(57)【要約】      （修正有）【課題】各種の強力超音波応用のための広幅試料の振動加工が可能な複数の回転振動シリンダー間の相対振動振幅分布の一様な大容量の超音波振動装置を提供する。【解決手段】縦振動装置で駆動する縦および径方向振動するシリンダー１および２を縦振動１／４波長程度ずらして設置し、シリンダー１および２間のシリンダー１おいおび２に沿った縦および径方向振動の相対振動振幅により振動シリンダー１および２間に挿入した各種材料７の薄膜、薄板試料を静加圧力を印加した状態で振動シリンダー１および２を回転させることにより連続的に振動加工する構造とする、またこれらの回転振動シリンダー装置を複数個結合して更に相対振動分布が一様とし、かつ振動容量を増加させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦振動源で駆動する縦および径方向振動するシリンダー▲１▼および▲２▼を縦振動１／４波長程度ずらして設置し、縦振動駆動装置▲３▼および▲４▼により振動位相を変化させて縦駆動してシリンダー▲１▼および▲２▼間のシリンダーに沿った縦および径方向振動の相対振動振幅を一様化した振動シリンダー▲１▼および▲２▼間に挿入した各種材料の薄膜、薄板試料▲７▼を静加圧力▲８▼を印加した状態で振動シリンダーを回転させることにより振動加工試料の両面から振動を印加し高効率で連続的に振動加工する構造とした超音波振動装置
【請求項２】
共振周波数が僅かに異なる２個の振動シリンダーを用い共振周波数の差により振動位相を変化させ相対振動振幅を一様にした請求項１に記載の大容量超音波振動装置。
【請求項３】
またこれらの回転振動シリンダー装置位置を変化させ複数結合して更に相対振動分布が一様な振動容量を増加させた構造としてなる請求項１に記載の大容量超音波振動装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、広幅のプラスチックシート、プラスチックネット、金属薄板、セラミックス、薄膜積層部品、多積層薄膜部品等を連続振動加工（溶接、切削、研磨、切断、塑性加工等）する大容量超音波振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、超音波振動装置としては加工対象に垂直または平行な振動を印加する単一の振動装置を用いた超音波プラスチック溶接装置または各種の超音波振動加工装置が知られている。
従来技術は、単一の縦振動装置を用いて加工試料に振動を印加するものである。
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】  しかしながら、従来技術では、単一の振動装置を用いるため振動工具の大きさに限界が有り、また振動加工試料の片側から振動を印加しており、広幅で長い加工試料に効率よく連続的に振動エネルギを提供することは困難であり応用範囲に限界があった。
【０００４】  このため、広幅のプラスチックシート、ネットや金属薄膜等の各種材料の連続振動加工を可能にするためプラスチック溶接、各種材料の塑性加工等の超音波加工用が可能な超音波振動装置が切望されていた。
【０００５】  本発明の課題は、縦振動および径方向振動する数波長以上の長い振動シリンダーを複数個設置しこのシリンダー間に試料を挿入し静圧力を印加して広幅試料の上下両面から相対振動を印加し、シリンダーを回転させ連続的に振動加工を行う、相対振動振幅が一様な振動印加効率の良い、大容量の超音波振動装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  この課題を解決するために本発明は、振動加工試料を２個の振動シリンダー間に挿入し、静圧力を印加した状態で、試料の上下から縦振動および径方向振動を印加し、試料上下間の相対縦振動および相対径方向振動により振動加工を行うが、振動シリンダーの長さに沿った相対振動は２個の振動シリンダー位置を縦振動１／４波長長さずらして設置し、２個のシリンダー同一位相および逆位相で交互に駆動することによりほぼ一様な相対振動振幅分布が得られることを見出してなされたものである。
【０００７】  請求項１の発明は、２個の振動シリンダー位置を縦振動１／４波長長さ程度ずらして設置し、２個のシリンダーの振動位相を適当な周期で同一位相および逆位相で交互に駆動することにより２個の振動シリンダー間の相対振動振幅が振動シリンダーの長さに沿ってほぼ一様となり、端部を除く振動シリンダー長さ全体に亘って加工試料に上下から相対縦振動振幅および径方向振動振幅を印加し、振動シリンダーを回転させ一様な連続振動加工を行う構造とした大容量の超音波振動装置である。
【０００８】  請求項２の発明は、請求項１の発明において更に、２個のシリンダーの振動位相を同一位相および逆位相で交互に駆動する目的で、振動シリンダーの共振周波数を僅かに異ならせ、その周波数差ΔｆＨｚで振動シリンダーの振動位相差を変化させ、振動シリンダーに沿ってほぼ一様な縦および径方向振動分布を得る構造とした大容量の超音波振動装置である。
【０００９】請求項３の発明は、請求項１の発明において更に２個以上の振動シリンダーを設置位置を変えて配置し振動シリンダーに沿ってより一様な縦および径方向振動分布を得る構造とした大容量の超音波振動装置である。
【作用】
【００１０】  超音波振動でプラスチック材料の超音波溶接を、２個の振動装置を用いて溶接試料の上下から同一周波数で逆位相で振動を印加する場合に、溶接強度は上下の振動速度の和で決まり、上下の振動速度をＶｕおよびＶＬとすると、必要な振動速度Ｖｒは
Ｖｒ＝Ｖｕ＋ＶＬ  となることが知られている。
単一の振動源を用いた場合には、溶接部の負荷抵抗をＲＬとすると溶接に必要なパワＰは
Ｐ＝（１／２）Ｒｌ＊Ｖｒ２  となる
上下から同時に振動を印加した場合には、上下の必要な振動速度  Ｖｕ、ＶＬを片側から振動を印加する場合の１／２Ｖｕ＝ＶＬ＝Ｖｒ／２  とした場合の必要パワＰｕＬは
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となり、上下の振動速度が１／２になることにより、必要な全パワは１／２になる。実際にも有効な結果が得られている。
この効果は２個の振動シリンダーで振動を印加する場合にも同様でより有効な振動加工効果が得られる。振動方向が試料に平行および垂直方向な振動を上下から同時に印加した場合にも有効な効果が得られている。
【００１１】  縦振動シリンダーは直径寸法が縦振動波長λの１／４に比して細い場合には直径方向の振動は小であるが、λ／４に比して大きい場合には縦振動振幅の半分以上の振動振幅で振動する。縦振動シリンダーの位置ｘによる振動分布は
縦振動振幅分布      ξｌ＝Ａｌｃｏｓ（ｋｘ）・ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）  （ｍ）
径方向振動振幅分布  ξｒ＝Ａｒｓｉｎ（ｋｘ＋π／２）・ｓｉｎ（２πｆｔ＋θ）  （ｍ）
となる。ここでＡｌ、Ａｒは振動振幅、κは波長定数、ｆは周波数、ｔは時間である。
２個の縦振動シリンダーを同一位置で組み合わせた場合の振動シリンダー間の相対振動振幅は振動位相差を１８０°変化させて駆動しても場所により０の場所が生じる。
２個の縦振動シリンダーを縦振動の１／４波長（π／２）程度ずらして設置し、振動位相差を１８０°時間的に変化させることによりほぼ一様なシリンダー間の相対振動振幅分布が得られる。
【００１２】  振動シリンダーの一方の駆動位相差を１８０°時間的に変化させることに代えて、２個の振動シリンダーの共振周波数をΔｆ変えることにより振動位相がΔｆ回秒変化し、ほぼ一様なシリンダー間の相対振動振幅分布が得られる。
【００１３】従って、この振動シリンダー表面に適当な縦振動の微細な滑り止めの凹凸、振動加工用のパターン等を加工することにより大容量の広幅の連続超音波振動加工装置を提供することが出来る。
【発明を実施するための形態】
【００１４】  図１は本発明の広幅試料の連続振動加工を行う大容量の超音波振動装置の原理を示すブロック図、図２および図３はアルミニウム合金縦振動シリンダーの直径が細い場合および太い場合の径方向振動分布をレーザードップラー振動計による測定結果の例を示す実測図、図４は縦振動の１／４波長ずらして設置した２個の振動シリンダーの同位相の場合の縦振動および径方向振動振幅分布、図５は縦振動の１／４波長長さずらして設置した２個の振動シリンダーの振動位相を時間的に１８０°変化させ和を取った場合の縦振動および径方向振動振幅分布の計算値で２５％程度の変動で一様な振動加工が可能である。
【００１５】  図１に示すように、各振動シリンダー▲１▼▲２▼は一端を縦振動駆動装置▲３▼▲４▼で駆動し、他端にシリンダー保持・回転駆動可能な受動縦振動系▲５▼▲６▼を設置している。縦振動駆動装置はボルト締めランジュバン形振動子（ＢＬＴ）▲１１▼および速度変成用のホーン▲１２▼からなる縦振動系を速度変成用ホーンの振動ノード部を縦振動１／４波長の円筒ノードサポーター▲１３▼で支持し、ノードサポーターの他端はサポーターの振動をノードサポーターに比して音響インピーダンス・質量の大で振動エネルギを反射する金属ベース▲１４▼に設置している。さらに振動源後部に回転時に超音波振動子に給電するためのスリップリング▲１５▼を設置している。受動振動系▲６▼も縦振動系▲６▼に円筒ノードサポータ−▲１３▼、金属ベース▲１４▼を設置している。この金属ベース▲１４▼はほとんど振動しないので保持、回転駆動に使用できる。振動シリンダーは端部近くのノード部をローラー付き１／４波長ノードサポーターで保持できる。振動シリンダーの質量があまり大でなければノードサポーターで支持せず、この部分を用いて振動加工可能な幅を拡げることが出来る。
【００１６】図１では縦振動駆動装置▲４▼▲６▼と受動振動装置▲５▼▲６▼を振動シリンダーの異なる端部に設置しているが、縦振動駆動装置の寸法によっては同一側に設置できる  また振動容量を更に大にするためは両端部に縦振動駆動装置を設置して並列駆動できる。
【００１７】  図２および図３は直径５０ｍｍおよび１１０ｍｍ、長さ５１５ｍｍのアルミニウム合金棒を縦振動振幅１２．３μｍ（片振動振幅）で駆動し、長さに沿って２波長振動させて径方向の振動振幅をレーザードップラー振動計で測定した結果である。直径が太くなると音速が遅くなり共振周波数は異なるが、音速の１／４波長より僅かに細い直径５０ｍｍの場合には径方向振動振幅が縦振動の約２．４％であるのに対して１／４波長の２倍近い直径１１０ｍｍの場合には約５０％の径方向振動振幅が得られる。
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【００１８】  柔らかい加工試料の場合で試料に平行な振動（縦振動）より垂直な振動（径方向振動）が有効な場合には、振動シリンダーの材質、直径の選択によってより有効な振動モードの振動シリンダーの選択が可能である。
【００１９】  ２個の直径１０５ｍｍのアルミニウム合金振動シリンダーの共振周波数をΔｆ＝３００Ｈｚとし１９．３５ｋＨｚおよび１９．６５ｋＨｚとすると、縦振動１３．５波長の場合の各振動シリンダーの長さは音速の実測値を使用して３，２６３．１ｍｍおよび３，３２３．５ｍｍとなり，振動加工幅は約３，０００ｍｍとなる。全長が僅かに異なるが設置位置を全長に亘って平均化することにより相対振動振幅分布に大きな影響はない。この直径１０５ｍｍのアルミニウム合金振動シリンダーはシリンダーの片端駆動で縦振動振幅１５μｍ以上で全長に亘って均一に振動した。また径方向振動振幅は縦振動の約５０％である。
【００２０】  振動シリンダーの材質としてはステンレス鋼、鉄鋼、アルミニウム合金が使用できるがアルミニウム合金の場合には表面に滑り止めの細い溝を加工した後に硬質アルマイト、硬質クロームメッキ等の表面処理を施し耐久性を増加させることができる。
【００２１】  試料の種類によっては静加圧力の大きさにより振動加工効果が異なるが、振動シリンダーを上下に配置した場合には上部シリンダーの自重、さらにバネまたは空気シリンダー等を用いることにより最適な静加圧力を印加することができる。
【００２２】  上記の例では充実シリンダーを用いているが重量を軽減するために中空のパイプ状振動体を用いることもできる。
【発明の効果】
【００２３】  以上のように本発明によれば、広幅の加工試料を連続的にほぼ一様に振動加工する振動体の剛性に富んだ大容量の超音波複合振動装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の上部および下部に振動シリンダーを設置した超音波振動装置の原理を示すブロック図である。
【図２】  図２は、振動シリンダー直径が縦振動１／４波長に近い５０ｍｍの振動シリンダーに沿った径方向振動分布の測定例である。
【図３】  図３は、振動シリンダー直径が縦振動１／４波長の２倍に近い１１０ｍｍの振動シリンダーに沿った径方向振動分布の測定例である。
【図４】  ２個の振動シリンダーを縦振動１／４波長位置をずらして設置した縦振動分布および径方向振動分布を示す。
【図５】  縦振動の１／４波長長さずらして設置した２個の振動シリンダーの振動位相を時間的に１８０°変化させ和を取った場合の縦振動および径方向振動振幅分布である。
【符号の説明】▲３▼    上下に配置した長さ数波長以上の回転する縦および径方向振動シリンダー
▲３▼▲４▼  振動シリンダー駆動用のスリップリングにより給電する縦振動駆動装置
▲５▼▲６▼  振動シリンダー保持および回転駆動用の受動振動系
▲７▼    プラスチック等の薄膜または薄板状の重ね合わせた溶接または振動加工試料
▲８▼    溶接部静加圧力
▲９▼    振動シリンダー回転方向
▲１０▼    縦振動１／４波長長さの振動シリンダーのノード部ローラーサポーター
▲１１▼    超音波振動子（ＢＬＴ）
▲１２▼    振動速度変成用ホーン
▲１３▼    縦振動系保持用の縦振動１／４波長長さの円筒状ノードサポーター
▲１４▼    ノードサポーター保持用質量部
▲１５▼    超音波振動子給電用スリップリング
▲１５▼’  超音波振動子給電用ケーブル
【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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