JPH0516277U

JPH0516277U - 超音波ホーン

Info

Publication number: JPH0516277U
Application number: JP6676391U
Authority: JP
Inventors: 康夫野口
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1993-03-02
Anticipated expiration: 2006-08-22
Also published as: JP2520732Y2

Abstract

(57)【要約】【目的】超音波振動子またはブースターの直径に対
し、３倍以上の大径部を有する超音波ホーンを効率良
く、適切に発振させ得る形状の超音波ホーンを提供す
る。【構成】ホーン大径部側の天面を１０゜〜６０°の範
囲内でテーパー形状となし、ホーンの全長が、λ／４近
辺である丸型の超音波ホーン。【効果】大型ホーンの底面部全面を作業端として使用
でき、縦振動振幅の分布が均一化でき且つ、横振動モー
ドの減少を図り得る。

Description

【考案の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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、１／２λと同等以上の長さになり、ホーン（９）の先端部（１０）の振動振幅の分布は均一となる。しかしながら、ｄ₁ 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。

【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ｄ ₁ がブースターのホーン接続端側直径ｄ₂ 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。

【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、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（１９）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（２１）の最大径部（２２）の直径ｄ ₁ 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（２３）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 −ｄ ₂ ）／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゜〜６０°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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【図５】従来の角型ホーンの正面図（ａ）及び断面図
（ｂ）である。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【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。