JP2020137104A

JP2020137104A - 平板状の超音波振動子とその支持方法

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Publication number: JP2020137104A
Application number: JP2019044250A
Authority: JP
Inventors: 大西　一正; Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: UWAVE KK
Current assignee: UWAVE KK
Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-02-21
Publication date: 2020-08-31

Abstract

【課題】平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供する。【解決手段】超音波振動子１の金属を、中央部２、側部３及び接続部４の各部に区分した。超音波振動子１の中央部２の鋼（ｓ４５ｃ）の表裏面に圧電素子６（ＰＺＴ）を接着剤により接合する。中央部２の鋼（ｓ４５ｃ）の長さが最も大きい。中央部２を中心として側部３を両側に対称に設け、そして中央部２と側部３を接続部４により接続する。これらの超音波振動子の中央部２、側部３そして接続部４は一体の鋼（ｓ４５ｃ）で製作される。【選択図】図１

Description

本発明は、平板状の金属体に圧電素子を接合した超音波振動子とその支持方法に関する。

従来より、図６に示す平板状の超音波振動子は、金属製の平板に圧電素子を接合して作成する。そして図６に示すように矢印に示す振動方向する。他の装置に超音波振動子を支持固定する際は、中央の振動の節部に直交する位置に突起を設け、その突起を支持する。また、平板状の超音波振動子は、特許文献１に記載してあるように平板形状の超音波モータに用いることが多い。

しかしながら、縦振動モードにおいての超音波振動子の中央部にある突起部だけを支持するものであるので支持剛性が小さく、特に超音波振動子の中心点を中心する回転モーメントに対する負荷には支持剛性が小さい。したがって、大きな負荷が加わる機械加工用の超音波振動子として用いることが困難である。

特開２００８−１８７７５６

従って本発明の目的は、平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供することにある。

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子とするものである。

平板状の超音波振動子において、側部３の長さＬ２が中央部２の長さＬ１より小さいことであり、望ましくは、側部３の長さＬ２が超音波振動子の中央部２の長さＬ１の８０％以下であるものである。

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子とするものである。

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を複数個持つ一体の金属により製作した超音波振動子とするものである。

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を１個以上持つ一体の金属で、その中心に穴を持ち回転する超音波振動子とするものである。

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子の中央部の先端部に切削具を装着する超音波振動子とするものである。

本発明の平板状の超音波振動子とその支持方法を用いることにより、超音波振動子の支持剛性が大きくなるため負荷の大きい機械加工に用いることができる。

本発明の平板状の超音波振動子とその振動モードを説明する図である。図１の平板状の超音波振動子に設けた支持部により支持する図である。本発明の平板状の超音波振動子に工具を装着した図である。複数個の平板状の超音波振動子を持つ構成を説明する図である。回転板に平板状の超音波振動子を持つ図である。従来の平板状の超音波振動子とその支持方法を説明する図である。

（平板状の超音波振動子の振動モード）
以下、本発明に関わる平板状の超音波振動子１の構成と、振動モードについて説明する。

図１（Ａ）の平面図と図１（Ｂ）の側面図とで示す平板状の超音波振動子１を示す。超音波振動子１は一体の平板状の鋼（ｓ４５ｃ）に圧電素子６を接合したものであり、そして図をわかりやすくするため破線を用いて、超音波振動子１の金属を、中央部２、側部３そして接続部４の各部に区分した。中央部２の鋼（ｓ４５ｃ）の表裏面に圧電素子６（ＰＺＴ）を接着剤により接合する。中央部２の鋼（ｓ４５ｃ）の長さは、他の部材に比較して最も大きい。

超音波振動子の中央部２を中心として側部３を両側に対称に設け、そして中央部２と側部３を接続部４により接続する。これらの中央部２、側部３そして接続部４は一体の鋼（ｓ４５ｃ）で製作される。製作法は種々あるが、レーザー加工機、放電加工機そしてマシニングセンタによる加工が一般的である。

次に図１の平板状の超音波振動子１の振動モードについて説明する。平板状の超音波振動子１をスポンジまたは発泡ウレタンの上に置き、ほぼ拘束なし（自由振動）に近い条件で図１の矢印で示すような縦１次振動モードで振動させる。その結果、超音波振動子１の中央部２の黒塗りにした部分と側部３の両端部の黒塗りにした部分にほぼ振動しない部分つまり振動の節部７となり、側部３は曲線で示す振動が生じる。

超音波振動子の中央部２の振動を、できるだけ側部３に伝搬させず、かつ中央部２と接続部４の機械的な強度の大きい接続を達成するために、超音波振動子の中央部２と側部３の間に網線で示した孔部６を設ける。

また、網線で示した孔部５は空間であるが、孔部５は小さい穴の集合、貫通しない溝などでもよい。孔部５の作用は、超音波振動子１の中央部２の振動を側部３に伝搬させることを小さくするためであり、同様な作用をする構成なら別の構成でもよい。

そして先に述べた超音波振動子１の側部３の４個の節部を支持することにより機械的剛性の大きい支持をすることができる。

（振動モードの説明）
本発明の平板状超音波振動子１の振動モードを励起させるための条件として、まず側部３の長さＬ２が中央部２の長さＬ１より小さいことであり、望ましくは、側部３の長さＬ２が超音波振動子の中央部２の長さＬ１の８０％以下であることが望ましい。

超音波振動子１の中央部２の共振周波数周波数は、側部３の共振周波数周波数より小さい。したがって、中央部２と側部３が分離していれば、縦１次振動モードにおいて、中央部２の共振周波数で駆動すれば、側部３はほとんど振動しない。

超音波振動子の中央部２だけをできるだけ振動させるには、側部３との接続の影響をできるだけ小さくする。そして、前記の条件で両者の剛性を高めた接続するためには、側部３の両端部を中央部２に接続することである。さらに接続を高めるためには接続部４を大きくするか、接続部４の数を大きくすることである。

一方、超音波振動子１の中央部２と側部３が分離されていれば、中央部２は自由に振動できるが、中央部２の黒塗りで示す節部を支持しなければならない。つまり従来例である図６のようなフランジ部１０を設けてフランジ部１０を支持することになるが支持剛性が小さいため機械加工に用いるには適さない。

（平板状の超音波振動子の支持部）
図１に示す超音波振動子１では、支持するために側部３の端部の４か所を支持しなければならない。そこで支持の自由度を高めるために図２に示す側部３の端部の４か所と接続する支持部８を一体の鋼（ｓ４５ｃ）で製作する。また、ここでは超音波振動子の材料として鋼（ｓ４５ｃ）を用いたが、ステンレス、リン青銅、チタン合金などの金属材料でもよい。

図２（Ａ）は支持部７を持った超音波振動子１の平面図であり、図２（Ｂ）は、その側面図である。支持部７を持った超音波振動子１をスポンジまたは発泡ウレタンの上に置き、拘束なし（自由振動）に近い条件で図２の矢印で示すような縦１次振動モードで振動させる。その結果、超音波振動子の中央部２の黒塗りにした部分と側部３の両端部の黒塗りにした部分そして網線で示した支持部７の全体がほぼ振動の節部７になる。したがって、支持部８のどこでも支持できるので、大幅に支持の自由度が大きくなる。

（平板状超音波振動子の用途）
発明した平板状の超音波振動子１は、様々な機械加工に用いることができる。まず、図３（Ａ）は平板状の超音波振動子の先端部の側面に切削チップをネジにより取付けたものである。

図３（Ｂ）は、平板状超音波振動子の中央部２の先端にスリットを設け、そのスリットに薄い金属刃物を入れ、ボルトにより締付けることにより装着した。

（並列に接続した複数個の平板状超音波振動子）
図４（Ａ）は複数の平板状超音波振動子１を接続した平面図であり、図４（Ｂ）はＡ−Ａ線での断面を示す図である。平板状の一体のチタン合金をレーザー加工機により穴加工して図の形状を作成する。次に中央部２の両面に圧電素子６をエポキシ樹脂により接着して図４の構成を作成する。平板状の超音波振動子１の平板面に沿って往復運動させることにより、効率的な機械加工ができる。

（回転板に設けた平板状超音波振動子）
図５に示すように平板状の回転板に本発明の平板状の超音波振動子１を設けることもできる。回転板を放電加工機により黒塗りで表す孔部５を設ける。そして、形成された中央部２に圧電素子６をエポキシ樹脂により接着する。この構成を切断機、研磨機などの回転軸に取付けて超音波加工ができる。

本発明の平板上の超音波振動子は、機械加工装置として超音波カッター、超音波スライサー、超音波研磨機など様々な超音波加工機として用いることができる。

１超音波振動子
２中央部
３側部
４接続部
５孔部
６圧電素子
７振動の節部
８支持部
９切削具
１０フランジ

Claims

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合することを特徴とする超音波振動子。
側部の長さＬ２が中央部の長さＬ１より小さいことであり、望ましくは、側部の長さＬ２が超音波振動子の中央部の長さＬ１の８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波振動子。
平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を複数個持つ一体の金属により製作したことを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波振動子。
平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を１個以上持つ一体の金属で、その中心に穴を持ち回転することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波振動子。
平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子の中央部の先端部に切削具を装着することを特徴とする請求項１及び請求項２に記載の超音波振動子。