JPH03213257A - 超音波研磨装置 - 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、金型などのように磨き加工を行うべき面が各
方向に存する被研磨物の研磨に適した超音波研磨装置に
関する。

従来の技術 超音波振動する砥石などの工具による金型などの研磨加
工は、その効果的な磨き作用によって広く用いられてい
る。

このような研磨装置の一例を示すと、超音波発振器と縦
型振動子からなφものであり、縦型振動子の先端に互換
可能に、焼結ダイヤモンド砥石、電着ダイヤモンドやす
り、レジン砥石、黄銅、木、竹などの工具が必要に応じ
て取り付けられる。

そのような縦型振動子と工具の一例を第８図に示す。図
において、振動子１は軸方向に振動する縦形振動子で、
２枚の円環状電歪素子２を間に電極板３を挟んで重ね合
わせ、その両面より共通電極板１１と金属材４および段
部５を有する金属材６により中心ボルトなどによって一
体に締着したものである。振動子ｌの先′端部７には、
軸上に雌ねじが設けられ、又、工具８は段部９を持ち、
その出力端部には焼結ダイヤモンドなどによる砥石１０
が銀ろう接合により固着されている。そして工具８の大
径端部には雄ねじが設けられ、振動子ｌの先端部７に設
けられた雌ねじに螺合締着されている。そして、工具８
として各種のものを揃えておき、加工対象によって前述
のねじの取り外しにより必要な工具に交換して使用する
。

図示しない超音波発振器により振動子ｌを工具８を含め
た共振周波数で駆動すると、電歪素子２により発生した
振動は全長で共振振動して、砥石１０は段部５および９
によってその振幅が拡大されて軸方向に例えば３０Ｋｈ
ｚで２０μｍＰ−Ｐ〜３０μｍｐ−ｐの振幅で矢印のよ
うに超音波振動する。

第９図のように振動子１を斜めに持って、金形１６の研
磨面１２に砥石１０の先端を斜めに当てながら研磨面１
２をこすると、その表面は超音波振動によって効果的に
研磨されるものである。

軸方向に超音波振動する砥石をこのように研磨面に斜め
にあててこすると効果的に研磨され、これは粗研磨加工
に用いられる。当然の事ながら研磨面に平行に振動させ
て研磨する仕上げ加工時には研磨量は多くを望めない。

したがって、研磨部分が狭く斜めの振動を与えられない
ものに対する粗研磨加工には不都合であることになり、
例えば第１０図に示す金形１３の狭い溝１４の側面１５
を磨く時には、砥石の振動方向が研磨面に平行になるの
で、研磨効果が低下してしまう。即ち放電加工面やカッ
ターマークなどの粗い面の粗研磨加工には、研磨面に平
行な振動だけでは不向きである。

そこで、たわみ振動する振動子の出力端部に研磨工具を
設けて、工具を軸と直角方向に共振振動させた研磨装置
を既に特願昭６２−１５３０２０号（特開昭６３−３１
８２４８号公報参照）により本出願人が提案した。

工具の取付手段は多少相違するが、前述のようなたわみ
振動子と工具の一例を第１１図ないし第１４図に示す。

たわみ振動子２０は、その大径部において両側より金属
材２１．２２により挟まれて、−面に絶縁部２５を残し
て設けられた電極２６．２７と他面に全面電極２８を持
ち厚み方向に分極された円環状の２枚の電歪素子２３．
２４が、その電極２６．２７を対向させ、電極板２９，
３０を介して設けられている。

また、電歪素子２３と金属材２１との間には共通電極板
３１が挿入され、それらは軸中心のボルト３３により一
体的に締着されてたわみ振動子となり、金属材２２の小
径出力端部には雄ねじ３２が設けられている。

端部に左雄ねじ３３が設けられた工具３５は、スリット
３７に嵌め合わされて銀ろう接合された板材３８の端部
に、焼結ダイヤモンド砥石３９がさらに銀ろう接合され
ている。締着リング４２はその内周に右雌ねじ３４と左
雄ねじ３６と外周にスパナ掛け４１が設けられ、端部に
左雄ねじ：３３が設けられた工具３５と振動子２０の出
力端部に設けられた左雄ねじ３２とにより周方向角度を
合わせて堅く締着されている。

共通電極板３１を共通端子として電極板２９゜３０に互
いに位相の反転したたわみ共振周波数の駆動電圧を印加
すると、第１１図（ｂ）に示すたわみ振動分布で共振振
動し、砥石３９の先端は矢印４０に示すように軸と直角
方向に大きく振動する。

そこで、第１５図の如く、ワーク４５の研磨面４６に砥
石３９の腹を面で当てて軸方向にこすると、ワーク４５
の研磨面４６に垂直に作用する超音波振動によって効果
的に研磨される。また、砥石３９を斜めに当てて研磨面
４６に平行にこすると、縦振動子による第９図の例と同
様に、研磨面４６に斜めに当たる振動の垂直成分が作用
して同様に効果的な研磨が行なわれる。

発明が解決しようとする課題 縦型振動子の欠点を解決したたわみ振動子を用いること
により、溝側面などの粗加工には効果的であるものの、
研磨面に平行な振動が適する仕上げ加工に用いることが
できない。

課題を解決するための手段 研磨工具をとりつけたたわみ振動子を、縦振動させると
ともにたわみ振動させる。また、それぞれの振動強度を
加工対象によって最適な複合振動に制御する。

作用 工具は軸方向とたわみ方向の合成複合振動により、いろ
いろな加工面に対して、面に平行成分と直角成分の振動
とが作用して効果的に研磨される。

また、それぞれの振動強度を制御することにより粗加工
から仕上げ加工まで最適な振動状態が得られる。

実施例 本発明の第一の実施例を第１図ないし第７図に基づいて
説明する。本実施例は、第１１図に説明した従来のたわ
み振動子と工具とによってもその駆動方法を変えること
により達成できる。

第１図は、従来例として引用した第１１図のたわみ振動
子２ｏと、焼結ダイヤモンド５８を設けた工具５６とを
左右ネジをもつ締着リング６０によって締着したもので
あり、工具５６の形状は従来例である第８図の工具８と
同じ構成である。たわみ振動子２０については従来例と
同じなので説明を省略する。

たわみ共振周波数に調節した高周波電源６３から、たわ
み振動手段が駆動される。すなわち、出カドランス６１
の二次コイルにより互いに位相の反転した電圧を電極板
２９．３０に印加すると、電歪素子２３．２４の上半分
の厚みが伸びた瞬間に下半分は縮み、半周期後反転する
サイクル動作によって工具を含めた全長に第２図（ａ）
のようにたわみモードの振動分布が発生して矢印７１の
如く砥石５８の出力端部が軸と直角に振動する。

次に縦共振周波数をもつ高周波電源６９から縦振動手段
が駆動される。すなわち、出カドランス６６を経てトラ
ンス６１の二次コイル６４の中点タップ６５に電圧を印
加すると、電極板２９，３０には同相電圧として印加さ
れるので電歪素子２３．２４は上下ともに同時に伸縦す
るので、軸方向の縦振動を発生して第２図（ｂ）のごと
き縦モードの振動分布が発生して矢印７２の如く砥石５
８の先端は軸方向に振動する。

それぞれの共振周波数は、工具５６を交換したり砥石５
８の摩耗あるいは負荷がかかると共に変化するので、高
周波電源６３及び６９の周波数はそれぞれの共振周波数
を追尾して発振できるものが好ましい。各発振周波数は
独立して発振しているため周波数、位相とも互いに関係
がなく、合成複合振動はランダムな方向に変化する。そ
の出力端部における合成複合振動は、たわみ振動７１と
縦振動７２の合成されたものであり、各振動の振幅を制
御することにより、その振動軌跡の包絡線の形状を第３
図のように直線、矩形、正方形とすることができ、ワー
クの形状や加工内容によって適宜選択される。

第４図に示すものは、本発明の第二の実施例で、たわみ
駆動用電歪素子８３．８４と、縦駆動用電歪素子８７．
８８とにより構成された振動子８０で、金属材８１およ
び８２によって挟まれそれらはボルトで一体に締着され
ている。電歪素子８３゜８４は一面に絶縁部２５で二分
割された電極を持つ電歪素子２３．２４（第１図）と同
じで、また電歪素子８７．８８は通常用いられる両面に
全面電極を持つ円環状電歪素子である。

高周波電源９２は、たわみ振動手段を駆動する。

すなわち、出カドランス９１を介して電極板８５゜８６
に互いに反対位相の駆動電圧を印加してたわみ振動を行
わせる。また、高周波電源９４は、縦振動手段を駆動す
る。すなわち、出カドランス９３を通して電極板８９に
縦振動用駆動電圧を印加する。この例のように各モード
用の電歪素子を個別に備えることによって、機能的には
第１図と同様であるが一部ハイパワーの振動出力を得る
ことができる。

さらに、第５図および第６図に示すものは、本発明の第
三の実施例である。まず、第１のたわみ振動とそれに直
角な方向に互いに９０度の位相差で駆動される第２のた
わみ振動との合成された複合たわみ振動とと・もに、縦
振動を発生する振動子とその駆動回路を示す。すなわち
、縦振動手段と複合たわみ振動手段とにより駆動される
。

第１のたわみ振動を発生する電歪素子１０１゜１０２は
一面に上下二分割された電極をもち、電極板１０８，１
０９により通電される。そして第１のたわみ振動と直角
方向に第２のたわみ振動を発生する電歪素子１０３，１
０４は一方の面に左右に分割された電極をもち電極板１
１０．ｉｌｌによって通電される。それらは共通電極１
１２゜１１３とともに金属材１０５および１０６によっ
て挟み込まれ中心ボルト１０７によって一体に締着され
複合たわみ振動子１００が構成される。たわみ振動駆動
用高周波電源１１５から出カドランス１１４によって位
相の反転した電圧は電極板１０８．１０９に印加される
と電歪素子１０１，１０２を上下に反転駆動して上下方
向の第１のたわみ振動を発生させる。

電源１１５の一部は位相器１１７によって９０度位相が
ずらされ、出カドランス１１６を経て電極板１１０．ｉ
ｌｌに印加されて電歪素子１０３゜１０４を左右に反転
駆動して左右方向の第２のたわみ振動を発生させる。

縦振動駆動用高周波電源１１９は、出カドランス１１８
を経て、たわみｍ６カドランス１１４゜１１６の二次巻
き線中間タップに接続され、全ての電極板１０８，１０
９．ＬＩＯおよび１１１を同相で駆動するので軸方向の
縦振動を励起する。

振動子１００の出力端部には円筒状砥石１２２を持って
工具１２０が左右雌ネジを持つ締着ナツト１２３により
堅く締着されている。

第７図に工具１２０と先端の振動姿態を示す。

砥石１２２の先端部には第７図（ｂ）に示す矢印のよう
に第１のたわみ振動１２５．第２のたわみ振動１２６が
発生するが、それらは９０度の位相差で同期しているた
めその振動姿態は第７図（Ｃ）のように円振動１２７と
なり、またそれらと同期しない縦振動１２８とによりラ
ンダムな方向に振動する円筒状複合振動を発生する。

また、工具のデイメンジョンが左右方向と上下方向でか
なり異なると、第１と第２のたわみ共振周波数が離れて
円振動１２７の発生が困難となる。

しかしこのようなケースでは、それぞれ単独に独立して
共振周波数を追尾すれば良好な効果を上げることができ
る。

このような砥石と振動姿態は、ｋ状コーナ一部を研磨す
るのに有用である。

上記実施例において、深溝の側面研磨の場合には縦振動
、たわみ振動とも強く調節して粗加工後、徐々にたわみ
成分を減らして行きながら仕上げ加工に移行する。なお
、深溝の底面研磨においては、両振動成分の併用による
粗加工後、仕上げに向かうにつれて縦成分を減らし、た
わみ成分により研磨する。

丸穴、Ｒコーナー側面や丸穴底面の加工には丸棒（円柱
）砥石による複合たわみ振動（円振動）と縦振動との複
合振動が効果的である。上側と同様に側面ではたわみ振
動成分が、底面に対しては縦振動成分が補助的に作用し
て研磨効果を増大させる。

このように振動子の縦及びたわみ共振周波数のそれぞれ
は一致させなくともその効果は同様であリ、縦振動成分
とそれに直角なたわみ振動成分との合成振動は、その振
動周波数が異なると合成振動方向がランダムに変化する
が、そのランダムな振動方向の変化は研磨効果に悪影響
を与えない。

従ってツールはそのデイメンジョンの自由度が大きく、
この事は振動系の構成を非常に簡単にすることができる
。

このようなラッパーによれば、砥石の振動は研磨面に垂
直な方向の成分を多く含んでいるために硬脆材である超
硬合金やセラミックなどの研磨にも適するものである。

発明の効果 本発明は上述のように、研磨工具の設けられたたわみ振
動子と、このたわみ振動子を縦振動させる縦振動手段と
、前記たわみ振動子をたわみ振動させるたわみ振動手段
若しくは複合たわみ振動手段とにより構成したので、従
来の縦あるいはたわみ振動のみによる研磨作用に比べて
、それと直角方向振動との複合振動となって研磨効果の
著しい増大をもたらすことができ、さらに、研磨面の形
状や加工状況に応じて、縦とたわみ成分の振幅を最適な
値に制御することにより、粗研磨加工から仕上げ加工ま
で効果的な研磨を行うことができる等の効果を有する。

【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側面図、第２図は
たわみモードの振動分布と縦モードの振動分布との関係
を示す波形図、第３図は各種の振動軌跡の包絡線の形状
を示す平面図、第４図は本発明の第二の実施例を示す側
面図、第５図は本発明の第三の実施例を示す側面図、第
６図は電極板の斜視図、第７図は工具とその振動姿態を
示す斜視図、第８図は従来の一例を示す斜視図、第９図
は平面を研磨している状態め正面図、第１０図は溝を研
磨している状態の正面図、第１１図は従来の他の例を示
す側面図、第１２図はその締着部分の一部を切り欠いた
側面図、第１３図は電極板の斜視図、第１４図は電歪素
子の斜視図、第１５図は研磨状態の側面図である。 ２０．８０，１００・・・たわみ振動子、５６，１２０
・・・研磨工具、６６．９３，１１８・・・縦振動手段
、６１．９１・・・たわみ振動手段、１１４，１１６・
・・複合たわみ振動手段 出　願　人　　　多賀電気株式会社 、％、３図 （ａ） （ｂ） （Ｃ） （ｄ） （ｅ） 、：％は図 ３」」図（短り） 、％　、７２図（引り〕 Ｊづ 、Ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、研磨工具の設けられたたわみ振動子と、このたわみ
   振動子を縦振動させる縦振動手段と、前記たわみ振動子
   をたわみ振動させるたわみ振動手段とよりなることを特
   徴とする超音波研磨装置。 ２、研磨工具の設けられたたわみ振動子と、このたわみ
   振動子を縦振動させる縦振動手段と、前記たわみ振動子
   を複合たわみ振動させる複合たわみ振動手段とよりなる
   ことを特徴とする超音波研磨装置。