(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、
刃先が前記第１のたわみ振動の振動中心軸からずれた状態で、前記第１のたわみ振動により前記刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、
前記ワークの加工面の法線と前記振動中心軸のなす角であるリード角を調節するリード角調節手段と、
を備えており、
前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致するように、あるいは前記加工方向に対し、加工方向で前方となるほど前記ワークに近づく状態に傾くように、前記リード角調節手段によって前記リード角が調節される
ことを特徴とする振動加工装置。
【請求項２】
前記振動装置は、ケースによって前記第１のたわみ振動の節の位置で支持されており、
前記リード角調節手段は、前記振動装置と前記ケースを回転させるターンテーブルである
ことを特徴とする請求項１に記載の振動加工装置。
【請求項３】
前記振動装置は、ケースによって前記第１のたわみ振動の節の位置で支持されており、
前記リード角調節手段は、前記ケースにより支持される前記節の位置を、前記第１のたわみ振動の方向において変更する支持位置変更手段である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動加工装置。
【請求項４】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、
前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、
を備えており、
前記工具は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態で、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態で取り付けられており、
前記工具は、その中心軸が前記第１のたわみ振動の振動中心軸からずれた状態で保持されており、
前記先端部は、その重量バランスを調整する、凹部、中空部及びウェイトのうちの少なくとも何れかを備えている
ことを特徴とする振動加工装置。
【請求項５】
前記振動装置は、更に前記振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与する
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４の何れかに記載の振動加工装置。
【請求項６】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、
前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、
を備えており、
前記工具は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態で、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態で取り付けられており、
前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与する
ことを特徴とする振動加工装置。
【請求項７】
前記工具は、前記工具の根元部分に対して前記工具の中心軸側に窪む窪み部を備えており、
前記刃先は、前記窪み部に設けられている
ことを特徴とする請求項４ないし請求項６の何れかに記載の振動加工装置。
【請求項８】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、
前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、
前記振動装置に設けられる１又は２以上の圧電素子と、
前記圧電素子に接続されたシャント回路と、
を備えており、
前記シャント回路は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードに係る第２のたわみ振動において前記圧電素子が示す静電容量に対して電気的に共振するように設定されており、
前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与する
ことを特徴とする振動加工装置。
【請求項９】
前記圧電素子は、前記第２のたわみ振動の方向において、片寄せられ、あるいは分割されている
ことを特徴とする請求項８に記載の振動加工装置。
【請求項１０】
前記シャント回路は、インダクタと抵抗の直列回路を含む
ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の振動加工装置。
【請求項１１】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に、工具を、刃先が振動中心軸からずれた状態で、前記第１のたわみ振動により前記刃先がワークの加工方向に振動するように取り付けると共に、
前記振動装置及び前記ワークの少なくとも一方について、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致するように、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づく状態に傾くように調節して、
前記工具により前記ワークを加工する
ことを特徴とする振動加工方法。
【請求項１２】
前記振動装置は、更に前記振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与する
ことを特徴とする請求項１１に記載の振動加工方法。
【請求項１３】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に対し、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように工具を取り付け、
ここで前記刃先は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態とされ、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態とされており、又前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与し、
前記工具により前記ワークを加工する
ことを特徴とする振動加工方法。
【請求項１４】
２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に、工具を、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように取り付け、前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与し、更に前記振動装置に１又は２以上の圧電素子を設けると共に、前記圧電素子に接続されたシャント回路を接続し、当該シャント回路は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードに係る第２のたわみ振動において前記圧電素子が示す静電容量に対して電気的に共振するように設定され、
前記工具により前記ワークを加工する
ことを特徴とする振動加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具を振動させながらワーク（被削材）を加工する振動加工装置及び振動加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、様々なワークに対する極めて精密な加工の実現が求められており、かような要求に応え得るものとして、工具刃先がワークに対して超音波領域の周波数で楕円振動（円振動を含む、以下同様）している状態で加工する、超音波楕円振動切削装置が提案されている（下記特許文献１参照）。
この装置では、工具の摩耗を抑制する効果や、加工力を低減する効果が確認されていることから、この装置は、極めて鋭利な工具を用いた微細加工や精密加工、超精密加工に利用され、更にはより一般的な加工環境における利用が試みられている。
かような超音波楕円振動切削装置における一般的な利用において、より能率を向上するために、切込み量や切削幅を更に増加することが要求されるところ、切込み量や切削幅を増加すると、超音波楕円振動の周波数とは異なる周波数のびびり振動が発生することがある。このびびり振動は、超音波楕円振動に重畳し、加工精度に悪影響を及ぼし得る。
一方、振動源によって加振されることでたわみながら振動する板状体について、共振周波数におけるたわみ振動を抑制する振動抑制装置として、下記特許文献２のものが知られている。
この振動抑制装置は、板状体に接着された、板状で厚さ方向に分極された圧電素子と、厚さ方向両面の電極を介して圧電素子に接続されたシャント回路を備えている。シャント回路は、コイルと抵抗器を直列に接続したものである。
シャント回路において、コイルのインダクタンスが圧電素子の静電容量に合わせて設定されることで、板状体の共振周波数とシャント回路の共振周波数を一致させることができ、板状体の共振周波数における振動エネルギーは、圧電素子によって電気エネルギーに変換され、更にシャント回路の抵抗器によって熱エネルギーとして消散することとなって、共振周波数における板状体の振動が抑制されることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５１０３６２０号公報
【特許文献２】特許第４８１０６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波楕円振動切削装置において、所望しない振動であるびびり振動が発生する仕組は明らかにされているとは言い難く、かような状況において、特許文献２の振動抑制装置を超音波楕円振動切削装置に単に導入したとしても、効果的にびびり振動を抑制することは困難である。
そこで、本発明者らは、超音波楕円振動加工におけるびびり振動の発生メカニズムを明らかにして、楕円振動加工は勿論、加工方向に沿った横振動（たわみ振動）を与える加工にも適用可能なびびり振動の抑制手法を見出すこととした。
本発明は、楕円振動加工やたわみ振動加工において、びびり振動を抑制可能である振動加工装置、振動加工方法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】
【０００５】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、振動加工装置であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、刃先が前記第１のたわみ振動の振動中心軸からずれた状態で、前記第１のたわみ振動により前記刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、前記ワークの加工面の法線と前記振動中心軸のなす角であるリード角を調節するリード角調節手段と、備えており、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致するように、あるいは前記加工方向に対し、加工方向で前方となるほど前記ワークに近づく状態に傾くように、前記リード角調節手段によって前記リード角が調節されることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、上記発明において、前記振動装置は、ケースによって前記第１のたわみ振動の節の位置で支持されており、前記リード角調節手段は、前記振動装置と前記ケースを回転させるターンテーブルであることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、上記発明において、前記振動装置は、ケースによって前記第１のたわみ振動の節の位置で支持されており、前記リード角調節手段は、前記ケースにより支持される前記節の位置を、前記第１のたわみ振動の方向において変更する支持位置変更手段であることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、振動加工装置であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、を備えており、前記工具は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態で、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態で取り付けられており、前記工具は、その中心軸が前記第１のたわみ振動の振動中心軸からずれた状態で保持されており、前記先端部は、その重量バランスを調整する、凹部、中空部及びウェイトのうちの少なくとも何れかを備えていることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、上記発明において、前記振動装置は、更に前記振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記たわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、振動加工装置であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、を備えており、前記工具は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態で、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態で取り付けられており、前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与することを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、上記発明において、前記工具は、前記工具の根元部分に対して前記工具の中心軸側に窪む窪み部を備えており、前記刃先は、前記窪み部に設けられていることを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、振動加工装置であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置と、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように前記先端部に取り付けられる工具と、前記振動装置に設けられる１又は２以上の圧電素子と、前記圧電素子に接続されたシャント回路と、を備えており、前記シャント回路は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードに係る第２のたわみ振動において前記圧電素子が示す静電容量に対して電気的に共振するように設定されており、前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与することを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、上記発明において、前記圧電素子は、前記第２のたわみ振動の方向において、片寄せられ、あるいは分割されていることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、上記発明において、前記シャント回路は、インダクタと抵抗の直列回路を含むことを特徴とするものである。
【０００６】
上記目的を達成するために、請求項１１に記載の発明は、振動加工方法であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に、工具を、刃先が振動中心軸からずれた状態で、前記第１のたわみ振動により前記刃先がワークの加工方向に振動するように取り付けると共に、前記振動装置及び前記ワークの少なくとも一方について、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致するように、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づく状態に傾くように調節して、前記工具により前記ワークを加工することを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、上記発明において、前記振動装置は、更に前記振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項１３に記載の発明は、振動加工方法であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に対し、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように工具を取り付け、ここで前記刃先は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致する状態とされ、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態とされており、又前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与し、前記工具により前記ワークを加工することを特徴とするものである。
上記目的を達成するために、請求項１４に記載の発明は、振動加工方法であって、２次以上の所定の共振モードにおける先端部自由の第１のたわみ振動を発生する振動装置の前記先端部に、工具を、前記第１のたわみ振動により刃先がワークの加工方向に振動するように取り付け、前記振動装置は、更に前記第１のたわみ振動の振動中心軸の方向における振動である縦振動を発生し、前記第１のたわみ振動と前記縦振動とによって前記工具に楕円振動を付与し、更に前記振動装置に１又は２以上の圧電素子を設けると共に、前記圧電素子に接続されたシャント回路を接続し、当該シャント回路は、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードに係る第２のたわみ振動において前記圧電素子が示す静電容量に対して電気的に共振するように設定され、前記工具により前記ワークを加工することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、楕円振動加工やたわみ振動加工において、びびり振動を抑制可能である振動加工装置、振動加工方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１形態に係る振動切削装置の模式的な斜視図である。
【図２】図１の振動切削装置に係る振動装置の（ａ）縦振動，（ｂ）たわみ振動を示す模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は図１の振動切削装置による切削（振動一周期程度の極短時間に亘る微視的なもの）の模式図である。
【図４】図３の切削プロセスのうち最大切削深さに達した場合の模式的な拡大斜視図である。
【図５】図１の振動切削装置で、ワークを、最大切削深さｄ［ｍｍ］＝０．１，０．２，０．３でそれぞれ加工した際に生じたたわみ振動について、ＦＦＴを施した結果を示すグラフであって、（ａ）は１６．８５ｋＨｚから１７．０ｋＨｚまでのものであり、（ｂ）は１０．６５ｋＨｚから１０．８ｋＨｚまでのものである。
【図６】最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合における、たわみ振動に短時間フーリエ変換を施した結果を示すグラフである。
【図７】（ａ）は最大切削深さｄ＝０．１ｍｍの場合における、仕上げ面の高低差に関する写真であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ間の直線における仕上げ面の高低差に関するグラフである。
【図８】（ａ）は最大切削深さｄ＝０．２ｍｍの場合における、仕上げ面の高低差に関する写真であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ間の直線における仕上げ面の高低差に関するグラフである。
【図９】（ａ）は最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合における、仕上げ面の高低差に関する写真であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ間の直線における仕上げ面の高低差に関するグラフである。
【図１０】（ａ）は刃先軌跡Ｌ１（ｘ１（ｔ），ｙ１（ｔ））の群を示すグラフであり、（ｂ）は刃先軌跡Ｌ２（ｘ２（ｔ），ｙ２（ｔ））の群を示すグラフである。
【図１１】リード角φが（ａ）０°，（ｂ）５°（モード角θと同様の角度），（ｃ）約１０°である場合の振動装置の先端部周辺の模式図である。
【図１２】刃先ＥがワークＷの既加工面に入った直後のプラウイングプロセスの模式図であって、（ａ）は、２次のたわみ振動速度（点直線矢印）が最小（Ｘ軸負方向側の最大振動速度）となり切削速度（実線細矢印）の大きさが減少されて切削速度の向きがＹ軸正方向側に傾けられる瞬間を示し、（ｂ）は２次のたわみ振動速度が最大（Ｘ軸正方向側の最大振動速度）となり切削速度の大きさが増加されて切削速度の向きがＹ軸負方向側に傾けられる瞬間を同様に示す。
【図１３】リード角φを調節した後における図５（ｂ）と同様のグラフである。
【図１４】（ａ）はリード角φ調節後の最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合における、仕上げ面の高低差に関する写真であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ｂ間の直線における仕上げ面の高低差に関するグラフである。
【図１５】（ａ）は本発明の第２形態に係る振動切削装置における振動装置の先端部の模式図であり、（ｂ）は本発明の第３形態に係る振動切削装置における振動装置の先端部の模式図である。
【図１６】（ａ）は本発明の第４形態に係る振動切削装置における振動装置の模式図であり、（ｂ）は（ａ）においてたわみ振動が発生した場合の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施の形態が、適宜図面に基づいて説明される。尚、本発明は、下記の実施の形態に限定されない。
【００１０】
［第１形態］
≪全体構成等≫
図１は、本発明の第１形態に係る振動加工装置の一例である振動切削装置１の模式的な斜視図である。
振動切削装置１は、振動装置２と、振動装置２の先端部３に取り付けられる工具４を備えている。工具４は、超精密加工用のもの（単結晶ダイヤモンドツール）であり、強力な楕円振動やそれによる切削負荷に耐えるものである。工具４のノーズ半径は１．０ｍｍ（ミリメートル）である。尚、工具４として、他の種類のものが用いられても良い。
振動装置２は、第１の圧電素子５と、第２の圧電素子６を備えており、これら圧電素子５，６の駆動により、工具４に楕円振動を付与し、工具４の刃先Ｅ（先端）を楕円振動させることが可能である。
圧電素子５は、複数の圧電素子部を含んでも良いし、単独の圧電素子のみを含んでも良い。これは、圧電素子６についても同様である。
振動装置２は、ケース８によって支持されている。
【００１１】
又、振動切削装置１は、ワークＷを図中のＸ軸の両方向、Ｙ軸の両方向、及びＺ軸の両方向に移動可能な状態で載せるワーク台１０を備えている。
ここでは、図１の左下側をＸ軸の正の側として右上側を負の側とし、図１の左上側をＹ軸の正の側として右下側を負の側とし、図１の下側をＺ軸の正の側として上を負の側とする。
尚、各軸の設定は一例であり、正負を変えたり他の位置に移動したりする等、他の設定がなされても良い。又、各送り機構は、工具４がワークＷに対して相対的に移動可能であれば、どのような配置であっても良い。更に、工具４とワークＷの相対位置も、図１以外のものに変更されて良い。
【００１２】
更に、振動切削装置１は、振動装置２の下側に配置されるターンテーブル１２と、振動装置２やターンテーブル１２を載せる台１４を備えている。
リード角調節手段としてのターンテーブル１２は、Ｚ軸を中心軸として、Ｚ軸の周りの方向（Ｂ軸方向）に回転可能であり、ワークＷの切削面の法線（垂直線）と振動装置２の中心軸（振動装置中心軸Ｍ）のなす角であるリード角φ（図１１参照）を変更可能である。ターンテーブル１２は、リード角φの変更後においては固定され、振動装置２を支持する。
【００１３】
加えて、振動切削装置１は、切削中にワークＷと工具４の間にオイルミストを供給するノズル１６を備えている。
又、振動切削装置１は、振動装置２等を制御する図示されない制御手段を備えている。
【００１４】
≪振動装置等≫
振動装置２は、図２にも示されるように、ロッド状であって、ワークＷに対向して配置されており、ワークＷに向かう方向即ちＹ軸方向に延びていて、振動装置中心軸ＭがＹ軸方向を向いている。工具４は、Ｙ軸方向に延びる状態で振動装置２の先端部３（ワークＷ側の端部）に取り付けられる。よって、Ｙ軸正方向が、ワークＷに対する切込み方向となる。尚、以下では、振動装置２について、Ｙ軸正方向の側（先端部３側）が前とされ、Ｙ軸負方向の側が後とされる。
又、振動切削装置１では、Ｘ軸正方向が主たる切削方向とされる。即ち、振動切削装置１では、ワークＷについてＺ軸方向の位置を固定し、ワークＷをＸ軸負方向に送って工具４を相対的にＸ軸正方向で動かしながら、Ｙ軸正方向に切り込むように切削される。
そして、かような切削が順次Ｚ軸方向の位置を正方向側に変更されて繰り返される。即ち、Ｚ軸正方向がピックフィード方向である。
【００１５】
第１の圧電素子５は、その駆動により、振動装置２の先端部３（振動部）について主にＹ軸方向で振動させ、振動装置２に取り付けられた工具４を、主にＹ軸方向（切込み方向）で振動させるものである。以下、Ｙ軸方向の振動は、縦振動と呼称されることがある。
第２の圧電素子６は、その駆動により、振動装置２の先端部３について主にＸ軸方向で往復するようにたわませて、振動装置２に取り付けられた工具４を、主にＸ軸方向（切削方向）で振動させるものである（第１のたわみ振動）。ここで、先端部３を振動させるため、たわみによる振動としては、少なくとも先端部３が自由端となる振動が選択され、好ましくは先端部と後端部の両端が自由である振動が選択される。以下、Ｘ軸方向の振動（横振動）は、たわみ振動と呼称されることがある。
【００１６】
振動装置２は、その形状（Ｙ軸方向の長さや、径の大きさないしその分布等）や重量配分等の構造により、縦振動とたわみ振動について、それぞれ所定の共振周波数を有している。
振動装置２の縦振動とたわみ振動の基本的な共振周波数（基準共振周波数）は、何れも１６．９ｋＨｚ（キロヘルツ）である。
振動装置２の先端部３を含む前部は、先端部３の振幅を拡大して工具４をより効率良く振動するため、工具４に近づくにつれて細くなるテーパ形状を有するように形成される。テーパ形状の種類としては、コニカルホーン形状や、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状が例示される。
【００１７】
縦振動の周波数やたわみ振動の周波数は、振動装置２の各共振周波数に基づいて設定される。
制御手段によって第１の圧電素子５と第２の圧電素子６に対して周期的な電圧が印加され、第１の圧電素子５と第２の圧電素子６が駆動されると、縦振動とたわみ振動により振動装置２の先端部３が楕円軌跡を描いて振動し、工具４が楕円振動する。工具４を楕円振動させるための振動は、所望する振動であり、所定の共振モードに係る振動である。
振動装置２では、図２に模式的な波形状の線（実波線と破波線）で示されるように、縦振動において１次の共振モードで振動するように圧電素子５が駆動され（図２（ａ））、たわみ振動において３次の共振モードで振動するように圧電素子６が駆動される（図２（ｂ））。
かような共振モードの設定は、工具４の容易な設置等様々な面で扱い易いロッド形状の振動装置２に適合している。但し、たわみ振動が、基準共振周波数より低い周波数の低次の共振周波数を持つことになる。即ち、振動装置２は、基準共振周波数より低い周波数を有する、１次と２次のたわみ共振モードを具備している。この低次の共振モードは、所望しない振動の発生を引き起こし得る。
【００１８】
たわみ振動は、振動装置２において、工具４を取り付けた状態で、なるべく振動装置中心軸Ｍを中心として行われるように調整される。その調整は、振動装置中心軸Ｍを中心とした重量バランスの確保により行われる。尚、以下では、振動装置中心軸Ｍと（第１の）たわみ振動の中心軸とが一致するものと仮定した説明がなされるが、実際にはこれらは互いに僅かにずれていることが多い（厳密な一致の確保は現状困難である）ものである。
振動装置２の先端部３（振動部）に注目した場合、先端部３の振動中心軸が振動装置中心軸Ｍとなるべく一致するようにするため、工具４が、他の先端部３における部品の重量との兼ね合いで、振動装置中心軸Ｍを中心とした重量バランスが確保されるように取り付けられる。尚、先端部３においては、たわみ振動に影響をなるべく及ぼさないようにするために、重量の大きい部品は配置されない。
このとき、工具４の刃先Ｅは、メンテナンスを容易にするため、棒状の工具４における所定の一辺側に片寄せて設けられることから、振動装置中心軸Ｍからずれることとなる（図１１参照）。即ち、先端部３は、刃先Ｅを振動中心軸からずらした状態で工具４を保持する。仮に、刃先Ｅが振動装置中心軸Ｍと一致するように棒状の工具４が先端部３に設けられたとすると、工具４全体が先端部３において片寄って配置されることになって、振動装置中心軸Ｍを中心とした重量バランスが確保されず、振動装置中心軸Ｍを中心としたたわみ振動が確保されない。
【００１９】
そして、振動装置２の縦振動とたわみ振動の基準共振周波数が一致するので、楕円振動が安定し、又縦振動の節（最も振動が小さくなる部分，ノード）の位置と、たわみ振動の節の位置が、振動装置２の中央部（先細部の後側）において一致する。更に、たわみ振動の節は、中央部の前後にも存在する。振動装置２は、中央部の節の位置と、その後方のたわみ振動の節の位置とにおいて支持され（図２の黒三角印や黒丸印参照）、ケース８は、かような位置を点接触で支持する図示されない支持体を有している。
尚、縦振動の周波数やたわみ振動の周波数、あるいは振動装置の共振周波数や各振動における共振モードの次数は様々に変更可能である。又、振動装置の基準共振周波数について、好ましくは１０ｋＨｚ以上であり、より好ましくは超音波領域以上である。超音波領域の周波数としては、概ね、１６ｋＨｚ以上とされても良いし、２０ｋＨｚ以上とされても良い。超音波領域の周波数における振動は、超音波振動と適宜呼称される。
【００２０】
≪楕円振動加工プロセス等≫
図３において、振動装置２によって楕円振動される工具４がワークＷを切削するプロセス（振動一周期程度の極短時間に亘る微視的なもの）が模式的に示され、図４において、切削箇所周辺の模式的な拡大図が示される。
【００２１】
楕円振動の主にたわみ振動によりＸ軸負方向側に退いた工具４（図３（ａ））は、主に縦振動によりワークＷに近づき（Ｙ軸正方向）、ワークＷに接触して切削を開始する（図３（ｂ））。工具４の刃先は、先端に対してワークＷから逃げるような逃げ面Ｋを有しており、ワークＷに対して、進入角ξで入っていく。
切削において、工具４はまず、移動方向が比較的にＸ軸正方向に近い状態でワークＷに対してＹ軸正方向に相対的に近づく（図３（ｂ）〜図３（ｃ））。このとき、工具４は刃先においてワークＷを押しならし、逃げ面Ｋにおいて切削したばかりの面（既切削面Ｕ）を擦る。この加工プロセスは、バニシングプロセスあるいはプラウイングプロセスと呼ばれる。
図４に示されるように、プラウイングプロセスにおいて、工具４の刃先Ｅは最大切削深さｄに達する。又、工具４により切削されるＺ軸方向の切削幅ｈは、ピックフィード量ｐや最大切削深さｄに依存する。最大切削深さｄや切削幅ｈが大きいほど、切削における負荷が大きくなり、最大切削深さｄや切削幅ｈが所定値以上となると、所望しない振動が発生し、楕円振動に重畳して影響を及ぼすようになる。
【００２２】
次いで、工具４は、移動方向が比較的にＹ軸負方向に近い状態でワークＷに対してＸ軸正方向に相対的に近づく（図３（ｃ）〜図３（ｄ））。このとき、工具４はワークＷを擦り上げ、切屑Ｈを適宜引き上げる。この加工プロセスは、材料除去プロセスと呼ぶことができる。
その後、工具４がワークＷから離れると、一周期内における材料除去プロセスは終了し、図３（ａ）の状態（但し一周期分進んだ位置）に戻る。
【００２３】
≪所望しない振動等≫
所望しない振動の性質を明らかにするため、典型的な難削鋼（スタバックス材）であるワークＷが振動切削装置１により鏡面切削された。
リード角φは０°とされ、振動装置中心軸ＭはワークＷの仕上げ面に垂直に向けられた。
誘導変位センサにより、楕円振動している工具４の、切削方向（Ｘ軸方向，たわみ方向）に係るたわみ振動が測定された。
切削部位に対しては、オイルミストが供給された。
最大切削深さｄとして、比較的に浅い（従前同様の）０．１ｍｍと、これより深い０．２ｍｍ，０．３ｍｍが試された。最大切削深さｄの値が０．２ｍｍ，０．３ｍｍであることは、鏡面切削においてはかなり大きいものであると言え、単純計算で０．１ｍｍの場合の２，３倍の効率となる。
ピックフィード量ｐは、鏡面を得るために、理想的な表面粗さが０．０５μｍ（マイクロメートル）となる、０．０２０ｍｍとした。
かような切削条件は、次の表１にまとめられる。
【００２４】
【表１】
0006793912.tif 000002
【００２５】
図５において、切削中に測定されたたわみ振動に対してＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行った結果が示される。横軸は周波数［ｋＨｚ］であり、縦軸は振幅［μｍ］である。
図５（ａ）に示されるように、最大切削深さｄが０．１ｍｍ（実線），０．２ｍｍ（破線），０．３ｍｍ（一点鎖線）の何れの場合においても、１６．９ｋＨｚの付近で大きなピークがみられる。
又、図５（ｂ）に示されるように、最大切削深さｄの大きい０．２ｍｍ，０．３ｍｍの場合、１０．７１ｋＨｚ，１０．７３ｋＨｚにおいてピークが存在し、基準共振周波数（１６．９ｋＨｚ）より小さい周波数に係る、所望しないたわみ振動（第２のたわみ振動）が発生していることが分かる。
更に、図６には、最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合における、たわみ振動に短時間フーリエ変換を施した結果が示される。横軸は時間［秒］であり、縦軸は周波数［ｋＨｚ］であり、濃度（色）は振幅［μｍ］を示す。楕円振動する工具４が実際にワークＷを切削している時間（Ｄｕｒｉｎｇ  ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）においても、それ以外の時間においても、１６．９ｋＨｚの振動が起こっていることが、図６上部の長い横線によって示されている。当該長い横線の濃度に対応する振幅（楕円振動における振幅）は、約０．８５μｍである。そして、工具４の実際の切削時間における後半において、約１０．７ｋＨｚの所望しないたわみ振動が起こっていることが、図６中央部の短い横線によって示されている。当該短い横線の濃度に対応する振幅（たわみ振動における振幅）は、約０．５μｍである。約１０．７ｋＨｚという周波数は、２次の共振モードに係るたわみ振動の共振周波数に相当する。
【００２６】
この所望しないたわみ振動は、仕上げ面にも影響を及ぼす。何れの場合においても、仕上げ面は鏡面となるが、最大切削深さｄ＝０．２ｍｍ，０．３ｍｍの場合には、曇りが生じる。
図７は最大切削深さｄ＝０．１ｍｍの場合の仕上げ面に関する写真やグラフであり、図８は最大切削深さｄ＝０．２ｍｍの場合の仕上げ面に関する写真やグラフであり、図９は最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合の仕上げ面に関する写真やグラフである。
最大切削深さｄ＝０．１ｍｍの場合に係る図７（ａ）によれば、縦方向が切削方向（下がＸ軸正方向）で横方向がピックフィード方向（右がＺ軸正方向）であるワークＷの仕上げ面において、相対的な高低差（濃度，色）が−０．０７０μｍから＋０．０８３μｍの範囲内に入るほど平坦であり、切削方向の既切削筋がピックフィード量程度の間隔で綺麗に現れている。又、同図のＡ−Ｂ間の高低差が示される図７（ｂ）によれば、極めて滑らかに仕上げられていることが分かる。
これに対し、最大切削深さｄ＝０．２ｍｍの場合では、図７と同様に示される図８において（但し図８（ａ）において相対的な高低差は−０．２７５μｍから＋０．２３２μｍの範囲である）、仕上げ面が切削方向で波打っており、比較的に粗いことが分かる。これは、最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合においても同様である（図９）。
かような切削方向の波打ち（振動跡）における周波数は、図７〜９から把握可能な波長や切削速度によって算出可能であり、およそ６．２ｋＨｚである。この周波数は、楕円振動と所望しない振動の間におけるうなりの周波数と一致する。うなりの振幅は、およそ０．１μｍ以下である。
【００２７】
以上のように明らかになった所望しない振動と仕上げ面の波打ちの関係に基づいて、切削中における工具４の刃先Ｅの軌跡に係る時間領域でのシミュレーションが以下の通り実施された。
まず、仮に、楕円振動以外の振動がないとすると、刃先Ｅの軌跡Ｌ１（ｘ１（ｔ），ｙ１（ｔ））は、次の数１によって表すことができる。
ここで、ｘ１，ｙ１は切削方向，切込み方向における刃先Ｅの位置座標であり、Ａｂ，Ａｌはたわみ振動，縦振動の振幅であり、ｔは時間であり、Ｖｃは切削速度であり、ｆ１は楕円振動の周波数である。
【００２８】
【数１】
0006793912.tif 000003
【００２９】
図１０（ａ）には、上述の鏡面切削と条件（表１参照）を合わせて算出された刃先Ｅの軌跡Ｌ１（ｘ１（ｔ），ｙ１（ｔ））が示される。
図中太線で示される通り、刃先Ｅの軌跡の底部分が既切削面Ｕとして残り、その高さや粗さは約０．０２μｍであって、山と山の間隔は約１μｍである。この状態は、楕円振動の周期に対応する。
【００３０】
次に、比較的に大きい最大切削深さｄ＝０．２ｍｍ，０．３ｍｍとした場合に発生する所望しない約１０．７ｋＨｚの所望しない振動について考える。１０．７ｋＨｚの付近では、縦振動の共振周波数は存在しないことから、刃先Ｅは２次の共振モードに係るたわみ振動に応じて揺れる（びびる）はずである。
そして、図１１（ａ）に示されるように、刃先Ｅは振動装置中心軸Ｍ即ちたわみ振動の中心軸より僅かに切削方向前方（Ｘ軸正方向）に位置していることから、２次の共振モードに係るたわみ振動（両矢印Ｇ２）の方向は、切削方向に対して、切削方向が前方となるほど工具４に近づく（Ｙ軸負方向に行く）方向に、僅かに傾いている。尚、矢印Ｇは、刃先Ｅのモード方向である。
その結果、刃先Ｅの軌跡Ｌ２（ｘ２（ｔ），ｙ２（ｔ））は、楕円振動と所望しない振動を重畳した次の数２によって表すことができる。
ここで、ｘ２，ｙ２は切削方向，切込み方向における刃先Ｅの位置座標であり、Ａ’ｂは２次共振モードのたわみ振動に係る振幅の切削方向成分であり、ｆ２は２次共振モードのたわみ振動の周波数である。切削中のＡ’ｂは次のように算出される。即ち、所望しない振動の周波数１０．７３ｋＨｚにおいて測定された振幅０．５μｍ（図６）に、共振モードの次数を掛けて（×２）、１．０μｍとなる。
又、θは、２次共振モードのたわみ振動の方向（両矢印Ｇ２，矢印Ｇ参照）と切削方向（Ｘ軸方向，３次共振モードのたわみ振動方向）の間の角であるモード角である（図１１（ａ））。モード角θは、レーザードップラー振動計によって予め測定され、上述の条件において約５°であった。
【００３１】
【数２】
0006793912.tif 000004
【００３２】
図１０（ｂ）には、上述の鏡面切削と条件（表１参照）を合わせて算出された刃先Ｅの軌跡Ｌ２（ｘ２（ｔ），ｙ２（ｔ））が示される。
図中太線で示される通り、刃先Ｅの軌跡の底部分が既切削面Ｕとして残り、その高さは多彩であるが約０．１μｍ以下の範囲に収まっており、その山と山の間隔も又多彩であるが６．２ｋＨｚの辺りにある。
このシミュレーション結果は、上述した最大切削深さｄの大きい鏡面切削の結果（図８〜９）と良く合致する。
よって、２次共振モードのたわみ振動が、最大切削深さｄの比較的に大きい切削中において所望しない振動を引き起こし、所望しない振動と楕円振動に係るうなりの振動周期に対応する波打ちを既切削面Ｕに残すと言える。
更に、図１０（ｂ）から、次のことも読み取れる。即ち、各楕円振動周期における切削開始時の進入角ξ（図３（ｂ））は、所望しない振動により、かなり異なるものとなっている。これは、プラウイングプロセス（図３（ｂ）〜（ｃ）参照）が、所望しない振動により、周期毎にかなり変わることによる。
【００３３】
≪所望しない振動の発生メカニズム等≫
かような時間領域のシミュレーションによれば、所望しない振動の発生メカニズムは、次の通りと言える。
即ち、楕円振動切削において、プラウイングプロセスは各周期の最初のみ起こる。
そして、多彩な種類の進入角ξは、２次のたわみ振動における自己励起力を発生し得る。
図１２は、刃先ＥがワークＷの既切削面Ｕに入った直後のプラウイングプロセスの模式図である。
図１２（ａ）は、２次のたわみ振動速度（点直線矢印）が最小（Ｘ軸負方向側の最大振動速度）となり切削速度（実線細矢印）の大きさが減少されて切削速度の向きがＹ軸正方向側に傾けられる瞬間を示す。点曲線矢印は刃先Ｅの軌跡であり、一点鎖線は３次のたわみ振動と１次の縦振動の合成速度ベクトルと見かけの（平均的な）切削速度ベクトルの和であって理想的な楕円振動切削の速度である。工具４の逃げ面ＫはワークＷの既切削面Ｕにより妨害され、摩擦力Ｆｅ（実線太矢印）が振動を自己励起する。
他方、図１２（ｂ）は、２次のたわみ振動速度が最大（Ｘ軸正方向側の最大振動速度）となり切削速度の大きさが増加されて切削速度の向きがＹ軸負方向側に傾けられる瞬間を同様に示す。逃げ面Ｋが既切削面Ｕに及ぼす力は減少し、摩擦力Ｆｅが減少して、振動が更に自己励起する。
【００３４】
工具４は従前の楕円振動周期によって既に切削されたワークＷ表面（既切削面Ｕ）を繰り返し切削するから、プラウイングプロセスにおいては重畳効果が存在する。よって、各周期における切削の負荷や終了は、その周期における所望しない振動によって変化するだけでなく、従前の所望しない振動により残された既切削面Ｕの弧によっても変化する。この重畳効果は、上述の時間領域シミュレーションにおいて考慮に入れられているところ、減衰力を発生し、２次のたわみ振動を拡大する要因にはならないことが分かった。
そこで、プラウイングプロセスにおける摩擦力は、各楕円振動周期に係る進入角ξの種類による自己励起力として主にふるまい、その結果、所望しない振動は一種の摩擦びびり振動に分類されると言えるのである。
【００３５】
かようなメカニズムは、次のようなびびり振動の特徴も導き出す。
即ち、鋭い刃先Ｅによる通常の切削において摩擦びびり振動は起こらず、びびり振動は単結晶ダイヤモンド工具４の極めて鋭利な刃先Ｅによる楕円振動切削において起こる。これは、各楕円振動周期の切削開始時点において、進入角ξが逃げ面Ｋの逃げ角と比べて大きいことによる。
加えて、進入角ξだけでなく、逃げ面ＫとワークＷの接触において切削力による弾性変形が影響を及ぼし、各楕円振動周期内の切削期間が長くなるため、進入角ξが増大して、びびり振動を起こすための更なる力が発生する。
又、別の特徴として、振幅に関するものがある。摩擦びびり振動は、振動速度が切削速度に達するまでは大きくなっていき、振幅が非常に大きくなる。他方、楕円振動切削における摩擦びびり振動は、１μｍといった小さい振幅を有している。この小さな振幅は、次のような振動跡の小さい間隔によって説明され得る。即ち、その間隔までびびり振動の振幅が大きくなった場合、振動跡の数は減少して進入高さもかなり多彩になる（図１０（ｂ））から、進入角ξは多様に変化する。上述の時間領域シミュレーションは、この高さの変化が従前形成された既切削跡の切削による減衰力を引き起こし、よって、楕円振動切削において、びびり振動はあまり大きくなっていかないことを示している。
【００３６】
≪びびり振動の抑制等≫
以上の発生メカニズムによれば、楕円振動切削における摩擦びびり振動は、振動装置２のリード角φにより影響を及ぼされ得る。
例えば、モード角θがリード角φによってゼロになれば、瞬間的な切削方向（図１２参照）はさほど変わらない。よって、びびり振動は抑制される。
図１１（ｂ）には、モード角θを０°にするために、５°のリード角φにおいて工具４でワークＷを切削する場合について示される。
この場合、２次の共振モードに係るたわみ振動（両矢印Ｇ２）の方向は、Ｙ軸に対して垂直となっている。又、振動装置２は、先端部３に対して後端部が切削方向前方（Ｘ軸正方向）となるように傾いて（前傾して）おり、工具４は、刃先Ｅの有る先端に対して根元が切削方向前方（Ｘ軸正方向）となるように傾いて（前傾して）いる。
【００３７】
かようなびびり振動抑制手法の妥当性をみるために、次のような鏡面切削を実施した。即ち、ターンテーブル１２により振動装置２のリード角φを５°に調節し、その他の条件を上述の鏡面切削と同一として、ワークＷの鏡面切削を行った。
図１３において、切削中に測定されたたわみ振動に対するＦＦＴの結果が、図５（ｂ）と同様に示される。この結果によれば、大きな最大切削深さｄ＝０．２ｍｍ，０．３ｍｍの場合であっても、２次のたわみ振動に係る振幅のピークがないことを確認することができる。
図１４は、最大切削深さｄ＝０．３ｍｍの場合の仕上げ面に関する写真やグラフである。これらによれば、切削方向の有意な振動跡は存在しないと言える。
これらの結果は上述の発生メカニズムを実証しており、リード角φの調節によるびびり振動抑制手法は効果的であると言え、最大切削深さｄが大きく、より一層能率的な楕円振動切削が実現されるのである。
【００３８】
又、リード角φについて、モード角θがゼロとなる方向と同方向に傾けることで更に大きくし、低次（２次）の振動方向が切削方向に対して前傾（切削方向前方となるほどワークＷに近づく）するようにしても、びびり振動が抑制される。
図１１（ｃ）には、約１０°のリード角φにおいて工具４でワークＷを切削する場合について示される。
この場合、振動装置２は、図１１（ｂ）のときと比べ、先端部３に対して後端部が切削方向前方（Ｘ軸正方向）となるように更に傾いており、工具４は、刃先Ｅの有る先端に対して根元が切削方向前方（Ｘ軸正方向）となるように更に傾いている。
上述のびびり振動の発生メカニズムによれば、低次（２次）のたわみ振動の方向が、切削方向に対して、切削速度が増加する位相において切込みが増加する向きに傾いていることで、びびり振動が抑制される。
そして、図１１（ｃ）で示されるように、２次のびびり振動の振動方向が切削方向に対して前傾すると、その振動速度が切削方向と同じ向きの時（前進時）に工具４の運動方向が前傾してプラウイング力が増し、逆向きの時（後退時）にプラウイング力が減ることとなり、びびり振動が抑制されるのである。
【００３９】
≪効果等≫
振動切削装置１は、３次の共振モードにおいて先端部３が自由である３次のたわみ振動を発生する振動装置２と、刃先Ｅが３次のたわみ振動の振動中心軸（振動装置振動軸Ｍ）からずれた状態で、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向（切削方向，Ｘ軸方向）に振動するように先端部３に取り付けられる工具４と、ワークＷの加工面の法線と前記振動中心軸のなす角であるリード角φを調節するターンテーブル１２と、を備えており、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおけるたわみ振動の方向が、前記加工方向と一致するように（図１１（ｂ））、あるいは前記加工方向に対し、加工方向で前方となるほど前記ワークに近づく状態に傾くように（図１１（ｃ））、ターンテーブル１２によってリード角φが調節される。よって、２次の共振モードにおける振動に基づくびびり振動を抑制することができる。
又、振動装置２は、ケース８によって、３次のたわみ振動の節の位置で支持されており、リード角φを調節する手段が、振動装置２とケース８を回転させるターンテーブル１２であるから、リード角φを確実で容易に調節可能である手段をシンプルに提供することができる。
加えて、振動装置２は、更に前記振動中心軸方向における振動である縦振動を発生し、３次のたわみ振動と前記縦振動とによって工具４に楕円振動を付与するから、びびり振動を抑制可能である楕円振動切削装置を提供することができる。
【００４０】
加えて、振動切削装置１によって行われる振動加工方法の一例としての振動切削方法では、３次の共振モードにおける先端部３が自由であるたわみ振動を発生する振動装置２の先端部３に、工具４を、刃先Ｅが３次の振動の振動中心軸（振動装置中心軸Ｍ）からずれた状態で、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向（Ｘ軸方向）に振動するように取り付けると共に、振動装置２におけるワークＷの切削面の法線と先端部３の振動中心軸のなす角であるリード角φについて、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおける２次のたわみ振動の方向が、加工方向と一致するように（図１１（ｂ））、あるいは加工方向に対し、加工方向で前方となるほどワークＷに近づく状態に傾くように（図１１（ｃ））調節して、ワークＷを加工する。よって、びびり振動を効果的に抑制可能である振動加工方法を提供することができる。
又、振動装置２は、更に前記振動中心軸方向における振動である縦振動を発生し、３次のたわみ振動と前記縦振動とによって工具４に楕円振動を付与するから、びびり振動を抑制可能である楕円振動切削方法を提供することができる。
【００４１】
≪変更例等≫
尚、振動切削装置１では、振動装置２が縦振動とたわみ振動を行うものであったが、これに代えて、２つの縦振動子を備えた振動装置が用いられても良い。この場合、２つの縦振動子は角度を持ってＬ型あるいはＶ型に配置され、２つの縦振動子の先端部を連結する連結部材が設けられて、連結部材に工具が刃先を振動中心軸からずらした状態で取り付けられ、連結部材が振動部となる。そして、少なくとも何れかの縦振動子によって、連結部材に切削方向の振動である横振動が与えられ、その与えられた横振動の方向と、その横振動の共振モードより低次の共振モードにおける振動の方向との間の角であるモード角に、リード角が一致するようにセッティングされる。
更に、ねじり振動が組み合わされても良い。
又、楕円振動を発生する振動装置２に代えて、たわみ振動のみを発生する振動装置が用いられても良い。
更に、ワークの加工に関し、ワークの切削に代えて、ワークのボンディングやウェルディング（圧接や溶着、溶接）の場合に、上述のびびり振動の抑制が行われても良い。
振動は、ワークに与えられても良いし、工具とワークに与えられても良い。
リード角の調節は、ワーク用ターンテーブル等によりワークの角度を変えることで行われても良いし、振動装置及びワークの双方の設置角度を変えて行われても良い。
又、リード角調節手段は、ケースにより支持される節の位置を、３次のたわみ振動の方向において変更する支持位置変更手段であっても良い。支持位置変更手段は、例えば、前の節の両側を線接触で支持するように、ケース内の振動装置へ延びる状態でケースに設けられるたわみ振動方向の一対のネジと、後の節の両側に係る同様の一対のネジとされる。この支持位置変更手段では、前の節の左側のネジをケース内で長くなるように伸ばして右側をケース内で短くなるように縮めると共に、後の節のネジの伸縮状態を逆にすることで、振動装置をケースに対して傾けることができ、ケースが固定されていたとしてもリード角の調節を行うことができる。
【００４２】
［第２形態］
図１５（ａ）は、本発明の第２形態に係る振動切削装置の振動装置２０２の先端部２０３付近の模式的な斜視図である。
第２形態の振動切削装置は、振動装置の先端部以外、第１形態の振動切削装置１と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
【００４３】
上述のびびり振動の発生メカニズムによれば、低次（２次）のたわみ振動の方向が、切削方向に対して、切削速度が増加する位相において切込みが減少する向きに傾いていることがびびり振動の原因となっている。
よって、刃先について、前記第１のたわみ振動に係る前記所定の共振モードより低次の共振モードにおける第２のたわみ振動の方向が、切削方向と一致する状態で、あるいは切削方向に対し、切削方向で前方となるほどワークＷに近づくように傾く状態で、工具４が取り付け可能に形成されるようにすれば、びびり振動が抑制される。
【００４４】
振動装置２０２の先端部２０３には、工具４が、刃先Ｅについて、びびり振動方向と切削方向とが一致する状態となるように取り付けられている。工具４は、第１形態に比べ、Ｘ軸負方向側に片寄っており、工具４の中心軸は振動中心軸からずれている。
又、先端部２０３には、工具４の片寄り配置による振動装置中心軸Ｍ（振動中心軸）を中心とした重量分布の片寄りを解消して重量バランスを調整するための凹部２０７を有している。
尚、リード角φは、０°に調節されている。
【００４５】
かような第２形態の振動切削装置は、３次の共振モードにおける先端部２０３が自由であるたわみ振動を発生する振動装置２０２と、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向（Ｘ軸方向）に振動するように先端部２０３に取り付けられる工具４と、を備えており、工具４は、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおける２次のたわみ振動の方向が、切削方向と一致する状態で取り付けられる。よって、モード角θをゼロにしてびびり振動を抑制することができる。
又、第２形態の振動切削装置によって行われる振動切削方法では、３次の共振モードにおける先端部２０３が自由である３次のたわみ振動を発生する振動装置２０２の先端部２０３に対し、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向に振動するように工具４を取り付け、ここで刃先Ｅは、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおける２次のたわみ振動の方向が、切削方向と一致するように傾く状態とされており、工具４によりワークＷを加工するから、びびり振動が効果的に抑制される振動切削方法を提供することができる。
第２形態は、第１形態と比較すると、凹部２０７のセッティングが比較的に難しい反面、リード角φのセッティングが比較的に容易である。
【００４６】
第２形態においては、第１形態と同様の変更例が存在する他、次の変更例が存在する。
即ち、凹部に代えて、中空部が設けられても良い。又、凹部に代えて、（凹部と反対側に）ウェイトが配置されても良い。ウェイトは、着脱自在とされ、工具の種類に応じて重量や取付位置等を変更可能とされても良い。ウェイトの密度が先端部の密度より軽くても良い。更に、凹部や中空部、ウェイトの少なくとも何れか２つが併用されても良い。
第２形態は、工具４の密度が先端部１０３の密度以上であることが前提となっているが、逆にされても良い。この場合、凹部やウェイトの位置が逆になる。
第２形態において、リード角調節手段は省略されても良い。
工具は、２次のたわみ振動の方向が、切削方向に対し、切削方向で前方となるほどワークに近づくように傾く状態で取り付けられても良い。
【００４７】
［第３形態］
図１５（ｂ）は、本発明の第３形態に係る振動切削装置の工具３０４付近の模式的な斜視図である。
第３形態の振動切削装置は、工具以外、第１形態の振動切削装置１と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
【００４８】
振動装置２の先端部３には、工具３０４が、刃先Ｅ２を振動装置中心軸Ｍ（振動中心軸）上に位置させた状態で取り付けられている。工具３０４の先端部には、他の部分（根元部分）に対して中心軸側に窪む窪み部３０７が設けられており、工具３０４の刃先Ｅ２は、窪み部３０７に設けられて、第１形態に比べ、Ｘ軸負方向側に片寄っている。窪み部３０７と反対側には、逃げ面Ｋ２が形成されている。工具３０４の根元部分は、第１形態の工具４と同様、中心軸を中心として対称的な重量分布を持つ棒状に形成されている。
尚、リード角φは、０°に調節されている。
【００４９】
かような第３形態の振動切削装置においても、３次の共振モードにおける先端部３が自由であるたわみ振動を発生する振動装置２と、３次のたわみ振動により刃先Ｅ２がワークＷの加工方向（Ｘ軸方向）に振動するように先端部３に取り付けられる工具３０４と、を備えており、工具３０４の刃先Ｅ２は、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおける２次のたわみ振動の方向が、切削方向と一致する状態で、あるいは前記加工方向に対し、前記加工方向で前方となるほど前記ワークに近づくように傾く状態で形成され、その状態において工具３０４が取り付けられる。よって、第２形態と同様、モード角θをゼロにしてびびり振動を抑制することができる。
又、第３形態の振動切削装置によって行われる振動切削方法においても、３次の共振モードにおける先端部３が自由である３次のたわみ振動を発生する振動装置２と、３次のたわみ振動により刃先Ｅ２がワークＷの切削方向に振動するように先端部３に取り付けられる工具３０４と、を備えており、工具３０４の刃先Ｅ２は、３次のたわみ振動に係る３次の共振モードより低次である２次の共振モードにおける２次のたわみ振動の方向が、切削方向と一致する状態で配置可能に形成され、その状態において工具３０４を取り付けて、ワークＷを加工する。よって、びびり振動が効果的に抑制される振動切削方法を提供することができる。
第３形態は、第１形態と比較すると、工具３０４の製造やメンテナンスが比較的に難しい反面、リード角φのセッティングが比較的に容易である。又、第２形態と比較すると、工具３０４の製造やメンテナンスが比較的に難しい反面、先端部における重量バランスが比較的にとり易い。
第３形態においても、第１形態や第２形態と同様の変更例が存在する。又、第２形態と第３形態が併用されること（先端部と工具のそれぞれに凹部が設けられること等）により、刃先が静止時において振動中心軸上に配置されても良い。更に、刃先は、切削方向に対し、切削方向で前方となるほどワークに近づくように傾く状態で形成されても良い。
【００５０】
［第４形態］
図１６は、本発明の第４形態に係る振動切削装置の振動装置４０２の模式図である。
第４形態の振動切削装置は、振動装置以外、第１形態の振動切削装置１と同様に成る。第１形態と同様に成る部材等には同じ符号が付されて適宜説明が省略される。
【００５１】
上述のびびり振動の発生メカニズムによれば、所望の振動を阻害せずに低次の振動自体を解消できれば、低次の振動の方向が所望の振動の方向と異なっていたとしても、びびり振動は適切に抑制される。
そして、低次の振動のみについて、振動エネルギーを他のエネルギーに変換して発散させれば、低次の振動自体を解消することができる。
【００５２】
第４形態の振動装置４０２は、びびり振動抑制用（低次の振動解消用）の圧電素子４０７が更に追加された以外は、第１形態の振動装置２と同様に成る。尚、リード角φは、０°に調節されている。
圧電素子４０７は、圧電素子５，６の後側に隣接して配置されている。尚、圧電素子４０７は、圧電素子５，６の前側に配置されても良いし、圧電素子５，６と離して配置されても良い。
【００５３】
圧電素子４０７は、何れもＵ字状（半円環状）の板状部材である４個の圧電素子部材４０９，４０９・・と、環状薄板である金属製の電極４１１を有している。各圧電素子部材４０９は厚み方向において分極されており、残留分極の分極方向が厚み方向となっている。
これら圧電素子部材４０９，４０９・・のうちの２個は、電極４１１の前側（Ｙ軸正側）において、間隔のある環状となるように配置されている（２分割された環状圧電素子）。この圧電素子部材４０９，４０９の間隔は、たわみ振動方向（Ｘ軸方向）と交わる方向に延びており、より詳しくはＸ軸方向と垂直である（Ｚ軸方向）。これらの圧電素子部材４０９，４０９の分極方向は、互いに逆方向とされており、ここでは図１６（ａ）の上側（Ｘ軸負側）の圧電素子部材４０９の分極方向が電極４１１側へ向かう方向（Ｙ軸負方向）とされ、下側（Ｘ軸正側）の圧電素子部材４０９の分極方向が電極４１１と逆側へ向かう方向（Ｙ軸正方向）とされている。
又、圧電素子部材４０９，４０９・・のうちの別の２個は、電極４１１の後側（Ｙ軸負側）において、同様に間隔のある環状となるように配置されている（２分割された環状圧電素子）。これらの圧電素子部材４０９，４０９の分極方向は、互いに逆方向とされており、ここでは図１６（ａ）の上側（Ｘ軸負側）の圧電素子部材４０９の分極方向が電極４１１へ向かう方向（Ｙ軸正方向）とされ、下の圧電素子部材４０９の分極方向が電極４１１と逆側へ向かう方向（Ｙ軸負方向）とされている。
よって、図１６（ａ）の上の２個の圧電素子部材４０９，４０９の分極方向は、電極４１１を挟んで互いに向かい合う方向となり、図１６（ａ）の下の２個の圧電素子部材４０９，４０９の分極方向は、電極４１１を挟んで互いに離れる方向となる。
【００５４】
圧電素子４０７の電極４１１には、シャント回路４１３が接続されている。シャント回路４１３は、インダクタ４１５と抵抗４１７が、直列に接続されて成る。シャント回路４１３における、電極４１１と逆側の回路端は、アースされている。
インダクタ４１５のインダクタンスＬは、２次のたわみ振動（周波数約１０．７ｋＨｚ）に係る圧電素子４０７の拘束状態における静電容量Ｃと電気的に共振する大きさとされている。即ち、図１６（ｂ）に模式的に示すように、所望する３次のたわみ振動を除いて考慮し、２次のたわみ振動が発生する場合の共振周波数ｆ２＝２π√（ＬＣ）に適合するように、インダクタンスＬを調節する。尚、圧電素子４０７の静電容量Ｃは、一定である。
又、抵抗４１５の抵抗値Ｒは、２次のたわみ振動における内部インピーダンスと同じ値とされる。尚、抵抗値Ｒは、別の値とされても良い。
【００５５】
第４形態の振動切削装置では、３次の共振モードにおける先端部４０３が自由であるたわみ振動を発生する振動装置４０２と、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向（Ｘ軸方向）に振動するように先端部４０３に取り付けられる工具４と、振動装置４０２に設けられる圧電素子４０７（４個の圧電素子部材４０９，４０９・・）と、圧電素子４０７に接続されたシャント回路４１３と、を備えており、シャント回路４１３は、３次の共振モードより低次の共振モードである２次の共振モードに係るたわみ振動において圧電素子４０７が示す静電容量Ｃに対して電気的に共振するように設定されている。よって、２次の共振モードにおける振動のエネルギーのみを、シャント回路４１３によって電気エネルギーとして取り出し、熱エネルギーに変換して発散させることができ、その結果２次の共振モードにおける振動が抑制され、びびり振動を抑制することが可能となる。
又、圧電素子部材４０９，４０９・・は、２次の共振モードにおけるたわみ振動の方向（ほぼＸ軸方向）と交わる間隙を有して、２次の共振モードに係るたわみ振動の方向において２分割されている。よって、２次の共振モードに係る振動により、圧電素子部材４０９，４０９・・について効果的な圧縮若しくは伸張が与えられることとなり、２次の共振モードにおけるたわみ振動を効果的に抑制することができる。
更に、シャント回路４１３は、インダクタ４１５と抵抗４１７の直列回路を含むから、インダクタ４１５において電気エネルギーとしての取り出しを簡便に行え、又抵抗４１７において電気エネルギーから熱エネルギーへの変換ないしエネルギーの発散を簡便に行える。
加えて、第３形態の振動切削装置によって行われる振動切削方法では、３次の共振モードにおける先端部４０３が自由であるたわみ振動を発生する振動装置４０２の先端部４０３に、工具４を、３次のたわみ振動により刃先ＥがワークＷの加工方向（Ｘ軸方向）に振動するように取り付け、更に振動装置４０２に圧電素子４０７（複数の圧電素子部材４０９，４０９・・）を設けると共に、圧電素子４０７に接続されたシャント回路４１３を接続し、ここでシャント回路４１３は、３次の共振モードより低次の共振モードである２次の共振モードに係るたわみ振動において圧電素子４０７が示す静電容量Ｃに対して電気的に共振するように設定され、工具４によりワークＷを切削する。よって、びびり振動を抑制可能な振動切削方法を提供することができる。
【００５６】
第４形態においては、第１形態ないし第３形態と同様の変更例が存在する他、次の変更例が存在する。
圧電素子４０７について、電極の前側の２個の圧電素子部材を省略したり、電極の後側の２個の圧電素子部材を省略したり、Ｘ軸負側の２個の圧電素子部材を省略したり、Ｘ軸正側の２個の圧電素子部材を省略したりする等、その構成は様々に変更されて良い。Ｘ軸負側若しくはＸ軸正側の２個の圧電素子部材を省略した場合、圧電素子部材は２次の共振モードにおける振動の方向（ほぼＸ軸方向）において、片寄せられていることになる。電極についても、複数とする等、様々に変更することができる。
シャント回路は、別の構成とされて良い。
第４形態に、第１形態ないし第３形態の少なくとも何れかが組み合わせられても良い。
【符号の説明】
【００５７】
１・・振動切削装置（振動加工装置）、２，２０２，４０２・・振動装置、３，２０３，４０３・・先端部、４，３０４・・工具、１２・・ターンテーブル（リード角調節手段）、２０７・・凹部、３０７・・窪み部、４０７・・圧電素子、４０９・・圧電素子部材（圧電素子）、４１１・・電極、４１３・・シャント回路、４１５・・インダクタ、４１７・・抵抗、Ｅ，Ｅ２・・刃先、Ｗ・・ワーク、φ・・リード角。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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