技術 ランジュバン型超音波振動子とその支持方法

0001

本発明は、ランジュバン型超音波振動子とその支持する方法に関する。

0002

従来、ランジュバン型超音波振動子とその支持方法は、ランジュバン型超音波振動子の内部に振動の節部があり、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部材で支持する方法であった。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。

0003

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「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

0004

通常、ランジュバン型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ランジュバン型超音波振動子には、様々な形状の工具が取り付けられる。そして、ランジュバン型超音波振動子に工具を取付けることにより、ランジュバン型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からより離れるため、フランジを支持部材で固く保持すると振動に対する抵抗が大きくなり、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ランジュバン型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ランジュバン型超音波振動子の振動がより多く支持部材に伝播し、振動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、ランジュバン型超音波振動子に工具などを取り付けても、ランジュバン型超音波振動子の超音波振動の大きさと共振周波数の変化の小さいランジュバン型超音波振動子とその支持方法を提供することを課題とする。

0007

本発明は、ランジュバン型超音波振動子が、フランジを振動ナットと外周面にオネジを持つハウジングで締付けることにより支持され、そしてハウジングの内半径Ｈｉｎと振動ナットの最小半径Ｎｉｎの差がフランジと接する位置のフロントマスＦｒ半径の０．０１倍以上、１倍以下とするものである。

0008

本発明はまた、ランジュバン型超音波振動子が、フランジと振動ナットを一体として作成し、その一体化した振動ナットと外周面にオネジを持つハウジングで締付けることにより支持するものである。

0009

本発明はまた、ランジュバン型超音波振動子がフランジを振動ナットと外周面にオネジを持つハウジングで締付けることにより支持され、
ハウジングと支持部材の合計質量＞ランジュバン型超音波振動子の中のフランジ部を含み、フランジ部と中心軸方向に同一方向に振動する部分の質量≧振動ナット質量
あるいは
ハウジングと支持部材の合計質量＞振動ナット質量≧ランジュバン型超音波振動子の中のフランジ部を含み、フランジ部と中心軸方向に同一方向に振動する部分の質量
とするランジュバン型超音波振動子とその支持方法とするものである。

0010

本発明はまた、ランジュバン型超音波振動子が、フランジを振動ナットと外周面にオネジを持つハウジングで締付けることにより支持され、そしてフランジと同じ２面とフロントマスの外周面で囲まれたフランジ部の中心軸においての振動方向と振動ナットの外周縁部の振動方向が逆であるランジュバン型超音波振動子とその支持方法とするものである。

0011

本発明のランジュバン型超音波振動子の支持方法により、共振周波数の変化の小さい、振動変位量の変化の小さい縦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。

0012

本発明に用いるランジュバン型超音波振動子の平面図である。図１のＡ−Ａ線での断面を示す図である。フランジと振動ナットを一体化した断面図である。図１のランジュバン型超音波振動子の往復振動を説明する断面図である。図４の振動モードを別の方法で説明する断面図である。ランジュバン型超音波振動子のフロントマスの中に振動の節がある振動モードを説明する断面図である。ランジュバン型超音波振動子の中に振動の節が２つあり、かつフランジ、振動ナットそしてハウジングの接触部付近に振動の節を持つ振動モードを説明する断面図である。ランジュバン型超音波振動子、ホーンそして工具を接続した構成の中に振動の節が３つ有り、かつフランジ、振動ナットそしてハウジングの接触部付近に振動の節を持つ振動モードを説明する断面図である。評価に用いたランジュバン型超音波振動子を説明する図である。図８のランジュバン型超音波振動子をハウジング により支持した図である。別のランジュバン型超音波振動子を示す図である。

0013

（ランジュバン型超音波振動子とその支持方法）
まず、本発明を実現させるためのランジュバン型超音波振動子とその支持方法について説明する。図１の平面図と図１のＡ−Ａ線での断面を示す図２を用いて、ランジュバン型超音波振動子１の構造を説明する。鋼（ｓ４５ｃ）製のフランジ３とフロントマス２を機械加工により一体で作成した。そして、フロントマス２の中心軸にメネジ穴を設け、棒ネジ８をそのメネジ穴にねじ込む。その棒ネジに分極処理をした圧電セラミックである圧電素子４と電極板６を挿入し、鋼（ｓ４５ｃ）製のリアマス７に設けたメネジを締め込むことによりフランジ３を持つランジュバン型超音波振動子１を構成する。またフロントマス２の点線で示すフランジ３の両面の延長面である２面とフロントマスの外周面で囲まれた部分をフランジ部１８と称する。

0014

次にランジュバン型超音波振動子１に接続したフランジ３をハウジング９の外表面に設けたオネジと振動ナット５により締付けることで支持固定する。ここでフランジ３の振動を振動ナット５に確実に伝搬させ、フランジ３と振動ナット５及びハウジング９の接触部付近を振動の節とする、フランジ部１８と振動ナット５の振動位相が逆になるようにさせるため、ハウジング９の内半径Ｈｉｎと振動ナット５の底面に設けられた下側小径部の半径Ｎｉｎの差をフロントマス外半径Ｆｒの０．０１倍以上、１倍以下とする。ハウジング９の内側には電極板６そして図示しない配線があるので、その容量を確保するためハウジング９の内径を大きくしなければならない。そのためハウジング９とフランジ３の接触面積は、小さくなる。それに対して振動ナット９はフロントマス２の直径より大きくすればよく、振動ナット９とフランジ３の接触面積は、ハウジング９とフランジ３の接触面積より大きくできる。フランジ３と振動ナット９の接触部分をより大きくすることにより、フランジ３の振動を振動ナット９によく伝搬することができる。

0015

さらに、加工装置にランジュバン型超音波振動子１を装着するためにハウジング９に支持部材１５を取付け、支持部材１５を加工装置にさらに取付ける。したがって通常、ランジュバン型超音波振動子１はハウジング９と支持部材１５により支持される。また、ハウジング９と支持部材１５は金属材料であり、鉄を全体の質量の５０％以上含むものである。

0016

ここで振動ナット５について詳しく説明する。振動ナット５はその機能から「リング状釣り合い重り」とも称する。振動ナット５は、ネジ部の下側に、内径が該ネジ部の内径より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部品（フロントマス９）の側面との間に空隙が形成されているものを言う。

0017

さらにフロントマス２と振動ナット５の距離を縮め、図３の断面図で示すフロントマス２、フランジ３そして振動ナット５を一体化した。そして、これに棒ネジ８をねじ込み、その棒ネジ８に圧電素子４ａ、４ｂ、電極板６ａ、６ｂを挿入し、リアマス７のメネジにより締め込み一体化し、ランジュバン型超音波振動子１を作成した。

0018

フロントマス２、フランジ３と一体化した振動ナット５に外周面にオネジを持つハウジング９をねじ込むことにより、ランジュバン型超音波振動子１をハウジング９に支持固定した。

0019

この構成では、フランジ３の振動は、そのまま振動ナット５に伝達するが、振動ナット５とフランジ３は一体であるので、振動ナット５は単独では振動できない。したがって、振動ナット５の作用は、一体化した影響を受けて小さくなる可能性もある。一方、一体化することでランジュバン型超音波振動子と支持方法を簡単にすることができる。

0020

（往復振動モード）
図３と図４を用いて、ハウジング９で支持されたランジュバン型超音波振動子１の中心軸方向の往復振動モードについて説明する。図３は、フランジ３、振動ナット５及びハウジング９の接触部付近の黒丸で示す振動の節１１として、ランジュバン型超音波振動子１が矢印の直線で示す中心軸方向に下方向に振動するとき、振動ナット５は同じ振動の節１１を持ち、振動ナット５の外周は図の実線の細線で示す上方向に振動する。なお、円環状の振動の節１１の断面を示す２つの黒丸を結ぶ実線の細線はフランジ部１８振動変位を示し、フランジ部の変位方向は振動ナットの外表面の振動方向と逆である。

0021

図４は、図３と同じであるが、振動変位を別の方法で示す。フランジ３とフランジ部１８そして振動ナット５の振動変位を点線で示す。フランジ部１８の中心軸方向の振動方向と、振動ナット５の外表面の振動方向は逆である。

0022

図３、図４で示したようにランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５は、フランジ３をバネとして作用させてフランジ部１８と互いに逆方向に振動する。またフランジ３であるバネに接続するハウジング９は振動ナット５が存在しない時はフランジ部１８と逆方向に振動する。このように振動ナット５はハウジング９の肩代わりをして振動する。これを非特許文献１に記載されている動吸振器と考察する。なお、ハウジング９の振動ナット５との接触部のハウジング９は振動する。したがって、ハウジング９の振動の小さくなる部分は、ハウジング９の振動ナット５との接触部より後方部である。

0023

ここで、ランジュバン型超音波振動子１の振動をハウジング９に伝搬させないため、ランジュバン型超音波振動子１とハウジング９と支持部材の合計の質量は大きく異なり、ランジュバン型超音波振動子と振動ナット５の質量がほぼ等しいことが望まれる。そして、ハウジング９と支持部材の合計の質量がランジュバン型超音波振動子１より大きいことがランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５をだけを振動させる条件として求められる。ここでランジュバン型超音波振動子１とハウジング９と支持部材の合計の質量が大きく異なるとは、ハウジング９と支持部材の合計の質量がランジュバン型超音波振動子１の質量の１．５倍より大きいことである。またハウジングだけの質量がランジュバン型超音波振動子１の質量の１．５倍より大きければ、支持部材は考慮しなくても良い。そして、ランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５との質量の差は１．３倍以内が望ましい。

0024

また、振動ナット５の振動をハウジング９に伝搬させないため、振動ナット５の質量とハウジング９と支持部材の合計の質量が大きく異なり、ランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５の質量が等しいことが望まれる。そして、ハウジング９と支持部材の合計の質量が振動ナット５より大きいことが構成上求められる。

0025

動吸振器として作用するには振動ナット５の質量がランジュバン型超音波振動子１の質量とがほぼ同じで、そして互いに逆方向に振動することが必要であるが、ランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５の質量が異なるときは、ハウジング９に振動が伝播してしまう。ただし、両者の質量の差が小さい時は、ハウジング９への振動の伝播は小さい。したがってランジュバン型超音波振動子１の質量に対して振動ナット５の質量は、１倍を中心として０．７倍以上、１．３倍以下が望ましい。

0026

（ランジュバン型超音波振動子の中に振動の節を１個持つ振動モード）
図５を用いて、ハウジング９で支持されたランジュバン型超音波振動子１の中に振動の節１１を持ち、かつフランジ３、振動ナット５及びハウジング９の接触部付近の黒丸で示す振動の節１１を持つ振動モードについて説明する。まず、フランジ３、振動ナット５及びハウジング９の接触部付近の黒丸で示す振動の節１１を生じさせるには、フランジ３が接続する部分のフランジ部１８を含むフロントマス２の中心軸方向の振動方向と振動ナット５の外周の振動方向が逆であり、フランジ３を含むフロントマス２の質量と、振動ナット５の質量がほぼ同じである必要がある。

0027

そして振動モードは、フロントマス２中の振動の節１１としてランジュバン型超音波振動子１が点線で示す方向に伸びるとき、フランジ３と、フランジ３と同じ面とフロントマス２の外周面で囲まれたフロントマス２のフランジ部１８は、点線で示す曲線のように撓む。そしてフランジ３に接続する振動ナットの外周縁部は、フランジ３と、フランジ３と同じ面とフロントマスの外周面で囲まれたフロントマス２のフランジ部１８の点線で示す曲線の撓み方向と逆方向に振動する。

0028

ここで、フロントマスの振動の節より上の部分、フランジ部、圧電素子そしてリアマス部の合計質量と振動ナットの質量がほぼ等しい。

0029

（ランジュバン型超音波振動子の中に振動の節を２個持つ振動モード）
図６は、フランジ３、振動ナット５そしてハウジング９の接触部附近に振動の節１１を有し、かつランジュバン型超音波振動子１の中に振動の節１１を２個持つ振動モードを示す。ランジュバン型超音波振動子１の中には、振動の節１１をフロントマス２中と、圧電素子４とリアマス７の境界付近に持つ。フランジ部１８を挟んで存在する前記２個の振動の間は、同じ方向に振動し、図中では矢印で示す上向き方向である。そして、２個の振動の節１１の間に存在するフランジ部１８も当然、上向きの振動になる。また、フランジ３、振動ナット５そしてハウジング９の接触部附近の振動の節により、振動ナット５の外周部は下向きの振動となる。

0030

また、ランジュバン型超音波振動子１の上端のリアマス７と下端のフロントマス２は同じ方向である下向きに振動する。図からわかるように、前記上端のリアマス７と下端のフロントマス２は、振動ナット５に影響を与えない。

0031

ここで、下側の振動の節より上側のフロントマス２部、フランジ部１８そして上の振動の節より下側の圧電素子４の合計質量と振動ナット５の質量がほぼ等しい。

0032

（ランジュバン型超音波振動子などの中に振動の節を３個持つ振動モード）
図７は、ランジュバン型超音波振動子１の先端に振動を拡大するためにホーン２０を接続し、そのホーン２０に工具２１を接続した構成である。この構成には３個の振動の節１１がある。

0033

また、ランジュバン型超音波振動子１の支持は、フランジ３をハウジング９の外周に設けたオネジと振動ナット５により締付け、ハウジング９に支持固定する。さらにこのハウジング９を支持部材に接続し、加工装置に取付けることもある。

0034

フランジ３、振動ナット５とハウジング９の接触部付近にも振動の節が生じる。図中に示す黒丸で示す振動の節と、矢印で示す振動方向を用いて振動モードを説明する。フランジ部１８の上下の振動の節の間は振動方向が下向きである。この振動によりフランジ部１８は曲線で示すようにフランジ部１８の中心部は下向きに振動する。この振動はフランジ３、振動ナット５とハウジング９の接触部付近の振動の節により、振動ナット５の外周部は上向きの振動となる。

0035

したがって、振動ナット５の質量は、フランジ部１８を挟んだ節の間の振動に寄与する質量と等しいことが望まれる。ここで振動に寄与する質量は、おおよそランジュバン型超音波振動子１の中でフランジ部を含み、フランジ部とランジュバン型振動子の中心軸方向に関して同一方向に振動する部分の質量である。さらに、振動ナットの質量を精度高く求めるには、有限要素法を用いて計算することが望ましい。

0036

（ハウジングの質量）
ここで、ランジュバン型超音波振動子１の振動をハウジング９に伝搬させないため、目的とする振動モードにおいてのランジュバン型超音波振動子１の部分の質量とハウジング９の質量は大きく異なり、目的とする振動モードにおいてのランジュバン型超音波振動子１のフランジ部１８を含み、同一方向に振動する部分の質量と振動ナット５の質量がほぼ等しいことが望まれる。そして、ハウジング９の質量がランジュバン型超音波振動子１のフランジ部１８を含み、同一方向に振動する部分の質量より大きいことがランジュバン型超音波振動子１を支持する条件として求められる。

0037

ランジュバン型超音波振動子１の中に振動の節がない場合は、フランジ３、振動ナット５とハウジング９の接触部付近にも振動の節として、ランジュバン型超音波振動子１と振動ナットが互いに逆方向に振動するものであるので、当然ランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５の質量がほぼ同じであることが求められる。ここで、ハウジング９の質量は、ランジュバン型超音波振動子１の質量、振動ナット５の質量と大きく異なることが求められる。

0038

ランジュバン型超音波振動子１のフランジ部１８を含み、同一方向に振動する部分の質量と振動ナット５の質量が異なるときは、ハウジング９に振動が伝播する。ただし、両者の質量の差が小さい時は、ハウジング９への振動の伝播は小さい。

0039

以上を纏めると、フランジ３を振動ナット５とハウジング９により締付けることにより支持されたランジュバン型超音波振動子１において、フランジ３をバネとして作用させ、ランジュバン型超音波振動子１とハウジング９の振動を、ランジュバン型超音波振動子１と振動ナット５の振動にする動吸振器として作用させるには、振動ナット５の質量とランジュバン型超音波振動子１のフランジ部１８を含み、同一方向に振動する部分の質量の関係を以下のようにする。

0040

ハウジング質量＞ランジュバン型超音波振動子１の中でフランジ部を含み、フランジ部とランジュバン型振動子の中心軸方向に関して同一方向に振動する部分の質量≧振動ナット質量
あるいは
ハウジング質量＞振動ナット質量≧ランジュバン型超音波振動子１の中でフランジ部を含み、フランジ部とランジュバン型振動子の中心軸方向に関して同一方向に振動する部分の質量

0041

以上は、ハウジング９がその他の支持部材１５に接続されていない場合を示した。もし、ハウジング９とその他の支持部材１５の音響インピーダンスの差が２０％以内であり、そして両者とも金属材料で接続されているなら、ハウジング９と支持部材１５の合計質量をハウジング質量とする。

0042

（振動ナットの拘束）
まず、振動ナットの効果を確認するために振動ナットを拘束して、縦１次振動モードの共振周波数とアドミッタンス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１に示す。

0043

0044

表１から、棒の長さが５０ｍｍでアドミッタンスが最大になっている。これは棒の長さ５０ｍｍを装着した時に、振動の節の位置にフランジが最も接近するためと考えられる。また、実際の用途であるドリルまたはエンドミルで一般的な使用される長さは４０ｍｍから７０ｍｍであるので、その範囲の変化率を求めた。共振周波数は約１５％であり、アドミッタンスは約４９％であった。

0045

（振動ナットの拘束なし）
次に、振動ナットの拘束を解除して、縦１次振動モードの共振周波数とアドミッタンス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２に示す。棒の長さ６０ｍｍにおいて、アドミッタンスが４．５ｍＳとなっているが、共振ピークが割れて小さな値になっているため参考値としているが、共振ピークが割れなければ、ほぼ棒の長さ５０ｍｍと同じ数値であると推測する。また、実際の用途であるドリルまたはエンドミルで一般的な使用される長さは４０ｍｍから７０ｍｍであるので、その範囲の変化率を求めた。共振周波数は約８％であり、棒の長さ６０ｍｍを除くアドミッタンスは約３４％であった。

0046

0047

振動ナットを拘束した場合と、拘束しない場合でのインピーダンスアナライザーによる評価では、共振周波数そしてアドミッタンスとも振動ナットを振動させた方が優れている結果であった。

0048

（振動ナットの効果）
そこで実際にランジュバン型超音波振動子１に電力を印加して、図８（Ａ）の平面図とそのＡ−Ａ線での断面を示す図８（Ｂ）で示すランジュバン型超音波振動子１と、そのフランジ３をハウジング９の外周に設けたオネジと振動ナット５で締め付けた図９（Ａ）の平面図とそのＡ−Ａ線での断面を示す図９（Ｂ）で示すハウジング９に支持されたランジュバン型超音波振動子１とを比較した。

0049

直径４ｍｍの超硬製の棒を用意し、図８のランジュバン型超音波振動子と、図９の示すハウジングの外周にオネジと振動ナットによりフランジを締め付けることによりランジュバン型超音波振動子を支持した場合を比較した。
まず、圧電素子に４０Ｖｐ−ｐのサイン波電圧を印加して、ランジュバン型超音波振動子に駆動電圧の位相と電流位相が同相となる周波数を表３に示す。

0050

0051

ここで、ナット振動とは、ランジュバン型超音波振動子のフランジをハウジングに設けたオネジと振動ナットで締付けた状態で、縦１次振動モードで振動させ、かつ振動ナットも振動させるものである。
縦１次振動とは、ランジュバン型超音波振動子だけの縦１次振動モードの共振周波数で振動させるものである。そして、棒の長さとは、ランジュバン型超音波振動子にコレットチャックを装着して取付けた超硬製の直径４ｍｍの棒の長さである。

0052

実際の用途であるドリルまたはエンドミルで一般的な使用される長さは４０ｍｍから７０ｍｍであるので、その範囲の変化率を求めた。ナット振動では、約７．６％の変化であり、そしてランジュバン型超音波振動子は約１０％であった。このように、共振周波数の変化は縦１次振動に比較してナット振動の方が小さい。

0053

次に、圧電素子に４０Ｖｐ−ｐのサイン波電圧を印加して、駆動電圧の位相と電流位相が同相となる電流値を表４に示す。

0054

実際の用途であるドリルまたはエンドミルで一般的な使用される長さは４０ｍｍから７０ｍｍであるので、その範囲の変化率を求めた。ナット振動では、約１７％の変化であり、そしてランジュバン型超音波振動子は約３６％であった。このように、電流値の変化は縦１次振動に比較してナット振動の方が小さい。

0055

0056

さらに、圧電素子に４０Ｖｐ−ｐのサイン波電圧を印加して、駆動電圧の位相と電流位相が同相となる時の棒の先端の振動変位量を表５に示す。

0057

0058

実際の用途であるドリルまたはエンドミルで一般的な使用される長さは４０ｍｍから７０ｍｍであるので、その範囲の変化率を求めた。ナット振動では、約５６％の変化であり、そしてランジュバン型超音波振動子は約２３３％であった。このように、振動変位量の変化は縦１次振動に比較してナット振動の方が小さい。

0059

このことは、実際に超音波加工機として使用する場合には大きな問題になる。ランジュバン型超音波振動子では、共振周波数の同じ電圧を印加してもドリルまたはエンドミルの振動変位量が約２．３倍も異なってしまう。つまり、駆動電圧の調整だけでは振動変位量を制御できないということである。

0060

これに対して、ナット振動では、ランジュバン型超音波振動子に比較して振動変位量の変化は約１／４となるので大幅に改善している。

0061

本発明のランジュバン型超音波振動子とその支持方法はまた、以下のようにしても実現できる。図１０（Ａ）の平面図と図１０（Ａ）の平面図でのＡ−Ａ線での断面を示す図１０（Ｂ）に示すようにランジュバン型超音波振動子１を工具軸１９にフランジ３を一体で作成するか、または工具軸１９にフランジ３を接合し、フランジ３より後部の工具軸１９に圧電素子５を通し、工具軸１９に設けたネジとリアマス７のメネジを締め付けることによりランジュバン型超音波振動子１を製作できる。ここで、フランジ３より前の工具軸１９部はフロントマス２でもある。そしてフランジをハウジングの外周に設けたオネジと振動ナットにより締付けることによりランジュバン型超音波振動子１をハウジングに支持することができる。

0062

本発明のランジュバン型超音波振動子と支持方法は、特にランジュバン型超音波振動子に工具を取付ける使用する超音波加工装置に用いることができる。

0063

１ランジュバン型超音波振動子
２フロントマス
３フランジ
４圧電素子
５振動ナット
６電極板
７リアマス
８ 棒ネジ
９ハウジング
１０円環状弾性体
１１ 振動の節
１２研磨装置
１３砥石
１４切削装置
１５支持部材
１６回転軸
１７締付けボルト
１８ フランジ部
１９工具軸
２０ホーン
２１ 工具