WO2023032487A1 - 超音波共振体の締結構造及び超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

超音波ホーン１３の軸心を通る貫通孔２３の全長にわたって雌螺子部２４が形成され、第１、第２のブースター１４、１５の軸心の超音波ホーン１３側にそれぞれ形成された第１、第２の雄螺子部２５、２６が、雌螺子部２４に螺合されて超音波ホーン１３と第１、第２のブースター１４、１５が同軸上に締結され、貫通孔２３の内部で第１、第２の雄螺子部２５、２６の先端２７、２８同士は接触することなく、貫通孔２３の内壁と第１、第２の雄螺子部２５、２６の先端２７、２８で囲まれた空間部２９を有する超音波ホーン１３の基部２０の外周に切断刃１２が取り付けられている。これにより、簡素な構成で寸法精度が高く、耐久性及び動作の安定性に優れる超音波共振体の締結構造を提供できる。

Description

超音波共振体の締結構造及び超音波加工装置

本発明は、主に半導体ウエハー等の硬脆性材料（ＳｉＣやアルミナ等）の加工に用いられる超音波加工装置における超音波共振体の締結構造及びその締結構造で締結された超音波共振体を備えた超音波加工装置に関する。

従来、円盤状の超音波ホーン（Ｒ／Ｌ変換体）の軸方向の両側に、それぞれ第１、第２のブースターが同軸に螺子締結された超音波共振体を超音波振動させながら、その締結軸を回転させて切断等の超音波加工を行う超音波加工装置が知られている。そして、この超音波ホーンと、第１、第２のブースターを同軸上（同一軸心上）に締結するための様々な方法（構造）が提案されている。例えば、特許文献１では、超音波ホーンと、支持部を有するブースター（第１、第２のブースター）とが中央のねじで同軸な一列状に結合された共振器において、超音波ホーンとブースターとの双方の合せ面に、ねじを中心とする1つの円周上に位置する環状溝と環状溝に嵌め込まれる突起からなる嵌合手段を備えることが提案されている。
また、特許文献２では、切削ブレードの基台部に設けられた基台部貫通孔にボルト部材を挿通して、スピンドルの先端部に形成されたねじ孔に螺合し、切削ブレードとスピンドルの先端部を締結固定する際に、ボルト部材と基台部貫通孔の内壁とを非接触状態に保つことが提案されている。また、特許文献２には、切削ブレードとスピンドルの先端部及びスペーサの軸心を合わせて締結するために使用される取付補助治具についても記載されている。

特開２００２－０３５６９５号公報 特開２００７－０１５０９５号公報 実開昭５４－３５１８３号公報

特許文献１は、環状溝と環状溝に嵌め込まれる突起からなる嵌合手段により、超音波ホーンと両側のブースター（第１、第２のブースター）との同軸結合の精度を向上させようとするものであるが、超音波ホーンの両側（各ブースターとの合せ面）にそれぞれねじ孔及び環状溝を加工する際に、超音波ホーンの一側と他側を持ち替えて、各面を別個に加工する必要があり、この持ち替えによって、超音波ホーンの両側のねじ孔及び環状溝にそれぞれ位置ずれ（芯ずれ）が発生し、超音波ホーンと両側のブースターの軸心を正確に一致させることが困難であるという課題があった。
特許文献２では、切削ブレードの基台部に基台部貫通孔が設けられているため、基台部の外周面だけでなく、基台部貫通孔の内壁（内周面）も半径方向に拡縮（振動）する。従って、切削ブレードとスピンドルをボルト部材で締結する際に、切削ブレードとスピンドルを精密に位置決め（芯出し）し、基台部貫通孔に対してボルト部材を偏心させることなく挿通して、ボルト部材の外周面と基台部貫通孔の内壁との間に、全周にわたって均等な隙間を形成し、振動発生時でも、ボルト部材の外周面と基台部貫通孔の内壁が非接触状態を保てる（干渉しない）ようにする必要がある。そこで、専用の取付補助治具による位置決めが行われるが、消耗品である切削ブレードを交換する度に、煩雑な軸心合わせの作業を行わなければならず、著しくメンテナンス性に欠けるという課題があった。

また、特許文献２のように、スピンドル（ブースター）を空気軸受で回転可能に支持する片持ち支持構造では、切削ブレード（超音波ホーン）とスピンドルの軸心がずれていると、非支持側で振れ回りが発生し、切削ブレードを高速回転させることができず、加工性能が低下するだけでなく、無理に高速回転させることにより、超音波共振体や軸受が破損するおそれがあった。さらに、切削ブレード（超音波ホーン）をスピンドルの先端部とスペーサで両側から挟み込むようにして貫通ボルトで固定するため、切削ブレードの軸方向に圧縮応力がかかっており、共振状態ではそこに共振により生じる内部応力が加わって、切削ブレードが破損するおそれもあった。
更には、超音波ホーンの両側のブースターをそれぞれ空気軸受で回転可能に支持する両持ち支持構造では、超音波ホーンの交換の度に、超音波ホーンと両側のブースターとの軸心のずれに応じて、それぞれの空気軸受と各ブースターとのエアギャップを調整しながら、空気軸受の芯出しを行う必要があり、メンテナンス性に欠けるだけでなく、特に軸心のずれが大きい場合は、それぞれの空気軸受と各ブースターとのエアギャップを調整することができず、超音波ホーン自体を使用できなくなるという課題があった。
以上のことから、超音波ホーンと、第１、第２のブースターを正確かつ簡単に同軸上（同一軸心上）に締結することができる締結構造の実現が要望されていた。

ここで、特許文献３に開示された高振幅用ランジュバン型振動子では、前面板に貫設した中央孔に対し、内端側（一端側）から、締付部材となるボルトの雄螺子を螺合するための螺子孔（雌螺子部）を設け、外端側（他端側）から、ホーン等を連結するための螺子孔（雌螺子部）を設けて、一方の螺子孔（雌螺子部）と他方の螺子孔（雌螺子部）との間に、少なくとも５ｍｍ以上の雌螺子を設けない部分が存在するようにしている。これにより、前面板の一側に電歪要素及び裏打板をボルトで固定し、前面板の他側にホーン等を螺子止めして取り付けることができる。
しかし、この高振幅用ランジュバン型振動子は、電歪要素で発生する振動（変位）を高振幅用ランジュバン型振動子の軸方向に伝達し、他側のホーン等で増幅して出力するための駆動源であり、上述の超音波加工装置で用いられる超音波ホーンのようなＲ／Ｌ変換体とは異なり、軸方向の振動を半径方向の振動に変換して利用するものではない。従って、高振幅用ランジュバン型振動子（前面板）の外周に切断刃（回転刃）を取り付けて使用することはなく、高振幅用ランジュバン型振動子そのものが軸受で回転可能に支持されることもない。そのため、前面板に対し、一側の電歪要素及び裏打板並びに他側のホーン等を精密に同軸上に位置決めする必要性もない。
また、ランジュバン型振動子では、円環状の圧電素子で構成された電歪要素に高周波電圧をかけると、電歪要素（圧電素子）が振動し、その厚みが周期的に変化する。これにより、ボルトで締め付けられているランジュバン型振動子に応力変化が起こり、その振動数とランジュバン型振動子の固有振動数が一致した状態、つまり共振した状態で超音波振動が発生する。その結果、ランジュバン型振動子の締結軸方向には、前面板の外端側の面と裏打板の外端側の面の位置を腹部（ａｎｔｉｎｏｄｅ）とし、電歪要素の位置を節部（ｎｏｄｅ）とする半波長の定在波が存在することとなる。このとき、節部となる電歪要素の振動により、円環状の電歪要素の中央孔の内周面と、電歪要素の中央孔を貫通するボルトが干渉することを防ぐために、電歪要素の中央孔の孔径が、ボルトの外径よりも大きく形成され、電歪要素の中央孔の内周面と、ボルトの外周面との間には隙間が設けられている。このことからも、前面板、電歪要素及び裏打板が、同軸上に位置決めされていないことは明らかである。これに対し、超音波加工装置では、超音波振動子を駆動源として発生する軸方向の振動を、Ｒ／Ｌ変換体である超音波ホーンで半径方向の振動に変換し、超音波ホーンの外周に取り付けた切断刃を半径方向に振動させながら、超音波共振体を軸心を中心に回転させて超音波加工を行う。そのため、超音波加工装置では、超音波ホーンと、第１、第２のブースターの軸心を精密に位置決めして同軸上に締結するだけでなく、切断刃が効率的に振動するように超音波ホーンの形状及び超音波ホーンに対する切断刃の取付け位置等を適正に設定する必要があるが、切断刃が取り付けられない高振幅用ランジュバン型振動子では、これらについて考慮されていない。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、簡素な構成で、寸法精度が高く、組立及び分解が容易で、メンテナンス性、耐久性及び動作の安定性に優れる超音波共振体の締結構造及び超音波共振体を安定的に高速回転させて効率的に超音波加工を行うことができ、静音性及び省エネルギー性に優れる超音波加工装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る超音波共振体の締結構造は、外周に切断刃を備えた超音波ホーンと、該超音波ホーンの軸方向の一側及び他側にそれぞれ連結された第１、第２のブースターとを有し、該第１、第２のブースターのいずれか一方の自由端面に連結される超音波振動子を駆動源として発生する超音波の定在波により、Ｒ／Ｌ変換体である前記超音波ホーンを該超音波ホーンの軸方向と直交する半径方向に振動させながら、該超音波ホーンの軸心を中心に回転して超音波加工を行う超音波共振体の締結構造であって、
前記超音波ホーンは、基部と、該基部の軸方向の一側及び他側にそれぞれ形成された第１、第２の突部と、前記基部及び前記第１、第２の突部の軸心を通って該超音波ホーンを軸方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔の両側の開口端からそれぞれ所定の長さ形成された又は該貫通孔の全長にわたって形成された雌螺子部とを有し、前記第１のブースターは、該第１のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第１の雄螺子部を有し、前記第２のブースターは、該第２のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第２の雄螺子部を有し、前記超音波ホーンと前記第１、第２のブースターはそれぞれの軸心を一致させて同軸上に締結されており、前記貫通孔の内部で前記第１、第２の雄螺子部の先端同士は接触することなく、前記超音波ホーンの軸心に、前記貫通孔の内壁と前記第１、第２の雄螺子部の先端で囲まれた空間部が形成され、前記定在波の節部の位置は前記基部の軸方向中央部で前記空間部と重なり、前記基部の外周に前記切断刃が取り付けられている。
ここで、切断刃（回転刃）は、超音波ホーンの基部に固定された状態で供給されるため、切断刃に摩耗や損傷が発生した場合には、超音波ホーンと第１、第２のブースターとの締結を外し、使用済みの（切断刃に摩耗や損傷が発生した）超音波ホーンを、新しい（切断刃に摩耗や損傷が発生していない）超音波ホーンと交換する。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造において、前記第１の雄螺子部の長さは、前記第１の突部の軸方向長さ以下に形成され、前記第２の雄螺子部の長さは、前記第２の突部の軸方向長さ以下に形成されて、前記空間部は、前記基部を軸方向に貫通し、該基部の軸方向長さと同等以上の軸方向長さを有することが好ましい。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造において、前記超音波ホーンの軸方向の長さは、前記定在波の波長の１／２の長さに等しく、前記各第１、第２のブースターの軸方向の長さは、前記定在波の波長の１／２の長さの自然数倍に等しいことが好ましい。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造において、前記第１、第２の突部はそれぞれ円柱状に形成され、前記第１の突部の直径及び軸方向の長さは、それぞれ前記第２の突部の直径及び軸方向の長さと等しく、前記貫通孔の直径は、前記第１、第２の突部の直径の１／１０～１／２の範囲にあることが好ましい。

前記目的に沿う第２の発明に係る超音波加工装置は、第１の発明に係る超音波共振体の締結構造を備えている。

第２の発明に係る超音波加工装置において、前記超音波振動子が連結される前記第１、第２のブースターのいずれか一方のみを回転可能に保持する軸受部で前記超音波共振体を片持ち支持することができる。ここで、軸受部に気体軸受が好適に用いられる。

第２の発明に係る超音波加工装置において、前記第１、第２のブースターをそれぞれ回転可能に保持する第１、第２の軸受部で前記超音波共振体を両持ち支持することもできる。ここで、第１、第２の軸受部のいずれか一方又は双方に気体軸受が好適に用いられる。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造は、第１、第２のブースターの軸心に設けられた第１、第２の雄螺子部が螺合される雌螺子部を、超音波ホーンの軸心に設けられた貫通孔に形成することにより、超音波ホーンと第１、第２のブースターの軸心を精密に一致させ、これらを簡単かつ確実に同軸上に締結して、超音波共振体の回転時の振れ回りを防止することができる。そして、貫通孔の内部で第１、第２の雄螺子部の先端同士が接触することなく、超音波ホーンの軸心に、基部を軸方向に貫通する空間部が形成されていることにより、超音波ホーンの基部における半径方向の振幅を増大させ、基部の外周に取り付けられる切断刃で効率的に加工を行うことができ、超音波振動子の発するエネルギーの利用効率を高めることができる。それと共に、加工時に超音波共振体に発生する振動で第１、第２の雄螺子部が接触、干渉することがなく、異音の発生を防止して、摩耗等による貫通孔及び第１、第２の雄螺子部の破損を効果的に防ぐことができる。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造は、定在波の節部が基部の軸方向中央部に存在するので、超音波ホーンの軸方向の長さが、定在波の波長の１／２の長さに等しく、各第１、第２のブースターの軸方向の長さが、定在波の波長の１／２の長さの自然数倍に等しい場合、節部の位置を切断刃の取付け位置に一致させることができ、超音波共振体に発生する超音波振動を有効利用して、切断刃の半径方向の振動を効率的に発生させることができる。

第１の発明に係る超音波共振体の締結構造において、第１、第２の突部はそれぞれ円柱状に形成され、前記第１の突部の直径及び軸方向の長さは、それぞれ前記第２の突部の直径及び軸方向の長さと等しく、貫通孔の直径が、第１、第２の突部の直径の１／１０～１／２の範囲にある場合、貫通孔の内壁は十分な耐久性を有し、空間部を形成できると共に、貫通孔に沿って雌螺子部が形成されても、第１、第２の突部の直径（外径）と、雌螺子部の外径（谷の径）との間に十分な肉厚を確保して、第１、第２の突部の破損（割れ）を防止することができる。

第２の発明に係る超音波加工装置は、第１の発明に係る超音波共振体の締結構造を備えることにより、超音波振動を有効利用して超音波ホーン（基部）の外周に取り付けられた切断刃で効率的に加工を行うことができ、静音性及び省エネルギー性に優れる。

第２の発明に係る超音波加工装置において、超音波振動子が連結される第１、第２のブースターのいずれか一方のみが軸受部で回転可能に保持され、超音波共振体が片持ち支持される場合でも、超音波ホーンと第１、第２のブースターが同軸上に精密に位置決めされて締結されていることにより、非支持側で振れ回りが発生することがなく、超音波共振体を高速回転させることができ、加工性能の低下を防ぐことができる。

第２の発明に係る超音波加工装置において、第１又は第２のブースターがそれぞれ第１、第２の軸受部で回転可能に保持され、超音波共振体が両持ち支持される場合でも、超音波ホーンと第１、第２のブースターが貫通孔により同軸上に精密に位置決めされて締結されるので、超音波共振体（第１、第２のブースター）と、第１、第２の軸受部との芯出しを改めて行う必要がなく、組立作業性及びメンテナンス性に優れる。

本発明の一実施例に係る超音波共振体の締結構造を備えた超音波加工装置の要部を示す部分断面正面図である。 同超音波加工装置の超音波共振体内に発生する定在波の状態を示す説明図である。 （Ａ）は同超音波共振体の締結構造の第１の変形例を示す要部断面正面図であり、（Ｂ）は同超音波共振体の締結構造の第２の変形例を示す要部断面正面図であり、（Ｃ）は同超音波共振体の締結構造の第３の変形例を示す要部断面正面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示す本発明の一実施例に係る超音波共振体の締結構造１０を備えた図１の超音波加工装置１１は、半径方向に超音波振動を行いながら回転する切断刃（加工具の一種）１２で、例えば、ＳｉＣやアルミナ等の硬脆性材料の加工（切断、切削、研削等）を行うものである。

図１、図２に示すように、超音波共振体の締結構造１０では、外周に切断刃１２が取付けられた超音波ホーン１３の軸方向の一側及び他側に、円柱状の第１、第２のブースター１４、１５がそれぞれ連結されて超音波共振体１６が構成される。この超音波共振体１６は、第１のブースター１４の自由端面１７（ここでは上端面）に連結される超音波振動子（例えば、電歪振動子）１８を駆動源として発生する超音波の定在波ＳＷ（軸方向の振動）により、Ｒ／Ｌ変換体である超音波ホーン１３を超音波ホーン１３の軸方向と直交する半径方向（図２の矢印ａの方向）に振動させながら、超音波ホーン１３の軸心を中心に回転して超音波加工を行う。　
そして、超音波ホーン１３は、円盤状の基部２０と、基部２０の軸方向の一側及び他側にそれぞれ突出し、基部２０より小径の円柱状に形成された第１、第２の突部２１、２２と、基部２０及び第１、第２の突部２１、２２の軸心を通って超音波ホーン１３を軸方向に貫通する貫通孔２３と、貫通孔２３の全長にわたって形成された雌螺子部２４とを有している。

このとき、第１の突部２１の直径及び軸方向の長さは、それぞれ第２の突部２２の直径及び軸方向の長さと等しく（第１の突部２１と第２の突部２２は同一形状であり）、基部２０と第１、第２の突部２１、２２は、軸心が一致しており、同軸上に配置されている。尚、第１、第２の突部２１、２２の直径は、使用される超音波が超音波ホーン１３を伝播するときの波長λの１／４以下であることが好ましいが、これに限定されず、適宜、選択される。また、第１のブースター１４は、第１のブースター１４の軸心の超音波ホーン１３側に形成されて第１の突部２１の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第１の雄螺子部２５を有し、第２のブースター１５は、第２のブースター１５の軸心の超音波ホーン１３側に形成されて第２の突部２２の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第２の雄螺子部２６を有している。

従って、この超音波共振体の締結構造１０では、超音波ホーン１３と第１、第２のブースター１４、１５は、貫通孔２３に形成された雌螺子部２４に第１、第２の雄螺子部２５、２６を螺合するだけで、それぞれの軸心を精密に一致させて同軸上に締結され、貫通孔２３の内部で第１、第２の雄螺子部２５、２６の先端２７、２８同士は接触することなく、超音波ホーン１３の軸心に、貫通孔２３の内壁と第１、第２の雄螺子部２５、２６の先端２７、２８で囲まれた空間部２９が形成される。この空間部２９は、基部２０を軸方向に貫通し、基部２０の軸方向長さと同等以上の軸方向長さを有する。そして、基部２０の外周に切断刃１２が取り付けられる。尚、第１、第２の雄螺子部の長さは、第１、第２の突部の軸方向の長さによっても異なるが、超音波ホーンと第１、第２のブースターを確実に締結して保持（固定）できる範囲で、適宜、選択される。

ここで、貫通孔２３の直径は、第１、第２の突部２１、２２の直径の１／１０～１／２の範囲にあることが好ましい。貫通孔２３の直径が第１、第２の突部２１、２２の直径の１／１０以上であることにより、貫通孔２３に形成される雌螺子部２４に対して第１、第２の雄螺子部２５、２６を螺着し、超音波ホーン１３と第１、第２のブースター１４、１５を強固に固定すると共に、基部２０に十分な空間部２９を形成して、超音波ホーン１３における振動効率を高めることができる。また、貫通孔２３の直径が第１、第２の突部２１、２２の直径の１／２以下であることにより、貫通孔２３の内壁（周壁）は十分な耐久性を有し、空間部２９を形成することができる。そして、貫通孔２３に沿って雌螺子部２４が形成されても、第１、第２の突部２１、２２の直径（外径）と、雌螺子部２４の外径（谷の径）との間に十分な肉厚を確保して、第１、第２の突部２１、２２の破損（割れ）を防止することができる。

また、図２に示すように、超音波ホーン１３の軸方向の長さは、超音波共振体１６に発生する定在波ＳＷの波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）に等しく、各第１、第２のブースター１４、１５の軸方向の長さは、定在波の波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）に等しくなっている。ここで、超音波ホーン１３及び第１、第２のブースター１４、１５は、超音波の伝搬性を同一にするために、同一材質で作製してもよいし、異なる材質で作製してもよく、その組合せは適宜、選択することができる。尚、超音波ホーンにおける基部の軸方向の長さと、第１、第２の突部のそれぞれの軸方向の長さとの比は、適宜、選択される。

超音波加工装置１１は、図１に示すように、ホルダー３０に対して第１、第２のブースター１４、１５をそれぞれ回転可能に保持する第１、第２の軸受部３１、３２を有し、超音波共振体１６を両持ち支持している。ここで、第１、第２の軸受部３１、３２は空気（気体）軸受であり、第１のブースター１４の外周にはスラスト空気軸受として鍔状の支持部３３が形成されているが、第１、第２の軸受部（空気軸受）３１、３２の構造は、適宜、選択される。また、支持部３３は、第１のブースター１４と一体に形成されることが好ましいが、別部材で形成したものを取付けてもよい。

第１、第２の雄螺子部２５、２６が螺合される雌螺子部２４が、１つの貫通孔２３に沿って形成されているので、雌螺子部２４に第１、第２の雄螺子部２５、２６を螺合した際に、第１、第２の雄螺子部２５、２６の軸心が、超音波ホーン１３（貫通孔２３）の軸方向の一側と他側でずれることがなく、超音波ホーン１３と第１、第２のブースター１４、１５を精度良く同軸上に締結することができる。その結果、超音波共振体１６（第１、第２のブースター１４、１５）を第１、第２の軸受部３１、３２で支持（保持）する際の芯出し作業は必要ない。つまり、消耗品である超音波ホーン１３を交換する度に、手間のかかる芯出し作業（位置調整）を行う必要がないため、メンテナンス性が向上する。

超音波加工装置１１では、図１に示すように、超音波振動子１８の一側（ここでは、上端側）に、その軸心が、超音波共振体１６の軸心と一致するように回転軸３６が連結されている。そして、回転軸３６の軸方向（長手方向）の中間位置にはスリップリング３７が設けられ、このスリップリング３７を介して高周波発振器３８からの駆動用信号が超音波共振体１６に入力される構成となっている。高周波発振器３８からスリップリング３７を介して入力される駆動用信号は、回転軸３６の内部を貫通する信号線（図示せず）により超音波共振体１６に伝達される。

回転軸３６の一側には、超音波振動子１８と共に超音波共振体１６（第１のブースター１４、超音波ホーン１３及び第２のブースター１５の連結構造体）を回転させる回転駆動源３９（例えば、電動機）の出力軸４０が、非接触継手の一例である非接触式磁気継手４１を介して連結されている。この非接触式磁気継手４１は、回転駆動源３９の出力軸４０の他端部に取付けられる駆動側磁力部４２と、回転軸３６の一端部に取付けられて駆動側磁力部４２と対向する従動側磁力部４３とを備えている。非接触式磁気継手４１（駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３）の構造は、従来公知のものが好適に用いられ、互いに逆極性の磁極面同士が対向するように配置される駆動側磁力部４２の永久磁石（図示せず）と従動側磁力部４３の永久磁石（図示せず）との間に発生する引力により、駆動側磁力部４２と従動側磁力部４３が非接触で連結されるものである。これにより、回転駆動源３９からの回転動力が、出力軸４０から非接触式磁気継手４１を介して回転軸３６に伝達され、超音波振動子１８と共に超音波共振体１６を回転させることができる。このように、回転軸３６と、回転駆動源３９の出力軸４０との間が非接触式磁気継手４１を介して連結されているので、出力軸４０の軸心に対して、超音波共振体１６（回転軸３６）の軸心の位置がずれたり、軸心が傾いたりしても、互いに干渉することなくスムーズな回転状態を維持することができる。

以上のように構成された超音波加工装置１１で加工（切断、切削、研削等）を行う際には、回転駆動源３９で超音波共振体１６を回転させることにより、超音波ホーン１３（基部２０の外周）に取付けられた切断刃１２を回転させる。同時に、超音波振動子１８の発する振動により、図２に示すように、超音波共振体１６内に超音波振動の定在波（定常波）ＳＷ（軸方向の振動）を発生させて、切断刃１２を超音波ホーン（Ｒ／Ｌ変換体）１３により半径方向（矢印ａの方向）に超音波振動させる。ここで、先に説明したように、超音波ホーン１３の軸方向の長さが、超音波共振体１６に発生する定在波ＳＷの波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）に等しく、各第１、第２のブースター１４、１５の軸方向の長さが、超音波共振体１６に発生する定在波ＳＷの波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）に等しいことにより、超音波共振体１６をコンパクト化（最短化）できると共に、超音波共振体１６内での定在波ＳＷの減衰を少なくして、定在波ＳＷを効率的に形成することができる。

このとき、第１のブースター１４の一側（超音波ホーン１３と反対側）の自由端面１７、超音波ホーン１３の両端面（超音波ホーン１３と第１、第２のブースター１４、１５との接続端面）及び第２のブースター１５の他側（超音波ホーン１３と反対側）の自由端面４６の位置は、定在波ＳＷの腹部（アンチノード、Ａｎｔｉｎｏｄｅ、ＡＮ）となり、第１のブースター１４、超音波ホーン１３及び第２のブースター１５の軸方向（長手方向）のそれぞれの中央部の位置は、定在波ＳＷの節部（ノード、Ｎｏｄｅ）となる。よって、超音波ホーン１３の基部２０の軸方向中央部及び支持部３３の位置をそれぞれ定在波ＳＷの節部の位置に対応させることにより、超音波振動を有効利用して、Ｒ／Ｌ変換体である超音波ホーン１３の基部２０を超音波ホーン１３の軸方向と直交する半径方向（矢印ａの方向）に振動させることができる。そして、基部２０の軸方向中央部（定在波ＳＷの節部の位置）に合わせて、基部２０の外周に切断刃１２を取付けることにより、切断刃１２を基部２０と共に半径方向に振動させることができる。このとき、円盤状の基部２０の外周面の幅方向中央部に、外周面に沿って設けた環状突起部（図示せず）に切断刃１２を取付けることもできる。

特に、超音波ホーン１３の軸心に、基部２０を軸方向に貫通する空間部２９が形成されていることにより、基部２０の外周が半径方向外側に振動するだけでなく、空間部２９の内壁４７が半径方向内側（空間部２９の内側）に振動し、振動の自由度が増し、超音波ホーン１３（基部２０）の半径方向に大きな振幅が得られ、基部２０の外周に取り付けられる切断刃１２を半径方向（矢印ａの方向）に振動させて効率的に加工を行うことができ、超音波振動子１８の発するエネルギーの利用効率を高めることができる。また、加工時に超音波共振体１６（基部２０）に発生する振動で、空間部２９の内壁４７が半径方向内側（空間部２９の内側）に振動しても、空間部２９では内壁４７と第１、第２の雄螺子部２５、２６が接触、干渉することがないので、異音の発生を防止できるだけでなく、摩耗等による貫通孔２３及び第１、第２の雄螺子部２５、２６の破損を効果的に防ぐことができ、超音波共振体１６の長寿命化を図ることができる。そして、空間部２９が基部２０の軸方向長さと同等以上の軸方向長さを有して基部２０を軸方向に貫通しているので、超音波ホーン１３の各部の寸法誤差等の影響で定在波ＳＷの節部の位置が基部２０の軸方向（図２の左右方向）にずれても、定在波ＳＷの節部の位置は空間部２９と重なることになり、基部２０の振動によって内壁４７と第１、第２の雄螺子部２５、２６が接触、干渉することはなく、超音波ホーン１３に発生する振動エネルギーを有効に利用することができる。

尚、第１、第２のブースターの軸方向長さが、超音波共振体に発生する定在波の波長Ｔの１／２の長さ（Ｔ／２）の自然数倍に等しければ、第１のブースターの一側の自由端面及び第２のブースターの他側の自由端面の位置は定在波の腹部となり、前述と同様の作用、効果が得られる。従って、使用する超音波の振動数に基づいて、超音波ホーン及び第１、第２のブースターのそれぞれの軸方向長さを上記の関係を満たす範囲で調節（選択）することにより、定在波を容易に発生させることができる。

次に、超音波共振体の締結構造の変形例について説明する。
図３（Ａ）に示す第１の変形例の超音波共振体の締結構造４８が超音波共振体の締結構造１０と異なる点は、第１のブースター４９が、第１のブースター４９の軸心の超音波ホーン１３側に連結用雌螺子部５０を介して取付けられて第１の突部２１の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第１の雄螺子部（無頭螺子）５１を有する点である。
図３（Ｂ）に示す第２の変形例の超音波共振体の締結構造５２が超音波共振体の締結構造１０と異なる点は、第２のブースター５３が、第２のブースター５３の軸心の超音波ホーン１３側に連結用雌螺子部５４を介して取付けられて第２の突部２２の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第２の雄螺子部（無頭螺子）５５を有する点である。
図３（Ｃ）に示す第３の変形例の超音波共振体の締結構造５６が超音波共振体の締結構造１０と異なる点は、第１のブースター４９が、第１のブースター４９の軸心の超音波ホーン１３側に連結用雌螺子部５０を介して取付けられて第１の突部２１の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第１の雄螺子部（無頭螺子）５１を有し、第２のブースター５３が、第２のブースター５３の軸心の超音波ホーン１３側に連結用雌螺子部５４を介して取付けられて第２の突部２２の軸方向長さ以下で雌螺子部２４に螺合される第２の雄螺子部（無頭螺子）５５を有する点である。いずれの変形例も、超音波共振体の締結構造１０と同様の作用、効果を得ることができる。

尚、本実施例及びその変形例では、貫通孔２３の全長にわたって雌螺子部２４を形成したが、第１、第２の雄螺子部の長さに合わせて、貫通孔の両側（長手方向の一側及び他側）の各開口端からそれぞれ所定の長さだけ雌螺子部が形成されていれば、超音波ホーンの軸方向の一側及び他側に第１、第２のブースターを締結して、基部を軸方向に貫通する空間部を形成することができ、超音波共振体の締結構造１０と同様の作用、効果を得ることができる。

以上、本発明を、実施例を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施例に記載した構成に限定されるものではなく、請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施例や変形例も含むものである。
例えば、上記実施例では、第１、第２の軸受部に空気（気体）軸受を用いたが、超音波共振体を両持ち支持する場合、第１、第２の軸受部は、第１、第２のブースターをそれぞれ回転可能に保持できればよく、第１の軸受部に機械軸受（例えば玉軸受等の転がり軸受）を用い、第２の軸受部に空気（気体）軸受を用いてもよいし、第１、第２の軸受部に機械軸受（例えば玉軸受等の転がり軸受）を用いてもよい。尚、第１及び／又は第２の軸受部に機械軸受を用いる場合は、第１及び／又は第２のブースター内の定在波の節部（ノード）の位置に設けた支持部を、第１及び／又は第２のブースターを同心状に内部に固定し、超音波共振体と共に回転する円筒状の内殻に固定し、その内殻を機械軸受で回転可能に支持することが望ましい。

上記実施例では、第１のブースターに超音波振動子を取付けたが、第２のブースターに超音波振動子を取付けてもよい。また、上記実施例のように、第１、第２のブースターをそれぞれ回転可能に保持する第１、第２の軸受部で超音波共振体を両持ち支持する構成の代わりに、超音波振動子が連結される第１、第２のブースターのいずれか一方のみを回転可能に保持する軸受部で超音波共振体を片持ち支持する構成としてもよい。そして、超音波振動子には回転駆動源が接続される。このときの軸受部には、空気（気体）軸受を用いてもよいし、機械軸受（例えば玉軸受等の転がり軸受）を用いてもよい
さらに、上記実施例では、非接触継手の一例である非接触式磁気継手を介して回転軸に回転駆動源を間接的に連結したが、回転駆動源は、超音波共振体を回転させることができればよく、回転軸に回転駆動源を直接、連結してもよいし、回転軸にフレキシブル継手を介して回転駆動源を連結することもできる。
尚、上記実施例では、超音波振動子が連結されていない第２のブースター側が鉛直下向きとなるように、超音波共振体の軸心を鉛直方向に向けて配置したが、第２のブースター側が斜め下向きとなるように、超音波共振体の軸心を傾斜させて配置してもよいし、超音波共振体の軸心を水平方向に向けて配置してもよい。

本発明に係る超音波共振体の締結構造は、第１、第２のブースターの軸心に設けられた第１、第２の雄螺子部が螺合される雌螺子部を、超音波ホーンの軸心に設けられた貫通孔に形成することにより、超音波ホーンと第１、第２のブースターの軸心を精密に一致させることが容易にできる。
そして、貫通孔の内部で第１、第２の雄螺子部の先端同士が接触することなく、超音波ホーンの軸心に、基部を軸方向に貫通する空間部が形成されていることにより、超音波ホーンの基部における半径方向の振幅を増大させ、基部の外周に取り付けられる切断刃で効率的に加工を行うことができ、超音波振動子の発するエネルギーの利用効率を高めると共に、加工時に超音波共振体に発生する振動で第１、第２の雄螺子部が接触、干渉することがなく、異音の発生を防止して、摩耗等による貫通孔及び第１、第２の雄螺子部の破損を効果的に防ぐことができ、より使用効率を高めることができる。

１０：超音波共振体の締結構造、１１：超音波加工装置、１２：切断刃、１３：超音波ホーン、１４：第１のブースター、１５：第２のブースター、１６：超音波共振体、１７：自由端面、１８：超音波振動子、２０：基部、２１：第１の突部、２２：第２の突部、２３：貫通孔、２４：雌螺子部、２５：第１の雄螺子部、２６：第２の雄螺子部、２７、２８：先端、２９：空間部、３０：ホルダー、３１：第１の軸受部、３２：第２の軸受部、３３：支持部、３６：回転軸、３７：スリップリング、３８：高周波発振器、３９：回転駆動源、４０：出力軸、４１：非接触式磁気継手、４２：駆動側磁力部、４３：従動側磁力部、４６：自由端面、４７：内壁、４８：超音波共振体の締結構造、４９：第１のブースター、５０：連結用雌螺子部、５１：第１の雄螺子部（無頭螺子）、５２：超音波共振体の締結構造、５３：第２のブースター、５４：連結用雌螺子部、５５：第２の雄螺子部（無頭螺子）、５６：超音波共振体の締結構造

Claims (7)

1. 外周に切断刃を備えた超音波ホーンと、該超音波ホーンの軸方向の一側及び他側にそれぞれ連結された第１、第２のブースターとを有し、該第１、第２のブースターのいずれか一方の自由端面に連結される超音波振動子を駆動源として発生する超音波の定在波により、Ｒ／Ｌ変換体である前記超音波ホーンを該超音波ホーンの軸方向と直交する半径方向に振動させながら、該超音波ホーンの軸心を中心に回転して超音波加工を行う超音波共振体の締結構造であって、
   前記超音波ホーンは、基部と、該基部の軸方向の一側及び他側にそれぞれ形成された第１、第２の突部と、前記基部及び前記第１、第２の突部の軸心を通って該超音波ホーンを軸方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔の両側の開口端からそれぞれ所定の長さ形成された又は該貫通孔の全長にわたって形成された雌螺子部とを有し、前記第１のブースターは、該第１のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第１の雄螺子部を有し、前記第２のブースターは、該第２のブースターの軸心の前記超音波ホーン側に形成されて又は取付けられて前記雌螺子部に螺合される第２の雄螺子部を有し、前記超音波ホーンと前記第１、第２のブースターはそれぞれの軸心を一致させて同軸上に締結されており、前記貫通孔の内部で前記第１、第２の雄螺子部の先端同士は接触することなく、前記超音波ホーンの軸心に、前記貫通孔の内壁と前記第１、第２の雄螺子部の先端で囲まれた空間部が形成され、前記定在波の節部の位置は前記基部の軸方向中央部で前記空間部と重なり、前記基部の外周に前記切断刃が取り付けられていることを特徴とする超音波共振体の締結構造。
2. 請求項１記載の超音波共振体の締結構造において、前記第１の雄螺子部の長さは、前記第１の突部の軸方向長さ以下に形成され、前記第２の雄螺子部の長さは、前記第２の突部の軸方向長さ以下に形成されて、前記空間部は、前記基部を軸方向に貫通し、該基部の軸方向長さと同等以上の軸方向長さを有することを特徴とする超音波共振体の締結構造。
3. 請求項１又は２記載の超音波共振体の締結構造において、前記超音波ホーンの軸方向の長さは、前記定在波の波長の１／２の長さに等しく、前記各第１、第２のブースターの軸方向の長さは、前記定在波の波長の１／２の長さの自然数倍に等しいことを特徴とする超音波共振体の締結構造。
4. 請求項１又は２記載の超音波共振体の締結構造において、前記第１、第２の突部はそれぞれ円柱状に形成され、前記第１の突部の直径及び軸方向の長さは、それぞれ前記第２の突部の直径及び軸方向の長さと等しく、前記貫通孔の直径は、前記第１、第２の突部の直径の１／１０～１／２の範囲にあることを特徴とする超音波共振体の締結構造。
5. 請求項１又は２記載の超音波共振体の締結構造を備えたことを特徴とする超音波加工装置。
6. 請求項５記載の超音波加工装置において、前記超音波振動子が連結される前記第１、第２のブースターのいずれか一方のみを回転可能に保持する軸受部で前記超音波共振体を片持ち支持することを特徴とする超音波加工装置。
7. 請求項５記載の超音波加工装置において、前記第１、第２のブースターをそれぞれ回転可能に保持する第１、第２の軸受部で前記超音波共振体を両持ち支持することを特徴とする超音波加工装置。

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