WO2011018925A1

WO2011018925A1 - 加工装置、振動装置及び加工方法

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Publication number: WO2011018925A1
Application number: PCT/JP2010/061426
Authority: WO
Inventors: 仁小川; 晴司浜田; 崇上山
Original assignee: 徳島県; 多賀電気株式会社
Priority date: 2009-08-11
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2011-02-17
Also published as: JPWO2011018925A1; JP5660632B2

Abstract

【課題】大量の加工液を要さずにスラッジのフラッシングを実現する。【解決手段】加工対象物（ＷＫ）に対して加工を行う加工装置であって、一方向に延長されたロッド状の加工手段（２０）と、加工手段（２０）を挿入するための貫通孔（３１）を開口した振動体（３０）と、振動体（３０）を加工手段（２０）の延長方向に振動させるための振動子（４０）とを備え、振動体（３０）を加工対象物（ＷＫ）と離間させた状態で、振動体（３０）を振動子（４０）で振動させることにより、振動体（３０）と加工対象物（ＷＫ）との間に供給される加工液を該間の空間内に保持した液層（ＬＬ）を形成すると共に、該液層（ＬＬ）中で超音波キャビテーションを生じる。これにより加工対象物（ＷＫ）の全体を加工液中に浸漬することなく、加工部位に部分的に供給された加工液を液層（ＬＬ）として保持しつつ、液層（ＬＬ）中で超音波キャビテーションを発生させてスラッジを攪拌し切削加工等をスムーズに行える。

Description

加工装置、振動装置及び加工方法

　本発明は、加工装置、振動装置及び加工方法に関し、特にスラッジの除去を行う加工装置、振動装置及び加工方法に関する。

　従来、放電現象を利用して加工対象物を加工する放電加工が知られている。放電加工は、絶縁破壊の際に生じる電気火花（スパーク）によって金属から導電性物質を除去する方法である。この方法を利用した放電加工装置は、放電を行う加工電極の形状に応じた加工が可能となるため、一般の機械加工が困難な材質や複雑な形状の加工に使用されている。

　しかしながら、このような放電加工は油中で行われるため、加工対象物を液中に浸漬する必要があり、油槽を用意する必要がある等、不便な面があった。

　また、別の加工方法として超音波加工も知られている。超音波加工は砥粒を加工液に混合し、これを高周波で振動する工具と加工物との間に介在させて、工具が砥粒を介して加工対象物に与える衝撃破砕作用によって行う加工法であるが、この方法も大量の加工液が必要となる。

　さらにその他のドリルや砥石等を用いた切削加工においても、加工の際に生じる加工屑（スラッジ）が加工対象物の加工精度に対して悪影響を生じる問題があった。加工中に発生するスラッジがドリルや砥石の目詰まりを生じさせて加工速度や精度を低下させる。また放電加工で発生するスラッジは、電極に付着して加工精度を劣化させる。これを防止し、また発熱を抑制する目的で、切削加工中に大量の加工液を加工対象物に対して側面等から噴射し、スラッジの洗い流しを図っている。しかしながらこの方法では、大量の加工液が必要となる上、加工液の効果的な噴射が容易でないという問題があった。特にドリルによる穿孔の際は、加工深度が深くなる程、加工液を加工部位まで噴射することが困難となり、加工液による洗い流し効果が減少して効率が低下する。

特開平５－６９２３８号公報特開２００２－３３７０２６号公報

　本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、加工対象物を液中に浸漬することなく、また大量の加工液を噴射し続けることなく、効果的にスラッジの悪影響を抑制可能な加工装置、振動装置及び加工方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る加工装置によれば、加工対象物に対して加工を行う加工装置であって、一方向に延長されたロッド状の加工手段と、前記加工手段を挿入するための貫通孔を開口した振動体と、前記振動体を前記加工手段の延長方向に振動させるための振動子と、を備え、前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を前記振動子で振動させることにより、前記振動体と加工対象物との間に供給される加工液を該間の空間内に保持した液層を形成すると共に、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめるよう構成できる。これにより、加工対象物の全体を加工液中に浸漬することなく、加工部位に部分的に供給された加工液を液層として保持しつつ、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめることでスラッジを攪拌して切削加工等をスムーズに行えるという優れた特長を実現できる。

　また第２の側面に係る加工装置によれば、前記振動子が、一対又はそれ以上の圧電素子と、前記圧電素子に付随する共振体とで構成されており、前記振動子を、前記振動体の振動方向と交差する姿勢に配置できる。これにより、振動体を小型化でき、貫通孔を短くして既存の加工手段を利用しやすいという利点が得られる。

　さらに第３の側面に係る加工装置によれば、前記振動子を、前記加工手段の延長方向と略平行な姿勢に設けることができる。これにより、振動子と振動体を同軸に配置できる。

　さらにまた第４の側面に係る加工装置によれば、前記加工手段を、回転自在な回転体とできる。これにより、ドリルや砥石等を用いた切削、研磨等の加工を実現できる。

　さらにまた第５の側面に係る加工装置によれば、前記加工手段が、工具を装着可能に構成できる。

　さらにまた第６の側面に係る加工装置によれば、前記振動体は、一端を円錐状に形成しており、前記貫通孔は、前記円錐状の頂部に開口することができる。これにより、円錐状の頂部に加工液を供給して、超音波振動により液層を形成し易くできる。

　さらにまた第７の側面に係る加工装置によれば、さらに加工対象の加工対象物を載置するステージを備えることができる。これにより加工位置の位置決め等を行えると共に、ステージに載置された加工対象物の表面と振動体との間に液層を形成できる。

　さらにまた第８の側面に係る加工装置によれば、さらに前記振動子を駆動するための振動子駆動ユニットを備えることができる。

　さらにまた第９の側面に係る加工装置によれば、前記振動体を、たわみ振動によって前記加工手段の延長方向に振動されるよう構成できる。これにより、振動体を薄型化できるので、振動体に開口された貫通孔を短くでき、利用可能な加工手段の範囲を一層拡大できる利点が得られる。

　さらにまた第１０の側面に係る加工装置によれば、前記振動体が、一方向に延長された平板状に形成され、一方側を前記振動子と固定し、他方側に前記貫通孔を開口したたわみ振動体を備え、前記たわみ振動体を部分的に折曲して構成できる。これにより、たわみ振動体と加工対象物の接触を回避できるため、多様な加工対象物に適用でき、加工装置の汎用性を高めることができる。

　さらにまた第１１の側面に係る加工装置によれば、前記たわみ振動体の、前記貫通孔を開口した位置であって、加工対象物と対向する面に、該加工対象物との間で加工時に供給される加工液の液層を形成するためのフランジ部を設けることができる。これにより、フランジ部と加工対象物との間で保持される加工液の液層を、振動体と加工対象物との相対位置や相対距離が変化しても安定的に形成できる利点が得られる。

　さらにまた第１２の側面に係る加工装置によれば、前記振動子が、平板状の上面に、前記振動子と密着して固定するための振動子取付け面を設けることができる。

　さらにまた第１３の側面に係る加工装置によれば、前記振動子を、縦振動を生ずる縦振動子又はたわみ振動を生ずるたわみ振動子で構成できる。

　さらにまた第１４の側面に係る振動装置によれば、一方向に延長されたロッド状の加工装置で、加工対象物に対して加工を行う際に生じる加工屑の吐き出しを行うための振動装置であって、加工装置を挿入可能な貫通孔を開口した振動体と、前記振動体を加工装置の延長方向に振動させるための振動子と、を備え、前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を前記振動子で振動させることにより、前記振動体と加工対象物との間に供給される加工液を該間の空間内に保持した液層を形成可能であると共に、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめるよう構成できる。これにより、加工対象物の全体を加工液中に浸漬することなく、加工部位に部分的に供給された加工液を液層として保持しつつ、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめることでスラッジを攪拌して切削加工等をスムーズに行えるという優れた特長を実現できる。

　さらにまた第１５の側面に係る加工方法によれば、一方向に延長されたロッド状の加工装置で、加工対象物に対して加工を行う加工方法であって、振動体に開口した貫通孔に加工装置を挿入し、かつ前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を振動子で加工装置の延長方向に振動させる工程と、前記振動体と加工対象物との間に加工液を供給し、該間の空間内に加工液を立体的に保持した液層を形成すると共に、該液層中で超音波キャビテーションを発生させる工程と、を含むことができる。これにより、加工対象物の全体を加工液中に浸漬することなく、加工部位に部分的に供給された加工液を液層として保持しつつ、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめることでスラッジを攪拌して切削加工等をスムーズに行えるという優れた特長を実現できる。

実施例１に係る加工装置の斜視図である。図１の加工装置の断面図である。図１の振動装置を下方から見た斜視図である。図１の振動装置の側面図である。実施例２に係る加工装置の断面図である。変形例に係る加工装置を示す斜視図である。図６の振動装置の動作を示す模式図である。たわみ振動体を折曲させた例を示す斜視図である。たわみ振動体にフランジ部を設けた例を示す斜視図である。超音波振動子にたわみ振動子を用いた振動体を示す斜視図である。図２に示す振動体の貫通孔に、加工手段のチャックを挿入する様子を示す断面図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための、加工装置、振動装置及び加工方法を例示するものであって、本発明は、加工装置、振動装置及び加工方法を以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

　図１～図４に、本発明の実施例１に係る加工装置１００を示す。これらの図において、図１は加工装置の斜視図、図２は図１の加工装置の断面図、図３は図１の振動装置を下方から見た斜視図、図４は図１の振動装置の側面図を、それぞれ示している。これらの図に示す加工装置１００は、加工対象物を載置するステージ１０と、加工対象物ＷＫを加工する加工手段２０と、振動子４０に固定された振動体３０と、振動子４０を駆動する振動子駆動ユニット５０とを備えている。
（加工手段２０）

　加工手段２０は、一方向に延長された細長い棒状とする。加工手段２０には用途に応じて種々のものが利用できる。典型的には、回転自在なスピンドル等の回転体として、さらに工具を装着可能とする。例えばドリルやリーマ、フライス、砥石等をアタッチメント式に先端に装着し、切削、研磨等の加工を行う。この例では電着ダイヤモンド砥石を利用した。また加工手段２０は回転体に限定されず、例えば放電加工を行うための電極を利用することもできる。
（貫通孔３１）

　振動体３０は、加工手段２０を挿入するための貫通孔３１を開口している。貫通孔３１は、加工手段２０の延長方向に延長されている。貫通孔３１は円筒状に開口されており、その中心軸が加工手段２０の中心軸と一致するように軸合わせした状態で挿入される。また振動体３０は、振動子４０に接続されており、同じく加工手段２０の延長方向に振動可能としている。これにより、貫通孔３１にロッド状の加工手段２０を挿入した状態で、加工手段２０の延長方向に振動体３０を振動させて、後述する液層を形成する。

　貫通孔３１は、全体を同じ内径とする必要はなく、部分的に変化させてもよい。図３の振動体３０は、図２の断面図に示すように、貫通孔３１の挿入側を大きく開口し、出口側で内径を狭く形成している。これにより、図１に示すような外径がステップ状に異なる加工手段でも挿入可能としている。
（振動体３０）

　また図３に示す振動体３０は、上面を円筒状の上部平行部３３とし、中間を円盤状の振動方向変換部３２としてフランジ状に突出させ、さらに下部を円錐状に形成した振幅拡大円錐部３５としている。貫通孔３１の出口側は、振幅拡大円錐部３５の頂部に開口されている。このように振動体３０を先細り型の形状とすることで、振幅拡大円錐部３５の頂部に後述する加工液を供給して液層を形成し易くできる利点が得られる。
（ステージ１０）

　ステージ１０は上面を平面状とし、加工対象物ＷＫ（図１の例では板ガラス）をここに載置する。またステージ１０には、加工手段２０の加工位置を調整する位置決め機構を設けることもできる。位置決め機構は、加工位置を移動できれば足りるので、加工手段とステージの相対移動を実現できればよく、例えばステージ側を固定して加工手段側を移動させてもよい。また加工対象物ＷＫの加工対象面と振動体３０との距離を、適切な範囲、例えば０．５ｍｍ～５ｍｍとできるように、高さ調整機構を設けてもよい。なお高さ調整機構は、ステージ自体の高さを調整する他、加工手段の高さを調整する構成でもよいことはいうまでもない。振動体３０と加工対象物ＷＫを近接させる程、フラッシング効果が高められる一方、振動体３０の内部に加工液を吸い上げてしまう等の問題も生じる。そこで本装置の例では上記範囲で加工対象物ＷＫの加工対象面と振動体３０との距離を調整している。好適には２ｍｍ程度の距離に設置することで、超音波キャビテーションを発生させると共に、上記問題の発生しないことを確認した。

　またステージ１０の後方にはアーム１１を介して振動子４０が固定されている。さらに加工手段２０も、個別のアーム１２を介してステージ１０の後方に固定されている。これらのアーム１１、１２は、振動体３０の貫通孔３１と加工手段２０の中心とが一致するように、調芯を維持する調整機能を備えることが好ましい。また固定手段と振動子４０の固定方法はアームによる構成に限られず、他の構成も適宜採用できることはいうまでもない。

　図２に示すように、この振動体３０を加工対象物ＷＫと離間させた状態で、振動体３０を振動子４０で振動させ、さらにこの振動体３０と加工対象物ＷＫとの間の空間に加工液を供給すると、加工液はこの空間内に吸い付くように立体的に保持されて液層ＬＬを形成する。この液層ＬＬ中では、高周波振動でスラッジが発生する部位で加工液の波動を生じさせ、スラッジの加工手段２０への付着を防止すると共に付着したスラッジを除去し、加工効率が向上される。さらにこの液層ＬＬ中では、振動体３０によって超音波キャビテーションが発生する。すなわち超音波振動の気泡が生じて流体のキャビテーションの効果が得られるため、スラッジの攪拌が促進されて上記の効果が高められる。加えて、液層で加工部位を保護することにより、スラッジの飛散も抑制される。この結果、加工部位を効果的に液層で覆いつつ、さらに超音波キャビテーションを付与してスラッジを攪拌させ効果的なフラッシング作用が付与される。加えて液層によって加工部位の冷却効果も得られ、さらに加工液の超音波振動によって加工の抵抗を低減する潤滑効果も期待できる。このようにして、加工対象物の全体を加工液中に浸漬したり、大量の加工液を噴射することなく、必要最小限の加工液のみを供給してフラッシングが実現される。またこの液層は、加工部位を移動させてもこれに追従するので、加工位置の変更、調整にも対応できる利点が得られる。液層は、振動体を振動させる限り維持できるので、加工の期間中液層によるフラッシング効果を享受できる。このような、液層を振動体と加工対象物との間で立体的に保持可能なメカニズムの詳細は明らかでないが、超音波振動による表面張力が作用して液層の吸い付き作用が生じたものと考えられる。
（加工液）

　加工液は、既存の切削油、水溶性切削液、水等が利用できる。また加工液の供給は、図２に示すように使用者が手動で振動体３０と加工対象物ＷＫとの間に流し込んだり吹きかける他、専用の加工液供給ノズルを振動体と加工対象物との近傍に設けてもよい。なお、従来の切削加工のように加工中に大量の切削液を吹きかける必要はなく、超音波振動をさせた状態で必要量だけ加工液を供給すれば足りる。
（振動子４０）

　振動子４０は、振動体３０を加工手段２０の延長方向に振動させる。このような振動子４０は、好適にはランジュバン型振動子が利用できる。これにより、安定した振動を実現できる。振動子４０は、振動を生じさせる一対の圧電素子４２、４３と、共振体である前部ホーン４５と後部ホーン４１とを備えており、これらは締結ボルト４６にて強固に固定されている。なお圧電素子は、図２の例では２個一組で使用しているが、３個以上使用することも可能である。振動子４０の軸方向の振動周波数は、振動子４０を構成する圧電素子４２、４３、前部ホーン４５、後部ホーン４１及び締結ボルト４６の各々のヤング率や密度、長さ等の物理的条件によって調整される。例えば２０～１００ＫＨｚの範囲で調整可能としており、この例では４４ｋＨｚとしている。前部ホーン４５は、例えば指数関数によるカーブで応力集中を避けつつ、先端に行くに従って断面積を縮小させることで振幅拡大を図っている。前部ホーン４５と一体をなす固定用フランジ４４は、振動子４０の振幅最小の位置、所謂ノード部分に位置させ、ボルトや固定用治具などを用いてアーム１１に固定することができる。また振動体３０と振動子４０は、連結ねじ４７で固定する。この振動子４０は、図１に示すように振動子駆動ユニット５０に接続されて駆動される。

　図１～図４の例では、振動子４０は振動体３０の振動方向と交差する姿勢、図において側面側に配置している。すなわち、振動方向を水平方向から垂直方向に変換する振動方向変換機構を備えている。これにより、振動体３０が振動方向に長くなる事態を回避して小型化が図られる。その結果、振動体３０を貫通する貫通孔３１を短くでき、加工手段の長さを長くせずとも利用できる利点が得られる。いいかえると、既存の加工手段を利用しやすい利点が得られる。
（振動方向変換機構）

　このような振動方向変換機構の詳細を、図４の側面図に示す。この図に示すように振動子４０は、振動体３０の振動方向変換部３２に固定されている。振動方向変換部３２は円盤状で、上面には同じく円盤状で外径がこれよりも小さい上部平行部３３が設けられる。また下面には、同じく円盤状で外径が振動方向変換部３２よりも小さい下部平行部３４が設けられる。下部平行部３４の下面には、外周をこれと連続して先細りする円錐状に形成した振幅拡大円錐部３５を設けている。これら上部平行部３３、振動方向変換部３２、下部平行部３４及び振幅拡大円錐部３５の長さは、上下方向に１／２波長の共振長を持つように構成される。さらに振動子４０の軸中心である、図４において一点鎖線で示す振動子中心線ＣＬを境にして、振動方向変換部３２を含む上部平行部３３、及び振動方向変換部３２を含む下部平行部３４と、振幅拡大円錐部３５とは、各々上下方向に１／４波長の共振長を持つように構成される。

　この振動方向変換機構は、振動子４０の圧電素子４２、４３に対して、振動子駆動ユニット５０から駆動電圧を印加したとき、この図の場合振動子４０は１／２波長で自身の軸方向に共振振動し、一方の振動体３０は振動子４０と等しい周波数で、振動子４０の軸方向に対して直角、図の例では上下方向に１／２波長共振するように構成される。さらに振動体３０は、振動方向変換部３２が設けられており、この振動方向変換部３２は径方向の共振周波数が振動子４０の軸方向の共振周波数と等しくなるように設計されている。径方向共振は、円盤状の振動体３０の外周全域が法線方向に同位相で伸縮する共振モードであり、このとき振動方向変換部３２の内周中心域は、ポアソン効果によって厚み方向に伸縮し、且つ振動体３０の軸方向の共振周波数は、振動子４０と同じ周波数であるので、結果として振動体３０は上下方向に１／２波長で共振振動することになる。よって、振動子４０の軸方向の振動が、振動方向変換部３２を介して振動体３０では直角方向に変換されることになる。さらに振動体３２の下端の振幅拡大円錐部３５は、先端に行くに従って断面積を縮小させる形状とすることで、振幅拡大を行い、超音波の効果を増大させている。なお振幅拡大円錐部３５は、図の例では円錐状であるが、例えば指数関数に則ったカーブを持たせることで、応力集中を回避しつつ更なる高振幅化も可能となる。
（実施例２）

　ただし、振動子の配置位置はこの例に限られず、例えば加工手段の延長方向とほぼ平行な姿勢に設けることもできる。このような例を実施例２として、図５に示す。この図に示す加工装置２００では、振動子４０Ｂを振動体３０Ｂの背面に配置して、ほぼ同軸上としている。この構成では振動装置を組み易い反面、振動装置が長くなるため、これを貫通する貫通孔３１Ｂもこれに応じて長くなる結果、加工手段２０Ｂも長いものを使用する必要が生じる。

　ただ、加工手段と振動子とを同軸上に配置する必要はなく、ほぼ平行な姿勢を維持しつつ、これらを離間させて配置することもできる。このような変形例を、図６～図１０に基づいて説明する。これらの図において、図６は変形例に係る加工装置３００を示す斜視図、図７は図６の振動装置の動作を示す模式図、図８はたわみ振動体３０Ｃを折曲させた例を示す斜視図、図９はたわみ振動体３０Ｃにフランジ部３６を設けた例を示す斜視図、図１０は超音波振動子にたわみ振動子４０Ｃを用いた振動体を示す斜視図を、それぞれ示している。

　これらの変形例に係る加工装置３００では、超音波振動子により振動体にたわみ振動を励起させる構成を採用している。例えば図６に示すように、縦振動を生ずる超音波振動子の出力端面を平板状のたわみ振動体３０Ｃの長手方向片側に密着的に接合させて固定し、図示しない超音波発振器で超音波振動子を駆動する。すると、超音波振動子の出力端面に縦振動が生じ、この縦振動に励起されて振動体がたわみ振動する。この際、たわみ振動体３０Ｃに生ずる振動振幅は図７に示すような振動分布を示す。たわみ振動体３０Ｃの他片には、たわみ振動の腹となる部分に工具等の加工手段２０Ｃを挿入するための貫通孔３１Ｃを開口している。この貫通孔３１Ｃは円筒状に開口されており、その中心軸が工具の中心軸と一致するように軸合わせした状態で工具が挿入される。また、このたわみ振動の腹部分にて、工具の軸方向の振動が得られ、たわみ振動体３０Ｃと加工対象物ＷＫとの間に液層を形成する。このようなたわみ振動体は、構成が極めて単純である上、薄型化が容易であり、薄型化によってここを貫通する貫通孔３１Ｃの長さを短くできる利点が得られる。

　また図６、図７に示すたわみ振動体３０Ｃは、屈曲させて構成してもよい。屈曲させたたわみ振動体３０Ｄの例を図８に示す。例えば、凹形状の加工対象物の底部を加工する場合、たわみ振動体が加工対象物と接触してしまい、たわみ振動体を加工点まで近づけることができない。これに対し、図８に示すようにたわみ振動体３０Ｄを屈曲させることで、たわみ振動体と加工対象物の接触を避けることが可能となる。これによって、多様な加工対象物に適用できるようになり、振動装置の汎用性を高めることができる。また貫通孔３１Ｄは、たわみ振動体３０Ｄの屈曲させた位置に開口する。

　さらにたわみ振動体に、フランジ部を追加することもできる。このような例を図９に示す。フランジ部３６は、たわみ振動の腹部分に形成し、同時に工具等を挿入するための貫通孔３１Ｅを開口している。この加工方法においては、加工近傍に液層を形成させ超音波キャビテーションを発生させる際、この液層は超音波振動の効果により振動体と加工対象物の間に保持される。上述した図６等のように、たわみ振動体に貫通孔を単に開口する構成では、たわみ振動の節部分、即ち振動していない部分にも液が供給され、液層は形成されるものの、このたわみ振動の節部分との境界において、供給される液量や振動体と加工対象物との距離などによっては液層形態が不安定となる可能性がある。これに対して図９に示すフランジ部３６を有するたわみ振動体３０Ｅでは、たわみ振動の腹部分のみで液層を形成することができ、これによりフランジ形状に沿った形の液層断面が形成され、液層を安定して形成することが可能となる。したがって、実際の加工時には、振動体と加工対象物との相対位置や相対距離が変化しても、液層形状が変化し難いので、安定した超音波キャビテーション効果が得られるというメリットがある。

　また、このような振動装置に利用する超音波振動子としては、縦振動を生ずる縦振動子に限らず、たわみ振動を生ずるたわみ振動子を利用することもできる。このようなたわみ振動子４０Ｃを用いた例を図１０に示す。たわみ振動子４０Ｃをたわみ振動体３０Ｆの長手方向の片端面に接合し、たわみ振動体３０Ｆの延長方向と平行に配置する。これにより、上述した図７と同様の振動分布が得られる。また図１０の例では、たわみ振動体３０Ｆを折曲させて、折曲位置に貫通孔３１Ｆを開口しているが、たわみ振動体を平板状に形成したものを利用することも可能であることは言うまでもない。

　以上のように、超音波振動子により振動体に励起される振動にたわみ振動を採用することで、振動体の鉛直方向の長さ又は厚みを小さくすることができる。これにより、切削、研削、放電加工等の際、ドリル、砥石、放電加工を行うための電極等の工具及びそれらを装着するチャック等の加工手段の大きさによる制約が緩和され、既存の加工手段が利用し易くなる。また、工具及び加工手段が振動体に隠れることなく、外部より見えることから、作業時間の短縮や作業性の向上を図ることができる利点も得られる。

　特に、上述した実施例１等と比較して、利用可能な加工手段がより広範囲になるという利点は、利便性の面で大きな利点となる。すなわち、振動方向を水平方向から垂直方向に変換する振動方向変換機構を備える構造では、図１１に示すように、振動体３０が振動方向に長くなる事態を回避できるものの、ある程度の幅が必要となって、その分だけ振動体３０を貫通する貫通孔３１の長さも長くなる。この場合、振動体３０の貫通孔３１に工具及びチャック等の加工手段２０Ｃを挿入して加工を行う際、使用できる加工手段２０Ｃは振動体の貫通孔を挿通可能な長さが求められる。また加工手段２０Ｃが貫通孔に挿入される結果、振動体に隠れてしまい、外部より加工状況が確認し難くなって作業性が低下する場合がある。例えばドリルによる穿穴の場合、振動体の貫通孔にドリルを把握するチャックを挿入しなければならず、振動体の貫通孔よりも小径のチャックしか使用できない。また、加工手段２０Ｃを振動体の貫通孔に挿入せずに加工を行った場合、加工点とドリル等の工具把握部との距離が長くなり、それに伴い工具剛性の不足、工具先端の芯振れ等により加工対象物の加工精度の劣化等の悪影響を生じさせてしまう。ここで、振動体の貫通孔の径を大きくして、これらの問題の解決を試みた場合、振動方向変換機構は、径方向の共振周波数と鉛直方向の共振周波数が等しくなるよう設計されているが、貫通孔の径が変化することでその共振関係が崩れてしまい、鉛直方向の振幅低下や効率の良い振動が困難になる等の弊害が発生する事態を招く。また、この場合であっても加工手段が振動体に隠れてしまうという問題は解決できず、現実的ではない。

　このような問題を、上述の通りたわみ振動体を用いることで、加工液中で超音波キャビテーションを生ぜしめることでスラッジを攪拌しながら行う加工方法において、振動体の薄型化が実現される。この結果、貫通孔の長さを短くでき、チャック等を挿入しなくとも、ドリルのみを挿入できる大きさとして、利用可能な加工手段の汎用性を高めることが可能となる。加えて、貫通孔を短縮化することによって、加工部分を外部から視認できる領域が高まり、視認性の面でも有利となる。

　また上述の通り、既存の加工装置に振動体を付加することも可能である。すなわち、貫通孔の大きさを、既存の加工装置の回転体等の加工手段を挿入可能な大きさに開口することで、既存の加工装置に付加できるようにして振動装置の汎用性を高め、該加工装置にフラッシング効果を高める機能を付加できる。この結果、既存の工作機械等の設備を生かしつつ、新たにフラッシング機能を付加したり、加工液の散布装置を置き換え可能という優れた特長が実現される。

　以上のように本実施の形態に係る加工装置、振動装置及び加工方法によれば、液層の中だけで加工が可能となる。特に超音波キャビテーションの作用で目詰まりを抑制できるので、従来の目詰まりにより加工が阻害される問題を解消できる。また液層を構成する加工液の量が僅かであることから、超音波キャビテーションの効果が液層の全体に満遍なく伝播されて、瞬時にかつ効果的に目詰まりを抑制でき、従来のように加工対象物を大きな液槽中に貯えられた加工液に浸漬して超音波振動を付与する場合に生じていた、加工液の全体に十分な波動エネルギーが伝達できないという問題も解消できる。例えば、加工形状が微小径の深穴加工や細深溝加工といったアスペクト比の高い加工においては、従来はスラッジの除去が困難であった。アスペクト比の高い微小寸法、微細形状の細穴加工やスリット加工の場合は、細穴や深溝にスラッジが溜まりやすくなる。しかしこのような凹部によって囲まれた部分には、加工液を噴射する方法では加工液が十分に供給され難く、また加工液が供給されても澱んでしまい、洗浄、攪拌効果が得られ難い傾向にある。このため、特に加工が進むにつれて加工部位付近のスラッジを完全に除去することが困難となっていた。スラッジの排出が十分でないと、加工速度の低下や加工対象物の形状不良、加工面粗さの品質低下等の問題を引き起こす。したがって、従来の加工液散布方法は加工形状が比較的単純な一般加工には利用できたとしても、微細な形状の加工には適しないことがあった。これに対して本実施の形態に係る加工装置、振動装置及び加工方法では、高周波振動でスラッジが発生する部位で加工液の波動を生じさせ、加工部位へのスラッジの付着を防止すると共にこれを除去する。高周波振動は加工部位にのみに印加されるため、効果的にスラッジを除去することができる。また超音波振動により気泡が生じて流体のキャビテーション効果が得られるため、スラッジの攪拌が促進されて上記の効果が高められる。この結果、スラッジの除去を確実に行うことで加工精度および加工速度の向上が図られ、従来スラッジの除去が困難であった高アスペクト比の複雑な加工も実現できる。しかも従来のように大量の加工液を必要とせず、限られた加工液を供給するのみで足り、加工液の散布や洗浄、乾燥といった手間もかからず、さらに廃液処理も大幅に低減され、コスト的にも極めて安価となる利点が得られる。

　本発明の加工装置、振動装置及び加工方法は、ドリルの切削屑や研磨屑等のフラッシングのみならず、放電加工の溶解屑の排出等、加工に際して発生するスラッジの除去や加工の際に発生する発熱の冷却といった、加工液を用いる加工に際して好適に利用できる。

１００、２００、３００…加工装置
１０…ステージ
１１、１２…アーム
２０、２０Ｂ、２０Ｃ…加工手段
３０、３０Ｂ…振動体
３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆ…たわみ振動体
３１、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、３１Ｆ…貫通孔
３２…振動方向変換部
３３…上部平行部
３４…下部平行部
３５…振幅拡大円錐部
３６…フランジ部
４０、４０Ｂ…振動子
４０Ｃ…たわみ振動子
４１…後部ホーン
４２…圧電素子
４３…圧電素子
４４…固定用フランジ
４５…前部ホーン
４６…締結ボルト
４７…連結ねじ
５０…振動子駆動ユニット
ＷＫ…加工対象物
ＬＬ…液層
ＣＬ…振動子中心線

Claims

　加工対象物に対して加工を行う加工装置であって、
　一方向に延長されたロッド状の加工手段と、
　前記加工手段を挿入するための貫通孔を開口した振動体と、
　前記振動体を前記加工手段の延長方向に振動させるための振動子と、
を備え、
　前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を前記振動子で振動させることにより、前記振動体と加工対象物との間に供給される加工液を該間の空間内に保持した液層を形成すると共に、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめるよう構成されてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１に記載の加工装置であって、
　前記振動子が、一対又はそれ以上の圧電素子と、前記圧電素子に付随する共振体とで構成されており、
　前記振動子を、前記振動体の振動方向と交差する姿勢に配置してなることを特徴とする加工装置。
　請求項１に記載の加工装置であって、
　前記振動子を、前記加工手段の延長方向と略平行な姿勢に設けてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１から３のいずれか一に記載の加工装置であって、
　前記加工手段が、回転自在な回転体であることを特徴とする加工装置。
　請求項１から４のいずれか一に記載の加工装置であって、
　前記加工手段が、工具を装着可能に構成してなることを特徴とする加工装置。
　請求項１から５のいずれか一に記載の加工装置であって、
　前記振動体は、一端を円錐状に形成してなり、
　前記貫通孔は、前記円錐状の頂部に開口されてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１から６のいずれか一に記載の加工装置であって、さらに、
　加工対象の加工対象物を載置するステージを備えてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１から７のいずれか一に記載の加工装置であって、さらに、
　前記振動子を駆動するための振動子駆動ユニットを備えてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１から８のいずれか一に記載の加工装置であって、
　前記振動体が、たわみ振動によって前記加工手段の延長方向に振動されるよう構成されてなることを特徴とする加工装置。
　請求項９に記載の加工装置であって、
　前記振動体が、一方向に延長された平板状に形成され、一方側を前記振動子と固定し、他方側に前記貫通孔を開口したたわみ振動体を備え、
　前記たわみ振動体を部分的に折曲されてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１０に記載の加工装置であって、
　前記たわみ振動体の、前記貫通孔を開口した位置であって、加工対象物と対向する面に、該加工対象物との間で加工時に供給される加工液の液層を形成するためのフランジ部を設けてなることを特徴とする加工装置。
　請求項１０又は１１に記載の加工装置であって、
　前記振動子が、平板状の上面に、前記振動子と密着して固定するための振動子取付け面を設けていることを特徴とする加工装置。
　請求項１から１２のいずれか一に記載の加工装置であって、
　前記振動子が、縦振動を生ずる縦振動子又はたわみ振動を生ずるたわみ振動子で構成されてなることを特徴とする加工装置。
　一方向に延長されたロッド状の加工装置で、加工対象物に対して加工を行う際に生じる加工屑の吐き出しを行うための振動装置であって、
　加工装置を挿入可能な貫通孔を開口した振動体と、
　前記振動体を加工装置の延長方向に振動させるための振動子と、
を備え、
　前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を前記振動子で振動させることにより、前記振動体と加工対象物との間に供給される加工液を該間の空間内に保持した液層を形成可能であると共に、該液層中で超音波キャビテーションを生ぜしめるよう構成されてなることを特徴とする振動装置。
　一方向に延長されたロッド状の加工装置で、加工対象物に対して加工を行う加工方法であって、
　振動体に開口した貫通孔に加工装置を挿入し、かつ前記振動体を加工対象物と離間させた状態で、前記振動体を振動子で加工装置の延長方向に振動させる工程と、
　前記振動体と加工対象物との間に加工液を供給し、該間の空間内に加工液を立体的に保持した液層を形成すると共に、該液層中で超音波キャビテーションを発生させる工程と、
を含むことを特徴とする加工方法。