JP4771054B2 - 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その他を形成する材料、素材等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）。この振動切削加工により、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。

かかる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、切削負荷によって振動子が発熱し、また、工具刃先で切削熱が発生するだけでなく、加工状況の変動に伴って、振動の負荷が変動し、切削時の摩擦仕事量も変動する。この結果、振動体の熱膨張量が変動し、工具刃先の固定の信頼性も低下する。つまり、切削条件や被削材料の種類等によって工具刃先の位置が変動し或いは工具刃先の固定が緩み、さらに、加工工程の具体的設定やその進捗状況に応じても工具刃先の位置が変動する可能性があり、加工再現性や加工汎用性が損なわれる。

そこで、本発明は、振動切削に伴う発熱によって振動体等の温度が変動することを防止し、安定した温度条件で高精度の切削加工を可能にする振動切削装置、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、本発明に係る第１及び第２の振動切削装置は、（ａ）切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）先端部に切削工具を支持して、振動源からの振動を切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）振動体内部に設けられて先端部に形成された開口に連通する供給路を介して、切削工具にガス状流体を吹き付ける冷却手段とを備える。

上記第１及び第２の振動切削装置では、冷却手段が振動体内部に設けられて先端部に形成された開口に連通する供給路を介して切削工具にガス状流体を吹き付けるので、ガス状流体によって、振動体を内部から無駄なく効率的に冷却することができ、切削工具を振動体側から直接的に無駄なく冷却することができる。また、ガス状流体の吐出口が被加工体における加工点に近くなるので、加工点の温度上昇を抑え、高精度の加工を実現することができる。なお、ガス状流体は、質量が軽く、振動体の振動条件を変化させないという利点がある。
以上の第１及び第２の振動切削装置は、切削工具を固定するための締結部材をさらに有し、当該締結部材の少なくとも一部が供給路内に露出する。これにより、切削工具の締結部材を直接的に冷却することができ、締結部材による固定の信頼性を高めることができる。
以上の第１及び第２の振動切削装置は、締結部材の抜けを防止する係止部材をさらに有し、当該係止部材の少なくとも一部が供給路内に露出する。締結部材によって切削工具を振動体の先端部に固定するだけでなく、係止部材によって締結部材の抜けを防止するので、切削工具を振動体の先端部に対して確実に固定することができ、高精度で低損失の振動切削を実現できる。しかも、係止部材を直接的に冷却することができ、係止部材による締結部材の抜け防止の信頼性を高めることができる。
特に第１の振動切削装置において、締結部材が、先端部に設けた第１の固定穴にねじ込まれる第１の固定ネジである。なお、係止部材は、先端部に設けた第２の固定穴にねじ込まれる第２の固定ネジとすることができる。
特に第２の振動切削装置において、冷却手段の供給路が、振動体内部を貫通する。さらに、第２の振動切削装置において、係止部材が、供給路内に突起する突起部分を有し、当該突起部分が、ガス状流体の通路を確保する開口及び切欠の少なくとも一方を有する。この場合、係止部材をガス状流体によって効率良く冷却することができるだけでなく、係止部材の突起部分が障害となることを防止してガス状流体の流路を確保することができる。

本発明の具体的な態様では、上記第１の振動切削装置において、冷却手段が振動体内部を貫通し先端部に形成された開口に連通する供給路を有する。この場合、振動体の後端側にガス状流体を供給するだけの簡単な構造によって、振動体内部を先端部の開口に向けて貫通する供給路に沿ってガス状流体を流通させることができる。

本発明の別の態様では、供給路が、開口又は当該開口の近傍においてガス状流体の流動方向に垂直な断面積を減少させている。この場合、開口から吐出されるガス状流体の吹き付け速度が増加し、被加工体の加工点を高速のガス状流体で冷却し、かつ、加工点に生成された切り屑を迅速に除去することができる。

本発明の別の態様では、供給路が、振動体の軸心を貫通し切削工具の固定部周辺に延びる。この場合、ガス状流体によって切削工具の固定部も直接的に冷却することができ、切削工具の固定の信頼性を高めることができる。

本発明の別の態様では、上記第１の振動切削装置において、係止部材が、供給路内に突起する突起部分を有し、当該突起部分が、ガス状流体の通路を確保する開口及び切欠の少なくとも一方を有する。この場合、係止部材をガス状流体によって効率良く冷却することができるだけでなく、係止部材の突起部分が障害となることを防止してガス状流体の流路を確保することができる。

本発明の別の態様では、ガス状流体がミスト状の液体または粒子を含む。この場合、ミスト状に添加された冷却油などの液体や粒子によって冷却効率を高めることができ、ガス状流体に対して潤滑等の機能を付加することができる。

本発明の別の態様では、振動源及び振動体が、これらの接合部と交差する貫通孔を供給路として有し、冷却手段が、貫通孔の振動源側からガス状流体を供給する。この場合、貫通孔に流通させるガス状流体によって、振動源と振動体とを直接的かつ効率的に冷却することができる。

本発明の別の態様では、ガス状流体の温度を調整する温度調整手段をさらに備える。この場合、振動源をより精密に温度制御することができ、振動体の温度を安定させて切削工具の刃先位置の温度ドリフトを低減することができる。

本発明の別の態様では、ガス状流体の流量を調整する流量調整手段をさらに備える。この場合、振動源をガス状流体の流量制御によって温度制御することができ、切削工具の刃先位置の温度ドリフトを低減することができる。

本発明の別の態様では、ガス状流体が乾燥圧縮空気である。この場合、ガス状流体が安価で容易に入手可能なものとなり、振動子を乾燥状態に保つので漏電等の発生を効率的に防止できる。

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、凹面その他の各種光学面を有する金型を、効率良く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、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概念的に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駆動機構３０と、ＮＣ駆動機構３０の動作を制御する駆動制御装置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、Ｚ軸方向に延びるツール部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２３の高周波振動によってワークＷを効率良く切削する。振動切削ユニット２０の詳細については後述する。

ＮＣ駆動機構３０は、台座３１上に第１ステージ３２と第２ステージ３３とを載置した構造になっている。ここで、第１ステージ３２は、第１可動部３５を支持しており、この第１可動部３５は、チャック３７を介してワークＷを間接的に支持している。第１ステージ３２は、ワークＷを、例えばＺ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第１可動部３５は、ワークＷをＺ軸に平行な水平回転軸のまわりに所望の速度で回転させることができる。一方、第２ステージ３３は、第２可動部３６を支持しており、この第２可動部３６は、振動切削ユニット２０を支持している。第２ステージ３３は、第２可動部３６及び振動切削ユニット２０を支持して、これらを例えばＸ軸方向及びＹ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第２可動部３６は、振動切削ユニット２０を、Ｙ軸に平行な鉛直回転軸のまわりに所望の速度で回転させることができる。特に、第２可動部３６に対する振動切削ユニット２０の固定角度を調節すること等により、振動切削ユニット２０をその先端点のまわりに所望の角度だけ回転させることができる。

駆動制御装置４０は、高精度の数値制御を可能にするものであり、ＮＣ駆動機構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、第１及び第２ステージ３２，３３や、第１及び第２可動部３５，３６を目的とする状態に適宜動作させる。例えば、第１及び第２ステージ３２，３３によって、振動切削ユニット２０のツール部２１先端に設けた切削工具２３先端の加工点を低速でＸＺ面に平行な面内に設定した所定の軌跡に沿って移動（送り動作）させつつ、第１可動部３５によって、ワークＷを水平回転軸のまわりに高速で回転させることができる。結果的に、駆動制御装置４０の制御下で、ＮＣ駆動機構３０を高精度の旋盤として活用することができる。この際、第２可動部３６によって、切削工具２３先端に対応する加工点を中心として、切削工具２３先端を鉛直回転軸のまわりに適宜回転させることができ、ワークＷの加工点に対して切削工具２３先端を所望の姿勢（傾き）に設定することができる。

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（すなわち切り込み深さ方向に延びる工具軸）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、その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を向けた微細で効率的な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整手段としての温度調節部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整手段としての流量調節部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させる。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、先端側のツール部２１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、外周部分が図２の筐体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、複数の開口８７ａを有する固定部材であり、外周部分を図２の筐体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先端を図２の筐体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。なお、カウンタバランス８５も、振動体８２と同一の材料で形成されている。

筐体８６は、円柱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。

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接合・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、これらの接合面を横切るようにを貫通する貫通孔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。つまり、貫通孔９１は、加圧乾燥空気を送り出す供給路であり、ガス供給装置６０や給気パイプ９２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冷却手段を構成する。貫通孔９１の先端部は、切削工具２３を差し込んで固定するための保持孔に兼用されており、貫通孔９１に導入された加圧乾燥空気を切削工具２３の周辺に供給できるようになっている。また、貫通孔９１の先端は、切削工具２３を固定した場合にも隙間を残しており、切削工具２３に隣接して形成された開口９１ａからは、加圧乾燥空気が高速で噴射され、切削工具２３先端の加工点を効率良く冷却することができるだけでなく、加工点やその周囲に付着する切り屑を気流によって確実に除去することができる。

なお、図２において、第１固定フランジ８７を図３（ａ）に示す封止型のものとした場合、給気パイプ９２から供給される加圧乾燥空気を全て貫通孔９１に導くことができるので、先端部２１ａすなわち切削工具２３周辺に供給される加圧乾燥空気の流量を正確に制御することができ、加圧乾燥空気を利用した温度調整や切り屑除去がより確実なものとなる。以上の手法に代えて、ガス供給装置６０からの加圧乾燥空気を別のルートで貫通孔９１に直接導くことも可能であり、この場合、貫通孔９１に導く加圧乾燥空気の量を個別に制御することができる。

図４（ａ）は、図２に示すツール部２１先端の斜視図であり、図４（ｂ）は、ツール部２１先端の端面図であり、図４（ｃ）は、ツール部２１先端からの切削工具２３を取り除いた斜視図である。また、図５（ａ）は、図２に示すツール部２１先端の側面図であり、図５（ｂ）は、ツール部２１先端の平面図である。

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、セラミックス材料、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θ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θ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θ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θ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。

切削工具２３すなわちシャンク２３ｂの固定部分２３ｅは、先端部２１ａの端面２１ｄから工具軸ＡＸに沿って穿設された孔２１ｆ内に挿入されており、ツール部２１の材料と同一の材料等で形成された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の上下側面間を貫通する固定穴２１ｈ，２１ｇに固定ネジ２５，２６を順次ねじ込んで固定する。これらの固定穴２１ｈ，２１ｇは、例えばＹ軸方向に延びており、両者の締付け方向は、工具軸ＡＸに直交する。両固定穴２１ｈ，２１ｇは、内径が異なっており、固定穴２１ｇの内径の方が固定穴２１ｈの内径よりも大きくなっている。両固定穴２１ｈ，２１ｇは、両固定ネジ２５，２６のネジ付けによって充填される。つまり、固定穴２１ｈ，２１ｇの位置には、深い凹部が残ったり高い凸部が形成されないようにしている。固定穴２１ｈにねじ込まれる一方の固定ネジ２５は、切削工具２３を固定するための締結部材であり、雄ネジ部２５ｂとヘッド部２５ａとを含むトルクスネジである。雄ネジ部２５ｂを固定穴２１ｇに差し込んだ状態でヘッド部２５ａを適当な工具でネジ回すことにより、雄ネジ部２５ｂが、固定部分２３ｅに形成された開口２３ｈを貫通して、固定穴２１ｇの奥に形成された固定穴２１ｈ内面の雌ネジと螺合する。この際、切削工具２３の固定部分２３ｅがヘッド部２５ａと孔２１ｆの内面とに挟まれて締付けられ、固定部分２３ｅが上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。固定穴２１ｇにねじ込まれる他方の固定ネジ２６は、図６にも拡大して示すように、先端部に直径が減少した突起部分２６ａを有するイモネジであり、固定ネジ２５の抜けを防止するための係止部材として機能する。この固定ネジ２６は、下端を固定穴２１ｇにあてがってネジ部２６ｂの上端を適当な工具でネジ回すことにより、固定穴２１ｇ内面の雌ネジと螺合して固定穴２１ｇにねじ込まれ固定穴２１ｇ内を充填する。こうしてねじ込まれた固定ネジ２６の突起部分２６ａの端面２６ｃにより、固定ネジ２５が上端から締付けられ、固定ネジ２５の緩みが防止されるので、切削工具２３の固定がより確実なものとなり、切削工具２３の振動や緩みを低減することができる。

切削工具２３を振動体８２の先端部２１ａに固定するための固定ネジ２５，２６は、振動体８２と同様の線膨張係数を有する材料を用いることが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の線膨張係数の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。この場合、ツール部２１と固定ネジ２５，２６とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具２３を安定して確実に固定することができる。さらに、固定ネジ２５，２６の材料としては、加工の容易性等を考慮すると、シャンク２３ｂと同様に超硬材料の他、セラミックス材料、ハイス鋼等が適するが、窒化珪素、サイアロン、インバー材、ステンレスインバー材等を用いることもできる。また、固定ネジ２５，２６は、振動体８２の振動にノイズ等を与えない観点で、振動体８２の材料の比重と略等しい比重を有する材料で形成することが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の比重の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。一般的には、固定ネジ２５，２６と振動体８２とを同一材料で作製することになるが、固定ネジ２５，２６と振動体８２とを異なる材料で形成することもできる。

切削工具２３の固定部分２３ｅが挿入される孔２１ｆの内寸は、Ｙ軸方向の厚みに関して、切削工具２３の固定部分２３ｅの外寸より僅かに大きくなっている。また、孔２１ｆの内壁のうち切削工具２３の固定部分２３ｅを支持していない側には、貫通孔９１をそのまま延長した状態の半円柱状の溝２１ｋが形成されている。この溝２１ｋの端部は、貫通孔９１から送り出される加圧乾燥空気をツール部２１の先端部２１ａに吐出させるための開口９１ａとなっている。これにより、切削工具２３の上側側面を、先端部２１ａに埋め込まれて支持された固定部分２３ｅ側から直接的に無駄なく冷却することができる。また、ワークＷ上の加工点に近い開口９１ａから切削工具２３の先端に向けて加圧乾燥空気を射出させるので、ワークＷの温度上昇を抑え、加工精度を向上させることができる。また、溝２１ｋ内の気流断面は、貫通孔９１内の気流断面よりも小さくなっており、溝２１ｋの部分で加圧乾燥空気の流速を増加させることができる。この結果、ワークＷ上の加工点に十分な勢いの加圧乾燥空気を噴射することができるので、ワークＷを確実に冷却することができ、ワークＷの加工点やその近傍に付着する切り屑を迅速に除去することができ、切削工具２３による加工精度を高めることができる。なお、固定ネジ２６の下端に設けた突起部分２６ａは、溝２１ｋを横切るように延びており、溝２１ｋを部分的に塞ぐことになる。しかしながら、突起部分２６ａの直径を溝２１ｋや貫通孔９１の直径よりも一定割合以上小さくしておけば、溝２１ｋ内における加圧乾燥空気の流通が確保され、開口９１ａから噴射される加圧乾燥空気の流速も十分大きなものとすることができる。

図２に戻って、ツール部２１の先端部２１ａは、既に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駆動機構３０によって、被加工体であるワークＷに対し、例えばＸＺ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駆動機構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（図５参照）。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、凹凸の球面、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、第２ステージ３３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７参照）。 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。また、ワークＷの加工中、ツール部２１先端の開口９１ａから切削工具２３の先端に向けて加圧乾燥空気を高速で射出させるので、切削工具２３や被加工面ＳＡを効率良く冷却することができるだけでなく、切削工具２３や被加工面ＳＡの温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって一定範囲に収まるようにすることも可能である。この加圧乾燥空気は、ツール部２１の軸心を貫通する貫通孔９１を介して導入され、振動体８２、軸方向振動子８３、カウンタバランス８５等の内部を流れるので、振動体８２等の温度を加圧乾燥空気の温度と流量とによって調整することができる。このように、加圧乾燥空気の温度を調整することにより、振動体８２の温度を安定させることができるので、結果的に、その先端に保持された切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを低減することができ、高精度で再現性の高い切削加工面が得られる。

なお、以上の振動切削ユニット２０では、振動体８２や振動子８３，８４の周囲にも、ガス状流体である加圧乾燥空気を供給して、振動体８２や振動子８３，８４を空冷している。振動子８３，８４からの発熱に対しては、発熱体となる振動子８３，８４に直接、冷却用の加圧乾燥空気を吹き付けることで、振動子８３，８４の温度上昇を確実に抑え、振動体８２の温度膨縮を抑えて、この先端に固定されている切削工具２３の刃先位置の再現性をさらに高めることができ、高精度な切削面を効率良く創製できる。

以上において、加圧乾燥空気によって、振動子８３，８４や振動体８２を冷却しているが、乾燥空気は、安価で容易に入手・供給でき、かつ漏電等の原因となる水分が無いので、安全である。乾燥状態としては、相対湿度で１０％以下が、結露の危険を避けられるので好ましい。

〔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構造の一部を説明するための図であり、図６に対応する。この場合、固定ネジ１２６には、突起部分１２６ａの内部で交差して側面を貫通する通気孔１２６ｄ，１２６ｅが、開口として設けられている。この場合、突起部分１２６ａの直径が大きく、切削工具２３先端の開口９１ａに連通する溝２１ｋ（図４（ｂ）等参照）の直径以上である場合においても、通気孔１２６ｄ，１２６ｅの存在によって溝２１ｋ内の通気を確保することができる。よって、開口９１ａから十分な量の圧乾燥空気を噴射させることができる。

図９（ａ）、（ｂ）は、図８の固定ネジ１２６をさらに変形した例を示す側面図及び下面図である。この場合、固定ネジ２２６には、突起部分２２６ａの下半分に交差する通気溝２２６ｄ，２２６ｅが溝として設けられている。この場合も、通気溝２２６ｄ，２２６ｅの存在によって、開口９１ａに連通する溝２１ｋ内の通気を確保することができる。よって、開口９１ａから十分な量の圧乾燥空気を噴射させることができる。

〔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１０は、第３実施形態における振動切削ユニットの構造を説明するための図であり、図５（ａ）に対応する。この場合、固定ネジ３２６の上端、すなわちネジ部２６ｂを挟んで突起部分２６ａの反対側にヘッド２６ｈを設けて、固定ネジ３２６の着脱を簡単にしている。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る振動切削装置について説明する。第４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１１（ａ）、（ｂ）は、第３実施形態における振動切削ユニットの構造を説明するための図であり、それぞれ図５（ａ）、５（ｂ）に対応する。このツール部２１の軸心には、２つの貫通孔４９１が形成されている。これらの貫通孔４９１は、工具軸ＡＸに沿って互いに等間隔を保って延びている。図１２は、ツール部２１先端の端面図である。貫通孔４９１は、先端部２１ａの端面２１ｄまで貫通しており、切削工具２３を固定する孔２１ｆに連通している。この場合、固定ネジ２６の突起部分２６ａとの干渉を回避するような流路が形成され、圧縮乾燥空気の流量確保が容易となる。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る成形金型について説明する。図１３は、第１〜第４実施形態の振動切削ユニット２０を用いて作製した成形金型を説明する図であり、図１３（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図１３（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５等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としてチャック３７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。これと並行して駆動制御装置４０を適宜動作させて、振動切削ユニット２０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１４は、図１３（ａ）の金型２Ａと、図１３（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において、加圧乾燥空気を通す孔２１ｆや貫通孔９１の形状やサイズは、振動切削ユニット２０の用途や使用条件等に応じて適宜変更することができる。具体的には、孔２１ｆを、例えば図５（ａ）のＸＺ面に平行に延びる溝状のものとすることができる。

また、振動切削ユニット２０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た液体や粒子と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、切削工具２３を固定するための固定ネジ２５，２６の形状、サイズ等は、適宜変更可能であり、例えば固定ネジ２５のヘッド２５ａを延長して固定ネジ２６と同様の形状とすることもできる。この場合、固定ネジ２６のネジ部２６ｂに相当する部分については、ネジ山を設けないことも可能である。

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。 （ａ）〜（ｃ）は、ツール部先端の外観及び構造を説明する斜視図等である。 （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。 係止用の固定ネジの拡大側面図である。 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。 第２実施形態における振動切削ユニットの構造の一部を説明するための図であり、固定ネジの変形例を示す。 （ａ）、（ｂ）は、図７の振動切削ユニットの変形例を説明する側面図及び下面図である。 第３実施形態における振動切削ユニットの構造の一部を説明するための図であり、固定ネジの変形例を示す。 （ａ）、（ｂ）は、第４実施形態における振動切削ユニットの構造の一部を説明する側面図及び平面図である。 ツール部先端の端面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る成形金型の側方断面図である。 図１３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、 ２１ｄ…端面、 ２１ｆ…孔、 ２１ｋ…溝、 ２３…切削工具、 ２３ｂ…シャンク、 ２３ｃ…加工用チップ、 ２３ｅ…固定部分、 ２５…固定ネジ、 ２６…固定ネジ、 ２６ａ…突起部分、 ２６ｂ…ネジ部、 ３０…駆動機構、 ３２…第１ステージ、 ３３…第２ステージ、 ３５…第１可動部、 ３６…第２可動部、 ３７…チャック、 ４０…駆動制御装置、 ５０…振動子駆動装置、 ６０…ガス供給装置、 ６１…ガス状流体源、 ６３…温度調節部、 ６５…流量調節部、 ７０…主制御装置、 ８２…振動体、 ８３，８４…振動子、 ８５…カウンタバランス、 ８６…筐体、 ９１…貫通孔、 ９１ａ…開口、 ９２…給気パイプ、 ＡＸ…工具軸、 ＥＯ…楕円軌道、 ＲＡ…回転軸、 ＳＡ…被加工面、 Ｗ…ワーク

Claims (16)

1. 切削工具と、
   前記切削工具を振動させるための振動源と、
   先端部に前記切削工具を支持して、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、
   前記振動体内部に設けられて前記先端部に形成された開口に連通する供給路を介して、前記切削工具にガス状流体を吹き付ける冷却手段と、
   前記切削工具を固定するための締結部材と、
   前記締結部材の抜けを防止する係止部材とを備え、
   前記締結部材の少なくとも一部は、前記供給路内に露出し、前記係止部材の少なくとも一部は、前記供給路内に露出し、
   前記締結部材は、前記先端部に設けた第１の固定穴にねじ込まれる第１の固定ネジであることを特徴とする振動切削装置。
2. 前記係止部材は、前記先端部に設けた第２の固定穴にねじ込まれる第２の固定ネジである請求項１記載の振動切削装置。
3. 前記冷却手段の前記供給路は、前記振動体内部を貫通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. 前記供給路は、前記開口又は当該開口の近傍において、前記ガス状流体の流動方向に垂直な断面積を減少させていることを特徴とする請求項３記載の振動切削装置。
5. 前記供給路は、前記振動体の軸心を貫通し、前記切削工具の固定部周辺に延びることを特徴とする請求項３及び請求項４のいずれか一項記載の振動切削装置。
6. 前記係止部材は、前記供給路内に突起する突起部分を有し、当該突起部分は、前記ガス状流体の通路を確保する開口及び切欠の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項記載の振動切削装置。
7. 切削工具と、
   前記切削工具を振動させるための振動源と、
   先端部に前記切削工具を支持して、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、
   前記振動体内部に設けられて前記先端部に形成された開口に連通する供給路を介して、前記切削工具にガス状流体を吹き付ける冷却手段と、
   前記切削工具を固定するための締結部材と、
   前記締結部材の抜けを防止する係止部材とを備え、
   前記締結部材の少なくとも一部は、前記供給路内に露出し、前記係止部材の少なくとも一部は、前記供給路内に露出し、
   前記冷却手段の前記供給路は、前記振動体内部を貫通し、
   前記係止部材は、前記供給路内に突起する突起部分を有し、当該突起部分は、前記ガス状流体の通路を確保する開口及び切欠の少なくとも一方を有することを特徴とする振動切削装置。
8. 前記供給路は、前記開口又は当該開口の近傍において、前記ガス状流体の流動方向に垂直な断面積を減少させていることを特徴とする請求項７記載の振動切削装置。
9. 前記供給路は、前記振動体の軸心を貫通し、前記切削工具の固定部周辺に延びることを特徴とする請求項７及び請求項８のいずれか一項記載の振動切削装置。
10. 前記ガス状流体は、ミスト状の液体または粒子を含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項記載の振動切削装置。
11. 前記振動源及び前記振動体は、これらの接合部と交差する貫通孔を前記供給路として有し、前記冷却手段は、前記貫通孔の前記振動源側から前記ガス状流体を供給することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の振動切削装置。
12. 前記ガス状流体の温度を調整する温度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項記載の振動切削装置。
13. 前記ガス状流体の流量を調整する流量調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか一項記載の振動切削装置。
14. 前記ガス状流体は、乾燥圧縮空気であることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか一項記載の振動切削装置。
15. 請求項１から請求項１４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。
16. 請求項１５記載の成形金型によって成形された光学素子。

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