JP3806603B2 - 楕円振動装置及び楕円振動装置の制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、工具に楕円振動を加えて鋼材等の被加工材を加工する際に使用される楕円振動子を備えた楕円振動装置及び楕円振動装置の制御方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、八角柱状の胴体部とその両端に設けられたステップホーン部とから成る楕円振動子を備えた楕円振動加工装置を用いて前記被加工材を前記ステップホーン部の一方側の先端部に設けられた工具で楕円振動加工することにより、前記被加工材を所要の形状に加工することが行われている（図１・図２参照）。
【０００３】
即ち、前記楕円振動子に設けた所要数の駆動用圧電素子に所定の正弦波状電圧を所定の位相差（例えば、９０度）で各別に入力することによって、前記楕円振動子を水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に各別にたわみ振動させると共に、前記楕円振動子にて前記２方向のたわみ振動を機械的に合成することによって前記楕円振動子に設けられた前記工具の先端（刃先）に楕円振動の軌跡を発生させることができるように構成されている（図３参照）。
従って、例えば図３のような切削加工の場合には、前記切削工具を前記被削材に対して楕円振動させながら前記切削工具を前記被削材に対して相対的に切削方向に移動させることにより、前記被削材を前記切削工具で楕円振動切削することができる。
なお、前記切削工具の切削方向への移動距離を一定とした場合、切削工具先端における楕円軌道の軌跡が所要の形状（予め設定された目標形状）に安定して形成されるほど、前記被削材を高精度に楕円振動加工することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した２方向のたわみ振動が互いに他の方向のたわみ振動に干渉して工具干渉が発生する。
例えば、前記楕円振動子が前記水平方向にたわみ振動することによって、前記垂直方向のたわみ振動を干渉（阻害）するので、前記垂直方向のたわみ振動を所要の振幅に制御することができない。
また、前記水平方向のたわみ振動と同様に、前記楕円振動子が前記垂直方向にたわみ振動することによって、前記水平方向のたわみ振動を干渉して前記水平方向のたわみ振動を所要の振幅に制御することができない。
即ち、前記切削工具等の工具先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御することができない。
従って、前記した工具先端における楕円振動の軌跡を所要の形状に制御することができないことに起因して前記被加工材を高精度に楕円振動加工することができないと云う弊害がある。
【０００５】
そこで、本発明は、被加工材を工具で楕円振動加工するとき、前記工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、前記被加工材を高精度に楕円振動加工することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記 した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、前記した技術的な課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置の制御方法は、楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動装置に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置の制御方法であって、
前記した制御機構にて前記した検出器の出力波形と前記した圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって前記した共振周波数を自動的に追尾して制御する共振周波数自動追尾を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、楕円振動装置の楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構の干渉除去部と、前記した制御機構にて検出器の出力波形と圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって共振周波数を自動的に追尾して制御する制御機構の制御部とを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、前記した２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする。
【００１０】
また、前記技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置の制御方法は、前記した２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、被加工材を工具により楕円振動加工する際に用いられる楕円振動装置の制御機構から駆動用圧電素子にＸ方向及びＹ方向の駆動信号を各別に送信することにより、前記楕円振動子をＸ方向及びＹ方向に各別にたわみ振動させる。そして、一方向の振動が他方向の振動に与える干渉を、次のようにして補正除去する。
Ｘ方向のたわみ振動がＹ方向のたわみ振動に干渉する工具干渉については、制御機構から、Ｙ方向の振動が受ける干渉を除去するための指令、すなわち補正信号を、Ｙ方向の振動を生成する部分に送信する。これにより、Ｙ方向の振動が受ける干渉の成分を、Ｙ方向のたわみ振動から補正除去することができる。
同様に、Ｙ方向のたわみ振動がＸ方向のたわみ振動に干渉する工具干渉については、制御機構から、Ｘ方向の振動が受ける干渉を除去するための補正信号を、Ｘ方向の振動を生成する部分に送信する。これにより、Ｘ方向の振動が受ける干渉の成分を、Ｘ方向のたわみ振動から補正除去することができる。
従って、Ｘ方向及びＹ方向への工具干渉が補正除去されるので、楕円振動子に取り付けられた工具先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、被加工材を高精度に楕円振動加工することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例図に基づいて詳細に説明する。
図１・図２は、本発明に係る楕円振動子の制御方法が用いられる切削装置である。
図３は、図１・図２に示す装置の要部である。
図４（１）・図４（２）は、切削工具の振動特性と共振周波数自動追尾制御の方法とを説明する説明図である。
図５は、本発明に係る楕円振動子の制御方法における干渉除去の方法を説明する説明図である。
【００１３】
即ち、図１・図２に示す楕円振動切削装置には、鋼材等の被削材１を切削するバイト等の切削工具２と、前記切削工具２を楕円振動させる楕円振動子３と、前記楕円振動子３を所定の間隔で支持する二つの支持部材４と、前記支持部材４を設置する基台５とが設けられて構成されている。
また、前記した楕円振動子３の中央部には八角柱状の胴体部６が設けられると共に、前記した八角柱状胴体部６の両端側には楕円振動増幅用のステップホーン部７が各別に突設されて構成され、前記ステップホーン部７は前記胴体部６に設けられた円柱形の大ホーン８と、前記大ホーン８に設けられた円柱形の小ホーン９とから構成されている。
また、前記楕円振動子３における一方側のステップホーン部７（前記小ホーン９）先端には前記切削工具２を取り付ける切削工具の取付部10が設けられて構成されると共に、前記支持部材４にて前記ステップホーン部７（前記大ホーン８）を各別に支持することができるように構成されている。
【００１４】
また、前記した八角柱胴体部６の垂直面11には楕円振動発生用（駆動用）の圧電素子12が設けられると共に、前記八角柱胴体部６の水平面13には、前記垂直面11と同様に、楕円振動発生用の圧電素子14が設けられて構成されている。
なお、前記した八角柱胴体部６の側面である垂直面11と水平面13とは互いに垂直状態に位置する圧電素子取付面となる。また、垂直面11と水平面13とに限ることなく、互いに直交する面に圧電素子13，14が設けられ、各たわみ振動の方向が直交していればよい。更に、各たわみ振動の方向は、直交に限らず、０度以外かつ１８０度以外の角度をとることもできる。
また、前記した装置には前記各圧電素子12・14を各別に駆動制御する制御機構15が設けられると共に、前記した制御機構15にて前記各圧電素子12・14に所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相（所定の位相差）とを有する正弦波状電圧（交流電圧）を各別に入力することができるように構成されている。
即ち、前記各圧電素子12・14に所定の位相差を有する正弦波状電圧を各別に入力して前記各圧電素子12・14を各別に駆動することにより、前記楕円振動子３に前記正弦波状電圧に対応し且つ前記支持部材４を支点とするたわみ振動を発生させることができると共に、前記楕円振動子３で前記たわみ振動を機械的に共振させて合成させることにより、前記ステップホーン部７先端の取付部10に所要の形状を備えた楕円振動の軌跡を発生させることができるように構成されている。
従って、前記した楕円振動子３によって前記切削工具２（前記取付部10）に前記楕円振動を合成伝達することができるので、前記切削工具２先端（刃先）に所要の形状を備えた楕円振動の軌跡16（図３参照）を描かせて周期的に楕円振動（楕円軌道に沿って回転）させることができる。
なお、前記楕円振動切削装置にて、前記した楕円振動の軌跡16を必要に応じて任意の形状に設定することができると共に、前記した楕円振動子３の圧電素子12・14に入力される正弦波状電圧を、例えば、周波数が２０ＫＨｚ、振幅（電圧）を２００Ｖ、位相差を９０度に設定することができる。
【００１５】
従って、図３に示すように、前記切削工具２による被削材１に対する切削は、前記切削工具２（の刃先）を楕円振動させた状態で、前記した被削材１を切削方向Ａ（図２に示すＹ方向）に所定の切削速度（ｍ／min ）で相対的に移動させながら切込方向Ｄ（図２に示すＸ方向）に切込んで切削することになる。
なお、図３において、Ｂは前記した切削方向Ａと同じ方向の主分力方向、Ｃは送り分力方向である。
【００１６】
また、図例に示す装置における楕円振動子３の所定位置には前記したＸ及びＹ方向のたわみ振動を検出する検出器17（センサ）が各方向別に設けられ、前記検出器17から検出した楕円振動子３のたわみ振動（楕円振動）の振動状態を検出信号にて前記制御機構15に送信することができるように構成されている。
従って、前述したようなＸ方向（Ｙ方向）からＹ方向（Ｘ方向）への干渉量を前記検出器17を用いて測定することができるように構成されている。
なお、本実施例では、前記した検出器17として、例えば、測定用の圧電素子、或いは、光変位計（光センサ）を採用することができる。
また、増幅部23において、振動中に電流値を計測することにより、間接的に振動状態（振幅，干渉量等）を測定することができる。
【００１７】
また、前記した制御機構15には、前記楕円振動の軌跡16を制御するために、前記した定振幅制御と定位相差制御と共振周波数自動追尾との三つの制御システムを行う制御部21が設けられている。
従って、前記した制御部21に所定の振幅指令及び所定の位相指令を入力すると共に、前記制御部21で共振追尾を自動的に行うことができるように構成され、前記した制御機構15にて前記した三つの制御を行うことにより、前記楕円振動の軌跡16を共振周波数近傍で所要の形状に安定して形成することができるように構成されている。
【００１８】
まず、前記した定振幅制御について説明する。
即ち、前記定振幅制御とは、例えば、前記したＸ方向（前記切込み方向Ｄ）及びＹ方向（前記切削方向Ａ）における振動の振幅を所要の振幅（予め設定された振幅の目標値）に安定保持する制御である。
従って、前記検出器17で測定した振動の波形における振幅を前記制御機構15によって前記した振幅の目標値に制御することができるように構成されている。
【００１９】
次に、前記した定位相差制御について説明する。
即ち、前記定位相差制御とは、例えば、Ｘ及びＹ方向における振動の位相差を所要の位相差（予め設定された位相差の目標値）に安定保持する制御である。
従って、前記検出器17で測定した振動における位相差を前記制御機構15によって前記した位相差の目標値に制御することができるように構成されている。
【００２０】
次に、前記共振周波数自動追尾について説明する。
前述したように、前記した楕円振動切削装置による楕円振動切削は、前記切削工具２の刃先に楕円振動の軌跡16を得るために機械的なたわみ振動の共振合成を利用している。そのため振動工具を効率よく振動させるためには、入力電圧の周波数は常に共振周波数に等しくなることが理想である。しかし、振動工具の２方向間での共振周波数には若干のずれが存在するために、共振周波数を特定することができず、共振周波数近傍で楕円振動の軌 跡 16 を合成することになる。
図４を参照しながら、切削工具の振動特性について説明する。図４（１）・図４（２）は、前記した検出器17（測定用圧電素子）で、切削工具の振動特性を測定した結果である。図４（１）は切削方向（Ｘ方向）及び切込み方向（Ｙ方向）のゲインを示し、図４（２）は切削方向（Ｘ方向）及び切込み方向（Ｙ方向）の位相遅れを示している。
図４から、垂直方向・水平方向ともに、位相遅れが−９０度付近の場合に、共振により振幅が最も大きくなっていることがわかる。そこで、本制御システムでは、２方向ともに十分な振動振幅が得られるように、この２方向の位相遅れの平均が−９０度になるように制御を行う。具体的には、それぞれの方向で前記検出器17からの出力波形と制御部21からの入力波形との位相差を測定し、その２方向での位相遅れの平均を任意の目標値（例えば−９０度）に保つように駆動用圧電素子に加える電圧の周波数を（共振周波数近傍で）操作することにより制御を行う。ここで、位相遅れの平均は、重み付きの平均であってもよい。この場合には、重みの付け方を任意に決めることができる。
従って、前記したＸ方向或いは前記Ｙ方向において、前記した２方向の位相の遅れの平均値が−９０度付近に保持して制御するように構成されている。この制御を、共振周波数自動追尾と云う。
【００２１】
また、前記した制御機構15は、前記したＸ方向及びＹ方向のたわみ振動に干渉する干渉量を除去補正する干渉除去部22が設けられると共に、前記干渉除去部22にて前記したＸ方向及びＹ方向のたわみ振動に干渉する干渉量を補正除去することができるように構成されている。
また、前記した制御機構15における制御部21と干渉除去部22とには、前記した検出器17からの検出信号を入力することができるように構成されている。
【００２２】
次に、図５について説明する。
なお、図５は、図１〜図３に示す装置におけるＸ方向及びＹ方向への干渉メカニズム（工具干渉）と干渉除去システム（前記干渉除去部22）を説明する説明図である。
【００２３】
即ち、前記Ｘ方向（切削方向）のたわみ振動による工具干渉について、まず、前記Ｘ方向の駆動用圧電素子12のみに、 E１・cos(ωt＋α１)の加振電圧Ｖ１を加えた場合を説明する。
この場合、前記圧電素子12には圧電作用によって F１・cos(ωt＋α１)の加振力が発生し、この加振力にて前記楕円振動子３にはＸ方向に、λ１・cos(ωt＋α１−φ)の変位が生じる。
ところが、この変位により、前記したＸ方向とは垂直な方向となるＹ方向（切込み方向）にK２１・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振力（工具干渉）が発生する。
この変位、即ち、Ｙ方向への加振力を引き起こす前記Ｘ方向の変位の波形は、前記検出器17で検知することができる。
従って、次に、前記変位を補正除去するために、前記Ｙ方向の駆動用圧電素子14に、P２１・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振電圧が加えられると共に、この加振電圧によってＹ方向に、P２１・F２/E２・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振力が発生することになる。
このとき、P２１・F２/E２＝−K２１となるように調整すると、前記した工具干渉が打ち消されることになる。
また、図５中の干渉のメカニズムモデルにおいて示されるように、前記Ｘ方向（切削方向）の加振力にて生じる変位に含まれる本システム固有の干渉量も外乱要素としてＹ方向（切込み方向）の加振力へ入力されて伝達関数Ｇ2（S）に取り入れられる仕組みとなっており、干渉除去に対する考慮がなされている。
また、前記Ｙ方向（切込み方向）において、前記Ｙ方向の駆動用圧電素子14のみに、 E２・cos(ωt＋α２)の加振電圧Ｖ２を加えた場合、前記Ｘ方向と同様に、前記した工具干渉を打ち消して補正制御することができる。
従って、前記楕円振動切削装置（前記制御機構15の干渉除去部22）において、前記ＸＹ２方向の工具干渉を効率良く補正除去することができると共に、前記切削工具２にて前記被削材１を安定して楕円振動切削することができる。
【００２４】
即ち、まず、前記各圧電素子12・14に前記制御機構15から所定の位相差を有する正弦波状電圧を各別に入力して駆動することにより、前記各圧電素子12・14に各別に対応して前記楕円振動子３に前記Ｘ方向とＹ方向とのたわみ振動を発生させると共に、前記両たわみ振動を合成して前記楕円振動子３の取付部10の切削工具２を楕円振動させ、次に、前記切削工具２にて前記被削材１を楕円振動切削することができる。
このとき、前記した２方向のたわみ振動が互いに他方のたわみ振動に干渉して発生する工具干渉の干渉量を、前述したように、前記制御機構15の干渉除去部22にて互いに打ち消して補正除去することができる。
従って、被削材を切削工具で楕円振動切削するとき、前記切削工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、被削材を高精度に楕円振動切削加工することができる。
【００２５】
なお、前記した制御機構15には、前記した干渉除去部22からの電圧を増幅して前記圧電素子12・14に増幅電圧を入力する増幅部23（アンプ）とが設けられている。
【００２６】
また、ここまでは、楕円振動加工装置として、楕円振動切削装置について説明した。これに限らず、本発明を、研削、研磨、切断、溶接等の他の加工を行う装置に対しても適用することができる。また、これらの加工に用いられる工具を楕円振動させてもよい。例えば、切断加工ではブレードを、研磨加工ではバフや研磨パッドを楕円振動させることができる。更に、被加工材を楕円振動させてもよい。あるいは、本発明は、共振型の超音波モータを構成する際の制御方法としても有効である。
【００２７】
また、たわみ振動を使用して楕円振動子を制御する場合を説明した。これに限らず、圧電素子等のアクチュエータを２系統使用して、各圧電素子が直接楕円振動子を変位させることもできる。この場合には、各圧電素子が、一定の位相差によって、直交する方向に楕円振動子をそれぞれ変位させて振動させる、いわゆるたて振動を発生させる。また、アクチュエータによりねじり変形を発生させて、いわゆるねじり振動を発生させてもよい。更に、上記以外の振動のモードとしては、せん断振動、半径方向振動等を使用してもよい。すなわち、これらのような振動を引き起こす変位を発生する変形を、起こせばよい。そして、これらの振動を組み合わせた場合においても、本発明を適用することができる。上述のいずれの場合においても、１方向の振動が他方向の振動に対して干渉する干渉量を、その他方向の振動から補正除去することになる。
【００２８】
また、上述のいずれの振動においても、１方向の振動と他方向の振動との方向は、直交に限らず、０度以外かつ１８０度以外の角度をとることもできる。
【００２９】
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、必要に応じて、任意に且つ適宜に変更・選択して採用できるものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工材を工具で楕円振動加工するとき、前記工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、前記被加工材を高精度に楕円振動加工することができると云う優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る楕円振動子の制御方法が用いられる楕円振動切削装置を概略的に示す概略正面図である。
【図２】 図２は、図１に示す装置を概略的に示す概略側面図である。
【図３】 図３は、図１に示す装置の要部を拡大して概略的に示す拡大概略斜視図であって、前記装置の切削工具で被削材を切削する状態を示している。
【図４】 図４（１）・図４（２）は、切削工具の振動特性と共振周波数自動追尾制御の方法とを説明する説明図であって、図４（１）は、周波数に対するゲインを示しており、図４（２）は、周波数に対する位相の遅れを示している。
【図５】 図５は、本発明に係る楕円振動子の制御方法における干渉除去の方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１ 被削材（被加工材）
２ 切削工具（工具）
３ 楕円振動子
４ 支持部材
５ 基台
６ 八角柱状胴体部
７ ステップホーン部
８ 大ホーン
９ 小ホーン
10 取付部
11 垂直面
12 圧電素子
13 水平面
14 圧電素子
15 制御機構
16 楕円振動の軌跡
17 検出器
21 制御部
22 干渉除去部
23 増幅部
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば、工具に楕円振動を加えて鋼材等の被加工材を加工する際に使用される楕円振動子を備えた楕円振動装置及び楕円振動装置の制御方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば、八角柱状の胴体部とその両端に設けられたステップホーン部とから成る楕円振動子を備えた楕円振動加工装置を用いて前記被加工材を前記ステップホーン部の一方側の先端部に設けられた工具で楕円振動加工することにより、前記被加工材を所要の形状に加工することが行われている（図１・図２参照）。
【０００３】
即ち、前記楕円振動子に設けた所要数の駆動用圧電素子に所定の正弦波状電圧を所定の位相差（例えば、９０度）で各別に入力することによって、前記楕円振動子を水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）に各別にたわみ振動させると共に、前記楕円振動子にて前記２方向のたわみ振動を機械的に合成することによって前記楕円振動子に設けられた前記工具の先端（刃先）に楕円振動の軌跡を発生させることができるように構成されている（図３参照）。
従って、例えば図３のような切削加工の場合には、前記切削工具を前記被削材に対して楕円振動させながら前記切削工具を前記被削材に対して相対的に切削方向に移動させることにより、前記被削材を前記切削工具で楕円振動切削することができる。
なお、前記切削工具の切削方向への移動距離を一定とした場合、切削工具先端における楕円軌道の軌跡が所要の形状（予め設定された目標形状）に安定して形成されるほど、前記被削材を高精度に楕円振動加工することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した２方向のたわみ振動が互いに他の方向のたわみ振動に干渉して工具干渉が発生する。
例えば、前記楕円振動子が前記水平方向にたわみ振動することによって、前記垂直方向のたわみ振動を干渉（阻害）するので、前記垂直方向のたわみ振動を所要の振幅に制御することができない。
また、前記水平方向のたわみ振動と同様に、前記楕円振動子が前記垂直方向にたわみ振動することによって、前記水平方向のたわみ振動を干渉して前記水平方向のたわみ振動を所要の振幅に制御することができない。
即ち、前記切削工具等の工具先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御することができない。
従って、前記した工具先端における楕円振動の軌跡を所要の形状に制御することができないことに起因して前記被加工材を高精度に楕円振動加工することができないと云う弊害がある。
【０００５】
そこで、本発明は、被加工材を工具で楕円振動加工するとき、前記工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、前記被加工材を高精度に楕円振動加工することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記 した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構を含むことを特徴とする。
【０００７】
また、前記した技術的な課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置の制御方法は、楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動装置に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置の制御方法であって、
前記した制御機構にて前記した検出器の出力波形と前記した圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって前記した共振周波数を自動的に追尾して制御する共振周波数自動追尾を行うことを特徴とする。
【０００８】
また、前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、楕円振動装置の楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構の干渉除去部と、前記した制御機構にて検出器の出力波形と圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって共振周波数を自動的に追尾して制御する制御機構の制御部とを含むことを特徴とする。
【０００９】
また、前記した技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置は、前記した２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする。
【００１０】
また、前記技術的課題を解決するための本発明に係る楕円振動装置の制御方法は、前記した２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、被加工材を工具により楕円振動加工する際に用いられる楕円振動装置の制御機構から駆動用圧電素子にＸ方向及びＹ方向の駆動信号を各別に送信することにより、前記楕円振動子をＸ方向及びＹ方向に各別にたわみ振動させる。そして、一方向の振動が他方向の振動に与える干渉を、次のようにして補正除去する。
Ｘ方向のたわみ振動がＹ方向のたわみ振動に干渉する工具干渉については、制御機構から、Ｙ方向の振動が受ける干渉を除去するための指令、すなわち補正信号を、Ｙ方向の振動を生成する部分に送信する。これにより、Ｙ方向の振動が受ける干渉の成分を、Ｙ方向のたわみ振動から補正除去することができる。
同様に、Ｙ方向のたわみ振動がＸ方向のたわみ振動に干渉する工具干渉については、制御機構から、Ｘ方向の振動が受ける干渉を除去するための補正信号を、Ｘ方向の振動を生成する部分に送信する。これにより、Ｘ方向の振動が受ける干渉の成分を、Ｘ方向のたわみ振動から補正除去することができる。
従って、Ｘ方向及びＹ方向への工具干渉が補正除去されるので、楕円振動子に取り付けられた工具先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、被加工材を高精度に楕円振動加工することができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明を実施例図に基づいて詳細に説明する。
図１・図２は、本発明に係る楕円振動子の制御方法が用いられる切削装置である。
図３は、図１・図２に示す装置の要部である。
図４（１）・図４（２）は、切削工具の振動特性と共振周波数自動追尾制御の方法とを説明する説明図である。
図５は、本発明に係る楕円振動子の制御方法における干渉除去の方法を説明する説明図である。
【００１３】
即ち、図１・図２に示す楕円振動切削装置には、鋼材等の被削材１を切削するバイト等の切削工具２と、前記切削工具２を楕円振動させる楕円振動子３と、前記楕円振動子３を所定の間隔で支持する二つの支持部材４と、前記支持部材４を設置する基台５とが設けられて構成されている。
また、前記した楕円振動子３の中央部には八角柱状の胴体部６が設けられると共に、前記した八角柱状胴体部６の両端側には楕円振動増幅用のステップホーン部７が各別に突設されて構成され、前記ステップホーン部７は前記胴体部６に設けられた円柱形の大ホーン８と、前記大ホーン８に設けられた円柱形の小ホーン９とから構成されている。
また、前記楕円振動子３における一方側のステップホーン部７（前記小ホーン９）先端には前記切削工具２を取り付ける切削工具の取付部10が設けられて構成されると共に、前記支持部材４にて前記ステップホーン部７（前記大ホーン８）を各別に支持することができるように構成されている。
【００１４】
また、前記した八角柱胴体部６の垂直面11には楕円振動発生用（駆動用）の圧電素子12が設けられると共に、前記八角柱胴体部６の水平面13には、前記垂直面11と同様に、楕円振動発生用の圧電素子14が設けられて構成されている。
なお、前記した八角柱胴体部６の側面である垂直面11と水平面13とは互いに垂直状態に位置する圧電素子取付面となる。また、垂直面11と水平面13とに限ることなく、互いに直交する面に圧電素子13，14が設けられ、各たわみ振動の方向が直交していればよい。更に、各たわみ振動の方向は、直交に限らず、０度以外かつ１８０度以外の角度をとることもできる。
また、前記した装置には前記各圧電素子12・14を各別に駆動制御する制御機構15が設けられると共に、前記した制御機構15にて前記各圧電素子12・14に所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相（所定の位相差）とを有する正弦波状電圧（交流電圧）を各別に入力することができるように構成されている。
即ち、前記各圧電素子12・14に所定の位相差を有する正弦波状電圧を各別に入力して前記各圧電素子12・14を各別に駆動することにより、前記楕円振動子３に前記正弦波状電圧に対応し且つ前記支持部材４を支点とするたわみ振動を発生させることができると共に、前記楕円振動子３で前記たわみ振動を機械的に共振させて合成させることにより、前記ステップホーン部７先端の取付部10に所要の形状を備えた楕円振動の軌跡を発生させることができるように構成されている。
従って、前記した楕円振動子３によって前記切削工具２（前記取付部10）に前記楕円振動を合成伝達することができるので、前記切削工具２先端（刃先）に所要の形状を備えた楕円振動の軌跡16（図３参照）を描かせて周期的に楕円振動（楕円軌道に沿って回転）させることができる。
なお、前記楕円振動切削装置にて、前記した楕円振動の軌跡16を必要に応じて任意の形状に設定することができると共に、前記した楕円振動子３の圧電素子12・14に入力される正弦波状電圧を、例えば、周波数が２０ＫＨｚ、振幅（電圧）を２００Ｖ、位相差を９０度に設定することができる。
【００１５】
従って、図３に示すように、前記切削工具２による被削材１に対する切削は、前記切削工具２（の刃先）を楕円振動させた状態で、前記した被削材１を切削方向Ａ（図２に示すＹ方向）に所定の切削速度（ｍ／min ）で相対的に移動させながら切込方向Ｄ（図２に示すＸ方向）に切込んで切削することになる。
なお、図３において、Ｂは前記した切削方向Ａと同じ方向の主分力方向、Ｃは送り分力方向である。
【００１６】
また、図例に示す装置における楕円振動子３の所定位置には前記したＸ及びＹ方向のたわみ振動を検出する検出器17（センサ）が各方向別に設けられ、前記検出器17から検出した楕円振動子３のたわみ振動（楕円振動）の振動状態を検出信号にて前記制御機構15に送信することができるように構成されている。
従って、前述したようなＸ方向（Ｙ方向）からＹ方向（Ｘ方向）への干渉量を前記検出器17を用いて測定することができるように構成されている。
なお、本実施例では、前記した検出器17として、例えば、測定用の圧電素子、或いは、光変位計（光センサ）を採用することができる。
また、増幅部23において、振動中に電流値を計測することにより、間接的に振動状態（振幅，干渉量等）を測定することができる。
【００１７】
また、前記した制御機構15には、前記楕円振動の軌跡16を制御するために、前記した定振幅制御と定位相差制御と共振周波数自動追尾との三つの制御システムを行う制御部21が設けられている。
従って、前記した制御部21に所定の振幅指令及び所定の位相指令を入力すると共に、前記制御部21で共振追尾を自動的に行うことができるように構成され、前記した制御機構15にて前記した三つの制御を行うことにより、前記楕円振動の軌跡16を共振周波数近傍で所要の形状に安定して形成することができるように構成されている。
【００１８】
まず、前記した定振幅制御について説明する。
即ち、前記定振幅制御とは、例えば、前記したＸ方向（前記切込み方向Ｄ）及びＹ方向（前記切削方向Ａ）における振動の振幅を所要の振幅（予め設定された振幅の目標値）に安定保持する制御である。
従って、前記検出器17で測定した振動の波形における振幅を前記制御機構15によって前記した振幅の目標値に制御することができるように構成されている。
【００１９】
次に、前記した定位相差制御について説明する。
即ち、前記定位相差制御とは、例えば、Ｘ及びＹ方向における振動の位相差を所要の位相差（予め設定された位相差の目標値）に安定保持する制御である。
従って、前記検出器17で測定した振動における位相差を前記制御機構15によって前記した位相差の目標値に制御することができるように構成されている。
【００２０】
次に、前記共振周波数自動追尾について説明する。
前述したように、前記した楕円振動切削装置による楕円振動切削は、前記切削工具２の刃先に楕円振動の軌跡16を得るために機械的なたわみ振動の共振合成を利用している。そのため振動工具を効率よく振動させるためには、入力電圧の周波数は常に共振周波数に等しくなることが理想である。しかし、振動工具の２方向間での共振周波数には若干のずれが存在するために、共振周波数を特定することができず、共振周波数近傍で楕円振動の軌 跡 16 を合成することになる。
図４を参照しながら、切削工具の振動特性について説明する。図４（１）・図４（２）は、前記した検出器17（測定用圧電素子）で、切削工具の振動特性を測定した結果である。図４（１）は切削方向（Ｘ方向）及び切込み方向（Ｙ方向）のゲインを示し、図４（２）は切削方向（Ｘ方向）及び切込み方向（Ｙ方向）の位相遅れを示している。
図４から、垂直方向・水平方向ともに、位相遅れが−９０度付近の場合に、共振により振幅が最も大きくなっていることがわかる。そこで、本制御システムでは、２方向ともに十分な振動振幅が得られるように、この２方向の位相遅れの平均が−９０度になるように制御を行う。具体的には、それぞれの方向で前記検出器17からの出力波形と制御部21からの入力波形との位相差を測定し、その２方向での位相遅れの平均を任意の目標値（例えば−９０度）に保つように駆動用圧電素子に加える電圧の周波数を（共振周波数近傍で）操作することにより制御を行う。ここで、位相遅れの平均は、重み付きの平均であってもよい。この場合には、重みの付け方を任意に決めることができる。
従って、前記したＸ方向或いは前記Ｙ方向において、前記した２方向の位相の遅れの平均値が−９０度付近に保持して制御するように構成されている。この制御を、共振周波数自動追尾と云う。
【００２１】
また、前記した制御機構15は、前記したＸ方向及びＹ方向のたわみ振動に干渉する干渉量を除去補正する干渉除去部22が設けられると共に、前記干渉除去部22にて前記したＸ方向及びＹ方向のたわみ振動に干渉する干渉量を補正除去することができるように構成されている。
また、前記した制御機構15における制御部21と干渉除去部22とには、前記した検出器17からの検出信号を入力することができるように構成されている。
【００２２】
次に、図５について説明する。
なお、図５は、図１〜図３に示す装置におけるＸ方向及びＹ方向への干渉メカニズム（工具干渉）と干渉除去システム（前記干渉除去部22）を説明する説明図である。
【００２３】
即ち、前記Ｘ方向（切削方向）のたわみ振動による工具干渉について、まず、前記Ｘ方向の駆動用圧電素子12のみに、 E１・cos(ωt＋α１)の加振電圧Ｖ１を加えた場合を説明する。
この場合、前記圧電素子12には圧電作用によって F１・cos(ωt＋α１)の加振力が発生し、この加振力にて前記楕円振動子３にはＸ方向に、λ１・cos(ωt＋α１−φ)の変位が生じる。
ところが、この変位により、前記したＸ方向とは垂直な方向となるＹ方向（切込み方向）にK２１・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振力（工具干渉）が発生する。
この変位、即ち、Ｙ方向への加振力を引き起こす前記Ｘ方向の変位の波形は、前記検出器17で検知することができる。
従って、次に、前記変位を補正除去するために、前記Ｙ方向の駆動用圧電素子14に、P２１・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振電圧が加えられると共に、この加振電圧によってＹ方向に、P２１・F２/E２・λ１・cos(ωt＋α１−φ)の加振力が発生することになる。
このとき、P２１・F２/E２＝−K２１となるように調整すると、前記した工具干渉が打ち消されることになる。
また、図５中の干渉のメカニズムモデルにおいて示されるように、前記Ｘ方向（切削方向）の加振力にて生じる変位に含まれる本システム固有の干渉量も外乱要素としてＹ方向（切込み方向）の加振力へ入力されて伝達関数Ｇ2（S）に取り入れられる仕組みとなっており、干渉除去に対する考慮がなされている。
また、前記Ｙ方向（切込み方向）において、前記Ｙ方向の駆動用圧電素子14のみに、 E２・cos(ωt＋α２)の加振電圧Ｖ２を加えた場合、前記Ｘ方向と同様に、前記した工具干渉を打ち消して補正制御することができる。
従って、前記楕円振動切削装置（前記制御機構15の干渉除去部22）において、前記ＸＹ２方向の工具干渉を効率良く補正除去することができると共に、前記切削工具２にて前記被削材１を安定して楕円振動切削することができる。
【００２４】
即ち、まず、前記各圧電素子12・14に前記制御機構15から所定の位相差を有する正弦波状電圧を各別に入力して駆動することにより、前記各圧電素子12・14に各別に対応して前記楕円振動子３に前記Ｘ方向とＹ方向とのたわみ振動を発生させると共に、前記両たわみ振動を合成して前記楕円振動子３の取付部10の切削工具２を楕円振動させ、次に、前記切削工具２にて前記被削材１を楕円振動切削することができる。
このとき、前記した２方向のたわみ振動が互いに他方のたわみ振動に干渉して発生する工具干渉の干渉量を、前述したように、前記制御機構15の干渉除去部22にて互いに打ち消して補正除去することができる。
従って、被削材を切削工具で楕円振動切削するとき、前記切削工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、被削材を高精度に楕円振動切削加工することができる。
【００２５】
なお、前記した制御機構15には、前記した干渉除去部22からの電圧を増幅して前記圧電素子12・14に増幅電圧を入力する増幅部23（アンプ）とが設けられている。
【００２６】
また、ここまでは、楕円振動加工装置として、楕円振動切削装置について説明した。これに限らず、本発明を、研削、研磨、切断、溶接等の他の加工を行う装置に対しても適用することができる。また、これらの加工に用いられる工具を楕円振動させてもよい。例えば、切断加工ではブレードを、研磨加工ではバフや研磨パッドを楕円振動させることができる。更に、被加工材を楕円振動させてもよい。あるいは、本発明は、共振型の超音波モータを構成する際の制御方法としても有効である。
【００２７】
また、たわみ振動を使用して楕円振動子を制御する場合を説明した。これに限らず、圧電素子等のアクチュエータを２系統使用して、各圧電素子が直接楕円振動子を変位させることもできる。この場合には、各圧電素子が、一定の位相差によって、直交する方向に楕円振動子をそれぞれ変位させて振動させる、いわゆるたて振動を発生させる。また、アクチュエータによりねじり変形を発生させて、いわゆるねじり振動を発生させてもよい。更に、上記以外の振動のモードとしては、せん断振動、半径方向振動等を使用してもよい。すなわち、これらのような振動を引き起こす変位を発生する変形を、起こせばよい。そして、これらの振動を組み合わせた場合においても、本発明を適用することができる。上述のいずれの場合においても、１方向の振動が他方向の振動に対して干渉する干渉量を、その他方向の振動から補正除去することになる。
【００２８】
また、上述のいずれの振動においても、１方向の振動と他方向の振動との方向は、直交に限らず、０度以外かつ１８０度以外の角度をとることもできる。
【００２９】
本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、必要に応じて、任意に且つ適宜に変更・選択して採用できるものである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、被加工材を工具で楕円振動加工するとき、前記工具の先端に発生する楕円振動の軌跡を所要の形状に安定して制御し得て、前記被加工材を高精度に楕円振動加工することができると云う優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明に係る楕円振動子の制御方法が用いられる楕円振動切削装置を概略的に示す概略正面図である。
【図２】 図２は、図１に示す装置を概略的に示す概略側面図である。
【図３】 図３は、図１に示す装置の要部を拡大して概略的に示す拡大概略斜視図であって、前記装置の切削工具で被削材を切削する状態を示している。
【図４】 図４（１）・図４（２）は、切削工具の振動特性と共振周波数自動追尾制御の方法とを説明する説明図であって、図４（１）は、周波数に対するゲインを示しており、図４（２）は、周波数に対する位相の遅れを示している。
【図５】 図５は、本発明に係る楕円振動子の制御方法における干渉除去の方法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１ 被削材（被加工材）
２ 切削工具（工具）
３ 楕円振動子
４ 支持部材
５ 基台
６ 八角柱状胴体部
７ ステップホーン部
８ 大ホーン
９ 小ホーン
10 取付部
11 垂直面
12 圧電素子
13 水平面
14 圧電素子
15 制御機構
16 楕円振動の軌跡
17 検出器
21 制御部
22 干渉除去部
23 増幅部
Claims (5)
- 楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構を含むことを特徴とする楕円振動装置。 - 楕円振動装置に設けた楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動装置に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置の制御方法であって、
前記した制御機構にて前記した検出器の出力波形と前記した圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって前記した共振周波数を自動的に追尾して制御する共振周波数自動追尾を行うことを特徴とする楕円振動装置の制御方法。 - 楕円振動装置の楕円振動子に２方向の振動に対応して各別に設けられた振動発生用の圧電素子に前記した装置の制御機構から所定の周波数と所定の振幅及び所定の位相差とを有する交流電圧を各別に入力して前記した楕円振動子に発生する２方向の振動を共振周波数近傍で合成することにより、前記した楕円振動子に所要形状の楕円振動の軌跡を発生させると共に、前記した２方向の振動を各別に検出して前記した制御機構に送信することにより、前記した制御機構にて前記した楕円振動子に発生する楕円振動を制御する楕円振動装置であって、
前記した２方向における１方向の検出振動に基づいて前記した２方向における１方向が他方向に干渉する干渉振動を補正除去する力を前記した他方向に加えることにより、前記した１方向の振動が前記した他方向の振動に対して干渉する干渉振動を補正除去する制御機構の干渉除去部と、前記した制御機構にて検出器の出力波形と圧電素子の入力波形との位相差とを測定し、前記した２方向の振動における位相差の重み付き平均を任意の目標値に保つように前記した圧電素子に加える電圧の周波数を操作することによって共振周波数を自動的に追尾して制御する制御機構の制御部とを含むことを特徴とする楕円振動装置。 - ２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする請求項１、又は、請求項３に記載の楕円振動装置。
- ２方向の振動のモードが、たわみ振動モード、たて振動モード、ねじり振動モード、せん断振動モード、又は、半径方向振動モードのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の楕円振動装置の制御方法。
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