(57)【要約】超音波エネルギーを作動位置に与えるための超音波ホーン組立体であり、該組立体は、該ホーン組立体の隣接する部材間の境界面に金属溶融ゾーンを含む。超音波ホーン組立体を製造する方法は、この金属溶融ゾーンを形成することを含む。
2006506220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波エネルギーを作動位置に搬送し、前記作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体であって、
少なくとも１つの伝達面を有する第１のスタック部材と、
少なくとも１つの伝達面を有し、前記第１のスタック部材とは異なる第２のスタック部材と、
を備え、
前記第２のスタック部材の前記少なくとも１つの伝達面が、前記第１及び第２のスタック部材の一方から他方に超音波エネルギーを伝達するための境界面において、該第１のスタック部材の前記伝達面に係合するようになっており、
前記第１及び第２のスタック部材を相互に一体的に接続する前記境界面における溶融ゾーンが、該第１のスタック部材と該第２のスタック部材との金属溶融部からなる、
ことを特徴とする超音波ホーン組立体。
【請求項２】
前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で相互に接続させるようになったコネクタを備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項３】
前記境界面において前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で締まり嵌めによって相互に接続させるようになった固体ピンを備えることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項４】
前記第１のスタック部材が超音波ホーンであり、前記第２のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項５】
前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で相互に接続させるようになったコネクタを備えることを特徴とする、請求項４に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項６】
前記境界面において前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で締まり嵌めによって相互に接続させるようになった固体ピンを備えることを特徴とする、請求項４に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項７】
前記第１のスタック部材が第１の超音波エネルギー・ブースターであり、前記第２のスタック部材が第２の超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項８】
前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で相互に接続させるようになったコネクタを備えることを特徴とする、請求項７に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項９】
前記境界面において前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で締まり嵌めによって相互に接続させるようになった固体ピンを備えることを特徴とする、請求項７に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１０】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであり、前記第２のスタック部材が超音波エネルギー・コンバータであることを特徴とする、請求項１に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１１】
前記境界面において前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で締まり嵌めによって相互に接続させるようになった固体ピンを備えることを特徴とする、請求項１０に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１２】
前記溶融ゾーンを通って延び、前記第１及び第２のスタック部材を、それらの伝達面を係合させた状態で相互に接続させるようになったコネクタを備えることを特徴とする、請求項１０に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１３】
超音波エネルギーを作動位置に搬送し、前記作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体であって、
第１のスタック部材と、
前記第１の部材を取付ハウジングに取り付け、該スタック部材を懸架状態に支持するための隔離用リング・シェルと、
を備え、
前記隔離用リング・シェルは、前記第１のスタック部材とは別個のものであり、境界面において該第１のスタック部材に接続され、
前記隔離用リング・シェルと前記第１のスタック部材とを相互に一体的に接続する前記境界面における溶融ゾーンが、該隔離用リング・シェルと該第１のスタック部材との金属溶融部からなる、
ことを特徴とする超音波ホーン組立体。
【請求項１４】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１５】
前記隔離用リング・シェルと前記第１のスタック部材とは、異なる材料から製造されることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１６】
前記第１のスタック部材が、チタンベースの材料から製造され、前記隔離用リング・シェルが、非チタンベースの材料から製造されることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１７】
前記隔離用リング・シェルが、鉄ベースの材料から製造され、前記第１のスタック部材が、非鉄ベースの材料から製造されることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１８】
前記隔離用リング・シェルが、鉄ベースの材料から製造され、前記第１のスタック部材が、チタンベースの材料から製造されることを特徴とする、請求項１３に記載の超音波ホーン組立体。
【請求項１９】
超音波エネルギーを作動位置に搬送し、前記作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与える超音波ホーン組立体を製造するための方法であって、
第１の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面を第２の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面と係合させて、該スタック部材間に境界面を定め、
前記第１の超音波ホーン組立体スタック部材の前記伝達面を前記第２の超音波ホーン組立体スタック部材の前記伝達面と冶金的に溶融させて、該スタック部材間の前記境界面に溶融ゾーンを形成する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
前記冶金的な溶融が熱間等静圧圧縮成形からなることを特徴とする、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・コンバータであり、前記第２のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであり、前記第２のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであり、前記第２のスタック部材が超音波ホーンであることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１のスタック部材が超音波エネルギー・ブースターであり、前記第２のスタック部材が隔離用リング・シェルであることを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
超音波エネルギーを作動位置に搬送し、前記作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与える超音波ホーン組立体を製造するための方法であって、
超音波ホーン組立体の部材を取付ハウジングに取り付け、前記部材を懸架状態に支持するようになった隔離用リング・シェルを、前記隔離用リング・シェルの表面が境界面において該部材の表面に係合するように、前記超音波ホーン組立体の該部材に装着し、
前記隔離用リング・シェルを前記部材に冶金的に溶融させて、前記境界面に溶融ゾーンを形成する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
前記超音波ホーン組立体の部材が超音波エネルギー・ブースターであることを特徴とする、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、別々に形成され、その後相互に溶融される主要スタック部材の１つ又はそれ以上を有する超音波ホーン組立体に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波ホーン組立体は、様々な工業プロセスで超音波エネルギーを分配するのに用いられる。一例として、おむつなどのパーソナルケア製品の製造において、２つの熱可塑性シート材料同士を結合することが挙げられる。これらの組立体は、積み重ねて接続される多数の別個の部材を有する。１つの構成においては、これらの部材は、コンバータ（又はドライバ組立体）として知られる動力励起装置と、ブースターとして知られる振幅変調装置と、加工物と接触するホーンとして知られる超音波エネルギー付与ツールとを含むことができる。
【０００３】
従来、超音波ホーン組立体のスタック部材は、全体にねじ付きの高強度鋼スタッドを用いて互いに接続されてきた。この構成の欠点は、接続されている２つのスタック部材間の境界面において、スタッドのすぐ周りの領域に、高圧中央接触領域が形成される傾向があることである。特に、クランプ力が、スタッドのすぐ周りの領域に集中する。これらの２つの部材同士を保持する境界面におけるクランプ圧は、スタッドから離れた接合面周辺部と比べて、該スタッドのすぐ周りで極めて大きなものとなる。従って、部材同士を保持するクランプ力は、スタッドから離れて周辺部に向かうにつれて、低下する。超音波エネルギーは、時間の経過と共に、及び、ホーン組立体の長時間作動中、この境界面全体にわたって伝達されるので、該境界面におけるクランプ力の変動は、様々な磨耗現象を助長する。特に、接合が不十分な組立体の境界面間に摩擦による腐食及び剥離が発生し、深刻な表面損傷を生じさせる可能性がある。また、部材表面のチタンを、黒く、固く、脆い酸化チタンに変化させる酸化が発生する可能性がある。腐食、剥離、及び酸化によって、部材間のエネルギー伝達効率が低下し、スタック部材間の境界面において該スタック部材を再仕上げするために、定期的な分解が必要となる。さらに、部材間の境界面は、そのいずれかが、熱の発生として現れる部材間のインピーダンス不整合を示すため、全く摩耗が無くても、該境界面を横切るエネルギー伝達の際のエネルギー損失原因である。
【０００４】
ある種の先行実施形態においては、一次ブースターをホーンと一体的に製造させることによって、一次ブースターとホーンとの間の境界面を無くする。この構成の欠点は、一体的なブースター及びホーンは比較的大きな部材であり、その製造には、特に大きく、より複雑な鍛造品からかなりの量の機械切削が必要となることである。さらに、ホーン及びブースターが一体のときは、ブースターの共鳴周波数とホーンの共鳴周波数とを整合させることができない。
【０００５】
組立体を懸架状態に支持するために、超音波ホーン組立体のブースターを取付ハウジングに取り付ける隔離用リング・シェル３６を利用する。１つの先行構成においては、隔離用リング・シェルは、ねじスタッドなどの締結装置を用いてブースターに接続される。シェルとブースターとの間の接続位置で、摩耗が発生する可能性がある。代替的には、隔離用リング・シェルは、ブースターと一体的に鍛造されてきた。しかしながら、これには、かなりの量の機械加工を要する比較的大きく複雑な予備成型品を鍛造することが必要である。隔離用リング・シェルがブースターと同じ金属であることも必要であり、このことによって、隔離用リング・シェルを、ブースター材料と比べて減衰性が優れる材料から製造することが不可能になる。
【発明の開示】
【０００６】
上記の問題点等に対応して、本発明は、スタック部材境界面についての保守整備の要求を減らし、製造時の機械加工の要求を減らし、あらかじめ整合させた共鳴周波数を持つ部材を使用し、スタック部材間でより効率的なエネルギー伝達を有し、整合させた周波数によって全体がより効率的に作動する、超音波ホーン組立体を提供する。
【０００７】
したがって、要約すると、本発明は、超音波エネルギーを作動位置に搬送し、該作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体に向けられる。組立体は、少なくとも１つの伝達面を有する第１のスタック部材と、少なくとも１つの伝達面を有し、該第１のスタック部材とは異なる第２のスタック部材とを備え、該第２のスタック部材は、該少なくとも１つの伝達面が、第１及び第２のスタック部材の一方から他方に超音波エネルギーを伝達するための境界面において、該第１のスタック部材の伝達面に係合するようになっている。第１及び第２のスタック部材を一体的に接続する境界面には、該第１のスタック部材と該第２のスタック部材との金属溶融部からなる溶融ゾーンが存在する。
【０００８】
本発明はまた、第１のスタック部材と、該第１の部材を取付ハウジングに取り付け、該スタック部材を懸架状態に支持するための隔離用リング・シェルとを有しており、該隔離用リング・シェルが、該第１のスタック部材とは別個のものであり、境界面において該第１のスタック部材に接続されることを特徴とする超音波ホーン組立体に向けられる。隔離用リング・シェルと第１のスタック部材とを相互に一体的に接続する境界面には、該隔離用リング・シェルと該第１のスタック部材との金属溶融部からなる溶融ゾーンが存在する。
【０００９】
別の態様においては、本発明は、超音波エネルギーを作動位置に搬送し、該作動位置において超音波エネルギーを少なくとも１つの物品に与えるための超音波ホーン組立体を製造する方法である。この方法は、第１の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面を第２の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面と係合させて、スタック部材間に境界面を定め、該第１の超音波ホーン組立体スタック部材の該伝達面を該第２の超音波ホーン組立体スタック部材の該伝達面と冶金的に溶融させて、スタック部材間の該境界面に溶融ゾーンを形成することを含む。
【００１０】
本発明はまた、超音波ホーン組立体の部材を取付ハウジングに取り付け、該部材を懸架状態に支持するようになった隔離用リング・シェルを、該隔離用リング・シェルの表面が境界面において該部材の表面に係合するように、該超音波ホーン組立体の該部材に装着し、該隔離用リング・シェルを該部材に冶金的に溶融させて、該境界面に溶融ゾーンを形成することを含む、超音波ホーン組立体を製造するための方法に向けられる。
他の目的及び特徴は、一部は明らかであり、一部は以下に示されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、少なくとも２つの連続的に移動する基材ウェブ同士の結合といった、様々な製造工程のいずれかのための超音波ホーン組立体を提供する。この組立体は、特に、回転超音波ホーンを用いて、選択された部材を吸収性物品に超音波結合するのに有用である。代替的に、組立体は、２つのウェブ同士を結合して複合材料を形成し、次いでそれを、例えば使い捨ておむつなどの吸収性物品の部材として用いるのに有用である。
【００１２】
本発明は、少なくとも一部分が熱可塑性ポリマから作られることが好ましい２つ又はそれ以上の材料の層を結合する場合に特に有用である。特に、組立体は、回転超音波ホーンを用いて、伸長可能な外側耳部を使い捨ておむつに超音波結合するのに用いることができる。伸長可能な外側耳部は、着用者のウェスト周りのおむつの適合性を高める。組立体はまた、締結システムをおむつの外側耳部に結合するのに用いることもできる。さらに、組立体は、例えば、トレーニングパンツ、女性用ケア製品、失禁用衣類、病院用ガウンなどといった他の種類の物品の製造に用いることもできる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形態の全てが、本発明の範囲内にあるものと考えられる。本発明は、例えば、材料を選択的に穿孔するか又は材料から選択的に形状を切り取るように構成された回転超音波ホーンに使用することもできる。
【００１３】
図１及び図２は、コンバータ１２と、二次ブースター１４と、一次ブースター１６と、ホーン１８とを含む多数のスタック部材を有する超音波ホーン組立体１０を概略的に示す。代替的に、組立体は、ブースターを無くすか、１つのブースター又は３つ以上のブースターを使用してもよい。コネクタ２０、２２、及び２４が、境界面２６、２８、及び３０において種々のスタック部材を接続する。
【００１４】
一般に、超音波ホーン１８は、適切な音響特性及び機械的特性を有するいずれかの金属から作ることができる。適切な金属は、アルミニウム、モネル、チタン、及びいくつかの合金鋼を含む。一般に、超音波ホーン１８の直径、質量、幅、厚さ、及び形状といった変数は、重要ではない。しかしながら、これらの変数は、超音波ホーンが共鳴し、振動する特定の周波数及び振幅を決定する。
【００１５】
超音波ホーン１８は、約１５ｋＨｚから約６０ｋＨｚまでの周波数で励起されるようにしてある。特定の一実施形態は、２０ｋＨｚで作動するように設計される。ホーンは、例えば、直径を約４センチメートルから約２０センチメートル、結合面における幅を約０．６センチメートルから約１３センチメートルとすることができる。回転軸線におけるホーンの厚さは、約０．０６センチメートルから約１５センチメートルとすることができる。ホーンは、質量を約０．０６キログラムから約３０キログラムまでの範囲とすることができる。ホーンの直径、幅、及び厚さは、該ホーンが、超音波エネルギーによって所望の周波数で励起されると共鳴し、その結果、励起端が励起源の動きと実質的に同位相で動き、反対端及び結合面が該励起端とは実質的に位相がずれて動くように選択される。このように、ホーンが超音波励起を受けると、励起端はホーンの内部方向に動き、一方、反対端及び結合面は、同じく該ホーンの内部方向である反対方向に動く。したがって、ホーンの端部の動きは、互いに対して位相がずれているといえる。超音波エネルギーは、アンビルと協働で作用して加工物を加工するホーンの周辺部のエネルギー伝達面にある作動位置に伝えられる。
【００１６】
超音波ホーン組立体１０は、超音波ホーン１８を超音波励起する駆動機構すなわちコンバータ１２も含む。所望の励起を与えるいずれかの機構を、本発明に用いることができる。このような機構は、当業者によく知られている。例えば、組立体は、イリノイ州Ｓｔ．Ｃｈａｒｌｅｓ所在のＤｕｋａｎｅ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販される駆動機構、又は、コネチカット州Ｄａｎｂｕｒｙ所在のＢｒａｎｓｏｎ  Ｓｏｎｉｃ  Ｐｏｗｅｒ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な同様のシステムを含むことができる。典型的には、Ｄｕｋａｎｅの３０００ワット、２０ＫＨｚの発生器（部品Ｎｏ．２０Ａ３００５）などの発生器を、Ｄｕｋａｎｅのドライバ組立体（部品Ｎｏ．１１０−３７１６−０００１）などのドライバ組立体に接続して、必要な超音波励起を与える。次に、Ｄｕｋａｎｅの１：１ブースター（部品Ｎｏ．１１０−２５１０）及びＤｕｋａｎｅの１．５：１ブースタ（部品Ｎｏ．１１０−２５１２）といった、ブースター１４及び１６のいずれかの組み合わせを、ドライバ組立体に取り付けることができる。最後に、回転超音波ホーンをブースターに取り付ける。このようにして、発生器、ドライバ組立体、及びブースターの組み合わせは、超音波ホーン１８を超音波励起し、それにより、基材ウェブ同士を結合するか、基材を穿孔するか、又は別の方法で所望の作業を行うのに必要な超音波エネルギーを与える。
【００１７】
部材は、エネルギーを伝達するための伝達面を含む。伝達面は、部材の端部における面であって、超音波エネルギーを隣接する部材に伝える面である。例えば、ホーン１８は、境界面３０でブースター１６の伝達面に係合する、該境界面３０における伝達面を有する。超音波エネルギーは、これらの伝達面を横切ってブースターからホーンに伝えられる。
【００１８】
組立体は、ホーンとの間に加工物を持ち、該ホーンと共に作用するアンビル（図示せず）も含む。アンビルは、静止アンビルとするか、又は必要に応じて、（全てが引用によりここに組み入れられる）米国特許第５，０８７，３２０号、第５，０９６，５３２号、第５，１１０，４０３号、及び第５，５５２，０１３号に記載される回転超音波ホーンの場合のような回転アンビルロールとすることができる。回転アンビルロールは、ホーン１８のエネルギー伝達面に隣接して配置される外周部アンビル面を有する。アンビルロールは、加工物が移動する方向に結合面が動くような向きで、アンビル軸の周りを回転するように構成される。１つの特定の結合動作においては、基材ウェブが、ホーンのエネルギー伝達面とアンビルとの間を連続的に動く。
【００１９】
エネルギーを与えると超音波ホーンは周期的に伸縮し、その伸縮が、ホーンによって行われる結合又は他の機械的動作についての駆動力である。例えば、ホーンは、毎秒２０，０００サイクルの周波数において、全振幅０．００３インチ（０．００７５ｃｍ）で伸縮する。これは、１秒当たりの運動の合計が１２０インチ（３００ｃｍ）ということである。この運動は、ホーンのエネルギー伝達面とアンビルとの間を移動する加工物に加えられるエネルギー値に相当する。エネルギーの一部は弾性反応として単に戻され、エネルギーの一部は、処理過程にある２つの可塑性材料を加熱又は溶融する熱として消費される。
【００２０】
本発明は、連結された部材を有する他のあらゆる種類の超音波装置に適用される。本発明が適用される１つのこうした代替的な超音波組立体は、プランジ式超音波システムである。この種類のシステムにおいては、作業面を持つ静止アンビルと、それに対向する超音波ホーンの作業面とが存在する。超音波エネルギーは、アンビルの作業面により定められる平面に垂直な方向にホーンによって伝達され、それにより、ホーンの作業面を該アンビルの作業面の近くで震動させる。結合されるか、穿孔されるか、又は他の方法で加工される加工物は、それぞれの作業面の間に位置決めされる。
【００２１】
図１及び図２の境界面２６は、コンバータ１２のエネルギー伝達面が、二次ブースター１４のエネルギー伝達面に係合する位置である。境界面２８は、二次ブースター１４のエネルギー伝達面が、一次ブースター１６のエネルギー伝達面に係合する位置である。境界面３０は、一次ブースター１６のエネルギー伝達面が、ホーン１８のエネルギー伝達面に係合する位置である。
【００２２】
伝達面は、１００万分の２インチ以内まで平坦になるようにラップ仕上げされ、組み立て前にアセトンで完全に洗浄される。それぞれの部材間のコネクタを利用して、伝達面を位置合わせさせ、溶融作業に先立って互いに密着させることができる。特にコネクタに関して、例えばコネクタ２２は、一実施形態においては、部材との間で締まり嵌めになるように、間隙が０．００１インチ以下の固体ピンとすることができる。別の実施形態においては、コネクタは、境界面を通る部分的に又は全体にねじ付きのスタッドとすることができる。ねじスタッドは、ねじ山がより大きな表面積に相当し、したがって不完全な溶融又は他の不具合が生じる可能性が高まるため、あまり好ましくない。さらに、以下に全体が説明されるように接合が溶融によって行われるので、ねじ山がもたらすクランプ力は不要であり、したがって、スタッドにねじを切り、部材内にねじ穴を切ることに関する余計な機械加工の労力及び費用を回避することができる。いずれの種類のコネクタも、チタンベースの材料、市販の純チタン、又はチタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）といった、スタック部材と同じ合金から形成することができる。
【００２３】
本発明は、それぞれの部材の境界面における該部材の金属溶融部からなる溶融ゾーンを利用する。この溶融ゾーンは、部材を互いに一体化させ、それによって伝達境界面における部材間のエネルギー損失を無くす働きをするため、それぞれの部材間のより効率的な超音波エネルギー伝達を促進する。さらに、溶融ゾーンにより、定期的に分解してそれぞれの伝達面の磨耗及び酸化物を除去する必要が無くなる。
【００２４】
溶融ゾーンは、エネルギー伝達面間の金属溶融によって境界面に形成される。好ましい一実施形態においては、これらの溶融ゾーンは、熱間等静圧圧縮成形によって形成される。それぞれの部材は、上述のように、コネクタを用いて互いに機械的に接続され、次いで、係合状態の伝達面を持つ部材に熱間等静圧圧縮成形が施される。これは、組立体全体に対する一度の圧縮作業で達成される。
【００２５】
熱間等静圧圧縮成形作業は、組立体の表面積全体にわたって等しく圧力をかける業務用品質の気体、例えばアルゴンを利用して加圧することが可能な圧力容器を用いて実行することができる。この圧力は、高温と併せて用いることで、境界面全体にわたって１００％の融着を生じさせ、１００％の理論密度に近い境界面密度になるように該境界面を完全に一体化させる。この作業範囲で用いるための適切な圧力は、例えば約１６ｋｓｉとすることができる。この作業で用いられる温度は、約１５００Ｆ（約８１５Ｃ）から約１６００Ｆ（約８７０Ｃ）までの範囲とすることができる。熱間等静圧圧縮成形ステップの継続時間は、選択された温度及び圧力によって決まる。一般的な提案として、一実施形態においては、圧力が１６ｋｓｉであり、かつ、温度が約１５００Ｆ（約８１５Ｃ）から約１６００Ｆ（約８７０Ｃ）までの範囲であるときには、処理の時間間隔として、約１．５時間から約３時間、例えば２時間を採用することができる。熱間等静圧圧縮成形ステップの最後に、組立体を冷却し、圧力容器から取り出す。
【００２６】
熱間等静圧圧縮成形ステップの際、伝達面の間には、高強度で均一な金属拡散結合が形成される。したがって、本発明は、第１の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面を第２の超音波ホーン組立体スタック部材の伝達面と係合させて、スタック部材間に境界面を定め、これらの伝達面を冶金的に溶融させて、スタック部材間の該境界面に溶融ゾーンを形成することに関する製造方法を含む。結果として形成される金属溶融部は、部材間にはっきりと分かるように境界線を示すのではなく、むしろ一体的な組立体の粒状組織特性の一様な変態として特徴付けられる。一実施形態においては、溶融ゾーンは、全溶融ゾーン幅が約０．００２インチ（０．００５センチメートル）から約０．０１インチ（０．０２５センチメートル）までの場合に、各々の部材内に０．００１インチ（０．００２５センチメートル）のオーダーから千分の数インチのオーダーまで、例えば各々の部材内に０．００５インチ（０．００７５センチメートル）伸びることがある。他の実施形態においては、溶融ゾーンをより広くするか、又はより狭くしてもよい。
【００２７】
熱間等静圧圧縮成形などの溶融手順で接続される部材を準備するために、まず、境界面の継ぎ目に予備的なシール作業を施して伝達面をより密着させ、熱間等静圧圧縮成形の際に該境界面を外気又は雰囲気からシールすることが望ましいが、必須ではない。一実施形態においては、これは、部材の境界面において部材間からあらゆる残気を除去する真空処理と、それに続く、境界面２６、２８、３０、及び３８の露出した外面に沿って細線状の境界面をシールする電子ビーム溶接とを含む、金属接合技術の分野で汎用的な電子ビーム溶接によって行われる。真空状態の下でこの境界面をシールすることによって、いかなる空気及び雰囲気も、次に続く熱間等静圧圧縮成形による溶融を妨げないようにする。
【００２８】
これまでは、一次ブースターとホーンとの間の保守整備の必要性及びエネルギー損失を無くすための一手法は、これらの２つの部材を、一度の製造工程で一体的に製造することであった。このためには、比較的大きな予備成形品と、過剰な機械加工とが必要であった。本発明のブースターとホーンとの間の一体的な溶融結合を用いる場合、一次ブースターは、ホーンの製造とは別に製造できることが好ましい。この点から、本発明は、互いに別個の、すなわち別々に製造されるスタック部材を利用する。このことが、ブースターとホーンとが一緒に製造される場合と比べると、エネルギー伝達効率を犠牲にする必要も、組立体全体にブースターとホーンとの境界面における定期的な保守整備を施すこともなく、必要な予備成形品のサイズを小さくし、機械加工を減少させる。さらに、ブースターをホーンに取り付ける前に、該ブースターの共鳴周波数を厳密に調整して、該ホーンの共鳴周波数に整合させることができる。この事前の整合によって、連続する部材が一致して共鳴するため、エネルギー伝達効率及び超音波エネルギー出力容量が向上する。この調整は、ブースターを最初は所望の長さより長くなるように形成し、次いで、ブースターの共鳴周波数がホーンの共鳴周波数と整合するまで、出力端から材料を機械切削することによって行うことができる。
【００２９】
組立体を懸架状態に支持するために、ブースターを取付ハウジング（図示せず）に取り付ける隔離用リング・シェル３６を利用する。ブースターを互いに接続し、一次ブースターをホーンに接続し、コンバータを二次ブースターに接続する上述の方法とほぼ同じ方法で、隔離用リング・シェルをブースターに接続することができる。必要に応じて接続ピンを用いることができるが、接続ピンは、ブースターを取り囲むリングが該ブースターを所定の位置に保持するために必要とされ、したがって、接続ピンは無くてもよい。特に、隔離用リング・シェルは、ブースターと位置合わせして該ブースターに圧着し、次いで、前述の条件の下で熱間等静圧圧縮成形などの融着を施すことができる。一体的に接続するこうした手段の大きな利点は、この手段によって、ブースターの製造とは別に隔離用リングを製造できることである。このことが、部材を形成するのに必要な予備成形品のサイズを大幅に小さくし、機械加工をより少なくし、除去された高価な金属の廃棄をより少なくすることにつながる。このことにより、リング・シェルの幾何学的形状に、より大きな自由度を持たせることができる。
【００３０】
ブースターの形成とは別に隔離用リング・シェルを形成することによって、該隔離用リング・シェルを、超音波をより減衰する異なる材料から製造することも可能になる。例えば、ブースターは、市販の純チタン又はチタン合金（例えば、Ｔｉ６Ａｌ４Ｖ）などのチタンベース材料といった非鉄をベースにした材料から製造し、隔離用リングは、軟鋼又はダクタイル鋳鉄などの鉄ベース材料といった非チタンをベースにした材料から製造することができる。例えば、好ましい実施形態においては、ブースターをＴｉ６Ａｌ４Ｖから形成する一方、隔離用リング・シェルを軟鋼又はダクタイル鋳鉄から形成することができる。減衰の特性は、振動音響エネルギーとして伝達するのではなく、音響エネルギーを熱として消失させることに関する、材料が持つ特性である。このことによって、リングがチタンの場合と比べて、ブースターと取付装置との間を隔離する一層の音響的分離がもたらされるという利点がある。
【００３１】
本発明の前述の特徴は、境界面における余分な熱の発生を無くし、ホーン出力振幅の僅かな増加に対応すると思われる。接合が不十分な組立体の境界面間における摩擦による深刻な表面損傷現象である腐食及び剥離は、この構成によって無くなる。酸化、すなわち、部材表面のチタンを、エネルギー伝達を妨げる黒く、固く、脆い酸化チタンに変化させる高温現象も無くなる。
本発明の範囲から逸脱することなく、上述のホーン組立体において様々な変更を行うことが可能であるため、上の説明に含まれるすべての事項は例示的なものであり、制限的な意味で解釈されるものではないことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の超音波ホーン組立体の概略図である。
【図２】図１の超音波ホーン組立体の部分断面概略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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