凹球面研削加工装置と方法
【課題】例えば半球面に近い深い凹球面を、高平滑かつ高精度な凹球面に高能率に加工することができる凹球面研削加工装置と方法を提供する。
【解決手段】表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する球形工具１２と、球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具１４と、球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具１８と、ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置２０と、球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置２２と、球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置３０とを備える。
【解決手段】表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する球形工具１２と、球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具１４と、球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具１８と、ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置２０と、球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置２２と、球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置３０とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面を囲む凹球面を高平滑かつ高精度に可能するための凹球面研削加工装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工関節の耐摩耗性は、人工関節の寿命に最も影響する重要な因子である。しかし現状では、摩耗により人工関節の寿命が患者の余寿命より短く、患者に再手術を施行せざるを得ないため、その耐摩耗性を改善することが急務となっている。
【０００３】
図１は人工関節の構造を示す模式図である。球状の骨頭５１がステム５２に固定され、骨頭５１の凸球面を持つ部分がソケット５３の凹球面と接触し、関節の摺動面を構成する。しかし長期にわたる相対摺動により、摺動面の間に弛みが生じ、この弛みが人工関節の寿命を支配することになる。
【０００４】
人工関節の寿命を延長させるには、ソケット５３と骨頭５１の材料の最適化と表面粗さ及び形状精度の向上が不可欠である。しかし従来の人工関節の材料は、ポリエチレン製のソケットと金属製の骨頭の組み合わせが主流であり、寿命が短い問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明の発明者らは、骨頭５１の球面の加工手段として、先に特許文献１を創案し出願している。また、ソケット５３の凹球面の加工手段として、例えば特許文献２，３が既に開示されている。
【０００６】
特許文献１は、金属に比較して硬脆材料であるセラミックスを、金属以上に高平滑かつ高精度な球面に加工することを目的とする。
そのため、この加工方法では、図２に示すように、研削加工ステップ（Ａ）と電解ドレッシングステップ（Ｂ）を交互に実施する。研削加工ステップ（Ａ）では、球面６１ａを有するワーク６１を球面の中心Ｏを通る水平軸ｙを中心に揺動させながら中心Ｏを通り水平軸ｙに直交する回転軸ｚを中心に回転駆動し、同時に、ワークの球面６１ａに嵌合する凹球面６４ａを有する導電性砥石６４をワークの球面６１ａに沿って揺動可能に支持し、ワークに向けて定荷重を負荷し、かつ凹球面６４ａの中心を通る鉛直軸を中心に回転駆動してワークを研削する。電解ドレッシングステップ（Ｂ）では、導電性砥石６４をその凹球面６４ａの中心を通る鉛直軸を中心に回転駆動しながら、その凹球面６４ａとの間に一定の隙間を設けて陰極６７を位置決めし、凹球面６４ａを電解ドレッシングするものである。
【０００７】
特許文献２は、砥石磨耗による工具位置調整を必要としない球面加工装置を目的とする。
そのため、この装置は、図３に示すように、球面を有するレンズ等ワークＷを研削・研磨する総型の砥石７１は、垂直に保持されて回転する上軸である工具軸７２の下端に取り付けられ、エアシリンダ７３によってワークＷに押圧される。ワークＷは、スペーサ７４を介して下軸であるワーク軸７５に保持され、傾斜したワーク軸７５の揺動と回転する砥石７１による連れ回りによって、ワークＷと砥石７１の摺り合わせが行われるものである。
【０００８】
特許文献３は、被研削加工物の被加工面が凹面凸面のいずれに係わらず任意形状をした軸対称の非球面形状の研削加工に際し、加工効率を向上させて加工時間を短縮することを目的とする。
そのため、この超精密加工装置は、図４に示すように、回転させている被研削加工物８８の被加工面に対し、工具砥石８７を回転させながら相対的に移動させて軸対称非球面の研削を行う。ここで、工具砥石８７には、先端の断面形状が円弧形状を呈している円筒形状のものを用いるようにし、被研削加工物８８の回転軸と工具砥石８７の回転軸である該円筒形状における中心の軸とからなる角度を、被研削加工物８８の加工点における直径方向の曲率半径に基づいて制御しながら、被研削加工物８８と工具砥石８７とを相対的に移動させて研削を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２６３９９５号、「球面の研削加工方法及び装置」
【特許文献２】特開２００５−１４１６８号、「球面加工装置」
【特許文献３】特開２００８−６８３３７号、「研削加工方法及び研削加工装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した特許文献１では、セラミックスを対象とし、表面粗さ４ｎｍＲａ、真円度０．５μｍの球面加工を実現している。またこの手段を金属材料に適用することで、同様に高平滑かつ高精度な球面加工が可能である。しかし、この手段ではソケットの凹球面の加工はできない問題点がある。
【００１１】
特許文献２は、総型の砥石７１を使用するため、砥石７１の研削面と嵌合する凹球面の加工ができる特徴がある。しかし、被加工物（ワーク）の凹球面が深い場合（例えば半球面に近い場合）、砥石７１の回転中心近傍と外周近傍とで研削速度が大きく異なるため、表面粗さと真円度にばらつきが生じ、凹球面の全内面を高平滑かつ高精度に加工することはできなかった。
また、この装置では、砥石７１の研削面を研削加工中に電解ドレッシングすることは困難であり、砥石７１の目詰まりが発生しやすく、加工効率（能率）が低い問題点があった。
【００１２】
特許文献３は、軸対称の凹球面及び凹非球面の任意形状を加工できる特徴がある。しかし、被加工物（ワーク）の凹球面が深い場合（例えば半球面に近い場合）、工具を小型化したり、シャンクを伸ばしたりすることが不可欠であり、加工時の剛性を低下させたり、びびり振動が発生するなどの問題点があった。
また、この装置では、工具砥石８７の研削面を研削加工中に電解ドレッシングすることは困難であり、工具砥石８７の目詰まりが発生しやすく、加工効率（能率）が低い問題点があった。
【００１３】
本発明は、上述した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、例えば半球面に近い深い凹球面を、高平滑かつ高精度な凹球面に高能率に加工することができる凹球面研削加工装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具と、
該球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具と、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置と、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具と、
ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置と、
前記球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置と、を備えることを特徴とする凹球面研削加工装置が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記球形工具は、その表面に分散して配置された凹部を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記凹部に対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズルと、該２以上の液噴射ノズルを介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置とを有する。
【００１６】
また本発明の別の実施形態によれば、前記球形工具は、中心からオフセットした位置に強磁性体を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記強磁性体に対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイルと、該２以上の磁場発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１７】
また本発明の別の実施形態によれば、前記球形工具は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記永久磁石に対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイルと、該２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１８】
また本発明の別の実施形態によれば、前記ランダム駆動装置は、前記球形工具の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラと、該２以上の回転駆動ローラに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１９】
また本発明の別の実施形態によれば、前記ランダム駆動装置は、前記球形工具を工具保持具に磁力で吸着させる磁石と、前記工具保持具を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置と、該回転駆動装置に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置とを有する。
【００２０】
また、前記工具保持具は、前記球形工具の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴を有し、
該下凹穴の表面に導電性液を供給する導電性液供給装置を備える。
【００２１】
前記ＥＬＩＤ装置は、球形工具の一部に一定の隙間を隔てて対向するＥＬＩＤ陰極と、球形工具の別部分に接触する陽極ブラシと、前記陽極ブラシを介して球形工具をプラスに印加し、かつ前記ＥＬＩＤ陰極をマイナスに印加するＥＬＩＤ電源装置とを有する。
【００２２】
また本発明によれば、表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動し、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持し、
前記球形工具とワークの相対位置を調整し、かつ前記球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工する、ことを特徴とする凹球面研削加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
上記本発明の方法及び装置によれば、球形工具が所定の直径と真円度を有し、工具保持具により球形工具の中心より下方部分が遊動可能に保持され、ランダム駆動装置により球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するので、球形工具とワークの相対位置を調整し、球形工具でワークの上凹穴を研削加工することにより、ワークの凹球面が深く、例えば半球面に近い場合でも、ワークの上凹穴の中心近傍と外周近傍とで球形工具との接触速度（すなわち研削速度）が同一となり、凹球面の表面粗さと真円度を均一にできる。
【００２４】
また、球形工具の表面が導電性砥石からなるので、ＥＬＩＤ装置により球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工するので、ワークの凹球面全面を高平滑かつ高精度に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】人工関節の構造を示す模式図である。
【図２】特許文献１の加工方法を示す模式図である。
【図３】特許文献２の球面加工装置の模式図である。
【図４】特許文献３の加工装置の模式図である。
【図５】本発明の凹球面研削加工装置の第１実施形態図である。
【図６】本発明の凹球面研削加工装置の第２実施形態図である。
【図７】本発明の凹球面研削加工装置の第３実施形態図である。
【図８】本発明の凹球面研削加工装置の第４実施形態図である。
【図９】本発明の凹球面研削加工装置の第５実施形態図である。
【図１０】本発明の凹球面研削加工装置の第６実施形態図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２７】
図５は、本発明の凹球面研削加工装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明の凹球面研削加工装置は、球形工具１２、工具保持具１４、ワーク保持具１８、相対位置調整装置２０、ＥＬＩＤ装置２２及びランダム駆動装置３０を備える。
【００２８】
本発明を適用するワーク１０は、例えば、図１に例示したソケットであり、少なくともその一部（図で下面）に半球状の上凹穴１０ａを有する。また、ワーク１０の材質は、耐摩耗性、耐食性、靭性、生体適合性及び硬度が高い金属（例えばＣｏ−Ｃｒ合金）であるのが好ましいが、その他の金属、或いは硬脆材料であるセラミックスであってもよい。
【００２９】
球形工具１２は、表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する。
球形工具１２は、図１に例示したソケットの凹球面に嵌合する球面を有している。
導電性砥石１３は、メタルボンド砥石であり、ボンド材には金属（例えば鋳鉄、銅）とレジンを混合した複合ボンド材を使用する。また砥粒には、好ましくはダイヤモンド砥粒又はＣＢＮを用いる。砥粒の粒径は、研削完了時のワークの面粗さに応じて、例えば、＃４０００、＃８０００、＃４００００、＃１２００００（それぞれ平均粒径４．１、１．８、０．３、０．１３μｍ）を使用するのがよい。
なお、球形工具１２は、完全な球状に限定されず、非球面形状であってもよい。
【００３０】
工具保持具１４は、球形工具１２の中心より下方部分を遊動可能に保持する。
また、工具保持具１４は、球形工具１２の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴１４ａを有する。下凹穴１４ａの内面は球形工具１２より僅かに大きい球面であり、その隙間を電解研削用の導電性液が流れ、かつ球形工具１２を液圧で浮遊させて、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動するようになっている。
【００３１】
図５において、本発明の凹球面研削加工装置は、さらに下凹穴１４ａの表面に導電性液を供給する導電性液供給装置２４を備える。この導電性液供給装置２４は工具保持具１４の外部に設置され、工具保持具１４に設けられた液流路２４ａを通して、下凹穴１４ａの表面に導電性液を供給する。液流路２４ａの経路及び本数は任意である。
【００３２】
また、この例において、工具保持具１４は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させる磁石１６を有する。磁石１６は、単一でも複数でもよい。
磁石１６は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させ、ワーク１０に要求される上凹穴１０ａの真円度の誤差よりも十分小さく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持する。
磁石１６の磁力強度は、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動できる限りで、任意である。例えば、ランダム噴射装置３２（後述する）で噴射する液量が多い場合、或いは工具保持具１４を下向きにするような場合には、磁石１６の磁力強度を高めるのがよい。
【００３３】
上述した構成により、下凹穴１４ａと球形工具１２との隙間は、ワーク１０に要求される上凹穴１０ａの真円度の誤差よりも十分小さく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持するようになっている。
なお、本発明において、磁石１６は必須ではなく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持できる限りで、省略することができる。
【００３４】
ワーク保持具１８は、ワーク１０を保持する。この例で、ワーク保持具１８は、ワーク１０の上端を把持しているが、本発明はこれに限定されず、ワーク１０を把持し一体的に移動できればよい。
【００３５】
相対位置調整装置２０は、例えば３次元移動装置であり、ワーク保持具１８又は工具保持具１４を移動し、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整する。
また、相対位置調整装置２０は、一定の圧力で加圧できる機構も有する。
この例では、工具保持具１４は一定位置に固定され、ワーク保持具１８が相対位置調整装置２０により上下（ｘｙｚ軸のｚ軸方向）に移動するようになっている。
なお、本発明はこれに限定されず、ワーク保持具１８を一定位置に固定し、工具保持具１４を移動してもよい。またワーク保持具１８又は工具保持具１４の移動は上下動に限定されず、２次元的又は３次元的に移動してもよい。
【００３６】
ＥＬＩＤ装置２２は、ＥＬＩＤ陰極２２ａ、陽極ブラシ２２ｂ及びＥＬＩＤ電源装置２２ｃからなり、球形工具１２の表面を電解ドレッシングする。
【００３７】
ＥＬＩＤ陰極２２ａは、球形工具１２の一部に一定の隙間を隔てて対向する。
ＥＬＩＤ陰極２２ａはこの例ではワーク１０とワーク保持具１８の間に間隔を隔てて位置する円弧状のリング部材であり、その内面が球形工具１２の外面と常に一定の隙間を維持するように設置されている。この隙間はその間に導電性液を流しながら、球形工具１２の表面を電解ドレッシングできる範囲で設定する。
なお、ＥＬＩＤ陰極２２ａの設置位置はこの例に限定されず、例えば、ワーク保持具１８の内部に設置してもよい。
【００３８】
陽極ブラシ２２ｂは、球形工具１２の別部分に接触する。ＥＬＩＤ陰極２２ａはこの例ではワーク１０とワーク保持具１８の間に位置し、球形工具１２の一部と接触する。陽極ブラシ２２ｂの位置は、ＥＬＩＤ陰極２２ａからできるだけ離れた位置、例えばこの例では、球形工具１２を挟んでＥＬＩＤ陰極２２ａの反対側であるのがよい。
また陽極ブラシ２２ｂと球形工具１２との接触は、陽極ブラシ２２ｂを介して球形工具１２をプラスに印加できるかぎりで、接触抵抗をできるだけ小さくし、球形工具１２がほとんど無抵抗で自由に遊動できるようになっている。例えば、陽極ブラシ２２ｂの一部に導電性繊維からなる触毛を設け、この触毛を介して導電性のボンド材に通電することができる。
なお、陽極ブラシ２２ｂの設置位置はこの例に限定されず、例えば、ワーク保持具１８の内部に設置してもよい。
【００３９】
ＥＬＩＤ電源装置２２ｃは、陽極ブラシ２２ｂを介して球形工具１２をプラス（＋）に印加し、かつＥＬＩＤ陰極２２ａをマイナス（−）に印加する。この印加電源は、所望の電解ドレッシングができるかぎりで、直流電源でも直流パルス電源でもよい。
【００４０】
ランダム駆動装置３０は、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動する。ランダム駆動装置３０の具体例については後述する。
【００４１】
上述した装置を用い、本発明の方法では、
（Ａ）ワーク保持具１８を用いて、表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する球形工具１２の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
（Ｂ）ランダム駆動装置３０により、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動し、
（Ｃ）ワーク保持具１８により、球形工具１２の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴１０ａを有するワーク１０を保持し、
（Ｄ）相対位置調整装置２０により、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整し、かつＥＬＩＤ装置２２により球形工具１２の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工する。
【００４２】
上述した本発明の方法及び装置によれば、球形工具１２が所定の直径と真円度を有し、工具保持具１４により球形工具１２の中心より下方部分が遊動可能に保持され、ランダム駆動装置３０により球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動するので、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整し、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工することにより、ワーク１０の凹球面が深く、例えば半球面に近い場合でも、ワーク１０の上凹穴１０ａの中心近傍と外周近傍とで球形工具１２との接触速度（すなわち研削速度）が同一となり、凹球面１０ａの表面粗さと真円度を均一にできる。
【００４３】
また、球形工具１２の表面が導電性砥石１３からなるので、ＥＬＩＤ装置２２により球形工具１２の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工することができる。
【００４４】
図６は、本発明の凹球面研削加工装置の第２実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、その表面に分散して配置された凹部１２ａを有する。
また、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２の凹部１２ａに対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズル３１と、２以上の液噴射ノズル３１を介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置３２とを有する。
【００４５】
球形工具１２の凹部１２ａは、例えば円弧状の凹みであり、液の噴射圧を受けて、球形工具１２を表面に沿って駆動するようになっている。凹部１２ａの形状、大きさ、個数、分散状態は任意である。
また、凹部１２ａの形成は必須ではなく、球形工具１２を表面に沿って駆動できる限りで、砥粒とボンド材からなる導電性砥石１３の表面に通常存在する凹部であってもよい。
【００４６】
液噴射ノズル３１から噴射する液は、好ましくは上述した電解研削用の導電性液である。この場合、上述した導電性液供給装置２４を省略することができる。
【００４７】
なお、ランダム噴射装置３２で噴射する液は、電解研削用の導電性液に限定されず、その他の液、例えば水道水や蒸留水であってもよい。この場合、ランダム噴射装置３２で噴射する液量は、導電性液供給装置２４からの導電性液の機能を損なわず、かつ下凹穴１４ａと球形工具１２との隙間を、上述した範囲に常に保持するように設定する。
その他の構成は、図５と同様である。
【００４８】
上述した構成により、球形工具１２を液圧で浮遊させて、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の液噴射ノズル３１を介して液をランダムに噴射し、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００４９】
図７は、本発明の凹球面研削加工装置の第３実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、中心からオフセットした位置に強磁性体１２ｂ（例えば鉄球）を有する。
またランダム駆動装置３０は、球形工具１２の強磁性体１２ｂに対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイル３３と、２以上の磁場発生コイル３３に電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
なお、その他の構成は、図５と同様である。
【００５０】
この構成により、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の磁場発生コイル３３に電力をランダムに供給し、球形工具１２の強磁性体１２ｂに対し異なる向きにランダムな大きさの磁場を付加することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５１】
図８は、本発明の凹球面研削加工装置の第４実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石１２ｃを有する。永久磁石１２ｃは単数に限られず複数でもよい。また、中心位置に限定されず、中心からオフセットしてもよい。
また、ランダム駆動装置３０は、永久磁石１２ｃに対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイル３５と、２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５２】
この構成により、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の磁界発生コイル３５に電力をランダムに供給し、球形工具１２の永久磁石１２ｃに対し異なる向きにランダムな大きさの回転力を付加することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５３】
図９は、本発明の凹球面研削加工装置の第５実施形態図である。
この例において、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラ３６と、２以上の回転駆動ローラ３６に電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
また、この例の場合、上述した磁石１６（図示せず）を設けて球形工具１２を回転駆動ローラ３６に押付け、その間のスリップを低減するのがよい。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５４】
この構成により、２以上の駆動ローラ３６に電力をランダムに供給し、駆動ローラ３６により球形工具１２の表面を異なる向きにランダムに回転駆動することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５５】
図１０は、本発明の凹球面研削加工装置の第６実施形態図である。
この例において、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させる磁石１６と、工具保持具１４を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置３７と、回転駆動装置３７に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置３４とを有する。
また、この例の場合、磁石１６は、球形工具１２と工具保持具１４の間の摩擦力を高め、工具保持具１４の回転により球形工具１２を回転できるように設定するのがよい。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５６】
この構成により、工具保持具１４の回転速度をランダムに加速、減速、反転させることにより、球形工具１２を慣性によりその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ ワーク、１０ａ 上凹穴、
１２ 球形工具、１２ａ 凹部、１２ｂ 強磁性体、
１２ｃ 永久磁石、１３ 導電性砥石、
１４ 工具保持具、１４ａ 下凹穴、
１６ 磁石、１８ ワーク保持具、
２０ 相対位置調整装置、２２ ＥＬＩＤ装置、
２２ａ ＥＬＩＤ陰極、２２ｂ 陽極ブラシ、
２２ｃ ＥＬＩＤ電源装置、
２４ 導電性液供給装置、２４ａ 液流路、
３０ ランダム駆動装置、３１ 液噴射ノズル、
３２ ランダム噴射装置、３３ 磁場発生コイル、
３４ ランダム電源装置、３６ 回転駆動ローラ、
３７ 回転駆動装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面を囲む凹球面を高平滑かつ高精度に可能するための凹球面研削加工装置と方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
人工関節の耐摩耗性は、人工関節の寿命に最も影響する重要な因子である。しかし現状では、摩耗により人工関節の寿命が患者の余寿命より短く、患者に再手術を施行せざるを得ないため、その耐摩耗性を改善することが急務となっている。
【０００３】
図１は人工関節の構造を示す模式図である。球状の骨頭５１がステム５２に固定され、骨頭５１の凸球面を持つ部分がソケット５３の凹球面と接触し、関節の摺動面を構成する。しかし長期にわたる相対摺動により、摺動面の間に弛みが生じ、この弛みが人工関節の寿命を支配することになる。
【０００４】
人工関節の寿命を延長させるには、ソケット５３と骨頭５１の材料の最適化と表面粗さ及び形状精度の向上が不可欠である。しかし従来の人工関節の材料は、ポリエチレン製のソケットと金属製の骨頭の組み合わせが主流であり、寿命が短い問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明の発明者らは、骨頭５１の球面の加工手段として、先に特許文献１を創案し出願している。また、ソケット５３の凹球面の加工手段として、例えば特許文献２，３が既に開示されている。
【０００６】
特許文献１は、金属に比較して硬脆材料であるセラミックスを、金属以上に高平滑かつ高精度な球面に加工することを目的とする。
そのため、この加工方法では、図２に示すように、研削加工ステップ（Ａ）と電解ドレッシングステップ（Ｂ）を交互に実施する。研削加工ステップ（Ａ）では、球面６１ａを有するワーク６１を球面の中心Ｏを通る水平軸ｙを中心に揺動させながら中心Ｏを通り水平軸ｙに直交する回転軸ｚを中心に回転駆動し、同時に、ワークの球面６１ａに嵌合する凹球面６４ａを有する導電性砥石６４をワークの球面６１ａに沿って揺動可能に支持し、ワークに向けて定荷重を負荷し、かつ凹球面６４ａの中心を通る鉛直軸を中心に回転駆動してワークを研削する。電解ドレッシングステップ（Ｂ）では、導電性砥石６４をその凹球面６４ａの中心を通る鉛直軸を中心に回転駆動しながら、その凹球面６４ａとの間に一定の隙間を設けて陰極６７を位置決めし、凹球面６４ａを電解ドレッシングするものである。
【０００７】
特許文献２は、砥石磨耗による工具位置調整を必要としない球面加工装置を目的とする。
そのため、この装置は、図３に示すように、球面を有するレンズ等ワークＷを研削・研磨する総型の砥石７１は、垂直に保持されて回転する上軸である工具軸７２の下端に取り付けられ、エアシリンダ７３によってワークＷに押圧される。ワークＷは、スペーサ７４を介して下軸であるワーク軸７５に保持され、傾斜したワーク軸７５の揺動と回転する砥石７１による連れ回りによって、ワークＷと砥石７１の摺り合わせが行われるものである。
【０００８】
特許文献３は、被研削加工物の被加工面が凹面凸面のいずれに係わらず任意形状をした軸対称の非球面形状の研削加工に際し、加工効率を向上させて加工時間を短縮することを目的とする。
そのため、この超精密加工装置は、図４に示すように、回転させている被研削加工物８８の被加工面に対し、工具砥石８７を回転させながら相対的に移動させて軸対称非球面の研削を行う。ここで、工具砥石８７には、先端の断面形状が円弧形状を呈している円筒形状のものを用いるようにし、被研削加工物８８の回転軸と工具砥石８７の回転軸である該円筒形状における中心の軸とからなる角度を、被研削加工物８８の加工点における直径方向の曲率半径に基づいて制御しながら、被研削加工物８８と工具砥石８７とを相対的に移動させて研削を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２６３９９５号、「球面の研削加工方法及び装置」
【特許文献２】特開２００５−１４１６８号、「球面加工装置」
【特許文献３】特開２００８−６８３３７号、「研削加工方法及び研削加工装置」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述した特許文献１では、セラミックスを対象とし、表面粗さ４ｎｍＲａ、真円度０．５μｍの球面加工を実現している。またこの手段を金属材料に適用することで、同様に高平滑かつ高精度な球面加工が可能である。しかし、この手段ではソケットの凹球面の加工はできない問題点がある。
【００１１】
特許文献２は、総型の砥石７１を使用するため、砥石７１の研削面と嵌合する凹球面の加工ができる特徴がある。しかし、被加工物（ワーク）の凹球面が深い場合（例えば半球面に近い場合）、砥石７１の回転中心近傍と外周近傍とで研削速度が大きく異なるため、表面粗さと真円度にばらつきが生じ、凹球面の全内面を高平滑かつ高精度に加工することはできなかった。
また、この装置では、砥石７１の研削面を研削加工中に電解ドレッシングすることは困難であり、砥石７１の目詰まりが発生しやすく、加工効率（能率）が低い問題点があった。
【００１２】
特許文献３は、軸対称の凹球面及び凹非球面の任意形状を加工できる特徴がある。しかし、被加工物（ワーク）の凹球面が深い場合（例えば半球面に近い場合）、工具を小型化したり、シャンクを伸ばしたりすることが不可欠であり、加工時の剛性を低下させたり、びびり振動が発生するなどの問題点があった。
また、この装置では、工具砥石８７の研削面を研削加工中に電解ドレッシングすることは困難であり、工具砥石８７の目詰まりが発生しやすく、加工効率（能率）が低い問題点があった。
【００１３】
本発明は、上述した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、例えば半球面に近い深い凹球面を、高平滑かつ高精度な凹球面に高能率に加工することができる凹球面研削加工装置と方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具と、
該球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具と、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置と、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具と、
ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置と、
前記球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置と、を備えることを特徴とする凹球面研削加工装置が提供される。
【００１５】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記球形工具は、その表面に分散して配置された凹部を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記凹部に対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズルと、該２以上の液噴射ノズルを介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置とを有する。
【００１６】
また本発明の別の実施形態によれば、前記球形工具は、中心からオフセットした位置に強磁性体を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記強磁性体に対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイルと、該２以上の磁場発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１７】
また本発明の別の実施形態によれば、前記球形工具は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記永久磁石に対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイルと、該２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１８】
また本発明の別の実施形態によれば、前記ランダム駆動装置は、前記球形工具の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラと、該２以上の回転駆動ローラに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する。
【００１９】
また本発明の別の実施形態によれば、前記ランダム駆動装置は、前記球形工具を工具保持具に磁力で吸着させる磁石と、前記工具保持具を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置と、該回転駆動装置に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置とを有する。
【００２０】
また、前記工具保持具は、前記球形工具の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴を有し、
該下凹穴の表面に導電性液を供給する導電性液供給装置を備える。
【００２１】
前記ＥＬＩＤ装置は、球形工具の一部に一定の隙間を隔てて対向するＥＬＩＤ陰極と、球形工具の別部分に接触する陽極ブラシと、前記陽極ブラシを介して球形工具をプラスに印加し、かつ前記ＥＬＩＤ陰極をマイナスに印加するＥＬＩＤ電源装置とを有する。
【００２２】
また本発明によれば、表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動し、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持し、
前記球形工具とワークの相対位置を調整し、かつ前記球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工する、ことを特徴とする凹球面研削加工方法が提供される。
【発明の効果】
【００２３】
上記本発明の方法及び装置によれば、球形工具が所定の直径と真円度を有し、工具保持具により球形工具の中心より下方部分が遊動可能に保持され、ランダム駆動装置により球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するので、球形工具とワークの相対位置を調整し、球形工具でワークの上凹穴を研削加工することにより、ワークの凹球面が深く、例えば半球面に近い場合でも、ワークの上凹穴の中心近傍と外周近傍とで球形工具との接触速度（すなわち研削速度）が同一となり、凹球面の表面粗さと真円度を均一にできる。
【００２４】
また、球形工具の表面が導電性砥石からなるので、ＥＬＩＤ装置により球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工するので、ワークの凹球面全面を高平滑かつ高精度に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】人工関節の構造を示す模式図である。
【図２】特許文献１の加工方法を示す模式図である。
【図３】特許文献２の球面加工装置の模式図である。
【図４】特許文献３の加工装置の模式図である。
【図５】本発明の凹球面研削加工装置の第１実施形態図である。
【図６】本発明の凹球面研削加工装置の第２実施形態図である。
【図７】本発明の凹球面研削加工装置の第３実施形態図である。
【図８】本発明の凹球面研削加工装置の第４実施形態図である。
【図９】本発明の凹球面研削加工装置の第５実施形態図である。
【図１０】本発明の凹球面研削加工装置の第６実施形態図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００２７】
図５は、本発明の凹球面研削加工装置の第１実施形態図である。
この図において、本発明の凹球面研削加工装置は、球形工具１２、工具保持具１４、ワーク保持具１８、相対位置調整装置２０、ＥＬＩＤ装置２２及びランダム駆動装置３０を備える。
【００２８】
本発明を適用するワーク１０は、例えば、図１に例示したソケットであり、少なくともその一部（図で下面）に半球状の上凹穴１０ａを有する。また、ワーク１０の材質は、耐摩耗性、耐食性、靭性、生体適合性及び硬度が高い金属（例えばＣｏ−Ｃｒ合金）であるのが好ましいが、その他の金属、或いは硬脆材料であるセラミックスであってもよい。
【００２９】
球形工具１２は、表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する。
球形工具１２は、図１に例示したソケットの凹球面に嵌合する球面を有している。
導電性砥石１３は、メタルボンド砥石であり、ボンド材には金属（例えば鋳鉄、銅）とレジンを混合した複合ボンド材を使用する。また砥粒には、好ましくはダイヤモンド砥粒又はＣＢＮを用いる。砥粒の粒径は、研削完了時のワークの面粗さに応じて、例えば、＃４０００、＃８０００、＃４００００、＃１２００００（それぞれ平均粒径４．１、１．８、０．３、０．１３μｍ）を使用するのがよい。
なお、球形工具１２は、完全な球状に限定されず、非球面形状であってもよい。
【００３０】
工具保持具１４は、球形工具１２の中心より下方部分を遊動可能に保持する。
また、工具保持具１４は、球形工具１２の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴１４ａを有する。下凹穴１４ａの内面は球形工具１２より僅かに大きい球面であり、その隙間を電解研削用の導電性液が流れ、かつ球形工具１２を液圧で浮遊させて、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動するようになっている。
【００３１】
図５において、本発明の凹球面研削加工装置は、さらに下凹穴１４ａの表面に導電性液を供給する導電性液供給装置２４を備える。この導電性液供給装置２４は工具保持具１４の外部に設置され、工具保持具１４に設けられた液流路２４ａを通して、下凹穴１４ａの表面に導電性液を供給する。液流路２４ａの経路及び本数は任意である。
【００３２】
また、この例において、工具保持具１４は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させる磁石１６を有する。磁石１６は、単一でも複数でもよい。
磁石１６は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させ、ワーク１０に要求される上凹穴１０ａの真円度の誤差よりも十分小さく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持する。
磁石１６の磁力強度は、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動できる限りで、任意である。例えば、ランダム噴射装置３２（後述する）で噴射する液量が多い場合、或いは工具保持具１４を下向きにするような場合には、磁石１６の磁力強度を高めるのがよい。
【００３３】
上述した構成により、下凹穴１４ａと球形工具１２との隙間は、ワーク１０に要求される上凹穴１０ａの真円度の誤差よりも十分小さく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持するようになっている。
なお、本発明において、磁石１６は必須ではなく、球形工具１２の中心位置を前記誤差以内に常に保持できる限りで、省略することができる。
【００３４】
ワーク保持具１８は、ワーク１０を保持する。この例で、ワーク保持具１８は、ワーク１０の上端を把持しているが、本発明はこれに限定されず、ワーク１０を把持し一体的に移動できればよい。
【００３５】
相対位置調整装置２０は、例えば３次元移動装置であり、ワーク保持具１８又は工具保持具１４を移動し、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整する。
また、相対位置調整装置２０は、一定の圧力で加圧できる機構も有する。
この例では、工具保持具１４は一定位置に固定され、ワーク保持具１８が相対位置調整装置２０により上下（ｘｙｚ軸のｚ軸方向）に移動するようになっている。
なお、本発明はこれに限定されず、ワーク保持具１８を一定位置に固定し、工具保持具１４を移動してもよい。またワーク保持具１８又は工具保持具１４の移動は上下動に限定されず、２次元的又は３次元的に移動してもよい。
【００３６】
ＥＬＩＤ装置２２は、ＥＬＩＤ陰極２２ａ、陽極ブラシ２２ｂ及びＥＬＩＤ電源装置２２ｃからなり、球形工具１２の表面を電解ドレッシングする。
【００３７】
ＥＬＩＤ陰極２２ａは、球形工具１２の一部に一定の隙間を隔てて対向する。
ＥＬＩＤ陰極２２ａはこの例ではワーク１０とワーク保持具１８の間に間隔を隔てて位置する円弧状のリング部材であり、その内面が球形工具１２の外面と常に一定の隙間を維持するように設置されている。この隙間はその間に導電性液を流しながら、球形工具１２の表面を電解ドレッシングできる範囲で設定する。
なお、ＥＬＩＤ陰極２２ａの設置位置はこの例に限定されず、例えば、ワーク保持具１８の内部に設置してもよい。
【００３８】
陽極ブラシ２２ｂは、球形工具１２の別部分に接触する。ＥＬＩＤ陰極２２ａはこの例ではワーク１０とワーク保持具１８の間に位置し、球形工具１２の一部と接触する。陽極ブラシ２２ｂの位置は、ＥＬＩＤ陰極２２ａからできるだけ離れた位置、例えばこの例では、球形工具１２を挟んでＥＬＩＤ陰極２２ａの反対側であるのがよい。
また陽極ブラシ２２ｂと球形工具１２との接触は、陽極ブラシ２２ｂを介して球形工具１２をプラスに印加できるかぎりで、接触抵抗をできるだけ小さくし、球形工具１２がほとんど無抵抗で自由に遊動できるようになっている。例えば、陽極ブラシ２２ｂの一部に導電性繊維からなる触毛を設け、この触毛を介して導電性のボンド材に通電することができる。
なお、陽極ブラシ２２ｂの設置位置はこの例に限定されず、例えば、ワーク保持具１８の内部に設置してもよい。
【００３９】
ＥＬＩＤ電源装置２２ｃは、陽極ブラシ２２ｂを介して球形工具１２をプラス（＋）に印加し、かつＥＬＩＤ陰極２２ａをマイナス（−）に印加する。この印加電源は、所望の電解ドレッシングができるかぎりで、直流電源でも直流パルス電源でもよい。
【００４０】
ランダム駆動装置３０は、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動する。ランダム駆動装置３０の具体例については後述する。
【００４１】
上述した装置を用い、本発明の方法では、
（Ａ）ワーク保持具１８を用いて、表面が導電性砥石１３からなり所定の直径と真円度を有する球形工具１２の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
（Ｂ）ランダム駆動装置３０により、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動し、
（Ｃ）ワーク保持具１８により、球形工具１２の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴１０ａを有するワーク１０を保持し、
（Ｄ）相対位置調整装置２０により、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整し、かつＥＬＩＤ装置２２により球形工具１２の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工する。
【００４２】
上述した本発明の方法及び装置によれば、球形工具１２が所定の直径と真円度を有し、工具保持具１４により球形工具１２の中心より下方部分が遊動可能に保持され、ランダム駆動装置３０により球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動するので、球形工具１２とワーク１０の相対位置を調整し、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工することにより、ワーク１０の凹球面が深く、例えば半球面に近い場合でも、ワーク１０の上凹穴１０ａの中心近傍と外周近傍とで球形工具１２との接触速度（すなわち研削速度）が同一となり、凹球面１０ａの表面粗さと真円度を均一にできる。
【００４３】
また、球形工具１２の表面が導電性砥石１３からなるので、ＥＬＩＤ装置２２により球形工具１２の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具１２でワーク１０の上凹穴１０ａを研削加工することができる。
【００４４】
図６は、本発明の凹球面研削加工装置の第２実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、その表面に分散して配置された凹部１２ａを有する。
また、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２の凹部１２ａに対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズル３１と、２以上の液噴射ノズル３１を介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置３２とを有する。
【００４５】
球形工具１２の凹部１２ａは、例えば円弧状の凹みであり、液の噴射圧を受けて、球形工具１２を表面に沿って駆動するようになっている。凹部１２ａの形状、大きさ、個数、分散状態は任意である。
また、凹部１２ａの形成は必須ではなく、球形工具１２を表面に沿って駆動できる限りで、砥粒とボンド材からなる導電性砥石１３の表面に通常存在する凹部であってもよい。
【００４６】
液噴射ノズル３１から噴射する液は、好ましくは上述した電解研削用の導電性液である。この場合、上述した導電性液供給装置２４を省略することができる。
【００４７】
なお、ランダム噴射装置３２で噴射する液は、電解研削用の導電性液に限定されず、その他の液、例えば水道水や蒸留水であってもよい。この場合、ランダム噴射装置３２で噴射する液量は、導電性液供給装置２４からの導電性液の機能を損なわず、かつ下凹穴１４ａと球形工具１２との隙間を、上述した範囲に常に保持するように設定する。
その他の構成は、図５と同様である。
【００４８】
上述した構成により、球形工具１２を液圧で浮遊させて、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の液噴射ノズル３１を介して液をランダムに噴射し、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００４９】
図７は、本発明の凹球面研削加工装置の第３実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、中心からオフセットした位置に強磁性体１２ｂ（例えば鉄球）を有する。
またランダム駆動装置３０は、球形工具１２の強磁性体１２ｂに対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイル３３と、２以上の磁場発生コイル３３に電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
なお、その他の構成は、図５と同様である。
【００５０】
この構成により、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の磁場発生コイル３３に電力をランダムに供給し、球形工具１２の強磁性体１２ｂに対し異なる向きにランダムな大きさの磁場を付加することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５１】
図８は、本発明の凹球面研削加工装置の第４実施形態図である。
この例において、球形工具１２は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石１２ｃを有する。永久磁石１２ｃは単数に限られず複数でもよい。また、中心位置に限定されず、中心からオフセットしてもよい。
また、ランダム駆動装置３０は、永久磁石１２ｃに対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイル３５と、２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５２】
この構成により、球形工具１２がほとんど無抵抗で、自由に遊動する状態において、２以上の磁界発生コイル３５に電力をランダムに供給し、球形工具１２の永久磁石１２ｃに対し異なる向きにランダムな大きさの回転力を付加することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５３】
図９は、本発明の凹球面研削加工装置の第５実施形態図である。
この例において、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラ３６と、２以上の回転駆動ローラ３６に電力をランダムに供給するランダム電源装置３４とを有する。
また、この例の場合、上述した磁石１６（図示せず）を設けて球形工具１２を回転駆動ローラ３６に押付け、その間のスリップを低減するのがよい。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５４】
この構成により、２以上の駆動ローラ３６に電力をランダムに供給し、駆動ローラ３６により球形工具１２の表面を異なる向きにランダムに回転駆動することにより、球形工具１２をその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５５】
図１０は、本発明の凹球面研削加工装置の第６実施形態図である。
この例において、ランダム駆動装置３０は、球形工具１２を工具保持具１４に磁力で吸着させる磁石１６と、工具保持具１４を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置３７と、回転駆動装置３７に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置３４とを有する。
また、この例の場合、磁石１６は、球形工具１２と工具保持具１４の間の摩擦力を高め、工具保持具１４の回転により球形工具１２を回転できるように設定するのがよい。
その他の構成は、図５と同様である。
【００５６】
この構成により、工具保持具１４の回転速度をランダムに加速、減速、反転させることにより、球形工具１２を慣性によりその表面に沿ってランダムに駆動することができる。
【００５７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない限りで種々に変更できることは勿論である。
【符号の説明】
【００５８】
１０ ワーク、１０ａ 上凹穴、
１２ 球形工具、１２ａ 凹部、１２ｂ 強磁性体、
１２ｃ 永久磁石、１３ 導電性砥石、
１４ 工具保持具、１４ａ 下凹穴、
１６ 磁石、１８ ワーク保持具、
２０ 相対位置調整装置、２２ ＥＬＩＤ装置、
２２ａ ＥＬＩＤ陰極、２２ｂ 陽極ブラシ、
２２ｃ ＥＬＩＤ電源装置、
２４ 導電性液供給装置、２４ａ 液流路、
３０ ランダム駆動装置、３１ 液噴射ノズル、
３２ ランダム噴射装置、３３ 磁場発生コイル、
３４ ランダム電源装置、３６ 回転駆動ローラ、
３７ 回転駆動装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具と、
該球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具と、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置と、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具と、
ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置と、
前記球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置と、を備えることを特徴とする凹球面研削加工装置。
【請求項２】
前記球形工具は、その表面に分散して配置された凹部を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記凹部に対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズルと、該２以上の液噴射ノズルを介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項３】
前記球形工具は、中心からオフセットした位置に強磁性体を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記強磁性体に対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイルと、該２以上の磁場発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項４】
前記球形工具は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記永久磁石に対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイルと、該２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項５】
前記ランダム駆動装置は、前記球形工具の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラと、該２以上の回転駆動ローラに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項６】
前記ランダム駆動装置は、前記球形工具を工具保持具に磁力で吸着させる磁石と、前記工具保持具を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置と、該回転駆動装置に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項７】
前記工具保持具は、前記球形工具の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴を有し、
該下凹穴の表面に導電性液を供給する導電性液供給装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項８】
前記ＥＬＩＤ装置は、球形工具の一部に一定の隙間を隔てて対向するＥＬＩＤ陰極と、球形工具の別部分に接触する陽極ブラシと、前記陽極ブラシを介して球形工具をプラスに印加し、かつ前記ＥＬＩＤ陰極をマイナスに印加するＥＬＩＤ電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項９】
表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動し、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持し、
前記球形工具とワークの相対位置を調整し、かつ前記球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工する、ことを特徴とする凹球面研削加工方法。
【請求項１】
表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具と、
該球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持する工具保持具と、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動するランダム駆動装置と、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持するワーク保持具と、
ワーク保持具又は工具保持具を移動し球形工具とワークの相対位置を調整する相対位置調整装置と、
前記球形工具の表面を電解ドレッシングするＥＬＩＤ装置と、を備えることを特徴とする凹球面研削加工装置。
【請求項２】
前記球形工具は、その表面に分散して配置された凹部を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記凹部に対し異なる向きに配置された２以上の液噴射ノズルと、該２以上の液噴射ノズルを介して所定の液をランダムに噴射するランダム噴射装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項３】
前記球形工具は、中心からオフセットした位置に強磁性体を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記強磁性体に対し異なる向きに磁場を付加する２以上の磁場発生コイルと、該２以上の磁場発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項４】
前記球形工具は、内部にＮ−Ｓ極を有する永久磁石を有しており、
前記ランダム駆動装置は、前記永久磁石に対し異なる向きに回転力を付加する２以上の磁界発生コイルと、該２以上の磁界発生コイルに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項５】
前記ランダム駆動装置は、前記球形工具の表面に接しこれを異なる向きに回転駆動する２以上の回転駆動ローラと、該２以上の回転駆動ローラに電力をランダムに供給するランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項６】
前記ランダム駆動装置は、前記球形工具を工具保持具に磁力で吸着させる磁石と、前記工具保持具を鉛直軸を中心に回転駆動する回転駆動装置と、該回転駆動装置に供給する電力をランダムに変化させるランダム電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項７】
前記工具保持具は、前記球形工具の中心より下方部分を近接して囲む下凹穴を有し、
該下凹穴の表面に導電性液を供給する導電性液供給装置を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項８】
前記ＥＬＩＤ装置は、球形工具の一部に一定の隙間を隔てて対向するＥＬＩＤ陰極と、球形工具の別部分に接触する陽極ブラシと、前記陽極ブラシを介して球形工具をプラスに印加し、かつ前記ＥＬＩＤ陰極をマイナスに印加するＥＬＩＤ電源装置とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の凹球面研削加工装置。
【請求項９】
表面が導電性砥石からなり所定の直径と真円度を有する球形工具の中心より下方部分を遊動可能に保持し、
前記球形工具をその表面に沿ってランダムに駆動し、
前記球形工具の中心より上方部分と接触する半球状の上凹穴を有するワークを保持し、
前記球形工具とワークの相対位置を調整し、かつ前記球形工具の表面を電解ドレッシングしながら、球形工具でワークの上凹穴を研削加工する、ことを特徴とする凹球面研削加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２５３５９３（Ｐ２０１０−２５３５９３Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０４６３０（Ｐ２００９−１０４６３０）
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（０００１９３６１２）瑞穂医科工業株式会社 (53)
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【出願人】（５０３３５９８２１）独立行政法人理化学研究所 (1,056)
【出願人】（０００１９３６１２）瑞穂医科工業株式会社 (53)
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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