JPH0634955Y2 - 超音波カッター - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本考案は、超音波振動によって刃体を加振する超音波カ
ッターの改良に関する。

（考案の背景） 従来の超音波カッターについて図面により説明する。

第２図は従来の超音波カッターの説明図である。同図の
（ａ）は従来の超音波カッターの構成例を示す。第２図
の（ａ）において、刃体１はたとえばSKS材などの鉄材
で作られており、ホーン２に結合している。ホーン２は
振動子３と結合し、振動子３が発生する超音波振動をそ
のパワー密度を増大させて刃体１に伝える。振動子３は
これに接続する発振器５によって励振され、超音波振動
を発生する。刃体１は、その長さ方向を超音波振動の振
動方向10と同じにしてホーン２に結合されているので、
刃体の振動方向11は、刃体１の長さ方向と同じになって
いる。すなわち刃体１はホーン２から超音波振動を伝え
られ、たとえば振動幅がｐ−ｐ値で５〜50μｍ、周波数
が14〜60KHzの縦振動を長さ方向に行う。したがって、
刃体の刃の各部分は切られる物に押し付けられながらこ
の縦振動を行い、しかもその周波数が前述したように14
〜60KHzと入力などによる刃体の往復周波数よりもはる
かに高いことによって、切れ味の良い切断が行われる。

しかるに上記の従来の超音波カッターには次のような問
題点がある。

すなわち、刃体１が長さ方向に縦振動を行うのでその固
有振動波長が短くしにくく、刃体１の長さを該固有振動
波長の1/2の整数倍にして定常波を形成させ縦振動の振
動振幅が大きいことにより良く切れる部分（以下定常波
の腹の部分と言う）を得るに際して、この定常波の腹の
部分のピッチが長くなり、したがってこの定常波の腹の
部分の数を増そうとすると刃体１の長さもまた長くな
る。

刃体１の長さが長くなると、その長さ方向に真直ぐなま
まで縦振動のみを行うことが困難になるため、必要とす
る振動以外の振動が誘起され易くなり、この振動のため
に刃体１が破損し易くなる。

第２図の（ｂ）は刃体の振動分布例を示し、刃体の固有
振動波長Ｌは、たとえば刃体の材質がSKS材で、与えら
れる超音波振動の周波数が27.5KHzの場合約187.27mmと
なり、したがって刃体が定常波の腹の部分を形成するた
めの最短の長さが約93.64mmとなる。

したがって、この超音波カッターの使用者は、切られる
物に定常波の腹の部分が連続して当たるようにするた
め、固有振動波長の1/4以上、すなわち約46.82mm以上の
ストロークで刃体全体を動かさねばならない。また切ら
れる物の長さに応じて刃渡りを増す場合には、固有振動
波長約187.27mmの定常波を得るために液体の全長を約9
3.64mmずつ長くしなければならない。

したがってどうしても刃体が長くなり易く、そのため不
要の振動を生じて破損が生じ易くなる。

以上説明したように、従来の超音波カッターは、固有振
動波長が短くしにくいために刃体の良く切れる部分のピ
ッチが長くなり、このため刃体全体を大きく動かさねば
ならず、また刃わたりを長くしようとすると刃体の長さ
が所要の刃わたりよりも長くなり勝ちで、これが刃体の
破損を起こす危険性をも増すという問題を有している。

本考案の出願人は、ホーンの振動子結合面とは反対側の
面に刃体の側面を結合させ、刃体に波打ち状のたわみ振
動を行わせることによって固有振動の波長を従来の刃体
の縦振動の固有振動波長よりも短くでき、したがって刃
体の良く切れる部分のピッチが短くなることにより刃体
全体を動かす長さが短くでき、また所要の刃わたりに対
する刃体の長さも短くできて刃体の破損が生じにくい超
音波カッターを現在実用新案登録出願中である（実願昭
63−355）。

第３図は上記出願中の超音波カッターの例を示す図であ
る。同図の（ａ）は本例の構成を示す。第３図の（ａ）
において、振動子３は発振器５によって励振されて超音
波振動を発生する。

ホーン２は振動子３と結合しており振動子３が発生した
超音波振動をそのパワー密度を増大して刃体１に伝え
る。刃体１はたとえば螺合またはろう付けやはんだ付け
などの接合によってホーン２に固定され、ホーン２から
超音波振動を伝えられる。刃体１は、その厚さ方向が超
音波振動の振動方向10と一致するように、その側面をホ
ーン２に取付けられており、したがって刃体の振動方向
11は刃体１の厚さ方向に一致し、刃体１はその厚さ方向
に波打つようにたわみ振動を行う。

この振動の分布はたとえば第３図の（ｂ）の振動分布例
の示すようになり、SKS材製の厚さ1.5mmの刃物に27.5KH
zの超音波振動を与えることにより刃体の固有振動波長
Ｂが17mm強となる。したがって第３図の（ｂ）に示すよ
うに刃体１の長さをB/2の６倍にすることにより全長約5
1mm強の刃体１で振動振幅の大きい良く切れる点がC1〜C
5の５点得られる。

従来の超音波カッターにおいては、この例と同じ長さで
同材質の刃体に同じ周波数の超音波振動を加えても定常
波は得られない。この定常波を従来の超音波カッターに
おいて得るには約94mm弱の長さの刃体をホーンにつけね
ばならず、その場合でも良く切れる点は該刃体の両端部
の２箇所しか得られない。

以上の例では、刃体１がその厚さ方向を超音波振動の振
動方向10と一致させてホーン２に結合されているが、超
音波加振手段の効率を多少低下させても超音波カッター
としての使い勝手を良くするために、刃体１がその厚さ
方向と超音波振動の振動方向10との間に所定の角度を付
けられてホーン２に取り付けられる構成も容易に具体化
できる。

以上説明したように、上記出願中の超音波カッターは、
刃体を波打つようにたわみ振動させるので、刃体の固有
振動波長が従来の超音波カッターの刃体の縦振動の場合
に大して１桁小さい値にでき、したがって良く切れる部
分のピッチが短くできるため、刃体全体を動かす長さが
短くでき、また所要の刃わたりに対する刃体の長さも短
くできて刃体の破損を生じにくくすることができる。

（考案が解決しようとする課題） しかるに上述した出願中の超音波カッターでは、刃体に
たわみ振動をさせるために、超音波加振手段のホーンの
振動方向を刃体の厚さ方向と一致させるかあるいは該２
つの方向の間に所定の角度を付けて刃体とホーンが結合
されている。その結果、出願中の超音波カッターには、
通常握り手となる超音波加振手段の長さ方向と刃体の長
さ方向とが交差するために使いにくい構成になるという
問題点がある。

本考案の目的は、Ｌ−Ｌ型振動方向変換体を介して超音
波加振手段と刃体を結合することによって刃体のたわみ
振動の方向を超音波加振手段の振動方向と直交させるよ
うにし、これによって握り手の長さ方向を刃体の長さ方
向と同じにして刃体にたわみ振動を行わせられるために
使い易い構成にできる超音波カッターを提供することで
ある。

（課題を解決するための手段） 本考案の超音波カッターは上記の目的はを達成するため
に次の手段構成を有する。すなわち本考案の超音波カッ
ターは、刃体と；超音波加振手段と;2本の柱体をたがい
の軸方向縦振動の節部で直交させて一体にしたＬ−Ｌ型
振動方向変換体と；を具備し、Ｌ−Ｌ型振動方向変換体
が、その一方の柱体の軸方向を超音波加振手段の振動方
向に一致させ、他方の柱体の軸方向を刃体のたわみ振動
の方向に一致させて超音波加振手段と刃体に結合してい
ることを特徴とするものである。

（作用） 以下、上記の手段構成を有する本考案の超音波カッター
の作用を説明する。

Ｌ−Ｌ型振動方向変換体は２本の柱体を一体にしたもの
である。一方の柱体の一端を軸方向に超音波加振すると
この柱体を軸方向に伸縮させる縦振動が生じ、同時にこ
の軸と直角方向の伸縮振動がポアッソン現象によって生
ずるが、２本の柱体は超音波加振手段の発する超音波振
動の所定の加振周波数に対するそれぞれの軸方向縦振動
のたがいの節部で直交しているので、他方の柱体はその
軸方向の中心線の位置に前記のポアッソン現象に基づく
伸縮振動だけが伝えられ、該他方の柱体も前記所定の加
振周波数の縦振動を軸方向に行う。各柱体の長さは、そ
れぞれの所定の軸方向縦振動の波長のほぼ半分に定めら
れているので、超音波加振を受けている一方の柱体の加
振されていない方の端部および他方の柱体の両端部はそ
れぞれの軸方向縦振動の腹となり最大の振動振幅で振動
する。

Ｌ−Ｌ型振動方向変換体は一方の柱体に刃体を、他方の
柱体に超音波加振手段を取り付けられ、しかも一方の柱
体の軸方向は刃体の厚さ方向と一致し、他方の柱体の軸
方向は超音波加振手段の振動方向と一致している。した
がって、刃体の超音波加振手段の振動方向と直角に、厚
さ方向に波打つようなたわみ振動を行う。刃体は柱体の
端部に取り付けられることによって該柱体の軸方向縦振
動の最大の振動振幅で加振されるが、たとえば刃体を複
数枚備えるために柱体の端部以外に該刃体を取り付ける
こともあり、この場合、端部以外に取り付けられた刃体
の振動振幅は端部に取り付けられた刃体よりも小さくな
る。

以上説明したように、本考案の超音波カッターは、Ｌ−
Ｌ型振動方向変換体を介して超音波加振手段と刃体を結
合したことによって、刃体のたわみ振動の方向が超音波
加振手段の振動方向と直角となるので、握り手の長さ方
向を刃体の長さ方向と同じにして刃体にたわみ振動を行
わせることができるようになるため使い易い構成にする
ことができる。

（実施例） 以下、本考案の超音波カッターの実施例を図面を参照し
て説明する。

第１図は本考案の超音波カッターの実施例の説明図であ
る。同図の（ａ）は該実施例の構成を示す。第１図の
（ａ）において、振動子３は発振器５によって励振され
て超音波振動を発生する。ホーン２は振動子３と結合し
ており、振動子３が発生した超音波振動をそのパワー密
度を増大してＬ−Ｌ型振動方向変換体７に伝える。Ｌ−
Ｌ型振動方向変換体７は２本の柱体を直交させて一体に
したもので、一方の柱体はその軸方向が超音波振動の振
動方向10と同じになるように端部でホーン２と結合して
おり、他方の柱体はその軸方向が刃体１の厚さ方向と同
じになるように端部で刃体１と結合している。ホーン２
と結合している柱体は、振動子３の発した超音波振動を
受けて軸方向に伸縮する縦振動を行い、同時にポアッソ
ン現象によって該軸方向と直角の方向に伸縮振動を行
う。２本の柱体は振動子３の発した超音波振動の所定の
加振周波数に対するそれぞれの軸方向縦振動のたがいの
節部で直交しているので、ホーン２と結合していない他
方の柱体は、その軸方向に前記のポアッソン現象に基づ
く伸縮振動を伝えられ、前記所定の加振周波数の縦振動
を軸方向に行う。

各柱体の長さは、それぞれの所定の軸方向縦振動の波長
のほぼ半分に定められているので、ホーン２と結合して
いる一方の柱体の加振されていない方の端部および他方
の柱体の両端部はそれぞれの軸方向縦振動の腹となり最
大の振動振幅で振動する。このため、他方の柱体の端部
に取り付けられた刃体１は、該他方の柱体の最大の振動
振幅で加振され厚さ方向に波打つようなたわみ振動を行
う。前述したようにＬ−Ｌ型振動方向変換体７の２本の
柱体は直交しているから、刃体の振動方向11と超音波振
動の振動方向10とは直角になり、刃体１の厚さ方向は振
動子３やホーン２の長さ方向と同じにできる。

また第２図の（ｂ）の振動分布例の示すように、刃体１
は、その長さが所定の加振周波数に対する固有振動波長
の1/2の６倍に定められており、その端部から該固有振
動波長の1/2の所に柱体の軸を通すようにＬ−Ｌ型振動
方向変換体７に取り付けられている。これにより、刃体
１にはC1〜C5の５点の良く切れる点が得られる。

本実施例ではＬ−Ｌ型振動方向変換体７に１本の刃体１
しか取り付けられていないが、刃体１の取り付けられて
いる柱体の反対側の端部にも刃体を取り付ける構成とす
ることにより１度に２箇所で切断を行うことも容易にで
き、またＬ−Ｌ型振動方向変換体７を異なる寸法で設計
することによって切断間隔を変えることもできる。

また、柱体の両端部の間に刃体を取り付けてこれにたわ
み振動を行わせ１度に２箇所以上での切断を行うことも
できるが、この場合は両端部の間に取り付けられた刃体
の振動振幅は端部に取り付けられた刃体１よりも小さく
なる。

（考案の効果） 以上説明したように、本考案の超音波カッターは、Ｌ−
Ｌ型振動方向変換体を介して超音波加振手段と刃体を結
合したことによって、刃体のたわみ振動の方向が超音波
加振手段の振動方向と直角になるので、握り手の長さ方
向を刃体の長さ方向と同じにして刃体にたわみ振動を行
わせることができるようになるため使い易い構成にする
ことができるという利点を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本考案の超音波カッターの実施例の説明図、第
２図は従来の超音波カッターの説明図、第３図は出願中
の超音波カッターの例を示す図である。 １……刃体、２……ホーン、３……振動子、４……ケー
ス、５……発振器、10……超音波振動の振動方向、11…
…刃体の振動方向、Ｂ……刃体の固有振動波長、C1〜C5
……良く切れる点、Ｌ……刃体の固有振動波長。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】刃体と；超音波加振手段と;2本の柱体をた
   がいの軸方向縦振動の節部で直交させて一体にしたＬ−
   Ｌ型振動方向変換体と；を具備し、Ｌ−Ｌ型振動方向変
   換体が、その一方の柱体の軸方向を超音波加振手段の振
   動方向に一致させ、他方の柱体の軸方向を刃体のたわみ
   振動の方向に一致させて超音波加振手段と刃体に結合し
   ていることを特徴とする超音波カッター。