(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工システムに用いる装置であって、
（ａ）既知の音響周波数を有する超音波変換器であって、前記超音波変換器はさらに、
（ｉ）フロントマスと、
（ｉｉ）バックマスと、
（ｉｉｉ）前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、
（ｉｖ）前記圧電セラミックに接続された少なくとも１つの電源と、
（ｖ）前記フロントマス、前記バックマス、及び前記セラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は、前記セラミックに圧縮力を与える作用を行うことを特徴とする圧縮部材と、
（ｖｉ）機械加工工具を受け入れるのに適合しているコレットと、
（ｖｉｉ）工具ホルダーと、
を具備することを特徴とする、超音波変換器と、
（ｂ）機械加工システムと相性がよいこと及び前記超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止し、前記少なくとも１つの変形部は、フロントマスの上にあるハウジングの半径方向に形成されたスプリングのような機構であって、前記スプリングのような機構はさらに前記ハウジングの、薄くなった曲線部を含み、前記ハウジングの、前記薄くなった曲線部は前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて、前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために前記ハウジングが撓むことを許容するよう作用することを特徴とするスプリングのような機構をさらに具備することを特徴とする振動遮断ハウジングと、
（ｃ）前記機械加工工具に高圧の冷却液を供給するシステムであって、前記高圧の冷却液を供給するシステムは、前記超音波変換器の周波数に同調され、
（ｉ）前記圧縮部材の全長にわたって形成された流体チャンネルと、
（ｉｉ）前記圧縮部材の最上端部に配置され前記圧縮部材と揃えられた分離アダプタであって、前記分離アダプタはその全長にわたって形成された流体チャンネルをさらに含むことを特徴とする分離アダプタと、
（ｉｉｉ）前記分離アダプタ及び前記圧縮部材の周囲に配置された複数のＯリングであって、そのうちのいくつかのＯリングは前記分離アダプタと前記工具ホルダーとの間にあり、そして、別のいくつかのＯリングは前記分離アダプタと前記圧縮部材との間にあり、そして、さらに別のいくつかのＯリングは前記圧縮部材と前記フロントマスとの間にあることを特徴とするＯリングと、
をさらに含むことを特徴とするシステムと、
を具備することを特徴とする機械加工システムに用いる装置。
【請求項２】
前記コレットは、前記超音波変換器の音響周波数に同調され、
（ａ）前記コレットに形成されたチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに取り付けられたスリーブであって、前記スリーブは機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とするスリーブと、
（ｃ）前記スリーブの周りの前記チャンバーに流体を導く少なくとも１つのポートと、
（ｄ）前記スリーブの周りの前記チャンバーを加圧し、前記機械加工工具を保持するために前記機械加工工具の周りの前記スリーブを圧縮するための少なくとも１つの油圧プランジャーと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記コレットは、前記超音波変換器の音響周波数に同調され、
（ａ）前記コレットに形成されたチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに取り付けられた圧縮スリーブであって、前記圧縮スリーブは前記機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする圧縮スリーブと、
（ｃ）前記機械加工工具を保持するために前記圧縮スリーブに圧縮力を加えるための少なくとも１つの圧縮部材と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記コレットは、前記超音波変換器の音響周波数に同調され、
（ａ）前記コレットに形成されたチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに取り付けられたスリーブであって、前記スリーブは機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とするスリーブと、
（ｃ）前記スリーブの周りの前記チャンバーに流体を導く少なくとも１つのポートと、
（ｄ）前記スリーブの周りの前記チャンバーを加圧し、前記機械加工工具を保持するために前記機械加工工具の周りの前記スリーブを圧縮するための少なくとも１つの油圧プランジャーと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コレットは、前記超音波変換器の音響周波数に同調され、
（ａ）前記コレットに形成されたチャンバーと、
（ｂ）前記チャンバーに取り付けられた圧縮スリーブであって、前記圧縮スリーブは前記機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする圧縮スリーブと、
（ｃ）前記機械加工工具を保持するために前記圧縮スリーブに圧縮力を加えるための少なくとも１つの圧縮部材と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
工具ホルダーであって、前記工具ホルダーと前記ハウジングの頂部とは相互に機械的に結合し、又は相互に一体化されていることを特徴とする工具ホルダーをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記ハウジングの外面には少なくとも１つの電気接触部がさらに含まれることを特徴とする請求項請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１４年９月５日に出願された米国仮特許出願番号６２／０４６，３６５、表題「超音波機械加工モジュール：工具アタッチメント及び軸通過冷却液」に基づく優先権を主張するものであり、これらの開示内容は、そのすべてを本出願に組み込むものとし、あらゆる意味で本特許出願の一部をなす。
【背景技術】
【０００２】
本願発明は、一般的には金属及びその他の素材の機械加工のためのシステムに関し、更に詳細には、超音波機械加工モジュールが組み込まれ、この超音波機械加工モジュールが自らの振動を遮断する特性を有するので、種々の既存の機械加工システム、装置、及び、処理との相性がいい、金属及びその他の素材の機械加工のためのシステムに関する。
【０００３】
穿孔、ミリング、リーミング、タップ立て、及び旋盤加工の総称としての機械加工は、米国その他世界中の製造業にあらゆる面で実質的な影響を与える権能を持つ技術である。具体的な例として、ミリング機械は、硬い素材を加工するために用いられる機械加工工具である。ミリング機械は、一般に、主軸の方向により垂直ミリング機械と水平ミリング機械とに区分される。両方の型式とも大きさは、作業台に乗せる小型装置から工業目的に適した大型機械までの範囲にわたる。素材の軸方向に侵入して穿孔する間ワークを動かないよう保持する穿孔盤とは異なり、ミリング機械は、ワークの側面のみならず上面を切削するために回転しているミリングカッターに、ワークを軸方向及び半径方向に動かして押し付ける。ミリング機械は、簡単な作業（例えば、溝及び鍵穴切削、平削り、穿孔）から複雑な作業（例えば、輪郭削り、型彫り）まで膨大な数の動作を行うことができる。
【０００４】
機械加工システム（ミリング機械を含む）に用いる切削及び穿孔工具及び付属品は、しばしば集合的に「工作機械器具設備」と称される。ミリング機械はしばしばＣＡＴ工作機械器具設備又はＨＳＫ工作機械器具設備と称される。ＣＡＴ工作機械器具設備は、しばしばＶフランジ（Ｖ−Ｆｌａｎｇｅ）工作機械器具設備と呼ばれるが、米国で最も古くおそらく最も一般的に使われているものである。ＣＡＴ工作機械器具設備は、キャタピラー機械で用いられる工作機械器具設備を標準化するために、イリノイ州ピオリアのキャタピラー社で発明されものである。ＨＳＫ工作機械器具設備は、しばしば「中空軸部（hollow  shank）工作機械器具設備」と呼ばれるが、米国より早く発明されたヨーロッパで米国より普及している。ＨＳＫ工作機械器具設備の保持機構は工具の中空本体内に置かれ、軸の速度が増大するにつれて広がるので、軸の速度の増大とともに強く工具を把持する。
【０００５】
特定の素材の機械加工を容易にすることには、機械工具の工務店だけではなく軍装備品及び特定の商業用の金属製品の製造業者にとって大いに関心がある。更に詳細には、装甲板や装甲用合成素材のような非常に進化した素材は、標準的なシステム及び方法により加工することは、よく知られているように非常に難しい。高速度システム及び超硬工具用ビットがそのような素材に使われるが、少し工具の寿命と生産性を向上させるだけである。レーザー、ウォータージェット、及びＥＤＭ切削のような進んだ技術を採用することで、素材の機械加工を飛躍的に容易にすることができるようになってきた。しかしながら、このような処理は、高資本費を必要とし、応用範囲が限定されており、及び標準的な機械工場で用いるものとは非常に異なるものである。また、これらの処理の応用範囲は、この処理を一般的に適用する、特定の形式の素材に限定されている。
【０００６】
超音波機械加工は、１９５０年代に米国で開発され、当時難しいとされた素材の機械加工に用いられた。この近代的な超音波機械加工（ＵＭ）による処理は、高速穿孔、硬い素材の高効率穿孔、工具寿命の増大、及び精度の向上という点で全体的な効率を改善するために、高出力超音波振動を「従来の」機械加工処理（例えば、穿孔、旋盤加工、ミリング）に適用される。これは、一般的に、超音波（ＵＳ）伝達ラインに取り付けられるコレットに（例えば、焼嵌め、圧縮、油圧、又は機械的により）取り付けられた、高速度鋼（ＨＳＳ）、カーバイド、コバルト、合成多結晶ダイヤモンド、その他の適切な素材で作られたドリルビットを用いることで達成される。この文脈において、ＵＭは、ガラス、セラミック、石英のような非常に硬い素材の切削に用いられる、既存の超音波によるスラリー穿孔処理（即ち、インパクト機械加工）ではない。この形式のＵＭは、近代的な機械加工システムに用いられる、ドリル、ミル、リーマー、タップ、旋盤加工工具、その他の工具に高出力超音波を適用する方法に関するものである。
【０００７】
近代的な機械加工システムに超音波を用いることで顕著な多くの恩恵がもたらされるが、もともと超音波エネルギーを受け入れるように設計されていない機械加工システムに超音波エネルギーを組み込むことだけにとどまらず、いくつかの技術的な課題が存在する。従って、このような既存の機械加工システムに損傷や悪影響を与えずに組み込むことができ、既存の機械加工システムと相性のよい超音波機械加工モジュールの必要性が現に存在している。
【発明の概要】
【０００８】
以下に本願発明の例示的実施の形態の概要を提示する。この概要は広範囲にわたる外観ではなく、本願発明の主要なポイント又は決定的な特徴又は要素を特定しようとするものでもなくまた本願発明の技術的範囲を画定しようとするものでもない。
【０００９】
本発明の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第１の装置が提供される。この装置には、既知の音響周波数を有する超音波変換器が含まれ、この超音波変換器にはさらに、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記圧電セラミックに接続された少なくとも１つの電源と、フロントマス、バックマス、及びセラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は、セラミックに圧縮力を与える作用を行うことを特徴とする圧縮部材と、機械加工工具を受け入れるのに適合しているコレットと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングとが含まれる。
【００１０】
本発明の他の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第２の装置が提供される。この装置には、既知の音響周波数を有する超音波変換器が含まれ、この超音波変換器にはさらに、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記圧電セラミックに接続された少なくとも１つの電源と、フロントマス、バックマス、及びセラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は、セラミックに圧縮力を与える作用を行うことを特徴とする圧縮部材と、前記機械加工工具を受け入れるのに適合しているコレットと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するためになくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、前記機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングとが含まれる。前記コレットは、前記超音波変換器の音響周波数に同調され、前記コレットに形成されたチャンバーと、前記チャンバーに取り付けられたスリーブであって、前記スリーブは機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とするスリーブと、前記スリーブの周りの前記チャンバーに流体を導く少なくとも１つのポートと、前記スリーブの周りの前記チャンバーを加圧し、前記機械加工工具を保持するために機械加工工具の周りのスリーブを圧縮するための少なくとも１つの油圧プランジャーとをさらに含む。代替的に、前記コレットは、前記コレットに形成されたチャンバーと、前記チャンバーに取り付けられた圧縮スリーブであって、前記圧縮スリーブは前記機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする圧縮スリーブと、前記機械加工工具を保持するために前記圧縮スリーブに圧縮力を加えるための少なくとも１つの圧縮部材とを含むことができる。
【００１１】
本発明のさらに他の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第３の装置が提供される。この装置には、既知の音響周波数を有する超音波変換器が含まれ、この超音波変換器にはさらに、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記圧電セラミックに接続された少なくとも１つの電源と、フロントマス、バックマス、及びセラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は、セラミックに圧縮力を与える作用を行うことを特徴とする圧縮部材と、前記機械加工工具を受け入れるのに適合しているコレットと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するためになくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、前記機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、前記機械加工工具に冷却液を供給するシステムであって、前記冷却液供給システムは、前記超音波変換器の周波数に同調され、前記圧縮部材の全長にわたって形成された流体チャンネル、前記圧縮部材の最上端部に配置され前記圧縮部材と揃えられた分離アダプタであって、前記分離アダプタはその全長にわたって形成された流体チャンネルをさらに含むことを特徴とする分離アダプタ、及び、前記分離アダプタの周囲に配置された複数のＯリングをさらに含むシステムとが含まれる。
【００１２】
本願発明のさらなる特徴及び性状は、以下の例示的実施の形態の詳細な説明を読み理解することにより、本技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかのものとなろう。当業者には当然のことであるが、本発明の技術的範囲及び本発明の精神から離れることなく本発明のさらなる実施形態が可能である。従って、図面及びその説明は、本質的に概略説明のためであり、限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
添付図は、本明細書に組み込まれ本明細書の一部をなすものであり、本発明の１つ以上の例示的実施の形態を概略的に示し、上記説明及び下記詳細な説明と共に、本発明の本質を説明するためのものである。
【図１】本願発明の第１の例示的実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図である。
【図２】図１の超音波機械加工モジュールの断面図である。
【図３】本願発明の第２の例示的実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、油圧コレットが超音波機械加工モジュールのコンポーネントとして含まれる。
【図４】図３の超音波機械加工モジュールの断面図である。
【図５】本願発明の第３の例示的実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、超音波機械加工モジュールのコンポーネントとして含まれる圧縮スリーブにナットが作用する。
【図６】図５の超音波機械加工モジュールの断面図である。
【図７】本願発明の第４の例示的実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、超音波機械加工モジュールに含まれる軸通過冷却液システムには分離アダプタが含まれる。
【図８】図７の超音波機械加工モジュールの断面図である。
【図９】図７の超音波機械加工モジュールの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明の例示的実施の形態を、図を参照してここに記載する。以下の詳細な説明には説明のために多くの細目が含まれているが、本技術分野における通常の知識を有する者は、以下の詳細を変形したもの変更したものの多くが本発明の技術的範囲内に入ることを理解するであろう。従って、本発明の以下の実施形態は、特許請求の範囲に記載した発明の一般性を損なうために開示したものではなく、限定するために開示したものでもない。
【００１５】
本願発明は、このような超音波モジュールをもともと収容するように設計されていなかった商業的に入手可能な既存の機械加工システムに組み込むのに適合した種々の超音波機械加工モジュールを提供する。図１及び２を参照すると、本願発明の第１の例示的実施形態では、機械加工システムで用いる超音波機械加工モジュールが提供され、この超音波機械加工モジュールには、（ａ）超音波変換器であって、この超音波変換器は、工具ビットを受け入れるのに適合しており、この超音波変換器はさらに、（ｉ）フロントマス、（ｉｉ）バックマス、（ｉｉｉ）フロントマスとバックマスとの間に位置する複数の圧電セラミック、（ｉｖ）少なくとも１つの電気的接続部、及び（ｖ）フロントマス、バックマス、及びセラミックを貫くボルトであって、このボルトはセラミックに圧縮力を与えることを特徴とするボルトを具備することを特徴とする超音波変換器と、（ｂ）機械加工システムとも相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングとが含まれる。このハウジングにはさらに、フロントマスの上にハウジングの半径方向に形成されたスプリングのような機構であって、このスプリングのような機構はさらにハウジングの薄くなった曲線部を含み、このハウジングの薄くなった曲線部は装置の運転中工具ビットに伝達される軸方向の振動を除いて、超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するためにハウジングが撓むことを許容するよう作用し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方に好ましくない振動が生じること及びシステムに損傷を与えることその他の問題が生じることを防止する。この特定の実施形態は、米国特許出願番号１３／０４６，０９９（現在、米国特許番号８,８７０,５００）に開示されており、この内容はあらゆる目的で、すべて本出願に組み込むものとする。
【００１６】
図１及び２を参照すると、超音波機械加工モジュール１０の例示的実施形態には、３つの基本的コンポーネント、すなわち、工具ホルダー２０、ハウジング４０、及び超音波変換器アセンブリ７０が含まれる。工具ホルダー２０には、上方部２２が含まれ、上方部２２にはさらに機械加工モジュール１０を機械加工システム（不図示）の主軸（例えば、ＣＡＴ４０、６０又はＨＳＫ）に取り付けるために形成された第１の穴２４が含まれる。工具ホルダー２０の下方部２６には複数の２次的な穴２８が含まれ、ハウジング４０内の同様な構造と相俟ってコネクタ４９（即ち、心出しボルト）を用いて工具ホルダー２０をハウジング４０に機械的に結合する。本願発明のいくつかの実施形態では、工具ホルダー２０は、ボルトで結合するのに加えて又はボルトで結合するのに代えて、ハウジング２０に焼き嵌めする。
【００１７】
ハウジング４０には剛性筒状部４２が含まれ、剛性筒状部４２にはさらに工具ホルダー２０を受け入れるのに適合している中央に位置する開口部４４と、超音波変換器アセンブリ７０を挿入する底部開口５４が含まれる。円周電気接触部５６（即ち、スリップリング）がハウジング４０の外側に配置されている。当業者に知られている通り、他の形式の電気接触部を本発明に用いることは可能である。例えば、軸を通る冷却空気の流れを供給又は維持しながら、１つの接触部５６を用いること又は複数の接触部を機械加工システムの軸を通って延伸させることができる。ハウジング４０の頂部又は上部には、機械加工モジュール１０を組み立てるとき工具ホルダー２０中の穴２８の配置に対応する複数の穴４８とつながる複数の開口部４６が含まれる。工具ホルダー２０をハウジング４０にボルトで留めるため一組のコネクタ４９を穴４８及び２８に挿入する。複数の空気吹き出し口５０がハウジング２０に形成される。以下に詳細説明するように、空気吹き出し口５０は、機械加工モジュール１０の使用時これを冷却するために超音波変換器アセンブリ７０の特有の構造とともに作用することで、圧電セラミック７４を冷却するための別個の又は外部のシステム又は器具の必要性を減らし又は無くす。
【００１８】
ハウジング４０にはまた、振動遮断スプリングとして作用し、従って、「スプリングのような構造」で特徴づけられる円周領域５２が含まれる。この例示的実施形態において、領域５２には、ハウジング４０を作る素材の外形に合わせた薄くなった部分が含まれる。機械加工モジュール１０の使用時、領域５２はハウジング４０にある程度の撓みを許容し、それにより、超音波変換器アセンブリ７０により生じる音響エネルギーを吸収及び／又は遮断し、機械加工システムの軸又は機械的コンポーネント内に後方又は上方に好ましくない振動が生じるのを防止する。超音波変換器アセンブリ７０により生じる軸振動は領域５２により減少することはなく、従って、フロントマス７６に取り付けられワークの機械加工に用いられる工具ビットその他にトルクが伝わる。本発明の文脈内では、フロントマス７６に取り付けられる「工具ビット」はドリルビットその他であることを了解すべきである。基本的に、領域５２は、ワークに向かう軸振動を除く多くの又はすべての振動モードを吸収するよう動作する。
【００１９】
超音波変換器アセンブリ７０には、バックマス７２、フロントマス、及びこれらの間に位置する複数の圧電セラミック７４が含まれる。複数の電極７５が圧電セラミック７４の間に挟まれ、ボルト８６がバックマス７２、セラミック７４、電極７５、及びフロントマス７６の一部を貫通している。ボルト８６を締めたとき、ボルト８６は圧電セラミック７４に圧縮力を加えるよう作用する。図示されていないが、一連の電気リード線が少なくとも１つの電極７５に一般的に取り付けられている。これらの電線は、ハウジング４０を通って又は工具ホルダー２０を通ってハウジング４０の外部に出てゆきそこで円周電気接触部５６に接続される。ブラシ接触部又は他の形式の電気接触部を機械加工モジュール１０に電源供給するために用いることができる。変換器アセンブリ７０は、電力レベルが１ｋＷから５ｋＷの範囲で振幅が２５μｍから１５０μｍの範囲で動作する。
【００２０】
図１及び２に示す超音波機械加工モジュール１０の例示的実施形態において、超音波変換器アセンブリ７０にはさらに、フロントマス７６を形成する複数の空気吸込み口８０のすぐ下のフロントマス７６の外周部に位置する複数の冷却機構、即ちフィン又はベーン７８が含まれる。超音波機械加工モジュール１０が回転すると、圧縮機のホイールをまねたベーン７８は空気吸込み口８０を通して空気を上に吸い上げる機能を果たす。そして空気は冷却のためハウジング４０の内部を通ってセラミック７４を横切り、空気吹き出し口５０を通ってハウジング４０から出る。図に示すように、フロントマス７６の前面領域又は底部領域には、ドリルビット、ミリング工具、その他を受け入れるのに適合している穴をさらに含む傾斜のあるコレット８２が含まれる。当業者に知られているように、ドリルビットその他（不図示）は、焼き嵌めとして知られている処理を用いてコレット８２に取り付けることができる。穴８４の周囲を一様に加熱することにより、穴の径を著しく拡張することが可能となる。次いでドリルビットその他のシャフトを拡張された穴に挿入する。冷却することで、穴の周りが元の径にまで縮み、摩擦力により強力な結合を生み出す。例示的実施形態において、超音波機械加工モジュール１０の修理のためにケース４０から抜き取るのを容易にするために焼き嵌め処理を用いて、ハウジング４０の底端部をフロントマス７６の頂部に取り付ける。当業者に知られている通り、工具のフロントマス７６へ取り付ける他の手段及び／又はハウジング４０を変換器アセンブリ７０へ取り付ける他の手段が可能であり、本願発明との相性もいい。
【００２１】
超音波機械加工モジュール１０の金属コンポーネントの一部又は全部は一般にＡ２  ＴＯＯＬ  ＳＴＥＥＬで作られる。代替的に、Ｄ２、ＳＳ、４１４０、及び／又は３５０-Ｍ  ＴＯＯＬ  ＳＴＥＥＬを用いることもできる。用いる素材にかかわらず、フロントマス７６及びバックマス７２は両方とも振幅を減少させる手段と同じ素材で製造してもよい。一般論として、これらのコンポーネントを混ぜ合わせることで振幅を調整する。図１及び２に示す例示的実施形態において、モジュールの全長約７．５インチ（１９．１ｃｍ）である。しかしながら、本願発明は縮小拡大が可能であり、小型化した種々の超音波機械加工モジュール１０は、とりわけ、医療用及び外科手術用システムや装置に適応している。
【００２２】
図３及び４は、本願発明の第２の例示的実施形態による超音波機械加工モジュール１１０の側面図及び断面図であり、油圧コレット１７７が超音波機械加工モジュール１１０のコンポーネントとして含まれる。この実施形態において、超音波機械加工モジュール１１０には、工具ホルダー１２０、ハウジング１４０、圧縮スタッド１４１、振動遮断領域１５２、超音波変換器アセンブリ１７０、バックマス１７２、フロントマス（コレットボディー）１７６、油圧コレット１７７、スリーブ１７９、加圧チャンバー１８１、注入ポート１８３、油圧プランジャー１８５、及び、ネジ領域１８７が含まれる。従来の油圧コレットシステムとは異なり、油圧コレット１７７の実際のボディーは音響装置として構成されている。従って、フロントマス即ちコレットボディー１７６はλ／４で同調する。コレットボディー１７６内に、ネジ面又は蝋付け処理を用いて取り付けることのできる第２のスリーブ１７９がある。好ましい処理として、音波を効率的に伝達するためのこれらのコンポーネントに結合させるためにボディー１７６内に蝋付けスリーブ１７９を含む。超音波機械加工モジュール１１０を適切に共鳴させるために種々の設計的特徴が関連する。第１に、フロントマス（コレットボディー）１７６は、すべての変形がスリーブ１７９内で生じるよう油圧プランジャー１８５により生じた内部圧力を支えるために十分強固となっている。第２に、油又はグリースが加圧媒体として用いられ、加圧チャンバー１８１内で１０％未満の空気が存在する。第３に、フロントマス（コレットボディー）１７６のボディーの周囲に対称的に配置された最小限３つの圧力ポート／注入ポート１８３が存在する。これは１つの重要な特徴であり、この設計的特徴により一様でない変位を引き起こすフロントマス（コレットボディー）１７６の周囲の質量の変更を行うことができる。例えば、注入ポート１８３が１つしかない場合、加圧チャンバー１８１の質量の減少が生じ、周辺領域に比べて位置のずれが減少する。一方、これは、超音波機械加工モジュール１１０内に取り付けられた工具の先端に伝達される撓み動作をもたらす。これは、注入ポート１８３を２つだけにした場合と同じ効果となり、従って、３つの注入ポート１８３とすることが、加圧チャンバー１８１を適切に加圧又は媒体を適切に加圧チャンバー１８１に注入し、均一な変位を生じさせるために重要となる。この実施形態にネジを切ったスリーブ１７９を用いる場合、スリーブの幾何形状は一般に対称形であり、付加した注入ポート１８３もまた対称的に配置的される。ネジを切ったスリーブの実施形態では、フロントマス（コレットボディー）１７６にスリーブ１７９を押し付けるために用いられる２次的なナット（不図示）により移動する、フローティングスリーブ１７９を用いる。これは次に容積に変化を生じさせ、これにより、穴のあるボディーとして作用するスリーブ１７９の周囲に圧力を生じさせる。第４に、スリーブ１７９の壁を変形させることにより切削工具を堅固に取り付けるために最小限２５０ｐｓｉ（１．７２ＭＰａ）の圧力を生じさせる。これにより、必要なトルクが効率的に伝達され、機械加工に必要な力を生じさせる。さらに、超音波変換器���センブリ１１０に共鳴させて取り付けた工具を駆動部と結合させる。
【００２３】
図５及び６は、本願発明の第３の例示的実施形態による超音波機械加工モジュール２１０の、それぞれ、側面図及び断面図であり、圧縮スリーブ２７９が超音波機械加工モジュール２１０のコンポーネントとして含まれる。この実施形態において、超音波機械加工モジュール２１０には、工具ホルダー２２０、ハウジング２４０、圧縮スタッド２４１、振動遮断領域２５２、超音波変換器アセンブリ２７０、バックマス２７２、フロントマス（コレットボディー）２７６、圧縮スリーブ２７９、及び、ネジ領域（ナット）２８９が含まれる。この実施形態では、変換器フロントマス（コレットボディー）２７６と一体化された圧縮スリーブ２７９を用いることで、さらなる工具アタッチメントが選択的に提供される。可塑性のある圧縮スリーブ２７９が、そこに配置された機械加工工具のシャンクを機械的に保持し、フロントマス（コレットボディー）２７６と機能的に結合させるために、圧縮スリーブ２７９の内径を減少させる、ネジ領域又はナット２８９により機械的に圧縮される。この実施形態に関し、（ｉ）圧縮スリーブ２７９が圧縮力により直径を変化させる実際の幾何形状により生じる質量の減少は４５％を超えず、（ｉｉ）圧縮スリーブ２７９を圧縮するために用いる角は少なくとも１°であるが２０°を超えず、（ｉｉｉ）圧縮スリーブ２７９の角度とλ／４のフロントマス／コレットに同調させた角度のある面とは結合部全長にわたって直線的接触を保ち（環状的接触その他では、音波を伝達させるために適切なコンポーネントの結合とならない）、（ｉｖ）圧縮スリーブ２７９を圧縮する本体は、ナット、ネジ、Ｄｚｕｓファスナー、又はカム（整備工による連結行為は使われない）、そして（ｖ）コレット２７７は通常１／１６インチから１．５インチまでの直径の工具シャンクを受け入れるが、他の直径を用いることも可能である。
【００２４】
図７〜９は、本願発明の第４の例示的実施形態による超音波機械加工モジュール２１０の、それぞれ、側面図及び透視図であり、超音波機械加工モジュール３１０のコンポーネントとして軸通過冷却液用機構が含まれる。この実施形態において、軸通過冷却液用機構は、超音波励振時において動作し、高圧の冷却液を超音波機械加工モジュール３１０及び／又は目的となる基板に取り付けられた機械加工工具に供給するための密封された経路をもたらす。この実施形態において、超音波機械加工モジュール３１０には、工具ホルダー３２０、電気的接続部３２５、ハウジング３４０、圧縮スタッド３４１、振動遮断領域３５２、超音波変換器アセンブリ３７０、コレット３７７、ナット３８９、及び、分離アダプタ３９０が含まれる。
【００２５】
図７及び８によく示されているように、変換器セラミック３７４に適切な力をあらかじめ与えておくための高力ボルト又は圧縮スタッドを採用する一般的な方法は、圧縮スタッド３４１が超音波変換器アセンブリ３７０の同調コンポーネントとして機能するよう修正されている。従来の圧縮スタッド／ボルトは、変換器フロントマスの節領域に取り付けられ、変換器バックマスに圧縮力を加えるためのものであり、一般にこの圧縮スタッドを伸ばす必要はない。この実施形態において、モジュールを電流が流れるので、超音波変換器アセンブリ３７０に導入された高圧の冷却液を密封するために超音波機械加工モジュール３１０に密封機能を組み込む目的で、圧縮スタッド３４１は、システムの上部に延伸し工具ホルダー３２０（これは、ＣＡＴ、ＨＳＫ、ＢＴ、等とすることができる）のキャビティに入り込む。この構造において、圧縮スタッド３４１は、全体的なシステム周波数に基づく同調エレメントとしての役割を果たすよう設計され、曲げモードでは工具ホルダー３２０の側壁に干渉を生じさせ冷却液の漏れを起こす可能性のある経路を生じさせるので、純粋に長手方向のモードだけで動作させる。この実施形態において、圧縮スタッド３４１を通る流体チャンネル３４３は、キャビテーションによるエロージョンを誘発する可能性のある超音波変換器アセンブリ３７０により生じるキャビテーションを抑制するために、１０００ｐｓｉ（６８９７ｋＰａ）未満で動作し、１／４インチ（６．３５ｍｍ）未満である。圧縮スタッド３４１の両端は、超音波変換器アセンブリ３７０の電気部品を保護するシールを受け入れるのに適合している。
【００２６】
この実施形態の重要な特徴は、分離アダプタ３９０を圧縮スタッド３４１の裏面又は最上部に組み込んだことである。本発明の他の実施形態と同様に、超音波変換器アセンブリ３７０はλ／２（半波長）構造を用いる。従って、超音波変換器アセンブリ３７０の節領域はフロントマス３７６の最上部面にあり、駆動要素がそこに取り付けられ嵌めこまれる。これは、言い換えると、超音波変換器アセンブリ３７０の最遠端に波腹を配置することである。これは、具体的にはフロントマス３７６（ネジの位置）の端部及び圧縮スタッド３４１の最上部に配置される。従って、圧縮スタッド３４１の最上部は超音波変換器アセンブリ３７０の波腹の部分なので、この構造は、共鳴し、最大の変位を有する。これにより、圧縮スタッド３４１の長さは、張力がかかった状態で本体に流体の通路又は流れを容易にするための重要な設計要素であり、超音波機械加工モジュール３１０の駆動要素に４〜８ｋｓｉ（２７．６〜５５．２ＭＰａ）の許容圧力レベルを与える。圧縮スタッド３４１の長さを変更することで、共鳴周波数及び両方の波腹の変位に直接的影響を与える。
【００２７】
共鳴周波数に関して、質量を増減させることにより超音波変換器アセンブリ３７０の波腹（工具アタッチメントの位置）に対して影響を与えるので、圧縮スタッド３４１の最上端は、質量の変化により影響を受けるが、圧縮スタッド３４１の最上端と工具ホルダー３２０との間を整合させることによりもたらされる過剰な側面負荷又は制限により２次モードが引き起こされることもある。この可能性は、ハウジング３４０の工具ホルダー３２０コンポーネント内で、絶縁アダプタ３９０を「フロート」させる弾性体のシール又はＯリング３４７を用いることで削減することができる。冷却液の流れの漏れを防止するために、一連のＯリング３４５及び３４７を用いて超音波変換器アセンブリ３７０内で圧縮スタッド３４１と分離アダプタ３９０とがそれぞれシールされる一方、Ｏリング３４９は、超音波変換器アセンブリ３７０の上部を株からシールする。一連の付属物ファスナー及び位置合わせ部材３９１及び３９２はそれぞれ、超音波変換器アセンブリ３７０の主たる（上部及び下部）コンポーネントを保持する。電気的接続部を介して超音波変換器アセンブリ３７０に電気が供給され、ナット３８９は、コレット３７７中に機械加工工具を取り付けるために圧縮力を加える。他の工具取り付けシステム及び装置も、この実施形態に適するものがある。
【００２８】
本願発明を、例示的実施形態の記載により概略説明し、実施形態をある程度詳細に説明したが、このことは、あらゆる意味で、添付請求の範囲をこのような詳細記載の範囲に限定することを意図するものではない。当該技術分野で通常の知識を有する者にとって、さらなる利点及び修正があることは自明である。従って、本発明の広義の特徴は、具体的詳細、代表的装置及び代表的方法、及び／又は、図示し説明した概略例に限定されない。従って、全体的な発明概念の精神及び範囲から逸脱することなく、詳細な説明から離れることができる。
【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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【図８】
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【図９】
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