JP2009214243A - シャトルを備えた加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】様々な形状の微細溝を加工することが可能な加工機を提供すること。
【解決手段】少なくとも一つの角度可変機構または、少なくとも一つの直線軸２，３、４，５を持ち、角度可変機構または、直線軸に往復運動装置８が取り付けられ、往復運動装置８の可動部に工具の切り込み機構と工具９を備え、加工機の直線軸２，３、４，５の駆動と往復運動装置８の駆動との組み合わせて、工具９が鉛直方向に運動する時にワーク１００の加工を行う往復運動装置を備えた加工機である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細な溝加工を行う加工機に関し、特に往復運動装置を備えた加工機に関する。

回折格子などの光学部品は、多数の微細溝が表面に加工されており、この微細溝を加工するために超精密加工機が用いられている。光学部品に形成される微細溝は、数千〜数万本を加工する必要があり、加工時間が長くなる問題がある。加工時間を短縮するために、それぞれの加工形状に対応した高速加工が可能な専用の加工機を用いられることが多い。
特許文献１には、高速往復運動して加工する加工装置で、移動方向反転時に必要とする力を軽減して直線溝加工を高速に行える加工装置の技術が開示されている。

特開２００７−１３０７１２号公報

光学部品に形成される微細溝の形状がより複雑化する傾向にある。そのため、徐々に角度の変わる溝や、曲面上に溝を加工する用途が増加している。そのため、様々な形状の微細溝加工に柔軟に対応可能な、高速微細加工が可能な加工機が求められている。
そこで、本発明の目的は、高速微細加工が可能な加工機を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、少なくとも一つの角度可変機構または、少なくとも一つの直線軸を持つ加工機において、前記角度可変機構または、直前軸に往復運動装置が取り付けられ、該往復運動装置の可動部に工具の切り込み機構と工具を備え、加工機の駆動と往復運動装置の駆動とを組み合わせてワークの加工を行うことを特徴とする往復運動装置を備えた加工機である。
請求項２に係る発明は、前記往復運動装置は、前記角度可変機構により任意の角度の姿勢を取ることができることを特徴とする請求項１に記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項３に係る発明は、前記往復運動装置は鉛直方向に駆動され、前記工具が鉛直方向下向きに加工を行うことを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項４に係る発明は、前記往復運動装置は、互いに反対方向に駆動される２つの可動部を備え、該二つの可動部は同軸上で駆動され、前記工具および工具切り込み機構は重量の小さい方の可動部に備わっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項５〜７に係る発明は、前記往復運動装置は、可動部の自重をキャンセルするための機構を備えており、該キャンセルするための機構は可動部の自重をキャンセルするための圧縮性流体を溜める室（チャンバ）を備えており、該室（チャンバ）は外部に設置された容器に配管で接続されていることを特徴とする請求項４に記載の往復運動装置を備えた加工機械である。

本発明により、高速微細加工が可能で、様々な形状の微細溝を高精度に加工することが可能な加工機を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面と共に説明する。
図１は、本発明の加工機の一実施形態の要部斜視図である。符号１はこの加工機のベースであり、ベース１がこの加工機の設置位置に固定される。ベース１上には、Ｘ軸スライド３を摺動自在に支持するＸ軸ガイド２、Ｙ軸スライド５を摺動自在に支持するＹ軸ガイド４が載置されている。Ｘ軸スライド３上には角度可変機構としてＣ軸テーブル７が載置されている。Ｃ軸テーブル７は往復運動装置８を載置するテーブルであり、Ｃ軸回りに回転することが可能である。Ｂ軸テーブル６はＹ軸スライド５上に配置されており、Ｂ軸テーブル６に加工されるワーク１００が取り付けられている。角度可変機構としては、前述の回転テーブルによる機構の他に、チルトテーブル機構や、球面軸受により３方向の角度を自在に可変できる機構を用いてもよい。

往復運動装置８の可動部に取り付けられた工具９を用いて、Ｂ軸テーブル６に載置されたワーク１００の表面に微細溝加工を行う。図１の鉛直方向（符号２００）に往復運動装置８で工具９を移動させることにより、ワーク１００の表面に微細溝を形成することができる。

本実施形態では、工具９を往復運動装置８により鉛直方向に往復運動させ、工具９が鉛直下向きに運動する時にワーク１００表面に微細溝加工を実行する。このように微細溝加工を実行することで、ワーク１００の表面を切削した際に発生する切り屑が重力の作用によって切削液とともに流れ落ちることから、工具９にワーク加工によって生じる切り屑が巻き込まれることがなくなる。そして、切り屑を除去するために加工停止時間を設けなくてもよい。

図２は、図１の加工機で加工される微細溝を加工方向に見た図である。図２は、ワーク１００ａの表面に形成される微細溝の角度が徐々に変わることを模式的に示している。図１に示される本発明の加工機の実施形態において、Ｃ軸テーブル７を所定角度回転させることにより、工具９がワーク１００ａに当たる角度を図２の方向１〜方向３に示されるように変更することができる。

図３は、図１の加工機で曲面上に加工される微細溝を加工方向に見た図である。ワーク１００ｂ表面に形成される微細溝は、工具９の方向を徐々に変更することにより、ワーク１００ｂ表面に形成される微細溝の傾斜角度を揃えることができる。

図４は、往復運動装置８を加工機のＢ軸テーブル側に取り付け、円筒ワークをＣ軸テーブル側に取り付けた実施形態である。Ｃ軸テーブル回転させて位置決めすることにより、円筒ワークの外周に微細溝を加工することができる。
図５（ａ）は、図４に示される本発明の実施形態により加工される、円筒面の外周に加工された微細直線溝を模式的に示している。また、微細直線溝に限らずＣ軸テーブルを回転させながら、往復運動装置８で加工することで、円筒ワーク面に斜めに走る曲線状の微細溝を加工することも可能である。図５（ｂ）に、図４に示される実施形態の加工機でＣ軸テーブルを回転させながら円筒ワーク面に加工した一例を示す。

図６は、往復運動装置８を傾斜させてワークを加工する実施形態である。ワークが円錐形状の外周面に図７に示されるように溝を加工することができる。図７の例では、ワークが円錐台の周面に溝加工を施した例である。
図８は、多間接ロボットのハンドに往復運動装置を固定または、把持した実施形態である。

図９は、往復運動装置８の一実施形態の斜視外観図である。図１０は、図９の往復運動装置８のＡ−Ａ断面図である。スライド８０３は工具切り込み機構である、板バネ９０１とピエゾ素子９０２とを備えている。往復運動装置８のスライド８０３はシャトルとも称する。
図１１は図９に示される往復運動装置のＢ−Ｂ断面図である。往復運動装置のスライド（可動部２）８０３と往復運動装置のベース（固定部）８０１は往復運動装置のガイド（可動部１）８０２との間に流体軸受を構成している。可動部であるガイド８０２とスライド８０３は、互いに反対方向に駆動されることで、スライド８０３を駆動したことによる反動がベース８０１に伝わらない構造になっている。スライド８０３とガイド８０２のストロークは、それぞれの重量に反比例するので、ガイド８０２をスライド８０３より十分に重くすることで、ガイド８０２のストロークは少なくすることができる。流体軸受は空気静圧軸受などの摩擦の少ない軸受が望ましいが、動圧軸受、静圧油軸受、転がり軸受でもよい。

ガイド８０２の自重をキャンセルするために、室内（チャンバ８００内）の空気は、ベース８０１に対して、ガイド８０２を浮上させるだけの圧力がかかっており、配管８０６を通して外部タンク８０７に連結されている。ガイド８０２が動くと室内（チャンバ８００内）の容積が変わるので、室内（チャンバ８００内）の圧力が変化するが、外部タンク８０７に接続されているので、圧力変化は外部タンク８０７の容積で緩和される。チャンバ８００内の圧力はベース８０１を押すので、チャンバ８００内の圧力変化が小さくなると、ベース８０１を押す力の変動が小さいので、ベース８０１を介して加工機に伝わる力の変動も小さくなり、加工機本体への影響が小さくなる。室内（チャンバ８００内）には、空気に換えて窒素ガス、ヘリウムガス、などの圧縮性流体を用いることができる。ガイド８０２の自重をキャンセルする機構として、永久磁石や電磁石の磁力や静電力を用いてもよい。

図１２は、図９に示される往復運動装置の一実施形態のＢ−Ｂ断面において、往復運動装置８の駆動原理の一例を示したものである。
スライド駆動用磁石は、鉄心に対して同極が向き合うように配置されており、鉄心から発生する磁力線は、スライドの駆動用コイルを貫いている。コイルに電流を流すことで、電流と磁力線に直角をなす向き、すなわち、往復運動装置の駆動軸方向に推力を発生する。
スライドとガイドには、それぞれ反転用の磁石が備わっており、スライドの反転用磁石とガイドの反転用磁石が接近すると反発力を生じるため、スライドがある速度で移動しているときに、反転用磁石同士が接近する位置になると、磁石同士の反発力により、ほぼ同じ速度で、スライドの移動方向が反転する。エネルギーの無駄の少ないこの方法により、スライドを往復運動させるためにコイルに流す電流は、非常に小さくなる。実施の形態で用いるコイルは、ボイスコイルモータの一種であるが、一般的なリニアモータ、シャフトモータやエア駆動で駆動してもよい。

また、ワークを工具により鉛直方向下向き加工することで、下向きの駆動のときはコイルによる推力の他に、スライドの重力も加わるため、切削抵抗に対抗する力が上方向に加工する場合や、水平方向に加工する場合に比べて大きくなる。
また、水平方向の駆動の場合には、ガイドが自重で撓む量も無視できない。鉛直方向での駆動の場合には、ガイドが自重で撓むことも無いため、加工される溝の真直度が向上する効果もある。

図１３は、本発明の加工機に備えられる往復運動装置８の工具切り込み機構を示す図である。ピエゾ素子９０２に電圧を印加することでピエゾ素子（圧電素子）を伸張させ、板バネ９０１に取り付けられた工具９を切り込み方向に動かすことができる。
鉛直方向下向きに加工する場合は、下方向にスライドが動く間にピエゾ素子（圧電素子）を伸張させて切り込み、鉛直方向上向きにスライドが動く間にピエゾ素子（圧電素子）にかかる印加電圧をゼロにして、工具を逃がす動作を繰り返して加工する。

本発明の加工機の一実施形態の要部斜視図である。 図１の加工機で加工される微細溝を加工方向に見た図である。 図１の加工機で曲面上に加工される微細溝を加工方向に見た図である。 本発明の加工機の一実施形態の要部斜視図である。 図４に示される加工機で加工される微細溝を加工方向から見た図、および、前記加工機でＣ軸を回転させながら微細溝を加工した一例である。 本発明の加工機の一実施形態の要部斜視図である。 図６に示される加工機で円錐台の周面に加工される微細溝を鉛直方向に見た図である。 本発明の加工機の一実施形態の要部斜視図である。 本発明の加工機に備えられる往復運動装置の一実施形態の外観図である。 本発明の加工機に備えられる往復運動装置の一実施形態の断面図である（図９のＡ−Ａ断面図）である。 本発明の加工機に備えられる往復運動装置の一実施形態の断面図（図９のＢ−Ｂ断面図）である。 本発明の加工機に備えられる往復運動装置の駆動原理を表した一実施形態の断面図（図９のＢ−Ｂ断面図）である。 本発明の加工機に備えられる往復運動装置の工具切り込み機構を示す図である。

符号の説明

１ ベース
２ Ｘ軸ガイド
３ Ｘ軸スライド
４ Ｙ軸ガイド
５ Ｙ軸スライド
６ Ｂ軸テーブル
７ Ｃ軸テーブル
８ 往復運動装置
８００ 室（チャンバ）
８０１ 往復運動装置のベース（固定部）
８０２ 往復運動装置のガイド（可動部１）
８０３ 往復運動装置のスライド（可動部２）
８０４ スライド駆動方向
８０５ ガイド（可動部１）駆動方向
８０６ 配管
８０７ 外部タンク
９ 工具
９０１ 板バネ
９０２ ピエゾ素子
１００ ワーク
１００ａ ワーク
１００ｂ ワーク
２００ 鉛直方向

本願の請求項１に係る発明は、少なくとも一つの角度可変機構を持つ加工機において、前記角度可変機構に往復運動装置が取り付けられ、該往復運動装置は、前記角度変更機構により任意の角度の姿勢を取ることができ、該往復運動装置の可動部に工具の切り込み機構と工具を備え、加工機の駆動と往復運動装置の駆動とを組み合わせてワークの加工を行うことを特徴とする往復運動装置を備えた加工機である。

請求項２に係る発明は、前記往復運動装置は前記角度変更機構により前記可動部の駆動方向が鉛直方向となる姿勢を取り、該可動部に備えられた前記工具によりワークを鉛直方向下向きに加工することを特徴とする請求項１に記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項３に係る発明は、前記往復運動装置は、互いに反対方向に駆動される２つの可動部を備え、該二つの可動部は同軸上で駆動され、前記工具および工具切り込み機構は重量の小さい方の可動部に備わっていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項４に係る発明は、前記往復運動装置は、可動部の自重をキャンセルするための機構を備えていることを特徴とする請求項３に記載の往復運動装置を備えた加工機である。
請求項５に係る発明は、前記可動部の自重をキャンセルするための機構は、圧縮性流体を溜める室（チャンバ）を備えていることを特徴とする請求項４に記載の往復運動装置を備えた加工機である。
請求項６に係る発明は、前記圧縮性流体を溜める室（チャンバ）は、室（チャンバ）が外部に設置された容器に配管で接続されていることを特徴とする請求項５に記載の往復運動装置を備えた加工機である。

本願の請求項１に係る発明は、少なくとも一つの角度可変機構を持つ加工機に往復運動装置が取り付けられ、該往復運動装置は、前記角度可変機構により任意の角度の姿勢を取ることができ、前記加工機の少なくとも一つの角度可変機構の駆動と前記往復運動装置の駆動とを組み合わせてワークの加工を行う往復運動装置を備えた加工機であって、前記往復運動装置は、ベース、ガイド、スライダ、および、該ガイドと該スライダの重量をキャンセルするための力を該ガイドに与える重量キャンセル機構を備え、前記ベースは前記角度可変機構に固定され、前記ガイドは、前記ベースに軸受けされ、前記スライダは、工具および工具切り込み機構を有し、前記ガイドより重量が小さく前記ガイドに軸受けされるとともに、前記ベースに対して同軸上で前記ガイドと反対方向に駆動される、ことを特徴とする往復運動装置を備えた加工機である。

請求項２に係る発明は、前記往復運動装置は前記角度可変機構により前記スライダの駆動方向が鉛直方向となる姿勢を取り、該スライダに備えられた前記工具により前記ワークを鉛直方向下向きに加工することを特徴とする請求項１に記載の往復運動装置を備えた加工機である。

請求項３に係る発明は、前記重量キャンセル機構は、前記ベースに対して前記ガイドを浮上させるだけの圧力がかかった室（チャンバ）を有することを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の往復運動装置を備えた加工機である。

Claims (7)

1. 少なくとも一つの角度可変機構または、少なくとも一つの直線軸を持つ加工機において、前記角度可変機構または、直前軸に往復運動装置が取り付けられ、該往復運動装置の可動部に工具の切り込み機構と工具を備え、加工機の駆動と往復運動装置の駆動とを組み合わせてワークの加工を行うことを特徴とする往復運動装置を備えた加工機。
2. 前記往復運動装置は、前記角度可変機構により任意の角度の姿勢を取ることができることを特徴とする請求項１に記載の往復運動装置を備えた加工機。
3. 前記往復運動装置は鉛直方向に駆動され、前記工具が鉛直方向下向きに加工を行うことを特徴とする請求項１または２のいずれか一つに記載の往復運動装置を備えた加工機。
4. 前記往復運動装置は、互いに反対方向に駆動される２つの可動部を備え、該二つの可動部は同軸上で駆動され、前記工具および工具切り込み機構は重量の小さい方の可動部に備わっていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の往復運動装置を備えた加工機。
5. 前記往復運動装置は、可動部の自重をキャンセルするための機構を備えていることを特徴とする請求項４に記載の往復運動装置を備えた加工機。
6. 前記可動部の自重をキャンセルするための機構は、圧縮性流体を溜める室（チャンバ）を備えていることを特徴とする請求項５に記載の往復運動装置を備えた加工機。
7. 前記圧縮性流体を溜める室（チャンバ）は、室（チャンバ）が外部に設置された容器に配管で接続されていることを特徴とする請求項６に記載の往復運動装置を備えた加工機。