變換器單元的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種變換器單元，該變換器單元包括超聲傳遞元件和至少一個(gè)超聲換能器，該超聲傳遞元件具有：傳遞表面，該傳遞表面用于將超聲振動(dòng)傳遞至工具，該工具可在縱向上沿超聲傳遞元件的縱向軸線附連至傳遞表面或與其接觸的材料，該超聲換能器用于產(chǎn)生傳播方向不沿縱向定向的超聲振動(dòng)，其中，變換器單元具有超聲固有頻率。為了提供一種變換器單元，該變換器單元包括超聲傳遞元件和至少一個(gè)超聲變送器，該超聲傳遞元件具有：傳遞表面，該傳遞表面用于將超聲振動(dòng)傳遞至工具，該工具可在縱向上沿超聲傳遞元件的縱向軸線附連至傳遞表面或與其接觸的材料，該超聲換能器用于生成傳播方向不沿縱向定向的超聲振動(dòng)，其中，變換器單元具有超聲固有頻率，借助該超聲固有頻率可生成高振動(dòng)能量，根據(jù)本發(fā)明，超聲換能器沿傳播方向布置在繞超聲傳遞元件的縱向軸線±λ/4的區(qū)域內(nèi)，其中λ為屬于超聲固有頻率的振動(dòng)的波長(zhǎng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
變換器單元
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種變換器單元和具有該種變換器單元的超聲振動(dòng)單元。
【背景技術(shù)】
[0002]材料的超聲處理有著不斷增加的重要性，尤其是在包裝技術(shù)中。
[0003]因而，例如EPI 514 670 A2公開(kāi)了一種用于借助超聲波連續(xù)地聯(lián)結(jié)和/或加強(qiáng)材料網(wǎng)的設(shè)備，其中呈旋轉(zhuǎn)輥形式的焊極布置在徑向相對(duì)設(shè)置的配對(duì)工具處，且其中材料網(wǎng)在焊極與配對(duì)工具之間穿過(guò)，用于對(duì)材料網(wǎng)連續(xù)加強(qiáng)和/或聯(lián)結(jié)。焊極由超聲振動(dòng)借助超聲變換器激勵(lì)，超聲變換器通過(guò)振幅轉(zhuǎn)換部分軸向安裝?？傮w上具有合適的壓電元件的超聲變換器將交流電壓變換為機(jī)械振動(dòng)。包括焊極的超聲振動(dòng)單元、振幅轉(zhuǎn)換部分和變換器相互配合使得當(dāng)向超聲變換器提供與焊極的固有頻率相關(guān)的交流電壓時(shí)，就產(chǎn)生了共振。
[0004]如果例如兩個(gè)材料網(wǎng)同時(shí)移動(dòng)穿過(guò)焊極與配對(duì)工具之間且用預(yù)定義的力將焊極壓在配對(duì)工具上，則超聲振動(dòng)傳遞至材料網(wǎng)并在材料網(wǎng)之間的界面區(qū)域中發(fā)生了材料網(wǎng)的局部加熱和可能地焊接。
[0005]超聲加工確保能量基本上僅施加在需要加熱用以形成聯(lián)結(jié)或產(chǎn)生焊接的區(qū)域。由此，借助超聲加工可實(shí)施十分節(jié)省能量的材料加工。
[0006]因而，需要更強(qiáng)大的超聲加工設(shè)備。為該目的，上述呈旋轉(zhuǎn)輥形式的焊極的尺寸不斷增加且材料網(wǎng)的速度增加得越來(lái)越快。此外，目的是借助超聲來(lái)焊接越來(lái)越厚的材料網(wǎng)。然而其結(jié)果為焊極必須傳遞不斷增加的功率等級(jí)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，必須增加焊接力，即將焊極壓向材料網(wǎng)上的力，這進(jìn)而導(dǎo)致增加的振動(dòng)阻尼效應(yīng)，因而導(dǎo)致振幅減小。
[0007]為了不管阻尼的增加而保持焊極的振幅恒定，例如交流電壓幅值和/或交流電流幅值可在變換器處增加。然而將注意到，這僅在一定程度上是可能的，因?yàn)閴弘娫跇O限電壓下呈最大尺寸。此外，壓電元件在高電壓和/或高電流下呈現(xiàn)更高的電氣損耗。
[0008]用于保持機(jī)械振幅恒定和較高焊接力的另一方法可涉及使用更多的壓電盤(pán)。然而將注意到，壓電盤(pán)具有有限的尺寸且其在超聲振動(dòng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的定位可能僅在駐波的振動(dòng)最大值的附近相對(duì)窄的范圍內(nèi)得以實(shí)現(xiàn)。
[0009]因此，還已嘗試將各具有相應(yīng)壓電堆的多個(gè)變換器與焊極連接。然而將注意到，就調(diào)控技術(shù)而言，此處需要高等級(jí)的復(fù)雜度和費(fèi)用以合適地同步兩個(gè)變換器。
[0010]DE 18 10 406已描述了一種用于分配振動(dòng)能量的設(shè)備，該設(shè)備具有基本上以直角關(guān)系連接在一起的多個(gè)傳遞元件。激勵(lì)傳遞元件的換能器布置在某些元件的端面。然而，該種傳遞元件的研發(fā)和制造是復(fù)雜且費(fèi)力的。此外，額外的振動(dòng)模式由裝置在橫向上相對(duì)大的尺寸產(chǎn)生，且具體為變換器布置在相對(duì)于縱向軸線相對(duì)大的間距處。那些附加振動(dòng)模式基本上是不期望的彎曲模式，然而不期望的彎曲模式也在運(yùn)轉(zhuǎn)中被激勵(lì)，并因而導(dǎo)致?lián)Q能器上更高的機(jī)械載荷和不期望的加熱效果和因而系統(tǒng)中增加的能量損失，使得該種傳遞元件沒(méi)有盛行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]將所描述的現(xiàn)有技術(shù)作為基本的起點(diǎn)，因而本發(fā)明的目的為提供一種變換器單元，該變換器單元具有超聲傳遞元件和至少一個(gè)用于產(chǎn)生傳播方向不沿縱向定向的超聲振動(dòng)的超聲換能器，該超聲傳遞元件具有傳遞表面，該傳遞表面用于將超聲振動(dòng)傳遞至工具，該工具可在縱向上沿超聲傳遞元件的縱向軸線固定至傳遞表面或與傳遞表面接觸的材料，其中，變換器單元具有超聲固有頻率，借助該超聲固有頻率可生成高振動(dòng)能量。
[0012]根據(jù)本發(fā)明，由于超聲換能器沿傳播方向布置在繞超聲傳遞元件的縱向軸線±入/4的區(qū)域內(nèi)，其中λ為屬于超聲固有頻率的振動(dòng)的波長(zhǎng)，故而目的得以實(shí)現(xiàn)。
[0013]當(dāng)在本申請(qǐng)中涉及元件的超聲固有頻率時(shí)，這意味著該元件對(duì)應(yīng)于沿縱向的縱向振動(dòng)的最低固有頻率。
[0014]換言之，根據(jù)本發(fā)明的變換器單元利用了在超聲振動(dòng)單元內(nèi)形成的振動(dòng)結(jié)構(gòu)具有橫向振動(dòng)分量和用于激勵(lì)焊極的縱向振動(dòng)分量的事實(shí)。因而，變換器不用于生成實(shí)際期望的縱向振動(dòng)，而是用于生成不期望但無(wú)法避免的橫向振動(dòng)。因而在共振的情況下，在縱向也在橫向產(chǎn)生了縱向駐波。盡管在縱向上基本為平面縱波，但在橫向上形成的基本為圓柱形波。
[0015]變換器單元?jiǎng)t被設(shè)計(jì)使得超聲換能器沿傳播方向布置在中心共振半波λ/2內(nèi)的區(qū)域中。在該情形下，超聲換能器不布置在縱向軸線上但相互間隔。
[0016]在該情形下，優(yōu)選地，超聲換能器布置使得傳播方向與縱向軸線相交在一點(diǎn)，該點(diǎn)基本上位于對(duì)于縱向振動(dòng)也對(duì)于橫向振動(dòng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處。
[0017]特別優(yōu)選的實(shí)施例中設(shè)有至少兩個(gè)超聲換能器，至少兩個(gè)超聲換能器被布置使得分別由至少兩個(gè)超聲換能器生成的超聲波具有不平行于縱向的傳播方向，其中優(yōu)選地，至少兩個(gè)超聲換能器分別沿其傳播方向布置在繞超聲傳遞元件的縱向軸線±入/4的區(qū)域內(nèi)。
[0018]在該方面，傳播方向有利地垂直于縱向延伸。原理上不可否認(rèn)的是，超聲換能器布置使得其產(chǎn)生不與縱向垂直的超聲波是可能的。然而，總體上這導(dǎo)致了在變換器單元中的非最優(yōu)化的共振。垂直的布置因而是有利的。借助使用盡可能以沿軸線對(duì)稱關(guān)系布置的至少兩個(gè)超聲換能器，橫波可被均勻地激勵(lì)，這導(dǎo)致根據(jù)材料特性的期望的縱向振動(dòng)。
[0019]在優(yōu)選的實(shí)施例中有偶數(shù)個(gè)超聲換能器，其中兩個(gè)超聲換能器總是布置在縱向軸線的相對(duì)兩側(cè)。有利地，在周向上有四個(gè)分別相互間隔90°的超聲換能器。
[0020]在該方面，如果變換器單元在傳播方向具有約λ/2的橫向尺寸，則是有利的。
[0021 ]在優(yōu)選實(shí)施例中，變換器單元具有基本上立方形基座部分以及至少一個(gè)沿縱向延伸的縱向臂和四個(gè)沿橫向延伸的橫向臂，其中至少一個(gè)縱向臂和各橫向臂固定至基座部分，其中橫向臂各自具有對(duì)應(yīng)的超聲換能器。特別優(yōu)選地，設(shè)有兩個(gè)沿縱向延伸的縱向臂。待激勵(lì)的焊極則可固定在縱向臂之一上。
[0022]在另一優(yōu)選實(shí)施例中，變換器單元的長(zhǎng)度在橫向上以及在縱向上都為約λ/2。
[0023]例如，立方形基座部分在橫向上可具有螺紋孔，超聲換能器可與該螺紋孔螺紋連接。然而將注意到，特別是當(dāng)涉及較高的振幅時(shí)，在材料的螺紋孔的區(qū)域內(nèi)可產(chǎn)生顯著的應(yīng)力，由此螺紋連接可嚴(yán)重受載甚至被損壞。因而，在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，設(shè)置超聲傳遞元件(即例如立方形基座部分)具有至少一個(gè)一件式成形于其上且通過(guò)超聲生成裝置內(nèi)的開(kāi)口配合的保持銷(xiāo)。一件式連接排除了螺紋連接的疲勞和對(duì)螺紋連接的損壞。
[0024]本發(fā)明還涉及一種具有優(yōu)選地呈旋轉(zhuǎn)輥形式的可旋轉(zhuǎn)焊極的超聲振動(dòng)單元。為激勵(lì)該種焊極，根據(jù)本發(fā)明，提出可選地通過(guò)一個(gè)或多個(gè)幅值轉(zhuǎn)換部分將所述變換器單元軸向地配裝至可旋轉(zhuǎn)焊極。多個(gè)幅值轉(zhuǎn)換部分的使用例如WO 2007/079796中的描述。
[0025]如果不能滿足待傳遞的超聲能量，還可能軸向地配裝兩個(gè)所述變換器，在該情形下，優(yōu)選地兩個(gè)變換器單元配裝在焊極的相對(duì)兩側(cè)上。
【附圖說(shuō)明】
[0026]本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、特征和可能的用途將從此后對(duì)一些實(shí)施例的說(shuō)明和附圖中變得明顯，附圖中:
[0027]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的第一變換器單元的立體視圖，
[0028]圖2示出了圖1中的變換器單元的沿縱向的平面圖，
[0029]圖3示出了圖1中的變換器單元的縱向截面視圖，
[0030]圖4示出了圖1中的實(shí)施例的超聲傳遞元件的立體視圖，
[0031]圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的第二變換器單元的立體視圖，
[0032]圖6示出了圖5中的變換器單元的沿縱向的平面圖，
[0033]圖7示出了圖5中的變換器單元的縱向截面視圖，
[0034]圖8示出了圖5中的實(shí)施例的超聲傳遞元件的立體視圖，
[0035]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲振動(dòng)單元的第一實(shí)施例的平面視圖，
[0036]圖10示出了圖9中的實(shí)施例的立體視圖，
[0037]圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲振動(dòng)單元的第二實(shí)施例的平面視圖，以及
[0038]圖12示出了圖11中的實(shí)施例的立體視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]圖1至3示出了根據(jù)本發(fā)明的變換器單元I的各種視圖。變換器單元I具有超聲傳遞元件2，超聲傳遞元件2包括立方形基座部分4和沿縱向延伸的兩個(gè)臂3。沿縱向延伸的臂3為圓柱形構(gòu)造且在其端面具有用作固定例如焊極之類(lèi)的工具的相應(yīng)的螺紋孔5。超聲傳遞元件2至少在端面受到縱向超聲振動(dòng)作用，待激勵(lì)的工具固定在端面上。因而，在共振的情況下，在端面形成振動(dòng)的最大值，且縱向振動(dòng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生在超聲傳遞元件2的中心點(diǎn)處。
[0040]圖4示出了超聲傳遞元件2的立體視圖?？梢?jiàn)從立方形主體延伸的兩個(gè)縱向臂3，且其中一個(gè)具有傳遞表面9和用于固定至焊極或幅值轉(zhuǎn)換構(gòu)件的螺紋孔5。在立方形主體上一件式形成四個(gè)用于超聲換能器的接觸表面14，各接觸表面14內(nèi)制有分別的螺紋孔15，螺釘8可在螺紋孔15內(nèi)與其配合用以固定壓電盤(pán)6。
[0041]即使總體上僅關(guān)心縱向振動(dòng)，縱向振動(dòng)與基本垂直于其延伸的橫向振動(dòng)相關(guān)是任何振動(dòng)元件的固有特性。
[0042]根據(jù)本發(fā)明，該相關(guān)性得到應(yīng)用。為該目的，超聲傳遞元件2具有四個(gè)超聲換能器10，它們各自包括壓電盤(pán)6、端部盤(pán)7和固定螺釘8。壓電盤(pán)6與端部盤(pán)7—起借助固定螺釘8固定至超聲傳遞元件2的立方形基座部分4的沿橫向定向的表面。
[0043]因而可借助超聲變送器10在變換器單元內(nèi)生成橫向振動(dòng)。在該方面，變換器單元的尺寸使得在共振的情況下產(chǎn)生橫向駐波，從而產(chǎn)生基本在變換器單元的中心點(diǎn)處的縱向軸線上的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，且在沿橫向定向的臂的端面產(chǎn)生了振動(dòng)最大值。因而，如圖2中可見(jiàn)，變換器單元在橫向的尺寸為λ/2，其中λ為橫向共振的波長(zhǎng)。
[0044]就如縱向振動(dòng)固有地與實(shí)際上不期望的橫向振動(dòng)相關(guān)，橫向振動(dòng)的生成同樣導(dǎo)致縱向振動(dòng)，且根據(jù)本發(fā)明這點(diǎn)得到了應(yīng)用。
[0045]盡管因此所有變換器單元10—起生成橫向上的圓柱形波，但平的縱向振動(dòng)生成于超聲傳遞元件2內(nèi)。借助超聲變送器布置在中心共振半波λ/2的區(qū)域內(nèi)，能量損失也借助橫向振動(dòng)的激勵(lì)而最小化。
[0046]圖5至7示出了根據(jù)本發(fā)明的變換器單元的第二實(shí)施例的各種視圖。圖8示出了第二實(shí)施例的超聲傳遞元件2’的立體視圖。
[0047]第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同僅在于一件式成形于超聲傳遞元件2’上的、具有具有公螺紋件18的部分的保持銷(xiāo)17用于將壓電盤(pán)6固定至超聲傳遞元件2’。壓電盤(pán)6被壓在保持銷(xiāo)17上方，并借助固定螺母16固定至超聲傳遞元件2’。借助保持銷(xiāo)17與超聲傳遞元件2’之間的一件式連接避免了螺紋連接。特別是當(dāng)涉及大的振幅時(shí)，保持銷(xiāo)與超聲傳遞元件2 ’連接區(qū)域內(nèi)的材料應(yīng)力非常大，這在螺紋連接的情形下可導(dǎo)致螺紋連接上的高應(yīng)力。
[0048]圖9和10示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲振動(dòng)單元11的第一實(shí)施例的兩個(gè)視圖。其包括焊極12、13，焊極12、13具有輥形部分12和兩個(gè)軸向上配裝的部分13。如已結(jié)合圖1至3所描述的變換器單元I布置在兩個(gè)軸向上配裝的部分13中的一個(gè)處。
[0049]圖11和12示出了根據(jù)本發(fā)明的超聲振動(dòng)單元的第二實(shí)施例的兩個(gè)視圖。其與圖9與圖10中所示的實(shí)施例的不同在于兩個(gè)變換器單元I布置在焊極的軸向上相對(duì)的兩端的軸向連接部分13處，由此可產(chǎn)生較大能量的超聲激勵(lì)。
[0050]附圖標(biāo)記列表[0051 ] I 變換器單元
[0052]2,2,超聲傳遞元件
[0053]3 臂
[0054]4 基座部分
[0055]5 螺紋孔
[0056]6 壓電盤(pán)
[0057]7 端部盤(pán)
[0058]8 固定螺釘
[0059]9 傳遞表面
[0060]10 超聲換能器[0061 ] 11 超聲振動(dòng)單元
[0062]12 焊極的輥形部分
[0063]13 焊極的軸向連接部分
[0064]14 接觸表面
[0065]15 接觸表面的螺紋孔
[0066]16 固定螺母
[0067]17 保持銷(xiāo)
[0068] 18 公螺紋件
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種變換器單元，所述變換器單元包括超聲傳遞元件和至少一個(gè)超聲換能器，所述超聲傳遞元件具有傳遞表面，所述傳遞表面用于將超聲振動(dòng)傳遞至工具，所述工具可在縱向上沿所述超聲傳遞元件的縱向軸線固定至所述傳遞表面或與所述傳遞表面接觸的材料，所述超聲換能器用于生成傳播方向不沿所述縱向定向的超聲振動(dòng)，其中，所述變換器單元具有超聲固有頻率，其特征在于，所述超聲換能器沿所述傳播方向布置在繞所述超聲傳遞元件的縱向軸線±入/4的區(qū)域內(nèi)，其中λ為屬于所述超聲固有頻率的振動(dòng)的波長(zhǎng)。2.如權(quán)利要求1所述的變換器單元，其特征在于，設(shè)有至少兩個(gè)超聲換能器，所述至少兩個(gè)超聲換能器布置成使得分別由所述至少兩個(gè)超聲換能器生成的超聲波具有不平行于所述縱向的傳播方向，其中優(yōu)選地，所述至少兩個(gè)超聲換能器分別沿其傳播方向布置在繞所述超聲傳遞元件的所述縱向軸線± V4的區(qū)域內(nèi)。3.如權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的變換器單元，其特征在于，所述傳播方向垂直于所述縱向延伸。4.如權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的變換器單元，其特征在于，設(shè)有偶數(shù)個(gè)所述超聲換能器，其中總是有兩個(gè)所述超聲換能器相對(duì)于所述縱向軸線對(duì)稱布置。5.如權(quán)利要求1至4中的一項(xiàng)所述的變換器單元，其特征在于，至少一個(gè)所述超聲換能器布置成使得傳播方向與縱向軸線相交在一點(diǎn)，所述點(diǎn)基本上位于對(duì)于縱向振動(dòng)以及對(duì)于橫向振動(dòng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處，其中優(yōu)選地，所有所述超聲換能器布置成使得其所有傳播方向和縱向軸線相交在一點(diǎn)，所述點(diǎn)基本上位于對(duì)于縱向振動(dòng)以及對(duì)于橫向振動(dòng)的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)處。6.如權(quán)利要求1至5中的一項(xiàng)所述的變換器單元，其特征在于，沿所述傳播方向的單元具有約λ/2的橫向尺寸。7.如權(quán)利要求1至6中的一項(xiàng)所述的變換器單元，其特征在于，所述變換器單元具有基本上立方形基座部分以及至少一個(gè)沿所述縱向延伸的縱向臂和四個(gè)沿橫向延伸的橫向臂，其中，至少一個(gè)所述縱向臂和所述橫向臂固定至所述基座部分，其中，所述橫向臂各自具有對(duì)應(yīng)的超聲換能器，且優(yōu)選地設(shè)有沿所述縱向延伸的兩個(gè)縱向臂。8.如權(quán)利要求7所述的變換器單元，其特征在于，所述變換器單元在橫向上以及在縱向上都具有小于或等于λ/2的長(zhǎng)度，其中優(yōu)選地，所述長(zhǎng)度在橫向上以及在縱向上都為λ/2。9.如權(quán)利要求1至8中的一項(xiàng)所述的變換器單元，其特征在于，所述超聲傳遞元件具有一體式成形于所述超聲傳遞元件上且通過(guò)所述超聲換能器內(nèi)的開(kāi)口配合的至少一個(gè)保持銷(xiāo)。10.—種超聲振動(dòng)單元，所述超聲振動(dòng)單元具有優(yōu)選地呈旋轉(zhuǎn)輥形式的可旋轉(zhuǎn)焊極和如權(quán)利要求1至9中的一項(xiàng)所述的、可選地通過(guò)幅值轉(zhuǎn)換部分的方式軸向配裝至所述焊極的變換器單元。11.如權(quán)利要求10所述的超聲振動(dòng)單元，其特征在于，兩個(gè)如權(quán)利要求1至9中的一項(xiàng)所述的變換器單元軸向地配裝，其中所述兩個(gè)變換器單元優(yōu)選地配裝在所述焊極的相對(duì)兩側(cè)。
【文檔編號(hào)】B06B3/00GK105960291SQ201580005742
【公開(kāi)日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2015年1月15日
【發(fā)明人】J·格梅納, T·法斯塔卡, U·沃格勒
【申請(qǐng)人】海爾曼超聲波技術(shù)兩合有限公司