JPS5830378A - 共振子 - Google Patents

共振子

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JPS5830378A
JPS5830378A JP57010818A JP1081882A JPS5830378A JP S5830378 A JPS5830378 A JP S5830378A JP 57010818 A JP57010818 A JP 57010818A JP 1081882 A JP1081882 A JP 1081882A JP S5830378 A JPS5830378 A JP S5830378A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は振動源からの音波又は超音波周波数領域の機械
的振動を加工片に加えるために使用される、ソリッド・
ホーン、コンセントレータ、ノール、増幅器又は速度変
換器としても知られている共振子に関する。このタイプ
の共振Ｔは、熱町中性７７０丁片の浴着や金属加工片の
溶接或は乳へ］１の製ｒ２） 造等に使用される超音波装置と関連して広く使用されて
いる。
−」−記タイブの共振子は、入力端から出力端まで長手
方向に通る所定周波数の音波で作動されたとき半波長共
振子として共振するように寸法づけられた金属部分より
なる。共振子は、最終的々要求にもよるが、最も一般的
にはアルミニウムとチタニウムからつくられ、わずかで
はあるがスケールおよびモネル（Ｍ’ｏｎ、ｅ　ｌ　）
からつくられる。共振子の種々の形式およびそれらのデ
ザインについてのかなり詳細な記載は１９６５年ニュー
ヨーク州ニューヨーク市のジョンウィリー・アンド・サ
ン（Ｊｏｈｎ　Ｗｉｌｅｙ　＆　Ｓｏｎ、ｓ　）会社発
行のジュリアン・アール・フレデリック（Ｊｕｌｉａｎ
　Ｒ，Ｆ’ｒｅｄｅｒｉｃ）著による「超音波工学Ｊ　
（Ｕｌｔｒａｓｏｎ、ｉｃ　Ｅｎｇｉ−ｎｅｅｒｉｎｇ
）第８７〜１０３頁にみられる。
超音波エネルギーによって織物材料の重合層を７−ル又
は接合するとき、いわゆる棒状の共振子が使用される。
このタイプの共振子は矩形状の横断面を有し、そして一
般には機械的振動が加えら（３） れる入力端と比べて出力端で増大され／こ移動振幅を与
えるために共振子の波節（？＋、ｏｄｅｌ）領域に４７
．ｌｊ断面の減少領域を含む。このようにして、刃に似
た共振子は振動源から加工片にＪ：Ｉ”＊勅を伝えるだ
けでなく振動増幅のだめの機械的増幅器と１〜でも作用
する。
典型的々ブレードタイプの共振子は米国特許第３１、１
．３２２５号に示されており、斗た超ｊ′ｆ波エネルギ
ーによる重合された織物材料の／〜リングに関連するそ
のような共振子の使ｊ［ｊは米国特π［第３７３３２３
８号に示されていイ）。同様な超音波ツーリング装置は
米国特許第３５６２０４１号に示されており、該米国特
許はシャツスリーブのカフス等の製造を示している。
従来直面した問題は、１００ｍｍ（４インチ）から２０
０ｍｍ（８インチ）或はそれ以上の巾をもつこれらのホ
ーンの正面が不均一を振幅を発揮することである。典型
的には、振幅は共振子の中央領域で所望の振幅であるが
、側方縁に向って顕著に減少する。プラスチックフィル
ムや織物４Ｊ　ＩＩ　ヲ７（４） 一ルするときは比較的高い移動振幅、典型的には頂点か
ら頂点迄０．０８〜０．１３ｍｒｎ　（０，００８〜０
１００５インチ）の変位が必要とされ、そして超音波シ
ーリングは軟い或は可撓性の材料に作用するときは共振
子の直下領域に限定されるので、材ｔ）の溶着は共振子
の中央部は満足的であるが、共振子の側縁に向って不満
足的である。
これ迄、全出力面に亘ってほぼ均一な出力を発揮する矩
形状の共振子、典型的にはブレードタイプの共振子を設
計する試みがなされてきた。最初の試みは共振子の波節
領域を横切ってスロットを設けることによりポアソン結
合を破ることであった°“（Ｋｌｅｅ８ａｔｔｅｌ ｓｕｐｒａ）参照〕。さらに改良されたものが米国特許
第４１８１５０５（ダビス特許という）およびドイツ国
特許出願公告第２８４３６０５号に示されている。
ダビス特許は共振子の下部（出力部）に周溝を、使用す
ることを開示してお９、この溝の考えを中実の円形成は
矩形共振子に応用している。上記ドｔらＡ ィツ出願のもはブレードタイプの共振子を扱っておシ、
中央部から端部まで共振子の全出力面に貝はぼ均一な出
力を得るために共振子の側部に同調された半波長の共振
子が伺加されている。同波数が２０　Ｋｌ−ｈで材料が
アルミニウム、スチール或はチタニウムだとすると、半
波長共振子は約１３４酎（５％インチ）の長さである。
それ故、共振子の入力面に２つの半波長共振子を付加す
ることによシ、通常でも重い共振子にさらにかなりの重
量と高さとを付加することとなる。
本発明は、出力面に沿ってほぼ均一な出力（振幅）をＪ
うえる主に矩形状の或はブレード状の共振子に関する。
この改良は、通常側縁に向って低くなる振幅を増大すべ
く側部で共振子の質量をわずかに増大することによって
得られる。共振子の入力面の振幅に対する出力面の振幅
は、ｍｌを共振子の入力面から波節面迄の質量、ｍ２を
波節面から出力面迄の質量とした場合に７１１．１／　
ｍ、の比にほぼ関係する。共振子が入力面から出力血腫
で多数の平行な質量区分からなると考えれば、共振子の
（６） ｆｌｌ１１部で入力面の質量をわずかに増大することに
より出力面の振幅の減少が修正されることが明らかであ
る。質量の実際的な増加は比較的小さく、かつ共振子の
入力面の一体部分を形成するパッドにより比較的容易に
達成する。
本発明の一つの目的は、全出力面に亘ってほぼ均一な振
幅を発揮するほぼ矩形の共振子を提供することである。
本発明の他の目的は、入力面の中央部で振動エネルギー
により駆動されかつ全出力面に亘ってほぼ均一な振幅を
与えるブレード形の共振子を提供することである。
本発明のさらに他の目的は、超音エネルギーによりプラ
スチックフィルムや織物材料の接合に特に適したほぼ矩
形の共振子であって、接合されるべきフィルムや織物材
料と接触する長尺状出力面の全体に亘ってほぼ均一な出
力を与える共振子を提供することである。
以下、添附図に沿って本発明の好適な実施例につき説明
する。
（７） 図面、特に第１図を参照すると、そこには高固波音波す
なわち超音波エネルギーに」：つてプラスチック材を溶
着したリンールしたりするために１季めで普通に使用さ
れるブレードタイプ形状の共振子が示されている。使用
される典型的な周波数は１０〜５０　Ｋｆｆｚで多くの
作用は２０　Ｋｆｌｚ又は５０ＫＨｚて行われる。典型
的にはアルミニウム、チタニウム或はスチールからつく
られる共振子】Ｏは、中央部にスチール製のスタッド１
４を設けられた入力面１２を有し、該スタッドは高１１
９波振動源１６に接続されるようになっており、そのよ
うな振動源は高ＩＮ波の電気的エネルギーにより付勢さ
れて加えられた電気エネルギーに応じた機械的振動を形
成する電気音響トランジューサ又はコンバータユニット
として知られている。この目的に使用可能々典型的なコ
ンバータユニットは米国特許第８３２８６１０号に示さ
れている。共振子１　ｔ）は、入力面１２から反対側の
出力面１８迄所定周波数（２０ＫＨｚのような）の音響
に対し半波長共振子（２Ｚ）として共振するように寸法
付けられて（８） いる。この条件の下に、入力面１２と出力面１８とは長
手方向運動の各弁筒領域（σ、ｎｔｉｎｏｄ、ａｌｒｅ
ｑ？：ｏｎｓ）に配置され、波節領域２０はその間に配
置されている。共振子は入力面から出力部名の横断面積
の変化によって加えられた入力振動に対し増幅を与える
。周知のように、横断面の変化は一般に長手運動の節領
域２０で行われる。共振子′の作用の間、出力面１８は
矢印２２で示すように往復運動に従う。高応力集中を避
けるために、横断面の変化は急激でなく適当に半径づけ
られた面を以て大きな領域２ｏに亘って行われる。
出力面１８の巾が１５０１ｎ７Ａ（６インチ）以上の共
振子にはポアソン・カップリング（Ｐｏ１ｓｓｏｎｃｏ
？ｔｐｌｉｎｇ　）を中断するために一対のスロット２
４を設けである。これらのスロットは波節領域２０全通
して伸び、入力面１２および出力面１８の直前で終結し
ている。２つのスロット１８は、共振子がスロット間の
中央部とスロット両側の側部とを有しこれらの部分が全
て等しい寸法を有するように配置される。このタイプの
共振子は全く（９） 標準的であって業界では公知であり、まだそのデザイン
は上述した公知技術の中で広く開示されている。
第２図は出力面に沿った移動振幅のグラフを示す。グラ
フは正面１８に沿う位置に対する該正面】８の最大瞬間
変位を示している。グラフは共振子の横方向端縁に向っ
て移動振幅の注目すべき減少があることを示している。
共振子の特別なデザインによって、振動振幅の減少は５
０係の程度にすることができる。
第３図は、点線によって共振子が８０ａ〜３０ｅで示す
ように無数の並置された幅の狭い長尺状部分からなると
考えろことができろことを示している。これ迄理解され
かつ述べてきたように、入力面に与えられた振動に関連
する出力面の振動振幅は波節領域に３乏−られた横断面
変化の関数であり、それ故質量比ｍ、　７ｍ　２の関数
である。ここで、ｍｌは入力面から波節部名の各部分３
０ａ〜３０ｅの質量を示し、〜２は波節面から出力部名
の各部分の質量を示す。それ故、共振子の側方配置行部
分のｔ］凸１ 質量ｍ、を増大することにより、第２図に示された移動
振幅の減少を補償できることが明らかである。
第４図には、改良された共振子３４が示されており、側
方配置部分で入力面１２にパッド３６の形態の質量が伺
加されている。好適な実施例では、パッドは共振子の構
造の一体部分を形成し、共振子の入力面は段部に機械加
工される。バンドは、第４図に示すように、側方縁から
各スロット２４の外方縁と一致する点迄伸びている。こ
の好適々実施例かられずかに変形することは重要なこと
でない。記載された実施例よシ得られる利点は以下の比
較光より明らかとなろう。
パッドなしの基本共振子 高さ：　１３．３ｃｍ（５，２８５”　）出力面：　１
５．２ｃｒｎＸ　１．２７　ｃｍ　（６”ｘ　％“）入
力面：　１５．２ｃｒＩＬＸ　８．８１ＣＩｒＬ（６“
ｘ　Ｉ　Ｋ／／　）スロット：　０．９５ｃｒｆＬＸ　
８．８９ｃｒｆＬ（ｒＸ　８Ｖｒ“）波節領域：３．８
１ｃ７ｎ半径（１イ′）ノミナル周波数：　２０　ＫＨ
ｚ 出力均一度：８６．６％ の共振子 出力均一度：８８．７係 の共振子 出力均一度：　９１．５係 ンの共振子 出力均一度：９８．３係 ここで、 を示す。
パッドの付加はホーンの高さをわずかに変え、ソシて経
験又ハコンピュータ・シュミュレーションにより共振子
の精密な同調が得られる。
同様に、２２．８　ｃｔｒｔ　（９インチ）巾の共振子
が２０　ＫＨｚで作用するように設計され、該共振子は
パッドなしの上記タイプのもので８７．２％の平均出力
均一度を発揮したが、１．２ＣＴＬ（！／；インチ）高
さのパッドをもったものは９３．６％の出力均一度を発
揮した。また、２０．３ｃｍ（８インチ）巾のホーンで
は０．４８ｃｒｎ（Ｋ６インチ）高さのパッドをもつこ
とにより８７．７％（パッドなし）から９８．２’チに
改善できた。
第４図に示すように、パッド３６は共振子３４の一体部
分を形成する。しかし、例えば、重量比を増大するため
アルミニウムの共振子本体にスチール製のパッドを設け
ることもできる。パッドは共振子と一体に振動するよう
にホーン本体に密着される。しかしながら、波腹領域に
現われる高加速力が不均質な金属間界面にかなりの応力
を発揮する。それ故、この変形例は使用可能ではあるが
、本発明の好適例ではない。
パッドの付加は、従来の面倒な問題に比較的簡単で直接
的表解決を与える。上述の解決策に比べて、特に少くと
も一対の半波長共振子を付加すると、これは大重量を付
加しかつ共振子の使用周波数に同調されねばならず、そ
れ故上述の解決策は極めて簡潔で通常デザインの共振子
にわずかの変形を要するのみである。
当業者には、上述の改良技術がゲイン機能を排除した共
振子、つまり波節領域に横断面積の減少部を含捷す、し
たがって出力面と入力面に同じ移動振幅を与えるように
設計された共振子にも応用できることが明らかであろう
。このタイプの共振子は、もし上述した改良がなされな
ければ、やはり側方端縁領域に向って振動振幅の減少を
発揮し、それは共振子の出力面の水平中が増大する程特
に顕著である。
【図面の簡単な説明】
第１図は公知の典型的な共振子の斜視図、第２図は第１
図の共振子の出力面に沿った移動振幅のグラフ、第３図
は第１図に示した共振子の斜視図で点線が発明の原理を
示す図、第４図は本発明による改良を加えた共振子の斜
視図である。 １０・・共振子、１２・・・入力面、１８・・・出力面
、２０・・波節領域、２４・・スロット、３６・・−パ
ツド ＦＩＧ、　　２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、　　４

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）入力面から反対側に配置された出力面まで長手方
    向に通る所定周波数の音波に対し半波長共振子として共
    振するよう寸法づけられた共振子であって、前記入力面
    の中央部で所定周波数の振動を与える手段と、共振子の
    側部で選択的に質量を増大すべく前記入力面の側部に配
    置されたパッドとを備えてなる共振子。
  2. （２）前記パッドが共振子の一体部分を形成している第
    １項の共振子。
  3. （３）前記共振子が矩形状である第２項の共振子。
  4. （４）前記共振子がブレード形である第３項の共振子。
  5. （５）前記共振子が出力面で増大された出力を与えるべ
    く入力面から出力面まで横断面の変化部分を含む第３項
    の共振子。
  6. （６）前記共振子は１０１（ｆｌｚから５０１（ｆｉｚ
    の所定円（１） 波数で作動するように寸法うけられている第３偵の共振
    子。
  7. （７）前記共振子はポアソン結合を破るだめの２つのス
    ロットと、それぞれが共振子の入力面の側縁とほぼ一致
    する点から入力向の中央部に向って伸びかつ各スロット
    の縁とほぼ一致する領域で終っている第５項の共振子。
  8. （８）入力面から反対側に配置された出力面寸で長手方
    向に通る所定周波数の音波に対し半波長共振子として共
    振するよう寸法づけられ、前記入力向が該入力向から出
    力面までの距離が中央部におけるよりも側端部における
    方がより大きくなるように段付に形成されているブレー
    ド形共振子。
JP57010818A 1981-01-26 1982-01-26 共振子 Granted JPS5830378A (ja)

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JPH0318949B2 JPH0318949B2 (ja) 1991-03-13

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