JPH03232575A - 超音波振動子の複合振動駆動方法 - 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、従来多用されている縦およびたわみなどの単
一方向振動を複合化して振動させる超音波振動子の複合
振動駆動方法に係り、とくに、プラスチックや金属を溶
着接合する超音波ウエルダ、超音波ホルダー　シート材
を切断する超音波カッタ、金型や超硬合金あるいはセラ
ミックなどを研磨する超音波ラッパーなどに利用される
超音波振動子の複合振動駆動方法に関するものである。

従来の技術 従来、複合振動を発生させる超音波振動子としては、縦
とたわみ、あるいは、縦とねじり共振周波数を一致させ
て円振動を発生させるものや、もしくは、進行波を用い
て超音波モーターに適用するようにしたものがあるが、
−船釣には、縦型の単一方向振動のみを発生する超音波
振動子が大部分である。

そのような中で、本出願人は先に特開昭６２１１４４７
８号公報に見られるように、たわみ振動子の出力端部に
設けた刃を、振動子軸と直角あるいは制御された角度に
振動させて用いるようにした超音波カッタを提案した。

そのような振動子を用いた一例を第６図ないし第９図に
より説明する。

まず、厚み方向に分極された円環状の電歪素子２．３は
、その−面に絶縁部１３を中心として電極１４．１５が
二分割して形成され、他面には全面に共通電極１６が形
成されている。

このような電歪素子２，３の二個は、１ｆＰ！縁部１３
を一致させるとともに２個の電極板４，５を間にして前
記電極１４．１５を対向させて配設されている。そして
、一方の電歪素子３の共通電極１６の面には、共通電極
板６が接合され、さらに、出力端部１０を細く形成する
と共にエクスポネンシャルステップ８を設けた金属材９
が接合されている。また、他方の電歪素子２の共通電極
１６の面には金属材７がを接合されている。そして、ボ
ルト１１によりこれらは一体的に固定されてたわみ振動
子１が構成されている。

ついで、たわみ振動子１の出力端部１０にカッタ刃１２
が銀ろう接合などによって固定されている。

このような構成において、共通電極板６を基準として、
電極板４，５に互いに位相の反転したたわみ共振周波数
の駆動電圧を印加すると、軸に直角で電極の分割方向に
直角にたわみ共振振動し、刃先は矢印１７の方向に強く
振動する。

しかして、第９図のように被カット材であるシート１９
を、刃先部分を逃げるために設けた座ぐり２０を持つテ
ーブル１８に載せて、シート１９を右または左方向に送
ると、シート１９はカッタ刃１２の超音波振動の大きな
加速度の繰り返しによって容易に切断される。さらに、
縦とたわみ共振周波数を一致させたたわみ振動子によれ
ば、軸に直角な方向の振動を刃先に与えることができる
とともに、各電極に印加する駆動電圧を制御することに
よって刃先の振動方向を軸方向からそれと直角方向まで
連続的に制御することができる。

発明が解決しようとする課題 しかるに、縦共振周波数とたわみ共振周波数とを一致さ
せることは、固定された工具ではともかく、かなり困難
が多い。すなわち、工具の交換、摩耗や再研削によって
は勿論、負荷の大きさによって変化する共振周波数は、
その共振モードによって変化率が異なり、負荷とともに
各共振周波数の差は大きく離れてしまう。その結果、相
対位相や相対振幅がずれて振動方向を正しく制御するこ
とができなくなる。

課題を解決するための手段 請求項１記載の発明は、たわみ振動子を縦共振周波数で
縦振動の駆動をすると共に、それと異なるたわみ共振周
波数でたわみ振動の駆動をするようにした。

請求項２記載の発明は、たわみ振動子を縦共振周波数で
縦振動の駆動をすると共に、それと異なるたわみ共振周
波数でそれぞれ互いに直角なたわみ振動を複合させた複
合たわみ振動の駆動をするようにした。

作用 １個のたわみ振動子により軸方向とそれに直角な方向と
の合成複合振動を容易に発生することができ、また、縦
方向とたわみ方向と、あるいは、互いに直角な第１と第
２のたわみ方向との共振周波数を合わせる必要がないた
め、たわみ振動子ののデイメンジョンの自由度が大きく
、このことは振動系の構成を非常に簡単にすることがで
きるものである。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図および第２図に基づいて
説明する。本実施例は超音波カッタに関するもので、第
６図について説明した部分と同一部分は同一符号を用い
その説明も省略する。

まず、電歪素子２，３をもつたわみ振動子２１は、その
出力端部２２に右雄ネジ２３が設けられている。また、
刃２６が銀ろう接合された工具２４には、左雄ネジ２５
が設けられている。それらのたわみ振動子２１と工具２
４とは、右および左雌ネジとスパナ掛け２８が設けられ
た締着リング２７と嵌合して、刃２６のカット方向とた
わみ振動方向とのそれぞれの向きを合せて締着されてい
る。

前記刃２６は、図示した剣先以外にＲ刃、尖り刃、平刃
なと多様な刃があり、これらの刃２６を持つ複数種の工
具が用意され、締着リング２７を介して選択的に交換使
用される。

そして、工具２４を含めたたわみ振動子２１のたわみ共
振周波数に調節した高周波電源３０から、出カドランス
３１の二次コイル３２より互いに位相の反転した電圧を
電極板４．５に印加すると、電歪素子２，３の上半分の
厚みが伸びた瞬間に下半分は縮み、半周助役反転するサ
イクル動作によってたわみモードの振動分布が発生して
矢印３７の如く刃先は軸と直角方向に振動する。

次に、縦共振周波数をもつ高周波電源３４から出カドラ
ンス３５を経てトランス３１の二次コイル３２の中点タ
ップ３３に電圧を印加すると、電極板４，５には同相電
圧として印加されて電歪素子２，３は上下ともに同時に
伸縮するので、軸方向の縦モードの振動分布が発生して
矢印３８の如く刃先は軸方向に振動する。

そこで、円高周波電源３０，３４を同時に駆動すると、
刃先には互いに直角な方向の振動の合成複合振動が発生
する。それぞれの共振周波数は、工具２４を交換したり
刃先の摩耗あるいは負荷がかかるとともに変化するので
、高周波電源３０゜３４の周波数はそれぞれの共振周波
数を追尾して発振できるものが好ましい。各発振周波数
は独立して発振しているため周波数、位相とも互いに関
係なく、合成複合振動はランダムな方向に変化する。そ
の刃先における合成複合振動は、たわみ振動３７と縦振
動３８との合成されたものであり、各振動の振幅を制御
することにより、その振動軌跡の包路線の形状を第２図
のようにたわみ方向から縦方向に（ａ）直線、（ｂ）矩
形、（Ｃ）正方形、（ｄ）矩形、（ｅ）直線とすること
ができ、被カット材の材質や切断加工内容によって適宜
選択される。

このように刃先は軸方向とそれに直角な方向を二軸とす
る面上での合成複合振動によって、ランダムにあらゆる
方向に振動するので、振動子の刃と被カット材との相対
角度に関係なく良好な切断が行える。

このことはまた、刃先が被カット材に対してあらゆる角
度で切り込むので、従来の単一方向振動に比べて著しい
切断効果を示すものである。

次に、本発明の第二の実施例を第３図ないし第５図に基
づいて説明する。本実施例は、超音波ラッパーに適用し
たもので、第３図および第４図に示すものは、第１のた
わみ振動とそれに直角な方向に互いに９０度の位相差で
駆動される第２のたわみ振動との合成された複合たわみ
振動とともに、縦振動を発生するようにした振動子とそ
の駆動回路とである。

しかして、第１のたわみ振動を発生する電歪素子４１．
４２は、−面に上下二分割された電極をもち、電極板４
３．４４により通電される。そして、第１のたわみ振動
と直角方向に第２のたわみ振動を発生する電歪素子４５
．４６は、一方の面に左右に分割された電極をもち、電
極板４７，４８によって通電される。それらは共通電極
４９゜５０とともに金属材５１および５２によって挟み
込まれ中心ボルト５３によって一体に締着され複合たわ
み振動子４０が構成されている。たわみ振動駆動用高周
波電源５４から出カドランス５５によって位相の反転し
た電圧が電極板４３，４４１、印加されると、電歪素子
４１．４２は上下で反車駆動されて上下方向の第１のた
わみ振動を発生２せる。

また、電源５４の一部は位相器５６によって９０度位相
がずらされ、その電圧は出カドランス５７を経て電極板
４７．４８に印加されて電歪素仔４５．４６を左右に反
転駆動して左右方向の第２のたわみ振動を発生させる。

ついで、縦振動駆動用高周波電源５８は、出丈トランス
５９を経て、たわみ用土カドランス５５５７の二次巻き
線中間タップに接続され、全てＣ電極板４３，４４．４
７および４８を同相で駆愛する。そのため、軸方向の縦
振動を励起する。揺動子４０の出力端部には同筒状砥石
６ｏを持った工具６１が左右雌ネジを持つ締着ナツト６
２により堅く締着されている。

第５図に工具６１と先端の振動姿態を示す。砥石６０の
先端部には第５図（ｂ）に示す矢印のように第１のたわ
み振動６３．第２のたわみ振動６４が発生するが、それ
らは９０度の位相差で同期しているため、その振動姿態
は第５図（Ｃ）のように円振動６５となり、またそれら
と同期しない縦振動６６とによりランダムな方向に振動
する円筒状複合振動６７を発生する。

また、工具のデイメンジョンが左右方向と上下方向でか
なり異なると、第１と第２のたわみ共振周波数が離れて
円振動６５の発生が困難となる。

しかし、このようなケースでは、第１と第２のたわみ振
動はそれぞれ単独に独立して共振周波数を追尾すれば良
好な効果を上げることができる。

このような円筒状砥石６０とその円筒状複合振動６７は
、Ｒ状コーナ一部を研磨するのに有用である。側面では
たわみ振動成分が、底面に対しては縦振動成分が補助的
に作用して研磨効果を増大させる。

縦振動成分とそれに直角なたわみ振動成分との合成振動
は、その振動周波数が異なると合成振動方向がランダム
に変化するが、そのランダムな振動方向の変化は加工結
果に良好な影響を及ぼす。

従来の単一の縦あるいはたわみ振動のみによる研磨作用
に比べて、それと直角方向振動との複合振動となって研
磨効果の著しい増大をもたらす。さらに研磨面の形状や
加工状況に応じて縦とたわみ成分の振幅を最適な値に制
御することにより、あら研磨加工から仕上げ加工まで効
果的な研磨を行うことができる。

発明の効果 本発明は上述のように、たわみ振動子を縦共振周波数で
縦振動の駆動をすると共に、それと異なるたわみ共振周
波数でたわみ振動の駆動をするようにしたので、１個の
たわみ振動子により軸方向とそれに直角な方向との合成
複合振動を容易に発生させることができ、また、縦方向
とたわみ方向、あるいは、互いに直角な第１と第２のた
わみ方向との共振周波数を合わせる必要がないので、工
具のデイメンジョンの自由度が大きく、振動系の構成を
非常に簡単にすることができると云う効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す側面図、第２図は
各種の振動軌跡の包路線の形状を示す平面図、第３図は
本発明の第二の実施例を示す側面図、第４図は電極板の
斜視図、第５図は工具とその先端の振動姿態を示す説明
図、第６図は従来の一例を示す側面図、第７図は電極板
の斜視図、第８図は電歪素子の斜視図、第９図は切断動
作を示す一部の断面図である。 ２１・・・たわみ振動子 ＝３脅Ｌ）１ 手 続 補 正 書（自発） １、事件の表示 特願平２−２７４５９号 ２、発明の名称 超音波振動子の複合振動駆動方法 ３、補正をする者 事件との関係 特許出原人 ４、代 理 人 住 所 〒１０７ 東京都港区南青山５丁目９番１５号 な し ６、補正の対象 特願平２−２７４５９号補正書 この出願に関し、明細書及び図面の記載を下記のように
補正する。 記 １、明細書中、第２頁第４行目の「超音波ホルダー」を
「超音波ボンダー」に補正する。 ２、明細書中、第３頁第１５行目の［エクスポネンシャ
ル」を「エクスポネンシャル」に補正する。 ３、明細書中、第６頁第１１行目乃至第１２行目の「た
わみ振動子のの」を「たわみ振動子の」に補正する。 ４、明細書中、第１１頁第５行目の［位相器Ｊを「移相
器」に補正する。 ５、図面中、第３図を別紙のように補正する。 （−本のリード線のドツトを削除した。 ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、たわみ振動子を縦共振周波数で縦振動の駆動をする
   と共に、それと異なるたわみ共振周波数でたわみ振動の
   駆動をすることを特徴とする超音波振動子の複合振動駆
   動方法。 ２、たわみ振動子を縦共振周波数で縦振動の駆動をする
   と共に、それと異なるたわみ共振周波数でそれぞれ互い
   に直角なたわみ振動を複合させた複合たわみ振動の駆動
   をすることを特徴とする超音波振動子の複合振動駆動方
   法。