Brevet FR2651693A1 — publié le 19910315

La présente invention est relative à un dispositif destiné à assurer une mise en vibration d'un élément inerte, tel qu'un bloc, un cadre ou toute autre structure inerte, à l'aide d'une tête ultrasonique accordée. Jusqu'à présent, les producteurs de machines à ultrasons qui ont été confrontés au problème de la mise en vibration de blocs inertes de métaux ou d'autres matériaux ou éléments tels que notamment cadres, cerclages, structures cubiques ne possédant pas de fréquence de résonance utilisent une tête à ultrasons classique, du type illustré par le schéma de la figure 1 du dessin annexé et qui comporte un émetteur 1 et un amplificateur 2, généralement appelé "booster", qui constituent un ensemble acoustique à fréquence fixe, cette fréquence étant généralement de l'ordre de 20 kHz. L'élément inerte 4 devant être mis en vibration (élément à vibrer) est fixé à l'extrémité de la tête acoustique constituée par l'émetteur 1 et le booster 2, par l'intermédiaire d'un moyen tel que notamment une vis de couplage 3. Sur la figure 1 on a représenté en partie droite du dessin l'emplacement des ventres d'amplitude A et celui des noeuds d'amplitude N. Cette technique connue, que l'on peut qualifier de simpliste, ne permet pas de transmettre la puissance acoustique à la structure inerte 4 à vibrer, car celle-ci est inerte et elle désaccorde l'ensemble électroacoustique qui lui, est accordé à la fréquence propre de l'émetteur 1, c'est-à-dire généralement à la fréquence de 20 kHz. I1 en résulte un rendement déplorable qui dans la plupart des cas engendre la rupture de l'émetteur 1, des pannes du générateur d'ultrasons, des ruptures de la vis de couplage 3 entre la tête acoustique et le bloc inerte 4 à vibrer. La présente invention a donc pour objectif d'apporter une structure de mise en vibration d'un bloc ou élément inerte ne présentant pas les inconvénients des solutions antérieures mentionnées ci-dessus. A cet effet, cette invention concerne un dispositif pour la mise en vibration d'un élément inerte à l'aide d'une tête acoustique accordée caractérisé en ce qu'il comprend - un ensemble électroacoustique a fréquence fie, par exemple de l'ordre de 20 à 30 kHz, constitué, de manière connue d'un émetteur d'ultrasons et d'un booster ou amplificateur et, - une sonotrode en forme de croix dont les branches sont accordées à la fréquence de l'émetteur, deux desdites branches étant chargées par cet émetteur et par l'élément inerte respectivement et les deux autres branches étant libres de façon à vibrer en résonance ce qui cree une bande passante de fréquence de l'ensemble électroacoustique couplé à l'élément à vibrer, centré sur la fréquence de l'émetteur. Selon l'invention, les charges constituées d'une part par l'émetteur d'ultrasons et d'autre part par l'élément inerte à vibrer peuvent être appliquées soit aux branches longitudinales soit aux branches transversales de la sonotrode en forme de croix, soit encore à une demie branche longitudinale (ou verticale) et à une demie branche transversale (ou horizontale), respectivement de cette sonotrode cruciforme. Selon un exemple de réalisation de la présente invention on prévoit des sonotrodes auxiliaires prolongant chacune des branches libres de la sonotrode en forme de croix, afin d'accroître le facteur de qualité mécanique de l'ensemble. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-apres en référence aux dessins annexés qui en illustrent deux exemples de réalisation dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins - la figure 1 est une vue schématique illustrant l'état antérieur de la technique décrit dans le préambule de la présente description et - la figure 2 est une vue similaire à la figure 1 représentant de façon schématique un mode de réalisation préféré d'un dispositif selon l'invention - la figure 3 est une vue similaire à la figure 2 illustrant une variante de la présente invention. On se réfère à la figure 2 qui représente un exemple de réalisation non limitatif d'un dispositif selon l'invention pour la mise en vibration d'un élément inerte, qui sur le dessin a été schématisé par la structure 4, cette mise en vibration étant réalisée à l'aide d'une tête ultrasonique classique comprenant notamment un émetteur 10. Bien entendu, cette tête pourrait également comprendre un amplificateur ou booster comme décrit ci-dessus en référence à la figure Il. Belon l'invention on utilise une sonotrode 12 en forme de croix dont les branches longitudinales ou verticales 14, 14' et les branches transversales ou horizontales 16, 16' sont accordées à la fréquence de l'émetteur 10, cette fréquence pouvant être par exemple de l'ordre de 20 à 30 kHz. Le principe à la base de l'invention réside dans l'utilisation des vibrations de la branche verticale 14, 14', parallèle à l'axe de l'émetteur 10, aussi bien que des vibrations de la branche horizontale 16, 16', perpendiculaire à l'axe de l'émetteur. Ainsi, selon l'invention deux branches seulement (horizontales ou verticales ou une demie branche horizontale et une demie branche verticale) de la sonotrode en forme de croix 12 sont chargées par l'émetteur 10 et le bloc inerte à vibrer 4, les deux autres branches étant libres pour être mises en résonance avec l'émetteur. Dans cet exemple de réalisation préféré, mais qui n a cependant aucun caractère limitatif, on utilise également deux sonotrodes 18, 18' dites sonotrodes auxiliaires, qui sont disposées de manière à prolonger les branches libres 16, 16' de la sonotrode 12 Ces sonotrodes auxiliaires 18, 18' ont pour but d'augmenter le facteur de qualité mécanique de l'ensemble en ajoutant au système deux éléments vibrant en résonance sur les branches non chargées de la sonotrode 12 (dans cet exemple il s'agit des branches horizontales 16, 16'), de manière à créer une bande passante de fréquence de l'ensemble électroacoustique couplé au bloc à vibrer 4, centré sur la fréquence de l'émetteur 10. Sur cette figure 2, on a indiqué l'emplacement des noeuds d'amplitude N et des ventres d'amplitude A, répartis le long de l'ensemble acoustique comportant la sonotrode cruciforme 12, dans la configuration conforme à l'invention. Bien entendu et sans sortir du cadre de l'invention la sonotrode en forme de croix 12 peut être utilisée sans les sonotrodes auxiliaires 18, 18', en particulier lorsque l'on veut élargir la bande passante de fréquence de l'ensemble électroacoustique couplé au bloc inerte 4. Alors que dans les techniques antérieures, dont un exemple de réalisation caractéristique a été illustré par la figure 1, la charge constituée par le bloc à vibrer désaccorde totalement l'ensemble acoustique, au contraire, dans le dispositif objet de l'invention, la mise en oeuvre d'une sonotrode 12 en forme de croix avec deux branches chargées et deux branches libres (respectivement 14, 14' et 16, 16' dans l'exemple illustré par la figure 2) et, éventuellement en outre les deux sonotrodes auxiliaires 18, 18' disposées comme décrit ci-dessus, permet d'obtenir un élément résonant accordé sur la fréquence de l'émetteur alors que l'ensemble est couplé sur un bloc inerte sans fréquence de résonance. La résonance de l'ensemble ainsi réalisé se manifeste par la mise en vibration du système constitué par l'émetteur 10, la sonotrode en forme de croix 12, les sonotrodes auxiliaires éventuelles 18, 18', cette vibration étant réalisée à la fréquence de résonance 10. Le mouvement de compression/extension alternatif suivant un train d'ondes stationnaires, déterminant des noeuds et des ventres d'amplitude comme indiqué sur la figure 2, crée une déformation forcée de compression/dilatation sur la branche verticale de la sonotrode 12 (c'est-à-dire sur les branches chargées 14, 14') qui transmet les vibrations au bloc inerte 4. Dans le second exemple de réalisation de l'invention illustré par la figure 3, les charges constitués d'une part par l'émetteur 10 et d'autre part par l'élément inerte à vibrer 4 sont respectivement appliquées à la demie branche verticale 14 de la sonotrode 12 en forme de croix et à la demie branche horizontale 16' de cette même sonotrode. Ainsi, grâce à l'invention on peut coupler un ensemble acoustisque résonant dont l'énergie vibratoire est transmise à un bloc inerte, tout en conservant les avantages d'un élément acoustique accordé, ce qui permet d'exciter le système avec une tête ultrasonique classique dont la bande passante est alignée avec celle de l'émetteur d'ultrasons. Le dispositif selon l'invention peut être appliqué notamment au soudage par ultrasons. I1 demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et/ou représentés mais qu'elle en illustre toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour la mise en vibration d'un élément inerte à l'aide d'une tête ultrasonique caractérisé en ce qu'il comprend - un ensemble électroacoustique à fréquence fixe constitué, comme connu d'un émetteur (10) et éventuellement d'un amplificateur ou "booster" et, - une sonotrode en forme de croix (12) dont les branches (14, 14' ; 16, 16') sont accordées à la fréquence de l'émetteur, deux desdites branches (14, 14') étant chargées respectivement par l'émetteur (10) et par l'élément inerte à vibrer (4), et les deux autres (16, 16') étant libres de façon à vibrer en résonance créant ainsi une bande passante de fréquence de l'ensemble électroacoustique couplé à l'élément à vibrer centré sur la fréquence de l'émetteur. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les charges constituées d'une part par l'émetteur (1 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les charges canstituées d'une part par l'émetteur (10) et d'autre part par l'élément inerte à vibrer (4)sont appliquées aux branches transversales (16, 16') de la sonotrode en forme de crois (12). 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des sonotrodes auxiliaires (18, 18') prolongeant chacune des branches libres (16, 16') de la sonotrode en forme de croix (12), de manière à augmenter le facteur de qualité mécanique de l'ensemble électroacoustique. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 ou o, caractérisé en ce que les charges constituées respectivement par l'émetteur et par l'élément inerte à vibrer sont appliquées à une demie branche transversale et à une demie branche longitudinale, respectivement, de la sonotrode en forme de croix.