(57)【要約】      （修正有）【課題】硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物に対して、優れた切断性能を安定して示す円盤状のブレードおよび優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供する。【解決手段】  回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレード１を持つ切断装置において、超音波振動子８を円盤状ブレード１の両側に配し、超音波振動子８の両側から２枚のサポート板７により固定したことを特徴とする。【選択図】  図４
2006346843.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持つ２個のサポート板があり、そのサポート板により両側から円盤状のブレードを、ネジを用いて締め付けることを特徴とする。
【請求項２】
フランジがサポート板を保持していることを特徴とする請求項１、２に記載の切断装置。
【請求項３】
超音波振動子がリング状圧電セラミックであり、そのリング状圧電セラミック内で分極方向が異なるかまたは電圧の印加方向が異なることを特徴とする請求項１、２に記載の切断装置。
【請求項４】
超音波発振回路を請求項１、２に記載の固定側ロータリートランスに接続してなる切断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる円盤状のブレードおよび切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切断あるいは溝入れするために、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。【０００３】  図１は、特許文献１に記載の従来の切断装置５の構成例を示す正面図であり、そして図２は、図１の切断装置５の側面図である。図１及び図２に示す切断装置５は、回転駆動装置６の回転軸３に取付けられた第一のフランジ２ａ、円盤状のブレード１、及び第二のフランジ２ｂ、そしてこれらのフランジ２ａ、２ｂによりブレード１を締め付け固定するためのナット４から構成されている。そして切断装置５の回転駆動装置６を作動させて円盤状のブレード１を回転させながら、加工対象物を切断あるいは溝入れを行う。【０００４】  一方、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削する方法は知られている。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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に、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。さらにそして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。【０００５】  特許文献２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。この切断装置は、円盤状のブレードを回転させ、かつ超音波振動子にて発生させた超音波振動を、回転軸を介して円盤状のブレードに付与しながら、ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する。この切断装置の円盤状のブレードは、振動伝達方向変換器とナットとにより締め付けられた状態で回転軸の先端に固定される。回転軸に付設された超音波振動子は、回転軸の軸方向に振動する超音波振動を発生させ、この超音波振動は、振動伝達方向変換器によりブレード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、ブレードに付与される。超音波振動の伝達方向を変換するため、回転軸や振動伝達方向変換器は、有限要素法などによる数値計算により所定の形状に設計される。
【特許文献１】特開平８−１２７０２３公報
【特許文献２】特開２０００−２１０９２８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】  上記の特許文献２に記載の切断装置においては、ブレードに付与する超音波振動の振動方向や振動数などを変更する場合には、有限要素法などによる数値計算を再度行って回転軸や振動伝達方向変換器の形状を設計し直す必要がある。また、この切断装置は、振動伝達方向変換器とナットとによるブレードの締め付け力の強弱により、ブレードに伝わる超音波振動の大きさが変化する可能性が高い。ブレードに伝わる超音波振動の大きさが変動すると、ブレードの径を拡縮させる方向の振動の大きさが変化して、ブレードの切断性能が変化してしまう。【０００７】  本発明の目的は、優れた切断性能を安定して円盤状のブレードを提供することにある。
本発明の目的はまた、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  本発明は、回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持つ２個のサポート板があり、そのサポート板により両側から円盤状のブレードを、ネジを用いて締め付けることにある。【０００９】  本発明はまた、フランジが前記サポート板を保持していることにある。【００１０】  本発明はまた、超音波振動子がリング状圧電セラミックであり、そのリング状圧電セラミック内で分極方向が異なるかまたは電圧の印加方向が異なることにある。【００１１】  本発明はまた、超音波発振回路を超音波振動子に接続してなる切断装置にある。
【発明の効果】
【００１２】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードは、サポート板を介して円盤状のブレードに超音波振動が励起されるので、回転軸など不要な部材に超音波振動を伝達することがないので、超音波振動を効率よく且つ安定に円盤状のブレードに付与することができる。このため、本発明の円盤状ブレードおよびこのブレードを備えた切断装置は、優れた切断性能を安定して示す。【００１３】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはまた、フランジによりサポート板を固定支持している。ブレードの剛性がフランジに比較して小さいときは、フランジにより直接ブレード表面を固定支持すると超音波振動は、ブレードの先端部に伝播させることが困難となる。そこで、フランジの直径より、剛性材料製のサポート板の直径を大きいか又は等しいようにすることで、超音波振動を効率よく且つ安定に円盤状のブレードに付与することができる。【００１４】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはさらに、円盤状のブレードを両側からサポート板で機械的に締め付け一体化する。このことにより円盤状のブレードが消耗して円盤状のブレードに変えるときにも、消耗した円盤状のブレードからサポート板を取り外し、新たな円盤状のブレードに取付けることができる。このことにより消耗するのは円盤状のブレードだけとなり、省資源、及び製造コストの低減に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】  図３の正面図、そして図３のＡ−Ａ線で切断した図４の断面図で実施の形態を示す。まず、中心軸に回転軸が通る貫通孔を持った接合ボルト１４に、外周部がテーパー状になったサポート板７ａを通す。外周部をテーパー状にすることで、円盤状のブレード１に拡がり振動変位だけにほぼすることができる。外周部がテーパー状でない場合は、円盤状のブレード１に切断方向と直交する方向の曲げ振動が発生する恐れがある。なお、接合ボルト１４の概略の形状は外径５０ｍｍ、内径４０ｍｍ、長さ１０ｍｍである。【００１６】  サポート板７ａは、以下のように作成した。外径９０ｍｍ、内径５０ｍｍ、外周部の厚さ１．５ｍｍ、圧電セラミック８ａの接合される部分の厚さ０．５ｍｍのアルミ合金製の剛性板１２ａに超音波振動子である外径７０ｍｍ、内径５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの圧電セラミック８ａをエポキシ樹脂で接合する。なお、剛性板１２ａは、振動損失の少ない超音波振動材料が望ましく、アルミ合金、チタンなどの金属、そしてアルミナ、ガラスなどの無機材料が適している。そして、圧電セラミック８ａの外側に圧電セラミックと同じ形状のガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａをエポキシ樹脂で接合する。【００１７】  次に同じく接合ボルトに外径１００ｍｍ、内径５０ｍｍそして０．１ｍｍ厚の金属性の円盤状のブレード１を通す。サポート板７ａと円盤状のブレード１の界面にグリースまたは接着剤などの接触媒質を用いると、サポート板７ａと円盤状のブレード１は、さらに一体の振動体となる。接着剤は、剥離剤などを用いて簡単に取り除けるものが、後の分解作業を考えると望ましい。なお、接触媒質については、非特許文献３に詳しく記述してある。ここに用いた円盤状のブレード１は、金属の表面に砥粒を固定したものである。なお、円盤状の金属基板の材料の例として、アルミニウム、鉄、ステンレスおよび超硬金属などがある。
【非特許文献３】実吉純一、「超音波技術便覧」、日刊工業新聞社、昭和６０年１２月、ｐ７２２−７２３
【００１８】  そしてサポート板７ｂを通す。このサポート板７ｂの形状は、サポート板７ａのブレードと接する面を対称面とする形状である。【００１９】  接合ボルト１４にサポート板７ａ、円盤状のブレード１、サポート板７ｂの順で挿入した後、接合ナット１５によりこれらを機械的に一体化する。これをサポート板／ブレード構成と呼ぶ。【００２０】  次にサポート板／ブレード構成をフランジで保持し、さらに回転軸に取付けた構成について図５の平面図と図５のＡ−Ａ線での断面図である図６を用いて説明する。【００２１】  スリーブ１０と内側のフランジ２ａを一体化したスリーブ１０／内側のフランジ２ａに回転側のロータリートランス９ａを図示しないネジにより固定する。そして、スリーブ１０の外径面に沿って、サポート板／ブレード構成を挿入する。次にフランジ２ｂを同じくスリーブ１０の外径面に沿って挿入する。さらにフランジナット１１によりこれらを一体化する。【００２２】  サポート板７ａ、７ｂに接触するフランジ２ａ、２ｂの面の形状は外径８５ｍｍ、内径８０ｍｍである。また、この部分はリング状の形状であり、外径８５ｍｍ、内径８０ｍｍ面を持ち、長さは約３ｍｍである。さらに、フランジ２ａ、２ｂの外周部は、テーパー状であり、振動が外周部で拡大する作用がある。図に示すようにブレードが非常に薄い場合は上に述べたフランジ２ａ、２ｂのリング形状の部分が振動の固定端になり、またサポート板とブレードの厚さの合計が大きくなれば、リング状の部分は、振動変形するので、円盤状のブレード１の先端にまで振動は伝播する。このようにサポート板７ａ、７ｂの厚さは重要であり、薄すぎると円盤状のブレード１の先端は振動しないか、要求する振動変位量にならない。このため、サポート板７ａ、７ｂの厚さを、有限要素法などの数値計算により決定する。【００２３】  その際、サポート板７ａ、７ｂの圧電セラミック８ａ、８ｂの電極と図示しないリード線の一方を接続する。リード線の他方は回転側のロータリートランス９ａに接続される。【００２４】  スリーブ１０／内側のフランジ２ａにサポート板／ブレード構成をフランジ２ｂとフランジナット１１により一体化したものを回転軸３にナット４により取付ける。【００２５】  次に上記の円盤状ブレード１を使用した切断装置の運転方法について同じく図６の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸３を回転させる。次にロータリートランス９ａ、９ｂを介してサポート板７ａ、７ｂを構成するリング状の圧電セラミック８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路からの超音波交流電圧を印加する。超音波交流電圧を印加することにより、サポート板７ａ、７ｂ及び円盤状のブレード１は、径方向の拡がり振動が励起される。次に回転する円盤状ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。【００２６】  円盤状のブレード１の径方向の拡がり振動モードを励起する固有振動数の周波数の電圧を圧電セラミック８ａ、８ｂに印加することにより、１００Ｖ以下の低い電圧でブレードの先端部に約１０ミクロン程度の振動変位を容易に励起できる。【００２７】  円盤状のブレード１の厚さが２ｍｍ以下、特に１���ｍ以下の場合、フランジ２ａ、２ｂをブレード１に押し付けることにより、圧電セラミックの振動を、ブレードの先端部に振動を伝播させるのが困難になる。【００２８】  そこで本発明のサポート板７ａ、７ｂの外径がフランジ２ａ、２ｂの外径より大きいか等しくする手段を用いることで、圧電セラミックの振動をブレードの先端部に伝播させることができる。そしてこの構成にすることで、製造できるブレード厚さ現在では５０ミクロン程度までのブレードを使用できる。さらに薄いブレードも適用可能であると考えられる。【００２９】  上記の構成によれば従来の円盤状のブレードをそのまま用いることができるので、特に改めてブレードを特別に製作する必要がない。【００３０】  また、サポート板／ブレード構成とこれに接触するフランジの一部だけが振動するだけなので、他の部分にはほとんど振動が伝播することがないため不要な振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、ブレードの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。【００３１】  また、回転軸には、ほとんど振動が伝播することがないので回転軸と回転軸を回転自在に支持する軸受けの損傷の恐れほとんどない。【００３２】  さらに、円盤状のブレードが消耗したときには、サポート板から円盤状のブレードを取り外し新しい円盤状のブレードに交換することができる。これにより、消耗するのは円盤状のブレードだけとなり、超音波振動を印加することにより、従来の切断方法に比較して、ブレードの消耗量は大幅に小さくなるため、省資源かつ製造コストの削減ができる。【００３３】  上記のように、ブレードおよびフランジの一部にだけ振動させることができることにより加工精度の高い、信頼性の高い切断装置を提供できる。【００３４】  また、上記の実施の形態では金属製のブレードを用いたが、レジン製のブレードでも同じ効果が得られる。【００３５】  さらに、上記の実施の形態では超音波振動子がリング状圧電セラミックであり、かつ分極方向が同一であり、円板の拡がり振動を励起するものであった。しかし、円板の面内屈曲振動を励起するために、リング状圧電セラミック内で分極方向が異なるかまたは電圧の印加方向が異なるものも使用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】  本発明の円盤状のブレードおよび切断装置は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来の切断装置の構成例を示す正面図である。
【図２】図１の切断装置の側面図である。
【図３】本発明の円盤状ブレードとサポート板などを示す正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図５】本発明の円盤状ブレードとサポート板などを回転軸に取付けた正面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００３８】  １    ブレード
２    フランジ
３    回転軸
４    ナット
５    切断装置
６    回転駆動装置
７    サポート板
８    圧電セラミック
９    ロータリートランス
１０  スリーブ
１１  フランジナット
１２  剛性板
１３  絶縁板
１４  接合ボルト
１５  接合ナット
【図１】
2006346843.tif 000003
【図２】
2006346843.tif 000004
【図３】
2006346843.tif 000005
【図４】
2006346843.tif 000006
【図５】
2006346843.tif 000007
【図６】
2006346843.tif 000008