JP3650158B2 - 振動部材装着装置及び振動部材を装着する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高周波振動部材と振動部材のための装着手段とから成る振動部材装着装置及び振動部材の装着方法に係り、一層詳細には、ワークピースへ音波若しくは超音波の周波数範囲に於ける高周波振動を伝えるために用いられる機械的インピーダンス変換器、ソノトロード、ホーン、工具、集中装置、結合器などとも知られる固体共振器のための装着装置及び方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
高周波振動は、熱可塑製部品、溶接金属部品、ガラス若しくはセラミックのワークピースからなる研摩加工スラリーを結合するために用いられる。これらの振動部材の構成及び用法は、「超音波エンジニアリング（“Ｕltrasonic Ｅngineering”(book) by Ｊulian Ｒ．Ｆrederick，Ｊohn Ｗiley ＆ Ｓons ，Ｎew Ｙork ，N.Y.(1965)，pp．89-103）に詳しく記載されている。
【０００３】
振動部材は、その作動時に於て所定の周波数の高周波振動が長手方向に伝わるよう半波長共振体として共振する。振動部材のための装着手段は、かかる振動部材の作動を損なうことなくその振動が装着手段から実質的に分離されるよう構成されていなければならない。かかる分離がなされていないと、振動エネルギの損失が生じ、装着手段や、機械のうち振動のある状態が非常に望ましくないその他の部分へ振動が伝わることとなる。
【０００４】
振動部材の固定支持部への装着は、通常、支持手段を設けることによりなされる。支持手段と振動部材との係合は、高周波振動が振動部材を通ってその長手方向軸線に沿って一方の端に於ける放射方向に置かれた入力表面から他方の端に於ける放射方向に置かれた出力表面へ向って伝達される際に、振動部材に於て生ずる節領域若しくは腹領域に於て成される。このような状態のもとで半波長共振体を仮定すると、入力表面と出力表面に於て振動の腹領域が存在し、それら腹領域の中間の領域に於て振動の節領域が存在することとなる。節領域の正確な位置は、共振体の機械的構成に依存している。節領域に於て振動は実質的に放射方向に向った振動として現れる。
【０００５】
振動の腹領域にて振動部材に係合する可撓性金属要素を用いた装着手段が、例えば、米国特許第３，７５２，３８０号明細書「振動溶接装置」（“ＶibratoryＷelding Ａpparatus”）」に開示されている。その構成の欠点は、振動部材が少なくとも１全波長の長さでなければならないということにある。
【０００６】
振動部材に結合されるその他の装着手段は、米国特許第２，８９１，１７８号明細書、同第２，８９１，１７９号及び同第２，８９１，１８０号の「振動装置のための支持部（“Ｓupport for Ｖibratory Ｄevices”）」に示されている。これらの特許は、振動部材に腹領域にて係合する種々の分離手段を開示している。分離手段は、１／４若しくは１／２波長の長さの同調された要素を含んでいる。これらの装着手段は、それらが複雑であり空間を多く要するということから広く受入れられておらず、市販の装置としては殆んど見られない。
【０００７】
上記の欠点から、振動部材を節領域にて支持する幾つかの装着手段が開発されている。現在広く利用されている構成では、振動部材に薄いフランジが設けられており、薄いフランジは、かかる振動の節領域から放射方向に突出している。エラストマ材からなるＯリングがフランジの何れかの側に配置され、それら全ては、二片の金属製環状リング内に覆われている。米国特許第４，６４７，３３６号明細書を参照。エラストマ材Ｏリングは、ハウジングに固定されている環状リングに対して振動部材の節領域に存在する振動を低減するよう機能する。しかしながら、この構成は広く使われているが、幾つかの固有の問題を有している。Ｏリングは、摩耗され易く、又、弾性的なリングでは、振動部材を精密な作業に利用する場合、特に、振動部材が軸線方向若しくは横方向に応答して移動するようになっている場合に於て所望の剛性を得ることができない。
【０００８】
上記の問題を解決するために、より大きな剛性の得られる金属製の節領域装着手段が開発されている。しかしながら、現在利用されている構成は、重大な欠点を有している。一つの構成に於ては、振動部材と金属製の分離フランジが単一の部品から作られており、複雑で且費用のかかる加工作業が必要となる。別の構成では、棒状ストックから機械的に加工され、比較的大きな空間を必要とする一つのＬ型フランジが用いられている。
【０００９】
【発明の概要】
本発明は、振動部材のためのコンパクトで且単純な金属製装着部材を開示する。振動部材には、その節領域に於て放射方向に延在する円筒状フランジが設けられる。把持手段が振動部材を囲繞する。一対の円筒状の可撓性チューブが設けられ、チューブの各々について、その一方の端はプレスフィットによりフランジの対応する側へ固定され、かかるチューブの他方の端は、プレスフィットにより把持手段へ固定される。把持手段は、軸線方向に互いに固定された二つの半体を含んでいる。更に、両方の把持手段の半体は、フランジ上に配置された対応する着座表面に各々のチューブを押付けるための放射方向表面を有している。円筒状のチューブは、振動部材が節領域に於て放射方向に振動する際にチューブが放射方向に撓むことができるような壁厚及び軸線方向の長さを有する。従って、チューブは、静止したハウジング内にて支持された把持手段から振動部材の振動を分離する。
【００１０】
本発明の一つの目的は、振動部材のための新しい改良された装着手段を提供することである。
【００１１】
本発明のもう一つの目的は、振動部材、特に半波長共振体として共振するようになった共振部材のための新しい改良された堅い装着手段を提供することである。
【００１２】
本発明のもう一つの重要な目的は、振動部材が或る所定の周波数にて共振された際に節領域となる領域にて該振動部材へ接続される金属製装着手段を提供することである。
【００１３】
本発明の更なる目的は、半波長共振体として共振するよう構成された振動部材のための装着手段であって、振動部材の節領域にて現れる振動を該振動部材を囲繞する実質的に固定された把持手段から分離するための一対の円筒状チューブを含んでいる装着手段を提供することである。
【００１４】
本発明のもう一つの更なる目的は、振動部材のための金属製の堅い装着手段であって、かかる振動部材にその節領域にて係合し、構成が簡単なこと及びコストが低いことで特徴付けられる装着手段を提供することである。
【００１５】
本発明の更なるもう一つの目的は、振動部材のための節装着部であって、振動を分離するための弾性的リングを用いた従来の手段よりも大きな剛性を示し且その出力損失が低い装着手段を提供することである。
【００１６】
本発明のその他の目的は、添付の図面と共に以下の説明からより明らかになるであろう。
【００１７】
【実施例】
以下に於て記載される装着手段は、細長い共振体であって、その長手方向に或る所定の周波数の高周波振動が伝わる際に半波長共振体として共振するよう定寸された共振体を、長手方向の振動の節領域にて装着するのに適したものである。典型的な工業用装置に於ては、或る所定の周波数とは、超音波領域、例えば２０kHz であり、装置は、三つの振動部材の積重体、即ち、印加された電気的高周波数エネルギを機械的振動へ変換するための電気音響変換器と、「ブースターホーン」としても知られる中間結合器と、出力ホーン、工具、ソノトロード等の積重体を含む。変換器からの振動は、中間結合器により受け取られ、同じ強度若しくは増大された強度にて出力ホーン等に伝えられ、ついでワークピースへ伝えられる。作動するためには、積重体の全ての部材は、前記の所定の周波数にて共振するような寸法に構成されている。ブースターホーンは、機械的インピーダンス変換器として機能するほかに、殆んどの場合に於て、静止したハウジング内に於て積重体を支持するための手段としての機能を果す。以下の記述は、ブースターホーンに関連した装着手段を説明するものであるが、本発明は、類似の性質を有するその他の振動部材にも適用可能である。
【００１８】
特に図１を参照すると、広く用いられている従来の技術に於ける装着手段が示されている。符号１０は、典型的なブースターホーンの本体を示す。ブースターホーンは、アルミニウム若しくはチタニウムから構成され、長手方向の振動の節領域に於て放射方向に延在するフランジ１２が設けられている。エラストマ材のＯリング１４及び１６が設けられており、一つのリングは、フランジ１２の一方の側にあり、リング及びフランジの双方は、一組のＬ型環状金属リング１８及び２０内に囲まれている。金属リング１８及び２０は、一組の放射方向ピン２２によって互いに固定されている。エラストマリングは、振動部材（ブースターホーン）の振動を、更に大きなハウジング（図示せず）に配置された円形溝内に挿入され且それにより支持された囲繞支持リング１８及び２０から分離する機能を果す。
【００１９】
従来の技術に於ける装着手段がＯリングの弾性に起因する積重体の剛性について固有の欠点を有しているということ、又、Ｏリングが振動エネルギの散逸により老化し摩耗し易いということは理解されるであろう。
【００２０】
改良された、所謂堅い節装着手段の構造が図２及び図３に示されている。ブースターホーン２４、即ち細長い丸い本体には、放射方向に置かれた入力表面２６が設けられ、入力表面２６は、電気音響変換器の出力表面へ機械的に接続され、そこから機械的高周波振動を受入れるようになっている。反対の放射方向に置かれた出力表面２８は、振動をホーンの入力表面へ与え、次いで振動をワークピースへ伝える。上記の文献を参照。ここに示されているブースターホーンは、符号３０にて概ね示された、入力表面２６から出力表面２８へ伝達される振動についての機械的増幅器として機能する利得部分を有する。
【００２１】
所定の周波数の振動が伝達されると、ブースターホーンは、半波長共振体として共振され、かかる振動の節領域が入力表面及び出力表面に存在する腹領域の概ね中間に現れる。既に述べた如く、節領域の正確な位置は、ホーンの構造に依存している。図２に示されている如く、環状フランジ３２は、ホーンの節領域から放射方向に突出する。フランジ３２の各々の側には、同一の着座手段３４及び３６が設けられ、それらは、対応する可撓性チューブ３８及び４０の一方の端を受入れる。各々のチューブの他方の端は、把持手段４２及び４４の対応する半体に着座される。一組のねじ４６は、把持手段の半体を互いに固定する。把持手段の外側表面４８は、より大きなハウジングの円形溝内に装着されるよう構成され、これによりハウジングは振動部材、即ち共振体の積重体を支持する。
【００２２】
チューブ３８、４０の外端は、図３に示す如く、把持手段の半体の対応する円筒状表面５０及び５２に対するプレスフィットを有する。着座部材３４及び３６は、Ｌ字形状となっている。着座手段の軸線方向に配置された円筒状の表面５４及び５６の寸法は、チューブ３８及び４０の内端に対するプレスフィットを構成するようになっている。プレスフィットを達成するために、各々の面取りされた表面５８及び６０が表面５４及び５６上にてチューブを案内するべくフランジ３２の各々の側に配置されている。
【００２３】
装着手段は、各々のチューブの一方の端を把持手段の半体４２及び４４の対応する一方の端へ押付けることによって組立てられる。表面５０及び５２が、チューブの外側直径よりも僅かに小さい内側直径を有するよう加工されていることにより、既に述べた如く、プレスフィットがなされる。把持手段の半体が、その中に強固に押付けられたチューブと共に、図３に示す如くブースターホーンの周りに配置され、ねじ４６を締結することによって互いに閉じた状態となる。チューブ３８及び４０の内端は、対応する面取りされた表面５８及び６０上にて案内され、隣接する軸線方向表面５４及び５６上に押し付けられる。表面５４及び５６は、チューブ３８及び４０の内径よりも僅かに大きい直径を有する。把持手段の半体の各々の放射方向表面６１及び６２は、関連するチューブへ力を与え、ねじが閉められると、チューブは、面取りされた表面と、隣接した円筒状表面上を摺動し着座手段３４及び３６の放射方向表面上へ押付けられる。
【００２４】
プレスフィットにより、チューブの内端が、フランジに対して相対的に運動することが抑えられ、外端が把持手段に対し相対的に移動することが抑えられる。典型的な場合、チューブは、アルミニウムから構成され、実質的に静止した把持手段から振動部材の節領域に於て現れる振動を分離するべく撓む若しくは放射方向に曲がるような寸法に構成された軸線方向の長さ及び壁厚となっている。ホーンが２０kHz の超音波周波数にて共振されるような寸法に構成されている典型的な実施例に於ては、各々のチューブは、１１．４３mmの軸線方向長さを有し、５５．４mmの外径及び１．２９mmの壁厚を有する。図２及び図３から明らかな如く、チューブと把持手段との中間には、節領域に於けるホーンの放射方向運動により要求される如く、チューブが放射方向に撓み、静止した把持手段からブースターホーンの振動を分離することができるように充分なクリアランスが設けられる。
【００２５】
本発明の構成に於ける利点は単純であるということである。しかしながら重要なことは、図２の改良された装着手段が図１の従来の技術に於ける構成と同一のハウジングへ機械的に適合するということである。この特徴は、既に備え付けられている装置から改良された性能を引出すことができるという点で重要である。
【００２６】
図４、図５及び図６は、ここに開示された新しい装着手段によって得られる改良された結果を示す。図４は、前記の積重体に於て測定された横方向の振れと側方荷重についての関係を示す。振れは、出力ホーンの中央部分若しくは節領域に於てmm単位で測定されている。荷重は、キロニュートンで測定されている。曲線７０は、図１に示すＯリングの組立体を示し、曲線７２は、図２に示されている堅い装着構造を持って達成された大幅に低減された振れを示す。図５は、積重体に於ける出力損失と軸線方向荷重との関係を示す。曲線７４は、エラストマ材からなるリングの構造上に於て得られた測定値を示し、曲線７６は、図２に於ける構造についての大幅に低減された出力損失を示す。曲線７４に於ける大きな出力損失は、基本的にはＯリングの剛性の増大によるものである。図６は、振れと軸線方向荷重との関係を示す。再度、曲線７８は、弾性的な装着構造に関したものであり、曲線８０は、図２に於て示されている堅い装着構造に対応する。全ての例に於て達成されている改善点は重要である。
【００２７】
本発明の好ましい実施例について説明され例示されているが、当業者にとって本発明の概念から逸脱することなく種々の変更及び改良は明らかであり、本発明は、実施例のみに限定されるべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】広く用いられている典型的な従来の技術に於ける装着手段の正面図。部分的に断面が示されている。
【図２】本発明の改良された装着手段の正面図。部分的に断面が示されている。
【図３】図２に示されている部分の拡大図。
【図４】図１の従来の技術に於ける構成及び図２に示されている改良された装着手段についての振れ対側方荷重の関係を示すグラフ図。
【図５】従来の技術に於ける装着手段と改良された本発明の装着手段についての積重体出力損失対軸線方向荷重との関係を示すグラフ図。
【図６】従来の技術に於ける装着手段と本発明による改良された節装着手段の構成についての振れ対軸線方向荷重との関係を示すグラフ図。
【符号の説明】
１０…ブースターホーン（従来技術）
１２…フランジ
１４、１６…Ｏリング
１８、２０…Ｌ型環状金属リング
２２…放射方向ピン
２４…ブースターホーン
２６…入力表面
２８…出力表面
３２…フランジ
３４、３６…着座手段
３８、４０…可撓性チューブ
４２、４４…把持手段
４６…ねじ
４８…把持手段の外側表面
５０、５２…円筒状表面
５４、５６…軸線方向表面
５８、６０…面取りされた表面
６１、６２…放射方向表面

Claims (6)

1. 振動部材（２４）にして、その長手方向に伝わる所定の周波数の振動に共振体として共振する寸法に構成され共振した際に前記振動の二つの腹領域と一つの節領域が生ずる振動部材と該振動部材のための装着手段とから成る振動部材装着装置であって、
   前記振動部材が、実質的に前記節領域にて前記振動部材から放射方向に延在し支持表面（３４、３６）を含むフランジ（３２）を有し、
   前記装着手段が、実質的に前記フランジの在る位置にて前記振動部材を囲繞する一対の装着環状体（４２、４４）を含み、
   該装着環状体の各々が、該装着環状体の各々に結びつけられてそれら各々から軸線方向に延在する筒状の可撓性チューブ（３８、４０）を有し、該可撓性チューブ（３８、４０）の各々が前記フランジの前記支持表面のうちの対応する一方に押圧する端部を有し、前記フランジに対して前記可撓性チューブを軸線方向に把持する把持手段（４２、４４、４６）が設けられ、該把持手段が、前記可撓性チューブの前記端部が前記支持表面を押圧するよう前記可撓性チューブを把持し、これにより、前記チューブの端部とそれに対応する前記支持表面との間の相対的な運動が抑えられ、
   前記可撓性チューブの各々が、前記振動部材が共振してその前記節領域にて実質的に放射方向に運動することに応答して放射方向に撓めるような軸線方向長さと壁厚を有し、これにより、前記可撓性チューブが前記振動部材の振動を該把持手段から分離することを特徴とする振動部材装着装置。
2. 請求項１による振動部材装着装置であって、前記把持手段（４２、４４、４６）が前記装着環状体を互いに向って強く引き付けて前記可撓性チューブの前記端部を前記フランジの前記支持表面に強固に係合せしめる複数の螺刻された部材（４６）を含んでいる振動部材装着装置。
3. 請求項１による振動部材装着装置であって、前記装着環状体の各々が前記可撓性チューブの放射方向外方に隔置された把持部分を含み、前記可撓性チューブと前記把持部分との間に隙間が設けられている振動部材装着装置。
4. 請求項１による振動部材装着装置であって、前記振動部材がその長手方向に伝わる所定の周波数の振動に１／２波長共振体として共振する寸法に構成された細長い実質的に円筒状の振動部材（２４）であり、
   前記フランジが実質的に前記節領域にて前記振動部材から放射方向に延在する実質的に円筒の断面を有し、前記フランジの前記支持表面（３４、３６）が各々の側に下記の対応する可撓性チューブ（３８、４０）の一方の端を受入れ且前記対応するチューブの一方の端と前記振動部材との間の相対的な運動を抑えるべく前記対応するチューブの前記一方の端と強固に係合し、
   前記可撓性チューブが、前記振動部材の実質的に軸線方向に同芯状に延在する金属チューブ（３８、４０）であり、それらの一方が前記フランジの一方の側上にある前記支持表面上に配置されており、他方が前記フランジの他方の側上にある前記支持表面上に配置され、
   前記装着環状体（４２、４４）が、環状に形成され、前記チューブの各々の他方の端に係合するよう配置され、前記チューブの前記他方の端が前記装着環状体に対して放射方向に運動することを抑えるべく前記チューブの各々の前記他方の端に強固に係合するための第一の表面手段（５０、５２）を含み、前記チューブと前記支持表面との間にて軸線方向の係合力を与えるための第二の表面手段（６１、６２）を有していることを特徴とする振動部材装着装置
5. 振動部材（２４）にして、その長手方向に伝わる所定の周波数の振動に共振体として共振する寸法に構成され共振した際に一つの節領域を有し、実質的に前記節領域において前記振動部材から放射方向に延在するフランジ（３２）を有し、前記フランジが一対の軸線方向に互いに反対の方向に延在する筒状の可撓性チューブ（３８、４０）を受け入れるための表面（３４、３６）を有している振動部材の振動を支持部材から分離するべく前記支持部材に対し前記振動部材を装着する方法にして、
   前記可撓性チューブが互いに反対方向へ軸線方向に延在し、前記可撓性チューブの各々の端部が前記フランジの前記支持表面のうちの対応する一方に係合し、共振している前記振動部材に応答して前記可撓性チューブが放射方向に撓めるよう前記フランジの前記支持表面に前記一対の可撓性チューブを配置する過程と、
   前記フランジに対して前記可撓性チューブを軸線方向に把持する把持手段（４２、４４、４６）によって、前記可撓性チューブの前記端部が前記支持表面を押圧し、これにより、前記可撓性チューブの前記端部と前記フランジとの間の相対的な運動を実質的に禁止し前記支持部材から前記フランジに現れる振動を分離するよう前記フランジの前記支持表面に対して前記可撓性チューブを把持する過程とを含む方法。
6. 請求項５による方法であって、前記可撓性チューブの各々が内壁を有し、前記フランジに、前記振動部材の両方の軸線方向を向いた支持表面と、該支持表面から放射方向内方に隔置された円筒状の位置決め表面（５４、５６）が設けられ、
   前記支持表面に対して前記可撓性チューブを把持する前記過程が、前記チューブの各々の端部をそれに対応する前記フランジの前記支持表面に係合し、前記チューブの各々の前記内壁をその対応する前記円筒状位置決め表面にプレスフィットするよう前記可撓性チューブの各々を前記フランジに対し軸線方向に把持することを含む方法。

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