(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択される波長、周波数および振幅で長手方向へ振動するとともにエネルギーを伝達するための音響ホーンであって、
中空の形状を有するとともに、少なくとも１つの節平面および固有振動数を備え、
外面と、内面と、該内面から該外面まで延びて、前記節平面に接触しない複数の長手方向位置に、該音響ホーンの長さに沿って分散して配置される複数の貫通切欠きとを具備し、
該音響ホーンの長さが、前記貫通切欠きの形状、寸法、個数および位置によって決まるとともに、該音響ホーンの前記固有振動数と同一の固有振動数を有する中実ホーンの長さ未満であること、
を特徴とする音響ホーン。
【請求項２】
前記複数の貫通切欠きが、スロットまたは穴を含む請求項１に記載の音響ホーン。
【請求項３】
一体型ホーンとして形成される請求項１に記載の音響ホーン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、音響ホーンに関する。さらに詳細には、本発明は、スロットまたはオリフィスを備えた音響ホーンに関する。
【０００２】
発明の背景
ホーンは、たとえばアルミニウム、チタンまたは燒結鋼で製作される音響用具であり、構成要素に対し機械的な振動エネルギーを伝達する。ホーンの変位すなわち振幅は、ホーン面のピークトゥピーク移動である。ホーンの入力振幅に対するホーンの出力振幅の比が、ゲインである。ゲインは、ホーンの入力部と出力部との間の質量または体積の比の関数である。一般にホーンにおいて、ホーンの出力面における振幅の方向は、入力端において加えられる機械的振動の方向と合致する。
【０００３】
音響ホーンは、選択される波長、周波数および振幅でエネルギーを伝達する。通常、音響ホーンは、超音波レベルでエネルギーを伝達し、超音波ホーンと呼ばれる。一般に、超音波ホーンは、約２０ｋＨｚの固有周波数を備えるように製作される。ホーンの長さは、使用される材料の２分の１波長の整数倍に等しい。それぞれのホーンは、２分の１波長の整数倍ごとに節平面を有する。（節平面または節線は、振動がゼロ振幅となるホーン上の地点である。）アルミニウム、チタンおよび鋼のような材料の場合には、２０ｋＨｚにおける半波長（λ／２）は、１２．７ｃｍ（５インチ）にほぼ等しい。したがって、ホーンの長さは通常、１２．７ｃｍ（５インチ）、２５．４ｃｍ（１０インチ）または３８．１ｃｍ（１５インチ）である。ホーンの固有周波数（ｆ）と、ホーンの長さ（Ｌ）と、モジュラス（Ｅ）や密度（ρ）などのホーンの材料特性との間の関係は、ホーンをばね質点系に単純化することにより確定される。
【０００４】
ホーンは、簡素な機械加工部品であるように見えるが、正しく機能させるためには、予め定めた周波数範囲内で共振するように設計しなければならない。望ましくない共振が存在する場合には、ホーンは１つ以上の方向で同時に振動し、有害な結果をもたらすであろう。このような要件をすべて満たさない場合は、ホーンを破損したり、コンバータまたは他のシステム構成要素を損傷したりする可能性があり、最適な出力を得ることができない。
【０００５】
ホーンは、超音波周波数において高い比強度および低い損失を備える材料で製作されることが理想的である。チタンは、高強度合金の最も優れた音響特性を備える。さらに高い振幅を必要とする用途のための耐摩耗性を備えるために、チタン製のホーンをカーバイドで表面加工することもできる。熱処理された鋼合金製のホーンは、耐摩耗面を備えるが、さらに高い超音波損失のために、挿入などの低い振幅の用途に対するこれらのホーンの使用には限界がある。アルミニウム製ホーンも使用される。
【０００６】
ホーンの変位振幅は、ホーン面のピークトゥピーク行程を指す。変位振幅０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）を有するホーンは、０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）のピークトゥピーク距離を移動する。ホーン速度は、ホーン面の移動速度である。ロッド形状のホーンがその固有（または共振）周波数で駆動されている場合には、両端はその中心に関して長手方向に広がったり収縮したりすることによって交互にロッドの延長および短縮を行うが、長手方向の移動は中心または節平面では生じない。しかし、節における超音波応力が最大であり、２つの端ではゼロまで減少する。
【０００７】
ロッドの出力部が、その断面積が入力部の断面積より狭くなるように縮小されている場合には、振幅が増大する。たとえば、ホーンの入力部と出力部との間の断面積比が２：１である場合には、０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）の入力部が０．０２５ｃｍ（０．０１０インチ）の出力部となるように２倍に増幅される。
【０００８】
異なるホーン構造は、異なる断面積がどのようにして振幅変換をもたらすかを示す。互いに異なるが一様な断面積を各々に有する２つの部分からなるステップホーンは、所与の入力対出力面積比に対して最も高いゲインを有する。ステップホーンのゲインが最も高いのに対し、比較可能な出力振幅でホーンが使用される場合には、他の構造に比べて（節平面を含む）節領域における応力も最も高い。ステップホーンにおいて、応力は２つの部分の間の半径において最大であり、ホーンが過度の振幅で駆動される場合にはこの領域で材料の破損が最も生じやすい。このようなホーンのきわめて高いゲイン係数（９：１まで）および望ましくない応力特性のために、ステップホーン構造の用途が限定される。
【０００９】
指数ホーンは、きわめて望ましい応力対振幅の相関関係を備えているが、ゲインがきわめて低い。（指数曲線から生じた）この構造の漸次的なテーパは、大きな領域全体に内部応力を分散するため、節領域において低い応力を生じる。金属挿入などの高い力および低い振幅を必要とする用途の場合に、指数ホーンは主に使用される。
【００１０】
カテノイド曲線に従う形状を有するカテノイダルホーンは、ステップホーンおよび指数ホーンの最も優れた特性を兼ね備えている。相当高い振幅が中程度の応力で実現される。指数型およびカテノイダル型のいずれの構造も、ねじ立てされる出力端に関して利用可能であり、これらのホーンに取付けられるさまざまな異なるチップ構成を実現することができる。
【００１１】
バーまたは矩形ホーンはさまざまな構成を備え、面の長さは０．３ｃｍ（０．１２５インチ）〜２．５４ｃｍ（１インチ）またはそれ以上の多岐にわたる。矩形ホーンは、段付きまたは先細り形状を有してもよく、９ｃｍ（３．５インチ）未満のホーンは、本体全体が中実である場合もある。さらに長いホーンは、節平面と交差するスロットを備え、それにより、振動の望ましくない横移動や他のモードをもたらす限界寸法を細分化して横応力を減少させるようになっている。スロット形成の結果として、個別の部材のネットワークが生じ、それら全ては、横移動を減少するとともに望ましくない振動モードを抑制した状態で、長手方向モードで振動する。スロット付きバーホーンは、長さ６０ｃｍ（２４インチ）までのものが製作されている。
【００１２】
円形ホーンは、中空または中実に製作されることができ、直径３０．５ｃｍ（１２インチ）までの寸法で製作されている。直径９ｃｍ（３．５インチ）より大きい円形ホーンも、半径方向応力または交差結合応力を減少させるために、スロット形成を必要とする。
【００１３】
一般にホーン周波数は、断面積と無関係である。このことは、同一材料で製作された異なる断面積を有する２つのホーンがほぼ同一の波長を備えていることを意味する。スロットを有するワイド矩形アキシアルホーンにおいて、スロットは、振動方向に平行に形成される。ブロック矩形ホーンにおいて、スロットは、移動方向に平行な２つの直交方向に形成される。円形断面を備えたホーンにおいては、斜めスロットが形成される。米国特許第４，３１５，１８１号に記載されているように、スロットは、ホーンの入力端の付近から始まり、節平面を交差し、ホーンの出力端の付近で終わる。垂直スロットの目的は、出力端面にて制御下のすなわち一様な振幅を実現するためである。スロットの数および寸法は、溶接面における振幅の一様性を決定する。しかし、スロットのために、ホーンの長さが変化することはなく、半波長は依然として、約１２．７ｃｍ（５インチ）である。
【００１４】
発明の要約
音響ホーンは、選択される波長、周波数および振幅でエネルギーを伝達する。ホーンは、少なくとも１つの節平面および固有振動数を有する。ホーンは、外面と、外面に配置される少なくとも１つの切欠きとを有する。切欠きは、節平面に接触していない表面上の長手方向位置に配置される。ホーンの長さは、形状、寸法、数および切欠きの位置によって決まり、かつ同一の固有振動数を有する中実ホーンの長さ未満である。
【００１５】
切欠きは、スロット、穴および溝のうちの少なくとも１つを有することができる。
【００１６】
ホーンは中空であってもよく、内面を備えていてもよい。切欠きは、内面から外面まで延在する貫通切欠きでもよい。このホーンは、内面にある溝と、溝から延在する複数の貫通穴と備えていてもよい。
【００１７】
ホーンは固有周波数で振動することができ、ホーンの長さは振動の２分の１波長未満であることができる。
【００１８】
切欠きは、ホーンの振動軸線に沿って配置されることができ、振動軸線に対して垂直またはある角度を成すこともでき、一様または無作為に分散配置されることもできる。
【００１９】
詳細な説明
本発明は、ホーンの長さを変更することができる複数の切欠きを有する軸方向振動ホーンである。ホーンの断面領域は、円形、矩形または他のあらゆる幾何学形状または他の形状を有することができる。複数の切欠きは、ホーンから材料を除去すること、ホーンとともに切欠きを形成すること、または他のあらゆる公知方法により形成することができる。これらの切欠きは、ホーンの長さに沿って分散配置されており、矩形や他の形状のスロット、円形、楕円形や他の形状の穴、溝、およびそれらの種々の組合せといった、あらゆる幾何学形状を有することができる。ホーンの全長は、切欠きの数および位置、並びに切欠きの形状および寸法に応じて変更することができる。切欠きは、ホーンの振動軸に沿って配置できる。各切欠きは、ホーンの振動軸線に対して直交または傾斜している。切欠きは、一様または無作為に分散配置できる。
【００２０】
図１は、ホーンの斜視図である。ホーン１０は、入力端１２、出力端１４および外面１６を有する。ホーン１０は、中実の円筒形の全波長ホーンとして示され、それぞれ入力端および出力端から全距離の４分の１の位置に２つの節平面１８ａ，１８ｂを備える。ストレートスロット２０として示される一連の切欠きが、外面１６に形成される。図示のように、いずれのスロット２０も、節平面１８ａ，１８ｂとは交差しない。或いはまた、ホーンは、入力端と出力端との間の半分の距離に１つだけの節平面を備えた半波長ホーンであってもよい。
【００２１】
切欠きの主な目的は、ホーンの長さを変更できるようにすること、具体的に言えば短縮できるようにすることである。切欠きはまた、加工用途において、気体、液体、粉末または固体の材料を通過させることができる。
【００２２】
断面積Ａを有するホーンの特性（区分）長さｌを考えるとする。この長さの軸振動に関する基本固有周波数は、式１に示される。
【数１】
0004417555.tif 000002
ホーンのこの特性長さｌにおけるスロットなどの切欠きは、高さｈおよびスロット断面積Ａslotを備えることができる。Ｒaは、中実部分の断面積に対するスロット部分における断面積の比である。
【数２】
0004417555.tif 000003
Ｒlは、特性長さｌに対するスロット高さｈの比である。
【数３】
0004417555.tif 000004
ばね質点系を仮定し、重要でない高次の項を排除することによって、中実部分とスロット部分との固有周波数との近似関係は、以下のように確定できる。
【数４】
0004417555.tif 000005
これは、任意のスロット部分に関して、固有周波数が、中実部分の固有周波数未満であることを意味している。特性長さをスロットの周期の長さと考えることにする。特性長さがホーンを形成するために反復される場合には、同一の２０ｋＨｚ周波数を有するスロット付きホーンの全長（Ｌslot）と中実ホーンの全長（Ｌsolid）との関係は、
【数５】
0004417555.tif 000006
これは、スロットがホーンの長さに沿って分散配置されている場合に、スロット付きホーンの全長が同一の周波数を有する中実ホーンの全長未満であることを表している。スロットが互いに接近している場合には、中実ホーンに比べて、Ｒlは高く、Ｌslotは低い。
【００２３】
一実施例において、図２に示される正方形ホーン２２は、２．５４ｃｍ×２．５４ｃｍまたは６．４５ｃｍ2（１平方インチ）の断面積を有する。スロット２０は、幅１．２７ｃｍ（０．５インチ）および高さ０．５１ｃｍ（０．２インチ）である。スロット２０は、１．２７ｃｍ（０．５インチ）隔てて分散配置され、特性長さｌは１．２７ｃｍ（０．５インチ）に等しい。中実部分Ａの面積は６．４５ｃｍ2（１平方インチ）であり、スロット部分のホーンの面積Ａslotは１．６１ｃｍ2（０．５平方インチ）である。ＲaおよびＲlの値はそれぞれ、０．５および０．４である。式３を用いると、このスロット付きホーンの長さは、同様に製作される中実ホーンの長さの７４．５％である。全波長ホーンに関しては、中実ホーンが２５．４ｃｍ（１０インチ）の長さである場合には、スロット付きホーンは１８．９ｃｍ（７．４５インチ）しか必要としない。
【００２４】
別の実施例において、図３〜図５に示される中空の円形ホーン２４は、外径２．５４ｃｍ（１インチ）および内径０．７６ｃｍ（０．３インチ）である。このホーンは、外面１６と同心状の内面２６を有する。（この中空ホーンの他の形態は、非円形でかつ非同心状の内面を備えることもできる。）このホーン２４は、ある角度を成すスロット２８を有する。スロット高さは約０．１５ｃｍ（０．０６インチ）であり、それらスロットは０．５９９ｃｍ（０．２３６インチ）の間隔を開けて配置される。スロット２８は、５２°の角度βで形成される。（スロットの各側壁は、他の側壁に対して平行から２６°の角度αだけ離れて配置され、図５に示されるように、中空円筒の内壁から外壁までの幅方向にスロットが増大する。）ＲaおよびＲlの値はそれぞれ、０．２９および０．２５４である。式３を用いると、このスロット付きホーンの長さは、スロットなし中実ホーンの長さの７３％である。中実ホーンの長さが２４．４ｃｍ（９．６インチ）である場合には、スロット付きホーンは１７．８ｃｍ（７．０インチ）である。有限要素法、数値計算モデリング技術から、ホーンの長さを１６．１ｃｍ（６．３５インチ）に決定する。実際のホーンは、長さ１５．６ｃｍ（６．１５インチ）に対し２０ｋＨｚで同調される。
【００２５】
以下の表は、異なるスロット角度に対する上記のホーンの全波長を示している。
【００２６】
【表１】
0004417555.tif 000007
さらに多くの材料がスロットから除除される場合には、ホーンをさらに短縮することができる。また、応力集中を最小限に抑え、ホーンの寿命を延長するために、スロットのコーナーを穴と共に滑らかにすることができる。
【００２７】
この中空円筒形ホーン２４’の変形では、図６に示されるように、複数の穴３２を、振動軸線に対し垂直を成すように形成して、ホーンの長さ方向へ分散配置することができる。穴の直径およびそれらの間隔は、ホーンにおける長さおよびゲインを決定する。有限要素法は、異なる穴径に関して、外径２．２９ｃｍ（０．９インチ）および内径０．７６ｃｍ（０．３インチ）の中空ホーンの全波長を決定するために使用することができる。穴は、０．６０ｃｍ（０．２３６インチ）の距離に配置される。以下の表は幾つかの結果を示している。
【００２８】
【表２】
0004417555.tif 000008
スロット付きホーンに比べてほとんど材料が除去されないため、長さはほとんど変化しない。
【００２９】
図７は、複数の異なるタイプの切欠きを有するホーン３０を示している。スロット２０，２８、穴３２および溝３４が、外面１６に形成される。水平方向の溝３４は、ホーンの長さ方向へ分散配置できる。スロット２０，２８および穴３２の場合のように、溝３４の寸法もホーンの長さを決定する。
【００３０】
図８に示される別の実施形態において、中空ホーン３６は、内面の周囲に完全に延在してホーンの内面２６に沿って形成される周方向溝３８を備えることができる。１つ以上の貫通穴、スロットまたは他の切欠き（穴３２が示されている）は、各溝３８からホーン３６の外面１６までホーンを貫通して延在することができる。別の実施形態において、溝３４をホーンの外面に設けることもできる。
【００３１】
これらの実施形態のすべてにおいて、切欠きは一様に、または不規則に分散配置されることができ、一列にまたは無作為に分散するように配置できる。要約すれば、公知のホーンにおける切欠きは、制御された変位を得、横移動を最小限に抑え、振動の望ましくないモードを抑制するために使用される。本発明は、全長特性を変更するためにホーンの長さに沿って分散配置される切欠きを有する。（周知のホーンはこれを実現していない。）本発明の範囲または精神を逸脱することなく、本発明においてさまざまな変更および修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態によるホーンの斜視図である。
【図２】  本発明の別の実施形態によるホーンの斜視図である。
【図３】  本発明の別の実施形態によるホーンの斜視図である。
【図４】  図３のホーンの側面図である。
【図５】  図３のホーンの別の断面図である。
【図６】  本発明の別の実施形態によるホーンの斜視図である。
【図７】  本発明の別の実施形態によるホーンの斜視図である。
【図８】  本発明の別の実施形態によるホーンの断面図である。
【図１】
0004417555.tif 000009
【図２】
0004417555.tif 000010
【図３】
0004417555.tif 000011
【図４】
0004417555.tif 000012
【図５】
0004417555.tif 000013
【図６】
0004417555.tif 000014
【図７】
0004417555.tif 000015
【図８】
0004417555.tif 000016