JP2002036001A - 切削加工方法及び切削加工装置及び工具保持装置及び光学素子及び光学素子の成形用金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】良好な表面粗さを短時間で得ることができる切
削加工装置を提供する。 【解決手段】切削工具２と被加工物１を相対的に主分力
方向と背分力方向とに振動させるための加振部５ａ，５
ｂと、切削工具２を、この切削工具の先端の振動の軌跡
である楕円の背分力方向の軸が被加工物１の曲面からな
る加工面の法線方向を向くように運動させる駆動装置９
とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、曲率半径が小さい
被加工物あるいは曲率半径が一定でない自由曲面を持つ
被加工物を切削加工する場合に、良好な加工精度と加工
時間の短縮を図るための切削加工方法及び切削加工装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、図１６に示すように、被加工物１
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）として、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あるいはその成形用の
金型を切削加工する場合、ダイヤモンドチップ２ａとシ
ャンク２ｂとからなる切削工具２をバイトホルダ３に取
付け、主軸４により切削工具２を回転させる。この際、
ダイヤモンドチップの先端半径は被加工物の子線の曲率
半径より小さく、また切削工具の旋回半径Ｒ１は被加工
物の母線の曲率半径Ｒ２より小さくする必要がある。こ
の状態で、子線方向に切削工具と被加工物を相対的に移
動させることにより、微小な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、全面を切削加工する。

【０００３】また一方では、加工精度を向上させる場合
に、切削工具を強制的に振動させる振動切削加工法が用
いられる。この方式では、工具刃先の発熱抑制、構成刃
先の形成阻止、切削抵抗の低減ができ、これによりびび
り振動を抑制することも可能である。特に図１７に示す
様な、主分力方向（Ｘ方向）と背分力方向（Ｚ方向）に
切削工具を２次元的に振動させるとともに、両者の振動
に９０°前後の位相差を与える楕円振動切削は、切削抵
抗を低減させる効果が大きい。この様な振動切削方式に
おいても、被加工物と切削工具を上記のフライカット方
式と同様に相対運動させることにより、全面を切削加工
することができる。なお、１ａは未加工面、１ｂは目標
加工面である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年光
学部品の形状に対する様々な要求が出てきており、特に
製品のコンパクト化に伴い、曲率半径の小さな光学部品
が要求されるようになってきた。また、光学部品の形状
に対する様々な要求も出てきており、自由曲面を採用す
ることにより、部品点数の削減や光学性能の向上が可能
であるため、曲率半径が数ｍｍから数十ｍｍまで変化す
るような光学部品が要求されるようになってきた。この
ため、フライカット方式において切削工具の旋回半径を
小さくする必要がでてきたが、曲率半径が１０ｍｍ以下
になるような加工をするには、切削工具を主軸に固定す
るためのバイトホルダの突き出し部３ａの径を被加工物
との干渉を避けるため細くする必要があり、切削抵抗に
よりびびりやすくなり、表面粗さが数十ｎｍレベルの高
精度な加工は実質的にできなくなる。

【０００５】一方、切削工具を２次元的に振動させる楕
円振動切削は、振動振幅が数μｍ〜数十μｍであり、曲
率半径に関する限り充分に対応可能である。しかし、振
動切削の今までの適用例は、平面加工や旋削加工に適用
したものだけであり、これらの加工においては、被加工
物と切削工具のなす角を一定のまま加工しており、光学
式の関係を満足する曲面を加工する場合は、被加工物の
加工面の法線方向が変化する。そのため、今までのよう
に被加工物と切削工具のなす角を一定のまま上記の曲面
の加工に適用すると、図１７のように、切削工具の先端
を被加工物の目標加工面１ｂに沿って移動させても、楕
円運動で加工された軌跡を結ぶと１ｃのような形状にな
り、形状誤差が生じてしまう。この形状誤差は、被加工
物の傾斜角度の変化の度合いと切削工具の楕円軌跡の形
状により決まるが、数μｍオーダーとなり高精度な加工
は期待できない。

【０００６】また、楕円振動切削では、実際の量産にあ
たり図１０のように、工具刃先を楕円運動させ子線方向
に移動させ、１ライン加工後に母線方向にピッチＰだけ
送る方式をとるが、工具の軌跡の曲率半径が非常に小さ
いため、数十ｎｍの表面粗さを得ようとすると、送りピ
ッチＰが数μｍと小さくなって加工時間が膨大になり、
実質的に量産は不可能である。

【０００７】例えば、平面を円運動による振動切削で加
工する場合の理論表面粗さＲｔｈは、Ｒｔｈ＝ｆ²／８
ｒ（ｆ＝送りピッチＰ、ｒ＝工具振動軌跡の半径）とし
て求められ、Ｒｔｈが２０ｎｍで、ｒが５μｍである場
合、ｆは０．８９μｍとなり、母線が１００ｍｍである
と、１００ｍｍ／０．８９μｍ＝１１２３６０回、母線
方向に送る必要があり、１ラインの加工に５秒かかる
と、加工時間は全体で１５６時間である。

【０００８】さらに楕円振動切削の例として、特開平７
−６８４０１号公報に開示されているように切削方向で
ある楕円運動の方向に切削工具と被加工物を相対的に送
る方法が知られている。しかしながら、特開平７−６８
４０１号公報に開示されている方法を光学式の関係から
決定される曲面の鏡面加工に適用すると、フライカット
加工方法で加工する場合の２倍以上の時間がかかる。な
ぜならば、この方法では、上記のように、楕円運動の方
向に切削工具と被加工物を相対的に送るため、往復加工
を行おうとすると、往路と復路とでアップカットとダウ
ンカットを用いる必要がある。しかし、アップカットと
ダウンカットでは加工面の状態に違いが発生するので、
高精度な鏡面加工を必要とする場合、往復加工ができな
い。

【０００９】アップカットとダウンカットによる加工面
の仕上げ状態の違いは、以下のような原理により生ず
る。ダウンカットの場合、背分力方向（切り込み方向）
の速度が切削方向の速度より速く、工具の進入角が直角
に近い。これに対して、アップカットの場合、切削が進
んでいる方向から工具が進入することにより、切削方向
の速度が背分力方向の速度より速くなり、工具の進入角
を寝かせることができる。また、切削が進んでいる方向
と切削が進んでいない方向からの加工になるので、切り
屑の排出状態も異なり、切削仕上げ面の状態が異なる。
このように、往復加工を行うと、切削仕上げ面の状態が
加工ライン毎に交互に違うため、規則性があり、光学特
性に影響を与えることになる。アップカットとダウンカ
ットの工具進入角の違いは、図６に示すＡ点とＢ点の違
いであり、それらの点の工具軌跡からわかるように、点
Ａの方が進入角が寝ている。

【００１０】以上述べたように、曲率半径が１０ｍｍ以
下の部分ともっと大きな部分が混在するような被加工物
を加工しようとすると、従来のフライカット方式ではび
びり等により良好な表面粗さを得ることができず、また
楕円振動切削方式では加工時間が大幅にかかってしま
い、良好な表面粗さを短時間で得る実用的な加工法がな
かった。

【００１１】従って、本発明は上述した課題に鑑みてな
されたものであり、その目的は、良好な表面粗さを短時
間で得ることができる切削加工方法及び装置及び光学素
子及び光学素子の成形用金型を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決し、
目的を達成するために、本発明に係わる切削加工方法
は、切削工具と被加工物を相対的に主分力方向と背分力
方向とに振動させながら曲面からなる加工面の切削を行
う切削加工方法であって、前記切削工具を、該切削工具
の先端の振動の軌跡である楕円の背分力方向の軸が前記
被加工物の加工面の法線方向を向くように運動させるこ
とを特徴としている。

【００１３】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記切削工具を主分力方向に振動させる駆動源の
振幅を拡大して前記切削工具に伝達させることを特徴と
している。

【００１４】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記切削工具と被加工物を相対的に振動させる駆
動源に圧電素子を用いることを特徴としている。

【００１５】また、本発明に係わる切削加工装置は、切
削工具と被加工物を相対的に主分力方向と背分力方向と
に振動させるための加振手段と、前記切削工具を、該切
削工具の先端の振動の軌跡である楕円の背分力方向の軸
が前記被加工物の曲面からなる加工面の法線方向を向く
ように運動させる駆動手段とを具備することを特徴とし
ている。

【００１６】また、この発明に係わる切削加工装置にお
いて、前記切削工具を主分力方向に振動させる駆動源の
振幅を拡大して前記切削工具に伝達する拡大手段をさら
に具備することを特徴としている。

【００１７】また、この発明に係わる切削加工装置にお
いて、前記切削工具と被加工物を相対的に振動させる駆
動源に圧電素子を用いたことを特徴としている。

【００１８】また、本発明に係わる切削加工方法は、切
削工具と被加工物を相対的に主分力方向と配分力方向に
振動させながら光学式の関係を満足する曲面の切削加工
を行う切削加工方法であって、前記振動により、前記切
削工具の刃先を楕円運動させるための楕円運動工程と、
前記切削工具を、前記楕円の背分力方向の軸が前記被加
工物の加工面の法線方向を向くように、前記楕円の中心
軸と平行な軸周りに回動させる回動工程とを具備するこ
とを特徴としている。

【００１９】また、本発明に係わる切削加工方法は、切
削工具と被加工物とを相対的に主分力方向と背分力方向
とに振動させながら前記被加工物を切削加工するための
切削加工方法において、前記被加工物の加工面の曲率の
変化に伴って、前記切削工具の先端の振動の軌跡を前記
被加工物の曲率に合わせて変化させることを特徴として
いる。

【００２０】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記切削工具の主分力方向の振動の振幅と位相、
及び前記切削工具の背分力方向の振動の振幅と位相とを
制御することにより、前記切削工具の先端の振動の軌跡
を制御することを特徴としている。

【００２１】また、この発明に係わる切削加工方法にお
いて、前記切削工具の先端を楕円運動させることを特徴
としている。

【００２２】また、本発明に係わる切削加工装置は、切
削工具を主分力方向と背分力方向に振動させる駆動手段
と、被加工物の加工面の曲率変化に前記切削工具を追従
させるために、前記切削工具の主分力方向の振動振幅と
背分力方向の振動振幅と振動の位相とを制御する制御手
段とを具備することを特徴としている。

【００２３】また、この発明に係わる切削加工装置にお
いて、前記制御手段は、前記切削工具の先端を楕円運動
させるように制御することを特徴としている。

【００２４】また、本発明に係わる光学素子は、上記の
切削加工方法により加工されたことを特徴とする光学素
子。

【００２５】また、この発明に係わる光学素子の成形用
金型は、上記の切削加工方法により加工されたことを特
徴としている。

【００２６】また、本発明に係わる光学素子は、上記の
切削加工装置により加工されたことを特徴としている。

【００２７】また、本発明に係わる光学素子の成形用金
型は、上記の切削加工装置により加工されたことを特徴
としている。

【００２８】また、本発明に係わる切削加工方法は、被
加工部材の被加工面に母線曲面と子線曲面からなる非球
面形状曲面を創生加工する切削工具刃に主分力方向と背
分力方向の振動による楕円運動を付与して加工する切削
加工方法において、前記創生すべき非球面形状曲面を複
数の区域に区分し、前記切削工具刃の前記区分された区
域における前記楕円運動の最下点Ｐ１、加工開始点Ｐ
２、加工終了点Ｐ３で構成される母線曲面と一致する楕
円の短直径Ｈを求め、前記区域において母線方向への切
削工具刃の送りピッチが最大となる条件を前記工具刃の
移動軌跡とすることを特徴としている。

【００２９】また、本発明に係わる工具保持装置は、非
球面形状曲面を被加工部材の被加工面に切削加工する工
具刃に振動を作用させて振動切削加工する工具保持装置
であって、前記工具刃に主分力方向の振動を作用させる
第１の振動発生手段と、前記工具刃に背分力方向の振動
を作用させる第２の振動発生手段と、前記工具刃を保持
する保持部材とを具備し、前記保持部材に主分力方向の
変位を拡大する拡大機構部を形成したことを特徴として
いる。

【００３０】また、本発明に係わる切削加工装置は、非
球面形状曲面を被加工部材の被加工面に切削加工する工
具刃に主分力方向の振動と背分力方向の振動を作用させ
て加工する切削装置であって、前記工具刃に前記主分力
方向の振動を作用させる第１の振動発生手段と、前記工
具刃に前記配分力方向の振動を作用させる第２の振動発
生手段と、前記第１及び第２の振動発生手段と前記工具
刃とを保持する保持部材と、該保持部材を介して前記工
具刃を前記被加工面の加工位置に割り出し操作する割り
出し操作部材と、前記第１及び第２の振動発生手段を駆
動制御する制御手段と、前記割り出し操作部材を駆動制
御する割り出し制御手段とを具備することを特徴として
いる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態に
ついて、添付図面を参照して詳細に説明する。

【００３２】（第１の実施形態）図１は、本発明の振動
切削加工装置の第１の実施形態の構成を示す図である。
図中左側の機構図は切削加工装置の正面図を示してお
り、右側の機構図は左側の機構図を右側から見た側面図
を示している。

【００３３】図１において、２ａはダイヤモンドチップ
であり、子線方向（Ｙ方向）は円弧状である。５ａは切
削工具２を主分力方向に振動させるための圧電素子であ
り、５ｂは背分力方向に振動させれるための圧電素子で
ある。圧電素子５ａ，５ｂの一端はそれぞれ、ベース部
材６に弾性ヒンジ６ａ、６ｂを介して接着固定されてい
る。また、圧電素子５ａ，５ｂの他端は弾性ヒンジ６
ｃ、６ｄを介して振動伝達部材６ｅに接着固定されてい
る。ベース部材６と振動伝達部材６ｅはもともと同一部
材であり、平板を放電加工により、ベース部（ベース部
材６）、ヒンジ部（ヒンジ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）、
圧電素子挿入部（ヒンジ６ａと６ｃの間、及びヒンジ６
ｂと６ｄの間）、振動伝達部（振動伝達部材６ｅ）とし
て構成したものである。また、主分力方向の変位を拡大
するための拡大機構を構成するため、弾性ヒンジ６ｆ、
６ｇが設けられている。

【００３４】ここで、主分力方向の変位を拡大するため
の拡大機構の動作について説明する。

【００３５】図７（ａ）は、初期状態を示す図である。
この状態で、駆動制御装置７により圧電素子５ａに通電
し変位させると、ヒンジ６ａ側は変位せず、ヒンジ６ｃ
側が移動し、図７（ｂ）に示す状態となる。即ちヒンジ
６ｃ部が作用点、ヒンジ６ｆ部が支点となるてこが形成
され、切削工具の先端は距離ｌ１とｌ２の比率で圧電素
子の変位が拡大されてＳ１で示す量だけ移動する。この
際ヒンジ６ａ、６ｃ、６ｆ、６ｇには圧縮力あるいは引
っ張り力と曲げモーメント、ヒンジ６ｂ、６ｄには主に
曲げモーメントがかかるが、弾性ヒンジは圧縮、引張り
には剛で、回転モーメントに対しては柔であるため、圧
電素子変位方向の変位伝達ロスや、剛性ヒンジを曲げる
ことによる圧電素子の発生力の損失はほとんどなく、変
位量の減少は僅かである。同様に、圧電素子５ｂに通電
し変位させるとヒンジ６ｂ側は変位せず、ヒンジ６ｄ側
が移動し、図７（ｃ）の状態になる。この際、圧電素子
の変位を減少させる力は主にヒンジ６ａ、６ｃ、６ｆ、
６ｇに加わる曲げモーメントであるが、これも変位量減
少に対する影響は微小である。この図７（ｂ）、図７
（ｃ）の状態を重ね合わせることにより、楕円運動（回
転運動）を行う。

【００３６】圧電素子５ａ，５ｂは１５０Ｖ通電して３
０μｍ変位するようなものである。これに駆動制御装置
７により７５Ｖ±５５Ｖ程度通電し、約２０μｍの変位
を得る。定格電圧をフルにかける場合よりも寿命を伸ば
すことができる。２個の圧電素子５ａ，５ｂに駆動制御
装置７により、位相差が９０°のｓｉｎ波電圧を加える
と、ｌ１とｌ２の比率に応じた切削工具２の先端の長楕
円形状の軌跡が得られる。振動の周波数は高い方が、振
動切削としての効果は高く、加工能率も高いが、駆動制
御装置７の許容電流、圧電素子の寿命、振動伝達部材６
ｅの共振周波数等を考慮して５００Ｈｚ以下が適当であ
る。

【００３７】ベース部材６はスペーサ８に固定され、更
にスペーサは割り出し盤９に固定されている。割り出し
盤９は回転部のロータ９ａと、固定部のハウジング９ｂ
とからなり、ロータ９ａはＤＣブラシレス等のモータで
駆動され、回転角はエンコーダで検出される。割り出し
盤９は上下に移動するＺスライダ１０に搭載されてい
る。被加工物は雇い１１により、水平面内を移動するＸ
Ｙスライダ１２に固定されている。ＸＹスライダ１２、
及びＺスライダ１０は、静圧軸受けで支持され、リニア
モータで駆動され、レーザ測長器で位置検出される高精
度スライダである。

【００３８】以上のような構成において、ＮＣ装置１３
内の加工プログラムに、被加工物の母線形状、子線形
状、割り出し盤９の回転中心から切削工具２（ダイヤモ
ンドチップ２ａ）の先端までの距離、切削工具２（ダイ
ヤモンドチップ２ａ）の子線方向の曲率半径を入力し
て、被加工物の形状を加工するためのＮＣデータを作成
する。同期信号作成部からは一定クロック間隔で、加工
プログラムで作成したＮＣデータが演算制御部に送ら
れ、ここからＸＹスライダ、Ｚスライダ、割り出し軸
（ロータ９ａ）に割り振られた指令値がサーボコントロ
ーラ１４に送られる。演算制御部での各軸（Ｘ、Ｙ、
Ｚ、およびロータ）への割り振りは、図２に示すよう
に、切削工具２（ダイヤモンドチップ２ａ）の先端の楕
円軌跡の背分力方向の軸が、母線形状の法線方向と一致
するという条件のもとで計算される。また、子線方向に
おいても、切削工具２と被加工物１の当たり点における
子線形状の法線方向と切削工具２（ダイヤモンドチップ
２ａ）の円弧の半径方向が一致するという条件も加味さ
れている。サーボコントローラ１４から、各リニアモー
タ及び回転モータに指令位置まで移動させるための電流
が与えられ、各軸の位置をレーザ測長器及びエンコーダ
で検出し、位置検出部がこれを演算制御部に伝え、指令
との誤差をゼロにするようなサーボ系が組まれている。

【００３９】実際の加工手順を図４及び図５を参照して
説明すると、切削工具２を常に楕円振動させた状態で、
被加工物１の母線方向（Ｘ方向）端部ｂ１に対して光学
式の関係に当てはまる延長線上ａ１の点に被加工物１と
切削工具２を相対移動させ、子線方向（Ｙ方向）に加工
送りし（切削工具と被加工物とをＹ方向への移動が主に
なるように相対移動させ）、１ライン分の加工を行う。
実際の工具経路は図４のＬ１であり、ａ１→ｂ１→ｃ１
→ｄ１→ｅ１になり、切削工具の背分力方向が加工面の
法線方向に一致するとともにＺ方向に変化する面形状で
あるため、形状に追従するような工具軌跡を満足するた
めには、Ｘ、Ｚ方向にも移動しながら１ラインの加工を
行う。その後、母線方向に点ｅ１→ｅ２に移動する送り
ピッチ分の移動と切削工具の回転割り出しを行う回転軸
９により法線角の移動を行い、また子線方向に加工送り
を行う（ｅ２→ｄ２→ｃ２→ｂ２→ａ２）。この動作を
繰り返すことにより被加工物１の全面が加工され、結果
として目標加工面が得られる。このような加工により、
装置移動精度と同等の０．１μｍレベルの高い形状精度
を得ることができる。

【００４０】また、この加工手順を、被加工物の側面図
である図２を参照して説明すると、切削工具２を常に楕
円振動させた状態で、点ｂ１から子線方向（Ｙ方向）に
加工送りし、１ライン分の加工を行う。その後、母線方
向に送りピッチｐ１分移動させ、また子線方向に加工送
りを行う。この動作を繰り返すことにより被加工物１の
全面が加工され、結果として目標加工面１ｂが得られ
る。この様な加工により、装置移動精度と同等の０．１
μｍレベルの高い形状精度を得ることができる。しかし
ながら、この様な加工法で、光学部品の型として必要な
数十ｎｍレベルの表面粗さを得るには、母線方向送りピ
ッチを非常に細かくする必要があり加工時間が長くなっ
てしまう。例えば、楕円振動の振動振幅が２０μｍで、
母線形状が平面として理論表面粗さ５０ｎｍを得る場
合、送りピッチは６μｍと非常に小さい。そこで、図１
に示したように、テコの原理を用いた拡大機構により、
主分力方向変位を拡大すると、工具先端の楕円形状も図
３に示すように主分力方向に拡大される。理論表面粗さ
を同一にするという条件において、Ｐ１とＰ２の比率は
ｌ１とｌ２の比率にほぼ比例する。

【００４１】したがって、圧電素子５ａの変位を拡大機
構により４倍に拡大すると、Ｐ２はＰ１の４倍にでき、
この結果加工時間を１／４にすることができる。ただ
し、拡大率をあまり大きくすると、振動伝達部材６ｅが
長くなりこの部材の剛性が低下して、楕円振動の振動数
と共振して振動の軌跡が不安定になるため、この問題が
起きない拡大率である必要がある。また、圧電素子５ｂ
の変位を減少させると、楕円がより潰れた形状になり、
切削領域の楕円の曲率半径が大きくなるため、送りピッ
チＰ２を拡大でき加工時間を短縮できる。背分力方向の
振幅の減少比率の平方根にほぼ反比例して送りピッチを
拡大できる。例えば、圧電素子５ｂの振幅を２０μｍか
ら５μｍに減少させると、送りを約２倍にできる。

【００４２】なお、工具先端の変位拡大機構に関してさ
らに説明する。

【００４３】フライカット加工の理論表面粗さは次式で
決定される。

【００４４】 理論表面粗さＲｙ＝Ｐ²／（８×Ｒ） Ｐ：母線方向の送りピッチ Ｒ：工具回転軸から工具刃先までの長さ この式より、 Ｐ＝√（Ｒｙ×８×Ｒ） となる。

【００４５】フライカット加工の鏡面加工では、Ｒｙ＝
５０ｎｍ、Ｒ＝１０〜５０ｍｍ程度を使用しており、Ｐ
は６３．２μｍ〜１４１．１μｍになる。

【００４６】これに対して、振動切削を用いたときの表
面粗さと送りピッチは、図６に示すように、工具軌跡が
加工面に転写されることから、図中のＲｙ１が表面粗さ
で、Ｌが送りピッチとなる。このため、加工時間を現実
的なもの且つフライカットより優位にするためには、Ｌ
を長くする必要がある。また、実際に市販されているＰ
ＺＴなどの大きさとストロークを考えると、ストローク
１５μｍ、長さ２０ｍｍであり、取り付けを考慮した大
きさから考えると、ストローク４５μｍ程度が限界と考
えられ、変位の拡大機構が必要である。

【００４７】なお、上記の実施形態では、切削工具に楕
円振動を与えていたが、相対的に被加工物が振動しても
よく、主分力方向の拡大機構も被加工物側に設置されて
いてもよい。さらに、楕円運動の背分力方向と母線形状
の法線方向を一致させるための回転割り出し機構がＸＹ
スライダ側にあってもよい。また、圧電素子の機能は磁
歪素子によっても果たすことができる。

【００４８】以上説明したように、上記の第１の実施形
態によれば、切削工具の先端を楕円形状に振動させなが
ら、切削工具の振動の軌跡である楕円の背分力方向の軸
が、被加工物の加工面の法線方向を常に向くように運動
させるとともに、圧電素子等によって得られる楕円振動
の主分力方向の振動振幅を拡大機構により拡大すること
により、曲率半径の小さな被加工物のフライカット加工
において、非常に高い形状精度を得られるとともに、理
論表面粗さを劣化させることなく送りピッチを増加させ
られるため、加工時間を短縮できる。

【００４９】（第２の実施形態）図８は、本発明の振動
切削加工装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図
である。

【００５０】被加工物１０１は、母線方向（Ｘ方向）の
曲率半径が最小数百μｍから最大無限大すなわち平面ま
で変化するような形状である。１０２ａはダイヤモンド
バイトであり、子線方向（Ｙ方向）は円弧状であり被加
工物全域における子線曲率半径の最小値よりも小さな曲
率半径を持っている。１０５ａは切削工具を主分力方向
（Ｘ方向）に振動させるための圧電素子であり、１０５
ｂは背分力方向（Ｚ方向）に振動させるための圧電素子
である。圧電素子の一端はそれぞれ、ベース部材１０６
に弾性ヒンジ１０６ａ，１０６ｂを介して接着固定され
ている。また、圧電素子の他端は弾性ヒンジ１０６ｃ，
１０６ｄを介して振動伝達部材１０６ｅに接着固定され
ている。ベース部材１０６と振動伝達部材１０６ｅはも
ともと同一部材であり、平板を放電加工することによ
り、ベース部、ヒンジ部、圧電素子挿入部、振動伝達部
として構成したものである。また、主分力方向の変位を
拡大するための拡大機構を構成するため弾性ヒンジ１０
６ｆ，１０６ｇが設けられている。

【００５１】この状態で、ＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ
により圧電素子１０５ａに通電し変位させると、ヒンジ
１０６ａ側は変位せず、ヒンジ１０６ｃ側が移動する。
これによりヒンジ１０６ｃ部が作用点、ヒンジ１０６ｆ
部が支点となるてこが形成され、切削工具１０２の先端
は距離ｌ１とｌ２の比率で圧電素子１０５ａの変位が拡
大されて移動する。この際ヒンジ１０６ａ，１０６ｃ，
１０６ｆ，１０６ｇには圧縮力或いは引張り力と曲げモ
ーメント、ヒンジ１０６ｂ，１０６ｄには主に曲げモー
メントがかかるが、弾性ヒンジは圧縮、引張りには剛
で、回転モーメントに対しては柔であるため、圧電素子
１０５ａの変位方向の変位伝達ロスや、剛性ヒンジを曲
げることによる圧電素子１０５ａの発生力の損失はほと
んどなく、変位量の減少は僅かである。同様に、ＰＺＴ
駆動制御装置１０７ｂにより圧電素子１０５ｂに通電し
変位させるとヒンジ１０６ｂ側は変位せず、ヒンジ１０
６ｄ側が移動する。この際、圧電素子の変位を減少させ
る力は主にヒンジ１０６ａ，１０６ｃ，１０６ｆ，１０
６ｇに加わる曲げモーメントであるが、これも変位量減
少に対する影響は微小である。

【００５２】圧電素子１０５ａ，１０５ｂは１５０Ｖ通
電して３０μｍ変位するようなものである。これに駆動
制御装置１０７ａ，１０７ｂにより７５Ｖ±５５Ｖ程度
通電し、約２０μｍの変位を得る。定格電圧をフルにか
けるより寿命を伸ばすことができる。２個の圧電素子１
０５ａ，１０５ｂにＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１０
７ｂにより、位相差が９０度のｓｉｎ波電圧を加える
と、ｌ１とｌ２の比率に応じた切削工具先端の楕円形状
の軌跡が得られる。振動伝達部材１０６ｅをあまり長く
するとこの部材の剛性が低下して、楕円振動の振動数と
共振して振動の軌跡が不安定になるため、この問題が起
きない拡大率である必要がある。

【００５３】ｌ１が１０ｍｍとすると、ｌ２が５０ｍｍ
程度が適当と考えられるため、主分力方向ストロークは
１００μｍとなる。振動の周波数は高い方が、振動切削
としての効果は高く加工能率も高いが、ＰＺＴ駆動制御
装置１０７ａ，１０７ｂの許容電流、圧電素子１０５
ａ，１０５ｂの寿命、振動伝達部材１０６ｅの共振周波
数等を考慮して５００Ｈｚ以下が適当である。一般的に
は、超音波振動周波数の１０ｋＨＺ〜４０ｋＨｚを使用
するが、これは振動子或いは構造体の共振を利用して振
動振幅を拡大するもので、共振状態のため切削抵抗やバ
イトと被加工物の接触等による共振状態の系変化により
振動振幅が変化しやすく、バイト軌跡が意図したものか
らずれ、形状精度が劣化する可能性があるため、共振状
態を使用しない構成とした。

【００５４】ベース部材１０６はスペーサ１０８に固定
され、更にスペーサ１０８は割り出し盤１０９に固定さ
れている。割り出し盤１０９は回転部のロータ１０９ａ
と、固定部のハウジング１０９ｂとからなり、ロータ１
０９ａはＤＣブラシレス等のモータで駆動され、回転角
はエンコーダで検出される。割り出し盤１０９は上下に
移動するＺスライダ１１０に搭載されている。被加工物
は雇い１１１により、水平面内を移動するＸＹスライダ
１１２に固定されている。ＸＹスライダ１１２は、静圧
軸受けで支持され、リニアモータで駆動され、レーザ測
長器で位置検出される高精度スライダである。

【００５５】以上のような構成において、バイトを主分
力方向と背分力方向に振動させながら子線方向に連続的
に送り、１ライン加工後母線方向に送りピッチＰ分だけ
送り、以上の動作を繰り返して全域を加工する。

【００５６】このような運動をさせるために、ＮＣ装置
１１３内の加工プログラム作成部に、被加工物１０１の
母線形状、子線形状、割り出し盤１０９の回転中心から
切削工具１０２の先端までの距離、切削工具１０２の子
線方向の曲率半径を入力して、被加工物の形状を加工す
るためのＮＣデータを作成する。

【００５７】同期信号作成部からは一定クロック間隔
で、加工プログラムで作成したＮＣデータが演算制御部
に送られ、ここから２個の圧電素子１０５ａ，１０５ｂ
及びＸ、Ｙ、Ｚ、割り出し軸に割り振られた指令値がそ
れぞれのＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１０７ｂとサー
ボコントローラ１１４に送られる。

【００５８】演算制御部でのＰＺＴ駆動制御装置１０７
ａ，１０７ｂへの指令値は、母線の曲率変化に対応させ
るように、主分力方向に振動する圧電素子１０５ａと背
分力方向に振動する圧電素子１０５ｂの変位量と両者の
位相を算出している。ＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１
０７ｂは与えられた指令値をｓｉｎ波形状の電圧に増幅
し、圧電素子１０５ａ，１０５ｂに与える。これによ
り、図９のように被加工物の曲率半径が１０１ｃ，１０
１ｄ，１０１ｅと変化しても、バイト先端軌跡形状を被
加工物の曲率半径に合わせて１０２ｃ，１０２ｄ，１０
２ｅと変化させることができる。

【００５９】具体的には、母線方向の送りピッチが最大
になることを条件とする軌跡計算をする。図１０により
説明すれば、主分力方向のストロークＬは変位拡大機構
により最大１００μｍであり、そのうち８０％のストロ
ークを形状創生に使用するものとし、バイト先端の最下
点Ｐ１と加工開始点Ｐ２、加工終了点Ｐ３で母線形状と
一致する楕円の短直径Ｈを求め、バイト先端軌跡形状１
０２ｆとなるようＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１０７
ｂに指令する。

【００６０】例えば、母線曲率半径が０．４ｍｍではＨ
＝１０．００μｍである。この場合の圧電素子１０５
ａ，１０５ｂに与える電圧波形は図１１のようになる。
曲率半径が１ｍｍではＨ＝４．００μｍ、曲率半径１０
ｍｍではＨ＝０．４０μｍとＨが減少するが、背分力方
向のストロークが減少すると切り粉の排出性が低下する
などして振動切削の利点が損なわれる。このため母線曲
率半径が０．４ｍｍより大きな場合は、図１２のバイト
軌跡１０２ｇのようにＨ＝１０μｍとなるよう加工終了
点Ｐ３以降は楕円の軌跡より大きく変位させ、その後圧
電素子１０５ｂに一定電圧を与え、侵入動作を開始し加
工開始点Ｐ２まで大きく変位させその後は楕円軌道用の
電圧を与えることとする。この際の圧電素子への電圧波
形は図１３のようになる。

【００６１】曲率半径が拡大機構の腕の長さｌ２の５０
ｍｍより大きな場合は、主分力方向のみ最大振動振幅を
与え、背分力方向には加工中振動させず非加工時は同様
にＨ＝１０μｍとなるような指令を与える。すなわち、
曲率半径が５０ｍｍより大きな場合は、バイト旋回半径
は常に５０ｍｍとなり、非加工時は１０μｍだけ背分力
方向に逃げている。また曲率半径が０．２ｍｍ以下で
は、主分力方向ストロークを最大にすると、背分力方向
ストロークが２０μｍでは不足するため、背分力方向ス
トローク２０μｍを固定し、主分力方向ストロークを減
少させていく。さらに曲率半径が０．０１ｍｍ以下では
主分力方向ストロークも背分力方向ストロークも曲率半
径の２倍の値を取るものとする。

【００６２】以上をまとめると、母線曲率半径により、
主分力方向及び背分力方向の圧電素子のストロークを図
１４のように指令することになる。

【００６３】演算制御部からのＸ、Ｙ、Ｚ、割り出し軸
への指令値は、母線曲率半径に応じて母線送りピッチＰ
が主分力方向ストロークの０．８倍になるように計算さ
れる。これによりどの様な母線曲率半径であっても常に
最大の送りピッチが得られ加工時間の短縮が可能にな
る。また演算制御部からの指令値は切削工具の先端の楕
円軌跡の背分力方向の軸が、母線形状の法線方向と一致
するという条件のもとで計算され、更に子線方向におい
ても、切削工具と被加工物の当たり点における子線形状
の法線方向と切削工具の円弧の半径方向が一致するとい
う条件も加味されている。

【００６４】各ＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１０７ｂ
からは、バイト先端を楕円運動させるため変位指令に見
合った電圧が圧電素子に印加され、サーボコントローラ
からは、各リニアモータ及び回転モータに指令位置まで
移動させるための電流が与えられ、各軸の位置をレーザ
測長器及びエンコーダで検出し、位置検出部がこれを演
算制御部に伝え、指令との誤差をゼロにするようなサー
ボ系が組まれている。

【００６５】上記のような構成によれば、図９におい
て、例えば１０１ｃ部分の曲率半径が５ｍｍ、１０１ｄ
部分の曲率半径が１００ｍｍ、１０１ｅ部分の曲率半径
が０．１ｍｍで、母線の長さが約１００ｍｍであるよう
な母線曲率半径変化が大きくサイズも大きな被加工物に
対し、理論表面粗さを２０ｎｍに設定しても、２〜３時
間程度で加工することができる。

【００６６】この方式の加工では、母線形状を楕円で近
似しているので本来の形状からの形状誤差が生じるが、
この量は例えば曲率半径１ｍｍでは５０ｎｍ、曲率半径
１０ｍｍでは５ｎｍと形状誤差としてはほとんど無視で
きるオーダーである。さらに形状誤差を少なくする場合
には、演算制御部で母線曲率半径に応じたｓｉｎ波形の
歪み率を計算し、ＰＺＴ駆動制御装置１０７ａ，１０７
ｂにおいて波形を歪ませる回路を加えればよい。

【００６７】以上の実施形態では、主に母線形状が凹の
場合について説明したが、平面及び凸形状の場合には、
バイト旋回半径を５０ｍｍとした動きをさせ、母線送り
ピッチは旋回半径５０ｍｍと母線曲率半径と要求される
理論表面粗さから算出すればよい。

【００６８】また、子線方向に１ライン分連続約に加工
し、母線方向にあるピッチ分送る方式について説明した
が、母線方向に１ライン分連続的に加工し、子線方向に
ピッチ送りする加工もできる。この場合は、母線加工中
にバイト先端軌跡を連続的に変化するようＰＺＴ駆動制
御装置に指令する。

【００６９】また、図１５のような複数の自由曲面が連
続している形状においても、従来は１０１ｆの部分で分
割して加工する必要があったが、第２の実施形態によれ
ば１ｆにおいて０．１ｍｍ程度の曲率半径を付けること
により、１個の被加工物として連続的に加工可能であ
り、部品コスト低減、段取り・加工の時間短縮、複数部
品の位置合わせ誤差による形状精度劣化の防止が可能と
なった。

【００７０】これらの振動切削装置と加工法によって、
レーザービームプリンターのスキャナ光学系に使用され
るトーリックレンズやヘッドマウントディスプレイ用プ
リズム等の自由曲面形状の光学素子を高精度に短時間で
切削加工することができる。光学プラスチック材料であ
れば直接切削することができ、ガラス材料でも切り込み
が数μｍ以下であれば加工できる。

【００７１】また量産用のリン青銅や真鍮、鋼材や超硬
材にニッケル系切削層を付けた金型を加工できるので、
これらを用いたプラスチック成形やガラス成形により、
自由曲面光学素子の量産が可能である。さらにこれら光
学素子により、光学部品点数削減、光学性能向上がで
き、製品の小型、高性能、コストダウンができる。

【００７２】以上説明したように、主分力方向の変位が
最大１００μｍ程度とれる振動切削装置と４軸ＮＣ装置
を用い、バイト先端の軌跡が被加工物の曲率半径に近く
なるよう、背分力方向の振動振幅と主分力方向の振動振
幅と両者の位相を制御することにより、従来実質的に製
作できなかった数ｍｍ以下の曲率半径を持つ自由曲面光
学素子を数十ｎｍの良好な表面粗さと、量産において実
用上問題ない数時間程度の時間で、プラスチックやガラ
スあるいはその金型において製作が可能になり、さらに
曲率半径が数μｍから平面まで、そして凹から凸まで変
化するような自由曲面形状の素子も加工可能となる。

【００７３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
良好な表面粗さを短時間で得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の振動切削加工装置の
構成を示す図である。

【図２】加工形状の生成状態を示す図である。

【図３】加工形状の生成状態及び送り拡大状態を示す図
である。

【図４】被加工物の加工状態を示す図である。

【図５】図４の側面図である。

【図６】切削工具の刃先の軌跡を示す図である。

【図７】切削工具の主分力方向の変位を拡大する動作を
示す図である。

【図８】本発明の振動切削装置の第２の実施形態の構成
を示すブロック図である。

【図９】バイト先端軌跡の変化を示す図である。

【図１０】バイト先端軌跡の詳細を示す図である。

【図１１】圧電素子への印加電圧を示す図である。

【図１２】母線曲率半径が大きな場合のバイト先端軌跡
の詳細を示す図である。

【図１３】図１２における圧電素子への印加電圧を示す
図である。

【図１４】母線曲率半径と圧電素子の変位量の関係を示
す図である。

【図１５】母線曲率半径が不連続に変化する被加工物を
示す図である。

【図１６】従来のフライカット加工方式を示す図であ
る。

【図１７】従来の振動切削による加工形状生成状態を示
す図である。

【符号の説明】

１ 被加工物 ２ 切削工具 ５ａ，５ｂ 圧電素子 ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ，６ｇ，６ｆ 弾性ヒンジ ６ｅ 振動伝達部材 ７ 駆動制御装置 ９ 割り出し盤 １３ ＮＣ装置 １４ サーボコントローラ

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 切削工具と被加工物を相対的に主分力方
   向と背分力方向とに振動させながら曲面からなる加工面
   の切削を行う切削加工方法であって、 前記切削工具を、該切削工具の先端の振動の軌跡である
   楕円の背分力方向の軸が前記被加工物の加工面の法線方
   向を向くように運動させることを特徴とする切削加工方
   法。
2. 【請求項２】 前記切削工具を主分力方向に振動させる
   駆動源の振幅を拡大して前記切削工具に伝達させること
   を特徴とする請求項１に記載の切削加工方法。
3. 【請求項３】 前記切削工具と被加工物を相対的に振動
   させる駆動源に圧電素子を用いることを特徴とする請求
   項１に記載の切削加工方法。
4. 【請求項４】 切削工具と被加工物を相対的に主分力方
   向と背分力方向とに振動させるための加振手段と、 前記切削工具を、該切削工具の先端の振動の軌跡である
   楕円の背分力方向の軸が前記被加工物の曲面からなる加
   工面の法線方向を向くように運動させる駆動手段とを具
   備することを特徴とする切削加工装置。
5. 【請求項５】 前記切削工具を主分力方向に振動させる
   駆動源の振幅を拡大して前記切削工具に伝達する拡大手
   段をさらに具備することを特徴とする請求項４に記載の
   切削加工装置。
6. 【請求項６】 前記切削工具と被加工物を相対的に振動
   させる駆動源に圧電素子を用いたことを特徴とする請求
   項４に記載の切削加工装置。
7. 【請求項７】 切削工具と被加工物を相対的に主分力方
   向と配分力方向に振動させながら光学式の関係を満足す
   る曲面の切削加工を行う切削加工方法であって、 前記振動により、前記切削工具の刃先を楕円運動させる
   ための楕円運動工程と、 前記切削工具を、前記楕円の背分力方向の軸が前記被加
   工物の加工面の法線方向を向くように、前記楕円の中心
   軸と平行な軸周りに回動させる回動工程とを具備するこ
   とを特徴とする切削加工方法。
8. 【請求項８】 切削工具と被加工物とを相対的に主分力
   方向と背分力方向とに振動させながら前記被加工物を切
   削加工するための切削加工方法において、 前記被加工物の加工面の曲率の変化に伴って、前記切削
   工具の先端の振動の軌跡を前記被加工物の曲率に合わせ
   て変化させることを特徴とする切削加工方法。
9. 【請求項９】 前記切削工具の主分力方向の振動の振幅
   と位相、及び前記切削工具の背分力方向の振動の振幅と
   位相とを制御することにより、前記切削工具の先端の振
   動の軌跡を制御することを特徴とする請求項８に記載の
   切削加工方法。
10. 【請求項１０】 前記切削工具の先端を楕円運動させる
    ことを特徴とする請求項９に記載の切削加工方法。
11. 【請求項１１】 切削工具を主分力方向と背分力方向に
    振動させる駆動手段と、 被加工物の加工面の曲率変化に前記切削工具を追従させ
    るために、前記切削工具の主分力方向の振動振幅と背分
    力方向の振動振幅と振動の位相とを制御する制御手段と
    を具備することを特徴とする切削加工装置。
12. 【請求項１２】 前記制御手段は、前記切削工具の先端
    を楕円運動させるように制御することを特徴とする請求
    項１１に記載の切削加工装置。
13. 【請求項１３】 請求項８乃至１０のいずれか１項に記
    載された切削加工方法により加工されたことを特徴とす
    る光学素子。
14. 【請求項１４】 請求項８乃至１０のいずれか１項に記
    載された切削加工方法により加工されたことを特徴とす
    る光学素子の成形用金型。
15. 【請求項１５】 請求項１１又は１２に記載された切削
    加工装置により加工されたことを特徴とする光学素子。
16. 【請求項１６】 請求項１１又は１２に記載された切削
    加工装置により加工されたことを特徴とする光学素子の
    成形用金型。
17. 【請求項１７】 被加工部材の被加工面に母線曲面と子
    線曲面からなる非球面形状曲面を創生加工する切削工具
    刃に主分力方向と背分力方向の振動による楕円運動を付
    与して加工する切削加工方法において、 前記創生すべき非球面形状曲面を複数の区域に区分し、
    前記切削工具刃の前記区分された区域における前記楕円
    運動の最下点Ｐ１、加工開始点Ｐ２、加工終了点Ｐ３で
    構成される母線曲面と一致する楕円の短直径Ｈを求め、
    前記区域において母線方向への切削工具刃の送りピッチ
    が最大となる条件を前記工具刃の移動軌跡とすることを
    特徴とする切削加工方法。
18. 【請求項１８】 非球面形状曲面を被加工部材の被加工
    面に切削加工する工具刃に振動を作用させて振動切削加
    工する工具保持装置であって、 前記工具刃に主分力方向の振動を作用させる第１の振動
    発生手段と、 前記工具刃に背分力方向の振動を作用させる第２の振動
    発生手段と、 前記工具刃を保持する保持部材とを具備し、 前記保持部材に主分力方向の変位を拡大する拡大機構部
    を形成したことを特徴とする工具保持装置。
19. 【請求項１９】 非球面形状曲面を被加工部材の被加工
    面に切削加工する工具刃に主分力方向の振動と背分力方
    向の振動を作用させて加工する切削装置であって、 前記工具刃に前記主分力方向の振動を作用させる第１の
    振動発生手段と、 前記工具刃に前記配分力方向の振動を作用させる第２の
    振動発生手段と、 前記第１及び第２の振動発生手段と前記工具刃とを保持
    する保持部材と、 該保持部材を介して前記工具刃を前記被加工面の加工位
    置に割り出し操作する割り出し操作部材と、 前記第１及び第２の振動発生手段を駆動制御する制御手
    段と、 前記割り出し操作部材を駆動制御する割り出し制御手段
    とを具備することを特徴とする切削加工装置。