JP2009189908A - 超音波共振体の接続構造および接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続するに際して、超音波共振体の外周部分の隙間の発生を防止し、超音波振動を均一に伝達することが可能な超音波共振体の接続構造および接続方法の提供。
【解決手段】ブースタ１およびホルダ２の超音波共振体同士が、無頭ねじ３の締め付け方向においては無頭ねじ３を中心とするブースタ１およびホルダ２の接続部の外周辺部において接触し、この接触部の内側が、ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ接続部に対する面積比率が４０％以上となる極微細隙間が形成された状態で接続されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動子、超音波ブースタ、超音波ホーンや超音波加工具等の超音波共振体同士を接続するための超音波共振体の接続構造および接続方法に関する。

超音波加工具を超音波振動させて被加工物を加工する場合、超音波振動子により発生させた超音波振動を支持ホーンや超音波ホルダーホーン等を介して超音波加工具まで効率良く伝達させる必要がある。しかしながら、これらの超音波共振体をねじの締め付けによって接続する場合、例えば図６に示すようにブースタ１０２の中心部分がねじ１０１の締め付けによって引っ張られることにより、ブースタ１０２の外周部分が変形し、ホルダー１００とブースタ１０２との接触面に隙間１０３を生じてしまう。このようにホルダ１００やブースタ１０２等の超音波共振体の接続部分に隙間１０３が存在した場合、この隙間１０３に超音波加工時に使用する砥粒や塵埃等が侵入し、超音波振動の伝達効率が低下してしまうという問題が発生する。

このような超音波共振体の接続部分の密着性を向上させる技術として、例えば特許文献１には、加工作用部を有する超音波ホーンと支持部を有するブースタとが中央のねじで同軸な一列状に結合された共振器において、超音波ホーンとブースタとの双方の合わせ面に、ねじを中心とする円周上に位置する環状溝と環状溝に嵌め込まれる突起とよりなる嵌合手段を備えた超音波加工用共振体が記載されている。この構成により、嵌合手段の突部と環状溝とが互いに嵌め込まれることにより、嵌合手段での接触がねじを中心とした２つの同心円を描く形態となり、ねじによる微少ながたつきが解消され、ねじを中心とする超音波ホーンとブースタとの同軸結合の精度を向上することができるとされている。また、この技術では、突起が径方向の幅を合わせ面側の基部より先端側に行くに従って徐々に小さくした形状であれば、突部の外周面が環状溝の内外周面に接触せず、突部の基部と環状溝の基部が互いに突き合わされて接触し、超音波ホーンの合わせ面とブースタの合わせ面とが全面的に接触することができるとされている。

また、例えば特許文献２には、工具および超音波振動体としてのホーンが、ねじ締めによる両者の圧着前において、工具のホーン取付面の外周部のみがその全周にわたってホーンの工具取付面と接触し、外周部の内側にある凹部が工具取付面から工具の径の０．０６％〜０．０８％（１５〜２０μｍ）離隔するように形成された超音波加工装置が記載されている。この構成の超音波加工装置では、ねじ締めすることで、ホーン取付面における凹部と平坦な工具取付面とが離隔されず、互いに密着するため、外部から工具とホーンとの間に侵入する隙間がなくなり、超音波加工にあたって砥粒が工具周辺に供給されたときに、砥粒の侵入を抑制することができるとされている。

特開２００２−３５６９５号公報 特開２００４−１１５１号公報

上記のように、特許文献２には、ねじ締めすることでホーン取付面における凹部と平坦な工具取付面とが密着して外部から工具とホーンとの間に侵入する隙間がなくなると記載されているが、実際には、ホーン取付面における凹部と平坦な工具取付面とが密着するまでねじ締めすることによって、平坦な工具取付面が内側に引き込まれ、図６に示す例と同様に平坦な工具取付面の外周部分に隙間を生じるようになる。

また、特許文献１では、突起が径方向の幅を合わせ面側の基部より先端側に行くに従って徐々に小さくした形状であれば、突部の外周面が環状溝の内外周面に接触せず、突部の基部と環状溝の基部が互いに突き合わされて接触し、超音波ホーンの合わせ面とブースタの合わせ面とが全面的に接触することができるとされているが、このような条件においても図６に示す状態と同様に、ブースタの外周部分が変形し、ブースタと超音波ホーンとの接触面に隙間を生じてしまう。

また、このように超音波共振体の外周部分が変形して隙間を生じる場合、図７の（ａ）、（ｂ）に示すように接触面１０４が均一とならなくなってしまう。この結果、超音波振動は均一に伝達されなくなり、超音波共振体が横振れすることになる。

そこで、本発明においては、超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続するに際して、超音波共振体の外周部分の隙間の発生を防止し、超音波振動を均一に伝達することが可能な超音波共振体の接続構造および接続方法を提供することを目的とする。

本発明の超音波共振体の接続構造は、超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続する超音波共振体の接続構造であって、超音波共振体同士が、ねじの締め付け方向においてはねじを中心とする超音波共振体の接続部の外周辺部において接触し、この接触部の内側が、ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成された状態で接続されることを特徴とするものである。

また、本発明の超音波共振体の接続方法は、超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続する超音波共振体の接続方法であって、超音波共振体同士を、ねじの締め付け方向においてはねじを中心とする超音波共振体の接続部の外周辺部においてのみ接触させ、この接触部の内側を、ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成された状態とすることを特徴とする。

これらの発明によれば、超音波共振体の接続部の外周辺部の接触部の内側に、ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成されているため、ねじの締め付けによって超音波共振体の中心部分が引っ張られても、接触部の内側に形成された隙間によってその変形量が吸収され、超音波共振体の接触部は変形しない。これにより、超音波共振体の外周辺部分の隙間の発生が防止され、超音波共振体同士は均一に接触するようになるので、超音波振動を均一に伝達することが可能となる。

なお、接触部の内側に形成される隙間の深さとしては、ねじの締め付け方向に接触部の内径に対して０．１％以上の深さであることが望ましい。接触部の内側に形成される隙間の深さが接触部の内径に対して０．１％以上の深さであれば、ねじの締め付けによって隙間が無くなってしまうことがなく、接触部の内側はねじの締め付け力に拘わらず、接触しない。一方、隙間の深さが０．１％未満の場合には、ねじの締め付け力が過大となった場合に隙間がなくなってしまい、接触部の内側が部分的に接触してしまう可能性がある。このように部分的に接触してしまうと超音波振動の伝達が不均一となってしまう。

また、隙間の接続部に対する面積比率は、７０％以下であることが望ましい。面積比率が４０％以上、７０％以下のとき、超音波を伝える接触面のうねり具合や面粗度などの加工精度を向上させることができる。また、ねじの締め付けによる変形を、ねじの半径方向に対して均一化することができるので、この変形を隙間により吸収し、接触を均一にすることができるので、超音波振動は接触部を通じて最も効率良く伝達される。

なお、接続部に対する面積比率が４０％未満の場合には、ねじの締め付けによって超音波共振体の中心部分が引っ張られた際にその変形量を吸収しきれずに接触が不均一になるので、超音波共振体の外周辺部に隙間を生じる可能性がある。一方、接続部に対する面積比率が７０％超の場合、接触面積が小さすぎるので、超音波振動の伝達効率が悪くなる。

ここで、超音波共振体は、第１および第２の超音波共振体により構成されるものであり、第１の超音波共振体は、接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部であって第２の超音波共振体が嵌合される凹部とを有するものであり、第２の超音波共振体は、接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部と、この凹部の内側に形成された凸部であって第１の超音波共振体の凹部に嵌合される凸部とを有するものであることが望ましい。

超音波共振体が、このような第１および第２の超音波共振体から構成されることにより、第１の超音波共振体の凹部に第２の超音波共振体の凸部が嵌合し、超音波共振体同士が位置決めされるとともに、第２の超音波共振体の凸部の外側に形成された凹部によって前述の隙間が形成される。これにより、第２の超音波共振体の凸部が第１の超音波共振体側に引っ張られた際に、この第２の超音波共振体の凸部の外側に形成された凹部によって第２の超音波共振体の接触部の内側の変形が吸収されるので、超音波共振体の接触部は変形しない。

（１）超音波共振体同士が、ねじの締め付け方向においてはねじを中心とする超音波共振体の接続部の外周辺部において接触し、この接触部の内側が、ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成された状態で接続されることにより、ねじの締め付けによって超音波共振体の中心部分が引っ張られても、接触部の内側に形成された隙間によってその変形量が吸収され、超音波共振体の接触部は変形しないので、超音波共振体の外周辺部分の隙間の発生が防止される。これにより、超音波共振体同士は均一に接触するようになるので、超音波振動を均一に伝達することが可能となり、横振れの発生も防止することが可能となる。

（２）超音波共振体が、第１および第２の超音波共振体により構成されるものであり、第１の超音波共振体が、接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部であって第２の超音波共振体が嵌合される凹部とを有するものであり、第２の超音波共振体が、接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部と、この凹部の内側に形成された凸部であって第１の超音波共振体の凹部に嵌合される凸部とを有するものであることにより、第１の超音波共振体の凹部に第２の超音波共振体の凸部が嵌合し、超音波共振体同士が位置決めされるとともに、第２の超音波共振体の凸部の外側に形成された凹部によって前述の隙間が形成され、この第２の超音波共振体の凸部の外側に形成された凹部によって第２の超音波共振体の接触部の内側の変形が吸収されるので、超音波共振体の接触部は変形しない。これにより、超音波共振体同士がより高精度に一体化されるので、さらに横振れの発生を防止することが可能となる。

（３）隙間の接続部に対する面積比率が７０％以下であることにより、超音波振動がこの接触部を通じて最も効率良く伝達されるので、超音波振動の伝達ロスが少なく、高効率での超音波加工が可能となる。

図１は本発明の実施の形態における超音波共振体の接続構造を示す縦断面図、図２は図１の超音波共振体を分解した状態を示す縦断面図、図３は図１のホルダーの平面図である。図１において、本発明の実施の形態における超音波共振体の接続構造は、第１の超音波共振体としてのブースタ１と、第２の超音波共振体としてのホルダー２とを無頭ねじ３によって締結したものである。また、図３のハッチング部分はブースタ１とホルダー２との接触部分を示している。

ブースタ１は、図１の上側に接続された超音波振動子（図示せず。）から伝達される超音波振動に共振する円柱体である。ブースタ１の図１の下側すなわちホルダー２が接続される側の端部（ブースタ１とホルダー２との接続部）の外周辺部には、ホルダー２と接触する平坦な円環状の接触面１０が形成されている。また、この接触面１０の内側には円環状の凹部１１が、この凹部１１の内側にはねじ孔１２が、それぞれ形成されている。凹部１１には、後述するホルダー２の凸部２２が嵌合される。ねじ孔１２には、無頭ねじ３がねじ込まれる。なお、凹部１１の内壁側面と接触面１０との間にはＣ１の面取りが施されている。

ホルダー２は、図１の下側に超音波加工具（図示せず。）を保持し、ブースタ１から伝達される超音波振動に共振する円柱体である。ホルダー２の図１の上側すなわちブースタ１が接続される側の外周辺部には、ブースタ１と接触する平坦な円環状の接触面２０が形成されている。また、この接触面２０の内側には円環状の凹部２１が、この凹部２１の内側には円環状の凸部２２が、この凸部２２の内側にはねじ孔２３が、それぞれ形成されている。凹部２１は、ブースタ１との間に、無頭ねじ３の締め付けによって接触しない程度の極微細隙間を形成するための円環状の溝である。

ホルダー２の接触面２０は、その全面がブースタ１の接触面１０に密着する接触部であるが、ブースタ１の接触面１０は外側のみがホルダー２の接触面２０に密着し、内側の一部は凹部２１に対面する。凸部２２はブースタ１の凹部１１に嵌合される。ねじ孔２３には、無頭ねじ３がねじ込まれる。なお、無頭ねじ３の一方（ブースタ１側）には、六角レンチ等の回転工具を嵌め込んで回転させるための凹部３０が形成されている。無頭ねじ３は、この凹部３０を利用することで、ねじ孔２３にねじ込まれる。ホルダー２は、図２に示すように、この無頭ねじ３をねじ孔２３にねじ込んだ状態で、凹部３０側をブースタ１のねじ孔１２内へ進行させ、ホルダー２を回転させることでブースタ１に締結される。

ホルダー２の外径Ｄ₀は伝達される波長の約１／５を標準とするが、これ以外の寸法を採用することも可能である。また、円環状の凹部２１の幅（溝幅）（Ａ−Ｄ₁）／２は、接続部の面積（すなわち、この例ではπＤ₀ ²／４）の４０〜７０％とする。また、ブースタ１の凹部１１の内径およびホルダー２の凸部２２の外径Ｄ₁は、本実施形態においては１２ｍｍとしているが、この外径Ｄ₁を変更する場合は、ホルダー２の凹部２１の半径方向の幅（溝幅）（Ａ−Ｄ₁）／２が２ｍｍ以上となるようにする。また、凹部２１の無頭ねじ３の締め付け方向の深さｄは接触しない程度の深さ、例えば、内径Ａに対して０．１％以上の深さとする。

このような超音波共振体の接続構造では、無頭ねじ３の締め付けによってホルダー２の中心部分である凸部２２が引っ張られても、接触面２０の内側に凹部２１によって形成された極微細隙間によってその変形量が吸収され、ホルダー２の接触面２０は変形しない。これにより、ブースタ１およびホルダー２により構成される超音波共振体の外周辺部分の極微細隙間の発生が防止され、図３にハッチングで示すようにブースタ１およびホルダー２は均一に接触するようになるので、ブースタ１からホルダー２へ超音波振動が均一に伝達され、横振れの発生が防止される。

また、この超音波共振体の接続構造では、ブースタ１の凹部１１にホルダー２の凸部２２が嵌合しているので、ブースタ１およびホルダー２が位置決めされている。したがって、この超音波共振体の接続構造では、ブースタ１およびホルダー２がより高精度に一体化されていることから、さらに横振れ防止効果が高い。さらに、この超音波共振体の接続構造では、凹部２１によって形成される極微細隙間の接続部に対する面積比率が４０〜７０％であることにより、超音波振動がこの接触部を通じて最も効率良く伝達されるので、超音波振動の伝達ロスが少なく、高効率での超音波加工が可能である。

また、本発明の超音波共振体の接続構造は、形状が異なる超音波共振体の場合にも適用可能である。図４は本発明の超音波共振体の接続構造の別の実施の形態を示す縦断面図、図５は図４のホルダーの平面図である。図５のハッチング部分は図４のブースタとホルダーとの接触部分を示している。

図４に示す例では、円柱体であるブースタ４に対して、八角柱体であるホルダー５を接続している。この場合、ブースタ４の外径よりもホルダー５の外径の方が大きいが、ブースタ４のホルダー５が接続される側の端部の外周辺部が、ホルダー５と接触する平坦な円環状の接触面４０となる。この接触面４０は、図５に示すようにホルダー５のブースタ４が接続される側の外周辺部に形成される平坦な円環状の接触面５０と接触する。そして、この接触面５０の内側には、前述の凹部２１と同様に、ブースタ４との間に、無頭ねじ６の締め付けによって接触しない程度の極微細隙間を形成するための円環状の溝としての凹部５１が形成されている。

したがって、この場合においても、無頭ねじ６の締め付けによってホルダー５の中心部分である凸部５２が引っ張られても、接触面５０の内側に凹部５１によって形成された極微細隙間によってその変形量が吸収され、ホルダー５の接触面２０は変形しない。これにより、ブースタ４およびホルダー５により構成される超音波共振体の外周辺部分の極微細隙間の発生が防止され、図５にハッチングで示すようにブースタ４およびホルダー５は均一に接触するようになるので、ブースタ４からホルダー５へ超音波振動が均一に伝達され、横振れの発生が防止される。

また、図５に二点鎖線で示すように、円柱体であるブースタ４に対して、ブースタ４よりも外径の大きいホルダー７を接続する場合も同様である。さらに、ホルダー５，７以外の他の形状のホルダーであってもブースタ４の外周辺部で接触して、その内側に、ねじの締め付けによって接触しない程度の極微細隙間を形成するための円環状の溝が形成される限り、前述の横揺れ防止効果が得られる。

上記実施形態における超音波共振体の接続構造による横揺れ防止効果について実験を行った。伝達する超音波の共振周波数は４０ｋＨｚである。また、ホルダー２の外径Ｄ₀は２５ｍｍ（波長λの約１／５）とした。また、実験に用いたホルダー２の外周にはＣ１の面取りが施されている。

これらの条件の下で、円環状の接触面２０の内径Ａを変化させて横揺れの発生の有無を目視により確認した。表１はこの実験結果を示している。表１中、横揺れが発生しなかったものについては“○”を、横揺れが発生したものについては“×”を記している。表１から、溝幅が２ｍｍ以上では横揺れの発生が完全に阻止されていることが分かる。

本発明は、超音波振動子、超音波ブースタ、超音波ホーンや超音波加工具等の超音波共振体同士を接続するための超音波共振体の接続構造および接続方法として有用である。

本発明の実施の形態における超音波共振体の接続構造を示す縦断面図である。 図１の超音波共振体を分解した状態を示す縦断面図である。 図１のホルダーの平面図である。 本発明の超音波共振体の接続構造の別の実施の形態を示す縦断面図である。 図４のホルダーの平面図である。 従来の超音波共振体の接続構造を示す縦断面図である。 （ａ）は図６の超音波共振体同士の接触状態の例を示す下方の超音波共振体の平面図、（ｂ）は別の接触状態の例を示す平面図である。

符号の説明

１，４ ブースタ
１０，４０ 接触面
１１ 凹部
１２ ねじ孔
２，５，７ ホルダー
２０，５０ 接触面
２１，５１ 凹部
２２，５２ 凸部
２３ ねじ孔
３，６ 無頭ねじ
３０ 凹部

Claims (5)

1. 超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続する超音波共振体の接続構造であって、
   前記超音波共振体同士は、前記ねじの締め付け方向においては前記ねじを中心とする超音波共振体の接続部の外周辺部において接触し、この接触部の内側は、前記ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ前記接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成された状態で接続されることを特徴とする超音波共振体の接続構造。
2. 前記超音波共振体は、第１および第２の超音波共振体により構成されるものであり、
   前記第１の超音波共振体は、前記接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部であって前記第２の超音波共振体が嵌合される凹部とを有するものであり、
   前記第２の超音波共振体は、前記接続部の外周辺部に形成された平坦な接触面と、この接触面の内側に形成された凹部と、この凹部の内側に形成された凸部であって前記第１の超音波共振体の凹部に嵌合される凸部とを有するものである請求項１記載の超音波共振体の接続構造。
3. 前記隙間の前記接続部に対する面積比率は、７０％以下である請求項１または２に記載の超音波共振体の接続構造。
4. 前記接触部の内側に形成される隙間の深さは、前記ねじの締め付け方向に前記接触部の内径に対して０．１％以上の深さである請求項１から３のいずれかに記載の超音波共振体の接続構造。
5. 超音波共振体同士をねじの締め付けにより接続する超音波共振体の接続方法であって、
   前記超音波共振体同士を、前記ねじの締め付け方向においては前記ねじを中心とする超音波共振体の接続部の外周辺部においてのみ接触させ、この接触部の内側を、前記ねじの締め付けによって接触しない程度の深さ、かつ前記接続部に対する面積比率が４０％以上となる隙間が形成された状態とすることを特徴とする超音波共振体の接続方法。

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