(57)【要約】【課題】工具がホーンの径方向に振動するのを抑制して、優れた形状精度で被加工物を加工できるようにする。【解決手段】工具が取り付けられるホーンは、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．９０倍以下又は１．１０倍以上、好ましくは０．８５倍以下又は１．１５倍以上となるように形成されている。【選択図】　　　図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、
前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．９０倍以下又は１．１０倍以上となるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．８５倍以下又は１．１５倍以上となるように形成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】
前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．８５倍以下又は１．１５倍以上となるように形成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４】
前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具（ツール）を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物（ワーク）に形成することができる超音波加工装置が知られている。かかる超音波加工装置は、被加工物を精密に加工することができることから、被加工物として例えばガラス、セラミックス、鉱石、宝石などの脆性材料を加工するために用いて好適である。
【０００３】
上述したような超音波加工装置では、超音波振動子で発生した超音波振動をホーンと称される長手部材である工具保持具を介してこれに取り付けられた工具に伝えることによって被加工物を加工するのが一般的である。ホーンは、その軸方向に屈曲するように振動する軸方向曲げ振動モードや、径方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モード、軸方向に伸縮するように振動する軸方向伸縮振動モードなどのいくつかのモードで振動するが、超音波加工には軸方向伸縮振動モードのいずれかの次数での振動が用いられる。従って、超音波振動子は、超音波加工に使用される次数におけるホーンの軸方向伸縮振動モードの固有振動数と同じ振動数で振動させられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、超音波振動子が発生する超音波振動の振動数を、超音波加工に使用される次数におけるホーンの軸方向伸縮振動モードの固有振動数と厳密に一致させるのは現実問題として非常に困難である。そのため、超音波振動子が発生する超音波振動の振動数が当初予定していた振動数よりも軸方向曲げ振動モードや径方向伸縮振動モードのいずれかの次数における固有振動数に近づく方向に変動することがあり、そのような場合には、軸方向伸縮振動モードでの振動に軸方向曲げ振動モード及び／又は径方向伸縮振動モードでの振動が加わってホーンが励振されてしまうことがある。そうすると、例えば被加工物に形成される溝の幅が設計幅よりも著しく大きくなるなど、加工後の被加工物の形状が工具形状（設計形状）とは大きく異なるものになり、被加工物の形状精度が悪化してしまう。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、優れた形状精度で被加工物を加工することができる超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．９０倍以下又は１．１０倍以上となるように形成されていることを特徴としている。
【０００７】
請求項１によると、超音波振動子の振動数が超音波加工に使用される次数における超音波振動体の軸方向伸縮振動モードの固有振動数からずれて径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数に近づいたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動があまり励起されず、被加工物に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子の励振方向が超音波振動体の軸方向から径方向にずれたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。また、工具の損傷が起こるのも抑制することができる。
【０００８】
また、請求項２の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．８５倍以下又は１．１５倍以上となるように形成されている。
【０００９】
請求項２によると、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【００１０】
また、請求項３の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、その径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数の０．８５倍以下又は１．１５倍以上となるように形成されている。
【００１１】
請求項３によると、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【００１２】
また、請求項４の超音波加工装置において、前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有している。
【００１３】
請求項４によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることにより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られることが確認された。
【００１４】
請求項５は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体である。
【００１５】
請求項５による超音波振動体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
〔装置全体の概略構成〕
本発明の一実施形態としての超音波加工装置の全体側面図が図１に、全体正面図が図２に、それぞれ示される。この図１，図２に示すように、この超音波加工装置１は、床上に設置される基台２の上にコラム３を立設し、このコラム３に穿孔ヘッド部４を支持する構成となっている。
【００１８】
コラム３にはネジ軸５が上下方向に配置され、回転自在に支持されている。このネジ軸５に昇降体６が螺着されて、ネジ軸５と昇降体６とにより公知のボールネジ機構が構成されている。このネジ軸５には、コラム３上に設置されたモータ７のモータ軸が連結されている。この構成においてモータ７を正逆方向に回転駆動することで、昇降体６の上下位置を変更することができる。
コラム３には更にリニアガイドが上下方向に配設されて（図略）、このリニアガイドに沿って上下変位可能に、連結体８が備えられている。この連結体８に前記昇降体６が連結されることで、連結体８（ひいては、この連結体８に備えられる穿孔ヘッド部４）を上下方向（Ｚ方向）に移動させることができる。
【００１９】
連結体８には穿孔ヘッド部４が上下摺動自在に支持される。穿孔ヘッド部４には穿孔を行うための工具９が取り付けられるとともに、この工具９に超音波振動を与えるための機構が備えられている。
【００２０】
基台２上には水平方向（ＸＹ方向）に移動可能な移動テーブル１０が設置され、この移動テーブル１０の上に、図２に示すように、昇降テーブル１１、カメラ部４１、研磨装置４２の三者が並べて配置される。
昇降テーブル１１上面の前記工具９に対向し得る位置には、被加工物としてのワーク１３が固定可能とされる。このワーク１３としては種々のものが考えられるが、本実施形態は、インクジェットプリンタ等のインクジェットヘッドに圧電式アクチュエータとして使用される、圧電セラミック材料（ＰＺＴ）を加工する場合を示している。
【００２１】
装置全体を覆うように基台２上にはカバー４３が設置されて、穿孔作業時に発生する切り粉や後述する砥粒液が周囲に飛散しないように配慮されている。装置の正面には開閉可能な両開き式の扉４４が設けられ（図１）、ワーク１３の交換作業などの必要に応じて扉４４を開いてカバー４３内部にアクセスできるようになっている。
【００２２】
〔穿孔ヘッド部の構成〕
穿孔ヘッド部４の構成について、側面図である図３、正面図である図４、および平面断面図である図５を主に参照しながら具体的に説明する。
この穿孔ヘッド部４は、前記連結体８に支持される基部フレーム１４に、前記工具９を支持するための工具フレーム１７を上下摺動自在に連結した構成となっている。基部フレーム１４には支軸１５が水平に架設され、この支軸１５に、前後方向に細長いバランス体１６の中央部が枢支されて揺動自在とされている。
基部フレーム１４上にはエアシリンダ１８が設置され（図３，図４）、このシリンダロッド１９が下方に延出して、前記バランス体１６の一端に連結されている。そして、バランス体１６の前記シリンダロッド１９が連結された一端に、前記工具フレーム１７が連結されている。基部フレーム１４には変位センサ２０が設けられ、工具フレーム１７の基部フレーム１４に対する相対変位を検出できるように構成されている。
【００２３】
図３に示すように、工具フレーム１７の下端には環状のホーン支持部２１が軸受２２を介して旋回可能に設けられ、このホーン支持部２１にホーン２３が固定される。ホーン２３は上下方向に細長く形成され、その上部には超音波振動子２４が固着されるとともに、ホーン２３の下端には平坦な工具取付面２３ａが形成され、この工具取付面２３ａに対して前記工具９が脱着可能に取り付けられる。なお、基部フレーム１４や工具フレーム１７を覆うように板状のカバー４５が設けられて、内部の超音波振動子２４等を保護できるようになっている。
【００２４】
図５の平面図に示すように、ホーン支持部２１には側方に向けて突起２５が設けられて、この突起２５の一側に、付勢体２６が工具フレーム１７に設けられている。付勢体２６は付勢バネ２８の弾発作用により、突起２５を一側に向けて常時押動するように構成されている。一方、付勢体２６に突起２５を挟んで対向する位置に、ツマミを有する角度微調整ネジ２７が工具フレーム１７に取り付けられる。
この構成において、角度微調整ネジ２７のツマミを一方向に回転させると、その先端が突起２５を前記付勢体２６に抗して押すので、ホーン支持部２１が図５の反時計回り方向に旋回される。一方、ツマミを逆方向に回転させた場合は、ネジ２７の先端が後退して、前記付勢体２６が突起２５を押すので、ホーン支持部２１は図５の時計回り方向に旋回される。従って、ネジ２７を適宜回転させることで、ホーン支持部２１の角度（即ち、ホーン２３に取り付けられた工具９の水平面内における向き）を微調整することができる。
なお、ヘッド前面には固定ネジ３６が設けられており（図３・図４）、前述の微調整作業が終了した後はこのネジ３６を回転させて締め付けることで、ホーン支持部２１が不用意に旋回しないよう固定できるようになっている。
【００２５】
〔昇降テーブルの構成〕
ワーク１３を固定するための昇降テーブル１１の構成を、図６の側面図を参照して説明する。
この昇降テーブル１１は、移動テーブル１０の上に立設固定された基部フレーム２９と、この基部フレーム２９に図示せぬリニアガイドを介して昇降自在に設けられた昇降フレーム３１と、を有している。
【００２６】
前記基部フレーム２９にはリフトシリンダ３０が取り付けられ、このシリンダロッド３２が上方に延出して、その先端が前記昇降フレーム３１に連結されている。
リフトシリンダ３０はエアシリンダ式に構成されており、圧縮空気を供給／ドレンすることで、昇降フレーム３１の上下位置を変更することができる。基部フレーム２９には変位センサ３３が設置されて、昇降フレーム３１の上下位置を測定できるようになっている。
また、内部のリフトシリンダ３０や変位センサ３３を保護すべく、箱状のカバー４６が昇降フレーム３１に設けられる。
【００２７】
昇降フレーム３１の上部は水平に構成され、この上に、ワーク１３を取り付けるためのワーク台１２が設置される。また、ワーク台１２の脇の位置において、昇降フレーム３１上にクランプ機構３４が設けられている。このクランプ機構３４はエアシリンダで構成されており、ワーク台１２上にワーク１３を載置した状態でエアシリンダを作動させると、伸張するシリンダロッド３５がワーク１３を水平方向へ押圧し、ワーク台１２に設けられたガイド部に突き当てた状態で固定するようになっている。
【００２８】
この超音波加工装置１は図示せぬ砥粒液溜めを備えており、この砥粒液溜めには、砥粒（例えば、粒径４〜６μｍ程度のＳｉＣ）を分散させた液体が注入されている。砥粒液溜めに接続させて、パイプや可撓性のホースや管継手などからなる砥粒液循環経路が形成され、この経路が、前記昇降テーブル１１近傍に設けた中継パイプ４７（図１，図２，図６に図示）に接続されている。この中継パイプ４７には供給孔４８が形成されるとともに、更に該供給孔４８の近傍位置において、案内棒４９が下向きに突設されている。案内棒４９は湾曲状に構成されて斜め方向に向きを変え、その先端が、昇降テーブル１１上のワーク台１２の直上方に位置している。
この構成で、砥粒液溜めに設置された図略のポンプを駆動させると、砥粒液は中継パイプ４７内に送られ、その一部が供給孔４８を介して外部に漏出する。中継パイプ４７の外面に漏れ出た砥粒液は案内棒４９を伝ってワーク台１２上に落下し、工具９による加工に用いられる。
【００２９】
〔穿孔作業の様子の説明〕
以上に示した構成において、実際に工具９を超音波振動させてワーク１３に穿孔する作業を説明する。
まず、ワーク１３を前記クランプ機構３４によりワーク台１２上に固定したのち、前記移動テーブル１０をＸＹ方向に移動させるとともに、前記モータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させ、図６の鎖線で示すように、前記工具９がワーク１３のすぐ上に僅かな隙間をおいて位置するようにする。
そして、変位センサ３３で昇降フレーム３１の位置を常時測定しながら、リフトシリンダ３０に圧縮空気を供給して、シリンダロッド３２を徐々に伸張させて昇降フレーム３１を上方向へ移動させ、ワーク１３を上昇させる。そして、ワーク１３の上面が工具９に接触した瞬間の昇降フレーム３１の位置を、装置１を制御するコントローラの適宜の記憶手段にゼロ位置として記憶しておく。
そして、穿孔ヘッド部４の超音波振動子２４を駆動し、ホーン２３を介して振幅数μｍ程度の上下方向の超音波振動を工具９に付与しながら、リフトシリンダ３０に圧縮空気を供給してワーク１３を上昇させ、工具９に対し押し付ける。また、前記砥粒液循環経路のポンプが駆動されることにより、中継パイプ４７から案内棒４９を経由して砥粒液が工具９の周囲に供給される。
これによりワーク１３は、工具９との間にある砥粒によって削られてゆき、工具９に倣った形状の溝や孔等がワーク１３の上面に形成される。
【００３０】
なお、前述した穿孔ヘッド部４のエアシリンダ１８（図３）は、工具フレーム１７の変位を変位センサ２０で測定しながら必要に応じて圧縮空気の給排を行って、工具フレーム１７を支持する力を調節している。これにより、穿孔作業中にワーク１３に対し過大な力で工具９が押し付けられることが防止されるので、本実施形態の圧電セラミックのような脆性材料のワーク１３を加工する場合でも、ワーク１３の破損が十分に回避される構成となっている。
【００３１】
工具９によりワーク１３に穿孔を行っている間も、前記昇降フレーム３１の位置が変位センサ３３（図６）によって常時測定されている。そして昇降フレーム３１が、前記ゼロ位置から所定の距離だけ上昇した時点で、リフトシリンダ３０への圧縮空気の供給が停止され、ワーク１３の上昇が停止される。この結果、前記ワーク１３には、正確に当該距離だけの深さの孔あるいは溝を形成することができる。
【００３２】
〔カメラ部の構成〕
次に、工具９の向きを調整するために設置されるカメラ部４１を説明する。このカメラ部４１は図２に示すように、昇降テーブル１１の側方位置に設けられている。
図７に示すようにカメラ部４１は箱状のカバー３７を備えており、このカバー３７の内部にＣＣＤ式のビデオカメラ３８が、そのレンズ部３９を上に向けた状態で収められている。カバー３７の上面には透明な蓋４０が、前記レンズ部３９に対応する位置に開閉可能に設けられる。
【００３３】
この構成における工具９の向きの調整作業を説明する。前記移動テーブル１０をＸＹ方向に移動させるとともに、前記モータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させ、図７の鎖線で示すように、カメラ３８のレンズ部３９の直上方に工具９が位置するようにすることで、工具９の向きをビデオカメラ３８で撮影することができる。撮影された映像は、装置１の適宜位置（例えば、コラム３の側方位置）に設置したモニタに、リアルタイムに表示される。オペレータはこの映像を見ながら、前述の角度微調整ネジ２７を回してホーン２３の旋回角度を微調整し、工具９の向きが適正となるよう調整することができる。
【００３４】
〔研磨装置の説明〕
更に、前記ホーン２３の工具取付面２３ａを研磨するための研磨装置４２を説明する。研磨装置４２は図２に示すように、正面視において昇降テーブル１１を挟んで前記カメラ部４１の反対側に設置されている。
この研磨装置４２の具体的な構成が図８に示される。この図に示すように研磨装置４２は、移動テーブル１０上（なお、図８においては移動テーブル１０は図略とされている）に立設された筒状のフレーム５０を備え、このフレーム５０内に回転軸５１を回転自在に軸支した構成となっている。この回転軸５１の上端にはカップ型の砥石５２が固着されている。回転軸５１の側方にはモータ５３が設置されており、該モータ５３のモータ軸５４が、前記回転軸５１と、プーリ５５・５６及びベルト５７を介して連結されている。
【００３５】
この構成における研磨作業の様子を説明する。
即ち、ホーン２３から工具９を取り外した状態で、前記移動テーブル１０を移動させ、更に、前述のモータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させる。そしてモータ５３を駆動して砥石５２を回転させるとともに、ホーン２３下面の工具取付面２３ａに対し砥石５２の上面を接触させながら、移動テーブル１０を水平に移動させることで、該工具取付面２３ａを研磨することができる。
なお、前記穿孔ヘッド部４には加圧シリンダ５８が設置されており（図３，図４）、このシリンダ５８が、ホーン２３の工具取付面２３ａを砥石５２に押し付けるために用いられる。
【００３６】
この研磨装置４２の目的を説明する。
即ち、この超音波加工装置１では、ホーン２３に工具９を取り付けて超音波振動させワーク１３に対する穿孔作業を行う場合に、工具９の周囲に供給される前記砥粒がホーン２３下面の工具取付面２３ａと工具９との間に侵入し、工具取付面２３ａが砥粒によって徐々に摩損されることが避けられない。この工具取付面２３ａの摩滅が進行すると、工具９をホーン２３に対して十分密着させながら取り付けることができなくなり、超音波振動を工具９に効率良く伝達できないために作業効率の低下を招いてしまう。
そこで本実施形態の加工装置１では、穿孔作業が所定回数行われる毎に前記研磨装置４２による研磨を行い、ホーン２３の工具取付面２３ａを削って水平とすることで、常に工具９がホーン２３に適正に密着して取り付けられるようにしているのである。
【００３７】
〔ホーンへの工具取り付け〕
次に、ホーン２３と工具９との取り付け部分について詳細に説明する。図９は、ホーン２３及び工具９の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。図９から分かるように、ホーン２３は工具９との接続部側である先端が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材である。このようにホーン２３が末広形状に形成されていることによって、ホーン２３が後述するずん胴形状や先細形状に形成された場合よりも優れた加工精度が得られることが本発明者によって確かめられている。これは、後述するように、末広形状の場合、ホーン２３の径方向伸縮振動モードの固有振動数を、超音波加工に使用される次数における軸方向伸縮振動モードの固有振動数から離れた値にすることがずん胴形状や先細形状の場合よりも容易であることが一因であると推定される。なお、工具９の下側面には、被加工物に穿孔を形成するための硬い穿孔部材（例えばＰＣＤ（ＰｏｌｙＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ　Ｄｉａｍｏｎｄ））９ａが取り付けられている。
【００３８】
上述したように、ホーン２３の先端にある工具取付面２３ａは研磨装置４２によって研磨されることで平坦面であることが担保されている。そして、この工具取付面２３ａの中心部付近には、工具９を取り付けるためのほぼ円柱形状の凹部６１がホーン２３の軸方向に沿って形成されている。凹部６１の内周面には雌ねじが形成されている。一方、工具９の上面からは、凹部６１とほぼ同じ径に形成された円柱形状の凸部６２が突出している。凸部６２の外周面には雄ねじが形成されている。そして、工具９は、その凸部６２がホーン２３の凹部６１に螺合されることによってホーン２３に取り付けられている。
【００３９】
〔ホーンの固有振動数〕
次に、本実施の形態におけるホーン２３の固有振動数について説明する。上述したように、断面が円形に形成された長手部材であるホーン２３は、振動モードの一つとして、その軸方向に伸縮するように振動する軸方向伸縮振動モードを有しており、本実施の形態では、その２次振動モード（固有振動数１９．７ｋＨｚ）が超音波加工に用いられる。この２次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン２３の振動の様子を図１０（ａ）に示す。図１０（ａ）は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図１０（ａ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン２３の中央部やや下方が振動の腹となるようにホーン２３が軸方向に超音波振動する。
【００４０】
ホーン２３の２次の軸方向伸縮振動モードにおける振幅と振動数との関係を図１１の曲線Ａに示す。曲線Ａにおいて、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数１９．７ｋＨｚを”ｆ１”と表している。
【００４１】
さらに、本実施の形態において、図９に示したホーン２３は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上、好ましくは０．８５倍以下又は１．１５倍以上、さらに好ましくは０．８０倍以下又は１．２０倍以上となるように形成されている。図９に示したホーン２３の場合、具体的には、固有振動数ｆ１に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして３次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が２３．６ｋＨｚ（＝１．２０ｆ１）となるようにされている。なお、ホーン２３には３次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数ｆ１から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【００４２】
この３次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン２３の振動の様子を図１０（ｂ）に示す。図１０（ｂ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン２３の最下部、中央部などが振動の腹となるようにホーン２３が径方向に超音波振動する。
【００４３】
ホーン２３の３次の径方向伸縮振動モードにおける振幅と振動数との関係を図１１の曲線Ｂに示す。曲線Ｂにおいて、３次の径方向伸縮振動モードにおける固有振動数２３．６ｋＨｚを”ｆ２”と表している。
【００４４】
図９に示すホーン２３が用いられる場合、超音波振動子２４は、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である１９．７ｋＨｚで発振するように調整される。図１１から分かるように、この振動数では、曲線Ｂで示されたホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子２４の発振振動数がｆ１よりも大きくなる方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク１３に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子２４の励振方向がホーン２３の軸方向から径方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。また、ホーン２３の径方向に工具９がほとんど振動しなくなるので、工具９が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、３次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【００４５】
なお、ここでは、図９に示したホーン２３の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上としているが、ホーン２３の形状や材質によっては、径方向伸縮振動モードの一部の次数の固有振動数が２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ１の０．９０倍を超えていたり又は１．１０倍未満であったとしても、その最大振幅が小さいなどの理由によりホーン２３に径方向の振動がほとんど励起されず、ワーク１３の加工精度に悪影響を及ぼさないことがある。従って、そのようなホーン２３に径方向の振動をほとんど励起しない次数がある場合には、それ以外の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数を、上述したような範囲に収めればよく、本発明は、このような一部の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数が上述した範囲内にあるものをも包含するこものとして解釈されるべきである。ただし、工具９の径方向振動を抑制する観点からは、ホーン２３の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上とすることが好ましいのはいうまでもない。
【００４６】
このように、本実施の形態では、図９に示したホーン２３の径方向伸縮振動モードの固有振動数を２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上とすることによってワーク１３の加工精度向上という効果を得るようにしているが、ホーン２３の形状などの条件によっては、径方向伸縮振動モードの固有振動数に代えて或いはこれに加えて、軸方向に屈曲するように振動する軸方向曲げ振動モードを考慮することによってワーク１３の加工精度を向上させる効果が得られる場合がある。つまり、ホーン２３によっては、その軸方向曲げ振動モードの固有振動数が、固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上となるように形成されていてもワーク１３の加工精度向上という効果が得られ、さらに、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数の両方が、固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上となるように形成されていてもワーク１３の加工精度向上という効果が得られる。特に、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードの固有振動数の両方を、固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上とすることで、より優れた効果が得られることがある。なお、これらのような場合であっても、固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上とするよりも、０．８５倍以下又は１．１５倍以上とすることの方が好ましく、０．８０倍以下又は１．２０倍以上とすることがさらに好ましい。
【００４７】
〔ホーンの変形例〕
次に、ホーンの変形例について説明する。上述した実施の形態では、ホーンを、工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状であるとした。しかしながら、ホーンは様々な形状をとることができる。図１２（ａ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部と同径となったずん胴形状を有するホーン２２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。また、図１２（ｂ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも小径となった先細形状を有するホーン３２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【００４８】
図１２（ａ）に示すずん胴型のホーン２２３の場合、その２次振動モード（固有振動数１９．８ｋＨｚ：以下でｆ３と記することがある）が超音波加工に用いられる。この２次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン２２３の振動の様子を図１３（ａ）に示す。図１３（ａ）は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図１３（ａ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン２２３の最下部と中央部上方が振動の腹となるようにホーン２２３が軸方向に超音波振動する。
【００４９】
さらに、本実施の形態において、図１２（ａ）に示したホーン２２３は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ３の０．９０倍以下又は１．１０倍以上、好ましくは０．８５倍以下又は１．１５倍以上、さらに好ましくは０．８０倍以下又は１．２０倍以上となるように形成されている。図１２（ａ）に示したホーン２２３の場合、具体的には、固有振動数ｆ３に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして３次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が２２．４ｋＨｚ（＝１．１３ｆ３）となるようにされている。なお、ホーン２２３には３次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数ｆ３から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【００５０】
この３次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン２２３の振動の様子を図１３（ｂ）に示す。図１３（ｂ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン２２３のフランジ部が振動の腹となるようにホーン２２３が径方向に超音波振動する。
【００５１】
図１２（ａ）に示すホーン２２３が用いられる場合、超音波振動子２４は、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である１９．８ｋＨｚで発振するように調整される。この振動数では３次の径方向伸縮振動モードにおけるホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子２４の発振振動数がｆ３よりも大きくなる方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク１３に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子２４の励振方向がホーン２２３の軸方向から径方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。また、ホーン２２３の径方向に工具９がほとんど振動しなくなるので、工具９が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、３次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【００５２】
一方、図１２（ｂ）に示す先細型のホーン３２３の場合、その２次振動モード（固有振動数２０．０ｋＨｚ：以下でｆ４と記することがある）が超音波加工に用いられる。この２次の軸方向伸縮振動モードにおけるホーン３２３の振動の様子を図１４（ａ）に示す。図１４（ａ）は、ホーン各部を振幅の大きさに応じて区分けした模式図である。図１４（ａ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン３２３の最下部が振動の腹となるようにホーン２２３が軸方向に超音波振動する。
【００５３】
さらに、本実施の形態において、図１２（ｂ）に示したホーン３２３は、その太さ、長さ、形状及び材質を適宜設定することによって、軸方向と直交する方向に伸縮するように振動する径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数が、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ４の０．９０倍以下又は１．１０倍以上、好ましくは０．８５倍以下又は１．１５倍以上、さらに好ましくは０．８０倍以下又は１．２０倍以上となるように形成されている。図１２（ｂ）に示したホーン３２３の場合、具体的には、固有振動数ｆ４に最も近い固有振動数をもつ径方向伸縮振動モードとして３次の径方向伸縮振動モードが現れ、その固有振動数が２２．０ｋＨｚ（＝１．１０ｆ４）となるようにされている。なお、ホーン３２３には３次以外の径方向伸縮振動モードも存在するが、それらの固有振動数は通常の場合固有振動数ｆ３から大きく離れているため、ここでは問題としない。
【００５４】
この３次の径方向伸縮振動モードにおけるホーン３２３の振動の様子を図１４（ｂ）に示す。図１４（ｂ）から分かるように、この振動モードでは、ホーン３２３のフランジ部が振動の腹となるようにホーン３２３が径方向に超音波振動する。
【００５５】
図１２（ｂ）に示すホーン３２３が用いられる場合、超音波振動子２４は、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数である２０．０ｋＨｚで発振するように調整される。この振動数では３次の径方向伸縮振動モードにおけるホーンの振幅は比較的小さい。従って、超音波振動子２４の発振振動数がｆ４よりも大きくなる方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動はほとんど励起されることがない。そのため、本実施の形態によると、ワーク１３に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子２４の励振方向がホーン３２３の軸方向から径方向にずれたとしても、３次の径方向伸縮振動モードでの振動があまり励起されず、優れた形状精度でワーク１３を加工することが可能となる。また、ホーン３２３の径方向に工具９がほとんど振動しなくなるので、工具９が損傷するのも抑制される。これらの効果をより優れたものとするためには、３次の径方向伸縮振動モードでの固有振動数を、２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数からできるだけ離れた値とすることが好ましい。
【００５６】
上述した２つの変形例で説明したずん胴型及び先細型ホーンでは、超音波加工に使用される２次の軸方向伸縮振動モードの固有振動数と、３次の径方向伸縮振動モードの固有振動数との差が、上述した実施の形態で説明した末広型ホーンに比べて小さくなる。そのため、径方向への工具振動抑制によるワーク加工精度向上という点から見ると、図９に示した末広型ホーン２３は、図１２（ａ）、（ｂ）に示したずん胴型ホーン２２３及び先細型ホーン３２３よりも優れているということができる。
【００５７】
なお、上述した２つの変形例の場合も、図９で説明したホーン２３と同様、ホーン２２３、３２３の形状や材質によっては、径方向伸縮振動モードの一部の次数の固有振動数が２次の軸方向伸縮振動モードにおける固有振動数ｆ３、ｆ４の０．９０倍を超えていたり又は１．１０倍未満であったとしても、その最大振幅が小さいなどの理由によりホーン２２３、３２３に径方向の振動がほとんど励起されず、ワーク１３の加工精度に悪影響を及ぼさないことがある。従って、そのようなホーン２２３、３２３に径方向の振動をほとんど励起しない次数がある場合には、それ以外の次数における径方向伸縮振動モードの固有振動数を、上述したような範囲に収めればよい。ただし、本変形例でも、工具９の径方向振動を抑制する観点からは、ホーン２２３、３２３の径方向伸縮振動モードのすべての次数の固有振動数を固有振動数ｆ１の０．９０倍以下又は１．１０倍以上とすることが好ましいのはいうまでもない。さらに、上述した２つの変形例の場合も、ホーン２３の形状などの条件によっては、径方向伸縮振動モードの固有振動数に代えて或いはこれに加えて、軸方向曲げ振動モードを考慮することによってワーク１３の加工精度を向上させる効果が得られる場合がある。
【００５８】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、上述の実施の形態では、超音波加工に使用される次数を２次の軸方向伸縮振動モードとしたが、軸方向伸縮振動モードの１次や３次を超音波加工に用いてもよい。また、ホーンの断面形状は必ずしも円でなくてもよく、その他任意の断面形状を採用することが可能である。また、上述の実施の形態では超音波振動体としてホーンを用いているが、ホーンを用いず、超音波振動子やその他の超音波振動体に工具を取り付けるようにしてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１によると、超音波振動子の振動数が超音波加工に使用される次数における超音波振動体の軸方向伸縮振動モードの固有振動数からずれて径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードの固有振動数に近づいたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動があまり励起されず、被加工物に形成される溝が工具形状よりも太くなるなどの不具合が生じにくくなり、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。同様に、超音波振動子の励振方向が超音波振動体の軸方向から径方向にずれたとしても、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。また、工具の損傷が起こるのも抑制することができる。
【００６０】
請求項２によると、径方向伸縮振動モード又は軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。請求項３によると、径方向伸縮振動モード及び軸方向曲げ振動モードでの振動がほとんど励起されず、さらに優れた形状精度で被加工物を加工することが可能となる。
【００６１】
請求項４によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることにより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られる。請求項５による超音波振動体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る超音波穿孔装置の全体的な構成を示した側面図である。
【図２】同じく正面図である。
【図３】穿孔ヘッド部の側面図一部断面図である。
【図４】同じく正面図である。
【図５】同じく平面断面図である。
【図６】昇降テーブルの側面断面図である。
【図７】カメラ部の側面断面図である。
【図８】研磨装置の正面断面図である。
【図９】図１に示す超音波穿孔装置に使用される末広形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図１０】２次の軸方向伸縮振動モード及び３次の径方向伸縮振動モードにおける末広形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【図１１】２次の軸方向伸縮振動モード及び３次の径方向伸縮振動モードにおける末広形状を有するホーンの振幅と振動数との関係を描いたグラフである。
【図１２】ずん胴形状及び先細形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図１３】２次の軸方向伸縮振動モード及び３次の径方向伸縮振動モードにおけるずん胴形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【図１４】２次の軸方向伸縮振動モード及び３次の径方向伸縮振動モードにおける先細形状を有するホーンの振動の様子を描いた模式図である。
【符号の説明】
１　超音波加工装置
２　基台
３　コラム
４　穿孔ヘッド部
８　連結体
９　工具
１０　移動テーブル
１１　昇降テーブル
１２　ワーク台
１３　ワーク
１４　基部フレーム
１６　バランス体
１７　工具フレーム
１８　エアシリンダ
１９　シリンダロッド
２１　ホーン支持部
２３　ホーン
２４　超音波振動子
２６　付勢体
２７　角度微調整ネジ
２９　基部フレーム
３１　昇降フレーム
３３　変位センサ
３４　クランプ機構
３８　ビデオカメラ
４１　カメラ部
４２　研磨装置
４３　カバー
４７　中継パイプ
４８　供給孔
４９　案内棒
【図１】
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【図２】
2004001113.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2004001113.tif 000008
【図７】
2004001113.tif 000009
【図８】
2004001113.tif 000010
【図９】
2004001113.tif 000011
【図１０】
2004001113.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004001113.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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