TW201840383A - 超音波振動賦予器及超音波加工裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的課題為超音波振動賦予器，具備適合使用在組入於超音波加工裝置的蘭杰文型(Langevin type)超音波振子，可進行藉蘭杰文型超音波振子產生之超音波振動效率高的利用。 其解決手段的超音波振動賦予器，包括：圓筒狀殼體，將接觸面設置在內周圍面下部或底部，並在外圍面下部具備螺紋部；蘭杰文型超音波振子，在包括在上部具備有嵌合於該圓筒狀殼體的上述接觸面的接觸面之圓盤狀隆起部的圓筒狀工具安裝器的前質量，及配置在該前質量的上方的後質量之間夾著分極處理後的壓電元件的狀態進行螺栓緊固的構成；及環狀配重，在內周圍面上部具有旋入圓筒狀殼體的螺紋部的螺紋部。
Description
本發明是有關超音波振動賦予器及超音波加工裝置。本發明尤其是有關使用蘭杰文型超音波振子的新穎構成的超音波振動賦予器，及使用其超音波振動賦予器的超音波加工裝置。
利用以壓電元件作為超音波產生源的超音波振子已知有各種的構成，但是其代表性的構成有由一對金屬塊與固定在該等金屬塊之間的分極處理後的壓電元件所構成的蘭杰文型超音波振子。其中，由於在一對的金屬塊之間藉螺栓連接分極處理後的壓電元件，並以高壓鎖緊固定後的構造之螺栓緊固的蘭杰文型超音波振子而可能有高能源超音波振動的產生，因此探討一種附設用在進行各種材料的切削加工、塑性加工、磨粒加工等之工具而使用於超音波加工的利用，並實際地使用。另外，針對各種的超音波振子，探討一種藉著以其超音波振子產生的超音波振動並透過振動板或振動手段送訊利用於超音波清洗、金屬接合、塑膠黏接、超音波霧化、乳化暨分散等的超音波處理的用途、魚群探測器等的水中音響器(sonar)、超音波探傷器、醫療用回波診斷裝置、流量計等的通訊應用機器，實際使用於多數的領域。
包括螺栓緊固蘭杰文型超音波振子的各種的超音波振子的構成雖已為人知，但為進一步理解，仍參閱所添附的第1圖與第2圖在以下簡單說明代表性的螺栓緊固蘭杰文型超音波振子的構成與其利用形態的一例。
第1圖是表示螺栓緊固蘭杰文型超音波振子之代表性構造的例，(A)為其上面圖，(B)是表示以(A)的A-A線裁斷之剖面的前面剖視圖。 第1圖中，螺栓緊固蘭杰文型超音波振子1具有在一對金屬塊2、3(通常，將該等稱為前質量、後質量)之間夾著分極後的壓電元件(例如：PZT等的壓電陶瓷板)5a、5b、5c、5d，使用螺栓6與螺帽9將金屬塊2、3彼此緊固的構造。第1圖中，記入於壓電元件的箭頭表示分極方向。再者，在壓電元件3連接有作為外加電能用的端子利用的電極片(通常是使用磷青銅等的電極片)7a、7b、7c、7d。並且，將此螺栓緊固蘭杰文型超音波振子1設置於利用在以另外準備之保持裝置保持用而連接的突緣8。
第2圖是表示以螺栓緊固蘭杰文型超音波振子作為超音波振動源使用的超音波研磨加工裝置(研磨機)的構成例的圖。第2圖中，超音波研磨加工裝置10是在殼體11內，於下端部收容具備透過喇叭12連接的研磨器13的超音波振子1，藉軸承14可旋轉地支撐此超音波振子1。超音波振子1的旋轉被以連接在伺服單元15的交流主軸電動機16所驅動。第2圖的裝置中，超音波振子1的超音波振動用的電能是透過與設置在外部的電能供應源17連接的碳刷與滑環所構成的接觸型供電裝置18所供應。
超音波加工裝置中藉著對各種工具賦予超音波振動所期待的效果是將超音波振子產生的超音波振動以高效率傳遞至組合於超音波振子的工具保持器的工具，藉其結果獲得該工具進行加工作業所需之電能的刪減或加工精度的提升等。但是，至此為止所製造，且實際的加工作業所使用的超音波加工裝置中，多數為不能充分獲得其所期待的效果的場合。因此即使是現在的時間點，仍不能稱為超音波加工裝置的普及已充分進展。因此，為使超音波加工進一步地普及，有必要將藉著超音波振子產生的超音波振動以高效率傳遞至工具之改良的必要。
本發明的發明人，至此研創出提供一種改良將藉著超音波振子產生的超音波振動以高效率傳遞至工具的發明，持續地進行發明專利申請。在該等的改良發明之內的最近的發明之一是可舉例如專利文獻1所揭示的發明。
專利文獻1中，揭示一種支撐構造，以高穩定性支撐工具與超音波振動體的振動複合體，並可將超音波振動體中產生的超音波能源之該振動複合體的支撐體(固定支撐體)的漏出抑制在低的位準藉此可對工具進行高效率振動能之施加的支撐構造，在具備工具的超音波振動體附設突緣，將突緣的單側面以施加應力的狀態接觸於形成在另外準備的固定體的突緣支撐面藉此卡合支撐(但是，超音波振動體的突緣並不與固定體的突緣支撐面接合，並且與固定體的支撐面接觸而卡合支撐的超音波振動體的突緣是形成在該超音波振動體處於振動狀態時在突緣的厚度方向超音波振動的構造)。 [先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：國際公開 WO 2014/017460 A1
[發明所欲解決之課題]
藉著利用專利文獻1記載的新的超音波振子的支撐構造的超音波加工裝置，針對使用以往為人所熟知的構造的超音波振子的超音波加工裝置的問題點發現雖多少有獲得解決。但是，針對利用專利文獻1記載的超音波振子的支撐構造的超音波振動賦予器，在將其組入於實際的超音波加工裝置使用的場合，也發現有數個問題產生。其問題之一為在超音波加工裝置內的超音波振子的保持(支撐)是藉厚度較薄的突緣來進行，因此例如在超音波加工裝置的長期間使用的期間，會有突緣部的疲勞，或透過突緣部之超音波振子的保持(支撐)產生鬆開的場合。
因此，本發明的課題為提供一種超音波振動賦予器，具備適合於組入超音波加工裝置而使用的蘭杰文型超音波振子，可以高效率將蘭杰文型超音波振子產生的超音波振動傳遞至安裝在其超音波振動賦予器的工具的超音波振動賦予器。 [用於解決課題的手段]
本發明的發明人進一步持續進行藉著利用蘭杰文型超音波振子的超音波振動賦予器產生的超音波振動對超音波振動賦予器之洩漏機構的相關研究。並且，其結果，利用以下記載的本發明的超音波振動賦予器(Ultrasonic Vibration Applicator)，確認出可以高滿足度來解決上述的課題。
本發明所提供的超音波振動賦予器包括下述的構件(a)、(b)、(c)為主要的構成。 (a)將接觸面設置在內周圍面下部或底部，並在外圍面下部具備螺紋部的圓筒狀殼體； (b)以在包括上部具備有嵌合於該圓筒狀殼體的上述接觸面之接觸面的圓盤狀隆起部的圓筒狀工具安裝器的前質量，及配置在該前質量的上方的後質量之間夾著分極處理後的壓電元件的狀態螺栓緊固的構成的蘭杰文型超音波振子；並且 (c)在內周圍面上部具有旋入圓筒狀殼體的螺紋部之螺紋部的環狀配重。
並且，藉本發明，也提供上述本發明的超音波振動賦予器且安裝於該超音波振動賦予器的圓筒狀工具安裝器之工具的超音波加工裝置。
以下記載為本發明之超音波振動賦予器的較佳樣態。 (1)環狀配重的螺紋部的內周緣與外圍緣的距離是從環狀配重的厚度的2/3到3/1的範圍，較佳是從1/1到2/1的範圍。
(2)在環狀配重的螺紋部的下側，形成有內徑比該螺紋部的內徑小的下側小徑部，在其下側小徑部的上面與圓筒狀殼體的底面之間形成有空隙。
(3)在環狀配重的螺紋部的下側，形成有內徑比該螺紋部的內徑小的下側小徑部，在其下側小徑部的內周圍面與圓筒狀工具安裝器的側面之間形成有空隙。
(4)圓筒狀殼體的接觸面為向下方擴展的錐形狀的斜面區，圓筒狀工具安裝器的圓盤狀隆起部的斜面區也是錐形狀的斜面區。
(5)圓筒狀殼體的接觸面是形成在該圓筒狀殼體的內周圍側底部的直徑比圓筒狀殼體的內周圍面大的環狀凹部的上面及/或周圍面，圓筒狀工具安裝器的圓盤狀隆起部的接觸面為該圓盤狀隆起部的上面及/或側面。
(6)環狀配重的外圍緣部是對應蘭杰文型超音波振子的超音波振動，朝著與該超音波振動的方向相反的方向振動。 [發明效果]
在超音波加工裝置組入本發明的超音波振動賦予器使用時，顯著降低從超音波振動賦予器的超音波加工裝置對超音波振動賦予器的支撐構件(組入於超音波加工裝置用的支撐構件)之超音波振動能的洩漏。因此，可以高效率，且高穩定性地將以蘭杰文型超音波振子產生的超音波振動傳遞至安裝於超音波振動賦予器的工具。
以下，參閱第3圖至第11圖，記載本發明之超音波振動賦予器，及超音波加工裝置的詳細說明。
第3圖是表示本發明的超音波振動賦予器的代表性的構成例的圖。(A)為上視圖，(B)是以沿著(A)的B-B線的面裁斷的剖面。第3圖的(B)中，超音波振動賦予器包括下述的(a)圓筒殼體11，(b)蘭杰文型超音波振子1及(c)環狀配重20作為主構成構件，藉該等構成超音波振動賦予器。 (a)圓筒狀殼體，將接觸面設置在內周圍面下部或底部，並在外圍面下部具備螺紋部； (b)蘭杰文型超音波振子，在包括在上部具備有嵌合於該圓筒狀殼體的上述接觸面的接觸面之圓盤狀隆起部的圓筒狀工具安裝器的前質量，及配置在該前質量的上方的後質量之間夾著分極處理後的壓電元件的狀態進行螺栓緊固的構成；及 (c)環狀配重，在內周圍面上部具有旋入圓筒狀殼體的螺紋部的螺紋部。
第3圖表示的圓筒狀殼體11是將嵌合於圓筒狀工具安裝器的接觸面的接觸面21設置在內周圍面下部或底部，並在外圍面下部具備螺紋部22。第3圖的圓筒狀殼體11中，接觸面21是形成向下方擴展的錐形狀的斜面區。圓筒狀殼體11的螺紋部22是與後述的環狀配重的螺紋部(內螺紋)螺合(螺紋結合)的外螺紋部。
第3圖表示的蘭杰文型超音波振子1是在包括在上部具備有嵌合於圓筒狀殼體11的接觸面20的接觸面22之圓盤狀隆起部23的圓筒狀工具安裝器24的前質量，及配置在該前質量的上方的後質量3之間，如通常，以夾著分極處理後的壓電元件的狀態進行螺栓緊固的構成的蘭杰文型超音波振子。亦即，構成本發明的超音波振動賦予器的蘭杰文型超音波振子是利用與通常之蘭杰文型超音波振子的前質量一般所使用的圓筒狀的工具安裝器作為前質量。也可以在該工具安裝器的上方連接另外準備的前質量的構成。並且，圓筒狀工具安裝器的圓筒狀，一般也可以是與圓筒同樣顯示的剖面為多角形的筒狀。 針對超音波加工機中的工具安裝器是各種的形態或構造為人所熟知，該等的任意的形態或構造的工具安裝器只要不損及本發明的超音波振動賦予器的功能，即可在本發明中使用。
第3圖表示的環狀配重20在內周圍面上部具有圓筒狀殼體11的螺紋部22旋入的螺紋部(內螺紋部)25。本發明的超音波振動賦予器中，該環狀配重的外圍緣部是在與和蘭杰文型超音波振子產生的超音波振動的振動方向(朝向)相反的方向(朝向)振動。參閱第4圖及第5圖，在以下詳細說明以該蘭杰文型超音波振子產生的超音波振動的振動的方向(朝向)與環狀配重的振動的方向(朝向)的關係。
第4圖是表示透過其圓筒狀殼體11藉支撐裝置26支撐(保持)第3圖表示的超音波振動賦予器，在其狀態下，朝著蘭杰文型超音波振子1施加電能，藉此引起產生縱向一次振動模式的超音波振動的場合之蘭杰文型超音波振子1的超音波振動，及藉其超音波振動所激勵之環狀配重23的振動的圖。蘭杰文型超音波振子1的縱向一次振動模式的超音波振動是以位在蘭杰文型超音波振子1的大致中央的振動的節(以黑點表示)為中心在上下進行往返運動的振動。以實線與虛線的箭頭表示該往返運動。並且，藉此蘭杰文型超音波振子1的上下往返運動(在上下的伸縮)，產生以蘭杰文型超音波振子1之圓筒狀工具保持器24的圓盤狀隆起部23的錐形狀接觸面與圓筒狀殼體11的錐形狀接觸面的接觸位置(以黑點表示)為節之環狀配重20的外圍緣部的振動(上下方向的往返運動)。此環狀配重20的外圍緣部的往返運動也是以實線和虛線表示。但是，環狀配重20的外圍緣部的往返運動的振動方向是與蘭杰文型超音波振子的往返運動(伸縮運動)的振動方向成為相反的方向。
藉上述的環狀配重20之外圍緣部的振動(上下方向的往返運動)的產生，在蘭杰文型超音波振子1產生的超音波振動變得不易傳遞至圓筒狀殼體11。因此，透過圓筒狀殼體的朝支撐裝置之超音波振動的洩漏顯著地降低，其結果，在蘭杰文型超音波振子1產生的超音波振動成為可效率良好地傳遞至保持在圓筒狀工具保持器24的工具。並且，為了有效率實現對利用於超音波加工的工具之超音波振動的傳遞，使超音波加工的精度與穩定度提升，並可實現用於激勵超音波振動之電能的降低。此外，由於可以使蘭杰文型超音波振子1的圓筒狀工具保持器24之上部的圓盤狀隆起部23與圓筒狀殼體11的接觸區域的面積較以往所使用的超音波加工裝置之蘭杰文型超音波振子的突緣部的剖面積更大，而使得超音波加工裝置之蘭杰文型超音波振子的支撐更為確實，並且即使長期間的連續使用，仍可進行穩定的蘭杰文型超音波振子與附設在其上的工具的保持。
第5圖是將第3圖表示的本發明的超音波振動賦予器，透過其圓筒狀殼體11的支撐裝置26(未圖示)，在其狀態下，對蘭杰文型超音波振子1進行電能的施加，藉此引起產生偽零次縱向振動模式之超音波振動的場合之蘭杰文型超音波振子1的超音波振動，及藉其超音波振動所激勵之環狀配重23的振動的圖。再者，針對蘭杰文型超音波振子的偽零次縱向振動模式，在揭示本發明的發明人之發明的WO2017/065263A1已有詳細的記載，以此公報的記載內容作文本申請案的記載內容。
第5圖中，藉著對蘭杰文型超音波振子1之電能的施加，在產生偽零次縱向振動模式之超音波振動的場合，蘭杰文型超音波振子1的內部不產生具備振動的節的振動(伸縮振動)，蘭杰文型超音波振子本身產生上下振動的往返運動。將此往返運動以實線與虛線的箭頭表示。並且，環狀配重20的振動是同樣如以實線與虛線表示，成為與蘭杰文型超音波振子1的往返運動相反方向的往返運動。
因此，即使利用蘭杰文型超音波振子的偽零次縱向振動模式之超音波振動的場合，如第4圖已說明，藉上述環狀配重20的外圍緣部的振動(上下方向的往返運動)的產生，使得在蘭杰文型超音波振子1產生的超音波振動不易傳遞至圓筒狀殼體。因此，透過圓筒狀殼體的朝支撐裝置之超音波振動的洩漏顯著地降低，其結果，在蘭杰文型超音波振子1產生的超音波振動成為可效率良好地傳遞至保持在圓筒狀工具保持器24的工具。並且，為了有效率實現對利用於超音波加工的工具之超音波振動的傳遞，使超音波加工的精度與穩定度提升，並可實現用於激勵超音波振動之電能的降低。此外，由於可以使蘭杰文型超音波振子1的圓筒狀工具保持器24之上部的圓盤狀隆起部與圓筒狀殼體11的接觸區域的面積較以往所使用的超音波加工裝置之蘭杰文型超音波振子的突緣部的剖面積更大，而使得超音波加工裝置之蘭杰文型超音波振子的支撐更為確實，並且即使長期間的連續使用，仍可進行穩定的蘭杰文型超音波振子與附設在其上的工具的保持。
第8圖是表示本發明的超音波振動賦予器之另外構成例的透視圖，表示作為圓筒狀殼體11，在側面設置開縫27的樣態。20為環狀配重，24為圓筒狀工具保持器。並且，超音波振動賦予器是藉超音波加工機的支撐裝置26支撐固定。藉著如上述在圓筒狀殼體之側面的開縫27的形成，在蘭杰文型超音波振子產生，進一步降低圓筒狀殼體的超音波振動朝超音波加工機之支撐裝置的洩漏，並且，如上述藉由沿著圓周方向所形成的細長開縫，降低來自蘭杰文型超音波振子之超音波振動產生的發熱，並可引起超音波振動的反射。
第9圖是表示作為本發明的超音波振動賦予器的利用之一樣態的工具(在超音波振子的中心軸的周圍旋轉的工具)而使用鑽頭之穿孔裝置的構成例的圖。
第9圖表示的超音波加工裝置是在包括馬達31、馬達軸32、轉軸33、電源34、旋轉變壓器固定部35、旋轉變壓器旋轉部36b、固定側變壓器台37、套筒38、旋轉側變壓器台39及軸承30的超音波振動賦予器支撐旋轉裝置，裝設有具備工具41的本發明之超音波振動賦予器的構成。此超音波振子支撐旋轉裝置是作為超音波加工裝置之超音波振子支撐旋轉裝置而被一般所利用的裝置。
第10圖表示作為超音波加工方法的利用之一樣態的工具(在超音波振子的中心軸的周圍旋轉的工具)在使用研磨具或主軸的超音波加工裝置組入本發明的超音波振動賦予器之構成例的圖。並且，第10圖的超音波加工裝置中，從電源34所供應的電能是透過旋轉變壓器42、43傳遞至蘭杰文型超音波振子1。該第10圖表示的超音波加工裝置是假設透過上部45組入機械加工中心的使用。
第11圖的(A)是表示作為超音波加工方法的利用之一樣態的工具(在超音波振子的軸向往返運動的工具)在使用刀具(B)的研磨裝置上組入本發明的超音波振動賦予器之構成例的圖。此研磨裝置是將研磨裝置與加工對象材料(工件)的一方或雙方朝水平方向移動來改變相對的位置關係，裝設在超音波振動賦予器的刀具44是在上下方向振動(往返運動)，因此超音波振子的支撐構造體不會旋轉。
1‧‧‧螺栓緊固蘭杰文型超音波振子
2‧‧‧金屬塊(前質量)
3‧‧‧金屬塊(後質量)
5a、5b、5c、5d‧‧‧壓電元件
6‧‧‧螺栓
7a、7b、7c、7d‧‧‧電極
8‧‧‧突緣
9‧‧‧螺帽
10‧‧‧超音波研磨加工裝置
11‧‧‧(圓筒狀)殼體
13‧‧‧研磨器
20‧‧‧環狀配重
21‧‧‧接觸面
22‧‧‧螺紋部
23‧‧‧圓盤狀隆起部
24‧‧‧圓筒狀工具保持器
25‧‧‧螺紋部
第1圖表示代表性之螺栓緊固蘭杰文型超音波振子的構成的圖。 第2圖表示利用螺栓緊固蘭杰文型超音波振子的超音波加工裝置之構成的例的圖。 第3圖表示本發明的超音波振動賦予器之代表性的構成例的圖。 第4圖是說明對應第3圖表示在本發明的超音波振動賦予器產生的縱向一次振動而振動之環狀配重的振動模式的說明圖。 第5圖是說明對應第3圖表示在本發明的超音波振動賦予器產生的偽縱向零次振動而振動之環狀配重的振動模式的說明圖。 第6圖表示與本發明的超音波振動賦予器的第3圖的構成不同之構成例的圖。 第7圖表示與本發明的超音波振動賦予器的第3圖或第6圖的構成不同之構成例的圖。 第8圖表示本發明的超音波振動賦予器之構成例的透視圖，表示作為圓筒狀殼體，在側面設置開縫的樣態。 第9圖表示組入本發明的超音波振動賦予器之超音波加工裝置的例(工具為鑽頭)的構成例的圖。 第10圖表示組入本發明的超音波振動賦予器之超音波加工裝置的例(工具為主軸)的構成例的圖。 第11圖表示組入本發明的超音波振動賦予器之超音波加工裝置的例(工具為刀具)的構成例的圖。
Claims (9)
- 一種超音波振動賦予器，包括：將接觸面設置在內周圍面下部或底部，並在外圍面下部具備螺紋部的圓筒狀殼體；以在包括上部具備有嵌合於該圓筒狀殼體的上述接觸面之接觸面的圓盤狀隆起部的圓筒狀工具安裝器的前質量，及配置在該前質量的上方的後質量之間夾著分極處理後的壓電元件的狀態螺栓緊固的構成的蘭杰文型超音波振子；及在內周圍面上部具有旋入圓筒狀殼體的螺紋部之螺紋部的環狀配重。
- 如申請專利範圍第1項記載的超音波振動賦予器，其中，環狀配重的螺紋部的內周緣與外圍緣的距離是從環狀配重的厚度的2/3到3/1的範圍。
- 如申請專利範圍第1項記載的超音波振動賦予器，其中，環狀配重的螺紋部的內周緣與外圍緣的距離是從環狀配重的厚度的1/1到2/1的範圍。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項記載的超音波振動賦予器，其中，在環狀配重的螺紋部的下側，形成有內徑比該螺紋部的內徑小的下側小徑部，在其下側小徑部的上面與圓筒狀殼體的底面之間形成有空隙。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項記載的超音波振動賦予器，其中，在環狀配重的螺紋部的下側，形成有內徑比該螺紋部的內徑小的下側小徑部，在其下側小徑部的內周圍面與圓筒狀工具安裝器的側面之間形成有空隙。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項記載的超音波振動賦予器，其中，圓筒狀殼體的接觸面為向下方擴展的錐形狀的斜面區，圓筒狀工具安裝器的圓盤狀隆起部的斜面區也是錐形狀的斜面區。
- 如申請專利範圍第1項至第3項中任一項記載的超音波振動賦予器，其中，圓筒狀殼體的接觸面是形成在該圓筒狀殼體的內周圍側底部的直徑比圓筒狀殼體的內周圍面大的環狀凹部的上面及/或周圍面，圓筒狀工具安裝器的圓盤狀隆起部的接觸面為該圓盤狀隆起部的上面及/或側面。
- 如申請專利範圍第1項記載的超音波振動賦予器，其中，環狀配重的外圍緣部是對應蘭杰文型超音波振子的超音波振動，朝著與該超音波振動的方向相反的方向振動。
- 一種超音波加工裝置，包括：申請專利範圍第1項至第8項中任一項記載的超音波振動賦予器，及安裝於該超音波振動賦予器之圓筒狀工具安裝器的工具。
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