JP2016007660A - 超音波振動切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切断刃の長寿命化を図ることができる技術を提供することを目的とする。
【解決手段】ステージ３の載置面３１に載置された切断の対象物Ｓを切断する際に、振動子２２を振動させて共振器２１を超音波振動させた状態で、駆動機構４により共振器２１を振動子２２の振動方向に平行な押切方向Ｚに移動させつつ、当該振動方向に直交かつ切断刃２３に平行な引切方向Ｘに移動させる。そのため、包丁における押し切りと引き切りとが組合わされた状態で対象物Ｓが切断刃２３により切断されるので、切断刃２３により対象物Ｓを切断する際の切れ味が鋭くなり、切断の対象物Ｓを切断する際の荷重をさらに低減することができる。したがって、切断刃２３が破損するのがさらに抑制されるので、切断刃２３の長寿命化を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、切断刃に超音波振動を印加して対象物を切断する技術に関する。

一端側縁部に刃先が形成された矩形平板状の切断刃に超音波振動を印加して対象物を切断する技術が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。すなわち、一方端に接続された振動子の振動に共振する共振器の他方端に切断刃が取り付けられ、ステージに載置されたセラミックグリーンシートに代表される切断の対象物が、超音波振動が印加された状態の切断刃により切断される。超音波振動が印加された状態の切断刃により切断の対象物が切断されることで、対象物を切断する際に切断刃に刃曲がりが生じることなどが防止されて、切断刃に振動を印加しない場合と比較して良好な切断面を有する切断片を得ることができる。また、切断刃に超音波振動が印加されることにより、切断の対象物を押し切りする際の荷重を低減することができるので、切断刃の破損が抑制される。

特開平１−１２２４０８号公報（第３頁右上欄〜第３頁右下欄、第２図など） 特開２０１２−１０６３２９号公報（段落００６９〜０１０１、図１など）

ところで、切断刃に欠けが生じると切断刃を交換しなければならない。しかしながら、切断刃は高価であるため、切断刃の更なる長寿命化が要求されている。

この発明は、上記した課題に鑑みてなされたものであり、切断刃の長寿命化を図ることができる技術を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明にかかる振動切断装置は、一端側縁部に刃先を有する矩形平板状の切断刃と、振動子が一方端に接続され、前記刃先が前記振動子の反対側を向くように該振動子の振動方向に平行配置された切断刃が他方端の取付部に取り付けられて、前記振動子の振動に共振する共振器と、切断の対象物が載置される載置面を有するステージと、前記切断刃の刃先が前記ステージの前記載置面と対向するように前記共振器を支持する支持手段と、前記支持手段に支持された前記共振器を、前記振動方向に平行な押切方向と、前記振動方向に直交かつ前記切断刃に平行な引切方向とに移動させる移動手段と、前記振動子および前記移動手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記対象物を切断する際に、前記振動子を振動させて前記共振器を超音波振動させた状態で、前記移動手段により前記共振器を前記押切方向に移動させつつ前記引切方向に移動させることを特徴としている。

このように構成された発明では、一端側縁部に刃先を有する矩形平板状の切断刃が、振動子が一方端に接続された共振器の他方端の取付部に、刃先が振動子の反対側を向くように該振動子の振動方向に平行配置されて取り付けられている。そして、ステージの載置面に載置された切断の対象物を切断する際に、振動子を振動させて共振器を超音波振動させた状態で、移動手段により共振器を振動子の振動方向に平行な押切方向に移動させつつ、当該振動方向に直交かつ切断刃に平行な引切方向に移動させる。

そのため、包丁における押し切りと引き切りとが組合わされた状態で対象物が切断刃により切断されるので、切断刃により対象物を切断する際の切れ味が鋭くなり、切断の対象物を切断する際の荷重をさらに低減することができる。したがって、切断刃が破損するのがさらに抑制されるので、切断刃の長寿命化を図ることができる。また、切断刃により対象物を切断する際の切れ味が鋭くなるので、切断の対象物の切断面の品質をさらに向上することができる。また、切断刃の刃先の一部に欠けが生じていても、切断の対象物を押し切りする際に引切方向に切断刃を移動させることにより、刃先の欠けが生じている部分を移動させることができるので、切断の対象物を良好に切断することができる。したがって、刃先に多少の欠けが生じていても切断刃を交換する必要がないので、切断刃の実質的な使用（切断）可能期間を増大させることができる。

また、前記切断刃の刃幅が前記対象物よりも幅広に形成され、前記制御手段は、前記切断刃により前記対象物を切断する際に、前記対象物が前記刃先の外側にはみ出さないように前記移動手段により前記共振器を前記引切方向に移動させるとよい。

このようにすれば、切断刃の刃幅が切断の対象物よりも幅広に形成され、切断刃により対象物を切断する際に、切断の対象物が刃先の外側にはみ出さないように移動手段により共振器を引切方向に移動させるので、切断の対象物が常時刃先の範囲内に収まり、切断の対象物を精度よく切断することができる。

また、前記制御手段は、前記共振器を前記引切方向において往復移動させるとよい。

このようにすると、製造精度の問題から切断刃の刃先が微小に湾曲している場合であっても、共振器を引切方向において小刻みに往復移動させることにより、切断刃を引切方向に移動させることによる刃先の湾曲の影響を抑制することができる。

本発明によれば、ステージの載置面に載置された切断の対象物を切断する際に、振動子を振動させて共振器を超音波振動させた状態で、移動手段により共振器を振動子の振動方向に平行な押切方向に移動させつつ、当該振動方向に直交かつ切断刃に平行な引切方向に移動させる。そのため、包丁における押し切りと引き切りとが組合わされた状態で対象物が切断刃により切断されるので、切断刃により対象物を切断する際の切れ味が鋭くなり、切断の対象物を切断する際の荷重をさらに低減することができる。したがって、切断刃の破損がさらに抑制されるので、切断刃の長寿命化を図ることができる。

本発明の振動切断装置の第１実施形態を示す側面図である。 図１の振動切断装置の正面図である。 切断刃と切断の対象物との配置関係を示す図である。 切断の対象物が切断される際の切断刃の動きを説明するための図である。 図１の動作の一例を示すフローチャートである。 切断刃の向きを調整する方法を説明するための図である。 本発明の第２実施形態にかかる振動切断装置において切断の対象物が切断される際の切断刃の動きを説明するための図である。 本発明の第３実施形態にかかる振動切断装置における切断刃の形状を示す図である。

＜第１実施形態＞
この発明の振動切断装置の第１実施形態について図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の振動切断装置の第１実施形態を示す側面図、図２は図１の振動切断装置の正面図である。また、図３は切断刃と切断の対象物との配置関係を示す図である。また、図４は切断の対象物が切断される際の切断刃の動きを説明するための図であって、（ａ）は切断刃を正面から見た要部拡大図、（ｂ）は切断刃の動きを示す図である。また、図５は図１の動作の一例を示すフローチャートである。また、図６は切断刃の向きを調整する方法を説明するための図である。

（装置構成）
図１および図２に示す振動切断装置１は、一端側縁部に刃先２３ａが形成された矩形平板状の切断刃２３に振動を印加してステージ３の載置面３１に載置された切断の対象物Ｓを切断するものであって、共振器２１が設けられたヘッド部２と、載置面３１に切断の対象物Ｓが載置されるステージ３と、支持手段２４に支持された共振器２１を押切方向（矢印Ｚ方向）および引切方向（矢印Ｘ方向）に駆動する駆動機構４（本発明の「移動手段」に相当）と、振動切断装置１の各部の制御を行う制御装置６（本発明の「制御手段」に相当）とを備えている。

ヘッド部２は、図１および図２に示すように、共振器２１と、共振器２１を支持する支持手段２４とを備えている。

共振器２１は、図１および図２に示すように、ブースタ２５とホーン２６とを備え、ブースタ２５の他方端とホーン２６の一方端とが、互いの中心軸が同軸になるように無頭ねじにより連結されている。

ブースタ２５は、ブースタ２５のほぼ中央の位置と、両端位置とが最大振幅点となるように、共振周波数の一波長の長さに形成されている。このとき、最大振幅点から１／４波長離れた位置は、それぞれ第１および第２最小振幅点に相当する。また、ブースタ２５は端部側から見た断面が円形である円柱状に形成されている。そして、ブースタ２５の一方端に、ブースタ２５の中心軸と同軸になるように振動子２２が無頭ねじにより接続されている。

また、ブースタ２５の第１最小振幅点および第２最小振幅点におけるブースタ２５の外周面に、それぞれ凹状の溝が形成されることによりブースタ２５（共振器２１）が把持されるため被把持部が形成されている。なお、この実施形態では、ブースタ２５の中心軸にほぼ直交する断面形状が八角形状となるように被把持部が形成されているが、断面形状が円形状やその他の多角形状となるように被把持部を形成してもよい。

ホーン２６は、その両端位置が最大振幅点となるように、共振周波数の半波長の長さに形成されている。このとき、ホーン２６のほぼ中央の位置が第３最小振幅点に相当する。また、ホーン２６は、正面視矩形状に形成され、側面視が先端に向って先細りする口ばし状に形成されている。そして、ホーン２６の他方端の取付部には段差２６ａが形成され、刃先２３ａが振動子２２の反対側を向くように該振動子２２の振動方向（矢印Ｚ方向）に平行配置された切断刃２３がホーン２６の他方端の取付部の段差２６ａに取り付けられている。

そして、制御装置６に制御されることによって振動する振動子２２の超音波振動に共振する共振器２１から、共振器２１の中心軸の方向に振動する超音波振動が切断刃２３に印加される。また、この実施形態では、ホーン２６の側面には、振動子２２の振動方向であるブースタ２５およびホーン２６の中心軸方向にほぼ平行に２つの長孔２６ｂが透設されている。なお、長孔２６ｂの形成場所およびその数は、ホーン２６の幅等、ホーン２６の形状に応じて適宜調整すればよく、長孔２６ｂは１個であってもよいし、３個以上の長孔２６ｂがホーン２６に形成されていてもよい。また、ホーン２６に長孔２６ｂが形成されていなくても構わない。

このように構成された共振器２１において、振動子２２が制御装置６に制御されて超音波振動を発生し、これにより共振器２１がその中心軸方向に振動する。このとき、ホーン２６には振動方向とほぼ平行に２つの長孔２６ｂが透設されているため、ホーン２６の長孔２６ｂを挟んだ各部位における振動の位相および振幅が調整される。したがって、振動の振幅がホーン２６の他方端の幅方向に渡ってほぼ同じ大きさとなり、幅方向に渡って振幅の大きさが調整された振動が切断刃２３に印加される。

なお、切断刃２３は、高炭素鋼、炭素工具鋼、合金工具鋼、高速度鋼、焼結高速度鋼、超硬合金、セラミックス、サーメット、工業用ダイヤモンド、電鋳ダイアモンドなどの種々の材質により形成することができ、切断対象の種類や、要求される切断片の大きさに応じて刃厚は数μｍ〜約２００μｍとなるように形成される。また、切断刃２３は、熱硬化性や熱可塑性の性質を有する樹脂接着剤や、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属ろう、はんだなどの接着材によって接着されることによりホーン２６の取付部に取り付けられたり、ネジによりホーン２６の取付部に取り付けられる。また、切断刃２３の刃先２３を、化学気相成長（ＣＶＤ）や物理気相成長（ＰＶＤ）により、窒化チタン、炭窒化チタン、チタンアルミナイトライド、アルミクロムナイトライド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Ｄｉａｍｏｎｄ−ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ）などの硬質物質によりコーティングしてもよい。

支持手段２４は、基部２７とクランプ手段２８とを備え、クランプ手段２８でブースタ２５の被把持部を把持することにより共振器２１を支持する。

また、クランプ手段２８は、ブースタ２５に形成された２つの被把持部を把持できるように、金属製の第１部材２８ａおよび第２部材２８ｂを備えている。また、第１部材２８ａおよび第２部材２８ｂには、被把持部の断面形状に合わせた凹部がそれぞれ設けられている。そして、第１部材２８ａおよび第２部材２８ｂの凹部で被把持部を挟持するように、被把持部を形成する凹状の溝に、基部２７に支持されたクランプ手段２８の第１部材２８ａと第２部材２８ｂとが嵌挿され、ボルトで第１部材２８ａおよび第２部材２８ｂが固定されることによって、被把持部がクランプ手段２８により直接挟んで締め付けられて把持される。

これにより、共振器２１は、切断刃２３の刃先２３ａがステージ３の載置面３１と対向するように支持手段２４により支持される。

また、共振器２１の中心軸方向（振動方向）に対する切断刃２３の回転方向（θ方向）における刃先２３ａの向きを調整するためのレバー１００が、共振器２１に取り付けられている。また、流体シリンダ、ギア、プーリー等が組み合わされたモータ等のアクチュエータを備え、レバー１００を移動させることにより刃先２３ａの向きを調整する微調整ユニット１０１が設けられている。なお、図示省略されたマイクロメータ等の手動のアクチュエータが微調整ユニット１０１に設けられていてもよい。

したがって、クランプ手段２８のボルトを緩めた状態でレバー１００を微調整ユニット１０１によりθ方向に回動することで、切断刃２３のθ方向における刃先２３ａの向きを調整することができる。そして、刃先２３ａの向きと、ステージ３に載置された切断対象物Ｓの向きとを容易に微調整することができる。そして、刃先２３ａの向きと、ステージ３に載置された切断対象物Ｓの向きとの微調整が完了すれば、クランプ手段２８のボルトを再度締付けて共振器２１を把持するとよい。

なお、共振器２１を支持する支持手段２４の構成は、ブースタ２５に形成された被把持部を把持してボルトにより固定されるクランプ手段２８に限られず、例えば、電気制御可能に構成された機械的なクランプ機構や、ワンタッチで取り付け可能なクランプ機構など、被把持部を把持して支持できる構成であればどのようなものであってもよい。

また、共振器２１に形成される被把持部の位置は、最小振幅点に限らず、共振器２１の任意の位置に被把持部を形成すればよい。また、被把持部の形状は凹形状に限られず、例えば、凸形状に形成するなど、どのような形状にして形成してもよい。

ステージ３は、セラミックグリーンシートの積層体、半導体ウエハ、回路基板、合成樹脂による積層基板、金属板、シリコン、フェライト、石英、ガラス、セラミック、樹脂板、単層の金属薄膜、金属薄膜の積層体などの切断の対象物が載置される載置面３１と、載置面３１の傾きを調整する倣い機構３２と、Ｙ軸テーブル３４とを備えている。また、この実施形態では、切断の対象物Ｓが載置される載置面３１を成す緩衝層３３が設けられている。緩衝層３３は、ポリイミドやポリエチレンテレフタレート、アクリル樹脂などの樹脂材料や紙など、切断刃２３による切込みが可能な種々の材質により形成される。

また、載置面３１には、切断の対象物を保持するための保持機構（図示省略）が設けられている。保持機構の構成としては、真空吸着機構によるものや、機械式のチャック機能よるものなど、対象物を載置面３１に保持することができる構成であればどのようなものであってもよい。また、保持機構を設けずに、載置面３１に対象物を載置するだけでもよい。

また、この実施形態では、倣い機構３２は、ステージ３の載置面３１に倣いの対象物が当接されることによる生じるモーメントにより載置面３１の傾きを倣いの対象物の傾きに倣わせるものであって、載置面３１が所定の傾きとなった状態で、制御装置６による制御に基づいて当該載置面３１の傾きを維持することができるように構成されている。すなわち、例えば共振器２１に取り付けられた切断刃２３の刃先２３ａが載置面３１に当接することにより載置面３１の傾きが刃先２３ａの傾きに倣った状態で、倣い機構３２は、制御装置６による制御に基づいて載置面３１の傾きを刃先２３ａの傾きに一致させた状態に維持することができる。

なお、倣い機構３２の構成としては、所謂、載置面３１の傾きを所定の傾きに維持することができる一般的な倣い機構であれば、上記した構成に限られず、どのような構成の倣い機構であってもよいが、例えば、圧力検出手段としても機能するピエゾ素子によりピエゾアクチュエータを形成し、載置面３１下方の少なくとも３箇所に配設されたピエゾアクチュエータそれぞれにより検出される圧力が一致するように、制御装置６によりピエゾアクチュエータを駆動することで載置面３１の傾きを調整することができる倣い機構のように、アクチュエータによる載置面３１の傾き調整を行うことができる倣い機構であってもよい。

Ｙ軸テーブル３４は、制御装置６に制御されて、載置台３５に載置された倣い機構３２（載置面３１）を、押切方向Ｚにほぼ直交する矢印Ｙ方向に平行移動させることで、共振器２１に取り付けられた切断刃２３の刃先２３ａと、載置面３１に載置された対象物Ｓとの相対的な位置調整を行うものである。

Ｙ軸テーブル３４は、倣い機構３２が載置される載置台３５と、駆動モータ３６と、ボールねじ３７と、ボールねじ５２に螺合するねじ穴が設けられた移動部材３８と、ガイドレール３９とを備えている。

載置台３５は、その下面にガイド部材３５ａが設けられ、架台１１の矢印Ｘ方向における両側それぞれに矢印Ｙ方向に沿って設けられたガイドレール３９に、矢印Ｙ方向において往復移動自在にガイド部材３５ａがガイドされた状態で、その下面側からガイドレール３９により支持されている。また、ボールねじ３７は、架台１１の矢印Ｘ方向におけるほぼ中央の位置においてその長軸方向が矢印Ｙ方向に沿うように配置されており、ボールねじ３７は、架台１１の矢印Ｙ方向における両側に設けられたフレーム（図示省略）にその中心軸を回転中心として回転自在に支持されている。また、移動部材３８は、ボールねじ３７と螺合した状態で載置台３５の下面に結合されている。

そして、制御装置６に制御されてボールねじ３７の一端に連結された駆動モータ３６が回転することにより、ボールねじ３７と螺合した移動部材３８が矢印Ｙ方向において往復移動し、これにより、移動部材３８に結合された載置台３５がガイドレール３９にガイドされつつ矢印Ｙ方向において往復移動する。

駆動機構４は、共振器２１に取り付けられた切断刃２３の刃先２３ａがステージ３の載置面３１と対向するように支持手段２４に支持された共振器２１を、振動子２２の振動方向に平行な押切方向Ｚと、当該振動方向に直交かつ切断刃２３に平行な引切方向Ｘとに移動させるものであって、Ｚ軸テーブル４１と、Ｘ軸テーブル５１とを備えている。また、架台１１には、正面視略矩形所の正面板１２ａの両側に側面板１２ｂが後方に向けて延設されたフレーム部材１２が立設されており、正面板１２ａの下方位置にはアーチ状の開口１２ｃが設けられている。駆動機構４は、フレーム部材１２の開口１２ｃの上方に配置されて正面板１２ａに取り付けられている。

Ｚ軸テーブル４１は、フレーム部材１２の正面板１２ａに取り付けられた正面板４２と、正面板４２に設けられたフレーム４３に取り付けられた駆動モータ４４と、駆動モータ４４に連結されたボールねじ４５と、ボールねじ４５が螺合する移動部材が結合された移動台４６と、ガイドレール４７とを備えている。移動台４６は、その裏面にガイド部材４６ａが設けられ、正面板４２の矢印Ｘ方向における両側それぞれに矢印Ｚ方向に沿ってガイドレール４７が設けられ、矢印Ｚ方向において往復移動自在にガイド部材４６ａがガイドレール４７によりガイドされている。

また、ボールねじ４５は、正面板４２の矢印Ｘ方向におけるほぼ中央の位置においてその長軸方向が矢印Ｚ方向に沿うように配置されており、ボールねじ４５は、正面板４２に設けられたフレーム４３にその中心軸を回転中心として回転自在に支持されている。制御装置６に制御されて駆動モータ４４が回転することにより、ガイド部材４６ａとガイドレール４７とが摺接しつつ、ボールねじ４５に螺合された移動部材が結合された移動台４６が押切方向Ｚにおいて往復移動し、これにより、支持手段２４に支持された共振器２１がステージ３に近接またはステージ３から離間する。

具体的には、共振器２１は、共振器２１の中心軸の方向がボールねじ４５の長軸方向とほぼ同じ方向、すなわち、共振器２１の中心軸の方向と駆動機構４による共振器２１の移動方向（図１中の矢印Ｚ方向（押切方向））とがほぼ同方向となり、切断刃２３の刃先２３ａがステージ３と対向するように支持手段２４により支持される。そして、駆動機構４により移動台４６が下動されることで共振器２１が一体的にステージ３に近接し、これにより、駆動機構４による加圧力が切断刃２３の刃先２３ａからステージ３の載置面３１に載置された切断の対象物Ｓに加えられて、当該対象物Ｓが切断刃２３により切断される。

また、Ｚ軸テーブル４１は、流体シリンダ４８により上方に牽引された状態で移動台４６に連結されたスライド板４９を備え、スライド板４９にＸ軸テーブル５１が配設されている。スライド板４９は、移動台４６の表面に設けられたガイド４６ｂによりＺ軸方向にスライド自在にガイドされて配設されている。また、流体シリンダ４８は、ヘッド部２およびＸ軸ステージ５１の自重をキャンセルする機能を有しており、これにより、共振器２１は流体シリンダ４８により上方に牽引された状態で支持手段２４に支持される。

また、移動台４６とスライド板２９とを連結する流体シリンダ４８が接続された位置には、ロードセルなどによる圧力検出手段（図示省略）が設けられており、切断刃２３による対象物Ｓへの加圧力を検出することができる。そして、制御装置６は、圧力検出手段の検出信号に基づいて駆動モータ４４のトルク制御を行うことにより、切断刃２３による対象物Ｓへの加圧力を制御することができる。以上のように、圧力検出手段の検出信号に基づく駆動機構４（駆動モータ４４）のフィードバック制御を行うことで、ボールねじ４５と移動台４６に結合された移動部材との螺合部分に生じる摩擦力などに影響されずに、切断刃２３による対象物Ｓへの加圧力を所定の加圧力に制御することができる。また、制御装置６により、流体シリンダ４８の差圧を所定値に設定することにより、切断刃２３による対象物Ｓへの加圧力を容易に一定に設御することができる。

Ｘ軸ステージ５１は、本体５２と、移動台５３と、駆動モータ５４と、駆動モータ５４に連結されたボールねじ（図示省略）とを備えている。なお、Ｘ軸ステージ５１の構成は、上記したＹ軸ステージ３４およびＺ軸ステージ４１の構成とほぼ同様であるため、その構成についての詳細な説明は省略する。そして、制御装置６に制御されて駆動モータ５４が回転することにより、ボールねじに螺合された移動部材が結合された移動台５３が矢印Ｘ方向において往復移動し、これにより、支持手段２４に支持された共振器２１が、振動子２２の振動方向に直交かつ切断刃２３に平行な引切方向Ｘにおいて往復移動する。

また、正面板４２にはリニアエンコーダ１３が設けられており、これによりヘッド部２の高さが検出されて、リニアエンコーダ１３の検出信号に基づいて制御装置６により駆動モータ４４を制御することにより、ヘッド部２の高さを調整することができる。

なお、Ｙ軸ステージ３４、Ｚ軸ステージ４１、Ｘ軸ステージ５１は、それぞれ、駆動モータ３６，４４，５４およびボールねじ３７，４５が組み合わされて構成されているが、エアシリンダによる流体圧力を利用したアクチュエータやリニアモータ等の他のアクチュエータを用いて各ステージ３４，４１，５１が構成されていてもよい。また、共振器２１（切断刃２３）を引切方向Ｘに移動させるＸ軸ステージ５１のアクチュエータをピエゾアクチュエータにより構成してもよい。ピエゾアクチュエータを用いることにより、共振器２１（切断刃２３）を引切方向Ｘにおいて容易に微小移動させたり、微小振幅で容易に振動させることができる。

また、ステージ３の載置面３１に載置された対象物Ｓと共振器２１に取り付けられた切断刃２３の刃先２３ａとの相対位置を認識する位置認識手段がさらに設けられていてもよい。位置認識手段は、２視野光学系レンズと、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像手段により形成されるカメラと、２視野光学系レンズを水平方向および上下方向に移動する駆動部とにより形成することができる。そして、位置認識手段は、２視野光学系レンズが駆動部により対向配置された載置面３１上の対象物Ｓと切断刃２３の刃先２３ａとの間に挿入されることにより、対象物Ｓに設けられた位置認識用のアライメントマークと刃先２３ａとを認識することができる。なお、位置認識手段の構成としてはこれに限られず、対向配置された載置面３１上の対象物Ｓと刃先２３ａとの相対位置を認識することができれば、どのように位置認識手段が構成されていてもよい。

制御装置６は、振動切断装置１全体の制御を行うための操作パネル（図示省略）を備えており、振動子２２へ印加される電圧値または電流値により算出される超音波エネルギーの大きさ、ステージ３が備える倣い機構３２の自由可動状態および不可動状態の切換え、リニアエンコーダ１３の検出信号に基づく駆動モータ４４の制御、駆動モータ３６，４４，５４の駆動トルクの制御、位置認識手段の移動制御、位置認識手段の検出信号に基づくステージ３の矢印Ｙ方向における移動制御などの制御を行って、図１および図２中の矢印Ｘ−Ｙ方向におけるヘッド部２の位置を調整したり、切断刃２３の刃先２３ａと載置面３１上の対象物Ｓとの相対位置を調整する。

（切断刃２３と切断の対象物Ｓとの配置関係）
図３に示すように、切断の対象物Ｓが幅Ｗ２である場合に、切断刃２３の刃幅Ｗ１が切断の対象物Ｓよりも幅広に形成されている。また、図４（ａ）に示すように、厚みＺ１の切断の対象物Ｓが切断される際に、制御装置６により制御されることによって、振動子２２の振動に共振して共振器２１が超音波振動した状態で、図４（ｂ）に示すように、共振器２１は、Ｚ軸テーブル４１により押切方向Ｚに移動しつつ、Ｘ軸テーブル５１により引切方向Ｘに移動する。

また、刃先２３ａが切断の対象物Ｓに接触したタイミングで（図４（ａ）中に点線で示された切断刃２３の位置）、Ｘ軸テーブル５１による共振器２１の引切方向Ｘへの移動を開始させるようにし、刃先２３ａが対象物Ｓに接触してから共振器２１の押切方向Ｚへの移動量が対象物Ｓの厚みＺ１を多少超えたタイミングで（図４（ａ）中に実線で示された切断刃２３の位置）、切断刃２３による対象物Ｓの切断動作が終了するようにするとよい。この場合に、共振器２１（スライド板４９）を上方に牽引する流体シリンダ４８の差圧の変化を制御装置６により監視することによって、切断刃２３の刃先２３ａが切断の対象物Ｓに接触したことを検出することができる。なお、刃先２３ａが切断の対象物Ｓに接触する少し手前のタイミングで、Ｘ軸テーブル５１による共振器２１の引切方向Ｘへの移動を開始させるようにしても、もちろんよい。

また、この実施形態では、図４（ｂ）に示すように、切断刃２３により切断の対象物Ｓが切断される際に、対象物Ｓが刃先２３ａの外側にはみ出さないように共振器２１が引切方向Ｘに移動すると共に、共振器２１が引切方向Ｘにおいて小刻みに往復移動するように、駆動機構４（Ｚ軸テーブル４１、Ｘ軸テーブル５１）が制御装置６により制御される。なお、共振器２１（切断刃２３）を往復移動させるときの振幅および周期は、切断の対象物Ｓの大きさに合わせて、例えば振幅を５μｍ〜１００ｍｍに設定し、例えば周期を１Ｈｚ〜１ｋＨｚに設定すればよい。

（切断動作）
次に、ステージ３の載置面３１に載置された切断の対象物Ｓを切断する動作の一例について図５を参照して説明する。

まず、制御装置６により微調整ユニット１０１が駆動されて、切断刃２３（刃先２３ａ）の向きを引切方向Ｘに一致させる処理が実行される。具体的には、図６に示すように、例えばレーザ光Ｌを用いた測距器１０２により、Ｘ軸ステージ５１によって共振器２１（切断刃２３）が引切方向Ｘに移動したときの測距器１０２から切断刃２３までの距離の変化が測定される。このとき、切断刃２３が引切方向Ｘに平行に配置されていれば、測距器１０２により測定される切断刃２３までの距離は変化しない。したがって、Ｘ軸ステージ５１によって共振器２１（切断刃２３）が引切方向Ｘに移動したときに測距器１０２により測定される切断刃２３までの距離が変化しないように、制御装置６より微調整ユニット１０１が駆動されて切断刃２３のθ方向における刃先２３ａの向きが調整されることによって、切断刃２３（刃先２３ａ）の向きを引切方向Ｘに一致させることができる。

次に、制御装置６により、倣い機構３２が自由可動状態にされて、駆動機構４が駆動されることにより待機位置の共振器２１がステージ３に近接移動され、切断刃２３の刃先２３ａと載置面３１とが当接される。そして、刃先２３ａが載置面に３１に当接することにより発生したモーメントにより倣い機構３２が可動し、載置面３１の傾きが刃先２３ａの傾きに倣うことにより刃先２３ａの傾きと載置面３１の傾きとが一致すれば、倣い機構３２が不可動状態に制御されて載置面３１の傾きが固定される（ステップＳ１）。そして、駆動機構４が駆動されて共振器２１が上方の待機位置まで移動される。

次に、ステージ３の載置面３１にグリーンシートの積層体などの切断の対象物Ｓ（ワーク）が載置され（ステップＳ２）、刃先２３ａとステージ４との間に位置認識手段が挿入されることにより、刃先２３ａと載置面３１上の対象物との相対位置が認識されて、認識された相対位置に基づいてステージ３が駆動されることにより刃先２３ａと載置面３１上の対象物とがアライメントされる（ステップＳ３）。

そして、駆動機構４により共振器２１の押切方向Ｚへの移動が開始され（ステップＳ４）、振動子２２に対して駆動信号が印加されることにより共振器２１の振動が開始される（ステップＳ５）。このとき、駆動機構４の駆動モータ４１の駆動トルクが制御されると共に、流体シリンダ４８の差圧が所定値に設定されることにより、切断刃２３による載置面３１上の対象物Ｓへの加圧力が所定値で一定となるように駆動機構４により共振器２１がステージ３に近接移動される（ステップＳ６）。また、切断刃２３の刃先２３ａが切断の対象物Ｓに接触したタイミングで駆動機構４により共振器２１の引切方向Ｘにおける小刻みな往復移動が開始される。

そして、対象物Ｓの切断が完了すれば共振器２１が上方の待機位置に移動されて、ステージ３が駆動されて対象物Ｓの位置が次の切断位置に移動される（ステップＳ８）。このとき、対象物設Ｓに設定された全ての切断位置の切断が完了するまでステップＳ３〜ステップＳ７までの動作が繰返し実行され（ステップＳ８でＮＯ）、対象物Ｓの全ての切断位置の切断が完了すれば処理を終了する（ステップＳ８でＹＥＳ）。なお、ステップＳ３において、一旦、アライメントが完了した後は、ステップＳ４〜ステップＳ７までの動作が、対象物設Ｓに設定された全ての切断位置の切断が完了するまで繰り返し実行されるようにしてもよい。

なお、切断刃２３による載置面３１上の対象物への加圧力の大きさは、例えば、対象物の試験切断を行って対象物切断の際に生じる刃曲がりの大きさを測定することにより、切断の際に生じる刃曲がりの大きさが要求される切断精度における許容範囲内に収まるように加圧力を設定すればよい。

以上のように、上記した実施形態によれば、一端側縁部に刃先２３ａを有する矩形平板状の切断刃２３が、振動子２２が一方端に接続された共振器２１の他方端の取付部に、刃先２３ａが振動子２２の反対側を向くように該振動子２２の振動方向に平行配置されて取り付けられている。そして、ステージ３の載置面３１に載置された切断の対象物Ｓを切断する際に、振動子２２を振動させて共振器２１を超音波振動させた状態で、駆動機構４により共振器２１を振動子２２の振動方向に平行な押切方向Ｚに移動させつつ、当該振動方向に直交かつ切断刃２３に平行な引切方向Ｘに移動させる。

そのため、包丁における押し切りと引き切りとが組合わされた状態で対象物Ｓが切断刃２３により切断されるので、切断刃２３により対象物Ｓを切断する際の切れ味が鋭くなり、切断の対象物Ｓを切断する際の荷重をさらに低減することができる。したがって、切断刃２３が破損するのがさらに抑制されるので、切断刃２３の長寿命化を図ることができる。また、切断刃２３により対象物Ｓを切断する際の切れ味が鋭くなるので、切断の対象物Ｓの切断面の品質をさらに向上することができる。また、切断刃２３の刃先２３ａの一部に欠けが生じていても、切断の対象物Ｓを押し切りする際に引切方向Ｘに切断刃２３を移動させることにより、刃先２３ａの欠けが生じている部分を移動させることができるので、切断の対象物Ｓを良好に切断することができる。したがって、刃先２３ａに多少の欠けが生じていても切断刃２３を交換する必要がないので、切断刃の実質的な使用（切断）可能期間を増大させることができる。

また、切断刃２３の刃幅Ｗ１が切断の対象物Ｓよりも幅広に形成され、切断刃２３により対象物Ｓを切断する際に、切断の対象物Ｓが刃先２３ａの外側にはみ出さないように移動手段により共振器２１を引切方向Ｘに移動させるので、切断の対象物Ｓが常時刃先２３ａの範囲内に収まり、切断の対象物をＳ精度よく切断することができる。

また、切断刃２３により対象物Ｓが切断される際に、共振器２１が引切方向Ｘにおいて小刻みに往復移動するように駆動機構４が制御装置６により制御される。したがって、製造精度の問題から切断刃２３の刃先２３ａが微小に湾曲している場合であっても、共振器２１を引切方向Ｘにおいて小刻みに往復移動させることにより、切断刃２３を引切方向Ｘに移動させることによる刃先２３ａの湾曲の影響を抑制することができる。

＜第２実施形態＞
この発明の振動切断装置の第２実施形態について図７を参照して説明する。図７は本発明の第２実施形態にかかる振動切断装置において切断の対象物が切断される際の切断刃の動きを説明するための図であって、（ａ）は切断刃を正面から見た要部拡大図、（ｂ）は切断刃の動きを示す図である。図７（ａ），（ｂ）に示すように、この実施形態の切断刃２３の動きが上記した第１実施形態において図４（ａ），（ｂ）を参照して説明した動作と異なるのは、切断の対象物Ｓが切断される際に、切断刃２３（共振器２１）が移動方向Ｘにおいて一方向に移動するように駆動機構４が制御装置６により制御される点である。その他の構成および動作は上記第１実施形態と同一であるため、同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

＜第３実施形態＞
この発明の振動切断装置の第３実施形態について図８を参照して説明する。図８は本発明の第３実施形態にかかる振動切断装置における切断刃の形状を示す図である。図８に示すように、この実施形態の切断刃２３が上記した第１実施形態の切断刃２３と異なるのは、切断刃２３の刃先２３ａの方向が押切方向Ｚに対して斜めに傾いて配置されるように形成されて、刃先２３ａの先端部分に尖った尖頭２３ａ１が設けられている点である。その他の構成および動作は上記第１実施形態と同一であるため、同一符号を引用することによりその構成および動作の説明を省略する。

したがって、上記した実施形態によれば、共振器２１を押切方向Ｚに駆動することにより、切断刃２３の刃先２３ａを尖頭２３ａ１部分から徐々に切断の対象物Ｓに切り込ませることができる。この場合には、引切方向Ｘにおいて、切断刃２３の刃先２３ａが向く方向のみに共振器２１が駆動されるようにするとよい。なお、刃先２３ａに尖頭２３ａ１を有しない矩形平板状の切断刃２３であっても切断刃２３を対象物に対して傾斜させた状態で切断することにより、この実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば共振器の形状等の構成は上記した例に限定されるものではなく、切断刃の押切方向に平行な振動を切断刃に印加することができれば、共振器をどのように構成してもよい。例えば、側面視形状が末広がり状を有するように共振器が構成されていてもよいし、一般的な直方体状に共振器が構成されていてもよい。また、共振器が一体的な一つの部材により形成されていてもよいし、３個以上の部材が連結されることにより共振器が形成されていてもよい。

また、切断刃の共振器の取付部への取付方法については上記した例に限定されるものではなく、例えば、共振器の他方端面に引切方向に平行に嵌合構が形成され、切断刃が刃先と反対側の他端側から嵌合構に嵌入され接着されることにより、切断刃が共振器の取付部に取り付けられていてもよい。

また、上記した振動切断装置は、ドライ環境だけでなく、油や水などの潤滑剤が使用されるウェット環境において使用されてもよい。

そして、本発明は、切断刃に超音波振動を印加して対象物を切断する装置すべてに適用することができる。

１ 振動切断装置
２１ 共振器
２２ 振動子
２３ 切断刃
２３ａ 刃先
２４ 支持手段
３ ステージ
３１ 載置面
４ 駆動機構（移動手段）
６ 制御装置（制御手段）
Ｓ 対象物
Ｗ１ 刃幅
Ｗ２ 対象物の幅
Ｘ 引切方向
Ｚ 押切方向

Claims (3)

1. 一端側縁部に刃先を有する矩形平板状の切断刃と、
   振動子が一方端に接続され、前記刃先が前記振動子の反対側を向くように該振動子の振動方向に平行配置された切断刃が他方端の取付部に取り付けられて、前記振動子の振動に共振する共振器と、
   切断の対象物が載置される載置面を有するステージと、
   前記切断刃の刃先が前記ステージの前記載置面と対向するように前記共振器を支持する支持手段と、
   前記支持手段に支持された前記共振器を、前記振動方向に平行な押切方向と、前記振動方向に直交かつ前記切断刃に平行な引切方向とに移動させる移動手段と、
   前記振動子および前記移動手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記対象物を切断する際に、前記振動子を振動させて前記共振器を超音波振動させた状態で、前記移動手段により前記共振器を前記押切方向に移動させつつ前記引切方向に移動させる
   ことを特徴とする超音波振動切断装置。
2. 前記切断刃の刃幅が前記対象物よりも幅広に形成され、
   前記制御手段は、前記切断刃により前記対象物を切断する際に、前記対象物が前記刃先の外側にはみ出さないように前記移動手段により前記共振器を前記引切方向に移動させることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動切断装置。
3. 前記制御手段は、前記共振器を前記引切方向において往復移動させることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動切断装置。

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