JP2003340691A - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 連続して被加工物の加工を精度よく行うこと
ができる超音波加工装置を提供する。 【解決手段】 超音波穿孔装置（超音波加工装置）１の
昇降テーブル１１の上面には、工具９に対向する位置に
ワーク台（治具）１２が設けられている。このワーク台
１２は、焼きばめされたプレート５１と基板５４とから
形成されている。このプレート５１は、後述の砥粒より
硬い素材（例えばＰＣＤ）で形成された基準面５２と、
超硬合金で形成された台５３とから成っている。ワーク
（被加工物）１３は、昇降テーブル１１に設けられたワ
ーク台１２の基準面５２に固定される。そして、超音波
穿孔装置１は、超音波により工具９を振動させ、この振
動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を
ワーク１３に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超音波加工装置の
技術に関する。詳細には、超音波加工装置の昇降テーブ
ルに設けられた治具の基準面の技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、工具と被加工物との間に砥粒
を流しながら、超音波により工具を振動させ、この振動
を工具と被加工物との間に介在する砥粒に伝達すること
により、昇降テーブルに設けられた治具の基準面に固定
した被加工物を工具形状に倣った形状に超音波加工する
こととした超音波加工装置の技術は公知となっている。
この超音波加工装置は他の一般加工装置と同様に、一つ
の被加工物について加工が完了したときは、治具からそ
の被加工物を取り外して新しい被加工物を取り付けて、
再び加工を行うことができるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超音波
加工装置は、連続して何個も被加工物の加工を行うと、
被加工物と治具の基準面に余分な砥粒が入り込み、この
入り込んだ砥粒と被加工物自身に工具からの振動が伝わ
ることで、被加工物を保持している治具の基準面が削ら
れ、精度が悪くなるという不具合があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の解決しようとす
る課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するた
めの手段を説明する。

【０００５】即ち、請求項１においては、超音波により
工具を振動させ、この振動を被加工物との間に介在する
砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を前記
被加工物に形成する超音波加工装置において、前記被加
工物は、昇降テーブルに設けられた治具の基準面に固定
され、前記治具の基準面は、前記砥粒よりも硬い部材で
形成されることを特徴とする超音波加工装置としたもの
である。

【０００６】請求項２においては、請求項１に記載の超
音波加工装置であって、前記部材は、ＰＣＤであること
を特徴とする超音波加工装置としたものである。

【０００７】請求項３においては、請求項１または２に
記載の超音波加工装置であって、前記部材は、焼きばめ
により、前記治具の基準面として、該治具に保持される
ことを特徴とする超音波加工装置としたものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に、発明の実施の形態を、添付
の図面を参照して具体的に説明する。

【０００９】〔装置全体の概略構成〕本発明の一実施形
態としての超音波穿孔装置（超音波加工装置）の全体側
面図が図１に、全体正面図が図２に、それぞれ示され
る。この図１，図２に示すように、この超音波穿孔装置
１は、床上に設置される基台２の上にコラム３を立設
し、このコラム３に穿孔ヘッド部４を支持する構成とな
っている。

【００１０】コラム３にはネジ軸５が上下方向に配置さ
れ、回転自在に支持されている。このネジ軸５に昇降体
６が螺着されて、ネジ軸５と昇降体６とにより公知のボ
ールネジ機構が構成されている。このネジ軸５には、コ
ラム３上に設置されたモータ７のモータ軸が連結されて
いる。この構成においてモータ７を正逆方向に回転駆動
することで、昇降体６の上下位置を変更することができ
る。コラム３には更にリニアガイドが上下方向に配設さ
れて（図略）、このリニアガイドに沿って上下変位可能
に、連結体８が備えられている。この連結体８に前記昇
降体６が連結されることで、連結体８（ひいては、この
連結体８に備えられる穿孔ヘッド部４）を上下方向（Ｚ
方向）に移動させることができる。

【００１１】連結体８には穿孔ヘッド部４が上下摺動自
在に支持される。穿孔ヘッド部４には穿孔を行うための
工具９が取り付けられるとともに、この工具９に超音波
振動を与えるための機構が備えられている。この工具９
は、高硬度の多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ：Poly Cryst
alline Diamond）により構成されている。

【００１２】基台２上には水平方向（ＸＹ方向）に移動
可能な移動テーブル１０が設置され、この移動テーブル
１０の上に、図２に示すように、昇降テーブル１１、カ
メラ部４１、研磨装置４２の三者が並べて配置される。
昇降テーブル１１上面の前記工具９に対向し得る位置に
は、被加工物としてのワーク１３が固定可能とされる。
このワーク１３としては種々のものが考えられるが、本
実施形態は、インクジェットプリンタ等のインクジェッ
トヘッドに圧電式アクチュエータとして使用される、圧
電セラミック材料（ＰＺＴ）を加工する場合を示してい
る。カメラ部４１は、工具９の向きを調整するために設
置される。また、研磨装置４２は、後述するホーン２３
の工具取付面２３ａを研磨するために設置される。

【００１３】装置全体を覆うように基台２上にはカバー
４３が設置されて、穿孔作業時に発生する切り粉や後述
する砥粒液が周囲に飛散しないように配慮されている。
装置の正面には開閉可能な両開き式の扉４４が設けられ
（図１）、ワーク１３の交換作業などの必要に応じて扉
４４を開いてカバー４３内部にアクセスできるようにな
っている。

【００１４】〔穿孔ヘッド部の構成〕穿孔ヘッド部４の
構成について、側面図である図３、正面図である図４、
および平面断面図である図５を主に参照しながら具体的
に説明する。この穿孔ヘッド部４は、前記連結体８に支
持される基部フレーム１４に、前記工具９を支持するた
めの工具フレーム１７を上下摺動自在に連結した構成と
なっている。基部フレーム１４には支軸１５が水平に架
設され、この支軸１５に、前後方向に細長いバランス体
１６の中央部が枢支されて揺動自在とされている。基部
フレーム１４上にはエアシリンダ１８が設置され（図
３，図４）、このシリンダロッド１９が下方に延出し
て、前記バランス体１６の一端に連結している。そし
て、バランス体１６の前記シリンダロッド１９が連結さ
れた一端に、前記工具フレーム１７が連結されている。
基部フレーム１４には変位センサ２０が設けられ、工具
フレーム１７の基部フレーム１４に対する相対変位を検
出できるように構成されている。

【００１５】図３に示すように、工具フレーム１７の下
端には環状のホーン支持部２１が軸受２２を介して旋回
可能に設けられ、このホーン支持部２１にホーン２３が
固定される。ホーン２３は上下方向に細長く形成され、
その上部には超音波振動子２４が固着されるとともに、
ホーン２３の下端には平坦な工具取付面２３ａが形成さ
れ、この工具取付面２３ａに対して前記工具９が脱着可
能に取り付けられる。なお、基部フレーム１４や工具フ
レーム１７を覆うように板状のカバー４５が設けられ
て、内部の超音波振動子２４等を保護できるようになっ
ている。

【００１６】図５の平面図に示すように、ホーン支持部
２１には側方に向けて突起２５が設けられて、この突起
２５の一側に、付勢体２６が工具フレーム１７に設けら
れている。付勢体２６は付勢バネ２８の弾発作用によ
り、突起２５を一側に向けて常時押動するように構成さ
れている。一方、付勢体２６に突起２５を挟んで対向す
る位置に、ツマミを有する角度微調整ネジ２７が工具フ
レーム１７に取り付けられる。この構成において、角度
微調整ネジ２７のツマミを一方向に回転させると、その
先端が突起２５を前記付勢体２６に抗して押すので、ホ
ーン支持部２１が図５の反時計回り方向に旋回される。
一方、ツマミを逆方向に回転させた場合は、ネジ２７の
先端が後退して、前記付勢体２６が突起２５を押すの
で、ホーン支持部２１は図５の時計回り方向に旋回され
る。従って、ネジ２７を適宜回転させることで、ホーン
支持部２１の角度（即ち、ホーン２３に取り付けられた
工具９の水平面内における向き）を微調整することがで
きる。なお、ヘッド前面には固定ネジ３６が設けられて
おり（図３・図４）、前述の微調整作業が終了した後は
このネジ３６を回転させて締め付けることで、ホーン支
持部２１が不用意に旋回しないよう固定できるようにな
っている。

【００１７】〔昇降テーブルの構成〕ワーク１３を固定
するための昇降テーブル１１の構成を、図６の側面図を
参照して説明する。この昇降テーブル１１は、移動テー
ブル１０の上に立設固定された基部フレーム２９と、こ
の基部フレーム２９に図示せぬリニアガイドを介して昇
降自在に設けられた昇降フレーム３１と、を有してい
る。

【００１８】前記基部フレーム２９にはリフトシリンダ
３０が取り付けられ、このシリンダロッド３２が上方に
延出して、その先端が前記昇降フレーム３１に連結され
ている。リフトシリンダ３０はエアシリンダ式に構成さ
れており、圧縮空気を供給／ドレンすることで、昇降フ
レーム３１の上下位置を変更することができる。基部フ
レーム２９には変位センサ３３が設置されて、昇降フレ
ーム３１の上下位置を測定できるようになっている。ま
た、内部のリフトシリンダ３０や変位センサ３３を保護
すべく、箱状のカバー４６が昇降フレーム３１に設けら
れる。

【００１９】昇降フレーム３１の上部は水平に構成さ
れ、この上に、ワーク１３を取り付けるためのワーク台
（治具）１２が設置される。また、ワーク台１２の脇の
位置において、昇降フレーム３１上にクランプ機構３４
が設けられている。このクランプ機構３４はエアシリン
ダで構成されており、ワーク台１２上にワーク１３を載
置した状態でエアシリンダを作動させると、伸張するシ
リンダロッド３５がワーク１３を水平方向へ押圧し、ワ
ーク台１２に設けられたガイド部に突き当てた状態で固
定するようになっている。

【００２０】この超音波穿孔装置１は図示せぬ砥粒液溜
めを備えており、この砥粒液溜めには、砥粒（例えば、
粒径４〜６μｍ程度のＳｉＣ）を分散させた液体が注入
されている。砥粒液溜めに接続させて、パイプや可撓性
のホースや管継手などからなる砥粒液循環経路が形成さ
れ、この経路が、前記昇降テーブル１１近傍に設けた中
継パイプ４７（図１，図２，図６に図示）に接続されて
いる。この中継パイプ４７には供給孔４８が形成される
とともに、更に該供給孔４８の近傍位置において、案内
棒４９が下向きに突設されている。案内棒４９は湾曲状
に構成されて斜め方向に向きを変え、その先端が、昇降
テーブル１１上のワーク台１２の直上方に位置してい
る。この構成で、砥粒液溜めに設置された図略のポンプ
を駆動させると、砥粒液は中継パイプ４７内に送られ、
その一部が供給孔４８を介して外部に漏出する。中継パ
イプ４７の外面に漏れ出た砥粒液は案内棒４９を伝って
ワーク台１２上に落下し、工具９による加工に用いられ
る。

【００２１】〔ワーク台の構成〕昇降テーブル１１のう
ち、ワーク１３が固定されるワーク台１２の構成を、図
７（ａ）の側面図、及び図７（ｂ）の斜視図を参照して
説明する。ワーク台１２は、ホーン２３の工具９に対向
する位置に設けられており、基板５４と、この基板５４
の上面に焼きばめにより接合されたプレート５１と、を
有している。

【００２２】前記プレート５１は、上面にワークが設置
される基準面５２と、基準面５２の下面に接着される台
５３と、から形成されている。この基準面５２と台５３
とは、ロー付けなどにより接着固定されている。なお、
基準面５２は、上面と下面が同一形状となるように形成
されており、台５３は、上面から下面に向けて末広がり
となる、略「八」の字状に形成される。基準面５２は、
砥粒よりも硬い材料で形成されている。例えば砥粒とし
てＳｉＣを使用した場合は、基準面５２はＳｉＣや、ア
ルミナなど、セラミック系の材料を用いれば良い。ただ
し、砥粒による摩耗を確実に防止する観点からは、基準
面５２は、ＰＣＤ（Poly Crystalline Diamond、多結晶
ダイヤモンド）や、ｃＢＮ（Cubic Boron Nitride、立
方晶窒化ホウ素）など、難削材の加工工具先端に用いら
れるようなきわめて硬度の高い焼結体材料で形成されて
いることが望ましい。また、台５３は、超硬合金で形成
されている。

【００２３】一方、前記基板５４は、固定ネジ５５によ
り、昇降フレーム３１の上部にネジ止めされる。また、
基板５４の上面には、プレート５１を接合するための取
付溝５６が設けられている（図７（ｂ）に図示）。この
取付溝５６の形状は前述の台５３に対応して略「八」の
字状とされ、かつ、この台５３の寸法より僅かに小さい
形状に構成されている。基板５４は、プレート５１に比
べて線膨張係数が大きな材質で形成されており、後述す
る焼きばめの際に、収縮する基板５４の前記取付溝部５
６がプレート５１に過大な締め付け力を加えないように
配慮されている。特に、基準面５２が脆性材料（例え
ば、前述のＰＣＤ）で構成されている場合は、基板５４
自体がクッション材として機能するため、焼きばめの際
にプレート５１に過大な力が加わって基準面５２が割れ
てしまう事態を回避することができる。

【００２４】次に、以上に示したプレート５１と基板５
４の構成において、プレート５１と基板５４とを焼きば
めにより接合する作業を説明する。即ち、基板５４を適
宜の方法で熱することにより、基板５４の上面の取付溝
５６を膨張させた上で、プレート５１をスライドさせて
挿入する（図７（ｂ）に図示）。基板５４の上面の取付
溝５６は熱で膨張して、プレート５１の台５３の寸法よ
りも大きくなるので、プレート５１の台５３の部分を取
付溝５６に嵌めることができる。そして、基板５４を冷
却すると、取付溝５６が収縮し、取付溝５６がプレート
５１を締め付ける形となって接合する（図７（ａ）に図
示）。即ち、冷却された際の取付溝５６の寸法はプレー
ト５１の台５３の寸法よりも小さいため、プレート５１
と基板５４とははずれにくい構成とすることができる。
なお、プレート５１と基板５４とが接合された後であっ
ても、基板５４を再度熱することにより、取付溝５６が
膨張されてプレート５１を基板５４から取り外すことが
可能である。

【００２５】〔穿孔作業の様子の説明〕以上に示した構
成において、実際に工具９を超音波振動させてワーク１
３に穿孔する作業を説明する。まず、ワーク１３を前記
クランプ機構３４によりワーク台１２の基準面５２上に
固定したのち、前記移動テーブル１０をＸＹ方向に移動
させるとともに、前記モータ７を駆動して穿孔ヘッド部
４を下降させ、図６の鎖線で示すように、前記工具９が
ワーク１３のすぐ上に僅かな隙間をおいて位置するよう
にする。そして、変位センサ３３で昇降フレーム３１の
位置を常時測定しながら、リフトシリンダ３０に圧縮空
気を供給して、シリンダロッド３２を徐々に伸張させて
昇降フレーム３１を上方向へ移動させ、ワーク１３を上
昇させる。そして、ワーク１３の上面が工具９に接触し
た瞬間の昇降フレーム３１の位置を、装置１を制御する
コントローラの適宜の記憶手段にゼロ位置として記憶し
ておく。そして、穿孔ヘッド部４の超音波振動子２４を
駆動し、ホーン２３を介して振幅数μｍ程度の上下方向
の超音波振動を工具９に付与しながら、リフトシリンダ
３０に圧縮空気を供給してワーク１３を上昇させ、工具
９に対し押し付ける。また、前記砥粒液循環経路のポン
プが駆動されることにより、中継パイプ４７から案内棒
４９を経由して砥粒液が工具９の周囲に供給される。こ
れによりワーク１３は、工具９との間にある砥粒によっ
て削られてゆき、工具９に倣った形状の溝や孔等がワー
ク１３の上面に形成される。

【００２６】前述の加工作業において、砥粒がワーク１
３とワーク台１２の基準面５２との間に入り込むことが
あるが、本発明ではワーク台１２の基準面５２が砥粒よ
りも硬い素材（ＰＣＤなど）で形成されているため、基
準面５２がこの入り込んだ砥粒とワーク１３自身により
削られることが防止される構成となっている。

【００２７】なお、前述した穿孔ヘッド部４のエアシリ
ンダ１８（図３）は、工具フレーム１７の変位を変位セ
ンサ２０で測定しながら必要に応じて圧縮空気の給排を
行って、工具フレーム１７を支持する力を調節してい
る。これにより、穿孔作業中にワーク１３に対し過大な
力で工具９が押し付けられることが防止されるので、本
実施形態の圧電セラミックのような脆性材料のワーク１
３を加工する場合でも、ワーク１３の破損が十分に回避
される構成となっている。

【００２８】工具９によりワーク１３に穿孔を行ってい
る間も、前記昇降フレーム３１の位置が変位センサ３３
（図６）によって常時測定されている。そして昇降フレ
ーム３１が、前記ゼロ位置から所定の距離だけ上昇した
時点で、リフトシリンダ３０への圧縮空気の供給が停止
され、ワーク１３の上昇が停止される。この結果、前記
ワーク１３には、正確に当該距離だけの深さの孔あるい
は溝を形成することができる。

【００２９】以上、本発明の好適な実施の形態について
説明したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるも
のではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさ
まざまな設計変更が可能なものである。

【００３０】前記実施の形態においては、ワーク台１２
は、基板５４と、この基板５４の上面に焼きばめにより
接合されたプレート５１と、を有しているが、それに限
られない。例えば、基板５４とプレート５１とは、ネジ
止めにより螺合されてもよいし、接着剤により接着され
てもよい。また、例えば、図８に示すように、上面にワ
ークが設置される基準面５２と基準面５２の下面にロー
付けなどにより接着固定される台５３とから形成される
プレート５１と、基板５４と、をロー付けにより接着固
定し、固定ネジ５５により、基板５４を昇降フレーム３
１の上部にネジ止めされていてもよい。

【００３１】また、前記実施の形態においては、ワーク
台１２のプレート５１は、ＰＣＤなど砥粒よりも硬い材
料で形成される基準面５２と超鋼で形成される台５３と
から構成されているが、それに限られない。例えば、プ
レート５１の基準面５２と台５３とを一体に構成して、
プレート５１全体をＰＣＤなど砥粒よりも硬い材料で形
成してもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、以上のように構成したので、
以下に示すような効果を奏する。

【００３３】即ち、請求項１に示す如く、超音波により
工具を振動させ、この振動を被加工物との間に介在する
砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を前記
被加工物に形成する超音波加工装置において、前記被加
工物は、昇降テーブルに設けられた治具の基準面に固定
され、前記治具の基準面は、前記砥粒よりも硬い部材で
形成されることを特徴とする超音波加工装置とした。従
って、治具の基準面が砥粒よりも硬い部材で形成されて
いることから、加工の際に、被加工物と治具との間に余
分な砥粒が入り込み、被加工物自身に超音波加工の微弱
な振動が伝わることにより、治具の基準面が磨耗されて
しまい、加工の精度が悪化するのを防ぐことができる。
従って、連続して安定した加工を行うことができる。ま
た、砥粒より硬い部材で治具全体を構成する場合に比し
ても、低コストで構成できるメリットがある。

【００３４】請求項２に示す如く、請求項１に記載の超
音波加工装置であって、前記部材は、ＰＣＤであること
を特徴とする超音波加工装置とした。従って、治具の基
準面が砥粒よりも硬い部材であるＰＣＤで形成されてい
ることから、加工の際に、被加工物と治具との間に余分
な砥粒が入り込み、被加工物自身に超音波加工の微弱な
振動が伝わることにより、治具の基準面が磨耗されてし
まい、加工の精度が悪化するのを防ぐことができる。従
って、連続して安定した加工を行うことができる。ま
た、砥粒より硬い部材で治具全体を構成する場合に比し
ても、低コストで構成できるメリットがある。

【００３５】請求項３に示す如く、請求項１または２に
記載の超音波加工装置であって、前記部材は、焼きばめ
により、前記治具の基準面として、該治具に保持される
ことを特徴とする超音波加工装置とした。従って、被加
工物を固定する治具の基準面が焼きばめにより確実に治
具に保持され、連続して安定した加工を行うことができ
る。また、熱して冷ますだけでよいので、固定の方法も
容易である。更には、再度熱することで治具の基準面を
治具から容易に取り外すことができるので、治具の基準
面を新しいものに交換する必要が生じた場合も、容易に
作業を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る超音波穿孔装置の全
体的な構成を示した側面図。

【図２】同じく正面図。

【図３】穿孔ヘッド部の側面図一部断面図。

【図４】同じく正面図。

【図５】同じく平面断面図。

【図６】昇降テーブルの側面断面図。

【図７】ワーク台を示す図である。（ａ）はワーク台の
側面断面図。（ｂ）はワーク台の分解斜視図。

【図８】本発明の別の実施形態に係るワーク台の側面断
面図。

【符号の説明】

１ 超音波穿孔装置 ９ 工具 １１ 昇降テーブル １２ ワーク台（治具） １３ ワーク（被加工物） ５２ 基準面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横井 勝彦 愛知県名古屋市瑞穂区苗代町15番１号 ブ ラザー工業株式会社内 Ｆターム(参考） 3C049 AA07 AA17 AC04 CB01 3C058 AA07 AB04 CB01 DA02 DA10 5D107 AA09 AA11 BB01 CC01 FF09

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波により工具を振動させ、この振動
   を被加工物との間に介在する砥粒に伝達することにより
   工具形状に倣った形状を前記被加工物に形成する超音波
   加工装置において、 前記被加工物は、昇降テーブルに設けられた治具の基準
   面に固定され、 前記治具の基準面は、前記砥粒よりも硬い部材で形成さ
   れることを特徴とする超音波加工装置。
2. 【請求項２】 前記部材は、ＰＣＤであることを特徴と
   する請求項１に記載の超音波加工装置。
3. 【請求項３】 前記部材は、焼きばめにより、前記治具
   の基準面として、該治具に保持されることを特徴とする
   請求項１または２に記載の超音波加工装置。