JP2007090184A

JP2007090184A - 超音波発生装置

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Publication number: JP2007090184A
Application number: JP2005280956A
Authority: JP
Inventors: Masato Nunomura; 真人布村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】振動部を大型化することなく、ホーンの放射面の振幅の分布を均一にすることができる超音波発生装置を提供する。
【解決手段】超音波振動を発生させる振動子１０を有する振動部１と、振動部１の振動を増幅して伝達するホーン２とを備えた超音波発生装置であって、ホーン２の一端面を振動部１の振動の入射面２１とすると共に他端面を放射面２２とし、ホーン２にスリット２３を少なくとも一つ以上形成することで該ホーン２にスリット２３にて仕切られる複数の振動経路２４を形成し、ホーン２と反対側の面が振動の反射面３１、１２となる反作用体３と振動部１とをホーン２の入射面２１に並列に連結した。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を発生させる振動子を設けた振動部と、振動部の振動を増幅して伝達するホーンとを備えた超音波発生装置に関するものである。

従来より、非加熱式のヘアスタイリング装置等の機器に超音波発生装置が使用されている。従来の超音波発生装置（例えば特許文献１参照）は、図１６に示すように、振動（超音波振動）を発生させる振動部１と、この振動部１の振動を増幅して伝達すると共に毛髪等の対象物に振動エネルギーを伝播するホーン２とを備えている。

振動部１は、圧電素子や磁歪素子を備えており、電気振動を機械振動に変換するものである。ホーン２は略矩形板状をしたもので、一端面が振動部１に連結されて振動が入射される入射面２１となると共に、他端面が前記入射面２１から入射された振動を対象物に放射する放射面２２となるものである。

そしてホーン２には、その入射面２１の振動部１を連結した部分の両側に反作用体３を連結してあり、これによって寄生振動（この場合には入射面２１から放射面２２に向かう方向に直交する方向の振動）を抑制することができるものである。

しかしながら、この従来の超音波発生装置にあっては、ホーン２の放射面２２の振幅の分布が均一にならず、振幅は端部から中央部へ行く程大きくなってしまい、対象物に向けて均一に放射することができないという問題があった。そこで、放射面２２の振幅の分布を均一にすべく振動部１をホーン２の入射面２１全体に設けようとすると、振動部１が大型化して消費電力が増大してしまうという問題が生じるものであった。
特開平７−２２３１号公報

本発明は上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、振動部を大型化することなく、ホーンの放射面の振幅の分布を均一にすることができる超音波発生装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の請求項１に係る超音波発生装置は、超音波振動を発生させる振動子１０を有する振動部１と、振動部１の振動を増幅して伝達するホーン２とを備えた超音波発生装置であって、ホーン２の一端面を振動部１の振動の入射面２１とすると共に他端面を放射面２２とし、ホーン２にスリット２３を少なくとも一つ以上形成することで該ホーン２にスリット２３にて仕切られる複数の振動経路２４を形成し、ホーン２と反対側の面が振動の反射面３１、１２となる反作用体３と振動部１とをホーン２の入射面２１に並列に連結して成ることを特徴とするものである。このように、反作用体３を振動部１と並列に連結したことで、ホーン２の振動部１を連結した部分のみならず振動部１を連結していない部分も反作用体３によって共振させることができると共に、複数の上下方向の振動経路２４にて上下方向の振動を伝播させることで放射面２２の振幅の分布を均一化することができ、これにあたり振動部１をホーン２の入射面２１全体に設ける必要がないものである。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、ホーン２の放射面２２から振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２までの長さを振動の波長の略１／２として成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、放射面２２における振幅を大きくすることができると共に、ホーン２の放射面２２から振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２までの略中央部に定在波節平面Ｓを形成することができて、この定在波節平面Ｓとなる部分を、ホーン２の機器のハウジングへの固定部とすることができるものである。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、ホーン２の入射面２１の複数の振動経路２４の一つ（振動経路２４ａ）に対応する部分に振動部１を連結すると共に、残りの振動経路２４（振動経路２４ｂ）に対応する部分に反作用体３を連結して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、振動経路２４と振動部１及び反作用体３とで振動方向を上下方向として放射面２２の振幅を均一にすることができる。

また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至３に係る発明において、スリット２３をホーン２の中央部に形成して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、放射面２２の中央部の振幅が大きくなるのを抑えることができて振幅を均一にすることが可能となる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４に係る発明において、振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２の端部を連結固定して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２の端部が自由端となって振動して寄生振動が発生するのを抑えることができると共に、連結固定した部分を介して振動部１の振動が反作用体３に伝播して、振動部１からの振動をより一層分散させて放射面２２での振幅を均一にすることができる。

また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５に係る発明において、ホーン２を放射面２２側へ行く程その断面積が小さくなるように形成して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、放射面２２側へ行く程振幅が増幅されるものである。

また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至６に係る発明において、ホーン２の放射面２２と振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２との略中央部に形成されるホーン２の定在波節平面Ｓにおけるホーン２の断面積、のホーン２の放射面２２の面積に対する比である面積集中比を、ホーン２の放射面２２の位置毎に変更して成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、面積集中比を放射面２２の左右方向の位置毎に適宜変更して、振幅を左右方向でバラつきなく均一となるように設定することができる。

また、請求項８に係る発明は、請求項７に係る発明において、反作用体３に対応する振動経路２４ｂの面積集中比を振動部１に対応する振動経路２４ａの面積集中比よりも大きくして成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、振動部１を連結している振動経路２４ａの放射面２２での振幅が反作用体３を連結している振動経路２４ｂの放射面２２での振幅よりも大きくならないようにして、放射面２２での振幅を均一にできる。

また、請求項９に係る発明は、請求項５に係る発明において、振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２側の端部を連結固定した部分の反作用体３に対応する部分に周波数調整体６を設けて成ることを特徴とするものである。このような構成とすることで、周波数調整体６を設けて振動経路２４の共振周波数を変更して振動部１の振動数と一致させれば振幅を大きくすることができ、これによって放射面２２での振幅を調整して均一にすることができる。

本発明では、ホーンの振動部を連結した部分のみならず振動部を連結していない部分も反作用体によって共振させることができると共に、複数の上下方向の振動経路にて上下方向の振動を伝播させることで放射面の振幅の分布を均一化することができ、これにあたり振動部をホーンの入射面全体に設ける必要がないため、振動部が大型化して消費電力が増大してしまうこともない。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明する。

図１、図２に示すように、振動部１は、伝導性金属シート（ニッケルまたはベリリウム銅からなるものが好ましい）を間に挟み込んだ圧電素子または磁歪素子からなる振動子１０を駆動源とする円柱状に形成してあり、振動子１０によって駆動回路（図示せず）からの電気振動を機械的な超音波振動（単に振動という）に変換するものである。

ホーン２は、正面視において略矩形状をしていると共に、平面視において前後方向よりも左右方向が長くなるように形成される大略板状をしたものである。このホーン２は、下端面が前記振動部１の振動が入射される入射面２１となると共に、上端面が前記入射面２１から入射された振動を放射する放射面２２となるものである。ホーン２には、一つ以上のスリット２３が形成してある。このスリット２３は、ホーン２の前後に貫通する上下方向に長いもので、このスリット２３によってホーン２は複数の上下方向の振動経路２４に仕切られるものである。本実施形態では、ホーン２の左右方向の二箇所にスリット２３を形成して三つの振動経路２４（中央の振動経路２４ａ、その両側の振動経路２４ｂ）に仕切られている。そしてホーン２の入射面２１には、上記振動部１と、反作用体３とが並列に連結される。

本実施形態では、ホーン２の入射面２１の前記三つの振動経路２４のうちの中央の振動経路２４ａに対応する部分に振動部１を連結すると共に、その両側の振動経路２４ｂにそれぞれ角柱状をした反作用体３が連結してある。本実施形態では、図１に示すようにスリット２３の幅ｔ１と、振動部１と反作用対との間の間隔ｔ２とを略同じに形成して、振動経路２４ａ、２４ｂの幅と振動部１及び反作用体３の幅とをそれぞれ略同じとなるようにしてある。

反作用体３は、ホーン２の振動の際に生じた反作用力を吸収してホーン２と反作用体３との間に振動の定在波節平面Ｓ（図１参照）を形成すると共に、反作用体３の内部に振動が伝達されてそのホーン２と反対側の端面が振動の反射面３１となるものである。定在波節平面Ｓは、ホーン２の放射面２２から振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２までの略中央部に形成されるもので、図１に示すように、ホーン２の放射面２２と振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２の部分が振動の腹となるように、ホーン２、振動部１、反作用体３の長さと振動の波長とを設定している。すなわち、ホーン２の放射面２２から振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２までの長さを振動の波長の略１／２としている。この場合、ホーン２の定在波節平面Ｓとなる部分を、超音波発生装置が設けられる機器のハウジング（図示せず）への固定部とすることができるものである。また更に、放射面２２における振幅を大きくすることができ、結果的に装置の小型化に寄与するものである。

なお、図１に示す定在波はホーン２の水平断面が一様の場合について表しているが、ホーン２の水平断面における断面積が入射面２１から放射面２２側へ行く程小さくなるように形成した場合には、図３に示すように、放射面２２側へ行く程振幅が増幅されるものである。この断面形状としては、図３に示すような双曲線関数型（カテノイダル型）の他に、図４（ａ）に示すような指数型（エクスポーネンシャル型）、図４（ｂ）に示すような懸垂面型（コニカル型）、図４（ｃ）に示すような段付型（ステップ型）があるが、振幅の増幅率は段付型＞指数型＞双曲線関数型＞懸垂面型となり、この時の応力は段付型＜指数型＜双曲線関数型＜懸垂面型となる。

上記振動部１、ホーン２、反作用体３は金属、特にアルミニウムのような軽金属によって形成されるが、ホーン２と振動部１・反作用体３との連結は、溶着や溶接による接合の他、図５、図６に示すようにボルトＢにより締結固定するものであってもよい。図５に示すものは、振動部１の内部に貫通孔１１を形成し（図５（ａ）参照）、この振動部１の貫通孔１１に下方からボルトＢを挿入すると共にホーン２の入射面２１に形成した雌ねじ孔２５に螺入して締結固定している（図５（ｂ）参照）。図６に示すものは、振動部１だけでなく反作用体３にも内部に貫通孔３２を形成し（図６（ａ）参照）、この反作用体３の貫通孔３２に下方からボルトＢを挿入すると共にホーン２の入射面２１に形成した雌ねじ孔２５に螺入して締結固定している（図６（ｂ）参照）。これにより、振動部１及び反作用体３とホーン２とを強固に固定して振動の伝達効率を向上させることができる。なお、図６（ｃ）に示すように振動部１とボルトＢ、反作用体３とボルトＢ、をそれぞれ一体化したボルトＢ_１、Ｂ_２を用いてもよい。

この超音波発生装置の動作について説明する。図７に示すように、振動子１０の機械振動により振動部１が振動すると、入射面２１を介してホーン２へ振動（図中の矢印）が伝達される（図７（ａ）参照）。ホーン２へ伝達された振動は振動経路２４ａを上方へ伝播して放射面２２より一部が放射され（図７（ｂ）参照）、残りは放射面２２にて反射して下方へ伝播する（図７（ｃ）参照）。この時、振動部１を連結した振動経路２４ａだけでなく、スリット２３が形成されておらず繋がっている部分を介して反作用体３を連結した振動経路２４ｂにも振動が伝播し、全ての振動経路２４ａ、２４ｂを下方へ伝播する。そして、ホーン２の入射面２１から振動部１及び反作用体３に振動が伝達されると共に更に下方に伝播され、下端の反射面３１、１２にて反射されて再び上方へ伝播されて共振が行われる（図７（ｄ）参照）。これによって放射面２２の振幅の分布は略均一となり、放射面２２から超音波振動のエネルギーをムラのないように放射することができる。

以上のような構成によれば、ホーン２の入射面２１に振動部１と反作用体３とを並列に連結すると共に、ホーン２にスリット２３を少なくとも一つ以上形成して該スリット２３にて仕切られる複数の上下方向の振動経路２４ａ、２４ｂを形成したことで、反作用体３によってホーン２の振動部１を連結していない部分も共振させることができると共に、複数の上下方向の振動経路２４ａ、２４ｂにて上下方向の振動を伝播させることで放射面２２の振幅の分布を均一化することができ、これにあたって振動部１をホーン２の入射面２１全体に設ける必要がないため、振動部１が大型化して消費電力が増大してしまうこともないものである。

また、ホーン２の入射面２１の複数の振動経路２４の一つ（振動経路２４ａ）に対応する部分に振動部１を連結すると共に、残りの振動経路２４（振動経路２４ｂ）に対応する部分に反作用体３を連結し、ホーン２の振動経路２４の幅と振動部１及び反作用体３の幅とを略同じに形成したことで、幅が略同じである振動経路２４と振動部１及び反作用体３とで振動方向を上下方向として放射面２２の振幅を均一にすることができる。

次に、他の実施形態について図８に基いて説明する。なお、上実施形態と同様の部分については同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、スリット２３をホーン２の左右方向の中央部に一つ形成している。振動部１及び反作用体３は上実施形態と同様に連結してある。

振動部１を左右方向の中央部に連結したホーン２においては、振動部１の振動はホーン２の中央部を伝播し易いが、ホーン２の左右方向の中央部にスリット２３を形成することで、振動部１からの振動がスリット２３により左右に分断されて、放射面２２の中央部の振幅が大きくなるのを抑えることができ、振幅を均一にすることができる。特に、図８（ｂ）に示す例のようにスリット２３の幅を大きくすることで、より一層放射面２２の中央部の振幅を抑えて左右端部の振幅を大きくすることができる。

次に、更に他の実施形態について図９乃至１２に基いて説明する。なお、上実施形態と同様の部分については同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２側の端部を連結固定している。これは、図１０（ａ）に示すように連結固定用部材４を振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２に亘ってそれぞれ固定することで連結固定するものである。

振動部１、反作用体３の反射面３１、１２側の端部が連結固定されない場合、図９に示すようにこの端部が自由端となって上下方向の振動以外の左右方向の振動（図中の矢印）が発生してしまい、これが寄生振動となるが、振動部１、反作用体３の反射面３１、１２側の端部を連結固定すれば左右方向の振動の発生を抑えて寄生振動を抑えることができる。更に、連結固定している部分を介して振動部１の振動が反作用体３に伝播するため、振動部１からの振動をより一層分散させて放射面２２での振幅を均一にすることができる。

また、この実施形態の他例として図１０（ｂ）に示すように、ホーン２のスリット２３の下側の部分を除去してスリット２３を下方に開口するように形成し、このスリット２３と、振動部１と反作用体３との間の隙間とを連通させて一つのスリット２３としてもよい。この場合でも同様に、寄生振動を抑えることができると共に、連結固定している部分を介して振動が伝播して放射面２２での振幅をより一層均一にすることができる。

また、この実施形態の他例として図１１に示す例のようにボルトＢにより連結固定用部材４０を締結固定するものであってもよい。この例における連結固定用部材４０は、反作用体３と振動部１（但し振動子１０を除く）を一体に形成して兼用するもので、この連結固定用部材４０に形成した貫通孔４１に下方よりボルトＢを挿通させると共に、中央の経路２４に対応するボルトＢを振動子１に形成した貫通孔１１に挿通させ、ホーン２に形成した雌ねじ孔２５にボルトＢを螺入して締結固定している。また、図１２に示す例では、ホーン２、振動部１、反作用体３、連結固定用部材４とが一体部材５として形成してあり、振動子１０のみを組み込むようになっている。一体部材５の振動子１０が配置される部分に配置スペース５０が形成してあり、この配置スペース５０に振動子１０を配置すると共に、一体部材５に形成した貫通孔５１及び振動子１０に形成した貫通孔１１にボルトＢを挿通させて配置スペース５０の上側に形成した雌ねじ孔５２に螺入して固定している。

次に、更に他の実施形態について図１３、図１４に基いて説明する。なお、上実施形態と同様の部分については同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、（ホーン２に形成される定在波節平面Ｓにおける断面積）／（ホーン２の放射面２２の面積）で表される面積集中比を、ホーン２の放射面２２の左右方向の位置毎に変更するものである。面積集中比が大きい程、振動の振幅が増幅されるため、面積集中比を放射面２２の左右方向の位置毎に適宜変更して、振幅を左右方向でバラつきなく均一となるように設定することができる。

図１３に示す例では、振動部１を連結している振動経路２４の幅を、同じ高さ（上下方向位置）において反作用体３を連結している振動経路２４の幅よりも大きくして、振動部１を連結している振動経路２４の面積集中比を小さくしている。これにより、振動部１を連結している振動経路２４の放射面２２での振幅が反作用体３を連結している振動経路２４の放射面２２での振幅よりも大きくならないようにして、放射面２２での振幅を均一にできる。

また、図１４に示す例では、スリット２３の幅を大きくすると共にホーン２の端部を内側に段落して、振動部１を連結している振動経路２４ａの面積集中比Ｓ’_２／Ｓ_２を、反作用体３を連結している振動経路２４ｂの面積集中比Ｓ’_１／Ｓ_１よりも小さくしている。これにより、振動部１を連結している振動経路２４の放射面２２での振幅が反作用体３を連結している振動経路２４の放射面２２での振幅よりも大きくならないようにして、放射面２２での振幅を均一にできる。

次に、更に他の実施形態について図１５に基いて説明する。なお、上実施形態と同様の部分については同符号を付して説明を省略し、主に異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、振動部１及び反作用体３の反射面３１、１２側の端部を連結固定した部分の反作用体３に対応する部分に周波数調整体６を設けてある。周波数調整体６は、反作用体３と同様の材質からなるものである。図１５（ａ）（ｂ）には、超音波振動装置の正面図と振幅の分布図とを示す。

図１５（ａ）は、反作用体３を連結していない振動経路２４ａの共振周波数に振動部１の振動周波数を合わせた場合を示し、図１５（ｂ）は、反作用体３を連結している振動経路２４ｂの共振周波数に振動部１の振動周波数を合わせた場合を示す。図１５（ａ）のものにおいては、放射面２２における振幅の分布は反作用体３を連結している振動経路２４ｂの振幅が小さくなり、図１５（ｂ）のものにおいては、放射面２２における振幅の分布は反作用体３を連結してない振動経路２４ａの振幅が小さくなるものである。

反作用体３を設けた振動経路２４においては、周波数調整体６を設けない場合には振動の周波数が変化すると共に振幅が小さくなるが、この周波数調整体６を設けて周波数を共振周波数とすることで振幅を大きくすることができ、放射面２２での振幅を調整して均一にすることができる。

本発明の一実施形態の超音波発生装置の正面図と振動の定在波を示す図である。同上の実施形態において放射面側に行く程厚みが薄くなる超音波発生装置の斜視図である。（ａ）は同上の正面図であり、（ｂ）は側面図と定在波を示す図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上のホーンの種々の断面形状を示す図である。同上においてボルトにて締結固定する一例を示し、（ａ）は締結前の正面図であり、（ｂ）は締結後の正面図である。同上においてボルトにて締結固定する他例を示し、（ａ）は締結前の正面図であり、（ｂ）は締結後の正面図である。（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は超音波発生装置の動作を説明する説明図である。他の実施形態を示し、（ａ）はその一例の正面図及び振幅の分布図であり、（ｂ）は他例の正面図及び振幅の分布図である。更に他の実施形態における比較例の正面図である。更に他の実施形態を示し、（ａ）はその一例の正面図であり、（ｂ）は他例の正面図である。同上の更に他例を示し、（ａ）は締結前の正面図であり、（ｂ）は締結後の正面図である。同上の更に他例を示し、（ａ）は締結前の正面図であり、（ｂ）は締結後の正面図である。更に他の実施形態を示し、（ａ）は正面図及び振幅の分布図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。同上の更に他例の正面図及び振幅の分布図である。更に他の実施形態の正面図を示し、（ａ）は反作用体を連結していない振動経路の共振周波数に振動部の振動周波数を合わせた場合であり、（ｂ）は反作用体を連結している振動経路の共振周波数に振動部の振動周波数を合わせた場合である。従来の超音波発生装置の斜視図である。

符号の説明

１振動部
１０振動子
１２反射面
２ホーン
２１入射面
２２放射面
２３スリット
２４振動経路
３反作用体
３１反射面

Claims

超音波振動を発生させる振動子を有する振動部と、振動部の振動を増幅して伝達するホーンとを備えた超音波発生装置であって、ホーンの一端面を振動部の振動の入射面とすると共に他端面を放射面とし、ホーンにスリットを少なくとも一つ以上形成することで該ホーンにスリットにて仕切られる複数の振動経路を形成し、ホーンと反対側の面が振動の反射面となる反作用体と振動部とをホーンの入射面に並列に連結して成ることを特徴とする超音波発生装置。
ホーンの放射面から振動部及び反作用体の反射面までの長さを振動の波長の略１／２として成ることを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
ホーンの入射面の複数の振動経路の一つに対応する部分に振動部を連結すると共に、残りの振動経路に対応する部分に反作用体を連結して成ることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波発生装置。
スリットをホーンの中央部に形成して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の超音波発生装置。
振動部及び反作用体の反射面側の端部を連結固定して成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の超音波発生装置。
ホーンを放射面側へ行く程その断面積が小さくなるように形成して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の超音波発生装置。
ホーンの放射面と振動部及び反作用体の反射面との略中央部に形成されるホーンの定在波節平面におけるホーンの断面積、のホーンの放射面の面積に対する比である面積集中比を、ホーンの放射面の位置毎に変更して成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の超音波発生装置。
反作用体に対応する振動経路の面積集中比を振動部に対応する振動経路の面積集中比よりも大きくして成ることを特徴とする請求項７記載の超音波発生装置。
振動部及び反作用体の反射面側の端部を連結固定した部分の反作用体に対応する部分に周波数調整体を設けて成ることを特徴とする請求項５記載の超音波発生装置。