(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３に切断ブレード１と反対側の端部にランジュバン型超音波振動子１５及び回転側ロータリートランス９ａ、９ｂを取り付ける。超音波発振器を固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続する。スリーブ１０に切断ブレード１、フランジ２ｂを入れ、そしてフランジナット１２により締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ１０を回転軸３にいれ、ナット４により回転軸３に取り付ける。なおフランジ２ａ、２ｂには、フランジ２ａ、２ｂに表から裏に貫通した８個のスリット１３が設けられている。スリット１３はフランジ２ａ、２ｂの中心軸を通る直線とスリット１３の中心線との角度は４５度としている。【選択図】図６
2008110465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、円盤状の切断ブレードにスリットを持つことを特徴とする。
【請求項２】
円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、フランジにスリットを持つことを特徴とする。
【請求項３】
円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、サポート板にスリットを持つことを特徴とする。
【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、円盤状の切断ブレード１、及び第２のフランジ２ｂ、そしてこれらのフランジ２ａ、２ｂにより切断ブレード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切断ブレード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。【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  切断ブレードに径の拡がり振動だけを励起するようにしているが、円周方向の振動も切削方向の加速度が大きくなるため、切削速度、切削精度が向上することが期待されるが、円周方向の振動は励起できない。【０００７】  本発明の目的は、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、円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、円盤状のブレードにスリットを持つものとすることである。【０００９】  本発明はまた、円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、フランジにスリットを持つものとすることである。【００１０】  本発明はまた、円盤状の切断ブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持ち、サポート板にスリットを持つものとすることである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の円盤状の切断ブレードを持つ切断装置は、切断精度を高めることができる。そして、ブレードの消耗も小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  本発明の第１の実施の形態を図３の正面図とそのＡ−Ａ線での断面図である図４を用いて説明する。フランジ２に表から裏に貫通した８個のスリット１３が設けられている。スリット１３はフランジ２の中心軸を通る直線とスリット１３の中心線との角度は４５度である。ここでは、４５度としたが、拡縮振動をねじり振動に変換するためには、１０度以上８０度以下の角度でよい。前記範囲外では拡縮振動をねじり振動にほとんど変換できなくなる。【００１３】  前記フランジを用いた切断装置を図５の正面図、そして図５のＡ−Ａ線で切断した図６の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図５においてはフランジ２のスリット１３、図６においては回転駆動機構、軸受け機構、軸受けなどを収納するケース及び固定側ロータリートランスを取り付けた台を省略した。まず、回転軸３に切断ブレード１と反対側の端部にランジュバン型超音波振動子１５を図示しないボルトにより接合する。そしてランジュバン型超音波振動子１５の端部に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより取り付ける。また、回転側ロータリートランス９ｂと向き合う位置に図示しない取り付け台に固定側ロータリートランス９ａを取り付ける。図示しない超音波発振器を固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続する。【００１４】  ランジュバン型超音波振動子１５の構成を図８の斜視図を用いて説明する。矢印の分極方向である円環状の圧電素子８ａ、８ｂを円筒形状のアルミ合金製の弾性体１４ａ、１４ｂで挟み、ボルト１６とナット４で締め付け一体化する。【００１５】  スリーブ１０とフランジ２ａは一体でチタン合金により構成されている。このスリーブ１０に切断ブレード１とフランジ２ｂを入れ、フランジナット１２によりスリーブ１０に固定する。そして、一体化したスリーブ１０を回転軸３にいれ、ナット４により回転軸３に取り付ける。【００１６】  ここで切断ブレード１は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は例えば厚さが０．０６ｍｍ程度で外径が１００ｍｍ程度の鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転軸に装着するための取り付け穴が形成されている。【００１７】  また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることにより、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。【００１８】  次に上記の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を介してランジュバン型超音波振動子１５を構成する圧電セラミック製の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路から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、切断ブレード１は、超音波振動が励起される。次に回転する切断ブレード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。【００１９】  加��対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／２になり、そしてチッピングの大きさは、約１／２になった。【００２０】  ここで、フランジ２の振動モードについて説明する。図６中の矢印が示すようにランジュバン型超音波振動子１５の縦振動が回転軸３に伝播し、振動伝達方向変換器であるフランジ２ａ、２ｂにより径を拡縮させる方向に振動を変換する。さらにフランジ２ａ、２ｂに設けられたスリット１３によりフランジ２ａ、２ｂの径を拡縮させる振動の一部をねじり振動に変換する。【００２１】  図７に振動方向が変換される様子を、矢印を用いて表す。フランジ２の内周部は、矢印に示すように径を拡縮させる方向に振動する。この拡縮振動は、スリットより外周部の矢印が示すように円周方向の振動成分が励起される。円周方向の振動はねじり振動であるのでスリットにより径を拡縮させる振動の一部をねじり振動に変換できることがわかる。【００２２】  この結果、ブレードに付与される振動は、図７に示す２点鎖線のように径方向の振動の一部がねじり振動に変換される。このような、ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレードの先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。【００２３】  上記の実施の形態では、フランジと切断ブレードとを機械的に締め付け一体化したが、フランジと切断ブレードを一体の構成としてもよいことはもちろんである。【００２４】  本発明の第２の実施の形態を図９の正面図とそのＡ−Ａ線での断面図である図１０を用いて説明する。サポート板７に表から裏に貫通した８個のスリットが設けられている。スリット１３はサポート板７の中心軸を通る直線とスリット１３の中心線との角度は４５度である。【００２５】  サポート板７に円環状の圧電素子８を、エポキシ樹脂を用いて接合する。ここで用いられている圧電素子８は厚さ方向に分極されている。【００２６】  前記サポート板７を用いた切断装置を図１１の正面図、そして図１１のＡ−Ａ線で切断した図１２の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図１１においては、フランジのスリットを省略した。まず、ケース１１に固定側ロータリートランス９ａを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ１０に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続されている。【００２７】  スリーブ１０にサポート板７ｂ、切断ブレード１、サポート板７ａを入れ、そしてナット４ｂにより締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ１０を回転軸３にいれ、ナット４ａにより回転軸３に取り付ける。【００２８】  次に上記の切断装置の運転方法について図１２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を介して圧電セラミック製の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路から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、切断ブレード１３は、超音波振動が励起される。次に回転する切断ブレード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。【００２９】  加工対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／２になり、そしてチッピングの大きさは、約１／２になった。【００３０】  ここで、圧電素子８を接合したサポート板７の振動モードは、図７に示すものと同様である。ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレードの先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。【００３１】  上記の実施の形態では、サポート板と切断ブレードとを機械的に締め付け一体化したが、サポート板と切断ブレードを一体の構成としてもよいことはもちろんである。【００３２】  本発明の第３の実施の形態を図１３の正面図とそのＡ−Ａ線での断面図である図１４を用いて説明する。切断ブレード１に表から裏に貫通した８個のスリット１３が設けられている。スリット１３は切断ブレード１の中心軸を通る直線とスリット１の中心線との角度は４５度である。【００３３】  前記スリット１３を設けた切断ブレード１に円環状の圧電素子８を、エポキシ樹脂を用いて接合する。ここで用いられている圧電素子８は厚さ方向に分極された圧電セラミックである。【００３４】  前記切断ブレード１を用いた切断装置を図１５の正面図、そして図１５のＡ−Ａ線で切断した図１６の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図１５においてスリットを描くことを省略した。まず、回転軸３、軸受けなどを収納するケース１１に固定側ロータリートランス９ａを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ１０に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続されている。【００３５】  スリーブに切断ブレード１、そしてナット４ｂにより締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ１０を回転軸３にいれ、ナット４ａにより回転軸３に取り付ける。【００３６】  次に上記の切断装置の運転方法について同じく図１６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を介して切断ブレード１に接合した圧電セラミック製の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路から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、切断ブレード１は、超音波振動が励起される。次に回転する切断ブレード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。【００３７】  加工対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／２になり、そしてチッピングの大きさは、約１／２になった。【００３８】  ここで、圧電素子８を接合した切断ブレード１の振動モードは、図７に示すものと同様である。ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレード１の先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。【００３９】  振動方向変換の手段として、フ���ンジなどに貫通するスリットを用いたが、振動方向が変換できればよく、貫通していなくてもよい。また、防水などの目的、例えばウレタン樹脂などをスリットに充填してもよい。【００４０】  また、振動方向変換の手段として、フランジなどに突起を設けることもできるが、質量が大きくなること、そして突起があることによる位置的な不具合があるため振動変換手段としては制約がある。【００４１】  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。
【産業上の利用可能性】
【００４２】  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】
【００４３】
【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】本発明の第１の実施の形態のフランジ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】本発明の第１の実施の形態のフランジ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。
【図７】図３のフランジの振動モードについて説明する図である。
【図８】ランジュバン型超音波振動子の斜視図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態のサポート板を示す正面図である。
【図１０】図９のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態のサポート板などを回転軸に取付けた正面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施の形態の切断ブレードを示す正面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１５】本発明の第３の実施の形態の切断ブレードなどを回転軸に取付けた正面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００４４】  １    切断ブレード
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    圧電素子
９    ロータリートランス
１０  スリーブ
１１  ケース
１２  フランジナット
１３  スリット
１４  弾性体
１５  ランジュバン型超音波振動子
１６  ボルト
【図１】
2008110465.tif 000003
【図２】
2008110465.tif 000004
【図３】
2008110465.tif 000005
【図４】
2008110465.tif 000006
【図５】
2008110465.tif 000007
【図６】
2008110465.tif 000008
【図７】
2008110465.tif 000009
【図８】
2008110465.tif 000010
【図９】
2008110465.tif 000011
【図１０】
2008110465.tif 000012
【図１１】
2008110465.tif 000013
【図１２】
2008110465.tif 000014
【図１３】
2008110465.tif 000015
【図１４】
2008110465.tif 000016
【図１５】
2008110465.tif 000017
【図１６】
2008110465.tif 000018