(57)【要約】【課題】樹脂材料に対して短時間で高精度な加工ができる超音波加工方法を提供する。【解決手段】樹脂材料の被加工部へ水が供給された状態で超音波加工を行うとともに、樹脂材料にかかる圧力を検出し、検出された圧力を振動子２にフィードバックして超音波発振を自動停止させることにより、樹脂が急冷されることとなり、加工部周辺の樹脂塊の発生を抑制することができ、バリの除去が容易になるとともに、高精度な超音波加工が可能となる。【選択図】図１
2006142733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動子より発振された超音波を用い、超音波ホーンにて樹脂材料に加工を行う超音波加工方法において、前記樹脂材料の被加工部へ水が供給された状態で加工を行うとともに、樹脂材料にかかる圧力を検出し、検出された圧力を振動子にフィードバックして超音波発振を自動停止させることを特徴とする超音波加工方法。
【請求項２】
超音波ホーンを樹脂材料に押し当てた状態で超音波発振することにより、前記樹脂材料の、超音波ホーンとの接触部を発熱溶融させ、加工または超音波ホーンの形状を転写することを特徴とする請求項１記載の超音波加工方法。
【請求項３】
樹脂材料を加工する超音波ホーンと、前記超音波ホーンへ超音波を発信する振動子と、前記樹脂材料を固定し位置合わせをするステージと、前記樹脂材料へかかる圧力を検出する圧力センサと、前記樹脂材料の被加工部へ水を供給する水供給手段とを設けたことを特徴とする超音波加工装置。
【請求項４】
圧力センサはステージの樹脂材料設置位置の下部に配置されて振動子と接続されており、前記圧力センサによって検出された超音波ホーンの前記樹脂材料に対する圧力を前記振動子にフィードバックすることにより、超音波発振の自動停止を行う構成とした請求項３記載の超音波加工装置。
【請求項５】
超音波ホーンの、樹脂材料に押し当てる部分が、前記樹脂材料に加工または転写を行う目的の形状を有し、超音波発振による超音波ホーンと前記樹脂材料との接触部の発熱溶融により、前記樹脂材料を目的の形状に加工し、または前記樹脂材料に目的の形状に転写することを特徴とする請求項４記載の超音波加工装置。
【請求項６】
超音波ホーンは樹脂材料へ押し当てる部分がすべて面接触する形状を有し、底面部と側面部とのなす角の補角を90度以下としたことを特徴とする請求項５記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波により樹脂材料の成形または加工を行う超音波加工方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波加工方法及びその装置としては、水中の超音波加工によって樹脂材料の加工時に発生したバリを除去させるものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
前記特許文献１に記載の従来の超音波加工方法及びその装置おいては、樹脂材料はあらかじめ一時加工されており、一時加工の際に発生した微細なバリをキャビテーションにより加工または除去していた。
【特許文献１】特開２００２−５９３２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の超音波加工方法及びその装置はキャビテーションによるバリの除去を行うことを目的とするものであり、その構成では、超音波を用いた樹脂材料の加工を行うことができない。
【０００５】
また加工制御を移動距離、時間で制御する場合、ロット変化、材料変化、加工面積の変化により溶融または軟化する樹脂材料を精度良く加工できない。また、加工中に加工表面から発生した溶融または軟化した樹脂は加工部周辺で樹脂塊となって付着する為、樹脂の塊の除去が困難であるという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、樹脂材料の高精度加工に必要な溶融または軟化樹脂の制御により、光学部品に代表される樹脂材料の高精度な超音波加工方法および超音波加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の超音波加工方法は、  振動子より発振された超音波を用い、超音波ホーンにて樹脂材料に加工を行う超音波加工方法において、前記樹脂材料の被加工部へ水が供給された状態で加工を行うとともに、樹脂材料にかかる圧力を検出し、検出された圧力を振動子にフィードバックして超音波発振を自動停止させることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の超音波加工装置は、樹脂材料を加工する超音波ホーンと、前記超音波ホーンへ超音波を発振する振動子と、前記樹脂材料を固定し位置合わせをするステージと、前記樹脂材料へかかる圧力を検出する圧力センサと、前記樹脂材料の被加工部へ水を供給する水供給手段とを設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
本構成によって、除去困難な加工部周辺の溶融樹脂塊を水冷により制御し、圧力検出によって押し当て圧力に応じて超音波発振を自動停止することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の超音波加工方法および超音波加工装置は、次のような優れた効果が期待できる。
【００１１】
即ち、樹脂材料の被加工部へ水が供給された状態で超音波加工することで、超音波ホーンと樹脂の接触部分は超音波による発熱によって溶融または軟化し加工されるが、超音波発振が停止したと同時に加工部の樹脂は水によってガラス転移温度以下に急冷される為、樹脂材料は超音波加工によって形成された加工形状を精度良く保持することが可能である。また、加工によって発生する溶融樹脂も同様に、水によって急冷されるため連続した薄いバリとなって加工部外へ放出される為、加工部分周辺に樹脂塊として付着することがない。
【００１２】
また、超音波ホーンの樹脂への押し付け圧力を加工中に検出し、押し付け圧力が設定値よりも小さくなった時に超音波発振を停止することで、圧力不足時の超音波発熱の発生を防止し、高精度な加工をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施の形態における超音波加工装置の構成図である。
【００１５】
図１において、ワーク４は熱可塑性樹脂材料（例えばアクリル樹脂、ポリカーボネートポリメタクリル酸メチルなど）からなり、水槽８中に設けられたステージ９上へ真空吸引により固定されている。水７は加工の際、超音波ホーン３とワーク４の接触面が十分に浸る量が入っている。超音波ホーン３（例えばチタン合金、ステンレスなど）はワーク４の被加工部の上からエアー圧力によって押し付けた状態で超音波発振が可能である。押し付け圧力はレギュレータ１による設定が可能である。２は振動子で、この振動子２で発生した超音波（１５〜６０ＫＨｚ）は超音波ホーン３先端で超音波エネルギーが最大（振幅５〜60μｍ）となるように構成されている。
【００１６】
超音波ホーン３のＺ軸方向（加工深さ方向）の終点ポイントはＺ軸ガイド６の押し上げ量によって設定可能である。ステージ９は上下左右とチルト調整が可能であり、上下左右方向は自動送りと送り速度設定が可能である。また、ワーク固定位置下には圧力センサ５が設けられており加工中のワーク４にかかる圧力をリアルタイムで検出し、検出結果はフィードバック機構によって振動子２へ伝えられる。圧力センサ５の検出圧力が設定値以下になった時に振動子２の発振を停止するような自動停止タイミングの設定が可能である。
【００１７】
図２は本実施の形態における超音波加工装置を用いた超音波加工方法を示すフローチャートである。フローチャートに従って超音波加工装置の動作を以下（１）〜（５）の順に説明する。
【００１８】
（１）ワーク４をステージ９へ固定しアライメント調整を終えた後、ステージ９をＺ軸ガイド６により上昇させ超音波ホーン３とワーク４のゼロ点位置を圧力センサの検出結果により決定する。
【００１９】
（２）レギュレータ１の調整によりワーク４への押し付け圧力を決定し、圧力センサ５の検出結果より圧力設定を確認する。
【００２０】
（３）ワーク４の加工量をステージ９の最終押し上げ量（１μｍ〜１０ｍｍ）、押し上げスピード（０．１μｍ／ｓ〜１０ｃｍ／ｓ）の設定により決定する。また、圧力センサ５の発振停止圧力を決定する。
【００２１】
（４）振動子２の発振を開始し、ワーク４に対する加工を開始する。
【００２２】
（５）超音波ホーン３とワーク４界面は超音波による発熱により加工が行われる。（３）で設定した加工終了ポイントに到達すると、圧力センサ５の検出圧力は発振停止圧力を下回る為、自動的に超音波発振は停止し、加工が終了する。
【００２３】
図３は圧力センサ５の検出圧力の時間的変化と振動子２のＯＮ、ＯＦＦ状態との関係を示すタイミングチャートである。
【００２４】
加工前の検出圧力はレギュレータ１の設定圧力と同じである。発振停止圧力を決定し、超音波加工を開始する。超音波加工中は設定圧力をほぼ維持している。加工終点ポイントに近づくにつれ検出圧力は低下する。検出圧力が発振停止圧力以下となった時に振動子はＯＦＦとなり加工が停止する。
【００２５】
図４は超音波ホーン３の形状を示す概略図であり、図４（ａ）はその側面図、図４（ｂ）はその正面図である。
【００２６】
超音波加工精度は超音波ホーン３の側面３ａ、底面３ｂの形状に依存する。超音波ホーン３は押し付け圧力を加えた状態で加工する為、被加工部と超音波ホーン３の接触部分全面に設定した押し当て圧力がかかるように設計する必要がある。そのために、側面３ａと底面３ｂとのなす角の補角は１０〜９０°の角度とする必要がある。
【００２７】
図５は水中加工の状態を説明する断面図で、図５（ａ）は加工前の状態を示し、図５（ｂ）は加工中の状態を示している。
【００２８】
水槽８中のステージ９にワーク４を固定した状態で、超音波ホーン３を押し当て超音波を発振する。超音波ホーン３とワーク４それぞれの相互の界面３ａ、４ａは超音波振動により発熱し樹脂材料が溶融することで加工される。溶融した樹脂は水７によってガラス転移点以下に急冷され、冷却後の樹脂は加工部から薄いバリ４ｂとなって外へ吐き出される。薄いバリ４ｂは加工部周辺に樹脂塊となって付着しない為、加工後に切断することで容易に除去可能となる。
【００２９】
尚、被加工部を冷却する方法として水７を用いたが、熱容量が大きく、ワーク４に影響を及ぼさない液体であっても実施可能である。
【００３０】
また、本超音波加工装置の構成として水槽８を設けたが、被加工部に水が存在すれば良いので、水７の外部供給などによっても実施可能である。
【００３１】
また、超音波の周波数、振動方向、振幅の仕様は一例として上記のように示したが、それ以外の仕様でも実施可能である。
【００３２】
また、ワーク４の固定方法は真空吸着の例で示したが、その他の固定方法であっても実施可能である。
【００３３】
また、ここでは超音波ホーン３の底面形状３ｂを円形で示したが形状、底面積、側面積は目的に応じて変更可能である。
【００３４】
また、底面３ｂまたは側面３ａに任意の微細溝形状を施すことで、ワーク４へ超音波ホーン３の溝形状を転写することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の超音波加工方法及びその装置は、超音波加工によって形成された樹脂材料の加工形状を精度良く保持することを可能とし、また、加工部分周辺に樹脂塊が付着することがなくなると共に、押し付け圧力が設定値よりも小さくなった時に超音波発振を停止することにより、圧力不足時の超音波発熱の発生を防止し、高精度な加工をすることができるという効果を有し、精密樹脂部品の超音波加工の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施の形態における超音波加工装置の構成図
【図２】本発明の一実施の形態における超音波加工のフローチャート
【図３】検出圧力の時間的変化と振動子のＯＮ、ＯＦＦ状態との関係を示すタイミン  グチャート
【図４】（ａ）超音波ホーンの形状を示す概略図であり、その側面図（ｂ）超音波ホーンの形状を示す概略図であり、その正面図
【図５】（ａ）水中加工の加工前の状態を示す断面図（ｂ）水中加工の加工中の状態を示す断面図
【符号の説明】
【００３７】
２    振動子
３    超音波ホーン
４    ワーク
５    圧力センサ
７    水
８    水槽
９    ステージ
３ａ  超音波ホーン側面
３ｂ  超音波ホーン底面
【図１】
2006142733.tif 000003
【図２】
2006142733.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006142733.tif 000006
【図５】
2006142733.tif 000007