JP7253910B2 - 振動変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、縦振動をねじり振動に変換する振動変換装置に関するものである。

強力超音波の応用技術は、溶着、洗浄、粉砕等、広く産業界に受け入れられている。その一つが超音波溶着技術である。溶着装置からみた、溶着対象物は、プラスチック同士と金属同士とに大別できる。

また、振動モードからは、縦振動、横振動、ねじり振動に大別できる。ここでいう縦振動とは、加圧方向と振動方向が同一であるものの呼称であり、横振動とは、加圧方向と振動方向が直交しているものの呼称である。縦振動および横振動ともに、振動源となるコンバータは、同一のものを採用することが可能であり、また、一般的に、横振動は金属溶接に応用されている。

一方、ねじり振動は、振動方向が所定の軸まわりの弧状となるものを示す。ねじり振動の発生方法としては、ねじりコンバータで直接ねじり振動を発生させる第１の態様と、縦振動コンバータからねじり振動を発生させる第２の態様とがある。ただし、ねじりコンバータを用いる第１の態様では、高出力が得られない傾向がある。一方、第２の態様としては、欧州特許出願公開第０９６２２６１号明細書に開示された構成がある。

上記の欧州特許出願公開第０９６２２６１号明細書に開示された構成にあるように、縦振動からねじり振動に変換する場合、直線運動を円弧振動と機械的に結合する必要がある。そのため、ろう付けや溶接によって相互に接続されている縦振動コンバータとねじり振動体部との接続部に、繰り返し過大な集中応力が発生し、部材にクラックが発生しやすいという問題がある。

欧州特許出願公開第０９６２２６１号明細書

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ねじり振動を得るにあたって縦振動コンバータを用いておりながらクラックの発生を低減することができる、振動変換装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するための本発明の振動変換装置は、第１の縦振動コンバータと、一波長ねじり振動体部および第１のたわみ共振体部を有する縦－ねじり変換子とを備え、前記第１のたわみ共振体部は、前記第１の縦振動コンバータおよび前記一波長ねじり振動体部の間に配置されており、前記第１のたわみ共振体部は、該第１のたわみ共振体部の一端から少なくとも前記第１の縦振動コンバータで発生した縦振動を受けることで該第１のたわみ共振体部が湾曲し、該第１のたわみ共振体部の他端から前記一波長ねじり振動体部に回転力を付与する、ように構成されている。

本発明によれば、ねじり振動を得るにあたって縦振動コンバータを用いておりながらクラックの発生を低減することができる。

本発明の実施の形態１に係る超音波溶着装置を示す斜視図である。 図１の超音波溶着装置を図１と異なる向きから示す斜視図である。 本実施の形態１に係る超音波溶着装置の縦－ねじり変換子の全体を示す斜視図である。 本発明の振動変換装置の一動作を示す図である。 本発明の振動変換装置の別の一動作を示す図である。 本発明の振動変換装置のさらに別の一動作を示す図である。 半波長ねじりホーンと波長との関係を示す図である。 一波長ねじりホーンと波長との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る超音波溶着装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３に係る超音波溶着装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る超音波溶着装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５に係る超音波溶着装置を示す斜視図である。

以下、本発明の振動変換装置を、超音波溶着装置として実施する場合の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る超音波溶着装置の概要を示す斜視図である。図２は、図１の超音波溶着装置を図１と異なる向きから示す斜視図である。図３は、本実施の形態１に係る超音波溶着装置の縦－ねじり変換子の全体を示す斜視図である。なお、説明においては、相互に直交するＸＹＺの３軸を用い、図におけるＸ方向を左右方向、Ｙ方向を高さ方向、Ｚ方向を前後方向として行っているものとする。

超音波溶着装置１は、振動変換装置３と、作業用ねじりホーン（ＨＯＲＮ）５と、ねじり支持用ホーン（ＨＯＲＮ）７とを備えている。以下、振動変換装置３の詳細について説明する。

図１および図２に示されるように、振動変換装置３は、第１の縦振動コンバータ１１ａと、一波長ねじり振動体部１３および第１のたわみ共振体部１５ａを有する縦－ねじり変換子１４とを備えている。また、本発明として必ずしも限定されるものではないが、本実施の形態では、振動変換装置３は、第１の縦振動ホーン１７ａおよび第２の縦振動ホーン１７ｂを備えている。図３にその全体が示されるように、縦－ねじり変換子１４は、一波長ねじり振動体部１３と第１のたわみ共振体部１５ａとを含んでいる。一波長ねじり振動体部１３および第１のたわみ共振体部１５ａは、ワンピース部品であり、一例として、金属一体物から削り出しで製作することができる。また、他の例として、型への流し込みによる成形方法や粉末冶金による成形方法により製作することもできる。

縦－ねじり変換子１４は、その上端および下端に、支持用ホーン７および作業用ねじりホーン５がねじ結合されている。支持用ホーン７は、つば部分で縦振動コンバータを含めた振動変換装置全体を支持、加圧する役割を担っている。一波長ねじり振動体部１３は、溶着対象物に向けて加圧されながら回転軸がほぼ移動しないようにねじり回転される。一波長ねじり振動体部１３は、棒状の部材（柱状の部材）であり、一例として、本実施の形態では、軸方向を垂線とする断面が概ね正八角形の外形となる角柱状の部材であり、上下方向に延びている。なお、円形断面、八角形以外の角形断面や、その他、星形断面、非対称的な断面の部材を用いることができるが、八角形断面の柱状部材は加工が容易である。

第１のたわみ共振体部１５ａは、第１の縦振動コンバータ１１ａおよび一波長ねじり振動体部１３の間に配置されている。第１の縦振動コンバータ１１ａと、第１のたわみ共振体部１５ａの一端２１との振動伝達経路に関する間には、第１の縦振動ホーン１７ａが配置されている。また、第１のたわみ共振体部１５ａの他端２３は、縦－ねじり変換子１３につながっている。

また、本実施の形態１の振動変換装置３は、第２の縦振動ホーン１７ｂを備えている。第１のたわみ共振体部１５ａの一端２１は、第１の縦振動ホーン１７ａと第２の縦振動ホーン１７ｂとの縦振動方向（Ｘ方向）に関する間に配置されている。

次に、以上のように構成された本実施の形態１の超音波溶着装置すなわち振動変換装置の動作について、図４～図６をも参照して説明する。図４は、本発明の振動変換装置の一動作を示す図であり、図５は、別の一動作を示す図であり、図６は、さらに別の一動作を示す図である。

まず、第１の縦振動コンバータ１１ａで発生された縦振動は、第１の縦振動ホーン１７ａに伝わる。この縦振動により、第１の縦振動ホーン１７ａが伸びる振動となるとき、第２の縦振動ホーン１７ｂが縮む振動となる図５の状態と、第１の縦振動ホーン１７ａが縮む振動となるときに、第２の縦振動ホーン１７ｂが伸びる振動となる図６の状態とを、交互に繰り返すこととなる。より詳細には、図４の状態から、図５の状態となり、図４のニュートラル状態を経て、図６の状態となり、再び図４のニュートラル状態を経て、図５の状態となる。このような変化を繰り返す。

また、図４のニュートラル状態において、一波長ねじり振動体部１３の環状の外形（例えば円形の円周または角形状の外周、本実施の形態では角形状の外周）と、平面視で縦振動ホーンの外周ラインとの間には、距離Ｌがあるので、換言すれば、一波長ねじり振動体部１３の環状の外形と縦振動ホーンの外周とが直接接触していないので、さらに別の言い方をすれば、一波長ねじり振動体部１３の環状の外形と縦振動ホーンの外周とをＺ方向（縦振動方向と直交する方向）に離隔させる第１のたわみ共振体部１５ａが設けられているので、一波長ねじり振動体部１３は、第１のたわみ共振体１５ａの湾曲（なお、第１のたわみ共振体部１５ａの環状の一端２１は湾曲しない）を介して回転振動をする。すなわち、第１の縦振動ホーン１７ａが伸び、第２の縦振動ホーン１７ｂが縮む図５の状態では、一波長ねじり振動体部１３は右回転運動をしており、第１の縦振動ホーン１７ａが縮み、第２の縦振動ホーン１７ｂが伸びる図６の状態では、一波長ねじり振動体部１３は左回転運動をする。

第１のたわみ共振体部１５ａは、第１のたわみ共振体部１５ａの一端２１から少なくとも第１の縦振動コンバータ１１ａで発生した縦振動を受けることで第１のたわみ共振体部１５ａが湾曲し、第１のたわみ共振体部１５ａの他端２３から一波長ねじり振動体部１３に回転力を付与する、ように構成されている、

このようにして、第１の縦振動コンバータ１１ａで発生された縦振動により、一波長ねじり振動体部１３がねじり振動を行う。つまり、縦振動がねじり振動へと変換される。超音波溶着に際しては、作業用ねじりホーン５に溶着対象物を加圧接触させ、溶着を行う。つまり、一波長ねじり振動体部１３の環状周面に駆動力を入力し、一波長ねじり振動体部１３の軸方向端面で出力して加工材に対して仕事をする。

さらに、振動のメカニズムについて説明する。本発明では、縦振動から直接ねじり振動に変換するのではなく、途中にたわみ共振体部を経由させることにより、大幅に応力集中の発生を軽減させている。まず、図７の半波長のねじり振動に示されるように、縦振動コンバータに半波長縦振動ホーンを結合し、さらに、図８の一波長のねじり振動に示されるように、たわみ振動半波長を発生する変換子をさらに半波長ホーンで挟み込むことにより安定した駆動力をたわみ板に与える。たわみ板であるたわみ共振体部は縦振動ホーンと同一の共振周波数で設計されており、応力集中が発生しない。また、図８に示されるように、たわみ板が同じ共振周波数を持った一波長ねじりホーンの中間位置で結合され、板のたわみ振動がねじり振動に変換される。

縦振動とたわみ振動の結合に、ナット等を使用せず、剛性の高い半波長ホーンで挟み込むのは、ナットを使用した態様では挟み込んだ部分の変形を防ぎきれず、たわみ振動の変換においてロスを発生するので、これを避けるためである。

たわみ振動板の共振においては一般的な梁の共振式が適用できる。
まず、断面二次モーメントＩは断面の幅方向をＢ、厚み方向をＨとすると
Ｉ＝（ＢＨ＾３）／１２
となり、
さらに材料のヤング率をＥ，密度をρ、断面積をＡ，長さをＬとすると周波数ｆとの関係は
２πｆ＝（１．８７５／Ｌ）＾２ × √（ＥＩ／ρＡ）
となる。
この時、１．８７５は片端固定時の一次の定数となり、Ｌは１／４波長となる。共振体同士の結合としては約２ｘＬの長さが必要となる。
一例を示すと、２０ｋＨｚ、鉄材の場合、厚み５ｍｍから１２ｍｍで約２９ｍｍから４５ｍｍ，一波長の使用で厚み５ｍｍから１２ｍｍで５８ｍｍから９０ｍｍとなる。
なお、厳密解を得るにあたっては、最終的には、数値解析（有限要素法）を使用し、現状の形状にあった長さを求めることができる。

以上に説明した本実施の形態によれば、ねじり振動を得るにあたって縦振動コンバータを用いておりながらクラックの発生を大幅に低減することができる。

実施の形態２．
図９を参照して本発明の実施の形態２について説明する。本発明は、縦振動コンバータを１つのみ有することに限定されるものではなく、すなわち、たわみ共振体が、その一端から、別の縦振動コンバータで発生した縦振動を受ける態様も含むものである。本実施の形態２は、その一例である。

図９に示されるように、本実施の形態２の振動変換装置は、第２の縦振動コンバータ１１ｂを備えている。第２の縦振動ホーン１７ｂは、第２の縦振動コンバータ１１ｂと第１のたわみ共振体部１５ａの一端２１との振動伝達経路に関する間に、配置されている。

かかる態様によれば、上述した実施の形態１の利点に加え、複数個のコンバータを利用し、一つの発振器で駆動することにより、さらにハイパワーを実現することができる。なお、偶数個のコンバータを組み込む例を示しているが、奇数個のコンバータを組み込む態様であっても発振器側で位相のコントロールを行なえば、実施可能である。

実施の形態３．
図１０を参照して本発明の実施の形態３について説明する。本発明は、たわみ共振体部を１つのみ有することに限定されるものではなく、すなわち、縦－ねじり変換子が複数のたわみ共振体部を有し、一波長ねじり振動体部はそれら複数のたわみ共振体部により振動される態様も含むものである。本実施の形態３は、その一例である。

図１０に示されるように、本実施の形態３の振動変換装置は、縦－ねじり変換子１６と、第３の縦振動コンバータ１１ｃおよび第４の縦振動コンバータ１１ｄと、第３の縦振動ホーン１７ｃおよび第４の縦振動ホーン１７ｄとを備えている。縦－ねじり変換子１６は、一波長ねじり振動体部１３と、第１のたわみ共振体部１５ａおよび第２のたわみ共振体部１５ｂとを有している。これら波長ねじり振動体部１３、第１のたわみ共振体部１５ａおよび第２のたわみ共振体部１５ｂもまた、上述した実施の形態１の場合と同様、ワンピース部品として構成されている。

第２のたわみ共振体部１５ｂは、第１のたわみ共振体部１５ａの軸方向（Ｚ方向）でみて、一波長ねじり振動体部１３を挟んで、第１のたわみ共振体部１５ａの反対側に配置されている。第３の縦振動コンバータ１１ｃと第２のたわみ共振体部１５ｂの一端２５との振動伝達経路に関する間には、第３の縦振動ホーン１７ｃが配置されている。

第２のたわみ共振体部１５ｂの他端２７は、一波長ねじり振動体部１３につながっている。第２のたわみ共振体部１５ｂの一端２５は、第３の縦振動ホーン１７ｃと第４の縦振動ホーン１７ｄとの縦振動方向（Ｘ方向）に関する間に配置されている。第４の縦振動ホーン１７ｄは、第４の縦振動コンバータ１１ｄと第２のたわみ共振体部１５ｂの一端２５との振動伝達経路に関する間に、配置されている。本発明として限定するものではないが、図１０に示す構成では、一波長ねじり振動体部１３を中心に、前後対称であって且つ左右対称の構成を有している。

その他の実施の形態．
本発明は、縦振動ホーンを必ず設けることに限定されるものではなく、コンバータのフロントドライブの材料を十分パワーに耐えられるものとすれば、縦振動ホーン（縦振動ブースタ）を省略し、直接、コンバータで挟み込むことも可能である。図１１に示す実施の形態４および図１２に示す実施の形態５はその具体例である。図１１に示す実施の形態４は、図９の構成において縦振動ホーンを省略した態様であり、図１２に示す実施の形態５は、図１０の構成において縦振動ホーンを省略した態様である。

１ 超音波溶着装置
３ 振動変換装置
１１ａ 第１の縦振動コンバータ
１１ｂ 第２の縦振動コンバータ
１１ｃ 第３の縦振動コンバータ
１１ｄ 第４の縦振動コンバータ
１３ 一波長ねじり振動体部
１４、１６ 縦－ねじり変換子
１５ａ 第１のたわみ共振体部
１５ｂ 第２のたわみ共振体部
１７ａ 第１の縦振動ホーン
１７ｂ 第２の縦振動ホーン
１７ｃ 第３の縦振動ホーン
１７ｄ 第４の縦振動ホーン

Claims (4)

1. 第１の縦振動コンバータと、
   一波長ねじり振動体部および第１のたわみ共振体部を有する縦－ねじり変換子とを備え、
   前記第１の縦振動コンバータと前記第１のたわみ共振体部の一端との振動伝達経路に関する間には、第１の縦振動ホーンが配置されており、
   相互に直交するＸＹＺの３軸に関し、前記第１の縦振動コンバータはＸ方向の縦振動を発生させるように配置され、前記第１の縦振動ホーンは、Ｘ方向に延びており、前記一波長ねじり振動体部は、Ｙ方向に延びており、前記第１のたわみ共振体部は、Ｚ方向に延びており、
   前記第１の縦振動ホーンは、前記一波長ねじり振動体部と、Ｚ方向に離れており、
   前記第１のたわみ共振体部は、前記第１の縦振動ホーンおよび前記一波長ねじり振動体部の間に配置され、前記第１のたわみ共振体部の他端は、前記一波長ねじり振動体部につながっており、
   前記第１のたわみ共振体部は、前記第１の縦振動ホーンを介して該第１のたわみ共振体部の一端から少なくとも前記第１の縦振動コンバータで発生した縦振動を受けることで該第１のたわみ共振体部が湾曲し、該第１のたわみ共振体部の他端から前記一波長ねじり振動体部に回転力を付与する、ように構成されている、
   振動変換装置。
2. 第２の縦振動コンバータおよび第２の縦振動ホーンをさらに備えており、
   前記第２の縦振動コンバータはＸ方向の縦振動を発生させるように配置されており、
   前記第２の縦振動ホーンは、Ｘ方向に延びており、
   前記第２の縦振動ホーンは、前記一波長ねじり振動体部と、Ｚ方向に離れており、
   前記第２の縦振動ホーンは、前記第２の縦振動コンバータと前記第１のたわみ共振体部の一端との振動伝達経路に関する間に、配置されており、
   前記第１のたわみ共振体部の一端は、前記第１の縦振動ホーンと前記第２の縦振動ホーンとの縦振動方向に関する間に配置されている、
   請求項１の振動変換装置。
3. 前記振動変換装置が、第３の縦振動コンバータおよび第４の縦振動コンバータと、第３の縦振動ホーンおよび第４の縦振動ホーンとを備えており、
   前記縦－ねじり変換子は、第２のたわみ共振体部を有しており、
   前記第３の縦振動コンバータおよび第４の縦振動コンバータはＸ方向の縦振動を発生させるように配置され、前記第３の縦振動ホーンおよび第４の縦振動ホーンは、Ｘ方向に延びており、前記第２のたわみ共振体部は、Ｚ方向に延びており、
   前記第３の縦振動ホーンおよび第４の縦振動ホーンは、前記一波長ねじり振動体部と、Ｚ方向に離れており、
   前記第２のたわみ共振体部は、Ｚ方向でみて、前記一波長ねじり振動体部を挟んで、該第１のたわみ共振体部の反対側に配置されており、
   前記第３の縦振動コンバータと前記第２のたわみ共振体部の一端との振動伝達経路に関する間には、第３の縦振動ホーンが配置されており、
   前記第２のたわみ共振体部の一端は、前記第３の縦振動ホーンと前記第４の縦振動ホーンとの縦振動方向に関する間に配置されており、
   前記第２のたわみ共振体部の他端は、前記一波長ねじり振動体部につながっており、
   前記第４の縦振動ホーンは、前記第４の縦振動コンバータと前記第２のたわみ共振体部の一端との振動伝達経路に関する間に、配置されている、
   請求項２の振動変換装置。
4. 請求項１～３のいずれか一項の振動変換装置を備えた、
   超音波溶着装置。

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