JPH09109018A

JPH09109018A - 硬脆材料の加工方法、及びその加工装置

Info

Publication number: JPH09109018A
Application number: JP7275879A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hachisuga; 勝蜂須賀
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-10-24
Filing date: 1995-10-24
Publication date: 1997-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ガラス等の硬脆材料を複雑な形状に加工す
る。【解決手段】硬脆材料１の加工面における方線方向成
分を有する方向に、ハンマ１１を超音波振動させ、この
ハンマ１１を硬脆材料１に接触させて、硬脆材料１を加
工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックスやガ
ラス等の硬脆材料を目的の形状に加工する加工方法、及
びその加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、硬脆材料の加工においては、焼
結後に、不要部分の除去のために、又は表面あらさや寸
法精度を向上させるために研削加工が行なわれている。
具体的には、例えば、光学部品として用いられるレンズ
の加工では、砂かけ研磨や仕上研磨の前工程として、形
状創成に研削加工が行われている。

【０００３】また、熔解したガラス材にプレス加工のみ
を施すことによって、目的の形状を創成し、比較的精度
を要求されないようなレンズやプリズム等の光学部品を
製作することもある。さらに、熔解したガラス材にプレ
ス加工を施して大まかな形を創成した後、焼き鈍してか
ら、研削、研磨加工を行うこともある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した研削加工で
は、砥石にある程度の周速を持たせるために、砥石の回
転数を大幅に高くできない限りは、ある程度の砥石直径
が必要になる。このため、砥石自体が大きいこと及び砥
石と被加工物との接触面積が大きくなるといった原因
で、形状が複雑なものの加工や、曲率の小さい凹レンズ
の加工が極めて困難なことが多く、場合によって加工不
可能なこともあるという問題がある。

【０００５】また、プレス加工では、研削加工のように
被加工物の曲率が小さいからと言って、加工が困難にな
るという問題は生じないものの、プレス加工のための型
が非常に高価なものであるため、少量多品種製造の場合
には、型の費用も含め加工コストが嵩むという問題点が
ある。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点につい
て着目してなされたもので、目的の形状が複雑なものの
であっても、コストをあまりかけずに加工することがで
きる硬脆材料の加工方法、及びその加工装置を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の硬脆材料の加工方法は、ハンマ（１１）を超音波振動
させ、このハンマ（１１）の振幅方向が硬脆材料（１）
との接点における方線方向成分を有するよう、ハンマ
（１１）を硬脆材料（１）に接触させて、硬脆材料
（１）を加工することを特徴とするものである。

【０００８】ここで、硬脆材料（１）を特定の温度まで
加熱した後、超音波振動しているハンマ（１１）を硬脆
材料（１）に接触させて、硬脆材料（１）を加工しても
よい。

【０００９】また、前記目的を達成するための硬脆材料
の加工装置は、硬脆材料（１）を把持する把持手段（５
０）と、硬脆材料（１）と接触するハンマ（１１）と、
ハンマ（１１）を超音波振動させる振動発生手段（２
０，６１）と、ハンマ（１１）と把持手段（５０）との
うち少なくとも一方が、ハンマ（１１）の振幅方向が硬
脆材料（１）との接点における方線方向成分を有するよ
う取り付けられ、一方を他方に対して相対移動させる移
動手段（３０，５５）と、を備えていることを特徴とす
るものである。

【００１０】ここで、前記加工装置は、前記振動発生手
段（２０，６１）によるハンマ（１１）の振動振幅を拡
大する振幅拡大手段（１５）を備えていることが好まし
い。さらに、前記振動発生手段（２０，６１）は、ハン
マ（１１）の振動振幅を変える振幅変更手段（６２）を
有していることが好ましい。

【００１１】また、前記加工装置は、硬脆材料（１）に
対するハンマ（１１）の接触角度を変える接触角変更手
段（７０）を備えていてもよい。

【００１２】なお、以上において、（）内の符号は、
以下に説明する実施形態の対応部位の符号である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る実施形態とし
ての硬脆材料の各種加工装置について説明する。

【００１４】まず、本発明に係る実施形態としての加工
装置について、図１を用いて説明する。この加工装置
は、ランジュバン型電歪振動子２０と、振動子２０の振
動振幅を増幅する振幅拡大ホーン１５と、振幅拡大ホー
ン１５から振幅拡大された超音波振動が加えられるハン
マ１１と、これらが取り付けられるケーシング２５と、
振動子２０に交流電圧を印加して振動子２０を超音波振
動させる発振器６１と、振動子２０を冷却する冷却ファ
ン２６と、ガラス製の被加工物１を把持するチャック５
０と、振動子等と共にケーシング２５を移動させるＸＺ
移動機構３０と、被加工物１を把持するチャック５０を
回転させる回転機構５５と、ＸＺ移動機構３０及び回転
機構５５の動作を制御する制御装置６５とを備えてい
る。

【００１５】ハンマ１１は、ほぼ円筒状を成し、一方の
端部が半径１０ｍｍの半球状の接触端１２を成し、他方
の端部が平坦な受振面１３を成している。このハンマ１
１は、焼入鋼で、その硬度は、Ｈ_RＣ５０〜６０であ
る。このハンマ１１は、その受振面１３に振幅拡大ホー
ン１５の振動放射面１６が接触した状態で、振幅拡大ホ
ーン１５にネジ止めされている。振幅拡大ホーン１５
は、その受振面１７に振動子２０の振動放射面２１が接
触した状態で、振動子２０にネジ止めされている。振動
子２０は、コネクタ２７及びケーブル２８を介して発振
器６１と接続されている。この発振器６１には、振動子
２０へ印加する交流電圧の出力を変える出力調節ボリュ
ーム６２が設けられている。

【００１６】ハンマ１１と振幅拡大ホーン１５とから成
る振動系１８の固有振動数は、振動子２０の固有振動数
と同じで、ハンマ１１と振動拡大ホーンと振動子２０と
が共振系を構成している。従って、振動子２０の振動
で、これらには定在波が発生する。定在波の場合、振動
系１８の両端は振動の腹になるため、振動系１８の一方
の端部であるハンマ１１の接触端１２は、この振動系１
８において振幅が最大の腹となる。この実施形態におけ
る振動子２０の振動は、振幅方向が振動伝達方向に一致
する縦振動である。また、振動子２０から振幅拡大ホー
ン１５を介して、ハンマ１１へ振動が伝わる振動伝達方
向は、ハンマ１１の受振面１３から接触端１２の方向、
言い換えると、円筒状のハンマ１１の中心軸１１ａが伸
びている方向である。従って、ハンマ１１の接触端１２
の振幅方向は、ハンマ中心軸１１ａが伸びている方向に
なる。ハンマ１１と振幅拡大ホーン１５とから成る振動
系１８に定在波が発生しているとき、この実施形態で
は、振幅拡大ホーン１５のある位置が定在波の節にな
る。この振幅拡大ホーン１５で節となる位置にフランジ
１９ａが設けられ、このフランジ１９ａがケーシング２
５にネジ１９ｂで止めされている。ハンマ１１、振幅拡
大ホーン１５及び振動子２０は、前述したように、相互
にネジ止めされて一体的に成っている。従って、これら
は、振幅拡大ホーン１５に設けられたフランジ１９ａを
介してケーシング２５に固定されている。ところで、定
在波の節は、振幅が０の箇所であるから、振動子２０、
振幅拡大ホーン１５及びハンマ１１が振動しても、振幅
拡大ホーン１５に設けられているフランジ１９ａ、及び
このフランジ１９ａと連結しているケーシング２５は、
振動しない。ケーシング２５には、振動子２０の後端部
に風を送って、振動子２０を冷却する冷却ファン２６が
設けられている。以上で説明した振動子２０、振幅拡大
ホーン１５、ハンマ１１、ケーシング２５、冷却ファン
２６は、一体的になっており、加振ユニット１０を構成
している。この加振ユニット１０は、この実施形態にお
いて、その重量が２．０ｋｇで、その振動伝達方向にお
ける全長が２１０ｍｍである。

【００１７】ＸＺ移動機構３０は、チャック５０に把持
される被加工物１に対する遠近方向（以下、Ｚ方向とす
る。）に加振ユニット１０を移動させるＺ方向移動機構
４１と、Ｚ方向に垂直な方向に加振ユニット１０を移動
させるＸ方向移動機構３１とを備えている。Ｚ方向移動
機構４１は、Ｚ方向に伸びているスクリューネジ４２
と、これを回転可能に支持するベース４３と、ベース４
３に対してＺ方向に移動可能に取り付けられているＺ方
向移動テーブル４４と、スクリューネジ４２に螺合し且
つ移動テーブル４４に固定されているナット４５と、ス
クリューネジ４２を回転させるＺ方向移動モータ４６と
を備えている。また、Ｘ方向移動機構３１は、Ｘ方向に
伸びているスクリューネジ３２と、これを回転可能に支
持するベース３３と、ベース３３に対してＸ方向に移動
可能に取り付けられているＸ方向移動テーブル３４と、
スクリューネジ３２に螺合し且つ移動テーブル３４に固
定されているナット３５と、スクリューネジ３２を回転
させるＸ方向移動モータ３６とを備えている。Ｘ方向移
動テーブル３４には、Ｚ方向移動機構４１のベース４３
が固定されている。また、Ｚ方向移動テーブル４４に
は、ハンマ１１の中心軸１１ａの方向がＺ方向を向くよ
うに、加振ユニット１０が固定されている。

【００１８】回転機構５５は、Ｚ方向に伸びる回転軸５
６と、この回転軸５６を回転させる回転モータ（図示さ
れていない。）とを備えている。回転軸５６の端部に
は、チャック５０が固定されている。ＸＺ移動機構３０
及び回転機構５５の各モータ３６，４６は、制御装置６
５とケーブル３７，４７で接続されており、この制御装
置６５からの指示に応じて駆動する。

【００１９】次に、この加工装置による硬脆材料の加工
原理について説明する。図３に示すように、ガラス１の
表面にダイヤモンド等で形成された圧子２を適当な力で
押しつけると、圧子２が押し付けられた部分近傍１ａ
は、塑性変形することが知られている。そこで、この実
施形態では、図４に示すように、先端に適当なＲを持つ
ハンマ１１により、連続的に被加工物１の表面をハンマ
リングするすると供に、この被加工物１をハンマ１１の
動きに同期させて、相対移動させることにより、塑性加
工による形状創成を実施している。この実施形態では、
被加工物１とハンマ１１との接点における方線方向（Ｚ
方向）に、ハンマ１１を超音波域で縦振動Ｖさせて、ハ
ンマリングを実現している。

【００２０】次に、この加工装置による被加工物１の実
際の加工手順について説明する。まず、加工前の被加工
物１の形状データと、加工後の被加工物１の目標形状デ
ータとを制御装置６５に入力する。制御装置６５は、こ
れらの形状データに基づき、実際に加工する際の各モー
タ３６，４６の駆動量を演算する。

【００２１】その後、被加工物１をチャック５０に取り
付ける。続いて、Ｘ方向移動機構３１を駆動させて、ハ
ンマ１１をＸ方向に移動させ、被加工物１の中心とハン
マ１１の中心軸１１ａとを一致させる。以上で、初期設
定が終了する。

【００２２】次に、発振器６１のスイッチ６３を押し
て、振動子２０を超音波振動させると共に、制御装置６
５の加工開始スイッチ６６を押して、回転機構５５及び
ＸＺ移動機構３０を駆動させる。これらの操作で、被加
工物１は、Ｚ方向に伸びている回転軸５６を中心として
回転し始めると共に、Ｚ方向移動機構４１が駆動して、
超音波振動しているハンマ１１が被加工物１に接触す
る。ハンマ１１が被加工物１に接触すると、Ｘ方向移動
機構３１が駆動して、ハンマ１１をＸ方向に往復移動さ
せる。以上のように、被加工物１を回転させつつ、超音
波振動しているハンマ１１をＸ方向に数回往復移動させ
ることで、被加工物１は目的の形状に成形される。加工
量を多くしたい場合には、ハンマ１１の振幅が大きくな
るよう、発振器６１の出力調節ボリューム６２を操作し
て、振動子２０へ印加する交流電圧の出力を増加させ
る。

【００２３】ここで、この加工装置による被加工物１の
実際の加工条件を以下のようにした。

【００２４】被加工物の種類：ＦＣ５、被加工の直径：
２０ｍｍ被加工物の厚さ：２ｍｍ、被加工物１の温度：約２３℃ ハンマの送り速度（Ｘ方向の速度）：０．０５ｍｍ／ｒ
ｅｖ１パス当たりのハンマの押し込み量（Ｚ方向の移動
量）：０．２５μｍ加工回数（Ｘ方向への往復移動回数）：１０回被加工物の回転数：５０ｒｐｍ振動系の振動周波数：２６．６〜２６．７ｋＨｚ振動子への入力パワ−：１５Ｗ（このときのハンマの接触端の振幅：２０μｍ）以上のような加工条件の下、硬脆材料たるＦＣ５を加工
した結果、図５に示すような断面形状が得られた。ハン
マ１１によるハンマリングは、被加工物１の中心Ｃから
２．２５ｍｍ〜９．０の間を行った。ハンマリングされ
た部分は、ハンマリングされていない部分に比較して１
μｍ程度変位した。また、被加工物１の表面あらさは、
加工前０．０２μｍ（Ｒｍａｘ）程度であったのが、ハ
ンマリングした後０．０５μｍ（Ｒｍａｘ）になった。

【００２５】以上のように、ハンマ１１を超音波振動さ
せ、ハンマ１１の振幅方向が被加工物１との接点におけ
る方線方向（この実施形態ではＺ方向）成分を有するよ
う、ハンマ１１を被加工物１に接触させることで、被加
工物１を加工することができる。また、表面粗さがあま
り変化しないので、製品によっては研磨作業を省くこと
もできる。

【００２６】また、本実施形態では、加工工具であるハ
ンマ１１を加工面に対する方線方向に振動させて加工し
ているので、砥石を用いている場合と異なり、加工工具
の直径を大きくする必要がなくなる結果、加工工具の直
径を大幅に小さくすることができると共に、被加工物１
との接触面積を大幅に小さくすることができる。このた
め、形状が複雑なものの加工や、曲率の小さい凹レンズ
の加工を容易に行うことができる。さらに、プレス加工
によらずとも、形状が複雑なものの加工や曲率の小さい
凹レンズの加工を行うことができるので、少量多品種製
造の際には、加工コストを削減することができる。

【００２７】ところで、被加工物１であるガラスの温度
を上昇させることにより、そのビッカース硬度が減少す
るは知られていることである。これは、被加工物１の温
度上昇にともない、ガラス表面にダイヤモンド等で形成
された圧子を適当な力で押しつけた場合の塑性変形量が
多くなることを意味している。従って、被加工物１を加
熱した後、被加工物１をハンマリングすることで、加工
効率を高めることができる。

【００２８】そこで、ここでは、被加工物１であるＦＣ
５の転移温度である４７０℃まで、被加工物１を加熱し
てから、被加工物１のハンマリングを行った。その結
果、加工回数が３回で、非加熱時（加工回数１０回）と
同じ加工量を得ることができた。さらに、被加工物１を
加熱したことで、被加工物１の表面粗さも向上した。

【００２９】次に、図２を用いて、本発明に係る実施形
態としての他の加工装置について説明する。この加工装
置は、先の実施形態における加振ユニット１０とＸＺ移
動機構３０との間に、被加工物１に対するハンマ１１の
接触角を変える接触角変更機構７０を設けたもので、そ
の他は先の実施形態と同様である。

【００３０】接触角変更機構７０は、ＸＺ移動機構３０
のＺ方向移動テーブル４４に固定されているベース７１
と、ベース７１に対して揺動する傾斜テーブル７２と、
この傾斜テーブル７２を揺動可能にベース７１に連結す
る連結軸７３と、ベース７１に対する傾斜テーブル７２
の角度を調節するための角度調節ボルト７４と、ベース
７１に対する傾斜テーブル７２の角度が大きくなるのを
規制するバネ７５とを備えている。

【００３１】連結軸７３は、ベース７１の＋Ｚ側の端部
にＸ方向に平行に取り付けられている。傾斜テーブル７
２は、この連結軸７３を中心として揺動可能に連結軸７
３に取り付けられている。ベース７１には、Ｘ方向及び
Ｚ方向に垂直なＹ方向に伸び雌ネジ７１ａが形成されて
いる。角度調節ボルト７４には、その一方の端部にベー
ス７１の雌ネジ７１ａに螺合する雄ネジ７４ａが形成さ
れ、その他方の端部に傾斜テーブル７２の下面と接触す
る半球状の接触端７４ｂが形成されている。この接触端
７４ｂの僅かに下方の位置には、角度調節ボルト７４を
操作するための操作部７４ｃが形成されている。ベース
７１の−Ｚ側の端部と傾斜テーブル７２の−Ｚ側の端部
とは、バネ７５で連結されている。傾斜テーブル７２上
には、加振ユニット１０が固定されている。

【００３２】傾斜テーブル７２は、ベース７１に対する
角度が０になる方向にバネ７５で付勢されている。この
ため、角度調節ボルト７４の接触端７４ｂは、ベース７
１の下面と常に接触している。従って、角度調節ボルト
７４を回転させて、ベース７１からの突出量を調節する
ことにより、傾斜テーブル７２の角度を調節することが
できる。すなわち、被加工物１に対するハンマ１１の角
度を調節することができる。

【００３３】このように、被加工物１に対するハンマ１
１の角度を変えることにより、被加工物１の形状にフレ
キシブルに対応することができる。具体的には、例え
ば、被加工物１のある部分の加工面と他の部分の加工面
との角度が比較的大きい場合でも対応することができ
る。

【００３４】この実施形態は、ハンマ１１の角度調節を
手動で行うものであるが、角度調節ボルト７４を回転さ
せる機構を設け、この機構の駆動量を制御装置６５で制
御するようにすることで、加工中におけるハンマ１１の
角度調節を正確且つ自動で行うことができる。

【００３５】なお、以上の各実施形態では、いずれもハ
ンマ１１をＸ，Ｚ方向に移動させるものであるが、ハン
マ１１は被加工物１に対して相対的に移動できればよい
ので、被加工物１をＸ，Ｚ方向に移動させるようにして
もよい。また、移動方向としては、Ｘ，Ｚ方向の他に、
これらの方向に垂直なＹ方向の移動を加えてもよい。

【００３６】また、ハンマの材質については、焼入鋼以
外、例えば、超硬、ＣＢＮ、アルミナ、水晶、ダイヤモ
ンドなどでもよい。さらに、ハンマの先端形状も、半球
形状に限らず、例えば、図３に示すような円錐形状を成
しているものであってもよい。このように円錐状のハン
マを用いると、例えば、凹面形状のコーンレンズも容易
に加工することができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、加工工具であるハンマ
を加工面に対する方線方向に振動させて加工しているの
で、砥石を用いている場合と異なり、加工工具の直径を
大きくする必要がなくなる結果、加工工具の直径を大幅
に小さくすることができると共に、被加工物との接触面
積を大幅に小さくすることができる。このため、形状が
複雑なものの加工や、曲率の小さい凹レンズの加工を容
易に行うことができる。

【００３８】さらに、プレス加工によらずとも、形状が
複雑なものの加工や曲率の小さい凹レンズの加工を行う
ことができるので、少量多品種製造の際には、加工コス
トを削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る一実施形態としての加工装置の構
成を示す説明図である。

【図２】本発明に係る一実施形態としての他の加工装置
の構成を示す説明図である。

【図３】本発明の加工原理を説明するための説明図であ
る。

【図４】本発明に係る一実施形態としての加工装置にお
いて、硬脆材料である被加工物の加工過程を示す説明図
である。

【図５】本発明に係る一実施形態としての加工装置で加
工した後の被加工物の断面形状を示す説明図である。

【符号の説明】

１…被加工物（硬脆材料）、１０…加振ユニット、１１
…ハンマ、１５…振幅拡大ホーン、２０…ランジュバン
型電歪振動子、２５…ケーシング、２６…冷却ファン、
３０…ＸＺ移動機構、５０…チャック、５５…回転機
構、６１…発振器、６２…出力調節ボリューム、６５…
制御装置、７０…接触角変更機構。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】硬脆材料を目的の形状に加工する硬脆材料
の加工方法において、ハンマを超音波振動させ、該ハンマの振幅方向が前記硬
脆材料との接点における方線方向成分を有するよう、該
ハンマを該硬脆材料に接触させて、該硬脆材料を加工す
ることを特徴とする硬脆材料の加工方法。
【請求項２】請求項１記載の硬脆材料の加工方法におい
て、前記硬脆材料を特定の温度まで加熱した後、超音波振動
している前記ハンマを該硬脆材料に接触させることを特
徴とする硬脆材料の加工方法。
【請求項３】硬脆材料を目的の形状に加工する硬脆材料
の加工装置において、前記硬脆材料を把持する把持手段と、前記硬脆材料と接触するハンマと、前記ハンマを超音波振動させる振動発生手段と、前記ハンマと前記把持手段とのうち少なくとも一方が、
該ハンマの振幅方向が前記硬脆材料との接点における方
線方向成分を有するよう取り付けられ、該一方を他方に
対して相対移動させる移動手段と、を備えていることを特徴とする硬脆材料の加工装置。
【請求項４】請求項３記載の硬脆材料の加工装置におい
て、前記振動発生手段による前記ハンマの振動振幅を拡大す
る振幅拡大手段を備えていることを特徴とする硬脆材料
の加工装置。
【請求項５】請求項３又は４記載の硬脆材料の加工装置
において、前記振動発生手段は、前記ハンマの振動振幅を変える振
幅変更手段を有していることを特徴とする硬脆材料の加
工装置。
【請求項６】請求項３、４又は５記載の硬脆材料の加工
装置において、前記硬脆材料に対する前記ハンマの接触角度を変える接
触角変更手段を備えていることを特徴とする硬脆材料の
加工装置。