JPH06269077A - 高周波用超音波振動子 - Google Patents

高周波用超音波振動子

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JPH06269077A
JPH06269077A JP5091794A JP9179493A JPH06269077A JP H06269077 A JPH06269077 A JP H06269077A JP 5091794 A JP5091794 A JP 5091794A JP 9179493 A JP9179493 A JP 9179493A JP H06269077 A JPH06269077 A JP H06269077A
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JP
Japan
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horn
vibration
conical shell
high frequency
ultrasonic
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Pending
Application number
JP5091794A
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English (en)
Inventor
Kimihiko Tanizawa
公彦 谷沢
Akira Takeuchi
彰 武内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CHOONPA KOGYO KK
Ultrasonic Engineering Co Ltd
Original Assignee
CHOONPA KOGYO KK
Ultrasonic Engineering Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 周波数100kHz以上の高周波で振動し、
振幅拡大ができる超音波ホーンを具備した高周波用超音
波振動子を提供する。 【構成】 円錐殻状ホーンの小端面側にツールを固定
し、その大端面側当接面をツールを含めた円錐殻状ホー
ンの伸びたわみ振動と同一周波数・同相モードとなるよ
うに振動要素に設置したリング状突起により駆動するこ
とを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、液体の霧化・微粒化、
金属およびプラスチックの接合、精密部品の洗浄などに
使用するホーンタイプの高周波用超音波振動子に関す
る。
【0002】
【従来の技術】周波数200k Hz以上の領域で、直
接超音波振動子、若しくは振動板を液浸し、ホーンによ
る振動振幅の拡大を伴わない方式の超音波霧化器および
洗浄機が実用化されている。一方、周波数120k H
z以下の領域で、ホーンによる振動振幅の拡大を伴った
超音波ワイヤボンダおよび超音波プラスチックウエルダ
が実用化されている。
【0003】しかしながら、直接超音波振動子を液中に
浸漬する超音波霧化器の場合、液全体を振動するため効
率が低く、液によっては、超音波振動と発熱による液の
物性変化を惹起する問題がある。更に溶融金属の超音波
微粒化への応用は、多くの場合、液温が超音波振動子の
キューリー温度を越えるため使用不可能である。これに
対して40k Hz以下のホーンタイプの超音波振動子
による金属の微粒化が実験されているが、粒径が周波数
の2/3乗に逆比例するため、超微細化のための高周波
化が期待されている。IC用の超音波ワイヤボンダを高
周波化すると、被接合物へのワイヤの潰れ幅が低減し、
有効接合面積とサージ電流が増大する効果があり、ボン
ディング条件に余裕ができ信頼性が向上するため、損傷
し易いワークに対しては更なる高周波化が期待されると
共に、同様の効果を金属箔・金属細線の接合に期待でき
る。プラスチックウエルダを高周波化すると、化学繊維
の溶接部の硬化がなく、風合を保った溶接が期待でき
る。従って、周波数100k Hz以上のホーンタイプ
の高周波用超音波振動子の開発が重要な課題となってい
る。
【0004】このようなことから、本発明では、円錐殻
状のホーンの伸びを伴った高周波たわみ振動(以下伸び
たわみ振動と略称する)を利用して、ホーンタイプの高
周波用超音波振動子を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の点に鑑
みなされたもので、円錐殻状ホーンの小端面にツールを
設置し、大端面側に超音波振動要素を固定し、同超音波
振動要素で円錐殻状ホーンを同ホーンの伸びたわみ振動
と同相駆動する。所要振動振幅は、ホーンおよびツール
の形状の構造解析(有限要素法)より求める。
【0006】
【作用】円錐殻状ホーンと超音波振動要素のそれぞれの
振動の節をボルト締結することにより、従来のボルト締
めランジュバン型振動子(周波数20〜100k H
z)と同様の取扱ができ、同振動子の振動の節を利用し
たフランジ据付が可能である。現状では円錐殻状ホーン
の伸びたわみ振動モード解析に、有限要素法によるシミ
ュレーションを必要とするが、ツールは目的に応じて設
計可能で、縦振動モード、縦→曲げ振動モード等、従来
の手法が適用できる。
【0007】
【実施例】以下、本発明の高周波用超音波振動子の実施
例について、図を参照しながら説明する。
【0008】図1は、本発明の一実施例を示す組立断面
図である。同図で1はツール、2は円錐殻状ホーン、3
ないし7は振動要素で、3は前面体、4はPZT振動
子、5は電極、6は脊面体、7および71は2ないし6
の締結用ボルトおよびナット、8および9は、同ホーン
および振動要素のそれぞれの振動モードである。
【0009】円錐殻状ホーンとその振動モードの詳細図
を図2に示す。同図で20は円錐殻状ホーンの中心軸を
示し、同ホーンは円錐殻22と充実円筒21および中空
円筒23の一体構造からなっている。円錐殻状ホーンは
多くの高調波振動モードを含んでいるが、そのうちの目
的とする振動モードの一例を図2の8に示す。同図8は
目的とする振動モードの有限要素法による振動の一シミ
ュレーションで、円錐殻22および中空円筒23に対応
した82および83が伸びたわみ振動モード(軸に垂直
な径方向の振動成分が径方向に平行でなく伸びを伴って
いる)充実円筒21に対応した81が縦振動モードで振
動(径方向の振動成分が径方向に平行)していることを
示している。図2の例では円錐殻および中空円筒の平均
長さを、伸びたわみ振動の平均波長の4倍となるように
調整する。中空円筒外側面節線84の円周上に固定用の
フランジ24を設置する。
【0010】図2で中空円筒23の端面の矢印X1およ
びX2は、円錐殻状ホーンの大端面の内・外面の振動モ
ードが中心軸に垂直な面に対して逆位相の関係にあるこ
とを示し、同じく矢印Y1およびY2は中空円筒23の
内側面の振動モードが中心軸に平行な側線に対して、逆
位相の関係にあることを示している。従って、ホーン大
端面を縦方向駆動用振動要素で駆動する場合は、その当
り面をホーン外側寄りの矢印X1若しくは内側寄りの矢
印X2に対応した局所中空円面として、矢印X1および
X2を同時同方向に縦駆動することを回避し、ホーンの
同相駆動を実現する。具体的には、図1の前面体3とホ
ーンの当り面にリング状突起31を設置し、同ホーンを
同相駆動する。同様に径方向駆動用振動素子と円錐殻状
ホーンの中空円筒内側面の当り面を矢印の部位Y1若し
くはY2に対応した局所短円筒面とすることにより、矢
印Y1およびY2の部位を同時同方向駆動することを回
避して、ホーンの同相駆動を実現することも可能であ
る。従来の超音波振動子では、径方向振動が径方向に平
行となるように、種々の手段を講じて、縦・径方向の振
動モード結合の影響を低減する努力をしてきた。本発明
は、今まで目的外振動(スプリアス振動)として忌避さ
れてきた振動モードを円錐殻状ホーンに適用し、同振動
を同相駆動することによって、ホーンによる高周波振動
の増幅を図るものである。図1で、円錐殻状ホーンの先
端には2節円で曲げ振動する円板ツール1と振動変換体
11が同ホーンと1体構造となっている。
【0011】縦方向駆動用振動要素を構成する各素子
は、それぞれ目的とするホーンの伸びたわみ共振周波数
において軸方向に縦波半波長共振する長さに設置する。
脊面体6の振動の節面には円錐殻状ホーンと同様にフラ
ンジ61を設置し、両フランジ24と61をボルト7お
よびナット71で締結する。(図1では1ヶ所のみ図示
し他は省略する)2ヶのPZT振動子4は電極5に対し
て、同じ分極(電極側をプラス側)方向に設置する。電
極5の振動の節面にフランジ51を設置し、同フランジ
と前面体および脊面体間に目的とする円錐殻状ホーン2
の共振周波数と等しい電気信号(図面省略)を印加する
と、同電気信号は、PZT振動子4により電気・機械変
換されて弾性振動となり、振動要素3ないし6は縦振動
モード9で振動し、同ホーンを駆動する。ホーン2への
縦振動入力は、伸びたわみ振動を経て再び縦振動とモー
ド変換して、最後にツール1を曲げ振動モードで駆動す
る。
【0012】図3に円錐殻状ホーンの別の一実施例を示
す。同図25は、内・外側線を円弧の組合せで構成した
断面を、軸20を中心軸とした回転体で構成した円錐殻
状ホーンの一実施例である。円弧の中心は、回転中心軸
20を含む平面上で、円錐殻状ホーンの中空部の両端面
を通る中心軸の垂線上にある。円弧の半径をそれぞれR
1およびR2とおくと、R1、R2は円錐殻状ホーンの
中空部の中心軸長(高さ)をχとし、大端面の内半径と
肉厚をそれぞれyおよびt1、小端面側の半径をt0と
おいて、数1の関係式で表わされる。
【0013】数1のχおよびyは、伸びたわみ振動の平
均波長をλ、nを正の整数として、数2を満足する寸法
とする。円錐殻状ホーンの実際の設計に当っては、数1
および数2で粗削りの形状を決定し、同形状とその改良
形状の有限要素法による振動解析の試行を繰り返しシミ
ュレーションすることにより微調整を行う。
【0014】上述の経過を経て設計された円錐殻状ホー
ン25の、目的とする振動モードの有限要素法によるシ
ミュレーションを85に示す。同振動モード85は、図
2の8の伸びたわみ振動に対応している。
【0015】図4に円錐殻状ホーンの更に別の一実施例
を示す。同図26は、ホーンの内・外面を球殻で構成し
たもので、円弧の中心が回転中心軸上にあることが図3
の場合と異なる。球殻の平均厚さをtとおくと、同球殻
の内・外面半径R3およびR4は数3の関係式で表わさ
れる。
【0016】数3で求めた粗削りの寸法を基に、図3の
場合と同様に有限要棄法による振動解折の試行を繰り返
しシミュレーションすることにより円錐殻状ホーンの微
調整を行う。
【0017】上述の経過を経て設計された円錐殻状ホー
ン26の、目的とする振動モードの有限要素法によるシ
ミュレーションを86に示す。同振動モード86は図2
の8の伸びたわみ振動に対応している。
【0018】図1の振動法とは別の円錐殻状ホーンの駆
動法の一実施例を図5に示す。同図は径方向駆動用振動
素子で円錐殻状ホーンを駆動する場合で、図2の矢印Y
1若しくはY2の駆動例である。図2から矢印Y1若し
くはY2を同相駆動しても、原理的には問題ないが、円
筒型PZT振動子41とホーンの当り面が小面積とな
り、効率が低い。そこで図5では、ホーン2と前面体3
2を一体構造とした円錐殻状ホーンにおいて、前面体と
ホーンの当り面に相当する部分31を同相駆動するため
に、隙間33を設置する。このため、前面体32の軸方
向は、縦振動モードとなり、径方向は同相厚み振動モー
ドとなる。円筒型PZT振動子41に内側面を僅かにテ
ーパー状とした前面体32を焼嵌め、圧入、接着等によ
り固定する。ツール12は、縦振動モードで振動する。
図5の円筒型PZT振動子41から前面体32、ホーン
2、ツール12までの振動モードは厚み振動→厚み・縦
振動→伸びたわみ・縦振動→縦振動となる。
【0019】本実施例では、円錐殻状ホーンとして3例
を説示したが、伸びたわみ振動体として、中心軸を含む
内・外面断面を円錐曲線若しくはその集合で構成し、軸
に垂直な断面が大端面から小端面に向けて漸減するカツ
プ形の軸対称振動体を円錐殻状ホーンとする。
【0020】
【発明の効果】本発明の効果を図1の場合について以下
に示す。円錐殻状ホーンおよびPZT振動子を除く振動
要素にチタン合金(6Al4V)を使用し、伸びたわみ
振動共振周波数400k Hz、ホーン大端面内・外径
14mm、20mm、ツール円板厚さ1mm、同直径1
1mmの場合のシミュレーション結果は ホーン先端と大端面の断面積比 1:2
3 ホーン先端と振動要素端面の振動振幅比 8:1 円板ツールとホーン先端の断面積比 13:1 円板ツールとホーン先端振動振幅比 4:1 となった。以上詳述したように、本発明によれば極めて
簡単な構造の円錐殻状ホーンにより、振動振幅の拡大が
実現でき、100k Hz以上のホーンタイプの高周波
用超音波振動子の提供が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の高周波用超音波振動子の実施例を示す
組立・断面図とその振動モードである。
【図2】本発明の円錐殻状ホーンの説明図である。
【図3】本発明の円錐殻状ホーンの別の実施例を示す説
明図である。
【図4】本発明の円錐殻状ホーンの更に別の実施例を示
す説明図である。
【図5】本発明の円錐殻状ホーンの別の駆動法を示す高
周波用超音波振動子の組立・断面図である。
【符号の説明】
1 ツール 2 円錐殻状ホーン 3 前面体 4 PZT振動子 5 電極 6 脊面体 7 締結ボルト 8 伸びたわみ振動モード 9 縦振動モード
【数1】
【数2】
【数3】

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 100k Hz以上の高周波で振動する
    超音波振動子において、母線方向に伸びを伴った軸対称
    たわみ振動する円錐殻状ホーンの小端面にツールを設置
    し、大端面に同ホーンの振動を同相駆動する振動要素を
    固着することを特徴とする高周波用超音波振動子。
  2. 【請求項2】 縦方向駆動用振動要素と円錐殻状ホーン
    大端面との当り面を、同ホーンの軸方向に垂直な振動モ
    ードの同相成分と合致するリング状構造にした請求項1
    記載の高周波用超音波振動子。
  3. 【請求項3】 径方向駆動用振動素子と円錐殻状ホーン
    大端面側との当り面を、同ホーンの軸方向振動モードの
    同相成分と合致するように同ホーン内側面に設置したリ
    ング状突起の内周面とするか、若しくは同ホーン大端面
    にリング状突起を介して縦続接続した縦振動共振体の内
    側面とする構造にした請求項1記載の高周波用超音波振
    動子。
  4. 【請求項4】 円錐殻状ホーンの軸に垂直な外側面の振
    動の節線上に固定用フランジを設置し、同フランジと縦
    方向駆動用振動要素をボルト締めランジュバン型振動子
    の一構成要素とした請求項1および請求項2記載の高周
    波用超音波振動子。
JP5091794A 1993-03-12 1993-03-12 高周波用超音波振動子 Pending JPH06269077A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6719183B2 (en) * 2001-06-28 2004-04-13 Kabushiki Kaisha Shinkawa Transducer and a bonding apparatus using the same

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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