JP2013111508A - 超音波複合振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複合振動の振動軌跡が複雑であり、穴あけ加工や溶接・溶着等に利用可能な超音波複合振動装置を提供する。
【解決手段】超音波複合振動を生成する超音波複合振動装置は、縦振動体１０と、ロッド２０と、駆動部３０と、縦−ねじり振動変換部４０とからなる。ロッド２０は、縦振動を励起する縦振動体１０からの縦振動を伝達するものである。駆動部３０は、縦振動用発振器３１とねじり振動用発振器３２と加算器３３とから構成される。縦振動用発振器３１は縦振動用の共振周波数信号を発生するものであり、ねじり振動用発振器３２はねじり振動用の共振周波数信号を発生するものである。加算器３３は、これらの各共振周波数信号を加算して縦振動体１０に印加するものである。そして、縦振動をねじり振動に変換する縦−ねじり振動変換部４０が、ロッド２０のねじり振動の腹となる位置近傍に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は超音波振動装置に関し、特に、超音波複合振動を生成する超音波複合振動装置に関する。

近年、超音波振動装置は、穴あけ加工や溶接・溶着等の用途にも用いられている。これらの用途では、振動軌跡が直線的な単一振動モードよりも２つ以上の振動を複合させた複合振動モードの方が加工対象の仕上がり等に優れるため、より好ましいものとして知られている。そこで、従来から複合振動を発生させる超音波複合振動装置が種々開発されている。

超音波複合振動装置の例としては、例えば特許文献１が挙げられる。特許文献１には、縦振動子とねじり振動子の２種類の振動子を用いて、縦振動とねじり振動の２つの複合振動を得ることが可能な装置が開示されている。

また、例えば特許文献２には、縦振動子に単一周波数を印加し、縦振動の腹から節の間の位置に周波数調整用素子を設けると共に、縦振動をねじり振動に変換する斜めスリットを縦振動の縦振動の節となる位置に配置する超音波複合振動装置が開示されている。

また、２つの異なる共振周波数を加算した信号を用いて複合振動を発生させる超音波複合振動装置の例としては、例えば特許文献３が挙げられる。特許文献３は、縦振動とたわみ振動を共振体に発生させるものである。具体的には、この装置は、たわみ振動発生手段が設けられた面内複合共振体に、縦振動用の信号とたわみ振動用の信号の２つの異なる共振周波数信号を加算して印加することにより、縦振動とたわみ振動の２つの複合振動を得ることが可能なものである。

特開昭６３−４４９７０号公報 特開２００５−２８８３５１号公報 特開２０１０−１４９０１７号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載の装置では、得られる複合振動の振動軌跡が直線や円形、楕円形となり、この軌跡をそのまま繰り返すような振動であるため、それほど複雑な振動軌跡とはなっていなかった。

さらに、特許文献１に記載の装置では、振動子が２つ必要となり、コスト的な問題もあった。

また、特許文献２では、単一周波数を印加しているため、縦振動とねじり振動をそれぞれ分離して別々に制御できないという問題があった。

一方、特許文献３に記載の構成は、縦振動用とたわみ振動用の２つの異なる共振周波数を加算した信号を印加するものであり、振動軌跡は複雑となるが、面内複合共振体自体が角棒状のものであり、これをそのまま穴開け加工等に利用することは、その構造上難しかった。例えば、さらにロッド等を面内複合共振体に接続する必要等が生じ、たわみ振動の振動軌跡を得られず、その軌跡は複雑なものとはならない可能性があった。

本発明は、斯かる実情に鑑み、複合振動の振動軌跡が複雑であり、穴あけ加工や溶接・溶着等に利用するのに適した超音波複合振動装置を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による超音波複合振動装置は、縦振動を励起する縦振動体と、縦振動体からの縦振動を伝達するロッドと、縦振動用の共振周波数信号を発生する縦振動用発振器と、ねじり振動用の共振周波数信号を発生するねじり振動用発振器と、これらの各共振周波数信号を加算して縦振動体に印加する加算器と、からなる駆動部と、ロッドのねじり振動の腹となる位置近傍に配置され、縦振動をねじり振動に変換する縦−ねじり振動変換部と、を具備するものである。

ここで、縦−ねじり振動変換部は、ロッドの軸方向に対して斜めにスリットが設けられる斜めスリットであれば良い。

また、縦−ねじり振動変換部は、断面多角形の棒状体をロッドの軸方向を中心にねじって構成されるねじり棒からなるものであっても良い。

また、縦−ねじり振動変換部は、ロッド先端の超音波複合振動の軌跡が、塗り潰される略矩形軌跡となり、縦振動の最大値近傍のところでねじり振動が正の最大値から負の最大値まで変化し、ねじり振動軌跡の辺が、縦振動軌跡の辺と略直交するように、配置位置が調整されれば良い。

本発明の超音波複合振動装置には、複合振動の振動軌跡が複雑であり、穴あけ加工や溶接・溶着等に利用するのに適しているという利点がある。

図１は、本発明の超音波複合振動装置の構成を説明するための概略構成図である。 図２は、本発明の超音波複合振動装置の振動軌跡を表すグラフである。 図３は、本発明の超音波複合振動装置の縦−ねじり振動変換部がねじり棒で構成された例を説明するための、縦−ねじり振動変換部の概略拡大斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の超音波複合振動装置の構成を説明するための概略構成図である。図示の通り、本発明の超音波複合振動装置は、縦振動体１０と、ロッド２０と、駆動部３０と、縦−ねじり振動変換部４０とから主に構成されている。

縦振動体１０は、縦振動を励起するものである。縦振動体１０は、例えば縦振動子１１と振動増幅部１２からなる。具体的には、例えば縦振動子１１がボルト締めランジュバン型振動子からなるものである。ボルト締めランジュバン型振動子の共振周波数の一例を挙げると、２０ｋＨｚである。また、振動増幅部１２は、エキスポネンシャルホーンからなるものである。エキスポネンシャルホーンの一例を挙げると、ジュラルミン製であり、振幅拡大比が約５．０のものである。また、縦振動子１１としては、圧電セラミックス素子や磁歪振動子等を用いても良い。

この縦振動体１０に、ロッド２０が結合されている。ロッド２０の長さを調整することで、縦振動の共振周波数が調整可能である。ロッド２０の一例を挙げると、例えばジュラルミン製であり、円筒形のものである。その寸法は、例えば長さが１２０ｍｍであり、直径が１２ｍｍである。ロッド２０は、加工対象物に直接接触させるものであり、摩耗に強いことが好ましい。本発明の超音波複合振動装置では、ロッド２０は交換可能に縦振動体１０にねじ込まれるものであれば良く、摩耗した際には交換することも可能である。また、加工効率を上げるようにロッド２０の先端部分を適宜加工することも可能である。さらに、加工対象物に施す加工の種類に応じて、ロッドをそれらに適したものに交換することも可能である。

そして、駆動部３０は、縦振動体１０に共振周波数信号を印加するものである。駆動部３０は、縦振動用発振器３１と、ねじり振動用発振器３２と、加算器３３とからなる。駆動部３０は、縦振動体１０を駆動させるものである。縦振動用発振器３１は、縦振動用の共振周波数信号を発生するものである。ねじり振動用発振器３２は、ねじり振動用の共振周波数信号を発生するものである。具体的には、例えば縦振動用発振器３１は、１９．２５ｋＨｚの信号を生成し、ねじり振動用発振器３２は、１８．５５ｋＨｚの信号を生成する。そして、加算器３３は、これらの各共振周波数信号を加算して縦振動体に印加するものである。加算器３３は、加算された共振周波数信号を出力するものであり、必要により加算信号を増幅する増幅器を備えても良い。

縦−ねじり振動変換部４０は、ロッドに配置されるものであり、縦振動をねじり振動に変換するものである。一例を挙げると、縦−ねじり振動変換部４０は、例えば斜めスリットからなるものである。斜めスリットは、ロッド２０の軸方向に対して斜めにスリットが設けられるものである。この斜めスリットにより、ロッド２０に伝達された縦振動がねじり振動に変換される。そして、縦−ねじり振動変換部４０は、ロッド２０のねじり振動の腹となる位置近傍に配置されている。

以下、より具体的に縦−ねじり振動変換部４０について説明する。縦−ねじり振動変換部４０を構成する斜めスリットは、例えばスリットの長さが１９ｍｍ、溝幅が０．５ｍｍ、深さが３．５ｍｍ、斜め角度が３５度、スリット本数を８として構成される。例えば、上述の具体例のように、ロッド２０を長さ１２０ｍｍで直径１２ｍｍで構成した場合、ロッド２０のねじり振動の腹となる位置は、縦振動体１０の結合部から概ね３０ｍｍの位置となる。したがって、この場合、斜めスリットは、ロッド２０の縦振動体１０の結合部から概ね３０ｍｍの位置を中心に配置されれば良い。

このように構成された本発明の超音波複合振動装置の振動軌跡について説明する。図２は、本発明の超音波複合振動装置の振動軌跡を表すグラフである。横軸が縦振動の振動幅であり、縦軸がねじり振動の振動幅である。図中、３０ｍｍと示された振動軌跡が、本発明の超音波複合振動装置において縦−ねじり振動変換部を３０ｍｍの位置に配置した例である。超音波複合振動装置の構成としては、ロッドの寸法が１２０ｍｍで直径が１２ｍｍのものを用い、縦−ねじり振動変換部として斜めスリットを用いたものである。駆動部としては、縦振動用発振器が１９．４９ｋＨｚの信号を生成し、ねじり振動用発振器が１９．１０ｋＨｚの信号を生成するものを用いた。

また、比較例として、縦−ねじり振動変換部をロッドの縦振動の節の位置に配置した例も示した。これが、５８ｍｍと示された振動軌跡である。なお、ロッドの縦振動の節の位置に縦−ねじり振動変換部を配置するのは、縦振動で大きな複合振動が得られる位置と考えられている所であるためである。ここで、５８ｍｍの例では、ロッドの寸法は上述の例と同様であるが、縦振動用発振器が１９．２５ｋＨｚの信号を生成し、ねじり振動用発振器が１８．５５ｋＨｚの信号を生成するものとした。

図示の通り、本発明の超音波複合振動装置のロッド先端の超音波複合振動の振動軌跡は、塗り潰される略矩形軌跡となっていることが分かる。より詳しくは、縦振動の最大値近傍のところでねじり振動が正の最大値から負の最大値まで変化している。また、図面上、縦軸がねじり振動軌跡の辺となり、横軸が縦振動軌跡の辺となるが、これらが略直交するような軌跡となっていることも分かる。また、比較例の配置位置が５８ｍｍの例の複合振動軌跡に比べて、３０ｍｍの複合振動軌跡のほうが振動軌跡の面積が大きいことが分かる。即ち、全体的に各振動の振幅が大きくなっていることが分かる。また、超音波複合振動装置を用いて対象物を加工する場合、ロッドの軸方向の先に加工対象物が置かれることになるが、本発明の３０ｍｍの複合振動軌跡の場合には、加工対象物に対していわば垂直方向に複合振動を加えることが可能となり、縦振動の最大値を有効に作用させることができる（縦振動の最大値近傍のところでねじり振動が正の最大値から負の最大値まで変化している）。一方、比較例の場合には複合振動軌跡が加工対象物に対していわば斜め方向に加わることになり、縦振動の最大値を有効に作用させることができない（縦振動の最大値においてねじり振動の変化が少ない）。

また、本発明の超音波複合振動装置のように、縦−ねじり振動変換部が３０ｍｍの配置位置の場合には、縦振動共振時には大きな縦振動に対してねじり振動があまり得られず、また、ねじり振動共振時には大きなねじり振動に対して縦振動があまり得られない特徴がある。一方、縦−ねじり振動変換部を５８ｍｍに配置した場合には、何れの振動もある程度の大きさが得られるものの、これらの振動を別々に分けて制御することはできない。即ち、本発明の場合には、縦振動共振時にはねじり振動に対して大きな縦振動が得られ、ねじり振動共振時には縦振動に対して大きなねじり振動が得ることができる。したがって、縦振動とねじり振動を別々に分けて振動制御が可能となる。

このように、本発明の超音波複合振動装置によれば、複合振動の振動軌跡が複雑であり、穴あけ加工や溶接・溶着等に利用する場合には、有効に複合振動を加工対象物に作用させることが可能となる。また、本発明の超音波複合振動装置では、２つの発振器を用いて縦振動とねじり振動の２つの共振周波数信号をそれぞれ生成し、これを加算器により加算して縦振動体に印加しているため、縦振動とねじり振動をそれぞれ別々に分けて振動制御可能である。したがって、より柔軟に所望な複合振動が得られる。

なお、縦−ねじり振動変換部は、ロッドのねじり振動の腹の位置に正確に配置される必要は必ずしもなく、加工対象物に対して複合振動の最大値を有効に作用させるように、ねじり振動の腹の位置の近傍である程度その配置位置を調整すれば良い。

次に、本発明の超音波複合振動装置の縦−ねじり振動変換部の他の例について説明する。図３は、本発明の超音波複合振動装置の縦−ねじり振動変換部がねじり棒で構成された例を説明するための、縦−ねじり振動変換部の概略拡大斜視図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は概ね同一物を表している。図示の通り、この例の縦−ねじり振動変換部４０は、ねじり棒からなっている。ねじり棒は、断面多角形の棒状体をロッド２０の軸方向を中心にねじってなるものである。このようなねじり棒であっても、上述の斜めスリットと同様に、縦振動をねじり振動に変換可能である。ねじり棒を、上述のようにロッド２０のねじり振動の腹となる位置近傍に配置することで、同じような作用・効果が得られる。

なお、本発明の超音波複合振動装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。また、説明上具体的な一例として挙げた寸法や周波数等については、あくまでも一例であり、これらの具体的な数字に限定されるものではない。

１０ 縦振動体
１１ 縦振動子
１２ 振動増幅部
２０ ロッド
３０ 駆動部
３１ 縦振動用発振器
３２ ねじり振動用発振器
３３ 加算器
４０ 縦−ねじり振動変換部

Claims (4)

1. 超音波複合振動を生成する超音波複合振動装置であって、該超音波複合振動装置は、
   縦振動を励起する縦振動体と、
   前記縦振動体からの縦振動を伝達するロッドと、
   縦振動用の共振周波数信号を発生する縦振動用発振器と、ねじり振動用の共振周波数信号を発生するねじり振動用発振器と、これらの各共振周波数信号を加算して縦振動体に印加する加算器と、からなる駆動部と、
   ロッドのねじり振動の腹となる位置近傍に配置され、縦振動をねじり振動に変換する縦−ねじり振動変換部と、
   を具備することを特徴とする超音波複合振動装置。
2. 請求項１に記載の超音波複合振動装置において、前記縦−ねじり振動変換部は、ロッドの軸方向に対して斜めにスリットが設けられる斜めスリットからなることを特徴とする超音波複合振動装置。
3. 請求項１に記載の超音波複合振動装置において、前記縦−ねじり振動変換部は、断面多角形の棒状体をロッドの軸方向を中心にねじって構成されるねじり棒からなることを特徴とする超音波複合振動装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超音波複合振動装置において、前記縦−ねじり振動変換部は、ロッド先端の超音波複合振動の軌跡が、塗り潰される略矩形軌跡となり、縦振動の最大値近傍のところでねじり振動が正の最大値から負の最大値まで変化し、ねじり振動軌跡の辺が、縦振動軌跡の辺と略直交するように、配置位置が調整されることを特徴とする超音波複合振動装置。