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技術 平板状の超音波振動子とその支持方法

出願人 有限会社UWAVE
発明者 大西一正
出願日 2019年2月21日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2019-044250
公開日 2020年8月31日 (8ヶ月経過) 公開番号 2020-137104
状態 未査定
技術分野 超音波変換器
主要キーワード 超音波加工機 金属刃 機械加工装置 切削具 超音波カッター 製作法 機械的剛性 レーザー加工機
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この項目の情報は公開日時点(2020年8月31日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供する。

解決手段

超音波振動子1の金属を、中央部2、側部3及び接続部4の各部に区分した。超音波振動子1の中央部2の鋼(s45c)の表裏面に圧電素子6(PZT)を接着剤により接合する。中央部2の鋼(s45c)の長さが最も大きい。中央部2を中心として側部3を両側に対称に設け、そして中央部2と側部3を接続部4により接続する。これらの超音波振動子の中央部2、側部3そして接続部4は一体の鋼(s45c)で製作される。

概要

背景

従来より、図6に示す平板状の超音波振動子は、金属製の平板に圧電素子接合して作成する。そして図6に示すように矢印に示す振動方向する。他の装置に超音波振動子を支持固定する際は、中央の振動の節部に直交する位置に突起を設け、その突起を支持する。また、平板状の超音波振動子は、特許文献1に記載してあるように平板形状の超音波モータに用いることが多い。

しかしながら、縦振動モードにおいての超音波振動子の中央部にある突起部だけを支持するものであるので支持剛性が小さく、特に超音波振動子の中心点を中心する回転モーメントに対する負荷には支持剛性が小さい。したがって、大きな負荷が加わる機械加工用の超音波振動子として用いることが困難である。

概要

平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供する。超音波振動子1の金属を、中央部2、側部3及び接続部4の各部に区分した。超音波振動子1の中央部2の鋼(s45c)の表裏面に圧電素子6(PZT)を接着剤により接合する。中央部2の鋼(s45c)の長さが最も大きい。中央部2を中心として側部3を両側に対称に設け、そして中央部2と側部3を接続部4により接続する。これらの超音波振動子の中央部2、側部3そして接続部4は一体の鋼(s45c)で製作される。

目的

本発明の目的は、平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子接合することを特徴とする超音波振動子

請求項2

側部の長さL2が中央部の長さL1より小さいことであり、望ましくは、側部の長さL2が超音波振動子の中央部の長さL1の80%以下であることを特徴とする請求項1に記載の超音波振動子。

請求項3

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合することを特徴とする請求項1及び請求項2に記載の超音波振動子。

請求項4

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を複数個持つ一体の金属により製作したことを特徴とする請求項1及び請求項2に記載の超音波振動子。

請求項5

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を1個以上持つ一体の金属で、その中心に穴を持ち回転することを特徴とする請求項1及び請求項2に記載の超音波振動子。

請求項6

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子の中央部の先端部に切削具を装着することを特徴とする請求項1及び請求項2に記載の超音波振動子。

技術分野

0001

本発明は、平板状の金属体圧電素子接合した超音波振動子とその支持方法に関する。

背景技術

0002

従来より、図6に示す平板状の超音波振動子は、金属製の平板に圧電素子を接合して作成する。そして図6に示すように矢印に示す振動方向する。他の装置に超音波振動子を支持固定する際は、中央の振動の節部に直交する位置に突起を設け、その突起を支持する。また、平板状の超音波振動子は、特許文献1に記載してあるように平板形状の超音波モータに用いることが多い。

0003

しかしながら、縦振動モードにおいての超音波振動子の中央部にある突起部だけを支持するものであるので支持剛性が小さく、特に超音波振動子の中心点を中心する回転モーメントに対する負荷には支持剛性が小さい。したがって、大きな負荷が加わる機械加工用の超音波振動子として用いることが困難である。

先行技術

0004

特開2008−187756

発明が解決しようとする課題

0005

従って本発明の目的は、平板状の超音波振動子において、大きな負荷が加わる機械加工に用いることができる平板状の超音波振動子とその支持方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子とするものである。

0007

平板状の超音波振動子において、側部3の長さL2が中央部2の長さL1より小さいことであり、望ましくは、側部3の長さL2が超音波振動子の中央部2の長さL1の80%以下であるものである。

0008

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子とするものである。

0009

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を複数個持つ一体の金属により製作した超音波振動子とするものである。

0010

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、さらに側部の両端と支持部を接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子を1個以上持つ一体の金属で、その中心に穴を持ち回転する超音波振動子とするものである。

0011

平板状の金属の中央部に対称に平板状の金属の側部を配置し、平板状の金属の側部の両端を接続部により平板状の金属の中央部に接続し、そして平板状の金属の中央部に圧電素子を接合する超音波振動子の中央部の先端部に切削具を装着する超音波振動子とするものである。

発明の効果

0012

本発明の平板状の超音波振動子とその支持方法を用いることにより、超音波振動子の支持剛性が大きくなるため負荷の大きい機械加工に用いることができる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の平板状の超音波振動子とその振動モードを説明する図である。図1の平板状の超音波振動子に設けた支持部により支持する図である。本発明の平板状の超音波振動子に工具を装着した図である。複数個の平板状の超音波振動子を持つ構成を説明する図である。回転板に平板状の超音波振動子を持つ図である。従来の平板状の超音波振動子とその支持方法を説明する図である。

実施例

0014

(平板状の超音波振動子の振動モード)
以下、本発明に関わる平板状の超音波振動子1の構成と、振動モードについて説明する。

0015

図1(A)の平面図と図1(B)の側面図とで示す平板状の超音波振動子1を示す。超音波振動子1は一体の平板状の鋼(s45c)に圧電素子6を接合したものであり、そして図をわかりやすくするため破線を用いて、超音波振動子1の金属を、中央部2、側部3そして接続部4の各部に区分した。中央部2の鋼(s45c)の表裏面に圧電素子6(PZT)を接着剤により接合する。中央部2の鋼(s45c)の長さは、他の部材に比較して最も大きい。

0016

超音波振動子の中央部2を中心として側部3を両側に対称に設け、そして中央部2と側部3を接続部4により接続する。これらの中央部2、側部3そして接続部4は一体の鋼(s45c)で製作される。製作法は種々あるが、レーザー加工機放電加工機そしてマシニングセンタによる加工が一般的である。

0017

次に図1の平板状の超音波振動子1の振動モードについて説明する。平板状の超音波振動子1をスポンジまたは発泡ウレタンの上に置き、ほぼ拘束なし(自由振動)に近い条件で図1の矢印で示すような縦1次振動モードで振動させる。その結果、超音波振動子1の中央部2の黒塗りにした部分と側部3の両端部の黒塗りにした部分にほぼ振動しない部分つまり振動の節部7となり、側部3は曲線で示す振動が生じる。

0018

超音波振動子の中央部2の振動を、できるだけ側部3に伝搬させず、かつ中央部2と接続部4の機械的な強度の大きい接続を達成するために、超音波振動子の中央部2と側部3の間に網線で示した孔部6を設ける。

0019

また、網線で示した孔部5は空間であるが、孔部5は小さい穴の集合、貫通しない溝などでもよい。孔部5の作用は、超音波振動子1の中央部2の振動を側部3に伝搬させることを小さくするためであり、同様な作用をする構成なら別の構成でもよい。

0020

そして先に述べた超音波振動子1の側部3の4個の節部を支持することにより機械的剛性の大きい支持をすることができる。

0021

(振動モードの説明)
本発明の平板状超音波振動子1の振動モードを励起させるための条件として、まず側部3の長さL2が中央部2の長さL1より小さいことであり、望ましくは、側部3の長さL2が超音波振動子の中央部2の長さL1の80%以下であることが望ましい。

0022

超音波振動子1の中央部2の共振周波数周波数は、側部3の共振周波数周波数より小さい。したがって、中央部2と側部3が分離していれば、縦1次振動モードにおいて、中央部2の共振周波数で駆動すれば、側部3はほとんど振動しない。

0023

超音波振動子の中央部2だけをできるだけ振動させるには、側部3との接続の影響をできるだけ小さくする。そして、前記の条件で両者の剛性を高めた接続するためには、側部3の両端部を中央部2に接続することである。さらに接続を高めるためには接続部4を大きくするか、接続部4の数を大きくすることである。

0024

一方、超音波振動子1の中央部2と側部3が分離されていれば、中央部2は自由に振動できるが、中央部2の黒塗りで示す節部を支持しなければならない。つまり従来例である図6のようなフランジ部10を設けてフランジ部10を支持することになるが支持剛性が小さいため機械加工に用いるには適さない。

0025

(平板状の超音波振動子の支持部)
図1に示す超音波振動子1では、支持するために側部3の端部の4か所を支持しなければならない。そこで支持の自由度を高めるために図2に示す側部3の端部の4か所と接続する支持部8を一体の鋼(s45c)で製作する。また、ここでは超音波振動子の材料として鋼(s45c)を用いたが、ステンレスリン青銅チタン合金などの金属材料でもよい。

0026

図2(A)は支持部7を持った超音波振動子1の平面図であり、図2(B)は、その側面図である。支持部7を持った超音波振動子1をスポンジまたは発泡ウレタンの上に置き、拘束なし(自由振動)に近い条件で図2の矢印で示すような縦1次振動モードで振動させる。その結果、超音波振動子の中央部2の黒塗りにした部分と側部3の両端部の黒塗りにした部分そして網線で示した支持部7の全体がほぼ振動の節部7になる。したがって、支持部8のどこでも支持できるので、大幅に支持の自由度が大きくなる。

0027

(平板状超音波振動子の用途)
発明した平板状の超音波振動子1は、様々な機械加工に用いることができる。まず、図3(A)は平板状の超音波振動子の先端部の側面に切削チップネジにより取付けたものである。

0028

図3(B)は、平板状超音波振動子の中央部2の先端にスリットを設け、そのスリットに薄い金属刃物を入れ、ボルトにより締付けることにより装着した。

0029

並列に接続した複数個の平板状超音波振動子)
図4(A)は複数の平板状超音波振動子1を接続した平面図であり、図4(B)はA−A線での断面を示す図である。平板状の一体のチタン合金をレーザー加工機により穴加工して図の形状を作成する。次に中央部2の両面に圧電素子6をエポキシ樹脂により接着して図4の構成を作成する。平板状の超音波振動子1の平板面に沿って往復運動させることにより、効率的な機械加工ができる。

0030

(回転板に設けた平板状超音波振動子)
図5に示すように平板状の回転板に本発明の平板状の超音波振動子1を設けることもできる。回転板を放電加工機により黒塗りで表す孔部5を設ける。そして、形成された中央部2に圧電素子6をエポキシ樹脂により接着する。この構成を切断機研磨機などの回転軸に取付けて超音波加工ができる。

0031

本発明の平板上の超音波振動子は、機械加工装置として超音波カッター、超音波スライサー、超音波研磨機など様々な超音波加工機として用いることができる。

0032

1超音波振動子
2 中央部
3 側部
4 接続部
5 孔部
6圧電素子
7振動の節部
8 支持部
9切削具
10 フランジ

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