JP5632999B2 - 超音波工具 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを加工するための先端工具が交換可能に取り付けられる超音波工具に関する。

従来、この種の超音波工具としては、ランジュバン型振動子を用いた超音波カッターが知られている（例えば、特許文献１）。こうした超音波カッターでは、板状の刃具を保持する一対の弾性片を有する円筒状の保持部材を用い、当該保持部材をホーンの先端面に形成された円形の取付孔に着脱自在に嵌合し、ホーンの先端部の側部に螺装したねじ部材を締めることで、保持部材を取付孔に固定するとともに一方の弾性片を押圧して刃具を挟圧するようになっている。

実開平５−２６２９５号公報

ところで、上述のような超音波カッターでは、円筒状の保持部材を円形の取付孔に挿入した状態で保持部材の軸線と直交する方向からねじ部材で締め付けることで、保持部材を取付孔に固定している。このため、保持部材におけるねじ部材側とは反対側の部位では、取付孔の周面に対して１箇所でしか当接しない。したがって、ねじ部材の締め付けトルクが小さい場合には、ねじ部材の保持部材に対する押圧力が不足して保持部材の取付孔に対する固定状態が不安定になるという問題がある。

なお、こうした問題は超音波カッターに限らず、刃具以外の先端工具が装着される超音波工具においても概ね共通したものとなっている。
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、保持部材を取付孔に固定するねじ部材の締め付けトルクが小さい場合でも、保持部材の取付孔に対する固定状態が不安定になることを抑制することが可能な超音波工具を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する超音波工具は、先端面に取付孔が形成されるとともに先端部の周壁にねじ孔が前記取付孔に貫通するように形成された支持部を有する超音波振動子と、先端工具を挿入可能な切欠溝を有し、前記切欠溝に前記先端工具を挿入した状態で前記取付孔に挿抜自在に挿入可能な保持部材と、前記ねじ孔に螺入することで、前記取付孔に挿入された前記保持部材を押圧して当該保持部材を前記先端工具と一緒に前記取付孔の周面とで挟圧するねじ部材とを備え、前記保持部材は、前記ねじ部材と前記取付孔の周面とで挟圧された場合に、前記取付孔の中心軸線と前記ねじ部材の中心軸線を含む面を基準面としたときに、前記取付孔の周面に対して前記基準面を挟んだ両側で当接する超音波工具において、前記取付孔は、円形であり、前記保持部材における前記ねじ部材側とは反対側の部位は、前記取付孔の周面よりも曲率の大きい円弧面になっており、前記円弧面には、前記基準面と交差するように前記保持部材の一部を切り欠いてなる平坦面が形成され、前記保持部材は、前記取付孔の周面に対して、前記取付孔の周方向において前記平坦面を挟んだ両側で当接している。

この構成によれば、ねじ部材により保持部材を取付孔に対してバランスよく固定することが可能となる。また、保持部材の一部を切り欠いて平坦面を形成するだけで、ねじ部材により保持部材を取付孔に対して容易にバランスよく安定して固定することが可能となる。このため、保持部材を取付孔に固定するねじ部材の締め付けトルクが小さい場合でも、保持部材の取付孔に対する固定状態が不安定になることを抑制することが可能となる。

上記超音波工具において、前記平坦面は、前記基準面と垂直であることが好ましい。

この構成によれば、ねじ部材により保持部材を取付孔に対してより一層バランスよく安定して固定することが可能となる。
上記超音波工具において、前記保持部材には、当該保持部材が前記ねじ部材と前記取付孔の周面とで挟圧される際に、前記ねじ部材の先端部と係合して当該保持部材の位置決めを行う位置決め部が形成されていることが好ましい。

この構成によれば、ねじ部材の先端部を位置決め部に係合させることで、取付孔に対する保持部材の位置決めを行うことが可能となる。

本発明によれば、保持部材を取付孔に固定するねじ部材の締め付けトルクが小さい場合でも、保持部材の取付孔に対する固定状態が不安定になることを抑制することができる。

一実施形態の超音波カッターの側面図。 同超音波カッターに用いられる超音波振動子に保持部材を介してカッター刃を取り付けたときの状態を示す一部破断拡大側面図。 図２の要部を拡大した分解斜視図。 図２の４−４線矢視拡大断面図。 比較例の超音波カッターの要部拡大断面図。 比較例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクと駆動電流値との関係を示すグラフ。 実施例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクと駆動電流値との関係を示すグラフ。 比較例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクと周波数との関係を示すグラフ。 実施例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクと周波数との関係を示すグラフ。 比較例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクとインピーダンスとの関係を示すグラフ。 実施例の超音波カッターにおけるねじ部材の締め付けトルクとインピーダンスとの関係を示すグラフ。

以下、超音波工具を超音波カッターに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１及び図２に示すように、超音波工具の一例としての超音波カッター１１は、側面視矩形状をなすケース１２と、ホーンとして機能する円柱状の支持部１３の先端部がケース１２から露出するようにケース１２内に収容された超音波振動子１４とを備えている。本実施形態では、超音波振動子１４としてランジュバン型振動子が採用されている。

ケース１２の基端には駆動電力供給用のケーブル１５が接続され、ケース１２の先端からは支持部１３の先端部が突出している。支持部１３には、先端工具の一例としての板状のカッター刃１６を保持した略円柱状の保持部材１７が着脱自在に支持されている。

超音波振動子１４は、円柱状の第１金属ブロック２０と、円柱状の第２金属ブロック２１と、第１金属ブロック２０と第２金属ブロック２１とで挟持された複数（本実施形態では４つ）の円環状の圧電素子２２とを備えている。この場合、結合ボルト２３を各圧電素子２２に挿通した状態で、結合ボルト２３の両端部が第１金属ブロック２０の第１中心ねじ孔２０ａ及び第２金属ブロック２１の第２中心ねじ孔２１ａにそれぞれ螺合される。

第１金属ブロック２０、第２金属ブロック２１及び圧電素子２２は互いに外径がほぼ同じになっており、圧電素子２２は発振回路（図示略）と電気的に接続されている。第２金属ブロック２１における圧電素子２２側とは反対側の面には、第２金属ブロック２１よりも大径のフランジ２４が一体形成されている。さらに、フランジ２４における第２金属ブロック２１側とは反対側の面の中心部には、第２金属ブロック２１よりも小径の支持部１３が一体形成されている。すなわち、第２金属ブロック２１、フランジ２４、及び支持部１３は、互いに一体形成されている。

また、ケース１２の先端部の側面には、超音波振動子１４を駆動するための操作ボタン２５が設けられている。そして、操作ボタン２５が押されると、発振回路（図示略）により圧電素子２２に交流電力が供給されて超音波振動子１４が共振する。これにより、支持部１３の振動が保持部材１７を介してカッター刃１６に伝達され、カッター刃１６が振動する。

図３に示すように、支持部１３の先端部の周縁部には、テーパーが形成されている。支持部１３の先端面３０には、保持部材１７を挿抜自在に挿入可能な円形の取付孔３１が形成されている。支持部１３の先端部における周壁には、取付孔３１に貫通するようにねじ孔３２が形成されている。ねじ孔３２には、ねじ部材３３が螺入されるようになっている。ねじ部材３３の先端面の中央部には、円錐状の凹部３３ａ（図４参照）が形成されている。本実施形態では、ねじ部材３３として六角穴付き止めねじが採用されている。

図３及び図４に示すように、金属よりなる略円柱状の保持部材１７の先端部の周縁部には、テーパーが形成されている。保持部材１７の先端面３４には、先端面３４をほぼ２等分する切欠溝３５が形成されている。切欠溝３５は、保持部材１７の先端面３４から基端部３６まで延びている。

切欠溝３５には、カッター刃１６が挿入可能とされている。保持部材１７における切欠溝３５を挟んだ両側の部分は、それぞれ第１挟持部３７及び第２挟持部３８とされている。そして、第１挟持部３７及び第２挟持部３８は、それぞれ基端部３６を支点として内側に弾性変形可能になっている。

第１挟持部３７における外側面には、保持部材１７の一部を切り欠いてなる略矩形状をなす平坦なフラット面３９が形成されている。フラット面３９は、切欠溝３５と平行になるように、保持部材１７の先端面３４から基端部３６まで延びている。フラット面３９の中央部には、ねじ部材３３の先端部と係合可能な位置決め部の一例としての円錐状の位置決め凹部４０が形成されている。

第２挟持部３８におけるねじ部材３３側とは反対側の部位、すなわち第２挟持部３８における外側面は、取付孔３１の周面よりも曲率の大きい円弧面３８ａになっている。円弧面３８ａには、保持部材１７の一部を切り欠いてなる矩形状の平坦面３８ｂが形成されている。

平坦面３８ｂは、切欠溝３５と平行になるように、保持部材１７の先端から基端まで延びている。すなわち、平坦面３８ｂは、保持部材１７の長手方向の全体にわたって延びている。なお、平坦面３８ｂは、取付孔３１の中心軸線Ａとねじ部材３３の中心軸線Ｂを含む面を基準面Ｃとしたときに、基準面Ｃと垂直に交差する。

次に、超音波振動子１４の支持部１３にカッター刃１６を装着する際の作用について説明する。
さて、超音波振動子１４の支持部１３にカッター刃１６を装着する場合には、まず、保持部材１７の切欠溝３５にカッター刃１６を奥まで挿入する。続いて、切欠溝３５にカッター刃１６が挿入された状態の保持部材１７を支持部１３の取付孔３１に挿入する。続いて、保持部材１７を回転させて位置決め凹部４０の位置をねじ孔３２に合わせる。続いて、ねじ孔３２にねじ部材３３を螺入する。

すると、ねじ部材３３の先端部が位置決め凹部４０に係合する。そして、さらにねじ孔３２にねじ部材３３を螺入すると、保持部材１７がねじ部材３３と取付孔３１の周面とで挟圧される。このとき、保持部材１７の第１挟持部３７は、ねじ部材３３によって押圧されて第２挟持部３８側へ撓む。これにより、第１挟持部３７と第２挟持部３８とによってカッター刃１６が挟持される。したがって、保持部材１７は、カッター刃１６と一緒にねじ部材３３と取付孔３１の周面とで挟圧される。

このとき、図４に示すように、保持部材１７の第２挟持部３８の外側面である円弧面３８ａには平坦面３８ｂが形成されているため、円弧面３８ａは取付孔３１の周方向において平坦面３８ｂを挟んだ両側の位置である当接位置Ｍで当接する。これにより、保持部材１７が支持部１３の取付孔３１に対して固定されることで、カッター刃１６の保持部材１７を介した支持部１３への装着作業が完了する。

この場合、２つの当接位置Ｍは、共に取付孔３１の中心軸線Ａを取り囲む箇所に位置しており、基準面Ｃからの距離が同じになっている。すなわち、図４において、ねじ部材３３の中心と２つの当接位置Ｍとを順次直線で結んでなる図形は略二等辺三角形となる。

このように、保持部材１７は、支持部１３の取付孔３１に固定された際に、取付孔３１の周面に対して取付孔３１の中心軸線Ａを取り囲む２箇所で当接するため、取付孔３１の周面に対して１箇所でしか当接しない従来のものに比べて取付孔３１の周面に対する接触面積が広くなる。このため、ねじ部材３３の締め付けトルクが小さい場合でも、保持部材１７の取付孔３１に対する固定状態が不安定になることが従来に比べて抑制される。

以上詳述した実施形態によれば次のような効果が発揮される。
（１）保持部材１７は、ねじ部材３３と取付孔３１の周面とで挟圧された場合に、取付孔３１の周面に対して取付孔３１の中心軸線Ａを取り囲む２箇所で当接しているため、取付孔３１の周面に対して１箇所でしか当接しない従来のものに比べて取付孔３１の周面に対する接触面積が広くなる。このため、保持部材１７を固定するねじ部材３３の締め付けトルクが小さい場合でも、保持部材１７の取付孔３１に対する固定状態が不安定になることを抑制することができる。

（２）保持部材１７は、取付孔３１の中心軸線Ａとねじ部材３３の中心軸線Ｂとを含む面を基準面Ｃとしたときに、取付孔３１の周面に対して基準面Ｃを挟んだ両側で当接しているため、ねじ部材３３により保持部材１７を取付孔３１に対してバランスよく固定することができる。

（３）保持部材１７の円弧面３８ａは、取付孔３１の周面に対して、円弧面３８ａの一部を切り欠いて形成された平坦面３８ｂを取付孔３１の周方向において挟んだ両側で当接している。このため、保持部材１７の円弧面３８ａの一部を切り欠いて平坦面３８ｂを形成するだけで、ねじ部材３３により保持部材１７を取付孔３１に対して容易にバランスよく安定して固定することができる。

（４）平坦面３８ｂは、基準面Ｃと垂直であるため、ねじ部材３３により保持部材１７を取付孔３１に対してより一層バランスよく安定して固定することができる。
（５）保持部材１７には、当該保持部材１７がねじ部材３３と取付孔３１の周面とで挟圧される際に、ねじ部材３３の先端部と係合して当該保持部材１７の位置決めを行う位置決め凹部４０が形成されている。このため、ねじ部材３３の先端部を位置決め凹部４０に係合（当接）させることで、取付孔３１に対する保持部材１７の位置決めを行うことができる。

（変更例）
なお、上記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・保持部材１７は、必ずしもフラット面３９を形成する必要はない。

・保持部材１７は、必ずしも位置決め凹部４０を形成する必要はない。
・保持部材１７は、必ずしも平坦面３８ｂが基準面Ｃと垂直である必要はない。
・保持部材１７は、取付孔３１の周面に対して、必ずしも平坦面３８ｂを取付孔３１の周方向において挟んだ両側で当接させる必要はない。

・保持部材１７は、平坦面３８ｂの代わりに、凹部を形成するようにしてもよい。この場合、凹部の断面形状は、三角形状や四角形状などの多角形状、あるいは半円形状や半楕円形状など、任意の形状にしてもよい。

・保持部材１７は、取付孔３１の周面に対して、必ずしも基準面Ｃを挟んだ両側で当接させる必要はない。
・保持部材１７は、ねじ部材３３と取付孔３１の周面とで挟圧された場合に、取付孔３１の周面に対して取付孔３１の中心軸線Ａを取り囲む３箇所以上で当接させるようにしてもよい。

・保持部材１７は、四角柱状や六角柱状などの多角柱状や楕円柱状であってもよい。この場合、取付孔３１の形状も保持部材１７の形状に合わせて変更される。
・カッター刃１６の代わりに、先端工具として鋸、彫刻刀、針などを採用してもよい。

以下、上記実施形態をさらに具体化した実施例及び比較例について説明する。
（実施例１）
図４に示すように、上記実施形態の保持部材１７を用いた超音波カッター１１を実施例１とした。

（比較例１）
図５に示すように、実施例１の保持部材１７において平坦面３８ｂを省略してなる保持部材５０を用いた超音波カッター１１を比較例１とした。比較例１では、保持部材５０が取付孔３１の周面に対して１箇所（図５中のＬで示す位置）でしか当接していない。

＜駆動電流値の測定＞
上記実施例１及び比較例１について、それぞれの圧電素子２２を駆動する際の駆動電流値を、ねじ部材３３の締め付けトルクを０．１０〜０．６０Ｎｍまで０．０５Ｎｍ間隔で変化させて測定した。比較例１の結果を図６に示すとともに、実施例１の結果を図７に示す。

駆動電流値の測定結果は、実施例１の方が比較例１に比べて駆動電流値が急激に上昇するときの締め付けトルクの値が小さくなった。すなわち、比較例１では締め付けトルクが０．３５Ｎｍ以下で駆動電流値が急激に上昇し、実施例１では締め付けトルクが０．２５Ｎｍ以下で駆動電流値が急激に上昇している。したがって、実施例１の方が比較例１に比べてねじ部材３３の締め付け力の弱さに対する耐性が高いと言える。なお、一般に、ねじ部材３３の締め付け力が弱いほど駆動電流値が高くなり、駆動電流値が過度に上昇すると、圧電素子２２に交流電力を供給する発振回路が故障してしまう。

＜周波数の測定＞
上記実施例１及び比較例１について、それぞれの超音波振動子１４の振動の周波数を、ねじ部材３３の締め付けトルクを０．１０〜０．６０Ｎｍまで０．０５Ｎｍ間隔で変化させて測定した。比較例１の結果を図８に示すとともに、実施例１の結果を図９に示す。

周波数の測定結果は、実施例１の方が比較例１に比べて周波数のバラツキが小さくなった。すなわち、実施例１の方が比較例１に比べて周波数の最大値と最小値との差が小さくなった。具体的に、周波数の最大値と最小値との差は、比較例１では約１０００Ｈｚであることに対し、実施例１では約２００Ｈｚであった。したがって、実施例１の方が比較例１に比べてカッター刃１６の切れ味が安定すると言える。なお、一般に、周波数のバラツキが大きいほどカッター刃１６の振動が不安定になって切れ味が低下する。

＜インピーダンスの測定＞
上記実施例１及び比較例１について、それぞれの圧電素子２２を駆動する際のインピーダンスを、ねじ部材３３の締め付けトルクを０．１０〜０．６０Ｎｍまで０．０５Ｎｍ間隔で変化させて測定した。比較例１の結果を図１０に示すとともに、実施例１の結果を図１１に示す。

インピーダンスの測定結果は、実施例１の方が比較例１に比べてインピーダンスのバラツキが小さくなった。すなわち、実施例１の方が比較例１に比べてインピーダンスの最大値と最小値との差が小さくなった。具体的に、周波数の最大値と最小値との差は、比較例１では約２５０Ωであることに対し、実施例１では約６０Ωであった。したがって、実施例１の方が比較例１に比べてカッター刃１６の切れ味が安定すると言える。なお、一般に、インピーダンスのバラツキが大きいほどカッター刃１６の振動が不安定になって切れ味が低下する。

＜考察＞
以上の結果より、実施例１の方が、比較例１に比べて、ねじ部材３３の締め付け力の弱さに対する耐性が高く、且つカッター刃１６の振動の安定度が高いことが示された。

１１…超音波工具の一例としての超音波カッター、１３…支持部、１４…超音波振動子、１６…先端工具の一例としての板状のカッター刃、１７…保持部材、３０…先端面、３１…取付孔、３２…ねじ孔、３３…ねじ部材、３５…切欠溝、３８ａ…円弧面、３８ｂ…平坦面、４０…位置決め部の一例としての位置決め凹部、Ａ…取付孔３１の中心軸線、Ｂ…ねじ部材３３の中心軸線、Ｃ…基準面。

Claims (3)

1. 先端面に取付孔が形成されるとともに先端部の周壁にねじ孔が前記取付孔に貫通するように形成された支持部を有する超音波振動子と、
   先端工具を挿入可能な切欠溝を有し、前記切欠溝に前記先端工具を挿入した状態で前記取付孔に挿抜自在に挿入可能な保持部材と、
   前記ねじ孔に螺入することで、前記取付孔に挿入された前記保持部材を押圧して当該保持部材を前記先端工具と一緒に前記取付孔の周面とで挟圧するねじ部材と
   を備え、
   前記保持部材は、前記ねじ部材と前記取付孔の周面とで挟圧された場合に、前記取付孔の中心軸線と前記ねじ部材の中心軸線を含む面を基準面としたときに、前記取付孔の周面に対して前記基準面を挟んだ両側で当接する超音波工具において、
   前記取付孔は、円形であり、
   前記保持部材における前記ねじ部材側とは反対側の部位は、前記取付孔の周面よりも曲率の大きい円弧面になっており、
   前記円弧面には、前記基準面と交差するように前記保持部材の一部を切り欠いてなる平坦面が形成され、
   前記保持部材は、前記取付孔の周面に対して、前記取付孔の周方向において前記平坦面を挟んだ両側で当接していることを特徴とする超音波工具。
2. 前記平坦面は、前記基準面と垂直であることを特徴とする請求項１に記載の超音波工具。
3. 前記保持部材には、当該保持部材が前記ねじ部材と前記取付孔の周面とで挟圧される際に、前記ねじ部材の先端部と係合して当該保持部材の位置決めを行う位置決め部が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超音波工具。