(57)【要約】【課題】簡単な構成で、工具取付部による超音波加工用工具の挟持部分の発熱を抑制できる超音波加工用工具を提供すること。【解決手段】超音波振動を発生する超音波加工装置１の工具取付部４１に形成した工具挟持用スリット４３に挿入・挟持されるカッター刃（超音波加工用工具）１０である。カッター刃１０の工具挟持用スリット４３内で挟持される面と、工具挟持用スリット４３から突出している面に渡って、放熱用メッキ１５を施す。放熱用メッキ１５は、カッター刃１０を構成する金属（超硬合金など）よりも熱伝導性の良い金属（銅など）によって構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を発生する超音波加工装置の工具取付部に形成した工具挟持用スリットに挟持される超音波加工用工具であって、
少なくとも前記超音波加工用工具の前記工具挟持用スリット内で挟持される面に、前記超音波加工用工具を構成する金属よりも熱伝導性の良い金属からなる放熱用金属層を形成したことを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波加工用工具であって、
前記放熱用金属層は、前記工具挟持用スリット内で挟持される面から、外部に突出している面に渡って形成されていることを特徴とする超音波加工用工具。
【請求項３】
請求項１に記載の超音波加工用工具であって、
前記放熱用金属層の材質は銅であることを特徴とする超音波加工用工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波加工装置によって超音波振動させることで、ワークを加工する超音波加工用工具に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動発生部を振動させることでこの振動発生部に接続した超音波加工用工具（例えばカッター刃）を超音波振動させ、この超音波振動する工具をワークに当てることでワークを加工する超音波加工装置が使用されている（例えば特許文献１参照）。図７はこの種の超音波加工装置の先端の工具取付部３００とカッター刃（超音波加工用工具）３３０とを示す要部斜視図である。同図に示すように工具取付部３００の先端面には、縦方向にスリット状に切り欠いてなる工具挟持用のスリット３０１が設けられている。そして工具取付部３００へのカッター刃３３０の取り付けは、スリット３０１にカッター刃３３０の根元部分を挿入し、工具取付部３００の側面に設けた穴３０３に図示しないボルトを挿入してカッター刃３３０の根元側の辺に設けた凹状のボルト挿通部３３１内に貫通させた後、その先端をスリット３０１内の反対側の面に設けたネジ穴にねじ込み、締め付けることによって行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３２６２９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記超音波加工装置によって切断しようとするワークが硬いワークである場合、カッター刃として硬い超硬合金を用いる。一方カッター刃を挟持する工具取付部としては、例えば超音波に対してロスの少ない軽くて剛性のあるチタン合金を用いる。しかしながら、チタン合金、超硬合金の何れも熱伝導性が良くないので、カッター刃の工具取付部による挟持部分に熱がこもり易く、高温になってしまうという問題があった。このため例えばこのカッター刃によってカーボン繊維のような硬いワークをカットする場合、前記挟持部分にかかる高熱と力によってカッター刃などが傷み易くなる。このため例えばこのカッター刃によってカーボン繊維製のワークなどを加工し続けていると、前記チタン製の工具取付部にクラックが生じたり、カッター刃が割れてしまうなどの恐れがあった。
【０００５】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、簡単な構成で、超音波加工装置の工具取付部による挟持部分の発熱を抑制できる超音波加工用工具を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願請求項１に記載の発明は、超音波振動を発生する超音波加工装置の工具取付部に形成した工具挟持用スリットに挟持される超音波加工用工具であって、少なくとも前記超音波加工用工具の前記工具挟持用スリット内で挟持される面に、前記超音波加工用工具を構成する金属よりも熱伝導性の良い金属からなる放熱用金属層を形成したことを特徴としている。
これによって、超音波加工用工具が工具挟持用スリット内に挟持された部分で発生する熱が、放熱用金属層によって効率的に外部に放熱でき、前記挟持部分の温度上昇を抑制できる。これによって工具取付部にクラックが生じたり、超音波加工用工具自体に割れが生じたりすることを防止することができる。
従来、超音波振動する硬い超音波加工用工具と硬い工具取付部の間に、メッキなどによる金属層を介在することは、この金属層が溶融する恐れがあるなどの観念から、考えられてこなかった。本願発明者は、たとえ放熱用金属層の融点の温度が低くても、それよりも熱伝導が良いことによる冷却効果が勝ることに着目し、本発明に想到した。
なお超音波加工用工具はカッター刃に限らず、ワークを超音波加工する超音波加工用工具であれば、他の各種工具（例えばダイヤモンドヤスリなど）であっても良い。
【０００７】
また本発明は、前記放熱用金属層が、前記工具挟持用スリット内で挟持される面から、外部に突出している面に渡って形成されていることが好ましい。
このように放熱用金属層の一部を外部（通常は空気中）に露出したので、露出した面によって効率的に熱を放出でき、これによって前記挟持部分のより効果的な発熱の抑制を図ることができる。これによってたとえ融点の低い放熱用金属層であっても、溶融することなく、効果的な前記挟持部分の冷却ができる。
【０００８】
また本発明は、前記放熱用金属層の材質が銅であることが好ましい。なお、超硬合金よりも熱伝導性の良い金属としては、銅の他に、金、銀、アルミニウム、ニッケルなどがあり、銅に代えてこれらの金属を用いても良い。また放熱用金属層は、複数種類の金属を積層して形成しても良い。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡単な構成で、工具取付部による超音波加工用工具の挟持部分の温度上昇を低く抑えることができる。これによって工具取付部にクラックが発生したり、超音波加工用工具自体に割れが発生したりすることを効果的に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】超音波加工用工具１０を取り付けた超音波加工装置１の側面図である。
【図２】超音波加工装置１の先端側部分の要部拡大斜視図である。
【図３】超音波加工装置１の先端側部分の要部拡大分解斜視図である。
【図４】放熱用メッキ１５を施したカッター刃１０を装着した超音波加工装置１と、従来のカッター刃を装着した超音波加工装置１の両者についての、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態を経時的に測定した測定結果を示す図である。
【図５】放熱用メッキ１５を施したカッター刃１０を装着した超音波加工装置１を空運転した場合の、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態をサーモグラフィーで測定した測定結果を示す図である。
【図６】従来のカッター刃を装着した超音波加工装置１を空運転した場合の、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態をサーモグラフィーで測定した測定結果を示す図である。
【図７】従来の工具取付部３００とカッター刃３３０とを示す要部斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる超音波加工用工具（以下「カッター刃」という）１０を取り付けた超音波加工装置１の側面図、図２は超音波加工装置１の先端側部分の要部拡大斜視図、図３は超音波加工装置１の先端側部分の要部拡大分解斜視図である。これらの図に示すように超音波加工装置１は、内部に図示しない振動発生部を収納する略円筒形状のケース５０と、ケース５０の一端部から外部に突出するホーン部４０と、ホーン部４０の先端に設けた工具取付部４１の先端に取り付けられるカッター刃１０とを具備して構成されている。
【００１２】
ケース５０の内部には図示しないピエゾ圧電素子層などによって構成される振動発生部が収納されている。振動発生部の一端は前記ホーン部４０に連結されており、ホーン部４０はケース５０の一側面から外部に突出している。ホーン部４０はチタン合金製である。チタン合金は、軽く、剛性があって伸縮し、超音波振動に対してロスの少ない金属である。
【００１３】
工具取付部４１の先端面には、縦方向にスリット状に切り欠いてなる工具挟持用のスリット４３が設けられている。工具取付部４１の外周面の先端側付近には、スリット４３の面に対して垂直にこの工具取付部４１を貫通するボルト挿入用の穴４５が設けられている。穴４５のボルト３０を挿入する側の入口部分は円錐状（すり鉢状）の凹部４７となっている。またスリット４３を挟んだ反対側の穴４５の内周面には、下記するボルト３０のオネジを螺合するメネジが設けられている。
【００１４】
カッター刃１０は、略２等辺三角形の平板状であり、２等辺の部分が刃１１となっている。カッター刃１０の根元側部分の中央には円形の孔からなるボルト挿通部１３が設けられている。カッター刃１０の厚みは、前記スリット４３内に略ぴったり挿入できる厚みとなっている。カッター刃１０は超硬合金製である。超硬合金は焼結体であり、硬くて耐摩耗性が高く、切削工具などに用いて好適な材料である。なお、ボルト挿通部１３は、孔の代りに、前記図７に示すボルト挿通部３３１のように凹部で構成しても良い。
【００１５】
そしてこのカッター刃１０の根元側部分の両面には、放熱用金属層（以下この実施形態では「放熱用メッキ」という）１５が施されている。放熱用メッキ１５はこの例では銅メッキを用いている。そして放熱用メッキ１５は、カッター刃１０が工具挟持用スリット４３内で挟持される根元側の面から、前記工具挟持用スリット４３先端から外部に所定寸法突出している面に渡って形成されている。
【００１６】
そして工具取付部４１へのカッター刃１０の取り付けは、スリット４３にカッター刃１０の根元部分を挿入し、工具取付部４１の穴４５にボルト３０を挿入してカッター刃１０のボルト挿通部１３を貫通してスリット４３内の反対側の面に設けた穴４５内のメネジにねじ込み、締め付けることによって行われる。このとき図２に示すように、カッター刃１０の放熱用メッキ１５の一部は、スリット４３の先端部分から外部に（空気中に）露出する。
【００１７】
以上のようにして構成されている超音波加工装置１において、ケース５０内の振動発生部を駆動して超音波振動を発生させれば、その超音波振動がホーン部４０に伝達され、超音波加工装置１全体が中心軸Ｌ方向に超音波振動し、カッター刃１０によるワークの加工が行えるようになる。なお、カッター刃１０の放熱用メッキ１５が露出している部分は、カッター刃１０の根元付近なので、ワークに触れることはなく、ワークの加工時に剥がれることはない。
【００１８】
そして超音波加工装置１全体が超音波振動した際、工具取付部４１がカッター刃１０を挟持している部分に、摩擦による熱が発生する。この摩擦熱は、カッター刃１０を硬いワークに当てて加工する際、増大し、より高温になる。カッター刃１０が高温になると、カッター刃１０を構成する超硬合金や、工具取付部４１を構成するチタン合金が熱で劣化し、場合によってはカッター刃１０が割れたり、工具取付部４１にクラックが生じたりする恐れがある。
【００１９】
これに対してこの超音波加工装置１においては、カッター刃１０に放熱用メッキ１５を設けているので、工具取付部４１がカッター刃１０を挟持している部分に生じる摩擦熱は、放熱用メッキ１５に導入され、さらに放熱用メッキ１５の空気に露出している露出面において空気中に効率的に放熱される。このため、前記摩擦熱が前記挟持部分に籠ることはなく、温度上昇を最小限に抑えることができる。これによってカッター刃１０を構成する超硬合金や、工具取付部４１を構成するチタン合金が熱で劣化することを効果的に防止でき、カッター刃１０の割れや、工具取付部４１のクラックを防止できる。
【００２０】
なお上記放熱用メッキ１５は、軟らかい銅なので、硬い超硬合金と硬いチタン合金を直接接合するよりも、その間に軟らかい金属が介在することで、摩擦自体を和らげ、摩擦熱を抑制できる効果も有する。
【００２１】
一方で銅やその他の熱伝導性の良い金属は一般にその融点がカッター刃１０の材料や工具取付部４１の材料に比べて低く、前記摩擦熱で溶ける恐れがあるとして、従来、超音波加工装置１の分野においては、カッター刃１０と工具取付部４１の間に、このような融点の低い金属層を介在させることは行われていなかった。これに対して本発明においては、前述のように放熱用メッキ１５の一部をカッター刃１０の根元側部分において空気中に露出して放熱性を向上させることができたので、このような融点の低い金属を介在させても摩擦熱によって溶融することはなく、上記溶融という問題も解決したのである。
【実施例】
【００２２】
図４は上記放熱用メッキ１５を施した本実施形態にかかるカッター刃１０を装着した超音波加工装置１と、放熱用メッキ１５を施さない従来のカッター刃を装着した超音波加工装置１の両者について、空気による冷却を行わないで、空運転した場合の、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態を経時的に測定した測定結果を示す図である。また図５は上記放熱用メッキ１５を施した本実施形態にかかるカッター刃１０を装着した超音波加工装置１を８５秒間空運転した直後の、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態をサーモグラフィーで測定した測定結果を示す図、図６は放熱用メッキ１５を施さない従来のカッター刃を装着した超音波加工装置１を３０秒間空運転した直後の、カッター刃近傍部分の温度上昇の状態をサーモグラフィーで測定した測定結果を示す図である。
【００２３】
図４に示すように放熱用メッキ１５を施したカッター刃１０を使用した場合は、放熱用メッキ１５を施さないカッター刃を使用した場合に比べ、温度上昇の傾斜が経時的になだらかで、最高温度も明らかに低くなることが確認できた。
【００２４】
また図５と図６を比較すると、放熱用メッキ１５を施したカッター刃１０の場合は、カッター刃１０中に１００℃を超す部分がない（全体に５０℃程度）のに対し、放熱用メッキ１５を施さない従来のカッター刃の場合は、短い時間であるにもかかわらず、カッター刃中に１００℃を超す部分が生じている。これらのことから放熱用メッキ１５を施したカッター刃１０の方がその温度上昇を効果的に低く抑えられることを確認できた。
【００２５】
上記測定結果は、空気による冷却を行っていない場合の測定結果であり、空気による冷却を行えば、さらに放熱用メッキ１５による効果が増幅される。
【００２６】
以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記例では工具取付部４１の材質としてチタン合金を用いたが、その代りにアルミニウムなどの他の材質のものを用いても良い。またカッター刃１０の材質も、超硬合金に限定されず、他の各種硬質の材料を用いても良い。
【００２７】
また放熱用メッキ１５の材質も、銅に限定されず、例えば金、銀、アルミニウム、ニッケルなどを用いても良い。要はカッター刃１０を構成する金属よりも熱伝導性の良い金属からなる放熱用メッキであればよい。また複数種類の金属を積層して形成しても良い。
【００２８】
また上記例では放熱用金属層を形成する方法としてメッキを用いたが、本発明はメッキに限定されず、蒸着、電子ビーム照射など、他の各種方法によって放熱用金属層を形成してもよい。
【００２９】
また上記例では超音波加工用工具としてカッター刃１０を用いたが、ダイヤモンドヤスリなどの他の各種超音波加工用工具であっても良い。要は工具取付部に形成した工具挟持用スリットに挟持される超音波加工用工具であればよい。
【００３０】
また放熱用金属層から熱を逃がす他の手段があれば、必ずしも放熱用金属層を超音波加工用工具の工具挟持用スリットの先端から突出している面にまで形成しなくても良い。例えば、工具取付部内において放熱用金属層に空気を吹きかける構造にしたり、超音波加工用工具の根元部分側を外部に露出してこの部分で放熱する構造にするなどである。
【符号の説明】
【００３１】
１  超音波加工装置
１０  カッター刃（超音波加工用工具）
１１  刃
１３  ボルト挿通部
１５  放熱用メッキ（放熱用金属層）
３０  ボルト
４０  ホーン部
４１  工具取付部
４３  スリット（工具挟持用スリット）
４５  穴（ボルト挿入用穴）
５０  ケース
【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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