(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、振動駆動部２、そして工具６または工具取付け装置５から構成される。超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に直接、工具６を取付けても良いし、超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に工具取付け装置５を取り付け、さらにその工具取付け装置５に工具６を取り付けてもよい。振動駆動部２は、圧電セラミック３ａ、３ｂを鋼製のフロントマス１９と、鋼製のリアマス２０により締め付けて一体化したものである。圧電セラミック３ａ、３ｂは板厚方向に分極されている。フロントマス１９の前面に工具６または工具取付け装置５が一体として設けられている。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体４を位置させている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を保持する工具ホルダにおいて、中心軸を同一にする工具または工具取付け軸そして振動駆動部から構成されていること、そして振動駆動部は圧電セラミックを有するものである。
【請求項２】
前記工具または工具取付け軸の直径が振動駆動部の直径より小さいことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
【請求項３】
工具または工具取付け軸だけがほぼ振動する振動モードの固有振動数の電圧を振動駆動部の圧電セラミックに印加することを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、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。工具としては、旋盤に用いるバイト、フライス盤に用いるエンドミルなどがある。超音波切削加工は、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、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【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】  回転軸の後部に超音波振動子を取り付け、回転軸を超音波振動させ、そして回転軸の先端に取付けた砥石に超音波振動を励起する図１の超音波研削装置は、軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、ランジュバン型超音波振動子と回転軸を接合した構成を超音波振動させなければならないため、超音波振動させるための質量が大きくなり大きな電力が必要になる。そして、ランジュバン型超音波振動子に印加された大きな電力によりランジュバン型超音波振動子、回転軸、ホーンそして砥石の温度が高くなるため、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。【０００６】  また、工具だけが超音波振動するのが理想であるが、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、工具を保持する工具ホルダにおいて、中心軸を同一にする工具または工具取付け装置そして振動駆動部から構成されていること、そして振動駆動部は圧電セラミックを有するものである。【０００９】  本発明はまた、前記工具または工具取付け装置の直径が振動駆動部の直径より小さくする工具ホルダとするものである。【００１０】  本発明はまた、工具または工具取付け装置だけがほぼ振動する振動モードの固有振動数の電圧を振動駆動部の圧電セラミックに印加する工具ホルダとするものである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の超音波工具ホルダを使用して、フライス盤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】
【００１２】  図２は、本発明の構成の超音波工具ホルダ１を示す基本的な構成を示す正面図、そして図３は図２のＡ−Ａ線での断面図である。超音波工具ホルダ１は、振動駆動部２、そして工具６または工具取付け装置５から構成される。つまり、超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に直接、工具６を取付けても良いし、超音波工具ホルダ１のフロントマス１９に工具取付け装置５を取り付けさらにその工具取付け装置５に工具６を取り付けてもよい。振動駆動部２は、圧電セラミック３ａ、３ｂを鋼製のフロントマス１９と、鋼製のリアマス２０により締め付けて一体化したものである。圧電セラミック３ａ、３ｂは板厚方向に分極されている。なお、このような構成はランジュバン型振動子と呼ばれている。フロントマス１９の前面に工具６または工具取付け装置５が一体として設けられている。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体４を位置させている。【００１３】  以上に述べたランジュバン型振動子は、縦振動を発生するものである。その他の構成として、ねじり振動を発生させるランジュバン型振動子がある。これに用いる圧電セラミックとしては、ねじり素子がある。さらに曲げ振動を発生させるランジュバン型振動子がある。これに用いる圧電セラミックは分極方向を反転させたものを用いる。【００１４】  工具取付け装置５の例として、例えばコレットホルダ２１、チャック筒２２そしてドリルチャックなどがある。工具６の例としてエンドミル、ドリルなどがある。【００１５】  工具６の直径Ｄ２は、超音波工具ホルダの直径Ｄ１の０．１倍以上であることが望ましい。工具６の直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の振動駆動部の直径Ｄ１の０．１倍より小さいと、工具６に不要な振動が発生してしまう虞がある。また、フロントマス１９の前面の面積に比較して工具６の断面積が１００分の１以下になってしまうため工具６に超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難である。【００１６】  工具取付け装置５の場合にも、工具取付け装置５の直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の直径Ｄ１の０．１倍以上であることが望ましい。工具取付け装置５の直径Ｄ２が超音波工具ホルダ１の振動駆動部の直径Ｄ１の０．１倍より小さいと、工具取付け装置５が細くなる過ぎるため、工具６を剛性高く保持できない。また、フロントマス１９の前面の面積に比較して工具取付け装置５の断面積が１００分の１以下になってしまうため工具取付け装置５に超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難である。そして工具取付け装置５に接続した工具６にも当然、超音波エネンルギーを十分に伝えることが困難であり、工具６の振動は小さくなってしまう。【００１７】  さらに詳しく説明するために、工具６と工具取付け装置５を明確に区別する。図４は工具取付け装置５がコレットホルダ２１である側面断面図である。ここではフロントマス１９とコレットホルダ２１を一体のものとしたが、コレットホルダ２１とフロントマス１９を別々にして、これをネジで結合させてもよい。振動駆動部２の直径Ｄ１に対して超音波工具ホルダ１に接続した工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２は、１／３である。ここで、超音波工具ホルダに対して工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２は、０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具取付け装置５として構造的強度が不足する。また工具取付け装置５に取り付けた工具６に不要な振動を与えてしまう虞がある。【００１８】  また工具６であるエンドミルの直径Ｄ３は、工具取付け装置５であるコレットホルダ２１の直径Ｄ２の０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具として構造的強度が不足する。また工具に不要な振動が発生してしまう虞がある。【００１９】  工具取付け装置５としてチャック筒２２を用いた側面断面を図５に示す。ここではフロントマス１９とチャック筒２２を一体のものとしたが、チャック筒２２とフロントマス１９を別々にして、これをネジで結合させてもよい。振動駆動部２の直径Ｄ１に対して振動駆動部２に接続したチャック筒２２の直径Ｄ２は、１／３である。ここで、振動駆動部２に対して工具取付け装置５であるチャック筒２２の直径Ｄ２は、０．１倍以上であることが望ましい。０．１倍以下では、工具取付け装置５であるチャック筒２２の構造的強度が不足する。また工具取付け装置５であるチャック筒２２に取り付けた工具に不要な振動を与えてしまう虞がある。【００２０】  ここで焼き嵌めに用いる工具取付け装置５としてのチャック筒２２のチャックする機構を説明する。チャック筒２２を加熱コイル中に挿入して、その電磁誘導によってチャック筒２２を誘導加熱し、チャック筒２２の熱膨張によりその内径を拡大させ、この状態で工具６のシャンク部を挿入して焼き嵌めすることによって工具を固定する。またこうして焼き嵌めにより固定した工具をチャック筒２２から取り外すときは、上記同様にチャック筒２２を加熱膨張させた状態で、工具シャンク部をチャック筒２２から抜きとるようになっている。【００２１】  超音波加工装置に工具取付け装置５として焼き嵌めを用いると、工具取付け装置５と工具が構造的に一体化できるので、工具と工具取付け装置５の界面で超音波振動の伝播が損失する虞がない。そして工具と工具取付け装置５の接触面が損傷を受ける虞もない。このように超音波加工装置の工具取付け装置５としては焼き嵌めは最適である。【００２２】  また工具６の直径Ｄ３は、工具取付け装置５であるチャック筒２２の直径Ｄ２の０．１倍以上ことが望ましい。０．１倍以下では、工具６として構造的強度が不足する。また工具６に不要な振動が発生してしまう虞がある。【００２３】  ここで超音波工具ホルダ１を超音波工具ホルダ取付け軸１４に取付けた状態について説明する。超音波工具ホルダ取付け軸１４は、フライス盤などに用いられる場合は、回転する。また超音波工具ホルダ取付け軸１４が例えば旋盤に用いられる場合は回転しない。図６には超音波工具ホルダ１の直径に対して、超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が大きい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図７に示す。ここで工具６だけが振動するモードの共振周波数は３６ＫＨｚであり、図８に工具６だけが振動するモードの振動変位をベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の直径より大きい超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、どうしても中心軸の変位は大きくなる。したがって超音波工具ホルダ取付け軸１４の中心部に振動が伝播する。【００２４】  図９には超音波工具ホルダ１の直径と超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が等しい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図１０に示す。ここで工具６だけが振動するモードの共振周波数は３９ＫＨｚであり、図１１に工具６だけが振動するモードの振動変位をベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の直径と等しい直径を持つ超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、超音波工具ホルダ１の振動は小さい。したがって３９ＫＨｚの共振ピークは小さい。【００２５】  図１２には超音波工具ホルダ１の直径に対して超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径が小さい場合の側面断面図を示す。そして、超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束する条件での周波数特性を、有限要素法を用いて計算した結果を図１３に示す。ここで工具だけが振動するモードの共振周波数は３９ＫＨｚであり、その工具６だけが振動するモードの振動変位を図１４のベクトルで示す。ただし、超音波工具ホルダ１の振動エネルギーが集中する中心軸に近い超音波工具ホルダ取付け軸１４の外側表面を拘束するため、超音波工具ホルダ１の振動は小さい。したがって３９ＫＨｚの共振ピークは小さい。【００２６】  以上から超音波工具ホルダ１の直径と超音波工具ホルダ取付け軸１４の直径の大小に関わらず工具６だけが振動するモードを励起することが可能であることがわかる。つまり工具取付け装置５の直径の大きさによらずほぼ工具６だけが振動するモードを励起できる。【００２７】  図１５は、本発明の形態の超音波工具ホルダ１を示す別の構成を示す正面図、そして図１６は図１５のＡ−Ａ線での断面図である。超音波工具ホルダ１は、振動駆動部２、そして工具６そして工具取付け装置５から構成される。振動駆動部２は、圧電セラミック３ａ、３ｂを鋼製のフロントマス１９と、リアマス２０により締め付けて一体化したものである。なお、このような構成はランジュバン型振動子と呼ばれている。フロントマス１９の前面に工具取付け装置５が接合されている。工具取付け装置５は例えば、コレットホルダ２１、ドリルチャックまたはチャック筒２２である。フロントマス１９と電極が短絡を防ぐために絶縁体４を位置させている。そしてリアマス２０には、超音波工具ホルダ取付け軸１４に接続するためのネジが設ける。【００２８】  そして、超音波工具ホルダ１をジルコニア１５のリングを挟んで超音波工具ホルダ取付け軸１４とネジにより接合する。このような構成にすると超音波工具ホルダ１とジルコニア１５のリングの音響インピーダンスが異なることから、超音波工具ホルダ１の振動が超音波工具ホルダ取付け軸１４に伝播するのを小さくできる。このため、超音波工具ホルダ１に取り付けた工具６の振動変位を大きくできる。また超音波工具ホルダ取付け軸１４に超音波振動を伝播する割合を小さくできる。【００２９】  また、超音波工具ホルダ１と超音波工具ホルダ取付け軸１４の間にジルコニア１５のリングを挟んでいるので、超音波工具ホルダ取付け軸１４に超音波振動が漏れる量を小さくできる。このため工具６だけが振動するモードの共振電流は大きくなる。つまり工具６の振動を大きくできる。また、工具取付け装置５にジルコニア１５のリング、超音波工具ホルダ１が隙間なく接合されるため剛性が高くなる。【００３０】  また、フロントマス１９、工具取付け装置５、工具６の順に直径が小さくなっているため、いわゆるステップホーンの構成となっているため工具に励起される超音波振動は大きくなる。【００３１】  図１７は、超音波工具ホルダ１を用いた超音波研磨装置の基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸８を回転させるための中空のモータ９が備えられている。ここで回転軸は超音波工具ホルダ取付け軸１４としても用いられている。回転軸８を回転自在に支持するための軸受１０があり、さらにこの軸受１０を固定するためのステンレスのケース１１がある。回転軸８には回転軸８に固着された回転側のロータリートランス１２ａがある。回転側のロータリートランス１２ａの近傍には固定側のロータリートランス１２ｂがある。固定側のロータリートランス１２ｂを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。回転軸８と超音波工具ホルダ１をネジにより接続する。そして超音波工具ホルダに接続した工具取付け装置５であるチャック筒２２にダイヤモンドを電着した棒状の工具を焼き嵌めにより接続する。回転側のロータリートランス１２ａと、圧電セラミック３はリード線１７により電気的に結合されている。そしてその下には、テーブル１８に固定された円盤状のアルミナのワーク１３がある。【００３２】  次にこの超音波工具ホルダ１を用いた加工装置の運転方法を、図１７を用いて説明する。まずモータ９の電源をいれ回転軸８を回転させる。次に超音波発振器１６のスイッチを入れ、回転側のロータリートランス１２ａ、固定側のロータリートランス１２ｂを介して圧電セラミック３に約５５ＫＨｚの９０Ｖ（Ｐ−Ｐ）の交流電圧を印加する。チャック筒２２に取り付けた工具６の先端に約１７μｍの縦振動が励起される。このように５０ＫＨｚ以上の超音波振動で、１５μｍ以上の振動を励起させることができるのは、工具６に超音波振動を集中させることができる本発明の構成によるものである。【００３３】  ここで、図１７に用いた超音波工具ホルダ１と工具６の詳細について図１８の正面図、そして図１８のＡ−Ａ線での断面である図１９である。寸法はｍｍ単位で示す。ステンレス製のフロントマス１９とステンレス製のリアマス２０の間に圧電セラミックを挟みフロントマス１９に設けられたオネジとリアマス２０に設けられたメネジにより締め付け一体化する。圧電セラミックの寸法は外径３６ｍｍ、内径１６ｍｍそして厚さ５ｍｍである。フロントマス１９と接続棒２３は一体で製作されており接続棒２３にはネジが設けられている。そして接続棒２３のオネジと、回転軸のメネジにより超音波工具ホルダと回転軸を接続する。またフロントマス１９の先端には、一体でチャック筒２２が設けられている。そしてこのチャック筒２２に工具６を焼き嵌めにより接合する。【００３４】  ここで、超音波工具ホルダ１は、回転軸８に接続棒２３を固定支持され���ことにより接続されている。したがって、通常のランジュバン型超音波振動子のようにランジュバン型超音波振動子の中央部に固定支持するためのフランジを設けない。これは、工具６に振動を与えるための振動モードが異なるためである。本発明の超音波工具ホルダ１は工具６だけが振動するモードを励起する。それに対して従来の中央部のフランジで固定支持するランジュバン型超音波振動子は、中央部が節で両端が振動の腹となるものである。したがってランジュバン型超音波振動子の中央を節とした振動だけが強く励起できる構成であり、工具６だけを振動させることは困難になる。【００３５】  上記に説明したように、同じようなランジュバン型超音波振動子でも固定支持する場所により全く異なる振動モードになる。本発明は、ほぼ工具だけが振動するモードになるような固定支持する場所およびそのモードを発生させる周波数を印加することにより実現した。【００３６】  また、上記では超音波工具ホルダの振動駆動部の構成をランジュバン型超音波振動子としたが、図２０の正面図、および図２１の側面図で示す振動駆動部を用いてももちろんよい。振動駆動部は正６角柱の外側表面に６個の圧電セラミックを接合したものである。【００３７】  上記の加工は超音波切削加工であり、ワーク１３と工具６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６の寿命が長くなるなどの利点を有している。【００３８】  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。【００３９】  また、当然回転軸８にもほとんど振動が伝播しないので軸受１０または回転軸８の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００４０】  上記のように、工具６と超音波工具ホルダ１の工具取付け装置５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。【００４１】  以上示したように本発明の超音波工具ホルダを用いた超音波加工は、超音波工具ホルダの工具取付け装置と工具にだけほぼ超音波振動を励起させることができるので、加工精度が高く、工具の寿命が長くなりそして加工速度を高めるなどの利点を有している。【００４２】  本発明に用いる工具は、上記の他、エンドミル、ナイフ、ドリル、リーマー、溶着ヘッド、分散ヘッドなどがある。【００４３】  以上の超音波工具ホルダの外側形状は、円柱で説明したが、超音波工具ホルダの所望の振動モードを得るためには、正三角柱以上の正多角柱および円柱が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】  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】
【００４５】
【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】本発明の構成の超音波工具ホルダを示す正面図である。
【図３】図３のＡ−Ａ線での断面図である。
【図４】工具取付け装置、工具を持った超音波回転ホルダの断面図である。
【図５】別の工具取付け装置、工具を持った超音波回転ホルダの断面図である。
【図６】超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。
【図７】有限要素法により図６の周波数特性を計算した図である。
【図８】有限要素法により図６の３６ＫＨｚの振動モードを計算した図である。
【図９】別の超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。
【図１０】有限要素法により図９の周波数特性を計算した図である。
【図１１】有限要素法により図９の３９ＫＨｚの振動モードを計算した図である。
【図１２】さらに別の超音波工具ホルダ取付け軸に超音波工具ホルダを取り付けた断面図である。
【図１３】有限要素法により図１２の周波数特性を計算した図である。
【図１４】有限要素法により図１２の３９ＫＨｚの振動モードを計算した図である。
【図１５】本発明の別の構成の超音波工具ホルダを示す正面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ線での断面図である。
【図１７】本発明の超音波工具ホルダを取り付けた超音波研磨装置を示す側面図である。
【図１８】本発明の超音波工具ホルダの詳細な形状を示す正面図である。
【図１９】図１８のＡ−Ａ線での断面図である。
【図２０】本発明の別の振動駆動部を持つ超音波工具ホルダを示す正面図である。
【図２１】図２０の側面図である。
【符号の説明】
【００４６】１    超音波工具ホルダ
２    振動駆動部
３    圧電セラミック
４    絶縁体
５    工具取付け装置
６    工具
７    超音波研磨装置
８    回転軸
９    モータ
１０  軸受
１１  ケース
１２  ロータリートランス
１３  ワーク
１４  超音波工具ホルダ取付け軸
１５  ジルコニア
１６  超音波発振器
１７  リード線
１８  テーブル
１９  フロントマス
２０  リアマス
２１  コレットホルダ
２２  チャック筒
２３  接続棒
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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