JP2520732Y2 - 超音波ホーン - Google Patents
超音波ホーンInfo
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- JP2520732Y2 JP2520732Y2 JP6676391U JP6676391U JP2520732Y2 JP 2520732 Y2 JP2520732 Y2 JP 2520732Y2 JP 6676391 U JP6676391 U JP 6676391U JP 6676391 U JP6676391 U JP 6676391U JP 2520732 Y2 JP2520732 Y2 JP 2520732Y2
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- horn
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- ultrasonic
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- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本考案は超音波振動子またはブー
スターに接続される超音波ホーンに関し、超音波振動子
またはブースターの直径に対し、数倍以上の直径を有す
る超音波ホーンを、効率良く正常に作動させ得る形状を
有する大型の超音波ホーンに関するものである。
スターに接続される超音波ホーンに関し、超音波振動子
またはブースターの直径に対し、数倍以上の直径を有す
る超音波ホーンを、効率良く正常に作動させ得る形状を
有する大型の超音波ホーンに関するものである。
【0002】
【従来の技術】超音波の高速振動による動力的応用分野
は、液体粒子固体粒子の液中への分散、超音波洗浄器、
超音波振動切削、超音波溶接、超音波加工等幅広い用途
に使用されているが、これらの内超音波振動切削、超音
波溶接、超音波加工の分野では、作業部となる超音波ホ
ーンの形状に基づく振動特性が重要なる要素である。特
に作業面積が広いホーン形状については、ホーン先端部
の振動分布が不均一になったり、ホーンの大型化に伴な
う超音波発振器出力の大型化も必要となり、設計上困難
な面が多いのが現状である。
は、液体粒子固体粒子の液中への分散、超音波洗浄器、
超音波振動切削、超音波溶接、超音波加工等幅広い用途
に使用されているが、これらの内超音波振動切削、超音
波溶接、超音波加工の分野では、作業部となる超音波ホ
ーンの形状に基づく振動特性が重要なる要素である。特
に作業面積が広いホーン形状については、ホーン先端部
の振動分布が不均一になったり、ホーンの大型化に伴な
う超音波発振器出力の大型化も必要となり、設計上困難
な面が多いのが現状である。
【0003】以下従来技術を、図面に基づき説明する。
図2は、超音波振動系の基本構造図を示すものである。
超音波振動系は、大きくは、振動子部(1)、ブースタ
ー部(2)、ホーン部(3)よりなる。振動子部(1)
は、磁歪型振動子あるいは、電歪型振動子からなるが、
図2は電歪型振動子の場合を示すものであり、振動素子
(4)はチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の
圧電性セラミックス素子を通常複数枚重ね合わせ、この
振動素子(4)間にベリリウム銅等からなる電極板
(5)を挿み込み、高周波ケーブル(6)に接続し、こ
の高周波ケーブル(6)は、図示していないが、超音波
発振器に接続し、振動素子(4)部に超音波周波数に相
当する高周波電力を供給する。これら複数枚の振動素子
(4)の前後には、ジュラルミン、チタン合金等からな
る裏打板(7)及び前面板(8)を設け、振動素子
(4)内を貫通するボルト等で締結固定する所謂ボルト
締めランジュバン型振動子(BLT振動子)構造をと
る。
図2は、超音波振動系の基本構造図を示すものである。
超音波振動系は、大きくは、振動子部(1)、ブースタ
ー部(2)、ホーン部(3)よりなる。振動子部(1)
は、磁歪型振動子あるいは、電歪型振動子からなるが、
図2は電歪型振動子の場合を示すものであり、振動素子
(4)はチタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛等の
圧電性セラミックス素子を通常複数枚重ね合わせ、この
振動素子(4)間にベリリウム銅等からなる電極板
(5)を挿み込み、高周波ケーブル(6)に接続し、こ
の高周波ケーブル(6)は、図示していないが、超音波
発振器に接続し、振動素子(4)部に超音波周波数に相
当する高周波電力を供給する。これら複数枚の振動素子
(4)の前後には、ジュラルミン、チタン合金等からな
る裏打板(7)及び前面板(8)を設け、振動素子
(4)内を貫通するボルト等で締結固定する所謂ボルト
締めランジュバン型振動子(BLT振動子)構造をと
る。
【0004】振動子部(1)の前面板(8)側に、振動
振幅拡大用のブースター部(2)を設ける。このブース
ター部(2)の材質は、超音波の高速振動に耐え得るも
のとして、チタン合金またはジュラルミン等が望まし
く、振動子の前面板(8)側の断面積に対し、ホーン
(9)側の断面積を小さくする事により、その断面積の
比に応じて、振幅拡大を図り得る。ホーン(9)は、そ
の先端部(10)が作業端となり、超音波の高速振動及
び振動振幅が最大となる部分となる故、鋼、ジュラルミ
ン或いはチタン合金等の抗張力、靭性に富む材質がよ
く、とりわけ、チタン合金が望ましい。
振幅拡大用のブースター部(2)を設ける。このブース
ター部(2)の材質は、超音波の高速振動に耐え得るも
のとして、チタン合金またはジュラルミン等が望まし
く、振動子の前面板(8)側の断面積に対し、ホーン
(9)側の断面積を小さくする事により、その断面積の
比に応じて、振幅拡大を図り得る。ホーン(9)は、そ
の先端部(10)が作業端となり、超音波の高速振動及
び振動振幅が最大となる部分となる故、鋼、ジュラルミ
ン或いはチタン合金等の抗張力、靭性に富む材質がよ
く、とりわけ、チタン合金が望ましい。
【0005】これら、振動子部(1)、ブースター部
(2)、ホーン部(3)の軸方向即ち縦方向の振動分布
について説明する。振動子部(1)の長さは、使用する
超音波周波数下に於ける波長λの1/2、ブースター部
(2)も同様、波長λの1/2、ホーン部(3)も通常
1/2λ設計とする。超音波振動の節部は、振動子部
(1)では、振動子長のほぼ中間部に相当するフランジ
部(11)となり、ブースター部(2)もほぼ中間位置
のフランジ部(12)、ホーン部(3)では、ホーン大
径部(13)と小径部(14)との境界部(15)にく
るよう通常は設計する。ブースター部(2)を用いない
場合は、振動子部(1)にホーン部(3)を直接接続し
駆動させることも可能である。
(2)、ホーン部(3)の軸方向即ち縦方向の振動分布
について説明する。振動子部(1)の長さは、使用する
超音波周波数下に於ける波長λの1/2、ブースター部
(2)も同様、波長λの1/2、ホーン部(3)も通常
1/2λ設計とする。超音波振動の節部は、振動子部
(1)では、振動子長のほぼ中間部に相当するフランジ
部(11)となり、ブースター部(2)もほぼ中間位置
のフランジ部(12)、ホーン部(3)では、ホーン大
径部(13)と小径部(14)との境界部(15)にく
るよう通常は設計する。ブースター部(2)を用いない
場合は、振動子部(1)にホーン部(3)を直接接続し
駆動させることも可能である。
【0006】図2に実線にて示したホーン(9)の大径
部(13)の直径d1 は、ブースター先端直径d2 或い
は振動子部(1)の前面板部直径d3 に比し、同寸法或
いはそれ以下の場合はホーン部(3)の全長は、1/2
λと同等以上の長さになり、ホーン(9)の先端部(1
0)の振動振幅の分布は均一となる。しかしながら、d
1 の径がd2 或いはd3 の径に対して著るしく大きい場
合、例えば、図2に点線にて図示しているような大型の
ホーンの場合には、先端部(10)の振動分布が不均一
になるだけでなく、横振動モードが発生し易すくなると
いう欠点がある。
部(13)の直径d1 は、ブースター先端直径d2 或い
は振動子部(1)の前面板部直径d3 に比し、同寸法或
いはそれ以下の場合はホーン部(3)の全長は、1/2
λと同等以上の長さになり、ホーン(9)の先端部(1
0)の振動振幅の分布は均一となる。しかしながら、d
1 の径がd2 或いはd3 の径に対して著るしく大きい場
合、例えば、図2に点線にて図示しているような大型の
ホーンの場合には、先端部(10)の振動分布が不均一
になるだけでなく、横振動モードが発生し易すくなると
いう欠点がある。
【0007】これを解決する従来の手段を図3、図4、
図5に従って説明する。図3(a)は、中空型ホーンの
正面一部裁断図、図3(b)は、X−X断面矢視図を示
すものであり、ホーン(9)の小径部側中心部に円孔状
の中空部(17)を設けることにより、作業端である先
端部(16)の振動振幅の分布の均一化及び横振動モー
ドの低減を図る方策である。図4(a)は、ホーン
(9)の大径部から小径部に至る部分に中グリ部を設け
たものであり、図4(b)は、Y−Y断面矢視図であり
十文字状に中グリ部を設けた例であるが、中グリ部の
幅、高さを適切に選定することにより、作業端である先
端部の振動振幅の分布の均一化及び横振動モードを減少
させ得る。図5は、角型ホーンの1例であり、図5
(a)は正面図、図5(b)は、Z−Z断面矢視図であ
る。この方式は、スリット(18)を各側面部に複数個
設けることにより、作業端部である先端部(16)の振
動振幅分布の均一化及び横振動モードを防ぐ方策であ
る。
図5に従って説明する。図3(a)は、中空型ホーンの
正面一部裁断図、図3(b)は、X−X断面矢視図を示
すものであり、ホーン(9)の小径部側中心部に円孔状
の中空部(17)を設けることにより、作業端である先
端部(16)の振動振幅の分布の均一化及び横振動モー
ドの低減を図る方策である。図4(a)は、ホーン
(9)の大径部から小径部に至る部分に中グリ部を設け
たものであり、図4(b)は、Y−Y断面矢視図であり
十文字状に中グリ部を設けた例であるが、中グリ部の
幅、高さを適切に選定することにより、作業端である先
端部の振動振幅の分布の均一化及び横振動モードを減少
させ得る。図5は、角型ホーンの1例であり、図5
(a)は正面図、図5(b)は、Z−Z断面矢視図であ
る。この方式は、スリット(18)を各側面部に複数個
設けることにより、作業端部である先端部(16)の振
動振幅分布の均一化及び横振動モードを防ぐ方策であ
る。
【0008】以上述べた従来方式の欠点は、図3の中空
型ホーンの場合は、中空部を存在させざるを得ない故に
作業端形状がリング状となり、中心部近傍での超音波処
理ができず、対象形状に限定が生じる。図4の中グリ部
を設けた丸棒状ホーン及び図5の中グリ部を設けた角型
ホーンの場合、作業端全面を使用し得るが、中グリ部の
設置位置、中グリ幅、中グリ高さ及び中グリスリットの
数の設け方、決め方は、全てトライアンドエラーによっ
て適正値を選定しなければ、振動振幅分布の均一化及び
横振動モードの減少を図ることが難しく、特に、ホーン
大径部の直径d1 がブースターのホーン接続端側直径d
2 の、或いはブースターを用いない場合は振動子の前面
板直径d3 の3倍以上である場合には、この難しさが増
大し、性能上、製作工数、価格面からも、望ましい形状
の超音波ホーンを得ることは極めて困難な技術であっ
た。
型ホーンの場合は、中空部を存在させざるを得ない故に
作業端形状がリング状となり、中心部近傍での超音波処
理ができず、対象形状に限定が生じる。図4の中グリ部
を設けた丸棒状ホーン及び図5の中グリ部を設けた角型
ホーンの場合、作業端全面を使用し得るが、中グリ部の
設置位置、中グリ幅、中グリ高さ及び中グリスリットの
数の設け方、決め方は、全てトライアンドエラーによっ
て適正値を選定しなければ、振動振幅分布の均一化及び
横振動モードの減少を図ることが難しく、特に、ホーン
大径部の直径d1 がブースターのホーン接続端側直径d
2 の、或いはブースターを用いない場合は振動子の前面
板直径d3 の3倍以上である場合には、この難しさが増
大し、性能上、製作工数、価格面からも、望ましい形状
の超音波ホーンを得ることは極めて困難な技術であっ
た。
【0009】
【考案が解決しようとする課題】本考案は、従来の大型
ホーンのかかる問題点を解決すべく鋭意検討の結果成さ
れたものであり、ホーン底面の作業端部を全面に亘り使
用でき、振動振幅の分布が均一であり且つ、横振動モー
ドの少い超音波ホーンを提供するにある。
ホーンのかかる問題点を解決すべく鋭意検討の結果成さ
れたものであり、ホーン底面の作業端部を全面に亘り使
用でき、振動振幅の分布が均一であり且つ、横振動モー
ドの少い超音波ホーンを提供するにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本考案は、ホーン大径部
の直径d1 が、ブースターのホーン接続端側直径d2或
いはブースターを用いない場合は振動子の全面板直径d
3 の3倍以上有し、断面が丸型形状である超音波ホーン
に於いて、使用する超音波周波数f、ホーン材質による
音速c、波長λとの間にc=λ・fの関係式が存在する
が、ホーンの全長lが使用する超音波周波数下に於ける
波長λの1/4の0.8〜1.5倍相当長さであって、縦
振動の節部がl/2の0.8〜1.2倍であり、ホーン大
径部側の天面をテーパー形状とし、このテーパーの開始
点がホーン大径部直径d1 、ブースターのホーン接続端
面側直径d2 或いは、ブースターを用いない場合は、振
動子の前面板直径d3 との間に(d1 −d2 )/2×
(1〜0.2)倍、或いは(d1 −d3 )/2×(1〜
0.2)倍の位置にあり、テーパー部の角度θが10°
〜60°であることを特徴とする超音波ホーンである。
の直径d1 が、ブースターのホーン接続端側直径d2或
いはブースターを用いない場合は振動子の全面板直径d
3 の3倍以上有し、断面が丸型形状である超音波ホーン
に於いて、使用する超音波周波数f、ホーン材質による
音速c、波長λとの間にc=λ・fの関係式が存在する
が、ホーンの全長lが使用する超音波周波数下に於ける
波長λの1/4の0.8〜1.5倍相当長さであって、縦
振動の節部がl/2の0.8〜1.2倍であり、ホーン大
径部側の天面をテーパー形状とし、このテーパーの開始
点がホーン大径部直径d1 、ブースターのホーン接続端
面側直径d2 或いは、ブースターを用いない場合は、振
動子の前面板直径d3 との間に(d1 −d2 )/2×
(1〜0.2)倍、或いは(d1 −d3 )/2×(1〜
0.2)倍の位置にあり、テーパー部の角度θが10°
〜60°であることを特徴とする超音波ホーンである。
【0011】以下、図1に従って、本考案の実施例を説
明する。図1は、本考案による丸型超音波ホーン(1
9)にブースター(2)をボルト(20)にて接続した
一部裁断正面図を示すものである。ホーン大径部(2
1)の最大径部(22)の直径d1 は、ブースター
(2)の直径d2 の3倍以上を有するので図3或いは図
4に示した丸棒形状である場合は、中空部を設けたり、
複数箇の中グリスリットを設けなければ作業端部である
ホーン底面部(23)の振動振幅分布が不均一になり、
且つ横振動モードが発生する。そこで、大径部(21)
の天面をテーパー形状にする事によりホーン底面部(2
3)の振動振幅の均一化、横振動モードの低減化を図り
得る事を見い出した。この天面部のテーパーの開始点
(24)は、(d1−d2 )/2即ちブースター(2)
の接続端面外周部位置より外側に位置しなければ、ブー
スター(2)の縦振動エネルギーの伝達が不十分であ
り、またテーパーの開始点(24)が大径部(21)の
外側端側に寄りすぎると、ホーン底面部(23)の振動
分布が不均一になり、テーパーの開始点(24)は、
(d1 −d2 )/2×(1〜0.2)倍、望ましくは
(d1 −d2 )/2×(0.8〜0.4)倍の範囲内であ
れば振動振幅の均一化に効果を発揮する。またこのテー
パー(25)の角度θも重要な要素であり、10゜〜6
0°望ましくは、20°〜40°がよく、この角度θが
小さすぎると、ホーン底面部の半径方向の中心部近辺の
振動振幅が小さくなりすぎ、極端な場合は節、即ち振動
振幅がゼロのポイントが環状に現われるし逆にこの角度
θが60°を越えると、ホーン底面部の中心部近辺の振
動振幅が異常に高くなりすぎるという欠点が出る。
明する。図1は、本考案による丸型超音波ホーン(1
9)にブースター(2)をボルト(20)にて接続した
一部裁断正面図を示すものである。ホーン大径部(2
1)の最大径部(22)の直径d1 は、ブースター
(2)の直径d2 の3倍以上を有するので図3或いは図
4に示した丸棒形状である場合は、中空部を設けたり、
複数箇の中グリスリットを設けなければ作業端部である
ホーン底面部(23)の振動振幅分布が不均一になり、
且つ横振動モードが発生する。そこで、大径部(21)
の天面をテーパー形状にする事によりホーン底面部(2
3)の振動振幅の均一化、横振動モードの低減化を図り
得る事を見い出した。この天面部のテーパーの開始点
(24)は、(d1−d2 )/2即ちブースター(2)
の接続端面外周部位置より外側に位置しなければ、ブー
スター(2)の縦振動エネルギーの伝達が不十分であ
り、またテーパーの開始点(24)が大径部(21)の
外側端側に寄りすぎると、ホーン底面部(23)の振動
分布が不均一になり、テーパーの開始点(24)は、
(d1 −d2 )/2×(1〜0.2)倍、望ましくは
(d1 −d2 )/2×(0.8〜0.4)倍の範囲内であ
れば振動振幅の均一化に効果を発揮する。またこのテー
パー(25)の角度θも重要な要素であり、10゜〜6
0°望ましくは、20°〜40°がよく、この角度θが
小さすぎると、ホーン底面部の半径方向の中心部近辺の
振動振幅が小さくなりすぎ、極端な場合は節、即ち振動
振幅がゼロのポイントが環状に現われるし逆にこの角度
θが60°を越えると、ホーン底面部の中心部近辺の振
動振幅が異常に高くなりすぎるという欠点が出る。
【0012】次に適切なる共振周波数、縦振動モードを
得るための本考案による手段を説明する。図3、図4及
び図5に示したホーン形状の場合には、その全長は、使
用する超音波周波数f、ホーン材質から決定される音速
cから計算式c=λ・fを満足する波長λの約半分(λ
/2)近辺、詳しくは、λ/2×(0.8〜1.2)倍程
度にてホーン長さを、使用する共振周波数となるように
決定するのが従来の方法であるが、本考案による天面部
をテーパー形状とするホーンの場合には、従来の長さ決
定方式では、超音波の共振周波数を得ることが不可であ
り、鋭意検討の結果、λ/4長さ近辺にすることによ
り、適切なる共振振動モードが得られることが明らかと
なった。即ち、本考案のホーンの全長lは、λ/4×
(0.8〜1.5)倍相当長さ、ホーン内に存在する縦振
動の節部はホーン上端面からl/2×(0.8〜1.2)
倍の位置に設定する事が重要であり、全長lがこの範囲
以下の場合は、共振点がとれたとしても、ホーン底面部
の中心部近辺の振動振幅が周辺部に比し高くなり、逆に
この範囲以上の場合は、底面部の半径方向の中心部近傍
にリング状に低振幅領域が発生するし、これらの振動振
幅の不均一が生じている場合は、横振動モードも大きく
なり、超音波の振動エネルギーのロス分の増加が生じ、
適正なる振動領域を逸脱した結果となる。
得るための本考案による手段を説明する。図3、図4及
び図5に示したホーン形状の場合には、その全長は、使
用する超音波周波数f、ホーン材質から決定される音速
cから計算式c=λ・fを満足する波長λの約半分(λ
/2)近辺、詳しくは、λ/2×(0.8〜1.2)倍程
度にてホーン長さを、使用する共振周波数となるように
決定するのが従来の方法であるが、本考案による天面部
をテーパー形状とするホーンの場合には、従来の長さ決
定方式では、超音波の共振周波数を得ることが不可であ
り、鋭意検討の結果、λ/4長さ近辺にすることによ
り、適切なる共振振動モードが得られることが明らかと
なった。即ち、本考案のホーンの全長lは、λ/4×
(0.8〜1.5)倍相当長さ、ホーン内に存在する縦振
動の節部はホーン上端面からl/2×(0.8〜1.2)
倍の位置に設定する事が重要であり、全長lがこの範囲
以下の場合は、共振点がとれたとしても、ホーン底面部
の中心部近辺の振動振幅が周辺部に比し高くなり、逆に
この範囲以上の場合は、底面部の半径方向の中心部近傍
にリング状に低振幅領域が発生するし、これらの振動振
幅の不均一が生じている場合は、横振動モードも大きく
なり、超音波の振動エネルギーのロス分の増加が生じ、
適正なる振動領域を逸脱した結果となる。
【0013】
【考案の効果】本考案のホーン形状をとることにより、
作業端面であるホーン底面部全体を作業部として使用で
き、ブースターのホーン接続端側直径或いは、ブースタ
ーを用いない場合は振動子の前面板直径の3倍以上のホ
ーン大径部直径を有する丸型ホーンの場合にても、ホー
ン底面部の縦振動分布の均一化、横振動モードの減少を
図り得るという性能を有すると共に、製作工数、価格面
からも優位性を有し、工業上優れた考案である。
作業端面であるホーン底面部全体を作業部として使用で
き、ブースターのホーン接続端側直径或いは、ブースタ
ーを用いない場合は振動子の前面板直径の3倍以上のホ
ーン大径部直径を有する丸型ホーンの場合にても、ホー
ン底面部の縦振動分布の均一化、横振動モードの減少を
図り得るという性能を有すると共に、製作工数、価格面
からも優位性を有し、工業上優れた考案である。
【図1】本考案による丸型ホーンの一実施例の一部裁断
正面図である。
正面図である。
【図2】超音波振動系の基本構成図である。
【図3】従来の中空型ホーンの一部裁断正面図(a)及
び断面図(b)である。
び断面図(b)である。
【図4】従来の中グリ型丸型ホーンの正面図(a)及び
断面図(b)である。
断面図(b)である。
【図5】従来の角型ホーンの正面図(a)及び断面図
(b)である。
(b)である。
Claims (1)
- 【請求項1】 ホーン大径部の直径d1 が、ブースター
のホーン接続端側直径d2 或いはブースターを用いない
場合は振動子の前面板直径d3 の3倍以上有し、断面が
丸型形状である超音波ホーンに於いて、ホーンの全長l
が使用する超音波周波数下に於ける波長λの1/4の
0.8〜1.5倍相当長さであって、縦振動の節部がl/
2の0.8〜1.2倍であり、ホーン大径部側の天面をテ
ーパー形状とし、このテーパーの開始点が、(d1 −d
2 )/2の1〜0.2倍、或いは(d1 −d3 )/2の
1〜0.2倍の位置にあり、テーパー部の角度θが10
°〜60°の範囲内にあることを特徴とする超音波ホー
ン。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6676391U JP2520732Y2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 超音波ホーン |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6676391U JP2520732Y2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 超音波ホーン |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0516277U JPH0516277U (ja) | 1993-03-02 |
JP2520732Y2 true JP2520732Y2 (ja) | 1996-12-18 |
Family
ID=13325248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP6676391U Expired - Fee Related JP2520732Y2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 超音波ホーン |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2520732Y2 (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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