JPH0373207A - 超音波回転加工装置 - 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 本発明は、歯科用バー等の切削具、金型加工用ローター
等の機械加工用切削具もしくは研削具などとして有用な
超音波回転加工装置に係り、特に、超音波振動子により
発生した複合振動によって回転するとともにたわみ振動
モードで超音波振動するツールをもつ超音波回転加工装
置に関する。

従来の技術 機械加工の分野では、高速回転する切削刃を先端に持つ
ツールによる切削加工や砥石を先端に設けたツールによ
る研削仕上げ加工等が行われている。これらの加工方法
においては切削や研削速度が大きいほど切れ味がよくな
るといわれている。

そのため、フライス盤やマシニングセンターの主軸チャ
ックに取り付けて高速回転するユニットや、小型のツー
ルをハンディタイプの電気モータに連動して操作するエ
ンジン、ロータや、エアータービンを取り付けたものな
どが数多く使用されており、このハンディタイプのもの
は歯科治療用としても同様に多用されている。

このような装置では、一般にツールの直径が細いために
切削・研削速度が遅く、電気モータによる駆動では、そ
の最大回転数に限界があるために、エアータービンによ
る超高速駆動用が開発され、その回転数は５０〜６０万
回転／分に至るものが見られる。特に、歯牙切削用とし
ては患者の疼痛や不快感を少しでも減らすために切削速
度を上げて切削抵抗を減らす努力がなされ、回転数の一
層の上昇が求められている。

このような高速化の方向に対して、超音波振動装置によ
って振動させた歯牙を切削することにより切削抵抗の低
減とともに無痛切削できるものが、例えば、特公昭６０
−２７２９８号公報（米国特許明細書第４４９６３２１
号）により知られている。また、回転するバー及びポイ
ントに縦あるいはねじりの超音波振動を重畳させた歯牙
切削装置は、特公昭３６−１９６５０号公報に見られる
。

一方、バイトに比較的高い周波数、好ましくは、超音波
周波数の振動を与えながら切削加工することにより切削
抵抗が著しく低下する振動切削理論に基づいた超音波振
動切削装置が金属加工分野で最近実用化されつつある。

そのような装置は、例えば本出願人により出願された特
願昭６２−１２４７２１号に見られる。

また、砥石に超音波周波数の振動を与えて回転加工する
ことにより研削抵抗が著しく低下することから、そのよ
うな加工方法がセラミックスなどの硬脆材の研削分野で
最近急速に実用化されている。

さらに一方では、超音波振動を用いて駆動する超音波モ
ーターが開発されている。これは、進行波あるいは定在
波により楕円振動する振動体にローター等の可動部を加
圧接合しているものであり、接合面の摩擦力によってロ
ーターが駆動されるものである。

そのような駆動に用いるのに好適な振動子とその駆動制
御方法は、例えば、本出願人により出願された特開昭６
２−１１４４７８号公報（米国特許明細書第４７２８８
４３号）に詳述されているものである。

発明が解決しようとする課題 前述のように、超音波振動を与えることは種々の利点を
有するものであり、例えば、回転させながら超音波周波
数で振動するツールによって加工することは、ツールを
高速回転させなくても切削抵抗や研削抵抗が低下して切
れ味が向上することになり効果的である。そのため、機
構的に無理な高速回転数を追及する必要がなく、信頼性
がよくなる。

しかして、回転しているツールを超音波振動させること
は、超音波振動発生ユニットである超音波振動子をツー
ルと共に回転させる必要がある。

また、発生ユニットに電力供給のフィーダーやスリップ
リングなどの給電装置と、ツールを含めた発生ユニット
とは共振振動しているので、振動障害を受けることなく
適切な剛性の高い回転支持を必要とする。そのため、機
構的に複雑となり、特にハンディな装置を得ることがで
きない。さらにツールは振動子とその振動系に銀ロウ接
合やネジ結合などによって緊密に固定されねばならない
ため、通常使用されるツールをそのまま互換性良く使用
することができない。

一方、比較的低速回転で大きなトルクを発生させること
ができるという特徴を持つ超音波モーターは、接合面の
摩耗などによる寿命の低下や、接合状態によるトルクの
不安定など多くの問題点を残している。

課題を解決するための手段 先端に切刃又は砥石が設けられたツールを回転自在に保
持し、このツールの円柱状の外周面にその接線方向成分
と径方向成分とよりなる複合振動をする超音波振動子の
出力端部を接合させた。

作用 超音波振動子は、接線方向成分と径方向成分とよりなる
楕円振動、円振動、傾斜振動、直線振動などの複合振動
をし、この超音波振動子の出力端部によりツールは駆動
され、その接線方向振動成分による回転力と径方向振動
成分による摩擦力とにより回転するとともに、その径方
向振動成分によりたわみ振動を励起されて刃先は超音波
振動する。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第３図に基づいて
説明する。まず、複合振動発生用超音波振動子ｌは、上
下に２分割された二個ずつの半円環状電歪素子２および
３を有し、これらの電歪素子２，３は、出力振幅を拡大
するためにその直径を変化させた一方の金属材７と他方
の金属材８とでサンドウィッチされて中心ボルト９によ
り堅く締着されている。

そして、それぞれの電歪素子２，３の素子間には、半円
環状の電極板４，５が挿入され、また、一方の電歪素子
２，３と金属材８との間には、接地されたアース側電極
板６が挿入されている。

しかして、発振器２０が設けられ、この発振器２０は縦
駆動増幅器２１と移相器２６とに接続されている。前記
縦駆動増幅器２１は整合用インダクタ２２を介してトラ
ンス２３に接続され、前記移相器２６はたわみ駆動増幅
器２７に接続され、このたわみ駆動増幅器２７は整合用
インダクタ２８を介してトランス２４に接続されている
。このトランス２４の二次巻線は、前記電極板４，５に
接続され、この二次巻線の中点２５は前記トランス２３
の二次巻線に接続されている。

つぎに、テーパ一部１６の先端に刃先１７が形成された
ツール１１が設けられ、このツール１１は二個ずつ対に
なったベアリング１２．１９によりその片側を保持され
、他側には前記金属材７の先端の出力端部１０が当接さ
れている。

このような構成において、第１図（ｂ　）（Ｃ’）に示
すものは、それぞれたわみ共振振動分布１３と縦共振振
動分布１４とである。そして、電極板４と５とに互いに
逆位相をもつ交流電圧を印加してその周波数を５次モー
ドのたわみ共振周波数に調節すると、第１図（ｂ）に図
示するようにたわみ振動が発生し、出力端部１０は軸と
直角に図中上下方向に大きく共振振動する。次に、電極
板４，５を並列接続して駆動電圧を縦共振周波数に調節
すると第１図（Ｃ）に図示するような振動分布を以て軸
方向に縦共振振動する。

しかして、たわみ及び縦共振周波数を一致させて構成さ
れた超音波振動子１において、電極４゜５に印加する駆
動電圧の相対位相を９０″とすると出力端部１０は矢印
１５に図示するように円環状振動を行う。そして、その
相対位相を一９０’に反転すると振動の回転方向が反転
する。それらの相対位相とそれぞれの駆動電圧の振幅を
調節することによって振動は楕円、円、傾斜楕円、傾斜
直線振動など多様な複合振動状態を呈する。

かかる振動子とその駆動制御方法については、前述のよ
うに既に本出願人が出願した特開昭６２−１１４４７８
号公報及び特開昭６２−１５２３７７号公報により公開
されており、そこに詳細に述べられている。

しかして、出力端部１０が当接されているツール１１は
、その振動姿態に応じて回転駆動される。

その振動姿態は、楕円など環状振動が好ましいが、傾斜
直線振動も適用できる事は勿論である。

第２図は、出力端部１０とツール１１を側面から見たも
ので、超音波振動子１の出力端部１０はたわみと縦の複
合により水平に楕円振動し、ツール１１の外周面に加圧
接合すると、４個のベアリング１２および１９により回
動自在に支持されたツール１１は出力端部１０との摩擦
により楕円振動の回転方向に沿って回転する。ここで、
出力端部１０の楕円振動は、ツール外周の接線方向であ
るたわみ振動と、ツール直径方向に振動する縦振動とに
より構成されている事は前述の通りである。

したがって、縦振動成分は出力端部１０とツール１１の
外周部との摩擦力を作り出し、たわみ振動成分はツール
１１の回転力を与える。同時に、縦振動成分は、本発明
の最も重要な特徴の一つであるもう一つの重要な作用を
行う。即ち、ツール１１の適宜な次数のたわみモードの
共振周波数に近い駆動周波数に振動子１を設定しておく
と、ツール１１は回転しながら出力端部１０の縦振動成
分によって第２図（ｂ）に示した分布１８の如く（本実
施例では第３次モード）たわみ振動を励起する。

そして、ツール１１を回動自在に支持するためのベアリ
ング１２．１９は、たわみ振動分布のノードに位置して
設けられ、ベアリング自身の超音波振動を極力少なくし
て摩耗や騒音を防いでいる。

又、出力端部１０のツール１１への接合位置は図の如く
ツール１１のたわみ振動分布のループ近くに設けるのが
好ましく、励起されたたわみ振動はツール１１のテーパ
一部１６により振幅が拡大されて刃先１７では切削に効
果的な大きさの振幅となる。刃先１７はツール軸中心に
回転する共に軸と直角に超音波振動して、低い切削抵抗
のもとて切削加工を行うことできる。

第３図に示すものは、超音波振動子１の効果的な駆動回
路の一つであり、本出願人により特開昭６２−２４７８
７０号公報（米国特許明細書第４７０５９８０号）とし
て既に出願されている。本回路の特徴は、たわみ振動成
分と縦振動成分のそれぞれの成分を独立して制御でき、
相対位相やそれぞれの成分の振幅は、互いに区別して取
り扱えるので、制御方法が簡明で制御しやすいことであ
る。しかして、発振器２０の信号出力は縦駆動増幅器２
１によって増幅され、さらに、その出力が整合用インダ
クタ２２を経てトランス２３の一次コイルに入力される
と、二次コイルによって変圧された出力は、トランス２
４の二次コイルの中点２５に接続されて電極４および５
に同相で印加される６一方発振器２０の信号出力の一部
は移相器２６によって９０°移相され、たわみ駆動増幅
器２７に入力される。その出力は整合用インダクタ２８
を経てトランス２４の一次コイルに入力されると、二次
コイルに発生した変圧され互いに位相の反転された出力
電圧が電極板４および５にそれぞれ印加される。たわみ
駆動増幅器２７の増幅度の制御によりたわみ振動成分を
大きくすると、第１図における出力端部１０の振動姿態
１５は、図中上下に細長い楕円振動となり、ツール１１
の回転速度が大きくなる。縦駆動増幅器２１の出力電圧
により縦振動成分を大きくすると、横に広い楕円振動と
なってツール１１の径方向への駆動力が大きくなり、ツ
ール１１は一層大きな振幅でたわみ振動する。

第８図はツール１１の刃先１７の一例で、僅かにねじれ
た６枚の刃からなっている。研削用ツールの場合は、刃
先１７に替えて回転砥石が取り付けられる。

実際の切削の一例を示す。すなわち、超音波振動子１の
共振周波数を６３．５Ｋｈｚ、たわみ振動振幅を５μｍ
Ｐ−Ｐ、縦振動振幅を縦振動性ｌ？ＩＰ−Ｐとして、長
さ２２［ＩＩ［Ｉｌ、直径２．３５−の歯牙切削用ツー
ル１１を駆動したところ、ツール１１は無負荷回転数７
２０Ｏｒｐｍで回転して第２図　（ｂ）のたわみ振動分
布となって、アルミ合金を刃先１７にあてると切り粉を
飛ばしながら強力に切削することができ、２００００ｒ
ｐｍで回転する通常の電気エンジンによる切削では刃先
が僅かに切れなくなると、表面を滑って切り込みにくい
状態であり、著しく効果の差が現われた。

本発明の第二の実施例を第４図乃至第６図に基づいて説
明する。前記実施例と同一部分は同一符号を用い、説明
も省略する。本実施例は、直交してたわみ振動する超音
波振動子３０によるものである。まず、超音波振動子３
０は４分割された電歪素子３１，３２．３３および３４
を間に電極板３５．３６，３７．３８（３８は図示され
ていない）を挟んで、振幅を拡大するため適宜の形状で
直径が縮小された一方の金属材３９と他方の金属材４０
とにより中心ボルト４１をもって堅く締着されている。

また、アース側電極４４を金属材４０と電歪素子３１，
３２．３３および３４との間に設ける。対向する電極板
３５と３７、および、３６と３８との各ペアーにそれぞ
れ逆相の、ペアー間の相対位相を９０’　としたたわみ
共振周波数の駆動電圧を印加すると、出力端部４２は直
角に交差するたわみ振動の合成によって出力端部４２側
から見た第４図（ｂ）の円振動４３を発生する。

出力端部４２の側面を、ベアリング１２．１９によって
回動自在に支持されたツール１１に加圧接合すると、ツ
ール１１は振動子出力端部４２の円振動４３によって回
転するとともに、たわみ振動を励起して第４図（Ｃ）の
ごとき振動分布でたわみ共振振動する。

第７図は直交たわみ振動する超音波振動子３０の駆動回
路で、発振器４５の信号出力は増幅器４６によって増幅
され、出カドランス４７により超音波振動子３０の水平
方向たわみ振動５１を駆動するために電極板３６および
３８に互いに逆位相の電圧が印加される。また、発振器
４５の信号出力の一部は移相器４８により９０’移相さ
れ増幅器４９により増幅されて出カドランス５０によっ
て超音波振動子３０の垂直方向たわみ振動５２を駆動す
るために電極板３５および３７に互いに逆位相の電圧を
印加する。

増幅器４９からの駆動は、ツール１１に対して径方向振
動成分となるため、摩擦力を与えると共にツール１１の
たわみ振動を励起する。増幅器４６からの駆動は接線方
向振動成分となるため回転力を与える。又、本実施例に
おいても第一の実施例と同じくツール外周の接線方向成
分と径方向成分とに分けて駆動することができるため、
刃先の回転速度と超音波振動とを個別に制御することが
できる。尚、発振器４５はＰＬＬなどによりフィードバ
ックをかけて超音波振動子３０の共振周波数を自動的に
追尾して発振することができる。

以上の実施例により理解されるように、ツール軸外周部
に対して接線方向と径方向成分を持つ複合振動を以て駆
動すれば駆動用振動子の種類を問わず同様に目的を達成
することができ、本出願人により既に出願された特開昭
６２−２３８１０１号公報（米国特許明細書第４８１２
６９７号）に述べられたねじり縦超音波振動子など他の
多くの種類の振動子を用いることもできる。上記実施例
におけるツールは、歯科用パーを例として説明したが、
研削工具や、ドリル・エンドミルなどの切削工具に適用
しても大きな効果が得られる。

このように本発明によれば簡単な構成により、切削・研
削抵抗の低減、不感性化切削効果などの振動切削効果と
、超音波モーターとしてのツールの回転駆動効果を十分
に発揮して切削加工することができる。即ち、楕円振動
などを発生する超音波振動子により超音波モーターとし
てツールを回転駆動するとともに、その駆動周波数をツ
ールのたわみ共振周波数付近に設定すると、ツールは回
転しながらたわみ振動することになり、切削時の切削抵
抗や研削時の研削抵抗が著しく低下するとともに刃の寿
命を増大させ、したがって、超音波モーターとしては必
要な回転トルクが少なくなつて接合面の摩擦負担が軽く
なる。そして、ポイント、バーなどのツールは、刃が切
れなくなったときを寿命としているスローアウェイであ
るから、ツール側接合面の摩擦寿命は刃の寿命より長く
、はとんど考慮する必要がない。また、ツールと振動子
とは直角あるいはそれに近い構造とすることもできるた
め、従来の電気エンジンやエアータービンなどと同様に
ハンドピースとして切削や研削に適した構成にまとめる
ことができる。

本発明を歯牙切削に適用すると、人間の疼痛感覚の周波
数特性の不感帯域の振動数による駆動によれば、不感性
化切削効果が大きく貢献して無痛切削ができる。

発明の効果 本発明は上述のように、先端に切刃又は砥石が設けられ
たツールを回転自在に保持し、このツールの円柱状の外
周面にその接線方向成分と径方向成分とよりなる楕円振
動、円振動、傾斜振動、直線振動などの複合振動をする
超音波振動子の出力端部を接合させたので、その接線方
向振動成分による回転力と径方向振動成分による摩擦力
とにより回転するとともに、その径方向振動成分により
たわみ振動を励起されて切刃又は砥石を超音波振動させ
ることができ、これにより、簡単な手段で効果的な加工
を行わせることができ、構造が簡単なため歯科用タービ
ンのような小型精密装置にも容易に適用することができ
、振動切削の特徴がツールに適用されて、切れ味や刃の
寿命の向上などとともに、不感性化切削効果により歯牙
の切削では無痛切削ができる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第一の実施例を示す平面図、第
１図（ｂ）はたわみ振動分布を示す分布図、第１図（Ｃ
）は縦振動分布を示す分布図、第２図（ａ）はその側面
図、第２図（ｂ）はたわみ振動分布を示す分布図、第３
図は駆動回路の回路図、第４図（ａ）は本発明の第二の
実施例を示す側面図、第４図（ｂ）はその正面図、第４
図（Ｃ）はたわみ振動分布を示す分布図、第５図は電歪
素子の斜視図、第６図は超音波振動子の一部の斜視図、
第７図は駆動回路の回路図、第８図はツールの一部の側
面図である。 ｌ・・・超音波振動子、１↓・・・ツール、１７・・・
刃先、３０・・・超音波振動子 出　願　人　　　多賀電気株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端に切刃又は砥石が設けられたツールを回転自在
   に保持し、このツールの円柱状の外周面にその接線方向
   成分と径方向成分とよりなる複合振動をする超音波振動
   子の出力端部を接合させたことを特徴とする超音波回転
   加工装置。 ２、たわみ振動と縦振動とをする超音波振動子であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波回転加工装置。 ３、直角に交差したたわみ振動する超音波振動子である
   ことを特徴とする請求項１記載の超音波回転加工装置。 ４、ねじり振動と縦振動とをする超音波振動子であるこ
   とを特徴とする請求項１記載の超音波回転加工装置。