JPH06143099A - 超音波加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 被加工物Ｗに貫通孔が形成されたことを迅速
・正確に判定すると共に貫通孔周辺部の被加工物Ｗの割
れを確実に防止することにより、作業能率と歩留りの向
上を図った超音波加工機を提供する。 ［構成］ 本体(1) の先端部に取付けられる工具(15)
と、被加工物Ｗの裏面に貼着される導体板(6) との間の
電気抵抗を検出する電気抵抗検出器(7) と、検出された
電気抵抗に基づき被加工物Ｗの裏面近傍における工具先
端部(15a) の位置を判定する判定手段(8) とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、各種の素材の孔あけ加
工などに利用される超音波加工機に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種の素材の孔あけ加工などに利用され
る超音波加工機は、図６に示すように、先端に工具１０
２を装着する本体１００と、工具１０２の先端に対向さ
れ油圧装置等の加圧手段１０３によって昇降される受台
１０４と、この受台１０４上に固定される被加工物Ｗの
加工箇所に研削液Ａを供給する研削液ノズル１０５とを
備えている。本体１００の根元部分に取付けられたＢＬ
振動子などの超音波振動子１０１が発生した超音波エネ
ルギーが、受台１０４上に固定されたガラスやセラミッ
ク等の被加工物Ｗの表面に押圧される工具１０２の先端
部に伝達され、研削液ノズル１０５から供給される研削
液Ａと協同した研削加工が行われる。

【０００３】研削液ノズル１０５から供給される研削液
Ａは、図７に示すように、砥粒と呼ばれる鋭い角をもっ
た超硬質の研磨粒Ａ１を水等の液体に混合したもので、
被加工物Ｗと工具１０２の間に介在するこの研磨粒Ａ１
が工具１０２の超音波振動によって大きな衝突力を与え
られ、被加工物Ｗを削り取る作用を有する。加圧手段１
０３は、受台１０４に保持された被加工物Ｗを工具１０
２の先端部（刃先）１０２ａに一定の加圧力で押圧して
おり、これによって被加工物Ｗの研削加工が行われる。

【０００４】加工の進行に伴い刃先１０２ａが被加工物
Ｗの裏面を通過することにより、貫通孔が形成される。
被加工物Ｗが脆性材料の場合、刃先１０２ａが被加工物
の裏を通過する際に、図７に参照符号Ｄで示すような割
れが発生し易くなり、加工精度が低下する。これを防止
するために、ガラスやセラミックなどの硬質の板Ｃが展
性の良好な薄いワックス層Ｂを介して被加工物Ｗの裏面
に貼着される。この場合、被加工物Ｗの裏面が工具１０
２の刃先１０２ａから押圧力を受ける最終面とならない
ため、割れＤが発生しにくくなりより高精度の貫通孔が
形成される。なお、板Ｃは、加工の終了後に被加工物を
ワックスＢの溶融温度まで加熱することにより除去され
る。

【０００５】上記工程において、被加工物Ｗに貫通孔が
形成されたか否かの判定は、位置センサ１０６を用いて
行われる。すなわち、加圧手段１０３によって加圧され
ている受台１０４は、被加工物Ｗの研削加工の進行に伴
って上昇するため、その高さが一定値に達したことを位
置センサ１０６で読み取ることによって、被加工物Ｗに
貫通孔が形成されたことを判断するものである。なお、
図６では位置センサ１０６としてダイヤルゲージが例示
されているが、レーザやホトニックセンサ、あるいは磁
気センサ等も用いられる。被加工物Ｗに貫通孔が形成さ
れると直ちにこの加工が停止され、次の加工に移行す
る。このため、貫通孔の形成を迅速かつ正確に判定する
ことは、加工時間の短縮の点でも、また、工具１０２の
無駄な摩耗を防止する点でも重要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術には、加
工に伴い工具１０２の先端部が摩耗すると、これと受台
との位置関係が変化し、位置センサに基づく貫通の判定
に誤りが生ずるという問題がある。工具１０２として高
硬度のステンレス鋼やチタン合金、超硬鋼材等が用いら
れているが、被加工物も高硬度のセラミックやダイヤモ
ンドなどの場合には工具の摩耗が避けられない。このよ
うな工具１０２の摩耗によって、受台１０４の移動距離
と被加工物Ｗにおける実際の研削深さに誤差が生じるこ
とになる。しかもその誤差は、工具１０２の摩耗の進行
の度合いや被加工物Ｗの厚さによって異なるため、貫通
の判断はきわめて困難である。このため、貫通孔を形成
したはずの被加工物Ｗを取り出して確認すると、実際に
は貫通孔が未だ形成されていないという事態が生じる。
このような場合には再加工が必要になるが、この際、工
具１０２と途中まで未完の貫通孔とを正確に位置合せし
なければならず、作業能率が著しく低下するという問題
がある。

【０００７】また、被加工物Ｗの裏面に貼着したガラス
等の板Ｃは、上述のとおり、被加工物Ｗの貫通時に発生
する割れＤを防止するためのものであるが、それでも、
工具１０２の刃先１０２ａに加えられる振動振幅が大き
いと、貫通時に割れＤが生じることがある。このような
割れの発生は、振動振幅や加圧力を減少させることによ
って抑圧できるが、これに伴い加工速度が低下し、加工
時間が長引くという問題がある。

【０００８】従って、本発明の解決課題は、被加工物が
貫通されたことを正確に判定すると共に、貫通直前の被
加工物の割れを確実に防止して、作業能率及び歩留りの
向上を図ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記従来技術の課題を解
決する本発明の超音波加工機は、被加工物の裏面に貼着
される導体板と工具の先端部との間の電気抵抗を検出す
る電気抵抗検出手段と、この電気抵抗検出手段で検出さ
れた電気抵抗に基づき被加工物の裏面近傍における工具
先端部の位置を判定する判定手段とを備えている。

【００１０】

【作用】すなわち本発明によれば、工具の先端（刃先）
が被加工物の貫通に伴いその裏面に貼着された導体板に
接触すると、電気抵抗検出手段で検出される工具の刃先
と導体板との間の電気抵抗値がほぼ無限大からほぼ０に
接近する。この際、刃先が導体板に接触することによっ
て直ちに０になるのではなく、刃先と導体板の間に砥粒
等の絶縁層が介在しかつ刃先が振動に伴い導体板との接
離を繰り返しているので、電気抵抗値がほぼ０Ωになる
まである程度の時間がかかる。判定手段は、検出された
電気抵抗から、被加工物の裏面近傍の刃先の位置を判定
し、この判定結果を表示手段に表示させたり、判定結果
に基づき超音波振動子の動作を停止させるなどの制御を
行うことができる。

【００１１】また、被加工物の貫通時に刃先と導体板間
の電気抵抗が徐々に低下することを利用して、電気抵抗
の低下に応じて超音波振動子の振動振幅を低下させた
り、工具を被加工物に押し付ける加圧手段の加圧力を低
下させるとなどの制御を行うことにより、貫通時の割れ
の発生を有効に回避できる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の超音波加工機の
構成を示すブロック図であり、１は本体、２は発振器、
３は受台、４は加圧手段、５は研削液ノズルである。本
体１は、発振器２から高周波電力が供給されるボルト締
めランジュバン型（ＢＬ）振動子１１と、このＢＬ振動
子に接着された金属製のコーン（又はホーン）１２と、
このコーン１２の先端にボルト等で固定されたホーン１
３と、これらコーン１２とホーン１３の間であって振動
変位が零となる位置（振動の節）に設けられた支持部と
してのフランジ１４と、振動変位が最大となる前記ホー
ン１３の先端に取り付けられた工具１５とからなる。

【００１３】発振器２から供給される１０〜６０ｋＨｚ
の高周波電力は、ＢＬ振動子１１によって超音波振動エ
ネルギーに変換される。こＢＬ振動子１１で変換された
超音波振動の振幅は、コーン１２によって拡大され、更
にホーン１３によって加工に必要な振幅に拡大される。
ホーン１３の先端の振幅としては、例えば１０〜６０μ
ｍｐｐの範囲が設定される。

【００１４】参照符号６は、受台３上に保持されたガラ
スやセラミック等の被加工物Ｗの裏面にワックス層Ｂを
介して貼着された導体板で、典型的には銅、黄銅、鋼材
等の金属や、導電性セラミックや、導電性エラストマー
等からなる。参照符号７は、電気抵抗検出器で、一方の
検出端７ａが導体板６に接続されると共に、他方の検出
端７ｂが加工機本体１のコーン１２とホーン１３を介し
て工具１５に接続されている。電気抵抗検出器７の出力
端子７ｃは、判定制御回路８に接続される。参照符号９
は、判定制御回路８の判定結果を表示する表示回路であ
る。

【００１５】電気抵抗検出器７は、図２に示すように、
直流電源７１と、抵抗器Ｒ１と、検出端子７ａ，７ｂ
と、コンデンサＣと、Ａ／Ｄ変換器７２とから構成され
ている。検出端子７ａ，７ｂの間には、工具１５の先端
と導体板６との間に介在される被加工物Ｗと等価な可変
抵抗器Ｒ２が接続され、この可変抵抗器の抵抗値の変化
を、電圧変化として検出するようになっている。すなわ
ち、工具１５の刃先１５ａが被加工物Ｗの内部に位置し
ていれば、導体板６との間の可変抵抗器Ｒ２の抵抗値は
ほぼ無限大であるため、コンデンサＣの放電は開始され
ず、Ａ／Ｄコンバータ７２には直流電源７１の電圧値が
入力される。その後に、刃先１５ａが被加工物Ｗを貫通
して導体板６に接触し始めると、可変抵抗器Ｒ２の抵抗
値が徐々に低下し、コンデンサＣの放電が開始され、Ａ
／Ｄコンバータ７２への入力電圧値が低下する。

【００１６】刃先１５ａが被加工物Ｗの裏面を通過する
際には、図３に示すように、刃先１５ａと導体板６の間
に電気絶縁性の研磨粒Ａ１及び貼着層Ｂが介在すると共
に、刃先１５ａが振動しているため、導体板６の表面と
の複雑な接触が行われる。また、貼着層Ｂは、0.1 ｍｍ
程度と極めて薄く、刃先１５ａ自体も研磨を受けるため
微細な凹凸が形成されている。このため、貫通の初期に
は、ホーン１３の伸長に伴い刃先１５ａの微細凸部のご
く一部が導体板６に接触するが、次の瞬間、ホーン１３
の収縮に伴い微細凸部が導体板６から離れて再び絶縁状
態になる。このような導体板との接離動作を超音波の周
期で反復しながら刃先１５ａが被加工物Ｗの裏面を通過
してゆき、刃先１５ａと導体板６の接触面積が徐々に拡
大されてゆく。

【００１７】電気抵抗検出器７で検出される電気抵抗値
は、接触面積に反比例してほぼ無限大の値から徐々に低
下してゆき、Ａ／Ｄコンバータ７２への入力電圧値も徐
々にに低下して行く。本発明者らがテスターを用いて行
った実験によれば、被加工物Ｗとしてガラスを用い、工
具の先端の振動振幅を20μｍｐｐ、振動周波数を19.5ｋ
Ｈｚ、加圧力を１Ｋｇ／ｃｍ² に設定した場合、抵抗値
の低下が開始されてからほぼ０Ωとなるのに約５秒の時
間を要した。

【００１８】被加工物Ｗが貫通され、工具１５の刃先と
導体板６が完全に導通された状態で発振器２によるＢＬ
振動子１１の励振を停止すると、電気抵抗検出器７で検
出される抵抗値は再び∞Ωとなる。これは、工具１５が
振動による伸長時と収縮時の中間の位置で停止すると、
刃先１５ａと導体板６との隙間が研磨粒Ａ１などによっ
て埋めらることにより、絶縁状態になるためと考えられ
る。

【００１９】判定制御回路８は、電気抵抗検出器７で検
出された抵抗値に対応する電圧値を予め設定された所定
の閾値と比較し、その判定結果に基づいて制御信号を出
力する。例えば、図４に示すように、検出された電圧値
Ｖｒが閾値Ｖａまで低下した時点ｔ1 、あるいはその後
一定時間経過した時点ｔ2 で、判定制御回路８から表示
回路９へ制御信号が発せられ、被加工物Ｗの貫通が表示
回路９によってランプの点灯やブザー音の発生などによ
って表示される。

【００２０】一層好ましくは、判定制御回路８からの制
御信号を発振器２に出力することによって、発振器２に
よる本体１の駆動を停止させ、研削作業を終了するとう
制御が可能である。また、前記閾値Ｖａよりも高い閾値
Ｖｂを設定しておき、電圧値Ｖｒがこの閾値Ｖｂまで低
下した時点ｔ₀ で、まず発振器２から超音波振動子１１
に供給するれ励振電圧を低下させ、その後更に加工が進
行して電圧値Ｖｒが閾値Ｖａまで低下した時点ｔ₁ やそ
の一定時間経過後の時点ｔ₂ において発振器２の発振を
停止するという多段階の制御も可能である。このよう
に、工具１５が被加工物Ｗを貫通し始めた時に振動振幅
を低下させることで、貫通時の割れの発生を回避するこ
とができる。この場合、電圧値Ｖｒが閾値Ｖｂから閾値
Ｖａまで低下する過程で、発振器２の発振振幅を連続的
に制御し、貫通時の工具１５の振動振幅を、徐々に低下
させることもできる。

【００２１】また、判定制御回路８の出力を加圧手段４
に供給し、電圧値Ｖｒが閾値Ｖｂまで低下した時点ｔ₀
では、図５に示す加圧手段４のモータ４３の回転数を低
下させることによって油圧ポンプ４２の吐出圧を低下さ
せたり、圧力制御弁４４による設定圧力を低下させたり
する制御も可能である。これによって、工具１５が被加
工物Ｗの裏面を通過し始めた時に刃先１５ａに対する被
加工物Ｗの押し付け力を緩和し、貫通出口外周部の割れ
の発生を回避することができる。そして、その後更に加
工が進行して電圧値Ｖｒが閾値Ｖａまで低下した時点ｔ
₁ では、方向切換弁４５を接続位置４５ａから４５ｂに
切り換えることによって、受台３を本体１から後退さ
せ、被加工物Ｗを工具１５から離して加工工程を終了す
ることができる。

【００２２】なお、図５に示す加圧手段４は、油圧シリ
ンダ４１と、モータ４３で駆動されて油圧シリンダ４１
に油圧を供給する油圧ポンプ４２と、この油圧ポンプ４
２からの吐出圧を一定値に保持する圧力制御弁４４と、
油圧ポンプ４２からの吐出方向を油圧シリンダ４１の室
４１ａ又は４１ｂに切り換える方向切換弁４５とを備え
ている。この方向切換弁４５を図示のように接続位置４
５ａに切り換えると、油圧シリンダ４１は室４１ａに油
圧ポンプ４２からの油圧が供給される一方、室４１ｂは
開放されるので、ピストン４１ｃが受台３を介して被加
工物Ｗを本体１の工具１５へ向けて押し付け、これによ
って被加工物Ｗの研削加工が進行される。また、方向切
換弁４５を接続位置４５ｂに切り換えると、油圧シリン
ダ４１は室４１ａが開放される一方、室４１ｂには油圧
ポンプ４２から油圧が供給されるので、ピストン４１ｃ
が受台３を本体１から後退させる。

【００２３】なお、上記実施例においては、加圧手段４
が被加工物Ｗを本体１に対して進退させる構成とした
が、この加圧手段４は、本体１を被加工物Ｗに対して進
退させる構成としても良く、本発明は、その他細部の形
状等についても、図示の一実施例に特に限定するもので
はない。

【００２４】また、被加工物の裏面に電気絶縁性のワッ
クス層を介して導体板を貼着する構成を例示した。しか
しながら、被加工物がガラスやセラミックや樹脂などの
電気絶縁性の素材から構成される場合には、その裏面に
導電塗料など導電性の貼着層を介して導体板を貼着する
構成としてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明の超
音波加工機は、ホーン先端の工具が被加工物の裏面を通
過する際に、工具先端部と導体板間の電気抵抗がほぼ無
限大からほぼ０まで徐々に変化するという新たな知見に
基づき裏面近傍における工具先端部の位置を判定する構
成であるから、被加工物の貫通を迅速・正確に判定する
ことができる。したがって、誤判定による加工のやり直
しや、加工時間を必要以上に長く設定した場合の無駄な
加工時間や、工具の無駄な摩耗が有効に回避され、作業
能率の向上が実現される。

【００２６】また、本発明の実施例によれば、電気抵抗
の変化状態に応じて超音波振動子の振動振幅を低下させ
たり、工具と被加工物間の加圧力を低下させたりするこ
とにより、貫通時の刃先の衝撃を緩和することができる
ので、貫通孔周辺の割れの発生を有効に回避し、製品の
歩留りを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の超音波加工機の構成を示す
ブロック図である。

【図２】図１の電気抵抗検出器７の概略構成を示す回路
図である。

【図３】図１の実施例において工具１５の先端部１５ａ
が被加工物Ｗの裏面を通過する過程を説明するための拡
大断面図である。

【図４】図１の実施例において工具１５の先端部１５ａ
が被加工物Ｗの裏面を通過する過程で電気抵抗検出器７
から出力される電圧の変化を説明するための波形図であ
る。

【図５】図１の加圧手段４の概略構成を示すブロック図
である。

【図６】従来の超音波加工機の一例を示すブロック図で
ある。

【図７】図６の超音波加工機において工具１０２の先端
部が被加工物Ｗの裏面をを通過する状態を説明するため
の拡大断面図である。

【符号の説明】

１ 本体 １１ ＢＬ振動子 １３ ホーン １５ 工具 １５ａ 刃先 ２ 発振器 ３ 受台 ４ 加圧手段 ６ 導体板 ７ 電気抵抗検出器 ８ 判定制御回路（判定手段） ９ 表示回路（表示手段） Ｗ 被加工物

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波振動子と、この超音波振動子が発生
   する超音波エネルギーを先端部に伝達するホーンと、こ
   のホーンの先端部に装着された工具と、この工具と被加
   工物との間の加圧力を発生する加圧手段と、被加工物の
   加工箇所に研削液を供給する研削液供給手段とを備えた
   超音波加工機において、 前記被加工物の裏面に貼着される導体板と前記工具の先
   端部との間の電気抵抗を検出する電気抵抗検出手段と、 この電気抵抗検出手段で検出された電気抵抗に基づき前
   記被加工物の裏面近傍における前記工具の先端部の位置
   を判定する判定手段と、 を備えたことを特徴とする超音波加工機。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記判定手段による判定結果を表示する表示手段を備え
   たことを特徴とする超音波加工機。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記判定手段は、前記工具の先端部が前記被加工物の裏
   面を通過し終わったと判定した時点で前記超音波振動子
   の動作を停止させる手段を備えたことを特徴とする超音
   波加工機。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３において前記判定手段
   は、前記工具の先端部が前記被加工物の裏面を通過中と
   判定した時点で前記超音波振動子の振幅を減少させる手
   段を備えたことを特徴とする超音波加工機。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４において、 前記判定手段は、前記工具の先端部が前記被加工物の裏
   面を通過中と判定した時点で前記加圧手段の加圧力を減
   少させる手段を備えたことを特徴とする超音波加工機。