JP2015080847A - 超音波加工装置 - 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超音波加工装置を提供する。
【解決手段】 切断ブレード９を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に挿入し、中空ボルト４と一体で作成した支持フランジ１６ａと回転アダプター３に取り付けられた固定用リング１０ａを接触させる。次に回転アダプター３の先端に固定用リング１０ｂをねじ込み、中空ボルト４と一体で作成した支持フランジ１６ｂと固定用リング１０ｂを接触させ、そしてねじ込み、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に支持固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を用いる超音波加工装置に関する。

ガラス、シリコン、アルミナ−チタンカーバイト、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、そしてアルミ、ステンレスなどの加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状の砥石または切断ブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。

さらに切断性能の向上は計るために特許文献１に記載の超音波切断装置が提案されている。特許文献１に記載されている構成は以下に示すようなものである。スピンドルに超音波振動子が装着されている。超音波振動子からスピンドルの軸心方向に伝達された超音波は、切削砥石を構成する基台に伝達され、基台の中心部において伝達方向が垂直方向に変換され、電鋳ブレードにも伝達される。すなわち、基台は、超音波の振動方向を変換する振動変換部として機能する。そして、切削砥石が高速回転しながらウェーハに切り込むと共に、電鋳ブレードに伝達される超音波による超音波振動によっても効率よく切削することができると述べられている。

一方、特許文献２には、円盤状の切削ブレードとその表面に固定された円環状の超音波振動子からなる円盤状の切削工具を備えた切断装置が開示されている。この切断装置においては、円盤状の切削工具を切削ブレードと共に回転させながら、超音波振動子にて発生した超音波振動をブレードに付与し、この超音波振動が付与されたブレードの外周縁部の刃先を囲う対象物に接触させることにより加工対象物の切断が行われる。そして、同文献の切削工具は、その切断ブレードに超音波振動を付与することにより、加工対象物を高い精度で切削することができると記載されている。

特開２００６−２６８６８ 特許第５０２０９６２号

発明の概略

発明が解決しようとする課題

上記の特許文献１に記載の切断装置においては、回転軸の方向と一致する縦方向の超音波振動を切断ブレードの径方向の超音波振動に変換する。効率よく振動方向を変換するためには回転軸の形状と切断ブレードと切断ブレードの基台の形状の関係が重要である。つまり、回転軸の形状により切断ブレードと切断ブレードの基台の形状が決まる。切断ブレードと切断ブレードの基台の形状はある決まった形状になってしまう。また、回転軸の形状と切断ブレードと切断ブレードの基台の形状が適正でない場合、切断ブレードの超音波振動は小さくなり、そして切断ブレードの振動方向が好ましくない回転軸方向の振動成分が大きくなってしまう。

また、上記の特許文献２に記載の切断装置においては、円盤状の切削ブレードとその表面に固定された円環状の超音波振動子を接着剤により固定しているが、切削対象物を切削すると切削ブレードも消耗する。したがって、切削ブレードを交換しなければならないが切削ブレードに接合された超音波振動子も一緒に廃棄されてしまう。超音波振動子は、高価であるため、加工コストが上昇してしまう。また切削ブレードが大きくなると超音波振動子を大きくしなければならないが、超音波振動子の価格が高くなり、かつ超音波振動子の大型化は困難である。

本発明の目的は、優れた機械加工性能を持つ超音波加工装置を提供することにある。
本発明の目的はまた、優れた加工性能を安定して示し、かつ設計が容易な超音波加工装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

本発明は、超音波加工装置に使用する超音波振動子が、回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子のボルトを中空状とする超音波加工装置とするものである。

本発明はまた、回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子のボルトが中空状であり、そのボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部にフランジを持つ超音波加工装置とするものである。

本発明はまた、回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子の中空状であるボルトの内周面と回転軸または回転軸アダプターの外周面の間に空間を有する超音波加工装置とするものである。

本発明はまた、回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子の中空状であるボルトの内周面と回転軸または回転軸アダプターの外周面の間に空間を有し、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部のフランジと接触支持する固定用リングが回転軸または回転軸アダプターの外周に位置する超音波加工装置とするものである。

本発明はまた、ボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成する圧電素子を、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の長さ方向の中心線に対して両側に配置する超音波加工装置とするものである。

本発明はまた、機械加工用の工具がボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成する超音波加工装置とするものである。

発明の効果

本発明の超音波加工装置により、容易に大型から小型の加工工具を使用することができる。

本発明の超音波加工装置の構成例を示す断面図である。 図１の構成において対称位置に電圧を印加した断面図である。 本発明の超音波加工装置の別の構成例を示す断面図である。 本発明の別の超音波加工装置を応用した超音波研磨装置を示す断面図である。

先ず、本発明の超音波加工装置１を添付の図面を参照しながら説明する。この超音波加工装置１である図１は、切断を用途とするものである。本発明の超音波加工装置１の回転軸２の中心軸に沿って切断した断面図である。

ここで回転軸２に挿入する回転アダプター３について説明する。回転軸アダプター３は、超音波加工装置１の外部で切断ブレード９などを組み立てるために用いられる。通常、超音波加工装置１にはカバーが取り付けられており、この中で特に直径が大きい（直径１００ｍｍ以上）切断ブレード９を取り付けるのは、作業空間が小さいため、かなり困難である。

切断ブレード９を取り付けるためのボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を組み立てる。まず炭素鋼Ｓ４５Ｃ製の中空ボルト４に一方のフランジ８ａを一体で構成し、そして中空ボルト４にオネジを先端部と末端部に設ける。次にフランジ８ａ面に向けて鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ａ、電圧印加用のリン青銅製の電極板１８ａ、鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ｂ、アース用のリン青銅製の電極板１８ｂ、炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のスペーサ２０ａの順序で中空ボルト４に入れ込み、炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のリアマス５をねじ込むことにより一体化する。

次にフロント側について説明する。前記のように圧電素子などを組み込んだ中空ボルト４のフランジ８ａ面に向けて切断ブレード９、フランジ８ｂ、バランス用の圧電素子６ｃ、６ｄとリン青銅製の電極板１８ｃ、１８ｄを衝撃などより保護するために炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のスペーサ２０ｂの順序で入れ、最後に炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のフロントマス７で締め込み一体化する。

スペーサ２０は、圧電素子とリン青銅を保護するためのものである。特にフロント側では、切断ブレードの交換時には、圧電素子とリン青銅も移動、締め付けが必要であるので損傷する虞がある。これを防ぐため炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のスペーサを用いる。そして対称性を維持するためリア側にも配置する。

フロント側に配置した圧電素子６ｃ、６ｄと電極板１８ｃ、１８ｄは、切断ブレード９の中心面を対称面とするボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を構成するためのものである。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５は、切断ブレード９の中心面を対称面とすることで、切断ブレード９が径方向の振動成分を大きくし、径方向と垂直なボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の長さ方向の振動成分を小さくできる。

回転アダプター３に固定用リング１０ａをネジにより取り付ける。固定用リング１０ａの後部には回転用ロータリートランス１２が取り付けてある。そして回転用ロータリートランス１２と対向する位置に固定用ロータリートランス１３が装置ケース１４に取り付けられる。ここでは、回転アダプター３に固定用リング１０ａをネジにより取り付けたが、回転アダプター３に固定用リング１０ａを一体で作成してもよい。

そして切断ブレード９を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に挿入し、中空ボルト４と一体で作成した支持フランジ１６ａと回転アダプター３に取り付けられた固定用リング１０ａを接触させる。次に回転アダプター３の先端に固定用リング１０ｂをねじ込み、中空ボルト４と一体で作成した支持フランジ１６ｂと固定用リング１０ｂを接触させ、そしてねじ込み、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転アダプター３に支持固定する。ここでは、中空ボルト４にフランジ１６ａ、１６ｂを設けたが、フロントマス７とリアマス５にフランジを設けてもよい。

ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５と回転アダプター３は、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の超音波振動を回転アダプター３に伝播させないために、接触させない。実際に製作する際には、回転アダプター３と中空ボルト４の間隔は、１０μｍから１ｍｍ程度が好適である。１０μｍ未満の間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１を回転アダプター３に挿入するのに時間を要する。１ｍｍより大きい間隔では、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５が大きくなってしまう。

ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を搭載した回転アダプター３を回転軸２に挿入し、取り付けボルト１１を締めることにより超音波加工装置１を構成する。

この超音波加工装置１においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の切削（切断あるいは溝入れ）が行われる。

先ず、モータを駆動して、回転軸２を回転させる。次いで、超音波発振回路１７が発生した電圧を電気配線、固定用ロータリートランス１３、回転用ロータリートランス１２、電気配線を介して電極板１８ａ、１８ｂに付与することにより、圧電素子６ａ、６ｂに付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を振動させ、切断ブレード９を所望の径方向に超音波振動させる。そして、このように超音波振動しながら回転する切断ブレード９の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行われる。

以上に説明した超音波加工装置１は、切断ブレード９には圧電素子を接合していないので切断ブレードは、安価である。また切断ブレード９は、振動変換器と一体化していないので構成が簡単で安価である。そして、切断ブレード９が直径１００ｍｍ以上の大きさでも通常の切断ブレードを使用できるので比較的容易に製作できる。

ここで、本発明の振動モードについて説明する。中空ボルト４を持つボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の長さ方向の振動変位量が大きくなり、かつボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の中央部のフランジの径方向の振動変位量が大きくなる固有振動モードが存在する。ここで中央部のフランジの径方向の振動が最も大きくなるボルト締めランジュバン型振動子１５の形状を設定する。

ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のボルトを中空にすることで、中空ボルトの外径と内径の比を変えることで、上記の固有振動モードの振動形態および共振周波数を調整できる。

また、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のボルトを中空にすることで、ボルトの中心軸を対称軸とする曲げ振動も励起できる。そして、中空ボルトの外径と内径の比を変えることで、固有振動モードの振動形態および共振周波数を調整できる。

実際は、超音波切断装置１の回転軸２の形状があるので、その形状も考慮して中空ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計しなければならない。また、中空ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５に両端面に支持フランジ１６を付設して、この支持フランジ１６を支持固定する。これらの条件を考慮して有限要素法ソフトであるＡＮＳＹＳを用いて切断ブレード９をフランジ８ａ、８ｂで保持したボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計する。

一般的にボルト締めランジュバン型超音波振動子１５とは、中心部を通るボルトとフロントマス、円環状の圧電素子、電極板、リアマスをナットで締付けて一体化したものを云う。また、ナットはフロントマスにメネジを付設したものでもよいし、リアマスにメネジを付設したものでもよい。さらにフロントマスとボルトを一体化してもよいし、リアマスとボルトを一体化してもよい。

以上説明したように、本発明においては、切削ブレードをそのまま使用できるので様々の形状の切断砥石または切削砥石などを使用できる。また、容易に直径１００ｍｍを超える大きな切断砥石または切削砥石なども利用できる。

図２の超音波加工装置１は、図１のフロント側の圧電素子にも電圧を印加する構成である。

図２においては、回転用ロータリートランス１２から圧電素子へのリード線の配線は原理的に示してある。実際には、中空ボルト、リアマスなどにリード線が通る経路を設ける。

フロントマス側の圧電素子、リアマスの圧電素子に電圧を印加することにより、同じ電圧を印加した図１の構成に比較すると約２倍の振動変位量が得られる。また、電圧の印加についても対称であるため、対称性が高くなり、切断ブレードに不要なボルト締めランジュバン型超音波振動子の軸方向の振動の励起が抑制される。

図３は、別の超音波加工装置を切断、切削の用途に用いるものである。本発明の超音波加工装置１の回転軸２の中心軸に沿って切断した断面図である。

切断ブレード９を取り付けるためのボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を組み立てる。まず炭素鋼Ｓ４５Ｃ製の中空ボルト４に一方のフランジ８ａを一体で構成する。
そしてオネジは先端部と末端部に設ける。次に鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ａ、電圧印加用のリン青銅製の電極板１８ａ、鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ｂ、アース用のリン青銅製の電極板１８ｂの順序で中空ボルト４に入れ込み、炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のリアマス５をねじ込むことにより一体化する。

次にフロント側について説明する。まず切断ブレード９を入れ、次いで炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のフロントマス７で締め込み一体化する。

上記の手順で組み立てた切断ブレード９を取り付けたボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転軸２と一体になった固定用リング１０ａに支持フランジ１６ａに接触させる。そしてフロント側の固定用リング１０ｂを固定用リング締付けナット１９により押し付け締め付け固定する。

固定用リング１０ａの後部には回転用ロータリートランス１２が取り付けてある。そして回転用ロータリートランス１２と対向する位置に固定用ロータリートランス１３が装置ケース１４に取り付けられる。

ここで、本発明の振動モードについて説明する。中空ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５の長さ方向の中央部を振動の節として図中の破線で示すように一方は径が拡がり、他方の径が縮む固有振動モードが存在する。ここで切断ブレードの位置は、振動の腹にあり、径方向に大きく振動し、回転軸方向の振動は小さい。

ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５のボルトを中空にすることで、中空ボルト４の外径と内径の比を変えることで、上記の固有振動モードの振動形態および共振周波数を調整できる。

実際は、超音波切断装置１の回転軸２の形状があるので、その形状も考慮して中空ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計しなければならない。また、中空ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５に両端面に支持フランジ１６ａ、１６ｂを付設して、この支持フランジ１６を支持固定する。これらの条件を考慮して有限要素法ソフトであるＡＮＳＹＳを用いて切断ブレード９をフランジ８ａ、８ｂで保持したボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を設計する。

この超音波切断装置１においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の切削（切断あるいは溝入れ）が行われる。

先ず、図示しないモータを駆動して、回転軸２を回転させる。次いで、超音波発振回路１７が発生した電圧を電気配線、固定用ロータリートランス１３、回転用ロータリートランス１２、電気配線を介して電極板１８ａ、１８ｂに付与することにより、圧電素子６ａ、６ｂに付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を振動させ、所望の切断ブレード９を径方向の成分の大きい超音波振動させる。そして、このように超音波振動しながら回転する切断ブレード９の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行われる。

以上に説明した超音波切断装置は、切断ブレードに圧電素子を接合していないので切断ブレードは、安価である。また切断ブレードは、振動変換器と一体化していないので構成が簡単で安価である。そして、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転軸に取り付けるので超音波切断装置の小型化が可能であり、特に切断砥石が１００ｍｍ以下の場合には好適である。

また、切断ブレードは、金属製、レジン製のどちらでも使用できる。

さらに、本発明を用いれば、切断、切削加工のみならず研磨などの加工品質および加工速度を向上させることができる。

図４は、超音波加工装置を研磨の用途に用いるものである。回転軸２にボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を装着するものである。回転軸２と固定用リング１０ａを一体で製作する。

研磨ベース２１、研磨砥石２２を取り付けるためのボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を組み立てる。ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５は、まず炭素鋼Ｓ４５Ｃ製の中空ボルト４に一方のフランジ８ａを一体で製作する。そしてオネジは先端部と末端部に設ける。次にフランジ８ａ面に向けて鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ａ、電圧印加用のリン青銅製の電極板１８ａ、鉛系の圧電セラミック製の圧電素子６ｂ、アース用のリン青銅製の電極板１８ｂの順序で中空ボルト４に入れ込み、炭素鋼Ｓ４５Ｃ製のリアマス５をねじ込むことにより一体化する。

次にフロント側から中空ボルト４に研磨ベース２１、フランジ８ｂを入れフロントマス７で締付ける。したがって、超音波ランジュバン振動子１５としては、研磨ベース２１を除けば、形状の対称性はあるが、材料では、フロント側とリア側では異なる。理想としては材料も対称性があることが望ましいが、研磨ベース２１の振動に回転軸に垂直な方向だけの振動モードを求めないため、この場合は対称性に拘らない。

以上のように作成した中空状のボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転軸２に挿入し、中空ボルト４の支持フランジ１６ａと回転軸と一体になった固定用リング１０ａを接触させる。次に回転軸の先端に固定用リング１０ｂを入れ、中空ボルト４の支持フランジ１６ｂと固定用リング１０ｂを接触させ、これを取り付けボルト１１により押し込むことによりボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を回転軸２に支持固定する。

この超音波加工装置１においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の研磨が行われる。

先ず、モータを駆動して、研磨砥石を保持している回転軸２を回転させる。次いで、超音波発振回路１７が発生した電圧を電気配線、図示しない固定用ロータリートランス１３、図示しない回転用ロータリートランス１２、電気配線を介して図示しない電極板１８ａ、１８ｂに付与することにより、圧電素子６ａ、６ｂに付与することにより、ボルト締めランジュバン型超音波振動子１５を振動させ、研磨ベース２１を超音波振動させる。そして、このように超音波振動しながら回転する研磨ベース２１に取り付けた研磨砥石２２を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の研磨が行われる。

以上に説明した超音波加工装置１は、研磨ベースには圧電素子を接合していないので、研磨砥石が消耗して交換する際に、圧電素子を接合した研磨ベースを廃棄する必要がないため安価である。また研磨ベースおよび研磨砥石は、振動変換器と一体化していないので構成が簡単で安価である。そして、研磨砥石が直径１００ｍｍ以上の大きさでも比較的容易に製作できる。

本発明の超音波加工装置は、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、溝入れそして研磨に有利に用いることができる。

１ 超音波加工装置
２ 回転軸
３ 回転軸アダプター
４ 中空ボルト
５ リアマス
６ 圧電素子
７ フロントマス
８ フランジ
９ 切断ブレード
１０ 固定用リング
１１ 取り付けボルト
１２ 回転用ロータリートランス
１３ 固定用ロータリートランス
１４ 装置ケース
１５ ボルト締めランジュバン型超音波振動子
１６ 支持フランジ
１７ 超音波発振回路
１８ 電極板
１９ 固定用リング締付けナット
２０ スペーサ
２１ 研磨ベース
２２ 研磨砥石

Claims (6)

1. 回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子のボルトが中空状あることを特徴とする超音波加工装置。
2. 回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子のボルトが中空状であり、そのボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部にフランジを持つことを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
3. 回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子の中空状であるボルトの内周面と回転軸または回転軸アダプターの外周面の間に空間を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
4. 回転軸または回転軸アダプターの外周に装着するボルト締めランジュバン型超音波振動子の中空状であるボルトの内周面と回転軸または回転軸アダプターの外周面の間に空間を有し、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の両端部のフランジと接触支持する固定部が回転軸または回転軸アダプターの外周に位置することを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
5. ボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成する圧電素子を、ボルト締めランジュバン型超音波振動子の長さ方向の中心線に対して両側に配置することを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。
6. 機械加工用の工具がボルト締めランジュバン型超音波振動子を構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波装置。

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