DE3710874C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallvibrator mit mindestens einem Elektrostriktivelement, vorzugsweise zwei Elektrostriktivelementen, zwei Metallteilen und einem Befestigungsglied, wobei das Elektrostrik­ tivelement bzw. die Elektrostriktivelemente in Verbundbauweise zwischen den Metallteilen angeordnet und alle Teile mittels des Befestigungs­ gliedes miteinander verspannt sind, wobei das Elektrostriktivelement aus einem in Dickenrichtung polarisierten Elektrostriktivkörper mit mehreren Elektroden auf einer Fläche und einer gemeinsamen Elektrode auf der anderen Fläche besteht und wobei an die Elektroden in der relativen Phase und/oder in der relativen Amplitude steuerbare Wechselspannungen anlegbar sind.

Ein solcher Ultraschallvibrator ist Gegenstand eines nachver­ öffentlichten Standes der Technik (DE-OS 36 35 806) und zeichnet sich dadurch aus, daß die Elliptizität und die Schwingungsrichtung am Ab­ triebsende und damit das Schwingungsbild einer Überlagerungsschwingung leicht steuerbar sind, indem nämlich lediglich Wechselspannungen un­ terschiedlicher relativer Phase und/oder unterschiedlicher relativer Amplitude an die Elektroden angelegt werden. Dadurch können auf ein­ fache Weise lineare Schwingungen, kreisförmige Schwingungen und ellip­ tische Schwingungen in jeder Richtung erzeugt werden.

Bei diesem zum nachveröffentlichten Stand der Technik zählenden Ultraschallvibrator werden die vorzüglichen anwendungstech­ nischen Ergebnisse mit relativ großem bautechnischen Aufwand erreicht, nämlich dadurch, daß das Elektrostriktivelement bzw. jedes Elektrostrik­ tivelement mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Elektroden­ paare umfaßt.

Das ist für besondere Anwendungen zwar zweckmäßig, aber nicht in allen Fällen erforderlich, so daß der Erfindung die Aufgabe zugrundeliegt, den bekannten Ultraschallvibrator bautechnisch zu verein­ fachen, ohne die steuerungstechnischen Möglichkeiten dadurch zu ver­ schlechtern.

Diese Aufgabe ist bei dem erfindungsgemäßen Ultra­ schallvibrator dadurch gelöst, daß auf der einen Fläche zwei Elektroden vorgesehen sind und der Elektrostriktivkörper in den Be­ reichen unter den Elektroden in einander entgegengesetzten Rich­ tungen polarisiert ist. Mit nur zwei Elektrodenbereichen lassen sich bei dem beanspruchten Ultraschallvibrator im Elektrostriktivkörper die gleichen steuerungstechnischen Möglichkeiten realisieren wie bei dem bekannten Ultraschallvibrator mit einer Vielzahl von Elektroden­ bereichen, wozu es allerdings auf die einander entgegengesetzte Po­ larisationsrichtung in den beiden Elektrodenbereichen entscheidend ankommt.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung weiter verdeutlicht. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines Ultraschallvibrators in einem Längsschnitt sowie eine Vielzahl von mit diesem Ultraschall­ vibrator erzeugbaren Schwingungsmustern,

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht ein Elektrostriktivelement eines Ultraschallvibrators aus Fig. 1,

Fig. 3 in perspektivischer Ansicht Elektrodenplatten für einen Ultra­ schallvibrator aus Fig. 1,

Fig. 4 den Ultraschallvibrator aus Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht in Verbindung mit einem Ultraschallmeißel und

Fig. 5 in einer Seitenansicht den Ultraschallvibrator aus Fig. 1 in Verbindung mit einer Drehvorrichtung.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird zunächst grundsätzlich der Aufbau des dar­ gestellten Ultraschallvibrators 25 erläutert.

Zunächst ist ein ringförmiger Elektrostriktivkörper 9 vorgesehen, der in der Richtung seiner Dicke polarisiert ist. Auf der einen Fläche des Elektrostriktivkörpers 9 sind Elektroden 11, 12 angeordnet, auf der anderen Fläche ist eine gemeinsame Elektrode 13 vorgesehen, so daß sich gemeinsam ein aus zwei Teilen 14 a und 14 b bestehendes Elektrostriktiv­ element 14 bildet. Wesentlich ist dabei, daß der Elektrostriktivkörper 9 in den Bereichen unter den Elektroden 11, 12 in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist.

Zur Konstruktion des Ultraschallvibrators 25 sind dann zwei Elektro­ striktivelemente 14 mit zwei U-förmigen Elektrodenplatten 15, 16 in Ver­ bundbauweise angeordnet, wobei die Elektroden 11, 12 einander gegenüber­ liegen. In der Mitte der Elektrostriktivelemente 14 wird ein Isolierzy­ linder 17 eingesetzt. An der Oberfläche der gemeinsamen Elektrode 13 eines der Elektrostriktivelemente 14 wird ein Metallteil 19, an der Ober­ fläche der gemeinsamen Elektrode 13 des anderen Elektrostriktivelements 14 wird über eine gemeinsame Elektrodenplatte 20 ein Metallteil 21 befestigt. An einem Ende des Metallteils 19 ist ein Abtriebsende 18 mit kreisförmigem Querschnitt angeordnet und das Metallteil 19 ist mit einem exponentiell eingezogenen Bereich versehen, der in Richtung des Abtriebsendes 18 ver­ läuft.

Die derart kombinierten Elektrostriktivelemente 14 und Metallteile 19 und 21 werden mit einer Schraube als Befestigungsglied 22 integral und fest verspannt. Insbesondere ist eine Bohrung 23 im Metallteil 21 vorge­ sehen, in die die Schraube 22 eingeführt wird, und das Metallteil 19 ist mit einem Innengewinde 24 versehen, in das die Schraube 22 eingeschraubt wird. So werden die Elektrostriktivelemente 14 und die Metallteile 19 und 21 integral miteinander verspannt, indem die Schraube 22 durch die Bohrung 23 und den Isolierzylinder 17 geführt und in das Innengewinde 24 eingeschraubt wird.

Anschließend werden die Elektroden 11, 12 sowie die gemeinsame Elektro­ de 13 über die Elektrodenplatten 15, 16 sowie die gemeinsame Elektro­ denplatte 20 an eine nicht gezeigte Antriebsschaltung angeschlossen.

Durch Einstellung der Frequenz der Antriebsspannungen auf die axiale Re­ sonanzfrequenz und/oder auf die Biegeresonanzfrequenz und durch Einstel­ lung der relativen Phase bzw. der relativen Amplitude lassen sich eine Vielzahl von Schwingungsmustern am Abtriebsende 18 des Ultraschallvibra­ tors 25 realisieren. Bei Antrieb mit Einstellung der relativen Phase auf Null insbesondere beschreibt das Abtriebsende 18 wie in Fig. 1(d) gezeigt eine lineare Bewegung, die in senkrechter Richtung zur Achse verläuft. Dies ist darauf zurückzuführen, daß gleiche Spannungen an die Elektrostriktivelemente 14 a, 14 b angelegt werden, so daß sich ein Elek­ trostriktivelement ausdehnt, während sich das andere Elektrostriktivele­ ment zusammenzieht, wodurch die Biegeresonanzschwingung erzeugt wird. Wenn dann die Phase der an Elektrodenplatte 16 angelegten Antriebsspan­ nung so eingestellt wird, daß sie der Phase der an Elektrodenplatte 15 angelegten Antriebsspannung voreilt, so ändert sich das Schwingungs­ muster am Abtriebsende 18 bei steigendem Ausmaß der Phasenvoreilung wie in Fig. 1(c), (b) und (a) gezeigt. Wird umgekehrt eine Phasen­ nacheilung eingestellt, so ändert sich das Schwingungsmuster am Ab­ triebsende 18 bei steigendem Ausmaß der Phasennacheilung wie in Fig. 1(e), (f) und (g) gezeigt.

Wird die relative Amplitude der Antriebsspannungen bei gleichzeitiger Einstellung der relativen Phase auf Null geändert, so ändern sich die Schwingungsmuster am Abtriebsende 18 aus dem Zustand, in dem zum Zeit­ punkt gleicher Amplituden eine Resonanzschwingung (Fig. 1(j)) in der zur Achse senkrechten Richtung verläuft, in die in Fig. 1(i) und (h) bzw. Fig. 1(k) und (l) gezeigten Zustände. Fig. 1(i) und (h) zeigen die Schwingungsmuster für den Fall, daß die an Elektroden­ platte 15 angelegte Antriebsspannung niedriger ist als die Elektro­ denplatte 16 angelegte Antriebsspannung, während Fig. 1(k) und (l) die Schwingungsmuster im umgekehrten Fall zeigen.

Wenn die Antriebsfrequenz andererseits auf die axiale Resonanzfrequenz eingestellt wird und Spannungen mit einem Phasenunterschied von 180° an die Elektrodenplatte 15, 16 angelegt werden, so bewirkt dies ein gleich­ zeitiges Ausdehnen und Zusammenziehen der Elektrostriktivelemente 14 a, 14 b, so daß der Ultraschallvibrator 25 wie in Fig. 1(p) gezeigt genau wie ein axialer Ultraschallvibrator 25 eine Resonanzschwingung in Axialrich­ tung erzeugt. Wird der Phasenunterschied der an die Elektrodenplatte 15, 16 angelegten Antriebsspannungen danach so eingestellt, daß in bezug auf einen Phasenunterschied von 180° eine Voreilung oder Nacheilung entsteht, so werden elliptische Schwingungen erzeugt, deren Richtung und Ellipti­ zität wie in Fig. 1(o) bis (m) bzw. (q) bis (s) vom jeweiligen Ausmaß der Voreilung bzw. Nacheilung abhängt.

Wird der Phasenunterschied auf 180° eingestellt und die relative Ampli­ tude geändert, so werden lineare Schwingungen erzeugt, deren Neigungs­ winkel sich auf entsprechende Weise je nach der Größe und Polarität der relativen Amplitude von der in Fig. 1(v) gezeigten Axialschwingung in die in Fig. 1(t), (u), (w) und (x) gezeigten Axialschwingungen ändert.

Werden relative Phase und relative Amplitude gleichzeitig verändert, so entstehen als nicht gezeigte Schwingungsmuster geneigte elliptische Schwingungen. Durch Einstellung der relativen Phase und der relativen Amplitude der betreffenden Antriebsspannungen können Elliptizität, Neigungswinkel, Drehrichtung und Größe der geneigten elliptischen Schwingungen beliebig eingestellt werden.

Wenn ein Ultraschallvibrator 25 solcher Bauart so betrieben werden soll, daß nur eine Axialschwingung oder nur eine Biegeschwingung erzeugt wird, so kann dieser Zweck durch Verwendung der Resonanzfrequenz der entspre­ chenden Schwingung erzielt werden. Bei Verwendung als zusammengesetzter Ultraschallvibrator 25 werden die Resonanzfrequenz in Axialrichtung und die Resonanzfrequenz in Biegerichtung vorzugsweise so abgestimmt, daß sie unter den tatsächlichen Lastbedingungen miteinander übereinstimmen. Obwohl es konstruktionsmäßig in der Praxis schwierig ist, ein völlige Übereinstimmung dieser beiden Frequenzen zu erzielen, treten praktisch keine Probleme auf, solange sich der Unterschied innerhalb eines Tole­ ranzbereiches von ±1% bis 2% bewegt. Der Begriffe "Resonanzfrequenz in Axialrichtung" und "Resonanzfrequenz in Biegerichtung" in der obigen Beschreibung wurden einfach aus dem Grunde verwendet, das es sich dabei um bevorzugte Frequenzen handeln und diese Begriffe ein leichteres Ver­ ständnis der Erläuterung ermöglichen. Die Anwendung ist daher nicht auf diese Frequenz beschränkt.

Wenn insbesondere nur die senkrecht zur Achse verlaufende Schwingung (Biegeschwingung) erforderlich ist, wie bei den weiter unten beschrie­ benen Anwendungen bei Einsatz in einem Ultraschallmeißel oder einer Ultraschalldrehvorrichtung, wird der Antrieb durch Verwendung der gleichen Antriebsspannung realisiert, so daß die Antriebsschaltung wesentlich vereinfacht werden kann.

Fig. 4 und 5 zeigen die oben beschriebenen Anwendungen des Ultra­ schallvibrators 25.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel der Anwendung in einem Ultraschallmeißel. Hier ist der Ultraschallvibrator 25 als ein integraler Ultraschallmeißel aus­ gebildet, bei dem die Spitze des Metallteils 19 als eine messerförmige Schneide 39 ausgebildet ist. Nach Anlegen einer in bezug auf die gemein­ same Elektrodenplatte 20 gleichen Spannung an die Elektrodenplatten 15, 16 erzeugt der Ultraschallvibrator 25 eine Biegeschwingung, wobei die Spitze der Schneide 39 in eine lineare Schwingung in der durch Pfeil 40 gekenn­ zeichneten, senkrecht zur Achse verlaufenden Richtung versetzt wird. Im Gegensatz zu einem Ultraschallmeißel herkömmlicher Bauart, bei dem die Schnittwirkung durch seine Axialschwingung erhöht wird, schneidet der vorliegende Meißel das Werkstück mit Hilfe seiner senkrecht zur Achse verlaufenden Schwingung. Da die Schwingung in bezug auf das Werkstück in Schnittrichtung verläuft, wird die Schnittwirkung der Ultraschallschwin­ gung eines Meißels dieser Ausführungsform wesentlich erhöht.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Anwendung in einer Ultraschallschwingungs­ drehmaschine. Insbesondere ist der Ultraschallvibrator 25 so ausgeführt, daß seine axiale Dimension einer Wellenlänge entspricht, und ein Schneid­ werkzeug 41 ist fest am Abtriebsende 18 angebracht. Da der Ultraschallvi­ brator 25 in einer dünnen zylindrischen Form über seine Länge von der Spitze bis zum ersten Knotenpunkt ausgebildet ist, wird der Schwingungs­ hub vergrößert, das Schneidwerkzeug 41 führt eine größere Resonanzschwin­ gung in Aufwärts- und Abwärtsrichtung aus. Der Schwingungsschnitt wird dadurch ausgeführt, daß das Schneidwerkzeug 41 gegen ein Werkstück 42 gepreßt wird, das sich in der durch den Pfeil gekennzeichneten Richtung dreht. Da sich das Schneidwerkzeug 41 wie oben beschrieben an einem Ende des Ultraschallvibrators 25 befindet, wird eine axiale Schwingungserzeu­ gung überflüssig. Außerdem kann trotz der kurzen Gesamtlänge eine größere Schwingungsamplitude erzielt werden, wodurch sich eine kompaktere Vorrichtung realisieren läßt. Indem der Ultraschallvibrator 25 überdies durch Punktkontakt am Knotenpunkt der Biegeschwingung gehalten wird, kann das Anbringen und Auswechseln des Ultraschallvibrators 25 einfacherer und sicherer gestaltet werden, und ein wirksamer Antrieb ohne Schwingungs­ verluste läßt sich erzielen.

Claims (1)

1. Ultraschallvibrator mit mindestens einem Elektrostriktivelement (14), vorzugsweise zwei Elektrostriktivelementen (14), zwei Metallteilen (19, 21) und einem Befestigungsglied (22), wobei das Elektrostriktivelement (14) bzw. die Elektrostriktivelemente (14) in Verbundbauweise zwischen den Metallteilen (19, 21) angeordnet und alle Teile mittels des Befestigungs­ gliedes (22) miteinander verspannt sind, wobei das Elektrostriktivele­ ment (14) aus einem in Dickenrichtung polarisierten Elektrostriktiv­ körper (9) mit mehreren Elektroden (11, 12) auf einer Fläche und einer gemeinsamen Elektrode (13) auf der anderen Fläche besteht und wo­ bei an die Elektroden (11, 12) in der relativen Phase und/oder in der relativen Amplitude steuerbare Wechselspannungen anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Fläche zwei Elek­ troden (11, 12) vorgesehen sind und der Elektrostriktivkörper (9) in den Bereichen unter den Elektroden (11, 12) in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert ist.