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【発明の名称】 円盤状ブレード及び切断装置
【発明者】 【氏名】大西 一正

【要約】 【課題】硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物に対して、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供する。

【解決手段】回転軸、軸受けなどを収納するケースに固定側ロータリートランス9aを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ10とフランジ2aを一体化した構成に回転側ロータリートランス9bを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス9aにリード線により接続されている。スリーブ10に切断ブレード1、フランジ2bを入れ、そしてフランジナット12により締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ10を回転軸3にいれ、ナット4により回転軸3に取り付ける。なおフランジ2a、2bには、フランジ2a、2bに表から裏に貫通した8個のスリット13が設けられている。スリット13はフランジ2a、2bの中心軸を通る直線とスリット13の中心線との角度は45度としている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、円盤状のブレードにスリットを持つことを特徴とする。
【請求項2】
円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、フランジにスリットを持つことを特徴とする。
【請求項3】
円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、サポート板にスリットを持つことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【0001】
本発明は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる円盤状のブレードおよび切断装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ガラス、シリコン、シリコンナイトライド、希土類磁石材料もしくは超硬金属などの硬く且つ脆い材料から形成された加工対象物を切断あるいは溝入れするために、円盤状のブレードを備えた切断装置が一般的に用いられている。
【0003】
図1は、特許文献1に記載の従来の切断装置5の構成例を示す正面図であり、そして図2は、図1の切断装置5の側面図である。図1及び図2に示す切断装置5は、回転駆動装置6の回転軸3に取付けられた第一のフランジ2a、円盤状の切断ブレード1、及び第2のフランジ2b、そしてこれらのフランジ2a、2bにより切断ブレード1を締め付け固定するためのナット4から構成されている。そして切断装置5の回転駆動装置6を作動させて円盤状の切断ブレード1を回転させながら、加工対象物を切断あるいは溝入れを行う。
【0004】
一方、工作機械のバイトなどの工具に超音波振動を付与しながら加工対象物を切削する方法は知られている。このような切削方法は、超音波切削加工と呼ばれており、非特許文献1に詳しく記載されている。超音波切削加工は、加工対象物と工具との摩擦抵抗が小さくなるために、加工面の熱歪みが低減され、加工精度が高くなり、そして切削工具の寿命が長くなるなどの利点を有している。
【0005】
特許文献2には、円盤状のブレードを回転させる回転軸に超音波振動子が付設された構成の切断装置が開示されている。この切断装置は、円盤状のブレードを回転させ、かつ超音波振動子にて発生させた超音波振動を、回転軸を介して円盤状のブレードに付与しながら、ブレードの外縁端部にて加工対象物を切断する。この切断装置の円盤状のブレードは、振動伝達方向変換器とナットとにより締め付けられた状態で回転軸の先端に固定される。回転軸に付設された超音波振動子は、回転軸の軸方向に振動する超音波振動を発生させ、この超音波振動は、振動伝達方向変換器によりブレードの径を拡縮させる方向に振動する超音波振動へと変換され、ブレードに付与される。超音波振動の伝達方向を変換するため、回転軸や振動伝達方向変換器は、有限要素法などによる数値計算により所定の形状に設計される。
【特許文献1】特開平8−127023公報
【特許文献2】特開2000−210928公報
【非特許文献1】超音波便覧編集委員会、「超音波便覧」、丸善株式会社、平成11年8月、p679−684
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記の特許文献2に記載の切断装置においては、切断ブレードに付与する超音波振動を付与するために回転軸にランジュバン型超音波振動子を接合している。そして切断ブレードに超音波振動を与えるために、それよりはるかに質量の大きい回転軸などを超音波振動させなければならない。
【0007】
また、切断ブレードに径の拡がり振動だけを励起するようにしているが、円周方向の振動も切削方向の加速度が大きくなるため、切削速度、切削精度が向上することが期待されるが、円周方向の振動は励起できない。
【0008】
本発明の目的は、優れた切断性能を安定して示し、かつ設計が容易な切断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明は、円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、円盤状のブレードにスリットを持つものとすることである。
【0010】
本発明はまた、円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、フランジにスリットを持つものとすることである。
【0011】
本発明はまた、円盤状のブレードを持つ切断装置において、ねじり超音波振動子を持ち、サポート板にスリットを持つものとすることである。
【発明の効果】
【0012】
本発明の円盤状のブレードを持つ切断装置は、切断精度を高めることができる。そして、ブレードの消耗も小さくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明の第1の実施の形態を図3の正面図とそのA−A線での断面図である図4を用いて説明する。フランジに表から裏に貫通した8個のスリットが設けられている。スリットはフランジの中心軸を通る直線とスリットの中心線との角度は45度である。ここでは、45度としたが、ねじり振動を拡縮振動に変換するためには、10度以上80度以下の角度でよい前記範囲外ではねじり振動を拡縮振動にほとんど変換できなくなる。
【0014】
ここで、図6に用いられているねじり振動を励起する圧電素子8について図8の斜視図を用いて説明する。図中の矢印方向に分極されている。そして、分極方向に垂直方向に交流電界を印加することにより矢印方向に振動する。
【0015】
前記フランジを用いた切断装置5を図5の正面図、そして図5のA−A線で切断した図6の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図5のスリットを省略した。まず、回転軸3、図示しない軸受けなどを収納するケース11に固定側ロータリートランス9aを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ10とフランジ2aを一体化した構成に回転側ロータリートランス9bを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス9aにリード線により接続されている。
【0016】
スリーブ10に圧電素子8a、8bを入れ、フランジ2aにより締め付け一体化する。次に、切断ブレード1とフランジ2bをスリーブ10に入れ、フランジナット12によりスリーブ10に固定する。そして、一体化したスリーブ10を回転軸3にいれ、ナット4により回転軸3に取り付ける。
【0017】
ここで切断ブレード1は円形基板と電着砥粒層とから構成されている。円形基板は例えば厚さが0.06mm程度で外径が100mm程度の鋼板、アルミなどの金属板からなり、中心部には回転軸に装着するための取り付け穴が形成されている。
【0018】
また、円形基板に電着砥粒層を形成するには、通常の電気メッキ法を用いることができる。すなわち、メッキ槽に収容された硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒を混入せしめ、この硫酸ニッケル液にダイヤモンド砥粒が混入したメッキ液中で円形基板にニッケルメッキすることにより、ダイヤモンド砥粒をニッケルメッキで固定した複合メッキ層からなる電着砥粒層を形成することができる。
【0019】
次に上記の切断装置5の運転方法について同じく図6の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸3を回転させる。次にロータリートランス9a、9bを介して圧電セラミック製の圧電素子8a、8bに図示しない超音波発振回路からの約25KHzの超音波交流電圧を印加する。超音波交流電圧を印加することにより、切断ブレード1は、約25KHzの振動が励起される。次に回転する切断ブレード1と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。
【0020】
加工対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約1/2になり、そしてチッピングの大きさは、約1/2になった。
【0021】
ここで、フランジ2の振動モードについて説明する。圧電素子8のねじり振動がフランジ2に伝播し、スリット13により図7に示す2点鎖線のようにねじり振動の一部が径方向の振動に変換される。このような、ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレードの先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。
【0022】
本発明の第2の実施の形態を図9の正面図とそのA−A線での断面図である図10を用いて説明する。サポート板7に表から裏に貫通した8個のスリットが設けられている。スリット13はサポート板7の中心軸を通る直線とスリット13の中心線との角度は45度である。
【0023】
サポート板7に8個の圧電素子8を、エポキシ樹脂を用いて接合する。ここで用いられているねじり振動を励起する圧電素子8は図8の斜視図に示したものと同じ構成である。
【0024】
前記サポート板7を用いた切断装置5を図11の正面図、そして図11のA−A線で切断した図12の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図11のスリットを省略した。まず、回転軸3、軸受けなどを収納するケース11に固定側ロータリートランス9aを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ10に回転側ロータリートランス9bを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス9aにリード線により接続されている。
【0025】
スリーブ10にサポート板7b、切断ブレード1、サポート板7aを入れ、そしてナット4bにより締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ10を回転軸3にいれ、ナット4aにより回転軸3に取り付ける。
【0026】
次に上記の切断装置5の運転方法について図12の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸3を回転させる。次にロータリートランス9a、9bを介して圧電セラミック製の圧電素子8a、8bに図示しない超音波発振回路からの約25KHzの超音波交流電圧を印加する。超音波交流電圧を印加することにより、切断ブレード13は、約25KHzの振動が励起される。次に回転する切断ブレード13と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。
【0027】
加工対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約1/2になり、そしてチッピングの大きさは、約1/2になった。
【0028】
ここで、圧電素子を接合したサポート板7の振動モードは、図7に示すものと同様である。ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレードの先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。
【0029】
本発明の第3の実施の形態を図13の正面図とそのA−A線での断面図である図14を用いて説明する。切断ブレードに表から裏に貫通した8個のスリットが設けられている。スリットは切断ブレードの中心軸を通る直線とスリットの中心線との角度は45度である。
【0030】
前記スリットを設けた切断ブレードに8個の圧電素子8をエポキシ樹脂を用いて接合する。ここで用いられているねじり振動を励起する圧電素子8は図8の斜視図に示したものと同じ構成である。
【0031】
前記切断ブレード1を用いた切断装置5を図15の正面図、そして図15のA−A線で切断した図16の断面図を用いて示す。なお、図面を簡略にするために図15のスリットを省略した。まず、回転軸3、軸受けなどを収納するケース11に固定側ロータリートランス9aを取り付ける。ここで回転駆動機構、軸受け機構などは図示しない。次にスリーブ10に回転側ロータリートランス9bを図示しないネジにより取り付ける。図示しない超音波発振器が固定側ロータリートランス9aにリード線により接続されている。
【0032】
スリーブに切断ブレード1、そしてナット4bにより締め付け一体化する。そして、一体化したスリーブ10を回転軸3にいれ、ナット4aにより回転軸3に取り付ける。
【0033】
次に上記の切断装置の運転方法について同じく図6の断面図を用いて説明する。まず図示しないモータの電源をいれ回転軸3を回転させる。次にロータリートランス9a、9bを介して切断ブレード1に接合した圧電セラミック製の圧電素子8a、8bに図示しない超音波発振回路からの約25KHzの超音波交流電圧を印加する。超音波交流電圧を印加することにより、切断ブレード1は、約25KHzの振動が励起される。次に回転する切断ブレード1と図示しない加工対象物に冷却水をノズルから与え、加工対象物を切断または溝入れする。
【0034】
加工対象物をガラスにしたときの切断ブレードの消耗量は、超音波振動を印加しないときに比較して約1/2になり、そしてチッピングの大きさは、約1/2になった。
【0035】
ここで、圧電素子8を接合した切断ブレード1の振動モードは、図7に示すものと同様である。ねじり振動と拡縮振動が結合した振動が切断ブレード1の先端に伝播することにより、径方向の加速度に、円周方向の加速度が加わることにより切断能力が高まると推察できる。
【0036】
また、上記の実施の形態では金属製のブレードを用いたが、レジン製のブレードでも同じ効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【0037】
本発明の円盤状のブレードおよび切断装置は、ガラスやシリコンなどの脆い材料から形成された加工対象物の切断あるいは溝入れに有利に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】従来の切断装置の構成例を示す正面図である。
【図2】図1の切断装置の側面図である。
【図3】本発明の第1の実施の形態のフランジを示す正面図である。
【図4】図3のA−A線で切断した断面図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態のフランジを回転軸に取付けた正面図である。
【図6】図5のA−A線で切断した断面図である。
【図7】図3のフランジの振動モードについて説明する図である。
【図8】ねじり振動子である圧電素子の斜視図である。
【図9】本発明の第2の実施の形態のサポート板を示す正面図である。
【図10】図9のA−A線で切断した断面図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態のサポート板などを回転軸に取付けた正面図である。
【図12】図11のA−A線で切断した断面図である。
【図13】本発明の第3の実施の形態の切断ブレードを示す正面図である。
【図14】図13のA−A線で切断した断面図である。
【図15】本発明の第3の実施の形態の切断ブレードなどを回転軸に取付けた正面図である。
【図16】図15のA−A線で切断した断面図である。
【符号の説明】
【0039】
1 切断ブレード
2 フランジ
3 回転軸
4 ナット
5 切断装置
6 回転駆動装置
7 サポート板
8 圧電素子
9 ロータリートランス
10 スリーブ
11 ケース
12 フランジナット
13 スリット
【出願人】 【識別番号】500222021
【氏名又は名称】大西 一正
【出願日】 平成18年10月27日(2006.10.27)
【代理人】 【識別番号】100074675
【弁理士】
【氏名又は名称】柳川 泰男


【公開番号】 特開2008−110593(P2008−110593A)
【公開日】 平成20年5月15日(2008.5.15)
【出願番号】 特願2006−319270(P2006−319270)