(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネ材からなる加工工具に機械的振動を加振可能に構成された加工装置に適用される超音波穴開け加工法であって、
加工物への砥粒混合液を用いた前記加工装置による超音波穴開け加工に当り、
加工中、前記加工工具に、加振方向を工具長手方向と所要ずらして一定方向に加振し共振による定常波を生じさせることで、当該加工工具各部を当該工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう振動する、
ことを特徴とする超音波穴開け加工法。
【請求項２】
前記加工工具の円運動を描く振動は、
当該加工工具の材質、形状により決まる特定の振動周波数の加振による、
ことを特徴とする請求項１に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項３】
前記砥粒混合液は、
その砥粒を、加工中、前記加工工具先端により前記加工物に対して円を描くように擦り付けられる、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項４】
前記超音波穴開け加工は、
直径０．２mm以下の穴開け加工である、
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項５】
前記加工工具は、
直径０．２mm以下、長さ２mm以上の超極細シャフトである、
ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項６】
前記加工工具は、
加工中、前記先端を案内誘導される、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項７】
前記加工物は、
前記加工工具先端の位置合せのために予め微小窪みを凹設する、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項８】
前記加工物は、
金属材料、ガラス、シリコンである、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６又は７に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項９】
前記微小窪みは、
エッチングにより凹設する、
ことを特徴とする請求項７又は８に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項１０】
前記エッチングは、
金属であれば酸、アルカリ液、ガラスであればフッ素系のエッチング液、シリコンであればＫＯＨのエッチング液によってそれぞれ表面加工処理する、
ことを特徴とする請求項９に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項１１】
前記砥粒混合液は、
＃3000のＳｉＣ砥粒を水に混ぜたものである、
ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９又は１０に記載の超音波穴開け加工法。
【請求項１２】
バネ材からなる加工工具に機械的振動を加振可能に構成されて、加工物への砥粒混合液を用いた超音波穴開け加工をするための加工装置であって、
前記加工工具に対する特定周波数信号を発信する発信器と、
当該発信された特定周波数信号を一定レベルまで増巾した増巾信号を出力するアンプと、
前記増巾信号を前記機械的振動に変換し、前記加工工具に当該機械的振動を一定方向に加振するＰＺＴアクチュエータと、
当該ＰＺＴアクチュエータによる加振方向が工具長手方向と所要ずれるよう当該ＰＺＴアクチュエータ先端に取り付けられて、前記機械的振動による共振により定常波を生じ前記加工工具各部にて当該工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう振動する前記加工工具と、
前記加工工具の先端部を貫通案内規制する穴付ガイドと、を備える、
ことを特徴とする超音波穴開け加工装置。
【請求項１３】
前記ＰＺＴアクチュエータと前記穴付ガイドは、
三次元位置に位置決め移動自在な同体又は相互に一体連動する別々のＸＹＺステージにそれぞれ装設する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の超音波穴開け加工装置。
【請求項１４】
前記加工工具は、
直径０．２mm以下、長さ２mm以上の超極細シャフトである、
ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載の超音波加工穴開け加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小径の穴開け加工に供せられる超音波穴開け加工法及びその実施に直接使用する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の超音波加工装置は図５のような構成になっている。振動子１で発生した振動をホーン２から工具３に伝え、その振動を用いて砥粒混合液４の砥粒を加工物５に押しつけ、加工して行く。振動子１から得られる振幅は加工に必要とされる振幅に比べて小さくそのためコーン６及びホーン２によってその振動を拡大している。
図中、７は砥粒混合液４の供給パイプである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このためホーン２は特殊形状をしており容易に製作することができない。また、加工面５ａに対して垂直方向に衝撃力を加えるため、加工工具３には強度が要求される。そのため工具材料にハイス鋼や超鋼などが用いられ、用途によっては工具３先端３ａをダイヤモンドで覆う。このような材料は高価でまた堅さはあるが脆いために、細く長くつくることは困難である。またもし作成することができても衝撃に弱く折れやすいために取扱いが難しい。
【０００４】
ハイス鋼では直径０．２ｍｍ長さ２ｍｍ程度が使用の限界である。このため超音波加工で０．２ｍｍ以下の径をもつ穴５ｂを開けることは難しい。
要するに、従来の超音波加工では衝撃によって加工を行うために加工工具３にハイス鋼や超鋼などの堅い材料を用いていた。しかし、この材料は脆いため、微小穴（内径０．２ｍｍ以下）開け用の細い加工工具を作成することが困難であった。この理由により超音波加工では微小穴を開けることができなかった。
【０００５】
ここにおいて、本発明の解決すべき主要な目的は次の通りである。
本発明の第１の目的は、超音波加工により０．２ｍｍ以下の穴開け加工を可能とする超音波穴開け加工法及び装置を提供せんとするものである。
【０００６】
本発明の第２の目的は、加工中、加工工具の長手方向への加圧力を可及的に小さくして加工工具の圧縮折断耐力を低減し得る超音波穴開け加工法及び装置を提供せんとするものである。
【０００７】
本発明の第３の目的は、加工中、加工工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう加振する超音波穴開け加工法及び装置を提供せんとするものである。
【０００８】
本発明の第４の目的は、特定固有周波数の加振による加工工具の共振作用を利用する超音波穴開け加工法及び装置を提供せんとするものである。
【０００９】
本発明の第５の目的は、加工中、加工工具の先端を案内誘導して加工位置決めを計る超音波穴開け加工法及び装置を提供せんとするものである。
【００１０】
本発明のその他の目的は、明細書、図面、特に特許請求の範囲の各請求項の記載から自ずと明らかとなろう。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従来の超音波穴開け加工法では図５に示す様に、衝撃によって加工を行うため加工工具の振動方向は加工方向、すなわち加工物の加工面に垂直である。これに対して本発明では、前記目的解決上、工具の振動方向が加工方向だけでなく、工具の共振によって工具各部が加工方向に対して垂直な面内に円運動を描くことにより、砥粒を被削材に押しつけて衝撃力を用いずに加工を行う。この為、加工工具に堅くて脆い材料からバネ材のような靭性がある材料が利用でき、従来より径の細い工具を利用し、内径０．２ｍｍ以下の穴開けができる。
【００１２】
さらに具体的詳細に述べると、当該課題の解決では、本発明が次に列挙するそれぞれの新規な特徴的構成手法または手段を採用することにより、前記目的を達成する。
【００１３】
即ち本発明方法の第１の特徴は、バネ材からなる加工工具に機械的振動を加振可能に構成された加工装置に適用される超音波穴開け加工法であって、加工物への砥粒混合液を用いた前記加工装置による超音波穴開け加工に当り、加工中、前記加工工具に、加振方向を工具長手方向と所要ずらして一定方向に加振し共振による定常波を生じさせることで、当該加工工具各部を当該工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう振動してなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００１５】
本発明方法の第２の特徴は、前記本発明方法の第１の特徴における前記加工工具の円運動を描く振動が、当該加工工具の材質、形状により決まる特定の振動周波数の加振によってなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００１７】
本発明方法の第３の特徴は、前記本発明方法の第１又は第２の特徴における前記砥粒混合液が、その砥粒を、加工中、前記加工工具先端により前記加工物に対して円を描くように擦り付けられてなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００１８】
本発明方法の第４の特徴は、前記本発明方法の第１、第２又は第３の特徴における前記超音波穴開け加工が、直径０．２mm以下の穴開け加工である超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２０】
本発明方法の第５の特徴は、前記本発明方法の第１、第２、第３又は第４の特徴における前記加工工具が、直径０．２mm以下、長さ２mm以上の超極細シャフトである超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２１】
本発明方法の第６の特徴は、前記本発明方法の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴における前記加工工具が、加工中、前記先端を案内誘導されてなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２２】
本発明方法の第７の特徴は、前記本発明方法の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴における前記加工物が、前記加工工具先端の位置合せのために予め微小窪みを凹設してなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２３】
本発明方法の第８の特徴は、前記本発明方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６又は第７の特徴における前記加工物が、金属材料、ガラス、シリコンである超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２４】
本発明方法の第９の特徴は、前記本発明方法の第７又は第８の特徴における前記微小窪みが、エッチングにより凹設してなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２５】
本発明方法の第１０の特徴は、前記本発明方法の第９の特徴における前記エッチングが、金属であれば酸、アルカリ液、ガラスであればフッ素系のエッチング液、シリコンであればＫＯＨのエッチング液によってそれぞれ表面加工処理してなる超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２６】
本発明方法の第１１の特徴は、前記本発明方法の第１、第２、第３、第４、第５、第６、第７、第８、第９又は第１０の特徴における砥粒混合液が、＃3000のＳｉＣ砥粒を水に混ぜたものである超音波穴開け加工法の構成採用にある。
【００２７】
本発明装置の第１の特徴は、バネ材からなる加工工具に機械的振動を加振可能に構成されて、加工物への砥粒混合液を用いた超音波穴開け加工をするための加工装置であって、前記加工工具に対する特定周波数信号を発信する発信器と、当該発信された特定周波数信号を一定レベルまで増巾した増巾信号を出力するアンプと、前記増巾信号を前記機械的振動に変換し、前記加工工具に当該機械的振動を一定方向に加振するＰＺＴアクチュエータと、当該ＰＺＴアクチュエータによる加振方向が工具長手方向と所要ずれるよう当該ＰＺＴアクチュエータ先端に取り付けられて、前記機械的振動による共振により定常波を生じ前記加工工具各部にて当該工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう振動する前記加工工具と、前記加工工具の先端部を貫通案内規制する穴付ガイドと、を備えてなる超音波穴開け加工装置の構成採用にある。
【００２８】
本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装置の第１の特徴における前記ＰＺＴアクチュエータと前記穴付ガイドが、三次元位置に位置決め移動自在な同体又は相互に一体連動する別々のＸＹＺステージにそれぞれ装設してなる超音波穴開け加工装置の構成採用にある。
【００３１】
本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装置の第１又は第２の特徴における前記加工工具が、直径０．２mm以下、長さ２mm以上の超極細シャフトである超音波加工穴開け加工装置の構成採用にある。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照してその方法例および装置例に基づいて説明する。
【００３３】
（方法例）
図１は加工工具を工具方向に加振した時、工具方向と異なる方向に工具が３次のモードで共振している様子を説明する拡大図、図２は加工工具を工具方向に加振した時、工具方向と異なる方向に工具が３次のモードで共振し、工具各部が円運動をしている様子を説明する拡大図である。
【００３４】
本方法例は、前記のような新規の手法を講じて前記課題を達成するために、加工中、加工工具８を工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描く様に振動させる。
振動子１の加振方向と工具方向を完全に一致させずに、所要ずらして一定方向に加振した場合、ある特定の振動周波数によって工具８が定常波を生じて横方向に共振する。
【００３５】
その共振状態は、図１に示すように工具方向に垂直な面内において、工具８各部（例えばＡ部）の軌跡のように直線的な振動もしくは図２の例えばＢ部の軌跡のように円運動となる。これらの共振を与える振動周波数はそれぞれ異なっており、工具に固有である。
従って、工具８の材質、形状により決まる特定の周波数の振動を、加振方向を工具長手方向と所要ずらして一定方向に加えることによって、容易に円運動を再現することができる。
【００３６】
このような加工では工具方向に衝撃を与える必要がなく、従ってハイス鋼や超鋼のような堅くて脆い材料は使用しなくて済む。その結果、ハイス鋼や超鋼に比べ靭性のあるバネ材が工具材料として使用できる。バネ材を用いれば０．０５mm径程度まで細い加工工具８を作成することができ、しかも、加圧穿孔衝撃を加工工具８全長に亙って内部弾性応力により吸収し、加工物５に対してもダメージを与えず、曲げに強く折れにくい。この工具８を使用することによって０．２mm径以下の穴開けが可能となる。
またこのような加工では加工方向に大きな振幅を必要としないので特殊形状のホーンやコーンは必要としない。
【００３７】
（装置例）
図３は前記本方法例が適用される本装置例の構成模式図、図４は同・要部拡大図である。
図中、９は発信器、１０はアンプ、１１ａ，１１ｂはＸＹＺステージ、１２はＰＺＴアクチュエータ、１３は穴付ガイド、１４は顕微鏡、１５、１６はケーブルである。
【００３８】
前記発信器９は、加工工具８の材質や形状で決まる固有振動数に対応する特定周波数振動Ｓ１  を発信する。
前記アンプ１０は、ケーブル１５を介して入力した特定周波数信号Ｓ１  を必要な一定レベルまでゲインを上げて増巾した増巾信号Ｓ２  を出力する。
前記ＸＹＺステージ１１ａ，１１ｂは、同体又は一体連動自在に形成し、ＸＹＺ座標軸からなる三次元座標位置にスライド位置決め移動自在に構成する。
【００３９】
前記ＰＺＴアクチュエータ１２は、ＸＹＺステージ１１ａ下面に布設され、ケーブル１６を介して入力した増巾信号Ｓ2 を機械的振動に変換し、加工工具８にこの機械的振動を一定方向に加振する。
前記穴付ガイド１３は、ＸＹＺステージ１１ｂに水平に片持突設され、先端寄りに穴１３ａを貫通してある。
【００４０】
前記顕微鏡１４は、穴開け加工を拡大視して監視する。
図中、加工工具８は、靭性を有したバネ材からなり、ＰＺＴアクチュエータ１２の下端に、その工具長手方向を加振方向と所要ずらして、下端部を穴付ガイド１３の穴１３ａを貫通して垂下取付けられて、ＰＺＴアクチュエータ１２から加振された機械的振動による共振により定常波を生じ加工工具８各部にて工具長手方向に対して垂直な面内で円運動を描くよう振動する。
【００４１】
【実施例１】
本実施形態例の第１実施例を図３について説明する。
ＸＹＺステージ１１ａにＰＺＴアクチュエータ１２を介して加工工具８を取り付ける。先端８ａを押さえずに共振をさせると先端８ａが自由端になり、加工工具８先端８ａが広がるように振動してしまう。そのため先端８ａを穴付ガイド１３で誘導する。
【００４２】
本実施例であれば、加工工具８方向に大きな振幅は必要ないため、コーンやホーンは用いずＰＺＴアクチュエータ１２（変位量１０μｍ）で十分である。
例えば砥粒混合液４は、＃3000のＳｉＣ砥粒を水に混ぜたものを用い、また加工工具８としてバネ材で直径０．０９mm、長さ２０mmのシャフトを用い、ＰＺＴアクチュエータ１２によって２５ｋＨｚで加振し、３００μｍ厚のシリコン基板５の加工を行うと、約１０秒で内径０．１０mmの貫通穴を開けることができる。
【００４３】
【実施例２】
本実施形態例の第２実施例を図４について説明する。
本装置例を用いる際、加工工具８の先端８ａ位置合せが難しく、工具８への加振時に工具先端８ａが振動してしまう場合がある。
【００４４】
本実施例で示す様にこの先端の振動を防ぐために、加工物５に予め微小な窪み５ｃを開けておくことができる。金属材料、ガラス、シリコンを加工物５とする場合エッチングによって図４に示すように加工工具８の径よりやや小さめの窪み５ｃをつけておく。
【００４５】
加工物５が金属であれば酸、アルカリによって、ガラスであればフッ素系のエッチング液によって、シリコンを加工物５とする場合、ＫＯＨのエッチング液によって容易にエッチングできる。
この窪み５ｃに加工工具８先端８ａを差し込み加振する。窪み５ｃで先端の振動が押さえられ、目的の位置に穴開け加工を行うことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明を用いれば、加工工具にバネ材のような靭性がある材料が利用でき、従来より径の細い工具を使用して０．２ｍｍ以下の内径を持つ穴加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の方法例において、加工工具を工具方向に加振したとき、工具方向と異なる方向に工具が３次のモードで共振している様子を説明する拡大図である。
【図２】同上において、加工工具を工具方向に加振したとき、工具方向と異なる方向に工具が３次のモードで共振し、工具各部が円運動をしている様子を説明する拡大図である。
【図３】本発明の実施形態の装置例を示す全体構成模式図である。
【図４】同上、要部拡大図である。
【図５】従来例の超音波穴開け加工機の構成図である。
【符号の説明】
１…振動子
２…ホーン
３，８…加工工具
３ａ，８ａ…加工工具先端
４…砥粒混合液
５…加工物
５ａ…加工面
５ｂ…穴
５ｃ…窪み
６…コーン
７…供給パイプ
９…発信器
１０…アンプ
１１ａ，１１ｂ…ＸＹＺステージ
１２…ＰＺＴアクチュエータ
１３…穴付ガイド
１３ａ…穴
１４…顕微鏡
１５，１６…ケーブル
Ｓ1…特定周波数信号
Ｓ2…増巾信号
【図１】
0003560421.tif 000002
【図２】
0003560421.tif 000003
【図３】
0003560421.tif 000004
【図４】
0003560421.tif 000005
【図５】
0003560421.tif 000006