(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ねじり振動用電歪素子と電極板を挟持する前面体と背面体とを有し、電歪素子と電極板を貫通するボルトを前面体と背面体の中心ねじ孔に螺合してなるボルト締めランジュバン型ねじり振動子を用いる超音波加工用ねじり振動装置において、
ねじり振動子は、前面体の全体を軸対称の一体構造とするとともに、その全長を共振周波数の半波長とし、前面体に周波数調整用の段付円柱部を備えるとともに、前面体の先端部に工具をチャックしたコレットチャックが挿入されて固定される工具装着部を備え、
前面体に備える段付円柱部は、コレット装着具が着脱されるねじを備えるとともに、長さの削除によりねじり振動子の共振周波数を調整可能にされ、
コレット装着具は、段付円柱部のねじに螺着されて生ずる推力をコレットチャックの前端面に付与して該コレットチャックを工具装着部に圧入して固定し、その固定後には上記ねじから分離されて振動の負荷にならないように構成したことを特徴とする超音波加工用ねじり振動装置。
【請求項２】
前記前面体の先端側の直径を背面体に比して細径とする請求項１記載の超音波加工用ねじり振動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属材料、複合材料、ガラス、セラミックス等の切削、研削、ドリル加工等に用いて好適な超音波加工用ねじり振動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波加工用ねじり振動装置は、図４に示す如く、ねじり振動共振周波数が互いに等しい振動子１、コーン２、ホーン３をボルト４、５により接続して構成され、ホーン３の先端部に工具装着部６を備える。振動子１は、ボルト締めランジュバン型であり、前面体１Ａと背面体１Ｂの間にねじり振動用電歪素子１Ｃと電極１Ｄを挟持するように、電歪素子１Ｃと電極１Ｄを貫通するボルト１Ｅを前面体１Ａと背面体１Ｂの中心ねじ孔に螺合している。
【０００３】
図４の振動装置では、コーン２に設けたフランジ２Ａ（振動の節に相当する位置）を刃物台等の固定台に固定して用いられ、振動子１の振幅がコーン２、ホーン３で拡大されて工具装着部６に装着された工具７に伝達される。
【０００４】
図４の振動装置では、工具装着部６がめねじ部６Ａを備え、工具７のためのスリ割付コレットチャック８の基端おねじ部８Ａをそのめねじ部６Ａに螺合することによってコレットチャック８を工具装着部６に引込んでテーパ結合し、工具７及びコレットチャック８を工具装着部６に取付け可能としている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術には、以下の問題点がある。
▲１▼振動子１とコーン２とホーン３の長さがそれぞれ共振周波数の半波長（λ/2）であり、それらを接続した振動装置の全長が3/2 波長となってしまい、形状が長大、質量が過大となり、加工機への据付に際して大きなスペースが必要とされる。特に、小物ワークに対して不都合な大型加工機になる。
【０００６】
▲２▼振動子１とコーン２とホーン３の各部の長さを、同一共振周波数で半波長となるように調整する作業は、それら振動子１、コーン２、ホーン３のそれぞれの形状の切削と共振周波数の計測を繰り返す（カットアンドトライ）ものとなり、多大な労力を必要とする。
【０００７】
▲３▼工具装着部６のめねじ部６Ａのねじ径を大きくとることができないため、コレットチャック８を工具装着部６に強力に引込んでテーパ結合できず、工具７の取付強度の向上に困難がある。また、コレットチャック８が工具装着部６に対して回動操作せしめられるため、工具装着部６とコレットチャック８のテーパ結合部の摺動摩耗が多大になる。
【０００８】
本発明の第１の課題は、振動装置の全長を小型化とするとともに、共振周波数の調整を容易化することにある。
【０００９】
本発明の第２の課題は、振動装置の振動振幅を簡易に拡大することにある。
【００１０】
本発明の第３の課題は、コレットチャックを簡易且つ確実に取付けることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、ねじり振動用電歪素子と電極板を挟持する前面体と背面体とを有し、電歪素子と電極板を貫通するボルトを前面体と背面体の中心ねじ孔に螺合してなるボルト締めランジュバン型ねじり振動子を用いる超音波加工用ねじり振動装置において、ねじり振動子は、前面体の全体を軸対称の一体構造とするとともに、その全長を共振周波数の半波長とし、前面体に周波数調整用の段付円柱部を備えるとともに、前面体の先端部に工具をチャックしたコレットチャックが挿入されて固定される工具装着部を備え、前面体に備える段付円柱部は、コレット装着具が着脱されるねじを備えるとともに、長さの削除によりねじり振動子の共振周波数を調整可能にされ、コレット装着具は、段付円柱部のねじに螺着されて生ずる推力をコレットチャックの前端面に付与して該コレットチャックを工具装着部に圧入して固定し、その固定後には上記ねじから分離されて振動の負荷にならないように構成したものである。
【００１２】
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の本発明において更に、前記前面体の先端側の直径を背面体に比して細径とするようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の超音波加工用ねじり振動装置を示す模式図、図２は超音波加工用ねじり振動装置の工具装着部を示す模式図、図３は共振周波数の調整線図、図４は従来例を示す模式図である。
【００２１】
超音波加工用ねじり振動装置１０は、図１に示す如く、ボルト締めランジュバン型ねじり振動子１０Ａにて構成される。ねじり振動子１０Ａは、前面体１１と背面体１２の間にねじり振動用電歪素子１３、１４、電極板１５、１６、１７を挟持するように、電歪素子１３、１４と電極板１５、１６、１７を貫通するボルト１８を前面体１１と背面体１２の中心ねじ孔に螺合している。
【００２２】
ねじり振動子１０Ａの前面体１１は、単一金属体を段付加工したものであり、背面体１２、電歪素子１３、１４と同一直径の大径部２１（半径ｒ1 ）、大径部２１にフランジ部２１Ａを介して連なる中間小径部２２（半径ｒ2 ）、中間小径部２２に連なる段付円柱部２３（半径ｒ3 ）、及び段付円柱部２３に連なる先端小径部２４（半径ｒ4 ）の全体を軸対称の一体構造としている。
【００２３】
このとき、ねじり振動子１０Ａは、前面体１１の大径部２１〜背面体１２の長さをＬ1 、前面体１１の中間小径部２２、段付円柱部２３、先端小径部２４のそれぞれの長さをＬ2 、Ｌ3 、Ｌ4 とし、大径部２１と中間小径部２２の間のフランジ部２１Ａを振動の節（加工機の刃物台等の固定点）とし（図１）、Ｌ1 ＝λ／4 、Ｌ2 ＋Ｌ3 ＋Ｌ4 ＝λ／4 としてその全長を共振周波数（λ）の半波長（λ／2 ）としている。
【００２４】
また、ねじり振動子１０Ａは、前面体１１の先端小径部２４にテーパ孔状の工具装着部２５を備える。そして、ドリル等の工具３０が装着されたスリ割付コレットチャック３１（３１Ａはテーパ面、３１Ｂはスリ割）は、図２（Ａ）に示す如く、工具装着部２５に挿入された状態で、前面体１１の段付円柱部２３に設けたねじ２３Ａに螺着されるコレット装着具３２の推力をその前端面に付与されて工具装着部２５に引込み圧入されて緊着固定される。コレット装着具３２はコレットチャック３１を工具装着部２５に固定した後には、段付円柱部２３のねじ２３Ａから直ちに分離され、振動の負荷にならない。また、工具３０の取外し時には、図２（Ｂ）に示す如く、コレットチャック３１のねじ３１Ｃに螺着されるコレット離脱具３３の推力を前面体１１の先端小径部２４の前端面に付与し、コレットチャック３１を工具装着部２５から引抜き離脱可能とする。
【００２５】
また、ねじり振動子１０Ａは、前面体１１の段付円柱部２３を周波数調整用とし、その長さＬ3 を切削等により調整することにより、ねじり振動子１０Ａの共振周波数を図３に示す如くに調整可能とする。図３の横軸は、段付円柱部２３の長さＬ3 の削除により増加する中間小径部２２の長さＬ2 をとった。尚、ねじり振動子１０Ａにあっては、段付円柱部２３が前述の如くにコレット装着具３２のためのねじ２３Ａを備えていてその直径（２ｒ3 ）を切削できない構造になっているから、その長さＬ3 を調整するものとしたが、共振周波数調整のためには段付円柱部２３の直径を切削等により調整しても良い。
【００２６】
今、前面体１１において、ｒ2 ＝ｒ4 、ｒ3 ＝ｎｒ2 、各エレメント２１〜２４の波長定数をβ（β＝２πｆ／ｃ、ｆ：周波数、ｃ：音速）とおくと、ねじり振動子１０Ａの周波数条件は、
【数１】
0004244260.tif 000002
で与えられる。(1) 式において、前面体１１の構成材料はチタン合金とし、Ｌ2＋Ｌ3 ＝20mm、Ｌ4 ＝10mm、ｎ＝1.125 とすると、Ｌ2 に対するねじり振動子１０Ａの共振周波数は図３の如くに変化するものとなる。即ち、ねじり振動子１０Ａにあっては、前面体１１の段付円柱部２３の長さＬ3 を削除して中間小径部２２の長さＬ2 を大きくすることにより、希望する共振周波数に簡易に調整できる。
【００２７】
次に、ねじり振動子１０Ａの振幅拡大率について説明する。
(A) ねじり振動子１０Ａにおいて、前面体１１のフランジ部２１Ａより先端側のすべての部分（中間小径部２２、段付円柱部２３、先端小径部２４）の直径（２ｒ2 、２ｒ3 、２ｒ4 ）を、背面体１２の直径（２ｒ1 ）に比して細径とすることにより、ねじり振動子１０Ａの振幅拡大率Ｍｆを増大化できる。振幅拡大率Ｍｆは、ねじり振動子１０Ａが前述(1) 式と同一条件で、前面体１１と背面体１２が同一材料からなるものとするとき、
【数２】
0004244260.tif 000003
で表わされる。(2) 式より、前面体１１のフランジ部２１Ａより先端側の各エレメントの直径を背面体１２の直径より細径にすることにより、振幅拡大率Ｍｆは直径比（ｒ1 ／ｒ4 ）の３乗に比例して増大するものとなる。
【００２８】
(B) ねじり振動子１０Ａにおいて、背面体１２の音響インピーダンスを前面体１１に比して高い音響インピーダンスとすることにより、ねじり振動子１０Ａの振幅拡大率Ｍｂを増大化できる。ねじり振動子１０Ａにおいて、前面体１１のフランジ部２１Ａより背面側のエレメント、即ち大径部２１、電歪素子１３、１４、背面体１２による振幅拡大率Ｍｂは、各エレメント２１、１３、１４、１２を同一直径（２ｒ1 ）とし、大径部２１の長さとインピーダンスと波長定数をＬａ、Ｚａ、βａ、電歪素子１３、１４の合計の長さとインピーダンスと波長定数をＬｂ、Ｚｂ、βｂ、背面体１２の長さとインピーダンスと波長定数をＬｃ、Ｚｃ、βｃとし、Ｋを定数とおくと、
【数３】
0004244260.tif 000004
となる。(3)式で、電歪素子１３、１４をＰＺＴからなるものとし、（Ｚａ≒Ｚｂ、Ｌｂ＝10mm）、前面体１１（大径部２１）をチタン合金、背面体１２をステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）にて構成するものとすると、ＳＵＳ３１６（背面体１２）の音響インピーダンスＺｃがチタン合金（前面体１１）の音響インピーダンスＺａに比して高い（Ｚｃ≒２Ｚａ）ため、同一共振周波数において振幅拡大率Ｍｂは、前面体１１、背面体１２の両方ともチタン合金からなるものより1.2 倍増大するものとなる。
【００２９】
従って、本実施形態によれば、以下の作用がある。
▲１▼ねじり振動子１０Ａの前面体１１に従来装置におけるコーン、ホーンの如くを一体に取り込むようにし、その全長を共振周波数の半波長に短縮し、その先端部に工具装着部２５を備えた。これにより、振動装置１０の全長の小型化（従来の1/3 長）ができる。
【００３０】
▲２▼ねじり振動子１０Ａの前面体１１に周波数調整用の段付円柱部２３を備えた。これにより、共振周波数の調整工数を低減できる。
【００３１】
▲３▼ねじり振動子１０Ａの前面体１１のフランジ２１Ａより先端側の直径を背面体１２に比して細径とすることにより、振動装置１０の振動振幅を前面体１１と背面体１２の形状の選定により簡易に拡大（直径比の３乗）できる。従って、ねじり振動子１０Ａの全長を前述▲１▼により短縮化した状態においても、その振動振幅を従前以上に拡大できる。
【００３２】
▲４▼ねじり振動子１０Ａの背面体１２の音響インピーダンスを前面体１１に比して高い音響インピーダンスとすることにより、振動装置１０の振動振幅を前面体１１と背面体１２の材質の選定により簡易により拡大できる。
【００３３】
▲５▼ねじり振動子１０Ａの前面体１１の段付円柱部２３に、コレットチャック３１を工具装着部２５に取付けるためのねじ２３Ａを備えた。これにより、コレットチャック３１を簡易且つ確実に取付けできる。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、振動装置の全長を小型化とするとともに、共振周波数の調整を容易化することができる。
【００３６】
また、本発明によれば、振動装置の振動振幅を簡易に拡大することできる。
【００３７】
また、本発明によれば、コレットチャックを簡易且つ確実に取付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明の超音波加工用ねじり振動装置を示す模式図である。
【図２】  図２は超音波加工用ねじり振動装置の工具装着部を示す模式図である。
【図３】  図３は共振周波数の調整線図である。
【図４】  図４は従来例を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  超音波加工用ねじり振動装置
１０Ａ  ねじり振動子
１１  前面体
１２  背面体
１３、１４  電歪素子
１５、１６、１７  電極板
１８  ボルト
２３  段付円柱部
２３Ａ  ねじ
２５  工具装着部
３１  コレットチャック
３２  コレット装着具
【図１】
0004244260.tif 000005
【図２】
0004244260.tif 000006
【図３】
0004244260.tif 000007
【図４】
0004244260.tif 000008