CN109843487A - 超声波振动赋予用具及超声波加工装置 - Google Patents
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Abstract
课题是提供一种适合组装到超声波加工装置中而使用的具备朗之万型超声波振子的超声波振动赋予用具，能够实现由朗之万型超声波振子产生的超声波振动的高效率的利用。解决手段如下：一种超声波振动赋予用具，包括：圆筒状壳体，在内周面下部或底部具备接触面，并且在外周面下部具备螺纹部；朗之万型超声波振子，是以在包括圆筒状工具安装用具的前质量块与配置在该前质量块的上方的后质量块之间夹着极化处理完毕的压电元件的状态进行螺栓紧固的结构，所述圆筒状工具安装用具在上部具有圆盘状隆起部，所述圆盘状隆起部具备与该圆筒状壳体的上述接触面嵌合的接触面；以及环状平衡配重，在内周面上部具有圆筒状壳体的螺纹部被拧入的螺纹部。
Description
技术领域
本发明涉及超声波振动赋予用具及超声波加工装置。本发明特别涉及使用朗之万（Langevin）型超声波振子的新的结构的超声波振动赋予用具和使用该超声波振动赋予用具的超声波加工装置。
背景技术
关于将压电元件用作超声波产生源的超声波振子，知道有各种结构的超声波振子，但作为其代表性的结构，知道有由一对金属块和在这些金属块之间固定的极化处理完毕的压电元件构成的朗之万型超声波振子。其中，在一对金属块之间用螺栓将极化处理完毕的压电元件连接且在高压下拧紧固定的构造的螺栓紧固朗之万型超声波振子也能够产生高能量的超声波振动，所以研究了附设于用来进行各种材料的切削加工、塑性加工、磨粒加工等的工具而使用的超声波加工中的利用，并实际使用。进而，关于各种超声波振子，研究了借助将由该超声波振子产生的超声波振动经由振动板或振动机构发送实现的超声波清洗、金属接合、塑料熔敷、超声波雾化、乳化、分散等超声波处理的用途、以及向鱼群探测器等水下声响器（声纳）、超声波探伤器、医疗用回声诊断装置、流量计等通信的应用设备的利用，并在许多领域中实际使用。
虽然已经知道包括螺栓紧固朗之万型超声波振子的各种超声波振子的结构，但为了明确起见，参照添附的图1和图2以下简单地说明代表性的螺栓紧固朗之万型超声波振子的结构和其利用形态的一例。
图1是表示螺栓紧固朗之万型超声波振子的代表性的构造的例子的图，图1（A）是其俯视图，图1（B）是表示在图1（A）的A－A线处切断的截面的正面剖视图。
在图1中，螺栓紧固朗之万型超声波振子1具有以下的结构：在一对金属块2、3（通常，将它们称作前质量块、后质量块）之间夹着极化完毕的压电元件（例子：PZT等压电陶瓷板）5a、5b、5c、5d，使用螺栓6和螺母9将金属块2、3相互拧紧。在图1中，在压电元件中记入的箭头表示极化方向。另外，在压电元件3上，连接着作为用来附加电能的端子利用的电极片（通常使用磷青铜等的电极片）7a、7b、7c、7d。此外，具备凸缘8，所述凸缘8在用来将该螺栓紧固朗之万型超声波振子1用另外准备的保持装置保持的连接中利用。
图2是表示将螺栓紧固朗之万型超声波振子用作超声波振动源的超声波磨削加工装置（研磨机）的结构例的图。在图2中，超声波磨削加工装置10在壳体11内收容着超声波振子1，利用轴承14以能够旋转的方式支承该超声波振子1，所述超声波振子1在下端部具备经由喇叭状物（horn）12连接的研磨用具13。超声波振子1的旋转由与伺服单元15连接的交流主轴马达16驱动。在图2的装置中，经由与设在外部的电能供给源17连接的由碳刷和滑环（slip ring）构成的接触型供电装置18，供给超声波振子1的超声波振动用的电能。
在超声波加工装置中通过向各种工具赋予超声波振动而期待的效果是：将由超声波振子产生的超声波振动以较高的效率传递给被与超声波振子组合的工具保持用具保持的工具，结果得到的利用该工具的加工作业中需要的电能的节省及加工精度的提高等。但是，在到此为止制造并用于实际的加工作业的超声波加工装置中，不能充分得到该期待的效果的情况较多。因此，在当前的时点，不能说超声波加工装置的普及已充分进展。因而，为了推进超声波加工的进一步的普及，需要使得由超声波振子产生的超声波振动被以较高的效率传递给工具的改良。
本发明的发明者到目前为止，研究出了提供使得由超声波振子产生的超声波振动被以较高的效率传递给工具的改良的发明，并进行了专利申请。在这些改良发明中，作为最近的发明之一，可以举出专利文献1中公开的发明。
在专利文献1中，作为将工具和超声波振动体的振动复合体以较高的稳定性支承、并且将在超声波振动体中产生的超声波能量向该振动复合体的支承体（固定支承体）的漏出抑制为较低的水平从而能够实现振动能量向工具的以高效率的附加的支承构造，公开了以下的支承构造：在具备工具的超声波振动体附设凸缘，使凸缘的单侧面与在另外准备的固定体形成的凸缘支承面以作用有应力的状态接触，从而进行卡合支承（其中，超声波振动体的凸缘没有与固定体的凸缘支承面接合，此外，与固定体的支承面接触并被卡合支承的超声波振动体的凸缘为在该超声波振动体处于振动状态时在凸缘的厚度方向上进行超声波振动的构造）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开 WO 2014/017460 A1。
发明内容
发明要解决的课题
根据利用专利文献1中记载的新的超声波振子的支承构造的超声波加工装置，对于使用以往知道的构造的超声波振子的超声波加工装置的问题点，看到不少的解决。但是，对于利用专利文献1中记载的超声波振子的支承构造的超声波振动赋予用具，也注意到在将其组装到实际的超声波加工装置中而使用的情况下会产生几个问题。作为其问题之一可以举出：由于超声波加工装置内的超声波振子的保持（支承）由厚度较薄的凸缘进行，所以有在超声波加工装置的长期间的使用的期间中产生凸缘部的疲劳、以及在经由凸缘部的超声波振子的保持（支承）中产生松动的情况。
因而，本发明的课题在于提供一种超声波振动赋予用具，所述超声波振动赋予用具是适合组装到超声波加工装置中而使用的具备朗之万型超声波振子的超声波振动赋予用具，对于安装于该超声波振动赋予用具的工具能够以较高的效率传递由朗之万型超声波振子产生的超声波振动。
用来解决课题的手段
本发明的发明者进一步继续进行了关于由利用朗之万型超声波振子的超声波振动赋予用具产生的超声波振动向超声波振动赋予用具的漏出机构的研究。并且，结果确认了通过利用以下记载的本发明的超声波振动赋予用具（Ultrasonic Vibration Applicator），以较高的满足度解决了上述课题。
由本发明提供的超声波振动赋予用具作为主要的结构而包括下述的部件（a）、（b）、（c）。
（a）圆筒状壳体，在内周面下部或底部具备接触面，并且在外周面下部具备螺纹部；
（b）朗之万型超声波振子，是以在包括圆筒状工具安装用具的前质量块与配置在该前质量块的上方的后质量块之间夹着极化处理完毕的压电元件的状态进行螺栓紧固的结构，所述圆筒状工具安装用具在上部具有圆盘状隆起部，所述圆盘状隆起部具备与该圆筒状壳体的上述接触面嵌合的接触面；
以及
（c）环状平衡配重，在内周面上部具有圆筒状壳体的螺纹部被拧入的螺纹部。
此外，根据本发明，还提供一种超声波加工装置，所述超声波加工装置包括上述本发明的超声波振动赋予用具及安装于该超声波振动赋予用具的圆筒状工具安装用具的工具。
以下记载本发明的超声波振动赋予用具的优选的形态。
（1）环状平衡配重的螺纹部的内周缘与外周缘的距离处于环状平衡配重的厚度的2/3至3/1的范围，优选的是处于1/1至2/1的范围。
（2）在环状平衡配重的螺纹部的下侧，形成有内径比该螺纹部的内径小的下侧小径部，在该下侧小径部的上表面与圆筒状壳体的底面之间形成有空隙。
（3）在环状平衡配重的螺纹部的下侧，形成有内径比该螺纹部的内径小的下侧小径部，在该下侧小径部的内周面与圆筒状工具安装用具的侧面之间形成有空隙。
（4）圆筒状壳体的接触面是朝向下方扩大的锥状的斜面区域，圆筒状工具安装用具的圆盘状隆起部的斜面区域也是锥状的斜面区域。
（5）圆筒状壳体的接触面是形成在该圆筒状壳体的内周侧底部的环状的凹部的上表面及/或周面，所述环状的凹部的直径比圆筒状壳体的内周面大，圆筒状工具安装用具的圆盘状隆起部的接触面是该圆盘状隆起部的上表面及/或侧面。
（6）环状平衡配重的外周缘部对应于朗之万型超声波振子的超声波振动，向与该超声波振动的方向相反的方向振动。
发明效果
如果对超声波加工装置组装本发明的超声波振动赋予用具而使用，则从超声波振动赋予用具向超声波加工装置的超声波振动赋予用具的支承部件（用于组装到超声波加工装置的支承部件）的超声波振动能量的漏出显著地减少。因此，能够将由朗之万型超声波振子产生的超声波振动以较高的效率且较高的稳定性向安装于超声波振动赋予用具的工具传递。
附图说明
图1是表示代表性的螺栓紧固朗之万型超声波振子的结构的图。
图2是表示利用螺栓紧固朗之万型超声波振子的超声波加工装置的结构的例子的图。
图3是表示本发明的超声波振动赋予用具的代表性的结构例的图。
图4是说明对应于在图3所示的本发明的超声波振动赋予用具中产生的纵向一阶振动而振动的环状平衡配重的振动模式的说明图。
图5是说明对应于在图3所示的本发明的超声波振动赋予用具中产生的拟纵向零阶振动而振动的环状平衡配重的振动模式的说明图。
图6是表示本发明的超声波振动赋予用具的与图3的结构不同的结构例的图。
图7是表示本发明的超声波振动赋予用具的与图3及图6的结构不同的结构例的图。
图8是表示本发明的超声波振动赋予用具的结构例的立体图，表示作为圆筒状壳体而在侧面设置有狭缝的形态。
图9是表示组装了本发明的超声波振动赋予用具的超声波加工装置的例子（工具是钻头）的结构例的图。
图10是表示组装了本发明的超声波振动赋予用具的超声波加工装置的例子（工具是主轴（spindle））的结构例的图。
图11是表示组装了本发明的超声波振动赋予用具的超声波加工装置的例子（工具是切割器）的结构例的图。
具体实施方式
以下，参照图3至图11，记载本发明的超声波振动赋予用具及超声波加工装置的详细的说明。
图3是表示本发明的超声波振动赋予用具的代表性的结构例的图。图3（A）是俯视图，图3（B）是在沿着图3（A）的B－B线的面切断的切断。在图3（B）中，超声波振动赋予用具作为主要构成部件而包括下述的（a）圆筒状壳体11、（b）朗之万型超声波振子1、以及（c）环状平衡配重20，由它们构成超声波振动赋予用具。
（a）圆筒状壳体，在内周面下部或底部具备接触面，并且在外周面下部具备螺纹部；
（b）朗之万型超声波振子，是以在包括圆筒状工具安装用具的前质量块与配置在该前质量块的上方的后质量块之间夹着极化处理完毕的压电元件的状态进行螺栓紧固的结构，所述圆筒状工具安装用具在上部具有圆盘状隆起部，所述圆盘状隆起部具备与该圆筒状壳体的上述接触面嵌合的接触面；
以及
（c）环状平衡配重，在内周面上部具有圆筒状壳体的螺纹部被拧入的螺纹部。
图3所示的圆筒状壳体11在内周面下部或底部具备与圆筒状工具安装用具的接触面嵌合的接触面21，并且在外周面下部具备螺纹部22。在图3的圆筒状壳体11中，接触面21被设为朝向下方扩大的锥状的斜面区域。圆筒状壳体11的螺纹部22是与后述的环状平衡配重的螺纹部（阴螺纹）拧合（螺纹结合）的阳螺纹部。
图3所示的朗之万型超声波振子1是以在包括圆筒状工具安装用具24的前质量块与配置在该前质量块的上方的后质量块3之间如通常那样夹着极化处理完毕的压电元件的状态进行螺栓紧固的结构的朗之万型超声波振子，所述圆筒状工具安装用具24在上部具有圆盘状隆起部23，所述圆盘状隆起部23具备与圆筒状壳体11的接触面20嵌合的接触面22。即，构成本发明的超声波振动赋予用具的朗之万型超声波振子利用通常的朗之万型超声波振子的前质量块和一般使用的圆筒状的工具安装用具作为前质量块。也可以是在该工具安装用具的上方连接着另外准备的前质量块的结构。此外，所谓圆筒状工具安装用具的圆筒状，也可以是一般能够看作与圆筒等同的截面为多边形的筒状。
对于超声波加工机中的工具安装用具，知道有各种形态及构造的工具安装用具，这些哪个形态及构造的工具安装用具只要不是损害本发明的超声波振动赋予用具的功能的工具安装用具，就能够在本发明中使用。
图3所示的环状平衡配重20在内周面上部具有圆筒状壳体11的螺纹部22被拧入的螺纹部（阴螺纹部）25。在本发明的超声波振动赋予用具中，该环状平衡配重的外周缘部以与由朗之万型超声波振子产生的超声波振动的振动的方向（朝向）相反的方向（朝向）振动。参照图4和图5，以下详细地说明由该朗之万型超声波振子产生的超声波振动的振动的方向（朝向）与环状平衡配重的振动的方向（朝向）的关系。
图4是表示将图3所示的超声波振动赋予用具经由其圆筒状壳体11用支承装置26支承（保持）、在此状态下借助向朗之万型超声波振子1的电能的附加而产生了纵向一阶振动模式的超声波振动的情况下发生的朗之万型超声波振子1的超声波振动、以及由该超声波振动激励的环状平衡配重23的振动的图。朗之万型超声波振子1的纵向一阶振动模式的超声波振动是以位于朗之万型超声波振子1的大致中央的振动的波节（用黑圈示出）为中心上下往复运动的振动。将该往复运动用实线和虚线的箭头表示。并且，借助该朗之万型超声波振子1的上下的往复运动（上下的伸缩），产生以朗之万型超声波振子1的圆筒状工具保持用具24的圆盘状隆起部23的锥状接触面与圆筒状壳体11的锥状接触面的接触位置（用黑圈示出）为波节的、环状平衡配重20的外周缘部的振动（上下方向的往复运动）。将该环状平衡配重20的外周缘部的往复运动也用实线和虚线的箭头表示。但是，环状平衡配重20的外周缘部的往复运动的振动方向为与朗之万型超声波振子的往复运动（伸缩运动）的振动方向相反的方向。
因上述的环状平衡配重20的外周缘部的振动（上下方向的往复运动）的产生，由朗之万型超声波振子1产生的超声波振动不易被传递给圆筒状壳体11。因而，经由圆筒状壳体的向支承装置的超声波振动的漏出显著地减少，结果，由朗之万型超声波振子1产生的超声波振动被效率良好地传递给被圆筒状工具保持用具24保持的工具。并且，由于效率良好地实现向用于超声波加工的工具的超声波振动的传递，所以超声波加工的精度及稳定度提高，此外还实现超声波振动激励用的电能的减少。进而，由于能够使朗之万型超声波振子1的圆筒状工具保持用具24的上部的圆盘状隆起部23与圆筒状壳体11的接触区域的面积比以往使用的超声波加工装置中的朗之万型超声波振子的凸缘部的截面积大，所以超声波加工装置中的朗之万型超声波振子的支承变得可靠，此外，即使通过长期间的连续使用，也能够进行稳定的朗之万型超声波振子和附设于其上的工具的保持。
图5是表示将图3所示的本发明的超声波振动赋予用具经由其圆筒状壳体11支承装置26（未图示）、在此状态下借助向朗之万型超声波振子1的电能的附加而产生拟零阶纵向振动模式的超声波振动的情况下发生的朗之万型超声波振子1的超声波振动、以及由该超声波振动激励的环状平衡配重23的振动的图。另外，对于朗之万型超声波振子的拟零阶纵向振动模式，在公开了本发明的发明者的发明的WO2017/065263A1中有详细的记载，所以将该公报的记载内容作为本申请的记载内容。
在图5中，在借助向朗之万型超声波振子1的电能的附加而产生了拟零阶纵向振动模式的超声波振动的情况下，在朗之万型超声波振子1的内部不产生拥有振动的波节的振动（伸缩运动），而产生朗之万型超声波振子自身上下振动的往复运动。将该往复运动用实线和虚线的箭头表示。并且，环状平衡配重20的振动如同样用实线和虚线表示那样，为与朗之万型超声波振子1的往复运动相反的方向的往复运动。
因而，即使在利用朗之万型超声波振子的拟零阶纵向振动模式的超声波振动的情况下，也如在图4中说明那样，借助上述环状平衡配重20的外周缘部的振动（上下方向的往复运动）的产生，由朗之万型超声波振子1产生的超声波振动不易被传递给圆筒状壳体。因而，经由圆筒状壳体的向支承装置的超声波振动的漏出显著地减少，结果，由朗之万型超声波振子1产生的超声波振动被效率良好地向被圆筒状工具保持用具24保持的工具传递。并且，由于向用于超声波加工的工具的超声波振动的传递效率良好地实现，所以超声波加工的精度及稳定度提高，此外也实现超声波振动激励用的电能的减少。进而，由于能够使朗之万型超声波振子1的圆筒状工具保持用具24的上部的圆盘状隆起部与圆筒状壳体11的接触区域的面积比以往使用的超声波加工装置中的朗之万型超声波振子的凸缘部的截面积大，所以超声波加工装置中的朗之万型超声波振子的支承变得可靠，此外，即使通过长期间的连续使用，也能够进行稳定的朗之万型超声波振子和附设于其上的工具的保持。
图8是表示本发明的超声波振动赋予用具的别的结构例的立体图，表示作为圆筒状壳体11而在侧面设置有狭缝27的形态。20是环状平衡配重，24是圆筒状工具保持用具。此外，超声波振动赋予用具被超声波加工机的支承装置26支承固定。借助这样的向圆筒状壳体的侧面的狭缝27的形成，由朗之万型超声波振子产生且漏出到圆筒状壳体的超声波振动的向超声波加工机的支承装置的漏出进一步减少，此外，借助这样沿着圆周方向形成的细长的狭缝，由来自朗之万型超声波振子的超声波振动带来的发热下降，此外也发生超声波振动的反射。
图9是表示本发明的超声波振动赋予用具的利用的一形态即作为工具（绕超声波振子的中心轴的周围旋转的工具）而使用钻头的穿孔装置的结构例的图。
图9所示的超声波加工装置处于在超声波振动赋予用具支承旋转装置上装接着具备工具41的本发明的超声波振动赋予用具的结构，所述超声波振动赋予用具支承旋转装置包括马达31、马达轴32、旋转轴33、电源34、旋转变压器固定部35、旋转变压器旋转部36b、固定侧变压器台37、套筒38、旋转侧变压器台39以及轴承30。该超声波振子支承旋转装置是一般作为超声波加工装置中的超声波振子支承旋转装置利用的装置。
图10是表示在超声波加工方法的利用的一形态即作为工具（绕超声波振子的中心轴的周围旋转的工具）而使用研磨用具或者主轴的超声波加工装置中装入了本发明的超声波振动赋予用具的结构例的图。并且，在图10的超声波加工装置中，将从电源34供给的电能经由旋转变压器42、43向朗之万型超声波振子1传递。该图10所示的超声波加工装置设想了经由上部45组装到加工中心的使用。
图11（A）是表示在超声波加工方法的利用的一形态即作为工具（在超声波振子的轴向上往复运动的工具）而使用切割器（B）的磨削装置中组装本发明的超声波振动赋予用具的结构例的图。在该磨削装置中，磨削装置和加工对象材料（工件）的一方或两者以改变相对的位置关系的方式在水平方向上移动，装接于超声波振动赋予用具的切割器44在上下方向上振动（往复运动），所以超声波振子的支承构造体不旋转。
附图标记说明
1 螺栓紧固朗之万型超声波振子
2 金属块（前质量块）
3 金属块（后质量块）
5a、5b、5c、5d 压电元件
6 螺栓
7a、7b、7c、7d 电极
8 凸缘
9 螺母
10 超声波磨削加工装置
11 （圆筒状）壳体
13 磨削用具
20 环状平衡配重
21 接触面
22 螺纹部
23 圆盘状隆起部
24 圆筒状工具保持用具
25 螺纹部。
Claims (9)
1.一种超声波振动赋予用具，其特征在于，
包括：
圆筒状壳体，在内周面下部或底部具备接触面，并且在外周面下部具备螺纹部；
朗之万型超声波振子，是以在包括圆筒状工具安装用具的前质量块与配置在该前质量块的上方的后质量块之间夹着极化处理完毕的压电元件的状态进行螺栓紧固的结构，所述圆筒状工具安装用具在上部具有圆盘状隆起部，所述圆盘状隆起部具备与该圆筒状壳体的上述接触面嵌合的接触面；以及
环状平衡配重，在内周面上部具有圆筒状壳体的螺纹部被拧入的螺纹部。
2.如权利要求1所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
环状平衡配重的螺纹部的内周缘与外周缘的距离处于环状平衡配重的厚度的2/3至3/1的范围。
3.如权利要求1所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
环状平衡配重的螺纹部的内周缘与外周缘的距离处于环状平衡配重的厚度的1/1至2/1的范围。
4.如权利要求1～3中任一项所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
在环状平衡配重的螺纹部的下侧，形成有内径比该螺纹部的内径小的下侧小径部，在该下侧小径部的上表面与圆筒状壳体的底面之间形成有空隙。
5.如权利要求1～3中任一项所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
在环状平衡配重的螺纹部的下侧，形成有内径比该螺纹部的内径小的下侧小径部，在该下侧小径部的内周面与圆筒状工具安装用具的侧面之间形成有空隙。
6.如权利要求1～3中任一项所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
圆筒状壳体的接触面是朝向下方扩大的锥状的斜面区域，圆筒状工具安装用具的圆盘状隆起部的斜面区域也是锥状的斜面区域。
7.如权利要求1～3中任一项所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
圆筒状壳体的接触面是形成在该圆筒状壳体的内周侧底部的环状的凹部的上表面及/或周面，所述环状的凹部的直径比圆筒状壳体的内周面大，圆筒状工具安装用具的圆盘状隆起部的接触面是该圆盘状隆起部的上表面及/或侧面。
8.如权利要求1所述的超声波振动赋予用具，其特征在于，
环状平衡配重的外周缘部对应于朗之万型超声波振子的超声波振动，向与该超声波振动的方向相反的方向振动。
9.一种超声波加工装置，其特征在于，
包括：
权利要求1～8中任一项所述的超声波振动赋予用具；以及
安装于该超声波振动赋予用具的圆筒状工具安装用具的工具。
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