JP4692071B2 - 振動切削装置、成形金型、及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子用の成形金型等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、通常、工具刃先のシャンクを支持する先端ホルダの先端形状が、適当な開き角を有し先端をカットしたクサビ形状となっており、シャンクの固定は確実であるが、深い凹面の加工が容易でないという問題がある。

つまり、クサビ状の先端ホルダの開き角を含むクサビ断面内に板状のシャンクを固定するので、シャンクを含む先端を平面視した場合、先細りの三角形状となるが、シャンクを含む先端を側面視した場合、先端ホルダの四角形の先端エッジにおいて中央付近から薄いシャンクが突起している状態となる。このため、先端エッジの上下両端が邪魔になって、微細なレンズ用の成形型のような深い凹面の加工ができず、比較的浅い凹面であっても工具刃先を適宜傾けるといった工夫が必要となる場合があり、加工精度の維持が容易でなかった。

そこで、本発明は、各種凹面の加工を容易にすることができ加工精度を高め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）例えば尖端形状に形成された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）テーパ状の先細形状を有する先端部に切削工具を保持するとともに、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体とを備える。

上記装置では、切削工具を保持する振動体の先端部がテーパ状の先細形状を有するので、被加工体の被加工面の形状の深さ等にかかわらず、加工用チップを被加工面に当て易く、加工用チップの被加工面に対する振動方向、移動方向、及び角度の自由度も高めることができる。
以上の装置において、加工用チップは、振動体の先端部の側面形状を延長した略円錐状の空間内に収まっている。これにより、加工用チップと振動体の先端部との形状的調和が達成され、加工用チップを確実に支持しつつ被加工面に無理なく適用することができる。

本発明の具体的な態様では、上記振動切削装置において、振動源が、振動体に与える振動を調節することによって、加工用チップを楕円振動させる。この場合、加工用チップが２次元的に振動するため、高い形状寸法精度を確保しつつ加工速度及び加工効率を高めることができる。なお、加工用チップは、通常、切込み深さ方向に延びる工具軸を含む面内方向で振動させることになるが、この際の振動方向等に関する被加工面の曲率の自由度が高まる。

本発明の別の態様では、振動体の先端部が、切込み深さ方向に延びる工具軸のまわりに略回転対称な形状を有する。この場合、工具軸のまわりの回転対称な空間内に振動体の先端部を収めることができ、被加工面の曲率や軸に対する傾斜角の設定の自由度を高めることができる。なお、振動体の先端部を先細りのテーパとした場合、そのテーパ角は、通常１５°〜９０°の範囲とすることが望ましい。テーパ角が１５°以上では、先端部の強度を確保し易くなり、振動モードが変化することを防止して意図しない振動によって加工精度が低下することを防止できる。一方、テーパ角が９０°以下では、被加工体の被加工面の深さにもよるが、先端部が被加工面と干渉し難くなる。

本発明の別の態様では、加工用チップの先端が、工具軸の延長上に配置される。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で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。

本発明の別の態様では、切削工具が、振動体の先端部に着脱可能にネジ止めされている。この場合、切削工具の簡易な交換が可能となる。

本発明の別の態様では、切削工具が、振動体の先端部の複数箇所において、ネジ止めされている。この場合、切削工具のより確実な固定が可能なる。なお、切削工具を振動体の先端部において複数の異なる方向から固定するならば、複数方向からの応力や振動に対して安定性を有する切削工具の固定が可能なる。

本発明の別の態様では、切削工具が、振動体の先端部に固定される一端側に第１ネジ部材を有し、振動体の先端部が、第１ネジ部材に螺合する第２ネジ部材を有する。この場合、切削工具自体を振動体の先端部に直接ネジ付けすることができ、切削工具の確実な固定と着脱自在性を簡易に両立することができる。

本発明の別の態様では、第１ネジ部材が、ボルト状の部材であり、第２ネジ部材にねじ込まれる雄ネジ部分と締付け用のヘッド状部分とを有する。この場合、切削工具を振動体の先端部に十分な締付け強度で取り付けることができる。

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、凹面の光学面を有する金型を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する。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、先端のツール部２１側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は、図２に示すツール部２１先端の形状等を説明する斜視図である。また、図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれツール部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、テーパ状の先細形状を有しており、切込み深さ方向に延びる工具軸ＡＸのまわりに回転対称な截頭円錐形状を有する。また、先端部２１ａの先端に保持された切削工具２３は、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、超硬材料、ハイス鋼等によって形成されており、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、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の側面形状を延長した円錐状の空間内に収まっている。ここで、先端部２１ａのテーパ角θ１ ，θ２は、１５°〜９０°の範囲となっており、好ましくは３０°〜９０°の範囲とする。テーパ角θ１，θ２が１５°以上の場合、先端部２１ａの曲げ強度等が確保され、特に３０°以上で十分な強度が確保される。また、テーパ角θ１，θ２が１５°以上の場合、先端部２１ａ近傍で振動モードが変化する傾向を抑制でき、切削工具２３による切削加工精度が、特に３０°以上で意図しない振動を回避して効果的に向上する傾向が生じる。一方、先端部２１ａのテーパ角θ１，θ２が９０°以下の場合、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、加工形状の任意性が高まる。なお、テーパ角θ１，θ２は、必ずしも等しくする必要はない。θ１≠θ２の場合、先端部２１ａの工具軸ＡＸに垂直な断面形状は、楕円となる。

切削工具２３すなわちシャンク２３ｂの一端に形成された基部２３ｅは、先端部２１ａの端面２１ｄから工具軸ＡＸ方向に穿設された矩形断面の穴２１ｆ内に嵌合する状態で挿入されており、ツール部２１と同一の材料で形成された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の円錐状側面に設けた一対の開口２１ｇ，２１ｊに固定ネジ２５，２６をそれぞれねじ込んで固定する。一方の固定ネジ２５を受け入れる開口２１ｇは、例えばＹ軸方向に延びており、他方の固定ネジ２６を受け入れる開口２１ｊは、例えばＸ軸方向に形成されており、両者の締付け方向は直交する。一方の固定ネジ２５は、雄ネジ部２５ｂとヘッド部２５ｃとを含んでいる。雄ネジ部２５ｂを開口２１ｇに差し込んだ状態でヘッド部２５ｃを適当な工具でネジ回すことにより、雄ネジ部２５ｂが、基部２３ｅに形成された孔を貫通して、開口２１ｇの奥に形成された雌ネジ２１ｈと螺合する。この際、ヘッド部２５ｃによって基部２３ｅが先端部２１ａ内に締付けられて基部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。他方の固定ネジ２６は、イモネジであり、雌ネジである開口２１ｊに適当な工具でネジ込むことにより、基部２３ｅがその側面側から押圧され固定されるので、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。

ツール部２１の先端部２１ａは、図２でも説明したように、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。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。このように、切削工具２３の尖端を旋回軸ＰＸのまわりに回転させる場合、先端部２１ａのテーパ角角θ１，θ２は、先端部２１ａの強度等を維持できる範囲でなるべく小さくすることが望ましくなる。

以上の説明から明らかなように、本実施形態の振動切削装置１０によれば、ツール部２１の先端部２１ａが工具軸ＡＸのまわりに回転対称な截頭円錐形状を有しており、被加工体であるワークＷの被加工面ＳＡの深さや傾きにかかわらず、加工用チップを被加工面ＳＡに当て易い。つまり、被加工面ＳＡの深さや傾きの設定の自由度を高めることができ、結果的に、被加工面ＳＡの形状の自由度を高めることができる。また、本実施形態の振動切削装置１０によれば、加工用チップ２３ｃやこれを支持するシャンク２３ｂが先端部２１ａの側面形状を延長した円錐状の空間内に収まっており、加工用チップ２３ｃの尖端が工具軸ＡＸ上に配置されている。これにより、加工用チップ２３ｃとツール部２１の先端部２１ａとの形状的調和が達成され、加工用チップ２３ｃの尖端を目標位置に正確に保持しつつ被加工面ＳＡに無理なく当てることができる。また、切削工具２３の基部２３ｅは、２つの固定ネジ２５，２６によって、工具軸ＡＸに垂直で互いに直交する２方向から先端部２１ａに対して固定されている。つまり、切削工具２３をツール部２１の先端部２１ａにおいて複数の方向から固定することになるので、複数方向からの応力や振動に対して安定性を有する切削工具２３の固定が可能なる。

図７は、比較のための参考図であり、図５（ａ）に対応する。この場合、ツール部９２１の先端部９２１ａが先端をカットしたクサビ形状となっており、先端部９２１ａを側面視した場合、先端部９２１ａの四角形エッジにおいて、中央付近から薄い切削工具２３が突起している状態となる。このため、ワークＷに深い凹面を加工することができないという問題がある。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る振動切削装置について説明する。第２実施形態の振動切削装置は、第１実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

図８は、第２実施形態における振動切削ユニットのツール部１２１の構造を説明する断面図であり、図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれツール部１２１先端の側方断面図及び平面断面図である。

この場合、切削工具２３の基部２３ｅは、工具軸ＡＸに直交する２方向から先端部２１ａに固定されているだけでなく、２つの固定ネジ２５，１２６によって、工具軸ＡＸに沿って異なる位置で固定されている。この場合、固定ネジ１２６は、先端部２１ａの円錐状側面に設けた開口１２１ｊにねじ込んで固定されており、開口２１ｇに挿入される固定ネジ２５に対して所謂「ねじれ」の関係で配置される。この場合、ツール部２１の先端部２１ａに固定される切削工具２３が、工具軸ＡＸに垂直に回転させるモーメント等に対して抵抗性を持つことになるので、かかる方向に関する切削工具２３の意図しない変位や振動を低減することができる。

なお、本実施形態では、固定ネジ１２６を固定ネジ２５に対してねじれの関係で配置しているが、固定ネジ１２６を固定ネジ２５に対して平行に配置して、切削工具２３の基部２３ｅを、工具軸ＡＸに直交する互いに平行な２方向から先端部２１ａに固定することもできる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る振動切削装置について説明する。第３実施形態の振動切削装置は、第１実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態の装置と共通している。

図９は、第３実施形態における振動切削ユニットのツール部２２１の構造を説明する断面図であり、図９（ａ）は、ツール部２２１先端の側方部分断面図であり、図９（ｂ）は、切削工具２２３の側面図である。

この場合、切削工具２２３の基部は、第１ネジ部材２２３ｅになっており、ツール部２２１の先端部２２１ａの端面２１ｄに穿孔された第２ネジ部材２２１ｆと螺合する。切削工具２２３のシャンク２２３ｂは、先端側で加工用チップ２３ｃを支持し、基部側で第１ネジ部材２２３ｅによって先端部２２１ａに締結される。第１ネジ部材２２３ｅは、ボルト状の部材であり、第２ネジ部材２２１ｆにねじ込まれる雄ネジ部分２２３ｍと、締付け用のヘッド状部分２２３ｎとを有する。

切削工具２２３を先端部２２１ａに取り付ける際には、切削工具２２３の第１ネジ部材２２３ｅの雄ネジ部分２２３ｍを第２ネジ部材２２１ｆの開口にあてがって、適当な工具でヘッド状部分２２３ｎを回転させ締め付ける。これにより、切削工具２２３の先端部２２２１ａへの固定が確保され切削工具２２３の分離が防止される。切削工具２２３を先端部２２１ａから取り外す際には、適当な工具で切削工具２２３のヘッド状部分２２３ｎを回転させ締結を緩める。

本実施形態の振動切削装置によれば、ツール部２２１の先端部１２１ａが工具軸ＡＸのまわりに回転対称な截頭円錐形状を有しており、ワークＷに高い自由度で被加工面ＳＡを形成することができる。また、本実施形態の振動切削装置によれば、加工用チップ２３ｃやこれを支持するシャンク２２３ｂが先端部２２１ａの側面形状を延長した円錐状の空間内に収まっており、加工用チップ２３ｃの尖端が工具軸ＡＸ上に配置されている。これにより、加工用チップ２３ｃとツール部２２１の先端部２２１ａとの形状的調和が達成され、加工用チップ２３ｃの尖端を目標位置に正確に保持しつつ被加工面ＳＡに無理なく当てることができる。また、切削工具２２３は、それ自身に設けた第１ネジ部材２２３ｅによって先端部２２１ａに締結されるので、切削工具２２３の確実な固定と簡易な着脱とを両立することができ、切削工具２２３を先端部２２１ａに十分な締付け強度で取り付けることができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る成形金型について説明する。図１０は、第１〜第３実施形態の振動切削ユニット２０〜２２０を用いて作製した成形金型を説明する図であり、図１０（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図１０（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、及び図８、９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２０〜２２０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２０〜２２０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１１は、図１０（ａ）の金型２Ａと、図１０（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２０〜２２０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２０〜２２０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、上記実施形態では、切削工具２３の先端部２１ａを尖った鋭角状にしているが、適当な曲率半径を有する円弧状とすることができる。
また、切削工具２３の先端部２１ａは、正確に截頭円錐形状に限らず、これに近似される形状、例えばドーム状の先端を有するティップ形状等を含むものとすることができる。
また、切削工具２３の先端部２１ａは、完全に円錐側面を有する場合に限らず、一部に切欠や凹部を有していても、振動加工の妨げにならず、問題は生じない。

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。 図２に示すツール部先端の形状等を説明する斜視図である。 （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。 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。 比較のための参考図である。 （ａ）、（ｂ）は、第２実施形態の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側方断面図及び平面断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第３実施形態の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側方部分断面図及び側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第４実施形態に係る成形金型の側方断面図である。 図１０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、 ２１ｆ…穴、 ２１ｇ，２１ｊ…開口、 ２１ｈ…雌ネジ、 ２３…切削工具、 ２３ｃ…加工用チップ、 ２３ｅ…基部、 ２５，２６…固定ネジ、 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、 ８３…軸方向振動子、 ８５…カウンタバランス、 ８７…第１固定フランジ、 ８８…第２固定フランジ、 ９１…貫通孔、 ＡＸ…工具軸、 ＲＡ…回転軸

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、
   テーパ状の先細形状を有する先端部に前記切削工具を保持するとともに、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
   を備え、
   前記加工用チップは、前記振動体の先端部の側面形状を延長した略円錐状の空間内に収まっていることを特徴とする振動切削装置。
2. 前記振動源は、前記振動体に与える振動を調節することによって、前記加工用チップを楕円振動させることを特徴とする請求項１記載の振動切削装置。
3. 前記振動体の先端部は、切込み深さ方向に延びる工具軸のまわりに略回転対称な形状を有することを特徴とする請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の振動切削装置。
4. 前記加工用チップの先端は、前記工具軸の延長上に配置され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. 前記切削工具は、前記振動体の先端部に着脱可能にネジ止め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. 前記切削工具は、前記振動体の先端部の複数箇所において、ネジ止めされていることを特徴とする請求項５記載の振動切削装置。
7. 前記切削工具は、前記振動体の先端部において、複数の異なる方向からネジ止めされて固定されていることを特徴とする請求項６記載の振動切削装置。
8. 前記切削工具は、前記振動体の先端部に固定される一端側に第１ネジ部材を有し、前記振動体の先端部は、前記第１ネジ部材に螺合する前記第２ネジ部材を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項のいずれか一項記載の振動切削装置。
9. 前記第１ネジ部材は、ボルト状の部材であり、前記第２ネジ部材にねじ込まれる雄ネジ部分と締付け用のヘッド状部分とを有することを特徴とする請求項８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１０記載の成形金型によって成形された光学素子。

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