(57)【要約】      （修正有）【課題】従来切断困難なネオジ鉄などを切断すること、切断効率を向上させること、切断ブレードの寿命を長くすること及び加工精度を向上させる切断方法及び切断装置を提供する。【解決手段】回転する切断ブレード１を有している切断装置において、回転軸にねじり振動用圧電素子を嵌め、回転軸方向に締め付けて、そして前記圧電素子に交流電圧を印加するものである。さらに超音波振動子と切断ブレードを一体化して切断ブレードにねじり振動モードと他の振動モードを与える。【選択図】図１
2004351912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する切断ブレードを有している切断装置において、回転スピンドルにねじり振動用圧電素子を嵌め、回転軸方向に締め付けて、そして前記圧電素子に交流電圧を印加することを特徴とする切断方法及び切断装置。
【請求項２】
回転する切断ブレードを有している切断装置において、切断ブレードの両側にねじり振動用圧電素子を嵌め、回転スピンドル軸方向に締め付けて、そして前記圧電素子に交流電圧を印加することを特徴とする切断方法及び切断装置。
【請求項３】
切断ブレードに圧電素子を接合していることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の切断方法及び切断装置。
【請求項４】
切断ブレードにねじり振動モードと他の振動モードを与えることを特徴とする請求項３に記載の切断方法及び切断装置。
【請求項５】
回転する切断ブレードを有している切断装置において、超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置を回転スピンドルに取り付けることを特徴とする切断方法及び切断装置。
【請求項６】
超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置において、超音波振動子がねじり振動子であることを特徴とする請求項５に記載の切断方法及び切断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを切断する切断方法及び切断装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガラス、シリコンウエハー、シリコンナイトライド、超硬金属などの脆性材料に溝入れ又は切断等の加工を施すには、従来例えば図７に示すような薄いリング状の切断ブレード１を回転スピンドル２の先端に取り付けた第１のフランジ１８と、回転スピンドル６のねじ部に嵌めた第２のフランジ１９とで切断ブレード１を挟み付け、締め付け用ナット１１をねじ部に螺着することにより固定し、この切断ブレード１を回転モータ１４により回転させてその外周切削部で加工するようになっている。なお、図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は側面図である
また、超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度の向上につながってくる。なお超音波切削加工について「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、切断ブレードに超音波振動を加え、超音波切削加工の特長を持たせる試みが多くなされてきた。しかしながら、過去試された方法は図８に示す平面図のように回転スピンドル２の一部に縦振動を発生する超音波振動子を取り付ける方法であった。すなわち、回転スピンドル２に厚さ方向に分極した圧電素子１６ａ、１６ｂを設け、超音波振動子とする。そして圧電素子４ａ、４ｂに超音波発振器１２よりスリップリング１３を介して電極板８より高周波交流電圧を印加する。回転スピンドル２はグラウンドに接続している。その結果、回転スピンドル２に縦振動の超音波振動が励起され、これが切断ブレード１に径の広がり振動に変換されて伝達するというものであった。しかし、回転スピンドル６の超音波振動の振動数と切断ブレード１の所望の振動モードを励起する振動数が一般に一致しないので所望の振動モードを得ることができない。また、回転スピンドル２の超音波振動の振動数が切断ブレード１の所望の振動モードに近くてもその付近の振動数を持つ他のモードからそのモードを選択的に励起できない。この理由は、切断ブレード１に印加する超音波振動による力の作用点及び力のベクトルを調整できないからである。
本発明の目的は上述の問題点を解消し、従来切断困難なネオジ鉄などを切断すること、切断効率を向上させること、切断ブレードの寿命を長くすること及び加工精度を向上させる切断方法お呼び切断装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、回転する切断ブレードを有している切断装置において、回転軸にねじり振動用圧電素子を嵌め、回転軸方向に締め付けて、そして前記圧電素子に交流電圧を印加することを特徴とする切断方法及び切断装置とするものである。
また、切断ブレードの両側にねじり振動用圧電素子を嵌め、回転軸方向に締め付けて、そして前記圧電素子に交流電圧を印加することを特徴とする切断方法及び切断装置とするものである。
さらに、切断ブレードに圧電素子を接合し、回転軸にねじり振動用圧電素子を嵌め、回転軸方向に締め付けて、そして前記切断ブレードの圧電素子とねじり振動用圧電素子に交流電圧を印加することを特徴とする切断方法及び切断装置とするものである。
また、切断ブレードにねじり振動モードと他の振動モードを与えることを特徴とする切断方法及び切断装置とするものである。
さらに、回転する切断ブレードを有している切断装置において、超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置を回転スピンドルに取り付けることを特徴とする切断方法及び切断装置とするものである。
また、超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置において、超音波振動子がねじり振動子であることを特徴とする切断方法及び切断装置ものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
第１の実施の形態を図１、図２を用いて説明する。
図１は第１の実施の形態を示す切断装置の一部断面図を持つ平面図である。ここで切断ブレード１は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は例えば厚さが０．５ｍｍ程度で外径が５５ｍｍ程度の鋼板の金属板からなり、中心部にはそして直径２０ｍｍ程度の回転スピンドル２に装着するための取り付け穴が形成されている。
【０００６】
また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることにより、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。
【０００７】
そして、切断ブレード等は以下のように組み込む。まず、回転スピンドル２のフランジ部３方向に回転スピンドル２にアルミ製の円筒リング４ａを嵌め込む。ついで、同じくポリエチレン製の絶縁リング５ａ、左方向分極のねじり振動用の圧電素子６ａ、電極板８ａ、右方向分極のねじり振動用の圧電素子７ａ、ホーン９ａ、切断ブレード１、ホーン９ｂ、ポリエチレン製の絶縁リング５ｂ、右方向分極のねじり振動用の圧電素子７ｂ、電極板８ｂ、左方向分極のねじり振動用の圧電素子６ｂ、アルミ製の円筒リング４ｂ、ステンレス製の円筒リング１０の順序で回転スピンドル２に嵌め込み、最後に回転スピンドル２のフランジ部３方向に向かって、締め付け用ナット１１を使用してこれらを締め付け固定する。以上の回転スピンドル２に組み込んだ切断ブレード１と他の部品は、超音波ねじり振動子として作用する。
【０００８】
次に、切断ブレード１に超音波ねじり振動を励起する方法について説明する。回転モータ１４で回転スピンドル２を回転させるとともに、回転スピンドル２に組み込んだ超音波ねじり振動子部の固有振動数付近の交流電圧を超音波発振器１２よりスリップリング１３を介して電極板８ａ、８ｂと回転スピンドル２に印加すると、ほぼ電極板８ａ、８ｂの位置を節としてねじり振動用の圧電素子６ａ，７ａ、６ｂ、７ｂによりねじり振動が励起される。なお、ここで回転スピンンドル２側をグラウンドに接続している。このねじり振動はホーン９ａ、９ｂにより振動が増幅され切断ブレード１にねじり振動が伝達される。
一方、アルミ製の円筒リング４ａ、４ｂにもねじり振動用の圧電素子により超音波ねじり振動が励起されるが回転スピンドル２のフランジ部３とステンレス製の円筒リング１０の直径をアルミ製の円筒リング４ａ、４ｂの直径と比較して大きくすることで振動をその外側に伝達することを小さくする。同じ目的で回転スピンドル２のフランジ部３とステンレス製の円筒リング１０の直径をアルミ製の円筒リング４ａ、４ｂの直径と比較して小さくすることでも振動をその外側に伝達することを小さくすることができる。このように超音波振動を必要としない他の部分に漏れることを小さくする構成にすることにより効率よく切断ブレード１にねじり振動を励起できる。
【０００９】
またねじり振動用の圧電素子の構成を図２に示すがリング状の圧電素子を四分割して図の矢印方向に分極が施されるようにシリコンオイル中で直流の高電圧を印加して分極する。そしてこれらをエポキシ樹脂１５を用いて接合し図２に示す構造にする。ここで図２（ａ）のように右方向に矢印が向いているもの右方向分極ねじり振動用の圧電素子７という。図２（ｂ）のように左方向に矢印が向いているもの左方向分極ねじり振動用の圧電素子６という。なお、圧電素子のねじり振動の詳しい解説は、（「超音波エレクトロニクス振動論」１９９８年発行、発行所朝倉書店）１１３〜１２２ページに記載されている。
【００１０】
このようにして切断ブレードに超音波ねじり振動を励起すると、切断ブレードの回転と共に超音波ねじり振動による円周方向に大きな加速度が加わることになるので、切断力が大幅に向上するため、いままで切断が困難であったネオジ鉄などの難切削材料も効率よい切断が可能となる。
また、ねじり振動は、従来例のように回転スピンドルの縦振動を変換して切断ブレードに径の広がり振動を励起するような、振動モードの変換が無いので効率が高いこと、そして所望していない他のモードを励起することがほとんど無い。
また、「超音波便覧」に記載されているように切断作業において超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
以上のように切断ブレードに超音波ねじり振動を励起する構造にすることで過去試された方法の超音波振動による切断ブレードを振動させた構成の欠点を解消できる。
【００１１】
また、切断ブレード１の両側にねじり振動用の圧電素子を配置したが、切断ブレード１の片側のねじり振動用の圧電素子だけでも切断ブレード１にねじり振動モードを励起することができることはもちろんである。
【００１２】
さらに、切断ブレードは、第１の実施の形態で示したものに限らず、たとえば、電着層を持たない食品加工などに用いられる回転ノコ、レジン系の切断ブレードなど切断するために回転するブレードならよい。
【００１３】
図３は第２の実施の形態を示す切断装置の一部断面図を持つ平面図である。切断ブレード以外は図１の切断装置と同じである。切断ブレードは切断ブレード１を構成する円板基板に圧電素子１６ａ、１６ｂをエポキシ樹脂１５で接合している。ここで切断ブレードの構成を図４（ａ）、図４（ｂ）を用いて説明する。図４（ａ）は、切断ブレード１と圧電素子１６ａ、１６ｂを接合した平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の切断線ＡＡで切断した断面側面図である。
この圧電素子１６ａ、１６ｂは、図４（ｂ）中に示す矢印方向の厚さ方向に分極されており、径の広がり振動モードを励起するように設計されている。そして径の広がり振動モードの固有振動数を印加する。この振動モードは当然次数があり、高次の振動モードにすると固有振動数は高くなる。
【００１４】
また同時に、第１の実施の形態で述べたようにねじり振動用の圧電素子に超音波ねじり振動子の固有振動数付近の周波数を持つ交流電圧を印加する。この振動モードにも当然次数があり、高次の振動モードにすると固有振動数は高くなる。
また、前記切断ブレードの径の広がり振動モードの固有振動数と超音波ねじり振動子の固有振動数をほぼ一致させると、切断ブレードに径の広がり振動モードとねじり振動モードの両者を効率よく励起させることができる。
このように切断ブレードに径の広がり振動モードとねじり振動モードの複合振動モードを励起すると切断ブレードの外周面に楕円軌跡の超音波振動を励起することができる。
【００１５】
これにより、切断ブレードの外周面には、単一振動モードに比較してさらに超音波振動による加速度を大きくすることができる。この結果として、切断加工速度をさらに大きくすることが可能であり、また難切断材料を効率よく切断することが可能になる。さらに、超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【００１６】
切断ブレードを構成する円板基板に圧電素子を接合する方法については本発明者が平成１５年３月１３日に出願した「特願２００３−１１２１４８」に詳しく記載されている。
【００１７】
図５は第３の実施の形態を示す超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置の断面平面図である。
ステンレス製のスリーブ１７に切断ブレード１、絶縁リング５、左方向分極のねじり振動用の圧電素子６、電極板８、右方向分極のねじり振動用の圧電素子７、アルミ製の円筒リング４の順序で挿入され、そしてステンレス製の締め付け用ナット１１により締め付けられ、一体化される。ここで、切断ブレード１と左方向分極のねじり振動用の圧電素子６の接触面及び右方向分極のねじり振動用の圧電素子７とアルミ製の円筒リング４の接触面にグリースなどの接触媒質を塗るとなお超音波振動子の性能が安定することはよく知られていることである。
このように超音波振動子と切断ブレードを一体化することで、現場で回転スピンドルに個々の部品を組み込む方法に比較して、熟練したメーカー組み立て、インピーダンスアナライザなどの測定器を用いその性能を確認し、出荷できるので超音波振動子の性能を一定レベル以上に維持できる。また、一体化した超音波振動子と切断ブレードを短時間に回転スピンドルに組み込みこむことができるので、切断装置の稼動効率が高くなる。
【００１８】
超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置においては、上記の第３の実施の形態では、超音波振動子はねじり振動モードを励起するものであったが、他のモード、例えば縦振動モード、曲げ振動モードであっても、現場で回転スピンドルに個々の部品を組み込む方法に比較して、熟練したメーカー組み立て、インピーダンスアナライザなどの測定器を用いその性能を確認し、出荷できるので超音波振動子の性能を一定レベル以上に維持できる利点がある。また、一体化した超音波振動子と切断ブレードを短時間に回転スピンドルに組み込みこむことができるので、切断装置の稼動効率が高くすることができる。
【００１９】
図６は、図５に示した超音波振動子と切断ブレード１を一体化した製品を回転スピンドルに組み込んだ様子を示す切断装置の一部断面図を持つ平面図である。
超音波振動子と切断ブレードを一体化した製品を回転スピンドルに挿入し、締め付け用ナット１１により締め付けて取り付ける。
このように超音波振動子と切断ブレード１を一体化することで従来の切断ブレードを取り付けるのとほぼ同じ手順で回転スピンドルに取り付けられるので現場作業において便利である。
また、切断ブレードに超音波ねじり振動を励起する方法については、第１の実施の形態と同じである。
【００２０】
図５の第３の実施の形態を示す超音波振動子と切断ブレードを一体化した装置では、切断ブレードの左側にだけ、ねじり振動用の圧電素子を配置したが、切断ブレードを対称線として右側にも同じ構成にすることができる。また、そのことで、さらに大きい超音波ねじり振動を切断ブレードに与えることが可能である。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、切断作業において超音波振動の効果が十分に発揮できるため、切断抵抗が低減するため、切断ブレードの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切断ブレードの寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図２】第１の実施の形態のねじり振動用の圧電素子を示す図である。
【図３】第２の実施の形態の切断装置を説明する図である。
【図４】第２の実施の形態の圧電素子を接合した切断ブレード示す図である。
【図５】第３の実施の形態を示す断面平面図である。
【図６】第３の実施の形態を示す一体化した超音波振動子と切断ブレードを組み込んだ切断装置を説明する図である。
【図７】従来の切断ブレード及び回転スピンドル等を説明する図である。
【図８】従来の切断ブレードに超音波振動を作用させる図である。
【符号の説明】
１    切断ブレード
２    回転スピンドル
３    回転スピンドルのフランジ部
４    アルミ製の円筒リング
５    絶縁リング
６    左方向分極のねじり振動用の圧電素子
７    右方向分極のねじり振動用の圧電素子
８    電極板
９    ホーン
１０  ステンレス製の円筒リング
１１  締め付け用ナット
１２  超音波発振器
１３  スリップリング
１４  回転モータ
１５  エポキシ樹脂
１６  厚さ方向に分極された圧電素子
１７  ステンレス製のスリーブ
１８  第１のフランジ
１９  第２のフランジ
【図１】
2004351912.tif 000003
【図２】
2004351912.tif 000004
【図３】
2004351912.tif 000005
【図４】
2004351912.tif 000006
【図５】
2004351912.tif 000007
【図６】
2004351912.tif 000008
【図７】
2004351912.tif 000009
【図８】
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