JP2020073275A - Oscillation excitation method for langevin ultrasonic transducer, and ultrasonic machining method for material to be machined - Google Patents

Oscillation excitation method for langevin ultrasonic transducer, and ultrasonic machining method for material to be machined Download PDF

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Abstract

To provide a method for exciting ultrasonic oscillation with reciprocating motion in a new oscillation mode by using a Langevin ultrasonic transducer, an ultrasonic machining method and an ultrasonic transmission method using the new ultrasonic oscillation.SOLUTION: A method includes: preparing a Langevin ultrasonic transducer comprising a metal block, another metal block including a supporting frame protruding in a ring shape on its side surface, and polarized piezoelectric elements fixed between these metal blocks; connecting the ultrasonic transducer to a base via the supporting frame, and supporting the ultrasonic transducer on the base in a restrained state; applying, to the piezoelectric elements of the ultrasonic transducer, voltage having predetermined frequency to cause the ultrasonic transducer to excite ultrasonic oscillation with reciprocating motion which has no oscillation node inside the ultrasonic transducer in a direction perpendicular to plane surfaces of the piezoelectric elements. And an ultrasonic machining method and an ultrasonic transmission method using the method to excite oscillation of the ultrasonic transducer are provided.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、ランジュバン型超音波振動子の振動励起方法に関し、特に新規な振動モードの超音波振動の励起方法に関する。本発明はまた、ランジュバン型超音波振動子の新規な振動モードの超音波振動を利用する超音波加工方法および超音波送信方法に関する。   The present invention relates to a vibration excitation method for a Langevin type ultrasonic transducer, and more particularly to a novel excitation method for ultrasonic vibration of a vibration mode. The present invention also relates to an ultrasonic machining method and an ultrasonic transmission method that utilize ultrasonic vibration of a novel vibration mode of a Langevin type ultrasonic vibrator.

圧電素子を超音波発生源として利用する超音波振動子は各種の構成のものが知られているが、その代表的な構成として、一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子が知られている。なかでも、分極処理済の圧電素子を一対の金属ブロックの間でボルトにより接続し、高圧で締め付け固定した構造のボルト締めランジュバン型超音波振動子は高エネルギーの超音波振動の発生が可能なため、各種材料の切削加工、塑性加工、砥粒加工などを行うための工具に付設して用いる超音波加工での利用が検討されている。さらに、各種の超音波振動子については、その超音波振動子にて発生する超音波振動を振動板や振動手段を介して送信することによる、超音波洗浄、金属接合、プラスチック溶着、超音波霧化、乳化・分散などの超音波処理の用途、そして魚群探知機などの水中音響器(ソナー)、超音波探傷器、医療用エコー診断装置、流量計などの通信的応用機器への利用が検討され、多くの分野で実際に使用されている。   Ultrasonic transducers that use a piezoelectric element as an ultrasonic wave generation source are known to have various configurations. As a typical configuration, a pair of metal blocks and a polarization fixed between these metal blocks are known. A Langevin-type ultrasonic transducer composed of a processed piezoelectric element is known. Among them, the bolted Langevin type ultrasonic vibrator, which has a structure in which a polarized piezoelectric element is connected with a bolt between a pair of metal blocks and clamped and fixed at high pressure, is capable of generating high-energy ultrasonic vibration. The use in ultrasonic processing, which is attached to a tool for performing cutting, plastic working, and abrasive processing of various materials, is being considered. Furthermore, for various ultrasonic transducers, ultrasonic vibration generated by the ultrasonic transducers is transmitted through a diaphragm or vibrating means to perform ultrasonic cleaning, metal bonding, plastic welding, ultrasonic mist. Consideration of ultrasonic wave processing such as emulsification, emulsification and dispersion, as well as underwater acoustic equipment (sonar) such as fish finder, ultrasonic flaw detector, medical echo diagnostic device, and communication application equipment such as flowmeter. Have been used in many fields.

ボルト締めランジュバン型超音波振動子を含む各種の超音波振動子の構成は既に知られているが、念のため、代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成とその利用形態の一例を添付の図1と図2を参照して以下に簡単に説明する。   The configuration of various ultrasonic transducers including the bolted Langevin type ultrasonic transducer is already known, but as a precaution, an example of the configuration of a typical bolted Langevin type ultrasonic transducer and its usage form A brief description is given below with reference to the accompanying FIGS. 1 and 2.

図1は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の代表的な構造の例を示す図である。ボルト締めランジュバン型超音波振動子1は、一対の金属ブロック2a、2bの間に分極済の圧電素子(例:PZTなどの圧電セラミック板)3を挟み、ボルト4を用いて金属ブロック2a、2bを互いに締め付けた構造を有する。図1において、圧電素子に記入されている矢印は分極方向を示す。なお、圧電素子3には、電気エネルギーを印加するための端子として利用する電極片(通常はリン青銅などの電極片を用いる)5a、5bが接続されている。   FIG. 1 is a diagram showing an example of a typical structure of a bolted Langevin type ultrasonic transducer. The bolted Langevin ultrasonic transducer 1 includes a polarized piezoelectric element (eg, a piezoelectric ceramic plate such as PZT) 3 sandwiched between a pair of metal blocks 2a and 2b, and bolts 4 are used to block the metal blocks 2a and 2b. Have a structure in which they are fastened to each other. In FIG. 1, the arrow written on the piezoelectric element indicates the polarization direction. In addition, the piezoelectric element 3 is connected with electrode pieces (usually using an electrode piece such as phosphor bronze) 5a and 5b used as terminals for applying electric energy.

図2は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を超音波振動源として用いる超音波研削加工装置(研磨機)の構成例を示す図である。図2において、超音波研削加工装置10は、ハウジング11内に、下端部にホーン12を介して接続された研磨具13を備えた超音波振動子1を収容し、この超音波振動子1を軸受14により回転可能に支持している。超音波振動子1の回転は、サーボユニット15に接続された交流スピンドルモータ16により駆動される。図2の装置では、超音波振動子1の超音波振動のための電気エネルギーは、外部に設けた電気エネルギー供給源17に接続しているカーボンブラシとスリップリングとから構成されている接触型給電装置18を介して供給される。   FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an ultrasonic grinding apparatus (polishing machine) using a bolted Langevin type ultrasonic vibrator as an ultrasonic vibration source. In FIG. 2, an ultrasonic grinding apparatus 10 accommodates an ultrasonic vibrator 1 having a polishing tool 13 connected to a lower end portion thereof via a horn 12 in a housing 11. It is rotatably supported by the bearing 14. The rotation of the ultrasonic transducer 1 is driven by an AC spindle motor 16 connected to the servo unit 15. In the apparatus of FIG. 2, the electric energy for ultrasonic vibration of the ultrasonic vibrator 1 is a contact type power supply including a carbon brush and a slip ring connected to an electric energy supply source 17 provided outside. It is supplied via the device 18.

超音波加工装置において各種工具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、当該工具による加工作業に必要な電気エネルギーの節減や加工精度の向上などであるが、これまでに製造され、実際の加工作業に使用されてきた超音波加工装置では、その期待された効果が充分に得られていない。このため現在の時点では超音波加工装置の普及は十分進んでいるとは云えない。従って、超音波加工の更なる普及を進めるためには、超音波加工作業の実施において超音波振動子の振動の励起のため必要な電気エネルギー量を低減を実現し、さらに充分な加工精度の向上が得られるような改良が必要である。   The effects expected by applying ultrasonic vibration to various tools in the ultrasonic processing equipment are reduction of electric energy necessary for processing work by the tool and improvement of processing accuracy, etc. The expected effects have not been sufficiently obtained with the ultrasonic processing apparatus that has been used for the above-mentioned processing work. For this reason, it cannot be said that the ultrasonic processing apparatus has been sufficiently spread at the present time. Therefore, in order to promote the further popularization of ultrasonic machining, the amount of electrical energy required to excite the vibration of the ultrasonic transducer during the execution of ultrasonic machining work is reduced, and sufficient machining accuracy is improved. It is necessary to improve so that

本発明の発明者は、これまでに、超音波振動子の振動の励起に必要な電気エネルギー量に見合う加工精度の向上が期待できる様々な超音波振動子の改良発明を案出し、特許出願を行ってきた。たとえば、それらの改良発明の内で最近の発明としては特許文献1に開示されている発明を挙げることができる。   The inventor of the present invention has hitherto devised an improved invention of various ultrasonic vibrators, which can be expected to improve the processing accuracy commensurate with the amount of electric energy required to excite the vibration of the ultrasonic vibrator, and has filed a patent application. I went. For example, among these improved inventions, the invention disclosed in Patent Document 1 can be mentioned as a recent invention.

特許文献1には、工具と超音波振動体との振動複合体を高い安定性にて支持し、かつ超音波振動体において発生する超音波エネルギーの該振動複合体の支持体(固定支持体)への漏出を低いレベルに抑制することによって振動エネルギーの工具への高い効率での印加を可能にする支持構造として、工具を備えた超音波振動体にフランジを付設し、フランジの片側面を、別に用意した固定体に形成したフランジ支持面に応力を掛けた状態で接触させることにより係合支持する支持構造(但し、超音波振動体のフランジは、固定体のフランジ支持面には接合されてなく、また固定体の支持面に接触して係合支持された超音波振動体のフランジは、該超音波振動体が振動状体にある時にはフランジの厚み方向に超音波振動する構造とされる)が開示されている。   In Patent Document 1, a vibration complex of a tool and an ultrasonic vibration body is supported with high stability, and a support body (fixed support body) of the vibration complex of ultrasonic energy generated in the ultrasonic vibration body. As a supporting structure that enables application of vibration energy to the tool with high efficiency by suppressing leakage to the low level, a flange is attached to the ultrasonic vibrating body equipped with the tool, and one side of the flange is attached. A support structure that engages and supports by contacting the flange support surface formed on a separately prepared fixed body under stress (however, the flange of the ultrasonic vibrator is not joined to the flange support surface of the fixed body. The flange of the ultrasonic vibrating body that is not supported by the supporting surface of the fixed body is engaged with the supporting surface of the fixed body and vibrates ultrasonically in the thickness direction of the flange when the ultrasonic vibrating body is a vibrating body. ) Disclosed It has been.

国際公開 WO 2014/017460 A1International publication WO 2014/017460 A1

特許文献1に記載の新たな超音波振動子の支持構造を利用する超音波加工装置により、従来知られていた構造の超音波振動子を用いる超音波加工装置の問題点については少なからずの解決が見られた。しかしながら、特許文献1に記載の超音波振動子の支持構造を利用した超音波加工装置についても、実用的に充分に満足できるレベルの電気エネルギーの必要量の削減と加工精度の向上とが得られていない。   The ultrasonic processing apparatus using the new ultrasonic vibrator supporting structure described in Patent Document 1 solves a number of problems of the ultrasonic processing apparatus using the ultrasonic vibrator having the conventionally known structure. It was observed. However, also in the ultrasonic processing apparatus using the support structure of the ultrasonic vibrator described in Patent Document 1, it is possible to reduce the required amount of electric energy and to improve the processing accuracy at a practically sufficiently satisfactory level. Not not.

従って、本発明の課題は、実用的に充分に満足できるレベルの電気エネルギーの必要量の削減と加工精度の向上とを共に実現することのできる超音波加工に適した超音波振動子の構造と超音波振動子の振動の励起方法を提供することにある。   Therefore, an object of the present invention is to provide a structure of an ultrasonic transducer suitable for ultrasonic machining which can realize both reduction of the required amount of electric energy at a practically sufficiently satisfactory level and improvement of machining accuracy. An object of the present invention is to provide a method for exciting vibration of an ultrasonic vibrator.

本発明の発明者は、特許文献1に記載の超音波振動子の支持構造の改良を目的として、改めて超音波振動子における超音波振動発生のメカニズムの検討を行なった。そしてその検討に際して、超音波振動子を強固に支持する構造のモデルとして、図3に示す支持構造を案出した。すなわち、図3の支持構造では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子1を組み立てるに際して、先ず、前方側に配置する金属ブロック(一般に「フロントマス」と呼ばれる)2bの上側端部の周囲に環状の支持枠体6を金属ブロックと一体として形成し、このフロントマス2bと後方側に配置する金属ブロック(一般に「リアマス」と呼ばれる)2aとの間に分極処理済の平板状の圧電素子3をボルト4で締め付け固定させた。そして、このように構成したボルト締めランジュバン型超音波振動子1を用意した上で、環状の支持枠体6の縁部を、雄ネジを備えたハウジング11(このハウジング自体が図示しない支持構造体である基台に接続され、固定されている)と雌ネジを備えたナット7との嵌め合い構造により係合させ、拘束固定した。なお、ボルト締めランジュバン型超音波振動子1の圧電素子3への電気エネルギーの供給は、ハウジング11に形成した孔を介して、ハウジングの外部に設けた超音波発振回路8から予め決めた周波数を持つ電圧を印加するようにした。   The inventor of the present invention once again examined the mechanism of ultrasonic vibration generation in the ultrasonic vibrator for the purpose of improving the support structure of the ultrasonic vibrator described in Patent Document 1. Then, at the time of the examination, a supporting structure shown in FIG. 3 was devised as a model of a structure for firmly supporting the ultrasonic transducer. That is, in the support structure of FIG. 3, when the bolted Langevin type ultrasonic transducer 1 is assembled, first, an annular shape is formed around the upper end portion of the metal block (generally called “front mass”) 2b arranged on the front side. The support frame 6 is formed integrally with a metal block, and the flat plate-shaped piezoelectric element 3 that has been polarized is bolted between the front mass 2b and the metal block (generally called "rear mass") 2a arranged on the rear side. It was tightened and fixed at 4. Then, after the bolted Langevin type ultrasonic transducer 1 configured as described above is prepared, the edge portion of the annular support frame body 6 is provided with a housing 11 provided with a male screw (this housing itself does not show a support structure body). (Which is connected to a base, which is fixed), and a nut 7 having a female screw are engaged with each other by a fitting structure, and fixedly fixed. The bolted Langevin type ultrasonic transducer 1 is supplied with electric energy to the piezoelectric element 3 through a hole formed in the housing 11 at a predetermined frequency from an ultrasonic oscillation circuit 8 provided outside the housing. The voltage which it has was applied.

次いで、図3に示した支持構造で支持固定する超音波振動子として、その振動特性を実験により観察するために、図4に示す形状とサイズ(単位:mm)のボルト締めランジュバン型超音波振動子1を作製した。図4のボルト締めランジュバン型超音波振動子1は、分極処理済の平板状圧電素子(PZT圧電素子)3a、3bをステンレススチール製のリアマス2aと同じくステンレススチールを材料として環状の支持枠体6と共に一体的に成形したフロントマス2bとの間に配置し、同じくフロントマス2bと一体的に成形したボルト4で締め付け固定させる構成としている。そして、フロントマス2bの下部には工具を装着したコレットをはめ込むためのテーパ状の凹部を形成した。   Then, as an ultrasonic transducer supported and fixed by the support structure shown in FIG. 3, in order to observe its vibration characteristics through experiments, a bolted Langevin type ultrasonic vibration having a shape and size (unit: mm) shown in FIG. 4 was used. Child 1 was produced. In the bolted Langevin type ultrasonic transducer 1 of FIG. 4, polarization-processed flat plate-shaped piezoelectric elements (PZT piezoelectric elements) 3a and 3b are made of stainless steel like the rear mass 2a. In addition, it is arranged between the integrally molded front mass 2b and the front mass 2b, and is fixed by the bolt 4 also integrally molded with the front mass 2b. Then, a tapered concave portion for fitting a collet with a tool attached is formed in the lower portion of the front mass 2b.

図4に示した形状とサイズを持つボルト締めランジュバン型超音波振動子の超音波振動特性を実験により観察するために、まずインピーダンスアナライザを用いて、超音波振動子を非拘束とした状態での周波数特性を測定し、次いで、同じ超音波振動子を、図3に示した支持構造にて支持固定(拘束)した状態として同様に周波数特性を測定した。図4のボルト締めランジュバン型超音波振動子の非拘束状態での周波数特性を表すアドミッタンス曲線を図5に、そして図3に示した支持構造で拘束した状態での周波数特性を表すアドミッタンス曲線を図6に示す。   In order to observe the ultrasonic vibration characteristics of the bolted Langevin type ultrasonic vibrator having the shape and size shown in Fig. 4 by an experiment, first, an impedance analyzer was used and the ultrasonic vibrator was not restrained. The frequency characteristic was measured, and then the frequency characteristic was similarly measured with the same ultrasonic transducer supported and fixed (restricted) by the support structure shown in FIG. FIG. 5 shows the admittance curve showing the frequency characteristic of the bolted Langevin type ultrasonic transducer in the unconstrained state of FIG. 4, and the admittance curve showing the frequency characteristic of the bolted Langevin type ultrasonic transducer restrained by the support structure shown in FIG. 6 shows.

図5のアドミッタンス曲線から明らかなように、測定対象のボルト締めランジュバン型超音波振動子は、非拘束状態では42.125KHzの周波数位置に一つのアドミッタンスピークが現れる。このアドミッタンスピークの周波数(42.125KHz)は、非拘束状態にある図4の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数であると理解される。   As is clear from the admittance curve in FIG. 5, in the bolted Langevin type ultrasonic transducer to be measured, one admittance peak appears at a frequency position of 42.125 KHz in the unrestrained state. The frequency of the admittance peak (42.125 KHz) is understood to be the resonance frequency that excites the first-order longitudinal vibration of the ultrasonic transducer of FIG. 4 in the unrestrained state.

一方、図6の拘束状態のボルト締めランジュバン型超音波振動子のアドミッタンス曲線には、図5のアドミッタンス曲線で見られた縦一次振動を励起させる共振周波数に近い周波数(44.375KHz)に一つのアドミッタンスピークが現れ、さらにそのアドミッタンスピークの周波数よりも低周波数側の領域の24.250KHzの周波数位置に、上記共振周波数におけるアドミッタンスピークよりも若干小さいアドミッタンスピークが現れることが判明した。   On the other hand, in the admittance curve of the bolted Langevin type ultrasonic transducer in the restrained state shown in FIG. 6, one at a frequency (44.375 KHz) close to the resonance frequency for exciting the longitudinal primary vibration seen in the admittance curve of FIG. It was found that an admittance peak appears, and further, an admittance peak slightly smaller than the admittance peak at the resonance frequency appears at a frequency position of 24.250 KHz in a region on the lower frequency side than the frequency of the admittance peak.

図6のアドミッタンス曲線で現れた二つのアドミッタンスピークの存在は、いずれの周波数であっても、測定対象のボルト締めランジュバン型超音波振動子の超音波振動の励起が可能であることを意味するとりかいされる。すなわち、それらの二つの周波数はいずれも超音波振動の励起を可能にする共振周波数に相当すると考えられる。本発明者はこれらの二つの互いに異なる周波数位置に現れるアドミッタンスピークの存在に注目して、図6のアドミッタンス曲線から判明した二つの共振周波数に近似した周波数を持つ電圧を、図3に示した拘束条件にある図4のボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加し、超音波振動を励起させ、振動下にあるフロントマス2bの下端面の縦方向の振動変位量をレーザードップラー振動計により測定した。   The existence of the two admittance peaks shown by the admittance curve in FIG. 6 means that the ultrasonic vibration of the bolted Langevin type ultrasonic transducer to be measured can be excited at any frequency. To be taken. That is, both of these two frequencies are considered to correspond to the resonance frequency that enables the excitation of ultrasonic vibrations. The present inventor pays attention to the existence of the admittance peaks appearing at these two different frequency positions, and the voltage having frequencies close to the two resonance frequencies found from the admittance curve of FIG. 6 is restrained as shown in FIG. The ultrasonic vibration was excited by applying it to the Langevin type ultrasonic vibrator of bolting shown in FIG. 4 under the conditions, and the vertical vibration displacement amount of the lower end surface of the front mass 2b under vibration was measured by a laser Doppler vibrometer. ..

レーザードップラー振動計を用いた上記のフロントマス2bの下端面の縦方向の振動変位量の測定結果によれば、図6の相対的に大きな高周波数側のアドミッタンスピークの周波数に近似した周波数(43.86KHz)の電圧を印加することにより超音波振動(いわゆる縦一次振動)を励起させた超音波振動子のフロントマスの2bの下端面の振動変位量は約33μmであり、その超音波振動に要する電力は約3.5Wであることが判明した。これに対して、図6の相対的に小さい低周波数側のアドミッタンスピークの周波数に近似した周波数(23.64KHz)の電圧を印加して超音波振動を励起させた超音波振動子のフロントマス2bの下端面の振動変位量は約30μmであったが、その超音波振動に要した電力は約0.5Wと顕著に低減することが判明した。   According to the measurement result of the vertical vibration displacement amount of the lower end surface of the front mass 2b using the laser Doppler vibrometer, the frequency (43) which is close to the frequency of the admittance peak on the relatively high frequency side in FIG. The amount of vibration displacement of the lower end face of the front mass 2b of the ultrasonic transducer excited by ultrasonic wave (so-called longitudinal primary vibration) by applying a voltage of about 0.86 KHz is about 33 μm. It was found that the required power was about 3.5W. On the other hand, the front mass 2b of the ultrasonic transducer in which ultrasonic vibration is excited by applying a voltage (23.64 KHz) having a frequency close to the frequency of the admittance peak on the relatively small low frequency side in FIG. Although the vibration displacement amount of the lower end surface of was about 30 μm, the power required for the ultrasonic vibration was found to be significantly reduced to about 0.5 W.

従って、図6のアドミッタンス曲線の高周波数側に現れる相対的に大きなアドミッタンスピークに相当する周波数の電圧印加により超音波振動子に現れる超音波振動(縦一次振動)と低周波数側に現れる相対的に小さなアドミッタンスピークに相当する周波数の電圧印加により超音波振動子に現れる超音波振動とは、その縦方向の振動変位量についてはほぼ同等となるが、その略同等の振動変位量の超音波振動を励起させるために必要な電力は、後者が前者の約1/7(0.5W/3.5W)となること、すなわち、図4に示した構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子を図3に示した支持構造を利用して支持拘束した状態で超音波振動を励起させるために必要な電力は、後者の低周波数側の共振周波数の電圧の印加での振動を利用することにより、前者の高周波数側の共振周波数の電圧の印加での振動(縦一次振動)を利用した場合に比べて、大幅に低減することが判明した。   Therefore, the ultrasonic vibration (longitudinal primary vibration) that appears in the ultrasonic transducer due to the voltage application of the frequency corresponding to the relatively large admittance peak that appears on the high frequency side of the admittance curve in FIG. The ultrasonic vibrations that appear in the ultrasonic transducer when a voltage of a frequency corresponding to a small admittance peak is applied are almost the same in terms of the amount of vertical vibration displacement, but ultrasonic vibrations of approximately the same amount are used. The power required to excite the latter is about 1/7 (0.5 W / 3.5 W) of the former, that is, the bolted Langevin ultrasonic transducer having the configuration shown in FIG. The power required to excite ultrasonic vibrations in the state of being supported and constrained by using the support structure shown in Fig. 2 is the latter, which is vibration by applying a voltage of the resonance frequency on the low frequency side. It, as compared to the case of using the vibration of an applied voltage of the resonant frequency of the former high-frequency side (the longitudinal primary vibration), was found to be significantly reduced.

次いで、図4に示した構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマス2bの凹部に工具をそなえたコレットを装着して、その工具の先端部の振動変位量についても今度は縦方向と横方向の両方向で測定する実験を行った。この実験では、工具として想定したドリルのモデルとして、長さ40mm、径3mmの断面が円形の棒体を選び、この棒体をコレット下端部に突き出し長さ14.8mmにて装着し、この超音波加工用工具モデルを用いて測定を行った。   Then, a collet with a tool is attached to the concave portion of the front mass 2b of the bolted Langevin type ultrasonic transducer having the configuration shown in FIG. 4, and the vibration displacement amount of the tip of the tool is also changed to the vertical direction. An experiment was conducted in which measurement was performed in both lateral directions. In this experiment, as a model of a drill assumed as a tool, a rod body having a length of 40 mm and a diameter of 3 mm and a circular cross section was selected, and this rod body was protruded to the lower end of the collet and mounted with a length of 14.8 mm. The measurement was performed using a sonic machining tool model.

上記の工具先端部の振動変位量の測定実験では、図4の構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子にコレットと工具を装着して構成した超音波加工用工具モデルについてのインピーダンスアナライザーにより得られたアドミッタンス曲線に基づき、高周波数側の共振周波数は30.20KHz、そして低周波数側の共振周波数は21.09KHzとして、それぞれの周波数を持つ電圧をボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加した。
この測定実験の結果、高周波数側の共振周波数の電圧の印加により振動させた超音波振動子に装着した工具の先端部の縦方向の振動変位量は8.33μmp−pであって、横方向の振動変位量は0.787μmp−pであること、そして当該振動に必要とした電力は1.17Wであることが判明した。一方、低周波数側の共振周波数の電圧の印加により振動させた超音波振動子に装着した工具の先端部の縦方向の振動変位量は7.70μmp−pであって、横方向の振動変位量は0.248μmp−pであること、そして当該振動に必要とした電力は0.31Wであることが判明した
In the above-mentioned measurement experiment of the vibration displacement amount of the tool tip, it was obtained by the impedance analyzer about the ultrasonic machining tool model configured by mounting the collet and the tool on the bolted Langevin type ultrasonic transducer of the configuration shown in FIG. Based on the admittance curve, the resonance frequency on the high frequency side was set to 30.20 KHz and the resonance frequency on the low frequency side was set to 21.09 KHz, and voltages having respective frequencies were applied to the bolted Langevin type ultrasonic transducer.
As a result of this measurement experiment, the vertical vibration displacement amount of the tip of the tool mounted on the ultrasonic vibrator vibrated by applying the voltage of the resonance frequency on the high frequency side was 8.33 μmp-p, It was found that the vibration displacement amount was 0.787 μmp-p and the electric power required for the vibration was 1.17 W. On the other hand, the vertical vibration displacement amount of the tip of the tool mounted on the ultrasonic vibrator vibrated by applying the voltage of the resonance frequency on the low frequency side is 7.70 μmp-p, and the horizontal vibration displacement amount is Was found to be 0.248 μmp-p, and the power required for the vibration was found to be 0.31 W

従って、上記の測定実験の結果から、いずれの共振周波数での超音波振動でも同等の縦方向の振動変位量が得られているが、横方向の振動変位量については、低周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動では、高周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動(縦一次振動)に比べて、約1/3(0.248/0.787)となることが判明した。また、電力使用量も、低周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動では、高周波数側の共振周波数の電圧の印加による振動(縦一次振動)に比べて、約1/4(0.31/1.17)となることから、超音波振動の励起に必要な電力使用量も顕著に低減することが確認された。   Therefore, from the results of the above measurement experiment, the same vertical vibration displacement amount was obtained for ultrasonic vibrations at any resonance frequency, but for the horizontal vibration displacement amount, the resonance frequency on the low frequency side It was found that the vibration due to the application of the voltage is about 1/3 (0.248 / 0.787) as compared with the vibration due to the application of the voltage of the resonance frequency on the high frequency side (longitudinal primary vibration). In addition, the amount of power consumption is about ¼ (0.31 /1.17), it was confirmed that the amount of electric power used for exciting ultrasonic vibrations was significantly reduced.

以上に記載した実験結果から、上記の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加による超音波振動子の振動励起方法を利用することにより、振動励起に必要な電力の顕著な低減と共に、縦振動に付随して励起される横振動(横揺れ)の顕著な低減も実現することが判明した。   From the experimental results described above, a vibration excitation method for an ultrasonic transducer by applying a voltage having a resonance frequency corresponding to an admittance peak appearing on a lower frequency side than the resonance frequency for exciting longitudinal primary vibration of the ultrasonic transducer. It has been found that by utilizing the above, not only the electric power required for the vibration excitation but also the lateral vibration (rolling) excited accompanying the longitudinal vibration is significantly reduced.

本発明者は次いで、上記の超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加により発生する超音波振動子の振動の性質を解明すべく、市販の有限要素法の解析ソフトウエアであるANSYS(販売元:アンシス・ジャパン株式会社)を用い、図4のランジュバン型超音波振動子を図3の拘束条件(すなわち、図6のアドミッタンス曲線が得られた超音波振動子の拘束条件)にて拘束した場合に励起される超音波振動の解析を行った。   Next, the inventor of the present invention has the following characteristics of the vibration of the ultrasonic vibrator generated by applying a voltage of a resonance frequency corresponding to an admittance peak appearing on a lower frequency side than the resonance frequency for exciting the longitudinal primary vibration of the ultrasonic vibrator. In order to clarify the above, using the commercially available finite element analysis software ANSYS (sold by: Ansys Japan Co., Ltd.), the Langevin type ultrasonic transducer of FIG. The ultrasonic vibration excited when constrained under the constraint condition of the ultrasonic transducer for which the admittance curve was obtained was analyzed.

上記の有限要素法による超音波振動の解析の結果、超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数よりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに相当する共振周波数の電圧の印加により発生する超音波振動子の振動は、図7のANSYS解析画像から明らかなように、超音波振動子の全体が同一の縦方向(超音波振動子の長軸方向)に振動する往復運動であって、超音波振動子の内部には振動の節となる部位が存在しない超音波振動(本明細書では、この振動を疑似縦零次振動と呼ぶ)であることが判明した。なお、図7の画像によれば、この疑似縦零次振動では、環状の支持枠体が基台と接する部位に振動の節が現れ、環状の支持枠体自体もまた上記超音波振動と同位相の超音波振動を行うことも判明した。すなわち、この疑似縦零次振動の超音波振動は、超音波振動子全体が同一の縦方向に振動する往復運動であって、超音波振動子の内部に振動の節となる部位を一個持ち、その節となる部位を境にして縦方向に互いに逆方向となる振動を示すモードである縦一次振動とは明らかに異なる振動であり、このため、印加される電気エネルギーの損失が少なく、かつ必然的に横方向への振動が少なくなるという利点が発生する結果となるのであろうと推定される。   As a result of the analysis of ultrasonic vibrations by the finite element method described above, ultrasonic waves generated by applying a voltage of a resonance frequency corresponding to the admittance peak appearing on the lower frequency side than the resonance frequency that excites the longitudinal primary vibration of the ultrasonic vibrator. As is clear from the ANSYS analysis image of FIG. 7, the vibration of the vibrator is a reciprocating motion in which the entire ultrasonic vibrator vibrates in the same vertical direction (long-axis direction of the ultrasonic vibrator). It has been found that the vibration is ultrasonic vibration (in the present specification, this vibration is referred to as pseudo-longitudinal zero-order vibration) in which there is no portion serving as a vibration node inside the vibrator. According to the image of FIG. 7, in this pseudo-vertical zero-order vibration, a node of vibration appears at a portion where the annular support frame contacts the base, and the annular support frame itself also has the same ultrasonic vibration. It was also found to carry out ultrasonic vibration of the phase. That is, the ultrasonic vibration of the pseudo vertical zero-order vibration is a reciprocating motion in which the entire ultrasonic vibrator vibrates in the same vertical direction, and has one portion that serves as a node of vibration inside the ultrasonic vibrator. This is a vibration that is clearly different from the longitudinal primary vibration, which is a mode that shows vibrations that are opposite to each other in the longitudinal direction with the part serving as the node as a boundary, and therefore the loss of applied electric energy is small and inevitable. It is presumed that this may result in the advantage of less lateral vibration.

一方、超音波振動子の縦一次振動を励起させる共振周波数の電圧により発生する振動は、図8のANSYS解析画像からも明らかなように、超音波振動子の内部に振動の節となる部位を一個持ち、その節となる部位を境にして縦方向に互いに逆方向となる振動を示すモードである。   On the other hand, the vibration generated by the voltage of the resonance frequency that excites the longitudinal primary vibration of the ultrasonic vibrator is, as is clear from the ANSYS analysis image of FIG. This is a mode in which there is one and vibrations are generated in opposite directions in the vertical direction with the node portion as a boundary.

本発明は、ランジュバン型超音波振動子における超音波振動の励起に関する上述の本発明者による新規な知見に基づいて完成した発明である。   The present invention has been completed based on the above-mentioned novel findings by the present inventor regarding excitation of ultrasonic vibrations in a Langevin type ultrasonic vibrator.

従って、本発明により、金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子を含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を該支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した後、該超音波振動子の圧電素子に、その圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動を励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加することによって、該ランジュバン型超音波振動子に、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動(疑似縦零次振動)を励起させることを特徴とするランジュバン型超音波振動子の新規な振動励起方法が提供される。   Therefore, according to the present invention, there is provided a Langevin type ultrasonic transducer including a metal block, a metal block provided with a supporting frame body annularly protruding on a side surface, and a polarization-processed piezoelectric element fixed between these metal blocks. The Langevin type ultrasonic transducer was prepared and connected to the base via the supporting frame to support the ultrasonic transducer in a restrained state, and then, the piezoelectric element of the ultrasonic transducer was perpendicular to the plane of the piezoelectric element. To the Langevin type ultrasonic transducer by applying a voltage having a frequency capable of exciting ultrasonic vibration consisting of reciprocating vibration having no vibration node inside the ultrasonic transducer in a direction. A Langevin type ultrasonic wave which excites ultrasonic vibration (quasi-longitudinal zero-order vibration) consisting of reciprocating vibration having no vibration node inside the ultrasonic vibrator in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element. The novel vibration excitation method of Doko is provided.

また、本発明により、上記の超音波振動子の振動励起方法において、疑似縦零次振動を励起することのできる周波数が、該振動子の縦一次振動モードの振動を励起する共振周波数よりも低い周波数範囲に含まれる周波数である振動励起方法も提供される。   Further, according to the present invention, in the vibration exciting method for an ultrasonic vibrator described above, the frequency capable of exciting the pseudo longitudinal zero-order vibration is lower than the resonance frequency exciting the vibration in the longitudinal primary vibration mode of the vibrator. A vibrational excitation method is also provided, which is a frequency falling within the frequency range.

さらに、本発明により、上記の超音波振動子の振動励起方法において、環状の支持枠体が基台と接する部位に振動の節を持ち、上記超音波振動と同位相の超音波振動を行う振動励起方法も提供される。   Further, according to the present invention, in the vibration exciting method for the ultrasonic vibrator, a vibration is provided at a portion where the annular support frame is in contact with the base, and the ultrasonic vibration vibrates in the same phase as the ultrasonic vibration. An excitation method is also provided.

さらにまた、本発明により、金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子を含むランジュバン型超音波振動子を、このランジュバン型超音波振動子の一方の端部に工具を接続した状態で上記支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した超音波加工装置を用意し、該ランジュバン型超音波振動子の圧電素子に、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復運動を励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加して、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動を励起させることにより、上記工具にその超音波振動を伝達することを特徴とする超音波加工方法が提供される。   Furthermore, according to the present invention, a Langevin type ultrasonic transducer including a metal block, a metal block provided with a supporting frame body protruding in an annular shape on a side surface, and a polarized piezoelectric element fixed between these metal blocks. An ultrasonic processing device is prepared in which a tool is connected to one end of this Langevin type ultrasonic transducer and is connected to a base through the support frame to be supported in a restrained state. A voltage having a frequency capable of exciting a reciprocating motion having no vibration node inside the ultrasonic transducer in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element is applied to the piezoelectric element of the ultrasonic transducer. The ultrasonic vibration is transmitted to the tool by exciting ultrasonic vibration consisting of reciprocating vibration having no vibration node inside the ultrasonic vibrator in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element. That Ultrasonic machining method according to symptoms is provided.

さらにまた、本発明により、上記の超音波加工方法において、工具が、上記ランジュバン型超音波振動子の中心軸の周囲を回転する工具である超音波加工方法が提供される。   Furthermore, according to the present invention, there is provided an ultrasonic machining method according to the ultrasonic machining method, wherein the tool is a tool that rotates around a central axis of the Langevin type ultrasonic transducer.

さらにまた、本発明により、上記の超音波加工方法において、工具が、上記ランジュバン型超音波振動子の中心軸に沿う方向での往復運動を行う工具である超音波加工方法が提供される。   Still further, according to the present invention, there is provided an ultrasonic machining method in which the tool is a tool that reciprocates in a direction along the central axis of the Langevin type ultrasonic transducer.

さらにまた、本発明により、金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子を含むランジュバン型超音波振動子を、このランジュバン型超音波振動子の一方の端部に超音波送信具を接続した状態で上記支持枠体を介して基台に接続して拘束状態にて支持した超音波送信装置を用意し、該ランジュバン型超音波振動子の圧電素子に、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復運動を励起させることのできる周波数を持つ電圧を印加して、該圧電素子の平面に垂直な方向での該超音波振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動(疑似縦零次振動)を励起させることにより、上記超音波送信具にその超音波振動を伝達することを特徴とする超音波送信方法が提供される。   Furthermore, according to the present invention, a Langevin type ultrasonic transducer including a metal block, a metal block provided with a supporting frame body protruding in an annular shape on a side surface, and a polarized piezoelectric element fixed between these metal blocks. An ultrasonic transmission device was prepared in which the Langevin type ultrasonic transducer was connected to the base through the support frame while the ultrasonic transmission tool was connected to one end of the ultrasonic transducer, and was supported in a restrained state. , A voltage having a frequency capable of exciting the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic transducer in a reciprocating motion having no vibration node inside the ultrasonic transducer in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element To excite ultrasonic vibration (pseudo longitudinal zero-order vibration) consisting of reciprocating vibration having no vibration node inside the ultrasonic vibrator in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element, Ultrasonic transmission Ultrasonic transmission method characterized by transmitting the ultrasonic vibration is provided.

本発明の超音波振動子の振動励起方法は、超音波振動子の新たなモードの超音波振動である縦零次振動の励起を実現する。そして、本発明の超音波振動子の振動励起方法を利用する超音波加工方法では、超音波振動子を用いる超音波加工の省電力化が可能となり、また加工精度の向上も実現する。また、本発明の超音波振動子の振動励起方法を利用する超音波送信方法では、超音波送信の省電力化が可能となり、さらに超音波振動子から発生する疑似縦零次振動の超音波振動は高い指向性を示すため、効率の良い超音波振動の送信が可能になる。   The vibration excitation method for an ultrasonic vibrator of the present invention realizes excitation of longitudinal zero-order vibration, which is a new mode of ultrasonic vibration of the ultrasonic vibrator. Then, in the ultrasonic machining method using the vibration exciting method of the ultrasonic vibrator of the present invention, it is possible to save power in ultrasonic machining using the ultrasonic vibrator and also to improve the processing accuracy. Further, in the ultrasonic wave transmitting method using the vibration exciting method of the ultrasonic vibrator of the present invention, it is possible to reduce the power consumption of ultrasonic wave transmission, and further, the ultrasonic vibration of the pseudo longitudinal zero-order vibration generated from the ultrasonic vibrator. Exhibits high directivity, which enables efficient transmission of ultrasonic vibrations.

代表的なボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a typical bolted Langevin type ultrasonic transducer. ボルト締めランジュバン型超音波振動子を利用する超音波加工装置の構成の例を示す図である。It is a figure which shows the example of a structure of the ultrasonic processing apparatus which utilizes a bolting Langevin type ultrasonic transducer. 本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用することのできる超音波振動子の支持固定(拘束)構造の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the support fixation (restriction) structure of the ultrasonic transducer which can be utilized for the vibration excitation method of the ultrasonic transducer of this invention. 本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用することのできる超音波振動子の構成の例を示す図である。。It is a figure which shows the example of a structure of the ultrasonic transducer which can be utilized for the vibration excitation method of the ultrasonic transducer of this invention. . 図4に示した超音波振動子の非拘束状態における周波数特性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。It is a figure which shows the admittance curve showing the frequency characteristic in the unrestrained state of the ultrasonic transducer | vibrator shown in FIG. 図3に示した支持構造にて拘束した図4の超音波振動子の周波数特性を表すアドミッタンス曲線を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an admittance curve showing frequency characteristics of the ultrasonic transducer of FIG. 4 constrained by the support structure shown in FIG. 3. 有限要素法による評価結果に基づく、本発明に従う超音波振動子の振動励起方法で発生する振動モード(疑似縦零次振動)を示す図である。It is a figure which shows the vibration mode (quasi-longitudinal zero-order vibration) generated by the vibration excitation method of the ultrasonic transducer | vibrator according to this invention based on the evaluation result by a finite element method. 有限要素法による評価結果に基づく、超音波振動子の縦一次振動で発生する振動モードを示す図である。It is a figure which shows the vibration mode which generate | occur | produces by the longitudinal primary vibration of an ultrasonic transducer based on the evaluation result by the finite element method. 超音波振動子の縦一次振動の振動モードを示す図(A)、そしてその圧電素子部分の挙動を表すために拡大して示した図(B)である。FIG. 6A is a diagram showing a vibration mode of a longitudinal primary vibration of the ultrasonic transducer and FIG. 7B is an enlarged diagram showing the behavior of the piezoelectric element portion. 本発明の超音波振動子の振動励起方法で利用する疑似縦0次振動の振動モードを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the vibration mode of the pseudo longitudinal 0th-order vibration utilized by the vibration excitation method of the ultrasonic vibrator of this invention. 本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用する超音波振動子の形状とサイズそして支持固定構造の他の例を示す図である。It is a figure which shows the other example of the shape and size of an ultrasonic vibrator utilized for the vibration excitation method of the ultrasonic vibrator of this invention, and a support fixing structure. 図11に示した超音波振動子の支持固定構造における励起により発生する超音波振動(疑似縦零次振動)を有限要素法による画像として示す図である。FIG. 12 is a diagram showing an ultrasonic vibration (pseudo longitudinal zero-order vibration) generated by excitation in the support fixing structure of the ultrasonic vibrator shown in FIG. 11 as an image by the finite element method. 本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用する超音波振動子の支持固定構造の他の例を示す図(A)、そしてこの支持固定構造にある超音波振動子を、本発明に従う疑似縦零次振動と従来技術で利用されている縦一次振動とを組み合わせて使用する超音波加工の振動モードを示す図(B)である。The figure which shows another example of the support fixing structure of the ultrasonic vibrator utilized for the vibration excitation method of the ultrasonic vibrator of this invention, and the ultrasonic vibrator in this support fixing structure is a pseudo according to this invention. It is a figure (B) which shows the vibration mode of ultrasonic processing which uses it combining the vertical zero-order vibration and the vertical primary vibration utilized by the prior art. 本発明の超音波加工方法の実施に用いる超音波加工装置の一態様である工具としてドリルを使用する穿孔装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the punching device which uses a drill as a tool which is one aspect | mode of the ultrasonic processing apparatus used for implementation of the ultrasonic processing method of this invention. 本発明の超音波加工方法の実施に用いる超音波加工装置の一態様である工具として研磨具を使用する研磨装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the polishing device which uses a polishing tool as a tool which is one aspect | mode of the ultrasonic processing apparatus used for implementation of the ultrasonic processing method of this invention. 本発明の超音波加工方法の実施に用いる超音波加工装置の一態様である工具としてカッター(切断具)を使用する研削装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the grinding device which uses a cutter (cutting tool) as a tool which is one aspect | mode of the ultrasonic processing apparatus used for implementation of the ultrasonic processing method of this invention. 本発明の超音波送信方法の実施に用いる超音波送信装置の一態様である超音波振動子を備えた洗浄器の構成例を示す図である。It is a figure showing the example of composition of the washing machine provided with the ultrasonic transducer which is one mode of the ultrasonic transmission device used for implementation of the ultrasonic transmission method of the present invention. 本発明の超音波送信方法の実施に用いる超音波送信装置の一態様である超音波ソナーの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the ultrasonic sonar which is one aspect | mode of the ultrasonic transmission apparatus used for implementation of the ultrasonic transmission method of this invention.

本発明の超音波振動子の新規な振動励起方法で利用する共振周波数(超音波振動子の縦一次振動モードの振動を励起する共振周波数に対応するアドミッタンスピークよりも低周波数側に現れるアドミッタンスピークに対応する共振周波数:本明細書では疑似縦零次振動を励起する共振周波数と表現する)の存在は、本発明者の知る限りにおいて、これまでに当業者に認識されたことはない。また、上記疑似縦零次振動を利用する超音波振動子の振動励起方法は、本発明者の知る限りにおいて、これまでに実施されたことはない。   The resonance frequency used in the novel vibration excitation method of the ultrasonic oscillator of the present invention (to the admittance peak appearing on the lower frequency side than the admittance peak corresponding to the resonance frequency for exciting the vibration of the longitudinal primary vibration mode of the ultrasonic oscillator The presence of a corresponding resonant frequency: herein referred to as the resonant frequency that excites the pseudo-longitudinal zero-order vibration) has, to the knowledge of the inventor, never been recognized by a person skilled in the art. Further, as far as the present inventor knows, the vibration excitation method of the ultrasonic vibrator utilizing the pseudo vertical zeroth order vibration has never been carried out so far.

本発明に従う疑似縦零次振動を励起する共振周波数を利用する超音波振動子の振動励起方法を実施するためには、先ず外部に想定した支持体(基台)に超音波振動子を堅固に支持固定(拘束)することを可能にする図4に例示したような構成の環状の支持枠体を備えた超音波振動子を製造することが必要となる。そして、そのようにして製造した超音波振動子を、図3に示したような方法で、環状の支持枠体の周縁部にてハウジングで支持固定(拘束)する。なお、図3では、環状の支持枠体6は、フロントマス2bに形成されているが、環状の支持枠体は、リアマスに形成されていてもよい。また、環状の支持枠体はフロントマスあるいはリアマスに一体的に形成することが望ましいが、独立して形成した環状あるいは円盤状の支持枠体をフロントマスあるいはリアマスに装着固定するか、あるいはフロントマスとリアマスとの間に装着固定することもできる。   In order to carry out the vibration excitation method of the ultrasonic vibrator using the resonance frequency for exciting the pseudo longitudinal zero-order vibration according to the present invention, first, firmly mount the ultrasonic vibrator on a support (base) assumed outside. It is necessary to manufacture an ultrasonic transducer provided with an annular support frame having a structure as shown in FIG. 4 that can be supported and fixed (restrained). Then, the ultrasonic transducer thus manufactured is supported and fixed (restricted) by the housing at the peripheral portion of the annular support frame by the method shown in FIG. In addition, in FIG. 3, the annular support frame body 6 is formed on the front mass 2b, but the annular support frame body may be formed on the rear mass. Further, it is desirable that the annular support frame is formed integrally with the front mass or the rear mass. However, the independently formed annular or disc-shaped support frame is mounted and fixed to the front mass or the rear mass, or It can also be mounted and fixed between the rear and the rear mass.

次に、前記のように環状の支持枠体を利用して支持固定した超音波振動子の振動特性をインピーダンスアナライザにより測定し、図6に示すようなアドミッタンス曲線を得る。そのアドミッタンス曲線に図6のような二つのピーク(アドミッタンスピーク)が現れれば、通常、高周波側に現れるピークの周波数が縦一次振動励起の共振周波数であり、低周波数側に現れるピークの周波数が疑似縦零次振動の励起に利用できるの共振周波数であると判断できる。なお、必要であれば、その超音波振動子を非拘束状態とした上でインピーダンスアナライザを利用してアドミッタンス曲線を得て、そのアドミッタンス曲線に現れるアドミッタンスピークに相当する周波数(縦一次振動を励起する共振周波数に相当する)と、前記の高周波数側のアドミッタンスピークの周波数との比較に基づき、その高周波数側の共振周波数が縦一次振動励起の共振周波数に相当することを確認することもできる。   Next, the vibration characteristics of the ultrasonic transducer supported and fixed using the annular support frame as described above are measured by an impedance analyzer to obtain an admittance curve as shown in FIG. If two peaks (admittance peaks) as shown in FIG. 6 appear on the admittance curve, the frequency of the peak appearing on the high frequency side is usually the resonance frequency of the longitudinal primary vibration excitation, and the frequency of the peak appearing on the low frequency side is pseudo. It can be determined that this is the resonance frequency that can be used to excite the vertical zero-order vibration. If necessary, obtain the admittance curve by using an impedance analyzer with the ultrasonic transducer in an unrestrained state, and excite the frequency corresponding to the admittance peak appearing in the admittance curve (excitation of longitudinal primary vibration). It is also possible to confirm that the resonance frequency on the high frequency side corresponds to the resonance frequency of the longitudinal primary vibration excitation based on the comparison between the resonance frequency) and the frequency of the admittance peak on the high frequency side.

超音波振動子の形状によっては、アドミッタンス曲線に縦一次振動のアドミッタンスピークが現れないこともある。その場合には公知の計算式を利用する方法に従って、縦一次振動を励起する共振周波数を推定し、その共振周波数よりも低波長側の領域に現れるアドミッタンスピークの周波数を疑似縦零次振動の周波数と決め、この疑似縦零次振動の周波数を持つ電圧の印加により目的の疑似縦零次振動を励起させることもできる。   Depending on the shape of the ultrasonic oscillator, the admittance peak of the longitudinal primary vibration may not appear in the admittance curve. In that case, according to the method using a known calculation formula, the resonance frequency for exciting the longitudinal primary vibration is estimated, and the frequency of the admittance peak appearing in the region on the lower wavelength side than the resonance frequency is the frequency of the pseudo longitudinal zero-order vibration. It is also possible to excite the target pseudo longitudinal zero-order vibration by applying a voltage having the frequency of this pseudo longitudinal zero-order vibration.

一方、アドミッタンス曲線に三つ以上のアドミッタンスピークが現れた場合においても、上記の方法により縦一次振動を励起する共振周波数を推定し、その共振周波数よりも低波長側の領域に現れるアドミッタンスピークの周波数を疑似縦零次振動の周波数として、この疑似縦零次振動の周波数を持つ電圧の印加により目的の疑似縦零次振動を励起させることもできる。   On the other hand, even when three or more admittance peaks appear in the admittance curve, the resonance frequency that excites the longitudinal primary vibration is estimated by the above method, and the frequency of the admittance peak that appears in the region on the lower wavelength side than the resonance frequency is estimated. It is also possible to excite the target pseudo-longitudinal zero-order vibration by applying a voltage having the frequency of the pseudo-longitudinal zero-order vibration as a frequency of the pseudo-longitudinal zero-order vibration.

上記の超音波振動子に工具を装着して超音波加工用振動工具を構成し、その超音波加工用振動工具に前記の方法により決定した疑似縦零次振動励起用の共振周波数の電圧を印加することにより、その工具に疑似縦零次振動を励起することができる。但し、前記の方法により決定した疑似縦零次振動励起用の共振周波数は、工具およびコレットなどの工具装着具を装着していない状態での測定により確認した共振周波数であるため、工具の疑似縦零次振動を励起することができる最適な共振周波数とは若干のずれが生じる可能性がある。また、超音波加工用振動工具の拘束条件(支持固定条件)の僅かなずれによっても、最適な共振周波数のずれが発生することがある。従って、工具を装着させ、基台に拘束した超音波振動子の疑似縦零次振動励起用の共振周波数の決定は、励起される超音波振動を確認しながら最適な共振周波数を決定できるような共振周波数の追尾が可能な超音波発振回路を利用することにより行うことが望ましい。   A tool is attached to the above ultrasonic vibrator to form a vibration tool for ultrasonic machining, and a voltage having a resonance frequency for quasi-vertical zero-order vibration excitation determined by the above method is applied to the vibration tool for ultrasonic machining. By doing so, the pseudo longitudinal zero-order vibration can be excited in the tool. However, the resonance frequency for the pseudo longitudinal zero-order vibration excitation determined by the above method is the resonance frequency confirmed by the measurement in the state where the tool and the tool mounting tool such as the collet are not mounted, so the pseudo longitudinal There may be some deviation from the optimum resonance frequency that can excite the zero-order vibration. Further, even a slight deviation of the constraint condition (supporting and fixing condition) of the vibration tool for ultrasonic machining may cause the deviation of the optimum resonance frequency. Therefore, in determining the resonance frequency for exciting the pseudo longitudinal zero-order vibration of the ultrasonic vibrator with the tool attached and constrained to the base, it is possible to determine the optimum resonance frequency while checking the ultrasonic vibration to be excited. It is desirable to use an ultrasonic oscillator circuit capable of tracking the resonance frequency.

なお、図4のような構成の超音波振動子を製造し、図3に示したような支持固定構造により超音波振動子を拘束した状態でインピーダンスアナライザを利用してアドミッタンス曲線を得ても、図6に示したような複数(通常は二つ)のアドミッタンスピークが現れない場合には、超音波振動子の拘束条件を調整することにより、図6に示したような二つのピークを有するアドミッタンス曲線が得られるようになることもある。しかしながら、そのような超音波振動子の拘束条件の調整によっても、図6に示したような二つのピークを有するアドミッタンス曲線が得られない場合には、超音波振動子の形状の設定や、超音波振動子の支持固定構造が、目的とする疑似縦零次振動の励起には不適切であると考えられるため、改めて図3の超音波振動子の拘束条件とと図4の超音波振動子の形状とサイズを参考にして、超音波振動子の設計変更と支持固定構造の再検討を行う必要がある。なお、図3の超音波振動子の拘束条件とと図4の超音波振動子の形状とサイズは、本発明の実施方法の代表的な態様を示したものに過ぎず、本発明の超音波振動子の疑似縦零次振動の励起方法の実施の態様を限定する条件ではない。   Even if an ultrasonic transducer having a structure as shown in FIG. 4 is manufactured, and an admittance curve is obtained using an impedance analyzer in a state where the ultrasonic transducer is constrained by the supporting and fixing structure as shown in FIG. When a plurality of (usually two) admittance peaks as shown in FIG. 6 do not appear, the constraint condition of the ultrasonic transducer is adjusted so that the admittance having two peaks as shown in FIG. Sometimes a curve can be obtained. However, if the admittance curve having two peaks as shown in FIG. 6 cannot be obtained even by adjusting the constraint conditions of the ultrasonic transducer, setting the shape of the ultrasonic transducer, Since it is considered that the supporting and fixing structure of the ultrasonic transducer is not suitable for exciting the intended pseudo longitudinal zero-order vibration, the constraint conditions of the ultrasonic transducer of FIG. 3 and the ultrasonic transducer of FIG. It is necessary to redesign the ultrasonic transducer and re-examine the supporting and fixing structure with reference to the shape and size of the above. It should be noted that the constraint conditions of the ultrasonic transducer of FIG. 3 and the shape and size of the ultrasonic transducer of FIG. 4 are merely representative of the modes for carrying out the method of the present invention. It is not a condition that limits the embodiment of the method of exciting the pseudo longitudinal zero-order vibration of the vibrator.

前記のように、本発明者は、本発明の超音波振動子の振動励起方法により発生する超音波振動が、「圧電素子の平面に垂直な方向での該振動子の内部に振動の節を持たない往復振動からなる超音波振動」であるとした。次に、この結論の根拠となったデータについて改めて説明する。   As described above, the present inventor has found that the ultrasonic vibration generated by the vibration excitation method for an ultrasonic vibrator of the present invention is “a vibration node is formed inside the vibrator in a direction perpendicular to the plane of the piezoelectric element. It is said that the ultrasonic vibration is composed of reciprocating vibration that does not have. Next, the data on which this conclusion is based will be explained again.

前述のように、図6のアドミッタンス曲線の低周波数側に現れているアドミッタンスピークの存在は、本発明者が知る限りにおいては、知られていない。このため、この低周波数側のアドミッタンスピークが現れる周波数位置に相当する周波数が何を意味するかの点については、本発明者は最初は判断できなかった。しかしながら、これまでに説明した実験事実から明らかなように、この低周波数側のアドミッタンスピークが現れる周波数位置に相当する周波数も当該超音波振動子の共振周波数であって、当該共振周波数の電圧の印加により拘束状態にある超音波振動子で励起される縦方向の超音波振動は少ない消費電力で発生し、さらに横方向の振動は少ないことが確かめられた。   As described above, the existence of the admittance peak appearing on the low frequency side of the admittance curve in FIG. 6 is not known to the inventor of the present invention. Therefore, the inventor could not initially determine what the frequency corresponding to the frequency position at which the admittance peak on the low frequency side appears means. However, as is clear from the experimental facts described so far, the frequency corresponding to the frequency position where the admittance peak on the low frequency side appears is also the resonance frequency of the ultrasonic transducer, and the voltage of the resonance frequency is applied. It was confirmed that the longitudinal ultrasonic vibration excited by the ultrasonic transducer in the restrained state was generated with less power consumption, and the horizontal vibration was less.

このため、本発明者は、今回確認された超音波振動の振動モードを解析するために、前述のように、市販の有限要素法に基づく計算ソフトであるANSYSを用い、実験に使用した超音波振動子の形状、サイズ、材料そして超音波振動子の支持固定条件(拘束条件)において超音波振動子に発生する超音波振動の振動モードの解析を行った。その振動モードの解析結果が図7と図8に示されている。   Therefore, in order to analyze the vibration mode of the ultrasonic vibration confirmed this time, the present inventor uses the commercially available calculation software ANSYS based on the finite element method and uses the ultrasonic wave used in the experiment. We analyzed the vibration mode of the ultrasonic vibration generated in the ultrasonic transducer under the conditions of the shape, size and material of the transducer and the fixed condition (constraint condition) of the ultrasonic transducer. The analysis results of the vibration mode are shown in FIGS. 7 and 8.

前述のように、図7が、本発明に従う、拘束条件での超音波振動子に、低周波数側の共振周波数の電圧を印加した場合に現れる振動モードを表す画像であり、この画像から、超音波振動子に現れる振動は超音波振動子全体が一方の方向に向かう振動であり、その振動の節は、超音波振動子の内部には存在せず、超音波振動子の環状支持枠体の外側端部(基台への接続部に相当する)に存在することが分かる。次に、図8からは、拘束条件での超音波振動子に、高周波数側の共振周波数の電圧を印加した場合に現れる振動モードを表す画像であり、この画像から、超音波振動子に現れる振動は、超音波振動子内部に節を有し、その節を境界として、上下に振動する伸縮振動であることが分かる。   As described above, FIG. 7 is an image showing a vibration mode that appears when a voltage having a resonance frequency on the low frequency side is applied to the ultrasonic transducer under the constraint condition according to the present invention. The vibration that appears in the ultrasonic transducer is the vibration in which the entire ultrasonic transducer moves in one direction, and the node of the vibration does not exist inside the ultrasonic transducer, and the vibration of the annular support frame of the ultrasonic transducer is not present. It can be seen that it exists at the outer end (corresponding to the connection to the base). Next, FIG. 8 is an image showing a vibration mode that appears when a voltage having a resonance frequency on the high frequency side is applied to the ultrasonic transducer under the constraint condition, and from this image, the ultrasonic transducer appears. It can be seen that the vibration is a stretching vibration that has a node inside the ultrasonic vibrator and vibrates up and down with the node as a boundary.

図9は、図7に示した画像が表す振動モードを模式的に説明する図である。すなわち、本発明に従う振動モードの超音波振動では、超音波振動子は、全体として一方の方向に振動する往復振動を繰り返す。超音波振動子を基台に支持固定する環状の支持枠体は、基台との接続部(環状支持枠体の周縁部に相当)に節を持ち、超音波振動子の接続部に相当する環状支持枠体の内周部もまた、超音波振動子と同期する往復運動を繰り返す振動を示す。この振動モードが本明細書で説明している疑似縦零次縦振動モードに相当する。   FIG. 9 is a diagram schematically illustrating the vibration mode represented by the image shown in FIG. 7. That is, in the ultrasonic vibration of the vibration mode according to the present invention, the ultrasonic vibrator as a whole repeats the reciprocating vibration vibrating in one direction. The annular support frame that supports and fixes the ultrasonic transducer to the base has a node at the connection part with the base (corresponding to the peripheral edge of the annular support frame) and corresponds to the connection part of the ultrasonic transducer. The inner peripheral portion of the annular support frame also exhibits a reciprocating vibration in synchronization with the ultrasonic transducer. This vibration mode corresponds to the pseudo vertical zero-order vertical vibration mode described in this specification.

図10の(A)は、図8に示した画像が表す振動モードを模式的に説明する図である。すなわち、図8の超音波振動では、超音波振動子は、その圧電素子が存在する略中央部(圧電素子が存在する位置)に節を持ち、上下に伸縮する振動(縦一次振動)を繰り返す。縦一次振動がこのような伸縮振動であるため、工具が装着される一方の側の面(下側面)の縦振動の励起に際して、図9に示した疑似縦零次縦振動モードで実現する下側面の縦振動と同等の振動量(変位量)を得るためには相対的に大きな電力が必要となるものと推定される。   FIG. 10A is a diagram schematically illustrating the vibration mode represented by the image shown in FIG. That is, in the ultrasonic vibration of FIG. 8, the ultrasonic vibrator has a node at a substantially central portion where the piezoelectric element exists (a position where the piezoelectric element exists) and repeats a vibration that vertically expands and contracts (longitudinal primary vibration). .. Since the longitudinal primary vibration is such a stretching vibration, when exciting the longitudinal vibration of the surface (lower side surface) on one side where the tool is mounted, the lower vibration realized by the pseudo longitudinal zero-order longitudinal vibration mode shown in FIG. It is estimated that relatively large electric power is required to obtain a vibration amount (displacement amount) equivalent to the longitudinal vibration of the side surface.

図10の(B)は、図10(A)に示した超音波振動子の振動の様子を模式的に拡大して示す図であって、電気エネルギーの印加による圧電素子3に現れるの変形の状況(推定状況)を模式的に示す図である。すなわち、圧電素子3は、印加される電気エネルギーの変動により膨張と収縮を繰り返すが、その膨張時には、図に示すように、圧電素子に付与されている圧力に抗する形で、中央部が膨出するように変形すると考えられる。従って、この圧電素子の変形がその中心に完全に対称な形状で発生しなければ、超音波振動子の上下の端面は伸縮振動の中心面とは完全な平行面とならず、このため、超音波振動子の上下の端面における横振動が発生しやすくなると推定される。   FIG. 10B is a diagram schematically showing an enlarged view of the vibration of the ultrasonic transducer shown in FIG. 10A, showing the deformation of the piezoelectric element 3 caused by the application of electric energy. It is a figure which shows a condition (estimated condition) typically. That is, the piezoelectric element 3 repeats expansion and contraction due to fluctuations in the applied electric energy, but at the time of expansion, as shown in the figure, the central portion expands against the pressure applied to the piezoelectric element. It is thought that it transforms so that it appears. Therefore, if the deformation of this piezoelectric element does not occur in a completely symmetrical shape at its center, the upper and lower end faces of the ultrasonic transducer will not be completely parallel to the center plane of the stretching vibration, and therefore It is presumed that lateral vibration is likely to occur on the upper and lower end surfaces of the sound wave vibrator.

図11は、本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用できる超音波振動子の形状とサイズ(単位:mm)そして支持固定構造の他の例を示す図であり、図12は、図11に示した超音波振動子の支持固定構造における励起により発生する超音波振動(疑似縦零次振動)を有限要素法により得られた画像として示す図である。図7に示した画像と同様に、超音波振動子に現れる振動が超音波振動子全体が一方の方向に向かう往復振動であり、その振動の節は、超音波振動子の内部には存在せず、超音波振動子の環状支持枠体の外側端部(基台への接続部に相当する)に存在する。   FIG. 11 is a diagram showing another example of the shape and size (unit: mm) of the ultrasonic oscillator and the supporting and fixing structure that can be used in the vibration excitation method for the ultrasonic oscillator of the present invention, and FIG. FIG. 12 is a diagram showing ultrasonic vibrations (pseudo-longitudinal zero-order vibrations) generated by excitation in the support fixing structure of the ultrasonic vibrator shown in FIG. 11 as an image obtained by the finite element method. Similar to the image shown in FIG. 7, the vibration that appears in the ultrasonic transducer is reciprocating vibration in which the entire ultrasonic transducer moves in one direction, and the node of the vibration must not exist inside the ultrasonic transducer. Instead, it exists at the outer end (corresponding to the connection to the base) of the annular support frame of the ultrasonic transducer.

本発明により超音波振動子にて励起される疑似縦零次振動は、従来から利用されているを縦一次振動と組み合わせて利用することもできる。その利用の態様を、図13の(A)と(B)を参照して説明する。   The pseudo longitudinal zero-order vibration excited by the ultrasonic transducer according to the present invention can be used in combination with the conventional longitudinal first vibration. The mode of use will be described with reference to FIGS. 13 (A) and 13 (B).

図13の(A)と(B)は、それぞれ本発明の超音波振動子の振動励起方法に利用する超音波振動子の支持固定構造の他の例を示す図、そしてこの支持固定構造にある超音波振動子を、本発明に従う疑似縦零次振動と従来技術で利用されている縦一次振動とを組み合わせて使用する超音波加工の振動モードを示す図である。たとえば、図13(A)の超音波振動子の右側のフロントマスの端部に工具として切断刃物(カッター)を装着した切断加工に用いる場合、その切断刃物による切断作業の作業効率の向上そして切断刃物の局所疲労を防ぐために、超音波振動子に、図(B)に示す疑似縦零次振動モードの振動と縦一次振動モードの振動とを交互に発生させるような実施形態が考えられる。   FIGS. 13A and 13B are views showing another example of the supporting and fixing structure of the ultrasonic vibrator used in the vibration exciting method of the ultrasonic vibrator of the present invention, and this supporting and fixing structure, respectively. It is a figure which shows the vibration mode of ultrasonic machining which uses an ultrasonic vibrator combining the pseudo longitudinal zero-order vibration according to this invention, and the longitudinal primary vibration utilized by the prior art. For example, when the ultrasonic vibrator of FIG. 13A is used for a cutting process in which a cutting blade (cutter) is attached to the end portion of the right front mass of the ultrasonic vibrator, the work efficiency of the cutting operation with the cutting blade is improved and cutting is performed. In order to prevent the local fatigue of the blade, an embodiment is conceivable in which the ultrasonic vibrator alternately generates the vibration in the pseudo longitudinal zero-order vibration mode and the vibration in the longitudinal first-order vibration mode shown in FIG.

図14は、本発明の超音波加工方法の利用の一態様である工具(超音波振動子の中心軸の周囲を回転する工具)としてドリルを使用する穿孔装置の構成例を示す図(超音波発振回路の図示は省略)である。この図14は、工具としてドリルを用いる超音波加工装置の超音波振動子として、本発明の疑似縦零次振動の超音波振動を与えることのできるランジュバン型超音波振動子を用いる装置を示す。   FIG. 14: is a figure which shows the structural example of the drilling device which uses a drill as a tool (tool which rotates around the central axis of an ultrasonic transducer) which is one mode of utilization of the ultrasonic processing method of this invention (ultrasonic wave. The illustration of the oscillator circuit is omitted). FIG. 14 shows a device using a Langevin type ultrasonic vibrator capable of giving ultrasonic vibration of pseudo longitudinal zero-order vibration of the present invention as an ultrasonic vibrator of an ultrasonic machining device using a drill as a tool.

図14に示す超音波加工装置は、モータ21、モータ軸22、モータ台23、カップリング(結合具)24、回転軸25、ロータリートランス固定部26a、ロータリートランス回転部26b、固定側トランス台27、スリーブ28、回転側トランス台29、外側間座用リング30、ケース31、ハウジング32、外側間座33a、内側間座33b、そしてベアリング34を含む超音波振動子支持回転装置に、工具を備えたランジュバン型超音波振動子が装着されている構成にある。この超音波振動子支持回転装置は超音波加工装置における超音波振動子支持回転装置として一般的に利用されている装置である。   The ultrasonic processing apparatus shown in FIG. 14 includes a motor 21, a motor shaft 22, a motor base 23, a coupling (coupling) 24, a rotary shaft 25, a rotary transformer fixing portion 26a, a rotary transformer rotating portion 26b, and a fixed side transformer base 27. A tool is provided for an ultrasonic transducer supporting and rotating device including a sleeve 28, a rotating transformer stand 29, an outer spacer ring 30, a case 31, a housing 32, an outer spacer 33a, an inner spacer 33b, and a bearing 34. The Langevin type ultrasonic transducer is installed. This ultrasonic oscillator supporting and rotating device is a device generally used as an ultrasonic oscillator supporting and rotating device in an ultrasonic processing device.

超音波振動子支持回転装置の下端部には、圧電素子35a、35bをフロントマス36とリアマス37とで挟み、ボルト38で締めることにより固定した構成を持つランジュバン型超音波振動子がナット39(それ自体基台に装着固定されている)により装着固定(拘束)されている。そして、ランジュバン型超音波振動子のフロントマス36の凹部には、コレット40がコレットナット41により装着固定されており、そしてコレット40には工具であるドリル42が装着固定されている。   A Langevin type ultrasonic transducer having a configuration in which the piezoelectric elements 35a and 35b are sandwiched between the front mass 36 and the rear mass 37 and fixed by tightening bolts 38 at the lower end portion of the ultrasonic transducer supporting and rotating device is a nut 39 ( It is mounted and fixed (restrained) by itself being mounted and fixed to the base. A collet 40 is attached and fixed to the recess of the front mass 36 of the Langevin type ultrasonic transducer by a collet nut 41, and a drill 42 which is a tool is attached and fixed to the collet 40.

図15は、本発明の超音波加工方法の利用の一態様である工具(超音波振動子の中心軸の周囲を回転する工具)として研磨具を使用する研磨装置の構成例を示す図(超音波発振回路の図示は省略)である。この図15の研磨装置の超音波振動子支持回転装置は、図14に示した超音波加工装置の超音波振動子支持回転装置と同一の構成としている。そして、図15の研磨装置においても、超音波振動子支持回転装置の下端部には、圧電素子35a、35bをフロントマス36とリアマス37とで挟み、ボルト38で締めることにより固定した構成を持つランジュバン型超音波振動子がナット39により装着固定(拘束)されている。そして、ランジュバン型超音波振動子のフロントマス36の下端部には、工具であるリング状砥石43が砥石基台(通常はアルミニウム合金製)44を介して装着固定されている。   FIG. 15 is a diagram showing an example of the configuration of a polishing apparatus that uses a polishing tool as a tool (a tool that rotates around the central axis of an ultrasonic transducer), which is one mode of use of the ultrasonic processing method of the present invention. The illustration of the sound wave oscillation circuit is omitted). The ultrasonic oscillator supporting and rotating device of the polishing apparatus of FIG. 15 has the same configuration as the ultrasonic oscillator supporting and rotating device of the ultrasonic processing device shown in FIG. The polishing apparatus of FIG. 15 also has a structure in which the piezoelectric elements 35a and 35b are sandwiched between the front mass 36 and the rear mass 37 at the lower end of the ultrasonic vibrator supporting and rotating device and fixed by tightening with the bolt 38. The Langevin type ultrasonic transducer is attached (fixed) by a nut 39. A ring-shaped grindstone 43, which is a tool, is attached and fixed to the lower end portion of the front mass 36 of the Langevin type ultrasonic transducer via a grindstone base (usually made of aluminum alloy) 44.

図16は、本発明の超音波加工方法の利用の一態様である工具(超音波振動子の軸方向に往復運動する工具)としてカッターを使用する研削装置の構成例を示す図である。この研削装置では、研削装置と加工対象材料(ワーク)の一方もしくは双方が相対的な位置関係を変えるように水平方向に移動し、超音波振動子に装着されたカッター52は上下方向に振動(往復運動)するため、超音波振動子の支持構造体は回転しない。従って、図16の研削装置では、筒状ハウジング51の内部下側に、圧電素子35a、35bを環状の支持枠体36aを備えたフロントマス36とリアマス37とで挟み、ボルト38で締めることにより固定した構成を持つランジュバン型超音波振動子がナット39(それ自体基台に装着固定されている)により装着固定(拘束)されている。そして、ランジュバン型超音波振動子のフロントマス36の凹部には、コレット40がコレットナット41により装着固定されており、そしてコレット40には工具であるカッター52が装着固定されている。   FIG. 16: is a figure which shows the structural example of the grinding device which uses a cutter as a tool (tool which reciprocates in the axial direction of an ultrasonic transducer) which is one mode of utilization of the ultrasonic processing method of this invention. In this grinding device, one or both of the grinding device and the material to be machined (workpiece) move horizontally so as to change the relative positional relationship, and the cutter 52 mounted on the ultrasonic vibrator vibrates vertically ( The ultrasonic transducer support structure does not rotate due to the reciprocating motion. Therefore, in the grinding device of FIG. 16, the piezoelectric elements 35a and 35b are sandwiched between the front mass 36 and the rear mass 37 having the annular support frame 36a on the inner lower side of the cylindrical housing 51, and the bolts 38 are tightened. The Langevin type ultrasonic transducer having a fixed structure is mounted and fixed (restricted) by a nut 39 (which is itself mounted and fixed to the base). Then, a collet 40 is attached and fixed to the concave portion of the front mass 36 of the Langevin type ultrasonic transducer by a collet nut 41, and a cutter 52 which is a tool is attached and fixed to the collet 40.

圧電素子35a、35bのそれぞれの表面に形成されている電極板53a、53bは、超音波発振回路54に電気的に接続されていて、超音波振動子に電気エネルギーを印加する。   The electrode plates 53a and 53b formed on the respective surfaces of the piezoelectric elements 35a and 35b are electrically connected to the ultrasonic oscillation circuit 54 and apply electric energy to the ultrasonic oscillator.

なお、図16の研削装置では、ランジュバン型超音波振動子のハウジング51の内部での固定を確実にするための手段として発泡樹脂55が充填されている。   In the grinding apparatus of FIG. 16, the foamed resin 55 is filled as a means for ensuring the fixation of the Langevin type ultrasonic transducer inside the housing 51.

図17は、本発明の超音波送信方法を利用する装置の一態様である超音波振動子を備えた洗浄器の構成例を示す図である。図17の装置では、圧電素子35a、35bをフロントマス36とリアマス37とで挟み、ボルト38をリアマス37に形成されたナットで締めることにより固定した構成を持つランジュバン型超音波振動子がナット39によりハウジング51に装着固定(拘束)されている。そして、ランジュバン型超音波振動子のフロントマス36の上端部には、洗浄器(図示なし)の底部に装着する振動板56がボルト57により装着固定されている。   FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a cleaning device provided with an ultrasonic transducer, which is one mode of an apparatus using the ultrasonic wave transmitting method of the present invention. In the device of FIG. 17, a Langevin type ultrasonic transducer having a configuration in which the piezoelectric elements 35a and 35b are sandwiched between the front mass 36 and the rear mass 37 and the bolt 38 is fixed by tightening the nut formed in the rear mass 37 is a nut 39. Is mounted and fixed (constrained) on the housing 51. A vibration plate 56, which is attached to the bottom of a cleaner (not shown), is attached and fixed to the upper end of the front mass 36 of the Langevin type ultrasonic transducer by bolts 57.

図18は、本発明の超音波送信方法を利用する装置の一態様である超音波ソナーの構成例を示す図である。図18の超音波ソナーでも、圧電素子35a、35bをフロントマス36とリアマス37とで挟み、ボルト38をリアマス37に形成されたナットで締めることにより固定した構成を持つランジュバン型超音波振動子がナット39によりハウジング51に装着固定(拘束)されている。そして、ランジュバン型超音波振動子のフロントマス36の上端部には、ボルト57を介して超音波を空気中に送信するための送信具58が装着固定されている。   FIG. 18 is a diagram showing a configuration example of an ultrasonic sonar, which is one mode of an apparatus using the ultrasonic transmission method of the present invention. Also in the ultrasonic sonar of FIG. 18, a Langevin type ultrasonic transducer having a configuration in which the piezoelectric elements 35a and 35b are sandwiched between the front mass 36 and the rear mass 37 and the bolt 38 is fixed by tightening the nut formed in the rear mass 37 The nut 39 is mounted and fixed (constrained) on the housing 51. Then, a transmitter 58 for transmitting ultrasonic waves into the air is attached and fixed to the upper end of the front mass 36 of the Langevin type ultrasonic transducer via a bolt 57.

なお、本発明の疑似縦零次振動を利用する超音波加工方法および超音波送信方法の実施に利用できる装置は、添付図面に示した構成の装置に限定されることはない。すなわち、超音波を利用する曲げ加工、深絞り加工、しごき加工、引き抜き加工などの塑性加工、超音波を利用する研削加工、超音波を利用する遊離砥粒加工、超音波を利用する接合加工、超音波を利用するプラスチック成形加工、超音波を利用するマイクロ加工、超音波を利用する分散装置や霧化装置、超音波モータ、超音波白内障手術装置、超音波破砕吸引装置、超音波結石破砕装置、超音波歯科用治療装置、超音波連続鋳造装置、超音波エロ―ジョン試験装置、ポリエチレン架橋装置、超音波乾燥装置、超音波空中センサ、超音波流量計などの超音波発生源としてランジュバン型超音波振動子を使用する各種の装置で本発明の振動励起方法が提供する疑似縦零次振動を利用することができる。   The apparatus that can be used to carry out the ultrasonic machining method and the ultrasonic transmission method using the pseudo longitudinal zero-order vibration of the present invention is not limited to the apparatus having the configuration shown in the accompanying drawings. That is, bending processing using ultrasonic waves, deep drawing processing, ironing processing, plastic processing such as drawing processing, grinding processing using ultrasonic waves, free abrasive grain processing using ultrasonic waves, joining processing using ultrasonic waves, Plastic molding using ultrasonic waves, micro processing using ultrasonic waves, dispersing device and atomizing device using ultrasonic waves, ultrasonic motor, ultrasonic cataract surgery device, ultrasonic crushing suction device, ultrasonic calculus crushing device , Ultrasonic dental treatment equipment, ultrasonic continuous casting equipment, ultrasonic erosion testing equipment, polyethylene cross-linking equipment, ultrasonic drying equipment, ultrasonic air sensors, ultrasonic flowmeters, etc. The pseudo-longitudinal zero-order vibration provided by the vibration excitation method of the present invention can be used in various devices using a sound wave oscillator.

1 ボルト締めランジュバン型超音波振動子
2a 金属ブロック(リアマス)
2b 金属ブロック(フロントマス)
3 圧電素子
4 ボルト
5a 銅電極
5b 銅電極
6 環状の支持枠体
7 ナット
10 超音波研削加工装置
11 ハウジング
12 ホーン
13 研削具
1 Bolting Langevin type ultrasonic transducer 2a Metal block (rear mass)
2b Metal block (front mass)
3 Piezoelectric Element 4 Bolt 5a Copper Electrode 5b Copper Electrode 6 Annular Support Frame 7 Nut 10 Ultrasonic Grinding Machine 11 Housing 12 Horn 13 Grinding Tool

Claims (6)

第一の金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備えた第二の金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間にボルトにより固定された分極処理済の圧電素子を含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を該支持枠体を介して基台に接続して拘束状態で支持した後、このランジュバン型該超音波振動子の圧電素子に縦一次振動モードの振動を励起させることのできる周波数の電圧を印加して、縦一次振動モードの超音波振動を励起する工程、そして該ランジュバン型超音波振動子の縦一次振動モードの振動を励起することのできる共振周波数よりも低い周波数範囲に含まれる周波数を持つ電圧を印加して、ランジュバン型超音波振動子の支持枠体の基台に接する部位に振動の節を持つ該圧電素子の平面に垂直の往復振動からなる超音波振動を励起させる工程を交互に行うことを特徴とするランジュバン型超音波振動子の振動励起方法。   A Langevin type ultrasonic vibration including a first metal block, a second metal block having a support frame protruding in an annular shape on its side surface, and a polarized piezoelectric element fixed by a bolt between these metal blocks. A child is prepared, the Langevin type ultrasonic transducer is connected to the base through the support frame and supported in a restrained state, and then the piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic transducer is operated in the longitudinal primary vibration mode. A step of applying a voltage of a frequency capable of exciting vibration to excite ultrasonic vibration of a longitudinal primary vibration mode, and a resonance capable of exciting vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator in a longitudinal primary vibration mode. By applying a voltage having a frequency contained in a frequency range lower than the frequency, a piezoelectric element having a vibration node at a portion in contact with the base of the support frame of the Langevin type ultrasonic transducer is applied. Langevin type vibration excitation method of the ultrasonic transducer, characterized in that a step of exciting the ultrasonic vibrations consisting reciprocal vibration perpendicular to the plane alternately. 第一の金属ブロック、側面に環状に突出した支持枠体を備え、下方側に開口部を有する第二の金属ブロック、そしてこれらの金属ブロックの間にボルトにより固定された分極処理済の圧電素子を含むランジュバン型超音波振動子を用意し、このランジュバン型超音波振動子を該支持枠体を介して基台に接続して拘束状態で支持し、かつ工具を第二の金属ブロックの開口部に装着した後、このランジュバン型該超音波振動子の圧電素子に縦一次振動モードの振動を励起させることのできる周波数の電圧を印加して、縦一次振動モードの超音波振動を励起する工程、そして該ランジュバン型超音波振動子の縦一次振動モードの振動を励起することのできる共振周波数よりも低い周波数範囲に含まれる周波数を持つ電圧を印加して、ランジュバン型超音波振動子の支持枠体の基台に接する部位に振動の節を持つ該圧電素子の平面に垂直の往復振動からなる超音波振動を励起させる工程を交互に行うことにより被加工材料を加工することからなる被加工材料の超音波加工方法。   A first metal block, a second metal block having a support frame protruding in an annular shape on the side surface and having an opening on the lower side, and a polarized piezoelectric element fixed between these metal blocks with a bolt. A Langevin-type ultrasonic transducer including the above is prepared, the Langevin-type ultrasonic transducer is connected to the base through the support frame to support the tool in a restrained state, and the tool is opened in the opening of the second metal block After applying the voltage to the piezoelectric element of the Langevin-type ultrasonic transducer, which has a frequency capable of exciting the vibration of the longitudinal primary vibration mode, the step of exciting the ultrasonic vibration of the longitudinal primary vibration mode, Then, by applying a voltage having a frequency within a frequency range lower than the resonance frequency capable of exciting the vibration of the first-order longitudinal vibration mode of the Langevin type ultrasonic transducer, A material to be processed is processed by alternately performing a step of exciting ultrasonic vibration consisting of reciprocating vibration perpendicular to the plane of the piezoelectric element having a vibration node at a portion in contact with the base of the support frame of the ultrasonic wave vibrator. A method for ultrasonically processing a material to be processed. 上記工具が、上記ランジュバン型超音波振動子の中心軸の周囲を軸回転する工具である請求項2に記載の被加工材料の超音波加工方法。   The ultrasonic processing method for a material to be processed according to claim 2, wherein the tool is a tool that rotates about a central axis of the Langevin type ultrasonic transducer. 上記工具が、エンドミル、ドリル、研磨具及び研削具からなる群より選ばれる工具である請求項3に記載の被加工材料の超音波加工方法。   The ultrasonic processing method for a material to be processed according to claim 3, wherein the tool is a tool selected from the group consisting of an end mill, a drill, a polishing tool, and a grinding tool. 上記工具が、上記ランジュバン型超音波振動子の中心軸に沿う方向の往復運動を行う工具である請求項3に記載の被加工材料の超音波加工方法。   The ultrasonic processing method for a material to be processed according to claim 3, wherein the tool is a tool that reciprocates in a direction along a central axis of the Langevin type ultrasonic transducer. 上記工具が、切削具、振動板及び溶着具からなる群より選ばれる工具である請求項5に記載の被加工材料の超音波加工方法。   The ultrasonic processing method for a material to be processed according to claim 5, wherein the tool is a tool selected from the group consisting of a cutting tool, a diaphragm and a welding tool.
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