(57)【要約】【課題】加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することを可能とする加工技術を提供する。【解決手段】超音波振動装置１０は、切削工具１１が装着され、超音波振動を発生するアクチュエータを備える。駆動装置３０は、アクチュエータに電圧を印加して、切削工具１１の刃先を一方向に往復振動させる。制御部２０は、駆動装置３０による印加電圧を制御する。超音波振動装置１０は、少なくとも第１共振周波数および第１共振周波数より高い第２共振周波数を有する。制御部２０は、超音波振動装置１０が第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振するように、駆動装置３０による印加電圧を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切削工具が装着され、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置を備えた振動切削装置であって、前記振動装置は、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する、
ことを特徴とする振動切削装置。
【請求項２】
前記アクチュエータに電圧を印加して、切削工具の刃先を一方向に往復振動させる駆動装置と、
前記駆動装置による印加電圧を制御する制御部と、をさらに備え、
前記制御部は、前記振動装置が第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振するように、前記駆動装置による印加電圧を制御する、
ことを特徴とする請求項１に記載の振動切削装置。
【請求項３】
第２共振周波数は、第１共振周波数の整数倍である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の振動切削装置。
【請求項４】
前記アクチュエータは、圧電素子である、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の振動切削装置。
【請求項５】
振動を発生するアクチュエータを備える振動装置であって、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する、
ことを特徴とする振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、振動切削装置および振動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光学部品や摺動部品に、機能性を向上する微細な凹凸形状を形成することが要求されている。特許文献１は、切削工具の刃先を被削材に対して楕円振動させる振動装置を備えた切削装置を開示し、この切削装置は、鉄系材料や脆性材料に対して高能率な精密微細加工を施すことを可能とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２２１４２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
機能表面に形成する微細な凹凸形状の一つに、孔形状や溝形状などを周期的に形成したマイクロテクスチャがある。マイクロテクスチャ加工技術は、周期的構造を形成して機能表面における力学特性を制御することを目的とし、様々な分野での応用研究が活発化している。たとえば潤滑油を使用する摺動面に、オイルプールの役割を果たすマイクロテクスチャを形成することで、摩擦係数および摩耗を低減でき、また少量かつ低粘度の潤滑油で高潤滑を実現できることが知られている。このマイクロテクスチャは、摺動面との境界部分をなだらかな形状とすることを要求される。
【０００５】
マイクロテクスチャを機械加工する場合、切削工具を装着した振動子と被削材とを相対的に動かしながら、切削工具の刃先を被削材に対して周期的に振動させて加工面を切削する方法が考えられる。振動子を低周波で振動させる場合には、工具刃先の振動軌跡を所望に制御できるため、加工面に複雑な周期的形状を加工できる。しかしながら加工速度は遅く、能率的ではない。
【０００６】
高能率化のためには、振動周波数を超音波領域程度まで高くし、且つ振動子と被削材とを相対的に高速で動かせばよいが、そのような高周波でミクロンオーダの切削深さを得るためには、機械的な共振現象を利用する必要がある。この場合、振動子は正弦波振動することとなり、したがって得られる加工面の形状も、工具刃先の正弦波軌跡に依存した形状に制限される。
【０００７】
本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところの１つは、加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することを可能とする加工技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の振動切削装置は、切削工具が装着され、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置を備え、振動装置は、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する。
【０００９】
本発明の別の態様は、振動を発生するアクチュエータを備える振動装置である。この振動装置は、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する。
【００１０】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することを可能とする加工技術を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】超音波振動切削装置の概略構成を示す図である。
【図２】超音波振動切削装置の機能構成を示す図である。
【図３】超音波振動装置の縦方向の複数の共振モードを示す図である。
【図４】（ａ）は複数の共振モードの振動波形を示し、（ｂ）は複数の振動波形の合成波形を示し、（ｃ）は被削材の加工面を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）は複数の共振モードの振動波形を示し、（ｂ）は複数の振動波形の合成波形を示す図である。
【図６】アクチュエータおよび駆動装置の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、実施例の超音波振動切削装置１の概略構成を示す。超音波振動切削装置１は、被削材６に対して切削工具１１の刃先を往復振動させて旋削タイプの加工を行うことが可能な切削装置である。実施例の超音波振動切削装置１は、円筒状の被削材６を旋削して圧延用ロールを加工するロール旋盤であるが、他のタイプの切削装置であってもよい。被削材６は、代表的には表面にニッケルりんをめっきした金型鋼、銅素材やアルミニウム素材などであるが、他の素材であってもよい。
【００１４】
超音波振動切削装置１は、被削材６を回転可能に支持する主軸台２および心押し台３と、切削工具１１が装着された振動装置１２を支持する刃物台４とを、ベッド５上に備える。また超音波振動切削装置１は、少なくとも心押し台３を主軸台２に対して移動させる送り機構、刃物台４を被削材６の軸方向に平行な送り方向および軸方向に直角な切込み方向（切削工具１１を被削材６の回転軸に対して近づける方向）に移動させる送り機構を備える。切削加工中、被削材６は、主軸台２に設けられた主軸により回転させられる。
【００１５】
振動装置１２は、切削工具１１が装着されて、切削工具１１の刃先に一方向の往復振動を付与する超音波振動装置１０を備える。超音波振動装置１０は超音波振動子であって、内部に超音波振動を発生するアクチュエータを備える。アクチュエータは圧電素子であってよい。実施例において「超音波振動」の周波数は、概ね人間の可聴域を超えた周波数を意味し、たとえば１６ｋＨｚ以上の周波数であってよい。超音波振動切削装置１は超音波周波数帯域を利用することで、静音性の優れた加工を実現する。
【００１６】
駆動装置３０は、超音波振動装置１０の圧電素子に電圧を印加して超音波振動装置１０を振動させ、切削工具１１の刃先を一方向に往復振動させるドライバである。実施例で駆動装置３０は、切削工具１１の刃先を切込み方向に往復振動させる。制御部２０は、駆動装置３０に印加電圧の制御指令を供給して、駆動装置３０による圧電素子への印加電圧を制御する。具体的に制御部２０は、共振の振幅と位相を制御する振動制御機能と、共振周波数の自動追尾機能を実現するように、駆動装置３０による印加電圧を制御する。なお図示の例では制御部２０が、主軸台２の内部に設けられているが、それ以外のスペースに設けられてもよい。制御部２０は、主軸および各種送り機構の動作を制御するＮＣ制御装置（図示せず）と連携して、駆動装置３０による印加電圧を制御してもよい。また制御部２０はＮＣ制御装置を内蔵する構成とし、主軸および各種送り機構の動作を制御するとともに、駆動装置３０による印加電圧を制御してもよい。
【００１７】
図２は、超音波振動切削装置１の機能構成を示す。超音波振動装置１０は、圧電素子１３ａ、１３ｂをボルト１４で締込んで挟んだランジュバン型振動子であってよく、その長手方向に縦振動を発生させる。切削工具１１はロウ材等により超音波振動装置１０の先端に装着されてよいが、超音波振動装置１０の先端に設けられた凹部に装着されてもよい。実施例で超音波振動装置１０は、円筒状の被削材６に対して垂直方向に縦振動するように配置されるが、斜め方向に縦振動するように配置されてもよい。なお実施例では、粗密波の共振による縦振動を利用する超音波振動装置１０について説明するが、超音波振動装置１０は、たわみ振動やねじり振動を利用して一方向の往復振動を発生するものであってもよい。
【００１８】
駆動装置３０は、発振器３１および増幅器３２を備える。発振器３１は、増幅器３２を介して超音波振動装置１０の圧電素子１３ａ、１３ｂと電気的に接続し、圧電素子１３ａ、１３ｂに電圧を印加する。制御部２０は、超音波振動装置１０がその長手方向に共振周波数で共振するように、駆動装置３０による印加電圧を制御して圧電素子１３ａ、１３ｂを振動させる。
【００１９】
超音波振動装置１０が共振することで、切削工具１１の刃先は被削材６の表面を、少なくとも深さ方向に正弦波の周期的形状、または正弦波の一部が残った周期的形状に切削できる。実施例の超音波振動切削装置１は、超音波振動装置１０の機械的な共振現象を利用して、正弦波以外の形状に切削することを可能とする。
【００２０】
切削工具１１が装着された超音波振動装置１０は、少なくとも第１共振周波数、および第１共振周波数より高い第２共振周波数を有するように形成される。超音波振動装置１０は、第２共振周波数より高い第３共振周波数を有してもよい。制御部２０は、超音波振動装置１０が少なくとも第１共振周波数および第２共振周波数において、それぞれ所望の位相で同時に共振するように、駆動装置３０による印加電圧を制御する。
【００２１】
図３は、超音波振動装置１０の縦方向の複数の共振モードを示す。図３に示す例では、２つ以上の節を有する振動モードの中で最も低い共振周波数の振動モードに対して、整数倍の共振周波数の振動モードを組み合わせ、複数の振動モードで超音波振動装置１０を励振している。図３に示す例では、２次の基本共振モードに、６次の共振モードを組み合わせている。
【００２２】
超音波振動装置１０は、複数の共振モードによる節の位置が２カ所以上で一致するように形成されて、一致した複数の節の位置で振動装置１２の筐体に支持されることが好ましい。図３に示す例では、複数の共振モードによる節の位置が２カ所で一致し、超音波振動装置１０は、一致した節の位置に設けられた取付部１５ａ、１５ｂにより振動装置１２の筐体に支持される。これにより複数の共振モードにおける振動が、効率的に切削工具１１に伝達されるようになる。なお丸棒形状の縦振動では、基本共振モードの節の位置と奇数倍の共振モードの節の位置とが重なるため、加工形状が基本共振モードと奇数倍の共振モードの組合せで形成される場合、実施例の超音波振動装置１０は特に有利である。
【００２３】
図４（ａ）は、基本共振モードの振動波形４０ａと６次共振モードの振動波形４０ｂを示す。縦軸は振動変位［μｍ］を、横軸は時間［秒（×１０−４）］を表現する。この例では、基本共振モードの周波数を２０ｋＨｚ、振幅を１０μｍ、正弦波として見た場合の初期位相を０度とし、６次共振モードの周波数を６０ｋＨｚ、振幅を３．３３μｍ、初期位相を１８０度としている。
【００２４】
図４（ｂ）は、基本共振モードの振動波形４０ａと６次共振モードの振動波形４０ｂを合成した振動波形４１を示す。制御部２０は、超音波振動装置１０が２０ｋＨｚと６０ｋＨｚで同時に共振するように、駆動装置３０による印加電圧を制御する。同時に複数の共振モードで超音波振動装置１０を励振することで、超音波振動装置１０に装着された切削工具１１は、図４（ｂ）に示す振動軌跡をとることが可能となる。
【００２５】
図４（ｃ）は、振動波形４１により形成される加工形状を説明するための図である。ここで正方向の変位は超音波振動装置１０が縮む方向を、負方向の変位は超音波振動装置１０が伸びる方向を表現する。
【００２６】
切削工具１１の刃先の振動中立点を被削材６の表面位置にセットし、回転する被削材６に対して超音波振動装置１０を振動させると、正方向に変位したときには工具刃先が被削材６から離れ、負方向に変位したときには工具刃先が被削材６を切削する。これにより非切削部分を残しつつ、図４（ｃ）においてハッチングした部分を凹部とする周期的形状が被削材表面に形成される。
【００２７】
振動波形４１では、振動の中立点（変位０）で振動速度が低下するため、凹部は、非切削部分との境界において非常になだらかな形状をもつ。このような境界形状は、すべり軸受面においてオイルプールの役割を果たすマイクロテクスチャに望まれている。単一の共振モードの正弦波振動によれば振動の中立点における振動速度が大きいために、このような形状を形成することはできないが、実施例では複数の共振モードで超音波振動装置１０を励振させることで、マイクロテクスチャの要求仕様を満たす形状を形成することが可能となる。
【００２８】
図５（ａ）は、基本共振モードの振動波形４２ａ、６次共振モードの振動波形４２ｂと１０次共振モードの振動波形４２ｃを示す。縦軸は振動変位［μｍ］を、横軸は時間［秒（×１０−４）］を表現する。この例では、基本共振モードの周波数を２０ｋＨｚ、振幅を１０μｍ、正弦波として見た場合の初期位相を０度とし、６次共振モードの周波数を６０ｋＨｚ、振幅を０．７μｍ、初期位相を１８０度とし、１０次共振モードの周波数を１００ｋＨｚ、振幅を０．１μｍ、初期位相を０度としている。
【００２９】
図５（ｂ）は、基本共振モードの振動波形４２ａ、６次共振モードの振動波形４２ｂと１０次共振モードの振動波形４２ｃを合成した振動波形４３を示す。振動波形４３は、三角波に近い波形をもつ。このように同時に複数の共振モードで超音波振動装置１０を励振することで、超音波振動装置１０に装着された切削工具１１は、様々な振動軌跡をとることが可能となる。たとえば図４（ａ）に示した振動波形４０ｂを逆位相にすると、矩形波に近い合成波形を得られるようになる。
【００３０】
以上、本開示を実施例をもとに説明した。この実施例は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００３１】
図６は、アクチュエータおよび駆動装置の変形例を示す。実施例では駆動装置３０が一対の圧電素子１３ａ、１３ｂに対して、超音波振動装置１０が複数の振動モードで共振するように電圧を印加したが、変形例では駆動装置３０が、複数の一対の圧電素子に対して個別に電圧を印加する。
【００３２】
図６には、超音波振動装置１０を２つの振動モードで共振させる場合のアクチュエータおよび駆動装置３０を示している。発振器３１ａは、増幅器３２ａを介して一対の圧電素子１３ａ、１３ｂと電気的に接続し、電圧を印加する。発振器３１ｂは、増幅器３２ｂを介して一対の圧電素子１３ｃ、１３ｄと電気的に接続し、電圧を印加する。制御部２０は、超音波振動装置１０が一つの共振周波数（第１共振周波数）で共振するように、増幅器３２ａから出力される電圧を制御して、圧電素子１３ａ、１３ｂを振動させる。また制御部２０は、超音波振動装置１０が別の共振周波数（第２共振周波数）で共振するように、増幅器３２ｂから出力される電圧を制御して、圧電素子１３ｃ、１３ｄを振動させる。変形例では、アクチュエータと、発振器３１および増幅器３２との組合せを、超音波振動装置１０の振動モードごとに設けることで、各アクチュエータに対して高振幅の振動制御を容易にする利点がある。
【００３３】
実施例で駆動装置３０は、切削工具１１の刃先を切込み方向に往復振動させることとしたが、変形例では、切削工具１１の刃先を送り方向に往復振動させてもよく、また切込み方向と送り方向の間の所定の中間方向に往復振動させてもよい。
【００３４】
また実施例では、最も低い第１共振周波数に対して、第２共振周波数が第１共振周波数の整数倍であることを説明したが、第２共振周波数は第１共振周波数の整数倍でなくてもよい。たとえば液晶パネルなどにおいて光を均質に分散させるためのシート用のパターンを被削材６に加工する場合には、ある程度のランダム性が許容されるため、第１共振周波数の整数倍ではない第２共振周波数で超音波振動装置１０を共振させてもよい。
【００３５】
なお制御部２０は、第１共振周波数と第２共振周波数の最大公約数となる周波数（第２共振周波数が第１共振周波数の整数倍である場合には、最大公約数となる周波数は第１共振周波数となる）の１／Ｎの周波数で切削運動が繰り返されるように、超音波振動装置１０の駆動装置３０と切削運動の関係を設定してもよい（なおＮは整数）。図１に示す旋削加工では、主軸台２に取り付けられた主軸の回転周波数を、最大公約数となる周波数の１／Ｎに設定してもよい。その場合、各回転時に加工されるマイクロテクスチャの位相が等しくなり、同じマイクロテクスチャが同じ回転位置に繰り返して形成される。またマイクロテクスチャは最大公約数となる周波数で繰り返し形成され、その繰り返し数は被削材６が１回転する間にＮ回となる。また旋削加工ではなく、直線的な切削運動を繰り返す平削りまたは形削りの場合には、各切削運動を開始する瞬間に、超音波振動の位相が同じ値になるように制御してもよい。その場合にも、各切削運動によって加工されるマイクロテクスチャの位相が等しくなり、同じマイクロテクスチャが同じ切削運動位置に繰り返して形成される。
【００３６】
なお逆に制御部２０は、第１共振周波数と第２共振周波数の最大公約数となる周波数の１／Ｎの周波数で切削運動が繰り返されないように、超音波振動装置１０の駆動装置３０と切削運動の関係を設定してもよい。その場合、各回転または切削運動によって形成されるマイクロテクスチャの位相がずれ、同じ回転位置または同じ切削運動位置に同位相のマイクロテクスチャが形成されないようにすることができる。
【００３７】
実施例では、複数の共振周波数で同時に共振する超音波振動装置１０を超音波振動切削装置１に利用する例を示したが、超音波振動装置１０は、超音波振動切削装置１以外の他用途の装置、たとえば溶接装置、洗浄装置、はつり装置、センサ装置などに利用されてもよい。
【００３８】
また実施例では、超音波振動装置１０が、好適には１６ｋＨｚ以上の超音波周波数帯域で共振することを説明した。変形例では超音波振動装置１０は、１６ｋＨｚ以下の周波数帯域で共振する振動装置であってもよい。アクチュエータである圧電素子１３ａ、１３ｂは、１６ｋＨｚ以下の振動を発生するが、この場合であっても、共振する振動装置は、静音性に配慮した周波数帯域で共振することが好ましい。
【００３９】
なお実施例および変形例では、複数の共振周波数を所定の関係に設定することを示したが、実際に使用される超音波振動装置１０の共振周波数が設定値と一致するとは限らない。これは、超音波振動装置１０の製作誤差、振動開始後の熱変形や外部からの負荷（例えば切削力）等に起因する。このため複数の共振周波数に設定した関係の維持を優先すると、少なくともいずれかの共振周波数から少しずれた周波数で超音波振動装置１０を振動させる必要がある。このように共振周波数から少しずれた周波数においても、共振周波数の近傍であることで振幅拡大率は大きく、高い振動速度を得ることが可能である。そこで本明細書では、このように高い振動速度を得やすい共振周波数近傍の周波数を含めて「共振周波数」、その場合の振動を「共振」と表現している。
【００４０】
本開示の態様の概要は、次の通りである。本開示のある態様の振動切削装置は、切削工具が装着され、振動を発生するアクチュエータを含む振動装置を備え、振動装置は、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する。この態様によると、同時に複数の共振モードで振動装置を励振させることで、加工の高能率化を実現しつつ、工具刃先に様々な振動軌跡を付与することが可能となる。
【００４１】
振動切削装置は、アクチュエータに電圧を印加して、切削工具の刃先を一方向に往復振動させる駆動装置と、駆動装置による印加電圧を制御する制御部とをさらに備えてよい。制御部は、振動装置が第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振するように駆動装置による印加電圧を制御する。これにより振動装置を同時に複数の共振モードで共振させることが可能となる。
【００４２】
なお第２共振周波数は、第１共振周波数の整数倍であってよい。第２共振周波数を第１共振周波数の整数倍とすることで、節の位置を合わせることが容易となる。アクチュエータは、圧電素子であってよい。
【００４３】
本開示の別の態様は、振動を発生するアクチュエータを備える振動装置である。この態様の振動装置は、第１共振周波数と、第１共振周波数より高い第２共振周波数を有して、第１共振周波数および第２共振周波数で同時に共振する。複数の共振モードで同時に共振することで、振動装置の先端部は、様々な振動軌跡をとることが可能となる。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・超音波振動切削装置、６・・・被削材、１０・・・超音波振動装置、１１・・・切削工具、１２・・・振動装置、１３ａ，１３ｂ・・・圧電素子、２０・・・制御部、３０・・・駆動装置、３１・・・発振器、３２・・・増幅器。
【図１】
2018187726.tif 000003
【図２】
2018187726.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2018187726.tif 000007
【図６】
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