(57)【要約】【課題】切削加工によって被加工物の表面に周期的なパターンの微細な溝を容易に生成する。【解決手段】被加工物Wを保持可能である回転テーブル３と、回転テーブル３の回転中心軸ＣＬ１と平行な軸であって距離ｄ１だけ離れた軸ＣＬ３を回転中心にして回転テーブル３よりも速い回転速度で回転し回転中心軸ＣＬ３から距離ｄ２だけ離れた位置で被加工物切削加工するための工具Ｔを保持すると共に、回転テーブル３に対して接近・離反する方向で移動位置決め自在なスピンドル７とを有する。【選択図】図１
2007245411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面に板状の被加工物を保持可能であり、前記平面に直交する軸を回転中心にして回転する回転テーブルと；
前記回転テーブルの回転中心軸である第１の回転中心軸と平行な軸であって前記第１の回転中心軸から所定の距離だけ離れた軸である第２の回転中心軸を回転中心にして前記回転テーブルよりも速い回転速度で回転し、前記第２の回転中心軸から第２の所定の距離だけ離れた位置で前記被加工物を切削加工するための工具を保持すると共に、前記回転テーブルに対して接近・離反する方向で移動位置決め自在なスピンドルと；
を有することを特徴とするパラメトリック加工装置。
【請求項２】
板状の被加工物の厚さ方向の平面に、工具を用いて切削加工を行うことによって溝を形成するパラメトリック加工方法において、
前記被加工物の厚さ方向に延伸している第１の回転中心軸を回転中心にして前記被加工物を第１の所定の回転速度で回転し、前記第１の回転中心軸と平行で前記第１の回転中心軸から第１の所定の距離だけ離れたところに第２の回転中心軸を設け、この第２の回転中心軸から第２の所定の距離だけ離れた位置に前記工具を配置し、前記第２の回転中心軸を回転中心にして前記工具を前記第１の回転速度よりも速い第２の所定の回転速度で回転し、前記切削加工を行うことを特徴とするパラメトリック加工方法。
【請求項３】
ベース部材に直線的に移動自在に設けられた直動テーブルと；
前記直動テーブルの移動方向に対して直交する軸を回転中心にして前記直動テーブルに回転自在に設けられ、前記回転中心軸に対して直交する平面を備え、この平面に板状の硬脆性材料を保持可能な回転テーブルと；
前記硬脆性材料を加工するためのエンドミルを保持すると共に、前記回転テーブルに対して接近・離反する方向に移動位置決め自在に設けられたスピンドルと；
を有することを特徴とするパラメトリック加工装置。
【請求項４】
請求項３に記載のパラメトリック加工装置において、
前記エンドミルの回転中心軸は、前記回転テーブルの平面に対して傾いていることを特徴とするパラメトリック加工装置。
【請求項５】
板状の硬脆性材料の厚さ方向の平面に、エンドミルを用いて切削加工を行うことによって溝を形成するパラメトリック加工方法において、
前記硬脆性材料の厚さ方向に延伸している第１の回転中心軸を回転中心にして前記硬脆性材料を第１の所定の回転速度で回転し、第１の回転中心軸の延伸方向と直交する方向に前記硬脆性材料を直線的に移動しつつ、エンドミルを高速回転することにより、前記硬脆性材料の厚さ方向の平面にスピログラフ模様の溝を加工することを特徴とするパラメトリック加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パラメトリック加工装置およびパラメトリック加工方法に係り、特に、被加工物にスピログラフ模様等の溝を形成するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、さまざまな工業製品に対し、表面の微細な凹凸によって、表面機能を制御する研究や開発が進められている。
【０００３】
たとえば、部品の表面にスピログラフ模様等の周期的なパターンの微細な溝を形成し、部品同士の摩擦力を低減し、また、潤滑剤の保持力を向上させる試みがなされている。
【０００４】
また、たとえば、金型の表面に周期的なパターンの微細な溝を形成し、撥水性、浸水性などの機能を備えた部品を生成する試みがなされている。
【０００５】
また、たとえば、ガラス等の硬脆性材料の表面に周期的なパターンの微細な溝を形成し、マイクロチップを生成することも考えられる。なお、マイクロ分析チップ（マイクロチップ）は、半導体分野等の微細加工技術を利用して所定の機能を小型のチップに集積したものをいい、たとえば、化学反応等の複雑な化学システムを集積したものである。マイクロチップを使用することによって、化学反応等の試験を行う場合における試薬、試料の少量化をはかる等することができる。
【０００６】
周期的なパターンの微細な溝を部品に形成する方法として、化学的処理や薄膜技術による方法が知られているが、その一方で、さまざまなパターンの溝を効率よく生成すべく、切削加工で周期的なパターンの微細な溝を生成する方法を考えることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記切削加工を用い、部品の表面にスピログラフ模様等の周期的なパターンの微細な溝を形成する方法では、ＮＣデータが膨大になり、その処理や補間が煩雑であり、周期的なパターンの微細な溝を生成することが困難であるという問題がある。
【０００８】
本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、切削加工によって被加工物の表面に周期的なパターンの微細な溝を容易に生成することができるパラメトリック加工装置およびパラメトリック加工方法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】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、平面に板状の被加工物を保持可能であり、前記平面に直交する軸を回転中心にして回転する回転テーブルと、前記回転テーブルの回転中心軸である第１の回転中心軸と平行な軸であって前記第１の回転中心軸から所定の距離だけ離れた軸である第２の回転中心軸を回転中心にして前記回転テーブルよりも速い回転速度で回転し、前記第２の回転中心軸から第２の所定の距離だけ離れた位置で前記被加工物を切削加工するための工具を保持すると共に、前記回転テーブルに対して接近・離反する方向で移動位置決め自在なスピンドルとを有するパラメトリック加工装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、板状の被加工物の厚さ方向の平面に、工具を用いて切削加工を行うことによって溝を形成するパラメトリック加工方法において、前記被加工物の厚さ方向に延伸している第１の回転中心軸を回転中心にして前記被加工物を第１の所定の回転速度で回転し、前記第１の回転中心軸と平行で前記第１の回転中心軸から第１の所定の距離だけ離れたところに第２の回転中心軸を設け、この第２の回転中心軸から第２の所定の距離だけ離れた位置に前記工具を配置し、前記第２の回転中心軸を回転中心にして前記工具を前記第１の回転速度よりも速い第２の所定の回転速度で回転し、前記切削加工を行うパラメトリック加工方法である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、ベース部材に直線的に移動自在に設けられた直動テーブルと、前記直動テーブルの移動方向に対して直交する軸を回転中心にして前記直動テーブルに回転自在に設けられ、前記回転中心軸に対して直交する平面を備え、この平面に板状の硬脆性材料を保持可能な回転テーブルと、前記硬脆性材料を加工するためのエンドミルを保持すると共に、前記回転テーブルに対して接近・離反する方向に移動位置決め自在に設けられたスピンドルとを有するパラメトリック加工装置である。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のパラメトリック加工装置において、前記エンドミルの回転中心軸は、前記回転テーブルの平面に対して傾いているパラメトリック加工装置である。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、板状の硬脆性材料の厚さ方向の平面に、エンドミルを用いて切削加工を行うことによって溝を形成するパラメトリック加工方法において、前記硬脆性材料の厚さ方向に延伸している第１の回転中心軸を回転中心にして前記硬脆性材料を第１の所定の回転速度で回転し、第１の回転中心軸の延伸方向と直交する方向に前記硬脆性材料を直線的に移動しつつ、エンドミルを高速回転することにより、前記硬脆性材料の厚さ方向の平面にスピログラフ模様の溝を加工するパラメトリック加工方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、切削加工によって被加工物の表面に周期的なパターンの微細な溝を容易に生成することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係るパラメトリック加工装置１の概要を示す図である。
【００１６】
パラメトリック加工装置１は、ベース部材（図示せず）を備えている。このベース部材には、回転テーブル３が設けられている。
【００１７】
回転テーブル３は、円形状の平面５に板状（たとえば、円板状もしくは矩形な板状）の被加工物（金属もしくはガラス）Ｗを、保持することができるようになっていると共に、図示しない制御装置の制御の下、図示しない回転テーブル用アクチュエータで、回転するようになっている。なお、回転テーブル３の回転中心軸ＣＬ１は、平面５に直交し平面５の中心を通っている。
【００１８】
また、前記ベース部材には、スピンドル７が設けられている。このスピンドル７は、被加工物Ｗを切削加工するための工具Ｔを保持することができるようになっている。また、スピンドル７は、回転テーブル３の平面５から離れた位置で、回転テーブル３の回転中心軸ＣＬ１と平行な軸であって回転中心軸ＣＬ１から所定の距離ｄ１だけ離れた軸ＣＬ３を回転中心にして、図示しない制御装置の制御の下、図示しないスピンドル用アクチュエータで、回転テーブル３よりも速い回転速度（角速度）で回転するようになっている。
【００１９】
工具Ｔは、スピンドル７の回転中心軸ＣＬ３から所定の距離ｄ２だけ離れた位置で、スピンドル７に保持されるようになっている。より正確には、工具Ｔの切れ刃の先端が、回転テーブル３の平面５の延伸方向で、スピンドル７の回転中心軸ＣＬ３から所定の距離ｄ２だけ離れていることになる。また、スピンドル７は、図示しない制御装置の制御の下、図示しないアクチュエータで、回転テーブル３に対して接近・離反する方向で移動位置決め自在になっている。
【００２０】
なお、前記制御装置の制御の下、回転テーブル３の回転速度ω１、スピンドル７の回転速度ω２を適宜変更し、また、図示しない機構によって、前記距離ｄ１、前記距離ｄ２を変更し、これらの変更した値を維持することができるようになっている。
【００２１】
パラメトリック加工装置１により被加工物Ｗに形成される溝の形態について説明する。
【００２２】
図２は、パラメトリック加工装置１により被加工物Ｗに形成される溝（スピログラフ模様の溝）９の一つ形態を示す図である。このような溝９が形成される条件は、距離ｄ１と距離ｄ２とが互いに等しく、回転テーブル３の回転速度ω１よりもスピンドル７の回転速度ω２が大きい場合である。
【００２３】
なお、前記制御装置の制御の下各アクチュエータを制御すること等により、図３に示すような溝１１を形成することも可能である。また、距離ｄ１が距離ｄ２よりも大きい場合には、図４（ａ）に示すような溝１３を得ることができ、距離ｄ１が距離ｄ２よりも小さい場合には、図４（ｂ）に示すような溝１５を得ることができる。
【００２４】
図２や図４に示す溝をｘｙ座標軸で表すと、「ｘ＝ｄ１ｃｏｓω１ｔ+ｄ２ｃｏｓω２ｔ」、「ｙ＝ｄ１ｓｉｎω１ｔ+ｄ２ｓｉｎω２ｔ」のパラメータ表示をすることができる。なお、「ｔ」は時間を示し、ω１＞ω２である。
【００２５】
［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係るパラメトリック加工装置２１の概要を示す図である。なお、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶ矢視を示す図である。
【００２６】
パラメトリック加工装置２１は、ベース部材２３を備えている。ベース部材２３には、直動テーブル２５が設けられており、直動テーブル２５は、図示しない制御装置の制御の下、図示しない直動テーブ用アクチュエータにより、図５（ａ）の矢印ＡＲ１に方向で直線的に往復動自在になっている。
【００２７】
直動テーブル２５には、回転テーブル２７が設けられている。回転テーブル２７は、図示しない制御装置の制御の下、図示しない回転テーブル用アクチュエータにより回転するようになっている。回転テーブル２７の回転中心軸ＣＬ５は、直動テーブル２５の移動方向に対して直交し回転テーブル２７の中心を通っている。回転テーブル２７は、回転中心軸ＣＬ５に対して直交する平面２９を備え、この平面２９に板状のガラスＷを保持することができるようになっている。ガラスＷは、この厚さ方向の一方の面が平面２９に接触するようにして保持されている。
【００２８】
パラメトリック加工装置２１は、スピンドル３１を備えている。スピンドル３１は、ベース部材２３に支持されており、ガラスＷを切削加工するためのエンドミル（たとえば、ボールエンドミル）３３を保持するようになっている。保持されたエンドミル３３は、切削加工を行うためにエンドミル３３の軸ＣＬ７を中心にしてアクチュエータにより高速回転するようになっている。また、スピンドル３１は、図示しない制御装置の制御の下、図示しないスピンドル用アクチュエータにより、回転テーブル２７に対して接近・離反する方向（回転中心軸ＣＬ５の延伸方向）で移動位置決め自在になっている。
【００２９】
そして、前記制御装置の制御の下、前記各アクチュエータを適宜制御し、エンドミル３３を用いたガラスＷへの切削加工をすることにより、ガラスＷの平面（回転テーブル２７に接触している面とは反対側の面）に、スピログラフ模様、内サイクロイド模様等の周期的な微細なパターンができるようになっている。
【００３０】
この場合、図２や図４に示す溝をｘｙ座標軸で表すと、「ｘ＝（−１）ｉｎｔ（ｖｔ／２ａ）ｖｔｃｏｓωｔ」、「ｙ＝（−１）ｉｎｔ（ｖｔ／２ａ）ｖｔｓｉｎωｔ」のパラメータ表示をすることができる。なお、「ｉｎｔ」は、指定した数値を超えない整数を求める関数であり、「ｖ」は直動テーブル２５の移動速度を示し、「ａ」は、直動テーブル２５のストロークを示し、「ｔ」は時間を示し、「ω」は、回転テーブル２７の回転速度を示す。
【００３１】
なお、前記制御装置は、エンドミル３３によって所定の深さの溝が形成されるように、スピンドル３１を所定の位置に移動位置決めしている。
【００３２】
ところで、エンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７は、回転テーブル２７の平面２９に対して傾いている。そして、エンドミル３３でガラスＷを加工する際には、エンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７と、回転しているときに形成されるエンドミル３３の切刃の刃先で形成される面（切刃面）３５（図６で円弧状にあらわれている部位）との交点３７が、ガラスＷの外側でガラスＷの表面から離反した位置に存在している。
【００３３】
すなわち、切削しているときにおけるエンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７は、切削している部位におけるガラスＷの面の法線ＣＬ９（図６参照）に対して斜めに傾いていると共に、交点３７が溝にかからない位置に存在している。
【００３４】
なお、図５（ｂ）では、エンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７の延長線上に回転テーブル２７の回転中心軸ＣＬ５が位置しているように見えるが、図５（ｂ）において、エンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７を図５（ｂ）の上方向または下方向に所定の距離だけオフセットしてもよい。
【００３５】
ところで、前記制御装置の制御の下、エンドミル３３で切削加工をする場合には、溝の表面が形成される部位におけるエンドミル３３の1刃あたりの切り込み量（切り込み幅）が、ガラスＷを延性的に切削することが可能な値（脆性損傷の発生しない値；たとえば、１μｍ以下）になっている。
【００３６】
より詳しく説明すると、所定の切削速度を得るためにエンドミル３３を高速回転させ、エンドミル３３の切刃の少なくとも一部を、ガラスＷの表面に所定の深さ（この深さは、１μｍ以上あってもよい。たとえば、２０μｍ程度でよい。）食い込ませ（図６参照）、ガラスＷに対してエンドミル３３を所定の速度で相対的に移動し、所定の幅および所定の深さで延伸する溝をガラスＷに形成する。
【００３７】
この際、溝の表面（加工前の表面よりも凹んでいる表面）の近傍（図７のＡ部、Ｂ部）におけるエンドミル３３の１刃あたりの切り込み量は、ガラスＷを延性的に切削することが可能な値になっている。
【００３８】
すなわち、溝の延伸方向にエンドミル３３が相対的に移動することによって得られる１刃あたりの切り込み量であって、エンドミル３３のガラスＷへの食い付き部Ａ、離脱部Ｂにおける１刃あたりの切り込み量が、ガラスＷを延性的に切削することが可能な値になっている。
【００３９】
また、溝の上部側だけでなく、溝の深さ方向の底側における食い付き部、離脱部でも、延性的な切削がなされるようになっている。
【００４０】
なお、溝の表面を形成しない部位におけるエンドミル３３の１刃あたりの切り込み量は、脆性損傷を発生するような切り込み量であってもよい。
【００４１】
たとえば、エンドミル３３の送り方向（溝の延伸方向）における表面の部位（溝が形成される前のガラスＷの表面の部位）Ｃでは、食い付き部Ａや離脱部Ｂよりもエンドミル３３の１刃あたりの切り込み量が大きくなり、脆性損傷が発生するおそれがある。しかし、脆性損傷が発生しても、この発生した部位は後から食い付き部Ａと離脱部Ｂとで切削加工がなされ削りとられてしまうので、溝の表面の形態に悪影響を与えることはない。
【００４２】
なお、前記１刃あたりの切り込み量は、エンドミル３３の切刃が１枚である場合には、エンドミル３３の１回転あたりの量であるが、エンドミル３３の切刃がｎ（２以上の整数）枚である場合には、エンドミル３３の１／ｎ回転あたりの量である。
【００４３】
パラメトリック加工装置２１によれば、前述したように溝の表面が形成される部位におけるエンドミル３３の1刃あたりの切り込み量が、ガラスを延性的に切削することが可能な値にしてあるので、ガラスＷに脆性損傷を発生させることなく、ガラスＷの表面に１回の切り込みで十分な深さ（たとえば２０μｍ）のスピログラフ模様の溝を効率良く生成することができる。
【００４４】
パラメトリック加工装置１、２１によれば、膨大な量のデータを用いなくても、回転速度等のパラメータを設置するだけで、スピログラフ模様の溝を形成することができる。したがって、切削加工によってガラスＷの表面に周期的なパターンの微細な溝を容易に形成することができる。
【００４５】
また、パラメトリック加工装置２１によれば、ベース部材２３に直動テーブル２５が設けられており、直動テーブル２５に回転テーブル２７が設けられているので、各テーブルのアクチュエータ（電動モータ）への配線がしやすくなっている。また、スピンドル３１への配線も容易になっている。
【００４６】
また、パラメトリック加工装置１、２１によれば、エンドミル３３の回転中心軸ＣＬ７と切刃面３５との交点３７が、エンドミル３３によるガラスＷへの切削部位以外のところに存在しているので、エンドミル３３によるガラスＷの切削速度が「０」になることはなく、溝の表面を良好なものにすることができる。
【００４７】
なお、本実施形態では、金属やガラスを例に掲げて説明したが、超硬セラミックス、単結晶シリコン等の硬脆性無機材料（硬脆性材料）に溝を形成するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパラメトリック加工装置の概要を示す図である。
【図２】パラメトリック加工装置により被加工物に形成される溝の一つ形態を示す図である。
【図３】パラメトリック加工装置により被加工物に形成される溝の一つ形態を示す図である。
【図４】パラメトリック加工装置により被加工物に形成される溝の一つ形態を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係るパラメトリック加工装置の概要を示す図である。
【図６】エンドミルでガラスを切削している部位の拡大図である。
【図７】図６におけるＶＩＩ矢視図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２１  パラメトリック加工装置
３、２７  回転テーブル
７  スピンドル
９、１１、１３、１５  溝
２３  ベース部材
２５  直動テーブル
３１  スピンドル
３３  エンドミル
３５  切刃面
３７  交点
ｄ１、ｄ２  距離
Ｔ  工具
Ｗ  ガラス（被加工物）
【図１】
2007245411.tif 000003
【図２】
2007245411.tif 000004
【図３】
2007245411.tif 000005
【図４】
2007245411.tif 000006
【図５】
2007245411.tif 000007
【図６】
2007245411.tif 000008
【図７】
2007245411.tif 000009