JPH02109667A - 超音波研削機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、特にガラス、水晶、シリコンカーバイト、ア
ルミナの様な絶縁材、硬質材、ぜい弱な材料またはこわ
れ易い材料の加工もしくは、工作品が相当複雑な形状を
成している場合の加工用の超音波研削機械に関する。

［従来の技術］ 従来、この種の超音波研削機械においては、［音波棒」
が用いられており、かつ該音波棒の先端には研削工具が
設けられ、この研削工具により、液体内に懸濁している
研摩材に超音波振動が伝達される。この超音波振動によ
って、工作物は微少な連打を受け、浸食される。該研削
工具は、達成しようとしている加工形状と同じ形であっ
て、加工物内に沈み込んで、これにその固有の形状を再
生させる。

通常、このような研削機械は、以下の各部を備えている
。

工作物の支持部、 先端に研削工具ホルダを有し、超音波周波数の往復運動
を研削工具に与え、加工研摩液にこれらの振動を伝達す
る振動部、 加工物内への研削工具の制御された降下システム、 超音波研削による加工は研削工具の先端で行われるよう
に、研削工具ホルダ軸に垂直な研削工具の研削面、 研削工具の降下調整装置、 振動部と固定枠間において、縦振動の振幅の節に取付け
られる機械的音響フィルタ。

［発明が解決しようとする課題］ このような機械的音響フィルタの配置のため、振動部は
伸長方向には完全に動かないが、各セクタに於て、高調
波の縦振動に、９０９位相のずれた半径方向の振動が伴
われることを考慮しなければならない、したがって、こ
うした半径方向の振動は、上記の固定部において振動の
腹を示すことになる。その結果、枠体に径方向の振動を
伝達させないようにするため、振動部を枠体から完全に
減結合する必要が生ずる。

本発明の主な目的は、こうした補足的条件を満たす機械
的音響フィルタを作成することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明に基づく、当初に定義されたタイプの工作機械は
、機械的音響フィルタが複数の等間隔の用心金状部材に
よって結合されている２つの同心のリングにより基本的
に成り、その内側リングは半径方向の振動に対し弾性変
形し得ることを基本的に特徴とするものである。

本発明のもう一つの目的は、加工物の加工条件、特に研
削工具により加工物にかかる圧力および研削深度に関す
る条件の完壁な調整を実現する・ことである。

このため、該加工機械に於ては又、加工面にかかる研削
工具の圧力を一定値に保ち、かつ研削工具と加工面との
間隔を一定に維持するため、研削工具の降下調整装置に
は基本的に、振動部を含む可動部の垂直方向移動を制御
する制御電動機を、エレクトロニクスによる連続的調整
によって、制御するために必要な静電容量式圧力センサ
が備えられていることを特徴とし得る。

さらに、従来の技術による加工機械のもう１つの不都合
は、複雑な形状の加工品を得るため、同様に複雑な形状
の研摩工具を作製しなければならず、これには製造時間
とコスト面で大きな負担がかからざるを得ないことであ
る。そのほか、こうした研摩工具は急速に摩耗し易く、
製造可能な形状も、精密度と寸法の両面で限定される。

結局、研削工具の単価は、加工品の寸法の増大に応じて
、急速に高価なものとなる。

本発明のもう一つの目的は、従来の技術のこうした様々
な不都合を除去することであり、特に、精密度と寸法に
限りのある高価な特殊研削工具に依存せずに、複雑な形
状のならい加工が可能な超音波研削機械を実現すること
である。

そのため、ならい削りを行うことが可能な、本発明に準
拠した超音波研削機械はまた、研削工具ホルダに垂直で
あり、かつ互いに垂直な２方向に向って、研削工具に対
し相対的に加工物を移動させるのに適したデジタル移動
制御装置を備えていることを特徴とすることができる。

この手法のため、また、前出の様々な手段の結果、該研
削工具は、非常に単純で幾学的な形状でよく、特別に小
さい寸法で済むことが可能であって、しかも、従来の技
術のように、研削工具に所望の複雑な形状を与えずとも
、加工形状を望みのままの複雑な形にすることができる
のは、互いに垂直な２方向に研削工具と加工物間の相対
的位置を変位し得るからである。従って、研削工具はコ
ストが安く、製造時間も非常に短い０本発明のため、な
らい削り加工が実現し得るので、目的の形状がいかなる
ものであっても、研削工具は１本で済むことも又、注目
すべき点である。

二次元移動装置により、例えば、この研削工具を用いて
、切断縁に対する閉回路の溝彫り、もしくは、研削面に
対するかき取りを行うことができる。同様に、溝彫りが
加工物の縁にまで延長される場合、回路のループを加工
物の外側に限定し、加工物に対する開回路の溝彫りを行
うことも可能である。溝彫りが加工物の内側に限られる
場合、移動システムは往復運動を行うこともできる。

加工物に対し、回路−周もしくはかき取りが行われる場
合、同一回路または同一のかき取りトレースに従って、
研削工具を降下させた後、また別の送り運動を行うこと
ができ、このようにして、必要なだけ継続的に送りを行
って、望みの深度に応じて加工することができる。

本発明に準拠した研削機械、すなわち、上記の一般原則
に従って作製された加工機械は、このほかいくつかの補
足的特徴と利点を有しているが、こうした点については
、以下に示す実施例の中で説明される。ただし、その説
明内容のみに限定されない。

以下の説明は、添付の図面を参照しながら、行われる。

［実施例］ 第１図において、工作物Ｐを支持する支持部は参照番号
１を付されている。Ｘ、Ｙ方向移動部は、すなわち２つ
のテーブル２．３より成り、その１つ２は固定の枠体４
に対し、水平方向Ｙに向って移動し、他の１つ３は前記
固定枠体に対し、方向Ｙに直角な方向Ｘに向って移動す
ることができる。テーブル２とテーブル３間におけると
同様にテーブル２と固定の枠体４との間にも、例えば、
ダブテール形の滑り溝のような、周知な適当な方法を用
いて、高精度の滑動を確保することが可能である。

テーブル２．３の位置は、各瞬間毎に光学読取り移動セ
ンサ（図示されていない）によって示される。該テーブ
ルの移動は、コンピュータ５によって制御される電動機
Ｍ、、Ｍヨにより得られる。

加工物Ｐは研摩液の回収液槽６に置かれ、該液槽には加
工物Ｐの金属製支え板が備えられている。第１図に図示
されているように、研摩液の循環はポンプ７によって行
われ、このポンプは液槽６から上記研摩液を吸い出し、
８の参照番号が付されている研削工具を介して、この液
を液槽内に再注入する。

第２図は、第１図の一部を拡大し、より詳細に示したも
ので、全体として参照番号９を付されている振動部を示
す。

該振動部は、それぞれ別個の３つの円筒部１Ｏ１１１、
１２の積み重ねによって構成され、各部の長さはλ／２
であって、λは振動の波長を示す、　第１の円筒部１０
は、同一質量でλ／４の長さの２本のチタン製円筒１４
，１４°間でプレストレス（予応力）を与えられている
２つの圧電気セラミック製円板１３（チタン塩酸、ジル
コニウム塩酸鉛ＰＺＴ）を含むトランスデューサより成
る。

第２の円筒部は、縦振動振幅の整合装置である。これは
チタン製かジェラルミン製で、２円筒形の形状をなし、
長さはλ／４の２倍である。該円筒部を構成する２つの
セクシヨン１５．１５″の直径の比の２乗が、整合比を
定義する。

第３の円筒部１２は、通常「音波棒」と呼ばれている第
２の整合装置で、その先端に研削工具８が具備されてい
る。第２の円筒部１１のように、これも一般的には２円
筒形で、同一の材質である。これを構成する２つの部分
１６．１６°の各直径間の比はこの場合、研削工具８の
形状と質量の関数であり、該研削工具は音波棒と一体成
形であるか、はめこみ式である。

第３図と第４図には、研削工具８と音波棒１２との接続
がどのようにしてなされるかが示されている。この接続
は、テーパ角５％の円錐形受は口によって確保され、研
削工具８の円錐形外面部分は音波棒１２の先端部１６°
に相応する形状の穴１６°゛内に嵌め込まれている。こ
れを止めるため、異なる２つのネジ部１８．１８°を有
する２円筒形の植込みボルト１７が用いられる。植込み
ボルト上部の大きな直径部分の細目ネジ山は、音波棒１
２の相応するネジ立てされた穴１９’内に嵌め込まれ、
他方、ボルト下部のより小さな直径部分の太目ネジ山は
、研削工具の部分８″に相応するネジ立てされた穴１９
に嵌め込まれる。

この接続システムは、音波棒１２と研削工具８との接触
面を増大させる利点があり、従って、この２つの同軸性
を確保して、研削工具によりよく振動を伝達することが
可能となる。

そのほか、前記の振動部９の共振周波数に関する調整は
、収納部において植込みボルト１７を少し動かすことに
より、容易に可能となり、音波棒の長さを連続的に調整
してこれを行う必要がなくなる。

第１図に、またより詳細には第２図に、該研削機械の振
動部９と枠体４との減結合システムが示されている。こ
のシステムは、該振動部を加工面に完全に垂直に保ちな
がら、枠体と振動部とが接続されている高さで、超音波
振動を停止させるためのものである。

第１図と第２図には、振動部の縦振動の振幅（実線）と
半径方向振動の振幅（点線）が示されている。

特に、第２図に示されているように、振動部がその固有
モードで振動する時、枠体への接続は縦振動の振幅の節
に於て行われる。振動部は伸びの方向に完全に動かなく
なる。

上記のように、所望の半径方向の減結合を行うため、第
２図の側面図と第２ａ図の平面図に示されている機械的
音響フィルタを利用することができ、このフィルタは、
上記のように、縦振動の振幅の節（２１，２２）に配さ
れている。それぞれの機械的音響フィルタ２０は、２つ
の同心リング２３．２４で成り、それらの間は等間隔に
配置された３つの用心金状部材（以下、バー２記す）２
５によって接続され、さらに、それらは、整合装置との
間に前記のバー２５と６０”だけ位置をずらせて配置さ
れた他の３つのバー２６によって該整合装置に接続され
ている。内側リングは、半径方向振動に応じて、弾性変
形する。より大きい外側リング２３は、フランジ２８に
よって、ベースの可動部２７に結合されている。（第１
図） そのほか、該研削機械には、すでに当初に示されている
様に、研削工具の研削面と加工面間の距離を一定に維持
するため、研削工具８の降下調整装置が具備されている
。

この装置は、一部が第１図に図示されているが、その全
体の原理図は第５図に示されている。

この２つの図で、この装置の同ｉの部分もしくは構造は
、同一の参照番号が出来るだけ、用いられている。

研削工具と加工面の間隔が、加工面に対する一定の圧力
と同様に、一定に保たれるように、研削工具８は、加工
物Ｐが研削されていくに応じて、該加工物内に降下して
いく、この時、振動部９が固定されている可動部２７を
支持している、参照番号２９で図示されている調整可能
なレバーとカウンターウェイトのアームシステムに作用
している重力効果が利用される。

この解決法は、加工面が広い場合には、有効である。こ
の場合、カウンターウェイトは、キログラム単位の重い
ものとなる。しかしながら、加工面が狭く、その上、精
密な加工が要求される場合、作用している質量はレバー
アームのジヨイント軸の摩擦および方向反転用プーリー
のトルクの摩擦を相殺するに十分ではない、この時、該
システムは、機構の乾燥摩擦によって停止し、重量の負
荷が過大にかかることになるので、加工物の表層剥離が
生じたり、破壊さえも発生したりする。

さらに、切削工具の沈下速時に、研摩材が一定の割合で
循環しなくなったり、研摩液の濃度に変動が生じたりす
る。その結果、減速され、降下の停止となる。この時、
全圧力が加工物にかかり、直ちに破壊が起こる。こうし
た、不都合を避けるため、降下速度を修正する圧力セン
サが備えられている。圧力センサは、先端に挿入され、
コンデンサの電極を成す板材３０より構成されている。

加工機械が正常に作動していれば、可動システム９〜２
７の全重量は、この板材３０にかかる。該板材３０の変
形時に、接続されたコンデンサのもうひとつの電極を形
成する検知電極３１を含む静電容量センサが、前出の電
極に向かい合って、配置されている。ブリッジ不平衡時
に、エレクトロニクスによる継続的調整システムが、ス
ラストの降下速度を修正する。

上記の理由により、加工速度が減速されたとき、センサ
の板材３０は幾分荷重が減ぜられ、電極間（板材・セン
サ）の間隔が増大する。降下用の電動機Ｍ８を減速させ
ながら、該システムは再び作動する。

第１図と第５図には、このほか、以下の参照番号が付さ
れている。

・３２　　電動機Ｍ、によって駆動され、挿入ブレード
３０を支持する可動スラスト ・３３　　電動機Ｍ、の制御アンプ ・３４　　基準性能のコンデンサ ・３５　　アンプ３３を制御するブリッジ不平衡タイプ
のコンパレータ ・３６　　平均速度指示ボード ［発明の効果］ 本発明には、以下の様な大きな利点がある。

１）研削工具の研削面は音波棒の軸に垂直であり、加工
物より一定の距離を保持し、この距離は用いられる研摩
材粒の寸法と超音波振動の振幅によって定まる。その結
果、加工品の仕上は非常に良質なものとなる。

２）研削工具の研削面と加工物の表面との間隔の調整は
、圧力センサによって行われ、活動している研摩材の荷
重を介して、加工物にかかる研削工具の接触圧は最小に
なる。

３）研削工具は、その単純な形状を考慮すれば、多結晶
質のダイヤモンドのような、非常に高い硬度と強度のあ
る材質を用いることができる。

したがって、同等な作業において、はるかに摩耗が少な
く、そのため加工精度を高めることができる。

４）研削工具を交換する毎に、音響インピー・ダンスを
整合する必要はない、（標準音波棒）５）　振動部、圧
電気円形板から研削工具に至るまで、一体成形にするこ
とができる。この場合、従来の加工法に於ては避けられ
なかったボルトによる結合をする必要がな（、研削工具
までより良く振動を伝達できる。

６）数値制御のあらゆる工作機械に用いることのできる
「超音波キット」を作ることが可能である。

７）加工物の寸法は、研削装置部の性能に限定されず、
テーブルＸ、Ｙの長さと移動精度で限定される。このよ
うな限界は、性能の限界よりもより制約が少ない。

８）本請求の対象であるならい刷り加工に於ては、一般
的に円筒形である研削工具８は、音波棒１２に完全に同
心である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に準拠する超音波研削機械の立面全体
図である。 第２図は、第１図の研削機械の振動部を示す。 第２ａ図は、機械的音響フィルタの平面図である。 第３図は、研削工具ホルダと研削工具間の接続法を図示
し、また、これら部品の一部断面図である。 第４図は、組立てられた研削工具と研削工具ホルダを図
示し、また、その部分的断面図である。 第５図は、研削工具の制御降下システムの単線結線図で
ある。 ０図面の参照番号 １、支持部 ２、テーブル ３、テーブル ４、固定ベース ５、コンピュータ ６、液槽 ７、ポンプ ８、切削工具 ８°１円錐形外面 ９、振動部 １０、第１円筒部 ＋１．第２円筒部 １２、第３円筒部 １３、円形板 １７、植込みボルト １８、太目ネジ山 １８′、細目ネジ山 １９、ネジ立て穴 １９゛、ネジ立て穴 ２０、機械的音響フィルタ ２１６振幅節 ２２、　　　〃 ２３、同心リング（外側） ２４、　　　／／　　　（内側） ２５、等間隔バー ２６、〃 ２７、可動部 ２８、フランジ ２９、カウンターウェイト ３０、挿入プレート 検知電極 可動スラスト 電動機Ｍｚの制御アンプ 基準性能のコンデンサ コンパレータ 平均速度支持ボード

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工物（Ｐ）を支持する支持部（１）と、工具ホル
   ダで終端し、研削工具（８）を駆動して超音波周波数の
   往復運動をさせ、その振動を加工用の研摩液に伝送する
   のに適合している振動部（９）と、 超音波研削が工具の先端で行われるように研削工具（８
   ）の研削表面が工具ホルダ（１２）の軸に垂直であるよ
   うにして、研削工具を加工物の方へ制御する降下制御シ
   ステムと、 研削工具の降下を制御をする降下調整装置 と、 振動部（９）と固定の枠体（４）の間に、縦振動の振幅
   の節（２１、２２）に配置されていて、本質的に、等長
   の用心金状部材（２５）によって連結された２つの同心
   のリング（２３、２４）によって構成され、内部のリン
   グ（２４）は半径方向の振動を受けると弾性的に変形可
   能である音響的機械フィルタ（２０）を含んでいる超音
   波研削機械。 ２、工具ホルダ（１２）と研削工具（８）の間の相互の
   結合と心出しが、２つのねじ前部（１８、１８′）を有
   する植込みボルト（１７）を仲介として確実に行われ、
   そのとき、ねじ前部の一方（１８′）は工具ホルダ（１
   ２）のねじが切られている穴（１９′）に係合されてい
   るけれど、他方のねじ前部（１８）は研削工具（８）の
   ねじが切られている穴（１９）中に係合され、該研削工
   具（８）は、円錐形のはめ込み（８′、１６″）によっ
   て工具ホルダ（１２）中に係合され心出しされる請求項
   １に記載の機械。 ３、研削工具（８）の降下を制御する降下調整装置は本
   質的に、研削工具（８）が加工表面におよぼす圧力を一
   定値に保つと共に研削工具（８）と加工表面の間の間隔
   を一定値に保つために、電気的制御の連鎖（３３−３６
   ）を仲介として、振動部（９）を搬送する可動部（２７
   ）を鉛直に動かす指示をモータ（Ｍｚ）に与えるのに適
   したコンデンサ型の、力のピックアップを含んでいる請
   求項１または２に記載の機械。 ４、前記可動部（２７）の重さは、電極（３１）と共に
   前記力のピックアップ（３０、３１）を構成する、凹入
   部のある板材（３０）の上にかかっている請求項３に記
   載の機械。 ５、工具ホルダ（１２）の軸に垂直であり、かつ、互い
   に垂直な２方向（Ｘ、Ｙ）に、研削工具（８）に対して
   加工物（Ｐ）を移動させるのに適した移動制御デジタル
   装置を備えている、ならい研削による加工用の、請求項
   １ないし４のいずれか１項に記載の機械。