JP2022002889A

JP2022002889A - 超音波切削装置

Info

Publication number: JP2022002889A
Application number: JP2020122430A
Authority: JP
Inventors: 一正大西; Kazumasa Onishi
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2022-01-11

Abstract

【課題】大きな機械的負荷が切削具に与えられても、破損の恐れがない切削具と十分な大きさの超音波振動を励起できる超音波加工装置を提供する。【解決手段】超音波加工装置１の回転軸８の先端にメネジを設ける。一方、六角穴を持つ棒ネジ６とフロントマス３を一体の金属で作製する。一体で製作したフロントマス３を持つ棒ネジ６に圧電素子４ａを入れ、図示しないリン青銅板を入れ、圧電素子４ｂを入れ、リン青銅板を入れて棒ネジ６の六角穴に六角レンチを入れて、リアマス５の切欠きにスパナを掛けて締付け、棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２を作成する。作成した棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２の先端に切削具７を挿入して、回転軸８のメネジ穴にねじ込み、リアマス５の切欠きにスパナを掛けてねじ込む。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を切削具に励起する構成とその駆動方法、支持方法に関する。

従来より、ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、アルミナ−ＴｉＣ（炭化チタン含有アルミナ）、希土類磁石材料、あるいは超硬金属に代表される硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切削するため、円盤状の切削具を備えた切削装置が広く用いられている。この切削装置においては、円盤状の切削具をフランジのより挟み、そして回転させながら、そ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。

本発明者が発明した特許文献１には、円盤状の切削具（切断具）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具（円盤状具）を備えた切削装置が開示されている。この切削装置においては、円盤状の切削工具を切削具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切断具に付与し、この超音波振動が付与された切断具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が行なわれる。そして、同文献の切削工具は、その切削具に超音波振動を付与することにより、加工対象物を高速で、かつ高い精度で切削することができると記載されている。

しかし切削具が拡縮振動するモードにおいては、切削具には振動の節がないため、切削具のどこを支持しても振動が大幅に減衰してしまう。そこで本発明者は特許文献２に示す切削具を考案した。その切削具は、支持位置より外側にスリットによる超音波反射部を備える。さらにスリットより外周部に圧電素子を接合する。そして、圧電素子に切削具が拡縮振動するモードの固有振動数の付近の電圧を印加することにより切削具に拡縮振動を励起することができる。

しかし、切削具の支持位置より外側に設けたスリットが存在するため、切削具が高速回転すると、遠心力によりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。また、切削具の質量が大きくなると遠心力が大きくなりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。さらに切削具の半径が大きくなると遠心力が大きくなりスリットが原因で切削具が破損する虞がある。

特許第４６２０３７０号特開２０００−２１０９２８

伊藤勝彦ほか、「振動方向変換体の研究」、日本音響学会誌、２９巻５号ｐ３０７〜Ｐ３１４

従って本発明の目的は、切削具に大きな機械的負荷が与えられても、破壊の恐れがない超音波振動を切削具に励起する構成、駆動方法そして支持方法を提供することにある。

本発明は、超音波加工装置の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着する際に切削具より先端側にランジュバン型超音波振動子を位置させるものである。

本発明はまた、回転軸にオネジを設け切削具とランジュバン型超音波振動子を締付けるものである。

本発明はまた、切削具とランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成するものである。

本発明はまた、棒状のオネジとランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成するものである。

本発明はまた、回転軸にメネジを設け、前記メネジにオネジを挿入して、切削具そしてランジュバン型超音波振動子を締付けるものである。

本発明はまた、ランジュバン型超音波振動子の縦振動により切削具の径方向の振動を励起するものである。

圧電素子を接合した切削具にスリットを設けることなく、切削具に拡縮する超音波振動を励起することができるため、切削具に大きな機械的負荷が加わる高速回転する、質量の大きい、そして切削具の半径の大きい切削具においても超音波加工ができる。

本発明の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着した断面図である。図１の振動モードを、矢印を用いて説明する図である。フロントマスと切削具を一体で構成した図である。回転軸と棒ネジを一体で構成した図である。

本発明に関わる第１の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と切削具７及び超音波振動発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図１を用いて説明する。
超音波加工装置１の回転軸８の先端にメネジを設ける。一方、６角穴を持つ棒ネジ６とフロントマス３を一体の金属で作製する。

一体で製作したフロントマス３を持つ棒ネジ６に圧電素子３ａを入れ、図示しないリン青銅板を入れ、圧電素子３ｂを入れ、リン青銅板を入れて棒ネジ６の６角穴に６角レンチを入れて、リアマス５の切欠きにスパナを掛けて締付け、棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２を作成する。

作成した棒ネジ６を持つランジュバン型超音波振動子２の先端に切削具７を挿入して、回転軸８のメネジ穴にねじ込み、リアマス５の切欠きにスパナを掛けてねじ込む。

ランジュバン型超音波振動子２の圧電素子４ａ、４ｂに図２に示す矢印で示す縦振動を励起する周波数の電圧を印加する。ここで、棒ネジ６の中の黒丸と回転軸８の中の黒丸が縦振動の節である。

円板状の切削具７の拡縮振動の固有振動数がランジュバン型超音波振動子２に印加した電圧の周波数とほぼ同じであると、切削具７に矢印で示す拡縮振動が発生する。ここで円板状の切削具の拡縮振動の節は棒ネジの中の黒丸であり、縦振動の節と同じである。

上記の縦振動を径方向の振動に変換する研究は、非特許文献１に詳しく解説されている。また、縦振動を径方向の振動に変換する切削方法及び切削装置は特許文献２に詳しく記述してある。

本発明の第１の構成の発明によれば、剛性の大きい切削具７の拡縮振動を励起することができる。そして、ランジュバン型超音波振動子２を超音波振動の駆動源とすることで切削具７に大きな振動を励起することができる。

ここで、切削具７に超音波振動を励起する手段について詳しく説明する。
目的とするランジュバン振動子の縦振動モードの固有振動数付近の周波数の電圧を図示しない超音波発振回路１９、ロータリートランスなどを経由してリード線９ａ、９ｂを通して圧電素子４ａ、４ｂに印加する。ランジュバン振動子２の縦振動モードは、非特許文献１に記載されている振動方向変換作用により、切削具７に径方向の拡縮振動を励起する。切削具７は、ランジュバン型超音波振動子２と回転軸８とで強く締付けられているため剛性の大きい切削具７の支持ができる。

本発明に関わる第２の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と円板状の切削具７及び超音波振動発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図３を用いて説明する。

超音波加工装置１の回転軸８の先端にメネジを設ける。そして、前記の回転軸８のメネジに６角穴を持つ棒ネジ６を締付ける。

棒ネジ６に円板状の切削具７とフロントマス３を一体で製作した構成を挿入する。次に圧電素子３ａ、図示しないリン青銅板、圧電素子３ｂ、図示しないリン青銅板の順序で挿入し、リアマス５を締付け、円板状の切削具７を回転軸８に接続する。

フロントマス３と円板状の切削具７を一体化することで、ランジュバン型超音波振動子２の縦振動を円板状の切削具７の拡縮振動に効率高く変換することができる。フロントマス３と円板状の切削具７が接触しているだけであると接触面で振動ロスが大きくなる。

本発明に関わる第３の構成の超音波加工装置１に用いる回転軸８と円板状の切削具７及び超音波発生部であるランジュバン型超音波振動子２の断面を示す図４を用いて説明する。

まず、金属製の回転軸８と棒ネジ６を一体で製作する。そして、棒ネジ６に一体で製作したフロントマス３と円板状の切削具７を挿入し、次に圧電素子４ａ、図示しないリン青銅板、圧電素子４ｂ、図示しないリン青銅板の順序で挿入し、リアマス５を締付け、円板状の切削具７を回転軸８に接続する。

棒ネジ６と回転軸８を一体化することで、ランジュバン型超音波振動子２の縦振動を回転軸に効率高く伝達することができる。円板状の切削具７の両側に縦振動がより等しくなるため、円板状の切削具７の平面に平行な中心面に対して対称である拡縮振動を励起できる。

以上の説明では、金属製の円板状の切削具７としていたが、金属製の円板の外周に砥石などを装着にも使用できる。また円盤状の各種工具にも応用可能である。

本発明の切削具とその駆動方法により切削具に大きな負荷が加わる場合にも切削具の破損の虞がない効率の高い超音波振動を励起することができるので様々な超音波切削装置に用いることができる。

１超音波加工装置
２ランジュバン型超音波振動子
３フロントマス
４圧電素子
５リアマス
６棒ネジ
７切削具
８回転軸
９リード線

Claims

超音波加工装置の回転軸に切削具とランジュバン型超音波振動子を装着する際に切削具より先端側にランジュバン型超音波振動子を位置させることを特徴とするものである。
回転軸にオネジを設け、切削具とランジュバン型超音波振動子を締付けることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
切削具とランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
棒状のオネジとランジュバン型超音波振動子のフロントマスを一体で構成することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
回転軸にメネジを設け、前記メネジに棒ネジを挿入して、切削具そしてランジュバン型超音波振動子を締付けることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
ランジュバン型超音波振動子の縦振動により切削具の径方向の振動を励起することを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。