KR20130010816A

KR20130010816A - 툴 홀더 및 스핀들 장치

Info

Publication number: KR20130010816A
Application number: KR1020110101545A
Authority: KR
Inventors: 미노루 다나카; ? 아라이
Original assignee: 오리이멕 가부시키가이샤
Priority date: 2011-07-19
Filing date: 2011-10-06
Publication date: 2013-01-29
Also published as: KR101491709B1; CN102886533A; CN102886533B

Abstract

스핀들 장치의 회전축(4)에 장착되어 툴(50)을 유지하는 툴 홀더로서, 회전축(4)에 대한 착탈 용이성이 확보되고, 또한, 회전축(4)에 대한 적어도 장착 각도의 어긋남이 발생하기 어려운 툴 홀더(20)를 제공한다. 선단측에, 툴(50)을 고정하는 툴 고정부(21)가 형성되고, 기단측에는, 회전축(4)의 선단면(10)(회전축측 접합면)에 접합하는 기단면(22)(홀더측 접합면)이 형성되고, 또한 기단측에는, 기단면(22)의 중심으로부터 축 방향으로 돌출되는 장착축(23)이 형성되고, 이 장착축(23)의 외주에는 회전축(4)의 선단의 중심에 형성된 나사 구멍(11)에 나선 결합하는 나사부(28)가 형성되며, 장착축(23)은 탄성 변형 가능한 구조[슬릿(29)이 있는 구조]로 된 구성으로 한다.

Description

툴 홀더 및 스핀들 장치{TOOL HOLDER AND SPINDLE APPARATUS}

본 발명은, 툴 홀더 및 이것을 이용한 스핀들 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 구멍 뚫기 가공이나 밀링 가공 등에 사용되는 스핀들 장치는, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있는 바와 같이, 툴(공구)이 선단에 장착되는 회전축(스핀들)을 가지는 장치이다. 이 스핀들 장치에 있어서, 툴을 회전축에 대해 유지하기 위한 툴 홀더(척 등으로 불리는 경우도 있다)는, 종래, 압입, 나사 결합, 혹은 열박음에 의해 회전축에 대해 장착되어 고정된다. 예를 들어 특허문헌 1의 도 1 및 도 2에는, 공구 척(3)[열박음 척(30)]이 회전 주축(2)의 고정 구멍(2a)에 압입에 의해 고정되는 구성이 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 제2010-207972호

그런데, 상기 종래의 스핀들 장치에 있어서는, 툴 홀더의 장착 구조에 대해, 다음과 같은 과제가 있었다.

먼저, 압입이나 열박음에 의해 툴 홀더를 회전축에 고정하는 구성이면, 툴 홀더의 착탈이 용이하지 않고, 예를 들어 툴의 교환 장착을 위해 툴 홀더도 교환 장착할 필요가 발생한 경우 등에, 용이하게 대응할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 나사 결합함으로써 툴 홀더를 회전축에 고정하는 구성이면, 툴 홀더의 착탈은 용이하지만, 툴 홀더를 나사 결합하기 위한 회전축의 나사 구멍의 가공 오차(각도의 어긋남이나 반경 방법의 위치 어긋남)에 의해, 툴 홀더의 장착 각도의 어긋남이나 중심 어긋남, 나아가서는 툴의 장착 각도의 어긋남이나 중심 어긋남이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

그래서 본 발명은, 툴 홀더의 착탈 용이성을 확보하고, 또한, 회전축에 대한 적어도 장착 각도의 어긋남이 발생하기 어려운 툴 홀더 및 이것을 이용한 스핀들 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본원의 툴 홀더는, 청구항 1에 기재한 바와 같이, 축 방향에 있어서의 선단측에, 툴을 고정하는 툴 고정부가 설치되고, 축 방향에 있어서의 선단측과 반대의 기단측(基端側)에는, 축 방향으로 돌출되는 장착축과, 이 장착축의 근원의 주위에 위치하는 홀더측 접합면이 형성되고, 상기 장착축의 외주에는 나사부가 형성되며, 상기 장착축은 탄성 변형 가능한 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원의 툴 홀더의 바람직한 양태는, 청구항 2에 기재한 바와 같이, 상기 탄성 변형 가능한 구성이, 상기 장착축의 선단면으로부터 축 방향으로 신장되는 슬릿이 있는 분할 구조인 양태이다.

또한 본원의 스핀들 장치는, 청구항 3에 기재한 바와 같이, 상기 툴 홀더와, 이 툴 홀더를 선단에 장착 가능한 회전축을 가지고,

상기 회전축의 선단에는, 상기 장착축을 나사 결합할 수 있는 나사 구멍이 형성되고, 상기 장착축이 상기 나사 구멍에 나사 결합됨으로써 상기 툴 홀더가 상기 회전축에 장착되는 구성이 되고, 상기 회전축에 있어서의 상기 나사 구멍의 입구의 주위에는, 상기 장착축이 상기 나사 구멍에 나사 결합됨으로써 상기 홀더측 접합면과 접합하는 회전축측 접합면이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본원에 있어서의 「접합」에는, 전면적으로 간극 없이 접촉하고 있는 상태뿐만 아니라, 허용되는 범위에서 접합면의 일부에 간극이 있는 상태, 혹은, 허용되는 범위의 간극을 가지고 대향하는 상태(예를 들어, 설계적인 의도를 가지고 소위 틈새 끼워맞춤에 의해 감합된 면끼리의 대향 상태)가 포함되어도 된다. 또한, 본원에 있어서의 「홀더측 접합면」 및 「회전축측 접합면」은, 서로 접합하는 면이기 때문에, 당연히 툴 홀더의 장착 각도를 소정 각도 또는 소정 각도 범위 내로 설정하는 기능을 가진다. 이 의미에서, 본원에 있어서의 「홀더측 접합면」 및 「회전축측 접합면」은, 적어도, 툴 홀더의 장착 각도를 적정하게 설정하도록 서로 접합하는 장착 각도 설정용 접합면으로서 기능시킬 수 있다.

또한, 본원의 스핀들 장치의 바람직한 양태는, 청구항 4에 기재한 바와 같이, 상기 홀더측 접합면 및 상기 회전축측 접합면으로서, 상기 툴 홀더의 직경 방향의 장착 위치를 적정하게 설정하도록 서로 접합하는 중심 맞춤용 접합면의 기능을 가지는 것이 각각 형성되어 있는 양태이다.

또한, 「중심 맞춤용 접합면」이란, 예를 들어, 상기 회전축의 중심선, 혹은 이 회전축의 중심선과 일치시켜야 하는 툴 홀더의 툴 고정부의 축선을 각각 중심으로 하는 원추 형상의 경사면 또는 원통면이며, 이 경사면 또는 원통면을 서로 접합시킴으로써, 상기 회전축의 중심선과 상기 툴 고정부의 축선(예를 들어, 툴의 중심선)이 일치(또는 대략 일치)하여 중심 어긋남(반경 방향의 위치 어긋남)이 없어지는(혹은 소정 범위 내로 규제되는) 작용을 가지는 것이다.

또한, 본원의 스핀들 장치의 다른 바람직한 양태는, 청구항 5에 기재한 바와 같이, 상기 홀더측 접합면 및 상기 회전축측 접합면으로서, 초음파를 전달하기 위한 초음파 전달용 접합면의 기능을 가지는 것이 형성되고, 상기 회전축을 초음파 진동시키는 가진부(加振部)를 가지는 양태이다.

또한, 본원의 스핀들 장치의 다른 바람직한 양태는, 청구항 6에 기재한 바와 같이, 적어도 상기 초음파 전달용 접합면에 대해서는, 상기 홀더측 접합면을 구성하는 재료와, 상기 회전축측 접합면을 구성하는 재료에서, 초음파의 전달 속도가 다른 양태이다.

본원의 청구항 1에 기재된 툴 홀더는, 전체를 회전시켜 당해 툴 홀더의 장착축을 스핀들 장치의 회전축의 선단에 형성된 나사 구멍에 나사 체결을 함으로써, 용이하게 상기 회전축에 장착하여 고정할 수 있다. 또한, 전체를 역회전시켜, 그 장착축을 상기 나사 구멍으로부터 분리함으로써, 용이하게 떼어낼 수 있다. 즉, 본원의 툴 홀더는 나사 결합을 함으로써 용이하게 착탈 가능하다.

게다가, 상기 나사 구멍이 상기 회전축의 중심선에 대해 기울어져 있었다고 해도, 이 기울기는 상기 장착축의 탄성 변형에 의해 흡수할 수 있다. 이 때문에, 상기 나사 구멍이 상기 회전축의 중심선에 대해 기울어져 있었다고 해도, 상기 장착축을 상기 나사 구멍에 충분히 나사 결합함으로써, 당해 툴 홀더의 홀더측 접합면을, 상기 회전축에 형성된 회전축측 접합면에, 적정하게 접합시킨 상태(예를 들어, 전체면이 밀착된 상태, 혹은, 적어도 비정상으로 큰 간극이 없는 상태)를 실현할 수 있다. 이 때문에, 상기 접합면끼리의 접합에 의해, 당해 툴 홀더 선단측의 툴 고정부와 이 툴 고정부에 고정된 툴의 중심선의 방향이, 상기 회전축의 중심선과 합치하도록, 상기 홀더측 접합면의 방향을 상기 회전축측 접합면의 방향에 대해 설정해 두면, 상기 나사 구멍이 상기 회전축의 중심선에 대해 기울어져 있었다고 해도, 상기 회전축에 대한 툴 홀더나 툴의 기울기(적어도 과도한 기울기)가 발생하는 일은 없다. 따라서, 툴 홀더의 착탈 용이성을 확보할 수 있고, 또한, 상기 회전축에 대한 툴 홀더나 툴의 적어도 장착 각도의 어긋남이 발생하기 어려워진다.

또한 청구항 2에 기재된 양태에 의하면, 예를 들어 상기 장착축의 선단면으로부터 축 방향으로 신장되도록 슬릿을 가공한다는 용이한 작업에 의해, 상기 탄성 변형 가능한 구성을 용이하고 또한 저렴하게 실현할 수 있다는 이점이 있다.

또한, 본원의 청구항 3에 기재된 스핀들 장치에 의하면, 탄성 변형 가능한 구성으로 된 상기 장착축을 구비한 상기 툴 홀더를 구비하고 있기 때문에, 툴 홀더의 착탈 용이성을 확보할 수 있어, 상기 회전축에 대한 툴 홀더나 툴의 적어도 장착 각도의 어긋남이 발생하기 어려워져, 이 어긋남에 의한 가공 정밀도의 저하 등의 문제를 방지할 수 있다.

또한 청구항 4에 기재된 양태에서는, 상기 중심 맞춤용 접합면이, 툴 홀더의 장착시에, 툴 홀더의 직경 방향의 장착 위치를 적정하게 설정하도록 서로 접합한다. 이 때문에, 상기 나사 구멍이 직경 방향으로 위치가 어긋나 있었다고 해도, 상기 장착축을 상기 나사 구멍에 나사 결합하여 상기 툴 홀더를 상기 회전축에 장착한 상태에서는, 상기 장착축의 탄성 변형과, 상기 중심 맞춤용 접합면의 접합에 의한 중심 맞춤의 작용에 의해, 예를 들어 상기 회전축의 중심선과 상기 툴 홀더나 툴의 중심선이 일치한 상태(중심이 맞은 상태)가 된다. 따라서, 상기 회전축에 대한 툴 홀더나 툴의 장착 위치의 반경 방향의 어긋남(중심 어긋남)도 발생하기 어려워진다.

또한 청구항 5에 기재된 양태에서는, 가진부에 의해 상기 회전축이 초음파 진동하고, 이 진동이 상기 회전축측의 초음파 전달용 접합면과 상기 툴 홀더측의 초음파 전달용 접합면의 접합에 의해 확실하게 툴측으로 전달되므로, 소위 초음파 가공이 가능한 신뢰성이 높은 초음파 스핀들 장치를 실현할 수 있다.

그리고, 이 초음파 스핀들 장치에 있어서, 툴 홀더의 착탈 용이성을 확보하고, 또한, 회전축에 대한 툴 홀더나 툴의 장착 각도의 어긋남이나 중심 어긋남의 방지(또는 저감)를 도모하여 가공 정밀도의 향상 등을 실현할 수 있다. 또한, 초음파 가공의 이점은 여러 가지 있는데, 예를 들어 한 가지로는, 통상적인 스핀들 가공에서는 불가능했던 유리나 세라믹 등의 정밀 가공이 가능해진다는 이점이 있다.

또한, 청구항 6에 기재된 양태에서는, 상기 회전축측의 초음파 전달용 접합면과, 이것과 접합하는 툴 홀더측의 초음파 전달용 접합면 사이에서, 압착(접촉한 채로 떨어지기 어려운 상태)이 발생하는 것을 회피할 수 있다. 또한, 이 압착이 발생하면, 나사 결합 방식이라도 툴 홀더를 떼어내는 것이 약간 곤란해지는 불리함이 발생한다. 그래서, 발명자들이 연구한 결과, 초음파 진동에 의해 예를 들어 동일한 재료끼리에서는 압착이 발생하기 쉬워지지만, 초음파의 전달 속도가 다른 재료끼리이면, 압착을 발생시키지 않고 초음파 진동을 전달할 수 있는 것이 판명되었다. 본원 청구항 6에 기재된 발명은, 이러한 발명자의 연구에 의해 얻어진 지견에 근거하는 것이다.

도 1(a)는 초음파 스핀들 장치의 사시도, 도 1(b)는 동 장치의 전면도이다.
도 2(a)는 초음파 스핀들 장치의 측면도, 도 2(b)는 초음파 스핀들 장치의 상면도이다.
도 3은 툴 홀더를 회전축에 장착한 상태를 나타내는 측면도이다.
도 4(a)는 툴 홀더를 나타내는 측면도, 도 4(b)는 4(a)에 있어서의 X 화살표도이다.
도 5(a)는 툴 홀더의 기단부 확대도, 도 5(b)는 5(a)에 있어서의 Y 화살표도이다.
도 6(a)는 탄성 변형 가능한 장착축의 작용을 설명하는 도면, 도 6(b)는 변형예를 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 비교예를 나타내는 도면, 도 7(b)는 비교예의 문제를 설명하는 도면이다.

실시예 1

이하, 본 발명의 실시예 1을 도면에 기초하여 설명한다.

본 예는 초음파 스핀들 장치에 본 발명을 적용한 예이다. 본 예의 초음파 스핀들 장치(1)는, 도 1~도 2에 나타내는 바와 같이, 초음파 스핀들 본체(2)와, 모터(3)로 이루어진다. 초음파 스핀들 본체(2)는, 모터(3)에 의해 회전 구동되는 회전축(4)(스핀들)을 가지고, 이 회전축(4)을 회전 가능하고 또한 진동 가능하게 유지하는 베어링 기구나, 이 회전축(4)에 외부로부터 입력되는 신호에 따른 초음파 진동을 발생시키는 가진부(예를 들어, 압전 소자로 이루어지는 것)나, 냉각 기구 등을 구비하고 있다. 또한, 회전축(4)에 가해지는 초음파 진동은, 초음파에 상당하는 주파수의 진동으로서, 일반적으로는 축 방향의 진동이며, 그 진폭은 예를 들어 수㎛ 정도의 미소한 것이다.

도 1(a) 등에 나타내는 바와 같이, 회전축(4)의 선단부는, 초음파 스핀들 본체(2)의 선단측에 노출되어 있고, 그 선단면으로부터 조금 떨어진 위치의 외주에는, 스패너 걸이부(5)가 형성되어 있다. 스패너 걸이부(5)는, 양측에 스패너 걸이용의 평면이 형성된 부분으로서, 후술하는 툴 홀더(20)(도 3에 나타낸다)를 착탈을 위해 회전축(4)에 대해 회전시킬 때에, 회전축(4)이 회전하지 않도록 눌러 두기 위해 회전축(4)에 스패너 등의 공구를 걸어맞추는 부분이다.

또한, 초음파 스핀들 본체(2)에는, 장착부(6)가 설치되고, 이 장착부(6)에 설치한 복수(본 예에서는 4지점)의 장착 구멍(7)[도 2(b)에 나타낸다]에 장착 볼트(8)[도 2(a)에 나타낸다]를 삽입 가능한 구성으로 되어 있다. 초음파 스핀들 장치(1)는, 예를 들어, 이 장착부(6)의 장착 구멍(7)에 삽입되는 장착 볼트(8)에 의해, 도시 생략한 공작 기계(예를 들어, 수치 제어 머신 등)의 가동부에 체결 고정되어 사용된다.

그리고, 회전축(4)의 선단의 외주측에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 회전축(4)의 중심선(S1)[도 6(a)에 나타낸다]에 직각인 평면인 선단면(10)이 형성되어 있다. 이 선단면(10)은, 후술하는 나사 구멍(11)이나 오목부(12)가 있기 때문에, 축 방향에서 보면 원고리 형상의 형상으로 되어 있고, 나사 구멍(11)의 입구의 주위[상세하게는, 직경 방향에 있어서 후술하는 오목부(12)의 외측]에 위치한다. 또한, 이 선단면(10)은, 본 발명의 회전축측 접합면에 상당하며, 장착 각도 설정용 접합면으로서 기능함과 함께, 초음파 전달용 접합면으로서도 기능한다. 또한, 회전축(4)의 축 방향에 있어서, 이 선단면(10)의 위치와, 초음파 스핀들 본체(2) 내의 상술한 가진부의 압전 소자의 위치와의 거리는, 초음파를 효과적으로 전달할 수 있는 소정 거리(초음파 진동의 파장에 대해 소정의 관계를 가지는 거리)의 위치에 형성되어 있다.

또한, 회전축(4)의 선단의 중심[즉, 원고리 형상의 선단면(10)의 중심에 상당하는 위치]에는, 축 방향으로 신장되는 나사 구멍(11)이 형성되고, 또한, 이 나사 구멍(11)의 입구 부분의 주위[원고리 형상의 선단면(10)보다 직경 방향에 있어서 내측]에는, 감합용의 오목부(12)가 형성되어 있다. 오목부(12)의 내경은, 나사 구멍(11)의 내경 이상의 크기가 되고, 이 오목부(12)의 내주면(12a)(이 경우, 원통 형상의 면)은, 후술하는 툴 홀더(20)의 장착 상태에 있어서, 툴 홀더(20)의 후술하는 확경부(30)의 외주면(30a)[도 5(a)에 나타낸다]과 접촉하거나 또는 미소한 간극을 가지고 대향하는 구성으로 되어 있다. 여기서, 이 내주면(12a)은, 본 발명의 회전축측 접합면에 상당하며, 장착 각도 설정용 접합면으로서 기능함과 함께, 중심 맞춤용 접합면으로서도 기능한다.

다음으로, 초음파 스핀들 장치(1)에 장착되는 툴 홀더(20)에 대해, 도 3~도 5에 의해 설명한다. 툴 홀더(20)는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 초음파 스핀들 장치(1)의 회전축(4)의 선단에 장착되어 툴(50)을 유지하는 것이다. 툴 홀더(20)는, 도 4(a)에 나타내는 바와 같이, 선단측(축 방향에 있어서의 일단측)에, 툴을 고정하는 툴 고정부(21)가 설치되고, 선단측과 반대의 기단측(축 방향에 있어서의 타단측)에는, 축 방향에 직각으로 회전축(4)의 상기 선단면(10)에 접합 가능한 기단면(22)이 형성되고, 또한 기단측에는, 상기 기단면(22)의 중심으로부터 축 방향으로 돌출되는 장착축(23)이 형성된 것이다. 여기서, 기단면(22)은, 툴 홀더(20)의 중심선(S2)[도 6(a)에 나타낸다]에 직각인 평면이며, 회전축(4)의 상술한 선단면(10)에 대응한 형상 치수로 되어 있다.

이 기단면(22)은, 장착축(23)의 근원의 주위[상세하게는, 직경 방향에 있어서 후술하는 확경부(30)의 외측]에 위치하는 원고리 형상인 것으로서, 본 발명의 홀더측 접합면에 상당하며, 장착 각도 설정용 접합면으로서 기능함과 함께, 초음파 전달용 접합면으로서도 기능한다. 즉, 본 예의 툴 홀더(20)는, 이 기단면(22)의 전체(또는 대략 전체)가 회전축(4)의 선단면(10)에 간극 없이 접합하여 밀착함으로써, 중심선(S2)의 방향이, 회전축(4)의 중심선(S1)의 방향과 일치(또는 대략 일치)하고, 회전축(4)에 대해 적정한 장착 각도가 되도록 설정되어 있다. 또한, 이 기단면(22)과 상기 선단면(10)(즉, 축 방향에 직각인 평면끼리)이 간극 없이 밀착되어 있음으로써, 효율적으로 초음파를 회전축(4)으로부터 툴(50)을 향해 전달할 수 있다. 또한, 이 기단면(22)과 상기 선단면(10)의 간극이 없는 접합은, 본 예의 툴 홀더(20)의 축 방향에 있어서의 위치를 설정하는 축 방향의 위치 결정 작용도 당연히 가진다.

툴 고정부(21)는, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 선단면의 중심으로부터 축 방향으로 신장되도록, 툴(50)의 기단부를 삽입하기 위한 툴 삽입 구멍(24)이 형성되고, 또한 이 툴 삽입 구멍(24)을 횡단하도록 슬릿(25)(절삭)이 선단면으로부터 형성된 것이다. 이 툴 고정부(21)의 선단부는, 슬릿(25)이 있음으로써 2분할되고, 툴 삽입 구멍(24)이 축소되도록 탄성 변형 가능하게 되어 있다.

툴 고정부(21)의 선단부의 양측은, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이, 툴 고정부(21)의 선단부를 탄성 변형시켜 유지하는 볼트(26)를 설치 가능한 구조로 되어 있다. 그리고, 볼트(26)를 조이는 방향으로 회전시킴으로써, 툴 삽입 구멍(24)이 축소되는 방향으로 툴 고정부(21)의 선단부를 탄성 변형시켜, 툴 삽입 구멍(24)에 삽입된 툴(50)의 기단부를 툴 삽입 구멍(24)의 양측에서 사이에 두고 유지한 상태로 할 수 있는 구조로 되어 있다. 또한, 볼트(26)를 푸는 방향으로 회전시켜, 툴 삽입 구멍(24)이 확대되는 방향으로 툴 고정부(21)의 선단부를 복원시킴으로써(탄성 변형시킨 상태로부터 자연 상태를 향해 복원시킴으로써), 툴(50)을 툴 삽입 구멍(24)으로부터 빼내어 분리할 수 있는 구조로 되어 있다.

또한, 툴 홀더(20)의 축 방향[도 4(a)에 있어서의 좌우 방향]에 있어서, 툴 고정부(21)와 기단면(22) 사이의 위치에는, 스패너 걸이부(27)가 형성되어 있다. 스패너 걸이부(27)는, 양측에 스패너 걸이용의 평면이 형성된 부분으로서, 툴 홀더(20)를 착탈을 위해 회전축(4)에 대해 회전시킬 때에, 툴 홀더(20)에 스패너 등의 공구를 걸어맞추는 부분이다.

그리고 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 장착축(23)의 외주에는, 상기 회전축(4)에 형성된 나사 구멍(11)에 나선 결합하는 나사부(28)가 형성되고, 장착축(23)은 나사 구멍(11)에 나사 결합할 수 있게 되어 있다. 또한, 장착축(23)은, 탄성 변형 가능한 구성으로 되어 있다. 본 예에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 장착축(23)의 선단면으로부터 축 방향으로 신장되도록 형성된 복수의 슬릿(29)(절삭)이 있는 분할 구조로 되어 있고, 이에 의해 장착축(23)은, 탄성 변형 가능하게 되어 있다.

본 예에서는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 둘레 방향으로 등각도의 위치에 4개의 슬릿(29)이, 축 방향에서 보았을 때 방사상으로 형성되어 있다. 이 슬릿(29)은, 장착축(23)의 직경 방향에 있어서는 관통한 상태(양측으로 개구된 상태)로 형성되어 있고, 축 방향에 있어서는 장착축(23)의 선단면에만 개구된 상태로 형성되어 있다. 이들 슬릿(29)에 의해, 장착축(23)은, 도 5(b)에 나타내는 바와 같이, 축 방향에서 보았을 때 8분할된 구조로 되어 있고, 분할된 8개의 부분이 각각 탄성 변형됨으로써, 이와 같은 슬릿이 없는 단순한 나사축에 비하여 전체적으로 현격하게 탄성 변형되기 쉬운 구조로 되어 있다. 그리고, 슬릿(29)의 축 방향에 있어서의 길이(절삭의 깊이)(L2)는, 이 경우 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 나사부(28)의 길이(L1)보다 크게 설정되어, 나사부(28)가 충분히 탄성 변형 가능하게 되어 있다.

또한, 툴 홀더(20)에 있어서의 장착축(23)의 근원 부분[나사부(28)가 형성되어 있지 않은 부분]의 주위에는, 도 5(a)에 나타내는 바와 같이, 당해 장착축(23)이 회전축(4)의 상기 나사 구멍(11)에 나사 결합됨으로써, 회전축(4)의 상술한 오목부(12)에 끼워 넣어지는 확경부(30)가 형성되어 있다. 확경부(30)의 외경은, 나사부(28)의 외형 이상의 크기가 되고, 이 확경부(30)의 외주면(30a)(이 경우, 원통 형상의 면)은, 툴 홀더(20)의 장착 상태에 있어서, 회전축(4)의 상술한 내주면(12a)과 접촉하거나 또는 미소한 간극을 가지고 대향하는 구성으로 되어 있다.

여기서, 외주면(30a)은, 본 발명의 홀더측 접합면에 상당하며, 장착 각도 설정용 접합면으로서 기능함과 함께, 중심 맞춤용 접합면으로서도 기능한다. 즉, 본 예의 툴 홀더(20)는, 회전축(4)에 대한 장착시에, 이 외주면(30a)이 상술한 회전축(4)의 내주면(12a)에 접합함으로써, 회전축(4)에 대한 장착 각도가 어느 정도 설정된다[단, 본 예의 경우, 상술한 바와 같이, 툴 홀더(20)의 장착 각도는, 최종적으로는 상기 기단면(22)과 상기 선단면(10)의 간극이 없는 접합(밀착)에 의해 고정밀도로 설정된다]. 또한, 본 예의 툴 홀더(20)는, 이 외주면(30a)이 상술한 회전축(4)의 내주면(12a)에 접합함으로써, 중심선(S2)의 직경 방향의 위치가, 회전축(4)의 중심선(S1)과 일치(혹은 대략 일치)하여, 이들 중심선(S2와 S1)의 직경 방향의 위치 어긋남이 없어진다(혹은 소정의 범위 내로 규제된다).

또한, 상술한 기단면(22)과 선단면(10)의 접합은, 축 방향에 직각인 평면에서의 접합이기 때문에, 툴 홀더(20)의 장착 각도를 적정 각도로 할 수는 있지만, 축 방향에 직각인 직경 방향의 위치 어긋남을 규제할 수는 없다. 이에 대해, 이 외주면(30a)과 내주면(12a)의 접합은, 축 방향을 따른 원통면에서의 접합이기 때문에, 특히 툴 홀더(20)의 직경 방향의 위치 어긋남(중심 어긋남)을 없앨 수 있다(혹은 소정 범위로 규제할 수 있다). 단, 상기 나사 구멍(11)의 가공 오차(기울기나 중심 어긋남)가 있는 경우에도, 상술한 기단면(22)과 선단면(10)을 확실하게 밀착시키기 위해서는, 이 외주면(30a)과 내주면(12a)의 감합 상태(끼워맞춤)는, 접합면 사이에 미소한 간극이 생기는 틈새 끼워맞춤이나, 그것에 가까운 느슨한 끼워맞춤이 바람직하다.

또한, 툴 홀더(20)의 재료로는 각종 재질을 채용할 수 있다. 단, 회전축(4)의 회전축측 접합면[적어도 선단면(10)을 포함하고, 바람직하게는 내주면(12a)도 포함하는 부분]을 구성하는 재료와, 툴 홀더(20)의 홀더측 접합면[외주면(30a)을 포함하는 부분]을 구성하는 재료는, 초음파의 전달 속도가 다르도록, 각 재료의 재질이 설정되어 있다. 예를 들어, 회전축(4)의 회전축측 접합면이 스테인리스강인 경우에는, 툴 홀더(20)의 홀더측 접합면은 예를 들어 베릴륨구리로 구성되어 있다.

또한 이 경우, 툴 홀더(20) 전체를 반드시 베릴륨구리로 구성할 필요는 없고, 예를 들어, 홀더측 접합면을 포함하는 기단측을 제외한 부분[예를 들어 스패너 걸이부(27)나 툴 고정부(21) 등]은 예를 들어 스테인리스강으로 구성할 수도 있다.

또한, 초음파의 전달 속도가 다른 구체적 재료로는, 스테인리스강에 대해 베릴륨구리라는 조합에 한정하지 않는다. 예를 들어, 베릴륨구리와 동일한 성질을 가지는 재료를 베릴륨구리 대신에 사용할 수도 있다.

이상 설명한 본 실시예이면, 다음과 같은 작용 효과가 얻어진다.

즉, 본 실시예의 툴 홀더(20)는, 전체를 회전시켜 당해 툴 홀더(20)의 장착축(23)을 스핀들 장치(1)의 회전축(4)의 선단면에 형성된 나사 구멍(11)에 나사 체결을 함으로써, 용이하게 상기 회전축(4)에 장착하여 고정할 수 있다. 또한, 전체를 역회전시켜, 그 장착축(23)을 상기 나사 구멍(11)으로부터 분리함으로써, 용이하게 떼어낼 수 있다. 즉, 툴 홀더(20)는 나사 결합됨으로써 용이하게 착탈 가능하다.

게다가, 상기 나사 구멍(11)이 상기 회전축(4)의 중심선(S1)에 대해 기울어져 있었다고 해도, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 이 기울기는 상기 장착축(23)의 탄성 변형에 의해 흡수되기 때문에, 상기 장착축(23)을 상기 나사 구멍(11)에 충분히 나사 결합함으로써, 당해 툴 홀더(20)의 기단면(22)과 상기 회전축(4)의 선단면(10)이 전면적으로 간극 없이 접합(즉, 밀착)한 상태(또는 밀착에 가까운 상태)를 실현할 수 있다. 여기서, 도 6(a)나 후술하는 도 7(b)에서는, 기울어진 나사 구멍(11)의 중심선을 부호 S3으로 나타내고 있다.

또한, 도 7(a)는, 상기 장착축(23)의 탄성 변형에 의한 작용 효과를 설명하기 위한 비교예를 나타내고 있다. 이 비교예에서는, 장착축(23)에 슬릿(29)이 형성되어 있지 않아, 장착축(23)은 나사 구멍(11)에 나사 결합할 때에 거의 탄성 변형될 수 없다. 그런데, 나사 구멍(11)과 같은 나사부를 가지는 구멍의 가공은, 정밀도를 높이는 것이, 나사부가 없는 단순한 구멍이나 내주면의 가공에 비교하여 곤란해서, 비교적 큰 오차(각도의 어긋남이나 반경 방법의 위치 어긋남)가 발생하기 쉽다.

그리고, 이러한 오차가, 도 7(a)의 비교예의 구성에서 발생하면, 도 7(b)에 강조하여 나타내는 바와 같이, 툴 고정부(21)나 툴(50)의 중심선(S2)의 방향이, 나사 구멍(11)의 중심선(S3)과 일치하여, 상기 회전축(4)의 중심선(S1)에 대해 크게 기울어지는 문제(즉, 장착 각도의 어긋남)나, 중심선(S2)의 반경 방향의 위치가 중심선(S1)에 대해 어긋나는 문제(중심 어긋남)가 발생한다. 이 장착 각도의 어긋남이나 중심 어긋남이 발생하면, 초음파 가공을 행하는 툴(50)의 선단이 그만큼 회전하게 되어, 고정밀도의 가공이 곤란해진다. 특히 장착 각도의 어긋남은, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 가공을 행하는 툴(50)의 선단에서는 큰 위치 어긋남이 되어 나타난다. 그뿐만 아니라, 상기 기울기(장착 각도의 어긋남)에 의해, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 툴 홀더(20)의 기단면(22)과 상기 회전축(4)의 선단면(10) 사이에 큰 간극이 발생하고, 이 간극에 의해 초음파 전달을 충분히 할 수 없다는 치명적인 문제가 생길 우려도 있다.

그러나, 본 실시예의 툴 홀더(20)는, 그 장착축(23)이, 나사 구멍(11)에 나사 결합될 때에 충분히 탄성 변형될 수 있는 구조[이 경우, 슬릿(29)이 있는 분할 구조]로 되어 있다. 이에 의해 기술한 바와 같이, 나사 구멍(11)이 기울어져 있었다고 해도, 장착축(23)을 나사 구멍(11)에 충분히 나사 결합함으로써, 도 6(a)와 같이 상기 기단면(22)과 상기 선단면(10)이 전체면에서 간극 없이 접합한 밀착 상태(또는 이 밀착 상태에 가까운 상태)를 실현할 수 있다.

이 때문에, 상기 기단면(22)과 상기 선단면(10)의 상기 적정한 접합에 의해, 당해 툴 홀더 선단측의 툴 고정부(21)와 이 툴 고정부(21)에 고정된 툴(50)의 중심선(S2)의 방향이, 상기 회전축(4)의 중심선(S1)과 합치하도록, 상기 기단면(22)과 상기 선단면(10)의 방향을 축 직각 방향으로 소정의 정밀도로 설정해 두면, 상기 나사 구멍(11)[중심선(S3)]이 상기 회전축(4)의 중심선(S1)에 대해 기울어져 있었다고 해도, 상기 회전축(4)에 대한 툴 홀더(20)나 툴(50)의 기울기(적어도 과도한 기울기)가 발생하는 일은 없다. 따라서, 툴 홀더(20)의 착탈 용이성을 확보할 수 있고, 또한, 상기 회전축(4)에 대한 툴 홀더(20)나 툴(50)의 적어도 장착 각도의 어긋남이 발생하기 어려워진다.

또한 본 실시예에서는, 중심 맞춤용 접합면[외주면(30a)과 내주면(12a)]도 형성되며, 이 중심 맞춤용 접합면이, 툴 홀더(20)의 장착시에, 툴 홀더(20)의 직경 방향의 장착 위치를 적정하게 설정하도록 서로 접합한다. 이 때문에, 나사 구멍(11)이 직경 방향으로 위치가 어긋나 있었다고 해도, 툴 홀더(20)를 회전축(4)에 장착한 상태에서는, 장착축(23)의 탄성 변형과, 상기 중심 맞춤용 접합면의 접합에 의한 중심 맞춤의 작용에 의해, 예를 들어 회전축(4)의 중심선(S1)과 툴 홀더(20)나 툴(50)의 중심선(S2)이 일치한 상태(중심이 맞은 상태)가 된다. 따라서, 회전축(4)에 대한 툴 홀더(20)나 툴(50)의 장착 위치의 반경 방향의 어긋남(중심 어긋남)도 발생하기 어려워진다.

또한 본 실시예에서는, 초음파 스핀들 본체(2)의 가진부에 의해 회전축(4)이 초음파 진동하고, 이 초음파 진동이 상기 선단면(10)과 상기 기단면(22)의 밀착에 의해 확실하게 툴(50)에 전달되므로, 소위 초음파 가공이 가능한 신뢰성이 높은 초음파 스핀들 장치를 실현할 수 있다.

또한 본 실시예에 의하면, 상기 툴 홀더(20)를 구비하고 있기 때문에, 툴 홀더(20)의 착탈 용이성을 확보할 수 있고, 회전축(4)에 대한 툴 홀더(20)나 툴(50)의 장착 각도의 어긋남이나 중심 어긋남이 발생하기 어려워져, 이 어긋남에 의한 가공 정밀도의 저하 등의 문제를 방지할 수 있다.

또한 본 실시예에 의하면, 상기 장착축(23)의 선단면으로부터 축 방향으로 신장되도록 슬릿(29)을 가공한다는 용이한 작업에 의해, 장착축(23)의 탄성 변형 가능한 구성을 용이하고 또한 저렴하게 실현할 수 있다는 이점이 있다.

예를 들어, 슬릿이 있는 구조 이외의 양태로는, 장착축(23)의 근원 부분을 고무 등의 탄성 재료로 형성하고, 장착축(23)의 나사부 부분을 스테인리스강 등의 금속 재료로 형성함으로써, 탄성 변형 가능한 구성으로 하는 것이 원리적으로는 생각된다. 그러나 그 경우에는, 탄성 재료와 금속 재료의 접속 구조가 복잡해지고, 툴 홀더의 제작이 곤란하고 또한 고비용인 것이 되며, 장착축(23)이나 나사 구멍(11)의 부분이 축 방향으로 대형화될 가능성이 높다. 이에 대해, 본 예의 장착축(23)의 양태이면, 통상적인 나사축에 슬릿을 가공하기만 하면 되어, 제작이 용이하고 또한 저렴하며, 대형화되는 일도 없다.

또한 본 실시예에서는, 상술한 바와 같이 툴 홀더(20)의 기단부의 재질을 설정하였으므로, 회전축(4)의 선단면(10)과 툴 홀더(20)의 기단면(22) 사이에서[혹은 또한, 툴 홀더(20)의 외주면(30a)과 회전축(4)의 내주면(12a) 사이에서], 압착이 발생하는 것을 회피할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 서술한 실시예에 한정되지 않고, 각종 변형이나 응용이 있을 수 있다.

예를 들어, 실시예 1에 있어서의 툴 홀더(20)의 외주면(30a)을, 중심선(S2)을 중심으로 하는 끝이 가는 원추면(원추 형상의 면)으로 하고, 또한 이에 대응시켜, 회전축(4)의 내주면(12a)을, 중심선(S1)을 중심으로 하는 원추면으로 함으로써, 중심 맞춤용 접합면으로서도 기능하는 테이퍼면[단면 형상이 중심선(S1, S2)에 대해 경사진 면으로 이루어지는 접합면]을 형성해도 된다. 즉, 예를 들어 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 회전축(4)에 있어서의 나사 구멍(11)의 입구 부분의 주위와, 툴 홀더(20)에 있어서의 장착축(23)의 근원 부분의 주위에, 장착축(23)이 나사 구멍(11)에 나사 결합되는 과정에서 접합면간 거리가 서서히 감소하는 방향의 테이퍼면(41, 42)을 형성한 양태로 해도 된다. 여기서, 테이퍼면(41)은, 실시예 1의 회전축(4)의 내주면(12a)을 원추면으로 한 것이고, 테이퍼면(42)은, 실시예 1의 툴 홀더(20)의 외주면(30a)을 원추면으로 한 것이다.

이와 같은 테이퍼면을 구비하는 구성이면, 이들 테이퍼면이 역시 중심 맞춤용 접합면으로서도 기능하여, 나사 구멍(11)이 회전축(4)의 중심선(S1)에 대해 위치가 어긋나 있었다고 해도, 툴 홀더(20)를 회전축(4)에 장착한 상태에서는, 장착축(23)의 탄성 변형과, 테이퍼면의 접합에 의한 중심 맞춤의 작용에 의해, 예를 들어 회전축(4)의 중심선(S1)과 툴 홀더(20)나 툴(50)의 중심선(S2)이 대략 일치한 상태(중심이 맞은 상태)가 된다. 따라서, 역시, 회전축(4)에 대한 툴 홀더(20)나 툴(50)의 장착 위치의 반경 방향의 어긋남(중심 어긋남)도 발생하기 어려워진다. 게다가 이 경우, 테이퍼면(축 방향에 대해 경사진 면)이기 때문에, 장착축(23)을 나사 구멍에 나사 결합하는 과정에서, 처음에는 접합면간 거리가 크고, 그 후 접합면간 거리가 서서히 감소하기 때문에, 접합을 원활하게 할 수 있게 되고, 나아가서는 툴 홀더(20)의 장착 작업[장착축(23)의 나사 구멍(11)에 대한 나사 결합 작업]을 원활하게 할 수 있게 되는 효과도 있다.

또한, 도 6(b)에 나타낸 테이퍼면(41, 42)과 같은 축 방향에 대해 경사진 접합면을 가지는 경우에는, 기단면(22)과 선단면(10)과 같은 축 방향에 직각인 접합면은 반드시 필요는 없다. 예를 들어 테이퍼면(41, 42)만으로도, 이들 테이퍼면(41, 42)을 반드시 밀착시키는 구성으로 함으로써, 툴 홀더(20)의 장착 각도, 직경 방향 위치, 및 축 방향 위치 전부를 설정하는 것이 가능하기 때문이다. 초음파 진동의 전달도 테이퍼면에서만 행하는 구성도 있을 수 있다. 이 구성의 경우, 이 테이퍼면이, 장착 각도 설정용 접합면, 중심 맞춤용 접합면, 및 초음파 전달용 접합면으로서 기능하게 된다.

또한, 도 6(b)에 나타낸 바와 같은 테이퍼면에 의해 초음파 진동의 전달을 행하는 양태에 있어서도, 이 테이퍼면의 회전축측을 구성하는 재료와, 이 테이퍼면의 홀더측을 구성하는 재료는, 초음파의 전달 속도가 다르도록, 각 재료의 재질이 설정되는 것이 바람직하다. 이와 같이 재질이 설정되어 있으면, 이 테이퍼면에 있어서도 압착이 일어나는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명(적어도 주발명)은, 회전축을 초음파 진동시키지 않는 스핀들 장치에도 적용 가능한 것은 말할 필요도 없다. 또한, 장착축에 형성하는 슬릿의 수나 방향에 대해서도, 실시예 1의 양태에 한정되는 것은 아니다.

1 초음파 스핀들 장치
2 초음파 스핀들 본체
4 회전축(스핀들)
10 선단면(회전축측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 초음파 전달용 접합면)
11 나사 구멍
12a 내주면(회전축측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 중심 맞춤용 접합면)
20 툴 홀더
21 툴 고정부
22 기단면(홀더측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 초음파 전달용 접합면)
23 장착축
28 나사부
29 슬릿
30a 외주면(홀더측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 중심 맞춤용 접합면)
41 테이퍼면(회전축측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 중심 맞춤용 접합면, 초음파 전달용 접합면)
42 테이퍼면(홀더측 접합면, 장착 각도 설정용 접합면, 중심 맞춤용 접합면, 초음파 전달용 접합면)
50 툴

Claims

축 방향에 있어서의 선단측에, 툴을 고정하는 툴 고정부가 설치되고, 축 방향에 있어서의 선단측과 반대의 기단측(基端側)에는, 축 방향으로 돌출되는 장착축과, 이 장착축의 근원의 주위에 위치하는 홀더측 접합면이 형성되고, 상기 장착축의 외주에는 나사부가 형성되며, 상기 장착축은 탄성 변형 가능한 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 툴 홀더.
제1항에 있어서,
상기 탄성 변형 가능한 구성은, 상기 장착축의 선단면으로부터 축 방향으로 신장되는 슬릿이 있는 분할 구조인 것을 특징으로 하는 툴 홀더.
제1항 또는 제2항에 기재된 툴 홀더와, 이 툴 홀더를 선단에 장착 가능한 회전축을 가지고,
상기 회전축의 선단에는, 상기 장착축을 나사 결합할 수 있는 나사 구멍이 형성되고, 상기 장착축이 상기 나사 구멍에 나사 결합됨으로써 상기 툴 홀더가 상기 회전축에 장착되는 구성이 되고, 상기 회전축에 있어서의 상기 나사 구멍의 입구의 주위에는, 상기 장착축이 상기 나사 구멍에 나사 결합됨으로써 상기 홀더측 접합면과 접합하는 회전축측 접합면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제3항에 있어서,
상기 홀더측 접합면 및 상기 회전축측 접합면으로서, 상기 툴 홀더의 직경 방향의 장착 위치를 적정하게 설정하도록 서로 접합하는 중심 맞춤용 접합면의 기능을 가지는 것이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 홀더측 접합면 및 상기 회전축측 접합면으로서, 초음파를 전달하기 위한 초음파 전달용 접합면의 기능을 가지는 것이 형성되고, 상기 회전축을 초음파 진동시키는 가진부(加振部)를 가지는 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.
제5항에 있어서,
적어도 상기 초음파 전달용 접합면에 대해서는, 상기 홀더측 접합면을 구성하는 재료와, 상기 회전축측 접합면을 구성하는 재료에서, 초음파의 전달 속도가 다른 것을 특징으로 하는 스핀들 장치.