(57)【要約】【課題】超音波ヘッドの超音波ホーンからの脱着が可能で、なお且つ、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の改善を図ることを可能としうる超音波加工装置を提供すること。【解決手段】超音波ホーンまたは超音波ヘッドのいずれか一方の取り付け面に複数のアリ溝部が配置され、他方の取り付け面に複数のアリ溝部に対応する複数のホゾ部が配置され、超音波ホーンと超音波ヘッドとは、複数のアリ溝部と複数のホゾ部とにより、超音波ホーンと超音波ヘッドとのそれぞれの取付け面が互いに接触して係合されるように形成され、複数のアリ溝部と複数のホゾ部とは、挿抜時の焼き嵌めによるアリ溝部の膨脹および冷やし嵌めによるホゾ部の収縮の少なくともいずれか一方により、互いに対する取り付け及び取り外しがなされうるように形成されている、ことを特徴とする超音波加工装置。【選択図】図１
2018089634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを効率良く伝達させるための共鳴体である超音波ホーンと、
前記超音波ホーンに取り付けられて、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドと、を有する超音波加工装置において、
前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとは、それぞれの表面に形成された取り付け面を有し、前記超音波ホーンまたは前記超音波ヘッドのいずれか一方の取り付け面に複数のアリ溝部が配置され、他方の取り付け面に前記複数のアリ溝部に対応する複数のホゾ部が配置され、前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとは、前記複数のアリ溝部と前記複数のホゾ部とにより、前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとのそれぞれの取付け面が互いに接触して係合されるように形成され、
前記複数のアリ溝部と前記複数のホゾ部とは、挿抜時の焼き嵌めによるアリ溝部の膨脹および冷やし嵌めによるホゾ部の収縮の少なくともいずれか一方により、互いに対する取り付け及び取り外しがなされうるように形成されている、
ことを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
前記複数のアリ溝部は、前記取り付け面の中央部に配置される中央アリ溝部と、前記取り付け面の中央部の外側に配置される少なくとも一つの外側アリ溝部とを含み、
前記複数のホゾ部は、前記中央アリ溝部に対応する中央ホゾ部と、前記外側アリ溝部に対応する少なくとも一つの外側ホゾ部とを含む、
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】
前記中央アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部が、ともに傾斜を有した斜辺部とされるような台形形状であり、前記中央ホゾ部は、断面視して、前記中央アリ溝部に対応する台形形状であり、
前記外側アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部の内の、取り付け面中央部に対して遠位側の対辺部が傾斜を有した斜辺部とされるような台形形状であり、前記外側ホゾ部は、断面視して、前記外側アリ溝部に対応する台形形状である、
ことを特徴とする請求項２に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
前記複数のアリ溝部及び前記複数のホゾ部は、前記外側アリ溝部と前記外側ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスが、前記中央アリ溝部と前記中央ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスよりも大きくなるように形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の超音波加工装置。
【請求項５】
前記外側アリ溝部及び前記外側ホゾ部は、前記取り付け面中央部からの離間距離が大きくなるほど、前記外側アリ溝部と前記外側ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスが大きくなるように形成されている、ことを特徴とする請求項４に記載の超音波加工装置。
【請求項６】
前記外側アリ溝部及び前記外側ホゾ部は、挿入後前記超音波ホーン及び前記超音波ヘッドの温度が室温に戻るのに伴い、前記外側アリ溝部の斜辺部であって取り付け面中央部に対して遠位側の斜辺部と前記外側ホゾ部の対応斜辺部であって取り付け面中央部に対して遠位側の対応斜辺部とが接触するように形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の超音波加工装置。
【請求項７】
前記外側アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部の内の、取り付け面中央部に対して遠位側の対辺部が傾斜を有した斜辺部とされ、取り付け面中央部に対して近位側の対辺部が、上底部と下底部とに対して直交する直交辺部とされるような台形形状であり、前記外側ホゾ部は、断面視して、前記外側アリ溝部に対応する台形形状である、ことを特徴とする請求項６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、振動エネルギーを効率良く伝達させるための共鳴体である超音波ホーンと、該超音波ホーンに取り付けられて、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドとを有する超音波加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波の産業利用には、魚群探知機や超音波探傷機、超音波診断装置等、超音波の波動を利用して各種測定を行う通信的応用と、超音波洗浄、超音波加工等、超音波振動の物理的作用を利用する動力的応用がある。特に工業的な利用では超音波加工が注目されており、超音波切削、超音波研削、超音波ボンディング、超音波ウエルダー、超音波インプリント等の装置や加工技術が広く利用されている。
【０００３】
超音波加工装置では、超音波発生器によって生成した正弦波の電気的エネルギーを超音波振動子によって機械的な振動エネルギーに変換し、超音波ホーンと呼ばれる共鳴体を介して被加工物に伝達する。超音波切削では、超音波ホーンの先端に切削工具を固定することによって、刃先の被加工物への接触と離脱を高速且つ断続的に行い、離脱時に蓄えた振動エネルギーを接触に移り変わった瞬間に大きな加速度を伴って衝撃的に被加工物に放出するものである。このような加工サイクルを繰り返すことによって、切削抵抗を低減し、切削時の温度上昇も抑制できる特徴を持つ。また、ガラス等の硬脆材料と工具の間に研削液と砥粒を挿入し、超音波振動によって砥粒の被加工物への衝突を促し除去加工を行う超音波研削もある。超音波ボンディングは、２つの金属材料同士の接合に利用されており、超音波振動で接合面間の酸化被膜が取り除かれ、金属の結晶粒同士が強力な引力が働く原子間距離まで近づくことによって冶金結合する。超音波ウエルダーでは、２つの熱可塑性材料基板に振動エネルギーと荷重を同時に加えることにより、接合面において強力な摩擦熱を発生させ、被加工物を溶融し接合する。超音波振動印加中に発生する摩擦熱は、ヒーターから伝播した熱とは異なり、超音波振動の停止と同時に瞬時に消滅する。この特徴を活かして、モールドの微細凸構造を被加工物表面に押し当てながら超音波振動を印加し、局所的な摩擦熱を発生させて熱変形を促す超音波インプリントが提案されている。超音波インプリントは、紫外線やヒーターを使わない第三のインプリント技術として、様々なエンジニアリングプラスチックやガラスの表面をパターニングする方法としての有効性が報告されている。一方、インプリントでは、テンプレートやモールドは成形材料に接触するため、洗浄や取り替えのためにインプリント装置から脱着できる必要がある。
【０００４】
超音波加工装置の構成は、超音波領域の周波数を有する電気信号を発生させる超音波発振器、高周波の電気的エネルギーを機械的な振動エネルギーに変換する超音波振動子、振幅を増幅させるブースター、共鳴体としての超音波ホーン、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドに分けられる。
【０００５】
一般的な超音波加工装置においては、超音波振動が非常に強力であるために、超音波ヘッドを銀蝋付けによって超音波ホーンに固定することが多い。しかし、銀蝋付けされた超音波ヘッドを剥離するためには６００℃以上に加熱しなければならず、清浄な表面を再現することは難しい。
【０００６】
そこで、アクチュエーターで発生させた圧力によって超音波ホーンを超音波振動子に押し付けて固定する手段が特許文献１によって開示されている。この手法では周波数の上昇とともに超音波ホーンの挙動が超音波振動子に追随できなくなり、固定力向上のために圧力を増加させると超音波振動子自身の発振を妨げる虞がある。
【０００７】
超音波ボンディングのヘッド部に真空吸着によって電子部品等を固定する装置が特許文献２、３に開示されている。しかし、超音波ヘッドに吸着させる物体の重量が大きいほど吸着力は弱まるため、強固な固定力は期待できない。
【０００８】
工具ホルダーを介して超音波ホーンに超音波工具をネジ締結する手法が特許文献４、特許文献５で開示されている。これらの手法は超音波振動によってネジが緩む可能性がある。また、構成部品の剛性率の違いによって、超音波振動の波形が歪な形状で伝達されることが非特許文献１により明らかになっている。
【０００９】
さらに、超音波ノズル側の取り付け凸部を超音波ホーンに設けた取り付け凹部に外力を加えてその径が広がるように変形させて挿入し、超音波ホーンの材料の弾性力により締め付けて固定する手法が特許文献６で開示されている。しかし、弾性率の低い金属製の超音波ホーンを使用した場合、一度外力によって変形した取り付け凹部が脱離後に完全に元の形状に戻ることは期待できないため、脱着作業を繰り返すと急激にその締付力は劣化してゆくと考えられる。
【００１０】
一方、超音波振動と焼き嵌め締結を組み合わせた事例として、焼き嵌めでロータに軸を挿入した後に超音波振動を加える手法が特許文献７に、超音波振動させながら切削加工工具を焼き嵌め締結する方法が特許文献８と９に開示されている。これらの手法では、焼き嵌め時の脱着を容易にするために超音波振動を援用しているため、必然的に嵌め込まれた軸や工具は超音波振動によって位置ずれを起こしてしまう。
【００１１】
また、刀部を擁する超音波ホーンと工作機械の駆動軸を焼き嵌めまたは冷やし嵌めで嵌め合わせる構成が特許文献１０に開示されている。これは超音波ホーンを高速で回転する工作機械の駆動軸に強固に固定するための構成を提案しており、超音波ヘッドを頻繁に脱着する用途としては想定していない。
【００１２】
特許文献１１では、超音波ホーンの凹部に焼き嵌めで工具を締結する方法が開示されているが、非特許文献１でも示されているとおり、超音波ホーンと超音波ヘッドの嵌め合い構造が取り付け面（接触面）の中央に一つしか存在しない場合は、嵌合に関与していない取り付け面間で叩き合いが発生し、そのために発生する摩擦熱によって温度上昇と振り遅れによる振動波形の乱れを引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０―６９４９２号公報
【特許文献２】特開２００３―４５９１６号公報
【特許文献３】特開２００４―３１９５９９号公報
【特許文献４】実開平０７―３９４７号公報
【特許文献５】特開２０００―６１７８６号公報
【特許文献６】特開２００３―２０９１４２号公報
【特許文献７】特開２０１６―００７１１２号公報
【特許文献８】特開２００９―２４１２２６号公報
【特許文献９】特開２００７―０９８４７７号公報
【特許文献１０】特開２００３―０７１６８３号公報
【特許文献１１】特開２００４―００９２０６号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｈ．Ｍｅｋａｒｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，ｄоｉ：１０．１００７／ｓ００５４２−０１６−３０２８−７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、非特許文献１では、超音波ヘッドを、両面テープ貼付、接着剤塗布、ネジ止め、取り付け面（接触面）の中央部に単一のアリ溝部とホゾ部とから構成されるアリ構造を備えた冷やし嵌めの４種類の固定方法で超音波ホーンに固定し、振動エネルギーの損失比較を行った結果が開示されている。
【００１６】
非特許文献１に開示した先行実験によると、超音波加工装置の無酸素銅製ヘッドを両面テープ貼付、接着剤塗布、ネジ止め、取り付け面（接触面）の中央部に単一のアリ構造を備えた冷やし嵌めの４種類の固定方法で、チタン製超音波ホーンに固定して振動エネルギーの損失比較を行ったところ、取り付け面の中央部に単一のアリ構造を備えた冷やし嵌めによる固定方法は、両面テープ貼付による固定方法に次いで発熱が大きく、伝播した超音波振動の振幅も最も増大することが明らかになった。
【００１７】
この理由として、アリ構造が取り付け面の中央部に一つしかないために取り付け面端部が自由端となり、取り付け面端部に間隙が生じ、このことに起因して、超音波振動によって叩き合いが生じることが原因と考えられる。なお、ここでのアリ構造とは、アリ溝部とホゾ部とにより結合部材間の係合をもたらす構造であり、本明細書中においては、アリ構造が取り付け面内に複数個配置された場合を複アリ構造と称し、これと区別するために単一のアリ構造のみが配置されていることを意味する用語として単アリ構造と称することとする。
【００１８】
本発明は上記のような課題に鑑み、振動エネルギーを効率良く伝達させるための共鳴体である超音波ホーンと、超音波ホーンに取り付けられて、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドとを有する超音波加工装置において、超音波ヘッドの超音波ホーンからの脱着が可能で、なお且つ、超音波ホーンと超音波ヘッドとの取り付け面端部に生じる間隙の叩き合いによる変形や摩擦熱の発生を抑制することでき、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の改善を図ることを可能としうる超音波加工装置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】
【００１９】
請求項１に記載の発明によれば、振動エネルギーを効率良く伝達させるための共鳴体である超音波ホーンと、前記超音波ホーンに取り付けられて、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドとを有する超音波加工装置において、前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとは、それぞれの表面に形成された取り付け面を有し、前記超音波ホーンまたは前記超音波ヘッドのいずれか一方の取り付け面に複数のアリ溝部が配置され、他方の取り付け面に前記複数のアリ溝部に対応する複数のホゾ部が配置され、前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとは、前記複数のアリ溝部と前記複数のホゾ部とにより、前記超音波ホーンと前記超音波ヘッドとのそれぞれの取付け面が互いに接触して係合されるように形成され、前記複数のアリ溝部と前記複数のホゾ部とは、挿抜時の焼き嵌めによるアリ溝部の膨脹および冷やし嵌めによるホゾ部の収縮の少なくともいずれか一方により、互いに対する取り付け及び取り外しがなされうるように形成されている、ことを特徴とする超音波加工装置が提供される。
【００２０】
すなわち、請求項１に記載の発明では、超音波ホーンと超音波ヘッドとのそれぞれの表面に取り付け面を配置し、超音波ホーンまたは超音波ヘッドのいずれか一方の取り付け面に複数のアリ溝部を配置し、他方の取り付け面に複数のアリ溝部に対応する複数のホゾ部を配置し、複数のアリ溝部と複数のホゾ部とにより、超音波ホーンと超音波ヘッドとのそれぞれの取付け面が互いに接触して係合されるように、超音波ホーンと超音波ヘッドとを形成することで、超音波ヘッドの超音波ホーンからの脱着を可能としつつ、なお且つ、取り付け面端部に生じる間隙を狭め、該間隙間の叩き合いによる変形や摩擦熱の発生を抑制することによって、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の改善を図ることを可能とする。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、前記複数のアリ溝部は、前記取り付け面の中央部に配置される中央アリ溝部と、前記取り付け面の中央部の外側に配置される少なくとも一つの外側アリ溝部とを含み、前記複数のホゾ部は、前記中央アリ溝部に対応する中央ホゾ部と、前記外側アリ溝部に対応する少なくとも一つの外側ホゾ部とを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置が提供される。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、前記中央アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部が、ともに傾斜を有した斜辺部とされるような台形形状であり、前記中央ホゾ部は、断面視して、前記中央アリ溝部に対応する台形形状であり、前記外側アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部の内の、取り付け面中央部に対して遠位側の対辺部が傾斜を有した斜辺部とされるような台形形状であり、前記外側ホゾ部は、断面視して、前記外側アリ溝部に対応する台形形状である、ことを特徴とする請求項２に記載の超音波加工装置が提供される。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、前記複数のアリ溝部及び前記複数のホゾ部は、前記外側アリ溝部と前記外側ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスが、前記中央アリ溝部と前記中央ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスよりも大きくなるように形成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の超音波加工装置が提供される。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、前記外側アリ溝部及び前記外側ホゾ部は、前記取り付け面中央部からの離間距離が大きくなるほど、前記外側アリ溝部と前記外側ホゾ部との間の前記取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスが大きくなるように形成されている、ことを特徴とする請求項４に記載の超音波加工装置が提供される。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、前記外側アリ溝部及び前記外側ホゾ部は、挿入後に前記超音波ホーン及び前記超音波ヘッドの温度が室温に戻るのに伴い、前記外側アリ溝部の斜辺部であって取り付け面中央部に対して遠位側の斜辺部と前記外側ホゾ部の対応斜辺部であって取り付け面中央部に対して遠位側の対応斜辺部とが接触するように形成されている、ことを特徴とする請求項５に記載の超音波加工装置が提供される。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、前記外側アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部の内の、取り付け面中央部に対して遠位側の対辺部が傾斜を有した斜辺部とされ、取り付け面中央部に対して近位側の対辺部が、上底部と下底部とに対して直交する直交辺部とされるような台形形状であり、前記外側ホゾ部は、断面視して、前記外側アリ溝部に対応する台形形状である、ことを特徴とする請求項６に記載の超音波加工装置が提供される。
【発明の効果】
【００２７】
各請求項に記載の発明によれば、振動エネルギーを効率良く伝達させるための共鳴体である超音波ホーンと、超音波ホーンに取り付けられて、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドとを有する超音波加工装置において、超音波ヘッドの超音波ホーンからの脱着を可能としつつ、なお且つ、取り付け面端部に生じる間隙を狭め、該間隙間の叩き合いによる変形や摩擦熱の発生を抑制することによって、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の改善を図ることを可能とする、という共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】アリ構造による超音波ヘッドと超音波ホーンとの固定構造であって、（ａ）単アリ構造と（ｂ）複アリ構造との固定構造の一実施形態を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態を説明する図である。
【図３】本発明の原理確認実験における測定機器の配置図である。
【図４】本発明の原理確認実験に使用した超音波ホーンと超音波ヘッドの側面図と底面図である。
【図５】本発明の原理確認実験において、レーザードップラー振動計で測定した理想嵌合状態と、単アリ構造及び複アリ構造で嵌合した篏合状態とにおける超音波ヘッド底面内での振幅の分布を示す図である。
【図６】本発明の原理確認実験において、超音波振動の印加時間が10分を経過した際の（ａ）単アリ構造と（ｂ）複アリ構造とにおける、赤外線サーモグラフィーで計測した超音波ホーンと超音波ヘッドの嵌合部の側面温度と超音波ヘッドの底面温度と示す図である。
【図７】本発明の原理確認実験において、赤外線サーモグラフィーで計測した（ａ）単アリ構造と（ｂ）複アリ構造とにおける、超音波ホーンと超音波ヘッドの嵌合部側面の中心部の温度変化と最高温度の変化と示す図である。
【図８】本発明の原理確認実験において、赤外線サーモグラフィーで計測した(ａ）単アリ構造と（ｂ）複アリ構造とにおける、超音波ヘッド底面の中心部の温度変化と最高温度の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、アリ溝部とホゾ部とから構成されるアリ構造２による超音波ホーン１と超音波ヘッド３との固定構造であって、従来技術となる（ａ）単アリ構造の固定構造と、本発明の（ｂ）複アリ構造との一実施形態を説明する図である。
【００３０】
図１（ａ）から理解されうる如く、単アリ構造の固定構造は、取り付け面中央部（接触面中央部）に一つのみのアリ構造が配置される固定構造である。上述したように、非特許文献１に開示した先行実験によると、超音波加工装置の無酸素銅製ヘッドを両面テープ貼付、接着剤塗布、ネジ止め、取り付け面（接触面）の中央部に単一のアリ溝部とホゾ部とから構成されるアリ構造を備えた冷やし嵌めの４種類の固定方法でチタン製超音波ホーンに固定して振動エネルギーの損失比較を行ったところ、単アリ構造における冷やし嵌めによる固定方法は、両面テープ貼付による固定方法に次いで発熱が大きく、伝播した超音波振動の振幅も最も増大することが明らかになった。この理由として、アリ構造が取り付け面中央部に一つしかないために取り付け面端部（接触面端部）が自由端となり、アリ構造の付け根部と取り付け面端部との間に、図１（ａ）に示される間隙δが生じることが原因と考えられる。
【００３１】
そこで、本発明は、図１（ｂ）に示されるように、超音波ヘッドと超音波ホーンとの固定構造を複アリ構造とすることで、すなわち、取り付け面に複数の配置することで、アリ構造の付け根部と取り付け面端部との間に生じる間隙δ’を狭め、該間隙間の叩き合いによる変形や摩擦熱の発生を抑制することによって、超音波ヘッドの超音波ホーンからの脱着を可能としつつ、なお且つ、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の改善を図ることを可能とする。尚、図１（ｂ）に示される実施形態においては、超音波ホーンにアリ溝部を配置し、超音波ヘッドにホゾ部を配置しているが、実用上は、超音波ホーンにホゾ部を配置し、超音波ヘッドにアリ溝部を配置し、超音波ホーンを冷却、もしくは超音波ヘッドを加熱するものとして構成してもよい。また、図１（ｂ）には、取り付け面の中央部とその両側にアリ構造が配置される複アリ構造の一実施形態が示されているが、これに限定されることはなく、取り付け面に対する複数のアリ構造の配置は、設計仕様などに応じてアレンジされうる。
【００３２】
また、取り付け面に複数のアリ構造を配置し、該複数のアリ構造部に対する挿抜時の焼き嵌めおよび冷やし嵌めの少なくともいずれか一方により、超音波ホーンと超音波ヘッドとの互いに対する取り付け及び取り外しを行うようにする構成においては、個々のアリ構造の焼き嵌めによる膨張、もしくは冷やし嵌めによる収縮の他に、超音波ホーン全体や超音波ヘッド全体の膨張や収縮の影響を考慮することも必要となる場合がある。
【００３３】
図２（ａ）は、図中で上側に配置された超音波ホーンに凹み状の複数のアリ溝部を、下側に配置された超音波ヘッドに凸状の複数のホゾ部を配置した一実施形態を示す。図２（ａ）で示される実施形態においては、取り付け面に配置される全てのアリ溝部が、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部が、ともに傾斜を有した斜辺部（すなわち、逆テーパー状側壁部）とされるような台形形状とされ、また、全てのホゾ部が、断面視して、アリ溝部に対応する台形形状であるものとされる。取り付け面（接触面）の中央部を基準に考えると、取り付け面中央部（接触面中央部）に配置されたアリ構造は超音波ホーン全体の膨張、もしくは超音波ヘッド全体の収縮の影響を受けにくいが、取り付け面端部（接触面端部）に配置されたアリ構造では、その影響は無視できない場合がある。
【００３４】
一般的に、取り付け面中央部からｎ−１番目に配置されたアリ構造に比べて、より取り付け面端部側になる中央部からｎ番目に配置されたアリ構造の方が、取り付け面に対して平行方向（水平方向）の位置ズレが大きくなる。その結果、アリ構造の取り付け面中央部に対して近位側の逆テーパー状側壁部の物理的干渉幅は、ｎ−１番目に配置されたアリ構造の干渉幅（ζｎ−１）よりも、ｎ番目に配置されたアリ構造の干渉幅（ζｎ）の方が大きくなり（ζｎ−１≦ζｎ）、アリ構造の配列を増やせば増やすほど、焼き嵌めや冷やし嵌めによる嵌合は困難となる場合がある。
【００３５】
そこで、本発明の一実施形態においては、複数のアリ溝部は、取り付け面の中央部に配置される中央アリ溝部と、取り付け面の中央部の外側に配置される少なくとも一つの外側アリ溝部とを含むものとし、複数のホゾ部は、中央アリ溝部に対応する中央ホゾ部と、外側アリ溝部に対応する少なくとも一つの外側ホゾ部とを含むものとし、中央アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部が、ともに傾斜を有した斜辺部（すなわち、逆テーパー状側壁部）とされるような台形形状であり、また、中央ホゾ部は、断面視して、中央アリ溝部に対応する台形形状であるものとされる。その一方で、外側アリ溝部は、断面視して、開口部を上底部とし、下底部が上底部より長いものとされ、上底部と下底部とを結ぶ一組の対辺部の内の、取り付け面中央部に対して遠位側の対辺部（すなわち、アリ構造の取り付け面中央部に対して遠位側の側壁部）が、傾斜を有した斜辺部（すなわち、逆テーパー状側壁部）とされ、取り付け面中央部に対して近位側の対辺部（すなわち、アリ構造の取り付け面中央部に対して近位側の側壁部）が、上底部と下底部とに対して直交する直交辺部（垂直側面）とされるような台形形状であり、また、外側ホゾ部は、断面視して、外側アリ溝部に対応する台形形状であるものとされる。
【００３６】
図２を参照しながら、このような本発明の一実施形態について説明する。図２（ａ）で示した超音波ホーン全体の膨張もしくは収縮、あるいは超音波ヘッド全体の収縮もしくは膨張により発生する菱形の物理的干渉箇所４、５において、図２（ｂ）に示したように、菱形下辺の鋭角頂点を通る垂直線の取り付け面中央部に対して近位側のアリ構造を削除した、取り付け面中央部に対して近位側の片側面のみが垂直側面となっているアリ溝部６とホゾ部７とを配置する。
【００３７】
図２（ｂ）に示される実施形態においては、物理的干渉箇所４、５が予め取り除かれているため、超音波ホーン全体の膨張もしくは収縮、あるいは超音波ヘッド全体の収縮もしくは膨張の影響を受けず、取り付け面に複数個配置されたホゾ部が、アリ溝部に滞りなく挿入されることを可能とする。尚、図２（ｂ）に示される本実施形態においては、取り付け面中央部に対して近位側の外側アリ溝部の全ての対辺部および外側ホゾ部の全ての対応対辺部が、上底部と下底部とに対して直交する直交辺部（垂直側面）とされているが、これに限定されることはなく、取り付け面に複数個配置されたホゾ部が、アリ溝部に滞りなく挿入されることが可能であるものとされるのであれば、例えば、取り付け面中央部に対して近位側の外側アリ溝部の一部の対辺部および外側ホゾ部の一部の対応対辺部が上底部と下底部とに対して直交する直交辺部（垂直側面）とされ、その他の取り付け面中央部に対して近位側の外側アリ溝部の対辺部および外側ホゾ部の対応対辺部が傾斜を有した斜辺部とされるなどの種々のアレンジがなされてもよい。
【００３８】
また、図２（ｂ）に示される実施形態においては、多くのアリ構造が取り付け面に配置された場合においても、より確実にアリ溝部と対応ホゾ部との係合をもたらしうるように、複数のアリ溝部及び複数のホゾ部は、外側アリ溝部と外側ホゾ部との間の取り付け面に対して平行方向におけるクリアランス（すなわち、外側アリ溝部と外側ホゾ部との間のクリアランスであって、取り付け面に対して平行方向におけるクリアランス）が、中央アリ溝部と中央ホゾ部との間の取り付け面に対して平行方向におけるクリアランス（すなわち、中央アリ溝部と中央ホゾ部との間のクリアランスであって、取り付け面に対して平行方向におけるクリアランス）よりも大きくなるように形成され、さらに、外側アリ溝部及び外側ホゾ部は、取り付け面中央部からの離間距離が大きくなるほど、外側アリ溝部と外側ホゾ部との間の取り付け面に対して平行方向におけるクリアランスが大きくなるように形成されている。
【００３９】
さらに、図２（ｂ）に示される実施形態においては、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の、更なる効果的な改善を図りうるようにするために、外側アリ溝部及び外側ホゾ部が、外側アリ溝部に対する外側ホゾ部の挿入後、超音波ホーン及び超音波ヘッドの温度が室温に戻るのに伴い、外側アリ溝部の斜辺部と外側ホゾ部の対応斜辺部とが接触するように形成されている。このように外側アリ溝部及び外側ホゾ部を形成することで、超音波ホーン全体の膨張もしくは収縮、あるいは超音波ヘッド全体の収縮もしくは膨張の影響を受けず、取り付け面に複数個配置されたホゾ部が、アリ溝部に滞りなく挿入された後に、超音波ホーン及び超音波ヘッドの温度が室温に戻るのに伴い、直交辺部（垂直側面）とは反対側の逆テーパー状の斜辺部にてホゾ部とアリ溝部とが接触し、アリ溝部の収縮もしくはホゾ部の膨張、もしくはその両方の効果により、逆テーパー形状の斜辺部表面間で滑りが生じ、超音波ホーンの取り付け面が超音波ヘッドの取り付け面に強固に押し付けられ、超音波ホーンと超音波ヘッド間が強固に嵌合することを可能とし、超音波ホーンから超音波ヘッドへの振動エネルギーの伝達効率の、更なる効果的な改善を図りうることを可能とする。
【００４０】
その際、超音波ホーン全体もしくは超音波ヘッド全体の収縮あるいは膨張の結果生じた、符号８、９で示された空隙ηは取り付け面中央部からの離間距離に比例して大きさが異なる。一般的に、取り付け面中央部部からｎ−１番目に配置されたアリ構造内の空隙ηｎ−１に比べて、より取り付け面端部側になる中央からｎ番目に配置されたアリ構造内の空隙ηｎが大きいため、ηｎ−１≦ηｎとなる。
【００４１】
尚、図２（ａ）、（ｂ）に示される実施形態においては、超音波ホーンにアリ溝部配置、超音波ヘッドにホゾ部を配置しているが、実用上は、超音波ホーンにホゾ部を、超音波ヘッドにアリ溝部を配置し、超音波ホーンを冷却、もしくは超音波ヘッドを加熱するものとして構成してもよい。また、本明細書においては、特定の実施形態が図示かつ記述されたが、権利請求された主題の精神及び有効範囲から逸脱せずに、他の種々の変更及び改変が為され得ることを理解すべきである。更に、本明細書においては、権利請求された主題の種々の見地が記述されたが、斯かる見地は、組み合わせて利用される必要はない。故に、添付の各請求項は、権利請求された主題の有効範囲内である斯かる変更及び改変の全てを網羅することが意図される。
【実施例】
【００４２】
［実施例１：超音波振動の伝達振幅と摩擦熱による温度変化］
図３を参照しながら、冷やし嵌めを用いた本発明の原理確認実験について説明する。本実験では、周波数と最大振幅がそれぞれ１６ｋＨｚと１０ｎｍの中型超音波加工機ＵМ―５００ＤＡ（日本電子工業製）を用いた。本装置は超音波振動の出力割合を０〜１００％の範囲で調整することによって、超音波振動の振幅を制御することができる。超音波ホーン１０と超音波ヘッド１１との取り付け面に対する超音波波動の振動方向は、該取り付け面に対して直交する方向(垂直な方向）とする。
【００４３】
振動エネルギーの伝達効率を比較するため、図４に示した３種類の超音波ホーン１５と超音波ヘッド１６を用意した。超音波ホーンは、最大直径が３８ｍｍ、最小直径が２４ｍｍ、長さが１９１もしくは１８１ｍｍの円筒形状をしており、Ｍ１０のボルトによって超音波加工機の超音波振動子に接続される。超音波ホーンの材質は、内部減衰率（０．００２）が小さく、縦弾性係数／密度（Ｅ／ρ）の値が比較的大きいチタン（２４．４×１０７ｃｍ）を選択した。
【００４４】
一方、超音波ヘッドの形状は、直径３８ｍｍで厚みが１０ｍｍの円筒形状をしており、その材質は無酸素銅である。無酸素銅の縦弾性係数／密度は１３．１×１０７ｃｍであり、チタンに比べて低い値となっているが、内部減衰率が０．００４５（銅単結晶の内部減衰率を参照）とチタンの内部減衰率に近い値となっているので選択した。また、無酸素銅は、通常の銅よりも冷間圧接に適している利点もある。
【００４５】
図４（ｂ）と４（ｃ）に示したアリ構造付の超音波ホーンには、取り付け面中央部に逆テーパー側壁を有する開口幅５ｍｍ、底幅１５ｍｍ、深さ５ｍｍの単アリ溝が加工されている。さらに図４（ｃ）に示した複アリ構造には、上記の単アリ構造の片側半分を切り落とした楔形のアリ溝部を取り付け面中心から左右約９ｍｍの位置に一つずつ配置した。これらの形状に対応するように、超音波ヘッドにも少なくとも片側が逆テーパー形状となっているホゾ部を形成し、３〜８μｍのクリアランスを設けてホゾ部（アリ型構造）がアリ溝部（アリ溝構造）よりも若干大きくなるように製作した。
【００４６】
超音波ホーンと超音波ヘッドの嵌合には、熱線膨張係数の違い（チタン：８．４×１０−６／Ｋ、無酸素銅：１．７×１０−５／Ｋ）を利用して、無酸素銅製超音波ヘッドを液体窒素に漬けて約７７Ｋまで冷却することでホゾ部を収縮させ、チタン製超音波ホーンのアリ溝部に挿入した。その後、超音波ヘッドを室温まで自然に戻すことによって、超音波ヘッドを超音波ホーンに強固に嵌合した。また、図４（ａ）に示したように、超音波ホーンと超音波ヘッド間に繋ぎ目が存在しない理想的な嵌合状態として、チタン製の超音波ホーン・超音波ヘッド一体型も用意した。
【００４７】
振動エネルギーの伝達効率を比較するために、図３に示すように、超音波ホーン１０と超音波ヘッド１１との間の取り付け面を、符号１２で示される赤外線サーモグラフィーＲ３００（日本アビオニクス製）によって観察した。また、超音波ホーン１０と超音波ヘッド１１との間の取り付け面で発生した摩擦熱が超音波ヘッド底部表面に伝導し、超音波加工に与える影響を把握するために、金蒸着ミラー１３を用いることで超音波ヘッド１１の底面の温度分布を赤外線サーモグラフィー１２で観察した。さらに、水平方向から入射したＨｅ−Ｎｅガスレーザーを金蒸着ミラーによって垂直方向に反射させ、無酸素銅製の超音波ヘッド１１の底面に照射した後、反射した光が逆向きの光路を辿って、符号１４で示されたレーザードップラー振動計ＡＴ００２３＋ＡＴ３７００（グラフテック製）によって検出されるように配置し、超音波ヘッド底面での振動周波数と振幅を計測した。計測ポイントは、図４に示したように、取り付け面中央部（位置１）、取り付け面に対して平行方向（水平方向）に中心から９ｍｍ離れた中間部（位置２）、取り付け面に対して平行方向（水平方向）に中心から１８ｍｍ離れた端部（位置３）の３箇所である。
【００４８】
図５は、超音波ヘッド底面で計測された超音波振動の経過時間と振幅の関係を示している。取り付け面中央部、中間部、端部での計測結果を図５（ａ）、５（ｂ）、５（ｃ）にそれぞれ示した。
【００４９】
超音波発信器の出力は、超音波ヘッド一体型チタン製超音波ホーンが発振可能な最大出力１８０Ｗに統一した。印加した超音波振動の周波数は１６ｋＨｚなので、周期は６２．５μｓと算出される。実際の計測値は、超音波ヘッド一体型チタン製超音波ホーン（理想嵌合状態）で５８μｓ、アリ構造で嵌合した超音波ホーンと超音波ヘッドでは６１μｓとなっており、一体型の場合の周波数の方が若干高くなっている。
【００５０】
一方、振幅は、中央部では±約２μｍとなっており差異はほとんど無いが、中間部では複アリ構造が理想嵌合状態と同じ振幅±２μｍを維持しているのに対して、単アリ構造では±４μｍまで増大している。この傾向は、取り付け面端部でより顕著となっており、取り付け面端部での超音波振動の振幅は、理想嵌合状態が±２μｍ、複アリ構造が±４μｍ、単アリ構造では±約８μｍと大幅に増大している。複アリ構造において、取り付け面端部と片側面が垂直側面となったアリ構造の逆テーパー形状側面の根元までの距離が８ｍｍであるのに対して、単アリ構造の取り付け面端部とアリ構造の逆テーパー形状側面の根元までの距離は１６．５ｍｍと約２倍の長さがある。
【００５１】
ここで、アリ構造の逆テーパー形状側面の根元を固定端と考えた片持ち梁を考えると、自由端である取り付け面端部（接触面端部）の変位は梁の長さに比例することから、単アリ構造と複アリ構造の取り付け面端部での振幅の差が２倍であることも理解できる。取り付け面端部での振幅をより小さく抑えるならば、アリ構造の位置を、より取り付け面端部側に近づけ、片持ち梁の長さを短くすれば解決する。
【００５２】
取り付け面端部での振幅の増大は、摩擦熱による温度上昇につながる。つまり、振動エネルギーは熱エネルギーとして損失するのである。図６は、超音波ホーンと超音波ヘッドの嵌合側壁と超音波ヘッド底部に黒染スプレー（東美化学製）を塗布した後、放射率を１に設定して赤外線サーモグラフィーで観察した熱的イメージ図である。図中において十字で示された画面中央部の温度と、画面内の最高温度を読み取り、超音波振動の印加時間と嵌合箇所側面の温度変化を図７に、超音波ヘッド底面の温度変化を図８に、それぞれ示した。
【００５３】
画面中央部の温度と画面内最高温度にはそれほど大きな差異は認められない。嵌合箇所側面と超音波ヘッド底面のいずれの測定箇所でも、超音波振動の印加時間が長くなればなるほど摩擦熱発生による温度上昇は顕著となる。本実験での超音波振動の最長印加時間は１０分であったが、単アリ構造では嵌合箇所側面で最高９９．１℃、超音波ヘッド底面で７９．０℃まで発熱した。しかし、複アリ構造での最高温度は側面で６６．９℃、底面で６２．８℃であり、この結果は側面で３２％、底面で２１％の温度上昇が抑制されたことを意味する。したがって、アリ構造の複数化が取り付け面端部でのばたつきによる摩擦熱の発生を抑制し、超音波振動の面内分布の改善に効果があることが判明した。
【００５４】
本発明によれば、超音波切削、超音波ボンディング、超音波ウエルダー、超音波インプリント等の超音波振動を利用した様々な超音波加工装置において、被加工物に直接接触し、最終的に超音波振動で仕事をする超音波ヘッドを超音波ホーンから脱着可能にすることによって、摩耗や用途変更に伴う交換作業を超音波ヘッドのみに留め、高価な超音波ホーンの流用を可能にできる。また、本発明によれば、パターン形状に合わせて最適化した接合や成形、材料に合わせた基板間の接合等が可能となり、半導体製造での配線や化学・バイオチップでの流路形成において極めて有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１    超音波ホーン
２    アリ構造
３    超音波ヘッド
４    物理的干渉箇所
５    物理的干渉箇所
６    アリ溝部
７    ホゾ部
【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】
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【図８】
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