JP2001276738A - 高次振動周波数を用いた超音波加工装置 - Google Patents
高次振動周波数を用いた超音波加工装置Info
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- JP2001276738A JP2001276738A JP2000132962A JP2000132962A JP2001276738A JP 2001276738 A JP2001276738 A JP 2001276738A JP 2000132962 A JP2000132962 A JP 2000132962A JP 2000132962 A JP2000132962 A JP 2000132962A JP 2001276738 A JP2001276738 A JP 2001276738A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】基本共振周波数および高次共振周波数を同時に
励振する超音波加工処理用の超音波振動装置を提供する
こと。 【構成】基本共振周波数および高次共振周波数を同時に
励振する超音波加工処理用の超音波振動装置。複数の周
波数を振動位相を制御しながら超音波振動装置１、２を
駆動することにより基本共振周波数のみでなくより高周
波数の超音波振動成分を有する振動波形を振動工具部
３、４に誘起するを可能にして、周波数特性を有する各
種の加工処理対象の加工処理効率を向上できるようにし
たもの。
励振する超音波加工処理用の超音波振動装置を提供する
こと。 【構成】基本共振周波数および高次共振周波数を同時に
励振する超音波加工処理用の超音波振動装置。複数の周
波数を振動位相を制御しながら超音波振動装置１、２を
駆動することにより基本共振周波数のみでなくより高周
波数の超音波振動成分を有する振動波形を振動工具部
３、４に誘起するを可能にして、周波数特性を有する各
種の加工処理対象の加工処理効率を向上できるようにし
たもの。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の振動周波数
を同時に駆動して、周波数依存性を有するプラスチック
や金属や液体を超音波加工（接合、切削、塑性加工、重
合促進、反応促進）処理する超音波振動装置に関する。
を同時に駆動して、周波数依存性を有するプラスチック
や金属や液体を超音波加工（接合、切削、塑性加工、重
合促進、反応促進）処理する超音波振動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数の振動周波数を利用する装置として
は、異なる振動周波数を有する複数の振動装置を同時に
用いるか、または振動変換器を異なる位置に別個に設置
した２または３個の共振周波数を有する超音波振動子を
用いる方法が知られている。
は、異なる振動周波数を有する複数の振動装置を同時に
用いるか、または振動変換器を異なる位置に別個に設置
した２または３個の共振周波数を有する超音波振動子を
用いる方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来技術
では複数の振動周波数を得るためには、複数の超音波振
動発振装置および電力増幅器部等が必要であり、全体と
して振動装置が複雑・大型化し、高価になることは避け
られなかった。
では複数の振動周波数を得るためには、複数の超音波振
動発振装置および電力増幅器部等が必要であり、全体と
して振動装置が複雑・大型化し、高価になることは避け
られなかった。
【０００４】更に振動変換器を異なる位置に別個に設置
した２または３個の共振周波数を有する超音波振動子で
は、多数の振動変換器（圧電セラミック板等）を振動ノ
ード位置に配置し、適切な寸法の金属部材とともに組み
立てる必要があるため構造が複雑化し、振動周波数や固
定位置の設定のための調整工程が複雑となることが避け
られなかった。
した２または３個の共振周波数を有する超音波振動子で
は、多数の振動変換器（圧電セラミック板等）を振動ノ
ード位置に配置し、適切な寸法の金属部材とともに組み
立てる必要があるため構造が複雑化し、振動周波数や固
定位置の設定のための調整工程が複雑となることが避け
られなかった。
【０００５】本発明は、複数の周波数で超音波振動装置
を駆動し、基本共振周波数以外に高次振動周波数を同時
に励振し、周波数依存性を有する加工対象に印加して加
工処理効率を向上させることを目的としている。
を駆動し、基本共振周波数以外に高次振動周波数を同時
に励振し、周波数依存性を有する加工対象に印加して加
工処理効率を向上させることを目的としている。
【０００６】従来の高分子材料の超音波溶接等のための
超音波加工装置では、使用振動系の基本共振周波数で発
振させる装置を用いており、単一の振動周波数で加工処
理を行っている。
超音波加工装置では、使用振動系の基本共振周波数で発
振させる装置を用いており、単一の振動周波数で加工処
理を行っている。
【０００６】
【問題を解決するための手段】本発明は、超音波振動変
換器部および振動の伝送および振動速度変成のための超
音波ホーン部等からなる超音波振動装置の基本共振周波
数および高次共振振動周波数成分を重畳させた電気信号
で超音波振動装置を駆動することにより、振動工具部で
複数の振動周波数が重畳した超音波振動を得て加工処理
効率を向上させようとするものである。
換器部および振動の伝送および振動速度変成のための超
音波ホーン部等からなる超音波振動装置の基本共振周波
数および高次共振振動周波数成分を重畳させた電気信号
で超音波振動装置を駆動することにより、振動工具部で
複数の振動周波数が重畳した超音波振動を得て加工処理
効率を向上させようとするものである。
【０００７】例えば超音波プラスチック溶接は，超音波
振動により熱可塑性の高分子材料を振動応力のヒステリ
シスによる発熱により部分的に溶融させて溶接を行なう
方法で，同種または異種材料の接合が可能であり、極め
て多くのプラスチック製品の接合に広く用いられている
が、振動吸収が大になる高振動周波数を用いることによ
り必要な振動速度・振動振幅が小さくなる。振動周波数
９０ｋＨｚでは、２７ｋＨｚの場合と比較して必要振動
速度が１／３、振動振幅で約１／１０程度になる事が分
かっている
振動により熱可塑性の高分子材料を振動応力のヒステリ
シスによる発熱により部分的に溶融させて溶接を行なう
方法で，同種または異種材料の接合が可能であり、極め
て多くのプラスチック製品の接合に広く用いられている
が、振動吸収が大になる高振動周波数を用いることによ
り必要な振動速度・振動振幅が小さくなる。振動周波数
９０ｋＨｚでは、２７ｋＨｚの場合と比較して必要振動
速度が１／３、振動振幅で約１／１０程度になる事が分
かっている
【０００８】高分子材料の超音波溶接は，溶接試料を作
業台上で重ね合わせ，溶接チップにより静圧力を接合部
に印加した状態で超音波振動を溶接面に垂直方向または
直角方向に加え溶接部を部分的に溶融させて接合を行な
っており、溶接試料が溶接チップ部の近傍にある直接溶
接および溶接試料内を振動を伝達させて接合を行う伝達
溶接に分類されている。
業台上で重ね合わせ，溶接チップにより静圧力を接合部
に印加した状態で超音波振動を溶接面に垂直方向または
直角方向に加え溶接部を部分的に溶融させて接合を行な
っており、溶接試料が溶接チップ部の近傍にある直接溶
接および溶接試料内を振動を伝達させて接合を行う伝達
溶接に分類されている。
【０００９】従来、超音波振動装置、例えば縦振動装置
では直径方向の振動を避けるため振動装置の直径を４分
の１波長以下にして設計するのが常識で、直径の大きな
振動系を高周波数で用いることが困難であると考えられ
てきた。実際には直径および使用振動モードを選択し、
接合部の少ない低損失の大振動速度まで使用可能な振動
系を用いることにより、特開平０８−３０６７４６の実
施例のように振動系の直径を大にしても構造によっては
振動系先端部では極めて高周波数まで使用可能であるこ
とが分かっている。
では直径方向の振動を避けるため振動装置の直径を４分
の１波長以下にして設計するのが常識で、直径の大きな
振動系を高周波数で用いることが困難であると考えられ
てきた。実際には直径および使用振動モードを選択し、
接合部の少ない低損失の大振動速度まで使用可能な振動
系を用いることにより、特開平０８−３０６７４６の実
施例のように振動系の直径を大にしても構造によっては
振動系先端部では極めて高周波数まで使用可能であるこ
とが分かっている。
【００１０】
【作用】超音波振動変換部および振動速度変成用ホーン
部を一軸構成した振動系を、基本共振周波数および複数
の高次共振周波数成分を振動位相を考慮して重畳した電
圧波形で駆動することにより振動系の端面で複数の振動
周波数成分を有する超音波振動を励振して、複数の高周
波数の振動を同時に用いて超音波加工処理を実施する。
部を一軸構成した振動系を、基本共振周波数および複数
の高次共振周波数成分を振動位相を考慮して重畳した電
圧波形で駆動することにより振動系の端面で複数の振動
周波数成分を有する超音波振動を励振して、複数の高周
波数の振動を同時に用いて超音波加工処理を実施する。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。本実施例の超音波加工装置を図４に示す。同図は
超音波プラスチック溶接装置の構成図で、速度変成比を
有する段付きコニカルホーン１９の固定用フランジ部２
０で支持され、直径４０ｍｍの基本共振周波数２６ｋＨ
ｚの縦振動変換器部（ボルト締め段付きランジュバン形
ＰＺＴ振動子）１８をねじ接続している。段付きコニカ
ルホーンの先端部には複数の周波数で振動する工具（溶
接チップ）３、４、２２を設置してある。図はシート状
の溶接試料２８を重ね合わせて作業台２３の上に設置
し、溶接チップ２２により静圧力２４を印加した状態
で、複数の高周波数振動成分を有する駆動電圧６’で振
動変換器部１、１８を超音波発振器７を介して励振し、
振動工具部３、４、２２に高次振動周波数成分を有する
超音波振動を誘起して加工を行う。
する。本実施例の超音波加工装置を図４に示す。同図は
超音波プラスチック溶接装置の構成図で、速度変成比を
有する段付きコニカルホーン１９の固定用フランジ部２
０で支持され、直径４０ｍｍの基本共振周波数２６ｋＨ
ｚの縦振動変換器部（ボルト締め段付きランジュバン形
ＰＺＴ振動子）１８をねじ接続している。段付きコニカ
ルホーンの先端部には複数の周波数で振動する工具（溶
接チップ）３、４、２２を設置してある。図はシート状
の溶接試料２８を重ね合わせて作業台２３の上に設置
し、溶接チップ２２により静圧力２４を印加した状態
で、複数の高周波数振動成分を有する駆動電圧６’で振
動変換器部１、１８を超音波発振器７を介して励振し、
振動工具部３、４、２２に高次振動周波数成分を有する
超音波振動を誘起して加工を行う。
【００１２】図２は図１および図４に示す超音波縦振動
装置をフランジ部で固定した状態で、駆動電圧１００Ｖ
一定で駆動周波数を変化させて駆動した場合の、振動工
具部の縦振動振幅の変化をレーザードップラー振動計で
実際に測定した結果を示す。
装置をフランジ部で固定した状態で、駆動電圧１００Ｖ
一定で駆動周波数を変化させて駆動した場合の、振動工
具部の縦振動振幅の変化をレーザードップラー振動計で
実際に測定した結果を示す。
【００１３】大振動速度で動作可能な振動特性を有する
超音波振動装置を駆動周波数を変化させて駆動した結
果、振動工具部３、４は基本共振周波数ｆ００のみでな
く多くの高次共振周波数ｆ０１ｆ０２ｆ０３ｆ０４等で
安定に振動させることが可能である。
超音波振動装置を駆動周波数を変化させて駆動した結
果、振動工具部３、４は基本共振周波数ｆ００のみでな
く多くの高次共振周波数ｆ０１ｆ０２ｆ０３ｆ０４等で
安定に振動させることが可能である。
【００１４】図３は図１および図４に示す超音波縦振動
装置を基本周波数、第１次および第２次高次共振周波数
を重畳させた電圧で駆動した場合の、振動工具部の振動
速度の周波数スペクトラムをレーザードップラー振動計
および周波数成分分析器で測定した結果である。
装置を基本周波数、第１次および第２次高次共振周波数
を重畳させた電圧で駆動した場合の、振動工具部の振動
速度の周波数スペクトラムをレーザードップラー振動計
および周波数成分分析器で測定した結果である。
【００１５】損失が少なく、大振動速度で動作可能な構
造の超音波振動装置を、複数の周波数成分を有する駆動
波形で励振する事により基本共振周波数および高次の振
動周波数の振動を振動工具に安定に誘起することができ
る。
造の超音波振動装置を、複数の周波数成分を有する駆動
波形で励振する事により基本共振周波数および高次の振
動周波数の振動を振動工具に安定に誘起することができ
る。
【００１６】これらの高周波成分を含む振動を誘起した
振動工具を用いることにより周波数依存性を有する各種
の加工対象の加工処理を効率のより処理を実現できる。
振動工具を用いることにより周波数依存性を有する各種
の加工対象の加工処理を効率のより処理を実現できる。
【００１７】本発明を図４の超音波プラスチック溶接装
置に適用し、従来の基本周波数１３のみを用いた場合と
１次および２次の高次振動周波数１４および１５を同時
に励振した場合の比較データを図５に示す。同図は板厚
１．０ｍｍのポリプロピレンシート２枚を重ね合わせ、
溶接チップ２２を基本共振周波数のみ、基本共振周波数
１３および第一次高次共振周波数１４、基本共振周波数
１３および第１、第２高次共振周波数１４、１５で振動
させて接合を行い、溶接された面積を測定し比較してい
る。溶接面積２９は正弦波電圧で駆動および溶接面積３
０は矩形波電圧で駆動して接合した場合の面積である。
置に適用し、従来の基本周波数１３のみを用いた場合と
１次および２次の高次振動周波数１４および１５を同時
に励振した場合の比較データを図５に示す。同図は板厚
１．０ｍｍのポリプロピレンシート２枚を重ね合わせ、
溶接チップ２２を基本共振周波数のみ、基本共振周波数
１３および第一次高次共振周波数１４、基本共振周波数
１３および第１、第２高次共振周波数１４、１５で振動
させて接合を行い、溶接された面積を測定し比較してい
る。溶接面積２９は正弦波電圧で駆動および溶接面積３
０は矩形波電圧で駆動して接合した場合の面積である。
【００１８】図５から従来の基本周波数のみで振動させ
る場合と比べて、高次周波数を同時に振動させた場合に
は駆動電圧の和が一定でも、使用高次周波数が多くなる
と溶接面積が増加し、３周波数１３、１４、１５を同時
に用いた場合には基本共振周波数１３のみの場合の数倍
に増加することが分かる。
る場合と比べて、高次周波数を同時に振動させた場合に
は駆動電圧の和が一定でも、使用高次周波数が多くなる
と溶接面積が増加し、３周波数１３、１４、１５を同時
に用いた場合には基本共振周波数１３のみの場合の数倍
に増加することが分かる。
【００１９】図５で矩形波電圧を重畳して駆動した場合
の溶接面積３０は、正弦波の場合２９より大となってい
る。これは矩形波電圧は高次周波数成分を有しているた
め、より高次の振動周波数まで励振され、接合が促進さ
れるためである。
の溶接面積３０は、正弦波の場合２９より大となってい
る。これは矩形波電圧は高次周波数成分を有しているた
め、より高次の振動周波数まで励振され、接合が促進さ
れるためである。
【００２０】図５では第２次の高次振動周波数までを用
いているが、更に高い周波数を重畳させた電圧で励振す
る事により接合性能を更に向上できる。
いているが、更に高い周波数を重畳させた電圧で励振す
る事により接合性能を更に向上できる。
【００２１】図５は直接溶接の場合に有効であることを
示しているが、より大きな溶接試料内を振動を伝達させ
て接合を行う伝達溶接の場合にも、溶接部が最適振動条
件になる周波数があるため、複数の振動周波数を用いる
ことが有用である。
示しているが、より大きな溶接試料内を振動を伝達させ
て接合を行う伝達溶接の場合にも、溶接部が最適振動条
件になる周波数があるため、複数の振動周波数を用いる
ことが有用である。
【００２２】また他の周波数依存性を有する対象の加工
処理の場合に、より高周波数の多振動周波数を用いるこ
とにより加工処理効率を向上できる。
処理の場合に、より高周波数の多振動周波数を用いるこ
とにより加工処理効率を向上できる。
【図１】図１は本発明の複数の高次振動周波数を重畳し
た駆動電圧源、超音波発振部および振動装置のブロック
図および高次振動分布の模式図である。
た駆動電圧源、超音波発振部および振動装置のブロック
図および高次振動分布の模式図である。
【図２】図２は図１および図４に示す超音波縦振動装置
を、駆動電圧１００Ｖ一定で駆動周波数を変化させて駆
動した場合の、振動工具部の縦振動振幅の変化をレーザ
ードップラー振動計で実際に測定した結果を示す。
を、駆動電圧１００Ｖ一定で駆動周波数を変化させて駆
動した場合の、振動工具部の縦振動振幅の変化をレーザ
ードップラー振動計で実際に測定した結果を示す。
【図３】図３は図１および図４に示す超音波縦振動装置
を基本周波数、第１次および第２次高次共振周波数を重
畳させた電圧で駆動した場合の、振動工具部の振動速度
の周波数スペクトラムをレーザードップラー振動計およ
び周波数分析器等を用いて測定した結果である。
を基本周波数、第１次および第２次高次共振周波数を重
畳させた電圧で駆動した場合の、振動工具部の振動速度
の周波数スペクトラムをレーザードップラー振動計およ
び周波数分析器等を用いて測定した結果である。
【図４】図４は図１のブロック図を用いる超音波プラス
チック溶接装置および溶接試料の設置状態を示す。
チック溶接装置および溶接試料の設置状態を示す。
【図５】図５は図４の超音波プラスチック溶接装置でポ
リプロピレンシートを基本共振周波数のみ、基本共振周
波数１３および第一次高次共振周波数１４、基本共振周
波数１３および第１、第２高次共振周波数１４、１５を
同時に用いて溶接した場合の溶接面積の変化を比較した
溶接データである。
リプロピレンシートを基本共振周波数のみ、基本共振周
波数１３および第一次高次共振周波数１４、基本共振周
波数１３および第１、第２高次共振周波数１４、１５を
同時に用いて溶接した場合の溶接面積の変化を比較した
溶接データである。
１ 超音波振動変換器部 ２ 速度変成比を有する振動伝送部（超音波ホーン） ３ 振動系端面の複数の振動成分を有する振動工具 ４ 振動系側面の複数の振動成分を有する振動工具 ５ 振動系の保持用フランジ部 ６ 複数の周波数成分を有する駆動用電圧源 ６’複数の周波数成分を有する電圧 ７ 超音波発振器（電力増幅器） ７’複数の周波数成分を有する駆動電圧 ８〜１２ 基本周波数および高次共振周波数の振動モー
ド １３ 基本共振振動周波数 １４〜１７ 高次共振振動周波数 １８ 超音波縦振動変換器 １９ 段付きコニカルホーン ２０ 固定用フランジ ２１ ノード部保持器 ２２ 溶接チップ（振動工具） ２３ 金属ブロック作業台 ２４ 静圧力印加装置 ２５ 基本共振周波数縦振動分布 ２６ 高次共振周波数縦振動分布 ２７ 溶接部 ２８ 溶接試料 ２９ 正弦波電圧で駆動した場合の溶接部面積 ３０ 矩形波電圧で駆動した場合の溶接部面積
ド １３ 基本共振振動周波数 １４〜１７ 高次共振振動周波数 １８ 超音波縦振動変換器 １９ 段付きコニカルホーン ２０ 固定用フランジ ２１ ノード部保持器 ２２ 溶接チップ（振動工具） ２３ 金属ブロック作業台 ２４ 静圧力印加装置 ２５ 基本共振周波数縦振動分布 ２６ 高次共振周波数縦振動分布 ２７ 溶接部 ２８ 溶接試料 ２９ 正弦波電圧で駆動した場合の溶接部面積 ３０ 矩形波電圧で駆動した場合の溶接部面積
Claims (1)
- 【請求項１】基本共振周波数と同時に複数の高次振動周
波数を駆動する超音波振動加工処理装置
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000132962A JP2001276738A (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | 高次振動周波数を用いた超音波加工装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000132962A JP2001276738A (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | 高次振動周波数を用いた超音波加工装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001276738A true JP2001276738A (ja) | 2001-10-09 |
Family
ID=18641553
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000132962A Pending JP2001276738A (ja) | 2000-03-28 | 2000-03-28 | 高次振動周波数を用いた超音波加工装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001276738A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005138182A (ja) * | 2003-10-14 | 2005-06-02 | Bondotekku:Kk | 超音波振動接合方法及び装置 |
| JP2018187726A (ja) * | 2017-05-09 | 2018-11-29 | 国立大学法人名古屋大学 | 振動切削装置および振動装置 |
-
2000
- 2000-03-28 JP JP2000132962A patent/JP2001276738A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005138182A (ja) * | 2003-10-14 | 2005-06-02 | Bondotekku:Kk | 超音波振動接合方法及び装置 |
| JP2018187726A (ja) * | 2017-05-09 | 2018-11-29 | 国立大学法人名古屋大学 | 振動切削装置および振動装置 |
| JP7311098B2 (ja) | 2017-05-09 | 2023-07-19 | 国立大学法人東海国立大学機構 | 振動切削装置、振動装置および切削方法 |
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