(57)【要約】  加工対象物が配置される基台、基台上に立設された支柱、支柱に昇降可能に取り付けられた支持部材、支持部材により加工対象物の配置領域の上方に支持された中空モータ、このモータに接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル、スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、この柄部の側面にてチャックに支持固定された工具、この工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置は、その構成が簡単であり、そして各種の工具に簡単な方法により超音波振動を付与して機械加工を行なうことができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物が配置される基台、該基台上に立設された支柱、該支柱に昇降可能に取り付けられた支持部材、該支持部材により該加工対象物の配置領域の上方に支持された中空モータ、該モータに接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル、該スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、該柄部の側面にて該チャックに支持固定された工具、該工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および該超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置。
【請求項２】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、該ボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状支持部材とからなる請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項３】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項４】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項５】
潤滑層が固体からなる固体潤滑層である請求項１に記載の機械加工装置。
【請求項６】
固体潤滑層が工具もしくは超音波振動付与部材に固定されている請求項５に記載の機械加工装置。
【請求項７】
基台、該基台の上に昇降可能に設置された、加工対象物が配置されるステージ、該基台上に立設された支柱、該支柱に取り付けられた支持部材、該支持部材によりステージの上方に支持された中空モータ、該モータに接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル、該スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、該柄部の側面にて該チャックに支持固定された工具、該工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および該超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置。
【請求項８】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、該ボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状支持部材とからなる請求項７に記載の機械加工装置。
【請求項９】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる請求項７に記載の機械加工装置。
【請求項１０】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる請求項７に記載の機械加工装置。
【請求項１１】
潤滑層が固体からなる固体潤滑層である請求項７に記載の機械加工装置。
【請求項１２】
固体潤滑層が工具もしくは超音波振動付与部材に固定されている請求項１１に記載の機械加工装置。
【請求項１３】
加工対象物が配置される基台、該基台上に立設された支柱、該支柱に昇降可能に取り付けられた支持部材、該支持部材により該加工対象物の配置領域の上方にて回転可能に支持された上下に伸びる中空スピンドル、該支持部材に固定され、駆動軸が該中空スピンドルと回転伝達手段を介して係合しているモータ、該スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、該柄部の側面にて該チャックに支持固定された工具、該工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および該超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置。
【請求項１４】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、該ボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状支持部材とからなる請求項１３に記載の機械加工装置。
【請求項１５】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる請求項１３に記載の機械加工装置。
【請求項１６】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる請求項１３に記載の機械加工装置。
【請求項１７】
基台、該基台の上に昇降可能に設置された、加工対象物が配置されるステージ、該基台上に立設された支柱、該支柱に取り付けられた支持部材、該支持部材により該加工対象物の配置領域の上方にて回転可能に支持された上下に伸びる中空スピンドル、該支持部材に固定され、駆動軸が該中空スピンドルと回転伝達手段を介して係合しているモータ、該スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、該柄部の側面にて該チャックに支持固定された工具、該工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および該超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置。
【請求項１８】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、該ボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状支持部材とからなる請求項１７に記載の機械加工装置。
【請求項１９】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる請求項１７に記載の機械加工装置。
【請求項２０】
超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って該スピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる請求項１７に記載の機械加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ドリルなどの工具を備える機械加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、柱状の柄部を備えたドリル、タップ、リーマ、エンドミル、あるいは砥石などの工具により機械加工を行なう際には、工具をその柄部の側面にて支持固定するチャックと、このチャックを回転させるモータとを備えた機械加工装置が用いられている。そして機械加工装置のチャックに支持固定された工具を回転させ、工具を加工対象物に接触させることにより各種の機械加工が行なわれる。【０００３】
一方、工具に超音波振動を付与することにより、機械加工の効率や精度が向上することは知られている。【０００４】
特開２０００−２５４８０１号公報には、駆動モータにより回転駆動されるスピンドルに形成された中空スリーブ内に配置された超音波振動子、この超音波振動子に同軸状に接続され且つ中空スリーブの内周壁に拘束固定される二個の支持ホーン、そして支持ホーンの底部に接続され先端に加工チップ（工具）が固定されたホルダホーンなどから構成されるスピンドル構造が開示されている。【０００５】
このスピンドルを回転させると、スピンドルの中空スリーブ内周壁に拘束固定された二個の支持ホーンが回転するため、支持ホーンの底部に接続されたホルダホーンに固定された工具、そして支持ホーンの頂部に接続された超音波振動子が回転する。超音波振動子は、二個の支持ホーンとホルダホーンとを介して加工チップに超音波振動を付与する。そして工具と共に回転する超音波振動子に超音波振動を発生させるための電気的エネルギーを付与するため、超音波振動子には環状の給電ブラシ（スリップリング）を介して給電ユニットが接続されている。【０００６】
この公報に記載のスピンドル構造では、超音波振動子から加工チップまでを、超音波振動負荷時に二個の支持ホーンに圧縮変形と引張り変形が配列方向の順に相互に引き起こされる振動が励起される構成とすることにより、支持ホーンからスピンドル側への超音波振動エネルギーの逃げが抑えられて超音波振動を加工チップ側に効率良く伝達できるとともに、ホルダホーンの半径方向の振れを抑えることができるとされている。そして、このスピンドル構造を用いることにより、加工チップによるワーク（加工対象物）の加工効率が向上するとともに、加工チップのワークに対する調心性が保たれて高精度の加工を維持できるとされている。【０００７】
また、同公報には、支持ホーンに所定の振動を励起するためには、超音波振動子の振動周波数、超音波振動子、支持ホーン、ホルダホーン及び加工チップの全体の固有振動数、そしてスピンドルを質点として含む振動系の固有振動数などが適切となるように、各部材の形状や質量を最適化すれば良いと記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２５４８０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の公報に記載のスピンドル構造を用いることにより、ある程度は高い精度で加工対象物を機械加工することができる。しかしながら、設計と異なる種類あるいはサイズの加工チップ（工具）を用いる場合には、上記のように支持ホーンに所定の振動を励起するために超音波振動子の振動周波数、超音波振動子、支持ホーン、ホルダホーン及び加工チップの全体の固有振動数などが適切となるように、各部材の形状や質量を最適化する必要がある。また、工具と共に回転する超音波振動子に電気的エネルギーを付与するためにスリップリングを用いるため、スピンドルの構成が複雑となる。また、スリップリングは、スリップリングが付設される回転軸がおよそ５０００回転／分を超える回転数で回転されると正常に電気エネルギーを伝達できないものが多い。このことから、スリップリングを備えるスピンドル構造を用いる場合には、工具を高速で回転させることが難しい。【０００９】
本発明の課題は、装置構成が簡単であり、そして各種の工具に簡単な方法により超音波振動を付与して機械加工を行なうことができる機械加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、加工対象物が配置される基台、基台上に立設された支柱、支柱に昇降可能に取り付けられた支持部材、支持部材により加工対象物の配置領域の上方に支持された中空モータ、このモータに接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル、スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、この柄部の側面にてチャックに支持固定された工具、この工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置にある。【００１１】
以下、このような構成の本発明の機械加工装置を、第一の構成の機械加工装置という。第一の構成の機械加工装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、このボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状支持部材とからなる。
（２）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、この棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる。
（３）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿って中空モータの上方まで伸びる棒状金属部材と、この棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる。
（４）潤滑層が固体からなる固体潤滑層である。
（５）固体潤滑層が工具もしくは超音波振動付与部材に固定されている。
（６）固体潤滑層が黒鉛もしくはフッ素樹脂を含む。【００１２】
本発明はまた、基台、基台の上に昇降可能に設置された、加工対象物が配置されるステージ、基台上に立設された支柱、支柱に取り付けられた支持部材、支持部材によりステージの上方に支持された中空モータ、このモータに接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル、スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、この柄部の側面にてチャックに支持固定された工具、この工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置にもある。【００１３】
以下、このような構成の本発明の機械加工装置を、第二の構成の機械加工装置という。第二の構成の機械加工装置の超音波振動付与部材及び潤滑層の好ましい態様は、上記の第一の構成の機械加工装置の場合と同様である。【００１４】
本発明はまた、加工対象物が配置される基台、基台上に立設された支柱、支柱に昇降可能に取り付けられた支持部材、支持部材により加工対象物の配置領域の上方にて回転可能に支持された上下に伸びる中空スピンドル、支持部材に固定され、駆動軸が上記の中空スピンドルと回転伝達手段を介して係合しているモータ、スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、この柄部の側面にてチャックに支持固定された工具、この工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置にもある。【００１５】
以下、このような構成の本発明の機械加工装置を、第三の構成の機械加工装置という。第三の構成の機械加工装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子と、このボルト締めランジュバン型超音波振動子を下端部にて支持し、中空スピンドルの軸に沿ってスピンドル上端よりも上方に伸びる棒状支持部材とからなる。
（２）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿ってスピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、この棒状金属部材の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子とからなる。
（３）超音波振動付与部材が、上記工具の柄部の頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿ってスピンドル上端よりも上方に伸びる棒状金属部材と、該棒状金属部材の側面に固定された圧電振動子とからなる。
（４）潤滑層が固体からなる固体潤滑層である。
（５）固体潤滑層が工具もしくは超音波振動付与部材に固定されている。
（６）固体潤滑層が黒鉛もしくはフッ素樹脂を含む。【００１６】
本発明はまた、基台、基台の上に昇降可能に設置された、加工対象物が配置されるステージ、基台上に立設された支柱、支柱に取り付けられた支持部材、支持部材により加工対象物の配置領域の上方にて回転可能に支持された上下に伸びる中空スピンドル、支持部材に固定され、駆動軸が上記の中空スピンドルと回転伝達手段を介して係合しているモータ、上記スピンドルの下端部に固定されたチャック、柱状の柄部を備え、この柄部の側面にてチャックに支持固定された工具、この工具の柄部の頂面に潤滑層を介して接触配置された超音波振動付与部材、および超音波振動付与部材を工具の柄部の頂面に押し付ける荷重付与部材からなる機械加工装置にもある。【００１７】
以下、このような構成の本発明の機械加工装置を、第四の構成の機械加工装置という。第四の構成の機械加工装置の超音波振動付与部材及び潤滑層の好ましい態様は、上記の第三の構成の機械加工装置の場合と同様である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の機械加工装置では、回転する工具に、その柄部の頂面に潤滑層を介して静止した状態にて接触配置された超音波振動付与部材にて発生させた超音波振動を付与する。このため超音波振動付与部材が備える超音波振動子には、スリップリングを用いずに、交流電源を直接接続して電気的エネルギーを付与することができる。また、本発明の機械加工装置では、上記の公報に記載のスピンドル構造のように工具と超音波振動子とを回転させるためにスピンドルの中空スリーブ内周壁に拘束固定される二個の支持ホーンを用いる必要がなく、また二個の支持ホーンに圧縮変形と引張り変形が配列方向の順に相互に引き起こさせるような特別の振動を励起する必要もない。このように本発明の機械加工装置は、その構成が簡単であり、そして各種の工具に簡単な方法により超音波振動を付与して機械加工を行なうことができる。また、本発明の機械加工装置は、スリップリングを用いていないために工具を高速で回転させることも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の機械加工装置を、添付の図面を用いて説明する。図１は、本発明の機械加工装置の第一の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。【００２０】
図１の機械加工装置１０は、加工対象物１１が配置される基台１２、基台１２の上に立設された支柱１３、支柱１３に昇降可能に取り付けられた支持部材１４、支持部材１４により加工対象物１１の配置領域の上方に支持された中空モータ１５、モータ１５に接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル１６、スピンドル１６の下端部に固定されたチャック１７、柱状の柄部１８ａを備え、この柄部１８ａの側面にてチャック１７に支持固定された工具１８、工具１８の柄部１８ａの頂面に固体潤滑層１９を介して接触配置された超音波振動付与部材２０、そして超音波振動付与部材２０を工具１８の柄部１８ａの頂面に押し付ける荷重付与部材２１から構成されている。図１の機械加工装置１０が備える工具１８としては、例えば、ドリルが用いられている。【００２１】
図１の機械加工装置１０の支柱１３は、基台１２の上に設置されたモータ２８に接続されて回転可能とされ、その外周面にはねじが形成されている。支柱１３の頂部は、基台１２の上に立設された補助支柱３１の上部に備えられたベアリング３０によって回転可能に支持されている。また、支柱１３のねじが形成された部位には、ナット２９が嵌め合わされている。中空モータ１５を支持する支持部材１４は、ナット２９を介して支柱１３に取り付けられている。そしてモータ２８を作動させて支柱１３を回転させることにより、ナット２９に固定された支持部材１４を、支柱１３の長さ方向に沿って上昇あるいは下降させることができる。【００２２】
支持部材１４により加工対象物１１の配置領域の上方に支持された中空モータ１５には、中空スピンドル１６が接続されている。この中空モータ１５を作動させて中空スピンドル１６を回転させることにより、スピンドル１６の下端部に備えられたチャック１７に支持固定された工具１８が回転する。そして、上記のようにして支持部材１４を下降させると、工具１８が回転しながら加工対象物１１に接触して、加工対象物１１が機械加工、例えば、工具１８としてドリルを用いた場合には穴あけ加工される。【００２３】
工具１８の例としては、柱状の柄部を備えたドリル、タップ、リーマ、エンドミル、砥石、および超音波砥粒加工用の工具などが挙げられる。これらの工具を用いて機械加工を行なう際に、加工対象物と工具との間に砥粒を含むスラリを供給することもできる。加工対象物と工具との間に砥粒スラリを供給することにより、機械加工の効率を高くすることができる。砥粒スラリに含まれる砥粒の例としては、酸化アルミニウム粒子、酸化ケイ素粒子、酸化クロム粒子、酸化鉄粒子、炭化ケイ素粒子、窒化ホウ素粒子、およびダイヤモンド粒子が挙げられる。砥粒スラリの溶媒の例としては、水や油などが挙げられる。【００２４】
そして図１の機械加工装置１０の工具１８の柄部１８ａの頂面には、固体潤滑層１９を介して超音波振動付与部材２０が接触配置されている。図１の機械加工装置１０の超音波振動付与部材２０は、上記の工具１８の柄部１８ａの頂面に接触配置されたボルト締めランジュバン型超音波振動子２２と、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２２を下端部にて支持し、中空スピンドル１６の軸に沿って中空モータ１５の上方まで伸びる棒状支持部材２３とから構成されている。棒状支持部材２３は支持部材１４に固定されたリニアガイド２７によって上下に移動可能とされている。【００２５】
ボルト締めランジュバン型超音波振動子（以下、ランジュバン型振動子ともいう）２２は、中空円柱状の支持部材の底板２４と圧電振動子２５ａ、２５ｂとの積層体を、上側と下側のそれぞれに配置された金属部材２６ａ、２６ｂと共にボルト（図示は略する）により締め付けることにより構成され、底板２４に固定される。【００２６】
圧電振動子２５ａ、２５ｂはそれぞれ、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料から形成された板状の圧電体と、その上面及び下面にそれぞれ付設された電極層とから構成されている。電極層としては、例えば、銀やリン青銅などから形成された薄膜（もしくは薄板）が用いられる。【００２７】
圧電振動子２５ａ、２５ｂが備える圧電体はそれぞれ、例えば、その厚み方向に分極される。この場合には、圧電振動子２５ａ、２５ｂを、各々の圧電体の分極方向が互いに逆向きとなるように重ね合わせて配置することが好ましい。【００２８】
金属部材２６ａ、２６ｂは、例えば、チタンやステンレススチールなどの金属材料から形成される。【００２９】
そして圧電振動子２５ａ、２５ｂのそれぞれに、各々の電極層を介して電気的エネルギー（例、交流電圧）を付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子２２が超音波振動を発生する。【００３０】
なお、本発明の機械加工装置に用いる超音波振動付与部材は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を用いる構成に限定されず、公知の超音波振動子を備えた構成とすることもできる。超音波振動子の例としては、電歪振動子及び磁歪振動子が挙げられる。電歪振動子の例としては、圧電振動子や上記のボルト締めランジュバン型超音波振動子が挙げられる。磁歪振動子の例としては、金属磁歪振動子およびフェライト振動子が挙げられる。超音波振動子としては、その構成が簡単であることから、電歪振動子を用いることが好ましい。【００３１】
本発明の機械加工装置１０の超音波振動付与部材２０は、そのボルト締めランジュバン型超音波振動子２２及び棒状支持部材２３が、回転駆動される中空スピンドル１６及びチャック１７のいずれにも固定されておらず、静止した状態にてランジュバン型振動子２２で発生させた超音波振動を工具１８に付与することができる。このため超音波振動付与部材２０のランジュバン型振動子２２には、スリップリングを用いずに、交流電源を直接接続して電気的エネルギーを付与することができる。また、本発明の機械加工装置では、上記特開２０００−２５４８０１号公報のスピンドル構造のように工具と超音波振動子とを回転させるためにスピンドルの中空スリーブ内周壁に拘束固定される二個の支持ホーンを用いる必要がなく、また二個の支持ホーンに圧縮変形と引張り変形が配列方向の順に相互に引き起こさせるような特別の振動を励起する必要もない。このように本発明の機械加工装置は、その構成が簡単であり、そして各種の工具に簡単な方法により超音波振動を付与して機械加工を行なうことができる。また、本発明の機械加工装置は、スリップリングを用いる必要がないために工具を高速で回転させることも可能である。【００３２】
次に、図１の機械加工装置１０の固体潤滑層１９について説明する。固体潤滑層１９は、回転する工具１８とその柄部１８ａの頂面に接触配置される超音波振動付与部材２０との摩擦係数を小さくする働きをする。固体潤滑層１９は、次に記載する固体潤滑剤から形成された層であるか、あるいは固体潤滑剤を含む固体材料から形成された層である。固体潤滑剤は、既に知られている材料であるため、以下では簡単に説明する。固体潤滑剤は、以下の四つのグループの固体潤滑剤に大別される。【００３３】
第一のグループに属する固体潤滑剤は、層状の結晶構造を有する材料である。その例としては、黒鉛、二硫化モリブデンや二硫化タングステンなどの硫化物、フッ化炭素などのフッ化物、および窒化ボロンなどの窒化物が挙げられる。固体潤滑層は、例えば、これらの固体潤滑剤を層状に形成して得られる。【００３４】
第二のグループに属する固体潤滑剤は、摺動用部材として用いられる樹脂材料である。その例としては、フッ素樹脂、ポリアミド樹脂、およびポリエチレン樹脂が挙げられる。【００３５】
第三のグループに属する固体潤滑剤は、自己潤滑性複合材料と呼ばれており、例えば、金属材料と上記の第一のグループに属する固体潤滑剤（例えば、黒鉛や二硫化モリブデン）とが複合化された材料、あるいは第一のグループに属する固体潤滑剤と第二のグループに属する固体潤滑剤とを複合化した材料が挙げられる。複合化の方法は様々であるが、その例として、黒鉛に金属材料を含浸する方法、および上記の第二のグループに属する固体潤滑剤である樹脂材料に、第一のグループに属する固体潤滑剤の粉末（例えば、二硫化モリブデンの粉末）を添加する方法が挙げられる。【００３６】
第四のグループに属する固体潤滑剤は、鉛、錫、金あるいは銀などの金属薄膜である。通常、固体潤滑剤として用いられる金属薄膜の厚みは、１乃至１０μｍの範囲に設定される。金属薄膜を形成する方法の例としては、イオンプレーティング法やスパッタ法が挙げられる。【００３７】
このように、本発明の機械加工装置において、超音波振動付与部材と工具との間に配置される潤滑層は固体潤滑層であることが好ましい。潤滑層としては、上記の固体潤滑層に代えて、グリースなどの半固体潤滑剤から形成された半固体潤滑層、あるいは油などの液体潤滑剤から形成された液体潤滑層、あるいはこれらの潤滑剤に上記の第一のグループに属する固体潤滑剤の粉末を添加したものから形成された潤滑層を用いることもできる。さらに、固体潤滑層と工具あるいは超音波振動付与部材との間に、上記の半固体潤滑層あるいは液体潤滑層を設けてもよい。図１の機械加工装置１０のように潤滑層として固体潤滑層を用いると、油などが加工対象物に落下、そして付着して加工対象物が汚染されることを防止することができる。【００３８】
固体潤滑層１９は、工具１８もしくは超音波振動付与部材２０に固定されていることが好ましい。固体潤滑層１９と工具１８とは、例えば、エポキシ樹脂により互いに接合される。【００３９】
図１の機械加工装置１０の固体潤滑層１９は、スピンドル油を含む平均粒径が０．５μｍのグラファイト粉末を５質量％、およびフッ素樹脂（例、ポリ四フッ化エチレン）の粉末を５質量％の割合で添加したエポキシ樹脂から形成されている。また、固体潤滑層は、黒鉛にアンチモン合金を含浸した自己潤滑性複合材料（ＳＣカーボンＮＣ−０７１、日本カーボン（株）製）から形成することも好ましい。【００４０】
また、図１に示すように、超音波振動付与部材２０を工具１８の柄部１８ａの頂面に十分に接触させるため、超音波振動付与部材２０の棒状支持部材２３の上には荷重付与部材２１として錘が置かれている。なお超音波振動付与部材２０のボルト締めランジュバン型超音波振動子２２と棒状支持部材２３の質量が十分に大きい場合には、超音波振動付与部材２０を荷重付与部材として用いることもできる。【００４１】
図２は、本発明の機械加工装置の第一の構成の別の例を示す一部切り欠き正面図であり、そして図３は、図２の機械加工装置４０が備える超音波振動付与部材５０の棒状金属部材５３が挿入された中空スピンドル４６及び工具４８が支持固定されたチャック４７の構成を示す分解斜視図である。図２の機械加工装置４０の工具４８としては、例えば、ドリルが用いられている。【００４２】
図２の機械加工装置４０の構成は、超音波振動付与部材５０が、工具４８の柄部４８ａの頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドル４６の軸に沿って中空モータ１５の上方まで伸びる棒状金属部材５３と、この棒状金属部材５３の頂部に固定されたボルト締めランジュバン型超音波振動子５２とから構成されていること以外は図１の機械加工装置１０と同様である。【００４３】
棒状金属部材５３は、例えば、チタンやステンレススチールなどの金属材料から形成される。【００４４】
また図３に示すように、中空スピンドル４６とチャック４７とは、スピンドル４６の下側に形成された逆円錐台状の部分をチャック４７の上部に形成された孔に押し込むことで互いの摩擦力によって仮固定される。このようなスピンドルとチャックの構成は、公知のボール盤などに採用されている公知のものである。このような構成によって、工具の直径に適した各種のチャックを使用することが可能となる。【００４５】
図２の機械加工装置４０の超音波振動付与部材５０のボルト締めランジュバン型超音波振動子５２にて発生した超音波振動は、棒状金属部材５３、そして固体潤滑層１９を介して工具４８に付与される。このように棒状金属部材５３を用いると、ランジュバン振動子５２を中空スピンドル４６の外部に配置することができるため、スピンドル４６の直径を小さくすることができ、機械加工装置の小型化が容易である。また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子５２の交換が容易であるため、機械加工の際に工具に付与する超音波振動の周波数を変更することが容易である。【００４６】
図４は、本発明の機械加工装置に用いる超音波振動付与部材の別の構成例とその工具への接触状態を示す図である。図４の超音波振動付与部材６０は、工具６８の柄部６８ａの頂面に下端面が接触配置され、中空スピンドルの軸に沿ってスピンドル上端よりも上方まで伸びる棒状金属部材６３と、棒状金属部材６３の側面の周方向に沿って固定された合計で四個の圧電振動子６２から構成されている。棒状金属部材６３の下端部付近は、固体潤滑層６９との良好な接触状態を確保するために円盤状に形成されている。【００４７】
また、図４に示す固体潤滑層６９は、下面に工具６８の柄部６８ａの直径と対応する直径の凹みが形成された円柱状の形状に設定されている。固体潤滑層６９と工具６８とは、固体潤滑層６９の下面の凹みに、工具６８をその柄部６８ａの頂面に接着剤（例、エポキシ樹脂）を塗布して差し込み、そして接着剤を硬化させることにより互いに接合される。このように工具６８の柄部６８ａの直径よりも大きい直径の固体潤滑層６９を用いると、固体潤滑層６９と棒状金属部材６３との接触面積が大きくなり、圧電振動子６２にて発生した超音波振動が工具６８に伝わり易くなる。【００４８】
図５は、本発明の機械加工装置の第一の構成のさらに別の例を示す一部切り欠き正面図である。図５の機械加工装置７０の構成は、超音波振動付与部材２０を工具１８の柄部１８ａの頂面に押し付ける荷重付与部材７１として、棒状支持部材２３と、支持部材１４に固定されたリニアガイド２７とを連結する合計で四つのコイルバネが用いられていること以外は図１の機械加工装置１０と同様である。このように、荷重付与部材としては、コイルバネなどの弾性体を用いることもできる。【００４９】
図６は、本発明の機械加工装置の第二の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。図６の機械加工装置８０は、基台１２、基台１２の上に昇降可能に設置された、加工対象物１１が配置されるステージ８１、基台１２の上に立設された支柱８３、支柱８３に取り付けられた支持部材１４、支持部材１４によりステージ８１の上方に支持された中空モータ１５、モータ１５に接続されて下方に伸びる回転可能な中空スピンドル１６、スピンドル１６の下端部に固定されたチャック１７、柱状の柄部１８ａを備え、この柄部１８ａの側面にてチャック１７に支持固定された工具１８、工具１８の柄部１８ａの頂面に固体潤滑層１９を介して接触配置された超音波振動付与部材２０、および超音波振動付与部材２０を工具１８の柄部１８ａの頂面に押し付ける荷重付与部材２１から構成されている。【００５０】
図６の機械加工装置８０は、図１の機械加工装置１０のように工具を下降させて加工対象物に接触させることにより加工対象物を機械加工するのではなく、ステージ８１を上昇させてステージ８１の上に配置された加工対象物１１を工具１８に接触させることにより加工対象物１１を機械加工する。ステージ８１としては、例えば、三次元位置決めステージを用いることができる。また、ステージとしては、例えば、図１の機械加工装置１０の支持部材１４と同様にして支柱に昇降可能に取り付けられた板材を用いることもできる。【００５１】
図７は、本発明の機械加工装置の第三の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。図７の機械加工装置９０は、加工対象物１１が配置される基台１２、基台１２の上に立設された支柱１３、支柱１３に昇降可能に取り付けられた支持部材１４、支持部材１４により加工対象物１１の配置領域の上方にて回転可能に支持された上下に伸びる中空スピンドル４６、支持部材１４に固定され、駆動軸９５ａが中空スピンドル４６と回転伝達手段９６を介して係合しているモータ９５、スピンドル４６の下端部に固定されたチャック４７、柱状の柄部４８ａを備え、この柄部４８ａの側面にてチャック４７に支持固定された工具４８、工具４８の柄部４８ａの頂面に固体潤滑層１９を介して接触配置された超音波振動付与部材５０、および超音波振動付与部材５０を工具４８の柄部４８ａの頂面に押し付ける荷重付与部材２１から構成されている。【００５２】
図７の機械加工装置９０の中空スピンドル４６は、支持部材１４の下面に固定されたベアリング１００によって回転可能とされている。この中空スピンドル４６と、支持部材１４に固定されたモータ９５の駆動軸９５ａとは回転伝達手段９６を介して係合されている。図７の機械加工装置９０の回転伝達手段９６としてはベルトが用いられている。回転伝達手段の例としては、ベルトの他にギヤなどが挙げられる。図７の機械加工装置９０の構成は、回転スピンドル４６を回転伝達手段９６を介して係合されたモータ９５により回転駆動する構成とされていること以外は図２の機械加工装置４０と同様である。【００５３】
また、図７の機械加工装置９０を、図６の機械加工装置８０の場合と同様に加工対象物が配置されるステージを上昇させて機械加工を行なう構成（第四の構成）とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の機械加工装置の第一の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。
【図２】本発明の機械加工装置の第一の構成の別の例を示す一部切り欠き正面図である。
【図３】図２の機械加工装置の超音波振動付与部材が備える棒状金属部材が挿入された中空スピンドル及び工具が支持固定されたチャックの構成を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の機械加工装置に用いる超音波振動付与部材の別の構成例とその工具への接触状態を示す図である。
【図５】本発明の機械加工装置の第一の構成のさらに別の例を示す一部切り欠き正面図である。
【図６】本発明の機械加工装置の第二の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。
【図７】本発明の機械加工装置の第三の構成の例を示す一部切り欠き正面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０  機械加工装置
１１  加工対象物
１２  基台
１３  支柱
１４  支持部材
１５  中空モータ
１６  中空スピンドル
１７  チャック
１８  工具
１８ａ  工具の柄部
１９  固体潤滑層
２０  超音波振動付与部材
２１  荷重付与部材
２２  ボルト締めランジュバン型超音波振動子
２３  棒状支持部材
２４  中空円柱状の支持部材の底板
２５ａ、２５ｂ  圧電振動子
２６ａ、２６ｂ  金属部材
２７  リニアガイド
２８  モータ
２９  ナット
３０  ベアリング
３１  補助支柱
４０  機械加工装置
４６  中空スピンドル
４７  チャック
４８  工具
４８ａ  工具の柄部
５０  超音波振動付与部材
５２  ボルト締めランジュバン型超音波振動子
５３  棒状金属部材
６０  超音波振動付与部材
６２  圧電振動子
６３  棒状金属部材
６８  工具
６８ａ  工具の柄部
６９  固体潤滑層
７０  機械加工装置
７１  荷重付与部材
８０  機械加工装置
８１  ステージ
８３  支柱
９０  機械加工装置
９５  モータ
９５ａ  モータの駆動軸
９６  回転伝達手段
１００  ベアリング
【図１】
2005049255.tif 000002
【図２】
2005049255.tif 000003
【図３】
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【図４】
2005049255.tif 000005
【図５】
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【図６】
2005049255.tif 000007
【図７】
2005049255.tif 000008
【国際調査報告】
2005049255.tif 000009
2005049255.tif 000010
2005049255.tif 000011
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