WO2021261291A1 - 超音波加工装置及び超音波切削装置 - Google Patents

超音波加工装置及び超音波切削装置 Download PDF

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ultrasonic
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一正 大西
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株式会社荏原製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23B—TURNING; BORING
    • B23B1/00—Methods for turning or working essentially requiring the use of turning-machines; Use of auxiliary equipment in connection with such methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D—PLANING; SLOTTING; SHEARING; BROACHING; SAWING; FILING; SCRAPING; LIKE OPERATIONS FOR WORKING METAL BY REMOVING MATERIAL, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23D19/00—Shearing machines or shearing devices cutting by rotary discs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B26—HAND CUTTING TOOLS; CUTTING; SEVERING
    • B26F—PERFORATING; PUNCHING; CUTTING-OUT; STAMPING-OUT; SEVERING BY MEANS OTHER THAN CUTTING
    • B26F3/00—Severing by means other than cutting; Apparatus therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/22—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising
    • B28D1/24—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor by cutting, e.g. incising with cutting discs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
    • B28D5/02—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by rotary tools, e.g. drills

Definitions

  • the present invention relates to a configuration that excites ultrasonic vibration to a cutting tool, a driving method thereof, and a supporting method.
  • a disk is used to cut a work object made of a hard and brittle material such as glass, silicon, silicon nitride, alumina-TiC (alumina containing titanium carbide), rare earth magnet material, or cemented carbide.
  • Cutting devices equipped with shaped cutting tools are widely used.
  • a disk-shaped cutting tool is sandwiched between flanges, and while rotating, the cutting edge of the outer peripheral edge thereof is brought into contact with the object to be machined to cut the object to be machined (eg, cutting or grooving). Will be done.
  • Patent Document 1 invented by the present inventor includes a disk-shaped cutting tool (disk-shaped tool) composed of a disk-shaped cutting tool (cutting tool) and an annular ultrasonic transducer fixed to the surface thereof.
  • the cutting device is disclosed.
  • ultrasonic vibration generated by the ultrasonic vibrator is applied to the cutting tool, and the outer peripheral edge of the cutting tool to which the ultrasonic vibration is applied is applied.
  • the object to be machined is cut by bringing the cutting edge of the portion into contact with the object to be machined. Further, it is described that the cutting tool of the same document can cut an object to be machined at high speed and with high accuracy by applying ultrasonic vibration to the cutting tool.
  • the cutting tool in the mode in which the cutting tool expands and contracts and vibrates, the cutting tool has no vibration node, so the vibration is greatly attenuated no matter where the cutting tool is supported. Therefore, the present inventor devised the cutting tool shown in Patent Document 2.
  • the cutting tool is provided with an ultrasonic reflecting portion by a slit outside the support position. Further, a piezoelectric element is joined to the outer peripheral portion from the slit. Then, the expansion / contraction vibration can be excited to the cutting tool by applying a voltage near the natural frequency of the mode in which the cutting tool expands / contracts to the piezoelectric element.
  • the cutting tool since there is a slit provided outside the support position of the cutting tool, if the cutting tool rotates at high speed, the cutting tool may be damaged due to the slit due to centrifugal force. Further, when the mass of the cutting tool becomes large, the centrifugal force becomes large and the cutting tool may be damaged due to the slit. Further, when the radius of the cutting tool becomes large, the centrifugal force becomes large and the cutting tool may be damaged due to the slit.
  • Patent No. 4620370 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-210928
  • an object of the present invention is to provide a configuration, a driving method, and a supporting method for exciting an ultrasonic vibration to a cutting tool without fear of destruction even when a large mechanical load is applied to the cutting tool.
  • One aspect of the present invention is to position the Langevin type ultrasonic vibrator on the tip side of the cutting tool when the cutting tool and the Langevin type ultrasonic vibrator are mounted on the rotating shaft of the ultrasonic processing apparatus.
  • One aspect of the present invention is also to provide a male screw on the rotating shaft to tighten the cutting tool and the Langevin type ultrasonic vibrator.
  • One aspect of the present invention also integrally constitutes a cutting tool and a front mass of a Langevin type ultrasonic vibrator.
  • One aspect of the present invention also integrally comprises a rod-shaped male screw and a front mass of a Langevin type ultrasonic vibrator.
  • Another aspect of the present invention is to provide a female screw on the rotating shaft, insert a male screw into the female screw, and tighten the cutting tool and the Langevin type ultrasonic vibrator.
  • One aspect of the present invention is also to excite the radial vibration of the cutting tool by the longitudinal vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator.
  • One aspect of the present invention is an ultrasonic cutting device having a rotating cutting tool, in which a piezoelectric element is positioned in front of and behind the cutting tool in the direction of the rotation axis of the ultrasonic cutting device with the central surface of the cutting tool symmetrical. It is something that makes you.
  • two or more piezoelectric elements are arranged on the front side and the rear side in the rotation axis direction of the rotating cutting tool, and the polarization directions of the facing piezoelectric elements are opposite to each other. Is.
  • two or more piezoelectric elements are arranged on the front side and the rear side in the rotation axis direction of the rotating cutting tool, the polarization directions of the facing piezoelectric elements are opposite to each other, and the cutting tool is used. And the piezoelectric element are to be joined.
  • two or more piezoelectric elements are arranged on the front side and the rear side in the rotation axis direction of the rotating cutting tool, an electrode plate is arranged between adjacent piezoelectric elements, and the piezoelectric elements face each other. It is assumed that the polarization directions of the two are opposite to each other.
  • one piezoelectric element is arranged on the front side and the rear side in the rotation axis direction of the rotating cutting tool, and an insulator is arranged on the outside of the piezoelectric element with respect to the cutting tool. It is assumed that the polarization directions of the facing piezoelectric elements are opposite to each other.
  • the length L from the tip to the center surface of the cutting tool is assumed to be 1/3 times or more and 3/2 times or less of the radius R of the disk-shaped cutting tool.
  • FIG. 1 It is sectional drawing which attached the cutting tool and Langevin type ultrasonic vibrator to the rotating shaft of this invention. It is a figure explaining the vibration mode of FIG. 1 by using an arrow. It is the figure which configured the front mass and the cutting tool integrally. It is the figure which configured the rotating shaft and a bar screw integrally. It is a first cross-sectional view which attached the cutting tool and the ultrasonic vibration part to the rotating shaft of this invention. It is a second sectional view which attached the cutting tool and the ultrasonic vibration part to the rotating shaft of this invention. It is a figure explaining the vibration mode of FIG. 5 using an arrow. It is a figure explaining the vibration mode of FIG. 6 using an arrow.
  • FIG. 1 showing a cross section of a rotary shaft 8 and a cutting tool 7 used in the ultrasonic processing apparatus 1 having the first configuration according to the present invention, and a Langevin type ultrasonic vibrator 2 which is an ultrasonic vibration generating part.
  • a female screw is provided at the tip of the rotating shaft 8 of the ultrasonic processing apparatus 1.
  • the bar screw 6 having a hexagonal hole and the front mass 3 are made of an integral metal.
  • a voltage having a frequency that excites the longitudinal vibration (vibration in the axial direction) indicated by the arrow shown in FIG. 2 is applied to the piezoelectric elements 4a and 4b of the Langevin type ultrasonic vibrator 2.
  • the black circle in the bar screw 6 and the black circle in the rotating shaft 8 are the nodes of longitudinal vibration.
  • the expansion / contraction vibration node of the disk-shaped cutting tool 7 is a black circle in the bar screw 6, which is the same as the longitudinal vibration node.
  • Non-Patent Document 1 The research of converting the above longitudinal vibration into radial vibration is explained in detail in Non-Patent Document 1. Further, a cutting method and a cutting device for converting longitudinal vibration into radial vibration are described in detail in Patent Document 2.
  • the first configuration of the present invention it is possible to excite the expansion / contraction vibration of the cutting tool 7 having high rigidity. Then, by using the Langevin type ultrasonic vibrator 2 as a drive source of ultrasonic vibration, it is possible to excite a large vibration in the cutting tool 7.
  • a voltage having a frequency near the natural frequency of the vertical vibration mode of the target Langevin oscillator is applied to the piezoelectric elements 4a and 4b through lead wires 9a and 9b via an ultrasonic oscillation circuit, a rotary transformer, etc. (not shown).
  • the longitudinal vibration mode of the Langevin oscillator 2 excites radial expansion / contraction vibration in the cutting tool 7 by the vibration direction changing action described in Non-Patent Document 1. Since the cutting tool 7 is strongly tightened by the Langevin type ultrasonic vibrator 2 and the rotating shaft 8, the cutting tool 7 having high rigidity can be supported.
  • FIG. 3 is used showing a cross section of a rotary shaft 8 and a disk-shaped cutting tool 7 used in the ultrasonic processing apparatus 1 having the second configuration according to the present invention, and a Langevin type ultrasonic vibrator 2 which is an ultrasonic vibration generating part. I will explain.
  • a female screw is provided at the tip of the rotating shaft 8 of the ultrasonic processing apparatus 1. Then, a bar screw 6 having a hexagonal hole is tightened to the female screw of the rotating shaft 8.
  • the vertical vibration of the Langevin type ultrasonic transducer 2 can be efficiently converted into the expansion / contraction vibration of the disk-shaped cutting tool 7. If the front mass 3 and the disk-shaped cutting tool 7 are only in contact with each other, the vibration loss becomes large on the contact surface.
  • FIG. 4 showing a cross section of a rotary shaft 8 and a disk-shaped cutting tool 7 used in the ultrasonic processing apparatus 1 having a third configuration according to the present invention and a Langevin type ultrasonic transducer 2 which is an ultrasonic generating unit is used. explain.
  • the metal rotating shaft 8 and the bar screw 6 are manufactured integrally. Then, the integrally manufactured front mass 3 and the disk-shaped cutting tool 7 are inserted into the bar screw 6, and then the piezoelectric element 4a, the phosphor bronze plate (not shown), the piezoelectric element 4b, and the phosphor bronze plate (not shown) are inserted in this order. Then, the rear mass 5 is tightened, and the disc-shaped cutting tool 7 is connected to the rotating shaft 8.
  • the longitudinal vibration of the Langevin type ultrasonic vibrator 2 can be efficiently transmitted to the rotating shaft. Since the longitudinal vibrations are more equal on both sides of the disk-shaped cutting tool 7, it is possible to excite the expansion / contraction vibration that is symmetric with respect to the central plane parallel to the plane of the disk-shaped cutting tool 7.
  • the metal disk-shaped cutting tool 7 was used, but it can also be used for a tool in which a grindstone or the like is attached to the outer circumference of the metal disk. It can also be applied to various disk-shaped tools.
  • the ultrasonic cutting apparatus 11 having a fourth configuration according to the present invention will be described with reference to FIG.
  • the rotary shaft 17 made of the material S45C and the bar screw portion 18 are integrally manufactured.
  • the diagonal line indicated by the dotted line at the right end of the rotating shaft 17 is the holding portion for holding the ultrasonic cutting device 11.
  • the ultrasonic vibrating part is assembled by inserting the electrode plate 14a and the insulating plate 16a in this order and tightening the female screw provided on the rear mass 15 made of S45C.
  • the annularly shaped piezoelectric element 13 is made of lead titanate zirconia acid and has silver electrodes on both sides thereof.
  • the arrow in the piezoelectric element indicates the polarization direction.
  • the polarization directions of the piezoelectric element 13a and the piezoelectric element 13b are symmetrical to the center plane indicated by the center line CL of the cutting tool 12 with respect to the center line CL passing through the cutting tool 12.
  • the positions of the piezoelectric element 13, the electrode plate 14, and the insulating plate 16 are also symmetrical with respect to the center line CL passing through the cutting tool 12.
  • the reason for using the insulating plate 16 will be described. Since a voltage for exciting ultrasonic vibration must be applied to the electrode plates 14a and 14b of the piezoelectric elements 13a and 13b, the electrode plates 14a and 14b have a rear mass 15 and a rotating shaft 17 having a voltage on the ground side. Cannot be equal potential. Therefore, the insulating plate 16a is positioned between the rear mass 15 and the electrode plate 14a, and the insulating plate 16b is positioned between the rotating shaft 17 and the electrode plate 14b.
  • the arrow shown in FIG. 7 is the vibration direction, and indicates that the vibration in the length direction, which is the direction of the arrow in the rotating shaft 17 and the bar screw portion 18, is converted in the direction of the arrow of the cutting tool 12.
  • the black circles in the figure indicate the vibration nodes.
  • the radius R of the cutting tool 12 shown in FIG. 11 and the distance L from the center line CL of the cutting tool 12 to the tip of the rear mass 15 are substantially equal. Is. Further, since it is affected by the configuration and the material of each component, the length L from the tip of the ultrasonic cutting device 11 to the center surface CL of the cutting tool 12 is 1/2 of the radius R of the disk-shaped cutting tool 12. It shall be double or more and 3/2 times or less.
  • the radius R of the cutting tool 12 and the distance L from the center line CL of the cutting tool 12 to the tip of the rear mass 15 shown in FIG. 11 are the cutting tool 12. It needs to be about 1/3 of the radius R. Further, since it is affected by the configuration and the material of each part, the length L from the tip of the rear mass 15 to the center surface CL of the cutting tool 12 is 1/3 or more times the radius R of the disk-shaped cutting tool 12 2. It shall be / 3 times or less.
  • the length L from the tip of the rear mass 15 to the center surface CL of the cutting tool 12 is 1/3 of the radius R of the disk-shaped cutting tool 12. It is desirable to double or more and 3/2 times or less.
  • FIG. 9 is a diagram showing the disk surface of the disk-shaped cutting tool 12, and when the vibration mode is explained, it vibrates toward the center of the annular cutting tool 12 as shown by an arrow, and the ring shrinks. When the vibrations are out of phase, the directions of the vibration arrows are reversed and the annulus expands. Therefore, it is called a scaling vibration mode.
  • the arrow shown in FIG. 8 is the vibration direction, and indicates that the vibration in the length direction, which is the direction of the arrow in the rotating shaft 17 and the bar screw 19, is converted in the direction of the arrow of the cutting tool 12. Further, in the ring-shaped cutting tool 12, there is a black circle indicating a vibration node.
  • FIG. 10 is a diagram showing the disk surface of the disk-shaped cutting tool 12, and when the vibration mode is explained, it extends from the center of the annular cutting tool 12 toward the circular knot line shown by the dotted line as shown by the arrow. From the outer periphery of the cutting tool 12, the cutting tool 12 shrinks toward the circular knot line indicated by the dotted line. When the vibrations are out of phase, the directions of the vibration arrows are reversed.
  • Non-Patent Document 1 The study of converting the above longitudinal vibration into radial vibration is described in detail in Non-Patent Document 1. Further, a cutting method and a cutting device for converting longitudinal vibration into radial vibration are described in detail in Patent Document 2.
  • the fourth configuration of the present invention it is possible to excite the expansion / contraction vibration of the cutting tool 12 having high rigidity. Then, by using the piezoelectric element 13 as a drive source for ultrasonic vibration, it is possible to excite a large vibration in the cutting tool 12.
  • a voltage having a frequency near the natural frequency of the expansion / contraction vibration of the annular cutting tool 12 is applied to the piezoelectric elements 13a and 13b through the lead wire 22 via an ultrasonic oscillation circuit (not shown), a rotary transformer, or the like.
  • the configuration in which the rotating shaft 17, the rear mass 15, the piezoelectric elements 13a, 13b, etc. are connected is a longitudinal vibration mode in the vicinity of the natural frequency of the expansion / contraction vibration of the annular cutting tool 12 by adjusting the length of the rear mass 15.
  • the longitudinal vibration mode of the configuration such as the rear mass 15, the piezoelectric elements 13a and 13b, the cutting tool 12, and the rotating shaft 12 is excited by the vibration direction changing action described in Non-Patent Document 1. Will be done. Since the cutting tool 12 is strongly tightened by the rear mass 15 and the rotating shaft 17, the cutting tool 12 having high rigidity can be supported.
  • FIG. 11 is a partially enlarged view of FIG.
  • FIG. 11 shows a cross section of an ultrasonic cutting device 11 using a cutting tool 12 in which an annular piezoelectric element 13a, 13b is joined to an inner peripheral side of a flange 21 of an annular cutting tool 12 having flanges 21a and 21b. This will be described with reference to FIG.
  • the disk-shaped cutting tool 12 and the flange 21 are integrally configured and created by machining or the like.
  • the annular flange 21 is joined to the annular cutting tool 12 by adhesive, welding, or the like.
  • a groove is provided in the annular cutting tool 12, and the annular flange 21 is aligned with the position of the groove.
  • a voltage having a frequency near the natural frequency of the vertical vibration mode of the target Langevin oscillator is applied to the piezoelectric elements 13a and 13b through a lead wire via an ultrasonic oscillation circuit, a rotary transformer, etc. (not shown).
  • the longitudinal vibration mode in which the rotating shaft 17, the rear mass 15, the piezoelectric elements 13a, 13b, etc. are connected excites radial expansion / contraction vibration in the cutting tool 12 by the vibration direction changing action described in Non-Patent Document 1. .. Since the cutting tool 12 is strongly tightened by the rear mass 15 and the rotating shaft 17, the cutting tool 12 having high rigidity can be supported.
  • the vibration mode of the ultrasonic cutting apparatus 11 having the fifth configuration according to the present invention is the same as that described with reference to FIGS. 7 and 8, but the flange 21a is between the rear mass 15 and the cutting tool 12. There is a space between the rear mass 15 and the piezoelectric element 11a. There is a flange 21b between the rotating shaft 17 and the cutting tool 12, and there is a space between the rotating shaft 17 and the piezoelectric element 11b.
  • the metal disk-shaped cutting tool 12 was used, but it can also be used for a tool in which a grindstone or the like is attached to the outer circumference of the metal disk. It can also be applied to various disk-shaped tools.
  • the cutting tool of the present invention and its driving method can excite highly efficient ultrasonic vibration without risk of damage to the cutting tool even when a large load is applied to the cutting tool, it can be used in various ultrasonic cutting devices. Can be done.

Abstract

超音波加工装置（１）の回転軸（８）の先端にメネジを設ける。一方、６角穴を持つ棒ネジ（６）とフロントマス（３）を一体の金属で作製する。一体で製作したフロントマス（３）を持つ棒ネジ（６）に圧電素子（３ａ）を入れ、図示しないリン青銅板を入れ、圧電素子（３ｂ）を入れ、リン青銅板を入れて棒ネジ（６）の６角穴に６角レンチを入れて、リアマス（５）の切欠きにスパナを掛けて締付け、棒ネジ（６）を持つランジュバン型超音波振動子（２）を作成する。作成した棒ネジ（６）を持つランジュバン型超音波振動子（２）の先端に切削具（７）を挿入して、回転軸（８）のメネジ穴にねじ込み、リアマス（５）の切欠きにスパナを掛けてねじ込む。

Description

超音波切削装置
　本発明は、超音波振動を切削具に励起する構成とその駆動方法、支持方法に関する。
　従来より、ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、アルミナ－TiC（炭化チタン含有アルミナ）、希土類磁石材料、あるいは超硬金属に代表される硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切削するため、円盤状の切削具を備えた切削装置が広く用いられている。この切削装置においては、円盤状の切削具をフランジにより挟み、そして回転させながら、その外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行われる。
　本発明者が発明した特許文献１には、円盤状の切削具（切断具）とその表面に固定された円環状の超音波振動子からなる円盤状の切削具（円盤状具）を備えた切削装置が開示されている。この切削装置においては、円盤状の切削工具を切削具と共に回転させながら、超音波振動子にて発生した超音波振動を切断具に付与し、この超音波振動が付与された切断具の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより加工対象物の切削が行なわれる。そして、同文献の切削工具は、その切削具に超音波振動を付与することにより、加工対象物を高速で、かつ高い精度で切削することができると記載されている。
　しかし切削具が拡縮振動するモードにおいては、切削具には振動の節がないため、切削具のどこを支持しても振動が大幅に減衰してしまう。そこで本発明者は特許文献２に示す切削具を考案した。その切削具は、支持位置より外側にスリットによる超音波反射部を備える。さらにスリットより外周部に圧電素子を接合する。そして、圧電素子に切削具が拡縮振動するモードの固有振動数の付近の電圧を印加することにより切削具に拡縮振動を励起することができる。
　しかし、切削具の支持位置より外側に設けたスリットが存在するため、切削具が高速回転すると、遠心力によりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。また、切削具の質量が大きくなると遠心力が大きくなりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。さらに切削具の半径が大きくなると遠心力が大きくなりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。
特許第４６２０３７０号 特開２０００－２１０９２８号公報
伊藤勝彦ほか、「振動方向変換体の研究」、日本音響学会誌、29巻5号、p.307－314
　従って本発明の目的は、切削具に大きな機械的負荷が与えられても、破壊の恐れがない超音波振動を切削具に励起する構成、駆動方法そして支持方法を提供することにある。
　本発明の一態様は、超音波加工装置の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着する際に切削具より先端側にランジュバン型超音波振動子を位置させるものである。
　本発明の一態様はまた、回転軸にオネジを設け切削具とランジュバン型超音波振動子を締付けるものである。
　本発明の一態様はまた、切削具とランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成するものである。
　本発明の一態様はまた、棒状のオネジとランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成するものである。
　本発明の一態様はまた、回転軸にメネジを設け、前記メネジにオネジを挿入して、切削具そしてランジュバン型超音波振動子を締付けるものである。
　本発明の一態様はまた、ランジュバン型超音波振動子の縦振動により切削具の径方向の振動を励起するものである。
　本発明の一態様は、回転する切削具を持つ超音波切削装置において、超音波切削装置の回転軸フ方向の切削具の前方と後方に、切削具の中心面を対称にして圧電素子を位置させるものである。
本発明の一態様はまた、回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を２個以上配置して、向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であるものとするものである。
本発明の一態様はまた、回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を２個以上配置して、向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であり、かつ切削具と圧電素子を接合するものとするものである。
本発明の一態様はまた、回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を２個以上配置して、隣り合う圧電素子の間に電極板を配置し、向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であるものとするものである。
本発明の一態様はまた、回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を１個配置して、切削具に対して圧電素子の外側に絶縁体を配置し、かつ向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であるものとするものである。
本発明の一態様はまた、先端から切削具の中心面までの長さＬが、円盤状の切削具の半径Ｒの１／３倍以上３／２倍以下であるものとする。
　圧電素子を接合した切削具にスリットを設けることなく、切削具に拡縮する超音波振動を励起することができるため、切削具に大きな機械的負荷が加わる高速回転する、質量の大きい、そして切削具の半径の大きい切削具においても超音波加工ができる。
本発明の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着した断面図である。 図１の振動モードを、矢印を用いて説明する図である。 フロントマスと切削具を一体で構成した図である。 回転軸と棒ネジを一体で構成した図である。 本発明の回転軸に切削具と超音波振動部を装着した第１の断面図である。 本発明の回転軸に切削具と超音波振動部を装着した第２の断面図である。 図５の振動モードを、矢印を用いて説明する図である。 図６の振動モードを、矢印を用いて説明する図である。 第１の振動モードを切削具の平面図を用いて説明する図である。 第２の振動モードを切削具の平面図を用いて説明する図である。 本発明の回転軸に切削具と超音波振動部を装着した第３断面図である。 図１１の圧電素子の周辺を拡大した図である。
　本発明に関わる第１の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と切削具７及び超音波振動発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図１を用いて説明する。
　超音波加工装置１の回転軸８の先端にメネジを設ける。一方、６角穴を持つ棒ネジ６とフロントマス３を一体の金属で作製する。
　一体で製作したフロントマス３を持つ棒ネジ６に圧電素子４ａを入れ、図示しないリン青銅板を入れ、圧電素子４ｂを入れ、リン青銅板を入れて棒ネジ６の６角穴に６角レンチを入れて、リアマス５の切欠きにスパナを掛けて締付け、棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２を作成する。
　作成した棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２の先端に切削具７を挿入して、回転軸８のメネジ穴にねじ込み、リアマス５の切欠きにスパナを掛けてねじ込む。
　ランジュバン型超音波振動子２の圧電素子４ａ、４ｂに図２に示す矢印で示す縦振動（軸方向の振動）を励起する周波数の電圧を印加する。ここで、棒ネジ６の中の黒丸と回転軸８の中の黒丸が縦振動の節である。
　円板状の切削具７の拡縮振動の固有振動数がランジュバン型超音波振動子２に印加した電圧の周波数とほぼ同じであると、切削具７に矢印で示す拡縮振動が発生する。ここで円板状の切削具７の拡縮振動の節は棒ネジ６の中の黒丸であり、縦振動の節と同じである。
　上記の縦振動を径方向の振動に変換する研究は、非特許文献１に詳しく解説されている。また、縦振動を径方向の振動に変換する切削方法及び切削装置は特許文献２に詳しく記述してある。
　本発明の第１の構成によれば、剛性の大きい切削具７の拡縮振動を励起することができる。そして、ランジュバン型超音波振動子２を超音波振動の駆動源とすることで切削具７に大きな振動を励起することができる。
　ここで、切削具７に超音波振動を励起する手段について詳しく説明する。目的とするランジュバン振動子の縦振動モードの固有振動数付近の周波数の電圧を図示しない超音波発振回路、ロータリートランスなどを経由してリード線９ａ、９ｂを通して圧電素子４ａ、４ｂに印加する。ランジュバン振動子２の縦振動モードは、非特許文献１に記載されている振動方向変換作用により、切削具７に径方向の拡縮振動を励起する。切削具７は、ランジュバン型超音波振動子２と回転軸８とで強く締付けられているため剛性の大きい切削具７の支持ができる。
　本発明に関わる第２の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と円板状の切削具７及び超音波振動発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図３を用いて説明する。
　超音波加工装置１の回転軸８の先端にメネジを設ける。そして、前記の回転軸８のメネジに６角穴を持つ棒ネジ６を締付ける。
　棒ネジ６に円板状の切削具７とフロントマス３を一体で製作した構成を挿入する。次に圧電素子４ａ、図示しないリン青銅板、圧電素子４ｂ、図示しないリン青銅板の順序で挿入し、リアマス５を締付け、円板状の切削具７を回転軸８に接続する。
　フロントマス３と円板状の切削具７を一体化することで、ランジュバン型超音波振動子２の縦振動を円板状の切削具７の拡縮振動に効率高く変換することができる。フロントマス３と円板状の切削具７が接触しているだけであると接触面で振動ロスが大きくなる。
　本発明に関わる第３の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と円板状の切削具７及び超音波発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図４を用いて説明する。
　まず、金属製の回転軸８と棒ネジ６を一体で製作する。そして、一体で製作したフロントマス３と円板状の切削具７を棒ネジ６に挿入し、次に圧電素子４ａ、図示しないリン青銅板、圧電素子４ｂ、図示しないリン青銅板の順序で挿入し、リアマス５を締付け、円板状の切削具７を回転軸８に接続する。
　棒ネジ６と回転軸８を一体化することで、ランジュバン型超音波振動子２の縦振動を回転軸に効率高く伝達することができる。円板状の切削具７の両側に縦振動がより等しくなるため、円板状の切削具７の平面に平行な中心面に対して対称である拡縮振動を励起できる。
　以上の説明では、金属製の円板状の切削具７としていたが、金属製の円板の外周に砥石などを装着した工具にも使用できる。また円盤状の各種工具にも応用可能である。
　本発明に関わる第４の構成の超音波切削装置１１を、図５を用いて説明する。材料Ｓ４５Ｃ製の回転軸１７と棒ネジ部１８を一体で作成している。そして、回転軸１７の右端部の点線で示す斜線は超音波切削装置１１を保持する保持部である。
　回転軸１７の棒ネジ部１８にジルコニア製の円環状の絶縁板１６ｂ、リン青銅製の円環状の電極板１４ｂ、円環状の形状の圧電素子１３ｂ、円環状の切削具１２、圧電素子１３ａ、電極板１４ａ、絶縁板１６ａの順序で挿入してＳ４５Ｃ製のリアマス１５に設けたメネジを締付けることにより超音波振動部を組み立てる。
　円環状の形状の圧電素子１３は、チタン酸ジルコニア酸鉛セラミックス製であり、その両面には銀電極を持つ。また圧電素子の中の矢印は分極方向を示す。そして、切削具１２を通る中心線ＣＬに対して圧電素子１３ａと圧電素子１３ｂの分極方向は切削具１２の中心線ＣＬで示す中心面に対称である。
　また、切削具１２を通る中心線ＣＬに対して、圧電素子１３、電極板１４そして絶縁板１６の位置も対称である。
　ここで絶縁板１６を使用する理由について述べる。圧電素子１３ａ、１３ｂの電極板１４ａ、１４ｂには、超音波振動を励起するための電圧を印加させなければならないので、電極板１４ａ、１４ｂは、グランド側の電圧を持つリアマス１５、回転軸１７とは等電位にできない。このためリアマス１５と電極板１４ａの間に絶縁板１６ａ、回転軸１７と電極板１４ｂの間に絶縁板１６ｂを位置させた。
　次に所望する切削具１２の第１の振動モードについて図７、図９を用いて説明する。図７中に示す矢印は振動方向であり、回転軸１７と棒ネジ部１８の中の矢印の方向である長さ方向の振動が切削具１２の矢印の方向に変換されていることを示す。図中の黒丸は振動の節を示す。
　切削具１２の第１の振動モードを効率よく励起するには、図１１に示す切削具１２の半径Ｒと切削具１２の中心線ＣＬからリアマス１５の先端までの距離Ｌがほぼ等しいことが必要である。また、構成および各部品の材料にも影響を受けるので、超音波切削装置１１の先端から切削具１２の中心面ＣＬまでの長さＬが、円盤状の切削具１２の半径Ｒの１／２倍以上３／２倍以下であるものとする。
　切削具１２の第２の振動モードを効率よく励起するには、図１１に示す切削具１２の半径Ｒと切削具１２の中心線ＣＬからリアマス１５の先端までの距離Ｌが、切削具１２のほぼ半径Ｒの約１／３であることが必要である。また、構成および各部品の材料にも影響を受けるので、リアマス１５の先端から切削具１２の中心面ＣＬまでの長さＬが、円盤状の切削具１２の半径Ｒの１／３倍以上２／３倍以下であるものとする。
　したがって、第１の振動モードあるいは第２の振動モードを励起するにはリアマス１５の先端から切削具１２の中心面ＣＬまでの長さＬが、円盤状の切削具１２の半径Ｒの１／３倍以上３／２倍以下が望ましい。
　図９は円盤状の切削具１２の円盤面を示す図であり、振動モードを説明すると矢印で示すように円環状の切削具１２の中心方向に振動し、円環は縮む。振動の逆位相時には、振動の矢印の向きは逆になり円環は広がる。したがって、拡縮振動モードと呼ばれる。
　次に所望する切削具１２の第２の振動モードについて図８、図１０を用いて説明する。
図８中に示す矢印は振動方向であり、回転軸１７と棒ネジ１９の中の矢印の方向である長さ方向の振動が切削具１２の矢印の方向に変換されていることを示す。また、円環形状の切削具１２の中には振動の節を示す黒丸がある。
図１０は円盤状の切削具１２の円盤面を示す図であり、振動モードを説明すると矢印で示すように円環状の切削具１２の中心から点線で示す円状の節線に向かって拡がり、切削具１２の外周からは、点線で示す円状の節線に向かって縮む。振動の逆位相時には、振動の矢印の向きは逆になる。
　上記の縦振動を径方向の振動に変換する研究は、非特許文献１に詳しく解説されている。
また、縦振動を径方向の振動に変換する切削方法及び切削装置は特許文献２に詳しく記述してある。
　本発明の第４の構成によれば、剛性の大きい切削具１２の拡縮振動を励起することができる。そして、圧電素子１３を超音波振動の駆動源とすることで切削具１２に大きな振動を励起することができる。
　ここで、切削具１２に超音波振動を励起する手段について詳しく説明する。
　円環状の切削具１２の拡縮振動の固有振動数付近の周波数の電圧を図示しない超音波発振回路、ロータリートランスなどを経由してリード線２２を通して圧電素子１３ａ、１３ｂに印加する。そして、回転軸１７、リアマス１５、圧電素子１３ａ、１３ｂなどを接続した構成は、リアマス１５の長さを調整することにより円環状の切削具１２の拡縮振動の固有振動数付近の縦振動モードの固有振動数を持つように設定すると、非特許文献１に記載されている振動方向変換作用により、リアマス１５、圧電素子１３ａ、１３ｂ、切削具１２そして回転軸１２などの構成の縦振動モードが励起される。切削具１２は、リアマス１５と回転軸１７とで強く締付けられているため剛性の大きい切削具１２の支持ができる。
　本発明に関わる第５の構成の超音波切削装置１１を、図１１と、図１１の一部拡大図である図１２を用いて説明する。フランジ２１ａ、２１ｂを持つ円環状の切削具１２のフランジ２１の内周側に、円環状の圧電素子１３ａ、１３ｂを接合した切削具１２を用いた超音波切削装置１１の断面を示す図１１、図１２を用いて説明する。
　円環状の切削具１２にフランジ２１を位置させる方法として、円盤状の切削具１２とフランジ２１を一体の構成として、機械加工などにより作成する。別の方法として円環状の切削具１２に円環状のフランジ２１を接着剤、溶接などにより接合する。さらに別の方法として、円環状の切削具１２に溝を設け、その溝の位置に円環状のフランジ２１を位置合わせする。
　圧電素子１３ａ、１３ｂは、リアマス１５及び回転軸１７に接触することがないため、絶縁板が不要である。そしてフランジ２１ａとリアマス１５、フランジ２１ｂと回転軸１７が接触することにより、外部からの切削屑や切削液が圧電素子に接触することを防止できる。
　ここで、切削具１２に超音波振動を励起する手段について詳しく説明する。
　目的とするランジュバン振動子の縦振動モードの固有振動数付近の周波数の電圧を図示しない超音波発振回路、ロータリートランスなどを経由してリード線を通して圧電素子１３ａ、１３ｂに印加する。回転軸１７、リアマス１５、圧電素子１３ａ、１３ｂなどを接続した構成の縦振動モードは、非特許文献１に記載されている振動方向変換作用により、切削具１２に径方向の拡縮振動を励起する。切削具１２は、リアマス１５と回転軸１７とで強く締付けられているため剛性の大きい切削具１２の支持ができる。
　上記の本発明に関わる第５の構成の超音波切削装置１１の振動モードは、図７、図８で用いて説明したものと同様であるが、リアマス１５と切削具１２の間にはフランジ２１ａがあり、リアマス１５と圧電素子１１ａの間には空間がある。そして、回転軸１７と切削具１２の間にはフランジ２１ｂがあり、回転軸１７と圧電素子１１ｂの間には空間がある。
　上記の空間の作用により、回転軸方向の振動の一部は反射されるので小さくなる。そして切削具１２の半径方向の振動は、回転軸方向の振動が小さくなるのに反比例して大きくなる。したがって、図５、図６の構成に比較して、回転軸方向の振動は小さくなり、切削具１２の振動は大きくなる。したがって、超音波切削装置としては、フランジを持つ構成は、より望ましいと考えられる。
　また、フランジ２１はリアマス１５と回転軸１７とともに振動しているので、切削具１２の拡縮振動を拘束することはない。
　以上の第５の構成では、切削具に圧電素子を接合しているので、実際に超音波切削装置に切削具を装着する作業が簡単になる。
　以上の説明では、金属製の円板状の切削具１２としていたが、金属製の円板の外周に砥石などを装着した工具にも使用できる。また円盤状の各種工具にも応用可能である。
　上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
　本発明の切削具とその駆動方法により切削具に大きな負荷が加わる場合にも切削具の破損の虞がない効率の高い超音波振動を励起することができるので様々な超音波切削装置に用いることができる。
１　　超音波加工装置
２　　ランジュバン型超音波振動子
３　　フロントマス
４　　圧電素子
５　　リアマス
６　　棒ネジ
７　　切削具
８　　回転軸
９　　リード線
１１　　超音波切削装置
１２　　切削具
１３　　圧電素子
１４　　電極板
１５　　リアマス
１６　　絶縁板
１７　　回転軸
１８　　棒ネジ部
１９　　棒ネジ
２１　フランジ
２２　リード線

Claims (13)

  1. 　超音波加工装置の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着する際に切削具より先端側にランジュバン型超音波振動子を位置させることを特徴とする超音波加工装置。
  2. 　回転軸にオネジを設け、切削具とランジュバン型超音波振動子を締付けることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
  3. 　切削具とランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
  4. 　棒状のオネジとランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
  5. 　回転軸にメネジを設け、前記メネジに棒ネジを挿入して、切削具そしてランジュバン型超音波振動子を締付けることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
  6. 　ランジュバン型超音波振動子の縦振動により切削具の径方向の振動を励起することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
  7. 　回転する切削具を持つ超音波切削装置において、超音波切削装置の回転軸方向の切削具の前方と後方に、切削具の中心面を対称にして圧電素子を位置させることを特徴とする超音波切削装置。
  8. 　回転する切削具を持つ超音波切削装置において、超音波切削装置の回転軸方向の切削具の前方と後方に、切削具の中心面を対称にして圧電素子を位置させ、かつフランジを有することを特徴とする超音波切削装置。
  9. 　回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を２個以上配置して、向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波切削装置。
  10. 　回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を２個以上配置して、向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であり、かつ切削具と圧電素子を接合することを特徴とする請求項７または８に記載の超音波切削装置。
  11. 　回転する切削具の回転軸方向の前方側、後方側に、圧電素子を１個配置して、切削具に対して圧電素子の外側に絶縁体を配置し、かつ向かい合う圧電素子の分極方向が互いに逆方向であることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波切削装置。
  12. 　先端から切削具の中心面までの長さＬが、円盤状の切削具の半径Ｒの１／３倍以上３／２倍以下であることを特徴とする請求項７または８に記載の超音波切削装置。
  13. 　回転軸方向の振動と切削具の径方向の振動を変換することを特徴とする請求項７または８に記載の超音波切削装置。
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