(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記凸部の高さｌと前記超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。
【請求項２】
金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記凸部の高さｌと該凸部の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。
【請求項３】
金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、
前記硬質部材は、前記基体の先端部に固定される基部と、該基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、
前記凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ前記凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、前記基部の外径ｄと前記凸部の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーン。
【請求項４】
前記基部と前記凸部との境界部分にＲ形状のスミの丸ミを有し、該スミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波切断機、超音波溶接機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪拌機などに用いられる超音波ホーンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、この種の超音波ホーンとしては、鋼製、チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られており、超音波加工用或は超音波洗浄用に用いる場合は、ホーンの先端部（実際に作業を行なう部分）は、耐摩耗性、耐エロージョン性を備えていることが要求される。そのため、鋼製のホーンでは、焼き入れ、硬化処理が施されており、またチタン合金製のものにおいても、窒化処理などの硬化処理が施されている。
【０００３】
また、近年では、ホーンの先端部の耐摩耗性を向上させるために、ホーンの先端部に超硬合金からなる硬質部材を接合したもの（特表平２−５０４４８７号公報参照）が提案されている。
上述した超音波ホーンを使用する場合、例えば超音波による切断を行う場合には、超音波切断機により、例えば熱可塑性樹脂、カメラのフィルム、ビニールシート等をそのまま切断したり、あるいは２枚以上のフィルムやシートを重ねて切断する際に、切断と同時に切口をシールしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような超音波切断機では、被切断物を一度に何枚も切断する場合や、厚みのある被切断物を切断する場合には、超音波ホーンの先端部を凸形状にして、その凸部を長くすることが行われるが、下記の様な問題が生じることがあった。
【０００５】
つまり、先端部の凸部を長くした場合には、超音波加工中に、横振れが発生したり、異音が発生することがあり、更には、凸部が根元から破断することがあった。
本発明は上記の問題点を鑑みて提案されたもので、横振れや異音の発生を防止するとともに、超音波ホーンの先端部の破損を防止できる超音波ホーンを提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌ（小文字のエル）が９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【０００７】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
また、超音波ホーンの長さＬは、超音波加工機の使用周波数によって、例えば下記の様にして、決めることができる。
【０００８】
例えば図４の様に、２８ＫＨｚ用アルミニウムホーンの先端に、φ５ｍｍ×長さ３ｍｍ（＝ｌ3）の工具（窒化珪素）付の単純ステップ形ホーンにおいて、Ｌ、ｌ1、ｌ2の値を設計する。
ここで、Ｎ点を節点とすると、ｌ1＝λ／４  （λ＝１波長）となり、
下記共振条件式（１）より、ｌ2を求めることができる。
【０００９】
ｔａｎ(２πｆ／Ｃ2)ｌ2・ｔａｎ(２πｆ／Ｃ3)ｌ3＝Ｓ2／Ｓ3  …（１）
尚、λ＝Ｃ（音速）／ｆ（周波数）、Ｃは物性値で、アルミニウムはＣ2＝５２００ｍ／ｓ、窒化珪素はＣ3＝１１０００ｍ／ｓ
従って、ｌ1＝約４６ｍｍ
ｌ2＝約４６ｍｍ
ｌ3＝３ｍｍ
Ｌ＝ｌ1＋ｌ2＋ｌ3＝９５ｍｍ
尚、実際には、単純ステップ形ホーンのＮ部にはＲがついていたり、工具部は複雑形状とされている場合が多く、単純に前記共振条件式（１）にて設計した値では振動が得られないことがある。その場合、試行錯誤によりＬを調整したり、近年では、有限要素法の固有値解析によって設計する場合が多くなってきている。
【００１０】
請求項２の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、凸部の高さｌと凸部の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【００１１】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の凸部の高さｌと凸部の厚みｔとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
特に、本発明の構成に加え、前記請求項１の構成を備えた場合には、本発明の作用が一層顕著となる。
【００１２】
請求項３の発明は、金属からなる基体の先端部に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、硬質部材は、基体の先端部に固定される基部と、基部の略中央部から先端側に突出する凸部とを有するとともに、凸部の高さｌが９．５ｍｍ以上且つ凸部の厚みｔが１．５ｍｍ以下であり、基部の外径ｄと凸部の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たすことを特徴とする超音波ホーンを要旨とする。
【００１３】
本発明では、前記関係を満たす様に、硬質部材の基部の外径ｄと凸部の厚みｔとを設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
特に、本発明の構成に加え、前記請求項１〜２の構成を備えた場合には、本発明の作用が一層顕著となる。
【００１４】
請求項４の発明は、前記基部と前記凸部との境界部分（凸部の根元部分）にＲ形状のスミの丸ミを有し、該スミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。
【００１５】
本発明では、上述した曲率半径に設定されているので、基部と凸部との境界部分の応力集中を和らげることができ、凸部の根元からの破断を抑制することができる。
【００１６】
以下、前記発明の各構成について、詳細に説明する。
（１）前記硬質部材のヤング率は、１８０〜６５０ＧＰａの範囲が好ましい。つまり１８０ＧＰａ以上であると、硬質部材の凸部の剛性が高いため、凸部の変形が少なく、横振れ等の影響を小さく抑えることができる。また、６５０ＧＰａ以下であると、加工がし易いという利点がある。
【００１７】
従って、ヤング率の点から、下記のものが好適である。
窒化珪素    ３２０ＧＰａ
ジルコニア  ２１０ＧＰａ
アルミナ    ３６０ＧＰａ
超硬合金    ６００ＧＰａ
（２）前記凸部が板状である場合、その先端側の方が薄くなるテーパ形状であると、切断等の作業を好適に行うことができる。
【００１８】
また、凸部の先端側のうち、超音波加工の際に超音波ホーンが移動する方向の側又は被加工物が移動する側をＲ形状に丸めると、超音波加工の際にひっかかりにくく、スムーズに加工を行うことができる。
（３）ここで、超音波による作業を行なう硬質部材とは、超音波による作業を行なう固体や液体に対して直接的に（又は間接的に）作用して、切断等の超音波加工や攪拌などを行なう部材である。
【００１９】
（４）前記硬質部材の材料としては、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）以外に、例えば、サイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、ジルコニア（ＺｒＯ2）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック、又はこれらの複合部材、或は、例えばＷＣ−Ｎｉ、ＷＣ−Ｃｏ等の超硬、サーメット等の周知の硬質材料が使用可能である。
【００２０】
このうち、窒化珪素を主成分とする硬質部材は、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えているので、好ましいものである。
（５）前記硬質部材を基体の先端部に取り付ける方法としては、ろう材により、先端部の先端面に硬質部材を接合するろう付けを採用できる。
【００２１】
また、先端部側又は硬質部材側にオネジやメネジを設けて、螺合により硬質部材を基体の先端部に固定する方法を採用できる。尚、超硬部材に直接ネジを形成する加工は困難であるので、超硬部材側には、例えばオネジ又はメネジを設けた金属部材をろう付けする方法を採用できる。
【００２２】
（６）前記超音波ホーンの基体の形状としては、その基端部を太くし、先端部を細くしたものを採用できる。また、この形状とは別に、基端部と先端部との材質を違えることによって、所望の振動特性を得られるようにしてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の超音波ホーンの実施の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。
（実施例１）
ａ）まず、本実施例の超音波ホーンの構成について説明する。
【００２４】
図１に示す様に、本実施例の超音波ホーンは、例えば超音波切断機に用いられる全長Ｌが１０７ｍｍの棒状の部材であり、その中間部から先端に向かって細く形成された円柱状のホーン本体（基体）１と、ホーン本体１の細い先端部分に接合された硬質部材２とから構成されている。
【００２５】
前記ホーン本体１は、超音波振動子３が取り付けられた断面円形の基端部４と、硬質部材２が接合されている断面円形の（基端部４より細径の）先端部６とから構成されている。このホーン本体１は、ＪＩＳ  Ａ２０２４の（Ａｌ−Ｃｕ系）アルミニウム合金からなる。
【００２６】
一方、硬質部材２は、ホーン本体１の先端部６の先端面７にろう付により接合された（軸方向の）断面略Ｔ字状の部材であり、その先端面７に接合される基部８と、該基部８から垂直に立設された凸部（刃先）９とから構成されている。この硬質部材２は、セラミックス製の部材であり、主成分の窒化珪素９０重量％に、Ａｌ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＴｉＮが適量添加された材料からなる。
【００２７】
このうち、基部８は、図２に示す様に、外径ｄが１０ｍｍで厚みが１．５ｍｍの円盤状の部材であり、ホーン本体１に接合される面（接合面）１１には、ろう付け性を向上するために、Ａｌが蒸着されてメタライズ層（図示せず）が形成されている。
【００２８】
また、凸部９は、高さｌが９．５ｍｍ、厚みｔが１．５ｍｍ、幅が約１０ｍｍの板状の部材であり、基部８の先端側の面（先端面）１２の中央部から先端側に向かって垂直に立設されている。
更に、基部８から凸部９が立ち上がる根元部分はＲ形状とされている。即ち、基部８と凸部９の境界部分には、曲率半径Ｒａが３ｍｍのスミの丸ミが形成されている。
【００２９】
尚、前記凸部９の先端側は、その板厚方向（図２（ａ）の上下方向）の両側にて、その厚みが先端側にゆくに従って薄くなるテーパ状に形成されている。また、凸部９の先端側の幅方向（図２（ｂ）の上下方向）の両端はＲ形状とされ、曲率半径Ｒｂが３ｍｍのカドの丸ミが設けられている。
【００３０】
ｂ）次に、本実施例の超音波ホーンの製造方法について説明する。
まず、ホーン本体１となる前記合金材料からなる金属の棒材（図示せず）を作製する。
また、これとは別の硬質部材２となる焼結体の製造工程にて、例えば粉末の窒化珪素等の材料を成形し、焼結して棒状の焼結体を作製した。
【００３１】
次に、ホーン本体１となる棒材の先端面７と硬質部材２となる焼結体の接合面１１との間に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｓｉ系のろう材（図示せず）を配置して、５５０℃で２時間真空で加熱して、ろう付けした。その後、所望の硬度（ＨＶ１００以上）を得るため、溶体化処理し室温時効を５０時間を行った。
【００３２】
その後、ホーン本体１となる棒材に対し、金属切削用のバイト及び旋盤を使用して、基端部４から先端部６までを切削加工した。
次に、セラミック加工用のダイヤモンド砥石を使用して、硬質部材２の基部８と凸部９とを、上述した断面略Ｔ字状に研削加工した。
【００３３】
これにより、図１に示す超音波ホーンを完成した。
この様に、本実施例の超音波ホーンは、その硬質部材２の凸部９の高さｌと超音波ホーンの長さＬとが、ｌ／Ｌ＜１／６の関係を満たし、凸部９の高さｌと凸部９の厚みｔとが、ｔ／ｌ≧１／１０の関係を満たし、基部８の外径ｄと凸部９の厚みｔとが、ｔ／ｄ≧１／１０の関係を満たしている。
【００３４】
従って、後述する実験例に示す様に、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部９の根元での破損を防止することができる。
また、基部８と凸部９との境界部分のスミの丸ミの曲率半径Ｒａが、０．５ｍｍ以上であるので、凸部９の根元からの破断を一層効果的に抑制することができる。
【００３５】
更に、凸部９の先端側の方が薄くなるテーパ形状であるので、切断等の作業を好適に行うことができる。また、凸部９の先端側の幅方向の両端がＲ形状とされているので、超音波加工の際にひっかかりにくく、スムーズに加工を行うことができる。
【００３６】
ｃ）次に、本実施例に超音波ホーンの効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、下記表１に示す寸法に設定して、超音波ホーンを製造した。このうち、試料No.１〜６が本発明の範囲内であり、これらは、請求項１〜４の発明全てに該当する。また、試料No.７〜１１が本発明の範囲外の比較例である。尚、試料No.１１は硬質部材を使用しない例である。
【００３７】
そして、これらの超音波ホーンを超音波切断機に装着し、表２に示す周波数にて実際の超音波加工を行った。その結果を、同じく表２に記す。
【００３８】
【表１】
0003706239.tif 000002
【００３９】
【表２】
0003706239.tif 000003
【００４０】
この表１及び表２からから明かな様に、本発明の範囲内の超音波ホーン（試料No.１〜６）は、異音や横振れの発生がなく、更に、凸部の根元から破断することがなく、好適に超音波加工を行うことができる。
それに対して比較例のもの（試料No.７〜１１）は、異音や横振れが発生し、好適な超音波加工を行うことができなかった。特に、試料No.１０の凸部の根元のＲａの寸法が小さなものは、凸部の根元から破断してしまい、好ましくない。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略又は簡略化する。
【００４１】
本実施例の超音波ホーンは、図３に示す様に、ホーン本体２１の先端部２２の先端面２３側に、ネジ穴２４を形成する。また、硬質部材２６の基部２７の一方の面に凸部２８を立設するとともに、他方の面にネジ部２９ａを有する金属板２９ｂをろう付けする。
【００４２】
そして、このネジ部２９ａをネジ穴２４に螺合させることにより、硬質部材２６をホーン本体２１の先端部の固定する。
これにより、硬質部材２６が、摩耗や欠損等によって使用できなくなった場合には、硬質部材２６のみを容易に交換できるという利点がある。
【００４３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各種の態様で実施できるのは勿論である。
（１）例えば前記実施例１，２では、同じ金属でホーン本体を作成したが、必要な機能を発揮する限りでは、異なる金属を結合（又は接合）させてホーン本体を作製してもよい。
【００４４】
（２）硬質部材としては、ヤング率が１８０〜６５０ＧＰａ以上の範囲内の各種の材料を使用できる。
（３）硬質部材の凸部の先端側のテーパ形状とＲ形状は、その両方の形状を採用すると好適であるが、どちらか一方のみを採用してもよい。或は、両方とも採用しなくてもよい。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した様に、請求項１の発明では、硬質部材の凸部の高さｌと超音波ホーンの長さＬとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
【００４６】
請求項２の発明は、硬質部材の凸部の高さｌと凸部の厚みｔとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
請求項３の発明では、硬質部材の基部の外径ｄと凸部の厚みｔとを、所定の関係を満たす様に設定することにより、横振れや異音の発生を防止できるとともに、凸部の根元での破損を防止することができる。
【００４７】
請求項４の発明では、凸部の根元の曲率半径Ｒａを前記範囲に設定することにより、基部と凸部との境界部分の応力集中を和らげることができ、特に凸部の根元からの破断を抑制する効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例１の超音波ホーンのホーン本体を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその右側面図である。
【図２】  実施例１の超音波ホーンの硬質材料を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）はその右側面図、（ｄ）はその右側面図である。
【図３】  実施例２の超音波ホーンを分解して示す説明図である。
【図４】  超音波ホーンの長さＬの設定方向を示す説明図である。
【符号の説明】
１，２１…基体（ホーン本体）
６，２２…先端部
２，２６…硬質部材
８，２７…基部
９，２８…凸部（刃先）
【図１】
0003706239.tif 000004
【図２】
0003706239.tif 000005
【図３】
0003706239.tif 000006
【図４】
0003706239.tif 000007