JP2000218401A

JP2000218401A - 超音波振動切削装置

Info

Publication number: JP2000218401A
Application number: JP2420799A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Suzuki; 秀幸鈴木; Hajime Hachisuga; 一蜂須賀
Original assignee: Fuji Industrial Co Ltd; Fuji Kogyo KK
Current assignee: Fuji Industrial Co Ltd; Fuji Kogyo KK
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-08-08
Also published as: DE10004062A1

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波振動切削装置において、切削装置の簡
易、小型化を図り、かつ複雑な加工形状にも容易に対応
できること。【解決手段】超音波振動切削装置１０において、振動
体１４の振動のみによって刃物１５を工作物１を削るた
めに動かす切削運動付与手段と、刃物１５を工作物１の
新切削領域に動かす送り運動手段とを有してなるもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波振動切削装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】刃物による切削加工では、刃物を工作物
を削るために動かす切削運動と刃物を工作物の新切削領
域（新しく削れられる部分）に次々に動かす送り運動と
が必要である。

【０００３】従来の切削加工装置として、特開昭63-232
901号公報に記載の如く、撓み振動子により駆動される
振動体に刃物を備えてなるものがある。この従来の超音
波振動切削装置では、前述の切削運動を、工作物（もし
くは刃物）の回転運動又は直線運動（切削速度ｖ）と、
振動体の振動の組合せによっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来の超
音波振動切削装置では、下記、の問題点がある。刃物による切削運動を生成するため、振動体の振動の
他に、工作物（もしくは刃物）の回転運動又は直線運動
（切削速度ｖ）を行なう必要があり、切削装置が複雑、
大型になる。

【０００５】刃物による切削運動を生成するための、
工作物（もしくは刃物）の回転運動又は直線運動を伴な
うため、刃物は一定の加工形状を工作物に与えるために
それらの工作物（もしくは刃物）の回転運動又は直線運
動に同期して送り運動する必要がある。このため、複雑
な加工形状の工作物に対しては、送り運動も複雑にな
り、加工形状の複雑化に制限がある。

【０００６】本発明の課題は、超音波振動切削装置にお
いて、切削装置の簡易、小型化を図り、かつ複雑な加工
形状にも容易に対応できることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、振動子により駆動される振動体に刃物を備えてなる
超音波振動切削装置において、振動体の振動のみによ
り、刃物を工作物を削るために動かす切削運動付与手段
と、刃物を工作物の新切削領域に動かす送り運動手段と
を有してなるようにしたものである。

【０００８】請求項２に記載の本発明は、請求項１に記
載の本発明において更に、前記振動子がねじり振動子で
あるようにしたものである。

【０００９】

【作用】請求項１の本発明によれば下記〜の作用が
ある。刃物による切削運動が、振動体の振動のみによる。こ
のため、刃物による切削運動が、工作物（もしくは刃
物）の回転運動又は直線運動（切削速度ｖ）に依存する
ことを必須とせず、切削装置を簡易、小型化できる。

【００１０】刃物による切削運動のために、工作物
（もしくは刃物）の回転運動又直線運動（切削速度ｖ）
を伴なうことを必須としないから、刃物は一定の加工形
状を工作物に与えるために、工作物との相対位置関係だ
けを考慮して単純に送り運動すれば足り、複雑な加工形
状にも容易に対応できる。

【００１１】刃物による切削運動が超音波振動による
ものであるから、刃物と工作物との間に生ずる振動のプ
ラスの加速度による慣性切削作用と、これに続く振動の
マイナスの加速度によって刃物を工作物から離すことに
よる切り屑排出抵抗の極端な低減作用により、切削抵抗
を著しく低減できる。この切削抵抗の著しい低減によ
り、細径工作物でも変形させずに加工する微細加工、切
削装置の剛性が小さくても、刃物の送り通りに加工でき
る精密加工、粘性や硬度の高い難削材の加工、工作物の
温度上昇を抑えた加工、切削油を必要としない加工等を
実現できる。

【００１２】請求項２の本発明によれば、下記の作用
がある。振動子がねじり振動からなるものとすることにより、
振動体の振動子から刃物までの振動系の振動伝達効率を
高くでき、刃物に大きな振動エネルギを付与し、切削加
工効率を向上できる。即ち、ねじり振動の振動体にあっ
ては、振動の節であれば、その表面まで振動零であり、
この振動の節の表面を支持することにより、振動の伝達
に悪影響を与えることなく、振動を刃物まで高効率で伝
達できる。

【００１３】尚、本発明は、振動子を撓み振動からなる
ものとする場合にも適用できる。但し、撓み振動の振動
体にあっては、振動の節であっても、その中心軸上での
み振動零であり、この振動の節の表面を支持しても、振
動の伝達に悪影響を与え、振動の損失を生じ、振動を刃
物まで高効率で伝達することに困難を伴なう。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は超音波振動切削装置を示す
模式図、図２は超音波振動体を示す模式図、図３はねじ
り振動子を示す模式図、図４は縮退モードの直径比と共
振周波数比の関係を示す線図、図５は縮退モードの直径
比と出力パワー比の関係を示す線図、図６は超音波振動
体の他の例を示す模式図、図７は超音波振動体の他の例
を示す模式図、図８は超音波振動切削装置を示す模式
図、図９は超音波振動体を示す模式図、図１０は刃物台
を示す模式図、図１１は図１０の要部断面図、図１２は
刃物台の基台を示す模式図、図１３は刃物台の旋回台を
示す模式図、図１４は刃物台の他の例を示す要部断面
図、図１５は図１４のホーン側断面図、図１６は図１４
のコーン側断面図、図１７は保持具を示す模式図であ
る。

【００１５】（第１実施形態）（図１〜図７）（超音波振動切削装置１０）（図１）超音波振動切削装置１０は、図１に示す如く、フライス
盤類似型であり、コラム１１にテーブル１２を支持する
とともに、刃物台１３を支持し、この刃物台１３にねじ
り振動モードの超音波振動体１４（後述するねじり振動
子２１により駆動される）を保持し、超音波振動体１４
の先端部に刃物１５を着脱可能とされている。１は金
属、樹脂、ゴム等の工作物である。

【００１６】超音波振動切削装置１０にあっては、刃物
１５を工作物１を削るために動かす切削運動付与手段
を、超音波振動体１４の振動のみにより構成している。
従って、超音波振動切削装置１０にあっては、従来のフ
ライス盤で必須であった、刃物１５を切削運動のために
高速度（切削速度ｖ）で回転する主軸を切削運動付与手
段として必要としない。

【００１７】また、超音波振動切削装置１０にあって
は、刃物１５を工作物１の新切削領域に動かす送り運動
手段を、テーブル１２のＸ軸駆動モータ１６、テーブル
１２のＺ軸駆動モータ１７、刃物台１３のＹ軸駆動モー
タ１８、刃物１５のθ軸（回転角）駆動モータ１９によ
り構成している。２０はＮＣ制御盤である。

【００１８】従って、超音波振動切削装置１０による切
削加工においては、超音波振動体１４を後述するねじり
振動子２１の駆動によって振動させて刃物１５を工作物
１に接触させることにより切削運動して工作物１を削る
とともに、モータ１６〜１９の送り運動手段により刃物
１５を工作物１に一定の加工形状を与えるための工作物
１との相対位置関係だけを考慮して単純に送り運動すれ
ば足りるものとなる。

【００１９】尚、超音波振動切削装置１０は、従来のフ
ライス盤で必須であった主軸を必要としないから、スカ
ラ型ロボットの片持式アームの先端に超音波振動体１４
を具備せしめる等により簡易化することもできる。

【００２０】（超音波振動体１４）（図２）前述の超音波振動体１４は、図２に示す如く、ねじり振
動子２１の前面に振動伝送用コーン２２を介してホーン
２３を結合し、ホーン２３の先端外周面の刃物取付部に
前述の刃物１５を着脱可能に取着してある。ねじり振動
子２１とコーン２２はそれらの中心軸上に設けられる締
結ボルト２４により、コーン２２とホーン２３はそれら
の中心軸上に設けられる締結ボルト２５により結合され
ている。このとき、超音波振動体１４は、ねじり振動子
２１の駆動により、図２（Ａ）に例示する如くのねじり
振動の振幅分布で共振振動し、刃物１５は振動の腹に対
応して設けられていて大きく振動し、振動切削加工する
ものとなる。

【００２１】尚、超音波振動体１４はコーン２２の振動
の節となる部分にフランジ２２Ａを備え、このフランジ
２２Ａを固定ボルト２６で刃物台１３への取付治具２７
に保持することとしている。これにより、超音波振動体
１４は刃物台１３への取付保持に際し、その取付けが超
音波振動体１４の振動特性に悪影響を与えることのない
ようにしている。

【００２２】然るに、超音波振動体１４にあっては、ホ
ーン２３の高剛性化のために、ホーン２３を保持する保
持具２８をコーン２２に支持している。保持具２８は焼
入れ鋼等の高剛性材料により構成される。そして、コー
ン２２上の振動の節面に位置する前述のフランジ２２Ａ
に保持具２８の基端取付部２８Ａをボルト２９Ａで固定
するとともに、ホーン２３の先端面の振動の不動点であ
る中心軸上に保持具２８の先端取付部２８Ｂをボルト２
９Ｂで固定している。

【００２３】（ねじり振動子２１）（図３〜図５）前述のねじり振動子２１は、図３に示す如く、ボルト締
めランジュバン型ねじり振動子であり、円板形ねじり振
動モードの電歪素子３１、３２の両面に前面体３３と背
面体３４を配置し、電歪素子３１、３２の間に電極板３
５を、電歪素子３１と電歪素子３２のそれぞれの外側に
電極板３６、３７を配置し、それらの全体をそれらの中
心軸上に設けられる締結ボルト３８で結合したものであ
る。電歪素子３１、３２は、電極板３５に対して同一極
性となるように設定される。

【００２４】ねじり振動子２１にあっては、前面体３３
と背面体３４の直径を電歪素子３１、３２から遠ざかる
方向で縮径してなる縮退モードを付与してある。本実施
形態の前面体３３と背面体３４は、太径部（φＤ）と細
径部（φｎＤ）（直径比ｎ＜１）の直径が段階的に不連
続で変化する段付き円柱であり、段の部分にはＲ付き
（Ｒ＝Ｄ（１−ｎ）／２）とされている。また、本実施
形態のねじり振動子２１は、全長Ｌに対し、太径部（φ
Ｄ）の長さをｍＬ（縮退長さ比ｍ）とし、電歪素子３
１、３２の両側を互いに左右面対称としている。

【００２５】然るに、ねじり振動子２１によれば、ねじ
り振動子２１に一定の長さＬを確保した状態で、ねじり
振動子２１の共振周波数を高周波数化できる。即ち、図
４は、縮退長さ比ｍ＝0.5のときの、縮退モードの直径
比ｎに対するねじり振動子２１のねじり共振周波数比
（ｆ／ｆ₀）である（ｎ＝1のときのねじり共振周波数ｆ
₀）。図４によれば、ねじり振動子２１の縮退モードの
直径比ｎを小さく（縮退）することにより、共振周波数
比を１より大きく、従って高周波数化できることが認め
られる。例えば、ねじり振動子２１の全長Ｌ＝80mm、太
径部の直径Ｄ＝50mmとするとき、縮退長さ比ｍ＝0.5、
直径比ｎ＝0.7とすると、共振周波数はストレート状の
場合の20kHzを27kHzに高周波数化できる。

【００２６】また、ねじり振動子２１によれば、ねじり
振動子２１に一定の長さＬを確保した状態で、ねじり振
動子２１の出力パワーを増大化できる。即ち、図５は、
縮退長さ比ｍ＝0.5のときの、縮退モードの直径比ｎに
対するねじり振動子２１の出力パワー比（ｗ／ｗ₀）で
ある（ｎ＝1の時の出力パワーｗ₀）。図５によれば、ね
じり振動子２１の縮退モードの直径比ｎを1より小さく
（縮退）することにより、出力パワー比を1より大き
く、従って増大化できることが認められる。例えば、ね
じり振動子２１の全長Ｌ＝80mm、太径部の直径50mmとす
るとき、縮退長さ比ｍ＝0.5、直径比ｎ＝0.7とすると、
出力パワーはストレート状の場合の35％増大化できる。

【００２７】尚、ねじり振動子２１は、電歪素子３１、
３２、前面体３３、背面体３４等の結合を必ずしも締結
ボルト３８によることなく、圧入ピン、もしくは接着剤
等により行なうものであっても良い。

【００２８】また、ねじり振動子２１に付与する縮退モ
ードは、前面体３３と背面体３４を左右非対称状とする
ものであっても良く、また前面体３３と背面体３４の一
方にだけ与えるものであっても良く、また必ずしも直径
を２段階以上に段階的に不連続で変化せしめることに限
らず、テーパ等の直線状もしくは曲線状に連続で変化せ
しめるものであって良い。

【００２９】従って、本実施形態によれば、以下の作用
がある。（超音波振動切削装置１０の作用効果）刃物１５による切削運動が、振動体１４の振動のみに
よる。このため、刃物１５による切削運動が、工作物１
（もしくは刃物１５）の回転運動又は直線運動（切削速
度ｖ）に依存することを必須とせず、切削装置１０を簡
易、小型化できる。

【００３０】刃物１５による切削運動のために、工作
物１（もしくは刃物１５）の回転運動又直線運動（切削
速度ｖ）を伴なうことを必須としないから、刃物１５は
一定の加工形状を工作物１に与えるために、工作物１と
の相対位置関係だけを考慮して単純に送り運動すれば足
り、複雑な加工形状にも容易に対応できる。

【００３１】刃物１５による切削運動が超音波振動に
よるものであるから、刃物１５と工作物１との間に生ず
る振動のプラスの加速度による慣性切削作用と、これに
続く振動のマイナスの加速度によって刃物１５を工作物
１から離すことによる切り屑排出抵抗の極端な低減作用
により、切削抵抗を著しく低減できる。この切削抵抗の
著しい低減により、細径工作物１でも変形させずに加工
する微細加工、切削装置１０の剛性が小さくても、刃物
１５の送り通りに加工できる精密加工、粘性や硬度の高
い難削材の加工、工作物１の温度上昇を抑えた加工、切
削油を必要としない加工等を実現できる。

【００３２】振動子２１がねじり振動からなるものと
することにより、振動体１４の振動子２１から刃物１５
までの振動系の振動伝達効率を高くでき、刃物１５に大
きな振動エネルギを付与し、切削加工効率を向上でき
る。即ち、ねじり振動の振動体１４にあっては、振動の
節であれば、その表面まで振動零であり、この振動の節
の表面を支持することにより、振動の伝達に悪影響を与
えることなく、振動を刃物１５まで高効率で伝達でき
る。

【００３３】（超音波振動体１４の作用効果）ねじり振動子２１に固定した振動伝送用コーン２２に
支持した保持具２８を用いて、ホーン２３を保持するこ
とにより、ホーン２３の高剛性化を図る。このとき、保
持具２８は、コーン２２上の振動の節面に固定され、こ
の節面ではねじり振動の故にコーン２２の表面まで不動
点（振動零）であり、振動体１４の振動特性に悪影響を
及ぼすことがなく、振動伝達効率を損なわない。また、
保持具２８はホーン２３の先端面の中心軸上に固定さ
れ、この中心軸上はねじり振動の故に不動点（振動零）
であり、振動体１４の振動特性に悪影響を及ぼすことが
なく、振動伝達効率を損なわない。従って、振動体１４
の振動特性に悪影響を及ぼすことなく、ホーン２３の高
剛性化を図ることができる。これにより、ホーン２３の
先端部に設けられる刃物１５に作用する外力（負荷）に
よる撓みを抑え、加工精度を向上できる。

【００３４】（ねじり振動子２１の作用効果）ねじり振動子２１において、前面体３３と背面体３４
の少なくとも一方で、それらの直径を電歪素子３１、３
２から遠ざかる方向で縮径していくと、前面体３３と背
面体３４がそれぞれストレート状であるものに比して、
振動子２１に一定の長さを確保した状態で、振動子２１
の共振周波数を高周波数化できる。これにより、振動子
２１の共振周波数を可聴周波数から引き離して騒音を解
消したり、或いは振動速度を大ならしめて振動に基づく
衝撃力（加工力）を大ならしめることができる。

【００３５】ねじり振動子２１において、前面体３３
と背面体３４の少なくとも一方で、それらの直径を電歪
素子３１、３２から遠ざかる方向で縮径していくと、前
面体３３と背面体３４がそれぞれストレート状であるも
のに比して、振動子２１に一定の長さを確保した状態
で、振動子２１の出力パワーを増大化できる。

【００３６】以下、超音波振動体１４の変形例について
説明する。（超音波振動体１４の第１変形例）（図６）図６の超音波振動体１４も、図２の超音波振動体１４と
同様に、ねじり振動子２１の前面にコーン２２を介して
ホーン２３を結合し、ホーン２３の先端外周面の刃物取
付部に刃物１５を着脱可能に取着してある。ねじり振動
子２１とコーン２２はそれらの中心軸上で締結ボルト２
４により締結され、コーン２２とホーン２３はそれらの
中心軸上で締結ボルト２５により結合されている。この
とき、振動体１４は、ねじり振動子２１の駆動により、
図６（Ａ）に例示する如くのねじり振動の振幅分布で共
振振動し、刃物１５は振動の腹に対応する位置に配置さ
れて大きく振動し、振動切削加工するものとなる。

【００３７】尚、振動体１４はコーン２２の振動の節と
なる部分にフランジ２２Ａを備え、このフランジ２２Ａ
を固定ボルト２６で刃物台１３の取付部１３Ａ、１３Ｂ
に保持している。また、振動体１４はホーン２３の振動
の節となる外周部を半割リング４１Ａ、４１Ｂにより挟
着され、これらのリング４１Ａ、４１Ｂを固定ボルト４
２で刃物台１３の取付部１３Ａ、１３Ｂに保持してい
る。これにより、振動体１４は刃物台１３への取付保持
に際し、その取付けが振動体１４の振動特性に悪影響を
与えることのないようにしている。

【００３８】然るに、振動体１４にあっては、振動体１
４におけるホーン２３の温度上昇回避のために、振動体
１４（ホーン２３）の中心軸上に排熱手段としての、冷
却流体排出通路４３、冷却流体注入管４４を内蔵してあ
る。即ち、振動子２１、コーン２２、ホーン２３の中心
軸上に冷却流体排出通路４３を穿設し、この冷却流体排
出通路４３の一端から間隙を介して冷却流体注入管４４
を挿入し、この冷却流体排出通路４３の他端をプラグ４
５で閉止する。これにより、冷却流体注入管４４から注
入される水等の冷却流体は、冷却流体注入管４４の先端
側の孔４４Ａから冷却流体排出通路４３に流出し、冷却
流体排出通路４３を注入管４４まわりに沿って移動して
外部へと排出される過程で、刃物１５に生ずる加工発熱
や、超音波振動に起因して振動子２１、コーン２２、ホ
ーン２３に生ずる発熱を吸収して外部へと排出する。

【００３９】従って、図６の超音波振動体１４によれ
ば、ホーン２３の内部の中心軸上に、冷却流体排出通路
４３と冷却流体注入管４４からなる排熱手段を内蔵した
ことにより、ホーン２３の先端部に設けた刃物１５に加
工に起因して生ずる発熱や、超音波振動に起因してホー
ン２３に生ずる発熱を、排熱手段により排熱し、ホーン
２３の温度上昇を回避できる。このとき、排熱手段はホ
ーン２３の中心軸上に内蔵され、この中心軸上はねじり
振動の故に不動点（振動零）であり、振動体１４の振動
特性に悪影響を及ぼすことがなく、振動伝達効率を損な
わない。従って、振動体１４の振動特性に悪影響を及ぼ
すことなく、ホーン２３の温度上昇を回避できる。これ
により、ホーン２３が構成する振動系の熱変形に起因す
る振動の節、腹の位置の変位により刃物１５が振動の腹
から位置ずれすることを回避し、或いはホーン２３の熱
変形によるホーン２３の伸縮に起因して該ホーン２３の
先端部に設けてある刃物１５の位置が変位することを回
避し、ひいては加工不良の発生を回避し、加工精度を向
上できる。

【００４０】（超音波振動体１４の第２変形例）（図
７）図７の超音波振動体１４が図６の超音波振動体１４と実
質的に異なる点は、振動体１４におけるホーン２３等の
温度上昇回避のために、振動体１４（ホーン２３）の中
心軸上に排熱手段として、熱伝導体５１を内蔵し、この
熱伝導体５１を熱移動体５２を介して、コーン２２のフ
ランジ２２Ａ、刃物台１３の取付部１３Ｂに接続したこ
とにある。即ち、振動子２１、コーン２２、ホーン２３
の中心軸上に穿設した孔に熱伝導体５１を挿着し、この
熱伝導体５１の一端を固定ボルト５３によりホーン２３
に固定し、熱伝導体５１の他端に固定ボルト５４で熱移
動体５２を接続した。熱伝導体５１はアルミニウム管、
銅管、ヒートパイプ等にて構成でき、熱移動体５２は銅
網組体等にて構成できる。これにより、刃物１５に生ず
る加工発熱や、超音波振動に起因して振動子２１、コー
ン２２、ホーン２３に生ずる発熱を熱伝導体５１、熱移
動体５２によって刃物台１３の側に排熱でき、図６の超
音波振動体１４において前述したと同様のホーン２３等
の温度上昇の回避と、それに基づく加工精度向上の作用
がある。

【００４１】（第２実施形態）（図８〜図１３）（超音波振動切削装置１１０）（図８）超音波振動切削装置１１０は、図８に示す如く、旋盤類
似型であり、ベッド（不図示）に主軸台１１１と心押台
１１２を備えるとともに、パレット型刃物台１１３を備
え、この刃物台１１３の所定の位置にねじり振動モード
の超音波振動体１１４（後述するねじり振動子１２１に
より駆動される）を保持し、振動体１１４の先端部に刃
物１１５を着脱可能とされている。１は金属、樹脂、ゴ
ム等の工作物である。

【００４２】超音波振動切削装置１１０にあっては、工
作物１を削るために刃物１１５を動かす切削運動付与手
段を、超音波振動体１１４の振動のみにより構成してい
る。従って、超音波振動切削装置１１０にあっては、従
来の旋盤で必須であった、工作物１を切削運動のために
主軸１１１Ａにより高速度で回転することを必要としな
い。

【００４３】また、超音波振動切削装置１１０にあって
は、刃物１１５を工作物１の新切削領域に動かす送り運
動手段を、主軸１１１Ａの回転送り駆動部１１６（不図
示）、刃物台１１３のＸ軸送り駆動部１１７（不図
示）、刃物台１１３のＺ軸送り駆動部１１８（不図示）
により構成している。

【００４４】従って、超音波振動切削装置１１０による
切削加工にあっては、超音波振動体１１４を振動させて
刃物１１５を工作物１に接触させることにより切削運動
して工作物１を削るとともに、送り駆動部１１６〜１１
８により刃物１１５を工作物１に一定の加工形状を伝え
るための工作物１との相対位置関係だけを考慮して単純
に送り運動すれば足りるものとなる。これにより、主軸
１１１Ａの低速送り回転により工作物１を低速回転送り
させながら、刃物１１５をＸ軸、Ｚ軸に送り移動するこ
とにより、工作物１に六角形等の多角形加工、異形カム
等の多様な加工形状を簡易に加工できる。尚、従来の旋
盤を用いて六角形加工するためには、刃物台１１３にＹ
軸切削運動駆動部を備える複数仕様とし、工作物１を一
定の回転角度位置毎に停止させた状態で、刃物台１１３
をＹ軸方向で往復動させて六角の各一面を順次切削する
必要があり、本発明の超音波振動切削装置１１０による
ものに比して切削面粗度も悪い。

【００４５】（超音波振動体１１４）（図９）前述の超音波振動体１１４は、図９に示す如く、ねじり
振動子１２１の前面に振動伝送用コーン１２２を介して
ホーン１２３を結合し、ホーン１２３の先端外周面の刃
物取付部にボルト１１５Ａにより前述の刃物１１５を着
脱可能に取着してある。ねじり振動子１２１とコーン１
２２はそれらの中心軸上に設けられる締結ボルト１２４
により、コーン１２２とホーン１２３はそれらの中心軸
上に設けられる締結ボルト１２５により結合されてい
る。このとき、超音波振動体１１４は、ねじり振動子１
２１の駆動により図９（Ａ）に例示する如くのねじり振
動の振幅分布で共振振動し、刃物１１５は振動の腹に対
応する位置に配置されて大きく振動し、振動切削加工す
るものとなる。

【００４６】（ねじり振動子１２１）前述のねじり振動
子１２１は、第１実施形態のねじり振動子２１と実質的
に同様であり、電歪素子１３１、１３２、前面体１３
３、背面体１３４、電極板１３５、電極板１３６、１３
７を有し、それらの全体を締結ボルト１３８で結合して
ある。そして、前面体１３３と背面体１３４の直径を電
歪素子１３１、１３２から遠ざかる方向で縮径してなる
縮退モードを付与してなることも、ねじり振動子２１と
同様である。

【００４７】（刃物台１１３）（図１０〜図１３）前述の刃物台１１３は、図１０、図１１に示す如く、基
台１４１と旋回台１４２を有し、基台１４１は刃物台本
体１１３Ａに固定され、旋回台１４２は基台１４１に旋
回可能に支持されて超音波振動体１１４を保持する。

【００４８】基台１４１は、図１２に示す如く、刃物台
本体１１３Ａにボルト１４３で固定される底板１４４を
備え、この底板１４４の外周部に昇降板１４５を螺装
し、底板１４４に圧入されたガイドピン１４６に摺動可
能に嵌合される受板１４７を昇降板１４５の上面に載置
している。受板１４７は、旋回台１４２を支持するもの
であり、底板１４４に対して回転操作されることにより
昇降する昇降板１４５とともに昇降し、旋回台１４２の
設定レベル（ひいては振動体１１４、刃物１１５の設定
レベル）を調整可能とする。尚、受板１４７は旋回台１
４２のための旋回角度規制ピン１４８を備える。また、
基台１４１は、底板１４４の中央部に支軸１４９をボル
ト１４９Ａにより固定して立設し、この支軸１４９に固
定ノブ１５０を螺着し、ノブ１５０の下面にスラスト軸
受１５０Ａを備えている。即ち、基台１４１は、受板１
４７と固定ノブ１５０のスラスト軸受１５０Ａとの間
の、支軸１４９まわりに旋回台１４２を旋回可能に支持
する。

【００４９】旋回台１４２は、図１３に示す如く、保持
具１５１と１５２の結合体であり、保持具１５１は基台
１４１に旋回可能に支持されるとともに通常バイト２を
支持し、保持具１５２は保持具１５１との間に超音波振
動体１１４を保持する。保持具１５１は、基台１４１の
支軸１４９に嵌合せしめられる孔部１５３を備え、その
上下面を支軸１４９まわりで受板１４７とノブ１５０の
スラスト軸受１５０Ａとの間に狭持され、その下面に受
け板１４７の側の旋回角度規制ピン１４８に係合する旋
回角度規制溝１５４を備える。

【００５０】ここで、旋回台１４２の保持具１５１と１
５２は、下記(A)、(B)の如く、超音波振動体１１４の軸
方向で離隔する２位置で、振動の節となる部分を、振動
体１１４の周方向に沿って線接触状に保持し、かつ振動
体１１４の保持姿を振動体１１４の周方向に回転して変
更可能としている（図１１）。

【００５１】(A) 超音波振動体１１４はコーン１２２の
振動の節となる部分にフランジ１２２Ａを備え、このフ
ランジ１２２Ａを保持具１５１と保持具１５２で上下か
ら挟まれ、これをボルト１５５で固定化されることとし
ている。保持具１５１と保持具１５２は、それらの内周
に設けた溝内にフランジ１２２Ａを係入し、それらの溝
面で振動体１１４の周方向に沿って線接触状に該フラン
ジ１２２Ａを保持する。

【００５２】(B) 超音波振動体１１４はホーン１２３の
振動の節となる部分の外周部を上下の半割リング１５６
Ａ、１５６Ｂにより挟着され、それらの内周の周方向に
設けた突部１５７で振動体１１４の周方向に沿って線接
触状に該ホーン１２３を保持される。半割リング１５６
Ａはボルト１５８Ａにより保持具１５１に固定され、半
割リング１５６Ｂは保持具１５２に植設されたボルト１
５８Ｂに上下方向の長孔を介して支持され、保持具１５
２に螺着されたボルト１５９により半割リング１５６Ｂ
の上面を半割リング１５６Ａの側に押圧することによ
り、両半割リング１５６Ａ、１５６Ｂによって振動体１
１４を挟着保持するものである。

【００５３】上述(A)、(B)により、超音波振動体１１４
は刃物台１１３への取付保持に際し、その取付けが振動
体１１４の振動特性に悪影響を与えることのないように
している。

【００５４】また、旋回台１４２の保持具１５１、１５
２は、上述(A) において、ボルト１５５を緩め、上述
(B) においてボルト１５９を緩めることにより、超音波
振動体１１４の保持姿を振動体１１４の周方向に回転し
て変更可能とし、工作物１に対する刃物１１５の位置設
定（例えば刃物１１５の切刃のすくい角の設定）を変更
可能としている。

【００５５】尚、旋回台１４２の保持具１５１は、通常
バイト２のためのバイト取付部１６１を備え、バイト取
付部１６１の上にシム１６２を介した状態で、通常バイ
ト２をボルト１６３で保持する。

【００５６】これにより、刃物台１１３にあっては、旋
回台１４２に超音波振動体１１４の刃物１１５と通常バ
イト２とを保持し、ノブ１５０を緩めることにより、旋
回台１４２を旋回角度規制溝１５４が規制する90度の回
転角度で旋回し、刃物１１５もしくは通常バイト２を工
作物１に対する切削作業位置に切換設定可能とする。ま
た、基台１４１において昇降板１４５を回転操作するこ
とによる受板１４７の昇降により、刃物１１５と通常バ
イト２の切刃レベルを無段階で設定替え可能とする。

【００５７】従って、本実施形態によれば、以下の作用
がある。（超音波振動切削装置１１０の作用効果）刃物１１５による切削運動が、振動体１１４の振動の
みによる。このため、刃物１１５による切削運動が、工
作物１（もしくは刃物１１５）の回転運動又は直線運動
（切削速度ｖ）に依存することを必須とせず、切削装置
を簡易、小型化できる。

【００５８】刃物１１５による切削運動のために、工
作物１（もしくは刃物１１５）の回転運動又直線運動
（切削速度ｖ）を伴なうことを必須としないから、刃物
１１５は一定の加工形状を工作物１に与えるために、工
作物１との相対位置関係だけを考慮して単純に送り運動
すれば足り、複雑な加工形状にも容易に対応できる。

【００５９】刃物１１５による切削運動が超音波振動
によるものであるから、刃物１１５と工作物１との間に
生ずる振動のプラスの加速度による慣性切削作用と、こ
れに続く振動のマイナスの加速度によって刃物１１５を
工作物１から離すことによる切り屑排出抵抗の極端な低
減作用により、切削抵抗を著しく低減できる。この切削
抵抗の著しい低減により、細径工作物１でも変形させず
に加工する微細加工、切削装置の剛性が小さくても、刃
物１１５の送り通りに加工できる精密加工、粘性や硬度
の高い難削材の加工、工作物１の温度上昇を抑えた加
工、切削油を必要としない加工等を実現できる。

【００６０】振動子１２１がねじり振動からなるもの
とすることにより、振動体１１４の振動子１２１から刃
物１１５までの振動系の振動伝達効率を高くでき、刃物
１１５に大きな振動エネルギを付与し、切削加工効率を
向上できる。即ち、ねじり振動の振動体１１４にあって
は、振動の節であれば、その表面まで振動零であり、こ
の振動の節の表面を支持することにより、振動の伝達に
悪影響を与えることなく、振動を刃物１１５まで高効率
で伝達できる。

【００６１】（刃物台１１３の作用効果）ねじり振動する振動体１１４の振動の節の部分を保持
したから、振動体１１４の振動子１２１から刃物１１５
までの振動系の振動特性に悪影響を及ぼすことなく、振
動伝達効率を高くして刃物１１５に大きな振動エネルギ
を付与し、切削加工効率を向上できる。即ち、ねじり振
動の振動体１１４にあっては、振動の節であれば、その
表面まで振動零であり、この振動の節の表面を支持する
ことにより、振動の伝達に悪影響を与えることなく、振
動を刃物１１５まで高効率で伝達し、また、振動体１１
４のこの保持部分での振動に起因する保持力の低下や発
熱等を招くこともなく、適切な切削加工性を確保でき
る。

【００６２】振動体１１４を周方向に沿って線接触状
に保持するものであり、振動体１１４の表面をキズつけ
ることなく、強固に保持できる。

【００６３】保持具１５１、１５２（半割リング１５
６Ａ、１５６Ｂ）が振動体１１４の保持姿を振動体１１
４の周方向に回転できるから、工作物に対する刃物１１
５の位置設定を容易に変更し、切削加工性を向上でき
る。

【００６４】（第３実施形態）（図１４〜図１７）超音波振動切削装置（不図示）の刃物台１７０は、図１
４〜図１６に示す如く、ねじり振動モードの超音波振動
体１７１（後述するねじり振動子１８１により駆動され
る）を保持し、振動体１７１の先端部に刃物１７２を着
脱可能とされている。

【００６５】超音波振動体１７１は、図１４に示す如
く、ねじり振動子１８１の前面に振動伝送用コーン１８
２を介してホーン１８３を結合し、ホーン１８３の先端
外周面の刃物取付部に前述の刃物１７２を着脱可能に取
着してある。このとき、振動体１７１は、振動子１８１
の駆動により、図１４に例示する如くのねじり振動の振
幅分布で共振振動し、刃物１７２は振動の腹の位置に対
応するように配置されて大きく振動し、振動切削加工す
るものとなる。

【００６６】ねじり振動子１８１としては、前述のねじ
り振動子１２１と実質的に同様のものを採用できる。

【００６７】刃物台１７０は、取付ボルト１９１により
固定される取付治具１９２に、一対の保持具１９３、１
９３を介して超音波振動体１７１を保持する。即ち、一
方の保持具１９３は、取付治具１９２の取付部１９２Ａ
に着座せしめられ、他方の保持具１９３は取付治具１９
２を取付部１９２Ｂに螺着されている固定ボルト１９０
により背面支持され、結果として、それら一対の保持具
１９３、１９３の間に振動体１７１を挟着保持するもの
である。

【００６８】ここで、一対の保持具１９３、１９３は、
下記(A)、(B)の如く、振動体１７１の軸方向に離隔する
２位置で、振動の節となる部分を、振動体１７１の周方
向に沿って線接触状に保持し、かつ振動体１７１の保持
姿を振動体１７１の周方向に回転して変更可能としてい
る（図１７）。更に、一対の保持具１９３、１９３は、
振動体１７１の軸方向でも振動体１７１に対する保持位
置を変更可能としている。

【００６９】(A) 超音波振動体１７１は、図１５に示す
如く、ホーン１８３の振動の節となる部分の外周部を、
一対の保持具１９３、１９３のそれぞれが周方向に円弧
状（もしくは半周状）をなして備える突部１９３Ａ、１
９３Ａにより挟着され、それらの突部１９３Ａ、１９３
Ａで振動体１７１の周方向に沿って線接触状に該ホーン
１８３を保持する。

【００７０】(B) 超音波振動体１７１は、図１６に示す
如く、コーン１８２の振動の節となる部分の外周部に図
１７に示したＣ字状リング１９４を装着され、リング１
９４のＣ字のスリットに直交する直径方向２位置のそれ
ぞれに設けられている外周平面部１９５Ａ、１９５Ｂを
一対の突部１９３Ａ、１９３Ａに背面支持され、リング
１９４の内周部でそれらの平面部１９５Ａ、１９５Ｂに
対応して周方向に円弧状（もしくは半周状）に設けられ
ている突部１９６Ａ、１９６Ｂにより該コーン１８２の
周方向に沿って線接触状に該コーン１８２を保持する。
尚、１９７はＣ字拡開治具係入孔である。

【００７１】上述(A) 、(B) により、超音波振動体１７
１は刃物台１７０への取付保持に際し、その取付けが振
動体１７１の振動特性に悪影響を与えることのないよう
にしている。

【００７２】また、一対の保持具１９３、１９３は、固
定ボルト１９０を緩めることにより、突部１９３Ａ、１
９３Ａによるホーン１８３の挟着と、突部１９６Ａ、１
９６Ｂによるコーン１８２の挟着を緩め、振動体１７１
の保持姿を振動体１７１の周方向に回転して変更可能と
し、工作物１に対する刃物１７２の位置設定を変更可能
とする。例えば、刃物１７２の切り刃の位置をＣ字状リ
ング１９４のＣ字のスリットを基準位置として回転し、
そのすくい角αを設定替えできる（図１７）。

【００７３】また、一対の保持具１９３、１９３は、固
定ボルト１９０を緩めることにより、上述と同様にして
ホーン１８３とコーン１８２の挟着を緩め、振動体１７
１の軸方向で振動体１７１の保持位置を変更することも
でき、刃物１７２の交換、ホーン１８３の振幅拡大比の
変更のためのホーン１８３の交換による振動体１７１の
共振周波数の変動（節の位置の変動）に対応できる。

【００７４】従って、刃物台１７０にあっては、今回使
用される超音波振動体１７１のコーン１７２、ホーン１
７３の振動の節となる部分に一対の保持具１９３、１９
３の突部１９３Ａ、１９３Ｂ、Ｃ字状リング１９４の突
部１９６Ａ、１９６Ｂを対応配置させた状態で、それら
保持具１９３、１９３により振動体１７１を挟み込み、
この状態の保持具１９３、１９３を取付治具１９２の取
付部１９２Ａ、１９２Ｂに装着しこれをボルト１９０で
固定化することにて用いられる。

【００７５】従って、本実施形態によれば以下の作用が
ある。（刃物台１７０の作用効果）ねじり振動する振動体１７１の振動の節の部分を保持
したから、振動体１７１の振動子１８１から刃物１７２
までの振動系の振動特性に悪影響を及ぼすことなく、振
動伝達効率を高くして刃物１７２に大きな振動エネルギ
を付与し、切削加工効率を向上できる。即ち、ねじり振
動の振動体１７１にあっては、振動の節であれば、その
表面まで振動零であり、この振動の節の表面を支持する
ことにより、振動の伝達に悪影響を与えることなく、振
動を刃物１７２まで高効率で伝達し、また、振動体１７
１のこの保持部分での振動に起因する保持力の低下や発
熱等を招くこともなく、適切な切削加工性を確保でき
る。

【００７６】振動体１７１を周方向に沿って線接触状
に保持するものであり、振動体１７１の表面をキズつけ
ることなく、強固に保持できる。

【００７７】保持具１９３、１９３（Ｃ字状リング１
９４）が振動体１７１の保持姿を振動体１７１の周方向
に回転できるから、工作物に対する刃物１７２の位置設
定を容易に変更し、切削加工性を向上できる。

【００７８】保持具１９３、１９３（Ｃ字状リング１
９４）は振動体１７１の保持位置を振動体１７１の軸方
向で変更できるから、刃物１７２の交換による振動体１
７１の共振周波数の変動、ホーン１８３の振幅拡大比の
変更のための該ホーン１８３の交換による振動体１７１
の共振周波数の変動等により、振動体１７１の振動の節
が変化したとき、保持具１９３、１９３（Ｃ字状リング
１９４）は振動体１７１に対する保持位置をこの新たな
節の部分に移動して該振動体１７１を再び安定確実に保
持し、再び適切な切削加工性を確保できる。

【００７９】以上、本発明の実施の形態を図面により詳
述したが、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限
られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、本
発明の超音波振動切削装置は、スカラ型ロボットの片持
式アームの先端に超音波振動体を具備せしめ、この片持
式アーム（もしくは工作物）にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸
の送り運動を与える等により、簡易な構成の３次元加工
機を構成できる。

【００８０】また、本発明の超音波振動切削装置は、ね
じり振動モードの振動体を用いるものに限らず、撓み振
動モードの振動体を用いるものであっても良い。

【００８１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波振
動切削装置において、切削装置の簡易、小型化を図り、
かつ複雑な加工形状にも容易に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は超音波振動切削装置を示す模式図であ
る。

【図２】図２は超音波振動体を示す模式図である。

【図３】図３はねじり振動子を示す模式図である。

【図４】図４は縮退モードの直径比と共振周波数比の関
係を示す線図である。

【図５】図５は縮退モードの直径比と出力パワー比の関
係を示す線図である。

【図６】図６は超音波振動体の他の例を示す模式図であ
る。

【図７】図７は超音波振動体の他の例を示す模式図であ
る。

【図８】図８は超音波振動切削装置を示す模式図であ
る。

【図９】図９は超音波振動体を示す模式図である。

【図１０】図１０は刃物台を示す模式図である。

【図１１】図１１は図１０の要部断面図である。

【図１２】図１２は刃物台の基台を示す模式図である。

【図１３】図１３は刃物台の旋回台を示す模式図であ
る。

【図１４】図１４は刃物台の他の例を示す要部断面図で
ある。

【図１５】図１５は図１４のホーン側断面図である。

【図１６】図１６は図１４のコーン側断面図である。

【図１７】図１７は保持具を示す模式図である。

【符号の説明】

１工作物１０、１１０超音波振動切削装置１４、１１４超音波振動体１５、１１５刃物２１、１２１ねじり振動子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年２月４日（１９９９．２．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動子により駆動される振動体に刃物を
備えてなる超音波振動切削装置において、振動体の振動のみにより、刃物を工作物を削るために動
かす切削運動付与手段と、刃物を工作物の新切削領域に動かす送り運動手段とを有
してなることを特徴とする超音波振動切削装置。
【請求項２】前記振動子がねじり振動子である請求項
１記載の超音波振動切削装置。