JP4158427B2 - 超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体・工具組立体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体・工具組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具（ツール）を超音波振動させ、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（ワーク）に形成することができる超音波加工装置が知られている。かかる超音波加工装置は、被加工物を精密に加工することができることから、被加工物として例えばガラス、セラミックス、鉱石、宝石などの脆性材料を加工するために用いて好適である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超音波加工装置では、超音波振動子で発生した振動がホーンと称される工具保持具を介してこれに取り付けられた工具に伝えられる。現状において、工具は、ネジ止め、コレット、ロー付けなどの手段でホーンに取り付けられているのが一般的である。ところが、工具をホーンに取り付ける手段としてネジ止めやコレットが用いられた場合、十分な保持力で工具が保持されず、超音波が減衰して工具に伝えられることがある。他方、ロー付けが用いられた場合、十分な保持力を得ることができるために超音波の減衰が生じることはほとんどないものの、ロー付けの品質が安定せず工具の取り付け位置精度が良好でなく、しかも工具の交換を行うことが非常に難しい。また、工具の交換を行うことが非常に難しいことから、ロー付け部が摩耗したときにＰＣＤ（焼結ダイヤモンド）のような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることになる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好でないことから、事実上ロー付け後にしか工具の加工ができないために、工具の加工方法が限定されてしまうという不都合が生じることになり、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することができない。
【０００４】
そこで、本発明の主な目的は、超音波が減衰して工具に伝えられるのを抑制することができると共に、工具の取り付け位置精度が良好で且つ工具の交換が容易な超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体・工具組立体を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項１によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【０００７】
【０００８】
収縮ばめとしては、焼きばめ及び冷却ばめのいずれをも用いることが可能である。例えば、焼きばめが用いられる場合には、雌側部材を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、雄側部材を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。収縮ばめにより工具を超音波振動体に取り付ける場合には、常温において雌側部材の嵌合部寸法が雄側部材の嵌合部寸法よりも同じか若干小さく且つ加熱時或いは冷却時に雌側部材の嵌合部寸法が雄側部材の嵌合部寸法よりも若干大きくなるようにしておく。そして、嵌合後に加熱或いは冷却した部材が常温に戻ると、その部材が収縮或いは膨張し両者が強固に固定される。
【０００９】
圧入は、通常、常温において行われる。圧入により工具を超音波振動体に取り付ける場合には、常温において雌側部材の嵌合部寸法を雄側部材の嵌合部寸法と同じか若干小さくしておく。そして、両者が近づく方向に比較的大きな力を加えることにより、雌側部材に対して雄側部材を圧入して工具を超音波振動体に固定する。
【００１０】
【００１１】
さらに、請求項１によると、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスよりも凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で小さく且つその奥端近傍側で大きい場合に、凹部の入口近傍側が凸部の基端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凹部の奥端近傍側が凸部の先端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００１２】
請求項２の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としてる。
【００１３】
請求項３の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項２、３、及び、以下に記載する請求項６、７、１０、１１、１４、１５によると、工具及び超音波振動体のいずれか一方の周面を平行面として形成することができるので、これらの部分の加工が容易となる。
【００１５】
請求項４の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部の基端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００１６】
請求項４、及び、以下に記載する請求項８、１２、１６によると、面接触するため、工具がより安定に保持される。そのため、工具の脱落をより効果的に防止することができる。
【００１７】
例えば、請求項２のように工具の凸部周面の互いに対向する部分が平行となるように（例えば円柱形状に）形成されている場合には、超音波振動体の凹部は、その入口近傍側において互いに対向する部分が平行でその形状及び寸法が工具の凸部周面とほど同じになるように（例えば円柱形状に）形成され、奥端近傍側において入口近傍側よりも広がった末広形状とされる。他方、請求項３のように超音波振動体の凹部周面の互いに対向する部分が平行となるように（例えば円柱形状に）形成されている場合には、工具の凸部は、その基端近傍側において互いに対向する部分が平行でその形状及び寸法が超音波振動体の凹部周面とほぼ同じになるように（例えば円柱形状に）形成され、先端近傍側において基端近傍側よりも狭まった先細形状とされる。
【００１８】
請求項５の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項５によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で大きく且つその奥端近傍側で小さい場合に、凹部の奥端近傍側が凸部の先端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその先端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凹部の入口近傍側が凸部の基端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００２０】
請求項６の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項７の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２２】
請求項８の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部の先端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００２３】
請求項９の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項９によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスよりも凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の奥端近傍側で大きく且つその入口近傍側で小さい場合に、凸部の基端近傍側が凹部の入口近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凸部の先端近傍側が凹部の奥端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凸部の先端近傍側と凹部の奥端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００２５】
請求項１０の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２６】
請求項１１の超音波加工装置は、前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２７】
請求項１２の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部の基端近傍側と前記工具の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００２８】
請求項１３の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴としている。
【００２９】
請求項１３によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜 き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で大きく且つその奥端近傍側で小さい場合に、凸部の先端近傍側が凹部の奥端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその先端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凸部の基端近傍側が凹部の入口近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凸部の基端近傍側と凹部の入口近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００３０】
なお、請求項１、５、９、１３のいずれの場合も収縮ばめとしては、焼きばめ及び冷却ばめのいずれをも用いることが可能であり、例えば、請求項１、５において焼きばめが用いられ場合には、超音波振動体を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、工具を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。また、請求項９、１３において焼きばめが用いられ場合には、工具を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、超音波振動体を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。
【００３１】
請求項１４の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００３２】
請求項１５の超音波加工装置は、前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００３３】
請求項１６の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部の先端近傍側と前記工具の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００３４】
請求項１７の超音波加工装置は、前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材であることを特徴としている。
【００３５】
請求項１７によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られることが確認された。
【００３６】
請求項１８は、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体・工具組立体である。
【００３７】
請求項１８による超音波振動体・工具組立体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３９】
〔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、この超音波加工装置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。
【００４０】
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。
【００４１】
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が備えられている。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
〔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の一端に連結している。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。
【００４５】
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。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。
【００４６】
図５の平面図に示すように、ホーン支持部２１には側方に向けて突起２５が設けられて、この突起２５の一側に、付勢体２６が工具フレーム１７に設けられている。付勢体２６は付勢バネ２８の弾発作用により、突起２５を一側に向けて常時押動するように構成されている。一方、付勢体２６に突起２５を挟んで対向する位置に、ツマミを有する角度微調整ネジ２７が工具フレーム１７に取り付けられる。
この構成において、角度微調整ネジ２７のツマミを一方向に回転させると、その先端が突起２５を前記付勢体２６に抗して押すので、ホーン支持部２１が図５の反時計回り方向に旋回される。一方、ツマミを逆方向に回転させた場合は、ネジ２７の先端が後退して、前記付勢体２６が突起２５を押すので、ホーン支持部２１は図５の時計回り方向に旋回される。従って、ネジ２７を適宜回転させることで、ホーン支持部２１の角度（即ち、ホーン２３に取り付けられた工具９の水平面内における向き）を微調整することができる。
なお、ヘッド前面には固定ネジ３６が設けられており（図３・図４）、前述の微調整作業が終了した後はこのネジ３６を回転させて締め付けることで、ホーン支持部２１が不用意に旋回しないよう固定できるようになっている。
【００４７】
〔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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
この超音波加工装置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。
【００５１】
〔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を介して振幅数μｍ程度の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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
〔カメラ部の構成〕
次に、工具９の向きを調整するために設置されるカメラ部４１を説明する。このカメラ部４１は図２に示すように、昇降テーブル１１の側方位置に設けられている。
図７に示すようにカメラ部４１は箱状のカバー３７を備えており、このカバー３７の内部にＣＣＤ式のビデオカメラ３８が、そのレンズ部３９を上に向けた状態で収められている。カバー３７の上面には透明な蓋４０が、前記レンズ部３９に対応する位置に開閉可能に設けられる。
【００５５】
この構成における工具９の向きの調整作業を説明する。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７の鎖線で示すように、カメラ３８のレンズ部３９の直上方に工具９が位置するようにすることで、工具９の向きをビデオカメラ３８で撮影することができる。撮影された映像は、装置１の適宜位置（例えば、コラム３の側方位置）に設置したモニタに、リアルタイムに表示される。オペレータはこの映像を見ながら、前述の角度微調整ネジ２７を回してホーン２３の旋回角度を微調整し、工具９の向きが適正となるよう調整することができる。
【００５６】
〔研磨装置の説明〕
更に、前記ホーン２３の工具取付面２３ａを研磨するための研磨装置４２を説明する。研磨装置４２は図２に示すように、正面視において昇降テーブル１１を挟んで前記カメラ部４１の反対側に設置されている。
この研磨装置４２の具体的な構成が図８に示される。この図に示すように研磨装置４２は、移動テーブル１０上（なお、図８においては移動テーブル１０は図略とされている）に立設された筒状のフレーム５０を備え、このフレーム５０内に回転軸５１を回転自在に軸支した構成となっている。この回転軸５１の上端にはカップ型の砥石５２が固着されている。回転軸５１の側方にはモータ５３が設置されており、該モータ５３のモータ軸５４が、前記回転軸５１と、プーリ５５・５６及びベルト５７を介して連結されている。
【００５７】
この構成における研磨作業の様子を説明する。
即ち、ホーン２３から工具９を取り外した状態で、前記移動テーブル１０を移動させ、更に、前述のモータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させる。そしてモータ５３を駆動して砥石５２を回転させるとともに、ホーン２３下面の工具取付面２３ａに対し砥石５２の上面を接触させながら、移動テーブル１０を水平に移動させることで、該工具取付面２３ａを研磨することができる。
なお、前記穿孔ヘッド部４には加圧シリンダ５８が設置されており（図３，図４）、このシリンダ５８が、ホーン２３の工具取付面２３ａを砥石５２に押し付けるために用いられる。
【００５８】
この研磨装置４２の目的を説明する。
即ち、この超音波加工装置１では、ホーン２３に工具９を取り付けて超音波振動させワーク１３に対する穿孔作業を行う場合に、工具９の周囲に供給される前記砥粒がホーン２３下面の工具取付面２３ａと工具９との間に侵入し、工具取付面２３ａが砥粒によって徐々に摩損されることが避けられない。この工具取付面２３ａの摩滅が進行すると、工具９をホーン２３に対して十分密着させながら取り付けることができなくなり、超音波振動を工具９に効率良く伝達できないために作業効率の低下を招いてしまう。
そこで本実施形態の加工装置１では、穿孔作業が所定回数行われる毎に前記研磨装置４２による研磨を行い、ホーン２３の工具取付面２３ａを削って水平とすることで、常に工具９がホーン２３に適正に密着して取り付けられるようにしているのである。
【００５９】
〔ホーンへの工具取り付け〕
次に、ホーン２３と工具９との取り付け部分について詳細に説明する。図９は、ホーン２３及び工具９の分離状態における一部を破断した拡大斜視図であり、図１０は工具９を取り付けた状態でのホーン２３の断面図である。これら図面から分かるように、ホーン２３は工具９との接続部側が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材である。このようにホーン２３が末広形状に形成されていることによって、ホーン２３が後述するずん胴形状や先細形状に形成された場合よりも優れた加工精度が得られることが本発明者によって確かめられている。なお、工具９の下側面には、被加工物に穿孔を形成するための硬い穿孔部材（例えばＰＣＤ（PolyCrystalline Diamond））９ａが取り付けられている。
【００６０】
上述したように、ホーン２３の先端にある工具取付面２３ａは研磨装置４２によって研磨されることで平坦面であることが担保されている。そして、この工具取付面２３ａの中心部付近には、工具９を取り付けるためのほぼ円柱形状の凹部６１がホーン２３の長手方向に沿って形成されている。一方、工具９の上面からは、常温において凹部６１とほぼ同じ又は若干大きな径に形成された円柱形状の凸部６２が突出している。
【００６１】
工具９は、その凸部６２がホーン２３の凹部６１に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、まず、凹部６１の径が凸部６２よりも若干大きくなるようにホーン２３を３００〜４００℃程度に加熱し、そして、ホーン２３の温度が低下する前に、凸部６２を凹部６１に嵌合する。しかる後、ホーン２３が常温に戻って凹部６１が収縮しその径が凸部６２と同じかそれよりも若干小さくなると、工具９はホーン２３に対して強固に取り付けられる。
【００６２】
このように、本実施の形態の超音波加工装置１では、工具９が焼きばめによりホーン２３に取り付けられているために、十分な保持力で工具９が保持されることになって超音波が減衰して工具９に伝えられることがなくなる。また、再度ホーン２３を加熱することなどにより工具９の交換を容易に行うことが可能になり、しかも凹部６１及び凸部６２の寸法精度を向上させることで、工具９の取り付け位置精度が良好なものとなる。
【００６３】
また、工具９の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具９が使い捨てになってしまうという不都合を回避することができる。さらに、工具９の取り付け位置精度が良好であるために、ホーン２３への取り付け前に工具９の加工を行うことが可能となって、工具９の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。このように、本実施の形態によると、超音波加工装置１が非常に使い勝手のよいものとなる。
【００６４】
本実施の形態において、ホーン２３はその先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。図１１（ａ）、（ｂ）は、そのときのホーン２３の先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図１１（ａ）はホーン２３が縮んだ状態、図１１（ｂ）はホーン２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図１１（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン２３の先端にある工具取付面２３ａが振動の節になっているために、凹部６１の入口近傍部６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部６１の奥端近傍部６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【００６５】
そこで、本実施の形態では、図１０の要部拡大図である図１２に示すように、凹部６１の奥端近傍部６１ａがその入口近傍部６１ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１の奥端近傍部６１ａと凸部６２の先端近傍部６２ａとのクリアランスＬ１が、凹部６１の入口近傍部６１ｂと凸部６２の基端近傍部６２ｂとのクリアランスＬ２よりも大きくなっている。
【００６６】
常温でのクリアランスＬ２は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１の入口近傍部６１ｂは凸部６２の基端近傍部６２ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１の入口近傍部６１ｂの径は凸部６２の基端近傍部６２ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００６７】
これにより、上述のようにホーン２３がその先端が節となるような条件で超音波振動することによりホーン２３の振幅が凹部６１の入口近傍部６１ｂで小さく且つその奥端近傍部６１ａで大きくなる場合に、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１の入口近傍部６１ｂが凸部６２の基端近傍部６２ｂから離れるようにホーン２３が変形する際であっても、工具９をその基端近傍部６２ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１の奥端近傍部６１ａが凸部６２の先端近傍部６２ａに近づくようにホーン２３が変形する際であっても、凹部６１の奥端近傍部６１ａと凸部６２の先端近傍部６２ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００６８】
また、本実施の形態では、凸部６２は、周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状に形成されているので、異形成形される場合と比較して凸部６２を容易に形成することができるようになっている。
【００６９】
また、本実施の形態では、工具９の凸部６２はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１の入口近傍部６１ｂは凸部６２とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２の基端近傍部６２ｂと凹部６１の入口近傍部６１ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、焼きばめにより工具９をホーン２３に取り付けているが、焼きばめの代わりに冷却ばめを用いてもよい。その場合、工具９を−５０℃程度に冷却し収縮させた状態でその凸部６２をホーン２３の凹部６１にはめ込む。しかる後、工具９が常温に戻って凸部６２が膨張しその径が凹部６１の入口近傍部６１ｂと同じかそれよりも若干大きくなると、工具９はホーン２３に対して強固に取り付けられる。
【００７１】
また、焼きばめや冷却ばめのような収縮ばめに代えて、常温での圧入により工具９をホーン２３に取り付けてもよい。ただし、上述したような収縮ばめを用いる方が、工具９の取付安定性の面で優れている。
【００７２】
また、ロー付けを用いないことにより、図１０に示すように、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔６７を工具９に形成し、この貫通孔６７に対して、ホーン２３の内側に設けられた加工液通路６８を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具９の交換性を損なうことなく加工液を工具９の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【００７３】
〔ホーンへの工具取り付け（第１変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第１変形例について、図１３に基づいて説明する。図１３は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１１は、その入口近傍部６１１ｂから奥端近傍部６１１ａに近づくほど比例的に径が大きくなるように形成された逆円錐台形状を有している。一方、凸部６２１は、上述した凸部６２と同じく、円柱形状を有している。そして、凹部６１１の入口近傍部６１１ｂの径は常温において凸部６２１とほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２１がホーン２３の凹部６１１に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００７４】
また、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａがその入口近傍部６１１ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａと凸部６２１の先端近傍部６２１ａとのクリアランスＬ３が、凹部６１１の入口近傍部６１１ｂと凸部６２１の基端近傍部６２１ｂとのクリアランスＬ４よりも大きくなっている。
【００７５】
常温でのクリアランスＬ４は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１１の入口近傍部６１１ｂは凸部６２１の基端近傍部６２１ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１１の入口近傍部６１１ｂの径は凸部６２１の基端近傍部６２１ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００７６】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２１ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａと凸部６２１の先端近傍部６２１ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００７７】
なお、本変形例では、凸部６２の基端近傍部６２ｂと凹部６１の入口近傍部６１ｂとは、凸部６２の最基端部において平面視円状に接触している。そのため、工具９の安定保持という点で、図１２で説明した実施の形態に劣っている。
【００７８】
〔ホーンへの工具取り付け（第２変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第２変形例について、図１４に基づいて説明する。図１４は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１２は、入口近傍部６１２ｂから奥端近傍部６１２ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２２は、基端近傍部６２２ｂが円柱形状で先端近傍部６２２ａが円錐台形状となるように形成されている。そして、凹部６１２の径は常温において凸部６２２の基端近傍部６２２ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２２がホーン２３の凹部６１２に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００７９】
また、凸部６２２の先端近傍部６２２ａがその基端近傍部６２２ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１２の奥端近傍部６１２ａと凸部６２２の先端近傍部６２２ａとのクリアランスＬ５が、凹部６１２の入口近傍部６１２ｂと凸部６２２の基端近傍部６２２ｂとのクリアランスＬ６よりも大きくなっている。
【００８０】
常温でのクリアランスＬ６は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１２の入口近傍部６１２ｂは凸部６２２の基端近傍部６２２ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１２の入口近傍部６１２ｂの径は凸部６２２の基端近傍部６２２ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００８１】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２２ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１２の奥端近傍部６１２ａと凸部６２２の先端近傍部６２２ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００８２】
また、本変形例では、凸部６２２の基端近傍部６２２ｂと凹部６１２の入口近傍部６１２ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００８３】
〔ホーンへの工具取り付け（第３変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第３変形例について、図１５に基づいて説明する。図１５は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１３は、入口近傍部６１３ｂから奥端近傍部６１３ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２３は、基端近傍部６２３ｂから先端近傍部６２３ａに近づくほど比例的に径が小さくなるように形成された逆円錐台形状を有している。そして、凹部６１３の径は常温において凸部６２３の基端近傍部６２３ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２３がホーン２３の凹部６１３に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００８４】
また、凸部６２３の先端近傍部６２３ａがその基端近傍部６２３ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１３の奥端近傍部６１３ａと凸部６２３の先端近傍部６２３ａとのクリアランスＬ７が、凹部６１３の入口近傍部６１３ｂと凸部６２３の基端近傍部６２３ｂとのクリアランスＬ８よりも大きくなっている。
【００８５】
常温でのクリアランスＬ７は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１３の入口近傍部６１３ｂは凸部６２３の基端近傍部６２３ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１３の入口近傍部６１３ｂの径は凸部６２３の基端近傍部６２３ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００８６】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２３ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１３の奥端近傍部６１３ａと凸部６２３の先端近傍部６２３ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００８７】
〔ホーンへの工具取り付け（第４変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第４変形例について、図１６に基づいて説明する。図１６は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例でも、工具９は、その凸部６２４がホーン２３の凹部６１４に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００８８】
また、本変形例においてホーン２３はその先端付近が腹で凹部６１４の最奥端部付近が節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、凹部６１４の奥端近傍部６１４ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【００８９】
そこで、本変形例では、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂがその奥端近傍部６１４ａよりも大径に形成されることにより、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂと凸部６２４の基端近傍部６２４ｂとのクリアランスＬ９が、凹部６１４の奥端近傍部６１４ａと凸部６２４の先端近傍部６２４ａとのクリアランスＬ１０よりも大きくなるようにしている。
【００９０】
常温でのクリアランスＬ１０は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１４の奥端近傍部６１４ａは凸部６２４の先端近傍部６２４ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１４の奥端近傍部６１４ａの径は凸部６２４の先端近傍部６２４ａの径にほぼ等しくなっている。
【００９１】
これにより、上述のようにホーン２３がその先端付近が腹となるような条件で超音波振動することによりホーン２３の振幅が凹部６１４の入口近傍部６１４ｂで大きく且つその奥端近傍部６１４ａで小さくなる場合に、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１４の奥端近傍部６１４ａが凸部６２４の先端近傍部６２４ａから離れるようにホーン２３が変形する際であっても、工具９をその先端近傍部６２４ａにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１４の入口近傍部６１４ｂが凸部６２４の基端近傍部６２４ｂに近づくようにホーン２３が変形する際であっても、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂと凸部６２４の基端近傍部６２４ｂとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００９２】
また、本変形例では、工具９の凸部６２４はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１４の奥端近傍部６１４ａは凸部６２４とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２４の先端近傍部６２４ａと凹部６１４の奥端近傍部６１４ａとは、互いに面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００９３】
〔ホーンへの工具取り付け（第５変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第４変形例について、図１７に基づいて説明する。図１７は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例でも、工具９は、その凸部６２５がホーン２３の凹部６１５に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００９４】
また、凸部６２５の基端近傍部６２５ｂがその先端近傍部６２５ａよりも小径に形成されることにより、凹部６１５の入口近傍部６１５ｂと凸部６２５の基端近傍部６２５ｂとのクリアランスＬ１１が、凹部６１５の奥端近傍部６１５ａと凸部６２５の先端近傍部６２５ａとのクリアランスＬ１２よりも大きくなっている。
【００９５】
常温でのクリアランスＬ１２は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１５の奥端近傍部６１５ａは凸部６２５の先端近傍部６２５ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１５の奥端近傍部６１５ａの径は凸部６２５の先端近傍部６２５ａの径にほぼ等しくなっている。
【００９６】
これにより、先端付近が腹となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその先端近傍部６２５ａにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１５の入口近傍部６１５ｂと凸部６２５の基端近傍部６２５ｂとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００９７】
また、本変形例では、工具９の凸部６２５の先端近傍部６２５ａはその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１５は凸部６２５の先端近傍部６２５ａとほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２５の先端近傍部６２５ａと凹部６１５の奥端近傍部６１５ａとは、互いに面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００９８】
〔ホーンへの工具取り付け（第６変形例）〕
次に、ホーン及び工具の第６変形例について、図１８及び図１９に基づいて説明する。図１８は本変形例による工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。図１９は、図１２に対応した図１８の要部拡大図である。なお、以下の変形例では、ホーンを符号１２３で、工具を符号１０９で表すものとする。本変形例においては、ホーン１２３の先端の工具取付面１２３ａに、ホーン長手方向に沿って下方に突出した円柱形状の凸部６２６が設けられている。一方、工具１０９の上面中央部には、常温において凸部６２６とほぼ同じ又は若干小さな径に形成された凹部６１６が設けられている。
【００９９】
工具１０９は、その凹部６１６にホーン１２３の凸部６２６が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、まず、凹部６１６の径が凸部６２６よりも若干大きくなるように工具１０９を５００℃程度に加熱し、そして、工具１０９の温度が低下する前に、凸部６２６を凹部６１６に嵌合する。しかる後、工具１０９が常温に戻って凹部６１６が収縮しその径が凸部６２６と同じかそれよりも若干小さくなると、工具１０９はホーン１２３に対して強固に取り付けられる。
【０１００】
このように、本変形例では、工具１０９が焼きばめによりホーン１２３に取り付けられているために、十分な保持力で工具１０９が保持されることになって超音波が減衰して工具１０９に伝えられることがなくなる。また、再度工具１０９を加熱することなどにより工具１０９の交換を容易に行うことが可能になり、しかも凹部６１６及び凸部６２６の寸法精度を向上させることで、工具１０９の取り付け位置精度が良好なものとなる。
【０１０１】
また、工具１０９の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具１０９が使い捨てになってしまうという不都合を回避することができる。さらに、工具１０９の取り付け位置精度が良好であるために、ホーン１２３への取り付け前に工具１０９の加工を行うことが可能となって、工具１０９の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。このように、本変形例でも超音波加工装置１が非常に使い勝手のよいものとなる。
【０１０２】
本変形例において、ホーン１２３は凸部６２６の基端部である工具取付面１２３ａが節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、ホーン１２３の先端にある工具取付面１２３ａが振動の節になっているために、凸部６２６の基端近傍部６２６ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２６の先端近傍部６２６ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１０３】
そこで、本変形例では、図１２に示すように、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａがその入口近傍部６１６ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａと凸部６２６の先端近傍部６２６ａとのクリアランスＬ１３が、凹部６１６の入口近傍部６１６ｂと凸部６２６の基端近傍部６２６ｂとのクリアランスＬ１４よりも大きくなっている。
【０１０４】
常温でのクリアランスＬ１４は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１６の入口近傍部６１６ｂは凸部６２６の基端近傍部６２６ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１６の入口近傍部６１６ｂの径は凸部６２６の基端近傍部６２６ｂの径にほぼ等しくなっている。
【０１０５】
これにより、上述のようにホーン１２３が工具取付面１２３ａが節となるような条件で超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凸部６２６の基端近傍部６２６ｂで小さく且つその先端近傍部６２６ａで大きくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２６の基端近傍部６２６ｂが凹部６１６の入口近傍部６１６ｂから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその入口近傍部６１６ｂにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２６の先端近傍部６２６ａが凹部６１６の奥端近傍部６１６ａに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａと凸部６２６の先端近傍部６２６ａとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１０６】
また、本変形例では、周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状に凸部６２６が形成されているので、異形成形される場合と比較して凸部６２６を容易に形成することができるようになっている。
【０１０７】
また、本変形例では、ホーン１２３の凸部６２６はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、工具１０９の凹部６１６の入口近傍部６１６ｂは凸部６２６とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２６の基端近傍部６２６ｂと凹部６１６の入口近傍部６１６ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１０８】
〔ホーンへの工具取り付け（第７変形例）〕
次に、ホーン１２３及び工具１０９の第７変形例について、図２０に基づいて説明する。図２０は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例による凹部６１７は、入口近傍部６１７ｂから奥端近傍部６１７ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２７は、基端近傍部６２７ｂが円柱形状で先端近傍部６２７ａが円錐台形状となるように形成されている。そして、凹部６１７の径は常温において凸部６２７の基端近傍部６２７ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１７にホーン２３の凸部６２７が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１０９】
また、凸部６２７の先端近傍部６２７ａがその基端近傍部６２７ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１７の奥端近傍部６１７ａと凸部６２７の先端近傍部６２７ａとのクリアランスＬ１５が、凹部６１７の入口近傍部６１７ｂと凸部６２７の基端近傍部６２７ｂとのクリアランスＬ１６よりも大きくなっている。
【０１１０】
常温でのクリアランスＬ１６は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１７の入口近傍部６１７ｂは凸部６２７の基端近傍部６２７ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１７の入口近傍部６１７ｂの径は凸部６２７の基端近傍部６２７ｂの径にほぼ等しくなっている。
【０１１１】
これにより、凸部６２７の基端部である工具取付面１２３ａが節となるような条件でホーン１２３が超音波振動させられる場合、工具１０９をその基端近傍部６２７ｂにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１７の奥端近傍部６１７ａと凸部６２７の先端近傍部６２７ａとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１１２】
また、本変形例では、凸部６２７の基端近傍部６２７ｂと凹部６１７の入口近傍部６１７ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１１３】
〔ホーンへの工具取り付け（第８変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第８変形例について、図２１に基づいて説明する。図２１は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１８にホーン１２３の凸部６２８が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１１４】
また、本変形例においてホーン１２３は凸部６２８の最先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。図２２（ａ）、（ｂ）は、そのときのホーン１２３の先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２２（ａ）はホーン１２３が縮んだ状態、図２２（ｂ）はホーン１２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２２（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン１２３の凸部６２８の最先端が振動の節になっているために、凸部６２８の先端近傍部６２８ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２８の基端近傍部６２８ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１１５】
そこで、本変形例では、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂがその奥端近傍部６１８ａよりも大径に形成されることにより、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂと凸部６２８の基端近傍部６２８ｂとのクリアランスＬ１７が、凹部６１８の奥端近傍部６１８ａと凸部６２８の先端近傍部６２８ａとのクリアランスＬ１８よりも大きくなるようにしている。
【０１１６】
常温でのクリアランスＬ１８は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１８の奥端近傍部６１８ａは凸部６２８の先端近傍部６２８ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１８の奥端近傍部６１８ａの径は凸部６２８の先端近傍部６２８ａの径にほぼ等しくなっている。
【０１１７】
これにより、上述のようにホーン１２３が凸部６２８の最先端が節となるような条件で超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凹部６１８の入口近傍部６１８ｂで大きく且つその奥端近傍部６１８ａで小さくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２８の先端近傍部６２８ａが凹部６１８の奥端近傍部６１８ａから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその奥端近傍部６１８ａにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凹部６１８の入口近傍部６１８ｂが凸部６２８の基端近傍部６２８ｂに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂと凸部６２８の基端近傍部６２８ｂとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１１８】
また、本変形例では、ホーン１２３の凸部６２８はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、工具１０９の凹部６１８の奥端近傍部６１８ａは凸部６２８とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２８の先端近傍部６２８ａと凹部６１８の奥端近傍部６１８ａとは、互いに面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１１９】
〔ホーンへの工具取り付け（第９変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第９変形例について、図２３に基づいて説明する。図２３は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１９にホーン１２３の凸部６２９が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１２０】
また、本変形例においてホーン１２３は凸部６２９の最先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、凸部６２９の先端近傍部６２９ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２９の基端近傍部６２９ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１２１】
また、凸部６２９の先端近傍部６２９ａがその基端近傍部６２９ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１２の入口近傍部６１９ｂと凸部６２９の基端近傍部６２９ｂとのクリアランスＬ１９が、凹部６１９の奥端近傍部６１９ａと凸部６２９の先端近傍部６２９ａとのクリアランスＬ２０よりも大きくなっている。
【０１２２】
常温でのクリアランスＬ２０は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１９の奥端近傍部６１９ａは凸部６２９の先端近傍部６２９ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１９の奥端近傍部６１９ａの径は凸部６２９の先端近傍部６２９ａの径にほぼ等しくなっている。
【０１２３】
これにより、上述のように凸部６２９の最先端が節となるような条件でホーン１２３が超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凹部６１９の入口近傍部６１９ｂで大きく且つその奥端近傍部６１９ａで小さくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２９の先端近傍部６２９ａが凹部６１９の奥端近傍部６１９ａから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその奥端近傍部６１９ａにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凹部６１９の入口近傍部６１９ｂが凸部６２９の基端近傍部６２９ｂに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１９の入口近傍部６１９ｂと凸部６２９の基端近傍部６２９ｂとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１２４】
また、本変形例では、工具１０９の凹部６１９はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン１２３の凸部６２９の先端近傍部６２９ａは凹部６１９とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２９の先端近傍部６２９ａと凹部６１９の奥端近傍部６１９ａとは、互いに面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１２５】
〔ホーンの変形例〕
次に、ホーンの変形例について説明する。上述した実施の形態及びホーンへの工具取り付けに関する第１〜第９の変形例では、ホーンを、工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状であるとした。しかしながら、ホーンは様々な形状をとることができる。図２４（ａ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部と同径となったずん胴形状を有するホーン２２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。また、図２４（ｂ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも小径となった先細形状を有するホーン３２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【０１２６】
図２５（ａ）、（ｂ）は、図２４（ａ）に示すホーン２２３をその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２５（ａ）はホーン２２３が縮んだ状態、図２５（ｂ）はホーン２２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２５（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン２２３の先端にある工具取付面２２３ａが振動の節になっているために、凹部２６１の入口近傍部２６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部２６１の奥端近傍部２６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン２２３の先端にある工具取付面２２３ａ付近を振動の腹として、凹部２６１の入口近傍部２６１ｂでの振幅を大きく、凹部２６１の奥端近傍部２６１ａでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凹部２６１が設けられたずん胴型ホーン２２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２７】
図２６（ａ）、（ｂ）は、図２４（ｂ）に示すホーン３２３をその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２６（ａ）はホーン３２３が縮んだ状態、図２６（ｂ）はホーン３２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２６（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン３２３の先端にある工具取付面３２３ａが振動の節になっているために、凹部３６１の入口近傍部３６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン３２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部３６１の奥端近傍部３６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン３２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン３２３の先端にある工具取付面３２３ａ付近を振動の腹として、凹部３６１の入口近傍部３６１ｂでの振幅を大きく、凹部３６１の奥端近傍部３６１ａでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凹部３６１が設けられた先細型ホーン３２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２８】
また、図２７（ａ）、（ｂ）に示すのは、図１８に示すように先端に凸部が設けられたずん胴型ホーンをその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２７（ａ）はホーン４２３が縮んだ状態、図２７（ｂ）はホーン４２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２７（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン４２３の凸部４６１の先端近傍部４６１ａが振動の節になっているために、凸部４６１の先端近傍部４６１ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン４２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部４６１の基端近傍部４６１ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン４２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン４２３の凸部４６１の先端近傍部４６１ａ付近を振動の腹として、凸部４６１の先端近傍部４６１ａでの振幅を大きく、凸部４６１の基端近傍部４６１ｂでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凸部４６１が設けられたずん胴型ホーン４２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２９】
また、図２８（ａ）、（ｂ）に示すのは、図１８に示すように先端に凸部が設けられた先細型ホーンをその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２８（ａ）はホーン５２３が縮んだ状態、図２８（ｂ）はホーン５２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２８（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン５２３の凸部５６１の先端近傍部５６１ａが振動の節になっているために、凸部５６１の先端近傍部５６１ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン５２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部５６１の基端近傍部５６１ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン５２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン５２３の凸部５６１の先端近傍部５６１ａ付近を振動の腹として、凸部５６１の先端近傍部５６１ａでの振幅を大きく、凸部５６１の基端近傍部５６１ｂでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凸部５６１が設けられた先細型ホーン５２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１３０】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、焼きばめに代えて、冷却ばめを行ってもよい。また、焼きばめに代えて圧入を行ってもよい。また、焼きばめ時の加熱温度や冷却ばめ時の冷却温度としては、設計に応じた最適温度を適宜選択することができる。
【０１３１】
また、ホーン及び工具並びに凹部及び凸部の具体的な形状や材質などは用途などに応じて適宜変更してよい。また、上述の実施の形態では超音波振動体としてホーンを用いているが、ホーンを用いず、超音波振動子やその他の超音波振動体に工具を取り付けるようにしてもよい。
【０１３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、５、９、１３によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【０１３３】
さらに、請求項１、５、９、１３によると、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【０１３４】
請求項２、３、６、７、１０、１１、１４、１５によると、工具及び超音波振動体のいずれか一方の周面を平行面として形成することができるので、これらの部分の加工が容易となる。
【０１３５】
請求項４、８、１２、１６によると、面接触するため、工具がより安定に保持される。そのため、工具の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１３６】
請求項１７によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られる。
【０１３７】
そして、請求項１８による超音波振動体・工具組立体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【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である。
【図２】 同じく正面図である。
【図３】 穿孔ヘッド部の側面図一部断面図である。
【図４】 同じく正面図である。
【図５】 同じく平面断面図である。
【図６】 昇降テーブルの側面断面図である。
【図７】 カメラ部の側面断面図である。
【図８】 研磨装置の正面断面図である。
【図９】 図１に示す超音波穿孔装置に使用される末広形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図１０】 工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。
【図１１】 ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図１２】 図１０の要部拡大図である。
【図１３】 ホーン及び工具の第１変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１４】 ホーン及び工具の第２変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１５】 ホーン及び工具の第３変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１６】 ホーン及び工具の第４変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１７】 ホーン及び工具の第５変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１８】 ホーン及び工具の第６変形例における、工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。
【図１９】 図１８の要部拡大図である。
【図２０】 ホーン及び工具の第７変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２１】 ホーン及び工具の第８変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２２】 第８変形例において、ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２３】 ホーン及び工具の第９変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２４】 先端に凹部が設けられたずん胴形状及び先細形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図２５】 先端に凹部が設けられたずん胴型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２６】 先端に凹部が設けられた先細型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２７】 先端に凸部が設けられたずん胴型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２８】 先端に凸部が設けられた先細型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【符号の説明】
１ 超音波加工装置
２ 基台
３ コラム
４ 穿孔ヘッド部
８ 連結体
９ 工具
１０ 移動テーブル
１１ 昇降テーブル
１２ ワーク台
１３ ワーク
１４ 基部フレーム
１６ バランス体
１７ 工具フレーム
１８ エアシリンダ
１９ シリンダロッド
２１ ホーン支持部
２３ ホーン
２３ａ 工具取付面
２４ 超音波振動子
２６ 付勢体
２７ 角度微調整ネジ
２９ 基部フレーム
３１ 昇降フレーム
３３ 変位センサ
３４ クランプ機構
３８ ビデオカメラ
４１ カメラ部
４２ 研磨装置
４３ カバー
４７ 中継パイプ
４８ 供給孔
４９ 案内棒
６１ 凹部
６１ａ 奥端近傍部
６１ｂ 入口近傍部
６２ 凸部
６２ａ 先端近傍部
６２ｂ 基端近傍部
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体・工具組立体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
工具（ツール）を超音波振動させ、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（ワーク）に形成することができる超音波加工装置が知られている。かかる超音波加工装置は、被加工物を精密に加工することができることから、被加工物として例えばガラス、セラミックス、鉱石、宝石などの脆性材料を加工するために用いて好適である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超音波加工装置では、超音波振動子で発生した振動がホーンと称される工具保持具を介してこれに取り付けられた工具に伝えられる。現状において、工具は、ネジ止め、コレット、ロー付けなどの手段でホーンに取り付けられているのが一般的である。ところが、工具をホーンに取り付ける手段としてネジ止めやコレットが用いられた場合、十分な保持力で工具が保持されず、超音波が減衰して工具に伝えられることがある。他方、ロー付けが用いられた場合、十分な保持力を得ることができるために超音波の減衰が生じることはほとんどないものの、ロー付けの品質が安定せず工具の取り付け位置精度が良好でなく、しかも工具の交換を行うことが非常に難しい。また、工具の交換を行うことが非常に難しいことから、ロー付け部が摩耗したときにＰＣＤ（焼結ダイヤモンド）のような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることになる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好でないことから、事実上ロー付け後にしか工具の加工ができないために、工具の加工方法が限定されてしまうという不都合が生じることになり、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することができない。
【０００４】
そこで、本発明の主な目的は、超音波が減衰して工具に伝えられるのを抑制することができると共に、工具の取り付け位置精度が良好で且つ工具の交換が容易な超音波加工装置及びこれに用いられる超音波振動体・工具組立体を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【０００６】
請求項１によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【０００７】
【０００８】
収縮ばめとしては、焼きばめ及び冷却ばめのいずれをも用いることが可能である。例えば、焼きばめが用いられる場合には、雌側部材を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、雄側部材を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。収縮ばめにより工具を超音波振動体に取り付ける場合には、常温において雌側部材の嵌合部寸法が雄側部材の嵌合部寸法よりも同じか若干小さく且つ加熱時或いは冷却時に雌側部材の嵌合部寸法が雄側部材の嵌合部寸法よりも若干大きくなるようにしておく。そして、嵌合後に加熱或いは冷却した部材が常温に戻ると、その部材が収縮或いは膨張し両者が強固に固定される。
【０００９】
圧入は、通常、常温において行われる。圧入により工具を超音波振動体に取り付ける場合には、常温において雌側部材の嵌合部寸法を雄側部材の嵌合部寸法と同じか若干小さくしておく。そして、両者が近づく方向に比較的大きな力を加えることにより、雌側部材に対して雄側部材を圧入して工具を超音波振動体に固定する。
【００１０】
【００１１】
さらに、請求項１によると、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスよりも凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で小さく且つその奥端近傍側で大きい場合に、凹部の入口近傍側が凸部の基端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凹部の奥端近傍側が凸部の先端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００１２】
請求項２の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としてる。
【００１３】
請求項３の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００１４】
請求項２、３、及び、以下に記載する請求項６、７、１０、１１、１４、１５によると、工具及び超音波振動体のいずれか一方の周面を平行面として形成することができるので、これらの部分の加工が容易となる。
【００１５】
請求項４の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部の基端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００１６】
請求項４、及び、以下に記載する請求項８、１２、１６によると、面接触するため、工具がより安定に保持される。そのため、工具の脱落をより効果的に防止することができる。
【００１７】
例えば、請求項２のように工具の凸部周面の互いに対向する部分が平行となるように（例えば円柱形状に）形成されている場合には、超音波振動体の凹部は、その入口近傍側において互いに対向する部分が平行でその形状及び寸法が工具の凸部周面とほど同じになるように（例えば円柱形状に）形成され、奥端近傍側において入口近傍側よりも広がった末広形状とされる。他方、請求項３のように超音波振動体の凹部周面の互いに対向する部分が平行となるように（例えば円柱形状に）形成されている場合には、工具の凸部は、その基端近傍側において互いに対向する部分が平行でその形状及び寸法が超音波振動体の凹部周面とほぼ同じになるように（例えば円柱形状に）形成され、先端近傍側において基端近傍側よりも狭まった先細形状とされる。
【００１８】
請求項５の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴としている。
【００１９】
請求項５によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で大きく且つその奥端近傍側で小さい場合に、凹部の奥端近傍側が凸部の先端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその先端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凹部の入口近傍側が凸部の基端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００２０】
請求項６の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２１】
請求項７の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２２】
請求項８の超音波加工装置は、前記工具の前記凸部の先端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００２３】
請求項９の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項９によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスよりも凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の奥端近傍側で大きく且つその入口近傍側で小さい場合に、凸部の基端近傍側が凹部の入口近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凸部の先端近傍側が凹部の奥端近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凸部の先端近傍側と凹部の奥端近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００２５】
請求項１０の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２６】
請求項１１の超音波加工装置は、前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００２７】
請求項１２の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部の基端近傍側と前記工具の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００２８】
請求項１３の超音波加工装置は、超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴としている。
【００２９】
請求項１３によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜 き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。さらに、凹部の入口近傍側と凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも凹部の奥端近傍側と凸部の先端近傍側とのクリアランスを小さくしたので、超音波振動体の振幅が凹部の入口近傍側で大きく且つその奥端近傍側で小さい場合に、凸部の先端近傍側が凹部の奥端近傍側から離れるように超音波振動体が変形する際であっても、工具をその先端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、しかも、凸部の基端近傍側が凹部の入口近傍側に近づくように超音波振動体が変形する際であっても、凸部の基端近傍側と凹部の入口近傍側との離隔を保つことができるために工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【００３０】
なお、請求項１、５、９、１３のいずれの場合も収縮ばめとしては、焼きばめ及び冷却ばめのいずれをも用いることが可能であり、例えば、請求項１、５において焼きばめが用いられ場合には、超音波振動体を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、工具を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。また、請求項９、１３において焼きばめが用いられ場合には、工具を概ね３００〜４００℃程度にまで加熱してから両者を嵌合し、冷却ばめが用いられる場合には、超音波振動体を概ね−５０℃程度にまで冷却してから両者を嵌合する。
【００３１】
請求項１４の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００３２】
請求項１５の超音波加工装置は、前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴としている。
【００３３】
請求項１６の超音波加工装置は、前記超音波振動体の前記凸部の先端近傍側と前記工具の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴としている。
【００３４】
請求項１７の超音波加工装置は、前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材であることを特徴としている。
【００３５】
請求項１７によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られることが確認された。
【００３６】
請求項１８は、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体・工具組立体である。
【００３７】
請求項１８による超音波振動体・工具組立体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００３９】
〔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、この超音波加工装置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。
【００４０】
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。
【００４１】
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が備えられている。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
〔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の一端に連結している。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。
【００４５】
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。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。
【００４６】
図５の平面図に示すように、ホーン支持部２１には側方に向けて突起２５が設けられて、この突起２５の一側に、付勢体２６が工具フレーム１７に設けられている。付勢体２６は付勢バネ２８の弾発作用により、突起２５を一側に向けて常時押動するように構成されている。一方、付勢体２６に突起２５を挟んで対向する位置に、ツマミを有する角度微調整ネジ２７が工具フレーム１７に取り付けられる。
この構成において、角度微調整ネジ２７のツマミを一方向に回転させると、その先端が突起２５を前記付勢体２６に抗して押すので、ホーン支持部２１が図５の反時計回り方向に旋回される。一方、ツマミを逆方向に回転させた場合は、ネジ２７の先端が後退して、前記付勢体２６が突起２５を押すので、ホーン支持部２１は図５の時計回り方向に旋回される。従って、ネジ２７を適宜回転させることで、ホーン支持部２１の角度（即ち、ホーン２３に取り付けられた工具９の水平面内における向き）を微調整することができる。
なお、ヘッド前面には固定ネジ３６が設けられており（図３・図４）、前述の微調整作業が終了した後はこのネジ３６を回転させて締め付けることで、ホーン支持部２１が不用意に旋回しないよう固定できるようになっている。
【００４７】
〔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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
この超音波加工装置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。
【００５１】
〔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を介して振幅数μｍ程度の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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
〔カメラ部の構成〕
次に、工具９の向きを調整するために設置されるカメラ部４１を説明する。このカメラ部４１は図２に示すように、昇降テーブル１１の側方位置に設けられている。
図７に示すようにカメラ部４１は箱状のカバー３７を備えており、このカバー３７の内部にＣＣＤ式のビデオカメラ３８が、そのレンズ部３９を上に向けた状態で収められている。カバー３７の上面には透明な蓋４０が、前記レンズ部３９に対応する位置に開閉可能に設けられる。
【００５５】
この構成における工具９の向きの調整作業を説明する。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７の鎖線で示すように、カメラ３８のレンズ部３９の直上方に工具９が位置するようにすることで、工具９の向きをビデオカメラ３８で撮影することができる。撮影された映像は、装置１の適宜位置（例えば、コラム３の側方位置）に設置したモニタに、リアルタイムに表示される。オペレータはこの映像を見ながら、前述の角度微調整ネジ２７を回してホーン２３の旋回角度を微調整し、工具９の向きが適正となるよう調整することができる。
【００５６】
〔研磨装置の説明〕
更に、前記ホーン２３の工具取付面２３ａを研磨するための研磨装置４２を説明する。研磨装置４２は図２に示すように、正面視において昇降テーブル１１を挟んで前記カメラ部４１の反対側に設置されている。
この研磨装置４２の具体的な構成が図８に示される。この図に示すように研磨装置４２は、移動テーブル１０上（なお、図８においては移動テーブル１０は図略とされている）に立設された筒状のフレーム５０を備え、このフレーム５０内に回転軸５１を回転自在に軸支した構成となっている。この回転軸５１の上端にはカップ型の砥石５２が固着されている。回転軸５１の側方にはモータ５３が設置されており、該モータ５３のモータ軸５４が、前記回転軸５１と、プーリ５５・５６及びベルト５７を介して連結されている。
【００５７】
この構成における研磨作業の様子を説明する。
即ち、ホーン２３から工具９を取り外した状態で、前記移動テーブル１０を移動させ、更に、前述のモータ７を駆動して穿孔ヘッド部４を下降させる。そしてモータ５３を駆動して砥石５２を回転させるとともに、ホーン２３下面の工具取付面２３ａに対し砥石５２の上面を接触させながら、移動テーブル１０を水平に移動させることで、該工具取付面２３ａを研磨することができる。
なお、前記穿孔ヘッド部４には加圧シリンダ５８が設置されており（図３，図４）、このシリンダ５８が、ホーン２３の工具取付面２３ａを砥石５２に押し付けるために用いられる。
【００５８】
この研磨装置４２の目的を説明する。
即ち、この超音波加工装置１では、ホーン２３に工具９を取り付けて超音波振動させワーク１３に対する穿孔作業を行う場合に、工具９の周囲に供給される前記砥粒がホーン２３下面の工具取付面２３ａと工具９との間に侵入し、工具取付面２３ａが砥粒によって徐々に摩損されることが避けられない。この工具取付面２３ａの摩滅が進行すると、工具９をホーン２３に対して十分密着させながら取り付けることができなくなり、超音波振動を工具９に効率良く伝達できないために作業効率の低下を招いてしまう。
そこで本実施形態の加工装置１では、穿孔作業が所定回数行われる毎に前記研磨装置４２による研磨を行い、ホーン２３の工具取付面２３ａを削って水平とすることで、常に工具９がホーン２３に適正に密着して取り付けられるようにしているのである。
【００５９】
〔ホーンへの工具取り付け〕
次に、ホーン２３と工具９との取り付け部分について詳細に説明する。図９は、ホーン２３及び工具９の分離状態における一部を破断した拡大斜視図であり、図１０は工具９を取り付けた状態でのホーン２３の断面図である。これら図面から分かるように、ホーン２３は工具９との接続部側が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材である。このようにホーン２３が末広形状に形成されていることによって、ホーン２３が後述するずん胴形状や先細形状に形成された場合よりも優れた加工精度が得られることが本発明者によって確かめられている。なお、工具９の下側面には、被加工物に穿孔を形成するための硬い穿孔部材（例えばＰＣＤ（PolyCrystalline Diamond））９ａが取り付けられている。
【００６０】
上述したように、ホーン２３の先端にある工具取付面２３ａは研磨装置４２によって研磨されることで平坦面であることが担保されている。そして、この工具取付面２３ａの中心部付近には、工具９を取り付けるためのほぼ円柱形状の凹部６１がホーン２３の長手方向に沿って形成されている。一方、工具９の上面からは、常温において凹部６１とほぼ同じ又は若干大きな径に形成された円柱形状の凸部６２が突出している。
【００６１】
工具９は、その凸部６２がホーン２３の凹部６１に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、まず、凹部６１の径が凸部６２よりも若干大きくなるようにホーン２３を３００〜４００℃程度に加熱し、そして、ホーン２３の温度が低下する前に、凸部６２を凹部６１に嵌合する。しかる後、ホーン２３が常温に戻って凹部６１が収縮しその径が凸部６２と同じかそれよりも若干小さくなると、工具９はホーン２３に対して強固に取り付けられる。
【００６２】
このように、本実施の形態の超音波加工装置１では、工具９が焼きばめによりホーン２３に取り付けられているために、十分な保持力で工具９が保持されることになって超音波が減衰して工具９に伝えられることがなくなる。また、再度ホーン２３を加熱することなどにより工具９の交換を容易に行うことが可能になり、しかも凹部６１及び凸部６２の寸法精度を向上させることで、工具９の取り付け位置精度が良好なものとなる。
【００６３】
また、工具９の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具９が使い捨てになってしまうという不都合を回避することができる。さらに、工具９の取り付け位置精度が良好であるために、ホーン２３への取り付け前に工具９の加工を行うことが可能となって、工具９の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。このように、本実施の形態によると、超音波加工装置１が非常に使い勝手のよいものとなる。
【００６４】
本実施の形態において、ホーン２３はその先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。図１１（ａ）、（ｂ）は、そのときのホーン２３の先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図１１（ａ）はホーン２３が縮んだ状態、図１１（ｂ）はホーン２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図１１（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン２３の先端にある工具取付面２３ａが振動の節になっているために、凹部６１の入口近傍部６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部６１の奥端近傍部６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【００６５】
そこで、本実施の形態では、図１０の要部拡大図である図１２に示すように、凹部６１の奥端近傍部６１ａがその入口近傍部６１ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１の奥端近傍部６１ａと凸部６２の先端近傍部６２ａとのクリアランスＬ１が、凹部６１の入口近傍部６１ｂと凸部６２の基端近傍部６２ｂとのクリアランスＬ２よりも大きくなっている。
【００６６】
常温でのクリアランスＬ２は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１の入口近傍部６１ｂは凸部６２の基端近傍部６２ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１の入口近傍部６１ｂの径は凸部６２の基端近傍部６２ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００６７】
これにより、上述のようにホーン２３がその先端が節となるような条件で超音波振動することによりホーン２３の振幅が凹部６１の入口近傍部６１ｂで小さく且つその奥端近傍部６１ａで大きくなる場合に、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１の入口近傍部６１ｂが凸部６２の基端近傍部６２ｂから離れるようにホーン２３が変形する際であっても、工具９をその基端近傍部６２ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１の奥端近傍部６１ａが凸部６２の先端近傍部６２ａに近づくようにホーン２３が変形する際であっても、凹部６１の奥端近傍部６１ａと凸部６２の先端近傍部６２ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００６８】
また、本実施の形態では、凸部６２は、周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状に形成されているので、異形成形される場合と比較して凸部６２を容易に形成することができるようになっている。
【００６９】
また、本実施の形態では、工具９の凸部６２はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１の入口近傍部６１ｂは凸部６２とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２の基端近傍部６２ｂと凹部６１の入口近傍部６１ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００７０】
なお、本実施の形態では、焼きばめにより工具９をホーン２３に取り付けているが、焼きばめの代わりに冷却ばめを用いてもよい。その場合、工具９を−５０℃程度に冷却し収縮させた状態でその凸部６２をホーン２３の凹部６１にはめ込む。しかる後、工具９が常温に戻って凸部６２が膨張しその径が凹部６１の入口近傍部６１ｂと同じかそれよりも若干大きくなると、工具９はホーン２３に対して強固に取り付けられる。
【００７１】
また、焼きばめや冷却ばめのような収縮ばめに代えて、常温での圧入により工具９をホーン２３に取り付けてもよい。ただし、上述したような収縮ばめを用いる方が、工具９の取付安定性の面で優れている。
【００７２】
また、ロー付けを用いないことにより、図１０に示すように、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔６７を工具９に形成し、この貫通孔６７に対して、ホーン２３の内側に設けられた加工液通路６８を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具９の交換性を損なうことなく加工液を工具９の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【００７３】
〔ホーンへの工具取り付け（第１変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第１変形例について、図１３に基づいて説明する。図１３は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１１は、その入口近傍部６１１ｂから奥端近傍部６１１ａに近づくほど比例的に径が大きくなるように形成された逆円錐台形状を有している。一方、凸部６２１は、上述した凸部６２と同じく、円柱形状を有している。そして、凹部６１１の入口近傍部６１１ｂの径は常温において凸部６２１とほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２１がホーン２３の凹部６１１に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００７４】
また、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａがその入口近傍部６１１ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａと凸部６２１の先端近傍部６２１ａとのクリアランスＬ３が、凹部６１１の入口近傍部６１１ｂと凸部６２１の基端近傍部６２１ｂとのクリアランスＬ４よりも大きくなっている。
【００７５】
常温でのクリアランスＬ４は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１１の入口近傍部６１１ｂは凸部６２１の基端近傍部６２１ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１１の入口近傍部６１１ｂの径は凸部６２１の基端近傍部６２１ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００７６】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２１ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１１の奥端近傍部６１１ａと凸部６２１の先端近傍部６２１ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００７７】
なお、本変形例では、凸部６２の基端近傍部６２ｂと凹部６１の入口近傍部６１ｂとは、凸部６２の最基端部において平面視円状に接触している。そのため、工具９の安定保持という点で、図１２で説明した実施の形態に劣っている。
【００７８】
〔ホーンへの工具取り付け（第２変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第２変形例について、図１４に基づいて説明する。図１４は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１２は、入口近傍部６１２ｂから奥端近傍部６１２ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２２は、基端近傍部６２２ｂが円柱形状で先端近傍部６２２ａが円錐台形状となるように形成されている。そして、凹部６１２の径は常温において凸部６２２の基端近傍部６２２ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２２がホーン２３の凹部６１２に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００７９】
また、凸部６２２の先端近傍部６２２ａがその基端近傍部６２２ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１２の奥端近傍部６１２ａと凸部６２２の先端近傍部６２２ａとのクリアランスＬ５が、凹部６１２の入口近傍部６１２ｂと凸部６２２の基端近傍部６２２ｂとのクリアランスＬ６よりも大きくなっている。
【００８０】
常温でのクリアランスＬ６は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１２の入口近傍部６１２ｂは凸部６２２の基端近傍部６２２ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１２の入口近傍部６１２ｂの径は凸部６２２の基端近傍部６２２ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００８１】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２２ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１２の奥端近傍部６１２ａと凸部６２２の先端近傍部６２２ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００８２】
また、本変形例では、凸部６２２の基端近傍部６２２ｂと凹部６１２の入口近傍部６１２ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００８３】
〔ホーンへの工具取り付け（第３変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第３変形例について、図１５に基づいて説明する。図１５は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例による凹部６１３は、入口近傍部６１３ｂから奥端近傍部６１３ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２３は、基端近傍部６２３ｂから先端近傍部６２３ａに近づくほど比例的に径が小さくなるように形成された逆円錐台形状を有している。そして、凹部６１３の径は常温において凸部６２３の基端近傍部６２３ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具９は、その凸部６２３がホーン２３の凹部６１３に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００８４】
また、凸部６２３の先端近傍部６２３ａがその基端近傍部６２３ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１３の奥端近傍部６１３ａと凸部６２３の先端近傍部６２３ａとのクリアランスＬ７が、凹部６１３の入口近傍部６１３ｂと凸部６２３の基端近傍部６２３ｂとのクリアランスＬ８よりも大きくなっている。
【００８５】
常温でのクリアランスＬ７は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１３の入口近傍部６１３ｂは凸部６２３の基端近傍部６２３ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１３の入口近傍部６１３ｂの径は凸部６２３の基端近傍部６２３ｂの径にほぼ等しくなっている。
【００８６】
これにより、先端が節となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその基端近傍部６２３ｂにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１３の奥端近傍部６１３ａと凸部６２３の先端近傍部６２３ａとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００８７】
〔ホーンへの工具取り付け（第４変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第４変形例について、図１６に基づいて説明する。図１６は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例でも、工具９は、その凸部６２４がホーン２３の凹部６１４に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００８８】
また、本変形例においてホーン２３はその先端付近が腹で凹部６１４の最奥端部付近が節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、凹部６１４の奥端近傍部６１４ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【００８９】
そこで、本変形例では、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂがその奥端近傍部６１４ａよりも大径に形成されることにより、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂと凸部６２４の基端近傍部６２４ｂとのクリアランスＬ９が、凹部６１４の奥端近傍部６１４ａと凸部６２４の先端近傍部６２４ａとのクリアランスＬ１０よりも大きくなるようにしている。
【００９０】
常温でのクリアランスＬ１０は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１４の奥端近傍部６１４ａは凸部６２４の先端近傍部６２４ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１４の奥端近傍部６１４ａの径は凸部６２４の先端近傍部６２４ａの径にほぼ等しくなっている。
【００９１】
これにより、上述のようにホーン２３がその先端付近が腹となるような条件で超音波振動することによりホーン２３の振幅が凹部６１４の入口近傍部６１４ｂで大きく且つその奥端近傍部６１４ａで小さくなる場合に、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１４の奥端近傍部６１４ａが凸部６２４の先端近傍部６２４ａから離れるようにホーン２３が変形する際であっても、工具９をその先端近傍部６２４ａにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン２３の伸縮に伴って凹部６１４の入口近傍部６１４ｂが凸部６２４の基端近傍部６２４ｂに近づくようにホーン２３が変形する際であっても、凹部６１４の入口近傍部６１４ｂと凸部６２４の基端近傍部６２４ｂとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００９２】
また、本変形例では、工具９の凸部６２４はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１４の奥端近傍部６１４ａは凸部６２４とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２４の先端近傍部６２４ａと凹部６１４の奥端近傍部６１４ａとは、互いに面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００９３】
〔ホーンへの工具取り付け（第５変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第４変形例について、図１７に基づいて説明する。図１７は、本変形例による図１２に対応した図１０の要部拡大図である。本変形例でも、工具９は、その凸部６２５がホーン２３の凹部６１５に焼きばめされることによってホーン２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述したものと同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具９をホーン２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【００９４】
また、凸部６２５の基端近傍部６２５ｂがその先端近傍部６２５ａよりも小径に形成されることにより、凹部６１５の入口近傍部６１５ｂと凸部６２５の基端近傍部６２５ｂとのクリアランスＬ１１が、凹部６１５の奥端近傍部６１５ａと凸部６２５の先端近傍部６２５ａとのクリアランスＬ１２よりも大きくなっている。
【００９５】
常温でのクリアランスＬ１２は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１５の奥端近傍部６１５ａは凸部６２５の先端近傍部６２５ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１５の奥端近傍部６１５ａの径は凸部６２５の先端近傍部６２５ａの径にほぼ等しくなっている。
【００９６】
これにより、先端付近が腹となるような条件でホーン２３が超音波振動させられる場合、工具９をその先端近傍部６２５ａにおいてホーン２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン２３から工具９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１５の入口近傍部６１５ｂと凸部６２５の基端近傍部６２５ｂとの離隔を保つことができるために工具９及び／又はホーン２３が変形や破損することが少なくなる。
【００９７】
また、本変形例では、工具９の凸部６２５の先端近傍部６２５ａはその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン２３の凹部６１５は凸部６２５の先端近傍部６２５ａとほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２５の先端近傍部６２５ａと凹部６１５の奥端近傍部６１５ａとは、互いに面接触している。そのため、工具９がより安定に保持され、工具９の脱落をより効果的に防止することができる。
【００９８】
〔ホーンへの工具取り付け（第６変形例）〕
次に、ホーン及び工具の第６変形例について、図１８及び図１９に基づいて説明する。図１８は本変形例による工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。図１９は、図１２に対応した図１８の要部拡大図である。なお、以下の変形例では、ホーンを符号１２３で、工具を符号１０９で表すものとする。本変形例においては、ホーン１２３の先端の工具取付面１２３ａに、ホーン長手方向に沿って下方に突出した円柱形状の凸部６２６が設けられている。一方、工具１０９の上面中央部には、常温において凸部６２６とほぼ同じ又は若干小さな径に形成された凹部６１６が設けられている。
【００９９】
工具１０９は、その凹部６１６にホーン１２３の凸部６２６が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、まず、凹部６１６の径が凸部６２６よりも若干大きくなるように工具１０９を５００℃程度に加熱し、そして、工具１０９の温度が低下する前に、凸部６２６を凹部６１６に嵌合する。しかる後、工具１０９が常温に戻って凹部６１６が収縮しその径が凸部６２６と同じかそれよりも若干小さくなると、工具１０９はホーン１２３に対して強固に取り付けられる。
【０１００】
このように、本変形例では、工具１０９が焼きばめによりホーン１２３に取り付けられているために、十分な保持力で工具１０９が保持されることになって超音波が減衰して工具１０９に伝えられることがなくなる。また、再度工具１０９を加熱することなどにより工具１０９の交換を容易に行うことが可能になり、しかも凹部６１６及び凸部６２６の寸法精度を向上させることで、工具１０９の取り付け位置精度が良好なものとなる。
【０１０１】
また、工具１０９の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具１０９が使い捨てになってしまうという不都合を回避することができる。さらに、工具１０９の取り付け位置精度が良好であるために、ホーン１２３への取り付け前に工具１０９の加工を行うことが可能となって、工具１０９の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。このように、本変形例でも超音波加工装置１が非常に使い勝手のよいものとなる。
【０１０２】
本変形例において、ホーン１２３は凸部６２６の基端部である工具取付面１２３ａが節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、ホーン１２３の先端にある工具取付面１２３ａが振動の節になっているために、凸部６２６の基端近傍部６２６ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２６の先端近傍部６２６ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１０３】
そこで、本変形例では、図１２に示すように、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａがその入口近傍部６１６ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａと凸部６２６の先端近傍部６２６ａとのクリアランスＬ１３が、凹部６１６の入口近傍部６１６ｂと凸部６２６の基端近傍部６２６ｂとのクリアランスＬ１４よりも大きくなっている。
【０１０４】
常温でのクリアランスＬ１４は、工具９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１６の入口近傍部６１６ｂは凸部６２６の基端近傍部６２６ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１６の入口近傍部６１６ｂの径は凸部６２６の基端近傍部６２６ｂの径にほぼ等しくなっている。
【０１０５】
これにより、上述のようにホーン１２３が工具取付面１２３ａが節となるような条件で超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凸部６２６の基端近傍部６２６ｂで小さく且つその先端近傍部６２６ａで大きくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２６の基端近傍部６２６ｂが凹部６１６の入口近傍部６１６ｂから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその入口近傍部６１６ｂにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２６の先端近傍部６２６ａが凹部６１６の奥端近傍部６１６ａに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１６の奥端近傍部６１６ａと凸部６２６の先端近傍部６２６ａとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１０６】
また、本変形例では、周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状に凸部６２６が形成されているので、異形成形される場合と比較して凸部６２６を容易に形成することができるようになっている。
【０１０７】
また、本変形例では、ホーン１２３の凸部６２６はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、工具１０９の凹部６１６の入口近傍部６１６ｂは凸部６２６とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２６の基端近傍部６２６ｂと凹部６１６の入口近傍部６１６ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１０８】
〔ホーンへの工具取り付け（第７変形例）〕
次に、ホーン１２３及び工具１０９の第７変形例について、図２０に基づいて説明する。図２０は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例による凹部６１７は、入口近傍部６１７ｂから奥端近傍部６１７ａまでほぼ同径に形成された円柱形状を有している。一方、凸部６２７は、基端近傍部６２７ｂが円柱形状で先端近傍部６２７ａが円錐台形状となるように形成されている。そして、凹部６１７の径は常温において凸部６２７の基端近傍部６２７ｂとほぼ同じ又は若干小さく形成されている。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１７にホーン２３の凸部６２７が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１０９】
また、凸部６２７の先端近傍部６２７ａがその基端近傍部６２７ｂよりも小径に形成されることにより、凹部６１７の奥端近傍部６１７ａと凸部６２７の先端近傍部６２７ａとのクリアランスＬ１５が、凹部６１７の入口近傍部６１７ｂと凸部６２７の基端近傍部６２７ｂとのクリアランスＬ１６よりも大きくなっている。
【０１１０】
常温でのクリアランスＬ１６は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１７の入口近傍部６１７ｂは凸部６２７の基端近傍部６２７ｂから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１７の入口近傍部６１７ｂの径は凸部６２７の基端近傍部６２７ｂの径にほぼ等しくなっている。
【０１１１】
これにより、凸部６２７の基端部である工具取付面１２３ａが節となるような条件でホーン１２３が超音波振動させられる場合、工具１０９をその基端近傍部６２７ｂにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、凹部６１７の奥端近傍部６１７ａと凸部６２７の先端近傍部６２７ａとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１１２】
また、本変形例では、凸部６２７の基端近傍部６２７ｂと凹部６１７の入口近傍部６１７ｂとは、互いに帯状に面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１１３】
〔ホーンへの工具取り付け（第８変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第８変形例について、図２１に基づいて説明する。図２１は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１８にホーン１２３の凸部６２８が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１１４】
また、本変形例においてホーン１２３は凸部６２８の最先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。図２２（ａ）、（ｂ）は、そのときのホーン１２３の先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２２（ａ）はホーン１２３が縮んだ状態、図２２（ｂ）はホーン１２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２２（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン１２３の凸部６２８の最先端が振動の節になっているために、凸部６２８の先端近傍部６２８ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２８の基端近傍部６２８ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１１５】
そこで、本変形例では、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂがその奥端近傍部６１８ａよりも大径に形成されることにより、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂと凸部６２８の基端近傍部６２８ｂとのクリアランスＬ１７が、凹部６１８の奥端近傍部６１８ａと凸部６２８の先端近傍部６２８ａとのクリアランスＬ１８よりも大きくなるようにしている。
【０１１６】
常温でのクリアランスＬ１８は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１８の奥端近傍部６１８ａは凸部６２８の先端近傍部６２８ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１８の奥端近傍部６１８ａの径は凸部６２８の先端近傍部６２８ａの径にほぼ等しくなっている。
【０１１７】
これにより、上述のようにホーン１２３が凸部６２８の最先端が節となるような条件で超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凹部６１８の入口近傍部６１８ｂで大きく且つその奥端近傍部６１８ａで小さくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２８の先端近傍部６２８ａが凹部６１８の奥端近傍部６１８ａから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその奥端近傍部６１８ａにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凹部６１８の入口近傍部６１８ｂが凸部６２８の基端近傍部６２８ｂに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１８の入口近傍部６１８ｂと凸部６２８の基端近傍部６２８ｂとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１１８】
また、本変形例では、ホーン１２３の凸部６２８はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、工具１０９の凹部６１８の奥端近傍部６１８ａは凸部６２８とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２８の先端近傍部６２８ａと凹部６１８の奥端近傍部６１８ａとは、互いに面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１１９】
〔ホーンへの工具取り付け（第９変形例）〕
次に、図１２で説明したホーン２３及び工具９の第９変形例について、図２３に基づいて説明する。図２３は、本変形例による図１９に対応した図１８の要部拡大図である。本変形例でも、工具１０９は、その凹部６１９にホーン１２３の凸部６２９が焼きばめされることによってホーン１２３に取り付けられている。焼きばめの具体的な手順は、上述した第６変形例と同じであり、本変形例の場合も、焼きばめを行って工具１０９をホーン１２３に取り付けることにより、上述したのと同様の利点が得られる。
【０１２０】
また、本変形例においてホーン１２３は凸部６２９の最先端が節となるような条件で超音波振動させられるとする。このとき、凸部６２９の先端近傍部６２９ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部６２９の基端近傍部６２９ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン１２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。
【０１２１】
また、凸部６２９の先端近傍部６２９ａがその基端近傍部６２９ｂよりも大径に形成されることにより、凹部６１２の入口近傍部６１９ｂと凸部６２９の基端近傍部６２９ｂとのクリアランスＬ１９が、凹部６１９の奥端近傍部６１９ａと凸部６２９の先端近傍部６２９ａとのクリアランスＬ２０よりも大きくなっている。
【０１２２】
常温でのクリアランスＬ２０は、工具１０９が脱落しないように実際には実質的にゼロであって凹部６１９の奥端近傍部６１９ａは凸部６２９の先端近傍部６２９ａから受ける外側への力によって弾性的にやや拡径されている。このように、焼きばめされた状態では凹部６１９の奥端近傍部６１９ａの径は凸部６２９の先端近傍部６２９ａの径にほぼ等しくなっている。
【０１２３】
これにより、上述のように凸部６２９の最先端が節となるような条件でホーン１２３が超音波振動することによりホーン１２３の振幅が凹部６１９の入口近傍部６１９ｂで大きく且つその奥端近傍部６１９ａで小さくなる場合に、ホーン１２３の伸縮に伴って凸部６２９の先端近傍部６２９ａが凹部６１９の奥端近傍部６１９ａから離れるようにホーン１２３が変形する際であっても、工具１０９をその奥端近傍部６１９ａにおいてホーン１２３によって高い信頼性で保持させることが可能となってホーン１２３から工具１０９が脱落することが少なくなる。しかも、ホーン１２３の伸縮に伴って凹部６１９の入口近傍部６１９ｂが凸部６２９の基端近傍部６２９ｂに近づくようにホーン１２３が変形する際であっても、凹部６１９の入口近傍部６１９ｂと凸部６２９の基端近傍部６２９ｂとの離隔を保つことができるために工具１０９及び／又はホーン１２３が変形や破損することが少なくなる。
【０１２４】
また、本変形例では、工具１０９の凹部６１９はその周面の互いに対向する部分が平行な円柱形状となっており、ホーン１２３の凸部６２９の先端近傍部６２９ａは凹部６１９とほぼ同径を有する円柱形状となっている。つまり、凸部６２９の先端近傍部６２９ａと凹部６１９の奥端近傍部６１９ａとは、互いに面接触している。そのため、工具１０９がより安定に保持され、工具１０９の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１２５】
〔ホーンの変形例〕
次に、ホーンの変形例について説明する。上述した実施の形態及びホーンへの工具取り付けに関する第１〜第９の変形例では、ホーンを、工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状であるとした。しかしながら、ホーンは様々な形状をとることができる。図２４（ａ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部と同径となったずん胴形状を有するホーン２２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。また、図２４（ｂ）は、工具９が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも小径となった先細形状を有するホーン３２３の、工具９との分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【０１２６】
図２５（ａ）、（ｂ）は、図２４（ａ）に示すホーン２２３をその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２５（ａ）はホーン２２３が縮んだ状態、図２５（ｂ）はホーン２２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２５（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン２２３の先端にある工具取付面２２３ａが振動の節になっているために、凹部２６１の入口近傍部２６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン２２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部２６１の奥端近傍部２６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン２２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン２２３の先端にある工具取付面２２３ａ付近を振動の腹として、凹部２６１の入口近傍部２６１ｂでの振幅を大きく、凹部２６１の奥端近傍部２６１ａでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凹部２６１が設けられたずん胴型ホーン２２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２７】
図２６（ａ）、（ｂ）は、図２４（ｂ）に示すホーン３２３をその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２６（ａ）はホーン３２３が縮んだ状態、図２６（ｂ）はホーン３２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２６（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン３２３の先端にある工具取付面３２３ａが振動の節になっているために、凹部３６１の入口近傍部３６１ｂでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン３２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凹部３６１の奥端近傍部３６１ａでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン３２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン３２３の先端にある工具取付面３２３ａ付近を振動の腹として、凹部３６１の入口近傍部３６１ｂでの振幅を大きく、凹部３６１の奥端近傍部３６１ａでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凹部３６１が設けられた先細型ホーン３２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２８】
また、図２７（ａ）、（ｂ）に示すのは、図１８に示すように先端に凸部が設けられたずん胴型ホーンをその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２７（ａ）はホーン４２３が縮んだ状態、図２７（ｂ）はホーン４２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２７（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン４２３の凸部４６１の先端近傍部４６１ａが振動の節になっているために、凸部４６１の先端近傍部４６１ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン４２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部４６１の基端近傍部４６１ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン４２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン４２３の凸部４６１の先端近傍部４６１ａ付近を振動の腹として、凸部４６１の先端近傍部４６１ａでの振幅を大きく、凸部４６１の基端近傍部４６１ｂでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凸部４６１が設けられたずん胴型ホーン４２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１２９】
また、図２８（ａ）、（ｂ）に示すのは、図１８に示すように先端に凸部が設けられた先細型ホーンをその先端が節となるような条件で超音波振動させたときの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図であって、図２８（ａ）はホーン５２３が縮んだ状態、図２８（ｂ）はホーン５２３が伸びた状態をそれぞれ示している。図２８（ａ）、（ｂ）から分かるように、ホーン５２３の凸部５６１の先端近傍部５６１ａが振動の節になっているために、凸部５６１の先端近傍部５６１ａでの振幅は小さくその長手方向と直交する方向に関するホーン５２３の伸縮による寸法変動は比較的小さい。ところが、凸部５６１の基端近傍部５６１ｂでの振幅は大きく、その長手方向と直交する方向に関するホーン５２３の伸縮による寸法変動は比較的大きい。また、超音波振動の条件を変更することにより、これとは逆に、ホーン５２３の凸部５６１の先端近傍部５６１ａ付近を振動の腹として、凸部５６１の先端近傍部５６１ａでの振幅を大きく、凸部５６１の基端近傍部５６１ｂでの振幅を小さくすることもできる。従って、この先端に凸部５６１が設けられた先細型ホーン５２３についても、上述した実施の形態及び第１〜第９の変形例と同様に、振動モードに応じて成形された工具を用いることにより、上述したのと同様の利益を得ることができる。
【０１３０】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、焼きばめに代えて、冷却ばめを行ってもよい。また、焼きばめに代えて圧入を行ってもよい。また、焼きばめ時の加熱温度や冷却ばめ時の冷却温度としては、設計に応じた最適温度を適宜選択することができる。
【０１３１】
また、ホーン及び工具並びに凹部及び凸部の具体的な形状や材質などは用途などに応じて適宜変更してよい。また、上述の実施の形態では超音波振動体としてホーンを用いているが、ホーンを用いず、超音波振動子やその他の超音波振動体に工具を取り付けるようにしてもよい。
【０１３２】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、５、９、１３によると、工具が収縮ばめ又は圧入により超音波振動体に取り付けられているために、十分な保持力で工具が保持されることになって超音波が減衰して工具に伝えられるのが抑制されるとともに、工具の交換を容易に行うことが可能になり、しかも工具の取り付け位置精度が良好なものとなる。また、工具の交換を容易に行うことが可能であるために、ロー付けで工具を取り付けた場合のように、ＰＣＤのような高価な部材を用いた工具が使い捨てになってしまうという不都合が生じることがなくなる。さらに、工具の取り付け位置精度が良好であるために、取り付け前に工具の加工を行うことが可能となって、工具の加工方法に関する限定が少なくなって、例えば、ワイヤーカット技術を用いた抜き加工を行って抜けた穴などの形状を形成することが可能となる。また、ロー付けを用いないことにより、例えば、工具の加工面に開口する少なくとも一つの貫通孔を工具に形成し、この貫通孔に対して、超音波振動体の内側に設けられた加工液通路を介して加工液を供給する構成を採用した場合、工具の交換性を損なうことなく加工液を工具の加工面のすべてに良好に供給することが可能となる。
【０１３３】
さらに、請求項１、５、９、１３によると、工具をその基端近傍側において超音波振動体によって高い信頼性で保持させることが可能となって超音波振動体から工具が脱落することが少なくなり、工具及び／又は超音波振動体が変形や破損することが少なくなる。
【０１３４】
請求項２、３、６、７、１０、１１、１４、１５によると、工具及び超音波振動体のいずれか一方の周面を平行面として形成することができるので、これらの部分の加工が容易となる。
【０１３５】
請求項４、８、１２、１６によると、面接触するため、工具がより安定に保持される。そのため、工具の脱落をより効果的に防止することができる。
【０１３６】
請求項１７によると、超音波振動体が末広形状を有する長手部材であることより、例えば超音波振動体がずん胴形状や先細形状を有する長手部材である場合と比較して優れた加工精度が得られる。
【０１３７】
そして、請求項１８による超音波振動体・工具組立体は、上述した超音波加工装置と共に用いるのに好適である。
【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である。
【図２】 同じく正面図である。
【図３】 穿孔ヘッド部の側面図一部断面図である。
【図４】 同じく正面図である。
【図５】 同じく平面断面図である。
【図６】 昇降テーブルの側面断面図である。
【図７】 カメラ部の側面断面図である。
【図８】 研磨装置の正面断面図である。
【図９】 図１に示す超音波穿孔装置に使用される末広形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図１０】 工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。
【図１１】 ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図１２】 図１０の要部拡大図である。
【図１３】 ホーン及び工具の第１変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１４】 ホーン及び工具の第２変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１５】 ホーン及び工具の第３変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１６】 ホーン及び工具の第４変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１７】 ホーン及び工具の第５変形例について説明するための要部拡大図である。
【図１８】 ホーン及び工具の第６変形例における、工具を取り付けた状態でのホーンの断面図である。
【図１９】 図１８の要部拡大図である。
【図２０】 ホーン及び工具の第７変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２１】 ホーン及び工具の第８変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２２】 第８変形例において、ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２３】 ホーン及び工具の第９変形例について説明するための要部拡大図である。
【図２４】 先端に凹部が設けられたずん胴形状及び先細形状を有するホーン及び工具の分離状態における一部を破断した拡大斜視図である。
【図２５】 先端に凹部が設けられたずん胴型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２６】 先端に凹部が設けられた先細型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２７】 先端に凸部が設けられたずん胴型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【図２８】 先端に凸部が設けられた先細型ホーンの先端近傍部での超音波振動を振動変位の大きさに応じて区分けした模式図である。
【符号の説明】
１ 超音波加工装置
２ 基台
３ コラム
４ 穿孔ヘッド部
８ 連結体
９ 工具
１０ 移動テーブル
１１ 昇降テーブル
１２ ワーク台
１３ ワーク
１４ 基部フレーム
１６ バランス体
１７ 工具フレーム
１８ エアシリンダ
１９ シリンダロッド
２１ ホーン支持部
２３ ホーン
２３ａ 工具取付面
２４ 超音波振動子
２６ 付勢体
２７ 角度微調整ネジ
２９ 基部フレーム
３１ 昇降フレーム
３３ 変位センサ
３４ クランプ機構
３８ ビデオカメラ
４１ カメラ部
４２ 研磨装置
４３ カバー
４７ 中継パイプ
４８ 供給孔
４９ 案内棒
６１ 凹部
６１ａ 奥端近傍部
６１ｂ 入口近傍部
６２ 凸部
６２ａ 先端近傍部
６２ｂ 基端近傍部
Claims (18)
- 超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、
前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、
前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。 - 前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
- 前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置。
- 前記工具の前記凸部の基端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴とする請求項２又は３に記載の超音波加工装置。
- 超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、
前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、
前記収縮ばめ又は圧入は前記工具に形成された凸部が前記超音波振動体の先端に設けられた平坦面に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。 - 前記工具の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波加工装置。
- 前記超音波振動体の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の超音波加工装置。
- 前記工具の前記凸部の先端近傍側と前記超音波振動体の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴とする請求項６又は７に記載の超音波加工装置。
- 超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、
前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、
前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも大きくなるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。 - 前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波加工装置。
- 前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項９に記載の超音波加工装置。
- 前記超音波振動体の前記凸部の基端近傍側と前記工具の前記凹部の入口近傍側とが互いに面接触していることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の超音波加工装置。
- 超音波振動体に取り付けられた工具を超音波振動させ、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、
前記工具が収縮ばめ又は圧入により前記超音波振動体に取り付けられ、
前記収縮ばめ又は圧入は前記超音波振動体に形成された凸部が前記工具に形成された凹部に挿入されたものであると共に、前記凸部及び前記凹部は、前記凹部の奥端近傍側と前記凸部の先端近傍側とのクリアランスが前記凹部の入口近傍側と前記凸部の基端近傍側とのクリアランスよりも小さくなるように形成されていることを特徴とする超音波加工装置。 - 前記超音波振動体の前記凸部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記工具の前記凹部はその奥端近傍側が入口近傍側よりも小さなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波加工装置。
- 前記工具の前記凹部はその周面の互いに対向する部分が平行となるように形成されていると共に、前記超音波振動体の前記凸部はその先端近傍側が基端近傍側よりも大きなサイズとなるように形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の超音波加工装置。
- 前記超音波振動体の前記凸部の先端近傍側と前記工具の前記凹部の奥端近傍側とが互いに面接触していることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の超音波加工装置。
- 前記超音波振動体は、前記工具が取り付けられる先端近傍部が中央部よりも大径となった末広形状を有する長手部材であることを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の超音波加工装置。
- 請求項１〜１７のいずれか１項に記載の超音波加工装置に用いられる超音波振動体・工具組立体。
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