JP5020962B2 - 円盤状の切削工具及び切削装置 - Google Patents

Description

本発明は、円盤状の切削工具及び切削装置に関する。

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、あるいは超硬金属に代表される硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切削するため、円盤状の切削ブレードを備えた切削装置が広く用いられている。この切削装置においては、円盤状の切削ブレードを回転させながら、その外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行なわれる。

特許文献１には、円盤状の切削ブレード（切断ブレード）とその表面に固定された円環状の超音波振動子からなる円盤状の切削工具（円盤状ブレード）を備えた切削装置が開示されている。この切削装置においては、円盤状の切削工具を切削ブレードと共に回転させながら、超音波振動子にて発生した超音波振動をブレードに付与し、この超音波振動が付与されたブレードの外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより加工対象物の切削が行なわれる。そして、同文献の切削工具は、その切削ブレードに超音波振動を付与することにより、加工対象物を高い精度で切削することができると記載されている。
特開２００４−２９１６３６号公報

特許文献１の切削工具のように、切削ブレードに超音波振動を付与する場合には、切削ブレードの外周縁部の刃先をブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動させることが望ましい。切削ブレードの刃先をブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動させると切削抵抗が低下し、切削を行なう際の切削ブレードとの摩擦による加工対象物の発熱及び熱膨張が抑制されるため、加工対象物を高い精度で切削することができるからである。

本発明の課題は、切削ブレードの刃先をブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動させることができる円盤状の切削工具及び切削装置を提供することにある。

本発明は、中央に円孔を備える円盤状の切削ブレード、および前記ブレードの少なくとも一方の側の表面にブレードと同軸に固定されている、ブレードの直径よりも小さな外径と、前記円孔の直径よりも大きな内径とを有する連続もしくは不連続の環状の超音波振動子からなり、前記の切削ブレードが、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側でブレードの厚み方向に伸びる、連続もしくは不連続の環状の空気相空間との界面からなる超音波反射面を備えている円盤状の切削工具にある。

本発明の切削工具の好ましい態様は、次の通りである。
（１）環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、複数の弧状の空気相空間から構成されている。更に好ましくは前記の各非空間部の内周側にブレードを横断する別の弧状の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している。
（２）環状の空気相空間が、互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された複数の円形もしくは多角形の空気相空間から構成されている。更に好ましくは前記の各非空間部の内周側にブレードを横断する別の円形もしくは多角形の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している。
（３）環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、各々ブレードの半径方向に対して傾斜する複数のスリット状の空気相空間から構成されている。
（４）環状の空気相空間が、環状の多孔質材料により構成されている。
（５）環状の空気相空間が、ブレードの一方の表面から厚さの１／２を超えて伸びた環状の溝により構成されている。更に好ましくは前記の環状の溝の内周側にさらに、ブレードの他方の表面から厚さの１／２を超えて伸びる、追加の超音波反射面を構成する環状の溝が形成されている。
（６）環状の超音波振動子が互いに間隔を介して配置された複数の超音波振動子片から構成され、隣接する超音波振動子片の間のブレードに空気相空間が形成されている。

本発明はまた、中央に円孔を備える円盤状の切削工具及び前記円孔の周縁に近接する位置にて切削工具を保持する回転軸を含む切削装置であって、前記の円盤状の切削工具が、中央に円孔を備える円盤状の切削ブレード、および前記ブレードの少なくとも一方の側の表面にブレードと同軸に固定されている、ブレードの直径よりも小さな外径と、前記円孔の直径よりも大きな内径とを有する連続もしくは不連続の環状の超音波振動子からなり、そして前記切削ブレードが、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側でかつ回転軸により保持される部位よりも外周側にてブレードの厚み方向に伸びる、連続もしくは不連続の環状の空気相空間との界面からなる超音波反射面を備えている切削工具である切削装置にもある。

本発明の切削装置で用いる切削工具の好ましい態様は、前述の通りである。

なお、本明細書で云う、「切削ブレードの厚み方向」には、切削ブレードの表面に対して垂直な方向に対して２０度以内（好ましくは１０度以内）の角度をなす方向が含まれる。

本発明の円盤状の切削工具及び切削装置は、その切削ブレードの刃先をブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動させることができるため、加工対象物を高い精度で切削することができる。

先ず、本発明の円盤状の切削工具を、添付の図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の切削工具の構成例を示す平面図であり、そして図２は、図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した切削工具１０の断面図である。

図１及び図２に示す切削工具１０は、中央に円孔１１を備える円盤状の切削ブレード１２、およびブレード１２の各々の側の表面にブレード１２と同軸に固定されている、ブレード１２の直径よりも小さな外径と、円孔１１の直径よりも大きな内径とを有する連続の環状の超音波振動子１４から構成されている。そして前記の切削ブレード１２は、各々の環状の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側でブレード１２の厚み方向に伸びる、不連続の環状の空気相空間（ブレード１２に形成された四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５の内部の空気相空間）との界面からなる超音波反射面１６を備えている。

図１及び図２に示す切削工具１０の構成は、切削ブレード１２に超音波反射面１６が備えられていること以外は前記の特許文献１の切削工具と同様である。

すなわち、切削工具１０に用いる切削ブレード１２は、例えば、丸鋸、あるいは円盤状の基板の外周縁部に砥粒を固定した切削ブレードに代表される公知の円盤状の切削ブレードに、超音波反射面１６（すなわち、超音波反射面１６を構成するための四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５）を形成することによって簡単に作製することができる。なお、切削ブレード１２に超音波反射面１６（すなわち、各々の弧状の長孔１５）を形成する方法の代表例としては、切削加工法及びレーザ加工法が挙げられる。

前記の切削ブレードの円盤状の基板は、例えば、アルミニウム、チタン、鉄、アルミニウム合金あるいはステンレススチールなどの金属材料から形成される。

砥粒としては、例えば、ダイヤモンド粒子、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化鉄粒子、酸化クロム粒子、あるいは立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）粒子などが用いられる。通常、砥粒の平均粒径は、０．１乃至５０μｍの範囲内の値に設定される。

砥粒は、例えば、砥粒を含むメッキ浴にて円盤状の基板にメッキ処理することにより円盤状の基板の外周縁部に固定（電着）される。砥粒は、バインダー樹脂（例、フェノールホルマリン樹脂）を用いて円盤状の基板に固定されていてもよい。

そして、図１及び図２に示す切削工具１０の場合には、切削ブレード１２の各々の表面に、連続の環状の超音波振動子１４がブレード１２と同軸に固定されている。環状の超音波振動子１４は、その外径が切削ブレード１２の直径（外径）よりも小さな値に、そして内径が切削ブレード１２の円孔１１の直径（内径）よりも大きな値に設定される。

環状の超音波振動子１４としては、例えば、円環板状の圧電体の各々の表面に電極が付設された構成の圧電振動子が用いられる。圧電振動子は、その両表面の電極間に電気エネルギー（例、交流電圧）が付与されることにより超音波振動を発生する。

図２に示す各々の超音波振動子（圧電振動子）１４の圧電体は、通常、その厚み方向（図２にて左右の方向）で且つ切削ブレード１２に向かう方向に分極処理される。

圧電体の材料の例としては、ジルコン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料、およびポリフッ化ビニリデン樹脂に代表される圧電高分子材料が挙げられる。また、電極の材料の例としては、銀やリン青銅などの金属材料が挙げられる。

超音波振動子１４は、例えば、エポキシ樹脂などの公知の接着剤を用いて切削ブレード１２の表面に固定される。接着剤としては、電気的に絶縁性の接着剤を用いてもよいし、導電性の接着剤を用いてもよい。導電性接着剤を用いると、各々の超音波振動子１４の切削ブレード１２の側の電極に、ブレード１２を介して電気エネルギーを容易に供給することができる。

切削工具１０は、前記の特許文献１の切削工具の場合と同様に、例えば、モータの回転軸の周囲に保持された状態で使用される。

具体的には、先ず、前記のモータを駆動して、切削工具１０を保持している回転軸を回転させる。次いで、切削工具１０の超音波振動子１４、１４に電気エネルギーを供給することにより、各々の超音波振動子１４にて、振動子１４の径方向に振動する超音波振動を発生させる。この超音波振動は切削ブレード１２に付与されて、ブレード１２はその径方向に超音波振動する。すなわち、切削ブレード１２は、その直径が拡大、次いで縮小する変位を繰り返しながら超音波振動する。そして、このように超音波振動しながら回転する切削ブレード１２の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行なわれる。

そして図１及び図２に示す切削工具１０の切削ブレード１２には、各々の環状の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側でブレード１２の厚み方向に伸びる、不連続の環状の空気相空間（ブレード１２に形成された四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５の内部の空気相空間）との界面からなる超音波反射面１６が備えられている。

一般に、異なる二つの物質が互いに接触して界面を形成している場合に、各々の物質に固有の音響インピーダンスの値が互いに大きく異なると、一方の物質中を他方の物質に向かって伝わる音波の大部分は前記界面にて反射され、他方の物質には殆ど伝わらないことが知られている。前記の音響インピーダンスは、物質の密度と、この物質中での音速との積により定まる。そして、固体と気体とでは、両者の密度の値、すなわち音響インピーダンスの値が互いに大きく異なるため、例えば、固体中を伝わる音波の大部分は、固体と気体との界面にて反射されて気体中には殆ど伝わらない。

すなわち、切削工具１０の切削ブレード１２が備える超音波反射面１６は、切削ブレード（固体）１２と、四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５の内部の空気相空間（気体）との界面からなり、前記のように超音波（音波）の大部分を反射する面である。

このため、前記のように切削加工の際に環状の超音波振動子１４、１４の各々から切削ブレード１２に付与された、ブレード１２の径方向に振動する超音波振動、すなわちブレード１２の径方向に伝わる超音波振動は、前記の超音波反射面１６に到達すると、その大部分が超音波反射面１６にて反射されてブレード１２の外周側に伝わり、ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の部分には殆ど伝わらない。

従って、この切削工具１０を、切削ブレード１２の円孔１１の周縁に近接する位置にて回転軸に保持させると、切削加工を行なう際に超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動が、ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の部分、そしてブレード１２を保持する回転軸に殆ど伝わらない。

このため、超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動（超音波振動の持つエネルギー）は、切削ブレード１２の超音波反射面１６よりも外周側の部分（刃先を持つ部分）を振動させるために有効に利用される。

切削工具１０は、使用する切削ブレード１２のサイズにもよるが、各々の超音波振動子１４に、例えば、１００Ｖ以下の低い電圧の交流電圧を印加した場合であっても、ブレード１２の外周縁部の刃先（超音波反射面１６よりも外周側の部分）を、ブレードの径方向に５μｍ程度以上の大きな振幅にて超音波振動させることができる。一方、前記の超音波反射面１６（すなわち弧状の長孔１５、１５、１５、１５）を備えていない切削ブレードを用いること以外は切削工具１０と同様の構成を有する切削工具の場合、その切削ブレードの刃先の超音波振動の振幅値は、前記の本発明の切削工具１０が示す振幅値の概ね十分の一以下の小さな値を示す。

従って、本発明の切削工具を用いると、切削加工を行なう際に切削ブレードの刃先がブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動して切削抵抗が低下し、切削ブレードとの摩擦による加工対象物の発熱及び熱膨張が抑制されるため、加工対象物を高い精度で切削することができる。

また、前記の超音波反射面１６は、切削ブレード１２の厚み方向に伸びる環状の空気相空間との界面、すなわちブレード１２の表面に対して略垂直な面である。従って、各々の超音波振動子１４にて発生したブレード１２の径方向に伝わる超音波振動は、ブレード１２の表面に対して略垂直な超音波反射面１６にて反射された場合に、ブレード１２の表面と平行な面に沿ってブレード１２の外周側へと伝わる。すなわち、ブレード１２の表面に対して傾斜する方向に伝わる超音波振動が発生し難い。

仮に、超音波反射面がブレードの表面に垂直な方向に対して大きな角度を持つ面であると、超音波振動はこの超音波反射面にて反射されてブレードの表面に対して傾斜する方向に伝わる。このような切削ブレードの表面に対して傾斜する方向に伝わる超音波振動は、例えば、ブレードに撓み振動（ブレードの厚み方向に振動する振動成分を持つ振動）を生じさせるため、切削ブレードの刃先が切削ブレードの厚み方向に大きく振動するようになる。このため、加工対象物がブレードの刃先の厚みよりも大きな幅にて切削されて切削加工の精度が低下したり、あるいは加工対象物を切削して複数個の製品に切断する場合に、切削により除去される加工対象物の量が増加するため、加工の歩留まり（同一のサイズの加工対象物から得られる製品の個数）が低下したりする。

本発明の切削工具においては、環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、複数の弧状の空気相空間から構成されていることが好ましい。

例えば、図１及び図２に示す切削工具１０においては、環状の空気相空間が、切削ブレード１２の軸に対して軸対称に互いに非空間部１８を介してブレード１２を横断して形成された、四つの弧状の空気相空間（弧状の長孔１５、１５、１５、１５の内部の空気相空間）から構成されている。すなわち、切削工具１０の切削ブレード１２が備える超音波反射面１６は、各々弧状の長孔１５の内部の弧状の空気相空間との界面からなる四つの反射面１７、１７、１７、１７から構成されている。

このように、環状の空気相空間を、互いに非空間部１８を介してブレード１２を横断して形成された複数の弧状の空気相空間から構成すると、前記の非空間部１８、１８、１８、１８により、切削ブレード１２の超音波反射面１６よりも外周側の部分が、超音波反射面１６よりも内周側の部分に安定に支持される。

また、切削ブレード１２に、複数の弧状の空気相空間（すなわち、例えば、四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５）をブレード１２の軸に対して軸対称に形成すると、ブレード１２の重心が、ブレード１２の中心軸上に位置する。このため、切削工具１０は、その切削ブレード１２を超音波振動させながら、例えば、数千〜数万回転の高速で回転した場合にも高い回転精度を示し、このため高い加工精度が実現する。これとは逆に、切削ブレードに、複数の弧状の空気相空間をブレードの軸に対して非対称に形成すると、切削工具の回転精度と加工精度が低下し、極端な場合には、切削工具を高速で回転した際に、切削ブレードがその周方向に不均一な遠心力を受けて破損する恐れもある。

そして、複数の弧状の空気相空間が切削ブレード１２を横断していると、ブレード１２の超音波反射面１６よりも外周側の部分と内周側の部分とが、両者の間に空気相空間（各々の長孔１５の内部の空気相空間）を介在させた状態にて互いに分離される。このため、各々の超音波振動子１４にて発生した超音波振動は、切削ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の部分、そしてブレード１２を保持する回転軸に殆ど伝わらない。

なお、本発明の切削工具の切削ブレードが、その直径方向に環状の空気相空間との界面を二以上備える場合、例えば、図１の切削工具１０のように、切削ブレード１２が、その直径方向に環状の空気相空間（四つの弧状の長孔１５、１５、１５、１５の内部の空気相空間）との界面１６と界面１６ａとを備える場合、超音波反射面とは、ブレードの最も外周側にある界面（すなわち界面１６）を意味する。

この界面１６ａは、切削ブレード１２の外周側部分から環状の空気相空間に伝わる極僅かの量の超音波振動をブレード１２の外周側に反射するため、超音波振動子１４にて発生した超音波振動は、ブレード１２の内周側の部分、そして回転軸に更に伝わり難くなる。超音波振動子１４が発生した超音波振動が回転軸に伝わると、これにより超音波振動する回転軸を支持する軸受の耐久性が低下する傾向にある。

界面１６ａはまた、回転軸から切削ブレード１２の内周側の部分に伝わる外部振動（ノイズ）をブレード１２の内周側に反射するため、このような外部振動がブレード１２の外周側の部分に伝わり難くなる。前記の外部振動が切削ブレード１２の外周側の部分（刃先を持つ部分）に伝わると、ブレードの刃先が、例えば、ブレードの厚み方向に振動して切削加工の精度が低下する場合がある。

次に、本発明の切削装置について説明する。図３は、図１及び図２の切削工具１０を備える本発明の切削装置の構成例を示す断面図である。

図３の切削装置３０は、中央に円孔１１を備える円盤状の切削工具１０及び前記の円孔１１の周縁に近接する位置（切削ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の位置）にて切削工具１０を保持する回転軸３２などから構成されている。この切削装置３０が備える円盤状の切削工具１０は、中央に円孔１１を備える円盤状の切削ブレード１２、およびブレード１２の各々の側の表面にブレード１２と同軸に固定されている、ブレード１２の直径よりも小さな外径と、前記円孔１１の直径よりも大きな内径とを有する連続の環状の超音波振動子１４から構成されており、そして切削ブレード１２は、各々の環状の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側でかつ回転軸３２により保持される部位よりも外周側にてブレード１２の厚み方向に伸びる、不連続の環状の空気相空間（ブレード１２に形成された四つの弧状の長孔１５の内部の空気相空間）との界面からなる超音波反射面１６を備えている。

切削装置３０の回転軸３２は、その周囲に前記の切削工具１０を保持するための保持具３３を備えている。この保持具３３は、回転軸３２の周囲にボルト３７を用いて固定されている、切削工具１０の側に環状の突起３４ａを持つフランジ３４を備えたスリーブ３６、およびスリーブ３６の周囲にナット３８を用いて固定されている、切削工具１０の側に環状の突起３５ａを持つフランジ３５などから構成されている。保持具３３は、例えば、チタン、あるいはステンレススチールに代表される金属材料から形成される。

図３に示すように、切削装置３０の回転軸３２は、その保持具３３が備える一対の環状の突起３４ａ、３５ａにより、切削工具１０を切削ブレード１２の円孔１１に近接する位置（ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の位置）にて保持している。

また、切削装置３０には、電源２１及びロータリートランス２２が備えられている。ロータリートランス２２は、回転軸３２の周方向に沿って環状に巻かれたコイル２３ａを備える環状の電力供給ユニット２３と、同様のコイル２４ａを備える環状の電力受容ユニット２４から構成されている。

図３に示すように、前記の環状の電力供給ユニット２３は、例えば、回転軸３２の周囲に回転軸３２と非接触に配置された状態にて、モータ３１の本体の端面に固定される。そして環状の電力受容ユニット２４は、例えば、モータ３１の回転軸３２に装着されたスリーブ３６の周囲に固定される。

このようなロータリートランス２２を用いることにより、電力供給ユニット２３のコイル２３ａに供給された電気エネルギー（例、交流電圧）を、回転中の電力受容ユニット２４のコイル２４ａに供給することができる。ロータリートランス２２は、多くの文献（例えば、前記の特許文献１）に記載されて公知であるため、その動作原理や機能に関する詳しい説明は省略する。また、ロータリートランス２２に代えて、スリップリングを用いることもできる。

そして電源２１にて発生した電気エネルギー（例、交流電圧）を、電気配線２５ａ、２５ｂを介して電力供給ユニット２３のコイル２３ａに付与すると、この電気エネルギーは、電力受容ユニット２４のコイル２４ａに伝わり、このコイル２４ａに接続された電気配線２６ａ、２６ｂを介して各々の超音波振動子１４に付与される。この電気エネルギーの付与により、各々の超音波振動子１４は超音波振動を発生する。なお、各々の超音波振動子１４の切削ブレード１２の側の電極と、電力受容ユニット２４のコイル２４ａとは、前記の電気配線２６ａ、スリーブ３６、そしてブレード１２を介して互いに電気的に接続されている。

この切削装置３０においては、例えば、以下の手順によって加工対象物の切削（切断あるいは溝入れ）が行なわれる。

先ず、モータ３１を駆動して、切削工具１０を保持している回転軸３２を回転させる。次いで、電源２１にて発生した電気エネルギーを、電気配線２５ａ、２５ｂ、ロータリートランス２２、電気配線２６ａ、２６ｂを介して各々の超音波振動子１４に付与することにより、各々の超音波振動子１４にて、振動子１４の径方向に振動する超音波振動を発生させる。この超音波振動は切削ブレード１２に付与されて、ブレード１２はその径方向に超音波振動する。そして、このように超音波振動しながら回転する切削ブレード１２の外周縁部の刃先を加工対象物に接触させることにより、加工対象物の切削（例、切断あるいは溝入れ）が行なわれる。

図３の切削装置３０においては、切削工具１０が、ブレード１２の円孔１１の周縁に近接する位置（ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の位置）にて、モータ３１の回転軸３２が備える保持具３３によって保持されている。

このため、切削加工を行なう際に超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動は、その大部分が超音波反射面１６にて反射されてブレード１２の外周側に伝わり、ブレード１２の超音波反射面１６よりも内周側の部分、そしてブレード１２を保持する回転軸３２には殆ど伝わらない。

従って、超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動は、切削ブレード１２の超音波反射面１６よりも外周側の部分（刃先を持つ部分）を振動させるために有効に利用される。

図４は、本発明の切削工具の別の構成例を示す断面図である。

図４の切削工具４０の構成は、切削ブレード４２が、各々の環状の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側でブレード４２の厚み方向に伸びる、不連続の環状の空気相空間（すなわち、ブレード４２に互いに非空間部を介して形成された合計で四つの弧状の長孔４５、４５、〜の内部の空気相空間）との界面からなる超音波反射面４６を、各々の超音波振動子１４の内周縁よりも外周側の位置に備えていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

このように、本発明の切削工具の切削ブレードが備える超音波反射面は、図１及び図２に示す切削工具１０の超音波反射面１６のように、切削ブレード１２の各々の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側の位置に備えられていてもよいし、図４に示す切削工具４０の超音波反射面４６のように、切削ブレード４２の各々の超音波振動子１４の内周縁よりも外周側の位置に備えられていてもよい。但し、後者の超音波反射面、例えば、図４に示す切削工具４０の超音波反射面４６は、切削ブレード４２の超音波反射面４６よりも外周側の部分（刃先を持つ部分）に超音波振動が付与されるように、ブレード４２の各々の超音波振動子１４の外周縁よりも内周側の位置に備えられていることが必要である。

図４の切削工具４０のように、超音波反射面４６が切削ブレード４２の各々の超音波振動子１４の内周縁よりも外周側の位置に備えられている場合であっても、各々の超音波振動子１４にて発生した超音波振動の大部分は、超音波反射面４６によりブレード４２の外周側に反射される。また、切削ブレード４２の各々の超音波振動子１４の内周縁よりも内周側には空気相空間（各々の弧状の長孔４５の内部の空気相空間）が存在するため、各々の超音波振動子１４がブレード４２の超音波反射面４６よりも内周側の部分に接触して超音波振動を付与することはなく、このような超音波振動がブレード４２を保持している回転軸に伝わることもない。

このため、切削工具４０においても、超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動は、切削ブレード４２の超音波反射面４６よりも外周側の部分（刃先を持つ部分）を振動させるために有効に利用される。

従って、本発明の切削工具４０は、その切削ブレード４２の刃先をブレードの径方向に大きな振幅にて超音波振動させることができるため、加工対象物を高い精度で切削することができる。

図５は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図であり、そして図６は、図５に記入した切断線II−II線に沿って切断した切削工具５０の断面図である。

切削工具５０の構成は、切削ブレード５２の各非空間部１８の内周側にブレード５２を横断する別の弧状の空気相空間（各々の弧状の長孔５５の内部の空気相空間）が形成され、追加の超音波反射面５６を構成していること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

すなわち、切削工具５０の切削ブレード５２は、各々ブレード５２を横断する弧状の空気相空間（弧状の長孔１５の内部の空気相空間）との界面からなる複数の反射面１７、１７、１７、１７から構成される超音波反射面１６と、各々非空間部１８の内周側にてブレード５２を横断する弧状の空気相空間（弧状の長孔５５の内部の空気相空間）からなる複数の反射面５７、５７、５７、５７から構成される追加の超音波反射面５６とを備えている。

切削ブレード５２に前記の追加の超音波反射面５６が備えられていると、ブレード５２の超音波反射面１６を構成する反射面１７と反射面１７との間の部分（非空間部１８）をブレード５２の内周側へと伝わる超音波振動の大部分が、追加の超音波反射面５６を構成する各々の反射面５７により反射されてブレード５２の外周側へと伝わるため、超音波振動子１４、１４にて発生した超音波振動が、ブレード５２の内周側の部分、そしてブレード５２を保持する回転軸に更に伝わり難くなる。

このように、切削工具５０においては、切削ブレード５２の周方向の全体、そして厚み方向の全体に超音波反射面１６あるいは超音波反射面５６が備えられているため、各々の超音波振動子１４にて発生した超音波振動は、ブレード５２の外周側の部分（刃先を持つ部分）を振動させるために極めて有効に利用される。

従って、切削工具５０は、その切削ブレード５２の刃先をブレードの径方向に更に大きな振幅にて超音波振動させることができるため、加工対象物を極めて高い精度で切削することができる。

図７は、本発明の切削装置の別の構成例を示す断面図である。

図７の切削装置７０の構成は、図５及び図６に示す切削工具５０が用いられていること、切削工具５０の保持具７３の構成が異なること以外は図３の切削装置３０と同様である。

切削装置７０の回転軸３２が備える保持具７３は、回転軸３２の周囲にボルト７７を用いて固定されている、切削工具５０の側に環状の突起７４ａを持つフランジ７４を備えたスリーブ７６、およびスリーブ７６の周囲にねじ込み固定されている、切削工具５０の側に環状の突起７５ａを持つフランジ７５などから構成されている。

この切削工具７０の回転軸３２は、その保持具７３が備える一対の環状の突起７４ａ、７５ａにより、切削工具５０を切削ブレード５２の円孔１１に近接する位置（ブレード５２の各々の超音波反射面よりも内周側の位置）にて保持している。

そして、前記の保持具７３のフランジ７４、７５の各々は、切削ブレード５２の各々の長孔１５及び各々の長孔５５の開口を覆うようにして外周側に伸びており、更に外周縁部の切削工具の側に、ブレード５２の表面に近接配置された環状の突起７４ｂ、７５ｂを備えている。これにより、切削工具５０を、例えば、数千〜数万回転の高速で回転させた場合に、高速で回転する各々の長孔１５及び各々の長孔５５の内部あるいはその近傍での気流の乱れが原因で発生する風切り音などの騒音を低減することができる。

図８は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。

図８の切削工具８０の構成は、環状の空気相空間が、互いに非空間部８８を介してブレード８２を横断して形成された複数の円形の空気相空間（円形の孔８５の内部の空気相空間）から構成されていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

すなわち、この切削工具８０が備える切削ブレード８２の超音波反射面８６は、各々ブレードを横断する複数の円形の空気相空間（円形の孔８５の内部の空気相空間）との界面からなる複数の反射面８７、８７、〜から構成されている。

このように、本発明の切削工具においては、環状の空気相空間を、互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された複数の円形（長円を含む）もしくは多角形（好ましくは、三〜八角形）の空気相空間から構成することもできる。

図９は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。

図９の切削工具９０の構成は、環状の空気相空間が、互いに非空間部９８を介してブレード９２を横断して形成された複数の六角形の空気相空間（六角形の孔９５の内部の空気相空間）から構成され、更に前記の各非空間部９８の内周側にブレード９２を横断する別の六角形の空気相空間（六角形の孔９５ａの内部の空気相空間）が形成されて追加の超音波反射面９６ａを構成していること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

すなわち、この切削工具９０の切削ブレード９２は、各々ブレード９２を横断する六角形の空気相空間（六角形の孔９５の内部の空気相空間）との界面からなる複数の反射面９７、９７〜から構成される超音波反射面９６と、各々非空間部９８の内周側にてブレードを横断する六角形の空気相空間（六角形の孔９５ａの内部の空気相空間）との界面からなる複数の反射面９７ａ、９７ａ、〜から構成される追加の超音波反射面９６ａとを備えている。

切削ブレード９２は、その内周側の部分と外周側の部分とが、ブレード９２に形成された複数の六角形の孔９５、９５、〜及び複数の六角形の孔９５ａ、９５ａ、〜の周囲に形成されるハニカム構造を介して互いに接続されているために高い剛性を示す。このため、切削工具９０を高速で回転させた際に生じる遠心力により切削ブレード９２に生じる変形量を小さくすることができる。従って、切削工具９０は、例えば、数千〜数万回転の高速で回転した場合にも高い回転精度を示し、このため高い加工精度が実現する。

図１０は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。

図１０の切削工具１００の構成は、環状の空気相空間が、ブレード１０２の軸に対して軸対称に互いに非空間部１０８を介してブレード１０２を横断して形成された、各々ブレード１０２の半径方向に対して傾斜する複数のスリット状の空気相空間（スリット状の孔１０５の内部の空気相空間）から構成されていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

すなわち、この切削工具１００が備える切削ブレード１０２の超音波反射面１０６は、各々ブレード１０２を横断する複数のスリット状の空気相空間（スリット状の孔１０５の内部の空気相空間）との界面からなる複数の反射面１０７、１０７、〜から構成されている。

このように、本発明の切削工具においては、環状の空気相空間を、互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された複数のスリット状の空気相空間から構成することもできる。

図１１は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図であり、そして図１２は、図１１に記入した切断線III−III線に沿って切断した切削工具１１０の断面図である。

図１１の切削工具１１０の構成は、環状の空気相空間が、環状の多孔質材料により構成されていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

この切削工具１１０の切削ブレード１１２は、例えば、ブレード１１２の内周側部分１１２ａと外周側部分１１２ｂとの間に多孔質材料製のリング１１２ｃを配置して、これらを各々互いに溶接（あるいは接着など）することにより作製することができる。

すなわち、この切削工具１１０の超音波反射面１１６は、多孔質材料製のリング１１２ｃの多数の気泡（空気相空間）１１５、１１５、〜との界面からなる複数の反射面１１７、１１７、〜から構成されている。

このように、本発明の切削工具においては、環状の空気相空間を、環状の多孔質材料から構成することもできる。

多孔質材料の代表例としては、吸音材や断熱材として用いられる多孔質金属材料が挙げられる。前記の多孔質材料製のリング１１２ｃは、例えば、青銅、ステンレススチール、ニッケル、あるいはチタンなどの金属粉末（もしくは金属繊維）を圧縮成形して焼結することにより作製することができる。多孔質金属の各々の気泡の直径は、その製造方法にもよるが、一般に１０ｎｍ〜数ｍｍの範囲内にある。

多孔質材料製のリング１１２ｃの密度（かさ密度）は、切削ブレード１１２の外周側部分１１２ｂの密度の５〜７５％の範囲内の値に設定することが好ましい。多孔質材料製リング１１２ｃの密度を、切削ブレード１１２の外周側部分１１２ｂの密度の５％未満の値に設定するとブレード１１２の剛性が小さくなり、そして７５％を超える値に設定すると超音波反射面１１６にて反射される超音波振動の量が少なくなる。

また、図１２に示すように切削工具１１０の切削ブレード１１２には、ブレードを横断する孔（例、前記の弧状の長孔）が形成されていない。このため、切削工具１１０は、例えば、数千〜数万回転の高速で回転させた場合であっても風切り音などの騒音を発生し難い。

なお、例えば、前記の図１の切削工具１０の切削ブレード１２の各々の長孔１５の内部に発泡樹脂（例、発泡ウレタン樹脂）に代表される多孔質材料を充填することにより、切削工具１０を高速で回転させた場合に発生する風切り音などの騒音を小さくすることができる。

図１３は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図であり、そして図１４は、図１３に記入した切断線IV−IV線に沿って切断した切削工具１３０の断面図である。

図１３及び図１４に示す切削工具１３０の構成は、切削ブレード１３２の一方の表面に超音波反射面１３６ａを構成する環状の溝１３５ａが形成されており、さらに他方の表面に追加の超音波反射面１３６ｂを構成する環状の溝１３５ｂが形成されていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

このように、超音波反射面は、切削ブレードの表面から厚み方向に伸びる環状の溝の内部の空気相空間（環状の空気相空間）との界面から構成することもできる。

切削ブレードの一方の表面にのみ環状の溝を形成する場合、前記の溝の深さは、切削ブレードの厚さの１／４〜３／４（好ましくは１／２〜３／４）の範囲内の深さに設定することが好ましい。溝の深さを切削ブレードの厚みの１／４未満の深さに設定すると、切削ブレードの超音波反射面よりも外周側の部分から内周側の部分に伝わる超音波振動の量が増加するため、切削ブレードの刃先に生じる超音波振動の振幅が小さくなる。その一方で、溝の深さを切削ブレードの厚みの３／４を超える深さに設定すると、切削ブレードの超音波反射面よりも外周側の部分が、内周側の部分に不安定に支持されるようになり、切削工具の回転精度と加工精度が低下する。また、図１４に示すように、切削ブレードの各々の表面に環状の溝を互いに対向した状態にて形成する場合、両者の溝の深さを合計した値が前記の範囲内にあることが好ましい。

なお、前記の環状の溝は、切削ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードに形成された、複数の溝（例、弧状の溝、スリット状の溝）あるいは複数の凹部（例、円形もしくは多角形の凹部）から構成することもできる。

図１５は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す断面図である。

図１５の切削工具１５０の構成は、切削ブレード１５２の一方の表面にのみ超音波振動子１４が固定されていること、超音波反射面１５６ａを構成する環状の空気相空間が、ブレード１５２の一方の表面から厚さの１／２を超えて伸びた環状の溝１５５ａにより構成され、そして前記の環状の溝１５５ａの内周側にさらに、ブレード１５２の他方の表面から厚さの１／２を超えて伸びる、追加の超音波反射面１５６ｂを構成する環状の溝１５５ｂが形成されていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

切削工具１５０においては、切削ブレード１５２の周方向の全体、そして厚み方向の全体に超音波反射面１５６ａあるいは超音波反射面１５６ｂが備えられている。このため、超音波振動子１４にて発生した超音波振動は、切削ブレード１５２の内周側の部分、そしてブレード１５２を保持する回転軸に更に伝わり難くなり、ブレード１５２の外周側の部分（刃先を持つ部分）を振動させるために極めて有効に利用される。

従って、切削工具１５０は、その切削ブレード１５２の刃先をブレードの径方向に更に大きな振幅にて超音波振動させることができるため、加工対象物を極めて高い精度で切削することができる。

なお、図１５の切削工具１５０のように、切削ブレードの各々の表面に環状の溝を互いに対向しない状態にて形成する場合、前記の各々の溝の深さは、切削ブレードの厚みの１／４〜３／４（好ましくは１／２〜３／４）の範囲内の深さに設定することが好ましい。また、前記の両者の溝の深さを合計した値は、切削ブレードの厚みの７５〜１５０％（好ましくは、９０〜１１０％）の範囲内にあることが好ましい。両者の溝の深さを合計した値を切削ブレードの厚みの１００％以上の値に設定すると、切削ブレードの厚み方向の全体に超音波反射面を形成することができる。

図１６は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す断面図である。

図１６の切削工具１６０の構成は、切削ブレード１６２が、ブレードの厚み方向に形成された環状の切り欠き１６５ａの内側の空気相空間との界面からなる超音波反射面１６６ａと、同様の環状の切り欠き１６５ｂの内側の空気相空間との界面からなる追加の超音波反射面１６６ｂとを備えていること以外は図１及び図２に示す切削工具１０と同様である。

このように、超音波反射面は、切削ブレードに形成された環状の切り欠きの内側の空気相空間（環状の空気相空間）との界面から構成することもできる。

図１７は、本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図であり、そして図１８は、図１７に記入した切断線Ｖ−Ｖ線に沿って切断した切削工具１７０の断面図である。

図１７の切削工具１７０の構成は、環状の超音波振動子１７４が互いに間隔を介して配置された複数の超音波振動子片１７４ａ、１７４ａ、〜から構成され、隣接する超音波振動子片の間のブレード１７２に空気相空間（スリット状の孔１７９の内部の空気相空間）が形成されていること以外は図５の切削工具５０と同様である。

このように、本発明の切削工具においては、切削ブレードが備える環状の超音波振動子を、複数の超音波振動子片から構成する（不連続の環状の超音波振動子を用いる）こともできる。これにより、本発明の切削工具に大きなサイズの切削ブレード、すなわち大きな直径を持つ環状の超音波振動子を用いる場合に、環状の超音波振動子を複数の超音波振動子片を用いて容易に構成することができるようになる。これらの複数の超音波振動子片は、切削ブレードの中心軸に対して軸対称に配置されていることが好ましい。

前記の超音波振動子片は、その製造が容易であるため矩形の形状であることが好ましいが、円形（長円形を含む）あるいは矩形以外の多角形の形状であってもよい。

このように、環状の超音波振動子が複数の超音波振動子片から構成されている場合には、例えば、図１７に示すように、隣接する超音波振動子片１７４ａ、１７４ａの間のブレード１７２に空気相空間（ブレード１７２の径方向に伸びるスリット状の孔１７９の内部の空気相空間）を形成することが好ましい。

このような空気相空間（スリット状の孔１７９の内部の空気相空間）により、切削ブレード１７２の互いに隣接する振動子片１７４ａと振動子片１７４ａとの間の部位を、ブレード１７２の表面と平行な面に沿って且つブレード１７２の径方向に対して傾斜する方向に伝わる振動（例、面内曲げ振動）の発生が抑制される。このため、切削ブレード１７２の超音波反射面１６よりも外周側の部分（刃先を持つ部分）を、スリット状の孔１７９、１７９、〜が備えられていない場合と比較して、更に大きな振幅にてブレード１７２の径方向に超音波振動させることができる。

本発明の切削工具においては、切削ブレードの周方向の５０〜１００％（好ましくは７０〜９０％、特に９０〜１００％）の範囲内の部分に超音波反射面が形成されていることが望ましい。特に、前記の図５、図１５あるいは図１７の切削工具のように、切削ブレードの周方向の全体、そして厚み方向の全体に超音波反射面が備えられていることが好ましい。

本発明の切削工具の構成例を示す平面図である。 図１に記入した切断線Ｉ−Ｉ線に沿って切断した切削工具１０の断面図である。 本発明の切削装置の構成例を示す断面図である。 本発明の切削工具の別の構成例を示す断面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 図５に記入した切断線II−II線に沿って切断した切削工具５０の断面図である。 本発明の切削装置の別の構成例を示す断面図である。但し、切削ブレード５２の各々の超音波振動子１４とロータリートランス２２の電力受容ユニット２４とを接続する電気配線、そしてロータリートランス２２の電力供給ユニット２３に接続される電気配線及び電源の記載は省略した。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 図１１に記入した切断線III−III線に沿って切断した切削工具１１０の断面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 図１３に記入した切断線IV−IV線に沿って切断した切削工具１３０の断面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す断面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す断面図である。 本発明の切削工具の更に別の構成例を示す平面図である。 図１７に記入した切断線Ｖ−Ｖ線に沿って切断した切削工具１７０の断面図である。

符号の説明

１０ 切削工具
１１ 円孔
１２ 切削ブレード
１４ 超音波振動子
１５ 弧状の長孔
１６ 超音波反射面
１６ａ 空気相空間との界面
１７ 超音波反射面１６を構成する反射面
１８ 非空間部
２１ 電源
２２ ロータリートランス
２３ 電力供給ユニット
２４ 電力受容ユニット
２３ａ、２４ａ コイル
２５ａ、２５ｂ 電気配線
２６ａ、２６ｂ 電気配線
３０ 切削装置
３１ モータ
３２ 回転軸
３３ 保持具
３４、３５ フランジ
３４ａ、３５ａ 突起
３６ スリーブ
３７ ボルト
３８ ナット
４０ 切削工具
４２ 切削ブレード
４５ 弧状の長孔
４６ 超音波反射面
５０ 切削工具
５２ 切削ブレード
５５ 弧状の長孔
５６ 超音波反射面
５７ 超音波反射面５６を構成する反射面
７０ 切削装置
７３ 保持具
７４、７５ フランジ
７４ａ、７５ａ 突起
７４ｂ、７５ｂ 突起
７６ スリーブ
７７ ボルト
８０、９０、１００ 切削工具
８２、９２、１０２ 切削ブレード
８５ 円形の孔
８６、９６、９６ａ、１０６ 超音波反射面
８７、９７、９７ａ、１０７ 超音波反射面を構成する反射面
８８、９８、１０８ 非空間部
９５、９５ａ 六角形の孔
１０５ スリット状の孔
１１０ 切削工具
１１２ 切削ブレード
１１２ａ 切削ブレード１２２の内周側部分
１１２ｂ 切削ブレード１２２の外周側部分
１１２ｃ 多孔質材料製のリング
１１５ 気泡
１１６ 超音波反射面
１１７ 超音波反射面１１６を構成する反射面
１３０、１５０ 切削工具
１３２、１５２ 切削ブレード
１３５ａ、１３５ｂ、１５５ａ、１５５ｂ 環状の溝
１３６ａ、１３６ｂ、１５６ａ、１５６ｂ 超音波反射面
１６０ 切削工具
１６２ 切削ブレード
１６５ａ、１６５ｂ 環状の切り欠き
１６６ａ、１６６ｂ 超音波反射面
１７０ 切削工具
１７２ 切削ブレード
１７４ 超音波振動子
１７４ａ 超音波振動子片
１７９ スリット状の孔

Claims (20)

1. 中央に円孔を備える円盤状の切削ブレード、および該ブレードの少なくとも一方の側の表面に該ブレードと同軸に固定されている、該ブレードの直径よりも小さな外径と、該円孔の直径よりも大きな内径とを有する連続もしくは不連続の環状の超音波振動子からなり、該切削ブレードが、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側で該ブレードの厚み方向に伸びる、連続もしくは不連続の環状の空気相空間との界面からなる超音波反射面を備えている円盤状の切削工具。
2. 環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、複数の弧状の空気相空間から構成されている請求項１に記載の切削工具。
3. 各非空間部の内周側にブレードを横断する別の弧状の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している請求項２に記載の切削工具。
4. 環状の空気相空間が、互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された複数の円形もしくは多角形の空気相空間から構成されている請求項１に記載の切削工具。
5. 各非空間部の内周側にブレードを横断する別の円形もしくは多角形の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している請求項４に記載の切削工具。
6. 環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、各々ブレードの半径方向に対して傾斜する複数のスリット状の空気相空間から構成されている請求項１に記載の切削工具。
7. 環状の空気相空間が、環状の多孔質材料により構成されている請求項１に記載の切削工具。
8. 環状の空気相空間が、ブレードの一方の表面から厚さの１／２を超えて伸びた環状の溝により構成されている請求項１に記載の切削工具。
9. 環状の溝の内周側にさらに、ブレードの他方の表面から厚さの１／２を超えて伸びる、追加の超音波反射面を構成する環状の溝が形成されている請求項８に記載の切削工具。
10. 環状の超音波振動子が互いに間隔を介して配置された複数の超音波振動子片から構成され、隣接する超音波振動子片の間のブレードに空気相空間が形成されている請求項１に記載の切削工具。
11. 中央に円孔を備える円盤状の切削工具及び該円孔の周縁に近接する位置にて切削工具を保持する回転軸を含む切削装置であって、該円盤状の切削工具が、中央に円孔を備える円盤状の切削ブレード、および該ブレードの少なくとも一方の側の表面に該ブレードと同軸に固定されている、該ブレードの直径よりも小さな外径と、該円孔の直径よりも大きな内径とを有する連続もしくは不連続の環状の超音波振動子からなり、該切削ブレードが、環状の超音波振動子の内周縁よりも内周側でかつ回転軸により保持される部位よりも外周側にて該ブレードの厚み方向に伸びる、連続もしくは不連続の環状の空気相空間との界面からなる超音波反射面を備えている切削工具である切削装置。
12. 環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、複数の弧状の空気相空間から構成されている請求項１１に記載の切削装置。
13. 各非空間部の内周側にブレードを横断する別の弧状の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している請求項１２に記載の切削装置。
14. 環状の空気相空間が、互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された複数の円形もしくは多角形の空気相空間から構成されている請求項１１に記載の切削装置。
15. 各非空間部の内周側にブレードを横断する別の円形もしくは多角形の空気相空間が形成され、追加の超音波反射面を構成している請求項１４に記載の切削装置。
16. 環状の空気相空間が、ブレードの軸に対して軸対称に互いに非空間部を介してブレードを横断して形成された、各々ブレードの半径方向に対して傾斜する複数のスリット状の空気相空間から構成されている請求項１１に記載の切削装置。
17. 環状の空気相空間が、環状の多孔質材料により構成されている請求項１１に記載の切削装置。
18. 環状の空気相空間が、ブレードの一方の表面から厚さの１／２を超えて伸びる環状の溝により構成されている請求項１１に記載の切削装置。
19. 環状の溝の内周側にさらに、ブレードの他方の表面から厚さの１／２を超えて伸びる、追加の超音波反射面を構成する環状の溝が形成されている請求項１８に記載の切削装置。
20. 環状の超音波振動子が互いに間隔を介して配置された複数の超音波振動子片から構成され、隣接する超音波振動子片の間のブレードに空気相空間が形成されている請求項１１に記載の切削装置。

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