DE3143461C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Resonatoren dieser Art sind Metallabschnitte oder -sektoren, die so bemessen sind, daß sie als λ/2-Resonatoren schwin­ gen, 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 aus 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" (Ultraschalltechnik), John Wiley & Sons, Inc., New York, N. Y. (1965), S. 87-103.

Werden übereinanderliegende Textilschichten oder -lagen mit Ultraschallenergie versiegelt oder verklebt, so werden soge­ nannte 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 Bewegungs­ amplitude zu schaffen, mit welcher die mechanischen Schwin­ gungen angelegt werden. Auf diese Weise dient der schwingen­ ähnliche Resonator nicht nur dazu, Schwingungen von einer Quelle an ein Werkstück zu übertragen, sondern auch als mechanischer Verstärker der Schwingungsamplitude.

Ein bekannter Klingenresonator, von dem die Erfindung ausgeht, ist in der US-Patent­ schrift 31 13 225 gezeigt, und die Anwendung eines solchen Resonators auf das Verschweißen übereinanderliegender Tex­ tilschichten mit Ultraschallenergie ist in der US-Patent­ schrift 37 33 238 beschrieben. Eine gleichartige Ultraschall­ verschweißungsanlage ist in der US-Patentschrift 35 62 041 dargestellt, wobei die Herstellung von Hemdärmelmanschetten und dgl. 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 Soll­ amplitude im Mittelbereich des Resonators, fällt jedoch ge­ gen die Seitenkanten hin deutlich ab. Beim Verschweißen von Kunststoffolien und Textilien ist eine verhältnismäßig hohe Bewegungsamplitude erforderlich, normalerweise in einem Be­ reich von 0,003-0,005 Zoll (ca. 0,08-0,13 mm) Ver­ setzung von Spitze-Spitze und, da sich die Ultraschallver­ schweißung bei weichen oder biegsamen Stoffen auf die Fläche direkt unterhalb des Resonators beschränkt, kann die Ver­ schweißung 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 gleich­ mäßige Ausgangsbewegungsenergie abgibt. Eine der frühesten Bemühungen bestand in der Anbringung von Schlitzen, welche den Knotenbereich des Resonators überqueren und dadurch Poisson-Kupplung unterbrechen (siehe oben erwähntes Patent No. 31 13 225). Weitere Verbesserungen wurden nötig, die in der US-Patentschrift 41 31 505 und in der deutschen Patent­ schrift P 23 43 605 veröffentlicht sind.

Die US-Patentschrift 41 31 505 zeigt den Einsatz einer peri­ pheren Nut im unteren Teil (Ausgangsteil) des Resonators, wobei diese Nut auf runde und rechteckige Vollresonatoren an­ gewandt wird. Die deutsche Patentschrift P 23 43 605 behan­ delt insbesondere klingenförmige Resonatoren und fügt abge­ stimmte λ/2-Resonatoren an den Seitenteilen des Resonators hinzu, um eine im wesentlichen gleichmäßige Bewegungs­ ausgangsschwingung längs der gesamten Resonatorabgabefläche vom Mittelteil bis hin zu den Kanten zu gewinnen. Bei einer angenommenen Frequenz von 20 kHz und einem Werkstoff wie Aluminium, Stahl oder Titan ist der λ/2-Resonator ca. 5¼ Zoll (ca. 134 mm) lang. Daher wird dem normalerweise sehr schweren Resonator noch erhebliches Gewicht und Höhe zugefügt, indem die beiden zusätzlichen λ/2-Resonatoren in "Rucksackweise" der Eingangsfläche des Resonators auf­ geladen werden (siehe Fig. 4 der deutschen Patentschrift P 23 43 605).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Resonator, hauptsächlich mit einem rechteckigen oder klingenförmigen Querschnitt zu schaffen, der eine im we­ sentlichen gleichmäßige Bewegungsausgangsenergie oder Schwingungs­ amplitude auf einer Ausgangsfläche abgibt. Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese Ver­ besserung wird durch eine leichte Erhöhung der Masse des Resonators an seinem Seitenteil erreicht, wodurch die nor­ malerweise niedrigere Schwingungsamplitude des Resonators gegen seine Kante hin erhöht wird. Die Schwingungsamplitude an der Ausgangsfläche gegen­ über der Schwingungsamplitude an der Eingangsfläche weist grob das Massenverhältnis von m₁/m₂ auf, wobei m₁ gleich ist der Masse des Resonators von der Eingangsfläche zur Knoten­ ebene und m₂ 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 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.

Der Resonator eignet sich be­ sonders zum Verbinden von Kunststoffolien und Textilien durch Ultraschallenergie. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Die Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Resonators,

Fig. 2 ein Kurvenbild der Bewegungsamplitude längs der Aus­ gangsfläche des Resonators der Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht des Resonators der Fig. 1 mit Schnittlinien zur Darstellung der Grund­ lage der Erfindung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß verbesserten Resonators.

In Fig. 1 ist ein klingenförmiger Resonator gezeigt, der herkömmlicherweise zum Verschweißen und Verbinden von Kunst­ stoffen 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 gefertige 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 elektroakustische Wandler oder Umsetzer be­ kannt ist, der durch hochfrequente elektrische Energie be­ aufschlagt wird und mechanische Schwingungen in Abhängigkeit von der anliegenden elektrischen Spannung erzeugt. Ein für die Erfindung geeigneter Umsetzer ist in der US-Patent­ schrift 33 28 610 beschrieben. Der Resonator 10 ist als λ/2-Resonator für Schall von einer vorgegebenen Frequenz (z. B. 20 kHz) von der Eingangsfläche 12 zur gegenüberliegen­ den Ausgangsfläche 18 ausgelegt. Bei dieser Ausführung sind die Eingangsfläche 12 und die Ausgangsfläche 18 an den ent­ sprechenden Schwingungsbauchbereichen der Längsbewegung ange­ ordnet, 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 20 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 ca. 150 mm oder mehr sein kann, ist mit zwei Schlitzen 24 versehen, um die Poisson-Kupplung zu unterbre­ chen (vgl. US-Patentschrift 31 13 225). Diese Schlitze 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-30e aufweisen kann. Wie bekannt ist und bereits erwähnt wurde, ist die Schwingungs­ amplitude an der Ausgangsfläche gegenüber der an der Ein­ gangsfläche anstehenden Schwingung eine Funktion der Quer­ schnittänderung des Knotenbereiches und damit eine Funktion des Massenverhältnisses m₁/m₂, worin m₁ die Masse eines entsprechenden Abschnitts 30a-30e von der Eingangsfläche zur Knotenebene und m₂ die Masse des entsprechenden Ab­ schnittes von der Knotenebene zur Ausgangsfläche ist. Daraus geht hervor, daß durch eine Erhöhung der Masse m₁ der Seiten­ teile des Resonators eine Verringerung der Schwingungsamplitude nach Fig. 2 kompensiert werden kann.

Der verbesserte Resonator 34 der Fig. 4 weist eine zusätzli­ che Masse von Auflagen 36 auf, die der Ein­ gangsfläche 12 an den Seitenteilen hinzugefügt sind. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Schultern oder Auf­ lagen 36 einstückig mit dem Resonator ausgeformt, d. h. die Ein­ gangsfläche 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 Auflagen 36
Höhe:
ca. 133 mm
Ausgangsfläche:	ca. 152,4×12,7 mm
Eingangsfläche:	ca. 152,4×38,1 mm
Schlitze:	ca. 9,52×88,9 mm

Knotenbereich (Radius):
ca. 38,1 mm
Nennfrequenz:	20 kHz

Bei obigem Resonator beträgt die Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung 86,6%. Derselbe Resonator mit Auflagen von ca. 3,17 mm Höhe erreicht eine Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung von 88,7%. Bei einer Höhe der Auflagen von ca. 6,35 mm beträgt die Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung 91,5% und derselbe Resonator mit Auflagen von ca. 12,7 mm Höhe hat eine Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung von 98,3%, worin die Gleichmäßigkeit der Ausgangsschwingung dem Verhältnis

entspricht.

Es sei bemerkt, daß der Zusatz der Schultern oder Auflagen eine geringe Änderung der Hornhöhe mit sich bringt, wodurch entweder empirisch oder durch Simulierung im Rechner eine Feinabstimmung des Resonators erforderlich wird.

Auch ein Resonator mit einer Breite von ca. 228,6 mm, der für einen Betrieb bei 20 kHz ausgelegt ist und ohne Schul­ tern, aber sonst wie der vorstehend gezeigte Typ gestaltet ist, weist eine durchschnittliche Gleichmäßigkeit der Aus­ gangsschwingung von 87,2% auf, wobei in der gleichen Ausführung mit Schultern von ca. 12,7 mm diese Gleichmäßigkeit auf 93,6% anstieg. Ein Horn von ca. 203,2 mm Breite verbesserte sich mit Schultern von ca. 4,76 mm Höhe 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 Auf­ sätze müssen innig mit dem Hornkörper verbunden sein, um mit dem Resonator im Gleichklang zu schwingen. Es sei jedoch bemerkt, daß die hohen Beschleunigungskräfte am Schwingungs­ bauch den Grenzflächen zwischen unähnlichen Metallen erheb­ liche Belastungen aufbürden. Daher ist diese wohl durch­ führbare Abänderung kein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die zusätzlichen Auflagen ergeben eine verhältnismäßig einfache Lösung eines bisher schwierigen Problems. Im Ge­ gensatz zu bisher vorgeschlagenen Lösungen, besonders im Vergleich mit einer Lösung mit mindestens zwei Halbwellen-Resonatoren, die erheb­ liches Gewicht beitragen und auf die Betriebsfrequenz des Resonators abgestimmt werden müssen, ist die vorstehend be­ schriebene Verbesserung durch eine äußerste Einfachheit ge­ kennzeichnet, die nur geringfügige Änderungen am Resonator herkömmlicher Auslegung erforderlich macht.

Es ist offensichtlich, daß die vorstehend beschriebene Ver­ besserung auch auf Resonatoren ohne Verstärkungsfunktion anwendbar ist, d. h. auf Resonatoren, die ohne Querschnitts­ verringerung im Knotenbereich auskommen und somit zur Er­ zeugung derselben Schwingungsamplitude auf der Ausgangsfläche wie auf der Eingangsfläche ausgelegt sind. Auch Resonatoren dieser Art weisen, wenn sie nicht erfindungsgemäß ab­ geändert sind, eine Verringerung der Schwingungsamplitude gegen den Kantenbereich hin auf, besonders wenn die waage­ rechte Breite der Resonatorausgangsfläche vergrößert wird.

Claims (4)

1. Resonator als Halbwellenresonator mit etwa rechteckigem Querschnitt, mit einer Eingangsfläche für Ultraschall und einer Ausgangsfläche und mit zwei in einem gegenseitigen Abstand angeordneten Längsschlitzen, die sich jeweils von nahe der Eingangsfläche bis nahe der Ausgangs­ fläche erstrecken und Poisson-Kupplungen unterbrechen, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsfläche (12) zu bei­ den Seiten der Mitte je eine Auflage (36) trägt, die die Masse der seitlichen Abschnitte des Resonators gegenüber der Masse des mittleren Abschnitts erhöhen, um die Bewegungsam­ plitude der Schwingung längs der Ausgangsfläche (18) des Resonators zu vergleichmäßigen.

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitze (24) zwischen den seitlichen, die Auflagen (36) tragenden Abschnitten und im mittleren Abschnitt des Resonators verlaufen.

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen der Eingangsfläche (12) und der Ausgangsfläche (18) des Resonators eine Querschnittsänderung (20) vorgesehen ist, um die Schwingungsamplitude an der Aus­ gangsfläche (18) zu vergrößern.

4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagen (36) einstückig mit dem Resonator ausgeformt sind.