KR20180067551A - 란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법 및 초음파 가공 방법과 초음파 송신 방법 - Google Patents

Abstract

(과제) 란쥬반형 초음파 진동자를 사용하여, 신규 진동 모드의 왕복 운동의 초음파 진동을 여기하는 방법과 이 신규 초음파 진동을 이용하는 초음파 가공 방법 및 초음파 송신 방법을 제공한다.
(해결 수단) 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를 준비하고, 이 초음파 진동자를 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 후, 초음파 진동자의 압전 소자에, 소정의 주파수를 갖는 전압을 인가함으로써, 초음파 진동자에, 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 진동자 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동의 초음파 진동을 여기시키는 방법, 그리고 이 초음파 진동자의 진동 여기 방법을 이용하는 초음파 가공 방법 및 초음파 송신 방법.

Description

란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법 및 초음파 가공 방법과 초음파 송신 방법

본 발명은, 란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 관한 것으로, 특히 신규 진동 모드의 초음파 진동의 여기 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 란쥬반형 초음파 진동자의 신규 진동 모드의 초음파 진동을 이용하는 초음파 가공 방법 및 초음파 송신 방법에 관한 것이다.

압전 소자를 초음파 발생원으로서 이용하는 초음파 진동자는 각종 구성을 갖는 것이 알려져 있지만, 그 대표적인 구성으로서, 1 쌍의 금속 블록과 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자로 구성된 란쥬반형 초음파 진동자가 알려져 있다. 그 중에서도, 분극 처리가 완료된 압전 소자를 1 쌍의 금속 블록의 사이에서 볼트에 의해 접속시키고, 고압으로 단단히 조여 고정시킨 구조의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자는 고에너지의 초음파 진동의 발생이 가능하기 때문에, 각종 재료의 절삭 가공, 소성 가공, 지립 (砥粒) 가공 등을 실행하기 위한 공구에 부설하여 사용하는 초음파 가공에서의 이용이 검토되고 있다. 또한, 각종 초음파 진동자에 대해서는, 그 초음파 진동자에서 발생하는 초음파 진동을 진동판이나 진동 수단을 통해서 송신하는 것에 의한, 초음파 세정, 금속 접합, 플라스틱 용착, 초음파 박무화, 유화·분산 등의 초음파 처리의 용도, 그리고 어군 탐지기 등의 수중 음향기 (소나), 초음파 탐상기, 의료용 에코 진단 장치, 유량계 등의 통신적 응용 기기에 대한 이용이 검토되고, 많은 분야에서 실제로 사용되고 있다.

볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자를 포함하는 각종 초음파 진동자의 구성은 이미 알려져 있지만, 확실히 하기 위해서, 대표적인 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 구성과 그 이용 형태의 일례를 첨부한 도 1 과 도 2 를 참조하여 이하에 간단히 설명한다.

도 1 은, 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 대표적인 구조의 예를 나타내는 도면이다. 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 는, 1 쌍의 금속 블록 (2a, 2b) 의 사이에 분극이 완료된 압전 소자 (예 : PZT 등의 압전 세라믹판) (3a, 3b) 를 끼우고, 볼트 (4) 를 사용하여 금속 블록 (2a, 2b) 을 서로 단단히 조인 구조를 갖는다. 도 1 에 있어서, 압전 소자에 기입되어 있는 화살표시는 분극 방향을 나타낸다. 또, 압전 소자 (3) 에는, 전기 에너지를 인가하기 위한 단자로서 이용하는 전극편 (통상적으로는 인청동 등의 전극편을 사용한다) (5a, 5b) 이 접속되어 있다.

도 2 는, 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자를 초음파 진동원으로서 사용하는 초음파 연삭 가공 장치 (연마기) 의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 2 에 있어서, 초음파 연삭 가공 장치 (10) 는, 하우징 (11) 내에, 하단부에 혼 (12) 을 개재하여 접속된 연마 도구 (13) 를 구비한 초음파 진동자 (1) 를 수용하고, 이 초음파 진동자 (1) 를 베어링 (14) 에 의해 회전 가능하게 지지하고 있다. 초음파 진동자 (1) 의 회전은, 서보 유닛 (15) 에 접속된 교류 스핀들 모터 (16) 에 의해 구동된다. 도 2 의 장치에서는, 초음파 진동자 (1) 의 초음파 진동을 위한 전기 에너지는, 외부에 형성한 전기 에너지 공급원 (17) 에 접속되어 있는 카본 브러쉬와 슬립 링으로 구성되어 있는 접촉형 급전 장치 (18) 를 통해서 공급된다.

초음파 가공 장치에 있어서 각종 공구에 초음파 진동을 부여함으로써 기대되는 효과는, 당해 공구에 의한 가공 작업에 필요한 전기 에너지의 절감이나 가공 정밀도의 향상 등이지만, 지금까지 제조되어 실제 가공 작업에 사용되어 온 초음파 가공 장치에서는, 그 기대된 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 그래서 현재 시점에서는 초음파 가공 장치의 보급은 충분히 진행되고 있다고는 할 수 없다. 따라서, 초음파 가공의 더나은 보급을 진행시키기 위해서는, 초음파 가공 작업의 실시에 있어서 초음파 진동자의 진동의 여기를 위해 필요한 전기 에너지량을 저감을 실현시키고, 또한 충분한 가공 정밀도의 향상이 얻어지는 개량이 필요하다.

본 발명의 발명자는, 지금까지 초음파 진동자의 진동의 여기에 필요한 전기 에너지량에 걸맞는 가공 정밀도의 향상을 기대할 수 있는 다양한 초음파 진동자의 개량 발명을 안출하여, 특허출원을 실시해 왔다. 예를 들어, 그들 개량 발명 중에서 최근의 발명으로는 특허문헌 1 에 개시되어 있는 발명을 들 수 있다.

특허문헌 1 에는, 공구와 초음파 진동체의 진동 복합체를 높은 안정성으로 지지하고, 또한 초음파 진동체에 있어서 발생하는 초음파 에너지의 그 진동 복합체의 지지체 (고정 지지체) 로의 누출을 낮은 레벨로 억제함으로써 진동 에너지의 공구로의 높은 효율에서의 인가를 가능하게 하는 지지 구조로서, 공구를 구비한 초음파 진동체에 플랜지를 부설하고, 플랜지의 편측면을, 별도로 준비한 고정체에 형성한 플랜지 지지면에 응력을 가한 상태로 접촉시킴으로써 걸어맞춤 지지하는 지지 구조 (단, 초음파 진동체의 플랜지는, 고정체의 플랜지 지지면에는 접합되지 않고, 또한 고정체의 지지면에 접촉되어 걸어맞춤 지지된 초음파 진동체의 플랜지는, 그 초음파 진동체가 진동 상태에 있을 때에는 플랜지의 두께 방향으로 초음파 진동하는 구조로 된다) 가 개시되어 있다.

국제 공개 WO 2014/017460 A1

특허문헌 1 에 기재된 새로운 초음파 진동자의 지지 구조를 이용하는 초음파 가공 장치에 의해, 종래 알려져 있던 구조의 초음파 진동자를 사용하는 초음파 가공 장치의 문제점에 대해서는 적지 않은 해결이 보였다. 그러나, 특허문헌 1 에 기재된 초음파 진동자의 지지 구조를 이용한 초음파 가공 장치에 대해서도, 실용적으로 충분히 만족할 수 있는 레벨의 전기 에너지의 필요량의 삭감과 가공 정밀도의 향상이 얻어지지 않았다.

따라서, 본 발명의 과제는, 실용적으로 충분히 만족할 수 있는 레벨의 전기 에너지의 필요량의 삭감과 가공 정밀도의 향상을 모두 실현시킬 수 있는 초음파 가공에 적합한 초음파 진동자의 구조와 초음파 진동자의 진동의 여기 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 발명자는, 특허문헌 1 에 기재된 초음파 진동자의 지지 구조의 개량을 목적으로 하여, 새롭게 초음파 진동자에 있어서의 초음파 진동 발생의 메커니즘의 검토를 행하였다. 그리고 그 검토시에, 초음파 진동자를 강고하게 지지하는 구조의 모델로서 도 3 에 나타내는 지지 구조를 안출하였다. 즉, 도 3 의 지지 구조에서는, 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 를 조립할 때에, 우선, 전방측에 배치하는 금속 블록 (일반적으로 「프론트 매스」로 불린다) (2b) 의 상측단부 주위에 고리형 지지 프레임체 (6) 를 금속 블록과 일체로 하여 형성하고, 이 프론트 매스 (2b) 와 후방측에 배치하는 금속 블록 (일반적으로 「리어 매스」로 불린다) (2a) 의 사이에 분극 처리가 완료된 평판형 압전 소자 (3a, 3b) 를 볼트 (4) 로 단단히 조여 고정시켰다. 그리고, 이와 같이 구성한 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 를 준비한 후에, 고리형 지지 프레임체 (6) 의 가장자리부를, 수나사를 구비한 하우징 (11) (이 하우징 자체가 도시되지 않은 지지 구조체인 기대 (基臺) 에 접속되어, 고정되어 있다) 과 암나사를 구비한 너트 (7) 의 끼워 맞춤 구조에 의해 걸어 맞춰 구속 고정시켰다. 또, 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 의 압전 소자 (3) 로의 전기 에너지의 공급은, 하우징 (11) 에 형성한 구멍을 통해서, 하우징의 외부에 형성한 초음파 발진 회로 (8) 로부터 미리 정한 주파수를 갖는 전압을 인가하도록 하였다.

이어서, 도 3 에 나타낸 지지 구조로 지지 고정시키는 초음파 진동자로서, 그 진동 특성을 실험에 의해 관찰하기 위해서, 도 4 에 나타낸 형상과 사이즈 (단위 : ㎜) 의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 를 제작하였다. 도 4 의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자 (1) 는, 분극 처리가 완료된 평판형 압전 소자 (PZT 압전 소자) (3a, 3b) 를 스테인리스 스틸제 리어 매스 (2a) 와 마찬가지로 스테인리스 스틸을 재료로 하여 고리형 지지 프레임체 (6) 와 함께 일체적으로 성형한 프론트 매스 (2b) 의 사이에 배치하고, 마찬가지로 프론트 매스 (2b) 와 일체적으로 성형한 볼트 (4) 로 단단히 조여 고정시키는 구성으로 하고 있다. 그리고, 프론트 매스 (2b) 의 하부에는 공구를 장착한 콜릿을 끼어 넣기 위한 테이퍼형 오목부를 형성하였다.

도 4 에 나타낸 형상과 사이즈를 갖는 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 초음파 진동 특성을 실험에 의해 관찰하기 위해서, 우선 임피던스 애널라이저를 사용하여 초음파 진동자를 비구속으로 한 상태에서의 주파수 특성을 측정하고, 이어서, 동일한 초음파 진동자를, 도 3 에 나타낸 지지 구조로 지지 고정 (구속) 한 상태로 하여 동일하게 주파수 특성을 측정하였다. 도 4 의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 비구속 상태에서의 주파수 특성을 나타내는 어드미턴스 곡선을 도 5 에, 그리고 도 3 에 나타낸 지지 구조로 구속한 상태에서의 주파수 특성을 나타내는 어드미턴스 곡선을 도 6 에 나타낸다.

도 5 의 어드미턴스 곡선으로부터 알 수 있는 바와 같이, 측정 대상의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자는, 비구속 상태에서는 42.125 KHz 의 주파수 위치에 하나의 어드미턴스 피크가 나타난다. 이 어드미턴스 피크의 주파수 (42.125 KHz) 는, 비구속 상태에 있는 도 4 의 초음파 진동자의 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수인 것으로 이해된다.

한편, 도 6 의 구속 상태의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 어드미턴스 곡선에는, 도 5 의 어드미턴스 곡선에서 보인 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수에 가까운 주파수 (44.375 KHz) 에 하나의 어드미턴스 피크가 나타나고, 또한 그 어드미턴스 피크의 주파수보다 저주파수측의 영역인 24.250 KHz 의 주파수 위치에, 상기 공진 주파수에 있어서의 어드미턴스 피크보다 약간 작은 어드미턴스 피크가 나타나는 것이 판명되었다.

도 6 의 어드미턴스 곡선에서 나타난 2 개의 어드미턴스 피크의 존재는, 어느 주파수여도, 측정 대상의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 초음파 진동의 여기가 가능한 것을 의미하는 것으로 이해된다. 즉, 그들 2 개의 주파수는 모두 초음파 진동의 여기를 가능하게 하는 공진 주파수에 상당하는 것으로 생각될 수 있다. 본 발명자는 이들 2 개의 서로 다른 주파수 위치에 나타나는 어드미턴스 피크의 존재에 주목하여, 도 6 의 어드미턴스 곡선으로부터 판명된 2 개의 공진 주파수에 근사한 주파수를 갖는 전압을, 도 3 에 나타낸 구속 조건에 있는 도 4 의 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자에 인가하여, 초음파 진동을 여기시키고, 진동 하에 있는 리어 매스 (2a) 의 상단면의 세로 방향의 진동 변위량을 레이저 도플러 진동계에 의해 측정하였다.

레이저 도플러 진동계를 사용한 상기 프론트 매스 (2b) 하단면의 세로 방향의 진동 변위량의 측정 결과에 따르면, 도 6 의 상대적으로 큰 고주파수측의 어드미턴스 피크의 주파수에 근사한 주파수 (43.86 KHz) 의 전압을 인가함으로써 초음파 진동 (이른바 세로 1 차 진동) 을 여기시킨 초음파 진동자의 프론트 매스의 2b 하단면의 진동 변위량은 약 33 ㎛ 이며, 그 초음파 진동에 필요로 하는 전력은 약 3.5 W 인 것이 판명되었다. 이에 비해, 도 6 의 상대적으로 작은 저주파수측의 어드미턴스 피크의 주파수에 근사한 주파수 (23.64 KHz) 의 전압을 인가하여 초음파 진동을 여기시킨 초음파 진동자의 프론트 매스 (2b) 하단면의 진동 변위량은 약 30 ㎛ 였지만, 그 초음파 진동에 필요로 한 전력은 약 0.5 W 로 현저히 저감되는 것이 판명되었다.

따라서, 도 6 의 어드미턴스 곡선의 고주파수측에 나타나는 상대적으로 큰 어드미턴스 피크에 상당하는 주파수의 전압 인가에 의해 초음파 진동자에 나타나는 초음파 진동 (세로 1 차 진동) 과, 저주파수측에 나타나는 상대적으로 작은 어드미턴스 피크에 상당하는 주파수의 전압 인가에 의해 초음파 진동자에 나타나는 초음파 진동은, 그 세로 방향의 진동 변위량에 대해서는 거의 동등해지지만, 그 거의 동등한 진동 변위량의 초음파 진동을 여기시키기 위해 필요한 전력은, 후자가 전자의 약 1/7 (0.5 W/3.5 W) 이 되는 것, 즉, 도 4 에 나타낸 구성을 갖는 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자를 도 3 에 나타낸 지지 구조를 이용하여 지지 구속한 상태에서 초음파 진동을 여기시키기 위해 필요한 전력은, 후자의 저주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동을 이용함으로써, 전자의 고주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동 (세로 1 차 진동) 을 이용한 경우에 비해서, 대폭 저감되는 것이 판명되었다.

이어서, 도 4 에 나타낸 구성을 갖는 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (2b) 의 오목부에 공구를 구비한 콜릿을 장착하고, 그 공구 선단부의 진동 변위량에 대해서도 이번에는 세로 방향과 가로 방향의 양 방향에서 측정하는 실험을 실시하였다. 이 실험에서는, 공구로서 상정한 드릴의 모델로서, 길이 40 ㎜, 직경 3 ㎜ 의 단면이 원형인 막대체를 선택하고, 이 막대체를 콜릿 하단부에 돌출 길이 14.8 ㎜ 로 장착하고, 이 초음파 가공용 공구 모델을 사용하여 측정을 실시하였다.

상기 공구 선단부의 진동 변위량의 측정 실험에서는, 도 4 의 구성을 갖는 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자에 콜릿와 공구를 장착하여 구성한 초음파 가공용 공구 모델에 대한 임피던스 애널라이저에 의해 얻어진 어드미턴스 곡선에 의거하여, 고주파수측의 공진 주파수는 30.20 KHz, 그리고 저주파수측의 공진 주파수는 21.09 KHz 로 하고, 각각의 주파수를 갖는 전압을 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자에 인가하였다.

이 측정 실험의 결과, 고주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의해 진동시킨 초음파 진동자에 장착된 공구 선단부의 세로 방향의 진동 변위량은 8.33 ㎛p-p 이고, 가로 방향의 진동 변위량은 0.787 ㎛p-p 인 것, 그리고 당해 진동에 필요로 한 전력은 1.17 W 인 것이 판명되었다. 한편, 저주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의해 진동시킨 초음파 진동자에 장착된 공구 선단부의 세로 방향의 진동 변위량은 7.70 ㎛p-p 이고, 가로 방향의 진동 변위량은 0.248 ㎛p-p 인 것, 그리고 당해 진동에 필요로 한 전력은 0.31 W 인 것이 판명되었다.

따라서, 상기 측정 실험의 결과로부터, 어느 공진 주파수에서의 초음파 진동이어도 동등한 세로 방향의 진동 변위량이 얻어지지만, 가로 방향의 진동 변위량에 대해서는, 저주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동에서는, 고주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동 (세로 1 차 진동) 에 비해서 약 1/3 (0.248/0.787) 이 되는 것이 판명되었다. 또한, 전력 사용량도, 저주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동에서는, 고주파수측의 공진 주파수의 전압 인가에 의한 진동 (세로 1 차 진동) 에 비해서 약 1/4 (0.31/1.17) 이 되기 때문에, 초음파 진동의 여기에 필요한 전력 사용량도 현저히 저감되는 것이 확인되었다.

이상에 기재한 실험 결과로부터, 상기 초음파 진동자의 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수보다 저주파수측에 나타나는 어드미턴스 피크에 상당하는 공진 주파수의 전압 인가에 의한 초음파 진동자의 진동 여기 방법을 이용함으로써, 진동 여기에 필요한 전력의 현저한 저감과 함께, 세로 진동에 부수되어 여기되는 가로 진동 (가로 흔들림) 의 현저한 저감도 실현되는 것이 판명되었다.

본 발명자는 이어서, 상기 초음파 진동자의 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수보다 저주파수측에 나타나는 어드미턴스 피크에 상당하는 공진 주파수의 전압 인가에 의해 발생하는 초음파 진동자의 진동 성질을 해명하기 위해, 시판되는 유한 요소법의 해석 소프트웨어인 ANSYS (판매원 : 안시스 재팬 주식회사) 를 사용하여, 도 4 의 란쥬반형 초음파 진동자를 도 3 의 구속 조건 (즉, 도 6 의 어드미턴스 곡선이 얻어진 초음파 진동자의 구속 조건) 으로 구속한 경우에 여기되는 초음파 진동의 해석을 실시하였다.

상기 유한 요소법에 의한 초음파 진동의 해석 결과, 초음파 진동자의 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수보다 저주파수측에 나타나는 어드미턴스 피크에 상당하는 공진 주파수의 전압 인가에 의해 발생하는 초음파 진동자의 진동은, 도 7 의 ANSYS 해석 화상으로부터 알 수 있는 바와 같이, 초음파 진동자의 전체가 동일한 세로 방향 (초음파 진동자의 장축 방향) 으로 진동하는 왕복 운동으로, 초음파 진동자의 내부에는 진동의 마디가 되는 부위가 존재하지 않는 초음파 진동 (본 명세서에서는, 이 진동을 의사 (擬似) 세로 0 차 진동이라고 부른다) 인 것이 판명되었다. 또, 도 7 의 화상에 따르면, 이 의사 세로 0 차 진동에서는, 고리형 지지 프레임체가 기대와 접하는 부위에 진동의 마디가 나타나고, 고리형 지지 프레임체 자체도 또한 상기 초음파 진동과 동 위상의 초음파 진동을 실시하는 것도 판명되었다. 즉, 이 의사 세로 0 차 진동의 초음파 진동은, 초음파 진동자 전체가 동일한 세로 방향으로 진동하는 왕복 운동으로, 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디가 되는 부위를 1 개 갖고, 그 마디가 되는 부위를 경계로 하여 세로 방향으로 서로 역방향이 되는 진동을 나타내는 모드인 세로 1 차 진동과는 분명히 상이한 진동이고, 그래서, 인가되는 전기 에너지의 손실이 적고, 또한 필연적으로 가로 방향으로의 진동이 적어진다는 이점이 발생하는 결과가 되는 것일 것으로 추정된다.

한편, 초음파 진동자의 세로 1 차 진동을 여기시키는 공진 주파수의 전압에 의해 발생하는 진동은, 도 8 의 ANSYS 해석 화상으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디가 되는 부위를 1 개 갖고, 그 마디가 되는 부위를 경계로 하여 세로 방향으로 서로 역방향이 되는 진동을 나타내는 모드이다.

본 발명은, 란쥬반형 초음파 진동자에 있어서의 초음파 진동의 여기에 관한 상기 서술한 본 발명자에 의한 신규 지견에 의거하여 완성한 발명이다.

따라서, 본 발명에 의해, 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를 준비하고, 이 란쥬반형 초음파 진동자를 그 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 후, 그 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가함으로써, 그 란쥬반형 초음파 진동자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동 (의사 세로 0 차 진동) 을 여기시키는 것을 특징으로 하는 란쥬반형 초음파 진동자의 신규 진동 여기 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 의해, 상기 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 있어서, 의사 세로 0 차 진동을 여기할 수 있는 주파수가, 그 진동자의 세로 1 차 진동 모드의 진동을 여기하는 공진 주파수보다 낮은 주파수 범위에 포함되는 주파수인 진동 여기 방법도 제공된다.

또, 본 발명에 의해, 상기 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 있어서, 고리형 지지 프레임체가 기대와 접하는 부위에 진동의 마디를 갖고, 상기 초음파 진동과 동 위상의 초음파 진동을 실시하는 진동 여기 방법도 제공된다.

또한, 본 발명에 의해, 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를, 이 란쥬반형 초음파 진동자의 일방 단부에 공구를 접속시킨 상태에서 상기 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 초음파 가공 장치를 준비하고, 그 란쥬반형 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 운동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가하여, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시킴으로써, 상기 공구에 그 초음파 진동을 전달하는 것을 특징으로 하는 초음파 가공 방법이 제공된다.

또, 본 발명에 의해, 상기 초음파 가공 방법에 있어서, 공구가, 상기 란쥬반형 초음파 진동자의 중심축 주위를 회전하는 공구인 초음파 가공 방법이 제공된다.

또한, 본 발명에 의해, 상기 초음파 가공 방법에 있어서, 공구가, 상기 란쥬반형 초음파 진동자의 중심축을 따른 방향에서의 왕복 운동을 실시하는 공구인 초음파 가공 방법이 제공된다.

또, 본 발명에 의해, 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를, 이 란쥬반형 초음파 진동자의 일방 단부에 초음파 송신구를 접속시킨 상태에서 상기 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 초음파 송신 장치를 준비하고, 그 란쥬반형 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 운동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가하여, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동 (의사 세로 0 차 진동) 을 여기시킴으로써, 상기 초음파 송신구에 그 초음파 진동을 전달하는 것을 특징으로 하는 초음파 송신 방법이 제공된다.

본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법은, 초음파 진동자의 새로운 모드의 초음파 진동인 의사 세로 0 차 진동의 여기를 실현시킨다. 그리고, 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법을 이용하는 초음파 가공 방법에서는, 초음파 진동자를 사용하는 초음파 가공의 전력 절약화가 가능해지고, 또한 가공 정밀도의 향상도 실현된다. 또한, 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법을 이용하는 초음파 송신 방법에서는, 초음파 송신의 전력 절약화가 가능해지고, 또한 초음파 진동자로부터 발생하는 의사 세로 0 차 진동의 초음파 진동은 높은 지향성을 보이기 때문에, 효율적인 초음파 진동의 송신이 가능해진다.

도 1 은 대표적인 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2 는 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자를 이용하는 초음파 가공 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용할 수 있는 초음파 진동자의 지지 고정 (구속) 구조의 예를 나타내는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용할 수 있는 초음파 진동자의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 5 는 도 4 에 나타낸 초음파 진동자의 비구속 상태에 있어서의 주파수 특성을 나타내는 어드미턴스 곡선을 나타내는 도면이다.
도 6 은 도 3 에 나타낸 지지 구조로 구속한 도 4 의 초음파 진동자의 주파수 특성을 나타내는 어드미턴스 곡선을 나타내는 도면이다.
도 7 은 유한 요소법에 의한 평가 결과에 의거하는, 본 발명에 따른 초음파 진동자의 진동 여기 방법에서 발생하는 진동 모드 (의사 세로 0 차 진동) 를 나타내는 도면이다.
도 8 은 유한 요소법에 의한 평가 결과에 의거하는, 초음파 진동자의 세로 1 차 진동에서 발생하는 진동 모드를 나타내는 도면이다.
도 9 는 초음파 진동자의 세로 1 차 진동의 진동 모드를 나타내는 도 (A), 그리고 그 압전 소자 부분의 거동을 나타내기 위해 확대해서 나타낸 도 (B) 이다.
도 10 은 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에서 이용하는 의사 세로 0 차 진동의 진동 모드를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 11 은 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용하는 초음파 진동자의 형상과 사이즈 그리고 지지 고정 구조의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 12 는 도 11 에 나타낸 초음파 진동자의 지지 고정 구조에 있어서의 여기에 의해 발생하는 초음파 진동 (의사 세로 0 차 진동) 을 유한 요소법에 의한 화상으로서 나타내는 도면이다.
도 13 은 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용하는 초음파 진동자의 지지 고정 구조의 다른 예를 나타내는 도 (A), 그리고 이 지지 고정 구조에 있는 초음파 진동자를, 본 발명에 따른 의사 세로 0 차 진동과 종래 기술에서 이용되고 있는 세로 1 차 진동을 조합해서 사용하는 초음파 가공의 진동 모드를 나타내는 도 (B) 이다.
도 14 는 본 발명의 초음파 가공 방법의 실시에 사용하는 초음파 가공 장치의 일 양태인 공구로서 드릴을 사용하는 천공 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 15 는 본 발명의 초음파 가공 방법의 실시에 사용하는 초음파 가공 장치의 일 양태인 공구로서 연마구를 사용하는 연마 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 16 은 본 발명의 초음파 가공 방법의 실시에 사용하는 초음파 가공 장치의 일 양태인 공구로서 커터 (절단구) 를 사용하는 연삭 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 17 은 본 발명의 초음파 송신 방법의 실시에 사용하는 초음파 송신 장치의 일 양태인 초음파 진동자를 구비한 세정기의 구성예를 나타내는 도면이다.
도 18 은 본 발명의 초음파 송신 방법의 실시에 사용하는 초음파 송신 장치의 일 양태인 초음파 소나의 구성예를 나타내는 도면이다.

본 발명의 초음파 진동자의 신규 진동 여기 방법에서 이용하는 공진 주파수 (초음파 진동자의 세로 1 차 진동 모드의 진동을 여기하는 공진 주파수에 대응하는 어드미턴스 피크보다 저주파수측에 나타나는 어드미턴스 피크에 대응하는 공진 주파수 : 본 명세서에서는 의사 세로 0 차 진동을 여기하는 공진 주파수로 표현한다) 의 존재는, 본 발명자가 아는 한에서 지금까지 당업자에게 인식된 적은 없다. 또한, 상기 의사 세로 0 차 진동을 이용하는 초음파 진동자의 진동 여기 방법은, 본 발명자가 아는 한에서 지금까지 실시된 적은 없다.

본 발명에 따른 의사 세로 0 차 진동을 여기하는 공진 주파수를 이용하는 초음파 진동자의 진동기 방법을 실시하기 위해서는, 우선 외부에 상정한 지지체 (기대) 에 초음파 진동자를 견고하게 지지 고정 (구속) 시키는 것을 가능하게 하는 도 4 에 예시된 바와 같은 구성을 갖는 고리형 지지 프레임체를 구비한 초음파 진동자를 제조하는 것이 필요해진다. 그리고, 그와 같이 해서 제조한 초음파 진동자를, 도 3 에 나타낸 바와 같은 방법으로 고리형 지지 프레임체의 주연 (周緣) 부에서 하우징과 너트로 지지 고정 (구속) 시킨다. 또, 도 3 에서는, 고리형 지지 프레임체 (6) 는, 프론트 매스 (2b) 에 형성되어 있지만, 고리형 지지 프레임체는, 리어 매스에 형성되어 있어도 된다. 또한, 고리형 지지 프레임체는 프론트 매스 혹은 리어 매스에 일체적으로 형성하는 것이 바람직하지만, 독립적으로 형성된 고리형 혹은 원반형 지지 프레임체를 프론트 매스 혹은 리어 매스에 장착 고정시키거나, 또는 프론트 매스와 리어 매스의 사이에 장착 고정시킬 수도 있다.

다음으로, 상기와 같이 고리형 지지 프레임체를 이용하여 지지 고정한 초음파 진동자의 진동 특성을 임피던스 애널라이저에 의해 측정하고, 도 6 에 나타내는 바와 같은 어드미턴스 곡선을 얻는다. 그 어드미턴스 곡선에 도 6 과 같은 2 개의 피크 (어드미턴스 피크) 가 나타나면, 통상적으로 고주파측에 나타나는 피크의 주파수가 세로 1 차 진동 여기의 공진 주파수이고, 저주파수측에 나타나는 피크의 주파수가 의사 세로 0 차 진동의 여기에 이용할 수 있는 공진 주파수인 것으로 판단할 수 있다. 또, 필요하면, 그 초음파 진동자를 비구속 상태로 한 후에 임피던스 애널라이저를 이용하여 어드미턴스 곡선을 얻고, 그 어드미턴스 곡선에 나타나는 어드미턴스 피크에 상당하는 주파수 (세로 1 차 진동을 여기하는 공진 주파수에 상당한다) 와, 상기 고주파수측의 어드미턴스 피크의 주파수의 비교에 의거하여, 그 고주파수측의 공진 주파수가 세로 1 차 진동 여기의 공진 주파수에 상당하는 것을 확인할 수도 있다.

초음파 진동자의 형상에 따라서는, 어드미턴스 곡선에 명확한 세로 1 차 진동의 어드미턴스 피크가 나타나지 않는 경우도 있다. 그 경우에는 공지된 계산식을 이용하는 방법에 따라, 세로 1 차 진동을 여기하는 공진 주파수를 추정하고, 그 공진 주파수보다 저파장측의 영역에 나타나는 어드미턴스 피크의 주파수를 의사 세로 0 차 진동의 주파수로 결정하고, 이 의사 세로 0 차 진동의 주파수를 갖는 전압의 인가에 의해 목적하는 의사 세로 0 차 진동을 여기시킬 수도 있다.

한편, 어드미턴스 곡선에 3 개 이상의 어드미턴스 피크가 나타난 경우에 있어서도, 상기 방법에 의해 세로 1 차 진동을 여기하는 공진 주파수를 추정하고, 그 공진 주파수보다 저파장측 영역의 인접하는 위치에 나타나는 어드미턴스 피크의 주파수를 의사 세로 0 차 진동의 주파수로 하고, 이 의사 세로 0 차 진동의 주파수를 갖는 전압의 인가에 의해 목적하는 의사 세로 0 차 진동을 여기시킬 수도 있다.

상기 초음파 진동자에 공구를 장착하여 초음파 가공용 진동 공구를 구성하고, 그 초음파 가공용 진동 공구에 상기 방법에 의해 결정한 의사 세로 0 차 진동 여기용 공진 주파수의 전압을 인가함으로써, 그 공구에 의사 세로 0 차 진동을 여기할 수 있다. 단, 상기 방법에 의해 결정한 의사 세로 0 차 진동 여기용 공진 주파수는, 공구 및 콜릿 등의 공구 장착구를 장착하지 않은 상태에서의 측정에 의해 확인한 공진 주파수이기 때문에, 공구의 의사 세로 0 차 진동을 여기할 수 있는 최적의 공진 주파수와는 약간의 편차가 발생할 가능성이 있다. 또한, 초음파 가공용 진동 공구의 구속 조건 (지지 고정 조건) 의 약간의 편차에 의해서도, 최적의 공진 주파수의 편차가 발생하는 경우가 있다. 따라서, 공구를 장착시키고, 기대에 구속된 초음파 진동자의 의사 세로 0 차 진동 여기용 공진 주파수의 결정은, 여기되는 초음파 진동을 확인하면서 최적의 공진 주파수를 결정할 수 있는 공진 주파수의 추적이 가능한 초음파 발진 회로를 이용함으로써 실시하는 것이 바람직하다.

또, 도 4 와 같은 구성을 갖는 초음파 진동자를 제조하고, 도 3 에 나타낸 바와 같은 지지 고정 구조에 의해 초음파 진동자를 구속한 상태에서 임피던스 애널라이저를 이용하여 어드미턴스 곡선을 얻어도, 도 6 에 나타낸 바와 같은 복수 (통상적으로는 2 개) 의 어드미턴스 피크가 나타나지 않는 경우에는, 초음파 진동자의 구속 조건을 조정함으로써, 도 6 에 나타낸 바와 같은 2 개의 피크를 갖는 어드미턴스 곡선이 얻어지게 되는 경우도 있다. 그러나, 그러한 초음파 진동자의 구속 조건의 조정에 따라서도, 도 6 에 나타낸 바와 같은 2 개의 피크를 갖는 어드미턴스 곡선이 얻어지지 않는 경우에는, 초음파 진동자의 형상 설정이나, 초음파 진동자의 지지 고정 구조가, 목적으로 하는 의사 세로 0 차 진동의 여기에는 부적절할 것으로 생각되기 때문에, 새롭게 도 3 의 초음파 진동자의 구속 조건과 도 4 의 초음파 진동자의 형상과 사이즈를 참고로 하여, 초음파 진동자의 설계 변경과 지지 고정 구조의 재검토를 실시할 필요가 있다. 또, 도 3 의 초음파 진동자의 구속 조건과 도 4 의 초음파 진동자의 형상과 사이즈는, 본 발명의 실시 방법의 대표적인 양태를 나타낸 것에 불과하고, 본 발명의 초음파 진동자의 의사 세로 0 차 진동의 여기 방법의 실시 양태를 한정하는 조건은 아니다.

상기와 같이 본 발명자는, 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 의해 발생하는 초음파 진동이, 「압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동」인 것으로 하였다. 다음으로, 이 결론의 근거가 된 데이터에 대해서 다시 설명한다.

전술한 바와 같이, 도 6 의 어드미턴스 곡선의 저주파수측에 나타나 있는 어드미턴스 피크의 존재는, 본 발명자가 아는 한에서는 알려지지 않았다. 그래서, 이 저주파수측의 어드미턴스 피크가 나타나는 주파수 위치에 상당하는 주파수가 무엇을 의미하는지의 점에 대해서는, 본 발명자는 최초에는 판단할 수 없었다. 그러나, 지금까지 설명한 실험 사실로부터 알 수 있는 바와 같이, 이 저주파수측의 어드미턴스 피크가 나타나는 주파수 위치에 상당하는 주파수도 당해 초음파 진동자의 공진 주파수로서, 당해 공진 주파수의 전압 인가에 의해 구속 상태에 있는 초음파 진동자에서 여기되는 세로 방향의 초음파 진동은 적은 소비 전력으로 발생하고, 또한 가로 방향의 진동은 적은 것이 확인되었다.

그래서, 본 발명자는, 이번에 확인된 초음파 진동의 진동 모드를 해석하기 위해서, 전술한 바와 같이, 시판되는 유한 요소법에 의거하는 계산 소프트인 ANSYS 를 사용하여 실험에 사용한 초음파 진동자의 형상, 사이즈, 재료 그리고 초음파 진동자의 지지 고정 조건 (구속 조건) 에서 초음파 진동자에 발생하는 초음파 진동의 진동 모드의 해석을 실시하였다. 그 진동 모드의 해석 결과가 도 7 과 도 8 에 도시되어 있다.

전술한 바와 같이, 도 7 이, 본 발명에 따른 구속 조건에서의 초음파 진동자에, 저주파수측의 공진 주파수의 전압을 인가한 경우에 나타나는 진동 모드를 표시하는 화상이고, 이 화상으로부터 초음파 진동자에 나타나는 진동은 초음파 진동자 전체가 일방의 방향으로 향하는 진동이고, 그 진동의 마디는, 초음파 진동자의 내부에는 존재하지 않고, 초음파 진동자의 고리형 지지 프레임체의 외측 단부 (기대로의 접속부에 상당한다) 에 존재하는 것을 알 수 있다. 다음으로, 도 8 로부터는, 구속 조건에서의 초음파 진동자에, 고주파수측의 공진 주파수의 전압을 인가한 경우에 나타나는 진동 모드를 표시하는 화상이고, 이 화상으로부터 초음파 진동자에 나타나는 진동은, 초음파 진동자 내부에 마디를 갖고, 그 마디를 경계로 하여 상하로 진동하는 신축 진동인 것을 알 수 있다.

도 9 는, 도 7 에 나타낸 화상이 표시하는 진동 모드를 모식적으로 설명하는 도면이다. 즉, 본 발명에 따른 진동 모드의 초음파 진동에서는, 초음파 진동자는, 전체로서 일방의 방향으로 진동하는 왕복 진동을 반복한다. 초음파 진동자를 기대에 지지 고정시키는 고리형 지지 프레임체는, 기대와의 접속부 (고리형 지지 프레임체의 주연부에 상당) 에 마디를 갖고, 초음파 진동자의 접속부에 상당하는 고리형 지지 프레임체의 내주부도 또한, 초음파 진동자와 동기하는 왕복 운동을 반복하는 진동을 나타낸다. 이 진동 모드가 본 명세서에서 설명하고 있는 의사 세로 0 차 세로 진동 모드에 상당한다.

도 10 의 (A) 는, 도 8 에 나타낸 화상이 표시하는 진동 모드를 모식적으로 설명하는 도면이다. 즉, 도 8 의 초음파 진동에서는, 초음파 진동자는, 그 압전 소자가 존재하는 거의 중앙부 (압전 소자가 존재하는 위치) 에 마디를 갖고, 상하로 신축되는 진동 (세로 1 차 진동) 을 반복한다. 세로 1 차 진동이 이와 같은 신축 진동이기 때문에, 공구가 장착되는 일방 측의 면 (하측 면) 의 세로 진동 여기시에, 도 9 에 나타낸 의사 세로 0 차 세로 진동 모드로 실현하는 하측 면의 세로 진동과 동등한 진동량 (변위량) 을 얻기 위해서는 상대적으로 큰 전력이 필요해질 것으로 추정된다.

도 10 의 (B) 는, 도 10(A) 에 나타낸 초음파 진동자의 진동 모습을 모식적으로 확대해서 나타내는 도면으로, 전기 에너지의 인가에 의한 압전 소자 (3) 에 나타나는 변형의 상황 (추정 상황) 을 모식적으로 나타내는 도면이다. 즉, 압전 소자 (3) 는, 인가되는 전기 에너지의 변동에 따라 팽창과 수축을 반복하지만, 그 팽창시에는, 도면에 나타내는 바와 같이, 압전 소자에 부여되어 있는 압력에 저항하는 형태로, 중앙부가 팽출되도록 변형되는 것으로 생각된다. 따라서, 이 압전 소자의 변형이 그 중심에 완전히 대칭인 형상으로 발생하지 않으면, 초음파 진동자의 상하 단면은 신축 진동의 중심면과는 완전한 평행면이 되지 않고, 그래서, 초음파 진동자의 상하 단면에 있어서의 가로 진동이 발생하기 쉬워질 것으로 추정된다.

도 11 은, 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용할 수 있는 초음파 진동자의 형상과 사이즈 (단위 : ㎜) 그리고 지지 고정 구조의 다른 예를 나타내는 도면이고, 도 12 는, 도 11 에 나타낸 초음파 진동자의 지지 고정 구조에 있어서의 여기에 의해 발생하는 초음파 진동 (의사 세로 0 차 진동) 을 유한 요소법에 의해 얻어진 화상으로서 나타내는 도면이다. 도 7 에 나타낸 화상과 마찬가지로, 초음파 진동자에 나타나는 진동이 초음파 진동자 전체가 일방의 방향으로 향하는 왕복 진동이고, 그 진동의 마디는, 초음파 진동자의 내부에는 존재하지 않고, 초음파 진동자의 고리형 지지 프레임체의 외측 단부 (기대로의 접속부에 상당한다) 에 존재한다.

본 발명에 의해 초음파 진동자에서 여기되는 의사 세로 0 차 진동은, 종래부터 이용되고 있는 세로 1 차 진동과 조합하여 이용할 수도 있다. 그 이용 양태를, 도 13 의 (A) 와 (B) 를 참조하여 설명한다.

도 13 의 (A) 와 (B) 는, 각각 본 발명의 초음파 진동자의 진동 여기 방법에 이용하는 초음파 진동자의 지지 고정 구조의 다른 예를 나타내는 도면, 그리고 이 지지 고정 구조에 있는 초음파 진동자를, 본 발명에 따른 의사 세로 0 차 진동과 종래 기술에서 이용되고 있는 세로 1 차 진동을 조합해서 사용하는 초음파 가공의 진동 모드를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 도 13(A) 의 초음파 진동자의 우측 프론트 매스의 단부에 공구로서 절단 칼날 (커터) 을 장착한 절단 가공에 사용하는 경우, 그 절단 칼날에 의한 절단 작업의 작업 효율의 향상 그리고 절단 칼날의 국소 피로를 방지하기 위해서, 초음파 진동자에, 도 (B) 에 나타내는 의사 세로 0 차 진동 모드의 진동과 세로 1 차 진동 모드의 진동을 교대로 발생시키는 실시 형태가 고려된다.

도 14 는, 본 발명의 초음파 가공 방법 이용의 일 양태인 공구 (초음파 진동자의 중심축 주위를 회전하는 공구) 로서 드릴을 사용하는 천공 장치의 구성예를 나타내는 도면 (초음파 발진 회로의 도시는 생략) 이다. 이 도 14 는, 공구로서 드릴을 사용하는 초음파 가공 장치의 초음파 진동자로서, 본 발명의 의사 세로 0 차 진동의 초음파 진동을 부여할 수 있는 란쥬반형 초음파 진동자를 사용하는 장치를 나타낸다.

도 14 에 나타내는 초음파 가공 장치는, 모터 (21), 모터축 (22), 모터대 (23), 커플링 (결합구) (24), 회전축 (25), 로터리 트랜스 고정부 (26a), 로터리 트랜스 회전부 (26b), 고정측 트랜스대 (27), 슬리브 (28), 회전측 트랜스대 (29), 외측간 시트용 링 (30), 케이스 (31), 하우징 (32), 외측간 시트 (33a), 내측간 시트 (33b), 그리고 베어링 (34) 을 포함하는 초음파 진동자 지지 회전 장치에, 공구를 구비한 란쥬반형 초음파 진동자가 장착되어 있는 구성에 있다. 이 초음파 진동자 지지 회전 장치는 초음파 가공 장치에 있어서의 초음파 진동자 지지 회전 장치로서 일반적으로 이용되고 있는 장치이다.

초음파 진동자 지지 회전 장치의 하단부에는, 압전 소자 (35a, 35b) 를 프론트 매스 (36) 와 리어 매스 (37) 사이에 끼우고, 볼트 (38) 로 조임으로써 고정한 구성을 갖는 란쥬반형 초음파 진동자가 너트 (39) (그 자체 기대에 장착 고정되어 있다) 에 의해 장착 고정 (구속) 되어 있다. 그리고, 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (36) 의 오목부에는, 콜릿 (40) 이 콜릿 너트 (41) 에 의해 장착 고정되어 있고, 그리고 콜릿 (40) 에는 공구인 드릴 (42) 이 장착 고정되어 있다.

도 15 는, 본 발명의 초음파 가공 방법 이용의 일 양태인 공구 (초음파 진동자의 중심축 주위를 회전하는 공구) 로서 연마구를 사용하는 연마 장치의 구성예를 나타내는 도면 (초음파 발진 회로의 도시는 생략) 이다. 이 도 15 의 연마 장치의 초음파 진동자 지지 회전 장치는, 도 14 에 나타낸 초음파 가공 장치의 초음파 진동자 지지 회전 장치와 동일한 구성으로 하고 있다. 그리고, 도 15 의 연마 장치에 있어서도, 초음파 진동자 지지 회전 장치의 하단부에는, 압전 소자 (35a, 35b) 를 프론트 매스 (36) 와 리어 매스 (37) 사이에 끼우고, 볼트 (38) 로 조임으로써 고정한 구성을 갖는 란쥬반형 초음파 진동자가 너트 (39) 에 의해 장착 고정 (구속) 되어 있다. 그리고, 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (36) 의 하단부에는, 공구인 링형 지석 (43) 이 지석 기대 (통상적으로는 알루미늄 합금제) (44) 를 개재하여 장착 고정되어 있다.

도 16 은, 본 발명의 초음파 가공 방법 이용의 일 양태인 공구 (초음파 진동자의 축방향으로 왕복 운동하는 공구) 로서 커터를 사용하는 연삭 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 이 연삭 장치에서는, 연삭 장치와 가공 대상 재료 (워크) 의 일방 혹은 쌍방이 상대적인 위치 관계를 바꾸도록 수평 방향으로 이동하고, 초음파 진동자에 장착된 커터 (52) 는 상하 방향으로 진동 (왕복 운동) 하기 때문에, 초음파 진동자의 지지 구조체는 회전하지 않는다. 따라서, 도 16 의 연삭 장치에서는, 통형 하우징 (51) 의 내부 하측에, 압전 소자 (35a, 35b) 를 고리형 지지 프레임체 (36a) 를 구비한 프론트 매스 (36) 와 리어 매스 (37) 사이에 끼우고, 볼트 (38) 로 조임으로써 고정한 구성을 갖는 란쥬반형 초음파 진동자가 너트 (39) (그 자체 기대에 장착 고정되어 있다) 에 의해 장착 고정 (구속) 되어 있다. 그리고, 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (36) 의 오목부에는, 콜릿 (40) 이 콜릿 너트 (41) 에 의해 장착 고정되어 있고, 그리고 콜릿 (40) 에는 공구인 커터 (52) 가 장착 고정되어 있다.

압전 소자 (35a, 35b) 의 각각의 표면에 형성되어 있는 전극판 (53a, 53b) 은, 초음파 발진 회로 (54) 에 전기적으로 접속되고 있어, 초음파 진동자에 전기 에너지를 인가한다.

또, 도 16 의 연삭 장치에서는, 란쥬반형 초음파 진동자의 하우징 (51) 의 내부에서의 고정을 확실히 하기 위한 수단으로서 발포 수지 (55) 가 충전되어 있다.

도 17 은, 본 발명의 초음파 송신 방법을 이용하는 장치의 일 양태인 초음파 진동자를 구비한 세정기의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 17 의 장치에서는, 압전 소자 (35a, 35b) 를 프론트 매스 (36) 와 리어 매스 (37) 사이에 끼우고, 볼트 (38) 를 리어 매스 (37) 에 형성된 너트로 조임으로써 고정한 구성을 갖는 란쥬반형 초음파 진동자가 너트 (39) 에 의해 하우징 (51) 에 장착 고정 (구속) 되어 있다. 그리고, 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (36) 의 상단부에는, 세정기 (도시 없음) 의 저부에 장착하는 진동판 (56) 이 볼트 (57) 에 의해 장착 고정되어 있다.

도 18 은, 본 발명의 초음파 송신 방법을 이용하는 장치의 일 양태인 초음파 소나의 구성예를 나타내는 도면이다. 도 18 의 초음파 소나에서도, 압전 소자 (35a, 35b) 를 프론트 매스 (36) 와 리어 매스 (37) 사이에 끼우고, 볼트 (38) 를 리어 매스 (37) 에 형성된 너트로 조임으로써 고정한 구성을 갖는 란쥬반형 초음파 진동자가 너트 (39) 에 의해 하우징 (51) 에 장착 고정 (구속) 되어 있다. 그리고, 란쥬반형 초음파 진동자의 프론트 매스 (36) 의 상단부에는, 볼트 (57) 를 개재하여 초음파를 공기 중으로 송신하기 위한 송신구 (58) 가 장착 고정되어 있다.

또, 본 발명의 의사 세로 0 차 진동을 이용하는 초음파 가공 방법 및 초음파 송신 방법의 실시에 이용할 수 있는 장치는, 첨부 도면에 나타낸 구성을 갖는 장치에 한정되지 않는다. 즉, 초음파를 이용하는 굽힘 가공, 딥드로잉 가공, 아이어닝 가공, 인발 가공 등의 소성 가공, 초음파를 이용하는 연삭 가공, 초음파를 이용하는 유리 (遊離) 지립 가공, 초음파를 이용하는 접합 가공, 초음파를 이용하는 플라스틱 성형 가공, 초음파를 이용하는 마이크로 가공, 초음파를 이용하는 분산 장치나 박무화 장치, 초음파 모터, 초음파 백내장 수술 장치, 초음파 파쇄 흡인 장치, 초음파 결석 파쇄 장치, 초음파 치과용 치료 장치, 초음파 연속 주조 장치, 초음파 이로젼 시험 장치, 폴리에틸렌 가교 장치, 초음파 건조 장치, 초음파 공중 센서, 초음파 유량계 등의 초음파 발생원으로서 란쥬반형 초음파 진동자를 사용하는 각종 장치에서 본 발명의 진동 여기 방법이 제공하는 의사 세로 0 차 진동을 이용할 수 있다.

1 : 볼트 조임 란쥬반형 초음파 진동자
2a : 금속 블록 (리어 매스)
2b : 금속 블록 (프론트 매스)
3 : 압전 소자
4 : 볼트
5a : 구리 전극
5b : 구리 전극
6 : 고리형 지지 프레임체
7 : 너트
10 : 초음파 연삭 가공 장치
11 : 하우징
12 : 혼
13 : 연삭구

Claims (10)

1. 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를 준비하고, 이 란쥬반형 초음파 진동자를 그 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 후, 그 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가함으로써, 그 란쥬반형 초음파 진동자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시키는 것을 특징으로 하는 란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초음파 진동을 여기할 수 있는 주파수가, 그 란쥬반형 초음파 진동자의 세로 1 차 진동 모드의 진동을 여기하는 공진 주파수보다 낮은 주파수 범위에 포함되는 주파수인, 란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지 프레임체가 기대와 접하는 부위에 진동의 마디를 갖고, 그 지지 프레임체도 상기 초음파 진동과 동 위상의 초음파 진동을 실시하는, 란쥬반형 초음파 진동자의 진동 여기 방법.
4. 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를, 이 란쥬반형 초음파 진동자의 일방 단부에 공구를 접속시킨 상태에서 상기 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 초음파 가공 장치를 준비하고, 그 란쥬반형 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 운동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가하여, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시킴으로써, 상기 공구에 그 초음파 진동을 전달하는 것을 특징으로 하는 초음파 가공 방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 공구가, 상기 란쥬반형 초음파 진동자의 중심축 주위를 축 회전하는 공구인, 초음파 가공 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 공구가, 엔드 밀, 드릴, 연마구 및 연삭구로 이루어지는 군에서 선택되는 공구인, 초음파 가공 방법.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 공구가, 상기 란쥬반형 초음파 진동자의 중심축을 따른 방향의 왕복 운동을 실시하는 공구인, 초음파 가공 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 공구가, 절삭구, 진동판 및 용착구로 이루어지는 군에서 선택되는 공구인, 초음파 가공 방법.
9. 금속 블록, 측면에 고리형으로 돌출된 지지 프레임체를 구비한 금속 블록, 그리고 이들 금속 블록의 사이에 고정된 분극 처리가 완료된 압전 소자를 포함하는 란쥬반형 초음파 진동자를, 이 란쥬반형 초음파 진동자의 일방 단부에 초음파 송신구를 접속시킨 상태에서 상기 지지 프레임체를 개재하여 기대에 접속시켜 구속 상태로 지지한 초음파 송신 장치를 준비하고, 그 란쥬반형 초음파 진동자의 압전 소자에, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 운동을 여기시킬 수 있는 주파수를 갖는 전압을 인가하여, 그 압전 소자의 평면에 수직인 방향에서의 그 초음파 진동자의 내부에 진동의 마디를 갖지 않는 왕복 진동으로 이루어지는 초음파 진동을 여기시킴으로써, 상기 초음파 송신구에 그 초음파 진동을 전달하는 것을 특징으로 하는 초음파 송신 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초음파 송신구가 진동판인, 초음파 송신 방법.
    

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