JP2006150440A - 微細凹部の加工装置及び加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度の微細凹部を効率良く形成することができると共に、製造コストの低減を実現することができる微細凹部の加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】フォームローラ１を回転自在に保持するアーム２と、被加工面Ｆに対してアーム２とともにフォームローラ１を進退可能に保持するハウジング３と、被加工面Ｆに当接したフォームローラ１に対して荷重を付与する荷重付与手段４と、荷重付与手段４による荷重を測定する荷重測定手段５と、加工中においてアーム２から被加工面Ｆまでの距離を測定する変位測定手段６を備えた構成により、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の押し付け荷重を制御して微細凹部Ａを高精度に効率良く形成し、また、変位測定手段６の測定値に基づいて被加工面Ｆの表面硬さの差異を判断し得るものとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車用エンジンを構成する摺動部品の表面に、低フリクション化を実現するための微細凹部（油溜り）を形成するのに用いる微細凹部の加工装置及び加工方法に関するものである。

従来において、被加工物の被加工面に微細凹部を形成する方法としては、ショットピーニングによるものがあった。この方法は、被加工物の被加工面に所定形状の透孔を有するマスキングシートを貼り付けた後、被加工面に向けて圧縮空気とともにセラミックス等の小径粒子を投射することにより、透孔を通して露出している被加工面に微細凹部を形成するものである。
特開２０００−２２７１１９号公報

しかしながら、上記したような従来の方法にあっては、被加工物の被加工面に微細凹部を形成することは可能であるものの、マスキングシートの貼り付け及び取り外しの作業が不可欠であって、このような作業が生産性の向上を阻む原因になっており、また、マスキングシートが使い捨てであるために、マスキングシートの材料、透孔等の加工及び接着剤などによってマスキングに費用がかかり、これが製造コストを増大させているという問題点があった。

本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたものであって、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、高精度の微細凹部を効率良く形成することができると共に、製造コストの低減を実現することができる微細凹部の加工装置及び加工方法を提供することを目的としている。

本発明の微細凹部の加工装置は、外周部に微細凹部形成用の凸部を有するフォームローラを被加工物の被加工面に押付けると共に、被加工物を回転させることにより、その被加工面に微細凹部を形成する装置であって、フォームローラを回転自在に保持するアームと、被加工物の被加工面に対してアームとともにフォームローラを進退可能に保持するハウジングと、被加工面に当接したフォームローラに対して同被加工面への荷重を付与する荷重付与手段と、荷重付与手段による荷重を測定する荷重測定手段を備えている。

そして、加工中においてアームから被加工面までの距離を測定する変位測定手段、又は加工中においてハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段を備えた構成としている。なお、変位測定手段としては、接触式や非接触式の測定機器を用いることが可能であるが、加工中の測定を容易に且つ正確に行うには、レーザ変位計や静電容量変位計といった非接触式のセンサ類を用いるのがより望ましい。

また、本発明の微細凹部の加工方法は、上記の加工装置を用いて被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、荷重測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とし、さらに、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、変位測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴としている。

本発明の微細凹部の加工装置によれば、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際して、従来のような使い捨てのマスキングシートを用いずにフォームローラによる機械加工を行うことから、高精度の微細凹部を効率良く形成することができると共に、生産性の向上や製造コストの低減を実現することができる。

また、当該加工装置は、とくに、荷重測定手段及び変位測定手段を採用したことから、これらの測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することで、微細凹部の深さを一定にしたり任意に変化させたりすることができ、被加工面の表面硬さが部分的に異なる場合には、その部分を判断することができるほか、表面硬さの差異に左右されることなく被加工面の全体にわたって深さが均一な微細凹部を高精度に形成することができる。

本発明の微細凹部の加工方法によれば、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、荷重測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することにより、例えば、被加工物の位置決め誤差や温度変化等により加工装置と被加工物との間に変位が生じている場合でも、被加工面に対するフォームローラの押付け荷重を一定にして、被加工面の全体にわたって深さが均一な微細凹部を高精度に形成することができ、必要に応じて微細凹部の深さを任意に変化させることもできる。

また、被加工面の表面硬さが部分的に異なる場合には、押付け荷重が一定であるにもかかわらず微細凹部の深さが変化し、この際、深さの変化をアームから被加工面までの距離の変化、又はハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位として測定することができるので、その測定結果に基づいて被加工面における表面硬さの部分的な差異を判断することができる。

さらに、変位測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することによっても、被加工面の全体にわたって深さが均一な微細凹部を高精度に形成することができると共に、必要に応じて微細凹部の深さを任意に変化させることもでき、とくに、被加工面の表面硬さが部分的に異なる場合には、微細凹部の深さの変化をアームから被加工面までの距離の変化、又はハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位として測定して、その測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することにより、表面硬さの差異に左右されることなく被加工面の全体にわたって深さが均一な微細凹部を高精度に形成することができる。

以下の実施例で説明する微細凹部の加工装置及び加工方法は、図１１及び図１２に基本原理を示すように、例えば自動車用エンジンを構成する概略円柱形状の摺動部品を被加工物Ｗとし、その摺動面となる外周の被加工面Ｆに、低フリクション化を実現するために油溜りとして機能する微細凹部Ａを形成するものである。

加工装置及び加工方法は、外周部に微細凹部形成用の凸部１ａを有するフォームローラ１を用いると共に、フォームローラ１と被加工物Ｗを互いの軸線が平行になるように配置し、被加工面Ｆにフォームローラ１押付けて被加工物Ｗを回転させることにより、フォームローラ１を転動させて被加工面Ｆに微細凹部Ａを形成し、さらに、フォームローラ１と被加工物Ｗを軸線方向に相対的に移動させることにより、被加工面Ｆの全体に微細凹部Ａを連続的に形成する。

このとき、図１１に示すように、外周部に鍔状の凸部１ａを有するフォームローラ１を用いれば、被加工面Ｆには連続した溝状の微細凹部Ａが形成され、また、図１２に示すように、外周部に突起状の凸部１ａを一定間隔で有するフォームローラ１を用いれば、被加工面Ｆには窪み状の微細凹部Ａが一定間隔で形成される。これらの微細凹部Ａの深さは、例えば１０〜１００μｍ程度である。

図１〜図３は本発明に係わる微細凹部の加工装置及び加工方法の一実施例を説明する図である。
微細凹部の加工装置は、図１に示すように、フォームローラ１を回転自在に保持するアーム２と、被加工物Ｗの被加工面Ｆに対してアーム２とともにフォームローラ１を進退可能に保持するハウジング３と、被加工面Ｆに当接したフォームローラ１に対して同被加工面Ｆへの荷重を付与する荷重付与手段４と、荷重付与手段４による荷重を測定する荷重測定手段５を備えると共に、加工中においてアーム２から被加工面Ｆまでの距離を測定する変位測定手段６を備えている。

より具体的には、加工装置は、垂直方向（Ｚ方向）及び水平方向（Ｘ方向）に移動可能なテーブル５１を備えると共に、このテーブル５１上に、チャッキング装置５２を有する主軸台５３と、スライド５４により主軸台５３に対して進退可能な心押し台５５を相対向する配置で備えており、主軸台５３のチャッキング装置５２で被加工物Ｗの一端部を把持すると共に、心押し台５５で被加工物Ｗの他端部を回転自在に保持する。これにより、被加工物Ｗは、軸線を水平方向（Ｘ方向）にした状態で保持され、主軸台５３を駆動することで軸線回りの回転が与えられる。

さらに、加工装置は、主軸台５３や心押し台５５の上位側に、テーブル５１と同様に垂直方向（Ｚ方向）及び水平方向（Ｘ方向）に移動可能な工具ヘッド５６を備えており、この工具ヘッド５６にハウジング３が取り付けてある。

ハウジング３は、円筒形状を成すと共に、軸線を垂直方向にした状態で工具ヘッド５６に取り付けてあり、上端部に閉塞部材７が嵌合固定してあると共に、下端側の内側に円筒形状のスライダ８が固定してある。また、スライダ８の内側には、ロッド９が垂直方向に摺動自在に挿設してあり、このロッド９の下端部には、アーム２及び水平な回転軸１０を介して、フォームローラ１が回転自在に設けてある。このとき、フォームローラ１とその下位側で保持された被加工物Ｗは、互いの軸線が平行な配置となる。

ハウジング３内において、ロッド９の上端部には、当該ロッド９の下降位置を規制するストッパを兼ねるばね座１１が固定してあり、このばね座１１と閉塞部材７の間には、被加工面Ｆに当接したフォームローラ１に対して同被加工面Ｆへの荷重を付与する荷重付与手段４が設けてある。また、荷重付与手段４の上部には、受圧部材１２が設けてあり、この受圧部材１２と閉塞部材７との間には、荷重付与手段４による荷重を測定する荷重測定手段５が設けてある。

変位測定手段６は、アーム２の下端部に取り付けてあって、加工中においてアーム２から被加工面Ｆまでの距離を非接触で測定するものである。このとき、被加工面Ｆにおける変位測定手段６の測定位置は、被加工物Ｗの回転に伴って形成後の微細凹部Ａが通過する位置であり、この実施例の場合は、図２に示すように、円周面である被加工面Ｆに対して等ピッチＰで螺旋状に連続形成されていく微細凹部Ａに対して、フォームローラ１から被加工物Ｗの軸線方向に１ピッチ（Ｐ）分遅れた位置である。

なお、図示の変位測定手段６は、フォームローラ１との位置関係の都合上、上記の測定位置までの距離を斜め上方から測定するようになっている。このため、厳密には、微細凹部Ａの深さが変化すると、微細凹部Ａの底部における測定位置が被加工物Ｗの軸線方向にずれることになるが、微細凹部Ａの深さが１０〜１００μｍ程度であるのに対して、微細凹部Ａの深さの変化は最大でも数μｍであることから、測定位置が微細凹部Ａの底部から外れることはなく、また、測定レンジ（測定可能な距離）を超えることもない。

上記のように、加工装置は、フォームローラ１、アーム２、ハウジング３、荷重付与手段４、荷重測定手段５及び変位測定手段６などが、一つの工具としてユニット化してあると共に、ハウジング３に荷重付与手段４及び荷重測定手段５等をコンパクトに収容してあり、当該加工装置の構造の簡素化や小型化に貢献し得るものとなっている。

ここで、フォームローラ１は、材料がとくに限定されるものではないが、例えば、超硬、超硬以外の硬質金属やアルミナ、窒化珪素等のセラミックスなどを材料とするもので、その外周部には、微細凹部形成用の突起状の凸部１ａが一定間隔で形成してある。

また、この実施例では、荷重付与手段４には、図示の如くコイルばねを用いているが、空圧や油圧を用いたシリンダ類を用いることも可能である。荷重測定手段５には、圧電型のロードセル等を用いることができる。変位測定手段６には、レーザ変位計や静電容量変位計などを用いることができ、このような非接触型の測定機器を用いれば、被加工物Ｗの形状や大きさに左右されることなくアーム２に取付けることができると共に、加工中に測定を容易に行うことができる。

さらに、加工装置は、テーブル５１、主軸台５３及び工具ヘッド５６の動作を制御する制御装置５７を備えており、この制御装置５７に荷重測定手段５や変位測定手段６からの測定信号を入力して、その測定信号を後述する微細凹部Ａの形成時の動作制御に用いるようにしている。このような加工装置には、例えば、数値制御される一般的な工作機械を利用することが可能である。

次に、上記構成を備えた微細凹部の加工装置の動作とともに、本発明に係わる微細凹部の加工方法を説明する。

加工装置は、主軸台５３及び心押し台５５により被加工物Ｗを保持した後、工具ヘッド５６によりフォームローラ１を被加工物Ｗに向けて前進（下降）させる。また、フォームローラ１が被加工面Ｆに当接した後には、荷重付与手段（コイルばね）４を圧縮しつつフォームローラ１を被加工面Ｆに押し付けると共に、荷重付与手段４の圧縮に伴って発生した荷重を荷重測定手段５で測定する。

そして、加工装置は、荷重測定手段５で測定した荷重が所定値になったところで、工具ヘッド５６によるフォームローラ１の前進を停止して、微細凹部Ａの形成を開始する。すなわち、主軸台５３により被加工物Ｗを軸線回りに定速回転させることにより、フォームローラ１を連れ回りさせると共に、工具ヘッド５６でフォームローラ１を被加工物Ｗの軸線方向（Ｘ方向）に移動させることで、被加工面Ｆに対して螺旋状の軌跡で微細凹部Ａを連続的に形成する。

このとき、被加工面Ｆに一列分（一周分）の微細凹部Ａを形成した後、フォームローラ１の後退、水平移動及び前進を繰り返し行いながら、微細凹部Ａを各列毎に順に形成しても良いが、当該加工装置では、フォームローラ１を被加工面Ｆに圧接させたままで被加工物Ｗの軸線方向に移動させることにより、被加工面Ｆに微細凹部Ａを短時間で効率的に連続形成することができる。

また、上記の如く微細凹部Ａを形成する加工中においては、荷重測定手段５及び変位測定手段６による夫々の測定を行うと共に、荷重測定手段５の測定値に基づいて荷重付与手段４による荷重を制御し、この際、ハウジング３及び被加工物Ｗの少なくとも一方を互いに近接離間する方向に移動させることにより、荷重付与手段４による荷重を制御する。

すなわち、被加工物Ｗの位置決め誤差や温度変化等により加工装置と被加工物Ｗとの間に変位が生じている場合、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の押し付け荷重が変化する。そこで、当該加工装置及び加工方法では、荷重測定手段５で荷重付与手段４による荷重を測定し、測定値が減少した場合には、テーブル５１を上昇又は工具ヘッド５６を下降させることで、荷重付与手段４を圧縮してフォームローラ１の押し付け荷重が増すようにし、逆に測定値が増大した場合には、テーブル５１を下降又は工具ヘッド５６を上昇させることで押し付け荷重を減らす。これにより、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の押し付け荷重が常に一定となり、被加工面Ｆの全体にわたって深さが均一な微細凹部Ａを高精度に形成する。

このように、加工装置では、荷重付与手段４としてコイルばねを使用しているので、テーブル５１及び工具ヘッド５６によってハウジング３及び被加工物Ｗの少なくとも一方を互いに近接離間する方向に移動させることで、荷重付与手段４による荷重（フォームローラ１の押し付け荷重）を容易に且つ正確に制御することができる。

さらに、加工装置及び加工方法では、変位測定手段６でアーム２から被加工面Ｆまでの距離を測定することにより、被加工面Ｆの表面硬さの差異を判断することができる。

すなわち、当該加工装置では、先述したように、微細凹部形成用の突起状の凸部１ａを一定間隔で有するフォームローラ１を用いているので、窪み状の微細凹部Ａが一定間隔で形成されることになり、また、変位測定手段６が、被加工物Ｗの回転に伴って形成後の微細凹部Ａが通過する位置を測定しているので、変位測定手段６の測定値は、凹部間部分及び微細凹部Ａの底部に対応して増減を繰り返すことになる。このように、窪み状の微細凹部Ａを形成する場合は、上記測定位置を設定することで、一つの変位測定手段６で微細凹部Ａの深さを測定することができる。

ここで、例えば被加工面Ｆの表面硬さが加工進行方向に漸次減少している場合、フォームローラ１の押し付け荷重が一定であるとすると、表面硬さの減少に伴って被加工面Ｆに対する凸部１ａの圧入量が増大し、アーム２から被加工面Ｆまでの距離が減少することになる。このとき、変位測定手段６では、図３に出力の経時変化を示すように、微細凹部Ａの底部に関しては、底部を形成する凸部１ａと変位測定手段６との位置関係が不変（厳密には１ピッチＰ遅れの位置を測定しているので距離が僅かに減少）であるから、出力に大きな変化はないものの、凹部間部分に関しては、距離が減少することで出力が増大する。また、表面硬さが漸次減少している場合には、凹部間部分に関する出力信号が上記とは逆になり、表面硬さが部分的に異なる場合には、その異なる部分で凹部間部分に関する出力が増大又は減少する。

したがって、被加工面Ｆの表面硬さに差異がある場合には、フォームローラ１の押し付け荷重が一定であるにもかかわらず微細凹部Ａの深さが変化し、その深さの変化をアーム２から被加工面Ｆまでの距離の変化として測定することができるので、その測定結果に基づいて被加工面Ｆにおける表面硬さの差異を判断することができ、また、差異のある部分を特定することもできる。

そしてさらに、加工装置及び加工方法では、微細凹部Ａの加工中において、荷重測定手段５及び変位測定手段６による夫々の測定を行うと共に、変位測定手段６の測定値に基づいて荷重付与手段４による荷重を制御し、この際、先の動作説明と同様にハウジング３及び被加工物Ｗの少なくとも一方を互いに近接離間する方向に移動させることにより、荷重付与手段４による荷重を制御することができる。

すなわち、被加工面Ｆの表面硬さに差異がある場合、微細凹部Ａの深さの増減に伴って変位測定手段６の出力が増減することは先に述べた通りである。そこで、表面硬さが減少してアーム２から被加工面Ｆまでの測定距離が所定値よりも減少した場合には、その距離が所定値まで上がるように荷重付与手段４による荷重を減少させ、逆に表面硬さの増大によって測定距離が増大した場合には、その距離が下がるように荷重付与手段４による荷重を増大させる。これにより、被加工面Ｆの表面硬さの差異に左右されることなく、被加工面Ｆの全体にわたって深さが均一な微細凹部Ａを高精度に形成することができる。

なお、加工装置及び加工方法では、上記したように深さが均一な微細凹部Ａを形成するだけでなく、荷重測定手段５及び変位測定手段６の測定値に基づく荷重制御により、微細凹部Ａの深さを任意に変化させることもできる。また、荷重測定手段５と変位測定手段６を併用しながら、変位測定手段６の測定値に基づいて微細凹部Ａの均一化を図るように荷重制御を行う場合には、例えば、変位測定手段６の測定値に適当なしきい値を設定し、しきい値以下では荷重測定手段５の測定値による荷重制御を優先し、しきい値以上で変位測定手段６の測定値による荷重制御を行うようにすることが可能である。

図４及び図５は本発明に係わる微細凹部の加工装置の他の実施例を説明する図である。なお、以下に述べる各実施例において、先の実施例と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図４に示す加工装置は、外周部に鍔状の凸部１ａを有するフォームローラ１を用いて、円周面である被加工面Ｆに溝状の微細凹部Ａを連続的に形成するものであって、アーム２から被加工面Ｆまでの距離を測定する変位測定手段６として、被加工面Ｆの非加工部を測定位置とする第１のセンサ６Ａと、微細凹部Ａの底部を測定位置とする第２のセンサ６Ｂを備えている。

両センサ６Ａ，６Ｂは、いずれもアーム２の同位置に取付けてあり、第１センサ６Ａは、被加工面Ｆに対して等ピッチＰで螺旋状に連続形成されていく微細凹部Ａに対して、フォームローラ１から被加工物Ｗの軸線方向に１ピッチ（Ｐ）分遅れた位置で、凹部間部分を測定位置としており、他方、第２センサ６Ｂは、同じく１ピッチ（Ｐ）分遅れた位置で、微細凹部Ａの底部を測定位置としている。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、とくに溝状の微細凹部Ａを形成する場合に好適であって、例えば被加工面Ｆの表面硬さが加工進行方向に漸次減少していると、図５に示すように、凹部間部分を測定する第１センサ６Ａの出力が増大（測定距離が減少）すると共に、微細凹部Ａの底部を測定する第２センサ６Ｂの出力が減少（測定距離が増大）することとなり、両出力の差分から微細凹部Ａの深さを検出することができると共に、深さの変化から被加工面Ｆの表面硬さの変化を判断することができる。

図６は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図示の加工装置は、アーム２の先端に、フォームローラ１の背後に延出するフレーム１３を介して変位測定手段６が取付けてあり、被加工面Ｆにおける変位測定手段６の測定位置が、フォームローラ１の転動方向の後方近傍位置、すなわち加工直後の微細凹部Ａが通過する位置になっている。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、とくに加工直後の微細凹部Ａの深さを測定することができるので、変位測定手段６の測定値に基づいて荷重付与手段４の荷重をフィードバック制御する際に、時間遅れが非常に少ないものとなり、迅速な制御を行って微細凹部Ａの精度のさらなる向上を実現する。

図７〜図９は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図７に示す加工装置は、外周部に一定間隔で突起状の凸部１ａを有するフォームローラ１と、フォームローラ１を回転自在に保持するアーム２と、被加工物Ｗの被加工面Ｆに対してアーム２とともにフォームローラ１を進退可能に保持するハウジング３と、被加工面Ｆに当接したフォームローラ１に対して同被加工面Ｆへの荷重を付与する荷重付与手段４と、荷重付与手段４による荷重を測定する荷重測定手段５を備えると共に、加工中においてハウジング３側の固定部位とアーム２側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段１６を備えている。

変位測定手段１６は、レーザ変位計あるいは静電容量変位計などの非接触式の測定機器であって、ハウジング３の下端部に取付けてあると共に、ハウジング３の下端部に相対向するアーム２の上端部を測定位置としており、固定側となるハウジング３から可動側となるアーム２までの距離を測定することで両者間の変位を測定する。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、例えば被加工面Ｆの表面硬さが加工進行方向に漸次増大している場合、ハウジング３の位置が変わらないとすると、表面硬さの増大に伴って被加工面Ｆに対する凸部１ａの圧入量が減少するとともにアーム２が上昇して、ハウジング３からアーム２までの距離が減少することになる。このとき、変位測定手段１６では、図８に示すように、押し付け荷重がほぼ一定（厳密には僅かに減少）であるのに対して出力が増大することになり、これにより被加工面Ｆの表面硬さが増大していることを判断し得る。

さらに、加工装置は、図９（ａ）に示す被加工物Ｗの加工開始端０から加工終了端Ｚ１までの間において、図９（ｂ）に示す如く加工終了端寄りの部分で表面硬さが減少している場合、図９（ｄ）に点線で示すように、被加工面Ｆに対する押し付け荷重が一定であるとすると、表面硬さが減少する部分では、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の凸部１ａの圧入量が増大しつつアーム２が下降するので、図９（ｃ）に点線で示す如く変位測定手段１６の出力が減少（測定距離が増大）する。そして、微細凹部Ａの深さが増大する。

そこで、当該加工装置では、変位測定手段１６の出力が減少して所定の出力差（−Δ）を検出したときには、図９（ｄ）に実線で示すように、表面硬さが減少する部分で押し付け荷重を減少させる。つまり、図９（ｃ）に実線で示すように、変位測定手段１６の出力をほぼ一定に維持するように荷重付与手段４による荷重を下げる制御を行う。これにより、表面硬さが減少する部分での微細凹部Ａの深さの増大が解消され、被加工面Ｆの全体にわたって深さの均一な微細凹部Ａが形成されることになる。

図１０は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図示の加工装置は、変位測定手段１６が、ハウジング３の内部に設けてある。変位測定手段１６は、レーザ変位計あるいは静電容量変位計などの非接触式の測定機器であって、ハウジング３の内部に固定してあり、アーム２側の可動部位であるロッド９の上端部のばね座１１を測定位置としている。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、とくに変位測定手段１６をハウジング３に収容しているので、例えば、変位測定手段１６と測定部位であるばね座１１との間に異物が入り込んで測定不能になるような事態や、加工液が変位測定手段６に飛散して測定不能になるような事態を未然に防ぐことができ、測定精度の維持に貢献し得るものとなる。

図１３〜図１５は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図１３に示す加工装置は、外周部に微細凹部形成用の凸部１ａを一定間隔で有するフォームローラ１と、フォームローラ１を回転自在に保持するアーム２と、被加工物Ｗの被加工面Ｆに対してアーム２とともにフォームローラ１を進退可能に保持するハウジング３と、被加工面Ｆに当接したフォームローラ１に対して同被加工面Ｆへの荷重を付与する荷重付与手段４と、荷重付与手段４による荷重を測定する荷重測定手段５を備えると共に、加工中においてハウジング３側の固定部位とアーム２側の可動部位との間の変位を測定する一方の変位測定手段１６と、ハウジング３側の固定部位と被加工面Ｆとの間の変位を測定する他方の変位測定手段２６を備えている。

両変位測定手段１６，２６は、レーザ変位計あるいは静電容量変位計などの非接触式の測定機器である。一方の変位測定手段１６は、ハウジング３の下端部に取付けてあると共に、ハウジング３の下端部に相対向するアーム２の上端部を測定位置としており、固定側となるハウジング３から可動側となるアーム２までの距離を測定することで両者間の変位を測定する。

他方の変位測定手段２６は、フォームローラ１の近傍に延出したハウジング３の下端部に取付けてあり、固定側となるハウジング３の下端部から被加工面Fにおけるフォームローラ１の当接部位までの距離を測定することで、ハウジング３と被加工面Fの間の変位を測定する。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、例えば、図１４に示すように、被加工面Ｆの表面硬さが加工進行方向（Z方向）に漸次増大し、同時に被加工物Ｗの径も加工進行方向に漸次増大している場合、ハウジング３の位置が変わらないとすると、被加工物Ｗの径の増大に伴って被加工面Ｆとハウジング３との間の距離が減少することになる。また、被加工物Ｗの径の増大及び表面硬さの増大に伴って、被加工面Ｆに対する凸部１ａの圧入量が減少するとともにアーム２が上昇して、ハウジング３からアーム２までの距離が減少することになる。

このとき、ハウジング３とアーム２の間の変位を測定している一方の変位測定手段１６の出力をＤｔとし、ハウジング３と被加工表面Ｆの間の変位を測定している他方の変位測定手段２６の出力をＤｗとすると、被加工物Ｗの表面硬さによるフォームローラ１の変位は、双方の出力差すなわちＤｔ−Ｄｗとなり、この出力差Ｄｔ−Ｄｗによって被加工面Ｆの表面硬さが増大していることを判断し得る。

さらに、加工装置は、図１４（ａ）に示す被加工物Ｗの加工開始端０から加工終了端Ｚ１までの間において、図１４（ｂ）に示す如く加工終了端寄りの部分で表面硬さが増大し、なお且つ被加工物Ｗの径が漸次増大している場合、図１４（ｄ）中に点線で示すように、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の押し付け荷重が一定であるとすると、ハウジング３と被加工面Ｆとの間の距離が減少するために他方の変位測定手段２６の出力Ｄｗが減少する。

さらに、被加工物Ｗの径の増大及び表面硬さの増大に伴って、被加工面Ｆに対するフォームローラ１の凸部１ａの圧入量が減少しつつアーム２が上昇するので、図１４（ｃ）に点線で示す如く一方の変位測定手段１６の出力Ｄｔが減少（測定距離が減少）する。そして、微細凹部の深さが減少する。

そこで、当該加工装置では、図１４（ｄ）に示すように、両変位測定手段１６，２６の出力差Ｄｔ−Ｄｗが常に一定になるようにフォームローラ１の押し付け荷重を増加させる。つまり、図１４（ｃ）の破線で示すように、両変位測定手段１６，２６の出力差Ｄｔ−Ｄｗをほぼ一定に維持するように荷重付与手段４による荷重を上げる制御を行う。これにより、表面硬さが増大する部分での微細凹部の深さの減少が解消され、被加工面Ｆの全体にわたって深さの均一な微細凹部が形成されることになる。

また、図１５に示すように、加工中の両変位測定手段１６，２６の出力差Ｄｔ−Ｄｗを常に測定し、瞬間的な出力差Ｄｔ−Ｄｗの変化率（Ｔ_ｎ−１からＴ_ｎに至る間の変化率）に基づいて、次の瞬間（Ｔ_ｎからＴ_ｎ＋１経過後）の出力差Ｄｔ−Ｄｗを以下の式により予測し、上記と同様に出力差Ｄｔ−Ｄｗの変動がなくなるように荷重付与手段４による荷重を上げる制御を行うことにより、被加工面Ｆの全体にわたって深さの均一な微細凹部をより高精度に形成することができる。

図１６は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図示の加工装置は、変位測定手段１６が、ハウジング３の内部に設けてある。変位測定手段１６は、レーザ変位計あるいは静電容量変位計などの非接触式の測定機器であって、ハウジング３の内部に固定してあり、アーム２側の可動部位であるロッド９の上端部のばね座１１を測定位置としている。

上記の加工装置は、先の実施例と同様の作用及び効果を得ることができるうえに、とくに変位測定手段１６をハウジング３に収容しているので、例えば、変位測定手段１６と測定部位であるばね座１１との間に異物が入り込んで測定不能になるような事態や、加工液が変位測定手段１６に飛散して測定不能になるような事態を未然に防ぐことができ、測定精度の維持に貢献し得るものとなる。

図１７及び１８は本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の実施例を説明する図である。
図１７に示す加工装置は、先述の各実施例と同様の基本構成を備えると共に、加工中において加工後の微細凹部の被加工面上の形状を測定する加工形状測定手段２０備えている。加工形状測定手段２０は、ＣＣＤカメラ等の画像測定機器であって、アーム２（又は図１３に示すハウジング３の延出部）の下端に固定してあり、フォームローラ１で加工した直後の被加工面Ｆ上の微細凹形状を非接触で測定する。

上記の加工装置は、図１８（ａ）に示すように、被加工物Ｗの表面硬さが加工開始端０から加工終了端Ｚ１までの間で変化している場合、被加工物Ｗに一定の圧力でフォームローラ１を押付けて微細凹部を加工すると、表面硬さの変化に伴って加工される微細凹部Ａの代表長さ（例えば、幅Ｂ１，Ｂ２、対角線長さ及び直径など）が変化するので、その代表長さの変化に基づいて被加工物Wの表面硬さの変化を判断することができる。

すなわち、当該加工装置では、図１８（ｂ）（ｃ）に示すように、加工する微細凹部Ａの代表長さと表面硬さとの関係や、押付け荷重と表面硬さとの関係を予め求めておき、加工中においては、加工形状測定手段２０で微細凹部Ａを形状を測定しつつ、微細凹部Ａの代表長さの変化がなくなるように荷重付与手段４による荷重を増減する制御、つまり、図１８（ａ）に示す如く被加工物Ｗの表面硬さが後半で減少している場合には、その減少部分において荷重付与手段４による荷重を下げる制御を行う。

これにより、被加工物Ｗの表面硬さが減少（又は増加）する部分での微細凹部Ａの深さの変動が解消され、被加工面Ｆの全体にわたって深さ及び大きさが均一な微細凹部Ａを高精度に形成することができる。

なお、本発明に係わる加工装置及び加工方法は、その構成が上記各実施例のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能であり、例えば、複数列の凸部を有するフォームローラを用いたり、揺動可能なアームを用いてフォームローラを円弧に沿って進退動作させたりする構成としても良い。また、概略円柱形状以外の被加工物にも適用可能である。

本発明に係わる微細凹部の加工装置の一実施例を示す説明図である。 フォームローラ近傍を拡大した正面図である。 被加工面の表面硬さが漸次減少する場合において、変位測定手段の出力の経時変化を示すグラフである。 本発明に係わる微細凹部の加工装置の他の一実施例において、フォームローラ近傍を示す正面図である。 被加工面の表面硬さが漸次減少する場合において、変位測定手段を構成する第１及び第２のセンサの出力の経時変化を示すグラフである。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例において、フォームローラ近傍を示す側面図（ａ）及び背面図（ｂ）である。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例を示す説明図である。 被加工面の表面硬さが漸次増大する場合において、変位測定手段の出力及び素子付荷重の経時変化を示すグラフである。 被加工物の加工の開始端と終了端を示す正面図（ａ）、被加工面の表面硬さと測定位置の関係を示すグラフ（ｂ）、変位測定手段の出力と測定位置の関係を示すグラフ（ｃ）、及び荷重測定手段の出力と測定位置の関係を示すグラフ（ｄ）である。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例において、フォームローラ近傍を示す正面図である。 鍔状の凸部を有するフォームローラによる微細凹部の形成を説明する側面図（ａ）及び拡大図付の正面図（ｂ）である。 突起状の凸部を一定間隔で有するフォームローラによる微細凹部の形成を説明する側面図（ａ）及び拡大図付の正面図（ｂ）である。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例を示す説明図である。 被加工物の加工の開始端と終了端を示す正面図（ａ）、被加工面の表面硬さと測定位置の関係を示すグラフ（ｂ）、２つの変位測定手段の出力と測定位置の関係を示すグラフ（ｃ）、及び荷重測定手段の出力と２つの測定位置の関係を示すグラフ（ｄ）である。 加工中の２つの変位測定手段の変化を表したグラフである。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例において、フォームローラ近傍を示す正面図である。 本発明に係わる微細凹部の加工装置のさらに他の一実施例において、フォームローラ近傍を示す側面図（ａ）及び背面図（ｂ）である。 被加工物の表面硬さにより変化する微細凹部の形状を示す説明図（ａ）、微細凹部の形状と表面硬さの関係を示すグラフ（ｂ）、及び表面硬さと押付け荷重の関係を示すグラフ（ｂ）である。

符号の説明

１ フォームローラ
１ａ 凸部
２ アーム
３ ハウジング
４ 荷重付与手段
５ 荷重測定手段
６ 変位測定手段（アームから被加工面までの距離の測定）
６Ａ 第１センサ
６Ｂ 第２センサ
１６ 変位測定手段（ハウジング側とアーム側との間の変位の測定）
２０ 加工形状測定装置
２６ 変位測定手段（ハウジング側と被加工面との間の変位の測定）
Ａ 微細凹部
Ｆ 被加工面
Ｗ 被加工物

Claims (15)

1. 外周部に微細凹部形成用の凸部を有するフォームローラを被加工物の被加工面に押付けると共に、被加工物を回転させることにより、その被加工面に微細凹部を形成する装置であって、フォームローラを回転自在に保持するアームと、被加工物の被加工面に対してアームとともにフォームローラを進退可能に保持するハウジングと、被加工面に当接したフォームローラに対して同被加工面への荷重を付与する荷重付与手段と、荷重付与手段による荷重を測定する荷重測定手段を備えると共に、加工中においてアームから被加工面までの距離を測定する変位測定手段を備えたことを特徴とする微細凹部の加工装置。
2. 被加工面における変位測定手段の測定位置が、被加工物の回転に伴って形成後の微細凹部が通過する位置であることを特徴とする請求項１に記載の微細凹部の加工装置。
3. 変位測定手段が、被加工面の非加工部を測定位置とする第１のセンサと、微細凹部の底部を測定位置とする第２のセンサを備えていることを特徴とする請求項１に記載の微細凹部の加工装置。
4. 被加工面における変位測定手段の測定位置が、フォームローラの転動方向の後方近傍位置であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の微細凹部の加工装置。
5. 外周部に微細凹部形成用の凸部を有するフォームローラを被加工物の被加工面に押付けると共に、被加工物を回転させることにより、その被加工面に微細凹部を形成する装置であって、フォームローラを回転自在に保持するアームと、被加工物の被加工面に対してアームとともにフォームローラを進退可能に保持するハウジングと、被加工面に当接したフォームローラに対して同被加工面への荷重を付与する荷重付与手段と、荷重付与手段による荷重を測定する荷重測定手段を備えると共に、加工中においてハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段を備えたことを特徴とする微細凹部の加工装置。
6. 変位測定手段が、ハウジングの内部に設けてあることを特徴とする請求項５に記載の微細凹部の加工装置。
7. 外周部に微細凹部形成用の凸部を有するフォームローラを被加工物の被加工面に押付けると共に、被加工物を回転させることにより、その被加工面に微細凹部を形成する装置であって、フォームローラを回転自在に保持するアームと、被加工物の被加工面に対してアームとともにフォームローラを進退可能に保持するハウジングと、被加工面に当接したフォームローラに対して同被加工面への荷重を付与する荷重付与手段と、荷重付与手段による荷重を測定する荷重測定手段を備えると共に、加工中においてハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段と、ハウジング側の固定部位と被加工面との間の変位を測定する変位測定手段の２つの変位測定手段を備えたことを特徴とする微細凹部の加工装置。
8. ハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段が、ハウジングの内部に設けてあることを特徴とする請求項７に記載の微細凹部の加工装置。
9. 外周部に微細凹部形成用の凸部を有するフォームローラを被加工物の被加工面に押付けると共に、被加工物を回転させることにより、その被加工面に微細凹部を形成する装置であって、フォームローラを回転自在に保持するアームと、被加工物の被加工面に対してアームとともにフォームローラを進退可能に保持するハウジングと、被加工面に当接したフォームローラに対して同被加工面への荷重を付与する荷重付与手段と、荷重付与手段による荷重を測定する荷重測定手段を備えると共に、加工中において加工後の微細凹部の被加工面上の形状を測定する加工形状測定手段を備えたことを特徴とする微細凹部の加工装置。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の加工装置を用いて、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、荷重測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする微細凹部の加工方法。
11. 請求項１〜８のいずれかに記載の加工装置を用いて、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、変位測定手段の測定値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする微細凹部の加工方法。
12. 請求項７又は８に記載の加工装置を用いて、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、ハウジング側の固定部位とアーム側の可動部位との間の変位を測定する変位測定手段と、ハウジング側の固定部位と被加工面との間の変位を測定する変位測定手段の測定値の差が一定になるように荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする微細凹部の加工方法。
13. 請求項７又は８記載の加工装置を用いて、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段及び変位測定手段による測定を行うと共に、変位測定手段の測定値から、変位の変動を予測し、その予測値に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする微細凹部の加工方法。
14. 請求項９の加工装置を用いて、被加工物の被加工面に微細凹部を形成するに際し、荷重測定手段の測定値、及び加工後の微細な凹部の被加工面上の形状に基づいて荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする微細凹部の加工方法。
15. ハウジング及び被加工物の少なくとも一方を互いに近接離間する方向に移動させることにより、荷重付与手段による荷重を制御することを特徴とする請求項１０〜１４に記載の微細凹部の加工方法。

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