(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、
前記設計データ処理手段は、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手段と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手段と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手段と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手段と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手段と、
を備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置。
【請求項２】
前記設計データ処理手段は、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手段と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手段と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手段と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手段と、
を備えていることを特徴とする請求項１記載の超音波ホーン設計支援装置。
【請求項３】
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法であって、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手順を行い、
前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
【請求項４】
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手順と、
を行うことを特徴とする請求項３記載の超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
【請求項５】
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手順と、
を実現させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波かしめ機や超音波加工機等に使用する超音波ホーンの設計から製造を行う際に利用する超音波ホーン設計支援装置と該装置の超音波ホーン設計支援方法及びプログラムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
(1) ：従来例１
以下、特許文献１を従来例１として説明する。従来例１には次のような内容が記載されている。
【０００３】
(a) ：「横揺れや異音の発生を防止するとともに、超音波ホーンの先端部の破損を防止できる超音波ホーンを提供すること。」・・・要約の欄を参照。
【０００４】
(b) ：「本発明は、超音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波切断機、超音波溶接機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪拌機などに用いられる超音波ホーンに関するものである。」・・・段落番号［０００１］参照
(c) ：「実際には、単純ステップ形ホーンのＮ部にはＲがついていたり、工具部は複雑形状とされている場合が多く、単純に前記共振条件式（１）にて設計した値では振動が得られないことがある。その場合、試行錯誤によりＬを調整したり、近年では有限要素法の固有値解析によって設計する場合が多くなってきている。」・・・段落番号［０００９］参照
(2) ：従来例２
以下、特許文献２を従来例２として説明する。従来例２には次のような内容が記載されている。
【０００５】
(a) ：「本考案は、プラスチック溶着等に用いられる超音波振動用大型円柱ホーンに係り、特に直径が使用振動周波数の１／４波長を超えても、スロットを設ける必要がない大型円柱ホーンに関する。」・・・明細書第１頁下段右欄第１０行目〜第１頁下段右欄第１３行目参照
(b) ：「直径が使用振動周波数の１／４波長を超える値に設定された大型の円柱ホーンにおいて、入力面に、軸心位置を中心として放射面側に切れ込む少なくとも１本のリング状の溝を設けるようにしているので、スロットを設けることなく、放射面の変位を均一にすることができる。」・・・明細書第３頁右欄第３３行目〜第３頁右欄第３８行目参照
(3) ：従来例３
以下、特許文献３を従来例３として説明する。従来例３には次のような内容が記載されている。
【０００６】
(a) ：「周波数１００ＫＨZ 以上の高周波で振動し、振幅拡大ができる超音波ホーンを具備した高周波用超音波振動子を提供する。」・・・要約の欄を参照。
【０００７】
(b) ：「円錐殻状ホーンの小端面側にツールを固定し、その大端面側当接面をツールを含めた円錐殻状ホーンの伸びたわみ振動と同一周波数・同相モードとなるように振動要素を設置したリング状突起により駆動することを特徴としている。」・・・要約の欄を参照。
【特許文献１】特開平１１−２２６４９９号公報
【特許文献２】実用新案登録第２５０８２３６号公報
【特許文献３】特開平６−２６９０７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
(1) ：従来の超音波ホーンの設計は、例えば、従来例１にあるように、実験やこれまでの経験によって得られた寸法関係、および共振条件の式などを用いて設計していた。ここ最近は解析技術の精度向上したこともあり、有限要素法により固有値を求めて、モード図からホーンの節と腹の位置を求め、加振位置やホーンを保持する位置を求めていた。
【０００９】
前記の方法により設計されたホーンは、試行錯誤を繰り返しながらも通常使用に耐えられるように調整されてきた。しかし、精密で微細な加工を実現するためには、より詳細にホーンの特徴を把握し最適な形状および加振条件および加工条件まで検討する必要がある。超音波ホーン単体で評価されることはあっても加工条件（例えば、塑性加工の条件）も含めて検討はできなかった。
【００１０】
(2) ：従来からの設計手法により開発された超音波ホーンは大まかな形状（固有値解析から得られた形状）のみで、詳細な形状、例えば、コーナーＲの大きさや、段差やテーパー、および断面形状など細かな形状は試行錯誤を繰り返し決めていた。
【００１１】
(3) ：超音波ホーンに超音波振動を印加して、加工を行なっているとき超音波ホーンの先端がどのように変化しているか、殆ど検討されて出来なかった。何の抵抗もない場合は、例えば４０ＫＨZ で共振している超音波ホーンは、当然のように先端もきれいなＳｉｎ波形（４０ＫＨZ ）で振動している。そこに負荷がかかるとホーン先端のＳｉｎ波は崩れ、先端は大きく振られてしまう。
【００１２】
(4) ：前記従来例２は、プラスチック溶着等に用いられる超音波振動用大型ホーンに係り、特に直径が使用振動周波数の１／４波長を超えても、スロットを設ける必要がない大型円柱ホーンに関するものである。
【００１３】
しかし、従来例２には、本発明の超音波ホーン設計支援装置の必須構成要件を備えておらず、本発明の参考程度の内容である。
【００１４】
(5) ：従来例３は、円錐殻状ホーンの小端面側にツールを固定し、その大端面側当接面をツールを含めた円錐殻状ホーンの伸びたわみ振動と同一周波数・同相モードとなるように振動要素を設置したリング状突起により駆動することを特徴としている。
【００１５】
しかし、従来例３には、本発明の超音波ホーン設計支援装置の必須構成要件を備えておらず、本発明の参考程度の内容である。
【００１６】
本発明は従来の課題を解決するためになされたものであり、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件（加振周波数、振幅）を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は前記の目的を達成するため、次のように構成した。
【００１８】
(1) ：表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段（プログラムで構成する）と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、前記設計データ処理手段は、外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手段と、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手段と、前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手段と、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手段と、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手段とを備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。
【００１９】
(2) ：前記(1) において、前記設計データ処理手段は、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手段と、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手段と、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手段と、前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手段とを備えている。
【００２０】
（作用）
図１は本発明の原理説明図である。以下、図１を参照しながら前記構成に基づく本発明の作用を説明する。
【００２１】
(a) ：前記(1) の作用
設計データ処理手段（設計データ処理部６を構成するプログラム）は、主制御部５の制御により、第１の手段（プログラム）が、外部（データ入力部２）から入力された加振周波数を取り込み、入力データ記憶部１１に記憶する。そして、該加振周波数に従って、データ記憶手段（データ記憶部７の登録データ記憶部１０）から登録データを読み出し、外部（データ入力部２）からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める。
【００２２】
次に、第２の手段（プログラム）は、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う。そして、第３の手段（プログラム）は、超音波ホーン固有値解析の結果、加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する。
【００２３】
次に、第４の手段（プログラム）は、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める。
【００２４】
次に、第５の手段（プログラム）は、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う。この場合、前記設計過程の情報を表示データ処理部８が処理を行い、表示装置３の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。
【００２５】
このようにすれば、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件（加振周波数、振幅）を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。
【００２６】
(b) ：前記(2) の作用
設計データ処理手段（設計データ処理部６のプログラム）は、主制御部５の制御により、第６の手段（プログラム）が、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する。次に、第７の手段（プログラム）が、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う。
【００２７】
そして、第８の手段（プログラム）が、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える。この場合、第８の手段（プログラム）が、被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う。
【００２８】
このようにすれば、超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件（加振周波数、振幅）を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は請求項１乃至５では、次のような効果がある。
【００３０】
(a) ：超音波ホーン先端の振れを最小限に押さえるためのホーン形状や、負荷条件及び印加条件（加振周波数、振幅）を決定すると共に、超音波ホーンの振動特性を把握し、より最適な形状を簡単に求められる。
【００３１】
(b) ：超音波ホーン設計に関して、従来は試行錯誤によって詳細な形状を決めてきたが、本発明の超音波ホーン設計支援装置を用いることで、超音波ホーンの振動特性把握し、より最適な形状を簡単に求められるだけでなく、超音波ホーン形状の他に被加工物の形状も含めて、超音波を用いた加工（塑性加工）を支援することができる。
【００３２】
(c) ：超音波ホーンの基本設計に固有値解析は通常良く用いられる方法である。しかし、その超音波ホーンに超音波を印加して加工させた場合、どのような結果になるかは実際に加工してみなければ分からない。それを見極める手段として本発明の超音波ホーン設計支援装置が有効である。
【００３３】
(d) ：現在、世の中にある加工用の超音波ホーンは被加工物と比較して非常に強い構造と強度を有しているので、固有値解析で形状が決まれば問題なく使用できる。しかし、これらは超音波を利用した加工も微細なものが要求されるようになってきた。従って、超音波ホーン形状もこれまでのような強くて大きなものばかり扱ってはいられない。
【００３４】
細長いもの、形状が不均一のものなど、いろいろな超音波ホーンが考えられる。超音波振動する、しないは固有値解析で判断できても、実際に加工に適したものかどうかが重要である。そこを判断する手段として本発明の超音波ホーン設計支援装置を利用する価値がある。
【００３５】
(e) ：超音波ホーンの強度を判断する場合、超音波なしで単純に押付けた場合の曲がり具合や、応力値でみることも可能である。その程度の判断で済む場合が多いことも事実である。しかし、超音波を印加した場合は、ハンマリング効果や摩擦低減効果が作用し、一般的な加工とは別の問題が発生する。
【００３６】
ハンマリング効果は飛躍的な加工力アップになる反面、超音波ホーンには非常に負担がかかる。摩擦低減効果は加工の抵抗を小さくできる反面、超音波ホーンがブレル原因になる。本発明の実施の形態にあるように、φ１．２ホーンの場合、超音波なしでは全体が撓ることはあっても先端が大きく振れることはない。この２つの効果をどのように作用するかを判断できるのが本発明の超音波ホーン設計支援装置である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
§１：概要説明
図１は本発明の原理説明図である。図１において、１は超音波ホーン設計支援装置本体、２はデータ入力部、３は表示装置、５は主制御部（例えば、ＣＰＵ）、６は設計データ処理部（プログラム）、７はデータ記憶部、８は表示データ処理部、１０は登録データ記憶部、１１は入力データ記憶部、１２は処理結果データ記憶部を示す。
【００３８】
(1) ：超音波ホーン設計支援装置は、超音波ホーン設計支援装置本体１と、表示装置３と、データ入力手段（データ入力部２）とを備えている。そして、超音波ホーン設計支援装置本体１には、主制御部（ＣＰＵ等のプロセッサ）５と、表示データの処理を行う表示データ処理手段（表示データ処理部８）と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段（設計データ処理部６：プログラム）と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段（データ記憶部７）とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うものである。
【００３９】
この設計支援装置では、設計データ処理手段（設計データ処理部６：プログラム）は、外部から（データ入力部２から）入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、データ記憶手段から登録データを読み出し（登録データ記憶部１０から読み出す）、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手段と、前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手段と、前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手段と、前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手段と、前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手段とを備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。
【００４０】
(2) ：前記(1) において、設計データ処理手段（設計データ処理部６）は、前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手段と、前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手段と、条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手段と、前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手段とを備えている。
【００４１】
§２：超音波ホーン設計支援装置の構成の説明
図２は超音波ホーン設計支援装置の説明図である。図２に示したように、超音波ホーン設計支援装置は、超音波ホーン設計支援装置本体（コンピュータ本体）１と、データ入力部２と、表示装置３等で構成されており、例えば、パーソナルコンピュータやワークステーション本体等のコンピュータにより構成されている。
【００４２】
そして、超音波ホーン設計支援装置本体（コンピュータ本体）１には、主制御部（例えば、ＣＰＵ）５、設計データ処理プログラム６Ａ、データ記憶部７、表示データ処理部８、ワークメモリ９等が設けてある。また、前記データ記憶部７には、登録データ記憶部１０、入力データ記憶部１１、処理結果データ記憶部１２等が設けてある。なお、前記設計データ処理プログラム６Ａも最初はデータ記憶部７に記憶しておき、処理の開始までに他のメモリに記憶してから使用しても良い。
【００４３】
前記登録データ記憶部１０は、予め、超音波ホーンの設計支援を開始する際に使用する各種データを、オペレータ等がデータ入力部２から入力して登録しておくものである。入力データ記憶部１１は、超音波ホーンの設計支援を開始してから必要となったデータ等をオペレータ等が入力し、記憶しておくものである。処理結果データ記憶部１２は、超音波ホーンの設計支援の各種処理を行なった結果のデータを記憶しておくものである。
【００４４】
表示データ処理部８は、表示装置３の表示影面に表示するデータを表示用のデータに加工し、表示装置３へ送出するものである。ワークメモリ９は設計データ処理プログラム６Ａが処理途中に必要となったデータをワーク用として記憶しておくものである。
【００４５】
前記構成の装置において、設計データ処理プログラム６Ａを主制御部（ＣＰＵ）５が読み出して実行することにより、超音波ホーン設計支援装置が行う処理を実行する。しかし、本発明は、このような例に限らず、例えば、超音波ホーン設計支援装置本体（コンピュータ本体）１に磁気ディスク装置（図示省略）を設けておき、この磁気ディスク装置の磁気ディスクに、次のようにして設計データ処理プログラムを格納し、このプログラムを主制御部（ＣＰＵ）５が読み出して実行することにより、前記処理を行うことも可能である。この場合、次のようにして前記設計データ処理プログラムを磁気ディスク装置に記憶させることが可能である。
【００４６】
(a) ：他の装置で作成されたリムーバブルディスクに格納されている設計データ処理プログラム（他の装置で作成したプログラムデータ）を、リムーバブルディスクドライブ（図示省略）により読み取り、磁気ディスク装置の記録媒体に記憶する。
【００４７】
(b) ：通信回線を介して他の装置から伝送された設計データ処理プログラム等のデータを、通信制御部（図示省略）を介して受信し、そのデータを磁気ディスク装置の記録媒体に記憶する。
【００４８】
§３：超音波ホーン設計支援装置の処理の説明
図３は超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート（その１）、図４は超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート（その２）である。以下、図３、４に基づいて、超音波ホーン設計支援装置の処理を説明する。なお、以下に説明する処理では、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う。
【００４９】
超音波ホーン設計支援装置を起動し処理を開始すると、先ず、加振周波数ｆを決定する（Ｓ１）。この場合、加振周波数はオペレータがデータ入力部２のキーボードを操作して周波数ｆの決定データを入力する。この時、設計データ処理プログラム６Ａは、前記決定データである加振周波数ｆをデータ記憶部７の入力データ記憶部１１に記憶しておく。
【００５０】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、超音波ホーンの全長を算出する（Ｓ２）。この場合、設計データ処理プログラム６Ａは、ホーンの物性値Ｅ（Ｅ：ヤング率）、質量密度（ρ）、焼き入れ硬度修正（κ）のデータを登録データ記憶部１０から読み出し、一旦ワークメモリ９に記憶してから使用する。
【００５１】
この場合、超音波ホーンは金属内を伝播する縦波（疎密波）を利用して振動させる。縦波の電波速度ＣはＣ＝√（Ｅ／ρ）であリ、Ｅ＝縦弾性係数、ρ＝質量密度、例えば、金属内の縦波の速度は凡そＣ＝５０００（ｍ／ｓｅｃ）である。
【００５２】
超音波ホーンへ印加する超音波の振動周波数をｆを、ｆ＝４０ＫＨZ とした場合、波長λ（ホーンの全長）は、λ＝Ｃ／ｆ＝５０００／４００００＝０．１２５（ｍ）＝１２５（ｍｍ）となる。通常、超音波ホーンには熱処理（焼き入れ）が実施されるため、超音波ホーン材料の硬度が増し、ヤング率Ｅが高くなる。一般的に熱処理によりヤング率Ｅは１５〜２５％高くなる。従って、ヤング率Ｅ’＝（１＋κ）×Ｅとなる。この場合、κ＝１．１５〜０．２５（経験値）となる。
【００５３】
従って、超音波ホーンの全長を算出する際、ヤング率Ｅ、質量密度ρ、焼き入れ硬度修正κのデータを予め登録データ記憶部１０の登録データテーブルに記憶しておき、これらのデータを読み出して超音波ホーンの全長を算出する。
【００５４】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、超音波ホーンの形状（詳細形状）を決める（Ｓ３）。この処理では、超音波ホーンの軸径、段差、コーナー部等を、登録データ記憶部１０の登録データテーブルから読み出して決める。なお、どのようにして決めるかの詳細な説明は後述する。
【００５５】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、求めた超音波ホーンの詳細形状を参考に超音波ホーンの有限要素モデル（以下、単に「ＦＥモデル」と記す）を作成し、固有値解析（両端自由）を行う（Ｓ４）。この場合、前記のように有限要素法を用いて固有値解析を行うが、有限要素法を用いて固有値解析を行う手法は従来から良く知られた手法（従来例１の公報にも記載がある）なので詳細な説明は省略する。この場合も詳細な説明は後述する。
【００５６】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、超音波ホーン固有値解析の結果、加振動周波数ｆ近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定（固有値判定）する（Ｓ５）。なお、この判定は、予め、判定に必要な固有値の条件を登録データ記憶部１０の登録データテーブルに登録しておき、設計データ処理プログラム６Ａがその条件を満たしたか否かを判定することにより、自動的に行う処理である。
【００５７】
例えば、４０ＫＨZ で超音波加振する場合、超音波ホーンもこの周波数近傍に縦振動の固有値が存在することが必要である。固有値がない場合（ＮＧの判定がなされた場合）は前記Ｓ３の処理に戻って超音波ホーンの形状修正および固有値解析を繰り返して行う。
【００５８】
その後、設計データ処理プログラム６Ａは、固有値判定で、固有値が存在すると判定した場合、すなわち固有値判定ＯＫとなった場合は超音波ホーンの節を求める（Ｓ６）。この処理では、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーンの縦振動の節位置を求める。超音波ホーンの縦振動の振れ幅の小さい位置が振動の節になる。
【００５９】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、超音波ホーンの超音波振動（共振）を行う（Ｓ７）。この処理では、入力片振幅をａとする。そして、前記Ｓ６の処理で求めた位置を中心に±１／１６λ以内の対称な位置に超音波振動を与える。節に対して振動は１８０°の位相差をつけて正弦波（Ｓｉｎ波）を与える。この時、オペレータは、先端の出力振幅を表示装置３の画面で確認する。すなわち、必要とする出力振幅が出ているかどうか表示装置３の画面で確認する。
【００６０】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、被加工物のＦＥモデル追加を行う（Ｓ８）。この場合、被加工物の物性値、被加工物の形状、拘束・荷重条件、その他を用いる。すなわち、この処理では、設計データ処理プログラム６Ａは、被加工物、または被加工物を模した形状のＦＥモデルを作成する。
【００６１】
次に、設計データ処理プログラム６Ａは、加工シミュレーションを行う（Ｓ９）。この処理では、条件に合わせて、超音波ホーン、または被加工物に送り速度を与える。そして、実際の加工（主に塑性加工）を模した解析を行う。例えば、被加工物を固定して、超音波振動した超音波ホーンに送り速度Ｖ＝２０（ｍｍ／ｓｅｃ）を与えた場合の超音波ホーンの振れ量を計算する。
【００６２】
そして、超音波ホーンの加工不具合を判定する（Ｓ１０）。この処理では、超音波ホーン先端の振れ量や他の構造物への影響をチェックする。被加工物、またはそれを模したＦＥモデルの挙動をオペレータが表示装置３の表示画面上で見る。
【００６３】
その結果、判定がＮＧであった場合は、前記Ｓ３の処理へ移行する。そして、超音波加工における超音波ホーン先端の出力振幅ａや送り速度Ｖや被加工物の条件を修正する。また、超音波ホーン形状や被加工物形状を見直す。その後、Ｓ１０の処理で判定結果がＯＫとなったら、この処理を終了する。
【００６４】
§４：詳細な処理の説明
以下、前記フローチャートの処理を更に詳細に説明する。なお、以下の説明でも、図３、４で使用したステップＳ１乃至Ｓ１０の記号はそのまま使用して説明する。
【００６５】
(1) ：加振動周波数ｆの決定（Ｓ１参照）
この場合、加振動周波数ｆ＝４０．０ＫＨZ としてオペレータがデータ入力部２から装置に入力する。なお、現在の超音波発振器は加振動周波数が固定（一定）のものが多い。発振器周波数を自由に変更することは出来ないため、発振周波数に合わせるように超音波ホーンを作成する必要がある。
【００６６】
(2) ：超音波ホーンの全長算出（Ｓ２参照）
超音波ホーンの全長算出例としては、例えば、図５のＡ図のようになる。
【００６７】
(a) ：超音波ホーン物性値Ｅ＝２２００００．０（ＭＰａ）、質量密度ρ＝８．６７×１０-9（ｔｏｎ／ｍｍ3 ）
(b) ：焼き入れ硬度修正κ＝０．２５（硬度の修正はΔ２５％）
Ｅ’＝（１＋κ）×Ｅ＝１．２５×２２００００．０＝２７５０００．０
よって
伝播速度Ｃ＝√（２７５０００．０／８．６７Ｅ−０９）＝５６３１９２４．１６（ｍｍ／ｓｅｃ）
波長λ（超音波ホーン全長）＝Ｃ／Ｆ＝５６３１９２４．１６／４００００≒１４０（ｍｍ）
（なお、断面形状は任意である。円である必要はない）
前記の例で算出した結果に基づき、超音波ホーンの詳細形状例を図５のＡ図に示す。図５のＡ図の詳細形状例では、超音波ホーン本体２０の長さと先端部２１の長さを合わせると、超音波ホーンの全長が約１４０ｍｍとなっている。
【００６８】
(3) ：超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析（両端自由）例（Ｓ４）
超音波ホーンのＦＥメッシュは図５のＢ図に示す。このモデルでは、超音波ホーン本体２０は図示のような形状となっている。
【００６９】
(4) ：固有値解析（両端自由）（Ｓ４）
固有値解析の場合、解析モデルの一部を拘束（又は固定）して行うのが通常のやり方である。しかし、超音波ホーンの場合は振動ユニットの先に装着されるため、超音波ホーン全体が振動するような解析手法をとるので、どこも拘束しないで、固有値解析を行う。固有値解析結果を図６のＡ図に示す。
【００７０】
図６のＡ図に示した固有値解析結果では、モードが１〜４０まで示されており、各モードの周波数がそれぞれ示されている。また、モード＝３３で、周波数＝４０．８０７ＫＨZ の場合の縦振動が図示されている。
【００７１】
(5) ：固有値判定（Ｓ５）
例えば、Ｍｏｄｅ３３、４０．８０７（ＫＨZ ）が縦振動である（前記の例を参照）。従って、固有値判定はＯＫとなる。
【００７２】
(6) ：超音波ホーン縦振動の節を求める（Ｓ６）。
【００７３】
超音波ホーンにおける振動の節は、図７のＡ図に示したように、底面から３４．８１（ｍｍ）の位置である。
【００７４】
(7) ：超音波ホーンの超音波振動（共振）の確認（Ｓ７）
図７のＢ図に示したように、前記のような超音波ホーンの節位置（底面より、３４．８１（ｍｍ）の前後λ／１６（＝８．７５ｍｍ）以内の対称位置に超音波振動を印加する（図７のＢ図に示した超音波印加位置を参照）。
【００７５】
図７のＢ図には、入力波形（４０ＫＨZ ）の場合の出力波形例が図示されている。入力波形（４０ＫＨZ ）の図及び出力波形例の図では、いずれも横軸が時間（time) 、縦軸が波形の変位（displacement）を示している。また、出力片振幅ａ＝０．００３６（ｍｍ）となっている。
【００７６】
(8) ：被加工物のＦＥモデルの追加（Ｓ８）
被加工物（リングと鋼球）を追加したＦＥモデルは図８のＡ図に示した通りである。図８のＡ図では、追加された被加工物ＦＥモデルは鋼球２３とリング２４からなり、この被加工物ＦＥモデルに対し、超音波ホーンの先端部２１を当て、超音波振動を与えている。すなわち、超音波ホーンの先端部２１が超音波振動しながら鋼球２３を送り出し、リング２４を貫通させる。
【００７７】
(9) ：加工シミュレーション（Ｓ９）
前記被加工物のＦＥモデルにおいて、超音波ホーンに速度Ｖ＝２０（ｍｍ／ｓｅｃ）の送りを与え、加工シミュレーションを行い、超音波ホーンの先端部２１の挙動を解析する。解析結果は図８のＢ図の通りである。図８のＢ図の解析結果において、横軸が時間（time) 、縦軸がノッドアウトデータ(Nodout Data）を示している。
【００７８】
(10)：超音波ホーンの不具合判定（Ｓ１０）
超音波ホーン先端振れ量が大きい場合、例えば、δ＝１．１３（ｍｍ）であれば、判定はＮＧとなる。
【００７９】
(11)：超音波ホーンの詳細形状修正（Ｓ１０の判定結果がＮＧとなり、詳細形状修正を行う例）
例えば、超音波ホーン先端の軸径をφ１．２をφ＝１．７に変更する。変更後の超音波ホーン形状は図９のＡ図のようになる。
【００８０】
(12)：超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析（両端自由）例
超音波ホーンのＦＥメッシュを図９のＢ図に示す。また、固有値解析（両端自由）の結果は図１０のＡ図に示した通りである。
【００８１】
図１０のＡ図に示した固有値解析（両端自由）例では、モードが１〜４０まで示されており、各モードの周波数がそれぞれ示されている。また、モード＝２９で、周波数＝４０．７９５ＫＨZ の場合の縦振動が図示されている。
【００８２】
(13)：固有値判定
Ｍｏｄｅ２９、４０．７９５（ＫＨZ ）が縦振動である。この場合、固有値判定はＯＫとなる。
【００８３】
(14)：超音波ホーンの縦振動の節
振動の節は、図１１のＡ図に示したように、底面から３４．３２（ｍｍ）の位置である。
【００８４】
(15)：超音波ホーンの超音波振動（共振）の確認例
図１１のＢ図には、超音波ホーンの超音波振動（共振）の確認例が示されており、入力波形（４０ＫＨZ ）の場合の出力波形例が図示されている。入力波形（４０ＫＨZ ）の図及び出力波形例の図では、いずれも横軸が時間（time) 、縦軸が波形の変位（displacement）を示している。また、出力片振幅ａ＝０．００３９（ｍｍ）となっている。
【００８５】
(16)：被加工物ＦＥモデルの修正
図１２のＡ図には、被加工物ＦＥモデルの修正例が示されており、被加工物ＦＥモデルの修正を行う。この場合、以下のような変更が行なわれている。
【００８６】
(a) ：鋼球径変更
(b) ：リング径変更（被加工物形状変更）
(17)：被加工シミュレーション例
超音波ホーンに速度Ｖ＝２０（ｍｍ／ｓｅｃ）の送りを与え、被加工シミュレーションを行い、超音波ホーン先端の挙動を解析する。解析結果は図１２のＢ図に示す。図１２のＢ図の解析結果において、横軸が時間（time) 、縦軸がノッドアウトデータ(Nodout Data）を示している。
【００８７】
(18)：超音波ホーンの不具合判定（Ｓ１０）
例えば、超音波ホーン先端振れが大きい場合、δ＝０．０３３（ｍｍ）なら判定はＯＫとなる。
【００８８】
§５：付記の説明
前記の説明に対し、次の構成を付記する。
【００８９】
（付記１）
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置であって、
前記設計データ処理手段は、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手段と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手段と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手段と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手段と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手段と、
を備え、前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置。
【００９０】
（付記２）
前記設計データ処理手段は、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手段と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手段と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手段と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手段と、
を備えていることをを特徴とする付記１記載の超音波ホーン設計支援装置。
【００９１】
（付記３）
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法であって、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手順を行い、
前記設計過程の情報を前記表示装置の画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行うことを特徴とする超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
【００９２】
（付記４）
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手順と、
を行うことを特徴とする付記３記載の超音波ホーン設計支援装置の超音波ホーン設計支援方法。
【００９３】
（付記５）
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手順と、
を実現させるためのプログラム。
【００９４】
（付記６）
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手順と、
を実現させるための付記５記載のプログラム。
【００９５】
（付記７）
表示装置と、表示データの処理を行う表示データ処理手段と、データ入力手段と、超音波ホーンの設計データ処理を行う設計データ処理手段と、予め、設計に必要なデータを登録しておくデータ記憶手段とを備え、設計過程のデータを画面に表示しながら超音波ホーンの設計支援を行う超音波ホーン設計支援装置のコンピュータに、
前記設計データ処理手段の処理により、
外部から入力された加振周波数を取り込み、該加振周波数に従って、前記データ記憶手段から登録データを読み出し、外部からの指示に基づき超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を決める第１の手順と、
前記決めた超音波ホーンの全長及び超音波ホーン形状を基に、有限要素法による超音波ホーンのモデルを作成し、そのモデルの固有値解析を行う第２の手順と、
前記超音波ホーン固有値解析の結果、前記加振周波数近傍に縦振動の固有値があるかどうかを判定する第３の手順と、
前記判定で、加振周波数近傍に縦振動の固有値がなければ、超音波ホーンの形状修正及び固有値解析を繰り返して行い、加振周波数近傍に縦振動の固有値があると判定した場合は、固有値解析の結果を用いて、超音波ホーン縦振動の節を求める第４の手順と、
前記求めた節を中心に、実際に使用する超音波の入力波を印加して出力波形を求めることで衝撃解析を行う第５の手順と、
を実現させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【００９６】
（付記８）
前記設計データ処理手段の処理により、
前記衝撃解析の際、被加工物の有限要素法で求めたモデルを追加する第６の手順と、
前記モデルに対して加工シミュレーションを行う第７の手順と、
条件に合わせて、超音波ホーン、又は被加工物のモデルに送り速度を与える第８の手順と、
前記被加工物のモデルに送り速度を与えた結果、外部から超音波ホーンや加工に不具合があるとの指示が出されたら、最初からの処理を繰り返し行う第９の手順と、
を実現させるための付記７記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の原理説明図である。
【図２】実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の説明図である。
【図３】実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート（その１）である。
【図４】実施の形態における超音波ホーン設計支援装置の処理フローチャート（その２）である。
【図５】実施の形態における具体的事例の説明図（その１）であり、Ａ図は超音波ホーン全長算出例と超音波ホーンの詳細形状例、Ｂ図は超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析（両端自由）例である。
【図６】実施の形態における具体的事例の説明図（その２）であり、Ａ図は固有値解析（両端自由）例である。
【図７】実施の形態における具体的事例の説明図（その３）であり、Ａ図は超音波ホーン縦振動の節の例、Ｂ図は超音波ホーンの超音波振動（共振）の確認例である。
【図８】実施の形態における具体的事例の説明図（その４）であり、Ａ図は被加工物ＦＥモデルの追加例、Ｂ図は加工シミュレーション例である。
【図９】実施の形態における具体的事例の説明図（その５）であり、Ａ図は超音波ホーンの詳細形状修正例、Ｂ図は超音波ホーンのモデル作成及び固有値解析（両端自由）例である。
【図１０】実施の形態における具体的事例の説明図（その６）であり、Ａ図は固有値解析（両端自由）例である。
【図１１】実施の形態における具体的事例の説明図（その７）であり、Ａ図は超音波ホーン縦振動の節の例、Ｂ図は超音波ホーンの超音波振動（共振）の確認例である。
【図１２】実施の形態における具体的事例の説明図（その８）であり、Ａ図は被加工物ＦＥモデルの修正例、Ｂ図は被加工シミュレーション例である。
【符号の説明】
【００９８】
１  超音波ホーン設計支援装置本体
２  データ入力部
３  表示装置
５  主制御部
６  設計データ処理部
６Ａ  設計データ処理プログラム
７  データ記憶部
８  表示データ処理部
１０  登録データ記憶部
１１  入力データ記憶部
１２  処理結果データ記憶部
２０  超音波ホーン本体
２１  先端部
２３  鋼球
２４  リング
【図１】
0005176456.tif 000002
【図２】
0005176456.tif 000003
【図３】
0005176456.tif 000004
【図４】
0005176456.tif 000005
【図５】
0005176456.tif 000006
【図６】
0005176456.tif 000007
【図７】
0005176456.tif 000008
【図８】
0005176456.tif 000009
【図９】
0005176456.tif 000010
【図１０】
0005176456.tif 000011
【図１１】
0005176456.tif 000012
【図１２】
0005176456.tif 000013