(57)【要約】【課題】ハンダやロウを用いずとも、超音波加工用工具をホーンに簡単な手段で取り付けることが出来、しかも長時間の連続作業を行っても差し支えない超音波加工装置を提供することである。【解決手段】超音波加工用工具がホーンに取り付けられた超音波加工装置において、前記超音波加工用工具とホーンとの接合部における相対的大きさＩが下記の一般式を満たすものであり、前記超音波加工用工具とホーンとの接合が有機系接着剤を用いて行われたものである。０＜Ｉ≦１／４Ｉ＝ＳｔρｔＣｔ・ｔａｎ（２πｌｔ／λｔ）／Ｓ１ρ１Ｃ１（但し、Ｓｔは超音波加工用工具とホーンとの接合部における超音波加工用工具の断面積、Ｓ１は超音波加工用工具とホーンとの接合部におけるホーンの断面積、ρｔは超音波加工用工具材料の密度、ρ１はホーン材料の密度、Ｃｔは超音波加工用工具材料における音速、Ｃ１はホーン材料における音速、ｌｔは超音波加工用工具の軸芯方向の長さ、λｔは超音波加工用工具における超音波振動の波長）【選択図】    図１
2005014172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波加工用工具がホーンに取り付けられた超音波加工装置において、
前記超音波加工用工具とホーンとの接合部における相対的大きさＩが下記の一般式を満たすものであり、
前記超音波加工用工具とホーンとの接合が有機系接着剤を用いて行われたものであることを特徴とする超音波加工装置。
０＜Ｉ≦１／４
Ｉ＝ＳｔρｔＣｔ・ｔａｎ（２πｌｔ／λｔ）／Ｓ１ρ１Ｃ１
（但し、Ｓｔは超音波加工用工具とホーンとの接合部における超音波加工用工具の断面積、Ｓ１は超音波加工用工具とホーンとの接合部におけるホーンの断面積、ρｔは超音波加工用工具材料の密度、ρ１はホーン材料の密度、Ｃｔは超音波加工用工具材料における音速、Ｃ１はホーン材料における音速、ｌｔは超音波加工用工具の軸芯方向の長さ、λｔは超音波加工用工具における超音波振動の波長である。）
【請求項２】
ホーンには凹部が形成されてなり、この凹部に超音波加工用工具が配設されると共に有機系接着剤が充填されてなることを特徴とする請求項１の超音波加工装置。
【請求項３】
一つのホーンに複数の超音波加工用工具が接合されてなることを特徴とする請求項１又は請求項２の超音波加工装置。
【請求項４】
超音波加工用工具の大きさは直径が０．０１〜０．５ｃｍのものであることを特徴とする請求項１〜請求項３いずれかの超音波加工装置。
【請求項５】
有機系接着剤が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかの超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は超音波加工装置に関する。特に、ホーンに比べて小さな超音波加工用工具が用いられる場合の超音波加工用工具をホーンに取り付ける結合機構に関する。更には、ホーンに比べて小さな超音波加工用工具が用いられ、そして加工用工具の振動振幅が小さな超音波加工用工具をホーンに取り付ける結合機構に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
超音波加工に際しては、超音波振動の伝達体であるホーンの先端部に超音波加工用工具が結合された装置が用いられる。この超音波加工用工具とホーンとの結合においては、加工用工具も機械共振系の構成要素の一部であり、従って下記に示されるような要件を満たしていることが望まれている。
（１）  超音波加工用工具を結合したホーンは、加工用工具部分をも含めて、適用超音波の周波数付近において、効率の良い縦振動共振体として構成されていること。
（２）  ホーン先端に結合された超音波加工用工具の振動方向は、特別な場合以外、ホーン及び加工用工具の軸芯方向と平行であり、かつ、加工用工具先端の振動振幅は全て一様に揃っていること。
（３）  超音波加工用工具のホーンへの結合部付近には、ホーンの振動励振に伴い、ホーン軸芯方向の大きな繰り返し応力（交番応力）が発生する。この為、この交番応力に耐え得るだけの強さを結合部が有すること。
【０００３】
このようなことから、特に、（３）の観点から、超音波加工用工具をホーンに結合する際、強固な結合手段が採用されている。
例えば、ホーン先端面に穴を穿ち、この穴に加工用工具を嵌合して機械的な一体化を図ったり、又、ラフな嵌め合わせ構造とし、隙間部分にロウやハンダ等の金属系接着剤を流し込む手法が採用されている。
【０００４】
前者の手法は、ホーン先端面に形成する穴と加工用工具との寸法精度に高精度を要求されるのみならず、その嵌め合わし作業も大変であり、更には加工用工具の損耗に伴う交換作業が大変である。
後者の手法は、ホーン先端面に形成する穴と加工用工具との寸法精度に高精度を要求されず、かつ、その嵌め合わし作業自体は簡単であるものの、ハンダやロウを用いての接合であることから、高温加熱を必要とする大変さが有る。そして、高温加熱の故に工具形状の精度低下、繰り返し加熱によるホーン材質の劣化、疲労の発生などが起き得る。更には、接合に用いたロウやハンダ層中に微小な隙間が出来たり、気泡が残存したりしていることが有り、このような場合には良好な振動状態を維持できない。従って、ロウやハンダ層中に微小な隙間が出来ないよう、かつ、気泡が残存しないよう注意深く作業しなければならない問題も有る。
【０００５】
ところで、ハンダやロウのような高温加熱を必要とする金属系接着剤の外にも、所謂、有機系接着剤が有ることは周知の通りである。
しかしながら、超音波加工用工具をホーンに取り付ける為の手段として、これまで、有機系接着剤を用いることは無かった。
これは、接着強度が大きいと言われる樹脂が用いられた場合にあっても、ロウやハンダに比べれば接着強度は小さいこと、かつ、耐熱性も劣ること、更には超音波加工用工具やホーンは、通常、金属製のものであり、その密度や音速などの音響特性が大幅に異なることから、超音波加工を試みたならば超音波吸収発熱によって樹脂は軟化してしまい、接着能力が喪失してしまうであろうと予想されていたからである。因みに、通常の超音波加工用工具をホーンに樹脂で接着して取り付けた装置を用いて超音波加工を試みたならば、短時間の中に接着部が劣化し、作業を行えないものであった。
【０００６】
従って、本発明が解決しようとする課題は、ハンダやロウを用いずとも、超音波加工用工具をホーンに簡単な手段で取り付けることが出来、しかも長時間の連続作業を行っても差し支えない超音波加工装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
ところで、最近、従来の超音波加工用工具に比べたならば一段と小さな超音波加工用工具が使用されて加工用工具の振動振幅が従来の場合に比べて小さくな微小加工を必要とするケースが多くなって来た。このような場合にあっても、超音波加工用工具をホーンに取り付けるには、図２（ａ）〜（ｊ）に示すような従来の手法が採用されている。すなわち、図２中、（ａ）は工具とホーンとが一体に造られたものであり、（ｂ），（ｃ）は工具を挿入し、ハンダ付けまたは銀ロウ付けにしたものであり、（ｄ）は工具を直接ハンダ付け又は銀ロウ付けしたものであり、（ｅ）は螺子止めしたものであり、（ｆ）は工具にテーパーを付け、螺子止めしたものであり、（ｇ）は螺子止めし、更にハンダ付けしたものであり、（ｈ）はテーパー焼きばめしたものであり、（ｉ）はコレット止めしたものであり、（ｊ）はユニオンナット止めしたものである。
【０００８】
しかしながら、本発明者の研究によれば、超音波加工用工具がホーンに比べて非常に小さくて振動振幅も小さいような場合には、エポキシ樹脂のような有機系接着剤を用いても、支障は起きないのではないかとの啓示を得るに至った。
【０００９】
すなわち、取り付けられるホーンに比べて超音波加工用工具が非常に小さくて振動振幅も小さいような場合には、用いられるエポキシ樹脂の量も少なく、この為に密度や音速などの音響特性が大幅に異なったとしても、これに起因する発熱はさほど大きくなく、超音波吸収発熱によるエポキシ樹脂の軟化は起き難いのではないかと考えたのである。
【００１０】
そして、試みに、ホーンに比べて小さな超音波加工用工具をエポキシ樹脂で接着して取り付け、超音波加工を行った処、予想以上の成果が得られたのである。
【００１１】
上記知見を基にして本発明が達成されたものである。
【００１２】
すなわち、前記の課題は、超音波加工用工具がホーンに取り付けられた超音波加工装置において、
前記超音波加工用工具とホーンとの接合部における相対的大きさＩが下記の一般式を満たすものであり、
前記超音波加工用工具とホーンとの接合が有機系接着剤を用いて行われたものである
ことを特徴とする超音波加工装置によって解決される。
０＜Ｉ≦１／４
Ｉ＝ＳｔρｔＣｔ・ｔａｎ（２πｌｔ／λｔ）／Ｓ１ρ１Ｃ１
（但し、Ｓｔは超音波加工用工具とホーンとの接合部における超音波加工用工具の断面積、Ｓ１は超音波加工用工具とホーンとの接合部におけるホーンの断面積、ρｔは超音波加工用工具材料の密度、ρ１はホーン材料の密度、Ｃｔは超音波加工用工具材料における音速、Ｃ１はホーン材料における音速、ｌｔは超音波加工用工具の軸芯方向の長さ、λｔは超音波加工用工具における超音波振動の波長である。）
尚、Ｉの好ましい範囲は０．０１〜０．１である。特に、０．０２〜０．１である。
【００１３】
又、超音波加工用工具とホーンとの接合は、単に、有機系接着剤を用いるのみでなく、ホーンには凹部が形成されていて、この凹部に超音波加工用工具が配設されると共に有機系接着剤が充填され、これによって取り付ける構成とする方が一層好ましい。
【００１４】
そして、本発明は、超音波加工用工具が一つだけでなく、二つ、三つと言った複数個の超音波加工用工具が同一のホーンに取り付けられるような場合に極めて好ましい。尚、超音波加工用工具が基端部において繋がっており、加工する先端部側で各々離れておれば、例えば二つになっていれば、工具の数は二つと計算する。又、工具の大きさも繋がっている個所で計算するのでは無く、別々になっている個所で計算する。
【００１５】
又、本発明にあっては、超音波加工用工具の大きさは、好ましくは直径が０．０１〜０．５ｃｍのものである。更には、０．０５ｃｍ以上である。そして、０．３ｃｍ以下である。
【００１６】
そして、幾つかの超音波加工用工具を同一のホーンに取り付けるような場合、本願発明が提案する手法は実に簡便なことから、極めて好都合である。特に、ロー付けのような高温加熱を必要としないことから、作業性は著しく良い。更には、高温にしないことから、材料の膨張・収縮と言った現象も小さく、工具の位置精度も高い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明になる超音波加工装置は、超音波加工用工具がホーンに取り付けられた超音波加工装置において、前記超音波加工用工具とホーンとの接合部における相対的大きさＩ（Ｉは、下記式で表されるもので、超音波加工用工具とホーンとの機械的インピーダンス比）が０＜Ｉ≦１／４（特に、０．０１以上。更には０．０２以上。０．１以下。）を満たすものであり、前記超音波加工用工具とホーンとの接合が有機系接着剤（粘着剤タイプのものも含まれる。）を用いて行われたものである。超音波加工用工具とホーンとの接合は、単に、有機系接着剤を用いるのみでなく、ホーンには、特に、凹部が形成されていて、この凹部に超音波加工用工具が配設されると共に有機系接着剤（粘着剤タイプのものも含まれる。）が充填され、これによって取り付けられる。超音波加工用工具は一つの場合や、二つ、三つと言った複数個の超音波加工用工具が同一のホーンに取り付けられる場合がある。超音波加工用工具の大きさは、直径が、特に、０．０１〜０．５ｃｍ（０．０５ｃｍ以上。０．３ｃｍ以下。）のものである。
Ｉ＝ＳｔρｔＣｔ・ｔａｎ（２πｌｔ／λｔ）／Ｓ１ρ１Ｃ１
（Ｓｔは超音波加工用工具とホーンとの接合部における超音波加工用工具の断面積、Ｓ１は超音波加工用工具とホーンとの接合部におけるホーンの断面積、ρｔは超音波加工用工具材料の密度、ρ１はホーン材料の密度、Ｃｔは超音波加工用工具材料における音速、Ｃ１はホーン材料における音速、ｌｔは超音波加工用工具の軸芯方向の長さ、λｔは超音波加工用工具における超音波振動の波長である。）
【００１８】
以下、更に詳しく説明する。
図１は、本発明になる超音波加工装置の一実施形態を示す説明図である。
【００１９】
同図中、１は超音波加工装置における振動振幅拡大用ホーンである。２ａ，２ｂ，２ｃは、振動振幅拡大用ホーンの先端面部に形成された凹部である。
【００２０】
３ａ，３ｂ，３ｃは超音波加工用工具である。この超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃの基端部は凹部２ａ，２ｂ，２ｃよりも小さな形状であり、超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃの基端部を凹部２ａ，２ｂ，２ｃに挿入できるようになっている。
【００２１】
４はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いた有機系接着剤である。そして、超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃの基端部を凹部２ａ，２ｂ，２ｃに挿入した後、その隙間に有機系接着剤が充填され、これによって超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃは振動振幅拡大用ホーン１に強固に固定される。
【００２２】
さて、上記構成において、振動振幅拡大用ホーン１は鋼材で構成されており、超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃも鋼材で構成されている。従って、ρｔ（超音波加工用工具材料の密度）＝ρ１（ホーン材料の密度）＝８ｇ／ｃｍ３、Ｃｔ（超音波加工用工具材料における音速）＝Ｃ１（ホーン材料における音速）＝５．２×１０５ｃｍ／ｓである。
【００２３】
そして、超音波加工用工具３ａ，３ｂ，３ｃの形状（Ｓｔ（超音波加工用工具とホーンとの接合部における超音波加工用工具の断面積），ｌｔ（超音波加工用工具の軸芯方向の長さ））を変え、超音波加工を試み、その際における有機系接着剤による接合部を観察したので、その結果を下記の表−１に示す。
【００２４】
2005014172.tif 000003
【００２５】
そして、２５ｋＨｚで工具端の振動振幅が１６μｐ−ｐで６７分間に亘って作業したものの、本発明になるものは何れも異常は認められなかった。
これに対して、比較例になるものは、作業開始後の僅かな時間で作業できなくなった。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、長期間に亘って超音波加工を継続して行える。しかも、超音波加工用工具の取付けにロウやハンダを用いる必要が無いので、極めて簡単に実施でき、従って超音波加工用工具の交換作業も容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる超音波加工装置の要部の概略図
【図２】従来の超音波加工装置の工具取付機構の概略図
【符号の説明】
１                振動振幅拡大用ホーン
２ａ，２ｂ，２ｃ  凹部
３ａ，３ｂ，３ｃ  超音波加工用工具
４                有機系接着剤
【図１】
2005014172.tif 000004
【図２】
2005014172.tif 000005