JP2024029802A - 工具駆動装置及び被穿孔品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドリルへの切粉詰まりとドリルの破損を防止しつつ、安定的にワークを穿孔できるようにすることである。【解決手段】実施形態に係る工具駆動装置は、ドリルを保持するドリルチャックと、前記ドリルチャックを回転させるモータと、前記モータを収納する筐体と、前記ドリルチャックの回転中に前記筐体に対して前記ドリルチャックを工具軸方向に周期的に往復移動させる振動機構であって、前記ドリルチャックを前記筐体に接近させる速度よりも小さい速度で前記ドリルチャックを前記筐体から引離す振動機構とを有するものである。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、工具駆動装置及び被穿孔品の製造方法に関する。

ドリルで穿孔を行う際には、切粉がドリルの溝に詰まらないように、切粉を分断して排出することが重要である。そこで、従来、ドリルを工具軸方向に意図的に振動させることによって切粉を寸断する機構が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

具体的には、リテーナで保持された複数のボールをスピンドルとともに回転する凹部に出し入れすることによってスピンドルを回転軸方向に振動させることができる。すなわち、各ボールが凹部に入る際に、スピンドルとともにドリルが穿孔対象（ワーク）から離れる方向に移動し、各ボールが凹部から出る際に、スピンドルとともにドリルがワークに向かう方向に移動する。これにより、スピンドル及びドリルを工具軸方向に一定の振幅で周期的に往復移動させることができる。

ドリルを振動させるための他の機構の例としては、スピンドルにカムを固定して摺動させることによってスピンドルを振動させる機構や、超音波で振動を発生させる機構も提案されている（例えば特許文献４及び特許文献５参照）。

特開２００３－１１７８５２号公報 特開２００３－２６６４２６号公報 特開平１０－０００５０５号公報 特公平０６－０９８５７９号公報 特開２０１９－２１４０７９号公報

しかしながら、ボールを転動させてドリルを振動させる従来の振動機構では、各ボールが凹部に入る時にドリルがワークから一瞬離れた後、各ボールが凹部から出る時には、ドリルが突然ワークに向かって押し出される。このため、ユーザが手持ち式の工具駆動装置を用いて穿孔を行う場合において力を緩めて工具駆動装置を保持すれば穿孔反力によって押し返されてしまう。従って、各ボールが凹部から出た後、速やかに穿孔を再開することができない。

逆にユーザが手持ち式の工具駆動装置を力を込めて保持すれば、各ボールが凹部から出る際にドリルがワークに衝突することになる。このため、ワークがドリルの強度に対して大きな強度を有する場合には、ドリルが破損する恐れがある。具体例として、チタンは典型的なドリルの素材と比較して強度が大きいため、チタンを穿孔する場合に従来の振動機構を採用するとドリルが破損する可能性がある。

従って、チタン等の難削材が穿孔対象となり得る場合には、従来の振動機構を採用することができない。その結果、振動機構が無い工具駆動装置でチタン等の難削材のみならずアルミニウム等の金属の穿孔を行うと、繋がって排出される金属の切粉を分断することができず、ドリルの溝に切粉が詰まる恐れがある。ドリルの溝に切粉が詰まると、ドリルの回転が止まってしまったり、ワークを損傷させてしまったりする不具合が生じ得る。

特に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材とも呼ばれる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）と金属の重ね合わせ材をＦＲＰ側から穿孔する場合には、ＦＲＰ側の穿孔が終わった後、金属側の穿孔が始まると、ドリルに金属の切粉が詰まって継続的な穿孔が困難となる不具合や金属の切粉が詰まったドリルでＦＲＰの内面が削られてしまう結果、ＦＲＰの孔径が過大となる不具合が発生する場合がある。

一方、凹凸を有するカムを摺動させることによってスピンドルを振動させる機構を採用すると、カムの摩耗が著しく、ボールを転動させることによってスピンドルを振動させる機構と比較すると、振動が不安定になったり、部品の交換頻度が増加したりするという問題がある。このため、長期間安定的にドリルを振動させるためには、摩擦及び摩耗が少ないボール等の回転体を転動させることによってスピンドルを振動させる機構を採用することが現実的である。

そこで本発明は、ドリルへの切粉詰まりとドリルの破損を防止しつつ、安定的にワークを穿孔できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る工具駆動装置は、ドリルを保持するドリルチャックと、前記ドリルチャックを回転させるモータと、前記モータを収納する筐体と、前記ドリルチャックの回転中に前記筐体に対して前記ドリルチャックを工具軸方向に周期的に往復移動させる振動機構であって、前記ドリルチャックを前記筐体に接近させる速度よりも小さい速度で前記ドリルチャックを前記筐体から引離す振動機構とを有するものである。

また、本発明の実施形態に係る被穿孔品の製造方法は、上述した工具駆動装置でドリルを保持し、前記工具駆動装置で回転させた前記ドリルで穿孔対象を穿孔することによって被穿孔品を製造するものである。

本発明の第１の実施形態に係る工具駆動装置の構成を示す部分断面図。 図１に示す振動機構の拡大部分縦断面図。 図２に示す振動機構が有する固定リングにボールを収納した状態における左側面図。 図２に示す振動機構が有する回転リングの右側面図。 図４に示す回転リングの位置Ａ－Ａにおける断面を平面に展開した図。 図５に示す回転リングの展開断面図を回転リングの厚さ方向にのみ拡大することによって凹凸を強調した図。 図２に示す回転リングに設けられる溝の底面が傾斜する範囲を各段差の谷側近傍に限定した例を示す右側面図。 図７に示す回転リングの位置Ｂ－Ｂにおける断面を平面に展開した図。 図８に示す回転リングの展開断面図を回転リングの厚さ方向にのみ拡大することによって凹凸を強調した図。 本発明の第２の実施形態に係る工具駆動装置の構成を示す部分断面図。 図１０に示す振動機構の拡大部分縦断面図。 図１１に示すボールリテーナで複数のボールを保持した状態における左側面図。 図１１に示す回転リングの右側面図。 本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の構成を示す縦断面図。 図１４に示す固定リングの左側面図。 図１４に示すボールリテーナで複数のボールを保持した状態における左側面図。 図１４に示す回転リングの右側面図。 図１４に示す振動機構で発生させるドリル及びドリルチャックの振動の振幅を表す目盛りを振った例を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の第１の変形例の構成を示す縦断面図。 本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の第２の変形例の構成を示す正面図。

本発明の実施形態に係る工具駆動装置及び被穿孔品の製造方法について添付図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
（構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る工具駆動装置の構成を示す部分断面図である。

工具駆動装置１は、穿孔対象となるワークＷを穿孔するためにドリルＴを保持して回転駆動させる装置である。尚、工具駆動装置１で保持される穿孔工具をドリルビットと呼び、ドリルビットを回転させる工具駆動装置１自体をドリルと称する場合もある。

工具駆動装置１には、ドリルＴの回転機構のみならず送り機構を設けても良い。すなわち、工具駆動装置１自体をユーザが押し出すことによってワークＷに向けてドリルＴを送り出しても良いし、工具送り機構で全自動又は半自動でワークＷに向けてドリルＴを送り出しても良い。

工具駆動装置１は、ドリルＴを保持するドリルチャック２、ドリルチャック２を回転させるモータ３、モータ３を収納する筐体４で構成することができる。モータ３は、電動式、油圧式、空気圧式或いはその他の方式のいずれであっても良い。モータ３の出力軸はドリルＴとともにドリルチャック２を回転させるスピンドル５として機能させることができる。換言すれば、モータ３の出力軸をスピンドル５と一体化することができる。もちろん、モータ３の出力軸とスピンドル５を平行又は同一直線上に配置してギア等でトルクを伝達するようにしても良い。

工具駆動装置１を手持ち式とする場合には、筐体４にユーザが握るためのグリップ６が設けられる。グリップ６又はグリップ６の近傍にはモータ３を操作するためのスイッチ７を設けることができる。

また、工具駆動装置１には、ドリルＴ、ドリルチャック２及びスピンドル５の回転中に筐体４に対してドリルＴ、ドリルチャック２及びスピンドル５を工具軸ＡＸ方向に周期的に往復移動させる振動機構８が設けられる。スピンドル５を工具軸ＡＸ方向に往復移動させる場合、典型的なモータ３であればモータ３も工具軸ＡＸ方向に往復移動することになる。このため、例えば、本来モータケース３Ａに隙間なく収納されるモータ３とモータケース３Ａとの間に隙間を設け、モータ３が工具軸ＡＸ方向に往復移動できるようにすることができる。

振動機構８でドリルＴ及びドリルチャック２を送り量と比較して僅かな距離、具体的には０．０１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の距離だけ工具軸ＡＸ方向に周期的に往復移動させると、金属の切粉のように繋がって排出される切粉を分断することができる。換言すれば、０．０１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下の振幅でドリルＴ及びドリルチャック２を振動させると、切粉を分断することができる。その結果、ドリルＴへの切粉詰まりを防止することができる。

これは、ドリルＴ及びドリルチャック２が筐体４に接近する方向に移動すると、切削中のドリルＴがワークＷから一旦離れて穿孔が中断されるためである。その後、ドリルＴ及びドリルチャック２に送りを与えれば、切削を再開することができる。このような切削と中断を交互に繰り返すことによって切粉を排出しながら断続的に穿孔を行う加工はペック加工、ペックドリリング加工又はステップ加工とも呼ばれる。

尚、振動の振幅が小さ過ぎると、具体的には振動の振幅が０．０１ｍｍ未満となると切粉の分断効果が不十分となり、振動の振幅が大き過ぎると、具体的には振動の振幅が０．１５ｍｍを超えるとユーザが手で工具駆動装置１を持つことが困難となる。

特に、振動機構８はドリルＴ及びドリルチャック２を筐体４に接近させる速度よりも小さい速度でドリルＴ及びドリルチャック２を筐体４から引離すように構成されている。すなわち、ドリルＴは往路と復路との間で異なる速度で振動する。より具体的には、切削中のドリルＴをワークＷから一旦引離して穿孔を中断するための、ドリルＴ及びドリルチャック２の筐体４に接近させる方向への移動は瞬時に行われる一方、一旦引離したドリルＴ及びドリルチャック２を再びワークＷに近付けるための、ドリルＴ及びドリルチャック２の筐体４から引離す方向への移動は、できるだけ低速で行われる。

そうすると、ドリルＴがワークＷから瞬時に引離されるため、穿孔の中断によって確実に切粉を分断できる一方、穿孔を再開する際にはドリルＴが低速でワークＷに向かって移動するため、ドリルＴがワークＷに衝突して破損する不具合を防止することができる。また、穿孔の再開直後にドリルＴが低速でワークＷに向かって移動することから、穿孔反力の増加率も低減され、ユーザが急峻な穿孔反力の増加によって押し返されてしまう不都合も回避することができる。

振動機構８は、ドリルＴ及びドリルチャック２の移動速度に対応する凹凸を有する摺動面９と、ドリルチャック２の回転中に摺動面９上において転がる複数のボール１０で構成することができる。尚、ボール１０の代わりに回転シャフトを有するローラ、コロ或いは潤滑性を付与した滑らかな凸部を有する円板状の部材等の回転体を、凹凸を有する摺動面９上で摺動させるようにしても振動機構８を構成することができるが、以降では最も実用的なボール１０を用いる場合を例に説明する。

図２は図１に示す振動機構８の拡大部分縦断面図、図３は図２に示す振動機構８が有する固定リング１１にボール１０を収納した状態における左側面図、図４は図２に示す振動機構８が有する回転リング１２の右側面図、図５は図４に示す回転リング１２の位置Ａ－Ａにおける断面を平面に展開した図、図６は図５に示す回転リング１２の展開断面図を回転リング１２の厚さ方向にのみ拡大することによって凹凸を強調した図である。

複数のボール１０は、ドリルチャック２と筐体４との間において同一円上に等間隔で転動可能に離間配置される。ドリルチャック２の回転中に複数のボール１０が転動しながら接触する摺動面９は、ドリルチャック２及び筐体４の一方に直接又は間接的に設けることができる。

そのために、図示された例では、スピンドル５を通すための貫通孔を中心に設けた固定リング１１が筐体４に、スピンドル５を通すための貫通孔を中心に設けた回転リング１２がドリルチャック２に、それぞれ互いに接触しないように隙間を空けて固定されている。尚、回転リング１２の貫通孔の内面に雌ねじを形成する一方、スピンドル５の表面に雄ねじを形成し、回転リング１２をスピンドル５にも固定するようにしても良い。従って、固定リング１１は筐体４に対して回転しないが、回転リング１２はドリルチャック２及びスピンドル５とともに筐体４及び固定リング１１に対して回転する。

そして、固定リング１１に同一円上に等間隔で設けられた球面状の複数の凹みにそれぞれ複数のボール１０の一部が転動可能に収納されている。このため、複数のボール１０はそれぞれ固定リング１１が固定される筐体４に対して相対的に定位置で転動することになる。また、固定リング１１は、複数のボール１０の一部を転動可能に保持するリング状のボールリテーナとして機能する。

他方、回転リング１２には、凹凸を有する摺動面９が形成されている。摺動面９の凹凸の形状は、ドリルチャック２の正回転中に複数のボール１０が同時に落ちるように等間隔で複数の段差９Ａを有し、かつ各段差９Ａから隣接する段差９Ａに向かって滑らかに変化することによってドリルチャック２の正回転中に複数のボール１０が登る段差が生じないような形状とされる。つまり、モータ３の正回転によってドリルＴ及びドリルチャック２を正回転させた場合には、図５及び図６に例示されるように、複数のボール１０が摺動面９の段差９Ａを同時に落ちるだけで登るべき段差は無く、次の段差９Ａに向かって滑らかな傾斜面を転がりながら登るように摺動面９の凹凸の形状が決定される。

そうすると、ドリルＴ及びドリルチャック２を正回転させて穿孔を行っている最中にドリルチャック２に固定された回転リング１２の摺動面９が複数のボール１０に対して相対的に回転移動するので、ワークＷからの穿孔反力によって複数のボール１０が同時に摺動面９の段差９Ａから落ちる。その結果、ドリルＴ及びドリルチャック２が瞬間的かつ一時的にワークＷから引離されて筐体４に接近する。これにより、穿孔が中断され、切粉を分断することができる。

逆に、複数のボール１０が段差９Ａの高い位置から低い位置に落ちた後は、ドリルＴ及びドリルチャック２に送りが与えられて再びワークＷからの穿孔反力が生じることから、各ボール１０が、滑らかに位置が変化する摺動面９上を接触しながら転がって隣接する段差９Ａの高い位置に到達する。このため、ドリルＴ及びドリルチャック２がワークＷに高速で衝突することは無く、ワークＷからの穿孔反力が局所的に増加することも無い。その結果、ドリルＴの破損を回避しつつ、ユーザはワークＷからの穿孔反力によって押し返されることもなく、安定的に穿孔を続行することができる。

摺動面９は、図示されるようにドリルチャック２の正回転方向及び逆回転方向を含む回転方向を長さ方向とする溝９Ｂの内面として形成することができる。その場合には、溝９Ｂの内面に形成される各段差９Ａから隣接する段差９Ａに向かって深さが徐々に浅くなるスロープ付きの溝９Ｂとなる。

通常、正回転は時計回りであるため、ドリルチャック２とともに回転リング１２の溝９Ｂは、各ボール１０に対して時計回りに回転する。従って、各ボール１０は、回転リング１２の溝９Ｂに対して相対的に反時計回りに回転移動する。このため、図４乃至図６に例示されるように、各段差９Ａは、各ボール１０が環状の溝９Ｂに対して相対的に半時計回りに回転移動した場合に落ちる向きで溝９Ｂに設けられる。換言すれば、各ボール１０が環状の溝９Ｂに対して相対的に半時計回りに回転移動した場合（図５及び図６の展開図では各ボール１０が溝９Ｂに対して相対的に右方向に移動した場合）に稜線を超えて落ちる段差９Ａは存在するが稜線を登ることになる段差は溝９Ｂには存在しない。尚、ドリルＴを反時計回りに回転させて加工する特殊な穿孔を行う場合には、段差９Ａとスロープの向きを逆転させれば良い。

また、溝９Ｂの内面としてではなく、ドリルチャック２の回転方向に同じ向きで複数の段差９Ａを有するテーパ面やドリルチャック２の回転方向に同じ向きで複数の段差９Ａを有する波形の面で摺動面９を形成しても良い。

摺動面９として溝９Ｂを形成する場合には、溝９Ｂの横断面の形状がＶ字型となるＶ溝や、底面の形状が平坦な溝を形成しても良い。但し、図示されるように溝９Ｂの底面の一部に各ボール１０がフィットするように、溝９Ｂの横断面の少なくとも一部の形状をボール１０の半径と同じ半径を有する円弧とすれば、ボール１０が溝９Ｂと点接触ではなく線接触となることから、ボール１０の摩耗の進行を遅らせることができる。溝９Ｂの横断面の形状を円弧とする場合には、ボールエンドミルを用いた溝加工によって溝９Ｂが形成される場合が多い。このため、各段差９Ａの谷側にはＲ面取りを施しても良い。

また、図５及び図６に示す例では、溝９Ｂの底面が隣接する段差９Ａ間の全体に亘って傾斜しているが、ボール１０が登る段差の縁を無くすことができれば、底面が傾斜する範囲を各段差９Ａの谷側から始まる一部とし、隣接する各段差９Ａの山側に向かう残りの部分については底面を傾斜させなくても良い。

図７は、図２に示す回転リング１２に設けられる溝９Ｂの底面が傾斜する範囲を各段差９Ａの谷側近傍に限定した例を示す右側面図、図８は図７に示す回転リング１２の位置Ｂ－Ｂにおける断面を平面に展開した図、図９は図８に示す回転リング１２の展開断面図を回転リング１２の厚さ方向にのみ拡大することによって凹凸を強調した図である。

図７乃至図９に例示されるように、ボール１０が登る段差の縁を除去できれば溝９Ｂの底面が傾斜する範囲を各段差９Ａの谷側近傍に限定しても良い。この場合、各段差９Ａの山側における溝９Ｂの底面が傾斜しないため、回転リング１２の形状を簡易にすることができる。このため、回転リング１２の製造も簡易にすることが可能となる。特に、各段差９Ａの落差が僅かである程、溝９Ｂの底面を傾斜させる範囲を短くしてもボール１０が登る段差の縁を無視できる程度に除去することができる。

このようなスロープ付きの溝９Ｂの内面等で形成される摺動面９には、等間隔で複数の段差９Ａがあるため、ドリルＴ及びドリルチャック２を所定の回転数で正回転させれば、ドリルＴ及びドリルチャック２には段差９Ａの落差を振幅とする周期的な振動が生じる。すなわち、複数のボール１０が段差９Ａの稜線を超える度にドリルＴ及びドリルチャック２の移動方向が逆転し、穿孔が中断される。

従って、ボール１０が落ちる段差９Ａの落差は、ユーザが工具駆動装置１を手で持つことが可能であり、かつ切粉の分断効果を得る観点から望ましい振動の振幅となるように、具体的には上述したように０．０１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下となるように決定することができる。また、ボール１０のサイズは重要ではなく、工具軸ＡＸ方向へのボール１０の移動量、すなわち段差９Ａの落差が重要となる。但し、ボール１０のサイズを小さくすれば、振動機構８のコンパクト化を図れるメリットがあり、逆に、ボール１０のサイズを大きくすれば、ボール１０の摩耗の進行を遅らせることができるというメリットがある。

ボール１０の数は、ワークＷから穿孔反力がかかってもドリルＴ及びドリルチャック２の振れ量が増加しないように３つ以上とすることが適切である。ボール１０の数が増えると、ボール１０の数に対応して段差９Ａの数が増えるため、隣接する段差９Ａ間の間隔が短くなる。従って、ボール１０の数が増加すると、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動数が増加することになる。

ドリルＴ及びドリルチャック２の振動数が増加すると、穿孔の中断頻度が増加するため切粉をより微細化する効果が得られる反面、単位時間当たりの切削時間が短くなる。このため、ボール１０の数は、ドリルＴへの切粉詰まりを十分に回避できる程度まで切粉を微細化するために必要な数に止めることが、切削時間を増加させない観点から望ましい。尚、アルミニウム等の典型的な金属材料を典型的な孔径、深さ、ドリルＴの回転数、ドリルＴの刃数等の穿孔条件で穿孔する場合であれば、ボール１０の数は３つで十分と考えられる。

また、摺動面９に設けられる段差９Ａの数をボール１０の数と一致させずにボール１０の数の倍数としてもドリルＴ及びドリルチャック２を所定の振動数で振動させることが可能である。但し、段差９Ａの数を増やせば、ボール１０の数を増やした場合と同様に単位時間当たりの切削時間が短くなるため、段差９Ａの数についても切粉の分断効果を得るために必要最小限とすることが適切である。

ボール１０と摺動面９の形状についての条件は、摺動面９をドリルチャック２に固定される回転リング１２ではなく、筐体４に固定される固定リング１１に形成する場合においても同様である。摺動面９を筐体４に固定される固定リング１１に形成する場合には、ドリルチャック２に固定される回転リング１２に球面状の凹みを設けてボールリテーナとすることができる。その場合には、回転リング１２が固定されるドリルチャック２に対して相対的に定位置で複数のボール１０が転動することになる。従って、ドリルＴ及びドリルチャック２を正回転させると、複数のボール１０も正回転しながら摺動面９上を転がることになる。

以上のような工具駆動装置１は、適切な凹凸形状を有する摺動面９上を転動する複数のボール１０等で構成される振動機構８によって、ドリルＴ及びドリルチャック２を瞬時にワークＷから引離す一方、ゆっくりとワークＷ側に接近させる周期的な振動を発生させるようにしたものである。

（効果）
工具駆動装置１によれば、ドリルＴがワークＷから断続的かつ周期的に引離される結果、切粉を細かく分断して排出しやすくすることができる。このため、ドリルＴの溝への切粉詰まりを原因とするＦＲＰの孔径過大など孔の品質の低下を防止することができる。従って、工具駆動装置１でドリルＴを保持し、工具駆動装置１で回転させたドリルＴでワークＷを穿孔すれば、良好な品質の孔を有する被穿孔品を製造することができる。例えば、図１に例示されるようにＣＦＲＰ等のＦＲＰとアルミニウム又はチタン等の金属を重ね合わせたワークＷを穿孔する場合であっても、金属の切粉が分断されてドリルＴの溝に詰まらないため、良好な品質の孔を有する被穿孔品を製造することができる。

また、ボールを転動させてドリルを振動させる従来の振動機構を採用する場合には、凹部にボールが入る時のみならず、ボールが凹部から出る時にも振動方向に急峻な変化が生じる結果、ドリルがワークに衝突したり、穿孔反力が瞬間的に増加することからユーザが押し返されてしまう不具合が生じる場合があったが、工具駆動装置１の振動機構８の場合には、ドリルＴがワークＷに接近する際の速度が小さく、穿孔反力の変化も小さいことから、ドリルＴがワークＷに衝突してドリルＴが破損する不具合やユーザが工具駆動装置１を手で保持する場合に穿孔反力で押し返されてしまう不都合を回避することができる。

加えて、従来の振動機構のようにボールを凹部に出し入れする場合には、ボールが凹部から出る際に凹部の縁に繰返し接触する結果、ボールや凹部の縁が摩耗するという問題があったが、工具駆動装置１の振動機構８の場合には、摺動面９にボール１０が登る段差が存在しないため、ボール１０が段差の縁に繰返し衝突することを原因とするボール１０の摩耗を回避することができる。

（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態に係る工具駆動装置の構成を示す部分断面図である。

図１０に示された第２の実施形態における工具駆動装置１Ａでは、振動機構８Ａを構成する複数のボール１０をドリルチャック２及び筐体４の双方に対して回転移動させながら転がすようにした構成が第１の実施形態における工具駆動装置１と相違する。第２の実施形態における工具駆動装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における工具駆動装置１と実質的に異ならないため、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

複数のボール１０の位置をドリルチャック２及び筐体４の双方に対して固定せずに回転移動させる場合には、複数のボール１０の一部を転動可能に保持するリング状のボールリテーナ２０を、ドリルチャック２及び筐体４のいずれにも固定せずに、ドリルチャック２の正回転方向と逆回転方向を含む回転方向に、すなわち工具軸ＡＸを中心として、回転可能に設ければ良い。ボールリテーナ２０は、例えば、図１０に例示されるように筐体４に固定される固定リング１１とドリルチャック２に固定される回転リング１２との間に形成される空間に回転自在に配置することができる。

図１１は図１０に示す振動機構８Ａの拡大部分縦断面図、図１２は図１１に示すボールリテーナ２０で複数のボール１０を保持した状態における左側面図、図１３は図１１に示す回転リング１２の右側面図である。

図１０及び図１２に例示されるようにリング状の板材にボール１０の数だけ貫通孔を形成したボールリテーナ２０で複数のボール１０を保持し、固定リング１１と回転リング１２との間に配置することができる。尚、図１０及び図１２に示す例では、固定リング１１に回転リング１２の外径よりも大きい内径を有する円筒状の縁が設けられているため、ボールリテーナ２０を固定リング１１と回転リング１２との間に収納することができる。

回転リング１２には、図１３に例示されるように、第１の実施形態と同様なスロープ付きの溝９Ｂの内面等として形成される段差９Ａ付きの摺動面９が設けられる。もちろん、回転リング１２にスロープ付きの溝９Ｂを形成する場合には、図７乃至図８に例示されるように溝９Ｂの底面を局所的又は部分的に傾斜させるようにしても良い。

図示されるようにボールリテーナ２０が固定リング１１及び回転リング１２の双方に対して回転可能な場合、ボール１０と回転リング１２との間と、ボール１０と固定リング１１との間の双方に穿孔反力が作用することから、ボール１０と回転リング１２との間と、ボール１０と固定リング１１との間の各摩擦力によって各ボール１０は固定リング１１及び回転リング１２の双方に対して転がりながら回転移動することになる。すなわち、各ボール１０は、ドリルチャック２及び筐体４に対して相対的に回転移動しながら転動することになる。

このため、図１０に例示されるように固定リング１１にも各ボール１０を転がすための深さが一定の溝１１Ａを形成しても良い。そして、溝１１Ａの内面と各ボール１０がフィットするように溝１１Ａの横断面の形状を円弧とすれば、各ボール１０が溝１１Ａの内面と線接触しながら転動することから、各ボール１０の摩耗の進行速度を遅くすることができる。もちろん、スロープ付きの溝９Ｂの内面等として形成される段差９Ａ付きの摺動面９を、固定リング１１側に形成しても良い。

以上の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様な効果に加え、各ボール１０と固定リング１１及び回転リング１２との間における摩擦力を飛躍的に低減できるという効果が得られる。すなわち、第１の実施形態のように球面状の凹みを設けた固定リング１１をボールリテーナとして複数のボール１０を保持すると、各ボール１０は必然的に固定リング１１及び回転リング１２のいずれかに対して滑りながら転がることになる。このため、ドリルＴ及びドリルチャック２の回転数が大きい場合には、各ボール１０と固定リング１１及び回転リング１２との間における摩擦力が大きくなり、各ボール１０が短時間で摩耗する恐れがある。

特に、工具径が３ｍｍから１０ｍｍ程度の小径のドリルＴで穿孔を行う場合におけるドリルＴの回転数は、２０００ｒｐｍから６０００ｒｐｍとなることが多い。該当する穿孔条件で実際に試作試験を行った結果、ボール１０が摩擦で１００℃以上まで加熱されて摩耗し、ボール１０の直径が減少してしまう場合があることが確認された。従って、小径のドリルＴを用いて穿孔を行う場合には、各ボール１０と固定リング１１及び回転リング１２との間における摩擦力を無視できる程度に低減できる第２の実施形態を採用することが、工具寿命を確保する観点から好ましい。

（第３の実施形態）
図１４は本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の構成を示す縦断面図である。

図１４に示された第３の実施形態における工具駆動装置１Ｂでは、ドリルＴ及びドリルチャック２に発生させる振動の振幅を調整する機能と、振動を発生させずにオフに切換える機能を振動機構８Ｂに設けた点が第１及び第２の実施形態における工具駆動装置１、１Ａと相違する。第３の実施形態における工具駆動装置１Ｂの他の構成及び作用については第１及び第２の実施形態における工具駆動装置１、１Ａと実質的に異ならないため振動機構８Ｂのみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。

第３の実施形態における振動機構８Ｂは、ドリルＴ及びドリルチャック２に発生させる工具軸ＡＸ方向における振動、すなわちドリルＴ及びドリルチャック２の工具軸ＡＸ方向への往復移動の振幅を、振幅調整ねじ３０で調整できるように構成される。

この場合、ドリルＴ及びドリルチャック２の工具軸ＡＸ方向における振幅をゼロに調整できるように振幅調整ねじ３０の長さを決定すれば、ドリルＴ及びドリルチャック２の往復移動の振幅のＯＮ／ＯＦＦ切換も可能となる。すなわち、ドリルＴ及びドリルチャック２を工具軸ＡＸ方向に往復移動させる振動モードと、ドリルＴ及びドリルチャック２を工具軸ＡＸ方向に往復移動させない非振動モードとの間で切換えることが可能となる。

図１４は、第２の実施形態と同様に、複数のボール１０を保持するボールリテーナ２０を、筐体４に固定される固定リング１１とドリルチャック２に固定される回転リング１２との間に回転自在に配置することによって振動機構８Ｂを構成した例を示している。このため、振幅調整ねじ３０で固定リング１１と回転リング１２の間隔を調整することによって、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を調整することができる。

図１５は図１４に示す固定リング１１の左側面図、図１６は図１４に示すボールリテーナ２０で複数のボール１０を保持した状態における左側面図、図１７は図１４に示す回転リング１２の右側面図である。

第２の実施形態と同様に、図１４及び図１６に示すような複数のボール１０を保持するボールリテーナ２０を、筐体４に固定される固定リング１１とドリルチャック２に固定される回転リング１２との間に回転自在に配置することができる。その場合には、図１４及び図１５に示すように固定リング１１に深さが一定の溝１１Ａを形成する一方、図１４及び図１７に示すように回転リング１２に摺動面９として０．０１ｍｍ～０．１５ｍｍの段差９Ａを有するスロープ付きの溝９Ｂを形成することができる。もちろん、図１３に示すように回転リング１２の溝９Ｂの深さを段差９Ａ間において緩やかに減少させても良い。また、固定リング１１の溝１１Ａについては省略しても良い。

そして、固定リング１１の溝１１Ａと、回転リング１２の溝９Ｂとの間を各ボール１０が固定リング１１及び回転リング１２に対して相対移動するための経路とすることができる。この場合、回転リング１２がドリルチャック２及びスピンドル５とともに筐体４及び固定リング１１に対して回転すると、ドリルＴ及びドリルチャック２とともにワークＷからの穿孔反力を受けた回転リング１２の段差９Ａをボール１０が通るため、ドリルＴ及びドリルチャック２に工具軸ＡＸ方向の振動を発生させることができる。

但し、固定リング１１と回転リング１２の間隔を広げていくと、回転リング１２の段差９Ａをボール１０が通過しても回転リング１２の工具軸ＡＸ方向への移動量は徐々に減少していく。つまり、固定リング１１と回転リング１２の間隔を広げると、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅が減少し、固定リング１１と回転リング１２の間隔が一定の距離に達すると振幅がゼロとなって振動が止まる。

これは、ドリルチャック２に固定された回転リング１２にワークＷからの穿孔反力がかかっている場合において、固定リング１１の溝１１Ａと回転リング１２の溝９Ｂとの間にボール１０の直径相当の隙間があれば、原理的にボール１０は穿孔反力に逆らわずに固定リング１１の溝１１Ａと回転リング１２の溝９Ｂとの間に形成される隙間を通るためである。

そこで、図１４及び図１５に示すように固定リング１１と筐体４を振幅調整ねじ３０で連結し、固定リング１１を筐体４に対して工具軸ＡＸ方向にスライド可能に構成することができる。そうすると、回転リング１２はドリルチャック２に固定されていることから、固定リング１１を工具軸ＡＸ方向にスライドさせることによって固定リング１１と回転リング１２の間隔を微調整することができる。

図１４に示す例では固定リング１１の円筒状の構造を有する部分の内面に雌ねじが形成されており、筐体４の円筒状の構造を有する部分の外面に雄ねじが形成されているが、雄ねじと雌ねじは逆でも良い。すなわち、固定リング１１の内側に筐体４の先端を挿入せずに、筐体４の内側に固定リング１１を挿入するようにしても良い。

固定リング１１を筐体４に対して工具軸ＡＸ方向にスライドできるようにするためには、固定リング１１と筐体４との間に間隔が僅かに変化する隙間を空けることが必要となる。そこで、固定リング１１と筐体４との間にゴム等の弾性を有するＯリング３１を設けることができる。これにより、固定リング１１を０．０１ｍｍオーダから０，１ｍｍオーダの範囲で工具軸ＡＸ方向に移動させても、Ｏリング３１が固定リング１１の移動量だけ潰れるので、固定リング１１をＯリング３１で工具軸ＡＸ方向に支持することができる。

一方、固定リング１１には、図１４及び図１５に示すように固定リング１１の半径方向を深さ方向とする雌ねじを形成し、固定ねじ３２を締付けることができる。これにより、固定ねじ３２を締付けて固定ねじ３２の先端を筐体４に押し当てることによって固定リング１１の筐体４に対する回転を抑止することができる。つまり、固定リング１１の筐体４に対する回転移動と工具軸ＡＸ方向へのスライドを抑止するストッパとして固定ねじ３２を設けることができる。

固定ねじ３２は、マイナスドライバで締付けるマイナスねじの他、蝶ボルトやローレットビス等のつまみねじとしても良い。また、固定ねじ３２で固定リング１１の工具軸ＡＸ方向へのスライドを抑止できることからＯリング３１を省略しても良いが、固定リング１１を工具軸ＡＸ方向に支持することが可能なＯリング３１と、固定リング１１に半径方向の圧力をかける固定ねじ３２との双方で固定リング１１を支持すれば固定リング１１の安定化に繋がる。

振幅調整ねじ３０の締付量として固定リング１１の工具軸ＡＸ方向における位置を微調整すると、ドリルＴ及びドリルチャック２の工具軸ＡＸ方向における往復移動の振幅を無段階で連続的に調整することが可能となる。また、振幅調整ねじ３０のストロークを十分に確保することによって、ドリルＴ及びドリルチャック２の工具軸ＡＸ方向における往復移動の振幅をゼロに調整できるようにすれば、ドリルＴ及びドリルチャック２の往復移動を停止させた状態でドリルＴ及びドリルチャック２を回転させることも可能となる。

このため、ドリルＴのサイズ、ワークＷの材料及びドリルＴの回転数等の穿孔条件に合わせて切粉が適切なサイズで分断されるようドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を調整することができる。ドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅は、上述したように固定リング１１の工具軸ＡＸ方向におけるスライド量に応じて変化し、固定リング１１の工具軸ＡＸ方向におけるスライド量は、振幅調整ねじ３０の締付量に相当する固定リング１１の筐体４に対する回転量に応じて変化する。そこで、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅をユーザが手作業で容易に微調整できるように、固定リング１１の回転量を確認するための目盛りを表示させるようにしても良い。

図１８は図１４に示す振動機構８Ｂで発生させるドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅の程度を表す目盛りを振った例を示す図である。

例えば、図１８に示すように固定ねじ３２の位置を基準位置として筐体４に目盛りを振ることができる。図１８に示す例では、振動の振幅の目安が大（ＬＡＲＧＥ）、中（ＭＩＤＤＬＥ）、小（ＳＭＡＬＬ）の３通りとなっており、振動をＯＦＦとして発生させない場合の合わせ位置も表示されている。

このため、ユーザは目盛りを参考に穿孔条件に合わせて容易に振動の振幅を微調整することができる。すなわち、ユーザは目盛りを参考に固定リング１１を回転させ、所望の回転位置において固定ねじ３２を締付けることによって、固定リング１１の工具軸ＡＸ方向における位置を固定することができる。

以上の第３の実施形態はドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を可変調整するための振幅調整ねじ３０を振幅調整機構として振動機構８Ｂに設け、穿孔条件に応じてドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を調整できるようにしたものである。

（効果）
このため、第３の実施形態によれば、使用するドリルＴの工具径、ワークＷの材料及びドリルＴの回転数等の穿孔条件に応じて、切粉のサイズが適切なサイズとなるように、ドリルＴ及びドリルチャック２に発生させる振動の振幅を調整することができる。その結果、切粉詰まりの回避による穿孔品質の向上と、穿孔の安定化を図ることができる。

実用的な例として、ドリルＴが小径であり高速回転させる場合には切削量が小さいことから振幅を小さくして振動による切削の中断時間を低減する一方、ドリルＴが大径であり低速回転させる場合には切削量が大きいことから振幅を大きくして確実に切粉を分断できるようにすることができる。

また、別の例として、金属とＦＲＰの重ね合わせ材を金属側から穿孔する場合には、金属の切粉を分断することによって、樹脂の孔が過大となる不具合を防止できるが、単一の材料からなるワークＷを穿孔する場合には、振動を発生させない方が加工時間を短縮させる観点から好ましい場合がある。すなわち、切粉がそもそも繋がった状態で排出されない場合や切粉が分断されないことが穿孔品質上問題とならない場合において、ドリルＴ及びドリルチャック２を振動させると加工の中断が生じて加工時間が長くなる。

そのような場合には、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動をＯＦＦに切換えて加工時間の増加を回避することができる。つまり、穿孔品質と加工時間のバランスが最適となるように、振動の振幅の調整のみならず、ＯＮとＯＦＦの切換えも行うことができる。

尚、第１及び第２の実施形態においても、回転リング１２を溝９Ｂの深さが異なる別の回転リング１２に交換したり、固定リング１１を溝１１Ａの深さが異なる別の固定リング１１に交換したりすることによって、ドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を変化させることができる。

これに対して、第３の実施形態の場合には、振動機構８Ｂの構成部品の交換が不要となるため、ユーザの作業時間を低減できるのみならず、複数の構成部品を製作することも不要となる。また、第３の実施形態の場合には、振動の振幅を連続的に変更できるため、穿孔時の推力を変化させるなど、振動の振幅に合わせて穿孔条件を変えることも不要となる。つまり、設定可能な振動の振幅に合わせて穿孔条件を決定するのではなく、穿孔条件に合わせて振動の振幅を調整することができる。

（第３の実施形態の第１の変形例）
図１９は本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の第１の変形例の構成を示す縦断面図である。

第１及び第２の実施形態でも説明した通り、段差９Ａを有するスロープ付きの溝９Ｂは、回転リング１２に形成する代わりに図１９に示すように固定リング１１に形成しても良い。その場合には、回転リング１２に深さが一定の溝１２Ａを形成すれば、各ボール１０と回転リング１２が線接触するため、ボール１０の摩耗の進行を遅らせることができる。

また、振幅調整ねじ３０は、図１４に示すように固定リング１１に形成しても良いが、図１９に示すように回転リング１２に形成しても良い。すなわち、振幅調整ねじ３０は、固定リング１１及び回転リング１２の少なくとも一方に形成することができる。

図１９に示す例では、回転リング１２のドリルチャック２側に円筒状の部分を形成し、内面に振幅調整ねじ３０の雌ねじが形成されている。一方、ドリルチャック２の外面に振幅調整ねじ３０の雄ねじが形成されている。このため、振幅調整ねじ３０の締付量を調整することによって、回転リング１２をドリルチャック２に対して相対的に工具軸ＡＸ方向にスライドさせることができる。その結果、固定リング１１と回転リング１２の間隔を変化させることができる。

回転リング１２をドリルチャック２に対して相対移動させる場合には、回転リング１２とドリルチャック２との間における隙間を変化させることが必要となる。このため、回転リング１２とドリルチャック２との間にＯリング３１を配置することができる。また、回転リング１２を固定ねじ３２でドリルチャック２に固定することができる。

尚、振幅調整ねじ３０は、スピンドル５と回転リング１２との間に形成しても良い。すなわち、スピンドル５の外面に雄ねじを形成し、回転リング１２の内面に雌ねじを形成しても良い。その場合においても、回転リング１２のドリルチャック２側に円筒状の部分を形成すれば、回転リング１２を外部から固定ねじ３２でドリルチャック２に固定することができる。

（第３の実施形態の第２の変形例）
図２０は本発明の第３の実施形態に係る工具駆動装置に設けられる振動機構の第２の変形例の構成を示す正面図である。

上述した例では、固定リング１１と回転リング１２の間隔を変化させることによってドリルＴ及びドリルチャック２の振動の振幅を調整する振幅調整機構として振幅調整ねじ３０を振動機構８Ｂに設ける場合について説明したが、キー４０とキー溝４１によっても振幅調整機構を構成することができる。

具体例として、図２０に示すように固定リング１１の円筒状の部分に挿入される筐体４の先端部分から固定リング１１の半径方向を長さ方向とする円柱状のキー４０を突出させることができる。一方、キー４０を長さ方向にスライドさせることが可能なキー溝４１を固定リング１１に形成することができる。

そして、筐体４に対して相対的に固定リング１１を回転させることによってキー溝４１に沿ってキー４０をスライドさせた場合に、固定リング１１が工具軸ＡＸ方向にスライドするようにキー溝４１の経路を決定することができる。そうすると、固定リング１１の回転量に応じて固定リング１１を筐体４に対して相対的に工具軸ＡＸ方向にスライドさせることができる。

図２０に示す例では、長さ方向を固定リング１１の円周方向とする平行な３本のキー溝４１を端部において連結した形状を有する階段状のキー溝４１が固定リング１１に形成されている。従って、固定リング１１を回転させると、キー溝４１内の段差に対応する距離だけ、段階的に固定リング１１を工具軸ＡＸ方向にスライドさせることができる。

このため、キー溝４１の位置を、調整目標となる固定リング１１と回転リング１２の間隔に合わせて決定すれば、固定リング１１と回転リング１２の間隔を目標とする間隔にすることができる。キー溝４１内の段差は、固定リング１１のスライド量に相当するため、０．０１ｍｍオーダから０，１ｍｍオーダの段差となる。

図２０に示す例では、固定リング１１と回転リング１２の間隔が十分に大きくなり振動がＯＦＦとなる位置に固定リング１１をスライドさせるためのキー溝４１、固定リング１１と回転リング１２の間隔を中程度として小さい振幅の振動が発生する位置に固定リング１１をスライドさせるためのキー溝４１、固定リング１１と回転リング１２の間隔を最小として大きい振幅の振動が発生する位置に固定リング１１をスライドさせるためのキー溝４１が固定リング１１に形成されている。

尚、長さ方向が螺旋状となっているキー溝４１を固定リング１１に形成し、固定ねじ３２で固定リング１１を筐体４に固定できるようにしても良い。その場合には、固定リング１１を工具軸ＡＸ方向に連続的にスライドさせることができる。

また、キー溝４１を貫通するスリットとせずに底面を有する溝としたり、キー４０を固定リング１１の内面から筐体４に向かって突出させ、筐体４にキー溝４１を形成したりしても良い。但し、貫通するキー溝４１を固定リング１１に形成すれば、キー４０の位置を外部から確認することができる。

キー４０とキー溝４１からなる振幅調整機構は、回転リング１２とドリルチャック２との間に設けることもできる。すなわち、図１９に示す振幅調整ねじ３０を、キー４０とキー溝４１からなる振幅調整機構に置換えることもできる。

（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１、１Ａ、１Ｂ 工具駆動装置
２ ドリルチャック
３ モータ
３Ａ モータケース
４ 筐体
５ スピンドル
６ グリップ
７ スイッチ
８、８Ａ、８Ｂ 振動機構
９ 摺動面
９Ａ 段差
９Ｂ 溝
１０ ボール
１１ 固定リング
１１Ａ 溝
１２ 回転リング
１２Ａ 溝
２０ ボールリテーナ
３０ 振幅調整ねじ
３１ Ｏリング
３２ 固定ねじ
４０ キー
４１ キー溝
ＡＸ 工具軸
Ｔ ドリル
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. ドリルを保持するドリルチャックと、
   前記ドリルチャックを回転させるモータと、
   前記モータを収納する筐体と、
   前記ドリルチャックの回転中に前記筐体に対して前記ドリルチャックを工具軸方向に周期的に往復移動させる振動機構であって、前記ドリルチャックを前記筐体に接近させる速度よりも小さい速度で前記ドリルチャックを前記筐体から引離す振動機構と、
   を有する工具駆動装置。
2. 前記振動機構に、前記往復移動の振幅を調整する振幅調整機構を設けた請求項１記載の工具駆動装置。
3. 前記振幅調整機構で前記往復移動の振幅をゼロに調整することによって前記往復移動を停止させた状態で前記ドリルチャックを回転できるようにした請求項２記載の工具駆動装置。
4. 前記振動機構は、
   前記ドリルチャックと前記筐体との間において同一円上に等間隔で転動可能に離間配置された複数のボールと、
   前記ドリルチャック及び前記筐体の一方に直接又は間接的に設けられ、前記ドリルチャックの回転中に前記複数のボールが転動しながら接触する摺動面であって、前記ドリルチャックの正回転中に前記複数のボールが同時に落ちるように等間隔で複数の段差を有し、かつ前記各段差から隣接する段差に向かって滑らかに変化することによって前記ドリルチャックの正回転中に前記複数のボールが登る段差が生じないようにした摺動面と、
   を有する請求項２記載の工具駆動装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の工具駆動装置でドリルを保持し、前記工具駆動装置で回転させた前記ドリルで穿孔対象を穿孔することによって被穿孔品を製造する被穿孔品の製造方法。

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