JP2016215094A - Ultrasonic complex vibratory equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波複合振動装置に関するものである。 The present invention relates to an ultrasonic composite vibration device.
近年、異種材料の接合等の加工に超音波振動装置が用いられている。このような超音波振動装置によれば、材料を高温化することなく接合を行うことが可能となり、材料の変質を防止しつつ材料同士の接合を行うことができる。例えば、特許文献１には、加工対象に対して印加する振動エネルギーを高めるため、異なる振動モードを複合する超音波複合振動装置が開示されている。このような特許文献１に開示された超音波複合振動装置では、異なるモードの振動を発生させる２つの圧電素子を設置し、これらの圧電素子で発生された振動を複合している。 In recent years, an ultrasonic vibration device has been used for processing such as joining of different materials. According to such an ultrasonic vibration device, it is possible to perform bonding without increasing the temperature of the material, and it is possible to perform bonding between materials while preventing deterioration of the material. For example, Patent Literature 1 discloses an ultrasonic composite vibration device that combines different vibration modes in order to increase vibration energy applied to a workpiece. In such an ultrasonic composite vibration device disclosed in Patent Document 1, two piezoelectric elements that generate vibrations of different modes are installed, and the vibrations generated by these piezoelectric elements are combined.
しかしながら、従来の超音波複合振動装置では、振動が伝達されるホーンを把持することについては考慮されておらず、ホーンにおいて２つの振動の節が重なる箇所が多くても１箇所しか設けられていない。このため、ホーンの複数箇所を把持することができず、ホーンを安定的に支持することができない。例えば、異種材料の接合に超音波複合振動装置を用いるために、ホーンに対して接合対象を抑える突起を設けた場合には、ホーンが片持ち支持されるため、突起から接合対象に作用する押圧を均等にすることができない。 However, the conventional ultrasonic composite vibration device does not consider gripping a horn to which vibration is transmitted, and the horn is provided with only one place at most where two vibration nodes overlap. . For this reason, a plurality of locations of the horn cannot be gripped, and the horn cannot be stably supported. For example, in order to use an ultrasonic composite vibration device for joining different types of materials, when a projection that suppresses the object to be joined to the horn is provided, the horn is supported in a cantilevered manner. Cannot be made even.
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ホーンに対して異なる振動モードの振動を複合して印加する超音波複合振動装置において、ホーンを安定的に支持可能とすることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to make it possible to stably support a horn in an ultrasonic composite vibration device that combines and applies vibrations of different vibration modes to the horn. And
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。 The present invention adopts the following configuration as means for solving the above-described problems.
第１の発明は、縦振動モード、ねじり振動モード及び横振動モードのいずれかの振動モードの振動を発生する第１振動子と、当該第１振動子と異なる上記振動モードの振動を発生させる第２振動子と、上記第１振動子及び上記第２振動子と接続されるホーンとを備える超音波複合振動装置であって、上記第１振動子が発生する振動の周波数が、上記ホーンの軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、上記第２振動子が発生する振動の周波数が、上記第１振動子が発生する振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されているという構成を採用する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a first vibrator that generates a vibration in any one of a longitudinal vibration mode, a torsional vibration mode, and a transverse vibration mode, and a vibration that is different from the first vibrator in the vibration mode. An ultrasonic composite vibration device including two vibrators and a horn connected to the first vibrator and the second vibrator, wherein a frequency of vibration generated by the first vibrator is an axis of the horn. It is set to a frequency at which two or more nodes are formed in the core direction, and a vibration frequency generated by the second vibrator is formed at a position where the vibration node generated by the first vibrator overlaps at two or more positions. The configuration is set such that the frequency is set.
第２の発明は、上記第１の発明において、上記ホーンの一端に上記第１振動子が固定され、上記ホーンの他端に上記第２振動子が固定されているという構成を採用する。 A second invention adopts a configuration in which, in the first invention, the first vibrator is fixed to one end of the horn, and the second vibrator is fixed to the other end of the horn.
第３の発明は、上記第２の発明において、上記第１振動子の上記振動モードが縦振動モードであり、上記第２振動子の上記振動モードがねじり振動モードであるという構成を採用する。 According to a third invention, in the second invention, the vibration mode of the first vibrator is a longitudinal vibration mode, and the vibration mode of the second vibrator is a torsional vibration mode.
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記第１振動子が発生する振動の節と上記第２振動子が発生する振動の節とが重なる箇所同士の間にて、上記ホーンに加工工具が設置されているという構成を採用する。 According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the portion between the vibration node generated by the first vibrator and the vibration node generated by the second vibrator overlap each other. A configuration in which a processing tool is installed on the horn is employed.
本発明によれば、第１振動子が発生する振動の周波数が、ホーンの軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定されている。また、第２振動子が発生する振動の周波数が、第１振動子が発生する振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。このため、本発明においては、ホーンにおいて、２つの振動の節が重なる箇所が２箇所以上形成される。よって、ホーンを複数箇所で保持することが可能となる。したがって、本発明によれば、ホーンに対して異なる振動モードの振動を複合して印加する超音波複合振動装置において、ホーンを安定的に支持することができる。 According to the present invention, the frequency of the vibration generated by the first vibrator is set to a frequency at which two or more nodes are formed in the axial direction of the horn. The frequency of the vibration generated by the second vibrator is set to a frequency at which a node overlapping with the vibration node generated by the first vibrator is formed at two or more locations. For this reason, in the present invention, in the horn, two or more locations where two vibration nodes overlap are formed. Therefore, the horn can be held at a plurality of locations. Therefore, according to the present invention, it is possible to stably support the horn in the ultrasonic composite vibration device that applies a combination of vibrations of different vibration modes to the horn.
以下、図面を参照して、本発明に係る超音波複合振動装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。 Hereinafter, an embodiment of an ultrasonic composite vibration device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following drawings, the scale of each member is appropriately changed in order to make each member a recognizable size.
図１は、本実施形態の超音波複合振動装置１の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の超音波複合振動装置１は、振動ユニット２と、給電制御部３とを備えている。振動ユニット２と給電制御部３とが電気的に接続されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment. As shown in this figure, the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment includes a vibration unit 2 and a power feeding control unit 3. The vibration unit 2 and the power supply control unit 3 are electrically connected.
振動ユニット２は、ホーン４と、第１振動子５と、第２振動子６とを備えている。ホーン４は、中空あるいは中実の金属棒であり、例えばアルミニウム等によって形成されている。このホーン４は、第１振動子５により発生される振動と第２振動子６により発生される振動とに共鳴することにより振動する部位である。このようなホーン４は、超音波複合振動装置１の使用に際し、加工対象に直接当接される可能性があるため、耐摩耗性が高いことが望ましい。 The vibration unit 2 includes a horn 4, a first vibrator 5, and a second vibrator 6. The horn 4 is a hollow or solid metal rod, and is formed of, for example, aluminum. The horn 4 is a part that vibrates by resonating with the vibration generated by the first vibrator 5 and the vibration generated by the second vibrator 6. Since such a horn 4 may be brought into direct contact with the object to be processed when the ultrasonic composite vibration device 1 is used, it is desirable that the horn 4 has high wear resistance.
第１振動子５は、不図示のボルトによってホーン４の一端に固定されており、給電されることによって振動する第１圧電素子５ａを備えている。この第１振動子５は、本実施形態においては、第１圧電素子５ａに給電されることにより、縦振動モードの振動（すなわち縦振動）を発生させる。つまり、第１振動子５の振動モードは縦振動モードとされている。例えば、この第１振動子５は、共振周波数が２９．９ｋＨｚとされ、当該共振周波数の縦振動を発生させる。なお、第１振動子５によって発生される振動の周波数は、給電制御部３から第１圧電素子５ａに供給される駆動電圧信号を調節することよって微調整が可能とされている。 The first vibrator 5 is fixed to one end of the horn 4 by a bolt (not shown), and includes a first piezoelectric element 5a that vibrates when supplied with power. In the present embodiment, the first vibrator 5 generates vibration in the longitudinal vibration mode (that is, longitudinal vibration) by being fed to the first piezoelectric element 5a. That is, the vibration mode of the first vibrator 5 is the longitudinal vibration mode. For example, the first vibrator 5 has a resonance frequency of 29.9 kHz and generates longitudinal vibration of the resonance frequency. Note that the frequency of vibration generated by the first vibrator 5 can be finely adjusted by adjusting the drive voltage signal supplied from the power supply control unit 3 to the first piezoelectric element 5a.
第２振動子６は、不図示のボルトによってホーン４の他端に固定されており、給電されることによって振動する第２圧電素子６ａを備えている。この第２振動子６は、本実施形態においては、第２圧電素子６ａに給電されることにより、ねじり振動モードの振動（すなわちねじり振動）を発生させる。つまり、第２振動子６の振動モードはねじり振動モードとされている。例えば、第２振動子６は、共振周波数が１８．８ｋＨｚとされ、当該共振周波数のねじり振動を発生させる。なお、第２振動子６によって発生される振動の周波数も、給電制御部３から第２圧電素子６ａに供給される駆動電圧信号を調節することによって微調整が可能とされている。 The second vibrator 6 is fixed to the other end of the horn 4 by a bolt (not shown), and includes a second piezoelectric element 6a that vibrates when supplied with power. In the present embodiment, the second vibrator 6 generates vibration in a torsional vibration mode (that is, torsional vibration) by being fed to the second piezoelectric element 6a. That is, the vibration mode of the second vibrator 6 is a torsional vibration mode. For example, the second vibrator 6 has a resonance frequency of 18.8 kHz and generates a torsional vibration having the resonance frequency. The frequency of the vibration generated by the second vibrator 6 can be finely adjusted by adjusting the drive voltage signal supplied from the power supply control unit 3 to the second piezoelectric element 6a.
このように、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４の一端に第１振動子５が固定され、ホーン４の他端に第２振動子６が固定されている。つまり、本実施形態においては、ホーン４が第１振動子５と第２振動子６によって挟まれた振動ユニット２を備えている。 Thus, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the first vibrator 5 is fixed to one end of the horn 4 and the second vibrator 6 is fixed to the other end of the horn 4. That is, in this embodiment, the horn 4 includes the vibration unit 2 sandwiched between the first vibrator 5 and the second vibrator 6.
給電制御部３は、第１振動子５の第１圧電素子５ａと第２振動子６の第２圧電素子６ａとに対して電気的に接続されており、第１圧電素子５ａに供給する駆動電圧信号と、第２圧電素子６ａに供給する駆動電圧信号とを生成する。 The power feeding control unit 3 is electrically connected to the first piezoelectric element 5a of the first vibrator 5 and the second piezoelectric element 6a of the second vibrator 6, and is supplied to the first piezoelectric element 5a. A voltage signal and a drive voltage signal supplied to the second piezoelectric element 6a are generated.
ここで、縦振動とねじり振動とでは、ホーン４での伝搬速度が異なる。これに対して、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４を伝搬する縦振動と、ホーン４を伝搬するねじり振動とが重なるよう（すなわち縦振動とねじり振動との波長が一致するよう）、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数と、第１圧電素子５ａ及び第２圧電素子６ａの位置が設定されている。 Here, the propagation speed in the horn 4 differs between longitudinal vibration and torsional vibration. In contrast, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the longitudinal vibration propagating through the horn 4 and the torsional vibration propagating through the horn 4 are overlapped (that is, the wavelengths of the longitudinal vibration and the torsional vibration are the same) The frequency of vibration generated by the first vibrator 5, the frequency of vibration generated by the second vibrator 6, and the positions of the first piezoelectric element 5a and the second piezoelectric element 6a are set.
また、本実施形態の超音波複合振動装置１では、ホーン４において、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の振動の節が形成されるように、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数とが設定されている。これによって、ホーン４には、第１振動子５と第２振動子６とから振動が付与された場合であっても、振動しない箇所が軸芯方向に２箇所以上形成されることになる。 Further, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, in the horn 4, the frequency of vibration generated by the first vibrator 5 so that two or more vibration nodes are formed in the axial direction of the horn 4. And the frequency of vibration generated by the second vibrator 6 are set. As a result, even if vibration is applied from the first vibrator 5 and the second vibrator 6 to the horn 4, two or more places that do not vibrate are formed in the axial direction.
なお、超音波振動装置の組立後においては、第１圧電素子５ａ及び第２圧電素子６ａの位置の調整することによって縦振動とねじり振動とを重ねることが難しい。このため、例えば、給電制御部３から第１圧電素子５ａに供給する駆動電圧信号と第２圧電素子６ａに供給する駆動電圧信号とを調整することによって、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数を微調整し、縦振動とねじり振動とをホーン４において２箇所以上の節が形成されるように重ねる。 After the assembly of the ultrasonic vibration device, it is difficult to overlap the longitudinal vibration and the torsional vibration by adjusting the positions of the first piezoelectric element 5a and the second piezoelectric element 6a. For this reason, for example, by adjusting the drive voltage signal supplied to the first piezoelectric element 5a from the power supply control unit 3 and the drive voltage signal supplied to the second piezoelectric element 6a, the vibration generated by the first vibrator 5 can be adjusted. The frequency and the frequency of the vibration generated by the second vibrator 6 are finely adjusted, and the longitudinal vibration and the torsional vibration are overlapped so that two or more nodes are formed in the horn 4.
このように、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５が発生する縦振動の周波数が、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、第２振動子６が発生するねじり振動の周波数が、第１振動子５が発生する縦振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。 As described above, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the frequency of the longitudinal vibration generated by the first vibrator 5 is set to a frequency at which two or more nodes are formed in the axial direction of the horn 4. Thus, the frequency of the torsional vibration generated by the second vibrator 6 is set to a frequency at which nodes that overlap with the longitudinal vibration nodes generated by the first vibrator 5 are formed at two or more locations.
なお、上述した第１振動子５と第２振動子６との共振周波数の例は、ホーン４の形成材料をＡ２０１７とし、ホーン４の長さを１６４ｍｍ、直径を４０ｍｍ、中実とした場合に、縦振動とねじり振動とがホーン４において２箇所の節が形成されるように重ねられるものである。この例では、ホーン４の一端と他端及び中央が振動の腹となる。 The example of the resonance frequency of the first vibrator 5 and the second vibrator 6 described above is when the material for forming the horn 4 is A2017, the length of the horn 4 is 164 mm, the diameter is 40 mm, and the solid. The longitudinal vibration and the torsional vibration are superposed so that two nodes are formed in the horn 4. In this example, one end, the other end, and the center of the horn 4 are vibration antinodes.
このような構成の本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５が発生する縦振動の周波数が、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定されている。また、第２振動子６が発生するねじり振動の周波数が、第１振動子５が発生する縦振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。このため、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４において、２つの振動の節が重なる箇所が２箇所以上形成される。よって、ホーン４を複数箇所で保持することが可能となる。したがって、本実施形態の超音波複合振動装置１によれば、ホーン４を安定的に支持することができる。 In the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment having such a configuration, the frequency of the longitudinal vibration generated by the first vibrator 5 is set to a frequency at which two or more nodes are formed in the axial direction of the horn 4. Is set. Further, the frequency of torsional vibration generated by the second vibrator 6 is set to a frequency at which nodes overlapping with the longitudinal vibration nodes generated by the first vibrator 5 are formed at two or more locations. For this reason, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, two or more portions where two vibration nodes overlap are formed in the horn 4. Therefore, the horn 4 can be held at a plurality of locations. Therefore, according to the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the horn 4 can be stably supported.
また、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４の一端に第１振動子５が固定され、ホーン４の他端に第２振動子６が固定されている。ホーン４の片側に第１振動子５及び第２振動子６を設置する構成を採用することもできる。しかしながら、ホーン４の両側に第１振動子５と第２振動子６とを分けて配置することによって、ホーン４の片側に第１振動子５及び第２振動子６を設置する場合と比較して、ホーン４の中央から見た重量バランスが均一化する。このため、ホーン４の中央部を加工対象に当接して加工を行う場合に、加工対象に対してバランス良く力を作用させることができる。 Further, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the first vibrator 5 is fixed to one end of the horn 4 and the second vibrator 6 is fixed to the other end of the horn 4. A configuration in which the first vibrator 5 and the second vibrator 6 are installed on one side of the horn 4 can also be adopted. However, by arranging the first vibrator 5 and the second vibrator 6 separately on both sides of the horn 4, compared with the case where the first vibrator 5 and the second vibrator 6 are installed on one side of the horn 4. Thus, the weight balance seen from the center of the horn 4 becomes uniform. For this reason, when it processes by contacting the center part of the horn 4 with a process target, force can be made to act on a process target with sufficient balance.
また、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５の振動モードが縦振動モードであり、第２振動子６の振動モードがねじり振動モードであるため、ホーン４を縦振動とねじり振動とが複合された状態で振動させることができる。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１振動子５の振動モードがねじり振動モードであり、第２振動子６の振動モードが縦振動モードであっても良い。また、第１振動子５と第２振動子６のいずれかの振動モードが横振動モードであっても良い。つまり、縦振動モード、ねじり振動モード及び横振動モードのいずれかの振動モードの振動を発生する第１振動子５と、第１振動子５と異なる振動モードの振動を発生させる第２振動子６とを備えていれば良い。 Further, in the ultrasonic composite vibration device 1 of the present embodiment, the vibration mode of the first vibrator 5 is the longitudinal vibration mode, and the vibration mode of the second vibrator 6 is the torsional vibration mode. It can be vibrated in a state where vibration and torsional vibration are combined. However, the present invention is not limited to this. For example, the vibration mode of the first vibrator 5 may be a torsional vibration mode, and the vibration mode of the second vibrator 6 may be a longitudinal vibration mode. Further, the vibration mode of either the first vibrator 5 or the second vibrator 6 may be a transverse vibration mode. That is, the first vibrator 5 that generates vibration in one of the vibration modes of the longitudinal vibration mode, the torsional vibration mode, and the transverse vibration mode, and the second vibrator 6 that generates vibration in a vibration mode different from the first vibrator 5. And should have.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to the said embodiment. Various shapes, combinations, and the like of the constituent members shown in the above-described embodiments are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the spirit of the present invention.
例えば、図２に示すように、ホーン４の軸芯方向の中央（すなわち縦振動の節とねじれ振動の節とが重なる箇所の間）に、切削刃のような加工工具７を設置する構成を採用することもできる。このような構成を採用した場合には、加工工具７を挟むようにホーン４を保持することが可能となり、加工工具７による加工を安定して行うことが可能となる。 For example, as shown in FIG. 2, a configuration in which a processing tool 7 such as a cutting blade is installed in the center of the horn 4 in the axial center direction (that is, between the points where longitudinal vibration nodes and torsional vibration nodes overlap). It can also be adopted. When such a configuration is adopted, the horn 4 can be held so as to sandwich the machining tool 7, and machining by the machining tool 7 can be performed stably.
続いて、上記実施形態の超音波複合振動装置１を用いた実験について、図３〜図６を参照して説明する。なお、本実験では、上記実施形態の超音波複合振動装置１にて面状軌跡の振動が得られるかの検討を行った。 Next, an experiment using the ultrasonic composite vibration device 1 of the above embodiment will be described with reference to FIGS. In this experiment, it was examined whether the vibration of the planar trajectory can be obtained by the ultrasonic composite vibration device 1 of the above embodiment.
本実験では、第１振動子５の共振周波数を２９．９ｋＨｚとし、第２振動子６の共振周波数を１８．８ｋＨｚとし、ホーン４を長さ１６４ｍｍ、直径４０ｍｍの一様棒（材質：Ａ２０１７）とした。縦振動とねじり振動の伝搬速度がＡ２０１７においては約５０００ｍ／ｓ、及び約３０００ｍ／ｓと異なるため、第１振動子５と第２振動子６との共振周波数は異なる値を用い、両振動の波長が一致する値としている。ホーン４の長さは、各共振周波数において各振動が１波長となる１６４ｍｍとした。これにより、ホーン４の中心は、縦、及びねじり振動の腹位置となるようした。なお、各測定のため、ホーン４の長さ方向に対して測定位置ｘを定義した。測定位置ｘは、ホーン４と第１振動子５との結合部を０ｍｍとし、ホーン４と第２振動子６との結合部を１６４ｍｍとした。 In this experiment, the resonance frequency of the first vibrator 5 is 29.9 kHz, the resonance frequency of the second vibrator 6 is 18.8 kHz, the horn 4 is a uniform bar having a length of 164 mm and a diameter of 40 mm (material: A2017). It was. Since the propagation speeds of the longitudinal vibration and the torsional vibration are different from about 5000 m / s and about 3000 m / s in A2017, the resonance frequencies of the first vibrator 5 and the second vibrator 6 are different from each other. The wavelength is the same value. The length of the horn 4 was 164 mm where each vibration had one wavelength at each resonance frequency. Thereby, the center of the horn 4 was set to be the antinode position of the vertical and torsional vibration. In addition, the measurement position x was defined with respect to the length direction of the horn 4 for each measurement. For the measurement position x, the joint between the horn 4 and the first vibrator 5 was 0 mm, and the joint between the horn 4 and the second vibrator 6 was 164 mm.
振動ユニット２の共振特性を明らかにするために、アドミタンスループの測定を行った。測定は、駆動電圧を１Ｖ、駆動周波数を各振動子の共振周波数の±１．０ｋＨｚの範囲で、両振動子に同時に印加して行った。図３は、アドミタンスループの測定結果を示すグラフである。なお、図３において、横軸はコンダクタンス、縦軸はサセプタンスを示している。図３に示すように、振動ユニット２は、２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚに共振があることがわかった。これらの共振周波数は、それぞれ縦振動の第１振動子５の共振周波数（２９．９ｋＨｚ）、及びねじり振動の第２振動子６の共振周波数（１８．８ｋＨｚ）とほぼ同じである。これより、設計通りの共振周波数が得られることがわかった。また、振動ユニット２は今回の測定範囲内では他の共振が無いことが分かった。 In order to clarify the resonance characteristics of the vibration unit 2, an admittance loop was measured. The measurement was performed by applying a drive voltage of 1 V and a drive frequency to both vibrators simultaneously within a range of ± 1.0 kHz of the resonance frequency of each vibrator. FIG. 3 is a graph showing measurement results of the admittance loop. In FIG. 3, the horizontal axis represents conductance, and the vertical axis represents susceptance. As shown in FIG. 3, it was found that the vibration unit 2 has resonances at 29.5 kHz and 18.8 kHz. These resonance frequencies are substantially the same as the resonance frequency (29.9 kHz) of the first vibrator 5 with longitudinal vibration and the resonance frequency (18.8 kHz) of the second vibrator 6 with torsional vibration, respectively. From this, it was found that the resonance frequency as designed was obtained. Further, it was found that the vibration unit 2 had no other resonance within the current measurement range.
次に、振動ユニット２の縦振動分布とねじり振動分布が一致しているかを検討するために、ホーン４における各振動分布の測定を行った。測定は上述の各共振周波数を駆動信号として、個々に第１振動子５及び第２振動子６を駆動（電力１Ｗ）させた場合の振動分布をレーザードップラ振動計（小野測器、ＬＶ−１７１０）により求めた。なお、駆動信号が２９．５ｋＨｚの場合は、縦振動分布の測定が困難であったため、縦振動の応力分布の測定を行った。図４は、振動分布の測定結果を示すグラフである。図４において、縦軸は各測定における最大値で規格化した応力とねじり振動振幅、横軸はホーン４の測定位置ｘを示している。図４に示すように、まず２９．５ｋＨｚにおける応力分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で腹となる１波長の分布となることがわかった。これより、縦振動分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で節となる１波長分布になると考えられる。一方、１８．８ｋＨｚにおけるねじり振動分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で節となる１波長の分布であることがわかった。以上より、駆動周波数が２９．５ｋＨｚの縦振動による応力と１８．８ｋＨｚのねじり振動は振幅分布が一致することがわかった。また、各振動の節位置で振動ユニット２の固定を行えることがわかった。 Next, in order to examine whether the longitudinal vibration distribution and the torsional vibration distribution of the vibration unit 2 coincide with each other, each vibration distribution in the horn 4 was measured. In the measurement, the vibration distribution when the first vibrator 5 and the second vibrator 6 are individually driven (power 1 W) using each resonance frequency as a drive signal is measured by a laser Doppler vibrometer (Ono Sokki, LV-1710). ). When the drive signal was 29.5 kHz, it was difficult to measure the longitudinal vibration distribution, so the stress distribution of the longitudinal vibration was measured. FIG. 4 is a graph showing measurement results of vibration distribution. In FIG. 4, the vertical axis indicates the stress normalized by the maximum value in each measurement and the torsional vibration amplitude, and the horizontal axis indicates the measurement position x of the horn 4. As shown in FIG. 4, first, it was found that the stress distribution at 29.5 kHz is a distribution of one wavelength that becomes an antinode near x = 40, 120 mm. From this, it is considered that the longitudinal vibration distribution becomes a one-wavelength distribution that becomes a node near x = 40, 120 mm. On the other hand, the torsional vibration distribution at 18.8 kHz was found to be a distribution of one wavelength that becomes a node near x = 40, 120 mm. From the above, it was found that the amplitude distribution of the stress due to the longitudinal vibration with the driving frequency of 29.5 kHz and the torsional vibration with 18.8 kHz coincide. It was also found that the vibration unit 2 can be fixed at each vibration node position.
次に、振動ユニット２により得られる振動軌跡を検討するために、ホーン４の中央部（ｘ＝８２ｍｍ）における振動軌跡の測定を行った。振動軌跡の測定は、２台のレーザードップラ振動計を用い、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚ（電力１Ｗ）、１８．８ｋＨｚ（電力１Ｗ）、及び２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号（電力１＋１Ｗ）を印加した３条件について行った。なお、振動軌跡の測定のため、ホーン４の中央部にネジを装着した。図５は、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚ（電力１Ｗ）、１８．８ｋＨｚ（電力１Ｗ）を印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。図６は、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号（電力１＋１Ｗ）を印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。図５及び図６において、縦軸はねじり振動振幅、横軸は縦振動振幅を示している。まず、図５に示すように、駆動信号が２９．５ｋＨｚまたは１８．８ｋＨの場合の振動軌跡は、いずれも直線軌跡の振動となっており、２９．５ｋＨｚでは縦振動、１８．８ｋＨｚではねじり振動が主となっている。一方、図６に示すように、２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号の場合の振動軌跡は、正方形を塗りつぶした面状軌跡の振動が得られることがわかった。 Next, in order to examine the vibration trajectory obtained by the vibration unit 2, the vibration trajectory at the central portion (x = 82 mm) of the horn 4 was measured. The vibration trajectory is measured by using two laser Doppler vibrometers, 29.5 kHz (power 1 W), 18.8 kHz (power 1 W), and 29. as drive signals to the first vibrator 5 and the second vibrator 6. The measurement was performed for three conditions in which a signal (power 1 + 1 W) obtained by adding 5 kHz and 18.8 kHz was applied. A screw was attached to the center of the horn 4 for measurement of the vibration trajectory. FIG. 5 is a graph showing measurement results of vibration trajectories when 29.5 kHz (power 1 W) and 18.8 kHz (power 1 W) are applied as drive signals to the first vibrator 5 and the second vibrator 6. FIG. 6 is a graph showing measurement results of vibration trajectories when a signal (power 1 + 1 W) obtained by adding 29.5 kHz and 18.8 kHz is applied as a drive signal to the first vibrator 5 and the second vibrator 6. 5 and 6, the vertical axis represents the torsional vibration amplitude, and the horizontal axis represents the longitudinal vibration amplitude. First, as shown in FIG. 5, the vibration trajectories when the drive signal is 29.5 kHz or 18.8 kHz are both linear trajectory vibrations, longitudinal vibrations at 29.5 kHz, and torsional vibrations at 18.8 kHz. Is the main. On the other hand, as shown in FIG. 6, it was found that the vibration locus in the case of a signal obtained by adding 29.5 kHz and 18.8 kHz can be obtained as a planar locus vibration in which a square is filled.
以上のように、上記実施形態の超音波複合振動装置１によれば、縦振動及びねじり振動の振幅分布は一致すること、また、両共振周波数の駆動信号を加えたとき、正方形の面状軌跡の振動を得られることが分かった。 As described above, according to the ultrasonic composite vibration device 1 of the above-described embodiment, the amplitude distributions of the longitudinal vibration and the torsional vibration coincide with each other, and when a drive signal of both resonance frequencies is added, a square planar locus It was found that the vibration can be obtained.
１……超音波複合振動装置、２……振動ユニット、３……給電制御部、４……ホーン、５……第１振動子、５ａ……第１圧電素子、６……第２振動子、６ａ……第２圧電素子、７……加工工具 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ultrasonic compound vibration apparatus, 2 ... Vibration unit, 3 ... Feed control part, 4 ... Horn, 5 ... 1st vibrator, 5a ... 1st piezoelectric element, 6 ... 2nd vibrator , 6a ...... Second piezoelectric element, 7 ... Processing tool
Claims (4)
前記第１振動子が発生する振動の周波数が、前記ホーンの軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、
前記第２振動子が発生する振動の周波数が、前記第１振動子が発生する振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている
ことを特徴とする超音波複合振動装置。 A first vibrator that generates a vibration in one of a longitudinal vibration mode, a torsional vibration mode, and a transverse vibration mode; a second vibrator that generates a vibration in the vibration mode different from the first vibrator; An ultrasonic composite vibration device comprising a first vibrator and a horn connected to the second vibrator,
The frequency of the vibration generated by the first vibrator is set to a frequency at which two or more nodes are formed in the axial direction of the horn,
The frequency of vibration generated by the second vibrator is set to a frequency at which a node overlapping the vibration node generated by the first vibrator is formed at two or more locations. apparatus.
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