JPH0349843A - 単一尖端式ダイヤモンド旋削用工作機械及び旋削方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は単一尖端式ダイヤモンド工具旋削のための工作
機械及び方法に関する。本文中で“°ダイヤモンド工具
”は天然と人工のダイヤモンド工具を含むのみならず、
ダイヤモンド工具に類似の性質をもつ立方晶系窒化ホウ
素工具の如き工具も含むものと理解すべきである。

（技術的背景） 珪素、炭化珪素、ガラス、銅、アルミニューム、ニッケ
ル、ゲルマニウム、結晶質材料及びプラスチックスの如
き料広範囲の非金属材を切削するときにダイヤモンド工
具を使用することは周知である。然し乍ら、例えば高品
質の光学面を切削する場合に大きな精度を必要とするな
らば、別の対策が必要である。文書“オプチカル・エン
ジニアリング２７巻、１１号、１００Ｂ頁の“非対称非
球面鏡製作用精密ダイヤモンド旋削機械の開発”と題す
る論文中においては、単一尖端式ダイヤモンド工具舞い
カッタがピエゾ−作動装置により制御されている。この
論文中に開示された機構は軟Ｘ線光学装置に使用する比
較的大きい鏡を切削加工するよう設計している。該機構
は０．１　μｍの精度を達成する。然し乍ら、成る用途
では、例えば領域板を製造するためにより大きい精度を
必要とする。

英国出願第２１４２８６０号（ＧＢ−Ａ−２１４２８６
０）は工具に直線移動を起こさせるためにピエゾ−電気
結晶を使用する工作機械を開示している。英国出願第２
１９８６６９号（ＧＢ−Ａ−２１９８６６９）はピエゾ
−電気素子を備えた微小移動機構を開示している。英国
出願第２１６８２７２号（ＧＢ−Ａ−２１６８２７２）
は機械ばねを備えた工作機械用精密位置決め装置を開示
している。

ピーアールシー、アール、ニスオーシー、エルオーエヌ
ディ、のケイ、イー、ブチイック等による論文“ガラス
の単一尖端式ダイヤモンド切削加工”は１９８９年１１
月８日に（即ち、本願の優先権請求の基礎となした英国
特許出願筒８９１２５５２．０号の出願臼より後に）発
行され、ピエゾ−電気トランスジューサを備えた旋削機
械を開示している。

（発明の目的） 本発明の目的は０．１　μｍより良い精度で切削加工で
きるダイヤモンド工具を提供することにある。

他の目的は０．１　μｍより良い精度の部品を作る方法
を提供することにある。

（発明の開示） 本願の第一の発明によれば、加工片を保持して回転させ
る加工片ホルダーと共に使用する単一尖端式ダイヤモン
ド旋削用工作機械において、加工片に向かって行ったり
来たり移動するよう配置された工具運び台と、工具運び
台と連動せしめられる固定保持されたピエゾ−電気素子
と、加工片に向かう工具運び台の動きに抵抗するための
抵抗手段を備え、ピエゾ−電気素子は電圧を印加された
とき膨張して工具運び台を抵抗手段の抵抗に抗して加工
片を移動させることを特徴とする工作機械が提供される
。

本願の第二の発明によれば、旋盤制御装置をもつ旋盤の
一部をなすスピンドルにより加工片を回転させて成る、
単一尖端式ダイヤモンド旋削方法において、旋盤制御装
置により加工片に向かうダイヤモンド工具の動きを制御
し、ダイヤモンド工具を抵抗に抗して加工片に向かって
動、かすよう膨張する固定保持されたピエゾ−電気素子
の端子間に電圧を印加することによって加工片に向かっ
てダイヤモンド工具に１００μｍまでの追加の動きを付
加させる工程を含むことを特徴とする単一尖端式ダイヤ
モンド工具旋削方法が提供される。

本発明を図示の実施例につき説明する。

（実施例） 第１図は横送り台２上の工具台１を示し、前記横送り台
は標準旋盤の制御装置により作動される標準旋盤（図示
せず）の一部である。工具台１はスピンドル４上に据え
付けた加工片３に隣接して示す、スピンドル４は円滑回
転するスピンドルである。というのは標準の旋盤スピン
ドルは所要の精度を満たすのに十分円滑に回転しないか
らである。空気軸受は適切なスピンドルを従供すること
ができる。加工片３はダイヤモンド旋削に適するあらゆ
る材料を使用することができる。工具台１は２部分構成
の金属ハウジング、即ち、前部ハウジング５と後部ハウ
ジング６をもつ。前部ハウジング５は長方形中空横断面
をもち、各端は開放している。中心線７は長方形ハウジ
ング５の軸線に沿っている。前部ハウジング５の前面は
第一の可視性で弾性の金属板又は膜板８により閉鎖され
、前記膜板はねじ９により前部ハウジング５に取付けら
れる。前部ハウジング５と後部ハウジング６は第二の可
撓性で弾性の金属板又は膜板１０をそれらの間に固定す
るように配置される。板８．１０は互いに平行であり、
夫々後述するように該装置の一部を貫通させる穴を備え
る。

前部ハウジング５に接触しないように板８．９０間に下
げられかつそれらの板間に支持されているのは実質上円
筒形の工具運び台１１である。運び台１１は据え付は手
段をもち、前記据え付は手段は単一の加工尖端１３をも
つダイヤモンド工具１２が運び台１１に挿入されて尖端
１３が第−板８の穴２８から突出するようになすことが
できる。

加工尖端１３は中心線７上に位置する。ハウジング５の
穴１５内に受入れた止めねじ１４により工具１２を定位
置に保持する。象限ホトダイオード１６（以後、ＱＰＤ
と称する）が受入れ穴１５間で運び台１１内に取付けら
れる。低パワー）１ｅ／Ｍｅレーザ（図示せず）が前部
ハウジング５の穴を通してＱＰＤ１６を照明する。

電気端子（図示せず）をもつピエゾ−電気素子１７は運
び台１１中の円筒形スペース内に一部を入れて一対の玉
軸受１８．１９間に取付けられる。

玉軸受１８．１９とピエゾ−電気素子１７の組立体はハ
ウジング６の後壁に取付けた調節可能のねじ２０により
圧縮保持される。ピエゾ−電気素子１７は板１０中の穴
を貫通する。調節可能のねじ２０、玉軸受１８．１９、
ピエゾ−電気素子１７及び運び台１１はすべて中心線７
と同軸に配列される。

作業に際して、ダイヤモンド工具１２は標準旋盤制御装
置とピエゾ−電気素子１７の組合せにより制御される。

中心線７に対して直角に移動するためには標準旋盤制御
装置が用いられる。旋盤とピエゾ−電気素子１７の作用
はコンピュータにより監視及び／又は制御される。標準
旋盤制御装置は中心線７に対して平行に移動するために
用いられる。その移動は約１００μｍより大きい。１０
０μｍより小さい同様の移動のためにはピエゾ−電気素
子１７が用いられる。ピエゾ−電気素子１７の端子間に
給電手段（図示せず）により電圧を印加すると、前記素
子は膨張し、運び台１１を板８．１０の抵抗力に抗して
前進させる。これに関して、加工片３により与えられる
工具１２の運動に対する抵抗は無視し得る程に小さい。

また、板８．９は工具１２が運び台１１に対して中心線
７に直角に動くのを防止する働きをするが、中心線７に
平行に弾力的に動くことは可能ならしめる。板８．９は
それ故、中心線７に平行な動きのみを可能ならしめる任
意の手段と置き換えることができ、前記手段もまた加工
片３に向かう工具の運動に幾らかの抵抗を与える。適当
な手段は各板８．１０の代わりに少なくとも３本のワイ
ヤを含むか、又は工具の周りに空気軸受を使用すること
を含み、必要な抵抗を与えるためにばね手段と共に中心
線７に平行な動きのみを可能ならしめるようにする。抵
抗手段は加工片３が工具に大きな動きを起こさせないよ
うに据え付けてはならないことに留意すべきである。例
えば上記実施例では、ハウジング６の後壁は実質上剛性
としなければならず、さもなければこれは加工片３が後
部ハウジング６に向かって工具１２を押圧することを可
能ならしめて、工具制御の精度を大きく低下させること
になる。

このため、ピエゾ−電気素子１７を剛性的に取付けるこ
とが必要となる。

玉軸受１８．１９は、ピエゾ−電気素子１７の膨張によ
り与えられる力が運び台１１に実質上中心線７に沿って
伝えられることを確実ならしめる。

板８．１０はピエゾ−電気素子１７の全膨張範囲にわた
り弾性変形することができる。板８．９の抵抗は工具台
１の精度を増す。というのは、工具１２に大きな動きを
もたらした、ピエゾ−電気素子１７の両端子間に印加し
た電圧が今度は小さな動きをもたらすからである。普通
は大きな動きに関連する不精密性もまた同程度だけ減少
することになる。

こうして、ピエゾ−電気素子１７は約２ｕＩ１１の制限
された範囲にわたり工具位置を精密調節することを可能
ならしめる。不精密性をもたらす、ピエゾ−電気素子１
７の動きに関連するヒステリシスは素子１７を玉軸受１
６．１８間で圧縮保持することによって実質上減少する
。このため、１０ｎｍ以上の分解能を得ることができる
。最大範囲は約１０ｕｍに拡大でき、もしポリマーや軟
質金属の如き軟質材料のみを機械切削するのであれば、
約１００μｍまでの拡大が可能である。

スピンドル４は加工片３が工具１２と接触して砕ける点
まで任意の角速度で加工片３を回転させることができる
。この広範囲の角速度は極めて詳細に規定された表面を
この技術を用いて切削させることができるので、極めて
有利である。もし例えば、明瞭な“段部“′が加工片に
要求されるならば、加工片３の角速度は工具１２が段部
の高さだけ移動するのにかかる時間を考慮して減少させ
て、実質上正確な段部が作られるようになす。典型的に
は、加工片３は毎分２０００〜３０００回転で回される
。

基準線に対して運び台１１の、それ故工具尖端１３の位
置を監視する必要があるとき、ＱＰＤ１６からの出力は
作業を制御するコンピュータにより使用される。ＱＰＤ
１６は工具１２の位置を監視する便利な方法を提供する
にすぎない。他の適当な方法としては当業者には明らか
な如く、光学ファイバー式プローブ、歪みゲージ、容量
形マイクロメータが使用される。ＱＰＤ１６は寸法的に
コンパクトであり、運び台１１への適用が簡単であるた
め有利である。

ＱＰＤ１６からの出力はそれに当たる光量が変化したと
きに変化する。従って、もし運び台１１が下部ビーム、
基準線の方向と平行でない方向に移動すれば、ＱＰＤ１
６からの出力が変わり、ピエゾ−電気素子１７が付勢さ
れて、誤差を修正する。

本発明は種々の部品を作ることができる。第２図は赤外
線二進帯域板２１を示す。この帯域板２１はその中心２
３から精密な距離をおいてみぞ２２をもつ。みぞは伝送
放射線に半波長の位相差を作り、従って、正確な深さを
もたなければならない。

ゲラニウム赤外線二進帯域板はピエゾ−電気素子の端子
をリレーを介して電力供給源に接続することによって作
られる。前記電力供給源はピエゾ−電気素子を膨張させ
て工具を動かして所要の切り込み深さを生じるような電
圧を出すように設定される。ゲラニウムは最初に標準旋
盤制御装置を用いて普通の手法でフェイス−オフされ、
次いで既知の今１つのパスとして前記フェイス−オフの
深さを用いて、帯域板を作るようにされる。横送り台は
線形トランスジューサに接続され、トランスジューサか
らの出力はコンピュータに送られ、前記コンピュータは
工具尖端が帯域端縁にあることをトランスジューサの出
力が指示したと決定したときにリレー（それ故、ピエゾ
−電気素子）をオン又はオフに切り換える。

また、本発明は軸線外れの又は不規則な形状の部品や、
１回転以内で切り込み深さを変化させる必要のある部品
を作るのにも適している。第３図はかかる部品を示す。

３０ｍｍ直径の６　ｍ厚さのゲラニウム円板２４はかげ
締付領域２５が１１００ｎ　　（プラス又はマイナス１
０ｎｍ）だけかげ線無し領域２６より上に盛り上がって
いる。

前記リレーと電力供給源はデジタル対アナログコンバー
タと置き換えてもよい。コンピュータは横送り台の位置
とスピンドルの回転を監視する。

工具１２の精密な位置を決定するためにこの情報を使用
すると、コンピュータはデジタル対アナログコンバータ
にピエゾ−電気素子に印加する電圧を、従って工具尖端
の深さを制御する信号を出力する。このように、灼熱の
又は正弦波帯域板も作ることができる。

軟質材料を切削するとき、切り込み深さ（その深さ変動
はピエゾ−電気素子によ付加される）は５０μｍの大き
さにすることができる。それ故、仕上がり部品がフェイ
ス−オフ工程を省略することによって１回のパスで作ら
れる別の方法を用いることができる。

本発明はまた、湾曲した加工片を切削するのにも使用す
ることができる。この場合、工具送り台は加工片の表面
に実質上追従し、ピエゾ−電気素子に加工片表面と直角
をなす工具の１００μｍ以下の動きを制御せしめる。

多（の変更実施例が上記構造に可能である。例えば、後
部ハウジング６は内ねじをもち、外ねじ付の前部ハウジ
ング５に螺着することができる。

こうすれば、板１０を保持し、ピエゾ−電気素子１７を
圧縮状態に配置する作業は調節ねじ２０なしで行うこと
ができる。更に、板８．１０は単一の板を用いてこの板
を含む適当な弾性の支持手段と置き換えてもよい。ピエ
ゾ−電気素子１７を中心線７と同軸にならないように配
列して工具台１を一層コンパクトにすることもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の工作機械の断面図；第２図は
本発明を使用して切削加工した帯域板を示す図； 第３図は本発明を使用して切削加工した加工片を示す図
である。 １・・・工具台　　　　　２・・・横送り台３・・・加
工片　　　　　４・・・スピンドル５・・・ハウジング
　　　８．１０・・・金属板１１・・・工具運び台　　
１２・・・工具１３・・・加工尖端　　　１５・・・穴
１６・・・象限ホトダイオード １７・・・ピエゾ−電気素子 １８゜ ９・・・玉軸受 ２０・・・ねじ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工片（３）を保持して回転させる加工片ホルダー
   （４）と共に使用する単一尖端式ダイヤモンド旋削用工
   作機械において、加工片（３）に向かって行ったり来た
   り移動するよう配置された工具運び台（１１）と、工具
   運び台（１１）と連動せしめられる固定保持されたピエ
   ゾー電気素子（１７）と、加工片（３）に向かう工具運
   び台（１１）の動きに抵抗するための抵抗手段（８、１
   ０）を備え、ピエゾー電気素子（１７）は電圧を印加さ
   れたとき膨張して工具運び台（１１）を抵抗手段（８、
   １０）の抵抗に抗して加工片（３）を移動させることを
   特徴とする工作機械。 ２、抵抗手段（８、１０）が工具運び台（１１）に掛合
   する少なくとも１つの弾性板からなる、請求項１に記載
   の工作機械。 ３、抵抗手段（８、１０）が工具運び台（１１）お両端
   に取付けた一対の弾性板からなる、請求項２に記載の工
   作機械。 ４、ピエゾー電気素子（１７）お膨張方向が加工片ホル
   ダー（４）の回転軸線に平行である、請求項１から３の
   何れか１項に記載の工作機械。 ５、工具運び台（１１）により運ばれる工具（１２）の
   位置を指示するための、象限ホトダイオード（１６）を
   含む、請求項１から４の何れか１項に記載の工作機械。 ６、ピエゾー電気素子（１７）を圧縮保持するための手
   段（１８、１９、２０）を備える、請求項１から５の何
   れか１項に記載の工作機械。 ７、旋盤制御装置をもつ旋盤の一部をなすスピンドルに
   より加工片（３）を回転させて成る、単一尖端式ダイヤ
   モンド工具旋削方法において、旋盤制御装置により加工
   片に向かうダイヤモンド工具（１２）の動きを制御し、
   ダイヤモンド工具（１２）を抵抗に抗して加工片（３）
   に向かって動かすよう膨張する固定保持されたピエゾー
   電気素子（１７）の端子間に電圧を印加することによっ
   て加工片（３）に向かってダイヤモンド工具（１２）に
   １００μｍまでの追加の動きを付加させる工程を含むこ
   とを特徴とする単一尖端式ダイヤモンド工具旋削方法。 ８、ピエゾー電気素子（１７）により付加された追加の
   動きは１０μｍまでとする、請求項７に記載の方法。 ９、ピエゾー電気素子（１７）により付加された追加の
   動きは２μｍまでとする、請求項８に記載の方法。 １０、ピエゾー電気素子（１７）は加工片（３）の回転
   軸線に実質上平行な方向に膨張する、請求項７から９の
   何れか１項に記載の方法。