(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工システムであって、
（ａ）非回転軸であって、前記非回転軸はさらに、
（ｉ）剛体のボディーと、
（ｉｉ）前記剛体のボディーに結合された工具サポートと、
（ｉｉｉ）前記工具サポートに結合された超音波機械加工モジュールであって、前記超音波機械加工モジュールはさらに、
ａ）機械加工工具を保持するコレットと、
ｂ）音響振動を発生させるための、前記コレットに結合された超音波変換器と、
ｃ）前記超音波変換器の周りに位置し前記工具サポートに結合されたハウジングであって、前記ハウジングは、前記機械加工工具に伝達される軸振動を除いて、前記モジュールの動作中前記超音波変換器により生じたすべての音響振動を遮断し、それにより、前記機械加工システムの後方又は上方に好ましくない振動が伝達するのを防止する少なくとも１つの振動遮断構造をさらに有することを特徴とするハウジングと、
を有することを特徴とする超音波機械加工モジュールと、
（ｉｖ）前記モジュールに電源供給するための電源と、
を有することを特徴とする非回転軸と、
（ｂ）プロセッサーと、
（ｃ）前記モジュールと前記プロセッサーとの間の電気接続性を具備し、これにより前記モジュールを前記プロセッサーと結びつけるプログラム可能なハードウェアコンポーネントであって、前記プロセッサーは前記モジュールに関するデータを収集し、前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記データを分析し、所定の安全動作パラメータに基づいて選択的に前記モジュールに電源を供給することを特徴とするプログラム可能なハードウェアコンポーネントと、
（ｄ）前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間に確立された連続した信号通信を可能としそして処理を行うための、前記超音波機械加工モジュールと動作可能に接続された少なくとも１つのマイクロプロセッサーと、
を具備することを特徴とする機械加工システム。
【請求項２】
前記非回転軸は、非回転アセンブリであり、前記非回転アセンブリは、流体を前記機械加工工具に供給するために前記超音波変換器を通り抜ける導管をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記振動遮断構造は、ハウジング内の半径方向に形成されたスプリングのような機構を有し、前記スプリングのような機構は、前記ハウジング内の半径方向に形成された薄くなった曲線部を有し、前記薄くなった曲線部は、前記ハウジングに撓みを許容することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記プロセッサーは、前記超音波機械加工モジュールに少なくとも１つの好ましい超音波振幅を計算するアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記プロセッサーは、過負荷、工具の損傷、又はこれらの組み合わせの形で故障状態の特定を行うことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記プロセッサーは、少なくとも１つの前記超音波機械加工モジュールの好ましい共振モードを特定するための自動調整能力を有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記超音波機械加工モジュールの動作パラメータを検査するために前記プロセッサーと前記超音波機械加工モジュールとの間の通信を可能にすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、適切な電気接触部を確認するため、短絡監視のため、又はこれら両方のために、前記プロセッサーと前記超音波機械加工モジュールとの間の通信を可能にすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記電気接続性での適切な極性の監視を可能にすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、異物の破片による、又は、電気的汚染要因物による、又はこれらの組み合わせによる、短絡状態についてのシステムの監視を可能にすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、超音波機械加工モジュールが前記非回転軸に接続されていない場合、電気接続部を介しての電源の供給を不可能にすることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記マイクロプロセッサーは、前記超音波機械加工モジュールに特有の識別チップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記識別チップは、通信のために高周波を用いることを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の通信は、無線通信又は有線通信であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
機械加工システムであって、
（ａ）軸装置であって、前記軸装置はさらに、
（ｉ）ボディーと、
（ｉｉ）前記ボディーに結合された工具ホルダーと、
（ｉｉｉ）前記工具ホルダーに結合された超音波機械加工モジュールであって、前記超音波機械加工モジュールはさらに、
ａ）機械加工工具を保持するコレットと、
ｂ）音響振動を発生させるための、前記コレットに結合された超音波変換器と、
ｃ）前記超音波変換器の周りに位置し前記工具ホルダーに結合されたハウジングであって、前記ハウジングは、前記機械加工工具に伝達される軸振動を除いて、前記モジュールの動作中前記超音波変換器により生じたすべての音響振動を遮断し、それにより、前記機械加工システムの後方又は上方に好ましくない振動が伝達するのを防止する少なくとも１つの振動遮断構造をさらに有することを特徴とするハウジングと、
を有することを特徴とする超音波機械加工モジュールと、
（ｉｖ）前記モジュールに電源供給するための電源と、
を有することを特徴とする軸装置と、
（ｂ）プロセッサーと、
（ｃ）前記モジュールと前記プロセッサーとの間の電気接続性を具備し、これにより前記モジュールを前記プロセッサーと結びつけるプログラム可能なハードウェアコンポーネントであって、前記プロセッサーは前記モジュールに関するデータを収集し、前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記データを分析し、所定の安全動作パラメータに基づいて選択的に前記モジュールに電源を供給することを特徴とするプログラム可能なハードウェアコンポーネントと、
（ｄ）前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間に確立された連続した信号通信を可能としそして処理を行うための、前記超音波機械加工モジュールに取り付けられた少なくとも１つのマイクロプロセッサーを具備する第２の安全機構と、
を具備することを特徴とする機械加工システム。
【請求項１６】
流体を前記機械加工工具に供給するために前記超音波変換器を通り抜ける導管をさらに具備することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記軸装置は、回転アセンブリであることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記振動遮断構造は、前記ハウジング内に半径方向に形成されたスプリングのような機構をさらに有し、前記スプリングのような機構はさらに前記ハウジングに放射状に形成された薄くなった曲線部を含み、前記薄くなった曲線部により、前記ハウジングは撓むことができることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記プロセッサーは、前記超音波機械加工モジュールに少なくとも１つの好ましい超音波振幅を計算するアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記プロセッサーは、過負荷、工具の損傷、又はこれらの組み合わせの形で故障状態の特定を行うことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
前記プロセッサーは、少なくとも１つの前記超音波機械加工モジュールの好ましい共振モードを特定するための自動調整能力を有することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記超音波機械加工モジュールのパラメータを検査するために前記プロセッサーと前記超音波機械加工モジュールとの間の通信を可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、適切な電気接触部を確認するため、短絡監視のため、又はこれら両方のために、前記プロセッサーと前記超音波機械加工モジュールとの間の通信を可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２４】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、前記電気接続性での適切な極性の監視を可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２５】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、異物の破片による、又は、電気的汚染要因物による、又はこれらの組み合わせによる、短絡状態についてのシステムの監視を可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２６】
前記プログラム可能なハードウェアコンポーネントは、超音波機械加工モジュールが前記軸装置に接続されていない場合、電気接続部を介しての電源の供給を不可能にすることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記マイクロプロセッサーは、前記超音波機械加工モジュールに特有の識別チップをさらに有することを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記識別チップは、通信のために高周波を用いることを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の通信は、無線通信又は有線通信であることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【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、２０１５年９月４日に出願された米国特許出願番号１４／８４６，０６４、表題「超音波振動アシスト機械加工用高速回転電気コネクタ」の一部継続出願であり、この開示内容は、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機械加工工具がそのような素材に使われるが、工具の寿命と生産性を少し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】
超音波振動アシスト機械加工は、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、第１の閉ループ機械加工システム又は金属加工システムが提供される。このシステムは、剛体のボディー、前記ボディーに結合された工具サポート又は工具ポスト、前記工具ポストに結合された超音波機械加工モジュール、及び、前記モジュールに電源供給するための電源をさらに有する非回転リテンションアセンブリと、前記閉ループ機械加工システムの動作を制御するプロセッサーと、「安全性及び互換性ブリッジ」と称するプログラム可能なハードウェアコンポーネントと、を有する。前記安全性及び互換性ブリッジは、前記超音波機械加工モジュールを前記プロセッサーと結びつけ、前記安全性及び互換性ブリッジはさらに、前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の電気接続性と、前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の通信を可能としそして通信を行う、前記超音波機械加工モジュール中の又は前記超音波機械加工モジュールと関連付けられた少なくとも１つのマイクロプロセッサーと、を有する。前記超音波機械加工モジュールはさらに、機械加工工具を保持するコレットと、音響振動を発生させるための、前記コレットに結合された超音波変換器と、前記超音波変換器の周りに位置し前記工具ポストに結合されたハウジングであって、前記ハウジングは、前記機械加工工具に伝達される軸振動を除いて、前記モジュールの動作中前記超音波変換器により生じたすべての音響振動を遮断し、それにより、前記機械加工システムの後方又は上方に好ましくない振動が伝達するのを防止する少なくとも１つの振動遮断構造をさらに有することを特徴とするハウジングと、を有する。
【００１０】
本発明の他の１つの特徴によれば、第２の閉ループ機械加工システム又は金属加工システムが提供される。このシステムは、ボディー、前記ボディーに結合された工具ホルダー、前記工具ホルダーに結合された超音波機械加工モジュール、及び、前記モジュールに電源供給するための電源を有する回転軸アセンブリと、前記閉ループ機械加工システムの動作を制御するプロセッサーと、前記超音波機械加工モジュールを前記プロセッサーと結びつける安全性及び互換性ブリッジであって、前記安全性及び互換性ブリッジは、前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の電気接続性をさらに有することを特徴とする安全性及び互換性ブリッジと、前記超音波機械加工モジュールと前記プロセッサーとの間の通信を可能としそして通信を行う、前記超音波機械加工モジュール中の又は前記超音波機械加工モジュールと関連付けられた少なくとも１つのマイクロプロセッサーと、を有する。前記超音波機械加工モジュールはさらに、機械加工工具を保持するコレットと、音響振動を発生させるための、前記コレットに結合された超音波変換器と、前記超音波変換器の周りに位置し前記工具ポストに結合されたハウジングであって、前記ハウジングは、前記機械加工工具に伝達される軸振動を除いて、前記モジュールの動作中前記超音波変換器により生じたすべての音響振動を遮断し、それにより、前記機械加工システムの後方又は上方に好ましくない振動が伝達するのを防止する少なくとも１つの振動遮断構造をさらに有することを特徴とするハウジングと、を有する。
【００１１】
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なものとなろう。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に進んだ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】
【００１２】
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】本願発明の代替的な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、この超音波機械加工モジュールに結合された機械加工工具に冷却媒体を送り込むための軸通過冷却媒体システムを有することができるようになっている回転軸アセンブリの一端に高速回転コネクタが設置されている。
【図４】図４の超音波機械加工モジュール及び回転軸アセンブリの断面図である。
【図５】超音波機械加工モジュールを有する回転軸アセンブリの一部を示す、図４の超音波機械加工モジュール及び回転軸アセンブリの断面図である。
【図６】回転電気コネクタを有する回転軸アセンブリの一部を示す、図４の超音波機械加工モジュール及び回転軸アセンブリの断面図である。
【図７】本願発明の非回転での非回転実施形態の部分斜視図であり、他の機械加工工具を有する固定タレットに超音波モジュールが取り付けられている。
【図８】所定の動作パラメータに基づき、超音波機械加工モジュールに選択的に電源供給を行うために、安全性及び互換性ブリッジを用いるプロセッサーと接続する超音波機械加工モジュールを有する閉ループ機械加工システムの一般的な概略図／フローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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有する。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、前記超音波機械加工モジュールは、（ａ）超音波変換器であって、前記超音波変換器は、機械加工工具を受け入れるのに適合しており、前記超音波変換器はさらに、（ｉ）フロントマス、（ｉｉ）バックマス、（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、（ｉｖ）前記圧電セラミックの間に挟まれた少なくとも１つの電気的接続部（例えば、電極）、及び（ｖ）前記フロントマス、前記バックマス、前記セラミック、及び、前記電極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ことを特徴とする圧縮部材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を有する。前記ハウジングにはさらに、前記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、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、前記ハウジングの薄くなった曲線部は装置の運転中に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し、これにより、前記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前記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。
【００１５】
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を有する。工具ホルダー２０は、上方部２２を有し、上方部２２はさらに機械加工モジュール１０を機械加工システム又は機械加工センター（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を有する。工具ホルダー２０の下方部２６には複数の２次的な穴２８があり、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、ハウジング２０に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。
【００１６】
ハウジング４０は剛性筒状部４２を有し、前記剛性筒状部４２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を有する。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がある。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。
【００１７】
ハウジング４０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を有する。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ある。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機械加工工具その他にトルクが伝わる。本発明の文脈内では、用語「機械加工工具」はフロントマス７６に取り付けられるドリルビット又は機械加工工具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。
【００１８】
超音波変換器アセンブリ７０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を有する。複数の電極７５が圧電セラミック７４の間に挟まれ、圧縮部材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。圧縮部材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。
【００１９】
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を有する。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。
【００２０】
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。
【００２１】
上述の特徴に加え、本願発明のいくつかの実施形態はまた、機械加工又は金属加工環境において、高出力超音波システムを動作させるために用いられる高電圧信号の導入を許容する特徴を有する。下記の実施形態において、本発明は、例えば、適切な電源（図８参照）に接続された高速回転電気コネクタを用いて、１０ｋＷまでの出力レベルの、４００ＶＡＣを超える電圧を伝達することができる。図３では、本願発明の代替的な実施形態の側面図が提示され、超音波機械加工モジュール１１０に取り付けられた機械加工工具（例えば、ドリルビット）の冷却媒体を送り込むための軸通過冷却媒体システムを備えるようになっている回転軸アセンブリ１００の一端に、高速回転電気コネクタが含まれている。この実施形態では、回転軸アセンブリ１００は、超音波機械加工モジュール１１０、（機械加工工具を受け入れるようになっている）コレット１１４、駆動シャフト１４０、冷却媒体アダプタ１４２、回転スリップリング１４４、位置合わせリング１４６、及び、冷却媒体ロータリーユニオン１５０を有する。図４では、軸アセンブリ１００の詳細な断面図が提示され、以下のコンポーネント、即ち、超音波モジュール１１０、超音波変換器１１２、コレット１１４、ハウジング１１６、工具サポート又は工具ホルダー１２０、リテンションノブ１２２、ベアリングハウジング１３０、ベアリング１３２、電気接続部１３４、電極シャフト１３６、駆動シャフト１４０、冷却媒体アダプタ１４２、回転スリップリング１４４、位置合わせリング１４６、及び、冷却媒体ロータリーユニオン１５０の、軸アセンブリ１００内での相対的な位置が示されている。図５では、超音波機械加工モジュール１１０を含む軸アセンブリ１００の一部の断面図が提示され、以下の付加的な構造、即ち、振動減衰構造１１８、変換器冷却媒体カップラー１２４、電気接続部１３４、電極シャフト１３６、及び、冷却媒体プラグ１３８が描かれている。図６では、冷却媒体ロータリーユニオン１５０を含む回転軸アセンブリ１００の一部の断面図が提示され、以下の付加的な構造、即ち、電極経路１３７及び冷却媒体電極シール１５４が描かれている。
【００２２】
図３〜６に示す実施形態では、電気エネルギーは、回転軸アセンブリ１００に形成された中央部全長にわたる通路（電極シャフト１３６）に配置された導体を用いて超音波変換器１１２に送られる。導体は回転軸アセンブリ１００を通って平行に走り、電気接続部１３４でリテンションノブ１２２（これはハウジング１１６内の工具ホルダー１２０の位置も定める）内に配置された電極と電気的接触を行い、電気接続部１３４は一般に２本の導体ピンによる接続となる。電気接続部１３４にはまたプラグ及びステムが含まれ、プラグ１３８は電気接続部となり、ステムは、流体用導管１３５を通る冷却媒体の流れから電気コンポーネントをシールするためにリテンションノブ１２２の本体に突き出ている。電極シャフト１３６は、冷却媒体が流れる動作状態において回転軸アセンブリ１００に生じる高圧状態に耐えるためにステンレス鋼のインナースリーブを有する。種々の工具交換装置の機能とつなげるために、工具を交換する場合にプランジャー装置により圧縮することができるような状態で正負の電極が置かれる。電気エネルギーは、超音波機械加工モジュール１１０の反対側になる回転軸アセンブリ１００の端部に取り付けられた高電圧回転スリップリング１４４により供給される。回転スリップリング１４４は、配線路１３７を通って配線された正負の電極を露出し、それにより、プロセッサー主ケーブルとの電気的接続を可能にする。流体用導管１３５を通る冷却媒体（又は空気）を流すために通常の回転コネクタを使用しやすくする、ロータリーユニオン１５０が回転スリップリング１４４に隣接する。図７では、本願発明の非回転実施形態２００の部分斜視図が提示され、（超音波機械加工モジュール１１０に類似する）超音波機械加工モジュール２１０が、他の機械加工工具２５０、２６０、及び２７０を有する固定タレット２０５に取り付けられている。この実施形態では、非回転リテンションアセンブリが、回転軸アセンブリに取って代わり、工具支持ポスト（不図示）が工具ホルダー１２０に取って代わる。この実施形態はまた、機械加工工具に冷却媒体を送り込むために、変換器を通り抜ける冷却媒体通路を有する。
【００２３】
本願発明が高出力及び高電圧であるという特徴を持つことから、システムコンポーネント間での適切な接続を確保するため、及び、超音波機械加工モジュール（及び、関連する軸又はリテンションアセンブリ）が実質的に互換性のある電源と確実に接続させるために、安全システムと機構を有することができる。図８では、所定の動作パラメータに基づいて選択的に超音波機械加工モジュール３１６に電源を供給する安全性及び互換性ブリッジ３２０を用いるプロセッサー３１４と接続する超音波機械加工モジュール３１６を有する閉ループ機械加工センター又は閉ループ機械加工システム３１０の一般的な概略図／フローチャートが提示される。この実施形態では、機械加工センター３１２はプロセッサー３１４と接続され、機械加工センター３１２との互換性及び適切な動作に関して、モジュール３１６の存在を確認するため及び超音波機械加工モジュール３１６の他の重要な特徴を確認するために、超音波機械加工モジュール３１６に配置、又は、関連付けられたマイクロプロセッサーに接続される。プロセッサー３１４は、処理ステップ３１８にて超音波機械加工モジュール３１６に関するデータを収集し、安全性及び互換性ブリッジ３２０は、処理ステップ３２２にてこのデータを分析する。処理ステップ３２４にて、セットアップ、通信、又は、動作パラメータ（又は、システム３１０の他の特徴）に必要な修正を行う。分析３２２において安全でない、受忍できない、或いは、回復できない状態を検出した場合、安全性及び互換性ブリッジ３２０は、電源３３０が（関連する軸又はリテンションアセンブリを通じて）超音波機械加工モジュール３１６に電源供給するのを防止するので、機械加工センター３１２は動作しない。分析３２２において安全でない、受忍できない、或いは、回復できない状態を検出しない場合、安全性及び互換性ブリッジ３２０は、電源３３０から超音波機械加工モジュール３１６に電源供給するのを許容するので、超音波機械加工モジュール３１６は、ワークピース３３２で必要とされる動作を行う。
【００２４】
本願発明の例示的実施形態において、機械加工システム３１０は、超音波機械加工モジュール３１０に取り付けるなどして関係付けたマイクロプロセッサー（例えば、識別チップ）３１９と（無線その他で）通信を行う、プロセッサー３１４を用いる。他の動作形態の中では、マイクロプロセッサー３１９は、機械加工システム３１０の所定の出力設定に基づきモジュール３１０の振幅範囲で通信を行う。マイクロプロセッサー３１９は、いくつかの実施形態ではラジオ周波数に基づくことができ、電気接続部を受け入れ可能な状態で電源３３０と通信を行い、短絡状態が生じていなかったかどうか、或いは生じていないいかどうかを判断する。安全性に関しては、所定の各出力設定において超音波機械加工モジュール３１０の機能特性が監視されていることが重要である。マイクロプロセッサー３１９はまた、連続した信号が確立したことをプロセッサー３１４に伝達する。安全性及び互換性ブリッジ３２０は、適切な超音波機械加工モジュール３１０との接続を確認し、超音波モジュールが機械加工システム３１０と接続されていない場合に軸又はリテンションアセンブリへの電力供給を許さない。加えて、安全性及び互換性ブリッジ２３０は、超音波モジュールが正しい位置に、すなわち、プラスはプラスにそしてマイナスはマイナスに接続されていることを確認する。冷却媒体を軸に通すことができる実施形態においては、安全性及び互換性ブリッジ３２０はまた、機械加工工具を通してワークピース３３２へ、及び／又は、機械加工システム３１０のオペレータへ電気エネルギーを導く可能性のある、冷却媒体の汚染を発見する。
【００２５】
プロセッサー３１４は、多くの進んだ機能をもたらし、超音波機械加工モジュール３１０の所定の動作パラメータに基づく安全のための命令をマイクロプロセッサー３１９に具備させるためのソフトウェアを有する。超音波の分野での従来の手法では一般にシステムの動作を制御する電源を用いる。例えば、電源は、機械加工システムの共振周波数に調整し、プログラムされた振幅の設定で駆動装置をロックする。機械加工処理は、一般に時間、出力、距離、等を監視することにより制御される。これは、普通、±５００Ｈｚから±１ｋＨｚ程度の周波数帯域を持つ電源で達成される。本願発明ではそのような制約条件がない。それは、安全な状態を確保し、超音波機械加工モジュールが動作すべき領域内でプロセッサー３１４と通信する適切な超音波機械加工モジュールを特定するために、主電源３３０と接続された装置との通信を（一般に無線で）プロセッサー３１４が行うからである。一例として、プロセッサー３１４は、１５ｋＨｚから２５ｋＨｚの間で周波数スキャンを行い、このスキャンの間、プロセッサー３１４は、周波数を変化させながら超音波機械加工モジュール３１６中の超音波変換器のインピーダンスを測定しその範囲内の共振周波数を特定する。プロセッサー３１４は、次に、システムＱ（すなわち、無効電力／ボルト・アンペア無効電力）、共振時の電力、及びキャパシタンスを監視することにより、超音波機械加工モジュール３１６の縦方向の共振を確立する。いったん周波数調整が完了すると、プロセッサー３１４は機械加工センター３１２と通信を行い、ＲＰＭ、送り速度、選択したプログラムに用いられる工具直径を確認し、次いで、速度アルゴリズムを用いて、機械加工速度の強さを計算し、どのような機械加工速度の強さが所定の機械加工パラメータに正しく適合するのかを計算する。この計算の結果、前記の特定する段階でプロセッサー３１４により確立された共振周波数に基づく振幅が得られる。プロセッサー３１４はまた、硬い工具（すなわち、ドリルビット）が機械加工動作中に破損したかどうかも判断する。工具の破損が生じた場合、超音波機械加工モジュール３１０のインピーダンス及び周波数に、故障と同時に、急峻な突然の変動が検出される。この場合、不良状態が生じ、プロセッサー３１４は、機械加工工具をソフトストップ状態にし、エラーメッセージを出す。
【００２６】
要約すれば、プロセッサー３１４による利点及び主要な機能として、（ｉ）超音波機械加工モジュール３１６の少なくとも１つの好ましい超音波振幅を計算する少なくとも１つのアルゴリズムを用いること、（ｉｉ）過負荷、工具の損傷、又はこれらの組み合わせの形で故障状態の特定を行うこと、（ｉｉｉ）超音波機械加工モジュール３１６の少なくとも１つの好ましい共振モードを特定するための自動調整能力を提供すること、及び、（ｉｖ）超音波機械加工モジュール３１６を使用不可にし、システム３１０をソフトストップ状態にするためにマイクロプロセッサー３１９と通信することが含まれる。安全性及び互換性ブリッジ３２０による利点及び主要な機能として、（ｉ）機械加工センター３１２に結合された超音波機械加工モジュールを特定しその互換性を確認するためにプロセッサー３１４と超音波機械加工モジュール３１６との間の通信を可能とすること、（ｉｉ）適切な電気接触部を確認するため、短絡監視のため、又はこれら両方のためにプロセッサー３１４と超音波機械加工モジュール３１６との間の通信を可能とすること、（ｉｉｉ）電気接続部の適切な極性の監視を可能とすること、（ｉｖ）超音波機械加工モジュールの存在又は不存在についてのシステム３１０の監視を可能とすること、（ｖ）異物の破片による、又は、電気的汚染要因物による、又はこれらの組み合わせによる、短絡状態についてのシステム３１０の監視を可能とすること、（ｖｉ）超音波機械加工モジュールが機械加工センター３１２に接続されていない場合電源の供給を不可能にすることが含まれる。
【００２７】
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】
0006799202.tif 000002
【図２】
0006799202.tif 000003
【図３】
0006799202.tif 000004
【図４】
0006799202.tif 000005
【図５】
0006799202.tif 000006
【図６】
0006799202.tif 000007
【図７】
0006799202.tif 000008
【図８】
0006799202.tif 000009