(57)【要約】【課題】小型化が可能で現地への持ち運びが容易にでき、実機構造物から効率よく材料試験片をサンプリングできるようにすることである。【解決手段】無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成された超音波振動子２を設け、被加工物９との間に砥粒を含有するスラリーを介在せしめて加工工具６に超音波振動を加え被加工物９を加工する。加工工具６および超音波振動子２は支持具８で保持され、加工工具６の先端部が被加工物９の表面に垂直方向から送り込まれるようにする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物との間に砥粒を含有するスラリーを介在せしめて前記被加工物を加工する加工工具と、無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成され前記加工工具に超音波振動を加える超音波振動子と、前記加工工具および前記超音波振動子を保持し前記加工工具の先端部が前記被加工物の表面に垂直方向から送り込まれるようにするための支持具とを備えたことを特徴とするモバイル型超音波加工装置。
【請求項２】
前記被加工物と前記加工工具とを押圧せしめる圧力を出力する加工圧発生装置を備えたことを特徴とする請求項１記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項３】
前記加工圧発生装置の圧力発生源は、ばねにより構成されていることを特徴とする請求項２記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項４】
前記加工圧発生装置の圧力発生源は、電動アクチュエータによって構成されていることを特徴とする請求項２記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項５】
前記加工圧発生装置により発生する圧力荷重を検知する圧力検知部と、前記圧力検知部で検知した圧力荷重が予め定めた目標圧力になるように前記電動アクチュエータを駆動制御する制御部とを備えたことを特徴とする請求項４記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項６】
前記支持具に代えて、前記加工工具および前記超音波振動子を保持し前記加工工具の先端部が前記被加工物の表面に様々な角度から送り込まれるようにするための角度調整支持具を備えたことを特徴とする請求項１記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項７】
前記角度調整支持具の前記加工工具および前記超音波振動子を保持する反対側の端部に、前記角度調整支持具を固定するための固定具を備えたことを特徴とする請求項６記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項８】
前記固定具は、磁石により固着力を発生させることを特徴とする請求項７記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項９】
前記固定具は、真空吸盤により固着力を発生させることを特徴とする請求項７記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項１０】
前記加工工具を囲繞し、加工に際して前記スラリーを密閉するスラリー密閉槽を備えたことを特徴とする請求項１記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項１１】
前記スラリー密閉槽の中にスラリーを撹拌する撹拌器を備えたことを特徴とする請求項１０記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項１２】
前記加工工具に代えて、加工工具面が平面の平面加工工具を設け、前記超音波振動子に振幅を調整した電源を供給する振幅調整電源装置を備え、前記被加工物の表面を研磨することを特徴とする請求項１記載のモバイル型超音波加工装置。
【請求項１３】
被加工物と加工工具との間に砥粒を含有するスラリーを介在せしめ、無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成された超音波振動子により前記加工工具に超音波振動を与え、前記被加工物を加工することを特徴とする超音波加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、損傷を受ける構造物の一部からの材料試験片を現地で採取し加工するのに好適な持ち運び可能なモバイル型超音波加工装置および超音波加工方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、損傷を受ける実機構造物において、直接、実機構造部材を採取し、材料試験片形状に加工し試験を行うことによって材料特性を評価することは、的確に損傷の程度や余寿命を評価し診断するために非常に重要なことである。然るに、現場で試験片を採取し加工を行うには、超音波加工装置を現地に装備するか、現地まで運搬することが必要となる。そして、複雑な構造物の限られたスペースにおいて超音波加工装置を用いて実機構造部材を採取し、材料試験片形状に加工し試験を行うことになる。
【０００３】
超音波加工装置は、超音波振動子から発振される超音波をコーンやホーンを介して加工工具に伝達し、被加工物の加工を行うものであり、加工ヘッド部分に電歪材料あるいは磁歪材料から構成される振動子を装備する構造となっている。そして、超音波加工装置は、超音波振動子により生じた超音波振動を加工工具に伝える際に、加工工具を適当な圧力で被加工物に押し当て、遊離砥粒を含有するスラリーを加工面に適当量供給し、加工工具の形状に対応した加工を行う。
【０００４】
このような従来の超音波加工装置は、ベースの上にＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動可能な移動ステージを載置し、その上に被加工物を固定する。一方、工具の方は門型のコラムに加工ヘッドを支持させて、この加工ヘッドの下部に超音波を伝達するホーンや工具を支持するナットが設置されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３３４６０３号公報
すなわち、超音波加工装置といえども従来型の旋盤やフライス盤における回転工具部分に超音波振動子を有する工具を取り付けたものと解して良い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の超音波加工装置は加工ヘッドに装着される超音波振動子が大きいので運搬に困難を要し、また、設置スペースが十分にない現場での作業に困難を伴うという課題がある。そこで、容易に現地に持ち運びができるように、超音波加工装置の小型化が要請されている。
【０００７】
本発明の目的は、小型化が可能で現地への持ち運びが容易にでき、実機構造物から効率よく材料試験片をサンプリングすることができるモバイル型超音波加工装置および超音波加工方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のモバイル型超音波加工装置は、被加工物との間に砥粒を含有するスラリーを介在せしめて被加工物を加工する加工工具と、無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成され加工工具に超音波振動を加える超音波振動子と、加工工具および超音波振動子を保持し加工工具の先端部が被加工物の表面に垂直方向から送り込まれるようにするための支持具とを備えたことを特徴とする。また、加工工具として加工工具面が平面の加工工具を用いた場合には、振幅調整電源装置から超音波振動子に、振幅を調整した電源を供給して、被加工物の表面を研磨する。
【０００９】
本発明の超音波加工方法は、被加工物と加工工具との間に砥粒を含有するスラリーを介在せしめ、無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成された超音波振動子により加工工具に超音波振動を与え、被加工物を加工することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。図１において、モバイル型超音波加工装置１は加工装置本体を支持具８で支持して被加工物９の上部に設置される。加工装置本体は、加工ヘッド部７に収納された超音波振動子２と、超音波振動子２からの超音波を加工工具６に伝達する第一ホーン４および第二ホーン５と、被加工物９を加工する加工工具６とから構成され、支持具８は超音波振動子２を収納した加工ヘッド部７を支持することにより加工装置本体を支持する。そして、支持具８の加工装置本体を支持する側と反対側の端部は被加工物９の表面に固定される。
【００１１】
超音波振動子２は、無負荷の状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で形成され、発振器３からの発振電源が印加されたとき、従来用いられてきた圧電振動子や磁歪振動子よりも大きな振動の超音波を出力する。超音波振動子２から発振された超音波は、第一ホーン４および第二ホーン５を介して加工工具６に伝達され、加工工具６が被加工物９の表面において振動する。
【００１２】
支持具８は、加工ヘッド部７を支持することにより、加工工具６および超音波振動子２を保持し、加工工具６の先端部が被加工物９の表面に垂直方向から送り込まれるように支持するので、加工工具６の先端部の振動方向１０は、被加工物９の表面に垂直方向になるように振動する。なお、図示は省略するが、加工工具６と被加工物９との間には、砥粒を含有するスラリーを介在せしめて加工工具６は被加工物９を加工することになる。
【００１３】
第１の実施の形態によれば、超音波振動子２として、無負荷の状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料を用いているので振動出力が大きい。このことから、従来と同等の振幅を得るための超音波振動子２の寸法が小さくて済み、加工ヘッド部７を小型化することができる。また、加工工具６に発生する振幅を同等にするための第一ホーン４および第二ホーン５の寸法を小さくすることができる。従って、超音波加工装置１の小型化が可能となり、現地まで運搬や複雑な構造物の限られたスペースにおいての使用が容易に行える。
【００１４】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図２は本発明の第２の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、被加工物９と加工工具６とを押圧せしめる圧力を出力するばね式加工圧発生装置１１を備えたものであり、ばね式加工圧発生装置１１のばねが圧力発生源となっている。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１５】
図２において、超音波振動子２と加工ヘッド部７との間には、ばね式加工圧発生装置１１が設けられている。ばね式加工圧発生装置１１には、被加工物９と加工工具６とを押圧せしめる圧力が最適な加工圧になるばね定数を有したばねが装着されている。これにより、加工に最適な加工圧を発生するようにしている。
【００１６】
第２の実施の形態によれば、被加工物９の種類に応じて適切なばね定数のばねを選択し、ばね式加工圧発生装置１１に装着できるので、適正に被加工物９を加工できる。
【００１７】
次に、本発明の第３の実施の形態を説明する。図３は本発明の第３の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。この第３の実施の形態は、図２に示した第２の実施の形態に対し、ばね式加工圧発生装置１１に代えて、電動アクチュエータ式加圧発生装置１３を設けると共に、圧力検知部１２で検知した電動アクチュエータ式加工圧発生装置１３の圧力荷重が予め定めた目標圧力になるように電動アクチュエータ加工圧発生装置１３を駆動制御する制御部１４を設けたものである。図２と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００１８】
図３において、超音波振動子２と加工ヘッド部７との間には、圧力検知部（例えばロードセル）１２および電動アクチュエータ式加工圧発生装置１３とが装着されており、加工中の加工圧荷重を圧力検知部１２で検知し、その圧力荷重に関する情報は制御部１４に取り込まれる。制御部１４では圧力検知部１２で検知した圧力荷重と予め設定された目標圧力（最適圧力荷重）との差分を計算し、その差分が零となるように電動アクチュエータ式加圧発生装置１３の電動アクチュエータを制御する。これにより、電動アクチュエータ式加圧発生装置１３は加工に最適な加工圧を発生することになる。
【００１９】
第３の実施の形態によれば、被加工物９の種類に応じて適切な目標圧力を設定しておくことができ、しかも制御部１４で目標圧力になるように制御するので適正に被加工物９を加工できる。
【００２０】
次に、本発明の第４の実施の形態を説明する。図４は本発明の第４の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。この第４の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、支持具８に代えて、加工工具６および超音波振動子２を保持し加工工具６の先端部が被加工物９の表面に様々な角度から送り込まれるようにするための角度調整支持具１５を設け、角度調整支持具１５を固定するための磁力式固定具１６を角度調整支持具１５の端部に設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２１】
図４において、超音波振動子２を収納した加工ヘッド部７は、角度調整支持具１５により支持され、角度調整支持具１５の加工ヘッド部７を支持する側の反対側の端部には固定具１６が設けられている。角度調整支持具１５は関節を有しており、この関節を動かして加工装置本体（加工ヘッド部７、超音波振動子２、第一ホーン４および第二ホーン５、加工工具６）を固定することにより、加工工具６を様々な角度から被加工物９に押圧することが可能となっている。
【００２２】
磁力式固定具１６は、磁石の磁力により角度調整支持具１５を被加工物９に固定するものであり、被加工物９の加工面が水平でない場合も強力に固定することが可能となっている。この磁力式固定具１６は、被加工物９が強磁性体である場合には、図４に示すように被加工物９に固定することになるが、被加工物９が非磁性体であったり、複雑な形状をしており足場をとることができない場合には、被加工物９の近傍の固定物に固定することになる。
【００２３】
第４の実施の形態によれば、被加工物９が複雑な形状をしている場合であっても、被加工物９の表面に様々な角度から加工工具６を送り込むことができ、また、被加工物９の加工面が水平でない場合においても、角度調整支持具１５を磁力により強固に固定できるので、様々な形状をした構造物からの試験片採取が容易に行える。
【００２４】
次に、本発明の第５の実施の形態を説明する。図５は本発明の第５の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。この第５の実施の形態は、図４に示した第４の実施の形態に対し、磁力式固定具１６に代えて、真空吸盤により固着力を発生させる真空吸着式固定具１７としたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２５】
図５において、角度調整支持具１５と被加工物９との間に真空吸着式固定具１７が設けられている。真空吸着式固定具１７は、被加工物９との間隙を真空吸盤により真空にすることによって吸着固定させるものであり、被加工物９の加工面が水平でない場合も強力に固定することが可能となっている。
【００２６】
第５の実施の形態によれば、第４の実施の形態に効果に加え、被加工物９が非金属等の非磁性体であり磁力により固定できない場合においても、角度調整支持具１５を強固に固定できる。
【００２７】
次に、本発明の第６の実施の形態を説明する。図６は本発明の第６の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置における加工工具６の部分の一部切り欠き斜視図である。この第６の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、加工工具６を囲繞し、加工に際してスラリーを密閉するスラリー密閉槽１８を設けたものである。図１と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。
【００２８】
図６において、加工工具６の周りには、これを囲繞するスラリー密閉槽１８が設けられており、このスラリー密閉槽１８には工具用ゴムパッキン１９と被加工物用ゴムパッキン２０とが設けられている。
【００２９】
工具用ゴムパッキン１９は加工工具６と密着しておりゴム製の素材より構成されている。従って、加工工具６の振動を阻害することはない。また、被加工物用ゴムパッキン２０は被加工物９と密着しており、スラリー密閉槽１８に充填されたスラリーがスラリー密閉槽１８より流出するのを防止している。これにより、スラリー密閉槽１８には、砥粒を含有したスラリーが充填され、加工工具６と被加工物９との間にスラリーを適切に確保できるようにしている。また、必要に応じて、スラリー密閉槽１８内に撹拌器を設け、充填したスラリーを撹拌するようにすることも可能である。これにより、より適切に加工工具６と被加工物９との間にスラリーを確保できる
第６の実施の形態によれば、スラリー密閉槽１８に砥粒を含有したスラリーを充填することにより、加工工具６と被加工物９との間に適切にスラリーを確保するので、被加工物９の加工面が水平でない場合もスラリーを適切に加工工具６と被加工物９との間に確保しながら加工を行うことができる。また、スラリー密閉槽の中に攪拌器を設けた場合にはスラリーの偏りを防止でき、より適切に加工工具６と被加工物９との間にスラリーを確保できる。
【００３０】
次に、本発明の第７の実施の形態を説明する。図７は本発明の第７の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図である。この第７の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、加工工具６に代えて、加工工具面が平面の平面加工工具２１を用い、振幅調整電源装置２２から超音波振動子２に対し、振幅を調整した電源を供給するようにしたものである。これにより、被加工物９の表面を研磨する。
【００３１】
図７において、第二ホーン５には、加工工具面が平面の平面加工工具２１が装着されている。また、超音波振動子２には、振幅を調整した電源を供給する振幅調整電源装置２２から駆動電源が供給される。平面加工工具２１は、先端が平面形状となっている加工工具であり、被加工物９を深さ方向に加工するのではなく、ごく表面を研磨するのに好適なものである。振幅調整電源装置２２は、超音波振動子２の振幅を調整するものであり、これを最適に調整することにより、平面加工工具２１により、表面だけを研磨することが可能となっている。
【００３２】
第７の実施の形態によれば、加工工具面が平面の平面加工工具２１を装着し、振幅調整電源装置２２から超音波振動子２に対し振幅が調整された電源を供給するので、平面加工工具２１は被加工物９の表面を研磨するように動作し、被加工物９の表面だけを研磨することできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、無負荷状態で１０００ｐｐｍ以上の磁歪特性を有する磁歪材料で超音波振動子を形成するので小型化が可能となり、現地への持ち運びが容易となり実機構造物から材料を容易にサンプリングできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置における加工工具の部分の一部切り欠き斜視図。
【図７】本発明の第７の実施の形態に係わるモバイル型超音波加工装置の構成図。
【符号の説明】
１…モバイル型超音波加工装置、２…超音波振動子、３…発振器、４…第一ホーン、５…第二ホーン、６…加工工具、７…加工ヘッド部、８…支持具、９…被加工物、１０…振動方向、１１…ばね式加工圧発生装置、１２…圧力検知部、１３…電動アクチュエータ式加圧発生装置、１４…制御部、１５…角度調整支持具、１６…磁力式固定具、１７…真空吸着式固定具、１８…スラリー密閉槽、１９…工具用ゴムパッキン、２０…被加工物用ゴムパッキン、２１…平面加工工具、２２…振幅調整電源装置
【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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