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JP2018038992A - Ultrasonic processing langevin-type ultrasonic vibrator, and support method therefor - Google Patents

Ultrasonic processing langevin-type ultrasonic vibrator, and support method therefor Download PDF

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Abstract

【課題】ランジュバン型超音波振動子の支持剛性を高め、かつ支持精度を高めることにより精密加工に適する超音波加工方法を提供する。【解決手段】ハウジングの外側に雄ネジを設け、ハウジングの内側にテーパー環状支持枠体6bと勘合するためのテーパーを設ける。そして、雌ネジを備えたハウジングナット21を締付けることにより、テーパー環状支持枠体6bとハウジング11をテーパー勘合することによりランジュバン型超音波振動子1を支持固定した。なお、ランジュバン型超音波振動子1の圧電素子3への電気エネルギーの供給は、ハウジング11に形成した孔19を介して、ハウジングの外部に設けた超音波発振回路8から所定の周波数の電圧を印加するようにした。【選択図】図4PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic processing method suitable for precision processing by increasing the support rigidity of a Langevin type ultrasonic transducer and increasing the support accuracy. SOLUTION: A male screw is provided on the outside of a housing, and a taper for fitting with a tapered annular support frame 6b is provided on the inside of the housing. Then, the Langevin type ultrasonic oscillator 1 was supported and fixed by tapering the tapered annular support frame 6b and the housing 11 by tightening the housing nut 21 provided with the female screw. The electric energy is supplied to the piezoelectric element 3 of the Langevin type ultrasonic transducer 1 from the ultrasonic oscillation circuit 8 provided outside the housing through the hole 19 formed in the housing 11. It was made to apply. [Selection diagram] FIG. 4

Description

本発明は、超音波加工用のランジュバン型超音波振動子とその支持方法に関する。  The present invention relates to a Langevin type ultrasonic transducer for ultrasonic processing and a support method thereof.

圧電素子を超音波発生源として利用する超音波振動子は各種の構成のものが知られているが、その代表的な構成として、一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子が知られている。なかでも、圧電素子を一対の金属ブロックの間でボルトにより接続し、高圧で締付け固定した構造のボルト締めランジュバン型超音波振動子は高エネルギーの超音波振動が可能なため、各種材料の切削加工、塑性加工、砥粒加工などを行うための工具に付設して用いる超音波加工での利用が検討されている。  Various types of ultrasonic transducers using a piezoelectric element as an ultrasonic wave generation source are known. As a typical configuration, a piezoelectric block fixed between a pair of metal blocks and these metal blocks is used. A Langevin type ultrasonic transducer composed of elements is known. In particular, bolted Langevin type ultrasonic vibrators with a structure in which piezoelectric elements are connected by bolts between a pair of metal blocks and fastened and fixed at a high pressure are capable of high-energy ultrasonic vibration, so cutting of various materials is possible. In addition, the use in ultrasonic processing attached to a tool for performing plastic working, abrasive grain processing, and the like has been studied.

ボルト締めランジュバン型超音波振動子を含め各種の超音波振動子の構成は既に知られているが、念のため、代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成とその利用の形態を添付の図1と図2を参照して以下に簡単に説明する。  The configuration of various ultrasonic transducers, including bolt-clamped Langevin type ultrasonic transducers, is already known, but as a precaution, the configuration of typical bolt-clamped Langevin type ultrasonic transducers and their usage forms are attached. This will be briefly described below with reference to FIGS.

図1は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の代表的な構造の例を示す図である。ボルト締めランジュバン型超音波振動子1は、一対の金属ブロック2a、2bの間に圧電素子(例:圧電セラミック板)3を挟み、ボルト4を用いて金属ブロック2a、2bを互いに締付けた構造を有する。図1において、圧電素子に記入されている矢印は分極方向を示す。なお、圧電素子3には、電気エネルギーを印加するための端子として利用する電極片(通常はリン青銅などの電極片を用いる)5a、5bが接続されている。  FIG. 1 is a diagram showing an example of a typical structure of a bolted Langevin type ultrasonic transducer. The bolt-clamped Langevin type ultrasonic vibrator 1 has a structure in which a piezoelectric element (eg, a piezoelectric ceramic plate) 3 is sandwiched between a pair of metal blocks 2a and 2b and the metal blocks 2a and 2b are fastened to each other using a bolt 4. Have. In FIG. 1, the arrow written in the piezoelectric element indicates the polarization direction. The piezoelectric element 3 is connected to electrode pieces 5a and 5b (usually using electrode pieces such as phosphor bronze) used as terminals for applying electric energy.

図2は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を超音波振動源として用いる超音波研削加工装置(研磨機)の構成例を示す図である。図2において、超音波研削加工装置10は、ハウジング11内に、下端部にホーン12を介して接続された研磨具13を備えた超音波振動子1を収容し、この超音波振動子1を軸受14により回転可能に支持されている。超音波振動子1の回転は、サーボユニット15に接続された交流スピンドルモータ16に駆動される。図2の装置では、超音波振動子の超音波振動のための電気エネルギーは、外部に設けた電気エネルギー供給源17に接続しているカーボンブラシとスリップリング18とから構成されている接触型給電装置を介して供給される。  FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of an ultrasonic grinding apparatus (polishing machine) that uses a bolted Langevin type ultrasonic vibrator as an ultrasonic vibration source. In FIG. 2, an ultrasonic grinding apparatus 10 accommodates an ultrasonic vibrator 1 having a polishing tool 13 connected to a lower end portion via a horn 12 in a housing 11. The bearing 14 is rotatably supported. The rotation of the ultrasonic transducer 1 is driven by an AC spindle motor 16 connected to the servo unit 15. In the apparatus of FIG. 2, the electrical energy for ultrasonic vibration of the ultrasonic vibrator is a contact-type power supply composed of a carbon brush connected to an external electric energy supply source 17 and a slip ring 18. Supplied through the device.

ところで、超音波加工装置において各種工具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、当該工具による切削抵抗の削減、切れ味の向上、加工精度の向上などである。しかし、これまでに製造され、実際の加工作業に使用されてきた超音波加工装置ではその期待された効果が充分に得られていない。このため現在の時点では超音波加工装置の普及はあまり進んでいない。従って、超音波加工の充分な普及を進めるためには、超音波加工作業の実施において超音波振動子の支持剛性と、支持位置の精度を高める改良が必要であるとされている。  By the way, the effects expected by applying ultrasonic vibration to various tools in the ultrasonic processing apparatus are reduction of cutting resistance, improvement of sharpness, improvement of processing accuracy, and the like. However, the expected effects have not been sufficiently obtained with ultrasonic processing apparatuses manufactured so far and used in actual processing operations. For this reason, at the present time, the spread of ultrasonic processing apparatuses has not progressed much. Accordingly, in order to promote the widespread use of ultrasonic machining, it is necessary to improve the support rigidity of the ultrasonic transducer and the accuracy of the support position in the implementation of the ultrasonic machining operation.

本発明の発明者は、これまでに超音波振動子の支持剛性の向上が期待できる超音波振動子の改良発明を案出し、特許出願を行ってきた。たとえば、それらの改良発明の内最近の発明は特許文献1に開示されている。  The inventor of the present invention has so far devised an improved invention of an ultrasonic transducer that can be expected to improve the support rigidity of the ultrasonic transducer, and has applied for a patent. For example, Patent Document 1 discloses a recent invention among the improved inventions.

特許文献1には、工具と超音波振動体との振動複合体を高い安定性を以って支持、かつ超音波振動体において発生する超音波エネルギーの該複合体の支持体(固定支持体)への露出を低いレベルに抑制することによって、振動エネルギーの工具への高い効率での印加を可能にする支持構造として、工具を備えた超音波振動体にフランジを付設し、フランジの片側面を、別に用意した固定体の支持面に応力を掛けた状態で接触させることにより係合支持する支持構造(但し、超音波振動体のフランジは、固定体のフタンジ支持面には接合されてなく、また固定体の支持面に接触して係合支持された超音波振動体のフランジは、該超音波振動体が振動状態にある時にはフランジの厚み方向に超音波振動する構造とされる)が開示されている。  In Patent Document 1, a vibration composite of a tool and an ultrasonic vibrator is supported with high stability, and a support (fixed support) of the composite of ultrasonic energy generated in the ultrasonic vibrator. As a support structure that enables high-efficiency application of vibrational energy to the tool by suppressing exposure to a low level, a flange is attached to the ultrasonic vibrator equipped with the tool, and one side of the flange is In addition, a support structure that engages and supports by contacting the support surface of a separately prepared fixed body in a stressed state (however, the flange of the ultrasonic vibrator is not joined to the flange support surface of the fixed body, Also, the flange of the ultrasonic vibrator that is engaged with and supported by the support surface of the fixed body is structured to vibrate ultrasonically in the thickness direction of the flange when the ultrasonic vibrator is in a vibrating state. Has been.

また、特許文献2においては、超音波振動子と超音波振動子を支持して発生した超音波振動を伝送する伝送ホーンと伝送ホーンの先端部に着脱自在に装着される工具と、伝送ホーン支持する外筒とを備え、伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の外径側に外方に突出するフランジを設けると共に伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の中心軸部に支持軸を設け、伝送ホーンをフランジおよび支持軸により外筒に押し圧支持する構成が開示されている。  In Patent Document 2, an ultrasonic vibrator, a transmission horn that transmits ultrasonic vibration generated by supporting the ultrasonic vibrator, a tool that is detachably attached to the tip of the transmission horn, and a transmission horn support A flange that protrudes outward on the outer diameter side of the shaft vibration node portion of the transmission horn and a support shaft at the center shaft portion of the shaft vibration node portion of the transmission horn for transmission. A configuration is disclosed in which a horn is pressed and supported on an outer cylinder by a flange and a support shaft.

国際公開 WO2014/017460AIInternational Publication WO2014 / 017460AI 特開平5−77145JP-A-5-77145

岩田佳雄他、「機械振動学」、数理工学社、2011年5月、p22〜p28、p152〜p158Yoshio Iwata et al., “Mechanical Vibration”, Mathematical Engineering, May 2011, p22-p28, p152-p158

機械加工に用いるランジュバン型超音波振動子には、大きな負荷が加わる。しかし、これに対して現在まで、ランジュバン型超音波振動子は、無負荷の状態での設計を行って、製作している。したがって、負荷が加わった時には、その性能を充分に発揮できないという大きな問題が存在する。  A large load is applied to the Langevin type ultrasonic transducer used for machining. However, up to now, Langevin type ultrasonic transducers are designed and manufactured without load. Therefore, when a load is applied, there is a big problem that the performance cannot be fully exhibited.

特許文献1に記載の新たな超音波振動子の支持構造を利用する超音波加工装置により、従来知られていた構造の超音波振動子を用いる超音波加工装置の問題点については少なからず解決が見られている。しかしながら、特許文献1に記載の超音波振動子の支持構造を利用した超音波加工装置についても、実用的に充分に満足できる加工精度の向上が得られないことが判明した。  With the ultrasonic processing apparatus using the new support structure of the ultrasonic vibrator described in Patent Document 1, the problems of the ultrasonic processing apparatus using the ultrasonic vibrator having a conventionally known structure can be solved. It has been seen. However, the ultrasonic machining apparatus using the support structure of the ultrasonic vibrator described in Patent Document 1 has also been found to be unable to obtain a sufficiently satisfactory machining accuracy in practical use.

特許文献2に記載に記載された伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の中心軸部に支持軸を設ける方法によっては、軸振動の節位置が伝送ホーンの先端部に装着される工具の形状により変化するため、工具長さが変わる場合は、超音波振動子の振動を小さくしてしまう恐れがある。また、ネジを用いて支持してため、支持剛性が低くなり、加工精度が低下する虞がある。  Depending on the method of providing a support shaft at the center shaft portion of the shaft vibration node portion in the transmission horn described in Patent Document 2, the position of the shaft vibration node position depends on the shape of the tool attached to the front end portion of the transmission horn. Therefore, if the tool length changes, the vibration of the ultrasonic transducer may be reduced. Moreover, since it supports using a screw, support rigidity becomes low and there exists a possibility that processing precision may fall.

従って、本発明の課題は、加工精度の向上を実現することのできる超音波加工に適したランジュバン型超音波振動子の構造と支持方法を提供することにある。  Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure and a supporting method of a Langevin type ultrasonic transducer suitable for ultrasonic processing capable of improving processing accuracy.

本発明の発明者は、特許文献1に記載の新たな超音波振動子の支持構造の改良を目的として、改めてランジュバン型超音波振動子における超音波振動の発生メカニズムの検討を行った。そして、その検討に際して、ランジュバン型超音波振動子を強固に支持する構成のモデルとして図3、図4に示す支持構成を考えた。図3の支持構成を持つランジュバン超音波振動子1は、金属製のフロントマス2d、リン青銅製の電極板5d、板厚方向に分極された圧電素子3d、リン青銅製の電極板5c、板厚方向に分極された圧電素子3c、テーパー環状支持枠体6b、板厚方向に分極された圧電素子3b、リン青銅製の電極板5b、板厚方向に分極された圧電素子3a、リン青銅製の電極板5aを順に並べ、オネジを持つ金属製のリアマス2aをフロントマス2bにねじ込み締付けることにより作成する。ここでテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング側の直径が小さく、フロントマス側の直径が大きい円錐状の形状である。  The inventor of the present invention examined the generation mechanism of the ultrasonic vibration in the Langevin type ultrasonic vibrator again for the purpose of improving the support structure of the new ultrasonic vibrator described in Patent Document 1. In the examination, the support configuration shown in FIGS. 3 and 4 was considered as a model of the configuration that firmly supports the Langevin type ultrasonic transducer. The Langevin ultrasonic transducer 1 having the supporting structure of FIG. 3 includes a metal front mass 2d, a phosphor bronze electrode plate 5d, a piezoelectric element 3d polarized in the plate thickness direction, a phosphor bronze electrode plate 5c, a plate Piezoelectric element 3c polarized in the thickness direction, tapered annular support frame 6b, piezoelectric element 3b polarized in the plate thickness direction, electrode plate 5b made of phosphor bronze, piezoelectric element 3a polarized in the plate thickness direction, made of phosphor bronze The electrode plates 5a are arranged in order, and a metal rear mass 2a having a male screw is screwed into the front mass 2b and tightened. Here, the tapered annular support frame 6b has a conical shape with a small diameter on the housing side and a large diameter on the front mass side.

また、ランジュバン型超音波振動子の支持剛性と振動特性を考慮すると、まず、支持剛性に関しては、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/5以上、2/3以上することが望ましい。そして、ランジュバン型超音波振動子に所望の超音波振動の大きさを励起するための電気エネルギーを供給するためにランジュバン型超音波振動子の圧電素子の合計の厚さは、テーパー環状支持枠体6bの厚さより大きくすることが望ましい。  Further, considering the support rigidity and vibration characteristics of the Langevin type ultrasonic transducer, first, regarding the support stiffness, the thickness of the tapered annular support frame 6b is 1 of the outer diameter of the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic transducer. / 5 or more is preferable. Then, the total thickness of the piezoelectric elements of the Langevin type ultrasonic transducer to supply electrical energy for exciting the magnitude of the desired ultrasonic oscillation to the Langevin type ultrasonic transducer is a tapered annular support frame. It is desirable that the thickness be larger than 6b.

これに対して従来のランジュバン型超音波振動子は、無負荷で最も性能を発揮できるようにランジュバン型超音波振動子を支持できるようにフランジを可能な限り薄くすることであり、通常はランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/10より小さい。
しかし、負荷が加わったときには、ランジュバン型超音波振動子を支持する薄いフランジは変形し、それによって加工精度が悪化する。また。ランジュバン型超音波振動子の共振周波数とアドミッタンス値が大きく変化し、振幅量は大幅に低下する。
On the other hand, the conventional Langevin type ultrasonic transducer is to make the flange as thin as possible so that it can support the Langevin type ultrasonic transducer so that it can perform best with no load. It is smaller than 1/10 of the outer diameter of the piezoelectric element of the ultrasonic vibrator.
However, when a load is applied, the thin flange that supports the Langevin type ultrasonic transducer is deformed, thereby deteriorating the processing accuracy. Also. The resonance frequency and the admittance value of the Langevin type ultrasonic transducer are greatly changed, and the amplitude is greatly reduced.

図3の構成について圧電素子の合計厚さは20mmであり、直径は、15mmである。そして、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、5mmである。したがって、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/3である。また圧電素子の合計厚さはテーパー環状支持枠体6bの厚さの4倍である。  In the configuration of FIG. 3, the total thickness of the piezoelectric elements is 20 mm, and the diameter is 15 mm. The thickness of the tapered annular support frame 6b is 5 mm. Therefore, the thickness of the tapered annular support frame 6b is 1/3 of the outer diameter of the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic transducer. The total thickness of the piezoelectric elements is four times the thickness of the tapered annular support frame 6b.

図4を用いて、ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持する方法などについて説明する。ボルト締めランジュバン超音波振動子1を支持するために鋼製のハウジング11を用意する。ハウジングの外側に雄ネジを設け、ハウジング11の内側にテーパー環状支持枠体6bと勘合するためのテーパーを設ける。そして、雌ネジを備えたハウジングナット21を締付けることにより、テーパー環状支持枠体6bとハウジング11をテーパー勘合することにより支持固定した。なお、ランジュバン超音波振動子1の圧電素子3への電気エネルギーの供給は、ハウジング11に形成した孔19を介して、ハウジングの外部に設けた超音波発振回路8から所定の周波数の電圧を印加するようにした。また、ここで図4中の寸法を示す数値はmm単位である。  A method of supporting a Langevin type ultrasonic transducer on the housing will be described with reference to FIG. In order to support the bolted Langevin ultrasonic transducer 1, a steel housing 11 is prepared. A male screw is provided on the outer side of the housing, and a taper for fitting with the tapered annular support frame 6b is provided on the inner side of the housing 11. Then, by tightening the housing nut 21 provided with the female screw, the tapered annular support frame 6b and the housing 11 are supported and fixed by fitting the taper. The electrical energy is supplied to the piezoelectric element 3 of the Langevin ultrasonic transducer 1 by applying a voltage of a predetermined frequency from the ultrasonic oscillation circuit 8 provided outside the housing through the hole 19 formed in the housing 11. I tried to do it. Moreover, the numerical value which shows the dimension in FIG. 4 here is a mm unit.

ここで、ハウジングに超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングハウジングナットによる締め付けを選択した理由について述べる。
まず、図5A、図5Bに示すテーパー勘合と、図5C、図5Dに示すストレート勘合について説明する。一般に要求精度が高ければ高いほど、テーパー勘合が採用される。ストレート接続の場合、両部品が嵌め合うためのクリアランスが振れの要因となる。さらに、こうした軸部分の振れは、フロントマスに取り付けた工具に、より増幅した不必要な振動や音を発生させることになる。
ところで、テーパー勘合の場合、しっかりした「ラージ当たり(大端合わせ)が出ていて、かつ、テーパー基準で部品が仕上げられていれば、不必要な振動や音の発生を激減することができる。
また、メンテナンス性についても、テーパー勘合ではカジリの発生が大幅に低減できる。そして、勘合を繰り返してもストレート勘合と比較して精度の復元が容易である。
以上の特徴から、テーパー勘合を採用した。
Here, the reason why the taper fitting and the tightening with the housing housing nut are selected as the means for supporting the ultrasonic vibrator on the housing will be described.
First, the taper fitting shown in FIGS. 5A and 5B and the straight fitting shown in FIGS. 5C and 5D will be described. In general, the higher the required accuracy, the more taper fitting is employed. In the case of straight connection, the clearance for fitting the two parts becomes a factor of fluctuation. Further, such shaft deflection causes unnecessary amplified vibrations and sounds to be generated in the tool attached to the front mass.
By the way, in the case of the taper fitting, if a firm “large contact (large end alignment)” is provided and parts are finished on the basis of the taper, generation of unnecessary vibrations and sounds can be drastically reduced.
As for maintainability, the occurrence of galling can be greatly reduced by taper fitting. Even if the fitting is repeated, the accuracy can be easily restored as compared with the straight fitting.
Based on the above features, a taper fit was adopted.

次にハウジングに超音波振動子を締付ける手段として、ハウジング11のオネジとハウジングナット21を用いた理由について述べる。
図5A、図5Cは、締付ける手段として、ハウジング11のオネジとハウジングナット21を用いたものであり、図5B、図5Dは、締付ける手段として、ハウジング11のネジ孔に押さえ板の孔を通してボルト4で締付ける構成である。
先ず、ハウジングナット21を用いる場合であるが、ハウジング11のオネジ形状とオネジ精度、ハウジングナット21のメネジ精度の加工精度を高めれば、中心軸に対する誤差は小さくなる。
一方、ボルト4を用いた場合は、押さえ板のクリアランスが存在するための誤差がある。そして、ボルト4を複数用いるので締め付け誤差が生じる。繰り返し作業をすると、その都度、誤差が生じる。また、締め付け力は、ボルト4の半径が小さいため、複数用いたとしてもハウジングナット21に比較して小さい。
以上の理由により、図5Aに示すハウジング11にランジュバン型超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングナット21による締め付けを選択した。
Next, the reason why the male screw of the housing 11 and the housing nut 21 are used as means for fastening the ultrasonic vibrator to the housing will be described.
5A and 5C show the case where the male screw of the housing 11 and the housing nut 21 are used as the fastening means, and FIGS. 5B and 5D show the bolt 4 through the screw hole of the housing 11 through the hole of the holding plate as the fastening means. It is the structure which tightens with.
First, in the case of using the housing nut 21, if the processing accuracy of the male screw shape and male screw accuracy of the housing 11 and the female screw accuracy of the housing nut 21 is increased, the error with respect to the central axis is reduced.
On the other hand, when the bolt 4 is used, there is an error due to the clearance of the pressing plate. And since a plurality of bolts 4 are used, a tightening error occurs. An error occurs every time the operation is repeated. Further, since the radius of the bolt 4 is small, the tightening force is small as compared with the housing nut 21 even when a plurality of bolts are used.
For the above reason, the taper fitting and the tightening by the housing nut 21 were selected as means for supporting the Langevin type ultrasonic transducer on the housing 11 shown in FIG. 5A.

ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングナットによる締め付けを選択したが図6の概略図で示すようにテーパー環状支持枠体6bには、3通りの支持方法がある。
図6Aに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング11と接する面がテーパー状であり、反対側の面は平面である。そして、ハウジング11には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。
図6Bに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジングナット21と接する面がテーパー状であり、反対側の面は平面である。そして、ハウジングナット21には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。
図6Cに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング11と接する面がテーパー状であり、かつハウジングナット21と接する面もテーパー状である。そして、ハウジング11とハウジングナット21には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。この方法は、テーパー環状支持枠体6bの両面でテーパー勘合により位置精度を高めることができるので最も精密加工に適した形状である。
As a means for supporting the Langevin type ultrasonic transducer on the housing, taper fitting and tightening with a housing nut were selected. As shown in the schematic diagram of FIG. 6, the tapered annular support frame 6b has three support methods. is there.
In the tapered annular support frame 6b shown in FIG. 6A, the surface in contact with the housing 11 is tapered, and the opposite surface is a flat surface. The housing 11 has a taper so that the taper can be engaged with the tapered annular support frame 6b.
In the tapered annular support frame 6b shown in FIG. 6B, the surface in contact with the housing nut 21 is tapered, and the opposite surface is flat. The housing nut 21 has a taper so that the taper can be engaged with the tapered annular support frame 6b.
In the tapered annular support frame 6b shown in FIG. 6C, the surface in contact with the housing 11 is tapered, and the surface in contact with the housing nut 21 is also tapered. The housing 11 and the housing nut 21 have a taper so that the taper can be engaged with the tapered annular support frame 6b. This method is the most suitable shape for precision machining because the positional accuracy can be increased by taper fitting on both surfaces of the tapered annular support frame 6b.

図3に示した形状とサイズを持つボルト締めランジュバン型超音波振動子1の超音波振動特性を評価するために、インピーダンスアナライザを用いて、ランジュバン型超音波振動子1を非拘束とした状態における周波数特性を測定した。そして、その周波数特性は、共振周波数を示すアドミッタンスピークの周波数は29535Hzであり、ピークのアドミッタンス値は8.28mSであった。  In order to evaluate the ultrasonic vibration characteristics of the bolted Langevin type ultrasonic transducer 1 having the shape and size shown in FIG. 3, the Langevin type ultrasonic transducer 1 is unconstrained using an impedance analyzer. Frequency characteristics were measured. As for the frequency characteristics, the frequency of the admittance peak indicating the resonance frequency was 29535 Hz, and the peak admittance value was 8.28 mS.

また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して、20Vp−pの電圧で、周波数をスイープして電流が最大になる29.39KHzで、電流値は約133mAであった。そしてその条件でのフロントマスの中央の振動変位量を、レザードップラー振動計を用いて測定した。その振動変位量は、14.1μmp−pであった。  In addition, when a function synthesizer was connected to the power amplifier, the frequency was swept at a voltage of 20 Vp-p to maximize the current, and the current value was about 133 mA. Then, the amount of vibration displacement at the center of the front mass under the conditions was measured using a laser Doppler vibrometer. The vibration displacement amount was 14.1 μmp-p.

図4は、ハウジング11とハウジングナット21によりボルト締めランジュバン超音波振動子1のテーパー環状支持枠体6bとハウジングをテーパー勘合して支持したものであるが、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の拘束状態での周波数特性は、共振周波数を示すアドミッタンスピークの周波数は29800Hzであり、ピークのアドミッタンス値は10.1mSであった。通常は、ボルト締めランジュバン超音波振動子1が拘束された場合は、共振周波数でのアドミッタンス値は、拘束の無い状態に比較して小さくなるが、拘束の影響がほとんどない場合は、様々な影響により拘束が無い場合より拘束がある場合が、アドミッタンスが大きくなる。  FIG. 4 shows a case in which the housing 11 and the housing nut 21 support the tapered annular support frame 6b of the bolted Langevin ultrasonic transducer 1 and the housing by taper fitting. Regarding the frequency characteristics in the state, the frequency of the admittance peak indicating the resonance frequency was 29800 Hz, and the peak admittance value was 10.1 mS. Normally, when the bolted Langevin ultrasonic transducer 1 is constrained, the admittance value at the resonance frequency is smaller than that in the unconstrained state, but there are various effects when there is almost no constraining effect. The admittance is greater when there is a constraint than when there is no constraint.

また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して、20Vp−pの電圧で、周波数をスィープしてアドミッタンスが最大になる29.66KHzで、アドミッタンス値は約146mAであった。そしてその条件でのフロントマスの中央の振動変位量を、レザードップラー振動計を用いて測定した。その振動変位量は、14.1μmp−pであった。  In addition, when a function synthesizer was connected to the power amplifier, the frequency was swept at a voltage of 20 Vp-p, the admittance was maximized at 29.66 KHz, and the admittance value was about 146 mA. Then, the amount of vibration displacement at the center of the front mass under the conditions was measured using a laser Doppler vibrometer. The vibration displacement amount was 14.1 μmp-p.

図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子に比較して、共振周波数において約1%低く、アドミッタンス値において約22%小さかった。また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して駆動した時には、図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子に比較して、電流が約10%小さく、振動変位量は同じであった。  The state in which the Langevin type ultrasonic transducer of FIG. 3 is unconstrained is about 1% lower in resonance frequency and about 22% lower in admittance value than the Langevin type ultrasonic transducer in the constrained state of FIG. . When the function synthesizer is connected to the power amplifier and driven, the state in which the Langevin type ultrasonic transducer in FIG. 3 is unconstrained is more current than that in the constrained Langevin type ultrasonic transducer in FIG. Was about 10% smaller and the vibration displacement was the same.

この程度の差は、ランジュバン型超音波振動子の温度変化により、簡単に生じてしまう。そして測定順序においても、この程度の差は生じてしまう。つまり、図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子の差は無いに等しい。  Such a difference is easily caused by a temperature change of the Langevin type ultrasonic transducer. And this degree of difference also occurs in the measurement order. That is, the state in which the Langevin type ultrasonic transducer of FIG. 3 is unconstrained is equal to the difference between the Langevin type ultrasonic transducer in the constrained state of FIG.

本発明のランジュバン型超音波振動子の構成とランジュバン型超音波振動子の支持方法は、剛性の大きい支持を実現でき、そしてランジュバン型超音波振動子をハウジングからの着脱を繰り返しても、支持精度が維持できる。そして、これを用いた超音波加工方法では、加工精度を向上することができる。  The structure of the Langevin type ultrasonic transducer and the method of supporting the Langevin type ultrasonic transducer of the present invention can realize a highly rigid support, and support accuracy even when the Langevin type ultrasonic transducer is repeatedly detached from the housing. Can be maintained. And in the ultrasonic processing method using this, processing accuracy can be improved.

代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a typical bolting Langevin type ultrasonic transducer | vibrator. ボルト締めランジュバン型超音波振動子を利用する超音波加工装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the ultrasonic processing apparatus using a bolting Langevin type ultrasonic transducer | vibrator. 本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the bolting Langevin type ultrasonic transducer | vibrator of this invention. 本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子をハウジングにハウジングナットにより支持固定した構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which supported and fixed the bolting Langevin type ultrasonic transducer | vibrator of this invention to the housing with the housing nut. ストレート勘合とテーパー勘合の比較とハウジングナットとボルトによる締め付けを説明する図である。It is a figure explaining the comparison with a straight fitting and a taper fitting, and fastening with a housing nut and a bolt. テーパー環状支持枠体のテーパーの種類を説明する図である。It is a figure explaining the kind of taper of a taper annular support frame. 本発明を用いた超音波カッターを説明する図である。It is a figure explaining the ultrasonic cutter using this invention. 本発明を用いた超音波ドリルを説明する図である。It is a figure explaining the ultrasonic drill using this invention.

本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法は、機械的負荷がランジュバン型超音波振動子に加わる時に、その特徴を発揮する。また、ランジュバン型超音波振動子が回転させないで使用する用途と、回転する用途に区分することができる。  The Langevin type ultrasonic vibrator and the supporting method thereof according to the present invention exhibit its characteristics when a mechanical load is applied to the Langevin type ultrasonic vibrator. In addition, it is possible to classify the use into a use in which the Langevin type ultrasonic transducer is not rotated and a use in which it is rotated.

まず、ランジュバン型超音波振動子を回転させない用途である超音波カッターについて図7を用いて説明する。図7Aに示すランジュバン型超音波振動子は、テーパー環状支持枠体6bを一体で作成した鋼製フロントマス2に芋ネジをねじ込み、そして芋ネジに圧電素子、電極板、圧電素子、電極板、そして鋼製のリアマスを通しナット7により締め込み一体にして作成する。テーパー環状支持枠体6bの形状は、両面にテーパーを持つものである。そして、図7Bは図7Aの断面図で示したカッターの斜視図である。超硬製または鋼製の丸棒の先端に超硬製のカッター刃をロウ付けなどの方法により接合する。また、カッター刃は、用途によりダイヤモンドを電着することもある。  First, an ultrasonic cutter which is an application in which a Langevin type ultrasonic transducer is not rotated will be described with reference to FIG. In the Langevin type ultrasonic transducer shown in FIG. 7A, a screw is screwed into a steel front mass 2 formed integrally with a tapered annular support frame 6b, and a piezoelectric element, an electrode plate, a piezoelectric element, an electrode plate, Then, a steel rear mass is tightened with a through nut 7 so as to be integrated. The shape of the tapered annular support frame 6b has a taper on both sides. FIG. 7B is a perspective view of the cutter shown in the sectional view of FIG. 7A. A cemented carbide cutter blade is joined to the tip of a cemented carbide or steel round bar by a method such as brazing. Moreover, the cutter blade may electrodeposit diamond depending on the application.

次いで、ハウジング11のテーパーにランジュバン型超音波振動子のテーパー環状支持枠体6bのテーパーに合わせ、そしてテーパー環状支持枠体6bのハウジングナット用のテーパーにハウジングナットのテーパーを合わせて締め込むことにより、ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持固定する。  Next, by matching the taper of the housing 11 with the taper of the tapered annular support frame 6b of the Langevin type ultrasonic transducer, and fitting the taper of the housing nut to the taper for the housing nut of the tapered annular support frame 6b The Langevin type ultrasonic transducer is supported and fixed to the housing.

さらに、フロントマスの先端に設けたテーパー孔にコレットを入れ、コレットナットをゆるく締め、その後カッターをコレットに入れ、締め込みカッターをランジュバン型超音波振動子に固定する。  Further, a collet is inserted into a tapered hole provided at the front end of the front mass, the collet nut is loosely tightened, and then the cutter is inserted into the collet, and the tightening cutter is fixed to the Langevin type ultrasonic vibrator.

ここで、上記の超音波カッターの運転方法について説明する。例えば、図示しないプラスチック板を切断するため、超音波カッターを三次元加工機に取付けプログラムにより所望の形状に切断する。先ず、超音波カッターにリード線により接続した超音波発振回路8の電源のスイッチを入れ、超音波カッターに所望の振動モードの超音波振動を励起する。その後、三次元加工機のスイッチを入れ、加工プログラムを作動させ、プラスチック板を切断する。切断が終了したら、超音波発振回路8のスイッチを切り、そして三次元加工機の電源を切り、加工を終了する。  Here, the operation method of the ultrasonic cutter will be described. For example, in order to cut a plastic plate (not shown), an ultrasonic cutter is attached to a three-dimensional processing machine and cut into a desired shape by a program. First, the power supply of the ultrasonic oscillation circuit 8 connected to the ultrasonic cutter by a lead wire is turned on to excite ultrasonic vibration of a desired vibration mode in the ultrasonic cutter. Then, the three-dimensional machine is turned on, the machining program is activated, and the plastic plate is cut. When the cutting is finished, the ultrasonic oscillation circuit 8 is turned off, the power of the three-dimensional processing machine is turned off, and the processing is finished.

本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法を用いた超音波カッターは、剛性が高く、かつ支持精度が高いため、高精度で大きい負荷に対して用いることができる。  The ultrasonic cutter using the Langevin type ultrasonic vibrator and the supporting method of the present invention has high rigidity and high support accuracy, and therefore can be used with high accuracy and a large load.

ランジュバン型超音波振動子を回転する用途である超音波ドリルについて図8を用いて説明する。テーパー環状支持枠体6bとオネジを一体としたステンレス製のフロントマスのオネジに圧電素子、電極板、圧電素子、電極板の順にいれステンレス製のリアマスをねじ込み一体としてランジュバン型超音波振動子を製作する。  An ultrasonic drill that is used to rotate a Langevin type ultrasonic transducer will be described with reference to FIG. A Langevin type ultrasonic transducer is manufactured by screwing a stainless steel rear mass into the male screw of the stainless steel front mass that integrates the tapered annular support frame 6b and the male screw in the order of piezoelectric element, electrode plate, piezoelectric element and electrode plate. To do.

一方、スピンドルを次の手順で作成する。ハウジングとケースの間に、ベアリング2個を入れ、次いで外側間座、内側間座、ベアリングを挿入し外側間座用リングとトランス台を締め込み、スピンドルを製作する。  On the other hand, a spindle is created by the following procedure. Insert two bearings between the housing and the case, then insert the outer spacer, inner spacer and bearing, tighten the outer spacer ring and the transformer base, and manufacture the spindle.

ハウジングの中にランジュバン型超音波振動子の図示しないリード線を2本入れ、トランス台の孔を通す。そして、ハウジングのテーパーとテーパー環状支持枠体6bのテーパーを合わせ、締め込むことにより接続する。その後、ランジュバン型超音波振動子の図示しないリード線とロータリートランスの銅線と接続する。そして、トランス台に回転軸をねじ込む。  Two lead wires (not shown) of the Langevin type ultrasonic transducer are put in the housing, and the hole of the transformer base is passed through. Then, the taper of the housing and the taper of the tapered annular support frame 6b are matched and connected by tightening. Thereafter, the lead wire (not shown) of the Langevin type ultrasonic transducer and the copper wire of the rotary transformer are connected. Then, the rotating shaft is screwed into the transformer base.

次にロータリートランス台(固定)にロータリートランス(固定)を接着剤で接着する。その後、スリーブにロータリートランス台(固定)をネジ止めし、ハウジングにねじ込み取り付ける。  Next, the rotary transformer (fixed) is bonded to the rotary transformer stand (fixed) with an adhesive. Then, screw the rotary transformer base (fixed) to the sleeve and screw it into the housing.

スリーブにモータ台をネジにより取り付け、回転軸にカップリングを取付け、モータ台をスリーブに取り付け、カップリングにモータ軸を入れ、モータも図示しないボルトによりモータ台に固定する。その後、カップリングとモータ軸をネジにより締付ける。以上により超音波スピンドルを製作する。そして、フロントマスのテーパー孔にコレットを入れ、コレットナットを軽く締め、その後ドリルをコレットに入れて締め付け超音波ドリルとする。  The motor base is attached to the sleeve with screws, the coupling is attached to the rotating shaft, the motor base is attached to the sleeve, the motor shaft is inserted into the coupling, and the motor is also fixed to the motor base with a bolt (not shown). Then, the coupling and the motor shaft are tightened with screws. The ultrasonic spindle is manufactured as described above. Then, a collet is put into the tapered hole of the front mass, the collet nut is lightly tightened, and then the drill is put into the collet to form an ultrasonic drill.

ここで、上記の超音波ドリルの運転方法について説明する。例えば、図示しない超硬板に穴あけするため、超音波ドリルを三次元加工機に取付けプログラムにより所望の位置に穴あけする。先ず、超音波ドリルに接続した超音波発振回路の電源のスイッチを入れ、ほぼ同時に切削液をノズルから出し、超音波ドリルに所望の振動モードの超音波振動を励起する。その後、三次元加工機のスイッチを入れ、加工プログラムを作動させ、超硬板を穴あけする。穴あけが終了したら、超音波発振回路と切削液の供給装置のモータのスイッチを切り、そして三次元加工機の電源を切り、加工を終了する。  Here, the operation method of the ultrasonic drill will be described. For example, in order to make a hole in a carbide plate (not shown), an ultrasonic drill is attached to a three-dimensional processing machine to make a hole at a desired position by a program. First, the power supply of the ultrasonic oscillation circuit connected to the ultrasonic drill is turned on, and the cutting fluid is discharged from the nozzle almost simultaneously to excite ultrasonic vibration of a desired vibration mode in the ultrasonic drill. Then, the three-dimensional machine is turned on, the machining program is activated, and the carbide plate is drilled. When the drilling is finished, the ultrasonic oscillation circuit and the motor of the cutting fluid supply device are turned off, and the power of the three-dimensional processing machine is turned off to finish the machining.

超音波ドリルのドリルをエンドミルに交換してエンドミルを回転させながら、水平方向にエンドミルを移動させれば、溝加工できる。本発明のランジュバン型超音波振動子の支持剛性が大きいため、水平方向の力に対しても、通常の支持に比較すると精度高く加工できる。  If the drill of the ultrasonic drill is replaced with an end mill and the end mill is rotated, the end mill is moved in the horizontal direction, so that grooving can be performed. Since the support stiffness of the Langevin type ultrasonic transducer of the present invention is large, it can be processed with high accuracy even in the horizontal direction as compared with the normal support.

本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法を用いた超音波ドリルは、剛性が高く、かつ支持精度が高いため、高精度に穴あけでき、かつ大きい負荷に対して用いることができる。  The ultrasonic drill using the Langevin type ultrasonic transducer of the present invention and its support method has high rigidity and high support accuracy, so that it can be drilled with high accuracy and can be used for a large load.

以上、脱明したように本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法は、機械的負荷が加わる超音波加工に適している。  As described above, the Langevin type ultrasonic transducer and the supporting method thereof according to the present invention are suitable for ultrasonic processing to which a mechanical load is applied.

1 ボルト締めランジュバン型超音波振動子
2a 金属ブロック(リアマス)
2b 金属ブロック(フロントマス)
3 圧電素子
4 ボルト
5 リン青銅電極
6a 環状支持体枠
6b テーパー環状支持体枠
7 ナット
8 超音波発振回路
10 超音波研削加工装置
11 ハウジング
12 ホーン
13 研削具
17 電気エネルギー供給源
19 孔
20 基台
21 ハウジングナット
22 コレットナット
23 リード線
24 コレット
1 Bolt-clamped Langevin type ultrasonic transducer 2a Metal block (rear mass)
2b Metal block (front mass)
3 Piezoelectric Element 4 Bolt 5 Phosphor Bronze Electrode 6a Annular Support Frame 6b Tapered Annular Support Frame 7 Nut 8 Ultrasonic Oscillator 10 Ultrasonic Grinding Device 11 Housing 12 Horn 13 Grinding Tool 17 Electric Energy Supply Source 19 Hole 20 Base 21 Housing nut 22 Collet nut 23 Lead wire 24 Collet

Claims (4)

一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子において、支持板がテーパー状の形状であり、ランジュバン型超音波振動子を支持するハウジングに支持板のテーパーと勘合するテーパーを設け、ハウジングナットとハウジングの外側に設けられたオネジを締付けることにより、ランジュバン型超音波振動子をハウジングに支持固定することを特徴とするランジュバン型超音波振動子と支持方法。  In a Langevin type ultrasonic transducer composed of a pair of metal blocks and a piezoelectric element fixed between these metal blocks, the support plate has a tapered shape, and the housing supports the Langevin type ultrasonic transducer. A Langevin type ultrasonic transducer is provided with a taper that fits with the taper of the support plate, and the Langevin type ultrasonic transducer is supported and fixed to the housing by fastening a housing nut and a male screw provided outside the housing. And support method. 一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子において、支持板がテーパー状の形状であり、ハウジングナットに支持板のテーパーと勘合するテーパーを設け、ハウジングに指示板の平面側を押し付け、ハウジングナットと支持板のテーパーを勘合させ、ハウジングナットとハウジングを締め合うことで、ランジュバン型超音波振動子をハウジングに支持固定することを特徴とするランジュバン型超音波振動子と支持方法。  In a Langevin type ultrasonic transducer composed of a pair of metal blocks and a piezoelectric element fixed between these metal blocks, the support plate has a tapered shape, and the housing nut tapers with the taper of the support plate The Langevin type ultrasonic transducer is supported and fixed to the housing by pressing the flat side of the indicator plate to the housing, fitting the taper of the housing nut and the support plate, and tightening the housing nut and the housing. Langevin type ultrasonic transducer and supporting method. 一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子において、支持板の両面がテーパー状の形状であり、ハウジングに支持板のテーパーと勘合するテーパーを設け、そしてハウジングナットに支持板のテーパーと勘合するテーパーを設け、ハウジングナットとハウジングの外側に設けられたオネジを締付けることにより、ランジュバン型超音波振動子をハウジングに支持固定することを特徴とするランジュバン型超音波振動子と支持方法。  In a Langevin type ultrasonic transducer composed of a pair of metal blocks and a piezoelectric element fixed between these metal blocks, both sides of the support plate are tapered, and the housing is fitted with the taper of the support plate. A taper is provided, and a taper that fits into the taper of the support plate is provided on the housing nut, and the Langevin ultrasonic transducer is supported and fixed to the housing by tightening the male screw provided on the outside of the housing nut and the housing. Langevin type ultrasonic transducer and support method. テーパー環状支持枠体6bの厚さが、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/5より大きく、2/3より小さいことを特徴とする請求項1、2、3に記載のランジュバン型超音波振動子と支持方法。  The thickness of the tapered annular support frame 6b is larger than 1/5 of the outer diameter of the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic transducer and smaller than 2/3. Langevin type ultrasonic transducer and support method.
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