JP3744711B2 - 超音波加工機におけるスピンドル構造 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動によってワークに機械加工するための超音波加工機に係り、特に研磨や研削のための加工チップに対して回転軸周りの振れ等を伴わずに超音波振動を高効率で伝達でき、しかも高精度の機械加工ができるようにした超音波加工機におけるスピンドル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
精密加工及び超精密加工の分野において、ワークの表面研磨や孔開け加工には超音波加工機が従来から広く利用されている。この超音波加工機の基本的な構成は、モータによって回転駆動されるスピンドルを主軸として備え、このスピンドルに同軸配置として超音波ヘッドを配置するとともに、この超音波ヘッドに一体に連結したホーンの先端に加工チップを取り付けるというものである。このような超音波加工機では、超精密加工に対応できるように、スピンドル及び超音波ヘッドとホーンとのアセンブリの組立て精度を厳しくする必要がある。そして、超音波ヘッドによる超音波振動が軸線方向に完全に一致し且つ振幅も変動することがないように、加工チップに対して超音波振動を伝達できるようにすることが最も重要な設計課題とされている。
【０００３】
本願出願人は、加工チップへの超音波振動の伝達を最適化するための構造をすでに提案して実願平１−１４７８３４号として出願し、実用新案登録第２５０６３２１号として実用新案登録を取得した。先の出願は、スピンドル本体の中に備える超音波ヘッドをカップリングホーンで支持固定する超音波スピンドルに関するもので、この構成を適用した孔開け用の超音波加工機の例を図５に示す。
【０００４】
図５において、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を介して連接したスピンドル３がラジアル・スラストの軸受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。
【０００５】
スピンドル３は、上端側をカップリング２ａに連結するロッド３ａと、このロッド３ａの下端に同軸上に形成されて下端を開放した円筒状のスリーブ３ｂとを備えたものである。ロッド３ａにはカップリング２ａの直ぐ下に環状の給電ブラシ３ｃを備え、ハウジング１に固定した給電ユニット１ｂと給電ブラシ３ｃとの間を通電可能としている。そして、スリーブ３ｂの中に給電ブラシ３ｃに導通させた超音波振動子４を収納し、この超音波振動子４の下端には支持ホーン２１とホルダホーン５とを同軸上に連結している。超音波振動子４は圧電素子を利用して２０ｋＨｚ以上の周波数の超音波振動を軸線方向に励起し、ホルダホーン５はその先端に微小な内径の孔を穿孔するための加工チップ５ａを同軸上に取り付けている。
【０００６】
支持ホーン２１は、自身に一体化する超音波振動子４をスリーブ３ｂ内で同軸上に固定保持するとともにホルダホーン５へ振動を伝達するための部材である。そして、先の出願に係る考案に基づく構成として、中実の本体部２１ａの外周面にフランジ２１ｂを半径方向に突き出して形成するとともに、このフランジ２１ｂの外周縁から本体部２１ａと同軸上に円筒体２１ｃを備え、更にこの円筒体２１ｃの上端に取付けフランジ２１ｄを設けている。円筒体２１ｃはフランジ２１ｂ及び取付けフランジ２１ｄよりもかなり薄い肉厚としたものであり、取付けフランジ２１ｄはスピンドル３のスリーブ３ｂの内周に嵌め込んで固定される。
【０００７】
このような支持ホーン２１を備えると、超音波振動子４による振動励起があるとき、その振動は支持ホーン２１からホルダホーン５側だけでなく、フランジ２１ｂ，円筒部２１ｃ，取付けフランジ２１ｄからスピンドル３側にも伝達される。したがって、超音波振動子４による振動エネルギの一部はスピンドル３によって吸収されることになる。
【０００８】
これに対し、円筒部２１ｃは薄肉であって簡単に変形したり変位したりするように振る舞うので、このような変位や変形が本体部２１ａからスリーブ３ｂ側への振動の伝達に対する緩衝となる。このため、振動エネルギがスリーブ３ｂ側に無駄に吸収される度合いが小さくなり、ホルダホーン５側への振動伝達の効率を上げて加工性能を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】
このようなスリーブ３ｂ側への振動伝達の抑制は、要するに、薄肉の円筒体２１ｃが変形したり変位したりしやすくして、支持ホーン２１の軸線方向及び半径方向の振動振幅を吸収するというものである。すなわち、スリーブ３ｂ側への振動の伝達を抑えるには、支持ホーン２１とスリーブ３ｂとの連接構造に弾性的な要素を含ませたり剛性が低い構造とするほうが都合がよい。
【００１０】
ところが、支持ホーン２１は超音波振動子４及びホルダホーン５とを連結してこれらをスリーブ３ｂに固定する部材である。したがって、支持ホーン２１がスリーブ３ｂに対して弾性的にまたは低剛性で連結されていると、超音波振動子４による振動負荷を受けるとき、スリーブ３ｂに対する支持ホーン２１の姿勢の安定度が崩れてしまう可能性がある。このように支持ホーン２１の姿勢の安定性が失われると、ホルダホーン５の軸線方向及び軸線周りの半径方向に不規則な振れが引き起こされる。したがって、超音波振動子４による設定された振動数や振幅から外れてホルダホーン５が振動し、加工チップ５ａがその半径方向に振れ動作するとワークの穿孔径が大きくなったり加工チップ５ａが折れたりする。
【００１１】
一方、支持ホーン２１だけでなく、先に説明した登録番号の実用新案登録公報の第１図及び第３図に示されているように、スリーブ３ｂの外からねじを差し込んで超音波振動子４の周面に突き当ててこの超音波振動子４を保持すれば、ホルダホーン５の振れの発生を抑えることはできる。しかしながら、ねじによって超音波振動子４がスピンドル３に剛的に連結されるので、スピンドル３側への振動の伝達が促されてしまい、ホルダホーン５側への振動エネルギの伝達量が低下することになる。
【００１２】
このように、従来の超音波加工機のスピンドル構造では、超音波振動子からスピンドル側へ逃げる振動エネルギを抑えて加工チップへの振動の伝達効率を高く維持できるものの、加工チップの振れ回りや無用な揺れを伴いやすく、加工精度に大きく影響するという問題がある。
【００１３】
本発明は、スピンドル側への振動エネルギの逃げを抑えてホルダホーン側への振動伝達効率を高く維持すると同時にホルダホーンを回転主軸であるスピンドルと同軸姿勢を保って加工精度を大幅に向上させる超音波加工機のスピンドル構造を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の超音波加工機におけるスピンドル構造は、軸線回りに回転駆動されるスピンドルと、前記スピンドルに形成された中空のスリーブの中に配置する超音波振動子と、前記超音波振動子に同軸上に連接され且つ前記スリーブの内周壁に拘束固定される少なくとも２個の支持ホーンと、前記支持ホーンに同軸上に基端を連接され先端に加工チップを備えるホルダホーンとを備え、前記支持ホーンは前記超音波振動子から前記スピンドル側への振動伝達を抑制する緩衝機構を備え、前記超音波振動子から加工チップまでを、超音波振動負荷時に前記支持ホーンには圧縮変形と引張り変形が配列方向の順に相互に引き起こされる振動系としたことを特徴とする。
【００１５】
このような構成おいて、前記支持ホーンは、前記超音波振動子に同軸配置される本体と、前記本体の外周面と間隔をおいてほぼ同軸上に形成されて前記緩衝機構を構成する取付け環とを備え、前記取付け環は、前記本体の軸線方向のほぼ中間位置に一体化した基部と、前記基部から前記本体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と、前記緩衝スリーブの軸線方向の両端に形成され前記スピンドルのスリーブの内周壁に没入させるフランジとを備え、前記緩衝スリーブは、前記本体の圧縮変形及び引張り変形のときの半径方向の膨張及び収縮に倣い変形可能としたものとしてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の超音波加工機の要部を示す縦断面図であり、図５で示した従来例と同じ構成部材については共通の符号で指示しその詳細な説明は省略する。
【００１７】
図１において、中空円筒状のハウジング１と、駆動モータ２にカップリング２ａを介して連接され軸受１ａによってハウジング１内に回転自在に支持されたスピンドル３は、従来例で示したものよりも軸線長さが長い。スピンドル３のスリーブ３ｂの中に同軸上に収納される超音波振動子４と、ハウジング１の下端から突き出る配置のホルダホーン５とは従来例のものと同様の部材である。すなわち、超音波振動子４はセラミックスを利用した圧電素子４ａを正負の電極プレート４ｂ，４ｃで挟み込み、下端側の部分を振動を増幅させる質点として機能する出力部４ｄとしたものである。電極プレート４ｂ，４ｃはリード線４ｂ−１，４ｃ−１によってスピンドル３のロッド３ａに取り付けた環状の給電ブラシ３ｃに導通している。そして、給電ユニット１ｂから通電すると、圧電素子４ａの作動によって出力部４ｄにはその軸線方向を振幅とする２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの超音波振動が励起される。
【００１８】
超音波振動子４とホルダホーン５との間には、２個の支持ホーン６，７を同軸上で連結する。これらの支持ホーン６，７は共通部品であり、図２に上段配置の支持ホーン６の詳細を示す。図２の（ａ）は支持ホーン６の平面図、図２の（ｂ）は切欠正面図である。
【００１９】
支持ホーン６はたとえばステンレス鋼を素材とした一体成形品であり、中実状の本体６ａとその外周に形成した取付け環６ｂとを備えたものである。本体６ａは円柱体であって、その上端にはにボルトを連結するとともに下端には下段配置の支持ホーン７のボルト６ａ−１を螺合連結するための雌ねじ孔６ａ−２を形成している。
【００２０】
取付け環６ｂは、本体６ａの軸線方向の中央位置の外周面から突き出る基部６ｃと、この基部６ｃの突き出し周面に一体化され本体６ａと同軸配置として形成した緩衝スリーブ６ｄと、この緩衝スリーブ６ｄの上下両端から外向きに突き出る断面として形成した一対のフランジ６ｅ，６ｆとから構成されたものである。基部６ｃとフランジ６ｅ，６ｆの肉厚はほぼ等しく、緩衝スリーブ６ｄはこれらの基部６ｃ及びフランジ６ｅ，６ｆに比べて薄くすることによって、弾性変形しやすくしている。
【００２１】
支持ホーン６は、ステンレス鋼のインゴットの周面を切削して本体６ａの上下両端の外周面，緩衝スリーブ６ｄの外周面及びフランジ６ｅ，６ｆを加工し、フランジ６ｅ，６ｆの端面から軸線方向に環状溝を切削して基部６ｂと緩衝スリーブ６ｄの内周面を切削することによって得られる。なお、下段配置の支持ホーン７についても同様の構造であり、その符号７，７ａ〜７ｆを括弧付きとして示している。
【００２２】
支持ホーン６，７は、図１に示すように超音波振動子４の出力部４ｄとホルダホーン５との間に同軸配置として直結して組み立てるとともに、それぞれの取付け環６ｂ，７ｂのフランジ６ｅ，６ｆ，７ｅ，７ｆの外周縁をスピンドル３のスリーブ３ｂの内周面に嵌合させて固定する。すなわち、超音波振動子４とホルダホーン５及びこれらの間に同軸結合させた支持ホーン６，７は、４枚のフランジ６ｅ，６ｆ，７ｅ，７ｆによってスピンドル３に固定され、スピンドル３のスリーブ３ｂの軸線方向の４点で拘束されて固定される。このような固定構造では、薄肉とした緩衝スリーブ６ｄ，７ｄが弾性変形しやすいことから、超音波振動子４からの振動がスピンドル３側へ逃げるのが抑えられる。また、支持ホーン６，７を同軸上で２連配置とし、その両者の間で発生する半径方向及び軸線方向の収縮変形を互いに吸収し合うようにすることで、半径方向の揺れと軸線方向への伸縮による加工チップ５ａの位置ずれ変位を抑えることができる。これらの２点について図３及び図４を用いて説明する。
【００２３】
図３は超音波振動子４の出力部４ｄから超音波振動の負荷を受けたときの支持ホーン６の変形の概要を模式的に描いたものである。超音波振動が支持ホーン６の軸線方向に作用するときには、振幅が軸線方向に一致するので支持ホーン６にはその軸線方向に圧縮と引張りが作用する。この圧縮と引張りは２０ｋＨｚ以上の周波数で加わり、一方加工の際には加工チップ５ａがワークから反力を受け、ホルダホーン５からこの反力が支持ホーン６に伝達される。したがって、支持ホーン６は図３の（ｂ）に示すように圧縮されて本体６ａが軸線方向に収縮し半径方向に膨らむ変形と、引張りによって同図の（ａ）のように軸線方向に伸びて半径方向に収縮する変形を繰り返す。すなわち、このような支持ホーン６の圧縮と引張りの繰り返しは、下端に連結されたホルダホーン５にも一体に伝わり、圧縮変形と引張り変形の総和が加工チップ５ａの軸線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も同様に圧縮と引張り変形を繰り返し、このホルダホーン５の変形量を加えたものが加工チップ５ａの超音波振動のストロークとなる。
【００２４】
一方、取付け環６ｂはスリーブ３ｂの内周壁に固定されているので、以上のような圧縮と引張りの変形があるときには、図３の（ａ）及び（ｂ）の変形を繰り返す。このとき、取付け環６ｂの緩衝スリーブ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、本体６ａがスリーブ３ｂに剛的に固定されていると、超音波振動子４から支持ホーン６の本体６ａに伝達された振動はホルダホーン５側にそのまま伝わるのに対し、緩衝スリーブ６ｄによってスピンドル３への伝達が緩衝される。したがって、超音波振動子４からの超音波振動をスピンドル３側へ逃がすことなく、高効率でホルダホーン５へ伝達することができる。
【００２５】
下段配置の支持ホーン７も図３に示した支持ホーン６と同様に変形し、支持ホーン７からスピンドル３側への超音波振動の伝達を抑える。したがって、超音波振動子４からの超音波振動のエネルギは、２連の支持ホーン６，７を経てホルダホーン５に伝達される間にスピンドル３側へ逃げてしまう度合いが小さくなり、ホルダホーン５へ高効率で超音波振動が伝達される。このため、ホルダホーン５に取り付けた加工チップ５ａの軸線方向の超音波振動も高効率で励起され、駆動モータ２による回転との合成によって高精度の孔開け加工が可能となる。
【００２６】
支持ホーン６が超音波振動の負荷を受けるときには、図３に示したように軸線方向及び半径方向へ伸縮変形を繰り返す。すなわち、軸線方向へ引張り変形するときには半径方向に収縮し、軸線方向の中間位置での収縮変形が最大となる。また、圧縮されて軸線方向に収縮すると半径方向へ膨らみ、引張り変形の場合と同様に軸線方向の中間位置で変形量は最大となる。
【００２７】
そこで、一方の支持ホーン６が軸線方向に引張り変形するとき、他方の支持ホーン７が軸線方向に収縮変形するような超音波振動のモードに設定すれば、支持ホーン６では半径方向に収縮し他方の支持ホーン７では膨らむように相反するものとすることができる。このような現象を利用すると、支持ホーン６，７を軸線方向の４点で嵌合しているスピンドル３のスリーブ３ｂの半径方向に対する負荷変動も小さくできる。
【００２８】
図４はこのような支持ホーン６，７どうしの間の軸線方向及び半径方向の相反する変形が得られるようにした超音波振動子５による振動モードと支持ホーン６，７の位置関係を説明するための図である。
【００２９】
或る時刻でのモードでは、同図の（ａ）に示すように、上段配置の支持ホーン６は軸線方向へ収縮し、下段配置の支持ホーン７は軸線方向へ伸び変形する。また、別の或る時刻では、同図の（ｂ）に示すように、上段配置の支持ホーン６は軸線方向に伸び変形し、下段配置の支持ホーン７は軸線方向へ収縮変形する。このような支持ホーン６，７の変形のパターンを得るためには、超音波振動子４の振動周波数，超音波振動子４と支持ホーン６，７及びホルダホーン５の加工チップ５ａまでの全体の固有振動数，この固有振動数にスピンドル３を質点として含む振動系の固有振動数等が適切となるように、各部材の形状や質量を最適化すればよい。
【００３０】
このように、或る時刻でのモードでは上段配置の支持ホーン６は膨らみ下段配置の支持ホーン７は細くなり、或る別の時刻では逆の関係となる変形を相互に繰り返していく。このとき、図４の（ａ）及び（ｂ）の変形パターンは、超音波振動子４による超音波振動の１周期の時間にほぼ一致する微小なインターバルで繰り返される。したがって、２個の支持ホーン６，７を同軸結合してそれぞれの取付け環６ｂ，７ｂをスピンドル３のスリーブ３ｂ内に嵌合する組立て構造であれば、スリーブ３ｂに対する半径方向の負荷を相互に相殺し合うようになる。
【００３１】
すなわち、図４の（ａ）では上段配置の支持ホーン６は半径方向に膨らんでいるので、取付け環６ｂがスリーブ３ｂに加える負荷は大きく、したがってスリーブ３ｂ側からの反作用によって取付け環６ｂに対する嵌合力も大きくなる。一方、下段配置の支持ホーン７では、半径方向に収縮しているので、逆にスリーブ３ｂによる支持ホーン７の嵌合力は低下する。そして、このようなスリーブ３ｂとの間の嵌合力には、取付け環６ｂ，７ｂの薄肉の緩衝スリーブ６ｄ，７ｄの弾性変形による弾性反力が含まれることは無論である。
【００３２】
ここで、上下の支持ホーン６，７が同時に半径方向の収縮と膨張の同じ変形をするような振動モードに設定されたとする。この場合では、支持ホーン６，７が膨張変形しているときには、本体６ａ，７ａが取付け環６ｂ，７ｄを外に押し出すようになるので、スリーブ３ｂに対する嵌合度も強くなり安定した支持力が得られる。しかし、支持ホーン６，７が収縮変形している期間では、取付け環６ｂ，７ｂから本体６ａ，７ａが中心側に離れるようになって外への押し出しがないので、スリーブ３ｂに対する嵌合度は弱くなり、両方の支持ホーン６，７の安定支持が崩れる。
【００３３】
これに対し、図４の（ａ）及び（ｂ）で示したように、両方の支持ホーン６，７が互いに相反する向きの膨張と収縮変形を繰り返すような振動モードに設定することで、どの時点でも支持ホーン６，７のいずれか一方を膨張変形させた態勢に維持できる。このため、支持ホーン６，７は相互に助け合ってスリーブ３ｂに対して安定保持され、軸線周りの振れ周りが阻止される。したがって、スピンドル３側への超音波振動の伝達を抑えるために弾性変形しやすい薄肉の緩衝スリーブ６ｄ，７ｄを形成した取付け環６ｂ，７ｂを備えていても、支持ホーン６，７の半径方向の振れが抑えられ、ホルダホーン５の加工チップ５ｂの無用な振れ回りもなくなる。
【００３４】
以上の構成において、超音波振動子４が作動して支持ホーン６，７を介してホルダホーン５に超音波振動のエネルギが伝達されるとき、支持ホーン６，７のそれぞれの取付け環６ｂ，７ｂの緩衝スリーブ６ｄ，７ｄの弾性変形によって、超音波振動がスリーブ３ｂ側へ逃げることが抑制される。したがって、超音波振動のエネルギを損失することなくホルダホーン５に伝達でき、加工チップ５ａによる穿孔の加工性の向上が得られる。
【００３５】
また、図４に示したように、支持ホーン６，７の半径方向の膨張及び収縮変形が互いに逆向きとなるように超音波振動子４による振動系に含ませることで、加工チップ５ａの振れ回りも抑えられる。したがって、加工チップ５ａの調心性を高く維持できるので、ワークに開ける孔径が無用に大きくなることがなく、高精度の孔開け加工が可能となる。
【００３６】
なお、図示の例では２個の支持ホーン６，７としたが、３個以上を同軸上に並べる構成としてもよく、この場合でも支持ホーンの配列順に圧縮変形と伸び変形が相互に繰り返されるような振動系とすればよい。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明では、支持ホーンからスピンドル側への超音波振動エネルギの逃げを抑えて加工チップ側へ高効率で超音波振動を伝達できると同時に、ホルダホーンの半径方向の振れを抑えることができる。したがって、加工チップによるワークの加工効率が向上するとともに、加工チップのワークに対する調心性を保って高精度の加工を維持できる。
【００３８】
請求項２の発明では、支持ホーンの本体の半径方向の膨張及び収縮変形が最大となる部分に取付け環の基部を設けているので、この基部に連ねて形成した緩衝スリーブの本体に対する倣い変形がしやすくなり、ワークへの調心性がより高くなるとともにスピンドル側への振動の伝達抑制効果も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のスピンドル構造を備えた穿孔用の超音波加工機の概略縦断面図である。
【図２】 支持ホーンの詳細であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部切欠正面図である。
【図３】 超音波振動の負荷による支持ホーンの変形を示す模式図であって、（ａ）は引張り変形時及び（ｂ）は圧縮変形時を示す図である。
【図４】 ２連の支持ホーンの位置関係と軸線方向及び半径方向の変形のパターンを示す概略図である。
【図５】 １個の支持ホーンによる超音波振動子のスピンドル側への連接構造を備えた従来の超音波加工機の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
３ａ ロッド
３ｂ スリーブ
３ｃ 給電ブラシ
４ 超音波振動子
４ａ 圧電素子
４ｂ，４ｃ 電極プレート
４ｂ−１，４ｃ−１ リード線
４ｄ 出力部
５ ホルダホーン
５ａ 加工チップ
６，７ 支持ホーン
６ａ，７ａ 本体
６ｂ，７ｂ 取付け環
６ｃ，７ｃ 基部
６ｄ，７ｄ 緩衝スリーブ
６ｅ，６ｆ，７ｅ，７ｆ フランジ

Claims (1)

1. 軸線回りに回転駆動されるスピンドルと、前記スピンドルに形成された中空のスリーブの中に配置する超音波振動子と、前記超音波振動子に同軸上に連接され且つ前記スリーブの内周壁に拘束固定される少なくとも２個の支持ホーンと、前記支持ホーンに同軸上に基端を連接され先端に加工チップを備えるホルダホーンとを備え、
   前記支持ホーンは、前記超音波振動子に同軸配置される本体と、前記本体の外周面と間隔をおいてほぼ同軸上に形成されて、前記超音波振動子から前記スピンドル側への振動伝達を抑制する緩衝機構を構成する取付け環とを備え、
   前記取付け環は、前記本体の軸線方向のほぼ中間位置に一体化した基部と、前記基部から前記本体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と、前記緩衝スリーブの軸線方向の両端に形成され前記スピンドルのスリーブの内周壁に没入させるフランジとを備え、
   前記緩衝スリーブは、前記本体の圧縮変形及び引張り変形のときの半径方向の膨張及び収縮に倣い変形可能としたことを特徴とする超音波加工機におけるスピンドル構造。

Images