(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された波長、周波数及び振幅でエネルギを与える回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）であって、
軸方向入力端（１１）と軸方向出力端（１３）とを有する円筒形シャフト（１２）と、
該シャフト（１２）に装着され、該シャフト（１２）の直径よりも大きい直径を有する溶接部分（１４）と、
を具備し、
該溶接部分は、該シャフトの該入力端にアコースティックエネルギが加えられると膨張したり収縮したりする直径を有する溶接面（１６）と、第１及び第２の対向する端部分（１８、２０）と、を有し、少なくとも一方の端部分に第１のアンダーカット（２２）が形成され、該第１のアンダーカットは、該溶接面の振動の振幅を制御するように選択される幅及び深さを有し、該溶接面の軸方向長さに沿って所望の振幅プロファイルを提供する回転アコースティックホーン。
【請求項２】
前記第１のアンダーカット（２２）の前記幅及び深さは、前記溶接面（１６）の前記振動の振幅に影響を与えるように選択され、
いずれも達成することができる
該溶接面の軸方向の全長に沿って実質的に均一である振幅プロファイル；
該溶接面の軸方向端の方が軸方向中心よりも大きい振幅プロファイル；
該溶接面の該軸方向中心の方が該軸方向端よりも大きい振幅プロファイル；
及び該溶接面の該軸方向の一端から該軸方向の他端へ増加する振幅プロファイル；の１つを提供する請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項３】
前記第１のアンダーカット（２２）の内半径は、前記シャフト（１２）の外半径と同一の広がりを有するかまたは有さない請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項４】
前記溶接部分の他方の端部分に形成される第１のアンダーカット（２４）を更に具備する請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項５】
前記第１のアンダーカットと同一の端部分に第２のアンダーカット（３２、３４）を更に具備する請求項１記載の回転アコースティックホーン（３０、３０’、５０）。
【請求項６】
前記第２のアンダーカット（３２、３４）は前記第１のアンダーカット（２２、２４）よりも前記溶接面（１６）に近接し、該第２のアンダーカット（３２、３４）の幅及び深さの少なくとも一方は、該第１のアンダーカットのそれぞれの幅及び深さよりも小さいか大きいかまたは等しいか請求項５記載の回転アコースティックホーン（３０、３０’、５０）。
【請求項７】
前記溶接部分（１４）の軸方向長さは、前記ホーン材料の波長の１／２までとされ、該ホーンの軸方向長さは、（ａ）該ホーン材料の１波長に実質的に等しいか、または（ｂ）該ホーン材料のわずか１／２波長であるかのいずれかである請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項８】
前記シャフト（１２）は前記ホーン材料の１波長よりも短く、前記溶接部分（１４）は該シャフトの端を越えて延在してホーン全体を所望の長さにするように位置する請求項７記載の回転アコースティックホーン（３０、３０’）。
【請求項９】
前記ホーンの前記出力端でシャフト延伸部（３７）を更に具備し、該シャフト延伸部は、前記ホーン材料の１／２波長の１以上の倍数の距離だけ前記溶接部分を越えて延伸する請求項７記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１０】
前記シャフト（１２）は円筒形であり、前記溶接部分（１４）は円筒形であり、該溶接部分は該シャフトと共軸である請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１１】
前記第１のアンダーカット（２２、２４）は前記シャフトの周りに連続であるか不連続であるかであり、該第１のアンダーカットの前記幅及び深さは、各々一定であるか変動するかである請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１２】
前記溶接面（１６）の膨張及び収縮は、前記ホーンの前記軸方向入力端（１１）の動きと実質的に同じ位相で動き、該ホーンは軸方向動きに２つのノード点を呈する請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１３】
前記溶接面（１６）の膨張及び収縮は、前記ホーンの前記軸方向入力端（１１）の動きとは実質的に異なる位相で動き、該ホーンは軸方向動きに１つのノード点を呈する請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１４】
前記ホーンの前記軸方向入力端（１１）で質量を変えることによって、半径方向の溶接面のゲインを変える手段（３６）を更に具備する請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１５】
前記シャフト（１２）に装着される複数の共軸溶接部分（１４）を具備し、該溶接部分は互いに間隔をおいて置かれ、該溶接部分は連続して装着されるか互いに平行に装着されるかである請求項１記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１６】
隣接する溶接部分（１４）の中間点の間の距離は、前記ホーン材料の１／２波長の少なくとも１倍である請求項１５記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【請求項１７】
各溶接部分（１４）の振動の振幅は、隣接する溶接部分の振動の振幅とは異なる請求項１５記載の回転アコースティックホーン（１０、１０’、１０”、３０、３０’、５０）。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、アコースティック溶接ホーンに関する。特に、本発明は回転アコースティック溶接ホーンに関する。
発明の背景
超音波溶接等のアコースティック溶接において、結合する対象の２つの部品（一般に熱可塑性部品）は、超音波ホーンのすぐ下に置かれる。プランジ溶接では、ホーンはプランジし（部品に向かって移動し）、超音波振動を頂部部品に伝達する。振動は頂部部品を通って２つの部品の界面に移動する。ここで、振動エネルギが分子間摩擦のため熱に転換され、２つの部品を溶融し融合させる。振動が止まると、２つの部品は力の下で固化し、結合表面で溶接をなす。
連続超音波溶接は一般に、ファブリック、フィルム及び他の部品を封止するのに使用される。連続モードにおいて、一般に超音波ホーンは静止しており、部品がその下で動く。スキャン溶接は連続溶接の１つの型であり、プラスチック部品が１つ以上の静止ホーンの下でスキャンされる。横方向溶接では、部品がその上を通るテーブルと溶接されている部品の両方が互いに対して静止したままであるが、ホーンの下を動き、またはホーンがそれらの上を動く。
熱可塑性材料を結合し切断するために超音波エネルギを使用することの多くは、超音波ホーンまたは工具を含む。ホーンは、通常、ホーン材料の波長の１／２の長さを有し、例えば、機械的振動エネルギを部品へ移動するアルミニウム、チタンまたは焼結鋼から製造されたアコースティック工具である。（一般に、これらの材料の波長は、およそ２５cm（１０インチ）である。）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動きである。ホーン出力振幅のホーン入力振幅に対する比率はゲインと呼ばれる。ゲインは、振動入力及び出力部分でのホーンの質量の比率の関数である。一般に、ホーンにおいて、ホーンの面での振幅の方向は、加えられた機械的振動の方向に一致する。
従来、超音波切断及び溶接は、剛性アンビルに対して軸方向に振動するホーンを使用し、溶接または切断する対象の材料はホーンとアンビルの間に置かれる。あるいは、連続高速溶接または切断では、ホーンは静止している一方、アンビルは回転し、部品はホーンとアンビルとの間を通る。これらの場合、部品の線状速度は、回転するアンビルの作業面の接線速度に一致する。
しかし、このシステムには限界もある。溶接する対象の部品は、アンビルとホーンとによって形成される狭い観劇の間を連続して通るため、部品の厚さが均一でないことにより圧縮変動が生じる。部品とホーンとの間に抵抗が存在し、溶接される領域に残留応力が生じることがある。これらの要因は、溶接の品質及び強度に影響を与え、次に線状速度を制限する。また、回転するアンビルとホーンとの間の間隙は、結合する対象の部品の圧縮可能なかさ高すなわち厚さを制限する。
これらの制限を最小限にする１つの方法は、ホーンの作業面を形削りして、部品に依存して、漸次収束するかまたは発散する間隙を達成することである。これは、効果的なアコースティックエネルギ移動のために深い接触が必要であるため、結合する対象の材料を静止したホーンを過ぎて動かすという問題を完全に解決するわけではない。
高品質且つ高速度の超音波溶接を達成する最良の方法は、回転するアンビルを備えた回転ホーンを使用することである。一般に、回転ホーンは円筒形であり、軸の周りを回転する。入力振動は軸方向であり、出力振動は半径方向である。ホーン及びアンビルは互いに近接した２つの円筒形であり、等しい接線速度で反対方向へ回転する。結合する対象の部品は、これらの円筒形表面の接線速度に等しい線状速度でこれらの円筒形表面の間を通る。ホーン及びアンビルの接線速度を材料の線状速度に一致させることは、ホーンと材料との間の抵抗を最小限にすることを意図する。軸方向の励起は従来のプランジ溶接の励起に類似する。
米国特許第５，０９６，５３２号には２つの種類の回転ホーンが記載されている。この特許は、カリフォルニア州フラートンのメカソニックＫＬＮ社（Mecasonic-KLN,Inc.）によって製造された市販の回転ホーン（メカソニック（Mecasonic）ホーン）と、’５３２号特許に記載の回転ホーンとを比較している。図１はメカソニック回転ホーンを示し、図２は、’５３２号特許の回転ホーンに１つの構成を示す。これらの２つの型のホーンの１つの重大な違いは、半径方向の溶接面の幅及び半径方向の面を横切る振幅の均一性である。
メカソニックホーンは全波長ホーンであり、アルミニウム及びチタンホーンの全長は約２５cm（１０インチ）である。軸方向振動は円筒形曲げモードを励起し、半径方向の動きを提供し、振動のモードはポアソン比に依存する。（ホーン材料のポアソン比がゼロの場合、振動の半径方向モードは励起されない。）溶接面の半径方向の動きは励起と位相が同じであり、軸方向動きには２つのノードがあり（振動の振幅はゼロである）、半径方向の動きには２つのノードがある。しかし、振動の振幅は半径方向の溶接面の中央で最高になり、端に向かって少なくなり、結果として溶接強度が不均一になる。メカソニックホーンは部分的に中空の円筒形である。
’５３２号特許のホーンは半波長ホーンであり、アルミニウム及びチタンホーンの全長は約１２．７cm（５インチ）である。ホーンの形状のため、軸方向振動は半径方向の動きを提供する。このホーンでは、振動のモードはポアソン比とは無関係である。溶接面の半径方向の動きは、励起とは位相が異なり、溶接面の幾何学的中心に１つのノードがあるだけである。振動の振幅は溶接面にわたって比較的均一である。’５３２号特許のホーンの形状はメカソニックホーンの形状とは異なる。’５３２号特許のホーンは中実であり、メカソニックホーンは部分的に中空の円筒形である。
制御された振幅プロファイルを備えて比較的広い幅（例えば、１２．７cm）上に部品を溶接することができるアコースティックホーンの必要性がある。
発明の開示
回転アコースティックホーンは、選択された波長、周波数及び振幅でエネルギを与える。ホーンは、入力端及び出力端を備えた円筒形シャフトと、出力端に装着され、出力端と共軸である円筒形溶接部分とを含む。溶接部分の直径はシャフトの直径よりも大きい。溶接部分はアコースティックエネルギが加えられると膨張したり収縮したりする直径を有する円筒形溶接面と、第１及び第２の対向する端部分とを有する。少なくとも一方の端部分に第１の円筒形アンダーカットが形成される。第１のアンダーカットの半径方向の幅及び深さは、円筒形溶接面の振動の振幅に影響を与えるように選択され、円筒形溶接面の軸方向長さに沿って所望の振幅プロファイルを提供する。
第１のアンダーカットの半径方向の幅及び深さは、溶接面の振動の振幅に影響を与えるように選択され、溶接面の軸方向の全長に沿って実質的に均一である振幅プロファイル；溶接面の軸方向端の方が軸方向中心よりも大きい振幅プロファイル；溶接面の軸方向中心の方が軸方向端よりも大きい振幅プロファイル；及び溶接面の軸方向の一端から軸方向の他端へ増加する振幅プロファイル；を提供する。これらの振幅プロファイルのいずれも獲得することができる。
第１のアンダーカットはシャフトの外半径と同一の広がりを有する内半径を有することができる。別の第１のアンダーカットは溶接部分の他方の端部分に形成することができる。
ホーンは、第１のアンダーカットと同一の端部分に第２の円筒形アンダーカットを含むことができる。第２のアンダーカットは第１のアンダーカットよりも溶接面に近接することができ、第２のアンダーカットの深さは、第１のアンダーカットの深さよりも浅くてもよい。
シャフトは、その軸方向長さの少なくとも一部は中空でありうる。
溶接部分の軸方向長さは、ホーン材料の波長の１／２までであってもよい。１つの実施例において、ホーンの軸方向長さは実質的にホーン材料の１波長と等しくてもよい。この実施例において、溶接面の膨張及び収縮は、ホーンの入力端の動きと実質的に位相が同じでありうる。ホーンは軸方向動きに２つのノード点を呈することができる。別の実施例において、ホーンの軸方向長さはホーン材料の１／２波長より短いかまたは同一でありうる。この実施例において、溶接面の膨張及び収縮は、ホーンの入力端の動きと実質的に位相を異にすることができる。このホーンは軸方向動きに１つのノード点を呈することができる。
また、シャフトはホーンの所望の長さよりも短くてもよく、溶接部分はシャフトの端を越えて延在してホーン全体を所望の長さにするように位置する。
シャフトの延伸部はホーンの出力端に位置することができる。シャフトの延伸部は、ホーン材料の１／２波長の１以上の倍数の距離だけ溶接部分を越えて延伸することができる。
ホーンは、シャフトに装着された複数の共軸溶接部分を含むことができる。溶接部分は互いに間隔をおいて置かれる。溶接部分は、連続してまたは互いに平行に装着されてもよい。隣接する溶接部分の中間点の間の距離は、ホーン材料の１／２波長の１以上の倍数でありうる。また、各溶接部分の振動の振幅は、隣接する溶接部分の振動の振幅と異なってもよい。
ホーンは超音波ホーンであってもよい。ホーンの入力端で質量を変えると、半径方向の溶接面のゲインを変えることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、メカソニックホーンの概略図である。
図２は、’５３２号特許型ホーンの概略図である。
図３は、本発明のホーンの概略図である。
図４は、減少した部分を有する円筒形シャフトの外半径の概略図である。
図５は、円筒形シャフトの外半径と同一の広がりを有さない内半径を有するアンダーカットの概略図である。
図６Ａ、６Ｂは、振幅を制御するための浅いアンダーカット及び深いアンダーカットの効果を示す概略図である。
図７は、２つのアンダーカットを有する本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図８は、入力部分で追加の質量を有する本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図９は、延伸部を有する本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図１０は、連続した多数の溶接部分を有する本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図１１は、平行な多数の溶接部分を有する本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図１２は、本発明の別の実施例のホーンの概略図である。
図１３は、連続した多数の溶接部分を有する図１２のホーンの概略図である。
図１４は、平行な多数の溶接部分を有する図１２のホーンの概略図である。
詳細な説明
本発明の回転ホーンは、図１〜１１に示すように、全波長のアコースティック回転ホーンでありうるが、図１２〜１４に示すように、半波長のホーンも使用することができる。図示のように、ホーンは超音波ホーンである。ホーンは、選択された波長、周波数及び振幅でエネルギを与える。ホーンは、所望の（しばしば、一定の）振幅で比較的長い幅上に部品を超音波溶接することができる。回転ホーンは、内円筒と半径方向の溶接面との間にアンダーカットを置くことによって、溶接面の幅にわたって制御された振幅を維持する。
全波長ホーンの場合には、半径方向の動きは励起と位相が同じであり、ホーンは、軸方向運動に２つのノード点と半径方向運動に２つのノード点とを有する。半波長ホーンの場合には、半径方向の動きは励起と位相が異なっており、ホーンは、軸方向運動に１つのノード点と半径方向運動に１つのノード点とを有する
図３に示すように、回転ホーン１０は、軸方向入力端１１と軸方向出力端１３とを有する円筒形シャフト１２を含む。円筒形溶接部分１４は、シャフト１２に装着され、シャフト１２と共軸である。シャフト１２は中空部分１５を有することができる。この中空部分１５は、シャフト１２の軸方向長さの半分以上に延在することができ、溶接部分１４より長くてもよい。また、シャフトは溶接部分の軸方向長さの半分以上に延在することができる。
円筒形溶接部分１４の直径は、円筒形シャフト１２の直径よりも大きい。図示のように、円筒形溶接部分１４は、超音波エネルギが加えられると膨張したり収縮したりする直径を有する半径方向の外円筒溶接面１６を有する。第１及び第２の対向する端部分１８、２０が溶接部分１４の端に形成される。少なくとも一方の端部分１８、２０に第１の円筒形アンダーカット２２、２４が形成される。図面は両方の端部分１８、２０にあるアンダーカット２２、２４を示し、アンダーカットは、円筒形シャフト１２の外半径と同一の広がりを有する内半径を有することを示す。アンダーカット２２、２４は、同一の、または異なる幅及び深さを有することができる。円筒形シャフト１２の外半径は、図４のホーン１０’に示すように、アンダーカットの内半径と同一の広がりを有しても有さなくても、減少した部分を有することができる。また、アンダーカット２２、２４は、図５のホーン１０”に示すように、円筒形シャフトの外半径と同一の広がりを有する内半径を有する必要はない。
第１の円筒形アンダーカット２２、２４を形成する半径方向の外表面は、円筒形溶接部分１４の内円筒形壁２６を形成する。第１のアンダーカットの半径方向の幅及び深さは、溶接面１６で振動の振幅に影響を与えるように選択され、溶接面１６の軸方向長さに沿った所望の振幅プロファイルを提供する。
アンダーカット２２、２４及び溶接部分１４を使用して正確な場所に置くことによって、溶接面１６の振幅の大きさ及び変動を制御することができる。シャフト１２の曲げは、溶接部分１４の曲げに一致することができ、半径方向の溶接面１６にわたって均一な振幅を与える。振動している間、荷重は質量の慣性効果から来る。溶接面１６の中心で振幅が高いことが所望されるときには、図６Ａの誇張した形態に示すように、アンダーカット２２、２４を浅く作ることができる。アンダーカット２２、２４が深いと、溶接面１６の端で振幅が高くなり、図６Ｂに示すように、中心へ向けてテーパ状に細くなる。従って、均一な振幅を得るために、最適なアンダーカットの深さが選択される。
更に、溶接面１６の中心は、シャフト１２の半径方向の最大撓み点に置かなければならない。これは、ホーン１０の軸方向動きのノード点である。溶接面１６の中心が最大撓み点上に移される場合、底部の振幅は頂部の振幅よりも高い。溶接面１６が最大撓み点の下に置かれる場合、頂部の振幅は高い。アンダーカット２２、２４及びシャフト１２上の溶接面１６の配置が、溶接面１６に沿った振幅の変動を制御する。これらの回転ホーン１０の半径方向撓みの主な特徴は、溶接部分１４の厚さ、アンダーカット２２、２４の幅及び深さ、及び、シャフト１２上の溶接部分１４の軸方向の位置に基づいている。
図３は、１２．７cm（５インチ）までの溶接幅を有する回転ホーン１０を示す。振幅の均一性は、溶接面１６の配置及びアンダーカット２２、２４の深さ及び幅に依存する。振幅の大きさは材料に依存し、使用されているホーン材料の疲労限界に制限される。例えば、１２．７cm（５インチ）の溶接幅のホーンの場合、幅およそ１cm（０．４インチ）、深さ１．５cm（０．６インチ）のアンダーカットを使用することによって、０．００７６cm（０．００３インチ）のピークからピークまでの振幅を達成することができ、振幅の変動はわずか１５％であることが試験により示されている。半径方向の溶接面１６でより高い振幅を達成するために、アンダーカット２２、２４の深さが増加される。この結果、溶接面１６の端でより曲がり、その結果として端でより高い振幅が得られる。
この振幅変動をよりよく制御するために、回転ホーン３０の別の実施例は、溶接部分１６で追加のアンダーカットを使用することによって、溶接面１６で均一な振幅を達成することができる。これは図７に示される。このホーン３０は各端部分１８、２０にそれぞれ第２の円筒形アンダーカット３２、３４を含む。各第２のアンダーカット３２、３４は、第１のアンダーカット２２、２４よりも溶接面１６に近接しており、一般に第２のアンダーカット３２、３４の深さは、第１のアンダーカット２２、２４の深さよりも浅い。この設計も、高い程度の振幅の変動を達成する。図７に示されるホーン３０の別の修正例は、シャフト１２がホーンの所望の長さよりも短く、溶接部分１４は、シャフト１２の端を越えて延在してホーン全体を所望の長さにするように位置するものである。従って、第１のアンダーカット２２の内壁は第１のアンダーカット２４の内壁よりも短い。シャフト１２は、シャフトの軸方向長さが、図１２の方向５０に示すように、溶接部分１４の長さよりも短いように、短くすることができる。
ホーン３０はホーン１０と同一の原則に基づき、アンダーカットの幅及び深さを変動することによって、振動の振幅の均一性及び高い程度を達成する。１つ、２つまたはそれ以上のアンダーカットを使用することによって、円筒形溶接部分の曲げ及び屈曲を、変動し制御することができる。多数のアンダーカットを使用することが、半径方向の溶接面で振動の振幅の大きさ及び均一性の制御されたプロファイルを達成する助けとなる。
ゲイン（軸方向入力に基づいたホーン出力振幅のホーン入力振幅に対する比率）は、ホーンの入力部分３６で質量を変えることによって溶接面１６で変わる。入力部分でのこの質量変化は、図３、４、５、７のいずれの設計でも行うことができ、ゲインを変える。これらの変化は、図８、９に示され、質量はそれぞれホーン３０’、１０で増え、ゲインが上昇する。
本発明のすべてのホーンは延伸することができる。図９では、図３に示した型の回転ホーン１０のシャフトが１／２波長まで延伸する。これは、１／２波長のいずれの倍数まで延伸することもできる。延伸部３７はホーンの出力端に装着された個別の構成要素であってもよく、またはホーンの残りの部分と一片として一体的に形成されてもよい。これは、依然としてホーン周波数で溶接面で同一の振幅を産する。
本発明のすべてのホーンは、１２．７cm（５インチ）までの溶接長さを有することができる。多数の回転ホーンを使用せずに１２．７cmを超える幅のアンビル上で溶接するために（回転アンビルであれ平坦アンビルであれ）、図３、４、５、７、８、９、１２のホーンは単一のユニット内にその長さ方向に沿って積み重ねることができる。構成は、「シシカバブ」構造に類似して見える。一般的な多数溶接面ホーンを図１０に示す。溶接部分１６はシャフト１２の正しい曲げ位置に置いて、連続する溶接部分の半径方向の溶接面で類似した振幅分布を達成しなければならない。また、隣接する溶接部分１４の間の間隔あけは、比較的一定の厚さである１つの部分を溶接する間に各溶接部分での振動の振幅が均一であるように選択しなければならない。
多数の溶接部分を伴うこの構造物の長さは、使用されるホーン材料の波長の倍数でありうる。連続する溶接部分の内円筒への取付は、ホーン材料の１／２波長の距離をおいたものである（隣接する溶接部分の間の中心から中心への距離）。所望により、中間溶接部分を飛ばして、溶接部分をホーン材料の全波長に位置決めすることができる。これは、溶接面の幅が広くなる場合に特に必要になりうる。
積み重ねられた構造物は、個々のホーンを積み重ねることによって、または単一の一体に形成された１片の構造物を機械加工することによって作ることができる。後者の場合、円筒形シャフト１２の中空部分１５はいくつかの溶接部分１４を通って延在することができる。
積み重ねられた構成は、図１０、１３に示すように、軸方向にある１つのホーンの出力は隣のホーンの入力になるため、回転ホーンを連続して積み重ねることによって分類することができる。第１の回転ホーンは第２の回転ホーンを駆動し、以下同様である。
積み重ねられた構成の別の例では、回転ホーンは平行に積み重ねることができる。これは、図１１、１４に示され、２つ以上のホーンが共振ロッド４０を使用してその長さ方向に沿って積み重ねられる。この構成は、主駆動または入力源がロッド、または回転ホーンを接続する円筒形ホーンであるため、平行システムである。この構成を使用すると、回転ホーンはそれに先立つ回転ホーンとは無関係に駆動することができる。この構成の長さは使用される材料の波長の整数倍である。
図３、４、５、７、８、９、１０、１１、１２のホーンの特徴は、いずれかの方法で、溶接部分、アンダーカット及び他の特徴部の数を混合し一致して組み合わせることができる。本発明のホーンの様々な例は、メカソニック（Mecasonic）ホーンとはいくつかの重要な領域で異なり、それを改良する。半径方向の動き及び振幅は均一であり、アンダーカットと、シャフト１２に沿って溶接部分１４を位置決めすることと、によって達成される（メカソニックホーンでは、端に向けて振幅が変動し減少するのとは対照的である）。幅１２．７cm（５インチ）までの溶接面が、均一な振幅で達成することができる（メカソニックホーンでは、変動する振幅を伴う２．５cm（１インチ）の溶接面とは対照的である）。例えば、３．０ミルの平均半径方向振幅を伴う４までのゲインが達成される（メカソニックホーンでは、中間点でゲインが１．２３であり、平均半径方向振幅が１．５ミルであるのとは対照的である）。本発明のホーンは、アンダーカットの深さ及び幅と、溶接部分の位置及び厚さを変えることによって、振幅変動を制御することができる（半径方向の振幅プロファイルを制御できないメカソニックホーンとは対照的である）。また、本発明のホーンは、連続したまたは平行な多数の溶接部分を相互接続することができ、励起点で質量を変えることができ、高いまたは低いゲインを達成することができる。
超音波振動の振幅、及びその均一性は、寸法（例えば、円筒形アンダーカットの半径方向の幅及び深さ）、円筒形アンダーカットの半径方向外側にある円筒形溶接部分の厚さ、円筒形シャフトの厚さ、及び円筒形溶接部分の溶接面の長さによって影響を受ける。
内シャフト及び外溶接部分は一定寸法の同心円筒形として記載してきた。しかし、円筒形は変動する半径を有してもよく、または同心でなくともよく、溶接部分は様々な溶接構成で作用するために円筒形である必要なない。例えば、溶接部分は非円筒形の円錐部分でもよい。半径方向に楕円でもよくまたは球形であってもよい。また、アンダーカットは、例示した実施例では円周方向に連続したものとして記載されているが、変動する深さまたは幅またはその両方を有してもよく、溶接部分の円周全体に延在しなくてもよい。
【図１】
0003796533.tif 000002
【図２】
0003796533.tif 000003
【図３】
0003796533.tif 000004
【図４】
0003796533.tif 000005
【図５】
0003796533.tif 000006
【図６Ａ】
0003796533.tif 000007
【図６Ｂ】
0003796533.tif 000008
【図７】
0003796533.tif 000009
【図８】
0003796533.tif 000010
【図９】
0003796533.tif 000011
【図１０】
0003796533.tif 000012
【図１１】
0003796533.tif 000013
【図１２】
0003796533.tif 000014
【図１３】
0003796533.tif 000015
【図１４】
0003796533.tif 000016