JP2007276096A - 円盤状ブレード及び切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物に対して、優れた切断性能を安定して示す円盤状のブレードおよび優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供する。
【解決手段】 圧電素子および剛性板を接合した切断ブレード１は回転軸３の先端に取り付けられたフランジ２ｂとスリーブ１０に設けられたフランジ２ａで挟持されると共に、回転軸３のねじ部に螺着した締め付け用ナット４により固定されている。ケース１１には固定側ロータリートランス９ａが取り付けられ、図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続されている。フランジ２ａ側に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより固定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる円盤状のブレードおよび切断装置に関する。

ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状のブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。

図１は、特許文献１に記載の従来の切断装置５の構成例を示す正面図であり、そして図２は、図１の切断装置５の側面図である。図１及び図２に示す切断装置５は、回転駆動装置６の回転軸３に取付けられた第一のフランジ２ａ、円盤状の切断ブレード１、及び第二のフランジ２ｂ、そしてこれらのフランジ２ａ、２ｂにより切断ブレード１を締め付け固定するためのナット４から構成されている。そして切断装置５の回転駆動装置６を作動させて円盤状の切断ブレード１を回転させながら、加工対象物を切断あるいは溝入れを行う。

一方、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削する方法は知られている。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、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に、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。

特許文献２には、円盤状のブレードを回転させる回転軸に超音波振動子が付設された構成の切断装置が開示されている。この切断装置は、円盤状のブレードを回転させ、かつ超音波振動子にて発生させた超音波振動を、回転軸を介して円盤状のブレードに付与しながら、ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する。この切断装置の円盤状のブレードは、振動伝達方向変換器とナットとにより締め付けられた状態で回転軸の先端に固定される。回転軸に付設された超音波振動子は、回転軸の軸方向に振動する超音波振動を発生させ、この超音波振動は、振動伝達方向変換器によりブレードの径を拡縮させる方向に振動する超音波振動へと変換され、ブレードに付与される。超音波振動の伝達方向を変換するため、回転軸や振動伝達方向変換器は、有限要素法などによる数値計算により所定の形状に設計される。
特開平８−１２７０２３公報 特開２０００−２１０９２８公報 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

上記の特許文献２に記載の切断装置においては、ブレードに付与する超音波振動は、回転軸に付設されたランジュバン型超音波振動子の回転軸方向の振動を振動伝達方向変換器により、所望のブレードの径方向の振動にしている。このため、ブレードの形状によりこのブレードに適合する振動伝達方向変換器を用意しなければならない。

本発明の目的は、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供することにある。

本発明は、円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置において、円盤状のブレードに円環状の剛性板を接合し、さらにこの剛性板に円環状の圧電素子を接合する。かつ圧電素子の内側を固定することにより回転軸にブレードを固定するフランジを有しているものである。

本発明はまた、前記の圧電素子の内側を固定することにより回転軸にブレードを固定するフランジにおいて、剛性板とほぼ同じ外径を持つものである。

前記の剛性板とほぼ同じ外径のフランジにおいて、剛性板の直径とほぼ同じ直径位置の厚さが剛性板の１倍から４倍までの厚さであるものとする。

本発明の円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置は、ブレードとフランジの先端部だけが主に振動する。このため、本発明の切断装置は、回転軸など振動が不要な部分には振動が伝播しないので装置が長寿命になる。

本発明の円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置は、ブレードの径方向の振動を励起するために最適な三脚音さ型振動モードを利用するので、円盤状のブレードは他の振動モードに比較して径方向の振動だけを励起することができる。したがって、本発明の切断装置は、円盤状のブレードに不要なブレード面に垂直である振動変位はほとんど無視できるほど小さくなるので、切断幅の精度が非常に高い精度を要求された場合、特に有効な装置になる。そして、加工面の粗さも大きく改善される。そして、ブレードの消耗も小さくなる。

本発明の第一の実施の形態に使用されるブレードなどを図３の正面図、そして図３のＡ−Ａ線で切断した図４の断面図を用いて示す。ここで切断ブレード１は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は例えば厚さが０．０６ｍｍ程度で外径が１００ｍｍ程度の鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転軸に装着するための取り付け穴が形成されている。

また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることにより、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。約１００ｍｍ、内径が約４０ｍｍそして厚さが約０．０６ｍｍの切断ブレード１の中心軸と一致させ外径が約９５ｍｍ、内径が約４０ｍｍそして厚さが約２ｍｍのリング形状のアルミ製の剛性板７ａ、７ｂをエポキシ樹脂により接合する。そして次に、約８５ｍｍ、内径が約６５ｍｍそして、厚さが２ｍｍのＰＺＴ系圧電セラミックからなる圧電素子８ａ、８ｂをアルミ製の剛性板７の上にエポキシ樹脂により接合する。圧電素子８は、板厚方向に分極されている。

図５の平面図とそのＡ−Ａ線での断面図である図６において、前記圧電素子８および剛性板をエポキシ樹脂により接合した切断ブレード１を切断装置の回転軸３に装着した状態を示す。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。切断ブレード１は回転軸３の先端に取り付けられたフランジ２ｂとスリーブ１０に設けられたフランジ２ａで挟持されると共に、回転軸３のねじ部に螺着した締め付け用ナット４により固定されている。ケース１１には固定側ロータリートランス９ａが取り付けられ、図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス９ａにリード線により接続されている。フランジ２ａ側に回転側ロータリートランス９ｂを図示しないネジにより固定する。

次に上記の円盤状ブレード１を使用した切断装置の運転方法について同じく図６の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸３を回転させる。次にロータリートランス９ａ、９ｂを介して切断ブレード１に接合したリング状の圧電セラミック製の圧電素子８ａ、８ｂに図示しない超音波発振回路からの約７０ＫＨｚ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、円盤状の切断ブレード１は、約７０ＫＨｚの振動が励起される。この振動モードの概略は、圧電素子８ａ、８ｂを接合した剛性板およびブレードが径方向に拡がったときに、両側に配置されたフランジ２ａ、２ｂが径方向に縮む。このような振動モードは三脚音さ型振動子の振動モードの応用として考案した。次に回転する円盤状の切断ブレード１と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。

三脚音さ型振動子１２の振動モードの概略を斜視図７を用いて説明する。図中の矢印は振動方向を示す。中央のアーム部１３ａが伸びたとき、両側のアーム部１３ｂ、１３ｃは縮む。逆の振動位相ときは、中央のアーム部１３ａが縮み、両側のアーム部１３ｂ、１３ｃは伸びる。振動のバランスを考慮すると、３本のアームの幅はほぼ等しいことが望ましい。

ここで、図８に示すように中央のアーム部１３ａが切断ブレード１などに、両側のアーム部１３ｂ、１３ｃはフランジ２ａ、２ｂに相当する。図中の矢印は振動方向を示す。ブレードが１ｍｍ未満のときは、剛性板と圧電素子の厚さの合計の２倍が中央のアーム部１３ａに相当するので、フランジ２ａ、２ｂの厚さは剛性板の２倍が望ましいが圧電素子及びフランジなどの密度を考慮するとフランジは、剛性板の１〜４倍の厚が望ましい。

加工対象物をガラスにして、回転軸の回転数を１２０００回転／毎分にした。その結果、切断ブレードの先端振動変位は径方向に約２μｍ、軸方向に約０．２μｍがあった。そして、切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約１／２になり、そして加工対象物のチッピングの大きさは、約１／３になった。

また、上記の実施の形態では金属製のブレードを用いたが、レジン製のブレードでも同じ効果が得られる。

本発明の技術によれば、切断ブレードの径方向に比較して軸方向の振動変位を大幅に小さくできるので加工精度を高くできる。そして切断ブレードの消耗を小さくでき、かつチッピングなどの加工品質を向上させることができる。

本発明の円盤状のブレードおよび切断装置は、ガラスやシリコンなどの脆い材料がら形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。

従来の切断装置の構成例を示す正面図である。 図１の切断装置の側面図である。 本発明の第１の実施の形態に用いる円盤状の切断ブレードなどを示す正面図である。 図３のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 本発明の第１の実施の形態の、円盤状の切断ブレードを回転軸に取付けた正面図である。 図５のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 三脚音さ型振動子を示す斜視図である。 図６のＡ−Ａ線で切断した断面図を用いて振動変位を説明するものである。

符号の説明

１ 切断ブレード
２ フランジ
３ 回転軸
４ ナット
５ 切断装置
６ 回転駆動装置
７ 剛性板
８ 圧電素子
９ ロータリートランス
１０ スリーブ
１１ ケース
１２ 三脚音さ振動子
１３ アーム部

Claims (3)

1. 円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置において、円盤状のブレードに円環状の剛性板を接合し、さらにこの剛性板に円環状の圧電素子を接合する。かつ圧電素子の内側を固定するフランジを有していることを特徴とする。
2. 前記の圧電素子の内側を固定することにより回転軸にブレードを固定するフランジにおいて、剛性板とほぼ同じ外径を持つことを特徴とする請求項１に記載の円盤状のブレードを持つ切断装置または研削装置。
3. 前記の請求項２に記載のフランジにおいて、剛性板の直径とほぼ同じ直径位置の厚さが剛性板の１倍から４倍までの厚さであることを特徴とする。

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