WO2019240268A1 - 超音波切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】円盤状切削具に付設した圧電素への電気エネルギーの付与により発生した超音波エネルギーが高い効率で切削具の刃先に伝播する超音波切削装置を提供する。 【解決手段】スピンドルに装着されている、表側と裏側の両表面から垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジそしてそれらのフランジと同心円状に付設された円環状の圧電素子を備えた円盤状切削具、そしてそれらのフランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を含む超音波切削装置。

Description

超音波切削装置

　本発明は、表側表面と裏側表面のそれぞれに圧電素子が円環状に付設された円盤状切削具とこの円盤状切削具を支持する構造体を含む超音波切削装置に関する。

　従来より、ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、アルミナ－ＴｉＣ(炭化チタン含有アルミナ)、希土類磁石材料、そして超硬金属などの、硬くかつ脆い材料の成形体を高精度で切削するための切削装置として超音波切削装置が広く用いられている。この超音波切削装置は、表側表面と裏側表面のそれぞれに圧電素子が円環状に付設された円盤状切削具とこの円盤状切削具を支持する構造体を基本構成として含む。

　超音波切削装置において切削具に超音波振動を与えることにより期待される効果は、当該切削具による切削作業に必要な電気エネルギーの節減や切削精度の向上などであるが、これまでに製造され、実際の切削作業に使用されてきた超音波切削装置では、その期待された効果が充分に得られているとは云えない。このため、現在の時点でも超音波切削装置の普及は充分に進んでいない。従って、超音波切削技術の更なる普及を進めるためには、超音波切削作業の実施において、圧電素子への電気エネルギーの付与により発生し、切削具に伝達された超音波振動が、切削具の刃先（切削具の刃が備えられている周縁部）に高い効率にて伝播するような構造を持つ超音波切削装置の開発が必要である。

　本発明の発明者は、これまでに、超音波切削作業の実施において、圧電素子への電気エネルギーの付与により発生し、円盤状切削具に伝達された超音波振動が、切削具の刃先に高い効率にて伝達されるような構造を持つ超音波切削装置の発明を行い、その発明について既に特許出願を行っている。そのような発明の一つとして、特許文献１に開示されている発明を挙げることができる。

　ここで、特許文献１の図６に開示されている超音波切削装置（従来技術）を、本明細書に添付した図面の図１として示す。

　図１において、超音波切削装置１は、スピンドル２、このスピンドルに装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジ３ａ、３ｂそしてこの円環状のフランジと同心円状に付設された円環状の圧電素子４ａ、４ｂを備えた円盤状切削具５、そして円環状フランジの内周面３ａ’、３ｂ’に接した状態、かつ当該フランジの内周面に応力を掛けた状態で支持する構造の支持体６ａ、６ｂを含む超音波切削装置から構成されている。円環状圧電素子への電気エネルギーの付与は、スピンドルを内包支持するスピンドル支持体（スリーブ）７と支持体６ｂとに装着されたロータリートランス８を介して行われる。なお、スピンドルはスピンドル支持体７に、スピンドルの前端部にてボルト９とナット１０を用いて接合固定されている。

国際公開　WO 2014/017460 A1

　特許文献１の図６に記載の超音波切削装置(従来技術）では、上記のように、円盤状切削具を、その表側表面と裏側表面のそれぞれに円環状のフランジを突き出すように付設した構造としていて、各支持体の頂面で、そして各フランジの内周面に応力を掛けた状態で各フランジを拘束支持する構造としている。このため、この超音波切削装置の運転時に発生する円盤状切削具の高速な回転に際しても、支持体による円盤状切削具の確実な支持が実現する。

　しかしながら、本発明の発明者によるさらなる研究によると、上記の構造の超音波切削装置では、フランジが支持体により拘束支持されているため、電気エネルギーが付与された円環状圧電素子で発生し、円盤状切削具の表面に伝達する超音波振動が、円盤状切削具に付設されたフランジの支持体による拘束状態の支持により、円盤状切削具の刃先（周縁部）に充分に伝播せずに減衰する傾向があることが判明した。従って、特許文献１の図６に記載の超音波切削装置を用いても、充分満足できる高精度で、高エネルギー効率が実現しないことが判明した。

　従って、本発明の課題は、実用的に充分に満足できるレベルの電気エネルギーの必要量の削減と加工精度の向上とを共に実現することのできる超音波切削装置を提供することにある。

　本発明の発明者は、特許文献１の図６（本明細書に添付の図１）に開示されている超音波切削装置の改良を目的として、新たな超音波切削装置の開発のための研究を行い、その結果、円環状圧電素子と円環状フランジとを備えた円盤状切削具の支持体による支持を、円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を利用することにより、高精度かつ高エネルギー効率の超音波切削が実現することを見出し、本発明に到達した。

　従って、本発明は、スピンドル、該スピンドルに装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジそして該円環状のフランジと同心円状に付設された円環状圧電素子を備えた円盤状切削具そして上記円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を含む超音波切削装置Ａ（以下の記載で、本発明超音波切削装置Ａと云うことがある）にある。

　また、本発明は、上記の円盤状切削具の支持構造を利用するものの、さらに新たな工夫を加えた円環状圧電素子を用いることも特徴とする超音波切削装置、すなわち、スピンドル２、該スピンドルに装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジ３ａ、３ｂを備え、かつ内周側に形成された円形開孔の内周縁に沿って付設された円環状圧電素子４を持つ円盤状切削具５、そして上記円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を含む超音波切削装置（以下の記載で、本発明超音波切削装置Ｂと云うことがある）にもある。

　本発明超音波切削装置Ａと本発明超音波切削装置Ｂのそれぞれの好ましい態様を以下に記載する。

（１）本発明超音波切削装置Ａの好ましい態様
　１）円環状圧電素子が円環状フランジよりも円盤状切削具の内周側に備えられている。
　２）円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、かつ該外周端部の端面と接触する支持構造体の接触面も円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている。
　３）円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、この端面と接触する支持体の接触面が上記フランジの外周端部の端面と線接触する形状にあるか、あるいは円環状フランジの外周端部に接触する支持体の接触面が円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されていて、その接触面での相互の接触が線接触となるように構成されている。
　４）円盤状切削具の円環状圧電素子に電気エネルギーを印加することにより、円盤状切削具が円環状フランジの先端と支持体との接触面もしくは接触線を節とする円盤状切削具の面方向に拡縮する超音波振動が発生する。

（２）本発明超音波切削装置Ｂの好ましい態様
　１）円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、かつ該外周端部の端面と接触する支持体の接触面も円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている。
　２）円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、この端面と接触する支持体の接触面が上記フランジの外周端部の端面と線接触する形状にあるか、あるいは円環状フランジの外周端部に接触する支持体の接触面が円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されていて、その接触面での相互の接触が線接触となるように構成されている。
　３）円盤状切削具の円環状圧電素子に電気エネルギーを印加することにより、円盤状切削具が円環状フランジの先端と支持体との接触面もしくは接触線を節とする円盤状切削具の面方向に拡縮する超音波振動が発生する。

　本発明従う超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ａ及び本発明超音波切削装置Ｂを含む）は、円環状圧電素子への電気エネルギーの付与によって発生する円盤状切削具の面方向に拡縮する超音波振動がフランジと支持具（フランジ支持具）との接触面あるいは接触線を介する支持具への漏出が抑制され、高い効率で円盤状切削具の刃先（周縁部）に伝播するため、高精度かつ省エネルギーの超音波切削を実現することができる。

特許文献１の図６に示されている従来技術である超音波切削装置の構成を示す図である。 本発明の超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ａ）の構成を示す図である。 図２に示した超音波切削装置Ａの切削具（円盤状切削具）の振動モードを模式的に示す図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される円盤状切削具の平面図である。 図４に示した円盤状切削具のA－A線に沿う断面図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される円盤状切削具の支持構造体による支持の一態様を部分断面で示す図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される円盤状切削具の支持構造体による支持の別の態様を部分断面で示す図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される円盤状切削具の支持構造体による支持のさらに別の態様を部分断面で示す図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される両面に円環状圧電素子とフランジと備えた円盤状切削具の構成の一例を示す断面図である。 本発明超音波切削装置Ａに装着される両面に円環状圧電素子とフランジとを備えた円盤状切削具の別の構成を示す断面図である。 本発明の超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ｂ）に装着される内周面に円環状圧電素子を備え、両面にフランジとを備えた円盤状切削具の構成を示す断面図である。 本発明の超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ｂ）に装着される内周面に円環状圧電素子を備え、両面にフランジが形成された円盤状切削具の構成を示す断面図である。 本発明の超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ｂ）に装着される内周面に円環状圧電素子を備え、両面にフランジが形成された円盤状切削具の別の構成を示す断面図である。 マシニングセンターに装着するように構成した本発明の超音波切削装置（本発明超音波切削装置Ｂ）を示す図である。

　次に、本発明の超音波切削装置である本発明超音波切削装置Ａ本発明超音波切削装置Ｂについて、添付図面を参照して更に詳しい説明を行う。

　図２は、本発明超音波切削装置Ａの構成を示す図であり、図３は、図２に示した超音波切削装置Ａでの切削具（円盤状切削具）の振動モードを模式的に示す図である。

　本発明超音波切削装置Ａの構成は、円盤状切削具に付設されたフランジの支持具（フランジ支持具）による支持状態を除けば、図１に示した従来技術の超音波切削装置とは特段の差異はない。

　すなわち、図１において、本発明超音波切削装置Ａ（超音波切削装置１）は、スピンドル２、スピンドル２に装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジ３ａ、３ｂそして円環状のフランジと同心円状に付設された円環状圧電素子４ａ、４ｂを備えた円盤状切削具５そしてフランジを介して円盤状切削具を支持する支持体６ａ、６ｂを備えた超音波切削装置である。ただし、支持体６ａ、６ｂによる円環状フランジ３ａ、３ｂの支持が、円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により行われることに明確な差異がある。

　なお、円盤状切削具５が、スリーブ（スピンドルスリーブ）に収容されたスピンドル２によって回転可能に支持され、そしてスピンドルが、スリーブの前端部側７ａにて、ボルト（スリーブボルト）９とナット（スリーブナット）１０によって、スリーブに固定されていることも同様である。さらに、円環状圧電素子への電気エネルギーの付与は、スピンドルを内包支持するスピンドル支持体（スリーブ）７と支持体６ｂとに装着されたロータリートランス８を介して行われる点も同様である。なお、このような円環状圧電素子への電気エネルギーの付与は、ロータリートランスを利用する方法には限定されない。また、円環状圧電素子は、一体としての円環形状にある場合も、また全体として円環形状を示す分割された圧電素子の集合体の形態にあってもよい。

　図３は、図２に示した本発明超音波切削装置Ａでの切削具（円盤状切削具）の振動モードを模式的に示す図である。すなわち、図２に示した超音波切削装置Ａでは、円盤状切削具５が、支持体６ａ、６ｂと円環状フランジ３ａ、３ｂの各先端部に接触し、支持体６ａ、６ｂから円盤状切削具５の両表面に向けて付与される圧力により行われることに特徴を持つ。図３では、円環状フランジ３ａ、３ｂの各先端部との支持体６ａ、６ｂの接触面もしくは接触線を黒丸で示している。そして、円盤状切削具５は、円環状圧電素子への給電装置１１からの電気エネルギーの供与によって円環状圧電素子にて発生する超音波振動により、黒丸の位置を節とする円盤状切削具の表面に沿う方向の拡縮振動（円盤の直径が繰り返し拡大したり、縮小する振動）を行う。なお、図３は、この円盤状切削具の拡縮振動を誇張して示している。

　図４と図５は、図２と図３に示した本発明超音波切削装置Ａに装着されている円盤状切
削具を取り出して、その構成を明らかにする図である。円盤状切削具５は、その表面側に形成されたフランジと裏面側に形成されたフランジ３ｂを持ち、それらのフランジの内周側に円環状圧電素子（表面側の円環状圧電素子と裏面側の円環状圧電素子４ｂ）を備える。なお、円盤状切削具５の周縁部（刃先）を５ａで示している。

　本発明超音波切削装置Ａにおいて円盤状切削具に付設される円環状圧電素子としては、公知の、すなわち、特許文献１に記載されているような円環状圧電素子を用いることができ、またその分極方向も任意に選ぶことができる。

　図６乃至図８に、本発明超音波切削装置Ａの特徴的要件である円盤状切削具のフランジと支持具（フランジ支持具）との接触方法の例を示す。

　図６では、フランジの先端（外周縁端部：接触面となる）は、円盤状切削具の表側表面／裏側表面に平行に（すなわち、フランジの表面に対して直角に（９０°））形成されており、また支持具６ｂの接触面もまた、フランジの先端の接触面と平行に形成されているため、互いの接触面における接触は実質的に面接触となる。そして、接触面を介して支持具からフランジの面方向に沿って加えられる圧力により、フランジは支持具によって確実に支持される。なお、フランジは、支持具の段差面にて支持具と接触していても良いが、この段差面における支持は、フランジの厚み方向の振動を拘束する支持であってはならない。

　図７は、図６に示した支持具によるフランジの支持態様の別の例を示す。図７に示した支持態様でも、フランジの先端（外周縁端部：接触面）は、円盤状切削具の表側表面／裏側表面に平行に形成されており、また支持具６ｂの接触面もまた、フランジの先端の接触面と平行に形成されていて、互いの接触面における接触は実質的に面接触となるため、接触面を介して支持具からフランジの面方向に沿って加えられる圧力により、フランジは支持具によって確実に支持される。一方、支持具６ｂの段差面は、角度αを以て傾斜しているため、フランジのの厚み方向の振動を拘束しない。

　図８は、図７に示した支持具によるフランジの支持態様の別の例を示す。図８に示した支持態様では、フランジの先端（外周縁端部）は尖った先端を備えているため、円盤状研削具の表面と平行に形成されいる支持具６ｂの接触面との接触は、実質的に、フランジの外周縁端部に沿う円の形状の線接触となる。なお、フランジの先端の断面が半円状にある先端部であっても、同様な線接触が実現する。そして、この図８の条件での接触においても、フランジの側面は、支持具に接触しないことが望ましい。図８では、角度αを以て、保持具の段差面（底面）と離れた状態が示されている、

　図９に、円盤状研削具に付設されたフランジの別の態様を示す。すなわち、フランジ３ａ、３ｂは、円盤状研削具と一体として形成されることは必須では無く、フランジが円盤状研削具と一体的な超音波振動を行うことができれば、フランジは、円盤状研削具と別に作製した上で、円盤状研削具に接合固定する形態にあってもよい。図９では、そのような円盤状研削具へのフランジの接合固定の形態の例（円盤状研削具の表面に円環状の凸部を形成し、別に底部に円環状の凹部を形成した円環状（リング状）のフランジを形成し、それらを溶接により接合した例を示す。

　図１０は、本発明超音波切削装置Ａに装着される両面に円環状圧電素子とフランジとを備えた円盤状切削具の別の構成を示す断面図である。図１０において、フランジ３ｂは、円盤状研削具の表面に直接接合されてはおらず、円盤状研削具の表側表面と裏側表面のそれぞれに形成された保護カバー（円盤状研削具保護カバー）１３を介して、円盤状研削具に付設固定されている態様を示す。

　図１１は、本発明超音波切削装置Ｂに装着される、内周面に円環状圧電素子４を備え、両面にフランジとを備えた円盤状切削具５の構成を示す断面図である。この円環状圧電素子４は、円盤状切削具５と同心円の円環形状を持つ圧電素子である。

　図１２は、本発明超音波切削装置Ｂに装着される内周面に円環状圧電素子４を備え、両面にフランジが形成された円盤状切削具の構成を示す断面図であり、この例では、フランジ３ａ、３ｂと円盤状研削具保護カバー１３とが一体となっている。る。

　図１３は、本発明超音波切削装置Ｂに装着される内周面に円環状圧電素子４を備え、両面にフランジが形成された円盤状切削具の別の構成を示す断面図であり、この構成では、円盤状研削具の先端（周縁部）５ａの表側表面で、円盤状研削具保護カバー１３ａ、フランジ３ｂと一体的に形成された円盤状研削具保護カバー１３とは分離可能とされている。

　図１４は、マシニングセンターに装着するように構成した本発明超音波切削装置Ｂを示す図である。図１４において、本発明超音波切削装置Ｂは、スピンドル２が、マシニングセンターへの装着具であるテーパーシャンク１４に、コレット１５とコレットナット１６によって、スピンドルの回転が可能なように装着されている。ただし、この図１４は、本発明超音波切削装置Ｂのみならず、本発明超音波切削装置Ａのテーパーシャンクへの装着の例を示す図であるとも理解されるべきである。また、当然のことではあるが、他の方法でのマシニングセンターへの装着も可能である。

　１　超音波切削装置
　２　スピンドル
　３ａ、３ｂ　フランジ（円盤状研削具のフランジ）
　４、４ａ、４ｂ　円環状圧電素子
　５　円盤状研削具
　５ａ　円盤状研削具の先端部（刃先）
　６ａ、６ｂ　支持体（フランジの支持体）
　７　スリーブ（スピンドルのスリーブ）
　８　ロータリートランス
　９　ボルト（スリーブボルト）
　１０　ナット（スリーブナット）
　１１　ロータリートランスへの給電装置
　１２　円盤状研削具へのフランジの接合部
　１３、１３ａ　円盤状研削具保護カバー
　１４　テーパーシャンク
　１５　コレット
　１６　コレットナット                                                          
                      

Claims (9)

1. 　スピンドル、該スピンドルに装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジそして該円環状フランジと同心円状に付設された円環状の圧電素子を備えた円盤状切削具、そして上記円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を含む超音波切削装置。
2. 　円環状圧電素子が、円盤状切削具の表面の、円環状フランジよりも内周側に備えられている請求項１に記載の超音波切削装置。
3. 　円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、かつ該外周端部の端面と接触する支持体の接触面も円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている請求項１に記載の超音波切削装置。
4. 　円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、この端面と接触する支持体の接触面が上記フランジの外周端部の端面と線接触する形状にあるか、あるいは円環状フランジの外周端部に接触する支持体の接触面が円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されていて、その接触面での相互の接触が線接触となるように構成されている請求項１に記載の超音波切削装置。
5. 　円盤状切削具の円環状圧電素子に電気エネルギーを印加することにより、円盤状切削具が円環状フランジの先端と支持体との接触面もしくは接触線を節とする円盤状切削具の面方向に拡縮する超音波振動が発生する請求項１に記載の超音波切削装置。
6. 　スピンドル、該スピンドルに装着されている、表側表面と裏側表面のそれぞれに垂直方向に突き出すように付設された円環状のフランジを備え、かつ内周側に形成された円形開孔の内周縁に沿って付設された円環状圧電素子を持つ円盤状切削具、そして上記円環状フランジの先端部に接触し、円盤状切削具の両表面に向けた圧力により円盤状切削具を支持する構造の支持体を含む超音波切削装置。
7. 　円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、かつ該外周端部の端面と接触する支持体の接触面も円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている請求項６に記載の超音波切削装置。
8. 　円環状フランジの外周端部が、円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されている端面を持ち、この端面と接触する支持体の接触面が上記フランジの外周端部の端面と線接触する形状にあるか、あるいは円環状フランジの外周端部に接触する支持体の接触面が円盤状切削具の表側表面と裏側表面に平行に形成されていて、その接触面での相互の接触が線接触となるように構成されている請求項６に記載の超音波切削装置。
9. 　円盤状切削具の円環状圧電素子に電気エネルギーを印加することにより、円盤状切削具が円環状フランジの先端と支持体との接触面もしくは接触線を節とする円盤状切削具の面方向に拡縮する超音波振動が発生する請求項６に記載の超音波切削装置。

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