JP2022178122A - 超音波切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】切削具に大きな機械的負荷が与えられても、破壊のおそれがない超音波振動を切削具に励起する構成を提供する。【解決手段】超音波切削装置は、回転軸１と、回転軸１に着脱可能に取り付けられた円筒フランジ３と、円筒フランジ３から径方向外側に広がる円盤状切削具５と、回転軸１に着脱可能に取り付けられた環状の圧電素子７を備える。圧電素子７の内径は、回転軸１の直径以上であり、円筒フランジ３および円盤状切削具５は一体構造物であり、円盤状切削具５は、スリットを持たない中実構造を有しており、圧電素子７は、円盤状切削具５から離れた位置にある。【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により挟み、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。

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、円盤状の切削具を回転させながら、超音波振動子にて発生した超音波振動を切削具に付与し、切削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を切削する。さらに、特許文献１には、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周波数を持つ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。

特開２００４－２９１６３６号公報 国際公開第２００８／０４７７８９号

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おそれがある。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おそれがある。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おそれがある。

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、破壊のおそれがない超音波振動を切削具に励起する構成を提供することにある。

一態様では、回転軸と、前記回転軸に着脱可能に取り付けられた円筒フランジと、前記円筒フランジから径方向外側に広がる円盤状切削具と、前記回転軸に着脱可能に取り付けられた環状の圧電素子を備え、前記圧電素子の内径は、前記回転軸の直径以上であり、前記円筒フランジおよび前記円盤状切削具は一体構造物であり、前記円盤状切削具は、スリットを持たない中実構造を有しており、前記圧電素子は、前記円盤状切削具から離れた位置にある、超音波切削装置が提供される。

一態様では、前記回転軸、前記円筒フランジ、前記円盤状切削具、および前記圧電素子は、一体に回転可能な回転組立体を構成し、前記超音波切削装置は、前記圧電素子に交流電圧を印加することで前記回転組立体を共振させる交流電源をさらに備えている。
一態様では、前記交流電圧の周波数は、前記円盤状切削具がその径方向に振動する周波数である。
一態様では、前記超音波切削装置は、前記交流電源と前記圧電素子を電気的に接続するロータリートランスをさらに備えており、前記ロータリートランスは、前記回転軸の直径以上の内径を持つロータと、前記ロータに近接して配置されたステータを備えている。
一態様では、前記回転軸は、シャンクと、前記シャンクの端面に形成されたねじ穴にねじ込まれた棒ねじと、前記棒ねじに螺合する雌ねじを有するフロントマスを有し、前記円筒フランジは、前記シャンクと前記フロントマスとに挟まれている。

本発明によれば、回転軸の直径以上の内径を持つ圧電素子を持つため、回転軸を太くでき、回転軸の機械的剛性を高めることができる。さらに、円盤状切削具は中実構造であるので、円盤状切削具の機械的強度を高めることができる。したがって、超音波加工時において円盤状切削具に大きな機械的負荷が加わっても、回転軸が撓まず、円盤状切削具が破壊されることがない。

超音波切削装置の一実施形態を示す断面図である。 円盤状切削具および円筒フランジをその軸方向から見た図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に説明する超音波切削装置は、マシニングセンターなどの加工装置に装着されて、使用される。図１は、超音波切削装置の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、超音波切削装置は、回転軸１と、回転軸１に着脱可能に取り付けられた円筒フランジ３と、円筒フランジ３から径方向外側に広がる円盤状切削具５と、回転軸１に着脱可能に取り付けられた環状の圧電素子７を備えている。円筒フランジ３および円盤状切削具５は一体構造物である。本実施形態では、２つの環状の圧電素子７が、回転軸１の外周面に取り付けられている。

回転軸１は、マシニングセンターなどの加工装置（図示せず）の回転チャック１００に保持される柄部１４と、圧電素子７が取り付けられる取付部１５と、取付部１５から軸方向に延びるシャンク１６と、シャンク１６の端面に形成されたねじ穴１７にねじ込まれた棒ねじ２０と、棒ねじ２０に螺合する雌ねじ２２ａを有するフロントマス２２を有する。円筒フランジ３は、シャンク１６とフロントマス２２とに挟まれている。円筒フランジ３および円盤状切削具５は一体構造物であるので、円筒フランジ３および円盤状切削具５は、一体にシャンク１６とフロントマス２２とに保持される。回転軸１を構成する柄部１４、取付部１５、シャンク１６は一体構造物であり、例えば鋼から構成されている。

取付部１５は、柄部１４とシャンク１６との間に位置している。取付部１５は、その外周面に雄ねじ１５ｃを有するねじ部１５Ａと、ねじ部１５Ａに隣接する大径部１５Ｂを有している。大径部１５Ｂはねじ部１５Ａよりも大きな直径を有している。大径部１５Ｂは、ねじ部１５Ａよりも大きな直径を有している限りにおいて、その具体的な直径は特に限定されない。取り付けナット１０は、ねじ部１５Ａの雄ねじ１５ｃに螺合されている。２つの環状の圧電素子７は、取り付けナット１０によって回転軸１に固定される。より具体的には、２つの環状の圧電素子７は、取り付けナット１０と回転軸１の大径部１５Ｂとの間に挟まれている。このような構成の圧電素子７は、ランジュバン型超音波振動子とも呼ばれる。

圧電素子７の内径は、回転軸１の直径以上である。より具体的には、圧電素子７の内径は、回転軸１の取付部１５およびシャンク１６の直径と同じか、それよりも大きい。このような構成によれば、回転軸１を太くでき、回転軸１の機械的剛性を高めることができる。

図２は、円盤状切削具５および円筒フランジ３をその軸方向から見た図である。図２に示すように、円盤状切削具５は、スリットを持たない中実構造を有している。すなわち、円盤状切削具５は、孔などがない構造を有しており、円盤状切削具５の機械的剛性が高められている。円盤状切削具５は、その外周に形成された複数の歯５ａを有している。一実施形態では、円盤状切削具５は、歯５ａに代えて、その外周に固定された砥石あるいは砥粒を有してもよい。すなわち、円盤状切削具５は、加工対象物を切削、研磨、または切断などの意図した加工ができるものであれば、その外周部の具体的な構成は特に限定されない。

図１に示すように、圧電素子７は、回転軸１の軸方向において円盤状切削具５および円筒フランジ３から離れた位置にある。言い換えれば、圧電素子７は、円盤状切削具５および円筒フランジ３に接触していない。回転軸１、円筒フランジ３、円盤状切削具５、および圧電素子７は、一体に回転可能な回転組立体を構成する。つまり、円盤状切削具５を含む回転組立体は、回転チャック１００に保持された状態で、マシニングセンターなどの加工装置（図示せず）により回転軸１の軸心を中心に回転される。

超音波切削装置は、圧電素子７に交流電圧を印加することで回転組立体を共振させる交流電源２６を備えている。さらに、超音波切削装置は、交流電源２６と圧電素子７を電気的に接続するロータリートランス３０を備えている。ロータリートランス３０は、回転軸１の直径以上の内径を持つロータ３１と、ロータ３１に近接して配置されたステータ３２を備えている。ロータ３１は、回転軸１の外周面、より具体的には取付部１５の大径部１５Ｂの外周面に２つのロータナット３５により固定されている。大径部１５Ｂの外周面には雄ねじ１５ｄが形成されており、２つのロータナット３５は雄ねじ１５ｄに螺合される。ロータ３１は２つのロータナット３５に挟まれることにより大径部１５Ｂに固定される（すなわち、回転軸１に固定される）。ロータ３１は、フェライト製のコアにマグネットワイヤを巻きつけた構成である。ロータ３１と圧電素子７は、図示しない電極板およびリード線により電気的に接続されている。

ロータ３１とステータ３２は非接触である。ロータ３１は、回転軸１と一体に回転するが、ステータ３２は回転しない。交流電源２６がステータ３２に交流電圧を印加すると、ステータ３２からロータ３１に交流電圧が非接触で伝えられる。さらに交流電圧はロータ３１から圧電素子７に印加され、交流電圧の周波数で圧電素子７が振動する。

圧電素子７が振動する方向は、回転軸１の軸方向（長手方向）である。圧電素子７は、回転軸１、円筒フランジ３、円盤状切削具５、および圧電素子７を少なくとも含む回転組立体に共振を起こさせることで、圧電素子７の振動の振幅よりも大きな振幅で円盤状切削具５を振動させる。円盤状切削具５の振動モードには、円盤状切削具５が回転軸１の軸方向に振動する軸方向振動モードと、円盤状切削具５がその径方向に振動する径方向振動モードがある。本実施形態では、円盤状切削具５を径方向振動モードで振動させる。径方向振動モードでは、円盤状切削具５はその径方向に拡張および収縮を繰り返す。

交流電源２６が発生する交流電圧の周波数は、円盤状切削具５がその径方向に振動する周波数である。交流電源２６は、径方向振動モードの固有振動数に近い周波数の交流電圧を、ロータリートランス３０を介して圧電素子７に印加する。その結果、回転軸１、円筒フランジ３、円盤状切削具５、および圧電素子７を少なくとも含む回転組立体が共振を起こし、円盤状切削具５はその径方向に拡縮振動をする。円盤状切削具５が拡縮振動をしているときの共振の節Ｎ１，Ｎ２は、図１に示すように、円筒フランジ３の両端に存在する。すなわち、節Ｎ１は、シャンク１６に接触している円筒フランジ３の一方の端部にあり、節Ｎ２は、フロントマス２２に接触している円筒フランジ３の他方の端部にある。円筒フランジ３は、拡縮振動し、この円筒フランジ３の拡縮振動に誘発されて円盤状切削具５が拡縮振動する（図１の矢印参照）。

円盤状切削具５は、図示しないマシニングセンターなどの加工装置により回転軸１の軸心を中心に回転され、かつ径方向に振動しながら、加工対象物に接触し、この加工対象物を加工する。本実施形態によれば、回転軸１の直径以上の内径を持つ圧電素子７を持つため、回転軸１を太くでき、回転軸１の機械的剛性を高めることができる。さらに、円盤状切削具５は中実構造であるので、円盤状切削具５の機械的強度を高めることができる。したがって、超音波加工時において円盤状切削具５に大きな機械的負荷が加わっても、回転軸１が撓まず、円盤状切削具５が破壊されることがない。

さらに、本実施形態によれば、圧電素子７は円盤状切削具５から離れているので、円盤状切削具５が摩耗したときに、圧電素子７はそのまま使用しつつ、円盤状切削具５を新たなものに容易に交換することができる。円盤状切削具５を取り外すときは、フロントマス２２を緩めて棒ねじ２０から取り外し、円盤状切削具５および円筒フランジ３を回転軸１から取り外す。円盤状切削具５を取り付けるときは、円盤状切削具５および円筒フランジ３を棒ねじ２０に装着し、さらにフロントマス２２を棒ねじ２０に装着し、フロントマス２２を締め付けることで、円筒フランジ３をフロントマス２２とシャンク１６との間に挟む。

さらに、本実施形態によれば、円盤状切削具５はそのまま使用しつつ、圧電素子７を新たなものに容易に交換することができる。圧電素子７を取り外すときは、上述のようにして、円盤状切削具５および円筒フランジ３を回転軸１から取り外し、その後、取り付けナット１０を回転軸１のねじ部１５Ａから外すことで、圧電素子７を回転軸１から取り外すことができる。圧電素子７を取り付けるときは、円盤状切削具５および円筒フランジ３が回転軸１から取り外された状態で、圧電素子７を回転軸１のねじ部１５Ａに装着し、その後、取り付けナット１０をねじ部１５Ａに装着し、取り付けナット１０を締め付けることで、圧電素子７を回転軸１の大径部１５Ｂと取り付けナット１０との間に挟む。

以上のように、本実施形態によれば、機械的剛性が高く、かつ取り扱いが容易な超音波切削装置が実現できる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 回転軸
３ 円筒フランジ
５ 円盤状切削具
５ａ 歯
７ 圧電素子
１０ 取り付けナット
１４ 柄部
１５ 取付部
１５Ａ ねじ部
１５Ｂ 大径部
１５ｃ 雄ねじ
１５ｄ 雄ねじ
１６ シャンク
１７ ねじ穴
２０ 棒ねじ
２２ フロントマス
２２ａ 雌ねじ
２６ 交流電源
３０ ロータリートランス
３１ ロータ
３２ ステータ
３５ ロータナット
１００ 回転チャック

Claims (5)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に着脱可能に取り付けられた円筒フランジと、
   前記円筒フランジから径方向外側に広がる円盤状切削具と、
   前記回転軸に着脱可能に取り付けられた環状の圧電素子を備え、
   前記圧電素子の内径は、前記回転軸の直径以上であり、
   前記円筒フランジおよび前記円盤状切削具は一体構造物であり、
   前記円盤状切削具は、スリットを持たない中実構造を有しており、
   前記圧電素子は、前記円盤状切削具から離れた位置にある、超音波切削装置。
2. 前記回転軸、前記円筒フランジ、前記円盤状切削具、および前記圧電素子は、一体に回転可能な回転組立体を構成し、
   前記超音波切削装置は、前記圧電素子に交流電圧を印加することで前記回転組立体を共振させる交流電源をさらに備えている、請求項１に記載の超音波切削装置。
3. 前記交流電圧の周波数は、前記円盤状切削具がその径方向に振動する周波数である、請求項２に記載の超音波切削装置。
4. 前記超音波切削装置は、前記交流電源と前記圧電素子を電気的に接続するロータリートランスをさらに備えており、
   前記ロータリートランスは、前記回転軸の直径以上の内径を持つロータと、前記ロータに近接して配置されたステータを備えている、請求項２または３に記載の超音波切削装置。
5. 前記回転軸は、
   シャンクと、
   前記シャンクの端面に形成されたねじ穴にねじ込まれた棒ねじと、
   前記棒ねじに螺合する雌ねじを有するフロントマスを有し、
   前記円筒フランジは、前記シャンクと前記フロントマスとに挟まれている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の超音波切削装置。

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