(57)【要約】【課題】  加工精度が高く、かつ信頼性の高い回転工具を持つ超音波加工機を提供すること。【解決手段】  ステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１が備えられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、さらにこの軸受３を固定するための図示しないステンレスのケースがある。回転軸２には回転軸２に固着されたスリップリング１３がある。そして、スリップリング１３には超音波交流電力を供給するためのブラシ１４が接触している。ブラシ１４にはリード線１５を通じて超音波発振器１６より超音波交流電圧が印加される。そして、チャック装置５により保持部にあるアルミ製の円筒形状のホルダ１１を保持することにより回転工具６であるエンドミルを固定する。【選択図】図２
2007223017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ前記超音波振動子がチャック装置に把握されている位置にあることを特徴とするものである。
【請求項２】
前記工具に接合した超音波振動子に電力を印加する電源として、固有振動数を追尾するための共振追尾回路を有している超音波発振回路であることを特徴とするものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、回転する工具に超音波振動を与え、加工対象物であるガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などを加工する超音波加工装置に関するものである。
【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、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】  超音波研削装置は、非特許文献２に詳しく記載されている。図１に示す超音波研削装置も回転軸を回転させるためのモータがあり、その回転軸にスリップリング、超音波振動子が備えられている。さらに、回転軸にはブースタ、ホーンそして研削工具であるダイヤモンド砥石が接続されている。また回転自在に支持するための軸受が配置されている。また超音波交流電圧を超音波振動子に印加するための超音波発振器とブラシを備えている。
上記の超音波研削装置の概略の運転方法は以下の通りである。まずモータを動作させるとほぼ同時に超音波発振器からブラシを介して回転するスリップリングに超音波交流電圧を印加する。スリップリングに与えられた交流電圧は超音波振動子に印加され、超音波振動子は超音波振動する。この超音波振動が、ブースタそしてホーンを伝播し、そして研削工具であるダイヤモンド砥石に伝播する。
【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】
【０００４】  しかし、回転軸に超音波振動子を取り付けると回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生し、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子であるランジュバン型超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、回転慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。
別の問題点として、工具を保持するチャック装置と工具が超音波振動により互いに摩擦し焼き付けが発生する。
さらに、超音波振動により、時としては工具を保持するチャック装置の保持力が小さくなり、加工時に機械的負荷が工具に加わったときに工具が止まってしまう問題点もある。【０００５】  また、チャック装置を固定端として工具が振動するので、固定端からの工具の長さにより駆動周波数を変化させなければならないが、工具に比較してランジュバン型超音波振動子、回転軸及びホーンの質量が大きいため、主に前記ランジュバン型超音波振動子などの固有振動数でしか効率的に振動を励起することができない。したがって、工具に最適な振動を励起することができないという問題点もある。【０００６】  本発明の目的は、高精度および高い信頼性をもつ回転工具を持つ超音波加工装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  本発明は、回転する工具を持つ超音波加工装置において、工具本体に超音波振動子を接合していること、かつ超音波振動子がチャック装置により保持される位置にあることを特徴とするものである。【０００８】  本発明はまた、前記工具に接合した超音波振動子に電力を印加する電源として、固有振動数を追尾するための共振追尾回路を有している超音波発振回路であるものである。
【発明の効果】
【０００９】  本発明の超音波加工装置は、回転精度が高かく、かつ高速回転が可能であるため、高精度かつ高速加工が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】  図２は、第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。ステンレス製の回転軸２を回転させるためのモータ１が備えられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、さらにこの軸受３を固定するための図示しないステンレスのケースがある。回転軸２には回転軸２に固着されたスリップリング１３がある。そして、スリップリング１３には超音波交流電力を供給するためのブラシ１４が接触している。ブラシ１４にはリード線１５を通じて超音波発振器１６より超音波交流電圧が印加される。そして、チャック装置５により保持部にあるアルミ製の円筒形状のホルダ１１を保持することにより回転工具６であるエンドミルを固定する。【００１１】  回転工具６の詳細を図３の平面図を用いて説明する。回転工具６は、外径１ｍｍそして長さ５０ｍｍの超硬製のエンドミルである。【００１２】  そして図４の一部断面を示す平面図を用いて説明するが、回転工具６に超音波振動子である円筒状の圧電セラミック１２をエポキシ樹脂を用いて接合する。そして、その外側にさらにエポキシ樹脂によりアルマイト加工して絶縁処理したアルミ製の円筒状のホルダ１１を接合する。円筒状の圧電セラミック１２は半径方向に分極されている。そしてその内面と外面に銀電極が設けられている。円筒状の圧電セラミック１２の形状は外径２．０ｍｍ、内径１．０ｍｍそして長さ２５ｍｍである。【００１３】  また、回転工具６は、刃物を含む工作部９とチャック装置５により保持固定される保持部１０に区分する。【００１４】  そして、チャック装置５により保持部１０にある円筒形状のアルミ製のホルダ１１を保持する。ここでチャック装置５に保持される保持部１０に位置に圧電セラミック１２があることが重要である。【００１５】  スリップリング１３と円筒状の圧電セラミック１２は図示しないリード線により電気的に接続されている。回転工具６の下には、加工対象物７を固定するためのテーブル８と加工対象物７がある。【００１６】  次にこの超音波加工装置の運転方法を、図２を用いて説明する。まずモータ１の電源をいれ回転軸２を回転させる。次に共振周波数を追尾できる超音波発振器１６のスイッチを入れ、ブラシ１４、スリップリング１３を介して円筒状の圧電セラミック１２に工作部が最適な振動モードで振動する固有振動数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、回転工具６のほぼ工作部９だけを効率よく振動させることができる。【００１７】  チャック装置５が、回転工具６に比較して数倍以上に質量が大きく、チャック装置５の位置が回転工具６を固定する端に相当する場合は、回転工具６は、片側が固定端である棒の縦振動となる。この片側が固定端である棒の縦振動は、非特許文献３に詳しく記載されている。したがって、振動の固定端に相当する回転工具６の保持部１０及びチャック装置５は、もちろん振動変位は小さく、ほとんど振動の節になっている。
【非特許文献３】谷口修、「工業振動学」、株式会社コロナ社、１９９６年４月１５日、ｐ３２５−３５９
【００１８】  このようにチャック装置５には、ほとんど振動が伝播することがないため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工作部９の振動を励起させることができる。したがって、工作部９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。【００１９】  また、超音波振動は摩擦係数を小さくする作用があるので保持部１０またはチャック装置５が振動すると、チャック装置５の回転工具６の保持力が小さくなり、加工対象物７を加工しているときの負荷により回転工具６とチャック装置５の間でスリップし、回転工具６が破損し、加工対象物７が損傷する。本発明の回転工具６は上記のように保持部１０またはチャック装置５に振動がほとんど伝播しないので、チャック装置５の回転工具６を保持する力は、小さくなる恐れはほとんどない。【００２０】  また、当然回転軸２にもほとんど振動が伝播しないので軸受３または回転軸２の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００２１】  上記のように、回転工具６の工作部９だけを振動させることできることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工装置を提供できる。【００２２】  ここで、チャック装置５により回転工具６を保持する位置により、回転工具の振動がどのようになるかを、有限要素法を用いて計算した。【００２３】  図５の断面図に示す回転工具６について計算した。回転工具６は直径５ｍｍ、長さ１００ｍｍであり、工具鋼製である。超音波振動子は圧電セラミック１２であり、外径７ｍｍ、内径５ｍｍそして長さ６０ｍｍである。そして、圧電セラミックの外側のホルダ１１は外径９ｍｍ、内径７ｍｍそして長さ６０ｍｍである。さらにその外側にチャック装置の一部である部分を外径１１ｍｍ、内径９ｍｍそして長さ３０ｍｍである。そして、外径１１ｍｍの外周部の自由度を拘束して計算する。なお、計算時間を短縮するため、円柱の３０度モデルとした。【００２４】  図５（Ａ）は、ホルダ１１の上端部をチャック装置５により保持したケースについての概略図であり、そして図６（Ａ）は、有限要素法によりその振動モードを計算した結果である。固有振動数は約２１ＫＨｚであり、かつホルダ１１部はほとんど振動していない。【００２５】  図５（Ｂ）は、ホルダ１１の中央部をチャック装置５により保持したケースについての概略図であり、そして図６（Ｂ）は、有限要素法によりその振動モードを計算した結果である。固有振動数は約２５ＫＨｚであり、かつホルダ１１部はほとんど振動していない。【００２６】  図５（Ｃ）は、ホルダ１１の中央部をチャック装置５により保持したケースについての概略図であり、そして図６（Ｃ）は、有限要素法によりその振動モードを計算した結果である。固有振動数は約２８ＫＨｚであり、かつホルダ１１部はほとんど振動していない。【００２７】  上記のように保持部１０のどこをチャック装置５により保持しても、チャック装置５がほぼ固定端となり、工作部が縦振動する振動モードが得られる。そして、チャック装置５により保持される保持部位置により、固有振動数が変化する。また、当然ドリルが消耗して工作部の長さが変化すれば固有振動数も変化する。したがって、この固有振動数を追尾する追尾回路が必要であること���わかる。【００２８】  また、回転工具６の別の構成として図７の斜視図に示すものがある。回転工具６は、工作部９、円筒状のステンレスのホルダ１１に４個の溝を設け、その溝に圧電セラミック１２が接合されている。そして、チャック装置は、ホルダ１１を保持する。圧電セラミックからは容易にリード線が出せる。【００２９】  上記の構成は、回転工具６が大型化した場合は、特に有効である。圧電セラミック１２が、大きくなると製造が困難になるし、回転バランスを取るのも困難になる。このような時は、圧電セラミック１２を小型化でき、かつ形状が矩形状であるので製造は容易になり、そして回転バランスをとるのは容易になる。さらに回転工具の回転バランスもステンレスを切削することにより容易にできる。【００３０】  図８は、第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す一部の断面を含む正面図である。ステンレス製の中空の回転軸２を回転させるための中空のモータ１が備えられている。回転軸２を回転自在に支持するための軸受３があり、さらにこの軸受３を固定するためのステンレスのケース２１がある。回転軸２には回転軸２に固着された回転側のロータリートランス４ａがある。回転側のロータリートランス４ａの近傍には固定側のロータリートランス４ｂがある。固定側のロータリートランス４ｂを取付けた固定板は図面を簡略化するために示さない。固定側のロータリートランス４ｂには、目的とする周波数で電力が効率よく供給できるようにコンデンサ２０が直列に接続されている。回転側のロータリートランス４ａにも同じ目的でコンデンサを接続できるが、回転バランスを考慮すると回転側に取り付けるのは好ましくない。回転軸２に回転工具６を固定するための保持装置であるチャック装置５がある。そのチャック装置５により本発明の回転工具６を保持する。回転側のロータリートランス４ａと、回転工具６に固着した超音波振動子である圧電セラミック１２はリード線１５により電気的に結合されている。回転工具６の下には、テーブル８に固定された加工対象物７がある。【００３１】  回転工具６の詳細を図９の斜視図に示す。回転工具６は、チャック装置５に保持される保持部１０、そして工作部９で構成されている。工作部９の先端には、砥石が接合されている。砥石は砥粒としてダイヤモンドを結合剤として金属を用いたものである。保持部１１はステンレス軸の外側にエポキシ樹脂で接合された円筒状の圧電セラミック１２があり、その外側にはさらにステンレス製の円筒型のホルダ１１がある。円筒状の圧電セラミック１２の外面、内面には銀電極が設けられている。そして分極方向は径方向である。また、ステンレス製のホルダ１１と接する外面の電極には、無機材料の絶縁物が薄く焼き付けられている。【００３２】  図１０に円筒状の圧電セラミック１２とステンレス製の円筒型のホルダ１１の断面側面図を示す。円筒型のホルダ１１より円筒状の圧電セラミック１２の長さが長く、その先端にリード線１５がハンダにより接合されている。【００３３】  次にこの超音波加工装置の運転方法を、図８を用いて説明する。まずモータ１の電源をいれ回転軸２を回転させる。次に超音波発振器１６のスイッチを入れ、回転側のロータリートランス４ａ、固定���のロータリートランス４ｂを介して円筒状の圧電セラミック１２に超音波交流電圧を印加する。ほぼ工作部だけ縦振動モードで振動する固有振動数の超音波交流電圧を印加することにより、回転工具６のほぼ工作部９が主に振動する。【００３４】  回転工具の振動モードとしては図５、図６を用いて説明したものと同様であるが、回転工具の先端に砥石である付加質量が接合されているので、固有振動数は低くなる。【００３５】  その結果、超音波振動により保持部及びチャック装置は、焼き付き及び保持部及びチャック装置間の摩擦力の低下による回転工具の緩みなどは無い。【００３６】  上記の加工は超音波切削加工であり、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、切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。【００３７】  また、当然回転軸にもほとんど振動が伝播しないので軸受または回転軸の振動による損傷の恐れはほとんどない。【００３８】  上記のように、回転工具の工作部９にだけ振動を励起することができることにより加工精度の高い、信頼性の高い超音波加工装置を提供できる。【００３９】  回転工具に直接圧電セラミックを接合すると、回転工具の消耗とともに高価な圧電セラミックも廃棄しなければならない。そこで、図１１の分解組立図で示す構成を考案した。まず、回転工具であるエンドミルにステンレス製の外周にネジを切った円筒２２をエポキシ樹脂を用いて接合する。【００４０】  一方、内周にネジを切ったステンレス製の円筒２３に圧電セラミック１２を接合し、さらにその外側にステンレス製の円筒状のホルダ１１を接合する。なお、ステンレス製の円筒状のホルダ１１と接する圧電セラミックの面には、有機材料により絶縁処理してある。【００４１】  次にステンレス製の円筒状のホルダ１１を含む構成に、エンドミルに接合したステンレス製のネジをねじ込み一体化する。図１２には一体化した組み立て断面側面図を示す。そしてエンドミルが消耗したら、エンドミルとネジを廃棄し、ステンレス製の円筒状のホルダ１１を含む構成は再利用する。このようにすることで、ランニングコストも小さくできる。【００４２】  以上の説明で超音波振動子として圧電セラミックを用いたが、たとえば磁歪振動子を用いてもよいことは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００４３】  本発明の超音波加工装置は、工具を回転させ加工対象物を加工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】
【００４４】
【図１】従来の超音波研削装置を示す断面平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。
【図３】回転工具を示す正面図である。
【図４】圧電セラミックを接合した回転工具を示す一部断面を含む正面図である。
【図５】保持部とチャック装置位置を説明する断面図である。
【図６】図５の構成を有限要素法により振動モードを計算した図である。
【図７】回転工具に溝を持つホルダに圧電セラミックを接合した斜視図である
【図８】本発明の第２の実施の形態を示す基本的な構成を示す正面図である。
【図９】先端に砥石を持つ圧電セラミックを有する回転工具を示す斜視図である。
【図１０】図９の圧電セラミックとホルダの詳細を示す断面図である。
【図１１】組み立て可能な圧電セラミックを持つ回転工具をしめす分解図である。
【図１２】図１１の回転工具の断面を示す組立図である。
【符号の説明】
【００４５】１    モータ
２    回転軸
３    軸受
４    ロータリートランス
５    チャック装置
６    回転工具
７    加工対象物
８    テーブル
９    工作部
１０  保持部
１１  ホルダ１１
１２  圧電セラミック
１３  スリップリング
１４  ブラシ
１５  リード線
１６  超音波発振器
１７  砥石
１８  溝
１９  超音波振動子
２０  コンデンサ
２１  ケース
２２  外周にネジを切った円筒
２３  内周にネジを切った円筒
【図１】
2007223017.tif 000003
【図２】
2007223017.tif 000004
【図３】
2007223017.tif 000005
【図４】
2007223017.tif 000006
【図５】
2007223017.tif 000007
【図６】
2007223017.tif 000008
【図７】
2007223017.tif 000009
【図８】
2007223017.tif 000010
【図９】
2007223017.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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