| 【発明の名称】 |
超音波ホーン |
| 【発明者】 |
【氏名】伊藤 正也
【氏名】堀田 信行
【氏名】田中 智雄
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| 【要約】 |
【課題】耐摩耗性が高いだけでなく、使用中に破損等が生じにくく、耐久性に優れた超音波ホーンを提供すること。
【解決手段】超音波ホーンは、基体１の先端部２に嵌合面１１が形成され、この嵌合面１１に設けられた嵌合孔１３に、硬質部材であるセラミックチップ３が圧入されている。そして、セラミックチップ３の側面のうち、基体１から突出している太い径の部分３ｆに対して、嵌合面１１に沿って剪断応力を加える。つまり、超音波ホーンの基体１及びセラミックチップ３を水平に配置し、セラミックチップ３の側面に対して、嵌合面１１に平行にプレート１９を当てる。この状態で、プレート１９に対して矢印Ａ方向に荷重を加えて、セラミックチップ３が破断するまでの剪断強度を測定すると、剪断強度は１７５ＭＰａ以上である。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 金属からなる基体の先端部の側面に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、前記基体と前記硬質部材との結合部分における基体表面に沿った剪断強度が、５０ＭＰａ以上であることを特徴とする超音波ホーン。
【請求項２】 前記剪断強度が、１００ＭＰａ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。
【請求項３】 前記基体に前記硬質部材をろう付け接合した超音波ホーンであって、その接合面における最長方向の寸法が、前記硬質部材の高さの寸法より大きいことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の超音波ホーン。
【請求項４】 前記基体の金属が、ロックウエル硬さ４０以上であ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。
【請求項５】 前記硬質部材が、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１〜４のいずれかに記載の超音波ホーン。
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【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おり、超音波加工用或は超音波洗浄用に用いる場合は、ホーンの先端部（実際に作業を行なう部分）は、耐摩耗性、耐エロージョン性を備えていることが要求される。そのため、鋼製のホーンでは、焼き入れ、硬化処理が施されており、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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】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２−５０４４８７号公報参照）が提案されているが、使用中に破損等が生じることがあり、必ずしも十分ではない。
【０００４】本発明は上記の問題点を鑑みて提案されたもので、耐摩耗性が高いだけでなく、使用中に破損等が生じにくく、耐久性に優れた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の側面に、超音波による作業を行なう硬質部材を取り付けた超音波ホーンにおいて、基体と硬質部材との結合部分における基体表面に沿った剪断強度が、５０ＭＰａ以上で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、基体と硬質部材との結合部分における基体表面に沿った剪断強度が、５０ＭＰａ以上であるので、超音波による作業を行った場合に、硬質部材が破損しにくく、耐久性に優れている。
・ここで、超音波による作業を行なう硬質部材（例えばセラミックチップ）とは、超音波による作業を行なう固体や液体に対して直接的に（又は間接的に）作用して、超音波加工や攪拌などを行なう部材である。
【０００７】・また、硬質部材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、先端部の側面に硬質部材を接合するろう付けや、硬質部材を基体の先端部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。従って、前記結合部分とは、ろう付の場合は接合部分であり、嵌合の場合は嵌合部分である。
【０００８】・更に、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。
・また、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、先端部の側面に硬質部材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】請求項２の発明は、剪断強度が、１００ＭＰａ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、基体と硬質部材との結合部分における基体表面に沿った剪断強度が、前記請求項１より大きく、１００ＭＰａ以上であるので、より破損しにくく、更に耐久性に優れている。
【００１０】請求項３の発明は、基体に硬質部材をろう付け接合した超音波ホーンであって、その接合面における最長方向の寸法が、硬質部材の高さの寸法より大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波ホーンを要旨とする。
【００１１】本発明は、基体に硬質部材をろう付けしている。そして、その接合面における最長方向の寸法が、硬質部材の高さの寸法より大きいので、超音波による作業を行った場合に、硬質部材が破損しにくく、耐久性に優れている。ここで、接合面における最長方向の寸法とは、例えば硬質部材が円柱状である場合には直径であり、角柱状である場合には対角線の長さである。また、高さとは、接合面より基体の外側に向けて突出する硬質部材の寸法（即ちどれほど突出しているかを示す値）である。尚、基体の凹部に硬質部材が配置されてろう付けされている場合には、凹部以外の基体表面からの高さを硬質部材の高さとする。
【００１２】請求項４の発明は、基体の金属が、ロックウエル硬さ４０以上であ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、基体の金属（例えば鋼）のロックウエル硬さが４０以上であり、十分に硬いので、基体が振動した場合でも、振動損失が少なく、基体自身が発熱し難い。それにより、超音波振動子に対する熱の影響を低減できる。
【００１３】請求項５の発明は、硬質部材が、主として窒化珪素からなることを特徴とする請求項１〜４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、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えているので、好ましいものである。
【００１４】尚、前記硬質部材の材料としては、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）、又はこれらの複合部材、或は超硬、サーメット等の周知の硬質材料が使用可能である。
【００１５】
【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。
【００１６】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。
【００１７】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、Ｙ2Ｏ3、ＴｉＮが適量添加された材料である。
【００１８】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２０ｍｍ）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。
【００１９】尚、基端部４の軸中心には、その端面側４ａ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。
【００２０】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から突出する先端側の加工部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、１ｍｍのＲ加工が施してある。
【００２１】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。また、セラミックチップ３の先端面３ｃには、図３（ｂ），（ｃ）に示す様に、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、溝３ｄのピッチは０．２ｍｍ、深さは０．１ｍｍ、外側に開く角度は９０度であって、溝３ｄの底部には半径０．１５ｍｍのＲ加工が施してある。尚、図３（ａ）に示す様に、先端面３ｃの周囲は面取りされている。
【００２２】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。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。
【００２３】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。
【００２４】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。
【００２５】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内に圧入する。その後、３５０℃に加熱して滑剤を飛ばした。
【００２６】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、本実施例に超音波ホーンの剪断強度の測定方法について説明する。図４に示す様に、セラミックチップ３の側面のうち、基体１から突出している太い径の部分３ｆに対して、嵌合面１１に沿って剪断応力を加える。
【００２７】具体的には、超音波ホーンの基体１及びセラミックチップ３を水平に配置し、セラミックチップ３の側面に対して、嵌合面１１に平行に工具鋼製のプレート１９を当てる。このプレート１９の先端側は、セラミックチップ３の側面形状に合わせて湾曲している。
【００２８】この状態で、プレート１９に対して、荷重速度１ｍｍ／ｍｉｎで矢印Ａ方向に荷重を加えて、セラミックチップ３が破断するまでの剪断強度を測定した。その結果、３５０ｋｇの荷重でプレート１９が斜めになり、セラミックチップ３のエッジが欠けたため試験を測定を終了した。尚、この測定により、プレート１９の先端部も大きく変形した。
【００２９】従って、この時の剪断強度は、９．８×３５０／（２．５×２．５×π）＝１７５ＭＰａ以上と計算される。
ｄ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。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。
【００３０】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。この溶接により、銅板同士は強固に接合された。また、セラミックチップ３には異常は認められなかった。
【００３１】そして、この超音波ホーンの耐久性を調べるために、同様な溶接を２００回繰り返した。その結果、２００回同様な溶接を行なっても、セラミックチップ３に破損等の異常は見られなかった。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１３に、セラミックチップ３が圧入されて結合されており、その剪断強度は１７５ＭＰａと非常に大きなものである。
【００３２】そのため、例えば溶接などの作業を好適に行なうことができるとともに、作業中にセラミックチップ３の破損などが生じにくく、耐久性に優れている。また、セラミックチップ３の嵌合面１１における断面の直径は５ｍｍであり、一方、嵌合面１１から突出するセラミックチップ３の高さは３．２５ｍｍであり、その直径の方が高さより寸法が大きいので、この点からも破損が生じにくいという利点がある。
【００３３】更に、基体の金属が、ロックウエル硬さ４８と硬いので、振動損失が少なく、基体自身が発熱し難い。それにより、超音波振動子に対する熱の影響を低減できる。その上、セラミックチップ３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。
（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。
【００３４】本実施例の超音波ホーンは、前記実施例１とはセラミックチップの形状が多少異なる。
ａ）図５に示す様に、本実施例の超音波ホーンに使用されるセラミックチップ２０は、嵌合部２０ａに、底部２０ｂから３ｍｍの位置から２ｍｍの幅にて、径の小さなくびれ部分２０ｃを有するものである。尚、他の寸法は前記実施例１と同様である。
【００３５】そして、このセラミックチップ２０を、前記実施例１と同様な基体（図示せず）に圧入して、超音波ホーンを製造する。
ｂ）そして、この超音波ホーンの効果を確認するための実験を行った。ここでは、下記表１に示す様に、くびれ部分の直径を変更した実施例の試料No.１〜５を作成し、前記実施例１と同様にして剪断強度を測定した。尚、剪断強度の測定は、プレートの破損を考慮して、荷重が３００ｋｇを越えた時点で終了とした。
【００３６】また、超音波ホーンによる溶接の状態を調べる溶接性の観察を行った。更に、チップのカケの状態を調べる耐久性を、良好な溶接が可能な溶接回数により調べた。尚、溶接性が良好とは、強固に接合しており人が力を加えても剥がれ等が生じない状態を示す。その結果を同じく下記表１に記す。
【００３７】一方、比較例として、嵌合部のくびれ部分の大きなセラミックチップを作成し、これを基体に圧入して、比較例の超音波ホーン（試料No.５）を作成した。そして、この超音波ホーンに対して、前記実施例１と同様にして剪断強度を測定した。また、同様に溶接性及び耐久性を調べた。その結果を同じく下記表１に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】この表１から明かな様に、本実施例の超音波ホーン（試料No.１〜５）は、剪断強度が５０ＭＰａ以上であるので、溶接性が良好であり、溶接回数も１０回以上と多い。そのため、例えば溶接などの作業を好適に行なうことができるとともに、作業中にセラミックチップ２０の破損などが生じにくく、耐久性に優れている。特に、剪断強度が１００ＭＰａ以上のものは、溶接回数が２００回以上でもセラミックチップ２０に破損等が見られず、一層耐久性に優れている。
【００４０】それに対して比較例のもの（試料No.６）は、剪断強度が４０ＭＰａであるので、溶接１回でセラミックチップが破損して溶接できず、好ましくない。
（実施例３）次に、実施例３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。
【００４１】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６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。
【００４２】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。
【００４３】つまり、図７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。
【００４４】尚、セラミックチップ２３の先端面２３ｄには、前記実施例１と同様なローレット加工及び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。
【００４５】セラミックチップ２３のチップ側接合面２３ｂ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、下記表１に示す実施例の寸法で、Ａｇ７２重量％、Ｃｕ２８重量％からなるろう材を準備し、基体側接合面２４とチップ側接合面２３ｂとの間にろう材を挟み、アルゴン中で８３０℃に加熱して、ろう付けを行った。
【００４６】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。
ｃ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。本実施例の超音波ホーン（試料No.７〜９）に対する剪断強度の測定は、前記実施例１と同様にして行った。その結果を下記表２に記す。尚、剪断強度の測定は、プレートの破損を考慮して、荷重が３００ｋｇを越えた時点で終了とした。
【００４７】更に、前記実施例１と同様にして、溶接を行ない、その溶接の状態を調べる溶接性の観察を行うとともに、チップのカケの状態を調べる耐久性を溶接回数により調べた。その結果を同じく下記表２に記す。また、ろう材の寸法を違えて作成した比較例の超音波ホーン（試料No.１０，１１）に対しても、同様な実験を行ない、その結果を同じく表２に示す。
【００４８】
【表２】
【００４９】但し、試料No.７，８は、荷重３００ｋｇで終了。試料No.１１は、ローレット加工時に接合部分で破損。この表２から明かな様に、本実施例の超音波ホーン（試料No.７〜９）は、基体２１の先端部２２の側面に設けられた基体側接合面２４にて、セラミックチップ３が強固にろう付けされており、その剪断強度は１３５ＭＰａ以上と大きなものである。
【００５０】そのため、例えば溶接などの作業を好適に行なうことができるとともに、作業中にセラミックチップ２３の破損などが生じにくく、耐久性に優れている。また、本実施例においても、セラミックチップ２３のチップ側接合面２３ｂの直径は５ｍｍであり、一方、セラミックチップ３の高さは３．２５ｍｍであり、その直径の方が高さより寸法が大きいので、この点からも破損が生じにくいという利点がある。それ以外にも、前記実施例１と同様な効果を奏する。
【００５１】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１〜３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。
【００５２】（２）また、セラミックチップの形状に関しては、他の形状であっても、超音波による作業が可能で、接合面（又は嵌合面における断面）の最長の長さがその高さより長いものであれば好適である。例えば図８に示す様に、長方形の基台３１の一端から上方に突出する形状のセラミックチップ３２を用いることができる。この場合は、基台３１の対角線の長さが、セラミックチップ３２の高さより高く設定されている。
【００５３】
【発明の効果】以上詳述した様に、請求項１の発明では、基体とセラミックチップとの結合部分における基体表面に沿った剪断強度が、５０ＭＰａ以上であるので、超音波による作業を行った場合に、セラミックチップが破損しにくく、耐久性に優れている。
【００５４】請求項２の発明では、剪断強度が１００ＭＰａ以上であるので、より破損しにくく、更に耐久性に優れている。請求項３の発明では、ろう付けされる接合面における最長方向の寸法が、セラミックチップの高さの寸法より大きいので、超音波による作業を行った場合に、セラミックチップが破損しにくく、耐久性に優れている。
【００５５】請求項４の発明では、基体の金属が、ロックウエル硬さ４０以上であるので、振動損失が少なく、基体自身が発熱し難い。それにより、超音波振動子に対する熱の影響を低減できる。請求項５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ので、優れた耐熱性、耐摩耗性、靱性を備えている。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４５４７
【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月２１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】足立 勉
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１２３３６４ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月１１日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２８８５９６ |
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