(57)【要約】      （修正有）【課題】硬く且つ脆い材料の加工物に対して、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設計が容易な切断装置を提供する。【解決手段】中心軸に回転軸が通る貫通孔を持った貫通孔ボルト１４に、サポート板７ａを通す。サポート板７ａはアルミ合金製の剛性板１２ａに、超音波振動子である圧電セラミック８ａをエポキシ樹脂で接合する。そして、圧電セラミック８ａの外側にフランジの外径とほぼ等しいガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａをエポキシ樹脂で接合する。次に同じく貫通穴ボルトに金属性の円盤状のブレード１を通す。そしてサポート板７ｂを通す。貫通穴ボルト１４にサポート板７ａ、円盤状のブレード１、サポート板７ｂの順で挿入した後、接合ナット１５によりこれらを機械的に一体化する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持つ２個のサポート板があり、円盤状のブレードの両側に配置されていることを特徴とする。
【請求項２】
円盤状のブレードとサポート板が接着されていることを特徴とする請求項１に記載の切断装置。
【請求項３】
円盤状のブレードとサポート板の間に接触媒質があることを特徴とする請求項１に記載の切断装置。
【請求項４】
フランジがサポート板を保持していることを特徴とする請求項１、２、３に記載の切断装置。
【請求項５】
超音波発振回路を固定側ロータリートランスに接続していることを特徴とする請求項１に記載の切断装置。
【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。さらにそして、加工速度が倍以上になることも非特許文献２に詳しく記載されている。【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同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
【非特許文献２】日本電子機械工業会、「超音波工学」、株式会社コロナ社、１９９３年、ｐ２１８−２２９
【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の振動方向や振動数などを変更する場合には、有限要素法などによる数値計算を再度行って回転軸や振動伝達方向変換器の形状を設計し直す必要がある。また、この切断装置は、振動伝達方向変換器とナットとによるブレードの締め付け力の強弱により、ブレードに伝わる超音波振動の大きさが変化する可能性が高い。ブレードに伝わる超音波振動の大きさが変動すると、ブレードの径を拡縮させる方向の振動の大きさが変化して、ブレードの切断性能が変化してしまう。【０００７】  本発明の目的は、優れた切断性能を安定して円盤状のブレードを提供することにある。
本発明の目的はまた、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】  回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、超音波振動子を持つ２個のサポート板があり、円盤状のブレードの両側に配置されているものである。【０００９】  そして、円盤状のブレードとサポート板が接着されている切断装置とするものである。【００１０】  円盤状のブレードとサポート板の間に接触媒質がある切断装置とするものである。【００１１】  フランジがサポート板を保持している切断装置とするものである。【００１２】  超音波発振回路を固定側ロータリートランスに接続してなる切断装置とするものである。
【発明の効果】
【００１３】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードは、サポート板を介して円盤状のブレードに超音波振動が励起されるので、回転軸など不要な部材に超音波振動を伝達することがないので、超音波振動を効率よく且つ安定に円盤状のブレードに付与することができる。このため、本発明の円盤状ブレードおよびこのブレードを備えた切断装置は、優れた切断性能を安定して示す。【００１４】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはまた、被切断物を切断中に、もし円盤状のブレードがスリップしても、電気配線を持つサポート板はスリップしないため、電気配線が切断する虞がない。【００１５】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはまた、フランジと接触するサポート板に音響インピーダンスの大きく異なるプラスチック板が位置しているので、フランジに振動が漏れることは小さい。またフランジの締め付け圧力の影響を受けることは小さい。【００１６】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはまた、フランジと接触するサポート板サポート板の面がプラスチックであるので、フランジに損傷を与えることはない。【００１７】  本発明のサポート板を備えた円盤状のブレードはさらに、円盤状のブレードからサポート板が取り外し可能である。このことにより円盤状のブレードが消耗して円盤状のブレードに変えるときにも、消耗した円盤状のブレードからサポート板を取り外し、新たな円盤状のブレードに取付けることができる。このことにより消耗するのは円盤状のブレードだけとなり、省資源、及び製造コストの低減に役立つ。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  本発明の第一の実施の形態を図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。【００１９】  まず、サポート板７ａは、以下のように作成した。外径９０ｍｍ、内径５５ｍｍ、外周部の厚さ１．５ｍｍ、圧電セラミック８ａの接合される部分の厚さ０．５ｍｍのアルミ合金製の剛性板１２ａに、超音波振動子である外径７０ｍｍ、内径５５ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの圧電セラミック８ａをエポキシ樹脂で接合する。なお、剛性板１２ａは、振動損失の少ない超音波振動材料が望ましく、アルミ合金、チタンなどの金属、そしてアルミナ、ガラスなどの無機材料が適している。そして、圧電セラミック８ａの外側にフランジの外径とほぼ等しいガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａをエポキシ樹脂で接合する。このガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａはフランジと接触するが、フランジとガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａの音響インピーダンスが大きく異なっているため、サポート板７ａの超音波振動をフランジに伝播することは少ない。したがって、サポート板７ａは円盤状のブレード１に振動を効率よく伝播させるが、フランジ側に伝播する振動を大きく減衰させる。また、ガラス繊維複合材料製の絶縁板１３ａは、接触するフランジに比較して、硬度、密度などが小さいため、フランジに機械的損傷を与えない作用もある。したがって、絶縁板の材料はプラスチック材料が好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリイミドなど様々なプラスチック材料を適時選択して使用する。なおサポート板７ｂもサポート板７ａと同様にして作製した。【００２０】  次に、サポート板７ａ、７ｂと直径１００ｍｍ、内径５５ｍｍそして厚さ０．１ｍｍの円盤状のブレード１を、日化精工株式会社製の精密加工用ホットメルト仮止め接着剤を用いて接着し、サポート板７ａ、７ｂと円盤状のブレード１を一体の振動体とした。ここで用いた接着剤は、アクアワックス系で温水により剥離できるものである。このように温水、アルコールなどの溶剤により簡単に剥離できる接着剤を使用することで、円盤状のブレード１が消耗または損傷し、交換が必要となったとき、円盤状のブレード１を取り外し、今まで使用していたサポート板７ａ、７ｂに新しい円盤状のブレード１を上記と同様に接着することにより、そのままサポート板７ａ、７ｂが使用することができるので製造コストの削減ができる。また円盤状のブレード１は、金属の表面に砥粒を固定したものである。なお、円盤状の金属基板の材料の例として、アルミニウム、鉄、ステンレスおよび超硬金属などがある。【００２１】  中心軸に直径４０ｍｍの回転軸が通る貫通孔を持った外径５５ｍｍ、内径４０ｍｍの貫通孔ボルト１４に、サポート板７ａ、７ｂと円盤状のブレード１を接着剤により接合した構成を通す。そして貫通孔ボルト１４に設けたネジと接合ナット１５によりこれらを機械的に一体化する。これを一体化ブレードと呼ぶ。【００２２】  ここで図７の斜視図を用いて電気配線について説明する。圧電セラミックにハンダにより接合したリード線１９は貫通穴ボルト１４に設けた４個の貫通穴ボルトの配線穴２０に通り、この４個の貫通穴ボルトの配線穴２０の接続する４個のパイプ状の棒１６を通り��金属製のピンに接続される。なお４個のパイプ状の棒１６は、図８の斜視図に示すフランジに設けられたフランジ穴２１を通る。図１０の斜視図で示すコネクタ１８は、一方はパイプ状の棒１６に付設された金属製のピン１７に、他方は図９に示す回転側ロータリートランス９ａの接続用のピン１７と電気的に接続する。なおピン１７は絶縁用のための絶縁チューブ２２により保持されている。【００２３】  サポート板７ａ、７ｂと円盤状のブレード１を接着剤により接合した構成を貫通孔ボルト１４に通し接合ナット１５により機械的に一体化した構成をフランジで保持し、さらに回転軸３に取付けた構成について図５の平面図と図５のＡ−Ａ線での断面図である図６を用いて説明する。【００２４】  スリーブ１０と内側のフランジ２ｂを一体化した構成のフランジ２ｂに回転側のロータリートランス９ａを図示しないネジにより固定する。そして、スリーブ１０の外径面に沿って、一体化ブレードを挿入する。次にフランジ２ａを同じくスリーブ１０の外径面に沿って挿入する。さらにフランジナット１１によりこれらを一体化する。【００２５】  サポート板７ａ、７ｂに接触するフランジ２ａ、２ｂの面の形状は外径８５ｍｍ、内径８０ｍｍである。また、この部分はリング状の形状であり、外径８５ｍｍ、内径８０ｍｍ面を持ち、長さは約３ｍｍである。チタン製のフランジ２ａ、２ｂに接触するサポート板７ａ、７ｂの材料は、プラスチックとガラス繊維を複合化したガラス繊維複合材料であり、ガラス繊維複合材料と大きく音響インピーダンスが異なる。このため、サポート板７ａ、７ｂ側の振動はフランジ２ａ、２ｂ側には伝わることが困難になる。【００２６】  一体化ブレードを取付けたスリーブ１０を回転軸３にナット４により取付ける。【００２７】  次に上記の円盤状ブレード１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を介してサポート板７ａ、７ｂを構成するリング状の圧電セラミック８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路から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、サポート板７ａ、７ｂ及び円盤状のブレード１は、径方向の拡がり振動が励起される。次に回転する円盤状ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加下対象物を切断または溝入れする。【００２８】  円盤状のブレード１の径方向の拡がり振動モードを励起する固有振動数の周波数の電圧を圧電セラミック８ａ、８ｂに印加することにより、１００Ｖ以下の低い電圧でブレードの先端部に約１０ミクロン程度の振動変位を容易に励起できる。【００２９】  円盤状のブレード１の厚さが２ｍｍ以下、特に１ｍｍ以下の場合、フランジ２ａ、２ｂを円盤状のブレード１に押し付けることにより、圧電セラミックの振動を、ブレードの先端部に振動を伝播させるのが困難になる。【００３０】  そこで本発明のサポート板７ａ、７ｂの外径がフランジ２ａ、２ｂの外径より大きいか等しくする手段を用いることで、圧電セラミックの振動をブレードの先端部に伝播させることができる。そしてこの構成にすることで、現在の製造できるブレード厚さ���ある５０ミクロン程度までのブレードを使用できる。さらに薄いブレードも適用可能であると考えられる。【００３１】  上記の構成によれば従来の円盤状のブレードをそのまま用いることができるので、特に改めてブレードを特別に製作する必要がない。【００３２】  また、円盤状のブレードとサポート板だけが主に振動するだけなので、他の部分にはほとんど振動が伝播することがないため不要な振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を円盤状のブレードに励起させることができる。したがって、ブレードの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。【００３３】  また、回転軸には、ほとんど振動が伝播することがないので回転軸と回転軸を回転自在に支持する軸受けの損傷の恐れほとんどない。【００３４】  さらに、円盤状のブレードが消耗したときには、サポート板から円盤状のブレードを取り外し新しい円盤状のブレードに交換することができる。これにより、消耗するのは円盤状のブレードだけとなり、超音波振動を印加することにより、従来の切断方法に比較して、ブレードの消耗量は大幅に小さくなるため、省資源かつ製造コストの削減ができる。【００３５】  上記のように、ブレードおよびフランジの一部にだけ振動させることができることにより加工精度の高い、信頼性の高い切断装置を提供できる。【００３６】  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。【００３７】  本発明の第二の実施の形態を図１１の正面図、そして図１１のＡ−Ａ線で切断した図１２の断面図を用いて示す。【００３８】  サポート板７ａは、チタン合金製の剛性板１２ａに、超音波振動子である圧電セラミック８ａをエポキシ樹脂で接合し、さらに圧電セラミック８ａの外側にフランジの外径とほぼ等しいナイロン材料製の絶縁板１３ａをエポキシ樹脂で接合して作製する。剛性板１２ａには、突起２５が一体で構成されている。なおサポート板７ｂもサポート板７ａと同様にして作製した。【００３９】  キー溝２４を設けた貫通孔ボルト１４に、サポート板７ａ、円盤状のブレード１、サポート板７ｂを通し、そして貫通孔ボルト１４に設けたネジと接合ナット１５によりこれらを機械的に一体化する。なお、サポート板７ａ、円盤状のブレード１、サポート板７ｂの接触面にはグリースなどの接触媒質を塗る。【００４０】  貫通孔ボルト１４には、４個のパイプ状の棒１６が接続されている。そして、その４個のパイプ状の棒１６はフランジに設けた４個のフランジ穴に挿入されているため、貫通孔ボルト１４はフランジに対して回転しない。【００４１】  図１３の平面図と図１３のＡ−Ａ線で切断した図１４の断面図が示すサポート板７ａ、７ｂには、図１５の平面図と図１５のＡ−Ａ線で切断した図１６の断面図が示す貫通孔ボルト１４に設けられたキー溝２４に嵌め合う突起２５が設けられている。したがって、貫通孔ボルト１４に対してサポート板７ａ、７ｂは回転しない。【００４２】  一方、円盤状のブレード１には突起が設けられていないので、過大な負荷が加わったときには、貫通孔ボルト１４に対して円盤状のブレード１はスリップさせることができる。【００４３】  円盤状の��レード１に、過大な負荷が加わったときには、円盤状のブレード１だけをスリップさせることができるので、圧電セラミックを接合したサポート板７ａ、７ｂとロータリートランスを接合したフランジ２ｂとの間での回転はないので、圧電セラミックに接合したリード線が切断する虞がない。【００４４】上記の円盤状ブレード１を使用した切断装置の運転方法については、第１の実施の形態で説明したものと同様である。【００４５】  本発明の第三の実施の形態を図１７の正面図、そして図１７のＡ−Ａ線で切断した図１８の断面図を用いて示す。【００４６】  スリーブ１０にキー溝２４を設け、このキー溝２４に嵌め合う突起２５をサポート板７ａ、７ｂに設けることで、サポート板７ａ、７ｂのスリーブ１０に対するスリップを防止することができる。また、円盤状のブレード１には突起を設けていないので、円盤状のブレード１に過負荷が加わったときには、円盤状のブレード１をスリップさせることができる。【００４７】  図１９の正面図、そして図１９のＡ−Ａ線で切断した図２０の断面図を用いて示すサポート板の構成を示す。サポート板７ａは、チタン合金製の剛性板１２ａに、超音波振動子である圧電セラミック８ａをエポキシ樹脂で接合し、さらに圧電セラミック８ａの外側にフランジの外径とほぼ等しいナイロン材料製の絶縁板１３ａをエポキシ樹脂で接合して作製する。なおサポート板７ｂもサポート板７ａと同様にして作製した。【００４８】  サポート板７ａ、円盤状のブレード１、サポート板７ｂの接触面にはグリースなどの接触媒質を塗る。または第１の実施の形態で用いたように、サポート板７ａ、７ｂと円盤状のブレード１を、日化精工株式会社製の精密加工用ホットメルト仮止め接着剤を用いて接着し、サポート板７ａ、７ｂと円盤状のブレード１を一体の振動体とすることもできる。【００４９】  このような構成にすると貫通穴ボルト及び接合ナットは、不要になる。このような構成は特に負荷の小さい切断作業に適する。【００５０】  フランジ２ｂとキー溝を持つスリーブ１０を一体構成したそのフランジに回転側ロータリートランス図示しないネジにより固定する。そしてスリーブ１０のキー溝に合わせて、サポート板７ａの突起２５を挿入する。次に円盤状のブレード１を挿入し、再びスリーブ１０のキー溝２４に合わせて、サポート板７ｂの突起２５を挿入する。そしてフランジをスリーブ１０に挿入し、スリーブ１０に設けられたネジとフランジナット１１によりスリーブ１０に固定する。【００５１】上記の円盤状ブレード１を使用した切断装置の運転方法については、第１の実施の形態で説明したものと同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５２】  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】
【００５３】
【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】本発明の第１の実施の形態の円盤状ブレードとサポート板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】本発明の第１の実施の形態の円盤状ブレードとサポート板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】貫通穴ボルトおよびパイプ状の棒を示す斜視図である。
【図８】貫通穴を持つフランジを示す斜視図ある。
【図９】ロータリートランスと接続されたピン示す正面図である。
【図１０】コネクタを示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の円盤状ブレードとサポート板などを示す正面図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１３】サポート板の詳細を示す正面図である。
【図１４】図１３のＡ−Ａ線での断面を示す側面図である。
【図１５】貫通穴ボルトを示す正面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態の円盤状ブレードとサポート板などを回転軸に取付けた正面図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図１９】図１７で用いた円盤状ブレードとサポート板の詳細を示す正面図である。
【図２０】図１９のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【符号の説明】
【００５４】１    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    サポート板
８    圧電セラミック
９    ロータリートランス
１０  スリーブ
１１  フランジナット
１２  剛性板
１３  絶縁板
１４  貫通穴ボルト
１５  接合ナット
１６  パイプ状の棒
１７  ピン
１８  コネクタ
１９  リード線
２０  貫通穴ボルトの配線穴
２１  フランジ穴
２２  絶縁チューブ
２３  金属端子
２４  キー溝
２５  突起
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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