JP2013136130A

JP2013136130A - 超音波加工装置

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Publication number: JP2013136130A
Application number: JP2011288903A
Authority: JP
Inventors: Tatsunori Aoto; 達徳青砥
Original assignee: SONOTEC CO Ltd
Current assignee: SONOTEC CO Ltd
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: JP5893399B2

Abstract

【課題】被加工物に開口を開ける際の作業効率がよく、加工精度も高くて加工コストも廉価にできる超音波加工装置を提供すること。
【解決手段】工具ホーン（ホーン部）１０−２の先端面１１−２に筒状の刃３０−２を取り付ける。超音波振動する刃３０−２の先端辺３１−２を被加工物に当てて打ち抜くことで、被加工物に刃３０−２の形状の開口を形成する。刃３０−２及び工具ホーン１０−２の先端近傍部分の外周を囲み且つ刃３０−２の先端辺３１−２を突出した状態で刃３０−２及び工具ホーン１０−２に保持されるダンパー５０−２を取り付ける。
【選択図】図３

Description

本発明は、超音波加工装置に関し、特に被加工物に開口を形成するのに用いて好適な超音波加工装置に関するものである。

従来、自動車の樹脂製バンパーや樹脂製ダッシュボード等の樹脂製の被加工物（ワーク）に各種形状の開口を開ける場合、一般にプレスによる打ち抜き加工が行われていた。

一方従来、振動発生部を超音波振動させることでこの振動発生部に接続したカッター刃を超音波振動させ、この超音波振動するカッター刃を被加工物に当てることで被加工物を加工する超音波加工装置が使用されている（例えば特許文献１参照）。そしてこの超音波加工装置で被加工物に開口を開ける場合は、カッター刃によって被加工物の開口をその輪郭線に沿って切り欠いてくり抜くことで行う。

特開２０１０−１６７５３５号公報

しかしながら上記プレス加工の場合は、高価なプレス金型が必要で、大量生産するような場合は良いが、例えば多品種少量生産するような場合は加工コストが高くなるという問題があった。

また上記超音波加工装置で加工する場合は、作業性が悪く、また加工精度も十分とはいえなかった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、被加工物に開口を開ける際の作業効率がよく、同時に加工精度も高くて加工コストも廉価にできる超音波加工装置を提供することにある。

本発明にかかる超音波加工装置は、振動発生部で発生した超音波振動を伝達するホーン部の先端面に刃を取り付け、前記刃を超音波振動させることで被加工物を加工する超音波加工装置であって、前記刃は筒体であり、超音波振動する刃の先端辺を前記被加工物に当てて打ち抜くことで、被加工物に刃の形状の開口を形成することを特徴としている。このように超音波加工装置の刃を筒状に形成したので、超音波振動する刃の先端辺を被加工物に当てて打ち抜くだけで、被加工物に刃の先端辺の形状と同一形状の開口を作業性良く且つ精度良く、容易に形成することができる。またプレス金型のような高価な部品を使用する必要がないので、製造コストの低減化も図ることができる。

ところで超音波振動する刃の先端辺を被加工物に当てて打ち抜く際に力が余って、打ち抜かれた開口の周囲の被加工物の表面にホーン部の先端面が当接してしまう場合がある。そのような場合、ホーン部も超音波振動しているので、被加工物の表面が加熱・加圧されて変形してしまう恐れがある。そこで本発明においては、前記刃の外周を囲んで超音波が伝播されないように装着され且つ装着した状態で前記刃の先端辺を突出させるダンパーを取り付けることが好ましい。このように構成すれば、超音波振動する刃の先端辺を被加工物に当てて打ち抜く際にダンパーが打ち抜かれた開口の周囲の被加工物の表面に当接するが、ダンパーは超音波振動していないので、被加工物の開口周囲の表面が変形する恐れはない。これによって被加工物への穴開け作業の効率が格段に向上し、同時に不良品が発生しなくなる。

また前記ダンパーと前記刃の外周面との間には弾性材が介在していることが好ましい。ダンパーを弾性材を介して刃の外周に装着したので、刃の超音波振動がダンパーに伝達されることを容易に防止できる。

また本発明においては、前記刃は前記ホーン部の先端面の外周よりも内側に位置するように外周側段部を介して取り付けられ、一方前記ダンパーは前記刃の外周から前記ホーン部の先端部分の外周にわたる長さを有し、且つダンパーの内周にはその内径を異ならせることで前記ホーン部の先端面に対向する内周側当接面を設け、これらホーン部の先端面とダンパーの内周側当接面との間に前記弾性材を設置することで、前記ダンパーが被加工物に当接した際の力を前記弾性材を介してホーン部が受けることが好ましい。これによってダンパーが被加工物に当接した際の力は弾性材を介してホーン部が受けるので、ホーン部の超音波振動は効果的に緩衝されダンパーには伝播しない。

また前記ホーン部の外周面とダンパーの内周面の間には、両者間の接触を防止する第２の弾性材を設置することが好ましい。これによってダンパーは、より安定した状態で刃とホーン部の外周に保持される。

また前記刃は横断面が非円形の筒体であり、一方前記ダンパーの内周面の内の前記刃の外周に対向する部分は前記刃の外形形状に合わせて横断面を非円形とすることでダンパーの回り止めとし、且つダンパーに刃の向きを表す目印を付すことが好ましい。これによって刃に対してダンパーが回転しないので、被加工物に開口を加工する際に、ダンパーに設けた目印によってその回転方向の位置決めが容易に行える。これによって非円形の開口を開ける際の回転方向の加工精度が向上し、同時に加工作業がより容易になる。

本発明にかかる超音波加工装置によれば、被加工物に開口を開ける際の作業効率がよく、また加工精度も高く、さらに加工コストを廉価にすることができる。

工具ホーン１０−１と刃３０−１を示す斜視図である。刃３０−１による被加工物１００−１の加工方法説明図である。工具ホーン１０−２と刃３０−２とダンパー５０−２とを示す斜視図である。図３の断面図である。図３の分解斜視図である。超音波加工装置１−２の全体概略側面図である。ダンパー５０―２を装着しない場合の問題点説明図である。刃３０−２による被加工物１００−２の加工方法説明図である。超音波加工装置１−３の斜視図である。工具ホーン１０−３と刃３０−３とダンパー５０−３の部分の側断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態にかかる超音波加工装置に用いる振幅拡大用の工具ホーン１０−１及び工具ホーン１０−１の先端面１１−１に取り付けられる刃３０−１を示す斜視図である。同図に示すように工具ホーン１０−１は円柱状の金属棒で構成され、その先端面１１−１に刃３０−１を取り付けている。刃３０−１は金属製の筒体によって構成されており、その先端辺３１−１を含む外周全体を非円形に形成している。具体的には円筒の２か所に内部側に向かって略Ｖ字状に凹む凹部３３−１をその中心軸方向の全長にわたるように形成している。刃３０−１は工具ホーン１０−１の先端面１１−１の外周よりも内側に位置するように取り付けられており、これによって外周側段部２１−１が形成されている。この取り付けには、ろう付けなどを用いる。

工具ホーン１０−１の根元側には、図示はしないが振動発生部が直接又は他の部材（例えば振動発生部に取り付けられる別のホーン）を介して連結されており、振動発生部で発生した超音波振動は工具ホーン１０−１を通して刃３０−１に伝播されてこれを超音波振動する。

図２は前記刃３０−１による被加工物１００−１の加工方法説明図である。被加工物１００−１は、超音波加工で加工できる材質であればどのような材質のものでも良く、一般には熱可塑性樹脂やゴム製のものがその対象となる。例えば自動車の樹脂製のバンパーや、テレビやパソコン等のモニター用のパネルやボード等、多種多様の部材が対象となる。被加工物１００−１を加工するには、まず図２（ａ）に示すように超音波振動させた刃３０−１の先端辺３１−１を被加工物１００−１の表面１０１−１に当接して押し付け、その熱によって被加工物１００−１を溶融する。これによって図２（ｂ）に示すように刃３０−１は被加工物１００−１を貫通する。そして図２（ｃ）に示すように刃３０−１を引き抜けば、刃３０−１の内側に位置する被加工物１００−１の部分が抜け落ち、被加工物１００−１に刃３０−１の外形形状と同一形状の開口１０３−１が形成される。

以上説明したように、超音波加工装置の刃３０−１を筒状に形成したので、超音波振動する刃３０−１の先端辺３１−１を被加工物１００−１に当てて打ち抜くだけで、被加工物１００−１に刃３０−１の形状と同一形状の開口１０３−１を作業性良く且つ精度良く、容易に形成することができる。またプレス金型のような高価な部品を使用する必要がないので、製造コストの低減化を図ることができる。

〔第２実施形態〕
図３は本発明の第２実施形態にかかる超音波加工装置に用いる工具ホーン１０−２と、工具ホーン１０−２の先端面に取り付けられる刃３０−２と、刃３０−２の外周に装着されるダンパー５０−２とを示す斜視図、図４はその断面図、図５はその分解斜視図である。この実施形態において、前記図１に示す実施形態と同一又は相当部分には同一符号（但し添え字「−２」を付ける）を付し、その詳細な説明は省略する。なおこの実施形態においては、前記各部材の他に弾性材７０−２と第２の弾性材７５−２を用いている。両弾性材７０−２，７５−２はこの例ではＯリングである。

工具ホーン１０−２は前記図１で説明した工具ホーン１０−１と略同一の構成であり、異なるのはその先端近傍の外周に第２の弾性体７５−２挿入用のリング状の凹部１５−２を形成した点のみである。また刃３０−２は前記刃３０−１と同一のものである。

ダンパー５０−２は金属製の筒体で構成されており、その内部は図４に示すように前記刃３０−２の外形形状と略ぴったり一致する内径形状の部分と、前記工具ホーン１０−２の先端近傍部分の外形形状と略ぴったり一致する内径形状の部分とを有しており、刃３０−２の先端辺３１−２を外部に突出した状態で保持されている。つまりダンパー５０−２は刃３０−２の外周から工具ホーン１０−２の先端部分の外周にわたる長さを有し、且つダンパー５０−２の内周にはその内径を異ならせることで、工具ホーン１０−２の先端面１１−２に対向する内周側当接面５１−２を設けている。また刃３０−２には２つの凹部３３−２が形成されているが、これら凹部３３−２にそれぞれ対向するダンパー５０−２の内周面部分（内周側当接面５１−２よりも先端側の部分）にその中心軸方向に向かって延びる凸部５３−２が形成されている。凸部５３−２は凹部３３−２と略同一形状であり、凹部３３−２に入り込むことでダンパー５０−２の回り止めとなる。さらにダンパー５０−２の内周面の前記内周側当接面５１−２を設けた部分と、工具ホーン１０−２の外周面に対向する部分には、それぞれ弾性材７０−２，７５−２を挿入するリング状凹部５５−２，５７−２が形成されている。さらにダンパー５０−２の外周面には、中心軸方向に向かう直線状の凹部からなる目印５９−２が形成されている。目印５９−２は両凸部５３−２のちょうど中間位置に形成されている。ダンパー５０−２の先端面は下記する被加工物１００−２への当接面６１−２となっている。

そして図４に示すように、２つの弾性材７０−２，７５−２をそれぞれダンパー５０−２のリング状凹部５５−２，５７−２に装着し、次にこのダンパー５０−２を刃３０−２の外周に挿入することで弾性材７０−２を先端面１１−２と内周側当接面５１−２の間に設置し、同時に第２の弾性材７５−２を工具ホーン１０−２の凹部１５−２に装着する。これによって刃３０−２を取り付けた工具ホーン１０−２へのダンパー５０−２の装着が完了する。なお上記組立手順はその一例であり、他の各種異なる組立手順を用いて組み立てても良いことはいうまでもない。

ここで弾性材７０−２は下記するようにダンパー５０−２の当接面６１−２が被加工物１００−２に当接した際の力を受けて振動方向の振動を緩衝するものである。一方第２の弾性材７５−２は工具ホーン１０−２の外周面とダンパー５０−２の内周面間の接触を防止するとともにダンパー５０−２の振動方向の位置決めを行うものである。このようにダンパー５０−２は２つの弾性材７０−２，７５−２によって、刃３０−２及び工具ホーン１０−２の周囲の所定位置に確実に安定した状態で保持される。

図６は上記工具ホーン１０−２等を用いて構成された超音波加工装置１−２の全体概略側面図である。同図に示すように超音波加工装置１−２は、バックアップリング１１０−２と超音波振動を発生する振動発生部１２０−２とホーン１３０−２とをケース１４０−２内に収納し、ケース１４０−２から外部に突出するホーン１３０−２の先端に前記工具ホーン１０−２の後端を取り付けて構成されている。ホーン１３０−２と工具ホーン１０−２を合わせてホーン部１５０−２ということとする。

振動発生部１２０−２はピエゾ圧電素子層によって構成されており、その両側にバックアップリング１１０−２とホーン１３０−２を積層して一体化し、これによっていわゆるランジュバン型振動子を構成している。このランジュバン型振動子のケース１４０−２への取り付けは、ランジュバン型振動子の超音波振動がケース１４０−２に伝達されにくい各種従来の構造を用いて行われている。従ってケース１４０−２は超音波振動しない。

この例においてダンパー５０−２を装着したのは以下の理由による。即ち図１に示す刃３０−１を超音波振動させてその先端辺３１−１を被加工物１００−１に当てて打ち抜く際に力が余って、図７に示すように、打ち抜かれた開口１０３−１の周囲の被加工物１００−１の表面に工具ホーン１０−１の先端面１１−１が当接してしまう場合がある。そのような場合、工具ホーン１０−１も超音波振動しているので、被加工物１００−１の表面が加熱・加圧されて溶融して変形してしまう恐れがある。そこでこの実施形態では、超音波振動しないダンパー５０−２を装着し、以下に説明するように上記欠点を防止した。

図８は前記刃３０−２による被加工物１００−２の加工方法説明図である。被加工物１００−２を加工するには、まず図８（ａ）に示すように超音波振動させた刃３０−２の先端辺３１−２を被加工物１００−２の表面１０１−２に当接して押し付け、被加工物１００−２を溶融し、図８（ｂ）に示すように被加工物１００−２を貫通させる。このときダンパー５０−２の当接面６１−２が被加工物１００−２の表面に当接し、このため刃３０−２はそれ以上被加工物１００−２内に入り込まない。ここでダンパー５０−２は、刃３０−２及び工具ホーン１０−２に対して弾性材７０−２を介在して取り付けられており、ダンパー５０−２の当接面６１−２が被加工物１００−２に当接した際の力は弾性材７０−２が受ける。そしてこの弾性材７０−２によって振動方向の振動が緩衝されるため、刃３０−２及び工具ホーン１０−２の超音波振動はダンパー５０−２には伝達されない。従ってダンパー５０−２の当接面６１−２が被加工物１００−２の表面に当接しても、被加工物１００−２の開口１０３−２周囲の表面は変形しない。そして図８（ｃ）に示すように刃３０−２を引き抜けば、刃３０−２の内側に位置する被加工物１００−２の部分が抜け落ち、被加工物１００−２に刃３０−２の外形形状と同一形状の開口１０３−２が形成される。

以上説明したように、この実施形態によれば、被加工物１００−２の開口１０３−２周囲の表面が変形する恐れがなくなり、被加工物１００−２への穴開け作業の効率が格段に向上し、同時に不良品が発生しなくなる。

さらにこの実施形態では、横断面が非円形の筒体からなる刃３０−２に対して、ダンパー５０−２の内周面の内の刃３０−２の外周に対向する部分を刃３０−２の外形形状に合わせて横断面を非円形とすることでダンパー５０−２の回り止めとし且つダンパー５０−２に刃３０−２の向きを表す目印５９−２を付したので、刃３０−２に対してダンパー５０−２が回転せず、被加工物１００−２に開口１０３−２を加工する際に、ダンパー５０−２に設けた目印５９−２によってその回転方向の位置決めを容易に行うことができる。これによって非円形の開口１０３−２を開ける際の回転方向の加工精度が向上し、同時に加工作業がより容易になる。

〔第３実施形態〕
図９は本発明の第３実施形態にかかる超音波加工装置１−３の斜視図、図１０はその内の工具ホーン１０−３と刃３０−３とダンパー５０−３の部分の断面図である。この実施形態において、前記第２実施形態と同一又は相当部分には同一符号（但し添え字「−３」を付ける）を付し、その詳細な説明は省略する。

この実施形態の基本的構成・機能は前記第２実施形態と同じであり、第２実施形態と相違する点は、工具ホーン１０−３の形状を四角柱状（扁平な四角柱状）に形成した点と、刃３０−３の形状を矩形状の筒体で構成した点と、ダンパー５０−３の形状を矩形状の筒体で形成した点と、ダンパー５０−３を上下２つの部材に分割し、両者をビス６３−３によって一体化した点とである。この実施形態のその他の構成・使用方法・効果は、前記第２実施形態と同じなのでその説明は省略する。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば上記実施形態では刃の形状を非円形としたが円形としても良い。また上記各実施形態では、ダンパーの材質を金属としたが、樹脂等の他の材質で構成しても良い。また上記例ではホーン部１５０をホーン１３０と工具ホーン１０とによって構成したが、工具ホーン１０を省略してホーン１３０のみでホーン部を構成し、このホーン１３０の先端に刃３０を取り付けても良い。また上記例ではダンパー５０を刃３０の外周から工具ホーン１０の先端近傍部分の外周にわたる長さに形成したが、少なくとも刃３０の外周に設置すればよい。また上記例ではダンパー５０を２つの弾性材７０，７５によって支持したが、１つの弾性材７０のみによって支持するように構成しても良い。また上記例ではダンパー５０の目印５９−２として凹部を形成したが、目印であればどのようなものでも良く、例えば凸部や印刷等で形成しても良い。

１超音波加工装置
１０工具ホーン（ホーン部）
１１先端面
２１外周側段部
３０刃
３１先端辺
３３凹部
５０ダンパー
５１内周側当接面
５９目印
６１当接面
７０弾性材
７５第２の弾性材
１００被加工物
１０１表面
１０３開口
１１０バックアップリング
１２０振動発生部
１３０ホーン（ホーン部）
１４０ケース
１５０ホーン部

Claims

振動発生部で発生した超音波振動を伝達するホーン部の先端面に刃を取り付け、前記刃を超音波振動させることで被加工物を加工する超音波加工装置であって、
前記刃は筒体であり、超音波振動する刃の先端辺を前記被加工物に当てて打ち抜くことで、被加工物に刃の形状の開口を形成することを特徴とする超音波加工装置。
請求項１に記載の超音波加工装置であって、
前記刃の外周を囲んで超音波が伝播されないように装着され且つ装着した状態で前記刃の先端辺を突出させるダンパーを取り付けたことを特徴とする超音波加工装置。
請求項２に記載の超音波加工装置であって、
前記ダンパーと前記刃の外周面との間には弾性材が介在していることを特徴とする超音波加工装置。
請求項３に記載の超音波加工装置であって、
前記刃は前記ホーン部の先端面の外周よりも内側に位置するように外周側段部を介して取り付けられ、
一方前記ダンパーは前記刃の外周から前記ホーン部の先端部分の外周にわたる長さを有し、且つダンパーの内周にはその内径を異ならせることで前記ホーン部の先端面に対向する内周側当接面を設け、これらホーン部の先端面とダンパーの内周側当接面との間に前記弾性材を設置することで、前記ダンパーが被加工物に当接した際の力を前記弾性材を介してホーン部が受けることを特徴とする超音波加工装置。
請求項４に記載の超音波加工装置であって、
前記ホーン部の外周面とダンパーの内周面の間に、両者間の接触を防止する第２の弾性材を設置したことを特徴とする超音波加工装置。
請求項２乃至５の内の何れかに記載の超音波加工装置であって、
前記刃は横断面が非円形の筒体であり、
一方前記ダンパーの内周面の内の前記刃の外周に対向する部分は前記刃の外形形状に合わせて横断面を非円形とすることでダンパーの回り止めとし、且つダンパーに刃の向きを表す目印を付したことを特徴とする超音波加工装置。