JPWO2019230883A1 - Ultrasonic vibration imparting tool, traveling wave generator and ultrasonic processing device - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波加工装置に組み込んで円環状進行波を発生させるのに適したランジュバン型超音波振動子を備えた超音波振動付与具を提供する。【解決手段】下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング;ハウジングの接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスとその上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子;そして、ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部にフランジ部の下面に接触し、フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み;圧電素子への電気エネルギーの印加により、フロントマスの上下方向の振動とその振動と同一方向に突き出るフランジ部の平面中央部の撓み振動とが生じ、同時に、フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生じる超音波振動付与具。PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic vibration imparting tool provided with a Langevin type ultrasonic vibrator suitable for incorporating into an ultrasonic processing apparatus to generate an annular traveling wave. A cylindrical housing having a downwardly expanding contact surface at the lower part of the inner peripheral surface and a threaded surface at the lower part of the outer peripheral surface; a flange portion having a contact surface fitted to the contact surface of the housing at the upper part. A Langevin-type ultrasonic vibrator with a structure in which a polarized piezoelectric element is sandwiched between the front mass provided and the rear mass placed above it; and the threaded surface at the bottom of the outer peripheral surface of the housing is screwed in. Includes a ring-shaped counterweight with a threaded surface at the top of the inner peripheral surface, with an inner peripheral extension that touches the lower surface of the flange at the bottom and does not touch the sides of the front mass; The application of electrical energy to the element causes vertical vibration of the front mass and bending vibration of the center of the plane of the flange that protrudes in the same direction as the vibration, and at the same time, it protrudes due to the bending vibration of the center of the plane of the flange. An ultrasonic vibration imparting tool in which arc-shaped vibration in the direction opposite to the direction in which it is applied is generated on the outer peripheral surface of a ring-shaped balanced weight.
Description
本発明は、超音波振動付与具、進行波発生装置及び超音波加工装置に関する。本発明は特に、ランジュバン型超音波振動子を使用する超音波振動付与具であるが、新規な振動モードの超音波振動を示す超音波振動付与具、そして、その超音波振動付与具を用いる進行波発生装置と超音波加工装置に関する。 The present invention relates to an ultrasonic vibration imparting tool, a traveling wave generator and an ultrasonic processing device. The present invention is particularly an ultrasonic vibration imparting tool using a Langevin type ultrasonic vibrator, but an ultrasonic vibration imparting tool exhibiting ultrasonic vibration in a novel vibration mode, and a progress using the ultrasonic vibration imparting tool. Regarding wave generators and ultrasonic processing devices.
圧電素子を超音波発生源として利用する超音波振動子は各種の構成のものが知られているが、その代表的な構成として、一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子が知られている。なかでも、分極処理済の圧電素子を一対の金属ブロックの間でボルトにより接続し、高圧で締め付け固定した構造のボルト締めランジュバン型超音波振動子は高エネルギーの超音波振動の発生が可能なため、各種材料の研磨加工、切削加工、塑性加工、砥粒加工などを行うための工具に付設して用いる超音波加工処理での利用が検討され、実際に使用されている。さらに、各種の超音波振動子については、その超音波振動子にて発生する超音波振動を振動板や各種振動手段を介して送信することによる、超音波洗浄、金属接合、プラスチック溶着、超音波霧化、乳化・分散などの超音波処理の用途、そして魚群探知機などの水中音響器(ソナー)、超音波探傷器、医療用エコー診断装置、流量計などの通信的応用機器への利用が検討され、多くの分野で実際に使用されている。 Ultrasonic transducers that use a piezoelectric element as an ultrasonic source are known to have various configurations, and as a typical configuration, a pair of metal blocks and polarization fixed between these metal blocks. A Langevin type ultrasonic vibrator composed of a processed piezoelectric element is known. Among them, the bolted Langevin type ultrasonic vibrator, which has a structure in which polarized piezoelectric elements are connected by bolts between a pair of metal blocks and tightened and fixed at high pressure, can generate high-energy ultrasonic vibrations. , It has been studied for use in ultrasonic processing, which is attached to tools for polishing, cutting, plastic working, abrasive grain processing, etc. of various materials, and is actually used. Furthermore, for various ultrasonic vibrators, ultrasonic cleaning, metal bonding, plastic welding, and ultrasonic waves are performed by transmitting the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator via a vibrating plate or various vibrating means. Applications for ultrasonic processing such as atomization, emulsification / dispersion, and communication application devices such as underwater acoustic devices (sonar) such as fish finder, ultrasonic flaw detectors, medical echo diagnostic devices, and flow meters. It has been considered and is actually used in many fields.
また、特許文献1に記載されているように、超音波振動を利用して進行波を発生させる方法や装置も既に知られている。この超音波振動を利用する進行波として代表的なものは円環形状を持つ振動体に円環状の進行波を発生させる方法であって、この進行波の利用形態としては、超音波モータ、研磨装置、そして切削装置などが提案されている。しかしながら、進行波を発生させる超音波振動モードを利用する装置であって、実際に利用されている装置は、現時点では、機械的負荷が少なく、かつ変動が少ないカメラに内蔵するモータに限られている。
Further, as described in
進行波超音波振動モードを示す超音波振動は、その振動に節(ノード)が発生しない点に特徴を持つ振動モードであって、振動源を兼ねる振動体としては円環状の平面を持つ圧電セラミック板が用いられることが一般的である。しかしながら、進行波が発生する円環状振動体には振動の節が現れないため、その振動体を、振動特性を維持したまま支持することができない。すなわち、通常の振動体は、その振動体に現れる超音波振動を有効に活用するために、その超音波振動の節が現れる位置で支持するようにされているが、超音波振動の節が現れない進行波超音波振動モードを利用する場合、このような支持方法を利用して振動体を支持することができない。このため、これまでに実用化されている進行波超音波振動モードの超音波振動を発生する円環状振動体の支持は、フェルトなどの柔らかい材料の成形体を支持基板として利用する方法が利用されており、このような支持方法により、振動体を空気中に浮遊させることにより実現している。
しかしながら、大きな機械的負荷が振動体に加わると、フェルトなどの柔らかい材料の成形体が圧縮されて硬くなるため、振動体に発生した進行波超音波振動モードの超音波振動が支持基板に伝播してしまい、その振動体における円滑な進行波の発生が実現しなくなることがあるとの問題がある。Ultrasonic vibration, which indicates a traveling wave ultrasonic vibration mode, is a vibration mode characterized in that no nodes are generated in the vibration, and a piezoelectric ceramic having an annular flat surface as a vibrating body that also serves as a vibration source. Boards are commonly used. However, since no vibration node appears in the annular vibrating body in which the traveling wave is generated, the vibrating body cannot be supported while maintaining the vibration characteristics. That is, a normal vibrating body is supported at a position where the ultrasonic vibration node appears in order to effectively utilize the ultrasonic vibration appearing in the vibrating body, but the ultrasonic vibration node appears. No traveling wave When using the ultrasonic vibration mode, it is not possible to support the vibrating body by using such a support method. For this reason, a method of using a molded body made of a soft material such as felt as a support substrate is used to support the annular vibrating body that generates ultrasonic vibration in the traveling wave ultrasonic vibration mode that has been put into practical use so far. This is achieved by suspending the vibrating body in the air by such a support method.
However, when a large mechanical load is applied to the vibrating body, the molded body made of a soft material such as felt is compressed and hardened, so that the ultrasonic vibration of the traveling wave ultrasonic vibration mode generated in the vibrating body propagates to the support substrate. Therefore, there is a problem that the smooth traveling wave generation in the vibrating body may not be realized.
なお、特許文献1の図11には、ランジュバン型超音波振動子を用いる進行波の発生方法の図が開示されているが、その開示されているランジュバン型超音波振動子の構成や進行波発生のための振動体の支持方法に関する具体的な説明は一切見られない。
Although FIG. 11 of
また、超音波加工装置において各種工具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、超音波振動子にて発生した超音波振動が、超音波振動子に組み合わされている工具保持具に保持されている工具に高い効率で伝達され、その結果として得られる当該工具による加工作業に必要な電気エネルギーの節減や加工精度の向上などである。しかしながら、これまでに製造され、実際の加工作業に使用されている超音波加工装置では、その期待された効果が充分に得られていない場合が多い。このため現在の時点でも、超音波加工装置の普及は充分進んでいるとは云えない。従って、超音波加工装置の更なる普及を進めるためには、超音波振動子にて発生した超音波振動が高い効率で工具に伝達されるような超音波加工装置を開発する必要がある。 In addition, the effect expected by applying ultrasonic vibration to various tools in the ultrasonic processing equipment is that the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator is held by the tool holder combined with the ultrasonic vibrator. It is transmitted to the tool being used with high efficiency, and as a result, the electrical energy required for the machining work by the tool is reduced and the machining accuracy is improved. However, in many cases, the ultrasonic processing apparatus manufactured so far and used in the actual processing work does not sufficiently obtain the expected effect. Therefore, even at the present time, it cannot be said that the spread of ultrasonic processing equipment is sufficiently advanced. Therefore, in order to further popularize the ultrasonic processing apparatus, it is necessary to develop an ultrasonic processing apparatus in which the ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator is transmitted to the tool with high efficiency.
本発明の発明者は、これまでに、超音波加工装置に組み込んだ超音波振動子にて発生した超音波振動が高い効率で工具に伝達されるようにする改良を提供する発明を案出し、多数の特許出願を行ってきた。それらの改良発明の内で最近の発明の一つとして、特許文献2に開示されている発明を挙げることができる。なお、この特許文献2は、その公開日が2018年8月15日であって、本PCT出願において優先権を主張している特願2018年5月30日出願の特願2018−114989号出願より後の公開である。
The inventor of the present invention has so far devised an invention that provides an improvement that allows ultrasonic vibration generated by an ultrasonic vibrator incorporated in an ultrasonic processing apparatus to be transmitted to a tool with high efficiency. He has filed numerous patent applications. Among these improved inventions, one of the recent inventions is the invention disclosed in
特許文献2には、接触面を内周面下部もしくは底部に備え、そして外周面下部にねじ部を備えた円筒状ハウジング;該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされる接触面を備えた円盤状膨出部を上部に有する円筒状工具取付具を含むフロントマスと、該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子;そして、円筒状ハウジングのねじ部がねじ込まれるねじ部を内周面上部に有するリング状釣り合い重りを含む超音波振動付与具が開示されている。そして、上記リング状釣り合い重りの好ましい構成として、そのねじ部の下側に内径が該ねじ部の内径よりも小さい下側小径部が形成されていて、その下側小径部の内周面と円筒状工具取り付け具(フロントマスを兼ねる)の側面との間に空隙が形成されている構成が開示されている。
特許文献1 : 特開昭59−122385(1984−7−14公開)
特許文献2:PCT/JP2018/004728(2018年2月9日出願、WO 2018/147445A1として2018年8月15日公開)Patent Document 1: JP-A-59-122385 (published in 1984-7-14)
Patent Document 2: PCT / JP2018 / 00428 (filed on February 9, 2018, published as WO 2018/147445A1 on August 15, 2018)
本発明の発明者は、上記の特許文献2に記載の超音波振動付与具が円環状振動体に効率良く円環状進行波を発生させる超音波振動付与具として利用できるのではないかとの期待を持ち、特許文献2に具体的に開示されている構成の超音波振動付与具を用いる円環状振動体への効率の良い円環状進行波の発生状況を検討した。しかしながら、その円環状進行波の発生状況は必ずしも満足することができるレベルに達しなかった。
The inventor of the present invention expects that the ultrasonic vibration imparting tool described in
従って、本発明の課題は、円環状振動体への進行波モードの超音波振動を安定して付与するために特に適した、ランジュバン型超音波振動子を備えた超音波振動付与具を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide an ultrasonic vibration imparting tool provided with a Langevin type ultrasonic vibrator, which is particularly suitable for stably applying ultrasonic vibration in a traveling wave mode to an annular vibrating body. There is.
本発明の発明者は、特許文献2に記載の超音波振動付与具の構成をさらに検討する過程において、本明細書に添付の図1乃至図3に記載の構成の超音波振動付与具を作製し、この超音波振動付与具の超音波振動特性を調べた。
In the process of further examining the configuration of the ultrasonic vibration imparting tool described in
すなわち、図1−図3において、超音波振動付与具1は、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング2;円筒状ハウジング2の上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部3を上部に備えたフロントマス4と該フロントマス4の上方に配置したリアマス5との間に電極層6a、6bを利用しての分極処理が施された圧電素子6を挟んだ状態でボルト5aにより固定(ボルト締め)した構成のランジュバン型超音波振動子;そして、円筒状ハウジング2の外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部7aに備え、下部7bに上記フランジ部3の下面に接触し、かつ上記フロントマス4の側面には接触することのない内周側延長部7cを有するリング状釣り合い重り7を含み;上記円筒状ハウジング2の接触面と上記フランジ部3の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径(Hin)がリング状釣り合い重り7の内側延長部7cの内周表面が構成する円周円の直径(Nin)よりも大きいことに特徴を持つ超音波振動付与具である。
That is, in FIGS. 1 to 3, the ultrasonic vibration imparting
図3には、リング状釣り合い重り7の平面図(図3の(a))と図3のA−A線に沿う断面図(図3の(b))が示されている。図3に示したリング状釣り合い重り7は、振れ精度調整用の雌ねじ穴を備えたタイプのものである。そして、リング状釣り合い重り7の厚さ方向(高さ方向)の上側には、円筒状ハウジング2の外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面に備える上部の領域7a(厚さ:7at)、そしてフランジ部3の下面に接触し、かつフロントマス4の側面には接触することのない内周側延長部7cを備えた下部領域7b(厚さ:7bt)を持っている。
FIG. 3 shows a plan view of the ring-shaped balancing weight 7 (FIG. 3 (a)) and a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (FIG. 3 (b)). The ring-
そして、図1乃至図3に示した基本構成を持つ超音波振動付与具をフロントマス4の質量を種々変えて、それらの超音波振動付与具の超音波振動特性を調べた結果、以下に記載するような興味深い超音波振動特性が判明した。
(1)円筒状ハウジングの質量がランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持ち、そしてリング状釣り合い重りがランジュバン型超音波振動子の質量を1として、0.5−1.5の範囲にある質量を持つ場合には、ランジュバン型超音波振動子の縦零次振動を励起するための周波数を持つ電気エネルギーの圧電素子への印加により、ランジュバン型超音波振動子全体の上下方向の振動そしてランジュバン型超音波振動子全体の上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生起する。Then, as a result of investigating the ultrasonic vibration characteristics of the ultrasonic vibration imparting tools having the basic configurations shown in FIGS. 1 to 3 by changing the mass of the
(1) The mass of the cylindrical housing is larger than that of either the Langevin type ultrasonic vibrator and the ring-shaped counterweight, and the ring-shaped counterweight is 0.5, where 1 is the mass of the Langevin type ultrasonic vibrator. When the mass is in the range of −1.5, the Langevin type ultrasonic vibrator is made by applying electric energy having a frequency for exciting the longitudinal zero-order vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator to the piezoelectric element. The vibration in the vertical direction of the whole and the bending vibration in the center of the plane of the flange protruding in the same direction as the vibration in the vertical direction of the entire Langevin type ultrasonic vibrator occur, and at the same time, the bending vibration in the center of the plane of the flange. An arc-shaped vibration in the direction opposite to the direction of protrusion occurs on the outer peripheral surface of the ring-shaped balanced weight.
(2)上記(1)に説明した超音波振動特性を模式的に示すのが、添付図面の図4乃至図6である。なお、図5は、図4に示されたランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りの振動モードを誇張した形で図示している。 (2) FIGS. 4 to 6 of the attached drawings schematically show the ultrasonic vibration characteristics described in (1) above. Note that FIG. 5 shows the vibration mode of the Langevin type ultrasonic vibrator and the ring-shaped equilibrium weight shown in FIG. 4 in an exaggerated form.
なお、図4乃至図6に示す振動モードでは、円筒状ハウジングの下端部付近のみに節(ノード:黒点で示されている)9が現れ、ランジュバン型超音波振動子は、全体として上下に振動し、またフランジ部とリング状釣り合い重りは上記のモードで振動するが、それらの振動は円筒状ハウジング2に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング2は殆ど振動しない。
In the vibration mode shown in FIGS. 4 to 6, a node (node: indicated by a black dot) 9 appears only near the lower end of the cylindrical housing, and the Langevin type ultrasonic vibrator vibrates up and down as a whole. However, the flange portion and the ring-shaped equilibrium weight vibrate in the above mode, but the vibration hardly propagates to the
(3)図7と図8は、ランジュバン型超音波振動子の縦一次振動を励起するための周波数を持つ電気エネルギーの圧電素子への印加により、円筒状ハウジングの下端部付近に節(ノード)9が現れる振動に加えて、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の付近に節(ノード)10を持つ縦一次振動(縦方向の伸縮振動)が励起され、ランジュバン型超音波振動子に縦方向の伸縮振動が現れる様子を示す。従って、ランジュバン型超音波振動子の振動は、フロントマスとリアマスとが互いに反対の方向に上下に振動する伸縮振動となり、そして同時に、フロントマス4の振動方向と同じ方向に突き出るフランジ部の平面中央部の撓み振動が現れ、そしてこのフランジ部の平面中央部が撓み振動が突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生起する。
上記の図7と図8に示す振動モードでも、ランジュバン型超音波振動子の振動とリング状釣り合い重りの振動は円筒状ハウジング2に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング2は殆ど振動しない。(3) FIGS. 7 and 8 show nodes near the lower end of the cylindrical housing by applying electrical energy having a frequency for exciting the longitudinal primary vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator to the piezoelectric element. In addition to the vibration in which 9 appears, a longitudinal primary vibration (vertical expansion and contraction vibration) having a
Even in the vibration modes shown in FIGS. 7 and 8 above, the vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator and the vibration of the ring-shaped equilibrium weight hardly propagate to the
(4)これに対して、円筒状ハウジングの質量がランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持ち、そしてリング状釣り合い重りがランジュバン型超音波振動子の質量を1として、0.25−0.75の範囲にある質量を持つ場合には、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子への電気エネルギーの印加により、ランジュバン型超音波振動子の伸縮振動そしてフロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する。 (4) On the other hand, the mass of the cylindrical housing has a mass larger than that of either the Langevin type ultrasonic vibrator and the ring-shaped counterweight, and the ring-shaped counterweight has a mass of 1 for the Langevin type ultrasonic vibrator. When the mass is in the range of 0.25 to 0.75, the expansion and contraction vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator and the expansion and contraction vibration of the front mass are caused by the application of electric energy to the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic vibrator. A bending vibration in the center of the plane of the flange portion that protrudes in the direction opposite to the vibration in the vertical direction occurs, and at the same time, an arc shape in the direction opposite to the direction of protrusion due to the bending vibration in the center of the plane of the flange portion. Vibration occurs on the outer peripheral surface of the ring-shaped balancing weight.
(5)図9と図10は、上記(4)の構成の超音波振動付与具で発生する超音波振動の様子を模式的に示す図である。この図9と図10に示す振動モードでも、フロントマス、そしてフランジ部とリング状釣り合い重りの振動は円筒状ハウジング2に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング2は殆ど振動しない。
(5) FIGS. 9 and 10 are diagrams schematically showing the state of ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibration imparting tool having the configuration of (4) above. Even in the vibration modes shown in FIGS. 9 and 10, the vibration of the front mass and the flange portion and the ring-shaped equilibrium weight hardly propagates to the
以上に記載した新規な知見に基づき、本発明の発明者は、以下に記載する発明を完成させた。 Based on the novel findings described above, the inventor of the present invention has completed the invention described below.
(発明1)下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング;該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子;そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み;上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。 (Invention 1) A cylindrical housing having a downwardly expanding contact surface at the lower part of the inner peripheral surface and a screw surface at the lower part of the outer peripheral surface; a flange having a contact surface fitted to the contact surface of the cylindrical housing. A Langevin-type ultrasonic vibrator having a structure in which a polarized piezoelectric element is sandwiched between a front mass having a portion at the top and a rear mass arranged above the front mass and bolted together; and the above-mentioned cylindrical shape. The upper part of the inner peripheral surface is provided with a threaded surface on which the lower part of the outer peripheral surface of the housing is screwed, and the lower part is in contact with the lower surface of the flange portion and is not in contact with the side surface of the front mass. Includes a ring-shaped counterweight with an extension; by applying electrical energy to the piezoelectric element, the vertical vibration of the front mass and the center of the plane of the flange portion protruding in the same direction as the vertical vibration of the front mass. The deflection vibration of the portion occurs, and at the same time, the arcuate vibration in the direction opposite to the direction of protrusion due to the deflection vibration of the plane center portion of the flange portion occurs on the outer peripheral surface of the ring-shaped equilibrium weight. Grant tool.
(発明2)下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング;該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子;そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み;上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。 (Invention 2) A cylindrical housing having a downwardly expanding contact surface at the lower part of the inner peripheral surface and a screw surface at the lower part of the outer peripheral surface; a flange having a contact surface fitted to the contact surface of the cylindrical housing. A Langevin-type ultrasonic vibrator having a structure in which a polarized piezoelectric element is sandwiched between a front mass having a portion at the top and a rear mass arranged above the front mass and bolted together; and the above-mentioned cylindrical shape. The upper part of the inner peripheral surface is provided with a threaded surface on which the lower outer peripheral surface of the housing is screwed, and the lower part is in contact with the lower surface of the flange portion and is not in contact with the side surface of the front mass. Includes a ring-shaped counterweight with an extension; the flat surface of the flange that projects in the direction opposite to the vertical vibration of the front mass and the vertical vibration of the front mass due to the application of electrical energy to the piezoelectric element. An ultrasonic wave in which a deflection vibration in the central portion is generated, and at the same time, an arcuate vibration in a direction opposite to the direction of protrusion due to the deflection vibration in the plane central portion of the flange portion is generated on the outer peripheral surface of the ring-shaped equilibrium weight. Vibration imparting tool.
(発明3)円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための装置であって、超音波付与具として、上記発明1の超音波付与具を用いる装置。
(Invention 3) An annular vibrating body and along the annulus of the annular vibrating body including an ultrasonic vibration imparting tool arranged and connected to the annular vibrating body at a distance from each other along the circumference thereof. A device for generating a traveling wave, which uses the ultrasonic wave applying tool of the
(発明4)円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための装置であって、超音波付与具として、上記発明2の超音波付与具を用いる装置。
(Invention 4) An annular vibrating body, and along the annulus of the annular vibrating body including an ultrasonic vibration imparting tool arranged and connected to the annular vibrating body at a distance from each other along the circumference thereof. A device for generating a traveling wave, which uses the ultrasonic wave applying tool of the
(発明5)超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、超音波付与具として、上記発明1の超音波付与具を用いる装置。
(Invention 5) An ultrasonic processing apparatus including an ultrasonic vibration imparting tool and a tool attached to the ultrasonic vibration imparting tool, wherein the ultrasonic vibration imparting tool of the
(発明6)超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、超音波付与具として、上記発明2の超音波付与具を用いる装置。
(Invention 6) An ultrasonic processing apparatus including an ultrasonic vibration imparting tool and a tool attached to the ultrasonic vibration imparting tool, wherein the ultrasonic vibration imparting tool of the
本発明の超音波振動付与具の好ましい態様を以下に記載する。
(1)上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジ部の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径(Hin)がリング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径(Nin)よりも大きい。
(2)上記円筒状ハウジングが上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ。
(3)発明1の超音波振動付与具について−上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を1として、0.5−1.5の範囲にある質量を持つ。
(4)発明2の超音波振動付与具について−上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を1として、0.25−0.75の範囲にある質量を持つ。
A preferred embodiment of the ultrasonic vibration imparting tool of the present invention is described below.
(1) The diameter (Hin) of the circumferential circle formed by the upper end of the region where the contact surface of the cylindrical housing and the contact surface of the flange portion are in contact with each other is the inner peripheral surface of the inner extension portion of the ring-shaped equilibrium weight. It is larger than the diameter (Nin) of the circumference circle formed by.
(2) The cylindrical housing has a mass larger than that of either the Langevin type ultrasonic vibrator and the ring-shaped balancing weight.
(3) Regarding the ultrasonic vibration imparting tool of Invention 1-The ring-shaped balanced weight has a mass in the range of 0.5-1.5, where 1 is the mass of the Langevin type ultrasonic vibrator.
(4) Regarding the ultrasonic vibration imparting tool of Invention 2-The ring-shaped balanced weight has a mass in the range of 0.25 to 0.75, where 1 is the mass of the Langevin type ultrasonic vibrator.
超音波加工装置に、本発明の超音波振動付与具を組み込んで用いると、超音波振動付与具からの超音波加工装置の超音波振動付与具の支持部材(超音波加工装置に組み込むための支持部材)への超音波振動エネルギーの漏出が顕著に低減する。このため、ランジュバン型超音波振動子にて発生した超音波振動を、超音波振動付与具に取り付けられた工具あるいは振動体に、高い効率で、かつ高い安定性にて伝達することが可能となる。 When the ultrasonic vibration imparting tool of the present invention is incorporated and used in the ultrasonic processing apparatus, the support member of the ultrasonic vibration imparting tool of the ultrasonic processing apparatus from the ultrasonic vibration imparting tool (support for incorporating into the ultrasonic processing apparatus). Leakage of ultrasonic vibration energy to the member) is significantly reduced. Therefore, it is possible to transmit the ultrasonic vibration generated by the Langevin type ultrasonic vibrator to the tool or the vibrating body attached to the ultrasonic vibration imparting tool with high efficiency and high stability. ..
また、円環状の振動体に本発明の超音波付与具を三個以上互いに離れた状態で装着することにより、その振動体に円環状の進行波の安定に生起させることができる。 Further, by attaching three or more ultrasonic wave applying tools of the present invention to the annular vibrating body in a state of being separated from each other, it is possible to stably generate an annular traveling wave in the vibrating body.
以下に、図1乃至図10を参照して、本発明の超音波振動付与具の詳しい説明を記載する。 Hereinafter, a detailed description of the ultrasonic vibration imparting tool of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 10.
図1と図2は、本発明の特徴的なモードの超音波振動の発生が可能な超音波振動付与具の代表的な構成例を示す図である。この図1と図2に示した超音波振動付与具の構成については、本明細書に既に記載した。すなわち、図1と図2に示した超音波振動付与具は、特許文献2に記載の超音波振動付与具と基本構成は同じである。
ただし、図1と図2に示した超音波振動付与具は、円筒状ハウジング2の接触面とフランジ部3の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径(Hin)がリング状釣り合い重り8の内側延長部7の内周表面が構成する円周円の直径(Nin)よりも大きいことに特徴を持つ超音波振動付与具である点において、特許文献2に記載の超音波振動付与具とは相違している。なお、本願の添付にした各図面に示されている超音波振動付与具のランジュバン型超音波振動子に装着されている圧電素子には当然のことであるが、実際には電気エネルギーを供給するための配線システムが付属している。しかし、そのような配線システムの図示は煩雑となるため、各図面では省略した。
図3についても、既に説明を記載している。1 and 2 are diagrams showing a typical configuration example of an ultrasonic vibration imparting tool capable of generating ultrasonic vibration in a characteristic mode of the present invention. The configuration of the ultrasonic vibration imparting tool shown in FIGS. 1 and 2 has already been described in the present specification. That is, the ultrasonic vibration imparting tool shown in FIGS. 1 and 2 has the same basic configuration as the ultrasonic vibration imparting tool described in
However, in the ultrasonic vibration imparting tool shown in FIGS. 1 and 2, the diameter of the circumferential circle (Hin) formed by the upper end of the region where the contact surface of the
The explanation has already been described for FIG.
図4乃至図10は、本発明の超音波振動付与具の様々な構成、そしてそれらの構成の超音波振動付与具の圧電素子に電気エネルギーを印加した際に現れるのランジュバン型超音波振動子の縦方向の振動、フロントマスのフランジ部に現れる撓み振動、そしてリング状釣り合い重りに現れる弧状の振動の方向を模式的に示す図であり、各図についての説明は、本明細書において既に記載している。 4 to 10 show various configurations of the ultrasonic vibration imparting tool of the present invention, and a Langevin type ultrasonic vibrator appearing when electric energy is applied to the piezoelectric element of the ultrasonic vibration imparting tool having these configurations. It is a figure which shows typically the direction of the vertical vibration, the bending vibration appearing in the flange part of a front mass, and the arc-shaped vibration appearing in a ring-shaped equilibrium weight, and the description of each figure has already been described in this specification. ing.
なお、添付図面の図1乃至図10では、フランジ部を備えたフロントマスとリング状釣り合い重りとをそれぞれ別体として作製した超音波振動付与具を示したが、フランジ部を備えたフロントマスとリング状釣り合い重りとは一体として作製しても同様の効果が得られる筈である。そのような構成を図11に示す。すなわち、フロントマス4とリング状釣り合い重り7とは、それらを接続するリング状釣り合い重りの延長部7dと、その延長部7dと一体化したフロントマスのフランジ部7eにより、全体として一体化されている。ただし、図11に示した超音波振動付与具は、その作製が容易ではないところから、実用性に乏しいとも考えられる。
In addition, in FIGS. 1 to 10 of the attached drawings, the ultrasonic vibration imparting tool manufactured by separating the front mass provided with the flange portion and the ring-shaped balancing weight from each other is shown, but the front mass provided with the flange portion is shown. The same effect should be obtained even if it is manufactured as a unit with the ring-shaped balancing weight. Such a configuration is shown in FIG. That is, the
次に、本発明の超音波振動付与具を用いて円環状進行波モードの超音波振動を発生させる方法を記載する。円環状進行波モードは進行波が伝播する方向には振動の節が現れることなく、また大型の振動体であっても励起が可能出あるため、大型の振動体の超音波加工の実施には有利となる。 Next, a method of generating ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode using the ultrasonic vibration imparting tool of the present invention will be described. In the annular traveling wave mode, no vibration nodes appear in the direction in which the traveling wave propagates, and even a large vibrating body can be excited. It will be advantageous.
円環状進行波モードは、後述する図14と図17のそれぞれに模式的に記載された図に示されているように、円環状振動体の半径方向と直交する方向に撓むモードの進行波そして円環状振動体の半径方向に撓むモードの進行波の二種がある。そして、いずれのモードの進行波でも、その進行波を発生させるためには、円環状振動体の表面に三個以上の超音波振動付与具を互いに離れた状態、好ましく同一距離にて離れた状態で装着する必要がある。また、一般的には、振動体の大きさが大きくなればなるほど、装着する超音波振動付与具の個数を増加させる必要がある。 The traveling wave mode is a traveling wave in a mode that bends in a direction orthogonal to the radial direction of the annular vibrating body, as shown in the drawings schematically shown in FIGS. 14 and 17, which will be described later. And there are two types of traveling waves in a mode that bends in the radial direction of the annular vibrating body. Then, in order to generate the traveling wave in any mode of the traveling wave, three or more ultrasonic vibration imparting tools are separated from each other, preferably at the same distance, on the surface of the annular vibrating body. It is necessary to install it with. Further, in general, as the size of the vibrating body increases, it is necessary to increase the number of ultrasonic vibration imparting tools to be attached.
円環状進行波モードの超音波振動を付与して研磨加工を行う超音波加工装置(研磨装置)の構成の例を図12と図13に示す。図12は、研磨装置の平面図を示す。図13は、図12に示した研磨装置のA−A線に沿って切断した正面断面図である。 12 and 13 show an example of the configuration of an ultrasonic processing apparatus (polishing apparatus) that applies ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode to perform polishing processing. FIG. 12 shows a plan view of the polishing apparatus. FIG. 13 is a front sectional view taken along the line AA of the polishing apparatus shown in FIG.
本発明の超音波付与装置を利用する研磨装置で円環状進行波モードの超音波振動を発生させるために、図12と図13に示した研磨装置では、合計4個の超音波付与装置1(1a、1b、1c、1d)が用いられ、そして回転板11に互いに90°離れた状態で、各超音波付与装置1のハウジングをボルトにより取り付けられる。本発明の超音波付与装置を用いることにより、前述のように、ランジュバン型超音波振動子で発生した超音波振動は、ハウジングに殆ど漏れることはない。そして、リング状釣り合い重りを装着した超音波付与装置は高い剛性を示すため、回転板11に高い剛性を伴って取り付けられる。
In order to generate ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode in the polishing device using the ultrasonic wave applying device of the present invention, in the polishing devices shown in FIGS. 12 and 13, a total of four ultrasonic wave applying devices 1 ( 1a, 1b, 1c, 1d) are used, and the housing of each ultrasonic applying
次いで、各超音波付与装置(1a、1b、1c、1d)のランジュバン型超音波振動子のフロントマスの頂面に、表面に円環状砥石面13が形成された円環状研磨板14をボルトを用いて装着する。このような構成の研磨装置を用いての研磨作業において、円環状研磨板14の表面に形成された円環状砥石面13に大きな機械的負荷が掛かっても、安定した状態の円環状進行波モードの超音波振動を供給することができる。
Next, on the top surface of the front mass of the Langevin type ultrasonic vibrator of each ultrasonic wave applying device (1a, 1b, 1c, 1d), an
研磨作業の開始に際しては、まず円環状研削板14の円環状砥石面13に研削液を噴霧し、次いで、超音波発信回路から超音波付与装置1(1a、1b、1c、1d)の各々のランジュバン型超音波振動子に下記の方法で所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。
At the start of the polishing work, first, the grinding liquid is sprayed on the
すなわち、例えば、超音波付与装置1aのランジュバン型超音波振動子にはCos波電圧、超音波付与装置1bのランジュバン型超音波振動子にはSin波電圧、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子には−Cos波電圧、そして超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子には−Sin波電圧をそれぞれ印加する。各超音波付与装置のランジュバン型超音波振動子のそれぞれにこのような方法で異なった種類の電圧を印加することにより、図14の模式図に示されているように、円環状研磨板14の表面にその半径方向と直交する方向に撓むモードの進行波が発生する。
That is, for example, the Cos wave voltage is used for the Langevin type ultrasonic vibrator of the ultrasonic applying
次いで、回転軸12を回転させ、予め決定されている加工プログラムに従い、研磨対象の材料の研磨を行う。
Next, the rotating
なお、ランジュバン型の駆動において、実際には駆動の位相を二相とした方が駆動回路を簡略化できるので、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子に−Cos波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子にCos波電圧を印加する方法も利用できる。また、同様に、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子に−Sin波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子にSin波電圧を印加する方法も利用できる。
In the Langevin type drive, the drive circuit can be simplified by actually setting the drive phase to two phases. Therefore, instead of applying a -Cos wave voltage to the Langevin type ultrasonic vibrator of the ultrasonic applying
次に円環状進行波モードの超音波振動を付与して研削加工を行う超音波加工装置(研削装置)の構成の例を図15と図16に示す。図15は、研削装置の平面図を示す。図16は、図13に示した研削装置の正面断面図である。 Next, FIGS. 15 and 16 show an example of the configuration of an ultrasonic processing apparatus (grinding apparatus) that applies ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode to perform grinding. FIG. 15 shows a plan view of the grinding apparatus. FIG. 16 is a front sectional view of the grinding apparatus shown in FIG.
本発明の超音波付与装置を利用する研削装置で円環状進行波モードの超音波振動を発生させるために、図15と図16に示した研削装置では、合計4個の超音波付与装置1(1a、1b、1c、1d)が用いられる。そして回転板15に互いに90°離れた状態で、各超音波付与装置1のハウジングをボルトにより取り付ける。本発明の超音波付与装置を用いることにより、前述のように、ランジュバン型超音波振動子で発生した超音波振動は、ハウジングに殆ど漏れることはない。そして、リング状釣り合い重りを装着した超音波付与装置は高い剛性を示すため、回転板15に高い剛性を伴って取り付けられる。
In order to generate ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode in the grinding device using the ultrasonic wave applying device of the present invention, in the grinding devices shown in FIGS. 15 and 16, a total of four ultrasonic wave applying devices 1 ( 1a, 1b, 1c, 1d) are used. Then, the housings of the ultrasonic
次いで、各超音波付与装置(1a、1b、1c、1d)のランジュバン型超音波振動子のフロントマスの頂面に設けた段差に円環状切削砥石(ブレード)16を装着する。このような構成の研削装置を用いての研削作業において、円環状切削砥石(ブレード)16に大きな機械的負荷が掛かっても、安定した状態の円環状進行波モードの超音波振動を供給することができる。 Next, the annular cutting grindstone (blade) 16 is mounted on a step provided on the top surface of the front mass of the Langevin type ultrasonic vibrator of each ultrasonic wave applying device (1a, 1b, 1c, 1d). In the grinding work using the grinding device having such a configuration, even if a large mechanical load is applied to the annular cutting grindstone (blade) 16, ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode in a stable state is supplied. Can be done.
研削作業の開始に際しては、まず円環状切削砥石(ブレード)16に研削液を噴霧し、次いで、超音波発信回路から超音波付与装置1(1a、1b、1c、1d)のランジュバン型超音波振動子に所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。 At the start of the grinding work, the grinding fluid is first sprayed on the annular cutting grindstone (blade) 16, and then the Langevin type ultrasonic vibration of the ultrasonic applying device 1 (1a, 1b, 1c, 1d) is transmitted from the ultrasonic transmitting circuit. Apply electrical energy with a predetermined voltage and frequency to the child.
超音波付与装置1(1a、1b、1c、1d)の各ランジュバン型超音波振動子には、所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。すなわち、例えば、超音波付与装置1aのランジュバン型超音波振動子にはCos波電圧、超音波付与装置1bのランジュバン型超音波振動子にはSin波電圧、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子には−Cos波電圧、そして超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子には−Sin波電圧をそれぞれ印加する。各超音波付与装置のランジュバン型超音波振動子のそれぞれにこのような方法で異なった種類の電圧を印加することにより、図17に模式的に記載された図に示されているように、円環状切削砥石(ブレード)16にの表面にその半径方向に撓むモードの進行波が発生する。ただし、図17に示した進行波のモードは、6個(あるいは12個)の超音波付与装置を装着した場合に得られる進行波である。
Electric energy having a predetermined voltage and frequency is applied to each Langevin type ultrasonic vibrator of the ultrasonic wave applying device 1 (1a, 1b, 1c, 1d). That is, for example, the Cos wave voltage is used for the Langevin type ultrasonic vibrator of the ultrasonic applying
なお、この研削装置による研削作業の実施に際しても、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子に−Cos波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置1cのランジュバン型超音波振動子をCos波電圧を印加する方法、そして、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子に−Sin波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置1dのランジュバン型超音波振動子にSin波電圧を印加する方法も利用可能である。
次いで、回転軸15を回転させ、予め決められた加工プログラムに従い、研削対象の材料の研削を実施する。In addition, when carrying out the grinding work by this grinding device, instead of applying a -Cos wave voltage to the Langevin type ultrasonic vibrator of the ultrasonic applying
Next, the rotating
また、これまでに記載した本発明の超音波付与装置の円環状進行波モードの超音波振動の励起以外にも、本発明の超音波付与装置は当然、従来から一般的に利用されているモードの超音波振動の付与にも有効に利用できる。たとえば、物品の搬送に用いるフィーダー、超音波浮上装置、超音波砥粒加工装置などにおいても本発明の超音波付与装置が有効に利用できる。 In addition to the excitation of ultrasonic vibration in the annular traveling wave mode of the ultrasonic wave applying device of the present invention described so far, the ultrasonic wave applying device of the present invention naturally has a mode generally used conventionally. It can also be effectively used to apply ultrasonic vibrations. For example, the ultrasonic wave applying device of the present invention can be effectively used in a feeder, an ultrasonic levitation device, an ultrasonic abrasive grain processing device, and the like used for transporting articles.
Claims (18)
上記超音波振動付与具が、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング;該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子;そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み;上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振
動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具であることを特徴とする装置。An annular vibrating body, and a traveling wave along the annulus of the annular vibrating body, including an ultrasonic vibration imparting tool arranged and connected to the annular vibrating body at a distance from each other along the circumference thereof. It is a device to generate
The ultrasonic vibration imparting tool has a contact surface that expands downward at the lower part of the inner peripheral surface and a screw surface at the lower part of the outer peripheral surface; a contact fitted to the contact surface of the cylindrical housing. A Langevin-type ultrasonic vibrator having a structure in which a polarized piezoelectric element is sandwiched between a front mass having a flange portion having a surface at the top and a rear mass arranged above the front mass and bolted together; , The screw surface on the lower part of the outer peripheral surface of the cylindrical housing is provided on the upper part of the inner peripheral surface, and the lower part is in contact with the lower surface of the flange portion and the side surface of the front mass. Includes a ring-shaped counterweight with no inner peripheral extension; the flange that projects in the same direction as the vertical vibration of the front mass and the vertical vibration of the front mass due to the application of electrical energy to the piezoelectric element. The bending vibration of the central part of the plane of the portion occurs, and at the same time, the arcuate vibration in the direction opposite to the direction of protrusion due to the bending vibration of the central part of the plane of the flange portion occurs on the outer peripheral surface of the ring-shaped balancing weight. A device characterized by being an ultrasonic vibration imparting tool.
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