JP4507006B2 - 振動カッターの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動カッターの駆動方法に関する。

振動カッターの１つである超音波カッターは、刃を超音波領域の周波数で振動させることによって、被切削物の切削を行う機械装置である。これまで、主に切削能力（切れ味）を高めるために、刃に加えられる振動の強度や、刃の振動に工夫がなされてきている。超音波カッターの刃の振動の仕方としては、たとえば、特開２００５−１５３０６１号公報に、刃を特定の平面内で楕円状に振動させる超音波カッターが提案されている。
特開２００５−１５３０６１号公報

しかしながら、刃を特定の平面内のみにおいて駆動すると、刃が被切削物に侵入したときに、刃と被切削物との間の摩擦が大きくなり、被切削物が摩擦熱によって損傷したり、悪い場合には発火したりすることがあった。

本発明にかかる目的の一つは、切削中に刃部と被切削物との間の摩擦が発生しにくい振動カッターの駆動方法を提供することである。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法は、
アクチュエータ部に交流を入力して、該アクチュエータ部に接続された板状の刃部を振動させる駆動工程を有し、
前記駆動工程において、前記刃部は、該刃部の板面方向および厚み方向に振動される。

このようにすれば、刃部が被切削物と接触する期間を小さくすることができ、切削中に刃部と被切削物との間の摩擦が発生しにくい。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記刃部の板面方向の振動は、楕円状の軌跡を有することができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記アクチュエータ部に入力される交流は、複数であり、かつ、該複数の交流は、互いに位相が異なることができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記刃部の板面方向の楕円状の振動の回転方向は、前記交流の少なくとも一つの極性を逆に入力することによって、反転することができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記交流の周波数は、２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下であることができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記アクチュエータ部の表面側および裏面側の電極に、相異なる前記交流がそれぞれ入力され、
前記表面に入力される交流と、前記裏面に入力される交流との相違は、電圧波形において互いに振幅が異なることができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記アクチュエータ部の表面側および裏面側の電極に、相異なる前記交流がそれぞれ入力され、
前記交流の少なくとも一方の電圧波形は、複数の正弦波が重畳されており、
各前記正弦波の位相は、互いに異なることができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記アクチュエータ部の表面側および裏面側の電極に、相異なる前記交流がそれぞれ入力され、
前記交流の少なくとも一方の電圧波形は、複数の正弦波が重畳されており、
各前記正弦波の周波数は、互いに異なることができる。

本発明にかかる振動カッターの駆動方法において、
前記交流のうちの少なくとも一つは、前記アクチュエータ部の共振周波数またはその近傍の周波数であることができる。

以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例として説明するものである。

１．振動カッターの構成
本実施形態にかかる振動カッター１０００の構成の一例について図面を参照しながら説明する。以下には、振動カッター１０００がアクチュエータ部２００に刃部２１２が１つ設けられる場合の例を説明するが、本発明にかかる振動カッターは、このような構成の振動カッターのみには限定されない。本実施形態を適用できる振動カッターとしては、以下の例示の他に、例えば、複数の刃部が配置された振動カッターを挙げることができる。

図１は、本実施形態にかかる振動カッター１０００を模式的に示す平面図である。図２は、本実施形態にかかる振動カッター１０００のアクチュエータ部２００および刃部２１２を模式的に示す断面図である。図１のＸ−Ａ線に沿った断面が図２に相当する。図３および図４は、アクチュエータ部２００の振動を示す模式図である。図３および図４の下部に描いた線は、アクチュエータ部２００の変位を模式的に示したものである。

振動カッター１０００は、基体１００と、アクチュエータ部２００と、刃部２１２と、を有する。

アクチュエータ部２００は、図１および図２に例示するように、振動板２１０と、２つの圧電体層２２０，２２０’と、２つの縦振動用電極２３０ａ，２３０ａ’と、８つの屈曲振動用電極（一部図示せず）２３０ｂ〜２３０ｅ，２３０ｂ’〜２３０ｅ’を有する。アクチュエータ部２００は、振動板２１０の中心面を鏡面として、上下に対称な構成であることができる。したがって、以下では、振動板２１０から上側（表面側）の構成について説明し、振動板２１０より下側（裏面側）の構成については、詳細な説明を省略する。

アクチュエータ部２００は、平面視において長方形となっている。図１および図２における左右方向すなわちアクチュエータ部２００の長手方向を第１方向という。そして、図１における上下方向すなわち第１方向に垂直な方向であって振動板１１０の板面内の方向を第２方向という。さらに、第１方向および第２方向に垂直な方向を第３方向という。図１および図２には、第１方向、第２方向、および第３方向を示してある。

振動板２１０は、アクチュエータ部２００の外形と一致する略長方形の板状部材である。振動板２１０は、刃部２１２に接続されている。振動板２１０は、振動用電極と対になり圧電体層２２０，２２０’を挟む一方の電極として機能させることができる。そして例えば電気的に接地されることができる。振動板２１０は、固定部２１６を有する。固定部２１６は、基体１００にアクチュエータ部２００を固定するために設けられている。たとえば図１に示すように、留め具１１０を用いて固定部２１６を基体１００に固定し、アクチュエータ部２００を基体１００に固定することができる。振動板２１０は、上および下（表面側および裏面側）の圧電体層２２０，２２０’の伸縮によって第１方向の伸縮、第２方向および第３方向への屈曲運動が可能で、刃部２１２を振動させることができる。この振動とともに刃部２１２は振動し、刃部２１２によって被切削物を切削することができる。振動板２１０の材質としては、たとえば、ステンレス鋼を好ましく用いることができる。振動板２１０は、刃部２１２と一体的に形成されていてもよいし、両者が機械的に結合されていても良い。図示の例では振動板２１０は、刃部２１２と一体的に形成されている。

圧電体層２２０は、振動板２１０の上に設けられる。圧電体層２２０は、交流が印加されることにより伸縮することができる。圧電体層２２０の伸縮の方向は、印加する交流の極性や、圧電体層２２０を分極させる方向により任意に設計することができる。図１および図２の例では、４つの屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅを配しているため、圧電体層２２０は、単層で一方向に分極処理されている。この例では、各電極に印加する交流の極性によってそれぞれの電極に対応する部位の圧電体の伸縮を行うことができる。圧電体層２２０は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ_３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ_３）などの圧電材料から形成されることができる。

縦振動用電極２３０ａは、圧電体層２２０の上に設けられる。縦振動用電極２３０ａは、圧電体層２２０を第１方向に伸縮するための交流を供給することができる。縦振動用電極２３０ａは、裏面側の縦振動用電極２３０ａ’と対になっている。そのため、縦振動用電極２３０ａおよび縦振動用電極２３０ａ’によって圧電体層２２０および圧電体層２２０’が第１方向に等しい大きさで伸縮した場合は、振動板２１０を第１方向に伸縮させることができる。また、縦振動用電極２３０ａおよび縦振動用電極２３０ａ’によって圧電体層２２０および圧電体層２２０’が第１方向に異なる大きさで伸縮した場合は、振動板２１０を第３方向に屈曲させることができる。

屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅは、圧電体層２２０の上に設けられる。屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅは、振動板２１０すなわちアクチュエータ部２００を第２方向に屈曲振動させるための交流を供給することができる。また、屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅは、裏面側の屈曲振動用電極２３０ｂ’〜２３０ｅ’とそれぞれ対になっている。屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅおよび屈曲振動用電極２３０ｂ’〜２３０ｅ’に入力される交流よって圧電体層２２０および圧電体層２２０’が異なる大きさで伸縮した場合は、振動板２１０を第３方向に屈曲させることができる。第２方向の屈曲振動は、たとえば屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｂ’と屈曲振動用電極２３０ｄ，２３０ｄ’に互いに極性が反対になるような交流を入力することによって行われる。このようにすれば、ある瞬間に屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｂ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が第１方向に伸張したときに、屈曲振動用電極２３０ｄ，２３０ｄ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が第１方向に収縮するため、収縮する屈曲振動用電極２３０ｄ，２３０ｄ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が内側となるようにアクチュエータ部２００が第２方向に屈曲する。また、ある瞬間には屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｂ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が第１方向に収縮したときに、屈曲振動用電極２３０ｄ，２３０ｄ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が第１方向に伸張するため、収縮する屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｂ’に対応する圧電体層２２０，２２０’の部分が内側となるようにアクチュエータ部２００が第２方向に屈曲する。このように互いに極性が反対となる交流が、上記のようにアクチュエータ部２００に印加されると、アクチュエータ部２００は、連続的に上記の動作を繰り返すことになり、第２方向に屈曲振動する。このような機能を有する限り、電極の数、配置および形状は任意に設計できる。また、圧電体層２２０の分極状態の配置を利用して屈曲および伸縮を生じさせることもできる。以上説明した例では、アクチュエータ部２００の表面側および裏面側の電極がそれぞれ５分割されて配されているが、電極の形状および数は、後述する振動の態様が得られる限り任意である。

以上のようなアクチュエータ部２００は、第１方向、第２方向および第３方向にそれぞれ共振周波数を有している。本実施形態の振動カッター１０００のアクチュエータ部２００は、第１方向の共振周波数と、第２方向の共振周波数と、第３方向の共振周波数とが互いに近くなるように設計されることができる。さらに、アクチュエータ部２００に入力される交流のうち、少なくとも一つをアクチュエータ部２００の共振周波数のいずれかと同じか、その近傍の周波数とすることができる。このようにすると、入力する交流のエネルギーを効率よく振動のエネルギーに変換させることができる。すなわち、振動カッター１０００により被切削物を切削するために必要な電力を小さく抑えることが出来る。

さらに、アクチュエータ部２００のいずれかの方向の共振周波数またはその近傍でアクチュエータ部２００を駆動した場合、アクチュエータ部２００の動作において、振動の節となる領域を発生させることができる。振動の節となる領域に、振動板２１０の固定部２１６を設けることができる。振動の節となる領域は、第１〜第３方向のいずれの方向においても、アクチュエータ部２００（振動板２１０）の変位が非常に小さい領域である。このような領域に固定部２１６を設けると、固定部２１６を介して散逸するアクチュエータ部２００の振動のエネルギーを、小さくすることができる。そのため、振動カッター１０００により被切削物を切削するために必要な電力を小さく抑えることが出来る。

図３および図４の下部に示した線ｘおよび線ｘ’は、アクチュエータ部２００の変位を模式的に示している。両図におけるアクチュエータ部２００の変位は、第１方向、第２方向および第３方向のいずれか、または、複数の方向を合成した場合の変位を縦軸にとり、横軸にアクチュエータ部２００の位置をとって描いている。

図３は、アクチュエータ部２００の一部に振動の節Ｊ２が生じるような振動において、固定部２１６が振動の節Ｊ２の近傍の領域に２つ設けられている例を示している。固定部２１６がこのような位置に設けられると、振動カッター１０００を駆動する際のエネルギー的な損失を小さくすることができる。図４は、アクチュエータ部２００に振動の節Ｊ１、節Ｊ２、および節Ｊ３が生じるような振動において、固定部２１６が振動の節Ｊ１および節Ｊ３の近傍の領域に４つ設けられている例を示している。固定部２１６がこのような位置に設けられると、振動カッター１０００を駆動する際のエネルギー的な損失を小さくすることができるとともに、固定部２１６の数の増加により振動カッター１０００の剛性を高めることができる。したがって、このような振動カッター１０００は、より広範な被切削物に適用することができる。

刃部２１２は、アクチュエータ部２００の第１方向の一端から延びるように設けられる。図２の例では、刃部２１２は、振動板２１０と一体的に形成されている。刃部２１２は、振動板２１０とは別の部材として設けられていてもよい。刃部２１２は、板状であり、当該板の板面は、振動板２１０の板面と平行になるように設けられている。刃部２１２の板面方向は、アクチュエータ部２００の振動板２１０の板面方向と一致している。刃部２１２の表面側は、上述したアクチュエータ部２００の表面側および裏面側のいずれか一方に対応し、刃部２１２の裏面側は、上述したアクチュエータ部２００の他方の面の側に対応する。刃部２１２は、図示のような片刃であっても、図示しないが諸刃であってもよい。刃部２１２は、被切削物に切り込む刃先部２１４を有する。刃先部２１４は、刃部２１２の端部に設けられ、端に行くほど薄くなって尖っている。刃先部２１４は、曲線状やジグザグ状に設けることもできる。刃部２１４は、アクチュエータ部２００に一体的に設けられるため、アクチュエータ部２００の振動に従って振動する。刃部２１２は、上述したように、アクチュエータ部２００を駆動することにより、第１方向〜第３方向に振動することができる。刃部２１２は、被切削物に侵入したり、被切削物から引き抜かれたり、被切削物に擦りつけられたりする。刃部２１２の材質は、被切削物に応じて適宜選ぶことができる。刃部２１２の材質は、たとえば、ステンレス鋼、高硬度鋼、モリブデン鋼などとすることができ、セラミックスなどを用いてもよい。

２．振動カッターの回路構成
図５は、本実施形態の振動カッター１０００の回路構成の例を示す模式図である。

アクチュエータ部２００の各電極は、駆動回路３００に電気的に接続されている。図５の例では、屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅは、位相調整回路３３０に接続されている。駆動回路３００には、４つの屈曲振動用電極のうち２つに対して１つずつ計２つ、および縦振動用電極に対して、電力増幅回路がそれぞれ設けられている。駆動回路３００は、さらに、発振源３１０、インバータ３４０を含んで構成されている。位相調整回路３３０は、縦振動すなわち第１方向の振動の位相に対して、屈曲振動すなわち第２方向の振動の位相を変化するために設けられている。これにより第１方向と第２方向の振動に任意の位相差を生じさせることができる。インバータ３４０は、屈曲振動用電極２３０ｃ，２３０ｄおよび屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｅに印加する交流の極性を互いに反転させる。発振源３１０は、駆動周波数を発生し、この駆動周波数がアクチュエータ部２００に入力される交流の周波数となる。交流の周波数は、アクチュエータ部２００の大きさや形状に適合するように選ぶことができる。交流の周波数は、好ましくは、２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下とすることができる。発振源３１０は、複数設けることもできる。電力増幅回路３２１〜３２３は、入力された信号をアクチュエータ部２００が駆動できる程度に増幅する。このような構成の振動カッター１０００を駆動するための変数は、発振源３１０の発振周波数（駆動周波数）、位相調整回路３３０による位相差、および電力増幅回路３２１〜３２３の増幅率（電極に印加される交流の振幅の大きさ）である。これらの変数は、独立に変化させることができる。

このような駆動回路３００の構成は、アクチュエータ部２００の裏面側（図示せず）にも同様に構成することができる。そして、表面側および裏面側の駆動回路３００は、構成の一部または全部を共通としてもよい。さらに、アクチュエータ部２００の表面側および裏面側の電極（縦振動用電極２３０ａ、２３０ａ’および屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅ，２３０ｂ’〜２３０ｅ’）において、互いに異なる交流を印加することもできる。また、各電極に供給する交流の電圧波形は、周波数、位相、および振幅の少なくとも１つが互いに異なる複数の正弦波を重畳したものとすることもできる。さらに、複数の発振源３１０を有する場合や、周波数調整回路などを含む場合においても、各電極に供給する交流の電圧波形は、これらから発生される複数の正弦波を重畳したものとすることができる。各電極に印加する交流の詳細は、次項で述べる。

以上のように交流電圧を圧電体層２２０および圧電体層２２０’に印加することができるが、駆動回路３００および振動板２１０は、接地されていることができる（図示せず）。このようにすれば、振動板２１０を共通（接地）電極として機能させることができる。そして振動板２１０と、各振動用電極とに挟まれた圧電体に、所望の交流電圧を印加して所望の動作をさせることができる。

３．振動カッターの駆動方法
図６は、アクチュエータ部２００が第３方向に屈曲振動しているとき、瞬間的に採りうる形状を模式的に示す断面図である。図６は、図１のＸ−Ｂ線の断面に相当する。図７は、アクチュエータ部２００が第２方向に屈曲振動しているとき瞬間的に採りうる形状を模式的に示す平面図である。図８および図９は、刃部２１２が被切削物１０を切削する様子を模式的に示している。図１０は、刃部２１２の先端の軌跡の例を描いた模式図である。

図６に示すように、アクチュエータ部２００は、各電極から印加される交流の極性に従って、第３方向に屈曲することができる。図６は、説明のために屈曲を誇張して示している。この図の場合、アクチュエータ部２００の表面の屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅおよび裏面の屈曲振動用電極２３０ｂ’〜２３０ｅ’に印加される交流の極性が互いに逆になっている。すなわち、屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｄ，２３０ｃ’，２３０ｅ’には、振動板２１０を第１方向に収縮させる交流が印加されている。そして、屈曲振動用電極２３０ｃ，２３０ｅ，２３０ｂ’，２３０ｄ’には、振動板２１０を第１方向に伸張させる交流が印加されている。そのため、アクチュエータ部２００は、瞬間的には図６に示すように、うねったような形状となっている。そして、各電極には交流が印加されるため、別の瞬間にはうねりの状態が逆になるような形状となる。この交流の周波数でアクチュエータ部２００は第３方向に屈曲振動することとなる。このとき同時に縦振動用電極２３０ａ，２３０ａ’にも交流を印加できるため、アクチュエータ部２００には、第３方向の屈曲振動と第１方向の伸縮振動（縦振動）とを同時に発生させることができる。さらに、各屈曲振動用電極には、同時に、図７に示すような、第２方向の屈曲振動を起こさせる交流をそれぞれ印加することができる。これら３つの方向の振動の位相、周波数、強度は、前述の駆動回路３００により任意に調節することができる。各方向の振動の組み合わせ（合成）により、刃部２００の先端の軌跡は、たとえば図６に示すように第３方向に振動の成分を有するものとすることができる。このような振動の例を三次元的に描いたものが図１０である。

図１０は、刃部２１２の先端の軌跡Ｌを三次元的に描いた模式図である。投影線Ｌ１２は、第１方向および第２方向を含む面への軌跡Ｌの投影である。投影線Ｌ１３は、第１方向および第３方向を含む面への軌跡Ｌの投影である。図１０の例の場合、投影線Ｌ１２が示すように、刃部２１２の先端の軌跡Ｌは、第１方向および第２方向を含む平面への投影、すなわち、刃部２１２の板面方向において、形状が楕円となっている。このような形状の投影線Ｌ１２となる振動は、アクチュエータ部２００の縦振動用電極２３０ａおよび屈曲振動用電極２３０ｂ〜２３０ｅ，２３０ｂ’〜２３０ｅ’に上述したような交流を印加することによって得ることができる。一方、刃部２１２の先端の軌跡Ｌは、第１方向および第３方向を含む平面への投影、すなわち、刃部２１２の厚み方向において、アラビア数字の８の字のようになっている（投影線Ｌ１３）。このような投影が得られる振動は、アクチュエータ部２００の表面側および裏面側の電極に、互いに異なる交流を印加することによって得ることができる。この互いに異なる一組の交流については、詳細を後述する。

なお、刃部２１２の板面方向の楕円状の振動の回転方向は、各電極に印加する交流の極性を逆にすることによって、反転することができる。これにより、被切削物１０に生じるカエリ１２の発生する位置を変化させることができる。たとえば、図８および図９に示すように、被切削物１０に刃部２１２が侵入する際に摩擦が生じ、刃部２１２の侵入する方向に向かって、被切削物１０にカエリ１２や切り粉が生じることがある。このようなときに、各電極に印加する交流の極性を選ぶことによって、カエリ１２や切り粉の発生する方向を変えることができる。したがって、たとえば被切削物１０がコート紙などの積層体である場合などに、刃部２１２の回転方向を選べば、被切削物１０が切断された後のカエリ１２の方向を調節することができる。また、刃部２１２の回転方向を選ぶことにより、被切削物１０の破壊を生じないように切削することが可能となる。たとえば、被切削物がコート紙である場合では、コート紙のコート面側にカエリ１２を発生させないように刃部２１２の回転方向を選べば、切削時にコート紙のコート面が剥がれにくく、切断したコート紙の破壊を抑制することができる。

次に、各電極に印加する交流の電圧波形を用いて、刃部２１２の振動と、印加する交流との関係について、さらに具体例を用いて説明する。

図１１ないし図１４は、アクチュエータ部２００に入力される交流の一例について、縦軸に交流の電圧値、横軸に時間をとって示したグラフである。図１１は、アクチュエータ部２００の板面方向の振動を発生させる交流の一例を示している。図１１の曲線ａは、縦振動用電極２３０ａ、２３０ａ’に印加される交流の電圧波形を示している。図１１の曲線ｂは、屈曲振動用電極２３０ｂ，２３０ｂ’，２３０ｅ，２３０ｅ’に印加される交流の電圧波形を示している。図１１の曲線ｃは、屈曲振動用電極２３０ｃ，２３０ｃ’，２３０ｄ，２３０ｄ’に印加される交流の電圧波形を示している。

図１１のような交流を入力されたアクチュエータ部２００は、刃部２１２をアクチュエータ部２００の板面方向において楕円の軌跡を有するように振動する。図１１に示す交流は、アクチュエータ部２００の表面側の電極と、これに対応する裏面側の電極に同一のものがそれぞれ入力される。そのため、アクチュエータ部２００の表面側および裏面側の電極に印加される交流は、振動板２１０に対して、対称となるように入力されるため、アクチュエータ部２００の厚み方向（第３方向）の屈曲振動は発生しない。刃部２１２またはアクチュエータ部２００の厚み方向（第３方向）の振動は、たとえば、次に述べる各種の方法によって発生させることができる。

図１２の曲線ａは、アクチュエータ部２００の表面側の電極のうちのいずれか１つに印加される交流の電圧波形を示している。図１２の曲線ｂは、曲線ａの交流が印加される表面側の電極に対応する裏面側の電極に印加される交流の電圧波形を示している。曲線ｂは、曲線ａと振幅が異なる以外は、同位相、同周波数である。図１２の曲線ｃは、曲線ａおよび曲線ｂの差を示している。曲線ｃは、正弦波になっており、表面側の電極および裏面側の電極に印加される交流の間に電圧の大きさ（振幅）の差があることを示しており、両者が振動板２１０を挟んで互いに異なっていることを表している。アクチュエータ部２００の表面側の電極に印加される交流と、対応する裏面側の電極に印加される交流の振幅が異なると、当該電極の部位の圧電体層２２０および圧電体層２２０’の伸縮量に差が生じる。これにより、アクチュエータ部２００は、第３方向に振動の成分を生じることができる。

図１３の曲線ａは、アクチュエータ部２００の表面側の電極のうちのいずれかに印加される交流の電圧波形を示している。図１３の曲線ｂは、曲線ａの交流が印加される表面側の電極に対応する裏面側の電極に印加される交流の電圧波形を示している。曲線ｂは、曲線ａと位相が異なる以外は、同振幅、同周波数である。図１３の曲線ｃは、曲線ａおよび曲線ｂの差を示している。曲線ｃは、正弦波になっており、上記の例と同様に表面側の電極および裏面側の電極に印加される交流が互いに異なっていることを表している。アクチュエータ部２００の表面側の電極に印加される交流と、対応する裏面側の電極に印加される交流の位相が異なると、当該電極の部位の圧電体層２２０および圧電体層２２０’の伸縮量に差が生じる。そのため、アクチュエータ部２００は、第３方向に振動の成分を生じることができる。

図１４の曲線ａは、アクチュエータ部２００の表面側の電極のうちのいずれかに印加される交流の電圧波形を示している。図１４の曲線ｂは、曲線ａの交流が印加される表面側の電極に対応する裏面側の電極に印加される交流の電圧波形を示している。曲線ｂは、曲線ａに周波数の異なる正弦波を重畳させたものである。図１４の曲線ｃは、曲線ａおよび曲線ｂの差を示している。曲線ｃは、正弦波になっており、上述と同様に表面側の電極および裏面側の電極に印加される交流が互いに異なっていることを表している。本図の例では、曲線ｃは、曲線ａよりも周波数の大きい正弦波となっているが、曲線ａよりも周波数の小さい正弦波となるように重畳されていてもよい。図１４に示すように、アクチュエータ部２００の表面側の電極に印加される交流と、対応する裏面側の電極に印加される交流が異なると、当該電極の部位の圧電体層２２０および圧電体層２２０’の伸縮量に差が生じる。そのため、アクチュエータ部２００は、第３方向に振動の成分を生じることができる。

さらに、刃部２１２の厚み方向の振動は、上記例示した方法で発生させることができるが、上記の方法は適宜互いに複数を組み合わせることができる。また、表面側と裏面側の電極の組は、表裏で互いに対応する位置にあるものであれば、図示したいずれの電極であってもよい。さらに、制御上、片面の複数の電極を１つの電極として扱い、これに対応するもう一方の面の電極との間に上述のような表裏で異なる交流を印加することによっても刃部２１２の厚み方向の振動を達成することができる。

以上例示した刃部２１２の厚み方向の振動を生じさせる交流のアクチュエータ部２００への入力方法は、刃部２１２の板面方向の楕円状の振動を生じさせる交流のアクチュエータ部２００への入力方法と組み合わせることができる。すなわち、図１１に示した交流をアクチュエータ部２００の各電極に入力しながら、表面側および裏面側の電極の対のうちのいずれかに図１２ないし図１４で示した交流の組が形成されるように入力すれば、刃部２１２を板面方向で楕円状に振動させるとともに、厚み方向に振動させることができる。

以上説明したように、本実施形態の振動カッターの駆動方法によれば、被切削物を切削する際、刃部２１２を板面方向および厚み方向に振動させることができる。このような駆動方法によれば、刃部２１２は、板面方向に楕円状に振動すると同時に厚み方向にも振動することができる。そのため、被切削物を切削する際に、刃部２１２の板面方向の振動によって、被切削物内に刃部２１２が侵入し、同時に厚み方向の振動によって被切削物内で刃部２１２と被切削物とが接触し続けることが抑制される。また、刃部２１２の厚み方向の振動は、被切削物を切削する際に、被切削物の切り口を広げるような作用を有する。したがって刃部２１２が被切削物と接触することが少なくなり、かつ刃部２１２が被切削物と接触する時間を短くすることができる。よって、刃部２１２と被切削物との間で生じる摩擦を小さくすることができる。そのため切削中に被切削物が焦げたり、発火したりすることを抑制することができる。また、本実施形態の振動カッターの駆動方法は、振動カッター１０００によって被切削物を切削する際に刃部２１２と被切削物との間で生じる摩擦を抑制できるため、被切削物のカエリ等の変形を抑制して被切削物を切削することができる。

以上のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できよう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。

実施形態にかかる振動カッターを模式的に示す平面図。 実施形態にかかる刃部およびアクチュエータ部を模式的に示す断面図。 実施形態にかかるアクチュエータ部の変位の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアクチュエータ部の変位の一例を示す模式図。 実施形態にかかる振動カッターの回路構成の一例を示す模式図。 実施形態にかかるアクチュエータ部の動作を模式的に示す断面図。 実施形態にかかるアクチュエータ部の動作を模式的に示す平面図。 実施形態にかかる刃部の動作を示す模式図。 実施形態にかかる刃部の動作を示す模式図。 実施形態にかかる刃部の先端の軌跡の一例を示す模式図。 実施形態の振動カッターに印加される交流の一例を示す模式図。 実施形態の振動カッターに印加される交流の一例を示す模式図。 実施形態の振動カッターに印加される交流の一例を示す模式図。 実施形態の振動カッターに印加される交流の一例を示す模式図。

符号の説明

１０ 被切削物、１２ カエリ、１００ 基体、１１０ 留め具、
２００ アクチュエータ部、２１２ 刃部、２１４ 刃先部、２１６ 固定部、
２２０，２２０’ 圧電体層、２３０ａ，２３０ａ’ 縦振動用電極、
２３０ｂ〜２３０ｅ，２３０ｂ’〜２３０ｅ’ 屈曲振動用電極、Ｊ１〜Ｊ３ 節、
３００ 駆動回路、３１０ 発振源、３２１〜３２３ 電力増幅回路、
３３０ 位相調整回路、３４０ インバータ、Ｌ 軌跡、Ｌ１２，Ｌ１３ 投影線、
１０００ 振動カッター

Claims (6)

1. 振動板、前記振動板の表面側の第１圧電素子および前記振動版の裏面側の第２圧電素子を含むアクチュエータ部、および前記アクチュエータ部に接続された板状の刃部を有する振動カッターの駆動方法であって、
   前記第１圧電素子に第１交流信号を入力し、前記第２圧電素子に前記第１交流信号と位相が異なる第２交流信号を入力することにより、前記刃部を該刃部の板面方向および厚み方向に振動させ、かつ、前記刃部の板面方向には楕円状に振動させ被切削物を切削する第１ステップと、
   前記刃部の板面方向にさせる振動の方向を、前記第１交流信号と前記第２交流信号の極性を逆にすることにより反転させ、前記被切削物を切削する第２ステップと、
   前記第１ステップにおける前記被切削物のカエリおよび前記第２ステップにおける前記被切削物のカエリに基づいて、前記刃部の振動の方向を選ぶ第３ステップと、
   を含む、振動カッターの駆動方法。
2. 請求項１において、
   前記第１交流信号および前記第２交流信号の周波数は、２０ｋＨｚ以上１ＭＨｚ以下である、振動カッターの駆動方法。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記第１交流信号と、前記第２交流信号とは、電圧波形において互いに振幅が異なる、振動カッターの駆動方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記第１交流信号および前記第２交流信号の電圧波形は、複数の正弦波が重畳された形状を有する、振動カッターの駆動方法。
5. 請求項４において、
   各前記正弦波の周波数は、互いに異なる、振動カッターの駆動方法。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかにおいて、
   前記第１交流信号および前記第２交流信号のうちの少なくとも一方は、前記アクチュエータ部の共振周波数またはその近傍の周波数である、振動カッターの駆動方法。

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