(57)【要約】      （修正有）【課題】極端な動作条件下で長期にわたる性能を提供するように残された超音波エネルギーシステム（超音波ホーン）を提供する。【解決手段】超音波エネルギ源に接続されたホーン２６を具備する振動エネルギを作用するための音響システムに関する。ホーン２６は、全長および波長を画定し、その少なくとも前縁部はセラミック材料から構成される。前縁部は、ホーン波長の少なくとも１／８の長さを有する。好ましい一実施形態において、ホーン２６の全体はセラミック材料であり、締り嵌めによって導波路などの個別の構成部品に取付けられる。これに関係なく、ホーン２６の少なくとも大部分にセラミック材料を用いることによって、超音波システムは、高温および／または腐食性の流体媒体などの極度な環境で長期間作動することが容易になる。金属マトリックス複合ワイヤの作製に有用である。【選択図】図１
2011055510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギを適用するための音響システムであり、
超音波エネルギ源に接続され、長さおよび波長を画定するホーンを具備し、前記ホーンの少なくとも前縁部がセラミック材料から構成され、前記前縁部がホーン波長の少なくとも１／８の長さを有する、音響システム。
【請求項２】
前記前縁部が、前記ホーン波長の少なくとも１／４の長さを有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ホーンの全体が、セラミック材料である請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記セラミック材料が、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、サイアロン、二ホウ化チタン、ジルコニアまたは炭化ケイ素化から選択される少なくとも１つのセラミックを具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ホーンが円筒形ロッドである請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記ホーンが、高温流体媒体に少なくとも部分的に浸漬するのに適合する請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記ホーンが、約２０ｋＨｚの周波数で溶融金属基媒体に超音波エネルギを伝達するのに適合し、少なくとも１００時間の動作寿命によって特徴付けられる請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
溶融アルミニウム基媒体に浸漬されるときに、前記ホーンは、少なくとも２００時間の動作寿命によって特徴付けられる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記ホーンが後縁端部および前縁端部によって画定され、さらに、前記超音波エネルギ源が前記ホーンの前記後縁端部を維持するための取付け構成部品を具備し、前記ホーンが固締機構によって前記取付け構成部品に固定される請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記ホーンが、前記取付け構成部品に締り嵌めされる請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記取付け構成部品が、導波路およびブースタから構成される群から選択される請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記ホーンがセラミック円筒形ロッドであり、前記取付け構成部品が円形ボアを画定し、さらに、前記ホーンの前記後縁端部が前記円形ボア内に収容される請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記取付け構成部品および前記ホーンが、少なくとも２００℃の温度で締り嵌めを維持するのに適合した請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記取付け構成部品および前記ホーンが、少なくとも３５０℃の温度で締り嵌めを維持するのに適合した請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記取付け構成部品が、チタンまたは鋼から選択される材料を含む請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
前記取付け構成部品と前記ホーンとの間の接合部を包囲する管状囲い板と、
前記接合部を冷却するために前記囲い板を通って空気を供給するために、前記囲い板に流体接続される空気源と、
をさらに具備する請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
電気エネルギを超音波振動に変化させるための振動子と、
振動の振幅を増大するためのブースタと、
増幅された振動を前記ホーンに伝達するための導波路構成部品と、
をさらに具備する請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
超音波エネルギを流体媒体に適用する方法であって、
流体媒体を提供するステップと、
超音波エネルギ源を、少なくとも前縁の１／８波長部分がセラミックであるホーンに接続するステップと、
前記ホーンの少なくとも前縁部を前記流体媒体に浸漬するステップと、
前記ホーンが超音波エネルギを前記流体媒体に供給するように前記超音波エネルギ源を動作させるステップと、
を含む方法。
【請求項１９】
前記流体媒体が、少なくとも２００℃の温度を有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記流体媒体が、少なくとも６００℃の温度を有する請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記流体媒体が、腐食性である請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
前記腐食性流体媒体が、溶融金属である請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ホーンの全体がセラミックであり、さらに、超音波エネルギ源を前記ホーンに接続するステップが、
前記超音波エネルギ源の一部として金属取付け構成部品を提供するステップと、
前記ホーンの後縁端部を前記取付け構成部品に締り嵌めするステップと、
を含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
前記流体媒体が溶融アルミニウムであり、さらに前記方法が少なくとも１００時間の超音波エネルギ供給の間前記ホーンを交換しないことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記超音波エネルギ源が締り嵌めによって前記ホーンを維持する金属導波路構成部品を具備し、前記方法が、
前記ホーンの所望の共鳴周波数を決定するステップと、
前記所望の共鳴周波数に基づいて、前記導波路構成部品の長さを調整するステップと、
をさらに含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
前記供給された超音波エネルギが、溶融金属マトリックスに浸漬された複数のファイバへの溶融金属マトリックス材料の浸透を生じる請求項１８に記載の方法。
【請求項２７】
連続複合ワイヤを作製する方法であって、
少なくとも６００℃の温度を有する、含有される量の溶融金属マトリックス材料を提供するステップと、
複数の実質的に連続のファイバを具備する少なくとも１つのトウを前記含有される量の溶融金属マトリックス材料中に浸漬するステップと、
ホーンによって超音波エネルギを、セラミックである少なくとも前縁の１／８波長の部分に付与して、前記含有される量の溶融金属マトリックス材料中の少なくとも一部分に振動を生じさせ、よって前記溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部を前記複数のファイバに浸透させて浸透された複数のファイバを提供するステップと、
前記含有される量の溶融金属マトリックス材料から前記浸透された複数のファイバを引出すステップと、
を含む方法。
【請求項２８】
前記ホーンの全体がセラミックである請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
連続複合ワイヤが、前記ホーンを交換することなく少なくとも１００時間にわたって作製される請求項２７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響学に関する。さらに詳細には、本発明は、超音波システムおよび高温および／または腐食性の環境などの苛酷な環境において、超音波エネルギを長期間供給するために、セラミックホーンを組込む方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波は、可聴周波数の限界を超える音の振動の影響の科学である。強力な超音波用途の目的は、処理される材料にある程度の物理的な変化を誘発することである。この処理は、面積または体積単位当たりの振動エネルギの流れを必要とする。用途に応じて、結果として生じる出力密度は、１ワット未満から平方センチメートル当たり数千ワットの範囲であってもよい。これに関して、超音波は材料の溶接または切削などの種々の用途に用いられる。
【０００３】
特定の用途に関係なく、超音波装置またはシステム自体は一般に、振動子、ブースタ、導波路およびホーンから構成される。これらの構成部品は、「ホーンスタック」として組合せて呼ばれることが多い。振動子は、電源によって供給される電気エネルギを高い周波数の機械的振動に変換する。ブースタは、振動子からの振動出力を増幅または調整する。導波路は、ブースタからホーンに増幅した振動を伝達し、ホーンの取付けのために適切な面を提供する。特に、導波路構成部品は通常、振動子への熱伝達を低減し、音響学および処理の観点からホーンスタックの性能を最適にするような設計目的のために用いられる。しかし、導波路は、必要な構成部品というわけではなく、常に用いられるわけではない。代わりに、ホーンは、ブースタに直接接続されることが多い。
【０００４】
ホーンは、ホーン材料の波長の２分の１の倍数の長さを通常有する音響ツールであり、機械的振動エネルギを所望の作用点に伝達するようなたとえばアルミニウム、チタンまたは鋼から一般に構成される。ホーンの変位または振幅は、ホーン面のピークからピークへの移動である。ホーン入力振幅に対するホーン出力振幅の比は、「ゲイン」と呼ばれる。ゲインは、振幅入力部および振幅出力部におけるホーンの質量の比の関数である。一般に、ホーンにおいて、ホーンの面における振幅の方向は、作用される機械的振動の方向と一致する。
【０００５】
具体的な用途に応じて、ホーンは、簡素な円筒形、スプール形、鐘形、ブロック形、バー形をはじめとする種々の形状を帯びることができる。さらに、ホーンの前縁部分（または「先端」）は、ホーン本体の残りの部分とは異なるサイズおよび／または形状を備えていてもよい。一定の構成において、ホーンの先端は、交換可能な構成部品であってもよい。本願明細書を通じて用いられるとき、「ホーン」なる語は、一様な形状のホーンのほか、識別可能なホーンの先端を画定するホーン構造も含まれる。最後に、超音波切削および溶接などの一定の用途に関して、さらなるアンビル構成部品が提供される。しかし、これに関係なく、超音波ホーンの構成および材料組成は、比較的標準的である。
【０００６】
大部分の超音波用途では、アルミニウム、チタンおよび鋼から構成される許容されるホーン材料が非常に実用的であり、主な材料の選択基準は所望の操作周波数である。超音波エネルギが作用される材料は室温であり、比較的不活性であるため、ホーンの磨耗は少しでもあるとしても最小である。しかし、一定の他の超音波用途では、磨耗に関係する問題は生じうる。特に、ホーンが厳しい環境（たとえば、腐食性および／または高温）で動作する場合には、許容されるホーン材料は許容可能な結果をもたらすことができない可能性がある。たとえば、超音波エネルギは、作動部品への流体媒体の浸透を達成するために、一般に用いられる。ファイバ補強金属マトリックス複合ワイヤの作製は、そのような一例であり、ファイバのトウが溶融金属（たとえばアルミニウムを基にした溶融金属）に浸漬される。音波が溶融金属内に（その中に浸漬された超音波ホーンによって）導入され、溶融金属をファイバトウに浸透させ、その結果、金属マトリックス複合ワイヤを作製する。溶融アルミニウムは、極度に熱く（７００℃程度）かつ化学的腐食性のあるようなきわめて過酷な環境を表す。厳しい条件下で、チタン製および鋼製のホーンは、急速に劣化する。他の利用可能な金属を基にしたホーン構造は、公称のホーン動作寿命の向上のみを提供する。たとえば、金属マトリックス複合ワイヤ製造業者は、ホーン用に一連のニオブ−モリブデン合金（たとえば、少なくとも４．５％のモリブデン）を一般に用いる。このさらに厳密な材料選択を用いる場合であっても、ニオブを基にしたホーンは、再加工が必要とされる前に、溶融アルミニウムにおいて動作寿命が制限される。さらに、「第１の」寿命の終わり付近で、ニオブ合金製のホーンは、不安定になり、不測の処理問題を生じる可能性がある。加えて、ニオブ−モリブデン合金製のホーンの作製には、正確さが必要であり、長期にわたって費用の嵩む成形、高温加工および最終的な加工作業を行う必要がある。これらをはじめとする他の材料の高い費用に鑑みて、ニオブ（およびその合金）および他の許容されるホーン材料は、過酷な環境の超音波用途では最適ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
超音波装置は、種々の用途に有用に用いられる。しかし、一定の実装例では、超音波ホーンが動作する厳しい環境は、現在のホーン材料を経済的に利用することができなくする。したがって、極端な動作条件下で長期にわたる性能を提供するように成された超音波エネルギシステムおよび特に超音波ホーンが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、超音波エネルギ源に接続されたホーンを具備する振動エネルギを作用するための音響システムに関する。ホーンの少なくとも前縁部は、セラミック材料から構成される。さらに詳細には、ホーンは、全長および波長を画定する。セラミック材料の前縁部は、ホーン波長の少なくとも１／８の長さを有する。一実施形態において、ホーンの全体は、セラミック材料であり、締り嵌めによって導波路などの個別の構成部品に取付けられる。これに関係なく、ホーンの少なくとも前縁部にセラミック材料を用いることによって、本発明の超音波システムは、高温および／または腐食性の流体媒体などの極度な環境で長期間作動することが容易になる。驚いたことに、たとえば、ＳｉＮ4、サイアロン、Ａｌ2Ｏ3、ＳｉＣ、ＴｉＢ2などのセラミックを基にしたホーンは、振動エネルギをきわめて腐食性の高い溶融金属媒体、特に溶融アルミニウムに作用させるときに、実質的に化学反応を生じないことが分かった。
【０００９】
本発明の別の態様は、超音波エネルギを流体媒体に作用させる方法に関し、流体媒体を提供するステップと、超音波エネルギ源を、セラミック材料である１／８波長のホーンの少なくとも前縁に接続するステップと、を含む。ホーンの少なくとも一部は、流体媒体に浸漬される。このために、ホーンは、その浸漬される部分全体がセラミック材料からなるように構成される。最後に、超音波エネルギ源は、ホーンが超音波エネルギを流体媒体に供給するように作動される。一実施形態において、流体媒体は腐食性であり、少なくとも５００℃の温度であり、この方法は、少なくとも１００時間の超音波エネルギ供給に対してホーンを交換しなくて済むことによって特徴付けられる。
【００１０】
本発明のさらに別の態様は、連続複合ワイヤを作製する方法に関する。この方法は、少なくとも６００℃の温度を有する、含有される量の溶融金属マトリックス材料を提供するステップを含む。複数の実質的に連続のファイバを含むトウは、含有される量の溶融金属マトリックス材料に浸漬される。超音波エネルギは、ホーンによって、セラミックである１／８波長の少なくとも前縁に付与される。そのようにして付与された超音波エネルギは、含有される量の溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部に振動を生じ、溶融金属マトリックス材料の少なくとも一部が複数のファイバの中に浸透することができ、浸透された複数のファイバが提供されるようになっている。最後に、浸透された複数のファイバが含有される量の溶融金属マトリックス材料から引出される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】部分がブロック形態で示された本発明による超音波エネルギシステムの分解立体図である。
【図２Ａ】図１の超音波システムの部分の拡大断面図である。
【図２Ｂ】図２Ａの線２Ｂ−２Ｂに沿った部分の断面図である。
【図３】最終的な組立時の図１の超音波ホーンスタックの斜視図である。
【図４】使用中の図１の超音波システムの部分の拡大概略図である。
【図５】本発明による超音波エネルギを用いた複合金属マトリックスワイヤを作製するための装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明による超音波システム１０の一実施形態は、図１に提供される。一般的に言えば、超音波システム１０は、エネルギ源１２（ブロック形態で示される）、超音波またはホーンスタック１４および冷却システム１６を具備する。種々の構成部品に関する詳細は、以下に記載される。しかし、一般的に言えば、ホーンスタック１４は、振動子２０、ブースタ２２、導波路２４およびホーン２６を具備する。ホーン２６の少なくとも一部は、セラミック材料から構成され、エネルギ源１２からの入力によって振動子２０、ブースタ２２および導波路２４によって生成される機械的振動エネルギを供給するようになされる。以下に述べるように、冷却システム１６は、ホーン２６と導波路２４との間の境界を冷却する。この構成では、超音波システム１０および特にホーン２６は、極端な動作環境（たとえば、高温および／または化学的に腐食性）において長期間にわたって超音波エネルギを供給することができる。
【００１３】
超音波システム１０の複数の構成部品は、当業界では周知のタイプである。たとえば、エネルギ源１２、振動子２０およびブースタ２２は一般に、従来の構成部品であり、種々の形態を取ることができる。たとえば、一実施形態において、エネルギ源１２は、高い周波数の電気エネルギを振動子２０に提供するように構成される。振動子２０は、エネルギ源１２からの電気を公称２０ｋＨｚの機械的振動に変換する。したがって、本発明による振動子２０は、圧電型、電気機械型などの任意の利用可能なタイプであってもよい。最後に、ブースタ２２はまた、振動子２０からの振動出力を増幅して、それを導波路２４／ホーン２６に伝達するようになされる当業界では周知のタイプである。これに関して、システム１０は、ブースタ２２とホーン２６との間に導波路２４を具備することができるが、別の実施形態において、ホーン２６は導波路２４が除去されるようにブースタ２２に直に接続される。
【００１４】
上述の構成部品とは異なり、ホーン２６および導波路２４を設ける場所は、周知の超音波システムに関する別個の改良を表す。特に、ホーン２６の大部分および一実施形態においてホーン２６全体は、セラミック材料から形成される。参考のために、ホーン２６は、後縁端部３０および前縁端部３２によって画定される。後縁端部３０は導波路２４に取り付けられるのに対し、前縁端部３２はホーン２６の作用端部を表す。したがって、たとえば、超音波システム１０が超音波エネルギを流体媒体に供給するために用いられる場合には、前縁端部３２は（前縁端部３２に隣接するホーン２６の部分と共に）流体媒体中に浸漬される。これらの意味を念頭に置いて、ホーン２６は、後縁端部３０から前縁端部３２までの長さによって画定され、ホーン材料波長を画定する。ホーン２６のセラミック部分は、前縁端部３２付近から後縁端部３０に向かって延在する長さではこの波長の少なくとも１／８である。言い換えれば、ホーン２６は、ホーン材料波長の少なくとも１／８の長さを有するセラミック製の前縁部３４を画定する。あるいは、セラミック部分の前縁部３４は、ホーン材料波長の１／８より大きい長さ、たとえば、少なくとも１／４波長または１／２波長を備えうる。もっとも好ましい実施形態において、ホーン２６全体はセラミック材料から形成される。これに関係なく、ホーンのセラミック部分は、単なるコーティングまたは小さなヘッドピースではない。それどころか、本発明は、ホーン２６の大部分に沿ってセラミックを利用する。
【００１５】
種々のセラミック材料は、ホーン２６（または前述のようにその前縁部３４）用として許容可能であり、炭化物、窒化物および／または酸化物材料の少なくとも１つを含む。たとえば、ホーン２６のセラミック部分は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、二ホウ化チタン、ジルコニア、炭化ケイ素などであってもよい。さらにいっそう好ましい実施形態において、ホーン２６のセラミック部分は、サイアロン（Ｓｉ6-xＡｌxＯxＮ8-x）などのアルミナ、窒化ケイ素のセラミック複合材である。
【００１６】
ホーン２６は図１には円筒形ロッドのように示されているが、他の形状も利用可能である。たとえば、ホーン２６は、（断面が）矩形または正方形の形状のバー、球形、先細り、両先細りなどであってもよい。ホーン２６の選択された形状は、所期の目的の用途の機能である。
【００１７】
ホーン２６がどのように提供されるかに応じて、導波路２４は、それらの間に結合があってもよく、種々の形態を取ることができる。たとえば、ホーン２６の後縁部３６はセラミック以外の材料（たとえば、チタン、ニオブまたは他の従来のホーン材料）である場合には、ホーン２６が導波路２４に固定される技術であってもよく、導波路２４もまた周知の構成であってもよい。たとえば、ホーン２６の後縁部３６がニオブおよびその合金などの標準的なホーン材料から構成される場合には、導波路２４はチタンおよび／または鋼材料から形成され、ホーン２６はねじ締結具によって導波路２４に取付けられることができる。超音波ホーンにこれまで用いられていなかった別の取付け技術については、以下に記載される。
【００１８】
ホーン２６全体がセラミック材料から形成される一実施形態によれば、機械的な嵌込み取付け技術を用いて、ホーン２６および導波路２４（または導波路２４が含まれない場合にはブースタ２２）を連結することができる。たとえば、図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、導波路２４およびホーン２６は、その間の締り嵌め（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ）を容易にするようになされる。さらに詳細には、導波路２４は、ホーン２６の外寸に対応する寸法を有する内部ボア３８を形成する。したがって、たとえば、ホーン２６が円筒形ロッドとして提供される場合には、ボア３８および後縁端部３０は、その間に適切な締り嵌めを生成するように選択された直径を画定する。これに関して、前述のように、超音波システム１０は、溶融金属などの高温環境（すなわち、少なくとも２００℃、他の実施形態において少なくとも３５０℃、他の実施形態において少なくとも５００℃）において使用するようになされることが好ましい。これらの条件下で、締り嵌めまたは接合嵌めは、セラミックホーン２６が直面しそうな高温で導波路２４に対して緩まないようにしなければならない。一実施形態において、ブースタ２２とホーン２６との間の接続を最適に促進するために、導波路２４は、セラミック以外の材料から形成される。導波路２４およびホーン２６に関して種々の材料を用いることによって、これらの構成部品がきわめて高温に曝されたときに、異なる速度で膨張することを認識されたい。この材料膨張に関連して、ホーン２６が膨張するとき、フープ応力はホーン２６によって導波路２４上に付与されることになる。このことを念頭に置き、一実施形態において、これらの高温用途向けに用いられることが多い材料（ニオブなど）とは対照的に、締り嵌めによって生じるフープ応力がチタンの降伏強さよりはるかに小さいため、導波路２４はチタン材料から形成される。すなわち、ニオブ（およびその合金）は、高温（たとえば、少なくとも５００℃程度）で予測されるフープ応力に耐えることができない。たとえば、超音波システム１０は超音波エネルギを溶融金属媒体に作用させるために用いられる場合には、導波路２４はチタンであることが好ましく、ボア４０（３８）は室温で０．００３インチの締り嵌めを提供するように選択される。
【００１９】
ホーン２６を導波路２４に組立てるための上記の締り嵌め固締式技術は、１つの許容可能な手法に過ぎない。分割固締構成などを含む導波路２４の形成など他の機械的な固締技術をも用いることができる。これに関係なく、他の接合点（たとえば、導波路２４の振動ノード）も許容可能であるが、導波路２４とホーン２６との間の接合点は導波路２４の波腹にあることが好ましい。これに関係なく、導波路２４へのホーン２６の締り嵌め組立技術は、導波路２４の機械加工または調整による、ホーンスタック１４の全体的な波長調整を容易にする。これは、ホーン２６が半波長のホーンとして正確に機械加工される許容される技術とは対照的である。セラミックの機械加工に関連する潜在的な複雑さのために、本発明は、波長調整工程の一部として導波路２４の機械加工を促進する。したがって、ホーン２６は、半波長以外の長さを備えてもよい。このために、ホーンスタック１４を通じて最小の消費エネルギで最適な共鳴（たとえば、２０ｋＨｚ）のために導波路２４／ホーン２６の長さの中間にノードおよび導波路２４／ホーン２６の境界に波腹を維持するために、一般に半波長要件が導波路２４の長さおよびホーン２６の長さには必要であることを認識されたい。
【００２０】
図１に戻ると、一実施形態において、超音波システム１０は、ホーン２６と導波路２４との間の前述の接合点のほか、ホーンスタック１４の他の構成部品の冷却を達成するために、冷却システム１６を具備する。一般的に言えば、冷却システム１６の一実施形態は、囲い板４０、空気源４２および管路４４を具備する。図３をさらに参照すると、囲い板４０はホーンスタック１４を中心にして配置するようなサイズであり、その先端部４６は導波路２４／ホーン２６の接合点に隣接するように位置決めされる。管路４４は、囲い板４０の内部で空気源４２と流体によって接続され、それによって、空気源４２から押し込まれる気流を囲い板４０内部に向ける。一実施形態において、システム１０は、ホーンスタック１４の取り付けのためのブラケット４８をさらに具備する。
【００２１】
図４に最もよく示されているように、たとえば、使用中、ホーン２６の部分（特にセラミック製の前縁部３４の少なくとも一部）は、流体媒体５０内に浸漬される。一定の用途では、流体媒体５０は、約７１０℃の温度の溶融アルミニウムなど、極端に熱くてもよい。これらの条件下で、流体媒体５０からの熱は、導波路２４とホーン２６との間の取付けの安定性に悪影響を及ぼしうる。しかし、一実施形態によれば、冷却システム１６は、潜在的な複雑さを最小限に抑える。特に、囲い板４０は、導波路２４／ホーン２６の接合点を包囲し、囲い板４０と導波路２４／ホーン２６との間の間隙５２を画定する。空気源４２（図１）からの空気は、管路４４（図１）によってこの間隙５２に押し込まれ、囲い板４０から外側に通過する。したがって、押し込まれた気流は、導波路２４／ホーン２６の接合点から熱を逃し、導波路２４、ブースタ２２（図１）および振動子２０（図２）を冷却する。あるいは、他の冷却システム設計を用いてもよい。さらに、流体媒体５０からの熱があまり影響しない場合、および／または導波路２４／ホーン２６組立品が所期の温度で安定である場合には、冷却システム１６を完全に排除することができる。
【００２２】
本発明の超音波システム１０は種々の超音波用途、特に腐食性環境、高温の流体媒体およびその組合せなどの極端な環境を伴う用途ではきわめて有用である。特に、ホーン２６の関連部分、好ましくはホーン２６全体をセラミック材料から形成することによって、ホーン２６は、極端な環境に曝されたときに急激に腐食しない。特に、サイアロン、窒化ケイ素、二ホウ化チタン、炭化ケイ素、酸化アルミニウムなどの選択されたセラミック材料は、高温できわめて安定であり、一般に、溶融アルミニウムなどの酸性の流体に曝されたときに腐食しない。さらに、高温用途に対して、好ましいセラミックホーン２６は、（ニオブおよびニオブ−モリブデン合金などの周知の高温用途のホーン材料に比べて）高温媒体からホーンスタックの残りへの熱伝達特性が低い。したがって、７００℃を越える温度の溶融金属用途の場合には、好ましいセラミックホーン２６は、振動子２０への熱伝達を最小限に抑えることによって、振動子の結晶を損傷する可能性を著しく低減する。ホーン２６が全体的にセラミックである場合には、ホーン２６は周辺温度および高温（たとえば７００℃の範囲）で本質的に一定の剛性特性および密度特性を呈する。
【００２３】
上記のことを念頭に置いて、本発明による超音波システム１０の１つの具体的な用途は、ファイバ補強アルミニウムマトリックス複合ワイヤの作製にある。図５は、本発明による超音波システム１０を用いる金属マトリックス複合ワイヤ作製システムの一実施例を概略的に示す。図５に記載される作製方法は、「キャストスルー（ｃａｓｔ ｔｈｒｏｕｇｈ）」と呼ばれ、インレットダイ６２を通ってトウ６０が排出される真空室６４に運搬される多結晶のα−Ａｌ2Ｏ3ファイバ６０のトウから始まる。次に、トウ６０は、冷まし治具６５を通って溶融形態で金属マトリックス６８を収容する容器６６に運搬される。一般的に言えば、溶融マトリックス金属６８は、少なくとも６００℃、一般には約７００℃の温度のアルミニウムを基にしていてもよい。溶融マトリックス金属６８に浸漬している間に、トウ６０は、超音波システム１０、特に他の方法で溶融金属マトリックス６８に浸漬されるホーン２６によって供給される超音波エネルギを受ける。この場合も、ホーン２６全体がセラミックである好ましい。あるいは、前縁部３４（図１）のみがセラミックである場合には、ホーン２６の浸漬される部分は、セラミック製の前縁部３４（またはその一部）のみからなる。これに関係なく、ホーン２６は、好ましくは２０ｋＨｚで溶融金属マトリックス６８を振動する。そのようにすることで、マトリックス材料は、ファイバトウ６０に完全に浸透することになる。浸透されるファイバトウ６０は、溶融金属マトリックス６８から引出される。本発明のシステム１０が有用である多数の他の金属マトリックス複合ワイヤ作製技術が周知であり、その１つは、たとえば米国特許第６，２４５，４２５号明細書に記載され、その教示は参照によって本願明細書に援用するものとする。
【００２４】
正確な作製技術に関係なく、ニオブホーンを組込んでいる既存の超音波システムとは異なり、本発明の超音波システム１０は、ホーン２６の交換を必要とすることなく、長期の動作期間を提供する。すなわち、溶融金属浸透用途に用いられるニオブホーン（およびニオブ合金）は一般に、腐食のために５０時間未満の作動時間で機能しなくなる。対照的に、本発明による超音波システム１０および特にホーン２６は、驚いたことに、溶融金属中で１００時間を超える作動時間で十分に有用な動作寿命を呈する。作動時間が溶融金属中で２００時間を超える場合もある。
【００２５】
超音波システム１０は、ファイバ補強アルミニウムのマトリックス複合ワイヤの作製に関して用いられることが好ましいと記載されているが、他の音響用途または超音波用途に関しても利点を認識されたい。したがって、本発明は、１つの具体的な音響用途または超音波用途のいずれかに決して限定されるわけではない。
【実施例】
【００２６】
本発明の目的および利点は、以下の実施例によってさらに示される。これらの実施例に列挙された具体的な材料およびその量のほか、他の条件および詳細は、本発明を過度に制限するものと考えるべきではない。
【００２７】
実施例１
超音波ホーンスタックは、長さ約１１．７５インチ、直径１インチの円筒形ロッドのサイアロンホーンを形成することによって作製された。ホーンは、締り嵌めによってチタン導波路に取付けられた。導波路はブースタに取付けられ、ブースタは今度は振動子に取付けられた。適切なエネルギ源は、振動子に電気的に接続された。そのようにして構成された超音波システムは、次に、溶融アルミニウム槽に超音波エネルギを作用させるために動作した。特に、アルミニウム金属は、溶融アルミニウム槽を形成するために、約７０５℃〜７１５℃の範囲の温度まで加熱された。セラミックホーンが溶融アルミニウム槽に部分的に浸漬され、ホーンスタックは、ホーンが約２０ｋＨｚで約６５ワットを送信し、空冷するように動作した。約５０時間の間隔で、ホーンは溶融アルミニウム槽から除去され、酸エッチングされ、侵食に関して目視検査された。さらに、導波路とホーンとの間の接合点の安定性が、検査された。出力および周波数の示度が、腐食特性および接合点の安定性特性とともに、以下の表１に記載される。２００時間の動作後、導波路／ホーンの接合点は依然として、きわめて安定性のままであり、非常に限定されたホーンの侵食または疲労が識別された。したがって、セラミックホーンは、長期間、腐食性の高温環境に対する超音波エネルギの供給に耐えることができた。とりわけ、ホーンおよび導波路／ホーンの接合点の安定性は、２００時間を超えるさらに長い時間の試験において維持されると考えられる。さらに、セラミックホーンのわずかな侵食がホーン材料および特にケイ素の溶融槽への移動を生じるかどうかを決定するために、測定が行われた。実施例１に関して、溶融アルミニウム槽のケイ素含有量は、超音波エネルギを作用する前は、１５３ｐｐｍと測定された。１５０時間後、溶融アルミニウム槽のケイ素含有量が再び検査され、１３５ｐｐｍであることが分かった。したがって、溶融アルミニウム槽のケイ素含有量は、セラミックの超音波ホーンによって悪影響を受けなかった。
【００２８】
【表１】
2011055510.tif 000003
【００２９】
実施例２
金属マトリックス複合ワイヤの作製
複合金属のマトリックスワイヤは、溶融アルミニウムを基にした槽に浸漬されたネックステル（ＮＥＸＴＥＬ）（登録商標）６１０アルミナセラミックファイバ（ミネソタ州セントポールのスリーエム・カンパニー（３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ））から市販されている）のトウを用いて作製され、トウの浸透を達成するために超音波エネルギに曝された。特に、実施例１に記載されたホーンに類似のサイアロンホーンを具備する超音波システムが、図５に概略的に示された技法によって注型の一部として用いられた。処理変数は、アルミニウムマトリックス複合材（ＡＭＣ）を作製するために用いられた変数と類似であり、米国特許第６，３４４，２７０号明細書の実施例１に完全に記載されている。当該特許は本願明細書に参照によって援用されるものとする。本発明のサイアロンホーンは、米国特許第６，３４４，２７０号明細書に記載されたニオブ合金のホーンと置換された。この実施例では、サイアロンホーンは、約２０ｋＨｚの周波数で約６５ワットを送信した。約６，５００フィートのワイヤが１３回の実験工程にわたって作製され、ＡＳＴＭ Ｄ ３３７９−７５（高弾性の単一フィラメント材料の引張強度およびヤング率に関する標準的な試験方法）に準拠した引張試験装置（マサチューセッツ州キャントンのインストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ（Ｃａｎｔｏｎ，ＭＡ））からインストロン（Ｉｎｓｔｒｏｎ）４２０１として市販されている）を用いて引張試験が行われた。実施例２によって作製されたワイヤの引張強度は、ニオブ−合金超音波ホーンを用いて作製された金属マトリックス複合ワイヤに関連する強度と本質的に同一であり、約１．５１ＧＰａの範囲の長手方向の強度を示した。
【００３０】
本発明は好ましい実施形態を参照して記載してきたが、当業者は、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、形態および詳細に変更を加えることができることを認識されたい。
【図１】
2011055510.tif 000004
【図２Ａ】
2011055510.tif 000005
【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年10月19日(2010.10.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギを適用するための音響システムであり、
ホーンが導波路に接続され、導波路がブースタに接続され、ブースタが振動子に接続され、振動子が超音波エネルギ源に接続され、ホーンは超音波エネルギ源の波長の半分でない長さを有し、ホーンの全長がセラミック材料から構成され、ホーンは後縁端部を有する円筒状であり、導波路は円筒形ボアを有し、ホーンの後縁端部は導波路の円筒形ボアに締り嵌め(interference fit)係合し、導波路とホーンの後縁端部との接合点は導波路の振動ノードにある、音響システム。
【請求項２】
超音波エネルギー源に接続されたホーンであって、ホーンは超音波エネルギー源の波長の半分でない長さを有し、ホーンの少なくとも前縁部及び後縁部はセラミック材料からなるホーンを含む、振動エネルギーを適用するための音響システムであって、
ホーンは前縁端部及び後縁端部を有し、超音波エネルギー源は導波路及びブースターから選ばれる取付部材を含み、ホーンの後縁端部は取付部材と締まり嵌め（interference fit）で係合し、取付部材とホーンの後縁端部の接合点はノード以外の位置にあり、ホーンは取付部材にクランプ手段で固定され、ホーンはセラミック製円筒形ロッドであり、取付部材は円筒形ボアを有し、ホーンの後縁端部は円筒形ボア内に受容されて、室温で０．００３インチの締り嵌めを提供することを特徴とする、音響システム。
【請求項３】
取付部材は導波路であって、導波路は、ノードが導波路の中間及びホーンの中間の位置に維持される長さを有することを特徴とする請求項２に記載の音響システム。
【請求項４】
前記ホーンの全体が、セラミック材料である請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記セラミック材料が、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、サイアロン、二ホウ化チタン、ジルコニアまたは炭化ケイ素化から選択される少なくとも１つのセラミックを具備する請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記ホーンが円筒形ロッドである請求項２に記載のシステム。
【請求項７】
前記ホーンが、高温流体媒体に少なくとも部分的に浸漬するのに適合する請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記ホーンが、約２０ｋＨｚの周波数で溶融金属基媒体に超音波エネルギを伝達するのに適合し、少なくとも１００時間の動作寿命によって特徴付けられる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
溶融アルミニウム基媒体に浸漬されるときに、前記ホーンは、少なくとも２００時間の動作寿命によって特徴付けられる請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
取付部材が、チタンを含む導波路であることによって特徴付けられる請求項２に記載のシステム。
【請求項１１】
取付部材が、さらに、
電気エネルギーを超音波振動に変換する振動子と、
振動子とホーンの間にあって、振動の振幅を増加するブースターとを有し、
取付部材が、セラミック以外の材料からなり、ホーンに増幅された振動を伝える導波路であることによって特徴付けられる請求項２に記載のシステム。
【外国語明細書】
2011055510000001.pdf