HOCHLEISTUNGS-ULTRASCHALLWANDLER UND VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler umfassend ein Ultraschallhorn und einen magnetostriktiven Treiber, wobei der Treiber mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche des Ultraschallhorns verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen dem Ultraschallhorn und dem Treiber eines solchen Ultraschallwandlers.

[0002] Im vorbekannten Stand der Technik auf dem Gebiet von Ultraschallwandlern wird als Treiber für die angestrebte Ultraschallschwingung entweder auf piezoelektrische oder auf magnetostriktive Treiber zurückgegriffen. Erstere haben den Vorteil einer hohen Effizienz, aber den Nachteil einer begrenzten Ausgangsleistung infolge der geringen Zugfestigkeit piezoelektrischer Materialien. Demgegenüber kann mit magnetostriktiven Ultraschallwandlern eine höhere Ausgangsleistung erzeugt werden, wobei hier jedoch die Nachteile einer vergleichsweise geringeren Effizienz, einer höheren Abwärme im Betrieb sowie eines komplexeren Aufbaus bzw. eines aufwendigeren Herstellungsverfahrens zu berücksichtigen sind.

[0003] Ein Problem bei der Auslegung magnetostriktiver Ultraschallwandler besteht darin, dass das magnetostriktive Material auf geeignete Weise mit dem Ultraschallhorn verbunden werden muss, wobei diese Verbindung im Stand der Technik zumeist mittels eines Lötverfahrens, insbesondere eines Hartlötverfahrens, realisiert ist. Gattungsgemäße magnetostriktive Ultraschallwandler der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der WO 2004/105085 A1 und der WO 2006/055368 A2 bekannt.

[0004] Bei diesen Ultraschallwandlern besteht der Treiber aus einer Vielzahl an Platten aus magnetostriktivem Material (nachfolgend als Magnetplatten bezeichnet), die in Aussparungen des Ultraschallhorns bzw. an einer Oberfläche des Ultraschallhorns mittels eines Hartlötverfahrens festgelötet sind. Eine geeignete Geometrie der Magnetplatten erlaubt die Beaufschlagung der Platten mit einem wechselnden Magnetfeld. Hierzu sind bei den in den vorstehend genannten Druckschriften beschriebenen Ultraschallwandlern z.B. zentrale Öffnung in den Magnetplatten und eine geeignete Spulenanordnung vorgesehen, mit welchen die beiden die Öffnung begrenzenden Schenkel der Magnetplatten bei geeigneter Bestromung der Spule unter Nutzung des Effekts der Magnetostriktion zu einer Schwingung im Ultraschall-Frequenzbereich angeregt werden können. Diese Schwingung wird dann von den Magnetplatten auf das Ultraschallhorn übertragen und innerhalb des Ultraschallhorns weiter bis zu dessen Schwingkopf geleitet. Die bereits weiter oben genannten Nachteile von magnetostriktiven Ultraschallwandlern treten jedoch auch bei diesem Stand der Technik auf.

[0005] Ferner ist aus der DD 59 963 A ein Verfahren zur Verbindung von elektromechanischen Wandlern mit Koppelgliedern und Werkzeugen von Ultraschallgebern bekannt, bei welchem das Blechpaket eines magnetostriktiven Wandlers zur Erzielung einer möglichst verlustarmen Kopplung mittels Elektronenstrahlschweißen mit einer ebenen Stirnfläche des Ultraschallgebers verbunden wird. Dabei bedarf es zum einen einer hohen Energie für den Elektronenstrahl, um das Blechpaket im Bereich der gesamten Stirnfläche mit dieser zu verschweißen. Zum anderen erweist sich diese Verbindungstechnik als nicht besonders stabil, da das Blechpaket ausschließlich an der ebenen Fläche gehalten ist.

[0006] Schließlich zeigt noch die EP 0 468 125 A2 ein Ultraschallhorn, bei dem zwei einander anschließende Abschnitte mittels Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen verbunden sind.

[0007] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art mit verbesserten Eigenschaften bereitzustel-len. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Ultraschallhorn und magnetostriktivem Treiber eines solchen Ultraschallwandlers.

[0008] Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.

[0009] Dabei ist - neben den bereits eingangs genannten Merkmalen - erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Treiber und das Ultraschallhorn im Bereich der Kontaktfläche mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden sind bzw. werden, wobei die Kontaktfläche durch den Boden von wenigstens einer Aufnahmetasche ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers aufnimmt, wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche in einer sockelartigen Erhebung des zum Treiber weisenden Endes des Ultraschallhorns ausgebildet ist und wobei die sockelartige Erhebung höher als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen ist.

[0010] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ergänzend zu den vorgenannten Merkmalen vorgesehen, dass der Elektronen- bzw. Laserstrahl so ausgerichtet bzw. geführt ist, dass er durch die seitliche Begrenzungswand der sockelartigen Erhebung in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn auf Höhe der Kontaktfläche und parallel hierzu eintritt.

[0011] Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich insbesondere herausgestellt, dass die einleitend genannten Probleme magnetostriktiver Ultraschallwandler zu nicht unwesentlichen Anteilen durch die im Stand der Technik vorgesehene Lötverbindung zwischen Treiber und Ultraschallhorn verursacht werden, so dass sich ein erfindungsgemäßer bzw. erfindungsgemäß hergestellter Ultraschallwandler unter anderem durch eine höhere Effizienz, eine geringere Abwärme sowie eine Mehrzahl weiterer, nachstehend noch näher diskutierter Vorteile auszeichnet.

[0012] Als erster Vorteil eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers kann genannt werden, dass das erfindungsgemäß im Bereich der Kontaktfläche zur Anwendung kommende Verfahren des Elektronenstrahlschweißens bzw. des Laserstrahlschweißens die Möglichkeit eröffnet, dass das Ultraschallhorn, die Kontaktfläche des Ultraschallhorns und/oder das magnetostriktive Material des Treibers vor der Herstellung der erfindungsgemäßen Schweißverbindung einer separaten Wärmebehandlung unterzogen werden können, und zwar ohne dass die hiermit verbundenen Vorteile bei der späteren Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Treiber und Ultraschallhorn nachträglich wieder zerstört oder nachteilig beeinträchtigt werden.

[0013] Demgegenüber ist das aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren des Hartlötens mit dem Nachteil verbunden, dass die zum Hartlöten benötigten Temperaturen im Bereich von ca. 750° C ein zuvor durch aufwendige Wärmebehandlung hergestellted Materialgefüge des Ultraschallhorns und/oder des magnetostriktiven Materials des Treibers wieder nachteilig verändern, so dass die Vorteile einer vorherigen Wärmebehandlung der genannten Elemente beim fertigen Ultraschallwandler nicht mehr vollständig zum Tragen kamen. Beim Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen ist hingegen die Temperaturbeaufschlagung des Ultraschallwandlers - auch im Vergleich zu anderen Schweißverfahren - geringer und auf einen wesentlich geringeren Bereich begrenzt.

[0014] Ferner wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellt, dass das erfindungsgemäß vorgesehenen Verfahren des Elektronenstrahl- bzw. Laserstrahlschweißens eine bessere Übertragung der akustischen Schwingungen vom Treiber auf das Ultraschallhorn garantieren. Insoweit ist davon auszugehen, dass das im Stand der Technik beim Löten zum Einsatz kommende Lötmaterial (das so genannte Lot) eine hohe Dämpfungswirkung auf die akustischen Schwingungen im Bereich der Verbindungsstelle verursacht. Die Effizienz eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist somit gegenüber dem Stand der Technik erhöht.

[0015] Zusätzlich wird in Anwendung der erfindungsgemäß vorgesehenen Verbindungstechnik für eine bessere mechanische Festigkeit der hergestellten Verbindung gesorgt. Dies wirkt sich positiv auf die Dauerschwingfestigkeit eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers aus und führt insbesondere auch zu einer höheren Belastbarkeit der Verbindungsstelle zwischen Treiber und Ultraschallhorn. Dadurch eröffnet sich neben der Möglichkeit eines Einsatzes unter höheren Lasten auch eine größere Flexibilität im Hinblick auf die exakte Anordnung der Verbindungsstelle unter Berücksichtigung der akustischen Schwingungsverhältnisse über die Länge des Ultraschallwandlers.

[0016] Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, welcher im vorbekannten Stand der Technik keine hinreichende Berücksichtigung fand, liegt wiederum in dem Umstand begründet, dass beim Löten bzw. Hartlöten ein großer Bereich um die eigentliche Verbindungsstelle herum einer hohen Temperatur (beim Hartlöten ungefähr 750° C) ausgesetzt wurde, was beim Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen nicht der Fall ist. Diesbezüglich ist anzumerken, dass das magnetostriktive Material des Treibers eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers bevorzugt mit einer Isolationsschicht versehen ist, die durch eine Beaufschlagung mit den zum Löten erforderlichen Temperaturen häufig großflächig beschädigt wird, was z.B. zu Kurzschlüssen zwischen einander benachbarten Elementen des Treibers führen kann. Demgegenüber ist beim Elektronenstrahlschweißen bzw. Laserstrahlschweißen nach der vorliegenden Erfindung die Höhe der - zur Verbindung des Treibers mit dem Ultraschallhorn benötigten und längs der Kontaktfläche quergeführten - Schweißnaht in vorteilhafter Weise auf eine Höhe von bis zu etwa 1-2 mm beschränkt, was mit deutlich geringeren Beschädigungen von Isolationsschichten an dem magnetostriktiven Material des Treibers verbunden ist.

[0017] Ferner tritt im Rahmen der vorliegenden Erfindung noch ein weiterer vorteilhafter Effekt in Erscheinung. Da bei den im Stand der Technik verwendeten Lötverfahren stets eine schmelzbare metallische Legierung als Verbindungsmaterial zum Einsatz kam, wurden die den Treiber bildenden Magnetplatten in größeren Bereichen um die Kontaktfläche herum durch das leitfähige Lot kontaktiert bzw. untereinander und mit der Kontaktfläche des Ultraschallhorns kurzgeschlossen. Dies führt zu erhöhten elektrischen Verlusten bei der elektromagnetischen Schwingungsanregung und letztlich zu einer erhöhten Wärmeerzeugung im Bereich der Verbindungsstelle während des Betriebs eines Ultraschallschwingers. Dieser nachteilige Effekt kann mit der vorliegenden Erfindung reduziert werden, da beim Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen, insbesondere wenn dieses wie im vorliegenden Fall längs der Kontaktfläche zwischen Ultraschallhorn und Treiber erfolgt, lediglich ein vergleichsweise kleiner Verbindungsbereich im Bereich des äußersten Randes des Treibers geschaffen wird. Vormals aufwendig zu realisierende Kühlvorrichtungen für den Ultraschallwandler lassen sich daher einfacher realisieren bzw. können ganz weggelassen werden.

[0018] Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung - entweder alternativ oder ggfs. nacheinander (z.B. auch an verschiedenen Stellen) - angewandten Techniken des Elektronenstrahl- bzw. Laserstrahlschweißens sind als solche bekannt, so dass sich hierzu ausführliche Erläuterungen erübrigen. Es sei jedoch erwähnt, dass in beiden Fällen Schweißnähte mit einer vorgebbaren und im Rahmen der vorliegenden Erfindung hinreichenden Nahttiefe erzeugt werden können. Dies erweist sich insbesondere in Anbetracht des Umstands, dass die Kontaktfläche, in deren Bereich die erfindungsgemäße Schweißverbindung hergestellt werden soll, ggfs. nicht direkt zugänglich ist, als besonders vorteilhaft.

[0019] Ferner ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass die Kontaktfläche, längs derer die Schweißverbindung zwischen dem Rand des Treibers und der Kontaktfläche des Ultraschallhorns hergestellt wird, durch den Boden von wenigstens einer Aufnahmetasche ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers aufnimmt. Unter dem Begriff Aufnahmetasche ist dabei vorteilhaft eine der Kontur des Treibers bzw. der magnetostriktiven Elemente angepasste Aussparung in der dem Treiber zugewandten Seite des Ultraschallhorns zu verstehen.

[0020] Beim Elektronenstrahl- oder Laserstrahlschweißen können für den vorliegenden Zweck genügend große Nahttiefen für die herzustellende Schweißnaht erzeugt werden, so dass der zur Herstellung der Schweißverbindung verwendete Elektronen- bzw. Laserstrahl so geführt und eingestellt sein kann, dass er durch einen Randbereich des massiven Ultraschallhorns hindurch die geforderte Schweißverbindung im Bereich des als Kontaktfläche dienenden Bodens einer Aufnahmetasche herstellt - und zwar ohne dass in Bereichen oberhalb der eigentlichen Schweißnaht ein Kurzschluss einander benachbarter magnetostriktiver Elemente oder in großen Bereichen um die eigentliche Verbindungsstelle bzw. -fläche herum eine unerwünschte Veränderung des Materialgefüges verursacht wird.

[0021] Der Elektronen- bzw. Laserstrahl wird in vorteilhafter Weise parallel zu und auf Höhe der durch den Boden der Aufnahmetasche gebildeten Kontaktfläche seitlich auf das Ultraschallhorn gerichtet, wodurch der auf entsprechender Höhe dem Ultraschallhorn in der wenigstens einen Aufnahmetasche anliegende Treiber im Bereich seiner Anlagefläche mit dem Boden der Aufnahmetasche verschweißt wird.

[0022] Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler vorgesehen, dass die wenigstens eine Aufnahmetasche in einer sockelartigen Erhebung des zum Treiber weisenden Endes des Ultraschallhorns ausgebildet ist. Soweit hier von einer sockelartigen Erhebung gesprochen ist, so kann diese insbesondere auch dadurch realisiert sein, dass ein die Aufnahmetaschen umgebender Bereich des Ultraschallhorns spanabhebend zurückgenommen wurde.

[0023] Dies erleichtert den erfindungsgemäß vorgesehenen Schweißvorgang maßgeblich, und zwar insbesondere dann, wenn wie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zusätzlich noch vorgesehen ist, dass die sockelartige Erhebung höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen.

[0024] Hierdurch kann der beim Schweißen bevorzugt parallel zur Kontaktfläche ausgerichtete Elektronen- bzw. Laserstrahl so geführt werden, dass er in etwa auf Höhe der Kontaktfläche von außen in eine seitliche Begrenzungswand des - im Querschnitt verringerten - Sockels eintritt, wodurch die notwendige Eindringtiefe für den Elektronen- bzw. Laserstrahl und der hierbei verursachte Energieeintrag inkl. der nachteiligen Auswirkungen auf das der Schweißnaht benachbarte Materialgefüge nochmals verringert werden kann. Der Strahl muss dann nämlich nur eine geringere Strecke durch das massive Ultraschallhorn zurücklegen, bis er an den eigentlichen Verbindungsbereich zwischen Treiber bzw. Magnetplatten und Ultraschallhorn gelangt.

[0025] Als Materialien für das (wenigstens eine) Ultraschallhorn und den magnetostriktivem Treiber kommen die insoweit aus dem Stand der Technik bekannten Werkstoffe in Betracht, wobei im Falle des - je nach Einsatzzweck verschiedenen Belastungen unterworfenen - Ultraschallhorns insbesondere an Aluminium, Titan, verschiedenste Stähle und besonders auch an Nickelbasislegierungen (wie z.B. Nimonic80A; vgl. DIN 2.4952) zu denken ist. Als Werkstoff für den Treiber können im Prinzip alle Arten von magnetostriktiven Materialien Verwendung finden, wobei ersichtlich solche mit einer hohen Magnetostriktivität zu bevorzugen sind. Hierunter fallen z.B. FeCo-Legierungen oder Terbium beinhaltende Legierungen, wie z.B. die unter den Gattungsbezeichnungen Hiperco, Terfenol und Gerfenol bekannten Legierungsfamilien.

[0026] Es sei an dieser Stelle ausdrücklich festgestellt, dass der magnetostriktive und mit einer geeigneten Spulenanordnung in Schwingung versetzbare Treiber eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in verschiedenster Geometrie aus einem oder mehreren magnetostriktiven Elementen realisiert sein kann - solange er sich dabei für eine Ultraschallwandlung eignet und im Rahmen der Erfindung wenigstens rand- bzw. stirnseitig mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche des Ultraschallhorns verschweißbar ist.

[0027] Insbesondere kann hierbei in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Treiber aus nur einem einzigen magnetostriktiven Element (z.B. platten- oder säulenförmig) besteht.

[0028] In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann jedoch bei gleichzeitiger Vermeidung der sich insoweit aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile vorgesehen sein, dass der Treiber als magnetostriktive Elemente eine Mehrzahl an Magnetplatten umfasst.

[0029] In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, kann dabei im Falle eines aus einer Mehrzahl an Magnetplatten bestehenden Treibers ergänzend vorgesehen sein, dass der über den gesamten Verbindungsbereich geführte Elektronen- bzw. Laserstrahl nicht nur parallel zur Kontaktfläche, sondern stets auch parallel zu den Kontaktlinien zwischen den Magnetplatten und der Kontaktfläche am Ultraschallhorn ausgerichtet ist. Die genannte Kontaktlinie wird durch die linienartige Erstreckung des der Kontaktfläche anliegenden Randes der jeweiligen Magnetplatte definiert. Diese Ausrichtung des Strahls führt zu einer weiteren Minimierung der im Bereich der Schweißnaht entstehenden Kurzschlüsse zwischen einander benachbarten Magnetplatten.

[0030] Um auch die im Vergleich zum Stand der Technik ohnehin niedrige Temperaturbelastung bzw. den Energieeintrag im Bereich der Schweißnaht nochmals zu verringern, kann ferner vorgesehen sein, dass der Elektronen- und/oder Laserstrahl so über den Verbindungsbereich geführt wird, dass ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite, bevorzugt der gegenüberliegenden Seite, hergestellt wird. Dadurch kann die zur Herstellung einer hinreichend stabilen Schweißverbindung notwendige Eindringtiefe des Elektronen- oder Laserstrahls im Wesentlichen halbiert werden, so dass der der Kontaktfläche anliegende Rand des Treibers bzw. der Rand der magnetostriktiven Elemente - in gedachten Linien durch den eigentlichen Verbindungsbereich - vorteilhaft zunächst von einer Seite bis etwa zur Mitte (oder geringfügig darüber hinaus) mit der Kontaktfläche des Utraschallhorns verschweißt wird und anschließend der andere Teil bzw. die andere Hälfte von der gegenüberliegenden Seite her verschweißt wird.

[0031] Bevorzugt sind im Rahmen der Erfindung mehrere Aufnahmetaschen vorgesehen, in denen jeweils ein Teil des Treibers bzw. der Magnetplatten (ggfs. paketweise) aufge-nommen ist. Die Anbindung des Treibers an das Ultraschallhorn wird hierdurch im Hinblick auf die Stabilität der Verbindung nochmals verbessert.

[0032] Ein bereits genannter Aspekt der vorliegenden Erfindung kommt schließlich zum Tragen, wenn in einer nochmals bevorzugten Weiterbildung der Erfindung das Ultraschallhorn und/oder das magnetostriktive Material des Treiber wenigstens teilweise (z.B. nur in hierfür relevanten Bereichen) einer (separaten) Wärmehandlung unterzogen sind.

[0033] Die erfindungsgemäß bereitgestellten Hochleistungs-Ultraschallwandler eignen sich im Prinzip für beliebige Anwendungszwecke von Ultraschallwandlern, wobei in Anbetracht der erfindungsgemäßen Vorteile insbesondere an Anwendungen mit hohen Belastungen gedacht werden kann (wie z.B. ein Einsatz des Ultraschallwandlers zur Behandlung von flüssigen fossilen Brennstoffen oder sonstigen Flüssigkeiten). Daher erweist sich eine vorherige Wärmebehandlung des Ultraschallhorns, ggfs. auch nur im Bereich der besonderen Belastungen unterworfenen Kontaktfläche(n) und/oder des dem Treiber abgewandten und ebenfalls hochbelasteten Schwingkopfs, als vorteilhaft. Auch im Fall des Treibers kann in vorteilhafter Weise auf eine vorherige Wärmebehandlung zurückgegriffen werden, da hierdurch insbesondere die magnetostrikiven Eigenschaften des verwendeten Materials optimiert werden können. Im übrigen führt die Wärmebehandlung zu einer isolierenden Oxidschicht auf der Oberfläche der Magnetplatten, wodurch die bevorzugt stapelweise einander anliegenden Magnetplatten gegeneinander isoliert sind. Wie bereits erläutert, ergab sich bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verbindungstechniken die im Rahmen der vorliegenden Erfindung festgestellte Problematik, dass durch eine hohe und über große Bereiche eingeleitete Temperaturbelastung (z.B. beim Hartlöten) das Materialgefüge bzw. die magnetostriven Eigenschaften des wärmebehandelten Materials oder die Oxidschicht bzw. eine separat aufgebrachte Isolationsschicht auf der Oberfläche der magnetostriktiven Elemente eines Treibers zerstört oder nachteilig beeinflusst wurden. Dieser nachteilige Effekt (Verringerung der Festigkeit des Horns bzw. Festigkeit und der magnetostriktiven Eigenschaften des Treibers; Kurzschlüsse zwischen den Magnetplatten durch Zerstörung der Isolationsschicht) tritt demgegenüber bei dem erfindungsgemäß verwendeten Verfahren des Elektronen- oder Laserstrahlschweißens nicht bzw. allenfalls in einem lokal begrenzten Bereich auf, so dass auch insoweit die bereits genannten Vorteile der Erfindung zum Tragen kommen.

[0034] Ferner sei erwähnt, dass ein Ultraschallhorn eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers nicht zwangsläufig einteilig ausgestaltet sein muss, sondern ggfs. auch mehrteilig, insbesondere zweiteilig ausgestaltet sein kann. Dabei kann in einer abermals bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kontaktfläche an einem Zwischenteil des Ultraschallhorns ausgebildet ist, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn verbunden (z.B. verschraubt) ist.

[0035] Und schließlich sei erwähnt, dass die vorliegende Erfindung auch einen Ultraschallwandler umfasst, der einen magnetostriktiven Treiber und insgesamt zwei, auf verschiedenen Seiten des Treibers angeordnete Ultraschallhörner umfasst. Hierbei ist dann zu beiden Seiten des Treibers für eine erfindungsgemäße Schweißverbindung zwischen dem Treiber und dem jeweiligen Ultraschallhorn im Bereich der jeweiligen Kontaktfläche des Ultraschallhorns zu sorgen.

[0036] Nachfolgend wird die Erfindung anhand mehrerer in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,

Fig. 2

einen ersten Längsschnitt durch den Ultraschallwandler aus Fig. 1 parallel zu der durch die Magnetplatten aufgespannten Ebene,

Fig. 3

einen zweiten Längsschnitt durch den Ultraschallwandler aus Fig. 1 senkrecht zu der durch die Magnetplatten aufgespannten Ebene,

Fig. 4

ein Zwischenstück eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers,

Fig. 5

eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6

eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und

Fig. 7

eine perspektivische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

[0037] Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 1 umfasst ein wärmebehandeltes Ultraschallhorn 2 und einen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur teilweise dargestellten, mit Hilfe mehrerer nicht dargestellter Spulen antreibbaren und auf dem Prinzip der Magnetostriktion funktionierenden Treiber 3 aus einer Vielzahl an Magnetplatten 4, die zu insgesamt sechs Stapeln 9 (hiervon ist nur einer dargestellt) gruppiert werden. Die aus einem magnetostriktiven Werkstoff hergestellten und ebenfalls wärmebehandelten Magnetplatten 4 liegen mit ihrem zum Ultraschallhorn 2 weisenden Rand 5 einer Kontaktfläche 6 an, wobei die Kontaktfläche 6 im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils durch den Boden 7 einer in Draufsicht rechteckigen Aufnahmetasche 8 gebildet wird. Insgesamt sind sechs Aufnahmetaschen 8 vorgesehen, in denen bei fertig montiertem Ultraschallschwinger 1 jeweils ein Stapel 9 aus einer Mehrzahl an Magnetplatten 4 endseitig aufgenommen ist, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeder Stapel aus zweiundzwanzig Magnetplatten mit je 0,4 mm Dicke besteht. Es versteht sich von selbst, dass auch eine geringere oder höhere Zahl von Magnetplatten oder andere Plattendicken Verwendung finden können.

[0038] Die Aufnahmetaschen 8 sind in einer sockelartigen Erhebung 10 ausgebildet, deren Höhe H (vgl. Fig. 2) größer als die Tiefe T (vgl. Fig. 3) der Aufnahmetaschen 8 ist. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindung zwischen dem aus den Magnetplatten 4 gebildeten Treiber 3 und dem Ultraschallhorn 2 kann ein Elektronenstrahl gemäß der Pfeile E1 und E2 so ausgerichtet bzw. geführt werden, dass er seitlich, also durch die seitliche Begrenzungswand 11 der sockelartigen Erhebung 10, in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn auf Höhe der Kontaktflächen 6 (vgl. die gestrichelte Linie 12 in Fig. 2) und parallel hierzu eintritt. Anstelle eines Elektronenstrahls kann jedoch zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Schweißverbindung im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch ein geeignet zu fokussierender Laserstrahl von hinreichender Energie Verwendung finden.

[0039] Bei dem dargestellten Ultraschallwandler 1 wird der stets parallel zur Kontaktlinie zwischen einer Magnetplatte und dem Ultraschallhorn ausgerichtete Elektronenstrahl (wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt) zunächst von einer Seite gemäß Pfeil E1 auf das Ultraschallhorn 2 bzw. die Seitenwand 11 der sockelartigen Erhebung 10 gerichtet, wobei die durch die Energie des verwendeten Elektronenstrahls einstellbare Eindringtiefe des Elektronenstrahls so zu wählen ist, dass er mit ausreichender Energie zur Erzeugung einer dauerfesten Schweißverbindung bis in etwa zur Mitte des der Kontaktfläche 6 anliegenden Randes 5 der jeweiligen Magnetplatte 4 in das Material eindringt. Dabei wird der Elektronenstrahl gemäß Pfeil F1 - in einer stets zu Pfeil E1 parallelen Ausrichtung - linear über den Verbindungsbereich geführt, so dass alle in den sechs Aufnahmetaschen 8 aufgenommenen Magnetplatten 4 wenigstens bis zur Mitte mit der Kontaktfläche 6 bzw. 7 linienförmig mit dem Ultraschallhorn 2 verschweißt werden.

[0040] Anschließend wird ein entsprechender Schweißvorgang von der anderen Seite der Magnetplatten 4 wiederholt. Hierbei wird der Elektronenstrahl gemäß Pfeil E2 unter Beibehaltung seiner Ausrichtung über den Verbindungsbereich geführt (vgl. Pfeil F2), so dass nach Abschluss des geschilderten Verfahrens alle Magnetplatten 4 randseitig mit dem Ultraschallhorn 2 verschweißt sind. Ggfs. könnte auch eine Elektronenstrahlführung in umgekehrter Richtung zum dargestellten Verlauf gemäß Pfeil F2 verwendet werden, z.B. wenn zur Herstellung der Schweißverbindung die gleichzeitige Verwendung zweier von verschiedener Seiten auf den Verbindungsbereich gerichteter Elektronen- und/oder Laserstrahlen angedacht ist.

[0041] Die mittels des Treibers 3 aufgebrachte Ultraschallschwingung kann dann über den elektronenstrahlgeschweißten (oder laserstrahlgeschweißten) Verbindungsbereich wirksam auf das Ultraschallhorn übertragen werden, wo sie durch eine Einschnürung 13 des Horn 2 verstärkt und bis hin zum Ultraschallkopf 14 hin übertragen wird, der dann gemäß Doppelpfeil A in Schwingung versetzt wird.

[0042] Das Ultraschallhorn 2 weist umfangseitig einen Befestigungsflansch 15 auf, mit welchem es z.B. an einer externern Struktur befestigt werden kann. Als Ansatzpunkt für den Flansch 14 eignet sich ein Knotenpunkt der durch das Ultraschallhorn 2 in Längsrichtung übertragenen Schwingung.

[0043] Fig. 4 veranschaulicht schließlich noch, dass der die Kontaktfläche(n) 6 aufweisende Bereich des Ultraschallhorns 2 ggfs. in Form eines Zwischenstücks 16 ausgebildet sein kann, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn (nicht dargestellt) - z.B. durch Verschraubung - verbunden wird. Hierzu weist das Zwischenstück 16 in dem dargestellten Beispiel an seiner Unterseite vorteilhaft einen Gewindestift 17 mit einem nicht dargestellten Außengewinde auf, mit welchem eine Schraubverbindung mit einem entsprechen Innengewinde am übrigen Ultraschallhorn hergestellt werden kann. Auch hier sind die zu insgesamt sechs Stapeln 9 (von denen wiederum nur einer dargestellt ist) gruppierten Magnetplatten 4 (der Einfachheit ist hier nur der Stapel 9 insgesamt dargestellt), die den Treiber 3 bilden, an ihrem dem Zwischenstück 16 des Ultraschallhorns zugewandten Rand im Bereich einer durch den Boden der Aufnahmetaschen 8 gebildeten Kontaktfläche 7 des Zwischenstücks 16 mit demselben elektronenstrahl- oder laserstrahlverschweißt. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel sind hier die Aufnahmetaschen 8 in einer sockelartigen Erhebung 10 des zum Treiber 3 weisenden Endes (hier durch das Zwischenstück 16 gebildet) des Ultraschallhorns ausgebildet.

[0044] Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, der aus einem Treiber 3 und zwei Ultraschallhörnern 2, 2' besteht, wobei die beiden Ultraschallhörner 2, 2' in einander entgegengesetzter Orientierung auf gegenüberliegenden Seiten des - wie zuvor - aus sechs Magnetplattenstapeln 9 bestehenden Treibers angeordnet und jeweils in der vorstehend bereits beschriebenen Weise mit diesem verschweißt sind. Auch hier könnte z.B. der jeweilige dem Treiber zugewandte Endbereich der beiden Ultraschallhörner 2, 2' durch ein Zwischenstück ausgebildet sein, das mit dem übrigen Ultraschallhorn verbunden ist.

[0045] Fig. 6 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers aus Ultraschallhorn 2 und Treiber 3, bei welchem der Treiber 3 aus genau einem magnetostriktiven Element 18 in Säulenform besteht, welches wiederum endseitig in einer dem runden Querschnitt angepassten Aufnahmetasche 8 in einer sockelartigen Erhebung 10 am Ultraschallhorn 2 aufgenommen und darin - im Bereich der durch den Boden der Aufnahmetasche 8 gebildeten Kontaktfläche mit dem Ultraschallhorn 2 - verschweißt ist. Hierzu kann ein Laser- oder Elektronenstrahl gemäß Pfeil E3 auf die seitliche Begrenzungswand 11 der sockelartigen Erhebung gerichtet und (z.B. durch Drehung des Ultraschallhorns) - unter Beibehaltungen seiner zur Kontaktfläche parallelen Ausrichtung auf der Höhe derselben und stets radial auf den Mittelpunkt des runden Querschnitts gerichtet - gemäß Pfeil F3 um die sockelartige Erhebung 10 herum geführt werden (vgl. die gestrichelte Linie 19), so dass auch hier - bei bevorzugt nur in etwa zur Mitte reichender Eindringtiefe des Elektronen- oder Laserstrahls - ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite des Ultraschallhorns hergestellt wird.

[0046] Und schließlich zeigt Fig. 7 noch ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit wiederum zwei Ultraschallhörnern 2, 2' (identisch zu demjenigen aus Fig. 6 aufgebaut) und einem dazwischen liegenden Treiber 3 aus einem einzigen, säulenförmigen magentostriktiven Element 18. Der Unterschied zu dem in Fig. 6 dargestellten Ultraschallwandler besteht darin, dass auf der dem ersten Ultraschallhorn 2 abgewandten Seite 20 des Treibers 3 ein weiteres - zum ersten Ultraschallhorn 2 baugleiches - Ultraschallhorn 2' angeordnet und in der bereits beschriebenen Weise mit diesem verweißt wird. Auch bei den Beispielen nach den Fig. 6 und 7 kann der dem Treiber zugewandte Bereich des Ultraschallhorns ggfs. in Form eines separaten Zwischenstücks ausgebildet sein.

Ansprüche

1. Ultraschallwandler (1) umfassend ein Ultraschallhorn (2) und einen magnetostriktiven Treiber (3),
wobei der Treiber (3) mit einer ihm zugewandten Kontaktfläche (6) des Ultraschallhorns (2) verbunden ist,
wobei der Treiber (3) und das Ultraschallhorn (2) im Bereich der Kontaktfläche (6) mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden sind,
wobei die Kontaktfläche (6) durch den Boden (7) von wenigstens einer Aufnahmetasche (8) ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers (3) aufnimmt,
wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche (8) in einer sockelartigen Erhebung (10) des zum Treiber (3) weisenden Endes des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist, und
wobei die sockelartige Erhebung (10) höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen (8) .

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Treiber (3) genau ein magnetostriktives Element (18) umfasst.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Treiber (3) eine Mehrzahl an Magnetplatten (4) umfasst.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere Aufnahmetaschen (8) vorgesehen sind, in denen jeweils ein Teil des Treibers (3) bzw. der Magnetplatten (4) aufgenommen ist.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschallhorn (2) und/oder das magnetostriktive Material des Treibers (3) wenigstens teilweise einer Wärmebehandlung unterzogen sind.

6. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ultraschallhorn (2) mehrteilig, insbesondere zweiteilig, aufgebaut ist, wobei die Kontaktfläche (6) an einem Zwischenteil (16) des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist, welches mit dem übrigen Ultraschallhorn (2) verbunden ist.

7. Ultraschallwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ultraschallwandler (1) ein zweites Ultraschallhorn (2') umfasst, welches auf einer dem ersten Ultraschallhorn (2) abgewandten Seite des Treibers (3) mit diesem verbunden ist, wobei der Treiber und das zweite Ultraschallhorn (2') im Bereich einer Kontaktfläche des zweiten Ultraschallhorns (2') mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen einem Ultraschallhorn (2) und einem magnetostriktiven Treiber (3) eines Ultraschallwandlers (1),
wobei der Treiber (3) und das Ultraschallhorn (2) im Bereich einer dem Treiber (3) zugewandten Kontaktfläche (6) des Ultraschallhorns (2) mittels Elektronenstrahlschweißen und/oder Laserstrahlschweißen verbunden werden,
wobei die Kontaktfläche (6) durch den Boden (7) von wenigstens einer Aufnahmetasche (8) ausgebildet ist, die das ultraschallhornseitige Ende des Treibers (3) aufnimmt,
wobei die wenigstens eine Aufnahmetasche (8) in einer sockelartigen Erhebung (10) des zum Treiber (3) weisenden Endes des Ultraschallhorns (2) ausgebildet ist,
wobei die sockelartige Erhebung (10) höher ist als die Tiefe der darin ausgebildeten Aufnahmetaschen (8), und
wobei der Elektronen- bzw. Laserstrahl so ausgerichtet bzw. geführt wird, dass er durch die seitliche Begrenzungswand (11) der sockelartigen Erhebung (10) in das massiv ausgestaltete Ultraschallhorn (2) auf Höhe der Kontaktfläche (6) und parallel hierzu eintritt.

9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Treiber (3) durch eine Vielzahl an Magnetplatten (4) gebildet ist, wobei der Elektronen- bzw. Laserstrahl (E1, E2) während des Schweißvorgangs stets parallel zur Kontaktfläche (6) sowie parallel zu den Kontaktlinien zwischen den Magnetplatten (4) und der Kontaktfläche (6) ausgerichtet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Elektronen- und/oder Laserstrahl (E1, E2) so über den Verbindungsbereich geführt wird, dass ein erster Teil der Schweißverbindung von einer ersten Seite und ein zweiter Teil der Schweißverbindung von einer zweiten Seite hergestellt wird.

Claims

1. An ultrasonic transducer (1) comprising
an ultrasonic horn (2) and a magnetostrictive driver (3),
wherein the driver (3) is joined to a contact face (6) of the ultrasonic horn (2) proximal thereto,
wherein the driver (3) and the ultrasonic horn (2) are joined in a zone of the contact face (6) by electron-beam welding and/or laser-beam welding,
wherein the contact face (6) is formed by the bottom (7) of at least one receiving pocket (8), which accommodates the end of the driver (3) proximal to the ultrasonic horn, wherein the at least one receiving pocket (8) is formed in a pedestal-like elevation (10) of an end of the ultrasonic horn (2) proximal to the driver (3), and
wherein the height of the pedestal-like elevation (10) is greater than the depth of the at least one receiving pocket (8) formed therein.

2. An ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the driver (3) comprises exactly one magnetostrictive element (18).

3. An ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the driver (3) comprises a plurality of magnet plates (4).

4. An ultrasonic transducer according to claim 1, wherein there are provided a plurality of receiving pockets (8), in each of which part of the driver (3) or of the magnet plates (4) is accommodated.

5. An ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the ultrasonic horn (2) and/or the magnetostrictive material of the driver (3) is subjected at least in part to a heat treatment.

6. An ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic horn (2) is constructed in several pieces, especially in two pieces, wherein the contact face (6) is formed on an intermediate part (16) of the ultrasonic horn (2), which part is joined to the other part of the ultrasonic horn (2).

7. An ultrasonic transducer according to one of the preceding claims, wherein the ultrasonic transducer (1) comprises a second ultrasonic horn (2'), which is joined to the driver (3) on a side thereof distal to the first ultrasonic horn (2), wherein the driver and the second ultrasonic horn (2') are joined in the zone of a contact face of the second ultrasonic horn (2') by means of electron-beam welding and/or laser-beam welding.

8. A method for creating a permanent joint between an ultrasonic horn (2) and a magnetostrictive driver (3) of an ultrasonic transducer (1), wherein
the driver (3) and the ultrasonic horn (2) are joined in the zone of a contact face (6) of the ultrasonic horn (2) proximal to the driver (3) by electron-beam welding and/or laser-beam welding,
wherein the contact face (6) is formed by the bottom (7) of at least one receiving pocket (8), which accommodates the end of the driver (3) proximal to the ultrasonic horn, wherein the at least one receiving pocket (8) is formed in a pedestal-like elevation (10) of the end of the ultrasonic horn (2) proximal to the driver (3),
wherein the height of the pedestal-like elevation (10) is greater than the depth of the receiving pocket (8) formed therein, and
wherein the electron or laser beam is aligned or guided in such a way that it enters through the side bounding wall (11) of the pedestal-like elevation (10) into the solidly formed ultrasonic horn (2) at the height of the contact face (6) and parallel thereto.

9. A method according to claim 8, wherein the driver (3) is formed by a plurality of magnet plates (4), and wherein the electron or laser beam (E1, E2), during the welding operation, is always aligned parallel to the contact face (6) as well as parallel to the lines of contact between the magnet plates (4) and the contact face (6).

10. A method according to claim 8 or claim 9, wherein the electron and/or laser beam (E1, E2) is guided over the joint zone in such a way that a first part of the welded joint is created from a first side and a second part of the welded joint is created from a second side.

Revendications

1. Transducteur d'ultrasons (1) comprenant une sonotrode ultrasonique (2) et un pilote magnétostrictif (3),
le pilote (3) étant relié à une surface de contact (6) de la sonotrode ultrasonique (2), tournée vers lui,
le pilote (3) et la sonotrode ultrasonique (2) étant reliés dans la zone de la surface de contact (6) au moyen d'une soudure par faisceau électronique et/ou soudure par faisceau laser,
la surface de contact (6) étant constituée par le fond (7) d'au moins une poche de réception (8), qui loge l'extrémité du pilote (3) côté sonotrode ultrasonique, au moins une poche de réception (8) étant constituée dans une élévation (10) de type socle de l'extrémité de la sonotrode ultrasonique (2), orientée vers le pilote (3), et
l'élévation (10) de type socle étant plus haute que la profondeur des poches de réception (8) constituées dedans.

2. Transducteur d'ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pilote (3) comprend exactement un élément magnétostrictif (18).

3. Transducteur d'ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pilote (3) comprend une pluralité de plaques magnétiques (4).

4. Transducteur d'ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que plusieurs poches de réception (8) sont prévues dans lesquelles est respectivement logée une partie du pilote (3) ou des plaques magnétiques (4).

5. Transducteur d'ultrasons selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonotrode ultrasonique (2) et/ou le matériau magnétostrictif du pilote (3) sont au moins en partie soumis à un traitement thermique.

6. Transducteur d'ultrasons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sonotrode ultrasonique (2) est constituée en plusieurs parties, notamment en deux parties, la surface de contact (6) étant constituée sur une partie intermédiaire (16) de la sonotrode ultrasonique (2), laquelle est reliée au reste de la sonotrode ultrasonique (2).

7. Transducteur d'ultrasons selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le transducteur d'ultrasons (1) comprend une deuxième sonotrode ultrasonique (2'), laquelle est reliée avec celui-ci sur un côté opposé à la première sonotrode ultrasonique (2) du pilote (3), le pilote et la deuxième sonotrode ultrasonique (2') étant reliés dans la zone d'une surface de contact de la deuxième sonotrode ultrasonique (2') au moyen d'une soudure par faisceau électronique et/ou soudure par faisceau laser.

8. Procédé pour la fabrication d'une liaison permanente entre une sonotrode ultrasonique (2) et un pilote magnétostrictif (3) d'un transducteur d'ultrasons (1),
le pilote (3) et la sonotrode ultrasonique (2) étant reliés dans la zone d'une surface de contact (6) de la sonotrode ultrasonique (2), tournée vers le pilote (3) au moyen d'une soudure par faisceau électronique et/ou soudure par faisceau laser,
la surface de contact (6) étant constituée par le fond (7) d'au moins une poche de réception (8), qui loge l'extrémité du pilote (3), côté sonotrode ultrasonique,
au moins une poche de réception (8) étant constituée dans une élévation (10) de type socle de l'extrémité de sonotrode ultrasonique (2) orientée vers le pilote (3),
l'élévation (10) de type socle étant plus haute que la profondeur des poches de réception (8) constituées dedans,
le faisceau électronique ou laser étant orienté ou guidé de telle sorte qu'il pénètre par la paroi de délimitation latérale (11) de l'élévation (10) de type socle dans la sonotrode ultrasonique (2) constituée de façon massive à hauteur de la surface de contact (6) et parallèlement à celle-ci.

9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pilote (3) est formé par une pluralité de plaques magnétiques (4), le faisceau électronique ou laser (E1, E2) étant orienté pendant l'opération de soudure toujours parallèlement à la surface de contact (6) ainsi que parallèlement aux lignes de contact entre les plaques magnétiques (4) et la surface de contact (6).

10. Procécé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le faisceau électronique et/ou laser (E1, E2) est guidé par le biais de la zone de liaison de telle sorte qu'une première partie de la liaison soudée est réalisée par un premier côté et une deuxième partie de la liaison soudée par un deuxième côté.

Zeichnung