気体、液体、固体などの中を伝わる振動を「音波」といいます。音波の中でも、周波数が高く耳で聞こえないものは「超音波」とよばれます。
現代社会において、超音波は洗浄や計測だけでなく精密加工などさまざまな用途に利用されています。今回は中でも、超音波を用いた加工技術である超音波加工について解説していきます。
目次
超音波加工とは
工業材料の加工方法としては、切削加工や研削加工、プレス加工などさまざまなものが存在します。これら従来の加工方法に超音波の振動を取り入れた技術が、超音波加工です。たとえば超音波切削加工の場合、加工工具を超音波振動させた状態で加工対象物を切削します。
超音波加工を行う際には、振動子とよばれる部品を使用して超音波を発生させます。一般的に使用されるのはBL振動子とよばれるものであり、圧電素子に電気信号を与えることで15kHz～200kHzの超音波振動を発生させることが可能です。
超音波加工の種類
従来の加工技術には、除去加工（加工対象物の不要部分を取り除く方法）と非除去加工（加工対象物を変形させる方法）が存在します。超音波はこれらいずれの方法にも適用することが可能です。
今回はさまざまな超音波加工のうち、除去加工である砥粒加工と切削加工、そして超音波を取り入れた接着技術をご紹介します。
- 超音波砥粒加工
超音波砥粒加工は、砥粒加工（砥粒とよばれる高硬度の粒子を用いて加工対象物を少しずつ削り取る方法）に超音波を取り入れた方法です。
超音波砥粒加工では、工具を超音波振動させた状態で工具と加工対象物との間に水に懸濁させた砥粒を流し込みます。すると振動工具と砥粒とが衝突し、工具から振動のエネルギーを得た砥粒は加工対象物にぶつかりその表面を少しずつ削り取っていきます。加工対象物を削るのはあくまでも砥粒であり、超音波はその補助をするというイメージです。
超音波砥粒加工では、超音波という高周波数の振動を利用して従来よりも丁寧で高精度な加工が可能です。従来は加工が困難であった、硬くて脆い材料の加工にも対応できます。また、加工時間も大幅に短縮されます。 - 超音波切削加工
超音波切削加工は、切削加工と超音波振動とを組み合わせたものです。工具に超音波振動を与えた状態で加工対象物を切削します。
超音波切削加工では多くの場合、切削方向と同方向に超音波振動が与えられます。つまり工具は、振動の周期に合わせて加工対象物と接触する（加工対象物を削る）、加工対象物から離れる、を繰り返すのです。このように超音波切削加工では工具が加工対象物から離れるタイミングがあるため、工具にかかる力が少なくなり加工精度が向上します。また、同様の理由で切削に伴う発熱も少なくなるため、熱による加工対象物の変質などを防ぐことができます。
このように超音波切削加工には多くのメリットがあります。しかし一方で、切削が行われないタイミングがあるため加工に時間がかかるといったデメリットもあります。 - 超音波接合
超音波接合は、圧接（試料同士を密着させ、圧力をかけて接合する方法）に超音波振動を取り入れた技術です。圧接では試料表面の汚れを取り除き清浄な状態にすることが重要であり、この際に超音波が役立ちます。
超音波接合は主に金属同士の接合に利用されます。2つの金属試料を上下に重ね合わせた後、上側の試料に超音波振動を加えます。その状態で上側の試料を下側の試料に押し当てると、超音波振動により両試料表面の汚れ（酸化皮膜など）が除去されるのです。その結果、試料同士をきれいに接合することが可能となります。
超音波接合では熱を使用しないため、融点が異なる異種の金属を接合できます。また、接合により金属の機械的、電気的性質が変化することもありません。 - 超音波溶着
超音波溶着は、超音波による振動と圧力により樹脂を部分的に溶融し、溶着します。熱可塑性樹脂であればほぼ全ての樹脂が加工可能で、加熱される範囲が狭いため、樹脂部品への熱的影響が少ないのが特徴です。
超音波加工の用途
超音波砥粒加工や超音波切削加工では、超音波の高周波振動を利用した丁寧で高精度な加工が可能です。そのため、これらの技術はセラミックスや宝石、ガラスといった硬くて脆い材料の加工に広く用いられています。また熱が発生せず、きれいな断面が得られることから樹脂の切削加工にも使用されています。
一方で超音波接合は、電池やパワーデバイス、基板といった微細な電気的接点部の金属接合に適しています。リチウムイオン電池への活用も注目されています。
まとめ
超音波加工は従来の加工方法と超音波とを組み合わせた技術であり、従来の加工方法にはないさまざまなメリットや特徴を備えています。
超音波加工には今回紹介した以外にもさまざまな方法があります。超音波を加工に利用する際には、各方法の特徴を理解した上で最適な方法を選択するようにしましょう。
