JP2006247808A - 流体静圧軸受超音波振動主軸 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の主軸では、高回転精度、高速回転が可能で超音波振動を発振することのできるものは市販されていない。これは、超音波振動の効果をマイクロ加工などにおいて有効利用していないからである。
【解決手段】超音波振動子を内蔵した主軸筒、モータおよび流体静圧軸受により構成された流体静圧軸受超音波振動主軸を提案した。超音波振動子は、電歪素子とフランジ、これらをボルトにより締結した軸からなっており、超音波振動子で発生する振動を、振動ホーン、チャックを介して工具に伝える超音波振動系を構成している。超音波振動系は、振動の節の位置となるフランジ部で主軸筒に固定され、主軸筒は、流体静圧軸受により保持され、回転可能である。モータおよび電歪素子は、外部より高周波電力をに非接触供給される。超音波振動子、振動ホーンおよびモータの発熱を冷却する目的で、フランジ、モータロータなどに穴が形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、穴あけ、２次元切削・研削加工または３次元切削・研削加工、詳しくは、マイクロドリルを用いた穴あけ、マイクロエンドミルやマイクロ電着／電鋳工具などを用いた２次元／３次元切削・研削加工などを行うために用いる流体静圧軸受超音波振動主軸に関する。

従来、マイクロ加工などに用いていた主軸は、電歪素子または磁歪素子を取りつけた主軸について、振動の節の位置を転がり軸受でささえるタイプのもの、あるいは、主軸全体を空気軸受けで支えるもの（例えば、特許文献１参照）がある。

以下、本発明の図面に記載した図２、図３により従来の主軸について説明する。

従来例１は、図２において、超音波振動子６に高周波電力を供給するために、ブラシ２２などを介した接触式の給電方法がとられており、超音波振動子６を含む回転主軸の軸受として転がり軸受１８が使用される形の超音波振動主軸が提案されている。

従来例２は、図３において、超音波振動する要素として超音波振動子６、振動ホーン７およびモータ１２aと１２bから構成される主軸全体を包んで支持する静圧空気軸受（超音波振動）スピンドルが提案されている。
特開平１１−１０４２０号 公報

上記従来例１では、ブラシ２２などを介した接触式の給電方法がとられているため、高速回転に耐えられずブラシなどの摩耗による摩耗粉が発生し、それが同じハウジング１９内に配置されている転がり軸受１８に侵入して損傷を起こし回転精度の劣化や回転不能になることがある。また、転がり軸受を使用しているため、超音波振動による変動力が軸受に作用し疲労破壊が急速に進行しやすい。

上記従来例２では、超音波振動する要素が超音波振動子６、振動ホーン７およびモータ１２を含む超音波振動系であるため、振動子に付加する動力が大きくなる。また、励磁コイル２１を介して超磁歪素子２０に給電する方式のため、超磁歪素子２０への供給エネルギー量および発熱が少なくない。また、超音波振動系全体を静圧空気軸受１３で包むように保持しており、超音波振動子が振動したときフランジ８に振動の節が存在するように設計しているが工具先端に荷重が作用したときフランジ８の上下には隙間が存在して振動しやすいため振動モードの変化が起こり得る。

この発明は上記課題を解消するものであり、高回転精度で高速回転が可能で、省エネルギー・メンテナンスフリーで、超精密マイクロ加工が高能率で行える流体静圧軸受超音波振動主軸を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、超音波振動を発生させる超音波振動子を内蔵した主軸筒、超音波振動子と主軸筒に回転を与えるモータおよび主軸筒を保持する流体静圧軸受により構成された流体静圧軸受超音波振動主軸を提案した。超音波振動子は、ボルトにより締結された裏打板、電歪素子、フランジおよび軸からなっており、超音波振動子で発生する振動を、振動振幅を増幅する振動ホーンを介して、振動ホーン端部に設けたチャックに取りつけられる工具に伝える超音波振動系を構成している。超音波振動子、振動ホーン、チャック、工具からなる超音波振動系において、フランジの位置は振動振幅が零となる節（ふし）の位置となり、超音波振動系は、フランジ部で主軸筒に固定される。モータおよび電歪素子には、外部より高周波電力が非接触手段により供給される。主軸筒は、流体静圧軸受内に満たされている気体又は液体の静圧により、軸方向および半径方向に保持されることにより、回転可能である。超音波振動子、振動ホーンおよびモータの発熱を冷却する目的で、フランジ、モータロータなどには穴が形成されている。

この発明の流体静圧軸受主軸は、主軸回転時の摩擦を小さく抑える作用および高回転精度を得るために、流体静圧軸受を用いることにより、数十万回転まで高速回転が可能であるため高能率加工が可能であり、また、工具の振れが小さく抑えられるので工具の折損が起こりにくく高精度加工が行える。さらに、流体静圧軸受は流体で主軸を支えるため、部品同士は非接触となり、超音波振動による軸受部品やモータ部品の疲労破壊が回避できる。

モータおよび超音波振動子に電力を供給する際のブラシの摩耗などのトラブルの要因を小さく抑える作用を得るために、モータロータと電歪素子への給電を電磁誘導（非接触）で行うことにより、従来技術１のようなブラシの摩耗がなく、摩耗粉によるトラブルの発生を抑える（メンテナンスフリー）ことができる。

主軸の熱膨張や振動振幅を小さく抑える作用を得るために、超音波振動を発生する部分に電歪素子を用いることで、消費電力が小さく発熱も小さくすること、振動振幅を小さく抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態を実施例となる図１に基づいて説明する。

超音波振動子６は、モータロータ１２aおよびモータステータ１２bを経由して高周波電力が供給される電歪素子２、電極板および半径方向変位の抑制の役割を果たすフランジ５、裏打板１と電歪素子２およびフランジ５をボルト４により締結した軸３からなっており、電歪素子２でフランジ５を挟み込み、これらをボルト４で軸３に締めつけるランジュバン型超音波振動子を形成している。

超音波振動子６は、マイクロドリルなどといった工具９を取りつけるためのチャック１０を端部に設けた振動ホーン７を接続している。超音波振動子６で発生する振動は、振動ホーン７でその振動振幅を増幅され、チャック１０に取りつけられた工具９に伝えられる。振動の周波数は、20kHzから100kHzの範囲で、振動振幅は、工具を取りつけた状態で0.1μｍから20μｍ程度までの範囲となるように設計されている。

超音波振動子６、振動ホーン７、チャック１０、工具９からなる超音波振動系において、フランジ５およびフランジ８の位置を振動振幅が零となる節（ふし）の位置とするよう各部の寸法は設計されている。超音波振動系は、フランジ５を主軸筒１１に納めることで半径方向変位を拘束されるとともに、フランジ８をボルト１４により主軸筒１１に固定している。

電歪素子２としては、チタン酸ジルコン酸鉛などの強誘電体材料が用いられる。その他部品には、アルミニウム合金、ステンレス鋼、チタン合金など、剛性などの設計要件を満たす金属材料が主として使用される。

モータ１２および電歪素子２は、電磁誘導などの手段で、外部より高周波電力を非接触供給される。

主軸筒１１は、流体静圧ラジアル軸受１３aおよび流体静圧スラスト軸受１３bによって、主軸の固定部である流体静圧軸受１３に対して半径方向および軸方向にそれぞれ非接触で支持される。ここでいう流体とは、空気や油などの気体又は液体のことである。非接触で支持される主軸筒１１は、１分間に数十万回転までの回転をすることができる。流体静圧ラジアル軸受１３aは、流体静圧軸受１３の内径面を軸受面とするものであり、圧縮流体の流路につながるいくつかの微細な絞り穴を軸受面に開いている。

フランジ５、モータロータ１２aとフランジ８には、超音波振動子６、振動ホーン７およびモータ１２の発熱を冷却する目的で、フランジ５に対して穴１５、モータロータ１２ａに対して穴１６、フランジ８に対して穴１７をあけている。

この発明の第１の実施形態にかかる流体静圧軸受主軸の断面図である。 従来例１の断面図である。 従来例２の断面図である。

符号の説明

１：裏打板
２：電歪素子（超音波振動付与部）
３：軸
４：ボルト
５：フランジ（半径方向のみ拘束）
６：超音波振動子
７：振動ホーン
８：フランジ（前記振動ホーン７の節部であり、主軸筒１１に固定）
９：工具（切削・研削工具）
１０：チャック（工具保持部）
１１：主軸筒
１２：モータ
１２ａ：モータロータ（回転力付与部）
１２ｂ：モータステータ
１３：流体静圧軸受
１３ａ：流体静圧ラジアル軸受
１３ｂ：流体静圧スラスト軸受
１４：ボルト
１５：穴（前記フランジ５にあけられた穴）
１６：穴（前記モータロータ１２ａにあけられた穴）
１７：穴（前記フランジ８にあけられた穴）
１８：転がり軸受
１９：ハウジング
２０：超磁歪素子
２１：励磁コイル
２２：ブラシ

Claims (6)

1. 超音波振動を発生させる超音波振動子（６）を内蔵した主軸筒（１１）、前記超音波振動子（６）・振動ホーン（７）・主軸筒（１１）に回転を与えるモータ（１２）および前記主軸筒（１１）を保持する流体静圧軸受（１３）により構成された流体静圧軸受超音波振動主軸。
2. 前記超音波振動子（６）は、ボルト（４）により締結された裏打板（１）、電歪素子（２）、フランジ（５）および軸（３）からなっており、前記超音波振動子（６）で発生する振動を、振動振幅を増幅する振動ホーン（７）を介して、前記振動ホーン（７）端部に設けたチャック（１０）に取りつけられる工具（９）に伝える超音波振動系を構成することを特徴とする請求項１記載の流体静圧軸受超音波振動主軸。
3. 前記超音波振動子（６）、前記振動ホーン（７）、前記チャック（１０）、前記工具（９）からなる前記超音波振動系において、前記フランジ（５）およびフランジ（８）の位置は振動振幅が零となる節（ふし）の位置となり、前記超音波振動系は、前記フランジ（５）を前記主軸筒（１１）に納めることで半径方向変位を拘束されるとともに、前記フランジ（８）をボルト（１４）により前記主軸筒（１１）に固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流体静圧軸受超音波振動主軸。
4. 前記モータ（１２）および前記電歪素子（２）には、外部より高周波電力が非接触手段により供給されることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の流体静圧軸受超音波振動主軸。
5. 前記主軸筒（１１）は、前記流体静圧軸受（１３）内に満たされている気体又は液体の静圧により、軸方向および半径方向に保持されることにより、回転可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の流体静圧軸受超音波振動主軸。
6. 前記超音波振動子（６）、前記振動ホーン（７）および前記モータ（１２）の発熱を冷却する目的で、前記フランジ（５）に対して穴（１５）、前記モータロータ（１２a）に対して穴（１６）、前記フランジ（８）に対して穴（１７）を形成することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の流体静圧軸受超音波振動主軸。
   
   

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