JPS62250978A - 超音波加工用振動体の支持構造 - 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、超音波複合加工あるいは超音波溶接など（以
下超音波加工と総称する。）に用いる超音波振動体（以
下振動体という）の支持構造に関する。

〔発明の目的〕

超音波加ニ一般に用いられる周波数は、可聴域を超え、
しかも製作しやすい２０〜５０ｋＨｚ帯に集中している
。しかし、用達の拡大にともない。

処理量の増大や被加工物の大型化に対する要求に応えて
、振動体の断面積が増大する傾向にある。

さらに、溶着強度の向上などの特定の効果を狙って、従
来普及していた周波数帯を超えた高周波領域を利用する
機会も多くなってきた。高周波化すると、当然波長が小
さくなり、半波長の数倍の長さを持つ軸長も減少する。

一方、断面寸法は、結合ねじの強度上の制約などから、
それに比例して小さくすることができない。

さらに、パワーをできるだけ大きくする関係上、軸長に
比較して直径の大きいずんぐりした振動体を必要とする
機会が増えてきている。

ずんぐりした形を、低い縦横比を持つ形と今後呼ぶ、ま
た１本明細書においては、この言葉を、直径が４分の１
波長に等しいか、または。

これを超える寸法を持つものを指すと決める。

また、振動体の断面形状は、製作しやすい軸対称形の回
転体のものに限る。

低い縦横比を持つ振動体は、それを構成する各点の振動
変位（以下振幅ともいう）が、軸方向と径方向の２つの
成分からなるため、その支持方法を在来技術の延長上で
考えると、後述するごとく深刻な障害を発生する。

本発明の目的は、低い縦横比を持つ振動体を、支持部の
発熱をともなわずに１強固にかつ機械精度高く、用途に
応じて取付位置の選択の幅を広く取れる柔軟性をもって
、支持できる構造を実現することである。

〔従来技術〕

径方向振幅が無視でき、軸方向振幅のみを考慮するだけ
で十分な細い（高い縦横比を持つ）振動体の支持構造は
、公知であり、大別して非共振形と共振形の二つに分か
れる。

非共振形の代表は、軸方向振幅が理論上、零となるノー
ドに設けたフランジである。この方法は、簡便で製作し
やすい反面、機械本体へ直接、金属面同志で取付けると
、振動体全体の振動が強く拘束される欠点を持つので、
普通、ゴムなどの軟らかいガスケットを介し緩く取付け
ている。したがって、フランジ取付けの締付力が不均等
であると振動体全体が傾き、また、外力に対して変形し
やすい。細い振動体に用いても、このような欠点のある
この方法を低い縦横比を持つ振動体に適用することは、
もちろんできない。もし強行すれば、フランジの面内振
動によって異常な発熱が起るだけでなく、振動エネルギ
ーが機械本体に散逸し、異常音と同時にフランジ取付ね
じの破断などの非常事態を生ずることがある。

更に、一つの非共振形の支持構造は、超音波洗浄に広く
用いられる投込型振動子である。この場合は、細い振動
体であるフェライト磁歪型振動子、あるいはボルト締め
ランジュバン型圧電振動子の出力端面に薄板を接着し、
この肉厚を小さく取ることにより漏洩振動エネルギーを
少なくシ、同時に振動子の振動を拘束しないようにして
いる。

この考え方を本発明の対象とする超音波加工用振動体に
適用すると、振幅が超音波洗浄のときより１０倍以上大
きいため、薄板の疲労破壊を招く、シたがって、特別の
場合を除き１本発明においては、出力端面を直接支持す
ることを避けねばならない。

細い振動体の支持に関連して派生する上記問題のいくつ
かを、次に述べる共振形支持によって解決することがで
きる。

半波長長さを持つ薄肉円筒殻の中央にノードフランジを
設け、支持しようとする振動体を囲んで、その一端を振
動体のループに結合し、他端は自由端とする構造を、米
国のＪ、　Ｂｙｒｏｎ　ｉｓＪ。

ゝ’ｎ　ｅ　ｓが提案し、Ｆｏｒｃｅ　１ｎｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｅ　Ｍｏｕｎｔと名付けた。

この方法で薄肉円筒殻上のノードフランジを機械本体に
直接固定すると、薄肉円筒殻は非共振形のときと同様に
拘束されるが、振動体のループの振幅が小さい範囲で、
円筒殻の肉厚を小さく抑えれば、非共振型ノードフラン
ジで起った発熱と漏洩の開運を解決できる。

このＦｏｒｃｅ　１ｎｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｍｏｕｎｔ
を、低い縦横比を持つ振動体に適用する試みは、そこに
存在する径方向成分の為、放棄せざるを得ない。

半波長円筒殻の代りに４分の１波長円筒殻と支持リング
を用いる方法も、上記のものと本質的に同じである。

上記、共振層円筒殻支持構造を細い振動体の支持に用い
るときの欠点は次の通りである。

（１）円筒殻の周長が１波長になると径方向振動がカッ
プルし、フランジ部分の発熱と漏洩を起す、このときの
円筒殻の平均径は、はぼ３分の１波長であって、設計上
の自由度が小さい。

（２）２分の１波長を占める円筒殻の占める空間は、振
動子冷却用空気導入口、加工用クーラントの導入のため
の穴とシール構造など、超音波加工に必要な機能を実現
するための周辺機器の取付を阻む。

（３）円筒殻と主振動体の周波数を厳密に合わせる必要
があるために製作が面倒である０円筒殻と主振動体の周
波数が合っていないと、共振の分裂が起り、超音波発振
器との整合が困難になる。

次に、低い縦横比を持つ振動体の支持に関しては、ステ
ップ型ホーンに関し、清水によって提案されたものが公
知である。（日本音響学会誌、４０巻５号［１９８４）
　Ｐ３１１−３２０、以下引用するときに文献Ａと呼ぶ
） 説明の便宜上、文献Ａ中に述べられている事項の中１本
発明と直接関係するものを次に列挙する。

（１）振動体のフランジに、フランジ支持体を設けて、
その外周を固定する。

（２）フランジの寸法は、その面に垂直な曲げ振動の共
振を避けるように選ぶ。

（３）断面積の不連続的変化を伴うものを一様ステップ
型ホーンと呼ぶとき、一様ステップ型ホーンの最適支持
位置は、径方向振幅のごく小さいステップ部である。

（４）ステップ部に丸味を付けて、断面積が連続的に変
化するようにしたものを、丸味付きステップ型ホーンと
呼ぶとき、このホーンの最適支持位置は、径方向振幅の
小さい振動子接続側か、あるいはステップ部である。

（５）丸味付きステップ型ホーンをステップ部で支持す
るときは、径方向振幅の悪影響を除くため、フランジの
肉厚が薄くなり堅固な支持を期待出来ない。

これを要するに１文献Ａの考え方は、ホーンの支持にあ
たって、フランジから外部へ逃げる振動エネルギーを小
さくするため、径方向振幅の小さい取付位置を選び、且
つ、フランジの寸法を曲げ共振を避けるようにし、固定
用としてフランジ支持体を設けるものである。

本発明は、上記支持法の改良を計るもので、フランジの
面内展張振動を避けるための取付位置の制限を撤廃する
ことにより、より自由度の大きい支持構造を得ようとす
るものである。

文献Ａにおいて、優れたものとされた一様ステップ型ホ
ーンのステップ部の支持方法は、ステップ部に振動応力
が集中するため、破壊しやすい欠点をもつ５これを改良
した丸味付きステップ型ホーンは、前述の如く文献Ａ中
において、フランジの肉厚が薄くなり堅固な支持を期待
出来ないとされているが、本発明によって、後述の如く
、改善出来るのである。

文献Ａの一様ステップ型ホーンに限らず、軸方向の断面
積変化が不連続となる角は、破壊の原因となるので原則
として避けることにする。

本発明の対象とする振動体は、各種あるが。

軸直角の角を途中に設けることは考えない。

但し、入出力端面は除かれる。

Ｃ問題を解決するための手段〕 上記目的を達成するため、本発明においては、縦横比が
低く、断面が回転軸対称形の超音波振動体の表面上に殻
状フランジと固定用支持フランジを一体に形成し、上記
殻状フランジをその付根の点の合成振幅の方向に対し直
交させるものとする。

直交させる理由は、殻状フランジの面内振動による振動
体の振動の拘束を避けるためである。

これを具体化する方法について述べると、まず、対象と
なる振動体の表面上の各点の振幅を、有限要素法などに
よって明らかにする。

次に、各点の軸方向振幅と径方向振幅のベクトル和とし
て１合成振幅の大きさと方向を求める。この結果から９
次に述べる各項を考慮して。

殻状フランジの最適取付位置を決定する。

（１）殻状フランジの機械損失による発熱が、フランジ
構成材料の強度低下を招かないように、その付根の振幅
を抑える。経験によると、　２０ｋ１１２においてＡ２
０１７−Ｔ４ジュラルミンに許される最大振幅は約１５
μ履であり、安全率は約１．５と見積もられる。

調質されたニッケルクロム綱５ＮＣ６３１は、同じ＜　
２０ｋｌｌｚにおいて、許される最大振幅が約１２．５
μｍであり、同程度の安全率をもつと思われる。

（２）超音波加工機として具備すべき剛性をもっような
フランジ取付位置を選ぶ。

超音波研削に用いられる振動系は、工具端に負荷される
研削抵抗、とくに軸に直角な横方向の研削抵抗に対し、
撓まないように支持されなければならない。

また、超音波粉砕に用いられる振動系は。

出力端面に捩りと曲げを含む圧縮力を受ける。

いずれの場合も、取付位置を出来るだけ工具あるいは出
力端面に近づけなければならない。

（３）製作しやすい形をもつよう配慮する。

殻状フランジと固定用支持フランジを振動体と一体で、
同じ素材から削り出すことにより、信頼性を高めること
が出来る。

（４）超音波加工プロセスに必要な振動体の冷却。

加工用クーラントの導入、あるいは処理室内容量の制限
などの各種要求に対応出来るよう配慮する。

次に、殻状フランジの共振の排除方法は、公表されてい
ないようなので、実験的に確認する。あるいは有限要素
法などを用いたシミュレーションを行うことも出来る。

また、フランジ支持体は、リングになるのでその共振の
排除方法に付いては、文献を参照することが出来る。（
例えば、早坂寺雄：音響振動論Ｐ１２０．昭和２３年初
版、コロナ社）〔実施例〕 第１図は、丸味付きステップ型ホーンのノードに１本発
明を適用した例である。

本例は、大端直径Ｄ１を４分の１波長に取り、小端直径
Ｄ２をＤ１／２とし、ステップ部を半径（Ｄｌ−Ｄｚ）
／２の円弧で結んだ鋼製ホーン８である。直径Ｄｌ部の
長さと直径Ｄｌ部の長さはそれぞれ等しく、４分の１波
長に選ぶ。

ステップ部の直径Ｄｌ上のＡ点の合成振幅は。

軸方向に対し、　２９．４°の角をなす、これに直交し
て円錐殻状フランジ１を設け、１の終端に固定用フラン
ジ支持体２を一体に形成する。

全体の形は、一体で容易に旋削できることが明らかであ
る。

本形状の支持構造を１周波数２１ｋＨｚで硬脆材料の穴
あけ、打抜きなどに使われる回転型超音波振動子のダイ
ヤモンド工具駆動用ホーンの支持に採用し、回転精度５
μ■を実現できた。漏洩振動も少なく、球軸受の長期稼
動を期待できるようになった。

又、出力端直径Ｄｌ部に、交換可能なねじ結合を用いて
ダイヤモンド工具を取付けたため。

工具の横剛性が大きくなった。このように、工具の近傍
を支持することは、本発明の結果、もたらされた技術的
進歩である。従来の方法では。

フランジ支持部の発熱と球軸受の短命化を避けることが
できなかったので、止むを得ず工具振幅を１０μ鳳以下
に抑えていたが、本発明の結果１５μｍを越えることが
できるようになったのである。

これらの特性は、強制切込み方式によって、加工を実行
する工作機械への超音波振動体の組込みに際し好都合で
ある。

なお、第４図に従来公知の方法を、第１図に示した丸味
付きステップ型ホーン８の支持に採用した場合を示す０
図より明らかな如く、フランジ３がノード部の径方向変
位Ｕｒの悪影響を直接受けるため、その厚さを薄くする
ことが必要で、剛性が第１図に比較して低くなる欠点が
ある。

第２図に、各種粉体の微粉砕に用いるずんぐりした大口
径円柱状振動体７の支持に、本発明を適用した例を示す
、これは、周波数１４　、７ｋＨｚで振動する直径１６
〇−長さ１５７ｍｍの鋼製大口径円柱状振動体で、入力
端６の中央を１図示を省略した縦振動駆動体により駆動
するものである。

出力端５の全面で、同じく図示を省略した対向板との間
に隙間を形成し、この隙間に上記対向板の中央の穴から
粉体を供給して、微粉砕を実行する。

上記対向板は、上記隙間を通じ粉体を中心から外周へ輸
送するため、低速度で回転する。

この粉体負荷が不均等にかかると、出力端面５には、下
向きの圧縮力の他に１曲げ力が作用する。また、粉体の
供給量が過剰で詰まりを起すと、出力端面５には、下向
きの圧縮力と捩り力が同時に働く。実際、縦振動駆動体
を結合する外径１６＋ｕ＋のねじ山が破壊したことがあ
る。

円柱状振動体７の振幅分布を調査したところ、表面上の
すべての点が振動していることが分かった。そこで、剛
性とフランジの発熱を考慮し、出力端面から２９ｍｍの
点Ｐを含む軸に直角な断面を付根として、軸と５４．３
°の角度をなす厚さ３履隠の円錐殻フランジ１を設ける
ことにした。

フランジ支持体２は、内径２００＋ｕ＋外径２５０■、
高さ８６ｍｍ（４分の１波長）のリングである。

大口径円柱状振動体７が、大きな環状面１８でしっかり
と機械ベースに固定される結果、精度と剛性が飛躍的に
向上し、大荷重時にも破壊の怖れがなくなった。

第３図に、超音波ワイヤボンダに用いる超音波振動系の
支持構造に本発明を適用した例を示す。

超音波ワイヤボンダに用いる周波数は、現在６０ｋＨｚ
付近が多いが、周波数を更に上げることにより、ワイヤ
ボンディング強度の信頼性を高めることが出来る。しか
し、以下に述べる理由から、高周波振動系が必然的に低
い縦横比を持たざるを得ないので、本発明が必要となる
。

第３図において、９は圧電セラミック振動子で、コーン
１０に接着され、上記コーン１０の他端は、そのまま振
幅拡大用ホーン１１に連なる。コーン１０の長さは、２
分の１波長で、ホーン１１の長さは、他の構成部品との
関係から１波長に取る。

ホーン１１の自由端１２に、ボンディング・ツール１３
を１図に示す如く、ねじ１４によって取付ける。

ねじ１４は、少なくともＭ２は必要で、これをねじ込む
ホーン自由端１２の外径は少なくとも３■は欲しい。

一方、ワイヤボンディングに必要なホーン先端振幅は、
圧電セラミック振動子９の許容振幅゛の数倍なので、ホ
ーン１１のコーン１０と連なる部分の直径は、少なくと
もｌＯ膳Ｉとなる。コーン１０の直径も１０ｍｍとする
。

動作周波数を、仮りに１８０ｋＨｚとすると、綱材材中
の波長は２８ｍ１程度である。従って、上記コーンの直
径が４分の１波長を超えることが判る。

さて、コーン１０はストレートな丸棒で、その中央断面
上において軸方向振幅が零で、径方向振幅のみが存在す
る。

従って、殻状フランジ１５は、図に示す如く円筒形とな
る。

１６は、円筒殻状フランジ１５と連なる固定用フランジ
支持体であり、超音波ワイヤボンダのボンディングヘッ
ドにクランプされる。

本発明により漏洩振動エネルギーが激減した為、クラン
ピングフォースが多少ばらついても、ボンディングツー
ルの振幅が変化しなくなった。

この為、ボンディング強度が機械ごとに、ばらつく原因
の１つを除くことが出来る。

〔発明の効果〕

本発明の結果、精度、剛性あるいはパワーがそれぞれ不
十分な為、実用が阻まれていた強力超音波応用の障害が
取り除かれた。

この中には、新素材や難削材の各種超音波複合加工、プ
ラスチックと金属の接合加工、粉体の粉砕と圧縮、燃料
油を初めとする各種液体の微粒化などがある。

音響的観点からみると、工具交換あるいは大出力密度動
作によって起る周波数変化が小さい点も利点である。

更に、殻状フランジの取付位置をある範囲で選べる為、
超音波加工機の機械要素の取付けの自由度が大きい。

従って、超音波加工機の普及に際し、工業上寿られる便
益は、計り知れないほど大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超音波研削用振動工具の駆動などに使われる
丸味付きステップ型ホーンの支持に適用した本発明の実
施例、第２図は、超音波粉砕機などに用いられる大口径
円柱状振動体に本発明を実施したもの、第３図は、超音
波ワイヤボンダ用超音波振動系に本発明を適用した例、
第４図は、第１図に示したものと同じ丸味付きステップ
型ホーンを支持した公知の例である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 回転軸対称断面を持つ、低縦横比の超音波振動体におい
   て取付点の合成振幅の方向に直交して張り出した殻状フ
   ランジと、上記、殻状フランジの周縁に一体に形成した
   支持フランジとからなる超音波加工用振動体の支持構造