(57)【要約】  本発明は、少なくとも1つの振動発生素子と、振動発生素子に圧力を加えるための少なくとも1つの締付要素を備える複合高周波振動システムを具備する、電気機械式複合高周波振動を発生させる装置であり、上記締付要素は、少なくとも1つの振動発生素子の材料断面の外側に配置される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも1つの振動発生素子と、前記振動発生素子に圧力を加えるための少なくとも1つの締付要素と、を備える複合高周波振動システムを具備し、
少なくとも1つの前記締付要素は、少なくとも1つの前記振動発生素子の材料断面の外側に配置される、電気機械式複合高周波振動発生装置。
【請求項２】
少なくとも2つの前記締付要素は、少なくとも1つの前記振動発生素子の材料断面の外側に配置される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複合高周波振動システムは、周波数が15kHzから200kHzで振動するように構成される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
前記複合高周波振動システムは、振幅が1μmから350μmで振動を生じるように構成される、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記振動発生素子は、圧電セラミック素子である、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記複合高周波振動システムは、その長手方向に沿って連続的に配置される少なくとも2つのラムダ/2-エレメントを含む、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
少なくとも1つの前記締付要素は、少なくとも部分的に前記複合高周波振動システムを囲む、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
少なくとも1つの前記締付要素は、少なくとも１つのネジによって(例えば、ネジ締めることによって)張力をかけられる、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記締付要素の引張応力は、前記締付要素の塑性変形限界未満である、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
力は、前記締付要素から前記複合高周波振動システムに、前記複合高周波振動システムの長手方向に生じる機械的振動の振動最小値の位置（節）で伝わる、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
力は、前記締付要素から前記複合高周波振動システムに、前記複合高周波振動システムの長手方向に生じる機械的振動の振動最小値の位置（節）から0.1ラムダ未満だけ離れた位置で伝わる、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
力は、部材に対して圧力を加えることによって、前記締付要素から前記複合高周波振動システムに、前記締付要素の少なくとも一端で伝わる、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
力は、少なくとも1つの結合要素を介して、前記締付要素から前記複合高周波振動システムに伝わる、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記締付要素の共振振動数は、前記複合高周波振動システムの励磁周波数とは異なる、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
少なくとも2つの前記締付要素は、共振周波数が互いに異なる、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも1つの前記締付要素及び/又は少なくとも1つの結合要素は、この要素が熱を伝導することができるように構成される、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも1つの前記振動発生素子は、熱伝導材料を通すための開口部を有する、請求項１から１６のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
記述
本発明は、電気機械式複合高周波振動システム(VFHS)を締め付ける装置に関する。
【０００２】
問題
低周波高出力超音波(NFLUS)は、動作周波数が15〜200kHz、好ましくは15〜60kHz(例えば20kHz)であり、音響出力が10Wより大きく、好ましくは100Wから20,000W(例えば10,000W)の超音波である。例えば、圧電セラミック又は磁歪システムを用いて超音波を発生させる。線形振動子及び平板若しくは曲板振動子又は管状共振器が従来技術として知られている。低周波高出力超音波は、とりわけ、液体(例えば、食品、化粧品、塗料及びナノ材料)の処理に用いられる。この目的のために、振幅が1〜350μm、好ましくは10〜80μm(例えば、35μm)の超音波を、共振器を介して液体に伝播させる。ラムダは、高周波振動システムにおけるNFLUSの音波伝播速度と周波数から得られる波長である。高周波振動システムは、1又は２以上のラムダ/2-エレメントを用いて構成することができる。複数個のラムダ/2-エレメントを有するマルチパート高周波振動システムは、適切な長さの単一部材から製造したり、長さがn*ラムダ/2(n ∈ N)のエレメントを複数個用いて(例えば、螺合によって)製造したりしてもよい。ラムダ/2-エレメントは、様々な形状の部材断面(例えば円形、楕円形又は矩形の断面)を有することができる。断面形状及び断面積は、ラムダ/2-エレメントの長手方向に沿って変化させることができる。断面積は、0.01〜300cm2、好ましくは10〜100cm2(例えば、50cm2)であってもよい。ラムダ/2-エレメントは、金属若しくはセラミック物質又はガラス、特にチタン、チタン合金、スチール若しくはスチール合金、アルミニウム若しくはアルミニウム合金からできていてもよく、例えばチタングレード5からできていてもよい。ラムダ/2-エレメントは、適切な長さの単一部材から製造したり、複数の部材を相互に連結して製造したりしてもよい。
【０００３】
高周波振動システムと、２個以上の部材から構成されるラムダ/2-エレメントとを種々の方法で連結して複合構築物を形成してもよい。複合構築物の典型的形態は、中心に位置する締付要素を使用して圧縮される高周波振動システムである(図1)。圧電セラミック複合高周波振動システムは、長手方向に接続された1又は複数のラムダ/2-エレメントで構成され、少なくとも1つのラムダ/2-エレメントは、1又は複数の圧電セラミック素子(例えば、ディスク、リング、ディスクセグメント又はリングセグメント)を有する。いくつかの圧電セラミック素子、好ましくは５つ以上の圧電セラミック素子(例えば8つの圧電セラミック素子)を有する複合高周波振動システムが低周波高性能システムのために用いられる。
【０００４】
特に、圧電セラミック複合高周波振動システムは、圧電セラミック素子の表面圧を高める必要がある。この表面圧は、0.1〜1000N/mm2、好ましくは40〜300N/mm2(例えば100N/mm2)であってもよい。表面圧は、効率、最大限達成可能な超音波出力及び共振周波数に重要な影響を及ぼす。従って、表面圧は、とりわけ、電気エネルギーから機械的エネルギーへの転換における熱損失を最も小さくするように、及び/又は効率を最も大きくするように選択することができる。
【０００５】
表面圧は、少なくとも1つの締付要素によって(例えば、中央に配置された締付ネジによって)もたらされる。
【０００６】
締付要素の引張荷重は、加えられる表面圧に依存して生じる。個々の締付要素の引張荷重容量は、個々の締付要素の材料断面の合計値が最低限必要な値になるような容量であることを要求される。内部の(例えば、中央に配置された)締付要素の場合、締付要素の材料断面によって、超音波発生素子(例えば、圧電セラミック素子)の材料断面が小さくなる。超音波発生素子(例えば、圧電セラミック素子)の最大対角線長、つまり最大限達成可能な断面積は、その構造によって制限される。その理由は、対角線長が長くなるにつれて、超音波発生素子の覆われていない表面への平均距離の増加によって、(例えば、圧電素子及び部材の)破壊をもたらす曲げ振動の傾向も放熱も共に増加するためである。従って、超音波発生素子の断面積は、締付要素を小さくするような任意の大きさに選択することができないため、締付要素に必要な材料断面が超音波発生素子の最大限可能な断面積を小さくしている。
【０００７】
従って、本発明の目的は、超音波発生素子の材料断面を小さくすることなく、電気機械式複合高周波振動システムを締め付けることができる装置を提供することである。
【０００８】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴によって成し遂げられる。好適な実施形態は、従属項の主題である。
【０００９】
本発明によると、電気機械式複合高周波振動を発生する装置が提供される。上記装置は、少なくとも1つの振動発生素子と、上記振動発生素子に圧力を加えるための少なくとも1つの締付要素を備える複合高周波振動システムを具備し、少なくとも1つの上記締付要素は、少なくとも1つの上記振動発生素子の材料断面の外側に配置される。
【００１０】
このようにすれば、超音波発生素子が囲むことによって最大断面形状を制限し、かつ曲げ振動を発生させる傾向にある内部の(例えば、中央に配置された)締付要素をなくすことができる。高アスペクト比の締付要素(断面の対角線に対する長さ)は、特に、内部の(例えば、中央に配置された)締付要素と、長手方向にいくつか接続されたラムダ/2-エレメントとで構成された圧電セラミック複合高周波振動システムの場合、曲げ振動の傾向が高くなる。これらの曲げ振動は、外部取付けの締付要素を用いる本発明の設計によって、なくすことができるか、少なくとも著しく小さくすることができる。
【００１１】
本発明の有利な実施形態において、少なくとも2つの締付要素は、少なくとも1つの振動発生素子の材料断面の外側に配置される。
【００１２】
発生する振動は、好ましくは超音波である。
【００１３】
複合高周波振動システムは、15から200kHz、特に15から60kHz、好適な実施形態として15から35kHzの周波数で振動するように構成される。
【００１４】
更に、複合高周波振動システムは、振幅が1〜350μm、特に振幅が10〜80μmの振動を発生するように構成される。
【００１５】
本願明細書において、複合高周波振動システムは、出力が100〜20,000ワット、特に出力が4,000〜20,000ワットの超音波を伝播するように構成される。
【００１６】
振動発生素子は、圧電セラミック素子であることが有利である。
【００１７】
言い換えると、複合高周波振動システムは、振動を発生させる圧電セラミック素子を特に使用することができる。
【００１８】
圧電セラミック素子は、圧電セラミックディスク又はディスクセグメントであってもよい。
【００１９】
或いは、複合高周波振動システムは、振動を発生させる圧電セラミックリング又はリングセグメントを使用することができる。
【００２０】
複合高周波振動システムは、対角線が30mm超の、特に50mm超の、及び、特に好適な実施形態として70mm超の、振動を発生させる圧電セラミック素子を使用することができる。
【００２１】
複合高周波振動システムは、液体において超音波を伝播するように特に構成される。
【００２２】
複合高周波振動システムは、主に連続操作、特に1時間より長く、一定の振幅又は定荷重で作動するように構成される。
【００２３】
発明の有利な実施形態において、複合高周波振動システムは、その長手方向に沿って連続して配置されるラムダ/2-エレメントを少なくとも2つ、特に少なくとも3つ有する。
【００２４】
ここで、少なくとも2つのラムダ/2-エレメントは、それぞれに少なくとも1つの圧電素子が備わっていてもよい。
【００２５】
或いは、少なくとも2つのラムダ/2-エレメントは、それぞれに少なくとも2つの圧電素子が備わっていてもよい。
【００２６】
好ましくは、圧電セラミック素子に加えられる表面圧は、少なくとも一箇所で0.1〜1000N/mm2、特に40〜300N/mm2である。
【００２７】
概して、圧電セラミック素子に加えられる表面圧は、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換するときの熱損失を減少させるように選択しなければならない。
【００２８】
本発明による装置の一実施形態として、外側に配置される少なくとも2つの締付要素を用いてもよい。
【００２９】
使用される締付要素の最小断面の合計値は、50mm2超、特に250mm2超でなければならない。
【００３０】
少なくとも1つの締付要素は、複合高周波振動システムを、少なくとも部分的に囲んだり、大部分を囲んだりすることができる。この目的のために、この締付要素をリング形状又はリングセグメント形状の断面にすることができる。この結果、この締付要素は、部分的又は完全に複合高周波振動システムを囲む。
【００３１】
少なくとも1つの締付要素は、締め付ける(例えば、少なくとも1つのネジによってネジ締める)ことができる。
【００３２】
締付要素の引張応力は、塑性変形限界未満でなければならない。言い換えると、締付要素に張力をかけることによって加えられる引張応力は、締付要素の降伏限界Reより小さくなければならない。
【００３３】
少なくとも1つの締付要素は、公差を補償することができる弾力性を有してもよい。
【００３４】
少なくとも1つの締付要素を用いて更なる複合高周波振動システムを締め付けることができる。言い換えると、本発明による装置は、複数の複合高周波振動システムを有することができ、そして、少なくとも1つの締付要素を用いていくつかの複合高周波振動システムを締め付けることができる。
【００３５】
好ましくは、力は、少なくとも1つの締付要素から複合高周波振動システムに、複合高周波振動システムの長手方向に生じる機械的振動の近くか、まさに振動最小値の位置（節）で伝わってもよい。
【００３６】
あるいは、力は、少なくとも1つの締付要素から複合高周波振動システムに、複合高周波振動システムの長手方向で生じる機械的振動の振動最小値の位置（節）に対して0.1ラムダ未満だけ離れた位置で伝わってもよい。
【００３７】
力は、特に部材の末端に圧力を加えることによって、少なくとも1つの締付要素から複合高周波振動システムに、複合高周波振動システムの外側で接触する締付要素の少なくとも一端で伝わってもよい。
【００３８】
あるいは、力は、少なくとも1つの結合要素を介して、少なくとも1つの締付要素から複合高周波振動システムに伝わってもよい。
【００３９】
好ましくは、少なくとも1つの振動の分離、吸収及び/又は減衰形状を用いて、複合高周波振動システムから少なくとも1つの締付要素へ伝わる振動を小さくする。
【００４０】
更に、締付要素の共振周波数は、複合高周波振動システムの励磁周波数と異なっていることが有利である。これは、少なくとも1つの締付要素が複合高周波振動システムの励磁周波数付近の共振周波数を有していないことを意味する。
【００４１】
いくつかの締付要素を使用する場合、少なくとも2つの締付要素は相互に異なる共振周波数を有するべきである。
【００４２】
少なくとも1つの締付要素は、電気絶縁性であってもよく、絶縁されていてもよい。
【００４３】
更に、少なくとも1つの締付要素又は少なくとも1つの結合要素は、熱又は熱エネルギー伝導(例えば、放熱、又は、熱流体/冷流体(例：オイル、水又は圧搾空気)の輸送)に用いることができる。
【００４４】
特にこの目的のために、振動発生又は超音波発生素子は、放熱材料(例えば、液体又はガス)が通過する開口部を有することができる。
【００４５】
本発明による装置は、少なくとも1つの振動発生素子の材料断面の外側に、少なくとも1つの締付要素を配置させることによって生産でき、締付要素は、振動発生素子に対して張力を加えるように締め付けることができる。
【００４６】
本発明による超音波発生素子(即ち、圧電セラミック素子)の材料断面の外側に1又は複数の締付要素を配置することによって、締付要素の材料断面の合計値が超音波発生素子(例えば、圧電セラミック素子)の材料断面を小さくしたり、著しく小さくしたりはしなくてもよい。更に、締付要素の材料断面の合計値は、超音波発生素子の形状によっては制限されない。
【００４７】
この目的のために、1又は複数の締付要素は、超音波発生素子の材料断面の外側に配置される。締付要素の最小材料断面の合計値が大きい複数の締付要素を用いることができる。その合計値は、50mm2超、好ましくは250mm2超(例えば、600mm2)であってもよい。
【００４８】
締付要素は、とりわけ、金属、非金属又はセラミック材料からか、プラスチック又は複合材料からか、特にチタン、チタン合金、スチール若しくはスチール合金、アルミニウム、ポリマー、高性能プラスチック又はアルミニウム合金から作られていてもよく、例えばチタングレード5から作られていてもよい。２つ以上の単一部材で構成される締付要素は、複合体を形成するために様々な方法で(例えば、ネジ、フック、接着剤、結び目を用いて、回すこと、織ること、収縮させること、又は、圧縮することによって)結合させてもよい。個別の締付要素の断面形状は、複合高周波振動システムの長手方向に沿って変化させることができる。例えば、円形、半円形、弓形、矩形(例えば正方形)、六角形、環状(例えば管)及びリングセグメント形状又は多元(polygene)断面形状(例えば、ケーブル)が可能である。1又は複数の締付要素の断面形状は、複合高周波振動システムを部分的に囲んでもよく、その大部分を囲んでもよく、又は、それを完全に囲んでもよい。
【００４９】
締付要素に加えられる引張応力は、例えば、ネジ式接続、冷却による熱収縮、熱膨張、化学干渉によって生じてもよく、レバー、油圧シリンダー、ピエゾアクチュエータ、バネ、ギヤ又は傾斜した板によって生じてもよく、特にネジによって生じてもよい。引張応力を加えるこれらの装置は、例えば1又は複数の締付要素上の片側、両側又はいくつかの側に取り付け可能である。
【００５０】
締付要素の引張応力は、好ましくは、塑性変形又はクラッキング限界未満にしなければならない。締付要素は、引張応力の作用で弾力的に変形する(例えば、引張り方向に拡大する)ことができる。この弾力は、公差を補償することができる。
【００５１】
(例えば、複合高周波振動システムの作動中に)熱の影響にさらされるときに、締付要素は、変形する(例えば、引張り方向に拡大する)ことができる。この変形は、様々な引張応力を引き起こす可能性がある。この引張応力のバリエーションを用いて、意図的に、複合高周波振動システムに加えられる表面圧分布及び表面圧を制御することができる。外側に締付要素を配置する構成は、複合高周波振動システムに加えられる最適且つ均一に分配された表面圧及び表面圧分布が断面に沿って生じるように、例えば、内部締付要素と共に組合せて選択してもよい。
【００５２】
複数の複合高周波振動システムを締め付けるために、個別の締付要素を用いることができる。
【００５３】
ある締付要素から複合高周波振動システムへの力の伝達は、任意の位置で生じてもよい。好ましくは、力は、複合高周波振動システムの長手方向で生じる機械的振動の近くかその振動最小値の位置（節）で伝わるべきである。かかる振動最小値の位置からの複合高周波振動システムの長手方向に生じる機械的振動の距離は、例えば、0〜0.2ラムダ、好ましくは0〜0.1ラムダ(例えば0.02ラムダ)であってもよい。
【００５４】
この伝達は、例えば、複合高周波振動システムの外側上で接触するか、ラムダ/2-エレメントの末端を押す結合要素を介して起きてもよい。複合高周波振動システムによって締付要素に伝播される機械的振動を減らすために、これらの結合要素又は締付要素自体は、振動の分離、吸収又は減衰を引き起こす部品又は形状を有する。これらの部品は、とりわけ、プラスチック、複合材料、樹脂又は金属から作ることができ、例えばゴムから作ることができる。
【００５５】
複合高周波振動システムから締付要素への機械的振動の伝播を完全になくすことができない場合、締付要素は、好ましくは、複合高周波振動システムの励磁周波数付近の共振周波数を有するべきではない。締付要素の共振周波数は、とりわけ、形状(例えば、長さ)、材料選択、そして、結合位置又は結合要素の位置によって影響を受ける可能性がある。個々の締付要素は、互いに異なるものであってもよいため、例えば、曲げ振動に関する共振周波数が相互に異なっていてもよい。
【００５６】
複合高周波振動システムから締付要素へ電圧が加わるのを低減させるか電圧が加わらないようにするために、結合要素又は締付要素自体は、電気的に絶縁性の部品を有することができる。これらの部品は、とりわけ、プラスチック、複合材料、樹脂、セラミック、コンクリート、ガラスから作ることができ、例えば、コンクリートから作ることができる。
【００５７】
あるいは、締付要素及び/又は結合要素は、電気エネルギーを伝えるための導体として(例えば、保護用の導体として)、熱エネルギーを伝えるため(例えば、放熱のため)の導体として、又は、熱流体/冷流体(例えば、オイル、水又は圧搾空気)を輸送するための導体として、適切に設計することによって用いることができる。
【００５８】
放熱材料(例えば、液体又はガス(例：オイル、水、空気又は不活性ガス))を伝えるための開口部は、超音波発生素子の材料断面内に位置してもよい。これらの材料は、周囲の圧力とは異なる圧力(例えば、過圧)で動くか、それにさらされる。これらの材料と複合高周波振動システムとの間の接触面を利用して、熱エネルギーを(例えば、冷却のために)伝達させてもよい。
【００５９】
本発明は、添付の図2〜6に図示される例示的な実施形態を参照しながら、より詳細にここに記載する。添付の図面は、以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】中心に位置する締付要素を使用して圧縮される高周波振動システムである。
【図２】本発明による１つのタイプの装置を示す。
【図３】図2と類似の実施形態を示す。
【図４】図2と類似の変更形態を示す。
【図５】図2と類似の変形例を示す。
【図６】図2と類似の変形例である。
【００６１】
図2は、本発明による１つのタイプの装置を示す。複合高周波振動システムは、2つ部材(2)の間に配置された2つの圧電セラミックディスク(1)を有するラムダ/2-エレメントを備える。これらの部材(2)は、2つの締付要素(4)と、2つの部材(2)の外側で接触する2つの結合要素(9)によって固定される。締付要素(4)は、圧電セラミックディスク(1)の断面形状の外側に配置される。張力は、ナット(3)を回すことによって締付要素に加えられる。
【００６２】
図3は、図2と類似の実施形態を示すが、平行に配置した2つの複合高周波振動子システムを有する。締付要素(4)の1つは、両方の複合高周波振動システムに張力をかけるために用いられている。
【００６３】
図4は、図2と類似の変更形態を示すが、ネジボルト(5)によって長手方向に接続された2つのラムダ/2-エレメントを有しており、それぞれのラムダ/2-エレメントは2つの圧電セラミックスプレート(1)を有する。
【００６４】
図5は、図2と類似の変形例を示すが、共通部材(8)を介して長手方向に接続した2つのラムダ/2-エレメントを有するものであり、圧電セラミックディスクを備えない追加のラムダ/2-エレメントは、ネジボルト(5)によって接続されている。4つの締付要素(4)の各々は、接続管(6)を有する。
【００６５】
図6は、図2と類似の変形例であるが、共通部材(8)によって長手方向に接続された2つのラムダ/2-エレメントを有する。締付要素(4)の各々は、絶縁体(7)を有する。追加の結合要素(圧力要素)(10)は、VHFS高周波振動システムに力を伝えるために用いられる。全ての変更形態は、締付要素(4)が超音波発生素子(1)の外側に配置されていることを共通点としている。
【００６６】
図6は、長手方向に接続した3つの回転対称のラムダ/2-エレメントを示す。部材(2及び8)は、例えば、チタングレード5から作られる。圧電セラミック素子(1)の直径は、例えば80mmである。2つの締付要素(3)は、スチール合金から作られ、雄ネジ(例えば、M6)を有する。締付要素(3)の各々の長さは、例えば、360mmである。締付要素の一部の長さは、絶縁体(7)によって覆われている。結合要素(9)は、アルミニウムから作られる。結合要素(圧力要素)(8)は、500kNの締め付け力をラムダ/2-エレメントに伝える。力の伝達の位置は、ラムダ/2-エレメントの頂点における長手方向の振動の振動最小値の近くに位置するように選択される。複合高周波システムの励磁周波数は、19kHzであり、連続操作で最高4kWの出力の超音波を伝播させる構成である。
【符号の説明】
【００６７】
1  超音波発生素子
2  部材
3  ナット(雌ネジ)
4  雄ネジを有する締付要素
5  ネジボルト
6  雌ネジを有する接続管
7  絶縁体
8  部材
9  結合要素
10  結合要素(圧力要素)
【図１】
2013538685.tif 000003
【図２】
2013538685.tif 000004
【図３】
2013538685.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2013538685.tif 000009
2013538685.tif 000010
2013538685.tif 000011
2013538685.tif 000012
2013538685.tif 000013
2013538685.tif 000014