JPH0698559B2 - 超音波研磨装置 - Google Patents

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
型振動子からなるものであり、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型振動子で、
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１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１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１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30Khzで20
μｍ^ｐ−ｐ〜30μｍ^ｐ−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12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63−318248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21,2
2により挟まれて、一面に絶縁部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と左雌ねじ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右雄ねじ
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
20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、出力トランス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29,3
0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、出力トランス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58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58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、出力トランス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、出力トランス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
あるが一層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108,109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103,104は一方の面に左
右に分割された電極をもち電極板110,111によって通電
される。それらは共通電極112,113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から出力トランス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、出力トランス116を経て電極板110,111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、出力トランス118を経
て、たわみ用出力トランス114,116の二次巻き線中間タ
ップに接続され、全ての電極板108,109,110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ット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9
0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、工具のディ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、Ｒ状コーナー部を研磨す
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。上例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り、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ィ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の正面図、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、11
4,116……複合たわみ振動手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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. 【請求項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。