(57)【要約】音響で励起したとき、実質的に一様な等方性の膨張・収縮振幅を有する成形された金属部品本体を有する、音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品。音響で励起したとき、一様な等方性の膨張・収縮振幅をもつ部品本体を有する音響エネルギ伝送部品を製造する方法。
2006511336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品であって、
音響で励起したとき、実質的に一様な等方性の膨張・収縮振幅を有する成形された金属部品本体、
を備えることを特徴とする音響エネルギ伝送部品。
【請求項２】
前記膨張・収縮が、少なくとも約９０％の一様性である請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項３】
前記膨張・収縮が、少なくとも約９５％の一様性である請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項４】
約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの最大膨張・収縮振幅と最小膨張・収縮振幅との間の膨張・収縮振幅の差が、前記最大膨張・収縮振幅の約１０％より少ないことを特徴とする請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項５】
約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの最大膨張・収縮振幅が約０．００２インチ（０．００５ｃｍ）と約０．００８インチ（０．２０ｃｍ）との間であり、約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの前記最大膨張・収縮振幅と最小膨張・収縮振幅との間の膨張・収縮振幅の差が、該最大膨張・収縮振幅の約１０％より少ないことを特徴とする請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項６】
前記部品本体が、熱間等方性静圧圧縮成形を含む工程により製造された請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項７】
前記部品本体が、熱間等方性静圧圧縮成形を含む工程により製造された請求項２に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項８】
前記部品本体が、熱間等方性静圧圧縮成形を含む工程により製造された請求項４に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項９】
前記部品本体が、等方的にランダムな方向性グレイン整列を特徴とする微細構造を有する請求項２に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１０】
前記部品本体が、等方的にランダムな方向性グレイン整列を特徴とする微細構造を有する請求項４に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１１】
前記部品本体がチタニウムベースの材料から製造された請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１２】
前記部品本体がチタニウムベースの材料から製造された請求項２に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１３】
前記部品本体がチタニウムベースの材料から製造された請求項４に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１４】
前記部品本体が、金属粉末材料から熱間等方性静圧圧縮成形されて、前記金属粉末の理論密度の約１００％の密度を有する請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１５】
前記部品本体が超音波ブースタである請求項１に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１６】
音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品であって、
等方的にランダムな方向性グレイン整列を特徴とする微細構造を有する成形された金属部品本体、
を備えることを特徴とする音響エネルギ伝送部品。
【請求項１７】
約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの最大膨張・収縮振幅と最小膨張・収縮振幅との間の膨張・収縮振幅の差が、前記最大膨張・収縮振幅の約１０％より少ないことを特徴とする請求項１６に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１８】
約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの最大膨張・収縮振幅が約０．００２インチ（０．００５ｃｍ）と約０．００８インチ（０．２０ｃｍ）との間であり、約１５，０００Ｈｚと約６０，０００Ｈｚとの間の周波数で励起したときの前記最大膨張・収縮振幅と最小膨張・収縮振幅との間の膨張・収縮振幅の差が、該最大膨張・収縮振幅の約１０％より少ないことを特徴とする請求項１６に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項１９】
前記部品本体が、熱間等方性静圧圧縮成形を含む工程により製造された請求項１７に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項２０】
前記部品本体が超音波ブースタである請求項１７に記載の音響エネルギ伝送部品。
【請求項２１】
音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品を製造する方法であって、
金属粉末を機械的にプレスして部品本体の予成形品にし、
前記部品本体の予成形品を熱間等方性静圧圧縮成形して前記金属粉末を強化し、ランダムな等方性方向性グレイン整列を特徴とする一様な等方性微細構造を有する成形された固体金属部品本体を形成して、該部品本体が、音響で励起したとき、一様な等方性の膨張・収縮振幅を有するようにする、
ことからなる方法。
【請求項２２】
前記一様な等方性の膨張・収縮振幅が、励起したときの最大膨張・収縮振幅の約１０％より少ない、前記最大膨張・収縮振幅と最小膨張・収縮振幅との間の膨張・収縮振幅の差を特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記金属粉末がチタニウムベースである請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入力音響エネルギを出力位置まで伝送する、様々な適用例のいずれかのための音響エネルギ伝送部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
音響エネルギ伝送部品は、以下に限定されるものではないが、レーダー、超音波洗浄、導波管、超音波結合、超音波穿孔、及び超音波切断のような広域にわたる用途に用いられている。例としては、超音波ホーン、ブースタ、及びコンバータが、おむつのようなパーソナルケア製品の製造において、２つの熱可塑性材料シートを互いに結合するのに用いられる。別の例は、注入場所に配置するための音響バイオセンサである。別の例では、圧電音響部品が、アラーム音又は電子機器、家庭用電気器具、或いは携帯電話の作動音を生成する圧電ブザー又は圧電レシーバとして用いられる。別の例は、部品を、印刷された回路基板上に音圧補助ウェーブソルダリングするための装置である。別の例は、超音波内視鏡である。
【０００３】
励起により、音響エネルギ伝送部品は周期的に膨張・収縮する。例えば、結合のための超音波ホーンは、２０，０００Ｈｚの周波数で、０．００３インチ（０．００７５ｃｍ）の全振幅だけ膨張・収縮することができる。これは、１秒当たりの移動においては、合計１２０インチ（３００ｃｍ）の移動になる。この移動は、加工物に適用されるエネルギ値に対応する。このエネルギのいくらかは、単純に弾性反作用として戻され、このエネルギのほとんどは熱として放散されて、結合される２つの材料を融着させる。
【０００４】
一般に、音響エネルギ伝送部品は、チタニウム棒材のような鍛造棒材から最終的な部品形状を機械加工することにより製造されている。鍛造は、本質的に、グレインを機械的に変形させて、加工微細構造を生み出す。加工微細構造により変形されたグレイン整列は、該部品が励起されたときに、固有の周期的なバルク膨張・収縮をもたらす。特に、固有膨張・収縮は、直交異方性又は異方性であり、すなわち、すべての方向において一様ではなく、１つ又はそれ以上の方向に優先性を持つ。種々の方向における膨張・収縮は、微細構造におけるグレインの方向性整列により影響を受ける。
【０００５】
鍛造部品が非一様的に膨張・収縮すると、所定の方向における膨張・収縮程度は、該部品に対してグレインがどのように整列しているかによって、わずかに変化する。このように、最大膨張・収縮方向、最小膨張・収縮方向、及び中間膨張・収縮方向がある。この種の非一様な音響反応は望ましくないとすることができる。例えば、結合のための超音波回転式ホーンにおいては、該ホーンは断続的に回転して、いくらかの製品が最大膨張・収縮の回転位置において該ホーンと結合され、他の製品が最小膨張・収縮の回転位置において該ホーンと結合され、その他の製品が中間膨張・収縮の回転位置において該ホーンと結合されることになる。したがって、それぞれの加工物に伝送されるエネルギ量が異なることになり、非一様な結合その他の加工がもたらされることになる。
【０００６】
多くの音響エネルギ伝送部品においては、共振作動周波数は、重要なパラメータである。特に、レーダー、洗浄、又は超音波結合のような所定の用途における効率的な作動には、部品が、所定の既知の周波数で共振することが要求される。例えば、ホーンの共振作動周波数は、該ホーンの外径に大いに依存する。一般的な命題として、部品のサイズが減少すると、多くの適用例においては、共振周波数は増加する。しかし、共振周波数は、さらに、部品の微細構造にも大いに依存するため、同じサイズの鍛造部品のすべてが、同じ共振作動周波数を有するわけではない。さらに、加工微細構造は、一方の鍛造品と別の鍛造品との間におけるグレインサイズ及びグレイン整列の点で大幅に異なるため、同じサイズの鍛造品に対してでさえも、共振作動周波数の点では、一方の鍛造品と別の鍛造品との間においては、これに対応する差がある。したがって、所定のサイズの第１の鍛造品が２０，０００Ｈｚの共振作動周波数を有するように定められたというだけで、同じサイズの第２の鍛造品もまた２０，０００Ｈｚの共振作動周波数を有するということにはならない。このことは、特に、区別できる微細構造を有する区別できるビレットからの鍛造品に当て嵌まる。各々の鍛造品は、別々に、所望の周波数に調整しなければならない。部品を、例えば、２０，０００Ｈｚに調整するための１つの手法は、該部品をわずかにオーバーサイズで生成し、次いで、２０，０００Ｈｚの周波数が得られるまで、この部品を漸進的に小さくなるように機械加工するものであった。
【発明の開示】
【０００７】
上述の困難及び問題に対応して、本発明は、音響で励起したとき、等方性の膨張・収縮特性を有する音響エネルギ伝送部品を提供する。本発明は、さらに、調整の必要性が大幅に減少されるか又は排除される音響エネルギ伝送部品を提供する。
【０００８】
したがって、手短に言えば、本発明は、音響で励起したとき、実質的に一様な等方性の膨張・収縮振幅を有する成形された金属部品本体を備える、音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品に向けられる。
【０００９】
本発明は、さらに、音響エネルギを伝送するための音響エネルギ伝送部品を製造する方法に向けられる。この方法は、金属粉末を機械的にプレスして部品本体の予成形品にし、該部品本体の予成形品を熱間等方性静圧圧縮成形して該金属粉末を強化し、ランダムな等方性方向性グレイン整列を特徴とする一様な等方性微細構造を有する成形された金属部品本体を形成して、該部品本体が、音響で励起したとき、一様な等方性の膨張・収縮振幅を有するようにする。
【００１０】
他の特徴及び利点は、一部は以下で明らかになり、一部は以下で指摘されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、以下に限定されるものではないが、レーダー、超音波洗浄、導波管、超音波結合、超音波穿孔、及び超音波切断のような様々な用途のいずれかのための音響エネルギ伝送部品を提供する。例としては、超音波ホーン、ブースタ、及びコンバータが、おむつのようなパーソナルケア製品の製造において、２つの熱可塑性材料シートを互いに結合するのに用いられる。別の例は、注入場所に配置するための音響バイオセンサである。別の例では、圧電音響部品が、アラーム音又は電子機器、家庭用電気器具、或いは携帯電話の作動音を生成する圧電ブザー又は圧電レシーバとして用いられる。別の例は、部品を、印刷された回路基板上に音圧補助ウェーブソルダリングするための装置である。別の例は、超音波内視鏡である。
【００１２】
１つの例を見ると、本発明の部品は、少なくとも２つの連続的に移動する基体ウェブを互いに結合するためのような超音波回転式ホーンである。該ホーンは、選択された部材を吸収性物品に超音波結合するのに特に有益な組立体全体の部品とすることができる。或いは、ホーン及び組立体は、２つのウェブを互いに結合して複合材料を形成し、次いで、これを例えば、使い捨ておむつのような吸収性物品の部材として用いるのに有益である。
【００１３】
本発明の本実施形態は、好ましくは、少なくとも部分的に熱可塑性ポリマーから作られた２つ又はそれ以上の材料の層を結合するのに特に有益である。特に、超音波回転式ホーン及び組立体は、超音波回転式ホーンを用いて、延伸可能な外側耳部を使い捨ておむつに超音波結合することができる。延伸可能な外側耳部は、着用者のウエスト周りにおけるおむつのフィット性を高める。ホーン及び組立体を用いて、さらに、締結システムをおむつの外側耳部に結合することができる。さらに、ホーン及び組立体を、例えば、トレーニングパンツ、婦人用ケア製品、失禁用衣料、診察着などのような他の種類の物品を製造するために用いてもよいことが容易に理解されるべきである。このような代替的な構成のすべては、本発明の範囲内にあると想定されている。本発明は、さらに、例えば、選択的に材料を穿孔するように、又は、選択的に材料から或る形状を切断するように構成された超音波回転式ホーンとすることができる。
【００１４】
最も単純な形態においては、本発明の超音波回転式ホーンの実施形態は、図１及び図２に概略的に示される。すなわち、ホーン２は、半径方向のエネルギ伝送表面４、第１端部５、第２端部６、及び該第１端部５により表わされる円形断面を有する成形された固体金属ホーン本体とすることができる。端部は、中央軸９の周りに中心を置く同軸の円筒形穴７及び８を有する。一般に、超音波回転式ホーン２は、好適な音響特性及び機械的特性を有するあらゆる金属から作ることができる。好適な金属は、アルミニウム、モネル、チタニウム、及びいくつかの合金鋼を含む。１つの好ましい実施形態においては、金属は、市販の純粋なチタニウム又はチタニウム合金（例えば、Ｔｉ６Ａ１４Ｖ）のようなチタニウムベースの材料とすることができる。超音波回転式ホーン２その他の部品の直径、質量、幅、厚さ、及び構成のような変数は、厳密に重要なものではない。しかしながら、物理的な変数は、超音波ホーンが共振して振動する特定の周波数及び振幅を定める。特に、直径、質量、厚さ、全体の構成などのような、例えば、超音波ホーンのような音響装置の物理的な変数は、該装置が所望のモード、すなわち、特定の周波数及び所望の振幅をもつ所定の条件の組の下で、基本的な共振モードで共振するように選択することができる。例えば、所望の周波数における所望のモードの振動は、物理パラメータを調節することによって得られることが知られており、ゲイン、すなわち、入力振幅に対する出力振幅の比は、物理パラメータを調節することにより調節できることが知られている。
【００１５】
図３は、コンバータ１２、二次ブースタ１４、一次ブースタ１６、及び本発明により形成されたホーン１８を含む多くの積層部品を有する超音波回転式ホーン組立体１０を概略的に示す。コネクタ２０、２２、及び２４は、界面２６、２８、及び３０において種々の積層部品を接続する。一態様においては、これらのコネクタは、同時係属中の同一出願人に譲渡された米国特許出願１０／２８７，３１０号に開示される種類のねじ付きスタッドであり、この開示は、引用によりここに組み入れられる。
【００１６】
一実施形態における超音波回転式ホーン１８は、約１５から約６０ｋＨｚまでの周波数で励起されるように意図されたものとすることができる。このホーンは、約４から約２０センチメートルまでの直径、及び約０．６から約１３センチメートルまでの結合表面における幅を有することができる。回転軸におけるホーンの厚さは、約０．０６から約１５センチメートルまでとすることができる。ホーンは、約０．０６から約３０キログラムまでの範囲の質量を有することができる。ホーンの直径、幅、及び厚さは、該ホーンが所望の周波数で超音波エネルギにより励起されたときに共振するようにされて、励起された端部が、実質的に、励起源の移動と同相で移動し、反対側の端部及び結合表面が、該励起された端部と違相で移動するように選択される。したがって、ホーンを超音波励起に曝すことにより、励起された端部は、該ホーンの内側に向かう方向に移動し、反対側の端部及び結合表面は、ここでも該ホーンの内側に向かう反対方向に移動する。したがって、互いに対するホーンの端部の移動は、位相外れであるといえる。
【００１７】
超音波回転式ホーン組立体１０は、さらに、超音波ホーン１８を超音波により励起させるための駆動機構又はコンバータ１２を含む。所望の励起を与えるどのような機構も本発明に用いることができる。このような機構は、当業者には周知である。例えば、該組立体は、イリノイ州セントチャールズ所在のＤｕｋａｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから商業的に入手可能な駆動機構であるか、又は、コネチカット州ダンベリー所在のＢｒａｎｓｏｎ  Ｓｏｎｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な同様なシステムを含むことができる。典型的には、Ｄｕｋａｎｅ３０００ワット、２０ｋＨｚの発電機（部品番号２０Ａ３００５）のような発電機を、Ｄｕｋａｎｅドライバ組立体（部品番号１１０−３７１６−０００１）のようなドライバ組立体に接続して、必要な超音波励起を与える。Ｄｕｋａｎｅ１：１ブースタ（部品番号１１０−２５１０）及びＤｕｋａｎｅ１．５：１ブースタ（部品番号１１０−２５１２）のようなブースタ１４及び１６のどのような組み合わせも、次いで、ドライバ組立体に取り付けることができる。ブースタは、周波数を増幅させるように機能するか、或いは別の方法により修正する。最後に、超音波ホーンはブースタに取り付けられる。このようにして、発電機、ドライバ組立体、及びブースタの組み合わせが、超音波ホーン１８を超音波により励起させて、基体ウェブを互いに結合すること、基体を穿孔すること、或いは別の方法により所望の工程を行うことに必要な超音波エネルギを運ぶ。
【００１８】
図示される特定の組立体は、さらに、アンビル（図示せず）を含むことができ、ホーンは、加工物を間にして該アンビルと作用することができる。アンビルは、固定アンビルであってもよいし、又は、任意的に、米国特許番号第５，０８７，３２０号、第５，０９６，５３２号、第５，１１０，４０３号、及び第５，５５２，０１３号（すべてが引用により組み込まれる）に記載される回転式超音波ホーンの場合におけるような回転式アンビルロールであってもよい。回転式アンビルロールは、ホーンのエネルギ伝送表面４に隣接して配置された外側周囲アンビル表面を有する。アンビルロールは、その結合表面が、加工物が移動する方向に動くような方向においてアンビル軸の周りを回転するように構成することができる。１つの特定の結合工程においては、基体ウェブは、連続的に、ホーンのエネルギ伝送面とアンビルとの間を移動する。
【００１９】
励起により、音響エネルギ伝送部品は周期的に膨張・収縮し、この膨張・収縮が、ホーンの場合においては、ホーンにより行われる結合その他の機械的工程のための駆動力になる。例えば、ホーンは、１秒当たり約２０，０００サイクルの周波数において、約０．００３インチ（０．００７５ｃｍ）の全振幅だけ膨張・収縮する。これは、１秒当たりの移動においては、合計約１２０インチ（３００ｃｍ）の移動になる。この移動は、ホーンのエネルギ伝送表面とアンビルとの間を移動している加工物に与えられるエネルギ値に対応する。このエネルギのいくらかは、単純に弾性反作用として戻され、このエネルギのほとんどは熱として放散されて、結合されている２つのプラスチック材料を融着させる。ホーン本体の微細構造は、ランダムで、どの方向にも優先的な整列がないことにより等方性であるグレインの方向性整列を特徴とし、ホーン本体は、例えば、約１５と約６０ｋＨｚとの間の作動周波数で励起したときに、すべての半径方向において一様に膨張・収縮する。
【００２０】
本発明のホーンその他の音響エネルギ伝送部品は、等方的に、すなわち、すべての方向において、少なくとも所望の方向に、一様に膨張・収縮することにより、一様な通気モードで作動する。したがって、ホーンの場合においては、これは、その後の加工物に対して一様にエネルギを与える。この一様な膨張・収縮を達成するために、ホーンは、実質的に等方性でランダムなグレイン整列を有する微細構造を有するように準備される。この等方性整列は、特に、図４ないし図７に示される微細構造を検討することにより明らかになる。図４及び図５における微細構造は、異方性のグレイン整列、すなわち、これらの図においては、ほぼ水平方向であるほぼ一方向における実質的なグレイン整列の全体的な概観を示す。これは、鍛造チタニウムのような鍛造材料に示されることがある異方性のグレイン整列を例示する。図６及び図７は、対照的に、本発明による等方性方向性グレイン整列、特に、熱間等方性静圧圧縮成形されたチタニウム粉末整列を示す。特に、大部分のグレインは、一方向に整列していない。各々の方向に整列したグレインの数は、おおよそすべての方向において等しい。一方向に整列した実質的に不釣合いなグレインの構成比はない。一方向において優先的に整列されたグレインはない。グレインの方向性整列は、実質的にランダムである。
【００２１】
これらの特徴を備える微細構造を有する部品本体を用いることにより、部品本体の膨張・伸縮は、実質的に一様に等方性であり、すなわち、例えば、約１５と約６０ｋＨｚの間の周波数で励起したときの膨張・収縮振幅は、すべての方向において実質的に同じであることがわかった。一実施形態においては、あらゆる方向における膨張・収縮の最小振幅は、あらゆる方向における膨張・収縮の最大振幅の少なくとも約８０％であることにより、膨張・収縮は、約８０％の一様性である。別の実施形態においては、膨張・収縮振幅は、少なくとも約９０％の一様性であり、別の実施形態においては、少なくとも約９５％の一様性である。特に、例えば、本発明のホーンの実施形態の半径方向表面全体に沿って測定された膨張・収縮振幅の差は、該半径方向表面上のどの点においても、最大振幅の約１０％より少ない。より詳細には、例えば、最大振幅が、約０．００２インチ（０．００５ｃｍ）と約０．００８インチ（０．０２０ｃｍ）との間の値のＡ最大値である場合には、最大振幅と最小振幅との間の差は、約０．１倍より少ない（Ａ最大値）。
【００２２】
微細構造は、グレイン形状についていえば比較的一様である。例えば、一実施形態においては、グレインの約７０％は、その最も長い点において、その最も広幅な点における幅の少なくとも約６倍の長さを有し、細長い形状である。これは見積りの数であるが、グレイン形状が比較的一様であると考慮されるものを示すのに役立つ。
【００２３】
１つの特定の実施形態においては、所望の微細構造は、粉末治金工程により得ることができ、ここでは、金属粉末を型に充填することにより、該金属粉末が音響エネルギ伝送部品の予成形形状に形成され、次いで、ＨＩＰ強化としても知られる熱間等方性静圧圧縮成形により強化される。この粉末は、市販の純粋なチタニウム又はチタニウム合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）のようなチタニウムベースの材料とすることができる。図８は、ＨＩＰ強化部品の製造に用いることができる種類の高純度チタニウム粉末を示す。
【００２４】
粉末を音響エネルギ伝送装置の予成形型の中に充填した後、予成形品は熱間等方性静圧圧縮成形されて、金属粉末を強化する。熱間等方性静圧圧縮成形工程は、市販品質アルゴンのようなガスを採用して加圧することができる圧力容器を採用して行って、圧力を部品本体の表面積全体にわたり与えることができる。圧力は、採用された高温と組み合わせて、金属の理論密度の少なくとも約９５％、少なくとも約９９％、さらに約１００％の密度までの金属粉末の強化をもたらす。
【００２５】
熱間等方性静圧圧縮成形においては、この工程に用いるのに適した圧力は、例えば、１６ｋｓｉとすることができる。この工程に採用される温度は、約１５００Ｆ（約８１５Ｃ）から約１６００Ｆ（約８７０Ｃ）までの範囲とすることができる。熱間等方性静圧圧縮成形の持続時間は、選択された温度及び圧力によって決まる。一般的な命題として、圧力が１６ｋｓｉであり、温度が約１５００Ｆ（約８１５Ｃ）から約１６００Ｆ（約８７０Ｃ）までの範囲にある場合には、この工程は、一実施形態においては、約１．５時間から約３時間、例えば、２時間の時間期間を採用することができる。熱間等方性静圧圧縮成形ステップの最後においては、部品本体が冷却されて、圧力容器から除去される。
【００２６】
等方性静圧圧縮成形された部品は、次いで、任意的に、最終的な機械加工工程を受けて、所望の形状及び表面特性を付与される。
【００２７】
一方向に優先的なグレイン整列がないこと、しかもグレインの方向性整列が、実質的に等方性でランダムであるという事実は、図９Ａ及び図９Ｂに概略的に示されるように、種々の方向に比較的非一様に拡がる鍛造部品とは異なり、すべての半径方向に比較的一様に拡がる部品を生み出す。図９Ａに示される、このより比較的一様な拡がり特性は、行われている加工の一様性を増加させる。例えば、部品が結合に用いられるホーンである場合には、該ホーンがそのどの回転サイクルにあったとしても、供給されるエネルギがより一様であるため、より一様な結合がもたらされる。
【００２８】
機械的な種類の作業が行われる、特定の物理的な実施形態における本発明の部品には、さらに、大幅に異なる衝撃力の区域がないため、膨張・収縮の一様性は、加工表面上の磨耗及び変形の発生頻度を減少させることができ、維持管理の必要性が減少することを特徴とすることができる。
【００２９】
本発明のさらに別の利点は、部品を調整する必要性を排除するか、又は実質的に減少させることができることである。特に、本発明のＨＩＰ強化微細構造は、鍛造微細構造におけるよりも、部品間でより一貫した共振作動周波数を有することがわかった。したがって、ＨＩＰ強化ホーンその他の特定の構成の直径の部品は、さらにより一貫したものになり、例えば、２０，０００Ｈｚの共振作動周波数を有することが予想される。したがって、２０，０００Ｈｚのホーンその他の部品は、これをオーバーサイズに製造し、適当な周波数が得られるまで、徐々に機械加工してその直径を減少させることなく、単純にこの所定の構成に直接機械加工することによって、より信頼性をもって製造することができる。このことは、ＨＩＰ強化材料が、鍛造品のグレインサイズの分配及びグレイン整列のように、一方の部品と別の部品との間で実質的に異なるということがない、グレインサイズの分配及びグレイン整列を有するという事実によると信じられている。
【００３０】
ＨＩＰ強化は、焼結に付随する密度の犠牲なしで通常の粉末金属焼結の等方性微細構造を生み出し、鍛造の異方性微細構造なしで鍛造密度を達成するため、本発明の部品の製造に特に適していることがわかった。
【００３１】
本発明のさらに別の利点は、鍛造部品に時々存在する、望ましくない作動モードの結合を避けることである。特に、鍛造部品におけるグレインの方向性整列は、励起により、１つより多い潜在的な膨張・収縮モードの結合又は連結をもたらす。特定の作動条件の下では、これらのモードのうちの１つより多いモードが示されて、非一様な膨張・収縮をもたらすことがある。より多い数のモードが結合されるいくつかの場合においては、部品は作動することさえなく、スクラップになることがある。高度な方向性ビレットから鍛造された部品は、例えば、３０％ものスクラップ率を有することがある。対照的に、本発明のＨＩＰ強化部品は、その微細構造が等方性であるために音響設計原理によって設計された１つのモードにおいてのみ作動して、望ましくない１つより多い作動モードとの結合が避けられるようになる。
【００３２】
本発明のさらに別の利点は、各々の連続するＨＩＰ強化部品が本質的には同じ微細構造を有することである。したがって、各々は、本質的には同じ作動モードを有し、これにより、製造工程に予測可能性を与える。対照的に、鍛造品は、一方の鍛造品と別の鍛造品との間に一貫した微細構造をもたないため、作動モード又は一次膨張・収縮特性は、一方の鍛造品と別の鍛造品との間で異なる。
【００３３】
本発明の上記の態様は、以下の例においてさらに示される。
【実施例】
【００３４】
一般にランダムな等方性のグレイン整列をもつＨＩＰ強化微細構造を有する本発明の超音波回転式ホーンが、２０，０００Ｈｚで試験されて、その膨張・収縮振幅における変化、すなわち、これがすべての半径方向において、ほぼ一様にかつ等方的に膨張・収縮するかどうかが判断された。鍛造微細構造を有する超音波回転式ホーンが、比較のために、同様に試験された。各々のホーンは、ホーン、１．５ゲインのＤｕｋａｎｅブースタ（部品１１０−２５１２）及びＤｕｋａｎｅコンバータ（部品１１０−３７１６−００１）を有する回転式ホーン積層組立体に組み立てられた。各々のホーンは活性化されて、約５Ｈｚのプラス又はマイナスに安定するようにされた。振幅センサプローブ（コネチカット州ミドルタウンのＫａｍａｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｃｏｒｐ．部品番号ＫＤ−４２００）を用いて、第１縁に隣接するホーンの変位振幅を測定し、該ホーンが１５度回転する毎に振幅の読み取りが行われるように該ホーンが回転された。縁において周辺部全体が測定された後、測定工程が、縁、及び周辺部全体から約０．２インチ（０．５ｃｍ）離れた平行する位置において、繰り返された。これは、９つの周辺部の平行部分に沿って繰り返されて、付録、及び図１０及び図１１にプロットされたデータが生成された。鍛造ホーンに対する振幅は、約０．００３０９インチ（約０．０７５ｃｍ）の低値から約０．００４３３インチ（約０．０１１ｃｍ）までの高値の範囲に及んだ。高値と低値との間の差は、約０．００１２４インチ（０．００３１ｃｍ）を構成し、これは、０．０４３３インチ（０．１１ｃｍ）の高振幅のおおよそ２８％になる。これらのデータは、さらに、ＨＩＰ強化ホーンの振幅は、約０．００３４９インチ（０．００８９ｃｍ）の低値から約０．００３６１インチ（０．００９１ｃｍ）までの範囲に及ぶことを示す。高値と低値との間の差は、約０．０００１２インチ（０．０００３ｃｍ）を構成し、これは、０．００３６１インチ（０．００９２ｃｍ）の高値の約３％に過ぎない。図１０及び図１１のプロットに示されるように、ＨＩＰ強化ホーンは、より一様な等方性の半径方向の膨張・収縮特性を有した。
【００３５】
本発明の範囲から離れることなく、上述のホーン及びホーン組立体には種々の変更を行うことができるため、上の説明に含まれるすべての内容は、例示的なものであり、制限する意味をもつものではないと解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の音響エネルギ伝送部品の概略平面図である。
【図２】図１の線２−２に沿って取った断面図である。
【図３】本発明の音響エネルギ伝送部品を含む超音波回転式ホーン組立体の概略図である。
【図４】鍛造チタニウム微細構造を示す２００倍の拡大で取られた顕微鏡写真である。
【図５】鍛造チタニウム微細構造を示す２００倍の拡大で取られた顕微鏡写真である。
【図６】ＨＩＰ強化したチタニウム微細構造を示す１００倍の拡大で取られた顕微鏡写真である。
【図７】ＨＩＰ強化したチタニウム微細構造を示す２００倍の拡大で取られた顕微鏡写真である。
【図８】チタニウム粉末を示す顕微鏡写真である。
【図９Ａ】等方性通気条件の下での超音波回転式ホーンと異方性通気条件の下での超音波回転式ホーンとを比較した概略図である。
【図９Ｂ】等方性通気条件の下での超音波回転式ホーンと異方性通気条件の下での超音波回転式ホーンとを比較した概略図である。
【図１０】ＨＩＰ強化されたチタニウム粉末から作られた超音波回転式ホーンの半径方向振幅表面マップである。
【図１１】鍛造チタニウムから作られた超音波回転式ホーンの半径方向振幅表面マップである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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