JPH06254493A - ランジュバン型超音波振動子 - Google Patents
ランジュバン型超音波振動子Info
- Publication number
- JPH06254493A JPH06254493A JP6926693A JP6926693A JPH06254493A JP H06254493 A JPH06254493 A JP H06254493A JP 6926693 A JP6926693 A JP 6926693A JP 6926693 A JP6926693 A JP 6926693A JP H06254493 A JPH06254493 A JP H06254493A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal blocks
- wavelength
- type ultrasonic
- piezoelectric elements
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- Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 振動端面が一様に振動振幅するランジュバン
型超音波振動子の提供を目的とする。 【構成】 圧電素子２ａ，２ｂの両端部に当接する金属
ブロック３，４の長さ寸法を夫々約半波長に設定して中
心ボルト５で固定すると共に、金属ブロック３，４の当
接面の直径を圧電素子２ａ，２ｂの直径と一致させ、そ
の周面に当接面から約１／４波長位置に至る円錐面６を
形成したから、実験で明らかなように、金属ブロック
３，４の外端面ｆの振動振幅変位分布が平坦化し、かつ
大きな振幅を得ることができ、１００ｋＨｚ以上の共振
周波数で動作する螺子締めランジュバン型超音波振動子
において最適な構成となる。
型超音波振動子の提供を目的とする。 【構成】 圧電素子２ａ，２ｂの両端部に当接する金属
ブロック３，４の長さ寸法を夫々約半波長に設定して中
心ボルト５で固定すると共に、金属ブロック３，４の当
接面の直径を圧電素子２ａ，２ｂの直径と一致させ、そ
の周面に当接面から約１／４波長位置に至る円錐面６を
形成したから、実験で明らかなように、金属ブロック
３，４の外端面ｆの振動振幅変位分布が平坦化し、かつ
大きな振幅を得ることができ、１００ｋＨｚ以上の共振
周波数で動作する螺子締めランジュバン型超音波振動子
において最適な構成となる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、プラスチックの超音波
溶着、金属線の超音波ボンディング、高周波超音波機器
等の強力超音波応用の振動系に用いられるねじ締めラン
ジュバン型超音波振動子に関するものである。
溶着、金属線の超音波ボンディング、高周波超音波機器
等の強力超音波応用の振動系に用いられるねじ締めラン
ジュバン型超音波振動子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ランジュンバン型振動子１０としては図
５に示すように圧電素子１１，１１の直径と等しい一対
の円柱状金属ブロックからなる金属ブロック１２，１３
で圧電素子１１を挟持し、これらを中心ボルト１４によ
って一体に結合したものが通常用いられている。
５に示すように圧電素子１１，１１の直径と等しい一対
の円柱状金属ブロックからなる金属ブロック１２，１３
で圧電素子１１を挟持し、これらを中心ボルト１４によ
って一体に結合したものが通常用いられている。
【０００３】この振動子の全長は、同図の一側部に図示
した振動波形からもみられるように、所定の共振周波数
の約半波長と相等しくしている。
した振動波形からもみられるように、所定の共振周波数
の約半波長と相等しくしている。
【０００４】ところで、プラスチック等の熱可塑性部材
の溶接用超音波振動子として、その溶着箇所のみを、よ
り確実に超音波接合するため、共振周波数の高周波化が
計られているが、前述した従来構成の振動子にあって
は、100kHz以上の共振周波数で動作するように設計する
と、全長が略20mm程度と短くなり、従って圧電素子を強
固に締着固定できないだけでなく、電気入力パワーもせ
いぜい10Ｗまでが限度であり、高出力で耐久性のある振
動子を得ることができなかった。
の溶接用超音波振動子として、その溶着箇所のみを、よ
り確実に超音波接合するため、共振周波数の高周波化が
計られているが、前述した従来構成の振動子にあって
は、100kHz以上の共振周波数で動作するように設計する
と、全長が略20mm程度と短くなり、従って圧電素子を強
固に締着固定できないだけでなく、電気入力パワーもせ
いぜい10Ｗまでが限度であり、高出力で耐久性のある振
動子を得ることができなかった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述の問題点を除去す
るためには、分極方向を互いに逆向きに積層してなる二
個の圧電素子の各厚み寸法を約１／４波長に、両端部に
当接する金属ブロックの長さ寸法を夫々約半波長に設定
して中心ボルトで固定して、圧電素子の厚み方向の共振
を利用し、圧電素子に肉厚の厚いものを使用することが
できるようにした構成が提案された。
るためには、分極方向を互いに逆向きに積層してなる二
個の圧電素子の各厚み寸法を約１／４波長に、両端部に
当接する金属ブロックの長さ寸法を夫々約半波長に設定
して中心ボルトで固定して、圧電素子の厚み方向の共振
を利用し、圧電素子に肉厚の厚いものを使用することが
できるようにした構成が提案された。
【０００６】また、この構成にあって、圧電素子の直径
と、金属ブロックの直径とが同一であると、両者の波動
インピーダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）の相違か
ら、金属ブロックと圧電素子面で音波の反射を生じてエ
ネルギー損失が大きくなるという問題があり、そこで、
両者の波動インピーダンスを等しくし、これにより圧電
素子に比して、金属ブロックの直径を径大とした異径構
造のものが提案された。ところで、かかる構成にあって
は、その振動端面の振幅が不均一となるという問題が確
認された。
と、金属ブロックの直径とが同一であると、両者の波動
インピーダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）の相違か
ら、金属ブロックと圧電素子面で音波の反射を生じてエ
ネルギー損失が大きくなるという問題があり、そこで、
両者の波動インピーダンスを等しくし、これにより圧電
素子に比して、金属ブロックの直径を径大とした異径構
造のものが提案された。ところで、かかる構成にあって
は、その振動端面の振幅が不均一となるという問題が確
認された。
【０００７】本発明は、かかる基本構成にあって、その
振動端面が一様に振動振幅するランジュバン型超音波振
動子の提供を目的とするものである。
振動端面が一様に振動振幅するランジュバン型超音波振
動子の提供を目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、分極方向を互
いに逆向きに積層してなる二個の圧電素子の各厚み寸法
を約１／４波長に、両端部に当接する金属ブロックの長
さ寸法を夫々約半波長に設定して中心ボルトで固定する
と共に、両金属ブロックの外端面の直径を、圧電素子と
波動インピーダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）がほ
ぼ等しくなるように設定し、かつ該金属ブロックの当接
面の直径を圧電素子の直径と一致させ、その周面に前記
当接面から約１／４波長位置に至る円錐面を形成し、さ
らに該位置から外端面にかけて円柱面としたものであ
る。
いに逆向きに積層してなる二個の圧電素子の各厚み寸法
を約１／４波長に、両端部に当接する金属ブロックの長
さ寸法を夫々約半波長に設定して中心ボルトで固定する
と共に、両金属ブロックの外端面の直径を、圧電素子と
波動インピーダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）がほ
ぼ等しくなるように設定し、かつ該金属ブロックの当接
面の直径を圧電素子の直径と一致させ、その周面に前記
当接面から約１／４波長位置に至る円錐面を形成し、さ
らに該位置から外端面にかけて円柱面としたものであ
る。
【０００９】
【作用】円錐面を形成したことにより、圧電素子から、
金属ブロックの端面にかけて、その外周形状が連続状と
なり、後述する実験で明らかなように、金属ブロックの
外端面の振動振幅変位分布が平坦化し、一様に振動す
る。
金属ブロックの端面にかけて、その外周形状が連続状と
なり、後述する実験で明らかなように、金属ブロックの
外端面の振動振幅変位分布が平坦化し、一様に振動す
る。
【００１０】
【実施例】図１に従って本発明のランジュバン型超音波
振動子１の一実施例を説明する。
振動子１の一実施例を説明する。
【００１１】環状圧電素子２ａ，２ｂは、その分極方向
が互いに逆向きとなるように端子板９，９を介して積層
される。この圧電素子２ａ，２ｂの両端には、アルミニ
ュームからなる金属ブロック３，４が配設される。かか
る構成にあって、金属ブロック３，４は、後述するよう
に、一方の端面の直径を圧電素子２ａ，２ｂと同一と
し、他方の端面を径大として、円錐面６と円柱面７とを
連続させた構成としている。
が互いに逆向きとなるように端子板９，９を介して積層
される。この圧電素子２ａ，２ｂの両端には、アルミニ
ュームからなる金属ブロック３，４が配設される。かか
る構成にあって、金属ブロック３，４は、後述するよう
に、一方の端面の直径を圧電素子２ａ，２ｂと同一と
し、他方の端面を径大として、円錐面６と円柱面７とを
連続させた構成としている。
【００１２】この各部材は、圧電素子２ａ，２ｂの内孔
を電気絶縁的に挿通し、その両端を前記金属ブロック
３，４の中心に形成した螺子孔８，８に螺合する中心ボ
ルト５により連結している。
を電気絶縁的に挿通し、その両端を前記金属ブロック
３，４の中心に形成した螺子孔８，８に螺合する中心ボ
ルト５により連結している。
【００１３】各構成の長さは、圧電素子２ａ，２ｂの各
厚み寸法を約１／４波長に、両端部に当接する金属ブロ
ック３，４の厚み寸法を夫々約半波長に設定している。
厚み寸法を約１／４波長に、両端部に当接する金属ブロ
ック３，４の厚み寸法を夫々約半波長に設定している。
【００１４】また、前記金属ブロック３，４の外端面ｆ
の直径は、金属ブロック３，４と圧電素子２ａ，２ｂ間
でのエネルギー損失を小さくするために、波動インピー
ダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）がほぼ等しくなる
ように設定している。そして、前記圧電素子２ａ，２ｂ
に比して、金属ブロック３，４は密度ρが小さいから、
その外端面ｆの面積を圧電素子２ａ，２ｂよりも径大と
している。
の直径は、金属ブロック３，４と圧電素子２ａ，２ｂ間
でのエネルギー損失を小さくするために、波動インピー
ダンスｓρｃ（表面積×密度×音速）がほぼ等しくなる
ように設定している。そして、前記圧電素子２ａ，２ｂ
に比して、金属ブロック３，４は密度ρが小さいから、
その外端面ｆの面積を圧電素子２ａ，２ｂよりも径大と
している。
【００１５】前記金属ブロック３，４は、上述のように
円錐面６と円柱面７により構成されるが、前記円錐面６
はその当接面から約１／４波長位置に至るものである。
すなわち、円錐面６と、円柱面７とは、夫々約１／４波
長の長さを有することとなる。
円錐面６と円柱面７により構成されるが、前記円錐面６
はその当接面から約１／４波長位置に至るものである。
すなわち、円錐面６と、円柱面７とは、夫々約１／４波
長の長さを有することとなる。
【００１６】そして、このように金属ブロック３，４を
構成することにより、図１の側傍で示すように、厚み方
向の共振波形がその長さ方向に沿って生ずる。このた
め、高周波領域にあっても、その全長を図５の構成に比
して長くすることができ、圧電素子２ａ，２ｂを中心ボ
ルト５により強固に締着固定でき、耐久性のある振動子
を得ることができる。
構成することにより、図１の側傍で示すように、厚み方
向の共振波形がその長さ方向に沿って生ずる。このた
め、高周波領域にあっても、その全長を図５の構成に比
して長くすることができ、圧電素子２ａ，２ｂを中心ボ
ルト５により強固に締着固定でき、耐久性のある振動子
を得ることができる。
【００１７】しかも、次に示す実験で明らかなように、
円錐面６と、円柱面７とを上述のように夫々約１／４波
長の長さとすることにより、金属ブロック３，４の外端
面ｆで振動振幅変位分布が平坦化し、一様に振動するこ
ととなる。
円錐面６と、円柱面７とを上述のように夫々約１／４波
長の長さとすることにより、金属ブロック３，４の外端
面ｆで振動振幅変位分布が平坦化し、一様に振動するこ
ととなる。
【００１８】ここで、金属ブロック３，４の全長を13.5
mm（約半波長）に維持し、円錐面６の長さＬ（図１参
照）を 0，1.5 ，2.5 ，3.5 ，4.5 ，5.5 （ｍｍ）で設
定して試料を作成し、２００ｋＨｚ帯或で、圧電素子２
ａ，２ｂに交番電圧を印加し、外端面ｆの振幅分布をホ
トニックセンサで測定した。図３は、各試料につき金属
ブロック３，４の外端面ｆの中心からの各部位での振幅
を示すものである。この図から明らかなように、円錐面
６の長さＬをほぼ１／４波長である5.5mm とした時に、
外端面ｆの各部位でほぼ等しい振動振幅を生じ、振動が
平坦化されることが確認された。
mm（約半波長）に維持し、円錐面６の長さＬ（図１参
照）を 0，1.5 ，2.5 ，3.5 ，4.5 ，5.5 （ｍｍ）で設
定して試料を作成し、２００ｋＨｚ帯或で、圧電素子２
ａ，２ｂに交番電圧を印加し、外端面ｆの振幅分布をホ
トニックセンサで測定した。図３は、各試料につき金属
ブロック３，４の外端面ｆの中心からの各部位での振幅
を示すものである。この図から明らかなように、円錐面
６の長さＬをほぼ１／４波長である5.5mm とした時に、
外端面ｆの各部位でほぼ等しい振動振幅を生じ、振動が
平坦化されることが確認された。
【００１９】さらには、図４は、円錐面６の長さと、ア
ドミタンスの関係を示すものであり、 0ｍｍ（円柱体）
の場合に比して、前記円錐面６を形成することにより、
急激にアドミタンスが小さくなり、さらにはほぼ１／４
波長である5.5mm とすることにより、円錐面６を設けな
い場合と同様のアドミタンスとなった。これにより、ほ
ぼ１／４波長では、大きな振幅を得ることができること
が確認された。
ドミタンスの関係を示すものであり、 0ｍｍ（円柱体）
の場合に比して、前記円錐面６を形成することにより、
急激にアドミタンスが小さくなり、さらにはほぼ１／４
波長である5.5mm とすることにより、円錐面６を設けな
い場合と同様のアドミタンスとなった。これにより、ほ
ぼ１／４波長では、大きな振幅を得ることができること
が確認された。
【００２０】このことから、金属ブロック３，４の円錐
面６の長さをほぼ１／４波長とすることにより、振動振
幅がその径方向にわたって均一化し、かつ大きな振幅を
得ることが理解される。
面６の長さをほぼ１／４波長とすることにより、振動振
幅がその径方向にわたって均一化し、かつ大きな振幅を
得ることが理解される。
【００２１】かかる構成にあって、前記円錐面６と円柱
面７間の部位は、振動のノード位置であり振幅が零とな
る。そこで、図２で示すように一方の金属ブロック４の
この部位にフランジ２０を設けて、該フランジ２０によ
りランジュバン型超音波振動子１を所要部に取付けるこ
とにより、外端面ｆの振動を阻害することなく、その保
持を可能とすることができる。
面７間の部位は、振動のノード位置であり振幅が零とな
る。そこで、図２で示すように一方の金属ブロック４の
この部位にフランジ２０を設けて、該フランジ２０によ
りランジュバン型超音波振動子１を所要部に取付けるこ
とにより、外端面ｆの振動を阻害することなく、その保
持を可能とすることができる。
【００２２】
【発明の効果】本発明は、圧電素子２ａ，２ｂの両端部
に当接する金属ブロック３，４の長さ寸法を夫々約半波
長に設定して中心ボルト５で固定すると共に、金属ブロ
ック３，４の当接面の直径を圧電素子２ａ，２ｂの直径
と一致させ、その周面に当接面から約１／４波長位置に
至る円錐面６を形成したから、実験で明らかなように、
金属ブロック３，４の外端面ｆの振動振幅変位分布が平
坦化し、かつ大きな振幅を得ることができ、１００ｋＨ
ｚ以上の共振周波数で動作する螺子締めランジュバン型
超音波振動子において最適な構成となる等の優れた効果
がある。
に当接する金属ブロック３，４の長さ寸法を夫々約半波
長に設定して中心ボルト５で固定すると共に、金属ブロ
ック３，４の当接面の直径を圧電素子２ａ，２ｂの直径
と一致させ、その周面に当接面から約１／４波長位置に
至る円錐面６を形成したから、実験で明らかなように、
金属ブロック３，４の外端面ｆの振動振幅変位分布が平
坦化し、かつ大きな振幅を得ることができ、１００ｋＨ
ｚ以上の共振周波数で動作する螺子締めランジュバン型
超音波振動子において最適な構成となる等の優れた効果
がある。
【図１】本発明に係るランジュバン型超音波振動子１の
一部切欠側面図である。
一部切欠側面図である。
【図２】フランジ２０を備えたランジュバン型超音波振
動子１の側面図である。
動子１の側面図である。
【図３】各試料につき金属ブロック３，４の外端面ｆの
中心からの各部位での振幅を示すグラフである。
中心からの各部位での振幅を示すグラフである。
【図４】円錐面６の長さと、アドミタンスの関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図５】従来構成に係るランジュバン型超音波振動子１
０の斜視図である。
０の斜視図である。
１ ランジュバン型超音波振動子 ２ａ，２ｂ 圧電素子 ３，４ 金属ブロック ６ 円錐面 ７ 円柱面 ２０ フランジ
Claims (2)
- 【請求項１】 分極方向を互いに逆向きに積層してなる
二個の圧電素子の各厚み寸法を約１／４波長に、両端部
に当接する金属ブロックの長さ寸法を夫々約半波長に設
定して中心ボルトで固定すると共に、両金属ブロックの
外端面の直径を、圧電素子と波動インピーダンスｓρｃ
（表面積×密度×音速）がほぼ等しくなるように設定
し、かつ該金属ブロックの当接面の直径を圧電素子の直
径と一致させ、その周面に前記当接面から約１／４波長
位置に至る円錐面を形成し、さらに該位置から外端面に
かけて円柱面としたことを特徴とするランジュバン型超
音波振動子。 - 【請求項２】 一方の金属ブロックの圧電素子との当接
面から約１／４波長位置を、取付位置としたことを特徴
とする請求項１記載のランジュバン型超音波振動子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06926693A JP3410759B2 (ja) | 1993-03-03 | 1993-03-03 | ランジュバン型超音波振動子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06926693A JP3410759B2 (ja) | 1993-03-03 | 1993-03-03 | ランジュバン型超音波振動子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06254493A true JPH06254493A (ja) | 1994-09-13 |
| JP3410759B2 JP3410759B2 (ja) | 2003-05-26 |
Family
ID=13397720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06926693A Expired - Fee Related JP3410759B2 (ja) | 1993-03-03 | 1993-03-03 | ランジュバン型超音波振動子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3410759B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007117934A (ja) * | 2005-10-31 | 2007-05-17 | Nec Tokin Corp | ボルト締めランジュバン型振動子 |
| CN102601032A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-25 | 张家港睿能科技有限公司 | 一种超声波振动棒 |
-
1993
- 1993-03-03 JP JP06926693A patent/JP3410759B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007117934A (ja) * | 2005-10-31 | 2007-05-17 | Nec Tokin Corp | ボルト締めランジュバン型振動子 |
| CN102601032A (zh) * | 2012-03-28 | 2012-07-25 | 张家港睿能科技有限公司 | 一种超声波振动棒 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3410759B2 (ja) | 2003-05-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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