TWI445583B - Processing device - Google Patents

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TWI445583B
TWI445583B TW102126862A TW102126862A TWI445583B TW I445583 B TWI445583 B TW I445583B TW 102126862 A TW102126862 A TW 102126862A TW 102126862 A TW102126862 A TW 102126862A TW I445583 B TWI445583 B TW I445583B
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Shuhei Takazakura
Toshikazu Mukai
Noboru Okuyama
Jui Hsiung Yen
Hsin Pao Chen
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Mie Electronics Co Ltd
Tongtai Machine & Tool Co Ltd
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    • B25H5/00—Tool, instrument or work supports or storage means used in association with vehicles; Workers' supports, e.g. mechanics' creepers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description

加工裝置
本發明係關於使設置有工具之工具側相對於本體側旋轉之加工裝置，尤其係關於在工具側具備超音波振子且將超音波振子之振動疊加於工具之旋轉的加工裝置。
先前，例如如日本特開2002-28808號公報(專利文獻1)或日本特表2008-504138號公報(專利文獻2)等所揭示，進行切削或研削等之加工裝置在能夠相對於本體側旋轉之工具側設置有超音波振子，將旋轉運動與超音波振子之振動疊加於工具，藉此提高加工精度。對於此種加工裝置而言，為了將驅動電力供給至相對於本體側旋轉之超音波振子，於本體側與工具側之旋轉部分，相對向地配置有一次側電力用線圈與二次側電力用線圈，使用該等電力用線圈之互感應作用，藉此，將電力自本體側供給至工具側。
然而，已知可認為超音波振子與具有共振頻率之電路等效，為了有效率地驅動超音波振子而供給共振頻率或其附近之頻率之驅動電力。然而，對於加工裝置而言，超音波振子之共振頻率會因超音波振子周圍之溫度變化或超音波振子自身之溫度變化、施加至工具之負載之變化等而發生變化。因此，若以一定之頻率供給驅動電力，則存在無法效率良好地驅動超音波振子之情形，有可能會降低加工精度。
因此，可考慮將對超音波振子之振動狀態進行檢測之檢測單元設置於工具側，並且將訊號用線圈設置於本體側與工具側，利用該等訊號用線圈之互感應作用，將檢測單元之檢測訊號作為電氣訊號而自工具側傳輸至本體側，根據由檢測訊號獲得之超音波振子之振動狀態來調節供給電力。
然而，對於使工具側相對於本體側旋轉驅動之加工裝置而言，於將訊號用線圈配設於本體側與工具側之旋轉部分之情形時，為了維持本體側之訊號用線圈與工具側之訊號用線圈之對向狀態，需要將訊號用線圈與電力用線圈一併配設於與工具側之旋轉中心軸相同之軸上。然而，若將電力用線圈與訊號用線圈配設於相同之軸上，則尤其對於訊號用線圈而言，電力用線圈所產生之磁通會貫穿訊號用線圈，於訊號用線圈中產生雜訊電動勢，雜訊有可能會混入至傳輸之電氣訊號。
為了應對此種問題，於日本特開平11-354348號公報(專利文獻3)或日本特開平11-313491號公報(專利文獻4)中提出有如下構造，該構造藉由使形成線圈之磁通路徑之芯材構件大型化而避免磁通路徑相互干涉，或藉由使非磁性材料介於線圈之間而避免磁通路徑相互干涉。然而，對於專利文獻3或專利文獻4所揭示之構造而言，芯材構件大型化，尤其會導致工具側大型化。由於工具側高速旋轉，因此，若工具側大型化，則有可能難以穩定地實現旋轉驅動。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2002-28808號公報
[專利文獻2]日本特表2008-504138號公報
[專利文獻3]日本特開平11-354348號公報
[專利文獻4]日本特開平11-313491號公報
本發明係以上述情況為背景而成之發明，其解決問題在於提供如下之構造新穎之加工裝置，該加工裝置係使工具側相對於本體側旋轉之加工裝置，其可利用更簡單且緊致之構成，以優異之傳輸品質自工具側向本體側傳輸電氣訊號，並且可更有效果地驅動設置於工具側之超音波振子。
以下，揭示為了解決如上所述之問題而成之本發明之形態。再者，以下揭示之各形態中所採用之構成要素只要有可能，則可以任意組合被採用。
本發明之第一形態係一種加工裝置，於具備輸出交流電壓之供電裝置之本體側、與能夠相對於該本體側旋轉且具備連結著工具之超音波振子之工具側之間，成對之一次側電力用線圈與二次側電力用線圈設置在與上述工具側之旋轉中心軸同心之軸上，經由上述電力用線圈，將驅動電力自上述本體側之上述供電裝置供給至上述工具側之上述超音波振子，該加工裝置之特徵在於：於上述本體側與上述工具側之間成對之訊號用線圈在上述本體側及上述工具側，分別於與上述電力用線圈同心之軸上且於 軸方向上重疊地配設，另一方面，於上述工具側設置有對上述超音波振子之振動狀態進行檢測之檢測單元，可使用上述訊號用線圈，自上述工具側向上述本體側發送該檢測單元之檢測訊號，並且於上述本體側設置有供電控制單元，該供電控制單元根據上述檢測單元之檢測訊號，控制對於上述一次側電力用線圈之供電頻率，另一方面，利用如下線圈捲線路徑形成上述本體側及上述工具側中的至少一方之上述訊號用線圈，上述線圈捲線路徑以抵消因上述電力用線圈所產生之磁通之影響而使該訊號用線圈產生之電動勢之方式，產生彼此逆向之電動勢。
於依據本形態之構造之加工裝置中，在本體側與工具側分別設置有訊號用線圈，藉由使用訊號用線圈之互感應，可以非接觸狀態，將電氣訊號自工具側傳輸至本體側。藉此，可使用訊號用線圈，將由工具側的檢測單元所檢測出之超音波振子之振動狀態傳輸至本體側，本體側之供電控制單元可根據所接收之檢測訊號，使供給電力之頻率對應於超音波振子之振動狀態之變化而發生變化。其結果，可進行對應於超音波振子之共振頻率變化之反饋控制，可更有效果地驅動超音波振子，從而可提高加工精度。
而且，利用抵消來自電力用線圈之影響之線圈捲線路徑，形成本體側及工具側中的至少一方之訊號用線圈。藉此，於電力用線圈所產生之磁通通過訊號用線圈之情形時，使訊號用線圈中產生彼此逆向之感應電流，從而使其相互抵消。因此，可不另外設置用以抑制雜訊之線圈構件或設置用以抵消雜訊電動勢之供電控制裝置，而利用訊號用線圈自身減少雜訊電動勢。其結果，可利用簡單構成提高電氣訊號之傳輸品質。
此外，利用訊號用線圈自身減少雜訊電動勢，藉此，可更迅速地傳輸電氣訊號。亦即，例如於進行無線通訊之情形時，一般需要如下之多段處理，其需要時間，該多段處理係指對所接收之電氣訊號進行檢波之後將其放大，除去雜訊，接著將訊號再生。因此，尤其對於如本發明般之反饋控制而言，若自於工具側產生檢測訊號直至於本體側將該檢測訊號再生為止需要時間，則需要考慮檢測訊號之時間延遲，導致控制變複雜。相對於此，根據本發明，使訊號用線圈的構造本身具有雜訊減少效果，藉此，可更迅速地傳輸電氣訊號，從而可提高訊號傳遞之即時性。
而且，對於訊號用線圈而言，可減少來自電力用線圈之影響，因此，可將訊號用線圈與電力用線圈重疊且緊致地配設於同心軸上。其結果，可實現加工裝置之小型化，尤其可實現工具側之小型化，可使工具更高速地旋轉，並且可提高旋轉穩定性而提高加工精度。
再者，本形態中的「重疊」，係指電力用線圈的線圈捲線與訊號用線圈的線圈捲線配設於該等線圈軸方向之投影觀察時之重疊位置，兩個線圈的線圈捲線當然並不相互接觸，該「重疊」並非指兩個線圈的線圈捲線處於接觸狀態。又，電力用線圈的線圈捲線與訊號用線圈的線圈捲線可大致遍及整個圓周地重疊，亦可以部分地交叉之方式而重疊。
如上述第一形態所揭示之加工裝置，於本發明之第二形態中，上述產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑係包含彼此逆向地捲繞之第一捲線部分與第二捲線部分而構成。
根據本形態，由於第一捲線部分與第二捲線部分彼此向相反方向捲繞，因此，可相對於共用磁場而使第一捲線部分與第二捲線部分產 生彼此逆向之感應電流。藉此，於由電力用線圈產生之磁通通過訊號用線圈之情形時，可使第一捲線部分與第二捲線部分產生彼此逆向之電動勢而使該等電動勢相互抵消。其結果，可減少於訊號用線圈中產生之雜訊電動勢。
再者，所謂彼此逆向地捲繞之第一捲線部分與第二捲線部分之捲繞方向，係指圍繞電力用線圈的中心之方向，關於設置於本體側之訊號用線圈，該捲繞方向係指圍繞一次側電力用線圈的中心之方向，關於設置於工具側之訊號用線圈，該捲繞方向係指圍繞二次側電力用線圈的中心之方向。又，考慮於第一捲線部分中產生之電動勢與於第二捲線部分中產生之電動勢，任意地對第一捲線部分與第二捲線部分之匝數進行設定，較佳而言，以如下方式進行設定，即，相對於共用磁場而使第一捲線部分與第二捲線部分中產生彼此逆向且大小相等之電動勢。因此，第一捲線部分之匝數與第二捲線部分之匝數亦可互不相同。
如上述第二形態所揭示之加工裝置，於本發明之第三形態中，上述第一捲線部分與上述第二捲線部分形成於同一平面上，上述第二捲線部分自上述第一捲線部分折返，且沿著上述第一捲線部分逆向地捲繞。
根據本形態，可形成較薄之訊號用線圈。又，可將訊號用線圈形成為平坦狀，因此，可容易地進行配設作業，例如重疊於電力用線圈地進行配設。
如上述第一~第三形態中任一個形態所揭示之加工裝置，於本發明之第四形態中，於上述本體側與上述工具側中的至少一方設置有罐形芯材，該罐形芯材由導磁性材料構成且形成有沿著圓周方向延伸之槽 部，上述電力用線圈與上述訊號用線圈均收容於上述槽部。
根據本形態，使用罐形芯材而形成電力用線圈與訊號用線圈之磁通路徑，藉此，可提高電力及電氣訊號之傳輸效率。而且，根據本發明，由於可藉由在訊號用線圈中採用特定形狀之線圈捲線路徑而減少電力用線圈之影響，因此，可將電力用線圈與訊號用線圈收容於罐形芯材的同一個槽部內，從而可實現緊致化。而且，由於訊號用線圈收容於罐形芯材的槽部，因此，亦可保護訊號用線圈不受配設於附近之馬達等之磁擾之影響。
如上述第四形態所揭示之加工裝置，於本發明之第五形態中，上述罐形芯材僅設置於上述本體側。
如上所述，已知可認為超音波振子在共振頻率附近，與圖26所示之共振電路等效。於圖26所示之等效電路中，因構成超音波振子之壓電元件作為電容器發揮作用而形成之制動電容器(Cd)並聯地連接於LCR電路，該LCR電路係由表示機械振動特性(串聯共振特性)之線圈部分(L)及電容器(C)、以及表示機械負載之電阻器部分(R)串聯連接而成。
因此，如本形態般，將由導磁性材料構成之罐形芯材僅設置於本體側，而不將芯材構件組裝於工具側之二次側電力用線圈，藉此，可避免工具側之超音波振子之等效電路之電感(L)增大。藉此，可避免共振頻率fr =1/(2π√(L．C))之較大之變化。一般而言，電感(L)之增大表現為共振頻率fr 之下降，因此，藉由避免電感(L)增大，可抑制共振頻率下降。藉此，可將超音波振子之共振頻率維持為較高之共振頻率而使超音波振子以較高之頻率驅動，從而可進一步提高加工精度。又，由於可避免共 振頻率大幅度地發生變化，因此，可容易地使超音波振子之共振頻率接近於工具側之機械性固有頻率，可有效果地將超音波振子之振動傳遞至工具，從而更有效地獲得工具之行程。
又，由於未將罐形芯材組裝於工具側之二次側電力用線圈，因此，可主動使一次側電力用線圈與二次側電力用線圈之間產生洩漏磁通，從而降低耦合係數。藉此，可避免電力之傳輸效率因位置稍微偏離本體側而急遽地下降，從而可提高電力傳輸之穩定性。而且，例如如圖27所示，於驅動電力作為方形波自本體側振盪之情形時，可使在工具側輸入至超音波振子之電力波形接近於一併表示於圖27之超音波振子之機械振動即正弦波。藉此，可容易地使超音波振子之振動與施加電壓之變化同步，減少被認為由急遽之施加電壓之變化引起的超音波振子之波動，從而可使超音波振子穩定地振動。而且，可抑制產生圖27中的斜線所示之剩餘能量，亦可抑制發熱。
此外，由於未將罐形芯材組裝於工具側之二次側電力用線圈，因此，可使工具側輕量化，從而可實現更高速之旋轉驅動。再者，於本形態中，為了對工具側之訊號用線圈之交鏈磁通進行調節，可於工具側設置由導磁性材料構成之芯材構件，將工具側之訊號用線圈組裝於芯材構件，但較佳為採用如下形態，即，於工具側完全不設置包含罐形芯材之芯材構件。亦即，於芯材構件為對鐵等微粒子進行燒結而形成之芯材構件之情形時，若以每分鐘數萬次之速度高速旋轉，則龜裂或破損之可能性升高。因此，藉由於工具側完全不設置芯材構件，可避免芯材構件於工具側受損之問題。
如上述第四或第五形態所揭示之加工裝置，於本發明之第六形態中，上述第一捲線部分與上述第二捲線部分之相隔距離大於與上述訊號用線圈兩側之上述槽部的壁部之相隔距離。
於本形態中，訊號用線圈中的第一捲線部分靠近槽部的外壁與內壁中的一方而配設，並且第二捲線部分靠近外壁與內壁中的另一方而配設，第一捲線部分及第二捲線部分較另一個捲線部分更靠近槽部的任一個壁部而配設。藉此，由第一捲線部分產生之磁通與由第二捲線部分產生之磁通易於通過槽部的各個壁部，從而可減少第一捲線部分之磁通路徑與第二捲線部分之磁通路徑之干渉。其結果，可進一步提高訊號用線圈對於電氣訊號之傳輸品質。
如上述第一~第六形態中任一個形態所揭示之加工裝置，於本發明之第七形態中，上述超音波振子係積層有複數個壓電元件之朗之萬型振子，藉由與上述複數個壓電元件一併積層之壓電元件而構成上述檢測單元。
根據本形態，可使用作為檢測單元之壓電元件之壓電效果，將超音波振子之振動檢測為電壓。藉此，可利用簡單構造實現檢測單元。而且，可將作為檢測單元之壓電元件配設於與構成朗之萬型振子之複數個壓電元件相同之軸上，因此，可空間效率良好地設置檢測單元，並且亦可抑制工具側之重量平衡之偏差，從而提高工具側之旋轉穩定性。
於本發明中，藉由一次側電力用線圈與二次側電力用線圈，以非接觸狀態將電力自本體側傳輸至設置於工具側之超音波振子，並且藉 由設置於本體側與工具側之訊號用線圈，將超音波振子之振動狀態作為電氣訊號而傳輸至本體側。而且，可藉由供電控制單元，根據經由訊號用線圈而獲得之電氣訊號，控制對於超音波振子之供電頻率，藉此，可根據超音波振子之共振頻率變化，對供給電力之頻率進行調節，從而可提高加工品質。而且，利用如下線圈捲線路徑形成本體側與工具側中的至少一方之訊號用線圈，該線圈捲線路徑抵消因電力用線圈所產生之磁通之影響而產生之電動勢。藉此，可利用極其簡單之構成，減少因來自電力用線圈之影響而於訊號用線圈中產生之雜訊電動勢。其結果，可提高電氣訊號之傳輸品質，並且可靠近電力用線圈地配設訊號用線圈，從而可實現本體側及工具側之緊致化。
10‧‧‧加工裝置
12‧‧‧裝置本體
14‧‧‧主軸頭
18‧‧‧工具
20‧‧‧工具單元
24‧‧‧工件
36‧‧‧曲徑軸封
42‧‧‧本體側傳輸單元
46‧‧‧本體側線圈頭
56a‧‧‧一次側電力用線圈
56b‧‧‧二次側電力用線圈
58a‧‧‧本體側訊號用線圈
58b‧‧‧工具側訊號用線圈
60‧‧‧罐形芯材
68‧‧‧第一捲線部分
70‧‧‧第二捲線部分
94‧‧‧振動單元
96‧‧‧工具側線圈頭
112‧‧‧超音波振子
114‧‧‧振幅擴大胴
116‧‧‧壓電元件
120‧‧‧螺栓
124‧‧‧絕緣層
125‧‧‧夾盤機構
132‧‧‧空氣流路
172‧‧‧壓電元件(檢測單元)
176‧‧‧絕緣材料
圖1係模式性地表示作為本發明第一實施形態之加工裝置之說明圖。
圖2係圖1所示之加工裝置之主要部分之縱剖面說明圖。
圖3係本體側傳輸單元與工具單元之立體圖。
圖4係本體側傳輸單元與工具單元之自與圖3不同之方向所見之立體圖。
圖5係一次側電力用線圈、二次側電力用線圈、訊號用線圈及罐形芯材之分解立體圖。
圖6係模式性地表示圖5所示之訊號用線圈之說明圖。
圖7係本體側線圈頭之正視圖。
圖8係具備超音波振子之振動單元之說明圖。
圖9係概略性地對作為本發明第一實施形態之加工裝置中所使用之非接觸式電源供給裝置進行說明之區塊圖。
圖10係表示超音波振子之阻抗特性之曲線圖。
圖11係表示流入至超音波振子之電流之測定結果之圖線圖。
圖12係表示超音波振子之共振頻率附近之電壓與電流之測定結果的曲線圖。
圖13係表示偏離超音波振子之共振頻率附近之頻率範圍中的電壓與電流之測定結果之曲線圖，且係施加有方形波之電壓時之曲線圖。
圖14係表示偏離超音波振子之共振頻率附近之頻率範圍中的電壓與電流之測定結果之曲線圖，且係施加有正弦波之電壓時之曲線圖。
圖15係用以對超音波振子之共振頻率發生變化時之電壓與電流之變化情況進行說明的說明圖，(a)係表示電流振幅發生了變化之情形之說明圖，(b)係表示電流相位發生了變化之情形之說明圖。
圖16係用以對訊號用線圈中所產生之感應電流之方向進行說明之說明圖，(a)表示傳輸電氣訊號之情形，(b)表示產生雜訊之情形。
圖17係用以對訊號用線圈中所產生之感應電流之方向進行說明之縱剖面圖，(a)表示傳輸電氣訊號之情形，(b)表示產生雜訊之情形。
圖18係對工具側之檢測訊號之發送時序、與本體側之檢測訊號之接收時序進行測定所得的曲線圖。
圖19係一併表示使工具振動且旋轉而形成之穿孔、與使工具旋轉而不使其振動所形成之穿孔之照片。
圖20係表示構成圖1所示之加工裝置之複數個工具單元之說明圖。
圖21係用以對圖1所示之加工裝置連接於電腦網路時之連接形態進行說明之說明圖。
圖22係表示構成本發明第二實施形態之加工裝置之檢測單元之說明圖。
圖23係表示構成作為本發明第三實施形態之加工裝置之一次側電力用線圈、訊號用線圈、罐形芯材之分解立體圖。
圖24係表示構成作為本發明第四實施形態之加工裝置之一次側電力用線圈、二次側電力用線圈、訊號用線圈、罐形芯材之縱剖面圖。
圖25係模式性地表示構成作為本發明第五實施形態之加工裝置之訊號用線圈之正視圖。
圖26係用以對超音波振子進行說明之說明圖。
圖27係用以對施加至超音波振子之電壓、與超音波振子之振動狀態進行說明之說明圖。
以下，一面參照圖式，一面對本發明之實施形態進行說明。
首先，於圖1中，模式性地表示作為本發明第一實施形態之加工裝置10。加工裝置10為如下構造，即，具備工具18之作為工具側之工具單元20連結於作為本體側之裝置本體12中所設置之主軸頭14的主軸16。而且，藉由使主軸16旋轉，連結於主軸16之工具單元20可相對於主軸頭14旋轉。
裝置本體12支持於底座22。於底座22上，在工具18的前方(圖1中的下方)設置有載台26，該載台26可裝脫地保持作為加工對象 物之工件24。載台26支持於設置在底座22上之驅動機構28，且可藉由驅動機構28內所設置之未圖示之導軌或伺服馬達等，相對於工具18而在與工具18之前後方向(圖1中的上下方向)正交之X軸方向及Y軸方向、及成為工具18之前後方向之Z軸方向該正交之3個軸方向上相對移位。藉此，工具18可相對於工件24而在正交之3個軸方向上相對移位。再者，加工裝置10例如亦可為如下加工裝置等，該加工裝置的載台26可在X軸方向及Y軸方向該正交之2個軸方向上移動，並且主軸頭14可在Z軸方向上移動。
於圖2中，模式性地表示主軸頭14與工具單元20之縱剖面。於主軸頭14中，在外殼30內設置有作為旋轉驅動機構之馬達32。而且，由於主軸16固定於馬達32的輸出軸，因此，主軸16可圍繞中心軸：O旋轉。主軸16經由軸承34、34而支持於外殼30，並且前端部位於與外殼30的處於工具單元20側之端緣部大致相等之位置。又，於主軸16的前端側，在主軸16與外殼30之間設置有曲徑軸封36，其防止粉塵等異物自外部侵入至外殼30內。
於主軸16的前端部形成有單元安裝孔38，該單元安裝孔38具有向主軸16的前端緣部擴徑之楔狀之內周面。於主軸16的內部設置有抓持後述之拉刀106之拉取式夾盤40，該拉刀106在主軸16之軸方向上且在單元安裝孔38的縮徑之端部之內側，設置於工具單元20。
於外殼30的處於工具單元20側之端部安裝有本體側傳輸單元42。於圖3及圖4中一併表示本體側傳輸單元42與工具單元20。本體側傳輸單元42為如下構造，即，於本體側殼體44中收容有本體側線圈頭46(參照圖2)。本體側殼體44為例如由不銹鋼等構成之一體成形品，其於具 有大致圓柱形狀之外形之中央部48之軸方向的一個端緣部，形成有遍及整個圓周地向直徑方向外方突出之凸緣狀部50。於中央部48中，形成有於中心軸上貫通之桿插通孔52。而且，於中央部48的桿插通孔52周圍形成有本體側收容槽54，該本體側收容槽54向工具單元20側(圖2中的下側)開口，且圍繞中央部48的中心軸而遍及整個圓周地連續延伸。
於本體側收容槽54中收容有本體側線圈頭46。圖5中一併表示了後述之工具側線圈頭96，本體側線圈頭46為如下構造，即，一次側電力用線圈56a與作為訊號用線圈之本體側訊號用線圈58a收容於作為芯材構件之罐形芯材60。一次側電力用線圈56a係由引線62以指定次數捲繞為圓形而形成，該引線62由銅等形成且作為線圈捲線。可考慮所傳輸之電力之大小等，任意地對一次側電力用線圈56a之大小及匝數進行設定。又，本實施形態中之一次側電力用線圈56a係將引線62捲繞於由合成樹脂等形成之大致圓筒形狀之線軸64而形成，但未必需要線軸64。
另一方面，本體側訊號用線圈58a由引線66形成，該引線66由銅等形成且作為線圈捲線。如圖6模式性所示，本體側訊號用線圈58a整體上形成為圓形，藉由一條引線66形成捲繞於直徑方向外側之第一捲線部分68、及向與第一捲線部分68相反之方向捲繞於直徑方向內側之第二捲線部分70。
具體而言，首先自圖6中的點A起，引線66大致繞半圈，藉此形成外側捲繞部72a之後，向直徑方向內側彎折，於直徑方向之內側，向與外側捲繞部72a相反之方向(圖6中為逆時針方向)大致繞一圈，藉此形成內側捲繞部74a。接著，引線66進一步自內側捲繞部74a向直徑方向 之外側彎折，於直徑方向之外側，向與內側捲繞部74a相反之方向(圖6中為順時針方向)繞半圈且返回至點A，藉此形成外側捲繞部72b。其後，藉由反復地進行上述動作，依序形成外側捲繞部72c、內側捲繞部74b、外側捲繞部72d。如此，藉由外側捲繞部72a~72d而形成第一捲線部分68，並且藉由內側捲繞部74a、74b而形成第二捲線部分70。總之，引線66於外側大致繞半圈之後，向內側折返，於內側逆向地大致繞一圈。接著，進一步向外側折返，於剩餘之外側繞半圈，藉此，於本體側訊號用線圈58a之外側，形成向一個方向(圖6中的順時針方向)捲繞之第一捲線部分68，並且於本體側訊號用線圈58a之內側形成第二捲線部分70，該第二捲線部分70自第一捲線部分68折返，沿著第一捲線部分68向與第一捲線部分68相反之方向(圖6中的逆時針方向)捲繞。藉由反復地進行上述動作，可任意地對本體側訊號用線圈58a之匝數進行設定。再者，為了便於理解，於圖6中，以不重疊之方式圖示了引線66，但引線66亦可分別於第一捲線部分68與第二捲線部分70中重疊。
本實施形態之本體側訊號用線圈58a形成為大小與一次側電力用線圈56a大致相等之圓形狀。又，第一捲線部分68與第二捲線部分70分別捲繞為大致圓形，且在同一平面上形成於同心軸上。再者，如圖5所示，引線66藉由接著等而固定於由合成樹脂等構成之薄且呈圓環板形狀之保持板76，藉此，本體側訊號用線圈58a維持捲線形狀。然而，未必需要保持板76。
上述一次側電力用線圈56a及本體側訊號用線圈58a收容於罐形芯材60。罐形芯材60例如由鐵或矽鋼、坡莫合金、肥粒鐵等導磁性材 料形成。罐形芯材60具有貫穿設置有在中心軸上延伸之中央孔78之圓筒形狀，並且形成有向軸方向之一方開口且圍繞中心軸延伸之作為槽部之圓周槽80，圓周槽80成為收容一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a之收容凹部。再者，可採用各種形狀作為罐形芯材60之具體形狀，罐形芯材60可為一體成形品，例如亦可為對圓周槽80的外壁82、內壁84、底壁該3個零件進行接著等而形成之包含複數個零件之罐形芯材等。進而，例如亦可為如下罐形芯材等，該罐形芯材的外壁82於圓周方向上被分割為複數個部分，或罐形芯材60之形成構件與一次側電力用線圈56a或本體側訊號用線圈58a靠近地配置。
而且，藉由將一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a收容於圓周槽80而形成本體側線圈頭46。於本實施形態中，依照一次側電力用線圈56a、本體側訊號用線圈58a之順序，將該一次側電力用線圈56a、本體側訊號用線圈58a收容於罐形芯材60，但向罐形芯材60收容時之收容順序亦可相反。藉此，如圖2所示，一次側電力用線圈56a被罐形芯材60包圍，並且一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a在大致同心之軸上，以使彼此之引線62、66(參照圖5)在軸方向(圖2中的上下方向)上重疊之狀態而收容於圓周槽80。如此，一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a配設於大致同心之軸上，藉此，本體側訊號用線圈58a的第一捲線部分68與第二捲線部分70相對於一次側電力用線圈56a的中心彼此逆向地捲繞。再者，線軸64介於一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a之間，藉此，隔開間隙地配設一次側電力用線圈56a與本體側訊號用線圈58a，並且防止引線62、66彼此接觸。
又，如圖7所示，本體側訊號用線圈58a收容於圓周槽80，藉此，本體側訊號用線圈58a的第一捲線部分68配設於圓周槽80的外壁82側，第二捲線部分70配設於圓周槽80的內壁84側。此處，第一捲線部分68與第二捲線部分70位於隔開之位置，於罐形芯材60之直徑方向上，第一捲線部分68與第二捲線部分70之相隔距離：D大於形成於本體側訊號用線圈58a外側之第一捲線部分68與外壁82之相隔距離：d1、形成於本體側訊號用線圈58a內側之第二捲線部分70與內壁84之相隔距離：d2中的任一個相隔距離。亦即，第一捲線部分68位於較第二捲線部分70側更偏向外壁82側之位置，第二捲線部分70位於較第一捲線部分68側更偏向內壁84側之位置。
如上所述之本體側線圈頭46在罐形芯材60的圓周槽80向工具單元20側開口之方向上，收容於本體側殼體44的本體側收容槽54，且藉由接著或壓入等而受到固定。藉此，本體側線圈頭46的外側被例如由不銹鋼等形成之本體側殼體44覆蓋，本體側殼體44作為屏蔽構件而發揮功能，藉此，減少來自罐形芯材60之洩漏磁通，並且尤其保護本體側訊號用線圈58a不受來自外部之馬達32等之磁擾之影響。再者，亦可另外設置屏蔽構件，例如亦可由鋁合金、銅合金、鈦合金、鎳合金、陶瓷、合成樹脂材料等非磁性體形成屏蔽構件，於外側被該屏蔽構件覆蓋之狀態下，將本體側線圈頭46收容於本體側收容槽54。
如上所述，凸緣狀部50重合於外殼30，並且固定螺栓90插通於螺栓孔88，該螺栓孔88貫穿設置於凸緣狀部50的複數個部位，藉此，本體側傳輸單元42固定地安裝於外殼30。
另一方面，如圖2~圖4所示，工具單元20為如下構造，即，於旋轉框體92中設置有振動單元94及工具側線圈頭96等。旋轉框體92例如由不銹鋼等形成。於旋轉框體92中，形成有具有大致圓柱形狀之外形之線圈頭収容部98。線圈頭収容部98之外徑尺寸與本體側傳輸單元42的中央部48之外徑尺寸大致相等。於線圈頭収容部98中形成有旋轉側收容槽100，該旋轉側收容槽100向本體側傳輸單元42側(圖2中的上側)開口，且圍繞線圈頭収容部98的中心軸而遍及整個圓周地連續延伸。而且，於旋轉框體92中形成有桿部102，該桿部102在線圈頭収容部98的中心軸上，自線圈頭収容部98向本體側傳輸單元42側突出。桿部102呈圓柱形狀，該圓柱形狀具有較本體側傳輸單元42的桿插通孔52之內徑稍小之外徑，並且具有與桿插通孔52之軸方向長度(圖2中的上下方向長度)大致相等之軸方向長度。於桿部102的自線圈頭収容部98突出之突出前端緣部，柄部104形成在中心軸上，該柄部104進一步向本體側傳輸單元42突出，且具備與形成於主軸16之楔狀之單元安裝孔38的內周面密著之楔狀之外周面。於柄部104的中心軸上形成有螺紋孔，桿狀之拉刀106螺固於該螺紋孔。而且，於旋轉框體92中形成有大致圓筒形狀之收容筒部108，該大致圓筒形狀之收容筒部108自線圈頭収容部98向柄部104的相反側突出且於中心軸上延伸。於收容筒部108的外周面上，形成有未圖示之自動工具更換裝置(ATC：Automatic Tool Changer)的臂部所抓持之槽狀之V形凸緣109。該收容筒部108的內部空部與線圈頭収容部98中央所形成之空部連通，藉此，形成向本體側傳輸單元42的相反側(圖2中的下側)開口之振動單元収容空部110。
振動單元94以一部分被收容之狀態而設置於振動單元収容空部110。於圖8中，模式性地表示振動單元94。振動單元94為如下構造，即，工具18經由振幅擴大胴(horn)114而連結於超音波振子112。超音波振子112係所謂之螺栓緊固朗之萬型振子，且為如下構造，即，具有壓電效果且例如由陶瓷薄板等形成之圓環形狀之複數個壓電元件116、圓環形狀之電極118a、118b外插於螺栓120而交替地積層，並且由自兩側螺固於螺栓120之金屬塊122與振幅擴大胴114夾緊。每隔一個地配設之各電極118a、118b群與後述之二次側電力用線圈56b連接。再者，考慮所需之工具18之行程等，將壓電元件116之積層數設定為任意數。
又，尤其於本實施形態中，在夾持所積層之壓電元件116的兩側之金屬塊122與壓電元件116的電極118a之間、及振幅擴大胴114與壓電元件116的電極118a之間，分別設置有絕緣層124及絕緣層124(參照圖8)。該等絕緣層124由不易發生彈性變形之非導電性材料形成，例如由作為脆性材料之陶瓷等形成。藉此，可有效果地將超音波振子112之振動傳遞至振幅擴大胴114，且可避免觸電等之可能性。而且，工具18經由筒夾或熱套等夾盤機構125而安裝於振幅擴大胴114的前端。藉此，超音波振子112之振動由振幅擴大胴114放大之後，傳遞至工具18。工具18例如可採用端銑刀或鑽頭等各種工具。又，關於振幅擴大胴114之具體形狀或形成材料，亦可考慮例如工件24之材質或工具18之振動條件等而適當地進行設定。例如，可由複數個段構成振幅擴大胴114，亦可單獨地構成振幅擴大胴114。又，振幅擴大胴114之形狀例如可採用台階形、指數形、垂鏈線形、錐形等各種形狀，關於振幅擴大胴114之形成材料，亦可採用例如鈦、 鋁合金、鋼鐵、銅合金、合成樹脂等非金屬等各種材料。
如上所述之振動單元94安裝於旋轉框體92。例如於本實施形態中，如圖2所示，在振動單元94的超音波振子112側收容於旋轉框體92的振動單元収容空部110內之狀態下，形成於振動單元94之凸緣狀部126重合於振動單元収容空部110的開口端面，固定螺栓130經由貫穿設置於凸緣狀部126之螺栓孔128而螺固於振動單元収容空部110的開口端面，藉此，上述振動單元94固定於旋轉框體92。然而，將振動單元94固定於旋轉框體92之具體構造並無任何限定。藉此，振動單元94的工具18自旋轉框體92突出，且配設於與柄部104或線圈頭収容部98同心之軸上。
又，如圖5所示，工具側線圈頭96係包含二次側電力用線圈56b與作為訊號用線圈之工具側訊號用線圈58b而構成。該等二次側電力用線圈56b及工具側訊號用線圈58b分別為與設置於本體側線圈頭46之一次側電力用線圈56a及本體側訊號用線圈58a相同之構造，因此，於圖中附上相同符號，藉此省略其說明。亦即，工具側線圈頭96不具有本體側線圈頭46的罐形芯材60，除了罐形芯材60之外，其構造與本體側線圈頭46相同。因此，於主軸頭14中，設置有包圍一次側電力用線圈56a之作為芯材構件之罐形芯材60，另一方面，於工具單元22中，未設置包圍二次側電力用線圈56b之芯材構件。而且，工具側線圈頭96使工具側訊號用線圈58b位於本體側線圈頭46側，而收容於旋轉框體92中的線圈頭収容部98的旋轉側收容槽100，並且藉由壓入或接著等而受到固定。再者，雖省略了詳細圖示，但複數個銷插通孔131(參照圖4)在圓周方向上隔開適當間隔而貫穿設置於旋轉框體92中的線圈頭収容部98的底部，未圖示之鎖銷插通於該 等銷插通孔131而與工具側線圈頭96卡合，藉此，防止工具側線圈頭96在旋轉側收容槽100內旋轉。
例如藉由未圖示之自動工具更換裝置等，如圖2所示，將如上所述之構造之工具單元20的柄部104側插通於本體側傳輸單元42的桿插通孔52。接著，柄部104貫穿本體側傳輸單元42而插入至形成於主軸16之單元安裝孔38，並且利用拉取式夾盤40抓持拉刀106，藉此，將工具單元20固定於主軸16。藉此，本體側傳輸單元42與工具單元20在主軸16的旋轉中心軸：O方向上，位於相對向之位置。再者，本體側傳輸單元42與工具單元20係以隔開些許間隙之非接觸狀態配設，藉由本體側傳輸單元42的桿插通孔52與工具單元20的桿部102之間隙、及本體側傳輸單元42的本體側線圈頭46與工具單元20的工具側線圈頭96之間隙而形成空氣流路132。藉此，本體側線圈頭46與工具側線圈頭96在主軸16的中心軸：O上，彼此配設於相同之軸上，並且在主軸16之軸方向(圖2中的上下方向)上，隔開間隙地對向配置。而且，主軸16利用馬達32而旋轉，藉此，工具單元20相對於主軸頭14旋轉，工具18旋轉，並且工具側線圈頭96圍繞主軸16的中心軸：O，相對於本體側線圈頭46而相對旋轉。如此，設置於本體側線圈頭46之一次側電力用線圈56a及本體側訊號用線圈58a、與設置於工具側線圈頭96之二次側電力用線圈56b及工具側訊號用線圈58b在與成為工具單元20之旋轉中心之主軸16的中心軸：O同心之軸上，隔開間隙地對向配置，並且可圍繞中心軸：O而相對旋轉。
對於上述本體側線圈頭46與工具側線圈頭96而言，例如如圖9所示，在設置有主軸頭14之裝置本體12側，供給直流電源之電源電路 134經由反相器136而連接於一次側電力用線圈56a。電源電路134及反相器136設置於裝置本體12側。又，控制裝置140經由具備解調電路之通訊用電路138而連接於本體側訊號用線圈58a。通訊用電路138及控制裝置140設置於裝置本體12側。控制裝置140具備CPU或ROM、RAM等，且根據自通訊用電路138接收之電氣訊號與預定之指定程式，對反相器136之驅動頻率進行調節。
另一方面，於工具單元20側，超音波振子112連接於二次側電力用線圈56b。如上所述，可認為超音波振子112與圖9所示之共振電路等效。再者，如圖9一併所示，亦可根據需要，與超音波振子112並聯地設置修正用電容器142，從而抵消流入至超音波振子112的制動電容器(Cd)之電流。而且，作為檢測單元之檢測電路144連接於超音波振子112，檢測電路144經由放大電路146而與工具側訊號用線圈58b連接。檢測電路144例如係包含霍耳元件等而構成，其檢測出施加至超音波振子112之電壓、或流經超音波振子112之電流作為超音波振子112之振動狀態。上述檢測電路144及放大電路146設置於工具單元20側。
包含上述本體側線圈頭46、工具側線圈頭96、電源電路134、反相器136、通訊用電路138、控制裝置140、檢測電路144、放大電路146而構成非接觸式電源供給裝置，包含電源電路134與反相器136而構成將交流電壓輸出至一次側電力用線圈56a之供電裝置。
根據本實施形態之加工裝置10，可將驅動電力自作為本體側之裝置本體12，供給至設置於作為工具側之工具單元20之超音波振子112。而且，對超音波振子112之振動狀態進行檢測，於超音波振子112之 共振頻率因施加至超音波振子112之機械負載或溫度條件之變化而發生變化之情形時，進行使向超音波振子112施加之施加電壓之頻率發生變化之反饋控制，藉此，可有效率地驅動超音波振子112。以下，表示對於超音波振子112之驅動電力之供給與反饋控制之一例。
首先，作為前提，可認為由複數個壓電元件116構成之超音波振子112在共振頻率附近，與圖9所示之電路等效。已知該等效電路具有圖10所示之阻抗特性，阻抗(Z)最小時之頻率為超音波振子112之共振頻率，超音波振子112於施加有共振頻率fr 之交流電壓之情形時，可效率最佳地進行振動且獲得較大之振幅。再者，當頻率為共振頻率fr 時，流入至超音波振子112之電壓與電流之相位差為0，且最大之電流流入至超音波振子112。又，阻抗(Z)最大時之頻率為反共振頻率fn 。
因此，作為事前準備，對超音波振子112施加如下交流電壓，且對流入至超音波振子112之電流進行測定，該交流電壓的頻率在包含根據壓電元件116之組成等而以某種程度推斷出之共振頻率之指定範圍內，例如每隔0.1kHz、0.5kHz、1kHz等指定間隔而逐步發生變化。例如，於推斷出超音波振子112之共振頻率fr存在於20kHz附近之情形時，使施加電壓自10kHz變化至40kHz為止，對流入至超音波振子112之電流進行測定。於圖11中，表示對流入至超音波振子112之電流進行測定所得之結果的一例。根據所獲得之測定結果，可推斷出超音波振子112之共振頻率存在於流動有最大電流時之頻率(於圖11中，約為23kHz)附近。
再者，如上所述，超音波振子112在頻率為共振頻率fr時，效率最佳地被驅動。然而，根據圖10可知：於共振頻率fr 附近，阻抗(Z) 之變化急遽，只要稍微偏離共振頻率，則超音波振子112之振動狀態會急遽地發生變化。因此，為了確保超音波振子112之驅動穩定性，於本實施形態中，在圖10中的共振頻率fr 與反共振頻率fn 之間，稍微偏離共振頻率fr 之位置被設定為驅動頻率fd 。具體而言，施加電壓與電流之相位差處於(π/2)±(π/4)之範圍內之電壓，於本實施形態中，如圖12中之實際測定結果所示，施加相位差為π/2之驅動頻率fd 之交流電壓。再者，於圖13及圖14中，表示對超音波振子112施加偏離共振頻率附近之頻率範圍之電壓時之實際測定結果。圖13係輸入方形波作為交流電壓之圖，電流之振幅較小。另一方面，圖14係輸入正弦波作為交流電壓之圖，由於電氣振動不穩定，因此，可確認處於非共振狀態。
接著，驅動主軸頭14之馬達32(參照圖2)，於工具單元20相對於主軸頭14旋轉之狀態下，藉由反相器136將圖9所示之電源電路134之直流電壓轉換為高頻電壓，將該高頻電壓供給至一次側電力用線圈56a。此處，反相器136之驅動頻率由控制裝置140控制，上述獲得之驅動頻率fd 之交流電壓供給至一次側電力用線圈56a。
藉此，於一次側電力用線圈56a中產生如下磁通，該磁通貫穿一次側電力用線圈56a，且根據輸出頻率而發生變化。該磁通集中於罐形芯材60，離開罐形芯材60之磁通與二次側電力用線圈56b交鏈。其結果，一次側電力用線圈56a與二次側電力用線圈56b電磁耦合，於二次側電力用線圈56b中產生由互感應引起之感應電動勢。如此，可於相對旋轉之一次側電力用線圈56a與二次側電力用線圈56b之間，以非接觸狀態傳輸電力，二次側電力用線圈56b所產生之高頻電壓作為驅動電力而供給至超音波振 子112。藉此，超音波振子112振動，馬達32之旋轉與超音波振子112之振動疊加於工具18，從而可以更高之精度對工件24(參照圖1)進行加工。
當對工件24進行加工時，超音波振子112之共振頻率fr 因經由工具18施加之機械負載之變化或溫度條件之變化等而發生變化。超音波振子112之共振頻率fr 之變化例如表現為施加至超音波振子112之電壓之大小(振幅)、流經超音波振子112之電流之大小(振幅)、或該等電壓與電流之相位差之變化。例如，如圖15(a)中的I'所示，於負載增大之情形時，電流之振幅變小，或如圖15(b)中的I'所示，於負載增大之情形時，產生與至此為止之相位差不同之相位差。而且，根據本實施形態之加工裝置10，可進行如下反饋控制，即，追隨對應於超音波振子112之共振頻率之變化，使施加至超音波振子112之交流電壓之頻率發生變化。
首先，利用圖9所示之檢測電路144，對超音波振子112之振動狀態進行檢測。於檢測電路144中例如設置有霍耳元件等，例如檢測出施加至超音波振子112之電壓之振幅、流經超音波振子112之電流之振幅、及該等電壓與電流之相位等作為超音波振子112之振動狀態。
檢測電路144所檢測出之超音波振子112之電壓或電流之振幅、相位等作為檢測訊號而由放大電路146放大之後，作為交流電壓而施加至工具側訊號用線圈58b。藉此，產生貫穿工具側訊號用線圈58b且根據輸出頻率而發生變化之磁通，該磁通與本體側訊號用線圈58a交鏈。其結果，於本體側訊號用線圈58a中，產生由與工具側訊號用線圈58b之間之互感應引起之感應電動勢，藉由通訊用電路138自本體側訊號用線圈58a獲取檢測電路144所發出之檢測訊號。如此，可於相對旋轉之工具側訊號用線 圈58b與本體側訊號用線圈58a之間，以非接觸狀態傳輸電氣訊號。
自本體側訊號用線圈58a獲取之檢測訊號輸入至控制裝置140。控制裝置140將根據檢測訊號獲得之超音波振子112之電壓之振幅或電流之振幅、電壓與電流之相位差等與接收檢測訊號之前的狀態作比較，在與接收檢測訊號之前的狀態相比較已發生變化之情形時，以恢復至接收檢測訊號之前的狀態之方式，使反相器136之驅動頻率發生變化，從而使對於一次側電力用線圈56a之供電頻率發生變化。可預先將與電壓或電流之振幅變化量、或者相位差變化量相對應之驅動頻率變更量作為表格而記憶於控制裝置140，自表格進行檢索而設定反相器136之驅動頻率變更量，例如亦可一面自檢測電路144接收超音波振子112之電壓之振幅或電流之振幅、電壓與電流之相位等，一面使反相器136之驅動頻率逐步變化0.1kHz或0.5kHz等，藉此，調節反相器136之驅動頻率變更量。藉此，可將與變化後之共振頻率相對應之驅動頻率fd 之交流電壓施加至超音波振子112，從而可使該超音波振子112恢復至圖12所示之預期之振動狀態。如此，於本實施形態中，包含控制裝置140及反相器136而構成供電控制單元。
根據本實施形態之加工裝置10，可於相對移位之主軸頭14與工具單元20之間，將驅動電力自主軸頭14供給至設置於工具單元20之超音波振子112。而且，可將超音波振子112之振動狀態作為電氣訊號，自工具單元20向主軸頭14傳輸，從而可實現如下反饋控制，即，追隨對應於超音波振子112之共振頻率fr 之變化，使施加至超音波振子112之交流電壓之頻率發生變化。其結果，可更穩定地確保工具18之行程而獲得更優異之加工精度。又，於因某些原因而在工具單元20側發生短路或斷線之情形時， 亦可防止因超音波振子112之共振條件發生變化，施加電壓偏離共振頻率，導致較大之能量供給至工具單元20側。
而且，對於本實施形態之加工裝置10而言，於本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b中，分別形成有彼此逆向地捲繞之第一捲線部分68與第二捲線部分70。藉此，可利用因對一次側電力用線圈56a通電而產生之磁通，減少本體側訊號用線圈58a或工具側訊號用線圈58b所誘發之雜訊電動勢，從而可精度更佳地傳輸電氣訊號。
亦即，如圖16(a)及圖17(a)模式性所示，於將電氣訊號自工具側訊號用線圈58b傳輸至本體側訊號用線圈58a之情形時，首先，將交流電壓施加至工具側訊號用線圈58b，藉此，電流iso 於工具側訊號用線圈58b的第一捲線部分68中流動，並且電流isi 於第二捲線部分70中流動。再者，於圖17中，利用向斜下方延伸之箭頭表示向紙面近前側流動之電流，利用向斜上方延伸之箭頭表示向紙面裡側流動之電流。該等電流iso 與電流isi 為同一電流，且於工具側訊號用線圈58b的引線66內，彼此向相同方向流動。而且，由於電流is 。與電流isi 於工具側訊號用線圈58b中流動，因此，可使第二捲線部分70內側產生磁通bi ，使第二捲線部分70與第一捲線部分68之間產生磁通bc ，使第一捲線部分68外側產生磁通bo 。此處，由於第一捲線部分68與第二捲線部分70彼此逆向地捲繞，因此，於自外部觀察引線66之情形時，電流iso 與電流isi 彼此逆向地流動。其結果，磁通bi 與磁通bo 之磁力線朝向同一方向，另一方面，磁通bc 之磁力線的方向與磁通bi 及磁通bo 之磁力線的方向相反。
再者，藉由流經第二捲線部分70之電流isi ，使第一捲線部 分68外側產生方向與磁通bo 相反之磁通rbo ，另一方面，藉由流經第一捲線部分68之電流iso ，使第二捲線部分70內側產生方向與磁通bi 相反之磁通rbi ，但由於第一捲線部分68與第二捲線部分70位於隔開之位置，第二捲線部分70與第一捲線部分68之外側之間、及第一捲線部分68與第二捲線部分70之內側之間存在距離，因此，該等磁通rbo 、rbi 已小至幾乎不會對磁通bo 、bi 產生影響之程度。
而且，藉由工具側訊號用線圈58b所產生之磁通bi 、bc 、bo ，使對向之本體側訊號用線圈58a的第一捲線部分68中產生感應電流iro ，並且使第二捲線部分70中產生感應電流i。該等感應電流iro 、iri 於本體側訊號用線圈58a的引線66內，彼此向相同方向流動，故不會抵消。如此，可將電氣訊號自工具側訊號用線圈58b傳輸至本體側訊號用線圈58a。尤其於本實施形態中，本體側訊號用線圈58a組裝於罐形芯材60，第一捲線部分68靠近罐形芯材60的外壁82地配置，並且第二捲線部分70靠近內壁84地配置，因此，藉由使磁通bi 、bo 分別集中於外壁82與內壁84，可有效果地使第一捲線部分68與第二捲線部分70分別產生感應電流iro 、iri ，該感應電流iro 、iri 於引線66內，彼此向相同方向流動。
另一方面，如圖16(b)及圖17(b)模式性所示，若將交流電壓施加至一次側電力用線圈56a，則會使一次側電力用線圈56a內側產生磁通Bi ，使外側產生磁通Bo 。磁通Bi 之磁力線的方向與磁通Bo 之磁力線的方向為彼此相反之方向。該等磁通Bi 、Bo 分別於本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b中，通過第二捲線部分70之內側與第一捲線部分68之外側。藉此，若以本體側訊號用線圈58a為例進行說明，則會使第一 捲線部分68產生成為雜訊電流之感應電流ino ，使第二捲線部分70產生成為雜訊電流之感應電流ini 。磁通Bi 與磁通Bo 在夾持第一捲線部分68與第二捲線部分70的兩側，彼此朝向相反方向，因此，於自外部觀察本體側訊號用線圈58a的引線66之情形時，感應電流ino 與感應電流ini 彼此向相同方向流動。而且，由於第一捲線部分68與第二捲線部分70彼此逆向地捲繞，因此，感應電流ino 與感應電流ini 係引線66內的彼此逆向之電流，其可使第一捲線部分68與第二捲線部分70產生相對於共用磁場而彼此逆向之電動勢。其結果，感應電流ino 與感應電流ini 相互抵消，以使感應電流ino 與感應電流ini 之大小盡可能接近之方式，對第一捲線部分68及第二捲線部分70之大小或匝數進行調節，藉此，可抵消因一次側電力用線圈56a所產生之磁通Bi 、Bo 之影響而使本體側訊號用線圈58a產生的成為雜訊之電動勢。如此，可一面減少由一次側電力用線圈56a之影響引起之雜訊，一面傳輸電氣訊號。
再者，如圖16(b)及圖17(b)一併所示，同樣亦可減少工具側訊號用線圈58b中之雜訊電動勢，於本實施形態中，可減少電氣訊號之發送側(工具側訊號用線圈58b)及接收側(本體側訊號用線圈58a)該兩者中之雜訊。而且，於本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b中，分別採用如上所述之特定之線圈捲線路徑，藉此，可不另外設置任何特別之控制裝置或用以抑制雜訊之線圈構件，而利用極其簡單之構成提高電氣訊號之傳輸品質。而且，由於使用特定形狀之線圈捲線路徑產生逆向之電動勢，使該逆向之電動勢抵消，因此，即使於對本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b產生影響之磁通之量發生變化之情形時，亦可自動地對應於磁通之量之變化而無需進行再調諧等，從而可獲得優異之雜訊 抑制效果。
而且，由於可抵消來自一次側電力用線圈56a之影響，因此，可將本體側訊號用線圈58a配設於極其靠近一次側電力用線圈56a之位置，於本實施形態中，本體側訊號用線圈58a與一次側電力用線圈56a一併收容於罐形芯材60的同一個圓周槽80中。如此，亦可以先前因彼此之磁通路徑干涉而難以實現之方式配設，即，以使彼此之引線62、66重疊之方式配設，可避免芯材構件之大型化或形狀之複雜化，從而可獲得極其優異之空間效率。又，將本體側訊號用線圈58a收容於罐形芯材60的內部，藉此，亦可保護本體側訊號用線圈58a不受例如來自馬達32等之磁擾之影響。
而且，於依據本實施形態之構造之加工裝置10中，罐形芯材60僅設置於主軸頭14側，而並不設置於設置有超音波振子112之工具單元20側。藉此，可避免超音波振子112的共振電路中之電感變大，從而可避免超音波振子112之共振頻率下降。其結果，可使超音波振子112以高頻率驅動，從而可獲得更優異之加工精度。而且，可避免超音波振子112之共振頻率大幅度地發生變化，從而可容易地使超音波振子112之共振頻率與包含振幅擴大胴114及工具18之工具單元20之機械性固有頻率一致，易於進行調諧，並且可有效地獲得工具18之行程。
此外，於本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b中採用特定之線圈捲線路徑，可利用本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b之構造本身減少雜訊電動勢，因此，無需特別之雜訊除去處理，可於裝置本體12側迅速地再生自工具單元20側發出之檢測訊號。又，可根據對一次側電力用線圈56a及二次側電力用線圈56b通電之時序等，明確地控 制在本體側訊號用線圈58a與工具側訊號用線圈58b中產生雜訊電動勢之時序。藉此，可提高自工具單元20向裝置本體12傳遞訊號時之即時性，從而可進行響應性更優異之反饋控制。再者，於圖18中，表示對工具單元20側之檢測訊號之發出時序(圖中的發送訊號)、與裝置本體12側之接收時序(圖中的接收訊號)進行測定所得之結果。如圖18的曲線下部之ΔX所示，已確認：自工具單元20側發出檢測訊號之時刻：X1至裝置本體12側接收檢測訊號之時刻：X2為止之訊號傳遞所需的時間為64.0ns，可極其迅速地傳遞訊號。
而且，由於在工具單元20側未設置罐形芯材60，因此，例如不會如在主軸頭14與工具單元20該兩者中設置有芯材構件之情形般，來自一次側電力用線圈56a之磁通集中於芯材構件的對向面之間。藉此，避免二次側電力用線圈56b之交鏈磁通僅因工具單元20之位置稍微偏離主軸頭14而急遽下降，從而可穩定地傳輸電力。又，主動使一次側電力用線圈56a與二次側電力用線圈56b之間產生洩漏磁通，藉此，例如如圖27所示，於自一次側電力用線圈56a傳輸作為方形波之交流電力之情形時，可使二次側電力用線圈56b側所接收之交流電壓接近於超音波振子112之機械振動之正弦波。其結果，可更穩定地體現超音波振子112之驅動，減輕超音波振子112之波動等，從而可獲得更優異之加工精度，並且亦可減少由剩餘電力引起之發熱等。此外，由於在工具單元20側未設置芯材構件，因此，可使工具單元20輕量化而對應於更高速之旋轉，並且亦可避免芯材構件因高速旋轉而受損等問題。
再者，於圖19中一併表示穿孔150與作為比較例之穿孔 152，該穿孔150係將本發明應用於NC車床的頭部分，使工具18振動且旋轉而形成於工件24之穿孔，該穿孔152係使工具18旋轉而不使其振動所形成之穿孔。於任一個情形時，均在工件24為玻璃板，工具18為刀具直徑10mm之端銑刀，穿孔加工時間約為20秒，轉速為5000rpm之相同條件下實施，於使工具18振動之情形時，以數nm~數μm之指定之振動行程使工具18振動。如圖19所示，於使工具18振動且旋轉之情形時，可不切斷工件24而形成平滑之穿孔150。另一方面，於使工具18旋轉而不使其振動地形成穿孔152之情形時，切斷了工件24，未能夠平滑地形成穿孔152。
又，如圖20模式性所示，本實施形態之加工裝置10亦可具備複數個(於圖20中，圖示了兩個)工具單元20、154，且例如使用未圖示之自動工具更換裝置或藉由手動作業，選擇性地將上述複數個工具單元20、154組裝於主軸頭14。以下，於圖中，對工具單元154中的與工具單元20相同之構造附上相同符號，藉此省略說明。
工具單元154係自工具單元20的工具側線圈頭96中移除工具側訊號用線圈58b而成之工具單元。亦即，工具單元154的工具側線圈頭155僅具備二次側電力用線圈56b，二次側電力用線圈56b連接於超音波振子112。又，於工具單元154中，亦未設置工具單元20中的檢測電路144或放大電路146(參照圖9)。因此，於在主軸頭14中安裝有工具單元154之情形時，未使用本體側訊號用線圈58a，例如控制裝置140所預先設定之頻率之交流電壓傳輸至工具單元154，藉此，超音波振子112以指定頻率驅動。再者，工具單元154的工具18可與工具單元20的工具18不同，亦可與其相同。
如此，藉由準備具備各種工具之複數個工具單元，可進行各種加工。例如，於欲對工具18之振動狀態進行檢測而進行反饋控制之情形時，可使用工具單元20，另一方面，於無需反饋控制之情形時，可使用工具單元154。
而且，如圖21模式性所示，本實施形態之加工裝置10亦可藉由與LAN或WAN、網際網路等電腦網路156連接而由遠端進行操作。例如，將網路介面157連接於裝置本體12中所設置之控制裝置140，藉此，控制裝置140可經由網路介面157而與電腦網路156。又，包含電腦之用戶端158與伺服器160連接於電腦網路156。
而且，如圖21中的箭頭R1 所示，用戶端158經由電腦網路156而連接於伺服器160，並且如箭頭R2 所示，加工裝置10作為用戶端而連接於伺服器160。藉此，用戶端158與加工裝置10經由伺服器160而相互連接，藉由設置如下路由機構，可由用戶端158對處於被防火牆隔離之網路環境中之加工裝置10進行遠端操作，或可由用戶端158自遠端對加工裝置10中的超音波振子112之振動特性等進行監視，上述路由機構利用伺服器160，對用戶端158與加工裝置10雙方之資料封包進行緩衝，將該資料封包相互發送至用戶端158與加工裝置10。又，例如亦可於伺服器160內，設置記憶有加工裝置10中的超音波振子112之振動特性、或加工裝置10之運轉條件之資料庫162，由加工裝置10對伺服器160的資料庫162進行存取而決定運轉條件，或由用戶端158對資料庫162進行存取，根據所獲得之振動特性或運轉條件而控制加工裝置10之作動。此外，亦可經由電腦網路156，由用戶端158或伺服器160在遠端對加工裝置10的控制裝置140 中所記憶之控制程式進行更新。再者，例如亦可如圖21中的箭頭R3 所示，例如於加工裝置10的控制裝置140自身中設置伺服器功能，藉此，不經由伺服器160而將用戶端158直接連接於加工裝置10。
以上，對本發明之一個實施形態進行了詳述，但本發明之具體實施形態並不限定於上述實施形態。以下，表示若干個本發明之不同實施形態，但該等實施形態僅為例示，並不表示本發明限定於以下之具體形態。又，於以下之實施形態中，在圖中，對相當於上述第一實施形態之構件及部位附上與上述第一實施形態相同之符號，藉此省略其說明。
首先，於圖22中，模式性地表示構成作為本發明第二實施形態之加工裝置且具備檢測單元之振動單元170。於本實施形態中，與構成超音波振子112之複數個壓電元件116一併設置有作為檢測單元之壓電元件172。作為檢測單元之壓電元件172被電極174a、174b夾持，該等電極174a、174b連接於放大電路146(參照圖9)。此種作為檢測單元之壓電元件172與構成超音波振子112之複數個壓電元件116同樣地，外插於螺栓120，且由螺固於螺栓120兩端之金屬塊122與振幅擴大胴114夾緊，藉此，與構成超音波振子112之壓電元件116一併積層。再者，絕緣材料176介於鄰接之壓電元件116的118a與作為檢測單元之壓電元件172的電極174a之間，使該電極118a與電極174a相互絕緣。
根據此種構造，於超音波振子112驅動之情形時，超音波振子112之振動到達作為檢測單元之壓電元件172，從而於壓電元件172中產生電壓。將該壓電元件172中所產生之電壓自電極174a、174b經由放大電路146而供給至工具側訊號用線圈58b，且傳輸至本體側訊號用線圈58a， 藉此，本體側之控制裝置140可將超音波振子112之振動狀態檢測為電壓變化。而且，根據本實施形態，可利用簡單構造實現檢測單元。而且，由於在超音波振子112內，將檢測單元配設於相同之軸上，因此，可空間效率良好地配設檢測單元，並且亦可抑制工具側之重量平衡之偏差，從而更穩定地使工具側旋轉驅動。
接著，於圖23中，以分解狀態表示構成作為本發明第三實施形態之加工裝置且具備一次側電力用線圈56a與訊號用線圈180之本體側線圈頭182。對於訊號用線圈180而言，於引線66捲繞為圓形而形成第一捲線部分68之後，引線66自第一捲線部分68伸出，且與第一捲線部分68逆向地捲繞，藉此形成第二捲線部分70。而且，首先將第一捲線部分68收容於罐形芯材60的圓周槽80，其後依序收容一次側電力用線圈56a、第二捲線部分70。藉此，第一捲線部分68與第二捲線部分70配設於在軸方向上夾持一次側電力用線圈56a的兩側。
亦可如本實施形態般，將訊號用線圈180中的第一捲線部分68與第二捲線部分70形成於不同平面上。如此，由於可分別大幅度地確保第一捲線部分68之形成空間與第二捲線部分70之形成空間，因此，可提高第一捲線部分68及第二捲線部分70之匝數之設定自由度。再者，亦可將本構造應用於工具側線圈頭96(參照圖5等)，於此種情形時，亦可不使用罐形芯材60而將訊號用線圈180的第一捲線部分68與第二捲線部分70配設於夾持二次側電力用線圈56b的兩側。又，本實施形態之訊號用線圈180可使用於本體側與工具側該兩者，亦可僅使用於本體側與工具側中的任一者，另一者例如亦可採用形狀與上述第一實施形態所揭示之形狀等不同之 訊號用線圈。
接著，於圖24中，表示構成作為本發明第四實施形態之加工裝置之訊號用線圈190。訊號用線圈190設置於本體側線圈頭46，收容於罐形芯材60的圓周槽80之引線66伸出至罐形芯材60的外部，且捲繞於罐形芯材60的外周面192。而且，藉由捲繞於外周面192之引線66形成外周捲線部分194。將外周捲線部分194之捲線方向設定為與第一捲線部分68及第二捲線部分70中的任一者相同之方向。
於本實施形態中，藉由第一捲線部分68、第二捲線部分70及外周捲線部分194，形成產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑。如此，可精度更佳地對雜訊減少效果進行調節。再者，亦可僅藉由第一捲線部分68及第二捲線部分70中的任一個捲線部分與外周捲線部分194，形成產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑。又，本實施形態中之工具側線圈頭96的訊號用線圈196呈僅向一個方向捲繞之先前所廣泛使用之圓環形狀。如此，產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑只要形成於本體側與工具側之訊號用線圈中的至少一個訊號用線圈即可。
又，於圖25中，模式性地表示構成作為本發明第五實施形態之加工裝置之訊號用線圈200。訊號用線圈200的引線66於直徑方向之外側，沿著不足一圈之圓周方向(本實施形態中，大致為1/6圈)延伸，藉此形成外側捲線部分202，並且自外側捲線部分202折返，於直徑方向之內側，在與外側捲線部分202相反之方向上，僅沿著與外側捲線部分202大致相等之圓周方向(於本實施形態中，大致為1/6圈)延伸，藉此形成內側捲線部分204，藉由該等外側捲線部分202與內側捲線部分204而形成小環部 206。連續地形成此種小環部206，從而沿著圓周方向排列形成複數個小環部206。再者，可任意地設定各小環部206之匝數。藉此，各小環部206的外側捲線部分202形成於大致相同之圓周上，藉由上述複數個外側捲線部分202而形成第一捲線部分208，並且各小環部206的內側捲線部分204在外側捲線部分202之內側，形成於大致相同之圓周上，藉由複數個內側捲線部分204而形成第二捲線部分210。
藉由如上所述之捲線路徑，外側捲線部分202與內側捲線部分204亦圍繞配設於與訊號用線圈200同心之軸上之未圖示之一次側電力用線圈或二次側電力用線圈的中心：o，彼此逆向(於圖25中，外側捲線部分202順時針地捲繞，內側捲線部分204逆時針地捲繞)地捲繞，可藉由複數個外側捲線部分202與複數個內側捲線部分204，形成彼此逆向地捲繞之第一捲線部分208與第二捲線部分210。而且，根據本實施形態，由於可對各小環部206之匝數進行調節，因此，例如可根據訊號用線圈200之圓周方向上的局部之磁通變化量之偏差等，精度更佳地對減少雜訊電動勢之效果進行調節。又，藉由形成複數個部分地沿著圓周方向延伸之環形狀之小環部206，亦可提高訊號用線圈200之形狀穩定性。
以上，對本發明之實施形態進行了詳述，但該等實施形態僅為例示，本發明完全不由上述實施形態中的具體記載限定性地解釋。
例如於上述各實施形態中，僅在本體側設置有芯材構件，但於欲增大本體側與工具側之間隙之情形等，欲對訊號用線圈之交鏈磁通進行調節之情形時，例如亦可將芯材構件組裝於工具側之訊號用線圈。於此種情形時，較佳為避開包圍工具側之二次側電力用線圈之外側而配設芯材 構件，避免二次側電力用線圈之電感增大，並且將工具側之訊號用線圈組裝於芯材構件。
又，追隨對應於工具側之超音波振子之共振頻率變化而控制對於一次側電力用線圈之供電頻率之具體方法，並不限定於利用CPU進行之運算處理，可適當地採用例如使用了相位同步電路(PLL：Phase Locked Loop，鎖相迴路)之反饋方法等各種形態。又，用以對超音波振子之共振頻率變化進行檢測之檢測對象並不如上述實施形態般限定於電壓或電流等，例如可為周圍之環境溫度等，亦可採用超音波振子之機械振幅或應變等。因此，亦可將溫度感測器或加速度感測器等用作對超音波振子之振動狀態進行檢測之檢測單元。
此外，電力用線圈或訊號用線圈之捲線形狀並不限定於圓形，例如亦可為矩形狀或橢圓形狀等。而且，訊號用線圈中的產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑之具體形狀並不限定於上述實施形態之形狀。
又，於上述第一實施形態中，將電氣訊號自工具側之訊號用線圈發送至本體側之訊號用線圈，當然亦可使用上述訊號用線圈，將電氣訊號自本體側發送至工具側。例如，亦可於工具側設置複數個對超音波振子之振動狀態進行檢測之檢測單元，將指定使用上述複數個檢測單元中的哪一個檢測單元之電氣訊號自本體側傳輸至工具側，並且將所指定之檢測單元之檢測結果作為電氣訊號，自工具側傳輸至本體側。於此種情形時，例如亦可對將電力自一次側電力用線圈發送至二次側電力用線圈之反相器的開關時序進行檢測，配合該時序而對電氣訊號之傳遞時序，即向訊號用線圈施加電壓之施加時序進行控制。又，亦可使用半雙工串列通訊，藉此， 使用本體側與工具側之一對訊號用線圈，將電氣訊號自本體側傳輸至工具側，且將電氣訊號自工具側傳輸至本體側。
此外，為了使用一對訊號用線圈傳輸電氣訊號而使用之調變方式並無任何限定，可採用各種調變例如振幅調變(AM)、頻率調變(FM)、相位調變(PM)等類比調變；相移調變(PSK)、二元相移調變(曼徹斯特編碼方式、BPSK)、頻率偏移調變(FSK)等數位調變；及脈寬調變(PWM)等脈衝調變。
另外，雖未逐一列舉，但本發明可以根據本領域技術人員之知識而添加各種變更、修正及改良等所得之形態實施，另外，只要不脫離本發明之宗旨，此種實施形態當然均包含於本發明之範圍內。
10‧‧‧加工裝置
14‧‧‧主軸頭
16‧‧‧主軸
18‧‧‧工具
20‧‧‧工具單元
30‧‧‧外殼
32‧‧‧馬達
34‧‧‧軸承
36‧‧‧曲徑軸封
38‧‧‧單元安裝孔
40‧‧‧拉取式夾盤
42‧‧‧本體側傳輸單元
44‧‧‧本體側殼體
46‧‧‧本體側線圈頭
48‧‧‧中央部
50、126‧‧‧凸緣狀部
52‧‧‧桿插通孔
54‧‧‧本體側收容槽
56a‧‧‧一次側電力用線圈
56b‧‧‧二次側電力用線圈
58a‧‧‧本體側訊號用線圈
58b‧‧‧工具側訊號用線圈
60‧‧‧罐形芯材
64‧‧‧線軸
80‧‧‧圓周槽
88、128‧‧‧螺栓孔
90、130‧‧‧固定螺栓
92‧‧‧旋轉框體
94‧‧‧振動單元
96‧‧‧工具側線圈頭
98‧‧‧線圈頭収容部
100‧‧‧旋轉側收容槽
102‧‧‧桿部
104‧‧‧柄部
106‧‧‧拉刀
108‧‧‧收容筒部
109‧‧‧V形凸緣
110‧‧‧振動單元収容空部
112‧‧‧超音波振子
114‧‧‧振幅擴大胴
125‧‧‧夾盤機構
132‧‧‧空氣流路
O‧‧‧中心軸

Claims (7)

  1. 一種加工裝置，於具備輸出交流電壓之供電裝置之本體側、與能夠相對於該本體側旋轉且具備連結著工具之超音波振子之工具側之間，成對之一次側電力用線圈與二次側電力用線圈設置在與上述工具側之旋轉中心軸同心之軸上，經由上述電力用線圈，將驅動電力自上述本體側之上述供電裝置供給至上述工具側之上述超音波振子，該加工裝置之特徵在於：於上述本體側與上述工具側之間成對之訊號用線圈在上述本體側及上述工具側，分別於與上述電力用線圈同心之軸上且於軸方向上重疊地配設，另一方面，於上述工具側設置有對上述超音波振子之振動狀態進行檢測之檢測單元，可使用上述訊號用線圈，自上述工具側向上述本體側發送該檢測單元之檢測訊號，並且於上述本體側設置有供電控制單元，該供電控制單元根據上述檢測單元之檢測訊號，控制對於上述一次側電力用線圈之供電頻率，另一方面，利用如下線圈捲線路徑形成上述本體側及上述工具側中的至少一方之上述訊號用線圈，上述線圈捲線路徑以抵消因上述電力用線圈所產生之磁通之影響而使該訊號用線圈產生之電動勢之方式，產生彼此逆向之電動勢。
  2. 如申請專利範圍第1項之加工裝置，其中，上述產生彼此逆向之電動勢之線圈捲線路徑係包含彼此逆向地捲繞之第一捲線部分與第二捲線部分而構成。
  3. 如申請專利範圍第2項之加工裝置，其中，上述第一捲線部分與上述第二捲線部分形成於同一平面上，上述第二捲線部分自上述第一捲線部分折返，且沿著上述第一捲線部分逆向地捲繞。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之加工裝置，其中，於上述本體側與上述工具側中的至少一方設置有罐形芯材，該罐形芯材由導磁性材料構成且形成有沿著圓周方向延伸之槽部，上述電力用線圈與上述訊號用線圈均收容於上述槽部。
  5. 如申請專利範圍第4項之加工裝置，其中，上述罐形芯材僅設置於上述本體側。
  6. 如申請專利範圍第4項之加工裝置，其中，上述第一捲線部分與上述第二捲線部分之相隔距離大於與上述訊號用線圈兩側之上述槽部的壁部之相隔距離。
  7. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之加工裝置，其中，上述超音波振子係積層有複數個壓電元件之朗之萬型振子，藉由與上述複數個壓電元件一併積層之壓電元件而構成上述檢測單元。
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