Brevet FR2588988A1 — publié le 19870424

*1 Résonateur présentant une sortie dynamique uniforme La présente invention se rapporte à des résona- teurs, également connus sous l'appellation de cornets pleins, de concentrateurs, d'outils, de transformateurs de vitesses ou d'amplitudes mécaniques, destinés au cou- plage de vibrations mécaniques dans la gamme des fré- quences sonores ou ultrasonores a partir d'une source de a vibrations appliquées a une pièce à usiner. Des résona- teurs de ce type sont largement utilisés dans le cadre d'appareils & ultrasons, mis en oeuvre pour le soudage de pièces thermoplastiques ou métalliques, pour l'usina- ge ou perçage aux ultrasons, pour la production d'émul- sions, etc. Les résonateurs du type indiqué ci-dessus sont des profilés métalliques dimensionnés de façon à être resonants en tant que resonateurs demi-ondes lorsqu'ils sont actionnés a une fréquence prédéterminée de sons, traversant ceux-ci longitudinalement depuis une extrémi- te d'entrée jusqu'à une extrémité de sortie disposée dans le sens opposé. Selon la finalité de leur utilisa- tion, les résonateurs sont le plus communément réalisés à partir d'aluminium ou de titane, moins fréquemment à partir d'acier ou de Monel. On peut trouver une descrip- tion relativement complète des différents types de réso- nateurs et de leur conception dans le manuel "Ultrasonic Engineering" ("technique des ultrasons" par Julian R. Frederick, John Wiley & Sons, Inc., New York, N.Y. (1965), pp. 87-103). Lorsque l'on soude ou colle des couches superpo- sées de matières textiles au moyen de l'énergie ultraso- nore, on utilise des résonateurs dits à barre. Les réso- nateurs de ce type présentent une section transversale rectangulaire et, plus communément, comportent une ré- duction transversale approximativement dans la région nodale du résonateur afin de fournir une amplitude dyna- mique accrue a l'extrémité de sortie par rapport à l'ex- trémité d'entrée sur laquelle sont appliquées les vibra- tions mécaniques. De cette manière, le résonateur dont la configuration ressemble à une lame sert non seulement au couplage des vibrations depuis une source jusqu'à une pièce à usiner, mais agit également en tant qu'amplifi- cateur mécanique pour l'amplitude vibratoire. Un résonateur à lame typique est décrit dans le brevet US n' 3 113 225 intitulé "Ultrasonic Vibration Generator" (Générateur de vibrations ultrasonores), délivré à C. Kleesattel et al. en date du 3 décembre 1963; de même, le brevet US n' 3 733 238 en date du 15 mai 1973 intitulé "Apparatus for Vibration Welding of Sheet Material" (Appareil pour le soudage par vibration de matière en feuilles) délivré à D.D. Long et al. dé- crit l'utilisation d'un tel résonateur dans les procédes de collage de matières textiles superposées au moyen de l'énergie ultrasonore. Un dispositif de collage par ul- trasons similaire est décrit dans le brevet US n' 3 562 041 délivré le 9 février 1971 intitulé "Method and Appa- ratus for the Ultrasonic Joining of Materials According to a Pattern" (Procédé et appareil pour la liaison par ultrasons de matières selon un patron) au nom de C.A. Robertson, lequel brevet décrit la fabrication de man- chettes de chemises et d'articles similaires. Le problème rencontré jusqu'à présent réside en ce que la surface avant de ces résonateurs, dont la lar- geur peut atteindre de 100 mm à 200 mm (4 pouces à 8 pouces) ou plus, présente une amplitude vibratoire iné- gale sur la largeur. Plus communément, l'amplitude vi- bratoire atteint la grandeur souhaitée dans la région centrale du résonateur, mais décroît sensiblement vers les bords latéraux. Lorsque l'on soude ou colle des films plastiques et matières textiles, une amplitude dy- namique relativement élevée est nécessaire, de façon ty- pique un déplacement de crête-à-crête de 0,08 à 0,13 mm (0,003 à 0,005 pouce), et étant donné que lorsque l'on travaille sur une matière molle ou souple, le soudage aux ultrasons est limité à la zone se trouvant directe- ment sous le résonateur, le soudage de la matière peut se révéler satisfaisant sous la portion centrale du ré- sonateur mais insatisfaisant vers les extrémités latéra- les du résonateur. Dans le passé, des tentatives ont été faites pour concevoir un résonateur de configuration rectangu- laire, notamment un résonateur du type à lame qui pré- sente une excursion dynamique sensiblement uniforme sur toute la surface de sortie. Un des efforts les plus ré- cents a consisté à fournir des fentes qui traversent la région nodale du résonateur pour casser ainsi les cou- plages de Poisson, voir Kleesattel ci-dessus. D'autres perfectionnements sont donnés en exemples par P.H. Da- vis, brevet US n' 4 131 505 en date du 26 décembre 1978 intitule "Ultrasonic Horn" (Cornet à ultrasons) et dans la publication de brevet allemand n' 23 43 605 déposé le 29 août 1973 par Mecasonic SA. Le brevet de Davis décrit l'utilisation d'un sillon périphérique dans la portion inférieure (sortie) du résonateur et applique cette conception du sillon à des résonateurs ronds et rectangulaires pleins. La pu- blication du brevet de Mecasonic traite de façon spéci- fique de résonateurs en forme de lame et ajoute des ré- sonateurs accordés demi-ondes sur les portions latérales du résonateur afin d'obtenir une sortie dynamique sensi- blement uniforme sur toute la surface de sortie du réso- nateur, depuis la portion centrale jusqu'aux bords. En partant d'une fréquence de 20 kHz et d'une matière telle que l'aluminium, l'acier ou le titane, un résonateur de- mi-ondes presente une longueur d'environ 134 mm (5 pou- ces 1/4). De ce fait, on ajoute un poids et une hauteur considérables au résonateur normalement très lourd par l'adjonction de deux résonateurs supplémentaires demi- ondes qui chevauchent la surface d'entrée du résonateur, voir figure 4 de la publication de Mecasonic. Une autre tentative visant à fournir une sortie dynamique uniforme sur la largeur de la surface de sor- tie d'un tel résonateur est décrite dans le brevet US n' 4 315 181 délivré à E.P. Holze, Jr., en date du 9 fé- vrier 1982. Les fentes longitudinales sont disposées à un certain angle entre elles au lieu d'être parallèles entre elles comme le décrit Kleesattel et al. ci-dessus. Ce résonateur, bien que fournissant la sortie dynamique uniforme désirée, présente l'inconvénient d'une concen- tration élevée de contraintes locales et ne peut par conséquent être utilisé à amplitude dynamique plus éle- vee. Un autre résonateur de configuration en lame présentant une amplitude dynamique sensiblement uniforme sur toute la surface de sortie est décrit dans le brevet US n' 4 363 992 délivré à E.P. Holze, Jr., en date du 14 décembre 1982. Dans cette dernière conception, la surfa- ce d'entrée du résonateur est munie de plots ou plaquet- tes disposés latéralement afin d'augmenter la masse du résonateur dans ses portions latérales par rapport à sa portion centrale. Cette dernière conception s'est avérée tout à fait satisfaisante sauf que l'adjonction des plots ou plaquettes diposés latéralement, interfère dans certains cas avec la fixation d'un résonateur intermé- diaire qui applique des vibrations depuis la source des vibrations mécaniques sur la surface d'entrée du résona- teur. Ceci est particulièrement vrai lorsque le résona- teur de couplage intermédiaire doit être fixé par souda- ge sur le résonateur. La présente invention concerne des résonateurs de configuration essentiellement rectangulaire ou du ty- pe à lame fournissant une sortie dynamique sensiblement uniforme (amplitude vibratoire) sur la surface de sor- tie. Le perfectionnement est obtenu en agençant la modi- fication souhaitée dans la zone de section transversale pour produire une amplitude dynamique accrue à la surfa- ce de sortie par rapport à la région nodale ou au plan nodal du résonateur de telle manière que les portions latérales du résonateur présentent un gain d'amplitude dynamique supérieure à la portion centrale du résona- teur. Comme cela est bien connu dans l'art, la sortie dynamique accrue est obtenue par une réduction dans la zone de section transversale du résonateur, et un gain maximum est atteint si la réduction de section transver- sale est effectuée sensiblement dans la région nodale du résonateur, cette région nodale étant située de façon sensiblement médiane entre la surface d'entrée et la surface de sortie du résonateur demi-ondes. Dans la pré- sente invention, il est prévu que la réduction de sec- tion transversale de résonateur soit pratiquée sensible- ment dans la zone de la région nodale pour les portions latérales du résonateur, tandis que dans la portion cen- trale du résonateur, la réduction de section transversa- le est agencée dans la zone située entre la région noda- le et la surface de sortie. Des essais ont montré qu'en choisissant judicieusement les zones de réduction de section transversale, on peut obtenir une uniformité dy- namique moyenne de 97 % sur la largeur de la surface de sortie. Un des principaux objectifs de la présente in- vention consiste par conséquent à fournir un résonateur de façon générale rectangulaire, présentant une amplitu- de vibratoire sensiblement uniforme sur toute sa surface de sortie. Un autre objectif important de la présente in- vention réside dans la fourniture d'un résonateur en forme de lame lequel est actionné par l'énergie vibra- toire en une portion centrale de sa surface d'entrée et qui fournit une- amplitude de vibration sensiblement uni- forme sur toute sa surface de sortie. Un autre objectif important de la présente in- vention consiste à fournir un résonateur de façon géné- rale rectangulaire, convenant particulièrement adapté & l'utilisation dans les opérations de soudage ou de col- lage des films plastiques et matières textiles par l'é- nergie ultrasonore, le résonateur fournissant une sortie dynamique sensiblement uniforme sur toute sa surface de sortie allongée qui est en contact avec le film ou la matière textile à joindre. Un autre objectif complémentaire important de la présente invention consiste à fournir un résonateur en forme de lame présentant ses portions de gain situées de telle manière qu'un gain d'amplitude dynamique supérieur soit obtenu dans les portions latérales du résonateur par rapport au gain obtenu dans la portion centrale du résonateur. D'autres objectifs complémentaires de la présen- te invention découleront de façon plus claire en réfé- rence à la description suivante conjointement au dessin ci-annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en perspective d'un résonateur typique conformément à la présente inven- tion; - la figure 2 est une vue verticale avant d'un autre mode de réalisation de la présente invention, et - la figure 3 est une vue verticale latérale du mode de réalisation montré à la figure 2. En référence aux figures et en particulier à la figure 1, il est montré un résonateur en forme de lame réalisé en aluminium ou en titane, présentant une surface d'entrée 12 et une surface de sortie 14 disposée dans le sens opposé. Le résonateur est dimensionné de façon à fonctionner en tant que résonateur demi-ondes pour l'énergie acoustique traversant longitudinalement celui-ci, depuis la surface d'entrée 12 jusqu'à la sur- face de sortie 14. Lorsqu'il est dimensionné pour fonc- tionner à 20 kHz et réalisé en aluminium, la dimension de la surface d'entrée à la surface de sortie est d'en- viron 134 mm (5 pouces 1/4). Le résonateur est muni de deux fentes 16 longitudinales afin d'interrompre les couplages de Poisson tels qu'ils sont décrits par Klee- sattel et al. ci-dessus. Les fentes s'étendent depuis une région avoisinant la surface d'entrée 12 jusqu'à une région avoisinant la surface de sortie 14. L'énergie vi- bratoire est fournie en une position centrale de la sur- face d'entrée planaire 12 par un moyen de couplage in- termédiaire 18 qui reçoit son énergie vibratoire d'un convertisseur électroacoustique (non représenté) tel qu'il est décrit dans le brevet US n' 3 328 610 délivré à S.E. Jacke et al. intitulé "Sonic Wave Generator" (Gé- nerateur d'ondes sonores) en date du 27 juin 1967. Pour fournir une amplitude dynamique accrue de vibrations à la surface de sortie 14 par rapport à l'am- plitude vibratoire présente à la surface d'entrée 12, le résonateur 10 présente une modification de section transversale depuis la surface d'entrée jusqu'à la sur- face de sortie. Le rapport d'amplitude vibratoire de sortie à l'amplitude d'entrée est connu de façon généra- le sous l'appellation de gain. Comme cela ressort de la figure 1, les portions latérales 20 du résonateur 10 présentent leur réduction de section transversale sensi- blement dans la région nodale des vibrations transmises à travers le résonateur, tandis que la portion centrale 22 du résonateur disposée entre les fentes 16 présente la réduction de section transversale dans la région si- tuée entre la région nodale et la surface de sortie 14. Habituellement, un gain maximum est obtenu lorsque le changement de section transversale se produit sensible- ment dans la région nodale du résonateur, cette région étant disposée de façon sensiblement médiane entre la surface d'entrée 12 et la surface de sortie 14. Tandis que le gain maximum se produit lorsque la réduction de section transversale présente la forme d'un gradin ou angle vif, les arêtes vives favorisant la concentration de contraintes localisées, il est préférable d'arrondir l'angle pour obtenir un changement plus progressif dans la section transversale. Comme cela ressort de la figure 1, les portions latérales 20 sont munies d'une surface 24 courbée de façon concave pour obtenir-une zone de section transversale réduite, et la portion centrale 22 est munie d'une portion courbée 26 de façon similaire pour obtenir la même réduction de section transversale depuis la surface d'entrée jusqu'à la surface de sortie. Toutefois, comme cela a été noté précédemment, ces ré- ductions de section transversale ne sont pas disposées dans le même plan par rapport à la région nodale du ré- sonateur, comme cela a été le cas dans la pratique de l'art antérieur. La conception du résonateur montrée à la figure 1 est telle que les portions latérales 20 pré- sentent un gain dynamique supérieur à celui de la por- tion centrale 22 en vue d'obtenir une sortie dynamique sensiblement uniforme sur toute la largeur de la surface de sortie 14. On peut recourir à la méthode d'analyse des éléments finis pour calculer les amplitudes de dé- placement respectives, voir "The Design of Ultrasonic Resonators With Wide Output Cross-Sections" (Conception de résonateurs à ultrasons- présentant des sections transversales de sortie larges) par P.L.L.M. Derks, mémoire présenté à la Technische Hogeschool Eindhoven (Université technique d'Eindhoven), Pays-Bas, 1984. Les figures 2 et 3 décrivent un résonateur 30 similaire présentant une surface d'entrée 32 et une sur- face de sortie 34 disposée dans le sens opposé. Une pai- re de fentes longitudinales 36 est prévue pour interrom- pre les couplages de Poisson comme cela a été indiqué précédemment. On applique une source d'énergie vibratoire au résonateur en accouplant une source d'énergie vibratoire sur une plaquette 38 disposée centralement le long de la surface d'entrée 32. Les portions latérales 40 de réso- nateur présentent la réduction de section transversale formée par une surface courbée 42 commençant à la zone 41 sensiblement dans la région nodale du résonateur, tandis que la portion centrale 44 présente une réduction de section transversale formée par une surface courbée 46 commençant en une zone 48 qui est située entre la ré- gion nodale et la surface de sortie 34. Le résonateur est de chaque côté muni d'oreilles 50 faisant légèrement saillie, cette configuration s'étant révélée apte à sta- biliser l'excursion vibratoire du bord du résonateur. Bien que l'on ait décrit et illustré un certain mode de réalisation préféré de la présente invention, l'homme de l'art comprendra que divers changements et modifications peuvent être apportés sans s'éloigner du principe large de l'invention qui ne sera limité que par la portée des revendications ci-annexées. REVENDICATIONS 1. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame dimensionné de façon à être résonant en tant que résona- teur demi-ondes pour l'énergie vibratoire d'une fréquen- ce ultrasonore prédéterminée, appliquée en un endroit central le long d'une surface d'entrée (12) dudit réso- nateur (10) et se déplaçant longitudinalement à travers celui-ci depuis ladite surface d'entrée (12) jusqu'à une surface de sortie (14) disposée dans le sens opposé de façon à ce que ladite surface d'entrée (12) et ladite surface de sortie (14) soient disposées sensiblement dans des régions antinodales de cette énergie vibratoi- re, une région nodale étant disposée de façon sensible- ment médiane entre lesdites surfaces d'entrée (12) et de sortie (14), ledit résonateur (10) présentant une por- tion longitudinale centrale (22) et deux portions longi- tudinales latérales (20), ladite portion centrale (22) et chacune desdites portions latérales (20) comprenant une modification de section transversale pour fournir au niveau de ladite surface de sortie (14) une amplitude dynamique accrue de l'énergie vibratoire appliquée à la- dite surface d'entrée (12), caractérisé par le fait que ladite modification de section transversale est disposée dans lesdites portions respectives par rapport à ladite région nodale pour que lesdites portions laté- rales (20) présentent un gain d'amplitude dynamique su- périeur à celui de ladite portion centrale (22), four- nissant ainsi une amplitude dynamique sensiblement uni- forme le long de ladite surface de sortie (14). 2. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame selon la revendication 1, caractérisé par le fait que comprend une paire de fentes longitudinales (16) espa- cees latéralement, s'étendant de façon générale depuis une région limitrophe de ladite surface d'entrée (12) à travers ladite région nodale jusqu'à une région limitro- phe de ladite surface de sortie (14) pour interrompre les couplages de Poisson, ladite portion centrale (22) étant définie par la portion de résonateur disposée en- tre lesdites fentes (16). 3. Résonateur à ultrasons (10) en forme de-.lame selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite modification de section transversale comprend une réduction de zone transversale depuis ladite surface d'entrée (12) jusqu'à ladite surface de sortie (14), et par le fait que ladite modification de section transver- sale se produit sensiblement dans la région nodale des- dites portions latérales (20) et en un endroit situé en- tre ladite région nodale et ladite surface de sortie (14) de ladite portion centrale (22). 4. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ladite modification de section transversale comprend une portion courbée. 5. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ladite surface d'entrée (12) comprend une surface sensi- blement planaire. 6. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame dimensionné pour être résonant en tant que résonateur demi-ondes pour l'énergie vibratoire de fréquence ultra- sonore prédéterminée appliquée en un endroit central le long d'une surface d'entrée (12) dudit résonateur (10) et passant longitudinalement à travers celui-ci depuis ladite surface d'entrée (12) jusqu'à une surface de sor- tie (14) disposée dans le sens opposé de façon que ladi- te surface d'entrée (12) et ladite surface de sortie (14) soient disposées sensiblement en des régions anti- nodales de ladite énergie vibratoire avec une région no- dale disposée de façon sensiblement médiane entre lesdi- tes surfaces d'entrée (12) et de sortie (14), ledit ré- sonateur (10) présentant une portion longitudinale cen- trale (22) et deux portions longitudinales latérales (20), ladite portion centrale (22) et chacune desdites portions latérales (20) comprenant une modification de section transversale pour fournir au niveau de ladite surface de sortie (12) une amplitude dynamique accrue de l'énergie vibratoire appliquée à ladite surface d'entré- (12), caractérisé par le fait que ladite modification de section transversale des- dites portions latérales (20) est décalée par rapport à ladite modification de section transversale de ladite portion centrale (22) par rapport à la région nodale du- dit résonateur (10). 7. Résonateur à ultrasons (10) en forme de lame selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit résonateur (10) comprend une paire de fentes lon- gitudinales (16) espacées latéralement s'étendant de fa- çon générale depuis une région limitrophe de ladite sur- face d'entrée (12) à travers ladite région nodale jus- qu'à une région limitrophe de ladite surface de sortie (14) pour interrompre les couplages de Poisson, et par le fait que ladite portion centrale (22) est définie par la portion de résonateur disposée entre lesdites fentes (16).