(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
脆性及び低靭性材料の双方又はいずれか一方の材料除去加工を行うための手持ち式装置であって、ハウジング（１）内に配置された駆動ユニット（２）と、該駆動ユニットにより回転駆動される加工工具（３）とを具え、ハウジング（１）内に超音波振動を駆動するための電気音響変換器（４）と振動増幅器（５）とを配設するとともに、該振動増幅器（５）をハウジング（１）内で回転可能に支承して軸線方向の相対変位下で駆動ユニット（２）により回転駆動可能とし、該振動増幅器（５）に加工工具（３）を保持するための工具ホルダ（６）を設けて、加工工具（３）の回転運動に、次式：
０．５・ｖ＜ω・２・ａ＜５・ｖ
を満足する超音波振動を重畳可能とし、ここにωは超音波振動の角周波数、ａは超音波振動の振幅、ｖは被加工材料中における加工工具（３）の切削速度（ｍ／ｓ）であることを特徴とする手持ち式装置。
【請求項２】
請求項１に記載の手持ち式装置において、電気音響変換器（４）の定格出力を約２００〜５００Ｗとしたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の手持ち式装置において、電気音響変換器（４）を磁歪型又は圧電型変換器としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を、超音波振動により生じる振動ノードの領域内に配置された工具ホルダ（６）により保持することを特徴とする手持ち式装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、電気音響変換器（４）及び振動増幅器（５）の各構成部品を、超音波振動により生じる振動ノードの領域内に配置したことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）の軸線方向寸法を、被加工材料と接触する領域が超音波振動により生じる振動の腹領域内に位置するよう定めたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）の材料を超音波振動に対する減衰の少ない材料、好適には炭素鋼又はアルミニウムもしくはチタン合金としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、電気音響変換器（４）は波長λが約１０〜４０ｃｍの長手方向の超音波振動（Ｌ）を励起する構成とし、該超音波振動を加工工具（３）に伝達可能としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項９】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を長さがｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）のチューブ状又はロッド状の工具とし、その前端部にカッター素子（１１）を設けたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の手持ち式装置において、切削方向（Ｓ）に見て、カッター素子（１１）の前方に凹所（１２）を設けたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）をカッター素子（１１）が設けられたチューブ状工具とし、該カッター素子（１１）は加工工具（３）の前端部に非対称的な突出量をもって配置したことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を所定外径（ｄ）のディスク状工具とし、その外周面および外縁部にカッター素子（１１）を設け、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その中心領域に所定の内径（ｂ）を有する軸線方向孔（１３）を設け、加工工具（３）の外径（ｄ）と軸線方向孔（１３）の内径（ｂ）の平均値として定義される所定の相当径を有し、かつ、次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とし、ここにｆr は加工工具（３）の半径方向共振周波数、ｃLは加工工具（３）における長手方向の衝撃速度、ＤM は加工工具（３）における前記所定の相当径であることを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を外周面および外縁部にカッター素子（１１）が設けられたディスク状の工具とし、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その外径（ｄ）を、長手方向の超音波振動（Ｌ）により加工工具（３）に励起される曲げ振動の半波長の整数倍としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を外周面にカッター素子（１１）が設けられた指状の研削工具（１４，１５）とし、その軸線方向長さ（ｌ）を超音波振動（Ｌ）の半波長の整数倍としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１５】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を深皿又は平皿形状の研削工具とし、被加工材料と接触する領域にカッター素子（１１）を設け、軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その外径（ｄ）を、長手方向の超音波振動（Ｌ）により加工工具（３）に励起される曲げ振動の半波長の整数倍としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１６】
請求項８に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を、外周面にカッター素子（１１）が設けられた研削面を有するドラム状研削工具とし、軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、所定内径（ｂ）の軸線方向孔（１３）を有し、加工工具（３）の外径（ｄ）と軸線方向孔（１３）の内径（ｂ）の平均値として定義される所定の相当径を有し、かつ、次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とし、ここにｆr は加工工具（３）の半径方向共振周波数、ｃLは加工工具（３）における長手方向の衝撃速度、ＤM は加工工具（３）における前記所定の相当径であることを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１７】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、電気音響変換器（４）は波長λが約１０〜４０μｍの超音波ねじり振動（Ｔ）を励起する構成とし、該超音波ねじり振動を加工工具（３）に伝達可能としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１８】
請求項１７に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を長さがｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）のチューブ状又はロッド状の工具とし、その前端部にカッター素子（１１）を設けたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の手持ち式装置において、切削方向（Ｓ）に見て、カッター素子（１１）の背後に凹所（１２）を設けたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の手持ち式装置において、加工工具（３）を外周面および外縁部にカッター素子（１１）が設けられたディスク状の工具とし、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）としたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の手持ち式装置において、ディスクの外径は、当該ディスクの支持軸の外径の約４倍までとしたことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、振動増幅器（５）に軸線方向孔（２０）を設け、該軸線方向孔（２０）に半径方向の吸引チャネル（２１）を接続し、その接続部（２２）を装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に配置したことを特徴とする手持ち式装置。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれか一項に記載の手持ち式装置において、振動増幅器（５）上に吸引モジュールを支持し、該吸引モジュールの軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）、好適にはλ／２とし、該吸引モジュールに軸線方向孔を設けると共に、該軸線方向孔に半径方向の吸引チャネルを接続し、その接続部を装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に配置したことを特徴とする手持ち式装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、ハウジング内に配置された駆動ユニットと、該駆動ユニットにより回転駆動される加工工具とを具え、脆性及び／又は低靭性材料の材料除去加工を行うための手持ち式装置に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
従来より建設業界において、例えば配管及び電気配線等に際して、有筋若しくは無筋コンクリート、木材、壁材のみならず、金属材料等の各種材料についても材料除去作業を行って、配管を通すための孔又はチャネルや、ソケット、プラグ等を収めるための凹所を形成することが多い。そのためには、所要の作業に適合する加工工具を手持ち式装置に装着して作業を行う。この種の手持ち式装置としては、例えば本出願人の製造・販売に係る手持ち式コアドリル装置表面加工用又は溝加工用の手持ち式装置が挙げられ、これら手持ち式装置は例えば本出願人の製品カタログ１９９４／９５年版第９２−９５頁又は第１１１−１１３頁に記載されている。本出願人の製造・販売に係るこれら手持ち式装置は応用範囲が極めて広く、高い材料除去効率をもって終日使用に耐えるものであるが、さらに一層の改良を加えるのが望ましい。
【０００３】
特に、材料除去効率に関しては、なお一層の向上の余地がある。これと同時に、手持ち式装置の応用範囲をさらに拡大するためには、装置の使用者が及ぼすべき押圧力を低下させるべきである。使用者に対する騒音及び振動負荷も軽減すべきである。手持ち式装置に装着された加工工具の摩耗、例えば被加工材料と工具のディスクとの間の摩擦や化学反応による摩耗も低減させるのが望ましい。加工工具のカッター素子における熱負荷も低減させるべきである。また、手持ち式装置及び加工工具の耐用寿命を向上するのが望ましい。このような改良を施した手持ち式装置は、所要の作業に適合する加工工具と組合わせて脆性材料又は低靭性材料、例えばアルミニウム、銅などの加工に使用できるものとする必要がある。さらに、手持ち式装置の改良により、材料除去作業に際しての使用者に対する粉塵負荷も低減可能とするのが望ましい。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の課題は、上述した各種の要請に応えることのできる本文冒頭に記載した形式の手持ち式装置を提案することにある。そのために本発明による手持ち式装置は、脆性材料又は低靭性材料についての材料除去作業に使用し得るものであって、ハウジング内に配置された駆動ユニットと、該駆動ユニットにより回転駆動される加工工具とを具え、ハウジング内に超音波振動を励起するための電気音響変換器と振動増幅器とを配設して、加工工具の回転運動に超音波振動を重畳可能としたことを特徴とするものである。
【０００５】
本発明の手持ち式装置によれば、ハウジング内に超音波振動を励起するための電気音響変換器と振動増幅器とを配設して、加工工具の回転運動に超音波振動を重畳可能とした構成により、加工工具の回転運動に由来する摩耗性又は切削性の材料除去メカニズムに、超音波振動に基づく加工工具の直接衝突形態の除去メカニズムが付加される。したがって、超音波振動を付加しない従来の加工方法と対比して材料除去効率が顕著に、典型的には約２〜１０倍向上する。本発明の手持ち式装置は、各圧縮波が加工工具を伝播した後に減衰する衝撃原理を最揺する従来のハンマードリル装置と対比して、超音波振動を重畳することにより加工工具内に定在波を維持させてそのエネルギを被加工材料に作用させる点で本質的に相違している。
【０００６】
加工工具に超音波振動を付加的に及ぼすことにより、手持ち式装置に対して使用者が及ぼすべき所要の押圧力を顕著に低減することが可能である。これにより、これまでは静置型の加工装置での加工が必要とされていた加工対象についても、手持ち作業で対応できる範囲が大幅に拡大するものである。また、超音波振動により摩擦力も顕著に低下するため、被加工材料との接触領域における加工工具の発熱も僅かである。摩擦力の低下により、工具の摩耗も減少する。また、加工工具の発熱が僅かであるため、被加工材料と加工工具との間の化学反応を抑制することも可能である。これらの利点は微細ハンマー作用により一層増強されるものである。これにより、被加工材料と加工工具との間の接触時間を短縮することが可能だからである。また、被加工材料に対する加工工具の接触領域も微細ハンマー作用により発熱が抑制されるため、ひいては加工工具の停止時間を延長することが可能である。超音波振動の励起と、超音波振動に由来する加工工具の衝突作用は、本発明の手持ち式装置に使用者に及ぼされる騒音及び振動負荷を顕著に低下させるものであり、この負荷は衝撃原理に基づく従来の手持ち式装置により負荷よりも遥かに低いものである。人体の手／腕系統が１〜２００Ｈｚの振動の影響を受け易いことを考慮して、超音波領域における振動を無視可能とすることは合目的的である。
【０００７】
本発明において励起させる超音波振動の周波数及び振幅は、被加工材料の切削速度に同調させるものであり、好適実施例においては超音波振動が次式：
０．５・ｖ＜ω・２・ａ＜５・ｖ
を満足するものであり、ここにωは超音波振動の角周波数、ａは超音波振動の振幅、ｖは被加工材料中における加工工具の切削速度（ｍ／ｓ）である。これにより、被加工材料に対する加工工具の接触領域は、工具の二回の衝撃の間に微細ハンマー作用を発現させるに適したエネルギレベルに維持される。
【０００８】
電気音響変換器の定格出力は約１００〜１０００Ｗ、特に好適には約２００〜５００Ｗとするのが望ましい。このような定格出力の電気音響変換器は、重量及び寸法に対してバランスのとれた出力比を有し、慣用的な寸法の手持ち式装置内に容易に収納可能である。この場合において、電気音響変換器を磁歪型又は圧電型変換器とするのが有利である。これらの変換器は所要の定格出力を有するものが入手し易く、作動信頼性が高く、手持ち式装置における通常の作業環境に対して影響を受けにくいからである。
【０００９】
加工工具は、超音波振動により生じる振動ノード領域内に配置された工具ホルダにより保持するのが望ましい。励起された超音波振動のエネルギは、振動ノード領域においては実質的にポテンシャルエネルギとして存在する。したがって、加工工具の装着端部は超音波振動の影響を受けにくい箇所に配置されることとなる。同様の理由から、電気音響変換器及び振動増幅器の各構成部品も、超音波振動により生じる振動ノード領域内に配置するのが望ましい。このような工具ホルダにおけるように、励起された超音波振動のエネルギが振動ノード領域において実質的にポテンシャルエネルギとして存在する場合には、各構成部品の接続箇所に、各構成部品相互間の不所望の相対変位を生じさせる長手方向又は横方向の負荷が及ぼされない。
【００１０】
加工工具の軸線方向寸法は、被加工材料との接触領域が超音波振動により生じる振動の腹領域内に位置するよう定めるのが望ましい。この場合には、被加工材料と接触する工具領域において、超音波振動のエネルギが実質的に運動エネルギとして存在し、被加工材料の衝突加工に完全に活用されるものである。
【００１１】
加工工具の材料は超音波振動に対する減衰の少ない材料とし、好適には炭素鋼又はアルミニウムもしくはチタン合金とするのが望ましい。ここに例示した材料は、いずれも超音波振動に対する減衰が少なく、所要の強度をも有するものである。
【００１２】
加工工具における重畳された回転運動及び並進運動を効果的に実現可能とするため、振動増幅器をハウジング内で回転可能に支承して軸線方向の相対変位下で駆動ユニットにより回転駆動可能とし、該振動増幅器に加工工具を保持するための工具ホルダを設けるのが有利である。この場合、超音波振動のエネルギを加工工具に直接的に伝達することが可能であり、中間部材の介在によるエネルギ損失の恐れは皆無である。
【００１３】
本発明の好適な実施例において、電気音響変換器は波長λが約１０〜４０ｃｍの長手方向の超音波振動を励起する構成とし、該超音波振動を加工工具に伝達可能とする。超音波振動の波長をこのように選択したことにより、加工工具を手持ち作業に適した長さとすることが可能である。この場合、加工工具を含む手持ち式装置の全長は、励起される超音波振動の半波長の少なくとも３倍とすべきである。もっとも、最大許容全長は１０・λ／２を越えるべきではない。
【００１４】
長手方向の超音波振動の作用下で使用する加工工具の好適実施例は、長さがｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）のチューブ状又はロッド状の工具であって、その前端部にカッター素子を設けた構成とする。手持ち式装置の作動時に加工工具は押圧力の作用方向に作用する長手方向の超音波振動を行う。このような加工工具を装着した本発明の手持ち式装置は、例えば従来のハンマードリル装置に代えて使用することができる。この場合、長手方向の超音波振動を励起する電気音響変換器は、ハンマードリル装置における電気空圧式衝撃機構の機能を発揮するものである。本発明による手持ち式装置は、特に壁材に貫通孔を形成するのに好適である。このような貫通孔を形成する場合、従来は別種の装置にクラウンドリルを装着して作業を行う必要があった。
【００１５】
低靭性材料を加工するため、切削方向に見て、カッター素子の前方に凹所を設けるのが望ましい。この場合、加工工具に及ぼされた長手方向の超音波振動が切削力方向に転向され、押圧方向のみならず切削力方向にも作用する。その結果、使用者が手持ち式装置に対して及ぼすべき所要の押圧力を低下させることが可能となる。
【００１６】
加工工具をカッター素子が設けられたチューブ状工具とし、該カッター素子は加工工具の前端部に非対称的な突出量をもって配置した構成とすることができる。この場合、工具の回転運動に際して長手方向の超音波振動が半径方向外方及び上方に向けて転向される。したがって、カッターセグメントを有するクラウンドリルの場合には浄化作用を効果的に発現させることが可能となる。
【００１７】
好適な実施例による加工工具は所定外径のディスク状工具とし、その外周面および外縁部にカッター素子を設け、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その中心領域に所定の内径を有する軸線方向孔を設け、加工工具の外径と軸線方向孔の内径の平均値として定義される所定の相当径を有し、かつ、次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とする。ここに、ｆr は加工工具の半径方向共振周波数、ｃL は加工工具における長手方向の衝撃速度、ＤM は加工工具における前記相当径である。この場合、長手方向に及ぼされる超音波振動が横収縮により半径方向の超音波振動に変換される。その結果、溝加工に用いられる加工工具の振動が押圧力の作用方向に作用する。被加工材料の超音波併用加工によりディスク状加工工具の回転速度を顕著に、例えば２桁ほど低下させることができ、これにより作業の安全性が向上すると共に騒音放出レベルも十分に低下させることが可能となる。
【００１８】
溝加工に好適な実施例による加工工具は、外周面および外縁部にカッター素子が設けられたディスク状の工具とし、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その外径を、長手方向の超音波振動により加工工具に励起される曲げ振動の半波長の整数倍とした構成とされている。長手方向の超音波振動は加工工具に曲げ振動を誘起する。曲げ振動の運動エネルギは、ディスクの外径を長手方向の超音波振動により加工工具に励起される曲げ振動の半波長の整数倍とした場合には、ディスクの外周部において最大となる。したがって、溝加工には長手方向の超音波振動により誘起された曲げ振動も積極的に貢献することとなる。その結果、ディスクの所要回転速度を大幅に低下させることができ、これによっても作業の安全性が向上すると共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能となる。
【００１９】
本発明の他の実施例による加工工具は、外周面にカッター素子が設けられた指状の研削工具とし、その軸線方向長さを超音波振動の半波長の整数倍としたものである。この実施例による加工工具は、切削方向に対して横方向に振動するため、特に、加工工具の浄化作用が効果的に発現される。さらに、超音波振動を及ぼすことにより加工工具の所要回転速度を顕著に低下させることができ、これによっても作業の安全性が向上すると共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能となる。この実施例による加工工具の変形例においては、長手方向の超音波振動を加工工具の曲げモードに変換する。そのために、例えば加工工具の前端部に小型の偏心質量を配置することができる。その結果、押圧力の作用方向に振動が生じるため、所要の押圧力を更に低下させることが可能となる。
【００２０】
本発明の他の実施例による加工工具は、深皿又は平皿形状の研削工具とし、被加工材料と接触する領域にカッター素子を設け、軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、その外径を、長手方向の超音波振動により加工工具に励起される曲げ振動の半波長の整数倍とした構成とされている。この場合、加工工具の振動は押圧力の作用方向に作用するため、使用者が及ぼすべき所要の押圧力を大幅に低減することが可能となる。超音波振動を付加したことにより、花押工具の所要回転速度を顕著に低下させることが可能である。その結果、摩擦熱の発生を抑制することができる。さらに、超音波振動により誘起された曲げ振動が、加工工具の浄化作用を効果的に発現させる。加工工具の切削速度は直径に比例して減少する。超音波振動により誘起された曲げ振動の振幅を増幅するため、ディスク状加工工具の外縁部を残部に対して厚肉又は薄肉に形成することができる。このようにして、超音波振動により誘起された曲げ振動の振幅を増幅して微細衝撃作用を一層効果的に発現させるものである。
【００２１】
本発明のさらに他の好適実施例においては、加工工具を、外周面にカッター素子が設けられた研削面を有するドラム状研削工具とし、軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、所定内径の軸線方向孔を有し、加工工具の外径と軸線方向孔の内径の平均値として定義される所定の相当径を有し、かつ、次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とする。ここに、ｆr は加工工具の半径方向共振周波数、ｃL は加工工具における長手方向の衝撃速度、ＤM は加工工具における前記相当径である。この実施例において、励起された長手方向の超音波振動は振動ノードにおいて横収縮により半径方向波に変換される。したがって、加工工具の振動は押圧力の作用方向に作用する。したがって、使用者が及ぼすべき押圧力を低下させ、又は同一の押圧力でより高い支持力を達成することが可能となる。超音波振動を付加したことにより、加工工具の所要回転速度を顕著に低下させることができ、これによっても作業の安全性が向上すると共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能となる。なお、加工幅を増加させるためには複数のドラム状研削工具を直列接続することができる。
【００２２】
脆性及び／又は低靭性材料について材料除去を行う本発明の他の好適な実施例による手持ち式装置は、電気音響変換器を波長λが約１０〜４０ｃｍの超音波ねじり振動を励起する構成とし、該超音波ねじり振動を加工工具に伝達可能としたものである。超音波振動の波長をこのように選択したことにより、加工工具を手持ち作業に適した長さとすることが可能である。この場合、加工工具を含む手持ち式装置の全長は、励起される超音波振動の半波長の少なくとも３倍とすべきである。もっとも、最大許容全長は１０・λ／２を越えるべきではない。
【００２３】
超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置と組合わせて使用する加工工具の好適実施例は、長さがｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）のチューブ状又はロッド状の工具であって、その前端部にカッター素子を設けた構成とされている。この場合、超音波振動が切削力の作用方向に作用し、加工工具の長さを上記のごとく定めたことにより、被加工材料と接触する加工工具領域において超音波振動のエネルギが実質的に運動エネルギとして存在する。このように構成された加工工具と、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置との組合わせは、特に、アルミニウム接合構造等の低靭性材料や脆性材料の加工に適当であり、加工に際しては超音波振動が切削力の作用方向に作用するために材料除去効率を大幅に向上することが可能である。
【００２４】
好適な実施例においては、切削方向に見てカッター素子の背後に凹所を設ける。この場合、超音波ねじり振動を転向させて切削力の作用方向のみならず押圧力の作用方向にも作用させることが可能となる。本実施例による加工工具、例えばクラウンドリルは、所要の押圧力を顕著に低下させる機能を発揮するものである。
【００２５】
他の好適な実施例において、加工工具は外周面および外縁部にカッター素子が設けられたディスク状の工具とし、その軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とする。この場合、加工工具に超音波ねじり振動を及ぼすことにより切削力の作用方向に力を作用させることができる。その結果、良好な加工性能を維持しつつディスク状工具の所要回転速度を低下させることが可能であり、作業の安全性が向上すると共に騒音放出レベルを十分に低下させることが可能となる。特に好適な実施例では、ディスクの外径を、当該ディスクの支持軸の外径の約４倍以下とする。このような直径比により、超音波振動に基づく加工工具の材料除去効率を一層向上することが可能である。
【００２６】
本発明による手持ち式装置の好適実施例においては、振動増幅器に軸線方向孔を設け、該軸線方向孔に半径方向の吸引チャネルを接続し、その接続部を装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に配置する。吸引チャネルには集塵装置を接続可能とする。これにより、加工に際して発生する切削くずを軸線方向孔を経て外部に輩出することが可能である。本発明による手持ち式装置の別の好適実施例においては、振動増幅器上に吸引モジュールを支持し、該吸引モジュールの軸線方向寸法をｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）、好適にはλ／２とし、該吸引モジュールに軸線方向孔を設けると共に、該軸線方向孔に半径方向の吸引チャネルを接続し、その接続部を装置の使用時に生じる超音波振動の振動ノード領域内に配置する。この場合においても、吸引チャネルには集塵装置を接続可能とする。
【００２７】
【最良の実施形態】
【００２８】
以下、本発明を図示の実施例について一層具体的に説明する。
【００２９】
図１は、脆性及び／又は低靭性材料の除去加工を行うための本発明による手持ち式装置の一実施例を示す略線図である。本実施例による手持ち式装置はハウジング１を具え、同ハウジング１内には駆動ユニット２が内蔵されている。この駆動ユニット２は、手持ち式装置に装着される加工工具３を駆動するためのものである。手持ち式装置の作動に際して加工工具３は、後述する軸線方向の振動下で駆動ユニット２により回転駆動されて除去すべき材料の加工を行う。ハウジング１内には、超音波振動を励起する電気音響変換器４と、振動増幅器５とが更に内蔵されている。これにより、手持ち式装置の作動に際して加工工具３の回転運動に超音波振動を付加することが可能である。電気音響変換器４及び振動増幅器５は加工工具３の軸線方向延長線上に配置するのが好適である。この場合、励起された超音波振動を直接的に加工工具に伝達することが可能となるからである。すなわち、励起された超音波振動を転向させる必要がないため、超音波エネルギの損失が回避されるものである。
【００３０】
電気音響変換器４及び振動増幅器５は、その各構成要素が、励起される超音波振動の振動ノード（節）領域内に位置するように寸法を設定するのが好適である。加工工具３は工具ホルダ６内に保持し、この工具ホルダ６も、励起される超音波振動の振動ノード領域内に位置するように寸法を設定するのが好適である。超音波振動の振動ノード領域においては、振動エネルギが実質的にポテンシャルエネルギとして存在する。したがって、振動ノード領域内に位置する構成要素には僅かな機械的応力しか作用しない。
【００３１】
駆動ユニット２は、図示のごとく、電気音響変換器４及び振動増幅器５の下側に配置することができるが、ハウジング１の握り内に配置しても差し支えない。本発明による手持ち式装置の図１に示す実施例では、軸受７，８で示すように、振動増幅器５を回動可能に支承する。
【００３２】
駆動ユニット２の出力軸に線図的に表した駆動歯車９を取付け、駆動歯車９を振動増幅器５の出力軸に設けられた外周歯１０と噛合わせて手持ち式装置の作動時に軸線方向に相対変位させつつ一体回転可能とする。振動増幅器５の支承箇所を励起される超音波振動の振動ノード領域内に位置させて、振動増幅器５に及ぼされる機械的負荷を可及的に低減させる。工具ホルダ６は振動増幅器５の直前に配置する。工具ホルダ６は、振動増幅器５とは別体のユニットとして構成することもできるが、振動増幅器５と一体のユニットとして構成するのが好適である。電気音響変換器４は振動増幅器５と一体回転可能に結合する。
【００３３】
電気音響変換器４としては磁歪型又は圧電型の変換器を使用することができる。電気音響変換器４の定格出力は約１００〜１０００Ｗとすることができ、特に、約２００〜５００Ｗの範囲内で設定するのが好適である。電気音響変換器４は、例えば図１の両矢印Ｌで示すように、軸線方向の超音波振動を生じさせる変換器として構成することができる。別の実施例として、電気音響変換器４を、例えば図１３において両矢印Ｔで示すように、超音波ねじり振動を生じさせる変換器として構成しても良い。
【００３４】
加工工具３の回転運動に由来する摩耗性又は切削性の材料除去メカニズムは、軸線方向の超音波振動が付加されることにより、加工工具３の直接衝突形態の付加的な除去メカニズムと組合わされる。これにより材料除去効率が、超音波振動を付加しない従来方法と対比して顕著に、典型的には約２〜１０倍向上する。従来のハンマードリル装置と対比して、各圧縮波が加工工具を伝播してから減衰する本発明方法によれば、超音波振動の付加により加工工具内に定在波を維持させて、被加工材料にそのエネルギを伝達することが可能である。定形カッター、例えば硬質金属カッター又は多結晶ダイヤモンドカッター（いわゆる「ＰＫＤ」カッター）を有する加工工具の場合には、超音波振動を付加することにより、被加工材料に対するカッターの押込み深度を増大させることが可能である。超音波振動を付加しない加工時と同様のカッター押込み深度を達成するために、使用者は、より低い押圧力を作用させるだけで良い。これにより、同様の押込み深度におけるカッターの摩耗を低減することができる。その結果、より低硬度のカッターで多数の材料を加工することが可能となり、これは加工工具のコストに直結する重要な利点である。また、不定形カッター、例えば硬質金属粒子、ダイヤモンド粒子又は砥粒よりなるカッターセグメントを有する加工工具の場合には、超音波振動を付加することにより、材料の加工に際しての発熱を抑制することができる。その結果、手持ち式装置における冷却液を必要としない乾燥使用範囲が拡大される。所要の押圧力が顕著に低減される。カッターセグメントの自生作用も僅かな押圧力の作用下で十分に発現される。これら要因のいずれも、機械的負荷の低減と相俟って、加工工具および手持ち式装置の耐用寿命の向上に寄与するものである。
【００３５】
図１〜図１２に線図的に例示した加工工具は、いずれも、長手方向の超音波振動を励起するための手持ち式装置に装着して使用されるものである。図１に示す手持ち式装置における電気音響変換器４は、波長λが約２〜２０ｃｍである長手方向の超音波振動を励起する。同図に示す加工工具３は、前端領域にカッター素子１１が設けられたロッド又はチューブ状の加工工具とする。このような加工工具としては、脆性材料用のドリル又はクラウンドリルを使用することができる。加工工具３は、その長さｌをｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）として手持ち式装置とのシステム結合を行う。すなわち、加工工具３は音響的な同調を行うものである。手持ち式装置の作動に際して加工工具３は、回転運動に加えて長手方向の超音波振動を行う。材料の除去作業にあたり、超音波振動は押圧力と同一方向に付加されるものである。
【００３６】
低靭性の破壊し易い材料を低い押圧力の作用下で加工するに際しては、加工工具に対して押圧力及び切削力と同一方向に振動を与えるのが望ましい。このような目的で、図２及び図３に示す実施例においては、切削方向Ｓに見てカッター素子１１の前方に凹所１２を配設する。これにより、加工工具内を伝播する長手方向の振動の一部が切削力方向に転向されるものである。図２及び図３に示すカッター素子１１は、次の点で相違している。すなわち、図２の実施例では、硬質金属製のカッターセグメントよりなるカッター素子１１を切削方向とほぼ平行に配置する。これに対して、図３の実施例では、ＰＫＤカッターよりなるカッター素子１１を切削方向に対して傾斜させて配置する。
【００３７】
加工工具３には、切削方向に対して垂直方向の振動を与えるのが望ましい場合もある。このような場合、例えば図４に示すように、チューブ状の加工工具３（クラウンドリル等）の前端面にカッター素子１１を非対称的に配置する。すなわち、本実施例においては、カッター素子１１の支持領域を、中空円筒形状を呈する加工工具３の残部に対して半径方向外方及び内方に突出させ、外方への突出量Ａを内方への突出量Ｉよりも小とする。これにより、加工工具３の回転に際して一種のポンプ作用が発現される結果、切削くずの排出作用、すなわちドリルの浄化作用が促進されるものである。
【００３８】
図５に示す加工工具３としてのディスクは、例えば硬質金属又はダイヤモンドの粒子又はチップよりなる不定形カッター素子１１を外周面及び外縁部に配置したものである。このような加工工具３は、例えば溝加工に使用する。加工工具３に及ぼされる長手方向の超音波振動Ｌは、ディスクに曲げモードの振動を励起する。ディスクの軸線方向寸法は、超音波振動の長手方向モードのλ／２の整数倍とする。また、ディスクの直径ｄは、励起される曲げモード振動の半波長の整数倍とする。本実施例によれば、加工工具３が切削方向に対して横方向に振動することにより、浄化作用が促進されるものである。
【００３９】
図６に示す加工工具３としてのディスクは外径ｄを有し、外周面及び外縁部に不定形カッター素子１１を具えている。その軸線方向寸法はｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とする。ディスク状加工工具３は、その中央領域に所定内径ｂの軸線方向孔１３を有し、この場合において工具は、ディスクの外径ｄと軸線方向孔１３の内径ｂの平均値として定義される相当径を有する。本実施例による加工工具３は、ディスクの半径方向共振周波数に関する次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とするのが好適であり、ここにｆr は半径方向共振周波数、ｃL は工具における長手方向の衝撃速度、ＤM は工具の前記相当径を表すものとする。このようにして、工具の長手方向に伝播する超音波振動が横方向の収縮により半径方向の超音波振動に変換される。本実施例によれば、溝加工に用いられる加工工具３を押圧力方向に振動させるものである。
【００４０】
図７及び図８は、それぞれ溝加工に用いられる指状の加工工具３の実施例を示すものである。いずれの実施例においても、加工工具３はステム形状の装着端部１５と円筒体１４とを有し、円筒体１４の外周面には不定形カッター素子１１が配置されている。その軸線方向寸法は、加工工具３に及ぼされる長手方向振動のλ／２に同調させる。この場合、加工工具３は切削方向に対して横方向に振動することにより浄化作用を促進するものである。さらに、図８の実施例による加工工具３には、前端面に約１〜３０ｇの小型偏心質量１６を配置する。この偏心質量１６により長手方方向振動を曲げモードに変換する。したがって、工具は押圧力方向にも振動する。
【００４１】
図９〜図１１に示す実施例による加工工具３は、深皿又は平皿形状のディスク状研削工具である。この研削工具３には、被加工材料と接触する領域に不定形カッター素子１１が配置されている。研削工具３に及ぼされる長手方向振動はディスクに曲げモードを励起する。加工工具３は押圧力方向に振動する。ディスクの軸線方向寸法はｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とし、直径ｄは励起される曲げモード振動の半波長の整数倍とする。曲げモード振動の振幅はさらに増幅することが可能であり、そのために例えば図１０の実施例ではディスクの外縁部を厚肉部１７とし、また、図１１の実施例ではディスクの外縁部を薄肉部１８とする。
【００４２】
図１２は、材料の表面加工に使用し得るドラム状加工工具３を示す縦断面図である。その外周面には、不定形カッター素子１１を有する研削面１９が長手方向に延在する配置とされている。加工工具３の軸線方向寸法はｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とする。加工工具３は、その中央領域に内径ｂの軸線方向孔１３を有する。ドラム状加工工具３の外径はｄで表す。この場合において工具は、工具３の外径ｄと軸線方向孔１３の内径ｂの平均値として定義される相当径を有する。本実施例によるドラム状加工工具３は、その半径方向共振周波数に関する次式：
ｆr ＝ｃL ／ＤM π
を満足する構成とするのが好適であり、ここにｆr は半径方向共振周波数、ｃL は工具における長手方向の衝撃速度、ＤM は工具の前記相当径を表すものとする。工具に及ぼされる長手方向の超音波振動は、振動ノードにおける横方向収縮により半径方向の振動Ｖに変換される。したがって、本実施例においても加工工具３は押圧力方向に振動する。より大きな加工幅を達成するためには、図示実施例におけるごとく、複数のドラム状加工工具３を直列接続するのが望ましい。
【００４３】
図１３は、基本的構成が図１に示したものと対応する手持ち式装置の他の実施例を示すものである。図１の実施例との相違点は、電気音響変換器４が、約５〜２０ｃｍの波長λの超音波ねじり振動を励起する構成とされている点である。この手持ち式装置に装着されているロッド又はチューブ形状の加工工具３は、及ぼされる超音波ねじり振動に音響的に同調させてある。すなわち、加工工具３は、その長さｌをｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）として手持ち式装置とのシステム結合を行うものである。手持ち式装置の作動に際して加工工具３は、切削方向にねじり振動を行う。加工工具３自体には、ＰＫＤカッター又はダイヤモンドセグメントを被着するのが望ましい。
【００４４】
超音波振動を切削方向のみならず押圧方向にも及ぼすのが望ましい場合、例えば図１４及び図１５に示すように、切削方向Ｓに見てカッター素子１１の背後に凹所１２を配設する。図１４及び図１５に示すカッター素子１１は、次の点で相違している。すなわち、図１４の実施例では、硬質金属製のカッターセグメントよりなるカッター素子１１を切削方向とほぼ平行に配置する。これに対して、図１５の実施例では、ＰＫＤカッターよりなるカッター素子１１を切削方向に対して傾斜させて配置する。
【００４５】
図１６に示す溝加工用の工具３としてのディスクは、不定形カッター素子１１を外周面及び外縁部に配置したものである。ディスクの軸線方向寸法は、超音波振動の長手方向モードのλ／２の整数倍とする。加工工具３に及ぼされる超音波ねじり振動Ｔは、ディスクを切削力方向にねじり振動させる。ディスクの支持軸とディスクの直径比は、約１：４までとすることができる。
【００４６】
図１７は、溝加工に用いられる指状の加工工具３の実施例を示すものである。本実施例において、加工工具３はステム形状の装着端部１５と円筒体１４とを有し、円筒体１４の外周面には不定形カッター素子１１が配置されている。その軸線方向寸法は、加工工具３に及ぼされる超音波ねじり振動のｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３…）とする。加工工具３に及ぼされる超音波ねじり振動Ｔは、ディスクを切削力方向にねじり振動させる。
【００４７】
図１８に示す実施例による加工工具３は、深皿又は平皿形状のディスク状研削工具である。この研削工具３には、被加工材料と接触する領域に不定形カッター素子１１が配置されている。ディスクの軸線方向寸法はｎλ／２（ただし、ｎ＝１，２，３，…）とする。加工工具３に及ぼされる超音波ねじり振動Ｔは、ディスクを切削力方向にねじり振動させる。
【００４８】
図１９は、吸引装置が一体的に設けられた振動増幅器５の実施例を示す縦断面図である。この振動増幅器５は軸線方向孔２０を有し、軸線方向孔２０にはほぼ半径方向に延在する吸引チャネル２１が接続している。この場合、吸引チャネル２１の接続部２２は、加工工具３に及ぼされる超音波振動の振動ノード領域内に配置する。本実施例において、吸引チャネル２１の接続部２２は、回転可能な振動増幅器５の軸受７，８の中間領域内に配置する。振動増幅器５に設けられた外周歯１０は、駆動ユニットからの駆動力の伝達を行うものである。代替的な実施例において、振動増幅器５に別体の吸引モジュールを一体的に回転するよう固定する。この場合、別体吸引モジュールの構成は、図１９に示した振動増幅器５と一体の吸引装置に準じたものとする。軸線方向孔２０から吸引された切削くずは、矢印Ｅで示すように半径方向の吸引チャネル２１を経て閉鎖型の集塵装置（図示せず）に向けて排出される。
【００４９】
以上詳述したところから明らかなとおり、本発明によれば、加工工具に及ぼされた超音波振動により励起された振動が、加工工具の回転運動に由来する摩耗性又は切削性の材料除去メカニズムに対して、加工工具の押圧力、切削力の作用方向またはこれに対する横方向への直接衝突形態の除去メカニズムを付加するものである。そして、これら二種類の材料除去メカニズムを重畳させることにより材料除去効率を顕著に向上する。これと同時に、手持ち式装置の使用者が装置に及ぼすべき押圧力を大幅に低減することも可能となる。その結果、手持ち式装置の応用範囲が拡大可能となる。本発明による手持ち式装置の使用者に及ぼされる騒音及び振動負荷は、従来のハンマードリルと対比して著しく低下させることができる。手持ち式装置に装着される加工工具の摩耗、例えば加工工具のカッター素子と被加工材料との間の摩擦や化学反応に基づく摩耗も著しく低下する。これにより、手持ち式装置と加工工具の耐用寿命を大幅に向上することが可能である。本発明による手持ち式装置と加工工具の研削作業に際しての安全性も、従来の研削装置よりも所要回転速度を低下させることが可能であるため、大幅に向上することが可能である。本発明による手持ち式装置と加工工具は、脆性及び／又は低靭性材料の加工に適しており、アルミニウム、銅などの軟質金属の加工にも適用可能である。さらに、本発明は、材料の加工に際して生じる切削くずを適切に吸引することにより、使用者に対する粉塵負荷を顕著に低減するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、長手方向の超音波振動を励起するための本発明の一実施例による手持ち式装置を、加工工具の装着状態で示す略線図である。
【図２】図２は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の一例を示す部分詳細図である。
【図３】図３は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図４】図４は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図５】図５は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図６】図６は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図７】図７は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図８】図８は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図９】図９は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１０】図１０は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１１】図１１は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１２】図１２は、長手方向の超音波振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１３】図１３は、超音波ねじり振動を励起するための本発明の他の実施例による手持ち式装置を、加工工具の装着状態で示す略線図である。
【図１４】図１４は、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の一例を示す部分詳細図である。
【図１５】図１５は、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１６】図１６は、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１７】図１７は、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１８】図１８は、超音波ねじり振動を励起する手持ち式装置に用いる加工工具の他の例を示す部分詳細図である。
【図１９】図１９は、吸引装置を具える振動増幅装置の縦断面図である。
【符号の説明】
１  ハウジング
２  駆動ユニット
３  加工工具
４  電気音響変換器
５  振動増幅器
１１  カッター素子
１２  凹所
１３  軸線方向孔
１４，１５  研削工具
２０  軸線方向孔
２１  吸引チャネル
２２  接続部
Ｌ  長手方向の超音波振動
Ｓ  切削方向
Ｔ  超音波ねじり振動
【図１】
0003688368.tif 000002
【図２】
0003688368.tif 000003
【図３】
0003688368.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003688368.tif 000006
【図６】
0003688368.tif 000007
【図７】
0003688368.tif 000008
【図８】
0003688368.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003688368.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0003688368.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0003688368.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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