JPH02203972A - 超音波振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超音波振動を発生する振動子を備えた超音波
振動装置に係り、特に、振動振幅を一層拡大したたわみ
振動系により、大きな超音波振動出力が得られ、超音波
振動切削、超音波ウェルダー及び超音波カッターなどに
適用できる超音波振動装置に関するものである。

従来の技術 従来、たわみ共振振動を利用した振動系において、その
出力端部における振動振幅を大きくとるためには、たわ
み振動方向における振動体の厚さを励振側から出力端側
に向かって振動のノード部分より順次薄く構成して出力
端部に必要な振動振幅を得ていた。このようなたわみ振
動子は、既に本出願人により特開昭６２−１１．４４７
８号によって提案されているが、その様なたわみ振動系
を用いて超音波振動切削装置を構成した一例を第９図な
いし第１３図により説明する。まず、たわみ振動子１は
金属材２，３とこれらの金属材２．３により両側を挾ま
れた二対二組の半円環状の電歪素子４，５とにより大径
部が形成されている。これらの電歪素子４，５は、厚み
方向に分極されており、かつ、直径方向に分断された電
極６及び７を有している。このような電歪素子４，５は
、その電極６，７をそれぞれ対向させ、電極板８，９を
介して積層して設けられている。そして、前記電歪素子
４，５の内周には、絶縁管１０が挿入されており、前記
電歪素子５と前記金属材３の間には、共通電極板１１が
設けら・れている。さらに、前記金属材２の一端にはボ
ルト１２が螺合されるねじ穴１３が形成されており、そ
れらはボルト１２により一体に締着されている。

なお、前記電歪素子６，７としては、第１０図に示すよ
うな半円環状のものとして説明したが、実施に当っては
、第１２図に示すような円環状のものを用いても良い。

ついで、前記金属材２の出力端部には、バイト１４が固
着されたバイトホルダ１５が取付けられている。このバ
イトホルダ１５を用いる理由は、前記バイト１４がたわ
み振動子１の出力端部に直接固着されていると、バイト
１４の交換や刃先の研ぎ直しなどの時に、たわみ振動子
ｌごと取り外して行なわれなければならず作業が煩雑と
なることを防止するためである。

しかして、バイトホルダ１５の取付構造について説明す
る。まず、バイト１４を固着したバイトホルダ１５と金
属材２との結合部は、第９図（ｂ）に示す振動分布のル
ープ部分［７□　に位置している。

そして、バイトホルダ１５の端部に左ねじ１６が形成さ
れ、前記金属材の端部に右ねじ１７が形成され、これら
の左ねじ］６と右ねじ１７とに螺合する締着具１８によ
り前記バイトホルダ１５は前記金属材２に締着されてい
る。

二のようなたわみ振動子１の共振振動時の中心軸上の振
動振幅は、第９図（ｂ）に示すようにノードＮ、ｌＮ２
　に形成した段部により大きく拡大されている。そして
、ノードＮ、、’Ｎ、部分に位置させて円錐状凹み１９
，２．０が側面部に形成され、これらの円錐状凹み１９
．２０に両側の４箇所から尖り先ボルトなどを強く当接
することによって図示しない支持体に固定されている。

このように構成されたたわみ振動子１の共通電極板１１
を基準電位として電極板８，９に互いに逆相の駆動電圧
を印加するか、または、電歪素子４．５の分極方向を互
いに逆に配置して同相の駆動電圧を印加しその周波数を
たわみ共振周波数に調節すると、前述の如き振動振幅分
布を生じて共振振動し、バイト１４の刃先は矢印２１の
ように軸線と直角方向に強く振動する。このようなバイ
ト１４の刃先を、例えば、旋盤のバイトとして切削加工
物の接線方向に超音波振動させなから被加工物を加工す
ることにより、切削抵抗が著しく減少して加工精度が向
上するなどの大きな振動切削効果を発揮する。

ここで、出力端部での振動振幅は、それに向かってノー
ドＮ２での径寸法の低減により拡大された後、出力端部
での振動方向の厚みを小さくするほど大きなものが得ら
れる。

発明が解決しようとする課題 このような振動装置の出力端部より取り出し得る最大超
音波出力は、電歪素子４及び５の発生可能な最大出力に
よって限定されることは勿論であるが、決められた振動
周波数の下では出力部分の振動振幅およびその等価質量
も重要な要素となる。

即ち、バイト１４を含む出力部分の保有する振動エネル
ギーの大きさによっても最大超音波出力は制限されるこ
とになる。

力学の基本的法則によれば、ある質量を持つ運動体が保
有する運動のエネルギーＥは、運動体の質量をｍ、その
速度を■とすると、 Ｅ＝ｍｖ”／２ なる公式にしたがっている。

係る公式の下で動作している出力端部の振動速度■は、
振動周波数をｆ、振動振幅をａとすると、ｖ＝２　　π
　ｆａ なる関係にあり、したがって出力端部の持つ運動エネル
ギーは振動周波数が決まっていると、等画質量ｍと振動
振幅ａによって決まり、最大超音波用ノＪはそれらを大
きくすることにより増大する。

然るに、第９図から理解されるように、電歪素子４及び
５において発生したたわみ共振振動は、まず、ノードＮ
２における金属材２の直径の減少によってその振幅が拡
大され、さらに次のノードＮ、におけるバイトホルダ１
５の厚さの減少によって一層拡大されて、出力端部の振
幅は、例えば２０ｋｈｚにおいて所要の２０μｍに拡大
されるが、出力端部におけるデイメンジョンは振幅を大
きくとろうとするほど小さくなって、共振振動時の等画
質量も小さくなり、振動子自身の最大出力能力に余裕が
あっても出ノＪ端部より取り出し得る最大超音波出力は
限定されてしまう。

一方、従来から良く知られているように第１４図に示す
縦形振動子２５を用いた縦振動系において、振動子２５
の出力端部２６に図示しない中心ボルトなどにより接続
された振幅拡大ホーン２７の出力端部２８の振動振幅３
１は、同図（ｂ）の軸方向振動振幅分布に示すように振
動子２５のノード２９における直径の減少による拡大と
、ホーン２７のノード３０における直径の減少による拡
大が直列に接続されて、それぞれの拡大比の乗数として
得られると共に、振動子２５の細径出力端部２６をホー
ン２７の大径入力端部３２にて受けたときの振動子２５
の振幅分布は振動子２５単体での分布と変らない。した
がって、縦振動系においては、振動子からの励振入力を
そのループ部にてホーンの大径入力端部で受けて接続で
きるため、ホーンの出力部分での等画質量を大きくする
ことができ、取り出し得る最大超音波出力を大きくする
ことができる。

しかるに、たわみ振動系においては、第１５図に示すよ
うに振動子３２の出力端部３３をホーン３４の大径端部
３５にて受けてホーン３４の拡大比分だけ振幅を稼ごう
としても、接続部３８での振動振幅は振動子３２のみの
ときに出力端部３３で得られる振幅（そのとき出力端部
３３は開放端となるため細径部の長さは短くなる）より
著しく低下してしまい、結果として得られるホーン出力
端部３６での振幅３７は振動子３２単体での出力振幅と
ほぼ同じ程度の値しか得られない。

この原因としては次のように考えられる。たわみ振動系
の中間段における振幅分布は、前段のノード間と当ノー
ド間の等画質量がそれぞれの振動速度とによるバランス
の取れた運動エネルギーで振動しているため、同図（ｂ
）に示す軸上の振動振幅分布におけるエリアＩがらエリ
ア■へはホーン３４の大径部と一体となった振動子出力
部３３０等価質量が大きく充分に振動振幅を拡大できな
い。

さらに、エリアＨの等画質量はエリアｍのそれより少な
いためにエリア■ではかえってその振動振幅は減小し、
結果として、ホーン出力端部３６での振動振幅は小さく
なり、縦振動系のようにそれぞれの拡大比の直列接続と
見ることができなくなる。

さらに、その接続部はたわみ振動のループにあるため、
図中上下方向における外周部に近いほど大きな軸方向の
応力が働き、ホーン３４の交換のために中心ボルトなど
で接合すると接合損失が著しく増大する。

課題を解決するための手段 一端に出力端部が形成された振動子と一端に出力端部が
形成され他端に入力端部が形成された被＝　１０− 励振体とを設け、前記振動子の出力端部と前記被励振体
の入力端部とを軸線上に位置してその変位方向と直角を
なす線状又は帯状の結合部により結合した。

また、振動子の出力端部と前記被励振体の入力端部とを
軸線上に位置する右ねじあるいは左右ねじにより結合し
た。

作用 振動子による励振側の開放出力端ループと、ホーンなど
の被励振体の開放入力端ループとがそれぞれの振動分布
を乱すことなく接続されるとともに、被励振体の出力端
部で得られる振動振幅は、振動子及び被励振体のそれぞ
れの拡大比の直列接続となり、また、はとんど損失がな
く接続され、これにより、被励振体の出力端部は大きな
等価質量と大振幅により高運動エネルギーを有し高い超
音波出力を得ることができる。

つぎに、第１６図と第１７図とに基づいて本発明の詳細
な説明する。まず、第１６図に示すものは、従来例で示
したものに相当する構造である。

具体的には、ノードＮを３点持つたわみ振動系で、矢印
は各点の変位方向とその大きさを表している。

そして、各ループ間では各ノードを中心として一方向へ
全体が回転し、次のサイクルでその方向が反転する。ち
ょうど図の状態のとき、ノードＮとＮ３が左回転、Ｎ２
は右回転しており、したがって、ループＬ２では上の方
向へ変位するので、その上端はど水平方向に引っ張られ
、下端部はど水平方向に圧縮力を受けている。

ループＬ、では、下方へ変位するためループＬ２と反対
に上端部で圧縮力を受け、下端部で引っ張り力を受けて
いる。

さて、ループＬ、やループＬ４のように端部のループで
は、さらに隣に反作用をする運動がないがら開放端また
は自由端と呼び、ループＬ２やループＬ３では上端部よ
り下端部までいっせいにそろつて上下方向の変位をする
のに対して、ループＬ、ではＮ、を、ループＬ４ではＮ
、を中心として自由な回転方向の変位分布を示す。

また、開放端としてのループには軸方向の応力は印加さ
れない。このようにたわみ振動体の中間段にあるループ
と端部のそれとでは動作状態に大きな差異があって、例
えば、ループＬ２　で別の振動体を機械的に接合して一
体で共振する振動体を構成しようとすると、接合面の密
着精度をかなり考慮しても軸方向の大きな振動応力によ
って著しい振動損失が発生してしまう。

また、各ノードにおいては剪断応力が大きく作用してい
るため、ノードでの機械的接合もまた振動損失の発生源
となる。

このように考えると、ベンディング振動系における取り
外し可能な接合は大変不利であると考えざるを得ない。

また、第１５図のように接合部３８が一体で作られたち
のでは、接合損失はないけれど、前述のように中間段に
おける振幅の拡大はノード間の等価質量の比によって決
まってくるため直径の収縮による振動拡大系の多段接続
ではほとんどその効果が得られない。

端部における振幅は、ノードから開放端までと、ノード
からすぐ前のループまでの等価質量の比に関係している
ため、ノードから開放端に向かって直径を減少させると
容易に拡大することができる。

そこで、このような開放端における振幅分布を変化させ
ないで開放端の振幅を次の被励振体に伝達することがで
きれば、縦振動系の場合と同様に拡大比の直列接続がで
きることになる。

第１７図に示すようにノードＮでステップアップした出
力端はノードＮを中心として回転方向に振動するため、
軸線上では正しく上下方向の振動となっている。そこで
、被励振体Ａとの接合を軸線上の振動方向と直角な線に
よる接合部Ｂでつなぐと、軸方向成分の含まれる振動は
関与しないので、純粋に軸と直角方向の振動のみが伝達
され、接合前のそれぞれの振動モードと全く同じ状態で
駆動を行なうことができる。

それにより、振動子Ｃの開放出力端で充分に振幅拡大を
行った上で次の段を励振することができるので、振動系
のデイメンジョンに制約されることなく最終出力段に充
分な振幅を容易に得られるようになる。

第１７図から理解されるように、接合は理想的には線で
ある必要がある力＼、取り扱うエネルギーの量が伝達さ
れるだけの線幅が必要となることはいうまでもない。実
用的には、例えば振動子Ｃの直径がφ３０ｍｍのとき、
線幅は３画もあればエネルギー的にも振幅分布的にも充
分満足できる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図及び第２図により説明す
る。以下、第６図を除くたわみ振動子は、出力端部を除
いて前述の第９図における振動子］と基本的には同様に
構成される。まず、たわみ振動子４０の出力端部４１と
被励振体としてのホーン４２の入力端部４４との間に結
合部となる帯状切り残し４３が残る上うにして図中その
上下をメタルソーなどによって分断加］ニすることによ
りたわみ振動系が構成される。第２図において、斜線部
は帯状切り残し４３の断面であり、前記ホーン４２の入
力端部４４との結合部分を表す。

このようなたわみ振動子４０は、後述する理由により、
ホーン４２の接続されないときと同様な振動分布で振動
する。釘なわち、第１図（ｂ）にその軸上の振幅分布を
示す如くその出力端部４１における帯状切り残し４３は
、開放端として跳ね上がった振幅分布となる。また、ホ
ーン４２の入力端部４４も同様に開放端として動作し、
このことは互いに相手側の振動モードの影響を受けない
で振動していることになる。したがって、振動子１○の
ノード４５での直径のステップにて拡大された出ツノ端
剖４１における振動振幅は、減衰することなくホーン４
２の入力端部４４に伝達され、さらに、ホーン４２にお
けるノード４６でのステップにて拡大された出力端部４
７には、第１図（ｂ）の振幅分布に見られるように矢印
４８の方向に充分な振動振幅が得られる。そして、出力
端部４７における振動振幅は、振動子４００ノード４５
ての直径のステップによる振幅の拡大と、ホーン４２の
ノード４６でのステップによる振幅の拡大との直列接続
としてそれらの乗数の比で拡大された値となる。

これは、第１５図におけるエリア■での接続部３８にお
いて、振動子３２の出力端部３３の上下端に近いほど強
く印加される軸方向の応力が開放されて、単に上下方向
の振動応力のみが伝達されれば良いことになり開放端と
見做すことができるようになったためである。

次に、第３図及び第４図に基づいて本発明の第二の実施
例を説明する。本実施例は、結合部となるボルト４９に
より振動子５０とホーン５Ｎとを接続したものである。

振動子５０の出力端部５２には軸上にその振動方向５３
と直角に結合部の一部となる帯状突起５４が設けられ、
中心軸−ににはねじ穴５５が設けられる。ホーン５１の
入力端部５６には中心軸−１−に同様なねじ穴５７が設
けられ、ボルト４９が挿入されて両者は相対回転力によ
って締着される。この接続構成は、例えば、超音波ウエ
ルダなどのように出力端部での形状が振動方向に無関係
の時に用いられる。かかる構成の振動系による超音波ウ
エルダでは、被溶着物は振動系の軸方向の加圧とそれに
直角方向の超音波振動エネルギによって加工されるとい
う効果を有する。

次に、第５図及び第６図に基づいて本発明の第三の実施
例を説明する。まず、第５図に示すものは、その先端に
スロウアウエイチップ５８をねじ止めしたホーン５９を
用いて振動切削用振動系としたものである。第３図及び
第４図と同様に振動子５０の先端５２にホーン５９をを
交換可能にボルト６ｏにより接続しているが、ボルト６
０は一方を右ねじ６１、他方を左ねじ６２とし、ボルト
６ｏの一端に設けられた六角穴６３をレンチなどの工具
によって締着するものである。したがって、ホーン５９
の中心軸上に締着用レンチを挿入するための貫通孔６４
を設けておき、振動子５０とホーン５９とを必要な振動
方向にそろえて締着できる。すなわち、スロウアウエイ
チツプ５８を外して貫通孔６４′より締着用レンチを挿
入し、左右ねじの施された締着ボルト６０によって振動
子５０とホーン５９を接合する。

つぎに、第６図に示すものは、締着用レンチを振動子６
５側から挿入するもので、振動子６５は中心ボルト６６
の端部に設けられたおねじにはめ合うナツト７１によっ
て締着され組立られる。振動子６５の中心のボルト６６
に設けられた中心孔６７及びそれに連続する中心孔６８
に後部より締着用レンチを挿入して左右ねじを有する締
着ボルト６９によって振動子６５にホーン７０を接合す
る。

さらに、振動切削装置における振動系に適用した第四の
実施例を、振動系の上面図と軸上のたわみ振動方向の振
動分布を示す第７図（ａ）（ｂ）と、振動子出力端とホ
ーン入力端とを示す第８図とによって説明する。本実施
例は、振動子７２とホーン７３のそれぞれの開放ループ
出力端７４及び開放ループ入力端７５での接合部を振動
子７２側より加圧して機械的に接続したもので、ホーン
７３の入力端７５に設けられた結合部としての■状溝７
６に振動子７２の出力端７４に設けられた結合部の一部
をなす■状突起７７を強く当接する。ホーン７３のノー
ドＮ４．Ｎ、に設けられた４個の凹み７８〜８１に、ケ
ーシング８２の周上に設けられたねじ孔に螺合する４個
の六角孔つき止めねじ８４〜８７によりホーン７３をケ
ーシング８２に固定する。

一方、振動子７２も同様にそのノードＮ、、Ｎ。

に設けられた４個の凹み８８〜９１に、リング９２の周
上に設けたねじ孔に螺合する４個の六角孔つき止めねじ
９３〜９６により固定する。リング９２に固定された振
動子７２をケーシング８２に、■状溝７６と■状突起７
７が正しい角度ではめあうように図示しない回転止めピ
ンをスリットにあわせて挿入した後、ダンパー材９７を
間にしてケーシング８２にキャップ９８をねじ込み、接
合部７６及び７７を確実に接合する。

コネクタ９９を経て発振器により振動子７２を励振する
と、振動子７２によって発生したたわみ振動は、ノード
Ｎ６でのステップにて拡大される。

その後、互いに開放端で接続された接合部を経由してホ
ーン７３に効果的に伝達される。そして、ノードＮ４及
びＮ３におけるステップによってスロウアウエイバイト
１００がねじ止めされた刃先は、拡大されたたわみ振動
により紙面に垂直方向に大きく振動する。

以上の実施例による説明によって理解されるように、本
発明の重要な特徴はたわみ振動系の開放ループ端同士を
たわみ振動方向と直角な線状あるいは帯状に接合するこ
とによって、それぞれの元の振動分布を乱すことなく直
列接続することができることにある。

発明の効果 本発明は上述のように、一端に出力端部が形成された振
動子と一端に出力端部が形成され他端に入力端部が形成
された被励振体とを設け、前記振動子の出力端部と前記
被励振体の入力端部とを軸線上に位置してその変位方向
と直角をなす線状又は帯状の結合部により結合し、また
は、振動子の出力端部と前記被励振体の入力端部とを軸
線上に位置する左右ねしにより結合したので、振動子に
よる励振側の出力端部は開放出力端ループとなり、また
、ホーンなどの被励振体の入力端部は開放入力端ループ
となり、これらの両者がそれぞれの振動分布を乱すこと
なく接続されるとともに、被励振体の出力端部で得られ
る振動振幅は、振動子及び被励振体のそれぞれの拡大比
の直列接続となってほとんど損失がなく接続され、これ
により、被励振体の出力端部は大きな等価質量と大振幅
により高運動エネルギーを有し高い超音波出力を得るこ
とができると云う効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）（ｔｌ）は本発明の第一の実施例を振動分
布とともに示す縦断側面図、第２図は結合部の断面を示
す斜視図、第３図は本発明の第二の実施例を示す要部の
縦断側面図、第４図はその振動子の斜視図、第５図は本
発明の第三の実施例を示す−・部を切り欠いた側面図、
第６図はその変形例を示す一部の縦断側面図、第７図（
ａ）（ｂ）は振動分布とともに本発明の第四の実施例を
示す縦断側面図、第８図（ａ）（ｂ）は結合部の構造を
示す分解斜視図、第９図（ａ）（ｂ）は振動分布ととも
に示す従来の一例を示す縦断側面図、第１０図は電歪素
子の斜視図、第１１図は電極板の斜視図、第１２図は電
歪素子の変形例を示す斜視図、第１３図はその斜視図、
第１４図（ａ）（ｂ）は縦形振動子を用いた縦振動系を
振動分布とともに示す側面図、第１５図（ａ）（ｂ）は
その縦振動系をたわみ振動系に応用した一例を振動分布
とともに示す側面図、第１６図は従来の振動系の変形状
態を示す説明図、第１７図は本１頭発明の原理を振動系
の変形状態により示す説明図である。 ４０・・振動子、４１　出力端部、４２　被励振体、４
３・結合部、４４　入力端部、４７・出ツノ端部、６０
・・左右ねじ、６９・左右ねじ旨・ヘクー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　１、一端に出力端部が形成された振動子と一端に出力
   端部が形成され他端に入力端部が形成された被励振体と
   を設け、前記振動子の出力端部と前記被励振体の入力端
   部とを軸線上に位置してその変位方向と直角をなす線状
   又は帯状の結合部により結合したことを特徴とする超音
   波振動装置。 　２、結合部を線状あるいは帯状の凹凸部により形成し
   、これらを互いに加圧して結合したことを特徴とする請
   求項１記載の超音波振動装置。 　３、振動子の出力端部と被励振体の入力端部とを軸線
   上に位置する右ねじあるいは左右ねじにより結合したこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の超音波振動装置
   。