JP6884363B2 - Langevin type ultrasonic vibration generator for ultrasonic processing - Google Patents
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Description
本発明は、超音波加工用のランジュバン型超音波振動子とその支持方法に関する。 The present invention relates to a Langevin type ultrasonic vibrator for ultrasonic processing and a method for supporting the same.
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、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。 Ultrasonic vibrators that use a piezoelectric element as an ultrasonic source are known to have various configurations, and as a typical configuration, a pair of metal blocks and piezoelectrics fixed between these metal blocks are used. A Langevin type ultrasonic vibrator composed of elements is known. Among them, the bolt-tightened Langevin type ultrasonic vibrator, which has a structure in which the piezoelectric element is connected between a pair of metal blocks by bolts and tightened and fixed at high pressure, is capable of high-energy ultrasonic vibration, so cutting of various materials is possible. , Plastic machining, abrasive grain machining, etc. are being studied for use in ultrasonic machining, which is used by attaching to tools.
ボルト締めランジュバン型超音波振動子を含め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の形態を添付の図1と図2を参照して以下に簡単に説明する。 The configurations of various ultrasonic transducers including the bolt-tightened Langevin type ultrasonic transducer are already known, but just in case, the configuration of a typical bolt-tightened Langevin type ultrasonic transducer and the form of its use are attached. This will be briefly described below with reference to 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の間に圧電素子(例: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 bolt-tightened Langevin type ultrasonic vibrator. The bolt-tightened Langevin type
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されている。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に駆動される。図2の装置では、超音波振動子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18とから構成されている接触型給電装置を介して供給される。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of an ultrasonic grinding machine (polishing machine) using a bolt-tightened Langevin type ultrasonic vibrator as an ultrasonic vibration source. In FIG. 2, the
ところで、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、当該工具による切削抵抗の削減、切れ味の向上、加工精度の向上などである。しかし、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あまり進んでいない。従って、超音波加工の充分な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支持剛性と、支持位置の精度を高める改良が必要であるとされている。 By the way, the effects expected by applying ultrasonic vibration to various tools in an ultrasonic processing apparatus are reduction of cutting resistance by the tool, improvement of sharpness, improvement of processing accuracy and the like. However, the ultrasonic processing apparatus manufactured so far and used in the actual processing work has not sufficiently obtained the expected effect. For this reason, at present, the spread of ultrasonic processing equipment has not progressed much. Therefore, in order to promote the sufficient spread of ultrasonic processing, it is said that it is necessary to improve the support rigidity of the ultrasonic vibrator and the accuracy of the support position in carrying out the ultrasonic processing work.
本発明の発明者は、これまでに超音波振動子の支持剛性の向上が期待できる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最近の発明は特許文献1に開示されている。 The inventor of the present invention has devised an improved invention of an ultrasonic vibrator, which is expected to improve the support rigidity of the ultrasonic vibrator, and has filed a patent application. For example, the latest invention among those improved inventions is disclosed in
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を以って支持、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複合体の支持体(固定支持体)への露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の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、固定体のフタ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態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。
また、特許文献2においては、超音波振動子と超音波振動子を支持して発生した超音波振動を伝送する伝送ホーンと伝送ホーンの先端部に着脱自在に装着される工具と、伝送ホーン支持する外筒とを備え、伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の外径側に外方に突出するフランジを設けると共に伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の中心軸部に支持軸を設け、伝送ホーンをフランジおよび支持軸により外筒に押し圧支持する構成が開示されている。 Further, in
機械加工に用いるランジュバン型超音波振動子には、大きな負荷が加わる。しかし、これに対して現在まで、ランジュバン型超音波振動子は、無負荷の状態での設計を行って、製作している。したがって、負荷が加わった時には、その性能を充分に発揮できないという大きな問題が存在する。 A large load is applied to the Langevin type ultrasonic vibrator used for machining. However, until now, the Langevin type ultrasonic vibrator has been designed and manufactured under no load. Therefore, when a load is applied, there is a big problem that the performance cannot be fully exhibited.
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解決が見られている。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加工精度の向上が得られないことが判明した。 The ultrasonic processing apparatus using the new support structure of the ultrasonic transducer described in
特許文献2に記載に記載された伝送ホーンにおける軸振動の節の部分の中心軸部に支持軸を設ける方法によっては、軸振動の節位置が伝送ホーンの先端部に装着される工具の形状により変化するため、工具長さが変わる場合は、超音波振動子の振動を小さくしてしまう恐れがある。また、ネジを用いて支持してため、支持剛性が低くなり、加工精度が低下する虞がある。 Depending on the method of providing the support shaft at the central shaft portion of the node portion of the shaft vibration in the transmission horn described in
従って、本発明の課題は、加工精度の向上を実現することのできる超音波加工に適したランジュバン型超音波振動子の構造と支持方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a structure and a support method of a Langevin type ultrasonic vibrator suitable for ultrasonic processing, which can realize improvement in processing accuracy.
本発明の発明者は、特許文献1に記載の新たな超音波振動子の支持構造の改良を目的として、改めてランジュバン型超音波振動子における超音波振動の発生メカニズムの検討を行った。そして、その検討に際して、ランジュバン型超音波振動子を強固に支持する構成のモデルとして図3、図4に示す支持構成を考えた。図3の支持構成を持つランジュバン超音波振動子1は、金属製のフロントマス2d、リン青銅製の電極板5d、板厚方向に分極された圧電素子3d、リン青銅製の電極板5c、板厚方向に分極された圧電素子3c、テーパー環状支持枠体6b、板厚方向に分極された圧電素子3b、リン青銅製の電極板5b、板厚方向に分極された圧電素子3a、リン青銅製の電極板5aを順に並べ、オネジを持つ金属製のリアマス2aをフロントマス2bにねじ込み締付けることにより作成する。ここでテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング側の直径が小さく、フロントマス側の直径が大きい円錐状の形状である。 The inventor of the present invention reexamined the generation mechanism of ultrasonic vibration in the Langevin type ultrasonic vibrator for the purpose of improving the support structure of the new ultrasonic vibrator described in
また、ランジュバン型超音波振動子の支持剛性と振動特性を考慮すると、まず、支持剛性に関しては、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/5以上、2/3以上することが望ましい。そして、ランジュバン型超音波振動子に所望の超音波振動の大きさを励起するための電気エネルギーを供給するためにランジュバン型超音波振動子の圧電素子の合計の厚さは、テーパー環状支持枠体6bの厚さより大きくすることが望ましい。 Considering the support rigidity and vibration characteristics of the Langevin type ultrasonic vibrator, first, regarding the support rigidity, the thickness of the tapered
これに対して従来のランジュバン型超音波振動子は、無負荷で最も性能を発揮できるようにランジュバン型超音波振動子を支持できるようにフランジを可能な限り薄くすることであり、通常はランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/10より小さい。
しかし、負荷が加わったときには、ランジュバン型超音波振動子を支持する薄いフランジは変形し、それによって加工精度が悪化する。また。ランジュバン型超音波振動子の共振周波数とアドミッタンス値が大きく変化し、振幅量は大幅に低下する。On the other hand, the conventional Langevin type ultrasonic vibrator is to make the flange as thin as possible so as to support the Langevin type ultrasonic vibrator so that the performance can be exhibited most with no load, and is usually the Langevin type. It is smaller than 1/10 of the outer diameter of the piezoelectric element of the ultrasonic transducer.
However, when a load is applied, the thin flange supporting the Langevin type ultrasonic vibrator is deformed, which deteriorates the processing accuracy. Also. The resonance frequency and admittance value of the Langevin type ultrasonic vibrator change greatly, and the amount of amplitude drops significantly.
図3の構成について圧電素子の合計厚さは20mmであり、直径は、15mmである。そして、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、5mmである。したがって、テーパー環状支持枠体6bの厚さは、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の外側直径の1/3である。また圧電素子の合計厚さはテーパー環状支持枠体6bの厚さの4倍である。 Regarding the configuration of FIG. 3, the total thickness of the piezoelectric elements is 20 mm, and the diameter is 15 mm. The thickness of the tapered
図4を用いて、ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持する方法などについて説明する。ボルト締めランジュバン超音波振動子1を支持するために鋼製のハウジング11を用意する。ハウジングの外側に雄ネジを設け、ハウジング11の内側にテーパー環状支持枠体6bと勘合するためのテーパーを設ける。そして、雌ネジを備えたハウジングナット21を締付けることにより、テーパー環状支持枠体6bとハウジング11をテーパー勘合することにより支持固定した。なお、ランジュバン超音波振動子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19を介して、ハウジングの外部に設けた超音波発振回路8から所定の周波数の電圧を印加するようにした。また、ここで図4中の寸法を示す数値はmm単位である。 A method of supporting the Langevin type ultrasonic vibrator in the housing will be described with reference to FIG. A
ここで、ハウジングに超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングハウジングナットによる締め付けを選択した理由について述べる。
まず、図5A、図5Bに示すテーパー勘合と、図5C、図5Dに示すストレート勘合について説明する。一般に要求精度が高ければ高いほど、テーパー勘合が採用される。ストレート接続の場合、両部品が嵌め合うためのクリアランスが振れの要因となる。さらに、こうした軸部分の振れは、フロントマスに取り付けた工具に、より増幅した不必要な振動や音を発生させることになる。
ところで、テーパー勘合の場合、しっかりした「ラージ当たり(大端合わせ)が出ていて、かつ、テーパー基準で部品が仕上げられていれば、不必要な振動や音の発生を激減することができる。
また、メンテナンス性についても、テーパー勘合ではカジリの発生が大幅に低減できる。そして、勘合を繰り返してもストレート勘合と比較して精度の復元が容易である。
以上の特徴から、テーパー勘合を採用した。Here, the reason why the taper fitting and the tightening with the housing housing nut are selected as the means for supporting the ultrasonic vibrator on the housing will be described.
First, the taper fitting shown in FIGS. 5A and 5B and the straight fitting shown in FIGS. 5C and 5D will be described. Generally, the higher the required accuracy, the more taper fitting is adopted. In the case of straight connection, the clearance for fitting both parts becomes a factor of runout. Further, such vibration of the shaft portion causes the tool attached to the front mass to generate more amplified and unnecessary vibration and sound.
By the way, in the case of taper fitting, if a firm "large contact (large end alignment) is obtained and the parts are finished according to the taper standard, unnecessary vibration and sound generation can be drastically reduced.
Also, regarding maintainability, the occurrence of galling can be significantly reduced by fitting the taper. And, even if the fitting is repeated, the accuracy can be easily restored as compared with the straight fitting.
From the above features, the taper fitting was adopted.
次にハウジングに超音波振動子を締付ける手段として、ハウジング11のオネジとハウジングナット21を用いた理由について述べる。
図5A、図5Cは、締付ける手段として、ハウジング11のオネジとハウジングナット21を用いたものであり、図5B、図5Dは、締付ける手段として、ハウジング11のネジ孔に押さえ板の孔を通してボルト4で締付ける構成である。
先ず、ハウジングナット21を用いる場合であるが、ハウジング11のオネジ形状とオネジ精度、ハウジングナット21のメネジ精度の加工精度を高めれば、中心軸に対する誤差は小さくなる。
一方、ボルト4を用いた場合は、押さえ板のクリアランスが存在するための誤差がある。そして、ボルト4を複数用いるので締め付け誤差が生じる。繰り返し作業をすると、その都度、誤差が生じる。また、締め付け力は、ボルト4の半径が小さいため、複数用いたとしてもハウジングナット21に比較して小さい。
以上の理由により、図5Aに示すハウジング11にランジュバン型超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングナット21による締め付けを選択した。Next, the reason why the male screw of the
5A and 5C show the male screw of the
First, in the case of using the
On the other hand, when the
For the above reasons, taper fitting and tightening with the
ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持する手段として、テーパー勘合と、ハウジングナットによる締め付けを選択したが図6の概略図で示すようにテーパー環状支持枠体6bには、3通りの支持方法がある。
図6Aに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング11と接する面がテーパー状であり、反対側の面は平面である。そして、ハウジング11には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。
図6Bに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジングナット21と接する面がテーパー状であり、反対側の面は平面である。そして、ハウジングナット21には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。
図6Cに示すテーパー環状支持枠体6bは、ハウジング11と接する面がテーパー状であり、かつハウジングナット21と接する面もテーパー状である。そして、ハウジング11とハウジングナット21には、テーパー環状支持枠体6bとテーパー勘合ができるように、テーパーを持つ。この方法は、テーパー環状支持枠体6bの両面でテーパー勘合により位置精度を高めることができるので最も精密加工に適した形状である。As a means for supporting the Langevin type ultrasonic vibrator on the housing, taper fitting and tightening with a housing nut were selected. However, as shown in the schematic view of FIG. 6, the tapered
The tapered
The tapered
In the tapered annular
図3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1の超音波振動特性を評価するために、インピーダンスアナライザを用いて、ランジュバン型超音波振動子1を非拘束とした状態における周波数特性を測定した。そして、その周波数特性は、共振周波数を示すアドミッタンスピークの周波数は29535Hzであり、ピークのアドミッタンス値は8.28mSであった。 In order to evaluate the ultrasonic vibration characteristics of the bolt-tightened Langevin type
また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して、20Vp−pの電圧で、周波数をスイープして電流が最大になる29.39KHzで、電流値は約133mAであった。そしてその条件でのフロントマスの中央の振動変位量を、レザードップラー振動計を用いて測定した。その振動変位量は、14.1μmp−pであった。 Further, a function synthesizer was connected to the power amplifier, and the frequency was swept at a voltage of 20 Vp-p to maximize the current at 29.39 KHz, and the current value was about 133 mA. Then, the amount of vibration displacement at the center of the front mass under that condition was measured using a leather Doppler vibrometer. The amount of vibration displacement was 14.1 μmp-p.
図4は、ハウジング11とハウジングナット21によりボルト締めランジュバン超音波振動子1のテーパー環状支持枠体6bとハウジングをテーパー勘合して支持したものであるが、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の拘束状態での周波数特性は、共振周波数を示すアドミッタンスピークの周波数は29800Hzであり、ピークのアドミッタンス値は10.1mSであった。通常は、ボルト締めランジュバン超音波振動子1が拘束された場合は、共振周波数でのアドミッタンス値は、拘束の無い状態に比較して小さくなるが、拘束の影響がほとんどない場合は、様々な影響により拘束が無い場合より拘束がある場合が、アドミッタンスが大きくなる。 In FIG. 4, the tapered
また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して、20Vp−pの電圧で、周波数をスィープしてアドミッタンスが最大になる29.66KHzで、アドミッタンス値は約146mAであった。そしてその条件でのフロントマスの中央の振動変位量を、レザードップラー振動計を用いて測定した。その振動変位量は、14.1μmp−pであった。 Further, a function synthesizer was connected to the power amplifier, the frequency was swept at a voltage of 20 Vp-p, and the admittance was maximized at 29.66 KHz, and the admittance value was about 146 mA. Then, the amount of vibration displacement at the center of the front mass under that condition was measured using a leather Doppler vibrometer. The amount of vibration displacement was 14.1 μmp-p.
図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子に比較して、共振周波数において約1%低く、アドミッタンス値において約22%小さかった。また、パワーアンプにファンクションシンセサイザを接続して駆動した時には、図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子に比較して、電流が約10%小さく、振動変位量は同じであった。 The state in which the Langevin type ultrasonic transducer in FIG. 3 was unconstrained was about 1% lower in the resonance frequency and about 22% lower in the admitance value than the Langevin type ultrasonic transducer in the constrained state in FIG. .. Further, when the function synthesizer is connected to the power amplifier and driven, the state in which the Langevin type ultrasonic vibrator in FIG. 3 is unconstrained has a current as compared with the Langevin type ultrasonic vibrator in the constrained state in FIG. Was about 10% smaller, and the amount of vibration displacement was the same.
この程度の差は、ランジュバン型超音波振動子の温度変化により、簡単に生じてしまう。そして測定順序においても、この程度の差は生じてしまう。つまり、図3のランジュバン型超音波振動子を非拘束とした状態は、図4の拘束状態のランジュバン型超音波振動子の差は無いに等しい。 This difference is easily caused by the temperature change of the Langevin type ultrasonic vibrator. And even in the measurement order, such a difference occurs. That is, in the state in which the Langevin type ultrasonic vibrator in FIG. 3 is unconstrained, there is almost no difference between the Langevin type ultrasonic vibrator in the restrained state in FIG.
本発明のランジュバン型超音波振動子の構成とランジュバン型超音波振動子の支持方法は、剛性の大きい支持を実現でき、そしてランジュバン型超音波振動子をハウジングからの着脱を繰り返しても、支持精度が維持できる。そして、これを用いた超音波加工方法では、加工精度を向上することができる。 The configuration of the Langevin type ultrasonic vibrator and the support method of the Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention can realize support with high rigidity, and even if the Langevin type ultrasonic vibrator is repeatedly attached to and detached from the housing, the support accuracy is high. Can be maintained. Then, in the ultrasonic processing method using this, the processing accuracy can be improved.
本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法は、機械的負荷がランジュバン型超音波振動子に加わる時に、その特徴を発揮する。また、ランジュバン型超音波振動子が回転させないで使用する用途と、回転する用途に区分することができる。 The Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention and its supporting method exhibit its characteristics when a mechanical load is applied to the Langevin type ultrasonic vibrator. Further, it can be divided into an application in which the Langevin type ultrasonic vibrator is used without rotating and an application in which the Langevin type ultrasonic vibrator is used in rotation.
まず、ランジュバン型超音波振動子を回転させない用途である超音波カッターについて図7を用いて説明する。図7Aに示すランジュバン型超音波振動子は、テーパー環状支持枠体6bを一体で作成した鋼製フロントマス2に芋ネジをねじ込み、そして芋ネジに圧電素子、電極板、圧電素子、電極板、そして鋼製のリアマスを通しナット7により締め込み一体にして作成する。テーパー環状支持枠体6bの形状は、両面にテーパーを持つものである。そして、図7Bは図7Aの断面図で示したカッターの斜視図である。超硬製または鋼製の丸棒の先端に超硬製のカッター刃をロウ付けなどの方法により接合する。また、カッター刃は、用途によりダイヤモンドを電着することもある。 First, an ultrasonic cutter, which is an application that does not rotate the Langevin type ultrasonic vibrator, will be described with reference to FIG. 7. In the Langevin type ultrasonic vibrator shown in FIG. 7A, a potato screw is screwed into a
次いで、ハウジング11のテーパーにランジュバン型超音波振動子のテーパー環状支持枠体6bのテーパーに合わせ、そしてテーパー環状支持枠体6bのハウジングナット用のテーパーにハウジングナットのテーパーを合わせて締め込むことにより、ハウジングにランジュバン型超音波振動子を支持固定する。 Next, the taper of the
さらに、フロントマスの先端に設けたテーパー孔にコレットを入れ、コレットナットをゆるく締め、その後カッターをコレットに入れ、締め込みカッターをランジュバン型超音波振動子に固定する。 Further, a collet is inserted into the tapered hole provided at the tip of the front mass, the collet nut is loosely tightened, then the cutter is inserted into the collet, and the tightening cutter is fixed to the Langevin type ultrasonic vibrator.
ここで、上記の超音波カッターの運転方法について説明する。例えば、図示しないプラスチック板を切断するため、超音波カッターを三次元加工機に取付けプログラムにより所望の形状に切断する。先ず、超音波カッターにリード線により接続した超音波発振回路8の電源のスイッチを入れ、超音波カッターに所望の振動モードの超音波振動を励起する。その後、三次元加工機のスイッチを入れ、加工プログラムを作動させ、プラスチック板を切断する。切断が終了したら、超音波発振回路8のスイッチを切り、そして三次元加工機の電源を切り、加工を終了する。 Here, the operation method of the above-mentioned ultrasonic cutter will be described. For example, in order to cut a plastic plate (not shown), an ultrasonic cutter is attached to a three-dimensional processing machine and cut into a desired shape by a program. First, the power supply of the
本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法を用いた超音波カッターは、剛性が高く、かつ支持精度が高いため、高精度で大きい負荷に対して用いることができる。 The Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention and the ultrasonic cutter using the support method thereof have high rigidity and high support accuracy, so that they can be used with high accuracy and for a large load.
ランジュバン型超音波振動子を回転する用途である超音波ドリルについて図8を用いて説明する。テーパー環状支持枠体6bとオネジを一体としたステンレス製のフロントマスのオネジに圧電素子、電極板、圧電素子、電極板の順にいれステンレス製のリアマスをねじ込み一体としてランジュバン型超音波振動子を製作する。 An ultrasonic drill, which is an application for rotating a Langevin type ultrasonic vibrator, will be described with reference to FIG. Piezoelectric element, electrode plate, piezoelectric element, electrode plate are inserted in this order into the male screw of the stainless steel front mass that integrates the tapered
一方、スピンドルを次の手順で作成する。ハウジングとケースの間に、ベアリング2個を入れ、次いで外側間座、内側間座、ベアリングを挿入し外側間座用リングとトランス台を締め込み、スピンドルを製作する。 On the other hand, the spindle is created by the following procedure. Insert two bearings between the housing and the case, then insert the outer spacer, inner spacer, and bearing, and tighten the outer spacer ring and transformer base to manufacture the spindle.
ハウジングの中にランジュバン型超音波振動子の図示しないリード線を2本入れ、トランス台の孔を通す。そして、ハウジングのテーパーとテーパー環状支持枠体6bのテーパーを合わせ、締め込むことにより接続する。その後、ランジュバン型超音波振動子の図示しないリード線とロータリートランスの銅線と接続する。そして、トランス台に回転軸をねじ込む。 Insert two lead wires (not shown) of the Langevin type ultrasonic transducer into the housing and pass them through the holes of the transformer stand. Then, the taper of the housing and the taper of the tapered annular
次にロータリートランス台(固定)にロータリートランス(固定)を接着剤で接着する。その後、スリーブにロータリートランス台(固定)をネジ止めし、ハウジングにねじ込み取り付ける。 Next, the rotary transformer (fixed) is adhered to the rotary transformer base (fixed) with an adhesive. After that, the rotary transformer base (fixed) is screwed to the sleeve and screwed into the housing.
スリーブにモータ台をネジにより取り付け、回転軸にカップリングを取付け、モータ台をスリーブに取り付け、カップリングにモータ軸を入れ、モータも図示しないボルトによりモータ台に固定する。その後、カップリングとモータ軸をネジにより締付ける。以上により超音波スピンドルを製作する。そして、フロントマスのテーパー孔にコレットを入れ、コレットナットを軽く締め、その後ドリルをコレットに入れて締め付け超音波ドリルとする。 Attach the motor base to the sleeve with screws, attach the coupling to the rotating shaft, attach the motor base to the sleeve, insert the motor shaft into the coupling, and fix the motor to the motor base with bolts (not shown). After that, the coupling and the motor shaft are tightened with screws. The ultrasonic spindle is manufactured by the above. Then, a collet is inserted into the tapered hole of the front mass, the collet nut is lightly tightened, and then the drill is inserted into the collet and tightened to form an ultrasonic drill.
ここで、上記の超音波ドリルの運転方法について説明する。例えば、図示しない超硬板に穴あけするため、超音波ドリルを三次元加工機に取付けプログラムにより所望の位置に穴あけする。先ず、超音波ドリルに接続した超音波発振回路の電源のスイッチを入れ、ほぼ同時に切削液をノズルから出し、超音波ドリルに所望の振動モードの超音波振動を励起する。その後、三次元加工機のスイッチを入れ、加工プログラムを作動させ、超硬板を穴あけする。穴あけが終了したら、超音波発振回路と切削液の供給装置のモータのスイッチを切り、そして三次元加工機の電源を切り、加工を終了する。 Here, the operation method of the above-mentioned ultrasonic drill will be described. For example, in order to make a hole in a cemented carbide plate (not shown), an ultrasonic drill is attached to a three-dimensional processing machine and a hole is made at a desired position by a program. First, the power supply of the ultrasonic oscillation circuit connected to the ultrasonic drill is switched on, and the cutting fluid is discharged from the nozzle almost at the same time, and the ultrasonic drill is excited with ultrasonic vibration in a desired vibration mode. After that, the 3D processing machine is switched on, the processing program is activated, and the carbide plate is drilled. When the drilling is completed, the motor of the ultrasonic oscillator circuit and the cutting fluid supply device is switched off, and the power of the three-dimensional processing machine is turned off to finish the processing.
超音波ドリルのドリルをエンドミルに交換してエンドミルを回転させながら、水平方向にエンドミルを移動させれば、溝加工できる。本発明のランジュバン型超音波振動子の支持剛性が大きいため、水平方向の力に対しても、通常の支持に比較すると精度高く加工できる。 Grooving can be performed by replacing the ultrasonic drill with an end mill and moving the end mill in the horizontal direction while rotating the end mill. Since the Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention has a large support rigidity, it can be processed with higher accuracy than a normal support even with a force in the horizontal direction.
本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法を用いた超音波ドリルは、剛性が高く、かつ支持精度が高いため、高精度に穴あけでき、かつ大きい負荷に対して用いることができる。 The Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention and the ultrasonic drill using the support method thereof have high rigidity and high support accuracy, so that they can be drilled with high accuracy and can be used for a large load.
以上、脱明したように本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法は、機械的負荷が加わる超音波加工に適している。 As described above, the Langevin type ultrasonic vibrator of the present invention and its supporting method are suitable for ultrasonic processing in which a mechanical load is applied.
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
5 リン青銅電極
6a 環状支持体枠
6b テーパー環状支持体枠
7 ナット
8 超音波発振回路
10 超音波研削加工装置
11 ハウジング
12 ホーン
13 研削具
17 電気エネルギー供給源
19 孔
20 基台
21 ハウジングナット
22 コレットナット
23 リード線
24 コレット1 Bolt tightening Langevin type
2b metal block (front mass)
3
Claims (6)
上記ランジュバン型超音波振動子の圧電素子が、上方に向けて径が縮小するテーパ面を周縁側面に持つ環状支持体枠上に支持固定されていること、
上記ハウジングの内側下端部には、上記環状支持体枠の周縁側面のテーパ面と嵌め合わされる、下方に向けて径が拡大するテーパ面が形成され、そして外側下端部近傍にはオネジ面が形成されていること、
そして、
上記環状支持体枠の周縁側面のテーパ面と上記ハウジングの内側下端部のテーパ面とが向かい合わされた状態で、内面上側部にメネジ面が形成され、そして内面下側部に内周側に延びた縮径部を備えたハウジングナットにより、下側金属ブロックの側面とハウジングナットの縮径部の先端部との間に空隙が形成されるように、このハウジングナットのメネジ面をハウジングのオネジ面に締付けて、上記環状支持体枠の底面と上記ハウジングナットの延長部とを接触させることにより、ランジュバン型振動子をハウジング内に支持固定したことを特徴とする超音波振動発生装置。 A Langevin type ultrasonic vibrator composed of a pair of metal blocks consisting of an upper metal block and a lower metal block and a piezoelectric element fixed between these metal blocks is housed in a housing to generate ultrasonic vibration. It ’s a device,
The piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic vibrator is supported and fixed on an annular support frame having a tapered surface whose diameter decreases upward.
A tapered surface whose diameter increases downward is formed on the inner lower end of the housing, which is fitted with a tapered surface on the peripheral side surface of the annular support frame, and a male screw surface is formed near the outer lower end. is being done,
And
In a state where the tapered surface of the peripheral side surface of the annular support frame and the tapered surface of the inner lower end portion of the housing face each other, a female screw surface is formed on the upper portion of the inner surface and extends to the inner peripheral side on the lower portion of the inner surface. The female threaded surface of the housing nut is the male threaded surface of the housing so that the housing nut with the reduced diameter portion forms a gap between the side surface of the lower metal block and the tip of the reduced diameter portion of the housing nut. An ultrasonic vibration generator characterized in that a Langevin type vibrator is supported and fixed in a housing by bringing the bottom surface of the annular support frame into contact with an extension portion of the housing nut.
上記ランジュバン型超音波振動子の圧電素子が、下方に向けて径が縮小するテーパ面を周縁側面に持つ環状支持体枠上に支持固定されていること、
上記ハウジングの外側下端部近傍にオネジ面が形成されていること、
そして、内面上側部にメネジ面が形成され、そして内面下側部に下方に向けて径が縮小するテーパ面が形成された縮径部を備えたハウジングナットを用いて、下側金属ブロックの側面とハウジングナットの縮径部の先端部との間に空隙が形成されるように、このハウジングナットのメネジ面をハウジングのオネジ面に締付けることにより、ランジュバン型振動子をハウジング内に支持固定したことを特徴とする超音波振動発生装置。 A Langevin type ultrasonic vibrator composed of a pair of metal blocks consisting of an upper metal block and a lower metal block and a piezoelectric element fixed between these metal blocks is housed in a housing to generate ultrasonic vibration. It ’s a device,
The piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic vibrator is supported and fixed on an annular support frame having a tapered surface whose diameter decreases downward.
A male screw surface is formed near the outer lower end of the housing.
Then, using a housing nut having a reduced diameter portion in which a female screw surface is formed on the upper portion of the inner surface and a tapered surface is formed on the lower portion of the inner surface so that the diameter decreases downward, the side surface of the lower metal block is used. The Langevin type vibrator was supported and fixed in the housing by tightening the female screw surface of the housing nut to the male screw surface of the housing so that a gap was formed between the housing nut and the tip of the reduced diameter portion of the housing nut. An ultrasonic vibration generator characterized by.
上記ランジュバン型超音波振動子の圧電素子が、上方に向けて径が縮小するテーパ面を周縁側面上側部に持ち、周縁側面下側部には下方に向けて径が縮小するテーパ面を持つ環状支持体枠により支持固定されていること、
上記ハウジングの内側下端部には、上記環状支持体枠の周縁側面上側部のテーパ面と嵌め合わされる、下方に向けて径が拡大するテーパ面が形成され、そして外側下端部近傍にはオネジ面が形成されていること、
そして、
内面上側部にメネジ面が形成され、そして内面下側部に下方に向けて径が縮小するテーパ面が形成された縮径部を備えたハウジングナットを用いて、このハウジングナットのメネジ面をハウジングのオネジ面に締付けることにより、ランジュバン型振動子をハウジング内に支持固定したことを特徴とする超音波振動発生装置。 A Langevin type ultrasonic vibrator composed of a pair of metal blocks consisting of an upper metal block and a lower metal block and a piezoelectric element fixed between these metal blocks is housed in a housing to generate ultrasonic vibration. It ’s a device,
The piezoelectric element of the Langevin type ultrasonic vibrator has an annular surface having a tapered surface whose diameter decreases upward on the upper side surface of the peripheral edge and a tapered surface whose diameter decreases downward on the lower side surface of the peripheral edge surface. Being supported and fixed by the support frame,
The inner lower end of the housing is formed with a tapered surface whose diameter increases downward, which is fitted with the tapered surface of the upper peripheral side surface of the annular support frame, and a male screw surface is formed near the outer lower end. Is formed,
And
A housing nut with a reduced diameter portion having a female threaded surface formed on the upper side of the inner surface and a tapered surface formed on the lower side portion of the inner surface with a downwardly decreasing diameter is used to housing the female threaded surface of the housing nut. An ultrasonic vibration generator characterized in that a Langevin type vibrator is supported and fixed in a housing by tightening it on the male screw surface of the housing.
The ultrasonic vibration generator according to any one of claims 1 to 5 , wherein a gap is formed between the lower end portion of the housing and the base portion of the reduced diameter portion of the housing nut.
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