(57)【要約】【課題】  加工精度が高く、かつ信頼性の高い超音波加工する工具ホルダを提供すること。【解決手段】  超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５そしてマニピュレータ把持用溝６がある。ホルダ部２の円筒形状の空間２３を持つ部分のリアマス１１に複数の貫通するスリット２４を設ける。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５の間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。超音波工具ホルダ１のホルダ部２、リアマス１１、そしてチャック筒３は一体の鋼材で作成する。そしてリアマス１１と鋼製のフロントマス１３の間に圧電セラミック１２ａ、１２ｂ入れ、締め付け一体化する。そして、チャック筒３に焼嵌めにより超硬製の工具４であるエンドミルを接合する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転加工装置の工具を保持する超音波工具ホルダにおいて、工具と超音波振動子部の間のホルダ部に複数の空間部を有することを特徴とする。
【請求項２】
工具ホルダに保持固定される工具が、エンドミル、ドリル、リーマそしてタップであることを特徴とする請求項１に記載の回転加工装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転する工具を保持する超音波工具ホルダに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  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、ワーク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、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。また、本発明者の出願特許２００６−３０８４２３に記載の切断装置において、毎分１万回転を超えるブレードに超音波振動を印加することにより従来切断が困難であったサファイア基板を切断することも可能となった。【０００３】  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１に示す超音波研削装置は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。【０００４】  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。
【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】
【０００５】  図１の超音波研削装置は、回転軸に超音波振動子を取り付けているため、回転軸も超音波振動するので軸受を通して装置全体に不要な振動を発生させる。この不要な振動は、加工精度を低下させる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生する恐れがある。【０００６】  さらに、工具を効率的に振動させるためには工具を保持する装置より先の工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。【０００７】  本発明の目的は、高効率、高精度および高い信頼性をもつ超音波加工法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、回転加工装置の工具を保持する超音波工具ホルダにおいて、工具と超音波振動子部の間のホルダ部に複数の空間部を有するものである。【０００９】  本発明はまた、前記超音波工具ホルダに保持固定される工具が、エンドミル、ドリル、リーマそしてタップであるものとすることである。
【発明の効果】
【００１０】  本発明の超音波工具ホルダを使用して、旋盤、フライス盤、ミリング装置などの機械加工機に用いて超音波加工を行うことにより高精度かつ高速加工を可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】  図２は、本発明の第１の実施の形態の超音波工具ホルダ１の基本的な構成を示す斜視図である。焼嵌め式の超音波工具ホルダ１は、回転軸に取り付けるテーパー状の鋼製のホルダ部２があり、そのホルダ部２の中に顎５そしてマニピュレータ把持用溝６がある。ホルダ部２のテーパー状の部分と同じくホルダ部２の顎５の間に回転側のフェライト製のロータリートランス８を配置する。そしてその回転側のロータリートランス８を固定するためにメネジを持つ鋼製の固定リング７により締め付け固定する。【００１２】  超音波工具ホルダ１のホルダ部２、リアマス１１、そしてチャック筒３は一体の鋼材で作成する。そしてリアマス１１と鋼製のフロントマス１３の間に圧電セラミック１２ａ、１２ｂ入れ、締め付け一体化する。このようにしてランジュバン型の超音波振動子部９を作成する。そして、チャック筒３に焼嵌めにより超硬製の工具４であるエンドミルを接合する。【００１３】  ここで、図２の断面を示す図３を用いてさらに説明する。焼嵌め式の超音波工具ホルダ１の回転軸側には鋼製のプルスタッド１０をネジにより接続している。【００１４】  ホルダ部２の円筒形状の空間２３を持つ部分のリアマス１１に複数の貫通するスリット２４を設ける。これらのスリット２４は、軸方向に２段となっており、かつ上下のスリット２４は必ず円周方向に重なる。このようにすることで超音波振動子部９の超音波振動はスリット２４の空間と円筒形状の空間２３で、超音波振動は反射し、ホルダ部２には伝達しない。したがって超音波振動子部９の超音波振動は、チャック筒３そして工具４だけ伝達する。そして、スリット２４の間隔により機械的強度も調整する。【００１５】  ここでスリット２４の中に図示しない発泡ポリウレタンを充填する。この発泡ポリウレタンは非常に多くの空間を持つので、スリット２４の空間はそれほど減少しないので超音波反射性能をそれほど低下させない。スリット２４に発泡ポリウレタンを充填しているので回転軸が回転し、超音波工具ホルダ１が回転しても騒音を発生させない。また、切削液がスリット２４の中に入るのを防ぐことができる。ここでは、発泡ポリウレタンを用いたが、シリコンスポンジなど気孔を多く含む材料でもよい。【００１６】  チャック筒３には、焼嵌めにより工具４を固定保持する。誘導加熱装置の加熱コイルの中にチャック筒３を挿入し、スイッチを入れ電磁誘導によりチャック筒３を誘導加熱する。そしてチャック筒３は、加熱されることにより、膨張する。そして膨張したチャック筒３に工具４のシャンク部を挿入して焼き嵌めする。工具４の焼嵌めについては、例えば特許文献１および特許文献２に詳しく記述してある。
【特許文献１】特開２００２−３５５７２７公報
【特許文献２】特開２００２−１２０１１５公報
【００１７】  次に焼嵌め式の超音波工具ホルダ１を回転軸１９に取り付けた構成について断面図４を用いて説明する。焼嵌め式の超音波工具ホルダ１のホルダ部２のテーパー部を回転軸１９のテーパー穴２０に挿入し、プルスタッド１０を引き具１４により引き込み取付ける。回転軸１９は回転軸ハウジング１５の軸受け２２で回転自在に支持されている。軸受け２２は、転がり軸受けだけでなく、エア軸受け、流体静圧軸受けなど任意である。【００１８】  さらに本発明の焼嵌め式の超音波工具ホルダ１を用いた超音波加工装置の運転方法を、同じく図４を用いて説明する。まず図示しないモータの電源を入れ回転軸１９を回転させる。これとほぼ同時に超音波発振器２１のスイッチを入れ固定側のロータリートランス８ａ、回転側のロータリートランス８ｂを介して圧電セラミック１２ａ、１２ｂに約４０ＫＨｚの交流電圧を印加すると、超音波振動子部９そしてチャック筒３を超音波振動が伝播し、工具先端に約１５μｍの縦振動が励起される。図４の中では、超音波発振器２１の位置を図の下方に位置させているが、実際は図示しないコントロールボックスの中に収められている。【００１９】  ここで回転側のロータリートランス８ｂから圧電セラミック１２ａ、１２ｂへの電力の供給経路を詳しく説明する。ホルダ部２にリード線１８ａ、１８ｂを通すリード線穴１７ａ、１７ｂを設ける。リード線穴１７は回転バランスを維持するためにさらに追加してもよい。回転側のロータリートランス８ｂと電極板１６ａ、１６ｂをリード線穴１７ａ、１７ｂを通したリード線１８ａ、１８ｂにより電気的に接続する。【００２０】  この構成において工具４を焼嵌めによりチャック筒３に固定するので、工具４とチャック筒３は機械的に一体化できる。コレットチャックと比較すると、コレットチャックは、コレットとコレット締め付け手段により工具を保持する構成であるので、超音波振動の伝播経路、振動モードが複雑になる。そして、各接触部で振動エネルギーが熱に変換されてしまう。また、超音波振動によりコレットの締め付け力が変化する虞がある。【００２１】  焼嵌めによる工具のチャックは、コレットチャックに比較して把握力、精度、剛性、回転バランス等の性能を高めることが可能である。高速回転対応するためには、同転バランスと遠心力により低下する把握力が重要であり、焼嵌め式工具ホルダは、コレットチャックの２〜４倍の把握力を持ち、回転バランスについても締め付け用の部品が無いので、工具の着脱に伴う回転バランスのばらつきが発生しないのである。【００２２】    さらに、焼嵌め式工具ホルダの利点としては、加工に耐えうる最小限の工具把持部の肉厚と把持長を持つことであり、他の方式の工具ホルダと異なってチャック部の外形形状をある程度自由に設計できることである。そして、加工時の工具ホルダと加工物や治具との干渉を防ぐ最適形状を採用することで他の工具ホルダと比較して剛性が高まり、加工時間の短縮や加工精度の向上を図ることができる。【００２３】  超音波振動子部９が軸受け２２より先端部にあるため、軸受け２２には超音波振動による損傷の虞はない。【００２４】  またこの構成において超音波振動子部９の超音波振動が、チャック筒３そして���具４だけ伝達することにより、約４０ＫＨｚで１０μｍ以上の振動を工具の先端に励起できるので、従来の超音波加工機のように振動を拡大するためのホーンが不要になる。【００２５】  このことにより装置は小型化ができる。また、ホーンなどの大型部品を振動させる必要がないので省電力かできる。【００２６】  さらに、超音波振動子部、チャック筒および工具だけがほぼ振動するモードの固有振動数を超音波発振回路により追尾することにより、工具の長さが変化しても、最適な周波数の電圧を印加できる。そして、工具の長さが変化しても安定した振動を工具に与えることができる。【００２７】  上記の加工は超音波切削加工であり、ワーク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、そして工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【００２８】  上記の同様な超音波切削加工の効果については、非特許文献２の２２６ページから２２９ページに詳しく記述されている。【００２９】  また、当然回転軸にもほとんど振動が伝播しないので軸受または回転軸の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００３０】  上記のように、超音波振動子部、チャック筒および工具にだけ振動を励起することができることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工を提供できる。【００３１】  図５は、本発明の第２の実施の形態の超音波工具ホルダ１の基本的な構成を示す断面図である。図４の断面図の超音波工具ホルダ１と異なるところは、超音波工具ホルダ１のスリット２４の配置であり、スリット２４は超音波振動子部９とホルダ部２の間に有り、径方向に２重になっている。また円周方向は必ず重なっている。そのスリット２４の詳細を図６の平面図そして図６のＡ−Ａ線での断面図７により示す。【００３２】  これらのスリット２４の空間により超音波振動部９の振動はスリット２４で反射して、超音波振動子部９、チャック筒３および工具４にだけ振動を励起することができる。その効果は、第１の実施の形態で述べたものと同様であるので省略する。【００３３】  図８は、本発明の第３の実施の形態の超音波工具ホルダ１の基本的な構成を示す断面図である。図３で示した超音波工具ホルダ１と異なるところは、超音波振動を反射するための空間の形状の構成であり、スリット２４でなく多数の貫通する孔２５を用いたものである。効果は第１の実施の形態の述べたものと同様であるので省略した。また超音波を反射するための空間の形状として、スリット、孔の他、材料内に多くの空間部を持つ発泡金属、多孔質金属でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３４】  本発明の超音波工具ホルダは、多様な機械加工装置に用いて超音波加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の超音波研磨装置を示す概略説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波工具ホルダを示す斜視図である。
【図３】図２の側面断面図である。
【図４】回転軸に第１の実施の形態の超音波工具ホルダをつりつけた断面図である。
【図５】回転軸に第２の実施の形態の超音波工具ホルダをつりつけた断面図である。
【図６】図５の超音波工具ホルダのスリットの詳細を示す平面図である。
【図７】図６のＡ−Ａ線での側面断面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の超音波工具ホルダを示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】１    超音波工具ホルダ
２    ホルダ部
３    チャック筒
４    工具
５    顎
６    マニピュレータ把持用溝
７    固定リング
８    ロータリートランス
９    超音波振動子部
１０  プルスタッド
１１  リアマス
１２  圧電セラミック
１３  フロントマス
１４  引き具
１５  回転軸ハウジング
１６  電極板
１７  リード線穴
１８  リード線
１９  回転軸
２０  テーパー穴
２１  超音波発振器
２２  軸受け
２３  円筒形状の空間
２４  スリット
２５  孔
【図１】
2011088216.tif 000003
【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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【図８】
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