JP4893177B2 - 切削用振動体、振動切削ユニット、及び加工装置 - 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ための材料の切削加工に好適に用いられる切削用振動体、振動切削ユニット、及び加工装置に関するものである。

ダイヤモンド等の切削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、振動によって切削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、切削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、４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切削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利点もある。

このような高速振動を切削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の振動子によって工具を保持する振動体を励振し、この振動体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、切削工具は、その根元側で振動体の先端部に着脱可能に固定されることが一般的である。
特開２０００−５２１０１号公報 特開２０００−２１８４０１号公報 特開平９−３０９００１号公報 特開２００２−１２６９０１号公報

しかしながら、切削工具を着脱可能に固定した場合、固定部材が工具軸から偏って配置され、振動体の振動が不安定になったり意図しない状態で振動したりする可能性がある。

そこで、本発明は、固定部材が工具軸から偏って配置された場合であっても、安定した所望の振動を生じさせることができる切削用振動体、及びこれを組み込んだ振動切削ユニット及び加工装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、上記振動切削ユニット或いは加工装置を用いて高精度で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、本発明に係る切削用振動体は、切削工具を支持するための支持部分を有し、当該支持部分を介して振動を切削工具に伝達する切削用振動体であって、切削工具を支持部分に着脱可能に固定するための固定部材と、支持部分における質量バランスを調整するためのバランス部材とを備える。上記切削用振動体において、固定部材が、振動に関する工具軸に関して非対称に配置されており、バランス部材が、工具軸に関して固定部材の非対称性（すなわち偏り）を少なくとも部分的に補償するように配置されている。

上記切削用振動体によれば、バランス部材が支持部分における質量バランスを調整するために用いられているので、支持部分やこれに支持された切削工具等によって工具軸のまわりに質量のアンバランスが生じている場合であっても、バランス部材を含めた全体として工具軸のまわりの質量不均衡を低減することができる。これにより、切削工具を所望の振幅及び周波数で安定して振動させることができるので、切削工具を精密に動作させて高精度の振動切削を実現することができる。特に、バランス部材が工具軸に関して固定部材の非対称性を少なくとも部分的に補償するように配置されているので、工具軸のまわりの質量的な対称性を高めることができ、比較的簡単に安定した振動を維持することができる。

本発明の具体的な態様では、固定部材とバランス部材とが、互いに離間して配置されている。この場合、バランス部材の振動が固定部材や切削工具に直接伝達されることを防止できると共に、バランス部材と固定部材との間で発熱や不要な振動等を新たに生じさせることを防止できる。

本発明の別の態様では、バランス部材が支持部分にねじ込まれるヘッド付きのネジである。この場合、バランス部材を着脱可能に固定することができ、ヘッドによって、バランス部材の締め付け固定が可能になるとともに、例えばヘッドの厚みを変えるなどヘッドの質量を変えることによって、バランス部材の質量の調整が可能になる。

本発明のさらに別の態様では、固定部材が、切削工具及び支持部分に設けた固定用の孔に順次通されるボルトと、当該ボルトに螺合されるナットとを有し、バランス部材が、支持部分においてボルトのヘッド側に形成された挿通孔にねじ込まれる。この場合、固定部材を構成するボルトを切断工具及び支持部分に設けた固定用の孔に順次通す際に用いられる挿通孔を、バランス部材で埋めることができ、バランス部材を挿通孔中に適宜固定することができる。

本発明に係る振動切削ユニットは、（ａ）上述の切削用振動体と、（ｂ）切削用振動体に支持される切削工具とを備える。

上記振動切削ユニットでは、バランス部材を含めた全体として工具軸のまわりの質量バランスを均衡させることができるので、切削工具を所望の振幅及び周波数で安定して振動させることができ、高精度の振動切削を実現することができる。

本発明の具体的な態様では、上記振動切削ユニットにおいて、切削用振動体に振動を与えることによって、切削用振動体を介して切削工具を振動させる振動源をさらに備える。

本発明に係る加工装置は、（ａ）上述の振動切削ユニットと、（ｂ）振動切削ユニットを駆動することによって変位させる駆動装置とを備える。

上記加工装置では、以上で説明した振動切削ユニットを駆動装置によって変位させるので、高精度の振動を実現する振動切削ユニットによって高精度の加工を実現できる。

本発明に係る成形金型は、上述の振動切削ユニットを用いて加工創製された、光学素子の光学面を成形するための転写光学面を有する。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、上述の振動切削ユニットを用いて加工創製されたものである。この場合、凹面その他の各種光学面を有する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実施形態に係る切削用振動体及び振動切削ユニットを、図面を参照しつつ説明する。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転写光学面を加工する際に使用される振動切削ユニットの構造を説明する断面図である。

図１に示すように、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軸方向に変位する振動を生じる。結果的に、切削工具２３の先端２３ａ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、線膨張係数の絶対値が２×１０^−６以下の材料によって一体的に形成された切削用振動体であり、具体的には、インバー材、スーパーインバー材、ステンレスインバー材等が好適に用いられる。ただし、振動体８２は、インバー材等以外の材料、ハイス鋼、ＳＣＭ鋼等を用いることもできる。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。

なお、第１固定フランジ８７は、例えば円板状のフランジ部材とすることができ、この場合、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る。第１固定フランジ８７は、複数の開口を有するフランジ部材や、例えば３方向に延びる細長い支持部材を有するフランジ部材とすることもでき、この場合、第１固定フランジ８７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。

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振動子駆動装置（後述）に接続されている。軸方向振動子８３は、振動子駆動装置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振動子駆動装置（後述）に接続されている。撓み振動子８４は、振動子駆動装置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は、例えば円板状のフランジ部材とすることができるが、複数の開口を有するフランジ部材や、例えば３方向に延びる細長い支持部材を有するフランジ部材とすることもでき、開口等を有する場合、第２固定フランジ８８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。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、振動体８２、カウンタバランス８５等を収容するため例えば四角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を内部に支持・固定する。筐体８６の一端には、開口の全体又は一部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、ガス供給装置（後述）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筐体８６内に供給される。

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。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、不図示のガス供給装置や給気パイプ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。

図２（ａ）は、図１に示すツール部２１先端の平面図であり、図２（ｂ）は、ツール部２１先端の正面図であり、図２（ｃ）は、ツール部２１先端の側面図であり、図２（ｄ）は、ツール部２１先端の下面図である。

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、平面視楔状の先細形状を有している。また、先端部２１ａの先端に保持された切削工具２３は、先端が三角で根元側が六角形で全体が板状のシャンク２３ｂと、シャンク２３ｂの尖端すなわち先端２３ａに傾斜状態で固定された三角形の加工用チップ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（高速度工具鋼）等によって形成されており、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の先端２３ａは、工具軸ＡＸの延長上に配置されている。

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において工具軸ＡＸを含むＸＺ面に沿って延びる状態で溝２１ｘ内に挿入されている。この溝２１ｘは、ＸＺ平面に沿った側面が台形状で、ＹＺ平面に沿った断面が矩形となっている。この溝２１ｘに保持された固定部分２３ｅは、固定ネジ２５及びナット２７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。固定ネジ２５は、皿ネジ状のボルトであり、固定部分２３ｅを介して先端部２１ａに設けた固定用の孔である固定孔２１ｈの一端側からこれに通され、固定孔２１ｈの他端側に固定されたナット２７にねじ込まれる。ここで、固定ネジ２５及びナット２７は、協働して切削工具２３をツール部２１先端に固定するための固定部材として機能する。固定ネジ２５のヘッド上方には、固定ネジ２５を通すための固定孔２１ｇを充填するべく、ここに充填ネジ２６がねじ込まれて固定されている。充填ネジ２６は、先端部２１ａにおける質量的なバランスを調整するためのバランス部材すなわちカウンタバランス用のヘッド付きのネジであり、挿通孔である固定孔２１ｇにねじ込まれる本体部分２６ｓと、先端部２１ａの上部に露出する円板状のヘッド部２６ｈとを備える。なお、固定孔２１ｈ，２１ｇは、Ｙ軸方向に延びており、固定ネジ２５及びナット２７による締付け方向と、充填ネジ２６のねじ込み方向とは、工具軸ＡＸに直交する。

図３（ａ）は、ツール部２１の先端部２１ａの状態を説明する部分拡大断面図であり、図３（ｂ）は、切削工具２３の拡大側面図である。

ツール部２１の先端部２１ａは、切削工具２３を取り付けるための支持部分になっており、切削工具２３を着脱可能に固定できるとともに、現在の切削工具２３を同種又は異種の別の切削工具に交換することができるようになっている。切削工具２３を着脱可能に取り付けるための固定部材２５，２７のうちナット２７は、先端部２１ａの下面に形成された凹部２１ｒに埋め込むように配置されており、ナット２７の上面は、凹部２１ｒの底部（上面）にロウ付けによって固定されている。固定ネジ２５の本体部分２５ｓは、ナット２７にねじ込むことによって締め付け可能になっている。充填ネジ２６の本体部分２６ｓは、固定ネジ２５の上方に形成された空間すなわち固定孔２１ｇを充填し、充填ネジ２６のヘッド部２６ｈは、固定孔２１ｇを上部から塞ぐように配置される。結果的に、固定部材２５，２７のうち主な部分は、工具軸ＡＸの下側（すなわち＋Ｙ方向）に偏って非対称に配置され、充填ネジ２６は、工具軸ＡＸの上側（すなわち−Ｙ方向）に偏って非対称に配置される。

ツール部２１の組立に際しては、まず先端部２１ａの溝２１ｘにシャンク２３ｂの固定部分２３ｅを挿入する。そして、先端部２１ａの上側に設けた固定孔２１ｈを介して、シャンク２３ｂの固定用の孔２３ｆと下側に設けた固定孔２１ｈとに固定ネジ２５の本体部分２５ｓを挿通させ、当該本体部分２５ｓの先端を固定孔２１ｈ下端に固定されているナット２７に螺合させる。ここで、固定孔２１ｇの内径は、固定ネジ２５のヘッド部２５ｈを通すため固定孔２１ｈの内径よりも大きくなっている。この際、切削工具２３の固定部分２３ｅが固定ネジ２５のヘッド部２５ｈと溝２１ｘの内面とに挟まれて締付けられるので、切削工具２３の分離が防止され切削工具２３の先端部２１ａに対するしっかりした固定が確保されるだけでなく、固定部分２３ｅの下面と溝２１ｘの下面とが密着して低損失で振動エネルギを伝達することができる。次に、先端部２１ａの上側に設けた固定孔２１ｇに充填ネジ２６をねじ込んで固定する。こうしてねじ込まれた充填ネジ２６の下端面と、固定ネジ２５のヘッド部２５ｈ上端面との間には、僅かな隙間が形成されており、固定ネジ２５と充填ネジ２６との接触が回避されている。充填ネジ２６は、先端部２１ａの溝２１ｘ周辺すなわち工具取付け部のＹ方向に関する質量を工具軸ＡＸに関して対称にバランスさせて配置する効果があり、先端部２１ａに不要な振動が発生することを防ぎ安定した基本振動を実現する。つまり、先端部２１ａの工具軸ＡＸを挟んだ±Ｙ方向に関する質量バランスが確保され、先端部２１ａや切削工具２３の振動が安定し切削工具２３を目的とする状態で振動させることができる。充填ネジ２６は、再利用も可能であるが交換することができるようになっており、固定ネジ２５や切削工具２３の交換に応じて重量を調整できるようになっており、特にヘッド部２６ｈのサイズ調整等によって重量の微調整すなわち先端部２１ａにおける質量バランスの微調整が可能になっている。

充填ネジ２６の材料としては、各種ステンレス、ＳＣＭ鋼（クロムモリブデン鋼）、ハイス、超硬合金等を使用することができる。充填ネジ２６をＳＣＭ鋼で形成し、振動体８２をステンレスインバーで形成した場合、ステンレスインバーの引張り強度（３５０Ｎ／ｍｍ^２）がＳＣＭ鋼の引張り強度（９００Ｎ／ｍｍ^２）よりも小さいことに起因して固定孔２１ｇ内面のネジ山が破損しないように、固定孔２１ｇのネジ山になるべく応力がかからないようにすることが望ましい。よって、このような場合、充填ネジ２６にヘッド部２６ｈを設けて固定孔２１ｇの周囲に応力を分散させて応力集中を避けることが望ましい。なお、振動体８２をＳＣＭ鋼で形成する場合、例えばこれよりも引張り強度が小さいステンレス鋼を使用して充填ネジ２６を形成することが望ましい。ただし、振動体８２をＳＣＭ鋼で形成する場合、充填ネジ２６もＳＣＭ鋼で形成することができ、充填ネジ２６を強固に締め付けることで、充填ネジ２６が振動体８２と一体となって振動し、振動状態が安定しやすい。

なお、充填ネジ２６の下端面と固定ネジ２５の上端面との間に隙間を設けない構成も可能である。この場合、固定ネジ２５が面当たりによって上方から締付けられ、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。さらに、充填ネジ２６によって固定ネジ２５を締め付ける場合、固定ネジ２５に加わる応力が低減し、固定ネジ２５等の破損をより効果的に防止することができる。

本実施形態では、特にナット２７の引張り強度が固定ネジ２５の引張り強度よりも大きくなっている。これは、ナット２７が先端部２１ａに設けた固定孔２１ｈ下端すなわち凹部２１ｒ底面に固定されているので、ナット２７が破損すると先端部２１ａを含んだ振動体８２の交換が必要になることを考慮したものである。つまり、切削工具２３の着脱を繰り返した場合、引張り強度のより小さい固定ネジ２５の方が劣化するが、固定ネジ２５を交換すれば足り、ナット２７の破損を防止でき振動体８２の交換頻度を低減することができる。なお、ナット２７をロウ付けによって固定することにより、ナット２７によって発生する振動を直接的に防止でき、固定ネジ２５をナット２７に対して十分に締め付けることができるので、振動体８２すなわち切削工具２３を高速振動させても、溝２１ｘの下面と固定部分２３ｅの下面との間等で無視できない摩擦発熱が生じることを防止できる。

ナット２７の材料としては、各種ステンレス、ＳＣＭ鋼（クロムモリブデン鋼）、ハイス、超硬合金等を使用することができる。ハイス、超硬合金、ＳＣＭ鋼等は、固定ネジ２５に対して引張り強度を大きくしやすい材料である。一方、固定ネジ２５の材料としては、各種ステンレス、ＳＣＭ鋼（クロムモリブデン鋼）、超硬合金等を使用することができる。超硬合金、ＳＣＭ鋼等は、加工性に優れ、ナット２７に対して引張り強度を大きくしやすい材料である。ナット２７は、再利用可能であるが、切削工具２３を振動体８２に対して所定回数以上付け替えた段階で交換する。

図２に戻って、切削工具２３の固定部分２３ｅが挿入される溝２１ｘの内寸は、Ｙ軸方向の幅に関して、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、この溝２１ｘの底面中央には、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が形成されている。これにより、切削工具２３の上側側面すなわち充填ネジ２６側の面を、先端部２１ａに嵌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。またワーク上の加工点に、開口９１ａから加圧乾燥空気を噴射させることができるので、ワークを確実に冷却することができ、ワーク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。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態に係る加工装置を図面を用いて説明する。図４は、レンズ等の光学素子を成形するための成形金型の転写光学面を加工する振動切削型の加工装置の構造を概念的に説明するブロック図である。

図４に示すように、加工装置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ユニットであり、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は、第１実施形態で説明した構造を有する。

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とを載置した構造の駆動装置である。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。この第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ＲＡ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軸方向や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軸に平行な鉛直旋回軸ＰＸのまわりに所望の角度量だけ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の固定位置や角度等を適宜調節して、振動切削ユニット２０の先端点を鉛直旋回軸ＰＸ上に配置することにより、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。

なお、以上のＮＣ駆動機構３０において、第１ステージ３２と第１可動部３５とは、ワークＷを駆動する被加工体駆動部を構成し、第２ステージ３３と第２可動部３６とは、振動切削ユニット２０を駆動する工具駆動部を構成する。

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ワークＷに対して相対的に移動（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ＲＡ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先端を鉛直旋回軸ＰＸのまわりに適宜回転させることができ、ワークＷの被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ＡＸ）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５は、図４に示す加工装置１０を用いたワークＷの加工を説明する拡大平面図である。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４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４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４参照）。これにより、ワークＷの旋削加工が可能になり、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先端の振動面（楕円軌道ＥＯ）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。これにより、工具の刃先の加工点を加工中略１点に維持できるので、加工点への効率良い振動伝達と刃先形状に依存しない高精度な振動切削が実現できるので、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。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る成形金型について説明する。図６は、第１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（光学素子用成型金型）を説明する図であり、図６（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図６（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の転写光学面３ａ，３ｂは、図４等に示す加工装置１０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の転写光学面３ａ，３ｂを、球面や非球面に限らず、段差面、位相構造面、回折構造面とすることができる。

図７は、図６（ａ）の金型２Ａと、図６（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。図示していないが、金型２Ａ，２Ｂの転写光学面３ａ，３ｂが段差面、位相構造面、回折構造面等を有する場合、レンズＬの成形光学面も、段差面、位相構造面、回折構造面等を有するものとなる。さらに、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。なお、レンズＬを第２実施形態の加工装置１０によって直接作製することもできる。

〔加工実施例１〕
以下、実施形態の振動切削ユニット２０の作製例及びこれを用いた加工実施例について説明する。発熱や周囲温度の変化により、刃先位置が大きく変化することを防ぐため、振動体８２にはステンレスインバー材を用いた。そして、ナット２７に固定ネジ２５を締め付けることによって振動体８２の先端部２１ａに切削工具２３を固定した。この際、振動体８２の固定孔２１ｇを充填ネジ２６であるＳＣＭ４３０製ヘッド付のネジで充填した。振動切削ユニット２０を構成するインバー材は、引張り強度が小さく、ネジの繰り返し脱着によりネジ部がすぐに変形してしまう傾向があるので、バランス部材である充填ネジ２６には、上述のようなヘッド付のネジを用い、ネジの締結力を固定孔２１ｇ内面のネジ山だけでなくヘッド座面に分散させて受けるようにすることで、ネジ山への応力が減少し、固定孔２１ｇ内のネジ山を保護することができる。
以上のような振動切削ユニット２０を用いて試験的な振動テストを行った。結果は、４０．３ｋＨｚの周波数で振幅３μｍの楕円振動状態を作り出すことができた。
参考のため、バランス用の充填ネジ２６をねじ込んでない比較例の振動切削ユニット２０を用いて試験的な振動テストを行った。結果的には、軸方向振動及び撓み方向振動ともに安定した周波数で振動せず、振動位相を合わせることができず、さらに、楕円振動状態を作り出すことができなかった。
以下、上記実施例の振動切削ユニット２０を用いた振動切削加工の実施例について説明する。振動切削加工は、図４に示す加工装置１０に相当する超精密旋盤を用いた。図４に示すとおり、台座３１に相当する定盤上に、Ｚ軸方向に駆動するＺ軸ステージを含む第１ステージ３２と、Ｘ軸方向に駆動するＸ軸ステージを含む第２ステージ３３とが取り付けられている。第１ステージ３２上には、ワークＷを回転させるための主軸を含む第１可動部３５が取り付けられ、第２ステージ３３上には、切削工具２３の姿勢を調整するための旋回軸を含む第２可動部３６が取り付けられている。
ワークＷの材料には、タンガロイ社製のマイクロアロイＦ（硬度ＨＶ＝１８５０）を用いた。本実施例では、振動切削が正常に行われているかを簡便に判断するため、ワークＷに形成すべき加工形状を平面とした。
切削に使用した切削工具２３のダイヤモンド製の加工用チップ２３ｃは、すくい面Ｓ１の開き角θが６０°で先端が円弧形状で構成されているＲバイトである。切れ刃のすくい面Ｓ１先端における円弧半径は０．８ｍｍで、すくい面Ｓ１先端における逃げ度αは１０°であり、すくい面Ｓ１が切り込み点において成す角度は−５°である。この時の加工用チップ２３ｃによる切り込み量は、２μｍである。本振動切削ユニット２０を用いた振動切削は、軸方向及び撓み方向のそれぞれに振動し、刃先軌跡は、円運動若しくは楕円運動に相当するものになっている。その結果、すくい面Ｓ１ですくい上げるように切削することができるため、通常の振動切削ではない加工に比べ延性モード切削であっても切込量を数倍大きくとることができる。
本実施例の振動切削によって得られた加工面について、ＷＹＫＯ社製の表面粗さ測定器ＨＤ３３００を使用して光学面粗さを測定したところ、平均表面粗さＲａ３．３ｎｍという結果が得られ、良好な光学鏡面が得られた。また、上述の加工面を微分干渉顕微鏡で観察したところ、当該加工面に切削工具２３の微細な異常振動を示すびびり模様は見られなかった。

〔加工実施例２〕
振動切削ユニット２０は、加工実施例１の場合と同一のものとした。すなわち、振動体８２の固定孔２１ｇを充填ネジ２６であるＳＣＭ４３０製ヘッド付のボルトで充填した。
振動切削加工は、加工実施例１の場合と同様に、図４に示す加工装置１０に相当する超精密旋盤を用いた。
ワークＷの材料には、タンガロイ社製のマイクロアロイＦ（硬度ＨＶ＝１８５０）を用いた。ワークＷに形成すべき加工形状を非球面光学面形状とした。加工目的の非球面光学面形状は、近似Ｒが０．９ｍｍ程度の凹面形状で、中心曲率半径が１．３３ｍｍであり、最大見込み角は、６５°という小さく深い凹光学面である。ワークＷ上の光学面となる面に対しては、予め放電加工にて凹球面を形成し、さらに軸分解能が１００ｎｍ程度の汎用的な高精度研削加工機を用いて近似球面形状から非球面形状へ粗取り研削加工を行った。この粗取り研削加工では、電着砥石を使用し、形状補正を繰り返しながら、形状精度１μｍ程度まで短時間で追い込み、下地の非球面形状に仕上げた。
仕上げの切削に使用された切削工具２３のダイヤモンド製の加工用チップ２３ｃは、すくい面Ｓ１の開き角θが３０°で先端が円弧形状で構成されているＲバイトである。切れ刃のすくい面Ｓ１先端における円弧半径は０．８ｍｍで、すくい面Ｓ１先端における逃げ面角度αは５°であり、すくい面Ｓ１が切り込み点において成す角度は−２５°である。この時の加工用チップ２３ｃによる切り込み量は、２μｍである。ワークＷを取り付けた第１可動部３５の主軸回転数は５００ｒｐｍで、送り速度は０．２ｍｍ／ｍｉｎで切削加工を行った、また、振動切削ユニット２０を取り付けた第２ステージ３３の旋回軸を制御し、切削工具２３の軸振動方向と加工形状である設計光学面の法線方向とが一致するようにして形状創成加工を実施した。
本実施例の振動切削によって得られた加工面について、ＷＹＫＯ社製の表面粗さ測定器ＨＤ３３００を使用して光学面粗さを測定したところ、平均表面粗さＲａ３．６ｎｍという結果が得られ、良好な光学鏡面が得られた。加工面の形状誤差（形状精度）は、形状補正加工を１回行うことによって、０、０５μｍＰＶまで向上させることができた。また、別のワークＷ"に対して、先のワークＷの切削加工に使用した切削工具２３と、先のワークＷで切削加工した形状を補正するように新たに作成したＮＣプログラムとを利用して光学面を切削加工したところ、先のワークＷとほとんど同等の表面粗さと形状精度が得られ、優れた加工再現性が確認できた。

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、充填ネジ２６の材料は、各種ステンレス、ＳＣＭ鋼、ハイス、超硬合金等に限らず、必要な質量に応じて適宜他の鋼材とすることができる。

また、振動切削ユニット２０において、充填ネジ２６や先端部２１ａの形状、切削工具２３の取付方法は適宜変更することができる。

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。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４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溶媒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、以上の加工装置１０では、主に旋削について説明したが、図１に示す切削用振動体や図４に示す加工装置１０をルーリング加工用に改変することもできる。

第１実施形態の振動切削ユニットを説明するブロック図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、ツール部先端の平面図、端面図、及び側面図である。 （ａ）は、ツール部の先端部の状態を説明する部分拡大断面図であり、（ｂ）は、切削工具の拡大側面図である。 第２実施形態の加工装置を説明するブロック図である。 図４に示す加工装置を用いたワークの加工を説明する拡大平面図である。 （ａ）、（ｂ）は、第３実施形態に係る成形用金型の側方断面図である。 図６の成形用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

２Ａ，２Ｂ…金型、 ３ａ，３ｂ…転写光学面、 １０…加工装置、 ２０…振動切削ユニット、 ２１…ツール部、 ２１ａ…先端部、 ２１ｈ，２１ｇ…固定孔、 ２１ｘ…溝、 ２３…切削工具、 ２３ａ…先端、 ２３ｂ…シャンク、 ２３ｃ…加工用チップ、 ２３ｅ…固定部分、 ２３ｆ…固定用の孔、 ２５…固定ネジ、 ２５ｈ…ヘッド部、 ２５ｓ…本体部分、 ２６…充填ネジ、 ２７…ナット、 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、 ４０…駆動制御装置、 ５０…振動子駆動装置、 ６０…ガス供給装置、 ７０…主制御装置、 ８２…振動体、 ８３…軸方向振動子、 ８４…撓み振動子、 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、 ＰＸ…旋回軸、 ＳＡ…被加工面

Claims (7)

1. 切削工具を支持するための支持部分を有し、当該支持部分を介して振動を前記切削工具に伝達する切削用振動体であって、
   前記切削工具を前記支持部分に着脱可能に固定するための固定部材と、
   前記支持部分における質量バランスを調整するためのバランス部材とを備え、
   前記固定部材は、振動に関する工具軸に関して非対称に配置されており、前記バランス部材は、前記工具軸に関して前記固定部材の非対称性を少なくとも部分的に補償するように配置されている切削用振動体。
2. 前記固定部材と前記バランス部材とは、互いに離間して配置されている請求項１記載の切削用振動体。
3. 前記バランス部材は、前記支持部分にねじ込まれるヘッド付きのネジである請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の切削用振動体。
4. 前記固定部材は、前記切削工具及び前記支持部分に設けた固定用の孔に順次通されるボルトと、当該ボルトに螺合される前記ナットとを有し、前記バランス部材は、前記支持部分において前記ボルトのヘッド側に形成された挿通孔にねじ込まれる請求項３記載の切削用振動体。
5. 請求項１から請求項４のいずれか一項記載の切削用振動体と、
   前記切削用振動体に支持される前記切削工具と、
   を備える振動切削ユニット。
6. 前記切削用振動体に振動を与えることによって、前記切削用振動体を介して前記切削工具を振動させる振動源をさらに備える請求項５記載の振動切削ユニット。
7. 請求項５及び請求項６のいずれか一項記載の振動切削ユニットと、
   前記振動切削ユニットを駆動することによって変位させる駆動装置と、
   を備える加工装置。

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