JP2018038992A - 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 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

国際公開 ＷＯ２０１４／０１７４６０ＡＩ 特開平５−７７１４５

岩田佳雄他、「機械振動学」、数理工学社、２０１１年５月、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 本発明を用いた超音波カッターを説明する図である。 本発明を用いた超音波ドリルを説明する図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。

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