JP2012161763A - 超音波応用機器 - Google Patents

Abstract

【課題】共振体の共振周波数の調整と、共振周波数の節の位置の調整とを同時に独立して行えるようにする。
【解決手段】超音波応用機器２０は、超音波振動を発する超音波振動子１に接続されて超音波振動に共振して超音波被放射体を超音波振動させる共振体２を備え、さらに、共振体２の中間部に超音波振動方向に対して直交する向きに設けられて、共振体２を固定部材に支持する支持部３と、共振体２の支持部３の両側の位置に、超音波振動の振動方向に対して直交する方向の力を加えるアクチュエータ６，７と、を備え、アクチュエータ６，７は、力の大きさを調整して、共振体２の支持部３の両側に加え、共振体２自体の共振周波数を共振体２が超音波振動する周波数に一致させる調整と、共振体２が超音波振動する周波数の節の位置を支持部３の位置に一致させる調整とを行えるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波加工機のような超音波応用機器に関する。

従来、超音波加工機のような超音波応用機器は、一般に、超音波振動子と共振体と超音波放射体等とからなる超音波振動系を備えている。

共振体は、一端を超音波振動子に連結され、他端を超音波放射体に連結され、超音波振動子で発振した超音波振動を超音波放射体に伝達するようになっている。超音波放射体は、ワークや洗浄液などの超音波被放射体に超音波振動を放射するようになっている。また、超音波振動系は、共振体を超音波応用機器の本体に連結する支持部によって超音波応用機器内に保持されている。

超音波振動子で発振した超音波振動を超音波放射体に効率よく伝達するには、超音波振動子で発振した超音波振動の周波数と共振体自体の共振周波数（固有振動数）とが一致していることが望ましい。また、共振体の保持状態や外部への振動漏洩防止の観点から、共振体の共振周波数での共振時における振動の節が共振体に設けられた支持部に一致していることが望ましい。しかし、実際には、共振体が超音波振動する周波数（以下、「振動周波数」という）と共振体自体の共振周波数とが一致していなかったり、節の位置が支持部の位置に一致していなかったりすることが多い。このため、共振体の振動周波数と共振周波数とを一致させる調整と、節の位置を支持部の位置に一致させる調整は、容易に行えるようになっている必要がある。

特許文献１と特許文献２とには、共振体の振動周波数と共振周波数とを一致させる調整のヒントになる発明が開示されている。特許文献１の発明は、圧電素子のようなアクチュエータを用いて、超音波振動子の支持部近傍の拘束状態を変化させることで、超音波振動子の超音波振動の周波数を調整するものである。この手法は共振体に適用することができる。また、特許文献２の発明は、超音波振動子に節の位置調整用の調整ブロックを取り付けることで、超音波振動子の共振時の節の位置を調整するものであある。この手法も共振体に適用することができる。

特開平２−２４５２７６号公報 特開平９−１５５２８９号公報

しかし、一般に、共振体の振動周波数と共振周波数とを一致させる調整を行うと、節の位置も変化する。逆に、節の位置を調整すると、共振体の振動周波数と共振周波数とが一致しなくなる。このため、特許文献１，２に開示されている発明を共振体に適用すると、共振体の振動周波数と共振周波数とを一致させる調整と、そのときの共振周波数の節の位置を支持部材の位置に一致させる調整とを同時に行うのが困難である。しかも、特許文献２に記載の発明は、節の位置の調整量に応じた調整ブロックを取付ける必要があり、超音波振動系の分解作業が必要となり、共振周波数の調整と節の位置の調整とに手間を要していた。

本発明は、共振体の共振周波数の調整と、共振周波数の節の位置の調整とを同時に独立して行える超音波応用機器を提供することにある。

本発明の超音波応用機器は、超音波振動を発する発振手段に接続されて前記超音波振動に共振して超音波被放射体を超音波振動させる共振体を備え、さらに、前記共振体の中間部に前記超音波振動の振動方向に対して直交する向きに設けられて、前記共振体を固定部材に支持する支持部と、前記共振体の前記支持部の両側の位置に、前記超音波振動の振動方向に対して直交する方向の力を加える付勢手段と、を備え、前記付勢手段は、前記力の大きさを調整して、前記共振体の支持部の両側に加え、前記共振体自体の共振周波数を前記共振体が超音波振動する周波数に一致させる調整と、前記共振体が超音波振動する周波数の節の位置を前記支持部の位置に一致させる調整とを行えることが可能である、ことを特徴としている。

本発明の超音波応用機器は、付勢手段が、力の大きさを調整して、力を共振体の支持部の両側に加えるようになっているので、共振体の共振周波数と、共振周波数の節の位置とを同時に独立して調節することができる。よって、本発明の超音波応用機器は、共振体の共振周波数と、共振周波数の節の位置とを容易に調節することができる。

本発明の実施形態における超音波応用機器の概略図である。 共振体に貫通孔を形成した場合の本発明の実施形態における超音波応用機器の概略図である。 共振体に力を加えるアクチュエータとして、ボルト、ナットを使用した場合とピエゾ素子を使用した場合との本発明の実施形態における超音波応用機器の概略図である。

以下、本発明の実施形態の超音波応用機器を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態における超音波応用機器の概略図である。なお、本実施形態における数値は、参考数値であり、本発明を限定する数値ではない。

超音波応用機器２０は、超音波振動を発振する超音波振動子１と、超音波振動子１に接続された共振体２と、共振体２に接続された超音波放射体８と、共振体２に設けられた支持部３と、共振体２に押圧力を加えるアクチュエータ６，７等を備えている。なお、後述するが、超音波放射体８は、必ずしも備える必要がない。

超音波振動子１には、例えば、ランジュバン振動子のように超音波振動を発振するアクチュエータが使用される。

共振体２には、共振体２を不図示の超音波応用機器の本体内部に支持する支持部３が突設されている。共振体２は、例えば、ジュラルミンやチタン合金等の弾性体であり、支持部３を除けば、断面積が一様な棒状の部材である。なお、共振体２は、複数に分かれた部材をボルトやリベット等の結合部材によって一体化されていてもよい。支持部３は、共振体２の中間部に超音波振動方向Ａに対して直交する向きに突出して設けられて、共振体２を固定部材としての超音波応用機器本体に支持している。支持部３は、共振体２が共振状態にあるときの振動の節の位置５に設けられているが、超音波応用機器２０の製作誤差や組立誤差によって節の位置５から多少ずれた位置に設けられている。

共振体２は、共振体２の超音波放射面４に切削工具や溶着工具などの超音波放射体８が連結されており、超音波放射面４を通して超音波放射体８に超音波振動を伝達するようになっている。超音波放射体８は、ワークや洗浄液などの超音波被放射体に超音波を放射して振動させるようになっている。なお、超音波放射面４から超音波振動を超音波被放射体に直接放射してもよい。このため、超音波放射体８は、必ずしも必要としない。

付勢手段としてのピエゾ素子を用いたアクチュエータ６，７は、共振体２の支持部３の両側の位置に、超音波振動の振動方向Ａに対して直交する方向の力として圧縮力（押圧力）Ｆ１、Ｆ２を加えるようになっている。圧縮力Ｆ１，Ｆ２の調節は、ピエゾ素子に加える電圧を調節することによって行われる。電圧を高くすると、圧縮力Ｆ１，Ｆ２は大きくなる。アクチュエータの代わりに、図３に示すボルト１２、ナット１３を使用してもよい。なお、超音波振動は、超音波の振動方向Ａに沿って、超音波振動子１から共振体３２を経て超音波放射体８に伝達される。

アクチュエータ６が共振体２に加える圧縮力をＦ１とし、アクチュエータ７が共振体２に加える圧縮力をＦ２とする。アクチュエータ６，７がＦ１＞Ｆ２≧０の関係の圧縮力を共振体に加えると、共振体自体の共振周波数は低くなり、節の位置５は圧縮力Ｆ１側へと移動する。アクチュエータ６，７がＦ２＞Ｆ１≧０の力関係の圧縮力を共振体２に加えた場合、共振体２の共振周波数は低くなるが、節の位置５は圧縮力Ｆ２側へと移動する。アクチュエータ６，７がＦ１＝Ｆ２＞０の力関係の圧縮力を共振体２に加えると、共振体２の共振周波数は低くなるが、節の位置５は移動しない。

図１に示す共振体２のように、節の位置５が支持部３よりも圧縮力Ｆ２側にずれている場合、節の位置５を支持部３の方向へ移動させるにはＦ１＞Ｆ２となるようにアクチュエータ６，７の力関係を調整すればよい。また、移動量は、Ｆ１−Ｆ２の大きさで決まるので、移動量が足りなければＦ１−Ｆ２が大きくなるようにアクチュエータ６，７の力関係を調整する。共振体２の共振周波数は、圧縮力Ｆ１と圧縮力Ｆ２による共振体２の伸縮によって決まるので、節の位置５が支持部３に一致するＦ１−Ｆ２を保ちながら所望の共振周波数が得られるようにアクチュエータ６，７の力関係を調整してＦ１＋Ｆ２の大きさを調整する。

以下に、共振体の共振周波数と節の位置を同時に独立して調整可能となる理由を説明する。

共振体を弾性体の棒とみなせば、共振体の超音波振動は、弾性体の棒の縦振動である。ここで、断面が一様な棒状部材の縦振動の１次の共振周波数は、式（１）で表されることが一般に知られている。

ｆ：一次の共振周波数
Ｌ：棒の長さ
Ｅ：棒の材料の縦弾性係数
ρ：棒の材料の密度

共振体２の断面が一様である場合、式（１）より、共振周波数ｆは、共振体２の長さに反比例する。つまり、共振体２の長さが長くなれば共振周波数は低くなり、共振体の長さが短くなれば共振周波数は高くなる。また、節の位置は棒の長さの中央に位置する。したがって、共振体２の節の位置の片側あるいは両側に圧縮力を加え、共振体２の長さを長くすると共振体の共振周波数は低くなる。このとき、片側の圧縮力を他方に比べて大きくすると、大きな力を加えた側の共振体の部分がより長く伸びるため、節の位置は大きな力を加えた側に移動し、さらに共振体の共振周波数は低くなる。また、両側の圧縮力を等しくすると、両側の寸法の伸びが等しくなるため、節の位置は中央に位置したまま、共振体の共振周波数が低くなる。

つまり、共振体の共振周波数は、共振体全体の伸びの長さによって高低する。また、節の位置は、共振体の節の位置から見て伸びの大きい側へ移動する。従って、共振体の節の位置の両側の圧縮力を調節して、共振体の両側の伸びを個別に調整することで、共振体の共振周波数と節の位置とを調整できる。ここでは、共振体の断面が、一様である場合について説明したが、断面が一様でない場合も、共振体の長さが長くなれば共振周波数は低くなり、節の位置は長くなったほうへ移動する。従って、断面が一様でない場合にも、節の位置の両側で共振体を圧縮する力を加えることで、共振周波数と節の位置を同時に独立して調整できる。

図２に示す超音波応用機器３０は、超音波振動の振動方向Ａに沿った貫通孔としての長孔状の空孔１０，１１が形成された共振体２２を使用している。すなわち、空孔１０，１１は、アクチュエータ６，７の圧縮力に対して直交する向きに形成されている。

このように、空孔１０，１１を形成すると、圧縮力Ｆ１と圧縮力Ｆ２とによる共振体２２の変形量は、空孔１０と空孔１１が設けられていない場合よりも大きくなる。

したがって、図２に示す超音波応用機器３０は、空孔１０と空孔１１とが設けられていることにより、共振体２２の共振周波数と節の位置５の調整を大きくすることができて、小さな圧縮力で、共振周波数と節の位置５の調整を行うことが可能になる。

因みに、この共振体２２は、超音波振動の振動方向Ａの長さが８０ｍｍ、幅が２０ｍｍ、厚みが１０ｍｍの平板である。空孔１０と空孔１１は、共振体２２の幅方向の中央に、共振体２２の超音波振動の振動方向Ａに沿って、一直線状に形成されている。空孔１０と空孔１１は、超音波振動の振動方向Ａの長さが２０ｍｍで幅が４ｍｍであり、それぞれ共振体２２の端面２２ａ、２２ｂから１０ｍｍ離れており、空孔１０と空孔１１の間は２０ｍｍである。共振体２２の材質は、アルミ合金で、縦弾性係数７２ＧＰａ、密度２．６６ｇ／ｃｍ^３、ポアソン比０．３３である。圧縮力Ｆ１、圧縮力Ｆ２を加えない場合、共振体２の共振周波数は３１９６０Hｚとなり、節の位置５は、長さ方向の中央に位置する。仮に、圧縮力Ｆ１に１０００Nを与えると、共振体２の共振周波数を３２００７Hｚと４７Hｚ高くし、節の位置を圧縮力Ｆ１の方向へ０．４ｍｍ移動させることができる。

図３に示す超音波応用機器４０は、ピエゾ素子を使用したアクチュエータ６の代わりにボルト１２、ナット１３を使用し、ボルト１２の締め付け加減によって共振体３２に圧縮力（押圧力）Ｆ１を加えるようになっている。共振体３２には、ボルト１２が貫通するボルト孔１５が形成されている。付勢手段としてのボルト１２、ナット１３は、共振体３２に傷を付けないように、ワッシャ１４を介して共振体３２に当接している。このボルト１２、ナット１３を使用した場合においても、共振周波数と節の位置５の調整を行うことができる。

以上の説明において、図１の共振体２は、軸状に形成されているが、平板であってもよい。図２、図３の共振体２２，３２は、平板であるが、軸状に形成されていてもよい。

空孔１０，１１に共振体２２，３２より弾性係数の異なるゴム、樹脂等の弾性を備えた不図示の充填部材を充填すると、共振周波数と節の位置５の調整の度合いを所望の度合いに変えることができる。

さらに、以上の説明におけるアクチュエータ６，７と、ボルト１２及びナット１３は、共振体２，２２，３２に圧縮力Ｆ１、Ｆ２を加えるようになっているが、共振体に引張力を加えるアクチュエータによって、共振周波数と節の位置５の調整を行ってもよい。また、圧縮力と引張力との一方の力を選択的に加えることのできるアクチュエータによって、共振周波数と節の位置５の調整を行ってもよい。なお、引張力は、圧縮力Ｆ１、Ｆ２に対して反対向きの力である。

以上説明したように、超音波応用機器２０，３０，４０は、共振体２，２２，３２に加える力を変えるだけで、共振体の共振周波数と節の位置を容易に調整することができる。したがって、超音波応用機器は、共振体の共振周波数と、共振周波数の節の位置とを同時に独立して調節することができるので、調整を容易かつ速やかに行うことができる。しかも、調整を速やかに行えることから調整を正確に行うことができて、超音波振動が伝達効率を高めることができ、共振体の保持性能を保ち、外部への振動漏洩を防止することができる。

１： 超音波振動子、２，２２，３２：共振体、３： 支持部、５： 節の位置、６，７：アクチュエータ（付勢手段）、８：超音波放射体、１０、１１： 空孔（貫通孔）、１２：ボルト（付勢手段）、１３：ナット（付勢手段）、１６：アクチュエータ（付勢手段）、２０，３０，４０：超音波応用機器、超音波振動の振動方向Ａ、Ｆ１，Ｆ２：圧縮力（押圧力）

Claims (4)

1. 超音波振動を発する発振手段に接続されて前記超音波振動に共振して超音波被放射体を超音波振動させる共振体を備えた超音波応用機器において、
   前記共振体の中間部に前記超音波振動の振動方向に対して直交する向きに設けられて、前記共振体を固定部材に支持する支持部と、
   前記共振体の前記支持部の両側の位置に、前記超音波振動の振動方向に対して直交する方向の力を加える付勢手段と、を備え、
   前記付勢手段は、前記力の大きさを調整して、前記共振体の支持部の両側に加え、共振体自体の共振周波数を前記共振体が超音波振動する周波数に一致させる調整と、前記共振体が超音波振動する周波数の節の位置を前記支持部の位置に一致させる調整とを行えることが可能である、
   ことを特徴とする超音波応用機器。
2. 前記付勢手段が前記共振体に加える力には、前記共振体を押圧する押圧力と、前記共振体を引っ張る引張力とがあり、前記付勢手段は、前記共振体の前記支持部の両側の位置に前記押圧力と前記引張力との一方の力を選択して加えることが可能である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の超音波応用機器。
3. 前記共振体の前記支持部の両側に前記超音波振動の振動方向に沿った貫通孔が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波応用機器。
4. 前記貫通孔に前記共振体より弾性係数の異なる充填部材が充填されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の超音波応用機器。

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