JPH02167601A - たわみ振動子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ッ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、既に本出願人によって提案されている。

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、実施に当っては、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ｌ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
ｌ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Ｎｌ、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１９．２
０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
とによっ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ｌ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１
７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からの駆動によっ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２
６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、バイト刃先は図中はとんど上
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って、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
によっては著しく有害であって、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ッピングを増大させ
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
おける差異によっ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っ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ってくる。

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
トさらに突っ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ッ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波数となったときのレ
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＠を発生するが、直列共振周波数ｆ
ｒ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、ｆ
ｒ、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ｌ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３■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
のみとなって、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って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、突っ切りバイ
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、したがって、Ｙ軸の共振周
波数が下がって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
り取って金属材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ったために、Ｘ軸
の共振周波数は第６図のたわみ振動子ｌ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
くなっ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。したがって、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の間隙が広くなったためにＹ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ったためで
、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、−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っ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ッター等
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ったり、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
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
切り火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な°
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１
３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 出　願　人　　　多賀電気株式会社 」 ６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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差をつけたことを特
   徴とするたわみ振動子。 ２、電歪素子の分割間隙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、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差をつけたことを特徴とする
   たわみ振動子。