JP2000153230A

JP2000153230A - インサートホーン

Info

Publication number: JP2000153230A
Application number: JP10328188A
Authority: JP
Inventors: Kenta Takagi; 健太高木; Tomoo Tanaka; 智雄田中; Masaya Ito; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1998-11-18
Filing date: 1998-11-18
Publication date: 2000-06-06
Anticipated expiration: 2018-11-18
Also published as: JP3701128B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インサートホーンの破損等の不具合の発生を
防止できるインサートホーンを提供すること。【解決手段】ホーン本体の先端に硬質部材２を接合し
た超音波ホーンであり、この超音波ホーンは、硬質部材
２を第１部材に押当てて第１部材を第２部材の穴に圧入
するインサート加工に用いるインサートホーンである。
このインサートホーンでは、硬質部材２の３点曲げによ
る機械的強度が３５０ＭＰａ以上であり、また、硬質部
材２の厚さ（Ａ）と硬質部材２の先端の直径（Ｂ）との
関係が、下記式（１）を満たしている。０．０４≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（１）

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波により作業
を行なう超音波ホーンに関し、特に、例えば熱可塑性樹
脂などを金属などの材料中にインサートしたり、逆に、
熱可塑性樹脂中に金属などをインサートするインサート
ホーンに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、超音波を利用して攪拌や接合
などの各種の作業を行なう超音波ホーンとしては、鋼
製、チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られ
ている。また、近年では、耐久性を向上する目的で、ホ
ーン先端にセラミック部材を接合したものも提案されて
いる（実開平５−８０５６９号公報、特開平９−１０６
５号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、例えば熱可塑性
樹脂を金属材料に圧入するようなインサート加工を行な
う場合には、インサートホーンと呼ばれる超音波ホーン
が用いられる。このインサートホーンにおいても、ホー
ン先端をセラミック化することにより、ホーン先端の耐
摩耗性の向上が図れるが、インサートする部材やインサ
ートされる部材が硬質（例えば金属）の場合には、イン
サート加工時に、セラミックが破損することがあった。

【０００４】つまり、ホーン先端のセラミックが硬質の
部材に当って、セラミック表面に大きな衝撃応力が付与
される場合には、セラミックの強度、靱性によっては、
セラミックが破損することがあった。特に、ホーン先端
のセラミックが厚い場合には、セラミックの接合時の残
留応力が大きくなり、接合体の強度が低下したり、イン
サートホーンの稼働時に、接合部に働く応力が大きいこ
とにより、接合部で破損することがあった。

【０００５】本発明は、上記の問題点を鑑みて提案され
たものであり、インサートホーンの破損等の不具合の発
生を防止できるインサートホーンを提供することを目的
としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】（１）前記目的を達成す
るための請求項１の発明は、ホーン本体の先端に硬質部
材を取り付けた超音波ホーンであり、前記硬質部材を第
１部材に押当てて該第１部材を第２部材（例えば第２部
材の穴等）に挿入するインサートホーンにおいて、前記
硬質部材の３点曲げによる機械的強度が３５０ＭＰａ以
上であることを特徴とするインサートホーンを要旨とす
る。

【０００７】本発明では、ホーン本体の先端に取り付け
る硬質部材の強度を、３５０ＭＰａ以上（ＪＩＳＲ１
６０１３点曲げ強度）としているので、硬質部材の耐
破損性が向上する。そのため、インサートホーンを使用
して超音波加工（インサート加工）をする際に、硬質部
材が例えば硬質の第２部材などに当たって破損すること
を防止できる。

【０００８】（２）請求項２の発明は、前記硬質部材の
厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、
下記式（１）を満たすことを特徴とする前記請求項１に
記載のインサートホーンを要旨とする。

【０００９】０．０４≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（１）硬質部材の厚さが薄い場合には、接合時に硬質部材が割
れ易かったり、超音波加工時に、硬質部材（例えば窒化
珪素の様な場合）がカケ易いという問題がある。また、
硬質部材は、ホーン本体に通常使用される金属と比べ
て、熱膨張係数が小さいために、接合により残留応力が
発生するが、硬質部材が厚い場合には、硬質部材の剛性
が高くなり、接合時に硬質部材にクラックが入ったり、
使用時に接合部で破損するなどの不具合が生じることが
ある。

【００１０】この対策として、本発明では、硬質部材の
厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係を、
前記式（１）により規定している。これにより、硬質部
材の厚さが薄過ぎることがないので、接合時の硬質部材
の割れや、超音波加工時の硬質部材のカケを防止するこ
とができる。また、接合時に硬質部材に残留応力が発生
しても、硬質部材は厚過ぎることがないので、接合時の
硬質部材のクラックや、使用時の接合部における破損を
防止することができる。

【００１１】（３）請求項３の発明は、前記硬質部材の
厚さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係が、
下記式（２）を満たすことを特徴とする前記請求項２に
記載のインサートホーンを要旨とする。

【００１２】０．０８≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（２）本発明は、前記請求項２の発明と同様に、硬質部材の厚
さ（Ａ）と硬質部材の先端の直径（Ｂ）との関係を規定
したものである。本発明によれば、前記請求項２の発明
の効果が一層顕著である。

【００１３】（４）請求項４の発明は、前記硬質部材の
先端が、全面にわたって平坦であることを特徴とする前
記請求項１〜３のいずれかに記載のインサートホーンを
要旨とする。本発明では、硬質部材の先端は、全面にわ
たって平坦であるので、第１部材を傷つけることなく、
第１部材の頂部にわたって均一に押圧することができる
ので、インサート加工をスムーズに行なうことができ
る。

【００１４】（５）請求項５の発明は、前記ホーン本体
と前記硬質部材との間に、応力を緩和する軟質金属の層
を配置したことを特徴とする前記請求項１〜４のいずれ
かに記載のインサートホーンを要旨とする。

【００１５】本発明では、ホーン本体と硬質部材との間
に、応力を緩和する軟質金属の層を配置したので、接合
時に発生する応力や、超音波加工時に発生する応力を緩
和することができる。それにより、硬質部材の破損や、
接合部における破損を防止することができる。

【００１６】（６）請求項６の発明は、前記ホーン本体
の先端に、ろう付けにより、前記硬質部材を接合したこ
とを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載のイ
ンサートホーンを要旨とする。本発明は、硬質部材の取
り付け方法を例示したものである。このろう付けによ
り、硬質部材をホーン本体の先端に強固に接合すること
ができる。

【００１７】（７）請求項７の発明は、前記ホーン本体
は、一端部を太く他端部を細くした金属製であり、この
ホーン本体の細径の先端に前記硬質部材を備えたことを
特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載のインサ
ートホーン。

【００１８】本発明は、ホーン本体の形状を例示したも
のであり、この様な形状とすることで、超音波振動を先
端側に伝達して、好適に超音波加工を行なうことができ
る。以下、前記本発明の各構成について、詳細に説明す
る。・前記硬質部材の材料としては、窒化珪素（Ｓｉ
₃Ｎ₄）、サイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）
等のセラミック、又はこれらの複合部材、或は、例えば
ＷＣ−Ｎｉ、ＷＣ−Ｃｏ等の超硬、サーメット等の周知
の硬質材料が使用可能である。

【００１９】このうち、窒化珪素を主成分とする硬質部
材は、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えているの
で、好ましいものである。また、その硬さは、治工具な
どで使用される鋼の硬さ（ＨＶ６００）より硬いことが
望ましい。

【００２０】下記表１に、使用できる硬質部材の物性値
を示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】・前記超音波ホーンのホーン本体の材質と
しては、構造用に用いられる高強度材料が好ましく、合
金鋼や工具鋼やダイス鋼など、比較的強度の高い鋼が望
ましい。また、チタン合金、アルミニウム合金などの低
密度材料も使用できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明のインサートホーンの実施
の形態の例（実施例）について、図面に基づいて説明す
る。（実施例１）ａ）まず、本実施例のインサートホーンの構成について
説明する。

【００２４】本実施例のインサートホーンとは、超音波
振動を利用して、第１部材を第２部材に圧入する際に使
用するインサートホーンである。図１に示す様に、イン
サートホーンは、棒状の部材であり、その中間部から先
端に向かって細く形成された円柱状のホーン本体（基
体）１と、ホーン本体１の細い先端部分に接合された硬
質部材２とから構成されている。このインサートホーン
の寸法は、全長Ｌ１４５ｍｍ、先端径１８ｍｍである。

【００２５】尚、全長Ｌ１４５ｍｍは、稼働周波枢２０
ｋＨｚが共振点となるように、接合された硬質部材２の
材料やその厚さにより、若干異なる。ここでは、例えば
硬質部材の厚さを２ｍｍとした。前記ホーン本体１は、
超音波振動子３が取り付けられた断面円形の太軸の基端
部４と、硬質部材２が先端に接合されている断面円形の
細軸の先端部６とから構成されている。このホーン本体
１の寸法は、太軸径４８ｍｍ、太軸長さ６３ｍｍ、細軸
長さ８０ｍｍ、細軸先端径１８ｍｍである。また、ホー
ン本体１は、ＪＩＳＳＮＣＭ６３０の金属材料（即ち
３％Ｃｒ、３％Ｎｉ、０．６％Ｍｏ、残部Ｆｅ、他）か
らなり、その硬さは、ＨＲＣ４０である。

【００２６】一方、硬質部材２は、ホーン本体１の先端
部６の先端面７に、ＴｉＡｇＣｕ系の活性ろう材を用い
たろう付により接合されたセラミックス製の部材であ
り、下記表２〜表４に示す材料からなる。例えば窒化珪
素の場合には、主成分の窒化珪素９０重量％に、Ａｌ₂
Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、ＴｉＮが適量添加された材料からなる。

【００２７】この硬質部材２は、図２に示す様に、例え
ば外径（直径Ｂ）が１８ｍｍで厚み（Ａ）が２ｍｍの円
盤状の部材であり、その寸法の比Ａ／Ｂは、０．１１で
ある。また、ホーン本体１に接合される面（接合面）２
ａには、ろう付け性を向上するために、Ａｌが蒸着され
てメタライズ層（図示せず）が形成されている。

【００２８】ｂ）次に、本実施例のインサートホーンの
製造方法について説明する。まず、ホーン本体１となる
前記金属材料からなる金属の棒材（図示せず）を作製す
る。また、これとは別の硬質部材２となる焼結体の製造
工程にて、例えば粉末の窒化珪素等の材料を成形し、焼
結して円盤状の焼結体を作製した。

【００２９】次に、ホーン本体１となる棒材の先端面７
と硬質部材２となる焼結体の接合面２ａとの間に、前記
ＴｉＡｇＣｕ系の活性ろう材を配置して、９００℃で２
時間真空で加熱して、ろう付けした。所望の硬度（ＨＲ
Ｃ４０以上）を得た。その後、ホーン本体１となる棒材
に対し、金属切削用のバイト及び旋盤を使用して、基端
部４から先端部６までを切削加工した。

【００３０】次に、セラミック加工用のダイヤモンド砥
石を使用して、硬質部材２を、上述した寸法に研削加工
した。これにより、図１に示すインサートホーンを完成
した。この様にして製造された本実施例のインサートホ
ーンは、硬質部材２の３点曲げによる機械的強度が３５
０ＭＰａ以上である。また、硬質部材２の厚さ（Ａ）と
硬質部材２の直径（Ｂ）との関係は、下記式（１）及び
下記（２）を満たしている。更に、硬質部材２の先端
は、全面にわたって平坦である。

【００３１】ｃ）次に、本実施例のインサートホーンの
使用方法を説明する。図３に示す様に、ここでは、第１
部材１１であるポリエチレン製の熱可塑性樹脂（直径１
０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）を、第２部材１２である硬さＨ
ＲＣ６１の、ＪＩＳＳＫＤ１１製の金属（外径３０ｍ
ｍ、内径９．８ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）にインサートする
場合について述べる。

【００３２】まず、基台１３上に、第２部材１２を配置
して、治具（図示せず）により固定する。そして、第２
部材１２の穴１４上に第１部材１１を配置し、更にその
上に、インサートホーンを配置する。そして、インサー
トホーンを駆動する電源をオンして、超音波振動を発生
させた状態で、インサートホーンの硬質部材２の先端面
２ｂを第１部材１１の頂部１１ａ押しあてて、振動を加
えながら、第１部材１１を第２部材１２の穴１４内に徐
々に圧入してゆく。

【００３３】尚、これとは逆に、金属製の第１部材１１
を熱可塑性樹脂製の第２部材１２の穴にインサートする
ことも等も可能である。本実施例では、インサートホー
ンは、上述した構成を備えているので、後述する実験例
に示す様に、インサート加工（第１部材１１を第２部材
１２に圧入する加工）を行う場合に、硬質部材２にカケ
等の破損が生じることや、ろう材による硬質部材２の接
合部分（接合部）での破損の発生を防止できる。

【００３４】ｄ）次に、本実施例のインサートホーンの
効果を確認するために行った実験例について説明する。
本実験例では、下記表２〜表４に示す様に、硬質部材の
材料や寸法を違えて、実験に用いるインサートホーンを
製造した。

【００３５】また、ＪＩＳＲ１６０１により、硬質部
材の３点曲げ強度を測定した。その結果を同じく同じく
下記表２〜表４に記す。そして、これらのインサートホ
ーンを用いて、下記の条件にてインサート加工を行っ
た。

【００３６】ホーン先端の振幅；５０μｍ（狙い）付加荷重；５０ｋｇ付加時間；１秒第１部材；ポリエチレン製の熱可塑性樹脂片（直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍ）第２部材；ＪＩＳＳＫＤ１１製の硬さＨＲＣ６１の金属板（外径３０ｍｍ、内径９．８ｍｍ、厚さ１０ｍｍ）そして、このインサート加工では、各々のインサートホ
ーンにつき各１０回行ない、１回毎に２０倍の拡大鏡に
てホーン先端の硬質部材の破損の有無を確認した。その
結果を同じく下記表２〜表４に記す。

【００３７】尚、インサートホーンは第２部材の金属に
対して３度の傾斜角度を保ち、インサートホーンが第２
部材に片当りするようにセットした。この理由は、超音
波加工が工業的に用いられる場合、部品や治工具の精度
のバラツキにより、片当りした状態で使用される可能性
を考慮したからである。

【００３８】尚、試料No.２０は、試料No.１５の試料に
おいて、ホーン本体と硬質部材との間に、厚さ０．２ｍ
ｍの純ニッケルを介在させたものである。

【００３９】

【表２】

【００４０】

【表３】

【００４１】

【表４】

【００４２】この表２〜表４から明かな様に、本発明の
範囲内のインサートホーン（試料No.１〜５，８〜１
６，１８〜２２）は、その強度が３５０ＭＰａ以上であ
るので、異常が無いか、あるいは多数の加工を行わなけ
ればカケやクラックが発生せず、好適であった。

【００４３】このうち、硬質部材の厚さ（Ａ）と直径
（Ｂ）の寸法比Ａ／Ｂの範囲が、０．０４〜０．４の範
囲のもの（例えば表３の試料No.１０〜１４）は、クラ
ックやカケの発生の度合が少なく好適であり、特に、
０．０８〜０．４の範囲のもの（例えば表３の試料No.
１３，１４）は、異常の発生がなく、一層好適である。

【００４４】尚、試料No.２３は、Ａ／Ｂは０．０４４
と比較的小さいが、応力を緩和する層としてＮｉ層を有
しているので、異常が無く好適である。それに対して比
較例のもの（試料No.６，７，１７，２３）は、何等か
の異常があり好ましくない。例えば試料No.６は、加工
１回目でアルミナにカケが発生し、試料No.７，１７
は、接合時にアルミナにクラックが入ったため、超音波
加工を実施できず、試料No.２３は、接合時にガラスセ
ラミックにワレが発生した。

【００４５】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各
種の態様で実施できるのは勿論である。（１）例えば前記実施例では、同じ金属でホーン本体を
作成したが、必要な機能を発揮する限りでは、異なる金
属を結合（又は接合）させてホーン本体を作製してもよ
い。

【００４６】（２）前記インサートホーンのホーン本体
の形状としては、一端部（他端部）を太くし、他短端
（先端部）を細くしたものを採用できるが、この形状と
は別に、基端部と先端部との材質を違えることによっ
て、所望の振動特性を得られるようにしてもよい。

【００４７】（３）前記硬質部材をホーン本体の先端に
取り付ける方法としては、上述したろう付け以外に、ホ
ーン本体の先端側又は硬質部材側にオネジやメネジを設
けて、螺合により硬質部材をホーン本体の先端に固定す
る方法を採用できる。尚、超硬部材に直接ネジを形成す
る加工は困難であるので、超硬部材側には、例えばオネ
ジ又はメネジを設けた金属部材をろう付けする方法を採
用できる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳述した様に、本発明のインサート
ホーンは、硬質部材の強度が高いので、耐破損性に優れ
ている。また、硬質部材の寸法が適度であるので、接合
時における硬質部材のクラックやワレの発生を防止で
き、また、超音波加工時における硬質部材のカケを防止
できる。更に、超音波加工を行なう際の、接合部におけ
る破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例のインサートホーンを示し、（ａ）は
その正面図、（ｂ）はその右側面図である。

【図２】実施例のインサートホーンの硬質部材を示
し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその正面図である。

【図３】実施例のインサートホーンの使用方法を示す
説明図である。

【符号の説明】

１…ホーン本体２…硬質部材４…基端部６…先端部１１…第１部材１２…第２部材１４…穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤正也愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内Ｆターム(参考） 4F211 AD03 AD05 AJ02 AM32 TA01 TH06 TJ22 TN23 TQ05 5D107 AA09 BB01 FF03 FF08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホーン本体の先端に硬質部材を取り付け
た超音波ホーンであり、前記硬質部材を第１部材に押当
てて該第１部材を第２部材に挿入するインサートホーン
において、前記硬質部材の３点曲げによる機械的強度が３５０ＭＰ
ａ以上であることを特徴とするインサートホーン。
【請求項２】前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の
先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（１）を満たすこ
とを特徴とする前記請求項１に記載のインサートホー
ン。０．０４≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（１）
【請求項３】前記硬質部材の厚さ（Ａ）と硬質部材の
先端の直径（Ｂ）との関係が、下記式（２）を満たすこ
とを特徴とする前記請求項２に記載のインサートホー
ン。０．０８≦Ａ／Ｂ≦０．４ …（２）
【請求項４】前記硬質部材の先端が、全面にわたって
平坦であることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれ
かに記載のインサートホーン。
【請求項５】前記ホーン本体と前記硬質部材との間
に、応力を緩和する軟質金属の層を配置したことを特徴
とする前記請求項１〜４のいずれかに記載のインサート
ホーン。
【請求項６】前記ホーン本体の先端に、ろう付けによ
り、前記硬質部材を接合したことを特徴とする前記請求
項１〜５のいずれかに記載のインサートホーン。
【請求項７】前記ホーン本体は、一端部を太く他端部
を細くした金属製であり、このホーン本体の細径の先端
に前記硬質部材を備えたことを特徴とする前記請求項１
〜６のいずれかに記載のインサートホーン。