JP6865470B2 - 研磨用チップのチャック部材、及びチャック部材を備えるハンドツール - Google Patents

Description

本発明は、超音波研磨装置に用いられる研磨用チップのチャック部材、及びチャック部材を備えるハンドツールに関する。

従来、超音波振動させた研磨工具を表面に当てて、金型等を研磨する超音波研磨装置が知られている。研磨工具は、ある程度の剛性を有するやすりであり、研磨する材料や研磨する位置により使い分ける。研磨工具は、通常、円筒状のハンドツールの先端部に、ハンドツールの長軸方向と一致する向きに取り付けられているが、近年は、溝状部の底面を研磨するため、研磨工具の方向を工夫した装置も登場している。

例えば、下記の特許文献１の超音波磨き装置は、内部に振動発生部を収納する略円筒形状のケースと、ケースの一端部から外部に突出するホーン部と、ホーン部の先端に取り付けた超音波磨き用工具ホルダと、工具ホルダに取り付けた超音波磨き用工具と、を具備して構成されている。工具ホルダの下側を向く側面の中央には、工具を挟持するスリットが設けられ、スリットは、側面の中央部分を、超音波磨き装置の振動方向（方向Ａ）に垂直な切り欠きとなるように切り欠いて形成されている。

ワークに設けた溝内の底面を研磨する場合、工具の先端を溝内に挿入して、その先端面を底面に当接した状態で装置を駆動し、工具の先端面の超音波振動によって底面を研磨する。これによって、溝の底面のような磨き難い場所であっても、工具の先端面を底面にしっかりと押し当てて容易に磨くことができる（段落００１８，００２０，００２３、図２）。

特開２０１８−１３０３号公報

しかしながら、特許文献１の超音波磨き装置は、工具先端の振動方向が研磨工具の撓み方向と一致しているため、先端を叩きつける形となり、平面状の表面を研磨することが難しい。平面状の表面を研磨するためには、研磨工具又は工具ホルダを交換する必要があり、作業に手間がかかるという問題があった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、平面状の表面から比較的狭い溝部まで研磨することができる超音波研磨装置のチャック部材を提供することを目的とする。

第１発明は、超音波振動子によって駆動され、スリット部に研磨用チップを挟持するチャック部材であって、一方の端部に、前記チャック部材を互いに対向する第１のチャック部、第２のチャック部に分割するスリット部を有し、前記チャック部材は、直進部と、前記チャック部材の長軸に対して前記第１のチャック部から前記第２のチャック部の方向に屈曲させた屈曲部とを備え、前記直進部は、前記第１のチャック部及び前記第２のチャック部に連通し、前記研磨用チップを固定するネジのネジ穴を有し、前記ネジは、頭部が前記屈曲部の屈曲方向と反対側に位置するように挿入されていることを特徴とする。

第１発明のチャック部材は、チャック部材を互いに対向する第１のチャック部、第２のチャック部に分割するスリット部を有し、スリット部に研磨用チップを挟持する。スリット部の屈曲部は、チャック部材の長軸に対して第１のチャック部から第２のチャック部の方向に屈曲させているので、研磨用チップの角度が屈曲方向よりも傾いて垂直方向に近づくようになり、比較的狭い溝部を研磨する際に役立つ。

また、チャック部材の直進部は、研磨用チップを固定するネジのネジ穴を有し、ネジは、その頭部が屈曲部の屈曲方向と反対側に位置するように挿入されている。屈曲部を形成するため切削した部分をネジで補うことで、第１のチャック部と第２のチャック部との重量バランスが取れるので、研磨用チップに前後方向の振動成分が生じる。従って、通常の平面状の表面と溝部の研磨が容易かつ確実に行える。

第１発明のチャック部材において、前記第１のチャック部の前記屈曲部の厚みは、前記直進部の厚みよりも小さいことが好ましい。

第１のチャック部の屈曲部の厚みは、切削等により直進部の厚みよりも小さくする。これにより、第１のチャック部と第２のチャック部との重量バランスを調整することができる。

また、第１発明のチャック部材において、前記第１のチャック部に、前記ネジの頭部の少なくとも一部が埋設する凹部が設けられていることが好ましい。

第１のチャック部に、ネジの頭部の少なくとも一部が埋設される凹部を設けると、その深さ、大きさ等により、第１のチャック部と第２のチャック部との重量バランスを調整することができる。

また、第１発明のチャック部材において、前記第１のチャック部及び前記第２のチャック部の先端部は、前記スリット部に対して垂直であることが好ましい。

第１のチャック部及び第２のチャック部の先端部を、スリット部に垂直に形成することで、スリット部に研磨用チップを固定したとき、チャック部の振動を研磨用チップに伝達し易くなる。

第２発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載のチャック部材を備える超音波研磨装置のハンドツールである。

第２発明は、超音波研磨装置のハンドツールであって、請求項１〜４に記載のチャック部材を備えていることを特徴とする。超音波振動子の振動は、ハンドツールからチャック部材を介して研磨用チップに伝わる。このとき、チャック部材の第１のチャック部と第２のチャック部との重量バランスにより、研磨用チップに前後方向の振動成分が生じるので、通常の平面状と溝部の研磨が容易かつ確実に行える。

本実施形態の超音波研磨装置の全体図。 超音波研磨装置のチャック部材を説明する図。 超音波研磨装置の本体の内部構成図。 ５種類のチャック部材の形状を説明する図。 研磨用チップの動作試験結果を説明する図（１）。 研磨用チップの動作試験結果を説明する図（２）。

以下、本発明の超音波研磨装置の実施形態について説明する。

図１は、本発明のチャック部材を備える実施形態の超音波研磨装置１の全体図である。超音波研磨装置１は、研磨工具である研磨用チップを振動させてアルミ金型、銅合金金型等の表面を研磨する装置であり、主に装置本体２とハンドツール３とで構成される。

装置本体２は、正面視右側に、超音波振動子（ピエゾ圧電素子等のセラミック振動子）に印加する駆動電圧を調整するボリューム２ａ、その左側に駆動電圧のレベルを表示する表示部２ｂが配置されている。また、表示部２ｂの下方左側には電源ボタン２ｃ、ボリューム２ａの下方にはハンドツール用コネクタ２ｄとフットスイッチ用コネクタ２ｅとが配置されている。フットスイッチとは、ユーザが足でペダルを踏んだとき駆動電圧を供給するスイッチである。

詳細は後述するが、ハンドツール３のケース３Ａの内部には、超音波振動子が配設されている。上述のボリューム２ａで超音波振動子に印加する駆動電圧を調整することにより、超音波振動子で超音波振動が発生し、その振動が金属製のホーン部材３Ｂに伝達される。このときの振動の方向は、ハンドツール３の長軸方向と一致する。

ケース３Ａは、直径が２５ｍｍで、放熱フィンとグリップを兼ねた溝を有するアルミニウム製の部材である。超音波振動子による超音波振動は、ハンドツール３のケース３Ａ、ホーン部材３Ｂからチャック部材５に伝達され、チャック部材５のスリット部に挟持された研磨用チップ（図示省略）を振動させる。

次に、図２を参照して、超音波研磨装置１のチャック部材５の詳細について説明する。

超音波研磨装置１のチャック部材５は、円筒状で先端部が屈曲したステンレス製の部材であり、チャック部材５を互いに対向する第１のチャック部５Ａ、第２のチャック部５Ｂに分割するスリット部５ａを有している。

チャック部材５は、後端のネジ部５ｂによりホーン部材３Ｂの先端に取り付けることができる。特に、チャック部材５の直進部５Ｃの後方（ネジ部５ｂ側）には、２箇所の工具用凹部５ｃ１，５ｃ２が設けられている。チャック部材５をホーン部材３Ｂの先端に取り付ける場合、ユーザが工具用凹部５ｃ１，５ｃ２をスパナ等の工具で挟み、締め付けて固定する。

また、チャック部材５の直進部５Ｃの前方には、皿ネジ７が挿入されるネジ穴５ｄが設けられている。ネジ穴５ｄは、第１のチャック部５Ａの外表面から第２のチャック部５Ｂの少なくとも一部にまで連通する。皿ネジ７は、その頭部がチャック部材５の屈曲方向とは、反対側に位置するように挿入される。チャック部材５の先端部は切削により屈曲した屈曲部５Ｄとなっているが、皿ネジ７を取り付けることで、第１のチャック部５Ａと第２のチャック部５Ｂとの重量バランスが略均一となる。

このことにより、チャック部材５はハンドツール３の長軸方向に振動するものの、屈曲部５Ｄの前後方向の振動成分が生じる。すなわち、研磨用チップ６の撓み方向の振動が減少し、研磨用チップ６が研磨表面をこする動きをするので、研磨効果を向上させることができる。また、第１のチャック部５Ａの屈曲部５Ｄの厚みは、直進部５Ｃの厚みよりも小さくなるように加工している。このことも、第１のチャック部５Ａと第２のチャック部５Ｂとの重量バランスを取るのに役立っている。

図示するように、第１のチャック部５Ａの外表面には、皿ネジ７の頭部に形状に合わせたネジ用凹部５ｅ（本発明の「凹部」）が設けられている。このため、皿ネジ７を締め付けたときは、その頭部の少なくとも一部がネジ用凹部５ｅに埋設する。ネジ用凹部５ｅも第１のチャック部５Ａと第２のチャック部５Ｂとの重量バランスを取るため、深さや大きさ等を調整することができる。

研磨用チップ６は、チャック部材５のスリット部５ａのうち、屈曲部５Ｄの部分に挿入する。そして、皿ネジ７でチャック部材５の直進部５Ｃを締め付けることで、研磨用チップ６が固定される。ここで、第１のチャック部５Ａと第２のチャック部５Ｂの先端部は、スリット部５ａに対して垂直となるよう加工している。これにより、スリット部５ａで研磨用チップ６を挟持して固定したとき、チャック部材５の振動を研磨用チップ６に伝達し易くなる。

通常の研磨用チップは長尺矩形の平板状であるが、本実施形態の研磨用チップ６は、比較的狭い溝部を研磨するため、チャック部材５のスリット部５ａに挿入される部分で屈曲した形状となっている。

本実施形態の超音波研磨装置１は、研磨用チップ６の振幅は最大５０μｍ、最小１μｍと幅広いため、広範囲の表面研磨から微細部分の精密研磨までが１台で可能となる。また、用途に応じて研磨用チップ６を変更することで、様々な部材の表面を研磨することができる。例えば、セラミックやウッドチップにダイヤモンドペースト加工した研磨用チップが市販されている。

次に、図３を参照して、超音波研磨装置１の装置本体２の内部構成について説明する。

超音波研磨装置１の装置本体２は、ハンドツール３（チャック部材５）に取り付けられた研磨用チップ６を振動させるためのコントローラであり、ボリューム２ａの他、制御部２ｆと、駆動回路２ｇと、振動検出部２ｈとで構成される。超音波研磨装置１のユーザは、ボリューム２ａを回して研磨用チップ６の振幅を調整することができる。

ユーザがボリューム２ａを回すと、その信号が制御部２ｆを介して、超音波振動子４ａを駆動する駆動回路２ｇに送信される。駆動回路２ｇは、超音波振動子４ａを駆動する駆動電圧を供給する回路である。駆動回路２ｇが超音波振動子４ａに駆動電圧を供給することで、超音波振動子４ａから超音波振動が発生する。

超音波振動子４ａで発生した超音波振動は、ホーン部材３Ｂに伝達し、チャック部材５の先端に取り付けられた研磨用チップ６を振動させる（１秒間に１８，０００〜２６，０００回）。なお、研磨用チップ６の振動は、チャック部材５の前後方向（図中の矢印方向）の振動成分を含む。

また、図示するように、ケース３Ａ内には超音波振動子４ａと、超音波振動子４ａと隣接する中間板４ｂと、中間板４ｂと隣接した、ピエゾ圧電素子からなるピックアップ素子４ｃとが配設されている。ピックアップ素子４ｃは、超音波振動子４ａによる振動の状態を装置本体２の振動検出部２ｈに送信する。そして、振動検出部２ｈは、振動の状態を制御部２ｆにフィードバックする。

次に、図４、図５Ａ、図５Ｂを参照して、チャック部材の形状を変更して行った研磨用チップの動作試験について説明する。

図４は、動作試験用に少しずつ形状を変更した５種類のチャック部材の模式図を示している。図４（ａ）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ａ）と、図４（ｄ）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｄ）は、上下の工具用凹部間の距離（残部の直径）が７．０ｍｍとなっている。チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｄ）は、図２のチャック部材５と同じ部品であり、工具用凹部５ｃ１，５ｃ２の他、ネジ用凹部５ｅを有している。

図４（ｂ）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｂ）、図４（ｃ）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｃ）、及び図４（ｅ）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｅ）は、上下の工具用凹部間の距離（残部の直径）が６．０ｍｍとなっている。チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｂ）は、下側の工具用凹部が深く、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｃ）は、逆に上側の工具用凹部が深い。また、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｅ）は、上下の工具用凹部が深いので、元々の直径が大きく作られている。

図５Ａ、図５Ｂは、６種類のチャック部材を用いて行った研磨用チップの動作試験結果を示している。今回、長さ（Ｌ）４５．０ｍｍ、幅（Ｗ）６．０ｍｍ、厚さ（ｔ）１．０ｍｍの研磨用チップを各チャック部材に取り付けて、電流２３７．５［ｍＡｒｍｓ］（テスタで測定）の条件で、研磨用チップの可動幅（振幅幅）を測定した。

また、チャック部材のネジについても、形状や材料を変更して測定を行った。なお、チャック種類「ＳＴＡ１１Ｌ」（図中の（１））は、屈曲部を有していない従来のチャック部材であり、比較例として示した。

試験結果は、図示する通りである。１ワット当りの研磨用チップの前後方向（図３参照）の振動幅である「振動効率」の項目によれば（図５Ｂ参照）、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｂ）の振動効率が最も大きく約２．１６［μｍ／Ｗ］であった（図中の（４））。次いで、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ａ）の約１．９４［μｍ／Ｗ］（図中の（２））、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｃ）の約１．７５［μｍ／Ｗ］（図中の（５））の順となった。チャック部材の工具用凹部は振動効率に影響を及ぼすが、明確な相関は得られなかった。

また、チャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｄ）を用いてネジの種類を変更し、結果比較を行った。ネジ種類「キャップボルト（鉄）」の場合、振動効率が約１．５４［μｍ／Ｗ］であり（図中の（６））、ネジ種類「バインド（ステンレス）」の場合、振動効率が約１．３１［μｍ／Ｗ］であった（図中の（７））。

なお、ネジ種類「小皿（ステンレス）」、「大皿（ステンレス）」及び「丸皿（ステンレス）」の場合も測定したが、インピーダンス上昇のため測定が不可能であった。この測定結果からネジの頭部が大きいほど動作が安定し、効率良く屈曲方向に動作するという傾向が得られた。

以上の試験結果をまとめると、図５Ｂの「動作」の項目に示すように、図４の５種類のチャック部材の中では、図中の（６）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｄ、キャップボトル（鉄））や、図中の（８）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｃ、小皿（ステンレス））の性能が優れていることが分かった。次いで、図中の（２）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ａ、キャップボトル（鉄））や、図中の（１１）のチャック部材（Ｔｙｐｅ−Ｅ、キャップボトル（鉄））の性能が優れていた。すなわち、Ｔｙｐｅ−ＢやＴｙｐｅ−Ｃのチャック部材でネジを工夫することで、平面状の表面のみならず、溝部の研磨を効率的に行うことができる。

上記説明は、本発明の実施形態の一部であり、これ以外にも種々の実施形態が考えられる。チャック部材のスリット部の深さやスリット間隔は、適宜変更可能である。また、チャック部材の屈曲部の角度も変更可能であるが、先端部は徐々にすぼまる形状、すなわち、先端にいくほど断面積が小さくなる形状であることが好ましい。

１…超音波研磨装置、２…装置本体、２ａ…ボリューム、２ｂ…表示部、２ｃ…電源ボタン、２ｄ…ハンドツール用コネクタ、２ｅ…フットスイッチ用コネクタ、２ｆ…制御部、２ｇ…駆動回路、２ｈ…振動検知部、３…ハンドツール、３Ａ…ケース、３Ｂ…ホーン部材、４ａ…超音波振動子、４ｂ…中間板、４ｃ…ピックアップ素子、５…チャック部材、５Ａ…第１のチャック部、５Ｂ…第２のチャック部、５Ｃ…直進部、５Ｄ…屈曲部、５ｂ…ネジ部、５ｃ１，５ｃ２…工具用凹部、５ｄ…ネジ穴、５ｅ…ネジ用凹部、６…研磨用チップ、７…皿ネジ。

Claims (5)

1. 超音波振動子によって駆動され、スリット部に研磨用チップを挟持するチャック部材であって、
   一方の端部に、前記チャック部材を互いに対向する第１のチャック部、第２のチャック部に分割するスリット部を有し、
   前記チャック部材は、直進部と、前記チャック部材の長軸に対して前記第１のチャック部から前記第２のチャック部の方向に屈曲させた屈曲部とを備え、
   前記直進部は、前記第１のチャック部及び前記第２のチャック部に連通し、前記研磨用チップを固定するネジのネジ穴を有し、
   前記ネジは、頭部が前記屈曲部の屈曲方向と反対側に位置するように挿入されていることを特徴とするチャック部材。
2. 請求項１に記載のチャック部材において、
   前記第１のチャック部の前記屈曲部の厚みは、前記直進部の厚みよりも小さいことを特徴とするチャック部材。
3. 請求項１又は２に記載のチャック部材において、
   前記第１のチャック部に、前記ネジの頭部の少なくとも一部が埋設する凹部が設けられていることを特徴とするチャック部材。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のチャック部材において、
   前記第１のチャック部及び前記第２のチャック部の先端部は、前記スリット部に対して垂直であることを特徴とするチャック部材。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のチャック部材を備える超音波研磨装置のハンドツール。

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