JP2017030124A

JP2017030124A - 球面彫刻装置

Info

Publication number: JP2017030124A
Application number: JP2015155524A
Authority: JP
Inventors: 木村　泰三; Taizo Kimura; 泰三木村
Original assignee: Yamazaki Co Ltd
Current assignee: Yamazaki Co Ltd
Priority date: 2015-08-05
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2017-02-09

Abstract

【課題】球面部分に文字又は図形を彫刻する簡便な球面彫刻装置を提供する。
【解決手段】この球面彫刻装置１は、基礎フレーム体４と、基礎フレーム体４に固定される第１モータ５と、基礎フレーム体４の内方にそれに回転可能に取り付けられ、第１モータ５により回転し得る第１フレーム体６と、第１フレーム体６に固定される第２モータ７と、第１フレーム体６の内方に、その軸線Ａに軸線Ｂが直交するように第１フレーム体６に回転可能に取り付けられ、第２モータ７により回転し得、かつ、球面部分ＷＳを有する被加工物Ｗを固定する被加工物固定部８ａが設けられる第２フレーム体８と、第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点に軸線Ｃが通るように配置され得る棒状の彫刻工具９と、を備えてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、球面部分に文字又は図形を彫刻する球面彫刻装置に関する。

被加工物の表面に文字又は図形を表示するには、インクの転写、すなわち印刷が簡便であるが、彫刻工具又はレーザー光による彫刻が採用されることも少なくない。印刷は、頻繁に手が触れるところなどでは、文字又は図形が経時とともにかすれ易く、また、文字又は図形に奥行きがないために、高級感や質感を出しにくいこともある。

彫刻は、被加工物の表面が平面の場合は比較的容易であるが、車のシフトレバーのノブ（以下「シフトノブ」と言う。）のように曲面の場合、適切な文字又は図形の表示にするために、一般には、多軸制御（例えば、５軸制御）の汎用の機械加工装置（マシニングセンタ）が使用される。しかし、多軸制御の汎用の機械加工装置は、高価である。そこで、特定の曲面形状にのみ文字又は図形を彫刻できる簡便な彫刻装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、１つの方向に曲率を有する形状の曲面状板に文字又は図形を彫刻できる彫刻装置が開示されている。この彫刻装置では、電子計算機から文字又は図形の形状の信号を受け取って、エンドミルを支持するヘッド部を水平方向に移動させ、また、曲面状板が取り付けられるドラムを回転させることによって位置を決め、そして、ドラムを上昇させることによってエンドミルを曲面状板に直角に接しさせて所望の深さまで切削し、完了するとドラムを下降させる。

実開平０３−１０１６６１号公報

しかしながら、汎用の機械加工装置でない彫刻装置は、文字又は図形を彫刻する特定の曲面形状に応じた構造を案出しなければならない。例えば、シフトノブは２次元的な曲率の球面部分を有するものがあり、その球面部分に文字又は図形を彫刻する場合、特許文献１に開示されているようなドラムを用いる彫刻装置は適用できない。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、球面部分に文字又は図形を彫刻する簡便な球面彫刻装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の球面彫刻装置は、基礎フレーム体と、該基礎フレーム体に固定される第１モータと、前記基礎フレーム体の内方にそれに回転可能に取り付けられ、前記第１モータにより回転し得る第１フレーム体と、該第１フレーム体に固定される第２モータと、前記第１フレーム体の内方に、その軸線に軸線が直交するように前記第１フレーム体に回転可能に取り付けられ、前記第２モータにより回転し得、かつ、球面部分を有する被加工物を固定する被加工物固定部が設けられる第２フレーム体と、前記第１フレーム体の軸線と前記第２フレーム体の軸線との交点に軸線が通るように配置され得る棒状の彫刻工具と、を備えてなることを特徴とする。

請求項２に記載の球面彫刻装置は、請求項１に記載の球面彫刻装置において、文字又は図形のＸＹ平面加工データを入力し、該ＸＹ平面加工データのＸ軸方向の長さを前記球面部分の曲率半径に応じた変換比率で前記第１フレーム体の回転角度に変換して第１信号を前記第１モータに出力し、前記ＸＹ平面加工データのＹ軸方向の長さを前記変換比率で前記第２フレーム体の回転角度に変換して第２信号を前記第２モータに出力するデータ変換部を更に備えることを特徴とする。

請求項３に記載の球面彫刻装置は、請求項１又は２に記載の球面彫刻装置において、前記棒状の彫刻工具に代えてレーザー照射器を備えることを特徴とする。

本発明によれば、球面部分に文字又は図形を彫刻する簡便な球面彫刻装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る球面彫刻装置を示す模式的な外観図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部の平面図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部のＤ―Ｄで示す切断面で切断した断面図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部のＥ―Ｅで示す切断面で切断した断面図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部の回転した第１フレーム体を示す断面図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部の回転した第２フレーム体を示す断面図である。同上の球面彫刻装置の球面彫刻装置本体部の第２フレーム体の被加工物固定部を示す断面図である。同上の球面彫刻装置で彫刻される文字又は図形及び被加工物の例を示すものであって、（ａ）がデータ変換部に入力される文字又は図形のＸＹ平面加工データの図、（ｂ）が被加工物の断面図である。

本発明を実施するための形態を、以下説明する。本発明の実施形態に係る球面彫刻装置１は、図１に示すように、球面彫刻装置本体部２とデータ変換部３とを備えている。この球面彫刻装置１は、コンピュータ等の制御装置Ｍから文字又は図形の加工データを入力し、それに応じて文字又は図形を被加工物Ｗの球面部分ＷＳに彫刻するものである。

球面彫刻装置本体部２は、図２〜図４に示すように、基礎フレーム体４と、第１モータ５と、第１フレーム体６と、第２モータ７と、第２フレーム体８と、彫刻工具９と、を備えてなる。なお、図２においては、彫刻工具９等の図示は省略している。また、図１に示すように、通常、基礎フレーム体４は基台１０Ａの上に配置され、彫刻工具９が取り付けられる後述する彫刻工具制御体９Ａは、支持棒体１０Ｂを介して基台１０Ａに固定される。

基礎フレーム体４は、後述するように第１モータ５などの各部が取り付けられる基礎となるものである。

第１モータ５は、基礎フレーム体４に固定される。第１モータ５は、ステッピングモータやサーボモータなど、入力する第１信号によりその回転軸５ａ（図３参照）の回転角度が指示されるモータである。例えば、回転軸５ａの回転角度は、第１モータ５がステッピングモータの場合、第１信号の中のパルスの数によって指示される。第１信号は、第１信号ケーブル１０Ｃ（図１参照）を通って第１モータ５に入力される。

第１フレーム体６は、基礎フレーム体４の内方（平面視において内方）に配置されて、基礎フレーム体４に回転可能に取り付けられる。第１フレーム体６は、軸線Ａのまわりを回転する。詳細には、第１フレーム体６は、一対のシャフト６Ａ、６Ａ’を介して基礎フレーム体４に回転可能に取り付けられる。シャフト６Ａ、６Ａ’は、軸線Ａのまわりを回転する。図において符号６Ｂ、６Ｂ’で示すのは、シャフト６Ａ、６Ａ’を基礎フレーム体４に回転可能に取り付けるための取付具である。

第１フレーム体６は、第１モータ５により回転し得る。詳細には、第１フレーム体６は、複数個のギア６Ｃを介して、第１モータ５の回転が伝えられる（図３参照）。複数個のギア６Ｃは、第１モータ５の回転軸５ａに取り付けられるギア６Ｃａと第１フレーム体６に取り付けられそれとともに回転するギア６Ｃｂを含み、それらの間に幾つかのギア６Ｃｃ、６Ｃｄ、・・を含み得る。第１フレーム体６に取り付けられそれとともに回転するギア６Ｃｂは、半径が大きいので、図３に示すように、完全な円板状のものではなく、必要な部分を残してその一部とすればよい。なお、図において、符号６Ｄ、６Ｄ’で示すのは、シャフト６Ａ、６Ａ’を第１フレーム体６に固定するための固定具である。ギア６Ｃｂは、シャフト６Ａとともに固定具６Ｄによって第１フレーム体６に固定されている。また、複数個のギア６Ｃは、平歯車型に限らず、その中の１個又は２個以上をウォームギアにすることも可能である。

第２モータ７は、第１フレーム体６に固定される。第２モータ７は、ステッピングモータやサーボモータなど、入力する第２信号によりその回転軸７ａ（図４参照）の回転角度が指示されるモータである。例えば、回転軸７ａの回転角度は、第２モータ７がステッピングモータの場合、第２信号の中のパルスの数によって指示される。第２信号は、第２信号ケーブル１０Ｄ（図１参照）を通って第２モータ７に入力される。

第２フレーム体８は、第１フレーム体６の内方（平面視において内方）に配置されて、第１フレーム体６に、第１フレーム体６の軸線Ａに第２フレーム体８の軸線Ｂが直交するように回転可能に取り付けられる。第２フレーム体８は、軸線Ｂのまわりを回転する。詳細には、第２フレーム体８は、一対のシャフト８Ａ、８Ａ’を介して第１フレーム体６に回転可能に取り付けられる。シャフト８Ａ、８Ａ’は、軸線Ｂのまわりを回転する。図において符号８Ｂ、８Ｂ’で示すのは、シャフト８Ａ、８Ａ’を第１フレーム体６に回転可能に取り付けるための取付具である。

第２フレーム体８は、第２モータ７により回転し得る。詳細には、第２フレーム体８は、複数個のギア８Ｃを介して、第２モータ７の回転が伝えられる（図４参照）。複数個のギア８Ｃは、第２モータ７の回転軸７ａに取り付けられるギア８Ｃａと第２フレーム体８に取り付けられるギア８Ｃｂを含み、それらの間に幾つかのギア８Ｃｃ、８Ｃｄ、・・を含み得る。第２フレーム体８に取り付けられるギア８Ｃｂは、半径が大きいので、図４に示すように、完全な円板状のものではなく、必要な部分を残してその一部とすればよい。なお、図において、符号８Ｄ、８Ｄ’で示すのは、シャフト８Ａ、８Ａ’を第２フレーム体８に固定するための固定具である。ギア８Ｃｂは、シャフト８Ａとともに固定具８Ｄによって第２フレーム体８に固定されている。また、複数個のギア８Ｃは、平歯車型に限らず、その中の１個又は２個以上をウォームギアにすることも可能である。

よって、図５に示すように、第１フレーム体６が基礎フレーム体４に対して回転し、図６に示すように、第２フレーム体８が第１フレーム体６に対して回転しても、第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点の位置は、変わらない。

また、第２フレーム体８は、被加工物Ｗを固定する被加工物固定部８ａが設けられている。被加工物Ｗは、球面部分ＷＳを有する物体である。球面部分ＷＳは、通常、被加工物Ｗの表面の一部であるが、全部であってもよい。球面部分ＷＳは、ある一点（中心）からの距離（曲率半径ｒ）が一定なように形成された曲面である（図８（ｂ）参照）。球面部分ＷＳは、例えば、半球の表面、或いは半球の表面よりも狭い範囲又は広い範囲である。被加工物Ｗは、彫刻する球面部分ＷＳを露出するようにして、また、球面部分ＷＳの中心が第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点に一致するようにして、被加工物固定部８ａに固定される。

被加工物固定部８ａは、被加工物Ｗの形状に応じて様々な構造が可能である。例えば、被加工物Ｗがシフトノブの場合、被加工物固定部８ａは、図７に示すような構造とすることができる。すなわち、この被加工物固定部８ａは、有底略円筒状の被加工物収容部８ａａを有している。被加工物収容部８ａａの内側底面の中央には、直立した被加工物取付部分８ａｂが形成されている。この被加工物取付部分８ａｂが挿入されるように、被加工物Ｗの底面には孔部が形成されている。被加工物収容部８ａａの開口部の内周面には、被加工物支持部８ａｃが配置されている。被加工物支持部８ａｃは、被加工物Ｗを傷付けないように比較的軟質の部材であるのが好ましい。また、被加工物支持部８ａｃは、被加工物Ｗの位置を固定するように、被加工物位置固定具８ａｄによって外周面の複数箇所（例えば３箇所）から押さえ付けられるようにするのが好ましい。被加工物収容部８ａａの開口部の外周面には鍔部が形成されており、鍔部は複数個（例えば４個）の取付固定具８ａｅによって被加工物固定部８ａの周囲の部材８ｂに固定される。

彫刻工具９は、棒状のもの（例えば、エンドミル）である。彫刻工具９は、第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点に彫刻工具９の軸線Ｃが通るように配置され得る（図３及び図４参照）。彫刻工具９は、通常、その軸線Ｃが鉛直方向に向くように彫刻工具制御体９Ａに取り付けられる。軸線Ａ、Ｂ、Ｃの交点に向かって下降した彫刻工具９は、彫刻されるべき被加工物Ｗの表面の小範囲に垂直に当たって一定の深さまで切削する。なお、図１においては、彫刻工具制御体９Ａは、ケーブル１０Ｅを通るデータ変換部３からの制御信号に応じて彫刻工具９の下降・上昇や動作（回転）オン・オフなどを制御しているが、制御装置Ｍからの直接の制御信号に応じて制御することも可能である。

彫刻工具９に代えてレーザー照射器を用いることも可能である。レーザー照射器から軸線Ａ、Ｂ、Ｃの交点に向かって一定出力で照射されたレーザー光は、彫刻されるべき被加工物Ｗの表面の小範囲に垂直に当たって一定の深さまで溶融する。

以上説明した球面彫刻装置本体部２は、以下のようにして動作することができる。すなわち、先ず、被加工物Ｗは、その球面部分ＷＳの中心が第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点に一致するようにして、被加工物固定部８ａに固定される。次に、基礎フレーム体４又は彫刻工具９の位置が必要ならば微調整されて、彫刻工具９は、第１フレーム体６の軸線Ａと第２フレーム体８の軸線Ｂとの交点に彫刻工具９の軸線Ｃが通るように配置される。第１モータ５に第１モータ５の回転角度を指示する第１信号、第２モータ７に第２モータ７の回転角度を指示する第２信号が入力される。第１モータ５の回転により第１フレーム体６が回転し、また、第２モータ７の回転により第２フレーム体８が回転する。その結果、被加工物Ｗは、望みの位置に回転する。彫刻工具９又はレーザー光は、彫刻するべき被加工物Ｗの表面の小範囲に垂直に当たって一定の深さまで切削又は溶融する。この動作が、文字又は図形の全ての領域について、行われ、文字又は図形の全てが彫刻される。

このように、球面彫刻装置本体部２、すなわち球面彫刻装置１は、簡便に球面部分ＷＳに文字又は図形を彫刻することができる。

次に、データ変換部３について説明する。データ変換部３は、コンピュータ等の制御装置Ｍから文字又は図形の通常のＸＹ平面加工データを入力して、第１モータ５に第１信号を、第２モータ７に第２信号を出力するものである。データ変換部３は、例えば、マイクロコンピュータとその周辺部品によって実現される。ＸＹ平面加工データは、図８（ａ）に示すように、被加工物の表面が平面の場合に、そこに彫刻する文字又は図形をＸＹ座標で表したものである。文字又は図形のＸＹ平面加工データは、通常、コンピュータ等の制御装置Ｍのモニタで確認される。例えば、文字又は図形は、複数個の線分を組合せた図形と独立の複数個の文字（１、２、３、４、５、６、Ｒ）である。例えば、被加工物Ｗは、図８（ｂ）に示すようなシフトノブであり、その球面部分ＷＳはほぼ半球の表面である。なお、図８（ｂ）においては、図８（ａ）の一点鎖線で示す部分に対応する部分が球面部分ＷＳに彫刻されている。

データ変換部３では、ＸＹ平面加工データのＸ軸方向の長さΔＸは、被加工物Ｗの球面部分ＷＳの曲率半径ｒに応じた変換比率で第１フレーム体６の回転角度Δθ_ＦＡに変換され、それに応じた第１信号が第１モータ５に出力される。

詳細には、第１モータ５がステッピングモータの場合、第１信号に含まれるパルスの数ｎを以下のようにして算出するようにすればよい。ここでは、Ｘ軸方向の長さΔＸを、被加工物Ｗの球面部分ＷＳにおける円弧の長さとして計算している。すなわち、
Δθ_ＦＡ＝（１８０÷（π×ｒ））×（ΔＸ）
ｎ＝（Ｎ÷Ｒ_Ａ）×（Δθ_ＦＡ）
となる。ここで、ｒは上述したように被加工物Ｗの球面部分ＷＳの曲率半径、Ｎは第１モータ５を１回転させるときのパルス数、Ｒ_Ａは第１モータ５の１回転に対応する第１フレーム体６の回転角度である。例えば、ｒを２０ｍｍ、Ｎを１８００、Ｒ_Ａを３°とすると、ΔＸが１ｍｍのとき、Δθ_ＦＡが２．８６６°になり、ｎは１７２０となる。

また、同様にして、データ変換部３では、ＸＹ平面加工データのＹ軸方向の長さΔＹは、被加工物Ｗの球面部分ＷＳの曲率半径ｒに応じた変換比率で第２フレーム体８の回転角度に変換され、それに応じた第２信号が第２モータ７に出力される。また、同様にして、上記のパルスの数ｎの算出方法を用いることができる。

このようにして、データ変換部３は、文字又は図形の通常のＸＹ平面加工データを入力して、簡便に、第１モータ５に第１信号を、第２モータ７に第２信号を出力することができる。

以上、本発明の実施形態に係る球面彫刻装置について説明したが、本発明の球面彫刻装置は、実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内での様々な設計変更が可能である。例えば、コンピュータ等の制御装置Ｍの中において、プログラムなどを追加することで、直接に第１信号及び第２信号を出力することも、場合によっては可能である。

１球面彫刻装置
２球面彫刻装置本体部
３データ変換部
４基礎フレーム体
５第１モータ
６第１フレーム体
７第２モータ
８第２フレーム体
８ａ被加工物固定部
９彫刻工具
９Ａ彫刻工具制御体
Ａ第１フレーム体の軸線
Ｂ第２フレーム体の軸線
Ｃ彫刻工具の軸線
Ｗ被加工物
ＷＳ被加工物の球面部分
ｒ球面部分の曲率半径

Claims

基礎フレーム体と、
該基礎フレーム体に固定される第１モータと、
前記基礎フレーム体の内方にそれに回転可能に取り付けられ、前記第１モータにより回転し得る第１フレーム体と、
該第１フレーム体に固定される第２モータと、
前記第１フレーム体の内方に、その軸線に軸線が直交するように前記第１フレーム体に回転可能に取り付けられ、前記第２モータにより回転し得、かつ、球面部分を有する被加工物を固定する被加工物固定部が設けられる第２フレーム体と、
前記第１フレーム体の軸線と前記第２フレーム体の軸線との交点に軸線が通るように配置され得る棒状の彫刻工具と、
を備えてなることを特徴とする球面彫刻装置。
請求項１に記載の球面彫刻装置において、
文字又は図形のＸＹ平面加工データを入力し、
該ＸＹ平面加工データのＸ軸方向の長さを前記球面部分の曲率半径に応じた変換比率で前記第１フレーム体の回転角度に変換して第１信号を前記第１モータに出力し、
前記ＸＹ平面加工データのＹ軸方向の長さを前記変換比率で前記第２フレーム体の回転角度に変換して第２信号を前記第２モータに出力するデータ変換部を更に備えることを特徴とする球面彫刻装置。
請求項１又は２に記載の球面彫刻装置において、
前記棒状の彫刻工具に代えてレーザー照射器を備えることを特徴とする球面彫刻装置。