(57)【要約】【課題】  必要な駆動力を確保しながら小型化を促進できる加工機ならびにこれを備えた装置を提供すること。【解決手段】  略矩形板状の補強板の両面に略矩形板状の圧電素子３を接合し、圧電素子３の対角線上両端に突起４を配置する。突起４は、一対の圧電素子３の対向する面に挟持され、圧電素子３の長手方向に沿って突出している。突起４を圧電素子３の平面に沿って配置し、圧電素子３に直接接合しているので、刃４３が被加工部材を加工するのに必要な駆動力を確保しながら、加工機本体１の小型化を促進できる。【選択図】 図２
2005153061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の面内で振動する圧電素子と、
この圧電素子の平面に沿って隣接配置されるとともに、被加工部材を加工する加工部材とを備えた
ことを特徴とする加工機。
【請求項２】
請求項１に記載の加工機において、
前記圧電素子は、二つの振動モードを有して振動するとともに、これら二つの振動モードの共振周波数が互いにほぼ等しくなる形状である
ことを特徴とする加工機。
【請求項３】
請求項２に記載の加工機において、
前記二つの振動モードは、一方向に沿って伸縮する縦一次振動、および前記一方向に対して略直交する方向でかつ前記圧電素子の面内方向に屈曲する屈曲二次振動である
ことを特徴とする加工機。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の加工機において、
前記圧電素子は、略矩形状に形成された補強板を備え、
前記圧電素子は、略矩形状に形成されて前記補強板の両面に接合され、
前記加工部材の基端側は、前記圧電素子の対向する面に挟持されて接合され、前記加工部材の先端側は、前記圧電素子から突出している
ことを特徴とする加工機。
【請求項５】
請求項４に記載の加工機において、
前記加工部材は、前記圧電素子の短辺から突出し、かつ前記圧電素子の長手方向中心線より前記短辺両端のいずれか一方側に近接して配置されている
ことを特徴とする加工機。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の加工機を備えた装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置において、当該装置は、印刷装置であることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子の振動で被加工部材を加工する加工機およびこれを備えた装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工部材を加工する加工機としては、楕円振動を用いて被加工部材を切削する切削装置が開発されている。切削工具を楕円振動させる方法としては、圧電素子の振動を利用するものなどが提案されている（例えば特許文献１）。この切削装置では、切削工具が取り付けられた軸の周囲に、半環状に形成された圧電素子を対向させて環状に配置する。そして、これら対向する半環状の圧電素子にそれぞれ位相の異なる正弦波電圧を印加して、軸を垂直方向にたわみ振動させる。また、これら一対の環状の圧電素子と同様の環状の圧電素子を軸に対して９０°回転させて配置し、同様に位相をずらして電圧を印加することで、軸を左右方向に撓み振動させる。このような動作により、切削工具先端は、垂直方向および左右方向の振動を組み合わせた楕円軌道を描いて振動する。このような構成によれば、従来軸の周囲に薄板状の圧電素子を貼設したものに比べて高い駆動力を得ることができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１１３４０１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような構造の切削装置は、圧電素子を軸方向に積層して必要な駆動力を確保するため、圧電素子の軸方向の寸法をある程度必要とし、切削装置全体を小型化しにくいという問題がある。
また、圧電素子を小さく形成しようとすると、従来の薄板状の圧電素子を周囲に配置した場合のように、軸先端の切削工具において必要な変位を得るために高い電圧をかけなければならない。しかしながら、高電圧を印加すると圧電素子が自壊する可能性や、発振装置が複雑になる等の課題があり、また軸への係止をより強固にする必要があるため、耐久性に問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、必要な駆動力を確保しながら小型化を促進できる加工機ならびにこれを備えた装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の加工機は、板状の面内で振動する圧電素子と、この圧電素子の平面に沿って隣接配置されるとともに、被加工部材を加工する加工部材とを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、圧電素子の平面に沿って加工部材が隣接配置されているので、圧電素子の振動によって圧電素子が面内方向に振動すると、この振動がほぼ直接加工部材に伝達される。したがって、従来の軸などの間接部材が介在せず、圧電素子の振動が効率よく加工部材に伝達される。これにより、加工部材において必要な駆動力が容易に確保可能となるとともに、加工機全体の小型化が促進される。
ここで、加工機としては、切断や研削など、任意の材料の機械加工が含まれる。
【０００７】
本発明では、圧電素子は、二つの振動モードを有して振動するとともに、これら二つの振動モードの共振周波数が互いにほぼ等しくなる形状であることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子が、共振周波数がほぼ等しい二つの振動モードを有して振動するので、これらの共振周波数付近の周波数で圧電素子を振動させれば、二つの振動モードが同時に現れることにより、これらの振動モードを組み合わせた振動モードを良好な振動振幅で振動可能となる。これは、例えば二つの振動モードが縦一次振動と屈曲二次振動である場合には、圧電素子は、縦一次振動と屈曲二次振動とを組み合わせた振動を励振し、加工部材は略楕円軌道を描いて振動する。このため、加工部材による加工時の抵抗が低減し、加工面の状態が向上する。また、単一の信号で二つの振動モードが同時に励振されるので、加工機の構造が簡略化し、加工機の小型化が促進されるとともに、製造コストが低減する。
また、圧電素子が、二つの振動モードの共振周波数が互いにほぼ等しくなる形状で形成されているので、共振周波数付近の周波数で圧電素子を振動させると、二つの振動モードについてそれぞれが共振点付近の振幅で振動するため、両者の振動振幅がともに大きくなる。したがって、二つの振動モードの振動振幅が同時に良好に現れ、圧電素子の面内振動が良好となる。
ここで、共振周波数がほぼ等しいとは、二つの振動モードにおいて、それぞれの共振周波数の差が数十ｋＨｚ程度以下のことをいい、例えば互いの共振周波数の差が２０ｋＨｚ以下、より好ましくは、６ｋＨｚ以下であることをいう。
【０００８】
本発明では、二つの振動モードは、一方向に沿って伸縮する縦一次振動、および一方向に対して略直交する方向でかつ圧電素子の面内方向に屈曲する屈曲二次振動であることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子が縦一次振動および屈曲二次振動の共振周波数が互いにほぼ等しくなっているので、圧電素子にこれらの共振周波数付近の周波数で電圧を印加すると、圧電素子には縦一次振動および屈曲二次振動が同時に励振される。これにより、圧電素子は縦一次振動と屈曲二次振動とを組み合わせた略楕円軌道を描いて振動する。略楕円振動を重畳しながら加工部材を被加工部材に対して送ることによって被加工性が著しく向上する。
【０００９】
本発明では、圧電素子は、略矩形状に形成された補強板を備え、圧電素子は、略矩形状に形成されて補強板の両面に接合され、加工部材の基端側は、圧電素子の対向する面に挟持されて接合され、加工部材の先端側は、圧電素子から突出していることが望ましい。
この発明によれば、圧電素子が補強板の両面に接合されているので、圧電素子の脆性を補強板が補うから、加工機の耐衝撃性、耐久性が向上する。
また、圧電素子が補強板の両面に対称に振動するように接合されているので、加工機全体の振動が補強板の平面に対して対称となる。したがって、補強板両面の圧電素子に同時に同様の振動を励振させると、加工機全体が圧電素子および補強板の面内方向で振動することとなり、当該方向の振動のみが励振される。よって、加工部材への振動の伝達効率が良好となる。
さらに、加工部材が圧電素子の対向する面に挟持されているので、加工部材の固定構造が強固となり、加工機の耐久性が向上する。
【００１０】
本発明では、加工部材は、圧電素子の短辺から突出し、かつ圧電素子の長手方向中心線より短辺両端のいずれか一方側に近接して配置されていることが望ましい。
この発明によれば、加工部材が圧電素子の長手方向中心線より短辺両端のいずれか一方側に寄って配置されているので、加工部材を被加工部材に当接する際に加工機を被加工部材に対して傾けても、圧電素子が被加工部材に干渉しにくくなる。したがって、加工機をある程度傾けて使用することが可能となり、加工機の取扱性が向上する。
また、圧電素子が縦一次振動と屈曲二次振動とを励振する形状に形成されている場合には、加工部材が圧電素子の長手方向中心線からずれて配置されていることにより圧電素子の重量が長手方向中心線に対して非対称となり、加工機が屈曲二次振動を励振し易くなる。したがって、加工機がより高効率で楕円軌道を描きやすくなるので、加工効率が向上する。
【００１１】
本発明の装置は、前述の加工機を備えたことを特徴とする。
この発明によれば、装置が前述の加工機を備えているので、前述の効果と同様の効果が得られ、装置に設けられた加工機の加工に必要な駆動力が確保されるとともに、装置の加工機部分の小型化が促進されることにより装置の小型化が促進される。
【００１２】
本発明では、装置は印刷装置であることが望ましい。
この発明によれば、印刷装置が前述の加工機を備えているので、前述の効果と同様の効果が得られ、印刷装置における加工に必要な駆動力が確保されるとともに、印刷装置の加工機部分の小型化が促進されることにより、印刷装置の小型化が促進される。
ここで、印刷装置における加工機の機能としては、例えばロール状の用紙を所定の長さで切り取るカッタ機能や、キャリッジの移動を利用して被印刷物に切り込みや透かし模様を作成する加工機能など、任意の機能が考えられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の加工機によれば、加工部材が圧電素子に近接配置されているので、圧電素子の振動を効率よく加工部材に伝達でき、必要な駆動力を確保しながら加工機全体の小型化を促進できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降で、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００１５】
［第一実施形態］
図１には、第一実施形態にかかるカッタ（装置）１００の平面図が示されている。この図１において、カッタ１００は、加工機本体（加工機）１と、この加工機本体１が装着される筐体９とを備えている。
【００１６】
図２には、加工機本体１の平面図が示されている。この図２において、加工機本体１は、圧電素子３を備えた振動体３０がケース５に収納されて構成されている。また、図３には、振動体３０の分解斜視図が示されている。この図３にも示されるように、振動体３０は、略矩形板状に形成される補強板２と、補強板２の両面に接合される板状の圧電素子３と、圧電素子３の平面に沿って固定されるとともに、被加工部材を加工する突起（加工部材）４とを備えている。なお、図２において、加工機本体１は、ケース５の一部を外して振動体３０が露出した状態を示している。
【００１７】
補強板２は、ＰＢ、ＳＵＳ、その他任意の材料で構成されている。補強板２の対向線上両端近傍の短辺には、突起４が挿通される切欠２１が形成されている。これらの切欠２１は、補強板２の長手方向中央側よりも端部側の方が短手方向の寸法が大きく形成されており、全体として段差を有した略Ｌ字形となっている。また、補強板２の長手方向略中央には、長辺からほぼ直角に突出する腕部２２が一体的に形成されている。この腕部２２がケース５に保持されることにより、振動体３０がケース５に対して振動可能に支持されている。
【００１８】
圧電素子３は、補強板２の略矩形状部分両面に接合されており、略矩形状に形成されている。したがって、振動体３０は、圧電素子３および補強板２を厚み方向に積層した構成となっている。
圧電素子３の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム等の各種のものを用いることができる。また、圧電素子３の両面には、全面にわたって、ニッケルおよび金などがめっき、スパッタ、蒸着等の方法によって形成されて電極が形成されている。これら両面の電極のうち、補強板２に対向する面の電極は、補強板２に接着などされることによって補強板２と導通している。圧電素子３表面の電極の略中央および補強板２の腕部２２には、リード線３１，２３が接続されている。リード線３１が圧電素子３の略中央の振動の節近傍に接続されていることにより、リード線３１が圧電素子３の振動を阻害することなく、また圧電素子３の振動によってリード線３１が断線するのが防止される。
【００１９】
ここで、圧電素子３の寸法や、厚さ、電極の分割形態（形状）などは、圧電素子３に繰り返し電圧が印加された時に、圧電素子３が長手方向に伸縮する、いわゆる縦一次振動と、圧電素子３の平面中心に対して点対称に、面内で縦一次振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲二次振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦一次振動の共振周波数と、屈曲二次振動の共振周波数とは互いにほぼ等しくなるように設定されていることが望ましく、縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比は、０．９７以上１．０３以下であることが望ましい。なお、より好ましくは、縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比は、１．００より大きく、１．０３以下であることが望ましい。また、圧電素子３の長辺と短辺との長さ比は、長辺を１とすると短辺が０．２７４以上であることが望ましい。具体的には、本実施形態では圧電素子３および補強板２の積層部分の寸法は、約７ｍｍ×約２ｍｍ×約０．４ｍｍとなっている。
【００２０】
なお、圧電素子３の短辺が０．２７４よりも小さい場合、縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比が１．０３より大きい場合およびこの比が０．９７より小さい場合には、縦一次振動の共振点と屈曲二次振動の共振点とが離れてしまい、突起４が良好な略楕円軌道を描くことができない。なお、特に縦一次振動の共振周波数に対する屈曲二次振動の共振周波数の比が１．００以下である場合には、縦一次振動の共振周波数が屈曲二次振動の共振周波数よりも大きくなり、突起４が良好な略楕円軌道を描くことができない。
また、圧電素子３に印加される電圧の周波数は、縦一次振動の共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数との間、より好ましくは縦一次振動の共振周波数と、縦一次振動と屈曲二次振動の間の反共振周波数との間で両方の振動が良好に現れる周波数を適宜選択する。これにより、駆動力が大きい縦一次振動の振動成分がより強く現れるため、被加工部材を迅速に加工することができる。また、透かしなど、加工深さを浅くする場合や、低電力で加工する場合には、圧電素子３に印加される電圧の周波数は、反共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数との間で選択されることが望ましい。これにより、速度が大きくなる屈曲二次振動の振動成分がより強く表れるため、被加工部材を効率よく加工することが出来る。なお、振動体３０に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波などを採用できる。
【００２１】
突起４は、板状に形成され、略矩形状の基端部４１と、略台形の先端部４２とを一体的に備えている。基端部４１は、補強板２の切欠２１に挿通され、両側の圧電素子３の間に挟持される。圧電素子３と基端部４１とは接着などにより互いに固定されている。このとき、切欠２１は略Ｌ字形に形成されているので、基端部４１とともに先端部４２の一部も圧電素子３の間に介装されて固定される。この状態で、突起４において、補強板２の短手方向に沿った端部は、圧電素子３および補強板２の端部と一致する。このような配置により、突起４は、圧電素子３および補強板２の短辺端部に配置され、つまり突起４は、圧電素子３および補強板２の長手方向中心線よりも一方側に近接して配置されている。
【００２２】
ここで、突起４の厚みは、補強板２の製造上の寸法誤差を考慮した上で、補強板２の厚み以下となるように調整されている。これにより、突起４を圧電素子３の間に介装した際に、補強板２が突起４の厚みに阻害されずに良好かつ確実に圧電素子３に接触して導通する。また、圧電素子３が補強板２に広い面積で良好に接触することにより、衝撃などによって圧電素子３が損傷するのが防止される。
また、突起４の材料は特に限定されないが、耐摩耗性の高い材料が好ましく、例えば超硬、工具鋼、セラミックス、ダイヤモンドバイトなどの高硬度の材料などが考えられる。
突起４の先端部４２は、圧電素子３および補強板２の短辺から、長手方向に沿って突出しており、長手方向端部には被加工部材に当接されて被加工部材を加工する刃４３が形成されている。刃４３は、長手方向に対して所定角度傾斜して形成され、かつ突起４の平面方向に対しても所定角度傾斜して形成されている。
【００２３】
図４には、図２のIV-IV断面図が示されている。この図４および前述の図２において、ケース５は、振動体３０を両面から挟持するように配置される上ケース５１および下ケース５２を備えており、これらの上ケース５１および下ケース５２は、共に非導通材料で構成されている。これらの上ケース５１および下ケース５２には、互いに対向する面の短手方向略中央に、長手方向に沿って凹部５１１，５２１が形成されており、これらの凹部５１１，５２１の間に形成される空間５Ａに振動体３０が収容されている。そして、凹部５１１，５２１両側の面は互いに接触して接着されている。補強板２の腕部２２は、上ケース５１および下ケース５２間に挟持され、接着などによって固定されている。これにより、振動体３０は、空間５Ａ内で振動可能となっている。また、このとき、突起４はケース５の短辺から外部に突出している。このように、ケース５によって振動体３０のほぼ全体を覆い、突起４のみを突出させることにより、振動体３０の損傷を防止できるとともに、加工機本体１を取り扱う際にはケース５を把持するなどすればよいので、取扱性が良好となる。
【００２４】
上ケース５１には、長手方向中心よりも端部側に近接した位置に、溝５１２が形成されている。また、下ケース５２において、この溝５１２に対応する位置には、圧電素子３および補強板２のリード線３１，２３を筐体９側へ接続する接続基板５３が設けられている。この接続基板５３には、下ケース５２長辺からわずかに突出する接続端子５３１Ａ，５３１Ｂが設けられている。リード線３１は、空間５Ａおよび溝５１２を通って接続端子５３１Ａに、またリード線２３は、補強板２の腕部２２から下ケース５２に形成された溝５２２を通って接続端子５３１Ｂにそれぞれ接続されている。
上ケース５１および下ケース５２において、溝５１２および接続基板５３とは点対称の位置側面には、凹部５１３，５２３が形成されている。
【００２５】
筐体９は、加工機本体１を保持する保持部材９１と、加工機本体１の動作を制御する制御回路９２と、加工機本体１を保持部材９１ごと固定する外装ケース９３と、制御回路９２に電力を供給する電池９４とを備えている。
図５には、筐体９の平断面図が示されている。この図５および前述の図１に示されるように、保持部材９１は、円柱状の内部に断面略矩形状の空間９１Ａが形成された略筒状に形成されている。この空間９１Ａは、保持部材９１の長手方向中間部において段差９１Ｂ（図１参照）を有し、この段差９１Ｂに加工機本体１の長手方向端部が当接されることで、加工機本体１が保持部材９１内部で長手方向に対して位置決めされる。このとき、保持部材９１は、加工機本体１のほぼ全体を覆い、一方の突起４のみが保持部材９１外部に突出している。
【００２６】
保持部材９１において、加工機本体１の平面中心近傍に対応する位置には、空間９１Ａと外部とを連通する連通孔９１１が形成されており、この連通孔９１１内周には、加工機本体１を保持部材９１内面に固定する固定部材９１２が取り付けられている。固定部材９１２は、連通孔９１１内周に固定される円盤状部９１２Ａと、円盤状部９１２Ａ外周から保持部材９１外部に向かって突出するレバー部９１２Ｂとを備えている。レバー部９１２Ｂは、外装ケース９３に形成された貫通孔９３１を貫通して外部に露出している。円盤状部９１２Ａは、連通孔９１１内周に偏心して固定されているため、空間９１Ａに加工機本体１を挿入し、レバー部９１２Ｂを操作して円盤状部９１２Ａを回動させると、円盤状部９１２Ａが空間９１Ａ内部に突出してケース５に当接される。これにより、加工機本体１は、保持部材９１の内周に押し付けられ、保持部材９１内周と円盤状部９１２Ａ側面との間で挟持されて固定される。
【００２７】
保持部材９１内部には、制御回路９２に接続されるリード線９１３Ａ，９１３Ｂが配置され、これらのリード線９１３Ａ，９１３Ｂの先端には、線状または板状のばね端子９１４Ａ，９１４Ｂが取り付けられている。このばね端子９１４Ａ，９１４Ｂは、保持部材９１内周に露出するように一対設けられ、加工機本体１が保持部材９１に装着された際の、接続端子５３１Ａ，５３１Ｂおよび凹部５１３，５２３に対応する位置にそれぞれ配置されている。
このような構造により、加工機本体１を保持部材９１に装着すると、一方のばね端子９１４Ａがそのばね性によって接続端子５３１に押し付けられて接触し（図２中二点鎖線参照）、圧電素子３表面および補強板２のリード線３１，２３が制御回路９２に接続される。このとき、ばね端子９１４Ａ，９１４Ｂにおいて接続端子５３１Ａ，５３１Ｂまたは凹部５１３，５２３に対向する面には、それぞれ配線が二つ施され、一方の配線には接続端子５３１Ａが、また他方の配線には接続端子５３１Ｂが接続される。また、他方のばね端子９１４Ｂは、凹部５１３，５２３に係合されて加工機本体１のケース５を保持する。
これらのばね端子９１４Ａ，９１４Ｂは、加工機本体１の中心に対して点対称の位置に配置されているので、加工機本体１を回転させて反対側の突起４が保持部材９１から突出するように配置する場合には、接続端子５３１Ａ，５３１Ｂは他方のばね端子９１４Ｂと接触して制御回路９２に接続され、一方のばね端子９１４Ａは凹部５１３，５２３に係合されて加工機本体１を保持する。
【００２８】
制御回路９２は、所定周波数の交流電圧を発生させる周波数信号発生回路、周波数を調整する周波数調整回路、電池９４からの電源を所定の電圧に昇圧する昇圧回路などを備えて構成されている。周波数調整回路は、外装ケース９３外側に設けられた周波数調整操作部９２１に接続されており、この周波数調整操作部９２１が操作されることによって、振動体３０に出力する電圧の周波数を変更可能に構成されている。
【００２９】
外装ケース９３は、略円筒状に形成され、内部に設けられた円盤状の仕切り９３１によって二つの空間９３Ａ，９３Ｂに区切られている。一方の空間９３Ａ側の外装ケース９３端部は閉口され、内部の空間９３Ａに電池９４が収納されている。この空間９３Ａ側の外装ケース９３には、図示はしないが着脱可能な蓋部が形成され、電池９４が交換可能となっている。
他方の空間９３Ｂ側の外装ケース９３端部は開口となっており、この空間９３Ｂには保持部材９１が加工機本体１ごと収納されている。保持部材９１の端部外周には段差部９１５（図１参照）が形成されており、外装ケース９３の空間９３Ｂ側端部内周には段差部９１５に係合する係合部９３２が形成されている。この係合部９３２の段差部９１５への係合により、保持部材９１は空間９３Ｂ内に収納されて、外装ケース９３に保持される。
また、保持部材９１の端部と仕切り９３１との間には、コイルばね９５が設けられ、このコイルばね９５によって保持部材９１の段差部９１５が係合部９３２に適切な付勢力で押し付けられている。
【００３０】
電池９４は、外装ケース９３の空間９３Ａに収容されており、一次電池や二次電池など、任意の方式の電池が採用できる。なお、図１では電池９４は直列に配置されているが、使用条件によって並列に配置されていてもよい。
ここで例えば、電池９４として、一次電池である単四電池（電圧１．５Ｖ、電池容量約１，０００ｍＡｈ）を二本直列に接続して使用する場合には、制御回路９２の昇圧回路によって電圧を約三倍に昇圧して使用し、約９Ｖｐｐの駆動電圧を得ればよい。このとき、振動体３０の消費電流は通常約１５０ｍＡ程度であるが、昇圧しているためその３倍の４５０ｍＡ程度必要であるとすると、約二時間程度使用できることとなる。
なお、駆動電圧が大きいと振動体３０の振動振幅が大きくなるため、突起４の変位量は大きくなるので加工性が向上する。したがってこのような電圧設定は、被加工部材の加工時間を短縮したい場合などに適している。一方、駆動電圧を小さく設定した場合には、突起４の変位量は小さくなるが、時間をかけて微細な加工が可能となる。この場合には、消費電流も低下するので、電池９４の使用可能時間もこれに伴って長くなる。また、電池９４として例えば単四型充電池（二次電池、電圧１．５Ｖ、電池容量約７００ｍＡｈ）を使用する場合には、使用可能時間は短くなるものの、随時充電すればよいので電池交換が不要となる。
このように、電池９４は使用条件に応じて適宜選択すればよい。
【００３１】
このようなカッタ１００によれば、外装ケース９３を握って電源を入れると、制御回路９２が作動して振動体３０に所定周波数の交流電圧を印加する。
振動体３０では、圧電素子３の表面の電極と、補強板２との間に交流電圧が印加され、圧電素子３が振動する。圧電素子３は、略矩形状に形成されているので、面内で長手方向に伸縮する縦一次振動を励振する。補強板２は圧電素子３の振動に伴って振動するが、圧電素子３が補強板２の両面に接合されているので、振動体３０は全体として面内方向に沿って振動する。このとき、振動体３０には長手方向中心線からずれた位置に突起４が設けられているので、振動体３０全体の重量バランスが当該中心線に対して非対称となり、これにより振動体３０は、縦一次振動と同時に、振動体３０の平面中心に対して点対称に、面内で縦一次振動に直交する方向に屈曲する、いわゆる屈曲二次振動を励振する。縦一次振動と屈曲振動とが同時に現れることにより、振動体３０は全体としてこれら縦一次振動および屈曲振動を組み合わせた振動を行い、突起４は略楕円軌道を描いて振動する。
【００３２】
突起４を振動させた状態で被加工部材に当接することにより、被加工部材を切削する。このとき、被加工部材への突起４の当接力は操作者が加減するが、操作による押圧力のばらつきは、コイルばね９５によって低減される。
突起４の振動軌跡を微調整する場合には、周波数調整操作部９２１を操作する。すると、制御回路９２の周波数調整回路が周波数調整操作部９２１からの入力信号に応じて圧電素子３に印加する交流電圧の周波数を変更する。これにより、圧電素子３の縦一次振動および屈曲二次振動の振動振幅が変化し、これにより両振動の振動比が変化するので、突起４の振動軌跡が変化する。
例えば圧電素子３に、縦一次振動の共振周波数と屈曲二次振動の共振周波数との間の周波数で電圧を印加している状態から、周波数を上げると、縦一次振動の振動振幅が減少する一方、屈曲二次振動の共振周波数により近づくため、屈曲二次振動の振動振幅は増加する。これにより、屈曲二次振動の成分がより大きく影響し、突起４の略楕円軌道は、その長軸が圧電素子３の短辺方向により近づいた状態となる。また、反対に周波数を下げると、縦一次振動の振動振幅の影響が強くなり、突起４の略楕円軌道は、その長軸が圧電素子３の長辺方向により近づいた状態となる。
【００３３】
長期間の使用などにより刃４３が鈍った場合には、保持部材９１から加工機本体１を取り外し、反対側の刃４３が突出するように取り付け直せばよい。また、刃４３が鈍った場合には、圧電素子３に電圧を印加して突起４を振動させ、所定角度傾けながら砥石に当接させれば、刃４３が研磨されるので、繰り返し使用できる。
【００３４】
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(１) 刃４３を有する突起４が圧電素子３に直接接続されているので、圧電素子３の振動を直接突起４に伝達することができる。したがって、従来のような軸を介して伝達する構造とは異なり、突起４を振動させるのに必要な駆動力を最小限に抑制することができ、よって必要な駆動力を確保しながら、加工機本体１の小型化を促進できる。また、これにより、加工機本体１を保持するカッタ１００全体も小型化できる。
【００３５】
(２) 圧電素子３が所定の縦横比の略矩形状に形成されているので、所定周波数の単一の電圧を印加すれば、縦一次振動および屈曲二次振動を同時に励振する。したがって、簡単な振動体３０の構造で二つの振動モードを容易に実現できる。
また、このとき圧電素子３の形状や寸法が、縦一次振動および屈曲二次振動の共振周波数が互いにほぼ等しくなるように形成されているので、これらの共振周波数に近接した周波数で電圧を印加すると、縦一次振動および屈曲二次振動がそれぞれ共振点付近で振動することができ、大きな振動振幅を得られる。これにより、効率よく突起４の略楕円軌道を得ることができる。
さらに、突起４が略楕円軌道を描いて振動するので、刃４３を被加工部材に略楕円軌道を描きながら当接することにより、被削性を向上させることができる。
【００３６】
(３) 振動体３０が、補強板２の両面に圧電素子３を接着することによって構成されているので、圧電素子３の脆性を補うことができる。したがって振動体３０の耐衝撃性および耐久性を向上させることができる。また、圧電素子３が補強板２両面で対称に振動するように接合されているから、振動体３０全体を振動体３０の面内方向に振動させることができる。これにより、突起４に面内方向の振動を効率よく伝達でき、突起４に必要な駆動力をより効率よく得ることができる。
また、突起４が補強板２両面の圧電素子３に挟持されて固定されているので、突起４の保持力を向上させることができる。これにより、突起４を被加工部材にある程度の力で押し付けても、突起４が圧電素子３に確実に保持されるので、突起４が振動体３０から外れるのを防止でき、振動体３０の耐久性を向上させることができる。
【００３７】
(４) 加工機本体１の駆動電源として電池９４を使用しているので、カッタ１００の小型化をより一層促進でき、携帯性を良好にできる。例えば、電池９４として単四電池を直列に接続して使用した場合には、外装ケース９３の外形寸法が小さくなり、直径約１２ｍｍの円柱状に形成できるので、カッタ１００を手で握りやすく、操作しやすくなり、カッタ１００の取扱性を向上させることができる。
【００３８】
(５) 突起４が振動体３０の長手方向中心線に対して一方側に近接して配置されているので、振動体３０全体の重量がアンバランスとなる。したがって、圧電素子３表面に複数の電極を設ける必要がなく、全面に一つの電極を設けて電圧を印加するだけで屈曲二次振動を励振できるから、振動体３０の構造を簡単にできる。またこれに伴い、リード線３１の接続本数も低減できるから、製造作業を簡略化でき、圧電素子３の振動によるリード線３１の断線の可能性も低減でき、振動体３０の信頼性を向上させることができる。
また、突起４が振動体３０の長手方向中心線に対して一方側に近接して配置されているので、カッタ１００をある程度傾けても圧電素子３が被加工部材に干渉することがない。したがって、カッタ１００の取扱性を向上させることができる。
【００３９】
(６) 加工機本体１が保持部材９１に対して着脱可能となっているので、刃４３の寿命後などに加工機本体１を交換できる。したがって、加工機本体１をユニットとして複数個用意しておけば、加工機本体１ごと交換することで、簡単に刃４３の交換を行える。
【００４０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、第一実施形態における振動体３０の構造が異なるものである。
図６には、第二実施形態にかかるカッタ１００の振動体３０の斜視図が示されている。この図６において、圧電素子３表面の電極は、溝によって互いに電気的に絶縁されて、長手方向に沿った中心線を軸として線対称に複数形成されている。つまり、圧電素子３の幅方向をほぼ三等分するように二本の溝３２Ａが形成され、これらの溝３２Ａで分割された三つの電極のうち両側の電極ではさらに長手方向をほぼ二等分するように溝３２Ｂが形成されている。これらの溝３２Ａ，３２Ｂにより、圧電素子３の表面には中央に電極３３Ａが形成され、またこの電極３３Ａの両側には対角線上両端をそれぞれ対とする電極３３Ｂ，３３Ｃが形成される。これらの電極３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃおよび補強板２は、それぞれリード線などによって制御回路９２に接続されている。なお、これらの電極３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃは、補強板２を挟んで設けられた表裏両方の圧電素子３に同様に設けられており、例えば電極３３Ａの裏面側には電極３３Ａが形成されている。
【００４１】
図７は、補強板２および突起４の平面図である。この図７に示されるように、補強板２の短辺略中央には、突起４を取り付ける取付部２４が形成されている。この取付部２４は、略矩形凹状に形成され、補強板２の長手方向中央側の二つの角には略円形の切欠２４１が形成されている。取付部２４の長手方向略中央には、互いに対向して短手方向中央側に向かって突出する一対の突出部２４２が形成されている。また、これら突出部２４２の外側には、補強板２の長手方向に沿って長孔２４３がそれぞれ穿設されている。これらの長孔２４３により、突出部２４２と長孔２４３との間に、細長状のばね部２４４が形成される。補強板２両面の圧電素子３は、ばね部２４４には接着されておらず、これにより、ばね部２４４は、補強板２の短手方向に沿ってばね性を有する。
突起４は、基端部４１が取付部２４に挿通された際に突出部２４２に対応する位置に、突出部２４２が係合するＶ字凹状の係合部４１１を有している。この突起４を取付部２４に取り付ける際には、突出部２４２が突起４の側面に押圧されてばね部２４４が外側に広がり、突起４の係合部４１１が突出部２４２の位置まで挿通されると、突出部２４２がばね部２４４のばね性によって中央側に戻り、突出部２４２が係合部４１１に係合される。これにより、突起４が補強板２に保持される。
突起４の先端部４２は、Ｖ字凸状に形成され、Ｖ字形の先端形状に沿って刃４３が形成されている。
【００４２】
このようなカッタ１００では、制御回路９２により圧電素子３表面の電極と、補強板２との間に交流電圧を印加する。このとき、圧電素子３の表面の電極を適宜選択して、電圧印加を行う。つまり、例えば中央の電極３３Ａと、その両側で対角線上両端に位置する電極３３Ｂのみに電圧の印加を行う。すると、圧電素子３は、主に電極３３Ａに対応する部分の圧電素子３によって圧電素子３の長手方向に沿って伸縮する縦一次振動を励振する。一方、電極３３Ｂに対応する部分の圧電素子３が伸縮すると、これらの部分の伸縮は圧電素子３の長手方向中心線に対して非対称となるので、主にこれらの電極３３Ｂによって屈曲二次振動を励振する。これにより、突起４は縦一次振動と屈曲二次振動を組み合わせた略楕円軌道を描いて振動する。この状態で刃４３を被加工部材に押しつければ、良好な被削性で被加工部材が切削される。
また、電圧を印加する電極を振動体３０の長手方向中心線に対して線対称に切り換えると、つまり、電極３３Ａおよび電極３３Ｃにのみ電圧を印加すると、圧電素子３は、反対方向に屈曲二次振動を励振し、その結果突起４は反対向きの略楕円軌道を描いて振動する。
【００４３】
このような第二実施形態によれば、第一実施形態の(１)、(２)、(３)、(４)および(６)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(７) 圧電素子３表面の電極が五分割され、これらの電極３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに選択的に電圧を印加することにより振動体３０を長手方向中心線に対して非対称に伸縮させて、振動体３０に積極的に屈曲二次振動を励振することができる。したがって、より確実に突起４の略楕円軌道を実現できる。
また、電圧を印加する電極を振動体３０の長手方向中心線に対して線対称に切り換えることにより、突起４が反対向きの略楕円軌道を描くことができるので、カッタ１００の使用用途や使用条件によって振動方向を適宜選択することができる。具体的には例えば、被加工部材の切削面に切り屑がたまった場合などに、突起４を反対向きの略楕円軌道で振動させれば、切り屑をかき出すことができ、作業効率を向上させることができる。また、右利き、左利きなどによって切削方向が異なる場合などでも、突起４の振動方向を変更することにより、同じカッタ１００の構造で対応できるので、カッタ１００の汎用性を向上させることができる。
【００４４】
(８) 補強板２に取付部２４が設けられているので、突起４の寿命後は、突起４のみを交換すればよい。したがって、交換部品を最小限に押さえることができ、カッタ１００のランニングコストを低減できる。
このとき、突起４の基端部４１両側にばね部２４４が設けられ、突出部２４２が係合部４１１に係合するので、簡単な構造で確実に突起４を保持できる。
【００４５】
［第三実施形態］
次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態は、本発明の加工機を印刷装置に適用したものである。
図８には、第三実施形態にかかる印刷装置２００のキャリッジ２０１が示されている。この図８において、印刷装置２００は印刷物を送る図示しない送り機構を備え、キャリッジ２０１は、印刷物（被加工部材）の送り方向（図８中Ｙ軸方向）に対して直交する方向に移動可能であり、このキャリッジ２０１には本発明の加工機６が取り付けられている。加工機６は、振動しながら印刷物を切断する振動体３０と、振動体３０をキャリッジ２０１に対して二方向に移動可能に保持する移動機構６１とを備えている。
なお、印刷物は、紙に限らず、例えばプラスチック、ガラス、金属、木材など加工可能なものであればよく、その材料は特に限定されない。
【００４６】
振動体３０は、第二実施形態の振動体３０とほぼ同様の構成となっている。
移動機構６１は、キャリッジ２０１の移動方向をＸ軸方向とすると、印刷物の面に平行でかつＸ軸方向に直交する方向（Ｙ軸方向）に振動体３０を移動させるＹ軸移動機構６２と、Ｘ軸およびＹ軸に直交する方向（Ｚ軸方向）、つまり印刷物に対して近接離間する方向に振動体３０を移動させるＺ軸移動機構６３とを備えている。
【００４７】
Ｙ軸移動機構６２は、キャリッジ２０１に固定された基台６２１に載置され、基台６２１からＹ軸方向に突出して基台６２１に対して回転可能に支持された一対のローラ６２２と、一対のローラ６２２間に掛け回されたベルト６２３と、一方のローラ６２２を回転駆動する駆動体６２４とを備えている。一対のローラ６２２は、互いを結ぶ線がＹ軸方向に沿うように配置されている。駆動体６２４は、基台６２１に固定されており、略矩形状の補強板６２４Ａ両面に圧電素子６２４Ｂが接合されて構成される振動体となっており、補強板６２４Ａには略半円形状の突起６２４Ｃが形成されている。圧電素子６２４Ｂ表面には、第二実施形態の振動体３０と同様に五分割された電極が形成されている。また、突起６２４Ｃは一方のローラ６２２の側面に当接されている。駆動体６２４は、ばね６２４Ｄを介して基台６２１に固定されており、これらのばね６２４Ｄにより、駆動体６２４はローラ６２２側面に適切な付勢力で押しつけられている。
圧電素子６２４Ｂの電極を適宜選択して電圧を印加すると、駆動体６２４が振動して突起６２４Ｃが略楕円軌道を描いて振動し、ローラ６２２側面を押圧する。これにより、ローラ６２２は回転してベルト６２３を移動させる。
【００４８】
Ｚ軸移動機構６３は、ベルト６２３に固定された固定部材６３１と、固定部材６３１に対してＺ軸方向にスライド可能なスライド部材６３２と、スライド部材６３２をＺ軸方向に駆動する駆動体６３３とを備えている。スライド部材６３２はブロック状に形成されており、固定部材６３１に隣接し、かつＺ軸方向に沿った面に駆動体６３３が固定されている。駆動体６３３は、Ｙ軸移動機構６２の駆動体６２４と同様の構成となっており、突起６３３Ｃが固定部材６３１に当接されている。駆動体６３３に電圧を印加すると、スライド部材６３２が固定部材６３１に対してスライドし、Ｚ軸方向に移動する。
振動体３０は、スライド部材６３２に支持されており、スライド部材６３２において固定部材６３１に隣接し、かつＺ軸方向に沿った面に配置されている。振動体３０は、その長手方向がＺ軸方向に沿うように配置され、突起４が印刷物に対向する向きでかつその平面方向がＸ−Ｚ平面に沿って配置されている。振動体３０の腕部２２は、ばね３４を介してスライド部材６３２に固定されており、これらのばね３４により、突起４が適切な付勢力で印刷物に当接可能となっている。
なお、加工機６を駆動する駆動電源は、印刷装置２００への供給電源を用いればよい。
【００４９】
このような印刷装置２００では、送り機構によって印刷物がＹ軸方向に移動して所定位置に配置されると、振動体３０が電圧印加によって振動する。キャリッジ２０１によってＸ軸方向に、Ｙ軸移動機構６２の駆動体６２４によってＹ軸方向に移動させながら、Ｚ軸移動機構６３の駆動体６３３によって振動体３０をＺ軸方向に移動させることにより、印刷物に対するＺ軸方向の位置を調整し、また突起４の印刷物への当接力を調整して、印刷物の加工を行う。
【００５０】
このような第三実施形態によれば、第一実施形態の(１)、(２)および(３)の効果と同様の効果および第二実施形態の(７)および(８)の効果と同様の効果が得られる他、次のような効果が得られる。
(９) 加工機６は、突起４が直接圧電素子３に接続された振動体３０を備え、この振動体３０が印刷装置２００に組み込まれているので、振動体３０が小型化されることにより、印刷装置２００の小型化も促進できる。また、加工機６を印刷装置２００に組み込む際にも、加工機６の占有スペースが小さいので配置の自由度を高くすることができ、設計の自由度を高めることができる。
【００５１】
(10) 印刷装置２００に加工機６を組み込んでいるので、加工機６によって印刷物に様々な加工を施すことができる。例えば、印刷物がロール状に供給される紙であれば、キャリッジ２０１に取り付けられた印刷ヘッドによる印刷後、加工機６を所定の位置で紙を切断する切断機として使用してもよい。または、振動体３０を印刷物に対して三次元に移動させることにより、印刷物を切断して模様を形成したり、印刷物表面を削って透かし彫りを形成するなどしてもよい。
【００５２】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
加工機は、第一実施形態および第二実施形態ではケース５を含んで構成されていたが、これに限らず第三実施形態のようにケースを含まず振動体３０のみで加工機を構成してもよい。さらに、加工機は、補強板両面に圧電素子が接続されたものに限らず、例えば補強板の片面に圧電素子が接合されたものでもよい。また補強板は必ずしも設けられていなくても圧電素子に電圧を印加すれば振動を得られるので、本発明の目的を達成できる。要するに、加工機は、少なくとも振動を励振する圧電素子と、圧電素子の振動によって被加工部材を加工する加工部材とを備えていればよい。
【００５３】
加工部材の形状は、任意に設定してよく、例えば図９に示されるような形状であってもよい。図９(Ａ)において、突起（加工部材）４は、先端部４２の被加工部材に接触する部分が鋸刃状に形成されている。このような形状によれば、圧電素子によって振動を与えながら被加工部材を切断等する際の被削性が良好となる。また、図９(Ｂ)において突起４の先端部４２は、半球状に形成されている。このような形状によれば、例えば被加工部材の表面を研磨するなどの加工が可能となる。さらに、図９(Ｃ)において突起４の先端部４２は、略円錐状に形成されている。このような形状によれば、被加工部材の表面を削って穴状の加工面を形成することが可能となる。これらのように、加工部材の形状は、加工機の用途や使用条件によって適宜設定してよい。
【００５４】
加工部材の寸法や、圧電素子に対する配置は、加工機の使用条件などを勘案して適宜設定してよく、例えば図１０(Ａ)に示されるように、突起４が圧電素子３の短辺端部から突出するようにはみ出していてもよい。このような形状によれば、突起４を圧電素子３のさらに端部側に配置できるので、圧電素子３をより傾けて使用でき、加工機の取扱性を向上させることができる。また、加工部材が圧電素子の長手方向に沿って突出するように配置されているものに限らず、例えば、略矩形状の圧電素子の長辺から短手方向に沿って突出するように配置されていてもよい。
さらに、加工部材の取付構造は、対向する圧電素子に挟持されるものに限らず、例えば前述の図１０(Ａ)および図１０(Ｂ)に示されるように、圧電素子３の対角線上両端の角に略Ｌ字形の切欠３５を形成して、突起４を補強板２に固定させてもよい。この図１０において、圧電素子３の切欠３５が形成された部分には、補強板２が露出している。この補強板２の露出部分には、突起４を取り付ける取付孔２５が形成されている。一方、突起４は、二枚の板状部材が溶接などされて一体的に形成されており、これらの板状部材の対向する面には、補強板２の外形形状に沿って凹部４４Ａ，４４Ｂが形成されている。また、突起４の対向する面において、取付孔２５に対応する位置には、凹部４４Ａ，４４Ｂが形成されておらず、これにより、取付孔２５に対応する部分は、相対的に周囲よりも突出する突出部４５が形成されている。この突出部４５が取付孔２５に係合されることにより、突起４が補強板２に固定されている。このような突起４の取付構造によれば、突起４の取付の際には突起４の基端部４１を補強板２の平面方向に沿って押し込めばよく、また、突起４を取り外す際には、突起４を補強板２の平面方向に沿って引けばよい。したがって、突起４の交換作業を簡単にできる。以上のように、加工部材の取付構造は、圧電素子の平面に接着などによって接合されているものの他、補強板に接合されることにより補強板を介して圧電素子に接続されるものも含まれる。要するに、加工部材は、圧電素子の平面に沿って隣接配置されていればよく、その取付構造は、加工機の用途や使用条件を勘案して適宜設計しうる。
【００５５】
加工機の機能は、第三実施形態のように被印刷物を切断するものに限らず、例えば透かし模様を形成するものや、被加工部材に切り込みを入れるものなど、その他任意の機能を持たせることができる。また、加工機は印刷装置に限らず、任意の装置に適用可能で、その他の装置に適用した場合でも、加工機が小型であるので、装置全体を大型化することなく、装置のあいたスペースに簡単に組み込むことができ、スペース効率を高めることができる。
【００５６】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の第一実施形態にかかるカッタを示す正面図。
【図２】第一実施形態にかかる加工機本体の圧電素子および加工部材を示す図。
【図３】第一実施形態にかかる圧電素子および加工部材の分解斜視図。
【図４】第一実施形態にかかる加工機本体の平断面図。
【図５】第一実施形態にかかるカッタの平断面図。
【図６】第二実施形態にかかるカッタの振動体を示す斜視図。
【図７】第二実施形態にかかる補強板および突起を示す平面図。
【図８】第三実施形態にかかる印刷装置の一部を示す斜視図。
【図９】本発明の加工部材の変形例を示す図。
【図１０】本発明の加工部材の別の変形例を示す図。
【符号の説明】
【００５８】
１…加工機本体（加工機）、２…補強板、３…圧電素子、４…突起（加工部材）、５…ケース、６…加工機、９…筐体、３０…振動体、４３…刃、９２…制御回路、９４…電池、１００…カッタ（装置）、２００…印刷装置（装置）、２０１…キャリッジ。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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