JP2006320994A - 振動切削装置、成形金型、及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 工具刃先を確実に固定することによって高精度の振動切削を可能にし、エネルギーのロスを低減することができる振動切削装置を提供すること。
【解決手段】 締結部材である固定ネジ２５によって切削工具２３を先端部２１ａに固定するだけでなく、係止部材である固定ネジ２６によって固定ネジ２５の抜けを防止するので、切削工具２３をツール部２１の先端部２１ａに対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。しかも、固定ネジ２５のヘッド部２５ａとスリット状溝２１ｆの内面との間に切削工具２３の固定部である根元部分２３ｅを挟んで締付けて切削工具を緩みなく固定することができるので、高精度の振動切削を可能にし、振動切削に際してエネルギーのロスを低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子用の成形金型その他を形成する材料の切削加工に好適に用いられる振動切削装置、並びに、これを用いて作製される成形金型及び光学素子に関するものである。

ダイヤモンド等の工具先端を振動させることで、難切削材料である超硬やガラス等の材料を切削加工する技術があり、振動切削と呼ばれている。これは、振動によって工具刃先が高速で微小切り込みを行い、かつ、この時に生成する切り屑を振動によって刃先が掬い出す効果によって、工具に対しても被削材料に対しても応力の少ない切削加工を実現するものである（例えば特許文献１、２，３等参照）。

これによって、通常の延性モード切削で必要とされる臨界切り込み量が数倍に向上し、難切削材料を高効率で切削加工することができる。

この振動切削加工において、加工効率を向上するには振動周波数を高めれば上述した効果が増加し、さらに周波数にほぼ比例して工具の送り速度も高められるので、通常は２０ｋＨｚ以上の高速な振動が使われる。また、この周波数では人間の可聴域を超えているので、振動子やそれにより励振される振動体が不快な音を生じないというメリットもある。

このような高速振動を工具刃先に発生させる方法として、ピエゾ素子や超磁歪素子等によって工具を保持する部材を励振し、この部材を撓み振動や軸方向振動等で共振させることにより、定在波として安定振動させることが実用化されている。このような方法において、工具を保持する部材、すなわち振動体は、共振の節にあたるところで装置筐体や加工機の工具台等に連結された部材に固定されている。
特開２０００−５２１０１号公報 特開２０００−２１８４０１号公報 特開平９−３０９００１号公報

しかしながら、上記のような振動切削では、工具刃先を支持する板状シャンクを先端ホルダに差し込んで、この板状シャンクを片面側から単にネジで押し付けて固定するだけであるので、工具刃先の交換は簡単であるが、工具刃先の固定が緩みやすく、緩みによって振動切削の加工精度が低下する傾向がある。また、工具刃先の固定がしっかりしていないことから、振動切削に際してエネルギーのロスが増大する傾向がある。

そこで、本発明は、工具刃先を確実に固定することによって高精度の振動切削を可能にし、振動切削に際してエネルギーのロスを低減することができる振動切削装置、並びに、これを用いて作製される成形金型及び光学素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る振動切削装置は、（ａ）加工用チップを先端に支持する切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）先端部に切削工具を保持する場合に、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）切削工具を振動体の先端部に固定する締結部材と、当該締結部材の抜けを防止する係止部材とを有する固定手段とを備える。

上記装置では、締結部材によって切削工具を振動体の先端部に固定するだけでなく、係止部材によって締結部材の抜けを防止するので、切削工具を振動体の先端部に対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。

本発明の具体的な態様では、上記振動切削装置において、振動体の先端部が、切削工具の一端に設けた固定部を受容する凹部と、当該凹部と交差するように延びる固定穴とを有し、締結部材が、切削工具の固定部に設けた開口に挿通されるとともに固定穴に螺合するネジ部と、当該開口の周囲部分を凹部の内面に押圧するヘッド部とを有するネジ部材である。この場合、切削工具の固定部を振動体の先端部に設けた凹部に差し込んで、固定穴にネジ部材をねじ込むだけで、ヘッド部と凹部の内面との間に固定部を挟んで締付けて切削工具を固定することができる。なお、上述の固定穴にあっては、ネジ部と螺合する部分の内径がプラグ状ネジと螺合する部分の内径よりも小さくなっている。

本発明の別の態様では、係止部材が、固定穴にネジ込まれたヘッド部側から固定穴にネジ込まれるプラグ状ネジである。この場合、ネジ部材とプラグ状ネジとを固定穴に順次ねじ込んで固定することになる。このように固定すると、固定穴のうちネジ部材を取り付けた残り部分の空間を利用してプラグ状ネジを埋め込んでネジ部材の係止を確保することになり、切削工具を省スペースで確実に固定することができる。なお、プラグ状ネジには、イモネジのほか、ネジ部及びヘッド部を有する通常の外形のネジも含まれる。

本発明の別の態様では、固定手段が、振動体と略同一の線膨張係数（具体的にには、振動体の線膨張係数の０．７５〜１．２５倍程度の線膨張係数）を有する材料で形成されている。この場合、振動体の先端部と固定手段とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具を安定して確実に固定することができる。なお、先端部や固定手段の形成材料は、線膨張係数６×１０^−６以下であることが望ましい。この場合、振動源や切削工具が発熱しても、振動体の熱膨張を抑えることができ、切削工具を精度良く目標位置に配置することができ、高精度な切削加工が可能になる。

本発明の別の態様では、固定手段が、振動体と略同一の比重（具体的にには、振動体の比重の０７５〜１０．２５倍程度の比重）を有する材料で形成されている。この場合、振動体の先端部が形状に応じた質量バランスを有することになり、振動体を目標どおり振動させることができ、延いては切削工具を高精度で振動させることができる。

通常、固定手段及び振動体の線膨張係数や比重を一致させて偏りのない振動特性をるため、固定手段の材料は、振動体の材料と同一とする。この場合、固定手段は、振動体の線膨張係数と同一の線膨張係数を有し、振動体の比重と同一の比重を有することになる。

本発明の別の態様では、締結部材及び係止部材が、固定穴を充填するように振動体の先端部に取り付けられる。つまり、固定穴の位置に凹部や凸部がほとんど残らないように、締結部材及び係止部材が固定穴に略過不足なく埋め込まれる。この場合、振動体の先端部を外形的に無駄のない形状とすることができ、固定穴による質量的アンバランスを低減して切削工具の安定した振動を確保することができる。

本発明の別の態様では、切削工具が、固定部から先端方向に延びて加工用チップを支持する板状の支持部材を含み、凹部が、固定部と嵌合するスリット状溝である。この場合、切削工具を軽量に保ちつつ固定手段による切削工具の固定を確実なものとすることができる。

本発明の別の態様では、加工用チップが、振動体の工具軸の延長上に配置される尖端を有する。この場合、加工点を工具軸の延長上に配置するので、加工用チップが工具軸の延長線上を中心として変位し、工具軸上において振動の対称性が良好になる。よって、被加工面がより滑らかに切削され、加工精度を向上させることができる。また、被加工面に対する切削工具や振動体の先端部の配置を把握し易く、振動切削装置による加工性を高めることができる。

本発明に係る成形金型は、上記振動切削装置を用いて加工創製された光学面を有する。この場合、凹面その他の各種光学面を有する金型を、効率良く簡易に高精度で加工することができる。

本発明に係る光学素子は、例えばプラスチック、ガラス等で形成され、上記成形金型によって成形される。この場合、高精度の金型によって高精度の光学素子を得ることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る振動切削装置を図面を用いて説明する。図１は、レンズ等の光学素子を成形するための成形金型の光学面を加工する振動切削装置の構造を説明するブロック図である。

図１に示すように、振動切削装置１０は、被加工体であるワークＷを切削加工するための振動切削ユニット２０と、振動切削ユニット２０をワークＷに対して支持するＮＣ制御機構３０と、ＮＣ制御機構３０の動作を制御するステージ駆動装置４０と、振動切削ユニット２０に所望の振動を与える振動子駆動装置５０と、振動切削ユニット２０に冷却用のガスを供給するガス供給装置６０と、装置全体の動作を統括的に制御する主制御装置７０とを備える。

振動切削ユニット２０は、下部に延びるツール部２１先端に切削工具２３を埋め込んだ振動切削工具であり、この切削工具の高周波振動によってワークＷを切削する。振動切削ユニット２０の詳細については後述する。

ＮＣ制御機構３０は、台座３１上にコラム３３を設けた構造になっており、コラム３３に取り付けられてＺ方向に昇降するヘッド３７を備える。このヘッド３７には、振動切削ユニット２０が取り付けられており、底部にツール部２１を露出させている。ヘッド３７は、振動切削ユニット２０を支持してＸＹ面内で所望の位置に所望の速度で移動させることができるとともに、振動切削ユニット２０をその先端位置や工具軸のまわりに所望の角度だけ回転させることができる。振動切削ユニット２０に対向して、台座３１上には、ステージ３５が設けられている。このステージ３５は、ワークＷを支持してＸＹ面内で適当な位置に配置して固定することができとともに、ワークＷをＺ軸に平行な鉛直軸のまわりに所望の速度で回転させることができる。

ステージ駆動装置４０は、高精度の数値制御が可能になっており、ＮＣ制御機構３０に内蔵されたモータや位置センサ等を主制御装置７０の制御下で駆動することによって、ヘッド３７やステージ３５を適宜動作させる。これにより、ワークＷに対する振動切削ユニット２０のツール部２１先端の３次元的な位置や角度、さらにそれらの変化速度を自在に調整することができる。さらに、振動切削ユニット２０のツール部２１先端を低速で移動（送り動作）させつつ、ワークＷを鉛直軸のまわりに高速で回転させることもでき、ＮＣ制御機構３０を高精度の旋盤として活用することができる。

振動子駆動装置５０は、振動切削ユニット２０に内蔵された振動源に電力を供給するためのものであり、内蔵する発振回路やＰＬＬ回路によって、ツール部２１先端を主制御装置７０の制御下で所望の振動数及び振幅で振動させることができる。なお、詳細は後述するが、ツール部２１先端は、軸（すなわち切り込み深さ方向に延びる工具軸）に垂直な撓み振動や軸に沿った軸方向振動が可能になっており、２次元的な振動や３次元的な振動によってワークＷ表面にツール部２１先端すなわち切削工具２３を向けた加工が可能になっている。

ガス供給装置６０は、振動切削ユニット２０を冷却するためのものであり、加圧された乾燥空気を供給するガス状流体源６１と、ガス状流体源６１からの加圧乾燥空気を通過させることによってその温度を調節する温度調節部６３と、温度調節部６３を通過した加圧乾燥空気の流量調節を行う流量調節部６５とを備える。ここで、ガス状流体源６１は、例えば熱的工程やデシケータ等を利用した乾燥機に空気を送り込むことによって空気を乾燥させ、コンプレッサで乾燥空気を所望の気圧まで昇圧させる。また、温度調節部６３は、図示を省略するが、例えば冷媒を周囲に循環させた流路と、この流路の途中に設けた温度センサとを有し、冷媒の温度や供給量の調節によって、流路に通した加圧乾燥空気を所望の温度に調節することができる。さらに、流量調節部６５は、例えばバルブやフローコントローラ（不図示）を有し、温度調節された加圧乾燥空気を振動切削ユニット２０に供給する際の流量を調節することができるようになっている。

図２は、振動切削ユニット２０の構造を説明する断面図である。振動切削ユニット２０は、切削工具２３と、振動体８２と、軸方向振動子８３と、撓み振動子８４と、カウンタバランス８５と、筐体８６とを備える。

ここで、切削工具２３は、振動体８２の先端側であるツール部２１の先端部２１ａに埋め込むように固定されている。切削工具２３は、後に詳述するが、先端２３ａがダイヤモンドチップの切刃になっており、共振状態とされた振動体８２の開放端として振動体８２とともに振動する。つまり、切削工具２３は、振動体８２の軸方向振動に伴ってＺ方向に変位する振動を生じ、振動体８２の撓み振動に伴ってＹ軸方向或いはＸ軸方向に変位する振動を生じる。結果的に、切削工具２３の先端は、例えば誇張して図示したような楕円軌道ＥＯを描いて高速変位する。

振動体８２は、線膨張係数が６×１０^−６以下の材料によって形成されており、具体的には、窒化珪素、サイアロン、超硬、インバー材、ステンレスインバー材等が好適に用いられる。振動体８２は、先端側のツール部２１で外径が細くなっており、根元側で外径が太くなっている。振動体８２の側面の適当な箇所には、板状部分である第１固定フランジ８７が形成されており、振動体８２は、第１固定フランジ８７を介して筐体８６に例えばネジ９３で固定されている。なお、振動体８２は、軸方向振動子８３によって振動し、Ｚ方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。また、振動体８２は、撓み振動子８４によって振動し、Ｙ軸方向或いはＸ軸方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第１固定フランジ８７の位置は、振動体８２にとって、軸方向振動と撓み振動とに共通の節となっており、第１固定フランジ８７を介して振動体８２を固定することにより、軸方向振動や撓み振動が妨げられることを防止できる。

図３は、第１固定フランジ８７の形状を例示する。図３（ａ）に示す第１固定フランジ８７は、完全な円板状の固定部材であり、外周部分が図２の筐体８６に固定されて筐体８６を封止しており、通気のない構造となっている。図３（ｂ）に示す第１固定フランジ８７は、開口８７ａを有する固定部材であり、外周部分を図２の筐体８６に固定しても、筐体８６内外の通気がある程度確保できるようになっている。図３（ｃ）に示す第１固定フランジ８７は、例えば等角度で３方向に延びる支持部材８７ｂを有する固定部材であり、支持部材８７ｂ先端を図２の筐体８６に固定しても、筐体８６内外の十分な通気が確保できるようになっている。

図２に戻って、軸方向振動子８３は、ピエゾ素子（ＰＺＴ）や超磁歪素子等で形成され振動体８２の根元側端面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図１の振動子駆動装置５０に接続されている。軸方向振動子８３は、振動子駆動装置５０からの駆動信号に基づいて動作し高周波で伸縮振動することによって振動体８２に縦波を与える。なお、軸方向振動子８３は、Ｚ方向に関しては変位可能になっているが、ＸＹ方向に関しては変位しないようになっている。

撓み振動子８４は、ピエゾ素子や超磁歪素子等で形成され振動体８２の根元側側面に接続される振動源であり、図示を省略するコネクタ等を介して図１の振動子駆動装置５０に接続されている。撓み振動子８４は、振動子駆動装置５０からの駆動信号に基づいて動作し、高周波で振動することによって振動体８２に横波すなわち図示の例ではＹ方向の振動を与える。

カウンタバランス８５は、軸方向振動子８３を挟んで振動体８２の反対側に接続される。カウンタバランス８５の側面の適当な箇所には、第２固定フランジ８８が形成されており、カウンタバランス８５は、第２固定フランジ８８を介して筐体８６に固定されている。第２固定フランジ８８の形状は、図３に示す第１固定フランジ８７と同様のものとなっている。なお、カウンタバランス８５は、軸方向振動子８３によって振動し、Ｚ方向に局所的に変位する定在波が形成されている共振状態となる。ここで、第２固定フランジ８８の位置は、カウンタバランス８５にとって、軸方向振動の節となっており、第２固定フランジ８８を介して固定することにより、振動体８２の軸方向振動が妨げられることを防止できる。

筐体８６は、円筒状の内部空間を有する部材であり、第１及び第２固定フランジ８７，８８を介して振動体８２やカウンタバランス８５を支持固定する部分である。筐体８６の一端には、開口を塞ぐように上述の第１固定フランジ８７が取り付けられており、他端には、端面の開口に連結された給気パイプ９２が設けられている。この給気パイプ９２は、図１のガス供給装置６０に連結されており、所望の流量及び温度に設定された加圧乾燥空気が供給される。つまり、給気パイプ９２は、ガス供給装置６０とともに、振動切削ユニット２０を内部から冷却するためのものとなっている。

以上の振動切削ユニット２０において、振動体８２と、軸方向振動子８３と、カウンタバランス８５とは、互いにロウ付けによって固定されており、軸方向振動子８３の効率的な振動が可能になっている。また、振動体８２と、軸方向振動子８３と、カウンタバランス８５との軸心には、これらを貫通する貫通孔９１が形成されており、給気パイプ９２からの加圧乾燥空気が流通する。貫通孔９１の先端は、二股以上に分岐した細孔９１ａとなっており、貫通孔９１に導入された加圧乾燥空気をツール部２１の先端部２１ａ近傍に排出できるようになっている。

図４（ａ）及び（ｂ）は、図２に示すツール部２１先端の側方断面図及び平面断面図である。

図からも明らかなように、ツール部２１に設けた先端部２１ａは、側面視において四角形状で平面視において三角形状のクサビ形状を有している。また、先端部２１ａの先端部２１ａに保持された切削工具２３は、平面視において先端が三角で全体が板状のシャンク２３ｂと、シャンク２３ｂの尖端に固定された加工用チップ２３ｃとを備える。このうち、シャンク２３ｂは、例えば超硬材料、ハイス鋼等によって形成された支持部材であり、軽量でありながら撓みにくくなっている。また、加工用チップ２３ｃは、ダイヤモンド製のチップであり、シャンク２３ｂの先端にロウ付け等によって固定されている。切削工具２３自体は、先端部２１ａの端面２１ｄに埋め込むようにして固定されており、加工用チップ２３ｃの尖端は、切り込み深さ方向に延びる工具軸ＡＸの延長上に配置されている。また、加工用チップ２３ｃやこれを支持するシャンク２３ｂは、先端部２１ａのクサビ側面（左右側面）を延長した開き角θのクサビ状空間内に収まっている。ここで、先端部２１ａの開き角θは、２０°〜９０°の範囲となっている。開き角θを２０°以上とすることにより、、先端部２１ａの曲げ強度等を十分高いレベルに確保することができる。また、開き角θを２０°以上とすることにより、先端部２１ａ近傍で振動モードが変化する傾向を抑制することができ、意図しない振動によって切削工具２３による切削加工精度が低下することを防止できる。一方、先端部２１ａの開き角θを９０°以下とすることにより、先端部２１ａがワークＷの被加工面ＳＡと干渉し難くなるので、加工形状の制限を低減して形状の任意性を高めることができる。

切削工具２３すなわちシャンク２３ｂの根元部分２３ｅは、先端部２１ａの端面２１ｄから工具軸ＡＸに沿ってＸＺ面内で刻設された矩形断面のスリット状溝２１ｆ内に嵌合する状態で挿入されており、ツール部２１の材料と同一の材料等で形成された２つの固定ネジ２５，２６によって、先端部２１ａに対して着脱可能にしっかりと固定されている。具体的には、先端部２１ａの上下側面間を貫通する固定穴２１ｈ，２１ｇに固定ネジ２５，２６を順次ねじ込んで固定する。これらの固定穴２１ｈ，２１ｇは、例えばＹ軸方向に延びており、両者の締付け方向は、工具軸ＡＸに直交する。両固定穴２１ｈ，２１ｇは、内径が異なっており、固定穴２１ｇの内径の方が固定穴２１ｈの内径よりも大きくなっている。両固定穴２１ｈ，２１ｇは、両固定ネジ２５，２６のネジ付けによって充填される。つまり、固定穴２１ｈ，２１ｇの位置には、深い凹部が残ったり高い凸部が形成されないようにしている。固定穴２１ｈにねじ込まれる一方の固定ネジ２５は、切削工具２３を固定するための締結部材であり、雄ネジ部２５ｂとヘッド部２５ａとを含むトルクスネジである。雄ネジ部２５ｂを固定穴２１ｇに差し込んだ状態でヘッド部２５ａを適当な工具でネジ回すことにより、雄ネジ部２５ｂが、根元部分２３ｅに形成された開口２３ｈを貫通して、固定穴２１ｇの奥に形成された固定穴２１ｈ内面の雌ネジと螺合する。この際、切削工具２３の根元部分２３ｅがヘッド部２５ａとスリット状溝２１ｆの内面とに挟まれて締付けられ、根元部分２３ｅが主面側から固定されるので、切削工具２３の分離が防止され切削工具２３の固定が確保される。固定穴２１ｇにねじ込まれる他方の固定ネジ２６は、所謂イモネジであり、固定ネジ２５の抜けを防止するための係止部材として機能する。この固定ネジ２６は、下端を固定穴２１ｇにあてがって上端を適当な工具でネジ回すことにより、固定穴２１ｇ内面の雌ネジと螺合して固定穴２１ｇにねじ込まれ固定穴２１ｇ内を充填する。こうしてねじ込まれた固定ネジ２６により、固定ネジ２５が上端から締付けられ、固定ネジ２５の緩みが防止されるので、切削工具２３の固定がより確実なものとなり、切削工具２３の振動等を低減することができる。

図５（ａ）は、切削工具２３の平面図であり、図５（ｂ）は、切削工具２３の側面図である。図からも明らかなように、板状の切削工具２３の尖端側に加工用チップ２３ｃを固定しており、切削工具２３の他端側に固定用の開口２３ｈを有している。図５（ｃ）は、固定ネジ２５の平面図であり、図５（ｄ）は、固定ネジ２５の側面図である。固定ネジ２５の雄ネジ部２５ｂの側面には、図４の固定穴２１ｈ内面と螺合するネジ山２５ｃが形成されている。図５（ｅ）は、固定ネジ２６の平面図であり、図５（ｆ）は、固定ネジ２６の側面図である。固定ネジ２６の雄ネジ部２５ｂの側面には、図４の固定穴２１ｇ内面と螺合するネジ山２６ｃが形成されている。

図２に戻って、ツール部２１の先端部２１ａは、例えばＹＺ面内で高速振動する。また、ツール部２１の先端部２１ａは、図１のＮＣ制御機構３０によって、例えばＹＺ面内で所定の軌跡を描いて徐々に移動する。つまり、ツール部２１の送り動作が行われる。また、被加工体であるワークＷは、図１のＮＣ制御機構３０によって、Ｚ軸に平行な回転軸ＲＡのまわりに一定速度で回転する（図４参照）。これにより、ワークＷに対し回転軸ＲＡのまわりに回転対称な例えば被加工面ＳＡ（例えば、凹凸の球面、非球面等の曲面のほか、位相素子面等の段差面）を形成することができる。この際、ヘッド３７を利用して、ツール部２１の切削工具２３の尖端をＹ軸方向に平行な旋回軸ＰＸのまわりに回転させることで、切削工具２３の尖端がワークＷに形成すべき被加工面ＳＡに対して略垂直になるようにする（図６参照）。 これにより、被加工面ＳＡの加工精度を高め、被加工面ＳＡをより滑らかなものとすることができる。

以下、振動体８２を形成する材料について説明する。なお、カウンタバランス８５も、振動体８２と同一の材料で形成されている。

振動体８２の材料としては、線膨張係数が６×１０^−６以下の材料を用い、具体的には、窒化珪素、サイアロン、超硬、インバー材、ステンレスインバー材等が好適に用いられる。このように、振動体８２の材料として、線膨張係数が６×１０^−６以下の材料を用いた場合、線膨張係数が最も一般的な焼き入れ鋼材の１０〜１１×１０^−６の約半分であるので、振動体８２の熱伸張によって加工精度が低下することを防止することができる。

線膨張係数が６×１０^−６以下の材料はたくさんあるが、大きく分けると合金系とセラミック系の材料とがある。合金系材料は、加工がセラミツクより容易な反面、比重は大きくヤング率も小さいので、高周波で共振させるには不向きである。セラミック系材料は、その逆で、ヤング率が鋼材の２〜３倍程もあり、しかも比重は半分以下であるため、軽くて高い振動数で振動させやすく、さらに振動を吸収しにくいので単一で純度の高い共振周波数を得やすい。つまり、材料のＱ値が高く、本来このような材料で振動体８２を製作すべきである。

以下、振動体８２の具体的材料について説明する。振動体８２は、例えば窒化珪素やサイアロンで形成することができる。窒化珪素やサイアロンは、ほとんど同一の特性を有するセラミック材料であり、室温での線膨張係数が１．３×１０^−６と非常に小さく、鋼材の約１／１０程度であるので、振動体８２の熱膨縮量を著しく低減し、先端に保持した切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを劇的に低減する。その結果、安定した振動と切り込み量が確保できるので、ワークＷにおいて、高い精度の切削加工面を効率よく、再現性良く得ることができる。

さらに、窒化珪素やサイアロンは、セラミック材料の中ではじん性が非常に高く、柔軟な振動をするので歪みが少なく、単一振動周波数で比較的大きな振幅が得られるという特徴もある。また、比重が３．３と非常に軽く慣性力が小さくてヤング率も３００ＧＰａと大きいので、高い振動数で振動させやすい。したがって、振動子８３，８４の負荷を小さくでき、その発熱量も低く押さえられるので、切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを低減するには非常に良い。また、熱伝導率も、ステンレス程度と、セラミックとしては比較的高い方であり、振動体８２に熱を蓄積せずに伝搬して温度上昇を抑える特徴がある。また、窒化珪素やサイアロンは、衝撃に強いセラミック材料であるので、振動の負荷による割れの発生や、ワークＷの加工時の事故による破損等も起こりにくいという特徴がある。

振動体８２は、例えば超硬材料で形成することができる。ここでいう超硬材料とは、タングステンカーバイトを８０重量％以上含む合金を全て指す。超硬材料は、線膨張係数が６×１０^−６と、鋼材の約半分であり、剛性が非常に高くヤング率も高いので共振周波数を比較的高くできるが、振動振幅を大きくするには比重が１４と重いので、振動子８３，８４に大きなエネルギーを供給する必要がある。一方、振動体８２をセラミック材料で形成する場合よりはずっと割れにくくなるので、切削工具２３を保持固定する構造材料として好適であり、振動体８２の信頼を高めることができる。

振動体８２は、例えばインバー材で形成することができる。ここでいうインバー材とは、５０原子％以上を含む主成分がＦｅであって、１０原子％以上を含む成分が少なくともＮｉで構成されている合金材料全てを指す。以上のようなインバー材は、例えば３６原子％のニッケルを含む鉄合金であるが、線膨張係数が室温で１×１０^−６以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体８２の材料に用いることで、振動体８２の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。

振動体８２は、例えばステンレスインバー材で形成することができる。ここでいうステンレスインバー材とは、５０原子％以上となる主成分がＦｅであり、５原子％以上を含む付随的材料がＣｏと、Ｃｒと、Ｎｉとの少なくとも１つである合金材料全てを指す。したがって、ここではコバール材もこのステンレスインバー材に含まれる。ステンレスインバー材は、線膨張係数が室温で１．３×１０^−６以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体の材料に用いることで、振動体８２の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。さらに、ステンレスインバー材は、インバー材よりも水分に対する耐性がずっと高く、加工冷却液等がかかっても錆びが発生しないという優れた特徴があるので、切削工具２３を保持固定する構造材料として適している。

以上は振動体８２の材料の説明であったが、振動体８２の先端部２１ａに切削工具２３を固定するための固定手段である固定ネジ２５，２６も、振動体８２と同様の線膨張係数を有する材料を用いることが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の線膨張係数の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。この場合、ツール部２１と固定ネジ２５，２６とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具２３を安定して確実に固定することができる。固定ネジ２５，２６の材料としては、加工の容易性等を考慮すると、既述のように超硬材料の他、ハイス鋼等が適するが、窒化珪素、サイアロン、インバー材、ステンレスインバー材等を用いることもできる。

また、固定ネジ２５，２６は、振動体８２の振動にノイズ等を与えない観点で、振動体８２の材料の比重と略等しい比重を有する材料で形成することが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の比重の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。一般的には、固定ネジ２５，２６と振動体８２とを同一材料で作製することになるが、固定ネジ２５，２６と振動体８２とを異なる材料で形成することもできる。

以上の説明をまとめると、本実施形態の振動切削装置１０によれば、締結部材である固定ネジ２５によって切削工具２３を先端部２１ａに固定するだけでなく、係止部材である固定ネジ２６によって固定ネジ２５の抜けを防止するので、切削工具２３をツール部２１の先端部２１ａに対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。しかも、固定ネジ２５のヘッド部２５ａとスリット状溝２１ｆの内面との間に切削工具２３の固定部である根元部分２３ｅを挟んで締付けて切削工具を緩みなく固定することができるので、高精度の振動切削を可能にし、振動切削に際して超音波摩擦熱の発生やエネルギーのロスを低減することができる。

また、本実施形態の振動切削装置１０によれば、固定手段である固定ネジ２５，２６がツール部２１と略同一の線膨張係数を有する材料で形成されている。この場合、ツール部２１と固定ネジ２５，２６とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具２３を安定して確実に固定することができる。また、固定手段である固定ネジ２５，２６がツール部２１と略同一の比重を有する材料で形成されている。この場合、ツール部２１の先端部２１ａが形状に応じた質量バランスを有することになり、ツール部２１や切削工具２３を目標どおり振動させることができる。さらに、固定手段である固定ネジ２５，２６が、固定穴２１ｇ，２１ｈを充填するように取り付けられている。この場合、ツール部２１の先端部２１ａを外形的に無駄のない形状とすることができ、固定穴２１ｇ，２１ｈによる質量的アンバランスを低減して切削工具２３の安定した振動を確保することができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る成形金型について説明する。図７は、第１実施形態の振動切削ユニット２０を用いて作製した成形金型を説明する図であり、図７（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図７（ｂ）は、可動型すなわち第２金型２Ｂの側方断面図である。両金型２Ａ，２Ｂの光学面３ａ，３ｂは、図１〜図６に示す振動切削装置によって仕上げ加工されたものである。つまり、両金型２Ａ，２Ｂの母材（材料は例えば超硬）をワークＷとしてステージ３５上に固定し、振動子駆動装置５０等を動作させて振動切削ユニット２０に定在波を形成しつつ切削工具２３を高速振動させる。これと並行してステージ駆動装置４０を適宜動作させて、振動切削ユニット２０のツール部２１先端をワークＷに対して３次元的に任意に移動させる。これにより、金型２Ａ，２Ｂの光学面３ａ，３ｂを、球面や非球面に限らず、段差面、位相構造面とすることができる。

図８は、図７（ａ）の金型２Ａと、図７（ｂ）の金型２Ｂとを用いてプレス成形したレンズＬの断面図である。レンズＬの材料は、プラスチックに限らず、ガラス等とすることができる。

以上、実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、振動切削ユニット２０において、振動体８２や軸方向振動子８３の全体的形状や寸法は、用途に応じて適宜変更することができる。さらに、カウンタバランス８５から延びる第２固定フランジ８８を省略することもできる。また、振動体８２等の軸心に貫通孔９１を設けて加圧乾燥空気を流通させているが、加圧乾燥空気の供給方法は、図２に例示する給気パイプ９２に限らず様々な変形が可能であり、例えば筐体８６の側面から振動体８２の周囲に加圧乾燥空気を供給することもできる。また、振動切削ユニット２０があまり加熱されない場合、振動体８２の寸法変化を気にしなくても良くなるので、加圧乾燥空気の供給は不要である。また、図１のガス供給装置６０において、空気ではなく、オイルその他の潤滑要素等をミスト化して添加したガス状流体や、窒素ガス等の不活性ガス等を用いることができる。

また、切削工具２３を固定するための固定ネジ２５，２６の形状、サイズ等は、適宜変更可能であり、例えば固定ネジ２６を固定ネジ２５同様にヘッドを有するプラグ状ネジとすることもできる。

第１実施形態の振動切削装置を説明するブロック図である。 図１の振動切削装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図１の振動切削ユニットに用いられる第１固定フランジの形状を例示する端面図である。 （ａ）、（ｂ）は、ツール部先端の側方断面図及び平面断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、切削工具の平面図及び側面図であり、（ｃ）、（ｄ）は、締結用の固定ネジの平面図及び側面図であり、（ｅ）、（ｆ）は、係止用の固定ネジの平面図及び側面図である。 ツール部先端の移動および旋回を説明する平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２実施形態に係る成形金型の側方断面図である。 図７の成形金型によって形成されたレンズの側方断面図である。

符号の説明

１０…振動切削装置、 ２０…振動切削ユニット、 ２１…ツール部、 ２１ａ…先端部、 ２１ｄ…端面、 ２１ｈ…固定穴、 ２３…切削工具、 ２３ｂ…シャンク、 ２３ｃ…加工用チップ、 ２５，２６…固定ネジ、 ２５ｂ…雄ネジ部、 ２５ａ…ヘッド部、 ３０…ＮＣ制御機構、 ３１…台座、 ４０…ステージ駆動装置、 ６０…ガス供給装置、 ８２…振動体、 ８３，８４…振動子、 ８４…撓み振動子、 ＰＸ…旋回軸、 ＲＡ…回転軸、ＳＡ…被加工面、θ…開き角

Claims (11)

1. 加工用チップを先端に支持する切削工具と、
   前記切削工具を振動させるための振動源と、
   前記振動源からの振動を前記切削工具に伝達する振動体と、
   前記振動体の先端部に前記切削工具を固定するための締結部材と、当該締結部材の抜けを防止する係止部材とを有する固定手段と、
   を備える振動切削装置。
2. 前記振動体の前記先端部は、前記切削工具の一端に設けた固定部を受容する凹部と、当該凹部と交差するように延びる固定穴とを有し、前記締結部材は、前記切削工具の前記固定部に設けた開口に挿通されるとともに前記固定穴に螺合するネジ部と、当該開口の周囲部分を前記凹部の内面に押圧するヘッド部とを有するネジ部材であることを特徴とする請求項１記載の振動切削装置。
3. 前記係止部材は、前記固定穴にネジ込まれた前記ヘッド部側から前記固定穴にネジ込まれるプラグ状ネジであることを特徴とする請求項２記載の振動切削装置。
4. 前記固定手段は、前記振動体と略同一の線膨張係数を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の振動切削装置。
5. 前記固定手段は、前記振動体と略同一の比重を有する材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項記載の振動切削装置。
6. 前記固定手段は、前記振動体と同一の材料で形成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の振動切削装置。
7. 前記締結部材及び前記係止部材は、前記固定穴を充填するように前記振動体の前記先端部に取り付けられることを特徴とする請求項２及び請求項３のいずれか一項記載の振動切削装置。
8. 前記切削工具は、前記固定部から先端方向に延びて前記加工用チップを支持する板状の支持部材を含み、前記凹部は、前記固定部と嵌合するスリット状溝であることを特徴とする請求項２、請求項３、及び請求項７のいずれか一項記載の振動切削装置。
9. 前記加工用チップは、前記振動体の工具軸の延長上に配置される尖端を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項記載の振動切削装置。
10. 請求項１から請求項９記載のいずれか一項記載の振動切削装置を用いて、加工創製された光学面を有する成形金型。
11. 請求項９記載の成形金型によって成形された光学素子。
    

Images