JP2002177886A - 十字型超音波撓み振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動体の剛性に富み、先端位置決め精度が高
い超音波加工機用の超音波振動装置を提供すること。 【解決手段】 超音波撓み振動装置１において、直交す
る第１と第２の棒１１、１２によって撓み振動モードで
結合振動する十字型振動体１０の第１の棒１１の軸方向
の中央部から等距離の位置に、互いに振動方向を逆相に
して振動する１組以上の超音波振動子１３、１４を該第
１の棒１１の軸線に垂直に結合し、超音波振動子１３、
１４の振動モードと十字型振動体１０の撓み振動モード
のそれぞれの共振周波数が等しくなる構造としたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属、プラスチッ
クス、セラミックス、半導体等を振動加工（切削、研
磨、接合等）する超音波加工機に用いられる超音波撓み
振動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、超音波撓み振動装置として特開平
2-203972が公知である。従来技術は、撓み振動子の出力
端部と被励振体の入力端部とを、軸線上に位置して、そ
の変位方向と直角をなす線状又は帯状の結合部により結
合し、振動子と被励振体の側面振動の節点に尖り先ボル
トを当接することによってケーシングに固定された超音
波振動装置により超音波加工を実施するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術では、振動振幅の拡大のために、振動子から被励振体
への振動は、帯状の結合部を介して伝達され、軸線方向
への加圧に対する剛性が低く、許容加圧力が低減する。
更に振動子及び被励振体の保持は、側面節点とケーシン
グを尖り先ボルトで固定する構造によるため、ボルトは
軸線方向の加圧に対して剪断応力を受け、被励振体の先
端位置決め精度と剛性に欠ける問題がある。

【０００４】このため、超音波加工機を構成するに際
し、振動体の先端が軸芯に対して水平に振動し、その軸
芯に垂直荷重を印加することが可能な超音波振動装置が
切望されていた。

【０００５】本発明の課題は、振動体の剛性に富み、先
端位置決め精度が高い超音波加工機用の超音波振動装置
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、十字型振動体
の第１の棒を１組以上の超音波振動子で撓み振動するこ
とによって、十字型振動体の第２の棒が撓み振動を誘起
することを見出してなされたものである。

【０００７】請求項１の発明は、直交する第１と第２の
棒によって撓み振動モードで結合振動する十字型振動体
の第１の棒の軸方向の中央部から等距離の位置に、互い
に振動方向を逆相にして振動する１組以上の超音波振動
子を該第１の棒の軸線に垂直に結合し、超音波振動子の
振動モードと十字型振動体の撓み振動モードのそれぞれ
の共振周波数が互いに等しくなる構造とした十字型超音
波撓み振動装置である。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て更に、前記１組以上の超音波振動子をそれらの振動の
節面で共通のフランジに固定する構造としてなるように
したものである。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
において更に、前記超音波振動子を縦振動モードとし、
該振動子を第１の棒の振動の腹部に結合し、十字型振動
体の第１と第２の棒を互いにそれらの振動の節部で結合
してなるようにしたものである。

【００１０】請求項４の発明は、請求項１又は２の発明
において更に、前記超音波振動子を捩り振動モードと
し、該振動子を第１の棒の振動の節部に結合し、十字型
振動体の第１と第２の棒を互いにそれらの振動の腹部で
結合してなるようにしたものである。

【００１１】

【作用】十字型振動体の第１の棒を、互いに逆相振動す
る１組以上の超音波振動子で垂直に駆動し、第１の棒に
撓み振動を誘起すると、この撓み振動と結合して第２の
棒が撓み振動を励振する。

【００１２】共通のフランジの第２の棒の軸方向に直交
するフランジ面に第１の棒を介して第２の棒を支持する
ものとなり、第２の棒の先端の軸方向に作用する荷重を
共通のフランジによって安定的に支持しながら、第２の
棒の先端に水平方向の超音波振動を印加できる。

【００１３】従って、この十字型超音波撓み振動装置を
超音波加工機に装着することにより、第２の棒の軸方向
で剛性に富み、先端位置決め精度が高い振動体により強
力で安定した超音波加工を実現できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の十字型振動体の駆
動に縦波用超音波振動子を適用した超音波撓み振動装置
と各部の振動モードを示す模式図、図２は本発明の十字
型振動体の駆動に捩り波用超音波振動子を適用した超音
波撓み振動装置と各部の振動モードを示す模式図であ
る。

【００１５】（第１実施形態）（図１） 超音波撓み振動装置１は、図１に示す如く、直交する水
平棒１１（第１の棒）と垂直棒１２（第２の棒）によっ
て撓み振動モードで結合振動する十字型振動体１０の水
平棒１１の軸方向の中央部に立てた垂直軸線から等距離
の位置に、互いに振動方向を逆相にして振動する１組の
超音波振動子１３、１４を該水平棒１１の軸線に垂直に
結合してある。そして、超音波撓み振動装置１では、超
音波振動子１３、１４の振動モードと十字型振動体１０
の撓み振動モードのそれぞれの共振周波数が互いに等し
くなる構造としている。

【００１６】超音波振動子１３、１４は、縦振動モード
をなし、それぞれ、背面体２１、縦振動モード用の電歪
素子２２、２３（超音波振動子１３と超音波振動子１４
では電歪素子２２、２３の上下の位置が反対のため、両
電歪素子２２、２３の形成する電源入力端子２７、２８
に対して互いに極性を反転している）、前面体２４、前
面体２４の細径部２５を有している。超音波振動子１
３、１４の振動の節面にはそれぞれ取付用フランジ２６
が設置されている。

【００１７】即ち、超音波振動子１３は、中空電歪素子
２２、２３を背面体２１と前面体２４でサンドイッチ状
に挟持し、それらの中心部をねじ結合（不図示）したボ
ルト締めランジュバン型超音波振動子（ＢＬＴ）を構成
し、電源入力端子２７、２８に所要電力を印加すること
により、超音波振動を励振する。超音波振動子１４も超
音波振動子１３と同様に構成されているが、電歪素子２
２、２３の相対位置を超音波振動子１３とは上下逆転さ
せたＢＬＴとなっている。１３Ａ、１４Ａはそれぞれ超
音波振動子１３、１４の縦振動モードであり、超音波振
動子１３が伸長（同時期の超音波振動子１４は収縮）し
たときの超音波振動子１３の振動モードが１３Ａ、超音
波振動子１４の振動モードが１４Ａとなり、超音波振動
子１３と超音波振動子１４は互いに逆相モードで振動す
る。

【００１８】超音波振動子１３、１４の振動の節面２９
に対応する位置に設置した前述の取付用フランジ２６
を、共通の固定用フランジ１５に据付けると、十字型振
動体１０は高い剛性をもって固定され、垂直棒１２の先
端は水平方向に振動する。共通のフランジ１５は超音波
加工機の刃物支持台等に固定支持されて用いられる。こ
のとき、超音波振動子１３、１４はそれらの前面体２４
の細径部２５を介して水平棒１１の振動の腹部に結合さ
れ、水平棒１１の振動の節部には垂直棒１２の細径部１
６がその振動の節部で結合される。このように、超音波
撓み振動装置１０では、超音波振動子１３、１４を水平
棒１１の振動の腹部で結合し、互いに逆相縦振動する超
音波振動子１３、１４で水平棒１１を垂直に駆動するこ
とにより、水平棒１１に撓み振動が誘起し、その振動モ
ードは１１Ａになる。水平棒１１の撓み振動モード１１
Ａの振動の節部に垂直棒１２の撓み振動の節部を結合す
ると、垂直棒１２に撓み振動が誘起し、その振動モード
は１２Ａになる。

【００１９】このとき、十字型振動体１０の水平棒１
１、垂直棒１２の撓み振動モード１１Ａ、１２Ａと超音
波振動子１３、１４の縦振動モード１３Ａ、１４Ａは同
一周波数で共振する。

【００２０】Ｄ１、Ｄ２はそれぞれ垂直棒１２、超音波
振動子１３及び１４の水平棒１１への当接部の直径
（巾）である。また、Ａ１、Ａ２はそれぞれ垂直棒１
２、超音波振動子１３及び１４の水平棒１１への当接部
Ｄ１、Ｄ２に対応する水平棒１１の撓み振動１１Ａの半
波長である。そして、垂直棒１２、超音波振動子１３及
び１４の細径部１６、２５の直径（巾）は水平棒１１の
撓み振動１１Ａを抑制しないようにするため、それぞれ
の水平棒１１への当接部Ｄ１、Ｄ２に対応する水平棒１
１の撓み振動１１Ａの半波長Ａ１、Ａ２の１／２以内と
する。

【００２１】図１で、十字型振動体１０（水平棒１１、
垂直棒１２）の材質を工具鋼製角柱（厚さ5mm、幅15m
m）とし、水平棒１１、垂直棒１２の長さをそれぞれ97m
m、47mmとし、超音波振動子１３、１４の背面体２１、
前面体２４をアルミニウム合金、電歪素子２２、２３を
厚さ5mmのＰＺＴ、背面体２１の直径を30mm、全長を95m
mとしたとき、撓み共振周波数26.5KHz、斜対象モード
（水平棒２次モード、垂直棒１次モード）の振動が得ら
れた。

【００２２】本実施形態によれば、以下の作用がある。
十字型振動体１０の水平棒１１を、互いに逆相振動する
１組以上の超音波振動子１３、１４で垂直に駆動し、水
平棒１１に撓み振動を誘起すると、この撓み振動と結合
して垂直棒１２が撓み振動を励振する。

【００２３】共通のフランジ１５の垂直棒１２の軸方向
に直交するフランジ面に水平棒１１を介して垂直棒１２
を支持するものとなり、垂直棒１２の先端の軸方向に作
用する荷重を共通のフランジ１５によって安定的に支持
しながら、垂直棒１２の先端に水平方向の超音波振動を
印加できる。

【００２４】従って、この十字型超音波撓み振動装置１
を超音波加工機に装着することにより、垂直棒１２の軸
方向で剛性に富み、先端位置決め精度が高い振動体によ
り強力で安定した超音波加工を実現できる。

【００２５】（第２実施形態）（図２） 図２の超音波撓み振動装置１Ａが図１の超音波撓み振動
装置１と異なる点は、超音波撓み振動装置１に受けると
異なる振動モードを用いたことにある。

【００２６】超音波撓み振動装置１Ａでは、超音波振動
子１３、１４を捩り振動モードのＢＬＴとした（超音波
振動子１３、１４が第１実施形態の超音波振動子１３、
１４と異なる点は、電歪素子２２、２３を捩り振動モー
ド用の電歪素子とし、前・背面体の長さを捩り振動の共
振周波数に調整したことにある）。超音波振動子１３の
前面体２４と超音波振動子１４の前面体２４は互いに逆
相モードの捩り振動３１、３２で振動し、超音波振動子
１３、１４はそれらの細径部２５を介して水平棒１１の
振動の節部に結合し、水平棒１１に撓み振動３３を誘起
する。

【００２７】十字型振動体１０は、水平棒１１と垂直棒
１２を互いにそれらの振動の腹部で結合し、水平棒１１
に誘起した上述の撓み振動３３により、垂直棒１２に振
動モード３４を誘起する。振動モード３４は、第１実施
形態の十字型振動体１０の振動モード１２Ａに対応す
る。

【００２８】超音波撓み振動装置１Ａにおいては、十字
型振動体１０と超音波振動子１３、１４の結合構造を図
１の超音波撓み振動装置１と同様にしたから、超音波撓
み振動装置１におけると同様に以下の作用がある。

【００２９】十字型振動体１０の水平棒１１を、互いに
逆相振動する１組以上の超音波振動子１３、１４で垂直
に駆動し、水平棒１１に撓み振動を誘起すると、この撓
み振動と結合して垂直棒１２が撓み振動を励振する。

【００３０】共通のフランジ１５の垂直棒１２の軸方向
に直交するフランジ面に水平棒１１を介して垂直棒１２
を支持するものとなり、垂直棒１２の先端の軸方向に作
用する荷重を共通のフランジ１５によって安定的に支持
しながら、垂直棒１２の先端に水平方向の超音波振動を
印加できる。

【００３１】従って、この十字型超音波撓み振動装置１
Ａを超音波加工機に装着することにより、垂直棒１２の
軸方向で剛性に富み、先端位置決め精度が高い振動体に
より強力で安定した超音波加工を実現できる。

【００３２】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、十
字型振動体の振幅は、該振動体を励振する超音波振動子
（ＢＬＴ）の前面体と背面体の面積比（断面積比）を変
更することにより、任意に設定できる。

【００３３】また、第１実施形態と第２実施形態では、
１組の超音波振動子（ＢＬＴ）を用いたが、第１の棒の
撓み振動モードの腹部（又は節部）に互いに逆相駆動す
るＮ（Ｎ＝１，２，３，…）組の超音波振動子（ＢＬ
Ｔ）を用いても良く、第２の棒には同様の撓み振動モー
ド（１２Ａ、３４）が誘起される。この場合には、第１
実施形態と第２実施形態の場合のＮ倍の超音波振動子
（ＢＬＴ）が必要になるが、第２の棒（垂直棒１２）で
得られる超音波エネルギがＮ倍となる利点がある。

【００３４】また、超音波振動子１４に代えて半波長共
振体を用いると、超音波振動子（ＢＬＴ）は第１実施形
態と第２実施形態の場合の半分（１個）で済むが、第２
の棒で得られる超音波エネルギも半減する。

【００３５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、振動体の
剛性に富み、先端位置決め精度が高い超音波加工機用の
超音波振動装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の十字型振動体の駆動に縦波用超
音波振動子を適用した超音波撓み振動装置と各部の振動
モードを示す模式図である。

【図２】図２は本発明の十字型振動体の駆動に捩り波用
超音波振動子を適用した超音波撓み振動装置と各部の振
動モードを示す模式図である。

【符号の説明】

１、１Ａ 超音波撓み振動装置 １０ 十字型振動体 １１ 水平棒（第１の棒） １２ 垂直棒（第２の棒） １３、１４ 超音波振動子 １５ 共通のフランジ

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年２月２３日（２００１．２．２
３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】このため、超音波加工機を構成するに際
し、振動体の先端が軸芯に対して垂直に振動し、その軸
芯に垂直荷重を印加することが可能な超音波振動装置が
切望されていた。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直交する第１と第２の棒によって撓み振
   動モードで結合振動する十字型振動体の第１の棒の軸方
   向の中央部から等距離の位置に、互いに振動方向を逆相
   にして振動する１組以上の超音波振動子を該第１の棒の
   軸線に垂直に結合し、超音波振動子の振動モードと十字
   型振動体の撓み振動モードのそれぞれの共振周波数が互
   いに等しくなる構造としたことを特徴とする十字型超音
   波撓み振動装置。
2. 【請求項２】 前記１組以上の超音波振動子をそれらの
   振動の節面で共通のフランジに固定する構造としてなる
   請求項１に記載の十字型超音波撓み振動装置。
3. 【請求項３】 前記超音波振動子を縦振動モードとし、
   該振動子を第１の棒の振動の腹部に結合し、十字型振動
   体の第１と第２の棒を互いにそれらの振動の節部で結合
   してなる請求項１又は２に記載の十字型超音波撓み振動
   装置。
4. 【請求項４】 前記超音波振動子を捩り振動モードと
   し、該振動子を第１の棒の振動の節部に結合し、十字型
   振動体の第１と第２の棒を互いにそれらの振動の腹部で
   結合してなる請求項１又は２に記載の十字型超音波撓み
   振動装置。