特表 2024-536945 機械共振器付き超音波発振システム

(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】2024-10-09

(54)【発明の名称】機械共振器付き超音波発振システム

(51)【国際特許分類】

   B06B 1/06 20060101AFI20241002BHJP

【ＦＩ】

B06B1/06

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2024520681

(86)(22)【出願日】2022-10-06

(85)【翻訳文提出日】2024-05-13

(86)【国際出願番号】 EP2022077780

(87)【国際公開番号】W WO2023061839

(87)【国際公開日】2023-04-20

(31)【優先権主張番号】102021126665.3

(32)【優先日】2021-10-14

(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】ブルエ、フランソワ

(72)【発明者】

【氏名】ツェンドラー、ステファン

(72)【発明者】

【氏名】ポルティエ、フォルカー

(72)【発明者】

【氏名】フォグラー、ウルリッヒ

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA09

5D107AA16

5D107BB01

5D107CC01

5D107FF01

(57)【要約】

本発明は、交流電圧を機械的振動に変換することができるコンバータ（６）と、機械的振動で振動するように設計された質量ｍ_sのソノトロード（２）とを備える超音波発振システム（１）に関する。コンバータ（６）は、コンバータ（６）が発生した振動がソノトロード（２）の振動励起を引き起こすようにソノトロード（２）に結合され、超音波発振システム（１）は波長λの振動で動作するように設計されている。上述の問題が少なくとも減少される超音波発振システムを提供するために、本発明によれば、超音波発振システムが、波長λの振動で共振振動させることができる質量ｍ_rの機械共振器（５）を有し、機械共振器（５）の質量ｍ_rがソノトロード（２）の質量ｍ_sよりも大きい構成にする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電圧を機械的振動に変換可能なコンバータ（６）と、
前記機械的振動で振動するように設計された質量ｍ_sのソノトロード（２）と、を有し、
前記コンバータ（６）は、前記コンバータ（６）が発生した振動が前記ソノトロード（２）の振動励起を引き起こすように前記ソノトロード（２）に結合され、
波長λの振動で動作するように設計されている超音波発振システム（１）において、
波長λの振動で共振振動させることができる質量ｍ_rの機械共振器（５）を備え、
前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sのよりも大きいことを特徴とする超音波発振システム（１）。

【請求項2】

前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sよりも、少なくとも１００％、好ましくは少なくとも１５０％、特に好ましくは少なくとも２００％大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項3】

前記機械共振器（５）が、前記コンバータ（６）と前記ソノトロード（２）との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項4】

質量ｍ_aの振幅変換器（４）が、前記コンバータ（６）と前記ソノトロード（２）との間に配置され、
前記機械共振器（５）が、好ましくは前記コンバータ（６）と前記振幅変換器（４）の間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超音波発振システム（１）。

【請求項5】

前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sと前記振幅変換器（４）の質量ｍ_aの合計よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項6】

前記振幅変換器は、前記機械共振器として設計されていることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項7】

前記機械共振器（５）は、ｎを自然数、好ましくはｎ＝１であるとすると、ｎλ／２の長さｌを有す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超音波発振システム（１）。

【請求項8】

前記機械共振器（５）は長さｌを有し、前記長さｌに沿う向きの、波長λを有する長手方向の振動に共振振動させることができ、
前記機械共振器（５）はその長さの少なくとも８０％に沿って一定の断面を有する、または、前記機械共振器（５）は異なる断面を有する２つのセクションを有して、それぞれのセクションは前記長さｌの少なくとも３５％に沿って一定の断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超音波発振システム（１）。

【請求項9】

前記機械共振器（５）は回転対称の断面積を有し、その断面積は好ましくは円形であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項10】

前記機械共振器（５）が円筒形状を有することを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項11】

前記機械共振器（５）は、平均断面積Ｑと長さｌを有するとしたとき、Ｑ＞０．５ｌ²、好ましくはＱ＞ｌ²、最も好ましくはＱ＞１．５ｌ²であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項12】

Ｑ＜５ｌ²、好ましくはＱ＜３ｌ²、最も好ましくはＱ＜２ｌ²であることを特徴とする請求項１１に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項13】

前記コンバータは、前記機械共振器として設計されていることを特徴とする請求項１～１２のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項14】

金属の溶接のための請求項１～１３のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流電圧を機械的振動に変換することができるコンバータと、機械的振動で振動するように設計された質量ｍ_sのソノトロードとを備える超音波発振システムに関する。コンバータは、コンバータが発生した振動がソノトロードの振動励起を引き起こすようにソノトロードに結合され、超音波発振システムは波長λの振動で動作するように設計されている。

【背景技術】

【0002】

このような超音波発振システムが知られている。波長λの超音波振動で励起されるソノトロードは、ソノトロードを被加工材料に接触させて、局所的に発熱できるように超音波振動により材料をその界面で励起させることにより、材料を加工するために使用される。一般に、被加工材料はソノトロードとアンビル（金床）としても知られるカウンターツールの間に配置される。

【0003】

このために、ソノトロードは、被加工材料と接触される、いわゆるシール面を備える。ソノトロードの形状は、通常、そのシール面全体に渡って可能な限り均一に超音波振動を被加工材料に加えるために、シール面がその長さ及び幅全体に渡って可能な限り一定の振動振幅で振動するように適応されている。

【0004】

シール面が被加工材料と接触するたびに、ソノトロードには、多かれ少なかれ急激に力が加わり、例えばソノトロードの特殊な形状に起因する不要な振動モードもまた励起される。被加工材料における不均一性により、材料がシール面に沿って不均一な反力をソノトロードに対し及ぼす可能性もあり、その結果、例えば、曲げ振動が励起されたり、実際に望ましい振動モードが歪んでしまったりする。これは、側面に設けたシール面で金属などのやや硬い材料を加工する用途において特に顕著である。

【0005】

この波形の歪みは、実際に望まれる長手方向の振動に悪影響を及ぼす可能性があり、その結果、位相がずれたり、場合によっては長手方向に沿って不均一な動きを引き起こしたりする可能性がある。これらの望ましくない振動運動はコンバータに伝達され、従ってコンバータ内に通常配置されている圧電セラミックにも伝達される。しかしながら、これらの部品は、長期的にはそのような振動を吸収することができない。その結果、過剰な応力により圧電セラミックスの温度が上昇し、稼動時間が短縮されてしまう。

【0006】

そのため、圧電セラミックスに再冷却の機会を与えるために、溶接時間を制限することや、個々の溶接プロセス間に長い休憩を取ることが、既に一般的に行われている。加えて、圧電セラミックスの溶接時間を長くするために、多かれ少なかれ複雑な冷却装置が設けられている。しかしながら、圧電素子のセラミックス内で、その耐用寿命を短縮してしまう欠陥が生じる可能性もある。最悪の場合には、圧電セラミックが破損することもあり得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従って、記載の技術水準に基づいて、本発明の課題は、記載された問題が少なくとも軽減される超音波発振システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明によれば、この課題は、超音波発振システムが、波長λの振動で共振振動させることができる質量ｍ_rの機械共振器を有し、共振器の質量ｍ_rがソノトロードの質量ｍ_sよりも大きいことにより解決される。

【発明の効果】

【0009】

機械共振器は、本質的に、ある周波数、及び、場合によってはその倍数の周波数でのみ振動し、他の周波数での励起が大幅に減衰されるように調整された発振システムであると理解される。好ましくは、共振器は振動体として設計される。

【0010】

機械共振器の質量ｍ_rが比較的大きいため、望ましい振動形状の歪みは大幅に減衰される。

【0011】

好ましい実施形態では、機械共振器の質量ｍ_rは、ソノトロードの質量ｍ_sよりも、少なくとも１００％、好ましくは少なくとも１５０％、特に好ましくは少なくとも２００％大きい。

【0012】

機械共振器がコンバータとソノトロードの間に配置されていれば、特に好ましい。このようにすることで、一方のソノトロードと他方の被加工材料の接触によりシステムに結合され得る不要な振動は、まずソノトロードから機械共振器に伝達されるが、機械共振器がこれらの不要な振動を実質的に完全に打ち消して、不要な振動がコンバータとそれに含まれる圧電素子に実質的に伝達されないようする。しかしながら、機械共振器を発振システムに結合するだけで、発振システム全体の振動形状が所望の振動形状に近いままに維持することが保証される。

【0013】

多くの場合、質量ｍ_aの振幅変換器がコンバータとソノトロードの間で使用され、振幅変換器は、超音波振動の振幅を変化させるが、該振動の周波数は変化させない。これにより、コンバータが発生した振動の振幅を、該振動がソノトロードに結合される前に、拡大・縮小（通常は拡大であるが、縮小することもあり得る）することができる。

【0014】

このような振幅変換器が使用される場合、機械共振器は、振幅変換器とソノトロードの間または振幅変換器とコンバータの間に配置することができるが、後者の配置が特に好ましい。不要な振動モードも振幅変換器を介してシステムに結合され得るが、振幅変換器とコンバータの間に機械共振器を配置することによって、これらのモードも除去される。

【0015】

一般的に、振幅変換器の変換特性により、ソノトロードを介してシステムに結合された不要な振動の振動振幅が低減されたレベルで機械共振器のみに伝達されることも確実となる。

【0016】

さらに好ましい実施形態では、機械共振器の質量ｍ_rは、ソノトロードの質量ｍ_sと振幅変換器の質量ｍ_aの合計よりも大きい。

【0017】

機械共振器の比較的大きな質量により、不要な振動成分は除去されるか、大幅に減衰される。

【0018】

しかしながら、本発明の意味において、振幅変換器を機械共振器として設計することも可能である。そのような場合、追加的部品は不要である。その代わり、振幅変換器の質量が増加される。ただし、振幅変換器には取り付け部が設けられることが多く、対応する取り付けホルダーも振幅変換器のより大きな寸法にあわせて変更する必要があるが、スペースの理由から全ての用途でそれが可能であるとは限らない。

【0019】

好ましい実施形態では、機械共振器は、λ／２またはその倍数の長さを有する。これらの場合、機械共振器を波長λと効果的に共振するようにすることができる。

【0020】

さらに好ましい実施形態では、機械共振器は長さｌを有し、長さｌに沿う向きの、波長λを有する長手方向の振動（縦振動）に共振するように作製することができる。好ましい実施形態では、機械共振器は、その長さｌの少なくとも８０％に沿って一定の断面を有し、特に好ましくは、機械共振器は、その長さの少なくとも９５％に沿って一定の断面を有する。好ましくは、機械共振器は、その長さの全体に沿って一定の断面を有する。

【0021】

あるいは、機械共振器は異なる断面を持つ２つのセクションを有し、それぞれのセクションは、長さｌの少なくとも２５％に沿って一定の断面を有していてもよい。この場合、機械共振器は、所望の振動形状の歪み成分を排除または減衰させるだけではなく、振幅変換も行う。この機械共振器は、既存の振幅変換器に加えて使用することもできるし、完全に置き換えて使用することができる。

【0022】

これらの形状は、他の振動モードが非常に効果的に減衰または排除されることを保証する。

【0023】

さらに好ましい実施形態では、機械共振器は回転対称の断面積を有し、その断面積は円形であることが好ましい。例えば、機械共振器は、円筒形状を有することができる。

【0024】

更に特に好ましい実施形態では、機械共振器の有する平均断面積をＱとし、長さをｌとしたとき、Ｑ＞０，５ｌ²、好ましくはＱ＞ｌ²、最も好ましくはＱ＞１．５ｌ²である。（長さｌに対し垂直な断面図における）平均断面積が大きいことにより、不要な振動を非常に効果的に排除できる。

【0025】

断面積を著しく大きくしたとしても追加的効果はなく、他の好ましい実施形態では、Ｑ＜５ｌ²、好ましくはＱ＜３ｌ²、最も好ましくはＱ＜２ｌ²である。

【0026】

別の好ましい実施形態では、コンバータは、機械共振器として設計される。従って、コンバータにより大きな質量ｍ_rが提供されるため、この場合には追加のコンポーネントも省略できる。

【0027】

このような超音波発振システムは、金属の溶接に特に好ましい。

【0028】

本発明の更なる利点、特徴、可能な用途が、以下の好ましい実施形態の記載及び添付の図面から明らかとなろう。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明の一実施形態の側面図である。

【図2】図１に示す本発明の実施形態の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0030】

図１は、本発明の一実施形態を示す。超音波発振システム１はソノトロード２を備え、ソノトロード２は互いに対向する第１端面と第２端面と、これら２つ端面どうしを接続する外周側面とを有する。

【0031】

更に、複数の（すなわち４つの）圧電結晶積層体９を有するコンバータ６が設けられており、圧電結晶積層体９は、全て超音波発振ユニット１の長手方向に対して垂直に配向されている。これらの圧電結晶積層体９が交流電圧を機械的振動に変換する。超音波発振システム１では、４つの圧電結晶積層体９が星型に配置されているため、図１の矢印で示す長手方向に長手方向の超音波振動が励起される。

【0032】

振幅変換器４は、ソノトロード２の第１端面に配置され、図１の右側からシステムに結合された振動の振動振幅を拡大してソノトロード２に伝達する。

【0033】

ソノトロード２は、材料を溶接するように設計されていて、図示の例では金属ストランドを溶接するように設計されている。この目的のために、ソノロード２は、その側面に、金属ストランドと接触可能なシール面を有する。シール面は、第２端面に面する側面の部分に配置されている。

【0034】

機械共振器５は、振幅変換器４とコンバータ６との間に配置されており、この場合、コンバータ６は円筒形の要素から成る。機械共振器５の長さｌは、コンバータ６により引き起こされる励起振動の波長λの半分に相当する。コンバータ６により引き起こされる波長λの振動は、機械共振器５によって振幅変換器４へ伝達され、振幅変換器４は、振幅を変換、この場合は拡大してソノトロード２へ伝達する。機械共振器５は、それぞれ一定の直径を有する２つのセクション７、８を有しており、コンバータ６側に位置するセクション７の直径は、振幅変換器４側に位置するセクション８の直径よりも大きい。セクション８は長さｌ₁を有し、セクション７は長さｌ²を有する。長さｌ₃を有する移行セクションが、セクション７とセクション８の間に配置される。機械共振器５の長さは、このように、長さｌ₁、長さｌ₂、及び、長さｌ₃（ｌ＝ｌ₁＋ｌ₂＋ｌ₃）から成る。本実施形態は、機械共振器５も振幅変換を行うという利点を有する。

【0035】

ソノトロード２が金属ストランド３と接触することにより、更なる振動モードまたは振動形状の歪みが励起され、それらが次にソノトロード２から振幅変換器４へと伝達される。長さｌの機械共振器５が振幅変換器４とコンバータ６の間に配置されているため、これらの振動モードは、機械共振器５により実施的に完全に除去されるか、その歪みが大幅に減衰されて、その結果これらの振動はコンバータ６またはコンバータ６の圧電素子に伝達されない。

【0036】

本発明に係る超音波発振システム１における機械共振器５の配置は、圧電結晶に影響を与える干渉振動を効果的に除去し、従って圧電素子の耐用寿命を大幅に延長する。

【符号の説明】

【0037】

１ 超音波発振システム
２ ソノトロード
４ 振幅変換器
５ 機械共振器
６ コンバータ
７、８ 共振器のセクション
９ 圧電結晶積層体

【図1】

【図2】

【手続補正書】

【提出日】2023-02-17

【手続補正1】

【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】

交流電圧を機械的振動に変換可能なコンバータ（６）と、
前記機械的振動で振動するように設計された質量ｍ_sのソノトロード（２）と、を有し、
前記コンバータ（６）は、前記コンバータ（６）が発生した振動が前記ソノトロード（２）の振動励起を引き起こすように前記ソノトロード（２）に結合され、
波長λの振動で動作するように設計されている超音波発振システム（１）において、
波長λの振動で共振振動させることができる質量ｍ_rの機械共振器（５）を備え、
前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sのよりも大きいことを特徴とする超音波発振システム（１）。

【請求項2】

前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sよりも、少なくとも１００％、好ましくは少なくとも１５０％、特に好ましくは少なくとも２００％大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項3】

前記機械共振器（５）が、前記コンバータ（６）と前記ソノトロード（２）との間に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項4】

質量ｍ_aの振幅変換器（４）が、前記コンバータ（６）と前記ソノトロード（２）との間に配置され、
前記機械共振器（５）が、好ましくは前記コンバータ（６）と前記振幅変換器（４）の間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超音波発振システム（１）。

【請求項5】

前記機械共振器（５）の質量ｍ_rは、前記ソノトロード（２）の質量ｍ_sと前記振幅変換器（４）の質量ｍ_aの合計よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項6】

前記振幅変換器は、前記機械共振器として設計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超音波発振システム（１）。

【請求項7】

前記機械共振器（５）は、ｎを自然数、好ましくはｎ＝１であるとすると、ｎλ／２の長さｌを有す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超音波発振システム（１）。

【請求項8】

前記機械共振器（５）は長さｌを有し、前記長さｌに沿う向きの、波長λを有する長手方向の振動に共振振動させることができ、
前記機械共振器（５）はその長さの少なくとも８０％に沿って一定の断面を有する、または、前記機械共振器（５）は異なる断面を有する２つのセクションを有して、それぞれのセクションは前記長さｌの少なくとも３５％に沿って一定の断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超音波発振システム（１）。

【請求項9】

前記機械共振器（５）は回転対称の断面積を有し、その断面積は好ましくは円形であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項10】

前記機械共振器（５）が円筒形状を有することを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項11】

前記機械共振器（５）は、平均断面積Ｑと長さｌを有するとしたとき、Ｑ＞０．５ｌ²、好ましくはＱ＞ｌ²、最も好ましくはＱ＞１．５ｌ²であることを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項12】

Ｑ＜５ｌ²、好ましくはＱ＜３ｌ²、最も好ましくはＱ＜２ｌ²であることを特徴とする請求項１１に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項13】

前記コンバータは、前記機械共振器として設計されていることを特徴とする、請求項１、２または７～１２のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）。

【請求項14】

金属の溶接のための請求項１～１３のいずれか一項に記載の超音波発振システム（１）の使用。

【国際調査報告】