(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、
後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、
前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、
を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具。
【請求項２】
前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状は、非真円形状である請求項１記載の加工工具。
【請求項３】
非真円形状として、多角形が選択されている請求項２記載の加工工具。
【請求項４】
非真円形状として、歯車形状が選択されている請求項２記載の加工工具。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動子を利用して、切削、研削、削孔、溶着等の各種の超音波加工を行う加工工具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波振動を利用した加工を行う場合、超音波振動の駆動源である超音波振動子に工具を装着し、その工具に超音波特有の大きな加速度を持つ高周波微振動を発生させ、このような工具を被加工物に衝突させる。これにより、効率の良い加工を行うことが可能である。
【０００３】
このような超音波振動を利用した加工工具の従来の一例を図９ないし図１３に基づいて説明する。図９は超音波振動を利用した従来の加工工具の一例を示す斜視図、図１０はその分解斜視図である。また、図１１は超音波振動を利用した従来の加工工具の別の一例を示す斜視図、図１２はその分解斜視図である。そして、図１３は、加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【０００４】
ここで紹介する加工工具１は、被加工物に微小穴を穿孔する超音波穿孔装置の一例であり、超音波振動子１１に対して、工具２１を止めネジ式の工具ホルダ３１で固定する構造のものである。
【０００５】
超音波振動子１１は、前部ホーン１２、２個の圧電素子１３、２枚の電極１４、後部ホーン１５、及び締着ボルト１６（図１３参照）によって構成されている。工具２１としては、ドリル形状のものを例示する。つまり、工具２１の先端に位置する加工部は、ドリル２２となっている。そして、前部ホーン１２の先端部には雌ネジ１７が切られており、この雌ネジ１７に工具ホルダ３１に設けられた雄ネジ３２が螺合し、これによって前部ホーン１２と工具ホルダ３１とがネジ結合されている。この工具ホルダ３１は、工具挿入孔３３を有する。工具２１は、その後端側から工具挿入孔３３に挿入され、工具ホルダ３１に設けられた工具止めネジ３４によって締め付けられて固定されている。ここに、加工工具１が構成されている。
【０００６】
このような構造のものは、図示しない高周波電源から、超音波振動子１１、工具ホルダ３１及び工具２１から構成された加工工具の共振周波数に対応した高周波電圧を２枚の電極１４に印加することで、２個の圧電素子１３が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動子１１に超音波振動が発生する。これにより、工具２１の先端に設けられたドリル２２がその機能を発揮する。
【０００７】
なお、超音波振動子１１の振動は、一般的に、圧電素子１３の種類に応じて、軸振動、たわみ振動、捩れ振動、及びこれらの複合振動等がある。図９及び図１０に例示する超音波振動子１１は軸振動をする。どの振動を選択するかは、工具２１の種類に応じて決めれば良い。
【０００８】
図１１及び図１２に示す加工工具は、工具ホルダ３１にすり割３５を設けた構造の一例である。図９及び図１０に例示する工具ホルダ３１では、工具２１の側方から工具止めネジ３４の先端を工具２１に直接押し付けて工具２１を固定する構造であるのに対して、図１１及び図１２に例示する工具ホルダ３１では、工具止めネジ３４を締め込むことによってすり割３５の間隔を狭め、これによって工具ホルダ３１それ自体の加圧力で工具２１を固定する。
【０００９】
ここで、図１３に基づいて、超音波穿孔装置振動体として機能する加工工具１の振動分布について説明する。加工工具１の振動分布を示す図１３に示すように、Ｎで示すノード（節）は軸振動が０（ゼロ）の部分であり、ここを境に左右は位相を逆にして伸び縮みする。ループ（腹）は、振幅の最大部であり、後端部の振幅Ｌ２に対して、工具２１の先端部の振幅Ｌ１は大きくなる。これは、ノードＮを境に直径を細くすると、振動振幅が拡大されるためである。ノードＮ部分から直径を絞れば、その形状と直径比とによって所望の振幅拡大率が得られ、加工に必要な振幅を設計することができる。図９ないし図１３に示す例では、半波長（１／２波長）の共振体として構成された加工工具１を示すが、半波長（１／２波長）の整数倍の波長で共振体を構成することも可能である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
昨今の工業技術の進歩に伴い、超音波の有効利用の試みが以前にも増して活発になるにつれ、付加価値の高い加工、つまり超微細化、高精度化、高速度化等の高難易度な加工が強く求められるようになってきている。しかしながら、このような要望には、従来の超音波技術だけでは対応が困難である。その理由を次に説明する。
【００１１】
図１３に示す振動分布に見られるように、加工工具１の振動分布の振幅は、工具２１の先端部分で最大となる。このときの工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）は、
Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）＝２×π×ｆ×ａ  ……（１）
で表される。ここで、ｆ（Ｈｚ）は装置の共振周波数、ａ（ｍ）は工具２１の先端部分の片振幅である。
【００１２】
一般に、図９ないし図１３に例示する加工工具１のような超音波振動を応用した加工工具の場合、工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が大きいほど高能率で高精度、つまり品位の高い加工が可能とされている。そこで、振動速度を大きくすることが望ましいが、そのためには共振周波数を高くするか振幅を大きくする必要が生ずる。
【００１３】
一方、工具２１の振動は往復運動であり、その振動の上死点及び下死点では大きな加速度が発生する。そして、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）の大きさに比例して加速度は当然に大きくなり、これによって工具２１に大きな慣性力が生ずることになる。これを数式で説明すると、振動により発生する工具２１の慣性力Ｆ（Ｎ）は、工具２１自身の質量ｍ（ｋｇ）と加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ２ ）とに支配され、
Ｆ（Ｎ）＝ｍ×ｇ  ……（２）
で表されることになる。
【００１４】
以上の理論から、高効率で高精度な超音波加工を行うためには、工具２１を高速で振動させる、つまり工具２１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）を大きくする必要があるのに対して、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が大きくなるに伴い工具２１の加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ２ ）も急激に増大することが明白である。
【００１５】
しかしながら、例えば図９ないし図１３に示す例でも明らかなように、工具２１は超音波共振体の一部ではあるが、工具ホルダ３１の機械的構造で保持されているに過ぎない。このため、高効率で高精度な超音波加工を行うために加工工具１の振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）を増大させた場合、工具ホルダ３１による工具２１の保持力が弱いと、工具２１は自分自身の慣性力Ｆ（Ｎ）で飛び出してしまうことになるという問題がある。
【００１６】
このようなことから、少しでも大きな振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で工具２１を振動させるには、工具２１を強力に保持すると共に、できるだけ工具を軽くする必要がある。上記（１）式及び（２）式より、振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）が増大すれば工具２１の加速度ｇ（ｍ／ｓｅｃ２ ）が増大して工具２１に生ずる慣性力Ｆ（Ｎ）が大きくなり、これに対処するには工具２１を強力に保持する必要があり、また、この時に工具２１に生ずる慣性力Ｆ（Ｎ）を少しでも減少させるには工具２１の質量ｍ（ｋｇ）をできるだけ小さくするしかないからである。
【００１７】
ここで、工具２１を確実に超音波振動子１１に固定する手法は、過去にも様々な形が提案されてきたが、一般的には図９及び図１０又は図１１及び図１２に例示する手法が広く用いられている。これらの固定手法では、工具２１を簡便に交換できるという利点がある。
【００１８】
しかしながら、図９及び図１０に例示する手法は、通常、２０ｋＨｚの周波数においては、ａ＝１０μｍ程度の振幅にまでしか適用することができない。しかも、工具２１の固着力を増加するために工具止めネジ３４を強く締め込むと、工具２１の変形、折れ、偏芯等の工具性能や加工性能の劣化を引き起こし易いという問題もある。
【００１９】
また、図１１及び図１２に例示する手法では、工具止めネジ３４を強く締め込んだとしても、工具２１の変形、折れ、偏芯等が発生する可能性が少ないものの、図９及び図１０に例示する手法と比較して、工具２１の保持力が弱くなってしまうという問題がある。通常、２０ｋＨｚの周波数においては、ａ＝５〜７μｍ程度の振幅にまでしか適用できない。
【００２０】
このようなことから、さらに強力な振動速度Ｖ（ｍ／ｓｅｃ）で工具２１を振動させるには、工具ホルダ３１と工具２１とをロウ付けなどに代表される溶接技術を用いて直接接合する手法が取られる。しかし、この手法は、材料を高温で加熱してロウ材を溶かし込むため、熱歪による材料の変形や精度劣化、高温による材質特性の劣化が生じ、しかも生産性が悪く高コストとなる等の大きな問題を抱えている。
【００２１】
本発明の目的は、簡便に工具を装着することができながら工具に大きな振動速度を得ることができるようにすることである。
【００２２】
本発明の別の目的は、工具を再装着する場合であっても、優れた寸法再現性を得られるようにすることである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具である。
【００２４】
したがって、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅が得られる。しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性が得られる。
【００２５】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状とした。
【００２６】
したがって、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性が得られる。
【００２９】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されている。
【００３０】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００３１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されている。
【００３２】
したがって、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態を図１ないし図８に基づいて説明する。
【００３４】
図１は加工工具を示す斜視図、図２はその分解斜視図、図３は工具の振動方向を示す斜視図である。図４は加工工具の別の実施の一形態を示す斜視図、図５はその分解斜視図、図６は工具の振動方向を示す斜視図である。
【００３５】
本実施の形態の加工工具１０１は、超音波振動子１１１に対して、工具１２１を工具ホルダ１３１で固定する構造のものである。
【００３６】
超音波振動子１１１は、前部ホーン１１２、２個の圧電素子１１３、２枚の電極１１４、及び後部ホーン１１５によって構成され、これらが締着ボルト１１６（図５参照）によって締め込まれることで一体をなしている。
【００３７】
図２に示すように、前部ホーン１１２の先端部にはその軸方向に延出する工具挿入孔１１７が設けられており、この工具挿入孔１１７に工具１２１がその後端部から挿入されている。
【００３８】
工具１２１は、超音波振動子１１１と共振周波数が略等しく、工具挿入孔１１７に挿入される部分が長く形成されている。また、工具１２１にはフランジ１２２が形成されており、工具１２１は、そのフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具挿入孔１１７に挿入されている。このような工具１２１の先端部には、加工部１２３が一体に形成されている。
【００３９】
ここで、図１ないし図３に示す加工工具１０１では、工具１２１として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部１２３として設けられている。この加工部１２３は、軸振動をすることによってガラスやセラミックス等のような硬くて脆い、いわゆる高脆性材に穿孔加工を施す。そこで、このような加工部１２３を工具１２１に設ける場合であれば、その加工部１２３を軸振動させるために、軸振動用の超音波振動子１１１が用いられる。軸振動用の超音波振動子１１１は、代表的な超音波振動子１１１の一つであり、圧電素子１１３の選択によって容易に得られる。
【００４０】
これに対して、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、工具１２１として、穴繰りバイトが加工部１２３として設けられている。この加工部１２３、つまり穴繰りバイトは、たわみ振動をすることによって振動切削をする。そこで、このような加工部１２３を工具１２１に設ける場合であれば、その加工部１２３をたわみ振動させるために、たわみ振動用の超音波振動子１１１が用いられる。たわみ振動用の超音波振動子１１１は、代表的な超音波振動子１１１の一つであり、圧電素子１１３の選択によって容易に得られる。
【００４１】
次いで、工具１２１には、フランジ１２２よりも後端側に位置させて角型シャンク１２４が形成されている。この角型シャンク１２４は、工具１２１のフランジ１２２よりも後端側の部分全体に比較すれば長さが短く、工具１２１における角型シャンク１２４から後ろの部分は、円筒形状を維持している。このような角型シャンク１２４に対応させて、前部ホーン１１２に形成された工具挿入孔１１７は、その先端部分のみが角型シャンク１２４と相似形になっている（図５参照）。これにより、工具挿入孔１１７と工具１２１との挿入構造における断面形状は、その一部が非真円形状であると言える。そして、角型シャンク１２４を採用する本実施の形態では、そのような非真円形状のうち、多角形が選択されていると言える。もっとも、このような工具挿入孔１１７と工具１２１との挿入構造における断面形状については、いかなる非円形状をも選択可能であり、例えば歯車形状状や星形形状、Ｄカット形状等、各種の形状が選択可能である。
【００４２】
工具挿入孔１１７に挿入された工具１２１は、工具ホルダ１３１で固定され、これによって超音波振動子１１１に工具１２１が締結される。工具ホルダ１３１及びこの工具ホルダ１３１による工具１２１の固定構造の形態は、図１ないし図３に示す加工工具１０１と図４ないし図６に示す加工工具１０１とで異なる。
【００４３】
図１ないし図３に示す加工工具１０１では、前部ホーン１１２の先端部外周軸方向に雄ネジ１１８が切られており、袋ナット構造の工具ホルダ１３１がその雄ネジ１１８にネジ止めされ、これによって超音波振動子１１１に工具１２１が締結されている。つまり、工具ホルダ１３１には、前部ホーン１１２の外周に設けられた雄ネジ１１８に螺合する雌ネジ１３２が切られている（図８参照）。そこで、フランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具１２１が工具挿入孔１１７に挿入された状態で、工具ホルダ１３１を工具１２１側から装着し、その雌ネジ１３２を前部ホーン１１２に形成された雄ネジ１１８に螺合させることで工具１２１は超音波振動子１１１に締結される。つまり、工具１２１に設けられたフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部と工具ホルダ１３１との間に挟まれるわけである。
【００４４】
これに対して、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、前部ホーン１１２の先端部にその軸方向と直交するする方向に雌ネジ１１９が切られており、この雌ネジ１１９に螺合する雄ネジ形態の工具ホルダ１３１が締め込まれて超音波振動子１１１に工具１２１が締結されている。つまり、フランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部に当接する位置まで工具１２１が工具挿入孔１１７に挿入された状態で、前部ホーン１１２に設けられた雌ネジ１１９に螺合する工具ホルダ１３１が締め込まれると、その工具ホルダ１３１の先端が工具１２１に押圧され、これによって工具１２１が固定されるわけである。
【００４５】
こうして、図１ないし図３に示す加工工具１０１、あるいは図４ないし図６に示す加工工具１０１が構成される。
【００４６】
こうして構成された加工工具１０１を使用するには、図示しない高周波電源から２枚の電極１１４に高周波電圧を印加する。このとき、超音波振動子１１１と工具ホルダ１３１と工具１２１とから構成された振動装置となる加工工具１０１の共振周波数に対応した高周波電圧を印加することで、２枚の電極１１４に挟まれた２個の圧電素子１１３が伸縮を繰り返し、これによって超音波振動が発生する。
【００４７】
ここで、図１ないし図３に示す加工工具１０１と図４ないし図６に示す加工工具１０１とのそれぞれについて、超音波振動子１１１に超音波振動を発生させて行う作業について説明する。
【００４８】
まず、図１ないし図３に示す加工工具１０１では、工具１２１として、角孔を穿孔するための立方体形のツールが加工部１２３として設けられている。そこで、このような加工部１２３を備える工具１２１が装着された加工工具１０１を用いた作業について説明する。
【００４９】
ガラスやセラミックスなど硬くて脆い、いわゆる高脆性材を加工する場合、超音波振動を利用した加工方法は最も効率の良い加工手段の一つとして以前より利用されている。例えば、高脆性材に角穴を穿孔する場合、図３に例示するように、工具１２１の先端に設ける加工部１２３の形状を、希望の角形に成形すればよい。そして、超音波振動子１１１に軸方向の超音波振動を発生させた状態で、高脆性材の被加工物に加工部１２３を当て、遊離砥粒を供給する。すると、図３中の矢印で示す方向、つまり超音波振動子１１１の軸方向に超音波振動が生ずるため、遊離砥粒が加工部１２３の先端で加速されて被加工物である高脆性材に衝突し、これによって被加工物に無数の極微小クラックが発生し、加工部１２３の形状と相似形の角孔が開けられることになる。この場合、加工部１２３を砥石で形成すれば、切削液を供給するのみで同一の穿孔加工が可能になる。
【００５０】
次いで、図４ないし図６に示す加工工具１０１では、工具１２１として、穴繰りバイトが加工部１２３として設けられている。そこで、このような加工部１２３を備える工具１２１が装着された加工工具１０１を用いた作業について説明する。
【００５１】
超音波振動を応用した振動切削は、従来は切削が困難とされていたような加工領域において、高精度で高効率な加工を行うことができる手段として利用されている。このような超音波振動を応用した振動切削は、通常、刃先の振動方向を切削方向と一致させることで実現することができる。そこで、図６に例示する加工部１２３を用いて振動切削する場合、超音波振動子１１１を、その軸方向に対して直角方向にたわみ振動させれば良い。穴繰り加工は、穴の内壁面を切削加工する手法で、本実施の形態では、穴繰りバイトである加工部１２３を穴の内壁周面の接線方向に振動させて精密に切削することが可能である。この時、精密穴繰り加工において一番重要なことは、穴繰りバイトである加工部１２３の刃の高さを非切削物内周面の軸心と正確に一致させることであり、これを怠ると、特に小径穴加工では寸法精度の悪化や切削面の品位の劣化、あるいはバイト寿命の劣化などの問題が発生する。また、切削性の悪い材質や高硬度金属、あるいは焼入れされた鋼材等、切削性が悪くなるほど刃先の位置を厳密に制御する必要があり、その良し悪しで加工の良否が殆んど決まるといって過言ではない。
【００５２】
ここで、本実施の形態の加工工具１０１における共振振動特性について、図７及び図８を参照して説明する。図７は加工工具の側面図、図８は加工工具の図７におけるＡ−Ａ断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。つまり、図８に示す説明図では、加工工具１０１を超音波振動させた際に発生する各部の振動状態を振動分布図で表し、このような振動分布と超音波振動子１１１の内部構造とを対比して説明している。なお、図７及び図８に示す例では、工具１２１の先端にドリル形態の加工部１２３が装着され、これに合せて軸振動を発生する超音波振動子１１１が用いられた例を示している。
【００５３】
図８中、点線は超音波振動子１１１の振動分布、実線は工具１２１の振動分布をそれぞれ示している。これらの振動分布から明らかなように、超音波振動子１１１は１波長で構成されており、工具１２１は１／２波長で構成されている。これらの超音波振動子１１１及び工具１２１の振動分布は、いずれも、超音波振動子１１１に工具１２１を工具ホルダ１３１で締結固定した状態、つまり加工工具１０１としての状態での振動分布である。
【００５４】
超音波振動子１１１の軸方向の振動分布は、図８の点線で示すように、ノードの部分Ｎ１及びＮ２で軸方向の振幅は０になり、ループ部Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３でその振幅は最大となり、その振動分布は正弦波状のカーブを示す。工具１２１は、前述したように、超音波振動子１１１と共振周波数が略等しいことから、超音波振動子１１１の超音波振動に応じて１／２の波長で共振超音波振動し、この場合のノードはＮ３、ループはＬ３及びＬ４となる。このような超音波振動子１１１と工具１２１との振動分布から明らかなように、工具１２１は、その振動分布におけるノードＮ３とループＬ３との中間点で超音波振動子１１１に固定され、接合していることになる。つまり、工具１２１は、図１ないし図３に例示する加工工具１０１の場合であれば、そのフランジ１２２が前部ホーン１１２の先端部と工具ホルダ１３１との間に挟まれて固定されることから、この固定位置でのみ超音波振動子１１１に固定されることになり、その他の部分はフリー状態となっている。このような構造は、図４ないし図６に例示する加工工具１０１の場合であれば、工具ホルダ１３１として構成されている雄ネジが工具１２１を押圧する位置が工具１２１の超音波振動子１１１に対する固定位置ということになる。図８に示す振動分布図では、このような超音波振動子１１１に対する工具１２１の固定位置を交差点ＬＮとして示している。なお、このような超音波振動子１１１に対する工具１２１の固定位置である交差点ＬＮは、工具１２１のノードＮ３近傍からループＬ３までの位置であれば、どの位置をも許容することができる。
【００５５】
したがって、超音波振動子１１１に挿入された工具１２１は、その後端側を非固定状態としながらそのノードＮ３近傍からループまでの位置で固定されていることになる。これにより、本実施の形態では、超音波振動子１１１に挿入された工具１２１を、その後端側を非固定状態としながらそのノードＮ３近傍からループＬ３までの位置で固定する締結構造が設けられている。そして、このような締結構造が設けられた結果、本実施の形態の加工工具１０１は、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成されることになる。
【００５６】
また、上記締結構造によって超音波振動子１１１と工具１２１とを締結した結果、本実施の形態では、超音波振動子１１１における振動の振幅と工具１２１における振動の振幅とは、交差点ＬＮで同一となる。この交差点ＬＮは、超音波振動子１１１に関してはループＬ１の振幅にほぼ等しい。これに対して、この交差点ＬＮは、工具３にとってはそのノードＮ３とループＬ３との略中間点である。これにより、超音波振動子１１１と工具ホルダ１３１とで構成される振動体によって、工具１２１は交差点ＬＮを起点として励振されることになり、結果的に、工具１２１の先端に設けられた加工部１２３の振幅は、工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１の最大振幅部であるループＬ１よりも増大することになる。したがって、本実施の形態によれば、工具１２１に特別な振幅拡大手段を用いなくとも、工具１２１の先端に設けた加工部１２３の振幅を大きくすることが可能となる。よって、工具に大きな振動速度を得ることができる。
【００５７】
しかも、従来の一般的な超音波振動子１１１と工具１２１との締結手段、例えば図９ないし図１３に示すような締結手段を採用した加工工具１では、工具２１は全体の共振体、つまり一つの振動分布の一部として構成されるのに対して、本実施の形態によれば、二つの共振体（工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１と工具１２１）が各々独立した振動分布を持つことになる。これにより、各々独立した振動分布を持つ二つの共振体である工具ホルダ１３１を装着した超音波振動子１１１と工具１２１とを、それぞれの振動振幅が小さな位置、つまり振動速度が小さい位置で接合することができる。また、振動子はもとより、工具１２１の振動形態は、単独で共振振動している形態と全く同じであり、加工部１２４の振幅が大きくなっても工具１２１を構成する素材要素の限界強度を超えない範囲であれば、効率の良い振動が可能である。また、交差点ＬＮでは、二つの共振体が同期をとって同一の振幅で振動しており、図９ないし図１３に例示する従来技術のように、加速度が増大して工具ホルダ１３１の保持力の限界を超えた時点で工具１２１が飛び出すようなことがない。したがって、簡便な接合方法で超音波振動子１１１と工具１２１とを固定したとしても、工具１２１に対して確実に振動を伝達することができることになる。
【００５８】
以上のことから、本実施の形態によれば、簡便に工具１２１を装着することができながら、工具１２１に大きな振動速度を得ることができる。
【００５９】
しかも、超音波振動子１１１と工具１２１とを任意の位置で接合できることから、工具１２１の先端部の長さを必要とされる任意の長さに設定することができ、これにより、工具１２１の先端部の長さを必要以上に長くする必要がなくなって剛性の高い加工工具１０１を容易に設計できるようになる。
【００６０】
次いで、本実施の形態における工具１２１の取り付け再現性について説明する。加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具１２１の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。これに対して、本実施の形態では、角型シャンク１２４と工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっているため、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される加工にも十分対応した加工が可能になる。
【００６１】
ここで、本実施の形態では、工具１２１の角型シャンク１２４に連なる後端部の一部は丸棒形状を呈し角型シャンク１２４より若干径が細くなっているが、これは、工具挿入孔１１７との接触を避け、異なる振幅同士の接触による不要な騒音の発生を防止するのが目的である。このため、工具１２１の中間から後端にかけての部分については、必要に応じて全域を角型シャンク１２４として形成しても良い。但し、これは、図１ないし図３に例示する加工工具１０１のように軸振動する超音波振動子１１１を採用した場合の話であり、図４ないし図６に例示する加工工具１０１のようにたわみ振動をする超音波振動子１１１が採用される場合には、工具１２１の角型シャンク１２４に連なる後端部と工具挿入孔１１７との間には、超音波振動子１１１を妨げない程度の隙間が設けられていなければならない。もっとも、この隙間は、目視できない程度の隙間である。
【００６２】
以上、本実施の形態における工具１２１の取り付け再現性について一般的に説明したが、この工具１２１の取り付け再現性について、図１ないし図３に例示する加工工具１０１と図４ないし図６に例示する加工工具１０１との場合について個別的に説明する。
【００６３】
まず、図１ないし図３に例示する加工工具１０１では、角穴穿孔用の加工部１２３が工具１２１の先端に設けられている。このような加工部１２３では、穿孔する角穴の回転角や加工位置精度が要求されたり、精密な寸法で角穴加工を行う必要があったりする場合、当然ながら、工具１２１の取り付け再現性に対して厳しい精度要求が出てくる。この場合、工具１２１側の角型シャンク１２４と超音波振動子１１１側の工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっていれば、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される角穴加工にも十分対応した加工が可能になる。
【００６４】
次いで、図４ないし図６に例示する加工工具１０１では、穴繰りバイトとして構成された加工部１２３が工具１２１の先端に設けられている。このような加工部１２３では、加工部１２３である穴繰りバイトの刃は、加工を続けることで磨耗し、品質管理の観点から適切な時期に新品に交換する必要がある。この際、いかに短時間でバイトの交換が行えるかという要求と共に、交換時の寸法再現性についても厳しい要求がなされることがある。つまり、特に切削性の悪いいわゆる難削材の小径穴繰り加工の刃先の高さに関しては、非常に厳密な精度が望まれ、従来は工具交換の都度、工具顕微鏡で数十倍〜数百倍に拡大した状態で刃先位置を計測し、その位置を微調整していた。ところが、この場合には、その調整に非常に手間がかかり、生産性の観点からも改善が望まれていた。
【００６５】
これに対して、本実施の形態では、工具１２１側の角型シャンク１２４と超音波振動子１１１側の工具挿入孔１１７とが嵌め合い状態の構成となっていることから、工具１２１を交換したとしても、厳しい精度が要求される穴繰り加工にも十分対応した加工が可能になる。これをより詳細に説明すると、図４ないし図６に例示する加工工具１０１では、角型シャンク１２４及び工具挿入孔１１７は四角柱であるため、工具１２１の装着時、工具固定用の雄ネジとして構成された工具ホルダ１３１で角型シャンク１２４の角部分を強く押さえ込むことで、角型シャンク１２４及び工具挿入孔１１７の底面に相当する直角の二面が強く押さえ込まれることになる。このため、各部品精度が正確であれば、正確な寸法再現性が得られ、工具１２１を交換しても、再度、加工部１２３である穴繰りバイトの刃の位置を微調整する必要がなくなる。これにより、穴繰りバイトの刃の位置を微調整する煩雑さから開放され、生産性も飛躍的に向上することになる。
【００６６】
なお、工具１２１に設けられたフランジ１２２は、工具１２１を工具挿入孔１１７に挿入する際のストッパの役目を果たし、穴繰りバイトである加工部１２３の突き出し量の再現性を高める働きをするが、このような再現性の制御については、フランジ１２２ではなく、別の手法で制御することも可能である。
【００６７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明は、超音波振動を発生し、先端部から軸方向に向けて工具挿入孔が設けられた超音波振動子と、後端部から前記工具挿入孔に挿入されて先端部に加工部を有し、前記超音波振動子と共振周波数が略等しい工具と、前記超音波振動子に挿入された前記工具を、その後端側を非固定状態としながらそのノード近傍からループまでの位置で固定する締結構造と、を具備し、複数の共振振動分布を有する単一の共振体として構成した加工工具であるので、締結構造による超音波振動子に対する工具の固定位置を工夫するだけで、工具には超音波振動子に発生する超音波振動の振幅よりも大きな振幅を得ることができ、しかも、超音波振動子に対する工具の固定位置における振幅は、工具に得られる振動の振幅よりも小さいため、工具を簡便に装着しても十分な剛性を得ることができる。
【００６８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の加工工具において、前記工具挿入孔と前記工具との挿入構造における断面形状を非真円形状としたので、工具挿入孔に対する工具の周方向の位置が一意的に定められるため、工具を再装着する場合に優れた寸法再現性を得ることができる。
【００７０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として多角形が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【００７１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の加工工具において、非真円形状として、歯車形状が選択されているので、工具挿入孔と工具との挿入構造における非真円形状である断面形状を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態として、加工工具を示す斜視図である。
【図２】その分解斜視図である。
【図３】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図４】本発明の別の実施の一形態である加工工具を示す斜視図である。
【図５】その分解斜視図である。
【図６】工具の振動方向を示す斜視図である。
【図７】加工工具の側面図である。
【図８】加工工具の図７に示すＡ−Ａ断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【図９】加工工具の従来の一例を示す斜視図である。
【図１０】その分解斜視図である。
【図１１】加工工具の別の従来の一例を示す斜視図である。
【図１２】その分解斜視図である。
【図１３】加工工具の縦断面と共にその共振振動分布を示す説明図である。
【符号の説明】
１１１    超音波振動子
１１７    工具挿入孔
１２３    加工部
１２１    工具
Ｎ３      ノード
Ｌ３      ループ
【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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