(57)【要約】【課題】超音波振動の振動漏れを抑制する。【解決手段】超音波ホーンは、一端に超音波振動子が取り付けられ、他端に工具が取り付けられる超音波ホーン本体１０を有し、超音波ホーン本体１０において該超音波ホーン本体１０を保持するスリーブ３０に保持される面であり、一端側又は他端側を向き、一端から他端に向かう軸方向に対して周方向に形成された取り付け面１５ａを有し、取り付け面１５ａは、内径から外径までの幅が、周方向によって異なっている。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に超音波振動子が取り付けられ、他端に工具が取り付けられる超音波ホーン本体を有し、
前記超音波ホーン本体において該超音波ホーン本体を保持する保持部材に保持される面であり、前記一端側又は前記他端側を向き、前記一端から他端に向かう軸方向に対して周方向に形成された取り付け面を有し、
前記取り付け面の内径から外径までの幅が、前記周方向によって異なっていること
を特徴とする超音波ホーン。
【請求項２】
前記超音波ホーン本体は、外形が円筒状の第１の部分と、外形が非円筒状の第２の部分とが前記軸方向に隣接する構造を有し、
前記第２の部分の外周面の一部の外径は、前記第１の部分の外周面の直径よりも大きく、
前記取り付け面は、前記第１の部分と前記第２の部分との径の差によって形成される段差面で構成されていること
を特徴とする請求項１に記載の超音波ホーン。
【請求項３】
前記第２の部分の断面の外周は、点対称な形状を有することを特徴とする請求項２に記載の超音波ホーン。
【請求項４】
前記第２の部分の断面の外周は、多角形状であることを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波ホーン。
【請求項５】
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも前記他端側に形成され、前記他端側の縁部が面取り加工された面取り部を有していること
を特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の超音波ホーン。
【請求項６】
ネジにより前記工具が取り付けられる工具取付部を有しており、
前記工具取付部は、前記ネジが取り付けられた状態で、重心の径方向における位置が前記超音波ホーン本体の軸心となること
を特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の超音波ホーン。
【請求項７】
一端に超音波振動子が取り付けられ、他端に工具が取り付けられる超音波ホーン本体と、
前記超音波ホーン本体を保持する保持部材と、を有し、
前記超音波ホーン本体は、前記保持部材に保持される面であり、前記一端側又は前記他端側を向き、前記一端から他端に向かう軸方向に対して周方向に形成された取り付け面を有し、
前記保持部材は、前記取り付け面を保持することにより前記超音波ホーンを保持する保持面を有し、
前記取り付け面と前記保持面とは、前記周方向によって接触面の面積が異なっていること
を特徴とする振動子ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子が発生した超音波振動を工具に伝達する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、円柱形状の超音波ホーンが開示されている。この超音波ホーンは、工作機械に直接的に取り付けられたり、超音波ホーンを保持した装着部材を介して工作機械に取り付けられたりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−９６０２４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、超音波ホーンにおいて超音波振動の縦波の節にあたる部位が取り付け部とされて、工作機械や装着部材に取り付けられる場合がある。
この場合、前記取り付け部において超音波ホーンの軸方向に垂直な面では、径方向への振幅が大きくなる。
そのため、前記取り付け部において軸方向に垂直な面の面積が大きいと、その面と工作機械や装着部材との接触面で摩擦が大きくなってしまう。その結果、超音波振動の振動漏れが大きくなってしまう。
【０００５】
本発明の課題は、超音波振動の振動漏れを抑制することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するために、本発明の一態様は、
一端に超音波振動子が取り付けられ、他端部に工具が取り付けられる超音波ホーン本体を有し、前記超音波ホーン本体において該超音波ホーン本体を保持する保持部材に保持される面であり、前記一端側又は前記他端側を向き、前記一端から他端に向かう軸方向に対して周方向に形成された取り付け面を有し、前記取り付け面の内径から外径までの幅が、前記周方向によって異なっていることを特徴とする。
【０００７】
このような構成により、超音波ホーン本体と保持部材との接触面の面積を最小限にとどめることができる。
そのため、接触面での摩擦を抑えることができ、超音波振動の振動漏れを抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、
前記超音波ホーン本体は、外形が円筒状の第１の部分と、外形が非円筒状の第２の部分とが前記軸方向に隣接する構造を有し、前記第２の部分の外周面の一部の外径は、前記第１の部分の外周面の直径よりも大きく、前記取り付け面は、前記第１の部分と前記第２の部分との径の差によって形成される段差面で構成されていることを特徴とする。
【０００８】
このような構成により、超音波ホーン本体と保持部材との接触面の面積を最小限にとどめることができる。
そのため、接触面での摩擦を抑えることができ、超音波振動の振動漏れを抑制することができる。
また、本発明の他の態様は、
前記第２の部分の断面の外周は、点対称な形状を有することを特徴とする。
【０００９】
このような構成により、超音波ホーン本体の重心の径方向の位置は、幾何学に明瞭なものとなる。
そのため、超音波ホーン本体の重心の径方向の位置の調整が容易になる。
また、本発明の他の態様は、
前記第２の部分の断面の外周は、多角形状であることを特徴とする。
【００１０】
このような構成により、第２の部分の外周面を容易に形成できる。
また、本発明の他の態様は、
前記第１の部分は、前記第２の部分よりも前記他端側に形成され、前記他端側の縁部が面取り加工された面取り部を有していることを特徴とする。
このような構成により、面取り加工するだけで、超音波ホーン本体の共振周波数を目標の共振周波数に調整できる。
【００１１】
また、本発明の他の態様は、
ネジにより前記工具が取り付けられる工具取付部を有しており、前記工具取付部は、前記ネジが取り付けられた状態で、重心の径方向における位置が前記超音波ホーン本体の軸心となることを特徴とする。
このような構成により、適切なネジを選定するだけで、工具取付部の重心の径方向の位置を超音波ホーン本体の軸心に調整することができる。
【００１２】
また、本発明の他の態様は、
一端に超音波振動子が取り付けられ、他端に工具が取り付けられる超音波ホーン本体と、前記超音波ホーン本体を保持する保持部材と、を有し、前記超音波ホーン本体は、前記保持部材に保持される面であり、前記一端側又は前記他端側を向き、前記一端から他端に向かう軸方向に対して周方向に形成された取り付け面を有し、前記保持部材は、前記取り付け面を保持することにより前記超音波ホーンを保持する保持面を有し、前記取り付け面と前記保持面とは、前記周方向によって接触面の面積が異なっていることを特徴とする。
【００１３】
このような構成により、超音波ホーン本体と保持部材との接触面の面積を最小限にとどめることができる。
そのため、接触面での摩擦を抑えることができ、超音波振動の振動漏れを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態の振動子ユニットの構成を示す斜視図である。
【図２】振動子ユニットの構成を示す断面図である。
【図３】超音波ホーンの形状を示す側面図である。
【図４】図３に示す矢示Ａ−Ａの断面図である。
【図５】ホーン本体部の段部の形状を示す断面図である。
【図６】パンチ取付部の形状を示す側面図である。
【図７】パンチ取付部の形状を示す斜視図である。
【図８】スリーブの突出部の内側角部にホーン本体部の段部が係止している状態を示す断面図である。
【図９】本実施形態に対する比較例を示す図である。
【図１０】振動周波数調整部の第２面取り部を形成する際の面取り量と、パンチの軸方向振幅及び超音波ホーンの共振周波数との関係の一例を示す特性図である。
【図１１】軸心Ｏに対してネジ頭が位置する方向に、パンチで偏倚した先端部が位置される状態（同方向取り付け状態）を示す図である。
【図１２】軸心Ｏに対してネジ頭の位置する方向とは反対方向に、パンチで偏倚した先端部１９ａが位置される状態（反対方向取り付け状態）を示す図である。
【図１３】同方向取り付け状態及び反対方向取り付け状態でネジのネジ長さを変化させた場合の、ネジ長さと垂直方向の振動成分の抑制度合いとの関係の一例を示す特性図である。
【図１４】正四角形状の本体外周面を示す断面図である。
【図１５】正六角形状の本体外周面を示す断面図である。
【図１６】正八角形状の本体外周面を示す断面図である。
【図１７】角を面取りした段部を示す断面図である。
【図１８】図２に示す矢示Ｃ方向からみた超音波ホーンのホーン本体部とスリーブの突出部との関係を示す断面図である。
【図１９】スリーブの突出部の端部面により形成される周方向の形状が正八角形状である場合を示す断面図である。
【図２０】スリーブにおいてホーン本体部の段部を保持する部位が、爪状の複数の支持部材により構成されるスリーブを示す側面図である。
【図２１】ホーン本体部の段部を保持する部位が、爪状の複数の支持部材により構成されるスリーブを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（第１の実施形態）
（構成）
第１の実施形態は、本発明を適用した振動子ユニットである。
図１及び図２は、振動子ユニットの構成を示す。図１は斜視図であり、図２は断面図である。
【００１６】
図１及び図２に示すように、振動子ユニット１は、超音波ホーン２と、超音波ホーン２を収容し保持するスリーブ３０とを有する。
超音波ホーン２は、超音波ホーン本体１０と、超音波ホーン本体１０に超音波を伝達する超音波振動子２０とを有する。
超音波振動子２０は超音波振動を発生させる。超音波振動子２０は、例えば圧電素子を有して、電気エネルギーを機械的エネルギーに変換して超音波振動を発生させる。超音波振動子２０は、発生した超音波振動を超音波ホーン本体１０に伝達する。
【００１７】
超音波ホーン本体１０は共振体として形成されている。超音波ホーン本体１０は、円柱形状の棒状体として形成されている。超音波ホーン本体１０の共振周波数は、その材質や形状により決定されている。例えば、材質は、高強度クロモリ鋼（ＳＭＣ４３５）であり、ビッカース硬さＨＶが３５０〜４００のものである。超音波振動子２０から超音波ホーン本体１０に伝達された超音波振動は、超音波ホーン本体１０内を縦波として伝播する。
【００１８】
図３は、超音波ホーン本体１０の形状を示す。
図２及び図３に示すように、超音波ホーン本体１０は、後端に超音波振動子２０が取り付けられ、先端にパンチ（工具）１９が取り付けられている。超音波ホーン本体１０では、後端から先端に向かい、振動子取り付け部１１、ホーン本体部１２、振動周波数調整部１６、及びパンチ取付部１７となっている。超音波ホーン本体１０は、ホーン本体部１２の直径（詳しくは後述の円弧面１４ａ１の部分の直径）が最大となっており、そのホーン本体部１２からパンチ取付部１７に向かってその直径が減少している。
【００１９】
この超音波ホーン本体１０は、主たる構成が、パンチ取付部１７を一段目とし、振動周波数調整部１６を二段目とし、ホーン本体部１２を三段目とする三段構成になっている。
なお、以下の説明では、特に言及しない限り、軸方向と言った場合、ホーン本体部１２
の軸中心に沿う軸方向を言い、径方向と言った場合、その軸方向に対する径方向を言うものとする。
【００２０】
振動子取り付け部１１は、円柱形状をなしている。振動子取り付け部１１には、超音波振動子２０の装着部として後端に雌ネジ穴１１ａが形成されている。
ホーン本体部１２は略円柱形状をなしている。ホーン本体部１２では、超音波振動子２０から伝達される超音波振動（縦波の振動）について、軸方向における両端部が節となり、軸方向における中間部が腹となる。これにより、ホーン本体部１２では、前記両端部で軸方向の振幅が最小となり、前記中間部で軸方向の振幅が最大となる。言い換えると、ホーン本体部１２では、前記両端部で径方向の振幅が最大となり、前記中間部で径方向の振幅が最小になる。
【００２１】
図４は、図３に示す矢示Ａ−Ａの断面図（軸方向からみた断面図）を示す。
図４に示すように、ホーン本体部１２は、両端部が断面で円柱形状、すなわち両端部の端面が円形状になっている。また、ホーン本体部１２は、両端部以外の中心側、いわゆる本体部分（以下、本体部という。）１４の外周面（以下、本体外周面という。）１４ａが断面で非円形状になっている。すなわち、ホーン本体部１２は、外形が円筒状の第１の部分と、外形が非円筒状の第２の部分とが軸方向に隣接する構造を有している。
【００２２】
ホーン本体部１２の円柱形状の部分（以下、円柱部という。）１３の軸方向の長さ（幅）は、本体部１４の軸方向の長さと比較して極めて短くなっている。
本体外周面１４ａは、円柱の外周面をその周方向で９０°おきの４箇所軸方向に平面に切り出した形状をなしている。これにより、本体外周面１４ａは、周方向で円弧形状の面（以下、外周円弧面という。）１４ａ１と平面形状の面（以下、外周平面という。）１４ａ２とが交互に現れる形状となり、非円形状になっている。さらに、本体外周面１４ａは、本体外周面１４ａの内周側に存在する対称点について点対称の形状になっている。
【００２３】
ここで、本体部１４の本体外周面１４ａと円柱部１３の外周面１３ａとの関係は、ホーン本体部１２を軸方向側からみた場合、本体外周面１４ａに対して円柱部１３の外周面１３ａが内接円となる関係になる。よって、図４に示すように、円柱部１３の外周面１３ａが内接円となるような四角形Ｂを仮定し、円柱部１３よりも大きい直径の同心円の円柱からその仮定した四角形Ｂの外側に位置する部位を除いた外周面の形状が、本体部１４の本体外周面１４ａの形状になる。
【００２４】
図５は、本体部１４の外周円弧面１４ａ１及び円柱部１３の外周面１３ａの形状の詳細を示す。
前記図４に示すように、本体部１４の外周円弧面１４ａ１の直径は、円柱部１３の外周面１３ａの直径よりも大きくなっている。これにより、図５に示すように、ホーン本体部１２の両端部は、円柱部１３の外周面１３ａよりも本体部１４の外周円弧面１４ａ１が高くなる段差をもつ段形状になっている。そして、円柱部１３の外周面１３ａと本体部１４の外周円弧面１４ａ１との間に連設される面１５ａは、軸方向に向く面又は軸方向に垂直な面になる。すなわち、第２の部分の外周面の一部の直径は、第１の部分の外周面の直径よりも大きく、第１の部分と前記第２の部分との径の差によって段差面が形成されている。この連設される面又は段差面（以下、段部垂直面という。）１５ａの位置は前述の節の位置になる。
【００２５】
この段形状の部分（以下、段部という。）１５は、図４に示すように、本体部１４の外周円弧面１４ａ１に対応して周方向で４箇所形成されている。そのため、段部垂直面１５ａは、周方向で断続的に現れるようになる。これは、段部垂直面１５ａの径方向の幅（内径から外径までの幅）が周方向で変化しているとも言える。例えば、外周円弧面１４ａ１
の部分では、段部垂直面１５ａの径方向の幅が最大になっていると言える。そして、本体外周面１４ａ（外周平面１４ａ２）に対して円柱部１３の外周面１３ａが内接する部分では、段部垂直面１５ａの径方向の長さが零になっていると言える。
【００２６】
以上のような形状をなすホーン本体部１２は、円筒形状のスリーブ３０に収容されており、段部１５がスリーブ３０に保持されている。
振動周波数調整部１６は、ホーン本体部１２側からパンチ取付部１７側に向かって直径が減少する形状をなす。具体的には、振動周波数調整部１６は、ホーン本体部１２側からパンチ取付部１７側に向かって、Ｒ面取りで面取りされた第１面取り部１６ａと、円柱形状の円柱部１６ｂと、Ｃ面取りで面取りされた第２面取り部１６ｃとを有する。
【００２７】
図６及び図７は、パンチ取付部１７の形状を示す。図６は、パンチ取付部１７の側面図である。図７は、パンチ１９を取り付ける際のパンチ取付部１７の斜視図である。
図６及び図７に示すように、パンチ取付部１７は円柱形状をなしている。パンチ取付部１７には、略平板形状のパンチ（板状パンチ）１９が取り付けられている。そのため、パンチ取付部１７には、パンチ１９を装着するためのスリット１７ａが形成されている。
【００２８】
スリット１７ａは、パンチ取付部１７の先端から軸方向に延び、そのスリット端が振動周波数調整部１６近傍に至る形状をなしている。すなわち、スリット１７ａは、パンチ取付部１７を径方向で分割するように形成されている。スリット１７ａは、パンチ取付部１７の中心軸に沿って形成されている。
スリット１７ａの高さ（短辺の幅）は、パンチ１９の厚さとほぼ同じである。スリット１７ａでは、スリット端近傍部位となる底部１７ａ１が他の部位よりも高くなっている。これにより、パンチ取付部１７では、振動周波数調整部１６の近傍部位の肉厚が他の部位よりも薄くなっている。
【００２９】
パンチ取付部１７には、スリット１７ａにより径方向に分割された一方の部位にネジ挿通孔１７ｂが形成され、分割された他方の部位に雌ネジ孔１７ｃが形成されている。ネジ挿通孔１７ｂは、パンチ取付部１７の前記一方の部位において径方向に形成されている。ネジ挿通孔１７ｂにおけるパンチ取付部１７の外周部分にはザグリ１７ｄが形成されている。雌ネジ孔１７ｃは、ネジ挿通孔１７ｂと同軸上に位置されるようにパンチ取付部１７の前記他方の部位に形成されている。
【００３０】
図７に示すように、パンチ１９は略平板形状をなしている。例えば、パンチ１９の材質は超硬である。パンチ１９では、先端部１９ａが他の部位よりも薄くなっている。パンチ１９の先端部１９ａが一方面に偏倚していることで、先端部１９ａが他の部位よりも薄くなっている。パンチ１９の先端部１９ａの突端には、被加工部材を加工するための微小な加工刃が形成されている。
【００３１】
また、パンチ１９には、ネジ１８が挿通されるネジ挿通孔１９ｂが形成されている。スリット１７ａのスリット端を形成するパンチ取付部１７の面（以下、スリット端形成面という。）１７ｅにパンチ１９の端面（加工刃が形成されていない方の端面）を突き当てた状態で、パンチ取付部１７のネジ挿通孔１９ｂは、パンチ取付部１７のネジ挿通孔１７ｂ及び雌ネジ孔１７ｃと同軸上に位置される。
【００３２】
このようなパンチ１９は、ネジ１８によりパンチ取付部１７に固定されている。このとき、ネジ１８は、垂直方向に延在するようになる。
以上のように振動子ユニットが構成されている。
超音波ホーン本体１０の製造工程については、先ず、旋盤により母材から円柱形状の超音波ホーン本体１０を切り出す。このとき、超音波ホーン本体１０の製造工程では、振動
子取り付け部１１、ホーン本体部１２、振動周波数調整部１６、及びパンチ取付部１７の外径を異ならせて切り出す。さらに、超音波ホーン本体１０の製造工程では、ホーン本体部１２の両端部に円柱部１３を形成する。
【００３３】
また、超音波ホーン本体１０の製造工程では、フライス盤等の工作機械を用いてホーン本体部１２の外周を切削して外周平面１４ａ２を形成する。これにより、ホーン本体部１２には、段部１５が形成される。
さらに、超音波ホーン本体１０の製造工程では、振動周波数調整部１６の先端側の部位を面取り量（切削量）を調整して面取りし、振動周波数調整部１６の第２面取り部１６ｃを形成する。このときの面取り量を調整することで、超音波ホーン本体１０が目標の共振周波数等の目標の特性を有するようになる。すなわち、第２面取り部１６ｃの形状は、超音波ホーン本体１０が目標の特性を有するように面取り量を調整して面取りされた最終的な形状である。
【００３４】
そして、超音波ホーン本体１０の製造工程の次工程では、振動子取り付け部１１の雌ネジ穴１１ａ、並びにパンチ取付部１７のスリット１７ａ、ネジ挿通孔１７ｂ、及び雌ネジ孔１７ｃ等を形成する。
また、超音波ホーン本体１０の製造工程では、パンチ取付部１７にパンチ１９を取り付ける。パンチ１９の取り付けでは、パンチ取付部１７のスリット１７ａ内にパンチ１９を挿入する。そして、パンチ取付部１７のネジ挿通孔１７ｂ及びパンチ１９のネジ挿通孔１９ｂにネジ１８を挿通し、パンチ取付部１７の雌ネジ孔１７ｃにネジ１８を螺合して、パンチ取付部１７にパンチ１９を固定する。また、このとき、パンチ１９の端面は、スリット１７ａのスリット端形成面１７ｅに接した状態になる。
【００３５】
一方、スリーブ３０は、図１及び図２に示すように、超音波ホーン本体１０のホーン本体部１２を収容可能に円筒形状をなしている。スリーブ３０は、両端部でホーン本体部１２を保持している。また、スリーブ３０の外周には、スリーブ３０の振動状態を調整するためのフランジ３１が形成されている。
スリーブ３０内は、超音波ホーン本体１０のホーン本体部１２を収容可能な形状になっており、ホーン本体部１２の収容部をなしている。ホーン本体部１２との間に隙間を有して収容するために、スリーブ３０の内側面の直径は、ホーン本体部１２の外径よりも大きくなっている。
【００３６】
スリーブ３０の両端には、内側面から中心側に突出した突出部３２が形成されている。突出部３２は、スリーブ３０の内側面の全周にわたって形成されており、その全周で同一の突出量となるように形成されている。
ホーン本体部１２の両端の段部１５は、この突出部３２の端部においてスリーブ３０内、すなわち収容部に面する角部（以下、内側角部という。）３２ａに係止されている。
【００３７】
図８は、突出部３２の内側角部３２ａにホーン本体部１２の段部１５が係止されている状態を示す。
図８に示すように、内側角部３２ａは、軸方向に向く面（以下、内側角部垂直面という。）３２ａ１と軸方向に平行な面（以下、内側角部水平面という。）３２ａ２とを有する。
【００３８】
そして、突出部３２の内側角部３２ａとホーン本体部１２の段部１５とが係止している状態で、内側角部垂直面３２ａ１は、段部１５の段部垂直面１５ａに面接触している。ここで、段部垂直面１５ａが周方向で断続的に現れるため、段部垂直面１５ａは、内側角部垂直面３２ａ１の一部に対して面接触することになる。さらに、同係止状態で、内側角部水平面３２ａ２は、段部１５をなす円柱部１３の外周面１３ａに面接触することになる。
【００３９】
また、段部垂直面１５ａと円柱部１３の外周面１３ａとが交わる部分、及び内側角部垂直面３２ａ１と内側角部水平面３２ａ２との頂点部分も面取りすることができる。
このように突出部３２の内側角部３２ａにホーン本体部１２の段部１５が係止されていることで、超音波ホーン本体１０は、スリーブ３０に保持された状態になっている。
そして、保持された状態の超音波ホーン本体１０は、図１及び図２に示すように、スリーブ３０の両端の各開口部３３から、振動子取り付け部１１と振動周波数調整部１６とがそれぞれ外方に突出している。
【００４０】
例えば、スリーブ３０は、突出部３２が一体的に形成されている一端部が、円筒形状の本体（収容部）に対して分離可能に構成されている。例えば、スリーブ３０は、前記一端部が前記本体に対して着脱自在とされており、ネジ等の締結手段により前記一端部が前記本体に固定できるようになっている。これにより、前記本体内に超音波ホーン本体１０に収容した後に、前記一端部を前記本体に固定することで、スリーブ３０は、超音波ホーン本体１０を保持することができるようなる。
【００４１】
なお、本実施形態では、ホーン本体部１２の両端の円柱部１３のうち、パンチ１９側に位置する円柱部１３は、第２の部分よりも他端側に形成され、他端側の縁部が面取り加工された面取り部を有する第１の部分に対応する。
【００４２】
（動作）
振動子ユニットでは、超音波振動子２０が駆動されると、超音波振動子２０が発生する超音波振動が超音波ホーン本体１０に伝達される。このとき、超音波振動は超音波ホーン本体１０内を縦波として伝播する。これにより、超音波ホーン本体１０のパンチ取付部１７に固定されたパンチ１９は、超音波ホーン本体１０の軸方向に微小振動するようになる。振動子ユニットは、このように微小振動するパンチ１９により被加工部材を加工することができる。
【００４３】
（ホーン本体部１２の形状に基づく作用及び効果）
ホーン本体部１２の段部垂直面１５ａは、超音波振動の縦波の節に位置している。そのため、段部垂直面１５ａが超音波振動により径方向に振動する。
これに対して、ホーン本体部１２の段部垂直面１５ａが周方向で断続的な形状となり、スリーブ３０の内側角部垂直面３２ａ１の全体ではなく一部に段部垂直面１５ａが面接触している。
【００４４】
これにより、面接触する面積が最小限に抑えられているため、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０に取り付けられる部位での摩擦を抑えて、超音波ホーン本体１０からの振動漏れを抑制できる。すなわち、超音波振動の伝達効率を高くすることができる。
【００４５】
このように超音波振動の伝達効率を高くすることができることで、打ち込み量が少なくなる。そのため、振動子ユニット１をプレスに用いる場合、プレスの加工品質（ダレや反り）が向上する。また、プレス荷重が低下する。そのため、パンチ１９の耐久性が向上する。
【００４６】
図９は、本実施形態に対する比較例を示す。図９に示すように、比較例では、本体部１４は、円柱部１３の直径よりも大きい円柱形状になっている。これにより、段部垂直面１５ａは、軸方向に向く円環面になっている。このような場合、段部垂直面１５ａは、スリーブ３０の内側角部垂直面３２ａ１の全体と面接触するようになる。この結果、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０に取り付けられる部位での摩擦が大きくなり、超音波ホーン本体１０からの振動漏れが多くなる。
【００４７】
このような比較例に対して、本実施形態では、超音波ホーン本体１０の段部垂直面１５ａとスリーブ３０の内側角部垂直面３２ａ１との接触面積が小さいため、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０に取り付けられる部位での摩擦を抑えることができる。
また、本体外周面１４ａは、該本体外周面１４ａの内周側に存在する対称点について点対称になっている。これにより、ホーン本体部１２の重心の径方向の位置は、幾何学的に明瞭になっている。この結果、超音波ホーンの重心の径方向の位置の調整が容易になる。
【００４８】
本実施形態では、本体部１４で前記対称点を通る中心軸は、両端の円柱部１３の中心軸、さらには振動子取り付け部１１及び振動周波数調整部１６の中心軸と同一線上に位置されるようになる。すなわち、ホーン本体部１２をなす円柱部１３及び本体部１４の重心は、振動子取り付け部１１及び振動周波数調整部１６の中心軸を通る軸線上に位置されるようになる。この結果、ホーン本体部１２は、振動子取り付け部１１から振動周波数調整部１６に効率良く振動を伝達できる。
【００４９】
（振動周波数調整部１６の形状に基づく作用及び効果）
振動周波数調整部１６は、Ｃ面取りで面取りされた第２面取り部１６ｃを有している。
図１０は、第２面取り部１６ｃの形成時の面取り量と、パンチ１９の軸方向振幅及び超音波ホーン本体１０の共振周波数との関係の一例を示す。図１０に示すように、面取り量が多くなると、超音波ホーン本体１０の共振周波数は増加していく。また、面取り量が変化するとパンチ１９の軸方向振幅も変化し、そのパンチ１９の軸方向振幅は、ある面取り量のときに極大値を示す。
【００５０】
超音波ホーン本体１０は、このような関係を基に第２面取り部１６ｃの面取り量が調整されて、目標の軸方向振幅及び共振周波数を有するものとなっている。すなわち、面取り加工するだけで、目標の共振周波数等の目標の特性に調整できる。
【００５１】
（パンチ取付部１７の形状に基づく作用及び効果）
パンチ取付部１７にパンチ１９を取り付ける際には、先ず、パンチ１９がスリット１７ａ内に挿入される。そして、パンチ取付部１７及びパンチ１９に形成したネジ挿通孔１７ｂ，１９ｂにネジ１８が挿入される。それから、パンチ取付部１７に形成した雌ネジ孔１７ｃにネジ１８が螺合されることで、パンチ取付部１７にパンチ１９が固定される。これにより、パンチ取付部１７にパンチ１９を確実に固定できる。この結果、パンチ取付部１７の振動をパンチ１９に確実に伝達できる。
【００５２】
例えば、パンチ取付部でパンチを挟み込み、そのパンチ取付部においてパンチから離れた部位をネジで締め付けることで、パンチ取付部にパンチを固定することも考えられる。すなわち、ネジからパンチ取付部に入力される力である力点とパンチ取付部からパンチに入力される力である作用点とが離れており、パンチ取付部の弾性力によりパンチを固定するような場合である。
【００５３】
しかし、このような構成の場合、ネジとパンチとの間の距離が長くなるため、又はパンチ取付部の弾性力に依存するようになるため、パンチ固定部とパンチとの密着度合いが低くなる、又は密着度を安定して得られない。
これに対して、本実施形態では、パンチ１９を貫通させたネジ１８でパンチ１９をパンチ固定部１７に固定する構造になっており、パンチ取付部１７の弾性力に依存するようなことがない。そのため、パンチ固定部１７とパンチ１９との密着度合いを高くできる、又は密着度を安定して得ることができる。これにより、パンチ取付部１７にパンチ１９を確実に固定できる。
【００５４】
また、例えば、パンチ取付部にネジ挿通孔を形成せずに雌ネジ孔だけを形成し、パンチ取付部に挿入されているパンチの一方の側面に雌ネジ孔に螺合したネジ端を押し付けて、パンチ取付部にパンチを固定することも考えられる。
しかし、このような構成の場合、パンチは両面ではなく他方の側面だけでパンチ取付部と面接触するようになり、パンチ取付部とパンチとの接触面積が小さくなる。
【００５５】
これに対して、本実施形態では、パンチ１９の両面がスリット１７ａを形成するパンチ取付部１７の内側面と面接触しているため、パンチ取付部１７とパンチ１９との接触面積が大きくなっている。これにより、パンチ取付部１７にパンチ１９を確実に固定できる。
また、例えば、ネジを予め取り付けた状態のパンチ取付部にパンチを取り付け可能にする等のために、パンチにおけるネジ挿通部分をスリット形状にすることも考えられる。この場合のスリットは、加工刃が形成されている端部とは反対側の端部からネジ挿通孔に至るような形状である。
【００５６】
しかし、このような構成の場合、ネジを締め付けた場合でも、パンチ取付部からのパンチが抜けてしまう可能性がある。
これに対して、本実施形態では、パンチ１９にネジ挿通孔１９ｂを形成して、そのネジ挿通孔１９ｂにネジ１８が挿通されるため、パンチ１９のネジ挿通孔１９ｂにネジ１８が挿通されている限り、パンチ取付部１７からパンチ１９が抜けることはない。
【００５７】
また、パンチ１９においてネジ１８のネジ挿通部分がスリット形状でなく孔形状であるためパンチ取付部１７とパンチ１９との接触面積を大きく確保できる。そのため、パンチ取付部１７からパンチ１９への振動伝達率を高くすることができる。
また、パンチ取付部１７の材質（超音波ホーン本体１０の材質）とパンチ１９の材質とが異なっているような場合には、パンチ取付部１７とパンチ１０との接触界面で摩擦熱が発生し易くなる。そして、摩擦熱による発熱量が多くなるとパンチ取付部１７、さらには超音波ホーン本体１０が変形してしまうため、超音波振動の伝達効率が低下してしまう。
【００５８】
これに対して、本実施形態では、パンチ取付部１７とパンチ１９との接触面積を大きくすることができるため、パンチ取付部１７とパンチ１９とを確実に固定でき、パンチ取付部１７とパンチ１０との接触界面での摩擦熱の発生を抑制できる。さらに、パンチ取付部１７とパンチ１９との密着度合いを高くすることができるため、パンチ取付部１７とパンチ１０との接触界面での摩擦熱の発生を抑制できる。
【００５９】
このように摩擦熱の発生を抑制することができる結果、超音波振の伝達効率が低下してしまうのを防止できる。そして、高効率かつ高精度で加工を行うことができるようになる。
また、スリット１７ａの底部１７ａ１が他の部位よりも高くなっており、パンチ取付部１７では、振動周波数調整部１６の近傍部位の肉厚が他の部位よりも薄くなっている。
【００６０】
これにより、パンチ取付部１７が撓み易くなっている。この結果、スリット１７ａ内へのパンチ１９の挿入が容易になり、かつネジ１８を締め付けたときのパンチ取付部１７とパンチ１９との密着度合いが高くなる。
また、ネジ１８は、径方向で延在するようにパンチ取付部１７に取り付けられている。これにより、ネジサイズ（ネジの呼び径）及びネジ長が適切に選定されたネジ１８は、パンチ１９を装着した状態のパンチ取付部１７の重心の径方向位置を調整する機能を有するものとなる。なお、パンチ取付部１７が超音波ホーン本体１０の一部であるので、ネジ１８は、超音波ホーン本体１０の重心の径方向位置を調整する機能を有するものとも言える。
【００６１】
すなわち、パンチ１９を装着した状態のパンチ取付部１７の重心位置が軸心から径方向にずれているような場合に、その状況に応じて適切なネジサイズ及びネジ長を選定することで、パンチ取付部１７は、ネジ１８により重心位置が軸心に一致されたものとなる。すなわち、適切なネジを選定するだけで、パンチ取付部１７の重心の径方向位置を目標位置に調整することができる。この結果、振動子ユニットは、パンチ取付部１７において径方向の振動成分が発生するのを抑制できる。
【００６２】
図１１及び図１２は、パンチ取付部１７にパンチ１９がネジ１８により固定されている状態を示す。図１１は、軸心Ｏに対してネジ１８のネジ頭が位置する方向に、パンチ１９で偏倚した先端部１９ａが位置される状態（以下、同方向取り付け状態という。）を示す。図１２は、軸心Ｏに対してネジ１８のネジ頭の位置する方向とは反対方向に、パンチ１９で偏倚した先端部１９ａが位置される状態（以下、反対方向取り付け状態という。）を示す。
【００６３】
図１３は、同方向取り付け状態及び反対方向取り付け状態でネジ１８のネジ長さを変化させた場合の、パンチの軸方向の振幅の関係の一例を示す。
図１１及び図１２に示すように、同方向取り付け状態及び反対方向取り付け状態の何れの状態でも、ネジ長さが変化するとパンチの軸方向の振幅が変化する。そして、何れの状態でも、あるネジ長さにおいてパンチの軸方向の振幅が最大になる結果になる。また、同方向取り付け状態よりも反対方向取り付け状態の方が径方向の振動成分の抑制度合いが全体的に大きくなる結果になる。
【００６４】
このような結果が示すように、適切なネジ長さを選定することで、振動子ユニットは、パンチ取付部１７において垂直方向の振動成分が発生するのを抑制できる。
また、ネジ１８のネジサイズを大きくすることで、ネジの締め付けトルクを大きくすることができる。これにより、パンチ取付部１７とパンチ１９との密着度合いをより高くできるようにも思える。
【００６５】
しかし、ネジサイズが大きくなるとネジ１８の直径も大きくなる。よって、パンチ取付部１７のネジ挿通孔１７ｂ及び雌ネジ孔１７ｃの直径が大きくなり、さらにはパンチ１９のネジ挿通孔１９ｂの直径も大きくなってしまう。これにより、パンチ取付部１７とパンチ１９との接触面積が小さくなってしまう。この結果、パンチ１９が目標とする振動状態にならなくなってしまう場合がある。
【００６６】
このようなことから、本実施形態では、ネジサイズを一律で選定せずに、パンチ１９が目標とする振動に近づくようにそのネジサイズやネジの締め付けトルクを選定する。
【００６７】
（第１の実施形態の変形例）
（変形例１）
ホーン本体部１２の本体外周面１４ａを多角形状にすることもできる。図１４〜図１６には、その例を示す。図１４に示すように、本体外周面１４ａを断面形状で正四角形状にすることもできる。また、図１５に示すように、本体外周面１４ａを断面形状で正六角形状にすることもできる。また、図１６に示すように、本体外周面１４ａを断面形状で正八角形状にすることもできる。そして、図１４〜図１６に示すように、本体外周面１４ａと円柱部１３の外周面１３ａとの関係は、ホーン本体部１２を軸方向側からみた場合、本体外周面１４ａに対して円柱部１３の外周面１３ａが内接円となる関係になる。また、本体外周面１４ａは、何れも該本体外周面１４ａの内周側に存在する対称点について点対称になっている。
このように、本体外周面１４ａを多角形状にすることで、例えば、本体外周面１４ａの形成（切削加工等による形成）が容易になる。
【００６８】
（変形例２）
図１７に示すように、段部１５の角を面取りすることもできる。具体的には、ホーン本体部１２の円柱部１３の角を落として面取りした面１５ｂを形成する。さらに、本体外周面１４ａの外周円弧面１４ａ１の角を落として面取りした面１５ｃを形成する。ここで、面取りは、Ｃ面取りでも他の角度（４５°以外の角度）により面取りすることができる。また、面取りした面１５ｂ又は面取りした面１５ｃの何れか一方をだけを形成することもできる。
【００６９】
また、段部垂直面１５ａと円柱部１３の外周面１３ａとが交わる部分、及び内側角部垂直面３２ａ１と内側角部水平面３２ａ２との頂点部分も面取りすることができる。
このように段部１５を角を面取りすることで、スリーブ３０の内側角部３２ａと段部１５との接触面積をさらに小さくできる。この結果、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０に取り付けられる部位での摩擦を抑えて、超音波ホーン本体１０からの振動漏れを抑制できる。
【００７０】
（変形例３）
段部１５を局部焼入れすることもできる。これにより、段部１５は、硬さが増し、例えば加工荷重によって潰れ難くなる。
（変形例４）
振動周波数調整部１６をＣ面取り（面取り角度を４５°で面取り）して形成しているが、面取り角度を他の角度（４５°以外）で面取りすることもできる。
（変形例５）
Ｃ面取りで面取りされた第２面取り部１６ｃだけで振動周波数調整部１６を構成することもできる。
これにより、第１面取り部１６ａ及び円柱部１６ｂを設けないことで、振動周波数調整部１６、すなわち超音波ホーン本体１０の構成を簡易な構成にできる。
【００７１】
（変形例６）
焼きバメによりパンチ１９をパンチ取付部１７に固定することもできる。これにより、パンチ１９をパンチ取付部１７に簡単に取り付けできる。
（変形例７）
本実施形態では、段部垂直面１５ａは、軸方向に向く面であり、かつ径方向に平行な面（垂直面）になっている。これに対して、段部垂直面１５ａは、軸方向に向く面であれば、スリーブ３０への取り付け部として機能する限り、径方向から傾斜されたものとすることもできる。
【００７２】
（第２の実施形態）
（構成）
第２の実施形態は、本発明を適用した振動子ユニットである。
前記第１の実施形態では、スリーブ３０への取り付け部となる超音波ホーン本体１０の段部１５の段部垂直面１５ａに特徴を有している。これに対して、第２の実施形態では、超音波ホーン本体１０に取り付けられるスリーブ３０の被取り付け部に特徴を有している。
第２の実施形態の振動子ユニットの構成は、以下の説明において特に言及する構成以外、前記第１の実施形態の振動子ユニットの構成と同様な構成である。
【００７３】
図１８は、前記図２に示す矢示Ｃ方向（軸方向）からみた超音波ホーン本体１０のホーン本体部１２とスリーブ３０の突出部３２との関係を示す。
図１８に示すように、第２の実施形態では、本体部１４が、円柱部１３よりも大きい直
径の円柱形状になっている。すなわち、ホーン本体部１２は、両端部が小径の円柱形状になっており、両端部以外の中心側の部分（本体部）が大径の円柱形状になっている。これにより、段部垂直面１５ａは、軸方向に向く円環面になっている。
【００７４】
そして、第２の実施形態では、突出部３２の端部面３２ｂにより形成される周方向の形状（以下、端部面周方向形状という。）、すなわち開口部３３の外周が多角形状になっている。本実施形態では、正六角形状になっている。さらに、突出部３２の端部面３２ｂに対して超音波ホーン本体１０の円柱部１３の外周面１３ａが内接円になっている。
これにより、突出部３２の内側角部垂直面３２ａ１の一部３２ａ１１（図１８において斜線で囲まれる３２ａ１１の部分）が、段部１５の段部垂直面１５ａの一部に面接触するようになる。この突出部３２の内側角部垂直面３２ａ１の一部であり、段部１５の段部垂直面１５ａに面接触する面（以下、角部面接触面という。）３２ａ１１は、周方向で断続的に現れるようになる。これは、角部面接触面３２ａ１１の軸方向に対する径方向の長さが周方向で変化しているとも言える。
【００７５】
（作用及び効果）
第２の実施形態でも、前記第１の実施形態において段部垂直面１５ａにより得られる効果と同様な効果を得ることができる。
すなわち、突出部３２の角部面接触面３２ａ１１が周方向で断続的な形状となり、段部１５の全体ではなく一部に角部面接触面３２ａ１１が面接触している。これにより、面接触する面積が最小限に抑えられているため、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０に取り付けられる部位での摩擦を抑えて、超音波ホーン本体１０からの振動漏れを抑制できる。
【００７６】
（第２の実施形態の変形例）
（変形例１）
突出部３２の端部面周方向形状を正六角形状以外で非円形状にすることもできる。すなわち、角部面接触面３２ａ１１が周方向で断続的な形状となる限り、突出部３２の端部面周方向形状を他の形状にすることができる。
図１９は、その例を示す。図１９に示すように、突出部３２の端部面周方向形状を正八角形状にすることもできる。
【００７７】
（変形例２）
前記第１の実施形態と同様に、本体外周面１４ａを断面形状で非円形状にすることもできる。
（変形例３）
例えば、図１９に示すように、突出部３２の端部面周方向形状が正八角形状の場合、本体外周面１４ａを正六角形状にすることもできる。
これにより、本体外周面１４ａを非円形状にした場合に、開口部３３内を超音波ホーン本体１０の本体部１４が抜けてスリーブ３０から該超音波ホーン本体１０が外れてしまうようなことを防止できる。
【００７８】
（変形例４）
図２０及び図２１に示すように、スリーブ３０の両端部において中心方向に向かい複数の支持部材４１を爪状に突出させて、その支持部材４１によりホーン本体部１２の段部１５を保持することもできる。例えば、支持部材４１はピンやネジである。
これにより、簡単な構成により、スリーブ３０における段部１５の段部垂直面１５ａとの接触面を周方向で断続的な形状にできる。
【００７９】
（変形例５）
前記第１の実施形態では、超音波ホーン本体１０側の段部１５の段部垂直面１５ａに特
徴があり、この第２の実施形態では、スリーブ３０側で段部１５の段部垂直面１５ａに接触する面（角部面接触面３２ａ１１等）に特徴がある。しかし、これに限定されるものではない。
例えば、超音波ホーン本体１０がスリーブ３０を介在させることなく工作機械に直接装着される場合がある。このようなことから、工作機械において超音波ホーン本体１０の段部１５が取り付けられる被取り付け部に特徴を設けることもできる。すなわち、段部１５の段部垂直面１５ａに面接触する工作機械の被取り付け部の面を周方向で断続的な形状にすることもできる。この場合、工作機械において被取り付け部が形成される部材が保持部材となる。
【００８０】
これにより、超音波ホーン本体１０が工作機械に直接装着される場合にも、面接触する面積が最小限に抑えられているため、超音波ホーン本体１０が工作機械に取り付けられる部位での摩擦を抑えて、超音波ホーン本体１０からの振動漏れを抑制できる。
【符号の説明】
【００８１】
１  超音波ユニット、２  超音波ホーン、１０  超音波ホーン本体、１５  段部、１５ａ  段部垂直面（取り付け面）、１９  パンチ（工具）、２０  超音波振動子、３０  スリーブ（保持部材）
【図１】
2011156450.tif 000003
【図２】
2011156450.tif 000004
【図３】
2011156450.tif 000005
【図４】
2011156450.tif 000006
【図５】
2011156450.tif 000007
【図６】
2011156450.tif 000008
【図７】
2011156450.tif 000009
【図８】
2011156450.tif 000010
【図９】
2011156450.tif 000011
【図１０】
2011156450.tif 000012
【図１１】
2011156450.tif 000013
【図１２】
2011156450.tif 000014
【図１３】
2011156450.tif 000015
【図１４】
2011156450.tif 000016
【図１５】
2011156450.tif 000017
【図１６】
2011156450.tif 000018
【図１７】
2011156450.tif 000019
【図１８】
2011156450.tif 000020
【図１９】
2011156450.tif 000021
【図２０】
2011156450.tif 000022
【図２１】
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