JP4776039B2

JP4776039B2 - 超音波加工用作業ヘッド、これを備えた超音波加工装置及び超音波加工システム

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Publication number: JP4776039B2
Application number: JP2008237173A
Authority: JP
Inventors: 則彰松岸; 長三小口
Original assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Current assignee: Seidensha Electronics Co Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP2010069492A

Description

本発明は、例えば、樹脂製及び／又は金属製のワークを超音波振動によって溶着、かしめ、ゲート切り、金属部品のインサートといった加工を行う超音波加工用作業ヘッド、これを備えた超音波加工装置及び超音波加工システムに関する。

工業製品の効率的な製造のため様々な加工装置や加工ロボットが開発され、使用されている。
樹脂製及び／又は金属製のワークを超音波振動によって溶着、かしめ、ゲート切り、金属部品のインサートといった加工を行う超音波加工装置や超音波加工システムもそのようなものの中の一つである。

このような超音波加工装置や超音波加工システムとしては、例えば、特許文献１に記載の発明を挙げることができる。図１６は、従来の超音波加工システムの構成を示す全体斜視図、図１７は、従来の超音波加工システムに用いられている作業ヘッドの断面図を示す。

図１６に示すように、特許文献１には、高剛性ロボット６０１と、この高剛性ロボット６０１の先端に固定された超音波振動子６１２と、この超音波振動子６１２にねじで固定された工具ホーン（装着済ホーン）６１７と、多種のかしめや溶着を実施するため各々にあわせた形状を有する工具ホーン（交換用ホーン）６２２と、工具ホーン６１７、６２２を保持すると共にこれらを超音波振動子６１２に着脱するための工具ホーンスタンド（ホーン脱着手段、ホーン装着手段）６２３と、超音波振動子６１２に所定の周波数を入力する発振器６１５と、高剛性ロボット６０１や工具ホーンスタンド６２３の動作を制御する制御部６２４とにより構成されている。

また、特許文献１には、図１６及び図１７に示すように、超音波振動子６１２は、作業ヘッド６１３のフレーム６３０に設けられた直線移動（ＬＭ）ガイド６４０のレール６４１に固定されたスライダ６４２と、このスライダ６４２に振動子工具ホーンスタンド６４３を介して取り付けられている。超音波振動子６１２は、当該超音波振動子６１２の下方先端部に設けたねじ穴６１３１にねじ部６１７１が螺合された工具ホーン６１７とを備えている。
なお、直線移動ガイド６４０はスライダ６４２のフランジ部に固定されたボールねじ６４３及びこれに螺合するボールねじナット６４４と、このボールねじナット６４４に固着されたギア６４５と、ギア６４５と噛合するギア６４６を介してサーボモータ６１４と接続されている。

このような構成とすれば、サーボモータ６１４の駆動力がギア６４６、６４５を介して伝えられると、ボールねじ６４３がボールねじナット６４４の回転力を受けることになる。直線移動ガイド６４０、スライダ６４２との連結関係から回転が阻止されているため、その回転力が軸方向への駆動力に変換されることによりボールねじ６４３はスライダ６４２とともに上下に移動することになる。つまり、スライダ６４２に取り付けられている、工具ホーン６１７を備えた超音波振動子６１２を上下動させることができるようになっている。

特開平１０−４４２４２号公報（段落００２０、段落００３３、段落００３５、図１及び図５）

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、工具ホーン６１７を超音波振動子６１２にねじ固定しているため、工具ホーン６１７の交換を繰り返して行うと、工具ホーン６１７を取り付けるためのねじ穴６１３１やねじ部６１７１のねじ山が潰れて消耗してしまうため長期間の使用が困難であるという問題があった。
また、工具ホーン６１７を回転させて超音波振動子６１２に固定するため、固定するための動作や機械機構が複雑になるという問題があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、繰り返し交換してもねじなどの締結部材が消耗せず長期間使用することができ、固定するための動作や機械機構が簡単な超音波加工用作業ヘッド、これを備えた超音波加工装置及び超音波加工システムを提供することを課題とする。

（１）前記課題を解決した本発明に係る超音波加工用作業ヘッドは、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンを固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、前記超音波振動を発振する超音波振動子と、前記超音波振動子を固設するための固設部と、前記固設部に固設された伸縮自在なアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーンの被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段とを有することを特徴としている。
なお、超音波振動の振幅の「節（ノードとも呼ばれている）」とは、一般的には超音波振動の振幅が０（ゼロ）となる点をいうが、本発明における「超音波振動の振幅の節となる位置」には、超音波振動の振幅がゼロとなる点だけでなく、当該節を含む近傍の範囲を含む。
このように、工具ホーンは、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有しているので、この被掛止部を固定手段の掛止部で掛止することによって、当該工具ホーンを固設部に固設された超音波振動子に固定することができる。なお、節となる位置で掛止して固定するので、超音波振動をほとんど阻害しない。また、伸縮自在なアクチュエータを用いているので、当該アクチュエータを伸長させて掛止部を固設部と離間する方向に移動させることにより工具ホーンの着脱を容易に行うことができるようになる。さらに、アクチュエータを縮退させて、工具ホーンを掛止した掛止部を固設部に向けて押圧することによって、工具ホーンを固定することができる。つまり、工具ホーンの着脱にねじなどの締結部材を使用しないので長期間使用することができ、アクチュエータを伸縮させるだけで工具ホーンの着脱を行うことができるので、固定するための動作や機械機構を簡単にすることができる。

（２）本発明においては、前記被掛止部は、円盤状のフランジであり、前記掛止部は、板材の一端部から前記超音波振動子の直下となる位置にかけて前記工具ホーンの先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝と、前記固設部に対向する面に前記幅寸法よりも大きい幅寸法で前記案内溝に沿って形成されたガイド部とを有するのが好ましい。
このように、掛止部は、板材の一端部から前記超音波振動子の直下となる位置にかけて工具ホーンの先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝を有しているため、当該案内溝から工具ホーンの先端を突出させることができる。また、工具ホーンを当該案内溝に沿ってスライドさせることができるので、工具ホーンの取り付けが容易である。さらに、案内溝はガイド部を有し、超音波振動子の直下となる位置を案内溝の端部としているため、工具ホーンの案内をスムーズに行うことが可能であり、当該端部に工具ホーンを突き当てるだけで位置決めを確実に行うことができる。また、工具ホーンを安定して固定することができる。

（３）本発明においては、前記工具ホーンの被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを縮退させて前記掛止部を前記固設部に向けて押圧することにより、前記掛止部と前記超音波振動子との間に固定された前記工具ホーンを有するようにすることができる。
これによれば、工具ホーンの被掛止部を掛止部で掛止してアクチュエータを縮退させ、固設部に向けて押圧しているので、工具ホーンを確実且つ安定して固定することができる。また、掛止部に工具ホーンの被掛止部を掛止させ、アクチュエータを縮退させるという簡単な動作及び機械機構で工具ホーンを固定することができる。

（４）本発明に係る超音波加工装置は、前記した（１）から（３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段とを有することを特徴としている。
本発明に係る超音波加工装置は、前記した（１）から（３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドを有しているので、工具ホーンの被掛止部を固定手段の掛止部で掛止するだけで超音波振動子に工具ホーンを固定することができる。

（５）本発明に係る超音波加工システムは、前記した（１）から（３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーンと交換して用いられる交換用工具ホーンと、前記工具ホーン及び前記交換用工具ホーンを保持する工具ホーンスタンドとを備えたことを特徴としている。
本発明に係る超音波加工システムは、交換用工具ホーンと、工具ホーン及び交換用工具ホーンを保持する工具ホーンスタンドとを備えているので、前記した（１）から（３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドを備えた高剛性ロボットを適切に動作させれば、自動的に工具ホーンと交換用工具ホーンとを交換することが可能となる。

（６）本発明に係る超音波加工用作業ヘッドは、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンと、前記超音波を発振する超音波振動子とを一体的に形成した工具ホーン付き超音波振動子を固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、前記工具ホーン付き超音波振動子を交換可能に取り付ける取付部を備えた固設部と、前記固設部に固設された伸縮自在なアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段とを有することを特徴としている。
このように、工具ホーン付き超音波振動子は、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有しているので、この被掛止部を固定手段の掛止部で掛止することによって、当該工具ホーン付き超音波振動子を固設部に固定することができる。なお、本発明においても節となる位置で掛止して固定するので、超音波振動をほとんど阻害しない。また、伸縮自在なアクチュエータを用いているので、当該アクチュエータを伸長させて掛止部を固設部と離間する方向に移動させることにより工具ホーン付き超音波振動子の着脱を容易に行うことができるようになる。さらに、アクチュエータを縮退させて、工具ホーン付き超音波振動子を掛止した掛止部を固設部に向けて押圧することによって、工具ホーン付き超音波振動子を固定することができる。つまり、工具ホーン付き超音波振動子の着脱にねじなどの締結部材を使用しないので長期間使用することができ、アクチュエータを伸縮させるだけで工具ホーン付き超音波振動子の着脱を行うことができるので、固定するための動作や機械機構を簡単にすることができる。

（７）本発明においては、前記被掛止部は、円盤状のフランジであり、前記掛止部は、板材の一端部から前記取付部の直下となる位置にかけて前記工具ホーン付き超音波振動子の先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝と、前記取付部と対向する面に前記幅寸法よりも大きい幅寸法で前記案内溝に沿って形成されたガイド部とを有するのが好ましい。
このように、掛止部は、板材の一端部から前記超音波振動子の直下となる位置にかけて工具ホーン付き超音波振動子の先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝を有しているため、当該案内溝から工具ホーン付き超音波振動子の先端を突出させることができる。また、工具ホーン付き超音波振動子を当該案内溝に沿ってスライドさせることができるので、工具ホーン付き超音波振動子の取り付けが容易である。さらに、案内溝はガイド部を有し、取付部の直下となる位置を案内溝の端部としているため、工具ホーン付き超音波振動子の案内をスムーズに行うことが可能であり、当該端部に工具ホーン付き超音波振動子を突き当てるだけで位置決めを確実に行うことができる。また、工具ホーン付き超音波振動子を安定して固定することができる。

（８）本発明においては、前記工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを縮退させて前記掛止部を前記固設部に向けて押圧することによって前記掛止部と前記取付部との間に固定された前記工具ホーン付き超音波振動子を有するようにすることができる。
これによれば、工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を掛止部で掛止してアクチュエータを縮退させ、固設部に向けて押圧しているので、工具ホーン付き超音波振動子を確実且つ安定して固定することができる。また、掛止部に工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を掛止させ、アクチュエータを縮退させるという簡単な動作及び機械機構で工具ホーンを固定することができる。

（９）本発明に係る超音波加工装置は、前記した（６）から（８）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段とを有することを特徴としている。
本発明に係る超音波加工装置は、前記した（６）から（８）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドを備えているので、工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を固定手段の掛止部で掛止するだけで取付部に工具ホーン付き超音波振動子を固定することができる。

（１０）本発明に係る超音波加工システムは、前記した（６）から（８）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーン付き超音波振動子と交換して用いられる交換用工具ホーン付き超音波振動子と、前記工具ホーン付き超音波振動子及び前記交換用工具ホーン付き超音波振動子を保持する工具ホーンスタンドとを備えたことを特徴としている。
本発明に係る超音波加工システムは、交換用工具ホーン付き超音波振動子と、工具ホーン付き超音波振動子及び交換用工具ホーン付き超音波振動子を保持する工具ホーンスタンドとを備えているので、前記した（６）から（８）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドを備えた高剛性ロボットを適切に動作させれば、自動的に工具ホーン付き超音波振動子と交換用工具ホーン付き超音波振動子とを交換することが可能となる。
（１１）本発明に係る超音波加工用作業ヘッドは、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンを固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、前記超音波振動を発振する超音波振動子と、前記超音波振動子を固設するための固設部と、前記固設部に固設されたアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーンの被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段と、を有し、前記固定手段は、前記工具ホーンの被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを動作させることで前記工具ホーンを前記超音波振動子と結合させて固定することを特徴としている。
（１２）本発明において、前記工具ホーンと前記超音波振動子が対向する面の一方に凹部を設け、他方に突出部を設け、前記凹部と前記突出部とを嵌合自在に構成するのが好ましい。
（１３）本発明において、前記被掛止部は、前記工具ホーンの超音波振動の振幅の節となる位置に形成された溝であり、前記掛止部は、前記被掛止部に嵌合する凸部を有するガイド部とするのが好ましい。
（１４）本発明に係る超音波加工装置は、前記した（１１）から（１３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段と、を有することを特徴とする超音波加工装置。
（１５）本発明に係る超音波加工システムは、前記した（１１）から（１３）のいずれか１つに記載の超音波加工用作業ヘッドと、当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーンと交換して用いられる交換用工具ホーンと、前記工具ホーン及び前記交換用工具ホーンを保持する工具ホーンスタンドと、を備えたことを特徴とする超音波加工システム。

本発明に係る超音波加工用作業ヘッドによれば、被掛止部に掛止部を掛止させて固定するため、ねじ等の固定部材が消耗するというようなことがない。従って、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を長期間使用することができる。また、従来は、ねじ等の固定部材で固定する場合は、超音波振動やアームの動作によって外れてしまわないよう、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を固定する際に所定の締め付けトルクで締め付ける必要があったが、本発明においては被掛止部に掛止部を掛止させて固定するため、そのようなトルク管理を行う必要がない。また、前記したように工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部に固定手段の掛止部を掛止させて固定するだけであるので、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の交換時間を短縮することができる。

本発明に係る超音波加工装置によれば、前記した超音波加工用作業ヘッドを備えており、工具ホーンの被掛止部に固定手段の掛止部を掛止させて固定するため、ねじ等の固定部材が消耗するというようなことがない。従って、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を長期間使用することができる。また、ねじ等の固定部材で固定する場合は、超音波振動やアームの動作によって外れてしまわないよう、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を固定する際に所定の締め付けトルクで締め付ける必要があったが、本発明においては工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部に固定手段の掛止部を掛止させて固定するため、そのようなトルク管理を行う必要がない。また、前記したように工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部に固定手段の掛止部を掛止させて固定するだけであるので、工具ホーンの交換時間を短縮することができる。

本発明に係る超音波加工システムによれば、前記した超音波加工用作業ヘッドを備えているので、従来のように工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を、ねじ等の固定部材で固定する必要がない。そのため、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子を回転させて固定させるための動作や機械機構を省くことができ、全体の構造を簡単にすることができる。また、前記したように工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部に固定手段の掛止部を掛止させて固定するだけであるので、工具ホーンや工具ホーン付き超音波振動子の交換時間を短縮することができる。

次に、適宜図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッド、これを備えた超音波加工装置及び超音波加工システムについて詳細に説明する。
まず、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッド（以下、単に「作業ヘッド」という。）について説明する前に、図１を参照して、当該作業ヘッドを備えた超音波加工装置の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工装置の一例を示す全体斜視図である。

図１に示すように、本発明に係る超音波加工装置１０は主として、ベースＢの上に設けられたプレスヘッド１１と、プレスヘッド１１の下端に固定され、超音波振動を発振する超音波振動子１２を備えた作業ヘッド１３と、作業ヘッド１３を往復動させるとともに、ワークＷ（図１には図示せず。図５参照。）に対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段１４とを有している。また、超音波振動子１２に接続された発振器１５と、発振器１５及び往復動手段１４に接続された制御部１６とを備えて構成されている。

ここで、往復動手段１４としては、例えば、油圧シリンダ、エアシリンダ、電動シリンダなどを用いることができる。また、所定の押圧力は、ワークＷの種類等に応じて適宜設定することができる。所定の押圧力は、例えば、１０〜５０００Ｎなどとすることができる。

また、発振器１５は、超音波振動子１２に所定の周波数の超音波を発生させる装置であり、制御部１６によってオン／オフが制御される。この発振器１５は周波数追尾回路（例えばＰＬＬ回路）を備えているのが好ましい。かかる周波数追尾回路を備えることにより、振動系をその最適な周波数で駆動させることができる。

制御部１６は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、プレスヘッド１１の往復動手段１４等に、図示しない駆動回路を介して信号を出力可能に接続されており、発振器１５にオン／オフ信号を出力可能に接続されている。また更に、制御部１６は、図示しないサーボモータに設けた図示しない各エンコーダからのパルス信号を入力可能に接続されていてもよい。
この制御部１６は、ティーチングによって入力された高さデータや位置データ、使用する工具ホーン１７のデータ、かしめ・溶着等の推力データなどをＲＡＭに記憶し、ＲＯＭに記憶された種々のプログラムを適宜選択して実行することができる。

そして、図２は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの断面図である。また、図３は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの斜視図であって、（ａ）は、工具ホーンを固定する前の様子を示す斜視図、（ｂ）は、工具ホーンを固定した後の様子を示す斜視図である。なお、図３（ａ）（ｂ）では、超音波振動子１２の上端部押さえ板１３ａ及び下端部押さえ板１３ｂを円板の板材で固定した様子を示しているが、板材の形状が円板でなくてもよいことはいうまでもない。

図２に示すように、本発明に係る作業ヘッド１３は主として、前記したように超音波振動子１２と、この超音波振動子１２を固設するための固設部１３１と、固定手段１３２とを有している。

超音波振動子１２としては、例えば、圧電振動子を用いたランジュバン型超音波振動子を好適に使用することができる。しかし、これに限定されるものではなく、例えば、圧電振動子又は磁歪振動子を用いて超音波振動を発振できるものであればどのようなものでも使用することができる。かかる超音波振動子１２の下端部には、発振された超音波振動を増幅して工具ホーン１７に伝達するブースター１２３が備えられている。このブースター１２３は先端部の一部に突出部１２３１を有しており、後記するように当該突出部１２３１で位置決めされるようにして工具ホーン１７を交換可能に取り付ける。

固設部１３１は、図２及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、連結部材１３１１で連結された上端部押さえ板１３ａ及び下端部押さえ板１３ｂで形成されており、上端部押さえ板１３ａと下端部押さえ板１３ｂによって、超音波振動子１２の上端部１２１側と下端部１２２側から挟み込んで固定することができる。

図２に示すように、上端部押さえ板１３ａは、略中心部に超音波振動子１２の上端部１２１の直径よりも若干大きい寸法で形成された貫通孔１３ａ１を有している。上端部押さえ板１３ａでの超音波振動子１２の固定は、当該貫通孔１３ａ１に超音波振動子１２の上端部１２１を入れ、更にこの貫通孔１３ａ１を固定部材１３ａ２で塞いでねじ等で固定することで行う。

図３（ａ）に示すように、上端部押さえ板１３ａにねじ等で固定される固定部材１３ａ２は、中央部分を切り欠いた略Ｕ字状に形成されており、その中央部分から超音波振動子１２の電気端子１２４を露出させることができるようになっている。固定部材１３ａ２の中央部分で露出された電気端子１２４は、図示しないピンコネクタを介して発振器１５と電気的に接続できるようになっている。

また、下端部押さえ板１３ｂは、連結部材１３１１を介して上端部押さえ板１３ａと一体的に連結されている。図２に示すように、下端部押さえ板１３ｂは、案内穴１３ｂ２と、案内穴１３ｂ２の略中心部に形成された貫通孔１３ｂ３を有している。この案内穴１３ｂ２は、略中心部に超音波振動子１２の下端部１２２の直径と略同じ寸法で形成され、下端部押さえ板１３ｂの上面１３ｂ１から一段下がって形成されている。

図３（ｂ）に示すように、下端部押さえ板１３ｂでの超音波振動子１２の固定は、超音波振動子１２のブースター１２３を下端部押さえ板１３ｂの貫通孔１３ｂ３に挿通させてブースター１２３を下端部押さえ板１３ｂの下面１３ｂ４（図２参照）に突出させ、当該案内穴１３ｂ２内に超音波振動子１２の下端部１２２を嵌め込むことで行う。下端部押さえ板１３ｂの貫通孔１３ｂ３は、超音波振動を妨げないようにするため、超音波振動するブースター１２３と当接しないよう十分に大きな直径をもって形成されている。

本発明に係る作業ヘッド１３に固定される工具ホーン１７は、掛止部１３２１の下面１３２１ａから突出した先端部１７１がワークＷと当接してこれを溶着、かしめ、ゲート切り、金属部品のインサートといった加工を行う。そのため、工具ホーン１７は、行いたい加工内容やワークＷの形状等に応じて種々の形状に形成されている。
かかる工具ホーン１７は、固設部１３１と後記する固定手段１３２とによって固定される。そのため、工具ホーン１７の基端部１７２には、図２及び図３（ａ）に示すように、超音波振動子１２のブースター１２３の突出部１２３１を嵌め合わせるための凹部１７３が形成されている。つまり、ブースター１２３の突出部１２３１と工具ホーン１７の凹部１７３とを嵌め合わせることによって位置決めができるようになっている。

そして、図２及び図３（ａ）に示すように、本発明における工具ホーン１７は、超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部１７４を有しており、当該被掛止部１７４が後記する固定手段１３２の掛止部１３２１で掛止されることによって、超音波振動子１２に交換可能に取り付けられる。被掛止部１７４としては、例えば、円盤状のフランジを挙げることができる。なお、超音波振動の振幅の節となる位置は、工具ホーン１７の形状、大きさ、長さなどによって変わるため工具ホーン１７毎に設定する必要がある。通常、超音波振動は正弦波振動を前提としているため、速度をω（固有振動数）で割ることで振動変位になり、かかる振動変位から超音波振動の節となる位置を算出することができる。

図２及び図３（ａ）に示すように、固定手段１３２は、固設部１３１に固設された伸縮自在なアクチュエータ１３２２、及びこのアクチュエータ１３２２に連結され、工具ホーン１７の被掛止部１７４を掛止する掛止部１３２１を備えている。アクチュエータ１３２２は、例えば、掛止部１３２１を超音波振動子１２の長手方向と平行な方向に伸縮させることのできる１つ以上のエアシリンダ又は油圧シリンダなどを用いることができる。図２に示すように、下端部押さえ板１３ｂには、アクチュエータ１３２２の駆動力を受けて伸縮するロッド１３２４を貫通させるための貫通孔１３ｂ５が設けられており、貫通孔１３ｂ５を貫通したロッド１３２４の先端に、中実又は中空の連結部材１３２３が取り付けられている。そして、かかる連結部材１３２３に対して直角となるように掛止部１３２１が取り付けられている。

かかる掛止部１３２１は、板材の一端部から超音波振動子１２の直下となる位置にかけて工具ホーン１７の先端部１７１と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝１３２８を有する略Ｕ字状に形成されている。掛止部１３２１は、固設部１３１に対向する面に前記した案内溝１３２８の幅寸法よりも大きい幅寸法で案内溝１３２８に沿って形成されたガイド部１３２７を有している。ガイド部１３２７は、掛止部１３２１の一端面１３２５から超音波振動子１２の直下となる略中央部分にかけて、上面１３２６から一段下がって形成されている。掛止部１３２１は、ガイド部１３２７と案内溝１３２８によって工具ホーン１７の被掛止部１７４を掛止し、所定位置まで工具ホーン１７を案内することができる。所定位置まで案内された工具ホーン１７は、基端部１７２の凹部１７３が、超音波振動子１２のブースター１２３の突出部１２３１の直下に配置される。なお、案内溝１３２８が形成されている一端面１３２５側の連結部材１３２３は、連架部材１３２９を用いた二股構造となっているため、工具ホーン１７の出入を妨げない。

工具ホーン１７の被掛止部１７４を掛止部１３２１で掛止し、アクチュエータ１３２２を縮退させて掛止部１３２１を固設部１３１に向けて押圧することによって掛止部１３２１と超音波振動子１２との間に工具ホーン１７を固定することができる。このようにすることによって、掛止部１３２１と超音波振動子１２との間に工具ホーン１７を固定した作業ヘッド１３を具現することができる。

なお、工具ホーン１７を固定するためのアクチュエータ１３２２による押圧力は、ワークの種類等や、工具ホーンの形状、大きさ、使用振幅等により適宜に設定することができるが、例えば、一般的なハンドかしめ用工具ホーンの場合であれば１００〜５００Ｎとすることができる。アクチュエータ１３２２による押圧力が１００Ｎ未満であると、押圧力が不足するため超音波振動を工具ホーン１７に十分に伝えることができず、超音波加工を適切に行えない可能性がある。また、工具ホーン１７の固定が不十分であるため、工具ホーン１７とブースター１２３との間の発熱量が大きくなるおそれもある。一方、アクチュエータ１３２２による押圧力が５００Ｎを超えても、工具ホーン１７の固定する効果は向上しないばかりか、アクチュエータ１３２２のサイズやコストが嵩むため好ましくない。

次に、本発明に係る作業ヘッド１３と、これを備えた超音波加工装置１０の使用方法について図４を参照して説明する。図４は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドと、これを備えた超音波加工装置の使用方法を示すフローチャートである。

図４に示すように、本発明の第１実施形態に係る作業ヘッド１３と、これを備えた超音波加工装置１０は、例えば、以下のようにして使用することができる。
まず、超音波加工装置１０の電源をオンにする（Ｓ１）。次いで、固定手段１３２のアクチュエータ１３２２を作動させて掛止部１３２１を降下させる（Ｓ２）。そして、超音波加工を行いたいワークＷの種類、材質、加工内容に適した工具ホーン１７を選択し（Ｓ３）、選択した工具ホーン１７の被掛止部１７４が固定手段１３２のガイド部１３２７に案内されるようにして案内溝１３２８に差し入れる。そして、作業ヘッド１３をそのまま押し込み、工具ホーン１７の被掛止部１７４の端面が、ガイド部１３２７の終端と当接するまで案内する（Ｓ４）。このようにすることで、工具ホーン１７を超音波振動子１２のブースター１２３の直下、つまり所定位置に配置させることができる。その後、固定手段１３２のアクチュエータ１３２２を作動させて掛止部１３２１を上昇させ、工具ホーン１７の凹部１７３とブースター１２３の突出部１２３１とが嵌合するようにして押圧し固定する（Ｓ５）。

次いで、超音波加工を行いたいワークＷの種類、材質、加工内容に応じた超音波振動の周波数、振動時間、プレスヘッド１１による作業ヘッド１３の高さ位置の設定、押圧力などの条件設定、又は予め入力してあるプログラムの選択を、制御部１６と接続されたタッチパネルやテンキーなどの入力手段１６１にて行う（Ｓ６）。
このようにして超音波加工装置１０の準備を終えた後、ワークＷをベースＢ上に置いて加工を行う（Ｓ７）。
ワークＷの加工が終了して作業を終える場合、必要であれば固定手段１３２のアクチュエータ１３２２を作動させて掛止部１３２１を降下させ、工具ホーン１７を取り外す（Ｓ８）。その後、電源をオフにする（Ｓ９）。
このようにすれば、本発明の第１実施形態に係る作業ヘッド１３を備えた超音波加工装置１０を適切に操作してワークＷを加工することができる。

以上に説明したように、本発明の作業ヘッド１３と、これを備えた超音波加工装置１０によれば、工具ホーン１７の被掛止部１７４を固定手段１３２の掛止部１３２１で掛止して固定するため、ねじなどの締結部材を必要としない。そのため、繰り返し交換しても締結部材が消耗するというようなことはないので、工具ホーン１７を長期間使用することができる。

次に、本発明の第１実施形態に係る作業ヘッド１３を備えた超音波加工システム２０について説明する。
図５は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの一例を示す全体斜視図である。
図５に示すように、本発明に係る超音波加工システム２０は、前記した第１実施形態に係る作業ヘッド１３と、高剛性ロボット２１と、交換用工具ホーン２２と、工具ホーンスタンド２３とを備えている。

高剛性ロボット２１は、作業ヘッド１３を往復動させるとともに、ワークＷに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段１４を有し、当該作業ヘッド１３の位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアーム２１１を備えている。超音波加工システム２０における往復動手段１４の詳細については後記する。

図５に示すように、かかる高剛性ロボット２１は、本体である略コ字形又は略Ｅ字形をなすコラム２１２と、このコラム２１２に基端部が回動自在となるように取り付けられた複数のアーム２１１と、アーム２１１の基端部に内蔵された水平用駆動軸であるサーボモータ２１３及び減速器（図示せず）と、アーム２１１の先端部に設けられた上下用駆動軸であるサーボモータ２１４及び減速器（図示せず）などを備えている。
水平用駆動軸であるサーボモータ２１３及び上下用駆動軸であるサーボモータ２１４は、制御部２４に組み込まれたプログラムの実行を受けて回転動作し、予め設定された位置に配置されるようにアーム２１１を動作させる。

なお、高剛性ロボット２１の複数のアーム２１１は、例えば、約１０００Ｎといった、工具ホーン１７に対する高推力を実現できるよう、所謂４節リンク構造（テトラアーム構造）とするのが好ましい。このような高剛性ロボット２１については、例えば特開平１０−４４２４２号公報に詳述されている。

図６は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを固定した高剛性ロボットの先端部分の断面図である。
図６に示すように、この作業ヘッド１３は、ボックス形状のフレーム２５を有しており、このフレーム２５に、往復動手段１４が直線移動ガイド２６を介して取り付けられている。

フレーム２５は、その上端部に搭載されたサーボモータ２１４と、このサーボモータ２１４の回転軸に連結されフレーム２５の内部に上下方向に延設される回転自在なボールねじ２５１と、このボールねじ２５１に螺合するボールねじナット２５２と、このボールねじナット２５２に固着されたギア２５３とを備えている。ボールねじナット２５２は、ハウジング２５４、ベアリング２５５を介してフレーム２５に回転自在に支持されており、ハウジング２５４に固定されたギア２５３と前記サーボモータ２１４の出力シャフトに取り付けられたギア２５６とが噛み合って、サーボモータ２１４の回転力をボールねじナット２５２に伝達する。

直線移動ガイド２６は、フレーム２５の前端面２５ａに設けられた複数の軸受け２５ｂと、軸受け２５ｂに嵌合され、上下方向に摺動可能なレール２６１とを備えている。

超音波加工システム２０における往復動手段１４は、直線移動ガイド２６のレール２６１に固定されたスライダ２６２と、このスライダ２６２に固設部１３１を介して取り付けられた作業ヘッド１３とで構成されている。スライダ２６２には、その下方においてフレーム２５へ向けて突出するフランジ部２６３が設けられ、このフランジ部２６３にはボールねじ２５１の下端がねじなどの締結部材により固定してある。ボールねじ２５１は、ボールねじナット２５２が回転するとその回転力を受けるが、直線移動ガイド２６、スライダ２６２との連結関係から回転が阻止されているため、その回転力が軸方向への駆動力に変換されることにより、当該ボールねじ２５１はスライダ２６２とともに往復方向に移動することになる。

交換用工具ホーン２２は、高剛性ロボット２１によって変位可能な範囲内に備えられており、工具ホーン１７と交換して用いられる。この交換用工具ホーン２２は、ワークＷに対して行いたい加工内容に適した形状を有しており、前記した工具ホーン１７とは先端部分の形状が異なっている。なお、当該交換用工具ホーン２２にも超音波振動子１２のブースター１２３と嵌め合わせるための凹部２７３が形成されており、工具ホーン１７と同様にして超音波振動子１２と固定することができる。

工具ホーンスタンド２３は、工具ホーン１７や交換用工具ホーン２２を保持するための保持手段２３１を備えている。保持手段２３１としては、例えば、図５に示す保持穴２３２を挙げることができる。かかる保持穴２３２は、工具ホーン１７及び交換用工具ホーン２２の先端部分の直径と略同じ直径で形成され、且つ工具ホーン１７や交換用工具ホーン２２を保持させたときに、工具ホーンスタンド２３の上面に固定手段１３２の掛止部１３２１の下面１３２１ａ（図２参照）が当接しない程度の深さで形成されている。また、図示はしないが、保持手段２３１としては、例えば、工具ホーン１７や交換用工具ホーン２２の一部を挟持して保持する挟持体であってもよい。なお、保持手段２３１には、工具ホーン１７及び交換用工具ホーン２２に対する傷付き防止のため、工具ホーン１７及び交換用工具ホーン２２と当接する部分に、ゴムやスポンジ等の弾性部材２３３を設けておくのが好ましい。

工具ホーンスタンド２３は、かかる保持手段２３１を工具ホーン１７及び交換用工具ホーン２２の数だけ備えている（図５では、合計で３つの保持穴２３２を備えている。）。
工具ホーンスタンド２３は、高剛性ロボット２１によって工具ホーン１７及び交換用工具ホーン２２を交換可能に保持することを可能とするため、高剛性ロボット２１によって変位可能な範囲内に設置されている。

超音波加工システム２０における制御部２４は、高剛性ロボット２１の動作を制御する。
かかる制御部２４は、前記した制御部１６と同様に、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成され、高剛性ロボット２１のアーム２１１の基端部に内蔵されたサーボモータ２１３や、アーム２１１の先端部に設けられたサーボモータ２１４に、図示しない駆動回路を介して信号を出力可能に接続されている。また、発振器１５にオン／オフ信号を出力可能に接続されており、更にサーボモータ２１３、２１４に設けた図示しない各エンコーダからのパルス信号を入力可能に接続されている。
この制御部２４は、ティーチングによって入力された位置データや使用する工具ホーン１７や交換用工具ホーン２２のデータ、かしめ・溶着等の推力データなどをＲＡＭに記憶し、ＲＯＭに記憶された種々のプログラムを適宜選択して実行するものである。

次に、図７を参照して、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの使用方法について説明する。
図７は、本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの使用方法を示すフローチャートである。

図７に示すように、本発明に係る超音波加工システム２０は、例えば、以下のようにして使用することができる。
超音波振動による溶着、かしめ、ゲート切り、金属部品のインサートといった超音波加工が開始されると、制御部２４はまず、超音波加工の作業内容を保存した作業データを読み出す（Ｓ１１）。ここで、作業データとは、前記した超音波加工を行う位置データ、使用する工具ホーン１７に関するデータ、超音波加工時のサーボモータ２１３、２１４（図５参照）の回転量、回転速度、トルク量などに関するデータなどであり、ＲＡＭに記憶されたものである。この作業データは、超音波加工を行う位置毎に作成されている。例えば、ワークＷの４箇所でかしめを行う場合には４つの作業データが作成されている。

続いて、制御部２４は、現在、固定手段１３２によって固定されている工具ホーン１７が、今回読み出した作業データに保存された内容の工具ホーンに適合しているか否かを判断する（Ｓ１２）。ここで、工具ホーン１７の認識は、例えば、前回作業ヘッド１３を工具ホーンスタンド２３側に移動したときに、どの保持穴２３２の位置に移動させたかを認識することにより行うことができる。例えば、前回作業ヘッド１３を保持穴２３２ａの位置に移動させていたのであれば、現在固定されている工具ホーン１７は保持穴２３２ａに保持されていた工具ホーン１７であると認識する。

固定手段１３２によって固定されている工具ホーン１７が、今回読み出した作業データの工具ホーンに適合していれば（Ｓ１２でＹＥＳ）、そのままＳ１４に進み、適合していなければ（Ｓ１２でＮＯ）、後述の工具ホーン交換処理（Ｓ１３）を実行した後、Ｓ１４に進む。
続いてＳ１４では、制御部２４は、今回読み出した作業データの位置データに基づいて、サーボモータ２１３の回転量を調整することにより、作業ヘッド１３に固定された工具ホーン１７を作業位置に移動させる。

続いて、制御部２４は、作業データに保存された内容で超音波加工を実行する（Ｓ１５）。即ち、発振器１５を介して超音波振動子１２に超音波振動を発振させる。発振した超音波振動は固定手段１３２によって固定されている工具ホーン１７の先端部１７１に伝わり、作業データに保存された超音波加工を行う。ここで、作業ヘッド１３と接続されたサーボモータ２１４の回転量、回転速度及びトルク量を制御することにより、工具ホーン１７の推力等を調整し、高精度の超音波加工を行うことができる。発振器１５が周波数追尾回路を備えている場合は、工具ホーン１７の共振周波数が異なっている場合でも、周波数追尾回路により最適な周波数で駆動可能である。

その後、制御部２４は、他の作業データが残っているか否かを判断し（Ｓ１６）、残っていれば（Ｓ１６でＹＥＳ）、再びＳ１１に戻って同様の処理を繰り返し、残っていなければ（Ｓ１６でＮＯ）、全ての作業を終了したとして処理を終了する。

次に、図８を参照して、工具ホーン交換処理（Ｓ１３）について説明する。図８は、工具ホーン交換処理のフローチャートである。
図８に示すように、工具ホーン交換処理が開始されると、制御部２４は、サーボモータ２１３の回転量を調整して、固定手段１３２によって固定されている工具ホーン１７を工具ホーンスタンド２３のうちの対応する保持穴２３２の真上まで移動させる（Ｓ１３１）。そして、制御部２４は、サーボモータ２１４を所定量回転させて作業ヘッド１３を降下させ、工具ホーン１７の先端を保持穴２３２に挿入して保持させる（Ｓ１３２）。

次いで、制御部２４は、サーボモータ２１４を所定量回転させて作業ヘッド１３を上昇させつつ、アクチュエータ１３２２を作動させてこの上昇量と同じ距離だけロッド１３２４を伸長させ、これに取り付けられた掛止部１３２１を降下させる（Ｓ１３３）。このようにすると、掛止部１３２１及びこれに掛止されていた工具ホーン１７の高さ位置を変えることなく、作業ヘッド１３の固設部１３１よりも上の部分のみ、図２を参照すれば、下端部押さえ板１３ｂよりも上の部分のみを上方に移動させることができる。これにより、固定手段１３２による工具ホーン１７の固定を解除することができる。

次いで、制御部２４は、サーボモータ２１３の回転量を調整して、作業ヘッド１３を工具ホーンスタンド２３から離間する方向に移動させる（Ｓ１３４）。このようにすると、工具ホーンスタンド２３に保持された工具ホーン１７を、掛止部１３２１のガイド部１３２７からスライドさせて取り外すことができる。

そして、制御部２４は、次に読み出した作業データの内容に従ってサーボモータ２１３の回転量を調整し、次の超音波加工を行うための交換用工具ホーン２２が保持されているところへ作業ヘッド１３を移動させる（Ｓ１３５）。作業ヘッド１３は、交換用工具ホーン２２の被掛止部２２４がガイド部１３２７によって案内されるようにして、交換用工具ホーン２２がガイド部１３２７の終端に突き当たるまで水平に移動させる（Ｓ１３６）。これにより、交換用工具ホーン２２を掛止部１３２１の所定位置、つまり超音波振動子１２のブースター１２３の直下に位置させることができる。

次いで、制御部２４は、アクチュエータ１３２２を作動させてロッド１３２４を縮退させ、これに取り付けられた掛止部１３２１を上昇させて交換用工具ホーン２２の凹部２７３をブースター１２３の突出部１２３１に嵌め合わせ、固設部１３１に向けて押圧して固定し（Ｓ１３７）、工具ホーン交換処理を終了する。工具ホーン１７と交換用工具ホーン２２の交換が終了した後は、Ｓ１４に進んで超音波加工を行う。

以上に説明したように、本発明に係る超音波加工システム２０を使用すると、制御部２４によって高剛性ロボット２１を適切に制御するので、高精度の超音波加工を実現することができる。
また、工具ホーン交換処理によって、作業ヘッド１３の固定手段１３２に固定された工具ホーン１７を、自動で交換することができるため、多種多様の超音波加工を、人手を介することなく簡易且つ迅速に実行することができる。なお、ここでは３本の工具ホーン（工具ホーン１７、交換用工具ホーン２２、２２）を用いた例を示して説明しているが、高剛性ロボット２１の動作領域内に配置できれば、もっと多くの工具ホーンを用いることも可能であることはいうまでもない。
また、通常、工具ホーン１７の共振周波数は発振器ごとに予め定められた周波数になるように製作されるが、寸法誤差や材料のばらつき等により多少異なる場合が普通である。また工具ホーン１７の温度によっても共振周波数は変化する。そのため発振器１５には周波数追尾回路が設けられている場合が殆どである。工具ホーン１７の周波数が変化した場合でもその周波数に自動追尾するようになっているので常に最適な周波数での発振が可能である。

以上は、超音波振動子１２と分離可能な工具ホーン１７を固定手段１３２に固定する形式の第１実施形態に係る作業ヘッド１３と、当該作業ヘッド１３を備えた超音波加工装置１０及び超音波加工システム２０についての説明である。
本発明に係る作業ヘッド１３は、工具ホーン１７と超音波振動子１２とを一体的に結合させて形成された工具ホーン付き超音波振動子３２を交換可能に取り付ける形式にも適用することができる。以下、かかる場合の作業ヘッドを、本発明の第２実施形態に係る作業ヘッド３３として説明する。

なお、第１実施形態に係る作業ヘッド１３と、第２実施形態に係る作業ヘッド３３とは、第１実施形態に係る作業ヘッド１３に交換可能に取り付けられる対象が工具ホーン１７であり、第２実施形態に係る作業ヘッド３３に交換可能に取り付けられる対象が工具ホーン付き超音波振動子３２である点で異なる。しかし、作業ヘッド３３を備える超音波加工装置３０の構成、超音波加工システム４０の構成は、前記した超音波加工装置１０及び超音波加工システム２０と同様であるので、重複する要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図９は、本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工装置の一例を示す全体斜視図である。
図９に示すように、本発明に係る超音波加工装置３０は主として、ベースＢの上に設けられたプレスヘッド１１と、プレスヘッド１１の下端に固定され、超音波振動を発振する超音波振動子１２と、ワークＷ（図９には図示せず。図１２参照。）を加工するための工具ホーン１７とを一体的に形成してなる工具ホーン付き超音波振動子３２を備えた作業ヘッド３３と、作業ヘッド３３を往復動させるとともに、ワークＷに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段１４とを有している。また、超音波振動子１２に接続された発振器１５と、発振器１５及び往復動手段１４に接続された制御部１６とを備えて構成されている。

図１０は、図９に示した本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの構成を説明する正面図である。
図１０に示すように、第２実施形態に係る作業ヘッド３３は主として、固設部３３１と、固定手段３３２とを有している。

固設部３３１は、板状の部材で形成されており、その上面３３１２又は下面３３１３にアクチュエータ３３２２を固設することができる。なお、図１０では、固設部３３１の下面３３１３にアクチュエータ３３２２を固設した様子を示している。
そして、固設部３３１は、工具ホーン付き超音波振動子３２を交換可能に取り付けることのできる取付部３３１１を備えている。

図１０に示すように、取付部３３１１は、工具ホーン付き超音波振動子３２を交換可能に取り付けるため、この取付部３３１１の下面３３１３に、当該下面３３１３から一段下がって、図１０の紙面上、手前側から奥側に向かって形成されたガイド部３３１４と、このガイド部３３１４に沿って連成された案内溝３３１５とを有している。取付部３３１１は、ガイド部３３１４によって工具ホーン付き超音波振動子３２の上端部３２１を所定位置まで案内する。このとき、工具ホーン付き超音波振動子３２の上端部３２１に設けられている電気端子３２４は、取付部３３１１の案内溝３３１５によって当該取付部３３１１の上面３３１２に露出させることができる。

固定手段３３２は、固設部３３１に固設された伸縮自在なアクチュエータ３３２２、及びアクチュエータ３３２２に連結され、工具ホーン付き超音波振動子３２の被掛止部３７４を掛止する掛止部３３２１を備えている。アクチュエータ３３２２は、例えば、掛止部３３２１を工具ホーン付き超音波振動子３２の長手方向と平行な方向に伸縮させることのできる１つ以上のエアシリンダ又は油圧シリンダなどを用いることができる。

掛止部３３２１は、アクチュエータ３３２２のロッド３３２４と連結部材３３２３によって連結されている。掛止部３３２１は、板材の一端部（図１０を参照して説明すると、図１０の紙面上手前側）から取付部３３１１の直下となる位置にかけて工具ホーン付き超音波振動子３２の先端部３７１と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝３３２８と、取付部３３１１と対向する面に前記した幅寸法よりも大きい幅寸法で案内溝３３２８に沿って形成されたガイド部３３２７とを有している。

なお、工具ホーン付き超音波振動子３２は、前記したように、超音波振動を発振する超音波振動子１２のブースター３２３の端面に、ワークＷを加工するための工具ホーン１７を一体的に形成している。そして、当該工具ホーン付き超音波振動子３２は、工具ホーン１７における超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部３７４を有しており、当該被掛止部３７４が固定手段３３２の掛止部３３２１で掛止されることによって、取付部３３１１に交換可能に取り付けることができる。なお、被掛止部３７４としては、例えば円盤状のフランジとすることができる。

工具ホーン付き超音波振動子３２の被掛止部３７４を掛止部３３２１で掛止し、アクチュエータ３３２２を縮退させて掛止部３３２１を固設部３３１に向けて押圧することによって掛止部３３２１と固設部３３１との間に工具ホーン付き超音波振動子３２を固定することができる。このようにすることによって、掛止部３３２１と固設部３３１との間に工具ホーン付き超音波振動子３２を固定した作業ヘッド３３を具現することができる。

次に、かかる作業ヘッド３３と、これを備えた超音波加工装置３０の使用方法について図１１を参照して説明する。図１１は、本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドと、これを備えた超音波加工装置の使用方法を示すフローチャートである。

図１１に示すように、本発明の第２実施形態に係る作業ヘッド３３と、これを備えた超音波加工装置３０は、例えば、以下のようにして使用することができる。
まず、超音波加工装置３０の電源をオンにする（Ｓ２１）。次いで、固定手段３３２のアクチュエータ３３２２を作動させて掛止部３３２１を降下させる（Ｓ２２）。そして、超音波加工を行いたいワークＷの種類、材質、加工内容に適した工具ホーン付き超音波振動子３２を選択し（Ｓ２３）、選択した工具ホーン付き超音波振動子３２の被掛止部３７４が掛止部３３２１のガイド部３３２７に案内されるようにして案内溝３３２８に差し入れるとともに、工具ホーン付き超音波振動子３２の上端部３２１を取付部３３１１のガイド部３３１４に差し入れる。そして、作業ヘッド３３をそのまま押し込み、工具ホーン付き超音波振動子３２の被掛止部３７４の端面、及び上端部３２１の端面が、それぞれガイド部３３２７の終端、及びガイド部３３１４の終端と当接するまで案内する（Ｓ２４）。これにより、工具ホーン付き超音波振動子３２を取付部３３１１の直下、つまり所定位置に配置させることができる。また、工具ホーン付き超音波振動子３２の電気端子３２４と、プレスヘッド１１に備えられたピンコネクタ（図示せず）とを接続可能な状態にすることができる。その後、固定手段３３２のアクチュエータ３３２２を作動させて掛止部３３２１を上昇させて工具ホーン付き超音波振動子３２を固設部３３１に押圧して固定する（Ｓ２５）。

次いで、超音波加工を行いたいワークＷの種類、材質、加工内容に応じた超音波振動の周波数、振動時間、プレスヘッド１１による作業ヘッド３３の高さ位置の設定、押圧力などの条件設定、又は予め入力してあるプログラムの選択を、制御部１６と接続された入力手段１６１にて行う（Ｓ２６）。
このようにして超音波加工装置３０の準備を終えた後、ワークＷをベースＢ上に置いて加工を行う（Ｓ２７）。
ワークＷの加工が終了して作業を終える場合、必要であれば固定手段３３２のアクチュエータ３３２２を作動させて掛止部３３２１を降下させ、工具ホーン付き超音波振動子３２を取り外す（Ｓ２８）。その後、電源をオフにする（Ｓ２９）。
このようにすれば、本発明の第２実施形態に係る作業ヘッド３３を備えた超音波加工装置３０を適切に操作してワークＷを加工することができる。

以上に説明したように、本発明の作業ヘッド３３と、これを備えた超音波加工装置３０によれば、工具ホーン付き超音波振動子３２の被掛止部３７４を固定手段３３２の掛止部３３２１で掛止して固定するため、ねじなどの締結部材を必要としない。そのため、繰り返し交換しても締結部材が消耗するというようなことはないので、工具ホーン付き超音波振動子３２を長期間使用することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る作業ヘッド３３を備えた超音波加工システム４０について説明する。
図１２は、本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの一例を示す全体斜視図である。
図１２に示すように、本発明に係る超音波加工システム４０は、前記した第２実施形態に係る作業ヘッド３３と、高剛性ロボット２１と、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２と、工具ホーンスタンド４３とを備えている。

ここで、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２は、高剛性ロボット２１によって変位可能な範囲内に備えられており、工具ホーン付き超音波振動子３２と交換して用いられる。この交換用工具ホーン付き超音波振動子４２は、ワークＷに対して行いたい加工内容に適した形状を有しており、前記した工具ホーン付き超音波振動子３２とは先端部分の形状が異なっている。

工具ホーンスタンド４３は、工具ホーン付き超音波振動子３２及び交換用工具ホーン付き超音波振動子４２を保持するため、工具ホーン付き超音波振動子３２及び交換用工具ホーン付き超音波振動子４２の数に応じた挟持部４３２を有している。なお、かかる挟持部４３２には、工具ホーン付き超音波振動子３２及び交換用工具ホーン付き超音波振動子４２に対する傷付き防止のため、工具ホーン付き超音波振動子３２及び交換用工具ホーン付き超音波振動子４２と当接する部分に、ゴムやスポンジ等の弾性部材４３３を設けておくのが好ましい。

工具ホーン付き超音波振動子３２及び交換用工具ホーン付き超音波振動子４２は共に超音波振動子と工具ホーンが既に連結されているため、両者を一定の圧力で固定する必要がなく、固設部３３１と掛止部３３２１の間に工具ホーン付き超音波振動子３２又は交換用工具ホーン付き超音波振動子４２を固定するだけでよいという利点がある。

次に、図１３を参照して、本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッド３３を備えた超音波加工システム４０の使用方法について説明する。
図１３は、本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの使用方法を示すフローチャートである。

図１３に示すように、本発明に係る超音波加工システム４０は、例えば、以下のようにして使用することができる。
超音波振動による溶着、かしめ、ゲート切り、金属部品のインサートといった超音波加工が開始されると、制御部２４はまず、超音波加工の作業内容を保存した作業データを読み出す（Ｓ３１）。

続いて、制御部２４は、現在、固定手段３３２によって固定されている工具ホーン付き超音波振動子３２が、今回読み出した作業データに保存された内容の工具ホーン付き超音波振動子に適合しているか否かを判断する（Ｓ３２）。ここで、工具ホーン付き超音波振動子３２の認識は、例えば、前回作業ヘッド３３を工具ホーンスタンド４３側に移動したときに、どの挟持部４３２の位置に移動させたかを認識することにより行う。例えば、前回作業ヘッド３３を挟持部４３２ａの位置に移動させていたのであれば、現在固定されている工具ホーン付き超音波振動子３２は挟持部４３２ａに保持されていた工具ホーン付き超音波振動子３２であると認識する。

固定手段３３２によって固定されている工具ホーン付き超音波振動子３２が、今回読み出した作業データの工具ホーン付き超音波振動子に適合していれば（Ｓ３２でＹＥＳ）、そのままＳ３４に進み、適合していなければ（Ｓ３２でＮＯ）、後述の工具ホーン付き超音波振動子交換処理（Ｓ３３）を実行した後、Ｓ３４に進む。
続いてＳ３４では、制御部２４は、今回読み出した作業データの位置データに基づいて、サーボモータ２１３の回転量を調整することにより、作業ヘッド３３に固定された工具ホーン付き超音波振動子３２を作業位置に移動させる。

続いて、制御部２４は、作業データに保存された内容で超音波加工を実行する（Ｓ３５）。即ち、発振器１５を介して工具ホーン付き超音波振動子３２の超音波振動子１２に超音波振動を発振させる。発振した超音波振動は工具ホーン付き超音波振動子３２の先端部３７１に伝わり、作業データに保存された超音波加工を行う。ここで、作業ヘッド３３と接続されたサーボモータ２１４の回転量、回転速度及びトルク量を制御することにより、工具ホーン付き超音波振動子３２の推力等を調整し、高精度の超音波加工を行うことができる。

その後、制御部２４は、他の作業データが残っているか否かを判断し（Ｓ３６）、残っていれば（Ｓ３６でＹＥＳ）、再びＳ３１に戻って同様の処理を繰り返し、残っていなければ（Ｓ３６でＮＯ）、全ての作業を終了したとして処理を終了する。

次に、図１４を参照して、工具ホーン付き超音波振動子交換処理（Ｓ３３）について説明する。図１４は、工具ホーン付き超音波振動子交換処理のフローチャートである。
図１４に示すように、工具ホーン付き超音波振動子交換処理が開始されると、制御部２４は、サーボモータ２１３の回転量を調整して、固定手段３３２に固定されている工具ホーン付き超音波振動子３２を工具ホーンスタンド４３のうちの対応する挟持部４３２の手前まで移動させる（Ｓ３３１）。そして、制御部２４は、サーボモータ２１３を所定量回転させて作業ヘッド３３を水平に移動させ、工具ホーン付き超音波振動子３２の少なくとも一部を挟持部４３２に挟持させる（Ｓ３３２）。

次いで、制御部２４は、サーボモータ２１４を所定量回転させて作業ヘッド３３を上昇させつつ、アクチュエータ３３２２を作動させてこの上昇量と同じ距離だけロッド３３２４を伸長させ、これに取り付けられた掛止部３３２１を降下させる（Ｓ３３３）。このようにすると、掛止部３３２１及びこれに掛止されていた工具ホーン付き超音波振動子３２の高さ位置を変えることなく、作業ヘッド３３の固設部３３１及びこれに取り付けられたアクチュエータ３３２２のみを上方に移動させることができる。これにより、固定手段３３２による工具ホーン付き超音波振動子３２の固定を解くことができる。

次いで、制御部２４は、サーボモータ２１３の回転量を調整して、作業ヘッド３３を工具ホーンスタンド４３から離間する方向に移動させる（Ｓ３３４）。このようにすると、工具ホーンスタンド４３に保持された工具ホーン付き超音波振動子３２を、掛止部３３２１のガイド部３３２７からスライドさせて取り外すことができる。

そして、制御部２４は、次に読み出した作業データの内容に従ってサーボモータ２１３の回転量を調整し、次の超音波加工を行うための交換用工具ホーン付き超音波振動子４２が保持されているところへ作業ヘッド３３を移動させる（Ｓ３３５）。作業ヘッド３３は、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２の被掛止部４２５がガイド部３３２７によって案内されるように、且つ交換用工具ホーン付き超音波振動子４２の上端部４２１がガイド部３３１４によって案内されるようにして、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２がガイド部３３２７の終端及びガイド部３３１４の終端に突き当たるまで水平に移動させる（Ｓ３３６）。これにより、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２を掛止部３３２１の所定位置、つまり固設部３３１の直下に位置させることができる。また、交換用工具ホーン付き超音波振動子４２の上端部４２１に設けられた電気端子４２４をプレスヘッド１１に設けられた図示しないピンコネクタの直下に位置させることができる。

次いで、制御部２４は、アクチュエータ３３２２を作動させてロッド３３２４を縮退させ、これに取り付けられた掛止部３３２１を上昇させて交換用工具ホーン付き超音波振動子４２を固設部３３１に向けて押圧して固定し（Ｓ３３７）、工具ホーン付き超音波振動子交換処理を終了する。工具ホーン付き超音波振動子３２と交換用工具ホーン付き超音波振動子４２の交換が終了した後は、Ｓ３４に進んで超音波加工を行う。

以上に説明したように、本発明に係る超音波加工システム４０を使用すると、制御部２４によって高剛性ロボット２１を適切に制御するので、高精度の超音波加工を実現することができる。
また、工具ホーン付き超音波振動子交換処理によって、作業ヘッド３３の固定手段３３２に固定された工具ホーン付き超音波振動子３２を自動で交換することができるため、多種多様の超音波加工を、人手を介することなく簡易且つ迅速に実行できる。

以上、本発明の本発明の超音波加工用作業ヘッド、これを備えた超音波加工装置及び超音波加工システムを実施するための最良の形態について詳細に説明したが、本発明は前記した内容に限定して解してはならない。また、本発明の特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲において、適宜、変更改変して適用することができる。

例えば、図２では、被掛止部１７４として、工具ホーン１７の超音波振動の振幅の節となる位置にフランジを有することを例示し、掛止部１３２１として、ガイド部１３２７及び案内溝１３２８を有する旨を例示した。また、図９では、被掛止部３７４として、工具ホーン付き超音波振動子３２の超音波振動の振幅の節となる位置にフランジを有することを例示し、掛止部３３２１として、ガイド部３３２７及び案内溝３３２８を有する旨を例示した。
しかし、例えば、図１５に示すように、工具ホーン５７の被掛止部５７４を、工具ホーン５７の超音波振動の振幅の節となる位置に形成された溝とし、掛止部５３２１を、溝として形成した被掛止部５７４に嵌合する凸部を有するガイド部５３２７とすることもできる。なお、図１５は、超音波加工用作業ヘッドの変形例を示す要部拡大図である。

本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工装置の一例を示す全体斜視図である。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの断面図である。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの斜視図であって、（ａ）は、工具ホーンを固定する前の様子を示す斜視図、（ｂ）は、工具ホーンを固定した後の様子を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドと、これを備えた超音波加工装置の使用方法を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの一例を示す全体斜視図である。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを固定した高剛性ロボットの先端部分の断面図である。本発明の第１実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの使用方法を示すフローチャートである。工具ホーン交換処理のフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工装置の一例を示す全体斜視図である。図９に示した本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドの構成を説明する正面図である。本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドと、これを備えた超音波加工装置の使用方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの一例を示す全体斜視図である。本発明の第２実施形態に係る超音波加工用作業ヘッドを備えた超音波加工システムの使用方法を示すフローチャートである。工具ホーン付き超音波振動子交換処理のフローチャートである。超音波加工用作業ヘッドの変形例を示す要部拡大図である。従来の超音波加工システムの構成を示す全体斜視図である。従来の超音波加工システムに用いられている作業ヘッドの断面図である。

符号の説明

１０超音波加工装置
１１プレスヘッド
１２超音波振動子
１２１上端部
１２２下端部
１２３ブースター
１２３１突出部
１２４電気端子
１３超音波加工用作業ヘッド（作業ヘッド）
１３１固設部
１３１１連結部材
１３２固定手段
１３２１掛止部
１３２１ａ下面
１３２２アクチュエータ
１３２３連結部材
１３２４ロッド
１３２５一端面
１３２６上面
１３２７ガイド部
１３２８案内溝
１３２９連架部材
１３ａ上端部押さえ板
１３ａ１貫通孔
１３ａ２固定部材
１３ｂ下端部押さえ板
１３ｂ１上面
１３ｂ２案内穴
１３ｂ３貫通孔
１３ｂ４下面
１３ｂ５貫通孔
１４往復動手段
１５発振器
１６制御部
１６１入力手段
１７工具ホーン
１７１先端部
１７２基端部
１７３凹部
１７４被掛止部
２０超音波加工システム
２１高剛性ロボット
２１１アーム
２１２コラム
２１３サーボモータ
２１４サーボモータ
２２交換用工具ホーン
２２４被掛止部
２３工具ホーンスタンド
２３１保持手段
２３２保持穴
２３２ａ保持穴
２３３弾性部材
２４制御部
２５フレーム
２５２ナット
２５３ギア
２５４ハウジング
２５５ベアリング
２５６ギア
２５ａ前端面
２６直線移動ガイド
２６１レール
２６２スライダ
２６２２スライダ
２６３フランジ部
３０超音波加工装置
３２工具ホーン付き超音波振動子
３２１上端部
３２３ブースター
３２４電気端子
３３作業ヘッド
３３１固設部
３３１１取付部
３３１２下面
３３１３ガイド部
３３１４案内溝
３３２固定手段
３３２１掛止部
３３２２アクチュエータ
３３２３連結部材
３３２４ロッド
３３２７ガイド部
３３２８案内溝
３７１先端部
３７４被掛止部
４０超音波加工システム
４２交換用工具ホーン付き超音波振動子
４２１上端部
４２４電気端子
４２５被掛止部
４３工具ホーンスタンド
４３２挟持部
４３２ａ挟持部
４３３弾性部材
４４制御部
５３２１掛止部
５３２７ガイド部
５７工具ホーン
５７４被掛止部
Ｂベース
Ｗワーク

Claims

超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンを固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、
前記超音波振動を発振する超音波振動子と、
前記超音波振動子を固設するための固設部と、
前記固設部に固設された伸縮自在なアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーンの被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段と、
を有することを特徴とする超音波加工用作業ヘッド。
前記被掛止部は、円盤状のフランジであり、
前記掛止部は、板材の一端部から前記超音波振動子の直下となる位置にかけて前記工具ホーンの先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝と、前記固設部に対向する面に前記幅寸法よりも大きい幅寸法で前記案内溝に沿って形成されたガイド部と
、
を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工用作業ヘッド。
前記工具ホーンの被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを縮退させて前記掛止部を前記固設部に向けて押圧することによって前記掛止部と前記超音波振動子との間に固定された前記工具ホーンを有する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の超音波加工用作業ヘッド。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段と、
を有することを特徴とする超音波加工装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、
前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーンと交換して用いられる交換用工具ホーンと、
前記工具ホーン及び前記交換用工具ホーンを保持する工具ホーンスタンドと、
を備えたことを特徴とする超音波加工システム。
超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンと、前記超音波を発振する超音波振動子とを一体的に形成した工具ホーン付き超音波振動子を固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、
前記工具ホーン付き超音波振動子を交換可能に取り付ける取付部を備えた固設部と、
前記固設部に固設された伸縮自在なアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段と、
を有することを特徴とする超音波加工用作業ヘッド。
前記被掛止部は、円盤状のフランジであり、
前記掛止部は、板材の一端部から前記取付部の直下となる位置にかけて前記工具ホーン付き超音波振動子の先端部と接しない幅寸法で切り欠いたように形成された案内溝と、前記取付部と対向する面に前記幅寸法よりも大きい幅寸法で前記案内溝に沿って形成されたガイド部と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の超音波加工用作業ヘッド。
前記工具ホーン付き超音波振動子の被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを縮退させて前記掛止部を前記固設部に向けて押圧することによって前記掛止部と前記取付部との間に固定された前記工具ホーン付き超音波振動子を有する
ことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の超音波加工用作業ヘッド。
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段と、
を有することを特徴とする超音波加工装置。
請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、
前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーン付き超音波振動子と交換して用いられる交換用工具ホーン付き超音波振動子と、
前記工具ホーン付き超音波振動子及び前記交換用工具ホーン付き超音波振動子を保持する工具ホーンスタンドと、
を備えたことを特徴とする超音波加工システム。
超音波振動の振幅の節となる位置に被掛止部を有する工具ホーンを固定し、前記工具ホーンを超音波振動させてワークを加工する超音波加工用作業ヘッドであって、
前記超音波振動を発振する超音波振動子と、
前記超音波振動子を固設するための固設部と、
前記固設部に固設されたアクチュエータ、及び前記アクチュエータに連結され、前記工具ホーンの被掛止部を掛止する掛止部を備えた固定手段と、
を有し、
前記固定手段は、前記工具ホーンの被掛止部を前記掛止部で掛止し、前記アクチュエータを動作させることで前記工具ホーンを前記超音波振動子と結合させて固定することを特徴とする超音波加工用作業ヘッド。
前記工具ホーンと前記超音波振動子が対向する面の一方に凹部を設け、他方に突出部を設け、
前記凹部と前記突出部とを嵌合自在に構成したことを特徴とする請求項１又は請求項１１に記載の超音波加工用作業ヘッド。
前記被掛止部は、前記工具ホーンの超音波振動の振幅の節となる位置に形成された溝であり、
前記掛止部は、前記被掛止部に嵌合する凸部を有するガイド部としたことを特徴とする請求項１又は請求項１１に記載の超音波加工用作業ヘッド。
請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
前記超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段と、
を有することを特徴とする超音波加工装置。
請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の超音波加工用作業ヘッドと、
当該超音波加工用作業ヘッドを往復動させるとともに、ワークに対して所定の押圧力を付与することのできる往復動手段を有し、当該超音波加工用作業ヘッドの位置及び向きのうちの少なくとも一方を任意に変位させるアームを備えた高剛性ロボットと、
前記高剛性ロボットによって変位可能な範囲内に備えられた、前記工具ホーンと交換して用いられる交換用工具ホーンと、
前記工具ホーン及び前記交換用工具ホーンを保持する工具ホーンスタンドと、
を備えたことを特徴とする超音波加工システム。