JPH0379212A - 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
発生した単一方向振動によって駆動されるツールをもつ
超音波回転加工装置に関するものである。

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
上げ加工が行われている。それらは切削や研削速度が大
きいほど切れ味がよくなるので、フライス盤やマシニン
グセンターの主軸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、エアータービンに取り
付けたものなどが数多く使用されており、このハンデイ
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。

かかる装置では、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って
超高速駆動を行ないその回転数は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。

これら高速化の方向に対して、歯牙切削の分野では超音
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あり、
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
転するバーあるいはポイントに縦あるいはねじりモード
の超音波振動を重畳させた歯牙切削装置が特公昭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雇音波周波
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（米国特許出願第０７／１５２
１０３号）に見られる。

また、砥石に超音波周波数の振動を与えながら回転加工
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される超音波
モーターが開発されている。進行波あるいは定在波の楕
円振動する振動体にローター等の可動部を加圧接合する
ことにより、接合面の摩擦力によってローターが駆動さ
れる。

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 回転工具に超音波振動を作用させることにより、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。そのため、超音波振動を与えることにより、
機構的に無理な高速回転を行なわせることなしに信頼性
や加工能率の向上が図れる。然るに、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。

さらに、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を設けることと、発生ユニット
や振動系が振動障害を受けることなしに剛性の高い回転
支持を行なうことを必要とするので、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
にまた、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 先端に刃先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ツールの接線方向成分と径
方向成分とよりなる直線振動を行う超音波振動子の出力
端部を当接して駆動する。

作用 回動自在に支持されたツールは、超音波振動子の直線振
動の接線方向振動成分と径方向振動成分とによる摩擦力
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、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。

前記金属材７の出力端部１０は、ツール１１との摩擦に
よる摩耗を防ぐため超硬合金やサーメットなどで構成し
たり、高硬度材のコーティングが施されている。

このような構成において、電極板４と電極板５とに互い
に位相の逆な駆動電圧を与えて、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
するカーブ１３のように長さに沿ってたわみ振動が分布
し、出力端部１０はノードＮ１を中心としてたわみモー
ドで大きく共振振動する。第２図に出力端部１０を拡大
して示したが、その端面上の各点はそれぞれ振動方向を
異にする。即ち、中心軸線上の点１６では矢印１９のよ
うに軸に直角に振動するが、下端部１７では矢印２０の
ように傾斜し、また、上端部１８では矢印２１の如く矢
印２０とは逆に傾斜して振動する。従って、接合させる
位置により傾斜角度を選ぶことができる。図のように中
心より下がった位置にツール１１を接合させ、そのとき
の振動を矢印１５とすると、振動１５は第２図（ｂ）に
示すようにツール１１に対して接線方向成分２３と径方
向成分２２とに分けて考えることができる。ツール１１
とその接合部を側面から見たところを第３図に示す。出
力端部１０の振動１５によってたわみ振動のノード付近
をベアリング１２及び１４で回動自在に支持されたツー
ル１１は、前述のように回転とともに第３図（ｂ）のカ
ーブ２７に示すような第３次モードのたわみ振動で共振
し、刃先２５はツール１１に設けられたテーパ一部２６
によって拡大された振幅で振動する。

このような超音波振動子１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６３−２１４３８１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ものである。

二こで、出力端部ｌＯの接合部における直線振動１５は
、ツール１１の外周に対して接線方向成分２３と、径方
向成分２２とにより構成されていることは前述の通りで
ある。したがって、径方向成分２２は出力端＠１５１０
とツール１１の外周部との摩擦力を作り出し、接線方向
成分２３はツール１１に回転力を与える。同時に、径方
向成分２２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超
音波振動子１を設定しておき、ツール１１は回転しなが
ら出力端部１０の接合部の径方向成分２２によって第３
図（ｂ）に示した分布２７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および１４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。

なお、ベアリングとしては空気軸受けや磁気軸受けなど
の非接触軸受けを用いることもでき、そのときの支持位
置は振動分布に制約されないため機構上の自由度が大き
くなるとともに超音波振動の支持損失がなくなる。

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２７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２６により振幅が拡大されて刃先２５では切削
に効果的な大きさの振幅となる。刃先２５はツールの幅
中心に回転すると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ができる。

第４図に示すものは、バーと呼ばれているツール１１の
刃先２５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２５に替えて回転砥
石が取り付けられる。

しかして、振動子１のたわみ共振周波数を６３゜５Ｋｈ
ｚ、先端のたわみ振動振幅９μｍｐ−ｐとして、長さ２
２Ｍ、直径２．３５ｍｍ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１２００Ｏｒｐ
ｍで回転するとともに第３図（ｂ）に示すたわみ振動分
布となって、刃先２５をアルミ合金Ａ２０１７に当てる
と、振動で切り粉を激しく飛ばしながら強力に切削する
ことができ、２００００ｒｐｍで回転する通常の電気エ
ンジンによる切削では表面を滑って切り込みにくいのに
対して著しい切削効果の差が現われた。

本発明の第二の実施例を第５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。

まず、超音波振動子３０は一般的に広く用いられている
通常のランジュバンタイプのたて形振動子で、２枚の円
環状電歪素子３１と２枚の電極板３２を出力側金属材３
３とバック側金属材３４とで挾んで中心ボルト３５で一
体に堅く締着しである。２枚の電極板３２にたて振動の
共振周波数をもつ交流電圧を印加すると、その長さに沿
って第５図（ｂ）のカーブ４ｏのようにたて共振の振動
分布を示す。その出力端部３６は軸と直角面に対して傾
斜してカットされた接合面がツール１１と接合されてツ
ール１１の径方向に加圧される。出力端部３６の振動３
７は軸方向であり、ツール１１側から見た振動３７はツ
ール１１の法線に対して傾斜している。従って、振動３
７は接線方向成分３８と径方向成分３９とに分けて取り
扱うことができ、接線方向成分３８と径方向成分３９に
よってツール１１の回転駆動力を、径方向成分３９によ
って第一の実施例におけるツール１１のたわみ振動と同
様な振動が励起され、その側面から見たところは第３図
と同様である。

このような実施例による説明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直
線振動を以て駆動すれば駆動用振動子の種類を問わずね
じり振動子などによっても同様に目的を達成することが
できる。上記実施例におけるツールは、歯科用バーを例
として説明したが、ドリル・エンドミルなどの切削工具
や回転砥石を持つ研削工具に適用しても大きな効果を得
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・研削加工することができる。即ち、単
一方向振動する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、加工時の切削抵抗や研
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
少なくなっ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り、ツール側接合面
の摩耗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、構造が簡単であり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ができるため、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、先端に刃先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直線振動を行う
超音波振動子の出力端部を当接して駆動することができ
、また、ツールは回転運動と共にたわみ振動を励起して
振動切削や振動研削を行ない簡単な手段で効果的な加工
を行うことができ、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できるし、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、歯牙の切削では不感性化切削効果により
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２図（ａ
）は超音波振動子の出力端部を拡大しツールとの関係を
示した平面図、第２図（ｂ）はベクトル図、第３図（ａ
）は側面図、第３図（ｂ）はたわみ振動分布を示す分布
図、第４図はツールの一部の側面図、第５図（ａ）は本
発明の第二の実施例を示す平面図、第５図（ｂ）はたて
振動分布を示す分布図である。 １・・・超音波振動子、１１・・・ツール、２５・・・
刃先、３０・・・超音波振動子 Ｊｌ　、３図 （ｂ） （ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、先端に刃先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接線方向成分と径方向
   成分とよりなる単一方向に振動する超音波振動子の出力
   端部を当接したことを特徴とする超音波回転加工装置。 ２、先端に刃先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たわみ共振振動する超
   音波振動子の出力端部を当接したことを特徴とする超音
   波回転加工装置。 ３、先端に刃先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たて共振振動する超音
   波振動子の出力端部を当接したことを特徴とする超音波
   回転加工装置。