(57)【要約】【課題】  線膨張係数が小さな保持部材によって高精度の加工を可能にする振動切削ユニットであって、切削工具の着脱を繰り返しても工具取付面が破損し難い振動切削ユニットを提供すること。【解決手段】  ツール部２１先端に設けた溝２１ｘの内面には、下地部分ＳＢよりも硬度の大きな表面被覆層ＳＦが形成されている。このような表面被覆層ＳＦは、溝２１ｘの下側において工具取付面ＳＳを形成するので、工具取付面ＳＳの硬度を高めることができる。本実施形態のように、工具取付面ＳＳの硬度を高くした場合、切削工具２３の着脱を繰り返しても、工具取付面ＳＳに傷や変形が生じにくいので、切削工具２３をしっかり固定することができ、振動体８２の発熱若しくは加熱を低減できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具取付面を介して切削工具を支持可能であるとともに、当該切削工具を支持した場合に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であって、
前記工具取付面を含む支持部分において下地よりもビッカース硬度が大きな表面被覆層を有する切削用振動体。
【請求項２】
前記表面被覆層は、ビッカース硬度で４００Ｈｖ以上の材料で形成される請求項１記載の切削用振動体。
【請求項３】
前記下地は、線膨張係数が−２×１０−６以上２×１０−６以下の材料で形成される請求項１及び請求項２のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項４】
前記下地は、インバー、スーパーインバー、及びステンレスインバーのうち少なくとも１つで形成される請求項３記載の切削用振動体。
【請求項５】
前記表面被覆層は、電解メッキによって形成される請求項１から請求項４のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項６】
前記表面被覆層は、硬質Ｃｒメッキによって形成される請求項１から請求項５のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項７】
前記表面被覆層は、無電解メッキによって形成される請求項１から請求項４のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項８】
前記表面被覆層は、少なくともＮｉ及びＰを含むメッキで形成される請求項７記載の切削用振動体。
【請求項９】
前記表面被覆層は、少なくともＮｉ及びＢを含むメッキで形成される請求項７記載の切削用振動体。
【請求項１０】
前記表面被覆層は、熱処理によって硬化されたものである請求項５から請求項９のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項１１】
前記表面被覆層に、表面加工処理を施した請求項６から請求項１０のいずれか一項記載の切削用振動体。
【請求項１２】
請求項１から請求項１１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支持される前記切削工具と、
前記切削工具を前記切削用振動体に着脱可能に固定する固定手段と、
を備える振動切削ユニット。
【請求項１３】
前記振動体に振動を与えることによって、当該振動体を介して前記切削工具を振動させる振動源をさらに備える請求項１２記載の振動切削ユニット。
【請求項１４】
請求項１２及び請求項１３のいずれか一項記載の振動切削ユニットと、
前記振動切削ユニットを駆動することによって変位させる駆動装置と、
を備える加工装置。
【請求項１５】
請求項１２及び請求項１３のいずれか一項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。
【請求項１６】
請求項１２及び請求項１３のいずれか一項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子用の成形金型その他を形成するための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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【特許文献１】特開２０００−５２１０１号公報
【特許文献２】特開２０００−２１８４０１号公報
【特許文献３】特開平９−３０９００１号公報
【特許文献４】特開２００２−１２６９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、振動体である保持部材として、例えばクロムモリブデン鋼のような比較的高硬度（ビッカース硬度でＨｖ３７０〜４００程度）の材料が使用可能であるが、クロムモリブデン鋼は、線膨張係数（１１．０×１０−６）が大きく、切削工具刃先の位置変動が大きくなる傾向がある。特に、振動切削加工では、切削工具を高速振動させることに起因して、保持部材のある程度の発熱が避けられない。よって、単位切込量が例えば１００ｎｍ以下の高精度加工の場合、クロムモリブデン鋼のような比較的線膨張係数の大きな材料を用いると、切削工具刃先の位置変動が大きくなって、加工精度を高くすることが極めて困難になる。
【０００６】
また、振動体である保持部材として、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の使用も可能であるが、通常のセラミックス材料は振動に弱く容易にクラックを発生するので、保持部材の耐久性を高めることは容易でないという結果を得た。
【０００７】
また、振動体である保持部材として、低線膨張係数の合金材料等の使用も可能であるが、これらの材料の硬度は一般に低く、切削工具の着脱を繰り返すと工具取付面に傷や変形が生じて切削工具をしっかり固定できなくなり、そのため高速振動により工具取り付け面や取り付けネジで無視できない摩擦発熱が生じるという結果を得た。
【０００８】
そこで、本発明は、切削工具の着脱を繰り返しても工具取付面が破損し難い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。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る切削用振動体は、工具取付面を介して切削工具を支持可能であるとともに、当該切削工具を支持した場合に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であって、前記工具取付面を含む支持部分において下地よりもビッカース硬度が大きな表面被覆層を有する。
【００１１】
上記切削用振動体では、工具取付面を含む支持部分において下地よりもビッカース硬度が大きな表面被覆層を有するので、下地が低線膨張係数の合金材料等で形成されビッカース硬度が低くても、工具取付面のビッカース硬度を一定範囲で必要なだけ高めることができ、切削工具の着脱を繰り返しても工具取付面やその下地が破損しにくく特性が劣化しない切削用振動体を提供することができる。なお、表面被覆層を設けない場合、切削工具の着脱を繰り返すと工具取付面に傷や変形が生じて切削工具をしっかり固定できなくなる可能性がある。このような場合、切削工具との間で過度の摩擦発熱が生じて切削用振動体の工具取り付け部分は容易に１００℃を越えるため、低線膨張係数の材料でできている切削用振動体であっても大きく膨張するので、切削用振動体の例えば先端に固定される切削工具先端が大きく変位して切削加工の精度が低下してしまう。
【００１２】
また、本発明の具体的な態様では、上記振動切削装置において、表面被覆層がビッカース硬度で４００Ｈｖ以上の材料で形成される。この場合、切削工具の着脱を繰り返しても工具取付面やその下地がほとんど劣化しないことが実験的に確かめられ、切削用振動体の寿命を長くして加工精度を高く維持することができる。表面被覆層の形成材料のビッカース硬度については、より好ましくは５００Ｈｖ以上とするが、５０００Ｈｖを上限とする。なお、上記ビッカース硬度は、マイクロビッカース硬度計を用いることによって計測される材料表面の硬度を意味する。
【００１３】
本発明の別の態様では、下地が、線膨張係数が−２×１０−６以上２×１０−６以下の材料（以下、単に「低線膨張材料」又は「低線膨張係数の材料」ともいう。）で形成される。この場合、切削工具の支持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、切削用振動体の振動部分の本体を低線膨張材料で形成した場合、切削用振動体の膨張を大きく低減することができるので、切削用振動体の例えば先端に固定される切削工具先端が切削加工中に大きく変位することを防止でき、切削加工の精度向上を達成できる。
【００１４】
本発明のさらに別の態様では、下地が、インバー、スーパーインバー、及びステンレスインバーのうち少なくとも１つで形成される。この場合、工具取付け部や加工環境の温度変化に対して切削用振動体の膨張が極めて小さくなり、振動源等が発熱しても切削用振動体の熱膨張を抑えることができ、高精度の切削加工が可能になる。
【００１５】
本発明のさらに別の態様では、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、振動切削ユニットに電力等を供給することで必要な振動を生じさせることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層が電解メッキによって形成される。この場合、表面被覆層の形成が比較的容易になりコストも抑えることができる。
【００１７】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層が硬質Ｃｒメッキによって形成される。この場合、表面被覆層として十分な硬度を得ることができる。
【００１８】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層が無電解メッキによって形成される。この場合、下地とメッキ材料との化学反応によってメッキが進行するので、下地の形状によらず均一な膜厚の表面被覆層を得ることができる。
【００１９】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層が、少なくともＮｉ及びＰを含むメッキで形成され、或いは少なくともＮｉ及びＢを含む無電解メッキで形成される。この場合、表面被覆層として十分な硬度を得ることができる。なお、無電解Ｎｉ−Ｂメッキはビッカース硬度が高くメッキ膜にクラックが生じにくく、無電解Ｎｉ−Ｐメッキは低コストで経済的であり、無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキはビッカース硬度が高く耐磨耗性が良い。
【００２０】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層が熱処理によって硬化されたものである。この場合、メッキ層からなる表面被覆層のビッカース硬度を上昇させることができる。具体的には、例えば表面被覆層が３００℃で数時間熱処理される。この場合、下地の材料が低線膨張材料である場合において、熱処理温度による組織の変態を生じないのでその線膨張係数を劣化させることなくメッキ層からなる表面被覆層を高硬度化することができる。また、下地とメッキ層の材料が互いに拡散して、メッキ層の付着強度が向上する。
【００２１】
本発明のさらに別の態様では、表面被覆層に表面加工処理を施している。この場合、表面被覆層を表面加工処理によって平滑化することができ、切削工具と工具取付面との密着性をより高めることができ、工具取付面での発熱を低減することができる。
【００２２】
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、（ｃ）切削工具を切削用振動体に着脱可能に固定する固定手段とを備える。
【００２３】
上記振動切削ユニットでは、切削用振動体が切削工具用の支持部分において下地よりもビッカース硬度が大きな表面被覆層を有するので、切削工具の着脱を繰り返しても工具取付面やその下地が破損しにくく切削特性の劣化を抑制できる。
【００２４】
また、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）振動切削ユニットを駆動することによって変位させる駆動装置とを備える。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
〔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用いて説明する。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。
【００２９】
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。
【００３０】
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（或いはＸ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。
【００３１】
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（或いはＸ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。
【００３２】
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ようになっている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
筐体８６は、円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を支持・固定する部分である。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供給される。
【００３７】
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。
【００３８】
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先端の側面図である。
【００３９】
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、ハイス鋼等によって形成されており、軽量でありながら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の尖端２３ａは、工具軸ＡＸの延長上に配置されている。
【００４０】
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面に沿って形成され溝２１ｘ内に挿入されている。溝２１ｘは、ＸＹ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、ツール部２１の材料と同一の材料等で形成された２つの固定ネジ２５，２６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。固定孔２１ｈを充填する一方の固定ネジ２５は、皿ネジであり、ナット２７と協働して切削工具２３を固定するための締結部材として機能する。また、固定孔２１ｇを充填する他方の固定ネジ２６は、平ネジであり、固定ネジ２５の抜けを防止するための係止部材として機能する。なお、固定孔２１ｇの内径は、固定ネジ２５を通すため固定孔２１ｈの内径よりも大きくなっている。また、固定孔２１ｈ，２１ｇは、Ｙ軸方向に延びており、固定ネジ２５，２６及びナット２７による締付け方向は、工具軸ＡＸに直交する。
【００４１】
組立に際しては、まず先端部２１ａの上側に設けた固定孔２１ｈ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を挿通させ先端側にナット２７を螺合させる。この際、切削工具２３の固定部分２３ｅが固定ネジ２５のヘッド部と溝２１ｘの内面とに挟まれて締付けられ、固定部分２３ｅが上面側から固定されるので、切削工具２３の分離が防止され切削工具２３の先端部２１ａに対する固定が確保される。次に、先端部２１ａの上側に設けた固定孔２１ｈに固定ネジ２６をねじ込んで固定する。こうしてねじ込まれた固定ネジ２６の先端部分により、固定ネジ２５が上端から締付けられ、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の振動や緩みを低減することができる。また、固定ネジ２６は、工具取付け部のＹ方向の重量を工具軸ＡＸに対するバランスを対称に配置する効果があり、工具取り付け部の不要振動の発生を防ぎ安定した基本振動を実現する。
【００４２】
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手段である固定ネジ２５，２６及びナット２７は、振動体８２と同様の線膨張係数を有する材料を用いることが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の線膨張係数の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。この場合、ツール部２１と固定ネジ２５，２６とが同様に膨張することになり、温度変化に拘らず切削工具２３を安定して確実に固定することができる。さらに、固定ネジ２５，２６及びナット２７の材料としては、加工の容易性等を考慮すると、シャンク２３ｂと同様に超硬材料の他、セラミックス材料、ハイス鋼等が適するが、窒化珪素、サイアロン、インバー材、ステンレスインバー材等を用いることもできる。また、固定ネジ２５，２６やナット２７は、振動体８２の振動にノイズ等を与えない観点で、振動体８２の材料の比重と略等しい比重を有する材料で形成することが望ましい。具体的には、その他の加工条件にも依存するが、振動体８２の比重の０．７５〜１．２５倍程度が実用的である。一般的には、固定ネジ２５，２６と振動体８２とを同一材料で作製することになるが、固定ネジ２５，２６やナット２７と振動体８２とを異なる材料で形成することもできる。
【００４３】
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。またワーク上の加工点に、開口９１ａから加圧乾燥空気を噴射させることができるので、ワークを確実に冷却することができ、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、切削工具２３による加工精度を高めることができる。
【００４４】
図３（ａ）は、ツール部２１の先端部２１ａに形成された溝２１ｘ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。溝２１ｘの下側は、切削工具２３を支持するための支持部分２１ｓとなっており、切削工具２３を支持して振動を伝達する。つまり、切削工具２３の固定部分２３ｅの下面２３ｕは、溝２１ｘの下側表面、すなわち支持部分２１ｓの上側表面である工具取付面ＳＳに密着した状態で支持されている。なお、切削工具２３は、図２の固定ネジ２５，２６等によって支持部分２１ｓに締め付けられており、切削工具２３の下面２３ｕが工具取付面ＳＳに圧着される。なお、切削工具２３の下面２３ｕが工具取付面ＳＳに密着しないと、振動体８２の振動によって工具取付面ＳＳでかなりな摩擦熱が発生し、振動体８２の温度が大きく変動する可能性がある。このように振動体８２の温度が変動すると、振動体８２が膨張したり収縮したりするので、切削工具２３の先端２３ａの位置が工具軸ＡＸ方向に大きく変位する。結果的に、切削工具２３の先端２３ａの振動位置の制御が困難になり、ワーク上の加工精度が低下する。
【００４５】
溝２１ｘの内面には、下地部分ＳＢよりもビッカース硬度が大きな表面被覆層ＳＦが形成されている。このような表面被覆層ＳＦは、溝２１ｘの下側において工具取付面ＳＳを形成する。つまり、表面被覆層ＳＦのうち、溝２１ｘの下側表面は工具取付面ＳＳとなっており、支持部分２１ｓ上面のビッカース硬度を高めている。工具取付面ＳＳのビッカース硬度が仮に低いとすると、切削工具２３の着脱を繰り返すと、工具取付面ＳＳにカエリと呼ばれる傷やネジの締め付けによる変形が生じて、切削工具２３をしっかり固定できなくなり、振動体８２が大きく発熱若しくは加熱される。一方で、本実施形態のように、工具取付面ＳＳのビッカース硬度を高くした場合、切削工具２３の着脱を繰り返しても、工具取付面ＳＳに傷や変形が生じにくいので、切削工具２３をしっかり固定することができ、振動体８２の発熱若しくは加熱を低減できる。
【００４６】
本実施形態の振動切削ユニット２０において、振動体８２の本体部分、特に下地部分ＳＢ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。
【００４７】
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８１の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。
【００４８】
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８１の刃先位置の温度ドリフトを抑制できる。
【００４９】
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８１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８１を保持固定する構造材料として適している。
【００５０】
ただし、以上説明したインバー材等の低線膨張材料は、ビッカース硬度で２００Ｈｖ程度と比較的硬度が低く、これらの表面に直接切削工具２３を支持した場合、表面に傷が発生しやすい。よって、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材料からなる下地部分ＳＢの表面に、これら低線膨張材料よりも高いビッカース硬度を有する表面被覆層ＳＦを形成することで、工具取付面ＳＳすなわち溝２１ｘの強度を高めることができる。表面被覆層ＳＦについては、ビッカース硬度で４００Ｈｖ以上、特に５５０Ｈｖ以上（上限５０００Ｈｖ）の材料で形成することが耐久性の観点で望ましく、メッキによって形成する各種保護膜が製造方法の多様性や簡易さの観点で適する。メッキ保護膜としては、例えば電解メッキを用いることができる。電解メッキは、表面被覆層ＳＦの形成が比較的容易になり製造コストも抑えることができる。また、メッキ保護膜としては、無電解メッキを用いることもできる。無電解メッキは、下地部分ＳＢとメッキ材料との化学反応によってメッキが進行するので、下地部分ＳＢが溝２１ｘのように窪んだ形状であっても、均一な膜厚の表面被覆層ＳＦを得ることができる。なお、表面被覆層ＳＦをメッキによって形成する場合、その厚みは１μｍ以上とすることが望ましいが、特に上限はない。表面被覆層ＳＦが１μｍ以上あれば、表面被覆層ＳＦの強度を切削工具２３について一定の使用期間や交換回数で維持することができる。
【００５１】
表面被覆層ＳＦをメッキ保護膜とする場合、下地部分ＳＢの表面上にメッキ層を成膜した後、メッキ層に適当な温度及び時間で熱処理を施すことによって表面被覆層ＳＦを完成することができる。メッキ層の熱処理は、１００℃以上８００℃以下の温度で、１〜３時間程度の処理時間とすることが望ましい。ただし、熱処理を１時間程度連続して施すような場合に、熱処理温度を高温にし過ぎると、下地部分ＳＢすなわち振動体８２の低線膨張材料が変態して熱膨張係数が増加するという実験結果を得ており、下地部分ＳＢがインバー材、スーパーインバー材、ステンレスインバー材等である場合には、熱処理温度を４００℃以下とすることが望ましい。特に、３００℃程度の温度で１〜３時間程度の処理時間で、メッキ層の熱処理を施すことがより望ましい。なお、表面被覆層ＳＦをメッキ保護膜とする場合には、表面にクラックが生じやすいか否かも問題となる可能性がある。表面被覆層ＳＦの表面にクラックが形成された場合、結果的に表面被覆層ＳＦの強度が低下するからである。このため、電解メッキと無電解メッキのいずれにおいても、クラックの生じにくい成膜材料や成膜工程を検討する必要がある。
【００５２】
表面被覆層ＳＦを電解メッキによって形成する場合、例えば硬質Ｃｒメッキが適する。硬質Ｃｒメッキは、ビッカース硬度８００〜９００Ｈｖ程度となる。
【００５３】
表面被覆層ＳＦを無電解メッキによって形成する場合、例えば無電解Ｎｉ−Ｂメッキ、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ、無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキ、無電解Ｎｉ−Ｃｏメッキ等が適する。
【００５４】
無電解Ｎｉ−Ｂメッキをステンレスインバー材で形成されている振動子の工具取付面に施した。
無電解Ｎｉ−Ｂメッキは、無電解メッキの中でもビッカース硬度が高く、メッキ膜にクラックが生じにくい。無電解Ｎｉ−Ｂメッキの場合、膜厚２５μｍ、処理温度３００℃、処理時間１時間で、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度が９８５Ｈｖとなった。また、膜厚３５μｍ、処理温度３００℃、処理時間２時間で、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度が６５０Ｈｖとなった。その結果、工具取付面ＳＳの硬度が向上した。
なお、切削工具２３を振動子８２に締結する際に、従来は１００ｃＮ・ｍの締結トルクで切削工具２３が食い込み、工具取付面が変形し、工具のエッジ部分が引っかかると、工具取付面に傷が入り、それがカエリとなることがあった。また、工具取付面の変形により、切削工具２３が振動子８２に密着しなかった場合、振動中に切削工具２３がずれてしまい、工具取付面と切削工具２３間での摩擦熱が発生する。その時の振動子８２の工具取付面近傍温度を放射温度計で測定したところ、数十秒で８０℃以上に上昇していた。これでは、工具刃先２３ａの位置が大きく変化することが容易に予想される。
しかし、本実施例による無電解Ｎｉ−Ｂ被膜を施すことで、２４０ｃＮ・ｍのトルクでネジを強く締めこんでも、切削工具２３が工具取付面ＳＳに食い込まなくなり、カエリや工具取付面ＳＳの変形が発生しなくなった。さらに、本実施例により工具取付面ＳＳが変形しなくなったことで、切削工具２３が振動子８２に密着し、振動中の温度上昇は、１．１℃に留まった。さらに、工具取付面ＳＳの変形が抑えられたため、切削工具２３を繰り返し脱着しても、切削工具２３を常に強固に固定できるので、工具刃先位置の変動を極力抑えることができ、光学面及び転写光学面（以下、転写光学面を単に光学光学面ともいう）の高精度加工を行うことができた。効果の検証として、凹Ｒ３ｍｍ球面を加工したところ、形状精度５０ｎｍＰＶの光学鏡面加工を達成できた。加えて、従来実施していた工具取付面ＳＳ再生のための、振動子８２の分解、工具取付面ＳＳの再加工が不要となった。
【００５５】
次に、無電解Ｎｉ−Ｐメッキをインバー材で形成されている振動子の工具取付面ＳＳに施した。
無電解Ｎｉ−Ｐメッキは、無電解Ｎｉ−Ｂメッキに比較してビッカース硬度は多少低いが、低コストで経済的である。無電解Ｎｉ−Ｐメッキは、無電解Ｎｉ−Ｂメッキと同等のビッカース硬度にしようとすると、長時間の熱処理が必要となり、そのためメッキ被膜が結晶化し、クラックが発生しやすくなる。無電解Ｎｉ−Ｐメッキの場合、膜厚２５μｍ、処理温度３００℃、処理時間３時間で、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度が５５０Ｈｖとなった。
この結果、工具取付面ＳＳが高硬度化され、前述したように従来１００ｃＮ・ｍの締結トルクで工具取付面ＳＳが変形していたものが、１６０ｃＮ・ｍのトルクまでは正常に振動した。しかし、１７０ｃＮ・ｍのトルクで締結し、振動を行ったところ、前述の無電解Ｎｉ−Ｂメッキでの密着不足の時のように、工具取付面ＳＳ付近の温度が急激に上昇し数十秒で８０℃以上となった。切削工具２３を取り外して、工具取付面ＳＳを確認したところ、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ層に無数のクラックがあり、所々メッキ層すなわち表面被覆層ＳＦが剥がれていた。クラックは、メッキ後の熱処理時間が３００℃で５時間と長かったため多く発生し、その結果、振動によりメッキ層が剥がれ、切削工具２３と工具取付面ＳＳがしっかり密着しなくなり、摩擦熱が発生したと思われる。熱処理時間が３００℃で１時間であった場合は、５００Ｈｖと硬度は小さいがクラックは発生せず、１７０ｃＮ・ｍのトルクで締結しても、カエリや変形は生じなかった。
従って、メッキ後の熱処理の適切な温度や時間はメッキ材料によって違うことが考えられ、本実施例の無電解Ｎｉ−Ｐメッキでは、３００℃で１時間の熱処理が良く、振動させたときに工具取付面ＳＳ近傍の温度を放射温度計で測定したところ、振動中の温度上昇は１．３℃であった。このことから、切削工具２３を従来よりも大きな締め付けトルクで固定しても、工具取付面が変形せず、強固に密着して固定されており、本発明の効果が見られた。
【００５６】
次に、無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキをスーパーインバー材で形成されている振動子８２の工具取付面ＳＳに施した。
無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキは、比較的ビッカース硬度が高く、ＳｉＣ粒子を含むため耐摩耗性が良くなる。しかし、無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキは、ＳｉＣ微粒子を共析させることでビッカース硬度を高くしており、めっき被膜の破壊じん性は小さく、クラックが発生しやすいものとなっている。無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキの場合、膜厚３５μｍ、処理温度３００℃、処理時間２時間で、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度が８０５Ｈｖとなった。
この結果、工具取付面ＳＳは高硬度化され、前述したように、従来１００ｃＮ・ｍの締結トルクで工具取付面が変形していたものが、１９０ｃＮ・ｍのトルクまでは正常に振動していた。しかし、２００ｃＮ・ｍのトルクで締結し、振動を行ったところ、前述の無電解Ｎｉ−Ｐメッキの時と同様に、工具取付面ＳＳ付近の温度が急激に上昇し数十秒で８０℃以上となった。切削工具２３を取り外して、工具取付面ＳＳを確認したところ。無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキ層に無数のクラックがあり、所々メッキ層すなわち表面被覆層ＳＦが剥がれていた。さらに、切削工具２３の工具取付面ＳＳ側にも無数の擦り傷が見られた。これは、無電解Ｎｉ−Ｐ／ＳｉＣメッキ層表面にあるＳｉＣ粒子に対し、シャンク２３ｂはＳｉＣより硬度の低い超硬や例えば窒化珪素というセラミックスであったため発生したと考えられる。また、クラックは、ＳｉＣ粒子を含んでいることからメッキ層すなわち表面被覆層ＳＦの破壊靭性が小さく、切削工具２３の工具取付面ＳＳ側のエッジ部でメッキ層への応力集中が起こり、そこから発生したと考えられる。本実施例では、切削工具２３の締結トルクは１９０ｃＮ・ｍが限界であり、実用上は安全率を見て１７０ｃＮ・ｍで使用している。このとき、クラックも入らず、切削工具２３についた擦り傷や工具取付面ＳＳのカエリや変形も見られなかった。ここでも、工具取付面ＳＳ近傍の温度測定を行ったが、振動中の温度は、１．２℃しか上昇しなかった。このことからも、切削工具２３を従来よりも大きな締め付けトルクで固定しても、工具取付面が変形せず、強固に密着して固定されており、本発明の効果が見られた。
【００５７】
その他、無電解Ｎｉ−Ｃｏメッキ，無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｃｏメッキ，無電解Ｎｉ−Ｂ−Ｗメッキ，無電解Ｎｉ−Ｐ−Ｂメッキ，無電解Ｃｏ−Ｐメッキも使用可能で、メッキの形成条件や熱処理にもよるが、６００〜９５０Ｈｖ程度のビッカース硬度が得られる。
【００５８】
また、表面被覆層ＳＦを形成する方法は、メッキに限らず、プラズマや高速フレームを用いた溶射とすることができる。溶射の材料としては、ＳｉＣ、ＷＣ、Ａｌ２Ｏ３、ジルコニア等を用いることができる。また、表面被覆層ＳＦとして、ＤＮＦ（ダイアモンドニアフィルム）やＤＬＣ膜を用いることもできる。ＤＮＦやＤＬＣ膜を形成する温度は２００℃以下であり下地部分ＳＢに与えるダメージが少なく、４２００〜５０００Ｈｖ程度の高いビッカース硬度が得られる。
【００５９】
振動体８２すなわち下地部分ＳＢの表面に形成する表面被覆層ＳＦについては、例えば電解メッキや無電解メッキ、或いは溶射によって得た表面層を研磨加工することによって表面被覆層ＳＦの表面すなわち工具取付面ＳＳを平滑化することが望ましい。このように、工具取付面ＳＳの表面を平滑化して工具取付面ＳＳの平行度を高めることで、切削工具２３と工具取付面ＳＳとの密着性をより高めることができ、工具取付面ＳＳからの発熱を低減することができる。表面被覆層ＳＦの表面を研磨する場合、電解メッキ、無電解メッキ、溶射等による成膜を５０μｍ以上とすることが望ましく、研磨によって平行度を高める工程が容易になる。なお、本実施形態では、ツール部２１の先端部２１ａに溝２１ｘを形成してこの溝２１ｘに切削工具２３を固定しているが、溝２１ｘに代えて段差に切削工具２３を固定する場合、工具取付面ＳＳが外向きであるから研磨が容易となる。また、工具取付面ＳＳを平滑化する手段としては、研磨加工に限らず、研削、切削等の各種表面加工法を用いることができる。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材料は、柔らかいため、研削加工が困難で、工具取付面ＳＳの加工精度を高めることが容易でなかったが、ビッカース硬度の高い表面被覆層ＳＦの研削加工は容易で精度も確保しやすい。
【００６０】
また、表面被覆層ＳＦを形成する方法としては、下地部分ＳＢの表面に超硬、ＳｉＣ、ジルコニア、アルミナ等の薄板状材料を、高周波加熱等を利用してろう付けすることもでき、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度を１８００Ｈｖ程度とすることができる。同様に、下地部分ＳＢの表面に超硬、ＳｉＣ等の導電性薄板状材料を、スポット溶接等を利用してろう付けすることもでき、表面被覆層ＳＦのビッカース硬度を１８００Ｈｖ程度とすることができる。
【００６１】
なお、以上の実施形態では、ツール部２１の先端部２１ａに形成された溝２１ｘの内面を表面被覆層ＳＦによって保護しているが、固定ネジ２６と螺合する固定孔２１ｇの内面も表面被覆層ＳＦによって保護することができる。これにより、固定ネジ２６を締結する際の摩擦を低減でき、ネジ山保護の効果が認められた。
【００６２】
その他、振動子８４については、振動体８２の本体部分と共通するインバー材、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材料で形成することが望ましい。
【００６３】
〔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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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）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。
【００７０】
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。
【００７１】
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ＯＳ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。
【００７２】
ここで、本実施形態による振動子８２の工具取付面ＳＳを無電解Ｎｉ−Ｂメッキした振動切削装置１０での加工実施例の詳細を述べる。本実施例に係る転写光学面の加工は、加工装置１０に示す旋回軸を有した超精密加工機により実施した。
被加工物すなわちワークＷの材料には、タンガロイ社のマイクロアロイＦ（１８５０Ｈｖ）を用いた。ワークＷに形成すべき非球面光学面形状は、近似Ｒ凹０．９ｍｍ程度で、中心曲率半径１．３３ｍｍ、最大見込み角は、６５°という小さく深い凹光学面である。
光学面となる面には、予め、放電加工にて凹球面に加工し、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切削加工を行った。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、非球面形状に仕上げた。
次に、加工装置１０により、本発明の振動切削装置を用いて切削仕上げ加工を行った。
ダイヤモンド工具すなわち切削工具２３の加工用チップ２３ｃは、先端すくい面が３０°に尖った剣先形状バイトであり、切れ刃のすくい面Ｓ１（すくい面とは、図３（ｂ）に示すように、切削工具２３における切削加工材料の切削に寄与する面をいう）の先端円弧半径は１μｍ以下、逃げ面Ｓ２の逃げ角α（逃げ角とは、図３（ｂ）に示すように、逃げ面Ｓ２またはその延長線の切り込み点における接線と、切削点における加工面の接線が成す角度をいう）は５°であり、すくい面が切り込み点において成す角度は−２５°で、この時の切り込み量は１μｍである。本振動切削では、軸方向、撓み方向それぞれに振動し、刃先軌跡は円運動もしくは楕円運動を行う。その結果、すくい面ですくい上げるように切削するため、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。また、加工光学面を取り付けた主軸回転数は３４０ｒｐｍ、送り速度は０．２ｍｍ／ｍｉｎで切削加工を行った。
切削加工後、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。結果は、図６に示すとおり、平均表面粗さがＲａ２．５８ｎｍであり、実用十分な光学鏡面が得られた。加工形状精度は、松下電器産業製の三次元形状測定器ＵＡ３Ｐで測定し、１回目の加工で１００ｎｍＰＶ程度の加工形状誤差となった。その形状誤差を補正するような加工プログラムを作成し、補正加工を行ったところ、図７に示すような形状誤差５０ｎｍＰＶの結果が得られた。
また、本実施例の切削加工では、１本目の光学面加工に使用した工具と形状補正入りＮＣプログラムで２本目の光学面を切削加工し、１本目の光学面精度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。
このようにして、１本のダイヤモンド工具すなわち加工用チップ２３ｃで加工を続けて計６本まで光学面を切削加工することができ、全て、平均表面粗さ３ｎｍ以下、形状誤差５０ｎｍ以下の非球面光学面を創製加工することができた。この切削加工後のダイヤモンド工具すなわち加工用チップ２３ｃの刃先は、ＳＥＭで観察した結果、逃げ面に幅３μｍ程度の工具摩耗が見られるが、チッピングは全く起こしていないことが確認できた。
さらに、本実施例の効果の検証として、振動子８２の工具取付面ＳＳにルビー砥石を通してみたが、カエリがあるような引っ掛かりはなかった。また、工具取付面ＳＳに表面粗さ計の触針を当て、表面プロファイルを測定したところ、工具取付面ＳＳの変形は見られなかった。
【００７３】
別の加工実施例は、前述の加工実施例と同じく、加工装置１０に示す超精密加工機を用いて実施した。ただし、本実施例ではブレーズ構造を加工することから、旋回軸を使用せず。ＸＺの２軸による加工を行っている。
被加工物の材料には、タンガロイ社のマイクロアロイＦ〈１８５０Ｈｖ）を使用した。光学面の形状は、ブレーズ状の回折溝を有する形状であり、ブレーズ段差量として、１μｍ程度のものである。
ダイヤモンド工具すなわち加工用チップ２３ｃは、先端頂角３０°に尖った剣先形状バイトを使用した。切れ刃のすくい面先端円弧半径は１μｍ以下、第１逃げ面角度は５°であり、すくい面が切り込み点において成す角度は、工具と被加工物との相対移動方向を含む平面において、切り込み点における切り込み方向（切り込み深さ方向）と平行な方向を０°とし、時計の回転方向をプラスとした場合に、−２５°で、この時の切り込み量は１μｍである。振動切削は軸方方向、撓み方向それぞれに振動し、刃先軌跡は円運動もしくは楕円運動を行う。その結果、すくい面ですくい上げるように切削するため、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。
主軸の回転数は５００ｒｐｍ、切り込み量は１００ｎｍ、送り速度は０．１ｍｍ／ｍｉｎとした。
本実施例で加工した結果のＳＥＭ観察像を図８に示す。図示す写真から分かるように、ブレーズのエッジ部にダレやカエリのない狙いどおりのブレーズを加工できている。また、加工表面粗さもＳＥＭ観察において鏡面となっている。これまでは、ダイヤモンド工具が非常に鋭利にできているためブレーズ加工中にダイヤモンド工具の刃先が折損を起こし、狙いのブレーズ段差まで加工することが出来なかった。しかし、振動切削の特徴である断続切削により、ダイヤモンド刃先にかかる切削抵抗を緩和させることが出来るため、ダイヤモンド工具刃先の耐久性を上げることができ、所望のブレーズ形状を加工することが可能となった。
さらに、本発明の効果の検証として、振動子の工具取付面ＳＳにルビー砥石を通してみたが、カエリがあるような引っ掛かりはなかった。また、工具取付面ＳＳに表面粗さ計の触針を当て、表面プロファイルを測定したところ、工具取付面ＳＳの変形は見られなかった。
また、その高硬度材料の光学素子成形用型を用いてガラス成形し、環境変化に強い色収差補正が出来るガラス光学素子が得られた。
【００７４】
〔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９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９（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図９（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。
【００７５】
図１０は、図９（ａ）の金型２Ａと、図９（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Ｌ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。
【００７６】
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、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。
【００７７】
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２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。
【００７８】
また、以上の振動切削装置では、主に旋削について説明したが、図１に示す振動切削装置をルーリング加工用に改変することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】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。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、ツール部先端の平面図、端面図、及び側面図である。
【図３】（ａ）は、ツール部の先端部に形成された溝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。
【図４】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５】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。
【図６】表面測定データを示すグラフである。
【図７】形状誤差測定データを示すグラフである。
【図８】加工によって得たブレーズのＳＥＭ観察像である。
【図９】（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１０】図６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。
【符号の説明】
【００８０】
１０…振動切削装置、  ２０…振動切削ユニット、  ２１…ツール部、  ２１ａ…先端部、  ２３ｆ…孔、  ２１ｘ…溝、  ２３…切削工具、  ２３ｂ…シャンク、  ２３ｃ…加工用チップ、  ２５…固定ネジ、  ２６…固定ネジ、２７…ナット、  ３０…駆動機構、  ３２…第１ステージ、  ３３…第２ステージ、  ３５…第１可動部、  ３６…第２可動部、  ３７…チャック、  ４０…駆動制御装置、  ５０…振動子駆動装置、  ６０…ガス供給装置、  ６１…ガス状流体源、  ６３…温度調節部、  ６５…流量調節部、  ７０…主制御装置、  ８２…振動体、  ８３，８４…振動子、  ８５…カウンタバランス、  ８６…筐体、  ９１…貫通孔、  ９１ａ…開口、  ９２…給気パイプ、  ＡＸ…工具軸、  ＥＯ…楕円軌道、  ＲＡ…回転軸、  ＳＡ…被加工面、  Ｗ…ワーク
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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