JP2008221427A - 楕円振動切削装置および楕円振動切削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高能率な形状創成加工を行なうことが可能となる楕円振動切削装置および楕円振動切削方法を提供する。
【解決手段】楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を被削材４に対して相対的に楕円振動（円振動を含む）させることが可能な振動装置２と、加工形状データを含む各種データを入力可能であり、各種演算機能を有し、上記楕円振動の振幅を制御可能な制御部９と、被削材４と切削工具３との一方を他方に対して相対的に移動させる送り機構７，１０とを備える。そして、加工形状データに応じて切削工具３の刃先の楕円振動の振幅を制御する。切削加工時の被削材４または切削工具３の刃先の位置を検知可能な位置検知手段を備えた場合、位置検知手段による検知結果と加工形状データとの比較結果に基づいて、制御部９により切削工具３の刃先の楕円振動の振幅を制御することもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、楕円振動切削装置および楕円振動切削方法に関し、特に、工具刃先を被削材に対して相対的に楕円振動（円振動を含む）させながら切削を行なう楕円振動切削装置および楕円振動切削方法に関する。

近年、たとえば光学関連機器や摺動部品においては、微細な凹凸形状等によって構成される機能表面を備えた部品や、その成形金型等が必要とされている。具体的には、たとえば液晶プロジェクター等に用いられるマイクロレンズアレイなどが挙げられる。また、車の内装部品等の見た目や感触を重要とする製品等においても、シボやテクスチャと呼ばれる微小な凹凸によって構成される機能表面が必要とされる場合がある。

このような機能表面の加工は、主にエッチング（フォトリソグラフィやシボ加工）や機械加工等によって行なうことができる。機械加工としては、工作機械やＦＴＳ（Ｆｉｒｓｔ Ｔｏｏｌ Ｓｅｒｖｏ）の運動を制御して切削加工を行なう方法や、人為的にキサゲを行なう方法等がある。

しかし、エッチングによる方法では、加工対象が限定され、複雑な３次元形状の加工が困難であるという課題がある。たとえば、鉄系材料に対して精密な３次元形状を転写することはできない。また上記のような機械加工の場合、需要の多い鉄系材料や脆性材料に対して精密形状を転写することは困難である。

それに対し、被削材に対する工具の相対変位を楕円振動させながら加工を行なう楕円振動切削加工法と呼ばれる切削加工技術が提案されている。この楕円振動切削加工法を用いることにより、上述の鉄系材料や脆性材料に対して、精密微細加工を施すことが可能となる。なお、楕円振動切削加工法については、たとえば特開平７−６８４０１号公報等に記載されている。
特開平７−６８４０１号公報

ところがこれまで、精度が高い加工に楕円振動切削加工法を適用する場合、高精度な工作機械の運動を正確に被削材表面に転写するため、一定の楕円振動を精密に維持するように制御して切削加工を行なっていた。これは、振動軌跡が変形すると切込み深さや加工プロセスが変化して精度が低下するためである。しかし、このように一定の振動を維持しながら工作機械の運動を転写するという方法で上述のような鉄系材料や脆性材料に対して精密微細加工を施すことは可能であったが、工作機械は高速制御ができないため加工に時間を要し、高能率な形状創成加工を行なうのが困難であるという問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高能率な形状創成加工を行なうことが可能となる楕円振動切削装置および楕円振動切削方法を提供することを目的とする。

本発明に係る楕円振動切削装置は、切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動（円振動を含む）させることが可能な振動装置と、加工形状データを含む各種データを入力可能であり、上記楕円振動の振幅を制御可能な制御部と、被削材と切削工具との一方を他方に対して相対的に移動させる送り機構とを備える。そして、加工形状データに応じて制御部により楕円振動の振幅を制御する。

上記の楕円振動切削装置は、切削加工時の被削材または切削工具の刃先の位置と振動装置との相対的な位置を検知可能な位置検知手段とを備えるものであってもよい。この場合、上記制御部は各種演算機能を有することが好ましい。そして、位置検知手段により検知された位置データと加工形状データとの比較結果に基づいて、制御部により楕円振動の振幅を制御する。

上記制御部は、たとえば切削方向と切込み方向と送り方向の少なくとも一方向における楕円振動の振幅を制御可能である。また、振動装置は、好ましくは、切削工具の刃先を被削材に対して相対的に超音波楕円振動させる。ここで、「超音波」とは、本願明細書では、概ね可聴域より上の振動数(周波数)であって、たとえば１７〜２０ｋＨｚ以上程度のものをいう。

本発明に係る楕円振動切削方法は、１つの局面では、切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動させながら加工形状データに応じて前記楕円振動の振幅を制御することで、前記加工形状データに従った形状に前記被削材を切削することを特徴とする。

他の局面では、本発明に係る楕円振動切削方法は、次の各ステップを備える。切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動（円振動を含む）させることで、所定の加工形状データに基づいて被削材を切削する一方で、被削材または切削工具の刃先の位置と振動装置との相対的な位置を検知する。上記切削時の被削材または切削工具の刃先の位置と振動装置との相対的な位置データと、加工形状データとを比較する。この位置データと加工形状データとの比較結果に基づいて楕円振動の振幅を制御する。

本発明によれば、加工形状データに応じて上記楕円振動の振幅を制御するので、楕円振動の振幅を変化させながら切削加工を行なえる。このように楕円振動の振幅を変化させながら切削加工を行なうことで、たとえば切込み方向や切削方向のような特定の方向に、被削材または切削工具の刃先を相対的に高速で移動させながら切削を行なうのと等価な状態を実現することができる。したがって、被削材の表面に高能率で形状創成加工を施すことが可能となる。同時に、楕円振動切削特有の効果が得られるため、焼入れ鋼や脆性材料などに対して上述の形状創成加工を直接施すこともできる。加えて、通常の切削加工法と異なり切削力（特に背分力成分）が大幅に減少するため、通常と比較して大きな切削断面積で上述の切削を行なうことができる。

以下、図１〜図１４を用いて、本発明の実施の形態について説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

図１に示すように、楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動（円振動を含む：以下同様）させながら旋削タイプの加工を行なうことが可能な切削装置であり、切削工具３を振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を回転させることが可能な主軸５と、送り機構６，７，１０と、ベース部８と、制御部９と、被削材４や切削工具３等の各部の位置や移動量等を検知可能な位置検知手段（たとえばロータリエンコーダ、リニアエンコーダ、位置センサ等）とを備える。

振動装置２は、切削工具３の刃先に振動を与え、当該刃先を被削材４に対して相対的に楕円振動（円振動を含む）させる機能を有する要素である。この振動装置２は、典型的には、切削工具３の刃先を超音波楕円振動（たとえば１７〜２０ｋＨｚ以上程度の周波数での振動）させることが可能なものであるが、それ以外の任意の周波数で切削工具３を振動させてもよい。

図８に、振動装置２の具体例を示す。図８に示す振動装置２は、縦振動を利用して切削工具３の刃先を楕円振動させるものであり、切削工具３が装着される振動子と、振動子を駆動することで切削工具３を駆動する駆動装置２０とを備える。切削工具３としては、たとえばダイヤモンド工具を使用可能である。

図８では、振動子として複数の縦振動子を一体化した一体型振動子を例示しているが、他の任意の形態の振動子を使用可能である。図８に示す振動子は、圧電素子をボルトで締込んで挟んだランジュバン型の縦振動子２５，２６を、連結部材２７を介して一体化した一体型振動子である。縦振動子２５，２６は、その長手方向に縦振動を発生させる振動子である。図８の例では、縦振動子２５，２６は互いに交差する方向に延在しているので、縦振動子２５，２６は互いに交差する２つの方向の縦振動をそれぞれ発生させることとなる。

連結部材２７は、たとえば立方体や直方体形状のチタン合金などの金属で作製することができ、縦振動子２５，２６の先端部同士を連結する。この連結部材２７に、切削工具３を取り付ける。

切削工具３は、連結部材２７の表面にロウ材等を介して接合可能であるが、連結部材２７の表面に凹部を設け、該凹部に切削工具３を取り付けてもよい。図８の例では、連結部材２７の表面において隣合う面に縦振動子２５，２６の先端部をそれぞれ接合し、縦振動子２５，２６の一方の先端部が接合される面と隣合う面に切削工具３を取り付けている。

縦振動子２５は、連結部材２７側に位置する前方側部と、連結部材２７から離れた側に位置する後方側部と、前方側部と後方側部との間に設置された平板状の圧電素子２５ａ，２５ｂとを有する。前方側部は、連結部材２７に近づくにつれて幅が細くなるテーパ形状を有し、連結部材２７と同じ材質で構成可能である。たとえば前方側部をコニカルホーン形状、エクスポネンシャルホーン形状、ステップホーン形状とすることが考えられる。圧電素子２５ａ，２５ｂは、電極板を有し、ボルトなどの締結部材によって前方側部と後方側部とに固定される。縦振動子２６も、縦振動子２５と同様の構造を有し、前方側部と後方側部との間に平板状の圧電素子２６ａ，２６ｂを備える。

なお、図８の例では、縦振動子２５，２６を互いに直交する方向に延在させてＬ形の一体型振動子を作製しているが、縦振動子２５，２６間のなす角度を９０度以外の任意の角度にしてＶ形の一体型振動子を作製してもよい。

図８に示すように、駆動装置２０は、信号発信器２１，２２と、増幅器２３，２４とを備える。信号発信器２１は、増幅器２３を介して縦振動子２６と電気的に接続され、信号発信器２２は、増幅器２４を介して縦振動子２５と電気的に接続される。そして、信号発信器２１，２２から縦振動子２５，２６に所定の電圧を入力する。たとえば９０度あるいはその付近の位相差で縦振動子２５，２６に電圧を入力する。それにより、切削工具３の刃先を軌跡１４に従って楕円振動させることができる。

次に、図９〜図１４を用いて、振動装置の他の例について説明する。図９は、振動装置の他の例において使用可能な振動子とその振動モードを併記した図であり、図１０は、振動装置の他の例の概略構成を示す図である。

図９に示す振動子は、縦−たわみ振動を複合して楕円振動を発生する超音波楕円振動子３０である。図９には、この超音波楕円振動子３０の振動モードの模式図を併記している。本振動子３０は、圧電素子３１をボルトで締込んで挟んだランジュバン型の振動子で、図９に示されるように振動子の左端にインサート工具を取り付けて使用する。

超音波楕円振動子３０に、縦振動駆動用圧電素子３１とたわみ振動駆動用圧電素子３１とをそれぞれ設置し、縦振動駆動用圧電素子３１に電圧を印加することにより２次の縦振動モードを励振して工具刃先で図の左右方向に振動を発生させ、たわみ振動駆動用圧電素子３１に電圧を印加することにより５次のたわみ振動モードを励起して上下方向に振動を発生させる。このそれぞれの方向の振動を同一周波数で重畳することにより、切削工具３の刃先に、たとえば軌跡１４に従った超音波楕円振動を発生させることができる。また、最も振動が小さくなる各振動モードの節の位置を支持することにより、振動を減衰させることなく振動工具の高剛性支持を実現することができる。

図９に示す超音波楕円振動子３０の駆動システムの構成例を図１０に示す。駆動機構２０の信号発信器２１，２２から駆動信号を出力し、増幅器２３，２４を通して振動工具の各駆動用圧電素子３１に印加する。このとき、制御部９により、それぞれの振動モードにおける駆動電圧の振幅および位相差を調整することにより、工具刃先の振動振幅と位相差を任意に調整することができる。なお、図１０に示す圧電素子３１の配置、大きさ、形状および構成は任意に選択可能である。

図１０に示す振動子にダミーのインサート工具を取り付け、レーザドップラ振動計を用いて刃先の振動軌跡を計測した結果を図１１に示す。図１１に示すように、３８．７ｋＨｚで４μｍｐ−ｐ、位相差６８度の楕円振動軌跡が得られている。また、本駆動システムでは何らかのフィードバック制御を行ない、切削力などの外乱に対して安定した任意の振動軌跡制御が可能であることが望ましい。

図１２に、１方向の縦振動とそれに直交する２方向のたわみ振動を複合して楕円振動を発生する３自由度の超音波楕円振動子４０とその振動モードの模式図を示す。

本超音波楕円振動子４０では、図１２に示されるように厚み方向に分極処理を行なった板状の圧電素子を振動子の側面に貼り付け、正弦波状の駆動電圧を印加して振動子の表面で引張と圧縮の力を周期的に発生させることにより加振する。

縦振動については、４枚の縦振動駆動用圧電素子（圧電板）４２の分極方向を同一の方向として同位相の駆動信号を与えることにより２次の振動モードを加振する。一方、たわみ振動については、上下（または表裏）のたわみ振動駆動用圧電素子（圧電板）４１で分極方向が逆となるように貼り付けて同位相の駆動信号を与えることにより、振動子の上下（または表裏）で逆の力を同時に発生させることで４次の振動モード（インサート工具を取り付けると５次モードとなる）を加振する。これらの上下および表裏の圧電板は、直交する２方向の同一モードのたわみ振動を独立して加振する。

同様に、センサ用の圧電板である圧電素子センサ４３を振動子の側面に貼り付けることにより振動状態の計測を行なう。切削工具３は、図１２に示されるように振動子の端部に取り付けて使用する。本振動子の場合も、それぞれの方向の振動を同一周波数で重畳することにより、切削工具３の刃先に軌跡１４に従った超音波楕円振動を発生させることができる。また、最も振動が小さくなる各振動モードの節の位置を支持部４４で支持することにより、振動を減衰させることなく振動工具の高剛性支持を実現することができる。

上述の超音波楕円振動子４０の駆動システムの構成例を図１３に示す。制御装置（コントローラ）４６から駆動信号を出力し、増幅器４８を通して振動工具の駆動用圧電素子４１，４２に印加する。このとき、それぞれの振動モードにおける駆動電圧の振幅および位相差を調整することにより、工具刃先の振動振幅と位相差を任意に調整することができる。

なお、切削力などの外乱に対して安定した任意の振動軌跡制御が可能であることが望ましいことから、本システム構成では振動軌跡のフィードバック制御を行なっている。具体的には、センサ信号処理装置４５において圧電素子センサ４３からの振動測定信号を演算処理することにより、縦振動および２方向のたわみ振動に相当する信号を抽出する。さらに、制御装置４６において、上述の各振動モードの測定信号が所望の振動となっているか比較を行ない、その誤差を補正するように各振動モードの駆動信号を補正して出力する。また、干渉除去装置４７では、各振動モードが干渉せず独立するようにローカルなフィードバック制御を行なう。さらに、各振動モードの駆動信号を増幅器４８で電力増幅して振動工具に貼り付けた駆動用圧電素子４１，４２に印加し、振動子を加振する。

超音波楕円振動子４０についても、ダミーのインサート工具を取り付けてレーザドップラ振動計を用いて刃先の振動軌跡を計測したので、その結果を図１４に示す。図１４に示すように、３４．４ｋＨｚで縦振動が５μｍｐ−ｐ、たわみ振動が１０μｍｐ−ｐ、縦振動−たわみ振動１の間の位相差が１８０度、縦振動−たわみ振動２の間の位相差が２７０度の楕円振動軌跡が得られている。

次に、切削工具３の刃先に与えられる楕円振動の振幅の制御手法の一例について、図４と図８を用いて説明する。

図８に示す楕円振動の軌跡１４の振幅を制御するには、縦振動子２５，２６に入力される電圧の振幅を制御すればよい。たとえば縦振動子２５，２６に正弦波電圧を入力する場合には、この正弦波電圧の振幅を制御すればよい。より詳しくは、楕円振動の軌跡１４の振幅を全体的に大きくするには、縦振動子２５，２６に入力される電圧の振幅を同じ割合で増加させればよく、楕円振動の軌跡１４の振幅を全体的に小さくするには、縦振動子２５，２６に入力される電圧の振幅を同じ割合で低減させればよい。また、縦振動子２５，２６に入力される電圧の振幅を異なる割合で増減させることで、様々な形状の楕円振動の軌跡１４を実現することも可能であると考えられる。図９，図１０，図１２，図１３に示す各振動子の場合も、同様の手法で楕円振動の軌跡１４の振幅を制御することができる。

上記のように切削工具３の刃先に与える楕円振動の振幅を変化させることで、被削材４の表面に、この振幅の変化量に応じた高低差の微細な凹凸形状を形成することができる。たとえば図４に示すような微細で周期的な凹凸形状の仕上げ面１２を被削材４の表面に形成するには、上記の各振動子に入力する電圧の振幅を周期的に増減させることで軌跡１３に従って切削工具３の刃先を楕円振動させながら、切削工具３を被削材４に対し相対的に移動させればよい。

図４の例では、切削工具３の切削方向（切削工具３が被削材４に対し相対的に移動することで切削が行なわれる方向：図中矢印の方向）の振動振幅を固定し、切込み方向の振動振幅を変化させているが、切込み方向と切削方向の双方の振幅を同時に変化させることも考えられる。なお、図４において、４ａは切り屑を示している。

再び図１を参照して、主軸５は、被削材４を保持した状態で回転させるものである。送り機構６は、主軸５を回転可能に支持しながら移動させる機構を有する。送り機構７は、送り機構６とともに主軸５を移動させる機能を有する。この送り機構６，７により、被削材４を所望の方向（たとえばＸ，Ｙ，Ｚ方向のいずれか）に送ることができる。

他方、送り機構１０は、振動装置２とともに切削工具３を移動させる機能を有する。この送り機構１０により、切削工具３を所望の方向（たとえばＸ，Ｙ，Ｚ方向のいずれか）に送ることができる。なお、各送り機構は、被削材４と切削工具３との一方を他方に対して相対的に移動させることができるものであればよく、直線運動に限らず回転運動でもよい。

ベース部８は、送り機構７，１０等の各種要素を支持可能な切削装置の基部である。制御部９は、各種演算機能とともに振動装置２の動作制御を行なうための指令信号出力機能をも有する。たとえば振動装置２の動作制御を行なえる。また、送り機構７，１０により移動された各種要素の位置データや、加工形状データ等の各種データを入力可能である。

図１の例では、制御部９には、主軸５、送り機構６，７に関する位置信号（エンコーダ信号）と、加工形状データとが入力され、これらの情報に基づいて振動装置２の動作制御を行ない、切削工具３の刃先の楕円振動の振幅を制御する。

本実施の形態の切削装置は、前述のように、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダ、位置センサ等のような位置検知手段を備えるが、これらの位置検知手段により、切削加工時の被削材４や切削工具３の刃先の位置（たとえば振動装置に対する相対的な位置）や振動装置の位置（切削加工時の被削材４や切削工具３の刃先の位置に対する相対的な位置）を検知することができる。そして、上記位置検知手段により検知された位置データと加工形状データとの比較結果に基づいて、制御部９により切削工具３の刃先の楕円振動の振幅を制御する。

次に、本実施の形態１の楕円振動切削装置１を用いた楕円振動切削方法について説明する。

まず、振動装置２によって切削工具３の刃先を楕円振動させながら、送り機構６，７，１０によって被削材４に対して切削工具３に相対的な送り運動を与えることで、所定の加工形状データに従った楕円振動切削加工を被削材４に施す。それにより、焼入れ鋼や脆性材料などの通常の加工が困難な材料に対しても、所望の形状創成加工を行なうことができる。

そして上記切削時に、図１に示すように、主軸５、送り機構６，７等の加工部の位置信号（エンコーダ信号）を取り出し、この位置信号に基づく位置データと、その加工位置における目標の加工形状データとを制御部９において比較する。それにより、加工部の位置データと加工形状データとの差、つまり実際の加工時の不足（超過）分の切込みを算出することができる。この不足（超過）分の切込みを補うための適切な振動振幅指令値を制御部９にて算出し、振幅指令信号を振動装置２に与えて切込みを制御しながら切削加工を行なう。その結果、加工形状データに従った高精度な切削加工を効率的に行なうことができ、被削材４の表面に高能率で形状創成加工を施すことが可能となる。

例えば、トーリックレンズ（軸非対称レンズ）を加工するには、まず平均的な曲率の球面（非球面）レンズ形状の切込みとなるように送りを与える。そして、加工中の座標を読み取り、回転主軸５の回転位置θに同期させ、下記の数式（１）で表されるパターンで切込方向の振動振幅Ｚを変化させて加工を行なう。なお、加工対象の形状と各座標位置に応じてＮ、aｎ、φｎを適切に決定する。ここで、Ｎは考慮する波長成分の数であり、aｎは各波長成分の振幅であり、φｎは各波長成分の位相差である。

なお、上述の例では、被削材４側の切削時の位置データを検知して楕円振動の振幅制御を行なったが、切削工具３側の切削時の位置データを検知して楕円振動の振幅制御を行なうようにしてもよい。

（実施の形態２）
次に、図２を用いて、本発明の実施の形態２について説明する。図２は、本実施の形態２の楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

本実施の形態２の楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動させながらプレーナタイプの加工を行なうことが可能な切削装置であり、図２に示すように、切削工具３を楕円振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を図中の矢印の方向に送ることが可能な送り機構７と、振動装置２側の送り機構１０，１１と、送り機構１０，１１を支持する支持部と、ベース部８と、制御部９と、被削材４や切削工具３等の各部の位置（たとえば相対位置）や移動量（たとえば相対的な移動量）等を検知可能な位置検知手段とを備える。

本実施の形態２の楕円振動切削装置１における各部の構成および機能は、基本的に実施の形態１の場合と同様であるので、重複説明は省略する。本実施の形態２では、振動装置２によって切削工具３に対して楕円振動を与えながら、送り機構７によって被削材４を図２の矢印の方向に送ることで、被削材４に楕円振動切削加工を施す。切削工具３については、送り機構１０，１１によって、振動装置２とともに切り込み方向あるいはそれと直交する方向に移動させることが可能である。

本実施の形態２の楕円振動切削装置１によっても、実施の形態１の場合と同様の楕円振動切削方法を実施することができる。また、本実施の形態２の楕円振動切削装置１によれば、切削工具３の刃先の振動軌跡における下端部を連ねた線が正弦波状となるように楕円振動の振動振幅を変化させて加工を行なうことにより、マイクロレンズアレイなどの加工を行なうことができる。さらに、実施の形態１の場合と同様に、焼入れ鋼や脆性材料などの通常の加工が困難な材料に対して高精度な形状創成加工を高能率で行なうこともできる。

（実施の形態３）
次に、図３を用いて、本発明の実施の形態３について説明する。図３は、本実施の形態３の楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

本実施の形態３の楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動させながら自由曲面加工を行なうことが可能な切削装置であり、図３に示すように、切削工具３を楕円振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を図中の矢印の方向に送ることが可能な送り機構７と、振動装置２側の送り機構１０，１１と、送り機構１０，１１を支持する支持部と、ベース部８と、制御部９と、被削材４や切削工具３等の各部の位置（たとえば相対位置）や移動量（たとえば相対的な移動量）等を検知可能な位置検知手段とを備える。

本実施の形態３の楕円振動切削装置１における各部の構成および機能も、基本的に実施の形態１，２の場合と同様であるので、重複説明は省略する。本実施の形態３の楕円振動切削装置１では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に加えて回転位置制御（例えばＣ軸制御）が可能な４軸制御以上の加工機を用いる。また、被削材４側に回転位置決め装置１６を設置する。この回転位置決め装置１６は振動装置２側に設けてもよい。さらに、振動装置２には、２軸以上の方向で振動制御が可能な装置を用いるが、望ましくは３軸以上の方向で振動制御が可能であり、３次元空間内の任意の平面内で楕円振動が発生可能な装置であるとよい。

そして、同時４軸制御により被削材４の法線方向に対して工具の姿勢が常に一定となるように制御を行ないながら加工を行なう。この際、前述の各実施の形態と同様に、加工機の位置信号を取り出し、その加工位置における目標の加工形状と比較して、不足（超過）分の切込みを算出し、不足（超過）分の切込みを補うための適切な振動振幅指令信号を振動装置２に与えて切込みを制御しながら加工を行なう。これにより、前述の旋削加工やプレーナ加工で行なう形状創成加工を自由曲面に対して実現することができる。

一般に機械加工では，工作機械のサーボ系の応答に依存して高速動作を行なう際に生じる非定常な誤差や，ロストモーションやスティックモーションと呼ばれる動作方向が切り替わる際に生じる運動誤差が問題となる。これに対し、上述の３つの実施の形態で例示される本発明の手法では、高速応答する振幅制御により上記の運動誤差を修正することができる。そのため、使用する工作機械の運動誤差に対して、さらに小さい誤差で加工を行なうことが可能となり加工精度が向上するという特長もある。さらに、各実施の形態の図中に示す加工目標の形状データを工作機械のＮＣ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ）指令値とすることで、上述の工作機械の運動誤差をも補正して加工精度を向上することもできる。

上述の各実施の形態では、加工部の位置データと、その加工位置における目標の加工形状データとを比較し、その比較結果に基づいて振動振幅指令値を算出し、この振幅指令信号を振動装置に与えて切込みを制御しながら切削加工を行なう例について説明したが、位置データを検知することなく加工形状データに応じて楕円振動の振幅を制御しながら切削加工を行なってもよい。

本手法の場合も、楕円振動切削を行なう際に振動軌跡を高速で変化させて加工を行なうことができ、工作機械の運動制御や、楕円振動装置とＦＴＳの組合せによる制御では実現することの困難な高能率な形状創成加工を難削材料に対して行なうことができる。この際、上述の各実施の形態のように加工位置に同期して振動振幅制御を行なえば、加工形状に対して任意の形状創成加工を行なうことができる。

本手法のように加工位置に対して同期制御を行なわずに振動軌跡に対して一定の変動を与えながら加工を行なうことで、工具の切削送り方向において周期的な凹凸面が得られ、送り方向にランダムな配置となる凹凸形状を作製することができる。これにより特徴的なテクスチャを加工面に創成することが可能となる。

以下の各実施の形態では、このような切削加工を行なうことが可能な楕円振動切削装置の構成例について説明する。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

図５に示すように、楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動させながら旋削タイプの加工を行なうことが可能な切削装置であり、切削工具３を振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を回転させることが可能な主軸５と、送り機構６，７，１０と、ベース部８と、信号発生装置１５とを備える。

本実施の形態４の楕円振動切削装置１と、図１に示す実施の形態１の楕円振動切削装置１の主たる相違点は、加工形状データに応じて振動装置２に振幅指令を与えることが可能な信号発生装置１５を備えるか、制御部９を備えるかという点にある。これ以外の構成については、実施の形態１の楕円振動切削装置１と基本的に同様であるので重複説明は省略する。

本実施の形態４の楕円振動切削装置１では、信号発生装置１５から所望の振動振幅指令信号を振動装置２に与えて切込みを制御しながら加工を行なう。信号発生装置１５は、演算機能が必要とはされない点において上述の制御部９とは異なるが、楕円振動の振動振幅を制御するという意味においては、上述の制御部９と同様に制御部としての機能を有するといえる。したがって、本願明細書における「制御部」の概念には、本実施の形態の「信号発生装置１５」のような装置も含まれるものと解釈されるべきである。以下の各実施の形態においても同様である。

振幅指令を出す信号発生装置１５には、例えばＤＡ（Digital-to-Analog）変換器やファンクションジェネレータなどが利用できるが、振動装置２に対して指令を与えることのできる装置であれば何でもよい。また、信号発生装置１５からの信号は、必ずしもアナログ電圧信号である必要もない。

本実施の形態４の楕円振動切削装置１は、例えばレンズ表面に一定の角度間隔で凹凸形状を創成する場合に適用可能である。かかる凹凸形状を創成するには、まず工作機械の送り軸が所望のレンズ形状の切込みとなるように送りを与える。そして、加工中に目的の凹凸形状にあわせて振動振幅制御信号を振動装置２に入力し、振動振幅を制御しながら切削加工を行なう。このとき、振動振幅の制御信号としては、一定のバイアスを与えた状態で正弦波状に変動させる場合などが考えられる。なお、振動振幅の制御信号の形状としては、正弦波以外に、三角波、方形波、ランプ波、その他の任意の波形など、目的の凹凸形状にあわせて任意の波形を選ぶことができる。

（実施の形態５）
次に、図６を用いて、本発明の実施の形態５について説明する。図６は、本発明の実施の形態５における楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

図６に示すように、本実施の形態５の楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動させながらプレーナタイプの加工を行なうことが可能な切削装置であり、切削工具３を楕円振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を図中の矢印の方向に送ることが可能な送り機構７と、振動装置２側の送り機構１０，１１と、送り機構１０，１１を支持する支持部と、ベース部８と、信号発生装置１５とを備える。

本実施の形態５の楕円振動切削装置１と、図２に示す実施の形態２の楕円振動切削装置１の主たる相違点は、実施の形態４の場合と同様に、加工形状データに応じて振動装置２に振幅指令を与えることが可能な信号発生装置１５を備えるか、制御部９を備えるかという点にある。これ以外の構成については、実施の形態２の楕円振動切削装置１と基本的に同様であるので重複説明は省略する。

本実施の形態５の楕円振動切削装置１の場合も、実施の形態４の場合と同様に、信号発生装置１５から所望の振動振幅指令信号を振動装置２に与えて切込みを制御しながら加工を行なうことができる。例えば、振動振幅を正弦波状で変化させて加工を行なうことにより、切削方向に一定間隔の凹凸形状を加工面に創成することができる。

（実施の形態６）
次に、図７を用いて、本発明の実施の形態６について説明する。図７は、本発明の実施の形態６における楕円振動切削装置１の概略構成を模式的に示す斜視図である。

図７に示すように、本実施の形態６の楕円振動切削装置１は、切削工具３の刃先を楕円振動させながら自由曲面加工を行なうことが可能な切削装置であり、切削工具３を楕円振動させることが可能な振動装置２と、被削材４を図中の矢印の方向に送ることが可能な送り機構７と、振動装置２側の送り機構１０，１１と、送り機構１０，１１を支持する支持部と、ベース部８と、信号発生装置１５とを備える。

本実施の形態６の楕円振動切削装置１と、図３に示す実施の形態３の楕円振動切削装置１の主たる相違点は、実施の形態４，５の場合と同様に、加工形状データに応じて振動装置２に振幅指令を与えることが可能な信号発生装置１５を備えるか、制御部９を備えるかという点にある。これ以外の構成については、実施の形態３の楕円振動切削装置１と基本的に同様であるので重複説明は省略する。

本実施の形態６の楕円振動切削装置１においても、加工機にＸＹＺ軸に加えて回転位置制御（例えばC軸制御）が可能な４軸制御以上の加工機を用いる。なお、回転位置決め装置１６は、主軸側にあっても、工作物を保持しているテーブル側にあってもよい。さらに振動装置２には、３軸方向で振動制御が可能な装置を用いる。

本実施の形態６の楕円振動切削装置１によれば、同時４軸制御により工作物の法線方向に対して工具の姿勢が常に一定となるように制御を行ないながら加工を行なうことができる。この際に、前述の場合と同様、信号発生装置１５から任意の振動振幅指令信号を振動装置２に与えて切込みを制御しながら加工を行なうことにより、前述の旋削加工やプレーナ加工で行なう凹凸面創成加工を自由曲面に対して実現することができる。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の構成を適宜組合せることも当初から予定している。また、今回開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変形が含まれる。

本発明の実施の形態１における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態３における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の楕円振動切削方法の一例を説明するための断面模式図である。 本発明の実施の形態４における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態６における楕円振動切削装置の概略構成を示す斜視図である。 本発明の１つの実施の形態における振動装置の概略構成を示す図である。 振動装置の他の例で使用可能な振動子および振動モードを示す図である。 振動装置の他の例の概略構成を示す図である。 工具刃先の振動軌跡の計測結果を示す図である。 振動装置のさらに他の例で使用可能な振動子および振動モードを示す図である。 振動装置のさらに他の例の概略構成を示す図である。 工具刃先の振動軌跡の計測結果を示す図である。

符号の説明

１ 楕円振動切削装置、２ 振動装置、３ 切削工具、４ 被削材、４ａ 切り屑、５ 主軸、６，７，１０，１１ 送り機構、８ ベース部、９ 制御部、１２ 仕上げ面、１３，１４ 軌跡、１５ 信号発生装置、１６ 回転位置決め装置、２０ 駆動装置、２１，２２ 信号発信器、２５ａ，２５ｂ，２６ａ，２６ｂ，３１ 圧電素子、２３，２４，４８ 増幅器、２５，２６ 縦振動子、２７ 連結部材、３０，４０ 超音波楕円振動子、４１ たわみ振動駆動用圧電素子、４２ 縦振動駆動用圧電素子、４３ 圧電素子センサ、４４ 支持部、４５ センサ信号処理装置、４６ 制御装置、４７ 干渉除去装置。

Claims (6)

1. 切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動させることが可能な振動装置と、
   加工形状データを含む各種データを入力可能であり、前記楕円振動の振幅を制御可能な制御部と、
   前記被削材と前記切削工具との一方を他方に対して相対的に移動させる送り機構とを備え、
   前記加工形状データに応じて前記制御部により前記楕円振動の振幅を制御するようにした、楕円振動切削装置。
2. 切削加工時の前記被削材または前記切削工具の刃先の位置と前記振動装置との相対的な位置を検知可能な位置検知手段をさらに備え、
   前記制御部は、各種演算機能を有し、
   前記位置検知手段により検知された位置データと前記加工形状データとの比較結果に基づいて、前記制御部により前記楕円振動の振幅を制御するようにした、請求項１に記載の楕円振動切削装置。
3. 前記制御部は、切削方向と切込み方向と送り方向の少なくとも一方向における前記楕円振動の振幅を制御可能である、請求項１または請求項２に記載の楕円振動切削装置。
4. 前記振動装置は、前記切削工具の刃先を前記被削材に対して相対的に超音波楕円振動させる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の楕円振動切削装置。
5. 切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動させながら加工形状データに応じて前記楕円振動の振幅を制御することで、前記加工形状データに従った形状に前記被削材を切削することを特徴とする、楕円振動切削方法。
6. 切削工具の刃先を被削材に対して相対的に楕円振動させることで、所定の加工形状データに基づいて前記被削材を切削する一方で、前記被削材または前記切削工具の刃先の位置と前記振動装置との相対的な位置を検知するステップと、
   前記切削時の前記被削材または前記切削工具の刃先の位置と前記振動装置との相対的な位置データと、前記加工形状データとを比較するステップと、
   前記位置データと前記加工形状データとの比較結果に基づいて、前記楕円振動の振幅を制御するステップと、
   を備えた、楕円振動切削方法。

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