JPH091065A - 超音波ホーン - Google Patents
超音波ホーンInfo
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- JPH091065A JPH091065A JP8010941A JP1094196A JPH091065A JP H091065 A JPH091065 A JP H091065A JP 8010941 A JP8010941 A JP 8010941A JP 1094196 A JP1094196 A JP 1094196A JP H091065 A JPH091065 A JP H091065A
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- horn
- ultrasonic
- aluminum alloy
- horn body
- ceramic
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Classifications
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/10—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating making use of vibrations, e.g. ultrasonic welding
- B23K20/106—Features related to sonotrodes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
- B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
- B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
- B26D7/08—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting
- B26D7/086—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting by vibrating, e.g. ultrasonically
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- Mechanical Engineering (AREA)
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- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
- Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
- Cleaning By Liquid Or Steam (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】耐用寿命が長く高負荷でも安定して使用できる
超音波ホーンを提供すること。 【解決手段】ホーン本体にアルミニウム合金を使用し、
そのビッカース硬さが100以上となるように構成され
る。またホーン本体とセラミック工具との間に非熱処理
型アルミニウム合金の薄い中間層が設けられる。
超音波ホーンを提供すること。 【解決手段】ホーン本体にアルミニウム合金を使用し、
そのビッカース硬さが100以上となるように構成され
る。またホーン本体とセラミック工具との間に非熱処理
型アルミニウム合金の薄い中間層が設けられる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超音波穿孔機、超
音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波
切断機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪
拌機に用いられる超音波ホーンに関するものである。
音波圧搾機、超音波かしめ機、超音波半田付機、超音波
切断機などの超音波加工機や、超音波洗浄機、超音波攪
拌機に用いられる超音波ホーンに関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来この種の超音波ホーンとしては鋼製、
チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られてお
り、超音波加工用或いは超音波洗浄用に用いる場合に
は、ホーンの先端部は耐磨耗性、耐エロージョン性であ
ることが要求される。そのために、鋼製のホーンでは焼
入れ、硬化処理が施されおり、またチタン合金製のもの
においても窒化処理などの硬化処理が施されている。ま
たホーン先端面の耐磨耗性を向上させるために、ホーン
の先端面にセラミックス層を形成したものが従来提案さ
れ（例えば実開昭63−113545、実開平１−146928参
照）、さらには、ホーン先端部に緩衝板を介してセラミ
ック工具を接合したものも提案されている（実開平５−
80569参照）。
チタン合金製、アルミニウム合金製のものが知られてお
り、超音波加工用或いは超音波洗浄用に用いる場合に
は、ホーンの先端部は耐磨耗性、耐エロージョン性であ
ることが要求される。そのために、鋼製のホーンでは焼
入れ、硬化処理が施されおり、またチタン合金製のもの
においても窒化処理などの硬化処理が施されている。ま
たホーン先端面の耐磨耗性を向上させるために、ホーン
の先端面にセラミックス層を形成したものが従来提案さ
れ（例えば実開昭63−113545、実開平１−146928参
照）、さらには、ホーン先端部に緩衝板を介してセラミ
ック工具を接合したものも提案されている（実開平５−
80569参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】鋼製のホーンにおいて
は鋼の比重が８近くあり、加振するためには高出力が必
要であり、そして出力を高めるためには電源を大きくす
る必要がある。また出力の上昇に伴いホーン自体の発熱
量も増大することになる。これに対して、プラスチック
溶着、超音波かしめなどに用いられるアルミニウムやそ
の合金製のものにおいては鋼製のホーンに比べて比重が
軽いので、大きな電源を用いなくても加振することがで
きるが、出力を上昇させ振幅を上げてゆくと、ホーンに
働く応力が高くなり、硬度が低い場合にはクラックが発
生する恐れがあった。また、この種のホーンを超音波洗
浄機、乳化、分散などの液中で使用した場合には、耐エ
ロージョン性に問題があった。更に、加工用先端面に磨
耗やエロージョンが生じると、共振点がずれ、加振の振
幅が減少し、その結果、加工効率が低下することにな
る。すなわち、通常の超音波加工機では使用周波数は予
め一定に設定されているため、ホーン先端部が磨耗した
りエロージョンが生じ、ホーンの共振点が変化すると、
ホーンが破壊していなくても、出力が低下し、ホーンの
取換えが必要となる。ホーンの取換え、調整は時間が掛
り、その結果加工機の稼動時間が下がるという問題があ
る。
は鋼の比重が８近くあり、加振するためには高出力が必
要であり、そして出力を高めるためには電源を大きくす
る必要がある。また出力の上昇に伴いホーン自体の発熱
量も増大することになる。これに対して、プラスチック
溶着、超音波かしめなどに用いられるアルミニウムやそ
の合金製のものにおいては鋼製のホーンに比べて比重が
軽いので、大きな電源を用いなくても加振することがで
きるが、出力を上昇させ振幅を上げてゆくと、ホーンに
働く応力が高くなり、硬度が低い場合にはクラックが発
生する恐れがあった。また、この種のホーンを超音波洗
浄機、乳化、分散などの液中で使用した場合には、耐エ
ロージョン性に問題があった。更に、加工用先端面に磨
耗やエロージョンが生じると、共振点がずれ、加振の振
幅が減少し、その結果、加工効率が低下することにな
る。すなわち、通常の超音波加工機では使用周波数は予
め一定に設定されているため、ホーン先端部が磨耗した
りエロージョンが生じ、ホーンの共振点が変化すると、
ホーンが破壊していなくても、出力が低下し、ホーンの
取換えが必要となる。ホーンの取換え、調整は時間が掛
り、その結果加工機の稼動時間が下がるという問題があ
る。
【０００４】そこで、本発明は、耐磨耗性及び耐エロー
ジョン性に優れしかもクラックの発生を防止でき、長期
間安定して作動できる超音波ホーンを提供することを目
的としている。
ジョン性に優れしかもクラックの発生を防止でき、長期
間安定して作動できる超音波ホーンを提供することを目
的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】その第１の手段は、一端
部を太く、他端部を細く形成し、この細端部にセラミッ
ク工具の取付けられるホーン本体が熱処理型アルミニウ
ム合金から成ることを特徴とする超音波ホーンである。
本超音波ホーンにおいては、ホーン本体の細端部に取付
けられるセラミック工具は600MPa以上の四点曲げ強度及
び７×10-6／℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一
方をもつセラミック材料から成り得る。またホーン本体
を構成している熱処理型アルミニウム合金のビッカース
硬度(Hv)は100以上であり得る。また、第２の手段とし
ては、一端部を太く、他端部を細く形成し、この細端部
にセラミック工具の取付けられるホーン本体を、熱処理
型アルミニウム合金で構成すると共に、ホーン本体とセ
ラミック工具との間に少くとも一層のアルミニウムを主
成分とする軟質中間層を介在させたことを特徴とする超
音波ホーンにある。この第２の手段としての超音波ホー
ンにおいても、ホーン本体の細端部に取付けられるセラ
ミック工具は600MPa以上の四点曲げ強度及び７×10-6／
℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一方をもつセラ
ミック材料から成り得る。またホーン本体を構成してい
る熱処理型アルミニウム合金のビッカース硬度(Hv)は10
0以上であり得る。
部を太く、他端部を細く形成し、この細端部にセラミッ
ク工具の取付けられるホーン本体が熱処理型アルミニウ
ム合金から成ることを特徴とする超音波ホーンである。
本超音波ホーンにおいては、ホーン本体の細端部に取付
けられるセラミック工具は600MPa以上の四点曲げ強度及
び７×10-6／℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一
方をもつセラミック材料から成り得る。またホーン本体
を構成している熱処理型アルミニウム合金のビッカース
硬度(Hv)は100以上であり得る。また、第２の手段とし
ては、一端部を太く、他端部を細く形成し、この細端部
にセラミック工具の取付けられるホーン本体を、熱処理
型アルミニウム合金で構成すると共に、ホーン本体とセ
ラミック工具との間に少くとも一層のアルミニウムを主
成分とする軟質中間層を介在させたことを特徴とする超
音波ホーンにある。この第２の手段としての超音波ホー
ンにおいても、ホーン本体の細端部に取付けられるセラ
ミック工具は600MPa以上の四点曲げ強度及び７×10-6／
℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一方をもつセラ
ミック材料から成り得る。またホーン本体を構成してい
る熱処理型アルミニウム合金のビッカース硬度(Hv)は10
0以上であり得る。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明による超音波ホーンにおい
ては、ホーン本体を構成する熱処理型アルミニウム合金
としては、JIS規格で表示されている2000系のAl−Cu−M
g系合金、4000系のAl−Si系合金、6000系のAl−Mg−Si
系合金、7000系のAl−Mn−Mg−Cu系合金に時効硬化処理
を施したものが好ましく、またビッカース硬度(Hv)100
以上が好ましい。このように、ホーン本体を構成するア
ルミニウム合金に時効硬化処理を施したものすなわち熱
処理型のものを使用したことにより、ホーン本体は高強
度となり、使用中にホーンが破壊することがなくなる。
ては、ホーン本体を構成する熱処理型アルミニウム合金
としては、JIS規格で表示されている2000系のAl−Cu−M
g系合金、4000系のAl−Si系合金、6000系のAl−Mg−Si
系合金、7000系のAl−Mn−Mg−Cu系合金に時効硬化処理
を施したものが好ましく、またビッカース硬度(Hv)100
以上が好ましい。このように、ホーン本体を構成するア
ルミニウム合金に時効硬化処理を施したものすなわち熱
処理型のものを使用したことにより、ホーン本体は高強
度となり、使用中にホーンが破壊することがなくなる。
【０００７】また、好ましくは、ホーン本体の細端部に
取付けられるセラミック工具は、600MPa以上の四点曲げ
強度及び７×10-6／℃以上の熱膨脹係数の両方又はいず
れか一方をもつセラミック材料から成ることができ、こ
のようなセラミック材料としてはジルコニア、アルミ
ナ、窒化けい素、サイアロン、炭化けい素、サーメッ
ト、超硬合金などの高硬度材料を挙げることができる。
そしてホーン本体の細端部に取付けられるセラミック工
具を、600MPa以上の四点曲げ強度をもつセラミック材料
で構成した場合にはホーンの使用中の材料のチッピング
の恐れやホーン本体とセラミック工具との接合時におけ
るセラミックの破損の恐れが少く、また７×10-6／℃以
上の熱膨脹係数をもつセラミック材料で構成した場合に
は接合時におけるセラミックの破損の恐れが少く、更に
四点曲げ強度と熱膨脹係数のいずれも所望値より大きい
セラミック材料で構成した場合には中間層を介在させる
ことなくホーン本体とセラミック工具とを直接接合する
ことができる。
取付けられるセラミック工具は、600MPa以上の四点曲げ
強度及び７×10-6／℃以上の熱膨脹係数の両方又はいず
れか一方をもつセラミック材料から成ることができ、こ
のようなセラミック材料としてはジルコニア、アルミ
ナ、窒化けい素、サイアロン、炭化けい素、サーメッ
ト、超硬合金などの高硬度材料を挙げることができる。
そしてホーン本体の細端部に取付けられるセラミック工
具を、600MPa以上の四点曲げ強度をもつセラミック材料
で構成した場合にはホーンの使用中の材料のチッピング
の恐れやホーン本体とセラミック工具との接合時におけ
るセラミックの破損の恐れが少く、また７×10-6／℃以
上の熱膨脹係数をもつセラミック材料で構成した場合に
は接合時におけるセラミックの破損の恐れが少く、更に
四点曲げ強度と熱膨脹係数のいずれも所望値より大きい
セラミック材料で構成した場合には中間層を介在させる
ことなくホーン本体とセラミック工具とを直接接合する
ことができる。
【０００８】また本発明の別の特徴による超音波ホーン
において、アルミニウムを主成分とする軟質中間層とし
ては、JIS規格の1000系の純アルミニウム、3000系のAl
−Mn系合金、5000系のAl−Mg系合金等の非熱処理型アル
ミニウム合金を挙げることができ、特に5000系のAl−Mg
系合金は純アルミニウムや3000系のAl−Mn系合金に比べ
て強度が高いので、ホーン本体とセラミック工具との接
合部が高応力を受ける部位となる場合に有利に用いられ
得る。ただし軟質中間層の硬さが硬すぎる場合には、逆
に接合強度を低下させるため、ビッカース硬度(Hv)70以
下が好ましい。またこの中間層の厚さは、あまり厚くな
るとホーンとして使用中にそれ自体が降伏又は座屈する
恐れがあるので、１〜0.1mm程度の範囲に選ぶのが好ま
しい。このように構成した超音波ホーンにおいては、セ
ラミック材料はアルミニウム合金に比べて熱膨張係数が
小さくろう付けなどの加熱接合により残留応力が生じる
が、この残留応力を低減させ、セラミックの割れを防ぐ
ことができるようになる。
において、アルミニウムを主成分とする軟質中間層とし
ては、JIS規格の1000系の純アルミニウム、3000系のAl
−Mn系合金、5000系のAl−Mg系合金等の非熱処理型アル
ミニウム合金を挙げることができ、特に5000系のAl−Mg
系合金は純アルミニウムや3000系のAl−Mn系合金に比べ
て強度が高いので、ホーン本体とセラミック工具との接
合部が高応力を受ける部位となる場合に有利に用いられ
得る。ただし軟質中間層の硬さが硬すぎる場合には、逆
に接合強度を低下させるため、ビッカース硬度(Hv)70以
下が好ましい。またこの中間層の厚さは、あまり厚くな
るとホーンとして使用中にそれ自体が降伏又は座屈する
恐れがあるので、１〜0.1mm程度の範囲に選ぶのが好ま
しい。このように構成した超音波ホーンにおいては、セ
ラミック材料はアルミニウム合金に比べて熱膨張係数が
小さくろう付けなどの加熱接合により残留応力が生じる
が、この残留応力を低減させ、セラミックの割れを防ぐ
ことができるようになる。
【０００９】
【実施例】以下添附図面を参照して本発明の実施例につ
いて説明する。図１には本発明の一実施例を示し、図示
ホーンは、中間部から先端部へ向かって細く形成された
円柱状のホーン本体１と、ホーン本体１の細い先端面1a
にろう付けされ、先端部に帯状の加工面2aが形成された
断面略Ｔ字形のセラミック工具２とから成っている。円
柱状のホーン本体１はJISA2024（Al-Cu系）アルミニウ
ム合金で構成され、セラミック工具２はジルコニア（Zr
O2にAl2O3、Y2O3を添加）の表面にTi、Mo、Niを順次蒸
着してメタライズ層を形成したものであり、これをホー
ン本体１の先端面1aとの間にAl-Cu-Si系のろう材３を介
在させて550℃で２時間窒素ガス雰囲気中でろう付けし
た後、所望の強度を得るため480℃に保持した後水冷し
て室温時効50時間経過後図示した形状に仕上げ、セラミ
ック工具２の先端面2aは加工用に横幅10mm×縦幅１mmの
帯状にされている。また円柱状のホーン本体１の基端部
すなわち太端部には鎖線で示す超音波振動子Ｖが取付け
られる。
いて説明する。図１には本発明の一実施例を示し、図示
ホーンは、中間部から先端部へ向かって細く形成された
円柱状のホーン本体１と、ホーン本体１の細い先端面1a
にろう付けされ、先端部に帯状の加工面2aが形成された
断面略Ｔ字形のセラミック工具２とから成っている。円
柱状のホーン本体１はJISA2024（Al-Cu系）アルミニウ
ム合金で構成され、セラミック工具２はジルコニア（Zr
O2にAl2O3、Y2O3を添加）の表面にTi、Mo、Niを順次蒸
着してメタライズ層を形成したものであり、これをホー
ン本体１の先端面1aとの間にAl-Cu-Si系のろう材３を介
在させて550℃で２時間窒素ガス雰囲気中でろう付けし
た後、所望の強度を得るため480℃に保持した後水冷し
て室温時効50時間経過後図示した形状に仕上げ、セラミ
ック工具２の先端面2aは加工用に横幅10mm×縦幅１mmの
帯状にされている。また円柱状のホーン本体１の基端部
すなわち太端部には鎖線で示す超音波振動子Ｖが取付け
られる。
【００１０】このようにして構成した図１の超音波ホー
ンを用いて、励振周波数28.8kHz、入力100Wの超音波で
ナイロン繊維の切断を連続100時間実施したところ、セ
ラミック工具２の磨耗及び共振点の変位は全く認められ
なかった。またこの時のホーン本体１を構成しているJI
SA2024アルミニウム合金の硬度はビッカース硬度(Hv)12
2であった。比較例として図１に示す形状と同一のもの
をJISA2024アルミニウム合金だけで作成し、連続100時
間ナイロン繊維の切断を実施したところ、先端が120μm
磨耗した。
ンを用いて、励振周波数28.8kHz、入力100Wの超音波で
ナイロン繊維の切断を連続100時間実施したところ、セ
ラミック工具２の磨耗及び共振点の変位は全く認められ
なかった。またこの時のホーン本体１を構成しているJI
SA2024アルミニウム合金の硬度はビッカース硬度(Hv)12
2であった。比較例として図１に示す形状と同一のもの
をJISA2024アルミニウム合金だけで作成し、連続100時
間ナイロン繊維の切断を実施したところ、先端が120μm
磨耗した。
【００１１】図２には本発明の別の実施例を示し、この
場合にはJISA2024（Al-Cu系）アルミニウム合金製のホ
ーン本体１と直径８mmφ×厚さ５mmの円筒状よりなるセ
ラミック工具２´との間に非熱処理型アルミニウム合金
（例えばJISA5052、A1050）の中間層４が挿置されてお
り、この中間層４は、ホーン本体１とセラミック工具２
´とをろう材３でろう付けする際に生じ得る残留応力を
低減させる働きをなし、そして使用中に中間層４自体が
降伏して変形したり破断するのを避けるため1.5mm以下
数種の厚みに形成したものを用いた。
場合にはJISA2024（Al-Cu系）アルミニウム合金製のホ
ーン本体１と直径８mmφ×厚さ５mmの円筒状よりなるセ
ラミック工具２´との間に非熱処理型アルミニウム合金
（例えばJISA5052、A1050）の中間層４が挿置されてお
り、この中間層４は、ホーン本体１とセラミック工具２
´とをろう材３でろう付けする際に生じ得る残留応力を
低減させる働きをなし、そして使用中に中間層４自体が
降伏して変形したり破断するのを避けるため1.5mm以下
数種の厚みに形成したものを用いた。
【００１２】図３には図２に示す実施例の変形例が示さ
れ、アルミニウム合金製のホーン本体１と円柱状よりな
るセラミック工具２´との間に三つの非熱処理型アルミ
ニウム合金（例えばJISA5052、A1050）の中間層４、
５、６が挿置されている。この場合もろう材３でろう付
けした後、アルミニウム合金部材の強度を得るために、
480℃に保持した後水冷して室温時効50時間経過後図示
した形状に仕上げた。このようにして構成した図３の超
音波ホーンを、励振周波数28.8kHz、出力100W容量の超
音波振動試験装置に取り付け、先端振幅100μmにて100
時間稼働したところ、セラミック及び接合部に異常は認
められなかった。なお図３に示す構成では中間層は三つ
設けられているが、代りに中間層の数を二つまたは三つ
以上にすることもできる。
れ、アルミニウム合金製のホーン本体１と円柱状よりな
るセラミック工具２´との間に三つの非熱処理型アルミ
ニウム合金（例えばJISA5052、A1050）の中間層４、
５、６が挿置されている。この場合もろう材３でろう付
けした後、アルミニウム合金部材の強度を得るために、
480℃に保持した後水冷して室温時効50時間経過後図示
した形状に仕上げた。このようにして構成した図３の超
音波ホーンを、励振周波数28.8kHz、出力100W容量の超
音波振動試験装置に取り付け、先端振幅100μmにて100
時間稼働したところ、セラミック及び接合部に異常は認
められなかった。なお図３に示す構成では中間層は三つ
設けられているが、代りに中間層の数を二つまたは三つ
以上にすることもできる。
【００１３】表１は、図１、図２及び図３に示すホーン
のセラミック工具２、２´に用いたセラミック材料の例
を示す。なお、表１中の四点曲げ強度はJISR1601に規程
される試験方法に従って測定した。四点曲げ強度は室温
での値であり、また熱膨脹係数は室温から800℃まで上
げたときの値である。 表 １ セラミック 組 成 添加物 四点曲げ強度 熱膨脹係数 素 材 (MPa) (×10-6/℃) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ジルコニア ZrO2 Al2O3、Y2O3 600 9.5 アルミナ Al2O3 SiO2、CaO、MgO 500 7.9 窒化珪素 Si3N4 Al2O3、Y2O3 900 2.8
のセラミック工具２、２´に用いたセラミック材料の例
を示す。なお、表１中の四点曲げ強度はJISR1601に規程
される試験方法に従って測定した。四点曲げ強度は室温
での値であり、また熱膨脹係数は室温から800℃まで上
げたときの値である。 表 １ セラミック 組 成 添加物 四点曲げ強度 熱膨脹係数 素 材 (MPa) (×10-6/℃) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− ジルコニア ZrO2 Al2O3、Y2O3 600 9.5 アルミナ Al2O3 SiO2、CaO、MgO 500 7.9 窒化珪素 Si3N4 Al2O3、Y2O3 900 2.8
【００１４】以下、図１、図２及び図３に示す本発明の
実施例による超音波ホーンの特性を試験するため、表１
のセラミック材料を用意し、図１、図２及び図３に示す
構造のホーンを作製し、図４に示すようにホーン本体に
超音波振動子Ｖの取付用のねじ加工７を施し、そして各
ホーンの共振点が28KHzとなるように基端側の端面を８
で示すように削り、12個の試験用超音波ホーンNo.１〜N
o.12を用意した。なお、各試験用超音波ホーンには各々
ホーン本体の硬度がHV100以上となるようにろう付け後
に時効処理を施してある。比較のためホーン本体を硬度
HV100以下のアルミニウム合金で構成したものNo.13、N
o.14も用意した。なお表２において中間層における１
層、２層、３層はセラミック工具側からの数えたそれぞ
れの層に相応している。こうして用意した超音波ホーン
の各々を励振周波数28.8KHz、出力100W容量の超音波振
動試験装置に取付け、ホーンに異常が発生するまで入力
を上昇させていたところ、表２に示すような結果が得ら
れた。
実施例による超音波ホーンの特性を試験するため、表１
のセラミック材料を用意し、図１、図２及び図３に示す
構造のホーンを作製し、図４に示すようにホーン本体に
超音波振動子Ｖの取付用のねじ加工７を施し、そして各
ホーンの共振点が28KHzとなるように基端側の端面を８
で示すように削り、12個の試験用超音波ホーンNo.１〜N
o.12を用意した。なお、各試験用超音波ホーンには各々
ホーン本体の硬度がHV100以上となるようにろう付け後
に時効処理を施してある。比較のためホーン本体を硬度
HV100以下のアルミニウム合金で構成したものNo.13、N
o.14も用意した。なお表２において中間層における１
層、２層、３層はセラミック工具側からの数えたそれぞ
れの層に相応している。こうして用意した超音波ホーン
の各々を励振周波数28.8KHz、出力100W容量の超音波振
動試験装置に取付け、ホーンに異常が発生するまで入力
を上昇させていたところ、表２に示すような結果が得ら
れた。
【００１５】
【００１６】この表２から認められるようにホーン本体
の硬度がHV100以下のものNo.13、No.14ではホーン本体
に60μm以下の振幅でクラックの発生が認められた。こ
れに対してホーン本体の硬度がHV100以上のNo.１〜No.1
2のものでは65μm以上の高振 幅で長時間加振してもホ
ーン本体にクラックの発生は認められなかった。またN
o.５とNo.７とを比較すると、中間層４を設けたものは
設けないものに比べてホーン本体とセラミック工具との
接合部の振動強度が向上することが認められる。さらに
中間層を設けたものにおいてはその厚さが1.0mm以下の
場合には更に好ましい結果が得られることも認められ
る。さらにまた、セラミック工具に用いる材料としては
四点曲げ強度が600MPa以上及び熱膨張係数が７×10-6／
℃以上といずれも所望値より大きいジルコニアが試験例
中では最も好ましいことが認められる。
の硬度がHV100以下のものNo.13、No.14ではホーン本体
に60μm以下の振幅でクラックの発生が認められた。こ
れに対してホーン本体の硬度がHV100以上のNo.１〜No.1
2のものでは65μm以上の高振 幅で長時間加振してもホ
ーン本体にクラックの発生は認められなかった。またN
o.５とNo.７とを比較すると、中間層４を設けたものは
設けないものに比べてホーン本体とセラミック工具との
接合部の振動強度が向上することが認められる。さらに
中間層を設けたものにおいてはその厚さが1.0mm以下の
場合には更に好ましい結果が得られることも認められ
る。さらにまた、セラミック工具に用いる材料としては
四点曲げ強度が600MPa以上及び熱膨張係数が７×10-6／
℃以上といずれも所望値より大きいジルコニアが試験例
中では最も好ましいことが認められる。
【００１７】ところで図示実施例では、ホーン本体は中
間部から先端部へ向かって細く形成された円柱状をなし
ているステップ形であるが、代りにコニカル形、エキス
ポネンシャル形など使用目的に応じて任意の形状に構成
することができる。
間部から先端部へ向かって細く形成された円柱状をなし
ているステップ形であるが、代りにコニカル形、エキス
ポネンシャル形など使用目的に応じて任意の形状に構成
することができる。
【００１８】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、ホーン本体の材質として熱処理型アルミニウム合金
を使用すると共にそのビッカース硬度(Hv)が100以上と
なるように構成したことにより、比較的小さな電源でも
加振することができるだけでなく、高振幅で励振しても
ホーンの破損をさけることができるようになり、そのた
めホーンに高負荷を掛けることができるようになり、超
音波加工の効率を大幅に向上させることができると共に
長期間安定して使用できるようになる。またホーン本体
とセラミック工具との間に非熱処理型アルミニウム合金
の中間層を介在させたことにより、セラミック工具をホ
ーン本体に接合する際に生じる残留応力を低減させるこ
とができ、それによりセラミック工具の割れをさけるこ
とができるようになる。
ば、ホーン本体の材質として熱処理型アルミニウム合金
を使用すると共にそのビッカース硬度(Hv)が100以上と
なるように構成したことにより、比較的小さな電源でも
加振することができるだけでなく、高振幅で励振しても
ホーンの破損をさけることができるようになり、そのた
めホーンに高負荷を掛けることができるようになり、超
音波加工の効率を大幅に向上させることができると共に
長期間安定して使用できるようになる。またホーン本体
とセラミック工具との間に非熱処理型アルミニウム合金
の中間層を介在させたことにより、セラミック工具をホ
ーン本体に接合する際に生じる残留応力を低減させるこ
とができ、それによりセラミック工具の割れをさけるこ
とができるようになる。
【図１】 本発明の一実施例による超音波ホーンを示
し、(A)は部分断面図、(B)はホーン先端側から見た図。
し、(A)は部分断面図、(B)はホーン先端側から見た図。
【図２】 本発明の別の実施例による超音波ホーンを示
し、(A)は部分断面図、(B)はホーン先端側から見た図。
し、(A)は部分断面図、(B)はホーン先端側から見た図。
【図３】 図２に示す超音波ホーンの変形実施例を示す
部分断面図。
部分断面図。
【図４】 図１に示す実施例に従って構成した試験用超
音波ホーンの部分断面図。
音波ホーンの部分断面図。
１：円柱状のホーン本体 1a：先端面 ２：セラミック工具 ３：ろう材 ４：非熱処理型アルミニウム合金の中間層 ５：非熱処理型アルミニウム合金の中間層 ６：非熱処理型アルミニウム合金の中間層 Ｖ：超音波振動子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｃ 65/08 7639−4Ｆ Ｂ２９Ｃ 65/08
Claims (6)
- 【請求項１】 一端部を太く、他端部を細く形成し、こ
の細端部にセラミック工具の取付けられるホーン本体が
熱処理型アルミニウム合金から成ることを特徴とする超
音波ホーン。 - 【請求項２】 ホーン本体の細端部に取付けられるセラ
ミック工具が600MPa以上の四点曲げ強度及び７×10-6／
℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一方をもつセラ
ミック材料から成る請求項１に記載の超音波ホーン。 - 【請求項３】 ホーン本体を構成している熱処理型アル
ミニウム合金のビッカース硬度(Hv)が100以上である請
求項１又は２に記載の超音波ホーン。 - 【請求項４】 一端部を太く、他端部を細く形成し、こ
の細端部にセラミック工具の取付けられるホーン本体
を、熱処理型アルミニウム合金で構成すると共に、ホー
ン本体とセラミック工具との間に少くとも一層のアルミ
ニウムを主成分とする軟質中間層を介在させたことを特
徴とする超音波ホーン。 - 【請求項５】 ホーン本体の細端部に取付けられるセラ
ミック工具が600MPa以上の四点曲げ強度及び７×10-6／
℃以上の熱膨脹係数の両方又はいずれか一方をもつセラ
ミック材料から成る請求項４に記載の超音波ホーン。 - 【請求項６】 ホーン本体を構成している熱処理型アル
ミニウム合金のビッカース硬度(Hv)が100以上である請
求項４又は５に記載の超音波ホーン。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8010941A JPH091065A (ja) | 1995-04-19 | 1996-01-25 | 超音波ホーン |
| US08/631,898 US5820011A (en) | 1995-04-19 | 1996-04-16 | Ultrasonic tool horn |
| DE19615681A DE19615681C2 (de) | 1995-04-19 | 1996-04-19 | Ultraschallwerkzeug-Horn |
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9402695 | 1995-04-19 | ||
| JP7-94026 | 1995-04-19 | ||
| JP8010941A JPH091065A (ja) | 1995-04-19 | 1996-01-25 | 超音波ホーン |
| US08/631,898 US5820011A (en) | 1995-04-19 | 1996-04-16 | Ultrasonic tool horn |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH091065A true JPH091065A (ja) | 1997-01-07 |
Family
ID=27279179
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8010941A Pending JPH091065A (ja) | 1995-04-19 | 1996-01-25 | 超音波ホーン |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5820011A (ja) |
| JP (1) | JPH091065A (ja) |
| DE (1) | DE19615681C2 (ja) |
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1996
- 1996-01-25 JP JP8010941A patent/JPH091065A/ja active Pending
- 1996-04-16 US US08/631,898 patent/US5820011A/en not_active Expired - Fee Related
- 1996-04-19 DE DE19615681A patent/DE19615681C2/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040106 |