超音波応用技術

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超音波とは?

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聞くことを目的としない音

一般的には「周波数が高く、耳に聞こえない音」と認識されている超音波。広辞苑では「振動数が約2万ヘルツ以上で、定常音として耳に聞こえない音波」と定義されていますが、産業界では「聞こえない」ではなく、「聞くことを目的としない」音を超音波と呼んでいます。

音の正体

私たちが普段聞いている「音」の正体とは何でしょうか?
話し声はもちろんですが、スピーカーから出る音やバイオリンの奏でる音は、どのようにして「聞こえる」となるのでしょうか。
たとえば、バイオリンでは絃が震えることによって、その振動が空気を伝わって耳に届きます。この振動が耳の鼓膜を揺らし、脳が音として認識します。つまり、音の正体は「振動」なのです。振動は、気体・液体・固体を「波」のように伝播していきます。この音の波のことを「音波」と呼びます。

音の単位

音の振動数は「周波数」と呼ばれ、Hz(ヘルツ)という単位で表されます。1秒間に1回振動する場合、1Hzとなります。<振動回数が少ない=周波数が低い>ほど低音に聞こえ、<振動回数が多い=周波数が高い>ほど高音となります。バイオリンの絃を押さえる位置によって音の高低が変化するのも、振動回数(周波数)の変化によるものです。

聞こえるのに超音波?

一般的に人の可聴域(聞こえる周波数)は20Hz~20kHzとされていますが、超音波機器の中には耳に聞こえる周波数帯を使っているものもあります。当社製品にも可聴域の周波数である15,000ヘルツ帯を使用した製品があり、「耳に聞こえる音」ではありますが、聞くことを目的としているわけではありません。よってわれわれの定義上は「超音波」として扱います。

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超音波振動の原理

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振動子により高周波電力を超音波振動に変換

音の正体は「振動(音波)」です。では、この振動を産業に応用するための超音波振動をどのように発生させているのでしょうか?
超音波振動の原理を説明します。

振動は機械的な運動ですので、エネルギーと動力部が必要になります。自動車でいえば、ガソリンとエンジンに当たる部分が必要になるわけです。
超音波振動におけるガソリンは高周波電力、エンジンは「超音波振動子(ちょうおんぱしんどうし)」と呼ばれています。
高周波電力が振動に変わる原理は、火打石をイメージするとわかりやすいかと思います。火打ち石は叩くと火花が出ます。この時、叩くことで石は一瞬縮みますが、元に戻ろうとする力が働き、これが<電気エネルギー=火花>となって現れます。
この原理を逆手に取り、発振器内で圧電素子の石に電気エネルギーを供給することで振動を発生させています。

COLUMNもっと詳しく!

超音波溶着の振動子に使用される素子は、発振器からの電圧を超音波振動に変換するもので、交流電圧を加えると振動するチタン酸ジルコン酸鉛(通称PZT)が主に使われています。このPZTを電極と金属で挟みボルト締めしたものが、ボルト締めランジュバン型振動子(通称BLT)となります。
BLTは金属を介してボルト締めすることにより、超音波溶着で使用する周波数で動作するように調整されています。
PZTは前述の通り交流電圧により、伸び縮みの反復運動を行います。この反復運動の距離(振幅)は数ミクロン~数十ミクロンと極めて小さなものですが、伝達・共振・増幅により加工に必要な振幅が得られます。

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超音波ウェルダーとは?

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超音波振動によって熱可塑性樹脂の加工を行う装置

超音波による熱可塑性樹脂(熱で溶けるプラスチック)の溶着機は、「超音波ウェルダー」または「超音波溶着機」とも呼ばれています。
超音波ウェルダーを使用している業界は幅広く、自動車の部品や各種容器、医療機器、生活用品、玩具、家電の溶着などに用いられています。

超音波ウェルダーの主な構成

超音波ウェルダーは主に発振器と振動部、プレス機構と超音波ホーンによって構成されています。
超音波ホーンは工具ホーンとも呼ばれ、振動部で発生した振動を増幅しワークに伝達することで溶着を行います。また、プレスを使用せず、発振器と振動部とホーンの組合せの機器もあります。

発振器

「発振器」は高周波電力の供給と共に、共振周波数の制御などを行っています。
共振周波数は使用する超音波ホーンごとに異なり、動作時の温度によっても変化します。また、溶着中の加圧によっても変動するため、最適な周波数に調整する「周波数追尾回路」を搭載しています。
当社の超音波溶着機は「定振幅回路」を搭載しています。定振幅とはホーン先端振幅を一定にする機能となっており、溶着時の加圧力などにかかわらず常に設定した振幅になるように作動し、安定した溶着ができるように制御しています。超音波振動用の電力供給と制御を行っているため、「発信器」ではなく「発振器」と表記します。

振動部

「振動部」は素子で構成された振動子(BLT)と振幅を増幅する固定ホーンで構成されています。
固定ホーンの振幅をさらに増幅し、ワークに伝達するのが超音波ホーン(工具ホーン)です。超音波ホーンは用途やワークにより、さまざまな形状で製作されます。
超音波ホーンは無暗に追加工をしてしまうと、共振周波数のズレや振動モードの悪化に繋がる可能性が高く、溶着不良やホーンの破断リスクに繋がります。そのため当社では、お客様による超音波ホーンの追加工をしないようにお願いしております。

超音波ホーン

超音波ホーン先端から熱可塑性樹脂に伝達した振動は、樹脂の内部にも伝達していきます。
伝達した振動は樹脂同士の接触している界面で発熱(衝突、摩擦、変形)して樹脂を溶融し、溶着に至ります。

身近な超音波溶着

超音波溶着の使用例では、身近なものとして不織布マスクや使い捨てのガスライターがあります。
不織布マスクの外周についているミシン目や、耳ひもの付け根の跡は超音波溶着によるものです。ガスライターでは「透明の容器」と「着火部の部品」をネジや接着剤などを使わずに、超音波にて1秒以下の短時間で溶着しています。自動車の内装部品やランプなどにも超音波溶着は多く利用されています。

このように、超音波溶着は様々な分野で使用され、産業になくてはならないものになっています。

以下、超音波溶着のメリットを簡単にまとめます。

超音波溶着のメリット

  • 汎用性に優れ、熱可塑性樹脂であれば殆ど全てに適用できます。
  • 溶着時間は通常1秒以下と短時間での加工が可能です。
  • 消耗品が殆ど無く、ランニングコストが少なく済みます。
  • 連続溶着や多点同時溶着の構成も可能です。
  • 電力を要するのは発振時のみであるため、とてもECOな装置です。
  • 繰り返し精度に優れ、同等品質の製品を安定して生産できます。
  • 目的に応じた自動機への組込みも可能です。

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超音波ウェルダーの利用例

POINT

汎用性が高く、様々な業界で利用されている

超音波ウェルダーを使用している業界は幅広く、自動車の部品や各種容器、医療機器、生活用品、玩具、家電の溶着などに用いられています。

成形品の伝達溶着、シートや不織布の直接溶着、カシメ、インサート、スポット、ピアス、ゲートカット、トリミングなど幅広い用途に利用が可能です。また、直交ロボットや多軸ロボットなど、自動化生産ラインへの組み込みに対しても柔軟に対応できます。

自動車
  • 内装:ドアトリム・ルーフ・エンブレム・サンバイザー・ルームランプなど
  • 外装・レンズ:リアレンズ・ターンランプ・バンパー・リフレクタなど

その他、機能性部品やフィルター、タイヤの切断など

医療
  • 衛生:マスク・ガウン
  • 機器:ダイアライザー・体温計
電機・電子
  • 冷蔵庫・掃除機・洗濯機・加湿器・メモリーカード・SDカード・バッテリーなど
衛生用品
  • おむつ・生理用ナプキン・歯ブラシなど
日用品
  • クリアファイル・インクカートリッジ・オフィスチェアなど
包装・容器
  • アルミラミネート・フィルム・スパウト・ブリスターパック・チューブなど

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超音波溶着の種類

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周波数の選択も大事な要素

溶着物の形状や材質、溶着範囲などから使用する周波数と工法を選択します。
周波数は振動の伝達距離に関わり、溶着可能なサイズや溶着部までの距離が変わります。

超音波溶着では15~40kHzが採用されていることが多く、基本的に15~20kHzの低い周波数は溶着部までの距離がある「伝達溶着」に適しており、28~40kHzの高い周波数は表面上の「直接溶着」に適しているとされています。

伝達溶着(溶着組立)

成形品同士を溶着して組み立てる方法。プラスチックを重ね、ホーンを押し当てながら超音波振動を与え、接合部分を発熱させて溶着する。

直接溶着(シール)

超音波ホーンを押し当てた部分をホーン先端形状のまま溶着する方法。
押し出しチューブ、ボトルなどの成形品やシートのシールなどに使用される。フィルムや不織布の連続溶着・溶断も可能。

リベッティング(かしめ組立)

プラスチックと金属、あるいは異材プラスチックの成形品を固定し、組み立てる方法。熱加工に比べ、ガタが無く多点の同時加工が可能。

金属インサート

金属部品をプラスチック成形品の穴に圧入する方法。ほかの方式に比べ熱による変形が少なく、加工時間が短い。

ラップバット溶着

フィルムの端部を微量重ね合わせ、一枚分の厚さに溶着する方法。エンドレスシートのつなぎ目を溶着する際に使用される。

スポット溶着

重ねた2枚のプラスチック板を局所的に溶着する方法。溶着デザインは不要となるが、ホーン先端をプラスチックに食い込ませる必要があり、溶着する板材等の厚みは制限される。

ゲートカット

超音波ホーン先端を成形品のランナー部分に押し当てて振動を加え、瞬時にゲートから切り離し部品を仕上げる方法

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ワーク設計

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伝達溶着を可能としている秘密は溶着界面の形状にある

超音波溶着の特長である伝達溶着を効率よく行うためには、ワーク側にも溶着に適した形状を施す必要があります。
この溶着を効率化するための形状は「エネルギーダイレクター(ED)」や「溶着リブ」と呼ばれます。

溶着リブ設計の重要性

溶着リブの必要性は振動エネルギーの集中にあります。
伝達溶着の場合、溶着界面がフラット面同士であるとエネルギーが分散します。その結果、樹脂の溶けだし位置が不均一となり、下記のような症状に繋がります。

  • 温度上昇の鈍化
  • 溶着強度不足
  • 溶着時間が長くなる
  • 樹脂の劣化や破壊
  • 意匠面の溶融、キズの発生

このような症状を無くすためにも、溶着リブの設計は重要となります。

超音波溶着の基本的な溶着リブ形状

ここでは、超音波溶着の基本的な溶着リブ形状について説明していきます。
超音波溶着の溶着リブ形状は大きく分けて2通りの形状があり、「ダイレクトジョイント」と「シェアジョイント」と呼ばれます。
溶着強度は基本的に溶融面積に比例するため、溶着リブの寸法や形状はワークの要件(溶着強度、外観など)に応じて設計する必要があります。溶着リブの溶融体積を大きく設計すれば溶着強度は増す傾向にありますが、必要以上の体積がある場合、バリが発生し外観や機能を損ねる可能性があります。

ダイレクトジョイント

三角形の溶着リブをワークの片方に設けます。もう片方はフラット形状です。基本的に溶着リブは同材質の溶着では超音波ホーン側、異材質の溶着では融点の高い方に設定することになります。また、発生するバリの許容範囲によりワーク形状の設計も異なります。

シェアジョイント

結晶性樹脂の溶着に用いられる形状です。
片方の角をもう片方の斜めの部分にぶつけるような形で設計します。
ダイレクトジョイントに比べて注意点(ワークの精度・位置関係・溶着中の膨らみ)が多く溶着の難易度としても高くなる傾向にあります。PPS・PA(ナイロン)・PBT・POM等ある程度融点が高く、溶融する領域が狭い材質に適しています。但し、これらの材質も条件次第ではダイレクトジョイントでの溶着が可能です。

シェアジョイントの場合は斜面が設けてある側のワークが力によって外に膨らむ場合が多く、治具で外形を抑える必要があります。
そのため、ワークと治具のGAP調整についても注意を要します。また、ワークの位置ズレが溶着の一部不具合となる場合が考えられるので、製品精度・位置精度が求められます。

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超音波ホーンについて

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共振・増幅・伝達

超音波溶着に必要不可欠なツールが超音波ホーン(工具ホーン)です。
超音波ホーンは振動子で発生した振動に「共振」し、振動を「増幅」させてワークに「伝達」します。

超音波ホーンは共振によって振動しているため、設計した周波数と異なる機器では使用できません(15kHzで設計したホーンは19kHzの機器では使えない)。
ホーンの形状や寸法を安易に変えてしまうと共振できなくなる可能性があります。

また、超音波ホーンの先端は同一方向に均一に振動するように設計されます。振動(振幅)が不均一な場合、溶着強度や気密性のバラつきが発生しやすくなります。
最悪の場合、超音波ホーン自身の破断につながる可能性があります。
〔ワークの形状・材質に合わせ、振動解析データに基づき設計・製作しています。〕

周波数はそれぞれ伝達距離を有しており、共振する超音波ホーンのサイズにも影響します。基本的に周波数が低いほど伝達距離は長くなり、ホーンのサイズも大きくなります。

超音波ホーンの材質

超音波ホーンの材質は用途に応じて選定します。ここでは使用頻度の高い3種類について特長を説明します。

ジュラルミン

超音波ホーンに使用される最も一般的な材質です。
軽量で放熱性に優れ、メッキ加工や超硬溶射などの処理を施すことも可能です。

チタン

高振幅を要する際に適した材質です。
ジュラルミンと比べ硬度は高いですが、表面処理は限られています。

鉄(SKD)

摩耗対策として選択される材質です。
蓄熱性が高く、超音波ホーンの冷却が必須となります。
防錆処理が可能です。

ホーン製作例

ここからはホーン作成事例とその用途について説明します。特殊な形状のホーンをご紹介しますが、振動解析を行うことで、大型成形品の溶着に対応するための形状やカット・金属接合など用途に特化した形状での製作も可能となります。

ラムダホーン

半波長ホーンの組み合わせにより、伝達性を維持した上で大型成形品の溶着が可能です。1つの振動部で広い溶着面積に対応することが可能な為、従来超音波では対応不可能とされていたアプリケーションにもラムダなら成立する可能性があります。

多ホーン

複数の超音波ホーンと振動部のセットを配列することにより、大型ワークの溶着が可能となります。高い周波数の溶着機でも広い溶着面積の伝達溶着に対応することが可能です。

多振動部ホーン

1本の超音波ホーンに複数の振動部がついており、主にピロー包装機の横シールユニットにて効果を発揮します。高い周波数が有利な薄物溶着において、隙間なく最大300㎜のシール長さまで対応することが可能です。シール幅1㎜/1本線で従来のヒートシールと同等以上のシール強度と完全密封性を得ることができ、包装資材コストの低減に大きく貢献します。

フードカット用ホーン(一体式)

食品向けでは、通常の刃では難しいケーキのような柔らかい食材から硬い冷凍食品まで、「圧倒的なカット性/綺麗な切断面/切りくず低減/食材付着低減」により品質と生産効率の向上に貢献します。その他ゴムカット等にも超音波の効果を大きく発揮します。

超音波カット用ホーン(先端刃交換式)

先端に取り付けた超硬刃を超音波振動させることにより、切りくずがほとんどなく、通常の刃物と比較して加工効率が大幅に向上します。
樹脂製品のトリミングや裁断などに効果を発揮します。

金属接合用超音波ホーン

超音波金属接合では、接合部に対し超音波振動を効率的に伝達させる必要があり、そのために超音波ホーンや目立て(ナール)部の仕様は、接合に寄与する重要な要素となります。
当社では、超音波金属接合に関するノウハウや接合試験結果等から、お客様の製品に最適な超音波ホーンの提案をおこなっております。

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法的規制

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型式指定を受けた装置は個別の申請を免除されます

超音波洗浄機やウエルダー等の強力超音波機器を使用する場合、あらかじめ総務省の総合通信局へ申請し、使用許可を得る必要がありますが、「型式指定」を受けた強力超音波機器については、申請・届出の必要はありません。

申請が必要な機器

溶無線設備、通信設備以外の設備であって10kHz以上の高周波電流を利用して高周波エネルギーを発生させて、50Wを超える高周波出力を使用する設備は、原則として総務大臣の設置許可を受ける必要があります。これは「電波法第100条」によって定められています。

申請が不要な機器

シリアル銘板シールに型式指定番号が記入された装置は総務大臣による型式指定(技術基準に適合していることの指定)を受けており、
個別に設置許可を申請する必要はありません。

なお、日本国外で使用する場合は、その国や地域の定める法律に従ってください。

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