JP2022058709A - 超音波ツールおよびその製作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速に回転する研削スピンドルに取り付けられ、超音波振動がスピンドルの回転軸の軸方向に加えられる超音波ツールにおいて、超音波加振により、砥石がスピンドルの回転軸から脱落するのを防止する。【解決手段】超音波ツール５０は、回転駆動されるスピンドルと、このスピンドルに取り付けられた超音波を発生する超音波振動子とを有する超音波加工機のスピンドルの先端部に取り付けられる。そして、回転運動しながら、回転運動に直交する方向の超音波振動を受ける。超音波ツールは、金属製のクイル５６とこのクイルに一端部が嵌合する砥石５４とから構成される。クイルと砥石のそれぞれの嵌合部に溝部５４３、５６９を形成する。溝部を、金属を含む接着剤６０で接着し、接着剤の固化後は砥石とクイルは分離可能に形成されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、超音波ツール及びその製作方法に係り、特にセラミックやサファイア、ＣＦＲＰ等の難削材の研削加工に好適な超音波ツールおよびその製作方法に関する。

セラミックやサファイア、ＣＦＲＰ等の難削材の切削や研削に、超音波ツールを使用することが知られている。例えば、特許文献１では、発生した超音波のエネルギーを有効に利用した、超音波を用いる切削加工が開示されている。その際使用する超音波切削または超音波研削装置は、交換可能な切削用もしくは研削用のロッドと、このロッドを把持するチャックと、回転軸を備えるモータと、チャックとモータの回転軸を接続する伝達軸を有している。さらに、ロッドの先端部とチャックの接触部の間の領域に、超音波トランスデューサを設けている。

また、ウェーハのような難削材を加工することが、特許文献２に記載されている。この公報に記載の加工方法においては、ウェーハの加工位置に対し、初めにレーザ光線を照射してウェーハ表面を改質し、次いで、超音波振動を砥石に付加しながら、改質されたウェーハの裏面側を研削砥石で研削している。これにより、ウェーハを研削しながら超音波振動による外力を改質層に加えて、改質層を起点とするウェーハの厚さ方向の割れを十分に進行させている。

上記各特許文献に記載の超音波研削装置に使用可能な研削用砥石の例が、特許文献３に記載されている。この公報に記載の研削用砥石では、発生する廃棄物を少なくすることができるレジノイド砥石を得るために、金属のコアの周りにレジノイド砥石を固着し、金属コアの外周に固着されたレジノイド砥石内に、レジノイド砥石を径方向に補強する円管状の補強リングを設けている。これにより、砥石は消耗品であるが、金属コアを再使用でき、廃棄物が少なくなるとともに、研削中の砥石の飛散を補強リングが低減している。

特表２００８－５３５６６７号公報 特開２０１５－２２０３８３号公報 特開２００３－８０４６３号公報

ウェーハに代表される難削材の研削では、一般に垂直に配置される研削スピンドルの回転軸を高速で回転させ、回転軸の先端部に取り付けた砥石で加工対象の難削材を加工する。この研削加工においては、回転軸を回転させるとともに、超音波加振手段を用いて、高周波数、例えば、数１０ｋＨｚで、回転軸の軸方向に砥石を加振している。これにより、難削材を損傷することなく、定められた形状に精度高く加工することを可能にしている。

このように、超音波加工を併用する研削スピンドルでは、使用中は、加工具である砥石に常時高周波の軸方向に繰り返す荷重が、加わっている。そのため、接着剤で砥粒が締結された砥石を用いると、繰り返し荷重による摩擦が砥石内部または砥石と砥石の取付け部材間で発生する。この繰り返し荷重による摩擦は、最終的には摩擦熱となり、発熱部での砥石の微小変形や、砥石の強度の低下を引き起こす。

一方、難削材の加工に使用する砥石は、砥粒を樹脂系または軟金属の接着成分に分散させているので、砥石を研削スピンドルの回転軸に取り付ける際に用いる、砥石用金属取付け材に砥石を固定するときは、砥石が軟化または変形するので、ロー付等の金属材料一般で使用可能な高温の加工ができない。そのため、焼成等で形成された砥石を用いたときでも、研削スピンドルの回転軸に、使用中でも安定してしっかりと砥石を保持することが強く求められている。さらに、砥石が樹脂系の接着成分を含むときは、砥石が超音波による繰り返し荷重により発生する摩擦熱で軟化し、研削スピンドルの回転軸への取付け部で隙間を生じて砥石がアンバランスになったり、砥粒を砥石に保持する強度が低下したりして、早期に損耗するので、この改善も求められている。

上記特許文献１では、超音波切削装置に使用する超音波発生装置の出力を効果的に加工具に導くことが記載されている。しかしながら、この公報では、超音波発生装置から加工具に導かれた超音波エネルギーで、加工部そのものが損傷することについては、考慮されていない。なお、被削材が難削材の場合についても、考慮されていない。また、上記特許文献２では、レーザ照射と超音波研削の併用で、分割予定ラインに沿ったウェーハの分割加工が記載されている。この特許文献２でも超音波研削において、研削具である砥石が運転中に超音波による摩擦熱で劣化することについては、考慮されていない。

さらに、上記特許文献３では、研削用の砥石を、スピンドルの回転軸に取り付けられる鋼製の金属コアと、このコアの外周部に形成した砥石と、砥石を径方向に補強する補強リングとで構成している。しかしながら、この特許文献３でも、砥石の使用中、断続的な超音波振動が樹脂系接着剤の内部で摩擦熱を発生し、接着剤の組成が変化し、接着剤の砥粒保持能力及び金属コアとの接着力が低下することについては、十分には考慮されていない。砥石の接着剤の接着能力が低下すると、最悪の場合には、加工中に砥石が研削スピンドルから脱落する。

本発明は上記従来の技術の不具合を鑑みなされたものであり、その目的は、高速に回転する研削スピンドルに取り付けられ、超音波振動がスピンドルの回転軸の軸方向に加えられる超音波ツールにおいて、超音波加振により、砥石がスピンドルの回転軸から脱落するのを防止することにある。本発明の他の目的は、上記目的に加え、長寿命で砥石を使用可能にすることにある。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、以下のとおりである。

［１］ 回転駆動されるスピンドルと、このスピンドルに取り付けられた超音波を発生する手段と、を有する超音波加工機の上記スピンドルの先端部に取り付けられ、回転運動しながら、回転軸の軸方向の超音波振動を受ける超音波ツールにおいて、上記超音波ツールは、金属製のクイルとこのクイルに一端部が嵌合する砥石とから構成され、上記クイルと上記砥石のそれぞれの嵌合部に溝部を形成し、上記溝部を、金属を含む接着剤で接着し、上記接着剤の固化後は上記砥石と上記クイルは分離不可能に形成され、クイルの上記溝部は、外周の周方向の複数個所に、ほぼ等ピッチで切り欠き状に構成され、砥石の上記溝部は、周方向の複数個所に、周方向に間欠的に、かつ、厚み方向に貫通するよう形成され、上記砥石と、上記クイルとが嵌合されたとき、クイルの上記溝部と、砥石の上記溝部とが対向するよう、形成される、超音波ツール。
［２］ 上記砥石は厚さが均一なほぼ円筒状であり、上記砥石の上記嵌合部より小径に形成された円筒状の上記嵌合部を有する上記クイルに、すきま嵌めされる、［１］に記載の、超音波ツール。
［３］ 上記砥石は、砥粒を結合剤に分散させたメタルボンドで構成されており、上記砥石の溝部はワイヤ放電加工で形成されていることを特徴とする［１］または［２］に記載の超音波ツール。
［４］ 上記砥石は、砥粒をレジンまたはビトリファイド内に分散させて形成されており、上記砥石の溝部は研削加工で形成されていることを特徴とする［１］ないし［３］のいずれかに記載の超音波ツール。
［５］ ［１］～［４］に記載の超音波ツールを製作するための、超音波ツールの製作方法であって、上記砥石を上記クイルにすきま嵌めして上記砥石を上記クイルに端面で当接するステップと、上記砥石の厚み方向に貫通して形成された上記溝部を介して、上記クイルの上記溝部との間に接着剤を注入するステップと、注入した上記接着剤を常温で固化させるステップとを含む、超音波ツールの製作方法。

また、上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、回転駆動されるスピンドルと、このスピンドルに取り付けられた超音波を発生する手段と、を有する超音波加工機の前記スピンドルの先端部に取り付けられ、回転運動しながら、回転軸の軸方向の超音波振動を受ける超音波ツールにおいて、前記超音波ツールは、金属製のクイルとこのクイルに一端部が嵌合する砥石とから構成され、前記クイルと前記砥石のそれぞれの嵌合部に溝部を形成し、前記溝部を、金属を含む接着剤で接着し、前記接着剤の固化後は前記砥石と前記クイルは分離不可能に形成され、前記砥石と前記クイルの嵌合端部であって前記砥石の溝部と前記クイルの溝部の周縁部には軸方向に対向して段差部を備えることにある。

そしてこの特徴において、前記クイルは円筒形に構成され、前記クイルの溝部は、前記クイルの内周面に形成されており、前記砥石に形成する溝部は前記砥石の外周面に形成されており、前記クイルの溝部と前記砥石の溝部は、前記砥石と前記クイルの双方を嵌合して軸方向に当接させた時に、対向する位置にあるのが望ましい。また、前記クイルに形成する溝部は、前記クイルの外周面に形成した半径方向貫通穴に連通していてもよく、前記砥石の外面に形成する溝部が、複数条の螺旋溝または円周方向にほぼ等間隔に設けられた複数個所の切り取り面であるとき、前記クイルの内面に形成する溝部は、複数条の螺旋溝であり、前記砥石の外面に形成する溝部が、円周方向にほぼ等間隔に設けられた複数個所の切り取り面であるとき、前記クイルの内面に形成する溝部は、環状溝であり、前記クイルの溝部と前記砥石の溝部にくさび形状または引っ掛かり形状を形成してもよい。

また上記特徴において、前記砥石は、砥粒を結合剤に分散させたメタルボンドで構成されており、前記砥石の溝部はワイヤ放電加工で形成されてもよく、前記砥石は、砥粒をレジンまたはビトリファイド内に分散させて形成されており、前記砥石の溝部は研削加工で形成されてもよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、超音波加工機に用いる超音波ツールの製作方法であって、砥粒が分散された結合剤液を心金上に施して砥石を成形するステップと、前記砥石がメタルボンドで製作されているときは前記砥石の一方の端部の外面に、周方向にほぼ等ピッチで間隔が置かれた切り取り面、または複数条の螺旋溝をワイヤ放電により加工して溝部を形成し、前記砥石がメタルボンドではなく、レジンまたはビトリファイドで製作されているときは、前記砥石の一方の端部の外面に研削加工により、周方向にほぼ等ピッチで間隔が置かれた切り取り面、または複数条の螺旋溝を溝部として形成するステップと、前記砥石に嵌合する円筒状のクイルの内面に溝加工して溝部を形成するステップと、前記砥石と前記クイルをすきま嵌めして前記砥石を前記クイルに端面で当接するステップと、前記クイルに径方向に貫通して設けた貫通穴を介して、前記砥石と前記クイルの双方に形成した溝部間に接着剤を注入するステップと、前記砥石と前記クイルの双方の溝部間の接着剤を常温で固化させるステップとを含むことにある。

本発明によれば、超音波ツールにおいて、砥石を研削スピンドルに取り付けるためのクイルの内周面と、砥石の外周面に軸方向に変化する全周または部分周の溝を設けるとともに、砥石とクイル間に金属含有冷間接着剤を用いているので、超音波加振により、砥石がスピンドルの回転軸から脱落するのを防止できる。また金属含有冷間接着剤は、一旦固化すると摩擦熱は接着剤の金属成分を通して伝熱し外部に放熱され、砥石内部の温度上昇が低減され、長寿命で砥石を使用可能になる。

本発明に係る超音波加工機の一実施例の主要部の模式正面図である。 図１に示した超音波加工機が有する超音波ツールの一実施例の縦断面図である。 図２に示した超音波ツールが備える砥石の斜視図である。 図２に示した超音波ツールの断面斜視図およびクイルの斜視図と縦断面図である。 図２に示した超音波ツールで使用される接着剤の固化後形状である。 図２に示した超音波ツールの他の実施例の断面図およびそれを形成するクイルと砥石の斜視図である。 図２に示した超音波ツールのさらに他の実施例の断面図およびクイルの斜視図と斜視断面図である。 図７に示した超音波ツールの変形例の断面斜視図およびクイルの斜視図と縦断面図である。 超音波ツールの製作過程を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る超音波加工機及びそれに用いる超音波ツールについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る超音波加工機１００の模式正面図であり、ケース１９の一部を取り去って示した図である。超音波加工機１００は、ツールがスピンドルに取り付けられる、砥石を用いる縦軸の研削装置である。

超音波加工機１００は、縦軸に延びた形状をしており、上部にはサーボ・ユニット１３で回転を制御されるサーボ・モータ１０が配置されている。サーボ・モータ１０の回転軸１２は、いわゆるスピンドルを構成するスリップリング２４とブースタ３４とコーン本体３８に接続されている。スリップリング２４にはカーボン製のブラシ２２が当接し、ブラシ２２は超音波発生装置３０に接続されている。超音波発生装置３０で発生した超音波加振用信号を、ブラシ２２を介して受け取るために、スリップリング２４は設けられている。スリップリング２４の下方には、超音波振動子３２が設けられている。超音波発生装置３０で発生した超音波加振用信号を、超音波振動子３２で数１０ｋＨｚの超音波振動に変換する。

超音波振動子３２の下部には、超音波振動子３２で生成した超音波振動を受け取るブースタ３４が設けられており、このブースタ３４の下部に設けた先窄まりの円錐型のコーン本体３８を介して、超音波ツール５０に超音波振動が伝達される。回転軸１２の下部に設けたスリップリング２４、ブースタ３４、コーン本体３８の各部品は、連結されて一体化されており、全体として縦に延びた円筒形をしている。そして、その縦方向中間部の２か所で、軸受１６、１７により、ケース１９に回転可能に支承されている。ケース１９は、スリップリング２４、ブースタ３４、及びコーン本体３８の一部を収容する。なお、上部軸受１６からコーン本体３８までは、超音波ホーン４０を構成する。

このように構成した超音波加工機１００では、初めに、砥石５４とクイル５６が一体化した超音波ツール５０をコーン本体３８の下端部へ、下方から矢印Ｐ方向に取り付ける。次いで、超音波加工機１００を駆動すると、サーボ・ユニット１３がサーボ・モータ１０を回転駆動し、これにより、回転軸１２が図で矢印Ｒに示した方向に回転する。したがって、砥石５４も矢印Ｒ方向に回転する。その際、超音波発生装置３０で発生した超音波信号が、ブラシ２２とスリップリング２４の回転接続を介して、超音波振動子３２に伝達され、超音波加工機１００の軸方向、すなわち回転軸１２の回転方向に直交する方向（Ｚ方向）の超音波振動が生成される。超音波振動子３２で生成した軸方向の超音波振動は、ブースタ３４で増幅されたのち、コーン本体３８で集中されて、最終的にクイル５６を介して砥石５４に伝達される。したがって、砥石５４は、方向Ｒに回転しながら、Ｚ方向に微小振幅の超音波周波数（約数１０ｋＨｚ）で振動する。

超音波加工機１００において、通常の回転運動による研削効果に加え、超音波振動の微小上下動を加えることにより、セラミックやサファイア、ＣＦＲＰ等の難削材を研削しながら切断する等の加工が可能になる。例えば、カバーガラスの面取り加工や、穴加工、トリミング等を、難削材であっても実現できる。

超音波加工機１００は、上述の利点を有するが、砥石５４には通常の回転力、回転方向の摩擦力となる研削抵抗の外に、超音波振動子３２で生成したＺ方向、すなわち上下方向動による力が運転中に常時加わる。一方、このような超音波加工機１００に用いる砥石５４は、ファイン加工も可能なものが要求されるので、一般的には、ダイヤモンド等の砥粒を結合剤中に分散させた砥石が用いられる。したがって通常の研削時に砥石５４に働く回転方向の力に付加される、上記超音波による上下方向の力は、砥石５４の負荷の増大となり、砥石寿命の低下や超音波ツールでの強度低下に起因する不具合を発生する恐れがある。特に、クイルと砥石間の保持力が低下すると、砥石は健全であるにもかかわらず、砥石がクイルから脱落する事態が生じる。

そこで、砥石５４とクイル５６間の保持力の経年変化による保持力低下を防止する、本発明による超音波ツール５０の一実施例および変形例を、図２以下により説明する。図２は、本発明による超音波ツール５０の一実施例の縦断面図である。図３は、図２に示した超音波ツール５０に用いる砥石５４の一実施例の斜視図である。図４は、図２に示した超音波ツール５０の断面斜視図（ａ）と、それに用いるクイル５６の外観斜視図（ｂ）、縦断面図（ｃ）である。図５は、詳細を後述する固化して形成される接着剤の斜視図である。

砥石５４はほぼ円筒形状をしており、内面５４５は砥石成形時には、心金に当接していたので、高精度に円形が保たれている。砥石５４は、単層であってもよいし、同心円筒状の多層に形成されていてもよい。砥石５４の一端部側、すなわち加工側端面５４１とは反対側の端面５４４近くには、図３に示すように周方向４か所に、９０°ピッチで、切り取り面（切り欠き、または切り欠き形状とも称する）である溝部５４３が形成されている。溝部５４３は円周方向に、９０°よりは狭い範囲、好ましくは、４５°～６０°の範囲で形成されている。

砥石５４は、砥粒を結合剤に分散させたメタルボンドで構成されたものを好適に用いることができ、この場合は、溝部５４３は、ワイヤ放電加工で形成することが望ましい。また、砥石５４は、砥粒をレジンまたはビトリファイド内に分散させて形成したものも好適に用いることができ、この場合は、溝部５４３は、研削加工で形成することが望ましい。

一方、クイル５６は図４に詳細を示すように、軸方向に延びる円筒状部材である本体部５６２と、この本体部５６２の一方端側に形成された中空の第１、第２の取付け部５６４、５６６を有しており、第１の取付け部５６４の外径は、第２の取付け部５６６の外径より小さい。第２の取付け部５６６の外周面には、周方向に複数個所の面取り５７５が形成されており、レンチ等の工具を用いる際に使用される。

第２の取付け部５６６から第１の取付け部５６４の軸方向中間部まで、クイル５６の内面側には砥石５４と嵌合するために、嵌合面である第１の内面５６７が形成されている。そして、ほぼ第２の取付け部５６６の内面領域に、第１の内面５６７よりも大径の円周方向に延びる溝部５６９（図２参照）が形成されている。クイル５６の砥石側端面５６１と溝部５６９の間には、段差部５６３を形成する。すなわち、溝部５６９は、砥石側端面５６１までは延びていない。

次に、このように各々形成した砥石５４がクイル５６に嵌合する部分の外周面と、クイル５６が砥石５４に嵌合する部分の内周面とを、それぞれすきま嵌めになる程度まで同心加工し、互いに嵌合する。嵌合時には、砥石５４の外周面に形成した溝部５４３と、クイル５６の内周面に形成した溝部５６９が対向するように、砥石５４の溝部５４３とクイルの溝部５６９の軸方向位置を予め定めて加工する。

クイル５６には、周方向複数個所、本実施例では４か所に９０°ピッチで貫通穴５７３が形成されているので、この貫通穴５７３から接着剤６０を注入する。貫通穴５７３は、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９で形成される溝部に連通しているので、接着剤６０は、貫通穴５７３を介して両溝部５４３、５６９間に充填される。接着剤６０の注入後は、室温で接着剤６０を固化させる。

固化した接着剤部分のみを取り出して示したのが、図５である。固化した接着剤６０の形状は、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９に対応するリング状の係止・接着部６１０と、それに接続する放射状に延びる９０°ピッチで４個の注入部６１２とからなる。リング状の係止・接着部６１０は、外周面でクイル５６に、内周面で砥石５４に接着するが、リングの内周形状が角部の取れた四角形状であるので、係止・接着部６１０の側面でも砥石５４に接着する。したがって、接着剤６０の砥石接着隙間６１４の形状が、同心円形状の場合に比べて、接着剤６０の側面が抵抗になり、砥石５４の軸方向への脱落をより確実に防止できる。

用いる接着剤６０は、例えば、ベロメタルジャパン社から販売されている２液混合系のベロメタル（商品名）のような金属粉を含む接着剤であり、冷間溶接的効果を有する。このような接着剤６０を砥石５４とクイル５６の双方に処理すると、固化後に、内部に含まれる鉄、アルミニウム、チタン、ニッケル等の金属成分が、耐熱性及び接着強度を担保する。

なお、嵌合時には、砥石５４の端面５４４とクイル５６の端面５６８とが当接するように、砥石５４をクイル５６内に押し込む。また、砥石５４の溝部５４３とクイルの溝部５６９が対向する部分は、接着剤６０が固化後にも空所が形成されない充填部６０４となるよう、必要に応じて嵌合時等に加圧手段を用いて強制的に接着剤６０を注入する。さらに、接着剤６０の充填の不足は、貫通穴５７３内に残る溢れ部６０２でも判断できる。

上記のように構成した本実施例の超音波ツール５０では、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９間の充填部６０４に充填した接着剤６０が、固化後には砥石５４とクイル５６とを一体化して、分離不可能にする。さらに、接着剤６０が金属粉を含有しているので、超音波振動による微小変位の繰り返し荷重に起因して発生する摩擦熱が、接着剤中の金属粉を介して容易に放熱されるので、接着剤が軟化する例えば３００℃という高温までの温度上昇が防止され、接着剤の強度低下を防止できる。したがって、超音波ツール５０を使用中に、クイル５６から砥石５４が脱落するのを防止できる。また、摩擦熱に起因する接着剤の軟化にともなう砥石の変位もなく、砥石の変位に起因する砥石のアンバランスの発生を防止でき、高速回転する砥石の損傷を防止できる。

また、砥石５４の溝部５４３を周方向全体にわたってではなく、周方向の一部にのみ、ほぼ等ピッチで形成したので、接着剤６０が固化した後は、図５に示すように、接着剤６０が楔として作用して、砥石５４の軸方向の変位を防止し、砥石５４がクイル５６から脱落するのを回避できる。この楔効果を発揮させるためにも、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９は、嵌合時に対向する位置にあることが望ましい。そのため、クイル５６に砥石５４を嵌合させるときは、クイル５６内部の端面５６１に、砥石５４の端面５４４を当接させて、溝部５４３、５６９の軸方向位置を合わせる。なお、砥石５４とクイル５６の嵌合端部には、必ず軸方向に段差部５４８、５６３を設けることで、砥石５４のクイル５６からの抜けを防止できることを、本発明者は確認している。

また、本実施例によれば、処理中の接着剤６０の粘度が高くて、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９間に形成される隙間に、接着剤６０が回り込まない、または一旦塗布した接着剤６０が嵌合動作中に取れて、当該隙間に空隙ができる恐れがあるときに、貫通穴５７３から加圧して接着剤６０を注入し、溢れ部６０２を形成させることが可能になる。これにより、溝部５４３、５６９間の隙間を確実に接着剤で充填した充填部６０４を形成できる。また、固化時に体積を減ずる接着剤を使用する場合には、固化前のペースト状の接着剤溜りとして利用できる。

さらに、接着剤６０の量は、注入過程で砥石５４とクイル５６の両溝部５４３、５６９間に形成される隙間に空隙なく充填させる量以上を、注入する。そして、注入時に貫通穴５７３内または貫通穴５７３をあふれ出る溢れ部６０２が生じるようにして、固化しても両溝部５４３、５６９間に空隙が生じる接着欠陥を生じさせないようにする。

図６に、本発明の超音波ツール５０の他の実施例を示す。図６（ａ）は、超音波ツール５０の縦断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の超音波ツール５０が有するクイル５６の外観斜視図、図６（ｃ）は砥石５４の斜視図である。レンチ等を使用する大径の第２の取付け部５６６先端側に、この第２の取付け部５６６よりは小径の第３の取付け部５８２を設けている。そして、第３の取付け部５８２には、周方向複数個所に、ほぼ等ピッチで、切り欠き状の溝部５６９を形成している。

一方、砥石５４の一端側の外周部には、周方向複数個所に溝部５４３ａを形成する。溝部５４３ａは、周方向には連続させずに間欠的に設ける。砥石５４は、厚さが均一なほぼ円筒状であり、本体部５４６の外面が、クイル５６の第３の取付け部５８２にすきま嵌めされる。その際、砥石５４の端面５４１がクイル５６の第２の取付け部の端面５６１に当接する。当接した時に、クイル５６の溝部５６９が砥石５４の溝部５４３ａに対向するよう、予め位置を定めておく。クイル５６に砥石５４を嵌合後、砥石５４の外周部から接着剤６０を注入する。本実施例の場合には、砥石５４とクイル５６の双方の溝部５６９、５４３ａが形成する溝部間に確実に接着剤６０が充填されるのを、容易に目視で確認できる。また、砥石５４の加工が簡単な形状の加工であり、クイル５６の加工が金属加工であるから、全体の加工に要する時間および組立に要する時間を低減できる。なお、第１の取付け部には、スピンドル等への取付けのため、ネジ部５６２ａが形成されている。

図７に本発明の超音波ツール５０のさらに他の実施例を示す。本発明が上記各実施例と異なるのは、砥石５４とクイル５６の嵌合部の隙間が、上記各実施例では、ミクロンオーダの微小な隙間であったのに対し、本実施例では相当の隙間を設け、この嵌合部分に予め接着剤を塗布できるようにしたことにある。そのため、嵌合時には、砥石５４とクイル５６の双方の同心を正確にとる必要があるが、各溝部５４３、５６９間に確実に接着剤を充填することで同心を確保するようにする。

砥石５４の一端部側、すなわち加工側端面５４１とは反対側の端面５４４近くには、周方向４か所に、９０°ピッチで、切り取り面である溝部５４３が形成されている。溝部５４３は円周方向に、９０°よりは狭い範囲、好ましくは、４５°～６０°の範囲で形成されている。

クイル５６は、軸方向に延びる円筒状部材である本体部５６２と、この本体部５６２の一方端側に形成された中空の第１、第２の取付け部５６４、５６６を有しており、第１の取付け部５６４の外径は、第２の取付け部５６６の外径より小さい。第２の取付け部５６６の外周面には、周方向に複数個所の面取り５７５が形成されており、レンチ等の工具を用いる際に使用される。

第２の取付け部５６６から第１の取付け部５６４の軸方向中間部まで、クイル５６の内面側には砥石５４と嵌合するために、嵌合面である第１の内面５６７が形成されている。そして、ほぼ第２の取付け部５６６の内面領域に、第１の内面５６７よりも大径の円周方向に延びる溝部５６９が形成されている。クイル５６の砥石側端面５６１と溝部５６９の間には、段差部５６３を形成する。すなわち、溝部５６９は、砥石側端面５６１までは延びていない。

次に、このように各々形成した砥石５４がクイル５６に嵌合する部分の外周面と、クイル５６が砥石５４に嵌合する部分の内周面とに、それぞれ接着剤６０を塗布して、互いに嵌合する。嵌合後は、室温で接着剤６０を固化させる。嵌合時には、砥石５４に形成した溝部５４３と、クイル５６に形成した溝部５６９が対向するように、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９の軸方向位置を予め定めて加工する。

なお、嵌合時には、砥石５４の端面５４４とクイル５６の端面５６８とが当接するように、砥石５４をクイル５６内に押し込む。また、クイル５６と砥石５４との嵌合部に、接着剤６０が充填されて、クイル５６の端面５６１から接着剤が溢れて溢れ部６０２を形成する程度まで、十分な量の接着剤６０を予め砥石５４とクイル５６の双方に塗布しておく。さらに、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９が対向する部分は、接着剤６０が固化後にも空所が形成されない充填部６０４となるよう、必要に応じて嵌合時等に加圧手段を用いて強制的に接着剤６０を注入する。

図７に示した本発明の超音波ツール５０の変形例を、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、超音波ツール５０の部分断面斜視図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の超音波ツール５０が有するクイル５６の外観斜視図、図８（ｃ）はクイル５６の縦断面図である。本変形例が上記実施例と異なるのは、砥石５４が備える溝部５４３とクイル５６が備える溝部５６９を、それぞれ複数条の螺旋溝５３２、５７２から構成したことにある。その他の部分は、上記実施例と同様である。クイル５６の内面５６７に螺旋溝５７２を形成するため、嵌合時の砥石５４の当接面５６８近傍には、逃げ部５７８を形成する。螺旋溝５３２、５７２とすることにより、くさび部の長さが上記実施例よりも長くなり、接着剤６０が硬化した後にさらなる楔効果が期待できる。なお、螺旋溝は複数条、可能ならば３～４条以上が好ましいが、砥石５４の螺旋溝５３２は長くなりすぎると、砥石５４の強度低下を招く恐れもあるので、それほど長くはしない。なお、クイル５６側だけを螺旋溝とし、砥石５４側は図２に示した切り欠き形状としてもよいことは言うまでもない。

次に、上記実施例および変形例による超音波ツール５０の製作方法を、図９に示したフローチャートを用いて説明する。初めに円筒状の砥石５４を作成するため、円柱または円筒で形成された心金の表面に、ダイヤモンド等の砥粒が分散された結合剤で所定厚さまで単層または複数層の砥石層を形成し、所定の外径に仕上げる（ステップＳ１１０）。砥粒の結合がメタルボンドか否かを判定（ステップＳ１２０）し、メタルボンドの場合には、ワイヤ放電加工が可能なので、砥石５４の溝部５４３を所定形状（上記において説明した螺旋溝、切り欠き形状等）に加工する（ステップＳ１３０）。ワイヤ放電加工を使用するので、図３に示したような矩形の切り欠き形状や図５に示した螺旋溝等が溝部５４３の加工に適している。結合剤がメタル系ではない場合、例えばレジンやビトリファイドの場合には、ステップＳ１４０に進み、砥石５４の外面に研削加工して、溝部５４３を形成する。

一方、クイル５６も、ミクロンオーダのすきま嵌めである嵌合部を含めて所定形状に機械加工する（ステップＳ２１０）。クイル５６は鋼製であるから、一般の機械加工が可能である。この加工においては、図６の変形例で示した径方向の貫通穴５７３も加工する。次に、嵌合時に砥石５４に形成する溝部５４３に対向する位置に、内面溝部５６９を加工する（ステップＳ２２０）。なお、このステップＳ２２０は、ステップＳ２１０の加工の前でも、同一工程でもよい。次いで、不要となった口金を再利用のため、取り外す（ステップＳ１５０）。

砥石５４およびクイル５６の双方の嵌合の準備ができたので、砥石５４をクイル５６に嵌合する（ステップＳ３００）。接着剤６０の粘度が高いので、溝部５４３、５６９間の隙間に接着剤６０を十分に回り込ませるため、貫通穴５７３を介して接着剤を加圧注入して、貫通穴５７３内または貫通穴５７３からあふれて溢れ部６０２が形成されるのを確認する（ステップＳ３１０）。

また、砥石５４の溝部５４３とクイル５６の溝部５６９間の隙間及びこの隙間に充填した接着剤６０の粘性等を利用して調心させ、砥石５４とクイル５６を同心させる。同心が取れた状態で、接着剤６０を常温で固化させる（ステップＳ３２０）。数時間経過すると接着剤は固化する。このように嵌合中に接着剤と隙間を利用して、砥石５４とクイル５６を同心させるので、接着剤６０の固化後に、砥石５４の偏心部分を研磨して同心を調整する作業が不要になる。

上記したように本発明の実施例および変形例によれば、超音波加工機に用いる超音波ツールにおいて、研削用砥石とこの砥石を保持するクイル間の接着剤による結合において、砥石とクイルの双方の嵌合部に溝部を設け、しかも砥石側の溝部が必ずしも周方向には一様でないので、砥石とクイル間に形成される隙間に充填された接着剤が固化した後は、この接着剤が楔効果を発揮して、砥石のクイルからの脱落を防止する。また、接着剤に金属粉を含む接着剤を用いているので、超音波加振により発生する砥石部の微小振動に起因する摩擦熱を効果的に外部に放熱でき、固化した接着剤の温度上昇による強度低下を防止できる。

１０…サーボ・モータ、１２…回転軸、１３…サーボ・ユニット、１６、１７…軸受、１９…ケース、２２…ブラシ、２４…スリップリング、３０…超音波発生装置、３２…超音波振動子、３４…ブースタ、３８…コーン本体、４０…超音波ホーン、５０…超音波ツール、５４…砥石、５６…クイル、６０…接着剤、１００…超音波加工機、５３２…螺旋溝、５４１…（加工側）端面、５４３、５４３ａ…溝部、５４４…（嵌合側）端面、５４５…内面、５４６…本体部、５４８…段差部、５６１…（砥石側）端面、５６２…本体部、５６２ａ…ネジ部、５６３…段差部、５６４…（第１の）取付け部、５６６…（第２の）取付け部、５６７…（第１の）内面、５６８…端面（当接面）、５６９…溝部、５７２…螺旋溝、５７３…（径方向）貫通穴、５７５…面取り、５７８…逃げ部、５８２…（第３の）取付け部、６０２…溢れ部、６０４…充填部、６１０…係止・接着部、６１２…注入部、６１４…砥石接着隙間、Ｐ…押し込み方向、Ｒ…回転方向

Claims (5)

1. 回転駆動されるスピンドルと、このスピンドルに取り付けられた超音波を発生する手段と、を有する超音波加工機の前記スピンドルの先端部に取り付けられ、回転運動しながら、回転軸の軸方向の超音波振動を受ける超音波ツールにおいて、
   前記超音波ツールは、金属製のクイルとこのクイルに一端部が嵌合する砥石とから構成され、前記クイルと前記砥石のそれぞれの嵌合部に溝部を形成し、前記溝部を、金属を含む接着剤で接着し、前記接着剤の固化後は前記砥石と前記クイルは分離不可能に形成され、
   クイルの前記溝部は、外周の周方向の複数個所に、ほぼ等ピッチで切り欠き状に構成され、
   砥石の前記溝部は、周方向の複数個所に、周方向に間欠的に、かつ、厚み方向に貫通するよう形成され、
   前記砥石と、前記クイルとが嵌合されたとき、クイルの前記溝部と、砥石の前記溝部とが対向するよう、形成される、超音波ツール。
2. 前記砥石は厚さが均一なほぼ円筒状であり、前記砥石の前記嵌合部より小径に形成された円筒状の前記嵌合部を有する前記クイルに、すきま嵌めされる、請求項１に記載の、超音波ツール。
3. 前記砥石は、砥粒を結合剤に分散させたメタルボンドで構成されており、前記砥石の溝部はワイヤ放電加工で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波ツール。
4. 前記砥石は、砥粒をレジンまたはビトリファイド内に分散させて形成されており、前記砥石の溝部は研削加工で形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の超音波ツール。
5. 請求項１～４に記載の超音波ツールを製作するための、超音波ツールの製作方法であって、
   前記砥石を前記クイルにすきま嵌めして前記砥石を前記クイルに端面で当接するステップと、
   前記砥石の厚み方向に貫通して形成された前記溝部を介して、前記クイルの前記溝部との間に接着剤を注入するステップと、
   注入した前記接着剤を常温で固化させるステップとを含む、超音波ツールの製作方法。

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