(57)【要約】      （修正有）【課題】  加工精度が高く、かつ工具の消耗を小さくする超音波加工機を提供する。【解決手段】  ステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１がある。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、この軸受３を固定するためのステンレスのケース１０がある。回転軸２には工具ホルダー５がネジ込み連結されている。ケース１０に固着された固定側のロータリートランス４ｂがある。固定側のロータリートランス４ｂには超音波交流電力を供給するための超音波発振器１４がリード線１５ｂにより接続されている。回転側のロータリートランス４ａは、工具ホルダー５の上部にネジを用いて接合されている。回転側のロータリートランス４ａと超音波ホルダー１２の圧電セラミックは、リード線１５ａにより接続する。ドリル６は超音波ホルダー１２に嵌め込まれ、コレット１１にさらに嵌め込まれ、締め付けナット９により工具ホルダー５に固定保持される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削加工する回転工具を持つ超音波加工装置において、圧電素子を有する超音波ホルダーが回転工具を固定保持し、かつ回転軸に直接、またはチャック装置を用いて前記超音波ホルダーが回転軸に固定保持され、そして前記圧電素子に超音波発振器より交流電圧を印加することを特徴とするものである。
【請求項２】
前記超音波ホルダーが同じ中心軸を有する筒体を２個持ち、外側の筒体と内側の筒体は弾性板で接続され、かつ内側の筒体の外表面に圧電素子が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
【請求項３】
前記外側の筒体と内側の筒体を接続する弾性板が、複数個であることを特徴とする請求項２に記載の超音波加工装置。
【請求項４】
前記筒体の中心軸に直交する断面形状が、外側形状が円、または正４角形以上の正多角形であり、内側形状が円、または正４角形以上の正多角形であることを特徴とする請求項２に記載の超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、被加工物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置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、加工対象物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。超音波切削加工は、被加工物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。
【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
【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も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。
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】
【０００４】  しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので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、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、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。【０００５】  また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端から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。【０００６】  本発明の目的は、被加工物を高精度および高速度で加工することができ、かつ切削加工する回転工具の消耗の小さい超音波加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、切削加工する回転工具を持つ超音波加工装置において、圧電素子を有する超音波ホルダーが回転工具を固定保持し、かつ超音波加工装置の回転軸に直接またはチャック装置を用いて前記超音波ホルダーが固定保持され、そして前記圧電素子に超音波発振器より交流電圧を印加するものである。【０００８】  本発明はまた、前記超音波ホルダーが同じ中心軸を有する筒体を２個持ち、外側の筒体と内側の筒体は弾性板で接続され、かつ内側の筒体の外表面に圧電素子が接合されていることを特徴とするものである。【０００９】  本発明はまた、前記外側の筒体と内側の筒体を接続する弾性板が、複数個とするものである。【００１０】  本発明はまた、前記筒体の中心軸に直交する断面形状が、筒体の外側形状が円、または正４角形以上の正多角形であり、筒体の内側形状が円、または正４角形以上の正多角形とするものである。
【発明の効果】
【００１１】  本発明の超音波加工装置は、被加工物を高精度および高速度で加工することができ、かつ切削加工する回転工具の消耗を小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  図２は、本発明の実施の形態を示す基本的な構成を示す断面図である。ステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１が備えられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、さらにこの軸受３を固定するためのステンレスのケース１０がある。回転軸２には工具ホルダー５がネジ込み連結されている。ケース１０に固着された固定側のロータリートランス４ｂがある。そして、固定側のロータリートランス４ｂには超音波交流電力を供給するための超音波発振器１４がリード線１５ｂにより接続されている。また回転側のロータリートランス４ａは、工具ホルダー５の上部にネジを用いて接合されている。回転側のロータリートランス４ａと超音波ホルダー１２の圧電セラミックは、リード線１５ａにより接続する。ドリル６は超音波ホルダー１２に嵌め込まれ、そしてコレット１１にさらに嵌め込まれ、締め付けナット９により工具ホルダー５に固定保持される。ドリル６の下には、テーブル８にワックスなどを用いて固定された被加工物７がある。【００１３】  上記では超音波ホルダー１２を回転軸２に取り付けた工具ホルダー５とコレット１１そして締め付けナット９を固定保持したが、もちろん超音波ホルダー１２を直接、回転軸２に取り付けることもできる。さらに、超音波ホルダー１２を固定保持するチャック装置としてドリルチャックもある。【００１４】  超音波ホルダー１２の詳細を図３の平面図と図３のＡ−Ａ線での断面を示す図４を用いて説明する。超音波ホルダー１２は、工具を保持するテーパ穴１７を持った円筒体１６ｂとコレットに保持される円筒体１６ａ、そしてこれらの２個の円筒を接続する弾性板１８ａ、１８ｂから成っている。なおテーパ穴１７を持った円筒１６ｂの外側にエポキシ樹脂を用いて圧電素子である円筒状の圧電セラミック１３が接合されている。圧電素子としては、通常圧電セラミックを用いるが、例えば特に高温になる環境では圧電単結晶を用いることもできる。【００１５】  ここで超音波ホルダー１２の作成方法について説明する。まず、テーパ穴１７を持ったステンレス製の円筒体１６ｂの外側にエポキシ樹脂を用いて円筒状の圧電セラミック１３を接合する。なお、円筒体１６ｂと弾性板１８ｂは一体で構成する。また、同様に円筒体１６ａと弾性板１８ａも一体で構成する。このようにすることで、部品点数を減らすことができ、かつ弾性板の接合部分を少なくできるので、信頼性の高い構造となる。次いで、コレットに保持されるステンレス製の円筒体１６ａと、上記の円筒状の圧電セラミック１３を接合した円筒体１６ｂのそれぞれの中心軸を一致させエポキシ樹脂により接合する。ここでは、エポキシ樹脂を用いて接合したが、ロウ付けまたは、溶接などの接合方法もある。【００１６】  図５の斜視図で示す円筒状の圧電セラミック１３は矢印で示す半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。また、外面からのみリード線を出すために内面の電極から折り返し電極を設ける。図面の都合上、折り返し電極だけを格子状の斜線で示した。そして、外面の電極と接続するリード線１５ａ、内面の電極と接続した折り返し電極とリード線１５ｂを接続する。【００１７】  次にこの超音波加工装置の運転方法を、図２を用いて説明する。まずモータ１の電源を入れ回転軸２を回転させる。次に共振周波数を追尾できる超音波発振器１４のスイッチを入れ、固定側のロータリートランス４ｂ、回転側のロータリートランス４ａを介して円筒状の圧電セラミック１３に超音波交流電圧を印加する。そして被加工物７をドリル６により加工する。【００１８】  ここで、コレット１１に固定保持された超音波ホルダー１２とドリル６の振動変位を有限要素法を用いて計算する。計算したモデルは図６に示すものである。計算時間を短縮するためと、軸対称の条件を含ませるために、中心軸に対して１／４だけを計算した。またその他の条件として、コレット１１に保持される円筒体１６ａの外側の変位を拘束した。【００１９】  ここで計算に用いた寸法と材料について説明する。先ずコレットに保持される円筒体１６ａの材料はステンレスであり、寸法は外径２０ｍｍ、内径１６ｍｍ、長さ３０ｍｍである。２個の弾性板１８ａ、１８ｂの材料はステンレスであり、外径１６ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ２ｍｍである。また、テーパ穴１７を持った円筒体１６ｂの材料はステンレスであり、外径１０ｍｍ、長さ３０ｍｍであり、その中心部のテーパ穴１７の形状は、ドリル先端側の直径が６ｍｍ、反対側の直径が４ｍｍそして長さが３０ｍｍである。そしてテーパ穴１７を持った円筒体１６ｂの外側に接合した圧電セラミック１３の寸法は、外径１２ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ２４ｍｍである。【００２０】  また、円筒体のテーパ穴に嵌め込まれたドリルは工具鋼製であり、シャンク部の寸法はドリル先端側の直径が６ｍｍ、反対側の直径が４ｍｍそして長さが３０ｍｍであり、ドリル部の寸法が直径が６ｍｍ、長さが５０ｍｍである。【００２１】  ドリル６はシャンクの形状によって、図８に示すテーパシャンクドリル６ａと図９に示すストレートシャンクドリル６ｂに大別される。また、ドリルはシャンク部１９とドリル部２０に区分される。本実施の形態ではシャンク部１９がテーパであるドリルを円筒体のテーパ穴にはめ込むことにより工具であるドリルを固定保持したが、さらに固定保持力を増強するために瞬間接着材を用いてもよい。瞬間接着材は剥離液により簡単に取り除くことができるので超音波ホルダーを再利用するのに適している。また、図９に示すストレートシャンクドリル６ｂはドリルチャックにより固定保持するのに適している。ドリルのシャンク及びドリルチャックについては、非特許文献３に記述してある。
【非特許文献３】萱場孝雄、「機械工作概論」、理工学社、２００１年、ｐ５４−５８
【００２２】  周波数応答の計算条件として、圧電セラミックの内径側の電極に０ボルト、外径側の電極に１ボルトを印加する。【００２３】周波数応答の計算結果を図７に示す。図７のグラフの横軸は周波数であり、１０ＫＨｚから１００ＫＨｚまでの間を１ＫＨｚステップで計算している。また、縦軸はアドミッタンスである。このグラフより６８ＫＨｚと８９ＫＨｚに固有振動数を持つ固有振動モードがあることがわかる。【００２４】  図１０に６８ＫＨｚの固有振動モードを示す。圧電セラミック１３の印加された電圧により内側の円筒体１６ｂが変位する。この振動変位はテーパ穴１７に接続されたドリル６に伝播し、ドリル６を主に軸方向に振動させる。ドリル６の振動の大きさは、１ボルトの印加電圧で約０．２μｍであり、実際は数十ボルトの電圧を印加するので、十分な振動の大きさである。また内側の円筒体１６ｂと外側の円筒体１６ａを接続する弾性板１８ａ、１８ｂも振動するが、弾性板１８ａ、１８ｂの形状の効果によりバネの作用をする。すなわち、内側の円筒体１６ｂの振動を抑制する作用は小さく、かつ外側円筒体１６ａと接続しているのである。さらに外側の円筒体１６ａをコレットにより固定保持しているので、外側の円筒体１６ａの外表面の変位はない。【００２５】  図１１に８９ＫＨｚの固有振動モードを示す。圧電セラミック１３の印加された電圧により内側の円筒体１６ｂが変位する。この振動変位はテーパ穴１７に接続されたドリル６に伝播し、ドリル６を主に軸方向に振動させる。ドリルの振動の大きさは、１ボルトの印加電圧で約０．０２μｍであり、６８ＫＨｚの固有振動モードの約１０分の１であるが、周波数が高いので加速度は大きい。この振動モードも６８ＫＨｚの固有振動モードとほぼ同様であり、内側の円筒体１６ｂと外側の円筒体１６ａを接続する弾性板１８ａ、１８ｂがバネの作用をする。すなわち、内側の円筒体１６ｂの振動を抑制する作用は小さく、かつ外側の円筒体１６ａと接続しているのである。さらに外側の円筒体１６ａをコレットにより固定保持しているので、外側の円筒体の外表面の変位はない。【００２６】  上記のように、圧電セラミック１３が発生する超音波振動は内側の円筒体１６ｂとこれに保持されたドリル６だけにほぼ集中し、２個の弾性板１８ａ、１８ｂの効果により外側の円筒体１６ａにはほとんど伝播しない。したがって、工具ホルダーなどには、ほとんど振動が伝播することがないため振動ロスが小さい。このため、小さな電力で必要な大きさの振動をドリルに励起させることができる。したがって、ドリルの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。また、当然回転軸２にもほとんど振動が伝播しないので軸受３または回転軸２の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００２７】  また、超音波振動は摩擦係数を小さくする作用が、工具ホルダーと超音波ホルダーの接触面では超音波振動はほとんどないので、被加工物を加工しているときの負荷により工具ホルダーと超音波ホルダーの間でスリップすることはない。したがって、ドリルが破損し、被加工物が損傷することはない。【００２８】  上記のように、ドリルと内側の円筒体だけが振動することにより、被加工物とドリルとの摩��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。【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】  また、工具であるドリルに直接圧電セラミックを接合すると、工具の消耗とともに高価な圧電セラミックも廃棄しなければならない。しかし、上記のように超音波ホルダーを使用することにより、消耗したドリルだけを廃棄すればよいので、製造コストを小さくできる。【００３１】  本発明では、超音波ホルダーの形状として円筒体を用いて説明したが、例えば図１２（Ａ）で示す外側の筒体を円筒体とし、内側の筒体を貫通穴を持った正４角柱でもよい。また、図１２（Ｂ）で示す外側の筒体を正６角柱のパイプとし、内側の筒体を貫通穴を持った正６角柱でもよい。さらに図１２（Ｃ）で示す外側の筒体を正８角柱のパイプで、内側に貫通穴を持った円筒体でもよい。【００３２】  本発明では、超音波ホルダーの外側の筒体と内側の筒体を接続するために弾性板を２個用いたが、図１３の平面図、そして図１３のＡ−Ａ線での断面図１４で示すように例えば、大型の工具を用いる場合は、超音波ホルダーの強度を上げるために弾性板を３個以上用いることもある。またそれに従い、圧電セラミックを複数個用いることもある。【００３３】  さらに前記弾性板の剛性を小さくするために弾性体にスリット、穴などを設けることもできる。また、弾性板の材料は、振動疲労特性の優れたチタン、アルミ合金、ステンレスなどの金属材料が適している。【００３４】  本発明では、回転工具としてドリルを用いて説明したが、回転工具としては、エンドミル、リーマ、タップなどがある。
【産業上の利用可能性】
【００３５】  本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ被加工物を加工する様々な加工装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の超音波ホルダーを用いた超音波加工装置の基本的な構成を示す正面図である。
【図３】超音波ホルダーを示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線での断面を示す図である。
【図５】図３の超音波ホルダーに用いた圧電セラミックの斜視図である。
【図６】有限要素法で使用した計算モデルである。
【図７】有限要素法により計算した周波数応答を示すグラフである。
【図８】テーパシャンクドリルの基本的な構成を示す正面図である。
【図９】ストレートシャンクドリルの基本的な構成を示す正面図である。
【図１０】有限要素法により計算した６８ＫＨｚの振動モードである。
【図１１】有限要素法により計算した８９ＫＨｚの振動モードである。
【図１２】超音波ホルダーを別の形態を示す図である。
【図１３】弾性板を３個有した超音波ホルダーを示す平面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線での断面を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】１    モータ
２    回転軸
３    軸受
４    ロータリートランス
５    工具ホルダー
６    ドリル
７    被加工物
８    テーブル
９    締め付けナット
１０  ケース
１１  コレット
１２  超音波ホルダー
１３  圧電セラミック
１４  超音波発振器
１５  リード線
１６  筒体
１７  テーパ穴
１８  弾性板
１９  シャンク部
２０  ドリル部
【図１】
2008023696.tif 000003
【図２】
2008023696.tif 000004
【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】
2008023696.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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