JPH02187177A - セラミックホーンを用いた超音波発振装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超音波振動伝達用または増巾用セラミックホ
ーンを用いた超音波発振装置に関するものである。更に
詳しくは、超音波装置として優れｔ；物理特性を有する
振動伝達用または増巾用ホーンを用いた超音波発振装置
に関するものである。

従来の技術 従来、超音波洗浄装置、超音波加工機（例えば、穴あけ
加工機、切断機、切削機、塑性加工機など）、超音波溶
接機（ロー付はウエルダー、ボンダーなど）の如き超音
波エネルギーを動力源として利用する種々の超音波機械
装置は、広い分野で数多く使用されている。しかしなが
ら、かかる超音波機械装置において発振振動子自体の強
度に限界があり、そのため振動子の振巾に自から制限が
あった。

例えば約２０ＫＨｚクラスの発振機では、振動子の振巾
は数μ程度が限界である。また、ホーンに溶融金属が接
触するような条件下においては、金属製のホーンが溶融
金属に溶解して、溶融金属を汚染する。特に凝固しつつ
ある溶融金属に超音波振動を付加して結晶粒の微細化な
どを行う場合、金属製ホーンは容易に溶融金属中へ溶解
し、合金化される。

一方、超音波加工機などにより、切断、穴あけ、溶接を
行う場合、工具先端部での振巾は約１５〜４０μ程度の
大きさが要求される。このように振巾の増巾を計るため
に、強度の高い金属材料を用い先端を細くしたホーンを
作成し、これを発振振動子と接合もしくは連結し振動エ
ネルギーをホーンの先端部の小面積に集中させるように
構成した装置が使用されている。

このように先端を細くしたホーンは、その形状として、
機械加工が困難ではあるが振巾拡大率が大きく出来る利
点がある指数関数形状や加工は簡単ではあるが振巾拡大
率がやや劣る円錐形状、更には段付き形状などのホーン
が種々各々の目的に応じて利用されている。この超音波
ホーン材料の基本的に必要な条件としては、超音波音速
が速く、しかも超音波振動減衰の少ない特性を有した材
料であることが重要となる。

一方ホーン振動子の大きさは、通常ホーンの先端部にお
いて、振巾が最大となるようにするため、それ自体の共
振周波数の半波長の整数倍の長さで構成されるが、その
場合その振巾の節となる箇所での応力は逆の腹となり最
大値を示すことになる。

このように、超音波ホーン内では極めて大きい圧力拡巾
が得られるＩ；め、圧縮の際には数百度００の高温度に
達すると言われている。

しかし、一般に周波数が非常に高い値で操作されるため
、その局部的に発生した高温の熱は、他に流れるに充分
な時間がなく、直ちに次の膨張の周期に入ることになる
。かかる超音波サイクルの繰り返しによって次第にホー
ン内に熱が蓄積して来る。

殊に従来−収約に使用されている金属製のホーンと共振
させた場合、その振巾の節部に圧力変動が集中するため
に、この部分に局部的に強い発熱が起り、大きな応力変
動によって疲労が進行する。

これらの相乗作用によって節部は局部的に一層加熱され
ることになる。この発熱の度合は、主どしてホーン自体
を構成する材質の超音波振動の減衰性の少ない特性を持
ったもの程小さくなる。

いずれにしてもホーン内では、必然的に超音波による発
熱下で繰り返しの応力を受けることになるため、超音波
機械装置におけるホーンの材質として、 イ）縦波音速が速く、超音波振動の減衰性が少ない。

口）高温下での強度劣化が少ない。

ハ）高い降伏応力を有し、繰返し応力に対し高い耐疲労
強度を有する。

ことが要求される。

一般に物質中を伝播する縦波音速（Ｖ）は、その密度を
ρとし縦弾性係数をＥとした時、基本的に下記式で与え
られる。

従って超音波ホーンとして超音波縦波音速（Ｖ）を向上
させるためには高弾性率で低密度の材料のものが有利で
あることが上記式から理解される。

従来使用されている金属材料のホーンの代表的特性の一
例を下記表−１に示す。

表−１ 上記表−１から明らかなように、金属材料のホーンでは
、密度（Ｐ）はアルミニウム合金から鉄系合金までかな
り変化させることができるが、縦弾性係数（Ｅ）は、材
料の種類によって値の差が小さいので、金属を材料とす
る限り、縦波音速（Ｖ）は、最大は約６０００程度にな
らざるを得ない。これは、金属材料が延性材料であるこ
とに基本的に起因している。

発明の目的 本発明の目的は、前述した従来使用されているホーンに
関し欠点の少ないホーンを提供することにある。

本発明の他目的は、縦波音速が極めて速い材質により構
成されたホーンを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、高温時における物理的特性
の優れたホーンを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、溶融金属と接触しても侵蝕
されることのないホーンを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、以下の説明から一層明らか
となるであろう。

発明の構成 本発明の研究によれば、前記本発明の目的及び利点は、
超音波振動子から発生される振巾を該振動子と接合又は
連絡したホーンにより機械的に伝達または増巾する超音
波装置において、該ホーンもしくは該ホーンとそれに一
体構造からなる工具とはセラミックスにより構成されて
いることとを特徴とする超音波装置における振動伝達用
または増巾用ホーンによって達成されることがわかった
。

かくして本発明においては、−収約に低密度であり、高
弾性率を有し、そのためＥｌｐ値が金属材料に比較して
極めて大きい値を取り得る脆性材料であるセラミックス
をホーンもしくはホーンとそれと一体構造からなる工具
の材料としたことを特徴としている。

殊にセラミックスとして窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ＋）又は
サイアロンを使用すると、それらは常温から高温にわた
って安定した高い弾性率を有する事はもとより、高い強
度を有し、又高降伏応力、高耐疲労強度及び超音波振動
の減衰の少ない特性を有するので、−層優れたホーンと
なる。また、これらにセラミックスは溶融金属に浸漬し
ても溶融金属と反応することはなく、溶融金属を汚染、
または合金化することがない安定化したホーンとなる。

窒化ケイ素（ＳｉｓＮ４）及びサイアロンの特性の一部
を下記表−２に示す。

表−２ 上記表−２における窒化ケイ素及びサイアロンの特性は
、これらの好ましい代表的値を示したものであって、本
発明におけるホーンにおいては、これらの特性を有する
窒化ケイ素又はサイアロンに限定されるわけではない。

表−１及び表−２を比較すると、窒化ケイ素及びサイア
ロンの縦波音速は、表−１の金属のそれよりも極めて速
く（約２倍）しかも降伏応力も金属よりはるかに高い値
を示していることが明らかである。

前述したように、超音波ホーン内では、大きな繰返し応
力振巾のため局部的に数百度°０にも達する高温発熱が
発生することがある。従って常温から高温までの巾広い
温度において、ホーンとして要求される物性が維持され
ることがホーンの材料として望ましい。

そこで常温と３００℃の温度において、工具鋼、窒化ケ
イ素、サイアロンについて、それらの強度、縦弾性率係
数、降伏応力を調べた結果を下記表−３に示した。

表−３ 上記表−３の結果から、工具鋼は、常温に比べて３００
℃の高温になると、強度、縦弾性係数及び降伏応力のい
ずれも大巾に低下するが、窒化ケイ素及びサイアロンは
、３００℃における前記特性値は、常温と比べて殆んど
同じであることが明白である。

従って、本発明は、ホーン材料として窒化ケイ素、サイ
アロンの如きセラミックスを使用することにより、極め
て優れた超音波装置を提供し得たものであることが理解
される。

本発明において、サイアロンとしては、従来知られたサ
イアロンセラミックスを使用することができるが、好ま
しくは下記−能代で表される組成のものが有利である。

サイアロンには、一般弐Ｍ工（Ｓ　ｉ　、　Ａｆｆ）ｌ
＊（ＯｓＮ）＋６　［０＜ｘ＜２、Ｍ　：　Ｌ　ｉ　、
Ｍ　ｇ　ＳＣａ　ｓ　Ｙ及びＣｅ、Ｌａを除く希土類元
素１で示されるαサイアロンと一般式Ｓ　ｉ　５−ｚＡ
Ｉ２ｚｏ　２Ｎ　ｌ−２（０＜ｚ＜４．２）で示される
βサイアロンがある。

本発明におけるサイアロンセラミックスとは、サイアロ
ン含有セラミックスを意味し、αサイアロン質、βサイ
アロン質セラミックス及びαサイアロン＋βＳｉ３Ｎ４
質、αサイアロン＋βサイアロン質セラミックス全体を
包含するものである。

ただし、好ましくは、αサイアロンでは０く、〈０．５
の組成領域及びβサイアロンでは０く２く２の組成領域
を有するサイアロン質セラミックスが機械的特性に優れ
ており、本発明の超音波増巾用セラミックスホーンとし
て有効である。

実施例 以下実施例を掲げて本発明を詳述する。

実施例 ３００Ｗ−１６ＫＨｚの超音波加工機用ホーンとして工
具ｍ（参考例）、窒化ケイ素及びサイアロンのそれぞれ
からなる円錐ホーンを作成し、＃２００Ｂ４Ｃ及び水の
混合スラリーを用いて３ｍｍ”、６　ｍｍ’Ａ（２２０
、（９９％）板に一５ｍｍの穴を穿孔した。

各円錐ホーンの大きさは、それぞれのホーンの材料の共
振周波数の１／２波長となるように設計製作した。

一方発振動子とホーンとの接合は、いずれもネジ接合と
したが、本実施例に係わるセラミックスの場合は加工上
円筒状金属製メネジをエポキシ接著剤にてセラミックス
ホーンの凸部に挿入接合する構成とした。先端工具は、
ステンレスパイプを使用し、工具鋼とはハンダ接合法、
窒化ケイ素及びサイアロンの場合はメタライズ法にて接
合した。

この場合の、穿孔加工時間を下記表−４に示した。

表−４ なお上おサイアロンとしては下記組成のものを用いた。

Ｙｏ　ｔ（Ｓ　ｉｓ　ＡＱ）、（０、Ｎ）１．のαサイ
アロン及びＹ、０，５ｗｔ％（含むβサイアロン（２−
０，５）） 上記表−４の結果から、従来知られた工具鋼ホーンの場
合と比べて、窒化ケイ素製ホーン及びサイアロン製ホー
ンを使用すると、超音波増巾効率の向上によって、ＡＱ
２０．板の穿孔に要する所要時間は約１／２程度にまで
短縮することが可能であり、作業能率が改善されること
が確かめられた。

かくして、本発明によれば、超音波エネルギーを動力源
として使用する各種超音波機械装置において、振巾増巾
用ホーンとして、窒化ケイ素、サイアロンの如きセラミ
ックスよりなるものを使用することによって、優れた性
能を有するものとなることが判る。

【図面の簡単な説明】

添付図面は、本発明の実施例に基づく超音波加工機の構
成概略図を示したものであり、図中の番号は下記のもの
を意味する。 ■・・・・・・・・・・・・・・・・超音波発振振動子
■・・・・・・・・・・・・・・・・それと連結された
ホーン■・・・・・・・・・・・・・・・・ホーンの先
端にロー付は又はメタライズ接合された工具 ■・・・・・・・・・・・・・・・・被穿孔材（アルミ
ナ板）■・・・・・・・・・・・・・・・・砥粒スラリ
ー供給ノズル（Ｂ　、Ｃスラリー供給） Ｗ　　　超音波発振振動子に加えられた荷重手続補正書 （方式） １、事件の表示 平成１年特許願第５８８７号 ２、発明の名称 セラミックホーンを用いた超音波発振装置３、補正をす
る者 事件との関係

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超音波振動子から発生される振巾を、該振動子と接
   合又は連結したホーンにより機械的に伝達または増巾す
   る超音波装置において、該ホーンもしくは該ホーンと一
   体構造からなる工具とがセラミックスにより構成されて
   いることを特徴とするセラミックホーンを用いた超音波
   発振装置。 ２、該セラミックスが、窒化ケイ素又はサイアロン質よ
   りなる請求項１記載のセラミックホーンを用いた超音波
   発振装置。