(57)【要約】【課題】  機械加工装置にワークを固定保持する加工テーブルにおいて、加工テーブル全体にほぼ均一な超音波振動を与え、機械加工速度および加工精度を向上させることを提供すること。【解決手段】  超音波振動テーブル９は、アルミ製のテーブル１０、フロントマスがステンレス材料であるＳＵＳ３０４である４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄそしてベース台１１で構成されている。アルミ製のテーブル１０と４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、ネジまたはエポキシ樹脂などで接合する。４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１と制振合金製のベース台１１はネジで接合する。【選択図】  「図３」
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定保持するテーブル装置において、１個以上の超音波振動子を有し、かつ前記超音波振動子がボルト締めランジュバン型振動子であり、そのフロントマスの材料の密度が５０００ｋｇ／ｍ３以上であることを特徴とする超音波振動テーブル。
【請求項２】
前記のボルト締めランジュバン型振動子フロントマスの重量がリアマスの重量の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項３】
前記のボルト締めランジュバン型振動子の機械的共振の尖鋭度が５００以下であることを請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項４】
前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの材料とテーブル材料の材料が異なることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項５】
前記のボルト締めランジュバン型振動子のフロントマスの材料の密度がテーブル材料の密度より大きいことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項６】
前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子の重量がテーブルの重量の１．３倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項７】
前記のボルト締めランジュバン型振動子に印加する交流電圧の周波数が１５Ｋｈｚ以上、１００Ｋｈｚ以下であることを特徴とする請求項１から請求項６に記載の超音波振動テーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの難切削材料および一般の金属材料、有機材料、無機材料およびそれらを複合化した材料の切断、研削及び研磨加工に用いられる超音波振動テーブルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  一般に、ガラス、セラミック、シリコーン、チタン、超硬金属などの硬度が高い脆性材料を切断、研削等の加工を施すことは、非常に困難であり従来から工具に超音波振動を加え加工することが行われている。このような超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度の向上につながってくる。なお超音波切削加工について「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている。【０００３】また、ワークを固定する加工台に超音波振動を与え、これをワークに伝播させ、超音波切削加工を行うことが従来よりよく知られていることである。例えば、特開２００２−３５５７２６号公報には、図７に示すように超音波振動テーブルは、工作機械のベッドに取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置であり、アルミニウム製のケーシングにシールド用のゴム板を介して固定され、上下に振動する超音波振動装置と超音波振動装置の上端部に、その下側中間部を固定されてワークを固定する振動テーブルと、振動テーブルの外側下部から下方に突出し、ケーシングの超音波振動装置の外側に形成された案内用凹部に挿入されて振動テーブルの横移動を制限しながら上下方向に案内するガイド部材とを有している。ケーシングは、上方に開口した箱状に形成され、内周上部には、内側に突出するリング状の内フランジ部が形成されている。内フランジ部の複数箇所には、上下に貫通する雌ねじ部が形成されている。ケーシングに設けられた鉄製の裏面プレートは、ボルト部材によって着脱可能に形成されている。
【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、超音波切削加工においては、工具が大型化した場合は、ワークと接触する工具の加工部分に均一な超音波振動を与えることが非常に難しい。
また、工具が小型化した場合、超音波振動を与える装置も小型化しなければならない。超音波振動装置が小型化すればするほど工具に与えられる振動エネルギーは小さくなってしまう。このため、工具が小型であるときは、超音波切削加工能力は小さくなってしまう欠点がある。【０００５】  一方、上記の超音波振動テーブルは、工具の形状と関係なく振動させることができる。しかし、超音波振動子の超音波放射面の面積はテーブルの面積に比較して小さいためテーブル全体には均一に振動変位が得られないという欠点がある。
また、テーブルあるいはワークの重量または形状により超音波振動テーブルの振動が大きく影響されるという問題点がある。
本発明の目的は上述の問題点を解消する超音波振動テーブル提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定保持するテーブル装置において、１個以上の超音波振動子を有し、かつ前記超音波振動子がボルト締めランジュバン型超音波振動子であり、そのフロントマスの材料の密度が５０００ｋｇ／ｍ３以上である超音波振動テーブルとするものである。【０００７】前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子フロントマスの重量がリアマスの重量の２倍以上である超音波振動テーブルとするものである。【０００８】前記のボルト締めランジュバン型振動子の機械的共振の尖鋭度が５００以下である超音波振動テーブルとするものである。【０００９】前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの材料とテーブル材料の材料が異なる超音波振動テーブルとするものである。【００１０】前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの材料の密度がテーブル材料の密度より大きい超音波振動テーブルとするものである。【００１１】前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子の重量がテーブルの重量の１．３倍以上である超音波振動テーブルとするものである。【００１２】前記のボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加する交流電圧の周波数が１５Ｋｈｚ以上、１００Ｋｈｚ以下である超音波振動テーブルとするものである。
【発明の効果】
【００１３】  本発明の超音波振動テーブルは、テーブル表面にほぼ均一の大きさの超音波振動が励起できるので、この面に保持固定されるワークにも場所によらず、ほぼ均一の大きさの超音波振動が伝播する。その結果、テーブルに保持固定されるワークの位置及びワークの大きさにほぼ影響を受けることなく、前記保持固定されたワークの加工速度の向上と難加工材料の加工および加工精度の向上が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の超音波振動テーブルに用いるボルト締めランジュバン型超音波振動子を示す平面図であり、そして図２はその側面図である。【００１５】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子については、「超音波工学」（丸善株式会社コロナ社、１９９３年発行）１２〜２２ページに詳しく記載されている。
一般的なボルト締めランジュバン型超音波振動子１の構成を図５の平面図および図５のＡ−Ａ線で切断した側面断面図を図６に示す。電極板５の両側に圧電セラミック４を配置し、その外側にフロントマス２とリアマス３を配置し、これらをボルト６とナット７で締め付けて一体化した振動子をボルト締めランジュバン型超音波振動子１と呼んでいる。出力側のフロントマス２には連結ねじが設けてある。このボルト締めランジュバン型超音波振動子は、ある周波数の交番電界が圧電セラミックに加わることによって生ずる振動が機械的接合面を通して金属ブロック（フロントマスとリアマス）を含めた範囲で定在波を発生したとき、機械的共振を起こす。
なお、一般的に金属ブロック（フロントマスとリアマス）は密度が５０００ｋｇ／ｍ３以下のチタン合金、ジュラルミン、アルミニウムで機械的品質係数Ｑが３０００を超える高い数値の材料が用いられている。【００１６】  図１及び図２に示すボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、超音波振動テーブル用に設計したものであり、フロントマス２に密度が約７９００ｋｇ／ｍ３のステンレス材料であるＳＵＳ３０４を使用している。フロントマス２にはメネジが設けられている。また、リアマス３もステンレス材料であるＳＵＳ３０４である。圧電素子はＰＺＴ系圧電セラミック４であり、機械的品質係数Ｑが１０００を超えるｈｉｇｈＱ材である。また、振動の節を支持するためとベース台に取り付けるためのステンレスＳＵＳ３０４製のサポート台７がある。サポート台８の形状は、円筒形をしている。さらに、これらを締め付け一体化するためのボルト６およびナット７は同じくステンレス製であり、ＳＵＳ３０４である。また、２個の圧電セラミック４の間にある電極板はリン青銅製である。この電極板は図面を簡略化するため図示しない。
そして、組み立てたボルト締めランジュバン型超音波振動子１の機械的共振の尖鋭度は約２００であり、チタン合金、ジュラルミン、アルミニウムをフロントマスあるいはリアマスに用いた一般的なボルト締めランジュバン型超音波振動子１の機械的共振の尖鋭度は１０００以上であり、一般的なものに比較すると半分以下の数値になっている。
これは、フロントマスおよびリアマスの材料とその形状が大きく影響されているものと考えられる。【００１７】  実際に製作したフロントマス２の重量は約７１２グラムであり、リアマス３の重量は約１８４グラムであるのでフロントマス２の重量はリアマス３の重量に比較して約３．９倍であった。ボルト６は約５６グラムであった。したがって、フロントマスの重量はリアマス３およびボルトの合計重量に比較して約３．０倍であった。
また、圧電セラミック、サポート台および電極板も含めたボルト締めランジュバン型超音波振動子１の重量は約１２４７グラムである。【００１８】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子の機械的共振の尖鋭度の測定方法は、ＥＩＡＪＡＥ−４００６「ボルト締めランジュバン型超音波振動子の振動特性の測定法」（社団法人日本電子機械工業会、１９９２年発行）に詳しく記載されている。【００１９】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子の機械的共振の尖鋭度が小さいときは、機械的振動損失は大きいが、機械的負荷に対しては安定する。
超音波振動テーブルは、ワークの重量およびワークを固定する装置の重量が一定ではないため、機械的負荷に敏感な機械的共振の尖鋭度が大きいボルト締めランジュバン型超音波振動子は不適である。つまり、機械的負荷が変化したときには大きく振動状態が変化してしまう。
これに対して機械的共振の尖鋭度が小さいボルト締めランジュバン型超音波振動子は、機械的負荷がないときとあるときの変化が小さいため、ワークの重量およびワークを固定する装置の重量が一定ではないときでも振動状態は大きくは変化しない。【００２０】  機械的共振の尖鋭度が小さいボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成するには、
１）フロントマスの重量をリアマスの重量に比較して２倍以上にする。
２）フロントマスの材料を密度が５０００ｋｇ／ｍ３以上ものにする。かつ、望ましくはフロントマスの材料の機械的品質係数Ｑが３０００以下の金属が望ましい。【００２１】  なお、金属材料の超音波振動時の機械的品質係数Ｑについては、「超音波技術便覧」（日刊工業新聞社、昭和６０年発行）１６４７、１６４８、１８８５ページに詳しく記載されている。【００２２】  図３は、本発明の超音波振動テーブル９の一例を示す平面図であり、そして図４はその側面図である。超音波振動テーブル９は、アルミ製のテーブル１０、図１，２に示した４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄそしてベース台１１で構成されている。アルミ製のテーブル１０と４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１は、ネジまたはエポキシ樹脂などで接合する。４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１と制振合金製のベース台１１はネジで接合する。【００２３】  次にこの超音波振動テーブル９の動作方法について説明する。ダイサーにこの超音波振動テーブル９を取り付ける。そして切削すべきセラッミク製のワークを、ワークを固定する固定板とともに超音波振動テーブル９の上に載せる。なお、超音波振動テーブル９にワークを含む固定板を保持固定するには、ワックスによる接着、超音波振動テーブル９にネジ等により固定する、磁気的に固定する、静電的に固定する、冷凍して固定するなどの方法がある。【００２４】  次に、４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに高周波交流電源より約２０Ｋｈｚの交流電圧を印加する。これにより４個のボルト締めランジュバン型超音波振動子は超音波振動する。【００２５】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子の振動は密度が約２７００ｋｇ／ｍ３そして重量が約６８４グラムのアルミ製のテーブルを通してワークに伝播する。ワークに超音波振動が励起されると、超音波加工になりダイサーの切断能力は大きく向上する。【００２６】  切断効果の具体的な数値ではダイサーのスピンドル電流が約２０パーセント低くなり、ブレードの消耗量は約４０パーセント小さくなった。【００２７】  これは「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている効果である。つまり、超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなることを証明している。【００２８】  また、ダイサーの加工条件を変えても同様の効果が確認できた。さらに切断されたセラッミク製のワークのチッピングも大幅に減少した。このように加工精度の向上にもつながった。これについても「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている内容の効果が確認された。【００２９】  ここで約６８４グラムのアルミ製のテーブル１０を同じ寸法で重量約２ｋｇのステンレス材ＳＵＳ３０４製のテーブル１０に取替え、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄの振動をステンレス材ＳＵＳ３０４製のテーブルを通してワークに伝播させる試みをしたが、テーブル上面の振動はアルミ製のテーブルに比較して半分以下であった。この原因は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマス材料の音響インピーダンスとテーブル材料の音響インピーダンスが等しいかまたは近いと状態になるとボルト締めランジュバン型超音波振動子とテーブルが一体の構造物として振動してしまうため所望のテーブルの縦振動が得られないためと考えられる。したがって、テーブルの材料はボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマス材料と異なり、かつ負荷として小さいことが望ましいので密度が５０００ｋｇ／ｍ３未満であることが望ましい。【００３０】  また、図１及び図２に示すボルト締めランジュバン型超音波振動子１と同じ形状でフロントマス２をアルミとしたものにアルミ製のテーブル１０を取り付けたもの、ＳＵＳ３０４製のテーブル１０を取り付けたものの両方ともテーブル上面の振動は、図３、図４で示した構成に比較して半分以下になった。【００３１】  この原因は、アルミ製のテーブル１０を用いたときはボルト締めランジュバン型超音波振動子１のフロントマス材料の音響インピーダンスとテーブル材料の音響インピーダンスが等しいかまたは近いと状態になるとボルト締めランジュバン型超音波振動子とテーブル１０が一体の構造物として振動してしまうため所望のテーブルの縦振動が得られないためと考えられる。
また、ＳＵＳ３０４製のテーブル１０は約２ｋｇであり、１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１の重量は１２４７グラムであり、１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１としては、自重より大きい負荷になり、テーブル１０が振動の節に近い状態になる。つまり、テーブル材料は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１のフロントマス２より密度が小さくなることが望ましい。【００３２】  さらに図１及び図２に示すボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスをＳＵＳ３０４製の円筒形で重量が３１３グラムのものに変更した。このようにフロントマスの重量を小さくしたものは変更前のものに比較してランジュバン型超音波振動子のフロントマスの振動面の振動変位は大きいものであった。しかし、アルミ製のテーブル１０を取り付けテーブルの振動を測定したところ図１、図２の構成に比較して半分以下であった。また、ＳＵＳ３０４製のテーブルを取り付けテーブル上の振動を測定したところ図１、図２の構成に比較して半分以下であった。【００３３】  この原因は、アルミ製のテーブル１０の重量は約６８４グラムであり、１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子１の重量は８４８グラムであり、アルミ製のテーブルに対して１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子の重量は、約１．２倍であり、やや大きい負荷になり、テーブルが振動の節に近い状態になる。
またＳＵＳ３０４製のテーブル１０を用いたときはボルト締めランジュバン型超音波振動子１のフロントマス材料の音響インピーダンスとテーブル材料の音響インピーダンスが等しいかまたは近いと状態になるとボルト締めランジュバン型超音波振動子とテーブルが一体の構造物として振動してしまうため所望のテーブルの縦振動が得られないためと考えられる。
そして、１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子の重量は８４８グラムであり、ＳＵＳ３０４製のテーブルは約２ｋｇであるので、１個のボルト締めランジュバン型超音波振動子に対してＳＵＳ３０４製のテーブルの重量は約２．４倍であり、大きい負荷になり、テーブルが振動の節に近い状態になると考えられる。【００３４】  以上の結果から超音波振動テーブルが正常に動作する条件としては、
１）ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの重量をリアマスの重量に比較して２倍以上にする。
２）ボルト締めランジュバン型超音波振動子フロントマスの材料を密度が５０００ｋｇ／ｍ３以上ものにする。かつ、望ましくはフロントマスの材料の機械的品質係数Ｑが３０００以下の金属が望ましい。
３）ボルト締めランジュバン型超音波振動子の機械的共振の尖鋭度が５００以下望ましくは３００以下であること。
４）ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの材料とテーブル材料の材料が異なること。
５）ボルト締めランジュバン型超音波振動子のフロントマスの材料の密度がテーブル材料の密度より大きいこと。
６）ボルト締めランジュバン型超音波振動子の重量がテーブル材料の重量の１．３倍以上であること。
となる。以上の１）から６）の条件を満足する超音波振動テーブルを構成することが必要である。【００３５】  なお超音波振動テーブルは、振動数が１５ＫＨｚ以下になってしまうと騒音が大きくなってしまい、１００ＫＨｚを超えるランジュバン型の超音波振動子の振動振幅は小さく振動テーブルの振動源としては適さない。【００３６】  したがって、超音波振動テーブルは、ボルト締めランジュバン型超音波振動子に印加する交流電圧の周波数が１５Ｋｈｚ以上、１００Ｋｈｚ以下であることが望ましい。【００３７】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子１のフロントマスとテーブル１０の音響インピーダンスを大きく異ならせるためにフロントマスまたはテーブルに繊維複合材料を接合することもできる。【００３８】  ボルト締めランジュバン型超音波振動子の機械的共振の尖鋭度をさらに小さくするために圧電セラミックに機械的品質係数Ｑが３００以下のＬＱ材を用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】  本発明の超音波振動テーブルは、機械加工設備などにおいて使用される加工テーブルとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の超音波振動テーブルに用いるボルト締めランジュバン型超音波振動子の平面図である。
【図２】本発明の超音波振動テーブルに用いるボルト締めランジュバン型超音波振動子の側面図である。
【図３】本発明の超音波振動テーブルの構成を示す平面図である。
【図４】本発明の超音波振動テーブルの構成を示す側面図である。
【図５】従来のボルト締めランジュバン型超音波振動子の平面図である。
【図６】従来のボルト締めランジュバン型超音波振動子の側面断面図である。
【図７】従来の超音波振動テーブルの側面図である。
【符号の説明】
【００４１】１    ボルト締めランジュバン型超音波振動子
２    フロントマス
３    リアマス
４    圧電セラミック
５    電極板
６    ボルト
７    ナット
８    サポート台
９    超音波振動テーブル
１０  テーブル
１１  ベース台
【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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