(57)【要約】【課題】例えば放電プラズマ焼結法による粉末焼結技術を用いて、従来のジルコニアとチタンとの接合部がロウ付けの機械的性質に依存しない、新規な接合部の性能が期待できる超音波分散機用振動先端工具およびその製造方法を提供することにある。【解決手段】超音波分散機用振動先端工具３５において、上記超音波分散機のホーンに連結され、前記ホーン側から順に、不銹鋼からなる機械加工部２９、不銹鋼とセラッミックスとを混合した傾斜材部からなる接合部３１およびセラッミックスからなる先端部３３で一体的に構成され、前記接合部分３１が、前記機械加工部２９側から順に、セラッミックスより不銹鋼の割合を多くした第１層と、セラッミックスと不銹鋼との割合をほぼ同量とした第２層、セラッミックスより不銹鋼の割合を少なくしたた第３層とで構成されていることを特徴とする。【選択図】　　　図１
2004033948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波分散機用振動先端工具において、上記超音波分散機のホーンに連結され、前記ホーン側から順に、不銹鋼からなる機械加工部、不銹鋼とセラッミックスとを混合した傾斜材部からなる接合部およびセラッミックスからなる先端部で一体的に構成されていることを特徴とする超音波分散機用振動先端工具。
【請求項２】
前記接合部が、前記機械加工部側から順に、セラッミックスより不銹鋼の割合を多くした第１層と、セラッミックスと不銹鋼との割合をほぼ同量とした第２層、セラッミックスより不銹鋼の割合を少なくしたた第３層とで構成されていることを特徴とする請求項１記載の超音波分散機用振動先端工具。
【請求項３】
焼結ダイ内に下側から挿入した下部パンチ上に、セラミックス又は不銹鋼の１００％の第１粉末層を形成し、この第１粉末層の上部に、第１粉末層に親和性を有する割合で前記セラミックスと不銹鋼との第１混合粉によりなる第２粉末層を形成し、この第２粉末層の上部に、前記セラミックスと不銹鋼との割合の比がほぼ半々の第２混合粉よりなる第３粉末層を形成し、この第３粉末層の上部に、前記セラミックス又は不銹鋼に親和性を有する割合で前記セラミックスと不銹鋼との第３混合粉によりなる第４粉末層を形成し、この第４粉末層の上部に前記不銹鋼又はセラミックスの１００％の第５粉末層を形成し、この第５粉末層の上部に上部パンチを当接し、上、下部パンチによって加圧すると同時に前記上、下部パンチ間に通電して加熱して前記粉末層を一体化することを特徴とする超音波分散機用振動先端工具の製造方法。
【請求項４】
前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法。
【請求項５】
前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃であることを特徴とする請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法。
【請求項６】
前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２で、前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃であることを特徴とする請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超音波分散機用振動先端工具およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波分散機はセラックス粉、顔料、磁粉材料の分散、混合や、バクテリア、ウイルスなどの破砕、切断に使用されている。
【０００３】
この超音波分散機１０１としては、図７に示されているように、本体１０３の下部に振動子１０５が取り付けられ、この振動子１０５の下部にはチタン合金やステンレスなどからなるホーン１０７が設けられている。そして、このホーン１０７の先端には振動先端工具（チップ）１０９が着脱可能に取り付けられる。しかも、前記本体１０３には超音波発振器１１１が接続されている。
【０００４】
前記振動先端工具１０９がビーカやタンクなどの水槽１１３内に入れられて、前記超音波発振器１１１を作動せしめ、振動子１０５に例えば２０ＫＨＺの振動が与えられことで、ホーン１０７を介して振動先端工具１０９が振動し、前記水槽１１３内に入れられているセラックス粉、顔料、磁粉材料の分散、混合や、バクテリア、ウイルスなどに破砕また切断が行われるものである。
【０００５】
前記振動先端工具１０９は、チタン素材のままの製品とこのチタン素材の先端にジルコニア板をロウ付けによって接合した製品とがあり、消耗品として使用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の超音波分散機１０１としては、水槽１１３での使用が多いが、近年は、プラントのラインは配管の途中に分散ホルダーを配置し連続分散を行う装置もあり、振動先端工具１０９のジルコニア板が、接合力不足のため、長時間使用時にチタン素材とジルコニア板との接合部の剥離が頻繁に発生するという問題があり、工具としての信頼性に乏しいことが問われている。
【０００７】
この発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、例えば放電プラズマ焼結法による粉末焼結技術を用いて、従来のジルコニアとチタンとの接合部がロウ付けの機械的性質に依存しない、新規な耐久性と性能の向上を図った超音波分散機用振動先端工具およびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具は、超音波分散機用振動先端工具において、上記超音波分散機のホーンに連結され、前記ホーン側から順に、不銹鋼からなる機械加工部、不銹鋼とセラッミックスとを混合した傾斜材部からなる接合部およびセラッミックスからなる先端部で一体的に構成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
したがって、超音波分散機用振動先端工具が、ホーン側から順に、不銹鋼からなる機械加工部、不銹鋼とセラッミックスとを混合した傾斜材部からなる接合部およびセラッミックスからなる先端部で一体的に構成されているから、接合部と先端部が従来に比べて、剥離、傷や窪みのない、厚みの差のない安定した均一な接合部を持つと共に、例えば発振時間が５００時間にも耐えられ耐久性に富み、しかも、亀裂、剥離などの変化のないエロージョンに富み、さらに、入力電圧と先端部の変位量は、従来のものと同等に比例して性能に富んだ超音波分散機用振動先端工具が得られる。
【００１０】
請求項２によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具は、請求項１記載の超音波分散機用振動先端工具において、前記接合部が、前記機械加工部側から順に、セラッミックスより不銹鋼の割合を多くした第１層と、セラッミックスと不銹鋼との割合をほぼ同量とした第２層、セラッミックスより不銹鋼の割合を少なくした第３層とで構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
したがって、前記接合部が、前記機械加工部側から順に、セラッミックスより不銹鋼の割合を多くした第１層と、セラッミックスと不銹鋼との割合をほぼ同量とした第２層、セラッミックスより不銹鋼の割合を少なくしたた第３層とで構成されているから、より一層の焼結特性が得られると共に請求項１と同様の作用が得られる。
【００１２】
請求項３によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具の製造方法は、焼結ダイ内に下側から挿入した下部パンチ上に、セラミックス又は不銹鋼の１００％の第１粉末層を形成し、この第１粉末層の上部に、第１粉末層に親和性を有する割合で前記セラミックスと不銹鋼との第１混合粉によりなる第２粉末層を形成し、この第２粉末層の上部に、前記セラミックスと不銹鋼との割合の比がほぼ半々の第２混合粉よりなる第３粉末層を形成し、この第３粉末層の上部に、前記セラミックス又は不銹鋼に親和性を有する割合で前記セラミックスと不銹鋼との第３混合粉によりなる第４粉末層を形成し、この第４粉末層の上部に前記不銹鋼又はセラミックスの１００％の第５粉末層を形成し、この第５粉末層の上部に上部パンチを当接し、上、下部パンチによって加圧すると同時に前記上、下部パンチ間に通電して加熱して前記粉末層を一体化することを特徴とするものである。
【００１３】
したがって、請求項１と同様に、接合部分と先端部が従来に比べて、剥離、傷や窪みのない、厚みの差のない安定した均一な接合部を持つと共に、例えば発振時間が５００時間にも耐えられ耐久性に富み、しかも、亀裂、剥離などの変化のないエロージョンに富み、さらに、入力電圧と先端部の変位量は、従来のものと同等に比例して性能に富んだ超音波分散機用振動先端工具が得られる。
【００１４】
請求項４によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具の製造方法は、請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法において、前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２であることを特徴とするものである。
【００１５】
したがって、前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２であることで、超音波分散機用振動先端工具が従来よりも良好なものが得られる。
【００１６】
請求項５によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具の製造方法は、請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法において、前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃であることを特徴とするものである。
【００１７】
したがって、前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃であることで、超音波分散機用振動先端工具が従来よりも良好なものが得られる。
【００１８】
請求項６によるこの発明の超音波分散機用振動先端工具の製造方法は、請求項３記載の超音波分散機用振動先端工具の製造方法において、前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２で、前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃であることを特徴とするものである。
【００１９】
したがって、前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２で、前記加熱の温度が、１１００〜１３００℃で、超音波分散機用振動先端工具が従来よりもより一層の良好なものが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図２を参照するに、放電プラズマ焼結装置１は、水冷真空チャンバ３を備えており、この水冷真空チャンバ３の上部フレーム３Ｕには上部パンチ電極５が装着されていると共に水冷真空チャンバ３の下部フレーム３Ｄには下部パンチ電極７が装着されている。前記水冷真空チャンバ３内にあって、前記上部パンチ電極５の下部には上部パンチ９が設けられていると共に、前記下部パンチ電極７の上部には下部パンチ１１が設けられている。そして、上部パンチ９の下部と下部パンチ１１の上部とは焼結ダイ１３内に装着されていて、この焼結ダイ１３内の上部パンチ９の下部と下部パンチ１１の上部と間に焼結させる粉体Ｍが入れられるようになっている。前記焼結ダイ１３には熱電対１５が備えられていて、焼結ダイ１３内の加熱温度を検出できるようになっている。
【００２２】
前記上部パンチ電極５と下部パンチ電極７とは加圧機構１７に接続されていると共に上部パンチ電極５と下部パンチ電極７は焼結電源（パルス電源）１９に接続されている。前記加圧機構１７、位置計測機構２１、雰囲気制御機構２３および水冷却機構２５が制御装置２７にそれぞれ接続されている。
【００２３】
上記構成により、超音波分散機用振動先端工具を製造するために、焼結ダイ１３内に下側から挿入した下部パンチ１１上に、不銹鋼としての例えばチタンの１００％の第１粉末層を形成し、この第１粉末層の上部に、第１粉末層に親和性を有する割合でセラミックスとしての例えばジルコニアとチタンとの第１混合粉によりなる第２粉末層を形成し、この第２粉末層の上部に、前記ジルコニアとチタンとの割合の比がほぼ半々の第２混合粉よりなる第３粉末層を形成し、この第３粉末層の上部に、前記ジルコニア又はチタンに親和性を有する割合で前記ジルコニアとチタンとの第３混合粉によりなる第４粉末層を形成し、この第４粉末層の上部に前記ジルコニアの１００％の第５粉末層を形成し、この第５粉末層の上部に上部パンチ９を当接し、上、下部パンチ９、１１によって加圧すると同時に前記上、下部パンチ９、１１間に通電して加熱して前記粉末層が一体化されることにより、図１（Ａ）に示されているような、チタンからなる機械加工部２９、チタンとジルコニアとを混合した傾斜材部からなる接合部３１およびジルコニアからなる先端部３３が一体的に例えば円柱形状に構成された良好な超音波分散機用振動先端工具３５を得ることができる。しかも、チタンからなる機械加工部２９の外周部すなわち、図１（Ｂ）に点線で示した部分３７Ａ、３９Ａを削りとり、さらに、ネジ部３７およびスパナー掛け部３９を加工することで、このネジ部３７が超音波分散機のホーンに連結されて使用される。
【００２４】
さらに、具体的な製造法の一例を説明すると、図３に示した焼結条件で加工する。すなわち、材料としてＴｉ粉末、ＺｒＯ２粉末を用い、配分として例えば１００％１８ｇの第１粉末層を形成し、この第１粉末層の上部に、第１粉末層に親和性を有する割合で８０％Ｔｉ＋２０％ＺｒＯ２１．５ｇの第１混合粉によりなる第２粉末層を形成し、この第２粉末層の上部に、５０％Ｔｉチタン＋５０％ＺｒＯ２１．５ｇの第２混合粉よりなる第３粉末層を形成し、この第３粉末層の上部に、３０％Ｔｉチタン＋７０％ＺｒＯ２１．５ｇの第３混合粉によりなる第４粉末層を形成し、この第４粉末層の上部に１００％ＺｒＯ２の第５粉末層を形成させる。
【００２５】
加熱温度を１２００℃、加圧力を３５．７Ｎ／ｃｍ２とし、その他の条件は図３に示したとおりである。また、焼結パターンは図４に示したとおりで焼結加工を行った。
【００２６】
その結果、図１（Ａ）に示すような良好な超音波分散機用振動先端工具３５を得ることができた。チタンからなる機械加工部２９が１０ｍｍ以上あり、ジルコニアからなる先端部３３が３ｍｍで、チタンとジルコニアとを混合した傾斜材部からなる接合部分３１は３層で各層が０．５ｍｍほどで仕上がり機械加工が可能なものができた。
【００２７】
チタンからなる機械加工部２９が１０ｍｍ以上例えば１２ｍｍほどあるので、例えば８ｍｍをＭ８＊０．７５Ｐとなるネジ部３７のねじ切り加工を行い、取り付け用のネジ部３７を設け、残りのチタンからなる機械加工部２９の４ｍｍに幅１７ｍｍ幅のスパナー掛け部３９を設け、超音波分散機用振動先端工具３５に仕上げた。
【００２８】
上記の８０％Ｔｉ＋２０％ＺｒＯ２は、Ｔｉを７５〜８５％、ＺｒＯ２を１５〜２５％の範囲、５０％Ｔｉ＋５０％ＺｒＯ２は、Ｔｉを４５〜５５％、ＺｒＯ２を４５〜５５％の範囲、３０％Ｔｉ＋７０％ＺｒＯ２は、Ｔｉを２５〜３５％、ＺｒＯ２を６５〜７５％の範囲で適宜設定することが可能である。
【００２９】
また、加熱温度は１１００〜１３００℃の範囲、加圧力は３０〜４１Ｎ／ｃｍ２（３００〜４００ｋｇｆ／ｃｍ２）の範囲で適宜設定することが可能である。この加熱温度および加圧力の範囲外の加熱温度、加圧力では、今まで実験した結果では良好な超音波分散機用振動先端工具が得られなかった。
【００３０】
この得られた超音波分散機用振動先端工具３５の性能評価として、超音波分散機用振動先端工具３５を超音波発振機の振動子に取付け、水道水中に浸し０〜５００時間の連続発振試験を行った結果、傾斜接合部の耐久性、エロージョンの発生具合を観察したところ、図５（Ａ）に示されているように５００時間までの減量値が得られ、５００時間後の重量変化は減量値０．２３０ｇであるのに対して、従来のものは図５（Ｂ）に示されているように、２００時間までの減量値が得られ、２００時間後の重量変化は減量値０．４１８ｇで、５００時間まで耐えられなかった。
【００３１】
また、エロージョンの発生としての侵食の発生は見られず、しかも、亀裂、剥離などの変化も見られなかった。それに対して従来のものは２００時間内にエロージョンの発生が見られると共に亀裂、剥離などの変化も生じている。なお、エロージョン試験装置は商品名ＵＨー６０Ｓの発振機を用い、電源として直流安定化電源である商品名ＰＲー１５０−８を用いて行った。
【００３２】
また、先端子の水中での発振振幅を測定して機械エネルギーが発生しているのを観察した。先端子の先に渦電流式変位センサーをおき先端の振幅を測定した。なお、本発明の先端工具は先端子面からジルコニアのため、渦電流式変位センサーでは感度がでないため、先端子面がチタンでできたものを使用した。
【００３３】
その結果、図６（Ａ）に示されているように入力電圧と変位との関係が得られた。これに対して従来のものは図６（Ｂ）に示されているような入力電圧と変位との関係が得られた。したがって、本発明は従来のものとそれ程差がないと共に測定された先端チップの共振周波数は従来のものが１９．６ＫＨＺであるのに対して、本発明のものは１９．２３ＫＨＺで、２０ＫＨＺ±１ＫＨＺの許容範囲内で性能は維持できた。なお、本発明、従来のものとも、入力電圧と振幅はほぼ比例していることを確認している。
【００３４】
したがって、接合部分と先端部が従来に比べて、剥離、傷や窪みのない、厚みの差のない安定した均一な接合部を持つと共に、例えば発振時間が５００時間にも耐えることがてき、しかも、亀裂、剥離などの変化のないエロージョン、耐久性に富み、さらに、入力電圧と先端部の変位量は、従来のものと同等に比例して性能に富んだ超音波分散機用振動先端工具を得ることができる。
【００３５】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。発明の実施の形態の説明では、焼結ダイ１３内の下部パンチ１１上に第１粉末層〜第５粉末層を順に形成させたが、逆に第５粉末層〜第１粉末層を順に形成させて焼結させることも可能である。
【００３６】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、超音波分散機用振動先端工具が、ホーン側から順に、不銹鋼からなる機械加工部、不銹鋼とセラッミックスとを混合した傾斜材部からなる接合部およびセラッミックスからなる先端部で一体的に構成されているから、接合部と先端部が従来に比べて、剥離、傷や窪みのない、厚みの差のない安定した均一な接合部を持つと共に、例えば発振時間が５００時間にも耐えることがてき、しかも、亀裂、剥離などの変化のないエロージョン、耐久性に富み、さらに、入力電圧と先端部の変位量は、従来のものと同等に比例して性能に富んだ超音波分散機用振動先端工具を得ることができる。
【００３７】
請求項２の発明によれば、前記接合部が、前記機械加工部側から順に、セラッミックスより不銹鋼の割合を多くした第１層と、セラッミックスと不銹鋼との割合をほぼ同量とした第２層、セラッミックスより不銹鋼の割合を少なくした第３層とで構成されているから、より一層の焼結特性を得ることができると共に請求項１と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
請求項３の発明によれば、請求項１と同様に、接合部と先端部が従来に比べて、剥離、傷や窪みのない、厚みの差のない安定した均一な接合部を持つと共に、例えば発振時間が５００時間にも耐えられ、しかも、亀裂、剥離などの変化のないエロージョン、耐久性に富み、さらに、入力電圧と先端部の変位量は、従来のものと同等に比例して性能に富んだ超音波分散機用振動先端工具を得ることができる。
【００３９】
請求項４の発明によれば、前記加圧の加圧力を、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２とすることで、超音波分散機用振動先端工具は従来よりも良好なものを得ることができる。
【００４０】
請求項５の発明によれば、前記加熱の温度を、１１００〜１３００℃とすることで、超音波分散機用振動先端工具は従来よりも良好なものを得ることができる。
【００４１】
請求項６の発明によれば、前記加圧の加圧力が、３０〜４１Ｎ／ｃｍ２で、前記加熱の温度を、１１００〜１３００℃とすることで、超音波分散機用振動先端工具は従来よりもより一層の良好なものを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）は、この発明の得られた超音波分散機用振動先端工具の斜視図、正面図である。
【図２】放電プラズマ焼結装置の概略正面断面図である。
【図３】焼結条件の一例を示した図である。
【図４】焼結パターンの一例を示した図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明と従来の発振時間と減量比との関係の一例を示した図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明と従来の測定結果としての出力電力と変位との関係の一例を示した図である。
【図７】超音波分散機の概略を示した正面図である。
【符号の説明】
１　放電プラズマ焼結装置
３　水冷真空チャンバ
５　上部パンチ電極
７　下部パンチ電極
９　上部パンチ
１１　下部パンチ
１３　焼結ダイ
１５　熱電対
１７　加圧機構
１９　位置計測機構
２１　焼結電源
２３　雰囲気制御機構
２５　水冷却機構
２７　制御装置
２９　機械加工部
３１　傾斜材料部
３３　先端部
３５　超音波分散機用振動先端工具
３７　ネジ部
３９　スパナー掛け部
【図１】
2004033948.tif 000003
【図２】
2004033948.tif 000004
【図３】
2004033948.tif 000005
【図４】
2004033948.tif 000006
【図５】
2004033948.tif 000007
【図６】
2004033948.tif 000008
【図７】
2004033948.tif 000009