特表 2024-517069 一体化されたボルトをもつコンバーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-04-19

(54)【発明の名称】一体化されたボルトをもつコンバーター

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/10 20060101AFI20240412BHJP

   H10N 30/20 20230101ALI20240412BHJP

   H10N 30/88 20230101ALI20240412BHJP

【ＦＩ】

H04R17/10 330A

H10N30/20

H10N30/88

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023560801

(86)(22)【出願日】2022-03-21

(85)【翻訳文提出日】2023-11-27

(86)【国際出願番号】 EP2022057274

(87)【国際公開番号】W WO2022207379

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】102021108462.8

(32)【優先日】2021-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】523372123

【氏名又は名称】ヘルマン ウルトラシャルテクニーク ゲーエムベーハー ウント コー．カーゲー

【氏名又は名称原語表記】ＨＥＲＲＭＡＮＮ ＵＬＴＲＡＳＣＨＡＬＬＴＥＣＨＮＩＫ ＧＭＢＨ ＆ ＣＯ．ＫＧ

(74)【代理人】

【識別番号】110001368

【氏名又は名称】清流国際弁理士法人

(74)【代理人】

【識別番号】100129252

【弁理士】

【氏名又は名称】昼間 孝良

(74)【代理人】

【識別番号】100155033

【弁理士】

【氏名又は名称】境澤 正夫

(72)【発明者】

【氏名】フォグラー、ウルリッヒ

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA18

5D019AA21

5D019BB16

5D019FF06

(57)【要約】

コンバーター基部と、コンバーター基部に接続されたボルト（４）と、張力素子と、ボルト（４）が貫通する貫通孔をもつ少なくとも一つの圧電素子を有し、張力素子が少なくとも一つの圧電素子に対してコンバーター基部の方向に張力を与えている、コンバーターが開示される。開示のコンバーターは、ボルト（４）が、コンバーター基部に材料接合されていることを特徴とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンバーター基部と、前記コンバーター基部に接続されたボルト（４）と、張力素子と、貫通開口をもつ少なくとも一つの圧電素子（６）とを有し、前記ボルト（４）が前記貫通開口を貫通し、前記張力素子が前記少なくとも一つの圧電素子に対して前記コンバーター基部の方向に張力を与える、コンバーターにおいて、前記ボルト（４）が、材料接合で前記コンバーター基部と接続されることを特徴とするコンバーター。

【請求項2】

前記ボルト（４）及び前記コンバーター基部が、一片の材料から製造されることを特徴とする、請求項１に記載のコンバーター。

【請求項3】

前記ボルト（４）が、前記コンバーター基部との接続部において、０．５ｍｍより大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きいの遷移半径Ｒをもつように設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコンバーター（１）。

【請求項4】

貫通開口をもつスペーサーディスク（７）が設けられ、前記スペーサーディスク（７）及び前記少なくとも一つの圧電素子（６）は、前記ボルト（４）が、最初に前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口を貫通し、次に前記少なくとも一つの圧電素子（６）の前記貫通開口を貫通して、前記スペーサーディスク（７）が前記コンバーター基部及び前記圧電素子（６）の両方に当接するように配置されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンバーター（１）。

【請求項5】

前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口が、その前記コンバーター基部に対向する側において拡大し、前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口が、長さＩに沿う長手方向に平行な断面図において、その前記コンバーター基部に対向する側に、０．５ｍｍよりも大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きい入口半径Ｅを好ましくは有することを特徴とする、請求項４に記載のコンバーター（１）。

【請求項6】

前記入口半径Ｅに、２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用され、好ましくは１．２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用されることを特徴とする、請求項５に記載のコンバーター（１）。

【請求項7】

前記ボルト（４）が、前記コンバーター基部から離れる側にあり且つ雄ねじが設けられた端部を有し、好ましくは前記雄ねじが鋸歯ねじであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のコンバーター（１）。

【請求項8】

前記コンバーターが、ソノトロードとして設計され、前記コンバーター基部が、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面を有することを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のコンバーター。

【請求項9】

前記コンバーター基部が、前記溶接面（２）の反対側に配置された後側を有し、凹部が前記後側に形成され、その中に前記ボルト（４）が配置されることを特徴とする、請求項８に記載のコンバーター。

【請求項10】

前記コンバーターが、前記溶接面から前記後側まで長さＩを有し、前記ボルトが、前記長さＩの方向に延在し、好ましくは、前記長さＩが、ソノトロードとして設計された前記コンバーターを共振振動状態にすることができる超音波振動の波長の半分に対応していることを特徴とする、請求項８～９のいずれか一項に記載のコンバーター。

【請求項11】

前記少なくとも一つの圧電素子（６）が、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に配置され、好ましくは、それぞれが貫通開口をもつ４つの圧電素子（６）が設けられ、それらが前記ボルト（４）により貫通され、それらの全てが、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に配置されていることを特徴とする、請求項１０に記載のコンバーター。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波振動部のためのコンバーターに関する。このコンバーターは、ＡＣ電圧を音響振動に変換するように設けられて適用される。

【背景技術】

【0002】

コンバーターは、コンバーター基部と、ボルトと、張力素子と、貫通開口をもつ少なくとも一つの圧電素子とを有し、コンバーターのボルトが貫通開口を貫通し、張力素子が少なくとも一つの圧電素子に対してコンバーター基部の方向に張力を与える。コンバーター基部は、ボルトが螺合されるねじ穴を有する。

【0003】

張力素子は、圧電素子の機械的振動がコンバーター基部に伝達されることを確保する。

【0004】

この場合、幾つかの圧電素子はボルトでディスクの形態で互いに積載されて、スクリューナットの形態の張力素子の助けを得てコンバーター基部の一表面に挟持されることにより、ＡＣ電圧を圧電素子に印加することにより、圧電素子がコンバーター基部の機械的振動を励起するものが多い。

【0005】

そのようなコンバーターの多くは、ソノトロード及びコンバーターからなる超音波振動部において使用される。コンバーター又はコンバーター基部は、コンバーター基部の機械的振動がソノトロードに伝達されるように、ソノトロードに螺合される。多くの場合、そのような超音波振動部は、コンバーターとソノトロードとの間に配置され、振動の振幅を変換、すなわち概して増加させることを意図した振幅変換器も有する。それにより、圧電素子によって生成された機械的振動が増幅される。

【0006】

特に限定された空間における用途において、振幅変換器が省略されることが多いため、コンバーターを使用してより大きな振幅を生成する必要がある。しかしながら、既知のコンバーターでは、この結果、ボルトがコンバーター基部に螺合された領域に過剰応力領域が形成され、超音波振動部の寿命を大きく低下させる。一般に、経時的にねじ接続の近傍において材料に亀裂が形成されると、振動挙動に対して悪影響が生じる。

【0007】

この問題は、例えば、前もって与えられる負荷、すなわち少なくとも一つの圧電素子をコンバーター基部に対して押圧する力を減らすことによって対処されている。しかしながら、これは、圧電素子とコンバーター基部との間の接続が弱いことにより振動振幅及び振動品質を低下させ、全ての用途で受け入れられるものではない。他の可能性として、印加されるＡＣ電圧の振幅を低下させて、結果として超音波振動の振幅を低下させることがある。この対策もまた全ての用途に適しているわけではない。いずれにせよ、これは、必要な加工時間が増加する。

【0008】

最後に、ボルトが螺合されたコンバーター基部のボアにおける特別に選択されたコーナー半径及び対応するアンダーカットを使用することによって、応力を制御する試みがあった。実際、これは寿命の増加に繋がるが、比較的複雑であるため高価である。

【0009】

従って、実際に、これらのシステムは、低振動振幅でのみ動作させることができ、動作時間も限定される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

従って、上述の先行技術に基づき、本発明の課題は、高い振幅で動作することができ、同時に長い動作時間を確保できるコンバーターを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明によれば、この課題は、ボルトが実質的にコンバーター基部に接合されていることによって解決される。

【0012】

材料接合は、互いに対応する接続部位、すなわちここでは、コンバーターのボルトとコンバーター基部とが原子的又は分子的力によって互いに保持されているあらゆる接続として理解される。

【0013】

原則として、ボルトは、コンバーター基部に溶着又は溶接することができる。

【0014】

しかしながら、これは時間を要する。従って、好ましい実施形態において、ボルト及びコンバーター基部は、一片の材料から作成される。従って、ボルト及びコンバーター基部は、一体的に共に形成される。

【0015】

更に好ましい実施形態において、ボルトは、そのコンバーター基部との接続部において、０．５ｍｍより大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きいの遷移半径Ｒをもつように設けられる。

【0016】

その遷移半径を与えることによって、切り欠き効果係数が小さくなり材料における応力が軽減されるため、ボルトとコンバーター基部との間の安定化に繋がる。原則として、遷移半径が大きければ大きいほど、安定化がより大きくなる。しかしながら、圧電素子が、ボルト上に押され、コンバーター基部に対して押圧されることに注意すべきである。これは、超音波振動を伝達し且つ圧電素子を損傷させないように、出来るだけ全面に亘って圧電素子とコンバーター基部とを接触させる必要がある。圧電素子は、通常、圧電セラミックで形成され、それは非常に脆く、引張応力に対して極めて反応しやすく、その結果変形することになる。従って、圧電素子は、その遷移半径に位置してはならない。

【0017】

更に好ましい実施形態において、貫通開口をもつスペーサーディスクが設けられ、前記スペーサーディスク及び前記少なくとも一つの圧電素子は、前記ボルトが、最初に前記スペーサーディスクの前記貫通開口を貫通し、次に前記少なくとも一つの圧電素子の前記貫通開口を貫通して、前記スペーサーディスクが前記コンバーター基部及び前記圧電素子の両方に当接するように配置されることが提供される。最適な力の伝達を確保するために、例えば、チタン又はチタン合金から形成されるスペーサーディスクが有用である。

【0018】

好ましい実施形態によれば、コンバーター基部及びボルトが一片から作られるため、製造の観点から、高い表面品質でボルトとの接続領域にコンバーター基部の表面を製造することが可能ではない。通常のラッピング加工は、ボルトの存在のために、行うことができない。しかしながら、コンバーター基部の表面における不均一性は、圧電素子がその表面に当接する際に振動の伝達を低減する。非常に高い表面品質（粗さＲａが０．０１よりも小さく及び平坦度が０．００５ｍｍよりも小さい）で製造できるスペーサーディスクを設けることによって、少なくとも一つの圧電素子からスペーサーディスクへの少なくとも一つの超音波振動の伝達が高品質で可能となる。スペーサーディスクが、完全な平坦ではないコンバーター基部の表面に対して押圧される場合でも、圧電素子がコンバーター基部の表面に対して直に押圧される場合よりも超音波振動が良好に伝達される。

【0019】

別の好ましい実施形態において、前記スペーサーディスクの前記貫通開口は、その前記コンバーター基部に対向する側において拡大する。これは、例えば、対応する縁部に面取りを施すことによって得られる。それに応じて、スペーサーディスクの反対側も設計することが有利となる。これは、超音波振動システムを組み立てる際にスペーサーディスクがコンバーターのボルトに対して正しい向きで押し込まれていることを確認する必要がない点で有利である。

【0020】

その拡大は、ボルトのコンバーター基部への接続部に遷移半径が設けられる場合に、その遷移半径が比較的大きい場合でも、スペーサーディスクをコンバーター基部上に平坦に載置できるため、特に有利となる。好ましい実施形態において、その拡大は、長さＩに沿う長手方向に平行な断面図において、スペーサーディスクの貫通開口が、コンバーター基部に対向する側に、０．５ｍｍよりも大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きいの入口半径Ｅを有するように設計される。

【0021】

特に、前記入口半径Ｅに、２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用され、好ましくは１．２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用されると有利である。

【0022】

更に好ましい実施形態において、前記ボルトは、前記コンバーター基部から離れる側にあり且つ雄ねじが設けられた端部を有する。この点に関して、前記雄ねじが鋸歯ねじとして形成されることが最適であることが分かっている。鋸歯ねじは、非対称であり、鋸の歯に似た輪郭形状を有する。

【0023】

すでに述べたように、好ましい実施形態において、前記ボルト及び前記コンバーター基部は、一片の材料から作られる。

【0024】

この手段によって、コンバーターのボルトが、コンバーター基部よりも、横断方向、すなわち、長さＩに沿って伸びる長手方向軸線に対して垂直な方向において極めて小さい伸長をもつため、材料の消費は通常高くなり、従って、ボルトを製造するために、一片の製造においてボルトの領域において多くの材料を除去する必要がある。

【0025】

従って、上述の手段は、コンバーターがソノトロードとして設計される場合に特に有利となる。前記コンバーター基部は、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面を有する。

【0026】

そのような、コンバーターと一体化されたソノトロードは、コンパクトバイブレーターとも呼ばれる。コンパクトバイブレーターにおいて、ボルトは、ソノトロードの内部に位置付けられ、すなわち、ソノトロード又はそのコンバーター基部は、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面と、その溶接面に対向するように配置された後側とを有し、それにより、凹部が、ボルトが配置される後側に形成される。

【0027】

ソノトロード内部のボルトのこの配置は、実際的に、ボルトを形成するために追加の材料が必要ないことを意味する。逆に、この実施形態では、コンバーターのボルトが定位置に維持されるため、後側における凹部を完全に開ける必要がないため、材料も節約できる。

【0028】

更に好ましい実施形態において、前記コンバーターは、前記溶接面から前記後側まで長さＩを有し、前記ボルトは、前記長さＩの方向に延在し、好ましくは、前記長さＩが、ソノトロードの形態の前記コンバーターを共振振動状態にすることができる超音波振動の波長の半分に略対応している。

【0029】

更に好ましい実施形態において、前記ボルトが前記コンバーター基部に締結される位置は、前記長さＩの中間の周辺に配置される、すなわち、前記溶接面から、０．４ｌ＞ｄ＞０．７ｌが適用される距離ｄだけ離間する。

【0030】

前記少なくとも一つの圧電素子が、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に、すなわち、前記溶接面と前記後側との間に配置されるのが特に好ましい。

【0031】

例えば、少なくとも４つの圧電素子を設けることができ、それぞれが貫通開口を有し、それらの全ての圧電素子はボルトにより貫通され、コンバーター基部の溶接面と後側との間、すなわち長さＩの範囲内で長手方向に配置される。これは、そのソノトロードが基本的にその内側において励起されるため、振動的に有利である。

【0032】

本発明の更なる利点、特徴及び可能な用途は、好ましい実施形態の以下の説明及び添付の図面より明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】図１は、本発明に係るコンバーターの斜視図である。

【図2】図２は、図１の実施形態の断面図である。

【図3】図３は、図１の実施形態の部分切断側面図である。

【図4】図４は、圧電素子を除いた図１の実施形態の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

図１は、本発明に係るコンバーターの斜視図を示す。コンバーター１は、ソノトロードとして設計されており、溶接面２を有する。溶接面２は、加工対象の材料と接触して、その材料に超音波振動を伝達するようになっている。

【0035】

コンバーター１は、図２の横断面図から明らかに分かるように、溶接面２と反対側に配置される後側の後部１０と、前部１１とを有するコンバーター基部３を有する。ここで、円周カラー１５が、前部１１と後部１０との間の境界を形成する。振動中、定常波が、コンバーターにおける長さＩに沿って縦方向に形成される。円周カラーは、最小振動の周辺に位置する。コンバーターは、コンバーターの振動挙動に対して大きく影響を及ぼすことなく、例えばＯリングを介して円周カラー上に保持させることができる。

【0036】

溶接面２を有する前部１１は、その大部分において、後部１０よりも非常に細い。この結果、この前部で振幅変換が得られる。後部１０には、コンバーター基部に、ボルト４が一体的に結合される凹部が形成されている。

【0037】

図３は、コンバーター１の部分切断側面図を示す。

【0038】

コンバーター基部３は、コンバーター基部３の後部１０の長さと前部１１の長さとから構成される長さＩを有する。従って、この長さＩは、溶接面２とコンバーター基部の後側との間の距離を画定する。使用時、長さＩの２倍に相当する波長をもつ定常波が、コンバーターで形成される。

【0039】

コンバーター基部３の前部１１には、溶接面２までは延在しないスリット９もある。スリット９は、ソノトロードとして設計されるコンバーター基部３の振動挙動を向上するために、ボルト４の軸線上に配置される。対応する中央開口を有するスペーサーディスク７が、最初にボルト４に対して押し込まれる。スペーサーディスク７は、ボルト４を含むコンバーター基部３と同様にチタンで形成され、ボルト４の直近の周辺におけるコンバーター基部の表面上の不均一性を吸収するように働く。スペーサーディスク７は、コンバーター基部３の表面上に出来るだけ平坦に載置されるべきであるが、スペーサーディスク７を損傷することなく、表面品質におけるわずかなずれに対処することができる。さらに、スペーサーディスクは、ボルトの力を圧電素子に亘って均一に分散する。これにより、力の不均一な印加による圧電素子に対する過度な応力がかかるおそれを防止する。

【0040】

スペーサーディスク７の上側、すなわち、コンバーター基部の表面から離れるように向く側には、好ましくは、高い表面品質が設けられる。これは、例えば、研削又はラッピングによって行うことができる。

【0041】

幾つかの、図示の例では６つの圧電素子６が、スペーサーディスク７に当てられ、それらは、電気ＡＣ電圧信号を機械的振動に伝達することを意図している。圧電素子６のコンバーター基部３から離れる側には、例えばスチールで作ることができる圧力ディスク５が設けられる。ボルト４は、コンバーター基部３から離れる側のその端部に雄ねじを有し、それは図示の例では、ナット８が係合する鋸歯ねじとして設計されている。ナット８を締めることによって、力が圧力ディスク５に働き、且つ、圧電素子６上の圧力ディスク５を介して、ひいてはスペーサー素子７を介して、振動が、ソノトロードとして設計されるコンバーター基部３に伝達される。

【0042】

圧電素子６、スペーサーディスク７並びに圧力ディスク５が、ボルト４の外径よりも若干大きい内径を有することで、これがボルト４に対して影響することなく、それらが軸線方向、すなわち長さＩの方向に伸長縮小できるようになっていることが分かる。従って、圧電素子は、ボルト４によって影響されることなく音響振動を行うことができる。更に、圧電素子に印加される無視のできない電圧がボルトを介して分散しないように注意が必要である。この理由でも、ボルト４の外径と圧電素子６の内径との間に十分に大きな距離が必要である。

【0043】

図４は、コンバーター１の部分切断側面図を示す。ここで、図１～３に示す圧電素子６、並びにスペーサーディスク７、圧力素子５及びナット８は省かれている。

【0044】

この図において、ボルトが、図示の例では０．７５ｍｍである遷移半径１２を有することが明らかに分かる。コンバーター基部から離れる側のその端部において、ボルトは、圧力素子５及びスペーサー素子７と共に圧電素子６をコンバーター基部３に対して押圧するためにナット８を螺合させることができるねじ部１４を有する。コンバーターのボルト４及びコンバーター基部３の記載の設計によって、超音波振動部１の動作時間を大きく向上させることができる。ボルトは、ナット８を保持するために必要であり、それにより、それらをコンバーター基部に対して（又は、スペーサーディスクに対して）押圧するために必要な力が圧電素子に印加される。

【符号の説明】

【0045】

１ コンバーター
２ 溶接面
３ コンバーター基部
４ ボルト
５ 圧力ディスク
６ 圧電素子
７ スペーサーディスク
８ ナット
９ スリット
１０ 後部
１１ 前部
１２ 遷移半径
１４ ねじ部
１５ カラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【手続補正書】

【提出日】2022-12-01

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波振動部のためのコンバーターに関する。このコンバーターは、ＡＣ電圧を音響振動に変換するように設けられて適用される。

【背景技術】

【0002】

コンバーターは、コンバーター基部と、ボルトと、張力素子と、貫通開口をもつ少なくとも一つの圧電素子とを有し、コンバーターのボルトが貫通開口を貫通し、張力素子が少なくとも一つの圧電素子に対してコンバーター基部の方向に張力を与える。コンバーター基部は、ボルトが螺合されるねじ穴を有する。対応するコンバーターは、米国特許出願公開第２０１７／２７４４２０号や米国特許出願公開第２０１６／００１４９８号により知られている。

【0003】

張力素子は、圧電素子の機械的振動がコンバーター基部に伝達されることを確保する。

【0004】

この場合、幾つかの圧電素子はボルトでディスクの形態で互いに積載されて、スクリューナットの形態の張力素子の助けを得てコンバーター基部の一表面に挟持されることにより、ＡＣ電圧を圧電素子に印加することにより、圧電素子がコンバーター基部の機械的振動を励起するものが多い。

【0005】

そのようなコンバーターの多くは、ソノトロード及びコンバーターからなる超音波振動部において使用される。コンバーター又はコンバーター基部は、コンバーター基部の機械的振動がソノトロードに伝達されるように、ソノトロードに螺合される。多くの場合、そのような超音波振動部は、コンバーターとソノトロードとの間に配置され、振動の振幅を変換、すなわち概して増加させることを意図した振幅変換器も有する。それにより、圧電素子によって生成された機械的振動が増幅される。

【0006】

特に限定された空間における用途において、振幅変換器が省略されることが多いため、コンバーターを使用してより大きな振幅を生成する必要がある。しかしながら、既知のコンバーターでは、この結果、ボルトがコンバーター基部に螺合された領域に過剰応力領域が形成され、超音波振動部の寿命を大きく低下させる。一般に、経時的にねじ接続の近傍において材料に亀裂が形成されると、振動挙動に対して悪影響が生じる。

【0007】

この問題は、例えば、前もって与えられる負荷、すなわち少なくとも一つの圧電素子をコンバーター基部に対して押圧する力を減らすことによって対処されている。しかしながら、これは、圧電素子とコンバーター基部との間の接続が弱いことにより振動振幅及び振動品質を低下させ、全ての用途で受け入れられるものではない。他の可能性として、印加されるＡＣ電圧の振幅を低下させて、結果として超音波振動の振幅を低下させることがある。この対策もまた全ての用途に適しているわけではない。いずれにせよ、これは、必要な加工時間が増加する。

【0008】

最後に、ボルトが螺合されたコンバーター基部のボアにおける特別に選択されたコーナー半径及び対応するアンダーカットを使用することによって、応力を制御する試みがあった。実際、これは寿命の増加に繋がるが、比較的複雑であるため高価である。

【0009】

従って、実際に、これらのシステムは、低振動振幅でのみ動作させることができ、動作時間も限定される。

【0010】

小さい振動振幅を生成することを目的としたその他のコンバーターは、国際特許出願公開第２００８／１５６１１６号、独国特許出願公開第１００２３３０２号、米国特許出願公開第２０１８／０３０４３０８号に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１７／２７４４２０号

【特許文献2】米国特許出願公開第２０１６／００１４９８号

【特許文献3】国際特許出願公開第２００８／１５６１１６号

【特許文献4】独国特許出願公開第１００ ２３ ３０３号

【特許文献5】米国特許出願公開第２０１８／３０４３０８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

従って、上述の先行技術に基づき、本発明の課題は、高い振幅で動作することができ、同時に長い動作時間を確保できるコンバーターを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明によれば、この課題は、請求項１によって解決される。

【0014】

材料接合は、互いに対応する接続部位、すなわちここでは、コンバーターのボルトとコンバーター基部とが原子的又は分子的力によって互いに保持されているあらゆる接続として理解される。

【0015】

原則として、ボルトは、コンバーター基部に溶着又は溶接することができる。

【0016】

しかしながら、これは時間を要する。従って、好ましい実施形態において、ボルト及びコンバーター基部は、一片の材料から作成される。従って、ボルト及びコンバーター基部は、一体的に共に形成される。

【0017】

本発明によれば、ボルトは、そのコンバーター基部との接続部において、０．５mmよりも大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、更に好ましくは２ｍｍよりも大きいの遷移半径Ｒをもつように設けられる。

【0018】

その遷移半径を与えることによって、切り欠き効果係数が小さくなり材料における応力が軽減されるため、ボルトとコンバーター基部との間の安定化に繋がる。原則として、遷移半径が大きければ大きいほど、安定化がより大きくなる。しかしながら、圧電素子が、ボルト上に押され、コンバーター基部に対して押圧されることに注意すべきである。これは、超音波振動を伝達し且つ圧電素子を損傷させないように、出来るだけ全面に亘って圧電素子とコンバーター基部とを接触させる必要がある。圧電素子は、通常、圧電セラミックで形成され、それは非常に脆く、引張応力に対して極めて反応しやすく、その結果変形することになる。従って、圧電素子は、その遷移半径に位置してはならない。

【0019】

更に好ましい実施形態において、貫通開口をもつスペーサーディスクが設けられ、前記スペーサーディスク及び前記少なくとも一つの圧電素子は、前記ボルトが、最初に前記スペーサーディスクの前記貫通開口を貫通し、次に前記少なくとも一つの圧電素子の前記貫通開口を貫通して、前記スペーサーディスクが前記コンバーター基部及び前記圧電素子の両方に当接するように配置されることが提供される。最適な力の伝達を確保するために、例えば、チタン又はチタン合金から形成されるスペーサーディスクが有用である。

【0020】

好ましい実施形態によれば、コンバーター基部及びボルトが一片から作られるため、製造の観点から、高い表面品質でボルトとの接続領域にコンバーター基部の表面を製造することが可能ではない。通常のラッピング加工は、ボルトの存在のために、行うことができない。しかしながら、コンバーター基部の表面における不均一性は、圧電素子がその表面に当接する際に振動の伝達を低減する。非常に高い表面品質（粗さＲａが０．０１よりも小さく及び平坦度が０．００５ｍｍよりも小さい）で製造できるスペーサーディスクを設けることによって、少なくとも一つの圧電素子からスペーサーディスクへの少なくとも一つの超音波振動の伝達が高品質で可能となる。スペーサーディスクが、完全な平坦ではないコンバーター基部の表面に対して押圧される場合でも、圧電素子がコンバーター基部の表面に対して直に押圧される場合よりも超音波振動が良好に伝達される。

【0021】

別の好ましい実施形態において、前記スペーサーディスクの前記貫通開口は、その前記コンバーター基部に対向する側において拡大する。これは、例えば、対応する縁部に面取りを施すことによって得られる。それに応じて、スペーサーディスクの反対側も設計することが有利となる。これは、超音波振動システムを組み立てる際にスペーサーディスクがコンバーターのボルトに対して正しい向きで押し込まれていることを確認する必要がない点で有利である。

【0022】

その拡大は、ボルトのコンバーター基部への接続部に遷移半径が設けられる場合に、その遷移半径が比較的大きい場合でも、スペーサーディスクをコンバーター基部上に平坦に載置できるため、特に有利となる。好ましい実施形態において、その拡大は、長さＩに沿う長手方向に平行な断面図において、スペーサーディスクの貫通開口が、コンバーター基部に対向する側に、０．５ｍｍよりも大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きいの入口半径Ｅを有するように設計される。

【0023】

特に、前記入口半径Ｅに、２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用され、好ましくは１．２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用されると有利である。

【0024】

更に好ましい実施形態において、前記ボルトは、前記コンバーター基部から離れる側にあり且つ雄ねじが設けられた端部を有する。この点に関して、前記雄ねじが鋸歯ねじとして形成されることが最適であることが分かっている。鋸歯ねじは、非対称であり、鋸の歯に似た輪郭形状を有する。

【0025】

すでに述べたように、好ましい実施形態において、前記ボルト及び前記コンバーター基部は、一片の材料から作られる。

【0026】

この手段によって、コンバーターのボルトが、コンバーター基部よりも、横断方向、すなわち、長さＩに沿って伸びる長手方向軸線に対して垂直な方向において極めて小さい伸長をもつため、材料の消費は通常高くなり、従って、ボルトを製造するために、一片の製造においてボルトの領域において多くの材料を除去する必要がある。

【0027】

従って、上述の手段は、コンバーターがソノトロードとして設計される場合に特に有利となる。前記コンバーター基部は、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面を有する。

【0028】

そのような、コンバーターと一体化されたソノトロードは、コンパクトバイブレーターとも呼ばれる。コンパクトバイブレーターにおいて、ボルトは、ソノトロードの内部に位置付けられ、すなわち、ソノトロード又はそのコンバーター基部は、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面と、その溶接面に対向するように配置された後側とを有し、それにより、凹部が、ボルトが配置される後側に形成される。

【0029】

ソノトロード内部のボルトのこの配置は、実際的に、ボルトを形成するために追加の材料が必要ないことを意味する。逆に、この実施形態では、コンバーターのボルトが定位置に維持されるため、後側における凹部を完全に開ける必要がないため、材料も節約できる。

【0030】

更に好ましい実施形態において、前記コンバーターは、前記溶接面から前記後側まで長さＩを有し、前記ボルトは、前記長さＩの方向に延在し、好ましくは、前記長さＩが、ソノトロードの形態の前記コンバーターを共振振動状態にすることができる超音波振動の波長の半分に略対応している。

【0031】

更に好ましい実施形態において、前記ボルトが前記コンバーター基部に締結される位置は、前記長さＩの中間の周辺に配置される、すなわち、前記溶接面から、０．４ｌ＞ｄ＞０．７ｌが適用される距離ｄだけ離間する。

【0032】

前記少なくとも一つの圧電素子が、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に、すなわち、前記溶接面と前記後側との間に配置されるのが特に好ましい。

【0033】

例えば、少なくとも４つの圧電素子を設けることができ、それぞれが貫通開口を有し、それらの全ての圧電素子はボルトにより貫通され、コンバーター基部の溶接面と後側との間、すなわち長さＩの範囲内で長手方向に配置される。これは、そのソノトロードが基本的にその内側において励起されるため、振動的に有利である。

【0034】

本発明の更なる利点、特徴及び可能な用途は、好ましい実施形態の以下の説明及び添付の図面より明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】図１は、本発明に係るコンバーターの斜視図である。

【図2】図２は、図１の実施形態の断面図である。

【図3】図３は、図１の実施形態の部分切断側面図である。

【図4】図４は、圧電素子を除いた図１の実施形態の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0036】

図１は、本発明に係るコンバーターの斜視図を示す。コンバーター１は、ソノトロードとして設計されており、溶接面２を有する。溶接面２は、加工対象の材料と接触して、その材料に超音波振動を伝達するようになっている。

【0037】

コンバーター１は、図２の横断面図から明らかに分かるように、溶接面２と反対側に配置される後側の後部１０と、前部１１とを有するコンバーター基部３を有する。ここで、円周カラー１５が、前部１１と後部１０との間の境界を形成する。振動中、定常波が、コンバーターにおける長さＩに沿って縦方向に形成される。円周カラーは、最小振動の周辺に位置する。コンバーターは、コンバーターの振動挙動に対して大きく影響を及ぼすことなく、例えばＯリングを介して円周カラー上に保持させることができる。

【0038】

溶接面２を有する前部１１は、その大部分において、後部１０よりも非常に細い。この結果、この前部で振幅変換が得られる。後部１０には、コンバーター基部に、ボルト４が一体的に結合される凹部が形成されている。

【0039】

図３は、コンバーター１の部分切断側面図を示す。

【0040】

コンバーター基部３は、コンバーター基部３の後部１０の長さと前部１１の長さとから構成される長さＩを有する。従って、この長さＩは、溶接面２とコンバーター基部の後側との間の距離を画定する。使用時、長さＩの２倍に相当する波長をもつ定常波が、コンバーターで形成される。

【0041】

コンバーター基部３の前部１１には、溶接面２までは延在しないスリット９もある。スリット９は、ソノトロードとして設計されるコンバーター基部３の振動挙動を向上するために、ボルト４の軸線上に配置される。対応する中央開口を有するスペーサーディスク７が、最初にボルト４に対して押し込まれる。スペーサーディスク７は、ボルト４を含むコンバーター基部３と同様にチタンで形成され、ボルト４の直近の周辺におけるコンバーター基部の表面上の不均一性を吸収するように働く。スペーサーディスク７は、コンバーター基部３の表面上に出来るだけ平坦に載置されるべきであるが、スペーサーディスク７を損傷することなく、表面品質におけるわずかなずれに対処することができる。さらに、スペーサーディスクは、ボルトの力を圧電素子に亘って均一に分散する。これにより、力の不均一な印加による圧電素子に対する過度な応力がかかるおそれを防止する。

【0042】

スペーサーディスク７の上側、すなわち、コンバーター基部の表面から離れるように向く側には、好ましくは、高い表面品質が設けられる。これは、例えば、研削又はラッピングによって行うことができる。

【0043】

幾つかの、図示の例では６つの圧電素子６が、スペーサーディスク７に当てられ、それらは、電気ＡＣ電圧信号を機械的振動に伝達することを意図している。圧電素子６のコンバーター基部３から離れる側には、例えばスチールで作ることができる圧力ディスク５が設けられる。ボルト４は、コンバーター基部３から離れる側のその端部に雄ねじを有し、それは図示の例では、ナット８が係合する鋸歯ねじとして設計されている。ナット８を締めることによって、力が圧力ディスク５に働き、且つ、圧電素子６上の圧力ディスク５を介して、ひいてはスペーサー素子７を介して、振動が、ソノトロードとして設計されるコンバーター基部３に伝達される。

【0044】

圧電素子６、スペーサーディスク７並びに圧力ディスク５が、ボルト４の外径よりも若干大きい内径を有することで、これがボルト４に対して影響することなく、それらが軸線方向、すなわち長さＩの方向に伸長縮小できるようになっていることが分かる。従って、圧電素子は、ボルト４によって影響されることなく音響振動を行うことができる。更に、圧電素子に印加される無視のできない電圧がボルトを介して分散しないように注意が必要である。この理由でも、ボルト４の外径と圧電素子６の内径との間に十分に大きな距離が必要である。

【0045】

図４は、コンバーター１の部分切断側面図を示す。ここで、図１～３に示す圧電素子６、並びにスペーサーディスク７、圧力素子５及びナット８は省かれている。

【0046】

この図において、ボルトが、図示の例では０．７５ｍｍである遷移半径１２を有することが明らかに分かる。コンバーター基部から離れる側のその端部において、ボルトは、圧力素子５及びスペーサー素子７と共に圧電素子６をコンバーター基部３に対して押圧するためにナット８を螺合させることができるねじ部１４を有する。コンバーターのボルト４及びコンバーター基部３の記載の設計によって、超音波振動部１の動作時間を大きく向上させることができる。ボルトは、ナット８を保持するために必要であり、それにより、それらをコンバーター基部に対して（又は、スペーサーディスクに対して）押圧するために必要な力が圧電素子に印加される。

【符号の説明】

【0047】

１ コンバーター
２ 溶接面
３ コンバーター基部
４ ボルト
５ 圧力ディスク
６ 圧電素子
７ スペーサーディスク
８ ナット
９ スリット
１０ 後部
１１ 前部
１２ 遷移半径
１４ ねじ部
１５ カラー

【手続補正2】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コンバーター基部と、前記コンバーター基部に接続されたボルト（４）と、張力素子と、貫通開口をもつ少なくとも一つの圧電素子（６）とを有し、前記ボルト（４）が前記貫通開口を貫通し、前記張力素子が前記少なくとも一つの圧電素子に対して前記コンバーター基部の方向に張力を与える、コンバーターであって、前記ボルト（４）が、材料接合で前記コンバーター基部と接続され、前記コンバーターが、ソノトロードとして設計され、前記コンバーター基部が、加工対象の材料と接触するようになっている溶接面を有し、前記コンバーター基部が、前記溶接面（２）の反対側に配置された後側を有し、凹部が前記後側に形成され、その中に前記ボルト（４）が配置される、コンバーターにおいて、前記ボルト（４）が、その前記コンバーター基部との接続部において、０．５ｍｍより大きい遷移半径Ｒをもつように設けられていることを特徴とするコンバーター。

【請求項2】

前記ボルト（４）及び前記コンバーター基部が、一片の材料から製造されることを特徴とする、請求項１に記載のコンバーター。

【請求項3】

前記ボルト（４）が、前記コンバーター基部との接続部において、１ｍｍよりも大きい、好ましくは２ｍｍよりも大きいの遷移半径Ｒをもつように設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のコンバーター（１）。

【請求項4】

貫通開口をもつスペーサーディスク（７）が設けられ、前記スペーサーディスク（７）及び前記少なくとも一つの圧電素子（６）は、前記ボルト（４）が、最初に前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口を貫通し、次に前記少なくとも一つの圧電素子（６）の前記貫通開口を貫通して、前記スペーサーディスク（７）が前記コンバーター基部及び前記圧電素子（６）の両方に当接するように配置されていることを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のコンバーター（１）。

【請求項5】

前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口が、その前記コンバーター基部に対向する側において拡大し、前記スペーサーディスク（７）の前記貫通開口が、長さＩに沿う長手方向に平行な断面図において、その前記コンバーター基部に対向する側に、０．５ｍｍよりも大きい、好ましくは１ｍｍよりも大きい、特に好ましくは２ｍｍよりも大きい入口半径Ｅを好ましくは有することを特徴とする、請求項４に記載のコンバーター（１）。

【請求項6】

前記入口半径Ｅに、２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用され、好ましくは１．２Ｒ＞Ｅ＞Ｒが適用されることを特徴とする、請求項３に従属する請求項５に記載のコンバーター（１）。

【請求項7】

前記ボルト（４）が、前記コンバーター基部から離れる側にあり且つ雄ねじが設けられた端部を有し、好ましくは前記雄ねじが鋸歯ねじであることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のコンバーター（１）。

【請求項8】

前記コンバーターが、前記溶接面から前記後側まで長さＩを有し、前記ボルトが、前記長さＩの方向に延在し、好ましくは、前記長さＩが、ソノトロードとして設計された前記コンバーターを共振振動状態にすることができる超音波振動の波長の半分に対応していることを特徴とする、請求項１～７のいずれか一項に記載のコンバーター。

【請求項9】

前記少なくとも一つの圧電素子（６）が、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に配置され、好ましくは、それぞれが貫通開口をもつ４つの圧電素子（６）が設けられ、それらが前記ボルト（４）により貫通され、それらの全てが、前記長さＩの範囲内で前記長手方向に配置されていることを特徴とする、請求項８に記載のコンバーター。

【手続補正3】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正の内容】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【国際調査報告】