JPH11169791A - 超音波ホーン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 セラミックチップの形状を検討して、摩耗性
だけでなく、破損等の発生を防止できる超音波ホーンを
提供すること。 【解決手段】 セラミックチップ３の加工部３ｂの先端
に設けられた作業面３ｃには、ローレット加工が施して
ある。このローレット加工とは、複数の溝３ｄを直交さ
せてメッシュ状にしたものであり、断面三角形状の溝３
ｄのピッチは０．２ｍｍ、深さは０．１ｍｍ、外側に開
く角度（溝角度）は９０度である。また、セラミックチ
ップ３の作業面３ｃの周囲には、０．１ｍｍの面取りが
施されている。更に、溝３ｄの底部には、半径０．１５
ｍｍのＲ加工が施してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
拌機などに用いられる超音波ホーンに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、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
知られている。更に、近年では、ホーンの先端部の耐摩
耗性を向上させるために、ホーンの先端部に超硬合金か
らなる硬質部材を接合したもの（特表平２−５０４４８
７号公報参照）が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、これとは別に、
硬質部材として、超硬合金ではなく耐摩耗性に優れたセ
ラミックチップを使用することが考えられるが、セラミ
ックチップは一般に脆いため、例えば溶接に用いる場合
などに、チッピングなどの破損が生じることが考えられ
る。

【０００４】本発明は上記の問題点を鑑みて提案された
もので、セラミックチップの形状を検討して、摩耗性だ
けでなく、破損等の発生を防止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】前記目的を達成するため
の請求項１の発明は、金属からなる基体の先端部に、超
音波による作業を行なうセラミックチップを取り付けた
超音波ホーンにおいて、セラミックチップの作業面に、
溝が形成してあることを特徴とする超音波ホーンを要旨
とする。

【０００６】本発明では、セラミックチップの作業面
（例えば溶接の場合には被加工部材に直接に接する面）
に、溝が形成してあるので、被加工部材をしっかりと保
持して振動させることができる。これによって、加工性
が向上するので、例えば強固な溶接などの優れた作業を
行うことが可能となる。

【０００７】・前記セラミックチップの取り付け位置と
しては、基体の先端部の側面側又は先端面側が挙げられ
る。特に基体の側面にセラミックチップを取り付ける場
合には、ホーンの縦方向の振動を効率よく被加工物に付
与できるという利点がある。 ・作業面に形成する溝としては、例えばメッシュ状の様
に、ある程度数が多い方が、被加工部材を保持して振動
させる能力が高いので、好適である。例えば溝として
は、いわゆるローレット加工により形成された交差する
溝が挙げられる。

【０００８】・また、超音波ホーン全体の形状として
は、その基端部を太くし、先端部を細くしたものを採用
できる。また、この形状とは別に、基端部と先端部との
材質を違えることによって、所望の振動特性を得られる
ようにしてもよい。 ・更に、超音波ホーンの先端部の形状としては、円柱
形、角柱形等を採用でき、先端部の側面又は先端面にセ
ラミックチップを取り付けることができる形状であれ
ば、特に限定はない。

【０００９】・セラミックチップを基体の先端部に取り
付ける方法としては、ろう材により、先端部の側面や先
端面にセラミックチップを接合するろう付けや、セラミ
ックチップを基体の先端部の側面や先端面に設けた嵌合
孔に嵌合させて応力によって結合する方法、例えば圧
入、焼き嵌め、冷し嵌めなどを採用できる。

【００１０】請求項２の発明は、前記溝の開く角度が３
０度以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音
波ホーンを要旨とする。本発明では、溝の開く角度が３
０度以上であるので、溝と溝との間の凸部がチッピング
し難いので好適である。

【００１１】請求項３の発明は、溝の開く角度が６０度
以上であることを特徴とする前記請求項２に記載の超音
波ホーンを要旨とする。本発明では、溝の開く角度が６
０度以上であるので、溝と溝との間の凸部が一層チッピ
ングし難いので好適である。

【００１２】請求項４の発明は、溝の底部に、曲率半径
０．０５ｍｍ以上のスミの丸ミが形成されていることを
特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホー
ンを要旨とする。本発明では、溝の底部が滑めらかな曲
線となるように、曲率半径０．０５ｍｍ以上のスミの丸
ミが形成してある。それによって、溝の底部から割れが
発生しにくくなり、溝と溝との間の凸部がチッピングし
難いので好適である。

【００１３】請求項５の発明は、溝の底部に、曲率半径
０．１ｍｍ以上のスミの丸ミが形成されていることを特
徴とする請求項４に記載の超音波ホーンを要旨とする。
本発明では、溝の底部が滑めらかな曲線となるように、
曲率半径０．１ｍｍ以上のスミの丸ミが形成してある。
それによって、溝の底部から割れが発生しにくくなり、
溝と溝との間の凸部が一層チッピングし難いので好適で
ある。

【００１４】請求項６の発明は、セラミックチップの作
業面における外周部に、面取りの深さが０．１ｍｍ以上
の面取りが形成されていることを特徴とする請求項１〜
５のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。

【００１５】本発明では、セラミックチップの作業面に
おける外周部に、面取りの深さが０．１ｍｍ以上の面取
り加工が施してある。そのため、セラミックチップの作
業面の外周部がチッピングし難いので好適である。ここ
で、面取りの深さとは、例えば図６（ｂ）にセラミック
チップの断面を示す様に、４５度の面取り角度でＣ面取
りを行なう場合には、図の縦（及び横）方向の面取り部
分の寸法を示す。また、図６（ｃ）に示す様に、面取り
の角度が４５度からずれている場合（例えば３０度の場
合）には、面取り部分の長い方（図では縦方向）の寸法
を示す。

【００１６】尚、セラミックチップの作業面にローレッ
ト加工等により溝が面取り部分に及ぶ場合、本発明の面
取りの深さは測定可能な範囲で測定した最大値とする。
請求項７の発明は、前記セラミックチップの作業面にお
ける外周部に、曲率半径０．１ｍｍ以上のカドの丸ミが
形成されていることを特徴とする前記請求項１〜５のい
ずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。

【００１７】本発明では、セラミックチップの作業面に
おける外周部に、図６（ｄ）に示す様に、曲率半径０．
１ｍｍ以上のカドの丸ミ（いわゆるＲ面取り）が形成し
てある。そのため、セラミックチップの作業面の外周部
がチッピングし難いので好適である。

【００１８】請求項８の発明は、セラミックチップが、
主として窒化珪素からなることを特徴とする請求項１〜
７のいずれかに記載の超音波ホーンを要旨とする。この
窒化珪素を主成分とする硬質部材は、耐熱性、耐摩耗
性、優れた靱性を備えているので、好ましいものであ
る。

【００１９】尚、前記セラミックチップの材料として
は、前記窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）以外に、例えば、アルミ
ナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素
（ＳｉＣ）、サイアロン（Ｓｉａｌｏｎ）、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）などの周知のセ
ラミック材料が使用可能である。

【００２０】尚、前記カドの丸ミ、スミの丸ミ、面取り
深さの表現は、ＪＩＳ Ｂ０７０１の表現を用いた。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の超音波ホーンの実施の形
態の例（実施例）について、図面に基づいて説明する。 （実施例１）本実施例の超音波ホーンは、ホーン本体
（基体）の先端部の側面に、圧入によりセラミックチッ
プを結合したものである。

【００２２】ａ）まず、本実施例の超音波ホーンの構成
について説明する。図１に示す様に、本実施例の超音波
ホーンは、中間部分から先端に向かって細く形成された
円柱状の基体１と、基体１の細い先端部２に取り付けら
れた硬質部材であるセラミックチップ３とから構成され
ている。

【００２３】前記基体１は、ＪＩＳ ＳＮＣＭ６３０の
鋼からなり、セラミックチップ３は、窒化珪素を主成分
とする材料からなる。尚、セラミックチップ３の材料
は、主成分の窒化珪素９０重量％に、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ
₂Ｏ₃、ＴｉＮが適量添加された材料である。

【００２４】このうち、基体１は、図示しない超音波振
動子が取り付けられる断面円形の基端部（直径２０ｍｍ
×長さ３０ｍｍ）４と、基端部４から徐々に径が小さく
なる断面円形の中間部（直径２０〜１５ｍｍ×長さ２０
ｍｍ）６と、セラミックチップ３が取り付けられている
先端部（直径１２．５ｍｍ×長さ１５ｍｍ）２とからな
る。この基体１は、全体が焼き入れされて、その硬度
は、ロックウエル硬度（ＨＲＣ）４８となっている。

【００２５】尚、基端部４の軸中心には、その端面側４
ａに開口する第１孔７ａが設けられ、そ側面４ｂには、
等間隔に第２孔〜第４孔７ｃ〜ｅが設けられている。ま
た、前記先端部２には、図１の上下方向の側面がカット
されて、平面状とされた側面１１，１２が形成されてい
る。このうち、一方の側面（嵌合面）１１には、図２に
基体１のみを示す様に、セラミックチップ３が嵌合され
る嵌合孔（直径４．９８ｍｍ×深さ５ｍｍ）１３が、基
体１の軸と直交する様に設けられている。

【００２６】一方、図１に示す様に、セラミックチップ
３は、軸方向の長さが８．２５ｍｍの断面円形の部材で
あり、先端部２の嵌合面１１からは、３．２５ｍｍの高
さに突出している。このセラミックチップ３では、図３
（ａ）に示す様に、嵌合孔１３に嵌合される嵌合部３ａ
の径（直径５ｍｍ）は、嵌合面１１から突出する加工部
３ｂの径（直径３．５ｍｍ）よりも大きくされている。
また、セラミックチップ３の圧入側の底面３ｅの周囲に
は、半径１ｍｍのＲ加工が施してある。

【００２７】尚、本実施例では、嵌合孔１３に対してセ
ラミックチップ３の嵌合部３ａを圧入するので、嵌合部
３ａの直径は、嵌合孔１３の直径よりわずかに大きく、
例えば０．０１〜０．０２ｍｍ大きく設定されている。
特に、本実施例では、図３（ｂ），（ｃ）に示す様に、
セラミックチップ３の加工部３ｂの先端に設けられた作
業面３ｃには、ローレット加工が施してある。このロー
レット加工とは、複数の溝３ｄを直交させてメッシュ状
にしたものであり、断面三角形状の溝３ｄのピッチは
０．２ｍｍ、深さは０．１ｍｍ、外側に開く角度（溝角
度）は９０度である。更に、図３（ａ）に示す様に、セ
ラミックチップ３の作業面３ｃの周囲には、０．１ｍｍ
の面取り深さのＣ面取り（面取り角度４５度）が施され
ている。

【００２８】また、図３（ｄ）に拡大して示す様に、溝
３ｄの底部には、半径０．１５ｍｍのＲ加工が施してあ
り、更に、隣合う溝３ｄに挟まれた断面三角形状の凸部
（壁部）３ｆの頂部は、僅かに平坦となっている。ｂ）
次に、本実施例の超音波ホーンの製造方法について説明
する。

【００２９】まず、基体１となる鋼の棒材（図示せず）
に対し、金属切削用のバイト及び旋盤を使用して、基端
部４から先端部２までを切削加工した。それとともに、
先端部２の両側面を平面状に切削して、嵌合面１１及び
その反対側の側面１２を形成した。

【００３０】次に、先端部２の平面状の嵌合面１１に、
ドリルで穴を開けて嵌合孔１３などを形成した。これに
より、前記図２に示す形状の基体１を完成した。また、
これとは別のセラミックチップ３の製造工程にて、例え
ば粉末の窒化珪素等の材料を、成形した後に焼結して、
セラミックチップ３を製造した。

【００３１】そして、このセラミックチップ３に対し
て、その底面３ｅの周囲にＲ加工を施して、周囲を丸く
した。また、セラミックチップ３の作業面３ｃの外周に
面取りを施した。更に、作業面３ｃに対して、ダイヤモ
ンド砥石により複数の溝３ｄを形成することによりロー
レット加工を施した。尚、このローレット加工により、
同時に溝３ｄの底部のＲ加工がなされた。

【００３２】次に、セラミックチップ３の外周部分及び
基体１の嵌合孔１３の内側に、滑剤としてステアリン酸
のエマルジョンを塗布し、セラミックチップ３の嵌合部
３ａを基体１の嵌合孔１３内に圧入した。その後、３５
０℃に加熱して滑剤を飛ばした。

【００３３】これにより、セラミックチップ材３は基体
１と機械的な応力によって結合され、図１に示す超音波
ホーンを完成した。ｃ）次に、超音波ホーンのチッピン
グ（カケ等の破損）に関する実験例について説明する。

【００３４】本実施例の超音波ホーンの完成品を、超
音波溶接機に取り付け、厚さ０．５ｍｍ×幅１０ｍｍ×
長さ５０ｍｍの銅板同士を溶接した。溶接条件は、先端
の振幅を２５μｍ、荷重１００ｋｇ、荷重負荷時間１
秒、超音波印加時間０．５秒、超音波周波数４０ｋＨｚ
とした。

【００３５】この溶接により、銅板同士は強固に接合さ
れた。そして、この接合を行った超音波ホーンのセラミ
ックチップ３を調べたところ、カケなどの不具合は認め
られなかった。 更に、超音波ホーンの耐チッピング性を調べるため
に、本実施例と同様な超音波ホーンのうち、セラミック
チップの形状を代えた試料No.１〜１１を作成し、同様
な溶接を１００回繰り返した。その結果、下記表１に示
す。

【００３６】また、比較例として、本発明の範囲外の試
料No.１２〜１３を作成し、同様な実験を行った。その
結果を、同じく下記表１に記す。ａ

【００３７】

【表１】

【００３８】尚、ここで、カケとは、ローレット加工に
よりできたセラミック凸部のカケを示し、外周カケと
は、上記凸部のうちセラミック外周部と隣接している部
分のカケを示す。この表１から明かな様に、本実施例の
超音波ホーンの試料No.１〜１１では、銅板同士が強固
に接合され、溶接性に優れているだけでなく、カケの発
生がそれほど多くなく好適である。それに対して比較例
の試料No.１２，１３では、溶接性が悪いという問題が
あり、好ましくない。

【００３９】特に、溝角度が３０度以上の範囲の例えば
試料No.１〜４では、カケの発生が２箇所以下と好適で
あり、更に、溝角度が６０度以上の範囲の試料No.１．
２では、カケの発生がなく、一層好適である。また、溝
の底部のＲが０．０５ｍｍ以上の範囲の例えば試料No.
２，６，７では、カケの発生が１箇所以下と好適であ
り、更に、溝の底部のＲが０．１ｍｍ以上の範囲の試料
No.２，６では、カケの発生がなく、一層好適である。

【００４０】更に、作業面の面取りが０．１ｍｍ度以上
の範囲の例えば試料No.２，９では、カケの発生が１箇
所以下と好適である。この様に、本実施例の超音波ホー
ンでは、基体１の先端部２の側面に設けられた嵌合孔１
３に、セラミックチップ３が圧入されて結合されてお
り、そのセラミックチップ３の作業面３ｃには、ローレ
ット加工によって多数の溝３ｄが形成されるとともに、
その底部はＲ状となっている。また、作業面３ｃの外周
には面取り加工が施されている。

【００４１】そのため、例えば溶接の作業を行う場合に
は、強固な溶接を行うことができるとともに、セラミッ
クチップ３にカケなどの損傷が生じることが少なく、耐
久性に優れている。また、セラミックチップ３が、主と
して窒化珪素からなるので、耐熱性、耐摩耗性、優れた
靱性を備えている。 （実施例２）次に、実施例２について説明するが、前記
実施例１と同様な箇所の説明は省略又は簡略化する。

【００４２】本実施例の超音波ホーンは、基体の先端部
の側面に、ろう付けによりセラミックチップを接合した
ものである。 ａ）まず、本実施例の超音波ホーンの構成について説明
する。図４に示す様に、本実施例の超音波ホーンでは、
基体２１は、ＪＩＳ ＳＮＣＭ６３０からなり、その構
造及び寸法は、前記実施例１とほぼ同様である。

【００４３】本実施例では、先端部２２の側面には、セ
ラミックチップ２３をろう付けするために、平面状の基
体側接合面２４が形成されているが、この基体側接合面
２４には、嵌合孔が形成されていない。一方、セラミッ
クチップ２３は、前記実施例１と同じく、窒化珪素を主
成分とするものであるが、その形状が多少異なる。

【００４４】つまり、図５に示す様に、セラミックチッ
プ２３は、高さ３．２５ｍｍの断面円形の部材であり、
その基台２３ａの底面、即ち基体側接合面２４に接合さ
れるチップ側接合面２３ｂの径（直径５ｍｍ）は、セラ
ミックチップ２３の先端側の加工部２３ｃの径（直径
３．５ｍｍ）よりも大きくされている。

【００４５】また、セラミックチップ２３の加工部２３
ｃの先端の作業面２３ｄには、前記実施例１と同様に、
ローレット加工により多数の溝２３ｅが形成され、作業
面２３ｄの外周には面取りが施されている。 ｂ）次に、本実施例の超音波ホーンの製造方法について
説明するが、ここでは、ろう付け方法について説明す
る。

【００４６】セラミックチップ２３のチップ側接合面２
３ｂに、真空蒸着により、セラミック側から順に、厚さ
０．２μｍのチタン、厚さ０．２μｍのモリブデン、厚
さ２μｍの銅の膜を形成した。次に、Ａｇ７２重量％、
Ｃｕ２８重量％からなり、厚さ０．０３ｍｍ×直径５ｍ
ｍの寸法のろう材（図示せず）を準備し、このろう材
を、基体側接合面２４とチップ側接合面２３ｂとの間に
挟み、アルゴン中で８３０℃に加熱して、ろう付けを行
った。

【００４７】その他の製造手順は、前記実施例１とほぼ
同様にして、本実施例の超音波ホーンを完成した。尚、
セラミックチップ２３に対するローレット加工及び面取
りは、ろう付前に行っておくのが好適である。この様に
して製造された本実施例の超音波ホーンにおいても、前
記実施例１と同様な効果を奏する。

【００４８】尚、本発明は前記実施例になんら限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で各
種の態様で実施できるのは勿論である。 （１）例えば前記実施例１，２では、同じ金属で基体を
作成したが、必要な機能を発揮する限りでは、異なる金
属を結合（又は接合）させて基体を作成してもよい。

【００４９】（２）また、セラミックチップの作業面の
溝は、前記ローレット加工による直交した溝でなくと
も、各種の寸法、数、交差角度などを採用でき、また、
必ずしも交差していなくともよい。 （３）前記ローレット加工としては、カゴ目ローレット
やアヤ目ローレット等を採用できる。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１の発明で
は、セラミックチップの作業面に、溝が形成してあるの
で、被加工部材をしっかりと保持して振動させることが
できる。これによって、加工性が向上するので、例えば
強固な溶接を行うことができる。

【００５１】請求項２の発明では、溝の開く角度が３０
度以上であるので、溝と溝との間の凸部がチッピングし
難いので好適である。請求項３の発明では、溝の開く角
度が６０度以上であるので、溝と溝との間の凸部が一層
チッピングし難いので好適である。

【００５２】請求項４の発明では、溝の底部に、曲率半
径０．０５ｍｍ以上のスミの丸ミが形成してあるので、
溝と溝との間の凸部がチッピングし難いので好適であ
る。請求項５の発明では、溝の底部に、曲率半径０．１
ｍｍ以上のスミの丸ミが形成してあるので、溝と溝との
間の凸部が一層チッピングし難いので好適である。

【００５３】請求項６の発明では、セラミックチップの
作業面における外周部に、面取りの深さが０．１ｍｍ以
上の面取りが形成してあるので、セラミックチップの作
業面の外周部がチッピングし難いので好適である。請求
項７の発明では、セラミックチップの作業面における外
周部に、曲率半径０．１ｍｍ以上のカドの丸ミが形成し
てあるので、セラミックチップの作業面の外周部がチッ
ピングし難いので好適である。

【００５４】請求項８の発明では、セラミックチップ
が、主として窒化珪素からなるので、優れた耐熱性、耐
摩耗性、靱性を備えている。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例１の超音波ホーンを示し、（ａ）はそ
の一部を破断して示す正面図、（ｂ）はその側面図であ
る。

【図２】 実施例１の超音波ホーンの基体を示し、
（ａ）はその一部を破断して示す正面図、（ｂ）はその
側面図である。

【図３】 実施例１の超音波ホーンのセラミックチップ
を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は嵌合した状態を
上面から示す説明図、（ｃ）は先端面の凹凸を拡大して
示す説明図、（ｄ）は先端面の溝及び壁部を更に拡大し
て示す説明図である。

【図４】 実施例２の超音波ホーンを示し、（ａ）はそ
の一部を破断して示す正面図、（ｂ）はその側面図であ
る。

【図５】 実施例２の超音波ホーンのセラミックチップ
を示し、（ａ）はその正面図、（ｂ）は接合した状態を
上面から示す説明図である。

【図６】 セラミックチップを示し、（ａ）はセラミッ
クチップの斜視図、（ｂ）はＣ面取りを示す説明図、
（ｃ）は３０度の面取りを示す説明図、（ｄ）はカドの
丸ミを示す説明図である。

【符号の説明】

１，２１…基体（ホーン本体） ２，２２…先端部 ３，２３…セラミックチップ ３ｃ，２３ｄ…作業面 ３ｄ，２３ｅ…溝 １１…嵌合面 ２４…基体側接合面 ２３ｂ…チップ側接合面

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属からなる基体の先端部に、超音波に
   よる作業を行なうセラミックチップを取り付けた超音波
   ホーンにおいて、 前記セラミックチップの作業面に、溝が形成してあるこ
   とを特徴とする超音波ホーン。
2. 【請求項２】 前記溝の開く角度が３０度以上であるこ
   とを特徴とする前記請求項１に記載の超音波ホーン。
3. 【請求項３】 前記溝の開く角度が６０度以上であるこ
   とを特徴とする前記請求項２に記載の超音波ホーン。
4. 【請求項４】 前記溝の底部に、曲率半径０．０５ｍｍ
   以上のスミの丸ミが形成されていることを特徴とする前
   記請求項１〜３のいずれかに記載の超音波ホーン。
5. 【請求項５】 前記溝の底部に、曲率半径０．１ｍｍ以
   上のスミの丸ミが形成されていることを特徴とする前記
   請求項４に記載の超音波ホーン。
6. 【請求項６】 前記セラミックチップの作業面における
   外周部に、面取りの深さが０．１ｍｍ以上の面取りが形
   成されていることを特徴とする前記請求項１〜５のいず
   れかに記載の超音波ホーン。
7. 【請求項７】 前記セラミックチップの作業面における
   外周部に、曲率半径０．１ｍｍ以上のカドの丸ミが形成
   されていることを特徴とする前記請求項１〜５のいずれ
   かに記載の超音波ホーン。
8. 【請求項８】 前記セラミックチップが、主として窒化
   珪素からなることを特徴とする前記請求項１〜７のいず
   れかに記載の超音波ホーン。