(57)【要約】【課題】加工対象物の加工精度、加工品質を向上させ、かつ切断工具を長寿命化する切断工具および機械加工装置を提供する。【解決手段】  工具鋼製のナイフ１の厚さは１．０ｍｍ程度である。ナイフ１の幅は約７ｍｍそして長さは約５０ｍｍである。このナイフ１に長さ１０ｍｍ、幅が約５ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍの矩形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子２ａ、２ｂは、両側に全面に銀電極が設けられ、かつ板厚方向に分極されている。圧電素子２ａ、２ｂの電極にはリード線がハンダにより接合され、さらにリード線は図示しない超音波発振回路に接続される。そして超音波発振回路の電源を入れ、圧電素子２ａ、２ｂにリード線を通して約２ＭＨｚの交流電圧を印加する。ナイフ１を、直線、曲線運動させ、加工対象物の厚紙を切断する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直線又は曲線運動する切断工具を持つ超音波加工装置において、前記切断工具に圧電素子を接合し、その圧電素子に超音波交流電圧を印加することを特徴とする。
【請求項２】
超音波交流電圧が１００ＫＨｚ以上であ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】
超音波交流電圧が１ＭＨｚ以上であ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】
前記圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、切断工具が直線または曲線運動する超音波加工装置を用いて、様々な材料を切断するものに関する。
【背景技術】
【０００２】  最近、いわゆる難加工材料を加工するために超音波振動を切削工具または、加工対象物に与え加工する方法が多用されるようになってきた。このような加工方法は、超音波切削加工と呼ばれており、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と切削工具との摩擦抵抗が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【０００３】
【非特許文献１】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成１１年８月、ｐ６７９−６８４
【０００４】  切断工具が直線または曲線運動する超音波を用いる機械加工装置は、特許文献１に詳しく記載されている。図１に示す超音波カッター装置はホルダー３に切断工具であるナイフ１を取付けたものである。ホルダー３にはランジュバン型超音波振動子７が取り付けられ、これに２５ＫＨｚ〜４０ＫＨｚの交流電圧を印加して、ナイフ先端に３０〜４０μの振動変位を発生させ、加工対象物を加工する。【０００５】
【特許文献１】特開平９−２１６１９５号公報
【０００６】  特許文献１の超音波カッター装置は、市販されている板状の肉薄のナイフ刃を超音波カッター用ナイフとして有効に利用できると同時に、ナイフのホルダーに対してナイフ部を確実に且つ一体的に把持固定できるので、ナイフ部の破損を防止すると共に、振動子の発熱を最小限に抑えることができ、更には駆動装置の小型化し、且つ消費電力も必要最小限に抑えることができる、加工精度、加工効率の優れたものを提供することができるとしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  しかし、図１に示す超音波カッター装置において、ナイフに、切断工具であるナイフより形状および重量のはるかに大きい超音波振動子接合している。このため振動させたいナイフよりはるかに大きな重量を振動させなければならないので大きな電源が必要となるまた、形状および重量のはるかに大きい超音波振動子とナイフは一体の振動体であるのでナイフ部のみの振動モードを制御することが困難である。【０００８】  さらに別の問題点として、ナイフをホルダーで圧着固定しているが、この圧着の強さによりナイフに伝達される超音波振動の大きさが変化してしまう。したがって、ナイフを交換する毎にナイフの切断性能が変化する虞が大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本発明は、直線又は曲線運動する切断工具を持つ超音波加工装置において、前記切断工具に圧電素子を接合し、その圧電素子に超音波交流電圧を印加するものである。【００１０】  本発明はまた、前記圧電素子を接合した切断工具に超音波交流電圧が１００ＫＨｚ以上である超音波加工装置とするものである。【００１１】  本発明はまた、前記圧電素子を接合した切断工具に超音波交流電圧が１ＭＨｚ以上である超音波加工装置とするものである。【００１２】  本発明はまた、前記圧電素子に抵抗とコンデンサが電気配線により接続されている超音波加工装置とするものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】  本発明の第１の実施の形態を図２の斜視図を用いて示す。ここで切断工具であるナイフ１は工具鋼である。ナイフ１の厚さは１．０ｍｍ程度である。ナイフ１の幅は約７ｍｍそして長さは約５０ｍｍである。【００１４】  このナイフ１に長さ１０ｍｍ、幅が約５ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍの矩形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子２ａ、２ｂは、両側に全面に銀電極が設けられ、かつ板厚方向に分極されている。ここでは、圧電素子２としてＰＺＴ系圧電セラミックを用いたが、電極を有する水晶、リチウムナイオベイトの単結晶などでもよいことはもちろんである。そして、ナイフ１をホルダー３によりボルト９を使用して取り付ける。【００１５】  図３に電気配線の概略を示す。圧電素子２ａ、２ｂの電極にはリード線６がハンダにより接合され、さらにリード線６は超音波発振回路８に接続される。【００１６】  次に上記のナイフ１を使用した超音波加工装置の運転方法について説明する。ナイフ１はＸＹ運動できる図示しないＸＹロボットに取付けられ、図示しないパソコンからの指示で直線、曲線運動ができる。まず図示しない超音波発振回路の電源を入れ、圧電素子２ａ、２ｂにリード線を通して約２ＭＨｚの交流電圧を印加する。次にＸＹロボットに取付けられナイフ１を、直線、曲線運動させ、加工対象物の厚紙を切断する。【００１７】  上記の本発明の構成によれば、ナイフ１に直接圧電素子２ａ、２ｂを接合しているのでナイフ１をホルダー３で保持する状態によらず、ナイフ１に所望の超音波振動を励起できる。【００１８】  また、約２ＭＨｚの超音波振動であるので、加速度は大きいが、振動変位量は１ミクロンにも達しないため、高精度切断ができる。【００１９】  上記の本発明の構成によれば、ナイフ１に直接圧電素子を接合しているので、ほぼナイフ１を振動させることができるので、その分だけ電源パワーを小さくできる。また駆動周波数が約２ＭＨｚであるのでトランス、コンデンサなどの部品を小型化できる。【００２０】  また上記の本発明の構成によれば、加工対象物を切断したが、もちろん加工対象物に溝を入れることも可能である。【００２１】  本発明の第２の実施の形態を図４（Ａ）の平面図と図４（Ｂ）の側面図を用いて示す。ここで切断工具であるナイフ１は工具鋼である。ナイフの厚さは約２ｍｍである。ナイフの幅は約１２ｍｍそして長さは約７０ｍｍである。【００２２】  このナイフ１に長さ約２０ｍｍ、幅が約１０ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍの矩形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子２ａ、２ｂは、一方の面には全面に銀電極が設けられ、他方の面は電極が２分割されそして図４の矢印に示す方向に分極されている。そして、ナイフ１に電極が２分割された圧電素子の面を接合する。ナイフ１は図示しないホルダーに取付ける。【００２３】  次に上記のナイフ１を使用した超音波加工装置の運転方法について説明する。ナイフ１はＸＹ運動できるＸＹロボットに取付けられ、パソコンからの指示で直線、曲線運動させる。まず図示しない超音波発振回路の電源を入れ、圧電素子２ａ、２ｂにリード線を通��て約２００ＫＨｚの交流電圧を印加する。その結果、図４の矢印で示す方向に振動する。この振動方向は切断方向と一致する。そして、次にＸＹロボットに取付けられナイフ１を、直線、曲線運動させ、加工対象物のプラスッチクを切断する。【００２４】  上記のようにナイフ１に直接圧電素子を接合しているので、圧電素子の構成と交流電圧の印加方法により所望の振動モードを励起することができる。また、駆動周波数が約２００ＫＨｚであるので、おおよその振幅量が１ミクロン程度であり、加工精度及び加工品質も１００ＫＨｚ未満の駆動周波数に比較して良好になる。【００２５】  本発明の第３の実施の形態を図６の斜視図を用いて示す。ここで切断工具であるナイフ１は工具鋼である。ナイフ１の刃先はダイヤモンドの微粒子が電着されている。ナイフ１の厚さは１．０ｍｍ程度である。ナイフの幅は約７ｍｍそして長さは約５０ｍｍである。【００２６】  このナイフ１に長さ１０ｍｍ、幅が約５ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍの矩形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子２ａ、２ｂは、両側に銀電極が設けられ、かつ板厚方向に分極されている。【００２７】  図７の概略図で示すように圧電素子２ａ、２ｂの電極にはリード線６がハンダにより接合され、さらにリード線６は抵抗４及びコンデンサ５を介して超音波発振回路８に接続される。【００２８】  次に上記のナイフ１を使用した超音波加工装置の運転方法について説明する。ナイフ１はＸＹ運動できるＸＹロボットに取付けられ、パソコンからの指示で直線、曲線運動ができる。まず図示しない超音波発振回路の電源を入れ、コンデンサを通り圧電素子２ａ、２ｂにリード線を通して約２ＭＨｚの交流電圧を印加する。次にＸＹロボットに取付けられナイフ１を、直線、曲線運動させ、加工対象物の０．１ｍｍ厚のステンレスを切断する。【００２９】  超音波振動を印加したナイフ１が直線または曲線運動して、加工対象物の０．１ｍｍ厚のステンレスに接触する。０．１ｍｍ厚のステンレスを加工する反作用としてナイフ１に振動変位が与えられる。そして、ナイフ１に接合した圧電素子２である圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に電圧が発生する。【００３０】  圧電気直接効果とは、圧電素子に外部応力、振動変位などを与えると、その出力端に電気信号が発生する現象をいう。【００３１】  圧電気直接効果については、例えば非特許文献２に詳しく記述してある。
【非特許文献２】谷腰欣司、「超音波とその使い方」、日刊工業新聞社、１９９４年、ｐ４７−５３
【００３２】  ナイフ１に接合した圧電素子２である圧電セラミックに圧電気直接効果により電極に発生した電圧は抵抗４に加わり、抵抗４に電流が流れ振動は熱に変化してダンピングされる。このように振動を抵抗４によりダンピングする技術については非特許文献３に詳しく記述されている。【００３３】
【非特許文献３】固体アクチュエータ研究部会、「精密制御用ニューアクチュエータ便覧」、株式会社フジテクノシステム、１９９４年、ｐ６８３−６９３
【００３４】  ここで、コンデンサ５のインピーダンスは、１０ＫＨｚで抵抗４とほぼ同じ値になっている。【００３５】  一方、超音波発振回路から圧電素子に約２ＭＨｚの交流電流を印加する。約２ＭＨｚでのコンデンサ５のインピーダンスおよび圧電素子のインピーダンスは抵抗に比較して大幅に小さいので、約２ＭＨｚの電流は圧電素子にだけほぼ流れる。【００３６】  このような構成にすることで、加工対象物と接触した際の不要な振動を工具に接合した圧電素子により電気エネルギーに変化させ、圧電素子２に接続した抵抗４により熱に変化させ、消費させることができる。そして、コンデンサ５のインピーダンスを調整することにより超音波発振回路８からほぼ圧電素子２にだけ電力を供給することができる。【００３７】  つまり工具に不要な振動を取り除き、かつ有用な振動を印加することができる従来にはない全く新しいシステムを構成できる。【００３８】  上記の構成では、ナイフ１を運動させたが、ナイフ１を静止させ、加工対象物をＸＹテーブル上に固定して、ＸＹテーブルを運動させ加工対象物を切断することもできることはもちろんである。【００３９】  また上記の構成では、ナイフ１の材料は工具鋼であったが、加工対象物によっては、アルミナ、シリコンナイトライドなどのセラミックを用いることもある。【００４０】  さらに加工対象物がガラスであるときは、ナイフ１の材料は工具鋼であるが、ナイフ１の先端にダイヤモンド単結晶を接合したものを用いる。【００４１】  本発明の第４の実施の形態を図８（Ａ）の平面図と図８（Ｂ）の側面図を用いて示す。ここで切断工具であるナイフ１は工具鋼である。ナイフの厚さは約２ｍｍである。ナイフの幅は約１２ｍｍそして長さは約７０ｍｍである。【００４２】  このナイフ１に長さ約２０ｍｍ、幅が約１０ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍの矩形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子２ａ、２ｂをエポキシ樹脂により接合する。図９（Ａ）の圧電素子２ａは、一方の面には全面に銀電極が設けられ、他方の面は電極が２分割されそして図９（Ａ）の矢印に示す方向に分極されている。そして、ナイフ１に電極が２分割された圧電素子の面を接合する。図９（Ｂ）に示す圧電素子２ｂは、両面の全面に銀電極が設けられ、図９（Ｂ）の矢印で示すように板厚方向に分極されている。【００４３】  次に上記のナイフ１を使用した超音波加工装置の運転方法について説明する。ナイフ１はＸＹ運動できるＸＹロボットに取付けられ、パソコンからの指示で直線、曲線運動させる。まず図示しない超音波発振回路の電源を入れ、圧電素子２ａと圧電素子２ｂに９０度位相の異なる交流電圧を印加する。その結果、図７の矢印で示す方向に楕円軌跡の振動を励起できる。そして、次にＸＹロボットに取付けられナイフ１を、直線、曲線運動させ、加工対象物のプラスッチクを切断する。【００４４】  上記のように圧電素子２ａと圧電素子２ｂに９０度位相の異なる交流電圧を印加する手段については、例えば非特許文献４に詳しく記述してある。【００４５】
【非特許文献４】見城尚志、「超音波モータ入門」、総合電子出版社、１９９１年、ｐ１４−１５
【００４６】  上記のようにナイフ１に楕円振動を持つ所望の振動モードを励起することができる。楕円振動の効果は、単一モードの振動に比較して更に加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さくできる。【００４７】  工具に超音波楕円振動を励起することについては、例えば非特許文献５に詳しく記述してある。【００４８】
【非特許文献５】「超音波テクノ」、日本工業出版株式会社、２０００年４月号、ｐ１３−１７
【００４９】  このように工具を超音波振動させることで、加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切断工具の寿命が長くなる。【００５０】  工具に発生した不要な振動を圧電素子により電気エネルギーに変化させ、これを抵抗で消費することにより、加工対象物と工具との不要な接触摩擦が小さくなるため、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして、切断工具１の寿命が長くなる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】  本発明の超音波振動を用いる切断加工装置は、切断工具を使用する様々な加工装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】従来の超音波カッターを示す平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す超音波加工装置の斜視図である。
【図３】図２の電気配線を示す概略図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す超音波加工装置の図である。
【図５】図３で用いた圧電素子の詳細を示す斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態を示す超音波加工装置の斜視図である。
【図７】図５の電気配線を示す概略図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態を示す図である。
【図９】図８で用いた圧電素子の詳細を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】  １    ナイフ
２    圧電素子
３    ホルダー
４    抵抗
５    コンデンサ
６    リード線
７    超音波振動子
８    超音波発振回路
９    ボルト
【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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