JP4624750B2

JP4624750B2 - 超音波複合振動装置

Info

Publication number: JP4624750B2
Application number: JP2004272269A
Authority: JP
Inventors: 次郎丸辻野
Original assignee: 次郎丸辻野
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: JP2006082060A

Description

本発明は、金属，プラスチック，セラミックス電子部品等を振動加工（接合，切削，研磨，塑性加工等）する超音波加工機、移動装置等に用いられる小形で大容量の出力が得られる超音波複合振動装置に関する。

従来、超音波複合振動装置として特許文献１に記載されたものが公知である。この公知技術は、直交する２個の駆動用縦振動子で棒状の複合曲げ振動体を励振するものである。

しかしながら、上記技術では、２個の駆動用縦振動子により曲げ振動棒を励振するため、大容量（大出力）の振動エネルギーを提供することは難かしく、実際には線径0.7mm程度までのワイヤボンダとして使用できるに止まり、応用範囲に限界があった。

このため、ワイヤ以外の金属板のスポット接合やシーム溶接，プラスチック接合，金属の塑性加工等の超音波加工用に大容量（大出力）の超音波複合振動装置および移動装置が切望されていた。
特開平１１−８７４３７号公報

そこで本発明は、超音波振動体を構成するに当たり、振動損失の少ない曲げ振動円盤面に垂直に駆動用縦振動子（例えば、ボルト締めランジュバン型超音波振動子、以下「BLT」という）を複数組設置することにより、小形で大容量の超音波複合振動装置を提供することを、その課題とするものである。

上記課題を解決することを目的としてなされた本発明超音波複合振動装置の構成は、節直径と節円を含む曲げ振動円盤の曲げ振動腹部に、盤面に垂直向きで略同一特性のＢＬＴ縦振動子の少なくとも２組を、それぞれ節直径に対して対称・逆振動位相又は曲げ振動モードを励振できる位置に設置し、各組の縦振動子を各組の相隣る振動子間を設置角度に比例した位相の振動モードで駆動することにより、前記振動円盤の中心部又は／及び中心部に設けた振動棒を複合振動させるようにしたことを特徴とするものである。

請求項１の発明は、中央部が振動節部となる円盤振動体の同一半径上の曲げ振動腹部に円盤に垂直に同一特性のBLT振動子２組を等間隔に設置し、それぞれ節直径に対して対称または曲げ振動を励振できる位置にあるBLTは逆相モード又は設置位置に比例した振動位相で駆動し、各組のBLT間の位相は振動子対２組が対称・逆位相の場合にはπ／２ずつ移相する振動モードで駆動することにより、円盤振動体の中心部を複合振動する構造とした小形で大容量の超音波複合振動装置である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記振動円盤体の中心部に複合曲げ振動モードで振動する振動棒の振動の節部を結合した構造とし、その１組又は前記振動棒により結合した複数組の振動装置を駆動するものである。

第１組のBLT振動子が互いに逆相の縦振動で振動すると、そのBLTと機械的に結合した振動円盤体は、その円盤の節線が振動ノードとなって励振される。第１組のBLTからπ／２位相を遅らせて第１組の隣りに位置する第２組のBLTを励振する。

振動円盤体は２組のBLT振動子により励振されて、その軸心は首振り運動する独楽の中心軸のように中心軸の中点を頂点とする円錐の母線に沿った回転運動を誘起し、その振動出力はBLT振動子単体の場合の４倍の容量（出力）となる。

更に、本発明では、円盤面に垂直にBLT振動子を多数設置することにより、円盤外周部に互に対向して逆相で駆動する複数組の超音波振動体を放射状に設置する構造にした別方式の超音波複合振動装置に比較したとき、当該別方式で円盤の直径上に配置されたBLTの長さ分だけ装置の直径が小さくなり、振動源（円盤）の外側に振動子が露出して設置されることを回避できる。

振動円盤体の中心に複合曲げ振動モードで振動する振動棒の振動の節部を結合することにより、２組の振動子を対にして設けた場合には、前記振動棒の先端部からBLT単体の場合の４倍の大容量の複合振動出力を得ることが可能となる。

従って、この振動棒の先端部に目的に応じた超音波複合振動加工用の工具，スライダ等を装着することにより小さい外径（小形）で大容量の超音波複合振動加工機や移動装置等を提供することができる。

図１は本発明による小さい外径で大容量の超音波複合振動装置の原理を示す振動円盤体の振動モードを示した説明図、図２は本発明超音波複合振動装置の構成例の外観を示す斜視図、図３は振動棒の先端中心の振動モードを実測した線図、図４は円盤体の直径方向振動分布の実測データを示す図である。

図１に示すように、振動円盤体１は、振動節円２，３と節直径４の曲げ振動モードB₂₁で振動する。
振動の腹部に節直径４と互いに対称位置となるBLT５，６の振動を円盤体１の面に垂直に逆位相で印加すると、円盤体１の中心面７の振動モードは符号８および９で示すモードとなる。
いま、円盤の中心軸に仮想ピン10を立設すると、その仮想ピン10は振動モード８に対応して符号11で示す線の向きに傾斜し、同じく振動モード９に対応して符号12で示す線の向きに傾斜する。
従って、仮想ピン10は円盤体１の中心軸における中点13を頂点として円弧状に符号11から符号12の向きで振動する。

図２に示すように、円盤体１に、BLT５，６と同一振動の腹上で互いに直交する別の１組のBLT14，15を設置し、相隣るBLTの振動位相がπ／２づつ移相するように各BLTを駆動すると、円盤体１には振動モード８と直交しπ／２位相が異なる振動モード（図示せず）が誘起される。
円盤体１の中心部には図２に示すように、複合曲げ振動モードで励振する振動丸棒16（以下、単に振動棒16という）を当該円盤体１の中心に垂直に結合してある。図２に示す振動系の各部の結合は全て中心ボルト（図示せず）で締結するか、又は、一体化した構成としたため、剛性が高い構造となっている。

振動棒16の円盤体１との接合部は、BLT５，６の振動に起因する振動モード８によって、仮想ピン10と同様の振動（図１の符号11，12参照）となり、その振動モードは図２に符号17で示す態様となる。
同様に、BLT14，15の振動に起因する振動モードは、前記モード17と直交してπ／２位相が異なるため、振動棒16の先端の振動はリサージ軌跡の円に近い楕円振動18となる。
上記の楕円振動18の軌跡は、各BLTの駆動電圧と共振周波数の差によって発生するが、駆動電圧と駆動位相を調整することによって円形にすることができる。

図２で振動円盤体１の材質をAl合金、JIS A5052（直径195.3mm，厚さ25mm），各BLTの縦共振周波数40KHz（直径30mm），振動棒16の材質をアルミ合金JIS A5052（直径40mm，先端20mm）とし、各BLT５，６、同14，15の駆動電圧を10Vrmsとした場合の振動軌跡はほぼ円形となり、複合振動速度は図３に符号19に示すように、半径で0.02m/sが得られた。

上記の実施形態を採ることにより、以下に述べる作用が得られる。
BLT５，14，６，15はπ／２づつ位相を遅らせ（又は進ませ）た電気信号を機械的弾性振動に変換し、振動円盤体１を駆動する。振動円盤体１の中心は振動の節となって複合振動を誘起し、その振動出力はBLT単体の４倍となる。BLTは振動円盤体１の振動の腹部において盤面に垂直に設定するため、本発明複合振動装置全体の外径が振動円盤体１の外径より大きくなることはなく、装置全体が小外径となる。

曲げ振動円盤の直径方向振動分布は、図４の実測データに示したように、中心部で振動振幅が大きく周辺部では小であり、周辺部に設置し駆動した縦振動子の振動は中心部で増大し、また振動の小さな周辺部で円盤を安定に支持できる。

振動円盤体１の中心に結合した振動棒16は、振動円盤体１の中心の複合振動により励振されるので、その先端は複合振動となり、その出力がBLT単体の４倍であることにより、小外径で大容量の超音波複合振動装置を実現できる。

以上のように本発明の実施形態の一例を図面により詳述したが、本発明の具体的構成はこの実施の形態例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれる。例えば、円盤振動体の振動モードは曲げ振動B₂₁としたが、B₁₁，B₃₁，B₂₃，B₃₃等でも適用可能である。

また、使用するBLT振動子は２組４個のみでなく、ｎ組（ｎ＞２）２ｎ個を配置位置に比例して位相を変化させることにより、ｎ組のBLTを任意位相で駆動し、BLT１個の場合の２ｎ倍の大容量の複合振動出力を得ることが可能である。

更に、振動円盤体１の上下面にBLTを設置し、その分複合振動棒16を長くすることにより、使用するBLTを２倍にすることができるので、振動出力の倍増が可能である。また、本発明では、振動源を１組のみではなく、複数の振動源を円盤体１の中心軸に設置した振動棒16により結合して複数段重ねた階層構造とし、各振動源を同時駆動するようにしてもよい。

なお、振動棒16の形状は、ステップ型（段付き）以外に、コニカルタイプ，エキスポネンシャルタイプ，カテノイダルタイプを用いることが可能である。

本発明は以上の通りであるから、振動体の剛性に富んだ小さい外径で大容量の超音波複合振動装置を得ることがきる。

本発明による小さい外径で大容量の超音波複合振動装置の原理を示す振動円盤体の振動モードを示した説明図。本発明超音波複合振動装置の構成例の外観を示す斜視図。振動棒の先端中心の振動モードを実測した線図。円盤体の直径方向振動分布の実測データを示す図。

符号の説明

１振動円盤体
２，３振動円盤体の振動節円
４振動円盤体の節直径線
５，６ BLT縦振動子
７振動円盤体の中心面
８，９振動円盤体の直径方向の曲げ振動モード
10 説明用の仮想ピン
11，12 仮想ピン10の振動モード
13 円盤体の中心軸の中点
14，15 BLT縦振動子
16 複合曲げ振動棒
17 振動棒16の曲げ振動モード
18 振動棒16の先端中心の複合振動軌跡
19 振動棒16の先端中心の実測振動速度軌跡

Claims

節直径と節円を含む曲げ振動円盤の曲げ振動腹部に、盤面に垂直向きで略同一特性の縦振動子の少なくとも２組を、それぞれ節直径に対して対称又は曲げ振動を駆動する振動位相の位置に設置し、各組の縦振動子を各組の相隣る振動子間を設置角度に比例した位相の振動モードで駆動することにより、前記振動円盤の中心部又は／及び中心部に設けた振動棒を複合振動させるようにしたことを特徴とする超音波複合振動装置。
請求項１の縦振動子を設置した曲げ振動円盤の複数を、その中心部に設置する複合曲げ振動モードで振動する振動棒を介して結合し、該振動棒で結合した複数組を駆動するようにした請求項１の超音波複合振動装置。