JP2000218402A - 超音波振動体 - Google Patents
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- B23B—TURNING; BORING
- B23B37/00—Boring by making use of ultrasonic energy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
- B26D—CUTTING; DETAILS COMMON TO MACHINES FOR PERFORATING, PUNCHING, CUTTING-OUT, STAMPING-OUT OR SEVERING
- B26D7/00—Details of apparatus for cutting, cutting-out, stamping-out, punching, perforating, or severing by means other than cutting
- B26D7/08—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting
- B26D7/086—Means for treating work or cutting member to facilitate cutting by vibrating, e.g. ultrasonically
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- G—PHYSICS
- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
- G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
- G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
Abstract
(57)【要約】
【課題】 超音波振動体において、ホーンの高剛性化を
図ること。 【解決手段】 超音波振動体１４において、ホーン２３
を保持する保持具２８を有し、コーン２２上の運動の節
面に保持具２８を固定するとともに、ホーン２３の先端
面の中心軸上に保持具２８を固定してなるもの。
図ること。 【解決手段】 超音波振動体１４において、ホーン２３
を保持する保持具２８を有し、コーン２２上の運動の節
面に保持具２８を固定するとともに、ホーン２３の先端
面の中心軸上に保持具２８を固定してなるもの。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、加工装置等に用い
て好適な超音波振動体に関する。
て好適な超音波振動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、ねじり振動子にホーンを連結して
なる超音波振動体があり、この超音波振動体を加工装置
に適用することが考えられる。
なる超音波振動体があり、この超音波振動体を加工装置
に適用することが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、従来の超
音波振動体には、以下の問題点がある。 ホーンが振動子の前面体や、振動伝送用コーンの前面
から長く突出するものであるとき、ホーンの剛性不足に
より、ホーンの先端部に設けた加工具（刃物等）に作用
する外力による撓みが大きく、高精度の加工に供し得な
い。
音波振動体には、以下の問題点がある。 ホーンが振動子の前面体や、振動伝送用コーンの前面
から長く突出するものであるとき、ホーンの剛性不足に
より、ホーンの先端部に設けた加工具（刃物等）に作用
する外力による撓みが大きく、高精度の加工に供し得な
い。
【０００４】ホーンの先端部に設けた加工具（刃物
等）に加工に起因して生ずる発熱がホーンに伝わって該
ホーンを加熱し、或いは超音波振動に起因してホーンが
発熱することにより、該ホーンの温度上昇を生ずる。こ
のホーンの温度上昇は、ホーンが構成する振動系の熱変
形により振動の節、腹の位置を変位せしめ、結果として
加工具を固定してあったホーンの先端部が振動の腹から
位置ずれすることによる加工不良、或いはホーンの熱変
形によりホーンが伸縮して該ホーンの先端部に固定して
あった加工具の位置が変位することによる加工不良を招
く。
等）に加工に起因して生ずる発熱がホーンに伝わって該
ホーンを加熱し、或いは超音波振動に起因してホーンが
発熱することにより、該ホーンの温度上昇を生ずる。こ
のホーンの温度上昇は、ホーンが構成する振動系の熱変
形により振動の節、腹の位置を変位せしめ、結果として
加工具を固定してあったホーンの先端部が振動の腹から
位置ずれすることによる加工不良、或いはホーンの熱変
形によりホーンが伸縮して該ホーンの先端部に固定して
あった加工具の位置が変位することによる加工不良を招
く。
【０００５】本発明の課題は、超音波振動体において、
ホーンの高剛性化を図ることにある。
ホーンの高剛性化を図ることにある。
【０００６】また、本発明の課題は、超音波振動体にお
いて、ホーンの温度上昇を回避することにある。
いて、ホーンの温度上昇を回避することにある。
【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、ねじり振動子にホーンを連結してなる超音波振動体
において、ホーンを保持する保持具を、ねじり振動子と
ホーンの間に介装されているコーンに支持してなり、コ
ーン上の振動の節面に保持具を固定するとともに、ホー
ンの先端面の中心軸上に保持具を固定してなるようにし
たものである。
は、ねじり振動子にホーンを連結してなる超音波振動体
において、ホーンを保持する保持具を、ねじり振動子と
ホーンの間に介装されているコーンに支持してなり、コ
ーン上の振動の節面に保持具を固定するとともに、ホー
ンの先端面の中心軸上に保持具を固定してなるようにし
たものである。
【０００８】請求項２に記載の本発明は、ねじり振動子
にホーンを連結してなる超音波振動体において、ホーン
の内部の中心軸上に排熱手段を内蔵してなるようにした
ものである。
にホーンを連結してなる超音波振動体において、ホーン
の内部の中心軸上に排熱手段を内蔵してなるようにした
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。 ねじり振動子に固定した振動伝送用コーンに支持した
保持具を用いて、ホーンを保持することにより、ホーン
の高剛性化を図る。このとき、保持具は、コーン上の振
動の節面に固定され、この節面ではねじり振動の故にコ
ーンの表面まで不動点（振動零）であり、振動体の振動
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、保持具はホーン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、振動体の振
動特性に悪影響を及ぼすことなく、ホーンの高剛性化を
図ることができる。これにより、ホーンの先端部に設け
られる加工具（刃物等）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。
る。 ねじり振動子に固定した振動伝送用コーンに支持した
保持具を用いて、ホーンを保持することにより、ホーン
の高剛性化を図る。このとき、保持具は、コーン上の振
動の節面に固定され、この節面ではねじり振動の故にコ
ーンの表面まで不動点（振動零）であり、振動体の振動
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、保持具はホーン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、振動体の振
動特性に悪影響を及ぼすことなく、ホーンの高剛性化を
図ることができる。これにより、ホーンの先端部に設け
られる加工具（刃物等）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。
【００１０】請求項２の本発明によれば下記の作用が
ある。 ホーンの内部の中心軸上に、排熱手段を内蔵したこと
により、ホーンの先端部に設けた加工具（刃物等）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
ンに生ずる発熱を、排熱手段により排熱し、ホーンの温
度上昇を回避できる。このとき、排熱手段はホーンの中
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、
振動体の振動特性に悪影響を及ぼすことなく、ホーンの
温度上昇を回避できる。これにより、ホーンが構成する
振動系の熱変形に起因する振動の節、腹の位置の変位に
より加工具が振動の腹から位置ずれすることを回避し、
或いはホーンの熱変形によるホーンの伸縮に起因して該
ホーンの先端部に設けてある加工具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。
ある。 ホーンの内部の中心軸上に、排熱手段を内蔵したこと
により、ホーンの先端部に設けた加工具（刃物等）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
ンに生ずる発熱を、排熱手段により排熱し、ホーンの温
度上昇を回避できる。このとき、排熱手段はホーンの中
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、
振動体の振動特性に悪影響を及ぼすことなく、ホーンの
温度上昇を回避できる。これにより、ホーンが構成する
振動系の熱変形に起因する振動の節、腹の位置の変位に
より加工具が振動の腹から位置ずれすることを回避し、
或いはホーンの熱変形によるホーンの伸縮に起因して該
ホーンの先端部に設けてある加工具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。
【００１１】
【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
を示す模式図である。
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
を示す模式図である。
【００１２】（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。
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。
【００１３】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。
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。
【００１４】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。
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。
【００１５】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。
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。
【００１６】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。
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。
【００１７】（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。
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。
【００１８】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。
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。
【００１９】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。
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。
【００２０】（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。
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。
【００２１】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。
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。
【００２２】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。
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。
【００２３】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。
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。
【００２４】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。
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。
【００２５】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。
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。
【００２６】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。
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。
【００２７】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。
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。
【００２８】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。
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。
【００２９】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。
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。
【００３０】（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。
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。
【００３１】（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。
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。
【００３２】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。
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。
【００３３】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。
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。
【００３４】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。
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。
【００３５】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。
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。
【００３６】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。
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。
【００３７】（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。
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。
【００３８】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。
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。
【００３９】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、超音波振
動体において、ホーンの高剛性化を図ることができる。
また、本発明によれば、超音波振動体において、ホーン
の温度上昇を回避することができる。
動体において、ホーンの高剛性化を図ることができる。
また、本発明によれば、超音波振動体において、ホーン
の温度上昇を回避することができる。
【図１】図１は超音波振動切削装置を示す模式図であ
る。
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。
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。
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。
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。
る。
１４ 超音波振動体 ２１ ねじり振動子 ２２ コーン ２３ ホーン ２８ 保持具 ４３ 冷却流体排出通路（排熱手段） ４４ 冷却流体注入管（排熱手段） ５１ 熱伝導体（排熱手段）
─────────────────────────────────────────────────────
【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 (2)
- 【請求項１】 ねじり振動子にホーンを連結してなる超
音波振動体において、 ホーンを保持する保持具を、ねじり振動子とホーンの間
に介装されているコーンに支持してなり、 コーン上の振動の節面に保持具を固定するとともに、ホ
ーンの先端面の中心軸上に保持具を固定してなることを
特徴とする超音波振動体。 - 【請求項２】 ねじり振動子にホーンを連結してなる超
音波振動体において、 ホーンの内部の中心軸上に排熱手段を内蔵してなること
を特徴とする超音波振動体。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11024199A JP2000218402A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | 超音波振動体 |
| DE2000104009 DE10004009A1 (de) | 1999-02-01 | 2000-01-31 | Ultraschallschwingelement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11024199A JP2000218402A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | 超音波振動体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000218402A true JP2000218402A (ja) | 2000-08-08 |
Family
ID=12131662
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11024199A Withdrawn JP2000218402A (ja) | 1999-02-01 | 1999-02-01 | 超音波振動体 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000218402A (ja) |
| DE (1) | DE10004009A1 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7287537B2 (en) * | 2002-01-29 | 2007-10-30 | Akrion Technologies, Inc. | Megasonic probe energy director |
| CN103084634A (zh) * | 2013-01-28 | 2013-05-08 | 赵显华 | 铣床超声波金属表面加工工艺 |
| CN114700544A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-07-05 | 重庆大学 | 一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7627922B2 (en) | 2005-01-10 | 2009-12-08 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Nodal mounted system for driving a power appliance |
-
1999
- 1999-02-01 JP JP11024199A patent/JP2000218402A/ja not_active Withdrawn
-
2000
- 2000-01-31 DE DE2000104009 patent/DE10004009A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7287537B2 (en) * | 2002-01-29 | 2007-10-30 | Akrion Technologies, Inc. | Megasonic probe energy director |
| CN103084634A (zh) * | 2013-01-28 | 2013-05-08 | 赵显华 | 铣床超声波金属表面加工工艺 |
| CN114700544A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-07-05 | 重庆大学 | 一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置 |
| CN114700544B (zh) * | 2022-02-23 | 2023-12-12 | 重庆大学 | 一种纵扭弯耦合三维超声刀柄装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10004009A1 (de) | 2000-08-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20060404 |