(57)【要約】【課題】硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物に対して、優れた切断性能を安定して示す円盤状のブレードおよび優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供する。【解決手段】  ギャップ付切断ブレード１３は回転軸３の先端に取り付けられた第１のフランジ２ｂと第２のフランジ２ａとで挟持されると共に、回転軸３のねじ部に螺着した締め付け用ナット４により固定する。ケース１１には固定側ロータリートランス９ａが取り付け、図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続する。フランジ２ａ側に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより固定する。モータの電源をいれ回転軸３を回転させる。次にロータリートランス９ａ、９ｂを介してギャップ付切断ブレード１３の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路から超音波交流電圧を印加する。次に回転する円盤状の切断ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置において、円盤状のブレードに円盤状の剛性板を接合し、さらにこの剛性板に圧電素子を接合する。そして圧電素子をカーバーする金属キャップを持つことを特徴とする。
【請求項２】
前記金属キャップをフランジにより挟持することにより切断装置に円盤状のブレードなどを固定することを特徴とする請求項１に記載の切断装置または研削装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる円盤状のブレードおよび切断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状のブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。【０００３】  図１は、特許文献１に記載の従来の切断装置５の構成例を示す正面図であり、そして図２は、図１の切断装置５の側面図である。図１及び図２に示す切断装置５は、回転駆動装置６の回転軸３に取付けられた第一のフランジ２ａ、円盤状の切断ブレード１、及び第二のフランジ２ｂ、そしてこれらのフランジ２ａ、２ｂにより切断ブレード１を締め付け固定するためのナット４から構成されている。そして切断装置５の回転駆動装置６を作動させて円盤状の切断ブレード１を回転させながら、加工対象物を切断あるいは溝入れを行う。【０００４】  一方、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削する方法は知られている。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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、加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さくなるために、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。【０００５】  特許文献２には、円盤状のブレードを回転させる回転軸に超音波振動子が付設された構成の切断装置が開示されている。この切断装置は、円盤状のブレードを回転させ、かつ超音波振動子にて発生させた超音波振動を、回転軸を介して円盤状のブレードに付与しながら、ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する。この切断装置の円盤状のブレードは、振動伝達方向変換器とナットとにより締め付けられた状態で回転軸の先端に固定される。回転軸に付設された超音波振動子は、回転軸の軸方向に振動する超音波振動を発生させ、この超音波振動は、振動伝達方向変換器によりブレードの径を拡縮させる方向に振動する超音波振動へと変換され、ブレードに付与される。超音波振動の伝達方向を変換するため、回転軸や振動伝達方向変換器は、有限要素法などによる数値計算により所定の形状に設計される。
【特許文献１】特開平８−１２７０２３公報
【特許文献２】特開２０００−２１０９２８公報
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  上記の特許文献２に記載の切断装置においては、ブレードに付与する超音波振動を付与するために回転軸にランジュバン型超音波振動子を接合している。そしてブレードに超音波振動を与えるために、それよりはるかに質量の大きい回転軸などを超音波振動させなければならない。このため、大きな電力が必要となる。また、回転軸や振動伝達方向変換器の形状により、１００ＫＨｚ以上の振動数を与えた場合、振動モードが複雑になり、所望のブレードの径方向の振動は得られないという問題点がある。【０００７】  本発明の目的は、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置において、円盤状のブレードに円盤状の剛性板を接合し、さらにこの剛性板に圧電素子を接合する。そして圧電素子をカーバーする金属キャップを持つものとすることである。【０００９】  前記金属キャップをフランジにより挟持することにより切断装置に円盤状のブレードなどを固定するものである。
【発明の効果】
【００１０】  本発明の円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置は、金属キャップ１２の効果により、円盤状のブレードに径方向の振動を大きくし、不要なブレード面に垂直である振動変位を小さくできるので切断幅を高精度化できる。そして、ブレードの消耗も小さくできる。【００１１】  本発明の円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置は、金属キャップ１２の効果により円盤状のブレードに径方向の振動を大きくし、不要なブレード面に垂直である振動変位を小さくできるとともに、回転質量を小さくできるので高速回転に適する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】  本発明の実施の形態を図３の正面図、そして図３のＡ−Ａ線で切断した図４の断面図を用いて示す。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０．０６ｍｍ程度で外径が１００ｍｍ程度の鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転軸に装着するための取り付け穴が形成されている。【００１３】  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。この外径が約１００ｍｍ、内径が約５０ｍｍそして厚さが約０．０６ｍｍの切断ブレード１の円形基板の中心軸と一致させ、外径が約９５ｍｍ、内径が約５０ｍｍそして厚さが約１．０ｍｍのリング形状の剛性板７ａ、７ｂをエポキシ樹脂で接合する。そしてさらに同じく切断ブレード１の円形基板の中心軸と一致させ、剛性板に外径が約８６ｍｍ、内径が約６６ｍｍそして厚さが約１．５ｍｍのリング形状のＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子８ａ、８ｂをエポキシ樹脂により接合する。圧電素子８は、板厚方向に分極されている。ここでは、圧電素子８としてＰＺＴ系圧電セラミックを用いたが、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。【００１４】  次に、回転軸３の中心に合わせて、外径９５ｍｍ、内径５０ｍｍそして高さ５ｍｍの板厚が１ｍｍのアルミ製の金属キャップ１２ａ、１２ｂを剛性板７ａ、７ｂにエポキシ樹脂により接合する。このようにして組み立てた構成をギャップ付切断ブレード１３と称する。【００１５】  図５の平面図とそのＡ−Ａ線での断面図である図６において、前記ギャップ付切断ブレード１３を切断装置の回転軸３に装着した状態を示す。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。ギャップ付切断ブレード１３は回転軸３の先端に取り付けられた第１のフランジ２ｂと第２のフランジ２ａとで挟持されると共に、回転軸３のねじ部に螺着した締め付け用ナット４により固定されている。なお、フランジ２ａとスリーブ１０は一体として構成されている。ケース１１には固定側ロータリートランス９ａが取り付けられ、図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続されている。フランジ２ａ側に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより固定する。【００１６】  次に上記のギャップ付切断ブレード１３を使用した切断装置の運転方法について同じく図６の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸３を回転させる。次にロータリートランス９ａ、９ｂを介してギャップ付切断ブレード１３のリング状の圧電セラミック製の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路からの約２５ＫＨｚの超音波交流電圧を印加する。超音波交流電圧を印加することにより、ギャップ付切断ブレード１３は、約２５ＫＨｚの振動が励起される。次に回転するギャップ付切断ブレード１３と図示しない加工対象物に��却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。【００１７】  ここで、ギャップ付切断ブレード１３の振動モードについて説明する。図７は振動モードを有限要素法を用いて計算したものであり、計算を簡単にするため切断ブレードの中心面を対称面として計算した。矢印方向は振動の方向を、矢印長さは振動の大きさを示している。振動モードは約２５ＫＨｚの１次の径の拡がり振動である。金属キャップ１２の上面をフランジにより固定されているが、金属キャップ１２の側面、剛性板および切断ブレードは、ほぼフリーの状態で振動できる。したがって、径方向の振動変位を大きくすることができる。【００１８】  超音波発振回路からの約２５ＫＨｚの超音波交流電圧を印加する。そして加工対象物をガラスにして、回転軸の回転数を１２０００回転／毎分にした。その結果、切断ブレードの先端振動変位は径方向は約３μｍ、径と垂直な方向は約０．３μｍであった。そのときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／３になり、そしてチッピングの大きさは、約１／５になった。【００１９】  上記には約２５ＫＨｚの１次の径の拡がり振動モードを用いたが、別の振動モードも、もちろん利用することができる。図８は約１３０ＫＨｚの振動モードであり、２次の径方向の振動である。図８は振動モードを有限要素法を用いて計算したものであり、計算を簡単にするため切断ブレードの中心面を対称面として計算した。矢印方向は振動の方向を、矢印長さは振動の大きさを示している。金属キャップ１２の上面をフランジにより固定されているが、金属キャップ１２の側面、剛性板および切断ブレードは、ほぼフリーの状態で振動できる。したがって、径方向の振動変位を大きくすることができる。この径の２次方向の振動は、切断ブレードの直径が１００ｍｍを超えるものに対して特に有効である。なぜなら、切断ブレードの直径が大きくなると１次の径の拡がり振動の固有振動数が小さくなりすぎ騒音等の理由で使用できなくなることがあるからである。【００２０】  また、上記の実施の形態では金属製のブレードを用いたが、レジン製のブレードでも同じ効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２１】  本発明の円盤状のブレードおよび切断装置は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の切断装置の構成例を示す正面図である。
【図２】図１の切断装置の側面図である。
【図３】本発明の実施の形態の円盤状の切断ブレードなどを示す正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態の円盤状の切断ブレードなどを回転軸に取付けた正面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図７】ギャップ付切断ブレードの１次の振動モードについて説明する図である。
【図８】ギャップ付切断ブレードの２次の振動モードについて説明する図である。
【符号の説明】
【００２３】１    切断ブレード
２    フランジ
３    回転軸
４    ナット
５    切断装置
６    回転駆動装置
７    剛性板
８    圧電素子
９    ロータリートランス
１０  スリーブ
１１  ケース
１２  金属キャップ
１３  ギャップ付切断ブレード
【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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