JP7050206B1 - 超音波共振体の締結構造及び超音波加工装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献2では、切削ブレードの基台部に基台部貫通孔が設けられているため、基台部の外周面だけでなく、基台部貫通孔の内壁(内周面)も半径方向に拡縮(振動)する。従って、切削ブレードとスピンドルをボルト部材で締結する際に、切削ブレードとスピンドルを精密に位置決め(芯出し)し、基台部貫通孔に対してボルト部材を偏心させることなく挿通して、ボルト部材の外周面と基台部貫通孔の内壁との間に、全周にわたって均等な隙間を形成し、振動発生時でも、ボルト部材の外周面と基台部貫通孔の内壁が非接触状態を保てる(干渉しない)ようにする必要がある。そこで、専用の取付補助治具による位置決めが行われるが、消耗品である切削ブレードを交換する度に、煩雑な軸心合わせの作業を行わなければならず、著しくメンテナンス性に欠けるという課題があった。
また、超音波ホーンの両側のブースターをそれぞれ空気軸受で回転可能に支持する両持ち支持構造では、超音波ホーンの交換の度に、超音波ホーンと両側のブースターとの軸心のずれに応じて、それぞれの空気軸受と各ブースターとのエアギャップを調整しながら、空気軸受の芯出しを行う必要があり、メンテナンス性に欠けるだけでなく、特に軸心のずれが大きい場合は、それぞれの空気軸受と各ブースターとのエアギャップを調整することができず、超音波ホーン自体を使用できなくなるという課題があった。
以上のことから、超音波ホーンと、第1、第2のブースターを正確かつ簡単に同軸上(同一軸心上)に締結することができる締結構造の実現が要望されていた。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、寸法精度が高く、組立及び分解が容易で、メンテナンス性、耐久性及び動作の安定性に優れる超音波共振体の締結構造及び超音波共振体を安定的に高速回転させて効率的に超音波加工を行うことができ、静音性及び省エネルギー性に優れる超音波加工装置を提供することを目的とする。
前記超音波ホーンは、基部と、該基部の軸方向の一側及び他側にそれぞれ形成された第1、第2の突部と、前記基部及び前記第1、第2の突部の軸心を通って該超音波ホーンを軸方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔の両側の開口端からそれぞれ所定の長さ形成された又は該貫通孔の全長にわたって形成された雌螺子部とを有し、前記第1のブースターは、該第1のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第1の雄螺子部を有し、前記第2のブースターは、該第2のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第2の雄螺子部を有し、前記超音波ホーンと前記第1、第2のブースターはそれぞれの軸心を一致させて同軸上に締結されており、前記貫通孔の内部で前記第1、第2の雄螺子部の先端同士は接触することなく、前記超音波ホーンの軸心に、前記貫通孔の内壁と前記第1、第2の雄螺子部の先端で囲まれた空間部が形成され、前記定在波の節部の位置は前記基部の軸方向中央部で前記空間部と重なり、前記基部の外周に前記切断刃が取り付けられている。
ここで、切断刃(回転刃)は、超音波ホーンの基部に固定された状態で供給されるため、切断刃に摩耗や損傷が発生した場合には、超音波ホーンと第1、第2のブースターとの締結を外し、使用済みの(切断刃に摩耗や損傷が発生した)超音波ホーンを、新しい(切断刃に摩耗や損傷が発生していない)超音波ホーンと交換する。
ここで、軸受部に気体軸受が好適に用いられる。
ここで、第1、第2の軸受部のいずれか一方又は双方に気体軸受が好適に用いられる。
図1、図2に示す本発明の一実施の形態に係る超音波共振体の締結構造10を備えた図1の超音波加工装置11は、半径方向に超音波振動を行いながら回転する切断刃(加工具の一種)12で、例えば、SiCやアルミナ等の硬脆性材料の加工(切断、切削、研削等)を行うものである。
図3(A)に示す第1の変形例の超音波共振体の締結構造48が超音波共振体の締結構造10と異なる点は、第1のブースター49が、第1のブースター49の軸心の超音波ホーン13側に連結用雌螺子部50を介して取付けられて第1の突部21の軸方向長さ以下で雌螺子部24に螺合される第1の雄螺子部(無頭螺子)51を有する点である。
図3(B)に示す第2の変形例の超音波共振体の締結構造52が超音波共振体の締結構造10と異なる点は、第2のブースター53が、第2のブースター53の軸心の超音波ホーン13側に連結用雌螺子部54を介して取付けられて第2の突部22の軸方向長さ以下で雌螺子部24に螺合される第2の雄螺子部(無頭螺子)55を有する点である。
図3(C)に示す第3の変形例の超音波共振体の締結構造56が超音波共振体の締結構造10と異なる点は、第1のブースター49が、第1のブースター49の軸心の超音波ホーン13側に連結用雌螺子部50を介して取付けられて第1の突部21の軸方向長さ以下で雌螺子部24に螺合される第1の雄螺子部(無頭螺子)51を有し、第2のブースター53が、第2のブースター53の軸心の超音波ホーン13側に連結用雌螺子部54を介して取付けられて第2の突部22の軸方向長さ以下で雌螺子部24に螺合される第2の雄螺子部(無頭螺子)55を有する点である。いずれの変形例も、超音波共振体の締結構造10と同様の作用、効果を得ることができる。
例えば、上記実施の形態では、第1、第2の軸受部に空気(気体)軸受を用いたが、超音波共振体を両持ち支持する場合、第1、第2の軸受部は、第1、第2のブースターをそれぞれ回転可能に保持できればよく、第1の軸受部に機械軸受(例えば玉軸受等の転がり軸受)を用い、第2の軸受部に空気(気体)軸受を用いてもよいし、第1、第2の軸受部に機械軸受(例えば玉軸受等の転がり軸受)を用いてもよい。尚、第1及び/又は第2の軸受部に機械軸受を用いる場合は、第1及び/又は第2のブースター内の定在波の節部(ノード)の位置に設けた支持部を、第1及び/又は第2のブースターを同心状に内部に固定し、超音波共振体と共に回転する円筒状の内殻に固定し、その内殻を機械軸受で回転可能に支持することが望ましい。
さらに、上記実施の形態では、非接触継手の一例である非接触式磁気継手を介して回転軸に回転駆動源を間接的に連結したが、回転駆動源は、超音波共振体を回転させることができればよく、回転軸に回転駆動源を直接、連結してもよいし、回転軸にフレキシブル継手を介して回転駆動源を連結することもできる。
尚、上記実施の形態では、超音波振動子が連結されていない第2のブースター側が鉛直下向きとなるように、超音波共振体の軸心を鉛直方向に向けて配置したが、第2のブースター側が斜め下向きとなるように、超音波共振体の軸心を傾斜させて配置してもよいし、超音波共振体の軸心を水平方向に向けて配置してもよい。
Claims (7)
- 外周に切断刃を備えた超音波ホーンと、該超音波ホーンの軸方向の一側及び他側にそれぞれ連結された第1、第2のブースターとを有し、該第1、第2のブースターのいずれか一方の自由端面に連結される超音波振動子を駆動源として発生する超音波の定在波により、R/L変換体である前記超音波ホーンを該超音波ホーンの軸方向と直交する半径方向に振動させながら、該超音波ホーンの軸心を中心に回転して超音波加工を行う超音波共振体の締結構造であって、
前記超音波ホーンは、基部と、該基部の軸方向の一側及び他側にそれぞれ形成された第1、第2の突部と、前記基部及び前記第1、第2の突部の軸心を通って該超音波ホーンを軸方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔の両側の開口端からそれぞれ所定の長さ形成された又は該貫通孔の全長にわたって形成された雌螺子部とを有し、前記第1のブースターは、該第1のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第1の雄螺子部を有し、前記第2のブースターは、該第2のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第2の雄螺子部を有し、前記超音波ホーンと前記第1、第2のブースターはそれぞれの軸心を一致させて同軸上に締結されており、前記貫通孔の内部で前記第1、第2の雄螺子部の先端同士は接触することなく、前記超音波ホーンの軸心に、前記貫通孔の内壁と前記第1、第2の雄螺子部の先端で囲まれた空間部が形成され、前記定在波の節部の位置は前記基部の軸方向中央部で前記空間部と重なり、前記基部の外周に前記切断刃が取り付けられていることを特徴とする超音波共振体の締結構造。 - 請求項1記載の超音波共振体の締結構造において、前記第1の雄螺子部の長さは、前記第1の突部の軸方向長さ以下に形成され、前記第2の雄螺子部の長さは、前記第2の突部の軸方向長さ以下に形成されて、前記空間部は、前記基部を軸方向に貫通し、該基部の軸方向長さと同等以上の軸方向長さを有することを特徴とする超音波共振体の締結構造。
- 請求項1又は2記載の超音波共振体の締結構造において、前記超音波ホーンの軸方向の長さは、前記定在波の波長の1/2の長さに等しく、前記各第1、第2のブースターの軸方向の長さは、前記定在波の波長の1/2の長さの自然数倍に等しいことを特徴とする超音波共振体の締結構造。
- 請求項1~3のいずれか1記載の超音波共振体の締結構造において、前記第1、第2の突部はそれぞれ円柱状に形成され、前記第1の突部の直径及び軸方向の長さは、それぞれ前記第2の突部の直径及び軸方向の長さと等しく、前記貫通孔の直径は、前記第1、第2の突部の直径の1/10~1/2の範囲にあることを特徴とする超音波共振体の締結構造。
- 請求項1~4のいずれか1記載の超音波共振体の締結構造を備えたことを特徴とする超音波加工装置。
- 請求項5記載の超音波加工装置において、前記超音波振動子が連結される前記第1、第2のブースターのいずれか一方のみを回転可能に保持する軸受部で前記超音波共振体を片持ち支持することを特徴とする超音波加工装置。
- 請求項5記載の超音波加工装置において、前記第1、第2のブースターをそれぞれ回転可能に保持する第1、第2の軸受部で前記超音波共振体を両持ち支持することを特徴とする超音波加工装置。
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