(57)【要約】【課題】  超音波加工機において、負荷の大きさに関わらず安定した超音波振動を与える構成を提供すること。【解決手段】  ステンレス製のベース台１２に取り付けたエアシリンダー１８のロッド１９にステンレス製の枠台１１を図示しないボルトとナットで取り付ける。次にこの枠台１１にボルト締めランジュバン型超音波振動子２のリアマス４に取り付けたステンレス製の支持部品９を取り付ける。さらにボルト締めランジュバン型超音波振動子２にコーン７を図示しないボルトにより取り付ける。次にコーン７にさらにホーン８を取り付けそして工具１０を取り付ける。また工具１０の下には加工台１７に取り付けた被加工物１６を置く。【選択図】    「図４」
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１個以上のボルト締めランジュバン型超音波振動子を有し、工具がボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマス側に接続され、かつボルト締めランジュバン型超音波振動子を支持するための支持部品がボルト締めランジュバン型超音波振動子のリアマスの端部と接続されていることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
前記ボルト締めランジュバン型超音波振動子のリアマスの端部と接続されている支持部品が枠台とボルト締めランジュバン型超音波振動子の中央部付近の高さの位置で接続されていることを特徴とする超音波振動テーブル装置。
【請求項３】
前記超音波加工装置が溶接装置であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
前記超音波加工装置がプレス装置であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波加工装置。
【請求項５】
前記超音波加工装置が切断装置であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波加工装置。
【請求項６】
前記超音波加工装置が砥粒を用いて加工する装置であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、超音波振動を用いて砥粒加工、切削加工、塑性加工、切断加工、金属の接合加工、プラスチックの接合、金属の成形加工およびプラスチックの成形加工に用いる超音波加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  超音波のエネルギーを利用する応用は動力的超音波応用と呼ばれ、特に振動振幅、振動速度が大きい超音波を用いるものは強力超音波応用と呼ばれている。
なお強力超音波の応用に関しては、「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６６１〜６９７ページに詳しく記載されている。【０００３】  例えば、超音波の特徴である大きな加速度を利用して物質の処理、加工に用いられている。この分野が砥粒加工、切削加工、塑性加工、切断加工である。
また、固体中では、強力な超音波が伝播する際に、振動応力の発生により顕著な発熱効果がある。この効果は摩擦による発熱と相まって金属の接合、熱可塑性プラスチックの接合、高分子材料の架橋などに利用されている。【０００４】  強力超音波を発生させるためには、強力な超音波発生源が必要であり、通常ボルト締めランジュバン超音波振動子が用いられている。この例として図１に示す超音波砥粒加工機がある。効率的な砥粒加工を行うには工具に数十ミクロンの超音波振動変位が必要とされる。ボルト締めランジュバン型超音波振動子の振動変位は数ミクロンであるので、振動を拡大する必要があり、コーン及びホーンを用いて振動変位を数十ミクロンまで増幅している。このことを図１中の振動変位分布で示している。腹は振動の腹を示し、節は振動の節を示している。
ボルト締めランジュバン型超音波振動子、コーン、ホーン及び工具を接続した構造において振動損失を小さくするため振動の節で支持することは、必要不可欠であり、通常は図１のようにコーンの振動の節部にフランジを設け、そのフランジを枠台で支持する。このボルト締めランジュバン型超音波振動子２、コーン７、ホーン８およびコーンに取り付けたフランジ６の詳細を図２の斜視図に示す。または、図３の斜視図に示すようにホーン、コーンがないときはボルト締めランジュバン超音波振動子２の中央部が節部であるので、そこにフランジ６を設け、支持する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかし、コーンの振動の節部、ボルト締めランジュバン超音波振動子の中央部の節部など振動の節部位置にフランジを設け、支持する方法では、工具が無いとき又は工具の質量が、小さいときは、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のインピーダンスが小さいため、大きな超音波交流電力が入力されてしまうため、超音波駆動回路が破損する恐れがある。また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子も破損する恐れがある。【０００６】  また、被加工物を加工を加工する前、すなわち無負荷時に比較して、被加工物を加工するときは、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のインピーダンスが大きくなる。無負荷時と加工時のボルト締めランジュバン型超音波振動子のインピーダンスの差が大きいと、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の共振周波数が急激に変化することにより超音波駆動回路が、共振周波数を追尾できなくなる、いわゆる脱調現象を発生して、超音波振動が停止することがある。【０００７】  さらに工具が大型化した場合、工具と被加工物が接触してボルト締めランジュバン型超音波振動子のインピーダンスが大きくなった場合でも、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のリアマス側には何も負荷が無いので、リアマス側が大きく振動して発熱してしまい、その発熱により電気的効率が悪化する恐れがある。また、振動変位に限界が生じてしまう。
本発明の目的は上述の問題点を解消する超音波加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明は、１個以上のボルト締めランジュバン型超音波振動子を有し、工具がボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマス側に接続され、かつボルト締めランジュバン型超音波振動子を支持するための支持部品がボルト締めランジュバン型超音波振動子のリアマスの端部と接続されている超音波加工装置するものである。【０００９】  前記ボルト締めランジュバン型超音波振動子のリアマスの端部と接続されている支持部品が枠台とボルト締めランジュバン型超音波振動子の中央部付近の高さの位置で接続されている超音波加工装置するものである。【００１０】  前記超音波加工装置が溶接を目的とするものである。【００１１】  前記超音波加工装置がプレスを目的とするものである。【００１２】  前記超音波加工装置が切断を目的とするものである。【００１３】  前記超音波加工装置が砥粒を用いて加工することを目的とするものである。
【発明の効果】
【００１４】  工具の大きさ、加工負荷にほとんど影響されることが無い超音波加工が可能であり、また、工具が無いときの無負荷運転でもボルト締めランジュバン型超音波振動子または超音波駆動回路が破損する恐れが極めて小さい超音波加工装置を提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  本発明を、添付の図面を用いて説明する。図４は、本発明の第一の構成の超音波溶着機を示す側面断面図である。【００１６】  ステンレス製のベース台１２に取り付けたエアシリンダー１８のロッド１９にステンレス製の枠台１１を図示しないボルトとナットで取り付ける。次にこの枠台１１にリアマス４に取り付けたステンレス製の支持部品９を取り付ける。さらにボルト締めランジュバン型超音波振動子２にコーン７を図示しないボルトにより取り付ける。次にコーン７にさらにホーン８を取り付けそして工具１０を取り付ける。また工具１０の下には加工台１７に取り付けた被加工物１６を置く。【００１７】  リアマス４に取り付けた支持部品９は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部の振動の節の高さの位置で枠台１１に固定される。支持部品９はリアマス４と接している位置が振動が最も大きく、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部の位置と同じ高さの位置の振動が最も小さい。したがって、支持部品９の節の位置で枠台１１に固定されていることになる。これは、従来のボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部にフランジを設け、これを支持していること、そしてコーンの中央部にフランジを設け、これを支持していることと同じ振動の節で支持していることである。また、ここでは、枠台１１がベース台１２に接続される構成にしたが、枠台１１とベース台１２を一体化した構成でもよい。【００１８】  リアマス４に取り付けた支持部品９には、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２、コーン７、ホーン８そして工具１０の重量が加わる。支持部品９と接するリアマ４スには、支持部品９からの引張り応力が作用する。【００１９】  また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のフロントマス３には、コーン７、ホーン８そして工具１０の重量による引張り応力が加わる。【００２０】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のフロントマス３側、リアマス４側の両方から応力が加わるので、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２は無負荷運転にはならない。【００２１】  また、仮にコーン７、ホーン８そして工具１０を取り外した状態でボルト締めランジュバン型超音波振動子２に超音波交流電圧を印加しても、リアマス４側から応力が加わっているので無負荷運転にはならない。したがって、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２あるいは超音波駆動電源は破損の恐れが無い。【００２２】  また、リアマス４に取り付けた支持部品９を、同様な効果を狙って図５そして図６の位置に支持部品を設けることができる。
側面断面図である図５において、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２、支持部品９、コーン７そしてホーン８の順序で接合されている。そして、支持部品９は枠台１１に取り付けられる。この構成は図４と同様に振動の腹に支持部品が取り付けられているのであるが、リアマス４側は、無負荷であるので、図４ほどの効果は無いが、従来の支持方法よりは、工具が無いときの無負荷運転でもボルト締めランジュバン型超音波振動子または超音波駆動回路が破損する恐れが小さいものである。【００２３】  側面断面図である図６において、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のリアマス４の中央部よりリアマス４の端部に近い位置に支持部品９を設けることもできるが、リアマス４の端部より節部に近いため、やはり図４ほどの効果は無いが、従来の支持方法よりは、工具が無いときの無負荷運転でもボルト締めランジュバン型超音波振動子２または超音波駆動回路が破損する恐れが小さいものである。【００２４】  次に図４の運転方法について説明する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２に超音波交流電圧を印加する。そしてエアシリンダー１８を稼動させ、被加工物１６を溶着する。その際、被加工物１６に工具１０が接触するまでは、無負荷運転になるが、本発明の構成では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の両側に既に応力が作用しているので、無負荷運転状態にならない。したがって、被加工物１６と工具１０が接触しているときと、被加工物１６と工具１０が接触していない時の負荷の差が小さいため、安定した運転状態を維持できる。【００２５】  従来の構成では負荷が急激に変化したときに、超音波加工機は、共振周波数が急激に変化することにより超音波駆動回路が、共振周波数を追尾できなくなる、いわゆる脱調現象を発生して、超音波振動が停止することがある。これに対して、本発明の構成は負荷が無付加のときにも加わっているので、共振周波数の変化が小さいため安定した超音波発振状態を維持できる。【００２６】  ここで図７を用いて超音波駆動回路１５の一例を説明をする。超音波駆動回路１５はボルト締めランジュバン型超音波振動子２の共振周波数に対応する周波数の正弦波電圧を印加する。図７中の振動子はボルト締めランジュバン型超音波振動子を言っている。【００２７】  図７に示すＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ−ｌｏｏｐ）回路は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の共振周波数に対応する周波数の矩形波電圧を発生させる。この矩形波電圧は、ドライバー回路にて電力増幅されたのち、整合回路にて電気力率の改善が行われ、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２に正弦波電圧として印加される。【００２８】  整合回路とボルト締めランジュバン型超音波振動子２との間に備えられた電圧／電流検出回路は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に付与される交流電圧、交流電流、およびこれらの位相を検出する。【００２９】  電力制御部は、電圧／電流検出回路にて検出された交流電圧、交流電流、およびこれらの位相をもとにボルト締めランジュバン型超音波振動子に付与されている電力を算出する。そして、電力制御部は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に所定の大きさの電力が付与されるように、算出���た電力値をもとにドライバー回路の電力増幅率を制御する。【００３０】  一方、位相回路は、電圧／電流検出回路から出力される、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に流れる電流を電流電圧変換した信号を入力し、周波数制御ブロックの制御周波数がボルト締めランジュバン型超音波振動子の共振周波数になるように、その信号を位相シフトさせた後、パルス状の電圧に変換した電圧信号をＰＬＬ回路に出力する。【００３１】  ＰＬＬ回路は、位相回路が出力するパルス状の電圧と、ＰＬＬ回路が出力する矩形波電圧との位相が一致するように、ＰＬＬ回路が出力する矩形波電圧の周波数を制御する。このような制御により、上記のようにボルト締めランジュバン型超音波振動子の共振周波数が、たとえば環境温度の変動によって僅かに変動した場合にも、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に常にその共振周波数に対応する周波数の交流電圧を印加することができる。【００３２】  次に本発明の第二の構成の超音波加工機である超音波砥粒加工装置について説明する。まず従来の構成の超音波砥粒加工装置について説明する。【００３３】  まず、従来の超音波砥粒加工装置の一例を図８に示す。磁歪変換素子を超音波振動源とするものである。磁歪変換素子の振動はコーンに伝播して、さらにホーン、工具に伝播する。被加工物と工具の間に砥粒を介在させ、工具の振動により砥粒を振動させ、砥粒の運動により被加工物を砥粒加工する。参考までにホーン、工具の詳細を図９に示す。【００３４】  磁歪変換素子、コーン、ホーンそして工具を一体化した構成をコーンの中間部に設けられたフランジにより支持する。振動の節部にフランジを設けて支持しているため、工具側及び磁歪変換素子側には機械的負荷が無いので、無負荷運転になっている。【００３５】  この状態においては、電気的インピーダンスが低い状態であるので、入力電力が大きくなりすぎ、磁歪変換素子が破損する恐れがある。【００３６】  これに対して、本発明の第二の構成の超音波砥粒加工装置は、機械的負荷の変動が大きい時には最適である。図１０に平面図、そして図１０のＡ−Ａ線で切断した側面図を図１１に示す。支持部品９とボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、とをボルトで接合する。次にコーン７、ホーン８をボルト締めランジュバン型超音波振動子２に図示しないボルトで接合する。そして支持部品９を枠台１１に図示しないボルトで接合する。なお、枠台１１はエアシリンダーのロッド１９に取り付けられている。また、工具１０はホーン８に取り付けられる。【００３７】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のリアマス４の端面に接合された支持部品９はボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部、すなわち２個の圧電セラミック５の間の位置の高さで枠台１１と接合する。【００３８】  支持部品９はリアマス４と接している位置の振動が最も大きく、そしてボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部の高さの位置の振動が最も小さい。したがって、支持部品９の節の位置で枠台１１に固定されていることになる。これは、従来のボルト締めランジュバン型超音波振動子２の中央部にフランジを設け、これを支持していること、そしてコーンの中央部にフ���ンジを設け、これを支持していることと同じ振動の節で支持しているものと支持効果は同じである。【００３９】  リアマス４に取り付けた支持部品９には、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２、コーン７、ホーン８そして工具１０の重量が加わる。支持部品９と接するリアマス４には、支持部品９からの引張り応力が作用する。【００４０】  また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のフロントマス３には、コーン７、ホーン８そして工具の重量が加わる。【００４１】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子２のフロントマス３側、リアマス４側の両方から応力が加わるので、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の無負荷運転にはならない。【００４２】  また、仮にコーン７、ホーン８そして工具１０を取り外した状態でボルト締めランジュバン型超音波振動子２に超音波交流電圧を印加しても、リアマス４側から応力が加わっているので無負荷運転にはならない。したがって、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２あるいは超音波駆動電源は破損の恐れが無い。【００４３】  上記のように複数のボルト締めランジュバン型超音波振動子を持つ超音波加工装置は、入力が大きくなるため無負荷は、避けなければならない。この対策として本発明の構成は最適である。【００４４】  上記の本発明の構成は切削加工、塑性加工、切断加工、金属の接合加工、金属の成形加工およびプラスチックの成形加工に用いる超音波加工装置にほぼそのまま利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】  本発明の超音波加工装置は、プラスチックおよび金属の溶接、成形、難加工材料の砥粒加工などに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来の超音波砥粒加工機の構成を示す側面図である。
【図２】従来のコーンにフランジを設けて支持する斜視図である。
【図３】従来のボルト締めランジュバン型超音波振動子にフランジを設けて支持する斜視図である。
【図４】本発明の第一の構成の超音波溶着機を示す側面断面図である。
【図５】コーンとボルト締めランジュバン形超音波振動子の間に支持部品を配置する構成を示す側面断面図である。
【図６】ボルト締めランジュバン形超音波振動子リアマス内に支持部品を設ける構成を示す側面断面図である。
【図７】超音波駆動回路を示す図である。
【図８】従来の超音波砥粒加工装置の構成を示す図である。
【図９】従来の超音波砥粒加工装置に用いるホーンと工具を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第二の構成の超音波砥粒加工装置を示す平面図である。
【図１１】本発明の第二の構成の超音波砥粒加工装置を示す側面断面図である。
【符号の説明】
【００４７】１    超音波加工機
２    ボルト締めランジュバン型超音波振動子
３    フロントマス
４    リアマス
５    圧電セラミック
６    フランジ
７    コーン
８    ホーン
９    支持部品
１０  工具
１１  枠台
１２  ベース台
１３  ボルト
１４  ナット
１５  超音波駆動回路
１６  被加工物
１７  加工台
１８  エアシリンダー
１９  ロッド
【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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【図６】
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【図７】
2006212619.tif 000009
【図８】
2006212619.tif 000010
【図９】
2006212619.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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