(57)【要約】  超音波ホーンが、発振器から入力された超音波帯域の周波数を有する信号に基づき超音波帯域の周波数を有する縦振動を発生させるように構成される振動発生部と、前記振動発生部からの前記縦振動を伝達させながら増幅させるように構成される振動増幅部と、前記振動増幅部の表面に溝状に形成されるスリットを有し、前記縦振動をねじり振動へと変換するように構成される縦−ねじり振動変換スリット部とを備える。前記振動増幅部は、平面視において多角形形状であり、前記スリットが設けられている面を複数有すると共にスリットが設けられていない面を有する。
2017094558.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波ホーンであって、
発振器から入力された超音波帯域の周波数を有する信号に基づき超音波帯域の周波数を有する縦振動を発生させるように構成される振動発生部と、
前記振動発生部からの前記縦振動を伝達させながら増幅させるように構成される振動増幅部と、
前記振動増幅部の表面に溝状に形成されるスリットを有し、前記縦振動をねじり振動へと変換するように構成される縦−ねじり振動変換スリット部と
を備え、
前記振動増幅部は、平面視において多角形形状であり、前記スリットが設けられている面を複数有すると共にスリットが設けられていない面を有する
超音波ホーン。
【請求項２】
前記スリットは、前記縦振動の伝達方向に対して斜めに形成されている請求項１記載の超音波ホーン。
【請求項３】
前記振動増幅部は、平面視において矩形形状であり、
前記スリットは、前記振動増幅部の対向する２面に設けられる
請求項１または２記載の超音波ホーン。
【請求項４】
前記振動発生部は、単一の周波数の前記縦振動を発生させる請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波ホーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波ホーンに関する。
本願は、２０１５年１２月４日に、日本に出願された特願２０１５−２３８０５９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、縦振動をねじり振動に変換する縦−ねじり振動変換スリット部をロッドの周面に備えた超音波複合振動装置が開示されている。このような超音波複合振動発生装置によれば、縦方向の振動とねじり方向の振動を複合的に発生させることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２０１３−１１１５０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、超音波複合振動装置は、把持部を設け、先端に加工用ヘッドを取り付けることにより、超音波加工機として利用することが考えられる。特許文献１に開示された超音波複合振動装置において、縦―ねじり振動変換スリット部がロッドの周面に対して周状に設けられている。このため、把持部及び加工用ヘッドを設ける位置は縦−ねじり変換部により制約され、縦−ねじり変換部の近傍に把持部及び加工用ヘッドを設けることは難しい。【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、把持部を設けること及び加工用ヘッドを取り付けることが容易な超音波ホーンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る超音波ホーンは、発振器から入力された超音波帯域の周波数を有する信号に基づき超音波帯域の周波数を有する縦振動を発生させるように構成される振動発生部と、前記振動発生部からの前記縦振動を伝達させながら増幅させるように構成される振動増幅部と、前記振動増幅部の表面に溝状に形成されるスリットを有し、前記縦振動をねじり振動へと変換するように構成される縦−ねじり振動変換スリット部とを備える。前記振動増幅部は、平面視において多角形形状であり、前記スリットが設けられている面を複数有すると共にスリットが設けられていない面を有する。【０００７】
前記スリットは、前記縦振動の伝達方向に対して斜めに形成されていてもよい。【０００８】
前記振動増幅部は、平面視において矩形形状であり、前記スリットは、上記振動増幅部の対向する２面に設けられてもよい。【０００９】
前記振動発生部は、単一の周波数の上記縦振動を発生させてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の上記態様によれば、振動増幅部は、平面視多角形形状であり、複数の面にスリットが設けられると共にスリットが設けられていない面を有する。複数の面にスリットが設けられることにより、縦振動をねじり振動へと変換することが可能である。また、スリットが設けられていない面に、把持部及び加工用ヘッドを設けることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンを模式的に示す上面図である。
【図２】本発明の一実施形態における振動増幅部及び縦−ねじり振動変換スリット部を含む斜視図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンの上面図であり、瞬時的な振動方向を示す。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンの側面図であり、瞬時的な振動方向を示す。
【図３Ｃ】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンの底面図であり、瞬時的な振動方向を示す。
【図３Ｄ】本発明の一実施形態に係る超音波ホーンの縦振動伝達方向における側面図であり、瞬時的な振動方向を示す。
【図４Ａ】本発明の一実施形態における振動増幅部の変形例を示す図であり、斜視図である。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態における振動増幅部の変形例を示す図であり、縦―ねじり振動変換スリット部が設けられている位置における断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る超音波ホーンについて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る超音波ホーン１を模式的に示す上面図である。
超音波ホーン１は、発振器２からの信号入力に基づいて振動する装置である。超音波ホーン１は、図１に示すように、振動子（振動発生部）３、振動増幅部４及び縦−ねじり振動変換スリット部５を備えている。発振器２は、振動子３の駆動周波数の信号を振動子３に入力するように構成される。振動子３は、発振器２から入力された超音波帯域の周波数を有する信号に基づいて、例えば４０ｋＨｚの超音波の縦振動を励起可能であり、振動増幅部４に接続されている。縦−ねじり振動変換スリット部５は、振動増幅部４の表面に溝状に形成される複数のスリットで構成される。発振器２及び振動子３は、超音波ホーン１に、単一の周波数の縦振動を発生させる。なお、発振器２から発生させる駆動周波数の範囲は、例えば、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの超音波の帯域である。
【００１４】
図２は、本実施形態における振動増幅部４及び縦−ねじり振動変換スリット部５を含む斜視図である。
振動増幅部４は、図２に示すように、上面視において等脚台形形状の上面４Ａ及び底面４Ｂを有する断面が中実の四角柱形状をしている。上面４Ａは底面４Ｂに対向する面である。上面４Ａ及び底面４Ｂには、縦−ねじり振動変換スリット部５を構成する２本の上側スリット５ａ及び２本の下側スリット５ｂが形成されている。また、振動増幅部４は、縦−ねじり振動変換スリット部５が形成されていない面である側面４Ｃ、側面４Ｄ、端面４Ｅ及び端面４Ｆを有している。
【００１５】
側面４Ｃ及び側面４Ｄは対向しており、超音波ホーン１を超音波加工機として用いる場合には、側面４Ｃ及び側面４Ｄにおいて縦振動の節の位置に把持部を設けることが可能である。端面４Ｅ及び端面４Ｆは、互いに平行に位置しており、平面視において矩形形状をしている。端面４Ｅは、振動子３と当接している。また、端面４Ｆは、端面４Ｅよりも面積が小さく設定されている。なお、端面４Ｆに加工用ヘッドを取り付けることも可能である。すなわち、振動増幅部４は、縦振動の伝達方向に対して、端面４Ｆに向けてテーパが施された先細り形状となっている。振動増幅部４は、振動子３から伝達された縦振動の振幅を増幅させるように構成される。
【００１６】
縦−ねじり振動変換スリット部５は、図２に示すように、上面４Ａに形成された２本の上側スリット５ａと、底面４Ｂに形成された２本の下側スリット５ｂとを有している。これらの縦−ねじり振動変換スリット部５は、全てのスリットの深さ及び幅は同一となるように設定されている。なお、上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂは、振動増幅部４を貫通していない。また全ての上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂの最大深さは、振動増幅部４の上下方向の厚みの１／２未満である。また、縦−ねじり振動変換スリット部５は、振動増幅部４において縦振動の節となる位置に設けることが望ましい。
【００１７】
また、上側スリット５ａは、２本が平行に隣接し、縦振動伝達方向（図１及び図２に示す矢印Ａ方向）に対して４５°斜めに形成されている。下側スリット５ｂは、２本が平行に隣接していると共に、縦振動伝達方向に対して上側スリット５ａの傾きと反対方向に４５°斜めに形成されている。すなわち、上側スリット５ａと下側スリット５ｂとは、上面４Ａ側から見て、端面４Ｅの中心を通る縦振動の伝達方向に平行な線に対して線対称に配置されている。この構成を有することにより縦−ねじり振動変換スリット部５は、振動子３より伝達される縦振動をねじり振動に変換する。なお、上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂは縦振動伝達方向に対して１０°〜８０°の範囲で斜めに形成されることが望ましい。
【００１８】
超音波ホーン１は上述の構成を有することにより、振動子３により生成される超音波の縦振動と、縦−ねじり振動変換スリット部５により生成される超音波のねじり振動とを同時に生成可能である。
【００１９】
続いて、本実施形態に係る超音波ホーン１の動作について説明する。図３Ａ〜３Ｄは、本実施形態における振動増幅部４の瞬時的な振動方向を示す図である。図３Ａは振動増幅部４の上面図であり、図３Ｂが振動増幅部４の側面図であり、図３Ｃが振動増幅部４の底面図であり、図３Ｄが縦振動伝達方向における振動増幅部４の端面図である。なお、図３Ａ〜３Ｄの実線の矢印は縦振動を表し、点線の矢印はねじり振動を表している。
【００２０】
超音波ホーン１が駆動されると、発振器２より振動子３に信号が入力され、振動子３の超音波縦振動が励起される。縦振動は、図３Ａ〜３Ｄに示すように、振動増幅部４において、振動子３と当接する端面４Ｅ側から伝達される。振動増幅部４へと伝達された縦振動が縦−ねじり振動変換スリット部５を通過することにより、縦振動の伝達方向が変化する。
【００２１】
このとき、縦−ねじり上面４Ａ側において上側スリット５ａに到達した縦振動は、上側スリット５ａにより、伝達方向を側面４Ｄに向かう方向に屈折され、たわみ振動に変換される。また、底面４Ｂ側において下側スリット５ｂに到達した縦振動は、下側スリット５ｂにより側面４Ｃに向かう方向に屈折され、たわみ振動に変換される。
【００２２】
これにより、図３Ａ〜３Ｄに示すように、上側スリット５ａを通過したたわみ振動及び下側スリット５ｂを通過したたわみ振動は、互いに反対方向に向かって伝達される。そのため、振動増幅部４が縦振動伝達方向を軸としてねじれるねじり振動となる。すなわち、縦振動が上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂを通過することにより端面４Ｆにおいてねじり振動が発生する。また、上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂを通過しない縦振動は端面４Ｆにおいて縦振動のままである。これらの振動が超音波ホーン１全体に伝搬することによって、縦−ねじり振動となる。したがって、振動増幅部４において、縦振動とねじり振動との両方の振動が生成される。なお、図３Ａ〜３Ｄに示す矢印は、瞬時的な振動の方向を示しており、縦振動及びねじり振動の方向は、絶えず反転している。
【００２３】
本実施形態に係る超音波ホーン１は、振動増幅部４の上面４Ａに上側スリット５ａが形成され、底面４Ｂに下側スリット５ｂが形成される。一方、側面４Ｃ及び側面４Ｄにはスリットが形成されていない。これにより、２面に設けられた上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂによって、縦振動をねじり振動に変換することが可能である。また、スリットが設けられていない側面４Ｃ及び側面４Ｄには、加工用ヘッドを固定することが可能である。
【００２４】
また、振動増幅部４に縦−ねじり振動変換スリット部５を形成することにより、ロッドを設ける必要がない。これにより、本実施形態に係る超音波ホーン１は、構造を単純化することが可能である。したがって、超音波ホーン１は、より効率的に振動を伝達することが可能である。
【００２５】
また、本実施形態に係る超音波ホーン１によれば、振動増幅部４は、縦振動伝達方向における平面視が矩形形状である。このため、縦−ねじり振動変換スリット部５を形成する際の加工に特殊な工具を必要としない。
【００２６】
また、本実施形態に係る超音波ホーン１によれば、縦−ねじり振動変換スリット部５のスリット５ａ、５ｂは、上面４Ａと、上面４Ａと対向する底面４Ｂとに設けられている。これにより、上面４Ａ側のたわみ振動と底面４Ｂ側のたわみ成分とが同じ程度の強さとなる。したがって、安定的にねじり振動を発生させることができる。
【００２７】
さらに、本実施形態における縦−ねじり振動変換スリット部５のスリット５ａ、５ｂは、縦振動伝達方向に対して４５°斜めに形成されている。これにより、上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂに到達した縦振動は、垂直に屈曲されてたわみ振動となるため、たわみ振動成分の強度が大きい。したがって、縦−ねじり振動変換スリット部５は、縦振動を効率的にねじり振動へと変換することが可能である。
【００２８】
また、スリット５ａ、５ｂが形成されていない面である側面４Ｃ及び側面４Ｄに把持部を設け、加工用ヘッドを固定することが可能となる。側面４Ｃと側面４Ｄとは、対向する位置に設けられているため、加工用ヘッドを両面に固定することで加工用ヘッドを安定的に支持することができる。
【００２９】
また、本実施形態に係る超音波ホーン１によれば、発振器２及び振動子３は、単一の周波数の縦振動を発生させる。すなわち、超音波ホーン１は、単一の周波数の縦振動により、縦振動及びねじり振動を発生させることが可能である。したがって、振動の種類ごとに発振器２及び振動子３を設ける必要がなく、超音波ホーン１の構造を単純化することが可能である。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
【００３１】
（１）上記実施形態においては、縦−ねじり振動変換スリット部５は、上面４Ａ及び底面４Ｂに形成されるスリット５ａ、５ｂで構成されるが、本発明はこれに限定されない。
図４Ａ及び４Ｂは、実施形態における振動増幅部４の変形例を示す図であり、図４Ａが、斜視図であり、図４Ｂが縦−ねじり振動変換スリット部５が設けられている位置における断面図である。図４Ａに示すように、縦−ねじり振動変換スリット部５を構成するスリットは、側面４Ｃ及び側面４Ｄに設けられてもよい。
なお、側面４Ｃ及び側面４Ｄにスリットを形成する場合には、図４Ｂの実線で示すように、側面４Ｃ及び側面４Ｄに対して垂直方向にむけて形成する場合と、図４Ｂの点線で示すように、縦振動の伝達方向に対して垂直に形成する場合とが考えられる。
【００３２】
（２）また、上記実施形態においては、振動増幅部４は、四角柱であるとし、端面４Ｅ及び端面４Ｆは矩形形状としたが、本発明はこれに限定されない。端面４Ｅ及び端面４Ｆは、例えば三角形や、五角形等の多角形でも良い。
【００３３】
（３）また、上記実施形態においては、縦−ねじり振動変換スリット部５を構成するスリットは、側面４Ｃ及び側面４Ｄの２面に形成されているが、本発明はこれに限定されない。端面４Ｅ及び端面４Ｆが四角形以上の多角形の場合、端面４Ｅ及び端面４Ｆ以外にスリットが設けられていない面を有していれば、縦−ねじり振動変換スリット部５は、２面以上に形成されるスリットで構成されてもよい。
【００３４】
（４）また、上記実施形態においては、縦−ねじり振動変換スリット部５を構成するスリットは、縦振動の伝達方向に対して４５°斜めに形成されているが、本発明はこれに限定されない。
縦−ねじり振動変換スリット部５を構成するスリットは、縦振動の伝達方向に対して、例えば３０°斜めに形成されるものとしても良い。この場合、上側スリット５ａは縦振動伝達方向（図２に示す矢印Ａ）に対して右回りで３０°斜めに形成し、下側スリット５ｂは縦振動伝達方向（図２に示す矢印Ａ）に対して左回りで３０°斜めに形成する。これにより、たわみ振動の強度が同程度となるため、安定したねじり振動が得られる。
【００３５】
（５）また、上記実施形態においては、スリットが設けられていない面（側面４Ｃ及び側面４Ｄ）に対して把持部を設け、加工用ヘッドを取り付けることが可能であるが、本発明はこれに限定されない。スリットが設けられている面（上面４Ａ及び底面４Ｂ）において、スリットに当接しない位置に把持部を設け、加工用ヘッドを取り付けることも可能である。
【００３６】
（６）また、上記実施形態においては、振動増幅部４の１つの面に対して、上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂは、上面４Ａ及び底面４Ｂにそれぞれ２本ずつ設けられているが、本発明はこれに限定されない。上側スリット５ａ及び下側スリット５ｂは、それぞれ１本ずつであってもよいし、それぞれ３本以上であってもよい。
【００３７】
（７）また、上記実施形態における縦−ねじり振動変換スリット部５では、全てのスリットの深さ及び幅が同一であるとしたが、本発明はこれに限定されない。スリットの深さ、幅及び形状は、振動増幅部４の形状などに応じて変更することが可能である。
【００３８】
（８）また、上記実施形態においては、発振器２は１つのみ設けるものとしたが、本発明はこれに限定されない。発振器２を複数設け、振動子３に複数の周波数を印加するものとしてもよい。なお、複数の発振器２を設ける場合には、発振器２と振動子３との間に加算器または乗算器を設けるものとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、ワイヤボンディング装置に用いられる超音波ホーンとして好適である。さらに、本発明は、溶接装置等の超音波振動を対象物に与える装置にも利用可能である。
【符号の説明】
【００４０】
１  超音波ホーン
２  発振器
３  振動子
４  振動増幅部
４Ａ  上面
４Ｂ  底面
４Ｃ  側面
４Ｄ  側面
４Ｅ  端面
４Ｆ  端面
５  縦−ねじり振動変換スリット部
５ａ  上側スリット
５ｂ  下側スリット
【図１】
2017094558.tif 000003
【図２】
2017094558.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2017094558.tif 000006
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2017094558.tif 000008
【図４Ａ】
2017094558.tif 000009
【図４Ｂ】
2017094558.tif 000010
【国際調査報告】
2017094558.tif 000011
2017094558.tif 000012
2017094558.tif 000013
2017094558.tif 000014