JPH0543433B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、超音波振動装置に係り、特に、振動
素子の端面に共振体が取付けられて形成された超
音波振動子と、その超音波振動子の先端に取付け
られたホーンとにより構成され、超音波振動子の
振動に基いてホーンの先端に拡大された振動エネ
ルギーを発生する超音波振動装置に関するもので
ある。

［従来技術］ 従来、ホーン先端の振動エネルギーの振幅を拡
大するために、振動素子を駆動する駆動電気信号
の半波長の長さを有するホーンの形状をその略中
間位置より断面積を小さくすることによりホーン
先端の振幅を大きくするようにすることが行われ
ていた。然しながら、超音波振動装置において
は、ホーンの軸線方向の振動、すなわち、縦振動
を利用するものであることから、横振動が発生し
ないようなホーン形状にする必要があり、ホーン
の基端側の直径を超音波の横波に共振する長さ以
下にしなければ、ホーンの横方向、すなわち、ホ
ーン軸線方向と直交する方向の振動が大きくなつ
てしまい、ホーンの軸線方向、すなわち、縦方向
の振動が減衰するといつた現象が生じる。また、
ホーンの開放端側の断面積を小さくし過ぎると、
ホーンの強度が低下し、耐久性に問題が生じる。
そのため、ホーン基端側及び開放端側の断面積の
大きさが制限されて、基端側と開放端側との断面
積の比を大きくすることができないことから十分
に大きな振幅を得ることができなかつた。

また、従来においては、ホーンの形状を基端側
より開放端に向つて直線状若しくは曲線状に次第
に断面積を小さくするようにして開放端の振幅を
拡大することも行われていたが、その製作が難し
いものであつた。

［目的］ そこで、本発明は、そのような実情に鑑みてな
されたものであり、従来よりも大きさ振幅を得る
ことができると共に、容易に製作し得る超音波振
動装置を提供するものである。

［解決手段］ 上記目的を達成するため、本発明においては、
電極を有する振動素子と、その端面に取付けられ
た共振体とにより構成され、前記電極に供給され
る駆動電気信号の半波長の整数倍の長さを有する
超音波振動子と、前記超音波振動子の前記共振体
の端部に取付けられ、その取付け側の端部の直径
が前記共振体の端部の直径よりも大径とされると
ともに、前記半波長の一乃至整数倍の長さに形成
されたホーンとを備え、前記ホーンの前記共振体
への取付け側の端部には前記共振体の先端が嵌入
する所定深さの孔部が設けられている。

［実施例］ 以下に本発明を具体化した一実施例を示す第１
図に従つて説明する。

振動子１は、圧電現象を示す物質２とその端面
に付着された電極板３とからなる振動素子４と、
その振動素子４の両端面に取付けられた二個の共
振体５とから構成されており、前記電極板３は超
音波発振器６に接続されている。また、振動子１
は前記超音波発振器６により前記物質２に加えら
れる駆動電気信号の半波長の長さに形成されてい
る。

前記振動子１の先端には第一ホーン７が取付け
られ、その第一ホーン７は、前記駆動電気信号の
半波長の長さを有すると共に、その長さの中央位
置より前記振動子１側の基端側が前記振動子１の
断面積よりも大きく形成されている。

前記第一ホーン７の先端には、第二ホーン８が
配設され、その第二ホーン８は、前記第一ホーン
７と同様に前記駆動電気信号の半波長の長さに形
成されると共に、その長さの中央位置より第一ホ
ーン７側の基端側が前記第一ホーン７の基端より
もわずかに大きな断面積を有するように形成され
ている。また、第二ホーン８の基端側の端面に
は、前記第一ホーン７の先端が挿入可能な取付用
孔部９が設けられており、その取付用孔部９内に
第一ホーン７の先端が挿入されて第一ホーン７と
第二ホーン８とが固定されている。このように、
この超音波振動装置１０は振動子１と第一ホーン
７と第二ホーン８とから構成されている。

次に、超音波振動装置１０の動作を説明する。
前記物質２に前記超音波発振器６より電極板３を
介して振動子１の共振周波数に等しい周波数を有
する駆動電気信号が印加されると、前記物質２が
その厚み方向に伸縮運動すると共に、その振動子
１は伸縮運動している前記物質２により励振され
て、同様に伸縮運動を行う。

この伸縮運動の振幅は第１図ａに示す振動振幅
分布図のように振動素子４の中央部においてほぼ
零、共振体５ｂと第一ホーン７との接合面におい
て大、第一ホーンの中央部において零、第一ホー
ンの先端において前記共振体５ｂと第一ホーン７
との接合面よりも大となり、第二ホーンの中央部
において零、第二ホーン８の先端において更に大
となつている。

尚、第一ホーン７、第二ホーン８において、基
端側よりも先端側の方の振幅が大きくなつている
が、これは夫々先端側の方が断面積が小さいため
である。また、第一ホーン７の先端と第二ホーン
８の基端との間においては、第一ホーン７の先端
が第１図ａに示すように振幅値h₁の大きさで振動
されており、それによつて、第二ホーン８の基端
側が前記振幅値h₁を通る振動振幅分布曲線のよう
に振動され、第二ホーン８の基端においては振幅
値h₂の大きさで振動される。それ故、その振幅値
h₂は第一ホーン７先端の振幅値h₁よりも大きくな
り、その結果、第二ホーン８先端の振幅値A₂は
更に大きくなつている。例えば、第４図に示すよ
うに、駆動電気信号の半波長の長さを夫々有する
と共に、本実施例と同一の断面積に形成された第
一ホーン５０と第二ホーン５１が単に接続された
だけの従来のものと比較した場合、その従来のも
のにおいては、第４図ａに示すように第一ホーン
５０の先端が振幅値h₁の大きさで振動され、それ
に伴つて、第二ホーン５１の基端も振幅値h₁の大
きさで振動され、その先端が振幅値A₁の大きさ
で振動される。これに対し、本実施例のものにお
いては、第一ホーン７の先端が振幅値h₁の大きさ
で振動されるのに伴つて、第二ホーン８の基端が
振幅値h₂の大きさで振動されるので第二ホーン８
の振幅値A₂は前記従来のものの振幅値A₁よりも
大きくなつている。

尚、取付用孔部９の深さを次第に深くするに従
つて、第２図のグラフに示すように振動振幅の拡
大比（曲線Ｍを参照）が次第に拡大されていく
が、深さが次第に深くなると、前記発振器６の電
力損失曲線Ｗに示すように損失がある点を越える
と急激に大きくなつてくる。

そこで、前記振幅拡大比曲線Ｍと電力損失曲線
Ｗとを考慮して取付用孔部９の深さｌが選定され
る。

本実施例においては、第二ホーン８の基端に取
付用孔部９が設けられているが、更に、第３図に
示すように第一ホーン７の基端に取付用孔部９を
設け、その取付用孔部９に振動子１の先端を取付
けるようにしてある。

尚、この実施例の振動子１は、駆動電気信号の
半波長の長さを有するものであり、電歪現象を示
す物質２とその端面に付着された電極板３とから
なる振動素子４と、その振動素子４の一端に配設
されその振動素子４と共に前記駆動電気信号の1/
４波長の長さを有する第一共振体５ａと、前記振
動素子４の他端に配設され前記駆動電気信号の1/
４波長の長さを有する第二共振体５ｂと、それら
を結合するための締付ボルト１５とから構成され
ている。前記第二共振体５ｂは、前記締付ボルト
１５が螺合される雌螺子１６を有する取付部１７
と、その取付部１７の断面積よりも小さな小径部
１８とにより構成されている。従つて、前記物質
２に駆動電気信号が印加されると、第３図ａに示
す振動振幅分布曲線の如く振動され第一ホーン７
及び第二ホーン８の先端において、大きな振幅の
振動が発生される。

尚、上述の実施例においては、第二ホーンの基
端及び第一ホーンの基端に取付用孔部が設けられ
ていたが、本発明は第一ホーンの基端だけに取付
用孔部を設けてもよいことは勿論であり、また、
振動子及び夫々のホーンが駆動電気信号の半波長
の整数倍の長さを有するものであつてもよいこと
は勿論である。

［効果］ 本発明は以上詳述したように、超音波振動子の
共振体の先端が嵌入する所定深さの孔部を、ホー
ンの前記共振体への取付け側の端部に設けたの
で、大きな振動振幅を得ることができるとともに
容易に製作し得る利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を具体化した一実施例を示すも
ので、一部を断面にして示す説明図、第１図ａは
振動振幅分布図、第２図は取付用孔部の深さに対
する拡大比及び電力損失を示すグラフ、第３図は
一部を断面にして示す別の実施例の説明図、第３
図ａは振動振幅分布図、第４図は従来例を示す説
明図、第４図ａは振動振幅分布図である。 図中、１は振動子、４は振動素子、５ａ，５ｂ
は共振体、６は超音波発振器、７は第一ホーン、
８は第二ホーン、９は取付用孔部、１０は超音波
振動装置である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 電極３を有する振動素子４と、その端面に取
   付けられた共振体５ａ，５ｂとにより構成され、
   前記電極３に供給される駆動電気信号の半波長の
   整数倍の長さを有する超音波振動子１と、 前記超音波振動子１の前記共振体５ａ，５ｂの
   端部に取付けられ、その取付け側の端部の直径が
   前記共振体５ａ，５ｂの端部の直径よりも大径と
   されるとともに、前記半波長の一乃至整数倍の長
   さに形成されたホーン７とを備え、前記ホーン７
   の前記共振体５ａ，５ｂへの取付け側の端部には
   前記共振体５ａ，５ｂの先端が嵌入する所定深さ
   の孔部９が設けられていることを特徴とする超音
   波振動装置。 ２ 前記孔部９の深さが、前記ホーン７による振
   幅拡大比と駆動信号発振器の電力損失とを考慮し
   て決定されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の超音波振動装置。 ３ 前記ホーン７の先端に更に第二のホーン８が
   取付けられ、その第二のホーン８の前記ホーン７
   への取付け側端部の直径が、前記ホーン７の端部
   直径よりも大径とされるとともに、前記半波長の
   一乃至整数倍の長さに形成され、その第二のホー
   ン８の前記ホーン７への取付け側端部に前記ホー
   ン７の嵌入する所定深さの第二の孔部９が設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   又は第２項に記載の超音波振動装置。 ４ 前記孔部９の深さが、前記第二のホーン８に
   よる振幅拡大比と、駆動信号発振器の電力損失と
   を考慮して決定されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第３項に記載の超音波振動装置。