JP2005001096A

JP2005001096A - 超音波振動テーブル

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Publication number: JP2005001096A
Application number: JP2003196777A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Onishi; 一正大西
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2003-06-11
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】装置の高さ低く、テーブル表面全体にほぼ均一な水平振動変位があり、テーブル表面面積が大きく、どの方向の加工も可能であり、そして加工能率が高
くなる超音波振動テーブルを提供することにある。
【解決手段】超音波駆動回路８ａ、８ｂより超音波交流電圧を厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに印加する。その結果、加工テーブル２の矢印Ａ、Ｂで示す方向のすべり振動が励起される。矢印Ａの方向の加工を行うときは超音波駆動回路８ａより厚みすべり圧電素子５ａに超音波交流電圧を印加する。また矢印Ｂの方向の加工を行うときは超音波駆動回路８ｂより厚みすべり圧電素子５ｂに超
音波交流電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などの切断、研削及び研磨加工に用いられる超音波振動テーブルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガラス、セラミック、シリコーン、超硬金属などの硬度が高い脆性材料を切断、研削等の加工を施すことは、非常に困難であり従来から工具に超音波振動を加え加工することが行われている。このような超音波切削加工は、切削抵抗が低減するため、切削ツールの摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、切削ツールの寿命が長くなると共に、加工精度の向上につながってくる。なお超音波切削加工について「超音波便覧」（丸善株式会社、平成１１年発行）６７９〜６８４ページに詳しく記載されている。
【０００３】
また、ワークを固定する加工台に超音波振動を与え、これをワークに伝播させ、超音波切削加工を行うことが従来よりよく知られていることである。例えば、特開２００２−３５５７２６号公報には、図８に示すように超音波振動テーブル１は、工作機械のベッドに取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置であり、アルミニウム製のケーシングにシールド用のゴム板を介して固定され、上下に振動する超音波振動装置と超音波振動装置の上端部に、その下側中間部を固定されてワークを固定する振動テーブルと、振動テーブルの外側下部から下方に突出し、ケーシングの超音波振動装置の外側に形成された案内用凹部に挿入されて振動テーブルの横移動を制限しながら上下方向に案内するガイド部材とを有している。ケーシングは、上方に開口した箱状に形成され、内周上部には、内側に突出するリング状の内フランジ部が形成されている。内フランジ部の複数箇所には、上下に貫通する雌ねじ部が形成されている。ケーシングに設けられた鉄製の裏面プレートは、ボルト部材によって着脱可能に形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、超音波切削加工においては、工具が大型化した場合は、ワークと接触する工具の加工部分に均一な超音波振動を与えることが非常に難しい。
また、工具が小型化した場合、超音波振動を与える装置も小型化しなければならない。超音波振動装置が小型化すればするほど工具に与えられる振動エネルギーは小さくなってしまう。このため、工具が小型であるときは、超音波切削加工能力は小さくなってしまう欠点がある。
【０００５】
一方、上記の超音波振動テーブルは、工具の形状と関係なく振動させることができる。しかし、前記超音波振動テーブルは、テーブルに対して垂直に振動装置が装着されているので、装置の高さが大きくなるという問題点がある。
さらに超音波振動子の超音波放射面の面積はテーブルの面積に比較して小さいためテーブル全体には均一に振動変位が得られないという欠点がある。
さらに超音波振動方向が垂直方向だけであり、効果のある振動モードを選択できないという問題点がある。
本発明の目的は上述の問題点を解消する超音波振動テーブル提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置において、テーブルがその表面に平行方向に超音波振動することと及び前記表面に平行方向の超音波振動の方向が２方向以上存在することを特徴とする超音波振動テーブル。
また、前記テーブル表面の平行方向の２方向以上の超音波振動を持つ超音波振動テーブルにおいて、その超音波振動が圧電厚みすべり振動によることを特徴とする超音波振動テーブルものである。
さらに、前記圧電厚みすべり振動を発生する圧電素子が同じ面内にあることを特徴とする超音波振動テーブルとするものである。
また、前記圧電厚みすべり振動を発生する圧電素子がその平面に対して垂直方向に２層以上に積層されていることを特徴とする超音波振動テーブルとするものである。
さらに、工作機械の加工方向が前記テーブルの表面の振動方向と同じであることを特徴とする超音波振動テーブルものである。
また、前記テーブルの表面の振動が楕円軌跡であることを特徴とする超音波振動テーブルするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
第１の実施の形態を図１、図２を用いて説明する。
図１は第１の実施の形態を示す超音波振動テーブル１の斜視図である。ここで超音波振動テーブル１はステンレス製の加工テーブル２、アルミナ板３ａ、３ｂ、りん青銅製の電極板４ａ、４ｂ、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、ステンレス製の支持板６そしてステンレス製の直方体７とから構成されている。なお、加工テーブル２にはワークを固定する部品が備わっているが、図面を簡略化するため図示しない。
超音波振動テーブル１は次のように組み立てられる。まず、ステンレス製の直方体７とアルミナ板３ｂをエポキシ樹脂で接合する。ついで、アルミナ板３ｂの上にりん青銅製の電極板４ｂを接合する。さらに、厚みすべり圧電素子５ｂをエポキシ樹脂で接合する。その上にステンレス製の支持板６、厚みすべり圧電素子５ａ、りん青銅製の電極板４ａ、アルミナ板３ａそしてステンレス製の加工テーブル２を載せ、それらのすべてをエポキシ樹脂で接合する。
【０００８】
ここで、超音波振動テーブル１が大型化し、エポキシ樹脂による接合では、接合強度が不足すると考えられる時は、エポキシ樹脂による接合に合わせて、複数のボルトを用いて接合することが好ましい。
【０００９】
図２は厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの詳細な斜視図である。
大きな形状の厚みすべり圧電素子を作成することは困難であるので、小さな厚みすべり圧電素子を図２に示すようにエポキシ樹脂９を用いて２０個接合した。また、図に示す矢印は分極方向を示している。厚みすべり圧電素子５ａは右方向に、厚みすべり圧電素子５ｂは厚みすべり圧電素子５ａの分極方向と直交する方向に分極されている。
圧電素子の厚みすべり振動の詳しい解説は、（「超音波技術便覧」昭和６０年発行、発行所日刊工業新聞社）３４５〜３４６ページに記載されている。
【００１０】
次に、図１に示す構成の運転方法について説明する。超音波駆動回路８ａより超音波交流電圧をりん青銅製の電極板４ａに印加する。そしてステンレス製の支持板６をグラウンドに接地する。別の超音波駆動回路８ｂより超音波交流電圧をりん青銅製の電極板４ｂに印加する。そしてステンレス製の支持板６をグラウンドに接地する。またアルミナ板３ａはステンレス製の加工テーブル２とりん青銅製の電極板４ａとを絶縁するためにある。さらにアルミナ板３ｂはステンレス製の直方体７とりん青銅製の電極板４ｂとを絶縁するためにある。その結果、厚みすべり圧電素子５ａに矢印で示す方向Ａの厚みすべり振動が励起される。また厚みすべり圧電素子５ｂには矢印で示す方向Ｂの厚みすべり振動が励起される。厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂの振動方向は互いに直交している。ステンレス製の支持板６の位置がほぼ振動の節になる。この厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂの振動は増幅されながら一方はステンレス製の加工テーブル２に、他方はステンレス製の直方体７に伝播する。ステンレス製の加工テーブル２の矢印Ａ、Ｂは振動方向を示しており、ステンレス製の加工テーブル２の表面に平行で、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの分極方向と同じ方向に振動することを表している。また、加工テーブル表面での厚みすべり振動の変位量は従来の縦振動を用いたものに比較してはるかに均一であるので、加工テーブルに置いたワークの位置によらず均一な超音波振動効果が得られる。
【００１１】
ここで、例えば工作機械がダイサーである時は、ステンレス製の加工テーブル２の矢印の方向Ａ、Ｂと加工方向を一致させると、ダイサーの切断ブレードの回転にステンレス製加工テーブル２の矢印の方向の振動が加わり、切断ブレードの回転の回転数を大幅に上げたことと同一の効果である切削力の向上が得られる。
【００１２】
また、ステンレス製加工テーブル２の矢印Ａの方向にダイサーのブレードが位置しているときは、超音波駆動回路８ａにより厚みすべり圧電素子５ａに交流電圧を印加する。そして、厚みすべり圧電素子５ａは矢印Ａにすべり振動する。この時、超音波駆動回路８ｂは、作動させないので矢印Ｂ方向のすべり振動は励起されない。
【００１３】
次にステンレス製加工テーブル２の矢印Ａと直交する方向の矢印Ｂ加工を望むときは、支持板６を載せる図示しない回転テーブルを９０度回転させ、かつ超音波駆動回路８ｂより厚みすべり圧電素子５ｂをりん青銅製の電極板４ｂに印加する。厚みすべり圧電素子５ｂは矢印Ｂにすべり振動する。この時、超音波駆動回路８ａは、作動させないので矢印Ａ方向のすべり振動は励起されない。
【００１４】
図３は厚みすべり圧電素子５ａと５ｂに印加する交流電圧の大きさと位相を調整することにより様々な楕円振動を励起できることを示す。
図３（Ａ）に示す矢印のｘ方向の振動の望むときは、超音波駆動回路８ａにより厚みすべり圧電素子５ａに交流電圧を印加する。この時、超音波駆動回路８ｂは、作動させない。このようなｘ方向の振動も楕円振動の特例であることは、もちろんである。
図３（Ｂ）に示す矢印のｙ方向の振動の望むときは、超音波駆動回路８ｂにより厚みすべり圧電素子５ｂに交流電圧を印加する。この時、超音波駆動回路８ａは、作動させない。このようなｙ方向の振動も楕円振動の特例であることは、もちろんである。
図３（ｃ）に示す矢印の方向の振動の望むときは、超音波駆動回路８ａにより厚みすべり圧電素子５ａに交流電圧を印加する。この時、超音波駆動回路８ｂにも、超音波駆動回路８ｂにより厚みすべり圧電素子５ｂに交流電圧を印加する。そして、超音波駆動回路８ａ、８ｂにより厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに印加する交流電圧の周波数と位相は同じである。このような斜め方向の振動も楕円振動の特例であることは、もちろんである。
図３（ｄ）に示す矢印の方向の振動の望むときは、超音波駆動回路８ａにより厚みすべり圧電素子５ａに交流電圧を印加する。この時、超音波駆動回路８ｂにも、超音波駆動回路８ｂにより厚みすべり圧電素子５ｂに交流電圧を印加する。そして、超音波駆動回路８ａ、８ｂにより厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに印加する交流電圧の周波数は同じであり、位相は互いに９０度異なっている。このよう円軌跡の振動も楕円振動の特例であることは、もちろんである。
以上のように厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに印加する交流電圧の大きさと位相によりより様々な楕円振動を励起できる。
【００１５】
以上に述べたように、回転テーブルに載せた超音波振動テーブルを切断方向に合わせて回転することと、切断方向に合わせて２組以上の厚みすべり振動子に印加する交流電圧の大きさと位相を調整することで、切断方向に加工テーブルをすべり振動させることができる。
このことにより任意の方向の加工において、加工能率が高まり、かつ超音波振動により工具の摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、工具の寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【００１６】
第２の実施の形態を図４、図５を用いて説明する。
第２の実施の形態は第１の実施の形態の図１の構成に用いられた厚みすべり圧電素子５ａと５ｂの別の実施の形態である。
図４は、同一平面内で少なくとも２方向以上に振動する厚みすべり圧電素子を複数接合することでその表面が楕円振動することができる面内楕円振動子が構成できることを示す図である。
厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄをエポキシ樹脂９により接合する。そして通常、平面を平滑にするために両面を研磨、ラップなどを行う。厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの厚さ方向に交流電圧を印加するとすべり振動が励起できる。そして厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄにそれぞれ印加する交流電圧を独立させることにより、それぞれの厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに印加する交流電圧の大きさと位相を調整することにより図３に示す振動をさせることができる。もちろん楕円軌跡の振動も励起できる。
【００１７】
図５も図４と同じであるが、その形状が円盤状であり、回転運動する加工機械に適しているものである。
厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃをエポキシ樹脂９により接合する。そして通常、平面を平滑にするために両面を研磨、ラップなどを行う。厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃの厚さ方向に交流電圧を印加するとすべり振動が励起できる。そして厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃにそれぞれ印加する交流電圧を独立させることにより、それぞれの厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂ、５ｃに印加する交流電圧の大きさと位相を調整することにより図３に示す振動をさせることができる。もちろん楕円軌跡の振動も励起できる。
このように１平面内で面内の任意の方向の振動及び楕円振動を励起できるので、超音波振動テーブルの薄型化が可能となる。
【００１８】
図６は本発明の面内楕円振動子をラップ装置に用いた第３の実施の形態である。また、ここでは、ラップ盤が工作機械の一部である。
回転モータ１７の回転軸１８にスリップリング１４を取り付ける。スリップリング１４には交流電圧を供給する超音波駆動回路８ａ、８ｂが接続してある。また、厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに回転しながら交流電圧を供給するリード線がスリップリングの他方に取り付けてある。
厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの両側には、アルミナ製の回転板２０ａ、２０ｂとステンレス製の回転板１９ａ、１９ｂがあり、図示しないボルトで厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂを締め付け、一体のボルト締め面内楕円振動子としている。アルミナ製の回転板２０ａ、２０ｂは電気的絶縁を持たせるために用いている。このステンレス製の回転板１９ａの上に錫−アンチモン製のラップ盤２１が載せられている。ステンレス製の回転板１９ａとラップ盤２１の間には、グリースを塗り、さらに図示しないボルトによりステンレス製の回転板１９ａとラップ盤２１を接合している。グリースは超音波振動がステンレス製の回転板１９ａとラップ盤２１の間を損失することなく伝播するように用いている。
ステンレス製の円盤２２にワーク２３をワックス等を用いて接着し、ラップ盤２２の上に載せる。また、ステンレス製の円盤２２を回転自在に保持するためにローラ保持器２４がある。
さらに、ラップ盤の上にはスラリを供給するためのスラリ供給装置２５がある。
【００１９】
図７は図６に用いた厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂの分極方向を示す図である。厚みすべり圧電素子５ａの分極方向と厚みすべり圧電素子５ｂの分極方向は直交している。厚みすべり圧電素子５ａの分極方向は実線の矢印で、厚みすべり圧電素子５ｂの分極方向は点線の矢印で示す。
【００２０】
次に図６の装置の運転方法について説明する。
まず、回転モータ１７を作動させラップ盤２１を回転させる。超音波駆動回路８ａ、８ｂよりスリップリングを介して厚みすべり圧電素子５ａ、５ｂに交流電圧を印加する。そして厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂに印加する交流電圧は大きさが同じで位相が９０度異なる。
このように厚みすべり圧電素子５ａと厚みすべり圧電素子５ｂに交流電圧を印加するとラップ盤の表面に、ラップ盤２１の表面に平行な楕円振動が発生する。
円盤２２に接着したワーク２３にはラップ盤２１の回転運動と、ラップ盤２１の表面の楕円振動が作用し、ワーク２３とラップ盤２１の相対運動が大きくなる。この効果により、加工能率が高まり、かつ超音波振動により工具の摩擦熱が少なく加工面の熱歪が少なくなり、工具の寿命が長くなると共に、加工精度が向上する。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超音波振動テーブルによれば、加工テーブル表面にほぼ均一な超音波振動が得られるので有効な加工テーブル面積を大きくすることができる。また、任意の方向の超音波振動が得られるので、任意の方向の加工が可能になる。さらに、超音波テーブルを薄型化できるので既設の工作機械の改造を必要としない。さらに、工作機械の加工方向と超音波振動の振動方向を一致させることにより加工効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の超音波振動テーブルを示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に用いる厚みすべり圧電素子を示す斜視図である
。
【図３】第１の実施の形態の超音波振動テーブルの振動方向を示す図である
。
【図４】第２の実施の形態の面内楕円振動子の第１の構成を示す斜視図である。
【図５】第２の実施の形態の面内楕円振動子の第２の構成を示す斜視図であ
る。
【図６】第３の実施の形態のラップ装置を示す斜視図である。
【図７】第３の実施の形態のラップ装置に用いる面内楕円振動子を示す斜視
図である。
【図８】従来の超音波振動テーブルを示す図である。
【符号の説明】
１超音波振動テーブル
２加工テーブル
３アルミナ板
４電極板
５圧電素子
６支持板
７直方体
８超音波駆動回路
９エポキシ樹脂
１０フェルト状のナイロン繊維
１１シリコンゴムの突起
１２ディスク
１３丸棒
１４スリップリング
１５取り付け台
１６回転テーブル
１７回転モータ
１８回転軸
１９ステンレス製の回転板
２０アルミナ製の回転板
２１ラップ盤
２２円盤
２３ワーク
２４ローラ保持器
２５スラリ供給装置

Claims

工作機械に取り付けられ加工されるワークを固定可能なテーブル装置または、工作機械の部品を搭載するテーブル装置において、テーブルがその表面に平行方向に超音波振動することと及び前記表面に平行方向の超音波振動の方向が２方向以上存在することを特徴とする超音波振動テーブル。
前記テーブル表面の平行方向の２方向以上の超音波振動を持つ超音波振動テーブルにおいて、その超音波振動が圧電厚みすべり振動によることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
前記圧電厚みすべり振動を発生する圧電素子が同じ面内にあることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動テーブル。
前記圧電厚みすべり振動を発生する圧電素子がその平面に対して垂直方向に２層以上に積層されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動テーブル。
工作機械の加工方向が前記テーブルの表面の振動方向と同じであることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。
前記テーブルの表面の振動が楕円軌跡であることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動テーブル。