JPH0694081B2 - たわみ振動子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、超音波振動により刃物を切削方向に振動させ
て切削する旋盤、形削り盤などの超音波振動切削装置に
用いるのに適した超音波振動の発生源であるたわみ振動
子に関するものである。

従来の技術 超音波振動切削装置に用いられる振動子としては、振動
子自身でたわみ振動を発生するたわみ振動子が用いられ
ている。また、そのようなたわみ振動子は、その出力端
部での振動方向がその軸と直角方向に振動するため、超
音波ウエルダや超音波カツター等のように加工時に印加
する圧力と直角に振動させたい場合などにも、その機構
的な有利さからしばしば利用されている。

このようなたわみ振動子は、特開昭62−114478号公報に
より、また、それをを適用した超音波振動切削装置は特
開昭63−191501号公報により明らかなように、既に本出
願人によつて提案されている。

超音波振動切削装置に、そのようなたわみ振動子による
振動系を用いた一例を第６図ないし第10図に基づいて説
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枚の円環状の電歪素
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
２枚の電歪素子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７図に示すような
円環状のものとして説明したが、実施に当つては、第９
図に示すような一対の半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１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６図（ｂ）に示す振動分布のループ
部分L1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16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。

こ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６図（ｂ）に示すようにノードN1,N2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N2,N3部分に位置させて円錐状凹み19,20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つて図示しな
い指示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が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。

発明が解決しようとする課題 このようなたわみ振動子１の出力端部には、その目的に
応じて種々の工具が互換可能に取り付けられる。振動切
削に用いられるバイトホルダの例を第11図ないし第17図
に示す。

第11図乃至第13図に示すものは、は普通振幅の真剣バイ
ト22を銀ロウ接合したバイトホルダ23である。

第14図及び第15図に示すものは、同じたわみ振動子１か
らの駆動によつて大きな振幅で振動するスロウアウエイ
チツプ24を取り付けた高振幅用バイトホルダ25である。

第16図及び第17図に示すものは、ねじ切りバイト26を銀
ロウ接合した高振幅ねじ切りバイトホルダ27である。

これらのバイトホルダ23,25,27を用いてたわみ振動子１
を駆動したとき、バイト刃先は図中ほとんど上下方向に
直線状に共振振動する。

しかるに、さらにその厚みを薄くして大きい振幅で振動
させたり、特殊な形状としたバイトホルダでは、刃先の
振動が他の方向の共振と干渉し合つて、その振動姿態は
軸に直角な直線状ではなく、傾斜角が変化したり、円弧
状や楕円状を呈するようになる。

このような円弧状あるいは楕円状振動は、振動切削加工
によつては著しく有害であつて、ワークピースの加工表
面を荒すだけでなく刃先の摩耗やチツピングを増大させ
る原因となる。

つぎに、そのような有害振動姿態の発生原因について説
明する。

第13図に示すように、刃先正面より見て上下方向をＹ
軸、左右方向をＸ軸、前後方向すなわち振動子の縦方向
をＺ軸とすると、正常な振動状態ではＹ軸方向の振動の
みが直線状に振動しており、たわみ振動子１の駆動原理
に基いた振動分布を示す。

しかるに、それぞれの電歪素子4,5の特性やその寸法及
び金属材2,3の寸法的な精度などを考慮したたわみ振動
子１の構成から見ると、Ｙ軸方向に機構的な完全平衡が
得られないために、Ｙ軸方向のたわみ駆動によるＸ軸方
向の共振レスポンスをも併せ持ち、また、そのＸ軸共振
周波数はＹ軸のそれに近いところに存する。すなわち、
振動子１は断面円形のため、振動子１自身のX,Y軸共振
周波数はほとんど同一であり、バイトホルダを取り付け
たときにそのバイトホルダのX,Y軸の形状における差異
によつてのみそれぞれの共振周波数の違いが出てくる。

さらに、Ｙ軸方向たわみ駆動によるＺ軸方向すなわち縦
振動方向の共振レスポンスも発生する。これらの複合レ
スポンスにより刃先の振動は、それぞれのバイトホルダ
の駆動周波数において多様な振動姿態を描き出すのであ
る。

一般的に、Ｚ軸共振周波数とX,Y軸共振周波数とはたわ
み振動分布の次数を考慮すれば容易に離すことができる
ため、適確な設計によれば大きな問題となることは少な
い。しかし、X,Y軸共振レスポンスは、前述の様にバイ
トホルダの形状によつて直接左右されるものであり、バ
イトの必要な振動振幅によりＹ軸方向の厚みが決まる
と、X,Y軸共振周波数は必然的に決まつてくる。

一方、バイトホルダとしてはその振幅もさることなが
ら、真剣バイト、片刃バイト、ねじ切りバイト、平刃バ
イトさらに突つ切りバイトと多様な形状に対応しなけれ
ばならず、さらにスロウアウエイチツプの大きさも各種
あるため、すべての品種に対してX,Y軸の共振周波数を
離すことは非常に困難となる。

次に、X,Y軸共振レスポンスの相対的関係が、刃先の振
動方向にどのような影響を与えるかを考察してみる。

まず、それらがほとんど同一の周数となつたときのレス
ポンスを第18図に示す。Ｙ軸の共振レスポンスは、同図
（ａ）に示すように並列共振周波数faでは正常なＹ軸方
向のたわみ振動を発生するが、直列共振周波数frにおい
ては同図（ｂ）に示すＸ軸共振レスポンスの影響を受け
てそのレスポンスが割れ、振動姿態は著しく傾斜したり
楕円振動を発生する。次に、第19図に示すように、Ｘ軸
共振周波数がＹ軸のそれより低い場合は、fr,faともに
正常なたわみ振動を行なうので問題とはならない。

さらに、第20図に示すようにＸ軸共振周波数がＹ軸のそ
れより高い場合には、frでは正常な振動をするが、faに
おける共振特性が大きく乱れて第18図（ａ）におけるfr
と同様にその共振姿態は著しく乱れてしまう。

このように本来来のたわみ振動である目的のＹ軸駆動周
波数の近くに、Ｘ軸の直列共振レスポンスが存在する
と、その振動姿態はＸ軸の干渉を受けて異常な振動状態
となる。

課題を解決するための手段 電歪素子を含む振動系のたわみ振動方向のたわみ共振振
動の慣性質量と、前記たわみ振動方向と直交する方向の
たわみ共振振動の慣性質量とに、それぞれの軸方向の共
振レスポンスの干渉がなくなるように互いに差をつけ
た。そして、その手段としては、電歪素子の分割間隙を
広くしたり、電歪素子に連設された金属材に空洞あるい
は切り欠きを設けるようにした。

作用 空洞あるいは切り欠きを設けたり、電歪素子の分割間隙
を広くすることにより、一方向のたわみ共振周波数は、
それと直角方向のたわみ共振周波数に比べて低下してX,
Y軸共振周波数の差が拡大し、Ｙ軸共振レスポンスに対
するＸ軸共振レスポンスの干渉がなくなり正しいＹ軸方
向の振動姿態となる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図および第２図を参照して
説明する。前述の従来例に示した部分と同一部分は同一
符号を用い説明も省略する。本実施例は従来の例である
第６図のたわみ振動子１における金属材３を短くして金
属材30とするとともに金属材２の大径部を長くして金属
材31とし、金属材31の上下に丸穴32,33を設けてたわみ
振動子29としたものである。

丸穴32,33をＹ軸方向に設けたため、Ｙ軸のたわみ共振
周波数は第６図のたわみ振動子１に比べて大きく低下す
る一方、Ｘ軸のたわみ共振周波数は僅かに低下するのみ
となつて、X,Y軸の共振周波数の差は第２図に示すそれ
ぞれのレスポンスのように大きく拡大する。

このようなたわみ振動子29によれば、Ｘ軸方向に薄くＹ
軸方向に厚いバイトホルダを用いたときに、X,Y軸方向
の共振周波数の差は縮まつてＹ軸共振レスポンスはＸ軸
の干渉を受けるようになり、例えば、突つ切りバイトに
おいてはその形状に制限を受ける。

しかし、多用されるバイトホルダではＸ軸方向はそのま
まの幅とし、必要な大きさの振幅を得るためにＹ軸方向
に薄くするのが普通であり、したがつて、Ｙ軸の共振周
波数が下がつてＸ軸のそれとは差が大きくなる方向とな
るため、このタイプは最も好ましい構成である。

次に本発明の第二の実施例を第３図及び第４図を参照し
て説明する。第３図に示すたわみ振動子34は、第６図の
従来例におけるたわみ振動子１の金属材２および金属材
３の両側面を電歪素子4,5に接する部分を残して切り取
つて金属材35および金属材36としたものである。そのた
め、Ｘ軸方向の質量を切り取つたために、Ｘ軸の共共振
周波数は第６図のたわみ振動子１に比べて大きく低下す
ると共にＹ軸の共振周波数はほとんど変化しないため、
第４図に示すそれぞれのレスポンスのごとくＸ軸共振周
波数が低い方向にその差が開くものである。

このようなたわみ振動子によれば、Ｘ軸方向に厚く、Ｙ
軸方向に薄いバイトホルダを用いたときにその差が少な
くなつて干渉を受けるようになり、そのようなバイトホ
ルダである高振幅用バイトにおいてその形状に制限を受
ける。したがつて、かかる構造のたわみ振動子34は、比
較的低い振幅のバイトホルダに適用される。

次に、本発明の第三の実施例を第５図を参照して説明す
る。第５図に示すものは従来例の第９図と同様に電歪素
子4,5を分割したものであるが、その間隙を大きく構成
したものである。第６図において用いた第７図あるいは
第９図の電歪素子4,5に換えて本実施例のような第５図
の電歪素子37,38を用いると、それらの電歪素子37,38の
間隙が広くなつたためにＸ軸の共振周波数に比べてＸ軸
の共振周波数が低下してそれらの差は拡大する。これは
Ｘ軸方向の慣性質量が低くなつたためで、第二の実施例
と同様な効果が得られるものである。

以上の各実施例の説明から理解されるように、例えば、
Ｘ軸方向に丸孔を設けた金属材により分割間隙を広くし
た電歪素子を締着すると、一層X,Y軸共振周波数の差が
広がるというように、前述のそれぞれの実施例の組み合
わせによつてより大きな効果が発揮される。

また、振動切削装置におけるたわみ振動子の実施例を以
て説明したが、超音波振動をするウエルダやカツター等
のツールにおいても同様に実施される。すなわち、本発
明はＸ軸方向及びＹ軸方向のたわみ共振周波数を離すた
めに、どちらかの方向の金属材を切り取つたり、電歪素
子の分割間隙を広げてそれぞれの方向の慣性質量に差を
つけたことに特徴がある。その結果、Ｘ軸方向共振レス
ポンスの干渉による振動姿態の乱れに煩わされずに、多
様なツール（バイトホルダ）を使用することができる。

発明の効果 本発明は上述のように、電歪素子を含む振動系のたわみ
振動方向のたわみ共振振動の慣性質量と、前記たわみ振
動方向と直交する方向のたわみ共振振動の慣性質量と
に、それぞれの軸方向の共振レスポンスの干渉がなくな
るように互いに差をつけ、その手段としては、電歪素子
の分割間隙を広くしたり、電歪素子に連設された金属材
に空洞あるいは切り欠きを設けるようにしたので、一方
向のたわみ共振周波数は、それと直角方向のたわみ共振
周波数に比べて低下してX,Y軸共振周波数の差が拡大
し、Ｙ軸共振レスポンスに対するＸ軸共振レスポンスの
干渉がなくなり正しいＹ軸方向の振動姿態とすることが
できると云う効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一の実施例を示す縦断側面図、第２
図（ａ）（ｂ）はＸ軸方向とＹ軸方向との振動姿態を示
すグラフ、第３図は本発明の第二の実施例を示す斜視
図、第４図（ａ）（ｂ）はＸ軸方向とＹ軸方向との振動
姿態を示すグラフ、第５図は本発明の第三の実施例を示
す電歪素子の斜視図、第６図（ａ）（ｂ）は振動分布と
ともにたわみ振動子の従来の構造の一例を示す縦断側面
図、第７図は電歪素子の斜視図、第８図は電極板の斜視
図、第９図は電歪素子の他の形状を示す斜視図、第10図
は第９図に示した電歪素子を用いた斜視図、第11図はバ
イトホルダの側面図、第12図はその平面図、第13図はそ
の正面図、第14図はバイトホルダの他の例を示す側面
図、第15図はその平面図、第16図はバイトホルダのさら
に他の例を示す側面図、第17図はその平面図、第18図
（ａ）（ｂ）乃至第20図（ａ）（ｂ）に示すものはＸ軸
とＹ軸との共振レスポンスの状態を示すグラフである。 4,5,37,38……電歪素子、30,31,35,36……金属材

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電歪素子を含む振動系のたわみ振動方向の
   たわみ共振振動の慣性質量と、前記たわみ振動方向と直
   交する方向のたわみ共振振動の慣性質量とに、それぞれ
   の軸方向の共振レスポンスの干渉がなくなるように互い
   に差をつけたことを特徴とするたわみ振動子。
2. 【請求項２】電歪素子の分割間隔を広くしたことを特徴
   とする請求項１記載のたわみ振動子。
3. 【請求項３】電歪素子に連設された金属材に空洞あるい
   は切り欠きを設けて振動系のたわみ振動方向のたわみ共
   振振動の慣性質量と、前記たわみ振動方向と直交する方
   向のたわみ共振振動の慣性質量とに、それぞれの軸方向
   の共振レスポンスの干渉がなくなるように互いに差をつ
   けたことを特徴とするたわみ振動子。