JP2010018016A - 切断装置および切断方法 - 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し、かつ設計が容易な円盤状のブレードを用いた切断装置を提供する。
【解決手段】 チタン製のフランジ２ａ、２ｂの各々に８個のスリット１２を設ける。そして、フランジ２ａ、２ｂの外側表面には、スリット１２より外周部に円環状の圧電セラミック３ａ、３ｂを接合する。圧電セラミック３ａ、３ｂは、配線を便利にするために折り返し電極２０および無電極部２１を有している。ブレード１と接するフランジ２ａ、２ｂの内側にはリング状の突起１３ａ、１３ｂを設けている。そしてモータの電源をいれ回転軸５を回転させる。次にロータリートランス６ａ、６ｂを介してリング状の圧電セラミック３ａに図示しない超音波発振回路からの超音波交流電圧を印加する。
【選択図】図５

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を持つ切断装置に関する。

ガラス、シリコン、サファイア、炭化珪素、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１０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１０の側面図である。図１及び図２に示す切断装置１０は、回転駆動装置１１の回転軸５に取付けられた第一のフランジ２ａ、円盤状のブレード１、及び第二のフランジ２ｂ、そしてこれらのフランジ２ａ、２ｂによりブレード１を締め付け固定するためのナット７から構成されている。そして切断装置１０の回転駆動装置１１を作動させて円盤状のブレード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。この切断装置のブレードは、円盤状の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、回転軸の長さ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の振動方向や振動数などを変更する場合には、有限要素法などによる数値計算を再度行って回転軸や振動伝達方向変換器の形状を設計し直す必要がある。また、この切断装置は、回転軸に超音波振動子を取り付けているため回転軸が超音波振動するので軸受にも超音波振動が伝播し、軸受は破損の恐れが生ずる。また回転軸および軸受に異常な磨耗が発生したり、磨耗が大きくなる恐れがある。さらに、回転軸の直径とほぼ等しい超音波振動子を回転軸に接合するため、重量が増加して、慣性が大きくなり高速回転には不適な構成になる。さらに、回転軸に接合された超音波振動子の形状の誤差、重量のアンバランスにより回転が不安定になり、回転装置が故障し、加工精度が低下する。またこれらを回転軸に取付けにために従来より困難な調整作業が必要になる。

本発明の目的はまた、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、回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードを固定保持するための２個のフランジがスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のフランジに接合された超音波振動子に交流電圧を印加するものである。

本発明はまた、回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードを支持するための２個のサポート板がスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のサポート板に接合された超音波振動子に交流電圧を印加するものである。

本発明はまた、回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードがスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のブレードの面に接合された超音波振動子に交流電圧を印加するものである。

スリットより外周部に超音波振動子を接合したブレード、サポータ板、フランジは、スリットより外側の超音波振動の拘束はほとんどなく、かつスリットの内側に超音波振動をほとんど伝播させない。このため、回転軸に伝播する超音波振動が小さくなるため、回転軸を回転自在に支持する軸受けを損傷させることはほとんどない。また回転軸などに不要な超音波振動を励起する必要がないので、超音波駆動源に与える電力を小さくできるので、不要な発熱が抑制されため、高精度な切断が可能となる。さらに前記のブレード、サポータ板、フランジの一方の超音波振動子にだけ交流電圧を印加する方法により、電気配線が簡略化できる。

本発明の第１の実施の形態について説明する。まず、フランジ部の詳細を図３の正面図、そして図３のＡ−Ａ線で切断した図４の断面図で示す。

チタン製のフランジ２ａ、２ｂの各々に８個のスリット１２を設ける。ここでは、スリット１２を設けたが、複数の孔、溝でもよい。スリット１２、複数の孔、溝の作用は、超音波振動を反射することである。そして、フランジ２ａ、２ｂの外側表面には、スリット１２より外周部に円環状の圧電セラミック３ａ、３ｂを接合する。圧電セラミック３ａ、３ｂは、配線を便利にするために折り返し電極２０および無電極部２１を有している。ブレード１と接するフランジ２ａ、２ｂの内側にはリング状の突起１３ａ、１３ｂを設けている。

次に、図３に示したフランジ部を回転軸５に取り付けた正面図を図５に、そして図５のＡ−Ａ線で切断した図６の断面図で示す。

円盤状のブレード１として金属の表面に砥粒を固定したものが用いる。円盤状の基板の材料の例として、アルミニウム、鉄、ステンレスおよび超硬金属が挙がられる。また図には示さないが、フランジとブレードの接触をより確実にするためにフランジ２またはブレード１の表面に薄い有機材料を設けても良いし、またグリースをフランジ２またはブレード１の接触面に塗ってもよい。

円盤状のブレード１をチタン製のフランジ２ａ、２ｂで両側から挟み支持固定する。なお、フランジ２ａはスリーブ８と一体の構成となっている。

フランジ２ａ、２ｂの両面には、超音波振動子である圧電セラミック３ａ、３ｂがエポキシ樹脂により接合されている。圧電セラミック３ａ、３ｂの板厚方向の両側には銀電極が設けられている。また、分極方向は板厚方向である。そして、片側からのみ配線できるように折り返し電極２０と無電極部２１が設けられている。

ケース１４に固定側のロータリートランス６ｂに取り付ける。スリーブ８に回転側のロータリートランス６ａを図示しないネジにより取付ける。そして、スリーブ８を回転軸５に押し込み、ナット７で回転軸５に固定支持する。

円盤状ブレード１をスリーブ８に沿って挿入し、さらに外側フランジ２ｂをスリーブ８に沿って挿入し、さらにフランジナット４によりスリーブ８に固定する。この際、外側のフランジ２ｂに設けられたスリット１２より内側をフランジナット４により締め付けることが重要である。また、フランジ２ｂとフランジナット４を一体化した構成も用いることができる。

回転側のロータリートランス６ａとフランジ２ａに接合した圧電セラミック３ａの電極とをリード線１５ａ、１５ｂにより接続する。また、ロータリートランス６ａとフランジ２ａに接合した圧電セラミック３ａの電極を電気的に接続するために金属板、フレキシブルプリント配線板を用いることもできる。

次に上記の円盤状のブレード１とフランジ２ａ、２ｂ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５を回転させる。次にロータリートランス６ａ、６ｂを介してリング状の圧電セラミック３ａに図示しない超音波発振回路から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、圧電セラミック３ａを接合して構成したフランジ２ａに径方向の拡がり振動が励起される。ここで、圧電セラミック３ａに交流電圧を供給するためにケースにブラシそしてスリーブにスリップリングを取り付けてもよい。なおブラシには超音波発振回路が接続される。

フランジ２ａの振動は、ブレード１に伝播して、さらにフランジ２ｂに伝播する。フランジ２ｂには圧電セラミック３ｂが接合されているので、やはり共振特性を持っている。この状態は図７に示す等価回路で表現できる。そして図７の等価回路は、径方向の共振周波数付近のフランジ２ａ、２ｂの等価回路である。ここで、圧電セラミック３ａを接合したフランジ２ａはコイル１７ａ、コンデンサ１８ａ、電気抵抗１９ａで表せる。そして圧電セラミック３ｂを接合したフランジ２ｂはコイル１７ｂ、コンデンサ１８ｂ、電気抵抗１９ｂで表せる。フランジ２ｂに接合された圧電セラミック３ｂには、超音波発振回路からの超音波交流電圧は供給されていないが、等価回路で示すように振動により電気的に直列に超音波交流電圧が供給された状態になる。なお、等価回路において、フランジ２ａ、２ｂに比較してブレード１の質量が小さいため、ブレードの１の負荷質量を省略した。

このように圧電セラミック３ａに超音波交流電圧を印加することにより、圧電セラミック３ａ、３ｂに超音波交流電圧を印加することと同様になる。つまり、圧電セラミック３ｂへの配線が必要がないため、装置が簡略化できるため安価な装置を提供できる。また、圧電セラミック３ｂへの配線には、ブレード１にリード線を通す穴が必要になるが、これが必要でない。また、圧電セラミック３ｂへの配線が必要でないため、これに関わる断線などの問題が生じない。

フランジ２ａ、２ｂに設けられたスリット１２の効果により、スリット１２より外周部はほぼ拘束なく振動することができるので、大きな振動変位を得ることができる。フランジ２ａ、２ｂの突起１３ａ、１３ｂと円盤状のブレード１は、強く機械的に接合されているため、円盤状のブレード１にも径方向の拡がり振動が励起される。また、スリット１２の内周部のフランジ２にはほとんど超音波振動が伝播しないため、ブレードに効率よく振動を励起することができる。

フランジと円盤状のブレード１の径方向の拡がり振動モードを励起する固有振動数の周波数の電圧を圧電セラミック３ａに印加することにより、スリット１２の効果により、低い電圧でブレードの先端部に数ミクロン以上の振動変位を容易に励起できる。

上記の構成によれば従来の円盤状のブレードをそのまま用いることができるので、特に改めてブレードを特別に製作する必要がない。

また、円盤状のブレードとスリットより外周部のフランジが主に振動するだけなので、他の部分には振動が伝播することが少ないため、不要な振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、ブレードの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。

また、回転軸には、ほとんど振動が伝播することがないので回転軸と回転軸を回転自在に支持する軸受けの損傷の恐れほとんどない。

上記のように、ブレードおよびスリットより外周のフランジにだけ振動をほとんど閉じ込めることができることにより加工精度の高い、信頼性の高い切断装置を提供できる。

ここで、比較のため図６に示すようにフランジ２ｂに接合された圧電セラミック３ｂとフランジ２ａに接合された圧電セラミック３ａに並列に超音波交流電圧を印加する。この状態の等価回路を図８に示す。図７の直列接続と比較すると異なるところは、図８は並列接続であるところだけである。この並列接続を実現するためには、回転側のロータリートランス６ａからフランジ２ａに接合された圧電セラミック３ａとフランジ２ｂに接合された圧電セラミック３ｂにリード線１５ａ、１５ｂにより接続しなければならない。この配線はかなり複雑な構成になる。また、切断装置の回転数は毎分３万回転になることもあるのでリード線１５が切断する虞もある。さらにブレード１にリード線１５を通す穴が必要になる。

またフランジ２ｂに圧電セラミック３ｂを接合しないときの等価回路を図９に示す。そのとき、フランジ２ｂは振動損失を有した負荷質量になるが、径方向の振動モードの固有振動数が小さくなり、同じ大きさの超音波交流電圧を印加したときのブレード１の超音波振動は、圧電セラミック３ｂの電極間を開放したときに比較して大きくなる。ただし、ブレード１の中心面に対してフランジ２ａとフランジ２ｂが非対称になる虞があるので、非対称を解消する形状にしなければならない。

ここで、図１０を用いて３個以上のフランジ２を用いて２個以上のブレード１を持つ切断装置について説明する。すべてのフランジ２に圧電セラミック３が接合されている。そして回転側のロータリートランス６ａ側のフランジ２ａに接合された圧電セラミック３ａだけに交流電圧を印加し、そしてフランジ２ａを超音波振動させる。この超音波振動は、フランジ２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅに伝播し、ブレード１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが超音波振動する。この現象は、図７の等価回路で説明したものと同様であり、フランジ２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅの等価回路が直列接続になる。

このように、３個以上のフランジ２を用いて２個以上のブレード１を持つ切断装置においては、電気配線が特に簡略化されるため、切断装置を安価に製作できる。また、電気配線が簡略化されるため、電気配線に関わる様々な問題を解消できる。またブレード１に配線のための穴が必要でない。さらに配線作業時間が大幅に短縮できる。

本発明の第２の実施の形態について説明する。まず、サポート板部の詳細を図１１の正面図、そして図１１のＡ−Ａ線で切断した図１２の断面図で示す。

アルミ製のサポート板９ａ、９ｂに８個のスリット１２を設ける。そして、サポート板９ａ、９ｂのスリット１２より外周部でかつ、外側表面には円環状の圧電セラミック３ａ、３ｂを接合する。サポート板とブレードの接触をより確実にするためにサポート板またはブレード１の表面に薄い有機材料を設けても良いし、またグリースをサポート板またはブレード１の接触面に塗ってもよい。

次に上記の円盤状ブレード１、サポート板９ａ、９ｂとフランジ２ａ、２ｂを回転軸５に取付けた構成を図１３の断面図で示す。スリーブ８に回転側のロータリートランス６ａを図示しないネジにより取付ける。ケース１４には固定側のロータリートランス６ｂを取り付ける。その後スリーブ８を回転軸５に押し込み、ナット７で回転軸５に固定支持する。なお、スリーブ８とフランジ２ａは、一体の構成となっている。

サポート板９ａ、円盤状ブレード１、サポート板９ｂをスリーブ８に沿って挿入し、さらに外側フランジ２ｂをスリーブ８に沿って挿入し、さらにフランジナット４によりスリーブ８に固定する。

サポート板９ａに接合した圧電セラミック３ａの電極と回転側のロータリートランス６ａをリード線１５により接続する。

次に上記の円盤状ブレード１、サポート板９ａ、９ｂ取り付けた切断装置の運転方法について同じく図１３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５を回転させる。次にロータリートランス６ａ、６ｂを介してリング状の圧電セラミック３ａに超音波発振回路から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、圧電セラミック３ａを接合して構成したサポート板９ａに径方向の拡がり振動が励起される。サポート板９ａの振動はブレード１そしてサポート板９ｂに伝播する。この状態は図７の等価回路で説明したものと同様である。したがって、サポート板９ｂの圧電セラミック３ｂには交流電圧を印加しないが、電気的に直列接続した現象と同じ効果が得られる。

サポート板９ａ、９ｂに設けられたスリット１２の効果により、スリット１２より外周部はほぼ拘束なく振動することができるので、大きな振動変位を得ることができる。サポート板９ａ、９ｂと円盤状のブレード１は、強く機械的に一体化されているため、円盤状のブレード１にも径方向の拡がり振動が励起される。

スリット１２より外周部のサポート板９ａ、９ｂと円盤状のブレード１の径方向の拡がり振動モードを励起する固有振動数の周波数の電圧を圧電セラミック３ａに印加することにより、１００Ｖ以下の低い電圧でブレードの先端部に数ミクロン程度の振動変位を容易に励起できる。また、スリット１２より内周部のサポート板９ａ、９ｂには、ほとんど超音波振動が伝播しない。このため、回転軸には、ほとんど振動が伝播することがないので回転軸と回転軸を回転自在に支持する軸受けの損傷の恐れほとんどない。

上記の構成によれば従来の円盤状のブレードをそのまま用いることができるので、特に改めてブレードを特別に製作する必要がない。

また、円盤状のブレード１とスリット１２より外周部のサポート板９ａ、９ｂが主に振動するだけなので、他の部分には振動が伝播することが少ないため、不要な振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、ブレードの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。

上記の構成によれば従来の円盤状のブレードをそのまま用いることができるので、特に改めてブレードを特別に製作する必要がない。

また、円盤状のブレード１とこれに接触するスリット１２より外周部のサポート板９だけが振動するだけなので、他の部分にはほとんど振動が伝播することがないため不要な振動ロスがほとんどないので小さな電力で必要な大きさの振動を励起させることができる。したがって、ブレードの温度の上昇を小さくできるので、加工精度を向上させることができる。

上記のように、ブレードおよびスリットより外周部のサポート板にだけほとんどの振動を閉じ込めることができることにより加工精度の高い、信頼性の高い切断装置を提供できる。

本発明の第３の実施の形態について説明する。まず、ブレード部の詳細を図１４の正面図、そして図１４のＡ−Ａ線で切断した図１５の断面図で示す。

ブレード１に８個のスリット１２を設ける。そして、スリット１２より外周部の位置の ブレード１の両表面に円環状の圧電セラミック３ａ、３ｂにエポキシ樹脂を用いて接合する。

次に上記の円盤状ブレード１とフランジ２ａ、２ｂを回転軸５に取付けた構成を、図１６の断面図で示す。スリーブ８に回転側のロータリートランス６ａを図示しないネジにより取付ける。ケース１４には固定側のロータリートランス６ｂを取り付ける。その後スリーブ８を回転軸５に押し込み、ナット７で回転軸５に固定支持する。

両表面に円環状の圧電セラミック３ａ、３ｂを接合した円盤状ブレード１をスリーブ８に沿って挿入し、さらに外側フランジ２ａをスリーブ８に沿って挿入し、さらにフランジナット４によりスリーブ８に固定する。なお、スリーブ８とフランジ２ｂは、一体の構成となっている。

ブレード１に接合した圧電セラミック３ａの電極とリード線を接続する。

次に上記の円盤状ブレードを取り付けた切断装置の運転方法について同じく図１６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５を回転させる。次にロータリートランス６ａ、６ｂを介してリング状の圧電セラミック３ａに図示しない超音波発振回路から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、ブレード１に径方向の拡がり振動が励起される。そしてこの振動は圧電セラミック３ｂに伝達する。この状態は図７の等価回路で説明したものと同様である。したがって、圧電セラミック３ａと圧電セラミック３ｂを直列接続して、超音波発振回路からの超音波交流電圧を印加することと同様になる。

この結果、ブレードの両側から振動を与えられるために、径方向だけの振動を励起できることになる。もし、圧電セラミック３ｂの電極間が短絡されているか、または圧電セラミック３ｂない場合は、ブレードの片側からのみ振動が与えられるため軸方向に変位する曲げ振動が励起される虞がある。

ブレード１に設けられたスリット１２の効果により、スリット１２より外周部はほぼ拘束なく振動することができるので、大きな振動変位を得ることができる。

円盤状のブレード１の径方向の拡がり振動モードを励起する固有振動数の周波数の電圧を圧電セラミック３ａ、３ｂに印加することにより、１００Ｖ以下の低い電圧でブレードの先端部に数ミクロン以上の振動変位を容易に励起できる。

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。

本発明はまた、高速回転する砥石に工作物を押し付け研削加工する平面研削、円筒外面研削、円筒内面研削、研削切断に用いる研削装置にも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の構成のフランジ部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の構成のフランジ２ａの圧電セラミック３ａとロータリートランスを電気的に接続した状態を示す断面図である。 本発明との比較を示す断面図であり、両方のフランジに接合した圧電セラミック３ａ、３ｂに交流電圧を印加した状態を示す。 図５で示した構成の等価回路を示す図である。 図６で示した構成の等価回路を示す図である。 フランジ２ｂに圧電セラミックが無いときの等価回路を示す図である。 本発明の第１の構成による４個のブレードを持つ切断装置の断面図である。 本発明の第２の構成のサポート部を示す正面図である。 図１１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 本発明の第２の構成のブレード部、サポート部を回転軸に取付けた構成を示す断面図である。 本発明の第３の構成のサポート部を示す正面図である。 図１４のＡ−Ａ線で切断した断面図である。 本発明の第２の構成のブレード部を回転軸に取付けた構成を示す断面図である。

符号の説明

１ ブレード
２ フランジ
３ 圧電セラミック
４ フランジナット
５ 回転軸
６ ロータリートランス
７ ナット
８ スリーブ
９ サポート板
１０ 切断装置
１１ 回転駆動装置
１２ スリット
１３ 突起
１４ ケース
１５ リード線
１６ 超音波電源
１７ コイル
１８ コンデンサ
１９ 電気抵抗
２０ 折り返し電極
２１ 無電極部

Claims (3)

1. 回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードを固定保持するための２個のフランジがスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のフランジに接合された超音波振動子に交流電圧を印加することを特徴とする。
2. 回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードを支持するための２個のサポート板がスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のサポート板に接合された超音波振動子に交流電圧を印加することを特徴とする。
3. 回転軸に嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードを持つ切断装置において、円盤状のブレードがスリット、孔、溝を持ち、かつ一方のブレードの面に接合された超音波振動子に交流電圧を印加することを特徴とする。

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