事例31 超音波ホーンの振動解析

【概要】
超音波ホーンは溶着されるプラスチック部品に最適な周波数と振幅を供給する共鳴体です。超音波ホーンは、使用される周波数において正しく共振するように設計する必要があります。
本事例では超音波振動子(圧電素子)の一部を固定した状態で、調和電圧を負荷して振動させ、どの周波数で最良の共振状態が得られるかを解析しています。

【説明】
今回解析に使用したモデルを図1に示します。圧電体を電極で挟み込み、ホーンの根元部分外周を境界条件で固定しています。
解析手順としては、共振解析で共振周波数と共振モードを確認し、次に調和解析で交流電圧を印加したときのホーン先端の挙動を確認します。
共振解析結果を図2に示します。今回のモデルの場合、33.7kHzでホーン先端がZ軸方向に振動している様子がわかりました。次に調和解析をおこないました。ホーン先端のZ方向変位の周波数応答を図3に示します。この結果、共振解析同様、34kHzでZ方向に大きく共振していることがわかります。34kHzでの変位図を図4に示します。このように、共振解析と調和解析を組み合わせることで、精度良い超音波ホーン設計に貢献します。

図1 モデル

図2 共振解析結果

図3 Z方向変位周波数応答

図4 調和解析Z方向変位

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