JP5244489B2 - 被加工物保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物を負圧により真空吸引して保持する被加工物保持装置に関する。

回転軸対称のレンズ、プリズムなどの光学部品を成形する金型は、高精度な形状が要求されるのみならず、光学部品の光軸と基準軸とが高精度に一致していることが要求される。このような高精度の部品加工を行うには、工作機械の回転軸に対して被加工物との偏芯誤差が規格値以下となるように偏芯調整し、被加工物を保持する必要がある。

従来、例えば特許文献１には、このような被加工物を保持する装置としての真空チャックに関する技術が提案されている。
この特許文献１では、図７に示すように、主軸Ａ’の回りを回転する主軸スピンドル１０２の先端側に真空チャック１０３を設け、中心に中空の穴１０１を設けている。また、真空チャック１０３の吸着面部１０６には、中空の穴１０１に通じる同心円状の溝１０４を設けている。さらに、被加工物１０５の底面を吸着面部１０６に取り付け、真空チャック１０３の対向側から真空吸引を行うことで被加工物１０５を保持している。

尚、図示しないが、被加工物１０５の偏芯調整は、ハンマーで被加工物１０５の円筒部を叩くなどをして、主軸Ｏに対するシフト方向の調整を高精度に行うのが一般的である。
特開昭５９−１９６４７号公報

しかしながら、特許文献１では、吸着される被加工物１０５の底面部の面積が小さい場合は、同心円状の溝１０４の幅や本数を増やしたとしても、所望の保持力が得られない。また、機械加工の加工負荷により被加工物１０５が移動したり、被加工物１０５が真空チャック１０３から落下する恐れがある。このため、被加工物１０５の底面部の面積をある一定以上の大きさにする必要があった。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、被加工物の保持部の面積が小さい場合であっても安定した保持力で保持することのできる被加工物保持装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、
工作機械の主軸端面で被加工物を保持する被加工物保持装置において、
前記被加工物は保持部及び前記主軸に対し垂直な方向の外形寸法が前記保持部よりも小さい加工面部を有し、
前記保持部を真空吸着する吸着面部、当該吸着面部に開口し真空発生装置に連通する真空吸引穴、前記吸着面部の外周側に前記主軸と同軸に形成される嵌合溝、及び当該嵌合溝の溝底部に形成され前記真空吸引穴に連通する連通路を有する真空チャックと、
前記嵌合溝に気密に嵌合される筒部、当該筒部と一体の底部、及び当該底部に形成された開口部を有し、当該開口部の寸法が前記加工面部の外形寸法よりも大きくかつ前記保持部の外形寸法よりも小さいキャップ部材と、を有することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の被加工物保持装置において、
前記嵌合溝の外周壁又は前記筒部の外周壁の少なくとも一方に設けられた外周溝と、
当該外周溝に装着された第１弾性部材と、
前記嵌合溝の内周壁又は前記筒部の内周壁の少なくとも一方に設けられた内周溝と、
当該内周溝に装着された第２弾性部材と、を有することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の被加工物保持装置において、
前記外周溝と前記内周溝との位置が前記主軸方向で異なっていることを特徴とする。

本発明によれば、被加工物の保持部の面積が小さい場合であっても安定した保持力で強固に保持することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
［機械加工装置の全体構成］
図１は、回転軸対称の被加工物１を加工するための機械加工装置１２の全体構成を示す図である。

この機械加工装置１２は、ベース３２上に隣接して立設された主軸台３３と刃物台３４とを有している。主軸台３３には、主軸回転軸Ａに対し高精度で回転する主軸スピンドル２が備え付けられている。この主軸スピンドル２の内部は中空になっている。

また、主軸スピンドル２の軸方向の端面には、被加工物１を保持する被加工物保持装置３０が取り付けられている。この被加工物保持装置３０は、被加工物１を真空吸着する真空チャック３と、真空吸着された被加工物１を保持するキャップ部材４とを有している。

なお、刃物台３４には被加工物１を加工する加工工具１９が取り付けられている。
真空チャック３は、ホース１８を介して真空ポンプや真空発生機器などの真空発生装置１３に接続されている。この真空発生装置１３により、真空チャック３の吸着面部６（図２参照）に負圧が発生して被加工物１が真空吸引される。また、真空発生装置１３は、装置自身又は他の装置によって真空圧を制御できるようになっている。
［第１の実施の形態］
図２は、被加工物保持装置３０により被加工物１を保持した状態の断面図である。また、図３は、被加工物保持装置３０により被加工物１を保持する前の状態の断面図である。

本実施形態において、被加工物１は回転軸対称形状を有している。この被加工物１は、真空チャック３に吸着される保持部としての円板状の底面部５と、この底面部５から主軸回転軸Ａ方向に延びる円柱部２５と、この円柱部２５から主軸回転軸Ａ方向に凹凸をした球面または非球面形状の加工面部１５とを有している。

そして、加工面部１５の直径は円柱部２５の直径よりも小さく、かつ円柱部２５の直径は底面部５の直径よりも小さい。すなわち、加工面部１５の直径は底面部５の直径よりも小さく形成されている。

また、底面部５の吸着面側は高精度な平面度に形成されている。そして、この底面部５を被加工物１の衝（基準）とする。なお、被加工物１は回転軸対称形状であればよく、その形状はこれに限らない。

さらに、真空チャック３の主軸回転軸Ａ方向の先端には、主軸回転軸Ａに対し垂直方向に広がる平面状の吸着面部６が設けられている。この吸着面部６には、その表面に開口する真空吸引穴としての真空穴１７が設けられている。なお、この吸着面部６から主軸スピンドル２の中空部までは、真空穴１７以外にも、他のいくつかの真空穴が形成されていてもよい。

吸着面部６は、被加工物１の底面部５の直径よりも大きい直径を有している。また、この吸着面部６の外周側には、主軸回転軸Ａと同軸で円環状の溝形状をした嵌合溝としての嵌め込み溝７が形成されている。更に、この嵌め込み溝７の溝底部には、真空発生装置１３に連通しかつ気体が外部へ漏れないような連通路としての連通孔２０が設けられている。

次に、被加工物１を上面（図２の右方）から押さえ込むキャップ部材４は、真空チャック３の嵌め込み溝７に気密に嵌合される筒部としての円環部８と、この円環部８と一体の底部２２とを有している。

そして、真空チャック３にキャップ部材４が気密に嵌合された状態での、嵌め込み溝７の外周壁７ａと円環部８の外周壁８ａとの間のクリアランス、及び嵌め込み溝７の内周壁７ｂと円環部８の内周壁８ｂとの間のクリアランスは、いずれも０．００５ｍｍから１ｍｍの間に設定されている（図３参照）。

また、キャップ部材４の底部２２の中央には、開口部としての保持穴１４が設けられている。この保持穴１４は、その直径（主軸回転軸Ａに対し垂直な方向の穴径）が加工面部１５の直径および円柱部２５の直径よりも大きく、かつ底面部５の直径よりも小さい。すなわち、被加工物１の加工面部１５および円柱部２５はこの保持穴１４を通過できても、被加工物１の底面部５は通過することができない関係になっている。

さらに、図３に示すように、キャップ部材４の円環部８の主軸回転軸Ａ方向の高さ（底部２２の高さを除く）Ｈ１は、被加工物１の底面部５の高さＨ２と嵌め込み溝７の高さＨ３の和よりも小さく、かつ被加工物１の底面部５の高さＨ２よりも大きく形成されている。

これにより、被加工物１の底面部５を吸着面部６で真空吸着した状態では、キャップ部材４の円環部８の開口側の先端部と嵌め込み溝７の最深部とは接触しない（図２参照）。これにより、被加工物１の底面部５の高さＨ２を任意の高さに設定することができる。

更に、キャップ部材４の円環部８の外周壁８ａ（又は嵌め込み溝７の外周壁７ａ）には、円周方向に外周溝１１が設けられている。この外周溝１１に、円環状でゴムやシリコーンなどからなる第１弾性部材としての弾性部材９が嵌め込まれて装着されている。このとき、外周溝１１の深さ（主軸回転軸Ａと直交する方向の深さ）は、弾性部材９の太さから、嵌め込み溝７と円環部８間のクリアランスの差よりも小さく形成されている。

同様に、キャップ部材４の円環部８の内周壁８ｂ（又は嵌め込み溝７の内周壁７ｂ）には、円周方向に内周溝１０が設けられている。この内周溝１０に、円環状でゴムやシリコーンなどからなる第２弾性部材としての弾性部材９が嵌め込まれて装着されている。この時、内周溝１０の深さ（主軸回転軸Ａと直交する方向の深さ）は、弾性部材９の太さから、嵌め込み溝７と円環部８間のクリアランスの差よりも小さく形成されている。

以上により、嵌め込み溝７にキャップ部材４が嵌合された状態では、弾性部材９の作用により嵌め込み溝７内は外部と気密に保持される。
また、本実施形態では、内周溝１０と外周溝１１の主軸回転軸Ａに沿う方向の位置関係は、異なるように設定している。更に、キャップ部材４の底部２２における被加工物１を押さえつける面（Ｂ面）から主軸回転軸Ａに沿って内周溝１０及び外周溝１１までの距離は、被加工物１の底面部５の高さよりも大きく設定されている。なお、内周溝１０と外周溝１１の位置は、いずれも真空チャック３の嵌め込み溝７に入るように設定されている。

次に、図４は、真空チャック３における吸着面部６の平面加工から被加工物１を保持するまでのフローチャートを示す図である。以下、図４に基づき、図１〜図３を参照しながら本実施形態の作用を説明する。

なお、本実施の形態の具体的な作用は、本発明を何ら限定するものではない。
初めに、機械加工装置１２の主軸スピンドル２に真空チャック３を固定する。このとき、主軸回転軸Ａに対し、真空チャック３のシフト方向（主軸回転軸Ａに対し垂直な方向）の偏芯誤差が規格以下の精度となるように予め偏芯調整を行う。

この状態で、真空チャック３の吸着面部６を切削加工又は研削加工により、高い平面度ならびに主軸回転軸Ａに対する高精度な垂直度に設定しておく（Ｓ２０１）。
次に、被加工物１の上面（図２の右方）から保持穴１４を介してキャップ部材４を被せる。こうして、被加工物１の底面部５の上面（Ｃ面）とキャップ部材４の底部２２の内面（Ｂ面）とを当接させて被せる（Ｓ２０２）。

この状態で、真空チャック３の嵌め込み溝７にキャップ部材４の円環部８を挿入し、キャップ部材４を同方向に嵌め込む（Ｓ２０３）。これにより、被加工物１の底面部５の上面（Ｃ面）がキャップ部材４の底部２２の内面（Ｂ面）により押され、底面部５が吸着面部６に密着する。

次に、真空発生装置１３によって真空引きを開始し、被加工物１の底面部５を真空チャック３の吸着面部６で真空吸引して保持する（Ｓ２０４）。このとき、嵌め込み溝７の溝底部と円環部８の先端開口部との間に形成される空間は、円環部８の内周溝１０と外周溝１１に嵌め込まれた弾性部材９により密封され、真空吸引される。これにより、キャップ部材４は負圧で真空チャック３の方向へ引き込まれる。

この場合、前述したように、キャップ部材４の保持穴１４の直径は、被加工物１の加工面部１５の直径よりも大きくかつ底面部５の直径よりも小さく設定されている。このため、キャップ部材４の保持穴１４は被加工物１の底面部５の上面（Ｃ面）に引っかかる。そして、キャップ部材４が真空吸引されることで当該キャップ部材４は真空チャック３の方向へ引き込まれる。こうして、キャップ部材４は被加工物１を吸着面部６へと押し込む。これにより、被加工物１の保持力が向上することになる。

更に、円環部８の内周溝１０と外周溝１１の主軸回転軸Ａに沿う方向の位置を異ならせることで、円環部８は嵌め込み溝７内で２点支持される。このため、キャップ部材４は真空チャック３の吸着面部６に対し垂直に嵌挿される。併せて、キャップ部材４は２点支持により１点支持に比べて安定的に支持され、剛性が高められる。これにより、キャップ部材４の底部２２の内面（Ｂ面）は、被加工物１を底面部５の上面（Ｃ面）に対し円周方向で均一に接触して均一に押し込む。

また、被加工物１の主軸回転軸Ａに対するシフト方向の偏芯調整は、真空圧を空圧レギュレータなどで下げ、低真空圧状況下で行う。そして、例えば最もシフト方向の偏芯が大きい方向の被加工物１の側面をハンマーで叩くなどして調整を行う（Ｓ２０５）。

なお、本実施形態において、被加工物１の底面部５の主軸回転軸Ａに対するチルト（傾き）方向の調整は、チルト方向の傾きが小さいため傾き調整が不要となる。これは、被加工物１の底面部５が、予め主軸回転軸Ａに対し高精度な直角度となるように機上で機械加工を行っているからである。また、これにより、被加工物１が真空チャック３の吸着面部６に密着しているからである。

次いで、被加工物１のシフト方向の調整を行った後、真空発生装置１３の真空圧を通常の圧力まで上げ、吸着力を向上させる。こうして、被加工物１の保持を強固にする（Ｓ２０６）。

本実施形態によれば、被加工物１の底面部５の面積が小さくても、キャップ部材４の保持穴１４により被加工物１の底面部５の上面（Ｃ面）を押さえこむことができる。
このため、本実施形態によれば、被加工物１を強固で、主軸回転軸Ａに対し高精度な偏芯のない状態で保持することができる。また、被加工物１の底面部５の高さが任意であっても、キャップ部材４の円環部８の先端開口部と真空チャック３の嵌め込み溝７の溝底部との間の空間の大きさが変化するのみである。そして、前述した空間内の真空圧は変化しないため、安定した保持力で被加工物１を保持することができる。

さらに、本実施形態によれば、キャップ部材４の円環部８の内周溝１０と外周溝１１の位置を主軸回転軸Ａの方向に沿い異ならせることで、キャップ部材４の保持穴１４により、被加工物１を底面部５の上面（Ｃ面）で円周方向に均一に接触することができる。このため、被加工物１を高精度に保持することができる。
［第２の実施の形態］
図５は、第２の実施の形態におけるキャップ部材４の断面図を示す。また、図６は、被加工物保持装置３０により被加工物１を保持した状態の断面図を示している。なお、第１の実施の形態と同一又は相当する部材には同一の符号を付して説明する。

本実施形態では、被加工物１を真空チャック３で保持した後に被加工物１の直角度を測定可能にしたものである。これにより、真空チャック３の吸着面部６と被加工物１の底面部５との間にごみやチリなどを挟んでいないかを把握することが可能となる。

図５は、本実施形態におけるキャップ部材４の断面図を示している。
キャップ部材４は、円環部８の側面に検査窓としての長穴形ののぞき穴１６が主軸回転軸Ａに対し対称に設けられている。こののぞき穴１６は、円周方向に２個所以上（本実施形態では４箇所）に設けられている。こののぞき穴１６は、各弾性部材９、９よりもキャップ部材４の底部２２（保持穴１４）に近接する側の円環部８の側面位置に設けられている。

また、本実施形態では、図６に示すように、真空チャック３の吸着面部６の直径は、被加工物１の底面部５の直径よりも小径に設定されている。なお、例えば、真空チャック３の吸着面部６に、外周部から被加工物１の底面部５の直径よりも小径となる位置まで切り欠き部を設けてもよい。この場合も、切り欠き部を直径方向に２箇所以上、主軸回転軸Ａに対し対称に設ける。

更に、本実施形態では、真空チャック３の嵌め込み溝７が形成されている面（Ｄ面）は、主軸回転軸Ａ方向に沿う吸着面部６の高さよりも低く設定されている。なお、真空チャック３の嵌め込み溝７の外周部の側面位置に、円周方向に２箇所以上、主軸回転軸Ａに対し対称の穴部を設けてもよい。また、吸着面部６に切り欠き部を設ける場合は、主軸回転軸Ａに対し切り欠き部と同じ角度方向に穴部を設ける。

次に、図６に基づき本実施形態の作用を説明する。
本実施形態では、真空チャック３の吸着面部６の直径が被加工物１の底面部５の直径よりも小さく設定されている。このため、真空チャック３により被加工物１を吸引保持した際、被加工物１の底面部５の外周部がはみ出る部分が発生する。

また、キャップ部材４の側面には２箇所以上にのぞき穴１６が設けられている。このため、１つののぞき穴１６からマイクロメーターやレーザー変位計などの計測器２１を用いて、吸着面部６からはみ出た底面部５の高さ位置を測定する。

次に、真空チャック３を主軸回転軸Ａを中心として回転させ、前述したのぞき穴１６とは異なるのぞき穴１６から底面部５の高さを計測器２１で測定する。これを繰り返し行い、複数回の測定結果の最大と最小の差を求めることで、被加工物１の底面部５の主軸回転軸Ａに対する直角度を測定することができる。

本実施形態によれば、被加工物１を真空チャック３で保持した後に被加工物１の直角度を測定することができるので、真空チャック３の吸着面部６と被加工物１の底面部５との間にごみやチリなどを挟んでいないかどうかを把握することができる。これにより、加工直前に被加工物１の精度保証をすることができる。

その他の効果は、第１の実施の形態で記載した内容と同一である。

被加工物保持装置を備えた機械加工装置の全体構成を示す図である。 第１の実施形態の被加工物保持装置により被加工物を保持した状態の断面図である。 同上の被加工物保持装置により被加工物を保持する前の状態を示す断面図である。 同上の作業のフローチャートを示す図である。 第２の実施形態のキャップ部材の断面を示す図である。 同上の被加工物保持装置により被加工物を保持した状態の断面図である。 従来の被加工物保持装置（真空チャック）の要部断面図である。

符号の説明

１ 被加工物
２ 主軸スピンドル
３ 真空チャック
４ キャップ部材
５ 底面部
６ 吸着面部
７ 嵌め込み溝
７ａ 外周壁
７ｂ 内周壁
８ 円環部
８ａ 外周壁
８ｂ 内周壁
９ 弾性部材
１０ 内周溝
１１ 外周溝
１２ 機械加工装置
１３ 真空発生装置
１４ 保持穴
１５ 加工面部
１６ のぞき穴
１７ 真空穴
１８ ホース
１９ 加工工具
２０ 連通孔
２１ 計測器
２２ 底部
２５ 円柱部
３０ 被加工物保持装置
３２ ベース
３３ 主軸台
３４ 刃物台
１０１ 穴
１０２ 主軸スピンドル
１０３ 真空チャック
１０４ 溝
１０５ 被加工物
１０６ 吸着面部
Ａ 主軸回転軸

Claims (3)

1. 工作機械の主軸端面で被加工物を保持する被加工物保持装置において、
   前記被加工物は保持部及び前記主軸に対し垂直な方向の外形寸法が前記保持部よりも小さい加工面部を有し、
   前記保持部を真空吸着する吸着面部、当該吸着面部に開口し真空発生装置に連通する真空吸引穴、前記吸着面部の外周側に前記主軸と同軸に形成される嵌合溝、及び当該嵌合溝の溝底部に形成され前記真空吸引穴に連通する連通路を有する真空チャックと、
   前記嵌合溝に気密に嵌合される筒部、当該筒部と一体の底部、及び当該底部に形成された開口部を有し、当該開口部の寸法が前記加工面部の外形寸法よりも大きくかつ前記保持部の外形寸法よりも小さいキャップ部材と、を有する
   ことを特徴とする被加工物保持装置。
2. 前記嵌合溝の外周壁又は前記筒部の外周壁の少なくとも一方に設けられた外周溝と、
   当該外周溝に装着された第１弾性部材と、
   前記嵌合溝の内周壁又は前記筒部の内周壁の少なくとも一方に設けられた内周溝と、
   当該内周溝に装着された第２弾性部材と、を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の被加工物保持装置。
3. 前記外周溝と前記内周溝との位置が前記主軸方向で異なっている
   ことを特徴とする請求項２に記載の被加工物保持装置。