(57)【要約】【課題】  超音波加工機において、大型の工具にほぼ均一な超音波振動を与え、被加工物の形状が大きい場合でも加工速度および加工精度を向上させることを提供すること。【解決手段】  超音波駆動回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅより、５個のボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ，２ｅのそれぞれの共振周波数の超音波交流電圧を印加する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の振動はコーン７そして工具８に伝播する。【選択図】  図５
2006205140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２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、超音波振動を用いて加工する超音波加工装置において、ボルト締めランジュバン型超音波振動子と同数の駆動電源を有していることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
２個以上のボルト締めランジュバン型超音波振動子のそれぞれの共振周波数の超音波交流電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【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比較的広い面積の砥粒加工、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に示す超音波溶接機がある。工具に超音波振動を伝播させるためのコーンは、工具に比較して小さい。これをさらに説明するために図２、図３を用いて説明する。図２において、工具８はコーンと接触する面の面積がコーンと比較すると大きいため、超音波振動を工具８にできるだけ均一に分散させるためにスリット１３ａ、１３ｂを設けている。しかし、現実にはコーンと接触している部分の超音波振動がどうしても大きくなってしまう。さらに図３のように大きな工具８を用いる場合は、スリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの効果も減少し、コーンの真下と端部では大きな振動変位の差が生じてしまう。【０００５】  図４はボルト締めランジュバン超音波振動子に接続したコーンにさらに工具に取り付けた状態を示す斜視図であるが、超音波振動は直進性が高く、円で囲ったａの部分の振動が大きく、ｂ、ｃの部分の振動は小さくなってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  工具が大型化した場合にも、ボルト締めランジュバン超音波振動子を１個だけ用い被加工物を超音波加工していることが多い。このため工具が大型化すれば、工具と被加工物の接触面積が大きくなるので、単位面積当たりの超音波振動エネルギーは接触面積に半比例して小さくなる。その結果、加工速度が小さくなる、パワー密度が低くなりすぎ加工ができなくなる問題が生じる。さらに、工具にスリットを設けたりして、均一に超音波振動が被加工物に与えられるように工夫はしているが、振動分布が生じてしまう問題がある。
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】
【０００７】  本発明は、２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、超音波振動を用いて加工する超音波加工装置において、ボルト締めランジュバン型超音波振動子と同数の超音波駆動電源を有している超音波加工装置とするものである。【０００８】  前記の構成において２個以上のボルト締めランジュバン型超音波振動子のそれぞれの共振周波数の超音波交流電圧を印加する超音波加工装置するものである。【０００９】  前記超音波加工装置が溶接を目的とするものである。【００１０】  前記超音波加工装置がプレスを目的とするものである。【００１１】  前記超音波加工装置が切断を目的とするものである。【００１２】  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】
【００１３】  本発明の超音波加工装置は、工具にほぼ均一の大きさの超音波振動を励起できるので、加工対象物が大型化しても、ほぼ均一の大きさの超音波加工が可能である。
また、工具が大型化しても、工具の大きさにほぼ影響を受けることなく、加工対象物の加工速度を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明を、添付の図面を用いて説明する。図５は、本発明の第一の構成の超音波溶着機の工具とそれに接続したボルト締めランジュバン型超音波振動子を示す斜視図である。【００１５】  図面を簡単にするために工具８、コーン７、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅおよび超音波駆動回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅだけを示す。５個のボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ，２ｅのそれぞれの共振周波数の超音波交流電圧を印加できるように５個の超音波駆動回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ，１４ｅを接続している。実際の構成は図７に示すようにボルト締めランジュバン型超音波振動子の２枚の圧電セラミックの中央部に支持板を入れ、これをエアシリンダー接続している。【００１６】    従来の同様な構成を図４を用いて説明する。同じく工具８、コーン７、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２および超音波駆動回路１４だけを示す。１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子２にその共振周波数の超音波交流電圧を印加できるように超音波駆動回路１４を接続している。図１に示すようにコーンと振動子を一体化したものをコーンのフランジを介してエアシリンダー接続している。工具はコーンとの接合面において工具の面積に比較して数分の１である。このような構成においては、超音波振動は直進性が高いため、図４のａの部分の振動が最も大きい。そして端部のｂ、ｃはａの部分に比較して振動は小さくなってしまう。そこでスリット１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを設け、ａ、ｂ、ｃの振動を均一化を狙っているが若干改善できるもののａとｂ、ｃの差は大きい。【００１７】  一方、本発明の構成は、図５の超音波駆動回路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅからボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅのそれぞれの共振周波数の交流電圧を印加する。このようにそれぞれのボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの共振周波数の交流電圧を印加すると、それぞれのボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの超音波振動が真下の一点鎖線の円ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置に直進するのでａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置の振動はほぼ一様になる。図５の工具にはスリットを設けなかったが、工具の形状及び材料によってはスリットを設けることが望ましいこともある。【００１８】  次に図１２を用いて超音波駆動回路１４の説明をする。超音波発振回路１４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１２中の振動子はボルト締めランジュバン型超音波振動子２である。【００１９】  図１２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。【００２０】  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。【００２１】  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、算出し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。【００２２】  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。【００２３】  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。【００２４】  しかし、同じ構成でもボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを並列に接続して１個の超音波駆動回路から同一の周波数の電圧を与えると互いの振動が合成して、どうしても中央の一点鎖線の円ｃの位置の振動が大きくなってしまう。【００２５】図５に示した工具、コーン、ボルト締めランジュバン型超音波振動子および超音波駆動回路を組み込んだ超音波溶着器の平面図を図６に、その側面図を図７に示す。ここで超音波駆動回路は図面を簡略化するため図示しない。【００２６】ベース台１２に取り付けたエアシリンダ１０のロッド１１に取付けたステンレス製の枠台９がある。そして、そのステンレス製の枠台９に共通の支持板６を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅを図示しないボルトにより接合する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２はアルミ合金製のフロントマス３、アルミ合金製のリアマス４、圧電セラミック５そして５個のボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅに共通のステンレス製の支持板６をボルトとナットで締め付けて製作されている。ここでは図面の都合上ボルトとナットな図示しない。そして各々のボルト締めランジュバン型超音波振動子２には各々のコーン７をボルトにより接合する。さらにコーン７の先端と工具８を図示しないボルトにより接合する。【００２７】  次にこの超音波加工機１である超音波溶着器の運転方法について説明する。まず図示しない５個の超音波駆動回路からボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅのそれぞれの共振周波数の交流電圧を印加する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の超音波振動はコーン７そして工具に伝播する。先に説明したように工具の先端の一点鎖線のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置の���動はほぼ一様になる。そして次にエアシリンダ１０を運転してロッド１１を下方向に運動させる。【００２８】  図示しない被加工物にこの超音波振動が伝播して、被加工物の溶接または溶着が行われる。従来では困難であった大型の被加工物でも、工具の先端の一点鎖線のａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの位置の振動はほぼ一様であるので均一な溶着ができる。【００２９】  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。【００３０】  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。【００３１】  図８の超音波砥粒加工装置は、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。【００３２】  この工具の一例の詳細を図９に示す。ホーンの先端に超硬金属製の工具を溶接またはロウ付けにより取り付ける。工具はホーンの先端部の面積より小さい。
このように１個のホーンの先端部の面積より小さい工具を取り付け、被加工物を砥粒加工することは容易であるが、１個のホーンの先端部の面積に比較して倍以上に大きい場合には工具に均一な振動を与えることは困難である。【００３３】  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、大きな加工面積を持つ工具に最適である。図１０に超音波砥粒加工装置の中でボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと工具８だけを示す。工具８とボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは図示しないボルトで結合されている。工具８には１６個の正方形の穴が設けられている。この穴の形状に例えばガラス板などを砥粒加工により打ち抜く。【００３４】  図示しない４個の超音波駆動回路がそれぞれのボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに接続されている。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄにそれぞれの超音波駆動回路からボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの共振周波数の交流電圧を印加する。このようにそれぞれのボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの共振周波数の交流電圧を印加すると、それぞれのボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの超音波振動が真下の位置に直進するので、例え２次元的な形状でもその形状に適する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配置されば振動はほぼ一様になる。【００３５】  しかし、同じ構成でもボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを並列に接続して１個の超音波駆動回路から単一の周波数の電圧を与えると互いの振動が合成して、どうしても中央の位置の振動が大きくなってしまう。【００３６】  図１０に示した工具、ボルト締めランジュバン型超音波振動子および超音波駆動回路を組み込んだ超音波加工装置１である超音波砥粒加工装置のその側面図を図１１に示す。ここで４個の超音波駆動回路は図面を簡略化するため図示しない。【００３７】  図示しないエアシリンダのロッド１１に取付けたステンレス製の枠台９に共通の支持板６を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを図示しないボルトにより取り付ける。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２はアルミ合金製のフロントマス３、アルミ合金製のリアマス４、圧電セラミック５そして４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子に共通のステンレス製の支持板６をボルトとナットで締め付けて製作されている。ここでは図面の都合上ボルトとナットな図示しない。そしてボルト締めランジュバン型超音波振動子２にボルトにより工具８を接合する。【００３８】  次にこの超音波砥粒加工装置の運転方法について説明する。まず図示しない４個の超音波駆動回路からボルト締めランジュバン型超音波振動子２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄのそれぞれの共振周波数の交流電圧を印加する。ボルト締めランジュバン型超音波振動子２の超音波振動は工具８に伝播する。先に説明したように工具８の先端の振動はほぼ一様になる。そして次にエアシリンダを運転してロッド１１を下方向に運動させる。【００３９】  加工台１４の上に載せ���ガラス板である被加工物１３にこの超音波振動が伝播して、被加工物１３の砥粒加工が行われる。従来では困難であった大型の被加工物でも、工具８の先端の振動はほぼ一様であるので均一な砥粒加工ができる。【００４０】  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】
【００４１】  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】
【００４２】
【図１】  従来の超音波溶着機の構成を示す側面図である。
【図２】  従来の超音波溶着機に用いる工具を示す斜視図である。
【図３】  従来の超音波溶着機に用いる別の工具を示す斜視図である。
【図４】  従来の超音波溶着機に用いる工具、コーン、ランジュバン形振動子を接続した構成を示す斜視図である。
【図５】  本発明の第一の構成の超音波溶着機に接続する工具、コーン、ランジュバン形超音波振動子の構成を示す斜視図である。
【図６】  本発明の第一の構成の超音波溶着機を示す平面図である。
【図７】  本発明の第一の構成の超音波溶着機を示す側面図である。
【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の工具とランジュバン形振動子を接続した構成を示す斜視図である。
【図１１】  本発明の第二の構成の超音波砥粒加工装置を示す斜視図である。
【図１２】  超音波駆動回路を説明する図である。
【符号の説明】
【００４３】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    支持板
７    コーン
８    工具
９    枠台
１０  エアシリンダ
１１  ロッド
１２  ベース台
１３  スリット
１４  超音波駆動回路
１５  被加工物
１６  加工台
【図１】
2006205140.tif 000003
【図２】
2006205140.tif 000004
【図３】
2006205140.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006205140.tif 000009
【図８】
2006205140.tif 000010
【図９】
2006205140.tif 000011
【図１０】
2006205140.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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