JP3676997B2 - 超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種研削工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高精度の研削加工を施すことのできる超音波加工機のスピンドル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密加工あるいは超精密加工の分野においては、被加工物の表面研磨や孔開け加工手段として超音波加工機が使用されている。超音波加工機は、一般に、モータによって回転駆動されるスピンドルと、スピンドルと同軸配置された超音波ヘッドと、超音波ヘッドに一体的に連結されたホーンと、ホーン先端に取り付けられた研削工具などを備え、超音波振動系は高剛性状態に固定されている。
【０００３】
このような超音波加工機においては、超精密加工に対応できる精度を維持するため、スピンドル、超音波ヘッドおよびホーンの組立精度を厳格かつ高剛性状態に保つ必要がある。そして、超音波ヘッドによって印加される超音波振動が軸線方向と完全に一致し且つ振幅も変動することなく研削工具に伝達されるようにすることが最も重要な設計課題とされている。
【０００４】
そこで、本出願人は、研磨加工や研削加工のための加工工具に対して回転軸周りの振れなどを伴うことなく超音波振動を高効率で伝達することができ、しかも高精度の研削加工ができるようにした超音波加工機のスピンドル構造を開発し、特開２０００−２５４８０１号公報において開示している。
【０００５】
図９は、前記公報で開示した超音波加工機のスピンドル構造を示す部分断面図である。図９に示すように、このスピンドル構造は、軸線回りに回転駆動されるスピンドル６３と、このスピンドル６３に形成された中空の２本体スリーブ６３ｂの内部に配置された超音波振動子６４と、超音波振動子６４と同軸上に連接され且つ本体スリーブ６３ｂの内周壁に拘束固定された２個の支持ホーン６６，６７と、支持ホーン６６，６７に同軸上に基端を連接され先端に研削工具６８を装着可能なホルダホーン６５などを備えている。
【０００６】
また、支持ホーン６６，６７は、超音波振動子６４と同軸配置された本体６６ａ，６７ａと、本体６６ａ，６７ａの軸線方向の中間位置に一体化された基部６６ｃ，６７ｃと、基部６６ｃ，６７ｃから本体６６ａ，６７ａの周りに同軸形成された弾性変形可能な薄肉円筒状の緩衝スリーブ６６ｄ，６７ｄと、緩衝スリーブ６６ｄ，６７ｄの軸線方向の両端に形成されたフランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆとで構成されている。
【０００７】
これらの支持ホーン６６，６７は、スピンドル６３の本体スリーブ６３ｂ内において互いに密着状態に連接されるとともに、それぞれのフランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆが本体スリーブ６３ｂの内周壁に没入状態に固定されている。また、フランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆの間にはスペーサ材（図示せず）が配置されることもある。
【０００８】
このようなスピンドル構造を採用することにより、スピンドル６３側への超音波振動エネルギの逃げが抑制され、ホルダホーン６５側への振動伝達効率を高く維持することができるようになると同時に、回転主軸であるスピンドル６３とホルダホーン６５とを同軸姿勢を保つことによって加工精度を大幅に向上させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したスピンドル構造においては、支持ホーン６６，６７およびスペーサなどを隙間無く密着配列するとともに、部品の歪みや応力集中などが生じない状態に組み立てる必要があるため、これらの組み立て作業においては、一つの部品を組み込むたびに、隣接する部品との間の隙間の有無を目視確認しながら各部品の位置や姿勢を慎重に微調整していく必要があり、これらの作業には熟練した高度の技術を要するだけでなく、膨大な工数が費やされている。また、複数の支持ホーン６６，６７が連接配置されているので、細心の注意を払って組み立てを行っても、これらの部品の寸法精度のバラつきに起因する芯ぶれをなくすことができず、その全長が比較的大となっていることで温度変化による切削工具６８の横ぶれが発生しやすく、加工精度の悪化に繋がっている。
【００１０】
さらに、複数の支持ホーン６６，６７および複数のスペーサなど多くの部品が配置されているため部品同士の接続面が多くなり、これらの接続面に存在するわずかな隙間から超音波微振動が漏れることによって加工作業中の発熱も少なくない。このような発熱はエネルギの無駄となったり、加工精度を悪化させたりするだけでなく、場合によっては加工作業の続行が不可能となり、作業を中断させなければならないこともある。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することのできる、超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーンを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波加工機のスピンドル構造は、軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、前記スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、前記本体スリーブ内で前記超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、前記支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波端子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付けたことを特徴とする。ここで、周接フランジとはその外周部分を他の部材に当接させることによって径方向の拘束を受けるフランジをいい、軸接フランジとはその軸線方向と交差する面を他の部材に当接させることによって少なくとも軸線方向の拘束を受けるフランジをいい、不連続部とは外周面の連続が中断する部分を意味し、例えば、穴、溝、スリットなどが形成された部分をいう。
【００１３】
前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記スリーブに固定したことにより、当該支持ホーンは、軸接フランジ部分で軸方向に拘束され、周接フランジ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、当該支持ホーンの本体は前記超音波振動子から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率良く伝達することが可能となる。また、前記支持ホーンの基部の外周面にその周方向に沿って不連続部を設けたことにより、周接フランジ側および軸接フランジ側の緩衝スリーブはそれぞれ独立変形性が高まるので、本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩されるのを防止することができる。
【００１４】
すなわち、超音波振動子から支持ホーンに印可された超音波を無駄なくホルダホーンなどを介して切削工具に伝達することが可能となるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に軽減することができ、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となる結果、部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となるので、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００１５】
ここで、前記支持ホーンの不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、周接フランジ側の緩衝スリーブおよび軸接フランジ側の緩衝スリーブの独立変形性をさらに高めることができるので、本体に印可された超音波の本体スリーブへの漏洩防止機能がさらに高まり、加工作業中の発熱を大幅に軽減することができる。
【００１６】
ここで、前記支持ホーンの本体の軸方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記支持ホーンの緩衝スリーブの軸線方向長さを印可される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することが望ましい。これにより、支持ホーンの本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどに伝達することができるので、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上するだけでなく、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなるので、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００１７】
さらに、前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになるので、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた信頼性、耐久性を発揮する。
【００１８】
前記支持ホーンの本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、本体全体の形状が超音波振動子側からホルダホーン側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンまたは前記方向に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても優れた超音波機能および超音波漏洩防止機能を発揮するので、加工精度の向上、加工作業中の発熱軽減を図ることができる。
【００１９】
次に、本発明の支持ホーンは、超音波加工機のスピンドル本体に形成された円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と前記本体スリーブ内で連接される支持ホーンであって、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記本体スリーブの内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置するために前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記本体スリーブに軸方向に拘束した状態で固定するために前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面に周方向に沿って設けられた不連続部とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
超音波加工機のスピンドル本体内に設けられた円筒形の本体スリーブの内周面に、前記支持ホーンの周接フランジを摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに固定すれば、当該支持ホーンは、軸接フランジ部分で軸方向に拘束され、周接フランジ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、前記本体は超音波振動子から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率的に伝達可能となり、前記不連続部を設けたことにより、周接フランジ側および軸接フランジ側の緩衝スリーブはそれぞれ独立変形性が高まるので、前記本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩するのを防止することができる。
【００２１】
このように、超音波振動子から印可された超音波を無駄なくホルダホーンなどに伝達することが可能となるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に軽減することができ、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となって部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となり、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００２２】
ここで、前記不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、周接フランジ側の緩衝スリーブおよび軸接フランジ側の緩衝スリーブの独立変形性をさらに高めることができるので、本体に印可された超音波の本体スリーブなどへの漏洩防止機能がさらに向上する。
【００２３】
前記本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、前記本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどに伝達可能となり、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなる。
【００２４】
前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになる。
【００２５】
前記本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、本体全体の形状が超音波振動子側からホルダホーン側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンまたは前記方向に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図、図２は図１におけるスピンドル本体付近の拡大断面図、図３（ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの平面図、同図（ｂ）は前記支持ホーンの一部切欠側面図である。
【００２７】
図１，図２に示すように、中空円筒状のハウジング１の上端に駆動モータ２を備え、この駆動モータ２の出力軸にカップリング２ａを介して連接されたスピンドル本体３が軸受１ａによってハウジング１内に同軸上に組み込まれている。スピンドル本体３は、上端側をカップリング２ａに連結するロッド３ａと、ロッド３ａの下端に同軸上に形成され下端が開放された円筒形の本体スリーブ３ｂとを備えている。
【００２８】
ロッド３ａにおいては、カップリング２ａの直下に環状の受電部３ｃを備え、ハウジング１に固定された給電ユニット１ｂから給電ブラシを介して受電部３ｃに通電される。そして、本体スリーブ３ｂ内に、受電部３ｃと導通させた超音波振動子４が収納され、この超音波振動子４の下端には、支持ホーン６とホルダホーン５とが同軸上に連接配置されている。
【００２９】
超音波振動子４は、セラミックス製の圧電素子４ａを正負２枚の電極プレート４ｂ，４ｃの間に挟持し、その下端部分を、超音波振動を増幅させる質点として機能する出力部４ｄとしている。電極プレート４ｂ，４ｃはリード線によってスピンドル本体３のロッド３ａに取り付けられた環状の受電部３ｃに導通されている。給電ユニット１ｂから通電されると、圧電素子４ａが作動して出力部４ｄに、その軸線方向を振動方向とする２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの超音波振動が励起される。
【００３０】
スピンドル本体３の本体スリーブ３ｂ内においては、超音波振動子４、支持ホーン６およびホルダホーン５が同軸上で連接配置されているため、出力部４ｄに励起された超音波振動は、支持ホーン６を経由して、ホルダホーン５へ伝達される。
【００３１】
支持ホーン６は、例えば、ステンレス鋼を素材とする一体成形品であり、図３に示すように、超音波振動子４と同軸上に連接される中実円柱状の本体６ａと、本体６ａの外周面に鍔状に形成された基部６ｃと、基部６ｃの外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ６ｄと、緩衝スリーブ６ｄの一方の端部（超音波振動子４側の端部）に形成された周接フランジ６ｅと、緩衝スリーブ６ｄの他端部に形成された軸接フランジ６ｆと、基部６ｃの外周面にその周方向に沿って形成された緩衝溝６ｇとを有している。
【００３２】
支持ホーン６は、その周接フランジ６ｅの外周面を本体スリーブ３ｂの内周面に当接させることによって径方向に拘束された状態で超音波振動子４側に配置され、軸接フランジ６ｆはその軸方向と交差する面を本体スリーブ３の先端部に接触させて固定することによって少なくとも軸線方向に拘束された状態でスリーブ３ｂの先端に固定されている。これにより、支持ホーン６は、軸接フランジ６ｆ部分で少なくとも軸方向に拘束され、周接フランジ６ｅ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、支持ホーン６の本体６ａは超音波振動子４から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率良く伝達することができる。また、支持ホーン６の基部６ｃの外周面にその周方向に沿って不連続部としての緩衝溝６ｇを設けたことにより、周接フランジ６ｅ側および軸接フランジ６ｆ側の緩衝スリーブ６ｄはそれぞれ独立変形性を有しているので、本体６ａに印可された超音波が本体スリーブ３ｂへ漏洩するのを防止することができる。
【００３３】
すなわち、超音波振動子４から支持ホーン６に印可された超音波は無駄なくホルダホーン５などを介して切削工具５ａに伝達されるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に減少し、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジ６ｆを軸方向に拘束した状態で本体スリーブ３ｂに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となって部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となるので、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００３４】
ここで、図４および図５を参照して、超音波振動子４の出力部６ｄから超音波振動が印可されたときの支持ホーン６の変形状態について説明する。超音波振動が支持ホーン６の軸方向に作用するときには、振幅と軸線方向とが一致するので支持ホーン６にはその軸方向に圧縮力と引張力が作用する。この圧縮力と引張力とは２０ｋＨｚ以上の周波数で支持ホーン６に加わりホルダホーン５を介して切削工具５ａに伝達されるが、加工作業の際には、切削工具５ａが被加工物から反力を受け、この反力がホルダホーン５を介して支持ホーン６に伝達される。
【００３５】
したがって、支持ホーン６は、図４（ｂ）に示すように圧縮されて本体６ａが軸方向に収縮するとともに半径方向に膨張する変形と、同図（ａ）に示すように引張られて軸方向に伸びるとともに半径方向に収縮する変形とを交互に反復することとなる。そして、このような支持ホーン６の圧縮変形と引張変形の反復は、下端に連接されたホルダホーン５にも伝達され、圧縮変形と引張変形の総和が切削工具５ａの軸方向の超音波振動のストロークとなる。なお、実際には、後述するように、ホルダホーン５も支持ホーン６と同様に圧縮変形と引張変形とを反復し、このホルダホーン５の変形量を加えたものが切削工具５ａの超音波振動のストロークとなる。
【００３６】
支持ホーン６が図４に示すような圧縮変形と引張変形とを反復するとき、緩衝スリーブ６ｄは薄肉なので弾性変形しやすく、本体６ａの超音波振動はこの弾性変形によって吸収される。すなわち、超音波振動子４から支持ホーン６の本体６ａへ伝達された超音波振動は緩衝スリーブ６ｄによってスピンドル３の本体スリーブ３ｂへの伝達が緩衝されるため、超音波振動がスリーブ３ｂ側へ漏洩することなく、高い効率でホルダホーン５方向へ伝達することができる。
【００３７】
本実施形態では、図３に示すように、支持ホーン６の本体６ａの軸方向長さＬを印加される超音波の波長の２分の１とし、本体６ａの軸方向長さＬの中間位置に基部６ｃを形成しているため、支持ホーン６の本体６ａに印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーン５などに伝達することができ、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上する。
【００３８】
また、支持ホーン６の緩衝スリーブ６ｄの軸方向長さｌを印加される超音波の波長の４分の１とし、緩衝スリーブ６ｄの軸方向長さｌの中間位置に基部６ｃを形成しているため、支持ホーン６の本体６ａに印可された超音波が本体スリーブ３ｂへ漏洩するのを防止する機能が最も高くなり、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００３９】
さらに、緩衝溝６ｇの幅Ｗを、印可される超音波の波長の３％とし、緩衝溝６ｇの深さＤを、基部６ｃの外径Ｒと本体６ａの基部６ｃ位置における外径ｒとの差の２分の１の寸法としているので、支持ホーン６としての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を備え、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた信頼性、耐久性を発揮する。
【００４０】
図６は本発明のその他の実施形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略断面図である。本実施形態においては、超音波加工機のスピンドル１０の本体スリーブ１０ａ内に超音波振動子４と支持ホーン６Ｘおよび支持ホーン６とが同軸上に連接配置され、支持ホーン６の先端に研削工具１１が取り付けられている。支持ホーン６の形状、機能および本体スリーブ１０ａとの固定構造などは図１〜図５で示した支持ホーン６の形状、機能およびスリーブ３ａとの固定構造と同様である。
【００４１】
支持ホーン６Ｘは、軸接フランジ６ｓおよび周接フランジ６ｔの外径が同じである点を除けば支持ホーン６と同じ形状、機能を有しており、軸接フランジ６ｓ部分が本体スリーブ１０ａの段差部１０ｂで超音波振動子４向きの軸方向に拘束され、周接フランジ６ｔ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となっている。
【００４２】
このような構成とすることにより、超音波振動子４から印可された超音波振動を、本体スリーブ１０ａへの漏洩を防止しながら、支持ホーン６Ｘおよび支持ホーン６を介して研削工具１１に効率良く伝達することができるので、被加工物１２を高速度、高精度で研削加工することができ、加工作業中のスピンドルからの発熱も極めて少ないものとなっている。本実施形態においては、２つの保持ホーン６Ｘ，６を同軸上に連接配置しているため、超音波振動子４が高出力であって、被加工物１２の加工量が大である場合に好適である。その他の機能、効果などについては図１〜図５で示した実施の形態と同様である。
【００４３】
次に、図７，図８を参照して、その他の実施の形態である支持ホーン２０，３０について説明する。なお、図７，図８において図１〜図５と同じ符号を付している部分は、図１〜図５で示した部分と同じ機能、効果を発揮するので説明を省略する。
【００４４】
図７に示す支持ホーン２０においては、その本体２０ａの外径を、緩衝スリーブ２０ｄの内径２０ｒの範囲内で、本体２０ａの軸方向に沿って連続的に増加した部分を設けることにより、本体２０ａの形状が超音波振動子４側からホルダホーン５側に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンを形成している。このような減衰型の支持ホーン２０を用いて、超音波加工機のスピンドル構造を形成すれば、組み立て工数が削減し、加工精度が向上し、加工作業中の発熱も軽減することができる。その他の機能、効果は前述した支持ホーン６と同様である。
【００４５】
図８に示す支持ホーン３０においては、その本体３０ａの外径を、緩衝スリーブ３０ｄの内径３０ｒの範囲内で、本体３０ａの軸方向に沿って連続的に減少した部分を設けることにより、本体３０ａの形状が超音波振動子４側からホルダホーン５側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンを形成している。このような増幅型の支持ホーン３０を用いて、超音波加工機のスピンドル構造を形成すれば、前述の支持ホーン２０と同様、組み立て工数が削減し、加工精度が向上し、加工作業中の発熱も軽減することができる。その他の機能、効果は前述した支持ホーン６と同様である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明により、以下に示す効果を奏する。
【００４７】
（１）軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、前記スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、前記本体スリーブ内で前記超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、前記支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付けたことにより、スピンドルの組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することができる。
【００４８】
（２）前記支持ホーンの不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩するのを防止する機能がさらに高まり、加工作業中の発熱を大幅に軽減することができる。
【００４９】
（３）前記支持ホーンの本体の軸方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記支持ホーンの緩衝スリーブの軸方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記緩衝スリーブの軸方向長さの中間位置かつ前記本体の軸方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上し、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００５０】
（４）前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた耐久性を発揮する。
【００５１】
（５）前記支持ホーンの本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、増幅型支持ホーンまたは減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても加工精度の向上、加工作業中の発熱軽減を図ることができる。
【００５２】
（６）超音波加工機のスピンドル本体に形成された円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と前記本体スリーブ内で連接される支持ホーンであって、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記本体スリーブの内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置するために前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記本体スリーブに軸方向に拘束した状態で固定するために前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面に周方向に沿って設けられた不連続部とを備えたことにより、スピンドルの組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することができる。
【００５３】
（７）前記不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、本体に印可された超音波のスリーブなどへの漏洩防止機能がさらに向上する。
【００５４】
（８）前記本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、前記本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどへ伝達可能となり、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなる。
【００５５】
（９）前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになる。
【００５６】
（１０）前記本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、増幅型支持ホーンまたは減衰型支持ホーンを形成することができ、いずれの場合においても優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図である。
【図２】 図１におけるスピンドル本体付近の拡大断面図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの平面図であり、（ｂ）は前記支持ホーンの一部切欠側面図である。
【図４】 超音波振動が印加されたときの支持ホーンの変形状態を誇張して示す模式図であり、（ａ）は引張変形状態を示す模式図、（ｂ）は圧縮変形状態を示す模式図である。
【図５】 超音波伝達経路を構成する各部材の変形状態を誇張して示す模式図である。
【図６】 本発明のその他の実施形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略断面図である。
【図７】 本発明のその他の実施形態である減衰型支持ホーンを示す軸方向断面図である。
【図８】本発明のその他の実施形態である増幅型支持ホーンを示す軸方向断面図である。
【図９】 従来の超音波加工機のスピンドル構造の要部を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
１ａ 軸受
２ 駆動モータ
２ａ カップリング
３ スピンドル本体
３ａ ロッド
３ｂ，１０ａ 本体スリーブ
３ｃ 受電部
４ 超音波振動子
４ａ 圧電素子
４ｂ，４ｃ 電極プレート
４ｄ 出力部
５ ホルダホーン
５ａ，１１ 研削工具
６，６Ｘ，２０，３０ 支持ホーン
６ａ，２０ａ，３０ａ 本体
６ｃ 基部
６ｄ，２０ｄ，３０ｄ 緩衝スリーブ
６ｅ，６ｔ 周接フランジ
６ｆ，６ｓ 軸接フランジ
６ｇ 緩衝溝
１０ スピンドル
１０ｂ 段差部
１２ 被加工物
Ｌ 支持ホーンの本体の軸方向長さ
ｌ 支持ホーンの緩衝スリーブの軸方向長さ
Ｗ 緩衝溝の幅
Ｄ 緩衝溝の深さ
Ｒ 支持ホーンの基部の外径
ｒ 支持ホーンの本体の基部位置における外径
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種研削工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高精度の研削加工を施すことのできる超音波加工機のスピンドル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密加工あるいは超精密加工の分野においては、被加工物の表面研磨や孔開け加工手段として超音波加工機が使用されている。超音波加工機は、一般に、モータによって回転駆動されるスピンドルと、スピンドルと同軸配置された超音波ヘッドと、超音波ヘッドに一体的に連結されたホーンと、ホーン先端に取り付けられた研削工具などを備え、超音波振動系は高剛性状態に固定されている。
【０００３】
このような超音波加工機においては、超精密加工に対応できる精度を維持するため、スピンドル、超音波ヘッドおよびホーンの組立精度を厳格かつ高剛性状態に保つ必要がある。そして、超音波ヘッドによって印加される超音波振動が軸線方向と完全に一致し且つ振幅も変動することなく研削工具に伝達されるようにすることが最も重要な設計課題とされている。
【０００４】
そこで、本出願人は、研磨加工や研削加工のための加工工具に対して回転軸周りの振れなどを伴うことなく超音波振動を高効率で伝達することができ、しかも高精度の研削加工ができるようにした超音波加工機のスピンドル構造を開発し、特開２０００−２５４８０１号公報において開示している。
【０００５】
図９は、前記公報で開示した超音波加工機のスピンドル構造を示す部分断面図である。図９に示すように、このスピンドル構造は、軸線回りに回転駆動されるスピンドル６３と、このスピンドル６３に形成された中空の２本体スリーブ６３ｂの内部に配置された超音波振動子６４と、超音波振動子６４と同軸上に連接され且つ本体スリーブ６３ｂの内周壁に拘束固定された２個の支持ホーン６６，６７と、支持ホーン６６，６７に同軸上に基端を連接され先端に研削工具６８を装着可能なホルダホーン６５などを備えている。
【０００６】
また、支持ホーン６６，６７は、超音波振動子６４と同軸配置された本体６６ａ，６７ａと、本体６６ａ，６７ａの軸線方向の中間位置に一体化された基部６６ｃ，６７ｃと、基部６６ｃ，６７ｃから本体６６ａ，６７ａの周りに同軸形成された弾性変形可能な薄肉円筒状の緩衝スリーブ６６ｄ，６７ｄと、緩衝スリーブ６６ｄ，６７ｄの軸線方向の両端に形成されたフランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆとで構成されている。
【０００７】
これらの支持ホーン６６，６７は、スピンドル６３の本体スリーブ６３ｂ内において互いに密着状態に連接されるとともに、それぞれのフランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆが本体スリーブ６３ｂの内周壁に没入状態に固定されている。また、フランジ６６ｅ，６６ｆ，６７ｅ，６７ｆの間にはスペーサ材（図示せず）が配置されることもある。
【０００８】
このようなスピンドル構造を採用することにより、スピンドル６３側への超音波振動エネルギの逃げが抑制され、ホルダホーン６５側への振動伝達効率を高く維持することができるようになると同時に、回転主軸であるスピンドル６３とホルダホーン６５とを同軸姿勢を保つことによって加工精度を大幅に向上させることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示したスピンドル構造においては、支持ホーン６６，６７およびスペーサなどを隙間無く密着配列するとともに、部品の歪みや応力集中などが生じない状態に組み立てる必要があるため、これらの組み立て作業においては、一つの部品を組み込むたびに、隣接する部品との間の隙間の有無を目視確認しながら各部品の位置や姿勢を慎重に微調整していく必要があり、これらの作業には熟練した高度の技術を要するだけでなく、膨大な工数が費やされている。また、複数の支持ホーン６６，６７が連接配置されているので、細心の注意を払って組み立てを行っても、これらの部品の寸法精度のバラつきに起因する芯ぶれをなくすことができず、その全長が比較的大となっていることで温度変化による切削工具６８の横ぶれが発生しやすく、加工精度の悪化に繋がっている。
【００１０】
さらに、複数の支持ホーン６６，６７および複数のスペーサなど多くの部品が配置されているため部品同士の接続面が多くなり、これらの接続面に存在するわずかな隙間から超音波微振動が漏れることによって加工作業中の発熱も少なくない。このような発熱はエネルギの無駄となったり、加工精度を悪化させたりするだけでなく、場合によっては加工作業の続行が不可能となり、作業を中断させなければならないこともある。
【００１１】
本発明が解決しようとする課題は、組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することのできる、超音波加工機のスピンドル構造およびこれに用いる支持ホーンを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波加工機のスピンドル構造は、軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、前記スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、前記本体スリーブ内で前記超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、前記支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波端子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付けたことを特徴とする。ここで、周接フランジとはその外周部分を他の部材に当接させることによって径方向の拘束を受けるフランジをいい、軸接フランジとはその軸線方向と交差する面を他の部材に当接させることによって少なくとも軸線方向の拘束を受けるフランジをいい、不連続部とは外周面の連続が中断する部分を意味し、例えば、穴、溝、スリットなどが形成された部分をいう。
【００１３】
前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記スリーブに固定したことにより、当該支持ホーンは、軸接フランジ部分で軸方向に拘束され、周接フランジ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、当該支持ホーンの本体は前記超音波振動子から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率良く伝達することが可能となる。また、前記支持ホーンの基部の外周面にその周方向に沿って不連続部を設けたことにより、周接フランジ側および軸接フランジ側の緩衝スリーブはそれぞれ独立変形性が高まるので、本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩されるのを防止することができる。
【００１４】
すなわち、超音波振動子から支持ホーンに印可された超音波を無駄なくホルダホーンなどを介して切削工具に伝達することが可能となるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に軽減することができ、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となる結果、部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となるので、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００１５】
ここで、前記支持ホーンの不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、周接フランジ側の緩衝スリーブおよび軸接フランジ側の緩衝スリーブの独立変形性をさらに高めることができるので、本体に印可された超音波の本体スリーブへの漏洩防止機能がさらに高まり、加工作業中の発熱を大幅に軽減することができる。
【００１６】
ここで、前記支持ホーンの本体の軸方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記支持ホーンの緩衝スリーブの軸線方向長さを印可される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することが望ましい。これにより、支持ホーンの本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどに伝達することができるので、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上するだけでなく、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなるので、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００１７】
さらに、前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになるので、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた信頼性、耐久性を発揮する。
【００１８】
前記支持ホーンの本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、本体全体の形状が超音波振動子側からホルダホーン側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンまたは前記方向に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても優れた超音波機能および超音波漏洩防止機能を発揮するので、加工精度の向上、加工作業中の発熱軽減を図ることができる。
【００１９】
次に、本発明の支持ホーンは、超音波加工機のスピンドル本体に形成された円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と前記本体スリーブ内で連接される支持ホーンであって、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記本体スリーブの内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置するために前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記本体スリーブに軸方向に拘束した状態で固定するために前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面に周方向に沿って設けられた不連続部とを備えたことを特徴とする。
【００２０】
超音波加工機のスピンドル本体内に設けられた円筒形の本体スリーブの内周面に、前記支持ホーンの周接フランジを摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに固定すれば、当該支持ホーンは、軸接フランジ部分で軸方向に拘束され、周接フランジ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、前記本体は超音波振動子から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率的に伝達可能となり、前記不連続部を設けたことにより、周接フランジ側および軸接フランジ側の緩衝スリーブはそれぞれ独立変形性が高まるので、前記本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩するのを防止することができる。
【００２１】
このように、超音波振動子から印可された超音波を無駄なくホルダホーンなどに伝達することが可能となるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に軽減することができ、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となって部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となり、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００２２】
ここで、前記不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、周接フランジ側の緩衝スリーブおよび軸接フランジ側の緩衝スリーブの独立変形性をさらに高めることができるので、本体に印可された超音波の本体スリーブなどへの漏洩防止機能がさらに向上する。
【００２３】
前記本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、前記本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどに伝達可能となり、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなる。
【００２４】
前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになる。
【００２５】
前記本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、本体全体の形状が超音波振動子側からホルダホーン側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンまたは前記方向に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施の形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図、図２は図１におけるスピンドル本体付近の拡大断面図、図３（ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの平面図、同図（ｂ）は前記支持ホーンの一部切欠側面図である。
【００２７】
図１，図２に示すように、中空円筒状のハウジング１の上端に駆動モータ２を備え、この駆動モータ２の出力軸にカップリング２ａを介して連接されたスピンドル本体３が軸受１ａによってハウジング１内に同軸上に組み込まれている。スピンドル本体３は、上端側をカップリング２ａに連結するロッド３ａと、ロッド３ａの下端に同軸上に形成され下端が開放された円筒形の本体スリーブ３ｂとを備えている。
【００２８】
ロッド３ａにおいては、カップリング２ａの直下に環状の受電部３ｃを備え、ハウジング１に固定された給電ユニット１ｂから給電ブラシを介して受電部３ｃに通電される。そして、本体スリーブ３ｂ内に、受電部３ｃと導通させた超音波振動子４が収納され、この超音波振動子４の下端には、支持ホーン６とホルダホーン５とが同軸上に連接配置されている。
【００２９】
超音波振動子４は、セラミックス製の圧電素子４ａを正負２枚の電極プレート４ｂ，４ｃの間に挟持し、その下端部分を、超音波振動を増幅させる質点として機能する出力部４ｄとしている。電極プレート４ｂ，４ｃはリード線によってスピンドル本体３のロッド３ａに取り付けられた環状の受電部３ｃに導通されている。給電ユニット１ｂから通電されると、圧電素子４ａが作動して出力部４ｄに、その軸線方向を振動方向とする２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの超音波振動が励起される。
【００３０】
スピンドル本体３の本体スリーブ３ｂ内においては、超音波振動子４、支持ホーン６およびホルダホーン５が同軸上で連接配置されているため、出力部４ｄに励起された超音波振動は、支持ホーン６を経由して、ホルダホーン５へ伝達される。
【００３１】
支持ホーン６は、例えば、ステンレス鋼を素材とする一体成形品であり、図３に示すように、超音波振動子４と同軸上に連接される中実円柱状の本体６ａと、本体６ａの外周面に鍔状に形成された基部６ｃと、基部６ｃの外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ６ｄと、緩衝スリーブ６ｄの一方の端部（超音波振動子４側の端部）に形成された周接フランジ６ｅと、緩衝スリーブ６ｄの他端部に形成された軸接フランジ６ｆと、基部６ｃの外周面にその周方向に沿って形成された緩衝溝６ｇとを有している。
【００３２】
支持ホーン６は、その周接フランジ６ｅの外周面を本体スリーブ３ｂの内周面に当接させることによって径方向に拘束された状態で超音波振動子４側に配置され、軸接フランジ６ｆはその軸方向と交差する面を本体スリーブ３の先端部に接触させて固定することによって少なくとも軸線方向に拘束された状態でスリーブ３ｂの先端に固定されている。これにより、支持ホーン６は、軸接フランジ６ｆ部分で少なくとも軸方向に拘束され、周接フランジ６ｅ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となるので、支持ホーン６の本体６ａは超音波振動子４から印可された超音波振動を自らの伸縮運動により軸線方向へ効率良く伝達することができる。また、支持ホーン６の基部６ｃの外周面にその周方向に沿って不連続部としての緩衝溝６ｇを設けたことにより、周接フランジ６ｅ側および軸接フランジ６ｆ側の緩衝スリーブ６ｄはそれぞれ独立変形性を有しているので、本体６ａに印可された超音波が本体スリーブ３ｂへ漏洩するのを防止することができる。
【００３３】
すなわち、超音波振動子４から支持ホーン６に印可された超音波は無駄なくホルダホーン５などを介して切削工具５ａに伝達されるため、加工作業中の超音波漏洩による発熱を大幅に減少し、これによって加工精度も向上する。また、軸接フランジ６ｆを軸方向に拘束した状態で本体スリーブ３ｂに取り付ければよいので、スペーサなどが不要となって部品点数が減少し、組み立て時の微調整も不要となるので、組み立て工数を大幅に削減することができ、スペーサとフランジとの隙間に起因する加工作業中の発熱もなくすことができる。
【００３４】
ここで、図４および図５を参照して、超音波振動子４の出力部６ｄから超音波振動が印可されたときの支持ホーン６の変形状態について説明する。超音波振動が支持ホーン６の軸方向に作用するときには、振幅と軸線方向とが一致するので支持ホーン６にはその軸方向に圧縮力と引張力が作用する。この圧縮力と引張力とは２０ｋＨｚ以上の周波数で支持ホーン６に加わりホルダホーン５を介して切削工具５ａに伝達されるが、加工作業の際には、切削工具５ａが被加工物から反力を受け、この反力がホルダホーン５を介して支持ホーン６に伝達される。
【００３５】
したがって、支持ホーン６は、図４（ｂ）に示すように圧縮されて本体６ａが軸方向に収縮するとともに半径方向に膨張する変形と、同図（ａ）に示すように引張られて軸方向に伸びるとともに半径方向に収縮する変形とを交互に反復することとなる。そして、このような支持ホーン６の圧縮変形と引張変形の反復は、下端に連接されたホルダホーン５にも伝達され、圧縮変形と引張変形の総和が切削工具５ａの軸方向の超音波振動のストロークとなる。なお、実際には、後述するように、ホルダホーン５も支持ホーン６と同様に圧縮変形と引張変形とを反復し、このホルダホーン５の変形量を加えたものが切削工具５ａの超音波振動のストロークとなる。
【００３６】
支持ホーン６が図４に示すような圧縮変形と引張変形とを反復するとき、緩衝スリーブ６ｄは薄肉なので弾性変形しやすく、本体６ａの超音波振動はこの弾性変形によって吸収される。すなわち、超音波振動子４から支持ホーン６の本体６ａへ伝達された超音波振動は緩衝スリーブ６ｄによってスピンドル３の本体スリーブ３ｂへの伝達が緩衝されるため、超音波振動がスリーブ３ｂ側へ漏洩することなく、高い効率でホルダホーン５方向へ伝達することができる。
【００３７】
本実施形態では、図３に示すように、支持ホーン６の本体６ａの軸方向長さＬを印加される超音波の波長の２分の１とし、本体６ａの軸方向長さＬの中間位置に基部６ｃを形成しているため、支持ホーン６の本体６ａに印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーン５などに伝達することができ、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上する。
【００３８】
また、支持ホーン６の緩衝スリーブ６ｄの軸方向長さｌを印加される超音波の波長の４分の１とし、緩衝スリーブ６ｄの軸方向長さｌの中間位置に基部６ｃを形成しているため、支持ホーン６の本体６ａに印可された超音波が本体スリーブ３ｂへ漏洩するのを防止する機能が最も高くなり、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００３９】
さらに、緩衝溝６ｇの幅Ｗを、印可される超音波の波長の３％とし、緩衝溝６ｇの深さＤを、基部６ｃの外径Ｒと本体６ａの基部６ｃ位置における外径ｒとの差の２分の１の寸法としているので、支持ホーン６としての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を備え、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた信頼性、耐久性を発揮する。
【００４０】
図６は本発明のその他の実施形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略断面図である。本実施形態においては、超音波加工機のスピンドル１０の本体スリーブ１０ａ内に超音波振動子４と支持ホーン６Ｘおよび支持ホーン６とが同軸上に連接配置され、支持ホーン６の先端に研削工具１１が取り付けられている。支持ホーン６の形状、機能および本体スリーブ１０ａとの固定構造などは図１〜図５で示した支持ホーン６の形状、機能およびスリーブ３ａとの固定構造と同様である。
【００４１】
支持ホーン６Ｘは、軸接フランジ６ｓおよび周接フランジ６ｔの外径が同じである点を除けば支持ホーン６と同じ形状、機能を有しており、軸接フランジ６ｓ部分が本体スリーブ１０ａの段差部１０ｂで超音波振動子４向きの軸方向に拘束され、周接フランジ６ｔ部分では径方向に拘束されるが軸方向に拘束されない状態となっている。
【００４２】
このような構成とすることにより、超音波振動子４から印可された超音波振動を、本体スリーブ１０ａへの漏洩を防止しながら、支持ホーン６Ｘおよび支持ホーン６を介して研削工具１１に効率良く伝達することができるので、被加工物１２を高速度、高精度で研削加工することができ、加工作業中のスピンドルからの発熱も極めて少ないものとなっている。本実施形態においては、２つの保持ホーン６Ｘ，６を同軸上に連接配置しているため、超音波振動子４が高出力であって、被加工物１２の加工量が大である場合に好適である。その他の機能、効果などについては図１〜図５で示した実施の形態と同様である。
【００４３】
次に、図７，図８を参照して、その他の実施の形態である支持ホーン２０，３０について説明する。なお、図７，図８において図１〜図５と同じ符号を付している部分は、図１〜図５で示した部分と同じ機能、効果を発揮するので説明を省略する。
【００４４】
図７に示す支持ホーン２０においては、その本体２０ａの外径を、緩衝スリーブ２０ｄの内径２０ｒの範囲内で、本体２０ａの軸方向に沿って連続的に増加した部分を設けることにより、本体２０ａの形状が超音波振動子４側からホルダホーン５側に向かって徐々に拡径した減衰型支持ホーンを形成している。このような減衰型の支持ホーン２０を用いて、超音波加工機のスピンドル構造を形成すれば、組み立て工数が削減し、加工精度が向上し、加工作業中の発熱も軽減することができる。その他の機能、効果は前述した支持ホーン６と同様である。
【００４５】
図８に示す支持ホーン３０においては、その本体３０ａの外径を、緩衝スリーブ３０ｄの内径３０ｒの範囲内で、本体３０ａの軸方向に沿って連続的に減少した部分を設けることにより、本体３０ａの形状が超音波振動子４側からホルダホーン５側に向かって徐々に縮径した増幅型支持ホーンを形成している。このような増幅型の支持ホーン３０を用いて、超音波加工機のスピンドル構造を形成すれば、前述の支持ホーン２０と同様、組み立て工数が削減し、加工精度が向上し、加工作業中の発熱も軽減することができる。その他の機能、効果は前述した支持ホーン６と同様である。
【００４６】
【発明の効果】
本発明により、以下に示す効果を奏する。
【００４７】
（１）軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、前記スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、前記本体スリーブ内で前記超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、前記支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付けたことにより、スピンドルの組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することができる。
【００４８】
（２）前記支持ホーンの不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、本体に印可された超音波が本体スリーブへ漏洩するのを防止する機能がさらに高まり、加工作業中の発熱を大幅に軽減することができる。
【００４９】
（３）前記支持ホーンの本体の軸方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記支持ホーンの緩衝スリーブの軸方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記緩衝スリーブの軸方向長さの中間位置かつ前記本体の軸方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、加工作業の速度が高まり、作業効率が向上し、加工作業中の発熱を最小限に抑制することができる。
【００５０】
（４）前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、加工作業効率を高水準に維持しながら、優れた耐久性を発揮する。
【００５１】
（５）前記支持ホーンの本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、増幅型支持ホーンまたは減衰型支持ホーンが得られ、いずれの場合においても加工精度の向上、加工作業中の発熱軽減を図ることができる。
【００５２】
（６）超音波加工機のスピンドル本体に形成された円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と前記本体スリーブ内で連接される支持ホーンであって、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記本体スリーブの内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置するために前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記本体スリーブに軸方向に拘束した状態で固定するために前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面に周方向に沿って設けられた不連続部とを備えたことにより、スピンドルの組み立て工数を削減し、加工精度を向上させ、加工作業中の発熱も軽減することができる。
【００５３】
（７）前記不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けることにより、本体に印可された超音波のスリーブなどへの漏洩防止機能がさらに向上する。
【００５４】
（８）前記本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成することにより、前記本体に印加された超音波で本体自らが効率的に超音波振動しながら当該超音波振動をホルダホーンなどへ伝達可能となり、本体スリーブへの超音波の漏洩を防止する機能も最も高くなる。
【００５５】
（９）前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とすることにより、支持ホーンとしての強度を維持しつつ、優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮するようになる。
【００５６】
（１０）前記本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けることにより、増幅型支持ホーンまたは減衰型支持ホーンを形成することができ、いずれの場合においても優れた超音波伝達機能および超音波漏洩防止機能を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略縦断面図である。
【図２】 図１におけるスピンドル本体付近の拡大断面図である。
【図３】 （ａ）は図１に示すスピンドル構造を構成する支持ホーンの平面図であり、（ｂ）は前記支持ホーンの一部切欠側面図である。
【図４】 超音波振動が印加されたときの支持ホーンの変形状態を誇張して示す模式図であり、（ａ）は引張変形状態を示す模式図、（ｂ）は圧縮変形状態を示す模式図である。
【図５】 超音波伝達経路を構成する各部材の変形状態を誇張して示す模式図である。
【図６】 本発明のその他の実施形態である超音波加工機のスピンドル構造を示す概略断面図である。
【図７】 本発明のその他の実施形態である減衰型支持ホーンを示す軸方向断面図である。
【図８】本発明のその他の実施形態である増幅型支持ホーンを示す軸方向断面図である。
【図９】 従来の超音波加工機のスピンドル構造の要部を示す概略縦断面図である。
【符号の説明】
１ ハウジング
１ａ 軸受
２ 駆動モータ
２ａ カップリング
３ スピンドル本体
３ａ ロッド
３ｂ，１０ａ 本体スリーブ
３ｃ 受電部
４ 超音波振動子
４ａ 圧電素子
４ｂ，４ｃ 電極プレート
４ｄ 出力部
５ ホルダホーン
５ａ，１１ 研削工具
６，６Ｘ，２０，３０ 支持ホーン
６ａ，２０ａ，３０ａ 本体
６ｃ 基部
６ｄ，２０ｄ，３０ｄ 緩衝スリーブ
６ｅ，６ｔ 周接フランジ
６ｆ，６ｓ 軸接フランジ
６ｇ 緩衝溝
１０ スピンドル
１０ｂ 段差部
１２ 被加工物
Ｌ 支持ホーンの本体の軸方向長さ
ｌ 支持ホーンの緩衝スリーブの軸方向長さ
Ｗ 緩衝溝の幅
Ｄ 緩衝溝の深さ
Ｒ 支持ホーンの基部の外径
ｒ 支持ホーンの本体の基部位置における外径
Claims (10)
- 軸線周りに回転駆動されるスピンドル本体と、前記スピンドル本体に設けられた円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と、前記本体スリーブ内で前記超音波振動子と連接された支持ホーンとを備え、
前記支持ホーンが、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面にその周方向に沿って設けられた不連続部とを有し、
前記支持ホーンの周接フランジを前記本体スリーブ内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置し、前記軸接フランジを軸方向に拘束した状態で前記本体スリーブに取り付けたことを特徴とする超音波加工機のスピンドル構造。 - 前記支持ホーンの不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けた請求項１記載の超音波加工機のスピンドル構造。
- 前記支持ホーンの本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記支持ホーンの緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成した請求項１または２記載の超音波加工機のスピンドル構造。
- 前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とした請求項２記載の超音波加工機のスピンドル構造。
- 前記支持ホーンの本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けた請求項２〜４のいずれかに記載の超音波加工機のスピンドル構造。
- 超音波加工機のスピンドル本体に形成された円筒形の本体スリーブ内に配置された超音波振動子と前記本体スリーブ内で連接される支持ホーンであって、前記超音波振動子と同軸上に連接される本体と、前記本体の外周面の当該本体の軸方向長さの中間位置に鍔状に形成された基部と、前記基部の外周部を前記本体の軸方向の両端に向かってそれぞれ軸方向に延設することにより前記本体の外周を包囲するように形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記本体スリーブの内周面に摺動可能に接触させた状態で前記超音波振動子側に配置するために前記緩衝スリーブの一方の端部に形成された周接フランジと、前記本体スリーブに軸方向に拘束した状態で固定するために前記緩衝スリーブの他端部に形成された軸接フランジと、前記基部の外周面に周方向に沿って設けられた不連続部とを備えたことを特徴とする支持ホーン。
- 前記不連続部として、前記基部の外周面に周方向の緩衝溝を設けた請求項６記載の支持ホーン。
- 前記本体の軸線方向長さを印加される超音波の波長の２分の１とし、前記緩衝スリーブの軸線方向長さを印加される超音波の波長の４分の１とし、前記本体の軸方向長さの中間位置かつ前記緩衝スリーブの軸線方向長さの中間位置に前記基部を形成した請求項６または７記載の支持ホーン。
- 前記緩衝溝の幅を、印可される超音波の波長の０．１％〜３％とした請求項７記載の支持ホーン。
- 前記本体の外径を、前記緩衝スリーブの内径範囲内で、前記本体の軸方向に沿って連続的または断続的に変化させた部分を設けた請求項６〜９のいずれかに記載の支持ホーン。
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