JPH0825101A - 圧電位置制御による超精密切削装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数のバイトを有し、この複数のバイトの刃
先位置を短時間に自由に調整することができ、これによ
り摩耗等で刃先位置が変化してもこれに対応して短時間
に刃先位置を調整し、超精密切削加工を長時間持続で
き、かつ従来方法に比べ高能率に超精密切削を行える圧
電位置制御による超精密切削装置及び方法を提供する。 【構成】 被加工物５を保持し回転駆動する回転駆動装
置１２と、複数のバイトを間隔を隔てて保持しかつバイ
ト位置を微小変位させるバイト変位装置２０と、バイト
変位装置を回転駆動装置の回転軸に直交して移動させる
移動テーブル１６とを備える。バイト変位装置２０は、
複数のバイトを保持するバイト保持板２２と、バイト保
持板を３点で支持し支持点を前記回転軸と平行に微小変
位させる圧電素子２４と、を有し、圧電素子に印加して
バイト保持板を微小変位させて複数のバイトの刃先位置
を調整し、被加工物を複数のバイトで切削加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数のバイトを圧電素
子を用いて位置制御する超精密切削装置及び方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】切削加工の精度の限界は時代とともに向
上し、現在では限定した対象に対して、０．１μｍ以下
の超精密切削加工が可能となっている。かかる超精密切
削加工の一例は、「シングルポイントダイヤモンドター
ニング」と呼ばれる加工法であり、単結晶ダイヤモンド
バイトと超精密旋盤を用い、ワークを旋盤で回転させな
がら１本のバイトで切削し、軟質金属（アルミニウム、
銅、等）を高精度に鏡面に仕上げることができる。かか
る超精密切削加工は、レーザ用光学部品、コンピュータ
用ディスク素材、ＶＴＲシリンダ、レーザディスク等に
適用されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の超精密
切削加工では、精密な鏡面を得ることはできるが、１つ
のバイトで切削するため加工能率が低い問題点があっ
た。そのため複数のバイトを同時に使用して加工能率を
高め、かつ鏡面切削加工ができる超精密切削加工法が従
来から要望されていた。

【０００４】かかる要望を満たすものとして、レーザー
プリンタ等に用いられるポリゴンミラーの加工法が知ら
れている。この加工法は、図１０に模式的に示すよう
に、２つのバイト１を有する工具２（フライカットツー
ル）を回転させて、六角柱のポリゴミラー３の各面を切
削加工するものであり、２つのバイト１は、位置がわず
かにずれており、この２つのバイトを同時に作用させる
ことにより高能率切削ができ、かつ一方のバイトだけを
作用させることにより鏡面を得ることができるようにな
っている。

【０００５】しかし、フライカットツールを用いた加工
では、バイト１が固定されているためバイトの刃先位置
を自由に調整できず、そのため、加工前の刃先位置の調
整に時間がかかり、かつ摩耗等で刃先位置が変化すると
短時間で使用できなくなる問題点があった。

【０００６】本発明はかかる問題点を解決するために創
案されたものである。すなわち、本発明の目的は、複数
のバイトを有し、この複数のバイトの刃先位置を短時間
に自由に調整することができ、これにより摩耗等で刃先
位置が変化してもこれに対応して短時間に刃先位置を調
整し、超精密切削加工を長時間持続でき、かつ従来方法
に比べ高能率に超精密切削を行える圧電位置制御による
超精密切削装置及び方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、被加工
物を保持し回転駆動する回転駆動装置と、複数のバイト
を間隔を隔てて保持しかつバイト位置を微小変位させる
バイト変位装置と、該バイト変位装置を回転駆動装置の
回転軸に直交して移動させる移動テーブルとを備え、前
記バイト変位装置は、複数のバイトを保持するバイト保
持板と、該バイト保持板を３点で支持し該支持点を前記
回転軸と平行に微小変位させる圧電素子とを有し、圧電
素子に電圧を印加してバイト保持板を微小変位させて複
数のバイトの刃先位置を調整し、これにより被加工物を
複数のバイトで切削加工する、ことを特徴とする圧電位
置制御による超精密切削装置が提供される。

【０００８】本発明の好ましい実施例によれば、前記バ
イト変位装置は更に、バイト保持板とほぼ平行に位置し
移動テーブルに固定されるベースと、バイト保持板をベ
ース側に付勢する与圧装置と、バイト保持板を弾性的に
保持しかつ回転軸に直交する移動を防止する弾性支持装
置とを備え、前記圧電素子はバイト保持板とベースとの
間に挟持される。また、前記バイト変位装置は更に、前
記支持点の変位を検知する位置センサーを有する。

【０００９】更に、本発明によれば、被加工物を保持し
て回転駆動し、複数のバイトを保持するバイト保持板を
３つの圧電素子により支持し、圧電素子に電圧を印加し
て支持点を被加工物の回転軸と平行に微小変位させて複
数のバイトの刃先位置を調整し、次いで複数のバイトを
前記回転軸に直交して移動させ、これにより被加工物を
複数のバイトで切削加工する、ことを特徴とする圧電位
置制御による超精密切削方法が提供される。

【００１０】

【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、バイト変
位装置が、複数のバイトを保持するバイト保持板と、該
バイト保持板を３点で支持し該支持点を前記回転軸と平
行に微小変位させる圧電素子とを有するので、圧電素子
により前記支持点を被加工物の回転軸と平行に微小変位
させ、これによりバイト保持板を回転軸と平行な微小変
位及び微小傾動をさせることができ、複数のバイトの刃
先位置を短時間に自由に調整することができる。従っ
て、回転駆動装置により被加工物を保持して回転駆動
し、バイト変位装置により複数のバイトの刃先位置を調
整し、移動テーブルにより複数のバイトを前記回転軸に
直交して移動させることにより、超精密切削加工が可能
であり、かつ摩耗等でバイトの刃先位置が変化してもこ
れに対応して短時間に刃先位置を調整して超精密切削加
工を長時間持続できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。図１は、本発明による超精密切削の加工
原理を示す図である。この図において、本発明による超
精密切削装置１０は、被加工物５を保持し回転駆動する
回転駆動装置１２と、複数のバイト１４を間隔を隔てて
保持しかつバイト位置を微小変位させるバイト変位装置
２０と、該バイト変位装置２０を回転駆動装置１２の回
転軸に直交して移動させる移動テーブル１６とを備え
る。複数のバイト１４はそれぞれ、ダイヤモンド切削工
具であるのがよい。

【００１２】バイト変位装置２０は、複数のバイト１４
を保持するバイト保持板２２と、該バイト保持板２２を
３点で支持し該支持点を前記回転軸と平行に微小変位さ
せる圧電素子２４とを有しており、圧電素子２４に電圧
を印加してバイト保持板２２を微小変位（回転軸と平行
な微小変位及び微小傾動）させて複数のバイトの刃先位
置を調整できるようになっている。

【００１３】かかる構成により、図１（Ｂ）に模式的に
示すように、圧電素子２４を用いたバイト変位装置２０
により、各バイト１４の刃先位置を揃えた上で、３本の
バイト１４の刃先位置を順番に高く、すなわち切り込み
を順番に高くすることによって、１パスで３回分の加工
能率で切削加工が可能となる。また被加工物５（以下、
ワークと呼ぶ）の回転軸を静圧軸受とすることで、ワー
ク５の回転精度を高めることができ、切削加工で鏡面を
得る超精密切削加工が実現できる。なお、本加工原理
で、バイト１４を１本のみ利用する場合であっても、バ
イト変位装置２０（以下、変位テーブルと呼ぶ）の複数
の圧電素子２４の変位によって、バイト１４がワーク５
に作用する姿勢を変え（後述する図６参照）、切削屑の
幅・長さなどを制御・変化させることができる。このた
め、加工能率や面粗さのみならず、加工品質や工具寿命
なども改善することができる。

【００１４】図２は、バイト変位装置２０（変位テーブ
ル）の全体断面図である。この図において、バイト変位
装置２０は更に、バイト保持板２２とほぼ平行に位置し
移動テーブルに固定されるようになったベース２５と、
バイト保持板２２をベース側（図で下向き）に付勢する
与圧装置２６と、バイト保持板を弾性的に保持しかつ回
転軸に直交する移動（図で水平移動）を防止する弾性支
持装置２７とを備えている。また、複数の圧電素子２４
はバイト保持板２２とベース２５との間に挟持されてい
る。更に、バイト変位装置２０は、前記支持点の変位を
検知する位置センサー２８を有している。

【００１５】すなわち、図２に示すように、変位テーブ
ル２０は大きく分けベース２５とバイト保持板２２（以
下、上板）の２つからなり、その間に圧電素子２４が３
本（図には１本のみを示す）挟まれた構成となってい
る。また、ベース２５と上板２２の間に予圧装置２６の
スプリング２６ａにより予圧を与え、上板２２と圧電素
子２４が離れないようになっている。スプリング２６ａ
は、コイルバネ、皿バネ、或いはゴム等の弾性部材であ
るのがよい。更に、圧電素子２４に印加する駆動電圧と
変位テーブル２０の実変位の関係を明確にするために、
変位テーブル内には分解能５０ｎｍの静電容量式非接触
変位センサ２８が内蔵され、実変位がインプロセス計測
できるようになっている。

【００１６】また、弾性支持装置２７は、平板状の薄板
２７ａ、ベースケーシング２９、及びボルト３１等から
なり、薄板２７ａの周辺がボルト３１によりベースケー
シング２９を介してベース２５に固定され、薄板２７ａ
の中央部がボルト３１により上板２２に固定されてい
る。かかる構成により、圧電素子２４に水平荷重又は引
張荷重を作用させることなく、バイトに作用する水平力
を薄板２７ａの面内応力としてベース２５に伝達するこ
とができる。

【００１７】更に、図２において、３２は複数のバイト
を直接取り付ける工具板であり、工具板３２は、図示し
ないボルト等で上板２２に固定されている。また、３３
はＯリング、３４はカバーであり、これらにより、変位
テーブル２０の内部を密封し、使用中に作動油や水滴が
内部に入らないようになっている。

【００１８】表１は使用した圧電素子２４の仕様であ
り、最大変位は約１６μｍである。圧電素子２４は固体
アクチュエータであり、剛性・安定性・応答性などの点
で、実切削に十分耐えられる特性を有している。

【００１９】

【表１】

【００２０】上述した構成の超精密切削装置１０を用
い、被加工物５を保持して回転駆動し、複数のバイト１
４を保持するバイト保持板２２を３つの圧電素子２４に
より支持し、圧電素子２４に電圧を印加して支持点を被
加工物５の回転軸と平行に微小変位させて複数のバイト
１４の刃先位置を調整し、次いで複数のバイト１４を前
記回転軸に直交して移動させ、これにより被加工物５を
複数のバイト１４で切削加工することにより、超精密切
削加工が可能であり、かつ摩耗等でバイト位置が変化し
てもこれに対応して短時間に刃先位置を調整し、超精密
切削加工を長時間持続することができる。

【００２１】以下、本発明の装置及び方法による試験結
果を説明する。なお、表２は、試験に使用した超精密切
削実験システムの構成である。

【００２２】

【表２】

【００２３】表２に示すように、工具（バイト１４）に
は、鋭い切れ刃を得るために単結晶ダイヤモンドを用
い、刃先形状はフライスカット用バイトを参考にして図
３に示すように構成した。図３において（Ａ）は正面
図、（Ｂ）は平面図、（Ｃ）は側面図であり、面１４ａ
が加工面（主切れ刃）である。図３（Ｂ）の矢印方向に
バイト１４を移動させてワーク５を切削する。またワー
クの粗切削には超硬合金バイトを用いた。

【００２４】加工機には、回転精度０．１μｍ以下の油
静圧軸受を有するロータリ平面研削装置を使用した。切
り込み分解能は同研削装置のみで１μｍが達成でき、変
位テーブル２０を利用すると約０．１μｍが達成でき
る。ロータリ平面研削装置の砥石軸を回転駆動装置１２
として用い、ロータリテーブルを移動テーブル１６とし
て用いた。すなわち、砥石軸にワーク５を、ロータリテ
ーブル上にバイト１４と変位テーブル２０を配置した。
被削材（ワーク５）には、アルミニウム合金を使用し
た。図４にそのワーク形状を示す。

【００２５】図５は、変位テーブル２０の駆動電圧と実
変位との関係図である。最大１００Ｖの駆動電圧におい
て線形性は良好であり、変位の再現性も良好であった。
また、この試験では図示しない圧電素子駆動電源と変位
計測装置を用い、３本の圧電素子２４を同時に駆動し
た。図６は、変位テーブル２０によるバイト１４とワー
ク５との位置関係図である。図６において、（ａ）は駆
動電圧０Ｖにおけるバイト１４の姿勢であり、副切れ刃
はワーク５と平行に位置している。（ｂ）は駆動電圧５
０Ｖ、（ｃ）は１００Ｖにおけるバイト１４の姿勢であ
り、それぞれワーク５と０．０６３°、０．０１２６°
の角度をなす。なお、これらの角度は、バイト１４のバ
イト保持板２２への取り付け位置や、テーブル移動方向
と圧電素子の相対位置により、変更することができる。

【００２６】図７は本試験における加工方法および加工
経路を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は（Ａ）
を上方から見た平面図である。図７（Ｂ）のＡ，Ｂ，Ｃ
の位置に３本のダイヤモンドバイト１４をそれぞれ固定
することにより、３本のダイヤモンドバイト１４は、ワ
ーク５の下面をＡ，Ｂ，Ｃの順で順次通過・切削するこ
とができる。なお、バイト１４の数は、３本に限定され
ず、２本或いは４本以上であってもよい。また、バイト
１４の取り付け位置は、複数のバイト１４が同時にワー
ク５に作用しないように配置する。この配置は、図７
（Ｂ）のように、圧電素子２４と同一位置であってもよ
く、或いはバイト保持板２２に一列に配置してもよく、
更にバラバラに配置してもよい。

【００２７】本試験では、図７に示すように１本のバイ
ト１４を変位テーブル２０の中心に固定した。また、こ
の試験ではダイヤモンドバイト１４はロータリテーブル
（移動テーブル１６）上に配置されており、変位テーブ
ル２０の中心経路はテーブル回転中心から半径１７５ｍ
ｍ上にある。そのため、送り速度は変位テーブル中心の
周速度とし、５０〜１００ｍｍ／ｍｉｎ（３３〜６７μ
ｍ／ｒｅｖ）とした。またワーク回転数は１５００ｒｐ
ｍ（切削速度ｖ２９７〜５０９ｍ／ｍｉｎ）であり、切
り込み深さは２〜１０μｍ／ｐａｓｓとした。

【００２８】図７の装置において、まず単結晶ダイヤモ
ンドバイト１４の刃先形状をワーク５に転写する基礎実
験を行い、切削油をミスト状にして供給しながら、ワー
ク５をバイト１４に切り込んで転写した。図８は、この
基礎試験により得られたバイト１本の刃先転写を示す断
面形状パターンである。この図からおおまかに、刃先形
状が転写されていることがわかる。しかし、変位テーブ
ル上面の取付精度により、刃面が平行にワーク面に当た
っていないことが考えられたため、ロータリテーブル１
６を回転させながら、変位テーブル２０によりダイヤモ
ンドバイト１４の刃面に図６に示すように傾きを与えて
鏡面切削を行った。

【００２９】図９は得られた切削面粗さを示す。図９か
ら明らかなように、Ｒ_max ６０ｎｍ、Ｒ_a １３ｎｍ前後
の良好を鏡面が得られた。また、この際のバイトの傾き
は、３本の圧電素子のうち、２本に１００Ｖの電圧を印
加し、約１２．５μｍの変位を得た状態で与えた。

【００３０】上述したように、本発明の装置及び方法に
よれば、バイト変位装置２０が、複数のバイト１４を保
持するバイト保持板２２と、バイト保持板２２を３点で
支持し該支持点を前記回転軸と平行に微小変位させる圧
電素子２４とを有するので、圧電素子２４により前記支
持点を被加工物５の回転軸と平行に微小変位させ、これ
によりバイト保持板２２を回転軸と平行な微小変位及び
微小傾動をさせることができ、複数のバイトの刃先位置
を短時間に自由に調整することができる。従って、回転
駆動装置１２により被加工物５を保持して回転駆動し、
バイト変位装置２０により複数のバイトの刃先位置を調
整し、移動テーブル１６により複数のバイトを前記回転
軸に直交して移動させることにより、超精密切削加工が
可能であり、かつ摩耗等でバイト位置が変化してもこれ
に対応して短時間に刃先位置を調整して超精密切削加工
を長時間持続できる。

【００３１】なお、本発明は上述した実施例に限定され
ず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できるこ
とは勿論である。

【００３２】

【発明の効果】上述したように、本発明の圧電位置制御
による超精密切削装置及び方法は、複数のバイトを有
し、この複数のバイトの刃先位置を短時間に自由に調整
することができ、これにより摩耗等で刃先位置が変化し
てもこれに対応して短時間に刃先位置を調整し、超精密
切削加工を長時間持続でき、かつ従来方法に比べ高能率
に超精密切削を行える、等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による超精密切削の加工原理を示す図で
ある。

【図２】バイト変位装置（変位テーブル）の全体断面図
である。

【図３】バイトの刃先形状を示す図である。

【図４】ワーク形状を示す図である。

【図５】変位テーブルの駆動電圧と実変位との関係図で
ある。

【図６】変位テーブルによるバイトとワークの位置関係
図である。

【図７】試験における加工方法及び加工経路を示す図で
ある。

【図８】バイト１本の刃先転写を示す断面形状パターン
である。

【図９】試験により得られた切削面粗さを示す図であ
る。

【図１０】従来の加工法を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１ バイト ２ フライカットツール ３ ポリゴンミラー ５ 被加工物（ワーク） １０ 超精密切削装置 １２ 回転駆動装置 １４ バイト １６ 移動テーブル（ロータリテーブル） ２０ バイト変位装置（変位テーブル） ２２ バイト保持板（上板） ２４ 圧電素子 ２５ ベース ２６ 予圧装置 ２６ａ スプリング ２７ 弾性支持装置 ２８ 変位センサー

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物を保持し回転駆動する回転駆動
   装置と、複数のバイトを間隔を隔てて保持しかつバイト
   位置を微小変位させるバイト変位装置と、該バイト変位
   装置を回転駆動装置の回転軸に直交して移動させる移動
   テーブルとを備え、 前記バイト変位装置は、複数のバイトを保持するバイト
   保持板と、該バイト保持板を３点で支持し該支持点を前
   記回転軸と平行に微小変位させる圧電素子とを有し、圧
   電素子に電圧を印加してバイト保持板を微小変位させて
   複数のバイトの刃先位置を調整し、これにより被加工物
   を複数のバイトで切削加工する、ことを特徴とする圧電
   位置制御による超精密切削装置。
2. 【請求項２】 前記バイト変位装置は更に、バイト保持
   板とほぼ平行に位置し移動テーブルに固定されるベース
   と、バイト保持板をベース側に付勢する与圧装置と、バ
   イト保持板を弾性的に保持しかつ回転軸に直交する移動
   を防止する弾性支持装置とを備え、前記圧電素子はバイ
   ト保持板とベースとの間に挟持される、ことを特徴とす
   る請求項１に記載の圧電位置制御による超精密切削装
   置。
3. 【請求項３】 前記バイト変位装置は更に、前記支持点
   の変位を検知する位置センサーを有する、ことを特徴と
   する請求項１に記載の圧電位置制御による超精密切削装
   置。
4. 【請求項４】 被加工物を保持して回転駆動し、複数の
   バイトを保持するバイト保持板を３つの圧電素子により
   支持し、圧電素子に電圧を印加して支持点を被加工物の
   回転軸と平行に微小変位させて複数のバイトの刃先位置
   を調整し、次いで複数のバイトを前記回転軸に直交して
   移動させ、これにより被加工物を複数のバイトで切削加
   工する、ことを特徴とする圧電位置制御による超精密切
   削方法。