JPWO2008010414A1 - 切削用振動体、振動切削ユニット、加工装置、成形金型、及び光学素子 - Google Patents

Abstract

第１締結部材２７の引張り強度が第２締結部材２５の引張り強度よりも大きくなっている。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第２締結部材２５の方が劣化するが、第２締結部材２５を交換すれば足り、第１締結部材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。第１締結部材２７の材料としては、ハイス鋼、超硬合金、ＳＣＭ鋼（クロムモリブデン鋼）等を使用することができる。第２締結部材２５の材料としては、超硬合金、ＳＣＭ鋼等を使用することができる。

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、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によって工具を保持する保持部材を励振し、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、切削工具は、その根元側で振動体である保持部材の先端に着脱可能に固定される。

以上のような保持部材としては、一般にクロムモリブデン鋼が用いられるが、振動切削においては切削工具と保持部材との間で摩擦が生じて発熱する場合があり、そのような場合、その熱により振動子が膨縮して工具刃先位置が変動してしまい、高精度な加工ができないという問題が発生する。そこで、保持部材として、例えば窒化珪素のような低線膨張係数で高硬度のセラミックス材料や、低線膨張係数の合金材料を用いることが考えられる。しかしながら、そのような材料を用いた保持部材に、切削工具を固定するために通常施されるねじ部を設けようとしたところ、保持部材にひび割れや破損を生じてねじ山を形成することができなかったり、また、ねじ部を形成できた場合であっても、切削工具を保持部材に充分強固に固定できなかったり、或いは切削工具の着脱や交換の繰り返しにより、保持部材に設けたねじ部の変形やねじ山の破壊を生じて、切削工具の保持部材への強固な固定ができなくなったり、保持部材自体の交換が必要になるという問題が生じる。

そこで、本発明は、切削工具の着脱を繰り返してもナット等の固定具が破損し難く、切削工具の強固な固定を容易に維持し得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。
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

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支持部分を有し、与えられた振動を切削工具に伝達するものであって、支持部分は、前記支持部材に固定されている第１締結部材と第２締結部材とによって切削工具を着脱可能に固定し、第１締結部材が、第２締結部材よりも大きな引張り強度を有する。

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。

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）駆動することによって、振動切削ユニットを変位させる駆動装置とを備える。

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（ａ）、図６（ｂ）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。 図３（ａ）、図３（ｂ）に示す振動切削ユニットを変形した第３実施形態の振動切削ユニットの部分拡大断面図である。

上記切削用振動体では、切削工具を着脱可能に固定するための一方の第１締結部材が、他方の第２締結部材よりも大きな引張り強度を有するので、第１締結部材をほとんど劣化・破損させることなく切削工具の着脱を繰り返すことができる。尚、第１締結部材は第２締結部材よりも好ましくは、１．２倍以上、より好ましくは２．５倍以上大きな引張り強度を有する。この際、相対的に小さな引張り強度の第２締結部材は、切削工具を強固に固定するために必要な力で締結することで、多少ねじ部の変形を伴うことになる。そして、切削工具の着脱等を繰り返していくと、やがて第２締結部材のねじ部の方は破損する可能性があるが、固定された締結部材である第１締結部材の方は、第２締結部材によって劣化や破損が生じることを防止できる。よって、切削用振動体に対して切削工具の着脱を繰り返してもナット等の第１締結部材や支持部分が破損しにくくなり、切削用振動体の耐久性や寿命を長くすることができる。

また、本発明の具体的な態様では、上記切削用振動体において、第１締結部材が、ナットであり、第２締結部材が、ナットに螺合するボルトである。この場合、ナットのねじ山のせん断を防止でき、ナットの寿命を長くすることができる。ナットに螺合するボルトについては、ねじ山のせん断が進行する可能性があるが、ボルトのみの交換によって対処することができる。

本発明の別の態様では、ボルトが、切削工具に設けた固定用の孔に通され、切削工具が、支持部分の支持面とボルトのヘッドの間に挟持されて固定される。この場合、支持部分と第２締結部材との引張り強度がともに小さくても、これらの間に切削工具を確実に固定することができる。

本発明の別の態様では、ナットが支持部分に固定されている。この場合、ナットと支持部分との間に高速振動に起因する摩擦発熱が生じにくい。なお、比較的寿命の長いナットが支持部分に固定されるので、切削用振動体としての寿命も長くすることができる。

本発明の別の態様では、ナットが支持部分にロウ付けにより固着されている。この場合、ナットを支持部分に安定して確実に固定することができる。

本発明の別の態様では、切削用振動体が、低線膨張材料で形成されている。この場合、切削工具の支持部分を含めた本体部分の膨張を大きく低減することができるので、切削工具先端の変位を低減して切削加工の精度を向上させることができる。なお、「低線膨張材料」とは、線膨張係数が−２×１０^−６以上２×１０^−６以下の材料を意味する（「低線膨張係数の材料」ともいう。）。低線膨張材料としては、インバー、スーパーインバー、ステンレスインバー等が用いられる。

本発明の別の態様では、第１締結部材が、高速度工具鋼、超硬合金、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、及びＳＣＭ鋼を含むグループの少なくとも１つの材料で形成されている。この場合、第２締結部材に対して引張り強度を大きくしやすく、ねじ山等の加工性を確保することができる。

本発明に係る第２締結部材としては、各種ステンレスやＳＣＭ鋼等の合金などを含めて、種々の金属材料を用いることができる。この場合、第１締結部材に対して引張り強度を小さくしやすく、ねじ山等の加工性を確保することができる。

本発明の別の態様では、第１締結部材の引張り強度が、９００Ｎ／ｍｍ^２〜３０００Ｎ／ｍｍ^２であり、第２締結部材の引張り強度が、７００Ｎ／ｍｍ^２〜１９００Ｎ／ｍｍ^２である。このような関係を満たすことにより、第１締結部材や支持部分の破損を防止しつつ、切削工具の切削用振動体への強固な固定をより確実に実現可能となる。

また、本発明の別の態様では、上記切削用振動体において、第１締結部材が、ボルトであり、第２締結部材が、ボルトに螺合するナットである。この場合、ボルトのねじ山のせん断を防止でき、ボルトの寿命を長くすることができる。ボルトに螺合するナットについては、ねじ山のせん断が進行する可能性があるが、ナットのみの交換によって対処することができる。

上記振動切削ユニットでは、一方の第１締結部材が、他方の第２締結部材よりも大きな引張り強度を有するので、第１締結部材をほとんど劣化・破損させることなく切削工具の着脱を繰り返すことができ、切削用振動体に対して切削工具の着脱を繰り返してもナット等の第１締結部材や支持部分が破損しにくくなり、切削用振動体の耐久性や寿命を長くすることができる。

上記振動切削ユニットの具体的な態様では、切削用振動体に振動を与えることによって、当該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。この場合、切削用振動体や切削工具と、そのための振動源とを一つのユニットにするので、かかる振動切削ユニットの組み込みや取り外しの利便性を高めつつ振動切削ユニットを高精度で動作させることができる。

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、高い耐久性を有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。

〔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。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、例えば円板状の固定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固定部材や、例えば３方向に延びる細長い支持部材を有する固定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、例えば円板状の固定部材とすることができるが、複数の開口を有する固定部材や、例えば３方向に延びる細長い支持部材を有する固定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面に沿って平坦に形成された溝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（第２締結部材）であり、固定孔２１ｇの一端側からこれに通され、固定孔２１ｇ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締結手段として機能する。すなわち、固定ネジ２５は第２締結部材であり、ナット２７は第１締結部材である。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。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ネジ２５及びナット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にねじ込んで締め付け可能になっている。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２１ｇを介して、シャンク２３ｂ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方向に関する重量を工具軸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。

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の不要な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。

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及びナット２７は、互いに引張り強度が異なることが望ましい。これにより、固定ネジ２５及びナット２７のうち引張り強度が大きな一方の締結部材の締め付け強度や繰り返し使用耐久性を高くすることができるので、他方の締結部材の交換によって振動切削ユニット２０としての寿命を長くすることができる。また、ナット２７側がロウ付けによって固定されており、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。

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。

ナット２７の材料としては、ハイス鋼、超硬合金、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、ＳＣＭ鋼（クロムモリブデン鋼）等を使用することができる。ハイス鋼、超硬合金、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、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。ナット２７の具体的な引張り強度は、以上のような鋼材を用いることによって例えば９００Ｎ／ｍｍ^２〜３０００Ｎ／ｍｍ^２程度の範囲とする。なお、ハイス鋼の引張り強度は、２６５０Ｎ／ｍｍ^２であり、超硬合金の引張り強度は、１９６０Ｎ／ｍｍ^２であり、ＳＣＭ４３５の引張り強度は、９３０Ｎ／ｍｍ^２である。なお、ナット２７をハイス鋼で形成した場合、引張り強度が大きくなって切削工具２３を強く締め付けやすい。また、ナット２７を超硬合金で形成した場合、ハイス鋼やＳＣＭ鋼に比較してナット２７が重くなるので、充填ネジ２６によるバランスが大切になる。

固定ネジ２５の材料としては、各種ステンレスやＳＣＭ鋼等の合金などを含めて、種々の金属を使用することができる。ステンレス、ＳＣＭ鋼等は、加工性に優れ、ナット２７に対して引張り強度を小さくしやすい材料である。固定ネジ２５の具体的な引張り強度は、以上のような鋼材を用いることによって例えば７００Ｎ／ｍｍ^２〜１９００Ｎ／ｍｍ^２程度の範囲とする。固定ネジ２５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（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）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る。

本実施形態の振動切削ユニット２０において、振動体８２の材料は、既に述べたように、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の低線膨張係数の材料で形成されている。

ここで、インバー材とは、ＦｅとＮｉとを含む合金であって、３６原子％のＮｉを含む鉄合金であるが、通常線膨張係数が室温で１×１０^−６以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体８２の材料に用いることで、振動体８２の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。また、スーパーインバー材とは、ＦｅとＮｉとＣｏとを少なくとも含む合金であって、５原子％以上のＮｉと、５原子％以上のＣｏとをそれぞれ含む鉄合金であり、線膨張係数が室温で通常０．４×１０^−６程度と、前述のインバーよりもさらに熱膨縮しにくい材料である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体８２の材料に用いることで、振動体８２の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。また、ステンレスインバー材とは、５０原子％以上となる主成分がＦｅであって、５原子％以上を含む付随的材料がＣｏと、Ｃｒと、Ｎｉとの少なくとも１つである合金材料全てを指す。したがって、ここではコバール材もこのステンレスインバー材に含まれる。ステンレスインバー材は、線膨張係数が室温で１．３×１０^−６以下である。ヤング率は、鋼材の約半分と低いが、これを振動体の材料に用いることで、振動体８２の熱膨縮が抑制され、先端に保持される切削工具２３の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。さらに、ステンレスインバー材は、インバー材よりも水分に対する耐性がずっと高く、加工冷却液等がかかっても錆びが発生しないという優れた特徴があるので、切削工具２３を保持固定する構造材料として適している。

〔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（ａ）、図６（ｂ）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、レンズ等の光学素子を第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。

〔第４実施形態〕
図８は、本発明の第４実施形態に係る振動切削ユニットの構造を説明する断面図である。第４実施形態に係る振動切削ユニットは、図３（ａ）、図３（ｂ）等に示す振動切削ユニットを変形したものである。

振動切削ユニットのツール部１２１は、先端部１２１ａにおいて固定ネジ１２５及びナット１２７によって切削工具２３を支持するが、この場合、固定ネジ１２５が第１締結部材として先端部１２１ａに固定され、ナット１２７が第２締結部材として固定ネジ１２５に螺合することによって固定される。固定ネジ１２５及びナット１２７のうち固定ネジ１２５は、そのヘッド１２５ｈが先端部１２１ａの下面に形成された凹部１２１ｒに埋め込むように配置されており、固定ネジ１２５は、固定孔２１ｈの内周面や、ヘッド１２５ｈの上面及び側面に対向する凹部１２１ｒの底部（上面）や内周面に、ロウ付けによって固定されている。ナット１２７は、固定ネジ１２５の本体部分１２５ｓにねじ込み可能になっている。この際、切削工具２３の固定部分２３ｅがナット１２７と先端部１２１ａ上の平坦な支持面１２１ｘ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１２１ａに対するしっかりした固定が確保される。

この場合、特に固定ネジ１２５の引張り強度がナット１２７の引張り強度よりも大きくなっている。これは、固定ネジ１２５が先端部１２１ａに設けた凹部１２１ｒ底面に固定されているので、固定ネジ１２５が破損すると先端部１２１ａの交換が必要になることを考慮したものである。

〔加工実施例１〕
以下、実施形態の振動切削ユニット２０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。前述したように、インバー材は引張り強度が小さく、旧来の固定具によって切削工具２３を繰り返し脱着した場合、固定具のネジ部がすぐに変形してしまい、切削工具２３を強固に固定することができない。そこで、前述の実施形態のような固定ネジ２５及びナット２７によって切削工具２３を固定した。具体的には、ナット２７として、ＳＣＭ４３０（引張り強度９００Ｎ／ｍｍ^２）を用い、固定ネジ２５として、ＳＵＳ４２０Ｊ２（引張り強度７８０Ｎ／ｍｍ^２）を用いた。これにより、振動体８２に切削工具２３を強固に固定し、実際に振動切削加工を行った。

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−２５°である。この時の加工用チップ２３ｃによる切り込み量は、３μｍ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、撓み方向のそれぞれに振動し、刃先軌跡は、円運動も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Ｒａ３．６ｎｍ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〕
加工実施例１の場合と同様に、振動体８２にはステンレスインバー材を用いた。ナット２７として、引張り強度が非常に大きいハイス鋼（引張り強度２６００Ｎ／ｍｍ^２）を用い、固定ネジ２５として、ＳＣＭ４３５（引張り強度９３０Ｎ／ｍｍ^２）を用いた。これにより、振動体８２に切削工具２３を強固に固定し、実際に振動切削加工を行った。

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３４０ｒｐｍ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、顕微鏡観察したところ、振動切削の振動周期と思われる規則的な切削痕は同様に見られたが、従来振動装置で見られた傷は見られなかった。また、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Ｒａ３．１ｎｍ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、固定ネジ２５やナット２７の材料は、引張り強度に関する大小関係を満たす限り、ハイス鋼、超鋼合金、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、ＳＣＭ鋼等に限らず、他の鋼材とすることができる。

また、以上の実施形態では、ナット２７等を先端部２１ａにロウ付けによって固定しているが、ナット２７を溶接等によって先端部２１ａに固定することもできる。

また、振動切削ユニット２０において、先端部２１ａの形状や、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。

Claims (15)

1. 切削工具を支持する支持部分と、前記支持部分に固定されている第１締結部材と、 前記支持部分に、前記第１締結部材と共同で前記切削工具を着脱可能に固定する第２締結部材を有し、前記第１締結部材は前記第２締結部材よりも大きな引張り強度を有する、与えられた振動を前記切削工具に伝達する切削用振動体。
2. 前記第１締結部材は、ナットであり、前記第２締結部材は、前記ナットに螺合するボルトである請求の範囲第１項記載の切削用振動体。
3. 前記ボルトは、前記切削工具に設けた固定用の孔に通され、前記切削工具は、前記支持部分の支持面と前記ボルトのヘッドの間に挟持されて固定される請求の範囲第２項記載の切削用振動体。
4. 前記ナットは、前記支持部分に固着されている請求の範囲第２項記載の切削用振動体。
5. 前記ナットは、前記支持部分にロウ付けにより固着されている請求の範囲第４項記載の切削用振動体。
6. 前記切削用振動体は、低線膨張材料で形成されている請求の範囲第１項から第５項のいずれか一項記載の切削用振動体。
7. 前記第１締結部材は、高速度工具鋼、超硬合金、マルテンサイト系ステンレス、析出硬化系ステンレス、及びＳＣＭ鋼を含むグループの少なくとも１つの材料で形成されている請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項記載の切削用振動体。
8. 前記第１締結部材の引張り強度は、９００Ｎ／ｍｍ^２〜３０００Ｎ／ｍｍ^２であり、前記第２締結部材の引張り強度は、７００Ｎ／ｍｍ^２〜１９００Ｎ／ｍｍ^２である請求の範囲第１項から第７項のいずれか一項記載の切削用振動体。
9. 前記第１締結部材は、前記第２締結部材よりも１．２倍以上の大きな引張り強度を有する請求の範囲第１項から第８項のいずれか一項記載の切削用振動体。
10. 前記第１締結部材は、ボルトであり、前記第２締結部材は、前記ボルトに螺合するナットである請求の範囲第１項、第６項から第９項のいずれか一項記載の切削用振動体。
11. 請求の範囲第１項から第１０項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振動を与えることによって、当該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備える振動切削ユニット。
12. 前記切削用振動体に支持される前記切削工具とをさらに備える請求の範囲第１１項記載の振動切削ユニット。
13. 請求の範囲第１１項または第１２項に記載の振動切削ユニットと、
    駆動することによって、前記振動切削ユニットを変位させる駆動装置とを備える加工装置。
14. 請求の範囲第１１項または第１２項に記載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成形金型。
15. 請求の範囲第１１項または第１２項に記載の振動切削ユニットを用いて加工創製される光学素子。

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