(57)【要約】【課題】装置の高さが低く、テーブル表面全体に均一な水平振動変位があり、テーブル表面面積が大きく、そして加工能率が高くなる超音波振動テーブルを提供することにある。【解決手段】超音波駆動回路８より超音波交流電圧をりん青銅製の電極板４ａ、４ｂに印加する。その結果、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに矢印で示す方向の厚みすべり振動が励起される。この厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂの振動は増幅されながらステンレス製の加工テーブル２に伝播する。ステンレス製の加工テーブル２の矢印は振動方向を示している。また、加工テーブル表面での厚みすべり振動の変位量は従来の縦振動を用いたものに比較してはるかに均一であるので、加工テーブルに置いたワークの位置によらず均一な超音波振動効果が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置において、テーブルがその表面に平行方向に超音波振動することを特徴とする超音波振動テーブル。
【請求項２】
前記テーブルの表面に平行方向に超音波振動させるために、圧電厚みすべり振動を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項３】
前記テーブルの表面に平行方向に超音波振動させるために、圧電ねじり振動を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
【請求項４】
工作機械の加工方向が前記テーブルの表面の振動方向と同じであることを特徴とする請求項２および請求項３に記載の超音波振動テーブル。
【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、超硬金属などの切断、研削及び研磨加工に用いられる超音波振動テーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などの硬度が高い脆性材料を切断、研削等の加工を施すことは、非常に困難であり従来から工具に超音波振動を加え加工することが行われている。このような超音波切削加工は、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】
また、ワークを固定する加工台に超音波振動を与え、これをワークに伝播させ、超音波切削加工を行うことが従来よりよく知られていることである。例えば、特開２００２−３５５７２６号公報には、図９に示すように超音波振動テーブル１は、工作機械のベッドに取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置であり、アルミニウム製のケーシングにシールド用のゴム板を介して固定され、上下に振動する超音波振動装置と超音波振動装置の上端部に、その下側中間部を固定されてワークを固定する振動テーブルと、振動テーブルの外側下部から下方に突出し、ケーシングの超音波振動装置の外側に形成された案内用凹部に挿入されて振動テーブルの横移動を制限しながら上下方向に案内するガイド部材とを有している。ケーシングは、上方に開口した箱状に形成され、内周上部には、内側に突出するリング状の内フランジ部が形成されている。内フランジ部の複数箇所には、上下に貫通する雌ねじ部が形成されている。ケーシングに設けられた鉄製の裏面プレートは、ボルト部材によって着脱可能に形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波切削加工においては、工具が大型化した場合は、ワークと接触する工具の加工部分に均一な超音波振動を与えることが非常に難しい。
また、工具が小型化した場合、超音波振動を与える装置も小型化しなければならない。超音波振動装置が小型化すればするほど工具に与えられる振動エネルギーは小さくなってしまう。このため、工具が小型であるときは、超音波切削加工能力は小さくなってしまう欠点がある。
【０００５】
一方、上記の超音波振動テーブルは、工具の形状と関係なく振動させることができる。しかし、前記超音波振動テーブルは、テーブルに対して垂直に振動装置が装着されているので、装置の高さが大きくなるという問題点がある。
さらに超音波振動子の超音波放射面の面積はテーブルの面積に比較して小さいためテーブル全体には均一に振動変位が得られないという欠点がある。
さらに超音波振動方向が加工方向と一致しないことにより、超音波振動の効果がそれほど得られないという問題点もある。
本発明の目的は上述の問題点を解消する超音波振動テーブル提供することにある。
【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、工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置において、テーブルがその表面に平行方向に超音波振動することを特徴とする超音波振動テーブルとするものである。
また、前記テーブルの表面に平行方向に超音波振動させるために、圧電すべり振動を用いることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブルとするものである。
さらに、前記テーブルの表面に平行方向に超音波振動させるために、圧電ねじり振動を用いることを特徴とする超音波振動テーブルとするものである。
また、工作機械の加工方向が前記テーブルの表面の振動方向と同じであることを特徴とする超音波振動テーブルとするものである。
【０００７】
【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超音波振動テーブル１の斜視図である。ここで超音波振動テーブル１はステンレス製の加工テーブル２、アルミナ板３ａ、３ｂ、りん青銅製の電極板４ａ、４ｂ、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、ステンレス製の支持板６そしてステンレス製の直方体７とから構成されている。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
超音波振動テーブル１は次のように組み立てられる。まず、ステンレス製の直方体７とアルミナ板３ｂをエポキシ樹脂で接合する。ついで、アルミナ板３ｂの上にりん青銅製の電極板４ｂを接合する。さらに、厚みすべり圧電素子５ｂをエポキシ樹脂で接合する。その上にステンレス製の支持板６、厚みすべり圧電素子５ａ、りん青銅製の電極板４ａ、アルミナ板３ａそしてステンレス製の加工テーブル２を載せ、それらのすべてをエポキシ樹脂で接合する。
【０００８】
ここで、超音波振動テーブル１が大型化し、エポキシ樹脂による接合では、接合強度が不足すると考えられる時は、エポキシ樹脂による接合に合わせて、複数のボルトを用いて接合することが好ましい。
【０００９】
図２は厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの詳細な斜視図である。
大きな形状の厚みすべり圧電素子を作成することは困難であるので、小さな厚みすべり圧電素子を図２に示すようにエポキシ樹脂９を用いて２０個接合した。また、図に示す矢印は分極方向を示している。厚みすべり圧電素子５ａは右方向に、厚みすべり圧電素子５ｂは左方向に分極されている。
圧電素子の厚みすべり振動の詳しい解説は、（「超音波技術便覧」昭和６０年発行、発行所  日刊工業新聞社）３４５〜３４６ページに記載されている。
【００１０】
次に、図１に示す構成の運転方法について説明する。超音波駆動回路８より超音波交流電圧をりん青銅製の電極板４ａ、４ｂに印加する。そしてステンレス製の支持板６をグラウンドに接地する。またアルミナ板３ａはステンレス製の加工テーブル２とりん青銅製の電極板４ａとを絶縁するためにある。さらにアルミナ板３ｂはステンレス製の直方体７とりん青銅製の電極板４ｂとを絶縁するためにある。その結果、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに矢印で示す方向の厚みすべり振動が励起される。厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂの振動位相は互いに逆であり、ステンレス製の支持板６の位置が振動の節になる。この厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂの振動は増幅されながら一方はステンレス製の加工テーブル２に、他方はステンレス製の直方体７に伝播する。ステンレス製の加工テーブル２の矢印は振動方向を示しており、ステンレス製の加工テーブル２の表面に平行で、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの分極方向と同じ方向に振動することを表している。また、加工テーブル表面での厚みすべり振動の変位量は従来の縦振動を用いたものに比較してはるかに均一であるので、加工テーブルに置いたワークの位置によらず均一な超音波振動効果が得られる。
【００１１】
ここで、例えば工作機械がダイサーである時は、ステンレス製の加工テーブル２の矢印の方向と加工方向を一致させると、ダイサーの切断ブレードの回転にステンレス製加工テーブル２の矢印の方向の振動が加わり、切断ブレードの回転の回転数を大幅に上げたことと同一の効果である切削力の向上が得られる。
【００１２】
また、ステンレス製加工テーブル２の矢印と直交する方向の加工を望むときは、支持板６を載せる図示しない回転テーブルを配置すればよい。そしてこの、回転テーブルを９０度回転させることでステンレス製加工テーブル２の矢印と一致した方向の加工ができることになる。
【００１３】
第２の実施の形態を図３、図４を用いて説明する。
第２の実施の形態は第１の実施の形態の図１の構成からステンレス製の支持板６を取り除いた構成である。そして、ステンレス製の支持板６を取り除いた構成であるため、ステンレス製の直方体７とそれを受ける物で超音波振動テーブル１を支持することになる。この方式にすると超音波振動はステンレス製の直方体７の下にある物を通して漏れるので、振動効率としてはその分低くなる。しかし、ステンレス製加工テーブル２からはみ出す部分が無いためワークの大きさを最大にすることができる。さらに超音波振動テーブルを薄型化できるので既設の工作機械に何の改造も施さないで取り付けることができる。
【００１４】
図３は超音波振動テーブル１をフェルト状のナイロン繊維１０で支持しているものであり、フェルト状のナイロン繊維１０に超音波振動テーブル１の底面と４つの側面を接触保持させている。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
【００１５】
図４は超音波振動テーブル１をシリコンゴムの突起１１により支持しているものである。図に示すように側面を支持していないので、水平方向に大きな負荷がかかるものには、適さないが小型のワークを加工するときは、超音波振動テーブル１を自由に移動できるので便利である。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
【００１６】
また、シリコンゴムの突起１１の下に強力な磁石を置き、一方超音波振動テーブル１の底面にも磁性材料を配置すれば、ある程度の大きさのワークまで加工できる。
【００１７】
第３の実施の形態を図５、図６を用いて説明する。
本実施の形態は、図５に示すようにステンレス製の加工テーブル２面に水平に振動するが、ステンレス製の加工テーブル２の矢印が示すようにねじり振動モードである。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
この超音波振動テーブル１は、超音波ねじり振動の中心軸と機械工作機の回転軸が同じ方向であるときは最適である。このような機械工作装置としては、ドリル工作機、カップ砥石による研磨機、ラップ装置、立旋盤などの回転機械工作機がある。
【００１８】
回転機械工作機の工具の回転方向とステンレス製の加工テーブル２のねじり振動の方向が一致するため回転加工の加速度が大幅に向上するため加工能率が大幅に向上する。
【００１９】
さらに回転加工の加速度を上昇させるためにステンレス製の加工テーブル２に回転テーブル１６を取り付け、ステンレス製の加工テーブル２を回転機械工作機の工具の回転方向と逆方向に回転させる。このようにすると、回転機械工作機の工具の回転にステンレス製の加工テーブル２を回転が加わるのでさらに加工能率が大幅に向上する。
【００２０】
図５の運転方法について説明する。
電極板４ａ、４ｂに超音波駆動回路８よりスリップリング１４を介して超音波交流電圧を印加する。一方グラウンドよりスリップリング１４を介して電極板４ｃに接続する。このようにするとねじり圧電素子５ａ、５ｂにねじり振動が発生する。この際、電極板４ｃを節としてねじり圧電素子５ａとねじり圧電素子５ｂは逆位相で振動する。ねじり圧電素子５ａの振動はアルミナ板３ａ、ステンレス製の加工テーブル２に伝達するに従い増幅される。
また一方、アルミナ板３ｂ、ステンレス製のディスク１２にねじり圧電素子の振動は増幅しながら伝達するが、ステンレス製の棒１３を伝播し、ステンレス製の取り付け台１５に伝達したところで節になるように振動シュミレーションソフトを使用して設計する。その結果、振動はほぼステンレス製の取り付け台１５の上の部分に閉じ込めることができるので振動効率が向上する。
【００２１】
また、ステンレス製の取り付け台１５を取り付けた回転テーブル１６を回転させる。回転テーブル１６に繋がるワークを取り付けたステンレス製の加工テーブル２も回転するので、例えばドリル加工装置のドリルをワークに当て加工する。この際、オイルを滴下する場合もある。
【００２２】
また、別の工作機械であるラップ装置においては、加工時にスラリー、水、オイルなどを滴下または吹き付けることもある。
【００２３】
また図６はねじり圧電素子５ａ、５ｂの詳細図であるが、形状の大きいねじり圧電素子を作成することは困難であるので、小さなねじり圧電素子をエポキシ樹脂で接合し大きなねじり圧電素子５ａ、５ｂを作成する。また、ここではねじり圧電素子をリング状としているが円盤状の形状でももちろんよい。
【００２４】
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。
【００２５】
第４の実施の形態を図７、図８を用いて説明する。
図７の超音波振動テーブル１は、厚みねじり振動を励起するねじり圧電素子５ａと縦振動を励起する厚さ方向に分極した圧電素子５ｂを持たせたものである。
【００２６】
この超音波振動テーブル１の運転は次のようにする。
厚みねじり振動を励起するねじり圧電素子５ａに超音波駆動回路８ａより電極４ａに交流電圧を印加する。また電極４ｃはグラウンドに接地する。この結果、ねじり振動が加工テーブル２に増幅しながら伝播する。また、縦振動を励起する厚さ方向に分極した圧電素子５ｂに超音波駆動回路８ｂより電極４ｂに交流電圧を印加する。また電極４ｃはグラウンドに接地する。この結果、縦振動が加工テーブル２に増幅しながら伝播する。このように加工テーブル２にはねじり振動と縦振動が同時に励起できるのでねじり振動と縦振動の特徴引き出せる。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
ねじり振動は主に加工パワーを高め、縦振動は主に切断抵抗を低減すると考えられる。これらの効果により、加工能率が高まり、工具の摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、工具の寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【００２７】
ここで振動設計法について説明する。ねじり振動と縦振動の節は同じ振動次数では一致しないのであるが、棒１３の長さと直径そして取り付け台１５の形状を振動シュミレーションソフトを用い設計し、取り付け台１５を実際上の節とすることができる。このことにより、振動漏れは小さくなり、加工テーブル２に所望の振動を励起できる。
【００２８】
図８は、ねじり圧電素子５ａと厚さ方向分極の圧電素子５ｂである。ねじり圧電素子５ａは図のように小さな圧電素子をエポキシ樹脂９で接合し作成する。一方、厚さ方向分極の圧電素子５ｂは、わざわざ分割しなくても容易に作成できるので一体の圧電素子としている。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波振動テーブルによれば、加工テーブル表面にほぼ均一な超音波振動が得られるので有効な加工テーブル面積を大きくすることができる。また、超音波テーブルを薄型化できるので既設の工作機械の改造を必要としない。さらに、工作機械の加工方向と超音波振動の振動方向を一致させることにより加工効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の超音波振動テーブルを示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に用いる厚みすべり圧電素子を示す斜視図である。
【図３】第２の実施の形態のフェルトにより超音波振動テーブルを支持する斜視図である。
【図４】第２の実施の形態のシリコンゴム突起により超音波振動テーブルを支持する斜視図である。
【図５】第３の実施の形態の超音波振動テーブルを示す斜視図である。
【図６】第３の実施の形態に用いるねじり圧電素子を示す斜視図である。
【図７】第４の実施の形態の超音波振動テーブルを示す斜視図である。
【図８】第４の実施の形態に用いる厚みすべり圧電素子と厚さ方向分極圧電素子を示す斜視図である。
【図９】従来の超音波振動テーブルを示す図である。
【符号の説明】
１    超音波振動テーブル
２    加工テーブル
３    アルミナ板
４    電極板
５    圧電素子
６    支持板
７    直方体
８    超音波駆動回路
９    エポキシ樹脂
１０  フェルト状のナイロン繊維
１１  シリコンゴムの突起
１２  ディスク
１３  丸棒
１４  スリップリング
１５  取り付け台
１６  回転テーブル
【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】
2004351605.tif 000008
【図７】
2004351605.tif 000009
【図８】
2004351605.tif 000010
【図９】
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