(57)【要約】超音波回転ホーン（１０）は、軸方向音響エネルギーを径方向音響エネルギー内に変換するためのテーパーが付き入力セクションを有していて、第１の軸方向音響エネルギーを受けるための第１の径方向溶接セクションと第１の軸方向入力セクションとを有する第１のハーフ（２８）を備えていて、さらに、第１のハーフに結合された第２のハーフ（３０）を備えている。第２のハーフは、第２の軸方向音響エネルギー（３２）を受けるための第２の径方向溶接セクションと第２の軸方向入力セクションとを有している。各ハーフは、ハーフが、第１と第２の軸方向音響エネルギーの一部分を径方向音響エネルギー内に変換するように、ホーンの軸線（２４）に関して内側の角度を形成する内側テーパー面（１８）と、軸線に関して外側の角度を形成する外側テーパー面（２０）とによって画定されたコーンセクションを有している。
2004529002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波回転ホーンであって：
第１の径方向溶接セクションと；および
第１の軸方向音響エネルギーを受けるために第１の径方向溶接セクションに操作的に結合された第１の軸方向入力セクションと；
を備えていて、前記第１の軸方向入力セクションは、第１の軸方向入力セクションと第１の径方向溶接セクションとが、第１の軸方向音響エネルギーの一部分を径方向音響エネルギー内に変換するように、第１のコーンセクションを備えていて、径方向音響エネルギーは、第１の軸方向音響エネルギーと位相が合わされている超音波回転ホーン。
【請求項２】
第１のコーンセクションは、
ホーンの軸線に関して内側の角度を形成する内側テーパー面と；
ホーンの軸線に関して外側の角度を形成する外側テーパー面と；
をさらに備えた請求項１記載の回転ホーン。
【請求項３】
内側の角度は、外側の角度と異なっている請求項２記載の回転ホーン。
【請求項４】
内側の角度はほぼ１２．５度であり、外側の角度はほぼ１０度である請求項３記載の回転ホーン。
【請求項５】
第１の軸方向入力セクションは、第１の軸方向音響エネルギーを受けるために第１のコーンセクションに操作的に結合された第１の真っ直ぐなセクションをさらに備えた請求項１記載の回転ホーン。
【請求項６】
第１の径方向溶接セクションと第１の軸方向入力セクションとは、回転ホーンの第１のハーフを画定し、回転ホーンは、第２の軸方向音響エネルギーの一部分を径方向音響エネルギー内に変換するために第１のハーフに結合された第２のハーフをさらに備えていて、第１のハーフは第２のハーフと同一である請求項１記載の回転ホーン。
【請求項７】
径方向音響エネルギーは、第２の軸方向音響エネルギーと位相が合わされている請求項６記載の回転ホーン。
【請求項８】
径方向溶接セクションは、組み合わされたほぼ５インチの径方向溶接領域長さを有している請求項６記載の回転ホーン。
【請求項９】
径方向音響エネルギーは、ほぼ１０ｋＨｚからほぼ６０ｋＨｚの範囲の周波数を有している請求項６記載の回転ホーン。
【請求項１０】
径方向音響エネルギーは、ほぼ２０ｋＨｚの周波数を有している請求項９記載の回転ホーン。
【請求項１１】
径方向溶接セクションは、径方向溶接セクションが予め定められた振幅均一性を有するように同調切断を画定する複数の同調面を有している請求項６記載の回転ホーン。
【請求項１２】
超音波回転ホーンであって：
第１の軸方向音響エネルギーを受けるための第１の径方向溶接セクションと第１の軸方向入力セクションとを有する第１のハーフと；および
第１のハーフに結合された第２のハーフとを備えていて、第２のハーフは第２の軸方向音響エネルギーを受けるための第２の径方向溶接セクションと第２の軸方向入力セクションとを有していて；
前記各ハーフは、ハーフが、第１の軸方向音響エネルギーと第２の軸方向音響エネルギーとの一部分を径方向音響エネルギー内に変換するコーンセクションを有している超音波回転ホーン。
【請求項１３】
各コーンセクションは：
ホーンの軸線に関して内側の角度を形成する内側テーパー面と；
ホーンの軸線に関して外側の角度を形成する外側テーパー面と；
を備えた請求項１２記載の回転ホーン。
【請求項１４】
各内側の角度は、対応する各外側の角度と異なっている請求項１２記載の回転ホーン。
【請求項１５】
各内側の角度は、ほぼ１２．５度であり、各外側の角度はほぼ１０度である請求項１４記載の回転ホーン。
【請求項１６】
径方向溶接セクションは、組み合わされたほぼ５インチの径方向溶接領域長さを有している請求項１２記載の回転ホーン。
【請求項１７】
径方向音響エネルギーは、ほぼ１０ｋＨｚからほぼ６０ｋＨｚの範囲の周波数を有している請求項１２記載の回転ホーン。
【請求項１８】
径方向音響エネルギーはほぼ２０ｋＨｚの周波数を有している請求項１７記載の回転ホーン。
【請求項１９】
径方向溶接セクションは、径方向溶接セクションが予め定められた振幅均一性を有するように同調切断を画定する複数の同調面を有している請求項１２記載の回転ホーン。
【請求項２０】
溶接圧力と前記溶接セクションへの音響エネルギーの伝達とが増加されるように前記ホーンを据え付けるための手段をさらに備えた請求項１２記載の回転ホーン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
技術分野
本発明は、一般的に超音波溶接に関する。本発明は特に、軸方向音響エネルギー（ａｘｉａｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ）を径方向（ｒａｄｉａｌ）音響エネルギー内に変換するテーパーが付けられた軸方向入力セクション（ｉｎｐｕｔ ｓｅｃｔｉｏｎ）を有する超音波回転ホーン（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｒｏｔａｒｙ ｈｏｒｎ）に関する。
【０００２】
背景
音響溶接（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ）、特に超音波溶接は、多くの産業においてますます一般的になってきた。例えば、織物および個人的生産産業における事業は、超音波的に溶接されたおむつ（ｄｉａｐｅｒ）、衣類などのような製品をしばしば製造する。超音波溶接工具は、超音波周波数範囲下において（すなわち２０ｋＨｚかまたはそれ以上において）音響エネルギーの原理の下で操作する。ホーンは、出力（ｏｕｔｐｕｔ）音響エネルギーをさらに生産するために適用された音響エネルギーに応じて振動する。出力音響エネルギーは、部品の近傍にホーンを配置することによって結合された材料（代表的には熱可塑物）に適用される。振動エネルギーは、部品を通って進行し、部品間の境界面で熱に変換される。この変換は、部品を一体に融解しまた溶解する分子間摩擦によるものである。
【０００３】
多くのホーン構造が開発されてきたが、高品質で高速の超音波溶接を達成する良い方法は、回転するアンビル（ａｎｖｉｌ）を有する回転ホーンを使用することであることがよく知られている。入力音響エネルギーは軸方向にあり、出力音響エネルギーは径方向にある。ホーンとアンビルとは、本質的に互いに近接して配置された２つのシリンダーであって、等しいかまたは等しくない接線速度を有して反対方向へ回転する。接合されるべき部品は、これらのシリンダーの接線速度に通常一致する線形速度で、これらのシリンダー面の間を通過する。回転ホーンと部品の線形速度を有するアンビルとの接線速度の一致は、ホーンと部品との間の障害（ｄｒａｇ）を最小にできる。
【０００４】
回転ホーンはそれゆえ、一般に少なくとも軸方向入力セクション（ａｘｉａｌ ｉｎｐｕｔ ｓｅｃｔｉｏｎ）と径方向溶接セクション（ｒａｄｉａｌ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）とで作られる。入力セクションは、軸方向音響エネルギーを受けるけれども、溶接セクションは変換された径方向音響エネルギーを目標の部品に適用する。上述した従来の回転ホーンは幾つかの応用には受け入れ可能であるけれども、ある重要な困難性が残っている。１つの困難性は、高いレベルの振幅均一性（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙ）を得るための要望に関する。振幅均一性は、同一の量の溶接エネルギーを受ける溶接のパーセントの測定（ｍｅａｓｕｒｅ）に効果的である。特に、振幅均一性は、与えられた入力励起用に、溶接セクションの外側面（すなわち、溶接「面（ｆａｃｅ）」）の最大移動を測定することによって決定される。同一励起（ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）用の最小移動は同様に測定され、また、最大移動に対する最小移動の比は、振幅均一性を表わす。このように、１００パーセントに近づく振幅均一性を有する回転ホーンは、その全体的溶接面にわたって非常に均一な出力音響エネルギーを作り出すであろう。高度な振幅均一性は、より予知可能な溶接と、最終的により低い製造コストをもたらす。
【０００５】
幾つかの従来の回転ホーンは、固体（ｓｏｌｉｄ）の入力セクションを有し、またノード（ｎｏｄｅ）のような点を有する。従来のすべての回転ホーンは、ポアソン比効果（Ｐｏｉｓｓｏｎ ｒａｔｉｏ ｅｆｆｅｃｔ）によって軸方向音響エネルギーを径方向音響エネルギー内に変換し、多くの頂部および底部同調切断（ｔｕｎｉｎｇ ｃｕｔ）は、溶接セクション外で戦略的に機械加工された。同調切断は、従来の回転ホーンが受け入れ可能な均一的レベル（８５パーセントまたはそれ以上のレベル）を達成することを可能にするけれども、この均一的なレベルはコストをもたらす。特に同調切断の機械加工はしばしば非常に複雑で、また、付加的な工具加工と労力を必要とする。
【０００６】
従来の回転ホーンに関連する他の困難性は、溶接領域の長さに関する。本質的に、溶接領域長さは、回転ホーンの与えられた経路において溶接できる製品の量の限度（ｍｅａｓｕｒｅ）である。このように、より長い溶接領域長さは、一定時間当りより多い製品処理量を可能にし、収益性を増加する。溶接領域長さを増加するために、溶接セクションの溶接領域長さを増加することが一般的に必要である。従来の多くの回転ホーンは、ほぼ２．５インチに限定された溶接領域長さを有している。そのようなホーンをほぼ５インチの溶接領域長さを必要とする応用に使用することは、それゆえ、２倍の溶接時間と労力を必要とする。したがって、５インチまたはそれ以上の径方向溶接領域長さを維持しながら、８５パーセントの最低振幅均一性を有する回転ホーンを提供することが望ましい。
【０００７】
従来の音響回転ホーンに関連するさらに他の困難性は、ホーンの駆動と据え付け（ｍｏｕｎｔｉｎｇ）に関する。例えば、多くの従来のホーンは，軸方向音響エネルギーを受けるための単一の入力セクションを有している。この単一の入力セクションは、軸方向音響エネルギーを有するホーンを駆動するための唯一の機構として役立ち、また、半波応用へのホーンの全体的有用性を制限する。さらに、ホーンは、溶接領域の一側に据え付けられていなければなければならない。この方法で設置された場合、ホーンは、片持ち梁ビームと同様な方法で配置される。従来の単一設置構造は、偏りが極端になる前に、また、不均一な溶接を引き起こす前に、１５０ポンドまたはそれ以下の溶接力を作り出すと評価されてきた。その結果はしばしば比較的低い溶接圧力となり、ついで、目標部品により少ない超音波エネルギーが与えられる結果となる。溶接面に与えられた少ない超音波エネルギーは、最終的に生産ラインの速度を減少する。したがって、溶接される部品への溶接圧力と音響エネルギーとを増加するために、簡単に支持されたビームと同様の方法で、溶接領域の両側に配置された据え付け部（ｍｏｕｎｔｓ）を有する回転ホーンを製造することが望まれる。簡単に支持されたホーンは、同一方向用の片持ち梁スタイルの据え付け方法の力よりも５倍支持できる。簡単に支持された据え付け方法における据え付け部は、極性（ｐｏｌａｒ）またはノード据え付け部（ｎｏｄａｌ ｍｏｕｎｔｓ）である。
【０００８】
上述の、および他の目標は、本発明による超音波回転ホーンによって提供される。回転ホーンは、第１の径方向溶接セクションと、第１の軸方向音響エネルギーを受けるために第１の径方向溶接セクションに操作的に結合された第１の軸方向入力セクションとを有している。第１の軸方向入力セクションは、第１の軸方向入力セクションと第１の径方向溶接セクションとが、第１の軸方向音響エネルギーの一部分を径方向音響エネルギー内に変換するように、第１のコーン（ｃｏｎｅ）セクションを備えている。径方向音響エネルギーは、第１の軸方向音響エネルギーと位相が合わされている。第１の軸方向入力セクション用のテーパーが付けられた構造は、回転ホーンが、ポアソン比効果に頼らずにまた複雑な同調切断がなく構成されるのを可能にする。
【０００９】
さらに本発明によれば、２つの極性据え付け部（ｐｏｌａｒ ｍｏｕｎｔｓ）を有する超音波回転ホーンが提供される。回転ホーンは第１の軸方向音響エネルギーを受けるための第１の径方向溶接セクションと第１の軸方向入力セクションとを有する第１のハーフ（ｈａｌｆ）を備えている。回転ホーンはさらに、第１のハーフに結合された第２のハーフを備えている。第２のハーフは、第２の軸方向音響エネルギーを受けるための第２の径方向溶接セクションと第２の軸方向入力セクションとを有している。各ハーフは、各ハーフが第１の軸方向音響エネルギーと第２の軸方向音響エネルギーとの一部分が径方向音響エネルギー内に変換されるようなコーンセクションを有している。複数の極性据え付け部を備えることは、溶接圧力を改良し、それゆえ、溶接されるべき材料に与えられる超音波エネルギーを増加する。
【００１０】
上述の全体的記述と以下の詳細な記述は本発明の単に例示であり、また、請求の範囲に示されてような本発明の性質と特性を理解するための概観または枠組みを提供するために意図されていることが理解される。添付した図面は、本発明のさらなる理解を提供するために含まれていて、この明細書に取りこまれ、またこの明細書の一部を構成する。図面は、本発明の種々の態様と実施例とを示していて、また、記述と一体になって本発明の原理と操作を説明するのに役立つ。
【００１１】
本発明の種々の利点は、以下の明細書と請求の範囲を読むことによって、また、図面を参照することによってこの分野の当業者に明らかになるであろう。
【００１２】
好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、部品のアセンブリを結合するための好ましい超音波回転ホーン１０が示されている。ホーン１０は、複数の熱可塑性部品（図示せず）の溶接に関連して述べられるけれども、本発明はそのように限定されるものではないことを理解して欲しい。事実、回転ホーン１０は、フィルムの内側と外側の両方および繊維の封止産業の幅広い応用に有用である。
【００１３】
ホーン１０は、全体的に、第１の径方向溶接セクション１２および第１の軸方向入力セクション１４とを有していることが分かる。第１の軸方向入力セクション１４は、第１の軸方向音響エネルギー１６を受けるために、第１の径方向溶接セクション１２に操作的に結合されている。詳細は後述するが、第１の径方向溶接セクション１２と第１の軸方向入力セクション１４とは好ましくは、同様の基質材料（チタンの様な）を用いて機械加工された一体部品である。第１の軸方向入力セクション１４は、内側テーパー面１８と外側テーパー面２０とで画定された第１のコーンセクションを有していて、第１の軸方向入力セクション１４と第１の径方向溶接セクション１２とは第１の軸方向音響エネルギー１６の一部分を径方向音響エネルギー２２内に変換する。
【００１４】
軸方向超音波エネルギー／運動（ｅｎｅｒｇｙ／ｍｏｔｉｏｎ）は、一つまたは２つの領域から入力されることを理解して欲しい。これらの軸方向超音波エネルギー入力用のエネルギー／運動の方向は、＋−Ｙ方向として示されている。適切な半波軸方向共振装置および／または軸方向変換装置が、これらの領域の一方または両方の超音波回転ホーンに取着されている。
【００１５】
超音波エネルギー／運動は、示された領域のホーンから出力する。出力された超音波エネルギーは、ダイアグラム（ｄｉａｇｒａｍ）の径方向すなわち＋−Ｘ方向である。回転ホーンの一般的理論は次のとおりである：
１）軸方向超音波エネルギー／運動（＋−Ｘ方向）は、軸方向入力領域の一方または両方を通って入力される。
【００１６】
２）この軸方向超音波エネルギー／運動の一部分は、径方向出力面で径方向エネルギー／運動に変換される。このエネルギー／運動はついで、超音波エネルギーを必要とする種々の操作（フィルム／繊維封止、プラスチック接合）を達成するために使用される。
【００１７】
超音波入力エネルギー／運動の一部分のみが、径方向エネルギー／運動に変換されることを特筆するのが重要である。変換されていないエネルギー／運動は、損失されたのではなくてホーン内に貯蔵状態でおかれている。この貯蔵のより詳細な説明は後で示される。
【００１８】
操作の詳細な理論
本質的に、完全な超音波ホーンは、図１に示された２つの同一で対称的なハーフセクション（すなわちハーフ）で作られる。これらのハーフセクションの両方は、同一で対称的に振舞う。操作の理論は、これらの２つのセクションの一方について説明する。理論は次に、一体に結合された場合における両方のセクションを含んで説明される。一方のハーフセクションの軸線的対称図は、図２に４４としてより詳細に示されている。
【００１９】
各ハーフセクション４４は、２つの半波長セクション４６、４８で作られている。軸方向（＋−Ｙ方向）超音波エネルギー／運動は、第１の半波長セクション４６の真っ直ぐなセクションに入力される。エネルギー／運動は、コーンセクションを通って第１の半波長セクション４６の端部に伝搬される。コーンセクションは、第１の角度（内側のテーパ―角度）および第２の角度（外側のテーパ―角度）によって特徴付けられる。コーンセクションの効果は、入力されたエネルギー／運動をホーンの中心軸線に角度をなして伝搬することである。コーンセクションは本質的に、純粋の軸方向エネルギー／運動（＋−Ｙ方向）を、軸方向エネルギー／運動（＋−Ｙ方向）と径方向エネルギー／運動（＋−Ｙ方向）の両方における組み合せエネルギー／運動内に伝搬する。
【００２０】
軸方向および径方向の組み合わされたエネルギー／運動は、遷移領域５８にみることができる。遷移領域５８において、ホーン材料は、径方向における運動を示し始める。以下において議論するように、この領域における純粋の軸方向エネルギー／運動は、コーンセクションの内径での領域に制限される。
【００２１】
第２の半波長セクション４８は本質的にシリンダーであって、径方向に振動するように同調されている。遷移領域５８からの残りの径方向エネルギー／運動はこの径方向モードを励起しセクション４８全体を径方向の方法（ｍａｎｎｅｒ）で移動する。
【００２２】
遷移領域５８から第２の半波長セクション４８に入る軸方向エネルギーは、シリンダーの内径に制限される。このエネルギー／運動は、＋−Ｙ方向へホーン材料を振動する。この領域の材料はまた、径方向（＋―Ｘ方向）へ振動し、以後、全体のシリンダーはこの方法で振動する。この領域における軸方向運動は作業（例えば、溶接）を達成するのに使用されないけれども、エネルギーは失われないことが重要である。この領域の軸方向エネルギーは、単に貯蔵状態におかれるだけである。
【００２３】
軸方向方向（＋−Ｙ方向）への移動を示す限定要素分析（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＦＥＡ）プロットは、図３に示されている。このプロットは、高い軸方向移動区域５０（高速領域）と低い移動区域（ノード）とを示している。高い軸方向移動区域５０’が大きい負の値を有しているのに対して、区域５０は大きい正の値を有していることに注目するのが重要である。軸方向ノード配置５２を表わしているプロットは図４に示されている。
【００２４】
図３と４は、軸方向運動が、遷移領域から下方へホーンの内径に本質的に制限されることを示している。真の径方向運動は、遷移領域の下方でホーン領域に制限される。２つの軸方向ノードが存在するという事実は、このハーフセクション４４用に２つの軸方向半波長セクション４６、４８が存在することを示している。図３と４はまた、ハーフセクション上の異なった領域間における相対的位相整合（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｈａｓｉｎｇ）を示している。ホーン上の異なった領域の位相整合は、次の２つの理由のために重要である：
１）それらが、ホーンを鏡面的なイメージで結合する方法を決定する；および、
２）それらが本発明のホーンを類似した径方向運動ホーンから識別するのに有用である。
【００２５】
図３の軸方向移動は、正のＹ方向の入力エネルギー／運動を示している。遷移セクションにおいて軸線的方向へ移動する材料は、負のＹ方向すなわち１８０°位相を異にして移動する。軸線的方向へ移動するホーンの底部内径上の材料は、正のＹ方向すなわち入力運動と位相が合って移動する。
【００２６】
図５はそれゆえ、径方向へ移動している第２の半波長セクション４８のホーン材料が正のＸ方向へ移動していることを示している。この径方向運動は、入力運動と位相が合っている。位相差が０°の軸方向入力運動へのこの径方向運動は、本発明の回転ホーンを、ナヤール（Ｎａｙａｒ）等に許可された米国特許第５、７０７、４８３号、および、ニューワース（Ｎｅｕｗｉｒｔｈ）等に許可された米国特許第５、０９６、５３２号に記載されたような従来のホーンと識別するのに重要である。特許第５、７０７、４８３号の回転ホーンは、径方向共振セクションを励起するためにポアソン比効果に依拠している。それゆえこの装置において、回転運動は、入力運動と１８０°位相が異なっている。特許第５、０９６、５３２号の回転ホーンは、径方向運動が、同様に入力運動と１８０°位相が異なったポアソン比効果に依拠している。
【００２７】
内側および外側テーパ―角度の効果
図１に戻ると、内側テーパー面１８がホーン１０の軸線２４に関して内側角度を形成し、外側テーパー面２０が軸線２４に関して外側角度を形成することが全体的に分かる。内側角度が好ましくは外側角度と異なっていることを特筆することが重要であるが、それらは同一でもできる。特定の応用の溶接要求に合わせるためにこれらの角度を適応することは、軸方向運動を径方向運動に変換することを可能にする。このように、第１の軸方向音響エネルギー１６は、径方向構成要素と軸方向構成要素との両方を有するエネルギー内に「解決（ｒｅｓｏｌｖｅ）」される。好ましい実施例において、外側角度は、ほぼ１０度で、内側角度はほぼ１２．５度である。よく知られたＦＥＡ技法を使用すると、これらの角度は、ホーン１０の一次（ｐｒｉｍａｒｙ）共振から離れた望ましくない曲げ周波数を保持するために構成できる。
【００２８】
特に、図２に最良のものが示されているように、内側角度および外側角度は、部分的にハーフセクション４４の構造的束縛によって、また、所望の外形の影響と軸線方法への径方向利得によって部分的に駆動される。以下の記述と説明は、主として２０ｋＨｚ用である。
【００２９】
内側テーパ―角度（角度１）は、径方向へ振動するシリンダー（第２の半波長セクション４８）の内径に大部分が基づいている内径を最も容易に機械加工するために、この角度は２”の最小の内径（「ＩＤ」）を有していなければならない。この２”のＩＤは、ハーフセクション４４の底部から、ほぼ遷移領域５８の位置まで延びていなければならない。ハーフセクション４４の頂部は、半波長軸方向共振装置として基本的に固定されている。角度１が約２２．５°に作られた場合、接続スタッドがこの領域に挿入された時に応力問題を生じないために、十分な材料が真っ直ぐな軸方向入力セクションに残される。角度は操作用の構造のために正確に２２．５°でなければならないことはない。この角度のずれ（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）は、ホーン材料の応力が疲労限界を超えないように制御できる限りにおいて受け入れ可能である。
【００３０】
外側テーパ―角度（角度２）は、ほとんどが所望のホーン利得と所望の径方向外径（「ＯＤ」）に基づいている。好ましい実施例において、角度２はほぼ１０°に作られている。この角度を減少することは、遷移領域５８における十分な断面達成において困難を導くこととなる。あまりにも小さい断面が存在する場合、この領域における疲労応力は材料の限界を超える。角度を１０°から増加すると次のような効果を有する：
１）利得が減少する；
２）径方向溶接面で軸方向運動の増加が明らかになる；および、
３）ホーンのＯＤは、同一の共振周波数を維持するために増加される必要がある。
【００３１】
図６と７は、角度２が１０°から１５°に増加されたハーフセクション６０を示している。ＯＤは、周波数変化用の補償のために、５．５”から５．７”への変化を必要とする。図６の軸方向移動プロットは、径方向溶接面６２での増加を示している。この効果（ｅｆｆｅｃｔ）は、典型的には純粋な径方向運動のみが望ましいので好ましくない。この構造におけるホーン利得（出力径方向移動への軸方向入力移動）は、１．２（１０°の角度ホーン）の最初の値から０．８に低下する。１０°の角度は、軸方向溶接面運動を最小にするのに、また、径方向 ― 軸方向利得を最小にするのに最適であることが見出されてきた。
【００３２】
完全な回転ホーンの操作理論
図１に戻ると、第１の径方向溶接セクション１２と第１の軸方向入力セクション１４とは、回転ホーン１０の第１のハーフ２８を画定することが分かる。回転ホーン１０はさらに、第２の軸方向音響エネルギー３２を径方向音響エネルギー２２内に変換するために、第１のハーフ２８に結合された第２のハーフ３０を備えている。第２のハーフ３０は、第１のハーフ２８に等しく多くの付加的利点を備えている。特に、第２のハーフ３０は、第２の軸方向音響エネルギー３２を受けるための第２の径方向溶接セクション３４と第２の軸方向入力セクション３８とを有している。第２の軸方向入力セクション３８は、内側テーパー面４０と外側テーパー面４２とを有している。このようにして、２つのホーンを組み合わせることによって、対称的なホーンが改良された溶接領域長さと振幅均一性とともに得られる。例えば、ハーフ２８、３０は互いに１８０度位相を異にしているけれども、２つの超音波運動源（ブースタおよび変換装置のような）が、ホーン１０を駆動するために使用できる。他方において、一方側からのみの超音波運動源は、同様にホーンを成功裏に操作できる。
【００３３】
完全な回転ホーンの軸線的対称断面線図は、図７に示されている。完全な回転ホーンは、回転運動領域で一体に結合された２つの対称的なハーフセクション４４、４５を備えている。作業用の２つのセクション４４、４５の結合プロセスのために、結合セクションでの運動は、従順（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）である必要がある（すなわち、同一の方向へ移動する）。
２つの対称的セクション４４は、好ましくは、結合領域において電子ビーム溶接技術を使用して一体に結合される。全体的な２部品構造は、少ない機械加工で製造を容易にすることを可能にする。
【００３４】
ホーンの通常の操作は、他方と１８０°の位相を異にして移動する各入力領域（従来の座標システムを使用して）、または、各入力面が同時にホーンの中心点から離間して移動されることからなる。このことは、各入力領域が各同一の電圧波形で操作するコンバータによって動力が供給されることを可能にする。この入力運動から、両方のハーフセクション４４、４５からの径方向面は、正のＸ方向へ移動するであろう。同時に、上方のハーフセクション４４の底部の軸方向運動領域は、正のＹ方向へ移動し、また、方のハーフセクション５４の頂部の軸方向運動は、負のＹ方向へ移動するであろう。ＦＥＴプロットは、これらの移動を示していてそれは図９に示されている。
【００３５】
図９は、各ハーフセクションからの径方向運動が従順（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）であるのに対して軸方向運動からの運動がそうではないことを示している。換言すれば、上方の対称的軸方向運動セクションは、正のＹ方向へ移動するけれども、下方の対称的運動セクションは、負のＹ方向へ移動する。これらの軸方向運動が互いに従順ではないという事実は、同調凹部５６の目的を示している。凹部５６がないと、２つのハーフセクション４４、４５の従順ではない軸方向運動が、ホーンの適切な運動と相互干渉するであろう。各ハーフセクションの径方向共振セクション内の軸方向運動は、軸方向エネルギーを蓄えて発振するために自由である必要がある。
【００３６】
この態様（ｆｅａｔｕｒｅ）のための２つの臨界的寸法は、Ｘ方向およびＹ方向である。これらの寸法の変更は、次の効果を制御する：
１）径方向溶接面の均一性（最小の径方向振幅／最大の径方向振幅）；および、
２）最初の（ｐｒｉｍａｒｙ）共振周波数の上方と下方に存在する望ましくない曲げ周波数の制御。
【００３７】
寸法変更の効果を示す表は、以下に示される。
【表１】
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【００３８】
ＸとＹの寸法は、異なった溶接面長さが望ましい場合、変更される必要がある。上記の図は、４．５”の溶接面を有する２０ｋＨｚの完全なホーンを示している。２０ｋＨｚのホーン溶接面は、５．５”まで長さを延ばすことができる。これ以上の長さでは、外形溶接面は、それ自身軸方向方法で共振を開始する（これは軸方向共振装置用の同調された半波長である）。
【００３９】
図１の参照を続けると、複数運動源のオプションを備えることに加えて、２つの軸方向入力セクションの使用は２つの極性据え付け部から回転ホーン１０を支持することを可能にすることがわかる。据え付けはまた、ホーン１０の各ハーフ用の２つのブースタの付属物によって達成できる。２つの据え付け領域の使用は、径方向溶接面に適用される比較的大きな圧力を可能にすることを特筆することが重要である。比較的大きな圧力は、時間当り溶接領域に伝えられる比較的大きな力（ｐｏｗｅｒ）を可能にする。それゆえ、このホーン据え付け技術の直接的利点は、溶接されるべき部品用の生産割合の増加となる。
【００４０】
したがって、ホーン１０を２つの対称的なハーフ２８、３０に組立てることは、製造の容易性を促進することが分かる。共通に所有された米国特許第５、０９５、１８８号に示されているように、各ハーフ２８、３０が個々に機械加工され、次に一体に溶接されることが好ましい。一旦一体に溶接されると、径方向セクションは、第１の径方向溶接セクション１２と第２の径方向溶接セクション３４とを作り上げ、所望の共振周波数に同調された厚いシリンダーを呈する。このシリンダーの軸方向長さはほぼ５インチまでにできることを特筆することが重要である。
【００４１】
さらに、促進された振幅均一性は、軸方向長さの中心近傍の内径での同調切断によって達成される。外径に関連するこの切断の深さと高さは、外側溶接面の均一性の量を決定する。このように、径方向溶接セクション１２、３４は、同調切断を画定する複数の同調面３６を有しているので、径方向溶接セクション１２、３４は、予め定められた振幅均一性を有している。最大級の構造において、同調切断は、８５パーセントまたはそれ以上の径方向溶接均一性を作り出すために使用できる。上述の議論は、２０ｋＨｚに同調された共振ホーン用の寸法に関しているが、ホーン１０は約１０ｋＨｚから約６０ｋＨｚの範囲のどのような超音波周波数にでも計る（ｓｃａｌｅ）ことができる。超音波回転ホーン１０の最終的同調は、外径の機械的切断（図示せず）によって達成できる。最終の機械的切断はさらに、滑らかな径方向溶接面を提供する。このように、径方向溶接セクション１２、３４はまた、外側同調切断を画定する外側同調面（図示せず）を有する外側の円筒状の面を有している。外側同調切断は、よく知られたあらゆるアプローチにしたがって機械加工できる。そのようなアプローチの１つは、ここで参照して取りこむニューワース（ｎｅｕｗｉｒｔｈ）への米国特許第５、０９６、５３２号に示されている。
【００４２】
この分野の当業者は、本発明の広い教示が形状の変化において実行され得ることを理解できる。それゆえ、本発明は特定の例に関連して述べられてきたが、本発明の真の目的は、そのように限定されるべきものではなく、図面、明細書、および請求の範囲の研究によって、他の変更が熟練した従業者にとって明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例による超音波回転ホーンの断面図。
【図２】本発明の１つの実施例による回転ホーンのハーフセクションの軸線対称図。
【図３】軸方向移動を示すハーフセクションの限定要素分析（ＦＥＡ）のプロット。
【図４】本発明の１つの実施例による軸方向ノードを示すハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【図５】本発明の１つの実施例による径方向移動を示すハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【図６】本発明の１つの実施例による軸線を示すハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【図７】本発明の１つの実施例による回転ホーンのハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【図８】本発明の１つの実施例による軸方向ノードを示すハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【図９】本発明の１つの実施例による励起中のハーフセクションのＦＥＡのプロット。
【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９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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