JP2007007810A - 超音波加工スピンドル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品の摩耗や損傷を生ずることなく、また、定期的な部品交換を要することなく、超音波発生素子へ対する安定した電気信号の供給を可能する。
【解決手段】加工スピンドル１０１の軸３０を構成するハウジング１の外周面には、振動子６に接続された受信コイル１１が巻装される一方、その周囲には、同軸状に送信コイル１２が適宜な間隔を隔てて設けられており、超音波駆動装置２１から出力された振動子６を駆動するための所定の電気信号が送信コイル１２に印加され、送信コイル１２と受信コイル１１間の電磁誘導により受信コイル１１を介して振動子６へ所定の電気信号の印加が可能となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、超音波加工スピンドル装置に係り、特に、超音波発生素子へ対する電力供給の信頼性向上、構造の簡素化等を図ったものに関する。

近年、工具の軸方向に超音波振動を与えながら加工作業を行う超音波ミリングと称される加工法を用いた工作機械が、加工精度の向上や切粉の円滑な排出等を実現できることから種々提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
このような超音波ミリングを行う装置において、超音波を発生する素子は、通常、回転工具の近傍に取り付けられて、工具と共に回転する構造が採られている。そして、かかる超音波発生素子は、電気信号の供給が必要であるが、この電気信号の供給に際しては、回転工具が保持される軸にスリップリングを取り付けると共に、このスリップリングに対して摺動可能に給電ブラシを設けた構成とするのが最も一般的である。

特開２００２−３４６８１７号公報（第３−６頁、図１−図６）

しかしながら、上述のような従来の構成では、スリップリングと給電ブラシとが常に接触するため、摩耗や損傷が激しく、そのため、給電ブラシの交換が頻繁となるばかりか、安定で信頼性の高い加工作業が確保できないという問題に加え、スリップリングにおける摩耗や損傷の軽減のために回転数には限界があり、高速回転の要請に応えることができなかった。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、摩耗や損傷を生ずることなく、また、定期的な部品交換を要することなく、超音波発生素子へ対する安定した電気信号の供給を可能とし、しかも、高速回転を確保することのできる超音波加工スピンドル装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る超音波加工スピンドル装置は、
工作工具が取着されると共に、前記工作工具を超音波振動せしめる超音波を発生する振動子が配設されてなる軸を有してなる超音波加工スピンドル装置であって、
前記軸には前記振動子に接続され、外部から非接触で送信された前記振動子の励振信号を受信する受信手段が設けられる一方、
前記軸の近傍には、前記受信手段に対して非接触で前記超音波素子へ対する電気振信号を送信する送信手段が設けられてなるものである。

本発明によれば、従来と異なり、振動子を駆動するための電気的エネルギ−を軸の周囲から非接触で供給できるので、かかる電気的得ネルギー供給のために摩耗、損傷等するような部品がないばかりか、従来の給電ブラシのように定期的な交換を必要とする部品を用いる必要がなく、そのため、振動子の駆動を安定して行うことができ、ひいては信頼性の高い超音波加工スピンドル装置を提供することができるという効果を奏するものである。
また、従来と異なり、回転速度に制限を及ぼすような例えば、スリップリングのようなものを必要としない構成であるため、従来に比してより高い回転数で安定した工作物の加工ができるという効果を奏するものである。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図３を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
図１は、特に、本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置Ｓの主要部となる加工スピンドル１０１及びその近傍の構成を示したもので、加工スピンドル１０１は、軸受け２ａか２ｂに回動可能に支持された軸３０と、この軸３０を回動するための高周波モータ５０を有すると共に、軸３０には後述するように超音波発生素子としての振動子６、ホーン８などが設けられ、また、その先端部には工作工具９を取着する工具把持部１３が設けられて構成されたものとなっている。

以下、具体的に説明すれば、まず、軸３０の両端部近傍の外周には、ボールベアリングによる軸受け２ａ，２ｂが外装されると共に、この軸受け２ａ，２ｂは、本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置Ｓの図示されない固定部位に支持されるようになっており、それによって軸３０が回動可能に軸受け２ａ，２ｂによって支持されたものとなっている。なお、軸受け２ａ，２ｂは、ボールベアリングに限定される必要はなく、軸３０を回動可能に支持できるものであれば種類を問わない。例えば、エアーベアリング等の流体軸受けであってもよい。

さらに、軸３０の中央付近からやや後端部側へ寄った部位の外周には、高周波モータ５０が組み込まれている。すなわち、高周波モータ５０は、軸３０の外周面にロータ５１が固着される一方、このロータ５１を囲むようにステータ５２が配置されたものとなっている。そして、ロータ５１の回転と共に軸３０が回転できるようになっている。
なお、かかる高周波モータ５０は、公知・周知の構成のものであるので、ここでの詳細な説明は省略することとする。

一方、軸３０は、ハウジング１と、後述するようにその内部に配設される振動子６、ホーン８などを有して構成されたものとなっている。
ハウジング１は、細長中空状に形成されて、その後端部側（工具把持部１３が設けられる端部と反対側）に開口し、ハウジング１の中心軸に沿って適宜な位置まで外部から切削油を供給するための油路３が形成されている。そして、この油路３に連通すると共にハウジング１の他端側に開口するようにして配設孔４が穿設されている。
配設孔４は、油路３に直接連通する小径部５ａと、この小径部５ａに続く大径部５ｂとが形成されたものとなっている。

小径部５ａには、例えば、圧電素子による振動子６が収納されている。この振動子６には、振動子６の電気的振動を超音波振動に変換するための超音波トランスデューサ７が接続されており、この構成例では、小径部５ａ近傍の大径部５ｂ内に配設されたものとなっている。
そして、この超音波トランスデューサ７には、超音波振動を効率よく伝導させるためのほぼ円柱状に形成されたホーン８が接続されて大径部５ｂに配設されたものとなっている。

ホーン８は超音波トランスデューサ７を介して印加された超音波をその軸方向に効率よく伝搬させて、しかも、ホーン８の先端部に設けられた工具把持部１３に取着される工作工具９に最大振幅で超音波振動を伝えるため、使用される超音波周波数やその強度等に応じて適宜な長さに設定されているものである。

本発明の実施例におけるホーン８は、その一端部近傍がハウジング１から外部へ突出して、その部分に工具把持部１３が設けられたものとなっている。
なお、工具把持部１３への工作工具の取り付けは、焼きばめ方式による固定やねじを用いた固定などがあるが、本発明の実施の形態においては、特定のものに限定される必要はなく任意に選択されるべきものである。

さらに、本発明の実施の形態の軸３０には、振動子６に外部から非接触で電気信号の供給を行うための受信コイル１１が設けられており、振動子６に接続されている。すなわち、受信コイル１１は、絶縁部材からなる中空円筒状に形成された受信コイルホルダ１１ａに巻装されてほぼ円筒状に形成されている。そして、この受信コイルホルダ１１ａの中空部分にハウジング１が嵌挿されてハウジング１の適宜な位置に受信コイル１１が外装されたものとなっている。

一方、この受信コイル１１に対して同軸状で、適宜な間隔を介して受信コイル１１を囲むように送信コイル１２が設けられている。この送信コイル１２は、本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置Ｓの図示されない固定部位に取り付けられるものとなっている。
本発明の実施の形態における送信コイル１２は、ほぼ中空円筒状に形成された絶縁部材からなる送信コイルホルダ１２ａの内壁に円筒状となるように巻装されたものとなっている。

この送信コイル１２には超音波駆動装置２１が接続されており、振動子６へ対する所定の電気信号が印加されるようになっている。通常、振動子６の駆動は、パルス信号や正弦波信号などの印加によって行われるが、超音波駆動装置２１からはそのような所定の信号が送信コイル１２に印加されることとなる。

そして、送信コイル１２において生ずる電圧、電流変化によって、受信コイル１１には電磁誘導により送信コイル１２における電圧、電流変化に応じた電圧、電流が生じ、振動子６に印加され、振動子６が駆動されることとなる。なお、受信コイル１１と振動子６との間に、整流回路等を設け、受信コイル１１に誘起された電圧、電流を所望のレベルへの変換、波形整形等を施した後に、振動子６へ印加するような構成としても好適である。
なお、超音波加工スピンドル装置Ｓとしての全体的な動作は、公知のものと基本的に変わるところがないので、その詳細な説明は省略することとする。

上述の構成例においては、受信コイル１１及び送信コイル１２を、ハウジング１の比較的中央部近傍に配設したが、勿論これに限定される必要はなく、例えば、図２に示されたようにハウジング１の後端側に配設するような構成であってもよい。
すなわち、図２においては、ハウジング１の後端部に形成された段部１ａに受信コイル１１Ａが配設される一方、受信コイル１１Ａと同軸状に送信コイル１２Ａが配設されたものとなっている。
なお、動作、機能等については、図１に示された構成例と基本的に変わるところは無いので、再度の詳細な説明は省略することとする。

次に、第２の構成例について、図３を参照しつつ説明する。なお、図１に示された構成例と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第２の構成例は、受信コイル１１Ｂと送信コイル１２Ｂを仮想的な同一軸上に適宜な間隔を隔てて配設した例である。

すなわち、具体的には、受信コイル１１Ｂはハウジング１の後端部に形成された段部１ａに配設されたものとなっており、受信コイル１１Ｂの中心がほぼ軸３０の仮想的な中心軸、換言すれば、ハウジング１の仮想的な中心軸に一致するものとなっている。
一方、送信コイル１２Ｂは、上述の受信コイル１１Ｂの仮想的な中心軸上において、軸３０から離れる方向へ適宜な間隔を隔てて設けられたものとなっている。そして、この送信コイル１２Ｂは、超音波加工スピンドル装置Ｓの図示されない固定部位に支持されるようになっている。
なお、動作、機能等については、図１に示された構成例と基本的に変わるところは無いので、再度の詳細な説明は省略することとする。

このように、本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置においては、従来と異なり、振動子６の駆動のためにスリップリングのような軸の回転速度に制限を及ぼすものを用いることがない構成であるために、従来に比してより高速で、かつ、安定した軸回転を得ることができるものとなっている。

本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置の主要部の構成例を示す構成図である。 図１に示された構成例における受信コイルと送信コイルの他の配設例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における超音波加工スピンドル装置の第２の構成例における主要部の構成を示す構成図である。

符号の説明

１…ハウジング
２ａ，２ｂ…軸受け
６…振動子
７…超音波トランスデューサ
８…ホーン
９…工作工具
１１…受信コイル
１２…送信コイル
３０…軸
５０…高周波モータ
１０１…加工スピンドル

Claims (4)

1. 工作工具が取着されると共に、前記工作工具を超音波振動せしめる超音波を発生する振動子が配設されてなる軸を有してなる超音波加工スピンドル装置であって、
   前記軸には前記振動子に接続され、外部から非接触で送信された前記振動子の励振信号を受信する受信手段が設けられる一方、
   前記軸の近傍には、前記受信手段に対して非接触で前記超音波素子へ対する電気信号を送信する送信手段が設けられてなることを特徴とする超音波加工スピンドル装置。
2. 受信手段は、軸に取着されたコイルを有してなり、送信手段は、前記軸に取着されたコイルと電磁的に結合可能に前記軸近傍に設けられたコイルを有してなることを特徴とする請求項１記載の超音波加工スピンドル装置。
3. 受信手段を構成するコイルは、軸の外周面に設けられる一方、送信手段を構成するコイルは、前記軸の外周面に設けられたコイルを囲むように同軸状に設けられてなることを特徴とする請求項２記載の超音波加工スピンドル装置。
4. 受信手段を構成するコイルと送信手段を構成するコイルは、仮想的な同一の軸上に、適宜な間隔を隔てて設けられてなることを特徴とする請求項２記載の超音波加工スピンドル装置。

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