(57)【要約】      （修正有）【課題】工具またはワークを保持して回転駆動するスピンドルに、回転軸と直交する方向の振動を付与する機構及び方法、並びに当該機構を備えた加工装置を提供する。【解決手段】基台２に回転可能に支承された中空円筒状のシャフト４と、前記シャフトの中空部を貫通して延び、前記シャフトの一端に回転可能に支承されるカラー１２及び他端に回転可能に支承されるスピンドルホルダ１７を一体に結合するスピンドルとの二重軸から構成し、前記カラー及びスピンドルホルダを支承する前記シャフトの両端部分をシャフトの回転中心から偏心した偏心軸部４ａ、４ｂとして形成する。もしくは前記シャフトの少なくとも軸方向の一部に偏肉部を設け、ベアリング３の遊びを利用する。【選択図】図１
2005131737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具もしくはワークを保持して回転するスピンドルに対してスピンドル回転軸に直交する方向に振動を付与する振動付与機構であって、
加工装置の基台に回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、
前記シャフトの中空部を貫通して延び、前記シャフトの一端に回転可能に支承されるカラー及び他端に回転可能に支承されるスピンドルホルダを一体に結合するスピンドルとの二重軸から構成され、
前記カラー及びスピンドルホルダを支承する前記シャフトの両端部分が当該シャフトの回転中心からほぼ同一方向へ同一量偏心した偏心軸部として形成され、前記振動シャフトと前記スピンドルとをそれぞれ回転駆動することによって前記カラーに固定される工具もしくはワークに回転と共に当該回転軸に直交する方向の振動を付与することを特徴とする振動付与機構。
【請求項２】
前記振動シャフトの回転中心に対する前記偏心軸部の偏心量が、半径で約２５μｍから約１５０μｍ、好ましくは約５０μｍから約１００μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の振動付与装置。
【請求項３】
工具もしくはワークを保持して回転するスピンドルに対してスピンドル回転軸に直交する方向に振動を付与する振動付与機構であって、
加工装置の基台に回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、
前記シャフトの中空部を貫通して延び、前記シャフトの一端に回転可能に支承されるカラー及び他端に回転可能に支承されるスピンドルホルダを一体に結合するスピンドルとの二重軸から構成され、
前記シャフトが、当該シャフトの回転中心から断面の重心がずれている偏肉部を少なくとも軸方向の一部に有し、前記シャフトと前記スピンドルとをそれぞれ回転駆動することによって前記カラーに固定される工具もしくはワークに回転と共に当該回転軸に直交する方向の振動を付与することを特徴とする振動付与機構。
【請求項４】
前記シャフトを前記基台に回転可能に支承するベアリングが、前記回転の半径方向に半径で約２５μｍから約１５０μｍ、好ましくは約５０μｍから約１００μｍの遊びを有していることを特徴とする、請求項３に記載の振動付与機構。
【請求項５】
前記ベアリングが、ボールベアリング、アンギュラ・ボールベアリング、ローラベアリング、テーパローラ・ベアリングのいずれかであることを特徴とする、請求項４に記載の振動付与機構。
【請求項６】
前記シャフトを前記基台に回転可能に支承する機構が、前記回転の半径方向の遊びを許容し、回転の軸方向の遊びを抑制する遊び抑制機構を更に備えていることを特徴とする、請求項３に記載の振動付与機構。
【請求項７】
前記遊び抑制機構が、前記シャフトを前記基台に支承するベアリングの外径を当該ベアリングが取り付けられる基台部分の内径よりも小さく形成し、前記ベアリングの軸方向の動きを規制するよう構成した機構、または、前記シャフトを基台に支承するベアリングをＮＪ型ローラベアリングもしくはＮＦ型ローラベアリングとなし、当該ベアリングの軸方向の与圧を調整可能とした機構のいずれかであることを特徴とする、請求項６に記載の振動付与機構。
【請求項８】
前記偏肉部が、前記シャフトの円周方向の一部に固着された偏心ウェイト、前記シャフトに一体に形成された偏心ウェイト部、前記シャフトの外周面の一部の面落し部もしくは溝部のいずれかであることを特徴とする、請求項３に記載の振動付与機構。
【請求項９】
前記スピンドルの回転数と前記振動シャフトの回転数との比が、約１０：１３から約１０：２３の間、好ましくは約１０：１７であることを特徴とする、請求項１または請求項３に記載の振動付与機構。
【請求項１０】
ワークを保持して回転駆動するワークスピンドルと、工具を保持して回転駆動する工具スピンドルとを備え、前記回転するワークと工具との相互に対向する各面間を押し付けることによりワークを加工する加工装置において、
前記ワークスピンドル及び工具スピンドルのいずれか一方もしくは双方が、請求項１から請求項９のいずれか一に記載の振動付与機構を備えていることを特徴とする加工装置。
【請求項１１】
ワークを保持するワークホルダと、工具を保持して回転駆動する工具スピンドルとを備え、前記保持されたワークと前記回転する工具との相互に対向する各面間を押し付けることによりワークを加工する加工装置において、
前記工具スピンドルが、請求項１から請求項９のいずれか一に記載の振動付与機構を備えていることを特徴とする加工装置。
【請求項１２】
前記加工装置が、研削装置、ラッピング装置、ミリング装置、ドリル装置、バフ装置のいずれかであることを特徴とする、請求項１０又は請求項１１に記載の加工装置。
【請求項１３】
回転するスピンドルに対して回転軸と直交する方向に振動を付与する振動付与方法において、
前記スピンドルを、回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、前記中空部を貫通し、前記シャフトの軸方向両端で回転可能に支承されたスピンドルとの二重軸構造となし、
前記シャフトの軸方向両端で前記スピンドルを支承する部分を前記シャフトの回転中心に対して偏心して形成することにより、前記スピンドルに前記振動を付与することを特徴とする振動付与方法。
【請求項１４】
回転するスピンドルに対して回転軸と直交する方向に振動を付与する振動付与方法において、
前記スピンドルを、回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、前記中空部を貫通し、前記シャフトの軸方向両端で回転可能に支承されたスピンドルとの二重軸構造となし、
前記シャフトの軸方向の少なくとも一部に、断面の重心が回転中心からずれた偏肉部を設け、前記スピンドルを回転可能に支承するベアリングの遊びを利用することにより前記スピンドルに振動を付与することを特徴とする振動付与方法。
【請求項１５】
ワークと工具との相互に対向する各面間を押し付けることによりワークを加工する加工方法において、
前記ワークもしくは工具を保持して回転駆動するスピンドルに対し、前記請求項１３又は請求項１４に記載の振動付与方法によって振動を付与することを特徴とする加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具スピンドルもしくはワークスピンドルに対し、スピンドル回転軸に直交する方向へ振動を付与するための振動付与機構及び振動付与方法、並びに当該振動付与機構を備えた加工装置、加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワークとの間で相対回転する砥石または砥粒をワークに押し当て、ワーク表面を研削または研磨して円滑な仕上げ面を得る加工方法は広く利用されている。図８は、そのような研削加工の１例を示している。図は研削装置の要部を上から見たもので、図の左側からは図示しないモータによって回転駆動される工具スピンドル５１が延び、先端のカップ型の工具ホルダ５２にリング状の砥石５３が固定されている。図の右側からは同様に図示しないモータによって回転駆動されるワークスピンドル５５が延び、図示の例ではワークホルダ５６にウエハなどのワーク５７が接着固定されている。工具スピンドル５１の回転軸５４とワークスピンドル５５の回転軸５８は、相互にセンターがずれて配置されている。
【０００３】
以上のように構成された研削装置の動作時、両スピンドル５１、５５は矢印６１、６２に示すように逆方向に回転駆動される。動作時には矢印６３に示すように、ワークスピンドル５５が砥石５３に向かって前進し、回転する砥石５３の表面にワーク５７を押し当ててワーク５７の表面を研削加工する。
【０００４】
図示していないが研磨加工（ラッピング）の場合もほぼ同様に構成され、但し、両スピンドルの回転軸は一般に垂直方向に向けられる。また、工具スピンドルには砥石の代わりに銅板などで形成されるラッピング定盤が取り付けられ、ワークに対向して回転する。このラッピング定盤に対して所定圧力でワークが押し付けられ、ラッピング定盤とワークとの間に供給される液状のスラリー中に含まれた砥粒によってワークの研磨が行なわれる。
【０００５】
ところで、図８に矢印６４で示すように、工具スピンドル５１をそのピンドル軸５４と直交する方向に振動させる機構が知られている。工具スピンドル５１をこのように振動させた場合、工具スピンドル５１に固定された砥石５３も同様に振動することから、研削の間にワーク５７によって砥石５３に加えられる研削抵抗の方向に変化が生ずる。このため、砥石５３に含まれる各砥粒のワーク５７に当る切刃の部位が変化する。これにより砥粒に様々な方向から切削抵抗が加わって砥粒のへき開もしくは脱落が起こり易くなり、常に鋭い切刃稜が砥石表面に現れ、砥石５３の目詰まり、目つぶれなどが生じにくいという効果を生ずる。
【０００６】
図９は、従来技術によって知られた工具スピンドルに振動を与える機構の一例を示す（例えば、特許文献１参照。）。図９において、図示しないモータによって回転駆動される工具スピンドル７１の先端部に、軸が微小量偏心した偏心軸部７１ａが設けられる。この偏心軸部７１ａにはベアリング７２を介して揺動カラー７３が回転自在に搭載されている。揺動カラー７３には、工具を装着するためのチャック装置７４が固定されている。工具及びチャック装置７４を回転させるため、工具スピンドル７１にはベアリング７６を介してプーリ７７が回転自在に搭載されており、さらにプーリ７７と揺動カラー７３は自在継手７８によって連結されている。自在継手７８はプーリ７７の回転を揺動カラー７３に伝達するとともに、偏心回転をする揺動カラー７３の揺動を吸収する役割を果たす。
【０００７】
この装置によれば、工具スピンドル７１が高速回転することによって偏心軸部７１ａが偏心回転し、したがってこの偏心軸部７１ａを回転軸として回転（自転）する揺動カラー７３も偏心回転（公転）する。一方、揺動カラー７３を回転駆動する駆動力は、プーリ７７から自在継手７８を介して伝達される。揺動カラー７３が回転（自転）すると共に偏心回転（公転）することから、これに固定されたチャック装置１３に装着される砥石などの工具が、回転（自転）するとともに矢印７９に示すように回転軸と直交する方向へ振動（公転）する。
【０００８】
従来技術においてはこの他にも、回転軸に一体に設けられた偏心孔部材と、前記偏心孔にベアリングを介して相対回転可能に支持された静止軸と、ベアリングケースに取り付けた偏心軸の偏心部に回転自在に支持された一対のピンチローラとを含む偏心回転機構部を備えた加工装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この機構によれば、前記静止軸に工具ホルダを相対回転可能に支承し、当該工具ホルダを回転駆動することによって工具を回転（自転）させると共に軸に直交する方向に偏心回転（公転）させている。
【特許文献１】特開平１１−１８８５６１号公報
【特許文献２】特開平６−２２６６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、一般に研削加工あるいはラッピング加工などにおいて、砥粒とワークとの間の相対運動方向と直交する方向に振動を与えることは、砥粒の切刃自生作用を促す効果を生ずることが知られている。しかしながら、従来技術により知られた振動付与機構は必ずしも満足できるものではなかった。
【００１０】
すなわち、特許文献１に開示された機構の例では、自在継手７８を介して駆動力を伝達する必要があり、構造が複雑となっている。自在継手７８は回転軸に直交する方向に設けられた溝と突起部との間で常時摺動して揺動を吸収しつつ回転駆動力を伝達している。このため自在継手には高い加工精度や良好な潤滑が要請され、騒音や振動の発生、あるいは負荷の制約などの諸問題が生じ易い。
【００１１】
また、特許文献２に開示された機構では、高速回転する回転軸、これに偏心して設けられた静止軸、加えて前記静止軸に回転可能に装着されて回転駆動される工具ホルダの三重軸構造を備え、静止軸を回転軸に支承するためのスリーブ機構や、静止軸の回転を抑制するピンチローラを設けるなど、構造が極めて複雑となっている。
【００１２】
以上より、本発明は、各々の回転軸に直交して対向している工具とワークの面同士を押し付けて加工する形式の研削やラッピングなどにおいて、簡単な構造で工具またはワークの少なくともいずれか一方に対して前記回転軸に直交する方向に振動を付与することができる機構及び方法、並びに当該機構を備えた加工装置、加工方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、軸方向の両端に偏心軸部を設けた中空円筒状のシャフト、もしくは軸方向の少なくとも一部に回転中心から断面の重心がずれている偏肉部を設けた中空円筒状のシャフトと、当該シャフトの中空部を貫通し、シャフトの軸方向の両端で回転可能に支承されるスピンドルとの二重軸構造によって構成される振動付与機構を提供することにより上記課題を解決するもので、具体的には以下の内容を含む。
【００１４】
すなわち、本発明にかかる１つの態様は、加工装置の基台に回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、前記シャフトの中空部を貫通して延び、前記シャフトの一端に回転可能に支承されるカラー及び他端に回転可能に支承されるスピンドルホルダを一体に結合するスピンドルとの二重軸から構成された振動付与機構であって、前記カラー及びスピンドルホルダを支承する前記振動シャフトの両端部分が当該シャフトの回転中心から偏心した偏心軸部として形成され、前記シャフトと前記スピンドルとをそれぞれ回転駆動することによって前記カラーに固定される工具もしくはワークに回転と共に当該回転軸に直交する方向の振動を付与することを特徴とする振動付与機構に関する。前記振動シャフトの回転中心に対する前記偏心軸部の偏心量は、好ましくは半径で約２５μｍ〜約１５０μｍ、より好ましくは約５０μｍ〜約１００μｍである。
【００１５】
本発明にかかる他の態様は、同じくシャフト、スピンドルの二重軸から構成された振動付与機構であって、前記シャフトが、回転中心から断面の重心がずれている偏肉部を少なくとも軸方向の一部に有し、前記シャフトと前記スピンドルとをそれぞれ回転駆動することによって前記カラーに固定される工具もしくはワークに回転と共に当該回転軸に直交する方向の振動を付与することを特徴とする振動付与機構に関する。前記振動シャフトを前記基台に回転可能に支承するベアリングは、好ましくは前記回転の半径方向に半径で約２５μｍ〜約１５０μｍ、より好ましくは約１００μｍの遊びを有している。このベアリングは、ボールベアリング、アンギュラ・ボールベアリング、ローラベアリング、テーパローラ・ベアリングのいずれかとすることができる。また、前記シャフトの支承部には、回転の半径方向の遊びを許容し、軸方向の遊びを抑制する遊び抑制機構を設けることができる。
【００１６】
前記いずれの態様においても、前記スピンドルの回転数と前記シャフトの回転数との比は、約１０：１３から約１０：２３の間、特には約１０：１７とすることが好ましい。
【００１７】
本発明にかかる更に他の態様は、ワークを保持して回転駆動するワークスピンドルと、工具を保持して回転駆動する工具スピンドルとを備え、前記回転するワークと工具との相互に対向する各面間を押し付けることによりワークを加工する加工装置において、前記ワークスピンドル及び工具スピンドルのいずれか一方もしくは双方が、上述したいずれかの振動付与機構を備えていることを特徴とする加工装置に関する。当該加工装置は、研削装置、ラッピング装置、ミリング装置、ドリル装置、バフ装置のいずれかとすることができる。
【００１８】
本発明にかかる更に他の態様は、回転するスピンドルに対して回転軸と直交する方向に振動を付与する振動付与方法であって、前記スピンドルを、回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと前記中空部を貫通して前記シャフトの軸方向両端で回転可能に支承されたスピンドルとの二重軸構造となし、前記シャフトの軸方向両端で前記スピンドルを支承する部分を前記シャフトの回転中心に対して偏心して形成することにより、前記スピンドルに振動を付与することを特徴とする振動付与方法に関する。前記スピンドルを支承する部分を偏心する代りに、前記シャフトの軸方向の少なくとも一部に回転中心から断面の重心がずれた偏肉部を設けることにしてもよい。
【００１９】
そして、本発明にかかる更に他の態様は、ワークと工具との相互に対向する各面間を押し付けることによりワークを加工する加工方法において、前記ワークもしくは工具を保持して回転駆動するスピンドルに対し、上述した振動付与方法によって振動を付与することを特徴とする加工方法に関する。
【発明の効果】
【００２０】
本発明にかかる振動付与機構を実施することにより、回転軸と直交する方向の振動を簡単な構造で付与することが可能となる。当該振動付与機構には、砥石、ラッピング定盤、ミリング、ドリルなどの各種加工工具、もしくは加工すべきワークを取り付けることができる。
【００２１】
また、前記振動付与機構を工具スピンドル、もしくはワークワークスピンドルに備えた加工装置によれば、工具寿命を延ばし、生産性、経済性に優れた加工装置を提供することができる。特に、研削、ラッピングに適用された場合、目つぶれ、目詰まりの発生が抑制され、表面粗さが均一で円滑な加工面を得ることができる。さらに、セラミックや半導体材料などの硬質材料の加工を効率的に行うことができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明にかかる振動付与機構を備えた加工装置の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の振動付与機構を示している。図では、工具を保持する工具スピンドル側に本実施の形態にかかる振動付与機構１を適用した例を示しているが、この振動付与機構１はワークを保持するワークスピンドル側に対しても同様に適用が可能である。また、図１では工具が砥石である研削装置の例を示しているが、ラッピングやバフなどの仕上げ加工、ミリングやドリルなどの切削加工など、回転軸に対して直交する方向へ振動を付与するあらゆる加工装置に対して適用が可能である。
【００２３】
図１において、研削装置の基台２にベアリング３、３を介して中空円筒状の加振シャフト４が回転可能に支承されている。加振シャフト４の図の左側の一端部にはプーリ６が固定されている。プーリ６にはベルト７ａが装着され、このベルト７ａの他端は図の下方に位置するモータ８の回転軸に巻回されている。加振シャフト４の右側に示す他端には、円筒状の第１の偏心軸部４ａが設けられている。この第１の偏心軸部４ａの中心線Ｃ１は、加振シャフト４の中心線Ｃから僅かに偏心している。この偏心量ｅは約２５μｍから１５０μｍ（直径で約５０μｍから約３００μｍ）、好ましくは約５０μｍから約１００μｍ（同、約１００μｍから約２００μｍ）である。
【００２４】
加動シャフト４の第１の偏心軸部４ａには、ベアリング１１を介して工具取り付け用のカラー１２が回転可能に支承されている。図示の例ではカラー１２に砥石ホルダ１３が固定され、さらに砥石ホルダ１３にはリング状の砥石１４が結合されている。このリング状の砥石１４及びホルダ１３に代え、カップ状の砥石をカラー１２に直接取り付けてもよい。カラー１２の回転中心には工具スピンドル１６が固定され、工具スピンドル１６は加振シャフト４の中空部を貫通して延び、図の左側の他端にスピルドルホルダ１７を保持している。加振シャフト４の左側の一端で、プーリ６の更に外側の位置に、第２の偏心軸部４ｂが設けられている。この第２の偏心軸部４ｂの円筒中心線Ｃ２は、加振シャフト４の中心線Ｃに対して第１の偏心軸部４ａとほぼ同一方向に同一量（ｅ）偏心して中心線Ｃ１にほぼ一致している。
【００２５】
第２の偏心軸部４ｂの外周には、ベアリング１９を介して上述したスピンドルホルダ１７が回転可能に支承されている。スピンドルホルダ１７の外周にはプーリ１８が形成されており、このプーリ１８にベルト７ｂが装着されてベルト７ｂの他端はモータ８の回転軸に巻回されている。このモータ８と、先の加振シャフト４を回転駆動するモータとは、図示のように同一のものであってもよく、あるいは個別に設けてもよい。同一のモータとした場合は装置全体の構造が簡単となり、個別に設けた場合は加振シャフト４とスピンドルホルダ１７との個別の回転制御が容易となる。
【００２６】
以上のように構成された振動機構の動作時、モータ８に電流が印加されると各ベルト７ａ、７ｂが駆動され、プーリ６、１８を介して加振シャフト４とスピンドルホルダ１７とが回転駆動される。まず、加振シャフト４の方は、軸方向に分かれた２組のベアリング３、３に支承されて中心線Ｃを中心に回転する。その際、軸方向両端にある第１及び第２の偏心軸部４ａ、４ｂは、中心線Ｃを中心とする偏心量ｅの半径の円に沿って偏心回転（公転）する。この両偏心軸部４ａ、４ｂの偏心回転により、第１の偏心軸部４ａにベアリング１１を介して支承された工具カラー１２は矢印２１で示す方向に振動し、同時に第２の偏心軸部にベアリング１９を介して支承されたスピンドルホルダ１７は矢印２２に示す方向に振動する。
【００２７】
第１と第２の偏心軸部４ａ、４ｂはほぼ同一方向に同一量（ｅ）偏心しているため、工具カラー１２とスピンドルホルダ１７とは同期して振動する。これによりこの両者を軸端で固定している工具スピンドル１６は、加振シャフト４の中心線（すなわち回転軸）Ｃに対して直交する方向に振動し、このため砥石ホルダ１３を介してカラー１２に固定された砥石１４は回転軸に直交する方向へ振動する。加振シャフト４の中心線Ｃに対する偏心軸部４ａ、４ｂの中心線Ｃ１、Ｃ２の偏心量ｅを例えば１００μｍとすれば、この際の振動の振幅は２００μｍとなる。工具スピンドル１６の外周と加振シャフト４の中空部との間には、この振幅の振動を許容するだけの間隙が予め設けられている。
【００２８】
一方、ベルト７ｂによって駆動されるスピンドルホルダ１７の回転力は、工具スピンドル１６を通ってカラー１２に伝達され、さらに砥石ホルダ１３を介して砥石１４に伝達される。砥石１４はこれによって回転駆動（自転）され、この際、同時に回転軸に対して直交する方向に振動（公転）する。加振シャフト４と砥石１４（あるいは工具スピンドル１６）との各回転数は、例えばプーリ６とプーリ１８との外径寸法の相違などによって任意に選択することができる。また、加振シャフト４と砥石１４の回転方向は、同一回転、逆回転のいずれとすることもできる。
【００２９】
図２は、以上のように回転（自転）及び振動（公転）をする砥石１４の動きを、１つの砥粒２６の移動軌跡２７で捉えて模式的に示している。図示の例では、砥石１４の回転数Ｒ１（自転）に対する加振シャフト４の回転数Ｒ２（公転）の比を４：７とし、回転は同一方向としている。図の移動軌跡２７からも分かる通り、この条件下では１つの砥粒２６（もしくは砥石１４）は、４回転（自転）する間にこれと直交する方向に７回振動（公転）して元の位置に戻る。砥石１４がこのように振動しない通常の研削においては、砥粒２６の移動軌跡は円となり、したがって砥粒２６には回転の接線方向となる１方向に対してのみ研削抵抗が加わる。このため、砥粒２６の回転方向に当る切刃の特定部位のみが研削を行うことになるのに対し、砥粒２６に図２に示すような振動を付与することで、研削抵抗のかかる方向が広がり、これによって研削を行う切刃の部位が適当に分散することが理解できる。なお、図２では理解を容易にするため、砥粒２６の回転（自転）に対して振動（公転）の振幅を拡大して表示している。
【００３０】
１つの砥粒２６に対して多様で広角度に変化する研削抵抗を加えるには、砥粒２６が原点位置に戻るまでの間にできるだけ複雑な移動軌跡を描くようにすることが好ましい。これは、工具スピンドル１６と加振シャフト４の回転数Ｒ１、Ｒ２を、両者の最少公倍数が大きくなる組み合わせとすることにより実現可能である。本願発明者らが行った実験によれば、両者の回転の比Ｒ１：Ｒ２が約１０：１３（最少公倍数１３０）から約１０：２３（同、２３０）ほどにすることが好ましく、中でも両者の比を約１０：１７（同、１７０）とすることが良好であった。具体的にはＲ１：Ｒ２を約１０００ｒｐｍ：１７００ｒｐｍの比とすることが良好であった。この場合、砥石１４が１０００回転する間に砥石１４は回転軸と直交する方向に１７００サイクルで振動することになる。Ｒ１とＲ２の最少公倍数をこれ以上の値とする回転数の組み合わせも可能である。
【００３１】
図３は、従来技術による振動を付与しない単軸形式の研削と、本実施の形態にかかる二重軸形式の研削とを比較したもので、振動を加えることの優れた効果を示している。図の横軸は砥石の送り量（μｍ）、縦軸は同一動力下における工具スピンドルの回転数（インバータ回転数：ｒｐｍ）を示している。同一動力下での工具回転数の低下は研削抵抗の増大を意味する。すなわち砥石が目詰まりもしくは目つぶれ状態に陥り、切刃がワークを削ることなく単に砥石をワークに押し付けているだけの状態に至ったことを示している。図示の実験では、硬質半導体材料である炭化ケイ素（ＳｉＣ）を２３０番の砥石を使用し、工具スピンドル回転数を８００ｒｐｍとして加工している。この場合、通常の操業では工具スピンドル回転数が７５０ｒｐｍまで低下すると砥石にドレッシングを施し、切刃を再生するものとしている。
【００３２】
図３からも明らかなように、従来技術による振動を付与しない単軸形式の研削装置では、送りが４０μｍ弱になったところで既に砥石へのドレッシングが必要な７５０ｒｍｐにまで低下している。これに対し、本実施の形態にかかる振動を付与する二重軸構造の研削装置では、その約４倍となる１６０μｍの送りとなってもまだ７５０ｒｐｍのレベルに至っていない。研削における送り量はほぼワークの研削量に比例している（研削量は、送り量の約１／２といわれる。）。すなわち、一回のドレッシングが必要となる間に、単軸研削に対して本実施の形態にかかる二重軸研削ではその４倍量以上のワークを研削することが可能である。砥石をドレッシングする際には加工を一時中断して行う必要があり、また砥石表面をドレッサによって所定量削り落とすことから、ドレッシング回数が少ないほど生産性が高まり、砥石１個あたりのワーク研削量が増え、経済性が高まることは明らかである。特に硬質であるＳｉＣを研削する場合、従来技術によれば１つのワークの加工完了前に砥石の目つぶれを起こすこともあり、生産性が著しく阻害される。砥石に振動を付与することでこのような余分な手間を排除できることから極めて有利であることが分かる。
【００３３】
本実施の形態にかかる振動付与機構を用いることにより、工具に対して回転軸に直交する方向の振動を簡単な構造で付与することが可能となり、例えば研削装置に適用することによって砥石寿命を向上させて生産性を高めることができる。従来技術による振動付与機構に対して構造が簡単であることから加工装置の製造費用が低減可能である。さらに、例えば特許文献１、２に開示された従来技術による振動付与機構と異なり、工具スピンドル１６をその長手方向の両軸端で支承する構造としてるため、例えば何らかの要因で研削抵抗の急激な変化が生じた際にも工具カラー１２を高い剛性で保持することができ、加工精度を維持することができる。
【００３４】
加えて、振動を付与することによって切刃の自生作用が促され、砥石の目つぶれ、目詰まりが起り難く、加工面の面粗さが均一となり、特定箇所に研削傷が残らない良好な仕上げ面を得ることができる。鉄や銅などの通常の構造材料を研削する場合に比べ、サファイア、シリコン、ＳｉＣなどの半導体材料、あるいはセラミックなどの超硬質材料を研削する場合、砥石の自生作用が起こりにくく、目つぶれが極めて発生しやすい傾向にある。図３のグラフに示すように、本発明の振動付与機構はこれら超硬質材料の研削などへの適用に対して特に優れた効果を発揮する。
【００３５】
なお、本実施の形態にかかる他の態様として、振動付与機構をワークスピンドル（図８、符号５５参照）に設けてワークに振動を付与することが可能である。砥石とワークとは押し付けられて相対回転することから、ワークを振動させる場合であっても砥石に加わる研削抵抗の方向に変化を与えることができる。必要に応じ、工具スピンドルとワークスピンドルとの双方に本振動付与機構を設けることもできる。通常、工具スピンドルとワークスピンドルとの回転数は異なっているため（例えば、工具スピンドル１０００ｒｐｍに対してワークスピンドルは４００ｒｍｐ）、振動付与機構を双方に設けた際にはワークに対する砥粒の移動軌跡をより複雑に構成することが可能となる。
【００３６】
逆に、加工装置によってはワークを非回転に固定したり、あるいは回転駆動することなく単に回転自在に支承するだけの形式のものもある。このような形式であっても、本実施の形態にかかる振動付与機構を工具スピンドル側に設けて同様に使用することができる。
【００３７】
本発明にかかる振動付与機構の更に他の態様として、ラッピング装置への適用が可能である。ラッピング装置では工具の代わりに錫や銅などの比較的軟質材を使用したラッピング定盤を取り付け、このラッピング定盤とワークとの間に供給されるスラリー中の砥粒がワークを研削する。この際、砥粒はラッピング定盤とワークとの間を転がりつつ、あるいは軟質材である銅などのラッピング定盤に突き刺さってワークを研削する。このような砥粒に対しても同様に振動を付与することで切刃の自生作用を促す効果が認められる。その他、バフ研磨機、あるいはミリング等の加工装置に対しても同様に適用可能である。
【００３８】
次に、本発明にかかる振動付与機構の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。図４は、本実施の形態にかかる振動付与機構１ａを示している。第１の実施の形態と同一要素に対しては同一の符号を付している。また、図示の例では研削装置への適用例を示しているが、当該振動付与機構の適用はこれに限定されるものではない。
【００３９】
図４において、加工装置の基台２にベアリング３１、３１を介して振動シャフト４１が回転可能に支承され、この振動シャフト４１の両端にそれぞれカラー１２とスピンドルホルダ１７が回転可能に支承されている。カラー１２とスピンドルホルダ１７は、振動シャフト４１の中空部を貫通する工具スピンドル１６によって一体に結合されている。基本的にこの二重軸構造は、先の実施の形態の振動付与機構と同様である。振動シャフト４１、工具スピンドル１６が、それぞれプーリ６、１８及びベルト７ａ、７ｂを介してモータ８によって回転駆動される構造も同様である。
【００４０】
本実施の形態にかかる振動シャフト４１では、両端部４１ａ、４１ｂが振動シャフト４１本体部に対して偏心しておらず、振動シャフト４１全体が中心線Ｃを中心に回転する。先の実施の形態の偏心軸部４ａ、４ｂに代わり、振動シャフト４１の外周の一部に偏心ウェイト４２が取り付けられている。このため振動シャフト４１が高速回転すると、偏心ウェイト４２が取り付けられた位置に矢印４３に示すような回転軸に直交する方向の遠心力が発生する。この遠心力は、回転する振動シャフト４１を両軸端側で支承するベアリング３１、３１に偏荷重を与える。
【００４１】
一般に、例えば図１に示したような通常のボールベアリング３であっても、支承する回転の半径方向に片側で５〜２５μｍ（直径では１０〜５０μｍ）程の遊びを有している。これは、ボールベアリングに代えてローラベアリングを使用した場合も同様である。したがって、上述した偏心ウェイト４２の作用で発生する遠心力により、ベアリング３が内在する前記遊びを積極的に利用して、偏心シャフト４１に対して回転軸に直交する方向の振動を付与することができる。
【００４２】
図４に示す例では、振動シャフト４１の両端をアンギュラタイプのボールベアリング３１、３１で支承するものとしている。図５（ａ）は、このアンギュラ・ボールベアリングの断面を模式的に示している。この形式のベアリング３１では、矢印３５に示すベアリングの側方から加える与圧力を調整することによってベアリング３１の遊びを増減することができる。与圧力が大きいほど遊びが小さく、与圧力を少なくすれば遊びが大きくなる。図４に戻って、振動シャフト４１を軸方向両端で支承するこのアンギュラ・ベアリング３１、３１は、両側面に配置されたリテーナ４４、４４によって両側から与圧がかけられている。このリテーナ４４、４４の締め付け力を調整し、僅かな与圧のみをベアリング３１、３１に付与することによって通常のボールベアリングに対してより大きな（例えば片側で約５０μｍ〜約１００μｍ）半径方向の遊びを生み出すことができる。なお、同様の効果は、図５（ｂ）に断面を模式的に示すテーパローラ・ベアリング３１ａを使用しても得ることができる。
【００４３】
より積極的な方策としては、通常の形式のボールベアリングであっても、例えば正規のボール径よりも僅かに小径となるボールを組み込み、あるいはベアリングのアウタレースの内径を正規の径よりも僅かに大きくし、もしくはインナーレースの外径を僅かに小さくするなど、特有のボールベアリングを手配することで更に大きな（例えば片側で約１００μｍ以上）遊びを得ることも可能である。これは、正規のローラ径よりも僅かに小径となるローラを組み込むなど、同様に手配された特有のローラベアリングを用いても同様である。より簡便な方策としては、使用による磨耗で遊び量が増したベアリングを用いることでもよい。この際には、勿論、回転を支承するための機能を十分有していることが前提とされる。
【００４４】
なお、上述のようにベアリングを利用して回転の半径方向に遊びを設けた場合、同時に回転の軸方向への遊びを増加させる傾向が生じることもあり、この場合には砥石１４が軸方向に移動して加工精度が低下する虞が生じ得る。これを回避するため、例えば振動シャフト４１の両端に別途スラストベアリングを設けて軸方向の遊びを規制するなどの方策も考えられるが、振動シャフト４１を支承するベアリング自身が軸方向の遊びを抑制する遊び抑制機構を備えていることが望ましい。
【００４５】
図６（ａ）は、そのような遊び抑制機構の一例を示している。図は振動シャフト４１の一方の端末部分のみを表示しているが、他方の端末部分も同様に構成され得る。図において、偏心ウェイト４２を備えた振動シャフト４１は、通常のボールベアリング３（ローラベアリングであってもよい。）を介して基台２に支承されている。ベアリング３の外径と、基台２におけるベアリング３取り付け部の内径との間には、振動シャフト４１の回転時に半径方向の遊びとなる間隙ｄが設けられている。また、ベアリング３の軸方向の遊びはリテーナ４４の与圧により調整可能に構成されている。
【００４６】
以上のように構成された図６（ａ）に示す遊び抑制機構の動作時、振動シャフト４１の回転によって矢印４３に示す遠心力が発生し、このため振動シャフト４１には間隙ｄ（プラス、ベアリング３の持つ固有の遊び）に相当する振幅の振動が発生する。この振動によって振動シャフト４１に支承された工具スピンドル１６は回転（自転）と同時に回転軸と直交する方向へ振動（公転）する。振動シャフト４１の回転軸方向への遊びはリテーナ４４の与圧を調整することによってによって規制さるため、加工精度に悪影響を及ぼすことはない。なお、間隙ｄにはグリス等の潤滑剤を充填することによって回転抵抗、発熱などを抑制することができる。
【００４７】
図６（ｂ）、（ｃ）には、ローラベアリングを使用して軸方向の遊びを抑制する遊び抑制機構を構成する際に使用可能な好ましいローラベアリングの例を示している。通常のローラベアリングにおいて、ローラ径を正規の径よりも僅かに小さく形成すること（あるいは、アウターレースの内径を大きめに、またはインナーレースの外径を小さめに形成すること）により、回転の半径方向の遊びを設けることができるのは上述した通りである。この場合、ボールベアリングと異なって軸方向への遊びに与える影響度をゼロ、もしくは僅かに押えることができる。特に、図６（ｂ）に部分概略断面を示すＮＪ型ローラベアリング３１ｂ、又は同じく図６（ｃ）に示すＮＦ型ローラベアリング３１ｃを使用すれば、リテーナ４４による軸方向の与圧を調整するによってベアリングの軸方向の遊びを所望量に厳密に規制することが可能となり、より良好な遊び抑制機構を構成することができる。
【００４８】
このようなベアリングを用いて振動シャフト４１を支承し、偏心ウェイト４２による遠心力の作用で前記遊びを積極的に活用することにより、振動シャフト４１を遊び量だけ回転軸に直交する方向へ振動させることができる。この振動により、振動シャフト４１に支承された工具カラー１２、及び砥石１４も振動し、第１の実施の形態と全く同様の効果を得ることができる。回転数の比、回転方向が任意に設定できること、当該振動付与機構をワークスピンドル側に適用できることも先の実施の形態と同様である。
【００４９】
図７（ａ）〜（ｄ）は、本実施の形態にかかる振動シャフト４１の軸に垂直な断面を示しており、偏心ウェイトの各種代替案を示す。図７（ａ）は、図４に示した偏心ウェイト４２を示し、振動シャフト４１の外周の一部に溶接などで固定される。図７（ｂ）は、振動シャフト４１の断面形状そのものをカム様に変化させて偏心ウェイト部４５を設けた例を示す。図７（ｃ）、（ｄ）は、逆に振動シャフト４１の一部を削除することによって偏心効果を生み出す例を示しており、図７（ｃ）ではシャフトの一部を面落しする例、図７（ｄ）は溝部を設ける例を示す。いずれの方法によっても、断面の重心が回転中心Ｃからずれており、このため振動シャフト４１が回転することによって一定の半径方向に遠心力を生じさせる。このように重心が回転中心Ｃからずれる断面部分を本明細書では「偏肉部」と呼ぶものとする。偏肉部を有する断面は、振動シャフト４１の軸方向の少なくとも一部に設けられていればよい。各偏肉量は、振動シャフト４１の外径、回転数などの要因を考慮して設定される。図７（ａ）〜（ｄ）に示す偏肉部は単なる例示であって、これらに限定されるものではない。
【００５０】
以上、本発明にかかるスピンドルへ振動を付与する振動付与機構の各実施の形態に付いて説明してきたが、本発明は上述した振動付与機構を備える加工装置をも包含している。当該加工装置には、例えば研削装置、ラッピング装置、ミリング装置、ドリル装置、バフ装置などが含まれる。
【００５１】
加えて、本発明は、上述の各実施の形態で説明した内容でスピンドルに振動を付与する振動付与方法、並びに当該振動付与方法を使用する加工方法をも包含している。すなわち、本発明にかかる振動付与方法は、回転可能に支承された中空円筒状のシャフトと、前記中空部を貫通して前記シャフトの軸方向両端で回転可能に支承されたスピンドルとの二重軸構造のスピンドルを備え、前記シャフトの軸方向両端で前記スピンドルを支承する部分を前記シャフトの回転中心に対して偏心して形成することより、もしくは前記シャフトの軸方向の少なくとも一部に偏肉部を設けて前記スピンドルを回転可能に支承するベアリングの遊びを利用することにより、前記スピンドルに振動を付与することを特徴とするものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる振動付与機構は、回転工具をワークに作用させて加工する産業分野に広く適用することができ、適用される各分野において生産性、経済性を高めることができる。特に、超硬質材料を研削、研磨する加工分野に好適に利用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明にかかる実施の形態の振動付与機構を示す部分断面図である。
【図２】本発明にかかる振動付与機構によって工具に与えられる移動軌跡を示す模式図である。
【図３】本発明にかかる振動付与機構を使用する研削の優位性を、従来技術による研削と比較して示すグラフである。
【図４】本発明にかかる他の実施の形態の振動付与機構を示す部分断面図である。
【図５】アンギュラ・ボールベアリング、テーパローラ・ベアリングの断面構成を示す模式図である。
【図６】図４に示す振動付与機構に設ける遊び抑制機構の例を示す部分断面図である。
【図７】図４に示す振動付与機構に使用される振動シャフトの代替案を示す断面図である。
【図８】研削装置の概要を示す説明図である。
【図９】従来技術に開示された振動付与装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、１ａ．振動付与機構、  ２．基台、  ３．ベアリング、  ４．加振シャフト、  ４ａ、４ｂ．偏心軸部、  ６．プーリ、  ７ａ、７ｂ．ベルト、  ８．モータ、  １１．ベアリング、  １２．カラー、  １３．砥石ホルダ、  １４．砥石、  １６．工具スピンドル、  １７．スピルドルホルダ、  １８．プーリ、  １９．ベアリング、  ２６．砥粒、  ２７．移動軌跡、  ３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ．ベアリング、  ４１．振動シャフト、  ４２．偏心ウェイト、  ４４．リテーナ、  ４６．偏肉部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005131737.tif 000009
【図８】
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【図９】
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