JP4920160B2 - 電気音響変換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の背景】
本発明は熱可塑性物質あるいはその他の材料を溶接するための超音波溶接機等、超音波装置のようなものに用いられる電気音響変換器やフーリエ変換器に関する。より詳しくは、本発明は２つの塊に挟まれた複数の圧電ウェーハを用いた押圧変換器の構成の向上に関する。
【０００２】
典型的な半波長電気音響変換器は共同譲渡された米国特許５，５９０，８６６に開示されており，図１に示される。この先行技術の電気音響変換器Cは、前後金属製の駆動マスＦＭとＢＭに挟まれた圧電ウェーハＷのスタックを有する。前記圧電材料はジルコニウム・チタン酸塩鉛などで、しばしばセラミック材と呼ばれる。こうした変換器に用いられる圧電ウェーハは前記ウェーハ間に適切な電気接触がなされるように中心部に開口を有し、直径面は通電材（例えば、銀）で覆われていることがある。前記圧電ウェーハは適切な電源からの交流電圧で印加され、印加されると前記圧電ウェーハは機械的に振動する。より詳しくは，交流電圧が前記半径方向に分極された圧電ウェーハに加えられると、各ディスクすなわちウェーハの直径が前記加えられた電源に応じて増減する。こうした直径の変化の結果，前記ウェーハの厚さもまた交互に機械的に増減し、長手方向の振動を呈する。前記ウェーハが振動するにつれ、前記ウェーハは長手方向の機械的振動を希望の作業（例えば、熱可塑性物質製試片の溶接）を行うために適当なホーンや他の超音波装置に接続されている前記前部の駆動マスに加える。こうした変換器を用いた典型的な産業装置では、前記所定の周波数は典型的に、（必ずしもそうであるべきではないが）超音波域の、例えば２０ｋＨｚであるが、こうした周波数は用途によって大きく変わる（例えば１〜１００ｋＨｚ）。典型的にピークピークのそうした振動の長手方向の動きは極めて小さく、２０ｋＨｚで０．００１インチ程度の範囲であるが、前記変換器を適切な形状のホーンに接続することで増加する。
【０００３】
こうした装置は、適切な電源によって供給される高い周波数電気エネルギーを機械的振動に変換する。前記変換器からの振動を受け，前記振動を同レベルまたは増幅して出力ホーン装置、ソノトロード等に伝え、そこからワークに振動を伝えるために、前記変換器は一般に中間カプラ（しばしばブースタホーンと呼ばれることもある）が接続されている出力端を有する。そうした半波長変換器はしばしば振動が主に半径方向である変換器の節領域に配置される装着フランジを有する。
【０００４】
図１に示される設計に基づく先行技術のほとんどは、ほぼその意図された目的を果たし、様々な所定の周波数と出力レベルで作動するように設計されている。しかしながら、そうした先行技術の変換器の限界や欠点は広く知られている。
【０００５】
一般に、先行技術の圧電セラミックウェーハと金属部品は、ある幾何学的形状を有し、これらの部品はある振動波速度特性を有する。（前記変換器が共振しているときに）機械的振動の間にこれらの部材の内部で発生するより平面的な応力と様々な部品の内部のこれらの振動の速さは直線的でない。これにより、先行技術の変換器の設計に問題や制限が生じる。
【０００６】
具体的に述べると、変換器からより出力を引き出すためには、同変換器は電気容量を増やして設計される。出力を生むために同変換器の作動要素（すなわち、圧電ウェーハ）に加えられるどんな電圧に対しても電流が必要とされる。同電流は前記回路の容量分岐を通じて伝えられなければならず、前記圧電ウェーハ間の電圧上昇を引き起こす。この電圧を許容値内に抑え、前記変換器の出力を増加するために、より多くの量の圧電セラミックが必要となる。具体的に述べると、図１に示されるように、前記変換器の全容量を増やすために何組かの圧電セラミックウェーハＷが互いに並列に配置される。
【０００７】
しかしながら、こうした高出力レベルを達成するために必要なセラミック材の量の増加は問題をひきおこす。具体的には、必要とされる高出力レベルを生み出すために、こうした設計は（図６に示されるように）３組のセラミックウェーハを用いる。これにより前記変換器の全体の量（体積）に対するセラミック材の量が大きくなる。前記変換器に対するこの大きな量、すなわち体積により、前記変換器の振動節が望ましい位置（図１に示されるように、具体的には装着フランジＦ内）ではなく、前記セラミックウェーハＷ内に位置することがある。これにより望ましくない動きが起き、エネルギーの損失が生じる。
【０００８】
こうした先行技術の変換器では、セラミックウェーハは並列で駆動される。こうした先行技術の設計は、いわゆる分散設計であるので各組のセラミックウェーハを駆動するのに必要な等価稼動電圧は異なることがある。これにより各組のセラミックウェーハに不要な循環電流、電気損失、及び不均等な電力配分が引き起こされる。
【０００９】
更に、セラミックウェーハ内の周波数と応力が変化するにつれ、変換器内の節点の位置は変化し、機械的負荷が同セラミックウェーハにどの程度もたらされるかによって変化する。この変化する状態が前記変換器の電気インピーダンス特性を更に予測不能にする。
【００１０】
どの電気機械的変換器にもあてはまるように、電力の機械的エネルギー（振動）への変換は同変換器内に熱を発生させる。変換器のセラミック部品の熱抵抗、あるいは熱伝導性は、金属部品の熱抵抗より大きい。セラミック部品の量の増加は変換器内の高温集中領域をもたらし、変換器内の熱移動のほとんどはセラミック部品から金属部品（主に前後金属製の駆動マス）への伝導による。セラミック部品の熱の上昇は電気エネルギーの機械エネルギーへの変換の効率を下げる。
【００１１】
更に、高いパワーレベルが望まれたり損失を補うために、セラミックの量が増やされると、変換器内の物理的大きさは変化するが、変換器の大きさは望まれる作動周波数により制限される。したがって、損失を補うために加えられるセラミック材の量と、変換器の機械的大きさのバランスをとらなければならない。
【００１２】
セラミック材の機械的損失と、変換器の機械的構成の機械的損失があることにも注目頂きたい。これらの損失は変換器の作動基本周波数や時には前記作動基本周波数の同調周波数で起こる。多くの先行技術の設計では変換器内で第３同調動作を励振することが珍しくない。これらの第３同調動作は典型的に変換器の装着フランジや後部駆動マスで起こる。こうした同調動作は有用な仕事をせず、局部損失や温度上昇につながる。
【００１３】
【発明の要旨】
本発明の複数の目的と特徴の中で注目頂きたいのは、電気音響変換器の電気的及び機械的特性がより安定して同電気音響変換器の作動状態の変化に影響されにくい電気音響変換器の供給と；
【００１４】
同様な大きさの先行技術の変換器より高いパワーを生む電気音響変換器の供給と；
【００１５】
内部損失が削減された電気音響変換器の供給と；
【００１６】
先行技術の変換器より良く制御される電気音響変換器の供給と；
【００１７】
前記電気音響変換器の作動効率を増加するために、前記電気音響変換器のセラミック部品の作動温度を下げるために、熱損失がより良く分散される電気音響変換器の供給と；
【００１８】
前記セラミック部品内の応力分布と応力勾配が小さく寄生周波数もまた低い電気音響変換器の供給と；
【００１９】
前記セラミック部品の応力がより良く制御されてより低いために、同電気音響変換器の直径は（先行技術の変換器の設計よりも）大きくでき、更なる量のセラミックを用いることができ、同電気音響変換器により供給されるパワーを増大することができる電気音響変換器の供給と；
【００２０】
循環電流や結果として生じる損失を削減するために、前記前後部セラミック部品に加えられる稼動電圧が実質同じになるように、前記前後部セラミック部品が実質等しい出力を生むように、前記セラミックが前記振動節に対して対称に前記変換器内に配置されている電気音響変換器の供給と；
【００２１】
設計が実質対称で応力がより良く制御されるために、端子への工作工具（具体的には同工作工具は前記変換器の前部駆動マスに操作可能であるように接続されている）の反響がより明確で安定していて、様々な設計の幅広い種類の工作工具スタックを可能にする電気音響変換器の供給と；
【００２２】
前記セラミックと接触する金属部品（前部駆動マス、後部駆動マス、中央部分）の横断面積が増え、熱伝導率がより大きい電気音響変換器の供給と；
【００２３】
前記前後の組のセラミック部品の間に位置する金属スペーサがより効率的に前記セラミック部品から熱を伝導させる電気音響変換器の供給と；
【００２４】
多少少ないセラミック量で対応する先行技術の設計よりかなり高い平均出力を生み出す電気音響変換器の供給と；
【００２５】
経済的な設計で、費用効率が良い設計で、寿命が長く、より効率的に電気エネルギーを機械的振動に変換する電気音響変換器の供給である。
【００２６】
本発明の更なる目的と特徴は一部は明らかで、以後の本明細書の記述から一部は指摘される。
【００２７】
簡潔に述べると、本発明の電気音響変換器は電気エネルギーを所定の周波数の範囲内の機械的振動（例えば、約１６〜１００ｋＨｚの範囲）に変換する。前記電気音響変換器は適当な電源から交流電力（電圧）を供給される。前記電気音響変換器は金属製前部駆動マスと、金属製後部駆動マスと、前部セラミックスタックと、後部セラミックスタックと、前記前後部セラミックスタックの間のスペーサと、前記前後部セラミックスタックと前記スペーサを前記前後部駆動マスの間に締め付けるために前記前後部駆動マスに接続された留め具とを有する。前記前後部セラミックスタックは適当な圧電セラミック材からなり、前記電源から所定の周波数の交流電力で印加されると前記電気音響変換器が軸方向に振動するようになる。前記スペーサと前記後部駆動マスには熱を前記電気音響変換器から周囲に伝導するために熱を対流により放散するためのフィンが備わっている。
前記図面の内の諸図を通じて対応する参照記号が対応する部品を示す。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図２と３に本発明の電気音響変換器１の全体が示される。前記電気音響変換器１は電気エネルギーを所定の周波数で機械的振動に変換する。前記電気音響変換器の横断面はほぼ円で、長手方向、すなわち垂直方向の軸ＶＡを有する。
【００２９】
前記電気音響変換器１は金属製前部駆動マス３と、金属製後部駆動マス５と、前部セラミックスタック７と、後部セラミックスタック９と、前記前後部セラミックスタックの間のスペーサ１１とを有する。前記前後部セラミックスタック７、９と前記スペーサ１１を前記前後部駆動マス３と５の間に締め付けるために留め具１３（図１のボルトＢと同様）が前記金属製後部駆動マス５と前記前後部セラミックスタック７と９と前記前部駆動マス３を貫通し、軸方向に伸びる。図２に見られるように、前記前後部セラミックスタック７と９は前記スペーサ１１に対して実質対称で、前記前後部セラミックスタック／スペーサ組立体１０は横軸ＬＡにして実質対称である。各セラミックスタックは２つのセラミックウェーハＷを有する。前記セラミックウェーハＷの厚さ、作動半波長周波数、及び前記中央部が電気的に正か負かによって前記前後部セラミックスタックのウェーハの数はいくつでも良い。好ましくは、前記電気音響変換器１は前記スペーサ１１内に位置する、そして好ましくは、ほぼ前記横軸ＬＡ上に長手方向の振動の振動節を有する前記所定の周波数で完全な半波長共振器を形成する寸法である。
【００３０】
前記前後部セラミックスタック７と９は、上記の様に、前記スペーサ１１によって分けられる。これにより前記システム内に振幅ゲインが起きる。スタック７と９内の前記セラミックウェーハＷは、ジルコニウム・チタン酸塩鉛のような、適当なセラミック材から成り、交流電源で印加されると、前記電気音響変換器は前記長手方向の軸ＶＡに沿って共振するようになる。好ましくは前記前後部セラミックスタック７と９はそれぞれ１組のウェーハ１５から成る。各セラミックスタックの前記ウェーハ１５は大きさ、形状、電気的及び機械的特性において実質同様で、前記前後部セラミックスタックは実質対称である。図７に見られるように、前記ウェーハ１５は前記電源ＰＳに並列に接続され、前記電源ＰＳが作動すると前記ウェーハ１５を印加する。例えば電源ＰＳはコネチカット州ダンブリ―のブランソンウルトラソニックスコーポレーションから商業的に入手できるモデル９３０でも良い。前記ウェーハは、必要であれば、前記電源ＰＳに直列に接続されても良い。好ましくは、前記ウェーハはウェーハの各組の前記ウェーハ１５が互いに電気的に接触するように、例えば銀のような伝導層で覆われる。
【００３１】
図４において、前記スペーサ１１は金属製スペーサで、好ましくはアルミニウムから成る。前記スペーサは外面２２を有するボデー２１を包含する。前記スペーサボデー２１は前記前後部セラミックスタック７と９の直径に実質等しい直径を有する。前記スペーサ１１は前記スペーサボデーから外側放射状に伸びるフィン２３を有する。前記フィン２３は軸方向に前記スペーサ１１の全高さ分伸びる。図４において最も良く見て取れる様に、前記スペーサフィン２３は側面２５と外面２７を有する。前記側面２５は前記スペーサ１１の半径に対して外向きの角度を成し、前記フィン２３の上下面２９がほぼ台形の形状になり、前記フィン２３の底辺３１の寸法が前記フィンの外面２７の寸法より小さくなるように示されている。実際の設計ではこれらのフィンは図８に示されるフィンと同様の形状を有する。この設計は前記フィンの加工にボールミルの使用を可能にする。代わりに、これらの部品は押し出し成型のアルミニウムから作られても良く、他の放射状異形材を有しても良い。
【００３２】
前記後部駆動マス５は外面３５を有するボデー３３を包含する。前記ボデー３３は前記前後部セラミックスタック７と９の直径に実質等しい直径（前記外面３５までを測定）を有する。前記スペーサ２１と同様に、前記後部駆動マス５もまた前記後部駆動マス５の外面から外側放射状に伸びるフィン３７を有する。前記フィン３７は軸方向に前記後部駆動マス５の全高さ分伸びる。図４において最も良く見て取れる様に、前記駆動マス・フィン３７は前記スペーサフィン２３とほぼ同様の形状を有する。前記駆動マス・フィン３７の側面３９は前記後部駆動マス５の半径に対して外向きの角度を成し、前記フィン３７の上下面４１がほぼ台形の形状になり、前記フィン３７の底辺４３の寸法が前記フィンの外面４５の寸法より小さくなる。本発明の一実施例において、前記フィンの構成が図８に示される。図２と３に見られるように、前記電気音響変換器が組立てられるときに、前記スペーサフィン２３は、好ましくは（必ずそうでなければいけないわけではないが）前記駆動マス・フィン３７と実質列を成す。
【００３３】
前記前部駆動マス３の横断面はほぼ円で、後部端５１と前部端５３と外面を有する。ホーンが固定されている前記前部駆動マス３は望ましくは図２にみられるように滑らかな外面を有する（すなわち、前記前部駆動マスにはフィン３７は無い）。しかしながら、図９Ａと９Ｂに示されるように、設計によってはフィンを前記前部駆動マスに加えることが望ましい。
【００３４】
前記前部駆動マス３は後部端５１での直径が前記前後部セラミックスタックの直径と実質等しい。前記前部駆動マス３の直径は実質一定でも良く（その場合、前記前部駆動マス３はほぼ円柱状になる）、または前記前部駆動マス３は（図３に見られるように）横断面積が減少し、前記電気音響変換器の振幅を増加するようになっていても良い。
【００３５】
前記フィン２３と３７の数と、前記金属製スペーサ１１の前記前部駆動マス上と、前記後部駆動マス５の上のフィンの形状は、対流と放射熱移動により効率的に前記電気音響変換器1から熱を奪うように選択される。前記電気音響変換器の大きさと、周波数と、出力により、用いられるフィンの数と形状は変わることは当業者にご理解頂けるであろう。前記スペーサ１１は前記前後部セラミックスタック間に配置されるため、前記電気音響変換器の作動中に発生した熱の前記電気音響変換器からの逃げ道は（先行技術の変換器Ｃと比べると）短い。前記スペーサ１１（及び前記後部駆動マス５）はヒートシンクの役割を果たし、発生した熱をすばやく周辺の空気に対流するようにする。図５に見られるように、前記前後部セラミックスタック７と９と前記スペーサ１１の温度はほぼ均一である。
【００３６】
例えば、各ウェーハの直径が約５．６ｃｍの各スタック７と９内の２つのセラミックウェーハＷを有する前記電気音響変換器内で、安定状態の下で９．７ワット（２５℃で１１Ｗ／ｍ２）で操作されると、全組立体１０（すなわち前記前後部セラミックスタックとスペーサ）は約５９．５℃と６０．１℃の間になる。前記前後部セラミックスタック中に典型的に勾配がある。前記後部駆動マス５に隣接するウェーハは、前記後部駆動マス５近くの約５４．４℃から同１組の第２のウェーハ近くの約５８℃の温度勾配を示す。前記第２のウェーハは、同１組の第１のウェーハ近くの約５８℃から前記スペーサ１１近くの約５９．４℃の温度勾配を示す。図５と６を比べると分かるように、前記電気音響変換器１の温度特性は対応する先行技術の変換器Ｃの温度特性よりはるかに均等である。図６に見られるように、前記変換器ＣのウェーハＷは大きな温度勾配を示し、同ウェーハの中心に熱いゾーンがある。前記前後部駆動マスＦＭとＢＭに隣接するウェーハの面では、先行技術の前記変換器Ｃのウェーハ温度は約５４．７℃で、前記セラミックスタックの中心では温度は約６０℃である。このデータは前記変換器Ｃが６．８ワット（２５℃で１１Ｗ／ｍ２）で操作された時に得られたものである。かくして、本発明の前記電気音響変換器１は先行技術の前記変換器Ｃより大きな出力を扱うことができ、更に実質より均等な温度分布を維持する。
【００３７】
周知の通り、誘電体損失はセラミック内に熱を発生させ、セラミックの熱伝導率は金属（アルミニウム）の熱伝導率よりずっと悪い。この悪い熱伝導率により、図６から分かるように、先行技術の変換器Ｃにみられる温度勾配が生じる。（変換器の出力を増大するために）セラミックウェーハが一緒にまとめられると、図６に見られるように、高温がセラミック内に生じる。この高温が変換器Ｃの出力発生能力を制限し、パラメータを変化させ、前記先行技術の変換器の全体の安定性を低下させる。本発明の前記電気音響変換器１はウェーハに生じた熱をより効率良く除去するため、前記ウェーハは先行技術の前記変換器Ｃより温度が低く、前記電気音響変換器１は、前記先行技術の変換器Ｃより実質大きな平均出力を扱うことができる。更に、前記先行技術の変換器Ｃより少ない量のセラミックで前記のより高い平均出力を扱うことができる。前記電気音響変換器１が扱うことの出きる平均出力は、前記先行技術の変換器Ｃが扱うことの出きる平均出力より３３％も大きい。
【００３８】
前記ウェーハ／スペーサ組立体１０が前記横軸ＬＡに対して対称であるので、また、前記電気音響変換器が作動する時に前記ウェーハ／スペーサ組立体はより均一な（より低い）温度を示すので、前記電気音響変換器内の応力はより簡単に制御される。結果として、前記工作工具の端末に戻る振幅は、はるかにより明確ではるかにより安定している。様々な工作工具スタックもまた、はるかにより明確である。加えて、前記セラミックウェーハ内の応力がはるかにより均一であるから、前記電気音響変換器は前記先行技術の変換器Ｃのような、既存の変換器よりも直径を大きくすることができ、セラミックの量を増やすことが出きる。例えば、前記先行技術の変換器の前記ウェーハＷが約２インチの直径を有する一方、前記電気音響変換器１の前記ウェーハ１５は約２．２インチや２．６インチの直径を有する。それゆえ、（４個のウェーハを伴う）前記電気音響変換器１のセラミックの量は、図６に示されるように６個のウェーハを有する前記先行技術の変換器Ｃのセラミックの量に近づく。
【００３９】
上述のように、前記振動は前記スペーサ１１内に、好ましくは前記横軸ＬＡ（すなわち、図３の前記スペーサ１１の垂直方向の中心）に振動節を有する。従い、前記セラミックは実質前記振動節に対して対称で、前記振動節から離れている。従い、前記セラミックは前記電気音響変換器の出力生成においてより均等になる。稼動電圧もまたより均等である。これにより前記電気音響変換器内の循環電流と、循環電流により生じる関連損失が削減される。
【００４１】
本発明の範囲から逸脱すること無しに、上記構成に様々な変化を加え得るため、上述の、もしくは付属の図面に示される全ての内容は、例示のみで、制限するものではない。例えば、前記フィンの大きさや形状は変更され得る。必要であれば、前記スペーサ１１に装着フランジが付けられても良い。これらの例は単なる例示である。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術の電気音響変換器の立面図である。
【図２】本発明の前記電気音響変換器の主要部を示す斜視図である。
【図３】本発明の前記電気音響変換器の立面図である。
【図４】前記電気音響変換器の斜視部分図である。
【図５】図４と同様に前記電気音響変換器の図で、標準安定作動状態での前記部品の温度勾配を示す図である。
【図６】標準安定作動状態での部品の温度勾配を示す先行技術の前記電気音響変換器の垂直横断面図である。
【図７】適当な電源から電力を供給されているときの本発明の前記電気音響変換器の電気的概略図である。
【図８】代替のフィン異形材を有するスペーサの端部を示した図である。
【図９Ａ】図２と図３に示されるものとは違うフィン異形材を有する前部駆動マスの代替の設計の端部と側部の立面図である。
【図９Ｂ】図２と図３に示されるものとは違うフィン異形材を有する前部駆動マスの代替の設計の端部と側部の立面図である。
【符号の説明】
１ 電気音響変換器
３ 金属製前部駆動マス
５ 金属製後部駆動マス
７ 前部セラミックスタック
９ 後部セラミックスタック
１０ ウェーハ／スペーサ組立体
１１ スペーサ
１３ 留め具
１５ セラミックウェーハ
２２ 外面
２３ フィン
２５ 側面
２７ 外面
２９ 上下面
３１ 底辺
３３ ボデー
３５ 外面外
３７ フィン
３９ 側面
４１ 上下面
４３ 底辺
４５ 外面
５１ 後部端
５３ 前部端
【発明の背景】
本発明は熱可塑性物質あるいはその他の材料を溶接するための超音波溶接機等、超音波装置のようなものに用いられる電気音響変換器やフーリエ変換器に関する。より詳しくは、本発明は２つの塊に挟まれた複数の圧電ウェーハを用いた押圧変換器の構成の向上に関する。
【０００２】
典型的な半波長電気音響変換器は共同譲渡された米国特許５，５９０，８６６に開示されており，図１に示される。この先行技術の電気音響変換器Cは、前後金属製の駆動マスＦＭとＢＭに挟まれた圧電ウェーハＷのスタックを有する。前記圧電材料はジルコニウム・チタン酸塩鉛などで、しばしばセラミック材と呼ばれる。こうした変換器に用いられる圧電ウェーハは前記ウェーハ間に適切な電気接触がなされるように中心部に開口を有し、直径面は通電材（例えば、銀）で覆われていることがある。前記圧電ウェーハは適切な電源からの交流電圧で印加され、印加されると前記圧電ウェーハは機械的に振動する。より詳しくは，交流電圧が前記半径方向に分極された圧電ウェーハに加えられると、各ディスクすなわちウェーハの直径が前記加えられた電源に応じて増減する。こうした直径の変化の結果，前記ウェーハの厚さもまた交互に機械的に増減し、長手方向の振動を呈する。前記ウェーハが振動するにつれ、前記ウェーハは長手方向の機械的振動を希望の作業（例えば、熱可塑性物質製試片の溶接）を行うために適当なホーンや他の超音波装置に接続されている前記前部の駆動マスに加える。こうした変換器を用いた典型的な産業装置では、前記所定の周波数は典型的に、（必ずしもそうであるべきではないが）超音波域の、例えば２０ｋＨｚであるが、こうした周波数は用途によって大きく変わる（例えば１〜１００ｋＨｚ）。典型的にピークピークのそうした振動の長手方向の動きは極めて小さく、２０ｋＨｚで０．００１インチ程度の範囲であるが、前記変換器を適切な形状のホーンに接続することで増加する。
【０００３】
こうした装置は、適切な電源によって供給される高い周波数電気エネルギーを機械的振動に変換する。前記変換器からの振動を受け，前記振動を同レベルまたは増幅して出力ホーン装置、ソノトロード等に伝え、そこからワークに振動を伝えるために、前記変換器は一般に中間カプラ（しばしばブースタホーンと呼ばれることもある）が接続されている出力端を有する。そうした半波長変換器はしばしば振動が主に半径方向である変換器の節領域に配置される装着フランジを有する。
【０００４】
図１に示される設計に基づく先行技術のほとんどは、ほぼその意図された目的を果たし、様々な所定の周波数と出力レベルで作動するように設計されている。しかしながら、そうした先行技術の変換器の限界や欠点は広く知られている。
【０００５】
一般に、先行技術の圧電セラミックウェーハと金属部品は、ある幾何学的形状を有し、これらの部品はある振動波速度特性を有する。（前記変換器が共振しているときに）機械的振動の間にこれらの部材の内部で発生するより平面的な応力と様々な部品の内部のこれらの振動の速さは直線的でない。これにより、先行技術の変換器の設計に問題や制限が生じる。
【０００６】
具体的に述べると、変換器からより出力を引き出すためには、同変換器は電気容量を増やして設計される。出力を生むために同変換器の作動要素（すなわち、圧電ウェーハ）に加えられるどんな電圧に対しても電流が必要とされる。同電流は前記回路の容量分岐を通じて伝えられなければならず、前記圧電ウェーハ間の電圧上昇を引き起こす。この電圧を許容値内に抑え、前記変換器の出力を増加するために、より多くの量の圧電セラミックが必要となる。具体的に述べると、図１に示されるように、前記変換器の全容量を増やすために何組かの圧電セラミックウェーハＷが互いに並列に配置される。
【０００７】
しかしながら、こうした高出力レベルを達成するために必要なセラミック材の量の増加は問題をひきおこす。具体的には、必要とされる高出力レベルを生み出すために、こうした設計は（図６に示されるように）３組のセラミックウェーハを用いる。これにより前記変換器の全体の量（体積）に対するセラミック材の量が大きくなる。前記変換器に対するこの大きな量、すなわち体積により、前記変換器の振動節が望ましい位置（図１に示されるように、具体的には装着フランジＦ内）ではなく、前記セラミックウェーハＷ内に位置することがある。これにより望ましくない動きが起き、エネルギーの損失が生じる。
【０００８】
こうした先行技術の変換器では、セラミックウェーハは並列で駆動される。こうした先行技術の設計は、いわゆる分散設計であるので各組のセラミックウェーハを駆動するのに必要な等価稼動電圧は異なることがある。これにより各組のセラミックウェーハに不要な循環電流、電気損失、及び不均等な電力配分が引き起こされる。
【０００９】
更に、セラミックウェーハ内の周波数と応力が変化するにつれ、変換器内の節点の位置は変化し、機械的負荷が同セラミックウェーハにどの程度もたらされるかによって変化する。この変化する状態が前記変換器の電気インピーダンス特性を更に予測不能にする。
【００１０】
どの電気機械的変換器にもあてはまるように、電力の機械的エネルギー（振動）への変換は同変換器内に熱を発生させる。変換器のセラミック部品の熱抵抗、あるいは熱伝導性は、金属部品の熱抵抗より大きい。セラミック部品の量の増加は変換器内の高温集中領域をもたらし、変換器内の熱移動のほとんどはセラミック部品から金属部品（主に前後金属製の駆動マス）への伝導による。セラミック部品の熱の上昇は電気エネルギーの機械エネルギーへの変換の効率を下げる。
【００１１】
更に、高いパワーレベルが望まれたり損失を補うために、セラミックの量が増やされると、変換器内の物理的大きさは変化するが、変換器の大きさは望まれる作動周波数により制限される。したがって、損失を補うために加えられるセラミック材の量と、変換器の機械的大きさのバランスをとらなければならない。
【００１２】
セラミック材の機械的損失と、変換器の機械的構成の機械的損失があることにも注目頂きたい。これらの損失は変換器の作動基本周波数や時には前記作動基本周波数の同調周波数で起こる。多くの先行技術の設計では変換器内で第３同調動作を励振することが珍しくない。これらの第３同調動作は典型的に変換器の装着フランジや後部駆動マスで起こる。こうした同調動作は有用な仕事をせず、局部損失や温度上昇につながる。
【００１３】
【発明の要旨】
本発明の複数の目的と特徴の中で注目頂きたいのは、電気音響変換器の電気的及び機械的特性がより安定して同電気音響変換器の作動状態の変化に影響されにくい電気音響変換器の供給と；
【００１４】
同様な大きさの先行技術の変換器より高いパワーを生む電気音響変換器の供給と；
【００１５】
内部損失が削減された電気音響変換器の供給と；
【００１６】
先行技術の変換器より良く制御される電気音響変換器の供給と；
【００１７】
前記電気音響変換器の作動効率を増加するために、前記電気音響変換器のセラミック部品の作動温度を下げるために、熱損失がより良く分散される電気音響変換器の供給と；
【００１８】
前記セラミック部品内の応力分布と応力勾配が小さく寄生周波数もまた低い電気音響変換器の供給と；
【００１９】
前記セラミック部品の応力がより良く制御されてより低いために、同電気音響変換器の直径は（先行技術の変換器の設計よりも）大きくでき、更なる量のセラミックを用いることができ、同電気音響変換器により供給されるパワーを増大することができる電気音響変換器の供給と；
【００２０】
循環電流や結果として生じる損失を削減するために、前記前後部セラミック部品に加えられる稼動電圧が実質同じになるように、前記前後部セラミック部品が実質等しい出力を生むように、前記セラミックが前記振動節に対して対称に前記変換器内に配置されている電気音響変換器の供給と；
【００２１】
設計が実質対称で応力がより良く制御されるために、端子への工作工具（具体的には同工作工具は前記変換器の前部駆動マスに操作可能であるように接続されている）の反響がより明確で安定していて、様々な設計の幅広い種類の工作工具スタックを可能にする電気音響変換器の供給と；
【００２２】
前記セラミックと接触する金属部品（前部駆動マス、後部駆動マス、中央部分）の横断面積が増え、熱伝導率がより大きい電気音響変換器の供給と；
【００２３】
前記前後の組のセラミック部品の間に位置する金属スペーサがより効率的に前記セラミック部品から熱を伝導させる電気音響変換器の供給と；
【００２４】
多少少ないセラミック量で対応する先行技術の設計よりかなり高い平均出力を生み出す電気音響変換器の供給と；
【００２５】
経済的な設計で、費用効率が良い設計で、寿命が長く、より効率的に電気エネルギーを機械的振動に変換する電気音響変換器の供給である。
【００２６】
本発明の更なる目的と特徴は一部は明らかで、以後の本明細書の記述から一部は指摘される。
【００２７】
簡潔に述べると、本発明の電気音響変換器は電気エネルギーを所定の周波数の範囲内の機械的振動（例えば、約１６〜１００ｋＨｚの範囲）に変換する。前記電気音響変換器は適当な電源から交流電力（電圧）を供給される。前記電気音響変換器は金属製前部駆動マスと、金属製後部駆動マスと、前部セラミックスタックと、後部セラミックスタックと、前記前後部セラミックスタックの間のスペーサと、前記前後部セラミックスタックと前記スペーサを前記前後部駆動マスの間に締め付けるために前記前後部駆動マスに接続された留め具とを有する。前記前後部セラミックスタックは適当な圧電セラミック材からなり、前記電源から所定の周波数の交流電力で印加されると前記電気音響変換器が軸方向に振動するようになる。前記スペーサと前記後部駆動マスには熱を前記電気音響変換器から周囲に伝導するために熱を対流により放散するためのフィンが備わっている。
前記図面の内の諸図を通じて対応する参照記号が対応する部品を示す。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図２と３に本発明の電気音響変換器１の全体が示される。前記電気音響変換器１は電気エネルギーを所定の周波数で機械的振動に変換する。前記電気音響変換器の横断面はほぼ円で、長手方向、すなわち垂直方向の軸ＶＡを有する。
【００２９】
前記電気音響変換器１は金属製前部駆動マス３と、金属製後部駆動マス５と、前部セラミックスタック７と、後部セラミックスタック９と、前記前後部セラミックスタックの間のスペーサ１１とを有する。前記前後部セラミックスタック７、９と前記スペーサ１１を前記前後部駆動マス３と５の間に締め付けるために留め具１３（図１のボルトＢと同様）が前記金属製後部駆動マス５と前記前後部セラミックスタック７と９と前記前部駆動マス３を貫通し、軸方向に伸びる。図２に見られるように、前記前後部セラミックスタック７と９は前記スペーサ１１に対して実質対称で、前記前後部セラミックスタック／スペーサ組立体１０は横軸ＬＡにして実質対称である。各セラミックスタックは２つのセラミックウェーハＷを有する。前記セラミックウェーハＷの厚さ、作動半波長周波数、及び前記中央部が電気的に正か負かによって前記前後部セラミックスタックのウェーハの数はいくつでも良い。好ましくは、前記電気音響変換器１は前記スペーサ１１内に位置する、そして好ましくは、ほぼ前記横軸ＬＡ上に長手方向の振動の振動節を有する前記所定の周波数で完全な半波長共振器を形成する寸法である。
【００３０】
前記前後部セラミックスタック７と９は、上記の様に、前記スペーサ１１によって分けられる。これにより前記システム内に振幅ゲインが起きる。スタック７と９内の前記セラミックウェーハＷは、ジルコニウム・チタン酸塩鉛のような、適当なセラミック材から成り、交流電源で印加されると、前記電気音響変換器は前記長手方向の軸ＶＡに沿って共振するようになる。好ましくは前記前後部セラミックスタック７と９はそれぞれ１組のウェーハ１５から成る。各セラミックスタックの前記ウェーハ１５は大きさ、形状、電気的及び機械的特性において実質同様で、前記前後部セラミックスタックは実質対称である。図７に見られるように、前記ウェーハ１５は前記電源ＰＳに並列に接続され、前記電源ＰＳが作動すると前記ウェーハ１５を印加する。例えば電源ＰＳはコネチカット州ダンブリ―のブランソンウルトラソニックスコーポレーションから商業的に入手できるモデル９３０でも良い。前記ウェーハは、必要であれば、前記電源ＰＳに直列に接続されても良い。好ましくは、前記ウェーハはウェーハの各組の前記ウェーハ１５が互いに電気的に接触するように、例えば銀のような伝導層で覆われる。
【００３１】
図４において、前記スペーサ１１は金属製スペーサで、好ましくはアルミニウムから成る。前記スペーサは外面２２を有するボデー２１を包含する。前記スペーサボデー２１は前記前後部セラミックスタック７と９の直径に実質等しい直径を有する。前記スペーサ１１は前記スペーサボデーから外側放射状に伸びるフィン２３を有する。前記フィン２３は軸方向に前記スペーサ１１の全高さ分伸びる。図４において最も良く見て取れる様に、前記スペーサフィン２３は側面２５と外面２７を有する。前記側面２５は前記スペーサ１１の半径に対して外向きの角度を成し、前記フィン２３の上下面２９がほぼ台形の形状になり、前記フィン２３の底辺３１の寸法が前記フィンの外面２７の寸法より小さくなるように示されている。実際の設計ではこれらのフィンは図８に示されるフィンと同様の形状を有する。この設計は前記フィンの加工にボールミルの使用を可能にする。代わりに、これらの部品は押し出し成型のアルミニウムから作られても良く、他の放射状異形材を有しても良い。
【００３２】
前記後部駆動マス５は外面３５を有するボデー３３を包含する。前記ボデー３３は前記前後部セラミックスタック７と９の直径に実質等しい直径（前記外面３５までを測定）を有する。前記スペーサ２１と同様に、前記後部駆動マス５もまた前記後部駆動マス５の外面から外側放射状に伸びるフィン３７を有する。前記フィン３７は軸方向に前記後部駆動マス５の全高さ分伸びる。図４において最も良く見て取れる様に、前記駆動マス・フィン３７は前記スペーサフィン２３とほぼ同様の形状を有する。前記駆動マス・フィン３７の側面３９は前記後部駆動マス５の半径に対して外向きの角度を成し、前記フィン３７の上下面４１がほぼ台形の形状になり、前記フィン３７の底辺４３の寸法が前記フィンの外面４５の寸法より小さくなる。本発明の一実施例において、前記フィンの構成が図８に示される。図２と３に見られるように、前記電気音響変換器が組立てられるときに、前記スペーサフィン２３は、好ましくは（必ずそうでなければいけないわけではないが）前記駆動マス・フィン３７と実質列を成す。
【００３３】
前記前部駆動マス３の横断面はほぼ円で、後部端５１と前部端５３と外面を有する。ホーンが固定されている前記前部駆動マス３は望ましくは図２にみられるように滑らかな外面を有する（すなわち、前記前部駆動マスにはフィン３７は無い）。しかしながら、図９Ａと９Ｂに示されるように、設計によってはフィンを前記前部駆動マスに加えることが望ましい。
【００３４】
前記前部駆動マス３は後部端５１での直径が前記前後部セラミックスタックの直径と実質等しい。前記前部駆動マス３の直径は実質一定でも良く（その場合、前記前部駆動マス３はほぼ円柱状になる）、または前記前部駆動マス３は（図３に見られるように）横断面積が減少し、前記電気音響変換器の振幅を増加するようになっていても良い。
【００３５】
前記フィン２３と３７の数と、前記金属製スペーサ１１の前記前部駆動マス上と、前記後部駆動マス５の上のフィンの形状は、対流と放射熱移動により効率的に前記電気音響変換器1から熱を奪うように選択される。前記電気音響変換器の大きさと、周波数と、出力により、用いられるフィンの数と形状は変わることは当業者にご理解頂けるであろう。前記スペーサ１１は前記前後部セラミックスタック間に配置されるため、前記電気音響変換器の作動中に発生した熱の前記電気音響変換器からの逃げ道は（先行技術の変換器Ｃと比べると）短い。前記スペーサ１１（及び前記後部駆動マス５）はヒートシンクの役割を果たし、発生した熱をすばやく周辺の空気に対流するようにする。図５に見られるように、前記前後部セラミックスタック７と９と前記スペーサ１１の温度はほぼ均一である。
【００３６】
例えば、各ウェーハの直径が約５．６ｃｍの各スタック７と９内の２つのセラミックウェーハＷを有する前記電気音響変換器内で、安定状態の下で９．７ワット（２５℃で１１Ｗ／ｍ２）で操作されると、全組立体１０（すなわち前記前後部セラミックスタックとスペーサ）は約５９．５℃と６０．１℃の間になる。前記前後部セラミックスタック中に典型的に勾配がある。前記後部駆動マス５に隣接するウェーハは、前記後部駆動マス５近くの約５４．４℃から同１組の第２のウェーハ近くの約５８℃の温度勾配を示す。前記第２のウェーハは、同１組の第１のウェーハ近くの約５８℃から前記スペーサ１１近くの約５９．４℃の温度勾配を示す。図５と６を比べると分かるように、前記電気音響変換器１の温度特性は対応する先行技術の変換器Ｃの温度特性よりはるかに均等である。図６に見られるように、前記変換器ＣのウェーハＷは大きな温度勾配を示し、同ウェーハの中心に熱いゾーンがある。前記前後部駆動マスＦＭとＢＭに隣接するウェーハの面では、先行技術の前記変換器Ｃのウェーハ温度は約５４．７℃で、前記セラミックスタックの中心では温度は約６０℃である。このデータは前記変換器Ｃが６．８ワット（２５℃で１１Ｗ／ｍ２）で操作された時に得られたものである。かくして、本発明の前記電気音響変換器１は先行技術の前記変換器Ｃより大きな出力を扱うことができ、更に実質より均等な温度分布を維持する。
【００３７】
周知の通り、誘電体損失はセラミック内に熱を発生させ、セラミックの熱伝導率は金属（アルミニウム）の熱伝導率よりずっと悪い。この悪い熱伝導率により、図６から分かるように、先行技術の変換器Ｃにみられる温度勾配が生じる。（変換器の出力を増大するために）セラミックウェーハが一緒にまとめられると、図６に見られるように、高温がセラミック内に生じる。この高温が変換器Ｃの出力発生能力を制限し、パラメータを変化させ、前記先行技術の変換器の全体の安定性を低下させる。本発明の前記電気音響変換器１はウェーハに生じた熱をより効率良く除去するため、前記ウェーハは先行技術の前記変換器Ｃより温度が低く、前記電気音響変換器１は、前記先行技術の変換器Ｃより実質大きな平均出力を扱うことができる。更に、前記先行技術の変換器Ｃより少ない量のセラミックで前記のより高い平均出力を扱うことができる。前記電気音響変換器１が扱うことの出きる平均出力は、前記先行技術の変換器Ｃが扱うことの出きる平均出力より３３％も大きい。
【００３８】
前記ウェーハ／スペーサ組立体１０が前記横軸ＬＡに対して対称であるので、また、前記電気音響変換器が作動する時に前記ウェーハ／スペーサ組立体はより均一な（より低い）温度を示すので、前記電気音響変換器内の応力はより簡単に制御される。結果として、前記工作工具の端末に戻る振幅は、はるかにより明確ではるかにより安定している。様々な工作工具スタックもまた、はるかにより明確である。加えて、前記セラミックウェーハ内の応力がはるかにより均一であるから、前記電気音響変換器は前記先行技術の変換器Ｃのような、既存の変換器よりも直径を大きくすることができ、セラミックの量を増やすことが出きる。例えば、前記先行技術の変換器の前記ウェーハＷが約２インチの直径を有する一方、前記電気音響変換器１の前記ウェーハ１５は約２．２インチや２．６インチの直径を有する。それゆえ、（４個のウェーハを伴う）前記電気音響変換器１のセラミックの量は、図６に示されるように６個のウェーハを有する前記先行技術の変換器Ｃのセラミックの量に近づく。
【００３９】
上述のように、前記振動は前記スペーサ１１内に、好ましくは前記横軸ＬＡ（すなわち、図３の前記スペーサ１１の垂直方向の中心）に振動節を有する。従い、前記セラミックは実質前記振動節に対して対称で、前記振動節から離れている。従い、前記セラミックは前記電気音響変換器の出力生成においてより均等になる。稼動電圧もまたより均等である。これにより前記電気音響変換器内の循環電流と、循環電流により生じる関連損失が削減される。
【００４１】
本発明の範囲から逸脱すること無しに、上記構成に様々な変化を加え得るため、上述の、もしくは付属の図面に示される全ての内容は、例示のみで、制限するものではない。例えば、前記フィンの大きさや形状は変更され得る。必要であれば、前記スペーサ１１に装着フランジが付けられても良い。これらの例は単なる例示である。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術の電気音響変換器の立面図である。
【図２】本発明の前記電気音響変換器の主要部を示す斜視図である。
【図３】本発明の前記電気音響変換器の立面図である。
【図４】前記電気音響変換器の斜視部分図である。
【図５】図４と同様に前記電気音響変換器の図で、標準安定作動状態での前記部品の温度勾配を示す図である。
【図６】標準安定作動状態での部品の温度勾配を示す先行技術の前記電気音響変換器の垂直横断面図である。
【図７】適当な電源から電力を供給されているときの本発明の前記電気音響変換器の電気的概略図である。
【図８】代替のフィン異形材を有するスペーサの端部を示した図である。
【図９Ａ】図２と図３に示されるものとは違うフィン異形材を有する前部駆動マスの代替の設計の端部と側部の立面図である。
【図９Ｂ】図２と図３に示されるものとは違うフィン異形材を有する前部駆動マスの代替の設計の端部と側部の立面図である。
【符号の説明】
１ 電気音響変換器
３ 金属製前部駆動マス
５ 金属製後部駆動マス
７ 前部セラミックスタック
９ 後部セラミックスタック
１０ ウェーハ／スペーサ組立体
１１ スペーサ
１３ 留め具
１５ セラミックウェーハ
２２ 外面
２３ フィン
２５ 側面
２７ 外面
２９ 上下面
３１ 底辺
３３ ボデー
３５ 外面外
３７ フィン
３９ 側面
４１ 上下面
４３ 底辺
４５ 外面
５１ 後部端
５３ 前部端
Claims (17)
- 所定の周波数で共振するような寸法になっている機械的振動に電気エネルギーを変換するための電気音響変換器において、同電気音響変換器は、長手方向の軸を有し、金属製前部駆動マスと、金属製後部駆動マスと、前部セラミックスタックと、後部セラミックスタックと、前記前後部セラミックスタックの間に位置する金属製スペーサと、前記電気音響変換器の軸方向に伸びる前記前後部セラミックスタックと前記金属製スペーサを前記前後部駆動マスの間に締め付けるために前記前後部駆動マスに接続された留め具とを有し、前記前後部セラミックスタックは適当な圧電セラミック材からなり、交流電源により印加されると前記電気音響変換器は、前記周波数が前記音響変換器を貫通し長手方向に進む振動に所定の周波数で共振するようになり、金属製スペーサは長手方向の節領域に実質的に位置し、前記後部駆動マスがそこから周囲への熱移動を高めるために周囲に露出している面域を増やすためのフィンを有する周囲面を有することを特徴とする電気音響変換器。
- 前記電気音響変換器が更に、前記電気音響変換器内に位置する前記長手方向の振動の振動節を有する前記所定の周波数の半波長共振子を形成するような寸法になっていることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
- 前記前後部セラミックスタックがそれぞれ前記圧電セラミック材の少なくとも１組のセラミックウェーハを有し、これらのウェーハが大きさ、形状、電気的及び機械的特性において実質同様で前記前後部セラミックスタックが実質対称になることを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
- 前記金属製スペーサが前記前後部セラミックスタックの横断面直径と実質同じ横断面直径の本体を有し、軸方向に配置された前記本体の外面上のフィンが前記スペーサから外部への熱の対流移動のために前記セラミックウェーハより張り出していることを特徴とする請求項３に記載の電気音響変換器。
- 前記金属製後部駆動マスから外部への熱の対流移動のために、前記金属製後部駆動マスがその外面上に前記後部セラミックスタックの前記セラミックウェーハより張り出すフィンを有することを特徴とする請求項４に記載の電気音響変換器。
- 振動の振幅を増加するために前記前部駆動マスが横断面の小さい部分を有することを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
- 前記前部駆動マスがその上に複数のフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
- 前記フィンを有する周囲面は、前記軸に実質的に平行なそれぞれの面に沿って長手方向に延びる複数のリブと溝を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気音響変換器。
- 所定の周波数で共振するような寸法になっている機械的振動に電気エネルギーを変換するための電気音響変換器において、同電気音響変換器は、長手方向の軸を有し、前部セラミックスタックと、後部セラミックスタックと、前記前後部セラミックスタックを分ける金属製スペーサとを有し、前記金属製スペーサと前記前後部セラミックスタックはスペーサ／スタック組立体を成し、前記スペーサ／スタック組立体は横軸（ＬＡ）を有し、交流電源により印加されると前記電気音響変換器は、前記周波数が前記音響変換器を貫通し長手方向に進む振動に所定の周波数で共振するようになるように前記前後部セラミックスタックは適当な圧電材から成り、前記電気音響変換器の振動節は実質前記スペーサ／スタック組立体の横軸（ＬＡ）にあり、前記前後部セラミックスタックは前記振動節から軸方向に離れており、前記金属製スペーサが、外周面と前記前後部セラミックスタックより張り出す前記金属製スペーサ面から伸びる複数のフィンを有する本体を包含することを特徴とする電気音響変換器。
- 前記スペーサがヒートシンクであることを特徴とする請求項９に記載の電気音響変換器。
- 所定の周波数で共振するような寸法になっている機械的振動に電気エネルギーを変換するための電気音響変換器において、同電気音響変換器は、長手方向の軸を有し、金属製前部駆動マスと、金属製後部駆動マスと、前部セラミックスタックと、後部セラミックスタックと、前記前後部セラミックスタックの間に位置する金属製スペーサと、前記電気音響変換器の軸方向に伸びる前記前後部セラミックスタックと前記金属製スペーサを前記前後部駆動マスの間に締め付けるために前記前後部駆動マスに接続された留め具とを有し、前記前後部セラミックスタックは適当な圧電セラミック材からなり、交流電源により印加されると前記電気音響変換器は、前記周波数が前記音響変換器を貫通し長手方向に進む振動に所定の周波数で共振するようになり、金属製スペーサは長手方向の節領域に実質的に位置し、前記後部駆動マスがそこから周囲への熱移動を高めるために周囲に露出している面域を増やすためのフィンを有する周囲面を有し、前記前後部セラミックスタックがそれぞれ前記圧電セラミック材の少なくとも１組のセラミックウェーハを有し、前記ウェーハが大きさ、形状、電気的及び機械的特性において実質同様で前記前後部セラミックスタックが実質対称になり、前記電気音響変換器が更に、前記電気音響変換器内に位置する前記長手方向の振動の振動節を有する前記所定の周波数の半波長共振子を形成するような寸法になっていることを特徴とする電気音響変換器。
- 前記金属製スペーサが前記前後部セラミックスタックの横断面直径と実質同じ横断面直径の本体を有し、軸方向に配置された前記本体の外面上のフィンが前記スペーサから外部への熱の対流移動のために前記セラミックウェーハより張り出していることを特徴とする請求項１１に記載の電気音響変換器。
- 振動の振幅を増加するために前記前部駆動マスが横断面の小さい部分を有することを特徴とする請求項１１に記載の電気音響変換器。
- 前記前部駆動マスがその上に複数のフィンを有することを特徴とする請求項１１に記載の電気音響変換器。
- 前記フィンを有する周囲面は、前記軸に実質的に平行なそれぞれの面に沿って長手方向に延びる複数のリブと溝を含むことを特徴とする請求項１１に記載の電気音響変換器。
- 所定の周波数で共振するような寸法になっている機械的振動に電気エネルギーを変換するための電気音響変換器において、同電気音響変換器は、長手方向の軸を有し、実質的に円筒状の金属製前部駆動マスと、実質的に円筒状の金属製後部駆動マスと、前部圧電ウェーハ手段と、後部圧電ウェーハ手段と、前記前後部ウェーハ手段の間に位置する実質的に円筒状の金属製スペーサと、前記電気音響変換器の軸方向に伸びる前記ウェーハ手段と前記金属製スペーサを前記前後部駆動マスの間に締め付けるために前記前後部駆動マスに接続された留め具とを有し、前記周波数の交流電流の電気エネルギーにより印加されると、前記前後部圧電ウェーハ手段は、前記電気音響変換器を、前記周波数が前記音響変換器を貫通し長手方向に進む機械的振動に所定の周波数で共振するようにし、金属製スペーサは長手方向の節領域に実質的に位置し、前記後部駆動マスがそこから周囲への熱移動を高めるために周囲に露出している面域を増やすためのフィンを有する周囲面を有することを特徴とする電気音響変換器。
- 前記フィンを有する周囲面は、前記軸に実質的に平行なそれぞれの面に沿って長手方向に延びる複数のリブと溝を含むことを特徴とする請求項１６に記載の電気音響変換器。
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