JP2002028808A - 超音波アダプタを有する工具装置 - Google Patents

超音波アダプタを有する工具装置

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JP2002028808A JP2001153739A JP2001153739A JP2002028808A JP 2002028808 A JP2002028808 A JP 2002028808A JP 2001153739 A JP2001153739 A JP 2001153739A JP 2001153739 A JP2001153739 A JP 2001153739A JP 2002028808 A JP2002028808 A JP 2002028808A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波振動を工具に印加するための超音波ア
ダプタを有する工具装置を改良する。更に、工具の回転
運動に超音波振動を重畳可能とする。 【解決手段】 超音波アダプタ（１）を有する工具装置
（３）は、工具（２）に印加する超音波を発生するた
め、電気的な超音波発生器（８）に接続した容量性の電
気音響交換器（４）を有する。電気音響変換器（４）は
変圧器（６）の二次巻線（５）と接続し、超音波発生器
（８）は一次巻線（７）と接続する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、コアドリル装置又
はグラインダ装置等の工具装置に関し、特に、建材、岩
石、金属、木材等の被加工材を研削又は切削するための
超音波アダプタを有する工具装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】ヨーロッパ特許第０２８８３５号明細書
は、硬質材料の端面の少なくとも部分的な回転運動によ
り岩石を研削加工する円筒形状のドリルクラウンを記載
している。この種のドリルクラウンでは、通常、洗浄／
冷却用の液体として水を使用する。その際、超音波振動
が、容量性電気音響変換器により超音波周波数領域内で
励起される。電気音響変換器は、例えば、バイアス電圧
を印加した圧電ディスクから構成されるものである。
【０００３】超音波周波数領域における容量性電気音響
変換器及び圧電ディスクは、コンデンサの誘電体として
電歪材料から形成される。この誘電体は、電圧が印加さ
れると寸法を変える。このように形成したコンデンサ
は、その機械的な特性に応じた固有共振周波数を有す
る。容量性電気音響変換器は、十分な変形を生じさせる
ために高い電圧を必要とする。
【０００４】通常、圧電変換器の電気的特性（容量）を
インダクタンスによって補完し、インダクタンスを適切
に整合させることにより、電気側で発生する並列振動回
路は、電機音響変換器の剛性および質量によって決定さ
れる機械的な振動回路と同一の共振周波数を有する。
【０００５】ヨーロッパ特許第０７２０８９０号明細書
は、回転運動により材料を切削する円筒形状の工具を具
える手持ち式工具装置を記載している。この工具には、
電歪材料からなる容量性電気音響変換器を介して、縦方
向の超音波振動が軸線方向に重畳する。ドリルクラウン
は、振幅共振周波数に応じて、超音波振動の周波数に整
合するように設計される。
【０００６】米国特許第３６１４４８号明細書は、回転
工具を駆動するボール盤のために、電歪材料からなる連
回可能な容量性電気音響変換器を具える超音波アダプタ
を記載している。この変換器は、スリップリングを介し
て超音波周波の交流電圧電源に結合する。このようなエ
ネルギ供給は、機械的接触に起因する摩耗が生じ、耐用
寿命が限られる点で不利である。更に、水を使用するこ
とにより、電歪性変換器の作動に必要な高電圧に対する
絶縁問題が生じて作業の安全性を脅かす惧れがある。
【０００７】更に、ヨーロッパ特許第０６８００６０号
明細書には、環状の回転可能な回転伝動装置及びステー
タとロータのためのディスク状の超音波‐鉄心が記載さ
れている。これらの部材は、付設して配置されたコイル
の交流磁界を介して、ステータからロータにエネルギを
伝達する。
【０００８】
【発明の課題】本発明の課題は、超音波振動を工具に印
加する超音波アダプタを具えた工具装置を改良し、上述
した従来技術の問題点を解消することである。さらに、
工具の回転運動に超音波振動を重畳可能とすることであ
る。
【０００９】
【課題の解決手段】この課題を解決するため、本発明
は、工具に印加する超音波を発生するために容量性の電
気音響変換器を超音波発生器に接続した工具装置におい
て、電気音響変換器を変圧器の二次巻線と接続し、超音
波発生器を一次巻線と接続したことを特徴とする。ま
た、有利な実施形態については、従属請求項に記載され
ているとおりである。
【００１０】原則として、非接触のエネルギ伝達を行う
ため、工具装置の超音波アダプタは、変圧器の二次巻線
と結合した容量性電気音響変換器を具える。変圧器の一
次巻線は、超音波領域に交流電圧を生じる電気的な超音
波発生器と結合し、交流磁界を介して電力を容量性電気
音響変換器に伝達する。その際、二次巻線は、同時に、
容量性電気音響変換器と結合して並列共振回路を形成
し、共振時に電圧超過を引き起こす。
【００１１】非接触のエネルギ伝達により、機械的摩耗
は著しく低減する。このことは、工具装置の耐用寿命に
とって有利である。更に、水を混交した材料を加工する
場合、エネルギ伝達に係る絶縁には何らの問題も生じな
い。並列インダクタンスとして二次巻線を使用すること
により、従来は電気振動回路の同調に必要とされていた
付加インダクタンスを省略することが可能である。
【００１２】工具軸線を中心として少なくとも部分的に
回転又は振動する工具運動が可能であるが、これは必要
不可欠ではない。この運動において、少なくとも部分的
に工具と連回又は共振する容量性電気音響変換器を、少
なくとも部分的に回転可能な変圧器を介し、非接触で超
音波発生器と結合するのが有利である。
【００１３】更に、容量性電気音響変換器と、二次振動
回路と、一次振動回路と、ドリルクラウンのような工具
の縦振動振幅との共振周波数は、超音波発生器の周波数
と互いに同調させるのが有利である。
【００１４】非接触のエネルギ伝達に供される変圧器部
品において、二次巻線は電気的な共振回路と容量性電気
音響変換器との同調に有用である。
【００１５】非接触のエネルギ伝達に供される変圧器部
品において、内側変圧器コアの質量は工具の機械的な共
振回路の同調に有用である。
【００１６】上述のように、非接触のエネルギ伝達に供
される変圧器部品を十分に活用することにより、半径方
向に互いに入り組んだ部品を配置すると共に、内側から
外側に向けて、内側の変圧器コア、二次巻線、空隙、一
次巻線、外側の変圧器コアを設け、非接触エネルギ伝達
に係る変圧器のコンパクトな構造が実現可能となる点で
有利である。
【００１７】変圧器を、開口を画成するよう互いに付設
した２個の超音波‐シェル鉄心と、その内部に配置され
た２個のコイルから形成するのが有利である。超音波‐
シェル鉄心は、ほぼ閉鎖した１個のシェル鉄心を形成
し、各１個の超音波‐シェル鉄心にはコイルを一体回転
可能に巻回する。
【００１８】別の可能性として、回転可能な変圧器を、
互いに入り組んで工具軸線に相反する方向に配置された
２個のシェル鉄心から構成することもできる。これらの
シェル鉄心は、工具軸線に対して平行に一体回転可能に
配置したコイルを具え、一次巻線は工具装置と一体回転
可能に結合したステータに接続すると共に、二次巻線は
工具と一体回転可能に結合したロータに接続する。
【００１９】更に、直径に関しては、内側の超音波‐シ
ェル鉄心および二次巻線を半径方向内側に配置し、外側
の超音波‐シェル鉄心と一次巻線とは半径方向外側に配
置するのが有利である。これにより、工具軸線に対して
平行な運動の自由度を確保することが可能である。これ
に沿って、振動の解除と変圧器の取り外しが可能とな
り、例えば、工具の交換時に、統合した容量性電気音響
変換器と変圧器の二次部分と取り外すことが可能であ
る。
【００２０】変圧器の構造サイズを減少するため、巻線
比を１：１とするのが有利である。更に、２０〜３５ｋ
Ｈｚの給電周波数の場合にコイル巻数を減少することが
可能である。
【００２１】強磁性材料からなる内側変圧器コアの質量
は振動質量として作用すると共に、機械振動系の平衡質
量として使用することができる。
【００２２】内側変圧器コアは、互いに電気的に絶縁し
て配置された積層板から構成されるのが有利である。磁
力線に従う渦電流損失を回避するために、積層板は多数
の板を合成するか、あるいは非切削で成形する。
【００２３】容量性電気音響変換器は、工具軸線に沿っ
て配置するのが有利であり、工具軸線の方向に生じる振
動振幅は、局部的な軸線方向の圧力超過によって、研磨
性の材料切削を高める。
【００２４】工具の縦振動振幅に関連して、容量性電気
音響変換器を振動ノードに配置するのが有利である。
【００２５】
【実施の形態】以下、本発明を図示の好適な実施形態に
ついて説明する。
【００２６】図１に示すように、超音波アダプタ１は、
工具軸線Ａを中心として工具２の回転運動を生じる工具
装置３（要部のみを図示した。）に適用されるものであ
り、回転可能な変圧器６の二次巻線５と結合した、回転
可能な容量性電気音響変換器４を具える。変圧器６の一
次巻線７は超音波領域における高性能の超音波発生器８
と接続し、二次巻線５は容量性の電気音響変換器４に並
列接続する。工具２は、円筒形状のコアドリル孔を岩石
９内に切削加工するための中空クラウンドリルとし、工
具軸線Ａに沿うドリル用液体チャネル１０において工具
装置３と結合する。変圧器６は、開口に関連して互いに
付設した２個のＵ字形シェル鉄心を具える。これらのシ
ェル鉄心には、工具軸線Ａに対して平行に向けられて相
対回転不能に付設されたコイルを包含する。一次巻線７
としてのコイルを、工具装置３に対して相対回転不能に
結合したステータに付設すると共に、二次巻線５として
のコイルを、工具２に対して相対回転不能に結合したロ
ータに付設する。コンパクト構造の変圧器６は、半径方
向の内周側から外周側に向けて順次に配置された内側変
圧器コア１１としての中空のＵ字形シェル鉄心、二次巻
線５、空隙１２、一次巻線７、外側変圧器コア１３とし
ての環状のＵ字形シェル鉄心とを具える。中空環状形状
の容量性電気音響変換器４は、工具装置３の方向におい
て、内側変圧器コア１１および一次巻線５に隣接させて
軸線方向に配置する。これにより、一次巻線の質量も工
具２の機械的振動回路に組み込まれる。
【００２７】図２に示す等価回路において、交流電流ｉ
２及び交流電圧ｕ２に係る電気振動回路は、コイルで構
成されるインダクタンスＬｐ、容量性電気音響変換器で
構成される容量Ｃｐ、並びに、損失により決定される抵
抗Ｒｐとを有する。この電気振動回路は、カップリング
１：Ａを介して、変位速度ｖおよび変位力Ｆに係る機械
的振動回路と結合する。機械的振動回路は、固有減衰値
ｄ、剛性（スチフネス）１／ｃ、質量ｍおよび減衰荷重
ｄＬにより表わされる。インダクタンスＬｐは、電流ｉ
１および電圧ｕ１をもって給電される変圧器の二次側を
介して、誘電性のエネルギ伝達を行う。
【００２８】周波数２０ｋＨｚ、出力２ｋＷの超音波ア
クタについて、レイアウトの寸法を決定する。その結
果、伝達比u＝１の変圧器では、Ｕ２＝１０００Ｖ及び
Ｉ２＝２Ａの給電電圧が生じた。飽和領域では作動しな
い高透磁率材料を使用する場合には、コイル巻数を１２
０とするのが一次側及び二次側における所要面積の低減
に関連して有利である。このような少ないコイル巻数
は、２０ｋＨｚの供給電圧を採用したことに基づいて可
能となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による超音波アダプタを具える工具装
置を示す縦断面図である。
【図２】 電気・機械振動回路の等価回路図である。
【符号の説明】
１ 超音波アダプタ ２ 工具 ３ 工具装置 ４ 電気音響変換器 ５ 二次巻線 ６ 変圧器 ７ 一次巻線 ８ 超音波発生器 ９ 岩石 １０ 液体チャネル １１，１３ 変圧器コア １２ 空隙
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァルター リットマン ドイツ国 31855 エルツェン−グルペン ハーゲン ベーシングフェルダーシュトラ ーセ 32 (72)発明者 イェルク ヴァラシェック ドイツ国 33106 パーダーボルン ヴァ イケンヴェーク 30 Ｆターム(参考） 3C036 AA00 3C049 AA07 AA11 AA17 5D107 AA07 AA09 BB01 CC02 CD02 CD05

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 超音波アダプタを有する工具装置であっ
    て、工具（２）に印加する超音波を発生するために容量
    性の電気音響変換器（４）を超音波発生器（８）に接続
    したものにおいて、前記電気音響変換器（４）を変圧器
    （６）の二次巻線（５）と接続し、超音波発生器（８）
    を一次巻線（７）と接続したことを特徴とする工具装
    置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の工具装置において、前記
    電気音響変換器（４）及び／又は二次振動回路及び／又
    は工具（２）の縦振動振幅の共振周波数を、超音波発生
    器（８）の周波数に応じて設定したことを特徴とする工
    具装置。
  3. 【請求項３】 請求項1又は２に記載の工具装置におい
    て、超音波アダプタ（１）及び／又は工具（２）の共振
    周波数を、２０〜３５ｋＨｚとしたことを特徴とする工
    具装置。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３の何れか一項に記載の工具
    装置において、前記電気音響変換器（４）を、工具装置
    （３）側で二次巻線（５）に隣接させて配置したことを
    特徴とする工具装置。
  5. 【請求項５】 請求項１〜４の何れか一項に記載の工具
    装置において、変圧器（６）の半径方向内側から外側に
    向けて、内側変圧器コア（１１）、二次巻線（５）、空
    隙（１２）、一次巻線（７）および外側変圧器コア（１
    ３）を順次に配置したことを特徴とする工具装置。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５の何れか一項に記載の工具
    装置において、開口を画成するよう互いに付設した変圧
    器コア（１１，１３）としての２個のシェル鉄心の内部
    に２個のコイルを配置して変圧器（６）を形成し、コイ
    ルを各１個のシェル鉄心に対して相対回転不能に付設さ
    せ、一次巻線（７）を工具装置（３）と一体回転可能に
    結合したステータに付設し、二次巻線（５）を工具
    （２）と一体回転可能にに結合したロータに付設したこ
    とを特徴とする工具装置。
  7. 【請求項７】 請求項１〜５の何れか一項に記載の工具
    装置において、変圧器（６）は、工具軸線方向（Ａ）に
    関して互いに逆向きに入り組ませた変圧器コア（１１，
    １３）からなる２個のシェル鉄心を具え、該シェル鉄心
    は、工具軸線（Ａ）に対して平行に向けられるよう、相
    対回転不能に付設したコイルを包含し、一次巻線（７）
    を工具装置（３）と一体回転可能に結合したステータに
    接続すると共に、二次巻線（５）を工具（２）と一体回
    転可能に結合したロータに接続したことを特徴とする工
    具装置。
  8. 【請求項８】 請求項１〜７の何れか一項に記載の工具
    装置において、工具（２）を、容量性電気音響変換器
    （４）及び変圧器（６）の二次部分と交換可能に結合し
    たことを特徴とする工具装置。
  9. 【請求項９】 請求項１〜８の何れか一項に記載の工具
    装置において、変圧器（６）を、工具軸線（Ａ）を中心
    として少なくとも部分的に回転又は旋回可能に配置した
    ことを特徴とする工具装置。
  10. 【請求項１０】 請求項１〜９の何れか一項に記載の工
    具装置において、内側変圧器コア（１１）の質量を、機
    械振動系の平衡質量としたことを特徴とする工具装置。
  11. 【請求項１１】 請求項１〜１０何れか一項に記載の工
    具装置において、内側変圧器コア（１１）を、互いに電
    気的に絶縁された積層板で構成したことを特徴とする工
    具装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１〜１１の何れか一項に記載の
    工具装置において、容量性電気音響変換器（４）を、工
    具（２）の縦振動振幅に関連して、振動ノードに配置し
    たことを特徴とする工具装置。
  13. 【請求項１３】 請求項１〜１２の何れか一項に記載の
    工具装置において、工具（２）及び／又は変圧器（６）
    及び／又は容量性電気音響変換器（４）を、工具軸線
    （Ａ）に沿って中空に形成したことを特徴とする工具装
    置。
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