(57)【要約】【課題】砥粒液の流量を絞った場合でも砥粒液の経路の詰まりを防止でき、かつ、砥粒の無駄を少なくできる超音波加工装置を提供する。【解決手段】超音波により工具を振動させ、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１３に形成する超音波加工装置において、前記砥粒は、液体に分散された砥粒液の状態で、前記工具の周囲に供給される。砥粒液を循環させる循環経路６４・４７・６５が形成されるとともに、この循環経路内の砥粒液をその外面を伝わらせることで工具の周囲へ向けて送るための案内棒（案内手段）４９が備えられている。【選択図】　　　　図１１
2004001126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波により工具を振動させるとともに、砥粒を液体に分散させた状態で工具の周囲に供給して、前記工具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、
砥粒分散液を循環させる循環経路と、該循環経路内の砥粒分散液をその外面を伝わらせることで工具の周囲へ向けて送るための案内手段と、を備えたことを特徴とする超音波加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超音波加工装置において、前記案内手段は、斜下方へ向く部分を少なくとも一部に有していることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超音波加工装置において、工具周辺へ送られなかった砥粒分散液を前記案内手段から回収する回収部と、当該回収部にて回収した砥粒分散液を前記循環経路へ戻す戻し経路を更に備えたことを特徴とする超音波加工装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の超音波加工装置において、前記砥粒分散液に前記循環経路内を循環させるためのポンプは、間欠的に駆動されることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項５】
請求項４に記載の超音波加工装置において、前記ポンプは、タイマーにより時間間隔をおいてその駆動／停止が反復されるように構成されていることを特徴とする超音波加工装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の超音波加工装置において、被加工物に対する加工スピードを検知する検知手段を備え、加工スピードが低下した場合に前記ポンプが駆動するよう制御されることを特徴とする超音波加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動により加工を行う超音波加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、工具を超音波振動させるとともにその周囲に砥粒を供給して、該砥粒を工具の振動によって被加工物に当てることにより、被加工物の表面に当該工具の表面に倣った形状を形成できるように構成した超音波加工装置が知られている。
また、工具の周囲に砥粒を供給する際に、適宜の液体に分散させた砥粒液の状態で供給する構成の超音波加工装置も公知とされている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来技術では、砥粒が液体に分散された状態で供給されるために、砥粒が沈殿して固化してしまいやすい。従って、砥粒液溜めから細い経路内を通じて砥粒液を送って工具の周囲に供給する構成では、当該経路内ですぐに砥粒液が詰まってしまい、砥粒液の供給に支障が生じる問題があった。
特に、工具による加工に必要な量だけ砥粒液を供給し、砥粒の利用効率を高めて砥粒消費量を低減させることを狙った場合、砥粒液の流量（供給速度）を抑えざるを得ず、砥粒の詰まりが発生しやすい問題が顕著となっていたのである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、超音波により工具を振動させるとともに、砥粒を液体に分散させた状態で工具の周囲に供給して、前記工具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、砥粒分散液を循環させる循環経路と、該循環経路内の砥粒分散液をその外面を伝わらせることで工具の周囲へ向けて送るための案内手段と、を備えたものである。
【０００６】
請求項２においては、前記案内手段は、斜下方へ向く部分を少なくとも一部に有しているものである。
【０００７】
請求項３においては、工具周辺へ送られなかった砥粒分散液を前記案内手段から回収する回収部と、当該回収部にて回収した砥粒分散液を前記循環経路へ戻す戻し経路を更に備えたものである。
【０００８】
請求項４においては、前記砥粒分散液に前記循環経路内を循環させるためのポンプは、間欠的に駆動されるものである。
【０００９】
請求項５においては、前記ポンプは、タイマーにより時間間隔をおいてその駆動／停止が反復されるように構成されているものである。
【００１０】
請求項６においては、被加工物に対する加工スピードを検知する検知手段を備え、加工スピードが低下した場合に前記ポンプが駆動するよう制御されるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１２】
〔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穿孔装置（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、この超音波穿孔装置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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。この工具９は、高硬度のダイヤモンド（ＰＣＤ）工具に構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
カメラ部４１は、工具９の向きの調整を容易とすべく、工具９を下側から撮影するためのものである。また、研磨装置４２は、後述するホーン２３の工具取付面２３ａが砥粒によって摩耗したときに、当該工具取付面２３ａを研磨するためのものである。
【００１７】
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。
【００１８】
〔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。
【００１９】
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。また、工具フレーム１７には、工具９の角度を微調整するために回転される調整ツマミ２７と、当該微調整後に工具９が不用意に回転しないように固定するための固定ネジ３６が備えられている。
【００２０】
〔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。
【００２１】
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が設置されており、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。
【００２２】
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。
【００２３】
この超音波穿孔装置１は砥粒液溜めを備えており、この砥粒液溜めには、砥粒を分散させた液体（砥粒液）が注入されている。砥粒としては、例えば粒径４〜６μｍ程度のＳｉＣが考えられるが、それに限定されるものではない。
砥粒液溜めに接続させて、パイプや可撓性のホースなどからなる砥粒液循環経路が形成され、この経路の一部をなすようにして、前記昇降テーブル１１近傍に中継パイプ４７（図１，図２，図６に図示）が設けられている。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。
なお、前記砥粒液循環経路の詳細な構成は後述する。
【００２４】
〔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（後述する電動モータ５５）が駆動されることにより、中継パイプ４７内の砥粒液が案内棒４９の外面を伝って工具９の周囲に落下する。
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
〔ホーンの構成〕
次に、前述の穿孔ヘッド部４において超音波振動子２４の振動を工具９に伝えるホーン２３について、詳細に説明する。
本実施形態においては後述するように、工具９に対し、その周囲に砥粒液を保持するモードで振動させるために、図３に符号２３で示す形状のホーンを用いている。このホーン２３は鉄を素材としており、上下方向に細い丸棒状の形状とされている。そして、その上下方向中央よりやや上寄りの位置には薄い鍔部２３ｂが形成されて、この鍔部２３ｂが前述のホーン支持部２１に固定されるようになっている。
【００２８】
このホーン２３は、超音波振動子２４および工具９を含んだ系の固有振動数が２０ｋＨｚとなるよう、その形状が定められている。そして、ワーク１３に対する加工作業時には、前記超音波振動子２４を当該固有振動数である２０ｋＨｚで振動させることで、工具９の振幅が安定して得られるように配慮されている。
【００２９】
ホーン２３は、鍔部２３ｂから下に向かって順に、やや細い略一様な太さの第一の部分Ｐ１と、該第一の部分Ｐ１の下端から太さを徐々に増大させてゆく第二の部分Ｐ２と、前記第一の部分Ｐ１よりもやや太い一様な太さの第三の部分Ｐ３とを有し、この第三の部分Ｐ３の下端に前述の工具取付面２３ａが形成されている。このようにホーン２３は、工具取付面２３ａに向かってＰ１→Ｐ２→Ｐ３と、断面積（太さ）を増大させていく部分を有し、いわゆる末広がり状（略ラッパ状）の形状を有している。
【００３０】
ホーン２３についてこのような形状を採用することとしたのは、シミュレーションの解析結果および実験結果に基づくものである。次に、このシミュレーション解析および実験の内容について説明する。
【００３１】
先ず、ホーン２３の形状として、図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような三種類のモデルを想定した。
（ａ）のモデルは「末広型（ラッパ型）」のモデルであって、本実施形態で実際に採用されたモデルである。
（ｂ）のモデルは、鍔部２３ｂのすぐ下から工具取付面２３ａに至るまで全く一様な太さとされており、「ずん胴型」のモデルである。
（ｃ）のモデルは、鍔部２３ｂから工具取付面２３ａまでの間に太い部分が一旦現れるが、工具取付面２３ａに至るまでに再び細くなっており、「先細型」のモデルである。
これら（ａ）（ｂ）（ｃ）のモデルはいずれも、その下端面の工具取付面２３ａの中央部に取付孔（取付箇所）２３ｃを形成してあり、この取付孔２３ｃに、工具９側の凸部９ａを適宜の方法（例えば、ネジ止めや焼き嵌め等）で取り付けることができるようにしている。
また、これら（ａ）（ｂ）（ｃ）のモデルはいずれも、振動の系の固有振動数が２０ｋＨｚとなるよう、その形状が定められている。
【００３２】
この三種類のホーンのモデル（ａ）（ｂ）（ｃ）の形状データをそれぞれコンピュータに入力した上で、各モデルについて、その上面に取り付けられた超音波振動子２４が所定の振幅で２０ｋＨｚで振動した場合のホーン２３の振動をシミュレーション解析した。
【００３３】
図８は、各モデルの振動の解析結果を示したものである。（ａ）（ｂ）（ｃ）の各モデルについて、ホーンが伸びた瞬間の状態が左側に、縮んだ瞬間の状態が右側に、それぞれ示されている。付されているハッチングは各部位の振幅を表したものであり、ハッチングの間隔が狭いほど振幅が大きいことを示している。なお、図８のスケールに示してある数値は、その箇所の振幅をホーンの最大振幅で除した無次元値である。
各ホーン２３は軸対称形状であるため、図中には、軸を含んだ平面で切った断面の右半部のみを示している。また、図においては各モデルが大きく変形しているが、これは振動の様子の把握を容易とすべく誇張して表現しているためであり、実際の変形（振動）は振幅１０μｍ未満の微小なものである。
【００３４】
図８に示されるように、各モデルにおいて、ホーン支持部２１に固定される鍔部２３ｂの部分では振幅が殆どなく（最大振幅の０．１倍未満）、この部分が振動の節となっている。
そして、各モデルとも、当該鍔部２３ｂから下に向かうにつれて、振幅が大きい部分（振動の腹）→小さい部分（振動の節）の順に現れ、工具取付面２３ａ付近では振幅が再び大きくなっていることが分かる。
【００３５】
ただし、（ｂ）（ｃ）では、ホーンの工具取付面２３ａ付近で比較的大きな振幅（最大振幅の０．９倍以上）が現れているのに対し、（ａ）のモデルにおいて工具取付面２３ａの振幅は、ホーン最大振幅の０．５〜０．６倍と相対的に小さいことが分かる。
【００３６】
次に、これら（ａ）（ｂ）（ｃ）の三種類のモデル形状のホーン２３を、実際に鉄を用いて製作した。そして、それぞれのホーン２３に工具９を取り付け、工具９の加工圧や砥粒液の供給流量や超音波振動子２４の振動などの条件を同一として、実際に加工作業を行う実験を行った。
すると、振動振幅が小さく振動エネルギーの低いはずの（ａ）の「末広型」モデルが、他の（ｂ）（ｃ）のモデルに比してその加工効率が数倍以上になるという、予期せぬ結果が得られた。
【００３７】
そこで、各形状のホーン２３のそれぞれについて加工の様子を詳細に観察したところ、（ａ）の「末広型」モデルにおいては、振動している工具９に砥粒液が接触しても、工具９の振動によって飛散されず、むしろ工具９の振動によって工具９の表面に保持されていることが確認された。そして、砥粒液に無数の泡が一様に発生しており、この泡によって、砥粒が分散液中に均一に保持されていることも明らかとなった。
一方、（ｂ）（ｃ）の形状のホーン２３では、振動している工具９に砥粒液が接触している部分を観察すると、砥粒液の殆どが小さい飛沫となって飛散していることが確認された。
【００３８】
以上のことより、三つのモデルのうち（ａ）の「末広型」のモデルにおいては、上記シミュレーション結果によると工具取付面２３ａ付近において振幅の小さくかつ安定した振動が得られており、従って、この工具取付面２３ａに取り付けられる工具９が、砥粒液を飛散させずその表面に保持する態様で振動するものと考えられる。
そして、このようなモードで工具９を振動させた場合には、工具９の表面に砥粒液が保持され、また前述の泡によってこの砥粒液中に砥粒が均一に分散されることで、工具９とワーク１３との界面に到達してワーク１３の加工に貢献する砥粒の割合が多くなるために、加工効率の向上という上記結果が得られたのであろうと推論される。特に、工具９とワーク１３の間の空間の平面視における周縁部だけでなく、平面視中央部分にも砥粒を到達させた状態で、当該砥粒を前述の泡によって保持できるから、工具９の中央部分の加工が容易となり、上述のような良好な結果が得られたのであろうと推測される。更には、加工時における工具９の振動を受けて、工具９とワーク１３との間の界面にある砥粒液中の泡が潰れることによって、その泡の周囲にあった砥粒に動きが与えられて、新鮮な砥粒と加工に既に使用された古い砥粒との交換が促進されることも、加工効率の向上に繋がったものと推論できる。
【００３９】
（ａ）の「末広型」モデルにおいて上述のように工具９の表面に砥粒液が保持される理由としては、太さを増大させてゆく前述の第二の部分Ｐ２を振動が伝播する際にその振幅が減少されて、その振動がそのまま、太さの一様な第三の部分Ｐ３を伝わって工具取付面２３ａに至るためであることが、一因として考えられる。即ち、この（ａ）の「末広型」モデルの形状は、当該第二の部分Ｐ２があるためにその振幅拡大率が１より小さくなっており、この結果として、工具取付面２３ａ付近において振幅の小さい安定的な振動が得られるものと考えられる。
これに対し、（ｂ）の「ずん胴型」モデルにおいては、太さを増大させる部分を有していない。また、（ｃ）の「先細型」モデルにおいては、太さを増大させる部分を有しているが、工具取付面２３ａに至るまでに再び細くなっている。従って、これら（ｂ）（ｃ）のモデルは（ａ）の「末広型」モデルのような振幅を抑えた振動が工具９に得られないために、工具９表面に砥粒液を保持できず、砥粒液を周囲に飛散させている結果となっているものと考えられる。
【００４０】
図９も図８と同じく上述のシミュレーションの解析結果であるが、各モデルの特に工具取付面２３ａ付近の振動の様子について、拡大して示したものである。（ａ）（ｂ）（ｃ）の各モデルについて、ホーンが伸びた瞬間の状態が下側に、縮んだ瞬間の状態が上側に、それぞれ示されている。図９には図８と同様に、各モデルの断面の右半部が代表して示されている。
付されているハッチングは図８と同様に各部位の振幅を表したものであり、ハッチングの間隔が狭いほど振幅が大きいことを示している。但し、（ａ）と（ｂ）（ｃ）とでは前述のとおり工具取付面２３ａの振幅が大幅に異なるため、ハッチング間隔と振幅との対応スケールも異なるものを使用して示している。また、図９においても図８と同様に、そのスケール部分に示してある数値は、その箇所の振幅をホーンの最大振幅で除した無次元値である。
【００４１】
この図９（ａ）に示すように、「末広型」モデルにおいては、工具取付面２３ａの部分が、ホーンが伸びた瞬間には下方に凸となる曲面を形成し、ホーンが縮んだ瞬間には下に凹となる曲面を形成していることが分かる。即ち、この「末広型」モデルのホーン２３は、前記工具取付面２３ａの縁部が振動の節となるように、かつ、その中央部（工具９の取付箇所が形成されている中央部）が振動の腹となるように励振されているのである。
一方、図９（ｂ）の「ずん胴型」モデル、（ｃ）の「先細型」モデルにおいては、工具取付面２３ａの変動をほとんど認めることができない。
【００４２】
このように、（ａ）の「末広型」モデルのホーンが、その振動時に工具取付面２３ａを凹←→凸と変形することで、以下のような効果が奏されることが考えられる。
即ち図１０に示すように、工具取付面２３ａが凹面状に変形するとき（図中上側）は、ホーン２３周囲にある砥粒液が工具取付面２３ａ中央部まで吸い込まれる。その一方で、凸面状に変形するとき（図中下側）は、工具取付面２３ａ中央部付近にある砥粒液が外側に向かって押し出される。なお、図１０において砥粒は小さい点で示され、その点から向かう矢印は砥粒の流れの向きを示している。従って、工具取付面２３ａの上記振動によって、（ｉ）工具９の周囲に供給された新しい砥粒を工具９に向けて吸い込むとともに、（ｉｉ）工具９とワーク１３との界面に到達して既に加工に使われた使用済みの砥粒を周囲に吐き出す、ポンプのような作用が営まれる。従って、工具９の周辺部と、工具９とワーク１３との界面と、の間で砥粒が循環する流れを意図的に作り出すことができる。これは、工具９の周辺部に供給された新鮮な砥粒が工具９とワーク１３との間の界面に素早く到達し、かつ、加工に貢献した使用済みの砥粒が工具９とワーク１３との間の界面から素早く排出されることを意味する。この効果も、上述した加工効率の向上の一因となっているものと考えられる。
【００４３】
以上の実験およびその考察により明らかにされたことをまとめると、以下のとおりである。
・第一に、工具９の振幅および振動数を特定の条件（モード）とすることで、その工具９に接触する砥粒液を飛散させず、むしろ当該工具９の表面に砥粒液を保持し得る態様で当該工具９を振動させ得ることが明らかとされた。また、このような振動を工具９に与えた場合には、砥粒液に発生する無数の泡によって砥粒が均一に分散された状態で保持されることが明らかとされた。
・第二に、このような振動を工具９に与えてワーク１３に加工を施す場合は、それ以外の場合に比して、高い加工効率が得られることが明らかとされた。
・第三に、上述のような振動条件を最も簡素な構成で安定的に得るには、ホーンの形状を末広型の形状（あるいは、振幅拡大率が１未満の形状）とすることが望ましいことが明らかとされた。
・第四に、ホーン２３の工具取付面２３ａにおける縁部が振動の節となるように、中央部の工具取付箇所が振動の腹となるように励振させることが、加工効率の向上の観点から望ましいことが明らかとされた。
【００４４】
本実施形態の超音波穿孔装置１は上記の知見を利用するものであって、工具９に上述のモードの振動を与えてワーク１３を加工する構成とされている。この結果、上述のように加工効率の向上を図ることができるほか、無駄になる砥粒を少なくできるので、砥粒の消費量を抑制してランニングコストを低減できる。
なお、本実施形態では上述のように、砥粒液を案内棒４９の外面を伝わらせて工具９の周囲に供給する構成となっている。これは、砥粒液が砥粒を分散させたものであって沈殿固化し易く、特に本実施形態のように砥粒液の供給流量を抑える場合は、細いパイプを通じて砥粒液を供給する構成とすると、パイプが容易に詰まってしまうからである。
【００４５】
なお、工具９に上述のような振動を与える条件としては、本実施形態では図８に示すように、振幅５〜６μｍ程度、振動数２０ｋＨｚとしてある。ただし、この条件に限定されるものではない。例えば、砥粒液の物性によって、工具９の表面に砥粒液を保持できる振動条件は多少異なる。
【００４６】
工具９の振動が、その表面に砥粒液を保持するモードでの振動であるか否かの判定は、例えば以下の手法を用いればよい。
即ち、適宜の容器に砥粒液を入れたものを用意し、この容器内の砥粒液に工具９を浸漬させた状態で工具９を振動させ、当該振動を維持しながら容器をゆるやかに下降させて（あるいは工具９側を上昇させて）、工具９を砥粒液の液面から相対的に引き上げる形とする。このときに、工具９の表面に残った砥粒液が当該工具９をその内部に包含するような全体として大きな液滴を形成して、かつその液滴が落下しない場合は、工具９が上記のモードで振動していると判定できる。工具９の振動が停止している場合、あるいは振動条件が上述のモードから外れている場合は、工具９上の砥粒液は、微小な飛沫となって殆どが飛散するか、重力により直ちに工具９から落下することになる。
【００４７】
なお、ホーン２３の形状としては、前述の（ａ）の形状に限られるものではない。要は、工具９に対し、その周囲（表面）に砥粒液を保持できる振動を付与できれば良いのである。従って、前述の（ｂ）あるいは（ｃ）の形状のホーン２３を用いたとしても、前記超音波振動子２４の振幅などを種々変えれば、工具９の部分に砥粒液を保持させ得る態様の振動を得ることは、少なくとも理論上は不可能ではないと思われる。
しかしながら、（ａ）の如き末広形状のホーン２３は、簡素な構成で、工具９の部分に小振幅の振動を安定して得られる点で優れている。
【００４８】
更には、上述のように本実施形態のワーク１３は圧電セラミック材料（ＰＺＴ）としているが、本発明の技術的範囲はこの材料を加工する場合に限られない。ただし本実施形態のように構成した場合は、加工圧が小さくても砥粒液内の砥粒を効率的に用いることで加工効率を向上できるため、破損し易く加工圧をあまり大きくできない脆性材料の加工に特に好適であり、またその加工仕上がりも美麗である。
【００４９】
〔砥粒液の供給のための構成〕
続いて、工具９の周囲に砥粒液を供給するための具体的な構成を説明する。
図１１の図中下側に示すように、砥粒液５２を収容する砥粒液溜め５１は、上方を開放させた形状の容器５３と、その上部を覆う平板状の蓋５４と、を有している。蓋５４の上部には、ポンプを構成する電動モータ５５が設置され、そのモータ軸５５ａが下方に延出される。また、前記蓋５４には羽根軸５７が回転自在に支持され、この羽根軸５７が前記モータ軸５５ａにカップリング５６を介して連結されている。
【００５０】
前記の蓋５４の下面には円筒状の支持部５８が上下方向に設けられて、前記羽根軸５７はこの支持部５８の内部に挿通されている。支持部５８内の下端部にはポンプ室６０が形成され、このポンプ室６０内に、前記羽根軸５７の下端に形成された回転羽根５９が収納される。
ポンプ室６０下面には吸入口６１が開口されるとともに、その側面には吐出口６２が形成される。該吐出口６２を起点として筒状の中継路６３が形成され、この中継路６３は「Ｌ」字状に曲げられて、前記蓋５４を貫通して上方に突出させている。また、この突出部分に可撓性のホース６４の一端が嵌合されて連結される。
【００５１】
このホース６４の他端は、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，図１１に図示）の一端に接続されている。図６等に示すとおり、該中継パイプ４７には供給孔４８が形成され、そしてその近傍位置に、案内手段たる前記案内棒４９が下向きに突設されている。
中継パイプ４７の他端には戻しホース６５が連結され、この戻しホース６５が、砥粒液溜め５１の蓋５４に設けられた戻し口６６に接続される。
【００５２】
この構成で前記電動モータ５５を駆動させると、回転羽根５９が回転されることによって、容器５３内の砥粒液５２が吸入口６１からポンプ室６０内に吸入される。そして、ポンプ室６０の吐出口６２から中継路６３に向けて圧送された砥粒液は、ホース６４を経由して、前記中継パイプ４７に導かれる。大部分の砥粒液は戻しホース６５を経由して再び砥粒液溜め５１に戻るが、一部の砥粒液は、中継パイプ４７に設けられている前記供給孔４８を通じて該パイプ４７の外面に漏出した後、案内棒４９の外面を図１１に示すように伝ってワーク台１２上に落下し、前記の工具９による加工に用いられる。
【００５３】
なお、砥粒液は上述したように砥粒を分散させた液体であるため、静止させておくと内部の砥粒が沈殿固化して、工具９への供給に支障が生じてしまいやすい。
この点、本実施形態では、砥粒液溜め５１→ホース６４→中継パイプ４７→戻しホース６５→砥粒液溜め５１という循環経路が形成されており、電動モータ５５の駆動によりこの経路を砥粒液が循環するように構成している。これによって砥粒液に流動が付与され、容器５３内の砥粒が攪拌される形となって、砥粒液の砥粒が沈殿固化することを防ぐことができる。
【００５４】
また、仮に、中継パイプ４７に前記案内棒４９の代わりに細いパイプ等を設け、当該パイプ内部を通じて工具９周囲に砥粒液を供給させる構成では、当該パイプ内部で砥粒液が詰まってしまい易い。特に、砥粒液を少量ずつ供給させる場合には、砥粒液がパイプ内部の狭い経路で容易に固化して詰まってしまい、砥粒液の供給ができなくなるという問題がある。
この点、本実施形態では、案内棒４９の外面を伝わらせて工具９の周囲に砥粒液を供給する構成としているから、砥粒の供給量をたとえ極端に絞ったとしても、案内棒４９の部分で詰まることはない。従って、砥粒液をスムーズに工具９の周囲に供給することができる。
【００５５】
特に本実施形態の装置１においては前述したとおり、特定の振動条件で工具９を振動させることで、砥粒液を工具９の表面に保持させるとともに、砥粒液に発生した無数の微細な泡（キャビティ）によって砥粒を均一に分散させて保持し、これによって、ワーク１３と工具９との間の界面に到達して加工に貢献する砥粒の割合を高めて、加工効率の向上を図っている。
この場合において新しい砥粒液を強い勢いで供給したのでは、前記のキャビティを含んだ砥粒液を押し流してしまい、砥粒を分散した状態で均一に保持する前述の効果が失われ、却って加工効率が低下してしまう。従って、砥粒液の供給流量はできるだけ絞って、必要最低限の量だけを工具９の周囲に供給する形とすることが望ましい。
そして本発明は、このような状況下で砥粒液を供給するのに特に適した構成ということができる。即ち本発明によれば、砥粒液の流量を極端に絞り、液滴の状態で一滴ずつ滴下するような態様での供給であっても、砥粒液の詰まりを発生させることなくスムーズに行えるのである。
【００５６】
また、この案内棒４９は、中継パイプ４７外面にほぼ直下方に向けて突設される基部と、当該基部から湾曲して斜下方に向く部分を有しており、この斜下方に向く部分の先端が、ワーク台１２の直上方に位置する構成となっている。
従って、中継パイプ４７をホーン２３や工具９に干渉しない離れた位置に取り付けた場合も、砥粒液は、その中継パイプ４７から案内棒４９の前記斜下方に向く部分を伝わって、ワーク１３上の適切な箇所に供給することができ、中継パイプ４７のレイアウトの自由度が高まる。また特に、案内棒４９の先端を工具９の近傍に位置させることで、工具９とワーク１３との界面に砥粒液（砥粒）を効率良く行き渡らせることができ、加工効率を向上できることになる。
【００５７】
なお、砥粒液をその外面を伝わらせて案内するものであれば、上記案内棒４９のような棒状のものに限らず、他の形状のものでも良い。例えば、前記案内棒４９の代わりに「Ｖ」字状の樋を斜下方に向けて設置し、その下面を伝わらせて工具９の周囲に砥粒液を供給する構成が考えられる。
【００５８】
本実施形態において工具９に対する砥粒液の供給／供給停止の切換は、前記電動モータ５５の駆動／駆動停止の制御により行うこととしている。
なお、中継パイプ４７等にバルブを設けて、当該バルブの開閉により砥粒液の供給／供給停止を切り換える構成も考えられるが、この構成では当該バルブ部分で砥粒液が固化して詰まってしまい易い。そこで、バルブのような可動部分を省略できる本実施形態の構成としたのである。
【００５９】
また、このポンプの電動モータ５５は、常時駆動させる構成でも良いが、本実施形態では間欠駆動させる構成としている。
これは、砥粒液を攪拌して沈殿固化を防止するという観点からは、電動モータ５５の短時間の駆動を適当な時間間隔をおいて反復すればその目的を十分果たし得るし、また、間欠駆動とすれば、電動モータ５５の消費電力を低減できるからである。
また、装置１が停止しており砥粒液の供給の必要がない間も、砥粒液の沈殿固化を防止する観点からは、電動モータ５５を駆動して循環を行わせる必要がある。しかしながら、上述のように砥粒液の工具９周囲への供給／供給停止を電動モータ５５の駆動／駆動停止によって行う場合は、加工作業を行わないにもかかわらず、電動モータ５５の駆動時に砥粒液が案内棒４９を伝って工具９の周囲に無駄に供給されることになる。この点、本実施形態のように間欠駆動とすれば、無駄となる砥粒液をその分だけ低減できることになる。
【００６０】
間欠駆動の方法としては、時間間隔をおいて駆動／駆動停止を切り換える方法が、砥粒液の沈殿固化を確実に防止することができ、また、最も簡素な制御であって単純なタイマ回路を使用することで実現できる点で望ましい。
ただしこれに限るものでもなく、例えば加工作業時には、前記昇降テーブル１１の変位センサ３３からの信号を基に昇降テーブル１１の上昇速度（つまり、加工速度）を演算し、当該速度が所定の閾値を下回れば電動モータ５５の駆動を開始し、閾値を上回れば駆動を停止するように構成しても良い。この構成によれば、加工速度が低下したときに電動モータ５５が駆動されて新鮮な砥粒が案内棒４９から供給される形となるから、合理的に砥粒液を供給でき、砥粒液を有効に活用できる。
【００６１】
なお、砥粒液の有効活用という観点からは、図１２に示すような変形例としても構わない。
この変形例は、前記昇降テーブル１１の近傍に漏斗（回収部）６９を設置して、その受け口側を上方に向けるとともに、該漏斗６９には第二戻しホース７０（戻し経路）の一端を接続して、当該ホース７０の他端は前記砥粒液溜め５１に接続させる構成である。
前記中継パイプ４７は、スライド移動可能なスタンド６８上に設置され、その位置を変更可能に構成されている。従って、中継パイプ４７に設けられる前記案内棒４９の先端も、ワーク台１２の直上方位置（鎖線で示す位置）と、漏斗６９の受け口の直上方位置と、の間で移動できるようになっている。
【００６２】
この構成において、加工作業時には案内棒４９の先端をワーク台１２の直上方に位置させ、ワーク台１２に固定されるワーク１３上に砥粒液を落下させて工具９の周りに供給する。
一方で、加工作業の終了後はスタンド６８をスライドさせて、案内棒４９の先端を漏斗６９の上に移動させるようにする。そうすると、砥粒液攪拌のために電動モータ５５を駆動させた場合でも、中継パイプ４７から案内棒４９に供給された砥粒液は、工具９に送られずに漏斗６９の受け口に落下して回収され、第二戻しホース７０を介して砥粒液溜め５１に戻される。
以上のような変形例によれば、加工に使われなかった砥粒を回収して再び加工に利用できることとなって、砥粒の無駄を著しく低減できることになる。
【００６３】
砥粒液に前述の循環経路を循環させるためのポンプとしては、上記実施形態では回転羽根５９を用いたものとしたが、それ以外の構成のポンプであっても良い。
例えば、図１３に示すようなチューブポンプを用いることが考えられる。このチューブポンプ７１は、内周を円弧状に構成したガイド部材７２と、ガイド部材７２の内周に沿って配置された弾性を有するチューブ７３と、このチューブ７３をガイド部材７２側へ押圧するローラ７４を備えている。具体的にはこのローラ７４は、円板７５の周縁に支軸７６を固設し、この支軸７６に回転自在に支持されている。円板７５は図示せぬモータにより、軸７７を中心に回転駆動される。チューブ７３の一端は前記砥粒液溜め５１の容器５３の内底部に位置させる一方、他端は前記中継パイプ４７に接続させることとする。
この構成で円板７５を軸７７を中心に図１３の白抜き矢印方向に回転駆動させると、ローラ７４は、その外周と、ガイド部材７２の内周とでチューブ７３を押し潰しながら回転し、チューブ７３内部の砥粒液を送り出す。この結果、前記砥粒液溜め５１から砥粒液を吸い込んで中継パイプ４７側へ圧送することができる。
この構成では前述の回転羽根５９を省略できるため、砥粒液中に含まれる砥粒によって回転羽根５９が摩損される問題を回避できるメリットがある。
【００６４】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【００６５】
即ち、請求項１に示す如く、超音波により工具を振動させるとともに、砥粒を液体に分散させた状態で工具の周囲に供給して、前記工具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、砥粒分散液を循環させる循環経路と、該循環経路内の砥粒分散液をその外面を伝わらせることで工具の周囲へ向けて送るための案内手段と、を備えたので、砥粒分散液を循環させることで、砥粒の沈殿固化による詰まりを発生させず、スムーズに工具周囲に供給することができる。また、砥粒分散液の工具周辺への供給量を少量に抑えたい場合であっても、案内手段の外面を伝わらせて供給する構成であるから、砥粒の詰まりが発生することはない。従って、少量ずつ確実に砥粒分散液を供給することができる。
【００６６】
請求項２に示す如く、前記案内手段は、斜下方へ向く部分を少なくとも一部に有しているので、
砥粒分散液を斜め下方に伝わらせる容易な構成で、工具と被加工物との界面の近くに砥粒分散液を供給することができる。従って、工具と被加工物との界面に砥粒を容易に到達させ得る構成とでき、加工効率が向上する。
【００６７】
請求項３に示す如く、工具周辺へ送られなかった砥粒分散液を前記案内手段から回収する回収部と、当該回収部にて回収した砥粒分散液を前記循環経路へ戻す戻し経路を更に備えたので、
案内棒から落下した砥粒分散液が循環経路に回収されるので、砥粒の無駄が少なくなり、経済的である。
特に、加工を実際に行っていない時でも砥粒分散液の沈殿固化を防止する必要があり、循環経路の液の循環を絶えず行わなければならない場合であって、循環／循環停止の切換によって砥粒分散液の前記案内棒に対する供給／供給停止を切り換えるときに、加工がされないときも砥粒液の循環をすることで、砥粒分散液が案内棒に対し無駄に供給されることになる。この点請求項３の構成では、案内棒から落下した砥粒を回収できることになるから、砥粒の無駄を著しく低減できる。
【００６８】
請求項４に示す如く、前記砥粒分散液に前記循環経路内を循環させるためのポンプは、間欠的に駆動されるので、
加工を実際に行っていない時でも砥粒分散液の沈殿固化を防止する必要がある場合に、ポンプを間欠的に駆動させることで砥粒分散液を流動させて沈殿固化を確実に回避でき、一方で、常時駆動する構成よりもエネルギーの消費量が低く経済的となる。
また、前記ポンプを駆動させることで砥粒液の前記案内棒に対する供給を行い、ポンプの駆動停止により砥粒液の供給停止を行う構成の場合は、加工がされない時も砥粒液循環のためにポンプを駆動することで、砥粒分散液が工具に対し供給されて、その分が無駄になってしまう。しかし請求項４の構成とすれば、ポンプは間欠駆動されるので、常時駆動に比べて、上記のような無駄になる砥粒を少なくできる。
【００６９】
請求項５に示す如く、前記ポンプは、タイマーにより時間間隔をおいてその駆動／停止が反復されるように構成されているので、
砥粒分散液の沈殿固化が確実に回避できる。また、時間をおいて駆動／停止を切り換えるのみの単純な制御であるので、装置の砥粒液供給のための部分についての製造コストの上昇もわずかである。
【００７０】
請求項６に示す如く、被加工物に対する加工スピードを検知する検知手段を備え、加工スピードが低下した場合に前記ポンプが駆動するよう制御されるので、超音波加工時に加工スピードが低下したことを検知してポンプを駆動して砥粒分散液を供給するので、砥粒が必要なときのみ砥粒分散液を供給できる合理的な構成となる。従って、砥粒の無駄が少なくなって経済的である。
【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。
【図２】同じく正面図。
【図３】穿孔ヘッド部の側面図一部断面図。
【図４】同じく正面図。
【図５】同じく平面断面図。
【図６】昇降テーブルの側面断面図。
【図７】実験で想定されたホーンの形状モデルを示す斜視図。（ａ）は末広型、（ｂ）はずん胴型、（ｃ）は先細型を示す。
【図８】各モデルのホーンの振動をシミュレーション解析した結果を示す図。
【図９】各モデルにおける工具取付面近傍の振動について、シミュレーション解析結果を示す図。
【図１０】末広型形状のホーンを使用して加工を行った場合の砥粒の流れを示した図。
【図１１】砥粒液循環経路とポンプの構成を示す図。
【図１２】砥粒液を回収する回収部を設けた変形例を示す図。
【図１３】砥粒液の循環のためのポンプの変形例を示す図。
【符号の説明】
１　超音波穿孔装置（超音波加工装置）
９　工具
１３　ワーク（被加工物）
４７・６４・６５　砥粒液の循環経路
４９　案内棒（案内手段）
５１　砥粒液溜め
【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】
2004001126.tif 000009
【図８】
2004001126.tif 000010
【図９】
2004001126.tif 000011
【図１０】
2004001126.tif 000012
【図１１】
2004001126.tif 000013
【図１２】
2004001126.tif 000014
【図１３】
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