JP3755105B2

JP3755105B2 - 超音波振動系

Info

Publication number: JP3755105B2
Application number: JP2001382468A
Authority: JP
Inventors: 昭一石渡
Original assignee: 昭一石渡
Priority date: 2001-12-17
Filing date: 2001-12-17
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2021-12-17
Also published as: JP2003181378A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は超音波振動系に関し、なかでも超音波加工、超音波溶接、超音波塑性加工などのような超音波の応用技術に使用する超音波振動系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、超音波システムを応用した超音波振動加工が広く行われるようになつた。超音波システムは電子装置である超音波発振器と機械装置である超音波振動系から構成されている。そして超音波振動系１は、図１４にその概略を示すように超音波振動子２、コーン３及びホーン４からなり、これらが継ぎねじ５で順次結合されて構成されている。超音波振動子２は通常圧電素子２ａを２本の棒で挟み、これをボルト６で締めたランジュバン形の超音波振動子（ＢＬＴと言うことがある）が用いられている。
超音波の振動の変位ループと変位ノードは、図１５に示す通りであり、超音波振動子、コーン及びホーンはそれぞれ超音波の波長の２分の１の長さを有し、それぞれ端面に変位ループＬ1、Ｌ2、Ｌ3、Ｌ4、又中程に変位ノードＮ1、Ｎ2、Ｎ3を有している。各長さはλ／２の数倍のこともある。
特許公報昭３６ー１６８２に開示された電気機械的勢力伝達装置では、圧電素子を２本の棒で挟み、２本の棒の中心孔を通るボルトをナットで締め、２本の棒を緊締することが開示され、併せて緊締装置が外部に配置せれることが開示されている。しかしどのように緊締するかについて何も示唆するところはない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の超音波振動系では、超音波振動子の破損、コーンとホーンとの緊締部分の破損等螺合に起因する問題があった。
即ち、ランジュバン形の超音波振動子は圧電素子を２本の棒で挟み、これをボルトで締めている。ボルトと棒の雌ねじが高応力領域にあるために、ボルト又は棒にクラックが進展して破損するという問題があった。圧縮荷重の不均一性に起因する性能の制約もあった。併せて作動中温度が上昇するが冷却が不十分であるために破損するという問題があった。
又、セラミック製のホーンを使用する場合、セラミック材にねじを螺刻するのは容易ではなく、また螺刻しても、コーンとねじで結合したとき振動の伝達に安定性を欠き、破損しやすいという問題があった。
又、管引き又は線引き等の塑性加工ではダイの取付け部分の形状や構造が複雑になり、取付け、交換が容易ではない。又ホーン間の係合がねじ止めによっているのでねじ螺合部にクラック発生が頻発する。そのために塑性加工の超音波振動の利用が制限され、ひいては環境汚染の一因ともなる他の加工法において大量に使用される潤滑油の使用の削減が進まない。環境保全の面からも改善が要望されているという問題があった。
又、比較的高周波の超音波応用技術では超音波振動系は一般に大きさが小さく、継ぎねじ方法の適用が困難となるという問題があった。
そもそも、ねじ止めによる緊締にはトルク管理の困難さとの問題が伴っている。即ち、ランジュバン形の超音波振動子では、締付けトルクの管理の精度を高めることができないので製品ごとの特性にばらつきが大きく、安定した品質を確保できない。コーンとホーンの結合では締付けトルクが過大なときはクラックの進展が助長され、過少なときは接触面に異常音の発生があるという問題があった。塑性加工用のダイの取付けでは、ダイの交換の際、締付けトルクを精度よく管理できないから超音波振動系の周波数が一定せず、安定した稼働が困難であるという問題があった。
【０００４】
本発明は上記の課題に鑑み、破損し難く、高性能且つ安定した品質の超音波振動系を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の単位導波棒と、第２の単位導波棒と、第１の単位導波棒の外周に係合する第１の係止部材と、第２の単位導波棒の外周に係合する第２の係止部材と、第１の挟持部材と、第２の挟持部材とを具備し、第１の挟持部材と第２の挟持部材は、第２の挟持部材を第１の係止部材と第２の係止部材との間に挿入して、第１の挟持部材を第１の単位導波棒と第２の単位導波棒との間にそれぞれ密着して挟持したとき、第１の係止部材と第２の係止部材との間に空隙が存在するように形成され、第２の挟持部材を介して第１の係止部材と第２の係止部材とが、前記空隙が消滅するように緊締されて互いに係止したとき、第１の挟持部材、第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系を構成した。
【０００６】
又、本発明は、第１の単位導波棒と、第２の単位導波棒と、第１の単位導波棒の外周に係合する第１の係止部材と、第２の単位導波棒の外周に係合する第２の係止部材と、挟持部材とを具備し、前記挟持部材は、前記挟持部材を第１の単位導波棒と第２の単位導波棒との間にそれぞれ密着して挟持したとき、第１の係止部材と第２の係止部材との間に空隙が存在するように形成され、第１の係止部材と第２の係止部材とが、前記空隙が消滅するように緊締されて互いに係止したとき、前記挟持部材、第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系を構成した。
【０００７】
又、本発明は、第１の単位導波棒と、第２の単位導波棒と、第１の単位導波棒の外周に係合する第１の係止部材と、第２の単位導波棒の外周に係合する第２の係止部材とを具備し、第１の係止部材と第２の係止部材とは、第１の単位導波棒と第２の単位導波棒を互いに密着したとき、第１の係止部材と第２の係止部材との間に空隙が存在するように形成され、第１の係止部材と第２の係止部材とが、前記空隙が消滅するように緊締されて互いに係止したとき、第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系を構成した。
【０００８】
又、本発明は、第１の係止部材は第１の単位導波棒のほぼ中間の外周に係合して前記外周に沿い端部に向って延伸し、第２の係止部材は第２の単位導波棒のほぼ中間の外周に係合して前記外周に沿い端部に向って延伸することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の超音波振動系を構成した。
【０００９】
又、本発明は第１の係止部材は第１の単位導波棒の外周に係合し、外方に向かって翼出してから外周とほぼ平行に端部に向かい、第２の係止部材は第２の単位導波棒の外周に係合し、外方に向かって翼出してから外周とほぼ平行に端部に向かうことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の超音波振動系を構成した。
【００１０】
又、本発明は、緊締手段を有し、前記緊締手段は第１の係止部材と第２の係止部材とを緊締することを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の超音波振動系を構成した。
【００１１】
又、本発明は、圧電素子と、保持手段と、第１の係止部材と、第２の係止部材と、間隔リングと、緊締手段とを具備し、前記保持手段は前記圧電素子を挟持する第１の保持部材と第２の保持部材とからなり、第１の係止部材は第１の保持部材の外周に係合し、第２の係止部材は第２の保持部材の外周に係合し、前記間隔リングは、前記間隔リングを第１の係止部材と第２の係止部材との間に挿入して、前記圧電素子を第１の保持部材と第２の保持部材との間にそれぞれ密着して挟持したとき、第１の係止部材と第２の係止部材との間に空隙が存在するように形成され、前記緊締手段は、第１の係止部材と第２の係止部材とを前記間隔リングを介して前記空隙が消滅するように緊締して互いに係止し、前記圧電素子、第１の保持部材及び第２の保持部材に圧縮荷重を負荷することを特徴とする超音波振動子を構成した。
【００１２】
又、本発明は、圧電素子と、保持手段と、第１の係止部材と、第２の係止部材と、緊締手段とを具備し、前記保持手段は前記圧電素子を挟持する第１の保持部材と第２の保持部材とからなり、第１の係止部材は第１の保持部材の外周に係合し、第２の係止部材は第２の保持部材の外周に係合し、第１の係止部材と第２の係止部材は、前記圧電素子を第１の保持部材と第２の保持部材との間にそれぞれ密着して挟持したとき、第１の係止部材と第２の係止部材との間に空隙が存在するように形成され、前記緊締手段は、第１の係止部材と第２の係止部材とを前記空隙が消滅するように緊締して互いに係止し、前記圧電素子、第１の保持部材及び第２の保持部材に圧縮荷重を負荷することを特徴とする超音波振動子を構成した。
【００１３】
又、本発明は、前記圧電素子及び前記一対の保持部材のそれぞれ中央部にに穿たれた孔が形成する貫通孔と、前記貫通孔に冷却用気体が流通する流入孔とを有することを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の超音波振動子を構成した。
【００１４】
又、本発明は、圧電素子と、前面丸棒と、後面丸棒と、前面係止部材と、後面係止部材と、間隔リングと、緊締手段とを具備し、前記前面丸棒と前記後面丸棒とは前記圧電素子を挟持し、前記前面係止部材は前記前面丸棒の前記圧電素子に当接しない面側の外周に係合し、細隙を介して前記圧電素子に当接する面側に延伸してその端部に前面係止面を形成し、前記後面係止部材は前記後面丸棒の前記圧電素子に当接しない面側の外周に係合し、細隙を介して前記圧電素子に当接する面側に延伸してその端部に後面係止面を形成し、前記間隔リングは、前記間隔リングを前記前面係止面と前記後面係止面との間に挿入し、前記圧電素子を前記前面丸棒と前記後面丸棒との間にそれぞれ密着して挟持したとき、前記前面係止面と前記後面係止面との間に空隙が存在するように形成され、前記緊締手段は、前記前面係止部材と前記後面係止部材とを前記間隔リングを介して前記空隙が消滅するように緊締して互いに係止したとき、前記圧電素子、前記前面丸棒及び前記後面丸棒に圧縮荷重を負荷することを特徴とする超音波振動子を構成した。
【００１５】
又、本発明は、圧電素子と、前面丸棒と、後面丸棒と、前面係止部材と、後面係止部材と、、緊締手段とを具備し、前記前面丸棒と前記後面丸棒とは前記圧電素子を挟持し、前記前面係止部材は前記前面丸棒の前記圧電素子に当接しない面側の外周に係合し、細隙を介して前記圧電素子に当接する面側に延伸してその端部に前面係止面を形成し、前記後面係止部材は前記後面丸棒の前記圧電素子に当接しない面側の外周に係合し、細隙を介して前記圧電素子に当接する面側に延伸してその端部に後面係止面を形成し、前記前面係止部材と前記後面係止部材は、前記圧電素子を前記前面丸棒と前記後面丸棒との間にそれぞれ密着して挟持したとき、前記前面係止面と前記後面係止面との間に空隙が存在するように形成され、前記緊締手段は、前記前面係止部材と前記後面係止部材とを前記空隙が消滅するように緊締して互いに係止し、前記圧電素子、前記前面丸棒及び前記後面丸棒に圧縮荷重を負荷することを特徴とする超音波振動子を構成した。
【００１６】
又、本発明は、前記圧電素子、前記前面丸棒及び前記後面丸棒のそれぞれ中央部に穿たれ孔が形成する貫通孔と、前記前面丸棒及び前記後面丸棒と前記前面係止部材及び前記後面係止部材との間に形成された細隙層と、前記貫通孔又は前記細隙層に冷却用気体が流入する流入口とを有することを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の超音波振動子を構成した。
【００１７】
【作用】
請求項１乃至請求項６に記載の発明では、コーン又はホーンは外周の外側に設けられた係止部材において緊締され、コーン又はホーンには圧縮の静荷重が負荷される。その際、緊締の力が寸法管理により極めて高い精度で管理されるから、負荷される静荷重は極めて高い精度で管理される。
請求項７乃至請求項１２に記載の発明では、圧電素子は外周の外側に設けられた係止部材において緊締され、圧電素子と挟持する丸棒に圧縮の静荷重が負荷される。その際、緊締の力が寸法管理により極めて高い精度で管理されるから、負荷される静荷重は極めて高い精度で管理される。
請求項９及び請求項１２に記載の発明では、圧電素子は充分に冷却される。
【００１８】
第１の実施例について図１、図２及び図３により説明する。図１は超音波振動系の概念図、図２は緊締前の超音波振動系の中心軸を通る断面図、図３は緊締後の超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
超音波振動系１は超音波振動子１１、コーン１２及びホーン１３が順次結合して構成されている。超音波振動子１１は超音波を発生する振動子、コーン１２は超音波振動を増速する単位導波棒で，ホーン１３は超音波振動を増速する単位導波棒である。
超音波振動子１１には圧電素子１４が挿設され、超音波振動子１１の一端１１ａは自由であるが他端１１ｂにはコーン１２がその一端１２ａで固設されている。コーン１２の他端１２ｂにはホーン１３がその一端１３ａで固設されている。ホーン１３の他端１３ｂは自由端となっているが、工具が係合することもあるし、又更に他のホーンが係合することもある。発振器１５よりの加振電圧を受け圧電素子１４で発生した振動は、コーン１２を経て、必要に応じてホーン１３から振幅が増大して出力する。超音波振動子１１とコーン１２は超音波振動子１１の取付け部材１１ｃとコーン１２の取付け部材１２ｃとにより基台（不図示）に取り付けられる。
【００１９】
コーン１２はニッケルクローム鋼製の外径４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍでほぼ円筒形をなしている。その一の端面１２ａと他の端面１２ｂのほぼ中間の点１２ｄより隙間４ｍｍの細隙１４を介してニッケルクローム鋼製の肉厚４．５ｍｍのスリーブ１５がコーン１２を内包するように形成され、コーン１２の外周と平行に伸びている。スリーブ１５は外径５７ｍｍ、内径４８ｍｍである。スリーブ１５の末端には外径７５ｍｍ、内径４８ｍｍ、厚さ８．０ｍｍのフランジ１６が形成され、フランジ１６には孔１６ａが穿設されている。フランジ１６の端面１６ｂはコーン１２の端面１２ｂと同一面上にある。
【００２０】
ホーン１３はニッケルクローム鋼製の外径４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍでほぼ円筒形をなしている。その一の端面１３ａと他の端面１３ｂのほぼの点１３ｄより隙間４ｍｍの細隙１７を介してニッケルクローム鋼製の肉厚４．５ｍｍのスリーブ１８がホーン１３を内包するように形成され、ホーン１３の外周と平行に伸びている。スリーブ１８は外径５７ｍｍ、内径４８ｍｍである。スリーブ１８の末端には外径７５ｍｍ、内径４８ｍｍ、厚さ８．０ｍｍのフランジ１９が形成され、フランジ１９には孔１９ａが穿設されている。フランジ１９の端面１９ｂはホーン１３の端面１３ａと同一面上にある。
コーン１２とスリーブ１５及びホーン１３とスリーブ１８はそれぞれ一体に形成することもできるし、個別に加工してから結合して形成することもできる。
【００２１】
フランジ１６及びフランジ１９の端面は、即ちコーン１２及びホーン１３の端面は、平滑でそれぞれ面１６ｂ及び面１９ｂを形成している。通常、面１６ｂ及び面１９ｂはコーン１２の面１２ｂ及びホーン１３の面１３ａとそれぞれ同一面上に形成される。必ずしも同一面上に形成されなくてもよいが、同一の平面上に形成することにより加工上最も容易に平滑且つ平坦に面が形成できる。
薄板２０は厚さ０．３６ｍｍを有するベリリウム銅製である。薄板２０がコーン１２の端面１２ｂとホーン１３端面１３ａの間に挿入され互いに当接しても、ボルト２１とナット２２による緊締が未だ行われない間は、フランジ１６及びフランジ１９の間には空隙２３が存在する。空隙２３は薄板２０の厚さと等しい大きさを有し、締め代となっている。即ち、締め代の大きさは０．３６ｍｍである。フランジ１６、１９にはそれぞれ孔１６ａ、１９ａが６個対応する位置に設けられている。対応する孔１６ａ、１９ａを通してボルト２１が挿設され、ナット２２がボルト２１に繋合する。
【００２２】
次に動作について説明する。
薄板２０をコーン１２の端面１２ｂとホーン１３の端面１３ａとの間に挿入する。そのときフランジ１６の端面１６ｂとフランジ１９の端面１９ａとの間にはは空隙２３があり密着状態にはない。空隙２３の大きさは薄板２０の厚さ０．３６ｍｍに等しい。
孔１６ａと孔１９ａとを通したボルト２１にナット２２を螺合し締めつけ、先に存在した締め代の分を緊締し空隙２３を消滅させる。このとき、コーン１２、薄板２０とホーン１３は縮み同時にスリーブ１５及びスリーブ１８が伸び、空隙２３が消滅する。フランジ１６の端面１６ｂとフランジ１９の端面１９ｂとが接触した状態は図３に示す通りである。
【００２３】
コーン１２ｂとホーン１３ａの間には圧縮荷重が、又スリーブ１５及びスリーブ１８の間には引張り荷重が加わる。締め代は予めこの圧縮荷重及び引張り荷重が許容される最大荷重を越えないように設定されている。
周波数１５ｋＨｚの場合、コーン１２及びホーン１３はそれぞれ外径４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍ、細隙１４及び細隙１７はそれぞれ４ｍｍ、スリーブ１５及びスリーブ１８は外径５７ｍｍ、内径４８ｍｍ、肉厚４．５ｍｍ、長さ６５ｍｍとして、締め代が０．４４ｍｍのとき、ニッケルクローム鋼では、コーン１２及びホーン１３に発生する圧縮荷重はほぼ２８９×１０3Ｎ、又スリーブ１５及びスリーブ１８に発生する引張り応力はそれぞれ３．９０×１０8 Ｐａ、即ち４０．０ｋｇｆ／ｍｍ2 で、降伏点応力の約１／３となる。又上記圧縮荷重の大きさは正常動作を保証する。従ってクリープ発生の虞れはない。
【００２４】
次に本実施例にかかる超音波振動体が、破損し難く、高性能を維持することについて説明する。
本実施例に係る超音波振動体では、緊締が、コーンとホーンの内部ではなく、外周外側で行われ、コーンとホーンに広い範囲で一様に圧縮荷重が負荷される。ボルト等の螺合の緊締が振動と無縁な外部で行われるから、内部の螺合に起因する破損はなく、破損し難いので性能の向上が可能となる。且つ緊締は変位ノードの外側でおこなわれるから緊締部位に損傷はない。
又、緊締は、コーンとホーン外周外側に設けられた両フランジが平滑且つ平坦に面で互いに密着し押圧することで行われる。従って、押圧力の大きさは、ボルトとナットを締付ける際に締付けトルクで管理するのではなく、予め部品加工段階において薄板厚さの寸法で管理するのである。言うまでもなく金属材料の機械加工ならびに圧延加工は極めて高い精度で行うことが可能である。寸法管理を採用することにより本実施例は高い精度でコーンとホーンとの緊締が可能であり、超音波振動体の性能が向上し且つ安定する。
【００２５】
本発明の第２の実施例について図４及び図５により説明する。図４は超音波振動系の緊締前の中心軸を通る断面図、図５は緊締後の中心軸を通る断面図である。第１の実施例と同一又は類似の事項についての記述は省略する。
コーン２６はほぼ円筒形をなし、両端に平滑な平行平面の端面を有している。その一の端面２６ａと他の端面２６ｂのほぼ中間の点２６ｄから細隙２８を介して、円筒形中央部分２６ｅの外周２６ｆの外側にスリーブ２９が形成され、外周２６ｆと平行に伸びている。スリーブ２９の端部にはフランジ３０が形成され、フランジ３０には孔３０ｂが穿設されている。フランジ３０の端面３０ｂは平滑な平面で端面２６ｂと平行であるが、微小量後退した位置にある。
ホーン２7はほぼ円筒形をなし、両端に平滑な平行平面の端面を有している。その一の端面２7ａと他の端面２7ｂのほぼ中間の２7ｄから細隙３１を介して、円筒形中央部分２7ｅの外周２7ｆのスリーブ３２が形成され、ホーン２7の外周２7ｆと平行に伸びている。スリーブ３２の末端にはフランジ３３が形成され、フランジ３３には孔３３ｂが穿設されている。フランジ３３の端面３３ｂは平滑な平面で端面２7ａと平行であるが、微小量後退した位置にある。
孔３０ａと孔３３ａを通して、ボルト３４が挿設され、ボルト３４はナット３５と螺合する。螺合するボルト３４とナット３５は６組である。
【００２６】
次に動作について説明する。
コーン２６の端面２６ｂとホーン２7の端面２7ａとを対向させ、密着させながら、フランジ３０の端面３０ｂとフランジ３３の端面３３ｂとを互いに対向させる。両端面の間には両微小量の合計に等しい空隙３６が存在する。孔３０ａと孔３３ａとを貫通するボルト３４にナット３５を螺合し締めつける。コーン２６の端面２６ｂとホーン２7の端面２7ａとが接触するようにし、６個のボルト３４にナット３５を締めつけて緊締する。端面３０ｂと端面３３ｂとの間は空隙３６が消滅し、端面３０ｂと端面３３ｂとは密接する。
コーン２６の端面２６ｂとホーン２7の端面２7ａとの間には圧縮静荷重が、又スリーブ２９とスリーブ３２の間には引張り静荷重が加わる。
【００２７】
本発明の第３の実施例について図６により説明する。図６は超音波振動系の振幅を示す概念図である。上述した各実施例と同一又は類似の事項についての記述は省略する。
ホーン４１はニッケルクローム鋼製のほぼ円筒形をなす棒であり、その一端面４１ａにおいてコーン（不図示）に結合されている。ホーン４１には細隙４３を介してスリーブ４４が形成されている。スリーブ４４の端部にはフランジ４５が形成され、フランジ４５には孔４５ａが穿設されている。フランジ４５の端面４５ｂは第１のホーン４１の端面４１ｂと同一平面上にある。
【００２８】
ホーン４６はセラミック製のほぼ円筒形ををなす棒であり、その長て方向のほぼ中間部に環状の突起４９が形成されている。スリーブ４８はニッケルクローム鋼製であり、中央に孔４８ａが穿設された底板４８ｂを有する筒形状をなしている。孔４８ａにはホーン４６が挿入され、底板４８ｂが突起４９に係合して、ホーン４６の外周と平行に端面４６ａの方に細隙４７を介して伸びている。スリーブ４８の端部にはフランジ４９が形成され、フランジ４９には孔４９ａが穿設されている。フランジ４９の端面４９ｂはホーン４６の端面４６ａと同一平面上にある。
薄板５１はベリリウム銅製である。
６組のボルト５２はナット５３と螺合する。
【００２９】
次に動作について説明する。
薄板５１を端面４１ｂと端面４６ａとの間に挟置し、孔４５ａと孔４９ａを通してボルト５２を挿入し、ナット５３をこれに螺合させ、締め付ける。するとホーン４１は薄板５１を介してホーン４６と密着する。更に締め付けるとスリーブ４４とスリーブ４８は延伸し、端面４５ｂと端面４９ｂとが接触するに至り、ホーン４１、薄板５１、ホーン４６に圧縮静荷重が負荷され、スリーブ４４とスリーブ４８には引張り静荷重が負荷される。
高温の液状物の攪拌・分散、例えばアルミニウム中への炭素繊維の分散等に使用するセラミック製のホーンの螺刻は極めて困難であるが、本実施例においては容易に他のホーン又はコーンに接続することができる。ホーンの振動の伝達は安定に行われ、破損し難いから、セラミックホーンの高性能化が図られる。このため新素材の開発などに超音波応用の道が拓かれる。
【００３０】
尚他の実施態様では、一対のホーンの双方共環状の突起が形成されて、それぞれスリーブと係合するよう構成にされる。
又他の実施態様では、フランジとフランジとの緊定後係合部を溶接で固定するように構成される。
【００３１】
次に第４の実施例について図７及び図８により説明する。図７は超音波振動系の中心軸を通る断面図、図８は中心軸を通る断面の部分図である。上述の実施例と同一又は類似の事項の詳細説明は省略する。
管引抜き用の超音波塑性加工機の超音波振動系６１は高周波振動子６２、コーン６３、ホーン６４、ダイ６５、間隔リング６６及びホーン６７が順次結合して構成されている。
【００３２】
コーン６３は２本の円筒が１本の円錐に合体してなる三叉の形状をなしている。２本の円筒部７１の端面７２にはそれぞれ高周波振動子６２が当接し、円筒部７１と高周波振動子６２とは継ぎねじ７３により結合されている。他の１本の円錐部７４の端面７４ａにはホーン６４が端面６４ａで当接し、円錐部７４とホーン６４とは継ぎねじ７５により結合されている。コーン６３と継ぎねじ７５には両者とも孔７６が穿孔されている。
ホーン６４とホーン６７は共にニッケルクローム鋼製で、それぞれ孔６４ｄ、６７ｄを有する円筒である
スリーブ８０はホーン６４の外周側に係合し、細隙７９を介して、ホーン６７に対向する面６４ｂの向に円筒状に伸びて形成されている。ホーン６４の面６４ｂとスリブーブ８０の面８０ａとは平滑に且つ同一平面上にあるように形成されている。
【００３３】
スリブーブ８２はホーン６７の外周側に係合し、細隙８１を介して、ホーン６４に対向する面６７ａの向に円筒状に伸びて形成されている。ホーン６７の面６７ａとスリーブ８２の面８２ａとは平滑に且つ同一平面上にあるように形成されている。
スリーブ８０とスリーブ８２にはそれぞれ孔８０ｃ、８２ｃが設けられ、またボルト８３とナット８4と設けられている。
【００３４】
スリーブ８０の先端部には垂直方向に当板６４ｅが突設され、当板６４ｅが超音波振動系６１を超音波塑性加工機の基台７８に当接し支持される。
ダイ６５は管引抜き用超硬合金製でその内側はダイ固有の形状をなし、外側は円筒形で、両面に平滑な平行平面を有する円環である。外径はホーン６４の外径より小さい。中央に孔６５ｄ（ベアリングと呼ぶことがある）が穿設されている。間隔リング６６はニッケルクローム鋼製で両面に平滑な平行平面を有する円環である。中央の孔の内径はダイ６５の内径と等しい。
孔７６及び孔６７ｄは、コーン６３、ホーン６４及びホーン６７を貫通する貫通孔６１ｄを形成し、その中で管８５は図中左より右に引抜かれる。
【００３５】
間隔リング６６はダイ６５より薄い。従って図７に示すように、ダイ６５をホーン６４の面６４ｂとホーン６７の面６７ａとの間に、又間隔リング６６をスリブーブ８０の面８０ａとスリーブ８２の面８２ａとの間に挿入する。この状態でボルト８３とナット８4を係合して締めると、やがて面６４ｂと面６７ａとはダイ６５を介して密着するが、面８０ａとの面８２ａとの間に空隙８６が存在する。更に力を加え締めると次第にスリーブ８０とスリーブ８２とが延伸され、又ホーン６４の一部とホーン６７の一部が圧縮される。面８０ａとの面８２ａとの間の空隙８６が消滅し、間隔リング６６を介して密着する。更に締めようとしても、急激に抵抗が大きくなり、緊締は進められず終了する。
【００３６】
スリーブ８０とスリーブ８２とに引張り静荷重が負荷され、ホーン６４とホーン６７とに圧縮静荷重が負荷される。ホーンの圧縮荷重とスリーブの引張り応力の大きさはつぎの結果が得られた。
周波数１５ｋＨｚ、速度１．２５ｍ／ｓで振動する質量１ｋｇのダイは１．１８×１０5Ｎ（１２トンに相当する）の慣性力をホーンに及ぼす。又管の引き抜き力は、１０トンに達する。直径６０ｍｍニッケルクローム鋼のホーンから同断面積のスリーブを引張りだす。スリーブの引張り応力を第１の実施例で例示した値、即ち４０ｋｇｆ／ｍｍ2 とする。このとき、ホーンの圧縮静荷重は１．１０×１０6 Ｎであり、ダイの慣性力の１０倍に近く、また静引抜き力の１０倍以上である。
【００３７】
本実施例において、ホーンの面が単純な一平面で構成可能であるから、ホーンとダイの接触面が極めて平滑且つ平坦に形成され、局部的なミクロの塑性流動の発熱がなく、性能の劣化乃至は破壊を免れることができ、性能が向上する。
そして前述した実施例と同様に螺合のトルク管理がなく、精度の高い寸法管理が行われるから、ダイの取付けが短時間に再現性よく安定して行われる。
又管の引抜き力を振動体外部の複数のボルトナットと厚いフランジを介し、当板によって直接基台が負担できるので、引抜き可能な管径寸法が増大する。
更に第６の実施例において後述する高周波振動子を使用すれば更に出力の向上が計られる。
【００３８】
本発明の第５の実施例に係る超音波振動系を図９及び図１０により説明する。上述の実施例と同一又は類似の事項の詳細説明は省略する。図９は超音波振動系の緊締前の中心軸を通る断面図、図１０は超音波振動系の緊締後の中心軸を通る断面図である。
【００３９】
ホーン９１はチタン合金６Ａ１４Ｖ製のほぼ円筒形をなす長さ１２．５０ｍｍ、外径４．００ｍｍの棒である。この長さは周波数２００ｋＨｚのときの縦波波長２５ｍｍの２分の１に等しい。一つの端面９１ａで超音波振動子（不図示）に結合している。他の端面９１ｂから２．５０ｍｍへだたつた点９１ｃから外周方向にほぼ垂直に外方に向かい傘型にフランジ９２が延伸して一体に形成されている。フランジ９２の厚さは１．１７ｍｍである。フランジ９２の外周にはリング９３が形成され、端面９１ｂ側に伸びている。フランジ９３の内径は８．２８ｍｍである。ホーン９１の円筒部９１ｄとリング９３の間にはやや幅広の空孔９４が環状に形成されている。リング９３には孔９３ａが８個穿設されている。リング９３の端面９３ｂはホーン９１の端面９１ｂと共に平滑であり且つ同一平面上にある。
【００４０】
ホーン９５はチタン合金６Ａ１４Ｖ製のほぼ円筒形をなす長さ１２．５ｍｍ、外径４．０ｍｍの棒である。この長さは周波数２００ｋＨｚのときの縦波波長２５ｍｍの二分の一に等しい。その端面９５ａから２．５０ｍｍへだたつた点９５ｂから外周方向にほぼ垂直に外方に向かい傘型にのフランジ９６が延伸して一体に形成されている。フランジ９６の厚さは１．１７ｍｍである。フランジ９６の外周にはリング９７が形成され、端面９５ａ側に伸びている。リング９７の内径は８．２８ｍｍである。ホーン９５の円筒部９５ｃとリング９７の間にはやや幅広の空孔９８が環状に形成されている。リング９７には孔９７ａが８個穿設されている。リング９７の端面９７ｂはホーン９５の中心部９５ｃの端面９５ａと共に平滑であり且つ同一平面上にある。
【００４１】
薄板１０１はベリリウム銅製で厚さ０．１１６ｍｍである。
各孔９３ａと孔９７ａを通して、ボルト９９が計８本挿設され、ボルト９９はナット１００と螺合している。
【００４２】
次に動作について説明する。
ホーン９１の端面９１ｂとホーン９５の端面９５ａとの間に薄板１０１を挿入し、接触せしめながら、リング９３の端面９３ｂとリング９７の端面９７ｂとを互いに対向させる。この際端面９３ｂと端面９７ｂとの間に薄板１０１の厚さに等しい０．１１６ｍｍの空隙があり、これが締め代である。次いで孔９３ａと孔９７ａにボルト９９を通し、ナット１００を螺合する。緊締し薄板１０１の厚さの締め代をだけ押圧すると端面９３ｂ端面９７ｂとが接触する。更に緊締するとリング９３の端面９３ｂとリング９７の端面９７ｂを介して、フランジ９２とフランジ９６に曲げの静荷重が負荷される。そしてホーン９１とホーン９５には２８９Ｎの圧縮荷重が負荷される。
【００４３】
本実施例は、２００ｋＨｚの高周波、且つ大振幅での発振で良好な結果を得た。
【００４４】
他の実施態様として、相対するホーンに係合する両フランジの端面の間に、薄板より薄い間隔リングを挿入することも可能である。
【００４５】
第６の実施例に係る超音波振動子を図１１、図１２及び図１３により説明する。上述の実施例と同一又は類似の事項の詳細説明は省略する。図１１は緊締前の超音波振動子の中心軸を通る断面図、図１２は緊締前の超音波振動子の中心軸を通る断面の一部の図、図１３は緊締後の超音波振動子の中心軸を通る断面図である。
【００４６】
超音波振動子１１０の圧電素子１１１は中央に円孔１１１ａが穿たれた平滑な面をもち円板形状をなすジルコン酸チタン酸鉛系の圧電素子で、外径は４０ｍｍ、厚さは５．０ｍｍ、円孔１１１ａの内径は１０ｍｍである。圧電素子１１１は４枚の部材１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅからなり、陽極電極（不図示）、接地電極（不図示）に交互に挟まれている。ここで圧電素子１１１の機械振動パワーを消費する負荷方向を前面、裏側を裏面と言うことがある。
【００４７】
前面丸棒１１２及び裏打丸棒１１３は高力アルミニウム合金Ａ７０７５−Ｔ６５１製で、それぞれ中央に円孔１１２ａ、１１３ａがそれぞれ穿たれた丸棒である。前面丸棒１１２は面１１２ｂで圧電素子１１１の前面１１１ｆに、及び裏打丸棒１１３は面１１３ｂで圧電素子１１１の裏面１１１ｇに当接し、押圧部材の一部を形成している。又円孔１１１ａ、１１２ａ、１１３ａは貫通孔１１０ａを形成している。前面丸棒１１２及び裏打丸棒１１３は共に外径は４０ｍｍ、内径は１０ｍｍ、長さ７３．４６ｍｍであり、周波数２０ｋＨｚのとき圧電素子１１１を挟持した全長は１６６．９ｍｍである。
【００４８】
面１１２ｃ及び面１１３ｃの外周の外側からは、それぞれ細隙１１２ｄ及び細隙１１３ｄを介して、外周の外側に沿い、それぞれ面１１２ｂ及び面１１３ｂに向かうスリーブ１１４及びスリーブ１１５がそれぞれ前面丸棒１１２及び裏打丸棒１１３を内包するように形成されている。前面丸棒１１２とスリーブ１１４及び裏打丸棒１１３とスリーブ１１５はそれぞれ一体に形成することもできるし、個別に加工してから結合して形成することもできる。
スリーブ１１４及びスリーブ１１５の端面は平滑でそれぞれ面１１４ａ及び面１１５ａを形成している。通常面１１４ａ及び面１１５ａは前面丸棒１１２の面１１２ｂ及び裏打丸棒１１３の面１１３ｂとそれぞれ同一の平面上に形成されるのが平滑且つ平坦性から望ましが、必ずしも同一面上に形成されなくてもよい。スリーブ１１４及びスリーブ１１５はそれぞれ外径は５７ｍｍ、内径は４８ｍｍ、肉厚４．５ｍｍである。又細隙１１２ｄ及び細隙１１３ｄはそれぞれ４ｍｍである。
【００４９】
スリーブ１１４、１１５の外径側にはそれぞれフランジ１１６、１１７が設けられている。フランジ１１６、１１７はスリーブ１１４、１１５に比べ相対的に大きい質量を有している。フランジ１１６、１１７にはそれぞれ孔１１６ａ、１１７ａが６個対応する位置に設けられている。対応する孔１１６ａ、１１７ａを通してボルト１１８が貫通し、ナット１１９がボルト１１８に繋合している。
【００５０】
間隔リング１２０は平滑な両面を有し、スリーブ１１４及びスリーブ１１５の間に挿入されて間隔を保つ円環である。高力アルミニウム合金Ａ７０７５−７６製で外径はフランジ１１６、１１７の外径に等しく９６ｍｍで、その厚さは後述の如く、適当な締め代を得るように決められる。即ち前面丸棒１１２、圧電素子１１１及び裏打丸棒１１３が互いに当接しても、上記したボルト１１８とナット１１９による緊締が未だ行われない間は、スリーブ１１４及びスリーブ１１５の間に空隙１２１をもって挿入されている。空隙１２１が締め代であり、その大きさは０．３７１ｍｍである。
【００５１】
電気端子１２２は加振電圧印加用の電気端子で電気装置（不図示）から加振電圧を受ける。電気端子１２３は接地用の電気端子である。
流入孔１２４には冷却用乾燥空気の供給管１２５が接続している。また孔１２６は細隙１１２ｄと貫通孔１１０ａとを連絡する孔、孔１２７は細隙１１２ｄと系外とを連絡する孔でそれぞれ４本穿設されている。
【００５２】
ここで諸元の関連について説明する。
外径４０ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚さ５ｍｍの圧電素子１１１の部材１１１ｂ、１１１ｃ、１１１ｄ、１１１ｅを変位ノード面を挟んで左右に二枚づつ配置し、２０ｋＨｚで共振するようにＡ７０７５−Ｔ６５１製の前面丸棒１１２、裏打丸棒１１３の長さは計算すると７３．４６ｍｍである。従って超音波振動子１１０の全長は１６６．９ｍｍである。圧電素子１１１の両面で許容範囲にある速度０．４５ｍ／ｓで振動させると前面丸棒１１２により３．８０倍に増速され、端面１１２ｅでは速度１．７２ｍ／ｓとなる。圧電素子１１１が長期にわたり劣化しない圧縮応力は０．６８９×１０8 Ｐａであるから、負荷すべき圧縮荷重は０．８１２×１０5 Ｎである。スリーブ１１４、１１５の外径５７ｍｍ、内径４８ｍｍ，肉厚４．５ｍｍとして計算すると、締め代は０．３７１ｍｍ、スリーブ１１４、１１５に発生する応力は１．１８０×１０8 Ｐａ、即ち１２．０ｋｇｆ／ｍｍ2 で、これはＡ７０７５−Ｔ６５１の０．２％クリープ値の約４分の１に過ぎない。従ってクリープ発生の虞れはない。
【００５３】
次に動作について説明する。
圧電素子１１１を間隔リング１２０の中央空間におき、圧電素子１１１の前面１１１ｆに前面丸棒１１２の面１１２ｂを、又裏面１１１ｇに裏打丸棒１１３の面１１３ｂをそれぞれ当接する。電気配線を完了した後、間隔リング１２０はスリーブ１１４とスリーブ１１５の間に挿入される。その際、前面丸棒１１２、圧電素子１１１及び裏打丸棒１１３が互いに密着しても、ボルト１１８とナット１１９による緊締が未だ行われないから、スリーブ１１４、間隔リング１２０及びスリーブ１１５の間には空隙１２１があり、密着状態にはない。
次に、ボルト１１８とナット１１９とを螺合し、スリーブ１１４とスリーブ１１５とを間に間隔リング１２０を挿入した状態で、先に存在した締め代の分を緊締し空隙１２１を消滅させる。前面丸棒１１２、圧電素子１１１及び裏打丸棒１１３に比べてスリーブ１１４、間隔リング１２０及びスリーブ１１５の方が断面積が小さく、容易にスリーブ１１４及びスリーブ１１５が間隙１２１の長さだけ伸び、スリーブ１１４、間隔リング１２０及びスリーブ１１５は互いに密着状態になる。
【００５４】
前面丸棒１１２、圧電素子１１１及び裏打丸棒１１３は既に互いに密着してをり、更にスリーブ１１４、間隔リング１２０及びスリーブ１１５が互いに密着状態になると、前面丸棒１１２、圧電素子１１１及び裏打丸棒１１３に圧縮荷重が負荷される。締め代は予めこの圧縮荷重が圧電素子１１１に許容される圧縮最大荷重に等しくなるように設定されている。
【００５５】
電気端子１２２を介し圧電素子１１１に加振電圧が加わり、圧電素子１１１は前面丸棒１１２、裏打丸棒１１３、スリーブ１１４、スリーブ１１５を伸縮させて励振し、面１１２ｃから大振幅が結合された単位振動体（不図示）に出力する。接地は電気端子１２３を通じて行われる。
【００５６】
供給管１２５からの冷却用乾燥空気は流入孔１２４より流入し、細隙１１２ｄに、更に孔１２６から貫通孔１１０ａに流入し、圧電素子１１１、前面丸棒１１２及び裏打丸棒１１３を含む超音波振動子１１０の全体を冷却し且つ乾燥させ、貫通孔１１０ａから流出する。細隙１１２ｄ及び１１３ｄに流入した空気は孔１２７からも流出する。
【００５７】
次に本実施例にかかる超音波振動子が、破損し難く、高性能を維持することについて説明する。
本実施例に係る超音波振動子では、緊締が、圧電素子、前面丸棒、裏打丸棒の内部ではなく、外周外側で行われる。圧電素子は中央の孔部を除き、広い範囲で一様に丸棒の端面により押圧され、又丸棒にも一様に圧縮荷重が負荷されている。ボルト等の螺合の緊締が内部で行われると、これが破損の大きな原因となることは従来例から明らかであった。緊締が外周外側で行われるから破損の大きな原因の一つがなく、破損し難いのは明白である。更に圧縮荷重が一様に負荷されるから振動力の増加によるパワーの増大で機能強化が可能となる。
【００５８】
又、緊締は、前面丸棒と裏打丸棒の外周外側に設けられた両スリーブが間隔リングを介して密着し押圧することで行われる。従って、押圧力の大きさは、ボルトとナットを締付ける際に締付けトルクで管理するのではなく、予め部品加工段階において平滑且つ平坦な面で、両スリーブ及び間隔リングの寸法で管理するのである。言うまでもなく金属材料の機械加工は極めて高い精度で行うことが可能だが、締付けトルクの管理は１桁以下低い精度でしか行うことができないのは周知のことである。本実施例では高い精度で各部品の寸法を管理することが圧電素子に過大な圧縮荷重を負荷することもなく、性能が安定し品質の向上が可能となる。
【００５９】
又、貫通孔、更には細隙に乾燥冷却空気が流入し冷却するから、誘電体損失に基づく圧電素子の温度上昇を抑制するなどしてパワーの増大が可能となり、又湿気による絶縁低下を防ぎ安定性及び安全性の向上が可能となる。
【００６０】
【発明の効果】
本発明により、破損し難く、高性能且つ安定した品質の超音波振動系及び超音波振動子がが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る超音波振動系の概念図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図６】本発明の第３の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図７】本発明の第４の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面の部分図である。
【図９】本発明の第５の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施例に係る超音波振動系の中心軸を通る断面図である。
【図１１】本発明の第６の実施例に係る超音波振動子の中心軸を通る断面図である。
【図１２】本発明の第６の実施例に係る超音波振動子の中心軸を通る断面の部分図である。
【図１３】本発明の第６の実施例に係る超音波振動子の中心軸を通る断面図である。
【図１４】従来の例に係る超音波振動系の概念図である。
【図１５】超音波振動系の振動を説明する概念図である。
【符号の説明】
１・・・超音波振動系、１１・・・超音波振動子、１２・・・コーン、１３・・・ホーン、１４、１７・・・細隙、１５、１８・・・スリーブ、１６、１９・・・フランジ、２０・・・薄板

Claims

圧電素子、裏打丸棒、及び前面丸棒とからなる超音波振動子より発生した超音波を伝導する第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒と薄板とを有し、第１の単位導波棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第１の係止部材と、第２の単位導波棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第２の係止部材と、第１の緊張手段とを具備し、第１の単位導波棒と第２の単位導波棒とが前記薄板を介して互いに当接したときには、第１の係止部材と第２の係止部材との間に所定の空隙を存在させ、第１の緊張手段が第１の係止部材と第２の係止部材とを伸張させて前記空隙が消滅するように緊締すると、第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系。
圧電素子、裏打丸棒、及び前面丸棒とからなる超音波振動子より発生した超音波を伝導する第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒と間隔リングとを有し、第１の単位導波棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第１の係止部材と、第２の単位導波棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第２の係止部材と、第１の緊張手段と、引抜きダイとを具備し、前記引抜きダイを第１の単位導波棒と第２の単位導波棒の間に挿入して三者が互いに当接したときには、第１の係止部材と第２の係止部材との間に所定の空隙を存在させ、前記間隔リングを介して第１の緊張手段が第１の係止部材と第２の係止部材とを伸張させて前記空隙が消滅するように緊締すると、第１の単位導波棒及び第２の単位導波棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系。
圧電素子と、裏打丸棒と、前面丸棒と、前記裏打丸棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第３の係止部材と、前記前面丸棒の外周の変位ノードに対応した位置に設けられ、細隙を介し外縁に沿って伸長する第４の係止部材と、第２の緊張手段と、
間隔リングとを具備し、前記圧電素子を前記裏打丸棒と前記前面丸棒との間に三者互いに当接して挟持し、前記間隔リングを第３の係止部材と第４の係止部材との間に挿入して三者が互いに当接したときには第３の係止部材と第４の係止部材との間に所定の空隙を存在させ、第２の緊張手段が、第３の係止部材と第４の係止部材とを伸張させて前記空隙が消滅するように緊締すると、前記裏打丸棒及び前面丸棒に圧縮荷重が負荷されることを特徴とする超音波振動系。