(57)【要約】【課題】バイトを２つの直動アクチュエータによって擬似回転させる切削加工装置において、小型で、切削駆動量の大きい切削駆動ユニットを実現する。【解決手段】切削駆動ユニット２０は、バイト１１と一体である可動部２２を板バネ２３によって懸下するメインフレーム２１と、可動部２２を矢印Ａ方向に振動させる電磁石２５と、矢印Ｂ方向に振動させる電磁石２６と、可動部２２の他成分方向であるＹ方向の側面を非接触で支持する静圧軸受を有する。主分力方向であるＸ方向の直動アクチュエータとして電磁石２６を用いることで、切削駆動量を大きくすることができる。また、電歪・磁歪素子を用いる場合に比べて切削駆動ユニット全体を小型化できる。【選択図】      図２
2005001042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる１個または複数の電磁石を用いることを特徴とする切削加工方法。
【請求項２】
被加工物の被加工面を切削する切削工具と、２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って２次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記可動部を前記主分力方向または前記背分力方向に振動させる１個または複数の電磁石を用いることを特徴とする切削加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子やその金型等の加工において、特に、曲率半径が小さくかつ一定でないトーリック形状等の自由曲面を切削工具により切削加工する場合に、良好な表面粗さを得ながら加工時間の短縮を図ることのできる切削加工方法および切削加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は一般的なフライカット方式の切削加工装置を示す。これは、被加工物Ｗ０  の長手方向を母線方向（Ｘ方向）、短手方向を子線方向（Ｙ方向）とした場合、母線方向と子線方向の曲率半径が異なるトーリック形状等の光学部品をモールド成形するための金型を切削加工するための装置であり、ダイヤモンドチップ１０２ａとシャンク１０２ｂからなる切削工具１０２をバイトホルダ１０３に取り付け、主軸１０４により切削工具１０２を回転させる。このとき、ダイヤモンドチップ１０２ａの先端半径は被加工物Ｗ０  の子線の曲率半径より小さく、また切削工具１０２の軸Ｏを中心とする旋回半径Ｒ１は被加工物Ｗ０  の母線の曲率半径Ｒ２より小さくなければならない。この状態で、子線方向に切削工具１０２と被加工物Ｗ０  を相対的に移動させることにより、微少な１ライン分をフライカット加工した後、母線方向に送りピッチＰで移動させ、これを繰り返すことにより、被加工物Ｗ０  の自由曲面全面を切削加工する。
【０００３】
加工時間は、要求される表面粗さとダイヤモンドチップ１０２ａの先端半径から決定される子線方向の移動速度と、旋回半径Ｒ１に基づく送りピッチＰによって決定される。
【０００４】
近年の光学部品は、光学部品を用いた機器の小型化、高性能化に伴って、光学部品が小型化する傾向を有し、かつ、複雑な自由曲面が求められている。このような高精度な光学部品の金型に要求されるスペックは、形状的には曲率が小さくなり、また、表面粗さにもさらなる向上が必要である。
【０００５】
このような要求に対応するには、上記のフライカット方式では、前述のように切削工具の旋回半径を被加工物の最も小さな曲率半径より小さくする必要があり、切削工具を主軸に固定するためのバイトホルダの軸径は旋回半径より小さくすることはもとより、被加工物との干渉を避けるためさらに細くする必要がある。また、旋回半径を小さくすると、同程度の表面粗さを得るためには母線方向の送りピッチを小さくする必要がある。
【０００６】
ところが、バイトホルダの軸径が小さくなると切削工具を保持するための剛性が低下し、切削抵抗によるびびり振動などの発生により、形状精度、表面粗さが低下する。また、送りピッチが小さくなることにより、単位面積あたりの加工時間が長くなる。
【０００７】
一方、一般的な切削装置の加工精度や切削効率を向上させるため、あるいは、非真円のピストンのような筒状体を高精度で加工する手段として、切削工具を強制的に振動させる振動切削加工法が提案されている（特開平７−６８４０１号公報および特開平１０−１６６２０４号公報参照）。これらの装置は、旋削加工やドリル加工において、切削抵抗の低減、加工精度の向上、工具寿命の向上を図る目的で切削工具を振動させるものである。
【０００８】
また、特開２０００−２１８４０１号公報では振動切削による自由曲面加工が提案されているが、共振を用いた超音波振動によるものであるため、刃先の再現性や運動軌跡が限定され、光学金型等に必要な精度（形状精度：５００ｎｍＰＶ、表面粗さ：Ｒｙ１００ｎｍ）を実用的な時間で加工することは不可能である。加えて、捻り振動を用いており、従って、往路と復路で同じ軌跡を逆に移動するため、鏡面加工に用いられるダイヤモンドバイトでは、逃げ面から被加工物に接触することで刃先のチッピングが発生することになる。
【０００９】
そこで、トーリック形状などの自由曲面を切削加工するために、直交する２軸の方向に伸縮する電歪素子や磁歪素子等の直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させながら、４軸同期ステージ等によってワークに対する送りを行う方式が検討されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
実際に光学素子の金型等を高精度に加工するためには、上記の方式では性能が不充分である。直交する２軸の方向に伸縮する２つの直動アクチュエータを用いて切削工具を楕円振動させる場合は、板バネガイドが加工点から離れた構成であるため剛性が弱く、表面粗さが劣化する。また、切削工具の主分力方向の移動量を大きくすると、弾性ヒンジを複数必要とするため、どうしても弾性ヒンジの変形量が大きくなるところが発生し、その繰り返し応力を弾性ヒンジが破断しない許容値以下にする必要があり、そのため切削工具の移動ストロークには限界がある。
【００１１】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、直交する２つの直動アクチュエータを用いて切削工具を擬似回転させながら、所望の自由曲面形状に送りを行う切削加工装置において、２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に電磁石を用いるとともに、剛性を強化するためのガイド手段を設けることで、高精度でしかも効率的な自由曲面等の切削加工を可能にする切削加工方法および切削加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の切削加工方法は、２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる１個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
例えば主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、送り方向の切削駆動ユニットの寸法を小型化し、かつ、切削工具の切削駆動量を大きくすることができる。また、静圧軸受等の剛性の高いガイド手段によって他成分方向を支持することで安定性を強化し、高精度な曲面加工を効率よく行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は一実施の形態による切削加工装置を示す模式図であって、この切削加工装置は、ＸＹ方向に２次元的な位置決めを行うＸＹステージ１と、Ｚ方向に往復移動自在なＺステージ２と、Ｙ軸のまわりに回転位置決めを行う回転ステージ３等を有する相対移動機構である４軸同期ステージ装置１０を備えており、ＸＹステージ１上の治具４に保持された被加工物であるワークＷ１  を切削する切削工具であるバイト１１と、バイト１１に切削運動を与える切削駆動ユニット２０とを有する。
【００１６】
図２は、図１の切削駆動ユニット２０のＸ方向に沿った断面を示すもので、切削駆動ユニット２０は、メインフレーム２１と可動部２２を有し、可動部２２の先端にバイトホルダ１２が固定され、バイトホルダ１２に、超硬シャンク１１ａにダイヤモンドチップ１１ｂを銀ろうづけされたバイト１１が固定されている。可動部２２の上端は図２の（ｂ）に示す十字形状の弾性部材である板バネ２３でメインフレーム２１内に吊ってあり、可動部２２の自重を受けている。また、可動部２２の板バネ２３の位置における自由度は、板バネ２３により主分力方向であるＸ方向と他成分方向であるＹ方向に拘束されている。
【００１７】
可動部２２は、図３に示すように、Ｙ方向の両側面をガイド手段である一対の静圧軸受２４によって非接触で支持されている。静圧軸受２４は、静圧軸受パッド２４ａと、可動部２２の側面である軸受面２４ｂを有し、バイト１１と一体である可動部２２は、静圧軸受２４によって完全にＹ方向を拘束されている。
【００１８】
このように板バネ２３と静圧軸受２４によって支持された可動部２２は、図２の矢印Ａに示す背分力方向であるＺ方向の直進運動、すなわち背分力方向の運動と、主分力方向の直進運動に近い矢印Ｂで示す円弧運動、すなわち板バネ２３のＸ、Ｙ方向の拘束点を回転中心とする、ワークＷ１  の被加工面に略垂直な平面であるＸＺ平面内の円弧運動が可能である。
【００１９】
メインフレーム２１の上端には、直動アクチュエータである電磁石２５が保持され、電磁石２５は可動部２２をＺ方向に振動させる。メインフレーム２１の下端には、電磁石２６が設けられ、可動部２２をＸ方向に振動させる。電磁石２５は可動部２２の上端に設けられたターゲット２７に対向し、電磁石２６は可動部２２の側面に設けられたターゲット２７に対向する。ターゲット２７の材質は純鉄に近い材料であり、可動部２２に接着されている。可動部２２は高周波数で動かすため軽量高剛性化が必要であり、このためにセラミックス系の材料を用いている。従って、ターゲット２７が必要であり、また、電磁石２５、２６の磁気回路の効率を上げる点でもターゲット２７は有効である。
【００２０】
メインフレーム２１の電磁石２６に対向する位置には永久磁石２８が配設され、可動部２２に対してＸ方向にオフセット力（永久磁石２８の吸引力）をかけている。電磁石２５、２６に入力する電流指令を調整することにより、バイト１１は矢印Ｃで示すような擬似回転運動を行うことができる。例えば、Ｚ方向にＳＩＮ波形の電流指令、Ｘ方向にＣＯＳ波形の電流指令を与えることにより、バイト１１の刃先は略円運動を行うことになる。その移動量は、電磁石２５によるＺ方向については、可動部２２の重量、板バネ２３の剛性、電磁石２５の発生力により決まる。Ｘ方向のアクチュエータである電磁石２６に関しては、オフセットの永久磁石２８の力、板バネ２３の剛性、電磁石２６の発生力により決定される。このため、圧電素子や磁歪素子などのストロークが限定されたものに比べて、電磁石２５、２６による主分力方向および背分力方向の移動量を大きく設計することが可能となる。
【００２１】
図４は各電磁石２５、２６として用いられる電磁石３０の構成を説明するもので、これはコイル３１を有し、コイル３１は、Ｅ字形状の珪素鋼板を積層したヨーク３２に巻回したものである。コイル３１、ヨーク３２はベース３３に取り付けられ電磁石３０を構成している。コイル３１への電流供給のため、コイルから引き出した配線３１ａに、アンプ（不図）および指令制御系（不図）を接続している。この指令制御系により、コイル３１に流す電流を変化させることによりヨーク３２に発生する力を制御している。また、コイル３１の上にプラスチック製の蓋３４をすることによりコイル３１を密閉し、冷媒を供給口３５から供給し、排出口３６から排出することにより、コイル３１の発熱を低減し、温度変動により生じる熱変位による可動部２２の位置変動を加工精度に対して問題の無いレベルにしている。
【００２２】
次に本発明の加工方法を図１および図５を用いて説明する。これは、トーリック形状の鏡面金型を加工するためのものであり、図１に示すように、４軸同期ステージ装置１０の回転ステージ３に保持された切削駆動ユニット２０によってバイト１１を切削駆動し、ＸＹステージ１とＺステージ２と回転ステージ３によってワークＷとバイト１１を相対移動させる。
【００２３】
すなわち、バイト１１が、直交した２方向に配置された電磁石２５、２６により擬似回転運動を行い、ワークＷ１  がＸＹステージ１によりＹ方向に走査運動を行い、それに伴い、Ｘ、Ｚ、ωＹ方向に各ステージが加工形状に合わせて同期して動くことにより、自由曲面の加工が進行する。Ｙ方向への走査が終了するとＸ方向にステップ移動し、再度Ｙ方向の走査運動を行う。これを繰り返すことによりワークＷ１  全面の加工を行う。
【００２４】
曲面加工時には図５に示すように、ワークＷ１  の自由曲面の傾斜（曲率）に合わせ回転ステージ３を制御し、加工点Ｓ１、Ｓ２においてはそれぞれ所定の角度で切削駆動ユニット２０全体が傾斜して、常にバイト１１が被加工面の法線Ｎの方向を向くようにして加工を行う。
【００２５】
このようにして、自由曲面の鏡面加工を自在に行うことができる。静圧軸受等のガイド手段と電磁石を用いることによりバイトの移動量を大きくすることができるため、刃先の回転運動の曲率を小さい曲率から大きい曲率まで対応することが可能になり、被加工面の曲率が大きければ、大きな円運動で加工し、逆に曲率が小さければ、小さな円運動で加工することにより、ワーク形状の曲率にあった円運動で加工を行うことができる。これによって加工効率を向上させ、加工時間を短くすることが可能となる。
【００２６】
本実施の形態においては、主分力方向と背分力方向の直動アクチュエータとしていずれも電磁石を用いたが、主分力方向のみ電磁石を用いて、背分力方向には電歪素子や磁歪素子を用いる構成でもよい。
【００２７】
図６は参考例を示す。この切削加工装置は、２つの電歪素子または磁歪素子６５、６６を主分力方向と背分力方向の２つの直動アクチュエータとして用いるものであり、バイト５１を保持するバイトホルダ５２は、メインフレーム６１内の可動部６２と一体である。
【００２８】
可動部６２は２つの板バネガイド（弾性変形ガイド）６３、６４により拘束されている。板バネガイド６３、６４は、図６の（ｂ）、（ｃ）に示すような形状をもち、この板バネ形状により、図２に示すものと同様のバイト５１の動きが可能となる。
【００２９】
この構成で、距離Ｌ２／Ｌ１に基づいて設定されるＸ方向の５０μｍ程度の変位を得るためには、各素子に引っ張りの力が掛からないために必要な予圧機構などを考慮するとＸ方向およびＺ方向の寸法がそれぞれ１００ｍｍ近い大型の切削駆動ユニットになる。また、アクチュエータ６５、６６を構成する素子に曲げの力がかからないようにするためにそれぞれ弾性ヒンジ６７、６８が必要である。
【００３０】
このようなユニットに比べて、本実施の形態では、直動アクチュエータに電磁石、可動部のガイド手段として静圧軸受等を用いることにより、格段に切削駆動量を大きくとることができる。すなわち、図６の装置では、Ｘ方向の移動量を大きくすると板バネの繰り返し応力により板バネの破断が発生し、移動量を大きくすることができないが、図２に示すように静圧軸受を用いることにより、繰り返し応力による制限が無くなり、可動部の移動量を多くすることができる。
【００３１】
また、圧電素子や磁歪素子を用いた場合は、アクチュエータのストロークに限界があるが、電磁石を用いると、電磁石の設計次第でストロークを拡大することが可能である。さらに、圧電素子や磁歪素子を用いた切削駆動ユニットは、前述のように全体の寸法が大きいため、切削駆動ユニットを傾けてバイト先端をワーク曲面に合わせて法線追跡させる場合（図５参照）には、ワークや治具とバイトが干渉するため、対応角度に制限があったが、本実施の形態においては、少なくとも一方の直動アクチュエータに電磁石を用いたコンパクトな切削駆動ユニットであるため、法線追跡の対応角度を拡大することができる。
【００３２】
本実施の形態による加工装置を用いると、ワーク形状の曲率範囲が、Ｒ３ｍｍ程度の小さい曲率からＲ５０ｍｍ以上の大きい曲率まで変化する形状であっても、短時間で金型等の鏡面加工を効率よく行うことができ、また、６０度程度の傾斜を有する自由曲面の金型でも加工可能である。
【００３３】
その結果、モールド成形される光学素子の設計自由度が広がり、付加価値の高い光学素子を作ることが可能になる。
【００３４】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【００３５】
本発明の切削加工方法は、２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、前記２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向または背分力方向に振動させる１個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【００３６】
また、２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似回転させながら、前記切削工具を被加工物に対して相対移動させることで前記被加工物の被加工面を切削する切削加工方法であって、一方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内で主分力方向に振動させる電磁石を用いるとともに、他方の直動アクチュエータとして、前記切削工具を前記平面内で背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を用いることを特徴とする切削加工方法でもよい。
【００３７】
本発明の切削加工装置は、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って２次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記２つの直動アクチュエータのうちの少なくとも一方に、前記可動部を前記主分力方向または前記背分力方向に振動させる１個または複数の電磁石を用いることを特徴とする。
【００３８】
また、被加工物の被加工面を切削する切削工具と、２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を前記被加工面に対して略垂直な平面内の主分力方向と背分力方向にそれぞれ個別に振動させることによって擬似回転させる切削駆動ユニットと、前記切削駆動ユニットを前記被加工物に対して相対移動させるための相対移動機構とを有し、前記切削駆動ユニットが、前記切削工具と一体である可動部と、前記可動部を前記平面に沿って２次元的に案内するガイド手段とを備えており、前記２つの直動アクチュエータの一方が前記可動部を前記主分力方向に振動させる電磁石を有し、他方が前記可動部を前記背分力方向に振動させる電歪素子または磁歪素子を有することを特徴とする切削加工装置でもよい。
【００３９】
前記ガイド手段が、前記可動部の両側面を非接触で案内する静圧軸受を有するとよい。
【００４０】
前記ガイド手段および前記２つの直動アクチュエータを支持するメインフレームと、前記可動部を前記メインフレーム内に懸下する弾性部材と有し、前記弾性部材が一方の直動アクチュエータの近傍に配設されているとよい。
【００４１】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４２】
切削工具が被加工物に対して主分力方向と背分力方向に運動（振動）する加工装置において、少なくとも主分力方向の直動アクチュエータに電磁石を用いることで、他成分方向の剛性が強く、また、主分力方向の移動量の大きい切削駆動ユニットを実現できる。このような切削加工装置を用いることで、場所により形状曲率が変化するトーリックなどの光学金型の鏡面加工を、高精度でしかも効率良く行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による切削加工装置を示す模式図である。
【図２】図１の切削駆動ユニットを示すもので、（ａ）はＸ方向の断面図、（ｂ）は（ａ）の板バネの形状を示す斜視図である。
【図３】図１の切削駆動ユニットを示すＹ方向の断面図である。
【図４】図２の電磁石の構成を説明する図である。
【図５】ワークの曲面を切削加工する工程を説明する図である。
【図６】参考例を説明する図である。
【図７】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
１    ＸＹステージ
２    Ｚステージ
３    回転ステージ
４    治具
１０    ４軸同期ステージ装置
１１    バイト
１２    バイトホルダ
２０    切削駆動ユニット
２１    メインフレーム
２２    可動部
２３    板バネ
２４    静圧軸受
２５、２６、３０    電磁石
３１    コイル
３２    ヨーク
３３    ベース
３４    蓋
【図１】
2005001042.tif 000003
【図２】
2005001042.tif 000004
【図３】
2005001042.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2005001042.tif 000008
【図７】
2005001042.tif 000009