JP3200086B2 - 回転式超音波ホーン - Google Patents

回転式超音波ホーン

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は超音波回転ホーンに関す
るものである。更に詳しくは、本発明は、約１８から約
６０ｋＨｚの範囲の周波数で動作する場合に独特の特性
を呈する超音波回転ホーンに関するものである。また、
本発明は、この形式のホーンにおける先端部分の形状の
改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超音波エネルギを利用して連続基板上に
おいて熱可塑性材料の接合および／または切断を行う方
法は確立されており、初期の参考文献としては、１９６
６年にＢｕｌｌに発行された英国特許第１０１８９７１
号がある。応用分野には、ロール製品の連続シーミング
あるいは点ボンディング（ＵＳＳ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ
ａｎｄ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ， Ｉｎｃ．に付与さ
れたカナダ特許第１０９２０５２号）、一定の大きさの
ウエブに切断される素材をその前に超音波ボンディング
して多層ウエブ内にパターンを形成すること（Ｒｏｂｅ
ｒｔｓｏｎに付与された米国特許第３５６２０４１
号）、別個の吸収製品の端を相互にシーリングすること
（Ｋｎａｕｆに付与された米国特許第３６７７８６１
号）、不織布、ファイバーフィルおよび織布からなるウ
エブをパターン積層してマットレスのパッドおよびベッ
ドスプレッドを製造すること（Ｌｏｎｇ等に付与された
米国特許第３７３３２３８号）、および二枚のウエブを
同時にボンディングおよび切断して手袋を作ること（Ｇ
ｒｇａｃｈ等に付与された米国特許第３９３９０３３
号）がある。
【０００３】熱可塑性材料のボンディングおよび／また
は切断を行うために超音波エネルギを用いることの応用
には、静止した（すなわち、非回転型）超音波ホーンあ
るいは工具がある。このホーンにおいては、ホーンの作
動表面の方向は、印加される機械振動の方向に一致して
いる。この形式のホーンの最も一般的なものは段付きシ
リンダあるいは段付きブレードである。ボンディングあ
るいは切断される素材がホーンとアンビルとの間に位置
決めされて、ホーンの作動表面が剛体のアンビルに対し
て軸方向に移動される。
【０００４】剛体のホーン構造における一つの興味ある
変形例において、ボンディングされる素材に接触しない
ホーンを開示している参考文献が知られている。これに
ついては、Ｓａｇｅｒに付与された米国特許第４６６８
３１６号を参照のこと。別の構成として、連続の高速ボ
ンディング作業に適したものとして、静止ホーンおよび
回転アンビルを使用するものがあり、これについては、
例えば、後述する米国特許第３５６２０４１、３７３３
２３８、３９３９０３３があり、また、Ｒｕｓｔ，Ｊｒ
に付与された米国特許第３８４４８６９号（シート素材
の超音波ウエルデイング用装置）、ＭｃＤｏｎａｌｄに
付与された米国特許第３９９３５３２号（超音波シーリ
ング・パターン・ロール、すなわちパターン付き回転ア
ンビル）があり、さらに、Ｖｉｔａｌに付与された米国
特許第４６５９６１４号（パターン付き回転アンビルを
用いて超音波によって接着した不織布）がある。さらに
は、Ｊ．Ｈ．Ｂｅｎｅｃｋｅ ＧｍｂＨによるドイツ特
許出願公開番号第２２５９２０３号（超音波接着を用い
た不織材の物理的特性の改善）がある。この構成におい
ては、接触すべき素材は、連続的にホーンとアンビルと
の間に通される。素材の典型的な線型速度は回転アンビ
ルの作動表面における接線速度に等しい。Ｃａｒｐｅｎ
ｔｅｒに付与された米国特許第３５７５７５２号を参照
すると、ここには、剛体であるアンビルを駆動ドラムの
直前において使用している。
【０００５】回転アンビルを使用するということは、超
音波エネルギの応用を含む連続接着処理における大幅な
改善ではある。しかし、これを使用することにより、必
然的に、幾つかの制限が伴い、これらの制限により、ラ
イン速度および接着品位に悪影響が及ぶ。勿論、接着す
べき素材を、回転するアンビルと剛体である静止ホーン
との間の狭いギャップを連続して通すことは必要であ
る。しかし、このことによって、ホーンの先端において
堰き止め効果が起こる。これと共に、素材の厚さに不均
一性が原因となって圧縮力が変動する可能性がある。こ
の結果、詰まりおよび裂け目の発生状態となり、かかる
状態により音響エネルギ伝達の効率が非常に低下してし
まう。この事態が発生すると、得られた接着品位が非常
に低下し、この結果としてライン速度が制限されてしま
う。かかる現象により、接着すべき素材の圧縮可能な嵩
高さあるいは厚さも制限されてしまう。
【０００６】上述した制限をある程度解消するための方
法としては、間隔が漸増および漸減するようなギャップ
を形成する円弧形状のホーンの開発がある。一例とし
て、Ｐｅｒｓｓｏｎ等に付与された米国特許第４４０４
０５２号を参照されたい。別の試みとしては、改良型の
段付きブレードホーンを、Ｏｂｅｄａに付与された米国
再発行特許第３３０６３号に示されているように、接着
すべき素材の間においてそれらに平行となるように方向
付けするものがある。しかしながら、音響エネルギの伝
達を効率良く行う必要性のために密接状態が必要である
という点に鑑みれば、静止ホーンを使用する限りは、ホ
ーンを通過する接着すべき素材の動きに伴って発生する
問題点を完全に解消できないことは明らかである。
【０００７】最も注目されていると思われる解決方法
は、回転する（回転式）ホーンを回転アンビルと共に使
用することである。かかる構成を端的に表現すると以下
のようになる。２つあるいはそれ以上のほぼ同一の形状
の円筒形表面を同一の接線速度で逆向きに回転させる構
成である。接着すべき素材は、これらの円筒形表面の間
を、これらの表面と同一の線型速度で通過する。この結
果、素材が堰き止められて、詰まりおよび切り裂きがで
きる可能性が事実上解消される。
【０００８】各種の素材の接着のために回転式の超音波
ホーンを使用するという考え、典型的には回転するアン
ビルと共に使用するという考えは、勿論良く知られてい
る。例として挙げれば、Ｅｌｍｏｒｅ等に付与された米
国特許第３０１７７９２号（振動装置）、Ｊａｒｖｉｅ
等に付与された同第３２１７９５７号（ウエルディング
装置）、Ｂａｌａｍｕｔｈ等に付与された同第３２２４
９１５号（超音波振動を利用した熱可塑性シート材の接
合方法）、Ｂａｌａｍｏｕｔｈ等に付与された同第３２
７２６８２号（熱可塑性シート材の接合装置）、Ｄａｎ
ｉｅｌｓ等に付与された同第３４５５０１５号（超音波
ウエルデイング方法および装置）、Ｓａｇｅｒに付与さ
れた同第３６２３９２６号（熱可塑性部材の組み立て用
の方法および装置）、Ｓｈｏｈに付与された同第３９５
５７４０号（振動シームのウエルディング装置）、Ｓｃ
ｏｔｔに付与された同第４２４２５８６号（折り畳まれ
て接着された連続モールドされた結合要素を備えたスラ
イドファスナ桁の製造方法および装置）、Ｏｎｉｓｈｉ
に付与された同再４３３３７９１号（超音波シームウエ
ルディング装置）、およびＬｅａｄｅｒ等に付与された
同第４４７３４３２号（ドット熱ステープリング）があ
る。また、ソ連特許としては、第１７８６５６号（超音
波シームウエルダ）、第２７２０２０号（超音波シーム
ウエルディングユニット）、第２７７５２４号（超音波
金属ウエルダ）、第５２４６９９号（プラスチック用の
超音波シームウエルダ）、第６７０４０６号（超音波シ
ームウエルディング用装置）、および第７８５０５１号
（ポリマー材のシームウエルディング装置）がある。さ
らに、日本公開特許第５１−６９５７８号（プラスチッ
ク連続式超音波ウエルディング用振動装置）および５８
−４２０４９号（写真用紙用の連続超音波接合装置）が
ある。さらには、フランス特許第１４５９６８９号（ガ
ラスシート上へのアルミニウムホイルの超音波ウエルデ
ィング、日本特許第３１４７２５５号も参照のこと）、
ドイツ公開特許第３１４７２５５号（ソーラセルのコン
タクトおよびコネクタウエルディング用装置）、オース
トリア特許第２６０８８８号（金属製コンテナの製造に
使用する超音波ウエルディングローラ）がある。
【０００９】回転式ホーンを用いた非接着分野への応用
も知られており、これらの幾つかを比較のためにここに
列記する。米国特許第３０９６６７２号（振動ロールお
よび方法）、同第３２９２８３８号（回転式ソニックウ
エルディング）、同再３５５０４１９号（金属ローリン
グ用の方法および装置）、同第３６２０６１号（回転式
ミルロールと共に使用する超音波変換器の設計）、同第
３６７８７２０号（ローラ水準器およびレベリング方
法）および同再３９０８８０８号（ペーパウエブの超音
波カレンダ掛け）。
【００１０】市場で購入可能な回転式の超音波ホーンを
使用した接着装置が知られている。この装置は、フラン
ス系企業であるＭｅｃａｓｏｎｉｃによって製造されて
おり（詳しくは、カリフォルニア州のＦｕｋｋｅｒｔｏ
ｎ所在のＭｅｃａｓｏｎｉｃ−ＫＬＭ，ＩＮＣ．から入
手可能である。）、いわゆるポアソン結合効果を形成し
ている。最大の半径方向の変位は最小の縦方向の変位の
発生位置において得られ、縦方向の最小変位は、超音波
的に縦方向である軸方向にピエゾ電気水晶機構によって
励起された１波長の円形シャフトの自由端から１／４波
長の位置である。Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンと本質的に
同一であると考えられる回転式の超音波ホーンは、前述
した日本の公開特許５１−６９５７８号に開示されてい
る。また、欧州特許出願第８８４０２４３７．３も参照
されたい。ここには、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンを回転
式のアンビルあるいはサポートと共に使用して、可撓性
の素材に新たに形成したシームを平滑化することが開示
されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】ホーンの大径部分とし
てのディスク部分は、このディスク部分のラジアル変位
が最大となる軸方向の波節の部分に位置している。すな
わち、半径方向における波腹の部分に位置している。ホ
ーンの全長は１波長に等しく、ディスク部分の中心から
ホーンの自由端である非駆動端までの短かい方の距離
は、１／４波長である。ホーンの駆動端に超音波を励起
させると、励起源がホーンの駆動端に向けて移動する
と、ホーンの全体が励起源から遠ざかる方向の移動し、
ラジアル面が内側に移動する。励起源が駆動端から離れ
ると、ホーン全体は励起源に向けて移動し、半径方向の
表面は外側に移動する。半径方向の運動がディスク部分
の中心位置において最大になると、この運動は、ディス
ク部分の表面に沿って軸線方向の波節（半径方向の波
腹）からの距離が遠ざかるに連れて急速に減少してい
く。接着強度が少なくとも部分的には振幅の関数である
場合には、この振幅の変動により、接着強度の変動が発
生する。従って、均一な接着強度が接着領域の幅方向に
渡って必要な場合には、ディスク部分の有効幅を実際の
幅である３０ｍｍよりも幾分小さくする。このような不
均一性は、得られる最小の接着強度が接着領域の作用す
る圧力に耐えうるものでなければ、望ましくないことは
明らかである。
【００１２】従って、約１８から約６０ｋＨｚの励起周
波数で動作し、半径方向の表面の幅方向に沿って比較的
一定の振幅特性を呈する比較的広範囲な接着あるいはそ
の外の処理スパンを実現でき、さらには、改善された性
能と共にその他の利点も備えた回転式の超音波ホーンに
対する需要がある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】従って本発明の目的は、
約１８から約６０ｋＨｚの励起周波数で動作可能な回転
式超音波ホーンを実現することにある。本発明の別の目
的は、約２．５ｃｍよりも広い有効ラジアル表面を有す
る性能を備えた回転式超音波ホーンを実現することにあ
る。
【００１４】本発明の更に別の目的は、約２．５ｃｍよ
りも広い有効ラジアル表面を有し、この表面が比較的一
定のラジアル振幅形状を有している回転式超音波ホーン
を実現することにある。本発明の別の目的は、有効ラジ
アル表面の最大幅が約１３ｃｍであり、このラジアル表
面が比較的一定のラジアル振幅形状をしている回転式超
音波ホーンを実現することにある。
【００１５】本発明の更に別の目的は、有効ラジアル表
面の幅が約２．５ｃｍよりも広く、ラジアル表面におけ
るラジアル振幅とホーンに印加される縦方向の振幅の比
がホーンのラジアル表面の幅に渡って約１である回転式
超音波ホーンを実現することにある。本発明の更に別の
目的は、ラジアル表面の有効幅が約１３ｃｍであり、ラ
ジアル表面の平均ラジアル振幅とホーンに印加される縦
方向の振幅の比が、ホーンのラジアル表面の幅に沿って
少なくとも約１である回転式超音波ホーンを実現するこ
とにある。
【００１６】本発明の更に別の目的は、ホーンの回転軸
の一端あるいは双方の端に対して実質的に垂直に入力さ
れる超音波エネルギによって励起されたときに、共振し
て、励起された端の移動と反対側の端の移動の位相が異
なり、ホーンのラジアル表面が励起された端とは異なる
位相で移動して、その幾何学的な中心位置において単一
の波節点を呈するように形成された回転式超音波ホーン
を実現することにある。
【００１７】これらの目的およびそれ以外の目的は、当
業者にとっては、以下の明細書の説明、請求の範囲およ
び図面を考慮すれば明らかに理解できる。本発明は、約
１８から６０ｋＨｚの周波数で励起されるようになって
おり、一定の形状をした中実金属物体を有し、この金属
物体は、第１および第２の端を備えたラジアル表面と回
転軸とを有し、前記端のぞれぞれが表面によって規定さ
れ、前記物体は軸線に対して対称となっている回転式超
音波ホーンにおいて、（Ａ）前記ホーンの直径が約４ｃ
ｍから約１９ｃｍまでの範囲内にあり、（Ｂ）前記ラジ
アル面における前記ホーンの幅が約０．６ｃｍから約１
３ｃｍまでの範囲内にあり、（Ｃ）回転軸における前記
ホーンの厚さは約０．６ｃｍから約１５ｃｍであり、こ
の幅は前記ラジアル面におけるホーンの幅とは独立であ
り、（Ｄ）前記ホーンの重量は、約０．０６ｋｇから約
３０ｋｇまでの範囲内にあり、（Ｅ）前記直径、幅およ
び厚さは目的とする周波数に適合するように選択されて
おり、これによって、この周波数の超音波エネルギを、
回転軸に対して実質的に垂直に入力することによって励
起すると、一方の端あるいは双方の端は共振して、
（１）励起された側の端が励起源の移動と実質的に同一
の位相で移動し、（２）反対側の端は、それが能動的に
励起されるか否かに係わりなく、励起された側の端の移
動とは実質的に異なる位相で移動し、（３）前記のワー
ク接触側のラジアル面も励起された側の端とは実質的に
異なる位相で移動し、これによって、（４）ホーンの幾
何学的中心地において単一の波節点を形成するようにな
っている。
【００１８】さらに、本発明においては、２つあるいは
それ以上の材料を相互に超音波的に接着し、あるいはそ
の他の超音波的な処理を材料に対して適用するための装
置において、この装置は、約１８から約６０ｋＨｚの範
囲内の周波数で励起されるように形成された回転式超音
波ホーンと、前記ホーンの一端あるいは両端に対して細
長い導波管を介して光学的に結合された軸線方向の機械
的振動源としての振動手段と、前記回転式超音波ホーン
を支持するための支持手段と、前記回転式超音波ホーン
を回転させるための駆動手段と、前記回転式ホーンとほ
ぼ同一形状の回転式アンビルとを有しており、前記回転
式超音波ホーンとして、一定の形状をした中実金属物体
を有し、この物体は、第１および第２の端によって規定
されるラジアル面と回転軸とを備え、これらの端のそれ
ぞれは、表面として規定され、前記物体は軸線に対して
対称となっており、 （Ａ）前記ホーンの直径が約４ｃｍから約１９ｃｍまで
の範囲内にあり、 （Ｂ）前記ラジアル面における前記ホーンの幅が約０．
６ｃｍから約１３ｃｍまでの範囲内にあり、 （Ｃ）回転軸における前記ホーンの厚さは約０．６ｃｍ
から約１５ｃｍであり、この幅は前記ラジアル面におけ
る前記ホーンの幅とは独立であり、 （Ｄ）前記ホーンの重量は、約０．０６ｋｇから約３０
ｋｇまでの範囲内にあり、 （Ｅ）前記直径、幅および厚さは目的とする周波数に適
合するように選択されており、これによって、この周波
数の超音波エネルギを、回転軸に対して実質的に垂直に
入力することによって励起すると、一方の端あるいは双
方の端は共振して、 （１）励起された側の端が励起源の移動と実質的に同一
の位相で移動し、 （２）反対側の端は、それが能動的に励起されるか否か
に係わりなく、励起された側の端の移動とは実質的に異
なる位相で移動し、 （３）前記のワーク接触側のラジアル面も励起された側
の端とは実質的に異なる位相で移動し、これによって、 （４）ホーンの幾何学的中心地において単一の波節点を
形成するようになっている。
【００１９】好適な実施例においては、前記ラジアル面
の形状は次のように規定されて実質的にリニアとなって
おり、この場合には、ホーンは真円形状の円筒断面とし
て規定できる。別の好適な実施例においては、ラジアル
面はノンリニア形状であり、この場合には、ホーンは、
曲線からなる表面を備えた円錐台として規定される。さ
らに別の好適な実施例においては、本発明の回転式超音
波ホーンは、二つの端のそれぞれにハブを有している。
別の好適な実施例においては、ホーンと一体物として形
成される。別の好適な実施例においては、端の側あるい
はハブの側からねじ込んだスタッドを有している。さら
に別の好適な実施例においては、スタッドがホーンに一
体成形されたものとされている。さらに別の好適な実施
例においては、細長い導波管を用いており、これがホー
ンに一体的に形成された部分となっている。さらに別の
好適な実施例においては、ホーンの両端は、実質的に凸
あるいは凹形状となっている。
【００２０】さらに別の好適な実施例においては、ホー
ンの第１および第２の端は実質的に凹形状をしており、
中央に前記回転軸と同心状の円形のフラットな部分と、
前記フラット部分から前記ラジアル面に向かう全体して
凸状となっている部分とを有しており、（ａ）前記フラ
ット部分の直径は、少なくともホーン直径の約２０パー
セントであり、（ｂ）前記の全体として凸状となってい
る部分は、軸対称の曲面と、前記回転軸を通る断面形状
が曲線で囲まれた形状となっている部分とを有してお
り、（ｉ）前記フラット部分の外側境界から前記ラジア
ル面の縁に向かう直線と、（ｉｉ）回転軸に対して平行
であり前記フラット部分から始まっている直線と、（ｉ
ｉｉ）回転軸に垂直であり、前記ラジアル面から、回転
軸に平行な前記直線の所まで延びている直線とから区画
形成される三角形領域内に位置しており、（ｃ）ホーン
は前記ラジアル面に沿った変動率が約２０パーセント以
下であり、（ｄ）軸線方向の振幅に対する平均ラジアル
振幅の比が少なくとも１となっている。
【００２１】本発明の回転式超音波ホーンは特に連続の
接着あるいは切断処理に有用である。例えば、織り布お
よび不織布およびフィルムなどの熱可塑性素材を２枚あ
るいはそれ以上を接着する処理、材料を超音波的に孔あ
けする処理等に特に有用である。
【００２２】
【実施例】本明細書で使用されているように、用語「ボ
ンディング」および「ウエルディング」は同義語であ
り、少なくとも一層の材料を類似あるいは異なる種類の
材料からなる別の層に永久的に接合することを単に示し
ている。接合すべき材料の性質は重要であるとは知られ
ていない。しかし、本発明は、少なくとも部分的には熱
可塑性ポリマーから形成されている織り布、不織布およ
びフィルムのうちから選択した材料からなる２つの層あ
るいはそれ以上の層をボンディングする場合に特に有用
である。先に述べたように、本発明は、超音波による材
料の孔あけを含む処理においても有用である。
【００２３】適切なボンディングは各種の機構によって
達成できることは明確である。例えば、ボンドは、接合
すべき素材における全ての接合領域を部分的にあるいは
完全に溶融することによって得ることができる。この場
合、これらの素材の接着領域には部分的なあるいは完全
な溶解部分ができる。この他に、接着すべき素材のうち
の一つを部分的あるいは完全に溶融することによっても
ボンドを形成することができる。この場合、部分的ある
いは完全に溶融した素材が隣接する素材内あるいは素材
の表面に流れ込み、一方の素材と他方の素材との間に機
械的な相互結合状態が形成される。
【００２４】本明細書において使用する用語「ファブリ
ック」（ｆａｂｒｉｃ）は、広い意味に使用されてお
り、ロール状のような連続した形態あるいは不連続の形
態を取りうる織り素材あるいは不織素材からなるシート
あるいはウエブを意味している。用語「最低音モード」
（ｇｒａｖｅｓｔ ｍｏｄｅ）は、与えられた条件下に
おける特定の形状における最も基本的な振動の共振モー
ドを意味するために使用している。
【００２５】用語「振幅」は、励起時における表面の最
大変位量、換言すると、ピーク間の移動量を意味するた
めに使用している。かかる変位あるいは移動量は、本明
細書を通してミクロンの単位で表示してある。用語「効
率」（ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、入力である励起力１
ワット当たりの振幅を意味するために使用しており、従
って、その単位はミクロン／ワットである。
【００２６】用語「振幅比」および「ホーンゲイン」
は、共に、ラジアル振幅と軸方向振幅との比を意味する
ものとして使用している。これを本発明の回転式超音波
ホーンに適用した場合には、ラジアル振幅はホーンのラ
ジアル面の振幅であり、軸方向振幅は端面の振幅であ
る。特に言及しない限り、軸方向振幅は駆動端の側の移
動量を意味している。この振幅は、ホーンゲインが同一
の単位を有する値の比であるので、無単位の量である。
【００２７】用語「ゲイン」あるいは「ブースタゲイ
ン」は、ブースタにおける出力側の軸方向振幅と入力側
の軸方向振幅との比を意味するものとして使用してい
る。用語「トータルゲイン」は、組み合わせて使用する
二つのブースタにおける合成ゲインを意味している。こ
れらの３つのゲインは無単位であることは勿論である。
「変動」（ｖａｒｉａｎｃｅ）は、数学的に振幅形状を
表現するための便利な方法である。これは、ホーンのラ
ジアル面における計算値である。この変動は、最大振幅
と最小振幅との差を最大振幅で割り、１００倍すること
によって求める。従って、この値はパーセンテージであ
る。
【００２８】本明細書で使用する用語「幅」は、一般的
には、ラジアル面の幅、換言すると、ラジアル面におけ
るホーンの厚さを意味している。用語「厚さ」は、第一
義的には、ホーンの中心である回転軸線の位置における
ホーンの幅あるいは厚さを意味するために使用する。し
かし、この用語は時としてはより一般的な意味で使用し
ており、そのように使用している場合には、その意味を
内容から明確にする。異なった言及をした場合でも、別
のより広い意味が内容から明確とならない限りは、各用
語は、上記において特定した意味を有するものとする。
【００２９】用語「実質的な凹状」は、端部の形状に関
する好適な実施例における端部の表面に関して使用して
おり、端部の表面に最も近いラジアル面の縁によって規
定される平面を越えて外側に延びている面が存在しない
ことを意味している。そのような平面はホーンの縦軸に
対して垂直である。次に本発明の回転式超音波ホーンに
おいて、この本発明の回転式超音波ホーンを形成する一
定形状の中実金属物体はしばしば本明細書においては、
本発明のホーンを言及するものであり、文脈から分かる
場合には、単に、「ホーン」、「前記ホーン」あるいは
その変形例を言及するものである。
【００３０】被駆動端とは、機械的励起が周期的に回転
軸に印加される端であり、その印加が直接的に行われる
か、あるいはスタッド、アクスル、および／または導波
管あるいはブースタを介して行われるかは問わない。用
語「他方端」は残りの端を意味しており、それが被駆動
端であるか否かは問わない。端は、適切な支持手段ある
いは導波管あるいはブースタのいずれかによって支持さ
れていてもよい。さらに、両端を被駆動端としても良
く、この場合には両端の相互の関係、および両端と他の
面との関係は成立しており、請求の範囲もそのように解
釈される。
【００３１】用語「第１の端」と「第２の端」は、「被
駆動端」および「他の端」と同義であることは明らかで
ある。最初の用語の対はホーンを構造的に述べたもので
あり、後者の対はホーンを機能的に述べたものである。
従って、２つの端、すなわち第１および第２の端のみを
有することは明確であり、これらの一方あるいは双方を
被駆動端とすることができる。一方の端のみが被駆動端
の場合には、第２の端は「他方の端」となる。双方の端
が被駆動端の場合には「他方の端」も「被駆動端」とな
る。
【００３２】本発明のホーンを超音波を用いて機械的に
励起すると、被駆動端が単一の場合には、励起源がホー
ンの被駆動端の側に近づくと、被駆動端が励起源から遠
ざかる方向に移動する。従って、被駆動端はホーンの内
側に向けて移動する（換言すると他方の端に向けて移動
する）。しかし、他方の端もまたホーンの内側に向けて
移動する（被駆動端あるいは励起源に向けて移動す
る）。双方の端が共にホーンの内側に向けて移動する
が、これらは反対方向に移動する。よって、双方の端の
移動は、所謂位相が異なっている。これらの端の移動の
位相が一致するのは、これらが同一方向に移動する場合
である。すなわち、励起源がホーンに向けて近づくにつ
れて、双方の端が励起源から遠ざかる方向に移動する場
合である。
【００３３】上記した「異なる位相」という定義に従え
ば、これらの端が同一位相となる移動とは、これらの端
が同一方向に移動する場合であり、例えば、励起源がホ
ーンに接近するに伴って両端が励起源から遠ざかる方向
の移動する場合である。この場合、被駆動端は、他方の
端が外側あるいはホーンから遠ざかる方向に移動するの
に伴って、内側あるいはホーンの内部に移動する。勿
論、被駆動端の移動は、励起源の移動と同一位相とな
る。従って、他方の端の移動は、励起源とは常に異なる
位相になる。
【００３４】双方の端が被駆動端である場合には、当業
者には明らかであるが、双方の端の相互の移動関係は、
ホーン内に付加的な応力が発生することを回避するため
に、上記した移動と同期する。励起源がホーンの側に接
近し、これに付随して被駆動端がホーンの内側に向けて
内方に移動すると、本発明のホーンのラジアル面の移動
は外側に向かう。すなわち回転軸から遠ざかる方向とな
る。被駆動端の移動に対するこのラジアル面の移動は、
異なる位相として規定できる。一方、ラジアル面が回転
軸の方向に向けて内側に移動すると、被駆動端の内側へ
の移動に対してこの移動は同一位相と規定される。
【００３５】当業者には明らかであるが、上記の定義で
ある「異なる位相」および「同一位相」は恣意的あるい
は主観的なものである。重要なことは、このように設定
した定義自体ではなく、どのようにこれらの定義を異な
るホーンに適用するのかということである。このこと
は、ラジアル面および被駆動端の移動を詳細に述べてい
る各実施例から明らかになる。
【００３６】本発明のホーンの端およびラジアル面の移
動が原因となって、ホーンが励起されたときには、いず
れの動きも発生しない単一の波節点が存在する。この点
は回転軸上に位置しており、ホーンの幾何学的な中心位
置にある。これは、本発明のホーンにおける非常に際立
った特徴である。本発明の回転式超音波ホーンにおける
典型的なラジアル面の構成は、本明細書において一定の
輪郭形状を備えたものとして規定される。このように使
用する用語「輪郭形状」は、ホーンの回転軸を通る断面
でみた場合のラジアル面を描く線に関するものである。
従って、ラジアル面が平坦面である場合には、例えば、
ラジアル面上の全ての地点におけるホーンの回転軸から
の距離が等しい場合にはこのラジアル面の輪郭形状はリ
ニアと言える。同様に、ラジアル面に、グリットブラス
ティング、プラズマスプレイング、織布状のクロムコー
ティングにより凹凸があるが、それ以外はほぼ平坦とな
っている場合には、ラジアル面の輪郭形状は実質的にリ
ニアである。ラジアル面がリニアでない場合、例えば、
面に一つ以上の盛り上がり（丘部分）あるいは窪み（溝
あるいは谷部分）がある場合には、この面の輪郭形状は
ノンリニアである。用語「ノンリニア」は広い意味で使
用し、例示として本明細書において述べる特定の実施例
におけるものに限定することは意図していない。従っ
て、輪郭形状がノンリニアである場合には、ラジアル面
は、際立った特徴である一つあるいはそれ以上の丘部分
あるいは溝部分、または滑らかにあるいは除々に変化す
る曲面、または、これらの際立った特徴と除々に変化す
る曲面との組み合わせとなる。
【００３７】既に指摘したように、本発明の回転式超音
波ホーンは一定の形状をいた中実金属物体である。一般
に、適切な音響的および機械的な特性を有する金属なら
ばいずれの種類の金属でも使用できる。実際的には、最
も適した金属としては、アルミニウム、モネル、チタ
ン、および幾つかの合金鋼がある。要望に応じて、ホー
ンに別の金属をコーティングあるいは鍍金して磨耗を減
少することができる。高振幅および高応力が必要とされ
る応用例においては、チタンを使用することが好まし
い。
【００３８】一般的に言って、ホーンの直径、重量、幅
および厚さ、並びにーンの端部の形状についての変動
は、本明細書に規定されている範囲内であれば、重要な
影響はでない。しかし、ホーンを、特定の周波数におい
て或る一定の振幅を有する最低音モードで共振させたい
場合には、このような変動により重大な影響がでる。別
の表現をすれば、本明細書に規定している範囲に収まる
ホーンは最低音モードで振動するが、周波数は、特定の
用途において要望あるいは最適と考えされる周波数より
も上下に変動する。望ましい周波数の最低音モードでの
振動を実現するには、ホーンの直径を調整する。振幅比
であるゲインは、主として厚さ対幅の比に応じて変動す
る。
【００３９】最も簡単な形態では、本発明の回転式超音
波ホーンは、図１において概略的に表示される。この図
は、平面およびそのＡ−Ａ線に沿った断面を示してあ
る。図１ないし１９までの各図においても同様に示して
ある。図１において、ホーン１０はラジアル面１１と、
第１の端１２と、第２の端１３と、端１２により示され
るように円形断面を有している。端１２、１３は、平坦
で相互に平行であり、ホーン１０の回転軸１４に対して
直角となっている。端１２は円筒形孔１５を有し、端１
３は円筒形孔１６を有しており、これらの孔１５、１６
のそれぞれの中心は回転軸１４とされている。従って、
これらの孔１５、１６および端１２、１３は同心状態で
ある。
【００４０】要望される場合には、孔１５、１６を螺子
あなとして、スタットを取りつけることができるようす
ることもできる。または、アクスルあるいはスタッドを
溶接による、あるいはその他の方法によりホーン１０に
取りつけることもできる。このようにする代わりに、ホ
ーン１０を加工する工程において、突出したねじ付きス
タッドを所定の位置に機械加工により形成することが好
ましい。アクスルを取りつけるためのスタッドを、機械
加工によりホーンの一体部分として形成しない場合に
は、ホーンの使用寿命が大幅に減少する。
【００４１】本発明の回転式超音波ホーンの形状あるい
は構成要素に関して使用される用語「一体部分」の意味
は、このような形状あるいは構成要素がホーンと同一の
部品から形成されて、これらの形状あるいは構成要素と
ホーンとの間に構造上の不連続性が存在しないというこ
とである。従って、後にホーンに対していずれの方法に
よっても取付けられる部品はホーンの一体部分ではな
い。
【００４２】このような好適な実施例を図２に示す。こ
の図は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。ホーン
は図１のホーンと同一であるが、孔１５、１６の代わり
にねじ付きスタッド１５Ａ、１６Ａがホーンの一体部分
としてそれぞれ形成されている。これらのスタッドは端
１２、１３と同心状態である。図２のホーンの変形例は
図３に示すものである。図３はその平面図およびＡ−Ａ
線に沿った断面図である。概念的に言うと、図３のホー
ン１０は、図２のホーンに対してその厚さ方向に延びる
ねじ付き孔を有するハブ１７、１８がスタッド１５Ａ、
１６Ａにねじ止めされて、端１２、１３にそれぞれ滑り
ばめされている。ホーン１０およびハブ１７、１８は、
同一あるいは異なる種類の金属から製造することができ
る。しかし、同一の金属を使用することが好ましい。
【００４３】ここで注意すべきことは、スタッドを用い
ることが好ましいが、これを使用した例は、本発明のホ
ーンにおける可能な変形例を例示するために、図２、
３、５、６、１１、１２においてのみ示してある。これ
ら以外の図においてスタッドが存在しないことは、本発
明の範囲をどのような意味においても限定するものでは
ない。
【００４４】図１のホーン１０の一体部分として各端に
ハブがある場合には、図４のホーンが得られる。従っ
て、このホーン２０は、ラジアル面２１と、第１の端２
２と、第２の端２３と、端２２によって表示される円形
断面を有している。端２２、２３は平坦で相互に平行で
あり、ホーン２０の回転軸に垂直である。端２２はハブ
２５を有し、端２３はハブ２６を有している。各ハブは
円形であり端２２、２３と同心状態となっている。円筒
形孔２７、２８が回転軸２４と同心状態でそれぞれハブ
２５、２７に位置している。従って、孔２７、２８およ
びハブ２５、２６は端２２、２３と同心状態である。ハ
ブ２５、２６はホーン２０とは別個に機械加工して、溶
接あるいはその他の方法で端２２、２３にそれぞれ取り
つけることができるが、図４に示すように、ハブをホー
ン２０の一体部分として機械加工して形成することが好
ましい。
【００４５】ここにおいて注意すべきことは、ホーンの
厚さとは、ハブが存在する場合にはその厚さを含めた厚
さであるが、スタッドがある場合には、ホーンの端ある
いはハブの外側面から突出しているスタッドの厚さは含
まない。図１におけるホーンの場合のように、孔２７、
２８は、スタッドを取りつけることができるようにねじ
切りしてもよいし、アクスルあるいはスタッドを、ホー
ン２０のハブ２５、２６に対して溶接あるいはその他の
方法により取付けるようにしてもよい。このようにする
代わりに、ホーン２０の加工中に、アクスルあるいはス
タッドを所定の位置に機械加工により形成することがで
き、そのようにすることが好ましい。図５にはこの例に
おける図４のＡ−Ａ線に沿った断面を示してある。ホー
ン２０は図４のホーン２０と同一であるが、孔２７、２
８の代わりに、ねじ付きのスタッド２７Ａ、２８Ａがそ
れぞれホーン２０の一体部分として形成されている。こ
れらのスタッドは端２２、２３と同心状態である。端２
３に、孔２８あるいはねじ付きスタッド２８Ａのいずれ
も存在しない場合には、図６において断面のみを示すホ
ーンが得られる。
【００４６】図７に示す回転式超音波ホーンにおいて
は、図１のホーンの一方の端が凹状端におきかわってお
り、他方の端の孔は省略されている。従って、このホー
ン３０は、ラジアル面３１と、第１の端３２と、第２の
端３５と、端３２によって示される円形の断面を有して
いる。端３２は凹状であり、その表面は、ホーンの回転
軸３６上にある中心３４と半径３３とを有する球面部分
である。端３２が回転軸３６に出会う地点における端３
２の接線３７は回転軸３６に垂直である。端３５は平坦
でありホーンの回転軸３６に対して垂直であり、接線３
７と平行である。端３２は、回転軸３６と同心状の円筒
形孔３８を有している。従って、孔３８と端３２、２５
とは同心状態にある。
【００４７】勿論、孔３８を端３２ではなく端３５に配
置することも可能である。要望があれば、図１、４のホ
ーン１０、２０で説明したように、ハブおよびスタッド
あるいはアクスルも配置することができる。図８のホー
ン４０は、図７のホーンの変形例である。ホーン４０
は、ラジアル面４１と、第１の端４２と、第２の端４７
と、端４２によって表示される円形断面を有している。
端４２は凹面であり、その表面は断面的にみて、平面部
分４３、４４、３５を有している。平面部分４３、４５
は同一幅でありラジアル面４１にたしいて４６度の傾斜
となっている。ラジアル面４１は回転軸４８とほぼ平行
である。平面部分４４は回転軸４８に垂直であり、端４
２と同心状態である。端４７は平坦でありホーンの回転
軸４８に垂直であり、平面部分４４と平行である。端４
７は、回転軸４８と同心状の円筒孔４９を有している。
よって、孔４９、端４２、４７および平面部分４４は同
心状態にある。
【００４８】孔４９は端４７の代わりに端４２に形成す
ることができ、要望があるならば、図１および４のホー
ン１０、２０についてそれぞれ説明したように、ハブお
よびアクスルも配置することができる。図９に示す回転
式超音波ホーンは図７の変形例である。図９において、
ホーン５０は、ラジアル円５１、第１の端５２、第２の
端５５、および端５２によって表示される円形断面を有
している。端５２は実質的に凹面であるが、ハブ５３を
ゆうしており、このハブ５３はラジアル面５１の縁５４
を越えて延びている。ハブ５３の表面５３Ａは、平坦で
ありホーン５０の回転軸５６と垂直である。ハブ５３と
ともに、端５２は、断面的に見て、同一（すなわち鏡像
関係にある）曲線５２Ａ、５２Ｂによって規定されて、
半径方向において対称となっている。端５５は平坦であ
りホーンの回転軸に対して垂直であり、ハブ５３のフェ
ース５３Ａと平行である。端５２は円筒形孔５７を有し
この孔は回転軸５６を中心としている。従って、孔５
７、ハブ５３および端５２、５５は同心状態にある。
【００４９】先の各図において述べた変形例は、図９に
示したホーンについても当てはまる。図１０に示す回転
式超音波ホーンにおいては、両端が実質的に凹面であ
り、両端が共にハブを有している。従って、ホーン６０
は、ラジアル面６１、第１の端６２、第２の端６５、お
よび端６２によって表示されるような円形断面を有して
いる。端６２は実質的に凹面であり、ハブ６３を有して
いる。ハブ６３は、端６２から外側に延びているが、ラ
ジアル面６１の縁６４よりも窪んでいる。ハブ６３は、
ホーンの回転軸６８に直交する平坦なフェース６３Ａを
有している。ハブ６３と共に、端６２は断面的に同一の
曲線６２Ａ、６２Ｂによって規定されて、半径方向にお
いて対称な形状となっている。端６２は円筒形孔６３Ｂ
を有し、この孔は買値軸５８を中心とするハブ６３のフ
ェース６３Ａと同心状態にある。同様に、端６５は実質
的に凹面でありハブ６６を有している。ハブ６６はラジ
アル面６１の縁よりも窪んだ位置にある。ハブ６６のフ
ェース６６Ａは、平坦でありホーンの回転軸６８に対し
て直交している。ハブ６６に加えて、端６５は断面的に
同一の曲線６５Ａ、６５Ｂによって規定されて、半径方
向において対称形状となっている。端６５の円筒形孔６
６Ｂは、ハブ６６のフェース６６Ａにおいて回転軸６８
を中心としている。従って、孔６３Ｂ、６６Ｂ、ハブ６
３、６６、端６２、６５は同心状態にある。
【００５０】先に述べていない程度に、先の各図に関連
して説明した変形例を図１０のホーンに対しても当ては
めることができる。若し、図１０のホーンの中心部分を
より厚くしてハブがラジアル面の縁を越えて延びるよう
にすると、図１１に示す回転式超音波ホーンが得られ
る。図１１において、ホーン７０は、ラジアル面７１、
第１の端７２、第２の端７５、および端７２によって表
示されるような円形断面を有している。端７２は実質的
に凹面でありハブ７３を有している。このハブ７３は端
７２を越えて外側に延びており、ラジアル面７１の縁を
越えて延びている。ハブ７３はホーンの回転軸７８に直
交する平坦なフェース７３Ａを有している。ハブ７３と
共に、端７２は同一の曲線７２Ａ、７２Ｂによって規定
されて、半径方向において対称な形状となっている。端
７２は突出してねじ付きスタッド８３Ｂを有し、これ
は、ハブ７３のフェース７３Ａにおいて回転軸７８を中
心としている。同様に、端７５は実質的に凹面でありハ
ブ７６を有している。このハブ７６は端７５を越えて外
側に延びており、ラジアル面７１の縁７７を越えて延び
ている。ハブ７６はホーンの回転軸７８に直交する平坦
なフェース７６Ａを有している。ハブ７６と共に、端７
５は同一曲線７５Ａ、７５Ｂによって規定されて、半径
方向において対称な形状となっている。端７５は突出し
たねじ付きスタッド７６Ｂを有し、これはハブ７６のフ
ェース７６Ａにおいて回転軸７８を中心としている。従
って、スタッド７３Ｂ、７６Ｂ、ハブ７３、７６、端７
２、７５は同心状態にある。さらには、端７５は端７２
の鏡像である。最後に、ハブ７３、７６、スタッド７３
Ｂ、７６Ｂはホーン７０の一体部分である。
【００５１】先の各図に関して述べた各変形例を、既に
述べた以上に図１１のホーンに対して当てはめることが
できる。ここまで述べた図においては、ハブが存在する
場合にはそれがホーンの端から外側に延びている。しか
し、ハブは図１２に示すように反転させてもよい。図１
２において、ホーン８０は、ラジアル面８１と、第１の
端８２と、第２の端８５と、端８２によって表示される
ような円形断面を有している。ラジアル面８１は縁８４
および８７で終わっている。端８２は実質的に凹面であ
り、端８２から内側に延びるハブ８３を有している。ハ
ブ８３は、ホーンの回転軸８８に直交する平坦なフェー
ス８３Ａと、回転軸８８と同心状態にありそこからほぼ
等しい距離にある側壁８３Ｂとを有している。ハブ８３
に加えて、端８２は断面的に同一の曲線８２Ａおよび８
２Ｂによって規定されて、半径方向において対称形状と
なっている。端８２は突出したねじ付きスタッド８３Ｃ
を有し、これはハブ８３のフェース８３Ａにおいて回転
軸８８を中心としている。同様に、端８５は実質的に凹
面であり、端８５から内側に延びるハブ８６を有してい
る。ハブ８６は、ホーンの回転軸８８に直交する平坦な
フェース８６Ａと、回転軸８８と同心状態にありそこか
らほぼ等しい距離にある側壁８６Ｂとを有している。ハ
ブ８６に加えて、端８５は断面的に同一の曲線８５Ａお
よび８５Ｂによって規定されて、半径方向において対称
形状となっている。端８５は突出したねじ付きスタッド
８６Ｃを有し、これはハブ８６のフェース８６Ａにおい
て回転軸８８を中心としている。従って、スタッド８３
Ｃ、８６Ｃ、ハブ８３、８６、端８２、８５は同心状態
にあり、スタッド８３Ｃおよび８６Ｃは、ラジアル面８
１の縁８４、８７を越えて突出している。さらに、端８
５は端８２の鏡像である。最後に、ハブ８３、８６、ス
タッド８３Ｃ、８６Ｃはホーン８０の一体部分である。
【００５２】図１１の回転式超音波ホーンの好適な実施
例を図１３に示す。図１３において、ホーン９０は、ラ
ジアル面９１と、第１の端９２と、第２の端９５と、端
９２によって表示されているような円形断面を有してい
る。端９２は実質的に凹面であり、ハブ９３を有してい
る。ハブ９３は、端９２を越えて延びており、ラジアル
面９１の縁９４を越えて延びている。ハブ９３は、ホー
ンの一体部分である標準使用（図示せず）の細長い導波
管となる。ハブ９３に加えて、端９２は、断面的に、曲
線９２Ａ、９２Ｂによって規定されて、半径方向に対称
な形状となっている。同様に、端９５は、実質的に凹面
であり、ハブ９６を有している。ハブ９６は、端９５を
越えて延びており、ラジアル面９１の縁９７を越えて延
びている。ハブ９６は、平坦でホーンの回転軸９８に直
交するフェース９６Ａを有している。ハブ９６に加え
て、端９５は、断面的に、曲線９５Ａ、９５Ｂによって
規定されて、半径方向に対称な形状となっている。ハブ
９３および一体形成された細長い導波管、ハブ９６およ
び端９２、９５は同心状態である。さらに、導波管が無
いことを除き、端９５は端９２の鏡像である。最後にハ
ブ９３、９６はホーン９０の一体部分である。
【００５３】図１４には、中央に隆起部分を有する回転
式超音波ホーンの好適な実施例を示してある。図１４に
おいて、ホーン１００は、隆起部分１０２を備えたラジ
アル面１０１と、第１の端１０３と、第２の端１０６
と、端１０３によって表示されるような円形断面を有し
ている。端１０３は、実質的に凹面であり、端１０３か
ら外部に延びホーン１００の縁を越えて延びるハブ１０
４を備えている。ハブ１０４は、ホーンの一体部分であ
る標準仕様（図示せず）の細長い導波管になる。ハブ１
０４に加えて、端１０３は、断面的に見て、同一の曲線
１０３Ａ、１０３Ｂによって規定されて、半径方向にお
いて対称な形状となっている。同様に、端１０６は、実
質的に凹面であり、端１０６から外部の延びホーンの縁
１０８を越えて延びるハブ１０７を備えている。ハブ１
０７は、平坦でホーンの回転軸１０９に直交したフェー
ス１０７Ａを備えている。ハブ１０７に加えて、端１０
６は、断面的に、曲線１０６Ａ、１０６Ｂによって規定
されて、半径方向において対称な形状となっている。ハ
ブ１０４およびこれに一体的に形成された導波管と、ハ
ブ１０７、端１０３、１０６は同心状態となっている。
さらに、導波管が無いこと以外は、端１０６は端１０３
の鏡像である。最後に、ハブ１０４、１０７はホーン１
００の一体部分である。
【００５４】図１５には、非励起側の端に隆起部分を備
えた回転式超音波ホーンの好適な実施例を示してある。
図１５において、ホーン１１０は、ラジアル面１１２を
備えた隆起部分１１１と、第１の端１１３と、第２の端
１１６と、端１１３によって表示されているような円形
断面を有している。端１１３は実質的に凹面であり、端
１１３から外側に延びホーン１１０の縁を越えて延びる
ハブ１１４を備えている。ハブ１１４は、ホーンの一体
部分として形成される標準仕様の細長い導波管（図示せ
ず）となる。ハブ１１４に加えて、端１１３は、断面的
に、同一の曲線１１３Ａ、１１３Ｂとによって規定され
て、半径方向において対称な形状となっている。同様
に、端１１６は実質的に凹面であり、端１１６から外側
に延びホーン１１０の縁１１８を越えて延びるハブ１１
７を備えている。ハブ１１７は、平坦でホーン１１０の
回転軸１１９に直交するフェース１１７Ａを備えてい
る。ハブ１１７に加えて、端１１６は断面が同一の曲線
１１６Ａ、１１６Ｂによって規定されて、半径方向にお
いて対称な形状となっている。ハブ１１４およびこれに
一体形成された導波管と、ハブ１１７と、端１１３、１
１６とは同心状態にある。さらには、導波管および隆起
部分が無いこと以外は、端１１６は端１１３の鏡像であ
る。最後に、ハブ１１４、１１７はホーン１１０の一体
部分である。
【００５５】図１６には、ラジアル面の中央に溝を備え
た回転式超音波ホーンの好適な実施例を示してある。図
１６において、ホーン１２０は中央に溝１２２を備えた
ラジアル面１２１と、第１の端１２３と、第２の端１２
６と、端１２３によって表示されているような円形断面
を有している。端１２３は、実質的に凹面であり、端１
２３から外側に延びラジアル面１２１の縁１２５を越え
て延びるハブ１２４を備えている。ハブ１２４は、ホー
ンの一体部分として形成された標準仕様の細長い導波管
（図示せず）となる。ハブ１２４に加えて、端１２３
は、断面的に、同一の曲線１２３Ａ、１２３Ｂとによっ
て規定されて、半径方向において対称な形状となってい
る。同様に、端１２６は、実質的に凹面であり、端１２
６から外側に延びホーン１２０の縁１２８を越えて延び
るハブ１２７を有している。ハブ１２７は、平坦でホー
ンの回転軸１２９に直交するフェース１２７Ａを備えて
いる。ハブ１２７に加えて、端１２６は断面的に同一の
曲線１２６Ａ、１２６Ｂとによって規定されて、半径方
向において対称な形状とされている。ハブ１２４および
これに一体形成された導波管、ハブ１２７、端１２３、
１２６は同心状態にある。さらには、導波管が無いこと
以外は、端１２６は端１２３の鏡像である。最後に、ハ
ブ１２４、１２７はホーン１２０の一体部分である。
【００５６】図１４から図１６に示す回転式超音波ホー
ンは、ノンリニアのラジアル面形状を有しており、際立
った部分、すなわち隆起部分あるいは溝を備えている。
ラジアル面の形状が滑らかに変化するノンリニア・ライ
ンによって規定されている例を図１７に示す。図１７に
おいて、ホーン１３０は、ラジアル面１３１と、第１の
端１３２と、第２の端１３５と、端１３２によって表示
されているような円形断面を有している。ラジアル面１
３１のノンリニアの輪郭は、中央に位置する丸みのある
曲面部分１３１Ｂの両側に比較的平坦な二つの部分１３
１Ａ、１３１Ｃを有している。端１３２は、実質的に凹
面であり、端１３２から外側に延びラジアル面１３１の
縁１３４を越えて延びるハブ１３３を有している。ハブ
１３３は、ホーンの一体部分として形成される標準仕様
の導波管（図示せず）になる。ハブ１３３に加えて、端
１３２は、断面的に同一の曲線１３２Ａ、１３２Ｂによ
って規定されて、半径方向において対称形状となってい
る。同様に、端１３５は、実質的に凹面であり、端１３
５から外側に延びホーン１３０の縁１３７を越えて延び
るハブ１３６を有している。ハブ１３６は、平坦でホー
ンの回転軸１３８に直交するフェース１３６Ａを有して
いる。ハブ１３６に加えて、端１３５は断面的に曲線１
３５Ａ、１３５Ｂによって規定されて、半径方向におい
て対称な形状とされている。ハブ１３３およびこれに一
体形成した導波管、ハブ１３６、端１３２、１３５は同
心状態にある。さらに、導波管が無いことを除き、端１
３５は端１３２の鏡像である。最後に、ハブ１３３と１
３６はホーン１３０の一体部分として形成されている。
【００５７】最後に、図１８には、図１０のホーンの変
形例を示す。すなわち、端に位置していない二つの隆起
部分を有するホーンである。図１８において、ホーン１
４０は、内側に位置する二つの隆起部分１４２Ａ、１４
２Ｂを備えたラジアル面１４１と、第１の端１４３と、
第２の端１４６と、端１４３で示されるような円形断面
を有している。端１４３は、実質的に凹面であり、端１
４３から外側に延びホーン１４０の縁１４５を越えて延
びるハブ１４４を有している。ハブ１４４は、ホーンの
一体部分として形成される標準仕様の導波管（図示せ
ず）となる。ハブ１４４に加えて、端１４３は、同一の
曲線１４３Ａ、１４３Ｂとによって規定されて、半径方
向において対称な形状とされている。同様に、端１４６
は、実質的に凹面であり、端１４６から外側に延びホー
ン１４０の縁１４８を越えて延びるハブ１４７を有して
いる。ハブ１４７は、平坦でホーンの回転軸１４９に直
交するフェース１４７Ａを有している。ハブ１４７に加
えて、端１４６は、断面的に同一の曲線１４６Ａ、１４
６Ｂとによって規定されて、半径方向において対称な形
状とされている。ハブ１４４およびこれに一体成形した
導波管、ハブ１４７、端１４３、１４６は、同心状態に
ある。さらに、導波管が無いこと以外は、端１４６は端
１４３の鏡像である。最後に、ハブ１４４、１４７はホ
ーン１４０の一体部分として形成されている。
【００５８】今までの記載から明らかなように、ハブの
有無は選択的なものであり、ホーンに要望される性能特
性に依存している。ハブを設けるとホーンの性能が変わ
るのでホーンの設計に当たってはそれを考慮する必要が
あるが、ホーンの寸法が重要であるということは知られ
ていない。典型的には、ハブの直径は５ｃｍのオーダで
あり、肩の部分の最大高さは約１．８ｃｍである。
【００５９】実質的に凹面端を備えたホーンが要望され
る場合には、これらの各端における実質的に凹面状の輪
郭は、表面の幾何学における当業者にとっては公知の各
種の方法によって表現できる。例えば、輪郭を、円形、
二次階数、逆二次階数、指数、逆指数、カテナリー、逆
カテナリー、ガウス、逆ガウス、これらの組み合わせ等
とすることができる。より一般的な輪郭形状である、円
形、二次階数、および指数に用いる式を、図１９を参照
して、以下に示す。それぞれの場合において、ｘおよび
ｙ、あるいはｘ’およびｙ’は、凹面を規定する各点の
デカルト値である。円形輪郭
【００６０】
【数１】
【００６１】この式において、Ｌは輪郭の長さ、ｒは凹
面を規定している円の半径、ｄはワーク接触面の端から
の凹面の深さである。Ｌの典型的な値は５．８ｃｍであ
り、ｒ、ｄの典型的な値は６．４ｃｍである。二次階数輪郭
【００６２】
【数２】
【００６３】この式において、典型的なａおよびｂの値
は、それぞれ０．５３５６および−０．１２８９であ
る。指数輪郭
【００６４】
【数３】
【００６５】この式において、典型的なａおよびｂの値
は、それぞれ１．１５３５および０．５４０８である。
一般的に、Ｌおよびｒあるいは係数ａおよびｂは、目標
とするｄの値を引き出すための選択される。このｄの典
型的な値は、約０．１ｃｍから約４．５ｃｍまでの範囲
であり、ワーク接触面の幅およびホーンの特性に応じて
変動する。
【００６６】上述の等式から求まる軸ｘ、ｘ’、ｙ、
ｙ’および寸法ｒ、ｄおよびＬを図１９に示してある。
この図には、本発明の回転式超音波ホーンの概略端面を
示してあり、このホーンは後述するように音響および機
械的特性を測定するために使用する。実際上において
は、上記の３つのうち最も優れた性能を発揮する二次階
数輪郭が好ましい。二次階数輪郭を有する凹端において
は、ａおよびｂの適切な値は、グラフ上において求まる
等式上に位置している。しかし、ホーンを機械加工する
場合には、等式上に得られた点を４５度回転して、ｘ’
軸をｘ軸であるホーンの縁に接触させる必要がある。こ
のようにするためには、グラフ上の各点を必要とされる
４５度回転させたベクトルに変換し、しかる後にこれを
再度、点に変換する。
【００６７】最後に、本発明のホーンの端を平坦にする
こともできる。すなわち、ハブおよびスタッドが存在す
る場合には、これらを除き、二つの端を相互に平行に、
ホーンの回転軸に直交するようにすることもできる。し
かし、平坦は端を有するホーンは、機械加工が容易で廉
価に製造できるが、凹面あるいは凸面を有するホーンの
性能特性を実現できない。従って、平坦な端を備えたホ
ーンはその他の構成のものに比べて好ましくない。
【００６８】本発明を以下の実施例によってさらに説明
する。しかし、これらの実施例は、本発明の範囲をどの
ような意味においても限定するものではない。実施例１ 本発明による２０ｋＨｚホーンの評価および、これと市
販のホーンとの比較 本発明の回転式超音波ホーンの音響的および機械的特性
を測定するために、チタン素材から図１１に示すホーン
に類似したハブおよびスタッドを備えたホーンを機械加
工した。このホーンは、約２０ｋＨの周波数で励起する
ように製造した。ラジアル面の幅を約５．１ｃｍとし、
ホーンの直径を約１７．１ｃｍとした。ホーンの両端を
同一形状とた（すなわち、これらを相互に鏡像関係とし
た。）。各端には、円筒形のハブを形成し、このフェー
スの直径を約５．１ｃｍにした。ハブに肩部分を形成
し、これをラジアル面およびホーンの回転軸に平行とし
た。またこの肩部分の長さを約７ｍｍにした。各ハブか
らは、直径が約１３ｍｍのねじ付きスタッドをホーンの
回転軸同心状態に突出させた。
【００６９】実際のホーンの寸法はｍｍ単位で表１に示
す。この表は、表示していないスタッドを除きホーンの
端面図を示す図２０を参照されたい。また、図２０に示
すホーンの凹部は図示してないが二次階数の輪郭形状と
なっており、係数ａ、ｂの値は０．５３５６および−
０．１２８９である（便宜上、図においては、端の凹部
が円形輪郭であるものとして描いてある。）。ホーンの
重量は４．６５０ｋｇであった（重量の測定は、ニュー
ジャージー州、Ｈｉｇｈｔｓｔｏｗｎ所在のＭｅｔｔｌ
ｅ Ｉｎｓｕｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｒｐ．製のＭｅｔｔ
ｌｅ ＭｏｄｅｌＰＥ１６ 電子バランスを用いて行っ
た。）。
【００７０】表 １ 図２０の２０ｋＨｚホーンの寸法 位置 値（ｍｍ） １６０ １７０．６９ １６１ ５０．８０ １６２ ５０．８０ １６３ ８．８９ １６４ ８．８９ １６５ ６（注） １６６ ２．５４ （注）概算値 Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンについても同様な測定を行う
ことが望ましいので、使用したホーン（Ｍｏｄｅｌ Ｎ
ｏ．２９９４）を図２１に示す。ここには各寸法要素を
表示したホーンの側面を示してある。実際のｍｍ単位に
よる寸法は表２に示す。このホーンの重量は４．６６８
ｋｇであった。
【００７１】表 ２ 図２１に示すＭｅｃａｓｏｎｉｃホーンの寸法 位置 値（ｍｍ） １７００ ２４２．１４ １７０１ １３０．１８ １７０２ １９９．８７ １７０３ １７０．０３ １７０４ ６３．５８ １７０５ ２２．７１ １７０６ １７．３０ １７０７ ２．０１ １７０８ ６９．９５ １７０９ ５９．８４ １７１０ ２１．９５ １７１１ −（注） １７１２ ３０．０７ １７１３ ４１．９９ （注）Ｍ１６タップ２個、深さ２２．７３ｍｍ 測定のための実験装置を図２２に示す。この図には、駆
動アセンブリ。ブースタ、およびホーンの概略構成を示
してある。各場合において、ホーンの回転変位の発生
を、従来構成の半波共振器であるバリウム・チタン・セ
ラミックからなる圧電変換器によって行った。すなわ
ち、Ｄｕｋａｎｅドライバアセンブリ１８００（イリノ
イ州、Ｓｔ．Ｃｈａｒｌｅｓ所在のＤｕｋａｎｅ社製、
パーツ番号１１０−３１２３）を用いて行った。ドライ
バ・アセンブリ１８００を、Ｄｕｋａｎｅブースタ（パ
ーツ番号２１７７Ｆ）あるいはこれと同等品の１：１ブ
ースタ１８０１に取付けた。一方、ブースタ１８０１
を、Ｄｕｋａｎｅブースタ（パーツ番号２１８１Ｔ）あ
るいはこれと同等品である２：１ブースタ１８０２に取
りつけた。ブースタ１８０２を、本発明の回転ホーン１
８０３またはＭｅｃｓｏｎｉｃホーン１８０４のいずれ
かに取りつけた。
【００７２】図２２にはさらに、試験のために必要な補
助器具も概略的に示してある。ジェネレータ１８０５
（Ｄｕｋａｎｅ１８００ワット、２０ｋＨｚジェネレー
タ、パーツ番号２０Ａ１８００）を電力計１８０６（ペ
ンシルベニア州、Ｎｅｗｔｏｗｎ所在のＳｏｎｉｃ Ｓ
ｙｓｔｅｍｓ社製、Ｓｏｎｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍｏ
ｄｅｌ Ｍ１／ＳＣ３ ワットメータ）に接続した。電
力計１８０６をドライバアセンブリ１８００に接続し
た。また、このドライバ・アセンブリ１８００には、ホ
ーン・アナライザ（Ｄｕｋａｎｅホーン・アナライザ、
パーツ番号４０Ａ３５０）を接続した。プローブ１８０
９を備えた変位量測定装置１８０８（コロラド州、Ｃｏ
ｌｏｒａｄｏ Ｓｐｒｉｎｇｓ所在のＫａｍａｎ Ｉｎ
ｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ社製、Ｋａｍａｎ Ｍｏｄ
ｅｌ ＫＤ４２００−１Ｓ１／１Ｓ２ＳＰＬ 変位量測
定装置）を用いて、後述するようにホーンの各点におけ
る変位量を測定した。装置１８０８を、周波数カウンタ
１８１０（イリノイ州、シカゴ所在のＢ＆Ｋ Ｄｙｎａ
ｓｃａｎ社製、Ｂ＆Ｋ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｏｄｅｌ
１８２２ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｃｏｕｎｔｅｒ）に
接続すると共に、アナログ・フィルタ１８１１（カリフ
ォルニア州、サンジエゴ所在のＷａｖｅｔｅｋ Ｓａｎ
Ｄｉｅｇｏ社製のＷａｖｅｔｅｋ Ｍｏｄｅｌ ４５
２ ＤｕａｌＣｈａｎｎｅｌ Ｈｉ／Ｌｏ アナログ・
フィルタ）にも接続した。一方、フィルタ１８１１を、
オシロスコープ１８１２（オレゴン州、Ｂｅａｖｅｒｔ
ｏｎ所在のＴｅｃｔｒｏｎｉｘ社製のＴｅｋｔｒｏｎｉ
ｘ Ｍｏｄｅｌ ５２２３Ｄｉｇｉｔｉｚｉｎｇオシロ
スコープ）に接続した。
【００７３】後の実験の幾つかにおいては、図２２に示
す幾つかの構成要素を、Ｂｒａｎｓｏｎ Ｓｏｎｉｃ
Ｐｏｗｅｒ社から入手した等価な器具に置き換えた。す
なわち、Ｄｕｋａｎｅドライバ・アセンブル１８００、
ジェネレータ１８０５、および双方あるいは一方のブー
スタ１８０１、１８０２を置き換えた。このような置換
は、方法あるいは得られる結果のいずれに対しても重大
な影響は及ばない。
【００７４】ドライバ・アセンブリ、ブースタおよび試
験されるホーンを図２２に示すように配列した。この装
置をホーンアナライザによって励起して、装置の共振周
波数を測定した。次に、ジェネレータを駆動して、装置
を１分間の間励起して、装置の安定化を図った。安定化
期間の後に、１本の変位測定用プローブをホーンへの励
起入力位置に配置し、その他のプローブを、主としてホ
ーンのラジアル面に沿わせて適切な位置に連続配置し
た。変位測定用プローブの位置を、本発明の２０ｋＨｚ
ホーンについては図２３に、またＭｅｃａｓｏｎｉｃホ
ーンについては図２４に示す。いずれの場合において
も、ポイント１は励起入力位置を表示している。ジェネ
レータをオンして、振幅レベル、ポイント１に対する振
幅の位相、電力消費、および周波数をポイント２から１
１までの各点において、本発明の２０ｋＨｚホーン（図
２３）およびＭｅｃａｓｏｎｉｃホーン（図２４）につ
いて記録した。本発明のホーンにおけるポイント２と１
１、およびＭｅｃａｓｏｎｉｃホーンのポイント３と８
の各点は、ラジアル面の最も近い縁、すなわち励起源に
最も近い縁から約２．５ｍｍに位置していた。また、各
ホーンのラジアル面上の各ポイントは、隣接したポイン
トから約５ｍｍの所にあった。本発明の２０ｋＨｚホー
ンで得られたデータの概要を表３に示してあり、Ｍｅｃ
ａｓｏｎｉｃホーンで得られたデータの概要を表４に示
してある。二つのホーンにおける共振、すなわちホーン
アナライザの周波数は、それぞれ、２０００３Ｈｚ、お
よび１９９２８Ｈｚであった。
【００７５】 表 ３ 励起強度が１５０ワットでの本発明の２０ｋＨｚホーンにおけるデータの概要 ポイント 位相 振幅 ホーン 効率 周波数 （注１） （ミクロン） のゲイン （注３） （Ｈｚ） （注２） １ − ３４．０ − ０．２３ ２０００３ ２ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００３ ３ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００２ ４ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００１ ５ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００１ ６ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００１ ７ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２００００ ８ 逆 ４０．６ １．１９ ０．２７ ２０００２ ９ 逆 ４０．４ １．１９ ０．２７ １９９９９ １０ 逆 ３９．９ １．１７ ０．２７ １９９９９ １１ 逆 ４０．６ １．１６ ０．２６ １９９９８ （注１）ポイント１に対する位相 （注２）ラジアル振幅と軸方向振幅との比であり、軸方
向振幅の値をポイント１での振幅値で表示したもの （注３）ミクロン／ワットで表示した効率 表 ４ ２２０ワットの励起強度でのＭｅｃａｓｏｎｉｃホーンについてデータの概要 ポイント 位相 振幅 ホーン 効率 周波数 （注１） （ミクロン） のゲイン （注３） （Ｈｚ） （注２） １ ─ ３１．２ ─ ０．１４ １９９０７ ２ 一致 ３．８ ０．１２ ０．０２ １９９０７ ３ 一致 ３６．８ １．１８ ０．１７ １９９０２ ４ 一致 ３８．６ １．２４ ０．１８ １９９０１ ５ 一致 ３９．６ １．２７ ０．１８ １９８９９ ６ 一致 ４０．１ １．２９ ０．１８ １９８９９ ７ 一致 ３８．１ １．２２ ０．１７ １９８９８ ８ 一致 ３７．１ １．１９ ０．１７ １９８９８ ９ ─（注４）─（注４） ─ ─ １９９０６ １０ 一致 ４７．２ １．５１ ０．２１ １９９０１ （注１）ポイント１に対する位相 （注２）ラジアル振幅と軸方向振幅との比であり、軸方
向振幅の値をポイント１での振幅値で表示したもの （注３）ミクロン／ワットで表示した効率 （注４）測定値が器具の感度未満 表３、４における「位相」の欄は、被駆動端における軸
方向運動に対するラジアル運動の方向を示しており、特
に図２５および図２６を参照されたい。
【００７６】用語「位相が一致」および「位相が逆」に
ついては既に定義したものであり、図２５および図２６
を参照すると、よりたやすく理解できる。図２５は、本
発明のホーンの３つの異なった図を含んでいる。（Ａで
示す）非励起状態にあるホーンを励起して、被駆動端の
表面をホーンから遠ざけると、Ｂで示すように、他方の
端もホーンから遠ざかり、ラジアル面が回転軸の側に向
けて内側に移動する。すなわち、ホーンの内方に移動す
る。被駆動端がホーンの内方に向けて内側に移動する
と、Ｃに示すように、ラジアル面が外側に移動して、回
転軸から遠ざかる。これらの動きは、図３１および図３
３を参照して再び説明する。
【００７７】同様に、図２６はＭｅｃａｓｏｎｉｃホー
ンの異なる３つの図を含んでいる。図２５と同様に、Ｂ
とＣは、ホーンが励起されたときにおける端とラジアル
面の相互の移動を示している。非励起状態にあるホーン
（Ａ）が励起されると、被駆動端の表面はホーンから遠
ざかり、Ｃに示すように、ラジアル面が回転軸から遠ざ
かる。被駆動端ホーンの内方に向けて内側に移動する
と、ラジアル面もホーンの内側に向けて内方に移動す
る。すなわち回転軸の方向に移動する（Ｂ）。Ｂおよび
Ｃの図におけるラジアル面の一端の矢印は、ラジアル面
も被駆動端と同一の軸線方向の移動することを示してい
る。実際、ホーン全体が被駆動端と同一の軸線方向に移
動する。これらの動きは、図３２および図３４を参照し
て再び説明する。表３および４から、次の事柄が分か
る。これらのうち第１の点が最も重要である。 （１） 共振周波数で軸線方向に機械的な励起が与えら
れると、本発明の２０ｋＨｚホーンはラジアル変位を起
こす。この変位はホーンの中央面に対称である。これに
対して、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンにおいては、変位が
ラジアル波腹面の側において急激に減少している。本発
明のホーンにおけるラジアル面の全幅に沿って起こるラ
ジアル変位は、軸方向変位にたいしては逆位相である。
しかるに、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンのラジアル面の幅
に沿って起こるラジアル変位は軸方向変位と位相が一致
している。 （２） 本発明の２０ｋＨｚホーンの電力要求量は、Ｍ
ｅｃａｓｏｎｉｃホーンのそれよりも少ない。 （３） 本発明の２０ｋＨｚホーンのラジアル面の幅方
向における振幅形状は、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンのそ
れよりも一定している。
【００７８】この第３点目をより分かりやすく視覚化す
るために、得られた振幅値（表３、４を参照のこと）
を、ホーンの被駆動端、すなわち、ブースタおよびドラ
イバ・アセンブリの取付け側端からの距離にたいしてプ
ロットした。このようにして得たプロットを図２７に示
す。この図において、曲線Ａは本発明の２０ｋＨｚホー
ン（図２０のホーン）において得られたものであり、曲
線ＢはＭｅｃａｓｏｎｉｃホーン（図２１）において得
られたものである。
【００７９】図２７には、二つのホーンにおけるラジア
ル面のフェースに沿った振幅形状の差が明確に示されて
いる。本発明の２０ｋＨｚホーンにおける振幅形状はラ
ジアル面の幅方向において比較的に平坦である。すなわ
ち、ラジアル面に沿って測定した最も小さい振幅値は、
最大振幅値の約９７％よりも大きい。Ｍｅｃａｓｏｎｉ
ｃホーンにおける振幅形状は、これに対して、被駆動端
から約２８ｍｍの地点でピークとなっている。そして、
この点を境にして、両側に向けて振幅が大幅に減少して
いる。特に、被駆動端から遠ざかる方向においてはこの
傾向が激しい。表３および４の数値に基づけば、実施例
１に本発明のホーンの変動パーセンテッジと、Ｍｅｃａ
ｓｏｎｉｃホーンの変動パーセンテッジは、それぞれ
２．５と８．２である。
【００８０】表３および４から気付くことであるが、Ｍ
ｅｃａｓｏｎｉｃホーンの振幅値は、全体としては、本
発明の２０ｋＨｚホーンの振幅値にたいしてそれほどの
差はない。しかし、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンにおいて
観測された振幅値は、より強い励起強度を用いて得られ
た結果である。実際、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンに使用
した励起電力は、本発明のホーンに使用したものの１．
４９倍であった。Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンを本発明の
ホーンと同様に動作させた場合には、その振幅値は本発
明のホーンで得られる振幅値の１．４９倍になるはずで
ある。即ち、約１．７５になる。このように励起電力の
値は測定された振幅値にたいして重大な影響を及ぼすの
で、効率値は、ラジアル振幅値と励起電力の双方の関数
であるので、より重要である。
【００８１】ことなった電力レベルで駆動したホーンの
比較を簡単に行うために、本明細書の全体にわたって、
電力にたいしてのゲインを使用する。用語ＰＲＧは、励
起電力でホーンゲインを割った値に等しい。小さい少数
値の発生を回避するために、商を１０の３乗倍する。す
なわち、ＰＲＧ＝（ホーンゲイン／電力値）×１０
3 （１／ワット）この用語の使用を示すために、ＰＲＧ
値を本発明の２０ｋＨｚホーンおよびＭｅｃａｓｏｎｉ
ｃホーンについて算出し、それらを表５に示す。
【００８２】 表 ５ 本発明のホーン Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーン ポイント ゲイン ＰＲＧ（注１）ポイント ゲイン ＰＲＧ（注２） １ − − １ − − ２ １．１９ ７．９ ２ ０．１２ ０．５ ３ １．１９ ７．９ ３ １．１８ ５．４ ４ １．１９ ７．９ ４ １．２４ ５．６ ５ １．１９ ７．９ ５ １．２７ ５．８ ６ １．１９ ７．９ ６ １．２９ ５．９ ７ １．１９ ７．９ ７ １．２２ ５．５ ８ １．１９ ７．９ ８ １．１９ ５．４ ９ １．１９ ７．９ ９ ─ ─ １０ １．１７ ７．８ １０ １．５１ ６．７ １１ １．１６ ７．７ （注１）励起電力が１５０ワットにおける電力値に対す
るゲインであり、単位は１０3 ／ワット （注２）励起電力が２２０ワットにおける電力値に対す
るゲインであり、単位は１０3 ／ワット 表５およびそこにおけるＰＲＧ値を検討すると、本発明
の２０ｋＨｚホーンの性能がＭｅｃａｓｏｎｉｃホーン
よりも非常に優れていることが明らかとなる。本発明の
ホーンにおいては、１．１９のゲインでＰＲＧ値が７．
９（１０3／ワット）であるが、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホ
ーンにおいては同一のゲイン値でのＰＲＧ値は単に５．
４（１０3 ／ワット）である。
【００８３】二つのホーンのより詳しい性能比較行うに
は、平均値の幾つかの編集および別の幾つかの情報が必
要となる。ポイント１における振幅値は、入力振幅とし
て読み取ってある。平均ラジアル振幅、すなわち、ラジ
アル面に沿った平均振幅は、本発明の２０ｋＨｚホーン
では、ポイント２から１１での振幅値から計算したもの
であり、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンではポイント３から
８での振幅値から計算したものである。すなわち、平均
ラジアル振幅値は、各点におけるラジアル面に沿った振
幅値の合計をポイント数で割った商である。それぞれの
場合における平均ホーンゲインは、平均ラジアル振幅と
入力振幅との比である。これらの平均値は、平均電力、
ラジアル面の幅、平均ＰＲＧ、および算出した「性能フ
ァクタ」（ＰＦ）と共に表６に示してある。ＰＦは、ラ
ジアル面の単位幅当たりにおける平均電力消費量によっ
て平均ラジアル振幅を割った値である。したがって、Ｐ
Ｆは、ラジアル面の単位幅当たりの電力によって平均ラ
ジアル振幅を割った値であり、ミクロン／ワット ｍｍ
の単位を有する。これは、ラジアル面の単位幅当たりの
効率と等価である。ＰＦの値が大きくなるに伴って、ホ
ーンは、消費電力に対するより広面積でより厚い素材を
接着する能力が高くなる。
【００８４】 表 ６ 各平均値およびその他の値 項目 本発明のホーン Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーン 入力振幅（ミクロン） ３４．０ ３１．２ 平均ラジアル振幅 （ミクロン） ４０．４ ３８．４ 平均ホーンゲイン １．１９ １．２３ 平均電力（ワット） １５０ ２２０ 平均ＰＲＧ （１０3 ／ワット） ７．９ ５．６ ラジアル面幅（ｍｍ） ５０．８ ２９．８ 性能ファクタ （ミクロン／ワット・ｍｍ）１３．７ ５．２ 表６に示すように、本発明の２０ｋＨｚホーンのＰＦ値
は１３．７ミクロン／ワット・ｍｍであり、Ｍｅｃａｓ
ｏｎｉｃホーンのそれは、５．２ミクロン／ワット・ｍ
ｍであった。このことは、双方のホーンのゲインはほぼ
同等であるが、本発明のホーンがＭｅｃａｓｏｎｉｃホ
ーンに対して性能が大幅に改善されていること示してい
る。この改善は、平均ＰＲＧ値からもわかる。本発明の
この値は７．９（１０3 ／ワット）であり、Ｍｅｃａｓ
ｏｎｉｃホーンでは、５．６（１０3 ／ワット）であ
る。実施例２ 実施例１のホーンと同様なホーンにおいてホーン寸法お
よび重量を変化させた場合の性能の変動 本発明の回転式超音波ホーンの音響性能が、ホーン寸法
および重量の変化に応じてどのように変動するのかを測
定するために、図１に示すホーンを手本にして、異なる
直径および重量を有するが、同一の端部形状で一定のラ
ジアル面の幅およびホーン中心の厚さが一定である７つ
のホーンをアルミニウムから機械加工した。各ホーン
は、５０．８ｍｍ直径で２．５４ｍｍ高さのハブを有
し、各ハブは、１２．７ｍｍ直径のタップ付き孔を中心
に形成した。さらに２つのホーンを製造し、これらのホ
ーンは、直径は７つのホーンのうちの一つと同一とし、
幅および厚さを異なるものとした。各ホーンの幅、直径
および重量を表７に示す。
【００８５】 表 ７ ホーンの寸法および重量 ホーンの種類 ホーンの幅 ホーンの直径 ホーンの重量 （ｍｍ） （ｍｍ） （ｋｇ） Ａ ５０．８０ １８７．９６ ３．９７０ Ｂ ５０．８０ １８２．８８ ３．７７０ Ｃ ５０．８０ １７７．８０ ３．５６４ Ｄ ５０．８０ １７２．７２ ３．３６９ Ｅ ５０．８０ １６５．１０ ３．０７３ Ｆ ５０．８０ １５８．７５ ２．８３６ Ｇ ５０．８０ １５２．４０ ２．６２９ Ｈ ４４．４５ １７７．８０ ３．１１８ Ｊ ３８．１０ １７７．８０ ２．６８０ 各ホーンの音響特性を記述したように測定した。これら
の測定結果を図２８および図２９に示してある。
【００８６】図２８は、ラジアル面の幅が一定値５０．
８ｍｍで、直径が異なるホーンついての共振周波数をホ
ーン直径（ｍｍ）にたいしてプロットしたものである。
図２９は、二つのプロットを含んでいる。一つの方は、
曲線Ｉであり、ラジアル面の幅が一定値５０．８ｍｍ
で、直径の異なるホーンについての共振周波数を、ホー
ン重量（ｋｇ）に対してプロットしたものである。７つ
のホーンは、図２８におけるデータを得たときに使用し
たものと同一のホーンであり、図２９に場合には、各ホ
ーンの重量を測定し、ホーン直径の代わりに、ホーン重
量に対して共振周波数をプロットするのみでよかった。
図２９におけるもう一方の曲線ＩＩは、ホーン直径が同
一で、ラジアル面の幅が異なる場合における共振周波数
を、ホーン重量に対してプロットしたものである。
【００８７】図２８から分かるように、共振周波数はホ
ーン直径に逆比例する。このような周波数はさらにホー
ン重量に逆比例している。これは図２９から分かる。し
かし、周波数の変動は、ホーンの厚さを変えて直径は一
定した場合におけるホーン重量あるいはホーン幅の変化
に対してよりも、ホーンの直径の変化に対してより敏感
に変動する。実施例３ 実施例１の各ホーンにおけるモード形状の測定 今までの説明から明らかなことは、本発明のホーンは、
Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンとは異なる態様で機能すると
いうことである。これら二つのホーンの動作特性をより
深く理解するために、実験によりこれらのホーンのモー
ド形状を測定した。
【００８８】モデル分析を行うために、図３０に示す実
験設備を使用した。試験対象となるホーンに応じて、本
発明の２０ｋＨｚホーン２６００、あるいはＭｅｃａｓ
ｏｎｉｃホーンを、サポート２６０３から、ワイヤ２６
０２Ａあるいは２６０２Ｂ上に吊り下げた。試験設備
は、Ｂｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋｊａｒ Ｍｏｄｅｌ Ａｎ
ａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ（Ｂｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋ
ｊａｅｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社、Ｈｏｆｆｍａｎ
Ｅｓｔａｔｅｓ、イリノイ州）と、これに接続された
ヒューレット・パッカードＨＰ９０００−２１７コンピ
ュータ（ヒューレット・パッカード社、Ｆｔ．Ｃｏｌｌ
ｉｎｓ、コロラド州）から構成されている。特に、Ｂｒ
ｕｅｌ Ｋｊａｅｒ Ｔｙｐｅ ８２００応力変換器２
６０４を、試験されるホーンの入力フェース位置にボル
ト付けした。応力変換器２６０４をＢｒｕｅｌ ａｎｄ
Ｋｊａｅｒ Ｔｙｐｅ ４８０９ 振動発生器２６０
５に結合した。結合は、７．６ｃｍ長さ、３．２ｍｍ直
径のナイロン製ロッド２６０６を用いて行った。振動発
生器２６０５をＢｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋｊａｅｒ Ｔｙ
ｐｅ ２６０６電力増幅器２６０７で駆動して、この増
幅器において、Ｂｒｕｅｌ ａｎｄ Ｋｊａｅｒ Ｔｙ
ｐｅ ２０３２ジュアル・チャネル信号アナライザ２６
０８から信号を受け取った。応力変換器２６０４を第１
のＢｒｕｅｌａｎｄ Ｋｊａｅｒ Ｔｙｐｅ ２６３５
チャージ増幅器２６０９に接続し、この増幅器を信号
アナライザ２６０８に接続した。応力変換器２６０４に
おいてホーンに印加される励起エネルギの周波数および
振幅を測定したときに、ホーンにおけるラジアル面での
出力側の加速振幅および周波数を、ＢｒｕｅｌａｎｄＫ
ｊａｅｒ Ｔｙｐｅ ４３７４ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅ
ｔｅｒ ２６０１によって測定した。このメータ２６０
１は、第２のＢｒｕｅｌ ａｎｄ ｋＪＡＥＲ Ｔｙｐ
ｅ ２６３５ チャージ増幅器２６１１に接続してあ
る。最後に、信号アナライザ２６０８をヒューレット・
パッカードコンピュータ２６１２に接続した。図３１お
よび図３２を参照すると、加速メータ２６１０をホーン
の入力側に配置してある。入力は、本発明の２０ｋＨｚ
ホーンにおいては、図３１においてポイント１ＺＡで示
してあり、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンについては、図３
２において、ポイント１ＺＢで示してある。測定は、各
ホーンをランダムノイズで励起しながらこれの点におい
て行った。次に、後続する測定は、本発明のホーンおよ
びＭｅｃａｓｏｎｉｃホーンについて、それぞれ図３１
および図３２に示す別の点において行った。測定を行い
ながら、得られたデータをヒューレット．パッカードコ
ンピュイータ２６１２の側に送り、測定が終了した時点
で、このコンピュータにより二つのホーンにおけるモー
ド形状の算出および表示を行った。
【００８９】本発明の２０ｋＨｚホーンおよびＭｅｃａ
ｓｏｎｉｃホーンのモード形状を図３３および図３４に
示す。各図において、Ａで示す図の部分は、変形前であ
る非励起状態のホーンを示し、ＢおよびＣで示す図の部
分は、それぞれラジアル面におけるラジアル振幅が最小
および最大に変形されたホーンを示している。軸線方向
の励起の影響下において、本発明のホーンは、アコーデ
ィオン状態に伸縮して、各端が軸線方向である回転軸に
沿って相互に接近あるいは離れる方向に移動する。各端
が相互に離れる方向に移動すると、ホーンの直径は、ラ
ジアル面の位置において収縮する。各端が相互に接近す
るに連れて、ラジアル面におけるホーンの直径は、拡張
する。図２５を思い出せば、他方の端とラジアル面の移
動は、被駆動端の側の移動にたいして、位相が逆であ
る。このような移動の実際上の結果は、ラジアル面に沿
った振幅がより均一になる。
【００９０】しかるに、Ｍｅｃａｓｏｎｉｃホーンは、
軸線方向の励起に対して非常に異なった動きをする。図
２６および図３４から分かることは、他方の端とラジア
ル面の運動は、被駆動端に対して位相が一致していると
いうことである。すでの指摘したように、ラジアル振幅
は、波腹面を境にしてその両側で大幅に減少する。図３
３および図３４を見る場合に注意すべきことは、測定を
行った点の数が制限されているので、表示はそれほど正
確ではない。また、隣接ポイント間を直線関係が存在す
るものと仮定しているが、この仮定が正しいかいなかは
不明である。これらの図は価値はあるものの、これらを
ホーン幾何学形状を完全に表示するものと解釈すべきで
はない。実施例４ 実施例２のホーンに類似のホーンにおけるホーン厚さと
ゲインとの関係 次に実験を行って、実施例２のホーンを手本して製造し
た本発明の２０ｋＨｚホーンにおけるホーン厚さとゲイ
ンとの関係を測定した。この実験に使用した装置および
器具は、本発明のホーンについての図２２で示したもの
であるが、ホーンアナライザ１１０７は必要としなかっ
た。記述した９個のホーンに類似した９個のホーンをア
ルミニウムから製造した。（これらのホーンの寸法およ
び重量を、図２８および図２９に関して使用してホー
ン、すなわち実施例２のホーンとは異なるものとし
た。）。ホーンの厚さを３８．１から９５．２５ｍｍに
渡って変化させた。ホーンの励起を上述したのと実質的
に同一に行ったが、第２のプローブ１１０９の位置を、
ラジアル面のほぼ中心位置とて行った。ホーンの直径
を、約２０ｋＨｚで振動するように選択した。ホーンの
寸法を表８に纏めて示してある。また、得られたデータ
を、表９および１０に纏めてある。表７および８におい
て注意すべきことは、ホーン幅はラジアル面でのホーン
の幅であり、ホーン直径は、ラジアル面における直径で
あるということである。
【００９１】 表 ８ ゲイン測定用に使用した本発明の２０ｋＨｚホーンの寸法 ホーン 幅（ｍｍ） 直径（ｍｍ） 重量（ｋｇ） Ａ ３８．１２ １７５．３６ ２．６０６ Ｂ ４４．４５ １７４．４０ ２．９９８ Ｃ ４５．６７ １７３．９４ ３．０６３ Ｄ ５０．７７ １７３．２５ ３．３７６ Ｅ ６３．４７ １６９．５４ ４．０１４ Ｆ ７６．２０ １６４．０６ ４．５３０ Ｇ ８２．５５ １５９．９７ ４．６６６ Ｈ ８８．８７ １５４．３３ ４．６７７ Ｊ ９５．２５ １４８．３４ ４．６３０ 表 ９ 本発明の２０ｋＨｚホーンを用いたゲイン実験において得られた振幅データ （注１） ホーン ラジアル 軸方向 ホーン 平均 振幅 振幅 ゲイン（注２） ＰＲＧ（注３） Ａ ３５ １４ ２．５ １０ Ｂ ３０ １５ ２．０ １０ Ｃ ３０ １５ ２．０ １０ Ｄ ３０ １８ １．７ １０ Ｅ ２２ １７ １．３ １４ Ｆ １８ １８ １．０ １３ Ｇ １６ １８ ０．９ １３ Ｈ １４ １７ ０．８ １４ Ｊ １４ １９ ０．７ １２ （注１）振幅の単位はミクロンであり、ゲイン値は無単
位である。 （注２）ラジアル振幅と軸方向振幅の比 （注３）電力値に対するゲイン、単位は１０3 ／ワット 表 １０ 本発明の２０ｋＨｚホーンを用いたゲンイ実験において得られた残りのデータ ホーン 電力（ワット） 周波数（Ｈｚ） 効率（注１） Ａ ２４０ ２００３３ ０．１４ Ｂ ２００ ２００６０ ０．１５ Ｃ １９５ ２００４８ ０．１６ Ｄ １７０ ２００２１ ０．１８ Ｅ ９５ ２００６３ ０．２３ Ｆ ７５ ２００４４ ０．２４ Ｇ ７０ ２００５２ ０．２３ Ｈ ６０ ２００７２ ０．２３ Ｊ ６０ ２００２４ ０．２４ （注１）単位は、ワット当たりのラジアル振幅のミクロ
ン値 図３５は、表９から得たホーンゲンイ値を、表８のホー
ン幅値に対してプロットしたものである。この図３５
と、表９および１０から明らかなことは、ホーンゲイン
がホーン幅とは逆方向に変化するということである。ま
た、ホーン幅が約７６ｍｍを越えるまでは、ホーンゲイ
ンは、本構成のホーンの単位に等しいかあるいはそれ以
上である。一方、ワット当たりのラジアル振幅として定
義されるホーン効率は、ホーン幅の増加と共に増加して
いる。実施例５ 中心部分に隆起部分がある２０ｋＨｚホーンの評価 図１４に示す形式の回転式超音波ホーンにおける性能を
示すデータを得た。このホーンは、ワーク接触ラジアル
面の中央部分に隆起部分があり、一体部分として形成さ
れたウエーブガイドが存在しない。このホーンを、チタ
ン素材から機械加工して得た。実際のホーンの寸法を図
３６を参照して表１５に示す。図３６はホーンの端面を
示している。端の曲線部分は、二次階数形状であり、使
用した二次階数式は、図２０のホーンにおいて使用した
ものと同一である。ホーンの重量を、ねじ付き一体スタ
ッド（図３６には示していない）を含み４．５７４ｋｇ
とした。このスタッドは、直径が０．７５インチ（１
９．０５ｍｍ）、長さを０．５インチ（１２．７０ｍ
ｍ）、ねじ切りがインチ当たり２０本（Ｎａｔｉｏｎａ
ｌＥｘｔｒａ Ｆｉｎｅ）である。
【００９２】表 １５ 図３８の２０ｋＨｚホーンの寸法 寸法位置 値 ３４０ １８７．９６ ３４１ ５０．８０ ３４２ ５０．８０ ３４３ ２２．２２ ３４４ ６．３５ ３４５ ６．３５ ３４６ ７．６２ ３４７ ５．０８ ３４８ ２．５４ ３４９ ６．３５ 図２２に関して説明した測定を図３６の測定においても
繰り返し行った。簡単に説明すると、ドライバ・アセン
ブリ、ブースタ、およびホーンを図２２に示すように配
置した。巣地をホーンアナライザによって励起して、装
置の共振周波数を測定した。次にジェネレータを駆動し
て、装置を１分間に渡って励起してその安定化を図っ
た。安定化期間の後に、一つの変位測定用ブロープをホ
ーンの励起入力に配置して、他のプローブをそれに連続
した適切な位置、主としてホーンのラジアル面に沿って
配置した。図３７には、変位測定用プローブの位置を図
示してある。ポイント６は励起入力位置を示している。
ジェネレータをオンして、振幅レベル、電力消費量、周
波数を各ポイント１から５において記録した。各ポイン
ト１から５を、ラジアル面の最も近い縁から約４ｍｍの
所に配置した。また、ホーンのラジアル面の各ポイント
を隣接ポイントから約７、８ｍｍ離した。ポイント３は
隆起部分の中心である。データを、第１および第２のブ
ースタの異なった３種類の組合せを用いて取得して、３
つの異なった全ブースタゲイン値を求めた。これを表１
６に示してある。ブースタの３つの異なる組合せのそれ
ぞれについてのデータを、表１７から１９に纏めてあ
る。
【００９３】 表 １６ 図３６の２０ｋＨｚホーンを用いたブースタの組合せ 組合せ 全ゲイン 電力（ワット） 周波数（Ｈｚ） １ ２．０ １６０ １９９７４ ２ ２．５ ２１５ １９９６９ ３ ３．０ ２６０ １９９６５ 表 １７ 図３６の２０ｋＨｚを用いた第１のブースタ組合せで得られたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ（注２） 効率（注３） （ミクロン） （注１） １ ４７．０ １．４８ ９．２ ０．２９ ２ ４８．３ １．５２ ９．５ ０．３０ ３ ４８．３ １．５２ ９．５ ０．３０ ４ ４８．３ １．５２ ９．５ ０．３０ ５ ４７．０ １．４８ ９．２ ０．２９ ６ ３１．８ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方法振幅
はポイント６における振幅値を使用 （注２）電力値に対するゲイン、単位は１０3 ／ワット （注３）ミクロン／ワット 表 １８ 図３６の２０ｋＨｚを用いた第２のブースタ組合せで得られたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ（注２） 効率（注３） （ミクロン） （注１） １ ６１．０ １．５０ ７．０ ０．２８ ２ ６３．５ １．５６ ７．３ ０．３０ ３ ６４．８ １．６０ ７．４ ０．３０ ４ ６３．５ １．５６ ７．３ ０．３０ ５ ６２．２ １．５３ ７．１ ０．２９ ６ ４０．６ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方法振幅
はポイント６における振幅値を使用 （注２）電力値に対するゲイン、単位は１０3 ／ワット （注３）ミクロン／ワット 表 １９ 図３６の２０ｋＨｚを用いた第３のブースタ組合せで得られたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ（注２） 効率（注３） （ミクロン） （注１） １ ６６．０ １．５３ ５．９ ０．２５ ２ ６８．６ １．５９ ６．１ ０．２６ ３ ６９．８ １．６０ ６．２ ０．２７ ４ ６８．６ １．５９ ６．１ ０．２６ ５ ６６．０ １．５３ ５．９ ０．２５ ６ ４３．２ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方法振幅
はポイント６における振幅値を使用 （注２）電力値に対するゲイン、単位は１０3 ／ワット （注３）ミクロン／ワット 表１７から１９のデータが示すように、ラジアル面のフ
ェースに沿った振幅形状は平坦ではない。振幅形状は、
最も低い電力値においてはラジアル面の中央部分におい
て平坦部分となっているが、二つの最も高い電力値にお
いてはラジアル面の中央部分においてピークとなってい
る。便宜上、各電力値において得られた振幅値を、ホー
ンの被駆動端からの各ポイントに対してプロットした。
これらのプロット点を図３８に示す。この図において、
曲線Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、電力値が、１６０、２１
５、および２６０ワットにおける（すなわち、ブースタ
の各組合せ１ないし３における）振幅値を示す。実施例６ 反対側の端に隆起部分を有する２０ｋＨｚホーンの評価 上述した測定を、図１５に示す形式の２０ｋＨｚ超音波
ホーンについて繰り返した。このホーンは、反対側の端
に隆起部分を有している。ホーンおよびその一体部分と
してのウエーブガイドをチタン素材から機械加工した。
実際のホーン寸法を、図３９を参照して表２０に示す。
この図３９は、ホーンの端面図である（ウエーブガイド
は図示していない）。端の曲面部分は二次階数形状であ
り、二次階数式としては、図２０のホーンの端に使用し
たものと同一のものを使用した。（便宜上、図において
は凹部形状は円形として描いてある。）表 ２０ 図３９の２０ｋＨｚホーンの寸法 寸法位置 値（ｍｍ） ３７０ １８９．２３ ３７１ １７２．７２ ３７２ ５０．８０ ３７３ ５０．８０ ３７４ ７．６２ ３７５ ６．３５ ３７６ ６．３５ ３７７ ５．０８ ３７８ ２．５４ ３７９ ６．３５ 図２２に関して説明した測定を、図３６のホーンに付い
て説明た手順にしたがって、図３９に示す２０ｋＨｚホ
ーンについて繰り返し行った。本例の場合には、ホーン
はゲインが２．５：１である一体部分として形成された
ウエーブガイドを有しており、これは、図２２に示すブ
ースタ１８０２と等価であり、単一のブースタ組合せの
みを用いた。駆動ブースタ（図２２の１８０１）はＤｕ
ｋａｎｅ１．５：１ブースタである。この装置の全ゲイ
ンは３．７５であった。図４０には測定点を示してあ
る。実際の測定位置は、表２１に示してある。ポイント
６は励起入力位置を示している。ジェネレータをオンし
て、振幅レベル、電力消費、および周波数を各ポイント
（図４０参照）について記録した。
【００９４】表 ２１ 被駆動端からの各測定ポイントまでの距離 ポイント 被駆動端からの距離（ｍｍ） １ ４ ２ １４ ３ ２４ ４ ３４ ５ ４８ 表 ２２ 図３９の２０ｋＨｚホーンにおけるデータ ポイント 電力（ワット） 周波数（Ｈｚ） １ ８５５ １９９８０ ２ ８５５ １９９６３ ３ ８５５ １９９６４ ４ ８５５ １９９６５ ５ ８５５ １９９５９ 表 ２３ 図３９の２０ｋＨｚホーンにおけるデータ（続き） ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ（注２） 効率（注３） （ミクロン） （注１） １ １１９ １．１７ １．４ ０．１４ ２ １２２ １．２０ １．４ ０．１４ ３ １２４ １．２２ １．４ ０．１５ ４ １２７ １．２５ １．５ ０．１５ ５ １５２ １．４９ １．７ ０．１８ ６ １０２ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方法振幅
はポイント６における振幅値を使用 （注２）電力値に対するゲイン、単位は１０3 ／ワット （注３）ミクロン／ワット実施例７ 実施英１のホーンと同様な４０ｋＨｚホーンの評価 上述した内容から分かるように、これに述べたホーンの
全ては、周波数２０ｋＨｚで動作するように設計された
ものであった。したがって、図２０に示すホーンの小型
版を製造して、約４０ｋＨｚで動作させることにした。
このホーンをチタンから作成した。このホーンの寸法
（ｍｍ）を図２０を参照して表２４に示してある。ま
た、４０ｋＨｚホーンの端の凹部を二次階数形状にし
た。これは図２０には省略してあるが、この階数の係数
ａおよびｂは、０．２６７８および─０．０６４４とし
た。（便宜上、既に説明したように、図における端部の
凹部形状は円形としてある。）ホーンの重量を０．５９
ｋｇと見積もった。
【００９５】表 ２４ 図２０の４０ｋＨｚホーンの寸法 寸法位置 値（ｍｍ） １７０ ８７．１０ １７１ ２５．４０ １７２ ２５．４０ １７３ ２．５４ １７４ ２．５４ １７５ ３（注１） １７６ １．２７ （注１）概略値 ４０ｋＨｚホーンの音響および機械特性を記述したよう
に測定した。実際の電力消費量を測定することは不可能
であり、この理由は、ワットメータは周波数が約２０ｋ
Ｈｚで動作するように設計されているからである。しか
し、電力消費量を、全ゲインの３．７５において約１６
０ワットであると見積もった。一体部分としての（第２
の）ブースタのゲインは２．５：１であった。４つの異
なる駆動用（第１の）ブースタを用いて、表２５に示す
ように、４つの異なるブースタの組合せをつくった。表
２６には測定したデータを纏めてある。
【００９６】 表 ２５ 図２０の４０ｋＨｚホーンにおけるブースタの組合せ 組合せ ブースタのゲイン 第１のブースタ 第２のブースタ 合計 １ １．０ ２．５ ２．５ ２ １．５ ２．５ ３．７５ ３ ２．０ ２．５ ５．０ ４ ２．５ ２．５ ６．２５ 表 ２６ 図２０の４０ｋＨｚホーンにおける変位データ 組合せ 振幅（ミクロン） ホーンゲイン ラジアル方向 軸方向 （注１） １ １０．２ ６．６ １．５ ２ １４．５ ９．７ １．５ ３ １８．３ １２．４ １．５ ４ ２０．３ １４．２ １．４ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比実施例８ 実施例７と同様はホーンにおいて寸法および重量を変化
した場合の音響性能の変動 ４０ｋＨｚホーンの音響特性が、ホーン寸法および重量
の変動に応じてどのように変動するのかを測定するため
に、８この異なる直径および重量のホーンを端部形状は
同一にし、ラジアル面の幅は一定にし、中央部分の厚さ
を一定にして作成した。ホーンは一体部分としてのブー
スタを有しているので、重量測定は行わなかった。表２
７には、これらのホーンにおける幅および直径を示す。
【００９７】 ホーンの音響特性を記述の方法で測定した。各直径で
のホーン周波数を表２８に示す。
【００９８】 表 ２８ 直径を変化させた４０ｋＨｚホーンにおける周波数値 ホーン 直径（ｍｍ） 周波数（Ｈｚ） Ｋ ９６．５２ ３５４８５ Ｌ ９５．５５ ３５８６６ Ｍ ９４．５４ ３６２８５ Ｎ ９２．５８ ３７１２３ Ｐ ８９．７４ ３８４５４ Ｑ ８７．９３ ３９３５４ Ｒ ８７．６８ ３９４８５ Ｓ ８７．１０ ３９７６７ 表２８のデータを、（Ｙ軸として）直径と（Ｘ軸とし
て）周波数とでプロットした。これを図４１に示す。プ
ロットから推測すると、共振周波数は丁度４００００Ｈ
ｚとするには、ホーンの直径を８６．７４ｍｍとすべき
である。実施例９ 本発明の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンの評価 先に検討した全ての実施例におけるホーンは、ラジアル
ワーク接触面における幅が５０．８ｍｍ未満であった。
よって、チタンから、実施例１のホーンと同様のホーン
を約２０ｋＨｚで駆動するように製造した。このホーン
のワーク接触面の幅を、約２０ｋＨｚで動作するように
チューニングするまえに、１０１．６０ｍｍとした。縦
軸におけるホーンの厚さを幅よりも狭くした。ホーンの
両端を同一とし、ただ励起側の端は、孔あけして、深さ
０．６３インチ（約１６ｍｍ）の５／８−１８ＮＦタッ
プを中央に形成して、ねじ付きスタッドを取付け可能に
した。ホーンの重量は４．６４０ｋｇであった。
【００９９】ホーンの寸法を、図４２を参照して表２９
に示す。図４２は、ねじ付きスタッドを省略したホーン
の端面図である。両端の凹部を同一形状とし、その形状
を二次階数とした。チュウニングの過程において、ホー
ン幅が、最初の１０１．６ｍｍ（４インチ）から７９．
３８ｍｍ（３．１２５インチ）に狭くなったことに注意
されない。しかし、便宜上、本明細書においては本例の
ホーンを４インチホーンと呼ぶものとする。
【０１００】表 ２９ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンの寸法 寸法位置 値（ｍｍ） ３８０ １５８．００ ３８１ ７９．３８ ３８２ ５０．８０ ３８３ ８．８９ ３８４ ８．８９ ３８５ ５０．８０ ３８６ ２５．４０ ３８７ ２．５４ 図４２における値Ｒ、Ｄは、変数であり、端の凹部を規
定する。値Ｄは値Ｒに依存している。これらの形状に関
する寸法を表３０に示す。
【０１０１】 表 ２０ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンの凹状端部の輪郭形状に関する寸法 Ｒの値（ｍｍ） Ｄの値（ｍｍ） ２７．９４ １４．６０ ３０．４８ １６．２５ ３３．０２ １７．６７ ３５．５６ １８．８４ ３８．１０ １９．７３ ４０．６４ ２０．３９ ４３．１８ ２０．８０ ４５．７２ ２０．９５ ４８．２６ ２０．８５ ５０．８０ ２０．４９ ５３．３４ １９．９１ ５５．８８ １９．０４ ５８．４２ １７．９５ ６０．９６ １６．５８ ６３．５０ １４．９８ ６６．０４ １３．１３ ６８．５８ １１．０２ ７１．１２ ８．６６ ７３．６６ ５．２８ ７６．２０ ３．１７ ７８．７４ ０．０５ ７９．００ ０．００ 図２２（実施例１）に関して説明した測定を図４２にホ
ーンに対しても行った。簡単に説明すると、ドライバ・
アセンブリ、ブースタ、ホーンを図２２に示すように配
置した。装置をホーンアナライザによって励起して、装
置の共振周波数を求めた。次にジェネレータを駆動して
装置を１分間にわたって励起して装置を安定化させた。
安定化期間の後に、一つの測定用プローブをホーンの励
起入力の位置に配置し、他方のプローブをホーンのラジ
アル面に沿った連続した適切な各位置に配置した。変位
測定用プローブの位置を図４３に示す。ポイント５は励
起入力位置を示している。ジェネレータをオンして、振
幅レベル、電力消費、および周波数を各点１ないし４に
おいて測定した（図３９）。１から４の各点は、ラジア
ル面の最も近い縁からほぼ６ｍｍの所に配置した。ま
た、ホーンのラジアル面の各測定ポイントは隣接ポイン
トから約２２ないし２３ｍｍ離した。第１および第２の
ブースタの異なる組合せを用いてデータを求め、３つの
異なる全ブースタゲインを得た。各組合せは、図２２に
おいて１８０２で特定される第２のブースタのゲインの
みを異ならせた。第２のブースタのゲインを、各組合せ
に対して１：１、１．５：１、２：１とした。それぞれ
の場合、図２２において１８０１で示す部分と等価であ
る第１のブースタのゲインを、１：１とした。この結
果、各組合せ１、２、３における双方のブースタの全ゲ
インは、１、１．５および２であった。ブースタの各組
合せにおいて得られたデータを表３２、３３に纏めてあ
る。
【０１０２】 表 ３１ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンにおけるブースタの組合せ 組合せ 全ゲイン 電力（ワット） 周波数（Ｈｚ） １ １．０ １９０ ２００３６ ２ １．５ ２９５ ２００２０ ３ ２．０ ４７０ ２００１３ 表 ３２ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンにおける第１のブースタの組合せで得ら れたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ 効率 （ミクロン） （注１） （注２） （注３） １ ３８．６ １．８３ ９．６ ０．２０ ２ ２５．４ １．２０ ６．３ ０．１３ ３ ２５．４ １．２０ ６．３ ０．１３ ４ ３６．８ １．７４ ９．２ ０．１９ ５ ２１．１ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方向振幅
はポイント５における値 （注２）電力値に対するゲイン（１０3 ／ワット） （注３）単位はミクロン／ワット 表 ３３ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンにおける第２のブースタの組合せで得ら れたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ 効率 （ミクロン） （注１） （注２） （注３） １ ５１．８ １．８２ ６．２ ０．１８ ２ ３３．５ １．１８ ４．０ ０．１１ ３ ３３．５ １．１８ ４．０ ０．１１ ４ ４８．８ １．７２ ５．８ ０．１７ ５ ２８．４ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方向振幅
はポイント５における値 （注２）電力値に対するゲイン（１０3 ／ワット） （注３）単位はミクロン／ワット 表 ３４ 図４２の４インチ幅の２０ｋＨｚホーンにおける第３のブースタの組合せで得ら れたデータ ポイント 振幅 ホーンゲイン ＰＲＧ 効率 （ミクロン） （注１） （注２） （注３） １ ６３．０ １．７５ ３．７ ０．１３ ２ ４２．７ １．１８ ２．５ ０．０９ ３ ４２．７ １．１８ ２．５ ０．０９ ４ ６７．３ １．８６ ４．０ ０．１４ ５ ３６．１ ─ ─ ─ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方向振幅
はポイント５における値 （注２）電力値に対するゲイン（１０3 ／ワット） （注３）単位はミクロン／ワット実施例１０ 本発明の２インチ幅のアルミニウム製の２０ｋＨｚホー
ンに対する評価 別個の２インチ幅ホーンをアルミニウム素材から機械加
工した。ホーンは実質的には実施例１のホーンと同一で
はあるが、ゲインが２．５：１の細長いウエーブガイド
を一体部分として機械加工し、チューニング後のホーン
直径を１７０．６ｍｍの代わりに１７４．６８ｍｍとし
た。このホーンを、約２０ｋＨｚの周波数で動作するよ
うに設計した。
【０１０３】異なる駆動ブースタである第１のブースタ
を用いて、二つの異なったブースタの組合せをつくっ
た。第１の組合せにおいては、第１のブースタのゲイン
が１：１であり、第２の組合せでは、第１のブースタの
ゲインが１．５：１である。表３５にブースタの組合せ
を纏めてある。記述したようにホーン性能を各組合せに
ついて測定し、表３６、３７に纏めてある。
【０１０４】 表 ３５ ２インチ幅の２０ｋＨｚアルミニウムホーンにおけるブースタの組合せ 組合せ 全ゲイン 電力（ワット） 周波数（Ｈｚ） １ ２．５ １００ １９９８７ ２ ３．７５ ２６０ １９９３１ 表 ３６ ２インチのアルミニウム製２０ｋＨｚホーンにおける変位データ 振幅（ミクロン） ホーン ＰＲＧ 効率組合せ ラジアル方向 軸方向 ゲイン（注１） （注２） （注３） １ ４８．３ ３６．８ １．３ １３．０ ０．４８ ２ ６６．０ ５０．８ １．３ ５．０ ０．２５ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比 （注２）電力値に対するゲイン（１０3 ／ワット） （注３）単位は、ワット当たりのラジアル振幅のｍｍ値 本発明のホーンの幅を、５ｃｍのオーダにすると、ラジ
アル面であるワーク接触面に沿った振幅（すなわち、ラ
ジアル振幅）は極めて一定となっている。しかし、ホー
ンの幅が約１０ｃｍになると、ラジアル面に沿ったラジ
アル振幅が大幅に変化することが分かる。以下に述べる
好適な実施例にしたがって、このようは幅広のホーンを
構成すると、ラジアル面の変動は全体として約２０パー
セント未満となる。
【０１０５】勿論、ラジアル面の幅が約１０ｃｍよりも
大幅に狭いホーンを、このような好適な実施例にしたが
って構成することも可能ではある。この場合には、ラジ
アル振幅は既に述べたように一定となる。よって、この
ような好適な実施例は、ラジアル面の幅が約５から約１
３ｃｍまでのホーンに関しては特に有用である。このよ
うな好適な実施例にしたがえば、ホーンの各端は、実質
的に凹形状をしており、回転軸と同心状にある中央の円
形平坦部分と、この平坦部分からラジアル面に向けて全
体として凸状となっている部分とを有している。平坦部
分の直径はホーン直径の少なくとも約２０パーセントで
ある。
【０１０６】全体として凸状となっている部分は、回転
軸を通る断面形状が軸対称な曲線となっている曲面を有
している。この曲面は、（ｉ）平坦部分の外側境界から
ラジアル面の縁に向かう直線と、（ｉｉ）平坦部分の外
側境界から始まってホーンの外側に延びている回転軸に
平行は直線と、（ｉｉｉ）回転軸に直交しており、ラジ
アル面の縁から回転軸に平行な直線まで延びている直線
とによって規定される三角形領域内にある。
【０１０７】このような端部の構成条件を満たすと、ラ
ジアル面を通る変動が約２０パーセント未満となり、ラ
ジアル振幅と軸方向振幅との比が少なくとも１になるホ
ーンが得られる。上記の端部に関する寸法上のパラメー
タは図４４を参照することによって深く理解することが
できる。この図は、好適な端部の形状を有する本発明の
回転式超音波ホーンの端面図である。この図において、
ホーン４０００は、回転軸４００１と、ラジアル面４０
０２と、実質的に凹状となっている端４００３、４００
４を有している。破線は、回転軸を通る端部の断面形状
を示す。端部は半径方向において対称であり、相互に鏡
像関係となっている。端は、中央に位置する円形の平坦
部分４００５と、全体として凸状となっている部分４０
０６とを有している。平坦部分４００５は、回転軸と同
心状態にあり、ホーン４０００の直径４００８の少なく
とも約２０パーセントの直径４００７を有している。全
体的に凸状になっている部分４００６は曲面であり、こ
の曲面は、回転軸４００１を通る断面が、軸方向に対称
な曲線形状４００９となっており、（ｉ）平坦部分４０
０５の外側境界４０１２からラジアル面４００２の縁４
０１３に向かう直線４０１１と、（ｉｉ）平坦部分４０
０５の外側境界４０１２から始まってホーンの外側に延
びている回転軸４００１に平行な直線４０１４と、（ｉ
ｉｉ）回転軸４００１に直交しており、ラジアル面４０
０２の縁４０１３から直線４０１４まで延びている直線
４０１５とによって規定される三角形領域４０１０内に
ある。
【０１０８】他の実施例と同様に、ホーンの端における
全体として凸状になっている部分の形状は、前述したよ
うに、数学的に表現できる場合、そうでない場合があ
る。表現できる場合とは、形状が円形、二次階数、逆二
次階数、指数、逆指数、カテナリー、逆カテナリー、ガ
ウス、逆ガウス、およびこれらの組合せ等である。次の
例は、上記した端部の好適な形状を備えた幅広ホーンに
おける変動の改善を示してある。実施例においては図４
４に示すホーンと同様なチタン製ホーンを用いており、
図４４に示されていないが、ホーンはその一体部分とし
て形成したねじ付きスタッドを有している。実施例１１ 好適な端部構成を有する本発明のホーン 本例のホーンのラジアル面の幅は１０１．６０ｍｍ
（４．０００インチ）であり、中央の平坦部分の厚さは
４４．４５ｍｍとした。ホーンの直径は１５２．４０ｍ
ｍにした。端部における円形平坦部分の直径は３８．１
０ｍｍにした。端部の全体的に凸状をした部分の形状
を、図４５を参照して表３７に示す。図４５はホーンの
上側の１／４の部分を示す端面図である。破線は、Ｘと
して指示されている回転軸を通る断面で見た場合の端部
の輪郭形状を示している。各ポイントＡからＬは、ライ
ンＹから距離ｘの所に廃止されており、ラインＹは、ラ
ジアル面に直交する平面内においてホーンと交差するラ
インである。同様に、各点ＡからＬを回転軸から距離ｙ
の所に配置した。表３７には、これらのｘ、ｙの値を示
す。
【０１０９】 表 ３７ 実施例１１のホーンにおける凸状部分の輪郭寸法 ポイント ｘ（ｍｍ） ｙ（ｍｍ） Ａ ２２．２２ １９．０５ Ｂ ２７．４３ ２２．２８ Ｃ ３２．５１ ２５．６５ Ｄ ３７．３４ ２９．４６ Ｅ ４１．６６ ３４．０４ Ｆ ４５．２１ ３９．３７ Ｇ ４７．５０ ４４．９６ Ｈ ４９．０２ ５１．０５ Ｉ ５０．８０ ６３．５０ Ｊ − − Ｋ ５０．８０ ７６．２０ ホーンの音響特性の測定を記述のように行ったが、２：
１ブースタのみを使用した。ラジアル面における第１の
測定を、被駆動端から最も近い縁から約５ｍｍの所で行
った。ラジアル面に沿った位置での別の測定を、約５ｍ
ｍ間隔で１９の測定を行った。第２０番目の測定（ポイ
ント２０）を励起点として、軸方向振幅を測定した。表
３８には結果を纏めてある。
【０１１０】 表 ３８ 実施例１１のホーンについてのデータ ポイント 振幅（ミクロン） ホーンゲイン 周波数（Ｈｚ） （注１） １ １６．７６ ２．８７ １８９８８ ２ １７．０２ ２．９１ １８９８９ ３ １６．５１ ２．８３ １８９８８ ４ １６．２６ ２．７８ １８９８７ ５ １５．７５ ２．７０ １８９８７ ６ １５．２４ ２．６１ １８９８６ ７ １５．２４ ２．６１ １８９８６ ８ １４．７３ ２．５２ １８９８５ ９ １４．４８ ２．４８ １８９８５ １０ １４．２２ ２．４３ １８９８４ １１ １４．４８ ２．４８ １８９８３ １２ １４．７３ ２．５２ １８９８３ １３ １４．９９ ２．５７ １８９８３ １４ １５．４９ ２．６５ １８９８３ １５ １６．００ ２．７４ １８９８２ １６ １６．２６ ２．７８ １８９８２ １７ １６．７６ ２．８７ １８９８２ １８ １７．０２ ２．９１ １８９８２ １９ １７．０２ ２．９１ １８９８２ ２０ ５．８４ ─ １８９７９ （注１）ラジアル振幅と軸方向振幅との比、軸方向振幅
はポイント２０での振幅値 表３８のラジアル振幅の値を、表３９に示すように、最
大振幅値のパーセンテッジに変換して、図４７におい
て、最大振幅値に対するパーセンテッジ対被駆動端から
の距離として、プロットした。
【０１１１】 表 ３９ 実施例１１のホーンにおける最大振幅値に対するパーセンテッジ ポイント 最大振幅値 １ ９９ ２ １００ ３ ９７ ４ ９６ ５ ９３ ６ ９０ ７ ９０ ８ ８７ ９ ８５ １０ ８４ １１ ８５ １２ ８７ １３ ８８ １４ ９１ １５ ９４ １６ ９６ １７ ９９ １８ １００ １９ １００ 表３８のデータから、変動が１６パーセントであること
が求まった。平均ラジアル振幅は１５．７３である。よ
って、平均ラジアル振幅と軸方向振幅の比は、２．６９
である。
【０１１２】上記の結果を実施例９で得られた結果と比
較する必要がある。実施例９のホーンは実施例１１のホ
ーンと同様ではあるが、実施例９のホーンは幅広ホーン
にとって好ましい好適な端部構成を採用していない。実
施例９のホーンにおける３つのブースタの組合せのそれ
ぞれにおける変動値は、３４、３５、３７パーセントで
ある。しかし、各組合せにおけるラジアル面に沿った振
幅、すなわちゲインは、常に１以上である。さらに詳し
く述べると、各ブースタの組合せにおける平均ラジアル
振幅は、それぞれ３１．６、４１．９および５３．９で
ある。よって、各ブースタの組合せにおける平均ラジア
ル振幅と軸方向振幅との比は、それぞれ、１．５、１．
４８および１．４９である。
【０１１３】本発明を特定の実施例に基づき説明した
が、当業者にとっては、上記の説明に基づき多数の置
換、修正および変更が明らかとなる。したがって、添付
の特許請求の範囲には、これらの全ての置換、修正およ
び変形例が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図２】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図３】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図４】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図５】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図６】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図７】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図８】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図９】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す図
である。
【図１０】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１１】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１２】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１３】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１４】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１５】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１６】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１７】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１８】本発明の回転式超音波ホーンの実施例を示す
図である。
【図１９】本発明の回転式超音波ホーンの実施例の端面
図であり、実質的な凹状端を規定する曲面を決めるため
に使用可能な３つの異なる式における変数を示す。
【図２０】図１１と同様な回転式超音波ホーンの概略図
であり、ホーンの寸法パラメータを示す。
【図２１】ホーンの寸法パラメータを特定するための市
販の回転式超音波ホーンを示す概略図である。
【図２２】図２０に示す本発明のホーン、図２１に示す
市販のホーン等の回転式超音波ホーンの音響的および機
械的特性を測定するために必要な実験設備および器具を
示す概略図である。
【図２３】図２０に示すホーンの音響的および機械的特
性を測定するための測定点を示す図である。
【図２４】図２１に示すホーンの音響的および機械的特
性を測定するための測定点を示す図である。
【図２５】図２０のホーンにおける音響および機械特性
を説明する際に使用される定義「一致した位相」おいび
「逆位相」を説明した図である。
【図２６】図２１のホーンにおける音響および機械特性
を説明する際に使用される定義「一致した位相」おいび
「逆位相」を説明した図である。
【図２７】図２０および図２１における回転式超音波ホ
ーンのワーク接触面のラジアル振幅形状のプロット図で
ある。
【図２８】本発明の回転式超音波２０ｋＨｚホーンの基
本モード共振周波数とホーン直径とのプロット図であ
り、周波数のホーン直径に対する依存性を示してある。
【図２９】図２８と同様なプロット図であるが、変数は
共振周波数とホーン重量であり、ホーン直径あるいは幅
を変化させて重量を変化させた場合の周波数に対する相
対的な影響を示してある。
【図３０】図２０および図２１のホーンのモード形状を
決定するために必要な実験設備および器具の概略図であ
る。
【図３１】図２０のホーンのモード形状を測定するため
に行った測定の点を示す図である。
【図３２】図２１のホーンのモード形状を測定するため
に行った測定の点を示す図である。
【図３３】本発明のホーンである図２０に示すホーンの
モード形状を二次元的に示す図である。
【図３４】市販されているホーンである図２１に示すホ
ーンのモード形状を二次元的に示す図である。
【図３５】図２０と同様な一群の本発明のホーンにおけ
る平均ゲインとホーン幅とのプロット図である。
【図３６】図１４に示すホーンと同様な回転式超音波ホ
ーンを示す図であり、ホーンの寸法パラメータを示して
ある。
【図３７】図３６のホーンの機械的および音響的特性の
測定のための点を示す図である。
【図３８】図３６に示す回転式超音波ホーンの３つのブ
ースタの組合せのそれぞれにおける、ワーク接触面のラ
ジアル振幅形状のプロット図である。
【図３９】図１５のホーンと同様な回転式超音波ホーン
の概略図であり、ホーンの寸法パラメータを示す。
【図４０】図３９のホーンの音響的および機械的特性を
測定するための測定における点を示す図である。
【図４１】本発明の回転式超音波４０ｋＨｚホーンにお
ける基本モード共振周波数とホーン直径とのプロット図
であり、ホーン直径に対する周波数の依存性を示してあ
る。
【図４２】図１０に示すホーンと同様な回転式超音波ホ
ーンを示す図であり、ホーンの寸法パラメータを示して
ある。
【図４３】図４２のホーンの音響的および機械的特性を
測定するための測定における測定点を示す図である。
【図４４】本発明の回転式超音波ホーンの好適な実施例
における寸法パラメータを示すホーンの端面図であり、
この図に示す例は、ホーンの端部構成に関するものであ
る。
【図４５】図４４に示すホーンの上側の１／４の部分を
示す端面図であり、ホーンの回転軸を通る断面における
端部の形状を示している。
【図４６】図４４のホーンのラジアル面に沿った最大振
幅のパーセントと被駆動端からの距離をプロットした図
である。
【符号の説明】
１０・・・ホーン １１・・・ラジアル面 １２・・・端 １３・・・端 １４・・・回転軸 １５・・・孔 １６・・・孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ノーマン ルドルフ スティーゲルマン アメリカ合衆国 ウィスコンシン州 54915 アップルトン ビュカナン ス リート 1337 (56)参考文献 特開 昭52−124320（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−124322（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−105879（ＪＰ，Ａ) 実開 昭51−70468（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B06B 3/00 B23K 1/06 B29C 65/08

Claims (20)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 約１８から６０ｋＨｚの周波数で励起さ
    れるようになっており、一定の形状をした中実金属物体
    から構成され、この金属物体は、第１および第２の端を
    備えたラジアル表面と回転軸とを有し、前記端のぞれぞ
    れが表面によって規定され、前記物体は軸線に対して対
    称となっている回転式超音波ホーンにおいて、 （Ａ）前記ホーンの直径が約４ｃｍから約１９ｃｍまで
    の範囲内にあり、 （Ｂ）前記ラジアル面における前記ホーンの幅が約０．
    ６ｃｍから約１３ｃｍまでの範囲内にあり、 （Ｃ）回転軸における前記ホーンの厚さは約０．６ｃｍ
    から約１５ｃｍであり、この幅は前記ラジアル面におけ
    るホーンの幅とは独立であり、 （Ｄ）前記ホーンの重量は、約０．０６ｋｇから約３０
    ｋｇまでの範囲内にあり、 （Ｅ）前記直径、幅および厚さは目標周波数に適合する
    ように選択されており、これによって、この目標周波数
    の超音波エネルギを、回転軸に対して実質的に垂直に入
    力することによって励起すると、前記ホーンの一方の端
    あるいは双方の端は共振して、 （１）励起された側の端が励起源の移動と実質的に同一
    の位相で移動し、 （２）反対側の端は、それが能動的に励起されるか否か
    に係わりなく、励起された側の端の移動とは実質的に逆
    の位相で移動し、 （３）前記のワーク接触側のラジアル面も励起された側
    の端とは実質的に逆の位相で移動し、これによって、 （４）前記ホーンの幾何学的中心において単一の波節点
    を形成するようになっている、 ことを特徴とする回転式超音波ホーン。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記ホーンの少なく
    とも一方の端はハブを有していることを特徴とする回転
    式超音波ホーン。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記ハブは前記端か
    ら外方に向けて延びていることを特徴とする回転式超音
    波ホーン。
  4. 【請求項４】 請求項３において、前記ハブは前記ホー
    ンの一体部分として形成されていることを特徴とする回
    転式超音波ホーン。
  5. 【請求項５】 請求項３において、前記ハブは前記ホー
    ンの前記ラジアル面の縁を越えて延びていることを特徴
    とする回転式超音波ホーン。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記端には、ホーン
    の一体部分として形成されたスタットが同心状態に突出
    していることを特徴とする回転式超音波ホーン。
  7. 【請求項７】 請求項６において、前記スタッドにはね
    じを切ってあることを特徴とする回転式超音波ホーン。
  8. 【請求項８】 請求項４におて、前記ハブと同心状態
    に、このハブからスタットが突出していることを特徴と
    する回転式超音波ホーン。
  9. 【請求項９】 請求項８において、前記スタットにはね
    じが切ってあることを特徴とする回転式超音波ホーン。
  10. 【請求項１０】 請求項４において、前記ハブと同心状
    態で、このハブからスタッドが突出しており、このスタ
    ッドは前記ホーンの一体部分として形成されていること
    を特徴とする回転式超音波ホーン。
  11. 【請求項１１】 請求項１０において、前記スタッドに
    はねじが切ってあることを特徴とする回転式超音波ホー
    ン。
  12. 【請求項１２】 請求項１において、前記ラジアル面は
    リニア輪郭形状であることを特徴とする回転式超音波ホ
    ーン。
  13. 【請求項１３】 請求項１において、前記ラジアル面は
    ノンリニア輪郭形状であることを特徴とする回転式超音
    波ホーン。
  14. 【請求項１４】 請求項１３において、前記ラジアル面
    は中央に位置する隆起部分を有していることを特徴とす
    る回転式超音波ホーン。
  15. 【請求項１５】 請求項１３において、前記ラジアル面
    は、一方の縁に位置する隆起部分を有していることを特
    徴とする回転式超音波ホーン。
  16. 【請求項１６】 請求項１において、前記ホーン直径、
    幅、厚さ、および端部の表面形状は、前記ワーク接触面
    に沿ったラジアル振幅と軸方向の振幅との比の平均が少
    なくとも約１となり、前記ラジアル・ワーク接触面に沿
    ったラジアル振幅の値の平均が励起電力１ワット当たり
    少なくとも約０．１４ミクロンとなるように、選択され
    ていることを特徴とする回転式超音波ホーン。
  17. 【請求項１７】 請求項１において、前記第１および第
    ２の端は実質的に凹面形状をしており、前記回転軸と同
    心状態にある中央の円形平坦部分と、前記平坦部分から
    前記ラジアル面に向けて実質的に凸面状態となっている
    部分とを有しており、 （ａ）前記平坦部分の直径はホーン直径の少なくとも約
    ２０パーセントであり、 （ｂ）前記の全体として凸面形状の部分は、軸対称の曲
    面であると共に、前記回転軸を通る断面が曲線形状とな
    っており、この曲線形状の部分は、（ｉ）前記平坦部分
    の外側境界から前記ラジアル面の縁まで延びる直線と、
    （ｉｉ）回転軸に平行で、平坦部分の外側境界から始ま
    ってホーンの外側に向けて延びる直線と、（ｉｉｉ）回
    転軸に直交し、前記ラジアル面から回転軸に平行な前記
    直線まで延びている直線とによって規定される三角形領
    域に位置しており、 （ｃ）前記ホーンの前記ラジアル面に沿った変動は約２
    ０パーセント以下であり、 （ｄ）平均ラジアル振幅と軸方向振幅との比が少なくと
    も１である、 ことを特徴とする回転式超音波ホーン。
  18. 【請求項１８】 請求項１７において、前記ホーンの前
    記ラジアル面における幅は約５から約１３ｃｍであるこ
    とを特徴とする回転式超音波ホーン。
  19. 【請求項１９】 ２つあるいはそれ以上の材料を相互に
    超音波的に接着し、あるいはその他の超音波的な処理を
    材料に対して適用するための装置において、この装置
    は、約１８から約６０ｋＨｚの範囲内の周波数で励起さ
    れるように形成された回転式超音波ホーンと、前記ホー
    ンの一端あるいは両端に対して細長い導波管を介して光
    学的に結合された軸線方向の機械的振動源としての振動
    手段と、前記回転式超音波ホーンを支持するための支持
    手段と、前記回転式超音波ホーンを回転させるための駆
    動手段と、前記回転式ホーンとほぼ同一形状の回転式ア
    ンビルとを有しており、前記回転式超音波ホーンとし
    て、一定の形状をした中実金属物体を有し、この物体
    は、第１および第２の端によって規定されるラジアル面
    と回転軸とを備え、これらの端のそれぞれは、表面とし
    て規定され、前記物体は軸線に対して対称となってお
    り、 （Ａ）前記ホーンの直径が約４ｃｍから約１９ｃｍまで
    の範囲内にあり、 （Ｂ）前記ラジアル面における前記ホーンの幅が約０．
    ６ｃｍから約１３ｃｍまでの範囲内にあり、 （Ｃ）回転軸における前記ホーンの厚さは約０．６ｃｍ
    から約１５ｃｍであり、この幅は前記ラジアル面におけ
    る前記ホーンの幅とは独立であり、 （Ｄ）前記ホーンの重量は、約０．０６ｋｇから約３０
    ｋｇまでの範囲内にあり、 （Ｅ）前記直径、幅および厚さは目的とする周波数に適
    合するように選択されており、これによって、この周波
    数の超音波エネルギを、回転軸に対して実質的に垂直に
    入力することによって励起すると、前記ホーンの一方の
    端あるいは双方の端は共振して、 （１）励起された側の端が励起源の移動と実質的に同一
    の位相で移動し、 （２）反対側の端は、それが能動的に励起されるか否か
    に係わりなく、励起された側の端の移動とは実質的に逆
    の位相で移動し、 （３）前記のワーク接触側のラジアル面も励起された側
    の端とは実質的に逆の位相で移動し、これによって、 （４）前記ホーンの幾何学的中心において単一の波節点
    を形成するようになっている、 ことを特徴とする超音波処理装置。
  20. 【請求項２０】 請求項１９において、前記ホーンの直
    径、幅および厚さ、並びに前記端面の形状は、前記ワー
    ク接触面に沿ったラジアル振幅と軸方向の振幅との比の
    平均が少なくとも約１となり、前記ラジアル・ワーク接
    触面に沿ったラジアル振幅の値の平均が励起電力１ワッ
    ト当たり少なくとも約０．１４ミクロンとなるように、
    選択されていることを特徴とする超音波処理装置。
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