodurch entweder empirisch oder durch Simulierung im Rechner eine Feinabstimmung des Resonators erforderlich wird. 5
Auch ein Resonator von 9 Zoll Breite (ca. 228,6 mm), der für einen Betrieb bei 20 kHz ausgelegt ist und. ohne Schultern, aber sonst wie der vorstehend gezeigte Typ gestaltet ist, weist eine durchschnittliche Gleichmäßigkeit der Ausgangs schwingung von 87,2 % auf, wobei in der gieichei Ausführung mit Schultern von 1/2 " (ca. 12,7 mm) diese Gleichmäßigkeit auf 93,6 % anstieg. Ein Horn von 8" (ca. 203,2 mm) Breite verbesserte sich mit Schultern von 3/16" Höhe (ca. 4,76 mm) von 87,7 % (ohne Schultern) auf 93,2%.
Wie Fig. 4 zeigt, sind die Schultern einstückig mit dem Resonator 34 ausgeformt. Ein Resonator aus Aluminium kann beispielsweise auch mit Stahlschultern versehen werden, um das Massenverhältnis zu vergrößern. Die Schultern oder Aufsätze müssen innig mit dem Hornkörper verbunden sein, um mit dem Resonator im Gleichklang zu schwingen. Es sei jedoch bemerkt, daß die hohen Beschleunigungskräfte am Schwingungsbauch den Grenzflächen zwischen unähnlichen Metallen erhebliche Belastungen aufbürden. Daher ist diese wohl durch-
.15 führbare Abänderung kein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Der Zusatz von Schultern ergibt eine verhältnismäßig einfache und gerade Lösung eines bisher schwierigen Problems. Im Gegensatz zu bisher vorgeschlagenen Lösungen, besonders zur Zugabe von mindestens zwei Ji /2-Resonatoren, die erhebliches Gewicht beitragen und auf die Betriebsfrequenz des Resonators abgestimmt werden müssen, ist die vorstehend beschriebene Verbesserung durch eine äußerste Einfachheit gekennzeichnet, die nur geringfügige Änderungen am Resonator herkömmlicher Auslegung erforderlich macht.
3U3461
Es ist offensichtlich, daß die vorstehend beschriebene Verbesserung auch auf Resonatoren ohne Verstärkungsfunktion anwendbar ist, d.h. auf Resonatoren, die ohne Querschnitts verringerung im Knotenbereich auskommen und somit zur Erzeugung derselben Schwingungsamplitude auf der Ausgangsflä ehe wie auf der Eingangsfläche ausgelegt sind. Auch Resona toren dieser Art weisen, wenn sie nicht erfindungsgemäß abgeändert sind, eine Verringerung der Schwingungsamplitude gegen den Kantenbereich hin auf, besonders wenn die waagerechte Breite der Resonatorausgangsfläche vergrößert wird. 10
Außer dem vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungs beispiel sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims (8)

»Ο β β ja 6 φ ( Patentansprüche
1. Ein als .^/2-Resonator ausgelegter Schwingungs- . wandler, den Schall von einer bestimmten Frequenz, in Längsrichtung an einer Eingangsfläche zu einer gegenüber liegenden Ausgangsfläche durcheilen soll, dadurch gekennzeichnet, daß er (34) folgende Bausteine umfaßt: 10
Eine Vorrichtung (14,16), die Schwingungen von einer bestimmten Frequenz an einen Mittelteil der Eingangsfläche (12) überträgt und
an den Seitenteilen der Eingangsfläche (12) angeordhe-I^ te Schultern (36), wodurch die Masse (M..) des Resonators (34) wahlweise an diesen Resonatorteilen vergrößert werden kann.
2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^" die Schultern (36) einstückig mit dem Resonator (34) ausgeformt sind.
3. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
er (34) rechteckig ausgeformt ist. 25
4. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er (34) schlingenförmig gestaltet ist.
5. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
er (34) zwischen der Eingangsfläche (12) und der Ausgangsfläche (18) eine Querschnittänderung (20) aufweist, um an der Ausgangsfläche (18) eine erhöhte Ausgangsschwingung zu erzeugen.
-
-4-
6. Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß or (34) so ausgelegt ist, daß er bei einer bestimmten Frequenz im Bereich zwischen 1OkHz und 5OkHz arbeitet.
7. Resonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß er (34) zwei Schlitze (24) aufweist, um Poissons-Kopplungen zu entkoppeln und, daß sich eine Schulter (36) an der Eingangsfläche (12) von einem Punkt an der Seitenkante des Resonators (34) zum Mittelteil der Eingangsflache (12) erstreckt, jedoch an einer Fläche endet, die annähernd mit der Kante des entsprechenden Schlitzes (24) fluchtet.
8. Klingenförmiger als Λ/2-Resonator schwingender Resonator, der vom Schall einer bestimmten Frequenz in Längsrichtung von einer Eingangsfläche zu einer gegenüberliegenden Ausgangsfläche durcheilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfläche (12) abgestuft ist, damit der Weg von der Eingangsseite (12) zur Ausgangsfläche (18) an den Seitenkanten des Resonators (34) langer ist als im Mittelteil.
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