(57)【要約】      （修正有）【課題】回転精度が高く、かつ回転速度が大きい回転工具を持つ超音波加工機を提供すること。【解決手段】軸心に穴を持つステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１が備えられ、このモータ１の軸に第１のプーリー１１が接続されている。回転軸２には第２のプーリー１２があり、モータ１の回転を伝達するためのベルト１３がある。回転軸２を回転自在に支持するための軸受７があり、さらにこの軸受７を固定するためのステンレスのケース１４がある。回転軸２には突起１５があり、第１のフランジ１６、圧電セラミック１８を接合したブレード６そして第２のフランジ１７が嵌め込まれ、そしてナット１９で締め付けられ、さらに緩み止めナット２０によりさらに締め付けられる。圧電セラミック１８の駆動配線は、超音波発振機８からリード線２２が回転軸２の穴２１を通り接続される。【選択図】図４
2006110972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波加工装置において、回転軸があり、その中心軸を貫通する穴部もしくは穴部があり、その穴部に超音波振動子に交流電圧を印加するためのリード線が設けられていることを特徴とするものである。
【請求項２】
超音波加工装置が円盤状の工具を用いて加工対象物を機械加工する装置であることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置である。
【請求項３】
超音波加工装置が棒状の工具を用いて加工対象物を機械加工する装置であることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを回転する工具を用い、かつ回転する工具に超音波振動を与え、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】  ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、もしくは超硬金属などの硬くかつ脆い材料から形成された加工対象物を切断加工するために、回転する工具である円盤状のブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。また、前記の加工対象物を研削加工するために回転する工具である棒状の砥石を備えた研削装置がある。【０００３】  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おり、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。【０００４】  特許文献１には、円盤状のブレードを回転させる回転軸に超音波振動子が付設された構成の切断装置が開示されている。図１の平面図、図２の側面図が示す切断装置は、回転軸を回転させるためのモータ１があり、その回転軸２にスリップリング３、超音波振動子４が接続されている。さらに回転軸２に振動伝達方向変換器５とブレード６を一体化した切断工具が締め付けナット１０により締め付け固定されている。また回転自在に支持するための軸受７が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子４に印加するための超音波発振器８とブラシ９を備えている。
上記の切断装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータ１を動作させるとほぼ同時に超音波発振器８からブラシ９を介して回転するスリップリング３に超音波交流電圧を印加する。スリップリング３に与えられた交流電圧は超音波振動子４に印加され、超音波振動子４は超音波振動する。この超音波振動が、回転軸２を伝播し、振動伝達方向変換器５とブレード６を一体化した切断工具に伝播する。この超音波振動は、振動伝達方向変換器５によりブレード６の径を拡縮させる方向に振動する超音波振動へと変換され、回転するブレード６に付与される。そしてこの超音波振動が付与されたブレード６により加工対象物を切断する。【０００５】  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３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。
【特許文献１】特開２０００−２１０９２８号公報
【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】
【０００６】  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たり、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を回転軸に接合するため、重量が増加して、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。【０００７】本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ回転軸を有した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】
【０００８】  本発明は、超音波加工装置において、加工工具を回転させる回転軸があり、その回転軸の中心軸を貫通する穴部もしくは穴部があり、その穴部に超音波振動子に交流電圧を印加するためのリード線が設けられるものである。【０００９】  本発明はまた、超音波加工装置が円盤状の工具を用いて加工対象物を機械加工する装置であるものである。【００１０】  本発明はさらに、超音波加工装置が棒状の工具を用いて加工対象物を機械加工する装置であるものである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の超音波加工装置は、回転精度が高かく、かつ高速回転が可能であるため、高精度かつ高速加工が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  図４は、第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部断面を含む平面図である。軸心に穴を持つステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１が備えられ、このモータ１の軸に第１のプーリー１１が接続されている。回転軸２には第２のプーリー１２があり、モータ１の回転を伝達するためのベルト１３がある。回転軸２を回転自在に支持するための軸受７があり、さらにこの軸受７を固定するためのステンレスのケース１４がある。図ではケース１４の一部だけ示した。回転軸２には突起１５があり、第１のフランジ１６、圧電セラミック１８を接合したブレード６そして第２のフランジ１７が嵌め込まれ、そしてナット１９で締め付けられ、さらに緩み止めナット２０によりさらに締め付けられる。ここで、回転軸２のネジ部、ナット１９そして緩み止めナット２０のネジ部は図面の都合上省略した。
なお、回転軸２に設けた穴２１は、回転時の回転バランスを保つために軸心に対して可能な限り対称な形状であることが重要である。
また、リード線２２が回転軸２の外周に固着された場合は、リード線２２の重量、位置により回転バランスが悪化する恐れがある。これに対して、回転軸２２の軸心部に穴２１を設け、そこにリード線２２を設ければ、リード線２２の重量、位置の影響は小さくなる。これが、回転軸２の軸心部に穴２１を設けた理由である。【００１３】  圧電セラミック１８に交流電圧を印加するための超音波発振器８があり、リード線２２によりブラシ９に接続されている。ブラシ９は回転軸２に接合されたスリップリング３と電気的に接続されている。回転軸２の中心部に貫通する穴２１を設け、スリップリング３と圧電セラミック１８を接続するためのリード線２２を、その穴２１に通す。リード線２２は穴２１を通り回転軸２の外側に設けた４本の溝２３を通り、圧電セラミック１８に接続される。【００１４】  図５（Ａ）はその詳細を示すための回転軸の先端部の側面図（Ｂ）のＡ−Ａ線での断面平面図である。なお、図面の都合によりブレード６の外周部は省いた。そして図５（Ｂ）はその側面図である。回転軸２の先端部に９０度毎に４本の溝２３が設けられている。その溝の中にリード線２２が例えばエポキシ樹脂により埋め込まれる。そのリード線２２は回転軸２の穴を通り、回転軸２の先端に出て、締め付けナット２０そしてナット１９の下の４本の溝２３を通り、圧電セラミック１８に接続される。また、裏面の圧電セラミック１８にリード線２２を接続するためにブレードの穴を通している。【００１５】  図６は図１に示したブラシ９とスリップリング３の詳細を示す一部断面平面図である。回転軸２に接合された絶縁物であるアルミナ２４にスリップリング３を構成する円筒状の銅合金２５ａと断面が円の棒の銅合金２５ｂが固着されている。銅合金２５ａ、２５ｂの間には円筒状の絶縁性の樹脂２６があり、銅合金２５ａと銅合金２５ｂの間を絶縁している。これら銅合金２５ａ、２５ｂにブラシ９が接触している。さらにブラシ９の裏には同じく銅合金２５ａ、２５ｂがあり、この銅合金２５ａ、２５ｂにはリード線２２が接続されている。さらに銅合金２５ａ、２５ｂはバネ２７により回転軸方向に押し付けられている。バネ２７を押す機構は図面の都合により省略した。
なお、ブラシ９とスリップリング３は、可能な限り回転軸の軸心に対して対称形状にし、軸心からの距離を小さくする、そして質量を小さくすることが、回転慣性を小さくするために重要である。【００１６】  図７は、図１に示した圧電セラミック１８を接合したブレード６の詳細を示す平面図である。ブレード６に圧電セラミック１８そして第１、第２のフランジと接触する面に炭素繊維複合材料２８をエポキシ樹脂により接合する。この炭素繊維複合材料２８は、超音波振動により第１、第２のフランジ及びブレードが損傷することを防止する。なお、ブレード６に設けられたブレード穴２９は裏面の圧電セラミック１８にリード線２２を通すためのものである。なお表面と裏面はまったく同じ構成になっている。【００１７】  次にこの切断装置の運転方法について説明する。まず、モータ１のスイッチを入れ、モータ１を回転させ、この回転を第１のプーリー１１、ベルト１３そして第２のプーリー１２に伝達させ、回転軸２を回転し、ブレード６を回転させる。これとほぼ同時に超音波発振器８のスイッチを入れ、交流電圧をリード線２２、ブラシ９、スリップリング３、リード線２２を通し、そしてブレード６に接合した圧電セラミック１８に印加する。ブレード６は回転し、かつ超音波振動している状態になり、加工対象物を切断する。【００１８】  上記の切断装置によれば、回転軸に超音波振動が伝播することはほとんどないので、軸受が損傷または、磨耗することは、ほとんど無視できるほど小さいので回転精度が高くなり、加工精度が向上する。
また、回転軸に超音波振動子が接続していないので、慣性が小さいため高速回転が可能になり加工速度が向上する。
さらに、回転バランスを持たせるのが困難な超音波振動子を回転軸に持たないので、回転精度が高くなり、加工精度が向上する。【００１９】  図８は、第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部断面を含む平面図である。ステンレス製の回転軸２を回転させるための中空軸を持ったモータ１が備えられ、モータ１の上部には出力側ロータリートランス３１が接続されている。モータの下部にはフランジ３２そして回転軸２が接続されている。フランジ３２および回転軸２は中心部に貫通する穴２１が設けられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受７があり、さらにこの軸受７を固定するためのステンレスのケース１４がある。軸受７は、ベアリング軸受、静圧軸受など用途により使用する。回転軸の先端側には、先端にダイヤモンド砥石を持つステンレス棒３３を保持するためのチャック装置３４が接続されている。そしてステンレス棒３３がそのチャック装置３４により締め付けられている。ステンレス棒３３の上部には円筒状の圧電セラミック１８が接合されている。【００２０】  図９は圧電セラミック１８が接合されているステンレス棒３３の詳細を示す斜視図である。ステンレス棒３３の上部に圧電セラミック１８がエポキシ樹脂により接合している。圧電セラミック１８の形状は円筒状であり、図中の矢印で示すように軸心方向に分極している。そして円筒の内面と外面には銀電極が焼き付けられている。さらに内面の銀電極と外面の銀電極にはリード線２２がハンダにより接合されている。ステンレス棒３３の軸の下部にはダイヤモンド砥石３５が接合されている。【００２１】  圧電セラミック１８に交流電圧を印加するための超音波発振器８があり、リード線２２により入力側ロータリートランス３０に接続されている。モータの上部に接続された出力側ロータリートランス３１からのリード線２２はモータ１の中空軸を通り、次に回転軸２の中心部に貫通する穴２１を通り、チャック装置３４に保持されているステンレス棒３３に接合した圧電セラミック１８に接続される。【００２２】  次にこの平面研削装置の運転方法について説明する。まず、モータ１のスイッチを入れ、モータ１を回転させ、回転軸２とチャック装置３４およびステンレス棒３３を回転させる。これとほぼ同時に超音波発振器８のスイッチを入れ、交流電圧をリード線２２、入力側ロータリートランス３０、出力側ロータリートランス３１、リード線を通し、そしてステンレス棒３３に接合した圧電セラミック１８に印加する。ステンレス棒３３は回転し、かつ超音波振動している状態になりステンレス棒３３の先端に接合されているダイヤモンド砥石３５により加工対象物を平面研削する。【００２３】  上記の平面研削装置によれば、回転軸に超音波振動が伝播することはほとんどないので、軸受が損傷または、磨耗することは、ほとんど無視できるほど小さいので回転精度が高くなり、加工精度が向上する。
また、回転軸に超音波振動子が接続していないので、慣性が小さいため高速回転が可能になり加工速度が向上する。【００２４】  上記の発明において、回転軸の穴は貫通しているが、もちろん工具に交流電圧を印加することができれば穴は回転軸を貫通させなくてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２５】  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】
【００２６】
【図１】従来の超音波切断装置を示す構成を示す平面図である。
【図２】従来の超音波切断装置を示す構成を示す側面図である。
【図３】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図４】本発明の第一の構成の超音波切断装置の一部断面を含む平面図である。
【図５】本発明の第一の構成の回転軸の一部を示す平面図と側面図である。
【図６】本発明の第一の構成のブラシとスリップリングを示す断面平面図である。
【図７】本発明の第一の構成のブレードを示す平面図である。
【図８】本発明の第二の構成の超音波研削装置の一部断面を含む平面図である。
【図９】本発明の第二の構成の研削砥石を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】１    モータ
２    回転軸
３    スリップリング
４    超音波振動子
５    振動伝達方向変換器
６    ブレード
７    軸受
８    超音波発振器
９    ブラシ
１０  締め付けナット
１１  第１のプーリー
１２  第２のプーリー
１３  ベルト
１４  ケース
１５  突起
１６  第１のフランジ
１７  第２のフランジ
１８  圧電セタミック
１９  ナット
２０  緩みとめナット
２１  穴
２２  リード線
２３  溝
２４  アルミナ
２５  銅合金
２６  樹脂
２７  バネ
２８  炭素繊維複合材料
２９  ブレード穴
３０  入力側ロータリートランス
３１  出力側ロータリートランス
３２  フランジ
３３  ステンレス棒
３４  チャック装置
３５  ダイヤモンド砥石
【図１】
2006110972.tif 000003
【図２】
2006110972.tif 000004
【図３】
2006110972.tif 000005
【図４】
2006110972.tif 000006
【図５】
2006110972.tif 000007
【図６】
2006110972.tif 000008
【図７】
2006110972.tif 000009
【図８】
2006110972.tif 000010
【図９】
2006110972.tif 000011