(57)【要約】【課題】  従来の超音波振動子とその駆動方法に比較して、超音波振動子に工具などを取り付けても超音波振動子の発熱量を小さくでき、かつ共振周波数の変化の小さい支持方法及び駆動方法を提供すること。【解決手段】  超音波振動子１と付加質量体をフランジで接続し、そしてそのフランジをハウジングで支持する。超音波振動子の中のフランジの上下面で挟まれた金属部と付加質量体の外周が超音波振動子の中心軸に平行な方向に互いに逆方向に振動させることにより、フランジ付近のフランジ３、付加質量体（ナット９）、ハウジングに振動の節を生成する。この結果、ハウジングに伝播する振動は小さくなる。つまり、拘束しない超音波振動子１の振動特性に近い状態と、新たに生み出す振動の節が、フランジ附近であることから、従来のフランジを拘束する方法に比較して大きく、平坦なアドミッタンス特性になる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持することにより、超音波振動子の中のフランジの上下面で挟まれた金属部と付加質量体の外周が超音波振動子中心軸にほぼ平行な方向において互いに逆に振動させることを特徴とする超音波振動子の駆動方法。
【請求項２】
超音波振動子の中に振動の節を有し、かつフランジ付近のフランジ、付加質量体またはハウジングに振動の節を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動方法。
【請求項３】
超音波振動子の中に振動の節を持たず、フランジ付近のフランジ、付加質量体またはハウジングに振動の節を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子の駆動方法。
【請求項４】
超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、付加質量体の質量が超音波振動子の１／５以上、５倍以下とすることを特徴とするものである。
【請求項５】
超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、付加質量体の質量を装着することによる共振周波数の変化が、超音波振動子の共振周波数の１％以下であることを特徴とするものである。
【請求項６】
超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、フランジの形状を、付加質量体と超音波振動子を接続する長さＬがフランジの厚さｔの２倍以下、ハウジングの厚さＨｔより大きくすることを特徴とするものである。
【請求項７】
超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、フランジと接続する超音波振動子の金属部、フランジそして付加質量体が同じ金属材料とすることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、超音波振動子を支持するためのフランジに接続する付加質量体に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、超音波振動子は、振動体である超音波振動子の内部に振動の節部を持ち、その節部附近を支持するためのフランジを設け、そしてフランジを支持する構成であった。この構成については非特許文献１に詳しく記述されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】実吉純一他、「超音波技術便覧」、日刊工業新聞、昭和６０年１２月、ｐ１０２８
【非特許文献２】「圧電セラミック振動子の電気的試験方法」、社団法人  電子情報技術産業協会、２０１０年９月、ｐ１〜ｐ１１
【非特許文献３】岩田佳雄他、「機械振動学」、株式会社  数理工学社、２０１１年５月、ｐ１１２〜ｐ１１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  通常、超音波振動子は振動の節部付近に設けたフランジを支持部材で保持する。超音波加工装置に用いる超音波振動子には、様々な形状の工具が取り付けられる。そして、超音波振動子に工具を取付けることにより、超音波振動子の振動の節位置が変化してフランジの支持位置は振動の節位置と一致しなくなってくる。【０００５】  その場合、フランジは振動の節ではないため、フランジを支持部材で固く保持すると支持抵抗が大きくなり、かつ超音波振動子の振動が支持部材などに伝播してしまう。このため同じ電力を与えても超音波振動子の振動の節がフランジ位置から離れるに従い超音波振動子の発熱量が増大し、損出が大きくなってしまう。【０００６】  本発明は、上記従来の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、超音波振動子に工具などを取り付けても超音波振動子の発熱量を小さくでき、かつ共振周波数の変化の小さい支持方法及び駆動方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持することにより、超音波振動子の中のフランジの上下面挟まれた金属部と付加質量体の外周が超音波振動子中心軸に平行な方向において互いに逆に振動させるものである。【０００８】  本発明はまた、超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持することにより、超音波振動子の中のフランジの上下面挟まれた金属部と付加質量体の外周が超音波振動子中心軸に平行な方向において互いに逆に振動し、そして超音波振動子の中に振動の節を有し、かつフランジ付近のフランジ、付加質量体またはハウジングに振動の節を有するものである。【０００９】  本発明はまた、超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持することにより、超音波振動子の中のフランジの上下面挟まれた金属部と付加質量体の外周が超音波振動子中心軸に平行な方向において互いに逆に振動し、そして超音波振動子の中に振動の節を持たず、フランジ付近のフランジ、付加質量体またはハウジングに振動の節を有するものである。【００１０】  超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、付加質量体の質量が超音波振動子の１／５以上、５倍以下とするものである。【００１１】  超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、付加質量体の質量を装着することによる共振周波数の変化が、超音波振動子の共振周波数の１％以下とするものである。【００１２】  超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、フランジの形状を、付加質量体と超音波振動子を接続する長さＬがフランジの厚さｔの２倍以下、ハウジングの厚さＨｔより大きくするものである。【００１３】  超音波振動子の中の金属部と付加質量体をフランジにより接続し、フランジを支持部材で支持する支持方法において、フランジと接続する超音波振動子の金属部、フランジそして付加質量体が同じ金属材料とするものである。
【発明の効果】
【００１４】  本発明の超音波振動子の支持方法とその駆動方法により、共振周波数の変化の小さい、アドミッタンスが大きくかつ変化の小さい、振動変位量の変化の小さい縦１次振動モードを励起することができる。また、超音波振動子の中に振動の節を待たない振動モードを励起することができる。さらにフランジの厚さを大きくすることにより支持剛性を高めることができるので、精度の高い超音波加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に用いた超音波振動子を示す断面図である。
【図２】図１の超音波振動子に工具などを装着した断面図である。
【図３】ハウジングに図１の超音波振動子を支持する断面図である。
【図４】フランジの形状を説明する概略図である。
【図５】超音波振動子の中の振動の節とフランジまたはナットの中の振動の節を有限要素法により算出した説明図である。
【図６】超音波振動子の中のフランジの上下面挟まれた金属部の振動方向と、付加質量体の外周の振動方向の関係を説明する図である。
【図７】超音波振動子の中の振動の節を持たない、そしてフランジの中の振動の節を有限要素法により算出した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】  以下、本発明に関わる超音波振動子を、図１（Ａ）の平面図とその切断線Ａ−Ａで切断した断面で示す図１（Ｂ）を用いて説明する。
【００１７】  非特許文献１に記述する超音波振動子は、超音波振動子の振動の節部附近に設けたフランジを支持部材により支持することにより、超音波振動子の振動に与える影響を小さくして超音波振動子を固定するものである。
【００１８】  本発明は、超音波振動子にフランジを設け、そのフランジに付加質量体（ナット）を接続し、超音波振動子と付加質量体（ナット）の間のフランジを支持部材に固定することにより超音波振動子をフランジ面に直交する振動する振動モードを励起することである。また、付加質量体の質量は、超音波振動子の１／５以上、５倍以下にするのが望ましい。
付加質量体の質量が１０倍以上になると超音波振動子を支持する支持体に近い状態になる。また、付加質量体の質量が１／１０倍以下では、超音波振動子に対して振動体として作用するには小さすぎる。付加質量体と超音波振動子がフランジを伝播し、超音波振動子の中心軸と平行方向に互いに逆方向に振動するには超音波振動子の１／５以上、５倍以下にするのが望ましい。
【００１９】  まず、フランジを接続した超音波振動子だけを製作し、そのインピーダンス特性と縦１次振動モードの共振周波数での超音波振動子の振動特性を測定する。また、有限要素法を用いて超音波振動子の振動モードなどを解析する。
【００２０】  （超音波振動子の構成）
実際に試作した超音波振動子について図１を用いて説明する。まず、超音波振動子１は、前方側金属部２、フランジ３、リン青銅製の電極板４、圧電素子５、イモネジ６そして後方側金属部７から構成されている。
【００２１】  前方側金属部２の後方にはフランジ３が一体で製作され、そして中心軸を通るメネジも設けられている。このメネジにイモネジ６をねじ込む。圧電素子４と接する部分にイモネジ６に絶縁テープを巻く。
【００２２】  次にイモネジ６にリン青銅製の電極板４、圧電素子５の順序で偶数回繰り返し挿入する。最後にリン青銅製の電極板４を挿入し、中心部にメネジを持つ後方金属部７をイモネジ６に締め込み超音波振動子１を製作する。なお、圧電素子と電極の外側に絶縁テープを巻く。製作した超音波振動子１の寸法は図１に示す。
【００２３】  （超音波振動子の縦１次振動のインピーダンス特性）
図２（Ａ）の平面図とその切断線Ａ−Ａで切断した断面で示す図２（Ｂ）に示すように、超硬製の直径４ｍｍの丸棒をコレットとコレットナットにより締付け、超音波振動子に装着する。そして、超硬の丸棒の長さとインピーダンスアナライザーにより測定した共振周波数、その共振周波数でのアドミッタンスの関係を表１に示す。
【００２４】
【表１】
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【００２５】  表１に示す共振周波数は、インピーダンスアナライザーで測定した最大アドミッタンス周波数であり、測定が容易であることから共振周波数の代わりに近似的に用いられる。最大アドミッタンス周波数と共振周波数の関係は、非特許文献２に記述されている。なお、発泡スチロールの上で超音波振動子のどこも拘束しない状態でインピーダンス特性を測定している。
【００２６】  表３に示しているが、上記の測定条件で超硬製の棒の長さ３０ｍｍを装着した超音波振動子が圧電素子に最も近い振動の節を持つ。そして棒の長さが大きくなるのに従い圧電素子から振動の節が離れていく。そのため圧電素子の歪も棒が長くなるのに従い小さくなり、結果としてアドミッタンスも小さくなる。
【００２７】  超硬製の棒の長さが７０ｍｍ以上のアドミッタンスの減少が大きいが、これは振動の節の位置と圧電素子の距離が急激に大きくなることによる。
【００２８】  （超音波振動子の縦１次振動）の駆動特性
次に超硬製の棒を装着した超音波振動子に共振周波数附近で駆動電圧の位相と電流位相が同相であるサイン波電圧４０Ｖｐ−ｐを、電極板を通して圧電素子に印加する。棒の長さが大きくなるのに従い、棒の先端の振動振幅は大きくなる。これは、棒の片側を拘束した共振周波数と駆動周波数が棒の長さが長くなるほど接近するためと考えられる。そして、駆動周波数は小さくなる。
【００２９】
【表２】
2019069432.tif 000004
【００３０】  表２の中で棒の先端とは、超硬製の棒の先端面であり、レーザードップラー振動計により先端面の振動速度を計測した。またリアマスとは超音波振動子の後方側金属部であり、その後端面の振動速度を測定した。
【００３１】
【表３】
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【００３２】  振動の節を検出することは困難であるので、振動の節位置については有限要素法を用いて計算し、その結果を表３に示す。超硬の棒はコレットの中に約２２．２ｍｍ収容されている。実際に製作した超音波振動子１より共振周波数は材料物性、メシュの形状などの影響により高い結果になっている。また、超硬製の棒の長さは７０ｍｍ以上において共振周波数、アドミッタンスの変化が大きく、そしてフランジ３から振動の節までの距離も大きくなっている。これは、フランジ３を他の支持部材で支持したとき、共振周波数の変化は大きく、アドミッタンスは小さくなることを示す。
【００３３】  表３中の振動の節の位置は、超音波振動子の中心軸方向の振動変位量がゼロの位置からフランジの直径の大きい方の底面まで距離で、圧電素子側をプラス、前方側金属部側をマイナスとした。
（超音波振動子をハウジングで支持）
【００３４】    超音波振動子１を支持するハウジング８について図３（Ａ）の平面図とその切断線Ａ−Ａで切断した断面で示す図３（Ｂ）を用いて説明する。ハウジング８をベアリングで回転自在に支持する。そしてベアリング８をケースに収容する。図面を簡略化するためにケース、ベアリングは省略する。
【００３５】  ハウジング８に超音波振動子１を挿入して、超音波振動子１のフランジ３をハウジング８の外側のオネジと外径４３ｍｍのナット９のメネジで締付けることにより超音波振動子をハウジング８に支持する。
【００３６】  ここで、超音波振動子１の振動モードを説明する。フランジ３をナット９とハウジング８で締付け、超音波振動子の縦１次振動モードを励起する。例えば、超音波振動子１の先端部に金属製の棒を装着する。金属製の棒の長さにより超音波振動子１の節の位置は変化する。しかしフランジ３位置は一定であるので、フランジ３は振動の節の位置にない場合があり、その場合、フランジが振動の抵抗となるが、フランジ３が振動してハウジング８に振動が伝播してしまい、超音波振動子１の振動が熱などにより消耗してしまう。このため、超音波振動子１の振動は小さくなってしまう。
【００３７】  フランジ３を締め付けるため外径３６ｍｍのナット９を使用し、ナット９を振動させないため前方側金属部２側を直径２７ｍｍ以上、後方側金属部側を，直径３３ｍｍ以上を万力により締付け拘束した。そのインピーダンス特性を表４に示す。
【００３８】
【表４】
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【００３９】  表１に示した超音波振動子１のインピーダンス特性と表４を比較すると、アドミッタンスにおいて、自由振動に近い表１では最大値は、棒の長さ３０ｍｍにあり、ナットを拘束した状態では棒の長さが５０ｍｍにある。これは、表３で超音波振動子の振動の節がフランジの中心面に最も近いのは棒の長さが５０ｍｍであることに原因すると考えられる。したがって、ナット、フランジを拘束した状態に近くすると、フランジ、ナットから振動の節が離れた条件では、大きく影響を受けることがわかる。
【００４０】  （超音波振動子の縦１次振動＋フランジ・ナット振動）
そこで、本発明者が考案した「フランジ３が振動の節附近の位置にない場合でも、超音波振動子の振動が振動の節位置の影響を小さくする手段」について説明する。まず超音波振動子の振動の節がフランジにないときは、フランジを拘束すると超音波振動子の振動は小さくなってしまう。したがって、新たな手段で超音波振動子を支持部材に拘束する必要がある。
【００４１】  そこで、フランジ附近に新たな振動の節を生み出し、その振動の節の部分を支持部材（ハウジング）で支持する超音波振動子の振動モードを案出した。
【００４２】  その考案した内容は、「超音波振動子１と付加質量体をフランジで接続し、そして、フランジ３に接続した位置の超音波振動子の金属部の部分をその中心軸方向の振動方向と付加質量体の外周の振動方向が互いに逆方向に振動させることにより、フランジ３、付加質量体９（ナット）附近に振動の節を生成させ、フランジ３をハウジング８で支持する。つまりハウジングの振動を付加質量体が肩代わりし、ハウジングの支持の影響を小さくする。この作用を動吸振器とも呼ばれ、非特許文献３に記述されている。このことによりハウジング８に伝播する振動が小さくなる。つまり、拘束しない超音波振動子１の振動特性に近い状態と、新たに生み出す振動の節が、フランジ附近であることから、従来のフランジを拘束する方法に比較して大きく、平坦なアドミッタンス特性になる。
【００４３】  上記の「超音波振動子１と付加質量体をフランジ３で接続し、そして、フランジ３に接続した位置の超音波振動子１のフランジの上下面挟まれた金属部と付加質量体が互いに逆方向に振動させることにより、フランジ３、ナット９、ハウジング８が接触する付近のフランジ３、ナット９、ハウジング８に振動の節を生成させ、フランジ３をハウジング８で支持する。」について説明する。
【００４４】  図３に示すナットのメネジとハウジングのオネジにより超音波振動子のフランジを締付けることにより支持した。図３からわかるように、フランジは直径の大きい方の面を支持している。
【００４５】  外径４３ｍｍのナットを選択した理由は、ナットを装着したことによる超音波振動子の共振周波数の変化が小さいことによる。つまり、ナットが超音波振動子の振動に影響を与えることができるだけ少ない条件を選択した。
【００４６】  また、図３には示していないがハウジングは、ケースにベアリング３個を用いて回転自在に固定される。実際に図３に示す構成を製作し、そのインピーダンス特性をインピーダンスアナライザーにより測定した。その結果を表５に示す。
【００４７】
【表５】
2019069432.tif 000007
【００４８】  表５の棒の長さが６０ｍｍのアドミッタンスの値が小さくなっているが、振動のピークが割れているため小さな値になっている。後に述べるが、棒の長さが６０ｍｍを装着した超音波振動子を実際に４０Ｖの電圧で駆動したとき電流値は棒の長さが５０ｍｍを装着した装着した超音波振動子とほぼ同じである。これからアドミッタンスピークの割れがないときは、約８ｍＳだと推定できる。
【００４９】  また、フランジをハウジングで支持することによりナットが振動し、その結果共振周波数の変化が小さくなり、そしてアドミッタンスの変化も小さくなることがわかる。これは、フランジ、ナット、ハウジング附近に生じた振動の節の位置が棒の長さが変化しても、変化が小さく、その結果、圧電素子の歪の変化が小さくなることに原因するものと考えられる。
【００５０】  ナット外周の振動方向がフランジを接続する超音波振動子の金属部の部分の振動方向と逆にすることにより、はじめてハウジングで支持したフランジ、ナット、ハウジング附近に振動の節が生じる。このように超音波振動子に接続するフランジ、ナット、ハウジング附近に振動の節を生成させるためには、ナット（付加質量体）の振動が必要である。また、フランジと圧電素子は、圧電素子をフランジ、ナット附近に生じる振動の節との距離を出来るだけ小さくするためにフランジ附近に位置させることが必要である。
【００５１】  （フランジ形状及び材料）
（超音波振動子の縦１次振動＋フランジ・ナット振動）を励起するためのフランジの形状と材料について図４の断面図を用いて説明する。図４においては、図を簡略化するために超音波振動子のイモネジ、電極板を省略した。また、フランジの形状は外周が点線で示すテーパー状になることもあるが、その場合は半径の小さい面の寸法を採用する。
【００５２】  超音波振動子のフランジの上下面挟まれた金属部の振動と付加質量体の外周の振動を超音波振動子の中心軸に平行な方向に沿って互いに逆方向に振動させるためには、フランジは、超音波振動子の振動を付加質量体に伝播する必要がある。また、フランジには、不要な振動を発生させない必要もある。そのためのフランジ形状は、フランジの長さＬをフランジの厚さｔの２倍以下、ハウジングの厚さＨｔより大きくすることである。
【００５３】  また、フランジは超音波振動子の振動を付加質量体の振動に可能な限り損失を小さく伝播する必要があるので、部品間で音響インピーダンスが同じであることが最善である。したがって、超音波振動子のフランジと接続する部品、フランジそして付加質量体が同じ金属材料であることが望ましい。
【００５４】  以上、ハウジングで支持したフランジの一方に接続した超音波振動子のフランジの上下面挟まれた金属部の振動方向と、フランジの他方に接続したナット（付加質量体）の外周の振動方向が超音波振動子の中心軸方向に関して逆である。振動の節はフランジ、ナット（付加質量体）またはハウジングの中にも生じる。この振動の節位置と圧電素子との距離は、棒の長さが変化しても、その変化は超音波振動子の中の振動の節位置と圧電素子との距離変化に比較して小さい。
【００５５】  先に述べた市販の有限要素法に基づく計算ソフトであるＡＮＳＹＳ（販売元：アンシス・ジャパン株式会社）を用い、超音波振動子とフランジとナットの中の振動の節の位置を算出した。その結果を表５に示す。また、表５に示す超音波振動子の中の節の位置と、フランジ、ナットの中の振動の節を図５の概略図に示す。図５は、振動の節を明瞭にするために断面を示す斜線を省略した。また、同じく図面を簡略にするため超音波振動子の断面の半分を示した。
【００５６】  図５中に示す直線で示した数字は棒の長さであり、超音波振動子１の中の節と、フランジと接触するハウジング、ナット付近のナット９またはフランジ３の中の節の位置を示す。超音波振動子１の中の節は円で、ナット９またはフランジ３の中の節は正方形で示す。そして同じ棒の長さの超音波振動子１の中の節とナット９またはフランジ３の中の節は点線で結んだ。
【００５７】  さらに、説明例として棒の長さ７０ｍｍについて説明する。棒の長さが７０ｍｍの超音波振動子の振動方向を細線の矢印の実線で示す。超音波振動子の中の振動は矢印で示すように中心軸に沿って直線状に振動する。ナット９の外周の振動方向を円弧状の細線の矢印の実線で示す。これは、節を中心として円弧状に振動することを示す。他の棒の長さもナットまたはフランジの振動の節を中心として円弧状に振動する。ただし、棒の長さ６０ｍｍにおいては、超音波振動子の中心軸を含むフランジ面がほとんど振動の節になっていた。
【００５８】  ここで超音波振動子の中の節の位置とナット９の振動方向の関係を、図６を用いて説明する。図６（Ａ）で示す振動の節が超音波振動子１のフランジの上下面挟まれた金属部より前方側金属部側に存在するときは、超音波振動子が図の矢印で示す縦方向に伸びる振動の周期の時、図で示すフランジ付近の節を中心としてナット９は円弧状に下方向に振動する。その時フランジの上下面で挟まれ金属部（黒塗部）は点線で示す上方向に撓む。そして、振動の逆位相のときは、ナット９は円弧状に上方向に振動する。ここでフランジの上下面挟まれた金属部を黒塗で示す。
【００５９】  図６（Ｂ）で示す振動の節が超音波振動子１のフランジの上下面挟まれた金属部より後方側金属部側に存在するときは、超音波振動子が図の矢印で示す縦方向に伸びる振動の周期の時、図で示すフランジ付近の節を中心としてナット９は円弧状に上方向に振動する。その時フランジの上下面で挟まれ金属部（黒塗部）は点線で示す下方向に撓む。そして、振動の逆位相のときは、ナット９は円弧状に下方向に振動する。ここでフランジの上下面挟まれた金属部を黒塗で示す。
【００６０】  図６（Ａ）、図６（Ｂ）をまとめると、超音波振動子１のフランジの上下面挟まれた金属部が超音波振動子の中心軸沿って上に振動する時、ナットの外周は下方向に振動する。振動の逆位相の時は、超音波振動子の中心軸沿って下に振動する時、ナットの外周は上方向に振動する
【００６１】  超音波振動子の中心軸方向においてフランジより圧電素子側を上方向と定めると、フランジまたはナットの節位置が超音波振動子の節位置が同じあるとナットは、ほとんど振動しない。そして、フランジまたはナットの節位置はフランジ及びナットの面状に分布する。したがって、ナットはほとんど振動しない。
【００６２】  表６に示す棒の長さと超音波振動子の中の節位置とナットまたはフランジの振動の節位置の関係は、超音波振動子の中の節は、棒の長さが長くなるほど先端に移動する。またナットまたはフランジの振動の節は、棒の長さが長くなるほど超音波振動子の中心軸方向に移動する。
【００６３】  棒の長さに対して共振周波数と、超音波振動子の中の節位置とナットまたはフランジの中の節の位置を作成した有限要素法のモデル位置の数値で示す。例えば、棒の長さ３０ｍｍのモデルでは、縦１次振動モードの共振周波数は約３１．１０ＫＨｚであり、超音波振動子の中心軸にある縦振動の節とナットまたはフランジの中に振動の節の位置は、超音波振動子の振動の節はＺ方向の移動だけであるのでＺ位置２５．１ｍｍ、ナットまたはフランジ位置にある振動の節はＸ軸方向とＺ軸方向により定まり、Ｘ位置１２．３ｍｍ、Ｚ位置２０．５ｍｍである。
【００６４】  棒の長さ３０ｍｍから８０ｍｍまでを取付けた超音波振動子とナット、フランジの節位置で最も長い移動距離を算出した。超音波振動子の中の移動距離は約３１．１ｍｍ、ナット及びフランジの中の移動距離は約４．５ｍｍであり、超音波振動子の移動距離は、ナット及びフランジの中の移動距離の約７倍である。
【００６５】
【表６】
2019069432.tif 000008
【００６６】  つまり、フランジまたはナットの中の節位置の変化が小さいことによる影響により、超音波振動子の縦１次振動モードの共振周波数、アドミッタンスの変化が小さくなる。
【００６７】  実際にハウジングに超音波振動子を挿入して、超音波振動子のフランジをハウジングの外側のオネジとナットのメネジで締付けることにより超音波振動子をハウジングに支持する。そして超音波振動子の前方側金属部にコレット、コレットナットを接続し、これに超硬製の棒を装着した。
【００６８】  超音波振動子の圧電素子に縦１次振動モードの共振周波数付近で電圧と電流の位相が同相であるサイン波電圧４０Ｖｐ−ｐで駆動する。そして、駆動電流を電流センサ、振動変位量をレーザードップラー振動計で測定した。振動変位量の左の−は、棒の振動に対して１８０度位相が異なることを示す。測定結果を表７にまとめる。
【００６９】  ナットの変位の位相は、棒の長さが３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍが棒の変位に対して逆であり、長さが６０ｍｍ、７０ｍｍ、８０ｍｍの棒は、棒とナットの変位の位相が同じになる。棒の長さが６０ｍｍについては一致しないが他は有限要素法で計算した計算結果と一致する。棒の長さが６０ｍｍについて一致しないのは、モデルと実際に材料との材料物性値の誤差、モデルと実際の構造との差、有限要素法のメッシュの形状などの影響によるものと考えられる。
【００７０】  以上に説明した「超音波振動子の縦１次振動＋フランジ・ナット振動」は、超音波振動子の縦１次振動モードに比較して以下の特徴がある。
１）共振周波数の変化が小さい。
２）アドミッタンスが大きい。
３）アドミッタンスの変化が小さい。
４）振動変位量が大きい。
５）フランジの厚さが大きいため、超音波振動子を剛性高く支持できる。
以上のようにフランジの振動の節附近の部分を支持部材（ハウジング）で支持することにより、フランジ、付加質量体そして超音波振動子がフランジ附近の新たな振動の節を持つ振動モードは、従来の問題点を大きく改善している。
【００７１】
【表７】
2019069432.tif 000009
【００７２】  （往復振動＋ナット振動）
ナットと超音波振動子をフランジにより接続し、そのフランジをハウジングで支持した状態でナットを振動させることにより、はじめて超音波振動子を往復振動させる振動モードを励起させることができる。この振動モードにおいて、超音波振動子の中に振動の節を持たず、フランジ附近にだけ振動の節を持つ。
【００７３】  まず有限要素法に基づく計算ソフトであるＡＮＳＹＳ（販売元：アンシス・ジャパン株式会社）を用い、フランジの中の振動の節の位置を算出した。その結果を表８に示す。また、表８に示すフランジの中の振動の節を図７の概略図に示す。
【００７４】
【表８】
2019069432.tif 000010
【００７５】  図７中に示す数字は棒の長さであり、フランジの中の節の位置を示す。フランジの中の節は６角形で示す。
【００７６】  さらに、説明例として棒の長さ６０ｍｍについて説明する。棒の長さが６０ｍｍの超音波振動子の振動方向を細線の矢印の実線で示す。超音波振動子の中の振動は矢印で示すように中心軸に沿って直線状に振動する。ナットの外側の振動方向を円弧状の細線の矢印の実線で示す。これは、フランジの中の節を中心として円弧状に振動することを示す。他の棒の長さもフランジの振動の節を中心として円弧状に振動する。ただし、棒の長さ７０ｍｍ、８０ｍｍにおいては、フランジの中の節を持つ往復振動は現れなかった。
【００７７】  棒の長さ６０ｍｍの振動モードについて説明する。超音波振動子の振動が、細線の矢印で示す方向に振動する時、ナットは、円弧状の細線の矢印の実線で示す振動をする。また振動の逆位相のときは、超音波振動子の振動、ナットは逆方向に振動する。
【００７８】  棒の長さとフランジの振動の節位置の関係は、振動の節は、半径方向では棒の長さが長くなるほど超音波振動子の中心軸方向に移動する。そして、超音波振動子の軸方向では、棒の長さが長くなるほど圧電素子方向に近づく。
【００７９】  実際に製作した超音波振動子にコレットとコレットナットにより締付け超硬製の直径４ｍｍの丸棒を装着する。そして、インピーダンスアナライザーにより測定した超硬の丸棒の長さと超音波振動子を往復振動させる振動モードの共振周波数、その共振周波数でのアドミッタンスの関係を表９に示す。
【００８０】
【表９】
2019069432.tif 000011
【００８１】  表９に示す共振周波数は、インピーダンスアナライザーで測定した最大アドミッタンス周波数であり、測定が容易であることから共振周波数の代わりに近似的に用いられる。最大アドミッタンス周波数と共振周波数の関係は、非特許文献２に記述されている。なお、超音波振動子は、超音波振動子を拘束しない状態でインピーダンス特性を測定している。
【００８２】  超硬製の棒の長さが８０ｍｍでは、超音波振動子を往復振動させる振動モードは出現しなかった。
【００８３】  超音波振動子の圧電素子に往復振動モードの共振周波数付近で電圧と電流の位相が同相であるサイン波電圧４０Ｖｐ−ｐで駆動する。そして、駆動電流を電流センサ、振動変位量をレーザードップラー振動計で測定した。振動変位量の左の−は、棒の振動に対して１８０度位相が異なることを示す。測定結果を表１０にまとめる。
【００８４】  棒の長さが３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍ，６０ｍｍ、７０ｍｍの先端面の振動変位位相とナットの棒側の面、後方側金属部後端の変位の位相は逆である。８０ｍｍの棒では、往復振動モードは現れなかった。これは、有限要素法により計算した結果と、棒の長さが７０ｍｍについては一致しないが他は要現要素法で計算した計算結果と一致する。棒の長さが７０ｍｍについて一致しないのは、モデルと実際に材料との材料物性値の誤差、モデルと実際の構造との差、有限要素法のメッシュの形状などの影響によるものと考えられる。
【００８５】  ナットと超音波振動子をフランジにより接続し、そのフランジをハウジングで支持した状態でナットを振動させることにより、はじめて超音波振動子を往復振動させる振動モードを励起させることができる。この振動モードにおいては、超音波振動子の中に振動の節を持たず、フランジ附近にだけ振動の節を持つ。
【００８６】
【表１０】
2019069432.tif 000012
【００８７】  往復振動モード＋ナット振動の共振周波数変化は、棒の長さが３０ｍｍから７０ｍｍの範囲で約３パーセントであるのに対して、超音波振動子の縦１次振動＋ナット振動の共振周波数変化は、棒の長さが３０ｍｍから７０ｍｍの範囲で約１０パーセントである。つまり、往復振動モード＋ナット振動の共振周波数変化は小さく共振周波数の追尾が容易になる。
【００８８】  また、往復振動＋ナット振動モードは超音波振動子、及び装着した工具に振動の節を持たないため振動の節による工具先端の振動変化がない、そして超音波振動子、工具の歪が小さいため発熱、構成部品間の摩擦が小さくなる。構成部品とは工具、コレット、コレットナット、前方側金属部などである。
【００８９】  以上の説明では、フランジを前方側金属部と一体で製作したが、フランジと前方側金属部が一体で振動すれば別々に制作してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９０】  本発明の超音波振動子の支持方法とその駆動方法により、超音波振動子を支持するフランジの位置に係わらず、超音波振動子の振動性能を保つことが出来る。このため、例えば長さが変化する工具を装着する超音波加工装置に用いられる超音波振動子に好適である。
【符号の説明】
【００９１】１    超音波振動子
２    前方側金属部
３    フランジ
４    電極板
５    圧電素子
６    イモネジ
７    後方側金属部
８    ハウジング
９    ナット（付加質量体）
１０  コレット
１１  コレットナット
１２  棒（工具）
【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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