JP2012210576A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】 使用機器の低背化を図り得、しかも超音波ホーンの出力面の振動が、その長手方向に均一な超音波振動子を提供する。
【解決手段】 超音波振動子１は、矩形状の入力面１１と出力面１２とを含む超音波ホーン１０と、矩形板状で、入力面に固着された駆動部材２０と、矩形板状で駆動部材の背面２０Ｕに固着された後背部材３０とを備え、共振周波数Ｆｒで駆動部材を駆動したときに、縦方向Ｚに半波長共振すると共に、超音波ホーンが長手方向Ｘに共振する。超音波ホーンは、超音波振動子を縦方向Ｚの半波長共振させた場合に、縦方向Ｚに生じる節部ＺＦと出力面との間で、かつ、長手方向Ｘに生じる共振の腹部ＸＨに縦長貫通孔１０Ｈを有する。縦長貫通孔は、節部から出力面までの距離をＬ、縦長貫通孔の出力面側の端部１０Ｈ２から出力面までの距離をＬ１としたとき、端部が、距離Ｌ１＝（０．３±０．０１２５)Ｌとなる部位に位置している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、長手方向に長い矩形状の出力面を有するホーンを有する超音波振動子に関する。

プラスチックの固着加工用の超音波ウェルダや各種材料の切断加工用の超音波カッタなどに用いる超音波工具ホーンとして、横断面を長細い矩形状とし、スロット（縦長の貫通孔）を開けたものが知られている（例えば、特許文献１の第１図参照）。この超音波工具ホーンは、入力面にねじ穴（めねじ）が形成されており、このねじ穴を用いて、ボルト締めランジュバン型超音波振動子（以下、ＢＬＴともいう。）を接続し、共振させて用いる。具体的には、特定周波数で入力面と出力面との間で縦方向に半波長共振するように各寸法を選択して超音波ホーンを形成しておく。更に、この特定周波数で半波長共振するＢＬＴを、この超音波ホーンに前述のねじ穴を利用して取り付ける。ＢＬＴを特定周波数で駆動し、超音波振動を発生させると、超音波ホーンも共振して、出力面において、大きな超音波振動が得られるというものである。

特許第２６９４３５２号公報（第１図）

しかしながら、このように、ＢＬＴと超音波ホーンを組合せて用いる場合には、その縦方向の全長は、１波長分の大きさとなり、超音波ウェルダなどの装置全体の低背化を図ることが難しい。また、ＢＬＴと超音波ホーンの両者を用いるので、コストアップとなる。
また、特許文献１の第１図を見れば理解できるように、超音波ホーンの入力面の一部（例えば中央部）にＢＬＴを接続して、超音波ホーンを駆動するので、超音波ホーンの出力面の振動を、その長手方向に均一にし難い。

本発明の課題は、かかる問題点に鑑みてなされたものであって、使用機器の低背化を図り得、しかも超音波ホーンの出力面の振動が、その長手方向に均一な超音波振動子を提供することである。

その態様は、矩形状の入力面とこの入力面に対向する矩形状の出力面とを含み、これらを結ぶ縦方向に対して、これに直交する横断面が、この横断面に沿う長手方向に長く、上記長手方向に直交する横幅方向に短い矩形状を有する超音波ホーンと、圧電セラミック材からなり、上記長手方向に長い矩形状の駆動主面及び背面を有する矩形板状で、上記入力面に上記駆動主面が固着された駆動部材と、上記長手方向に長い矩形板状で、上記駆動部材の上記背面に固着された後背部材と、を備え、所定周波数で上記駆動部材を駆動したときに、上記縦方向に半波長共振すると共に、上記超音波ホーンが上記長手方向に共振する形態に構成されてなる超音波振動子であって、上記超音波ホーンは、自身を上記横幅方向に貫通し、上記縦方向に延びた形状の縦長貫通孔であって、上記超音波振動子を上記半波長共振させた場合に、上記縦方向に生じる節部と上記出力面との間で、かつ、上記長手方向に生じる共振の腹部に位置する、１または複数の縦長貫通孔を有し、上記縦長貫通孔は、上記縦方向の半波長共振の節部から上記出力面までの距離をＬとし、上記縦長貫通孔の上記出力面側の端部から上記出力面までの距離をＬ１としたとき、上記出力面側の端部が、距離Ｌ１＝（０．３±０．０１２５)Ｌとなる部位に位置してなる超音波振動子である。

この超音波振動子では、全体の縦方向寸法が半波長共振の大きさとなる。このため、超音波ホーンの縦方向寸法だけで半波長の大きさに達し、ＢＬＴを含めると１波長分の寸法となる、特許文献１に記載の超音波工具ホーンを用いた場合に比して、超音波振動子全体の縦方向寸法の低背化を図ることができる。
このため、これを用いた超音波ウェルダなどの装置の低背化をも図ることができる。
しかも、距離Ｌ１を上述のように規定しているので、超音波ホーンの出力面の振動が、縦方向の振動で、かつその振動の振幅が長手方向に均一な超音波振動を励起できる。

なお、この超音波振動子において、超音波ホーンは、その節部に縦方向に直交する方向に延びるフランジを有するものとしても、有さないものとしても良い。

さらに、超音波振動子であって、前記超音波ホーンは、前記縦方向の半波長共振の節部に、前記縦方向に直交する方向に突出するフランジを有する超音波振動子とすると良い。

超音波ホーンに上述のフランジを設けることで、超音波振動子の振動を妨げることなく、超音波振動子を保持することができる。

実施形態に係る超音波振動子の正面図である。 実施形態に係る超音波振動子の側面図である。 実施形態に係る超音波振動子を共振させた場合に、出力面に生じる振動分布を示すグラフである。

本実施形態に係る超音波振動子について、図１〜図３を参照しつつ説明する。本実施形態の超音波振動子１は、超音波ホーン１０と圧電素子２０と後背部材３０とからなり、所定の共振周波数Ｆｒで共振する。なお、図１及び図２において、図中、上下方向を縦方向Ｚとする。また、図１において、図中、左右方向を長手方向Ｘとする。また図２のうち、図中、左右方向を横幅方向Ｙとする。

この超音波振動子１のうち、超音波ホーン１０は、アルミニウム材からなり、縦方向Ｚの一方端面（図中上端面）が、長手方向Ｘに長い矩形状の入力面１１とされ、他方端面（図中下端面）が、長手方向Ｘに長い矩形状の出力面１２とされている。なお、図１及び図２に示すように、入力面１１は、長手方向Ｘの寸法が２・Ａ１、横幅方向Ｙの寸法がＷ１である。また、出力面１２は、長手方向Ｘの寸法が同じく２・Ａ１であるが、横幅方向Ｙの寸法がＷ２（Ｗ２＜Ｗ１）である。また、縦方向Ｚに直交する仮想の横断面ＫＦが、この横断面ＫＦに沿う長手方向Ｘに長く、これに直交する横幅方向Ｙに短い矩形状を有している。

また、この超音波ホーン１０は、ホーン部１３と、ホーン部１３の縦方向Ｚの図中上方に位置し、圧電素子２０を固着する台座となる台座部１５とを有している。加えて、ホーン部１３の縦方向Ｚの上方端には、縦方向Ｚに直交する周囲に向けて、寸法Ｗ４分だけ突出してなるフランジ１４が形成されている。このフランジ１４は、超音波振動子１を、共振周波数Ｆｒで縦方向Ｚに半波長共振させた場合に、音響的に節部ＺＦとなる位置に設けられている。このため、超音波振動子１を縦方向Ｚに半波長共振させた場合でも、このフランジ１４にはほとんど振動が生じないので、このフランジ１４を把持しても、共振に影響を与えない。このため、このフランジ１４を用いて、超音波振動子１を、適切かつ容易に保持することができる。

また、圧電素子２０を所定の共振周波数Ｆｒで駆動し、超音波振動子１を縦方向Ｚに縦振動の半波長共振させた場合、この超音波振動子１の縦方向の全長Ｌ０は、音響的にλｚ／２の長さに、また、このフランジ１４から出力面１２に至るホーン部１３の縦方向Ｚの寸法Ｌは、音響的にλｚ／４の長さに相当している。なお、λｚは、超音波振動子１に、縦方向Ｚに励起される超音波振動の波長を指す。
加えて、この超音波ホーン１０（ホーン部１３）は、上述の共振をさせた場合に、長手方向Ｘにも共振するように寸法が選択されている。

この超音波ホーン１０のうち、ホーン部１３は、出力面１２側（図中下方）に向けて、横幅方向Ｙの寸法が小さくなる先細の部位の先端（出力面側）に、横幅方向Ｙの寸法が変化しない板状の部分を加えた形状を有している。

加えて、このホーン部１３には、このホーン部１３を横幅方向Ｙに貫通し、縦方向Ｚに延び、幅（長手方向Ｘ寸法）Ａ３の、縦長形状の縦長貫通孔１０Ｈ（本実施形態では３つ）を備えている。
この縦長貫通孔１０Ｈは、縦方向Ｚに見て、フランジ１４と出力面１２との間に配置されている。本実施形態では、具体的には、上端である入力面側端１０Ｈ１が、縦方向Ｚに見て、フランジ１４より僅かに出力面１２側（図中、下方）に位置している。また、下端である出力面側端１０Ｈ２から出力面１２に至る縦方向Ｚの寸法Ｌ１は、Ｌ１＝０．３Ｌの大きさにされている。

また、縦長貫通孔１０Ｈは、ホーン部１３の長手方向Ｘについて、中心線（Ｘ＝０）に対称（図１において左右対称）に形成されている。即ち、３つの縦長貫通孔１０Ｈの１つは、ホーン部１３の長手方向Ｘの中心（Ｘ＝０）に、他の２つは長手方向Ｘの中心から、それぞれ距離Ａ２だけ離れた部位に形成されている。これら３つの縦長貫通孔１０Ｈの位置は、この超音波振動子１を縦方向Ｚに半波長共振させると共に、超音波ホーン１０を長手方向Ｘに共振させたとき、この長手方向Ｘに生じる共振の腹部ＸＨの位置にそれぞれ対応している。

また、超音波振動子１のうち、圧電素子２０は、具体的には、厚みがＴ１であり、長手方向Ｘ寸法がホーン部１３と同じ２・Ａ１、横幅方向Ｙ寸法がＷ３（＝Ｗ１）の矩形板状で、ＰＺＴ系の圧電セラミックス材からなる。この圧電素子２０は、その厚み方向（縦方向Ｚ）に直交する駆動主面２０Ｄ及び背面２０Ｕに、図示しない電極層が形成され、かつ、この厚み方向に分極されている。
この圧電素子２０は、駆動主面２０Ｄが、前述した超音波ホーン１０の台座部１５の入力面１１に、図示しない接着剤を介して固着されている。

また、超音波振動子１のうち、後背部材３０は、具体的には、厚みがＴ２であり、長手方向Ｘ寸法がホーン部１３及び圧電素子２０と同じ２・Ａ１、横幅方向Ｙ寸法が圧電素子と同じＷ３（＝Ｗ１）の矩形板状で、アルミニウム材からなる。
この後背部材３０は、前述した圧電素子２０の背面２０Ｕに、図示しない接着剤を介して固着されている。

なお、圧電素子２０の駆動主面２０Ｄに形成された電極層（図示しない）は、超音波ホーン１０と電気的に導通している。また、圧電素子２０の背面２０Ｕに形成された電極層（図示しない）は、後背部材３０とそれぞれ電気的に導通している。
このため、この超音波振動子１（圧電素子２０）を駆動するには、超音波ホーン１０と後背部材３０との間に駆動電圧を印加すればよい。

この超音波振動子１を、共振周波数Ｆｒ（＝４０kHz)で駆動した場合に、出力面１２に生じる超音波振動の長手方向Ｘの分布の例を、図３に示す。
なお、本実施形態において、各寸法は、Ｌ＝40.0ｍｍ、Ｌ１＝12.0ｍｍ、Ｌ０＝48.0ｍｍ、Ｗ１＝Ｗ３＝12.0ｍｍ、Ｗ２＝2.0ｍｍ、Ｔ１＝8.0ｍｍ，Ｔ２＝7.0ｍｍ、Ａ１＝50.0ｍｍ、Ａ２＝31.5ｍｍ、Ａ３=3.0ｍｍとした。

この図３のグラフによれば、長手方向Ｘの原点Ｘ＝０を中心に、振動分布がほぼ左右対称となっていることが判る。超音波振動子１の形態が、長手方向Ｘの原点（Ｘ＝０）を中心に左右対称の形状となっているためである。また、その振動（Ｚ方向変位）は、長手方向Ｘに見て、４．４〜５．２μｍp-p(４．８±０．４μｍp-p）の範囲（±８．３％）に収まっており、この超音波振動子１において、Ｚ方向変位は、長手方向Ｘに均一であると言える。

このように、本実施形態では、超音波振動子１は、矩形状の入力面１１とこの入力面１１に対向する矩形状の出力面１２とを含み、これらを結ぶ縦方向Ｚに対して、これに直交する横断面ＫＦが、この横断面ＫＦに沿う長手方向Ｘに長く、長手方向Ｘに直交する横幅方向Ｙに短い矩形状を有する超音波ホーン１０を備えている。また、長手方向Ｘに長い矩形状の駆動主面２０Ｄ及び背面２０Ｕを有する矩形板状で、入力面１１に駆動主面２０Ｄが固着され、圧電セラミック材からなる駆動部材である圧電素子２０と、長手方向Ｘに長い矩形板状で、圧電素子２０の背面２０Ｕに固着された後背部材３０と、を備えている。さらに、所定の共振周波数Ｆｒで圧電素子２０を駆動したときに、縦方向Ｚに半波長共振すると共に、超音波ホーン１０が長手方向Ｘに共振する形態に構成されてなる。このうち、超音波ホーン１０は、自身を横幅方向Ｙに貫通し、縦方向Ｚに延びた形状の縦長貫通孔１０Ｈであって、超音波振動子１を半波長共振させた場合に縦方向Ｚに生じる節部ＺＦと出力面１２との間で、かつ、長手方向Ｘに生じる共振の腹部ＸＨに、それぞれ位置する縦長貫通孔１０Ｈを有する。この縦長貫通孔１０Ｈは、縦方向Ｚの半波長共振の節部ＺＦから出力面１２までの距離をＬとし、縦長貫通孔１０Ｈの出力面側の端部１０Ｈ２から出力面１２までの距離をＬ１としたとき、出力面側の端部１０Ｈ２が、距離Ｌ１＝（０．３±０．０１２５)Ｌとなる部位に位置している。

この超音波振動子１では、全体の縦方向寸法Ｌ０が半波長共振の大きさとなる。このため、超音波ホーンの縦方向寸法だけで半波長の大きさに達し、ＢＬＴを含めると１波長分の寸法となる、特許文献１に記載の超音波工具ホーンを用いた場合に比して、超音波振動子１全体の縦方向寸法の低背化を図ることができる。
このため、これを用いた超音波ウェルダなどの装置の低背化をも図ることができる。
しかも、距離Ｌ１を上述のように規定しているので、超音波ホーンの出力面の振動が、縦方向の振動で、かつその振動の振幅が長手方向に均一な超音波振動を励起できる。

さらに本実施形態では、超音波ホーン１０のうち、縦方向Ｚの半波長共振の節部ＺＦに、縦方向Ｚに直交する方向に突出するフランジ１４を有する超音波振動子１としている。

このように超音波ホーン１０に上述のフランジ１４を設けることで、超音波振動子１の振動を妨げることなく、超音波振動子１を容易に保持することができる。

次いで、本実施形態に係る超音波振動子１の製造について説明する。
予め、超音波ホーン１０のほか、圧電素子２０及び後背部材３０を用意し、超音波ホーン１０の入力面１１と圧電素子２０の駆動主面２０Ｄとを対向させ、接着剤で固着すると共に、圧電素子２０の背面２０Ｕと後背部材３０を対向させて、接着剤で固着する。
かくして、超音波振動子１が完成する。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。
例えば、上述の実施形態では、寸法Ｌ１をＬ１＝０．３Ｌの大きさとしたが、Ｌ１＝０．１７５Ｌ〜０．４２５Ｌ、即ち、Ｌ１＝（０．３±０．０１２５）Ｌの範囲で、超音波振動子１を縦方向Ｚに半波長共振させた場合に、出力面１２の長手方向Ｘの振動分布を、ほぼ均一にできることが判っている。即ち、Ｌ１＝（０．３±０．０１２５ ）Ｌとすると良い。

また、上述の実施形態では、超音波ホーン１０のホーン部１３にフランジ１４を設けた例を示したが、フランジを設けない形態の超音波ホーンを用いても良い。この場合にも、超音波振動子を保持するにあたり、縦方向Ｚにおいてフランジ１４に相当する縦方向Ｚの節部ＺＦを把持するのが好ましい。

１ 超音波振動子
１０ 超音波ホーン
１１ 入力面
１２ 出力面
１３ ホーン部
１４ フランジ
１５ 台座部
１０Ｈ 縦長貫通孔
１０Ｈ１ （縦長貫通孔の）入力面側端
１０Ｈ２ （縦長貫通孔の）出力面側端
２０ 圧電素子（駆動部材）
２０Ｄ （圧電素子の）駆動主面
２０Ｕ （圧電素子の）背面
３０ 後背部材
Ｘ 長手方向
Ｙ 横幅方向
Ｚ 縦方向
ＺＦ 節部
ＸＨ 腹部
Ｆｒ 共振周波数（所定周波数）
ＫＦ 横断面

Claims (2)

1. 矩形状の入力面とこの入力面に対向する矩形状の出力面とを含み、
   これらを結ぶ縦方向に対して、これに直交する横断面が、この横断面に沿う長手方向に長く、上記長手方向に直交する横幅方向に短い矩形状を有する
   超音波ホーンと、
   上記長手方向に長い矩形状の駆動主面及び背面を有する矩形板状で、上記入力面に上記駆動主面が固着され、圧電セラミック材からなる駆動部材と、
   上記長手方向に長い矩形板状で、上記駆動部材の上記背面に固着された後背部材と、を備え、
   所定周波数で上記駆動部材を駆動したときに、
   上記縦方向に半波長共振すると共に、
   上記超音波ホーンが上記長手方向に共振する形態に構成されてなる
   超音波振動子であって、
   上記超音波ホーンは、
   自身を上記横幅方向に貫通し、上記縦方向に延びた形状の縦長貫通孔であって、
   上記超音波振動子を上記半波長共振させた場合に、
   上記縦方向に生じる節部と上記出力面との間で、かつ、
   上記長手方向に生じる共振の腹部に位置する、１または複数の縦長貫通孔を有し、
   上記縦長貫通孔は、
   上記縦方向の半波長共振の節部から上記出力面までの寸法をＬとし、
   上記縦長貫通孔の上記出力面側の端から上記出力面までの寸法をＬ１としたとき、
   上記出力面側の端部が、距離Ｌ１＝（０．３±０．０１２５)Ｌとなる部位に位置してなる
   超音波振動子。
2. 請求項１に記載の超音波振動子であって、
   前記超音波ホーンは、
   前記縦方向の半波長共振の節部に、前記縦方向に直交する方向に突出するフランジを有する
   超音波振動子。

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