JP6554698B2 - 超音波複合振動装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波複合振動装置に関するものである。

近年、異種材料の接合等の加工に超音波振動装置が用いられている。このような超音波振動装置によれば、材料を高温化することなく接合を行うことが可能となり、材料の変質を防止しつつ材料同士の接合を行うことができる。例えば、特許文献１には、加工対象に対して印加する振動エネルギーを高めるため、異なる振動モードを複合する超音波複合振動装置が開示されている。このような特許文献１に開示された超音波複合振動装置では、異なるモードの振動を発生させる２つの圧電素子を設置し、これらの圧電素子で発生された振動を複合している。

特開２００１−１７９１７９号公報

しかしながら、従来の超音波複合振動装置では、振動が伝達されるホーンを把持することについては考慮されておらず、ホーンにおいて２つの振動の節が重なる箇所が多くても１箇所しか設けられていない。このため、ホーンの複数箇所を把持することができず、ホーンを安定的に支持することができない。例えば、異種材料の接合に超音波複合振動装置を用いるために、ホーンに対して接合対象を抑える突起を設けた場合には、ホーンが片持ち支持されるため、突起から接合対象に作用する押圧を均等にすることができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ホーンに対して異なる振動モードの振動を複合して印加する超音波複合振動装置において、ホーンを安定的に支持可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、縦振動モード、ねじり振動モード及び横振動モードのいずれかの振動モードの振動を発生する第１振動子と、当該第１振動子と異なる上記振動モードの振動を発生させる第２振動子と、上記第１振動子及び上記第２振動子と接続されるホーンとを備える超音波複合振動装置であって、上記第１振動子が発生する振動の周波数が、上記ホーンの軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、上記第２振動子が発生する振動の周波数が、上記第１振動子が発生する振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されているという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記ホーンの一端に上記第１振動子が固定され、上記ホーンの他端に上記第２振動子が固定されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記第１振動子の上記振動モードが縦振動モードであり、上記第２振動子の上記振動モードがねじり振動モードであるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記第１振動子が発生する振動の節と上記第２振動子が発生する振動の節とが重なる箇所同士の間にて、上記ホーンに加工工具が設置されているという構成を採用する。

本発明によれば、第１振動子が発生する振動の周波数が、ホーンの軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定されている。また、第２振動子が発生する振動の周波数が、第１振動子が発生する振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。このため、本発明においては、ホーンにおいて、２つの振動の節が重なる箇所が２箇所以上形成される。よって、ホーンを複数箇所で保持することが可能となる。したがって、本発明によれば、ホーンに対して異なる振動モードの振動を複合して印加する超音波複合振動装置において、ホーンを安定的に支持することができる。

本発明の一実施形態における超音波複合振動装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態における超音波複合振動装置の変形例の概略構成を示す模式図である。 アドミタンスループの測定結果を示すグラフである。 振動分布の測定結果を示すグラフである。 第１振動子及び第２振動子に駆動信号として２９．５ｋＨｚ、１８．８ｋＨｚを印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。 第１振動子及び第２振動子に駆動信号として２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号を印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係る超音波複合振動装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の超音波複合振動装置１の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の超音波複合振動装置１は、振動ユニット２と、給電制御部３とを備えている。振動ユニット２と給電制御部３とが電気的に接続されている。

振動ユニット２は、ホーン４と、第１振動子５と、第２振動子６とを備えている。ホーン４は、中空あるいは中実の金属棒であり、例えばアルミニウム等によって形成されている。このホーン４は、第１振動子５により発生される振動と第２振動子６により発生される振動とに共鳴することにより振動する部位である。このようなホーン４は、超音波複合振動装置１の使用に際し、加工対象に直接当接される可能性があるため、耐摩耗性が高いことが望ましい。

第１振動子５は、不図示のボルトによってホーン４の一端に固定されており、給電されることによって振動する第１圧電素子５ａを備えている。この第１振動子５は、本実施形態においては、第１圧電素子５ａに給電されることにより、縦振動モードの振動（すなわち縦振動）を発生させる。つまり、第１振動子５の振動モードは縦振動モードとされている。例えば、この第１振動子５は、共振周波数が２９．９ｋＨｚとされ、当該共振周波数の縦振動を発生させる。なお、第１振動子５によって発生される振動の周波数は、給電制御部３から第１圧電素子５ａに供給される駆動電圧信号を調節することよって微調整が可能とされている。

第２振動子６は、不図示のボルトによってホーン４の他端に固定されており、給電されることによって振動する第２圧電素子６ａを備えている。この第２振動子６は、本実施形態においては、第２圧電素子６ａに給電されることにより、ねじり振動モードの振動（すなわちねじり振動）を発生させる。つまり、第２振動子６の振動モードはねじり振動モードとされている。例えば、第２振動子６は、共振周波数が１８．８ｋＨｚとされ、当該共振周波数のねじり振動を発生させる。なお、第２振動子６によって発生される振動の周波数も、給電制御部３から第２圧電素子６ａに供給される駆動電圧信号を調節することによって微調整が可能とされている。

このように、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４の一端に第１振動子５が固定され、ホーン４の他端に第２振動子６が固定されている。つまり、本実施形態においては、ホーン４が第１振動子５と第２振動子６によって挟まれた振動ユニット２を備えている。

給電制御部３は、第１振動子５の第１圧電素子５ａと第２振動子６の第２圧電素子６ａとに対して電気的に接続されており、第１圧電素子５ａに供給する駆動電圧信号と、第２圧電素子６ａに供給する駆動電圧信号とを生成する。

ここで、縦振動とねじり振動とでは、ホーン４での伝搬速度が異なる。これに対して、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４を伝搬する縦振動と、ホーン４を伝搬するねじり振動とが重なるよう（すなわち縦振動とねじり振動との波長が一致するよう）、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数と、第１圧電素子５ａ及び第２圧電素子６ａの位置が設定されている。

また、本実施形態の超音波複合振動装置１では、ホーン４において、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の振動の節が形成されるように、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数とが設定されている。これによって、ホーン４には、第１振動子５と第２振動子６とから振動が付与された場合であっても、振動しない箇所が軸芯方向に２箇所以上形成されることになる。

なお、超音波振動装置の組立後においては、第１圧電素子５ａ及び第２圧電素子６ａの位置の調整することによって縦振動とねじり振動とを重ねることが難しい。このため、例えば、給電制御部３から第１圧電素子５ａに供給する駆動電圧信号と第２圧電素子６ａに供給する駆動電圧信号とを調整することによって、第１振動子５が発生する振動の周波数と、第２振動子６が発生する振動の周波数を微調整し、縦振動とねじり振動とをホーン４において２箇所以上の節が形成されるように重ねる。

このように、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５が発生する縦振動の周波数が、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、第２振動子６が発生するねじり振動の周波数が、第１振動子５が発生する縦振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。

なお、上述した第１振動子５と第２振動子６との共振周波数の例は、ホーン４の形成材料をＡ２０１７とし、ホーン４の長さを１６４ｍｍ、直径を４０ｍｍ、中実とした場合に、縦振動とねじり振動とがホーン４において２箇所の節が形成されるように重ねられるものである。この例では、ホーン４の一端と他端及び中央が振動の腹となる。

このような構成の本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５が発生する縦振動の周波数が、ホーン４の軸芯方向に２箇所以上の節が形成される周波数に設定されている。また、第２振動子６が発生するねじり振動の周波数が、第１振動子５が発生する縦振動の節と２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている。このため、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４において、２つの振動の節が重なる箇所が２箇所以上形成される。よって、ホーン４を複数箇所で保持することが可能となる。したがって、本実施形態の超音波複合振動装置１によれば、ホーン４を安定的に支持することができる。

また、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、ホーン４の一端に第１振動子５が固定され、ホーン４の他端に第２振動子６が固定されている。ホーン４の片側に第１振動子５及び第２振動子６を設置する構成を採用することもできる。しかしながら、ホーン４の両側に第１振動子５と第２振動子６とを分けて配置することによって、ホーン４の片側に第１振動子５及び第２振動子６を設置する場合と比較して、ホーン４の中央から見た重量バランスが均一化する。このため、ホーン４の中央部を加工対象に当接して加工を行う場合に、加工対象に対してバランス良く力を作用させることができる。

また、本実施形態の超音波複合振動装置１においては、第１振動子５の振動モードが縦振動モードであり、第２振動子６の振動モードがねじり振動モードであるため、ホーン４を縦振動とねじり振動とが複合された状態で振動させることができる。ただし、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１振動子５の振動モードがねじり振動モードであり、第２振動子６の振動モードが縦振動モードであっても良い。また、第１振動子５と第２振動子６のいずれかの振動モードが横振動モードであっても良い。つまり、縦振動モード、ねじり振動モード及び横振動モードのいずれかの振動モードの振動を発生する第１振動子５と、第１振動子５と異なる振動モードの振動を発生させる第２振動子６とを備えていれば良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、図２に示すように、ホーン４の軸芯方向の中央（すなわち縦振動の節とねじれ振動の節とが重なる箇所の間）に、切削刃のような加工工具７を設置する構成を採用することもできる。このような構成を採用した場合には、加工工具７を挟むようにホーン４を保持することが可能となり、加工工具７による加工を安定して行うことが可能となる。

続いて、上記実施形態の超音波複合振動装置１を用いた実験について、図３〜図６を参照して説明する。なお、本実験では、上記実施形態の超音波複合振動装置１にて面状軌跡の振動が得られるかの検討を行った。

本実験では、第１振動子５の共振周波数を２９．９ｋＨｚとし、第２振動子６の共振周波数を１８．８ｋＨｚとし、ホーン４を長さ１６４ｍｍ、直径４０ｍｍの一様棒（材質：Ａ２０１７）とした。縦振動とねじり振動の伝搬速度がＡ２０１７においては約５０００ｍ／ｓ、及び約３０００ｍ／ｓと異なるため、第１振動子５と第２振動子６との共振周波数は異なる値を用い、両振動の波長が一致する値としている。ホーン４の長さは、各共振周波数において各振動が１波長となる１６４ｍｍとした。これにより、ホーン４の中心は、縦、及びねじり振動の腹位置となるようした。なお、各測定のため、ホーン４の長さ方向に対して測定位置ｘを定義した。測定位置ｘは、ホーン４と第１振動子５との結合部を０ｍｍとし、ホーン４と第２振動子６との結合部を１６４ｍｍとした。

振動ユニット２の共振特性を明らかにするために、アドミタンスループの測定を行った。測定は、駆動電圧を１Ｖ、駆動周波数を各振動子の共振周波数の±１．０ｋＨｚの範囲で、両振動子に同時に印加して行った。図３は、アドミタンスループの測定結果を示すグラフである。なお、図３において、横軸はコンダクタンス、縦軸はサセプタンスを示している。図３に示すように、振動ユニット２は、２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚに共振があることがわかった。これらの共振周波数は、それぞれ縦振動の第１振動子５の共振周波数（２９．９ｋＨｚ）、及びねじり振動の第２振動子６の共振周波数（１８．８ｋＨｚ）とほぼ同じである。これより、設計通りの共振周波数が得られることがわかった。また、振動ユニット２は今回の測定範囲内では他の共振が無いことが分かった。

次に、振動ユニット２の縦振動分布とねじり振動分布が一致しているかを検討するために、ホーン４における各振動分布の測定を行った。測定は上述の各共振周波数を駆動信号として、個々に第１振動子５及び第２振動子６を駆動（電力１Ｗ）させた場合の振動分布をレーザードップラ振動計（小野測器、ＬＶ−１７１０）により求めた。なお、駆動信号が２９．５ｋＨｚの場合は、縦振動分布の測定が困難であったため、縦振動の応力分布の測定を行った。図４は、振動分布の測定結果を示すグラフである。図４において、縦軸は各測定における最大値で規格化した応力とねじり振動振幅、横軸はホーン４の測定位置ｘを示している。図４に示すように、まず２９．５ｋＨｚにおける応力分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で腹となる１波長の分布となることがわかった。これより、縦振動分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で節となる１波長分布になると考えられる。一方、１８．８ｋＨｚにおけるねじり振動分布は、ｘ＝４０、１２０ｍｍ付近で節となる１波長の分布であることがわかった。以上より、駆動周波数が２９．５ｋＨｚの縦振動による応力と１８．８ｋＨｚのねじり振動は振幅分布が一致することがわかった。また、各振動の節位置で振動ユニット２の固定を行えることがわかった。

次に、振動ユニット２により得られる振動軌跡を検討するために、ホーン４の中央部（ｘ＝８２ｍｍ）における振動軌跡の測定を行った。振動軌跡の測定は、２台のレーザードップラ振動計を用い、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚ（電力１Ｗ）、１８．８ｋＨｚ（電力１Ｗ）、及び２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号（電力１＋１Ｗ）を印加した３条件について行った。なお、振動軌跡の測定のため、ホーン４の中央部にネジを装着した。図５は、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚ（電力１Ｗ）、１８．８ｋＨｚ（電力１Ｗ）を印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。図６は、第１振動子５及び第２振動子６に駆動信号として２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号（電力１＋１Ｗ）を印加した場合の振動軌跡の測定結果を示すグラフである。図５及び図６において、縦軸はねじり振動振幅、横軸は縦振動振幅を示している。まず、図５に示すように、駆動信号が２９．５ｋＨｚまたは１８．８ｋＨの場合の振動軌跡は、いずれも直線軌跡の振動となっており、２９．５ｋＨｚでは縦振動、１８．８ｋＨｚではねじり振動が主となっている。一方、図６に示すように、２９．５ｋＨｚと１８．８ｋＨｚを加算した信号の場合の振動軌跡は、正方形を塗りつぶした面状軌跡の振動が得られることがわかった。

以上のように、上記実施形態の超音波複合振動装置１によれば、縦振動及びねじり振動の振幅分布は一致すること、また、両共振周波数の駆動信号を加えたとき、正方形の面状軌跡の振動を得られることが分かった。

１……超音波複合振動装置、２……振動ユニット、３……給電制御部、４……ホーン、５……第１振動子、５ａ……第１圧電素子、６……第２振動子、６ａ……第２圧電素子、７……加工工具

Claims (3)

1. 縦振動モード、ねじり振動モード及び横振動モードのいずれかの振動モードの振動を発生する第１振動子と、当該第１振動子と異なる前記振動モードの振動を発生させる第２振動子と、前記第１振動子及び前記第２振動子と接続されるホーンとを備える超音波複合振動装置であって、
   前記ホーンの一端に前記第１振動子が固定され、前記ホーンの他端に前記第２振動子が固定され、
   前記第１振動子が発生する振動の周波数が、前記ホーンの軸芯方向に前記ホーンが設けられた範囲で２箇所以上の節が形成される周波数に設定され、
   前記第２振動子が発生する振動の周波数が、前記第１振動子が発生する振動の節と前記ホーンが設けられた範囲で２箇所以上において重なる節が形成される周波数に設定されている
   ことを特徴とする超音波複合振動装置。
2. 前記第１振動子の前記振動モードが縦振動モードであり、前記第２振動子の前記振動モードがねじり振動モードであることを特徴とする請求項１記載の超音波複合振動装置。
3. 前記第１振動子が発生する振動の節と前記第２振動子が発生する振動の節とが重なる箇所同士の間にて、前記ホーンに加工工具が設置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波複合振動装置。