JP2010089007A - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、装置全体の長さが短く、振動が少なくて、長期間の使用に際しても、装置の精度が維持されガタ等の発生がない超音波加工装置を提供する
【解決手段】ケース部２と、バックアップリング３、ピエゾ圧電素子層４及び先端部に適宜の加工具１３が着脱自在に取り付けられるように構成されているホーン部５とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部６とから構成され、且つ超音波振動発生部６は、少なくとも当該ホーン部５の先端部１２に取り付けられている加工具１３がケース部２の長手方向先端部７から突出する様に、当該ケース２に固定的に配置せしめられている超音波加工装置１であって、超音波振動発生部６は、自己が発生する超音波振動の半波長の節部２５が形成される部位に於いてケース部２に接合固定されている超音波加工装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波加工装置に関するものであり、特に詳しくは、使用中の振動によって、超音波振動発生部がケース部に固定保持される部分のボルト或は螺子等からなる固定手段が緩んだり、或はガタが発生して、使用状態が悪化する事を防止すると共に、当該超音波加工装置の破壊を有効に防止する事が可能な超音波加工装置を提供するものである。

従来から、超音波加工装置を使用して物体を切断、研磨、研削等の加工することは良く知られており、その場合、当該超音波加工装置に含まれている振動子を振動させて、当該振動子に接続された処理刃或いは適宜の加工具を、例えば２５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの高周波で、３０〜４０μの振幅で振動せしめながら、適宜の物体を加工している。

ところで、係る超音波加工装置の中でも、例えば、超音波カッターは、現在広範囲の産業分野で使用されており、その理由としては、該超音波カッターを上記した様な条件で高周波振動させる事によって、処理刃、つまり処理刃と紙、革、合成樹脂、ゴム、木材等の被切断材料との当接部に於ける切断抵抗が、係る振動の効果によって大きく低下するので、当該被切断材料を強く押圧しなくとも良く切断が出来る他、これまで処理刃では切断が困難であると考えられていた物でも、容易に切断出来る様になった。

又、係る超音波加工装置では、厚いもの、薄い物で多層に重ねた状態で容易にカットできる。また、係る超音波カッターを用いる事によって、被切断材料と該処理刃との間の切断抵抗が小さい事から、該被切断材料の切断面が綺麗に仕上がるので、製品の商品価値が向上する。革、金属木材、合成樹脂等の表面仕上げ、表面加工にも有効に利用される。

更には、通常の処理刃では、該被切断材料を切断操作する場合には、例えば数回の切断操作で当該処理刃が切れなくなり、新しい処理刃と交換する事を余儀なくされていたので、製造コストが高くなると言う問題が有ったが、係る超音波カッターを用いる事によって、同じ処理刃でも長期間使用しても切断効果にはさほど影響がなく、超音波カッターを使用する事によって、切断効果の永続性が向上し従って、当該処理刃の寿命が延びる事になり、その結果、生産コストも大幅に向上すると言う様な点に有った。従来から、係る超音波カッターを使用する場合に、当該超音波カッターの高周波振動を効率良く処理刃に伝達する必要から、様々な工夫がなされて来ている。

一方、当該超音波カッターと比較される切断手段としては、例えば、ウォータージェットカッター或はレーザーカッター等が知られている。
然しながら、ウォータージェットカッターでは、水を使用する事が必須であるので、水の供給システム及び水の排水システムを別途構成しておく必要があり、更には、水を使用する理由から使用される被加工材料に制約があると共に、排水から汚染物質を除去しなければならないとする問題が存在しているのでコストが掛かるという問題があった。

又、レーザーカッター方式では、熱処理による材料の変質や融着或は異臭等の発生があり、その対策のためにコストが増加するという問題があった。
係る上記２方法に対して、超音波加工を利用したカッター方法は、上記した様な問題はなく、広範囲の産業分野で利用されている。

此処で、従来に於いて、一般的に、適宜の材料を切断、研磨、研削・仕上げ等の目的で使用されている当該超音波加工装置１１の構成例を図５に示す。
即ち、図５に示す様に、従来、一般的に使用されている当該超音波加工装置１１の構成の一例としては、ケース部２と、バックアップリング３、ピエゾ圧電素子層４及び先端部１２に適宜の加工具１３が着脱自在に取り付けられるように構成されているホーン部５とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部６（振動子とも言う）とから構成され、且つ当該超音波振動発生部６は、少なくとも当該ホーン部５の先端部１２に取り付けられている当該加工具１３が当該ケース部２の長手方向先端部７から突出する様に、当該ケース部２内に固定的に配置せしめられている構成を有するものである。

一方、上記従来の超音波加工装置１１に於いては、例えば、当該超音波振動発生部である当該振動子６と当該ケース部２とは、当該ホーン部５の最大径部に黄銅で構成されたリング（黄銅）１４が適宜の螺子部１５を介して嵌合固定されており、当該リング１４と当該リング１４の外周表面に嵌合されたケース部２とが、適宜の螺子部１０を介して固定されることによって接合されている。

係る従来の超音波加工装置１１に於いては、当該ケース部２の外部に設けられている適宜の高周波発振器５０から発生された高周波電圧を適宜の配線５１を介して、当該ピエゾ圧電素子層４を構成する複数層からなる当該ピエゾ圧電素子４１、４２、４３、４４、・・・・に印加させることによって、当該ピエゾ圧電素子層のそれぞれの層が、当該超音波振動発生部６の中心軸方向に沿って、矢印Ａの方向に伸び縮みして、当該加工具１３を駆動する事になっている。

尚、当該ピエゾ圧電素子層の数によって、当該矢印Ａの方向に振動する当該加工具１３の振幅が変化するものであり、当該ピエゾ圧電素子４１、４２、４３、４４、・・・の層の数が大きい程、当該加工具１３の振幅が大きくなる。

処で、図５に例示される従来の超音波加工装置１１の具体例では、当該ホーン部５の最大直径部に嵌合されたリング１４の一部に設けた螺子部１０によって当該超音波振動発生部６が当該ケース部２に接続固定されている。

つまり、当該固定部では、皿螺子のような螺子或はボルト１５のヘッド部と当該リング部１４に設けられた適宜の螺子孔とは適宜のクリアランスを介して、嵌め合い、振動を吸収する様に構成されている。

然しながら、係る構成に於いては、当該ホーン部５は、当該ピエゾ圧電素子層４による振動動作を一番強く受ける部分であり、従って、当該ホーン部５と螺子部１５で接合固定されている当該リング部１４との間の固定部１６は、当該組み合わせ或は部品精度が悪い場合には、当該振動の影響を強く受け、使用状態によっては、当該クリアランスが大きくなってしまったり、ガタが発生したりして、当該固定部１６の固定状態が緩み、当該振動子つまり当該超音波振動発生部６が発熱したり、当該ケース部２が振動したり異常音を発生するという問題があった。

又、従来では、当該加工具１３の振幅を増大させる目的で、図６に示す様に、当該ケース部２を延長すると同時に、例えば、フランジ部１７’で保持されている通常のホーン部５の先端に、更に別の補助ホーン部５３を接続させ、当該補助ホーン部５１を適宜のフランジ部１７を介して当該ケース部２と接続させる構成を採用する場合もある。

係る従来例では、当該フランジ部１７と当該ケース部２との取り付け位置が、振動波長の４分の１波長に於ける節部に設ける様に構成すると良いとされている。
然しながら、係る従来例に於いても、前記した当該超音波振動発生部である振動子６の振動が制御されていない以上、前記した問題の解決には繋がらない事は明らかである。

一方、近年では、当該超音波加工装置は、産業用ロボットに搭載されて使用される機会が増大し、その結果、当該超音波加工装置そのものも軽量化、高性能化、短小化、ケース部の低振動化及び長期耐久性等の特性が要求されるようになっており、従って、上記図６のような構造の超音波加工装置は、装置の長さが長くなる事から、ロボット搭載用としては、適切なものではなくなってきている。

又、当該超音波加工装置に於ける、当該加工具１３の不要な振動の発生を防止したり、当該加工具１３の破壊を防止する目的で、当該加工具１３そのものの、当該超音波加工装置での配置位置を、当該振動子６によって形成される振動波長の節部に配置させるという技術思想が、特開平９−２１６１９５号公報（特許文献１）に開示されてはいるが、当該振動子６そのものによる振動から当該超音波加工装置全体を保護する技術は開示されていない。

特開平９−２１６１９５号公報

従って、本発明の目的は、簡易な構成で、装置全体の長さが短く、振動が少なくて、長期間の使用に際しても、装置の精度が維持されガタ等の発生がない超音波加工装置を提供するものである。

本発明は、上記目的を達成する為に、基本的には、以下に示す技術構成を採用するものである。
即ち、本発明に係る超音波加工装置は、ケース部と、バックアップリング、ピエゾ圧電素子層及び先端部に適宜の加工部材が着脱自在に取り付けられるように構成されているホーン部とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部とから構成され、且つ当該超音波振動発生部は、少なくとも当該ホーン部の先端部に取り付けられている当該加工具が当該ケース部の長手方向先端部から突出する様に、当該ケース部内に固定的に配置せしめられている超音波加工装置であって、当該超音波振動発生部は、自己が発生する超音波振動の半波長の節部が形成される部位に於いて当該ケース部に接合固定されている事を特徴とする超音波加工装置である。

本発明に係る当該超音波加工装置は、上記したとおりの技術構成を有しているので、簡易な構成で、装置全体の長さが短く、ケース部の振動が少なくて、長期間の使用に際しても、装置の精度が維持されガタ等の発生がない超音波加工装置を提供するという作用効果を発揮する事が出来るのである。

以下に、本発明に係る超音波加工装置１の一具体例の構成を、図面を参照しながら詳細に説明する。
即ち、図１は、本発明に係る超音波加工装置１の一具体例の構成を示す図であって、図中、ケース部２と、バックアップリング３、ピエゾ圧電素子層４及び先端部に適宜の加工具１３が着脱自在に取り付けられるように構成されているホーン部５とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部６とから構成され、且つ当該超音波振動発生部６は、少なくとも当該ホーン部５の先端部１２に取り付けられている当該加工具１３が当該ケース部２の長手方向先端部７から突出する様に、当該ケース２に固定的に配置せしめられている超音波加工装置１であって、当該超音波振動発生部６は、自己が発生する超音波振動の半波長の節部２５が形成される部位に於いて当該ケース部２に接合固定されている超音波加工装置１が示されている。

本発明に係る当該超音波加工装置に於いて使用される当該超音波振動発生部６は、従来例で説明したと同一の構成であっても良く、具体的には、バックアップリング３、ピエゾ圧電素子層４及び当該ホーン部５とがこの順に直列的に接合配置され、適宜のボルト１８によって一体されている、所謂ランジュバン型振動子であっても良い。

従って、本発明に於ける当該超音波加工装置１の当該ホーン部５の先端部１２は、図２に示す様な矢印Ａの方向に沿って、所定の振幅で振動する。
処で、上記した通り、本発明に係る超音波加工装置１に於いては、例えば、当該ケース部２の外部に設けられている適宜の高周波発振器５０から発生された高周波電圧を適宜の配線５１を介してピエゾ圧電素子層４に印加する事によって、当該ピエゾ圧電素子層４が、伸び縮みして刃物等の当該加工具１３を駆動する事になっている。

然しながら、１個の当該ピエゾ圧電素子層４のみでは、振動の振幅が小さいので、加工具１３に十分な振動を発生させる事が不可能であるので、通常は、当該ピエゾ圧電素子層４が複数層４１、４２、４３、４４、・・・・がそれぞれ並列に積層配置されて、必要な振動振幅を確保している。

従って、本発明でも、当該ピエゾ圧電素子層４は、偶数層配置されている事が望ましく、当該ピエゾ圧電素子層４の配列層数が多い程、当該加工１３の振動振幅を大きく設定する事が可能である。

本発明に於ける当該ピエゾ圧電素子層４のそれぞれの表面には、適宜の電極が設けられており、当該高周波発振器５０で発生される高周波電圧を適宜の配線５１を介してそれぞれのピエゾ圧電素子層４に印加出来る様に設定されている。

当該ホーン部５及び当該バックアップリング３の金属部材は、当該ピエゾ圧電素子層４のマイナス電極を構成するものであっても良い。
本発明に於いては、当該ピエゾ圧電素子層４は、複数層のピエゾ圧電素子４１、４２、４３、４４、・・・・・、で構成されており、当該複数層のピエゾ圧電素子４１、４２、４３、４４、・・・・・の間に、当該ピエゾ圧電素子層４で発生される振動の半波長の節部２５が存在する事が確認されている。

例えば、当該ピエゾ圧電素子層４が、２層のピエゾ圧電素子４１、４２で構成されている場合には、当該ピエゾ圧電素子４１、４２との間、又、当該ピエゾ圧電素子層４が、４層のピエゾ圧電素子４１、４２、４３、４４で構成されている場合には、当該ピエゾ圧電素子４２と４３の間に当該節部２５が形成されるものである。

本発明に於いては、当該節部２５は、必ずしも同一層数の間のみに形成されるものではなく、図１に例示されている様に、一方の側が２層のピエゾ圧電素子で構成され、他方側が４層或は６層のピエゾ圧電素子で構成されている場合でも形成されるものである。

即ち、本発明に於いては、当該超音波振動発生部６が当該ケース部２に固定される部位である当該超音波振動の半波長の節部２５が形成される部位は、当該超音波振動発生部６に於ける当該ピエゾ圧電素子層４内の所定の部位に設けられるものである。

本発明に於いては、当該超音波振動発生部６と当該ケース部２とを接合固定するに際しては、上記した通り、当該複数層の当該ピエゾ圧電素子層４の間で、当該ピエゾ圧電素子層４から発生される高周波振動に於ける半波長の節部２５が形成されると予想される部位に適宜のフランジ部２０を配置せしめ、当該フランジ部２０を適宜の接合手段、例えば螺子或はボルト２１等を介して当該ケース部２に固定する事によって、当該超音波振動発生部６を当該ケース部２内部に接合固定するものである。

当該フランジ部２０の構成材料は、特に限定されるものではないが、金属又はセラミックから選択された一つで構成されている事が望ましい。
此処で、本発明のような、ランジュバン型振動子における、当該ピエゾ圧電素子層４と当該フランジ部２０との関係について説明する。

即ち、ピエゾ圧電素子にはプラス極とマイナス極があるが、複数枚のピエゾ圧電素子を組み合わせて使用する場合、プラス極同士、またはマイナス極同士を向き合わせるように組み込まなければならない、この場合、ケース２やホーン部５、加工具１３は超音波加工装置全体と電気的に接続されるため、同電位にしてアースされる必要がある。

従って、ピエゾ素子２枚のみからなるピエゾ圧電素子層４を含む振動子では、対向しているプラス極側の間に当該フランジ２０を挟むことになる。そのためフランジには絶縁性材料であるセラミックを使用しなければならず、更に、当該それぞれのプラス極には、適宜の配線を介して、プラス電圧を供給する必要がある。

一方、ピエゾ素子４枚若しくはそれ以上を使った振動子では、対向しているマイナス極側の間に当該フランジ部を挟むことができるので、そのためフランジには金属材料を使用する事が可能であり、その結果、マイナス電極の形成が容易となる。

又、本発明に於ける当該フランジ部２０の配置位置は、上記した通り、当該ピエゾ圧電素子層４の内部であれば特に限定されるものではないが、好ましくは、当該フランジ部２０は、少なくとも２枚若しくは４枚のピエゾ圧電素子４１、４２若しくは４１乃至４４が積層されている当該ピエゾ圧電素子層４の中間に配置されている事が望ましい。

上記した通り、本発明に於いては、当該フランジ部２０の配置部位は、当該ピエゾ圧電素子層４の層数が非対称である場合、当該ピエゾ圧電素子層４内でも、実現可能である事は、いうまでもない。

本発明に於いて、当該フランジ部２０と当該ケース部２との接合方法は、特に限定されるものではなく、従来周知の接合固定手段が使用可能であり、図１に於いては、当該ケース部２に設けられた螺子孔部と当該フランジ部２０に設けられた螺子孔部に適宜の皿螺子２１をねじ込む事によって、両者を接合固定する事が出来る。

又、図３に示す様に、当該フランジ部２０を当該ケース部２に設けたフランジ部３０、３１との間で挟み込み、適宜のボルト３２に締め付ける構成を使用する事も可能であり、或は、図４に示す様に、当該フランジ部２０の周縁部に設けた孔部３６を介して、当該ケース部２の接合端部同士に形成された突起部３７と溝部３８とを嵌め合わせることによって接合固定する事も可能である。

又、本発明に於いては、図１及び図２に示す様に、当該ケース部２の先端部７の近傍部には、冷却用の空気の流れる向きを調整するための樹脂製の空気流調整リング５２を適宜の螺子部３５を介して取り付ける事も好ましい。

つまり、本発明による当該超音波加工装置１に於いては、当該超音波振動発生部６と当該ケース部２との接合部は、当該超音波振動発生部６が発生する振動の影響を殆ど受ける事がないので、当該両者の接合固定部は、安定し、振動或は発熱もなく、更には異常音の発生もないので、作業環境は最適な状態を維持する事が可能であると同時に、当該ケース部２の振動或は変形更には発熱もないので、当該超音波加工装置。は、長期間使用に耐える耐久性を有し、然も軽量で長さも短い事から、コスト低減を実現できる外、産業用ロボットに搭載する事が可能である。

図１は、本発明に於ける超音波加工装置の一具体例の構成を説明する図である。 図２は、本発明に於ける超音波加工装置の一具体例の構成を説明する図である。 図３は、本発明に於ける超音波加工装置の他の一具体例の構成を説明する図である。 図４は、本発明に於ける超音波加工装置の更に他の具体例の構成を説明する図である。 図５は、従来の超音波加工装置の一具体例の構成を説明する図である。 図６は、従来の超音波加工装置の一具体例の構成を説明する図である。

符号の説明

１ 超音波加工装置
２ ケース部
３ バックアップリング
４ ピエゾ圧電素子層
５ ホーン部
６ 超音波振動発生部
７ ケース部端部
１１ 超音波加工装置
１２ ホーン部の先端部
１３ 加工具
１４ リング
１８ ボルト
２０ フランジ部
２５ 節部
４１、４２、４３、４４ ピエゾ圧電素子
５０ 高周波発振器
５１ 配線
５２ 空気流調整リング

Claims (6)

1. ケース部と、バックアップリング、ピエゾ圧電素子層及び先端部に適宜の加工具が着脱自在に取り付けられるように構成されているホーン部とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部とから構成され、且つ当該超音波振動発生部は、少なくとも当該ホーン部の先端部に取り付けられている当該加工具が当該ケース部の長手方向先端部から突出する様に、当該ケース部内に固定的に配置せしめられている超音波加工装置であって、当該超音波振動発生部は、自己が発生する超音波振動の半波長の節部が形成される部位に於いて当該ケース部に接合固定されている事を特徴とする超音波加工装置。
2. 当該超音波振動発生部は、ランジュバン型振動子である事を特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
3. 当該超音波振動発生部が当該ケース部に固定される部位である当該超音波振動の半波長の節部が形成される部位は、当該超音波振動発生部に於ける当該ピエゾ圧電素子層内の所定の部位に設けられる事を特徴とする請求項１又は２に記載の超音波加工装置。
4. 当該ピエゾ圧電素子層は、複数層のピエゾ圧電素子が積層されて構成されており、当該複数層の当該ピエゾ圧電素子の間に適宜のフランジ部を配置せしめ、当該フランジ部を介して当該超音波振動発生部を当該ケース部に適宜の接合手段を介して接合固定せしめられている事を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の超音波加工装置。
5. 当該フランジ部は、金属又はセラミックで構成されている事を特徴とする請求項４に記載の超音波加工装置。
6. 当該フランジ部は、少なくとも２枚若しくは４枚のピエゾ圧電素子が積層されている当該ピエゾ圧電素子層の中間に配置されている事を特徴とする請求項４又は５に記載の超音波加工装置。