JPH07100753A - 回転加工装置及びその回転工具及びその装置本体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 回転工具の定速回転に超音波振動を重畳する
回転加工装置において、簡易な構造で装置本体に回転工
具を着脱自在として生産性向上や小型軽量化も実現す
る。 【構成】 先端部に加工刃９を設けた回転芯材４の外周
面に磁歪材１１を設けて超音波共振体１４とし、この超
音波共振体１４の末端部に振動緩衝部７を介して振動不
感性のシャンク８を突設して回転工具２とし、この回転
工具２の磁歪材１１に高周波磁力を印加する超音波駆動
部１７を装置本体３に設け、この装置本体３に回転工具
２のシャンク８を回転駆動する回転駆動部１６を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、歯科用バーやポイント
などのような歯牙切削具、精密機械加工用切削具、或い
は、研削具、特に精密加工用として利用される超音波振
動重畳型の回転加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、機械加工の分野では、加工刃で
ある切削刃を具備したツールを回転工具として高速回転
させることによる切削加工や、加工刃を具備する砥石を
先端に設けたツールを回転工具として高速回転させるこ
とによる研削加工などが実施されている。

【０００３】ここで、上述のような切削加工や研削加工
では、一般的に切削速度や研削速度となる回転工具の回
転速度が大きいほど加工刃の切れ味が向上するので、ツ
ールをフライス盤やマシニングセンタの主軸に取付けて
高速回転するユニットや、小型のハンディタイプの電気
モータに連動するツールを持つエンジン、ロータ、或い
は、エアタービンに連動するようにしたものが数多く使
用されている。特に、ハンディタイプのものは、歯科治
療用としても多用されている。

【０００４】このような小型の回転加工装置では、ツー
ルを電気モータで回転駆動するようになっているが、こ
れはツール直径が細く、このツールを回転駆動する電気
モータの最大回転数も低いため、その切削や研削の速度
が遅くなっている。そこで、このような課題を解決する
ため、ツールをエアタービンによって超高速に回転駆動
する回転加工装置が実施されており、このような回転加
工装置では、その回転数として500000〜600000(rpm）を
実現したものも存在している。そこで、このような構造
の回転加工装置は、ツールの回転速度が高速で切削抵抗
が低いので、歯牙切削用などとして利用されているが、
さらに患者の疼痛や不快感を緩和するため、より切削抵
抗を減少させることが要望されている。

【０００５】一方、このような回転速度の高速化の方向
に対し、歯牙切削の分野では、振動切削効果で切削抵抗
を低減させることを目指し、回転駆動するバーやポイン
トに縦モードやねじりモードの超音波振動を重畳させる
ようにした回転加工装置が特公昭36-19650号公報に示さ
れている。また、この公報に示されるような効果に着目
し、超音波振動装置によって歯牙を振動させつつ、振動
する歯牙を通常のエンジンやエアタービンで回転駆動す
るバーやポイントで切削することにより、切削抵抗を低
減させて無痛切削を実現するようにした回転加工装置
が、例えば、特公昭60-27298号公報（米国特許第 4,49
6,321号）に示されている。

【０００６】同様に、焼結ダイヤモンドなどの砥石に超
音波振動を与えながら回転駆動すると切削抵抗が著しく
低下するので、このような回転加工装置がガラスやセラ
ミックスなどの硬脆材料の穴あけや研削などに実用化さ
れている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、回転駆
動する回転工具に超音波振動を重畳させれば、その回転
駆動を過度に高速化することなく回転工具の切削抵抗や
研削抵抗を低下させて切れ味を向上させることができる
ので、加工速度や加工精度の向上に寄与することができ
る。

【０００８】しかし、このような回転加工装置を現実的
に想定した場合、例えば、回転駆動される回転工具を超
音波振動させるために超音波振動子を回転工具に一体化
するようなことになる。この場合、この超音波振動子は
回転工具とともに回転することになるので、この超音波
振動子に電力を供給するためのフィーダやスリップリン
グなどの給電装置も回転工具側に設けることになり、こ
のような回転工具を含めた超音波振動子などの共振振動
する振動系を振動障害なく高剛性に軸支する必要もある
ことになる。このため、上述のような回転加工装置は、
実際には構造が複雑化して生産性向上や小型軽量化が困
難となっている。

【０００９】また、このような回転加工装置では、超音
波振動子やホーンなどの振動系にボルト締結や銀ろう接
合などで回転工具を緊密に固定する必要もあるため、こ
の回転工具の互換性が低下して加工作業の汎用性が阻害
されることになる。さらに、このような回転加工装置で
は、超音波振動子や給電装置などを回転工具に一体化す
ると、これが回転工具の回転対称性を阻害して加工刃に
芯振れを発生させる大きな要因となるため、その加工精
度が低下して精密加工の実施が困難となる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
非磁性材で形成した回転芯材の先端部に加工刃を設ける
と共に外周面に磁歪材を設けることで超音波共振体を形
成し、この超音波共振体の末端部に小径の振動緩衝部を
介して大径で振動不感性のシャンクを一体に突設するこ
とで回転工具を形成し、この回転工具の前記磁歪材に高
周波磁力を印加する超音波駆動部を装置本体に設け、こ
の装置本体に前記回転工具の前記シャンクを回転駆動す
る回転駆動部を設けた。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、回転工具の磁歪材に軸心方向と平行な間隙
を形成し、この間隙に前記磁歪材の円周方向にバイアス
磁力を発生する永久磁石を装着した。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、回転工具の磁歪材に軸心方向に対して傾斜
した螺旋状の間隙を形成した。

【００１３】請求項４記載の発明は、請求項１記載の発
明において、装置本体の超音波駆動部の高周波磁力にバ
イアス磁力を重畳した。

【００１４】請求項５記載の発明は、非磁性材で形成し
た回転芯材の先端部に加工刃を設けると共に外周面に磁
歪材を設けることで超音波共振体を形成し、この超音波
共振体の末端部に小径の振動緩衝部を介して大径で振動
不感性のシャンクを一体に突設した。

【００１５】請求項６記載の発明は、回転工具の磁歪材
に磁力を印加する超音波駆動部を設け、回転工具のシャ
ンクを着脱自在に保持して回転駆動する回転駆動部を設
けた。

【００１６】

【作用】装置本体の回転駆動部が回転工具のシャンクを
回転駆動すると共に、装置本体の超音波駆動部が回転工
具の磁歪材に高周波磁力を印加するので、回転工具は定
速回転に超音波振動が重畳される。

【００１７】

【実施例】本発明の一実施例を図１ないし図３に基づい
て以下に説明する。まず、この回転加工装置１は、図１
に例示するように、回転工具２を装置本体３に着脱自在
に装着した構造となっている。

【００１８】そして、この回転加工装置１の回転工具２
では、図２（ａ）及び図３に例示するように、ＳＵＳ３
０３等の非磁性材で回転芯材４が形成されており、この
回転芯材４は、大径の円筒状の本体部５より前方に尖鋭
なテーパ部６を一体に形成し、前記本体部５の末端部に
小径の振動緩衝部であるバッファ部７を介して振動不感
性のシャンクである大径の円筒状のニュートラルタブ８
を一体に突設した構造となっている。

【００１９】さらに、この回転工具２では、前記回転芯
材４の前記テーパ部６の先端部に外面が加工刃９となる
小径の円柱形の砥石１０が一体に装着されており、前記
回転芯材４の前記本体部５の外周面には円筒形の磁歪フ
ェライトからなる磁歪材１１が有機接着剤（図示せず）
の高温接着で一体に装着されている。そして、この回転
工具２では、図３に例示するように、前記磁歪材１１が
軸心方向と平行に部分的に切除されることで一つの間隙
１２が形成されており、この間隙１２に前記磁歪材１１
の円周方向に磁極が位置する永久磁石１３が有機接着剤
の高温接着で一体に装着されている。

【００２０】なお、この回転工具２では、前記磁歪材１
１と、この磁歪材１１が装着された前記回転芯材４の本
体部５と、この本体部５の超音波振動を拡大する前記テ
ーパ部６と、このテーパ部６の先端部に装着された前記
砥石１０とにより、この砥石１０の加工刃９をねじり振
動させる超音波共振体１４が形成されている。

【００２１】そして、この回転加工装置１の装置本体３
では、図１に例示したように、円筒形のケーシング１５
の内部に、前記回転工具２の前記ニュートラルタブ８を
回転駆動する回転駆動部１６と、前記回転工具２の前記
磁歪材１１に高周波磁力を印加する超音波駆動部１７と
を設けた構造となっている。

【００２２】そこで、この装置本体３の前記回転駆動部
１６は、前記ケーシング１５の内部に電気モータやエア
タービン等の駆動源（図示せず）を配置し、この駆動源
の回転軸（図示せず）に前記回転工具２の前記ニュート
ラルタブ８を着脱自在に保持するコレットチャック１８
を直結した構造となっている。また、この装置本体３の
前記超音波駆動部１７は、前記コレットチャック１８で
前記ニュートラルタブ８が保持された前記回転工具２の
前記磁歪材１１と対向する位置で前記ケーシング１５の
内周面にフェライト製の磁気ヨーク１９を介して電磁コ
イル２０を装着し、この電磁コイル２０に高周波電流を
発生する駆動回路（図示せず）を接続した構造となって
いる。

【００２３】なお、この回転加工装置１の装置本体３で
は、着脱自在な前記回転工具２を良好に回転自在に軸支
するため、この回転工具２の本体部５を前方で支持する
円環形のボールベアリング２１を、前記ケーシング１５
の前面に着脱自在に捩込まれるキャップ２２の中心孔２
３に装着している。

【００２４】また、この回転加工装置１の回転工具２で
前記回転芯材４に固着した前記砥石１０は、例えば、焼
結ダイヤモンドや電着ダイヤモンドなどで形成すること
ができ、これはポラゾンやＧＣ(Green Carborundum）や
ＷＡ(White Alundun)などの砥粒を利用することも実施
可能である。

【００２５】このような構成において、この回転加工装
置１では、装置本体３に回転工具２を着脱自在に装着し
て回転自在に軸支し、回転駆動部１６で回転駆動する回
転工具２の超音波共振体１４を超音波駆動部１７でねじ
り振動させるようになっている。

【００２６】より詳細には、この回転加工装置１の装置
本体３では、超音波駆動部１７の駆動回路が、回転工具
２の超音波共振体１４のねじり振動の共振周波数で高周
波電流を出力するように予め設定されており、この高周
波電流によって電磁コイル２０が高周波磁力を発生する
ことになる。そこで、永久磁石１３により円周方向にバ
イアス磁力が発生している回転工具２の磁歪材１１は、
超音波駆動部１７の電磁コイル２０が発生する高周波磁
力が軸心方向に貫流することで、ウィードマン効果によ
ってねじり振動が励起されることになる。そして、この
回転工具２の磁歪材１１に発生したねじり振動は、回転
芯材４のテーパ部６で振動振幅が増幅されるので、この
テーパ部６の先端部に位置する砥石１０は円周方向に大
振幅で超音波振動を発生することになる。

【００２７】つまり、この回転工具２が軸沿いに“λ／
２”で分布するねじり共振振動を発生した場合、図２
（ｂ）に例示するように、磁歪材１１の後縁部から砥石
１０の前面までが“λ／２”で共振することになり、砥
石１０は振動拡大ホーンとなる回転芯材４のテーパ部６
で拡大された振幅で円周方向に超音波振動を発生するこ
とになる。

【００２８】そして、この回転加工装置１では、上述の
ようにして砥石１０が円周方向に超音波振動を発生する
回転工具２が、同時に装置本体３の回転駆動部１６で回
転駆動されているので、この回転工具２の砥石１０は定
速回転に超音波振動が重畳された状態となる。このよう
にすることで、この回転加工装置１では、回転工具２の
回転駆動を過度に高速化することなく砥石１０の加工抵
抗を低下させて切れ味を向上させることができるので、
その加工速度や加工精度の向上に寄与することができる
と共に砥石１０の装置寿命も延長することができる。

【００２９】そして、この回転加工装置１では、上述の
ように超音波振動を発生する回転工具２を装置本体３の
回転駆動部１６で保持して回転駆動するが、この回転駆
動部１６がコレットチャック１８で保持する回転工具２
のニュートラルタブ８には超音波共振体１４のねじり振
動が伝達されないので、回転工具２のねじり振動が回転
駆動部１６に漏出して振動障害を与えるようなことはな
い。

【００３０】つまり、ねじり振動の振幅は、外周から軸
中心に向かって直線的に減少する分布を示すが、大径の
ニュートラルタブ８と本体部５とを連結したバッファ部
７は、ニュートラルタブ８や本体部５よりかなり小径な
ので、図２（ｂ）に例示したように、超音波共振体１４
のねじり振動の振幅はバッファ部７に入ると直径に比例
して低下することになり、大径でねじり振動に対する慣
性が大きいニュートラルタブ８には、ねじり振動が殆ど
伝達されないことになる。

【００３１】なお、このような回転工具２では、ニュー
トラルタブ８の慣性モーメントが増加するほどバッファ
部７の緩衝効果も増大するので、ニュートラルタブ８の
全長や直径を拡大するとバッファ部７の直径も拡大する
ことができる。実際にはニュートラルタブ８を確実に保
持するコレットチャック１８を含めて充分に慣性が大き
くなるので、バッファ部７の直径は本体部５の直径の半
分ほどが許容される。また、このようなバッファ部７の
緩衝や自身の慣性によるニュートラルタブ８の振動不感
性は、回転工具２の共振周波数が高いほど良好である。

【００３２】さらに、この回転加工装置１では、回転工
具２を超音波共振体１４の振動ノードの位置では装置本
体３の回転駆動部１６に連結しない構造となっているの
で、回転工具２の超音波振動が装置本体３の回転駆動部
１６に悪影響を及ぼすことがなく、形状が相違する回転
工具２を交換するなどして超音波共振体１４の共振周波
数が変化しても、装置本体３の回転駆動部１６に対する
影響は微小である。

【００３３】このようにすることで、この回転加工装置
１では、超音波振動を発生する回転工具２を振動障害な
く高剛性に軸支し、さらに、装置本体３のボールベアリ
ング２１で回転工具２を前方でも回転自在に軸支するこ
とで、砥石１０の芯振れなどを防止して加工精度を向上
させるようになっている。

【００３４】なお、このようなボールベアリング２１
を、オイルレススリーブ（図示せず）を利用することで
回転工具２の振動ノードとの位置誤差による超音波振動
の漏出を解消することや、空気軸受や磁気軸受などの非
接触軸受（図示せず）を利用することで、回転工具２の
支持位置の自由度を向上させると共に超音波振動の漏出
を解消することなども実施可能である。また、このよう
な回転工具２が短小であってバッファ部７の直径を比較
的大きくできる場合には、その前部の振動ノードをボー
ルベアリング２１などで支持することは不要となること
も多い。

【００３５】そして、この回転加工装置１における、超
音波共振体１４からなる回転工具２は、自身が超音波振
動を発生するので、従来のように装置本体３に設けた超
音波振動子やホーン（共に図示せず）にボルト締結など
で固定するような必要がなく、高周波磁力で超音波振動
を発生する回転工具２は、給電装置（図示せず）を設け
て電力を供給するようなことも要しないので、その構造
が極めて簡易で生産性向上や小型軽量化が容易であり、
回転工具２の回転対称性も良好にすることができるの
で、さらに砥石１０の芯振れなどを防止して加工精度の
向上に寄与することができる。

【００３６】しかも、このように構造が簡易で装置本体
３に着脱自在な回転工具２は、特に電着ダイヤ砥石など
ではスローアウェイ工具でもあり、加工刃９の形態が相
違する各種の回転工具２を用意することもできるので、
回転加工装置１のランニングコストを低減すると共に加
工作業の汎用性を向上させることができる。なお、この
回転加工装置１で装置本体３に回転工具２を装着する場
合は、装置本体３のキャップ２２を取外したケーシング
１５の内部に回転工具２の後半部を挿入し、そのニュー
トラルタブ８をコレットチャック１８で保持してからキ
ャップ２２をケーシング１５に装着するようになってい
る。

【００３７】また、本実施例の回転加工装置１の回転工
具２では、回転芯材４に磁歪材１１と永久磁石１３とを
有機接着剤の高温接着で装着することを例示したが、こ
のような装着を金属半田で実施することで耐熱性を向上
させることもできる。さらに、本実施例の回転加工装置
１の回転工具２では、磁歪材１１として磁歪フェライト
を利用することを例示したが、このような磁歪材１１と
しては、ニッケルメッキや接着ニッケル膜や積層ニッケ
ル板や積層アモルファスなどが利用可能である。

【００３８】より具体的には、焼鈍してから表面に酸化
被膜を形成した板厚 0.1(mm)の純ニッケル板（図示せ
ず）を磁歪材１１として接着剤と共に回転芯材４に積層
し、これを高温硬化させてから表面に形成した間隙１２
に永久磁石１３を接着することでも、回転工具２を形成
することが可能である。この場合、この回転工具２は電
気機械変換効率は低いものの、強力な超音波振動を発生
することができる。なお、溶融金属を急速冷却して非晶
質金属とした磁歪アモルファスの合金薄板を磁歪材１１
とした回転工具２では、より良好な電気機械変換効率で
強力な超音波振動を発生することができる。

【００３９】また、後述する歯牙切削用などとして回転
工具２のさらなる小型化が重要な場合には、その磁歪材
１１をニッケルメッキで形成することが好適である。こ
の場合、磁歪材１１が不要な部分をマスクした回転芯材
４の表面に 0.1〜0.5(mm）の膜厚でニッケルメッキを成
膜して磁歪材１１を形成し、この磁歪材１１にニッケル
メッキのマスクなどで形成した間隙１２に永久磁石１３
を装着することになる。なお、このような回転工具２で
は、例えば、事前に永久磁石１３を装着した回転芯材４
にニッケルメッキで磁歪材１１を形成することも実施可
能である。

【００４０】ここで、一般的にニッケルの電気メッキは
メッキ膜に電着応力が残留するので、ニッケルメッキか
らなる磁歪材１１は残留応力が磁歪特性に悪影響を及ぼ
すことになるが、実際には電気メッキで使用する薬品や
メッキ条件などを適切に選択することで、振動特性が良
好な磁歪材１１を回転工具２に形成することができる。

【００４１】また、回転芯材４の本体部５と同形状の治
具（図示せず）にニッケルの電気メッキで磁歪材１１を
形成し、この磁歪材１１を治具から取外して回転芯材４
に装着することで、この磁歪材１１は電気メッキした時
点で発生して残留する応力が治具から取外されることで
開放されるので、より良好な磁歪効果を回転芯材４上で
発生することができる。

【００４２】さらに、本実施例の回転加工装置１の回転
工具２では、磁歪材１１に形成した一つの間隙１２に一
個の永久磁石１３を装着することを例示したが、磁歪材
１１に対して回転対称となる位置に形成した複数の間隙
１２の各々に永久磁石１３を装着し、回転工具２の回転
対称性を向上させることも実施可能である。

【００４３】また、この回転加工装置１は、回転工具２
の砥石１０の定速回転に重畳する超音波振動がねじり振
動であり、一段の振幅拡大ホーンによる拡大比を大きく
とれるので、多段の振幅拡大ホーンの縦続の必要性がな
く、回転工具２の超音波共振体１４は短い全長でも十分
な振動振幅を確保することができる。そして、この回転
加工装置１は、その小型軽量化が容易で加工性能も良好
であるので、これは歯牙切削用などに利用することも好
適である。

【００４４】さらに、この回転加工装置１は、装置本体
３のボールベアリング２１の内周面が回転芯材４の外周
面に嵌合し、回転工具２を回転自在に装置本体３に軸支
する構造となっているが、例えば、回転工具２の超音波
共振体１４の振動ノードの位置まで延長した磁歪材１１
の外周面に装置本体３のボールベアリング２１の内周面
を嵌合させること（図示せず）なども実施可能である。
このようにすることで、回転工具２の交換時にキャップ
２２を着脱することが不要となるので、さらに回転工具
２の交換作業を容易にすることができる。

【００４５】また、この回転加工装置１は、超音波振動
を発生しながら回転する回転工具２が砥石１０を具備す
ることを例示したが、本発明は上記実施例に限定される
ものではなく、例えば、ドリル、タップ、リーマ、エン
ドミルなど、その回転工具は必要に応じて各種形態が実
施可能である。

【００４６】つぎに、回転工具２に作用させる超音波振
動をねじり共振振動として極力小型化を計り、歯牙切削
用に形成した回転加工装置２４を、本発明の変形例とし
て図４に基づいて以下に説明する。なお、以下に例示す
る各種の変形例に関し、上述した回転加工装置１と同一
の部分は、同一の名称と符号とを流用して詳細な説明は
省略する。

【００４７】まず、この回転加工装置２４は、やはり回
転工具２を装置本体２５に着脱自在に装着した構造とな
っている。そして、この装置本体２５は、細長い円筒形
のハンドル２６の先端部に設けた円筒形のケーシング２
７の内部上方に、ローラベアリング２８で円環状の保持
部材２９を回転自在に軸支されている。ここで、この保
持部材２９は、内周面に回転工具２のニュートラルタブ
８がスライド自在で回転不能に嵌合する段付孔３０が形
成されてナイロン樹脂３１で内張りされており、外周面
にはベベルギヤ３２が一体に形成されている。

【００４８】そして、この回転加工装置２４の装置本体
２５では、電気モータやエアタービン等の駆動源（図示
せず）の回転軸３３が前記ハンドル２６の内部に配置さ
れてボールベアリング３４で回転自在に軸支されてお
り、このボールベアリング３４を貫通した前記回転軸３
３の先端部にベベルギヤ３５が装着されている。そこ
で、このベベルギヤ３５が前記ベベルギヤ３２と連結さ
れることで、回転工具２を回転駆動する装置本体２５の
回転駆動部３６が形成されている。

【００４９】このような構成において、この回転加工装
置２４では、やはり、装置本体２５に回転工具２を着脱
自在に装着するようになっており、回転駆動部３６で回
転駆動する回転工具２の超音波共振体１４を超音波駆動
部１７でねじり振動させるようになっている。

【００５０】そして、この回転加工装置２４は、超音波
共振体１４からなり自身が超音波共振振動を発生する回
転工具２は構造が極めて簡易で小型に形成することがで
き、この回転工具２を回転駆動する駆動源の回転軸３３
はベベルギヤ３２，３５でケーシング２７の外部に配置
されているので、患者（図示せず）の口内に挿入される
ケーシング２７が極めて小型で操作性が良好である。

【００５１】より具体的には、このような回転加工装置
２４の回転工具２は、例えば、全長が23(mm)で本体部５
の外径が 2.2(mm)でバッファ部７の全長が 2.0(mm)で外
径が1.2(mm)でニュートラルタブ８の全長が 4.0(mm)で
外径が 3.0(mm)に回転芯材４を形成し、この回転芯材４
に層厚 0.8(mm)のフェライト製の磁歪材１１を外装し、
この磁歪材１１を軸心方向と平行に切除した間隙１２に
円周方向に磁極が位置する永久磁石１３を一体に装着
し、また、電着ダイヤモンドで砥石１０を形成すること
などで製作される。なお、このような回転工具２の加工
刃９は、加工作業に対応して各種形状の切削刃で形成さ
れることもあり、その材料としてもステンレス鋼やタン
グステンカーバイトなどが利用される。

【００５２】そして、この回転加工装置２４は、装置本
体２５の超音波駆動部１７の駆動回路が出力する高周波
電流に、回転工具２の超音波共振体１４のねじり振動の
共振周波数を設定することになるが、例えば、上述のよ
うな寸法で形成した回転工具２の共振周波数は約116(KH
z)となる。このような共振周波数の高周波電流によりね
じり振動する回転工具２の砥石１０の振動振幅は、装置
本体２５の超音波駆動部１７の駆動回路が出力する高周
波電力で設定されることになるが、例えば、

【００５３】

【外１】

【００５４】最大負荷として1.6(Ｗ）を発生させること
ができる。

【００５５】そして、このようなねじり振動が定速回転
に重畳された回転工具２は、その回転駆動を過度に高速
化することなく砥石１０の加工抵抗を低下させて歯牙を
良好な切れ味で切削することができる。しかも、このよ
うな回転工具２のねじり振動の共振周波数を人体の疼痛
感覚の不感帯域に設定することで、患者に不快感や疼痛
感を与えることなく歯牙を治療することができる。

【００５６】ここで、上述した回転加工装置１の回転工
具２では、永久磁石１３によりバイアス磁力が発生して
いる磁歪材１１に、超音波駆動部１７の高周波磁力を軸
心方向に貫流させることで、ウィードマン効果によるね
じり振動を発生させることを例示したが、本発明は上記
実施例に限定されるものではない。例えば、図５に例示
するように、回転工具３７の磁歪材３８に軸心方向に対
して傾斜した螺旋状の間隙３９を形成すると共に、印加
する高周波電流に直流電流を重畳することで装置本体３
の超音波駆動部１７が発生する高周波磁力にバイアス磁
力を重畳することも実施可能である。

【００５７】このようにすることで、この回転加工装置
では、バイアス磁力が重畳された超音波駆動部１７の高
周波磁力により、磁歪材３８が間隙３９の形成方向に伸
縮することで回転工具３７が共振周波数でねじり振動す
る。

【００５８】そして、このような回転加工装置では、回
転工具３７の磁歪材３８に永久磁石１３を設ける必要が
ないので、その部品数を低減して生産性の向上に寄与す
ることができる。なお、この回転加工装置では、回転工
具３７の磁歪材３８に間隙３９を螺旋状に形成する必要
があるが、このような間隙３９は磁歪材３８を後述のニ
ッケルメッキで製作する際に非導電性塗装の印刷でマス
クすることなどで容易に形成することができる。

【００５９】また、上述した回転工具２では、その超音
波共振体１４が軸沿いに“λ／２”で分布する超音波共
振振動を発生することを例示したが、本発明は上記実施
例に限定されるものでもなく、図６に例示するように、
超音波共振体４０が“λ”の超音波振動を発生する回転
工具４１なども実施可能である。

【００６０】ここで、この回転工具４１は、非磁性超硬
合金からなる回転芯材４２の先端部に加工刃４３を螺旋
形に形成したドリルとなっており、回転芯材４２の本体
部４４上に“λ／２”の長さに磁歪材１１が設けられ、
残る“λ／２”の長さには前記加工刃４３が形成された
振幅拡大用のテーパ部４５が前記本体部４４と共に形成
されている。

【００６１】このような構成において、この回転工具４
１は、磁歪材１１が振動ノード“Ｎ₂ ”を中心として
“λ／２”の長さで形成されているので、その電気機械
変換効率が極めて良好で加工刃４３に発生する超音波振
動が高強度である。

【００６２】そして、この回転工具４１は、精密な穿孔
作業に好適であり、例えば、多層プリント配線基板（図
示せず）にスルーホールなどを形成するような場合、こ
のスルーホールは面粗度が向上してバリやスミヤの発生
が激減し、回転工具４１の加工刃４３の耐久性も向上す
ることになる。

【００６３】なお、このような回転工具４１では、超音
波共振体１４の超音波共振振動をねじり共振振動に設定
すると、加工刃４３のコーナーになるほど振動振幅が増
大するので、穿孔の内周面では加工刃４３のコーナーの
大きな振動振幅により、充分な振動切削効果が作用して
高精度な孔が形成される。

【００６４】同様に、図７に例示するように、超音波共
振体４６が“ 1.5λ”の超音波共振振動を発生する回転
工具４７なども実施可能である。そして、この回転工具
４７は、やはり回転芯材４８の本体部４９上に“λ／
２”の長さに磁歪材１１が設けられており、残る“λ”
の長さには、砥石１０が先端に装着された等径部５０と
振幅拡大用のテーパ部５１とが前記本体部４９と共に形
成されている。

【００６５】このような構成において、この回転工具４
７は、磁歪材１１が振動ノードを中心として“λ／２”
の長さで形成されているので、その電気機械変換効率が
良好であると共に、砥石１０の外周面などの加工刃９で
開口孔の内周面を精密に研削することができる。そし
て、この回転工具４７では、長い等径部５０の先端に砥
石１０が設けられているので、この砥石１０を小径の開
口孔の奥深くまで挿入することが容易であり、深い小径
孔内面の研削仕上げ加工が可能となる。

【００６６】また、上述した回転加工装置１等では、超
音波共振体１４等の超音波振動をねじり振動とすること
を例示したが、本発明は上記実施例に限定されるもので
はなく、例えば、このような超音波振動を縦振動や複合
振動とすることも実施可能である。

【００６７】より具体的には、前述した回転加工装置１
において、その超音波共振体１４の縦振動の共振周波数
の高周波電流に直流電流を重畳して電磁コイル２０に印
加すれば、回転工具２の磁歪材１１は軸心方向にバイア
ス磁力と共に高周波磁化されて縦方向に伸縮するので、
この回転工具２は超音波共振体１４の縦共振周波数で縦
振動として大きな超音波共振振動を発生することにな
る。つまり、前述した回転加工装置１は、電磁コイル２
０に直流電流を重畳するなどして印加する高周波電流の
周波数を、超音波共振体１４のねじり振動と縦振動との
共振周波数に選択的に切替えることで、回転工具２にね
じり共振振動と縦共振振動とを選択的に発生させること
ができる。

【００６８】そして、上述のように回転加工装置１の回
転工具２を縦共振振動で超音波振動させる場合でも、こ
の回転工具２の縦共振振動は、この振動に対して慣性の
大きなニュートラルタブ８と小径のバッファ部７とによ
り装置本体３の回転駆動部１６までは殆ど伝達されない
ので、回転工具２の縦共振振動が回転駆動部１６に漏出
して振動障害を与えることを防止することができる。

【００６９】なお、前述した回転加工装置１では、超音
波共振体１４に良好にねじり振動を発生させるために磁
歪材１１に部分的に設けた永久磁石１３で円周方向にバ
イアス磁力を発生させる構造となっているが、これは超
音波共振体１４の縦共振振動の励起を阻害するものでは
ない。また、このような縦共振振動のみが必要な場合に
は、円周方向にバイアス磁力を発生させる永久磁石１３
を磁歪材１１から省略できることは自明である。

【００７０】さらに、図８に例示するように、軸方向に
バイアス磁力を発生する円環状の永久磁石５２を、超音
波駆動部５３の磁気ヨーク５４の一部として設けた回転
加工装置５５なども実施可能である。このようにするこ
とで、この回転加工装置５５では、上述のように電磁コ
イル２０に印加する高周波電流に直流電流を重畳しなく
ともバイアス磁力を発生させることができるので、簡易
な構造の駆動回路で超音波共振体１４に縦共振振動の超
音波振動を発生させることができる。

【００７１】また、図９（ａ）に例示するように、長大
な回転芯材５６に永久磁石１３を一体化した磁歪材１１
と一体化しない円環状の磁歪材５７とを順次装着して超
音波共振体５８を形成した回転工具５９を、ねじり振動
用の超音波駆動部１７と縦振動用の超音波駆動部５３と
を順次具備した装置本体６０に装着した回転加工装置６
１なども実施可能である。より詳細には、この回転加工
装置６１では、同図（ｂ）に例示するように、回転工具
５９の超音波共振体５８は“２λ”にねじり振動と縦振
動とを共振分布させた構造となっているので、この共振
分布の“λ／２”のノードを中心として回転芯材５６に
は磁歪材１１，５７が本体部６２に順次装着されると共
に振幅拡大用のステップホーン６３，６４が順次形成さ
れている。

【００７２】このようにすることで、この回転加工装置
６１では、装置本体６０がニュートラルタブ８で回転工
具５９を回転駆動する際に、超音波駆動部１７，５３を
選択的に駆動すれば回転工具５９にねじり振動と縦振動
とを選択的に発生させることができ、超音波駆動部１
７，５３を同時に駆動すれば回転工具５９にねじり振動
と縦振動との複合振動を発生させることができる。

【００７３】この時、この回転加工装置６１では、回転
工具５９に発生するねじり振動と縦振動とは、同図
（ｂ）に例示したように、振幅分布は同様で振動方向の
みが相違している。そこで、このように振幅分布が同一
のねじり共振振動と縦共振振動とを回転工具５９の本体
部６２に同時に発生させると、この超音波複合振動がス
テップホーン６３，６４で振幅が拡大されて砥石１０に
伝達されるようになっている。

【００７４】なお、このような回転工具５９の共振分布
では、縦振動の周波数はねじり振動の約 1.7倍となるの
で、例えば、縦振動の周波数を200(kHz)に設定する場
合、ねじり振動の周波数は120(kHz)程度となる。

【００７５】そして、この回転加工装置６１では、上述
のようにねじり振動と縦振動との複合振動で回転工具５
９が超音波振動するので、さらに加工速度や加工精度の
向上に寄与することができると共に砥石１０の装置寿命
も延長することができる。

【００７６】例えば、この回転加工装置６１でセラミッ
クやガラス等の硬脆材に穿孔加工を実行する場合、砥石
１０の軸方向の縦振動で硬脆材を微細に粉砕すると同時
に、砥石１０の周方向のねじり振動が回転する砥粒に振
動切削効果を与えるので、縦振動やねじり振動の一方だ
けでは得られない複合的な作用が得られて加工速度や加
工精度が極めて良好となる。

【００７７】さらに、図９（ｃ）に例示するように、
“λ／２”だけステップホーン６５を延長した回転工具
６６を形成してねじり振動と縦振動との複合振動で超音
波振動する砥石１０を、小径の開口孔の奥深くまで挿入
できるようにして深い小径孔内面の研削仕上げ加工を可
能とすることも実施可能である。

【００７８】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、非磁性材で形成
した回転芯材の先端部に加工刃を設けると共に外周面に
磁歪材を設けることで超音波共振体を形成し、この超音
波共振体の末端部に小径の振動緩衝部を介して大径で振
動不感性のシャンクを一体に突設することで回転工具を
形成し、この回転工具の前記磁歪材に高周波磁力を印加
する超音波駆動部を装置本体に設け、この装置本体に前
記回転工具の前記シャンクを回転駆動する回転駆動部を
設けたことにより、超音波共振体からなる回転工具は、
自身が超音波振動を発生するので装置本体に設けた超音
波振動子やホーンにボルト締結などで固定するような必
要がなく、装置本体の高周波磁力で超音波振動する回転
工具は、給電装置を設けて電力を供給するようなことも
要しないので、その構造が極めて簡易で生産性向上や小
型軽量化が容易であり、しかも、このように構造が簡易
で装置本体に着脱自在な回転工具は、容易にスローアウ
ェイ工具とすることができ、加工刃の形態が相違する各
種の回転工具を用意することもできるので、回転加工装
置のランニングコストを低減すると共に加工作業の汎用
性を向上させることができる等の効果を有するものであ
る。

【００７９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、回転工具の磁歪材に軸心方向と平行な間隙
を形成し、この間隙に前記磁歪材の円周方向にバイアス
磁力を発生する永久磁石を装着したことにより、簡易な
構造で強力な超音波振動を回転工具に発生させることが
できる等の効果を有するものである。

【００８０】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明において、回転工具の磁歪材に軸心方向に対して傾斜
した螺旋状の間隙を形成したことにより、簡易な構造で
強力な超音波振動を回転工具に発生させることができる
等の効果を有するものである。

【００８１】請求項４記載の発明は、請求項１記載の発
明において、装置本体の超音波駆動部の高周波磁力にバ
イアス磁力を重畳したことにより、簡易な構造で強力な
超音波振動を回転工具に発生させることができる等の効
果を有するものである。

【００８２】請求項５記載の発明は、非磁性材で形成し
た回転芯材の先端部に加工刃を設けると共に外周面に磁
歪材を設けることで超音波共振体を形成し、この超音波
共振体の末端部に小径の振動緩衝部を介して大径で振動
不感性のシャンクを一体に突設したことにより、このシ
ャンクを装置本体で回転駆動すると共に装置本体で磁歪
材に高周波磁力を印加することで、回転工具の定速回転
に超音波振動を重畳することができ、この回転工具は、
自身が超音波振動を発生するので装置本体に設けた超音
波振動子やホーンにボルト締結などで固定するような必
要がなく、給電装置を設けて電力を供給するようなこと
も要しないので、その構造が極めて簡易で生産性向上や
小型軽量化が容易であり、しかも、このように構造が簡
易で装置本体に着脱自在な回転工具は、容易にスローア
ウェイ工具とすることができ、加工刃の形態が相違する
各種の回転工具を用意することもできるので、回転加工
装置のランニングコストを低減すると共に加工作業の汎
用性を向上させることができる等の効果を有するもので
ある。

【００８３】請求項６記載の発明は、回転工具の磁歪材
に磁力を印加する超音波駆動部を設け、回転工具のシャ
ンクを着脱自在に保持して回転駆動する回転駆動部を設
けたことにより、この回転駆動部で定速回転する回転工
具の超音波共振体を超音波駆動部で超音波振動させるこ
とができ、この装置本体は、自身が超音波振動を発生す
る回転工具を着脱自在に装着することができるので、加
工刃の形態が相違する各種の回転工具を利用することが
でき、回転加工装置のランニングコストを低減すると共
に加工作業の汎用性を向上させることができる等の効果
を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回転加工装置の内部構造を
例示する縦断側面図である。

【図２】回転工具と振動モードとの関係を例示し、
（ａ）は回転工具の内部構造を例示する縦断側面図、
（ｂ）は振動モードを例示する特性図である。

【図３】回転工具の外観を例示する斜視図である。

【図４】本発明の変形例の回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図である。

【図５】本発明の他の変形例の回転工具の要部を例示す
る側面図である。

【図６】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転工具の内部構造を例示す
る斜視図、（ｂ）は振動モードを例示する特性図であ
る。

【図７】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転工具の内部構造を例示す
る側面図、（ｂ）は振動モードを例示する特性図であ
る。

【図８】本発明の変形例の回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図である。

【図９】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図、（ｂ）は振動モードを例示する特性
図、（ｃ）は他の回転工具の要部を例示する側面図であ
る。

【符号の説明】

１，２４，５５，６１ 回転加工装置 ２，３７，４１，４７，５９，６６ 回転工具 ３，２５，６０ 装置本体 ４，４２，４８，５６ 回転芯材 ７ 振動緩衝部 ８ シャンク ９，４３ 加工刃 １１，３８，５７ 磁歪材 １２，３９ 間隙 １３ 永久磁石 １４，４０，４６，５８ 超音波共振体 １６，３６ 回転駆動部 １７，５３ 超音波駆動部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年８月２２日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２７

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２７】つまり、この回転工具２が軸沿いに“λ／
２”で分布するねじり共振振動を発生した場合、図２
（ｂ）に例示するように、磁歪材１１の後縁部から砥石
１０の前面までが“λ／２”で共振することになり、砥
石１０は振動拡大ホーンとなる回転芯材４のテーパ部６
で拡大された振幅で円周方向に超音波振動を発生するこ
とになる。なお、“λ”とは、回転工具に分布する振動
の波長である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５８】そして、このような回転加工装置では、回
転工具３７の磁歪材３８に永久磁石１３を設ける必要が
ないので、その部品数を低減して生産性の向上に寄与す
ることができる。なお、この回転加工装置では、回転工
具３７の磁歪材３８に間隙３９を螺旋状に形成する必要
があるが、このような間隙３９は磁歪材３８を前述のニ
ッケルメッキで製作する際に非導電性塗装の印刷でマス
クすることなどで容易に形成することができる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６３】なお、このような回転工具４１では、超音
波共振体４０の超音波共振振動をねじり共振振動に設定
すると、加工刃４３の先端の切り刃はコーナーになるほ
ど振動振幅が増大するので、穿孔の内周面では加工刃４
３のコーナーの大きな振動振幅により、充分な振動切削
効果が作用して高精度な孔が形成される。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回転加工装置の内部構造を
例示する縦断側面図である。

【図２】回転工具と振動モードとの関係を例示し、
（ａ）は回転工具の内部構造を例示する縦断側面図、
（ｂ）は振動モードを例示する特性図である。

【図３】回転工具の外観を例示する斜視図である。

【図４】本発明の変形例の回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図である。

【図５】本発明の他の変形例の回転工具の要部を例示す
る側面図である。

【図６】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転工具の外観を例示する斜
視図、（ｂ）は振動モードを例示する特性図である。

【図７】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転工具の外観を例示する側
面図、（ｂ）は振動モードを例示する特性図である。

【図８】本発明の変形例の回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図である。

【図９】本発明の他の変形例の回転工具と振動モードと
の関係を例示し、（ａ）は回転加工装置の内部構造を例
示する縦断側面図、（ｂ）は振動モードを例示する特性
図、（ｃ）は他の回転工具の要部を例示する側面図であ
る。

【符号の説明】 １，２４，５５，６１ 回転加工装置 ２，３７，４１，４７，５９，６６ 回転工具 ３，２５，６０ 装置本体 ４，４２，４８，５６ 回転芯材 ７ 振動緩衝部 ８ シャンク ９，４３ 加工刃 １１，３８，５７ 磁歪材 １２，３９ 間隙 １３ 永久磁石 １４，４０，４６，５８ 超音波共振体 １６，３６ 回転駆動部 １７，５３ 超音波駆動部 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成６年１０月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６０】ここで、この回転工具４１は、非磁性超硬
合金からなる回転芯材４２の先端部に加工刃４３を螺旋
形に形成したドリルとなっており、回転芯材４２の本体
部４４上に“λ／２”の長さに磁歪材１１が設けられ、
残る“λ／２”の長さには前記加工刃４３と振幅拡大用
のテーパ部４５とが前記本体部４４と共に形成されてい
る。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 非磁性材で形成した回転芯材の先端部に
   加工刃を設けると共に外周面に磁歪材を設けることで超
   音波共振体を形成し、この超音波共振体の末端部に小径
   の振動緩衝部を介して大径で振動不感性のシャンクを一
   体に突設することで回転工具を形成し、この回転工具の
   前記磁歪材に高周波磁力を印加する超音波駆動部を装置
   本体に設け、この装置本体に前記回転工具の前記シャン
   クを回転駆動する回転駆動部を設けたことを特徴とする
   回転加工装置。
2. 【請求項２】 回転工具の磁歪材に軸心方向と平行な間
   隙を形成し、この間隙に前記磁歪材の円周方向にバイア
   ス磁力を発生する永久磁石を装着したことを特徴とする
   請求項１記載の回転加工装置。
3. 【請求項３】 回転工具の磁歪材に軸心方向に対して傾
   斜した螺旋状の間隙を形成したことを特徴とする請求項
   １記載の回転加工装置。
4. 【請求項４】 装置本体の超音波駆動部の高周波磁力に
   バイアス磁力を重畳したことを特徴とする請求項１記載
   の回転加工装置。
5. 【請求項５】 非磁性材で形成した回転芯材の先端部に
   加工刃を設けると共に外周面に磁歪材を設けることで超
   音波共振体を形成し、この超音波共振体の末端部に小径
   の振動緩衝部を介して大径で振動不感性のシャンクを一
   体に突設したことを特徴とする回転加工装置の回転工
   具。
6. 【請求項６】 回転工具の磁歪材に磁力を印加する超音
   波駆動部を設け、回転工具のシャンクを着脱自在に保持
   して回転駆動する回転駆動部を設けたことを特徴とする
   回転加工装置の装置本体。