(57)【要約】【課題】周期的な加工精度のムラを目立たなくすること。【解決手段】ワーク載置台１０のワーク載置面１１上にワークＷを取付け、工具Ｔを可動部２１に取付けられた弾性部材（板バネ）２２で支持する。板バネ２２裏側には圧電素子３０が設けられ、加工中にホワイトノイズ発生装置４１により周波数及び振幅が不規則な駆動電圧が印加される。これにより、工具ＴとワークＷの間に、切り込み方向（上下方向）の相対的な振動変位が惹起される。旋盤装置に適用する場合は、ワーク載置台の回転軸の方向（水平方向）の振動相対変位が与えられる。【選択図】図３
2008132548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの表面に加工を施す工具と、
前記ワークに対して、前記工具による前記表面へ切り込む第１の方向の相対移動を含む３次元方向の相対移動を、前記工具に行わせることができる相対移動手段と、
前記工具による前記ワークに対する加工中に、前記工具と前記ワークとの間に、前記第１の方向の相対変位を付与する相対変位付与手段とを備え、
前記相対変位は、周波数及び振幅が不規則に変化する振動変位であることを特徴とする加工装置。
【請求項２】
前記相対変位付与手段は、周波数及び振幅が不規則な脈動電圧が比例される圧電素子を備え、該圧電素子によって前記振動変位が惹起されることを特徴とする、請求項１に記載の加工装置。
【請求項３】
前記脈動電圧が、ホワイトノイズ発生装置を用いて生成されることを特徴とする、請求項２に記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具を用いてワークの表面に加工を施す加工装置に関し、更に詳しく云えば、ワークに対して工具を３次元的に相対移動させることができる加工装置を、加工面精度の周期的変動があっても加工面上で目立たなくするように改良するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークに対して工具を３次元的に相対移動させることができる加工装置を用いて精密加工を行うことは周知であり、その典型的な例としては、液晶ディスプレイで用いられる導光板やＤＶＤピックアップレンズといった精密光学部品の金型の加工がある。このような加工においては、ナノメートルオーダの非常に高度な面精度が要求されるだけでなく、面精度の一様性も同時に求められる。例えば導光板の製造に用いられる金型（金型部品）の加工においては、図１に示すように、加工面に要求される加工精度は一般に１〜４０nmの程度であるが、加工面上の場所によって加工精度が変動することは望ましくない。
【０００３】
しかし、実際の加工においては、無視できない面精度の変動が、発現箇所の周期性をもって現れることが珍しくない。例えば、図１に示した金型部品の加工において、１０nm未満の面精度を狙って加工を実行すると、図２に示したような周期的に、面精度が１０〜２０nmに低下した帯状部分が生じるといったことが起る。面精度の低下する帯状部分の形状は加工の種類や形状等によって異なり、後述するように、例えば旋盤加工においては、同心円形状、放射形状などのみなり得るが、「発現箇所の周期性」が存在することでは共通している。
【０００４】
云うまでもなく、このように発現箇所の周期性をもって発生する加工精度の低下は好ましくない。特に、加工対象ワークが光学部品の製造に用いる金型（金型部品）あるいは光学部品自身である場合には、光学特性の局所的なムラとなり、肉眼で確認できることも珍しくない。また、肉眼で確認できなくとも、顕微鏡で観察すると目立って見えることが多い。いずれの場合も、その光学部品を使用した装置の性能低下をもたらす。
【０００５】
上記の例（図２）の場合、面精度低下の大きさ自体は僅か１０数nmであるにもかかわらず、規則的に現れることが災いして導光板として求められている光学特性を満足させることが出来なくなる場合が多々ある。ちなみに、図１において、面精度が加工面全体が１０nm〜２０nmの面精度である金型部品を用いて製造した導光板と、図２に示したように、面精度が１０nm未満の領域と１０〜２０nmの領域が交互に現れた金型部品を用いて製造した導光とを比較した場合、後者より前者の方が光学特性上の問題が生じ易い。
【０００６】
上述したような周期的な加工ムラが発生する原因は、多くの場合、加工に使用するスピンドルや加工装置の設置に用いたダンパー等の微振動に求められるものである。従って、振動がナノメートルレベルの高性能なスピンドルやダンパーを使用すれば問題の解決は可能であるが、このようなスピンドルやダンパーは非常に高価である。また、周期的な振動の原因を特定出来ず、対処が難しい場合もある。
【０００７】
そこで、高価なスピンドルやダンパーを用意する必要もなく、また、周期的な振動の原因が特定出来ない場合にも適用できる問題解決技術が望まれているが、公知文献中にそのような技術は見い出せない。なお、後述するように、本発明の実施形態では、圧電素子を利用してワーク-工具間に人為的に不規則な微小変位を起させており、一方、下記特許文献１には、圧電素子を利用してワークを切り込む技術が開示されている。従って、「圧電素子を利用してワーク-工具間に微小変位を起させる」という点では、特許文献１の開示する技術は本発明と関連性がある。
【０００８】
しかし、特許文献１の開示する技術には、上述した周期的な加工精度のムラの問題を解決する意図はなく、また、本発明の実施形態のように周波数や振幅が不規則な電圧を圧電素子に印加することについては、何も記載されていない。
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−７５１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、上述した周期的な加工ムラがもたらす問題を、高価な高性能のスピンドルあるいはダンパーを用意する必要もなく、また、周期的な振動の原因が特定出来ない場合にも適用できる技術によって解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、ワークの表面に加工を施す工具と、該工具をワークに対して３次元的に相対移動させる相対移動手段を有する加工装置に、周波数及び振幅が不規則に変化する振動変位の形で、工具による切り込み方向の相対変位を与えることができるようにすることで上記課題を解決したものである。
【００１２】
より具体的に云えば、本発明に従えば、ワークの表面に加工を施す工具と、前記ワークに対して、前記工具による前記表面へ切り込む第１の方向の相対移動を含む３次元方向の相対移動を、前記工具に行わせることができる相対移動手段と、前記工具による前記ワークに対する加工中に、前記工具と前記ワークとの間に、前記第１の方向の相対変位を付与する相対変位付与手段とを備え、前記相対変位は、周波数及び振幅が不規則に変化する振動変位であることを特徴とする加工装置（請求項１）が提供される。
【００１３】
ここで、前記相対変位付与手段には、周波数及び振幅が不規則な脈動電圧が比例される圧電素子を備え、該圧電素子によって前記振動変位が惹起されるものを採用することができる（請求項２）。また、前記脈動電圧の生成には、ホワイトノイズ発生装置を利用することができる（請求項３）。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、加工時に外乱による規則的な振動が工具-ワーク間に存在し、それを反映した周期的な加工ムラが発生する要因となる状況下にあっても、周波数及び振幅が不規則に変化する振動変位の形で、工具による切り込み方向の相対変位が工具-ワーク間に付加されるので、周期的な加工ムラは、前記振動変位に対応した切り込みによってぼやかされ、結果的に加工精度の一様性は改善される。
【００１５】
特に、加工対象ワークが光学部品の製造に用いる金型（金型部品）あるいは光学部品自身である場合には、光学特性への悪影響を抑え、目立たなくすることができる。また、本発明は、高価な高性能のスピンドルあるいはダンパーを用意する必要もなく経済的に有利である。更に、周期的な振動の原因が特定出来ず、高価な高性能のスピンドルあるいはダンパーを使用しても解決しないケースにも適用できるという利点も有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図３（ａ）、（ｂ）は、本発明の１つの実施形態に従った加工装置について説明する図である。先ず、ワークを取付けた状態にある同加工装置の概略構成を示した図３（ａ）を参照すると、符号１０はワーク載置台で、そのワーク載置面１１上にワークＷが取付けられている。ワークＷに対して加工を行う工具Ｔは、可動部２１に取付けられた弾性部材２２を介して可動部２１に支持され、ワークＷに対して３次元の自由度で相対移動可能となっている。
【００１７】
本例の場合、工具Ｔによる切り込み方向に沿った相対移動は、図示を省略した昇降機構によるワーク載置台１０の昇降動作によって行われる。図３（ａ）において、この昇降動作による移動方向（即ち、工具Ｔによる切り込み方向）は「第１方向」として描示されている。第１方向は、「工具ＴをワークＷに対して接近／離隔する方向」と云うこともできる。
【００１８】
残る２つの移動の自由度は、可動部２１に与えられている。即ち、可動部２１は、固定部２０に対して設けられた２次元駆動機構（図示省略）により、第１方向と垂直な（場合によっては、所定角度傾斜した）第２方向及び図３（ａ）の紙面上で奥行き方向（典型的には、第１方向と第２方向の双方に対して垂直）に相当する第３方向（不図示）に夫々移動できるようになっている。
【００１９】
周知のように、工具ＴによりワークＷ上にどのような形状で加工を施すかは、通常、加工プログラムで指定されており、そのために必要な３方向（第１〜第３方向）の移動は、各方向の移動を担当するサーボ軸の動作によって実行される。
【００２０】
一例を挙げれば、ここに示した加工装置は、図１に示した金型部品の上面に、図１中で左右方向（第２方向に対応）に横断する多数の微細溝を微細な間隔（第３方向の繰り返し移動ピッチに対応）で刻む加工に使用される。図２は、そのような加工において、図２中で左右方向（第２方向に対応）に沿った帯状の加工精度低下領域が周期的に現れる現象を説明したものである。
【００２１】
本実施形態では、このような現象を目立たなくするために、図３（ａ）に示された態様で圧電素子３０を設け、この圧電素子３０を図３（ｂ）に示した如く、制御装置（ＣＮＣ）４０内に設けられたホワイトノイズ発生装置４１に接続し、同装置４１で生成される周波数及び振幅が不規則な駆動電圧によって圧電素子３０を駆動できるようにしている。なお、ホワイトノイズ発生装置４１の出力のオン／オフ、最大振幅等は、制御装置（ＣＮＣ）４０内のＣＰＵ（図示省略）からの指令で制御できるようになっている。
【００２２】
図３（ａ）に示したように、本実施形態では、弾性部材２２として断面コの字形状の板バネが用いられており、図示された姿勢で可動部２１に対して固定されている。板バネ２２の裏側面（工具Ｔが取付けられる面と反対側の面）と可動部材の間には空隙が形成され、圧電素子３０はこの空隙を埋めるように配置される。圧電素子３０は可動部２１上にマウントされる一方でその動作面（印加される電圧に応じて第１方向に変形する面）が板バネ２２の裏側面と機械的に結合（例えば接着）されている。
【００２３】
従って、加工開始とともに、制御装置（ＣＮＣ）４０内に設けられたホワイトノイズ発生装置４１から周波数及び振幅が不規則な駆動電圧を出力すれば、圧電素子３０が動作し、ワークＷの加工面に対する切り込み量が、工具Ｔの振動に応じて変化し、微小な高さ（深さ）の凹凸を付加するような加工が実現される。そして、この微小な高さ（深さ）の凹凸の付加により、前述した加工精度の周期的な低下（ムラ）がぼかされる。
【００２４】
周知の通り、圧電素子３０はピエゾ効果によって、印加される駆動電圧（ピエゾ印加電圧）に略比例した変形を起す素子で、印加電圧をＶ（t）、それによって惹起される変形（変位）をδ（t）とすれば、次のように書ける（tは時間を表わす）。
δ（t）＝ｋ・Ｖ（t）                        ・・・（１）
ここで、ｋは比例定数で、種々のものが入手可能であるが、一例をあげれば、ｋ＝１０nm／volt［０volt≦Ｖ（t）≦１０volt］である。
【００２５】
上記比例関係から、「工具ＴとワークＷとの間の、第１の方向の相対変位が、周波数及び振幅が不規則に変化する振動変位」を実現するには、印加電圧Ｖ（t）として、「周波数及び振幅が不規則に変化する振動波形」を採用すれば良いことが判る。このような振動波形源としてホワイトノイズ発生装置が利用できることが知られており、本実施形態で同装置を利用している（図３（ｂ）参照）。
【００２６】
図４には、「周波数及び振幅が不規則に変化する振動波形」の一例を示した。この図４に示した振動波形の駆動電圧を圧電素子に加えれば、相似波形の振動変位が得られる。振動変位の振幅は、上記（１）式から求められる。従って、例えば圧電素子３０が上記ｋ値を持つもので、最大振幅２０nm程度の不規則変位を希望する場合には、図４に示した波形で最大振幅２volt程度となる印加電圧Ｖ（t）を選択すれば良い。
【００２７】
一般に、どの程度の振幅の振動変位を工具-ワーク間に与えれば良いかは、振動を与えなかった場合に顕在化する精度ムラの大きさによる。即ち、振動を与えなかった場合に顕在化する精度ムラが大きいケースでは、振動変位の振幅も大きくする必要があり、振動を与えなかった場合に顕在化する精度ムラが小さければ、振動変位の振幅も小さくて良い。これは、加工ムラを振動変位によって得られる加工面の微小な凹凸の中に埋もれさせて加工ムラの顕在化を防止するという本発明の考え方に照らして理解されるところである。
【００２８】
なお、同じ考え方から、印加電圧Ｖ（t）の周波数は外乱の周波数に対し十分大きい（周期は短い）ことが好ましい。外乱の主要因としては機械や機械設置場所の振動や工具のビビリ等が挙げられるが、印加電圧Ｖ（t）の周波数の「不規則さ」の定量的条件については、外乱の周波数に対し２〜１００倍程度の範囲で変化させるのが望ましい。
【００２９】
図３（ａ）、（ｂ）に示した加工装置の例では、「工具-ワーク間の相対的振動変位」を与える方向（切り込み方向＝第１方向）は、上下方向（重力作用方向）であったが、これはあくまで例示である。例えば、「工具-ワーク間の相対的振動変位」を与える方向（切り込み方向＝第１方向）が水平方向（重力作用方向に垂直）となる場合もある。図５に示した旋盤による加工が、その典型例である。図５は、周知の態様でワークＷをワーク取付け台に取付け、ワークＷを回転させながら工具Ｔを用いてワークＷに加工を施す旋盤装置の外観を表わしている。
【００３０】
このような旋盤装置では、工具ＴのワークＷに対する切り込み方向は、ワーク取付け台の回転軸の方向であり、そのための移動はワーク取付け台が自身の回転軸方向に沿って移動することで達成される。工具Ｔをその頂部側面部に支持した加工ヘッドは、ワーク取付け台の回転軸の方向と垂直な水平方向に移動する軸上に搭載されており、この移動によって、ワーク取付け台の回転軸と工具Ｔとの間の距離が変化する。なお、調節ネジ１、２は工具Ｔの姿勢を調節するためのもので、加工中は締め付けて、工具Ｔの姿勢は一定に保たれる。
【００３１】
本発明を適用する場合、ワーク取付け台の回転軸の方向に沿った相対的振動変位が工具Ｔ-ワークＷの間に与えられる。そのためには、図示は省略したが、工具Ｔを加工ヘッド頂部の側面の工具支持部に、図３（ａ）中で示したと同様に、圧電素子と結合した弾性部材（板バネ）を設け、同弾性部材（板バネ）に工具を取付ければ良い。但し、図５に示した旋盤装置に本発明を適用する場合、図３（ａ）に示した「第１方向」（＝工具Ｔによる切り込みの方向）に対応するのは、水平方向（ワーク取付け台の回転軸の方向）であり、従って、圧電素子及び弾性部材（板バネ）の設置姿勢は、図３（ａ）の場合と９０度異なったものとなる。
【００３２】
圧電素子３０の特性、駆動態様等については既述の通りである。即ち、圧電素子は、図３（ｂ）を参照して説明したと同様に、加工装置（ここでは旋盤装置）の制御装置（ＣＮＣ）内に設けられたホワイトノイズ発生装置に接続され、同ホワイトノイズ発生装置で生成される周波数及び振幅が不規則な駆動電圧によって駆動される。ホワイトノイズ発生装置の出力のオン／オフ、最大振幅等は、制御装置（ＣＮＣ）内のＣＰＵ（図示省略）からの指令で制御可能となっている。
【００３３】
加工開始とともに、周波数及び振幅が不規則に変化する振動波形の電圧が圧電素子に印加されると、「工具ＴとワークＷとの間の第１の方向（ここでは水平方向）の振動相対変位」が惹起される。前述した印加電圧Ｖ（t）と変位δ（t）の比例関係から、振動相対変位の周波数はその推移を含めて加電圧波形の周波数と実質的に同じである。また、前記の式（１）の関係で惹起される圧電素子の、第１方向に沿った動作面の振動変位は、弾性部材（板バネ）に伝えられ、同弾性部材（板バネ）に取付けられた工具Ｔが振動する。
【００３４】
既述の通り、工具Ｔの振動に応じてワークＷの加工面に対する切り込み量が細かく変化し、微小な高さ（深さ）の凹凸を付加するような加工が実現される。そして、この微小な高さ（深さ）の凹凸の付加により、前述した加工精度の周期的な低下（ムラ）がぼかされる。圧電素子の動作面の振動変位の振幅は、通常、弾性部材（板バネ）の弾性、工具Ｔの質量等に応じて減衰するので、印加電圧の振幅は、それを考慮して決めれば良い。
【００３５】
図６及び図７は、図５に示した旋盤装置に本発明を適用せずに、即ち、工具Ｔを加工ヘッドに固定（支持構造に上述した不規則振動付与を行わず）して加工を行った場合の加工面の例をそれぞれ示している。両図において、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中のラインＡ−ＡあるいはＢ−Ｂに沿った断面図である。
【００３６】
図６、図７に示した例では、加工ムラ部ａ１〜ａ３、ｂ１〜ｂ３は、切り込み量がＨaあるいはＨb程度不足した突出部として現れている。Ｈa、Ｈbは突出部の高さと云うこともできる。加工面の正面方向から見た加工ムラ部ａ１〜ａ３、ｂ１〜ｂ３の分布形状は、前述した通り、なんらかの周期性をもっており、図６の例では同心円状（径方向に沿って繰り返される周期性）、図７の例では放射状（周方向に沿って繰り返される周期性）となっている。
【００３７】
加工ムラは、図６、図７の例とは逆に、切り込み過剰な部分として出現することもある。いずれにしても、加工ムラの大きさ（切り込み量の不足量または過剰量）はわずかであり、多くの場合数nm程度である。従って、前述したように、図５に示した旋盤装置に本発明を適用し、工具Ｔにワーク取付け台の回転軸の方向に沿った相対的振動変位を与えれば、図６、図７に例示したような加工ムラはぼやかされ、例えば図９（ａ）、（ｂ）に示したような加工面を得ることができる。
【００３８】
即ち、工具Ｔの切り込み量が加工中に圧電素子の振動に対応した量だけ増減され、図９（ｂ）に示したような無数の微小な凹凸が形成され、結果的に周期性をもった加工ムラはこの凹凸でぼかさすことができる。圧電素子に印加する振動電圧の振幅は、このぼかし作用が十分発揮できる振動変位が得られるように設定することが好ましい。
【００３９】
一般に、加工ムラの大きさ（例えばＨa、Ｈb）と２倍程度から１０倍程度の範囲の最大振幅の変位が得られることが好ましい。前述した特性を持つ圧電素子の例で、Ｈa=約１０nmあるいはＨb=約１０nmの場合、Ｖ（t）振幅は例えば２volt〜５volt程度とすれば、図９（ｂ）において、Ｈc（凹凸の最大高さ）=約２０nm〜６０nmの不規則な凹凸でＨa=約１０nmあるいはＨb=約１０nmの加工ムラを目立たなくすることができる。
【００４０】
以上の説明では、工具-ワーク間に切り込み方向に沿った相対振動変位を与えるために、工具を振動変位させているが、ワークを振動させても良い。例えば、図９に示したように、ワークテーブル５２を前述した板バネ２２と同様の形状の板バネ５１上に設け、板バネ５１を圧電素子３０に結合し、振動させるようにすれば、ワークＷに前述したと同様の振動を与え、同様の効果（加工ムラぼかし効果）を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】加工面の加工精度が略一様である状況を示した図である。
【図２】加工面の加工精度が低下する帯状部分が周期的に現れた状態について説明する図である。
【図３】本発明の１つの実施形態に従った加工装置について説明する図で、（ａ）は同加工装置の概略構成を示した断面図であり、（ｂ）は同加工装置に設けられる圧電素子への振動電圧の印加にホワイトノイズ発生装置を用いることを説明する図である。
【図４】圧電素子に印加される振動電圧の波形の例を示した図である。
【図５】本発明が適用される旋盤装置の外観を例示したものである。
【図６】図５に示した旋盤装置に本発明を適用せずに加工を施した場合に得られる加工面の例を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中のラインＡ−Ａに沿った断面図である。
【図７】図５に示した旋盤装置に本発明を適用せずに加工を施した場合に得られる加工面の別の例を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中のラインＢ−Ｂに沿った断面図である。
【図８】図５に示した旋盤装置に本発明を適用した構造として、加工を施した場合に得られる加工面の別の例を示した図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。
【図９】ワーク側に振動変位を与えるための構造例について説明する図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０、５０  ワーク載置台
１１  ワーク載置台の上面（ワーク載置面）
２０  固定部
２１  可動部
２２、５１  板バネ（弾性部材）
３０  圧電素子
４０  制御装置（ＣＮＣ）
４１  ホワイトノイズ発生装置
５２  ワークテーブル
ａ１〜ａ３  同心円形状の突出部（加工ムラ部）
ｂ１〜ｂ３  放射形状の突出部（加工ムラ部）
Ｈa  同心円形状の突出部の高さ（加工ムラの大きさ）
Ｈb  放射形状の突出部の高さ（加工ムラの大きさ）
Ｈc  微細な不規則凹凸状状の高さ（不規則変動の最大高さ）
Ｔ  工具
Ｗ、Ｗa、Ｗb、Ｗc  ワーク
【図１】
2008132548.tif 000003
【図２】
2008132548.tif 000004
【図３】
2008132548.tif 000005
【図４】
2008132548.tif 000006
【図５】
2008132548.tif 000007
【図６】
2008132548.tif 000008
【図７】
2008132548.tif 000009
【図８】
2008132548.tif 000010
【図９】
2008132548.tif 000011