JP3918637B2 - 超音波加工装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波振動により加工を行う超音波加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、工具を超音波振動させるとともにその周囲に砥粒を供給して、該砥粒を工具の振動によって被加工物に当てることにより、被加工物の表面に当該工具の表面に倣った形状を形成できるように構成した超音波加工装置が知られている。
また、工具の周囲に砥粒を供給する際に、適宜の液体に分散させた砥粒液の状態で供給する構成の超音波加工装置も公知とされている。
【０００３】
そして、上記のような超音波加工装置構成において加工効率を向上させ加工時間を短縮するための手法として、工具の振動振幅を増大させる方法や、工具を被加工物に対し押し付ける加工圧を増大させる方法が、従来から知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波加工装置において工具の振動振幅を大きくすると、砥粒が工具と被加工物との界面に到達する前に、工具の振動により跳ね飛ばされて飛散してしまい、無駄になる砥粒の割合が多くなってしまう問題がある。
また、被加工物が例えば脆性材料である場合は、工具の振動振幅や加工圧を大きくすると被加工物が破損してしまうおそれもあり、これらの手法にも限界がある。特に、脆性材料に対する精密加工を歩留まり良く行うことは、従来の超音波加工では非常に困難であった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００６】
即ち、請求項１においては、超音波により工具を振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、前記砥粒は、液体に分散された状態で、該液体とともに前記工具の周囲に供給されるように構成するとともに、前記工具が振動されているときには、砥粒分散液に泡を発生させてこの泡を工具の周囲に滞留させるものである。
【０００７】
請求項２においては、前記工具を、前記砥粒分散液が前記工具周辺に保持されるモードで振動させる励振手段を備えたものである。
このような振動モードは、振動源の配置や工具に対する振動伝達媒体の構成を適宜調整することにより得られる。
【０００８】
請求項３においては、前記工具はホーンに取り付けられるとともに、このホーンに超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成したものである。
【０００９】
請求項４においては、前記工具は、ホーンの一側に形成された工具取付面に取り付けられるとともに、このホーンの他側に超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成し、前記工具取付面は、前記工具取付面における縁部が振動の節となるように、かつ、その中央部が振動の腹となるように、それぞれ励振されるとともに、当該工具取付面の前記中央部に、前記工具を取り付けるための取付箇所が形成されているものである。
【００１０】
請求項５においては、前記ホーンはその工具取付面付近における振幅拡大率が０．５〜０．６となる形状に構成されているものである。
【００１１】
請求項６においては、前記ホーンは、前記工具取付面側に向かうにつれてその断面積を増大させていく部分を有するように構成したものである。
【００１２】
請求項７においては、前記被加工物は脆性材料であるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、発明の実施の形態を、添付の図面を参照して具体的に説明する。
【００１４】
〔装置全体の概略構成〕
本発明の一実施形態としての超音波穿孔装置（超音波加工装置）の全体側面図が図１に、全体正面図が図２に、それぞれ示される。この図１，図２に示すように、この超音波穿孔装置１は、床上に設置される基台２の上にコラム３を立設し、このコラム３に穿孔ヘッド部４を支持する構成となっている。
【００１５】
コラム３にはネジ軸５が上下方向に配置され、回転自在に支持されている。このネジ軸５に昇降体６が螺着されて、ネジ軸５と昇降体６とにより公知のボールネジ機構が構成されている。このネジ軸５には、コラム３上に設置されたモータ７のモータ軸が連結されている。この構成においてモータ７を正逆方向に回転駆動することで、昇降体６の上下位置を変更することができる。
コラム３には更にリニアガイドが上下方向に配設されて（図略）、このリニアガイドに沿って上下変位可能に、連結体８が備えられている。この連結体８に前記昇降体６が連結されることで、連結体８（ひいては、この連結体８に備えられる穿孔ヘッド部４）を上下方向（Ｚ方向）に移動させることができる。
【００１６】
連結体８には穿孔ヘッド部４が上下摺動自在に支持される。穿孔ヘッド部４には穿孔を行うための工具９が取り付けられるとともに、この工具９に超音波振動を与えるための機構（励振手段）が備えられている。この工具９は、高硬度のダイヤモンド（ＰＣＤ）工具に構成されている。
【００１７】
基台２上には水平方向（ＸＹ方向）に移動可能な移動テーブル１０が設置され、この移動テーブル１０の上に、図２に示すように、昇降テーブル１１、カメラ部４１、研磨装置４２の三者が並べて配置される。
昇降テーブル１１上面の前記工具９に対向し得る位置には、被加工物としてのワーク１３が固定可能とされる。このワーク１３としては種々のものが考えられるが、本実施形態は、インクジェットプリンタ等のインクジェットヘッドに圧電式アクチュエータとして使用される、圧電セラミック材料（ＰＺＴ）を加工する場合を示している。
【００１８】
カメラ部４１は、工具９の向きの調整を容易とすべく、工具９を下側から撮影するためのものである。また、研磨装置４２は、後述するホーン２３の工具取付面２３ａが砥粒によって摩耗したときに、当該工具取付面２３ａを研磨するためのものである。
【００１９】
装置全体を覆うように基台２上にはカバー４３が設置されて、穿孔作業時に発生する切り粉や後述する砥粒液が周囲に飛散しないように配慮されている。装置の正面には開閉可能な両開き式の扉４４が設けられ（図１）、ワーク１３の交換作業などの必要に応じて扉４４を開いてカバー４３内部にアクセスできるようになっている。
【００２０】
〔穿孔ヘッド部の構成〕
穿孔ヘッド部４の構成について、側面図である図３、正面図である図４、および平面断面図である図５を主に参照しながら具体的に説明する。
この穿孔ヘッド部４は、前記連結体８に支持される基部フレーム１４に、前記工具９を支持するための工具フレーム１７を上下摺動自在に連結した構成となっている。基部フレーム１４には支軸１５が水平に架設され、この支軸１５に、前後方向に細長いバランス体１６の中央部が枢支されて揺動自在とされている。
基部フレーム１４上にはエアシリンダ１８が設置され（図３，図４）、このシリンダロッド１９が下方に延出して、前記バランス体１６の一端に連結されている。そして、バランス体１６の前記シリンダロッド１９が連結された一端に、前記工具フレーム１７が連結されている。基部フレーム１４には変位センサ２０が設けられ、工具フレーム１７の基部フレーム１４に対する相対変位を検出できるように構成されている。
【００２１】
図３に示すように、工具フレーム１７の下端には環状のホーン支持部２１が軸受２２を介して旋回可能に設けられ、このホーン支持部２１にホーン２３が固定される。ホーン２３は上下方向に細長く形成され、その上部には超音波振動子２４が固着されるとともに、ホーン２３の下端には平坦な工具取付面２３ａが形成され、この工具取付面２３ａに対して前記工具９が脱着可能に取り付けられる。前記超音波振動子２４は、工具９を振動させる励振手段の主要部をなすものである。ホーン２３の形状についての詳細は後述する。
なお、基部フレーム１４や工具フレーム１７を覆うように板状のカバー４５が設けられて、内部の超音波振動子２４等を保護できるようになっている。また、工具フレーム１７には、工具９の角度を微調整するために回転される調整ツマミ２７と、当該微調整後に工具９が不用意に回転しないように固定するための固定ネジ３６が備えられている。
【００２２】
〔昇降テーブルの構成〕
ワーク１３を固定するための昇降テーブル１１の構成を、図６の側面図を参照して説明する。
この昇降テーブル１１は、移動テーブル１０の上に立設固定された基部フレーム２９と、この基部フレーム２９に図示せぬリニアガイドを介して昇降自在に設けられた昇降フレーム３１と、を有している。
【００２３】
前記基部フレーム２９にはリフトシリンダ３０が取り付けられ、このシリンダロッド３２が上方に延出して、その先端が前記昇降フレーム３１に連結されている。
リフトシリンダ３０はエアシリンダ式に構成されており、圧縮空気を供給／ドレンすることで、昇降フレーム３１の上下位置を変更することができる。基部フレーム２９には変位センサ３３が設置されて、昇降フレーム３１の上下位置を測定できるようになっている。
また、内部のリフトシリンダ３０や変位センサ３３を保護すべく、箱状のカバー４６が昇降フレーム３１に設けられる。
【００２４】
昇降フレーム３１の上部は水平に構成され、この上に、ワーク１３を取り付けるためのワーク台１２が設置される。また、ワーク台１２の脇の位置において、昇降フレーム３１上にクランプ機構３４が設けられている。このクランプ機構３４はエアシリンダで構成されており、ワーク台１２上にワーク１３を載置した状態でエアシリンダを作動させると、伸張するシリンダロッド３５がワーク１３を水平方向へ押圧し、ワーク台１２に設けられたガイド部に突き当てた状態で固定するようになっている。
【００２５】
この超音波穿孔装置１は図示せぬ砥粒液溜めを備えており、この砥粒液溜めには、砥粒（例えば、粒径４〜６μｍ程度のＳｉＣ）を分散させた液体が注入されている。砥粒液溜めに接続させて、パイプや可撓性のホースや管継手などからなる砥粒液循環経路が形成され、この経路が、前記昇降テーブル１１近傍に設けた中継パイプ４７（図１，図２，図６に図示）に接続されている。この中継パイプ４７には供給孔４８が形成されるとともに、更に該供給孔４８の近傍位置において、案内棒４９が下向きに突設されている。案内棒４９は湾曲状に構成されて斜め方向に向きを変え、その先端が、昇降テーブル１１上のワーク台１２の直上方に位置している。
この構成で、砥粒液溜めに設置された図略のポンプを駆動させると、砥粒液は中継パイプ４７内に送られ、その一部が供給孔４８を介して外部に漏出する。中継パイプ４７の外面に漏れ出た砥粒液は案内棒４９を伝ってワーク台１２上に落下し、工具９による加工に用いられる。このように、上述のポンプや中継パイプ４７や案内棒４９などによって、砥粒液を工具９の周囲に供給する砥粒供給手段が構成される。
【００２６】
〔穿孔作業の様子の説明〕
以上に示した構成において、実際に工具９を超音波振動させてワーク１３に穿孔する作業を説明する。
まず、ワーク１３を前記クランプ機構３４によりワーク台１２上に固定したのち、前記移動テーブル１０をＸＹ方向に移動させるとともに、前記モータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させ、図６の鎖線で示すように、前記工具９がワーク１３のすぐ上に僅かな隙間をおいて位置するようにする。
そして、変位センサ３３で昇降フレーム３１の位置を常時測定しながら、リフトシリンダ３０に圧縮空気を供給して、シリンダロッド３２を徐々に伸張させて昇降フレーム３１を上方向へ移動させ、ワーク１３を上昇させる。そして、ワーク１３の上面が工具９に接触した瞬間の昇降フレーム３１の位置を、装置１を制御するコントローラの適宜の記憶手段にゼロ位置として記憶しておく。
そして、穿孔ヘッド部４の超音波振動子２４を駆動し、ホーン２３を介して上下方向の超音波振動を工具９に付与しながら、リフトシリンダ３０に圧縮空気を供給してワーク１３を上昇させ、工具９に対し押し付ける。また、前記砥粒液循環経路のポンプが駆動されることにより、中継パイプ４７から案内棒４９を経由して砥粒液が工具９の周囲に供給される。
これによりワーク１３は、工具９との間にある砥粒によって削られてゆき、工具９に倣った形状の溝や孔等がワーク１３の上面に形成される。
【００２７】
なお、前述した穿孔ヘッド部４のエアシリンダ１８（図３）は、工具フレーム１７の変位を変位センサ２０で測定しながら必要に応じて圧縮空気の給排を行って、工具フレーム１７を支持する力を調節している。これにより、穿孔作業中にワーク１３に対し過大な力で工具９が押し付けられることが防止されるので、本実施形態の圧電セラミックのような脆性材料のワーク１３を加工する場合でも、ワーク１３の破損が十分に回避される構成となっている。
【００２８】
工具９によりワーク１３に穿孔を行っている間も、前記昇降フレーム３１の位置が変位センサ３３（図６）によって常時測定されている。そして昇降フレーム３１が、前記ゼロ位置から所定の距離だけ上昇した時点で、リフトシリンダ３０への圧縮空気の供給が停止され、ワーク１３の上昇が停止される。この結果、前記ワーク１３には、正確に当該距離だけの深さの孔あるいは溝を形成することができる。
【００２９】
〔ホーンの構成〕
次に、前述の穿孔ヘッド部４において超音波振動子２４の振動を工具９に伝えるホーン２３について、詳細に説明する。
本実施形態においては後述するように、工具９に対し、その周囲に砥粒液を保持するモードで振動させるために、図３に符号２３で示す形状のホーンを用いている。このホーン２３は鉄を素材としており、上下方向に細い丸棒状の形状とされている。そして、その上下方向中央よりやや上寄りの位置には薄い鍔部２３ｂが形成されて、この鍔部２３ｂが前述のホーン支持部２１に固定されるようになっている。
【００３０】
このホーン２３は、超音波振動子２４および工具９を含んだ系の固有振動数が２０ｋＨｚとなるよう、その形状が定められている。そして、ワーク１３に対する加工作業時には、前記超音波振動子２４を当該固有振動数である２０ｋＨｚで振動させることで、工具９の振幅が安定して得られるように配慮されている。
【００３１】
ホーン２３は、鍔部２３ｂから下に向かって順に、やや細い略一様な太さの第一の部分Ｐ１と、該第一の部分Ｐ１の下端から太さを徐々に増大させてゆく第二の部分Ｐ２と、前記第一の部分Ｐ１よりもやや太い一様な太さの第三の部分Ｐ３とを有し、この第三の部分Ｐ３の下端に前述の工具取付面２３ａが形成されている。このようにホーン２３は、工具取付面２３ａに向かってＰ１→Ｐ２→Ｐ３と、断面積（太さ）を増大させていく部分を有し、いわゆる末広がり状（略ラッパ状）の形状を有している。
【００３２】
ホーン２３についてこのような形状を採用することとしたのは、シミュレーションの解析結果および実験結果に基づくものである。次に、このシミュレーション解析および実験の内容について説明する。
【００３３】
先ず、ホーン２３の形状として、図７の（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すような三種類のモデルを想定した。
（ａ）のモデルは「末広型（ラッパ型）」のモデルであって、本実施形態で実際に採用されたモデルである。
（ｂ）のモデルは、鍔部２３ｂのすぐ下から工具取付面２３ａに至るまで全く一様な太さとされており、「ずん胴型」のモデルである。
（ｃ）のモデルは、鍔部２３ｂから工具取付面２３ａまでの間に太い部分が一旦現れるが、工具取付面２３ａに至るまでに再び細くなっており、「先細型」のモデルである。
これら（ａ）（ｂ）（ｃ）のモデルはいずれも、その下端面の工具取付面２３ａの中央部に取付孔（取付箇所）２３ｃを形成してあり、この取付孔２３ｃに、工具９側の凸部９ａを適宜の方法（例えば、ネジ止めや焼き嵌め等）で取り付けることができるようにしている。
また、これら（ａ）（ｂ）（ｃ）のモデルはいずれも、振動の系の固有振動数が２０ｋＨｚとなるよう、その形状が定められている。
【００３４】
この三種類のホーンのモデル（ａ）（ｂ）（ｃ）の形状データをそれぞれコンピュータに入力した上で、各モデルについて、その上面に取り付けられた超音波振動子２４が所定の振幅で２０ｋＨｚで振動した場合のホーン２３の振動をシミュレーション解析した。
【００３５】
図８は、各モデルの振動の解析結果を示したものである。（ａ）（ｂ）（ｃ）の各モデルについて、ホーンが伸びた瞬間の状態が左側に、縮んだ瞬間の状態が右側に、それぞれ示されている。付されているハッチングは各部位の振幅を表したものであり、ハッチングの間隔が狭いほど振幅が大きいことを示している。なお、図８のスケールに示してある数値は、その箇所の振幅をホーンの最大振幅で除した無次元値である。
各ホーン２３は軸対称形状であるため、図中には、軸を含んだ平面で切った断面の右半部のみを示している。また、図においては各モデルが大きく変形しているが、これは振動の様子の把握を容易とすべく誇張して表現しているためであり、実際の変形（振動）は振幅１０μｍ未満の微小なものである。
【００３６】
図８に示されるように、各モデルにおいて、ホーン支持部２１に固定される鍔部２３ｂの部分では振幅が殆どなく（最大振幅の０．１倍未満）、この部分が振動の節となっている。
そして、各モデルとも、当該鍔部２３ｂから下に向かうにつれて、振幅が大きい部分（振動の腹）→小さい部分（振動の節）の順に現れ、工具取付面２３ａ付近では振幅が再び大きくなっていることが分かる。
【００３７】
ただし、（ｂ）（ｃ）では、ホーンの工具取付面２３ａ付近で比較的大きな振幅（最大振幅の０．９倍以上）が現れているのに対し、（ａ）のモデルにおいて工具取付面２３ａの振幅は、ホーン最大振幅の０．５〜０．６倍と相対的に小さいことが分かる。
【００３８】
次に、これら（ａ）（ｂ）（ｃ）の三種類のモデル形状のホーン２３を、実際に鉄を用いて製作した。そして、それぞれのホーン２３に工具９を取り付け、工具９の加工圧や砥粒液の供給流量や超音波振動子２４の振動などの条件を同一として、実際に加工作業を行う実験を行った。
すると、振動振幅が小さく振動エネルギーの低いはずの（ａ）の「末広型」モデルが、他の（ｂ）（ｃ）のモデルに比してその加工効率が数倍以上になるという、予期せぬ結果が得られた。
【００３９】
そこで、各形状のホーン２３のそれぞれについて加工の様子を詳細に観察したところ、（ａ）の「末広型」モデルにおいては、振動している工具９に砥粒液が接触しても、工具９の振動によって飛散されず、むしろ工具９の振動によって工具９の表面に保持されていることが確認された。そして、砥粒液に無数の泡が一様に発生しており、この泡によって、砥粒が分散液中に均一に保持されていることも明らかとなった。
一方、（ｂ）（ｃ）の形状のホーン２３では、振動している工具９に砥粒液が接触している部分を観察すると、砥粒液の殆どが小さい飛沫となって飛散していることが確認された。
【００４０】
以上のことより、三つのモデルのうち（ａ）の「末広型」のモデルにおいては、上記シミュレーション結果によると工具取付面２３ａ付近において振幅の小さくかつ安定した振動が得られており、従って、この工具取付面２３ａに取り付けられる工具９が、砥粒液を飛散させずその表面に保持する態様で振動するものと考えられる。
そして、このようなモードで工具９を振動させた場合には、工具９の表面に砥粒液が保持され、また前述の泡によってこの砥粒液中に砥粒が均一に分散されることで、工具９とワーク１３との界面に到達してワーク１３の加工に貢献する砥粒の割合が多くなるために、加工効率の向上という上記結果が得られたのであろうと推論される。特に、工具９とワーク１３の間の空間の平面視における周縁部だけでなく、平面視中央部分にも砥粒を到達させた状態で、当該砥粒を前述の泡によって保持できるから、工具９の中央部分の加工が容易となり、上述のような良好な結果が得られたのであろうと推測される。更には、加工時における工具９の振動を受けて、工具９とワーク１３との間の界面にある砥粒液中の泡が潰れることによって、その泡の周囲にあった砥粒に動きが与えられて、新鮮な砥粒と加工に既に使用された古い砥粒との交換が促進されることも、加工効率の向上に繋がったものと推論できる。
【００４１】
（ａ）の「末広型」モデルにおいて上述のように工具９の表面に砥粒液が保持される理由としては、太さを増大させてゆく前述の第二の部分Ｐ２を振動が伝播する際にその振幅が減少されて、その振動がそのまま、太さの一様な第三の部分Ｐ３を伝わって工具取付面２３ａに至るためであることが、一因として考えられる。即ち、この（ａ）の「末広型」モデルの形状は、当該第二の部分Ｐ２があるためにその振幅拡大率が１より小さくなっており、この結果として、工具取付面２３ａ付近において振幅の小さい安定的な振動が得られるものと考えられる。
これに対し、（ｂ）の「ずん胴型」モデルにおいては、太さを増大させる部分を有していない。また、（ｃ）の「先細型」モデルにおいては、太さを増大させる部分を有しているが、工具取付面２３ａに至るまでに再び細くなっている。従って、これら（ｂ）（ｃ）のモデルは（ａ）の「末広型」モデルのような振幅を抑えた振動が工具９に得られないために、工具９表面に砥粒液を保持できず、砥粒液を周囲に飛散させている結果となっているものと考えられる。
【００４２】
図９も図８と同じく上述のシミュレーションの解析結果であるが、各モデルの特に工具取付面２３ａ付近の振動の様子について、拡大して示したものである。（ａ）（ｂ）（ｃ）の各モデルについて、ホーンが伸びた瞬間の状態が下側に、縮んだ瞬間の状態が上側に、それぞれ示されている。図９には図８と同様に、各モデルの断面の右半部が代表して示されている。
付されているハッチングは図８と同様に各部位の振幅を表したものであり、ハッチングの間隔が狭いほど振幅が大きいことを示している。但し、（ａ）と（ｂ）（ｃ）とでは前述のとおり工具取付面２３ａの振幅が大幅に異なるため、ハッチング間隔と振幅との対応スケールも異なるものを使用して示している。また、図９においても図８と同様に、そのスケール部分に示してある数値は、その箇所の振幅をホーンの最大振幅で除した無次元値である。
【００４３】
この図９（ａ）に示すように、「末広型」モデルにおいては、工具取付面２３ａの部分が、ホーンが伸びた瞬間には下方に凸となる曲面を形成し、ホーンが縮んだ瞬間には下に凹となる曲面を形成していることが分かる。即ち、この「末広型」モデルのホーン２３は、前記工具取付面２３ａの縁部が振動の節となるように、かつ、その中央部（工具９の取付箇所が形成されている中央部）が振動の腹となるように励振されているのである。
一方、図９（ｂ）の「ずん胴型」モデル、（ｃ）の「先細型」モデルにおいては、工具取付面２３ａの変動をほとんど認めることができない。
【００４４】
このように、（ａ）の「末広型」モデルのホーンが、その振動時に工具取付面２３ａを凹←→凸と変形することで、以下のような効果が奏されることが考えられる。
即ち図１０に示すように、工具取付面２３ａが凹面状に変形するとき（図中上側）は、ホーン２３周囲にある砥粒液が工具取付面２３ａ中央部まで吸い込まれる。その一方で、凸面状に変形するとき（図中下側）は、工具取付面２３ａ中央部付近にある砥粒液が外側に向かって押し出される。なお、図１０において砥粒は小さい点で示され、その点から向かう矢印は砥粒の流れの向きを示している。
従って、工具取付面２３ａの上記振動によって、（ｉ）工具９の周囲に供給された新しい砥粒を工具９に向けて吸い込むとともに、（ii）工具９とワーク１３との界面に到達して既に加工に使われた使用済みの砥粒を周囲に吐き出す、ポンプのような作用が営まれる。従って、工具９の周辺部と、工具９とワーク１３との界面と、の間で砥粒が循環する流れを意図的に作り出すことができる。これは、工具９の周辺部に供給された新鮮な砥粒が工具９とワーク１３との間の界面に素早く到達し、かつ、加工に貢献した使用済みの砥粒が工具９とワーク１３との間の界面から素早く排出されることを意味する。この効果も、上述した加工効率の向上の一因となっているものと考えられる。
【００４５】
以上の実験およびその考察により明らかにされたことをまとめると、以下のとおりである。
・第一に、工具９の振幅および振動数を特定の条件（モード）とすることで、その工具９に接触する砥粒液を飛散させず、むしろ当該工具９の表面に砥粒液を保持し得る態様で当該工具９を振動させ得ることが明らかとされた。また、このような振動を工具９に与えた場合には、砥粒液に発生する無数の泡によって砥粒が均一に分散された状態で保持されることが明らかとされた。
・第二に、このような振動を工具９に与えてワーク１３に加工を施す場合は、それ以外の場合に比して、高い加工効率が得られることが明らかとされた。
・第三に、上述のような振動条件を最も簡素な構成で安定的に得るには、ホーンの形状を末広型の形状（あるいは、振幅拡大率が１未満の形状）とすることが望ましいことが明らかとされた。
・第四に、ホーン２３の工具取付面２３ａにおける縁部が振動の節となるように、中央部の工具取付箇所が振動の腹となるように励振させることが、加工効率の向上の観点から望ましいことが明らかとされた。
【００４６】
本実施形態の超音波穿孔装置１は上記の知見を利用するものであって、工具９に上述のモードの振動を与えてワーク１３を加工する構成とされている。この結果、上述のように加工効率の向上を図ることができるほか、無駄になる砥粒を少なくできるので、砥粒の消費量を抑制してランニングコストを低減できる。
なお、本実施形態では上述のように、砥粒液を案内棒４９の外面を伝わらせて工具９の周囲に供給する構成となっている。これは、砥粒液が砥粒を分散させたものであって沈殿固化し易く、特に本実施形態のように砥粒液の供給流量を抑える場合は、細いパイプを通じて砥粒液を供給する構成とすると、パイプが容易に詰まってしまうからである。
【００４７】
なお、工具９に上述のような振動を与える条件としては、本実施形態では図８に示すように、振幅５〜６μｍ程度、振動数２０ｋＨｚとしてある。ただし、この条件に限定されるものではない。例えば、砥粒液の物性によって、工具９の表面に砥粒液を保持できる振動条件は多少異なる。
【００４８】
工具９の振動が、その表面に砥粒液を保持するモードでの振動であるか否かの判定は、例えば以下の手法を用いればよい。
即ち、適宜の容器に砥粒液を入れたものを用意し、この容器内の砥粒液に工具９を浸漬させた状態で工具９を振動させ、当該振動を維持しながら容器をゆるやかに下降させて（あるいは工具９側を上昇させて）、工具９を砥粒液の液面から相対的に引き上げる形とする。このときに、工具９の表面に残った砥粒液が当該工具９をその内部に包含するような全体として大きな液滴を形成して、かつその液滴が落下しない場合は、工具９が上記のモードで振動していると判定できる。
工具９の振動が停止している場合、あるいは振動条件が上述のモードから外れている場合は、工具９上の砥粒液は、微小な飛沫となって殆どが飛散するか、重力により直ちに工具９から落下することになる。
【００４９】
なお、ホーン２３の形状としては、前述の（ａ）の形状に限られるものではない。要は、工具９に対し、その周囲（表面）に砥粒液を保持できる振動を付与できれば良いのである。従って、前述の（ｂ）あるいは（ｃ）の形状のホーン２３を用いたとしても、前記超音波振動子２４の振幅などを種々変えれば、工具９の部分に砥粒液を保持させ得る態様の振動を得ることは、少なくとも理論上は不可能ではないと思われる。
しかしながら、（ａ）の如き末広形状のホーン２３は、簡素な構成で、工具９の部分に小振幅の振動を安定して得られる点で優れている。
【００５０】
更には、上述のように本実施形態のワーク１３は圧電セラミック材料（ＰＺＴ）としているが、本発明の技術的範囲はこの材料を加工する場合に限られない。ただし本発明では、加工圧が小さくても砥粒液内の砥粒を効率的に用いることで加工効率を向上できるため、破損し易く加工圧をあまり大きくできない脆性材料の加工に特に好適であり、またその加工仕上がりも美麗である。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は、以上のように構成したので、以下に示すような効果を奏する。
【００５２】
即ち、請求項１に示す如く、超音波により工具を振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、前記砥粒は、液体に分散された状態で、該液体とともに前記工具の周囲に供給されるように構成するとともに、前記工具が振動されているときには、砥粒分散液に泡を発生させてこの泡を工具の周囲に滞留させるので、
砥粒を含んだ分散液が工具周囲に供給され、工具と被加工物との間に到達すると、この分散液に発生した泡によって砥粒が分散液中で均一に保持され、当該界面から周囲に向かって砥粒が容易に流れ出さなくなる。従って、砥粒が界面に長時間滞留して加工に寄与することとなって、加工速度が上昇する。
また、工具と被加工物の間の空間における平面視中央部分にも有効に砥粒液を到達させた状態で当該砥粒液を保持できるので、工具の中央部分の加工が容易となり、加工効率の向上による加工時間の短縮に貢献できる。
更には、砥粒の流失が少なくなるので、砥粒分散液の供給量を少なくでき、ランニングコストを低減できる。
【００５３】
請求項２に示す如く、前記工具を、前記砥粒分散液が前記工具周辺に保持されるモードで振動させる励振手段を備えたので、
砥粒分散液が工具の振動によって無駄に飛散されず、前記工具周辺に保持されることとなるから、工具周辺に供給される砥粒のうち、工具と被加工物との界面に到達して加工に貢献する砥粒の割合が多くなる。従って、加工効率が向上する。特に、工具と被加工物の界面の周縁部だけでなく、中央部分にも砥粒が行き渡り易くなるので、工具の中央部分の加工が容易となり、加工効率の向上による加工時間の短縮に貢献できる。
また、工具の振動によっても砥粒が殆ど飛散されず無駄が少なくなるので、ランニングコストを低減できる。
【００５４】
請求項３に示す如く、前記工具はホーンに取り付けられるとともに、このホーンに超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成したので、
ホーンの形状を種々設定することで、砥粒液を工具周囲に保持できるモードの振動を安定して得ることができる。
【００５５】
請求項４に示す如く、前記工具は、ホーンの一側に形成された工具取付面に取り付けられるとともに、このホーンの他側に超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成し、前記工具取付面は、前記工具取付面における縁部が振動の節となるように、かつ、その中央部が振動の腹となるように、それぞれ励振されるとともに、当該工具取付面の前記中央部に、前記工具を取り付けるための取付箇所が形成されているので、
工具取付面が凹状に変形したときは工具に近づく向きに砥粒が流れ、凸状に変形したときは工具から離れる向きに砥粒が流れる。このように、（１）工具の周辺部と、（２）工具と被加工物との界面と、の間で砥粒が循環する流れを意図的に作り出すことができるから、工具の周辺部に供給された新鮮な砥粒が工具と被加工物との界面に到達し易くなって、加工効率が向上する。
【００５６】
請求項５に示す如く、前記ホーンはその工具取付面付近における振幅拡大率が０．５〜０．６となる形状に構成されているので、
工具の振幅を小さく抑えることができるから、砥粒液を工具周囲に保持し易くなる。また、工具の振動が安定的に得られる。
【００５７】
請求項６に示す如く、前記ホーンは、前記工具取付面側に向かうにつれてその断面積を増大させていく部分を有するように構成したので、
前述のような工具取付面が凹←→凸となるような振動を、容易に安定して得ることができる。
【００５８】
請求項７に示す如く、前記被加工物は脆性材料であるので、
加工圧を大きくしなくても大きな加工効率を得られるから、破損し易い脆性材料であっても、短時間で加工することができる。また、その加工の仕上がりも良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る超音波穿孔装置の全体的な構成を示した側面図。
【図２】 同じく正面図。
【図３】 穿孔ヘッド部の側面図一部断面図。
【図４】 同じく正面図。
【図５】 同じく平面断面図。
【図６】 昇降テーブルの側面断面図。
【図７】 実験で想定されたホーンの形状モデルを示す斜視図。（ａ）は末広型、（ｂ）はずん胴型、（ｃ）は先細型を示す。
【図８】 各モデルのホーンの振動をシミュレーション解析した結果を示す図。
【図９】 各モデルにおける工具取付面近傍の振動について、シミュレーション解析結果を示す図。
【図１０】 末広型形状のホーンを使用して加工を行った場合の砥粒の流れを示した図。
【符号の説明】
１ 超音波穿孔装置（超音波加工装置）
９ 工具
１３ ワーク（被加工物）
２３ ホーン
２３ａ 工具取付面
２３ｃ 取付孔（工具の取付箇所）
２４ 超音波振動子（励振手段）

Claims (7)

1. 超音波により工具を振動させ、この振動を砥粒に伝達することにより工具形状に倣った形状を被加工物に形成する超音波加工装置において、
   前記砥粒は、液体に分散された状態で、該液体とともに前記工具の周囲に供給されるように構成するとともに、
   前記工具が振動されているときには、砥粒分散液に泡を発生させてこの泡を工具の周囲に滞留させることを特徴とする超音波加工装置。
2. 請求項１に記載の超音波加工装置であって、
   前記工具を、前記砥粒分散液が前記工具周辺に保持されるモードで振動させる励振手段を備えたことを特徴とする超音波加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の超音波加工装置であって、
   前記工具はホーンに取り付けられるとともに、このホーンに超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成したことを特徴とする超音波加工装置。
4. 請求項３に記載の超音波加工装置であって、
   前記工具は、ホーンの一側に形成された工具取付面に取り付けられるとともに、このホーンの他側に超音波振動子を固定して、該超音波振動子の振動を前記ホーンを介して工具に伝達させるように構成し、
   前記工具取付面は、前記工具取付面における縁部が振動の節となるように、かつ、その中央部が振動の腹となるように、それぞれ励振されるとともに、
   当該工具取付面の前記中央部に、前記工具を取り付けるための取付箇所が形成されていることを特徴とする超音波加工装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の超音波加工装置であって、前記ホーンはその工具取付面付近における振幅拡大率が０．５〜０．６となる形状に構成されていることを特徴とする超音波加工装置。
6. 請求項３から請求項５までのいずれか一項に記載の超音波加工装置であって、
   前記ホーンは、前記工具取付面側に向かうにつれてその断面積を増大させていく部分を有するように構成したことを特徴とする超音波加工装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の超音波加工装置であって、前記被加工物は脆性材料であることを特徴とする超音波加工装置。

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