JP2024067848A - 加工方法、球面加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを高精度に加工可能な加工方法等を提供する。【解決手段】ワークＷを研磨または研削する加工方法であって、砥面８１を有する加工工具８０を振動装置１０で保持し、砥面８１をワークＷの表面に接触させ、加工工具８０とワークＷが接触する方向を軸方向と定義する際に、振動装置１０によって、加工工具８０を軸方向回りの周方向に振動させるようにし、砥面８１の振動によって、ワークＷの表面を研磨または研削する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、金属やガラスなどの部材の加工方法等に関する。

従来、切削加工工具や研磨加工工具を利用した、金属、ガラス、ダイヤモンド、セラミックス等のワークに対する加工が行われている。

えば、ワークに球面加工を施す場合、円柱状素材に対して粗研削を施して、大凡の球状面を形成し、その後に、球状面に精研削を施す。次いで、研削加工によって得られた球状面には研磨加工を施すことが行われる。

粗研削工程では、いわゆるカーブジェネレータ装置を利用して、高速回転する円筒型のカップ型砥石を、同様に高速回転するワークに接触させて、粗研削加工が行われる。精研削工程では、いわゆる球芯式加工装置を利用して、高速回転する皿形砥石を、同様に高速回転するワークに接触させて精研削加工が行われる（特許文献１参照）。

また、ワークを球体に加工する場合は、いわゆる球体精密加工機が用いされる。この球体精密加工機では、球体ワークを下部から回転自在に支持し、水平方向に回転軸を有する一対のテーパローラで球体ワークを挟み込んで強制回転させる。そして、上方から、鉛直方向に回転軸を有するカップ型砥石を球体ワークに押し付けて、このカップ型砥石を回転させながら、球体加工を行う（特許文献２参照）。

特許第６７９７８７６号 特開２０１５－２１９８１号

従来の加工方法では、砥石を強制回転させながらワークに押し付けることで、ワークを研削または研磨加工を行う構造となるため、加工精度が、砥石を回転させる主軸の精度に依存するという問題がある。

従来の球面加工方法では、ワークを治具で保持して外力によって強制回転させながら、回転する砥石を押圧して、研削または研磨加工を行う構造となるため、ワークの回転軸と、砥石の回転軸とを高精度に位置決めしなければならないという問題がある。

本発明は、斯かる実情に鑑み、ワークを高精度に加工可能な加工方法等を提供しようとするものである。

上記目的を達成する本発明は、前記ワークを研磨または研削する加工方法であって、砥面を有する加工工具を振動装置で保持し、前記砥面を前記ワークの表面に接触させ、前記加工工具と前記ワークが接触する方向を軸方向と定義する際に、前記振動装置によって、前記加工工具を前記軸方向回りの周方向に振動させるようにし、前記砥面の前記振動によって、前記ワークの表面を研磨または研削することを特徴とする、加工方法である。

上記加工方法に関連して、前記振動装置は、前記周方向の振動と同時に、前記加工工具を前記軸方向に振動させることを特徴としてもよい。

上記加工方法に関連して、前記ワークを支持部材により支持し、前記加工工具および前記ワークの少なくとも一方を前記軸方向に退避移動させることにより、前記加工工具と前記ワークの接触圧を緩衝させることで、前記加工工具の前記周方向の振動を維持することを特徴としてもよい。

上記加工方法に関連して、前記ワークまたは前記加工工具が退避移動する際、退避移動する前記ワークまたは前記加工工具を復帰方向に付勢することを特徴としてもよい。

上記加工方法に関連して、前記加工工具を超音波振動させることを特徴としてもよい。

上記目的を達成する本発明は、前記ワークを球面状に研磨または研削する球面加工方法であって、球状の砥面を有する加工工具を振動装置で保持し、前記砥面を前記ワークの表面に接触させ、前記加工工具と前記ワークが接触する方向を軸方向と定義する際に、前記振動装置によって、前記加工工具を前記軸方向回りの周方向に振動させるようにし、前記周方向の振動によって前記ワークを従動回転させながら、前記砥面が前記ワークの表面を研磨または研削することを特徴とする、球面加工方法である。

上記球面加工方法に関連して、前記振動装置は、前記周方向の振動と同時に、前記加工工具を前記軸方向に振動させることを特徴としてもよい。

上記球面加工方法に関連して、前記砥面が鉛直上方を向くことで、前記砥面に対して前記ワークの自重を作用させることを特徴としてもよい。

上記球面加工方法に関連して、前記周方向の振動を超音波振動とすることを特徴としてもよい。

上記球面加工方法に関連して、前記ワークが前記従動回転可能な支持力で、支持装置によって前記ワークを支持することを特徴としてもよい。

本発明の加工方法等によれば、ワークを高精度に加工できるという優れた効果を奏し得る。

第一実施形態のワーク加工装置の全体構成を示す正面図である。 同ワーク加工装置のねじり振動（周方向振動）の伝播状況をシミュレーションした模式図である。 同ワーク加工装置の超音波振動子の共振周波数を示すグラフ図である。 同ワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図である。 （Ａ）は第二実施形態のワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ矢視断面図である。 第二実施形態の変形例にかかるワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図である。 第二実施形態の変形例にかかるワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図である。 第三実施形態にかかるワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図である。 第四実施形態にかかるワーク加工装置のワーク近傍を拡大して示す部分拡大正面図である。 第五実施形態のワーク加工装置の振動装置の全体構成を示す正面図である。 同ワーク加工装置の全体構成を示す概要図であり、（Ａ）は（Ｂ）のＡ－Ａ矢視部分断面正面図、（Ｂ）支持装置の正面図、（Ｃ）支持装置の平面図である。 同ワーク加工装置に係る加工方法を説明する側面概要図である。 第一実施形態のワーク加工装置の変形例を示す正面図である。 第一実施形態のワーク加工装置の変形例を示す正面図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

＜第一実施形態＞
図１は、第一実施形態のワーク加工装置１の全体構成を示す。ワーク加工装置１は、振動装置１０と、振動装置１０に設置される加工工具８０を有しており、加工工具８０によってワークＷを切削または研磨加工する。

（振動装置）
振動装置１０は、柱状形状となる振動子部２０、柱状形状となるブースター部３０、柱状形状となるホーン部４０を備えており、これらが、この順にボルトＢによって軸方向Ｊに連結される。なお、振動装置１０は、フランジ支持機構９０によって、加工工具８０が設けられるホーン部４０の先端が上方を向くように、鉛直方向に設けられる。

振動子部２０は、超音波振動子２２を備える。超音波振動子２２は、磁歪型振動子や電歪型振動子を採用できるが、ここでは電歪型振動子を採用している。電歪型振動子は、例えばランジュバン型振動子（ＢＬＴ素子）構造を採用できる。ＢＬＴ素子構造の場合、圧電セラミックス素子を複数枚重ね合わせた一対の振動素子２２Ａに対して、交互に電極板２２Ｂを挟み込み、これらを、円柱金属となる前面金属部材２２Ｃと後面金属部材２２Ｄで挟み込んで、ボルト等で締結する構造となる。電極板２２Ｂ，２２Ｂに、特に図示しない高周波電力を供給することで、超音波振動子２２が振動する。特に本実施形態では、超音波振動子２２は軸方向Ｊ（縦方向）の振動（以下、軸方向振動Ｊｎと称する）を行う縦振動素子を採用している。

図３に示すように、超音波振動子２２には、インピーダンスが最小となる共振周波数ｆｒと、インピーダンスが最大となる反共振周波数ｆａが存在する。共振周波数ｆｒよりも反共振周波数ｆａの方が大きい。高周波電力の周波数ｆは、共振周波数ｆｒ、反共振周波数ｆａのいずれか、またはこれらの近傍に設定することが好ましい。本実施形態では、ホーン部４０の先端にねじり振動（軸方向Ｊ回りの周方向Ｓの振動を同義であり、以下、周方向振動Ｓｎ称する）を作用させるために、高周波電力の周波数ｆとして、反共振周波数ｆａまたはその近傍の周波数を選択する。

なお、超音波とは、一般的には「聞くことを目的としない音波である」と定義されるが、本実施形態では、例えば２ｋＨｚ以上が好ましく、更に好ましくは１０ｋＨｚ以上、望ましくは１４ｋＨｚ以上、より望ましくは２０ｋＨｚ以上、一層に望ましくは３０ｋＨｚ以上の音波となる。

ブースター部３０は、円柱金属形状となっており、超音波振動子２２の振動振幅を増幅または減衰させる役割を担う。本実施形態では、ブースター部３０の直径が、振動子部２０の前面金属部材２２Ｃの直径よりも大きく設定することで、振動振幅を増幅している。ブースター部３０の軸方向の途中には、拡径するフランジ３２が設けられる。フランジ３２をフランジ支持機構９０に固定することで、振動装置１０全体が鉛直方向に保持される。

ホーン部４０は、軸方向Ｊの先端に向かって縮径する形状となっており、その直径が、ブースター部３０の直径以下に設定されている。ホーン部４０の先端には、加工工具８０が回転不能に固定されている。

（振動装置の振動モード）
図２に、ねじり振動（周方向振動）の振幅レベルを、Ａ（大）～Ｊ（小）の１０段階の濃淡及び径方向幅変動で示す。なお、本実施形態の振動装置１０では、高周波電力の周波数ｆ（反共振周波数ｆａ）に基づく波長λを基準とした場合に、超音波振動子２２の全軸長が（３／２）λを超えるように設定し、望ましくは（４／２）λ以上に設定する。また、超音波振動子２２の全軸長が（７／２）λ以下に設定し、（６／２）λ以下に設定することが望ましい。本実施形態では、超音波振動子２２の全軸長を（９／４）λ～（１１／４）λの範囲に設定している。

なお、本実施形態では、振動子部２０の軸長は約（３／４）λ、ブースター部３０の軸長は約（３／４）λ、ホーン部４０の軸長は、約（７／８）λ～（８／８）λの範囲に設定している。

フランジ３２を、超音波振動子２２の振幅が０（ゼロ）になるノーダルポイント（波長の節）に設定すると、フランジ３２よりも上流側（振動子部２０）の周方向振動は小さくなり、フランジ３２よりも下流側で、大きな周方向振動が発生する。また、ホーン部４０の先端の周方向振動が最大となるように設計される。

なお、ここでは特に図示しないが、超音波振動子２２の縦方向振動（軸方向振動）もホーン部４０の先端まで到達する。つまり、ホーン部４０の先端は、周方向振動と縦方向振動の複合振動となる。高周波電力の周波数ｆを調整したり、振動装置１０の全長や直径等を変更したりすることで、ホーン部４０の先端における周方向振動と縦方向振動の複合比率を変更できる。

以上の結果、ホーン部４０の先端に設けられる加工工具８０は、主として周方向振動、副次的に縦方向振動を内在する複合振動を行う。

（加工工具）
図４に拡大して示すように、ホーン部４０の前端に一体的に設けられる加工工具８０は、いわゆる皿型砥石となっている。球面形状となる皿型の砥面８１は、軸方向Ｊに対向するようになっており、ダイヤモンド等の砥粒が固着される。砥面８１は、鉛直上方に向いており、球状のワークＷを下方から保持する。結果、砥面８１には、ワークＷの自重が作用する。すでに述べたように、加工工具８０は、非回転状態となっており、振動装置１０によって、超音波の周方向振動と、超音波の軸方向振動が複合された複合振動を行う。特に、複合振動の中でも、周方向振動のエネルギー比率が最大となるように設定されている。なお、ここでは、砥面８１に砥粒が固着された構造を例示したが、ワークＷと砥面８１の間に研磨剤を介在させる構造であってもよい。

（研削または研磨加工方法）
図４の通り、本ワーク加工装置１は、加工工具８０の砥面８１を、少なくとも周方向振動Ｓｎさせることで、ワークＷの表面を球面状に精密研削する。この際、ワークＷは砥面８１に支持されているのみであることから、砥面８１の周方向振動Ｓｎによって、ワークＷの表面が周方向Ｓに研削されると同時に、その研削抵抗によって、ワークＷが、軸方向Ｊ回りの成分を含む方向に従動回転する（以下、これを主軸周り回転Ｊｍと称する）。この際、砥面８１とワークＷの研削抵抗は、砥面８１の全域において不均一となることから、その不均一性に起因して、ワークＷが、軸方向Ｊに直交する直交軸Ｔ回り成分を含む方向にも従動回転する（以下、これを主軸直交周り回転Ｔｍと称する）。結果として、球体となるワークＷの全表面が、経時的に、砥面８１によって研削または研磨されることになる。

また、本ワーク加工装置１は、加工工具８０の砥面８１を軸方向振動Ｊｎさせているので、砥面８１とワークＷの表面が、接触・離反を繰り返す。その衝突時のエネルギーによって、切削または研磨速度を向上させることができる。更に、この軸方向振動Ｊｎのタイミング（位相）と、周方向振動Ｓｎのタイミング（位相）を適宜変更することで、ワークＷを、積極的に、主軸直交周り回転Ｔｍさせることが可能となる。また。この軸方向振動Ｊｎによって、研削屑を、効率的に外部に排出できる。

本ワーク加工装置１による加工方法よれば、加工工具８０を強制回転させることがなく、更に、ワークＷも外力（加工工具８０以外の外力を意味する）で強制回転させない状態で、その表面を研削または研磨加工する。結果、加工工具８０の位置決め精度の影響や、ワークＷを保持する治具の位置決め精度の影響等を極力排除し、ワークＷの自律的な従動回転によって球面加工できるので、簡易な構成で、加工精度を高めることができる。

＜第二実施形態＞
図５に、第二実施形態にかかるワーク加工装置１を示す。振動装置１０と加工工具８０は第一実施形態と同様であり、これに加えて、ワークＷが加工工具８０の超音波振動で従動回転可能な状態のまま、ワークＷを支持する支持装置６０を備えている。この支持装置６０は、ワークＷを回転自在に支持する回転支持機構６０Ａと、ワークＷを、軸方向Ｊと直交する平面方向に移動自在に支持するスライド支持機構６０Ｂを備える。

具体的に支持装置６０は、円盤状のリテーナ６２と、リテーナ６２の周方向に等間隔で配置され且つリテーナ６２に回転自在に保持される複数の支持球６４と、このリテーナ６２を面方向に移動自在に保持する支持ベース６６を有する。なお、ここでは支持ベース６６とリテーナ６２の間に、ボール状となる複数の転動体を介在させることで、リテーナ６２を面方向に移動自在とする。

支持装置６０は、支持ベース６６を支持する緩衝機構１２０を介して、特に図示しない筐体等によって振動装置１０の上方に保持される。リテーナ６２及び支持球６４は、回転支持機構６０Ａに相当し、リテーナ６２及び支持ベース６６が、スライド支持機構６０Ｂに相当する。緩衝機構１２０は、退避移動機構１２１と付勢機構１２３を有する。退避移動機構１２１は、加工工具８０とワークＷの間の面圧が減少するように、加工工具８０またはワークＷの一方（ここではワークＷ）を退避移動させる機構である。また、付勢機構１２３は、退避移動機構１２１によりワークＷまたは加工工具８０が退避移動する際、退避移動する加工工具８０またはワークＷ（ここではワークＷ）を復帰移動方向に付勢する機構である。

ここでは、リテーナ６２の軸方向を鉛直方向に設定しつつ、３つの支持球６４を、ワークＷの上方側から当接させる。この際、支持球６４からワークＷに作用する軸方向Ｊの外力を、振動装置１０による加工工具８０の超音波振動（特に周方向振動Ｓｎ）を停止させない程度に調整する。具体的には、緩衝機構１２０における退避移動機構１２１を利用して、支持装置６０を当接方向と反対方向（つまり鉛直上方向）に退避させる動作を実施し、支持球６４からワークＷに作用する軸方向Ｊの外力が過剰とならないように緩衝（吸収）する。緩衝機構１２０の詳細構造は、第五実施形態で後述する。なお、緩衝機構１２０は、フランジ支持機構９０（図１参照）側に設けるようにしてもよい。

支持装置６０では、支持球６４が回転自在となっているので、ワークＷが、加工工具８０の周方向振動Ｓｎに基づいて従動回転する際に、その従動回転を阻害しないようになっている。更に、支持ベース６６が、リテーナ６２に平面方向（ここでは軸方向Ｊに直交する平面方向）に移動自在に保持しているので、振動装置１０の中心軸と、リテーナ６２の中心軸を自動的にセンタリングできる。この第二実施形態にかかるワーク加工装置１においても、ワークＷを高精度に球面研削または球面研磨可能となっている。

なお、第二実施形態では、ワークＷに対して支持装置６０が鉛直上方に配置され、ワークＷの下方に振動装置１０が配置される場合を示したが、図６に示すように、これらの上下を反転させてもよい。この場合においても、緩衝機構１２０によって、振動装置１０と支持装置６０に挟持されるワークＷに作用する力が、振動装置１０による加工工具８０の超音波振動（特に周方向振動Ｓｎ）を停止させない程度に調整される。なお、特に図示しないが、振動装置１０の軸方向Ｊを、水平方向の他の方向に設定することもできる。

更に第二実施形態では、リテーナ６２の軸方向と、振動装置１０の軸方向が平行となる場合を示したが、図７に示すように、リテーナ６２の軸方向Ｊ２と、振動装置１０の軸方向Ｊが角度を有するようにしてもよい。このようにすると、振動装置１０（加工工具８０）の中心軸に対して、リテーナ６２からワークＷに作用する外力がオフセットするので、ワークＷを様々な方向に従動回転させることできる。また、ここでは支持装置６０が、支持球６４によってワークＷを支持する場合を例示したが、複数のローラ（テーパローラを含む）でワークＷを回転自在に支持してもよい。

＜第三実施形態＞
図８に、第三実施形態にかかるワーク加工装置１を示す。振動装置１０と加工工具８０は第一実施形態と同様であり、異なる点は、ワークＷ自体が軸部ＷＪを有すると共に、その軸部ＷＪが、支持装置６０における回転チャック６８によって自由回転自在に支持されることである。回転チャック６８は、支持ベース６６によって、軸部ＷＪと直交する平面方向に移動自在に保持される。なお、支持装置６０は、支持ベース６６及び緩衝機構１２０を介して、特に図示しない筐体等によって振動装置１０の上方に保持されている。ここでは、二点鎖線に示すように、ワークＷの球体中心を変位させない状態で、回転チャック６８を揺動させる。リテーナ６２及び回転チャック６８が、回転支持機構６０Ａに相当し、リテーナ６２及び支持ベース６６が、スライド支持機構６０Ｂに相当する。

本実施形態においても、支持装置６０からワークＷに作用する軸方向Ｊの外力は、振動装置１０による加工工具８０の超音波振動（特に周方向振動Ｓｎ）を停止させない程度に調整する。回転チャック６８は、ワークＷを自由回転自在に保持しているので、ワークＷが、加工工具８０の周方向振動Ｓｎに基づいて従動回転する際に、その従動回転を阻害しない。更に、支持ベース６６が、回転チャック６８を平面方向に移動自在に保持しているので、振動装置１０の軸方向Ｊと、ワークＷの軸部ＷＪの軸方向Ｊ２が、自動的に交差する（センタリングする）。結果、ワーク加工装置１は、ワークＷを高精度に球面研削または球面研磨可能となっている。

＜第四実施形態＞
図９に、第四実施形態にかかるワーク加工装置１を示す。このワーク加工装置１は、第一加工工具８０Ａが先端に固定される第一振動装置１０Ａ，及び、第二加工工具８０Ｂが先端に固定される第二振動装置１０Ｂを備えており、双方をワークＷに接触させることで二方向から同時研削加工を行う。なお、第一振動装置１０Ａ，第二振動装置１０Ｂ、第一加工工具８０Ａ、第二加工工具８０Ｂの構造は、第一実施形態と同様である。このように、超音波振動する第一加工工具８０Ａ及び第二加工工具８０Ｂを用いて、ワークＷを球面研削することで、ワークＷを様々な方向に回転させながら加工できる。第一振動装置１０Ａの軸方向と第二振動装置１０Ｂの軸方向は、互いに角度を有することが好ましいが、同軸状となる対向位置に調整してもよい。

＜第五実施形態＞
図１０～図１２に、第五実施形態にかかるワーク加工装置１を示す。このワーク加工装置１は、振動装置１０の先端に固定される加工工具８０の砥面８１が、軸方向Ｊと直交する平面形状となる。この砥面８１に砥粒が固定される。なお、振動装置１０は第一実施形態と同様であり、ここでは鉛直下端に、加工工具８０を位置決めする。この砥面８１によって、ワークＷの平面（上面）が切削または研磨加工される。

図１１（Ａ）に示すように、ワーク加工装置１は、送り駆動手段１２５を有する。送り駆動手段１２５は、加工工具８０とワークＷとが互い当接される方向に相対移動させる手段であり、加工工具８０を送る手段あるいはワークＷを送る手段となる。当接する方向は、この例では、振動装置１０の軸方向Ｊ、すなわち鉛直方向となる。なお、ワークＷは、支持装置６０によって支持される。

ワーク加工装置１は、加工工具８０を回転させることなく、周方向振動Ｓｎ及び軸方向振動Ｊｎを発生させることで、ワークＷを軸方向Ｊに減量する。減量すると、加工工具８０とワークＷの接触圧が低下し、減量が進行しなくなるので、送り駆動手段１２５によって、加工工具８０とワークＷを軸方向Ｊに相対移動（押圧）し、鉛直方向にワークＷの減量を進行させる。

また、ワーク加工装置１は、緩衝機構１２０を有する。緩衝機構１２０は、加工工具８０がワークＷと当接する際に、ワークＷにかかる圧力（押圧力）を緩衝させる。緩衝機構１２０は、加工工具８０およびワークＷの一方を、送り駆動手段１２５によって送り方向に移動させる際に、加工工具８０およびワークＷの他方を、その送り方向と同方向に退避移動させる。緩衝機構１２０により、加工工具８０がワークＷと接触する際の砥面８１に作用する過剰圧力を吸収して、振動装置１０の周方向振動Ｓｎ及び／又は軸方向振動Ｊｎを減衰させないようにする。支持装置６０及び緩衝機構１２０は、テーブル１０３の上面に配置される。

テーブル１０３は、ワークＷを、軸方向Ｊと直交する水平面（Ｘ軸－Ｙ軸平面）内で移動させるＸ軸－Ｙ軸テーブル（ステージ）である。結果、研削または研磨加工しながら、ワークＷを水平方向に移動させることができるので、広範囲の研削または研磨加工を実現できる。

同図（Ｂ）、同図（Ｃ）を参照して、ワークＷを支持する支持装置６０及び緩衝機構１２０の詳細構成を説明する。支持装置６０は、ワークＷを保持（支持）する治具となる。支持装置６０は、基台１５１と、保持部１５２と、ガイド１５３を有する。ここでは一例として、ワークＷに穴開け加工を施す場合を示しており、保持部１５２は、少なくとも加工対象領域ＷＡを除き、その周囲のワークＷを保持（例えば把持）可能なように、中央部分が開口した額縁形状となる（同図（Ｂ））。なお、同図（Ａ）ではワークＷの保持状態を示すために保持部１５２を同図（Ｂ）のＡ－Ａ線の断面図を概略的に示している。

ガイド１５３は、基台１５１に立設される。ガイド１５３の上端部には、保持部１５２が設けられる。ガイド１５３は、保持部１５２を上下方向に案内可能に構成される。保持部１５２は平面視において外形が矩形状（正方形状）の額縁形状であり、ガイド１５３は、保持部１５２の外周付近の四隅に対応する４箇所に設けられる。なお、保持部１５２の外形状は、この例に限らず、長辺と短辺を有する長方形状や円形状であってもよい。いずれの場合も保持部１５２は、ワークＷの少なくとも外縁部を全体的に（あるいは選択的に）保持できる形状を有し、その内側（内周側）でワークＷを当接保持（支持）する。

なお、ワークＷの加工の態様によっては、保持部１５２は額縁形状でなくてもよい。例えば、ワークＷを厚み方向に貫通させない加工の場合には、保持部１５２は（開口部を有しない）平板状（テーブル状）であってもよい。また、ガイド１５３の配置およびその数は、保持部１５２の形状に応じて、保持部１５２の両端に対応する２箇所でもよいし、中央に対応する１箇所でもよい。

緩衝機構１２０は、支持装置６０に内蔵されており、退避移動機構１２１と付勢機構１２３を有する。退避移動機構１２１は、送り駆動手段１２５による実際の送り量に対して、加工工具８０とワークＷの間の相対的な送り量が減少するように、加工工具８０およびワークＷの他方を送り方向に退避移動させる機構である。また、付勢機構１２３は、退避移動機構１２１によりワークＷまたは加工工具８０が退避移動する際、退避移動するワークＷまたは加工工具８０を復帰移動方向に付勢する機構である。

ガイド１５３は、外筒５３１と、外筒５３１の内側で外筒５３１に対して進退可能に保持される内筒５３２とを有している。このガイド１５３は、退避移動機構１２１を構成しており、加工工具８０の実際の送り方向（加工を進行させる場合に送り駆動手段１２５によって加工工具８０が送られる方向、この例では鉛直方向）と同方向に、保持部１５２を退避移動可能とする。

付勢機構１２３は例えば、ガイド１５３の例えば外周に設けられて、上下両端が保持部１５２と基台１５１とに固定れた弾性部材５３３となる。弾性部材５３３は例えば、外筒５３１の外周に巻回され、上下両端が保持部１５２と基台１５１とに固定されたばね（コイルばね）である。

付勢機構１２３は、退避移動機構１２１によりワークＷが退避移動する際、退避移動するワークＷを復帰移動方向に付勢する。復帰移動方向は、退避移動方向とは逆方向であり、ここでは鉛直上方向である。また、保持部１５２には、特に図示しないストッパーが設けられる。ストッパーは、付勢機構１２３（弾性部材５３３）によって上方へ付勢される保持部１５２の上方への移動を所定高さ（上限高さ）に規制する。

これにより、保持部１５２およびこれに保持されるワークＷは、加工が行われている間は加工工具８０によって押圧され、退避移動機構１２１によって付勢機構１２３の付勢力に抗いながら加工工具８０の実際の送り方向（鉛直下方）に退避移動する。ワークＷと加工工具８０による加工が進展するにつれて、退避移動機構１２１及び付勢機構１２３によって、退避移動したワークＷ（保持部１５２）が加工工具８０に押圧されながらも初期の位置に復帰する方向に移動する。

送り駆動手段１２５は、この例では、ワークＷに対して加工工具８０を所望の送り方向（鉛直方向）に移動させる手段であり、例えば、振動装置１０を支持（保持）しているフランジ支持機構９０を駆動する。フランジ支持機構９０は一例として、軸方向Ｊに移動する直動ガイドとなる。

ワーク加工装置１の各部は、制御手段（不図示）によって統括的に制御される。制御手段は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、及びＲＯＭなどから構成され、各種制御を実行する。ＣＰＵは、いわゆる中央演算処理装置であり、各種プログラムが実行されて各種機能を実現する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。ＲＯＭは、ＣＰＵで実行される基本ＯＳやプログラムを記憶する。

制御手段は、テーブル１０３とフランジ支持機構９０（送り駆動手段１２５）と振動装置１０を数値制御する不図示の数値制御手段（数値制御装置）を含む。数値制御装置により、ワークＷがテーブル１０３によって水平面内で移動され、フランジ支持機構９０によって加工工具８０が軸方向Ｊに移動される。数値制御手段（数値制御装置）は、振動装置１０に供給する高周波電力の周波数や出力等を制御する。

第五実施形態のワーク加工装置１は、加工工具８０がワークＷの被加工部位（上面）に接触する際に、被加工部位にかかる過剰圧力を緩衝させながら加工を進行させて、所望の形状になるまでワークＷを減量する。換言すると、加工工具８０がワークＷの被加工部位を押圧する際の圧力を、加工が進行する所定範囲内に維持しながら、所望の形状になるまでワークＷを減量する。

より具体的には、加工工具８０またはワークＷの一方を進行させる送り方向（ここではフランジ支持機構９０による振動装置１０の送り方向）と同方向に、加工工具８０またはワークＷのうち他方を退避させることで、加工工具８０が被加工部位を押圧する際に被加工部位にかかる過剰圧力を緩衝させる。これにより加工工具８０の超音波振動を常に安定発生させながら、切削加工を行うことができる。

図１１（Ａ）に示すように、ワーク加工装置１は計測手段１１１を備える。計測手段１１１は例えば、退避移動機構１２１による退避状態を検出する退避状態検出手段２１１と、送り駆動手段１２５による実際の送り状態を検出する検出する送り状態検出手段１１３と、退避状態と送り状態の相対差から、加工工具８０とワークＷの相対的な送り量を算出する計算手段１１５などを有している。

図１２（Ｂ）に示すように、退避状態検出手段２１１が検出する退避状態は、例えば、加工工具８０に押圧されることによる退避移動の量（以下「退避量ΔＮ」と称する。）である。図１２（Ｃ）に示すように、送り駆動手段１２５が検出する実際の送り状態は、例えば、加工を行うための目標となる（加工を行う場合に設定する）実際の（絶対的な）送り量（以下、「絶対的な送り量ΔＴ１」と称する。）である。

図１２（Ａ）に示すように、退避移動機構１２１は、初期位置となる点線で示す保持部１５２に対してワークＷを載置すると、送り駆動手段１２５によって加工工具８０がワークＷを押圧していなくても、ワークＷの自重に応じて退避移動方向に移動する（付勢機構１２３がそのように設定されている）。そこで退避状態検出手段２１１は、ワークＷの自重のみで変位した保持部１５２の位置を初期位置Ｐ０とし、そこから、送り駆動手段１２５によって加工工具８０でワークＷを押圧する（送り出す）ことで、ワークＷが鉛直下方に退避移動した変化量（加工開始時では保持部１５２にワークＷを載置した状態から更に加工工具８０の押圧によって退避移動した変化量）を、退避量ΔＮとして検出する。

図１２（Ｃ）に示すように、計算手段１１５が算出する相対的な送り量とは、絶対的な送り量ΔＴ１と退避量ΔＮの差（ΔＴ１－ΔＮ）であり、以下、「相対的な送り量ΔＴ２」と称する。加工工具８０とワークＷの相対的な送り量ΔＴ２（＝ΔＴ１－ΔＮ）は、加工の進展量ともいえる。

退避移動機構１２１は、加工の進行中（加工工具８０によって押圧されている間）は、付勢機構１２３によって付勢されることにより、送り駆動手段１２５による加工工具８０の絶対的な送り量ΔＴ１に対して、加工工具８０とワークＷの間の相対的な送り量ΔＴ２が減少する方向に、ワークＷを退避移動させる。なお、本実施形態における「相対的な送り量ΔＴ２が減少する方向に、ワークＷを退避移動する」とは、換言すれば、保持部１５２を初期位置Ｐ０に復帰する方向への移動ではあるが、初期位置Ｐ０からは依然として退避しているような移動である。

図１２（Ｄ）に示すように、ワーク加工装置１は、退避移動機構１２１による退避量ΔＮが（略）ゼロとなる際に、加工（の１ステップ）を終了させるように制御される。

具体的には、例えば、２ｍｍの研削加工を行う場合、送り駆動手段１２５による加工工具８０の絶対的な送り量ΔＴ１（退避量ΔＮ）を２ｍｍとし、退避量ΔＮ（２ｍｍ）が（略）ゼロとなる際に加工を終了する。あるいは、例えば、２ｍｍの加工を行う場合、複数ステップの加工を行うようにしても良く、例えば１ステップ目において送り駆動手段１２５による加工工具８０の絶対的な送り量ΔＴ１（退避量ΔＮ）を０．２ｍｍとして、退避量ΔＮ（０．２ｍｍ）が（略）ゼロとなる際に加工の１ステップ目を終了し、次のステップ（２ステップ目）に進み、これを繰り返して加工を行うようにしてもよい。この場合１０ステップ目が終了した場合に、加工が完了する。

付勢機構１２３の付勢力（弾性部材５３３の弾性力）は、退避状態検出手段２１１が検出した退避量ΔＮに連動するように設定され、上記のような退避移動と復帰移動が可能となるような所望量に設定されている。

具体的には、付勢機構１２３の付勢力は、送り駆動手段１２５が加工工具８０を絶対的な送り量ΔＴ１で送り出した場合、振動装置１０の超音波振動を常に阻害しないレベルであって、かつ、加工が進展した場合に、緩衝機構１２０（退避移動機構１２１および付勢機構１２３）によって、加工工具８０とワークＷの間の相対的な送り量ΔＴ２が減少する方向（復帰方向）に移動することが可能となるように設定される。

なお、送り駆動手段１２５は、ワークＷ（保持部１５２）の退避量ΔＮが所定の閾値を超えないように、絶対的な送り量ΔＴ１を制御する。具体的には、退避量ΔＮが所定の閾値（例えば、目標とする加工量）を超える状態となった場合は、振動装置１０の超音波振動が阻害される可能性があると判定し、加工工具８０の絶対的な送り量ΔＴ１を減少させる。一方、退避量ΔＮが所定の閾位置に満たない場合（押し込みが少なく加工工具８０が空転状態またはそれに近い状態となる場合）は、加工工具８０の絶対的な送り量ΔＴ１を増加させる制御を行う。また、弾性部材５２２は、コイルばねに限らず、例えば空気ばねや、スポンジ等であってもよく、また、付勢機構１２３は、磁力、油圧、空圧などにより付勢する機構（弾性力を有する機構）であってもよい。

更に、緩衝機構１２０は、上記の構成に限らず、加工工具８０およびワークＷの一方を送り方向に移動し、加工工具８０およびワークＷの他方を送り方向と同方向に退避移動させる構成であればよい。あるいは、緩衝機構１２０は、加工工具８０がワークＷを押圧する際に当該ワークＷにかかる過剰圧力を緩衝させる構成であればよい。

なお、上記第一実施形態では、振動装置１０における振動子部２０、ブースター部３０、ホーン部４０の長さは直径の設定により、超音波振動子２２の軸方向振動Ｊｎの全部または一部を、周方向振動Ｓｎに変換する場合を例示したが、本発明はこれに限定されない。更に図１３に示すように、超音波振動子２２の軸方向振動Ｊｎをホーン部４０に伝達するようにしつつ、そのホーン部４０を円筒構造とし、その軸方向振動Ｊｎの振幅が最大となる場所に斜め方向のスリット４４（脆弱部）を形成しておくことで、脆弱部の弾性変形作用によって、軸方向振動Ｊｎの一部を周方向振動Ｓｎに変換することができる。

例えば、超音波振動子２２として、ねじり振動タイプを採用し、そのねじり振動を、ホーン部４０の先端に伝達することで、加工工具８０を周方向振動Ｓｎさせるようにしてもよい。この際、例えば図１３に示すように、周方向振動Ｓｎが発生するホーン部４０の先端近傍において、軸方向に対して斜め方向に傾斜する複数の板部材４６を径方向に延びるように放射状（ここでは４方向）に配置してもよい。径方向の板部材４６の外端が、周方向振動Ｓｎによって揺動すると、板部材４６が捩れるので、周方向振動Ｓｎの一部を軸方向振動Ｊｎに変換することができる。

上記実施形態では、加工工具の砥面が凸型球面または平面となる場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、凹型球面や、他の形状を採用できる。尚、本発明の加工方法等は、上記した実施の形態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内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ ワーク加工装置
１０ 振動装置
１０Ａ 第一振動装置
１０Ｂ 第二振動装置
２０ 振動子部
２２ 超音波振動子
３０ ブースター部
３２ フランジ
４０ ホーン部
６０ 支持装置
８０ 加工工具
８０Ａ 第一加工工具
８０Ｂ 第二加工工具
８１ 砥面
９０ フランジ支持機構
１０３ テーブル
１２０ 緩衝機構
１２１ 退避移動機構
１２３ 付勢機構
１２５ 送り駆動手段
Ｊ 軸方向
Ｓ 周方向
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. 前記ワークを研磨または研削する加工方法であって、
   砥面を有する加工工具を振動装置で保持し、
   前記砥面を前記ワークの表面に接触させ、
   前記加工工具と前記ワークが接触する方向を軸方向と定義する際に、前記振動装置によって、前記加工工具を前記軸方向回りの周方向に振動させるようにし、
   前記砥面の前記振動によって、前記ワークの表面を研磨または研削することを特徴とする、
   加工方法。
2. 前記振動装置は、前記周方向の振動と同時に、前記加工工具を前記軸方向に振動させることを特徴とする、
   請求項１に記載の加工方法。
3. 前記ワークを支持部材により支持し、
   前記加工工具および前記ワークの少なくとも一方を前記軸方向に退避移動させることにより、前記加工工具と前記ワークの接触圧を緩衝させることで、前記加工工具の前記周方向の振動を維持することを特徴とする、
   請求項１に記載の加工方法。
4. 前記ワークまたは前記加工工具が退避移動する際、退避移動する前記ワークまたは前記加工工具を復帰方向に付勢する
   ことを特徴とする、
   請求項３に記載の加工方法。
5. 前記加工工具を超音波振動させることを特徴とする、
   請求項１に記載の加工方法。
6. ワークを球面状に研磨または研削する球面加工方法であって、
   球状の砥面を有する加工工具を振動装置で保持し、
   前記砥面を前記ワークの表面に接触させ、
   前記加工工具と前記ワークが接触する方向を軸方向と定義する際に、前記振動装置によって、前記加工工具を前記軸方向回りの周方向に振動させるようにし、
   前記周方向の振動によって前記ワークを従動回転させながら、前記砥面が前記ワークの表面を研磨または研削することを特徴とする、
   球面加工方法。
7. 前記振動装置は、前記周方向の振動と同時に、前記加工工具を前記軸方向に振動させることを特徴とする、
   請求項６に記載の球面加工方法。
8. 前記砥面が鉛直上方を向くことで、前記砥面に対して前記ワークの自重を作用させることを特徴とする、
   請求項６に記載の球面加工方法。
9. 前記周方向の振動を超音波振動とすることを特徴とする、
   請求項６に記載の球面加工方法。
10. 前記ワークが前記従動回転可能な支持力で、支持装置によって前記ワークを支持することを特徴とする、
    請求項６に記載の球面加工方法。

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