JP2019058842A - 超音波機械振動伝達体 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波溶着装置で使用される超音波機械振動伝達体が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材間の中心軸合わせ精度を向上させ、かつ２つの部材間の「カジリ」の発生を大幅に低減する。【解決手段】２つの部材２０，３０は、それぞれ中心軸Ｘ−Ｘ’，Ｙ−Ｙ’およびテーパー加工された接触面２４，３４を有し、一方の部材２０の接触面２４は、中心軸Ｘ−Ｘ’を含む断面において角度αを有するようにテーパー加工され、かつ他方の部材３０の接触面３４は、中心軸を含む断面において角度３６０°−αを有するようにテーパー加工され、２つの部材は、それぞれのテーパー加工された接触面で接触固定することで中心軸を合わせることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、熱可塑性材料製などの２つの対象物に超音波機械振動を伝達して、２つの対象物の接触面に超音波機械振動による摩擦熱を発生させて、発生させた摩擦熱によって２つの対象物を溶着する超音波溶着装置で使用される超音波機械振動伝達体に関する。より詳細には、超音波機械振動伝達体が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材における新規な中心軸合わせ構造に関する。

超音波機械振動を用いて２つの対象物を溶着する超音波溶着装置は、一般に、図１に示すような超音波機械振動伝達体１を備えている。超音波機械振動伝達体１は、電気信号を入力して、入力した電気信号を圧電素子などに印加して超音波機械振動を生成するコンバータ１０と、コンバータ１０と接触しコンバータ１０からの超音波機械振動を増幅するブースター２０と、ブースター２０と接触しブースター２０からの増幅された超音波機械振動を２つの対象物４０および４０’に伝達するホーン３０とを備える。超音波機械振動が伝達された２つの対象物４０および４０’は、それらの接触面において摩擦熱が発生して、この摩擦熱によって互いに溶着する。

超音波機械振動伝達体１が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材（例えば、ブースター２０およびホーン３０）は、超音波機械振動を伝達する方向に中心軸を有する形状、例えば円柱形などの形状を有する。超音波機械振動を効率良く伝達するために、２つの部材の中心軸を合わせて接触固定することが必要である。

２つの部材の中心軸を合わせるため、図２に示すような「インロー形状」を使用する構造が知られている。すなわち、一方の部品（図２の例ではブースター２０）の一部を凹状に加工し（円柱状の中空部２２）、この凹状の部分に対してぴったりと合うように、他方の部品（図２の例ではホーン３０）の一部を凸状に加工する（円柱状の中実部３２）。まず、ホーン３０の雄ねじ部３３をブースター２０の雌ねじ部２３にねじ込んで、ホーン３０の接触面３１をブースター２０の接触面２１に接近させる。ホーン３０の接触面３１とブースター２０の接触面２１とが接触する前に、ブースター２０の円柱状の中空部２２に、ホーン３０のぴったりと合う様に加工された円柱状の中実部３２が挿入され、中心軸を合わせる。その後、ホーン３０の雄ねじ部３３を、ブースター２０の雌ねじ部２３にさらにねじ込み、ホーン３０の接触面３１とブースター２０の接触面２１とを接触させる。この様にホーン３０およびブースター２０が、中心軸を合わせて接触固定される。

この「インロー形状」を使用する構造によって、ホーン３０およびブースター２０の取り付けや位置決めが容易になるとともに、中心軸合わせの誤差を低減することができた。なお、ブースター２０の接触面２１は、ブースター２０の中心軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直な面であり、またホーン３０の接触面３１は、ホーン３０の中心軸Ｙ−Ｙ’に対して垂直な面である。

ところで、インロー形状を使用する構造によって２つの部材の中心軸を合わせると、ぴったりと合う様に加工された凹部と凸部との間の寸法公差上のクリアランスが必然的に発生していた。例えば、図２に示されるブースター２０の円柱状の中空部２２の例では、直径１９ｍｍの設計値に対して、＋０．０２ｍｍ〜０ｍｍのクリアランスを有するように、またホーン３０の円柱状の中実部３２は、直径１９ｍｍの設計値に対して、−０．０１ｍｍ〜−０．０３ｍｍのクリアランスを有するように設計されていた。したがって、円柱状の中空部２２と円柱状の中実部３２との間の寸法公差上のクリアランスは、最小０．０１ｍｍから最大０．０５ｍｍとなる。

必然的に発生するこのクリアランスに起因して、ブースター２０およびホーン３０の組み付け精度（中心軸合わせの精度）の再現性が低下していた。中心軸合わせの精度の低下にともない、ブースター２０からホーン３０へ超音波機械振動の伝達におけるエネルギー効率が低下していた。

この課題を解決するために、「インロー形状」を使用する構造においてぴったりと合う様に加工された凸部および凹部のクリアランスをより小さく設計することが考えられる。しかしながら、クリアランスの小さな部分の製造は難しく、さらに、使用時に２つの部材が焼き付いて外れなくなる「カジリ」（２つの部品間の凝着）を生じるという問題があった。一旦「カジリ」が生じると、２つの部材を分離することが難しくなるため、超音波機械振動伝達体１のメンテナンス性が低下するとの課題があった。

超音波機械振動伝達体が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材の中心軸を合わせて接触固定する従来技術の一例が、特開２００９−１８９９０８号公報に開示されている。この従来技術において、ホルダー（本発明におけるホーン２０に対応する）が、ねじの締め付けによる自身の変形を吸収する隙間を有するものである。この従来技術は、インロー形状を使用して中心軸合わせを行うものであり、「カジリ」の発生を避けることはできないものである。

超音波溶着装置で使用される超音波機械振動伝達体が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材を、インロー形状を使用して中心軸を合わせて接触固定する構造では、「カジリ」の発生を避けながら中心軸合わせの精度を満足することは困難であった。したがって、特に中心軸合わせ精度（同軸度）に対する要求が厳しい超音波機械振動を伝達する２つの部材において、インロー形状を使用しない新規な中心軸合わせ構造が望まれていた。

特開２００９−１８９９０８号公報

本発明は、超音波溶着装置で使用される超音波機械振動伝達体が備える超音波機械振動を伝達する２つの部材間の中心軸合わせ精度を向上させ、かつ２つの部材間の「カジリ」の発生を大幅に低減する中心軸合わせ構造を提供することを課題とするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、新規な中心軸合わせ構造を用いて超音波機械振動伝達体が備える２つの部材を接触固定することを特徴とする。ここで、新規な中心軸合わせ構造とは、超音波機械振動を伝達する２つの部材において互いに接触する接触面（溶着あて面）を、中心軸を含む断面においてそれぞれ所定の角度にテーパー加工して、これらのテーパー加工された接触面を用いて中心軸合わせを行うものである。

より具体的には、超音波機械振動を用いて２つの対象物を溶着する超音波溶着装置が備える超音波機械振動伝達体であって、超音波機械振動伝達体が、超音波機械振動を伝達する２つの部材を備え、２つの部材は、それぞれ超音波機械振動を伝達する方向に一致する中心軸と、２つの部材が接触するテーパー加工された接触面とを有し、
一方の部材の接触面は、中心軸を含む断面において角度αを有するようにテーパー加工され、かつ他方の部材の接触面は、中心軸を含む断面において角度３６０°−αを有するようにテーパー加工され、２つの部材は、それぞれのテーパー加工された接触面で接触固定することで中心軸を合わせることを特徴とする。

好ましくは、角度αは、１２０°〜１６０°の範囲であり、より好ましくは、角度αが、１５０°であることを特徴とする。

超音波機械振動伝達体の構成のブロック図を示す。 インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンの断面図を示す。 テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンの断面図を示す。 テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンを斜視図で示す。 テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンを、中心軸を合わせて接触固定する工程における途中の段階を斜視図で示す。 インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンと、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースターおよびホーンとを超音波溶着装置に組み込んだときの、加圧力に対するエネルギー値のグラフを示す。 テーパー加工した接触面のテーパー角度に応じたホーン先端面における相対振幅値および接合部の径方向の相対最大変位のグラフを示す。

以下、本発明の実施の形態を図３〜図７に基づいて説明する。

図３〜図７に示される実施の形態において、中心軸を合わせて接触固定される２つの部材は、ブースター２０およびホーン３０である。しかしながら、２つの部材は、ブースター２０およびホーン３０に限らず、コンバータ１０およびブースター２０であっても良い。また、テーパー加工された接触面を用いて中心軸を合わせて接触固定する構造は、超音波溶着装置で使用される超音波機械振動伝達体が備える部材だけに適用されることに限定されず、ねじ結合によって接触固定される任意の２つの超音波共振体に適用することもできる。

図３は、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０の断面図を示す。ブースター２０は、テーパー加工した接触面２４を備え、またホーン３０は、テーパー加工した接触面３４を備えている。図３に示される実施の形態では、ブースター２０の接触面２４のテーパー角度αは、中心軸Ｘ−Ｘ’を含む断面において、１５０°であり、一方、ホーン３０の接触面３４のテーパー角度βは、中心軸Ｙ−Ｙ’を含む断面において、２１０°である。したがって、β＝３６０°−αの関係になっている。

図４に、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を斜視図で示す。図４に示されるブースター２０は、テーパー加工した接触面２４と、接触面２４の外側に存在して中心軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直な平面部２６と、接触面２４の内側に存在して中心軸Ｘ−Ｘ’に対して垂直な平面部２５とを備える。平面部２５のさらに内側の円筒状の空洞内には、雌ねじ部２３が形成されている。図４に示されるホーン３０は、テーパー加工した接触面３４と、接触面３４の内側の中心軸Ｙ−Ｙ’に対して垂直な平面部３５と、平面部３５の中央に設けられた雄ねじ部３３とを備える。

図５に、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有する２つの部材を接触固定する工程における途中の段階、すなわち、ブースター２０の雌ねじ部２３に、ホーン３０の雄ねじ部３３をねじ込んでいる工程における途中の段階を斜視図で示す。ホーン３０のテーパー加工した接触面３４は、ブースター２０のテーパー加工した接触面２４に接近しているが、接触はしていない。

図３〜図５に示される実施の形態における、ブースター２０およびホーン３０を接触固定する工程は、以下の通りである。まず、図５に示されるように、ホーン３０の雄ねじ部３３をブースター２０の雌ねじ部２３にねじ込んで、ホーン３０のテーパー加工した接触面３４をブースター２０のテーパー加工した接触面２４に接近させる。さらにねじ込むことによって、ホーン３０のテーパー加工した接触面３４が、ブースター２０のテーパー加工した接触面２４に接触して、ホーン３０およびブースター２０が、中心軸を合わせて接触固定されることになる。すなわち、テーパー加工した接触面同士が接触することによって、２つの部材の中心軸合わせが行われることになる。

なお、２つの部材のテーパー加工した接触面の当たりに関しては、テーパー加工した接触面の全面同士での当たりが理想的であるが、それでは接触面のテーパー加工の精度要求がかなり厳しくなる。そこで、小端（径方向の寸法が小さい側のテーパー面）での合わせより、大端（径方向の寸法が大きい側のテーパー面）での合わせが望ましい。

角度αにテーパー加工した接触面を有する部材と、角度３６０°−αにテーパー加工した接触面を有する部材とを接触固定すると、組み付け時の中心軸合わせの精度を確保できると同時に、一旦２つの部材を取り外した後で、再度取り付ける際にも中心軸合わせの再現性を確保できるという効果を奏し得ることができる。さらに、「インロー形状」を使用する中心軸合わせ構造と比べて、２つの部材間の「カジリ」の発生を大幅に低減できるために、メンテナンス性は良好である。

次に、図６は、インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０、およびテーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０をそれぞれ超音波溶着装置に組み込んだときの、ホーン３０から対象物４０に加えられる加圧力（単位：Ｎ）に対する、対象物４０に伝達される超音波エネルギー値（単位：Ｊ）のグラフを示す。

ここで、図６における×印は、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を組み込んだ超音波溶着装置における測定結果であり、ブースター２０の接触面のテーパー角度αが、１５０°であり、ホーン３０の接触面のテーパー角度βが、２１０°（３６０°−１５０°）であった。一方、図６における○印は、インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を組み込んだ超音波溶着装置における測定結果である。

超音波溶着装置に組み込まれたブースター２０およびホーン３０の材料は、両方ともアルミニウムであるか、あるいは両方ともチタンである。ブースター２０は、ほぼ円柱形状を有し、直径は約５０ｍｍであり、かつ長さは約１３０ｍｍであった。ホーン３０は、対象物と実際に接触する先端部を除いてほぼ円柱形状を有し、直径は約３８ｍｍであり、かつ長さは約１３０ｍｍであった。なお、ホーン３０は、ブースター２０との接触箇所とホーン３０の先端部との間の所定位置まで円柱形状であり、当該位置から先端部に向かって直方体に変移する形状を有していた。

同一のコンバータ１０を使用して、ホーン３０の中心軸Ｙ−Ｙ’の方向に伝達される超音波縦機械振動を、Ｙ−Ｙ’方向に対して垂直に配置される２つの対象物４０、４０’に伝達することによって、２つの対象物４０、４０’の接触面間に摩擦熱を発生させて、この摩擦熱によって２つの対象物４０、４０’を溶着した。

図６の結果から明らかなように、インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を組み込んだ超音波溶着装置と、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を組み込んだ超音波溶着装置とでは、加圧力に対する超音波エネルギー値に大きな差異は見出されなかった。さらに、超音波機械振動による加圧溶着の実験で、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を組み込んだ超音波溶着装置において、ブースター２０およびホーン３０に発熱、焼き付き、および異音などの問題となる現象は発生しなかった。したがって、テーパー加工した接触面を使用する中心軸合わせ構造を有するブースター２０およびホーン３０を超音波溶着装置に組み込んでも、超音波機械振動伝達体の機能を何ら損なうことなく、ブースター２０およびホーン３０の中心軸合わせ精度が向上するとともに、ブースター２０およびホーン３０間の「カジリ」の発生を大幅に低減することができることが実証された。したがって、製造コストを抑えながら、２つの部材間の超音波機械振動の伝達におけるエネルギー効率が高く、かつこのような２つの部材を備える超音波機械振動伝達体１のメンテナンス性は良好である。

なお、超音波機械振動の共振周波数は、２０ｋＨｚに制限されることなく、１０ｋＨｚ〜６０ｋＨｚなどの広範な範囲の共振周波数に適応可能である。また、超音波機械振動を伝達する部材の材料は、アルミニウム製またはチタン製に限らず、鋼製、または超音波機械振動を伝達する部材に使用される任意の他の材料製であっても良い。

図７に、ブースター２０の接触面２４のテーパー角度αに応じた、ホーン３０の先端面（対象物と接触する面）における相対振幅、およびブースター２０とホーン３０との接合部における径方向の相対最大変位の計算結果を示す。

図７に示される計算結果は、インロー形状を使用する中心軸合わせ構造を有する２つの部材（テーパー角度αが１８０°）に対する相対値を示す。ホーン３０の先端面における相対振幅値（図７において丸形で示される）は、テーパー角度αが６０°未満になると（鋭角になると）、大きく下がり、超音波機械振動の伝達効率が低下することが分かる。また、接合部における径方向の相対最大変位（図７において三角形で示される）は、テーパー角度αが１２０°未満になると大きく変化することが分かる。以上の結果から、テーパー角度αは、６０°〜１８０°が適用可能な角度範囲であるが、特に、１２０°〜１６０°の角度範囲が好ましく、さらに、１５０°の角度が好適であることが分かる。このテーパー角度であれば、超音波機械振動の伝達効率および接合部における径方向の変位を許容範囲にしながら、中心軸合わせ精度を向上させ、かつ「カジリ」の発生を大幅に低減することができる。

ブースター２０の接触面２４の外側の平面部２６および内側の平面部２５は、ホーン３０に接触せず、ブースター２０のテーパー加工された接触面２４とホーン３０のテーパー加工された接触面３４だけが接触する。したがって、超音波機械振動の伝達性能を悪化させないために、ブースター２０の接触面２４の面積が、所定の範囲の面積を有する必要がある。具体的には、ブースター２０の接触面２４の面積は、ブースター２０がホーン３０と向かい合う全体の面積（ブースター２０の外側の平面部２６の面積、接触面２４の面積、内側の平面部２５の面積、および雌ねじ部２３が形成される円筒状の空洞の断面積を合計した面積）の４０％以上であり、かつ９０％以下が好ましい。

ホーン３０は、その中心軸Ｙ−Ｙ’を含む断面において、ホーンの側面が直線を形成する円柱形状に限定されることはない。ホーン３０は、その中心軸Ｙ−Ｙ’を含む断面においてホーン３０の側面が指数関数または懸垂曲線を形成する形状であっても良い。また、ホーン３０の先端部が直方体形状を有するものであっても良い。

１ 超音波機械振動伝達体
１０ コンバータ
２０ ブースター
２１ 中心軸に対して垂直な接触面
２２ 円柱状の中空部
２３ 雌ねじ部
２４ テーパー加工した接触面
２５、２６ 中心軸に対して垂直な面
３０ ホーン
３１ 中心軸に対して垂直な接触面
３２ 円柱状の中実部
３３ 雄ねじ部
３４ テーパー加工した接触面
３５ 中心軸に対して垂直な面
４０、４０’ 対象物
Ｘ−Ｘ’、Ｙ−Ｙ’ 中心軸

Claims (3)

1. 超音波機械振動を用いて２つの対象物を溶着する超音波溶着装置が備える超音波機械振動伝達体であって、前記超音波機械振動伝達体が、超音波機械振動を伝達する２つの部材を備え、
   前記２つの部材は、それぞれ超音波機械振動を伝達する方向に一致する中心軸と、２つの部材が接触するテーパー加工された接触面とを有し、
   一方の部材の接触面は、中心軸を含む断面において角度αを有するようにテーパー加工され、かつ他方の部材の接触面は、中心軸を含む断面において角度３６０°−αを有するようにテーパー加工され、
   前記２つの部材は、それぞれのテーパー加工された接触面で接触固定することで中心軸を合わせることを特徴とする、超音波機械振動伝達体。
2. 前記角度αが、１２０°〜１６０°の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の超音波機械振動伝達体。
3. 前記角度αが、１５０°であることを特徴とする、請求項２に記載の超音波機械振動伝達体。

Images