JP5036124B2 - 超音波複合振動体とその振動体の形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路、金属、プラスチックス、セラミックス等を振動加工（接合、切削、研磨等）するための超音波加工機に用いられる超音波複合振動体に関する。

従来、超音波複合振動体としては、特許文献１が公知である。
上記従来技術では、図７に例示するように、振動系を縦振動および捩り振動を合成するホーン（以下、スクリュー振動ホーンという）構造とすることにより、縦・捩り振動を実現するものである。

しかしながら、上記スクリュー振動ホーン１は、縦振動で１波長共振、捩り振動で１．５波長共振となっていて、両方の振動モードに共通した振動の節は存在しない。従って、当該スクリュー振動ホーン１を保持体で支持する場合、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると剛性に欠けるという問題がある。

また、上記スクリュー振動ホーン１は、その基端部側に、縦振動を印加するためのホーン２と、捩り振動を印加するためのホーン３が装着されているので、ホーン２の先端は捩り振動で駆動され、ホーン３の先端は縦振動による曲げ振動で駆動される。そして、夫々のホーン２およびホーン３は縦振動の節面は有するが、その節面が、捩り振動若しくは曲げ振動の節面とは一致しない。
従って、ホーン２およびホーン３の支持に際しても、強固に固定すると振動損失が増大し、低損失となるように支持すると、剛性に欠ける問題がある。

このため、超音波加工機を構成する複合振動体の支持に際しては、剛性に富む支持でありながら、その支持部での振動損失が僅少な複合振動体が切望されている。
特開平６−２９３５７号

本発明は、上記要請に応えることができる超音波複合振動体を形成するに当たり、複合振動を構成する縦波および捩り波振動モードのそれぞれの近接した共振周波数において共通の節面と腹面を有する条件を予め求め、当該節面において複合振動体を支持することにより、剛性に富む一方でその支持面での振動損失が僅少であり、かつ、先端位置決め精度も高い超音波加工機用の複合振動体を提供することを、その課題とする。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明の構成は、縦振動及び捩り振動を、該両振動の位相差を零でなくπ／２に近づけて合成することにより、楕円から円形の複合振動を誘起する超音波複合振動体であって、前記超音波複合振動体は、縦振動用の電歪振動子を備えた第１の振動体と、縦・捩り振動変換用のスリットを備えた第２の振動体から成り、前記第１及び第２の振動体のそれぞれは、縦振動の腹面から節面までの１／４波長の間に周波数調整要素としての段付部を設けることにより、一方の端面を両振動の腹面、他方の端面を両振動の節面となるように形成し、前記第１及び第２の振動体を前記節面同士を同一軸心で結合し、該結合した節面で前記超音波複合振動体を支持するようにしたことを主な特徴とするものである。

本発明は上記構成において、複合振動体に設置する周波数調整要素を、当該振動体の縦波振動の腹面から節面までの１／４波長の間の一定条件下に設置する段付部で形成することにより、この複合振動体の縦振動と捩り振動の振動モードが、当該振動体の一方の端面が節面に、他方の端面が腹面となるようにする音響伝送線路理論に基づいて完成したものである。

本発明に係る超音波複合振動体は、これを構成する第１及び第２の振動体の縦振動の節部に電歪振動子又はスリットを設けるとよい。
さらに、第１及び第２の振動体を一体形成することにより、超音波複合振動体を形成してもよい。

本発明の超音波複合振動体において、縦振動用の電歪振動子を設置した第１の振動体に電気信号を印加すると、この振動体は縦振動モードで励振される。この振動体が、縦・捩り変換スリットを設置した第２の振動体と共通節面で結合されていることにより、縦振動は縦・捩り複合振動となって超音波複合振動体を励振する。

結合した上記の超音波複合振動体は、共通の節面を有し、両端が振動の腹面となって振動するから、上記共通の節面を支持することにより、変換スリットを設置した超音波複合振動体の先端の複合振動によって超音波加工が実現できる。

次に、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
図１は、縦振動と捩り振動の振動モードにおける共振周波数近傍のモーショナルアドミッタンスとその位相特性を示す説明図、図２は、本発明における第１の振動体の一例と、当該振動体における複合振動モードの模式図、図３は、本発明における第２の振動体の一例と、当該振動体における複合振動モードの模式図、図４は、図２の振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図５は、図３の振動体における振動体と周波数調整要素の直径比(M)をパラメータとしたその周波数調整要素の設置位置(x)の周波数特性図、図６は、本発明超音波複合振動体の一例とその複合振動モードの模式図である。なお、図６に示す超音波複合振動体は、図２に示す振動体と図３に示す振動体を結合したものである。

図１において、１１，１２および１３，１４は、それぞれ縦振動および捩り振動の両振動モードの共振周波数ｆ_ｌとｆ_ｔにおけるモーショナルアドミッタンス|Ｙmo|が等しい場合のモーショナルアドミッタンス|Ym|と位相Φの周波数特性である。
１５は両振動モードの位相差を示し、ここでは縦振動モードの位相と捩り振動モードの位相の差で表している。この位相差１５は、駆動周波数ｆ_ｄ１、ｆ_ｄ２でπ／２となる。
ここで、両方の共振周波数が等し（ｆ_ｌ＝ｆ_ｔ）ければ、両振動モードの位相特性１３と１４は略同一曲線となるので、位相差１５は零となってπ／２にはならない。
位相差１５がπ／２となる条件は、両方の共振周波数差が、両振動モードの共振時の機械的尖鋭度をＱ_ｌ，Ｑ_ｔとして次の［数１］式のときである。

図１において複合振動体を駆動周波数ｆ_ｄ１（若しくはｆ_ｄ２）で励振すると、縦および捩り振動モードの動作点を示すモーショナルアドミッタンスと位相角は、図１にそれぞれ符号１６，１７および符号１８、１９で示す点となり、縦振動および捩り振動モードは、振動位相差がπ／２となるため振動体先端周縁部の振動は円振動を誘起する。また、振動位相差がπ／２に近付くときには、楕円振動から円振動となる。

図２において、２は模式的に示した第１の振動体で、２１，２２，２３，２４，２５はこの振動体２の構成要素である。各構成要素２１〜２５は、共通軸心を有する円柱一体構造、若しくは、複数の円柱体が中心ボルト（図示せず）で締結された結合構造であるが、以下の説明では、中心ボルトは無視する。

図２の振動体２の一方の端（図の左側）が振動の節面で、他方の端が振動の腹面となる条件は、構成要素ｉの長さをｌ_ｉ、断面積をＳ_ｉ、縦波音響インピーダンスをＺ_ｌｉ、捩り波音響インピーダンスをＺ_ｔｉ、縦波波長定数をβ_ｉ、捩り波波長定数をα_ｉ、極慣性モーメントをＩ_ｉとおくと、音響伝送線路理論より、縦波および捩り波振動モードに対して、cosβ_ｉ≠０，cosα_ｉ≠０のとき、それぞれ次の［数２］式および［数３］式で表される。

いま、図２の振動体２の各構成要素２１〜２５の密度をρ_ｉ、縦波音速をＣ_ｌｉ、捩り波音速をＣ_ｔｉ、半径をｒ_ｉとし、縦波および捩り波の共振周波数をｆ_ｌ，ｆ_ｔとすると、各パラメータは、次の式［数４］で与えられる。

上記振動体２の各構成要素２１〜２５をアルミニウム合金と電歪振動子(ジルコン・チタン酸鉛(PZT))とした場合の必要な諸データを表１に示す。

図２の振動体２において、構成要素２４を縦波用電歪振動子（PZT）とし、この構成要素２４が構成要素２５で両側を挟持された半波長共振のボルト締めランジュバン型振動子とすると、共振条件は、cosβ_ｉｌ_ｉ≠０のとき次の式［数５］となる。

上記式［数５］において、ｆ＝40（kHz）、Ｓ_４＝Ｓ_５、ｌ_４＝10（mm）とすると、ｌ_５＝24.82（mm）を得る。

図２の振動体２において、電歪振動子２４以外の構成要素２１〜２３，２５は、同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱２２の厚さを８（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をxとおき、次の式［数６］の条件と表１のデータを上記の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は40.27（mm）となり、よってｌ_１＝40.27＋ｘとなる。

周波数調整要素２２の断面積をＭ^２Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときの、ｘとｆの相関を上述のｌ_１と各式［数２］，［数３］および［数６］より求めると、図４の周波数特性が得られる。

図４において、４１、４２、４３は、前述の直径比Ｍが、Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、また、４４、４５、４６は、直径比ＭがM=1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
この図４の特性から、xを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は低くなってからなだらかに高くなる。

両方の振動特性曲線は、前述の直径比Ｍ＝1.1のときは図４の点47（x＝4.8）、Ｍ＝1.2のとき図４の点48（x＝3.2）、Ｍ＝1.3のときは図４の点49（x=2.8）でそれぞれ交わっている。このことから、図２，図３の周波数調整要素２２を前記の直径比Ｍに対応した上述の交点４７，４８，４９のいずれかの位置に設置すると、両振動モードは同一周波数で一方の端が節面、他方の端が腹面となる。

この場合における縦振動および捩り振動の振動モードは、同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆ_ｄ＝ｆ_ｌ＝ｆ_ｔ）とすると、振動体２の先端周縁部は直線振動となる。

縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を図４の同一共振周波数（図４の点４７，４８，４９）近傍で、両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図２の波形２６および２７に示す。図２において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。

図３において、３は縦・捩り振動変換用のスリットを具備した第２の振動体の一例で、３１，３２，３３，３４，３５は、この振動体３の構成要素である。
図３において、各構成要素３１〜３５は、共通軸心を有する円柱一体構造となっている。そして、構成要素３４を振動変換用スリット部とし、この構成要素３４が構成要素３３と３５で両側を挟持された形状の半波長共振のアルミニウム合金製ホーンとすると、前述の式［数５］、表１より、ｆ＝40kHz，Ｓ_４＝ｎ^２Ｓ_５（ｎ^２はスリットによる等価断面積比で、深さｔのスリットの場合、ｎ^２＝（ｒ_４−ｔ）^２／ｒ_５ ^２で表わす）、ｌ_４＝７（mm）とするとｌ_５＝25.16（mm）を得る。

図３において、構成要素３１〜３５を全て同一材料のアルミニウム合金とし、周波数調整用円柱３２の厚さを７（mm）、縦振動モードの腹部からの距離をｘとおき、先の式［数７］の条件と表１のデータを、先の式［数２］に代入して、振動の節面から腹面までの距離を求めると、その距離は31.25（mm）となり、ｌ_１＝31.25＋ｘが得られる。

周波数調整要素３２の断面積をＭ^２Ｓ（Ｍは直径比）とし、Ｍをパラメータとしたときのｘとｆの相関を上述のｌ_１、並びに式［数２］、［数３］および［数７］より求めると、図５の周波数特性が得られる。

図５において、５１、５２、５３は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの縦振動特性であり、５４、５５、５６は、直径比Ｍ＝1.1、1.2、1.3の場合のそれぞれの捩り振動特性である。
図５の特性から、ｘを長くすると縦振動の共振周波数は高くなり、捩り振動の共振周波数は急激に低くなる。

両振動特性曲線は、Ｍ＝1.1のときは交点が無く、Ｍ＝1.2のとき点57（ｘ＝13.2）、Ｍ＝1.3のとき点58（ｘ＝11.4）で交わっている。周波数調整要素３２をＭに対応した上述の交点の位置に設置すると、両振動モードは同一共振周波数のため、駆動周波数を両共振周波数（ｆ_ｄ＝ｆ_ｌ＝ｆ_ｔ）とすると、振動体３の先端周縁部は直線振動となる。

縦振動および捩り振動の振動モードの共振周波数を、図５の同一共振周波数（５７、５８）近傍で両共振周波数差を前述の式［数１］のΔFに等しくなるように選んだ場合の縦振動および捩り振動の振動モードをそれぞれ図３の波形３６および３７に示す。図３において、Ｎは振動の節面、Ｌは振動の腹面を表す。
図２および図３の縦振動モードの波形２６、３６より電歪振動子２４および縦・捩り変換ユニット３４は、振動の節部に設置されていて、歪力最大のため、電歪振動子の振動効率および縦・捩り変換ユニットの縦・捩り変換効率が最大となる。

図６に、本発明超音波複合振動体の例として、図２および図３の振動体２，３の節面Ｎを共通させて結合した構造の超音波加工機用の超音波複合振動体とその振動モードを示す。
図６では、図４および図５の周波数特性より、Ｍ＝1.2の場合とすると、図４の交点４８および図５の交点５７近傍で両共振周波数差をΔFに等しくなるように選んだ場合、両振動モードの平均共振周波数は共に約39.9 kHzとなる。この場合の複合振動体の駆動周波数ｆ_ｄは、図１と式［数１］より式［数８］となる。

式［数８］より、縦・捩り振動モードの共振時の機械的尖鋭度Ｑ_ｌ，Ｑ_ｔがほぼ等しい時には、駆動周波数を両振動モードの平均共振周波数39.9KHzに選ぶと、両振動モードの位相差はπ／２となって、この複合振動体の先端周縁部は楕円振動となる。

なお、共通節面Ｎで振幅の拡大(縮小)効果があり、超音波複合振動体の構成要素２１および３１の直径比ｒ（ｒ＝ｒ_２１／ｒ_３１）に対応して、縦振動モードの先端振幅がrの二乗に比例し、捩り振動モードの先端外周の振幅がrの三乗に比例する。

また、前記実施例においては、周波数調整要素２２又は３２を凸状（Ｍ＞１）段付にしたが、凹状（Ｍ＜１）段付としても同様の効果が期待できる。

更に、前記実施例において、振動体３の構成要素を直径方向振動円板付き構造とすることにより、その円板を縦・径方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、当該円板の外周部に楕円振動モードを誘起することができる。

一方、前記実施例においては、振動体２と３の各構成要素２１，２２，２３，２４，２５、同じく構成要素３１，３２，３３，３４，３５が円柱状をなす場合について説明したが、必ずしも各構成要素が円柱状をなしている必要は無く、例えばその軸心を含む長さ方向の断面積の変化が指数関数で表されるエキスポネンシャル型、円錐関数で表されるコニカル型、双曲線で表されるカテノイダル型、フ―リェ級数で表されるフーリェ型等にもそれぞれ上記断面積変化に対応したそれぞれの設計式を対応させることにより、同様に適用することができ、同様の効果が期待できる。

また、前記実施例において、振動体３の構成要素を曲げ振動棒付き構造とすることにより、同振動棒を縦・曲げ方向振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同振動棒先端に楕円振動モードを誘起することができる。

更に、前記実施例において、振動体３の構成要素を曲げ振動円板付き構造とすることにより、同円板を縦・曲げ振動と捩り振動の合成された複合振動で励振し、同円板外周部に楕円振動モードを誘起することができる。

本発明は以上の通りであって、周波数調整要素を具備した超音波複合振動体を本発明によって形成することにより、縦・捩り両振動モードのシミュレーションが可能になるから、両振動の最大効率を与える複合振動体が実現できる。

また、複数の振動体を結合した本発明複合振動体では、その共通節面を支持することにより、当該振動体の剛性に富む支持が実現でき、先端位置決め制度が高く、高効率な超音波加工用の複合振動体を得ることができる。

超音波複合振動体のモーショナルアドミッタンスと位相特性を示す本発明の説明図 本発明超音波複合振動体における第１の振動体と、当該振動体における縦・捩り両振動モードの模式図。 本発明超音波複合振動体における第２の振動体と、当該振動体における縦・捩り両振動モードの模式図。 図１の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。 図２の場合の、周波数調整要素の設定位置の周波数特性図。 図２、図３の振動体を共通節面とした超音波加工機用の本発明超音波複合振動体とその振動モードの模式図。 従来の複合振動体の例の説明図。

１１、１２ 縦・捩り振動モードのモーショナルアドミッタンス特性
１３，１４ 縦・捩り振動モードの位相特性
１５ 縦・捩り振動モードの位相差
２ 第１の振動体
３ 第２の振動体
２２、３２ 周波数調整要素
２４ 電歪振動子
３４ 縦・捩り変換用スリット
２６、３６ 縦振動モード
２７，３７ 捩り振動モード
４１〜４３ 縦振動モード１６の周波数特性
４４〜４６ 捩り振動モード１７の周波数特性
４７〜４９ 縦・捩り振動モードの周波数一致点
５１〜５３ 縦振動モード２６の周波数特性
５４〜５６ 捩り振動モード２７の周波数特性
５７、５８ 縦・捩り振動モードの周波数一致点

Claims (3)

1. 縦振動及び捩り振動を、該両振動の位相差を零でなくπ／２に近づけて合成することにより、楕円から円形の複合振動を誘起する超音波複合振動体であって、
   前記超音波複合振動体は、縦振動用の電歪振動子を備えた第１の振動体と、縦・捩り振動変換用のスリットを備えた第２の振動体から成り、
   前記第１及び第２の振動体のそれぞれは、縦振動の腹面から節面までの１／４波長の間に周波数調整要素としての段付部を設けることにより、一方の端面を両振動の腹面、他方の端面を両振動の節面となるように形成し、
   前記第１及び第２の振動体を前記節面同士を同一軸心で結合し、該結合した節面で前記超音波複合振動体を支持するようにしたことを特徴とする、超音波複合振動体。
2. 前記第１及び第２の振動体は、縦振動の節面に前記電歪振動子又はスリットを備えたことを特徴とする、請求項１記載の超音波複合振動体。
3. 前記超音波複合振動体は、前記結合に代えて第１及び第２の振動体を一体形成したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の超音波複合振動体。

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