(57)【要約】      （修正有）【課題】加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工機を提供する。【解決手段】回転工具６に接合した円筒状の圧電セラミック１２に回転工具６に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具６を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具６以外に可能な限り伝播させないため、回転工具６を保持する工具ホルダ９が、回転工具６の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ９に多数の穴を設け、この穴の効果により、回転工具６よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具６に効率高く超音波振動を励起させることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項２】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されていることを特徴とするものである。
【請求項３】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項４】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製であることを特徴とするものである。
【請求項５】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つことを特徴とするものである。
【請求項６】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とすることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。
このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれて、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【０００３】  超音波研削装置は、非特許文献２に詳しく記載されている。図１に示す超音波研削装置も回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。
上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４
【非特許文献２】日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。【０００５】  また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端からの工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。【０００６】  本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ、回転工具を持つ超音波加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に複数の穴持つ工具ホルダが接合されているものとすることである。【０００８】  本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ工具がチャック装置に把握されている位置に多孔質の金属材料製の工具ホルダが接合されているものすることである。【０００９】  本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットに複数の穴持つものとすることである。【００１０】  本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置がコレットチャックであり、コレットの一部が多孔質の金属材料製とするものである。【００１１】  本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒に複数の穴持つものとすることである。【００１２】  本発明はまた、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、チャック装置が焼き嵌め式チャックであり、チャック筒の一部が多孔質の金属材料製とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  図２は、第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸２を回転させるための中空のモータ１が備えられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、さらにこの軸受３を固定するためのステンレスの回転軸ハウジング１５がある。回転軸ハウジング１５のさらに外側にはケースがあるがこれは。図面を簡単にするため省略した。回転軸２には回転軸２に固着された回転側のロータリートランス４ａがある。回転側のロータリートランス４ａの近傍には固定側のロータリートランス４ｂがある。固定側のロータリートランス４ｂを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。回転軸２に回転工具６を固定するための保持装置であるチャック装置５がある。そのチャック装置５により本発明の回転工具６を保持する。回転側のロータリートランス４ａと、回転工具６に固着した超音波振動子である圧電セラミックはリード線１３により電気的に結合されている。回転工具６の下には、テーブル８に固定された加工対象物７がある。【００１４】  回転工具６の詳細を図３の平面図を用いて説明する。回転工具６は、外径２ｍｍそして長さ７０ｍｍの超硬製のエンドミルである。【００１５】  そして図４の一部断面を示す平面図を用いて説明するが、回転工具６に超音波振動子である円筒状の圧電セラミック１２をエポキシ樹脂を用いて接合する。また、エポキシ樹脂により円筒状の工具ホルダ９を接合する。工具ホルダ９は、チャック装置５により保持される。円筒状の圧電セラミック１２は半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。円筒状の圧電セラミック１２の形状は外径４．０ｍｍ、内径２．０ｍｍそして長さ２５ｍｍである。【００１６】  工具ホルダ９の詳細を図５の平面図と図５のＡ−Ａ線での断面を示す図６を用いて説明する。工具ホルダは、ステンレス製であり、円筒形状の長さ方向に貫通する多数の穴が設けられている。【００１７】  次にこの工具ホルダ９の効果について説明する。回転工具６に接合した円筒状の圧電セラミック１２に回転工具６に所望の振動モードの超音波振動を励起する電圧を印加し、回転工具６を超音波振動させる。この超音波振動を回転工具６以外に可能な限り伝播させないため、回転工具６を保持する工具ホルダ９が、回転工具６の超音波振動を伝播させないことである。そのために、工具ホルダ９に多数の穴１０を設け、この穴１０の効果により、回転工具６よりの超音波振動が反射または屈折して、チャック装置に伝播することが小さくなる。したがって、回転工具６に効率高く超音波振動を励起させることができる。【００１８】  工具ホルダ９に設ける穴１０の形状として、図７の平面図で示す穴１０がスリット状もの、そして図８の平面図で示す６角形状の穴１０がある。穴１０の役割は、超音波振動の伝播を小さくすることであり、回転工具６の形状とチャック装置５の形状などにより様々な形状が用いられる。【００１９】  次にこの超音波加工装置の運転方法を、図２を用いて説明する。まずモータ１の電源をいれ回転軸２を回転させる。次に超音波発振器１４のスイッチを入れ、固定側のロータリートランス４ｂ、回転側のロータ���ートランス４ａを介して円筒状の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加する。回転工具６の縦振動モードで振動する固有振動数の超音波交流電圧を印加することにより、回転工具６だけがほぼ振動する。【００２０】  上記の加工は超音波切削加工であり、加工対象物と工具との摩擦抵抗が、小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【００２１】  チャック装置５には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具６の振動を励起させることができる。したがって、回転工具６の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。【００２２】  また、超音波振動は摩擦力を小さくする作用があるのでチャック装置５が振動すると、チャック装置５の回転工具６の保持力が小さくなり、加工対象物７を加工しているときの負荷により回転工具６とチャック装置５の間でスリップする虞がある。本発明の回転工具６は上記のようにチャック装置５に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置５の回転工具６を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。【００２３】  また、当然回転軸２にもほとんど振動が伝播しないので軸受３または回転軸２の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００２４】  また、工具ホルダ９の別の構成として図９の平面図と図９のＡ−Ａ線での断面を示す図１０がある。ここで、図では多孔質を表現するために気孔２１の大きさを誇張している。工具ホルダ９、多孔質のステンレス材料であり、密度が約７．０ｇ／ｃｍ３ある。回転工具６の超音波振動を伝播させないためには気孔率が５パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、７０パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、５パーセント以上、７０パーセント以下が望ましい。【００２５】  図１１は、第２の実施の形態を示す基本的な構成であるコレットチャック装置２２の断面図である。加工装置の回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れて使用するものである。回転軸に設けられたテーパー状の穴に入れるホルダ部１６には、顎１９そしてマニピュレータ把持用溝２０がある。コレットチャック装置２２のホルダ部１６の先端にコレットホルダ部があり、そしてその中にコレット１７を入れ、そして回転工具６を入れ、コレットナット１８により回転工具６を保持固定する。【００２６】  コレット１７の詳細を図１２の斜視図に示す。コレット１７には複数のすり割り２３が設けられている。回転工具６と接触する面の近くに複数の穴１０を同心円状に設ける。これらの穴１０の効果により、回転工具６に接合した圧電セラミックに電圧を印加することにより励起した超音波振動を穴１０より外周にはほとんど伝播させない。【００２７】  したがって、コレットチャック装置２２には、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの回転工具６の振動を励起させることができる。したがって、回転工具６の温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。【００２８】  上記のよ���にコレットチャック装置２２に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置５の回転工具６を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。【００２９】  また、当然回転軸２にもほとんど振動が伝播しないので軸受３または回転軸２の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００３０】  次に、回転工具６がコレット１７に保持される位置により、回転工具６に励起された超音波振動に与える影響を、図１４を用いて考察する。図１４（Ａ）は、コレット１７により保持される位置の後方に圧電セラミック１２がある場合である。この圧電セラミック１２に所望の振動モードを励起する周波数の電圧を印加することにより、回転工具６に所望の振動モードの超音波振動を励起する。回転工具６の超音波振動はコレット１７により小さくなるが、コレット１７に穴１０が設けられていないものに比較して、コレット１７の穴１０の効果により超音波振動の減衰は大幅に小さくなる。【００３１】  図１４（Ｂ）は、コレット１７により保持される位置に圧電セラミック１２がある場合である。圧電セラミック１２をコレット１７により損傷を受けないためにステンレス製の円筒カバー２４を圧電セラミック１２に接合する。コレット１７により超音波振動が小さくなるが、図１４（Ａ）に比較して超音波振動の減衰は小さい。【００３２】  図１４（Ｃ）は、コレット１７により保持される位置より先端部に圧電セラミック１２がある場合である。コレット１２により超音波振動はほとんど影響を受けない。図１４（Ｂ）に比較して超音波振動の減衰は小さい。しかし、回転工具６の先端に圧電セラミック１２を位置させているので、圧電セラミック１２が被加工物の切削物などと接触して、損傷する虞がある。【００３３】  次にコレット１７の回転工具と接触する部分に多孔質のステンレスを用いた例について図１５の平面図と図１５のＡ−Ａ線での断面を示す図１６を用いて説明する。コレットに円筒状の多孔質のステンレスを溶接で一体化する。【００３４】  コレットに穴を設けたものに比較して、多孔質のステンレスを用いたものは、小型化が可能である。【００３５】  図１６は、第３の実施の形態の焼嵌め式超音波工具ホルダ２５の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式超音波工具ホルダ２５は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部１６があり、そのホルダ部１６の中に顎１９そしてマニピュレータ把持用溝２０がある。ホルダ部１６のテーパー状の部分と同じくホルダ部１６の顎１９の間に回転側のフェライト製のロータリートランス４を配置する。そしてその回転側のロータリートランス４を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング２６により締め付け固定する。【００３６】  焼嵌め式超音波工具ホルダ２５のホルダ部１６の後部に鋼製のプルスタッド２７をネジにより接続している。ランジュバン型の超音波振動子部２８は、鋼製のリアマス、圧電セラミック、鋼製のフロントマスで構成されている。そしてフロントマスの先端にチャック筒２９が一体で製作されている。【００３７】  チャック筒２９には、回転工具６と接触する面の近くに複数の穴１０が同心円状に設けられている。これらの穴１０の効果により、超音波振動子部２８で励起した超音波振動を穴１０より外周���はほとんど伝播させない。【００３８】  チャック筒２９には、焼嵌めにより回転工具６を固定保持する。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒２９を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒２９を誘導加熱する。そしてチャック筒２９は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒２９に回転工具６のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。回転工具６の焼嵌めについては、例えば特許文献１および特許文献２に詳しく記述してある。
【特許文献１】特開２００２−３５５７２７公報
【特許文献２】特開２００２−１２０１１５公報
【００３９】  焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、回転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの２〜４倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。【００４０】  さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。【００４１】  また、チャック筒２９の別の構成を斜視図１７を用いて説明する。チャック筒の外側は、ステンレス製の円筒カバー２４であり、内側はステンレス製の多孔質材料１１である。この多孔質材料１１は密度が約７．０ｇ／ｃｍ３ある。回転工具６の超音波振動を伝播させないためには気孔率が５パーセント以上であることが必要である。また気孔率が高すぎると機械的強度が小さくなりすぎるので気孔率は、７０パーセント以下が望ましい。したがって多孔質の金属材料の気孔率は、５パーセント以上、７０パーセント以下が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】  本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ加工対象物を加工する様々な加工装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。
【図３】回転工具を示す正面図である。
【図４】圧電セラミックと工具ホルダを接合した回転工具を示す一部断面を含む正面図である。
【図５】工具ホルダの詳細を示す平面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線での断面を示す図である。
【図７】スリット状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図８】６角形状の穴を設けた工具ホルダの平面図である。
【図９】多孔質のステンレスからなる工具ホルダの平面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線での断面を示す図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す断面図である。
【図１２】本発明のコレットを示す斜視図である。
【図１３】回転工具に装着する工具ホルダの位置を説明する断面図である。
【図１４】多孔質ステンレスを一部に使用したコレットを示す平面図である。
【図１５】図１４のＡ−Ａ線での断面を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施の形態を示す基本的な構成を示す斜視図である。
【図１７】チャック筒の一部が多孔質材料であることを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】１    モータ
２    回転軸
３    軸受
４    ロータリートランス
５    チャック装置
６    回転工具
７    加工対象物
８    テーブル
９    工具ホルダ
１０  穴
１１  多孔質材料
１２  圧電セラミック
１３  リード線
１４  超音波発振器
１５  回転軸ハウジング
１６  ホルダ部
１７  コレット
１８  コレットナット
１９  顎
２０  マニピュレータ把持用溝
２１  気孔
２２  コレットチャック装置
２３  すり割り
２４  円筒カバー
２５  焼嵌め式超音波工具ホルダ
２６  固定リング
２７  プルスタッド
２８  超音波振動子部
２９  チャック筒
【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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【図１７】
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