(57)【要約】  超音波変換器を含む超音波機械加工モジュールであって、この超音波変換器は、機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波機械加工モジュールと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタとが含まれる。【選択図】図１
2017532210.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械加工システムに用いる装置であって、
（ａ）超音波変換器であって、前記超音波変換器は機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波変換器と、
（ｂ）機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、
（ｃ）前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタと、
を具備することを特徴とする機械加工システムに用いる装置。
【請求項２】
前記超音波変換器は、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記フロントマス、前記バックマス、及び前記セラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は前記セラミックに圧縮力を与えることを特徴とする圧縮部材とをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
振動遮断のための前記少なくとも１つの変形部は、前記ハウジングの１以上の所定の位置に形成された薄くなった領域をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
工具ホルダーであって、前記工具ホルダーと前記ハウジングの頂部とは相互に機械的に結合し又は相互に一体化されており、前記コネクタは前記工具ホルダーに取り付けるのに適合していることを特徴とする工具ホルダーをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記コネクタは、前記装置が動作中前記工具ホルダーを締め付ける２つに分かれたアームをさらに有することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項６】
回転軸アセンブリであって、前記コネクタは前記回転軸アセンブリに取り付けるのに適合していることを特徴とする、回転軸アセンブリをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記回転軸アセンブリは、前記機械加工工具に供給するために前記回転軸アセンブリを通って流れる冷却媒体を受け入れるのに適合していることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項８】
非回転軸アセンブリであって、前記コネクタは前記非回転軸アセンブリに取り付けるのに適合していることを特徴とする、非回転軸アセンブリをさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
機械加工システムに用いる装置であって、
（ａ）超音波変換器であって、前記超音波変換器は機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波変換器と、
（ｂ）機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、
（ｃ）前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタと、
（ｄ）工具ホルダーであって、前記工具ホルダーと前記ハウジングの頂部とは相互に機械的に結合し又は相互に一体化されており、前記コネクタは前記工具ホルダーに取り付けるのに適合していることを特徴とする、工具ホルダーと、
を具備することを特徴とする機械加工システムに用いる装置。
【請求項１０】
前記超音波変換器は、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記フロントマス、前記バックマス、及び前記セラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は前記セラミックに圧縮力を与えることを特徴とする圧縮部材とをさらに具備することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
振動遮断のための前記少なくとも１つの変形部は、前記ハウジングの１以上の所定の位置に形成された薄くなった領域をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記コネクタは、前記装置が動作中前記工具ホルダーを締め付ける２つに分かれたアームをさらに有することを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記コネクタは、前記装置が動作中前記工具ホルダーを締め付ける２つに分かれたアームを保持するためのマウントクランプをさらに有することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
機械加工システムに用いる装置であって、
（ａ）超音波変換器であって、前記超音波変換器は機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波変換器と、
（ｂ）機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、
（ｃ）前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタと、
（ｄ）軸アセンブリであって、前記コネクタは前記軸アセンブリの端部に取り付けるのに適合していることを特徴とする、軸アセンブリと、
を具備することを特徴とする機械加工システムに用いる装置。
【請求項１５】
前記超音波変換器は、フロントマスと、バックマスと、前記フロントマスと前記バックマスとの間に位置する複数の圧電セラミックと、前記フロントマス、前記バックマス、及び前記セラミックを貫く圧縮部材であって、前記圧縮部材は前記セラミックに圧縮力を与えることを特徴とする圧縮部材とをさらに具備することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
振動遮断のための前記少なくとも１つの変形部は、前記ハウジングの１以上の所定の位置に形成された薄くなった領域をさらに有することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記軸アセンブリは回転軸アセンブリであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記軸アセンブリは非回転軸アセンブリであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記回転軸アセンブリは前記機械加工工具に供給するために前記回転軸アセンブリを通って流れる冷却媒体を受け入れるのに適合していることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記機械加工工具はドリルビットであることを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、２０１４年９月５日に出願された米国仮特許出願番号６２／０４６，６５５、表題「超音波振動アシスト機械加工用高速回転コネクタ」に基づく優先権を主張するものであり、これらの開示内容は、そのすべてを本出願に組み込むものとし、あらゆる意味で本特許出願の一部をなす。
【背景技術】
【０００２】
本願発明は、一般的には金属及びその他の素材の機械加工のためのシステムに関し、更に詳細には、超音波機械加工モジュールが組み込まれ、この超音波機械加工モジュールが自らの振動を遮断する特性を有するので、種々の既存の機械加工システム、装置、及び、処理との相性がいい、金属及びその他の素材の機械加工のためのシステムに関する。
【０００３】
穿孔、ミリング、リーミング、タップ立て、及び旋盤加工の総称としての機械加工は、米国その他世界中の製造業にあらゆる面で実質的な影響を与える権能を持つ技術である。具体的な例として、ミリング機械は、硬い素材を加工するために用いられる機械加工工具である。ミリング機械は、一般に、主軸の方向により垂直ミリング機械と水平ミリング機械とに区分される。両方の型式とも大きさは、作業台に乗せる小型装置から工業目的に適した大型機械までの範囲にわたる。素材の軸方向に侵入して穿孔する間ワークを動かないよう保持する穿孔盤とは異なり、ミリング機械は、ワークの側面のみならず上面を切削するために回転しているミリングカッターに、ワークを軸方向及び半径方向に動かして押し付ける。ミリング機械は、簡単な作業（例えば、溝及び鍵穴切削、平削り、穿孔）から複雑な作業（例えば、輪郭削り、型彫り）まで膨大な数の動作を行うことができる。
【０００４】
機械加工システム（ミリング機械を含む）に用いる切削及び穿孔工具及び付属品は、しばしば集合的に「工作機械器具設備」と称される。ミリング機械はしばしばＣＡＴ工作機械器具設備又はＨＳＫ工作機械器具設備と称される。ＣＡＴ工作機械器具設備は、しばしばＶフランジ（Ｖ−Ｆｌａｎｇｅ）工作機械器具設備と呼ばれるが、米国で最も古くおそらく最も一般的に使われているものである。ＣＡＴ工作機械器具設備は、キャタピラー機械で用いられる工作機械器具設備を標準化するために、イリノイ州ピオリアのキャタピラー社で発明されものである。ＨＳＫ工作機械器具設備は、しばしば「中空軸部（hollow  shank）工作機械器具設備」と呼ばれるが、米国より早く発明されたヨーロッパで米国より普及している。ＨＳＫ工作機械器具設備の保持機構は工具の中空本体内に置かれ、軸の速度が増大するにつれて広がるので、軸の速度の増大とともに強く工具を把持する。
【０００５】
特定の素材の機械加工を容易にすることには、機械工具の工務店だけではなく軍装備品及び特定の商業用の金属製品の製造業者にとって大いに関心がある。更に詳細には、装甲板や装甲用合成素材のような非常に進化した素材は、標準的なシステム及び方法により加工することは、よく知られているように非常に難しい。高速度システム及び超硬工具用ビットがそのような素材に使われるが、少し工具の寿命と生産性を向上させるだけである。レーザー、ウォータージェット、及びＥＤＭ切削のような進んだ技術を採用することで、素材の機械加工を飛躍的に容易にすることができるようになってきた。しかしながら、このような処理は、高資本費を必要とし、応用範囲が限定されており、及び標準的な機械工場で用いるものとは非常に異なるものである。また、これらの処理の応用範囲は、この処理を一般的に適用する、特定の形式の素材に限定されている。
【０００６】
超音波振動アシスト機械加工は、１９５０年代に米国で開発され、当時難しいとされた素材の機械加工に用いられた。この近代的な超音波機械加工（ＵＭ）による処理は、高速穿孔、硬い素材の高効率穿孔、工具寿命の増大、及び精度の向上という点で全体的な効率を改善するために、高出力超音波振動を「従来の」機械加工処理（例えば、穿孔、旋盤加工、ミリング）に適用される。これは、一般的に、超音波（ＵＳ）伝達ラインに取り付けられるコレットに（例えば、焼嵌め、圧縮、油圧、又は機械的により）取り付けられた、高速度鋼（ＨＳＳ）、カーバイド、コバルト、合成多結晶ダイヤモンド、その他の適切な素材で作られたドリルビットを用いることで達成される。この文脈において、ＵＭは、ガラス、セラミック、石英のような非常に硬い素材の切削に用いられる、既存の超音波によるスラリー穿孔処理（即ち、インパクト機械加工）ではない。この形式のＵＭは、近代的な機械加工システムに用いられる、ドリル、ミル、リーマー、タップ、旋盤加工工具、その他の工具に高出力超音波を適用する方法に関するものである。
【０００７】
近代的な機械加工システムに超音波を用いることで顕著な多くの恩恵がもたらされるが、もともと超音波エネルギーを受け入れるように設計されていない機械加工システムに超音波エネルギーを組み込むことだけにとどまらず、いくつかの技術的な課題が存在する。従って、このような既存の機械加工システムに損傷や悪影響を与えずに組み込むことができ、既存の機械加工システムと相性のよい超音波機械加工モジュールの必要性が現に存在している。
【発明の概要】
【０００８】
以下に本願発明の例示的実施の形態の概要を提示する。この概要は広範囲にわたる外観ではなく、本願発明の主要なポイント又は決定的な特徴又は要素を特定しようとするものでもなくまた本願発明の技術的範囲を画定しようとするものでもない。
【０００９】
本発明の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第１の装置が提供される。この装置には、超音波変換器をさらに含む超音波機械加工モジュールであって、前記超音波変換器は、機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波機械加工モジュールと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタとが含まれる。
【００１０】
本発明の他の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第２の装置が提供される。この装置にはまた、超音波変換器をさらに含む超音波機械加工モジュールであって、前記超音波変換器は、機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波機械加工モジュールと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、前記機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタと、工具ホルダーであって、前記工具ホルダーと前記ハウジングの頂部とは相互に機械的に結合し、又は相互に一体化されており、前記コネクタは前記工具ホルダーに取り付けるのに適合していることを特徴とする工具ホルダーと、が含まれる。
【００１１】
本発明のさらに他の１つの特徴によれば、機械加工システムに用いる第３の装置が提供される。この装置にはまた、超音波変換器をさらに含む超音波機械加工モジュールであって、前記超音波変換器は、機械加工工具を受け入れるのに適合していることを特徴とする超音波機械加工モジュールと、機械加工システムと相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングであって、前記ハウジングは、前記装置が動作中、機械加工工具に伝達される軸方向の振動を除いて前記超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するために少なくとも１つの変形部をさらに有し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方への好ましくない振動が生じるのを防止することを特徴とする振動遮断ハウジングと、前記超音波変換器と電気的接続を行うコネクタであって、前記コネクタは前記超音波変換器に電気エネルギーを供給するように働き、前記コネクタは、所定の速さで回転するのに適合していることを特徴とするコネクタと、軸アセンブリであって、前記コネクタは前記軸アセンブリの端部に取り付けるのに適合していることを特徴とする軸アセンブリと、が含まれる。
【００１２】
本願発明のさらなる特徴及び性状は、以下の例示的実施の形態の詳細な説明を読み理解することにより、本技術分野における通常の知識を有する者にとって明らかなものとなろう。当業者には当然のことであるが、本発明の技術的範囲及び本発明の精神から離れることなく本発明のさらなる実施形態が可能である。従って、図面及びその説明は、本質的に概略説明のためであり、限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
添付図は、本明細書に組み込まれ本明細書の一部をなすものであり、本発明の１つ以上の例示的実施の形態を概略的に示し、上記説明及び下記詳細な説明と共に、本発明の本質を説明するためのものである。
【図１】本願発明の第１の例示的実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図である。
【図２】図１の超音波機械加工モジュールの断面図である。
【図３】本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図であり、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは開位置又は開状態で示されている。
【図４】本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図であり、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは開位置又は開状態で示されている。
【図５】図３及び４の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの斜視図である。
【図６】本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図であり、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは閉位置又は閉状態で示されている。
【図７】本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図であり、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは閉位置又は閉状態で示されている。
【図８】図６及び７の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの斜視図である。
【図９】図６及び７の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【図１０】本願発明の第３の実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、軸通過冷却媒体システムを含むのに適合している軸アセンブリの一端に外部高速回転コネクタが含まれる。
【図１１】図１０の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【図１２】超音波機械加工モジュールを含む軸アセンブリの部分を示す、図１０の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【図１３】ロータリーユニオンを含む軸アセンブリの部分を示す、図１０の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【図１４】本願発明の第４の実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、軸通過冷却媒体システムを含まない軸アセンブリの一端に外部高速回転コネクタが含まれる。
【図１５】図１４の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【図１６】ロータリーユニオンを含む軸アセンブリの部分を示す、図１４の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願発明の例示的実施の形態を、図を参照してここに記載する。以下の詳細な説明には説明のために多くの細目が含まれているが、本技術分野における通常の知識を有する者は、以下の詳細を変形したもの変更したものの多くが本発明の技術的範囲内に入ることを理解するであろう。従って、本発明の以下の実施形態は、特許請求の範囲に記載した発明の一般性を損なうために開示したものではなく、限定するために開示したものでもない。
【００１５】
本願発明は、このような超音波モジュールをもともと収容するように設計されていなかった商業的に入手可能な既存の機械加工システムに組み込むのに適合した種々の超音波機械加工モジュールを提供する。図１及び２を参照すると、本願発明の第１の例示的実施形態では、機械加工システムで用いる超音波機械加工モジュールが提供され、この超音波機械加工モジュールには、（ａ）超音波変換器であって、この超音波変換器は、工具ビットを受け入れるのに適合しており、この超音波変換器はさらに、（ｉ）フロントマス、（ｉｉ）バックマス、（ｉｉｉ）フロントマスとバックマスとの間に位置する複数の圧電セラミック、（ｉｖ）少なくとも１つの電気的接続部、及び（ｖ）フロントマス、バックマス、及びセラミックを貫くボルトであって、このボルトはセラミックに圧縮力を与えることを特徴とするボルトを具備することを特徴とする超音波変換器と、（ｂ）機械加工システムとも相性がよいこと及び超音波変換器を受け入れることの両方に適合している振動遮断ハウジングとが含まれる。このハウジングにはさらに、フロントマスの上にハウジングの半径方向に形成されたスプリングのような機構であって、このスプリングのような機構はさらにハウジングの薄くなった曲線部を含み、このハウジングの薄くなった曲線部は装置の運転中工具ビットに伝達される軸方向の振動を除いて、超音波変換器により生じるすべての振動を遮断するためにハウジングが撓むことを許容するよう作用し、これにより、機械加工システム内に後方又は上方に好ましくない振動が生じること及びシステムに損傷を与えることその他の問題が生じることを防止する。この特定の実施形態は、米国特許出願番号１３／０４６，０９９（現在、米国特許番号８,８７０,５００）に開示されており、この内容はあらゆる目的で、すべて本出願に組み込むものとする。
【００１６】
図１及び２を参照すると、超音波機械加工モジュール１０の例示的実施形態には、３つの基本的コンポーネント、すなわち、工具ホルダー２０、ハウジング４０、及び超音波変換器アセンブリ７０が含まれる。工具ホルダー２０には、上方部２２が含まれ、上方部２２にはさらに機械加工モジュール１０を機械加工システム（不図示）の主軸（例えば、ＣＡＴ４０、６０又はＨＳＫ）に取り付けるために形成された第１の穴２４が含まれる。工具ホルダー２０の下方部２６には複数の２次的な穴２８が含まれ、ハウジング４０内の同様な構造と相俟ってコネクタ４９（即ち、心出しボルト）を用いて工具ホルダー２０をハウジング４０に機械的に結合する。本願発明のいくつかの実施形態では、工具ホルダー２０は、ボルトで結合するのに加えて又はボルトで結合するのに代えて、ハウジング２０に焼き嵌めする。
【００１７】
ハウジング４０には剛性筒状部４２が含まれ、剛性筒状部４２にはさらに工具ホルダー２０を受け入れるのに適合している中央に位置する開口部４４と、超音波変換器アセンブリ７０を挿入する底部開口５４が含まれる。円周電気接触部５６（即ち、スリップリング）がハウジング４０の外側に配置されている。当業者に知られている通り、他の形式の電気接触部を本発明に用いることは可能である。例えば、軸を通る冷却空気の流れを供給又は維持しながら、１つの接触部５６を用いること又は複数の接触部を機械加工システムの軸を通って延伸させることができる。ハウジング４０の頂部又は上部には、機械加工モジュール１０を組み立てるとき工具ホルダー２０中の穴２８の配置に対応する複数の穴４８とつながる複数の開口部４６が含まれる。工具ホルダー２０をハウジング４０にボルトで留めるため一組のコネクタ４９を穴４８及び２８に挿入する。複数の空気吹き出し口５０がハウジング２０に形成される。以下に詳細説明するように、空気吹き出し口５０は、機械加工モジュール１０の使用時これを冷却するために超音波変換器アセンブリ７０の特有の構造とともに作用することで、圧電セラミック７４を冷却するための別個の又は外部のシステム又は器具の必要性を減らし又は無くす。
【００１８】
ハウジング４０にはまた、振動遮断スプリングとして作用し、従って、「スプリングのような構造」で特徴づけられる円周領域５２が含まれる。この例示的実施形態において、領域５２には、ハウジング４０を作る素材の外形に合わせた薄くなった部分が含まれる。機械加工モジュール１０の使用時、領域５２はハウジング４０にある程度の撓みを許容し、それにより、超音波変換器アセンブリ７０により生じる音響エネルギーを吸収及び／又は遮断し、機械加工システムの軸又は機械的コンポーネント内に後方又は上方に好ましくない振動が生じるのを防止する。超音波変換器アセンブリ７０により生じる軸振動は領域５２により減少することはなく、従って、フロントマス７６に取り付けられワークの機械加工に用いられる工具ビットその他にトルクが伝わる。本発明の文脈内では、フロントマス７６に取り付けられる「工具ビット」はドリルビットその他であることを了解すべきである。基本的に、領域５２は、ワークに向かう軸振動を除く多くの又はすべての振動モードを吸収するよう動作する。
【００１９】
超音波変換器アセンブリ７０には、バックマス７２、フロントマス、及びこれらの間に位置する複数の圧電セラミック７４が含まれる。複数の電極７５が圧電セラミック７４の間に挟まれ、ボルト８６がバックマス７２、セラミック７４、電極７５、及びフロントマス７６の一部を貫通している。ボルト８６を締めたとき、ボルト８６は圧電セラミック７４に圧縮力を加えるよう作用する。図示されていないが、一連の電気リード線が少なくとも１つの電極７５に一般的に取り付けられている。これらの電線は、ハウジング４０を通って又は工具ホルダー２０を通ってハウジング４０の外部に出てゆきそこで円周電気接触部５６に接続される。ブラシ接触部又は他の形式の電気接触部を機械加工モジュール１０に電源供給するために用いることができる。変換器アセンブリ７０は、電力レベルが１ｋＷから５ｋＷの範囲で振幅が２５μｍから１５０μｍの範囲で動作する。
【００２０】
図１及び２に示す超音波機械加工モジュール１０の例示的実施形態において、超音波変換器アセンブリ７０にはさらに、フロントマス７６を形成する複数の空気吸込み口８０のすぐ下のフロントマス７６の外周部に位置する複数の冷却機構、即ちフィン又はベーン７８が含まれる。超音波機械加工モジュール１０が回転すると、圧縮機のホイールをまねたベーン７８は空気吸込み口８０を通して空気を上に吸い上げる機能を果たす。そして空気は冷却のためハウジング４０の内部を通ってセラミック７４を横切り、空気吹き出し口５０を通ってハウジング４０から出る。図に示すように、フロントマス７６の前面領域又は底部領域には、ドリルビット、ミリング工具、その他を受け入れるのに適合している穴をさらに含む傾斜のあるコレット８２が含まれる。当業者に知られているように、ドリルビットその他（不図示）は、焼き嵌めとして知られている処理を用いてコレット８２に取り付けることができる。穴８４の周囲を一様に加熱することにより、穴の径を著しく拡張することが可能となる。次いでドリルビットその他のシャフトを拡張された穴に挿入する。冷却することで、穴の周りが元の径にまで縮み、摩擦力により強力な結合を生み出す。例示的実施形態において、超音波機械加工モジュール１０の修理のためにケース４０から抜き取るのを容易にするために焼き嵌め処理を用いて、ハウジング４０の底端部をフロントマス７６の頂部に取り付ける。当業者に知られている通り、工具のフロントマス７６へ取り付ける他の手段及び／又はハウジング４０を変換器アセンブリ７０へ取り付ける他の手段が可能であり、本願発明との相性もいい。
【００２１】
超音波機械加工モジュール１０の金属コンポーネントの一部又は全部は一般にＡ２  ＴＯＯＬ  ＳＴＥＥＬで作られる。代替的に、Ｄ２、ＳＳ、４１４０、及び／又は３５０-Ｍ  ＴＯＯＬ  ＳＴＥＥＬを用いることもできる。用いる素材にかかわらず、フロントマス７６及びバックマス７２は両方とも振幅を減少させる手段と同じ素材で製造してもよい。一般論として、これらのコンポーネントを混ぜ合わせることで振幅を調整する。図１及び２に示す例示的実施形態において、モジュールの全長約７．５インチ（１９．１ｃｍ）である。しかしながら、本願発明は縮小拡大が可能であり、小型化した種々の超音波機械加工モジュール１０は、とりわけ、医療用及び外科手術用システムや装置に適応している。
【００２２】
上述の特徴に加え、本願発明にはまた、機械加工又は金属加工環境において、高出力超音波システムを動作させるために用いられる高電圧信号の導入を許容する特徴が含まれる。下記の実施形態において、本発明は、高速回転コネクタの使用により、１０ｋＷまでの出力レベルの、４００ＶＡＣを超える電圧を伝達することができる。加えて、このコネクタは、内側ボディーが機械軸に取り付けられたローターとして動作する一方、ステーターは軸面に取り付けられているような設計となっている。電気接触部は、適切な電気接続部を形成するステーターに取り付けられたプランジャーを通って確立される。加えて、システム全体は、通常、一連のラビリンスシールを通過する加圧された空気でパージされ、軸通過冷却媒体システムを含む実施形態に流体が侵入する可能性をなくす。空気供給システムの最も重要な特徴の１つは、（ｉ）空気ベアリングを安定させそれによりシステムを８０，０００ＲＰＭまでの速さで回転させることができるようにするため、及び、（ｉｉ）工具変更のためのシステム位置ブレーキを解錠するために、３０ｐｓｉを超える圧力で加圧された空気を供給することである。システム位置ブレーキは、工具を取り換えるたびに、ステーターを機械軸の方向に向け電気プランジャーを同じ方向に向ける役割を果たす。電気接続部は、グラファイトブラシ、銅電極、ニッケルメッキしたディスク、ファイバーフィンガー、カーボンロッド、その他のコンポーネントを含む一連の電極により作られる。これは、非常に速い表面速度に耐えることとなる、１インチ（２５．４ｍｍ）を超える直径のものを回転コネクタが受け入れることができるので、これらの実施形態での重要な特徴である。使用可能な他の素材はガリウムや水銀のような電気伝導性のある液体金属である。
【００２３】
図３及び４は、本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図を示し、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは開位置又は開状態で示されている。図５は、図３及び４の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの斜視図を示す。図６及び７は、本願発明の第２の実施形態による超音波機械加工モジュールの代替的な側面図を示し、外部高速回転コネクタが含まれ、高速回転コネクタは閉位置又は閉状態で示されている。図８は、図６及び７の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの透視図を示し、図９は、図６及び７の超音波機械加工モジュール及び高速回転コネクタの断面図を示す。これらの図に示された機能により、超音波機械加工モジュールに結合された機械加工工具に供給される機械的振動に電気エネルギーを変換するのに必要な超音波変換器の駆動部に、電気エネルギーが送り込まれる。そのため、フロントマス、バックマス、駆動エレメント、圧縮部材、及び、工具取り付け手法（例えば、コレット）を含む、一般的なランジュバン型構成を維持する一方で、基本的な超音波変換器の設計から発展させる。以下に説明する実施形態において、コンポーネントはすべて機械工具軸の外部コンポーネントを受け入れるのに適合しているという事実があるため、電気エネルギーを超音波変換器に送り込むシステムは、高速度の「外部」システムとなる。
【００２４】
図３〜９を参照して、超音波機械加工モジュール１１０には、工具ホルダー１２０、リテンションノブ１２２、ハウジング１４０、圧縮スタッド１４１、振動遮断領域１５２、超音波変換器アセンブリ１７０、変換器バックマス１７２、圧電セラミック１７４、変換器 フロントマス１７６、コレット１７７、軸フェースマウントクランプ１７９、左側スリップリングクラムシェルアーム１８１、クラムシェルアクチュエータ１８２、右側スリップリングクラムシェルアーム１８３、空気圧エアパージフィッティング１８５、電気ケーブルフィッティング１８７、電気ブラシ１８９、及び、高速回転電気トレース１９０が含まれる。この実施形態において、超音波機械加工モジュール１１０への電源供給は、工具チェンジャーアームに空間をもたらすために、１８０°開くようにしたクラムシェル設計に基づいて行われる。工具交換装置により機械加工システムの軸に超音波機械加工モジュール１１０が挿入されたとき、牽引棒によりリテンションノブ１２２が工具ホルダー１２０の合わせ面へと引き出される。一旦据え付けられると、工具交換装置が引っ込み、右側スリップリングクラムシェルアーム１８３と同時に左側スリップリングクラムシェルアーム１８１をクラムシェルアクチュエータ１８２により閉じられる。一旦閉じられると、高速回転電気トレース１９０が接触により接続され電気ブラシ１８９の周辺に連続性を生じさせる。電気ブラシ１８９は、回転による遠心力で電気ブラシ１８９が外側に押され、それにより高速回転電気トレース１９０に対して接触部を形成するよう、弾力性のあるスプリングに取り付けられる。システム電源より供給される高圧ケーブルとつながれる電気ケーブルフィッティング１８７を通して、電流が高速回転電気トレース１９０に送り込まれる。この動作の一部として、一般にソレノイドバルブが作動し、ハウジングアーム１８１及び１８３を正圧に加圧するために内部通路を加圧し、冷却媒体／残骸が侵入しハウジングアームを汚染するのを防止する。
【００２５】
図１０は、本願発明の第３の実施形態による超音波機械加工モジュールの側面図であり、超音波機械加工モジュールに取り付けられた機械加工工具に冷却媒体を送り込むための軸通過冷却媒体システムを含むのに適合している軸アセンブリの一端に外部高速回転電気コネクタが含まれる。回転軸アセンブリ２００には、超音波機械加工モジュール２１０、（機械加工工具を受け入れるのに適合している）コレット２１４、ベアリングハウジング２３０、駆動シャフト２４０、冷却媒体 アダプタ２４２、回転スリップリング２４４、位置合わせリング２４６、及び、冷却媒体ロータリーユニオン２５０が含まれる。図１１では、軸アセンブリ２００の詳細な断面図が提示され、以下のコンポーネント、即ち、超音波モジュール２００、超音波変換器２１２、コレット２１４、ハウジング２１６、工具ホルダー２２０、リテンションノブ２２２、ベアリングハウジング２３０、ベアリング２３２、電気接続部２３４、電極シャフト２３６、駆動シャフト２４０、冷却媒体 アダプタ２４２、回転スリップリング２４４、及び、冷却媒体ロータリーユニオン２５０の、軸アセンブリ２００内での相対的な位置が示されている。図１２では、超音波機械加工モジュール２１０を含む軸アセンブリ２００の一部の断面図が提示され、以下の付加的な構造、即ち、振動減衰構造２１８、変換器冷却媒体カップラー２２４、電気接続部２３４、電極シャフト２３６、及び、冷却媒体プラグ２３８が描かれている。図１３では、冷却媒体ロータリーユニオン２５０を含む軸アセンブリ２００の一部の断面図が提示され、以下の付加的な構造、即ち、電極経路２３７及び冷却媒体電極シール２５４が描かれている。
【００２６】
この実施形態において、電気エネルギーは、軸アセンブリ２００に形成された中央部全長にわたる通路（電極シャフト２３６）に配置された導体を用いて超音波変換器２１２に送られる。導体は軸アセンブリ２００を通って平行に走り、電気接続部２３４でリテンションノブ２２２（これはハウジング２１６内の工具ホルダー２２０の位置も定める）内に配置された電極と電気的接触を行い、電気接続部２３４は一般に２本の導体ピンによる接続となる。電気接続部２３４にはまたプラグ及びステムが含まれ、プラグ２３８は電気接続部となり、ステムは、流体用導管２３５を通る冷却媒体の流れから電気コンポーネントをシールするためにリテンションノブ２２２の本体に突き出ている。電極シャフト２３６には、冷却媒体が流れる動作状態において軸アセンブリ２００に生じる高圧状態に耐えるためにステンレス鋼のインナースリーブが含まれる。種々の工具交換装置の機能とつなげるために、工具を交換する場合に（以下の第４の実施形態についての説明を参照のこと）プランジャー装置により圧縮することができるような状態で正負の電極が置かれる。電気エネルギーは、超音波機械加工モジュール２１０の反対側になる軸アセンブリ２００の端部に取り付けられた高電圧回転スリップリング２４４により供給される。回転スリップリング２４４は、配線路２３７を通って配線された正負の電極を露出し、プロセッサー主ケーブルとの電気的接続を可能にする。流体用導管２３５を通る冷却媒体（又は空気）を流すために通常の回転コネクタを使用しやすくする、ロータリーユニオン２５０が回転スリップリング２４４に隣接する。
【００２７】
図１４〜１６は、それぞれ、本願発明の第４の実施形態による超音波機械加工モジュールの断面図を示し、高速回転コネクタは、超音波機械加工モジュールを含むが軸通過冷却媒体システムを含まない軸アセンブリの一端に含まれる。軸アセンブリ３００は、前述の実施形態に類似しており、超音波機械加工モジュール３１０、超音波変換器３１２、コレット３１４、振動遮断領域３１８、工具ホルダー３２０、リテンションノブ３２２、電極シャフト３３６、フローティング電極３３７、ばね付勢プランジャー３３９、及び回転スリップリング３４４を有する。前述の実施形態と同様に、電気エネルギーは、軸アセンブリ３００内に形成された中央全長にわたる通路（電極シャフト３３６）に配置された導体を用いて、超音波変換器３１２に供給される。電気エネルギーは、軸アセンブリ３００の、超音波機械加工モジュール３１０の反対側となる一端に取り付けられた高電圧回転スリップリング３４４により供給される。回転スリップリング３４４から配線された正負の電極を露出し、これにより、プロセッサー主ケーブルとの電気的接続を可能にする。図１５は、高速回転コネクタ３４４を有する軸アセンブリ３００の一部を示す超音波機械加工モジュール３１０の断面図を提示する。図１５に示すように、この実施形態では、この接続を種々の工具交換装置と互換性があるようにするため、フローティング電極３３７及びばね付勢プランジャー３３９を用いる。図１３及び１４において、ばね付勢プランジャー３３９は、解放された状態を示す。
【００２８】
本願発明を、例示的実施形態の記載により概略説明し、実施形態をある程度詳細に説明したが、このことは、あらゆる意味で、添付請求の範囲をこのような詳細記載の範囲に限定することを意図するものではない。当該技術分野で通常の知識を有する者にとって、さらなる利点及び修正があることは自明である。従って、本発明の広義の特徴は、具体的詳細、代表的装置及び代表的方法、及び／又は、図示し説明した概略例に限定されない。従って、全体的な発明概念の精神及び範囲から逸脱することなく、詳細な説明から離れることができる。
【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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【国際調査報告】
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