JP2014168736A - Bolt fastening langevin type vibrator and ultrasonic welder using bolt fastening langevin type vibrator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ボルト締めランジュバン型振動子及びボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置に関し、特に金属ブロックと圧電素子との界面に生ずる締付けによる押圧力(圧縮与圧)を改善したボルト締めランジュバン型振動子及びボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置に関する。 The present invention relates to a bolt-clamped Langevin type vibrator and an ultrasonic welding apparatus using the bolt-clamped Langevin type vibrator, and more particularly, a bolt with improved pressing force (compression pressure) due to clamping generated at an interface between a metal block and a piezoelectric element. The present invention relates to an ultrasonic welding apparatus using a tightened Langevin type vibrator and a bolted Langevin type vibrator.
一般的にボルト締めランジュバン型振動子(BLT:Bolt-clamped Langevin-type Transducer)は、図11に示したように電歪効果を有する複数の環状の圧電素子14a、14bと、該圧電素子14a、14bと交互に重ね合わされた環状の電極15a、15bと、該圧電素子14a、14b及び電極15a、15bを挟持する一対の円柱状の金属ブロック13a、13bと、該金属ブロック13a、13bの軸心に穿設された穴に螺合して両金属ブロック13a、13b間を締結するボルト12から構成されている。
Generally, a bolt-clamped Langevin-type transducer (BLT) includes a plurality of annular
この圧電素子14a、14bに加わる押圧力(圧縮与圧)がばらつくとランジュバン振動子の品質が安定しないという問題がある。また、押圧力が所定範囲を外れると極端な場合には圧電素子が破壊することもある。そのため、ボルト締めによる圧電素子の押圧力は厳重に管理されていた(例えば、特許文献1参照)。
When the pressing force (compression pressure) applied to the
また、圧電素子に加わる荷重を均一にし、圧電素子の破壊を防止し、振動子の振動状態のばらつきを小さくし、スプリアス共振周波数を高くする方法として、金属ブロックの一方の材料を所定値以上のヤング率を持つ材料を使用することが提案されていた(例えば、特許文献2参照)。 In addition, as a method of making the load applied to the piezoelectric element uniform, preventing the piezoelectric element from being broken, reducing the variation in the vibration state of the vibrator, and increasing the spurious resonance frequency, one material of the metal block is set to a predetermined value or more. It has been proposed to use a material having a Young's modulus (see, for example, Patent Document 2).
また、圧電素子と各構成部品の接触部に隙間が有ると振動効率が低下するとして、接触部に接着剤を塗布して接触部の隙間を低減させる方法が提案されていた。(例えば、特許文献3、4参照)。
しかし従来の対策だけでは、一定の効果が期待できるものの十分ではなく、特に圧電素子の発熱による特性劣化や破壊の問題を解決するのに有効な新たな手段が求められていた。
Further, since there is a decrease in vibration efficiency when there is a gap in the contact portion between the piezoelectric element and each component, a method has been proposed in which an adhesive is applied to the contact portion to reduce the gap between the contact portions. (For example, refer to Patent Documents 3 and 4).
However, the conventional measures alone are not sufficient, although a certain effect can be expected. In particular, there has been a demand for new means effective in solving the problem of characteristic deterioration and destruction due to heat generation of the piezoelectric element.
例えば、ボルト締めランジュバン型振動子を高周波で用いる等のために、金属ブロックの全長だけを短くすることがあるが、金属ブロックの全長だけを短くすると、金属ブロックと圧電素子との界面に生じる締め付けによる圧縮与圧が、特に外周部において著しく低下し、発熱によるボルト締めランジュバン型振動子の特性劣化や破壊を引き起こすといわれていた。 For example, when using bolted Langevin type vibrators at high frequencies, the entire length of the metal block may be shortened. However, if only the entire length of the metal block is shortened, tightening that occurs at the interface between the metal block and the piezoelectric element. It has been said that the compression pressure due to is significantly reduced especially at the outer peripheral portion, causing the characteristic deterioration and destruction of the bolted Langevin type vibrator due to heat generation.
本発明は、ボルト締めランジュバン型振動子の圧電素子に加わる荷重を均一にし、圧電素子の破壊を防止し、振動子の振動状態のばらつきを小さくし、スプリアス共振周波数を高くするための新たな方法を提供することを第一の課題とし、特に、圧電素子の発熱を抑制したボルト締めランジュバン型振動子及びボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置を提供することを第二の課題としている。 The present invention provides a new method for making a load applied to a piezoelectric element of a bolt-clamped Langevin type vibrator uniform, preventing destruction of the piezoelectric element, reducing variation in vibration state of the vibrator, and increasing a spurious resonance frequency. In particular, the second problem is to provide a bolt-clamped Langevin type vibrator that suppresses heat generation of the piezoelectric element and an ultrasonic welding apparatus using the bolt-clamped Langevin type vibrator. Yes.
本発明の請求項1に記載のボルト締めランジュバン型振動子では、電歪効果を有する複数の圧電素子と、前記圧電素子と交互に重ね合わされた電極と、前記圧電素子及び前記電極を挟持する一対の金属ブロックと、前記金属ブロックを締結するボルトとを有するボルト締めランジュバン型振動子において、一対の金属ブロックのそれぞれ向かい合う端面のうちの少なくともいずれか一方に前記ボルトの軸を中心とする円錐状の凹面を形成し、ボルトを締め付けて、金属ブロックの円錐状の凹面を圧電素子の表面又は電極の表面に押圧して組み立てる。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to
このように構成したことにより、ボルトを締め付けると、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子の表面に密着するように変形して、均等の押圧力を与える。又は、金属ブロックの円錐状の凹面は電極の表面に密着するように変形して、均等の押圧力を与える。このように、圧電素子の表面と電極の表面にそれぞれ均等の押圧力を与えると、圧電素子の表面と電極の表面より内側にある圧電素子と電極は均等の押圧力を圧縮与圧として与えられる。そのため、圧電素子の破壊は防止でき、振動子の振動状態のばらつきは小さくなり、スプリアス共振周波数を高くすることができる。 With this configuration, when the bolt is tightened, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the piezoelectric element, and an equal pressing force is applied. Alternatively, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the electrode, and an equal pressing force is applied. As described above, when equal pressing force is applied to the surface of the piezoelectric element and the surface of the electrode, respectively, the piezoelectric element and the electrode inside the surface of the piezoelectric element and the electrode can be applied with equal pressing force as compression pressure. . Therefore, destruction of the piezoelectric element can be prevented, variation in the vibration state of the vibrator is reduced, and the spurious resonance frequency can be increased.
本発明の請求項2に記載のボルト締めランジュバン型振動子は、凹面が形成された金属ブロックの端面の全てを円錐状の凹面としている。
このように構成したことにより、ボルトを締め付けたときに、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子や電極の表面に密着するように変形して、均等の押圧力を圧縮与圧として与えることができる。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to the second aspect of the present invention, all of the end faces of the metal block having the concave surface are conical concave surfaces.
With this configuration, when the bolt is tightened, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the piezoelectric element or electrode, and an equal pressing force can be applied as a compression pressure. it can.
本発明の請求項3に記載のボルト締めランジュバン型振動子は、凹面が形成された前記金属ブロックのそれぞれ向かい合う端面の一部を円錐状の凹面としている。
このように構成したことにより、ボルトを締め付けたときに、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子や電極の表面に密着するように変形して、ほぼ均等の押圧力を圧縮与圧として与えることができる。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to claim 3 of the present invention, a part of each facing end surface of the metal block in which the concave surface is formed is a conical concave surface.
With this configuration, when the bolt is tightened, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the piezoelectric element or electrode, and an almost uniform pressing force is applied as a compression pressure. Can do.
本発明の請求項4に記載のボルト締めランジュバン型振動子は、金属ブロックの円錐状の凹面を断面が直線的な円錐面としている。
このように構成したことにより、ボルトを締め付けたときに、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子や電極の表面に密着するように変形して、ほぼ均等の押圧力を圧縮与圧として与えることができる。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to claim 4 of the present invention, the conical concave surface of the metal block is a conical surface having a linear cross section.
With this configuration, when the bolt is tightened, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the piezoelectric element or electrode, and an almost uniform pressing force is applied as a compression pressure. Can do.
本発明の請求項5に記載のボルト締めランジュバン型振動子は、金属ブロックの他部品と当接する端面を円錐状の凹面を断面が曲線的な円錐面としている。
このように構成したことにより、ボルトを締め付けたときに、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子や電極の表面に密着するように変形して、ほぼ均等の押圧力を圧縮与圧として与えることができる。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to claim 5 of the present invention, a conical concave surface is used as an end surface in contact with another part of the metal block, and a conical surface having a curved cross section is used.
With this configuration, when the bolt is tightened, the conical concave surface of the metal block is deformed so as to be in close contact with the surface of the piezoelectric element or electrode, and an almost uniform pressing force is applied as a compression pressure. Can do.
本発明の請求項6に記載のボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置は、上記した請求項1から請求項5に記載のいずれかのボルト締めランジュバン型振動子を用いている。
このように構成したことにより、圧電素子の発熱を低く抑制して、超音波溶着サイクルを長時間繰り返しても安定した発振状態を保つ超音波溶着装置を実現している。
The ultrasonic welding apparatus using the bolt-clamped Langevin type vibrator according to
With this configuration, an ultrasonic welding apparatus that suppresses heat generation of the piezoelectric element and maintains a stable oscillation state even when the ultrasonic welding cycle is repeated for a long time is realized.
本発明は、(1)ボルト締めランジュバン型振動子の圧電素子に加わる荷重を均一にし、(2)圧電素子の破壊を防止し、(3)振動子の振動状態のばらつきを小さくし、(4)スプリアス共振周波数を高くすることができる。(5)圧電素子の発熱を抑制したボルト締めランジュバン型振動子及びボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置を提供することができる、という効果がある。 The present invention (1) makes the load applied to the piezoelectric element of the bolt-clamped Langevin type vibrator uniform, (2) prevents destruction of the piezoelectric element, (3) reduces variation in the vibration state of the vibrator, (4 ) The spurious resonance frequency can be increased. (5) There is an effect that it is possible to provide a bolted Langevin type vibrator that suppresses heat generation of the piezoelectric element and an ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator.
(本発明の第一の実施の形態)
図1に、本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の構成を示す断面図を示した。図1で、本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子(BLT)は、電歪効果を有する複数の環状の圧電素子4a、4bと、該圧電素子4a、4bと交互に重ね合わされた環状の電極5a、5bと、該圧電素子4a、4b及び電極5a、5bを挟持する一対の円柱状の金属ブロック3a、3bと、該金属ブロック3a、3bの軸心に穿設された穴に螺合することで両金属ブロック3a、3b間を締結するボルト2から構成されている。
(First embodiment of the present invention)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a bolt-clamped Langevin type vibrator according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a bolted Langevin type vibrator (BLT) according to a first embodiment of the present invention includes a plurality of annular
本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子では、両金属ブロック3a、3bのそれぞれ向かい合う端面に、ボルト2の軸を中心とする円錐状の凹部が形成されている。
具体的には、一方の金属ブロック3aが圧電素子4aに当接する端面に円錐状の凹面(A)を形成し、ボルト2を締め付けたときに、前記金属ブロック3aの円錐状の凹面(A)が圧電素子4aの表面を押圧するようにしている。また、他方の金属ブロック3bが電極5bに当接する端面に円錐状の凹面(B)を形成し、ボルト2を締め付けたときに、前記金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)が電極5bの表面を押圧するようにしている。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to the first embodiment of the present invention, conical recesses centering on the axis of the
Specifically, the conical concave surface (A) of the
図2に、本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の分解断面図を示した。図1と図2では、金属ブロック3aが圧電素子4aに当接する端面に円錐状の凹面(A)と、金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)を理解しやすいように傾斜角度を強調して示したが、円錐斜面の傾斜角度は微小な角度である。そのため、図2の状態に各部品を配置して、図1のようになるようにボルト2を締め付けると、金属ブロック3aの円錐状の凹面(A)は外周部から先に圧電素子4aに接触し、強い締結力が付加されるボルト2周辺の中央部分が後に接触していき、最終的には凹面(A)全体が圧電素子4aの表面に密着するように変形して、均等の押圧力を与える。同様に、金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)は外周部から先に電極5bに接触し、強い締結力が付加されるボルト2周辺の中央部分が後に接触していき、最終的には凹面(B)全体が電極5bの表面に密着するように変形して、均等の押圧力を与える。
FIG. 2 shows an exploded cross-sectional view of the bolted Langevin type vibrator according to the first embodiment of the present invention. In FIGS. 1 and 2, the inclination angle is emphasized so that the conical concave surface (A) and the conical concave surface (B) of the
第一の実施の形態では、金属ブロック3a、3bの円錐状の凹面(A)(B)の円錐面の傾斜角度について、複数の角度を設定して有限要素法を用いたシミュレーションを行った。
図3に、有限要素法を用いたシミュレーションを行った際の、本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の金属ブロックと圧電素子の円錐面の傾斜角度(θ)を示した。解析するボルト締めランジュバン型振動子の形状は軸対称かつ上下対称なので、ボルト締めランジュバン型振動子の全体の内1/4の断面のみを対象にして解析を行った。なお、図3は第一の実施の形態における一方の金属ブロック3aと圧電素子4aとの拡大断面であり、圧電素子は圧電セラミックを用い、金属ブロックの材質をジュラルミンとして解析を進めた。
In the first embodiment, a simulation using the finite element method was performed by setting a plurality of angles for the inclination angles of the conical concave surfaces (A) and (B) of the
FIG. 3 shows the inclination angle (θ) between the metal block of the bolt-clamped Langevin vibrator and the conical surface of the piezoelectric element according to the first embodiment of the present invention when a simulation using the finite element method is performed. Indicated. Since the shape of the bolted Langevin type vibrator to be analyzed is axially symmetric and vertically symmetrical, the analysis was performed only on a quarter of the entire bolted Langevin type vibrator. FIG. 3 is an enlarged cross section of one
図4に、円錐面の傾斜角度(θ)を変化させたときの中心軸(ボルト2の軸)からの距離に応じた圧電素子の応力(圧縮応力)の有限要素法を用いたシミュレーション結果を示した。傾斜角度(θ)の値としては、0(rad)、1.0×10-3(rad)、2.0×10-3(rad)、2.2×10-3(rad)、2.4×10-3(rad)、2.6×10-3(rad)、2.8×10-3(rad)の場合をシミュレーションした。図4の結果を見ると、(1)円錐面の傾斜角度(θ)の違いが、金属ブロックと圧電素子の接触界面に加わる圧縮与圧(圧縮応力)の分布を大きく変化させている。(2)最も平坦な圧縮与圧分布になる傾斜角度がある、ことが分かる。 FIG. 4 shows the simulation results using the finite element method of the stress (compressive stress) of the piezoelectric element according to the distance from the central axis (bolt 2 axis) when the inclination angle (θ) of the conical surface is changed. Indicated. The values of the inclination angle (θ) are 0 (rad), 1.0 × 10 −3 (rad), 2.0 × 10 −3 (rad), 2.2 × 10 −3 (rad), 2. The case of 4 × 10 −3 (rad), 2.6 × 10 −3 (rad), and 2.8 × 10 −3 (rad) was simulated. 4A and 4B, (1) the difference in the inclination angle (θ) of the conical surface greatly changes the distribution of the compression pressure (compression stress) applied to the contact interface between the metal block and the piezoelectric element. (2) It can be seen that there is an inclination angle at which the flattened compression pressure distribution is obtained.
図4では、傾斜角度(θ)が太実線で示す2.0×10-3(rad)のときが、最も平坦な圧縮与圧分布、即ち最適値となった。このことから、(1)円錐面の傾斜角度(θ)の違いが、金属ブロックと圧電素子の接触界面に加わる圧縮与圧の分布を大きく変化させている、(2)最も平坦な圧縮与圧分布になる傾斜角度(最適値)がある、という結論を得た。 In FIG. 4, when the inclination angle (θ) is 2.0 × 10 −3 (rad) indicated by a thick solid line, the flattened compression pressure distribution, that is, the optimum value is obtained. From this, (1) the difference in the inclination angle (θ) of the conical surface greatly changes the distribution of the compression pressure applied to the contact interface between the metal block and the piezoelectric element. (2) The flattest compression pressure The conclusion was obtained that there is an inclination angle (optimum value) to be distributed.
このように、圧電素子4aの表面と電極5bの表面にそれぞれ均等の押圧力を与えると、圧電素子4aの表面と電極5bの表面より内側にある圧電素子4a、4bと電極5a、5bは均等の押圧力を圧縮与圧として与えられることになる。そのため、圧電素子の破壊を防止でき、振動子の振動状態のばらつきを小さくでき、スプリアス共振周波数を高くすることができることとなる。
As described above, when equal pressing force is applied to the surface of the
そして、圧電素子4a、4bに加わる荷重を均一にしたボルト締めランジュバン型振動子を固定ホーンに組み込み、固定ホーンの先にブースタホーンと工具ホーンを取り付けて、ボルト締めランジュバン型振動子を超音波振動させれば、工具ホーンの先端は所定の周波数と振幅で振動する。超音波振動する工具ホーンの先端をプラスチック製のワーク表面に押圧することで、ワークを超音波溶着することができる。
Then, a bolt-clamped Langevin type vibrator with a uniform load applied to the
図5に、本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置の一部を断面とした右側面図を示す。
図5では、固定ホーン6、ブースタホーン7と工具ホーン9を一体にした状態で可動枠35に組付けている。固定ホーン6には、本発明のボルト締めランジュバン型振動子を内蔵している。可動枠35は、固定枠36に取付けたプレス機構としてのエアシリンダ37のピストンロッド38の下端部に取付けられ、エアシリンダ37の駆動により昇降して受治具41上のワーク42を溶着するようにしている。図3では、工具ホーン9はワーク42の上方に位置し、ワーク42を押し当てていないが、溶着時は、エアシリンダ37の駆動により超音波振動する工具ホーン9がワーク42を押圧してワーク42を溶着する。
FIG. 5 is a right side view of the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the first embodiment of the present invention, with a part thereof in cross section.
In FIG. 5, the fixed
本発明の第一の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置によれば、圧電素子4a、4bに加わる荷重を均一にすることで圧電素子4a、4bの発熱が低く抑制されるので、超音波溶着サイクルを長時間繰り返しても安定した発振状態を保つことができる。
According to the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the first embodiment of the present invention, the heat generated by the
なお上記では、金属ブロック3aと3bにそれぞれ円錐状の凹面(A)、(B)を設けた場合を説明したが、金属ブロック3aか3bのいずれか一方にのみ円錐状の凹面を設けた場合でも、その場合に応じた円錐状の凹面の傾斜角度を選定することで本発明の効果が得られる。
In the above description, the case where the conical concave surfaces (A) and (B) are provided on the
(本発明の第二の実施の形態)
図6に、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の外観を示した正面図を示し、図7に、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の断面図を示す。
(Second embodiment of the present invention)
FIG. 6 shows a front view showing the external appearance of a bolt tightening Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 shows a bolt tightening Langevin type according to the second embodiment of the present invention. A sectional view of a vibrator is shown.
本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子では、4つの環状の圧電素子4a、4b、4c、4dに4つの環状の電極5a、5b、5c、5dを交互に重ね、ボルト2を圧電素子4a、4b、4c、4dと電極5a、5b、5c、5dに通して、ボルト2の一端に金属ブロック3aをネジ込み、ボルト2の他端に金属ブロック3bを通した後、ナット1をネジ締めする構造にしている。圧電素子を4つにしたのは、出力を大きくして、いわゆる強力超音波溶着を行うためである。
In the bolted Langevin type vibrator according to the second exemplary embodiment of the present invention, four
なお、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子においても、両金属ブロック3a、3bのそれぞれ向かい合う端面に、ボルト2の軸を中心とする円錐状の凹部が形成されている。
具体的には、一方の金属ブロック3aが最も一側の圧電素子4aに当接する端面に円錐状の凹面(A)を形成し、ボルト2を締め付けたときに、前記金属ブロック3aの円錐状の凹面(A)が圧電素子4aの表面を押圧するようにしている。また、他方の金属ブロック3bが最も他側の電極5dに当接する端面に円錐状の凹面(B)を形成し、ボルト2を締め付けたときに、前記金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)を電極5dの表面を押圧するようにしているのは、本発明の第一の実施の形態と同じである。
In the bolt-clamped Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention, conical recesses centering on the axis of the
Specifically, when one
また、図6、7では、金属ブロック3aの円錐状の凹面(A)と、金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)を理解しやすいように傾斜角度を強調して示したが、円錐斜面の傾斜角度は、0.02°から0.06°程度の微小な角度であり、金属ブロック3aの円錐状の凹面(A)と金属ブロック3bの円錐状の凹面(B)が圧電素子4aと電極5dの表面にそれぞれ密着するように変形して、均等の押圧力を与えるのも本発明の第一の実施の形態と同じである。
6 and 7, the conical concave surface (A) of the
出願人は、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を製作するに当たって、第一の実施の形態で行ったシミュレーション結果を参考にして、金属ブロック3a、3bの円錐状の凹面(A)(B)の円錐面の傾斜角度について最適と思われる傾斜角度を複数設定し、複数の傾斜角度の円錐状の凹面をしたボルト締めランジュバン型振動子を動作させて温度上昇状況を実測して、温度上昇から見た最適な傾斜角度を評価した。以下、その内容を説明する。なお、第二の実施の形態で複数の傾斜角度を設定するときの単位として、「rad(ラディアン)」でなく、直感的にわかりやすい「°(度)」を単位として複数の傾斜角度を設定した。
In producing the bolt-clamped Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention, the applicant refers to the simulation result performed in the first embodiment, and the conical shape of the
図8に、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子で円錐面の傾斜角度(θ)を変化させたときの温度上昇状況を実測した結果を示した。ここでは、ホーンを介して一定の機械的負荷をボルト締めランジュバン型振動子に与え、入力電圧を所定の電圧で一定として、自然冷却で連続駆動してその発熱の様子を観察した。 FIG. 8 shows the results of actual measurement of the temperature rise when the tilt angle (θ) of the conical surface is changed in the bolted Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention. Here, a constant mechanical load was applied to the bolted Langevin type vibrator via a horn, the input voltage was constant at a predetermined voltage, and the state of heat generation was observed by continuous driving with natural cooling.
なお、図8は、図6に示すようにナット1の表面(C)の温度を測定して、振動子4a、4b、4c、4d、電極5a、5b、5c、5dや金属ブロック3a、3bの全体的な温度上昇を比較した。ナット1の表面温度を測定したのは、ナット1の表面に温度計の測定端子を接触させたり、熱電対を付けたりしても超音波振動の振動動作に影響を与えないからである。
In FIG. 8, the temperature of the surface (C) of the
図8では、傾斜角度(θ)の値を0°、0.02°、0.04°、0.06°に設定した各場合について示した。特に、0.04°と0.06°は複数回の測定値をプロットして、温度測定値に再現性があることを確認した。
図8に示すように、傾斜の無いθ=0°と傾斜角が0.02°のときには、ナット1の表面温度は60℃を超えたが、傾斜角が0.04°、0.06°のときのナット1の表面温度は55℃から50℃程度であった。特に傾斜角が0.04°の時は、60分を経過しても、傾斜角0°のときより10°以上低い値である50℃付近の値を保った。
FIG. 8 shows each case where the value of the inclination angle (θ) is set to 0 °, 0.02 °, 0.04 °, and 0.06 °. In particular, 0.04 ° and 0.06 ° plotted a plurality of measurement values, and it was confirmed that the temperature measurement values were reproducible.
As shown in FIG. 8, when θ = 0 ° without inclination and the inclination angle is 0.02 °, the surface temperature of the
この結果より、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置では、圧電素子4a、4b、4c、4dの発熱が金属ブロック3a、3bに円錐面を設けない場合よりも低く抑制されたことがわかる。
図示していないが、本発明の第二の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置によれば、圧電素子の発熱が低く抑制されるので、本発明の第一の実施の形態のボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置の場合と同様に、超音波溶着サイクルを長時間繰り返しても安定した発振状態を保つことができる。
As a result, in the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention, the heat generated by the
Although not shown, according to the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the second embodiment of the present invention, the heat generation of the piezoelectric element is suppressed to a low level. As in the case of the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator of the embodiment, a stable oscillation state can be maintained even if the ultrasonic welding cycle is repeated for a long time.
(本発明の第三の実施の形態)
本発明の第一と第二の実施の形態では、金属ブロックの他部品と当接する端面の全てを円錐状の凹面としたボルト締めランジュバン型振動子を示したが、本発明の第三の実施の形態として、金属ブロックのそれぞれ向かい合う端面の一部を円錐状の凹面としたボルト締めランジュバン型振動子を説明する。
(Third embodiment of the present invention)
In the first and second embodiments of the present invention, the bolt-clamped Langevin type vibrator having the conical concave surface on all of the end surfaces in contact with the other parts of the metal block is shown. The third embodiment of the present invention As a form of the above, a bolted Langevin type vibrator in which a part of each end face of each metal block is a conical concave surface will be described.
図9に、本発明の第三の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の金属ブロックと圧電素子の円錐面の傾斜角度(θ)を示した。当該図9は一方の金属ブロックと圧電素子との拡大断面を例に示している。なお、他方の金属ブロックと電極との関係も同様である。 FIG. 9 shows the inclination angle (θ) of the conical surface of the metal block and the piezoelectric element of the bolted Langevin type vibrator according to the third embodiment of the present invention. FIG. 9 shows an enlarged cross section of one metal block and the piezoelectric element as an example. The relationship between the other metal block and the electrode is the same.
当該図9では、外周に近い外側部分を中心軸に対して垂直な平面とし、それより内側の部分を当該平面に対し傾斜角度(θ)の円錐面とした凹部(A)とし、再び中心軸に近い内側を中心軸に対して垂直な平面とした形状を示した。
金属ブロック3a端面の凹部の円錐斜面の傾斜角度は、0.02°から0.06°程度の微小な角度であるため、金属ブロックのそれぞれ向かい合う端面の一部を円錐状の凹面とした場合であっても、全体的に所定の角度の円錐状の凹面であれば、ボルト2を締め付けると、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子の表面に密着するように変形して、ほぼ均等の押圧力を与えることができる。このことにより、圧電素子の破壊は防止でき、振動子の振動状態のばらつきを小さくなり、スプリアス共振周波数を高くすることができる。
In FIG. 9, the outer portion close to the outer periphery is a plane perpendicular to the central axis, and the inner portion is a concave portion (A) having a conical surface with an inclination angle (θ) with respect to the plane. The shape in which the inner side close to is a plane perpendicular to the central axis is shown.
The inclination angle of the conical slope of the concave portion of the end face of the
(本発明の第四の実施の形態)
本発明の第一から第三の実施の形態では、金属ブロックの円錐状の凹面を断面が直線的な円錐面とした例を説明したが、本発明の第四の実施の形態として、円錐状の凹面を断面が曲線的な円錐面としたボルト締めランジュバン型振動子を説明する。
(Fourth embodiment of the present invention)
In the first to third embodiments of the present invention, an example in which the conical concave surface of the metal block is a conical surface having a linear cross section has been described. However, as a fourth embodiment of the present invention, a conical shape is used. A bolted Langevin type vibrator having a concave surface of which is a conical surface with a curved section will be described.
図10に、本発明の第四の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子の一方の金属ブロックと圧電素子の円錐面の傾斜角度(θ)を例として示した。なお、他方の金属ブロックと電極との関係も同様である。
図10では、金属ブロック3aの外周から内周まで全体としては、傾斜角度(θ)の円錐面であるが、断面が直線的な傾斜面でなく、断面が曲線的(波形)な傾斜面をなしている。
FIG. 10 shows, as an example, the inclination angle (θ) of one metal block of the bolted Langevin type vibrator according to the fourth embodiment of the present invention and the conical surface of the piezoelectric element. The relationship between the other metal block and the electrode is the same.
In FIG. 10, the
金属ブロック3aの向かい合う端面における凹部の円錐斜面の傾斜角度は、0.02°から0.06°程度の微小な角度であるため、当該端面の断面を曲線的な傾斜面とした場合であっても、全体的に所定の角度の円錐状の凹面であれば、ボルト2を締め付けると、金属ブロックの円錐状の凹面は圧電素子の表面に密着するように変形して、ほぼ均等の押圧力を与えることができる。このことにより、圧電素子の破壊は防止でき、振動子の振動状態のばらつきは小さくなり、スプリアス共振周波数を高くすることができる。
The inclination angle of the conical slope of the concave portion at the opposite end face of the
図示していないが、本発明の第三と第四の実施の形態にかかるボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置によれば、圧電素子の発熱が低く抑制されるので、本発明の第一、第二の実施の形態のボルト締めランジュバン型振動子を用いた超音波溶着装置の場合と同様に、超音波溶着サイクルを長時間繰り返しても安定した発振状態を保つことができる。 Although not shown, according to the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the third and fourth embodiments of the present invention, the heat generation of the piezoelectric element is suppressed to a low level. As in the case of the ultrasonic welding apparatus using the bolted Langevin type vibrator according to the first and second embodiments, a stable oscillation state can be maintained even if the ultrasonic welding cycle is repeated for a long time.
本発明は、プラスチックを超音波溶着する超音波溶着装置のボルト締めランジュバン型振動子として適用することができる。特に、圧電素子及び電極との界面に生じる締め付けによる圧縮与圧が均一になるため、高周波用ボルト締めランジュバン型振動子に適用できる。 The present invention can be applied as a bolted Langevin type vibrator of an ultrasonic welding apparatus for ultrasonic welding of plastic. In particular, since the compressive pressure applied by tightening generated at the interface between the piezoelectric element and the electrode becomes uniform, it can be applied to a high-frequency bolted Langevin type vibrator.
本発明は、ボルト締めランジュバン型振動子の圧電素子に加わる荷重を均一にし、圧電素子の破壊を防止し、振動子の振動状態のばらつきを小さくし、スプリアス共振周波数を高くするための新たな方法を提供するものであり、従来から知られている、金属ブロックの一方の材料を所定値以上のヤング率を持つ材料を使用する方法や、圧電素子と各構成部品の接触部に接着剤を塗布するなどの他の方法と組み合わせて適用することができる。 The present invention provides a new method for making a load applied to a piezoelectric element of a bolt-clamped Langevin type vibrator uniform, preventing destruction of the piezoelectric element, reducing variation in vibration state of the vibrator, and increasing a spurious resonance frequency. Conventionally known methods for using one of the metal blocks with a Young's modulus greater than a predetermined value, and applying adhesive to the contact area between the piezoelectric element and each component It can be applied in combination with other methods.
1 ナット
2 ボルト
3a、3b、13a、13b 金属ブロック
4a、4b、14a、14b 圧電素子
5a、5b、15a、15b 電極
6 固定ホーン
7 ブースタホーン
9 工具ホーン
35 可動枠
36 固定枠
37 エアシリンダ
41 受治具
42 ワーク
1
Claims (6)
前記一対の金属ブロックのそれぞれ向かい合う端面のうちの少なくともいずれか一方に前記ボルトの軸を中心とする円錐状の凹面を形成し、
前記ボルトを締め付けて、前記金属ブロックの円錐状の凹面を圧電素子の表面又は電極の表面に押圧して組み立てた
ことを特徴とするボルト締めランジュバン型振動子。 Bolt tightening having a plurality of piezoelectric elements having an electrostrictive effect, electrodes alternately stacked with the piezoelectric elements, a pair of metal blocks sandwiching the piezoelectric elements and the electrodes, and bolts for fastening the metal blocks In Langevin type vibrator,
Forming a conical concave surface centered on the axis of the bolt on at least one of the opposing end surfaces of the pair of metal blocks;
A bolt-clamped Langevin type vibrator assembled by tightening the bolt and pressing the conical concave surface of the metal block against the surface of the piezoelectric element or the surface of the electrode.
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