JP7423847B1

JP7423847B1 - 複合金属回転式ホーン

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Publication number: JP7423847B1
Application number: JP2023118404A
Authority: JP
Inventors: 祐記斉藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-07-20
Filing date: 2023-07-20
Publication date: 2024-01-29
Anticipated expiration: 2043-07-20

Abstract

【課題】回転式ホーンに求められる性能を他方面で高いレベルで実現しつつ、低コストで繰り返し利用可能な複合金属回転式ホーンを提供する。【解決手段】超音波溶着機や切断機などで使用する回転式ホーン１０であって、円盤状に成形されワークに直接接触して機能する円盤部１２０と、当該円盤部を支持する軸部１３０と、を備え、前記円盤部１２０と前記軸部１３０とを別部材で構成すると共に、前記円盤部１２０を構成する金属材料を、前記軸部１３０を構成する金属材料よりも比重が軽く且つ熱伝導率が高い金属材料で構成し、更に、前記円盤部１２０の中心に貫通孔１２２を設け、当該貫通孔１２２に前記軸部１３０の先端を焼きばめにより結合した。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波溶着機や超音波切断機で使用する回転式ホーンに関する。

従来から、超音波溶着機などにおいて、連続的な溶着（シール）や切断を実現する目的で回転式ホーンが広く利用されていた（特許文献１参照）。

上記特許文献１を含め、従来から利用されている回転式ホーンの一例を図５に示している。回転式ホーン１０は、振動発生部（図示していない）からの振動を回転しながらワークに伝えるため、円盤部２０と軸部３０との芯ズレ（軸心のズレ）をシビアに管理する必要がある。そのため回転式ホーン１０全体が削り出しによって一体成形されて構成される。

また、回転式ホーンは、振動子で発生した振動が常に加わった状態で動作するため、金属疲労に強い材料が相応しい。また、振幅に必要なエネルギを少なくできるという観点から、軽い材料が望ましい。更に、特に回転式ホーンは振動方向の変換（軸部３０の縦方向の振幅が、円盤部２０の円周方向の振幅に変換）されるため、円盤部の中心付近で発熱する。よって、放熱性に優れた材料が望ましい。

特開２０１９－１１１７１３号公報

上記のように、回転式ホーンには他方面からの様々な性能が要求されるが、従来のように、特定の材料から全体を削り出して作製した場合にはこれら全ての性能に応えることは非常に難しい。また、これら要求を高い次元で満たす材料（例えばチタンなど）を使用すると、非常に高コストになってしまう（特に削り出し一体成形の場合は回転しホーンの形状から切削量が多くまた加工工程も多くなり、材料費のみならず加工費用も必然的に高くなる。）。

本発明は、こういった問題点を解決するべくなされたものであって、回転式ホーンに求められる性能を他方面で高いレベルで実現しつつ、低コストで繰り返し利用可能な回転式ホーンを提供する事をその課題としている。

上記課題を解決するべく、本願発明は、超音波溶着機や切断機などで使用する回転式ホーンであって、円盤状に成形されワークに直接接触して機能する円盤部と、当該円盤部を支持する軸部と、を備え、前記円盤部と前記軸部とを別部材で構成すると共に、前記円盤部を構成する金属材料を、前記軸部を構成する金属材料よりも比重が軽く且つ熱伝導率が高い金属材料で構成し、更に、前記円盤部の中心に貫通孔を設け、当該貫通孔に前記軸部の先端を焼きばめにより結合したことを特徴とする。

このように構成したことによって、回転式ホーンに求められる性能を他方面で高いレベルで実現できるようになった。即ち、振幅幅が最も大きくなる円盤部を軽量な金属材料で構成することによって、エネルギー効率のよい回転ホーンを実現できる。また、放熱性に優れているので、円盤部中心付近の発熱を効率的に伝搬して放熱することができる。更に、軸部と円盤部とを別々に削り出しすることができるため、切削量が少なくて済み、金属材料の無駄をなくして低コスト化を実現できる。加えて、焼きばめというシンプルな機構で両者を結合するため、軸部と円盤部との芯ズレが生じ難い。

更に、前記円盤部を構成する金属材料は、前記軸部を構成する金属材料よりも熱膨張率が大きいことを特徴とする。

このように構成したことによって、繰り返し利用可能な回転式ホーンを提供することが可能となった。即ち、焼きばめ結合部を再度加熱して円盤部を取り外すことができるため、摩耗・損傷した円盤部のみ交換することで低コストで持続的に利用可能な回転式ホーンを実現している。

また、前記円盤部の内部に、前記貫通孔の内周面から連続する冷媒を流す為の冷却溝を形成し、前記軸部の内部に、前記内周面と嵌合する部分に開放する冷媒通路を形成し、前記冷媒によって、前記円盤部を冷却するように構成してもよい。

このように構成したことによって、より円盤部の効率的な冷却が可能となり、ワークの加工精度が向上し、発熱に伴う材料の劣化も防止できる。

また、前記円盤部の冷却溝は、前記貫通孔の内周面から当該円盤部の半径方向に向かって放射状に複数設けられ、前記冷媒は前記軸部から前記円盤部へと一方向に流されるように構成してもよい。

このように構成したことによって、軸部から円盤部を通して外部に冷媒（例えば空気など）を吹き出すことによって冷却を実現できるので、冷却機構を簡易な構成で実現できる。

前記円盤部の冷却溝は、前記貫通孔の内周面から当該円盤部内に略ドーナツ形状に形成され、前記冷媒は前記軸部から前記冷却溝内を介して、再度前記軸部側へと戻されて循環するように構成してもよい。

このように構成したことによって、熱効率の高い液体の冷媒を利用できるので、冷却効率が飛躍的に向上する。

本発明を適用することで、回転式ホーンに求められる性能を他方面で高いレベルで実現しつつ、低コストで繰り返し利用可能な回転式ホーンを提供することができる。

本発明の実施形態の一例である複合金属回転式ホーンの分解斜視図である。複合金属回転式ホーンの第１実施例を示した図であって、（ａ）が円盤部の横断面図、（ｂ）が円盤部の縦断面図、（ｃ）が軸部の縦断面図である。複合金属回転式ホーンの第２実施例を示した図であって、（ａ）が円盤部の横断面図、（ｂ）が円盤部の縦断面図、（ｃ）が軸部の縦断面図である。複合金属回転式ホーンの第３実施例を示した図であって、（ａ）が円盤部の横断面図、（ｂ）が円盤部の縦断面図、（ｃ）が軸部の縦断面図である。従来の回転式ホーンの全体斜視図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施形態の一例である複合金属回転式ホーン１００について説明を加える。なお、図面理解容易の為、各部の大きさや寸法を誇張して表現している部分があり、実際の製品と必ずしも一致しない部分があることを付記しておく。また各図面は符号の向きに見るものとし、当該向きを基本に上下左右、手前、奥と表現する。

〈複合金属回転式ホーンの構成（第１実施例）〉
図１及び図２に示している通り、本発明の第１実施例として示す複合金属回転式ホーン１００は、円盤状に成形されワークに直接接触して機能する円盤部１２０と、当該円盤部１２０を支持する軸部１３０とが別部材で構成される。また、円盤部を構成する金属材料は、軸部を構成する金属材料よりも比重が軽く且つ熱伝導率が高い金属材料とされている。例えば、軸部１３０が鋼材やチタンで構成されている場合に、円盤部１２０がアルミ合金で構成される。もちろん選択する材料はこのパターンに限られない。更に、円盤部１２０の中心に貫通孔１２２を設け、当該貫通孔１２２に軸部１３０の先端を焼きばめにより結合される。なお、符号１３２は、複合金属回転ホーン１００を回転させる時に利用する回転支持部である。また、符号５０は、軸部１３０の基端側に接続され、振動を発生させる為の振動子である。

〈複合金属回転式ホーンの構成（第２実施例）〉
図３に示している通り、第２実施例としての複合金属回転式ホーンは、冷媒によって円盤部２２０を強制的に冷却できる構造となっている。なお、第１実施例と同一又は類似する部分については数字下２桁が共通する符号を付するに止め、重複説明は省略する。

第２実施例としての複合金属回転式ホーンの円盤部２２０には、貫通孔２２２の内周面から、半径方向外側に向かって放射状に４本の冷却溝２２４が形成されている。この冷却溝２２４は、円盤部２２０の外周面に開放している。また、軸部２３０にも冷媒を通すための冷媒通路２３６が軸方向に形成される。この冷媒通路２３６は、下方で外部からの冷媒（例えば空気）が供給される冷媒供給部２３８と接続される。冷媒通路２３６の上方は、軸部２３０外周面に一周に渡って形成された溝２３４の部位に繋がっている。なお、この溝２３４は、軸部２３０における「円盤部２２０の貫通孔２２２の内周面」に嵌合する部分に形成され、更に、嵌合した際に円盤部２２０に形成された冷却溝２２４と連通する位置に形成されている。

〈複合金属回転式ホーンの構成（第３実施例）〉
図４に示している通り、第３実施例としての複合金属回転式ホーンは、冷媒によって円盤部３２０を強制的に冷却できる構造となっている。なお、第１実施例と同一又は類似する部分については数字下２桁が共通する符号を付するに止め、重複説明は省略する。

第３実施例としての複合金属回転式ホーンの円盤部３２０には、貫通孔３２２の内周面から、半径方向外側に向かって略ドーナツ形状の冷却溝３２４が形成されている。この冷却溝３２４は、円盤部３２０の外周面には開放していない。また、軸部３３０にも冷媒を通すための冷媒通路３３６が軸方向に２本形成される。この冷媒通路３３６は、下方で外部からの冷媒（例えば冷却水）が供給される冷媒供給部３３８ａ、及び冷媒が回収される冷媒回収部３３８ｂと接続される。冷媒通路３３６の上方は、軸部３３０外周面３３４に開放している。なおこの部分（軸部３３０外周面３３４が開放している部分）は、軸部３３０における「円盤部３２０の貫通孔３２２の内周面」に嵌合する部分に形成され、更に、嵌合した際に円盤部３２０に形成された冷却溝３２４と連通する位置に形成されている。

上記説明した通り、本願発明は、超音波溶着機や切断機などで使用する回転式ホーンであって、円盤状に成形されワークに直接接触して機能する円盤部１２０と、当該円盤部を支持する軸部１３０と、を備え、前記円盤部１２０と前記軸部１３０とを別部材で構成すると共に、前記円盤部１２０を構成する金属材料を、前記軸部１３０を構成する金属材料よりも比重が軽く且つ熱伝導率が高い金属材料で構成し、更に、前記円盤部１２０の中心に貫通孔１２２を設け、当該貫通孔１２２に前記軸部１３０の先端を焼きばめにより結合したことを特徴とする。

このように構成したことによって、回転式ホーンに求められる性能を他方面で高いレベルで実現できるようになった。即ち、振幅幅が最も大きくなる円盤部１２０を軽量な金属材料で構成することによって、エネルギー効率のよい回転ホーンを実現できる。また、放熱性に優れているので、円盤部１２０中心付近の発熱を効率的に伝搬して放熱することができる。更に、軸部１３０と円盤部１２０とを別々に削り出しすることができるため、切削量が少なくて済み、金属材料の無駄をなくして低コスト化を実現できる。加えて、焼きばめというシンプルな機構で両者を結合するため、軸部１３０と円盤部１２０との芯ズレが生じ難い。

更に、前記円盤部１２０を構成する金属材料は、前記軸部１３０を構成する金属材料よりも熱膨張率が大きいことを特徴とする。

このように構成したことによって、繰り返し利用可能な回転式ホーンを提供することが可能となった。即ち、焼きばめにより結合した部分を再度加熱して円盤部１２０を取り外すことができるため、摩耗・損傷した円盤部１２０のみ交換することで低コストで持続的に利用可能な回転式ホーンを実現している。

また、円盤部２２０の内部に、貫通孔２２２の内周面から連続する冷媒を流す為の冷却溝２２４を形成し、軸部２３０の内部に、貫通孔２２２の内周面と嵌合する部分に開放する冷媒通路２３６を形成し、冷媒によって、円盤部２２０を冷却するように構成してもよい。

このように構成したことによって、より円盤部２２０の効率的な冷却が可能となり、ワークの加工精度が向上し、発熱に伴う材料の劣化も防止できる。

また、円盤部２２０の冷却溝２２４は、貫通孔２２２の内周面から当該円盤部２２０の半径方向に向かって放射状に複数設けられ、冷媒は軸部２３０から円盤部２２０へと一方向に流されるように構成してもよい。

このように構成したことによって、軸部２３０から円盤部２２０を通して外部に冷媒（例えば空気など）を吹き出すことによって冷却を実現できるので、冷却機構を簡易な構成で実現できる。

また、円盤部３３０の冷却溝３３４は、貫通孔３２２の内周面から当該円盤部３２０内に略ドーナツ形状に形成され、冷媒は軸部３３０から冷却溝３３４内を介して、再度前記軸部３３０側へと戻されて循環するように構成してもよい。

５０・・・振動子
１００・・・複合金属回転式ホーン
１２０・・・円盤部
１２２・・・貫通孔
１３０・・・軸部
１３２・・・回転支持部
２２４・・・冷却溝
２３４・・・冷媒接続部
２３６・・・冷媒通路
２３８・・・冷媒供給部

Claims

超音波溶着機や切断機で使用する回転式ホーンであって、
円盤状に成形されワークに直接接触して機能する円盤部と、
当該円盤部を支持する軸部と、を備え、
前記円盤部と前記軸部とを別部材で構成すると共に、前記円盤部を構成する金属材料を、前記軸部を構成する金属材料よりも比重が軽く且つ熱伝導率が高い金属材料で構成し、
更に、前記円盤部の中心に貫通孔を設け、当該貫通孔に前記軸部の先端を焼きばめにより結合した
ことを特徴とする複合金属回転式ホーン。
請求項１において、
更に、前記円盤部を構成する金属材料は、前記軸部を構成する金属材料よりも熱膨張率が大きい
ことを特徴とする複合金属回転式ホーン。
請求項１または２において、
前記円盤部の内部に、前記貫通孔の内周面から連続する冷媒を流す為の冷却溝を形成し、
前記軸部の内部に、前記内周面と嵌合する部分に開放する冷媒通路を形成し、
前記冷媒によって、前記円盤部を冷却する
ことを特徴とする複合金属回転式ホーン。
請求項３において、
前記円盤部の冷却溝は、前記貫通孔の内周面から当該円盤部の半径方向に向かって放射状に複数設けられ、
前記冷媒は前記軸部から前記円盤部へと一方向に流される
ことを特徴とする複合金属回転式ホーン。
請求項３において、
前記円盤部の冷却溝は、前記貫通孔の内周面から当該円盤部内に略ドーナツ形状に形成され、
前記冷媒は前記軸部から前記冷却溝内を介して、再度前記軸部側へと戻されて循環する
ことを特徴とする複合金属回転式ホーン。