(57)【要約】      （修正有）【課題】工具に縦振動を主成分とする超音波振動を励起するボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成及びそれに用いる工具を提供する。【解決手段】鋼製のフロントマス４は、先端にコレット１１が入るコレット穴を設け、後端部に鋼製のボルト１３と結合するためのメネジ部３１を設け、コレット穴の後端からメネジ部３１に貫通する第１の工具収納穴２９ａを設ける。ボルト１３には、ボルト１３の中心軸を同一にする貫通穴である第２の工具収納穴２９ｂを設ける。フロントマス４、圧電素子２ａ、電極板３ａ、圧電素子２ｂ、電極板３ｂ、鋼製のリアマス６の順に並べ、フロントマス４のメネジ部３１とボルト１３により締付け振動的に一体にしてボルト締めランジュバン型超音波振動子１を組立て、フロントマス４のコレット穴にコレット１１を入れ、コレット１１に工具３２を差込み、コレットナット１２を締め付けることにより工具３２を装着する。【選択図】図１
2016225961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロントマスに貫通する工具収納穴を設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項２】
コレットを収納するコレット穴の長さを中心軸に沿って、工具収納穴をフロントマスとフランジ部に設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項３】
フロントマスと一体化または接続したオネジ部に工具収納穴を設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項４】
フロントマス、フランジ部、圧電素子、電極板そしてリアマスを接合するボルトに工具収納穴を設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項５】
リアマスに接合するオネジ部に工具収納穴を設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項６】
圧電素子、電極板を締付けるオネジ部持つ棒に工具収納穴を設けることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項７】
フロントマスを貫通する工具収納穴を持つことを特徴とする焼ばめによって工具を保持するボルト締めランジュバン型超音波振動子。
【請求項８】
工具のシャンクの直径に対して、延長部の直径を０．２倍以上、０．８倍以下とすることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子に用いる工具。
【請求項９】
工具全長に対して延長部の長さを０．５倍以下とすることを特徴とするボルト締めランジュバン型超音波振動子に用いる工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子とそれに用いる工具に関し、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の先端に取り付けた工具に縦振動を主成分とする振動を励起することができる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】  圧電素子をパワー源とする装置は、様々な用途に用いられている。そして、圧電素子は、単結晶、薄膜そしてセラミックに分類されるが、形状の自由度、コストから圧電セラミックが広く用いられている。しかし圧電セラミックは、圧縮強度には優れているが引張り強度には劣るという機械的性質を有する。このため圧電セラミックを金属ブロックで挟み込んでボルトで締付けて与圧を与えることにより引張り強度の不足を補い、高出力を可能としたボルト締めランジュバン型超音波振動子が広く用いられている。また、圧電セラミックは現在チタン酸ジルコン酸鉛系が、主流で用いられているが、環境対策として鉛を含まない無鉛圧電セラミックも用いられ始めた。無鉛圧電セラミックについては、非特許文献１で詳しく解説されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１９３３０６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】日本ＡＥＭ学会、「無鉛圧電セラミック・デバイス」、養賢堂、２００８年９月、ｐ３１〜ｐ８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  従来の構成のボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成において、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の先端に取り付けた工具の超音波振動が、縦振動を主成分の振動モードにならない。【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、工具に縦振動を主成分とする超音波振動を励起するボルト締めランジュバン型超音波振動子と工具の構成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、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスに貫通する工具収納穴を設けるものである。【０００８】  本発明また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を、コレットを収納するコレット穴の長さを中心軸に沿って、工具収納穴をフロントマスとフランジ部に設けるものである。【０００９】  本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスと一体化または接続したオネジ部に工具収納穴を設けるものである。【００１０】  本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子において、フロントマス、フランジ部、圧電素子、電極板そしてリアマスを接合するボルトに工具収納穴を設けるものである。【００１１】  本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子において、リアマスを接合するオネジ部に工具収納穴を設けるものである。【００１２】  本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の構成を、圧電素子、電極板を締付けるオネジ部持つ棒に工具収納穴を設けるものとすることである。【００１３】  本発明はまた、焼ばめによって工具を保持するボルト締めランジュバン型超音波振動子において、フロントマスに工具を収納するフロントマスを貫通する工具収納穴を中心軸に沿って持つものである。【００１４】  本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に用いる工具の直径を工具のシャンクの直径に対して、工具の延長部において、０．２倍以上、０．８倍以下とするものである。【００１５】  本発明はまた、工具全長に対して延長部の長さを０．５倍以下にするボルト締めランジュバン型超音波振動子に用いる工具とするものである。
【発明の効果】
【００１６】  本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子とそれに用いる工具により、先端に取り付けた工具に縦振動を主成分とする振動を励起することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子を示す断面図である。
【図２】工具の長さと、工具の縦振動と横振動の関係を説明する図である。
【図３】本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いた超音波スピンドルを示す断面図である。
【図４】図３に示す超音波スピンドルを用いた超音波加工機を説明する図である。
【図５】本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子を熱カシメにより工具を保持する構成を示す断面図である。
【図６】本発明の別のボルト締めランジュバン型超音波振動子を示す断面図である。
【図７】本発明のさらに別のボルト締めランジュバン型超音波振動子を示す断面図である。
【図８】本発明の工具の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】  以下、本発明に関わる工具を先端に装着するためのボルト締めランジュバン型超音波振動子を、図１を用いて説明する。
【００１９】  特許文献１に記述してあるように圧電セラミックは、圧縮強度には優れているが引張り強度には劣るという機械的性質を有するため、圧電セラミックを金属ブロックで挟み込んでボルトで締付けて与圧を与えることにより引張り強度の不足を補い、高出力を可能としたボルト締めランジュバン型超音波振動子が広く用いられている。
【実施例１】
【００２０】  実際に作成した本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子を図１に用いて説明する。まずフロントマス４について説明する。鋼製のフロントマス４は、先端にコレット１１が入るコレット穴を設ける。そして、フロントマス４の後端部には、鋼製のボルト１３と結合するためのメネジ部３１を設ける。そしてコレット穴の後端からメネジ部３１に貫通する第１の工具収納穴２９ａを設ける。また、フロントマス４の後端部には、フランジ部１５を持つ。【００２１】  ボルト１３には、ボルト１３の中心軸を同一にする貫通穴である第２の工具収納穴２９ｂを設ける。そして、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を組み立てる。フロントマス４、圧電素子２ａ、電極板３ａ、圧電素子２ｂ、電極板３ｂ、そして鋼製のリアマス６の順に並べ、フロントマス４のメネジ部３１とボルト１３により締付け振動的に一体にしてボルト締めランジュバン型超音波振動子１を構成する。なお、圧電素子２は、チタン酸ジルコン酸鉛系の圧電セラミックである。最近は鉛を含まない無鉛系の圧電セラミックも開発され、用いることができるようになった。また電極板３は、リン青銅製である。【００２２】  組立てたボルト締めランジュバン型超音波振動子１のフロントマス４のコレット穴にコレット１１を入れ、コレット１１に工具３２を差込み、そしてコレットナット１２を締め付けることにより工具３２を装着する。【００２３】  ここで、フロントマス４とボルト１３に貫通穴である工具収納穴２９ａ、２９ｂを設ける理由について説明する。まず、工具３２の全長を大きくすることで工具３２の超音波振動において横振動を抑制できることを見出した。これについて測定した結果を図２に示す。ボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いて縦振動、横振動の大きさを測定したものである。図２（Ａ）は、直径３ｍｍ、長さ約３０．６ｍｍのステンレス棒の測定結果であり、図２（Ｂ）は、直径３ｍｍ、長さ約７０ｍｍのステンレス棒の測定結果である。【００２４】  直径３ｍｍ、長さ約３０．６ｍｍのステンレス棒は、先出し量８ｍｍにおいて横振動が縦振動より大きい、ここで、先出し量とは、コレットから工具が出ている長さを示す。そして、直径３ｍｍ、長さ約７０ｍｍのステンレス棒は、縦振動が最大約１４０μｍｐ−ｐであり、直径３ｍｍ、長さ約３０．６ｍｍのステンレス棒は、縦振動が最大約２０μｍｐ−ｐであった。これは、ステンレス棒の長さの共振周波数とランジュバン型超音波振動子の共振周波数が、長さ約７０ｍｍのほうが、長さ約３０．６ｍｍに比較して近いことが原因していると考察する。工具の長さがランジュバン型超音波振動子の長さが近い場合、工具は縦振動が大きくなり、相対的に横振動が小さくなる。【００２５】  したがって、フロントマス４とボルト１３に貫通穴である工具収納穴２９ａ、２９ｂを設け、工具３２を工具収納穴２９ａ、２９ｂに通すことができるためボルト締めランジュバン型超音波振動子１の長さ以上の工具を使用できる。このことにより工具の全長を大きくすることで工具３２の超音波振動においての横振動を抑制できる。【００２６】  また、コレット１１からの先出し量が小さいほど工具の回転時の回転ブレが小さくなる。工具３２の全長の大きいものでもコレット１１の先端より出す工具の先出し量を小さくできため、工具３２の回転時の回転ブレを小さくできる。【００２７】  次に本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子１を超音波スピンドルに取付けるための構成を図３示す。超音波スピンドルは、工具３２を取付けたボルト締めランジュバン型超音波振動子１を、例えば毎分１万回転を超える高速回転で回転させることができる。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１の段差を持つフランジ部５をケース９の前面に接触させる。またケース板８は、中心部に穴を設け、その後部からナット１６で締付ける。このことによりボルト１３に引張り応力を加え、ケース９に圧縮力を加え支持する。なお、ボルト１３の工具収納穴２９ｂはリアマス６を越えた後部まで設けた。ここで、ボルト１３とフロントマス４のネジを示す記号は図面が複雑化するため省略した。【００２８】  フランジ部５とケース９間には圧縮力が加わるため、フランジ部５とケース９の間の摩擦力が増大するため、ケース９とボルト締めランジュバン型超音波振動子１の間の保持力は高くなる。例えば、外部からトルクが加わった場合にも耐力が大きくなる。【００２９】  超音波スピンドル３３は、ＸＹＺ加工装置２４に取り付け図４に示す超音波加工機にする。この超音波加工機は、難加工材料などの加工品質を高め、加工時間を短縮できる。
【実施例２】
【００３０】  次に本発明の別の形態を、図５を用いて説明する。フロントマス４とフランジ部５を一体で作成し、その後部にメネジ部３１を設ける。そして、フロントマス４に熱カシメにて工具３２を保持する熱カシメ穴を設ける。この熱カシメ穴は、フロントマス４とフランジ部５を貫通する。そして、フロントマスにオネジ部３０を持つイモネジ３４をねじ込み、このイモネジ３４は中心軸が中空でありこれに圧電素子２ａ、電極板３ａ、圧電素子２ｂ、電極板３ｂの順に並べ、リアマス６の内面に設けたメネジにより閉め込み、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を作成する。【００３１】  このように本発明は、焼きばめにより工具を装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子１にも適用できる。
【実施例３】
【００３２】  次に本発明のさらに別の形態を、図６を用いて説明する。鋼製のフロントマス４とフランジ部５を一体で作成する。フロントマス４は、先端にコレット１１が入るコレット穴を設ける。そして、フロントマス４の後端部には、鋼製のオネジ部３０を設ける。つまり、フロントマス４を頭部そしてオネジ部３０をネジ部とするボルト状の構成にする。【００３３】  そして、オネジ部３０に工具収納穴２９を設ける。フランジ部５はフロントマス４と一体化して作成されているので工具をオネジ部３０内の工具収納穴２９に入れることで、工具３２の後端はフランジ部５位置の後方になる。工具をフランジ部の後方まで挿入することは、フランジ部付近が縦振動の節になるため、工具３２内に縦振動の節が生じ、縦振動が強く励起できる。そして横振動の励起は抑制できる。【００３４】  フロントマス、フランジ部そしてオネジ部を一体化作成したが、それぞれを別に作成し組み立てることにより振動的に一体化することはできる。フロントマス、フランジ部そしてボルトを別々に作成することが、作業上有利になることはあるが、一方、それぞれの中心軸を一致させることは難しい。
【実施例４】
【００３５】  次に本発明のさらに別の形態を、図７を用いて説明する。鋼製のフロントマス４とフランジ部５を一体で作成する。フロントマス４は、先端にコレット１１が入るコレット穴を設ける。そして、フロントマス４の後端部には、鋼製のメネジ部３１を設ける。そしてフロントマス４には貫通する第一の工具収納穴２９を設ける。【００３６】  一方リアマス６には前端にオネジ部３０を設け、中心部にはリアマス６まで届く工具収納穴２９を設ける。もちろん、リアマス６は貫通穴でもよい。【００３７】  そしてフロントマス４のメネジ部３１とリアマス６のオネジ部３０により圧電素子２ａ、２ｂとで電極板３ａ、３ｂを締め込みボルト締めランジュバン型超音波振動子１を作成する。
【実施例５】
【００３８】  次に本発明のさらに別の形態を、図８を用いて説明する。例えば図５に示すようなオネジ部３０は、圧電素子２ａ、２ｂ、電極板３ａ、３ｂそしてリアマス６を振動的に一体化するためオネジ部３０に大きな張力を加える必要がある。したがって、オネジ部３０の中心軸に直交する面積は大きいことが好ましい。【００３９】  そこで、工具３２の延長部の直径Ｅｄを小さくすることにより、オネジ部の中心軸に直交する面の面積の減少を小さくする。ただし工具の延長部の直径Ｅｄを小さくしすぎると、延長部を除く工具の振動が大きくなり、延長部の効果が小さくなってしまう。そこで、工具を保持するシャンクの直径Ｓｄの０．２倍以上とする。また、オネジ部のオネジ部の中心軸に直交する面の面積の減少を小さくするため、延長部の直径をシャンクの０．８倍以下にする。【００４０】  また、工具の先出し長さを調整するためシャンクの長さは、通常のシャンクの長さが必要である。このため、工具の全長Ｌｔは長くはなるが、延長部Ｌｈを工具全長Ｌｔの０．５倍以下にする。したがって、工具の全長を通常の工具に比較して長くなる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】  本発明のボルト締めランジュバン型超音波振動子は、幅広い対象物に好適に使用できるものであり、超音波ドリル加工装置、超音波溶接装置、超音波洗浄器、超音波砥粒加工装置、超音波カッター装置などに用いることができる。また、特にボルト締めランジュバン型超音波振動子において縦振動成分の大きい特性を求める用途に用いることができる。
【符号の説明】
【００４２】  １    ボルト締めランジュバン型超音波振動子
２    圧電素子
３    電極板
４    フロントマス
５    フランジ部
６    リアマス
７    シャフト
８    ケース板
９    ケース
１０  ステンレス棒
１１  コレット
１２  コレットナット
１３  ボルト
１４  駆動配線
１５  アース配線
１６  ナット
１７  ベアリング
１８  ベアリングケース
１９  回転側ロータリートランス
２０  固定側ロータリートランス
２１  支柱
２２  固定側取付け板
２３  超音波発振回路
２４  超音波加工装置
２５  ワーク
２６  ノズル
２７  モータ
２８  コレット穴
２９  工具収納穴
３０  オネジ部
３１  メネジ部
３２  工具
３３  超音波スピンドル
３４  イモネジ
【図１】
2016225961.tif 000003
【図２】
2016225961.tif 000004
【図３】
2016225961.tif 000005
【図４】
2016225961.tif 000006
【図５】
2016225961.tif 000007
【図６】
2016225961.tif 000008
【図７】
2016225961.tif 000009
【図８】
2016225961.tif 000010