JPH0373201A - 振動加工装置 - 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］ この発明は、各種機械加工時に超音波振動を利用する振
動加工装置に関するものである。

［従来技術］ 近年、様々な機械加工時に、超音波振動を利用すること
によって、加工効率及び仕上げ精度を向上させ得る振動
加工（振動切削、振動研磨等）が注目されている（例え
ば、特開昭５０−６１７６７号公報〉。

［発明が解決しようとする課題］ ところが、温度変化や負荷変化に拘らず振動子を常にそ
の共振周波数で駆動するためには、振動状態を検知し得
るセンサを外部に付加する必要があり、構造が複雑で装
置全体が大型化する問題があった。

この発明の目的は、簡単な構造にて振動子を常にその共
振周波数で駆動することができる振動加工装置を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は、振動子を振動するための振動源となる積層
型圧電アクチュエータと、前記積層型圧電アクチュエー
タとともに積層され、当該積層型圧電アクチュエータの
動作を検出する圧電素子と、前記積層型圧電アクチュエ
ータに印加する信号の周波数を調整する周波数調整手段
と、前記周波数調整手段による前記積層型圧電アクチュ
エータへの印加信号と、前記圧電素子の検出信号の位相
差を検出する位相差検出手段と、前記位相差検出手段に
て検出した位相差を予め求めた振動子の共振点での位相
差に一致させるべく前記周波数調整手段を制御して前記
積層型圧電アクチュエータに印加する信号の周波数を変
更させる制御手段とを備えた振動加工装置をその要旨と
するものである。

［作用］ 位相差検出手段は周波数調整手段による積層型圧電アク
チュエータへの印加信号と、積層型圧電アクチュエータ
とともに積層された圧電素子からの検出信号との位相差
を検出し、制御手段は位相差検出手段にて検出した位相
差を予め求めた振動子の共振点での位相差に一致させる
べく周波数調整手段を制御して積層型圧電アクチュエー
タに印加する信号の周波数を変更させる。

［実施例コ 以下、この発明を具体化した一実施例を図面に従って説
明する。

本実施例の振動加工装置は砥石（あるいは刃具）を振動
させるための装置であり、第２図には振動子を示す。第
２図において、有蓋円筒状のハウジング１内には積層型
圧電アクチュエータ２が′収納され、ハウジング１の開
口部にはキャップ３が螺入されている。積層型圧電アク
チュエータ２は厚さ約Ｑ、５ｍｍの圧電素子が数十枚積
層されている。

又、ハウジング１内にはキャップ３を貫通するロッド４
が配設され、このロッド４の基端は中空円筒形状になっ
ている。ハウジング１内に６けるロッド４の中空部４ａ
には金属片５，６を介して積層型圧電アクチュエータ２
の一端が当接している。又、ハウジング１内における積
層型圧電アクチュエータ２の他端には圧電素子７が積層
型圧電アクチュエータ２の各素子とともに積層され、圧
電素子７は金属片８．９．１０を介してハウジング１の
底面と当接している。この圧電素子７は、積層型圧電ア
クチュエータ２の振動状態を検出するセンサとして機能
する。積層型圧電アクチュエータ２及び圧電素子７はリ
ード線１１にて外部と電気接続されている。尚、各金属
片５．６，８゜９．１０は平滑に形成されており、積層
型圧電アクチュエータ２及び圧電素子７と面接触してい
るので積層型圧電アクチュエータ２及び圧電素子７が点
接触して破損されるのを防止している。

又、ハウジング１内におけるロッド４とキャップ３との
間には皿バネ１２がスペーサ１３．１４を挟んで設けら
れ、この皿バネ１２により積層型圧電アクチュエータ２
に戻し力（収縮力〉を付与するとともに積層型圧電アク
チュエータ２及び圧電素子７の各素子の間の隙間を無く
す力を付与している。さらに、スペーサ１３．１４の厚
みの調整にて積層型圧電アクチュエータ２及び圧電素子
７に作用させる皿バネ１２の付勢力を調整することがで
きる。ロッド４の先端部には砥石（あるいは刃具）１５
が螺着され、積層型圧電アクチュエータ２の変位がこの
ロッド４により拡大されて砥石（あるいは刃具）１５に
伝えられるようになっている。

又、圧電素子を積層した積層型圧電アクチュエータ２は
、各圧電素子が電気的に並列接続されている。この積層
型圧電アクチュエータ２に交流の電圧が印加され、金属
片５，６、ロッド４、スペーサ１３は積層型圧電アクチ
ュエータ２及び皿バネ１２の伸縮に伴って軸方向にカロ
振される。そして、積層型圧電アクチュエータ２に印加
する電圧の周波数が振動子の共振周波数に一致すると、
砥石（あるいは刃具〉１５が装着されているロッド４の
先端では積層型圧電アクチュエータ２の変位が拡大され
て振動する。共振周波数におけるロッド４内の変位分布
を第３図に示す。この共振周波数はロッド４と砥石（あ
るいは刃具）１５の材質及び形状によって決まるもので
ある。

第１図は振動子を常にその共振周波数で駆動するための
回路を示す。又、第４図にその具体的回路構成を示す。

この回路は、波形整形回路１６．１７と、位相差検出手
段としての位相差・電圧変換回路１８と、制御手段とし
ての制御回路１９と、周波数調整手段としての電圧・周
波数変換回路２０と、増幅回路２１と、指令電圧設定回
路２２とから構成されている。

波形整形回路１６は積層型圧電アクチュエータ２への印
加信号（電圧印加の信号〉を入力してその信号の交流成
分のみを検出するものであり、オペアンプ２３．２４と
抵抗２５〜２７とコンデンサ２８とから構成されている
。そして、波形整形回路１６は正電位の入力に対しハイ
レベルの、又、負電位の入力に対しローレベルの矩形波
に変換する。同様に、波形整形回路１７は圧電素子７の
出力信号を入力しその信号の交流成分のみを検出するも
のであり、オペアンプ２９．３０と抵抗３１〜３３とコ
ンデンサ３４とから構成されている。

そして、波形整形回路１７は正電位の入力に対しハイレ
ベルの、又、負電位の入力に対しローレベルの矩形波に
変換する。

位相差・電圧変換回路１８は波形整形回路１６゜１７か
らの入力波形の位相差に応じた電圧を出力するものであ
り、排他的論理和回路３５と抵抗３６とコンデンサ３７
から＠威されている。そして、排他的論理和回路３５の
出力電圧は、波形整形回路１６．１７からの入力波形の
位相差が「Ｏ」の場合はローレベル信号を、又、位相差
が「１８０°」の場合はハイレベル信号を、さらに、位
相差がｒ９０”　Ｊの場合は５０％デユーティの信号を
出力する。

制御回路１９は位相差・電圧変換回路１８からの信号と
指令電圧設定回路２２からの信号を入力し、その入力信
号の差に応じて補正動作を行うものであり、オペアンプ
３８．３９と抵抗４０〜４４とコンデンサ４５とから構
成されている。つまり、オペアンプ３９に位相差・電圧
変換回路１８からの位相差に応じた電圧と指令電圧設定
回路２２からの電圧が入力されて、両者の差をｒＯＪと
するための出力レベルが設定される。尚、オペアンプ３
８と抵抗４０にてインピーダンス変換のための回路が形
成されている。

電圧・周波数変換回路２０は制御回路１９からの信号を
入力して、入力電圧に応じて出力パルスの周波数を変更
する。この電圧・周波数変換回路２０はタイマＩＣ４６
と抵抗４７とコンデンサ４８．４９とから構成されてい
る。増幅回路２１は電圧・周波数変換回路２０からの信
号を入力して入力パルスを増幅する。この増幅回路２１
はトランジスタ５０〜５３と抵抗５４〜６０とから構成
されている。指令電圧設定回路２２は予め振動子の共振
点での積層型圧電アクチュエータ２の印加信号と圧電素
子７の検出信号との位相差に応じた指令電圧を設定する
ためのものであり、抵抗６１゜６２とコンデンサ６３か
ら構成されている。

次に、振動子を常にその共振周波数で駆動するための振
動加工装置の作用を説明する。

積層型圧電アクチュエータ２とともに積層された圧電素
子７の出力と積層型圧電アクチュエータ２に印加される
電圧との位相関係は、共振周波数付近において第５図の
ように変化する。又、本実施例においては、共振周波数
において両者の位相は９０’のずれを有していることが
予め実験的に求められており、この位相差は温度あるい
は負荷が変動してもほぼ一定である。この位相関係を利
用して振動子を常にその共振周波数で駆動することがで
きる。そして、指令電圧設定回路２２の出力電圧は基準
電圧ＶＣＣの１７２の値になるように設定されている。

まず、電圧・周波数変換回路２０の出力信号は増幅回路
２１にて増幅されて積層型圧電アクチュエータ２に印加
される。尚、積層型圧電アクチュエータ２への印加電圧
は本実施例では正弦波としているが、ＣＲの充放電波形
等でもよい。

この電圧の印加にてｆＩ層型圧電アクチュエータ２が伸
縮動作するが、この動作に伴い圧電素子７からの出力信
号（電圧）も変化する。この圧電素子７の出力及び積層
型圧電アクチュエータ２への印加電圧が波形整形回路１
６．１７に入力される。

そして、波形整形回路１６．１７にて両波形は矩形波に
変換された後、位相差・電圧変換回路１８において両者
の位相差に応じた直流電圧に変換される。このとき、振
動子が共振周波数で駆動している場合は両波形の位相差
が９０°となり、排他的論理和回路３５の出力がデユー
ティ５０％となるため位相差・電圧変換回路１８の出力
は基準電圧ｙｃｃの１７２の値になる。

そして、制御回路１９において位相差・電圧変換回路１
８の出力電圧と指令電圧設定回路２２の出力電圧の差に
応じて振動子の共振点での積層型圧電アクチュエータ２
の駆動を行なわせるべく出力電圧が補正される。この制
御回路１９の補正動作に伴い電圧・周波数変換回路２０
．増幅回路２１を介して積層型圧電アクチュエータ２に
印加する電圧の周波数が補正され、振動子の共振周波数
に一致される。つまり、振動子が共振周波数で駆動して
いる場合は、指令電圧設定回路２２の出力電圧と位相差
・電圧変換回路１８の出力電圧がともに基準電圧ｙｃｃ
の１／２の値となり両者が一致して制御回路１９の出力
は変化しない。

例えば、積層型圧電アクチュエータ２の駆動周波数が第
５図中、ａ点のように振動子の共振周波数より高い場合
、位相差・電圧変換回路１８の出力電圧は第６図中、ａ
点に示すように、共振時の出力電圧（＝ＶＣＣ／２）よ
り低い。この場合には、位相差・電圧変換回路１８の出
力電圧が指令電圧（＝Ｖｃｃ／２＞より低くなるので、
駆動周波数を下げるように制御回路１９が動作して位相
差・電圧変換回路１８の出力を高くして、ついには共振
周波数で釣り合うことになる。

尚、本実施例では、第５図において、始動時から共振周
波数よりも大きな周波数で積層型圧電アクチュエータ２
に電圧を印加して、第５図において特性線りの右側の領
域Ｚを用いるようになっている。

このように本実施例は、ハウジング１内に振動子を振動
させるための振動源となる積層型圧電アクチュエータ２
を配置するとともにハウジング１内に圧電索子７を積層
型圧電アクチュエータ２とともに積層し、電圧・周波数
変換回路２０（周波数調整手段）にて積層型圧電アクチ
ュエータ２に印加する信号（電圧）の周波数を調整でき
るようにした。そして、位相差・電圧変換回路１８（位
相差検出手段）にて電圧・周波数変換回路２０による積
層型圧電アクチュエータ２への印加信号と、圧電素子７
の検出信号の位相差を検出してその位相差に応じた電圧
に変換し、制御回路１９（制御手段〉によりこの位相差
に応じた電圧を指令電圧設定回路２２による予め求めた
振動子の共振点での位相差に応じた電圧に一致させるべ
く電圧・周波数変換回路２０を制御して積層型圧電アク
チュエータ２に印加する信号（電圧）の周波数を変更す
るようにした。

その結果、振動状態を検知し得るセンサを外部に取付け
るのではなく、圧電素子７を積層型圧電アクチュエータ
２とともに積層し振動子を常にその共振周波数で駆動す
るようにしたので、簡単な構造にて振動子を常にその共
振周波数で駆動することができることとなる。又、積層
型圧電アクチュエーター２を用い各圧電素子を並列接続
したので、低い電圧にて大きな変位を得ることができる
。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、
例えば、振動子は第７図に示すように、第２図における
皿バネ１２の代りにスベーナ６４を配置し、ハウジング
１とキャップ３による付勢力を積層型圧電アクチュエー
タ２に付与する構成としてもよい。この際、積層型圧電
アクチュエータ２の伸縮に伴ってハウジング１も伸縮す
ることになるが、ロッド４での変位拡大作用は第３図の
振動子と同様である。又、ハウジング１をスリットスプ
リング構造とし、付勢力を付与するようにしてもよい。

さらに、第２図において圧電素子７は、ロッド４側ある
いは積層型圧電アクチュエータ２内に積層して配置して
もよい。ざらには、第４図において、圧電型圧電アクチ
ュエータ２の増幅回路２１は、抵抗５９．６０の代りに
インダクタを通して充放電する構成、あるいはトランス
を用いる構成としてもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したようにこの発明によれば、簡単な構造にて
振動子を常にその共振周波数で駆動することができる優
れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の振動加工装置の電気ブロック図、第２
図は振動子の断面図：第３図はロンドの振動を示す図、
第４図は振動加工装置の電気回路図、第５図は周波数と
位相差の関係を示す図、第６図は位相差と位相差・電圧
変換回路の出力電圧の関係を示す図、第７図は別例の振
動加工装置の振動子の断面図である。 ２は積層型圧電アクチュエータ、７は圧電素子、１６は
波形整形回路、１７は波形整形回路、１８は位相差検出
手段としての位相差・電圧変換回路、１９は制御手段と
しての制御回路、２０は周波数調整手段としての電圧・
周波数変換回路、２１は増幅回路、２２は指令電圧設定
回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、振動子を振動するための振動源となる積層型圧電ア
   クチュエータと、 前記積層型圧電アクチュエータとともに積層され、当該
   積層型圧電アクチュエータの動作を検出する圧電素子と
   、 前記積層型圧電アクチュエータに印加する信号の周波数
   を調整する周波数調整手段と、 前記周波数調整手段による前記積層型圧電アクチュエー
   タへの印加信号と、前記圧電素子の検出信号の位相差を
   検出する位相差検出手段と、前記位相差検出手段にて検
   出した位相差を予め求めた振動子の共振点での位相差に
   一致させるべく前記周波数調整手段を制御して前記積層
   型圧電アクチュエータに印加する信号の周波数を変更さ
   せる制御手段と を備えたことを特徴とする振動加工装置。