JPH09141642A - 微小切込み機構付振動工具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型、軽量で応答性に優れ、また切込み量の
精密な制御が可能な微小切込み機構付振動工具を提供す
る。 【解決手段】 ダイヤモンドチップ３を取り付けた工具
シャンク７と曲げ振動用の４つの圧電素子（１８ａ，１
８ｂ等）とを組み合わせた曲げ振動工具３０と、この曲
げ振動工具３０を切込み方向に移動させる移動用の圧電
素子１２と、この圧電素子１２に電圧を加える圧電素子
アンプ２１と、曲げ振動工具３０の固有振動数と同じ周
波数の電圧を圧電素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ
に加える超音波発振回路６と、曲げ振動工具３０の切込
み方向の変位量を検出する変位センサ１５と、この変位
センサ１５の検出信号をフィードバック信号として曲げ
振動工具３０の切込み方向の変位量が変位指令値２２に
なるよう圧電素子アンプ２１から圧電素子１２に加える
電圧を制御するコントローラ３１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微小切込み機構付振
動工具に関し、特にセラミックやガラス等の脆性材料を
加工する超精密加工機に適用して有用なものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックやガラス等の脆性材料
の超精密切削加工は、クラックが発生しないように切込
み量を臨界切込み量（例えばガラスでは約０．２μｍ）
以下にして行われていた。しかし、切込み量が小さいと
加工能率が下がるので、切込み量を大きくする方法とし
てダイヤモンド工具に超音波振動を付加して切削する振
動切削法が適用されている。

【０００３】図８は従来用いられている超音波振動工具
の側面図である。同図に示すように、本超音波振動工具
（以下、縦振動工具と称す）は、ボルト締めランジュバ
ン振動子１にステップホーン２を取付け、このステップ
ホーン２の先端にダイヤモンドチップ３が取付けられて
いる。ステップホーン２は、その振動節（振動しない部
分）をボルト４の先端で局所支持することにより取付け
ベース５に固定されている。

【０００４】そして、ボルト締めランジュバン振動子１
に超音波発振回路６により共振周波数と同じ周波数の電
圧を加えることによって、ボルト締めランジュバン振動
子１が発振し、この振動がステップホーン２を介してダ
イヤモンドチップ３に伝わり、被削材７を超音波振動切
削する。

【０００５】なお、上記の臨界切込み量とは、これ以上
の切込み量を与えると被削材が脆性破壊を起し、切削表
面にクラック、むしれ等が生じ、超精密な加工面が得ら
れなくなるという限界切込み量である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】脆性材料を超精密切削
加工する場合、ダイヤモンドチップに超音波振動を付加
して臨界切込み量を大きくし（例えばガラスの場合約１
μｍ）、微小変位工具台により切込み量を制御して切削
加工を行うと有利であるが、上記従来の縦振動工具で
は、寸法、重量が大きく、作業性が悪く、微小変位工具
台の応答性が悪くなるといった問題がある。

【０００７】従って本発明は上記従来技術に鑑み、小
型、軽量で応答性に優れ、また切込み量の精密な制御が
可能な微小切込み機構付振動工具を提供することを課題
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明においては、切削用チップ（ダイヤモンドチ
ップ等）に超音波振動を与えるために、従来の寸法、重
量が大きい縦振動工具に代えて、小型で軽量な曲げ振動
工具を採用すると共に、この曲げ振動工具の微小変位
（微小切込み）機構を付加した微小切込み機構付振動工
具とした。具体的には以下の構成を有する。

【０００９】即ち、上記課題を解決する第１の微小切込
み機構付振動工具は、切削用チップを取り付けた工具シ
ャンクと曲げ振動用圧電素子とを組み合わせた曲げ振動
工具とこの曲げ振動工具を切込み方向に移動させる移動
用圧電素子と、この移動用圧電素子に電圧を加える第１
の電圧印加手段と、前記曲げ振動工具に曲げ振動が生起
するよう前記曲げ振動用圧電素子に電圧を印加する第２
の電圧印加手段とを備えたことを特徴とする。

【００１０】また、第２の微小切込み機構付振動工具
は、上記第１の微小切込み機構付振動工具において、前
記曲げ振動工具の切込み方向の変位量を検出する変位量
検出手段と、この変位量検出手段の検出信号をフィード
バック信号として、前記曲げ振動工具の切込み方向の変
位量が変位指令値になるよう、前記第１の電圧印加手段
から前記移動用圧電素子に加える電圧を制御する変位量
制御手段とを備えたことを特徴とする。

【００１１】従って上記構成の微小切込み機構付振動工
具によれば、第２の電圧印加手段によって曲げ振動工具
の固有振動数と同じ周波数の電圧を曲げ振動用圧電素子
にかけることにより、曲げ振動工具に曲げ振動が生じ、
切削用チップを振動させる。また第１の電圧印加手段に
よって移動用圧電素子に変位量に比例した電圧を加える
ことにより、曲げ振動工具を臨界切込み量以下の分解能
と高応答性で微小変位させることができる。そして、変
位量検出手段で曲げ振動工具の変位量を検出すると共
に、この検出信号と変位指令値とに基づき変位量制御手
段で前記変位量を制御することにより、切込み量を精密
に制御することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。

【００１３】〈実施形態例１〉図１に実施形態例１に係
る微小切込み機構付振動工具の側面図、図２に図１に示
す微小切込み機構付振動工具の平面図を示す。

【００１４】図１及び図２に示すように、曲げ振動工具
３０は、円筒半割れ状の圧電素子１８ａ，１８ｂ，１８
ｃ，１８ｄに電極２８，２９（図１、図２では図示せ
ず、図５参照）を取り付け、これを工具シャンク１７と
押え金１９とではさみ、ボルト２０で結合したものであ
る。この曲げ振動工具３０は、その振動節をボルト４の
先端で局所支持することにより円筒状のケーシング１６
に取付けられる。ケーシング１６には、ダイヤフラム８
が設けられており、このダイヤフラム８がフレーム９に
カラー１０及びカラー１１で固定されている。

【００１５】圧電素子１２は、両端に鋼球１４を保持し
た当て金１３が取り付けられており、鋼球１４を介して
ケーシング１６とフレーム９に設けられた支持ボルト２
３との間に保持される。なお、鋼球１４が接するケーシ
ング１６と支持ボルト２３の端面には四角錐状の支持穴
が設けられている。

【００１６】フレーム９は、ボルト等の締結手段（図示
せず）により、超精密加工機等のテーブルに取り付けて
固定される。

【００１７】圧電素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ
には電極２８，２９を介して超音波発振回路６が接続さ
れている。また、曲げ振動工具３０の後方には変位セン
サ１５が設けられると共に、この変位センサ１５の検出
信号（フィードバック信号）と変位指令値２２とに基づ
いて圧電素子１２（即ち曲げ振動工具３０）を駆動制御
するための圧電素子駆動制御回路として、圧電素子アン
プ２１及びコントローラ３１が設けられている。

【００１８】従って、所望の変位指令値２２に比例した
電圧を圧電素子アンプ２１により圧電素子１２に加える
と、圧電素子１２は伸長して変位を生ずる。この生じた
変位は、フレーム９が固定されているため、当て金１
３、鋼球１４を介してケーシング１６に伝えられる。そ
の結果、ケーシング１６に設けてあるダイヤフラム８が
変形し、ケーシング１６が移動し、このケーシング１６
に取付けられている曲げ振動工具３０が移動して切込み
を与える。そして、変位センサ１５では曲げ振動工具３
０の移動量（変位量）をモニターして検出信号をコント
ローラ３１にフィードバックし、コントローラ３１では
このフィードバック信号と変位指令値２２とに基づき圧
電素子アンプ２１に制御信号を出力して曲げ振動工具３
０が変位指令値どおりに変位するよう圧電素子１２の変
位量を制御する。

【００１９】一方、圧電素子は正電圧をかけると伸長し
負電圧をかけると縮む性質をもっているため、この性質
を利用すべく、曲げ振動工具３０の圧電素子１８ａ，１
８ｂ，１８ｃ，１８ｄは、図５に示すように極性を上下
逆にして電極２８，２９と一緒にシャンク１７と押え金
１９とではさみボルト２０で締付けられている。ここ
で、電極２９からの電位は押え金１９、ボルト２０、シ
ャンク１７を介して圧電素子１８ａ，１８ｃにも伝わ
る。従って、電極２９をアースして電極２８に＋の電圧
を加えると図６に示すように圧電素子１８ａ，１８ｂは
伸び、圧電素子１８ｃ，１８ｄは縮む。一方、図７に示
す逆のサイクルでは電極２９をアースして電極２８に−
の電圧を与えると、上記とは逆に、圧電素子１８ａ，１
８ｂは縮み、圧電素子１８ｃ，１８ｄは伸びる。

【００２０】そこで、超音波発振回路６により電極２
８，２９に曲げ振動工具３０の固有振動数と同じ周波数
の電圧をかけると、圧電素子１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，
１８ｄが上記の如く変位して曲げ振動工具３０に曲げ振
動が生じ、シャンク１７に取付けたダイヤモンドチップ
３に振動を伝える。

【００２１】本微小切込み機構付振動工具では、圧電素
子１２が市販の圧電素子をそのまま利用できるため、他
の実施形態例（詳細後述）に比べて比較的安価に製作可
能である。

【００２２】〈実施形態例２〉図３は、実施形態例２に
係る微小切込み機構付振動工具の平面図である。なお、
本微小切込み機構付振動工具においても、図２と同様の
圧電素子駆動制御回路及び超音波発振回路を備えている
が、これらの図示は省略している。

【００２３】図３に示すように、本微小切込み機構付振
動工具においては、円筒状の圧電素子３２を使用し、こ
の圧電素子３２をケーシング１６とフレーム９との間に
保持すると共に、変位センサ１５を円筒状の圧電素子３
２の中に配置している。その他の構成は上記実施形態例
１と同様であるため、ここでの説明は省略する。

【００２４】本微小切込み機構付振動工具の動作は上記
実施形態例１とほぼ同じであり、所望の変位指令値に比
例した電圧を圧電素子３２に与えると、圧電素子３２が
変位し、この変位がケーシング１６に伝えられる。その
結果、ケーシング１６に取付けられている曲げ振動工具
が移動して切込みを与える。

【００２５】本微小切込み機構付振動工具では、円筒状
の圧電素子３２を使用するため、変位センサ１５をケー
シング１６の外側に配置できるようになり、実施形態例
１に比べて工具をコンパクトにできる。また変位センサ
１５の位置設定が容易である。

【００２６】〈実施形態例３〉図４は、実施形態例３に
係る微小切込み機構付振動工具の平面図である。なお、
本微小切込み機構付振動工具においても、図２と同様に
圧電素子駆動制御回路及び超音波発振回路を備えている
が、これらの図示は省略している。

【００２７】図４に示すように、本微小切込み機構付振
動工具においては、曲げ振動工具３０はＵ字形のケーシ
ング２５に取付けられており、このケーシング２５とフ
レーム２６とは弾性ヒンジ２４により連結されている。
また、圧電素子１２はフレーム１６とケーシング２５と
の間に保持されており、変位センサ１５はフレーム２６
に挿通されてケーシング２５の後方に設けられている。
その他の構成は上記実施形態例１と同様であるため、こ
こでの説明は省略する。

【００２８】本微小切込み機構付振動工具では、所望の
変位指令値に比例した電圧を圧電素子１２に与えると、
圧電素子１２が伸長して変位し、この変位が当て金１
３、鋼球１４を介してケーシング２５に伝えられる。そ
の結果、弾性ヒンジ２４を介してフレーム２６に連結さ
れているこのケーシング２５が移動し、このケーシング
２５に取付けられている曲げ振動工具３０が移動して切
込みを与える。

【００２９】本微小切込み機構付振動工具では、ケーシ
ング２５がＵ字形で、一方が大気に開放されているた
め、曲げ振動工具３０の圧電素子１８ａ，１８ｂ，１８
ｃ，１８ｄの発熱が小さくて信頼性の低下が少く、また
高さ方向がコンパクトであり、更にはメンテナンスが行
いやすい。

【００３０】以上のように、上記実施形態例１，２，３
では、ダイヤモンドチップ３に超音波振動を与えるため
に、従来の寸法、重量が大きい縦振動工具に変えて、小
型で軽量な曲げ振動工具３０を採用すると共に、この曲
げ振動工具３０の微小変位（微小切込み）機構を備えて
いる。

【００３１】従って、上記実施形態１，２又は３を採用
することにより、ガラス、セラミックス等の脆性材料の
臨界切り込み量を増加させると共に、切込み量を精密に
制御することが可能となり、クラック等を発生させるこ
となく超精密加工が可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上発明の実施の形態と共に具体的に説
明したように本発明によれば、切削用チップに超音波振
動を与えるために小型で軽量な曲げ振動工具を採用する
と共に、この曲げ振動工具の微小変位（微小切込み）機
構を備えることにより、脆性材料の超精密切削加工にお
いて、臨界切込み量の増加と臨界切込み量以下の精密な
切り込み量の制御とをコンパクトな構成で実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例１に係る微小切込み機構付
振動工具の側面図である。

【図２】図１に示す微小切込み機構付振動工具の平面図
である。

【図３】本発明の実施形態例２に係る微小切込み機構付
振動工具の平面図である。

【図４】本発明の実施形態例３に係る微小切込み機構付
振動工具の平面図である。

【図５】曲げ振動工具を拡大して示す説明図である。

【図６】曲げ振動工具の曲げ振動発生原理の説明図であ
る。

【図７】曲げ振動工具の曲げ振動発生原理の説明図であ
る。

【図８】従来の超音波振動工具の側面図である。

【符号の説明】

３ ダイヤモンドチップ ６ 超音波発振回路 １２，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，３２ 圧電素
子 １５ 変位センサ １７ シャンク １９ 押え金 ２０ ボルト ２１ 圧電素子アンプ ２２ 変位指令値 ３０ 曲げ振動工具 ３１ コントローラ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削用チップを取り付けた工具シャンク
   と曲げ振動用圧電素子とを組み合わせた曲げ振動工具と この曲げ振動工具を切込み方向に移動させる移動用圧電
   素子と、 この移動用圧電素子に電圧を加える第１の電圧印加手段
   と、 前記曲げ振動工具に曲げ振動が生起するよう前記曲げ振
   動用圧電素子に電圧を印加する第２の電圧印加手段とを
   備えたことを特徴とする微小切込み機構付振動工具。
2. 【請求項２】 前記曲げ振動工具の切込み方向の変位量
   を検出する変位量検出手段と、 この変位量検出手段の検出信号をフィードバック信号と
   して、前記曲げ振動工具の切込み方向の変位量が変位指
   令値になるよう、前記第１の電圧印加手段から前記移動
   用圧電素子に加える電圧を制御する変位量制御手段とを
   備えたことを特徴とする請求項１記載の微小切込み機構
   付振動工具。