JP4803347B2

JP4803347B2 - 振動切削装置

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Publication number: JP4803347B2
Application number: JP2005124251A
Authority: JP
Inventors: 秀細江; 利幸今井
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2005-04-21
Filing date: 2005-04-21
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-21
Also published as: JP2006297556A

Description

本発明は、光学素子用の成形金型等の材料の切削加工に用いる振動切削装置に関するものである。

工具を振動させながら切削加工することで、難切削材料である超硬やガラス等の材料を、ダイヤモンド等の工具で切削する技術があり、振動切削と呼ばれている。これは、振動によって工具刃先を高速に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、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等参照）。

これによって、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に切削加工することができる。

この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メリットもある。

このような高速振動を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、工具を保持する部材、すなわち振動体は、共振の節にあたるところで装置筐体や加工機の工具台等に連結された部材に固定されている。
特開２０００−５２１０１号公報特開２０００−２１８４０１号公報特開平９−３０９００１号公報

しかしながら、上記のように高速で工具を振動させると、励振のための振動子が電気的な損失によって発熱し、この振動子に密着固定されている振動体を加熱するので、振動体が熱膨張することが起きる。この現象により、以下の問題が生じる。
（１）振動体が熱膨縮するため、この先端に保持された工具刃先の位置が変動し、高精度な切削加工ができない。
（２）切削負荷によって振動の負荷も変わるので、振動子の発熱量も変化して振動体の熱膨張量が変わり、結局、切削条件や被削材料の種類等によっても工具刃先の位置が変動して、加工再現性や加工汎用性が損なわれる。
（３）振動体は、振動の節の位置でネジ等によって押圧し保持されているが、振動体の膨縮によりその保持力が変化したり緩んだりして、共振状態が影響を受け、切削装置としての信頼性を損ねることがある。

そこで、本発明は、高い加工形状精度と滑らかな表面粗さを効率よく達成することができる振動切削装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る第１の振動切削装置は、（ａ）切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）線膨張係数が６×１０^−６以下の材料で形成されるとともに、切削工具を保持して振動源からの振動を軸方向振動及び撓み振動として切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）振動体を軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定する固定部材とを備える。この振動切削装置は、振動源の少なくとも一部にガス状流体を吹き付ける冷却手段をさらに備え、振動源及び振動体が、これらの接合部で連通する貫通孔を有し、冷却手段が、貫通孔の振動源側からガス状流体を供給する。

上記装置では、振動体の形成材料が線膨張係数６×１０^−６以下であるので、振動源が発熱しても、振動体の熱膨張を抑えることができる。よって、振動体に支持された切削工具を精度良く配置することができ、高精度な切削加工が可能になる。
また、上記装置では、固定部材が振動体を軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定するので、エネルギーの損失を抑えつつ、振動体を目的とする軸方向振動及び撓み振動によって共振動作させることができる。よって、切削工具を目的とする状態で振動させることができ、高精度で効率的な切削加工が可能になる。
さらに、上記装置では、冷却手段が振動源にガス状流体を吹き付けるので、振動源延いては振動体の温度上昇を抑えることができる。よって、振動体に固定されている切削工具の位置制御の再現性を高めることができ、高精度な切削加工が可能になる。なお、ガス状流体は、質量が軽く、振動体の振動条件を変化させないという利点がある。さらに、上記装置では、貫通孔にガス状流体を流すことができ、振動源と振動体とを直接的かつ効率的に冷却することができる。

本発明に係る第２の振動切削装置は、（ａ）切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）窒化珪素を主成分として含む材料で形成されるとともに、切削工具を保持して振動源からの振動を軸方向振動及び撓み振動として切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）振動体を軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定する固定部材とを備える。ここで、窒化珪素を主成分として含むとは、材料の５０質量％以上が窒化珪素であることを意味するものとする。この振動切削装置は、振動源の少なくとも一部にガス状流体を吹き付ける冷却手段をさらに備え、振動源及び振動体が、これらの接合部で連通する貫通孔を有し、冷却手段が、貫通孔の振動源側からガス状流体を供給する。

上記装置では、振動体の形成材料が窒化珪素を主成分として含む材料であるので、振動体の形成材料の線膨張係数が極めて小さくなり、振動源が発熱しても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。また、窒化珪素を主成分として含む材料は、じん性が非常に高いことから比較的大きな振幅が得られるという利点があり、ヤング率が大きいことから高い振動数での振動が可能であるという利点もある。その他、良好な熱伝導性によって温度上昇を抑える効果や、耐衝撃性によって振動の負荷による破損等の弊害を防止する効果も期待される。

本発明の具体的態様では、上記第２の振動切削装置において、振動体が、サイアロンで形成されている。

本発明に係る第３の振動切削装置は、（ａ）切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）超硬材料で形成されるとともに、切削工具を保持して振動源からの振動を軸方向振動及び撓み振動として切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）振動体を軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定する固定部材とを備える。この振動切削装置は、振動源の少なくとも一部にガス状流体を吹き付ける冷却手段をさらに備え、振動源及び振動体が、これらの接合部で連通する貫通孔を有し、冷却手段が、貫通孔の振動源側からガス状流体を供給する。

上記装置では、振動体の形成材料が超硬材料であるので、振動体の形成材料の線膨張係数が極めて小さくなり、振動源が発熱しても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。また、超硬材料は、ヤング率が大きいことから高い振動数での振動が可能であるという利点があり、一般的にセラミック材料等に比較して割れにくいことから、切削工具保持用の構造材料として高い信頼性を有する。

本発明に係る第４の振動切削装置は、（ａ）切削工具と、（ｂ）切削工具を振動させるための振動源と、（ｃ）インバー材及びステンレスインバー材の少なくとも一方で形成されるとともに、切削工具を保持して振動源からの振動を軸方向振動及び撓み振動として切削工具に伝達する振動体と、（ｄ）振動体を軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定する固定部材とを備える。この振動切削装置は、振動源の少なくとも一部にガス状流体を吹き付ける冷却手段をさらに備え、振動源及び振動体が、これらの接合部で連通する貫通孔を有し、冷却手段が、貫通孔の振動源側からガス状流体を供給する。

上記装置では、振動体の形成材料がインバー材及びステンレスインバー材の少なくとも一方であるので、振動体の形成材料の線膨張係数が極めて小さくなり、振動源が発熱しても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。

本発明の具体的態様では、上記振動切削装置において、ガス状流体は、ミスト状の状態を含む。この場合、ミスト状に添加された粒子によって冷却効率を高めることができ、ガス状流体に対して潤滑等の機能を付加することができる。

本発明の具体的態様では、上記振動切削装置において、ガス流体の温度を調整する温度調整手段をさらに備える。この場合、振動源をより精密に温度制御することができ、振動体の温度を安定させて切削工具の刃先位置の温度ドリフトを低減することができる。

本発明の具体的態様では、上記振動切削装置において、ガス流体の流量を調整する流量調整手段をさらに備える。この場合、振動源をガス流体の流量制御によって温度制御することができ、切削工具の刃先位置の温度ドリフトを低減することができる。

本発明の具体的態様では、上記振動切削装置において、ガス流体が、乾燥圧縮空気であることを特徴とする。この場合、ガス流体が安価で容易に入手可能なものとなり、漏電等の発生を効率的に防止できる。

本発明の具体的態様では、上記振動切削装置において、振動体が、軸状の外形を有し、固定部材が、振動体と一体形成されるとともに振動体の共通の節位置から軸に略垂直な方向に広がった板状部分を有する。この場合、板状部分によって緩みのない高精度の固定が可能になり、変動の少ない安定した動作を実現することができる。また、板状部分によって、振動体を周囲から均等に保持することができ、振動体の固定の信頼性を高めることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態に係る振動切削装置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振動切削装置の構造を説明するブロック図である。

図１に示すように、振動切削装置１０は、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制御機構３０と、ＮＣ制御機構３０の動作を制御するステージ駆動装置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。

振動切削ユニット２０は、下部のチップ２１先端に切削工具を埋め込んだものであり、この切削工具の振動によってワークＷを切削する。振動切削ユニット２０の詳細については後述する。

ＮＣ制御機構３０は、台座３１上にコラム３３を設けた構造になっており、コラム３３に取り付けられてＺ方向に昇降しθ方向に回転するヘッド３５を備える。このヘッド３５には、振動切削ユニット２０が取り付けられており、下部にチップ２１を露出させている。振動切削ユニット２０に対向して、台座３１上には、ＸＹステージ３７が設けられている。このＸＹステージ３７は、ワークＷを支持してＸＹ面内で所望の位置に所望の速度で移動させることができる。

ステージ駆動装置４０は、高精度の数値制御が可能になっており、ＮＣ制御機構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、ヘッド３５やＸＹステージ３７を適宜動作させる。これにより、ワークＷに対する振動切削ユニット２０のチップ２１先端の位置や角度、さらにそれらの変化速度を自在に調整することができる。

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、チップ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、チップ２１先端は、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、３次元的な振動によってワークＷ表面にチップ２１先端を向けた加工が可能になっている。

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（乾燥圧縮空気）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する。また、温度調節部６３は、図示を省略するが、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する温度調整手段であり、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、バルブやフローコントローラ（不図示）を有する流量調節手段であり、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。

図２は、振動切削ユニット２０の構造を説明する断面図である。振動切削ユニット２０は、切削工具８１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。

ここで、切削工具８１は、振動体８２の先端側であるチップ２１の端部に埋め込むように固定されている。切削工具８１は、先端８１ａが切刃になっており、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８１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ＸＹ方向に変位する振動を生じる。

振動体８２は、先端のチップ２１側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、ＸＹ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。

図３は、第１固定フランジ８７の形状を例示する。図３（ａ）に示す第１固定フランジ８７は、完全な円板状の固定部材であり、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っている。図３（ｂ）に示す第１固定フランジ８７は、開口８７ａを有する固定部材であり、外周部分を筐体８６に固定しても、筐体８６内外の通気が確保できるようになっている。図３（ｃ）に示す第１固定フランジ８７は、例えば等角度で３方向に延びる支持部材８７ｂを有する固定部材であり、支持部材８７ｂ先端を筐体８６に固定しても、筐体８６内外の通気が確保できるようになっている。

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図１の振動子駆動装置５０に接続されている。軸方向振動子８３は、振動子駆動装置５０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。

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図１の振動子駆動装置５０に接続されている。撓み振動子８４は、振動子駆動装置５０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に横波を与える。

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の形状は、図３に示す第１固定フランジ８７と同様のものとなっている。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、軸方向振動が妨げられることを防止できる。

筐体８６は、筒状の部材であり、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、開口を塞ぐように第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、図１のガス供給装置６０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。つまり、給気パイプ９２は、ガス供給装置６０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となっている。

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。貫通孔９１の先端は、二股以上に分岐した細孔９１ａとなっており、貫通孔９１に導入された加圧乾燥空気をチップ２１の端部に排出できるようになっている。

以下、振動体８２を形成する材料について説明する。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。

振動体８２の材料としては、線膨張係数が６×１０^−６以下の材料を用い、具体的には、窒化珪素、サイアロン、超硬、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。以下の表１は、振動体８２の材料の典型的な実施例（インバー、ステンレスインバー、超硬、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素）や、比較例（所謂６−４チタン；Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、アルミ合金；Ａ５０５６、ステンレス；ＳＵＳ３０４、アルミナ）を示したものであり、各材料の物性を併せて記載している。

従来、振動子８３，８４で励振させられる振動体８２は、ステンレス材料や焼き入れ鋼、アルミ等が主な材料であった。これは、比較的安価な材料でありながら音速が速く、軸方向振動を効率良く実現できるためであった。しかし、ステンレス材料の線膨張係数は１３〜１７×１０^−６と大き<、焼き入れ鋼で１０〜１１×１０^−６程度、アルミに至っては２４×１０^−６と極めて大きかった。このような材料で、切削工具８１を支持する振動体８２（以下、従来型の振動体８２）を製作した場合、振動体８２の温度が多少変化すると、その先端に取り付けられた切削工具８１の刃先位置（先端８１ａの端部）が比較的大きく変動していた。そのため、例えば振動切削加工を開始すると、振動子８３，８４が電気的な損失によって発熱するので、時間の経過とともに少しずつ振動子８３，８４の温度が上昇し、これに結合固定されている従来型の振動体８２の温度も徐々に上昇した。その結果、従来型の振動体８２は、加工が進行するにつれ熱膨縮により全長を延ばし、その先端に設けた切削工具８１の刃先位置が徐々に変化していた。このように刃先位置が加工中に変動する切削装置にあっては、加工形状を高精度に創製することは難し<、超硬やガラス、あるいはセラミック等の難加工材料をワークＷとして切削している場合、切り込み量がミクロンオーダーで変動して、表面粗さも一様とはならない。

本実施形態では、このような振動体８２の熱伸張によって加工精度が低下することを防止するため、線膨張係数が６×１０^−６以下の材料を用いている。つまり、本発明者は、最も一般的な焼き入れ鋼材の１０〜１１×１０^−６の約半分である、６×１０^−６以下の線膨張係数を有する材料を振動体８２に用いることが、切削工具８１の刃先位置の温度ドリフトの低減に目立った効果を発揮することを見出した。

線膨張係数が６×１０^−６以下の材料はたくさんあるが、大きく分けると合金系とセラミック系の材料がある。合金系材料は、加工がセラミツクより容易な反面、比重は大きくヤング率も小さいので、高周波で共振させるには不向きである。セラミック系材料は、その逆で、ヤング率が鋼材の２〜３倍程もあり、しかも比重は半分以下であるため、軽くて高い振動数で振動させやすく、さらに振動を吸収しにくいので単一で純度の高い共振周波数を得やすい。つまり、材料のＱ値が高く、本来このような材料で振動体８２を製作すべきである。

以下、振動体８２の具体的材料について説明する。振動体８２は、例えば窒化珪素やサイアロンで形成することができる。窒化珪素やサイアロンは、ほとんど同一の特性を有するセラミック材料であり、室温での線膨張係数が１．３×１０^−６と非常に小さく、鋼材の約１／１０程度であるので、振動体８２の熱膨縮量を著しく低減し、先端に保持した切削工具８１の刃先位置の温度ドリフトを劇的に低減する。その結果、安定した振動と切り込み量が確保できるので、ワークＷにおいて、高い精度の切削加工面を効率よく、再現性良く得ることができる。

さらに、窒化珪素やサイアロンは、セラミック材料の中ではじん性が非常に高く、柔軟な振動をするので歪みが少なく、単一振動周波数で比較的大きな振幅が得られるという特徴もある。また、比重が３．３と非常に軽く慣性力が小さくてヤング率も３００ＧＰａと大きいので、高い振動数で振動させやすい。したがって、振動子８３，８４の負荷を小さくでき、その発熱量も低く押さえられるので、切削工具８１の刃先位置の温度ドリフトを低減するには非常に良い。また、熱伝導率も、ステンレス程度と、セラミックとしては比較的高い方であり、振動体８２に熱を蓄積せずに伝搬して温度上昇を抑える特徴がある。また、窒化珪素やサイアロンは、衝撃に強いセラミック材料であるので、振動の負荷による割れの発生や、ワークＷの加工時の事故による破損等も起こりにくいという特徴がある。

振動体８２は、例えば超硬材料で形成することができる。ここでいう超硬材料とは、タングステンカーバイトを８０重量％以上含む合金を全て指す。超硬材料は、線膨張係数が６×１０^−６と、鋼材の約半分であり、剛性が非常に高くヤング率も高いので共振周波数を比較的高くできるが、振動振幅を大きくするには比重が１４と重いので、振動子８３，８４に大きなエネルギーを供給する必要がある。一方、振動体８２をセラミック材料で形成する場合よりはずっと割れにくくなるので、切削工具８１を保持固定する構造材料として好適であり、振動体８２の信頼を高めることができる。

振動体８２は、例えばインバー材で形成することができる。ここでいうインバー材とは、５０原子％以上を含む主成分がＦｅであって、１０原子％以上を含む成分が少なくともＮｉで構成されている合金材料全てを指す。以上のようなインバー材は、例えば３６原子％のニッケルを含む鉄合金であるが、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。

振動体８２は、例えばステンレスインバー材で形成することができる。ここでいう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であり、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。

以上説明した第１実施形態の振動切削装置１０では、振動切削ユニット２０にガス状流体である加圧乾燥空気を供給して、振動体８２と振動子８３，８４に加圧乾燥空気を吹き付けることにより、振動体８２や振動子８３，８４を空冷している。振動子８３，８４からの発熱に対しては、発熱体となる振動子８３，８４に直接、冷却用の加圧乾燥空気を吹き付けることで、振動子８３，８４の温度上昇を抑え、振動体８２の温度膨縮を抑えて、この先端に固定されている切削工具８１の刃先位置の再現性を高めることができ、高精度な切削面を効率よく創製できる。また、振動子８３，８４がピエゾ素子のように、高電圧で直接駆動する素子である場合は、ピエゾ素子外部に絶縁塗料等で電極を覆うと、ガス流体の冷却によって結露しても漏電や振動の安定性を損ねたりせず安全である。この際、加圧乾燥空気が振動体８２、軸方向振動子８３、及びカウンタバランス８５の軸心に形成した貫通孔９１に供給されており、効率良く加圧乾燥空気が流れるので、振動子８３，８４と振動体８２の温度を加圧乾燥空気の温度と流量で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、その先端に保持された切削工具８１の刃先位置の温度ドリフトを低減することになる。また、加圧乾燥空気の流量を調整することにより、過不足が無く供給量の変動が無いので、振動子８３，８４や振動体８２の温度をより安定して制御でき、高精度で再現性の高い切削加工面が得られる。また、加圧乾燥空気によって、振動子８３，８４や振動体８２を冷却しているが、乾燥空気は、安価で容易に入手・供給でき、かつ漏電等の原因となる水分が無いので、安全である。乾燥状態としては、相対湿度で１０％以下が、結露の危険を避けられるので好ましい。

なお、以上のような加圧乾燥空気を通すための貫通孔９１は、振動体８２の最先端まで貫通している必要はなく、つまり図２に例示する細孔９１ａに代えて、振動体８２の途中で横穴や斜め穴等によって外部に排気する構造とすることもできる。

また、上記実施形態の振動切削ユニット２０では、振動体８２を支持するために、振動体８２の軸方向振動と撓み振動とに共通の節位置に第１固定フランジ８７を設けている。これにより、振動体８２の効率的な軸方向振動や撓み振動を確保することができる。

すなわち、本実施形態では、振動体８２に一体化した板状の第１固定フランジ８７を振動体８２の節位置から振動体８２の軸方向に略垂直な方向に延在させ、この第１固定フランジ８７を筐体８６にネジ９３で締結したり、他の部品で強力に押圧して固定する。この方法によると、（１）第１固定フランジ８７を筐体８６に強固に固定することができるので、振動体８２の固定力が強く緩み等による変動はほぼ完全に抑えられる。（２）特に第１固定フランジ８７を振動体８２の全周に設けることで、固定点の軸対称性が良くなるので、振動体８２の固定バランスが良くなる。また、この場合、固定点のバランスが幾何的な形状によっているので、これが崩れることもない。（３）振動体８２や筐体８６の熱膨縮と固定力は無関係であり、固定信頼性が高い。

特に、振動体８２を撓み共振だけでなく軸方向共振をさせる場合には、振動体８２の両端が自由支持でなければならず、そのため振動体８２を第１固定フランジ８７で固定するだけでなく、振動体８２に結合固定された軸方向振動子８３の反対の端面にも質量を有する部品すなわちカウンタバランス８５が結合固定される必要があり、かつ、このカウンタバランス８５が軸方向に振動できるようにされている必要がある。上記実施形態の振動切削ユニット２０では、第２固定フランジ８８をカウンタバランス８５の節位置に設けており、一体的可動部８２，８３，８４，８５が、振動体８２の節位置と反対側のカウンタバランス８５の節位置との２カ所で保持されており、一体的可動部８２，８３，８４、８５の軸方向の振動がなんら拘束されることなく実現できる。しかも、一体的可動部８２，８３，８４，８５の保持剛性は、ネジ止め等よりもはるかに強くすることができ、安定して信頼できる軸方向共振を実現できる。ここで、各フランジ８７，８８は、振動体８２やカウンタバランス８５と同一材料で一体化されたものに限らず、振動体８２やカウンタバランス８５とは別材料で形成することもできる。この場合、各フランジ８７，８８は、振動体８２やカウンタバランス８５にロウ付け等によって固定される。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る振動切削装置について説明する。第２実施形態の振動切削装置は、第１実施形態の振動切削装置を一部変更したものであり、特に説明しない部分は、第１実施形態の装置と共通しており、図面において共通する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

図４は、第２実施形態における振動切削ユニット１２０の構造を説明する断面図である。この場合、筐体８６に給気パイプ９２が設けられておらず、振動体８２を直接冷却することはできないが、振動体８２の熱膨張係数が小さければ、加工精度の低下は生じない。なお、図１のガス供給装置６０は不要である。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る振動切削装置について説明する。第３実施形態の振動切削装置は、第２実施形態の振動切削装置を一部変更したものである。

図５は、第３実施形態における振動切削ユニット２２０の構造を説明する断面図である。この場合、第２固定フランジ８８を設けておらず、カウンタバランス８５が筐体８６に直接支持されていないが、振動体８２やカウンタバランス８５の軸方向振動や撓み振動は確保されており、動作上の差異は生じない。ただし、第２固定フランジ８８が存在しない分、第１固定フランジ８７の強度を確保する必要がある。

なお、図５の振動切削ユニット２２０において、第１実施形態の場合と同様に、一体的可動部８２，８３，８４の軸心に貫通孔９１を設け（図２参照）、筐体８６に給気パイプ９２を設けることもできる。この場合、図１のガス供給装置６０によって、一体的可動部８２，８３，８４を効率的に冷却することができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る振動切削装置について説明する。第４実施形態の振動切削装置は、第１実施形態の振動切削装置を一部変更したものである。

図６は、第４実施形態における振動切削ユニット３２０の構造を説明する断面図である。この場合、筐体８６の側面に給気パイプ３９２が設けられており、振動子８３，８４を側面から直接冷却することができ、振動体８２も側面から直接冷却される。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態に係る成形金型について説明する。図７は、第１〜第４実施形態の振動切削ユニット２０〜３２０を用いて作製した成形金型を説明する図であり、図７（ａ）は、固定型すなわち第１金型２Ａの側方断面図であり、図７（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１〜図６に示す振動切削装置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ＸＹステージ３７上に固定し、振動子駆動装置５０等を動作させて振動切削ユニット２０〜３２０に定在波を形成しつつ切削工具８１を高速振動させる。これと並行してステージ駆動装置４０を適宜動作させて、振動切削ユニット２０〜３２０のチップ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の光学面３ａ，３ｂは、球面や非球面に限らず、段差面、位相構造面とすることができる。

図８は、図７（ａ）の金型２Ａと図７（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。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。

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、図１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。
また、図１の振動切削装置１０は、３次元移動なＮＣ制御機構３０を組み込んで振動切削ユニット２０を所望の位置に移動させるものであったが、このような機構に代えて、旋盤のように旋削を可能にする機構を設け、このような旋削的な運動機構によって振動切削ユニット２０を駆動することもできる。

第１実施形態の振動切削装置を説明するブロック図である。図１の振動切削装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１の振動切削ユニットに用いられる第１固定フランジの形状を例示する端面図である。第２実施形態の装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。第３実施形態の装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。第４実施形態の装置に組み込まれる振動切削ユニットの構造を説明する縦断面図である。（ａ）、（ｂ）は、第５実施形態に係る成形金型の側方断面図である。図７の成形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

２Ａ，２Ｂ…金型、３ａ，３ｂ…光学面、１０…振動切削装置、２０…振動切削ユニット、５０…振動子駆動装置、６０…ガス供給装置、７０…主制御装置、８１…切削工具、８２…振動体、８３…軸方向振動子、８４…撓み振動子、８５…カウンタバランス、８６…筐体、８７…第１固定フランジ、８８…第２固定フランジ、９１…貫通孔、９２…給気パイプ

Claims

切削工具と、
前記切削工具を振動させるための振動源と、
線膨張係数が６×１０^−６以下の材料で形成されるとともに、前記切削工具を保持して前記振動源からの振動を軸方向振動及び撓み振動として前記切削工具に伝達する振動体と、
前記振動体を前記軸方向振動及び撓み振動における共通の節位置で固定する固定部材と、
前記振動源の少なくとも一部にガス状流体を吹き付ける冷却手段とを備え、
前記振動源及び前記振動体は、これらの接合部で連通する貫通孔を有し、前記冷却手段は、前記貫通孔の前記振動源側から前記ガス状流体を供給することを特徴とする振動切削装置。
前記振動体は、窒化珪素を主成分として含む材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の振動切削装置。
前記振動体は、サイアロンで形成されていることを特徴とする請求項２記載の振動切削装置。
前記振動体は、超硬材料で形成されることを特徴とする請求項１記載の振動切削装置。
前記振動体は、インバー材及びステンレスインバー材の少なくとも一方で形成されることを特徴とする請求項１記載の振動切削装置。
前記ガス状流体は、ミスト状の状態を含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の振動切削装置。
前記ガス流体の温度を調整する温度調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項記載の振動切削装置。
前記ガス流体の流量を調整する流量調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項記載の振動切削装置。
前記ガス流体は、乾燥圧縮空気であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項記載の振動切削装置。
前記固定部材は、開口を有することを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項記載の振動切削装置。
前記振動体は、軸状の外形を有し、前記固定部材は、振動体と一体形成されるとともに前記振動体の前記共通の節位置から軸に略垂直な方向に広がった板状部分を有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項記載の振動切削装置。