JP2010167535A - 加工具ホルダー - Google Patents

Abstract

【課題】高周波振動によって、加工具の横方向の振動を抑制して、加工具ホルダーの破損を防止し、生産コストの低減を図る事が出来る加工具ホルダーを提供する。
【解決手段】超音波加工に使用される加工具ホルダーであって、当該加工具を保持する本体部の一部に、当該加工具を挿入して狭持しうる溝部と、該溝部を介して対向する一対の壁部と、当該溝部と直交する方向に当該壁部の一部に挿入され当該加工具を当該溝部内に固定する様に構成された螺子部材とからなる加工具ホルダーに於いて、当該螺子部材の頭部内に空間領域部を設けた事を特徴とする加工具ホルダー。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波加工装置に用いられる加工具ホルダーに関し、特に、交換可能な切断加工用の刃体、ヤスリ、砥石等を含む加工具をしっかり固定保持することを可能にすると共に、当該加工具の横方向の振動の発生を防止して、当該加工具の破損及び当該加工具ホルダーの破損を防止出来る加工具ホルダーに関するものである。

従来，超音波加工装置を使用して物体を切断、研磨、研削等の加工をすることは良く知られており、その場合，当該超音波加工装置に設けられた、例えば、ピエゾ圧電素子等からなる振動子を振動させて、当該振動子に接続された適宜の加工具を、例えば２５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの高周波で、３０〜４０μの振幅で振動せしめながら、適宜の物体を加工している。

ところで、係る超音波加工装置の中でも、超音波カッターは、現在広範囲の産業分野で使用されており、その理由としては、該超音波カッターを上記した様な条件で高周波振動させる事によって、加工具と紙、革、合成樹脂、ゴム、木材等の被切断材料或は被研磨・研削材料との当接部に於ける切断抵抗が、係る振動の効果によって大きく低下するので、例えば、当該被切断材料を強く押圧しなくとも良く切断が出来る他、これまで加工具では切断が困難であると考えられていた物でも、容易に切断出来る様になった。

又、厚いもの、薄い物で多層にかさねた状態で容易にカットできる。また、係る超音波カッターを用いる事によって、被切断材料と当該加工具との間の切断抵抗が小さい事から、該被切断材料の切断面が綺麗に仕上がるので、製品の商品価値が向上する。革、金属木材、合成樹脂等の表面仕上げ、表面加工にも有効に利用される。

更には、通常の加工具では、該被切断材料を切断操作する場合には、例えば数回の切断操作で当該加工具が切れなくなり、新しい加工具と交換する事を余儀なくされていたので、生産コストが高くなると言う問題が有ったが、係る超音波カッターを用いる事によって、同じ加工具でも、切断効果の永続性が向上し、従って当該加工具の寿命が延びる事になり、その結果、生産コストも大幅に低下すると言う効果が有る。
従って、従来から、係る超音波カッターを使用する場合に、当該超音波カッターの高周波振動を効率良く加工具に伝達する必要から、様々な工夫がなされて来ている。

つまり、具体的には、図２に示す様に、係る超音波加工装置１１に加工具１２を取り付けるに際しては、通常加工具ホルダー１０を使用し、当該加工具ホルダー１０に加工具１２を固定して取付けた後、当該加工具ホルダー１０を超音波加工装置１１に設けられているピエゾ圧電素子からなる振動子５に接続されたホーン部４に固着させるものである。従って、係る加工具１２と該加工具ホルダー１０とが緊密一体的に固着される事が必要である。

尚、当該超音波加工装置１１内には、通常セラミックを主体とするピエゾ圧電素子５からなる超音波発生部１３とこれに接続された、当該ピエゾ圧電素子５を押さえつけるためのバックアップリング６が設けられており、当該超音波加工装置１１の外部に設けた高周波発生装置５０が超音波発生部１３と接続されている。

図１０は、従来の加工具ホルダーの一具体例を示すもので、加工具１２の加工具先端部４０とは反対側の端部を平坦状２２とすると共に、当該平坦部２２に切り欠部７を設け、当該平坦状部２２を、当該加工具ホルダー１０の先端部で且つ当該加工具ホルダー１０の中心軸を含んで当該加工具ホルダー１０の幅方向と当該加工具ホルダー１０の長手方向とに延展せしめられている溝部３３内に嵌入させ、当該切り欠部７にビス或いはネジを含む適宜の螺子部材１５を嵌合せしめる事により、当該加工具１２は、当該溝部３３の内壁面を構成している互いに対向している壁面間で把持されるものである。

然しながら、係る従来の加工具ホルダー１０においては、単に螺子部材１５一本で当該加工具１２を固定しているので、当該加工具１２に溝方向の力が加わると加工具に剪断力が加わるので、加工具が傾くと云う欠点が存在すると同時に、当該加工具ホルダーでは、当該螺子部材１５のみで固定してあるので、高周波振動によって、当該加工具１２と当該加工具ホルダー１０との間の締め付けに、除々に弛みが発生すると云う欠点が存在した。

その為、係る問題を解決する為に、本出願人は、特開２０００−３２６２９１号公報（特許文献１）に於いて、図１１乃至図１３に示す様に、超音波加工処理に使用される加工具ホルダー１０の一部に、当該加工具１２を挿入して狭持しうる溝部３３と、当該溝部３３を介して対向する一対の壁部２０、２１と、当該溝部３３と直交する方向に当該壁部の一部に挿入され、当該加工具１２を当該溝部３３内に固定する様に構成された螺子部材１５とからなる加工具ホルダー１０に於いて、当該一対の壁部２０、２１の内、一方の第１の壁部２０を貫通する第１のネジ孔部２６と当該第１の壁部２０と対向する第２の壁部２１に設けられた当該第１のネジ孔部２６と同軸的に形成され、且つその内面に螺旋状螺子が形成されている第２のネジ孔部２３とが設けられ、然も当該第１のネジ孔部２６に於ける当該壁部２０の表面１近傍の部分には、テーパー部２４が設けると共に、当該テーパー部２４に接触する当該螺子部材１５の頭部１６の下側面部にも当該テーパー部２４のテーパー角度に一致するテーパー部２５を設けた処理刃ホルダー１０を提案している。

特開２０００−３２６２９１号公報

然しながら、上記の構造を有する処理刃ホルダー部１０でも、長く使用していると、当該加工具が破損したり、当該処理刃ホルダー部１０と加工具処理刃との間の締め付けに弛みが発生する事が判明すると共に、当該処理刃ホルダー部１０の一部に亀裂が発生し、安全性が損なわれると云う問題が別途浮上して来た。

その原因を追究した処、図６に示す様に、振動子５を振動させているときに、刃物ホルダー１０が、当該超音波振動の振動方向（長手方向）と直交する方向（横方向）に横揺れする様に振動している事が判明すると共に、当該処理刃１２も該超音波振動の振動方向（長手方向）と直交する方向（横方向）に波を打つ様に横揺れ振動している事が判明した。

即ち、図６は、超音波加工装置１１のホーン部４に一体的に固定されているか、若しくは、接続固定されている処理刃ホルダー部１０の先端部に適宜の処理刃１２が着脱自在に取り付けられている状態を示したものであり、図６（Ａ）は、当該超音波加工装置１１が静止状態にある場合の当該処理刃１２の取付状態を当該螺子孔部２６の上方から見た状態を示す図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の図を９０度回転させ、当該螺子孔部２６と当該螺子部材１５とが嵌合している状態を側面から観察した部分断面図であり、又、図６（Ｃ）は、図６（Ｂ）と同じ部分断面図である。

係る装置に於いて、当該超音波加工装置１１が稼動すると、基本的には、当該処理刃１２は、矢印Ｘで示す方向に沿って縦振動を行い、所定の超音波加工処理を所望の材料に施す事が可能となる。

然しながら、本願発明者の実験の結果、図６（Ｃ）に示す通り、当該超音波加工装置１１が稼動している間、当該処理刃１２は、図６（Ｂ）に示す方向Ｘに縦振動を行うと共に、当該縦振動方向に直交する方向、つまり横方向にも波を打つ様に振動する事が判明した。

その結果、後者の振動が当該処理刃１２を破損すると共に、当該処理刃１２を固定している処理ホルダー部１０の螺子孔部２２近傍に亀裂が発生してしまう事があった。
本願発明者は、鋭意検討した結果、係る現象は、主に当該螺子部材１５の重量が影響している事を種々の実験結果より把握し、その結果、当該螺子部材１５の頭部に空間領域部を設けることによって、当該螺子部材１５の重量を軽量化することによって、当該処理刃１２及び当該処理刃ホルダー部１０の横揺れの問題点を解決できる事を知得したものである。

従って、本発明の目的は、超音波加工中の刃体、ヤスリ、砥石当を含む加工具及び加工具ホルダーの横揺れを効果的に防止し、当該加工具と当該加工具ホルダーの破損或は破壊を防ぐ事が可能な加工具ホルダーを提供するものである。

本発明は、上記目的を達成する為に、基本的には、以下に示す技術構成を有する加工具ホルダーであって、当該加工具ホルダーは、ケース部と、バックアップリング、ピエゾ圧電素子層及び先端部に適宜の加工具が取り付けられている加工具ホルダーが設けられているホーン部とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部とから構成された超音波加工装置に於いて、当該加工具ホルダーは、当該加工具を、螺子部材によって当該加工具ホルダーに着脱自在に取り付けられる様に構成されており、更に、当該螺子部材は、該螺子部材の頭部内に空間領域部が設けられている事を特徴とする加工具ホルダーである。

本発明は、上記した様に超音波加工装置に使用される加工具ホルダーであって、加工具を当該加工具ホルダーに固定保持する螺子部材の頭部の少なくとも一部に空間領域部を設ける事によって、当該螺子部材の重量を低減させ、それによって、当該加工具ホルダー部の当該螺子孔部近傍に於ける横揺れ振動の発生を防止すると共に、当該加工具の横揺れも効率良く防止することが出来るので、当該加工具ホルダーに取り付けた加工具が振動で弛むことがなく、当該横揺れによって当該加工具が破損する事もなく、生産効率を高め然も処理品質の優れた超音波処理加工品を生産できる、加工具ホルダーが提供される。

図１は、本発明に係る加工具ホルダーの一具体例の構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の一実施の形態である加工具ホルダーと超音波加工装置との関係を示す平面図である。 図３は、従来から使用されている螺子部材の一例を示す図である。 図４は、本発明に使用される螺子部材の具体例の構成を示す断面図である。 図５は、本発明に使用される螺子部材の具体例の構成を示す斜視図である。 図６は、従来の加工具ホルダーに於ける加工具の振動状態を示す図である。 図７は、従来の螺子部材を使用した場合の加工具の振動状態を示す図である。 図８は、本発明に係る螺子部材の一具体例を使用した場合の加工具の振動状態を示す図である。 図９は、本発明に係る螺子部材の別の具体例を使用した場合の加工具の振動状態を示す図である。 図１０は、従来から使用されている加工具ホルダーと加工具との関係を示す図である。 図１１は、従来から使用されている加工具ホルダーと螺子孔部との関係を示す図である。 図１２は、従来から使用されている加工具ホルダーと螺子孔部との関係を示す図である。 図１３は、従来から使用されている加工具ホルダーと螺子部材との関係を示す図である。

以下に、本発明に係る超音波加工装置１１に於ける加工具ホルダー１０の一具体例の構成を、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔実施例〕
即ち、図１は、本発明に係る加工具ホルダーの一具体例の構成を説明する図であり、図中、ケース部２と、バックアップリング６、ピエゾ圧電素子及び先端部に適宜の加工具１２が取り付けられている加工具ホルダー１０が設けられているホーン部４とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部１３とから構成された超音波加工装置１１に於いて、当該加工具ホルダー１０は、当該加工具１２を、螺子部材１５によって当該加工具ホルダー１０に着脱自在に取り付けられる様に構成されており、更に、当該螺子部材１５は、該螺子部材１５の頭部内に空間領域部１８が設けられている加工具ホルダー１０が示されている。

更に、本発明に係る加工具ホルダー１０のより詳細な具体例としては、例えば、図１に示されている様に、少なくともその一部に、加工具１２をその中に狭持保持するための溝部３３を形成する様に相互に対向して配置された第１の壁部２０と第２の壁部２１とを有すると共に、当該一方の壁部２０の外表面１から当該溝部３３を通過して他方の壁部２１の少なくとも一部にまで同軸的に到達する、少なくとも一部に螺子４が設けられている、螺子孔部２６とを有する本体部３と、当該螺子孔部２６に嵌合して当該溝部３３内に挿入された当該加工具１２を当該溝部３３内で締め付け固定する為の螺子部材１５とから構成されているものである。
本願発明者は、上記した実験結果を踏まえて更に詳細な分析の為に以下に述べる２つの実験を行った。

実験（１）
即ち、図１０乃至図１３に示される従来の超音波加工装置１１に使用される加工具ホルダー部１０で、図３に示す様な、四角柱状の突起部１７を頭部１６に有する所謂四角頭螺子部材１５を使用して、実験を行い、超音波振動中の当該加工具１２の図６（Ｂ）に示す方向から見た振動状況を観察し、測定を行った。
その条件に基づくＣＡＥによる解析結果を図７に示す。

図７より明らかな通り、当該加工具１２は、横方向に大きく波を打つ様に湾曲しながら振動している事が判明した。
同時に、当該加工具ホルダー部１０の当該加工具１２を把持固定している部分、即ち、当該螺子部材１５が配置されている部分も大きく揺れ動いている事も判明した。

係る結果から判断すると、当該螺子部材１５の存在により、クランプ部の重量バランスが崩れて当該クランプ部が大きく振動する結果、加工具１２もそれによって大きく振り回されていることから、図７に示す様な大きな湾曲状の横波が発生するものと推定される。

又、実際に、当該加工具１２の先端部では、約１００μもの揺れ振幅が観測されるものがあった。
係る状況から、当該加工具１２から異常音が発生したり、発熱を生じたりする事になり、当該加工具１２は薄いものであるから場合によっては、数秒という短期間で破損する事もあった。
又、係る状態を放置するならば、加工製品に斑が発生して商品の品質を低下させる原因ともなる。

実験（２）
本願発明者は、上記した現象が発生する原因は、当該螺子部材１５の重さに起因しているものと推測し、特に、図３に示す様な突起部１７を持った螺子部材１５に於いては、当該突起部１７の重さが問題となるものと推測して、当該螺子部材１５の重量を軽減する為、図４（Ａ）に示す様に、当該四角頭螺子部材１５の四角柱状の突起部１７の一部に適宜の大きさの孔部つまり空間領域部１８を形成し、係る穴あき四角頭螺子部材１５を使用して図７と同じ条件の実験を行った。

その条件に基づくＣＡＥの解析結果を図８に示すが、図８から理解できるように、当該加工具１２の横揺れ振動は、図７に比べて大幅に抑制されていると共に、当該加工具ホルダー部１０のクランプ部の振動も殆ど見られない。

図７の解析データと図８の解析データとを比較すると、図７で使用した従来品の螺子部材を使用したものに対し、図８で使用した本発明に係る一具体例の螺子部材を使用したものは約２９．４％も横振動を軽減する事が予測できる。
実験（１）と実験（２）を行い実測した結果では、２４．８％軽減することが確認できた。
従って、当該螺子部材１５の重量を軽くする事が、従来の技術的課題を解決する為に重要な要因である事が判明した。

更に、本願発明者は、当該螺子部材１５の重量を軽くする為に、別の具体例として、図４（Ｂ）に示す様な、皿型螺子部材１５の当該皿頭部１６の上面端から当該頭部１６の内部に向けて形成した適宜の大きさと深さを有する、例えば４角形の断面形状を有する凹陥部からなる空間領域部１８を形成した螺子部材１５を使用して図７と同じ条件の解析を行った。

その解析結果を図９に示すが、図９から理解できるように、当該加工具１２の横揺れ振動は、図８に比べて殆ど発生しておらず又、当該加工具ホルダー部１０のクランプ部の振動も殆ど見られない。

図７のＣＡＥによる解析結果と図９のＣＡＥによる解析結果とを比較すると、図７で使用した従来品の螺子部材を使用したものに対し、図９で使用した本発明に係る他の具体例の螺子部材を使用したものは約４５．９％も横振動を軽減する事が予測できる。
以上の結果から見て、当該加工具ホルダー部１０に併用される当該螺子部材１５の重量を軽減する為に、当該螺子部材１５の頭部１７内に適宜の大きさを有する空間領域部１８を形成する事が有効である事が判明したのである。

本発明に於ける当該空間領域部１８の形状や大きさ等は、特に限定されるものではなく、当該螺子部材１５のサイズ、材料等に応じて任意に設定できる。
本発明に於ける当該螺子部材１５に於ける頭部１６は、上記した様に、頭部の重量が軽くなる様な構成を有するものである事が必要であり、その上部表面１９が平坦な皿型頭部１６を有するか、或はその上部表面１９の略中央部に角型状突起部からなる突起型頭部１７を有するものであっても良い。

そして、本発明に於ける当該螺子部材１５が図５（Ｂ）に示す様な、皿型頭部１６を有する螺子部材１５である場合には、当該空間領域部１８は、当該皿型頭部１６の当該平坦な上端面１９から当該頭部１６内に向けて形成された断面形状が四角形である凹陥状の穴部であるである事が望ましい。

これは、当該螺子部材１５に設けられた当該空間領域部１８を構成する当該穴部が適宜のレンチと嵌合して締め付け、或いは開放操作を受けやすくする様に、当該レンチの断面形状と一致する断面形状にしておく事が必要であるからであり、当該穴部の形状が、四角形であることは、当該工具による操作が繰り返されても、当該穴部の形状が変形したり、潰れたりする危険がないと言う効果を有する。

一方、当該螺子部材１５が、図５（Ａ）に示す様な、突起型頭部１７を有する場合には、当該空間領域部１８は、例えば、当該角型状突起部１７内の一部、即ち、当該角型状突起部１７の上端部３１に設けられた凹陥状の穴部３０で構成されるものであっても良く、場合によっては、当該凹陥状の穴部３０を当該角型状突起部１７の側壁部３２に設けるものであっても良い。

又、当該開口部３０から見た、当該空間領域部１８の断面形状は、円形、楕円形、半円形、三角形乃至八角形の多角形を含む任意の断面形状であっても良い。
更に、当該空間領域部１８の、当該開口部３０から内部方向に向けての断面形状は、均一であっても良く、又、変化しているものであっても良い。

一方、本発明に於ける当該螺子部材１５の当該突起型頭部１７の上端面１９から見た外周縁の断面形状は、適宜のレンチと嵌合し得る断面形状であることが望ましく、従って、当該断面形状は、三角形乃至八角形の多角形型断面形状を有する事が望ましい。

又、本発明に於ける当該加工具ホルダー１０に使用される当該螺子部材１５の頭部１６で、当該少なくとも一方の壁部２０、２１の外表面と接触する部分は、テーパー状２５に形成されている事が好ましい。

係るテーパー状２５は、図１に示す様に、当該加工具ホルダー１０の、例えば外壁部２０に形成される当該第１ネジ孔部２６周縁に形成されたテーパー状２４と一致する形状に構成しておくことによって、両者が螺合した際に両者が密着状態になると共に、両者間の接触面積が大きくなるので当該螺子部材１５が弛む恐れがなくなると言うこうかがある。

本発明に係る加工具ホルダー１０にあっては、上記した様な構成を採用した事により、螺子孔部２２近傍にクラックが発生する比率が従来の比率の略半分に減少した。

本発明は、超音波加工装置に使用される加工具ホルダーとして使用可能である。

１ 加工具ホルダーの表面
２ ケース部
４ ホーン部
５ ピエゾ圧電素子
６ バックアップリング
７ 切り欠部
１０ 加工具ホルダー
１１ 超音波加工装置
１２ 加工具
１３ 超音波振動発生部
１４ 螺子
１５ 螺子部材
１６ 頭部
１７ 突起部
１８ 空間領域部
１９ 頭部の上端面
２０ 第１の壁部
２１ 第２の壁部
２２ 平坦部
２６ 第１のネジ孔部
２３ 第２のネジ孔部
２４ テーパー部
２５ テーパー部
３０ 凹陥状の穴部
３１ 突起部の上端面
３２ 突起部の側壁面
３３ 溝部
３４ 開口部
４０ 加工具先
５０ 高周波発生装置

Claims (12)

1. ケース部と、バックアップリングと、ピエゾ圧電素子層及び先端部に適宜の加工具が取り付けられている加工具ホルダーが設けられているホーン部とがこの順に直列的に接合配置されている超音波振動発生部とから構成された超音波加工装置に於いて、当該加工具ホルダーは、当該加工具を、螺子部材によって当該加工具ホルダーに着脱自在に取り付けられる様に構成されており、更に、当該螺子部材は、該螺子部材の頭部内に空間領域部が設けられている事を特徴とする加工具ホルダー。
2. 当該螺子部材の頭部は、その上部表面に角型状突起部からなる突起型頭部を有するものである事を特徴とする請求項１に記載の加工具ホルダー。
3. 当該螺子部材の当該突起型頭部の上端面から見た断面形状は、三角形乃至八角形の多角形型断面形状を有するものである事を特徴とする請求項２に記載の加工具ホルダー。
4. 当該空間領域部は、当該角型状突起部内の一部に設けられた少なくとも一つの凹陥状の穴部若しくは貫通穴で構成される事を特徴とする請求項２又は３に記載の加工具ホルダー。
5. 当該空間領域部の開口部は、当該螺子部材の当該突起型頭部の上端面或いは当該突起型頭部の側面の何れかに設けられている事を特徴とする請求項４に記載の加工具ホルダー。
6. 当該開口部から見た、当該空間領域部の断面形状は、円形、楕円形、半円形、三角形乃至八角形の多角形、放射状に複数個の鋭角部を有する形状から選択されたひとつの断面形状である事を特徴とする請求項４又は５に記載の加工具ホルダー。
7. 当該空間領域部の、当該開口部から内部方向に向けての断面形状は、均一である事を特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の加工具ホルダー。
8. 当該空間領域部の、当該開口部から内部方向に向けての断面形状は、変化している事を特徴とする請求項４乃至６の何れかに記載の加工具ホルダー。
9. 当該螺子部材の当該突起型頭部の上端面から見た断面形状は、四角角形又は六角形である事を特徴とする請求項３に記載の加工具ホルダー。
10. 当該螺子部材が皿型頭部を有する螺子部材である場合には、当該空間領域部は、当該皿型頭部の当該平坦な上面から当該頭部内に向けて形成された凹陥状の穴部で構成されるものである事を特徴とする請求項１に記載の加工具ホルダー。
11. 当該凹陥状穴部の断面形状は、当該螺子部材の当該皿型頭部の平坦な上面から見た場合に、四角形の断面形状を有する事を特徴とする請求項１０に記載の加工具ホルダー。
12. 当該加工具ホルダーが、少なくともその一部に、加工具をその中に狭持保持するための溝部を有し、当該溝部内に配置された当該加工具を当該加工具ホルダーの外表面から挿入された螺子部材によって当該溝部内で締め付け固定する様に構成されており、且つ当該螺子部材の頭部で、当該少なくとも当該加工具ホルダーの外表面と接触する部分には、テーパー状に形成されている事を特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載の加工具ホルダー。

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