TW202003121A - 超音波振動賦予具、行進波發生裝置及超音波加工裝置 - Google Patents

超音波振動賦予具、行進波發生裝置及超音波加工裝置 Download PDF

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Abstract

[課題] 提供具備適於組入於超音波加工裝置而使圓環狀行進波發生的蘭杰文型超音波振動子的超音波振動賦予具。 [解決手段] 本發明之超音波振動賦予具係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在外殼的接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在其上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸凸緣部的下面且並無接觸前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對壓電元件施加電能，發生前質塊的上下方向的振動、及以與該振動為相同方向突出的凸緣部的平面中央部的撓曲振動，同時在環狀配重錘的外周面發生與因凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。

Description

超音波振動賦予具、行進波發生裝置及超音波加工裝置
本發明係關於超音波振動賦予具、行進波發生裝置及超音波加工裝置。本發明尤其關於使用蘭杰文型(Langevin Type)超音波振動子的超音波振動賦予具，且為表示新穎振動模式的超音波振動的超音波振動賦予具、及使用該超音波振動賦予具的行進波發生裝置與超音波加工裝置。
利用壓電元件作為超音波發生源的超音波振動子已知有各種構成者，以其具代表性的構成而言，已知由一對金屬區塊與被固定在該等金屬區塊之間的分極處理完畢的壓電元件所構成的蘭杰文型超音波振動子。其中亦將分極處理完畢的壓電元件在一對金屬區塊之間藉由螺栓進行連接，以高壓緊固固定的構造的螺緊蘭杰文型超音波振動子係可能發生高能量的超音波振動，因此檢討利用在附設在用以進行各種材料的研磨加工、切削加工、塑性加工、砥粒加工等的工具來加以使用的超音波加工處理，且實際上被使用。此外，關於各種超音波振動子，檢討利用在藉由透過振動板或各種振動手段來傳送在該超音波振動子所發生的超音波振動所為之超音波洗淨、金屬接合、塑膠熔接、超音波霧化、乳化/分散等超音波處理的用途、及魚群探知機等水中音響器(聲納)、超音波探傷器、醫療用回波診斷裝置、流量計等通訊上應用機器，且實際上被使用在眾多領域中。
此外，如專利文獻1所記載，亦已知利用超音波振動而使行進波發生的方法或裝置。作為利用該超音波振動的行進波而具代表性者係使具圓環形狀的振動體發生圓環狀的行進波的方法，以該行進波的利用形態而言，係已提案出超音波馬達、研磨裝置、及切削裝置等。但是，利用使行進波發生的超音波振動模式的裝置且被實際利用的裝置，在現時點，係侷限於機械負荷少、而且變動少之內置於攝影機的馬達。
表示行進波超音波振動模式的超音波振動係在該振動不會發生波節(節點(node))方面具有特徵的振動模式，以兼作振動源的振動體而言，一般係使用具有圓環狀平面的壓電陶瓷板。但是，在發生行進波的圓環狀振動體並未出現振動的波節，因此無法在維持振動特性的情況下支持該振動體。亦即，一般的振動體係為了有效活用在該振動體所出現的超音波振動，在出現該超音波振動的波節的位置進行支持，但是若利用未出現超音波振動的波節的行進波超音波振動模式時，無法利用如上所示之支持方法來支持振動體。因此，發生至此為止被實用化之行進波超音波振動模式的超音波振動的圓環狀振動體的支持係採用利用氈(felt)等柔軟材料的成形體作為支持基板的方法，藉由如上所示之支持方法，使振動體浮游在空氣中來實現。 但是，若較大機械負荷施加在振動體，氈等柔軟材料的成形體被壓縮而變硬，因此在振動體所發生的行進波超音波振動模式的超音波振動會傳播至支持基板，發生有無法實現在該振動體中發生平順的行進波的情形的問題。
其中，在專利文獻1的圖11中係揭示使用蘭杰文型超音波振動子之行進波的發生方法的圖，惟完全未見關於其所揭示的蘭杰文型超音波振動子的構成或供行進波發生用的振動體的支持方法的具體說明。
此外，因在超音波加工裝置中對各種工具供予超音波振動所期待的效果為在超音波振動子所發生的超音波振動以高效率傳達至被組合在超音波振動子的工具保持具所保持的工具，結果所得之藉由該工具所致之加工作業所需電能的縮減或加工精度的提升等。但是，在至今所製造且實際加工作業所使用的超音波加工裝置中，大多為未充分獲得該所期待的效果的情形。因此在現在的時點，亦無法謂為超音波加工裝置已充分普及。因此，為了使超音波加工裝置更加普及，必須開發一種在超音波振動子所發生的超音波振動以高效率被傳達至工具的超音波加工裝置。
本發明之發明人至今研究出提供使得在組入在超音波加工裝置的超音波振動子所發生的超音波振動以高效率傳達至工具的改良的發明，且已提出多數專利申請。以該等改良發明之中最新的發明之一而言，可列舉專利文獻2所揭示的發明。其中，該專利文獻2係其公開日為2018年8月15日，比本PCT申請中主張優先權的日本特願2018年5月30日申請的特願2018-114989號申請案更為之後的公開申請案。
在專利文獻2係揭示一種超音波振動賦予具，其係包含：在內周面下部或底部具備接觸面，且在外周面下部具備螺絲部的圓筒狀外殼；在包含在上部具有具備被嵌合在該圓筒狀外殼之上述接觸面的接觸面的圓盤狀膨出部的圓筒狀工具安裝具的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾入分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面上部具有圓筒狀外殼的螺絲部被螺入的螺絲部的環狀配重錘。接著，以上述環狀配重錘的較佳構成而言，揭示在該螺絲部的下側形成內徑小於該螺絲部的內徑的下側小徑部，在該下側小徑部的內周面與圓筒狀工具安裝具(兼作前質塊)的側面之間形成有空隙的構成。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開昭59-122385(1984-7-14公開) 專利文獻2：PCT/JP2018/004728(2018年2月9日申請，以WO 2018/147445A1於2018年8月15日公開)
(發明所欲解決之課題)
本發明之發明人係期待是否可利用上述專利文獻2所記載的超音波振動賦予具作為使圓環狀振動體效率佳地發生圓環狀行進波的超音波振動賦予具，而檢討使用專利文獻2中具體揭示的構成的超音波振動賦予具對圓環狀振動體之效率佳的圓環狀行進波的發生狀況。但是，該圓環狀行進波的發生狀況並不一定達到可滿足的水準。 (解決課題之手段)
因此，本發明之課題在提供尤其適於用以安定地賦予對圓環狀振動體的行進波模式的超音波振動之具備有蘭杰文型超音波振動子的超音波振動賦予具。
本發明之發明人係在更進一步檢討專利文獻2所記載的超音波振動賦予具的構成的過程中，製作本說明書所附之圖1至圖3所記載的構成的超音波振動賦予具，且調查該超音波振動賦予具的超音波振動特性。
亦即，在圖1-圖3中，超音波振動賦予具1係具有特徵為：包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼2；在上部具備具有被嵌合在圓筒狀外殼2的上述接觸面的接觸面的凸緣部3的前質塊4、與配置在該前質塊4的上方的後質塊5之間夾著利用電極層6a、6b之已被施行分極處理的壓電元件6的狀態下，藉由螺栓5a固定(螺緊)的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部7a具備圓筒狀外殼2的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部7b具有接觸上述凸緣部3的下面且並無接觸上述前質塊4的側面的內周側延長部7c的環狀配重錘7，上述圓筒狀外殼2的接觸面與上述凸緣部3的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑(Hin)大於環狀配重錘7的內側延長部7c的內周表面所構成的圓周圓的直徑(Nin)。
在圖3中係顯示環狀配重錘7的平面圖(圖3的(a))與沿著圖3的A-A線的剖面圖(圖3的(b))。圖3所示之環狀配重錘7係具備擺動精度調整用的母螺孔的類型者。接著，在環狀配重錘7的厚度方向(高度方向)的上側係具有：在內周面具備圓筒狀外殼2的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面的上部的區域7a(厚度：7at)；及具備接觸凸緣部3的下面且並無接觸前質塊4的側面的內周側延長部7c的下部區域7b(厚度：7bt)。
接著，將具有圖1至圖3所示之基本構成的超音波振動賦予具，將前質塊4的質量作各種改變，調查該等超音波振動賦予具的超音波振動特性，結果清楚可知如以下記載之頗有意思的超音波振動特性。 (1)圓筒狀外殼的質量具有大於蘭杰文型超音波振動子與環狀配重錘之任一者的質量，且若環狀配重錘將蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，而具有位於0.5-1.5的範圍的質量時，藉由對壓電元件施加具有用以激發蘭杰文型超音波振動子的縱零次振動的頻率的電能，發生蘭杰文型超音波振動子全體的上下方向的振動、及以與蘭杰文型超音波振動子全體的上下方向的振動為同一方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在環狀配重錘的外周面發生與因凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
(2)以模式顯示上述(1)說明的超音波振動特性的是所附圖示的圖4至圖6。其中，圖5係以誇張形式圖示圖4所示之蘭杰文型超音波振動子與環狀配重錘的振動模式。
其中，在圖4至圖6所示之振動模式中，僅在圓筒狀外殼的下端部附近出現波節(節點：以黑點表示)9，蘭杰文型超音波振動子係全體上下振動，而且凸緣部與環狀配重錘係以上述模式進行振動，但是該等振動幾乎不會有傳播至圓筒狀外殼2的情形，因此，圓筒狀外殼2幾乎不會振動。
(3)圖7與圖8係顯示藉由對壓電元件施加具有用以激發蘭杰文型超音波振動子的縱一次振動的頻率的電能，除了在圓筒狀外殼的下端部附近出現波節(節點)9的振動之外，激發在蘭杰文型超音波振動子的壓電元件的附近具有波節(節點)10的縱一次振動(縱向的伸縮振動)，在蘭杰文型超音波振動子出現縱向的伸縮振動的樣子。因此，蘭杰文型超音波振動子的振動係成為前質塊與後質塊以彼此相反的方向上下振動的伸縮振動，而且同時出現以與前質塊4的振動方向為相同方向突出的凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且在環狀配重錘的外周面發生與因該凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。 即使為上述圖7與圖8所示之振動模式，蘭杰文型超音波振動子的振動與環狀配重錘的振動亦幾乎不會有傳播至圓筒狀外殼2的情形，因此，圓筒狀外殼2幾乎不會振動。
(4)相對於此，圓筒狀外殼的質量具有大於蘭杰文型超音波振動子與環狀配重錘之任一者的質量，且若環狀配重錘將蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，而具有位於0.25-0.75的範圍的質量時，藉由對蘭杰文型超音波振動子的壓電元件施加電能，發生蘭杰文型超音波振動子的伸縮振動、及以與前質塊的上下方向的振動為相反方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
(5)圖9與圖10係以模式顯示在上述(4)的構成的超音波振動賦予具所發生的超音波振動的樣子的圖。即使為該圖9與圖10所示之振動模式，前質塊、及凸緣部與環狀配重錘的振動亦幾乎不會有傳播至圓筒狀外殼2的情形，因此，圓筒狀外殼2幾乎不會振動。
根據以上記載的新穎知見，本發明之發明人係完成以下記載之發明。
(發明1)一種超音波振動賦予具，其係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相同方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
(發明2)一種超音波振動賦予具，其係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相反方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
(發明3)使用上述發明1之超音波振動賦予具作為超音波賦予具的裝置，其係包含：圓環狀振動體、及沿著其圓周而彼此分離配置在該圓環狀振動體且相連接的超音波振動賦予具之用以使沿著上述圓環狀振動體的圓環的行進波發生的裝置。
(發明4)使用上述發明2之超音波振動賦予具作為超音波賦予具的裝置，其係包含：圓環狀振動體、及沿著其圓周而彼此分離配置在該圓環狀振動體且相連接的超音波振動賦予具之用以使沿著上述圓環狀振動體的圓環的行進波發生的裝置。
(發明5)使用上述發明1之超音波振動賦予具作為超音波賦予具的裝置，其係包含超音波振動賦予具、及被安裝在該超音波振動賦予具的工具的超音波加工裝置。
(發明6)使用上述發明2之超音波振動賦予具作為超音波賦予具的裝置，其係包含超音波振動賦予具、及被安裝在該超音波振動賦予具的工具的超音波加工裝置。
以下記載本發明之超音波振動賦予具的較佳態樣。 (1)上述圓筒狀外殼的接觸面與上述凸緣部的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑(Hin)大於環狀配重錘的內側延長部的內周表面所構成的圓周圓的直徑(Nin)。 (2)上述圓筒狀外殼具有大於上述蘭杰文型超音波振動子與上述環狀配重錘之任一者的質量。 (3)針對發明1的超音波振動賦予具，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.5-1.5的範圍的質量。 (4)針對發明2的超音波振動賦予具，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.25-0.75的範圍的質量。 (發明之效果)
若在超音波加工裝置組入本發明之超音波振動賦予具加以使用時，由超音波振動賦予具對超音波加工裝置的超音波振動賦予具的支持構件(用以組入在超音波加工裝置的支持構件)漏出超音波振動能量顯著減低。因此，可將在蘭杰文型超音波振動子發生的超音波振動，以高效率、而且高安定性傳達至被安裝在超音波振動賦予具的工具或振動體。
此外，藉由將本發明之超音波賦予具三個以上在彼此分離的狀態下裝設在圓環狀的振動體，可使該振動體安定發生圓環狀的行進波。
以下參照圖1至圖10，記載本發明之超音波振動賦予具的詳細說明。
圖1與圖2係顯示可能發生本發明之具特徵的模式的超音波振動的超音波振動賦予具的具代表性構成例的圖。在本說明書中已記載該圖1與圖2所示之超音波振動賦予具的構成。亦即，圖1與圖2所示之超音波振動賦予具係基本構成與專利文獻2所記載的超音波振動賦予具相同。 但是，圖1與圖2所示之超音波振動賦予具與專利文獻2所記載的超音波振動賦予具不同之處在於：在圓筒狀外殼2的接觸面與凸緣部3的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑(Hin)大於環狀配重錘8的內側延長部7的內周表面所構成的圓周圓的直徑(Nin)具有特徵的超音波振動賦予具。其中，在被裝設在本案所附的各圖式所示的超音波振動賦予具的蘭杰文型超音波振動子的壓電元件，自不待言，實際上係附屬有用以供給電能的配線系統。但是，如上所示之配線系統的圖示變得較為繁雜，因此在各圖示中省略。 關於圖3，亦已記載說明。
圖4至圖10係以模式顯示本發明之超音波振動賦予具的各種構成、及對該等構成的超音波振動賦予具的壓電元件施加電能時所出現的蘭杰文型超音波振動子的縱向振動、在前質塊的凸緣部所出現的撓曲振動、及在環狀配重錘所出現的弧狀振動的方向的圖，關於各圖的說明在本說明書中已記載。
其中，在所附圖式的圖1至圖10中係顯示將具備凸緣部的前質塊與環狀配重錘分別形成為不同個體而製作的超音波振動賦予具，惟即使具備凸緣部的前質塊與環狀配重錘形成為一體來製作，亦應可得同樣效果。將如上所示之構成顯示在圖11。亦即，前質塊4與環狀配重錘7係藉由將該等相連接的環狀配重錘的延長部7d、及與該延長部7d一體化的前質塊的凸緣部7e而全體被一體化。但是，圖11所示之超音波振動賦予具係其製作並不容易，因此亦被認為欠缺實用性。
接著，記載使用本發明之超音波振動賦予具而使圓環狀行進波模式的超音波振動發生的方法。圓環狀行進波模式係在行進波傳播的方向並無出現振動的波節的情形，而且即使為大型的振動體，亦可能出現激發，因此有利於實施大型振動體的超音波加工。
圓環狀行進波模式係如後述之圖14與圖17的各個模式記載之圖所示，有：以與圓環狀振動體的半徑方向呈正交的方向撓曲的模式的行進波、及以圓環狀振動體的半徑方向撓曲的模式的行進波的二種。接著，任何模式的行進波均為了使其發生行進波，必須在圓環狀振動體的表面，在彼此分離的狀態，較佳為以同一距離分離的狀態下裝設三個以上的超音波振動賦予具。此外，一般而言，振動體的大小愈大，愈必須使所裝設的超音波振動賦予具的個數增加。
在圖12與圖13中顯示賦予圓環狀行進波模式的超音波振動來進行研磨加工的超音波加工裝置(研磨裝置)的構成之例。圖12係顯示研磨裝置的平面圖。圖13係沿著圖12所示之研磨裝置的A-A線切斷的正面剖面圖。
為了以利用本發明之超音波賦予裝置的研磨裝置，使圓環狀行進波模式的超音波振動發生，在圖12與圖13所示之研磨裝置中，係使用合計4個的超音波賦予裝置1(1a、1b、1c、1d)，而且在旋轉板11彼此分離90°的狀態下，藉由螺栓來安裝各超音波賦予裝置1的外殼。藉由使用本發明之超音波賦予裝置，如前所述，在蘭杰文型超音波振動子所發生的超音波振動幾乎沒有漏至外殼的情形。接著，裝設有環狀配重錘的超音波賦予裝置係顯示高剛性，因此伴隨高剛性而被安裝在旋轉板11。
接著，在各超音波賦予裝置(1a、1b、1c、1d)的蘭杰文型超音波振動子的前質塊的頂面，使用螺栓來裝設在表面形成有圓環狀砥石面13的圓環狀研磨板14。在使用如上所示之構成的研磨裝置的研磨作業中，即使對形成在圓環狀研磨板14的表面的圓環狀砥石面13施加較大的機械負荷，亦可供給安定狀態的圓環狀行進波模式的超音波振動。
開始研磨作業時，首先對圓環狀研削板14的圓環狀砥石面13噴霧研削液，接著，由超音波發訊電路，以下述方法，將具有預定電壓與頻率的電能施加至超音波賦予裝置1(1a、1b、1c、1d)的各個的蘭杰文型超音波振動子。
亦即，例如，分別對超音波賦予裝置1a的蘭杰文型超音波振動子施加Cos波電壓，對超音波賦予裝置1b的蘭杰文型超音波振動子施加Sin波電壓，對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加-Cos波電壓，及對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加-Sin波電壓。對各超音波賦予裝置的蘭杰文型超音波振動子的各個，以如上所示之方法施加不同種類的電壓，藉此如圖14的模式圖所示，在圓環狀研磨板14的表面發生以與其半徑方向呈正交的方向撓曲的模式的行進波。
接著，使旋轉軸12旋轉，且按照預先決定的加工程式，進行研磨對象的材料的研磨。
其中，在蘭杰文型的驅動中，實際上將驅動的相位形成為二相可簡化驅動電路，因此亦可利用以相反方向配置裝設在超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子的壓電元件，對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加Cos波電壓的方法，來取代對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加-Cos波電壓。此外，同樣地，亦可利用以相反方向配置裝設在超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子的壓電元件，對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加Sin波電壓的方法，來取代對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加-Sin波電壓。
接著在圖15及圖16中顯示賦予圓環狀行進波模式的超音波振動來進行研削加工的超音波加工裝置(研削裝置)的構成之例。圖15係顯示研削裝置的平面圖。圖16係圖13所示之研削裝置的正面剖面圖。
為了以利用本發明之超音波賦予裝置的研削裝置，使圓環狀行進波模式的超音波振動發生，在圖15與圖16所示之研削裝置中，係使用合計4個的超音波賦予裝置1(1a、1b、1c、1d)。接著，在旋轉板15彼此分離90°的狀態下，藉由螺栓來安裝各超音波賦予裝置1的外殼。藉由使用本發明之超音波賦予裝置，如前所述，在蘭杰文型超音波振動子所發生的超音波振動幾乎沒有洩漏至外殼的情形。接著，裝設有環狀配重錘的超音波賦予裝置係顯示高剛性，因此伴隨高剛性而被安裝在旋轉板15。
接著，在設在各超音波賦予裝置(1a、1b、1c、1d)的蘭杰文型超音波振動子的前質塊的頂面的段差，裝設圓環狀切削砥石(刀片)16。在使用如上所示之構成的研削裝置的研削作業中，即使對圓環狀切削砥石(刀片)16施加較大的機械負荷，亦可供給安定狀態的圓環狀行進波模式的超音波振動。
開始研削作業時，首先對圓環狀切削砥石(刀片)16噴霧研削液，接著，由超音波發訊電路，將具有預定電壓與頻率的電能施加至超音波賦予裝置1(1a、1b、1c、1d)的蘭杰文型超音波振動子。
對超音波賦予裝置1(1a、1b、1c、1d)的各蘭杰文型超音波振動子，係施加具有預定電壓與頻率的電能。亦即，例如，分別對超音波賦予裝置1a的蘭杰文型超音波振動子施加Cos波電壓，對超音波賦予裝置1b的蘭杰文型超音波振動子施加Sin波電壓，對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加-Cos波電壓，及對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加-Sin波電壓。對各超音波賦予裝置的蘭杰文型超音波振動子的各個，以如上所示之方法施加不同種類的電壓，藉此如圖17中模式記載的圖所示，在圓環狀切削砥石(刀片)16的表面發生以其半徑方向撓曲的模式的行進波。但是，圖17所示之行進波的模式係在裝設有6個(或12個)的超音波賦予裝置時所得的行進波。
其中，在實施藉由該研削裝置所為之研削作業時，亦可利用以相反方向配置裝設在超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子的壓電元件，對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加Cos波電壓的方法，來取代對超音波賦予裝置1c的蘭杰文型超音波振動子施加-Cos波電壓，且利用以相反方向配置裝設在超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子的壓電元件，對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加Sin波電壓的方法，來取代對超音波賦予裝置1d的蘭杰文型超音波振動子施加-Sin波電壓。 接著，使旋轉軸15旋轉，且按照預先決定的加工程式，實施研削對象的材料的研削。
此外，至此所記載之本發明之超音波賦予裝置的圓環狀行進波模式的超音波振動的激發之外，本發明之超音波賦予裝置當然亦可有效利用在自以往以來一般利用的模式的超音波振動的賦予。例如，本發明之超音波賦予裝置亦可有效利用在搬送物品所使用的給料器、超音波浮上裝置、超音波砥粒加工裝置等中。
1a、1b、1c、1d‧‧‧超音波賦予裝置 2‧‧‧圓筒狀外殼 3‧‧‧凸緣部 4‧‧‧前質塊 5‧‧‧後質塊 5a‧‧‧螺栓 6‧‧‧壓電元件 6a、6b‧‧‧電極層 7‧‧‧環狀配重錘 7a‧‧‧上部區域 7at‧‧‧厚度 7b‧‧‧下部區域 7bt‧‧‧厚度 7c‧‧‧內周側延長部 7d‧‧‧延長部 8‧‧‧環狀配重錘 9‧‧‧波節(節點) 10‧‧‧波節(節點) 11‧‧‧旋轉板 12‧‧‧旋轉軸 13‧‧‧圓環狀砥石面 14‧‧‧圓環狀研磨板 15‧‧‧旋轉板 16‧‧‧圓環狀切削砥石(刀片) Hin‧‧‧直徑 Nin‧‧‧直徑
圖1係本發明之超音波振動賦予具之例的平面圖。 圖2係圖1所示之超音波振動賦予具的正面剖面圖。 圖3係顯示構成本發明之超音波振動賦予具的環狀配重錘的構成之例的圖，(a)係平面圖，及(b)係沿著(a)所示之A-A線所切斷的正面剖面圖。 圖4係圖示對圖2所示之本發明之超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，該圖係顯示蘭杰文型超音波振動子處於因振動而下降的位置的狀態。 圖5係以有別於圖4的其他方法顯示構成圖4所示之本發明之超音波振動賦予具的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。 圖6係圖示對圖2所示之本發明之超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，該圖係顯示蘭杰文型超音波振動子位於因振動而上升的位置的狀態。 圖7係圖示對與圖2所示之超音波振動賦予具為類似的構成的超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，在該圖的構成中，係在蘭杰文型超音波振動子的壓電元件的位置的附近出現振動的波節(節點)。接著，該圖係顯示前質塊位於因振動而下降的位置的狀態。 圖8係圖示對圖7所示之本發明之超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，在該圖的構成中，係在蘭杰文型超音波振動子的壓電元件的位置的附近出現振動的波節(節點)。接著，該圖係顯示前質塊位於因振動而上升的位置的狀態。 圖9係圖示對與圖2所示之超音波振動賦予具為類似的構成(但是，在前質塊具有大質量的方面不同)的超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，在該圖的構成中，係在前質塊出現振動的波節(節點)。接著，該圖係顯示前質塊位於因振動而下降的位置的狀態。 圖10係圖示對圖9所示之超音波振動賦予具施加電能時所發生的蘭杰文型超音波振動子的振動、前質塊的凸緣部的振動、及環狀配重錘的振動的各個的說明圖。其中，在該圖的構成中，係在前質塊出現振動的波節(節點)。接著，該圖係顯示前質塊位於因振動而上升的位置的狀態。 圖11係顯示將本發明之超音波振動賦予具形成為前質塊透過凸緣部而與環狀配重錘一體化的構成的圖。 圖12係顯示將本發明之超音波振動賦予具裝設在圓環狀研磨具所構成的研磨裝置的平面圖。 圖13係顯示圖12所示之研磨裝置的正面剖面圖。 圖14係顯示對被裝設在圖12與圖13所示之研磨裝置的超音波振動賦予具施加電能時在圓環狀研磨具所發生的圓環狀行進波的模式的模式圖。 圖15係顯示將本發明之超音波振動賦予具裝設在切削具(圓環狀刀片)所構成的切削裝置的平面圖。 圖16係顯示圖15所示之切削裝置的正面剖面圖。 圖17係顯示對被裝設在圖15與圖16所示之切削裝置的超音波振動賦予具施加電能時在切削具(圓環狀刀片)所發生的圓環狀行進波的模式的模式圖。
5‧‧‧後質塊
5a‧‧‧螺栓
7‧‧‧環狀配重錘

Claims (18)

  1. 一種超音波振動賦予具，其係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相同方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  2. 一種超音波振動賦予具，其係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相反方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項之超音波振動賦予具，其中，上述圓筒狀外殼的接觸面與上述凸緣部的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑大於環狀配重錘的內側延長部的內周表面所構成的圓周圓的直徑。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項之超音波振動賦予具，其中，上述圓筒狀外殼具有大於上述蘭杰文型超音波振動子與上述環狀配重錘的任一者的質量。
  5. 如申請專利範圍第1項之超音波振動賦予具，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.5-1.5的範圍的質量。
  6. 如申請專利範圍第2項之超音波振動賦予具，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.25-0.75的範圍的質量。
  7. 一種裝置，其係包含：圓環狀振動體、及沿著其圓周而彼此分離配置在該圓環狀振動體且相連接的超音波振動賦予具之用以使沿著上述圓環狀振動體的圓環的行進波發生的裝置，其特徵為： 上述超音波振動賦予具係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相同方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  8. 一種裝置，其係包含：圓環狀振動體、及沿著其圓周而彼此分離配置在該圓環狀振動體且相連接的超音波振動賦予具之用以使沿著上述圓環狀振動體的圓環的行進波發生之使行進波發生的裝置，其特徵為： 上述超音波振動賦予具係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相反方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  9. 如申請專利範圍第7項或第8項之裝置，其中，上述圓筒狀外殼的接觸面與上述凸緣的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑大於環狀配重錘的內側延長部的內周表面所構成的圓周圓的直徑。
  10. 如申請專利範圍第7項或第8項之裝置，其中，上述圓筒狀外殼具有大於上述蘭杰文型超音波振動子與上述環狀配重錘的任一者的質量。
  11. 如申請專利範圍第7項之裝置，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.5-1.5的範圍的質量。
  12. 如申請專利範圍第8項之裝置，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.25-0.75的範圍的質量。
  13. 一種裝置，其係包含超音波振動賦予具、及被安裝在該超音波振動賦予具的工具的超音波加工裝置，其特徵為： 上述超音波振動賦予具係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相同方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  14. 一種裝置，其係包含超音波振動賦予具、及被安裝在該超音波振動賦予具的工具的超音波加工裝置，其特徵為： 上述超音波振動賦予具係包含：在內周面下部具有朝向下方擴展的接觸面，且在外周面下部具備螺絲面的圓筒狀外殼；在上部具備具有被嵌合在該圓筒狀外殼的上述接觸面的接觸面的凸緣部的前質塊、與配置在該前質塊的上方的後質塊之間夾著分極處理完畢的壓電元件的狀態下螺緊的構成的蘭杰文型超音波振動子；及在內周面的上部具備上述圓筒狀外殼的外周面下部的螺絲面被螺入的螺絲面，在下部具有接觸上述凸緣部的下面且並無接觸上述前質塊的側面的內周側延長部的環狀配重錘，藉由對上述壓電元件施加電能，發生上述前質塊的上下方向的振動、及以與該前質塊的上下方向的振動為相反方向突出的上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動，而且同時在上述環狀配重錘的外周面發生與因上述凸緣部的平面中央部的撓曲振動而突出的方向為相反方向的圓弧狀的振動。
  15. 如申請專利範圍第13項或第14項之超音波加工裝置，其中，上述圓筒狀外殼的接觸面與上述凸緣的接觸面彼此接觸的區域的上端部所構成的圓周圓的直徑大於環狀配重錘的內側延長部的內周表面所構成的圓周圓的直徑。
  16. 如申請專利範圍第13項或第14項之超音波加工裝置，其中，上述圓筒狀外殼具有大於上述蘭杰文型超音波振動子與上述環狀配重錘的任一者的質量。
  17. 如申請專利範圍第13項之超音波加工裝置，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.5-1.5的範圍的質量。
  18. 如申請專利範圍第14項之超音波加工裝置，其中，將上述蘭杰文型超音波振動子的質量設為1，上述環狀配重錘具有位於0.25-0.75的範圍的質量。
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