(57)【要約】【課題】安定した加工ができ、工具の破損が生じにくいねじ加工方法及びそれに用いるねじ加工装置を提供する。【解決手段】本発明のねじ加工方法は、入力軸線に沿って延在する入力部２ａと、入力部と交差する交差部２ｃにおいて一体に結合され、出力軸線に沿って延在する出力部２ｂとを有する振動体２を用いて、入力部の先端から入力軸線に沿った方向の超音波振動である縦振動を入力し、交差部を介した変換によって形成されたねじり振動を含む出力振動を出力部に伝搬させるとともに、出力部の先端６から出力振動をねじ加工用工具７に与えながら、ねじ加工用工具を回転駆動することにより、被加工物９にねじを形成することを特徴とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじ加工用工具に超音波振動を与えながら、被加工物にねじを形成するねじ加工方法であって、
入力軸線に沿って延在する入力部と、前記入力部と交差する交差部において一体に結合され、出力軸線に沿って延在する出力部と、を有する振動体を用いて、
前記入力部の先端から前記入力軸線に沿った方向の超音波振動である縦振動を入力し、前記交差部を介した変換によって形成されたねじり振動を含む出力振動を前記出力部に伝搬させるとともに、
前記出力部から前記出力振動を前記ねじ加工用工具に与えながら、前記ねじ加工用工具を回転駆動することにより、前記被加工物にねじを形成する、
ことを特徴とするねじ加工方法。
【請求項２】
前記振動体は、複数の前記入力軸線に沿ってそれぞれ延在する複数の前記入力部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のねじ加工方法。
【請求項３】
前記複数の入力部は、前記出力軸線に沿った方向の相互に同一の位置にある共通の前記交差部において、前記出力部に一体に結合される、
ことを特徴とする請求項２に記載のねじ加工方法。
【請求項４】
前記縦振動を前記入力部から前記出力部へ向けて前記出力軸線に対してずれた方向へ伝搬させることにより、前記出力軸線の周りの前記ねじり振動を含む前記出力振動を形成する、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のねじ加工方法。
【請求項５】
前記出力振動は、前記出力軸線に沿った縦振動と前記出力軸線周りの前記ねじり振動との混合振動であり、前記ねじ加工用工具の前記被加工物に対するらせん状の加工方向に沿った振動方向を有する、
ことを特徴とする請求項４に記載のねじ加工方法。
【請求項６】
前記ねじ加工用工具が受ける回転トルクを計測するトルク計測器を用い、前記トルク計測器により計測されたトルク値が所定値を上回ったときに、前記回転駆動を停止するか、前記回転駆動の駆動力を低下させるか、或いは、前記回転駆動の速度を低下させる、
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のねじ加工方法。
【請求項７】
ねじ加工用工具に超音波振動を与えながら、被加工物にねじを形成するねじ加工装置であって、
前記ねじ加工用工具と、
超音波振動の縦振動を出力する振動子と、
前記振動子により前記縦振動が先端に与えられる、入力軸線に沿って延在する入力部、及び、前記入力部と交差する交差部において一体に結合され、出力軸線に沿って延在する出力部を有し、前記入力部の先端に与えられた前記縦振動の前記交差部を介した変換によってねじり振動を含む出力振動が形成されて前記出力部に伝搬するように構成され、前記出力部が前記ねじ加工用工具に対して直接若しくは間接的に連結される振動体と、
を具備することを特徴とするねじ加工装置。
【請求項８】
前記縦振動を前記入力部から前記出力部へ向けて前記出力軸線に対してずれた方向へ伝搬させることにより、前記出力軸線の周りの前記ねじり振動を含む前記出力振動を形成する、
ことを特徴とする請求項７に記載のねじ加工装置。
【請求項９】
前記出力振動は、前記出力軸線に沿った縦振動と前記出力軸線周りの前記ねじり振動との混合振動であり、前記ねじ加工用工具の前記被加工物に対するらせん状の加工方向に沿った振動方向を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載のねじ加工装置。
【請求項１０】
前記振動体の前記出力部における前記交差部の一方の側の端部に前記ねじ加工用工具を直接若しくは間接的に連結し、前記出力部における前記交差部の他方の側の端部に回転駆動力を与えるための回転操作部を直接若しくは間接的に連結し、
前記回転操作部には、前記回転駆動力に基づいて受けるトルクを計測するトルク計測器が内蔵される、ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のねじ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はねじ加工方法及びねじ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からボルト等のねじは、機械装置、電気装置、化学装置、建物、橋梁等の組み立て等、広い範囲にわたって使用されている。このねじを加工する方法として、例えば、めねじの加工はタップという工具を用いた切削による加工が一般的である。タップ加工は工具をタップハンドルなどによってねじ軸周りに回転させながら加工を行うが、特に小径の場合は直径の３乗に比例する極断面係数が非常に小さくなり、加工のトルクによって工具が容易に破壊してしまうので、加工が難しい。
【０００３】
ドリルによる穴加工も同様に小径の場合や難削材の加工では工具の折損が生じやすいが、発明者らはそれを超音波振動付加によって改善した。これは，工具に振動を与えることによって、断続的な加工になって見かけ上の切削抵抗が小さくなることや、工具と被削材が接触と分離を繰り返すことで加工部の潤滑や冷却が改善されるなどの効果によるものである。
【０００４】
超音波振動の切削加工への効果と振動系の構成については、以下のように考えられる。切削加工等における超音波振動の基礎的な効果は主に以下の３つである。
１．Blaha効果：超音波振動を加えながら材料を塑性変形させると変形抵抗が大幅に低減する効果。
２．摩擦低減効果と潤滑改善効果：接触している２つの物体の一方または両方に超音波振動を加えながら相対的に滑らせると接触面の摩擦係数が見かけ上，著しく減少する効果。
３．ハンマリング効果：超音波振動は加速度が大きいため，超音波振動している物体が他の物体に接触すると，接触部分に衝撃荷重が働き，断続的に見かけよりも非常に大きな力が作用する効果。
【０００５】
摩擦力の影響を減少させる手段として、振動による摩擦力低減効果（非特許文献１）が知られている。また、振動による各種効果を高める手段として、振動の共振を利用する方法（非特許文献１）、及び振動を伝える振動体の断面積を変化させる方法（非特許文献１）が知られている。
【０００６】
振動において大きな振幅を得る方法として、振動の共振を利用する方法（非特許文献２）と、振動を伝える振動体において振動の入力端の断面積よりも出力端の断面積を小さくすることによって振動の振幅が拡大する効果を利用する方法（非特許文献２）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３３０３４２号報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】日本塑性加工学会「超音波応用加工」森北出版，2004年5月20日発行
【非特許文献２】電子情報技術産業協会「超音波工学」コロナ社，1993年1月30日発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
タップ加工などのねじ加工でも、超音波振動による同様の効果による工具の破損防止をねらうことは可能と考えられるが、ねじ加工の場合には、ドリルなどの一般的な切削加工とは異なり、切削抵抗が大きく、切り子などの排出が難しいため、工具がさらに破損しやすいという問題点がある。特に、微細なねじを加工する場合には、工具の破損が生じやすい。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、安定した加工ができ、工具の破損が生じにくいねじ加工方法及びそれに用いるねじ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のねじ加工方法は、ねじ加工用工具に超音波振動を与えながら、被加工物にねじを形成するねじ加工方法であって、入力軸線に沿って延在する入力部と、前記入力部と交差する交差部において一体に結合され、出力軸線に沿って延在する出力部と、を有する振動体を用いて、前記入力部の先端から前記入力軸線に沿った方向の超音波振動である縦振動を入力し、前記交差部を介した変換によって形成されたねじり振動を含む出力振動を前記出力部に伝搬させるとともに、前記出力部から前記出力振動を前記ねじ加工用工具に与えながら、前記ねじ加工用工具を回転駆動することにより、前記被加工物にねじを形成することを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記振動体は、複数の前記入力軸線に沿ってそれぞれ延在する複数の前記入力部を有することが好ましい。この場合に、前記複数の入力部は、前記出力軸線に沿った方向の相互に同一の位置にある共通の前記交差部において、前記出力部に一体に結合されることが望ましい。
【００１３】
本発明において、前記縦振動を前記入力部から前記出力部へ向けて前記出力軸線に対してずれた方向へ伝搬させることにより、前記出力軸線の周りの前記ねじり振動を含む前記出力振動を形成することが好ましい。この場合において、前記振動体の前記入力軸線を前記出力軸線に対してオフセットする場合がある。また、前記入力軸線に対してオフセットした位置に前記振動子を前記入力部に対して取り付ける場合もある。さらに、両場合を組み合わせてもよい。そして、前記出力振動は、前記出力軸線に沿った縦振動と前記出力軸線周りの前記ねじり振動との混合振動であり、前記ねじ加工用工具の前記被加工物に対するらせん状の加工方向に沿った振動方向を有することが望ましい。また、前記縦振動の伝搬方向と前記出力軸線との間のオフセット量を、前記ねじり振動の振幅が極大値以下となる範囲内とすることが好ましく、或いは、上記ねじり振動の振幅を上記極大値の１／３以上となる下限値から前記極大値の１／２以上となる上限値までの範囲内とすることが望ましい。
【００１４】
本発明において、前記ねじ加工用工具が受けるトルクを計測するトルク計測器を用い、前記トルク計測器により計測されたトルク値が所定値を上回ったときに、前記回転駆動を停止するか、前記回転駆動の駆動力を低下させるか、或いは、前記回転駆動の速度を低下させることが好ましい。この場合において、計測された前記トルク値に応じて前記トルクが抑制されるように前記回転速度若しくは前記回転駆動力を制御することが望ましい。
【００１５】
本発明のねじ加工装置は、ねじ加工用工具に超音波振動を与えながら、被加工物にねじを形成するねじ加工装置であって、前記ねじ加工用工具と、超音波振動の縦振動を出力する振動子と、前記振動子により前記縦振動が先端に与えられる、入力軸線に沿って延在する入力部、及び、前記入力部と交差する交差部において一体に結合され、出力軸線に沿って延在する出力部を有し、前記入力部の先端に与えられた前記縦振動の前記交差部を介した変換によってねじり振動を含む出力振動が形成されて前記出力部に伝搬するように構成され、前記出力部が前記ねじ加工用工具に対して直接若しくは間接的に連結される振動体と、を具備することを特徴とする。
【００１６】
本発明において、前記縦振動を前記入力部から前記出力部へ向けて前記出力軸線に対してずれた方向へ伝搬させることにより、前記出力軸線の周りの前記ねじり振動を含む前記出力振動を形成することが好ましい。この場合において、前記振動体の前記入力軸線が前記出力軸線に対してオフセットされる場合がある。また、前記入力軸線に対してオフセットした位置に前記振動子が前記入力部に対して取り付けられる場合もある。さらに、両場合を組み合わせてもよい。そして、前記出力振動は、前記出力軸線に沿った縦振動と前記出力軸線周りの前記ねじり振動との混合振動であり、前記ねじ加工用工具の前記被加工物に対するらせん状の加工方向に沿った振動方向を有することが望ましい。また、前記縦振動の伝搬方向と前記出力軸線との間のオフセット量が、前記ねじり振動の振幅が極大値以下となる範囲内であることが好ましく、或いは、上記ねじり振動の振幅が上記極大値の１／３以上となる下限値から前記極大値の１／２以上となる上限値までの範囲内であることが望ましい。
【００１７】
本発明において、前記振動体の前記出力部における前記交差部の一方の側の端部に前記ねじ加工用工具を直接若しくは間接的に連結し、前記出力部における前記交差部の他方の側の端部に回転駆動力を与えるための回転操作部（取っ手）を直接若しくは間接的に連結することが好ましい。この場合において、前記回転操作部には、前記回転駆動力に基づいて受けるトルクを計測するトルク計測器が内蔵されることが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
この発明によれば、振動体で縦振動とねじり振動が合成された出力振動を生成することによって、超音波振動の擦低減効果をより高めて、ねじの加工に利用することができる。それによって、ねじの加工における抵抗を大幅に低減することができる。ねじの加工における抵抗を大幅に低減することによって、加工中のねじ加工用の工具の破損を大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明に係わるめねじの加工装置の一実施形態である、２個の振動子の振動を合成してボルト軸方向に振動を加えながら加工を行う装置の斜視図である。
【図２】図１に示した装置の断面斜視図である。
【図３】図１に示した装置の詳細な断面図である。
【図４】この発明に係わる振動体の一実施形態である、４つの振動子の振動を合成可能な振動体の斜視図である。
【図５】この発明に係わる振動体の一実施形態である、３つの振動子の振動を合成可能な６角形の振動体の斜視図である。
【図６】図１〜図４に示した振動体のが共振状態になったときの振動の振幅の分布を示す説明図である。
【図７】一実施形態である振動子の軸線に食い違いがある振動体によって縦振動とねじり振動を加えながら加工を行う装置を示す斜視図である。
【図８】図７に示した装置の振動体の横断面図である。
【図９】図７に示した装置の縦断面図である。
【図１０】実施例（実験）に用いた振動体の形状及び寸法を示す正面図（ａ）、平面図（ｂ）、右側面図（ｃ）及び斜視図（ｄ）である。
【図１１】タッピング時の駆動トルクと加工時間の関係を超音波振動を与えない場合と与えた場合とで比較するグラフである。
【図１２】超音波振動を与えないねじ加工によって生じた切り子の写真（ａ）及び超音波振動を与えたねじ加工によって生じた切り子の写真（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、添付図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。一つの実施形態は、ねじの加工における加工力を減少させるために、振動によるBlaha効果と摩擦力低減効果を利用すること、振動の効果を高めるために振動の共振を利用すること、十字型の振動体を利用して複数の振動子の振動を合成して強力に加振することが可能なことを特徴とするねじ加工方法である。
【００２１】
振動は、振動子が発生させ、それにより振動体を共振させる。振動体は、振動子に接続される、入力軸線に沿って延在する入力部と、入力部と交差部において交差し、出力軸線に沿って延在する出力部とを一体に有する。この振動体において、複数の入力部が設けられることが好ましい。また、複数の入力部は、出力部の共通の交差部（出力軸線の方向の共通の位置）に結合することが望ましい。出力部に沿ったねじ軸線を含む断面が十字型の形状になっており、横方向（入力部）の寸法および縦方向（出力部）の寸法が、それぞれ振動の波長の半波長の長さ、或いは、その整数倍の長さに等しい。
【００２２】
振動子が発生した振動は、ねじの軸線と直角方向に振動体を共振させ、それが振動体の中央部分でポアソン比の効果によって、ねじ軸方向の振動に変換され、振動体を縦方向にも共振させる。つまり、上記振動体は、振動方向の変換機能を有する。振動方向の変換はポアソン比の効果によるものであるので、ねじ軸と直角方向の振動と、ねじ軸方向の振動との間には、振動周期の半周期の位相差を伴う。ねじ加工用の工具を、共振によるねじ軸方向の振動振幅が極大となる位置に置いて加振することによって、振動による切削抵抗低減効果を高めてねじ加工を行う。
【００２３】
１つ以上の振動子１を振動体２に取り付ける。複数の振動子１を取り付けた場合は同位相で駆動することによって、それらのねじ軸と直角方向の振動を合成して、ねじ軸方向の強力な振動へ変換する。また、複数の振動子１を取り付けることにより、振動エネルギーをさらに増大させることができる。
【００２４】
振動子の軸線を、ねじの軸線からずらすことにより、ねじ加工用の工具に、ねじ軸方向の振動に加えて、ねじ軸まわりのねじり振動を与える。すなわち、振動子を振動体に対してオフセットさせて取り付けるか、或いは、振動体の入力部を出力部に対してオフセットさせることにより、出力部には、軸線方向の縦振動に加えて、軸線周りのねじれ振動が発生する。
【００２５】
他の実施形態はまた、
（１）ねじ加工用の工具に振動を付与する手段（振動子、振動体）、および、
（２）ねじ加工用の工具に振動を与えつつ、加工を行うために回転させるための駆動部分と、からなるねじの加工装置である。駆動部分は、ねじ軸線を回転させるための回転操作部（取っ手）でもよく、或いは、ねじ軸線を回転駆動する駆動モータなどの回転駆動手段であってもよい。
【００２６】
実施形態において、上述の入力部と出力部とが交差する態様の十字型の振動体と、この振動体の出力部に接続され、入力端から出力端に向けて断面積が減少するホーンとを組み合わせることが好ましい。ねじ加工用の工具は上記ホーンに接続される。これによって工具に加わる振動の振幅を大きくすることができる。
【００２７】
まず、図１〜図３を参照して、本発明に係るねじ加工方法を実施するために用いるねじ加工装置の全体構成について説明する。
【００２８】
図１〜図３は、この発明の一実施形態である、２個の振動子の振動を合成してボルト軸方向に振動を加えながらねじの加工を行う装置の構成図である。振動体２は、それぞれの入力軸線に沿って延在する２つの入力部２ａと、これらの入力部２ａと交差し、出力軸線に沿って延在する軸状の出力部２ｂとを有する。また、２つの入力部２ａと出力部２ｂとが共通の交差部２ｃで十字型に連結された形態を有する。特に、入力部２ａと出力部２ｂとが直交することが望ましい。また、図示のように、２つの入力部２ａが共通の入力軸線に沿って延在するとともに、出力部２ｂの両側に配置されることが好ましい。また、入力部２ａと出力部２ｂとがそれぞれ矩形断面、特に、正方形断面であることが望ましい。上記入力部２ａの先端５には振動子１が接続される。図示例では、２つの入力部２ａにそれぞれ振動子１が接続されている。振動子１は、ボルト締めランジュバン型振動子( BLT : Bolt-clamped Langevin type Transducer )を用いることができる。これらの振動子１は、前記入力部２ａの先端５にそれぞれ超音波振動である縦振動（入力軸線に沿った振動）を入力する。
【００２９】
このとき、２個の振動子１には振動周波数に等しい同位相の交流電圧が加えられ、それによって発生させた振動を振動体２に伝えて振動体２を振動させる。このとき、振動体２の各入力部２ａと出力部２ｂの交差部２ｃより上側にある部分と下側にある部分の長さは予め振動の半波長の整数倍に調整しておき、これによって振動体２を共振させることによって、２つの振動子が発生した振動が合成される。振動子１と振動体２は結合ねじ１０によって取付固定される。２つの入力部２ａにそれぞれ入力された縦振動は、２つの入力部２ａと出力部２ｂとが交差する中心の交差部２ｃにおいて直交変換され、出力部２ｂに合成され、変換された出力振動を形成する。
【００３０】
図示例の場合、十字型の振動体２の出力部２ｂの下端である振動出力部６に、入力端から出力端に向けて断面積を減少させることによって振動の振幅を拡大する円錐型（円錐台状）の振動体（ホーン）３が接続される。この振動体３を接続することにより、上記の出力振動の振幅が大きくされて、ねじ加工用工具であるタップ７に与えられる。タップ７は、油圧プレスなどによってタップ保持具８に圧入され、タップ保持具８が上記振動体３に螺合されることによって取付固定される。なお、タップ７などのねじ加工用工具の取付態様は図示例に限らず、振動体２や３としっかりと固定でき、上記の出力振動を確実に与えることができる構造であれば、特に限定されるものではない。
【００３１】
図４はこの発明の一実施形態である、４個の振動子１の振動を合成して出力軸線の方向に振動を加えながら加工を行うことのできる振動体である。ここで、用いられる振動子の個数は製作時に任意に１〜４個から選ぶことができる。
【００３２】
図５はこの発明に係わる振動体の一実施形態である、３つの振動子１の振動を合成することのできる６角形の振動体である。３つの入力部２ａの先端５は、１２０度間隔となるように形成されている。このように、断面が十字型であること、および共振させるために縦、横の寸法が振動の半波長の整数倍であること、全ての振動子が同位相で駆動されること、という要件を満たしていれば、振動子の個数は奇数でもよい。
【００３３】
図６は振動体２が共振状態になったときの振動の振幅の分布である。断面を十字型として、縦方向および横方向の寸法を目標周波数の波長の半波長の整数倍とし、且つ縦方向の振動体部分（出力部）と横方向の振動体部分（入力部）を振動の節１３で交差させる。これによって、縦方向（出力部）と横方向（入力部）に共振が生じ、且つ、それぞれ両端が振動の腹１２、交差部２ｃが振動の節１３になる。これらの間には互いに振動周期の半周期の位相差があり、これによって横方向の振動が縦方向の振動への変換及び合成が行われる。振動体２の出力部２ｂの下端である振動出力部６の位置を振動の腹１２に合わせることにより、タップ７などに加える振動の振幅を最大にすることができる。
【００３４】
上記の各振動体２において、前記振動子１の入力部２ａに対する取付位置を調整し、出力部２ｂの軸線に対して水平方向にずれた位置に向けて縦振動（の中心）が伝搬するように構成することにより、出力部２ｂにねじり振動が生ずるように構成できる。具体的には、入力部２ａの先端５に対して、振動子１の出力端が水平方向にずれるように結合ねじ１０により固定する。このとき、図１〜図３に示す例では、２つの入力部２ａの入力軸線に対してそれぞれの振動子１が出力部２ｂの出力軸線の周りの同じ回転の向きにずれた位置になるように入力部２ａの先端５に取り付ける。図４や図５に示す例でも、それぞれの入力部２ａの先端５に対して、それぞれの振動子１（図示せず）を出力部２ｂの出力軸線（垂直線）の周りの同じ回転の向きにずれるように取り付ける。これによって、出力部２ｂには、出力軸線の周りのねじり振動が発生し、このねじり振動を含む出力振動が振動出力部６から上記タップ７に与えられる。
【００３５】
図１〜図５に示す各振動体２では、入力部２ａの先端５の中心（入力軸線上）に振動子１がそれぞれ取り付け固定される場合には、入力部２ａの入力軸線と出力部２ｂの出力軸線とが十字型となる態様で交差しているため、基本的には、振動子１により入力部２ａに与えられた入力振動（縦振動）１４は、交差部２ｃにおいて変換され、半周期ずれた位相の出力振動（縦振動）１５を生ずる。しかし、上述のように、各先端５に対して、或いは、入力軸線に対して、水平方向にずれた（偏った）位置に振動子１が取り付けられることによって、上述のように入力部２ａに入力された入力振動（縦振動）１４は、出力部２ｂの出力軸線からずれた位置に向けて伝搬し、これによって、出力部２ｂでは、出力軸線の周りに回転する成分を備えたねじり振動が発生する。
【００３６】
ただし、前述のように、振動体２自体の入力部２ａと出力部２ｂがオフセットした形状を備えているわけではないので、振動子１による入力振動（縦振動）１４自体は振動中心が偏ってはいるものの、入力部２ａからこれと交差（直交）する出力部２ｂに伝搬するため、交差部２ｃにおいて変換された出力軸線に沿った出力振動１５中に縦振動（出力軸線に沿った振動）に変換された成分を多く有する。すなわち、上述のように取り付けることにより、出力部２ｂには、縦振動（出力軸線に沿った超音波振動）とねじり振動（出力軸線周りの超音波振動）とが混合した振動が生ずる。
【００３７】
図７〜図９は、この発明の一実施形態である、振動子の軸線に食い違いがある振動体２によってねじり振動を含む出力振動１５を加えながら加工を行う装置の構成図である。この振動体２では、入力部２ａの入力軸線が、出力部２ｂの出力軸線と交差せず、入力軸線が出力軸線の傍らを通過するようにオフセットされた形状に構成されている。これによって、入力部２ａに対して振動子１をその軸線が入力軸線と一致する姿勢で取り付けた場合でも、振動子１の軸線を、出力軸線からずらすことができる。これにより、出力軸線に沿った縦振動、すなわち、ねじ軸方向の振動に加えて、ねじ軸まわりのねじり振動を与えながら加工を行うことができる。
【００３８】
上記いずれの実施形態においても、入力部２ａに入力される振動子１の入力振動（縦振動）１４は、出力部２ｂの出力軸線に対して水平方向にずれた位置に向けて伝搬する。このとき、入力部２ａに入力される入力振動１４の中心が通過する経路と出力部２ｂの出力軸線との間の距離をオフセット量Ｒとすると、出力部２ｂにおいて出力軸線周りのねじり振動を生じさせる回転トルクＴは、上記入力振動（縦振動）１４により生ずる力Ｆにより、Ｔ＝Ｆ・Ｒ…（１）で表わされる。すなわち、オフセット量Ｒが大きくなるほど、ねじり振動を生じさせる回転トルクは大きくなる。
【００３９】
一方、上記縦振動の振幅をＡ、上記ねじり振動の振幅をθとすると、上記オフセット量Ｒを用いた場合、Ｒ＝Ａｔａｎθ…（２）となる。上記入力振動（縦振動）１４の振幅Ａは振動子１の出力態様により決まってしまい、通常は数μｍ程度である。したがって、上記式（２）から、オフセット量Ｒを大きくしすぎると、ねじり振動の振幅θは小さくなることがわかる。
【００４０】
発明者らが有限要素法による振動解析を行ったところによると、オフセット量Ｒが小さい領域では、上記（１）式によりねじり振動を生じさせるための回転トルクが小さいため、出力部２ｂの出力軸線周りのねじり振動が生じにくく、ほとんどが出力軸線に沿った縦振動に変換される。オフセット量Ｒを徐々に大きくしていくと、上記（１）式により回転トルクが増大していくことにより、ねじり振動が発生し始め、オフセット量Ｒが小さい領域では縦振動に変換されていた振動エネルギーがねじり振動に変換され始めるため、ねじり振動の振幅が増大していく。しかし、オフセット量Ｒがさらに大きくなっていくと、出力軸線周りのねじり振動の振幅θは、一旦、極大値を迎えるものの、今度は上記（２）式により、その後は徐々に小さくなっていく。また、このときには、オフセット量Ｒの増大によりねじり振動への変換割合が高まるため、出力軸線に沿った縦振動の振幅は減少していく。
【００４１】
上記のように、オフセット量Ｒが小さい場合には、ねじり振動の割合が小さく、ねじり振動の振幅も小さいのに対して、オフセット量Ｒが大きい場合には、ねじり振動の振幅も減少し、縦振動も生じにくくなる。したがって、オフセット量Ｒには好適な範囲が存在し、縦振動とねじり振動を効率的に発生させることができるとともに、縦振動とねじり振動を併用して、ねじ加工を円滑に行うとともに、タップなどのねじ加工用工具の破損を防止することができる。例えば、オフセット量Ｒは、縦振動とねじり振動の合計の振動エネルギーが大きくなる点で、上記ねじり振動の振幅が上記極大値以下となる範囲内であることが好ましい。また、オフセット量Ｒは、ねじり振動の成分を大きくすることができる点で、上記ねじり振動の振幅が上記極大値の１／３以上となる下限値から上記極大値の１／２以上となる上限値までの範囲内であることが好ましい。特に、ねじり振動を効率的に工具に与えることができる点で、オフセット量Ｒは、上記極大値の１／２以上のねじり振動の振幅が得られる範囲内であることが望ましい。また、ねじり振動の振幅を十分に確保することができる点で、オフセット量Ｒは、上記極大値の１／２以上のねじり振動の振幅が得られる下限値から上記極大値の２／３以上のねじり振動の振幅が得られる上限値までの範囲内であることが望ましい。
【００４２】
発明者らは図７に示すものと同様のねじ加工装置を用いて実験を行った。ここで、振動子１の出力する超音波振動（縦振動）の周波数はｆ＝２８ｋＨｚ、振動体２，３における超音波振動の波長は１８０ｍｍであった。実際には、振動体２の交差部２ｃから出力部２ｂの振動出力部６及び振動体３を介してタップ７の先端に至る対応距離を上記半波長若しくはその奇数倍に設定した。例えば、振動体２の上記交差部２ｃから出力部２ｂの振動出力部６（下端）までが半波長に相当する長さであれば、振動出力部６から振動体３を経てタップ７の先端までの対応距離を１波長に設定する。なお、上記波長は材質によって変化するため、超音波振動の対応距離として上記に記述した。
【００４３】
また、実験に用いた装置では、図７に示すものとはオフセットの向きが逆になるように構成し、タップ７に加わるねじり振動により右回転（図示上側から見たときに時計回り）する際に、タップ７に加わる縦振動により下方へ向かう、いわゆる右ねじの向きを有する混合振動が形成されるようにした。そして、タップ７も右ねじのタッピング刃を備えたものとしている。このように、ねじ加工用工具のらせん状の加工方向に沿った振動方向を有する超音波振動を与えることにより、スムーズなねじ加工を実現できるとともに、ねじ加工を阻害することなく、超音波によるねじ加工に対する効果を高めることができる。なお、図７に示すように左ねじの向きを有する振動が形成される場合には、左ねじを形成する場合に好適に用いればよい。もっとも、ねじ加工用工具に与えられる超音波振動がらせん状の加工方向に沿った振動方向ではない場合（逆ねじに沿った方向である場合）でも、超音波振動による効果そのものは得られるものと考えられる。
【００４４】
上述のように、出力振動は、ねじ加工のらせん状の加工方向に沿った振動方向（右ねじか左ねじか）を有していればよい。ただし、上記の出力振動は、その上記縦振動と上記ねじり振動の振幅比に応じて、ねじのリード角に相当する上記振動方向の傾斜角度を備えている。本発明においては、この傾斜角度は、特に限定されない。しかし、加工されるねじのリード角と上記傾斜角度とが大幅に異なる場合には、上記振動方向が同じであることによる効果が薄くなる虞がある。したがって、上記傾斜角度はねじ加工によって形成されるねじのリード角に近い角度であることが望ましい。例えば、上記傾斜角度は、リード角の５０％〜１５０％の範囲内であることが好ましく、７０％〜１３０％の範囲内であることが望ましい。
【００４５】
実験に用いた振動体２の形状及び寸法を図１０に示す。有限要素法による振動解析を行うことにより、種々のオフセット量Ｒを有する振動体２による出力振動中のねじり振動の態様を計算した。その結果、図示の形状及び寸法では、それぞれ断面正方形の入力部及び出力部の幅がいずれも３０ｍｍの寸法であるのに対して、オフセット量Ｒを５ｍｍ（上記幅の１／６）とした。このオフセット量Ｒは、ねじり振動の振幅が上記極大値よりも小さい範囲内に属する。なお、振動解析上は、オフセット量Ｒを２５ｍｍ程度まで増大させてもねじり振動の振幅（ねじり角）は増大し続けた。
【００４６】
また、タップ７は外径２ｍｍの右ねじであり、有効径は１．７４０ｍｍ、ピッチが０．４ｍｍであるため、そのリード角は４．１８５度である。なお、上記振動体では、各入力部の入力軸線方向の長さが３１ｍｍ、出力部の交差部からの上下の張り出し長さがそれぞれ３１ｍｍであり、出力部の全長が９２ｍｍである。交差部の水平方向（オフセット方向）の幅は４０ｍｍ、上下方向の幅は３０ｍｍである。この振動体の出力振動において、振動解析上は、縦振動の振幅がねじり振動の振幅より大きく、上記傾斜角度（リード角）は７０度であった。なお、オフセット量Ｒを増大させた場合には上記傾斜角度は指数関数的に減少し、オフセット量Ｒが２５ｍｍになると、上記傾斜角度は５度程度となった。
【００４７】
また、図示のように、振動体２の出力部２ｂの上端４に取っ手１１を取り付け、この取っ手１１に回転駆動力を与えることにより、被加工物９に形成した下穴１６にタップ７を適用してねじ穴（雌ねじ）を形成することができる。このとき、タップ７に上述の縦振動とねじり振動の混合振動を与えることにより、図１１に示すように、加工時間が経過してもほとんどタッピングに必要な駆動トルクが増大せず、振動を与えない場合（１５〜２７ｃＮ・ｍ）と比べて、駆動トルクが１０ｃＮ・ｍ以下と１／３余りに抑制された。なお、このときのタップ７の回転速度を１８０度／５秒として計測し、また、タッピングに必要な駆動トルクは、上記取っ手１１にトルク計測器（トルクゲージ）を内蔵して測定した。
【００４８】
また、上記の実験により生じた切り子の写真を図１２（ａ）及び（ｂ）に示す。図１２（ａ）に示すように、超音波振動を与えない場合には、切り子が分断されずに長い。これに対して、図１２（ｂ）に示すように、超音波振動を与えた場合には、切り子が細かく分断されているのがわかる。これは、超音波振動によってねじ加工（ねじ切り）が不連続に行われるようになったためと考えられる。
【００４９】
上記の構成において、取っ手１１に内蔵したトルク計測器により駆動トルクが１０ｃＮ・ｍに達したときには回転駆動を停止し、駆動トルクが８ｃＮ・ｍを越えたときに回転速度を低下させ、駆動トルクが５ｃＮ・ｍを下回ったときに回転速度を増加させるというように、計測されたトルク値に応じて駆動トルクが抑制されるように回転速度を制御することにより、安定してタッピングを行うことができ、タップ７の破損も防止できた。なお、駆動トルクはタップ７が受ける回転トルクに対応する。トルクの計測値に応じてタップ７が受けるトルクが抑制されるように回転駆動の停止や回転速度の低下を行う代わりに、回転駆動力を低下させてもよい。このとき、上記と同様に、計測されたトルク値の大小に応じてタップ７が受けるトルクを抑制するように回転駆動力を制御してもよい。
【００５０】
なお、本発明のねじ加工方法及びねじ加工装置は、上述の図示例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記各実施形態は振動子の個数が２〜４個であるが、振動子の個数は特に限定されない。また、上記実施形態では、下穴を形成した被加工物にねじ穴（雌ねじ）を形成する方法及び装置について説明したが、本発明は、軸状の被加工物に対してダイスなどを用いて雄ねじを形成する場合にも適用することができる。さらに、図１〜図６までの実施形態では、振動体２に対する振動子１の取付位置が偏ったオフセット構造を採用し、図７〜図９までの実施形態では、振動体２自体（入力部と出力部の間）のオフセット構造を採用しているが、両者のオフセット構造を併用してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１…振動子、２…（十字型）振動体、２ａ…入力部、２ｂ…出力部、２ｃ…交差部、３…（円錐型）振動体、４…出力部の上端、５…入力部の先端、６…振動出力部（出力部の下端）、７…タップ、８…タップ保持具、９…被加工物、１０…結合ねじ、１１…取っ手、１２…振動の腹、１３…振動の節、１４…入力振動、１５…出力振動、１６…下穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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