JP4009376B2

JP4009376B2 - 超音波球面創成装置及び超音波球面創成方法

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Publication number: JP4009376B2
Application number: JP32664398A
Authority: JP
Inventors: 貴重白鳥
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1998-11-17
Filing date: 1998-11-17
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2018-11-17
Also published as: JP2000153434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズなどの光学素子などを形成するためのワークに対し、微小な球面形状を精度良く創成する超音波球面創成装置及び超音波球面創成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラスレンズや球面鏡等のような球面を有する光学素子などを形成するためにワークに対して球面創成加工が行われている。この球面創成加工は、社団法人日本オプトメカトロニクス協会発行「光学素子加工技術′９２」の「研削・研磨」項に記載されるようにＣＧ機（カーブジェネレータ）により行われている。
【０００３】
図７はこのＣＧ機の加工原理を示す。球面が創成されるワーク１１０は回転軸Ａを中心に回転する一方、カップ状の砥石１２０は回転軸Ａと同一平面上で回転軸Ａと角度θをなす回転軸Ｂを中心に回転する。この砥石１２０を回転させながらワーク１１０側の最接近部分１２１を回転軸Ａ上に位置させ、ノズル１４０から研削液１３０を噴きかけながらワーク１１０を回転軸Ａに沿って砥石１２０側に切り込むことによって球面の創成を行う。
【０００４】
図８は特開平３−２７７４６６号公報に開示された超音波を用いた形状創成加工を示す。この加工では、排出口２５１を有した加工容器２５０内にワーク２２０をセットし、所望の形状に形成した超音波加工工具２１０をワーク２２０に当接させると共に、超音波加工工具２１０とワーク２２０との界面に磁性砥粒を分散させた流体２３０を介在させる。そして、超音波加工工具２１０によって荷重をかけながら超音波振動させながら加工を行う。この場合、超音波加工工具２１０に電極２４０を取り付けて磁性砥粒を効率的に加工部位に集中させる。この加工では、加工部位に磁性砥粒を介在させることにより、加工工具２１０の形状をワーク２２０に転写するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示すＣＧ機を用いた加工では、創成する球面の曲率が小さくなるのに従って砥石１２０の径Ｄを小さくする必要がある。例えば曲率半径０．５ｍｍの球面をワーク１１０創成する場合、砥石１２０の径Ｄをおよそ０．７ｍｍ以下とする必要がある。
【０００６】
しかしながら、径が小さくなると、砥石１２０加工中の加工負荷によって砥石１２０に撓みが生じ、この撓みによってワーク１１０の球面形状及び球面深さの精度が低下する問題を有している。
【０００７】
図８に示す加工では、磁性砥粒を電極２４０によって加工部位に集中させるため、磁性砥粒が加工部位で相互に重なり合って砥粒層ができ、このため、創成する形状及びその深さの精度が低下する。例えば、５μｍの磁性砥粒を用いた場合、磁性砥粒が単独で存在している箇所に対し、磁性砥粒が二つ重なっている箇所ではその倍の１０μｍとなり、５μｍの深さの差が生じる。従って、高精度に加工を行うことができない。
【０００８】
又、超音波加工工具２１０自体も磁性砥粒によって削られるため、超音波加工工具２１０の形状が早期に乱れたり、崩れ、これにより早期に加工ができなくなる問題も有している。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、創成する球面が小さくても、その形状及び深さを高精度に形成することができる超音波球面創成装置及び超音波球面創成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、超音波振動子に取り付けられたホーンに保持され、超音波振動子の振動によってその球面形状をワークに創成する球体と、前記ワークに創成される球面形状の深さを測定する測定器と、前記超音波振動子に超音波を発振する超音波発振器と、非磁性の砥粒が流体中に分散したスラリーを前記ワークの球面創成部位へ吐出するスラリー供給手段と、前記測定器からの測定値に基づいてワークへの球面創成速度を演算し、この演算結果に基づいて前記超音波発振器が超音波振動子に出力する超音波の出力を制御する演算制御手段と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
この発明では、球体の外面がワークに対して作用してワークに球面形状を創成するため、創成されるワークの球面が小さくても高精度で加工することができる。この加工では、超音波振動子が超音波振動することにより、球体が振動し、球体の径及びスラリー内の非磁性の砥粒を粒径を加えた径の球面形状がワークに創成される。このとき、砥粒は非磁性のため、良好に分散し、砥粒が相互に結合することがない。このため、高精度に創成することができる。
【００１７】
この発明では、測定器の測定値に基づいて演算した球面創成速度から超音波振動子への超音波の出力を制御し、ワークへの球面の創成を制御するため、ワークに加工する球面形状及び深さを高精度に形成することができる。
【００１８】
請求項２の発明は、非磁性の砥粒が流体中に分散したスラリーを供給しながら超音波振動子の先端のホーンに保持した球体の球面形状をワークに創成する方法において、前記ワークに創成される球面形状の深さを測定し、この測定値に基づいてワークへの球面創成速度を演算し、この演算結果に基づいて前記超音波発振器が超音波振動子に発振する超音波の出力を制御することを特徴とする。
【００１９】
この発明では、ワークに創成される球面形状の深さを測定しながら、ワークへの球面創成速度を演算し、しかも、演算結果に基づいて超音波振動子への超音波の出力を制御するため、ワークの球面形状を高精度に形成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１の超音波球面創成装置の全体を示し、ワーク１に球面形状を創成する球体２と、球体２が取り付けられる超音波振動子３と、測定器４と、スラリー供給手段５と、演算制御手段６とを備えている。
【００２１】
ワーク１はレンズなどの光学素子からなり、ワーク台７上部のワーク保持部材７ａに着脱自在に保持されることによりワーク台７上に固定される。ワーク台７は後述する超音波振動子３の昇降方向と同一方向に伸縮する加圧シリンダからなる加圧手段８に支持されており、加圧手段８の駆動によって上下動する。加圧手段８としての加圧シリンダの加圧量は任意に設定できるものである。なお、加圧手段８としては、エアシリンダ、油圧シリンダであっても良く、シリンダ以外のばね圧、流体圧、磁力などであっても良い。
【００２２】
超音波振動子３は図示を省略した昇降機構に取り付けられており、昇降機構の駆動によって昇降する。この超音波振動子３の先端にはホーン９が取り付けられ、ホーン９の先端に球体２が保持されている。ホーン９は超音波振動子３の超音波振動を増幅するものである。球体２は球面形状の鋼球からなり、後述するように超音波振動子３の超音波振動によって、その球面形状をワーク１に創成する。
【００２３】
図２はホーン９が球体２を保持する構造を示し、（ａ）ではホーン９の先端に球体２と同等の曲率か、幾分小さな曲率の凹球面９ａが形成され、（ｂ）ではホーン９の先端に球体２と同一径以下の円筒状凹部９ｂが形成され、（ｃ）ではホーン９の先端に円錐状の凹部９ｃが形成されており、これらによって球体２がホーン９の先端に保持される。ホーン９への球体２の保持は、エア吸引力、磁気吸引力、チャックなどの機械的な保持力によって行われる。この場合、球体２は回転自在な状態でホーン９に保持されるものである。
【００２４】
超音波振動子３は超音波発振器１１に接続されており、超音波発振器１１から出力される超音波によって超音波振動する。超音波発振器１１は演算制御手段６に接続されて超音波発振するものである。
【００２５】
測定器４は上方に延びる測定子４ａを有し、この測定子４ａがワーク台７のフランジ部７ｂに接触している。このように測定子４ａがフランジ部７ｂに接触することにより、測定器４はワーク台７の昇降量を測定し、間接的にワーク１に創成される球面形状の深さを測定する。そして、測定した測定値はアンプ１０に出力され、アンプ１０で増幅された後、演算制御手段６に出力される。
【００２６】
測定器４はワーク台７に隣接した配置された固定状態のベース台（図示省略）に固定しても良く、加圧手段８の側壁に固定しても良い。又、これに限らず、測定器４をワーク台７に取り付けると共に、測定基準点を固定の位置に配設し、配設した測定基準点に対するワーク台７の移動量を測定器４によって測定するようにしても良い。
【００２７】
スラリー供給手段５はスラリー１２をワーク１の球面創成部位に吐出するノズル１３を備えている。スラリー１２は非磁性の砥粒を水やシリコンオイルなどの非磁性の流体中に分散させたものである。砥粒としては、ダイヤモンド、ｃ−ＢＮ、ＳｉＣ、酸化セリウム、アルミナ、ジルコニア、ＧＣなどの非磁性で、且つ一定の硬度を有した粒体が使用される。
【００２８】
この実施の形態において、スラリー供給手段５は規定量のスラリー１２をワーク１の球面創成部位に吐出するものである。図３はこの実施の形態のスラリー供給手段５の構成を示し、移動板１４にシリンジ１５が取り付けられている。シリンジ１５は図１におけるノズル１３を構成するものである。移動板１４はワーク１の球面創成部位の方向に延びるガイド１６に沿って往復移動する。ガイド１６の近接位置には、ガイド１６と平行方向に伸縮する移動用シリンダ１７が配設され、この移動用シリンダ１７に移動板１４が取り付けられることにより、移動板１４が往復移動する。
【００２９】
移動板１４には、吐出用モータ１８及びボールねじ１９が連結状態で取り付けられており、ボールねじ１９にシリンジ１５のピストン１５ａが連結されている。従って、吐出用モータ１８が駆動することにより、ピストン１５ａが往復動し、これによりシリンジ１５にスラリー１２を吸引すると共に、吸引されたスラリー１２をシリンジ１５から吐出することができる。かかる吐出用モータ１８はスラリー制御部２０によって駆動が制御される。
【００３０】
シリンジ１５に吸引されるスラリー１２は撹拌容器２１に充填されている。撹拌容器２１は容器部２１ａと、容器部２１ａを支持する撹拌部２１ｂとを備えており、スラリー１２は容器部２１ａに充填されている。撹拌部２１ｂはマグネットスターラーからなり、その撹拌子２１ｃが容器部２１ａ内に設けられている。この撹拌容器２１では、撹拌子２１ｃが回転することにより、スラリー１２を撹拌するため、砥粒を常に粒体内に均一に分散させることができ、シリンジ１５は砥粒が均一に分散した一定濃度のスラリー１２を吸引することができる。なお、撹拌容器２１は、超音波撹拌や揺動撹拌などであっても良い。
【００３１】
このようなスラリー供給手段５では、移動板１４が撹拌容器２１側に移動したとき、シリンジ１５がスラリー１２を吸引し、移動板１４がワーク１側に移動したとき、シリンジ１５がスラリー１２をワーク１の球面創成部位に吐出する。
【００３２】
演算制御手段６はアンプ１０を介して入力された測定器４の測定値に基づいてワーク１への球面創成速度を演算し、この演算結果に基づいてスラリー１２の供給量を規定する。そして、演算制御手段６はスラリー制御部２０を制御して加工に必要な量又は／及びタイミングでスラリー１２をワーク１の球面創成部位に吐出する。
【００３３】
次に、この実施の形態による球面の創成を説明する。ワーク１は直接あるいはワーク１を固定するための固定部材を介してワーク台７のワーク保持部材７ａ上に固定される。又、加圧手段８である加圧シリンダは任意の設定圧力値でストローク未満にまで上昇している。超音波振動子３が昇降機構により下端あるいは任意に設定した高さまで下降すると、超音波振動子３のホーン９の先端に磁力、エア吸引力、チャック等で保持された球体２がワーク１を下方に押し込む。
【００３４】
これにより、ワーク１を保持したワーク台７が押し下げられ、球体２とワーク１は加圧シリンダ８に設定された圧力で接触する。この位置で、球体２のホーン９への保持を解除するが、ホーン９及びワーク１に挟まれていることにより、球体２はその位置に留まる。この時のワーク台７の高さ位置が測定器４の測定値としてアンプ１０を介して演算制御手段６に送出される。
【００３５】
演算制御手段６はスラリー制御部２０を介してスラリー供給手段５を制御する。これにより、球体２とワーク１との接触部である球面創成部位付近に移動したノズル１３が規定量（所定量）のスラリー１２を球面創成部位に吐出する。
【００３６】
スラリー１２が球面創成部位に供給された後、演算制御手段６が超音波発振器１１を起動し、これにより超音波発振器１１は設定された周波数及び出力で超音波振動子３を超音波振動させる。超音波振動子３の振動はホーン９で増幅されて球体２に伝達される。球体２が振動することにより、非磁性の流体中に非磁性の砥粒を混入したスラリー１２が球体２とワーク１の間に介入する。球体２の振動はスラリー１２を介してワーク１に伝えられる。
【００３７】
非磁性の流体中では非磁性の砥粒が容易に分散して相互に砥粒が結合していない。このため、球体２の外径にスラリー１２の粒径分を加えた径の球面をワーク１に創成することができ、高精度な創成が可能となる。同時に、球体２は振動に伴う回転運動を行う。
【００３８】
球面創成が進行するのに従って、超音波振動子３の下降により下方に押し込まれていたワーク台７が創成進行分だけ上昇する。この変位量を測定器４により検出し、アンプ１０に取り込む。そして、その測定値が演算制御手段６に送出される。
【００３９】
図４は球面創成の加工を開始してからの加工深さ（即ち加工量）の進行を時間の経過と共にプロットした特性図である。スラリー１２を規定量供給した加工開始直後に対して加工時間が経つのにつれて加工速度は小さくなり、最終的には超音波振動子３が振動しているにもかかわらず、ほとんど加工が進行しなくなる。この加工効率の減少は、スラリー１２の劣化に起因するものである。
【００４０】
これに対し、図５は加工途中５２ａで規定量のスラリー１２を球体２とワーク１との接触部である球面創成部位に補給するものであり、この補給によって、再び加工が進行する。このようにスラリー１２の供給量、供給タイミング、供給速度がワーク１への曲面創成時間及び面荒さ、曲面深さ等の加工精度に大きく影響する。
【００４１】
この実施の形態では、演算制御手段６が測定器４の変位量を定期的に監視し、図６に示すように所定時間ごとの変位量を傾きで算出する。これを連続的、例えば数十ｍｓ単位でサンプリングすることにより、加工量の変位曲線を求める。この曲線を図５に示す予め設定した変位量許容範囲５１と比較し、この許容範囲幅から変位量が外れることのないように、演算制御手段６はスラリー１２の供給及び供給速度等の条件変更や供給停止判定を行う。
【００４２】
この演算制御手段６の判定に基づいて、スラリー供給手段５はスラリー１２の吐出開始と停止、吐出においては吐出速度制御を随時実施する。高精度の球面創成においては、球面深さ精度が重要であり、例えば目標値±２μｍの範囲に加工量許容値があることが求められる。
【００４３】
又、目標創成深さに達した段階で超音波発振器１１の発振を停止した場合、余波が存在するために、即ちホーン９が慣性で振動し続けるために、加工が数十μｍ進行する。この余波分を見越して発振を停止しないと、スラリー１２供給直後等の加工速度、即ち加工進行速度が、高速時においては、目標加工深さを得ることが困難となる。このためこの実施の形態では、目標加工時間及び目標加工深さ位置において、加工進行速度が延滞（即ち、遅延）する状態になるようにスラリー１２の吐出制御を行う。具体的には、演算制御手段６が上述したように定期的にサンプリングした加工変位量から、目標加工終了時間及び目標加工深さの位置からどれだけずれ込むかを算出し、スラリー供給手段５を介してスラリー１２の吐出制御を行う。又は、算出される加工曲線５２（図５参照）から発振停止時間を求める。なお、加工進行速度が延滞（遅延）するようにした場合、砥粒の切削性が劣化しているので、ワーク１の加工面の面荒さが小さくなり、良好な面が得られることになる。
【００４４】
以上のような加工の終了後、測定器４からの測定値と演算制御手段６とにより加工の良否判定を行い、超音波振動子３を上昇させ、加工が完了したワーク１の取り出し、及び球体２の交換を行う。
【００４５】
このような実施の形態では、撹拌容器２１へのスラリー１２の補給時などの際にスラリー１２の濃度が変化した際や、ワーク１の材質変更等の諸条件変化時においても、それらに応じた調整・段取り等を行うことなく、微小球面加工が精度良くバラツキも極めて少なく行うことができる。
【００４６】
（実施の形態２）
この実施の形態では、スラリー１２は加工開始時における一回の規定量の供給或いは一定時間毎に間欠的に規定量を供給する固定の供給形態とし、これに対し、超音波発振器１１の超音波振動子３への出力を制御するものである。この制御は演算制御手段６が行う。
【００４７】
すなわち、この実施の形態では、演算制御手段６は所定時間毎にサンプリングした加工量変位曲線が予め設定された変位量許容範囲から外れることのないように超音波の出力及び振幅を変化させることによって制御する。このような制御を行っても、目標加工深さ近辺においては、加工速度を遅くすることにより目標加工深さを精度良く得ることができ、同時に面精度を向上させることができる。
【００４８】
この実施の形態においても、実施の形態１と同様に特別な調整・段取り等を行うことなく、微小球面加工を精度良くバラツキも極めて少なく行うことができる。なお、この実施の形態では、実施の形態１を組み合わせることも可能であり、これにより同様の効果を得ることができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、測定器の測定値に基づいて演算した球面創成速度から超音波振動子への超音波の出力を制御し、ワークへの球面の創成を制御するため、ワークに対する球面形状及び深さを高精度に形成することができる。
【００５２】
請求項２の発明によれば、ワークに創成される球面形状の深さを測定しながら、ワークへの球面創成速度を演算し、演算結果に基づいて超音波振動子への超音波の出力を制御するため、ワークの球面形状を高精度に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音波球面創成装置の全体の正面図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はホーンが球体を保持する構造をそれぞれ示す断面図である。
【図３】スラリー供給手段の正面図である。
【図４】ワークへの加工量を時間でプロットした特性図である。
【図５】スラリーを供給するために用いる特性図である。
【図６】スラリーの供給タイミングを示す特性図である。
【図７】従来の創成を示す模式図である。
【図８】超音波によって加工を行う別の従来の加工装置の断面図である。
【符号の説明】
１ワーク
２球体
３超音波振動子
４測定器
５スラリー供給手段
６演算制御手段
９ホーン
１１超音波発振器
１２スラリー

Claims

超音波振動子に取り付けられたホーンに保持され、超音波振動子の振動によってその球面形状をワークに創成する球体と、
前記ワークに創成される球面形状の深さを測定する測定器と、
前記超音波振動子に超音波を発振する超音波発振器と、
非磁性の砥粒が流体中に分散したスラリーを前記ワークの球面創成部位へ吐出するスラリー供給手段と、
前記測定器からの測定値に基づいてワークへの球面創成速度を演算し、この演算結果に基づいて前記超音波発振器が超音波振動子に出力する超音波の出力を制御する演算制御手段と、
を備えていることを特徴とする超音波球面創成装置。
非磁性の砥粒が流体中に分散したスラリーを供給しながら超音波振動子の先端のホーンに保持した球体の球面形状をワークに創成する方法において、
前記ワークに創成される球面形状の深さを測定し、この測定値に基づいてワークへの球面創成速度を演算し、この演算結果に基づいて前記超音波発振器が超音波振動子に発振する超音波の出力を制御することを特徴とする超音波球面創成方法。