JP4620370B2

JP4620370B2 - 円盤状ブレード及び切断装置

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Description

本発明は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる円盤状のブレード及び切断装置に関する。

ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状のブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。

図１は、特許文献１に記載の従来の切断装置の構成例を示す正面図であり、そして図２は、図１の切断装置の側面図である。図１及び図２に示す切断装置１０は、回転駆動装置１１、回転駆動装置１１の回転軸１２に取り付けられた第一のフランジ１３、円盤状のブレード１４、及び第二のフランジ１５、そしてこれらのフランジによりブレードを締め付け固定するためのナット１６から構成されている。そして切断装置１０の回転駆動装置１１を作動させて円盤状のブレード１４を回転させながら、その外縁端部を加工対象物に押し付けることにより、加工対象物の切断あるいは溝入れが行なわれる。

一方、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削する方法は知られている。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、例えば、非特許文献１に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さいために、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。

特許文献２には、円盤状のブレードを回転させる回転軸に超音波振動子が付設された構成の切断装置が開示されている。この切断装置は、円盤状のブレードを回転させ、かつ超音波振動子にて発生させた超音波振動を回転軸を介して円盤状のブレードに付与しながら、ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する。この切断装置のブレードは、円盤状の振動伝達方向変換器とナットとにより締め付けられた状態で回転軸の先端に固定される。回転軸に付設された超音波振動子は、回転軸の長さ方向に振動する超音波振動を発生させ、この超音波振動は振動伝達方向変換器によりブレードの径を拡縮させる方向に振動する超音波振動へと変換され、ブレードに付与される。超音波振動の伝達方向を変換するため、回転軸や振動伝達方向変換器は、これらを伝わる超音波の振動解析により所定の形状に設計される。
特開平８−１２７０２３号公報特開２０００−２１０９２８号公報超音波便覧編集委員会，「超音波便覧」，丸善株式会社、平成１１年８月，ｐ６７９−６８４

上記の特許文献２に記載の切断装置においては、ブレードに付与する超音波振動の振動方向や振動数などを変更する場合には、超音波の振動解析を再度行なって回転軸や振動伝達方向変換器の形状を設計し直す必要がある。また、この切断装置は、振動方向変換器とナットとによるブレードの締め付け力の強弱により、ブレードに伝わる超音波振動の量が変動し易い。ブレードに伝わる超音波振動の量が変動すると、ブレードの切断性能が不安定となる。

本発明の目的は、優れた切断性能を安定して示す円盤状のブレードを提供することにある。
本発明の目的はまた、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供することにもある。

本発明は、回転軸が嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードの少なくとも一方の表面に、上記ブレードと同軸に円環状の圧電体とこの圧電体の表面に付設された円環状の電極とからなる円環状の超音波振動子を固定してなる円盤状ブレードにある。

本発明の円盤状ブレードの好ましい態様は、下記の通りである。
（１）円盤状のブレードの両面に超音波振動子が固定されている。
（２）円環状の電極が、圧電体の円盤状のブレードの表面側とは逆側の表面に付設されており、そして円環状の電極がその円環の円周方向に沿って二以上の電極片に分割されている。
（３）円環状の超音波振動子が、その円環の円周方向に沿って二以上の超音波振動子片に分割されている。さらに好ましくは、円環状の超音波振動子が二以上の超音波振動子片に等分割されている。
（４）超音波振動子の表面が、絶縁性材料により覆われている。

本発明はまた、回転駆動装置の回転軸に、上記本発明の円盤状ブレードをその透孔に前記回転軸を嵌め合わせて固定し、そして交流電源をこのブレードの超音波振動子に電気的に接続してなる切断装置にもある。

本発明の切断装置の好ましい態様は、下記の通りである。
（１）交流電源が、駆動装置の回転軸に付設されたスリップリングを介してブレードの超音波振動子に電気的に接続されている。
（２）交流電源が、駆動装置の回転軸に付設されたコイル及びこのコイルと間隔をあけて配置された少なくとも一つのマグネットからなる発電機であり、この発電機のコイルがブレードの超音波振動子に電気的に接続されている。
（３）交流電源が、駆動装置の回転軸の先端に付設されたロータリートランスを介してブレードの超音波振動子に電気的に接続されている。

本発明はまた、上記本発明の切断装置の回転駆動装置を作動させて円盤状のブレードを回転させ、かつ交流電源により超音波振動子に交流電圧を印加することにより発生する超音波振動を該ブレードに付与しながら、該ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する方法にもある。

本発明の円盤状ブレードは、円盤状のブレードの表面に超音波振動子が直接固定されているため、回転駆動装置へのブレードの取り付け具合の影響を受けることなく、その超音波振動子にて発生した超音波振動を効率良く且つ安定に円盤状のブレードに付与することができる。このため、本発明の円盤状ブレード及びこのブレードを備えた切断装置は、優れた切断性能を安定して示す。

また、本発明の切断装置は、従来の切断装置が備えるブレードに代えて、上記円盤状ブレードを取り付けることによって構成できるため、その設計が容易である。また切断装置に用いる本発明の円盤状ブレードは、その超音波振動子の振動方向の設定によって円盤状のブレードの振動方向や振動数などを容易に変更することができる。このため本発明の切断装置は、円盤状のブレードの振動方向や振動数などを変更する際には、これらに対応する超音波振動子を備えたブレードを回転駆動装置に取り付けるだけで良く、新たに切断装置の全体を設計し直す必要がないという利点も有している。

本発明の円盤状ブレードを、添付の図面を用いて説明する。図３は、本発明の円盤状ブレードの構成例を示す正面図であり、そして図４は、図３に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。図４の円盤状ブレード３０の断面図には、その円環状の超音波振動子３３、３４のそれぞれに交流電圧を印加するための交流電源４７及び電気配線４８ａ、４８ｂを記入した。

図３及び図４に示す円盤状ブレード３０は、回転軸が嵌め合わされる透孔３１を中央に備えた円盤状のブレード３２の両面に、ブレード３２と同軸に円環状の超音波振動子３３、３４が固定された構成を有している。

円盤状のブレード３２としては、例えば、中央に透孔を備える円盤状の基板の表面に、砥粒が固定されたものが用いられる。

円盤状の基板の材料の例としては、アルミニウム、鉄、及びステンレススチールなどの金属材料が挙げられる。円盤状の基板のサイズは、例えば、外径が４５ｍｍ程度に、そして厚みが０．１５ｍｍ程度に設定される。

砥粒の例としては、ダイヤモンド粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化鉄粒子、および酸化クロム粒子が挙げられる。砥粒の平均粒径は、加工対象物の硬度などに応じて設定されるが、一般には、０．１乃至１０μｍ程度の範囲に設定される。

砥粒は、例えば、電気メッキ法を利用して円盤状の基板の表面に固定することができる。例えば、メッキ槽に硫酸ニッケル液とダイヤモンド砥粒を入れて混合し、そしてこの混合液中で円盤状の基板をメッキすることにより、円盤状の基板の表面にダイヤモンド砥粒が分散されたニッケルメッキ層が形成される。ダイヤモンド砥粒は、このニッケルメッキ層によって円盤状の基板の表面に固定される。

図３及び図４に示すように、超音波振動子３３は、円環状の圧電体４１及び圧電体４１の表面に付設された円環状の電極４２、４３から構成されている（すなわち圧電振動子から構成されている）。そして同様に超音波振動子３４は、円環状の圧電体４４及び圧電体４４の表面に付設された円環状の電極４５、４６から構成されている。圧電振動子を用いると、円盤状ブレード３０の構成が簡単となり、その作製が容易となる。超音波振動子３３、３４のそれぞれは、例えば、エポキシ樹脂により円盤状のブレード３２の表面に固定される。

圧電体４１、４４のそれぞれは、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックから形成され、そのサイズが、外径３５ｍｍ程度に、内径２５ｍｍ程度に、そして厚みが０．１ｍｍ程度に設定されている。圧電体４１、４４のそれぞれは、例えば、図４に記入した矢印３７ａ、３８ａが示す方向に分極される。

圧電体の材料の例としては、圧電セラミック（例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系のもの）、水晶、リチウムナイオベート（ＬｉＮｂＯ₃）、およびリチウムタンタレート（ＬｉＴａＯ₃）が挙げられる。電極の材料の代表例としては、銀、およびリン青銅が挙げられる。

図４に示すように、超音波振動子３３、３４のそれぞれは、電気配線４８ａ、４８ｂにより交流電源４７に接続されている。円盤状のブレード３２の透孔３１には、超音波振動子３４に交流電圧を印加するための電気配線を通す溝３９が形成されている。

超音波振動子３３は、電極４２、４３の間に交流電圧が印加されると、その外縁端部が図３及び図４に記入した矢印３５ａの示す方向に、次いで矢印３５ａとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。同様に超音波振動子３４は、その電極４５、４６の間に交流電圧が印加されると、その外縁端部が矢印３６ａの示す方向に、次いで矢印３６ａとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。

このようにして超音波振動子３３、３４のそれぞれにて発生した超音波振動は円盤状のブレード３２に付与され、円盤状のブレード３２は、その外縁端部が矢印３５ａの示す方向に、次いで矢印３５ａとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。このようなブレード３２の振動は、一般に、径の拡がり振動と呼ばれている。

なお、円盤状のブレードの一方の表面にのみ超音波振動子を付設した場合でも、円盤状のブレードを同様に超音波振動させることはできるが、図３及び図４に示すように円盤状のブレード３２の両面に超音波振動子３３、３４を付設するほうが、円盤状のブレード３２が安定に振動する。

図５は、本発明の切断装置の構成例を示す一部切り欠き正面図である。図５の切断装置５０は、回転駆動装置５１の回転軸５２に、図３の円盤状ブレード３０をその透孔３１に回転軸５２を嵌め合わせて固定し、そして交流電源４７をブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに電気的に接続して構成される。

円盤状ブレード３０の円盤状のブレード３２は、回転軸５２に取り付けられたフランジ５４とフランジ５５の間に配置され、これらをナット５６により締め付けることにより回転軸５２に固定されている。

図５の切断装置５０の交流電源４７は、駆動装置５１の回転軸５２に付設されたスリップリング５３を介して円盤状ブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに電気的に接続されている。

図５の切断装置５０は、その回転駆動装置５１を作動させて円盤状のブレード３２を回転させ、かつ交流電源４７により超音波振動子３３、３４のそれぞれに交流電圧を印加することにより発生する超音波振動をブレード３２に付与しながら、加工対象部をブレード３２の外縁端部にて切断する。

加工対象物を切断する際には、切断時に発生する熱による研磨対象物の温度上昇を低減するため、加工対象物やブレードに水などの冷媒を接触させて冷却する場合がある。この冷媒が、例えば、水のような導電性を示すものである場合、超音波振動子の各々の面の電極が冷媒を介して互いに電気的に接続されて短絡する場合がある。これを防止するため、図５に示すよう超音波振動子３３、３４のそれぞれは、その表面が絶縁性材料５７により覆われていることが好ましい。絶縁性材料の例としては、シリコーン樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂材料、およびガラスなどが挙げられる。

円盤状ブレード３０は、円盤状のブレード３２の表面に超音波振動子３３、３４が直接固定されているため、回転駆動装置５１へのブレード３０の取り付け具合の影響を受けることなく、その超音波振動子３３、３４のそれぞれにて発生した超音波振動を効率良く且つ安定に円盤状のブレード３２に付与することができる。このため、本発明の円盤状ブレード、そしてこのブレードを備えた切断装置は、優れた切断性能を安定して示す。

本発明の切断装置を用いて、超音波振動が付与された円盤状のブレードを回転させながら、加工対象物を切断あるいは溝入れすると、ブレードが超音波振動しているためにブレードと加工対象物との摩擦抵抗が小さくなる。このため、本発明の円盤状ブレード及びこのブレードを備えた切断装置は、ブレードとの摩擦により割れや欠けを生じ易いガラスやシリコンなどの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。また、ブレードと加工対象物との摩擦抵抗が小さいと、前記の超音波切削加工の場合と同様に、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そしてブレードの寿命も長くなる。

また、本発明の切断装置は、従来の切断装置が備えるブレードに代えて、上記円盤状ブレードを取り付けることにより構成できるため、その設計が容易である。また、後に説明するように、切断装置に用いる本発明の円盤状ブレードは、その超音波振動子の振動方向の設定によって円盤状のブレードの振動方向や振動数を容易に変更することができる。このため本発明の切断装置は、円盤状のブレードの振動方向や振動数を変更する際には、これらに対応する超音波振動子を備えたブレードを回転駆動装置に取り付けるだけで良く、新たに切断装置の全体を設計し直す必要がないという利点も有している。

図６は、本発明の切断装置の別の構成例を示す一部切り欠き正面図である。図６の切断装置６０の構成は、交流電源として、駆動装置５１の回転軸５２に付設されたコイル６４ａ及びコイル６４ａと間隔をあけて配置された二個のマグネット６４ｂから構成される発電機６４が用いられ、この発電機６４のコイル６４ａが円盤状ブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに電気的に接続されていること以外は、図５の切断装置５０と同様である。

発電機６４のコイル６４ａは、駆動装置５１の回転軸５２の外周に沿う方向を巻きの中心軸としてコイリングされている。また、コイル６４ａと間隔をあけて配置された二個のマグネット６４ｂのそれぞれに記入した「Ｓ」及び「Ｎ」は、マグネットの磁極を意味している。

図６の切断装置６０において、回転駆動装置５１を作動させて円盤状のブレード３２を回転させると、これと共に回転軸５２に付設されたコイル６４ａも回転する。この回転によりコイル６４ａはマグネット６４ｂにて発生した磁場中を移動して、コイル６４ａ内部の磁束の量が変化するため、電磁誘導作用によりコイル６４ａには電流が流れる。コイル６４ａを流れる電流は、コイル６４ａに備えられた電気回路（図示は略する）にて交流電圧に変換される。この交流電圧は、電気配線４９ａ、４９ｂを介して円盤状ブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに印加される。すなわち切断装置６０の回転駆動装置５１を作動させることによって、超音波振動子３３、３４は、それぞれ交流電圧が印加されて超音波振動する。この超音波振動は円盤状のブレード３２に付与され、そして円盤状のブレード３２は、図３に示す円盤状のブレード３２の場合と同様に超音波振動する。

図６の切断装置６０は、交流電源及びスリップリングを用いる必要がないために、その構成が簡単であり、装置の製造コストが低いという利点を有している。また、スリップリングは、回転軸の回転数が高い場合に、その動作が不安定となり易い。図６の切断装置６０は、スリップリングを用いないため、回転軸を高速で回転させる場合、すなわちブレード３２を高速（概ね５００回転／分以上）で回転させる場合に特に有利に用いることができる。

図７は、本発明の切断装置のさらに別の構成例を示す一部切り欠き正面図である。図７の切断装置７０の構成は、交流電源４７が駆動装置５１の回転軸５２の先端に付設されたロータリートランス７４を介して円盤状ブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに電気的に接続されていること以外は、図５の切断装置５０と同様である。

ロータリートランス７４は、支柱７７の上部に固定された、円環状の溝が形成されたステータ側コア７５ａ、同様に円環状の溝が形成されたロータ側コア７５ｂ、そして各々のコアの溝に収容されたステータ側コイル７６ａとロータ側コイルと７６ｂから構成されている。ロータリートランスは、例えば、ビデオデッキの回転ヘッドから出力される信号を外部に取り出すために用いられている。ロータリートランスの構成及びその製造方法については、例えば、特開平９−２７４２８号公報に詳しく記載されている。

ロータリートランス７４のステータ側コイル７６ａには交流電源４７が電気的に接続され、そしてロータ側コイル７６ｂには超音波振動子３３、３４のそれぞれが電気的に接続されている。このように交流電源４７を、ロータリートランス７４を介して円盤状ブレード３０の超音波振動子３３、３４のそれぞれに電気的に接続することにより、回転軸５２と共に回転する各々の超音波振動子に交流電圧を印加することができる。交流電圧の印加により超音波振動子３３、３４のそれぞれにて発生した超音波振動は円盤状のブレード３２に付与され、そして円盤状のブレード３２は、図３に示す円盤状のブレード３２の場合と同様に超音波振動する。

図７の切断装置７０は、超音波振動子３３、３４に交流電圧を印加するためにスリップリングを用いる必要がないため、ブレード３２を高速（概ね５００回転／分以上）で回転させる場合に特に有利に用いることができる。

図８は、本発明の円盤状ブレードの別の構成例を示す正面図であり、図９は、図８の円盤状ブレードの背面図であり、そして図１０は、図８に記入した切断線II−II線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。図１０の円盤状ブレード８０の断面図には、その円環状の超音波振動子８３、８４のそれぞれに交流電圧を印加するための交流電源４７及び電気配線４８ａ、４８ｂを記入した。

図８から図１０に示す円盤状ブレード８０の構成は、超音波振動子８３の円環状の圧電体が、その円環の円周方向に沿って交互に並ぶ、厚み方向に分極された部分４１ａと、この分極方向とは逆向きに分極された部分４１ｂとから構成され、そして超音波振動子８４の円環状の圧電体が、その円環の円周方向に沿って交互に並ぶ、厚み方向に分極された部分４４ａと、この分極方向とは逆向きに分極された部分４４ｂとから構成されていること以外は、図３の円盤状ブレード３０と同様である。

円盤状ブレード８０の超音波振動子８３の圧電体部分４１ａは、図１０に記入した矢印３７ａの示す方向に分極され、そして圧電体部分４１ｂは、矢印３７ａとは逆の方向に分極されている。同様に超音波振動子８４の圧電体部分４４ａは、矢印３８ａの示す方向に分極され、そして圧電体部分４４ｂは、矢印３８ａとは逆の方向に分極されている。超音波振動子８３、８４の圧電体のそれぞれとしては、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミックが用いられる。

超音波振動子８３は、その電極４２、４３の間に交流電圧が印加されると、その圧電体部分４１ａを備える部分の外縁端部と圧電体部分４１ｂを備える部分の外縁端部とが、それぞれ図８から図１０に記入した矢印３５ａ、３５ｂの示す方向に、次いで矢印３５ａ、３５ｂとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。同様に超音波振動子８４は、電極４５、４６の間に交流電圧が印加されると、その圧電体部分４４ａを備える部分の外縁端部と圧電体４４ｂを備える部分の外縁端部とが、それぞれ矢印３６ａ、３６ｂの示す方向に、次いで矢印３６ａ、３６ｂとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。

このような振動は、一般に、面内屈曲振動と呼ばれている。面内屈曲振動については、例えば、「超音波エレクトロニクス振動論」（株式会社朝倉書店、１９９８年、ｐ１９０−１９３）に詳しい記載がある。

超音波振動子８３、８４のそれぞれにて発生した超音波振動（面内屈曲振動）は円盤状のブレード３２に付与され、円盤状のブレード３２は、その外縁端部が矢印３５ａ、３５ｂの示す方向に、次いで矢印３５ａ、３５ｂとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。

超音波振動子８３、８４のそれぞれにて面内屈曲振動（超音波振動）を発生させる場合、その振動数を高い値に設定することが容易である。すなわち面内屈曲振動を用いることにより、ブレードの振動数を高い値に設定することができる。ブレードの振動数を高い値に設定することにより、切断中の加工対象物の割れや欠けの発生を抑制することができるとともに、加工精度も向上させることができる。

図１１は、本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図であり、図１２は、図１１の円盤状ブレードの背面図であり、図１３は、図１１の円盤状ブレードの斜視図であり、そして図１４は、図１１に記入した切断線III−III線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。図１４の円盤状ブレード１１０の断面図には、その円環状の超音波振動子１１３、１１４のそれぞれに交流電圧を印加するための交流電源１４７及び電気配線１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃを記入した。

図１１から図１４に示す円盤状ブレード１１０の構成は、超音波振動子１１３の円環状の電極が、圧電体４１の円盤状のブレード３２の表面側とは逆側の表面に付設されており、そしてこの円環状の電極が、その円環の円周方向に沿って八個の電極片に分割され、そして超音波振動子１１４の円環状の電極が、圧電体４４の円盤状のブレード３２の表面側とは逆側の表面に付設されており、この円環状の電極が、その円環の円周方向に沿って八個の電極片に分割されていること以外は、図３の円盤状ブレード３０と同様である。

交流電源１４７は、これに接続された電気配線１４８ａ、１４８ｂに、互いの位相差が１８０度の交流電圧のそれぞれを印加する。電気配線１４８ａは、超音波振動子１１３の四個の電極片４２ａ、および超音波振動子１１４の四個の電極片４５ａに接続される。同様に電気配線１４８ｂは、超音波振動子１１３の四個の電極片４２ｂ、および超音波振動子１１４の四個の電極片４５ｂに接続される。また、超音波振動子１１３、１１４の電極４３、４６は、それぞれブレード３２及び電気配線１４８ｃを介して接地されている。すなわち、交流電源１４７は、電極片４２ａ、４５ａに印加する交流電圧に対して位相差が１８０度である交流電圧を電極片４２ｂ、４５ｂに印加する。

このような交流電圧の印加により、円環状の超音波振動子１１３、１１４のそれぞれは、一般に横振動と呼ばれる振動をする。横振動については、例えば、「超音波エレクトロニクス振動論」（株式会社朝倉書店、１９９８年、ｐ１８７−１９０）に詳しい記載がある。

超音波振動子１１３、１１４のそれぞれにて発生した超音波振動（横振動）は円盤状のブレード３２に付与され、円盤状ブレード３２は、図１３及び図１４に示すようにその外縁端部が矢印１４１ａ、１４１ｂの示す方向に、次いで矢印１４１ａ、１４１ｂとは逆の方向に繰り返し変位して超音波振動する。

超音波振動子１１３、１１４のそれぞれにて横振動（超音波振動）を発生させる場合、その振動数を高い値に設定することが容易である。すなわち横振動を用いることにより、ブレードの振動数を高い値に設定することができる。ブレードの振動数を高い値に設定することにより、切断中の加工対象物の割れや欠けの発生を抑制することができるとともに、加工精度も向上させることができる。

また、水晶、リチウムナイオベート、リチウムタンタレートなどの単結晶から形成された圧電体は、図８から１０に示す円盤状ブレード８０に用いる圧電体（例、圧電セラミック）のように、その一部分の分極方向を変えることができない。また、圧電体として圧電セラミックを用いる場合であっても、その一部分の分極方向を変えることに手間がかかる。このため、図１１から図１４に示す円盤状ブレード１１０は、図８から図１０に示す円盤状ブレード８０と比較して、その製造が容易であるという利点を有している。

図１５は、本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。図１５の円盤状ブレード１５０の構成は、円盤状のブレード３２の両面に付設された円環状の超音波振動子が、その円環の円周方向に沿って八個の超音波振動子片に分割されていること以外は、図３の円盤状ブレード３０と同様である。例えば、円環状の超音波振動子１５３は、八個の超音波振動子片１５３ａに分割されている。

円盤状ブレード１５０は、その超音波振動子片のそれぞれに、図１１から図１４に示す円盤状ブレード１１０の各々の電極片に印可する交流電圧と同様の交流電圧を印加することにより、その円盤状のブレード３２を図１３に示す円盤状のブレード３２と同様に超音波振動させることができる。

一般に、圧電体は、そのサイズが大きくなるほど製造が難しくなるために高価なものとなる。図１５の円盤状ブレード１５０は、円環状の超音波振動子が小さなサイズの超音波振動子片から構成されているため、その製造が容易で且つ製造コストが低いという利点を有している。

円盤状ブレード１５０の円盤状のブレード３２をより安定に超音波振動させるため、図１５に示すように円環状の超音波振動子は、その円環の円周方向に沿って二以の超音波振動子片（例えば、八個の超音波振動子片１５３ａ）に等分割された構成を有していることが好ましい。

図１６は、本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。図１６の円盤状ブレード１６０の構成は、その円盤状のブレード３２の各々の面に付設される超音波振動子片の形状が異なること以外は、図１５の円盤状ブレード１５０と同様である。例えば、図１６に示す円盤状ブレード１６０の超音波振動子片１６３ａの形状は、円盤状とされている。このように、超音波振動子を二以上の超音波振動子片から構成する場合には、各々の超音波振動子片の形状を変形することもできる。

図１７は、本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図であり、そして図１８は、図１７に記入した切断線IV−IV線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。

図１７及び図１８に示す円盤状ブレード１７０の構成は、その円環状の超音波振動子３３、３４のそれぞれを覆うようにして付設された保護カバ−１７１、１７２が備えられていること以外は、図３の円盤状ブレード３０と同様である。

保護カバー１７１には、超音波振動子３３、３４のそれぞれに交流電圧を印加するための電気配線４８ａを通す透孔１７４が設けられている。各々の超音波振動子の円盤状のブレード３２の側の電極は、ブレード３２及び電気配線４８ｃを介して接地されている。図１８に示すように、保護カバー１７１、１７２のそれぞれの内部には、絶縁性材料１７３が充填されていることが好ましい。

保護カバー１７１、１７２を付設することにより、加工対象物が切断中に欠けて、その断片の衝突による超音波振動子の破損を防止することができる。

なお、本発明の円盤状ブレードにおいては、その超音波振動子として、例えば、その円盤状のブレード側の面に、ブレード表面に超音波を拡散あるいは集中させて付与するためのホーン、あるいは音響整合材などを備えたものも用いることができる。音響整合材は、その音響インピーダンスが、超音波振動子の音響インピーダンスと円盤状のブレードの音響インピーダンスとの間の値を示す材料から形成される。

従来の切断装置の構成例を示す正面図である。図１の切断装置の側面図である。本発明の円盤状ブレードの構成例を示す正面図である。図３に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。本発明の切断装置の構成例を示す一部切り欠き正面図である。本発明の切断装置の別の構成例を示す一部切り欠き正面図である。本発明の切断装置のさらに別の構成例を示す一部切り欠き正面図である。本発明の円盤状ブレードの別の構成例を示す正面図である。図８の円盤状ブレードの背面図である。図８に記入した切断線II−II線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。図１１の円盤状ブレードの背面図である。図１１の円盤状ブレードの斜視図である。図１１に記入した切断線III−III線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。本発明の円盤状ブレードのさらに別の構成例を示す正面図である。図１７に記入した切断線IV−IV線に沿って切断した円盤状ブレードの断面図である。

符号の説明

１０切断装置
１１回転駆動装置
１２回転軸
１３、１５フランジ
１４円盤状のブレード
１６ナット
３０円盤状ブレード
３１透孔
３２円盤状のブレード
３３、３４円環状の超音波振動子
３５ａ、３５ｂ超音波振動子の振動方向を示す矢印
３６ａ、３６ｂ超音波振動子の振動方向を示す矢印
３７ａ、３８ａ圧電体の分極方向を示す矢印
３９溝
４１円環状の圧電体
４１ａ圧電体の厚み方向に分極された部分
４１ｂ圧電体部分４１ａとは逆向きに分極された圧電体部分
４２円環状の電極
４２ａ、４２ｂ電極片
４３円環状の電極
４４円環状の圧電体
４４ａ圧電体の厚み方向に分極された部分
４４ｂ圧電体部分４４ａとは逆向きに分極された圧電体部分
４５円環状の電極
４５ａ、４５ｂ電極片
４６円環状の電極
４７交流電源
４８ａ、４８ｂ、４８ｃ電気配線
４９ａ、４９ｂ電気配線
５０切断装置
５１回転駆動装置
５２回転軸
５３スリップリング
５４、５５フランジ
５６ナット
５７絶縁性材料
６０切断装置
６４発電機
６４ａコイル
６４ｂマグネット
７０切断装置
７４ロータリートランス
７５ａステータ側コア
７５ｂロータ側コア
７６ａステータ側コイル
７６ｂロータ側コイル
７７支柱
８０円盤状ブレード
８３、８４円環状の超音波振動子
１１０円盤状ブレード
１１３、１１４円環状の超音波振動子
１４１ａ、１４１ｂ円盤状のブレードの振動方向を示す矢印
１４７交流電源
１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃ電気配線
１５０円盤状ブレード
１５３円環状の超音波振動子
１５３ａ超音波振動子片
１６０円盤状ブレード
１６３ａ超音波振動子片
１７０円盤状ブレード
１７１、１７２保護カバー
１７３絶縁性材料
１７４透孔
Ｓ、Ｎマグネットの磁極

Claims

回転軸が嵌め合わされる透孔を中央に備えた円盤状のブレードの少なくとも一方の表面に、該ブレードと同軸に円環状の圧電体及び該圧電体の表面に付設された円環状の電極からなる円環状の超音波振動子を固定してなる円盤状ブレード。
円盤状のブレードの両面に超音波振動子が固定されている請求項１に記載の円盤状ブレード。
円環状の電極が、圧電体の円盤状のブレードの表面側とは逆側の表面に付設されており、そして該円環状の電極が、該円環の円周方向に沿って二以上の電極片に分割されている請求項１に記載の円盤状ブレード。
円環状の超音波振動子が、該円環の円周方向に沿って二以上の超音波振動子片に分割されている請求項１に記載の円盤状ブレード。
円環状の超音波振動子が二以上の超音波振動子片に等分割されている請求項４に記載の円盤状ブレード。
超音波振動子の表面が、絶縁性材料により覆われている請求項１乃至５のうちのいずれかの項に記載の円盤状ブレード。
回転駆動装置の回転軸に、請求項１乃至６のうちのいずれかの項に記載の円盤状ブレードをその透孔に前記回転軸を嵌め合わせて固定し、そして交流電源を該ブレードの超音波振動子に電気的に接続してなる切断装置。
交流電源が、駆動装置の回転軸に付設されたスリップリングを介してブレードの超音波振動子に電気的に接続されている請求項７に記載の切断装置。
交流電源が、駆動装置の回転軸に付設されたコイル及び該コイルと間隔をあけて配置された少なくとも一つのマグネットからなる発電機であり、該発電機のコイルがブレードの超音波振動子に電気的に接続されている請求項７に記載の切断装置。
交流電源が、駆動装置の回転軸の先端に付設されたロータリートランスを介してブレードの超音波振動子に電気的に接続されている請求項７に記載の切断装置。
請求項７乃至１０のうちのいずれかの項に記載の切断装置の回転駆動装置を作動させて円盤状のブレードを回転させ、かつ交流電源により超音波振動子に交流電圧を印加することにより発生する超音波振動を該ブレードに付与しながら、該ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する方法。