(57)【要約】【課題】超音波加工装置に組み込んで円環状進行波を発生させるのに適したランジュバン型超音波振動子を備えた超音波振動付与具を提供する。【解決手段】下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；ハウジングの接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスとその上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部にフランジ部の下面に接触し、フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；圧電素子への電気エネルギーの印加により、フロントマスの上下方向の振動とその振動と同一方向に突き出るフランジ部の平面中央部の撓み振動とが生じ、同時に、フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生じる超音波振動付与具。
2019230883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。
【請求項２】
下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。
【請求項３】
上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジ部の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径がリング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径よりも大きい請求項１もしくは２に記載の超音波振動付与具。
【請求項４】
上記円筒状ハウジングが上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ請求項１もしくは２に記載の超音波振動付与具。
【請求項５】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲にある質量を持つ請求項１に記載の超音波振動付与具。
【請求項６】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ請求項２に記載の超音波振動付与具。
【請求項７】
円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための装置であって、
上記超音波振動付与具が、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振
動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具であることを特徴とする装置。
【請求項８】
円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための進行波を発生させる装置であって、上記超音波振動付与具が、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具であることを特徴とする装置。
【請求項９】
上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジの接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径がリング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径よりも大きい請求項７もしくは８に記載の装置。
【請求項１０】
上記円筒状ハウジングが上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ請求項７もしくは８に記載の装置。
【請求項１１】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲にある質量を持つ請求項７に記載の装置。
【請求項１２】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ請求項８に記載の装置。
【請求項１３】
超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、上記超音波振動付与具が、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具であることを特徴とする装置。
【請求項１４】
超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、上記超音波振動付与具が、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具であることを特徴とする装置。
【請求項１５】
上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジの接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径がリング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径よりも大きい請求項１３もしくは１４に記載の超音波加工装置。
【請求項１６】
上記円筒状ハウジングが上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ請求項１３もしくは１４に記載の超音波加工装置。
【請求項１７】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲にある質量を持つ請求項１３に記載の超音波加工装置。
【請求項１８】
上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ請求項１４に記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動付与具、進行波発生装置及び超音波加工装置に関する。本発明は特に、ランジュバン型超音波振動子を使用する超音波振動付与具であるが、新規な振動モードの超音波振動を示す超音波振動付与具、そして、その超音波振動付与具を用いる進行波発生装置と超音波加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子を超音波発生源として利用する超音波振動子は各種の構成のものが知られているが、その代表的な構成として、一対の金属ブロックとこれらの金属ブロックの間に固定された分極処理済の圧電素子から構成されたランジュバン型超音波振動子が知られている。なかでも、分極処理済の圧電素子を一対の金属ブロックの間でボルトにより接続し、高圧で締め付け固定した構造のボルト締めランジュバン型超音波振動子は高エネルギーの超音波振動の発生が可能なため、各種材料の研磨加工、切削加工、塑性加工、砥粒加工などを行うための工具に付設して用いる超音波加工処理での利用が検討され、実際に使用されている。さらに、各種の超音波振動子については、その超音波振動子にて発生する超音波振動を振動板や各種振動手段を介して送信することによる、超音波洗浄、金属接合、プラスチック溶着、超音波霧化、乳化・分散などの超音波処理の用途、そして魚群探知機などの水中音響器（ソナー）、超音波探傷器、医療用エコー診断装置、流量計などの通信的応用機器への利用が検討され、多くの分野で実際に使用されている。【０００３】
また、特許文献１に記載されているように、超音波振動を利用して進行波を発生させる方法や装置も既に知られている。この超音波振動を利用する進行波として代表的なものは円環形状を持つ振動体に円環状の進行波を発生させる方法であって、この進行波の利用形態としては、超音波モータ、研磨装置、そして切削装置などが提案されている。しかしながら、進行波を発生させる超音波振動モードを利用する装置であって、実際に利用されている装置は、現時点では、機械的負荷が少なく、かつ変動が少ないカメラに内蔵するモータに限られている。【０００４】
進行波超音波振動モードを示す超音波振動は、その振動に節（ノード）が発生しない点に特徴を持つ振動モードであって、振動源を兼ねる振動体としては円環状の平面を持つ圧電セラミック板が用いられることが一般的である。しかしながら、進行波が発生する円環状振動体には振動の節が現れないため、その振動体を、振動特性を維持したまま支持することができない。すなわち、通常の振動体は、その振動体に現れる超音波振動を有効に活用するために、その超音波振動の節が現れる位置で支持するようにされているが、超音波振動の節が現れない進行波超音波振動モードを利用する場合、このような支持方法を利用して振動体を支持することができない。このため、これまでに実用化されている進行波超音波振動モードの超音波振動を発生する円環状振動体の支持は、フェルトなどの柔らかい材料の成形体を支持基板として利用する方法が利用されており、このような支持方法により、振動体を空気中に浮遊させることにより実現している。
しかしながら、大きな機械的負荷が振動体に加わると、フェルトなどの柔らかい材料の成形体が圧縮されて硬くなるため、振動体に発生した進行波超音波振動モードの超音波振動が支持基板に伝播してしまい、その振動体における円滑な進行波の発生が実現しなくなることがあるとの問題がある。【０００５】
なお、特許文献１の図１１には、ランジュバン型超音波振動子を用いる進行波の発生方法の図が開示されているが、その開示されているランジュバン型超音波振動子の構成や進行波発生のための振動体の支持方法に関する具体的な説明は一切見られない。【０００６】
また、超音波加工装置において各種工具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、超音波振動子にて発生した超音波振動が、超音波振動子に組み合わされている工具保持具に保持されている工具に高い効率で伝達され、その結果として得られる当該工具による加工作業に必要な電気エネルギーの節減や加工精度の向上などである。しかしながら、これまでに製造され、実際の加工作業に使用されている超音波加工装置では、その期待された効果が充分に得られていない場合が多い。このため現在の時点でも、超音波加工装置の普及は充分進んでいるとは云えない。従って、超音波加工装置の更なる普及を進めるためには、超音波振動子にて発生した超音波振動が高い効率で工具に伝達されるような超音波加工装置を開発する必要がある。【０００７】
本発明の発明者は、これまでに、超音波加工装置に組み込んだ超音波振動子にて発生した超音波振動が高い効率で工具に伝達されるようにする改良を提供する発明を案出し、多数の特許出願を行ってきた。それらの改良発明の内で最近の発明の一つとして、特許文献２に開示されている発明を挙げることができる。なお、この特許文献２は、その公開日が２０１８年８月１５日であって、本ＰＣＴ出願において優先権を主張している特願２０１８年５月３０日出願の特願２０１８−１１４９８９号出願より後の公開である。【０００８】
特許文献２には、接触面を内周面下部もしくは底部に備え、そして外周面下部にねじ部を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされる接触面を備えた円盤状膨出部を上部に有する円筒状工具取付具を含むフロントマスと、該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、円筒状ハウジングのねじ部がねじ込まれるねじ部を内周面上部に有するリング状釣り合い重りを含む超音波振動付与具が開示されている。そして、上記リング状釣り合い重りの好ましい構成として、そのねじ部の下側に内径が該ねじ部の内径よりも小さい下側小径部が形成されていて、その下側小径部の内周面と円筒状工具取り付け具（フロントマスを兼ねる）の側面との間に空隙が形成されている構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
特許文献１ : 特開昭５９−１２２３８５（１９８４−７−１４公開）
特許文献２：ＰＣＴ／ＪＰ２０１８／００４７２８（２０１８年２月９日出願、ＷＯ  ２０１８／１４７４４５Ａ１として２０１８年８月１５日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の発明者は、上記の特許文献２に記載の超音波振動付与具が円環状振動体に効率良く円環状進行波を発生させる超音波振動付与具として利用できるのではないかとの期待を持ち、特許文献２に具体的に開示されている構成の超音波振動付与具を用いる円環状振動体への効率の良い円環状進行波の発生状況を検討した。しかしながら、その円環状進行波の発生状況は必ずしも満足することができるレベルに達しなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従って、本発明の課題は、円環状振動体への進行波モードの超音波振動を安定して付与するために特に適した、ランジュバン型超音波振動子を備えた超音波振動付与具を提供することにある。【００１２】
本発明の発明者は、特許文献２に記載の超音波振動付与具の構成をさらに検討する過程において、本明細書に添付の図１乃至図３に記載の構成の超音波振動付与具を作製し、この超音波振動付与具の超音波振動特性を調べた。【００１３】
すなわち、図１−図３において、超音波振動付与具１は、下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング２；円筒状ハウジング２の上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部３を上部に備えたフロントマス４と該フロントマス４の上方に配置したリアマス５との間に電極層６ａ、６ｂを利用しての分極処理が施された圧電素子６を挟んだ状態でボルト５ａにより固定（ボルト締め）した構成のランジュバン型超音波振動子；そして、円筒状ハウジング２の外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部７ａに備え、下部７ｂに上記フランジ部３の下面に接触し、かつ上記フロントマス４の側面には接触することのない内周側延長部７ｃを有するリング状釣り合い重り７を含み；上記円筒状ハウジング２の接触面と上記フランジ部３の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径（Ｈin）がリング状釣り合い重り７の内側延長部７ｃの内周表面が構成する円周円の直径（Ｎin）よりも大きいことに特徴を持つ超音波振動付与具である。【００１４】
図３には、リング状釣り合い重り７の平面図（図３の（ａ））と図３のＡ−Ａ線に沿う断面図（図３の（ｂ））が示されている。図３に示したリング状釣り合い重り７は、振れ精度調整用の雌ねじ穴を備えたタイプのものである。そして、リング状釣り合い重り７の厚さ方向（高さ方向）の上側には、円筒状ハウジング２の外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面に備える上部の領域７ａ（厚さ：７ａｔ）、そしてフランジ部３の下面に接触し、かつフロントマス４の側面には接触することのない内周側延長部７ｃを備えた下部領域７ｂ（厚さ：７ｂｔ）を持っている。【００１５】
そして、図１乃至図３に示した基本構成を持つ超音波振動付与具をフロントマス４の質量を種々変えて、それらの超音波振動付与具の超音波振動特性を調べた結果、以下に記載するような興味深い超音波振動特性が判明した。
（１）円筒状ハウジングの質量がランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持ち、そしてリング状釣り合い重りがランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲にある質量を持つ場合には、ランジュバン型超音波振動子の縦零次振動を励起するための周波数を持つ電気エネルギーの圧電素子への印加により、ランジュバン型超音波振動子全体の上下方向の振動そしてランジュバン型超音波振動子全体の上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生起する。【００１６】
（２）上記（１）に説明した超音波振動特性を模式的に示すのが、添付図面の図４乃至図６である。なお、図５は、図４に示されたランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りの振動モードを誇張した形で図示している。【００１７】
なお、図４乃至図６に示す振動モードでは、円筒状ハウジングの下端部付近のみに節（ノード：黒点で示されている）９が現れ、ランジュバン型超音波振動子は、全体として上下に振動し、またフランジ部とリング状釣り合い重りは上記のモードで振動するが、それらの振動は円筒状ハウジング２に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング２は殆ど振動しない。【００１８】
（３）図７と図８は、ランジュバン型超音波振動子の縦一次振動を励起するための周波数を持つ電気エネルギーの圧電素子への印加により、円筒状ハウジングの下端部付近に節（ノード）９が現れる振動に加えて、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の付近に節（ノード）１０を持つ縦一次振動（縦方向の伸縮振動）が励起され、ランジュバン型超音波振動子に縦方向の伸縮振動が現れる様子を示す。従って、ランジュバン型超音波振動子の振動は、フロントマスとリアマスとが互いに反対の方向に上下に振動する伸縮振動となり、そして同時に、フロントマス４の振動方向と同じ方向に突き出るフランジ部の平面中央部の撓み振動が現れ、そしてこのフランジ部の平面中央部が撓み振動が突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動がリング状釣り合い重りの外周面で生起する。
上記の図７と図８に示す振動モードでも、ランジュバン型超音波振動子の振動とリング状釣り合い重りの振動は円筒状ハウジング２に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング２は殆ど振動しない。【００１９】
（４）これに対して、円筒状ハウジングの質量がランジュバン型超音波振動子とリング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持ち、そしてリング状釣り合い重りがランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ場合には、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子への電気エネルギーの印加により、ランジュバン型超音波振動子の伸縮振動そしてフロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する。【００２０】
（５）図９と図１０は、上記（４）の構成の超音波振動付与具で発生する超音波振動の様子を模式的に示す図である。この図９と図１０に示す振動モードでも、フロントマス、そしてフランジ部とリング状釣り合い重りの振動は円筒状ハウジング２に殆ど伝播することなく、従って、円筒状ハウジング２は殆ど振動しない。【００２１】
以上に記載した新規な知見に基づき、本発明の発明者は、以下に記載する発明を完成させた。【００２２】
（発明１）下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。【００２３】
（発明２）下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動とは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。【００２４】
（発明３）円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための装置であって、超音波付与具として、上記発明１の超音波付与具を用いる装置。【００２５】
（発明４）円環状振動体、そして該円環状振動体に、その円周に沿って互いに離れて配置され、接続された超音波振動付与具を含む、上記円環状振動体の円環に沿った進行波を発生させるための装置であって、超音波付与具として、上記発明２の超音波付与具を用いる装置。【００２６】
（発明５）超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、超音波付与具として、上記発明１の超音波付与具を用いる装置。【００２７】
（発明６）超音波振動付与具そして該超音波振動付与具に取り付けられた工具を含む超音波加工装置であって、超音波付与具として、上記発明２の超音波付与具を用いる装置。【００２８】
本発明の超音波振動付与具の好ましい態様を以下に記載する。
（１）上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジ部の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径（Ｈin）がリング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径（Ｎin）よりも大きい。
（２）上記円筒状ハウジングが上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ。
（３）発明１の超音波振動付与具について−上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲にある質量を持つ。
（４）発明２の超音波振動付与具について−上記リング状釣り合い重りが上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ。
【発明の効果】
【００２９】
超音波加工装置に、本発明の超音波振動付与具を組み込んで用いると、超音波振動付与具からの超音波加工装置の超音波振動付与具の支持部材（超音波加工装置に組み込むための支持部材）への超音波振動エネルギーの漏出が顕著に低減する。このため、ランジュバン型超音波振動子にて発生した超音波振動を、超音波振動付与具に取り付けられた工具あるいは振動体に、高い効率で、かつ高い安定性にて伝達することが可能となる。【００３０】
また、円環状の振動体に本発明の超音波付与具を三個以上互いに離れた状態で装着することにより、その振動体に円環状の進行波の安定に生起させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の超音波振動付与具の例の平面図である。
【図２】図１に示した超音波振動付与具の正面断面図である。
【図３】本発明の超音波振動付与具を構成するリング状釣り合い重りの構成の例を示す図であり、（ａ）は平面図、そして（ｂ）は、（ａ）に示したＡ−Ａ線に沿って切断した正面断面図である。
【図４】図２に示した本発明の超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図は、ランジュバン型超音波振動子が振動により下降した位置にある状態を示す。
【図５】図４に示した本発明の超音波振動付与具を構成するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図４とは別の方法で示す説明図である。
【図６】図２に示した本発明の超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図は、ランジュバン型超音波振動子が振動により上昇した位置にある状態を示す。
【図７】図２に示した超音波振動付与具と類似の構成の超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図の構成では、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の位置の付近に振動の節（ノード）が現れる。そして、この図は、フロントマスが振動により下降した位置にある状態を示す。
【図８】図７に示した本発明の超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図の構成では、ランジュバン型超音波振動子の圧電素子の位置の付近に振動の節（ノード）が現れる。そして、この図は、フロントマスが振動により上昇した位置にある状態を示す。
【図９】図２に示した超音波振動付与具と類似の構成（但し、フロントマスが大きい質量を持つ点において相違する）の超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図の構成では、フロントマスに振動の節（ノード）が現れる。そして、この図は、フロントマスが振動により下降した位置にある状態を示す。
【図１０】図９に示した超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に発生するランジュバン型超音波振動子の振動、フロントマスのフランジ部の振動、そしてリング状釣り合い重りの振動のそれぞれを図示する説明図である。なお、この図の構成では、フロントマスに振動の節（ノード）が現れる。そして、この図は、フロントマスが振動により上昇した位置にある状態を示す。
【図１１】本発明の超音波振動付与具を、フロントマスがフランジ部を介して、リング状釣り合い重りと一体化した構成として示す図である。
【図１２】本発明の超音波振動付与具を円環状研磨具に装着して構成した研磨装置の平面図を示す。
【図１３】図１２に示した研磨装置の正面断面図を示す。
【図１４】図１２と図１３に示した研磨装置に装着された超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に円環状研磨具に発生する円環状進行波のモードを示す模式図である。
【図１５】本発明の超音波振動付与具を切削具（円環状ブレード）に装着して構成した切削装置の平面図を示す。
【図１６】図１５に示した切削装置の正面断面図を示す。
【図１７】図１５と図１６に示した切削装置に装着された超音波振動付与具に電気エネルギーを印加した際に切削具（円環状ブレード）に発生する円環状進行波のモードを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下に、図１乃至図１０を参照して、本発明の超音波振動付与具の詳しい説明を記載する。
【００３３】
図１と図２は、本発明の特徴的なモードの超音波振動の発生が可能な超音波振動付与具の代表的な構成例を示す図である。この図１と図２に示した超音波振動付与具の構成については、本明細書に既に記載した。すなわち、図１と図２に示した超音波振動付与具は、特許文献２に記載の超音波振動付与具と基本構成は同じである。
ただし、図１と図２に示した超音波振動付与具は、円筒状ハウジング２の接触面とフランジ部３の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径（Ｈin）がリング状釣り合い重り８の内側延長部７の内周表面が構成する円周円の直径（Ｎin）よりも大きいことに特徴を持つ超音波振動付与具である点において、特許文献２に記載の超音波振動付与具とは相違している。なお、本願の添付にした各図面に示されている超音波振動付与具のランジュバン型超音波振動子に装着されている圧電素子には当然のことであるが、実際には電気エネルギーを供給するための配線システムが付属している。しかし、そのような配線システムの図示は煩雑となるため、各図面では省略した。
図３についても、既に説明を記載している。
【００３４】
図４乃至図１０は、本発明の超音波振動付与具の様々な構成、そしてそれらの構成の超音波振動付与具の圧電素子に電気エネルギーを印加した際に現れるのランジュバン型超音波振動子の縦方向の振動、フロントマスのフランジ部に現れる撓み振動、そしてリング状釣り合い重りに現れる弧状の振動の方向を模式的に示す図であり、各図についての説明は、本明細書において既に記載している。
【００３５】
なお、添付図面の図１乃至図１０では、フランジ部を備えたフロントマスとリング状釣り合い重りとをそれぞれ別体として作製した超音波振動付与具を示したが、フランジ部を備えたフロントマスとリング状釣り合い重りとは一体として作製しても同様の効果が得られる筈である。そのような構成を図１１に示す。すなわち、フロントマス４とリング状釣り合い重り７とは、それらを接続するリング状釣り合い重りの延長部７ｄと、その延長部７ｄと一体化したフロントマスのフランジ部７ｅにより、全体として一体化されている。ただし、図１１に示した超音波振動付与具は、その作製が容易ではないところから、実用性に乏しいとも考えられる。
【００３６】
次に、本発明の超音波振動付与具を用いて円環状進行波モードの超音波振動を発生させる方法を記載する。円環状進行波モードは進行波が伝播する方向には振動の節が現れることなく、また大型の振動体であっても励起が可能出あるため、大型の振動体の超音波加工の実施には有利となる。
【００３７】
円環状進行波モードは、後述する図１４と図１７のそれぞれに模式的に記載された図に示されているように、円環状振動体の半径方向と直交する方向に撓むモードの進行波そして円環状振動体の半径方向に撓むモードの進行波の二種がある。そして、いずれのモードの進行波でも、その進行波を発生させるためには、円環状振動体の表面に三個以上の超音波振動付与具を互いに離れた状態、好ましく同一距離にて離れた状態で装着する必要がある。また、一般的には、振動体の大きさが大きくなればなるほど、装着する超音波振動付与具の個数を増加させる必要がある。
【００３８】
円環状進行波モードの超音波振動を付与して研磨加工を行う超音波加工装置（研磨装置）の構成の例を図１２と図１３に示す。図１２は、研磨装置の平面図を示す。図１３は、図１２に示した研磨装置のＡ−Ａ線に沿って切断した正面断面図である。
【００３９】
本発明の超音波付与装置を利用する研磨装置で円環状進行波モードの超音波振動を発生させるために、図１２と図１３に示した研磨装置では、合計４個の超音波付与装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）が用いられ、そして回転板１１に互いに９０°離れた状態で、各超音波付与装置１のハウジングをボルトにより取り付けられる。本発明の超音波付与装置を用いることにより、前述のように、ランジュバン型超音波振動子で発生した超音波振動は、ハウジングに殆ど漏れることはない。そして、リング状釣り合い重りを装着した超音波付与装置は高い剛性を示すため、回転板１１に高い剛性を伴って取り付けられる。
【００４０】
次いで、各超音波付与装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）のランジュバン型超音波振動子のフロントマスの頂面に、表面に円環状砥石面１３が形成された円環状研磨板１４をボルトを用いて装着する。このような構成の研磨装置を用いての研磨作業において、円環状研磨板１４の表面に形成された円環状砥石面１３に大きな機械的負荷が掛かっても、安定した状態の円環状進行波モードの超音波振動を供給することができる。
【００４１】
研磨作業の開始に際しては、まず円環状研削板１４の円環状砥石面１３に研削液を噴霧し、次いで、超音波発信回路から超音波付与装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の各々のランジュバン型超音波振動子に下記の方法で所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。
【００４２】
すなわち、例えば、超音波付与装置１ａのランジュバン型超音波振動子にはＣoｓ波電圧、超音波付与装置１ｂのランジュバン型超音波振動子にはＳｉｎ波電圧、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子には−Ｃoｓ波電圧、そして超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子には−Ｓｉｎ波電圧をそれぞれ印加する。各超音波付与装置のランジュバン型超音波振動子のそれぞれにこのような方法で異なった種類の電圧を印加することにより、図１４の模式図に示されているように、円環状研磨板１４の表面にその半径方向と直交する方向に撓むモードの進行波が発生する。
【００４３】
次いで、回転軸１２を回転させ、予め決定されている加工プログラムに従い、研磨対象の材料の研磨を行う。
【００４４】
なお、ランジュバン型の駆動において、実際には駆動の位相を二相とした方が駆動回路を簡略化できるので、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子に−Ｃoｓ波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子にＣoｓ波電圧を印加する方法も利用できる。また、同様に、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子に−Ｓｉｎ波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子にＳｉｎ波電圧を印加する方法も利用できる。
【００４５】
次に円環状進行波モードの超音波振動を付与して研削加工を行う超音波加工装置（研削装置）の構成の例を図１５と図１６に示す。図１５は、研削装置の平面図を示す。図１６は、図１３に示した研削装置の正面断面図である。
【００４６】
本発明の超音波付与装置を利用する研削装置で円環状進行波モードの超音波振動を発生させるために、図１５と図１６に示した研削装置では、合計４個の超音波付与装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）が用いられる。そして回転板１５に互いに９０°離れた状態で、各超音波付与装置１のハウジングをボルトにより取り付ける。本発明の超音波付与装置を用いることにより、前述のように、ランジュバン型超音波振動子で発生した超音波振動は、ハウジングに殆ど漏れることはない。そして、リング状釣り合い重りを装着した超音波付与装置は高い剛性を示すため、回転板１５に高い剛性を伴って取り付けられる。
【００４７】
次いで、各超音波付与装置（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）のランジュバン型超音波振動子のフロントマスの頂面に設けた段差に円環状切削砥石(ブレード）１６を装着する。このような構成の研削装置を用いての研削作業において、円環状切削砥石(ブレード）１６に大きな機械的負荷が掛かっても、安定した状態の円環状進行波モードの超音波振動を供給することができる。
【００４８】
研削作業の開始に際しては、まず円環状切削砥石(ブレード）１６に研削液を噴霧し、次いで、超音波発信回路から超音波付与装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）のランジュバン型超音波振動子に所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。
【００４９】
超音波付与装置１（１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）の各ランジュバン型超音波振動子には、所定電圧と周波数を持つ電気エネルギーを印加する。すなわち、例えば、超音波付与装置１ａのランジュバン型超音波振動子にはＣoｓ波電圧、超音波付与装置１ｂのランジュバン型超音波振動子にはＳｉｎ波電圧、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子には−Ｃoｓ波電圧、そして超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子には−Ｓｉｎ波電圧をそれぞれ印加する。各超音波付与装置のランジュバン型超音波振動子のそれぞれにこのような方法で異なった種類の電圧を印加することにより、図１７に模式的に記載された図に示されているように、円環状切削砥石(ブレード）１６にの表面にその半径方向に撓むモードの進行波が発生する。ただし、図１７に示した進行波のモードは、６個（あるいは１２個）の超音波付与装置を装着した場合に得られる進行波である。
【００５０】
なお、この研削装置による研削作業の実施に際しても、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子に−Ｃoｓ波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置１ｃのランジュバン型超音波振動子をＣoｓ波電圧を印加する方法、そして、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子に−Ｓｉｎ波電圧を印加する代わりに、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子に装着する圧電素子を逆向きに配置して、超音波付与装置１ｄのランジュバン型超音波振動子にＳｉｎ波電圧を印加する方法も利用可能である。
次いで、回転軸１5を回転させ、予め決められた加工プログラムに従い、研削対象の材料の研削を実施する。
【００５１】
また、これまでに記載した本発明の超音波付与装置の円環状進行波モードの超音波振動の励起以外にも、本発明の超音波付与装置は当然、従来から一般的に利用されているモードの超音波振動の付与にも有効に利用できる。たとえば、物品の搬送に用いるフィーダー、超音波浮上装置、超音波砥粒加工装置などにおいても本発明の超音波付与装置が有効に利用できる。
【図１】
2019230883.tif 000003
【図２】
2019230883.tif 000004
【図３】
2019230883.tif 000005
【図４】
2019230883.tif 000006
【図５】
2019230883.tif 000007
【図６】
2019230883.tif 000008
【図７】
2019230883.tif 000009
【図８】
2019230883.tif 000010
【図９】
2019230883.tif 000011
【図１０】
2019230883.tif 000012
【図１１】
2019230883.tif 000013
【図１２】
2019230883.tif 000014
【図１３】
2019230883.tif 000015
【図１４】
2019230883.tif 000016
【図１５】
2019230883.tif 000017
【図１６】
2019230883.tif 000018
【図１７】
2019230883.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】令和3年7月8日(2021.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下方に向かって拡がる接触面を内周面下部に持ち、外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；該円筒状ハウジングの上記接触面に嵌め合わされている接触面を持つフランジ部を上部に備えたフロントマスと該フロントマスの上方に配置したリアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めした構成のランジュバン型超音波振動子；そして、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面がねじ込まれているねじ面を内周面の上部に備え、下部に上記フランジ部の下面に接触し、上記フロントマスの側面には接触することのない内周側延長部を有するリング状釣り合い重りを含み；上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向もしくは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。
【請求項２】
上記円筒状ハウジングの接触面と上記フランジ部の接触面とが互いに接触する領域の上端部が構成する円周円の直径が、リング状釣り合い重りの内側延長部の内周表面が構成する円周円の直径よりも大きい請求項１に記載の超音波振動付与具。
【請求項３】
上記円筒状ハウジングが、上記ランジュバン型超音波振動子と上記リング状釣り合い重りのいずれよりも大きい質量を持つ請求項１に記載の超音波振動付与具。
【請求項４】
上記リング状釣り合い重りが、上記ランジュバン型超音波振動子の質量を１として、０．５−１．５の範囲もしくは０．２５−０．７５の範囲にある質量を持つ請求項１に記載の超音波振動付与具。
【請求項５】
外周面下部にねじ面を備えた円筒状ハウジング；上部に一体的に付設されている、該円筒状ハウジングの底部が接触する接触面を上側に持つフランジ部と該フランジ部の延長部として形成された、上記円筒状ハウジングの外周面下部のねじ面に嵌め合わされるねじ面を内周面に備えるリング状釣り合い重りとを備えたフロントマス；そして該フロントマスのフランジ部の上方に配置されて、リアマスとの間に分極処理済の圧電素子を挟んだ状態でボルト締めされた構成のランジュバン型超音波振動子であって、上記圧電素子への電気エネルギーの印加により、上記フロントマスの上下方向の振動そして該フロントマスの上下方向の振動と同一方向もしくは逆方向に突き出る上記フランジ部の平面中央部の撓み振動が生起し、そして同時に、上記フランジ部の平面中央部の撓み振動で突き出される方向とは逆方向の円弧状の振動が上記リング状釣り合い重りの外周面で生起する超音波振動付与具。
【国際調査報告】
2019230883.tif 000020
2019230883.tif 000021
2019230883.tif 000022