JP6384001B1 - 超音波加工装置における砥粒回収システム - Google Patents

Abstract

【課題】廃棄される懸濁液から砥粒を回収し、砥粒自体の再利用が可能となる超音波加工システムにおける砥粒回収システムを提供する。【解決手段】超音波によりホーン６０を微振動させると共に、ホーン６０と被加工部材との間に砥粒を分散させた懸濁液を供給して被加工部材の加工を行う超音波加工装置５０における砥粒回収システム１０であって、被加工部材に供給する懸濁液を貯留する貯留槽１２と、貯留槽１２に貯留された懸濁液を被加工部材に懸濁液を供給する懸濁液供給経路１４と、供給後の懸濁液を回収し、貯留槽１２に供給する懸濁液回収経路１６と、貯留槽１２に貯留された懸濁液の一部を抜き出す引き抜き経路１８と、引き抜き経路１８を介して引き抜かれた懸濁液を固液分離して砥粒を回収する砥粒回収部２０と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波加工装置に係り、特に、超音波加工装置を用いて加工を行う際に使用する砥粒を分散させた懸濁液から、砥粒を回収するシステムに関する。

特許文献１に開示されているように、超音波加工装置を用いてセラミックスやシリコンなどの硬脆性材料を加工する際には、加工工具であるホーンと被加工部材との間に、液体に砥粒を分散させた懸濁液を供給する。被加工部材の加工に使用された懸濁液は、貯留槽に回収され、再利用されるということが一般的である。

特開２０１１−１９４５４７号公報

特許文献１に開示されている超音波加工装置のように、懸濁液を循環させることは、砥粒を使い捨てとする事がなく、経済的にも有効である。しかし、貯留槽に回収される懸濁液には、被加工部材の切削屑などが混入する他、砥粒が分散している液体の蒸発などに起因して、循環時間が長くなるほど懸濁液中における分散粒子の割合が上昇することとなる。

極端に分散粒子の割合が高い懸濁液は、流動性が悪くなるため加工時の使用に不適切となる。また、懸濁液中における分散粒子の割合を低下させるために液体を供給する事は可能であるが、分散粒子には、被加工部材の切削屑なども含まれるため、単純に分散粒子の割合を低下させただけでは、加工速度の低下を招くこととなる。

このため、研磨材として使用される砥粒は、ダイヤモンドやシリコンカーバイド、ボロンカーバイドなどの高硬度材料であるために長期的な再利用が可能であるにも関わらず現状では、定期的に懸濁液を全部、あるいは一部廃棄し、新たな懸濁液を供給するという作業が成されている。

そこで本発明では、廃棄される懸濁液から砥粒を回収し、砥粒自体の再利用を可能とする超音波加工装置における砥粒回収システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る超音波加工装置における砥粒回収装置は、超音波によりホーンを微振動させると共に、前記ホーンと被加工部材との間に砥粒を分散させた懸濁液を供給して前記被加工部材の加工を行う超音波加工装置における砥粒回収システムであって、前記被加工部材に供給する懸濁液を貯留する貯留槽と、前記貯留槽に貯留された前記懸濁液を前記被加工部材に前記懸濁液を供給する懸濁液供給経路と、供給後の前記懸濁液を回収し、前記貯留槽に供給する懸濁液回収経路とより成る循環経路を有し、前記循環経路を構成する前記貯留槽に貯留された前記懸濁液に対して新たな懸濁液を追加する事に伴い増加した量の懸濁液を抜き出す引き抜き経路と、前記引き抜き経路を介して引き抜かれた前記懸濁液を固液分離して前記砥粒を回収して系外に蓄える砥粒回収部と、を備えたことを特徴とする。

また、上記のような特徴を有する砥粒回収システムにおいて前記貯留槽に対する新たな懸濁液の追加は、定期、あるいは不定期に行われ、前記引き抜き経路により抜き出される前記懸濁液は、前記貯留槽からオーバーフローした懸濁液とする事ができる。このような特徴を有する事により、貯留槽に貯留されている懸濁液の量を一定とする事ができる。また、懸濁液の一部引き抜きにあたり、引き抜き経路にポンプ等の動力を備える必要がなくなる。

さらに、上記のような特徴を有する砥粒回収システムの前記砥粒回収部における前記固液分離にはフィルタが用いられ、前記フィルタは、前記砥粒の平均粒径よりも小さく、前記被加工部材の研削屑の平均粒径よりも大きな目開きサイズとすると良い。このような特徴を有する事により、砥粒回収部の構成を簡単なものとする事ができる。また、固液分離後の液体成分には、液体の他、被加工部材の研削屑が含まれることとなり、固体成分には、砥粒のみが残ることとなる。

上記のような特徴を有する超音波加工装置における砥粒回収システムによれば、廃棄される懸濁液から砥粒を回収し、砥粒自体の再利用を行う事が可能となる。

実施形態に係る超音波加工装置における砥粒回収システムの構成を示す図である。

以下、本発明の超音波加工装置における砥粒回収システムに係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面における図１は、実施形態に係る超音波加工装置における砥粒回収システムの構成を示す図である。

［超音波加工装置の基本構成］
まず、実施形態に係る超音波加工装置における砥粒回収システム（以下、単に砥粒回収システム１０と称す）を適用する超音波加工装置５０の一例について、図１を参照して説明する。実施形態に係る超音波加工装置５０は、ベース５２と、このベース５２を基点として配置されたステージ５４、および支柱５６が備えられ、支柱５６によって支持された超音波ユニット５８が設けられている。ベース５２は、ステージ５４と支柱５６を配置するための基礎である。ステージ５４は、被加工部材を配置、固定する定盤としての役割を担い、ステージ５４の周囲には、懸濁液回収パン５４ａが備えられている。

支柱５６は、ベース５２を基点として立設された支持構造物であり、少なくともステージ５４よりも高い位置にまで延設されている。実施形態に係る支柱５６には、ホルダ５６ａを介して支持される超音波ユニット５８が備えられている。

超音波ユニット５８は、詳細を図示しない超音波発生装置を備えたユニットである。超音波ユニット５８は、上述したホルダ５６ａにより支持されると共に、支柱５６に備えられたシーブ５６ｂを介して図示しないカウンターウェイトとバランスをとるように吊下されている。超音波ユニット５８は、その下端部の対向位置に、ステージ５４が位置するように配置されており、超音波ユニット５８の下端部には、ホーン６０と呼ばれる加工工具が装着されている。

［砥粒回収システム］
砥粒回収システム１０は、少なくとも、貯留槽１２と、懸濁液供給経路１４、懸濁液回収経路１６、引き抜き経路１８、および砥粒回収部２０を備える。貯留槽１２は、砥粒を液体に分散させた懸濁液を蓄えておく水槽である。液体に分散させる砥粒には、セラミックスやシリコンなどの硬脆性材料を加工することが可能な材料を選択する必要がある。具体例としては、ダイヤモンド、シリコンカーバイド、ボロンカーバイドなどを挙げることができる。液体に対する砥粒の割合は、被加工部材の材質や加工速度等に応じて好適とされる範囲で調整すれば良い。

また、貯留槽１２には、図示しない冷却手段が備えられている。超音波加工装置５０では、ホーン６０と被加工部材との間に懸濁液を供給し、懸濁液に分散された砥粒によって研削が成される。このため、砥粒を含む懸濁液は、被加工部材とホーン６０との間の摩擦により昇温する。実施形態に係る砥粒回収システム１０では、加工に使用した懸濁液を回収し、貯留槽１２に戻しているため、貯留槽１２に貯留された懸濁液の温度上昇を抑制するように制御されている。

懸濁液供給経路１４は、貯留槽１２に貯留された懸濁液をステージ５４上に配置された被加工部材と、加工工具であるホーン６０との間に供給するための経路である。懸濁液供給経路１４にはポンプ１４ａが備えられている。また、懸濁液供給経路１４では、ノズル１４ｂを介して、ホーン６０と被加工部材との接触部近傍に懸濁液を供給する構成とされており、供給される懸濁液の量は、ポンプ１４ａにより調整される。

懸濁液回収経路１６は、被加工部材の加工に使用され、ステージ５４から懸濁液回収パン５４ａに流れ落ちた懸濁液を貯留槽１２に戻すための経路である。懸濁液回収パン５４ａは、懸濁液が流れ落ちる傾斜面を備えており、懸濁液回収経路１６は、懸濁液回収パン５４ａの底部となる位置に導入口を設ける事で、重力落下に伴った懸濁液の回収が可能な構成とされている。なお、懸濁液回収経路１６を介して貯留槽１２に流れ込む懸濁液には、砥粒の他に、被加工部材の研削屑等が含まれることとなる。

上記のような懸濁液回収経路１６では、時間の経過と共に、貯留槽１２に貯留されている懸濁液に、砥粒以外の粒子（被加工部材の研削屑等）が含有される割合が増加することとなる。このため、貯留槽１２には、定期、あるいは不定期に、新たな懸濁液が供給され、懸濁液中の砥粒の含有割合の調整が成される。引き抜き経路１８は、こうした新たな懸濁液の供給に伴って増加する貯留槽１２内の懸濁液の一部を系外へ引き抜くための経路である。

引き抜き経路１８には、ポンプ等の駆動手段を設ける事も可能であるが、貯留槽１２に貯留されている懸濁液が所定の量を超えた場合にこれを回収する、いわゆるオーバーフロー型の導入口とする事で、経路に動力を持たせる事なく懸濁液の引き抜きが可能となる。

砥粒回収部２０は、引き抜き経路１８により引き抜かれた懸濁液を一時貯留すると共に、一時貯留された懸濁液を固液分離して砥粒を回収する役割を担う要素である。砥粒回収部２０における固液分離は、沈殿分離、遠心分離、フィルタ分離等、様々な手段を選択する事ができるが、装置規模と分離効率、分離精度、および装置コスト等を考慮した場合には、フィルタ分離を採用する事が望ましい。フィルタ分離に使用されるフィルタは、その目開きサイズが、砥粒の平均粒径よりも小さく、被加工部材の研削屑の平均粒径よりも大きいものとする。このようなフィルタを選定する事で、被加工部材の研削屑は、固液分離後の液体成分に含まれることとなり、固体成分には、砥粒のみが残ることとなる。そして、砥粒回収部２０により回収された砥粒は、新たな懸濁液を作成する際に利用する事ができる。これにより、加工に用いられる砥粒の総使用量を減らす事が可能となる。

［超音波加工装置による加工と回収システムによる回収］
上記のような構成の超音波加工装置５０における砥粒回収システム１０では、まず、貯留槽１２に貯留された懸濁液が、懸濁液供給経路１４を介してステージ５４上に配置された被加工部材と、ホーン６０との間に供給される。次に、供給された懸濁液がステージ５４から流れ落ち、懸濁液回収パン５４ａを介して回収され、懸濁液回収経路１６により、貯留槽１２へと戻される。

貯留槽１２では、懸濁液の供給と回収に加え、新たな懸濁液の追加が成される。懸濁液の追加に伴い増加した懸濁液（懸濁液の一部）は、引き抜き経路１８を介して砥粒回収部２０へと引き抜かれる。砥粒回収部２０へ引き抜かれた懸濁液は、固液分離が成され、砥粒と、被加工部材の研削屑を含む液体とに分離される。固液分離により回収された砥粒は、再び懸濁液を構成する砥粒として利用する事が可能となる。

なお、本実施形態では、図１を参照して、超音波加工装置５０の具体的構成について説明した。しかしながら、本実施形態に係る砥粒回収システム１０を適用する超音波加工装置５０は、上述した構成に限定されるものではない。すなわち、超音波振動を利用して、ホーン６０により加工を行う装置全般に適用する事ができる。

［効果］
従来、新たな懸濁液の追加に伴って増加した懸濁液の一部は、廃棄されていた。これに対し、上記のような構成の砥粒回収システム１０を用いる事により、従来廃棄されていた懸濁液から砥粒を回収し、砥粒自体を再利用することが可能となる。

１０………砥粒回収システム、１２………貯留槽、１４………懸濁液供給経路、１４ａ………ポンプ、１４ｂ………ノズル、１６………懸濁液回収経路、１８………引き抜き経路、２０………砥粒回収部、５０………超音波加工装置、５２………ベース、５４………ステージ、５４ａ………懸濁液回収パン、５６………支柱、５６ａ………ホルダ、５６ｂ………シーブ、５８………超音波ユニット、６０………ホーン。

Claims (3)

1. 超音波によりホーンを微振動させると共に、前記ホーンと被加工部材との間に砥粒を分散させた懸濁液を供給して前記被加工部材の加工を行う超音波加工装置における砥粒回収システムであって、
   前記被加工部材に供給する懸濁液を貯留する貯留槽と、
   前記貯留槽に貯留された前記懸濁液を前記被加工部材に前記懸濁液を供給する懸濁液供給経路と、
   供給後の前記懸濁液を回収し、前記貯留槽に供給する懸濁液回収経路とより成る循環経路を有し、
   前記循環経路を構成する前記貯留槽に貯留された前記懸濁液に対して新たな懸濁液を追加する事に伴い増加した量の懸濁液を抜き出す引き抜き経路と、
   前記引き抜き経路を介して引き抜かれた前記懸濁液を固液分離して前記砥粒を回収して系外に蓄える砥粒回収部と、を備えたことを特徴とする超音波加工装置における砥粒回収システム。
2. 前記貯留槽に対する新たな懸濁液の追加は、定期、あるいは不定期に行われ、
   前記引き抜き経路により抜き出される前記懸濁液は、前記貯留槽からオーバーフローした懸濁液であることを特徴とする請求項１に記載の超音波加工装置における砥粒回収システム。
3. 前記砥粒回収部における前記固液分離にはフィルタが用いられ、
   前記フィルタは、前記砥粒の平均粒径よりも小さく、前記被加工部材の研削屑の平均粒径よりも大きな目開きサイズであることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波加工装置における砥粒回収システム。

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