次に、本発明の切削もしくは研削装置を� ��付の図面を用いて説明する。

 図1は、本発明の切削もしくは研削装置の 構成例を示す断面図である。そして図2は、� �1の切削もしくは研削装置10が備える工具保� �装置(本発明の工具保持装置)20の斜視図であ� ��。

 切削もしくは研削装置10は、筒状のハウ� �ング11、ハウジング11の内部に軸受12を介し� �支持されている回転軸13、回転軸13の下端部� ��着脱可能に接続されて支持されている、前� ��回転軸との接続部14と、接続部14から下方に 延びる、下端に棒状工具の保持手段15aを持つ 工具保持部15とからなる工具ホルダ16、工具� �持手段15aに保持された切削もしくは研削用� �棒状工具17、工具ホルダ16の工具保持部15に� �えられた超音波振動子18、および超音波振動 子18に電気的に接続されている電源19から構� �されている。そして、切削もしくは研削装� �10において、上記の超音波振動子18と電源19� �の電気的な接続は、ハウジング11の内周面に 備えられ、電源19に電気的に接続している環� ��の電力供給手段21aと、電力供給手段21aと対� ��する位置にて、工具ホルダ16の工具保持部15 の外周面に備えられ、超音波振動子18に電気� ��に接続している環状の電力受容手段21bとか� ��なるロータリートランス21を介してなされ� �いる。

 図1に示す切削もしくは研削装置10のハウ� ��ング11、軸受12及び回転軸13としては、公知� ��マシニングセンタが備えるハウジング、軸� ��及び回転軸が用いられている。マシニング� ��ンタの構成は周知であるため、それらの詳� ��な説明は省略する。また、本発明の切削も� ��くは研削装置は、ボール盤やフライス盤に� ��表される、切削もしくは研削用の棒状工具� ��回転させる公知の機械加工装置のハウジン� ��、軸受及び回転軸を用いて構成することも� ��きる。

 回転軸13は、その上部(図示は略する)が回 転駆動装置に接続されており、この回転駆動 装置の作動により、通常、数百回転/分~数十� ��回転/分の範囲内の速度にて回転駆動される 。

 回転軸13の下端部には、工具ホルダ16の接 続部14と嵌め合いとなる凹部13aが形成されて� ��る。工具ホルダ16の接続部14には、プルスタ ッド14aが備えられている。このプルスタッド 14aを回転軸13の内部に配設された引き具13bで� ��き上げることにより、工具ホルダ16が回転� �13の下端部に着脱可能に接続されて支持され る。工具ホルダ16は、ドリルチャックやコレ� ��トチャックなどの公知の工具保持手段を介� ��て回転軸13の下端部に着脱可能に接続され� �いてもよい。

 回転軸13は、軸受12を介してハウジング11� ��内部に支持されている。図1に示す軸受12と� ��ては、球軸受が用いられている。球軸受に� ��えて、空気軸受などの公知の軸受を用いる� ��とができる。

 なお、ハウジング11、軸受12及び回転軸13� ��、垂直方向以外の方向(例、水平方向)に沿� �て配置されていてもよい。この場合、前記� �「回転軸の下端部」とは、回転軸の先端部� �、また「下方」とは、前記回転軸の先端部� �ら回転軸に沿って工具ホルダの側に向かう� �向を意味する。

 工具ホルダ16は、回転軸との接続部14と、 この接続部14から下方に延びる、下端に棒状� ��具の保持手段15aを持つ工具保持部15とから� �成されている。工具ホルダ16は、例えば、鋼 に代表される金属材料から形成される。なお 、前記の回転軸との接続部14とは、工具ホル� ��16の軸方向の回転軸13と接触している部分、 および回転軸13の内部に収容されている部分� ��意味する。そして工具保持部15とは、工具� �ルダ16の回転軸との接続部14よりも下方の部� ��を意味する。

 回転軸との接続部14は、例えば、前記回� �軸13の凹部13aと嵌め合いとなるテーパ状の形 状に設定されている。接続部14は、回転軸と� ��接続方法に応じた任意の形状に設定するこ� ��ができる。但し、工具ホルダ16は、前記接� �部14を介して回転軸13の下端部に着脱可能に� ��続されている必要がある。

 工具保持部15の周囲には、工具ホルダを� �り扱うマニピュレータが工具ホルダ16を把持 する際に用いられるフランジ22a、22b及び溝22c が形成されている。

 工具保持部15の下端には、工具保持手段15 aとして筒体が備えられている。この筒体の� �部には、切削もしくは研削用の棒状工具が� �嵌めにより固定される。工具保持手段15aと� �て用いる筒体については、後に詳しく説明� �る。なお、工具保持手段としては、前記の� �体に代えて、ドリルチャックやコレットチ� �ックなどの公知の切削もしくは研削装置が� �える工具保持手段を用いることもできる。

 工具保持手段15aには、切削もしくは研削� ��の棒状工具17が備えられている。棒状工具17 としては、ドリル、エンドミル、あるいは軸 付き砥石などの公知の棒状工具が用いられる 。

 そして、図1に示す切削もしくは研削装置 10では、超音波振動子18が工具ホルダ16の工具 保持部15に備えられている。

 超音波振動子としては、公知の電歪振動� ��や磁歪振動子を用いることができる。電歪� ��動子の例としては、圧電振動子、および圧� ��振動子を一対の金属部材でボルト締めした� ��成のボルト締めランジュバン型超音波振動� ��が挙げられる。磁歪振動子の例としては、� ��属磁歪振動子、およびフェライト振動子が� ��げられる。超音波振動子としては、その構� ��が簡単であることから、電歪振動子を用い� ��ことが好ましい。

 図1に示す超音波振動子18としては、例え� ��、環状の圧電セラミック板23aの上下の表面� ��環状の電極板24a、24bが配置された構成の圧� ��振動子25aと、環状の圧電セラミック板23bの� ��下の表面に環状の電極板24b、24cが配置され� ��構成の圧電振動子25bとが、圧電振動子25a、2 5bの中央の孔を通るボルト27aを備える上側金� ��部材27と、上側金属部材27のボルト27aに嵌め 合わされた下側金属部材28とにより締め付け� ��れた構成のボルト締めランジュバン型超音� ��振動子が用いられている。超音波振動子18� �、例えば、工具ホルダ16の中央に備えられた 孔16aの内部に焼嵌めにより固定され、前記工 具保持部15の一部を構成している。なお、前� ��の電極板24bは、圧電振動子25a、25bの各々の� ��極板として共有されている。

 圧電セラミック板23a、23bの各々は、ジル� ��ン酸チタン酸鉛系の圧電セラミック材料に� ��表される公知の圧電セラミック材料から形� ��される。圧電セラミック板23a、23bは、例え� ��、各々厚み方向に分極処理され、そして各� ��の分極処理の方向が互いに逆向きとなるよ� ��に配置される。電極板24a、24b、24cの各々は� ��例えば、リン青銅などの金属材料から形成� ��れる。そして上側金属部材27及び下側金属� �材28の各々は、例えば、鋼に代表される金属 材料から形成される。

 圧電振動子25a、25bは、電極板24a(および電 極板24aにボルト27aを介して電気的に接続され た電極板24c)と電極板24bとの間に交流電圧が� �加されると、それぞれ厚み方向に超音波振� �する。その結果、超音波振動子(ボルト締め� ��ンジュバン型超音波振動子)18は、その長さ� ��向に超音波振動する。

 超音波振動子18には、電源19が接続されて いる。電源19としては、公知の交流電源、例� ��ば、超音波発振器が用いられる。

 そして、本発明の切削もしくは研削装置1 0では、上記の超音波振動子18と電源19との電� ��的な接続が、ハウジング11の内周面に備え� �れ、電源19に電気的に接続している環状の電 力供給手段21aと、電力供給手段21aと対向する 位置にて、工具ホルダ16の工具保持部15の外� �面に備えられ、超音波振動子18に電気的に接 続している環状の電力受容手段21bとからなる ロータリートランス21を介してなされる。

 ロータリートランス21は、加工対象物を� �削もしくは研削する際に回転軸13及び工具ホ ルダ16と共に回転する超音波振動子18に、電� �19の電気的エネルギーを付与するために用い られる。

 ロータリートランス21は、電力供給手段21 aと電力受容手段21bとが互いに間隔をあけて� �向配置された構成を有している。この電力� �給手段21a及び電力受容手段21bは、それぞれ� �状の形状に設定されている。

 電力供給手段21aは、環状のステータコア3 1a及びステータコイル32aから構成され、そし� ��電力受容手段21bは、環状のロータコア31b及� ��ロータコイル32bから構成されている。そし� ��ステータコア31a及びロータコア31bの各々は� ��フェライトなどの磁性材料から形成され、� ��の周方向に沿って環状の溝が形成されてい� ��。ステータコイル32a及びロータコイル32bの� ��々は、ステータコア31a及びロータコア31bの� ��々に形成された環状の溝の長さ方向(周方向 )に沿って導線がコイル状に巻かれた構成を� �している。

 電力供給手段21aのステータコイル32aには� ��電気配線33a、33bを介して電源19が電気的に� �続され、そして電力受容手段21bのロータコ� �ル32bには、電気配線34a、34bを介して超音波� �動子18が電気的に接続されている。このよう に、超音波振動子18と電源19とは、ロータリ� �トランス21を介して互いに電気的に接続され ている。

 ロータリートランス21のステータコイル32 aとロータコイル32bとは互いに近接して配置� �れているため、電源19にて発生した電気的エ ネルギーをステータコイル32aに付与すること により両者のコイルが互いに磁気的に結合さ れる。このため、上記のステータコイル32aに 付与された電気的エネルギーは、ロータコイ ル32b(すなわち電力受容手段21b)が工具ホルダ1 6と共に回転している場合であってもロータ� �イル32bに伝達する。従って、電源19にて発生 した電気的エネルギーを、切削もしくは研削 の際に棒状工具17と共に回転する超音波振動� ��18に付与することができる。これにより、� �音波振動子18にて超音波振動が発生する。こ の超音波振動は、工具保持手段15aを介して棒 状工具17に伝わり、棒状工具17を超音波振動� �せる。

 そして、ロータリートランス21の電力供� �手段21aは、ハウジング11の内周面(もしくは� �端部)に、例えば、接着剤やボルト(図示は略 する)を用いて固定され、そして電力受容手� �21bは、電力供給手段21aと対向する位置にて� �工具ホルダ16の工具保持部15の外周面に、例� ��ば、工具保持部15の外周面に形成されたね� �部に嵌め合わされた円環状のナット29を用い て固定されている。

 このため、切削もしくは研削装置10では� �例えば、使用により摩耗した棒状工具17を工 具ホルダ16と共に回転軸13の下端部から取り� �し、これを別の棒状工具が保持された工具� �ルダと簡単に交換することができる。そし� �、棒状工具17を工具ホルダ16と共に交換する� ��に、ロータリートランス21の電力受容手段21 bと超音波振動子18とを電気的に接続している 電気配線34a、34bを取り外す必要はないため、 棒状工具17を容易に且つ極めて短時間で交換� ��ることができる。

 そして、本発明の切削もしくは研削装置� ��、マシニングセンタ、ボール盤、あるいは� ��ライス盤などの公知の機械加工装置が備え� ��ハウジング、軸受、回転軸、そして工具ホ� ��ダを利用して極めて容易に構成することが� ��きる。

 例えば、公知のマシニングセンタのハウ� ��ングにロータリートランスの電力供給手段� ��固定して、この電力供給手段に電源を接続� ��、その一方で、前記マシニングセンタに用� ��られる工具ホルダに超音波振動子を付設し� ��、工具ホルダの工具保持部の外周面にロー� ��リートランスの電力受容手段を固定し、そ� ��て電力受容手段を超音波振動子に電気的に� ��続することにより、本発明の切削もしくは� ��削装置を簡単に構成することができる。

 このように、マシニングセンタに代表さ� ��る公知の機械加工装置に、超音波振動子や� ��ータリートランス等を追加することにより� ��超音波振動を利用した加工対象物の切削も� ��くは研削が直ちに可能になる。特に、マシ� ��ングセンタは、様々な棒状工具を工具ホル� ��と共に頻繁に交換しながら加工対象物の機� ��加工を行なうことが多い。前記のようにマ� ��ニングセンタを利用して構成された本発明� ��切削もしくは研削装置は、棒状工具及び工� ��ホルダを、超音波振動子と電力受容手段と� ��電気的接続を取り外すことなく、容易に且� ��短時間で交換可能な極めて実用的な装置で� ��る。

 なお、図1及び図2に示す工具保持装置(本� ��明の工具保持装置)20は、回転軸との接続部1 4と、接続部14から下方に延びる、下端に棒状 工具の保持手段15aを持つ工具保持部15とから� ��る工具ホルダ16、工具ホルダ16の工具保持部 15に備えられた超音波振動子18、および工具� �ルダ16の工具保持部15の外周面に備えられ、� ��記の超音波振動子18に電気的に接続してい� �、ロータリートランスの環状の電力受容手� �21bから構成されている。

 このような工具保持装置20の複数個を用� �しておき、切削もしくは研削装置で次に使� �する棒状工具を予め工具保持手段15aに保持� �せておくことにより、棒状工具17及び工具ホ ルダ16の極めて短時間での交換が可能になる� ��

 次に、図1の切削もしくは研削装置10を用� ��て加工対象物を切削もしくは研削する手順� ��ついて説明する。

 先ず、回転軸13をモータ(図示は略する)に より回転駆動して、回転軸13に接続された工� ��ホルダ16、および切削もしくは研削用の棒� �工具17を回転させる。次に、電源19にて、例� ��ば、周波数が36kHzで、電圧が90V(ピークピー� ��値)の交流電圧を発生させ、この交流電圧を ロータリートランス21を介して、棒状工具と� ��に回転している超音波振動子18に付与する� �この交流電圧の付与により、超音波振動子18 にて、振動子18の長さ方向(上下方向)に振動� �る超音波振動が発生する。この超音波振動� �、工具保持手段15aを介して棒状工具17に伝わ り、これにより棒状工具17の先端は約15μm程� �の振幅にて長さ方向に超音波振動する。こ� �超音波振動する棒状工具の先端と加工対象� �とを両者の何れか(もしくは双方)を移動させ て接触させることにより、加工対象物を効率 良く切削もしくは研削することができる。

 このように、超音波振動を棒状工具に付� ��することにより、加工対象物と棒状工具と� ��摩擦抵抗が小さくなり、この摩擦による加� ��対象物の発熱が抑制され、そして発熱によ� ��加工対象物の熱膨張や熱歪みの発生が抑制� ��れるため、加工対象物を高い精度で切削も� ��くは研削することができる。このように、� ��工対象物を超音波振動する棒状工具を用い� ��切削もしくは研削する方法は、前述のよう� ��、既に知られている。

 本発明の切削もしくは研削装置において� ��超音波振動子は、工具ホルダの工具保持部� ��備えられていてもよいし、あるいは棒状工� ��に備えられていてもよい。しかしながら、� ��音波振動子が棒状工具に備えられていると� ��回転軸から取り外された工具ホルダから棒� ��工具を取り外す際に、工具ホルダに備えら� ��たロータリートランスの電力受容手段と、� ��状工具に備えられた超音波振動子とを接続� ��ている電気配線を取り外す必要がある。従� ��て、超音波振動子は、工具ホルダの工具保� ��部に備えられていることが好ましい。

 また、図1に示すように、本発明において は、工具保持手段15aが筒体から構成され、そ して前記筒体の内部に棒状工具17が焼嵌めに� ��り固定されて保持されていることが好まし� ��。この工具保持手段15aを構成する筒体を、� ��導加熱装置が備える加熱用のコイルの内部� ��挿入し、次いで誘導加熱装置を作動させて� ��磁誘導により加熱することにより、筒体は� ��膨張して内径が拡大する。そして、加熱さ� ��た筒体の内部に棒状工具17を挿入し、そし� �冷却(放冷を含む)することにより、棒状工具 17が筒体の内部に強固に固定されて保持され� ��。

 このように、工具保持手段として筒体を� ��いると、ドリルチャックやコレットチャッ� ��を用いる場合と比較して、工具保持手段お� ��び棒状工具の構成が極めて簡単になる。こ� ��ため、超音波振動子で発生した超音波振動� ��より、筒体及び棒状工具に、ほぼ筒体及び� ��状工具のみが振動するモードの超音波振動� ��励起することができる。このような超音波� ��動が励起されると、工具ホルダの筒体より� ��上方側、回転軸、そして軸受への超音波振� ��の伝達を抑制することができる。このため� ��前記超音波振動の付与によって回転軸によ� ��工具ホルダの支持が不十分になったり、あ� ��いは軸受が故障したりすることを防止する� ��とができる。

 また、工具保持手段として筒体を用いる� ��、ドリルチャックやコレットチャックと比� ��して、工具保持手段の形状、すなわち筒体� ��長さや周壁の厚みを変更することが容易で� ��り、そして筒体及び棒状工具に励起される� ��音波振動の解析(代表例、有限要素法による 解析)も容易である。このような利点を生か� �て、筒体の長さや周壁の厚みを、可能な限� �筒体及び棒状工具にのみ超音波振動が励起� �れるように容易に調節することができる。

 更に、本発明においては、超音波振動子� ��ボルト締めランジュバン型超音波振動子で� ��ることが好ましい。ボルト締めランジュバ� ��型超音波振動子は、圧電振動子と比較して� ��大きな振幅の超音波振動を発生することが� ��きるからである。

 また、ボルト締めランジュバン型超音波� ��動子を用いると、工具保持手段として用い� ��筒体が加熱され、この熱が圧電振動子に伝� ��した場合であっても、圧電振動子が一対の� ��属部材により締め付けられているため、熱� ��張による圧電振動子の破損(クラックの発生 )を防止することができる。すなわち、工具� �ルダが圧電振動子と、棒状工具が焼嵌めに� �り固定される筒体との双方を備える場合に� �、ボルト締めランジュバン型超音波振動子� �用いることが特に好ましい。

 図3は、本発明の切削もしくは研削装置の 別の構成例を示す断面図である。

 図3の切削もしくは研削装置30の構成は、� ��音波振動子(ボルト締めランジュバン型超音 波振動子)38及び工具保持手段15aが、超音波振 動子38の駆動により振動子38、工具保持手段15 a及び棒状工具17に励起される超音波振動の節 となる位置にて、工具ホルダ36の工具保持部3 5に支持されていること以外は図1の切削もし� ��は研削装置10と同様である。

 切削もしくは研削装置30は、超音波振動� �38及び工具保持手段15aが、超音波振動子38の� ��動により振動子38、工具保持手段15a及び棒� �工具17に励起される超音波振動の節となる位 置にて、工具ホルダ36の工具保持部35に支持� �れているため、超音波振動子38、工具保持手 段15a及び棒状工具17に励起される超音波振動� ��、工具ホルダ36の回転軸との接続部14、回転 軸13、そして軸受12に極めて伝達し難い。こ� �ため、前記超音波振動の付与によって回転� �13による工具ホルダ36の支持が不十分になっ� ��り、あるいは軸受12が故障したりすること� �効果的に防止することができる。

 なお、前記の超音波振動子の節の位置は� ��超音波振動子38、工具保持手段15a及び棒状� �具17に励起される超音波振動を、例えば、有 限要素法で解析することにより定めることが できる。前記の超音波振動の節の位置は、概 ね、超音波振動子38、工具保持手段15a、およ� ��棒状工具17の重心の位置になる。

 また、図3に示すように、超音波振動子38� ��下方には、工具保持部35の周縁にねじ込み� �定された円形の支持板15bを介して工具保持� �段15aが備えられている。このため、棒状工� �17の交換の際に加熱される工具保持手段15aの 放射熱は、支持板15bによって遮蔽され、圧電 振動子25a、25bに付与されることがない。この ため、圧電振動子25a、25bの熱膨張による破損 を更に効果的に抑制することができる。

 図4は、本発明の切削もしくは研削装置の 更に別の構成例を示す断面図である。なお、 図4においては、切削もしくは研削装置40のハ ウジング、軸受、回転軸、ロータリートラン スの電力供給手段、電力供給手段に電気的に 接続されている電源、および工具ホルダ46の� ��ルスタッドの記載は省略してある。

 図4の切削もしくは研削装置40の構成は、� ��音波振動子48として用いる筒状の圧電振動� �が棒状工具17の上部(工具保持手段45aによる� �持部よりも上方の部位)に固定され、そして� ��具保持手段45aとして用いるコレットチャッ� ��が、前記の超音波振動子48が固定された棒� �工具17を、超音波振動子48の駆動により振動� ��48及び棒状工具17に励起される超音波振動の 節となる位置にて保持していること以外は、 図3の切削もしくは研削装置30と同様である。

 切削もしくは研削装置40は、工具保持手� �45aが、超音波振動子48が固定された棒状工具 17を、超音波振動子48の駆動により振動子48及 び棒状工具17に励起される超音波振動の節と� ��る位置にて保持しているため、超音波振動� ��48及び棒状工具17に励起される超音波振動が 、工具ホルダ46の工具保持部45及び接続部14、 回転軸、そして軸受に極めて伝達し難い。こ のため、前記超音波振動の付与によって回転 軸による工具ホルダ46の支持が不十分になっ� ��り、あるいは軸受が故障したりすることを� ��果的に防止することができる。

 なお、前記の超音波振動子48として用い� �筒状の圧電振動子は、圧電セラミック材料� �ら形成された筒状の圧電体の内周面及び外� �面の各々に電極層が付設された構成を有し� �いる。前記の筒状の圧電体はその直径方向� �分極処理されている。そして、ロータリー� �ランスの電力受容手段21bと、筒状の圧電振� �子とは、電気配線44a、44bを介して互いに電� �的に接続されている。なお、電気配線44aは� �棒状工具17を介して、筒状の圧電振動子の内 周側の電極層に電気的に接続されている。そ して、筒状の圧電振動子は、前記の両者の電 極層の間に交流電圧を付与することにより、 筒体の長さ方向に振動する超音波振動を発生 する。

 図5は、本発明の切削もしくは研削装置の 更に別の構成例を示す断面図である。なお、 図5においては、切削もしくは研削装置50のハ ウジング、軸受、回転軸、ロータリートラン スの電力供給手段、電力供給手段に電気的に 接続されている電源、および工具ホルダ46の� ��ルスタッドの記載は省略してある。

 図5の切削もしくは研削装置50の構成は、� ��音波振動子48として用いる筒状の圧電振動� �が棒状工具17の下部に固定されていること以 外は、図4の切削もしくは研削装置40と同様で ある。

 図5の切削もしくは研削装置50は、超音波� ��動子48が、棒状工具17の下部(工具保持手段45 aによる保持部よりも下方の部位)に固定され� ��いるため、図4の切削もしくは研削装置40と� ��較して、工具ホルダ46から棒状工具17を取り 外す際に、ロータリートランスの電力受容手 段21bと超音波振動子48とを電気的に接続して� ��る電気配線44a、44bの取り外しが容易である� ��

 電気配線44a、44bの各々は、工具保持手段4 5aよりも下方に延びる部位に、公知の電気配� ��用のコネクタを備えていてもよい。コネク� ��を用いると、電気配線44a、44bの取り外し、� ��るいは取り付けの作業が容易になる。