JP3146176U - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工物表面の形状誤差、寸法誤差、曲がり、又はソリなどの影響を受けることなく、常に加工物表面に均一な加工を施すことができる超音波加工装置を提供する。
【解決手段】超音波加工装置は、アクリル板を作業台上に固定する固定機構と、アクリル板の主面に超音波加工を施す超音波加工部とを備え、超音波加工部は、圧電素子と、アクリル板の主面と略垂直方向に接触可能に形成され、圧電素子において発生した振動を前記導光板ワークに伝達するホーン部と、ホーン部の先端がアクリル板主面に接触したことを感知するセンサ機能を有するストッパ部材６７と、を備える。
【選択図】図７

Description

本考案は、超音波加工装置に関する。

従来から、超音波加工により導光板等の加工対象物を加工する超音波加工装置が知られている。この様な超音波加工装置としては、特許文献１に記載されたものがある。

登録実用新案公報第３１１９５７７公報

具体的には、特許文献１に記載された超音波加工装置は、加工部を三次元直交座標に移動させる為の移動機構を備える。そして加工装置は、入力された情報に基づいて加工部を移動させ、加工対象物に加工処理を施すこととしている。加工処理を施す際に超音波加工装置は、加工対象物に接触して加工対象物の表面に模様を形成する加工工具として、超音波加工用ホーンを使用する。

しかしながら、この様な超音波加工装置においては、移動機構は予め入力された情報に基づいて、超音波加工用ホーンを常に一定の位置へ移動させる。そのため、加工対象物としての導光板の表面に正確な模様を形成するためには、加工面と移動機構との位置関係は全加工面に亘って一定でなければならない。したがって、例えば、加工対象物の平行度が良くなかったり、又は、いわゆる「ソリ」があったりすると、導光板表面に形成された模様はそれに合わせて深くなったり、逆に浅くなったりして、模様の精度が低下してしまうといった問題があった。

本考案はこの様な実情に鑑みてなされたものであり、本考案は加工対象物の表面精度が多少悪くとも、常に加工位置における表面をホーンが検出しながら加工を行うことで、正確な加工処理を行うことができる超音波加工装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する為に、本考案にかかる超音波加工装置は、導光板ワークを作業台に固定するワーク固定部と、前記ワーク固定部により固定された前記導光板ワークの主面に超音波加工を施す超音波加工部とを備え、前記超音波加工部は、圧電素子と、前記導光板ワークの主面と略垂直方向に接触可能に形成され、前記圧電素子において発生した振動を前記導光板ワークに伝達する超音波加工用ホーンと、前記超音波加工用ホーンの垂直方向に対する移動を規制すると共に、前記導光板ワークの主面における加工深さに基づき信号を出力するストッパ機構と、を備えることを特徴としている。

この構成によれば、加工対象物の表面形状や寸法に関係なく、常に加工位置における加工開始位置を正確に検出し、圧電素子による振動を発生させることができる。

この様に、本考案によれば、表面精度が良くない導光板ワークにおいても、常にその表面からの加工深さに超音波加工用ホーンの接触位置を調節することができるため、正確な加工処理を施すことが可能な超音波加工装置を提供することができる。

本考案の実施の形態に係る超音波加工装置は、三次元直交座標に従って加工部を移動させることで、加工情報に基づく模様を加工対象物の表面に施す装置である。

超音波加工装置１は、図１に示す様に、機台３と、加工対象物としてのアクリル板Ｄを加工可能とする様に配置する作業台５と、アクリル板Ｄに超音波加工処理を施す超音波加工部７と、入力された加工情報に基づいて超音波加工部７を移動させる移動機構９とを備える。この様な超音波加工装置１は、移動機構９を用いて超音波加工部７を移動させることで、アクリル板Ｄ上に超音波加工処理を施す。尚、説明の便宜上、以下では各図面に示す三次元直交座標又は二次元直交座標を用いて詳細な説明を行う。

機台３は、超音波加工装置１を構成する部材を搭載する為の台であり、上段板３ａ及び下段板３ｂの２段構成を備える箱型の台である。機台３の上段板３ａには、作業台５及び移動機構９が設けられている。また機台３の下段板３ｂには、真空ポンプ１１及び超音波発振器１３が搭載されている。また、機台３の側面には、ユーザがアクリル板Ｄの加工方法に関する加工情報を入力すると共に、超音波加工装置１全体の制御を行う操作部３ｃが設けられている。さらに機台３の下面の角部には、超音波加工装置１全体を移動可能とすると共に、超音波加工装置１の傾きを調整可能な調整脚３ｄが設けられている。

操作部３ｃは、ユーザが超音波加工装置１を作動させる為の指令を入力する部材であり、タッチパネル式のモニタ３ｅと、モニタ３ｅを支持する支持部材３ｆとによって構成される。操作部３ｃに入力される情報としては、超音波加工部７及び移動機構９を制御する為の情報がある。そして超音波加工部７及び移動機構９を制御する為の情報としては、例えばアクリル板Ｄの表面に加工する模様に関する情報、当該模様を構成する線若しくは点の深さに関する情報、又は当該線若しくは点の位置に関する情報がある。操作部３ｃにおいて入力された、移動機構９を制御する為の情報は、移動機構９に供給され、当該情報を供給された移動機構９は、後述する方法により超音波加工部７を移動させる。さらに操作部３ｃは、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置と接続可能となる様に、インターフェース等の接続手段を備えるものであっても良い。この場合、パーソナルコンピュータにインストールされた所定のアプリケーションを用いて超音波加工装置１を操作することが可能となる。

作業台５は、アクリル板Ｄを一方の主面に敷設可能な板部材５ａと、板部材５ａの一方の主面から他方の主面にかけて穿設された孔５ｂとを備える。アクリル板Ｄに加工を施す場合、ユーザは、板部材５ａの一方の主面、すなわち上面にアクリル板Ｄを敷設し、複数個形成された孔５ｂを通じて、後述する固定機構を用いてアクリル板Ｄを作業台５上に固定する。

超音波加工部７は、ピエゾ圧電素子を用いてアクリル板Ｄ上に加工情報に基づく模様を加工する。具体的には、ユーザによって操作部３ｃに加工情報が入力されると、操作部３ｃは、当該加工情報を超音波発振器１３に供給する。ここで、超音波発振器１３は、当該供給された加工情報を所定の駆動信号に変換し、超音波加工部７に供給する。さらに当該駆動信号を供給された超音波加工部７は、当該駆動信号をピエゾ圧電素子に供給することで当該ピエゾ圧電素子を振動させる。ここで発生した振動は、超音波加工部７によってアクリル板Ｄに伝達されることとなり、当該振動を伝達されたアクリル板Ｄの表面には加工情報に基づく模様が施されることとなる。この様な超音波加工部７は、図２に示す様に、超音波をアクリル板Ｄに伝達するホーン部１５と、ホーン部１５を垂直方向に移動させるホーン移動部１７と、アクリル板Ｄとホーン移動部１７の接触部を冷却するエアー供給ノズル１９とによって構成される。

ホーン部１５は、超音波発振器１３から供給された駆動信号に基づいてアクリル板Ｄの表面に超音波加工処理を施す。この様なホーン部１５は、図３に示す様に、アクリル板Ｄと接触することで、アクリル板Ｄに振動を伝達し、アクリル板Ｄの表面に超音波加工処理を施す先端部２３と、図示せぬピエゾ圧電素子、及びコーン部材を備える振動子２５と、振動子２５の一部を被覆する振動子ケース２７とによって構成される。

振動子２５は、コネクタ２９を介して超音波発振器１３と電気的に接続されており、超音波発振器１３から供給された駆動信号を自身の内部に備える、図示せぬピエゾ圧電素子に供給する。ピエゾ圧電素子に駆動信号が供給されると、ピエゾ圧電素子は駆動信号の電流値に応じて機械的振動エネルギを発生させる。ここで発生した機械的振動エネルギは、ホーン部１５内部に備えられた図示せぬコーン部によって増幅される。図示せぬコーン部によって増幅された機械的振動エネルギは、ホーン部１５によって先端部２３に伝達される。なお、振動子２５内部において発生した機械的振動エネルギは、振動子ケース２７によって外部に漏れることが防止される。

ホーン移動部１７は、ホーン部１５を垂直方向に移動させる。詳細は後述するが、超音波加工装置１は、超音波加工部７全体を移動させる場合は移動機構９を用い、アクリル板Ｄの表面に加工すべき模様に応じてホーン部１５をホーン移動部１７によりＸ軸方向に移動させる。例えば、超音波加工装置１を用いて複数の凹部を加工する場合は、ホーン移動部１７を用いてホーン部１５を移動させることで、アクリル板Ｄ上に効率的に超音波加工処理を施すことが可能となる。この様なホーン移動部１７は、図示せぬコンプレッサーと接続された図示せぬエアシリンダーを用いてホーン部１５を垂直方向に移動させる。尚、本実施の形態においてはエアシリンダーを用いてホーン部１５を垂直方向に移動させるが、ホーン部１５内部に弾性部材を設け、ホーン部１５の自重と弾性部材の復元力を用いてホーン部１５を垂直方向に移動させるものであっても良い。

移動機構９は、入力されたアクリル板Ｄの加工方法に関する加工情報に含まれる位置情報に基づいて超音波加工部７を移動させる。この様な移動機構９は、図４に示す様に、上段板３ａ上に固定されたＺ軸レール部材３１と、Ｚ軸レール部材３１上に、Ｚ軸方向に移動可能に形成されたＹ軸レール部材３３と、Ｙ軸レール部材３３上に、Ｙ軸方向に移動可能に形成されたＸ軸レール部材３５とによって構成される。ここで、超音波加工部７は、Ｘ軸レール部材３５に沿って、Ｘ軸方向に移動可能に形成されている。

Ｚ軸レール部材３１は、作業台５の一辺の近傍に、当該辺と略平行に固定されている。また、作業台５を介してＺ軸レール部材３１と対向する位置には、ガイドレール３７が固定されている。Ｙ軸レール部材３３は、この様なＺ軸レール部材３１及びガイドレール３７の間に架設されている。また、Ｙ軸レール部材３３の端部の内、Ｚ軸レール部材３１近傍に形成された端部の下面には、Ｙ軸レール部材３３の一端と固定され、且つ、Ｚ軸レール部材３１上をスライド可能な可動テーブル３９が設けられている。さらに、Ｘ軸レール部材３５の端部の内、Ｙ軸レール部材３３近傍に形成された端部の下面には、Ｘ軸レール部材３５の一端と固定され、且つ、Ｙ軸レール部材３３上をスライド可能な可動テーブル４３が設けられている。さらに、超音波加工部７には、超音波加工部７と固定され、且つ、Ｘ軸レール部材３５に沿って、Ｘ軸方向にスライド可能な可動テーブル４５が設けられている。この様なＺ軸レール部材３１、Ｙ軸レール部材３３、及びＸ軸レール部材３５は、略同一の断面形状を有している。以下、これらレール部材の構造について詳細な説明をする。尚、説明の便宜上、Ｚ軸レール部材３１及びＹ軸レール部材３３を用いて詳細な説明をする。

Ｚ軸レール部材３１は、図５に示す様に、内部を中空とした箱型の筐体３１ａを備える。当該筐体３１ａ内部には、可動テーブル３９をＺ軸方向にスライドさせることでＹ軸レール部材３３をＺ軸方向に移動させる駆動機構を備える。この駆動機構は、図示せぬ電圧電源から電力が供給されることで駆動するサーボモータ３１ｂと、サーボモータ３１ｂにおいて発生した動力をガイド部材３１ｃを介して可動テーブル３９に伝達するボールネジ３１ｄと、サーボモータ３１ｂにおいて発生した動力をボールネジ３１ｄに伝達するフレキシブルカップリング３１ｅと、ガイド部材３１ｃのスライド方向を制限するガイドレール３１ｆとによって構成される。また、Ｙ軸レール部材３３も、Ｚ軸レール部材３１と同様に筐体３３ａと、図示せぬサーボモータと、ガイド部材３３ｃと、ボールネジ３３ｄと、図示せぬフレキシブルカップリングと、ガイドレール３３ｆとを備える。

移動機構９が超音波加工部７を移動させる場合、操作部３ｃからの指令に基づいてサーボモータ３１ｂを駆動させる。サーボモータ３１ｂが駆動すると、その駆動力は、フレキシブルカップリング３１ｅを介してＺ軸回りの回転力としてボールネジ３１ｄに伝達される。フレキシブルカップリング３１ｅを介してボールネジ３１ｄに回転力が伝達されると、ボールネジ３１ｄは、Ｚ軸回りに回転する。ボールネジ３１ｄが回転すると、ボールネジ３１ｄのネジ山と噛み合う様に形成されたガイド部材３１ｃが、ガイドレール３１ｆによって誘導されることでＺ軸方向に移動する。ガイド部材３１ｃがＺ軸方向に移動すると、当該ガイド部材３１ｃと固定された可動テーブル３９及び当該可動テーブル３９上に固定されたＹ軸レール部材４３は、Ｚ軸方向に移動することとなる。この動作は、Ｙ軸レール部材３３及びＸ軸レール部材３５においても同様であり、移動機構９はこの様な動作を組み合わせることで超音波加工部７を加工情報に含まれる位置情報に示される位置に移動させる。

ところで、超音波加工部７は予め入力された位置情報により常に一定の動作を行うと共に、加工開始、すなわち、ピエゾ圧電素子に振動を与える信号もアクリル板Ｄの表面位置に関係なく予め入力された情報から発せられる。したがって、例えば、アクリル板Ｄの表面位置が寸法誤差や「ソリ」等によってばらついた場合、その加工深さもばらついてしまい、その加工精度は著しく低下する。そこで、本考案にかかる超音波加工装置１では、超音波加工部７をＸ軸レール部材３５にスライド可能に取り付けると共に、アクリル板Ｄの表面位置にホーン先端が接触したことを検知して、ピエゾ圧電素子に振動を与える信号を取り出すことが可能な接点付ストッパ機構を備える。具体的には、図６及び図７に示すように、超音波加工部７は、例えば、ボールガイド等の案内手段６３を介して可動テーブル４５上に取り付けられたプレート６１にスライド可能に支持されている。

そして、超音波加工部７は、その自重、又は、例えばスプリング部材等の付勢手段により、下方向に加重されており、これを支えるためにプレート６１には、支持ブロック６５を介して微妙な位置調整が可能なストッパ部材６７が形成されている。

ストッパ部材６７は、超音波加工部７との接触面とは反対側にピエゾ圧電素子への発信信号を取り出すための信号線としてのケーブル６９を備える。そして、当該ケーブル６９は超音波加工装置１全体の制御を行う操作部３ｃに接続されている。また、本考案においては、ストッパ部材６７の材質を電気絶縁体とすることにより、ストッパ部材６７とプレート６１との間が電気的に遮断されている。なお、このような構造の他に、ストッパ部材６７内に接点を設けた、いわゆる接点付ストッパを用いてもよい。

上記構成とすることで、超音波加工部７が操作部３ｃを介して入力された加工情報に基づき下方向へ移動を開始すると、最初にホーン部１５の先端がアクリル板Ｄの表面に接触して超音波加工部７は停止することになる。さらに、可動テーブル４５が下降を継続すると、超音波加工部７は上方向に移動し、その結果、超音波加工部７とストッパ部材６７とが離間し、この部分での通電が解除されることになる。この通電解除の信号が入力されることにより、ピエゾ圧電素子は駆動信号の電流値に応じて機械的振動エネルギを発生させる。ここで発生した機械的振動エネルギは、ホーン部１５内部に備えられた図示せぬコーン部によって増幅される。図示せぬコーン部によって増幅された機械的振動エネルギは、ホーン部１５によって先端部２３に伝達されることになる。なお、ピエゾ圧電素子による機械的振動エネルギの発生開始と同時にタイマ等の計測手段を作動させ、所望の時間経過後に機械的振動エネルギの発生を停止させることで、ホーン部１５の先端部２３の振動時間を制御することができる。

この様に超音波加工装置１によれば、アクリル板Ｄの表面形状や寸法に関係なく、常に加工位置における加工開始位置を正確に検出し、ピアゾ圧電素子による振動を発生させることができるため、加工精度を著しく向上させることができる。

また、超音波加工装置１は、作業台５上にアクリル板Ｄを固定する固定機構を備える。固定機構は、孔５ｂ内部の空気圧を低下させることでアクリル板Ｄを作業台５上に固定する。この様な固定機構は、図８及び図９に示す様に真空ポンプ１１と接続されたチューブ材４７と、孔５ｂ内部に配設された真空チャック４９と、各真空チャック４９を個別に制御する制御部材５１とによって構成される。

ここで、孔５ｂは、板部材５ａにおける一方の主面から他方の主面に、貫通する様に穿設されており、略円筒の形状を有する。この様な孔５ｂの内部には、真空チャック４９が配設されている。真空チャック４９は、孔５ｂ内部の空気圧を変化させることでアクリル板Ｄを作業台５上に吸着する為の部材であり、アクリル板Ｄと接触する様に形成された吸入口４９ａと、制御部材５１とチューブ材４７を介して接続される本体部４９ｂとによって構成される。吸入口４９ａは、例えばゴム等の弾性部材をろうと状に形成し、上部開口が孔５ｂから板部材５ａの表面に露出する様に形成される。ユーザが、アクリル板Ｄを作業台５上に敷設した後、真空ポンプ１１を駆動すると、孔５ｂとアクリル板Ｄによって形成される孔５ｂ内部の空間の空気が吸入口４９ａを通じて吸い出され、孔５ｂ内部は真空状態に近づく。この様に、孔５ｂ内部の気圧を低下させることでアクリル板Ｄは作業台５上に固定されることとなる。

以下、超音波加工装置１の動作について詳細な説明をする。

ユーザは、先ず、アクリル板Ｄを作業台５の上に敷設する。次に、ユーザは真空ポンプ１１を駆動させることでアクリル板Ｄを作業台５上に固定する。このとき、制御部材５１と真空チャック４９の接続を調整することで、アクリル板Ｄの大きさにあわせて駆動すべき真空チャック４９を選択することができる構成としても良い。次に、ユーザは、加工情報を操作部３ｃに入力する。

アクリル板Ｄ上に施される模様としては、線若しくは点、又はこれらの組み合わせが考えられるが、まず、線に関する加工情報を操作部３ｃに入力したとする。線に関する加工情報が入力されると、移動機構９は当該加工情報に含まれる位置情報に基づいて線の始点の上部まで超音波加工部７を移動させる。その後、超音波発振器１３を駆動させることでホーン部１５に駆動信号を供給すると共に、ホーン移動部１７及び可動テーブル４５を駆動して、先端部２３を−Ｘ軸方向に移動させ、アクリル板Ｄに接触させる。先端部２３がアクリル板Ｄに接触すると、ホーン部１５において発生した機械的振動エネルギはアクリル板Ｄに伝達され、先端部２３と接触した箇所は溶解する。その後、移動機構９は、先端部２３がアクリル板Ｄと接触した状態で可動テーブル４３をＹ軸方向に移動させる。そして、先端部２３が位置情報に示される線の終点まで達した後、ホーン移動部１７を駆動して、先端部２３をアクリル板Ｄから離す。仮に、加工情報に複数本の線に関する情報が含まれる場合は、超音波加工装置１は、同様の動作を繰り返し行う。

また、アクリル板Ｄ上に点からなる模様を施す場合、超音波加工装置１は、上述の方法で超音波加工部７を加工情報に示される点の上部まで移動させる。その後、超音波加工装置１は可動テーブル４５を駆動させることで先端部２３をアクリル板Ｄの表面からわずかに離れた位置に移動させる。その後、超音波加工装置１は、ホーン移動部１７を駆動させることで、先端部２３をアクリル板Ｄに接触させ、離反させる。この、接触と離反の動作の間の時間は、超音波加工装置１の電気系統にも因るが、約０．１秒程度とすることができる。仮に、加工情報に複数個の点に関する情報が含まれる場合は、先端部２３がアクリル板Ｄから離反した後、同様の動作を繰り返し行う。

上述の様に、超音波加工装置１は、自由度が高く、加工対象物に様々な模様を加工することが可能である。

尚、本考案は上記実施の形態に限定されるものではなく、本考案の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施の形態において加工部として、超音波加工部７を用いて説明を行ったが、所謂高周波誘導加熱方式を用いた高周波ハンダコテであっても良い。また、超音波加工部７を可動テーブル４５から着脱自在に形成し、高周波ハンダコテを取り付け可能としても良い。また、超音波加工部７の前面にデジタルマイクロスコープを着脱自在に形成しても良い。デジタルマイクロスコープを取り付けることで、加工状況を随時監視することが可能となる。

実施の形態に係る超音波加工装置の斜視図である。 同超音波加工装置の超音波加工部の正面図である。 同超音波加工部のホーン部の正面図である。 同超音波加工装置の移動機構の概略を示す斜視図である。 同移動機構の要部断面図である。 ホーン移動機構の概略を示す正面図である。 ホーン移動機構の概略を示す正面図である。 同超音波加工装置の正面図である。 同超音波加工装置の固定機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 超音波加工装置
３ 機台
３ａ 上段板
３ｃ 操作部
５ 作業台
５ｂ 孔
５ａ 板部材
７ 超音波加工部
９ 移動機構
１１ 真空ポンプ
１３ 超音波発振器
１５ ホーン部
１７ ホーン移動部
１９ エアー供給ノズル
２３ 先端部
２５ 振動子
３１ Ｚ軸レール部材
３３ Ｙ軸レール部材
３５ Ｘ軸レール部材
３７ ガイドレール
３９ 可動テーブル
４３ 可動テーブル
４５ 可動テーブル
４７ チューブ材
４９ 真空チャック
５１ 制御部材
６１ プレート
６３ 案内手段
６５ 支持ブロック
６７ ストッパ部材
６９ ケーブル

Claims (5)

1. 導光板ワークを作業台に固定するワーク固定部と、
   前記ワーク固定部により固定された前記導光板ワークの主面に超音波加工を施す超音波加工部とを備え、
   前記超音波加工部は、
   圧電素子と、
   前記導光板ワークの主面と略垂直方向に接触可能に形成され、前記圧電素子において発生した振動を前記導光板ワークに伝達する超音波加工用ホーンと、
   前記超音波加工用ホーンの垂直方向に対する移動を規制すると共に、前記導光板ワークの主面における加工深さに基づき信号を出力するストッパ機構と、
   を備えることを特徴とする超音波加工装置。
2. 前記超音波加工用ホーンを前記ワーク固定部上で三次元直交座標に従って移動させる移動機構を備えること
   を特徴とする請求項１記載の超音波加工装置。
3. 前記超音波加工用ホーン及び前記移動機構は、
   前記超音波加工用ホーンの自重、若しくは付勢手段によって一方向に加重されていること
   を特徴とする請求項１又は２記載の超音波加工装置。
4. 前記付勢手段は、
   スプリング部材であること
   を特徴とする請求項３記載の超音波加工装置。
5. 前記ストッパ機構は、
   前記超音波ホーン及び前記移動機構を制御する制御機構に信号を受発信するための信号線を備えたストッパ部材を有し、かつ、前記ストッパ部材はこれを支持するプレート部材との間を電気絶縁体により電気的に遮断されていること
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の超音波加工装置。