工具回転半径可変の工具ホルダおよび該工具を備えた工作機械ならびに前記工作機械を用いた加工方法
【課題】旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械を提供する。
【解決手段】工具２が回転テーブル１２に対してある程度の剛性のある第１の梁１４を介して取り付けられ、第１の梁はその軸を回転中心軸４と重なるように回転テーブル１２にその一端が固定、第１の梁の他端には工具が固定されており、第１の重り６が第１の梁の他端側の側部に固定されて、回転テーブルの静止状態において第１の重りが第１の梁に回転中心軸４と重ならない位置に固定されることで、回転テーブルを回転させると、第１の重りに作用する遠心力Ｆｃによって、工具が固定された側の第１の梁の他端は、工具回転中心軸から外方向へずれる。これにより、工具は工具中心軸の周りに工具回転半径Ｒｔで回転し、工具回転半径Ｒｔは回転テーブルの回転速度に応じて変化する。
【解決手段】工具２が回転テーブル１２に対してある程度の剛性のある第１の梁１４を介して取り付けられ、第１の梁はその軸を回転中心軸４と重なるように回転テーブル１２にその一端が固定、第１の梁の他端には工具が固定されており、第１の重り６が第１の梁の他端側の側部に固定されて、回転テーブルの静止状態において第１の重りが第１の梁に回転中心軸４と重ならない位置に固定されることで、回転テーブルを回転させると、第１の重りに作用する遠心力Ｆｃによって、工具が固定された側の第１の梁の他端は、工具回転中心軸から外方向へずれる。これにより、工具は工具中心軸の周りに工具回転半径Ｒｔで回転し、工具回転半径Ｒｔは回転テーブルの回転速度に応じて変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具回転半径可変の工具ホルダおよび該工具を備えた工作機械ならびに前記工作機械を用いた加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学部品に使われるレンズを量産するために、高精度に加工された金型が使用される。一般的なレンズは回転対称な形状であるので、金型の製作には単結晶ダイヤモンド工具を用いた超精密旋削加工が適用される。通常の旋削加工では、主軸に取り付けたワークを高速回転させ、工具をワークに押し付けて任意の回転対称な形状を切削加工する。したがって、ワーク上の回転中心は１点のみである。
しかし、最近では、１個が直径数ｍｍのレンズを数十〜数千個並べた形状を持つレンズアレイ型金型（図１９，図２０参照）の需要が増大している。レンズアレイの金型を旋削で加工するためには、旋盤の主軸に対して、一つ一つのレンズ形状ごとに回転中心を合わせて加工する必要がある。
手動でレンズの加工位置を精密に合わせるのは困難であるので、例えば、主軸上に回転に直交する向きの２軸直動テーブルを備え付け、そこにワークを取り付ければ、ワーク上の回転中心を任意に変えることができる。
【０００３】
しかし、高速回転する主軸上に駆動用のケーブルは接続できない上に、主軸回転時の遠心力に耐える保持力をテーブルに持たせるには、技術的に困難である。また、別の方法として、一つ一つ別のレンズ金型を旋盤で製作し、それらを多数組み合わせることで、レンズアレイ金型とする方法も考えられる。しかし、レンズアレイの用途の多くでは、各レンズ間の距離が厳密に設計されており、数千個の金型を正確なレンズ間距離で組み立てるのは難しい。
そこで、旋盤以外のレンズアレイの高速・高精度な加工方法が切望されている。
レンズアレイ形状の加工方法として、ミリングで加工する方法が一般的に用いられている。小径の回転工具を主軸に取り付け、工作機械の直交３軸を同時に駆動して、渦巻きの軌跡を描かせ、レンズ形状を加工する。
【０００４】
図２５に示されるように、一般的なミリング加工で複雑な自由曲面を加工する場合、加工形状の中で１箇所でも半径Ｒの小さい凹形状があれば、それに合わせた小径のエンドミル工具を使用することになる。しかし、小径の工具２が一回転する間に切削できる量は少ないので、なだらかな面では加工能率が非常に悪くなる。特に、超精密加工では、工具交換により工具の位置が１μｍずれることも許されない場合があり、仕上げ加工においては工具交換ができず、加工面全面を１本の工具で加工することも多い。
図２６は、従来技術である一般的なミリング加工によるレンズアレイの加工を説明する図である。図２６（ａ）は、主軸で切削工具を回転させながら、工作機械の直動軸で渦巻き状の軌跡を描いて加工する方法である。図２６（ｂ）は、工具を走査するように直動軸で動かしながら加工する方法である。どちらの方法も、高速で加工しようとすると、各軸の加減速が激しくなる加工方法であり、直動軸の加速性能で加工速度が決まる。また、工具が高速で回転しながら図２６に示される軌跡を描くので、実際の工具の切削距離は、軌跡よりも遥かに長く、工具磨耗が激しいという欠点もある。
【０００５】
上述したようにこの加工方法の欠点は、高速に加工しようとすると、わずか数ｍｍのレンズ直径の中で高速な渦巻き運動を行うこととなり、直動軸の方向反転が激しくなることである。特に、レンズの中心付近の加工では、高速な加減速の切り替えが必要になり、直動軸の加速性能が加工速度に大きく関わってくる。また、ミリングという加工方法は、工具自身が高速回転している分、旋削よりも工具摩耗が激しく、工具交換無しで数千個のレンズ形状を加工するのは困難である。
工具摩耗を抑える加工方法として、回転テーブルで工具の角度を変えながら、直交３軸で渦巻き運動を行う方法が考案されている。図２７は、他の従来技術として、工具２の角度を変えつつ、渦巻きの軌跡を描いて加工するレンズアレイの加工方法を説明する図である。この加工方法は、工具２から見ると旋削加工に近い動きになるので、工具磨耗を抑える点では有効な方法である。しかし、高速加工を行うためには、渦巻きの動きを行う直動軸の加減速が激しくなる欠点は図２６の加工方法と同じである。
【０００６】
工具摩耗を抑え、直動軸の高速駆動も抑えた加工方法として、特許文献１、特許文献２に開示される技術がある。
図２８は、他の従来技術（特許文献１参照）として、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する加工方法を説明する図である。この方法は、工具を圧電素子を用いて微小上下動しワークを加工する方法であり、凸形状には対応しない点と、凹形状であっても原理的に回転対称の形状を加工することはできないという欠点がある。
図２９は、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する従来技術（特許文献２参照）を説明する図である。この従来技術は、回転対称の形状や凸形状に対応できる。しかし、工具の輪郭精度をミクロンオーダー以下に成形するのは、非常に難しいので、高精度なレンズ形状の加工には向かない。
いずれの文献に開示される技術も、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した特殊な工具が必要で、形状精度が工具精度に依存し、形状誤差を補正することも不可能で、高精度なレンズ金型の製造には適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２１３８９７号公報
【特許文献２】特開２０００−５２２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
加工速度、加工精度の観点から見ると、レンズ形状の加工は旋削加工が理想的な加工方法である。したがって、レンズアレイ形状の加工の場合も、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きとなることが望ましい。
そこで本発明の目的は、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具の回転半径可変の工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械、ならびに、前記工作機械を用いた加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の請求項１に係る発明は、工具を固定する工具ホルダにおいて、前記工具ホルダを回転したときに生じる遠心力により、該工具ホルダの構造体が弾性変形し、前記工具の刃先を回転軸方向に向けた前記工具の回転半径をゼロから任意の径まで変化する構造を特徴とする工具ホルダである。
請求項１に係る発明の工具ホルダとすることで、工具回転半径を主軸の回転速度で変化させることができる。
請求項２に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する２つの梁を備え、該２つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダである。
請求項２に係る発明の工具ホルダとすることで、工具の回転半径が変わっても常に回転のバランスを保つことで、アンバランスによる回転に同期した振動を防止できる。
請求項３に係る発明は、前記工具ホルダの２つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある２つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダである。
請求項３に係る発明の工具ホルダとすることで、回転半径のより大きい位置にある重りを梁に連結する構造は、大きな遠心力を梁に加え、工具回転半径を大きくすることができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記工具ホルダの２つの梁は、一方の梁に工具を取り付けることができ、取り付けた工具の重量による変化分を含めて、工具ホルダ全体の回転バランスを調整するバランス重りを前記工具ホルダの構造体に付加できる構造であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の工具ホルダである。
工具ホルダに工具を取り付けたことによる重量の変化に対して、バランス重りで調整することで、回転時のアンバランスを防ぐことができる。
請求項５に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する２つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項２〜４に記載の工具ホルダである。
平行バネにより、工具の回転半径が変化しても、工具の角度（姿勢）が変化するのを防ぐことができる。
請求項６に係る発明は、回転の軸方向に工具ホルダをみた座標系において、前記工具の刃先の位置は、静止時には回転中心軸から初期オフセットの分だけずれた第１の位置にあり、前記回転速度を最大にしたときに工具刃先は第２の位置にあり、前記第１の位置と第２の位置とを結んだ線分上に、回転の中心が位置する構造を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の工具ホルダである。
オフセットを与えることにより、工具回転半径が小さいときにも、ある程度の加工速度を確保することができる。静止状態での工具刃先の位置が回転中心の場合、中心部の加工速度（工具に対するワークの相対速度）が極端に遅くなってしまい、実際には加工できない。そこで、所定の回転速度のときに工具刃先が回転中心に来るようにして、加工速度を確保できる。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６に記載のいずれか１つの工具ホルダを主軸に搭載し、主軸の軸方向は重力方向に一致し、直動軸として少なくとも主軸の軸方向に移動可能な軸を備え、前記主軸の回転速度と前記直動軸の位置を制御することにより、任意の回転対称な形状を切削加工することを特徴とする工作機械である。
主軸の回転方向に移動可能な直動軸で切り込み量を制御し、工具の回転半径を主軸の回転速度で制御することで、任意の径で切り込み量を変えられるようになる。主軸が重力方向であると、工具ホルダの梁の変位が回転の位相によって重力の影響を受けない。したがって、前記工作機械により、任意の回転対称形状を精密に切削加工することができる。
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法である。
この加工方法は、主軸の回転速度に対する工具回転半径と工具刃先の変位量を事前に計測し、加工形状を加工プログラムに変換する過程において、この計測値を反映させることで、正確な加工ができる。
請求項９に係る発明は、請求項８の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法である。
工作機械が直動３軸を搭載していれば、回転対称の形状を平面に多数配列した形状を加工できる。さらに、工作機械が回転軸２軸搭載していれば、５軸加工により任意の自由曲面に回転対称の形状を多数配列した形状を加工できる。したがって、一般的な工作機械において、任意のレンズアレイ形状を高速・高精度に加工できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具の回転半径可変の工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械、ならびに、前記工作機械を用いた加工方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るバネを備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る梁を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図３】本発明に係る２つの梁を回転中心軸に対して対称の構造を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図４】本発明に係る２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図５】加工方向に特に剛性を持たせつつ、遠心力方向に変位させ易くする構成を説明する図である。
【図６】本発明に係る２つの梁を一体のＵ字構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図７】回転バランスを調整する構成を説明する図である。
【図８】平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図９】工具の角度（姿勢）が一定であれば、同心円状に溝を加工するような用途に対しても、一定断面形状の溝に容易に加工できることを説明する図である。
【図１０】２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を工具ホルダの上方から見た図である。
【図１１】２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を側面から見た図である。
【図１２】回転速度を変えたときの工具の軌跡を説明する図である。
【図１３】本発明に係る工作機械を説明する図である。
【図１４】Ｚ軸で切り込み方向の制御を行うことを説明する図である。
【図１５】主軸回転速度と工具回転半径との関係をプロットしたグラフの例である。
【図１６】主軸回転速度と工具の軸方向の変位の関係をプロットしたグラフの例である。
【図１７】主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位の計測方法を説明する図である。
【図１８】溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応することを説明する図である。
【図１９】本発明に係る加工方法により、平面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。
【図２０】本発明に係る加工方法により、曲面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。
【図２１】レンズ形状を加工する場合、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心軸を通る軌跡を描くことが重要であることを説明する図である。
【図２２】本発明に係る加工方法において、工具がどの位置（回転位相）にあっても、逃げ面がワークに当たらないことを説明する図である。
【図２３】レンズ形状中央の削り残しを除去する方法を説明する図である。
【図２４】工具回転半径を変えた自由曲面の加工を説明する図である。
【図２５】一般的なエンドミルによる自由曲面の加工を説明する図である。
【図２６】一般的なミリング加工によるレンズアレイの加工を説明する図である。
【図２７】工具の角度を変えつつ、渦巻きの軌跡を描いて加工するレンズアレイの加工方法を説明する図である。
【図２８】工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する加工方法を説明する図である。
【図２９】工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する他の加工方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術と同じ構成または類似の構成については同じ符号を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るバネを備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図１（ａ）は、回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図１（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
工具２には第１のバネ８の一端と第２のバネ１０の一端が固定され、第１のバネ８の他端は回転テーブル１２に固定され、第２のバネ１０の他端は回転テーブル１２に固定されている。そして、重り６が第１のバネ８に固定されている。
【００１６】
図１（ａ）に示されるように、回転テーブル１２が、静止状態において工具２が回転テーブル１２に対して回転中心軸４と同軸上になるように、第１のバネ８および第２のバネ１０を介して取り付けられている。第１のバネ８と第２のバネ１０とは回転中心軸４に対して対称に配置されている。そして、重り６が第１のバネ８と工具２との間に固定されている。
回転テーブル１２を回転中心軸４周りに回転させると、図１（ｂ）に示されるように、重り６に対して回転テーブル１２の回転速度に応じた遠心力Ｆｃが作用する。重り６は遠心力Ｆｃにより第１のバネ８を縮め第２のバネ１０を伸ばすので、重り６は回転中心軸４に垂直な外方向へ変位する。重り６の外方向変位によって、工具２は回転中心軸４から変位し、工具回転半径Ｒｔで回転中心軸４の周りに回転する。
【００１７】
図２は、本発明に係る梁を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図２（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図２（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
この実施形態では、工具２が回転テーブル１２に対してある程度の剛性のある第１の梁１４を介して取り付けられる。第１の梁１４は、その軸を回転中心軸４と重なるように回転テーブル１２にその一端が固定されている。第１の梁１４の一端の回転テーブル１２への固定方法は、例えば、溶接、あるいは、ボルト、あるいは、ねじ込みなどの方法がある。
【００１８】
第１の梁１４の他端には工具２が固定されている。また、第１の重り６が第１の梁１４の他端側の側部に固定されている。回転テーブル１２の静止状態において、第１の重り６が第１の梁１４に、回転中心軸４と重ならない位置（つまり、回転中心軸４とずれた位置）に固定されることで、図２（ｂ）のように回転テーブル１２を回転させると、第１の重り６に遠心力Ｆｃが作用する。第１の重り６に作用する遠心力Ｆｃによって、工具２が固定された側の第１の梁１４の他端は、工具回転中心軸から外方向へずれる。これにより、工具２は回転中心軸４の周りに工具回転半径Ｒｔで回転する。
【００１９】
図３は、本発明に係る２つの梁を回転中心軸に対して対称の構造を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図３（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図３（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
図３に示される実施形態は、図２に示される重り付き梁を２つ用いる形態である。回転テーブル１２を回転させたとき、回転バランスが崩れないようにするために、図３（ａ）に示されるように、回転テーブル１２に、第１の重り６が固定された第１の梁１４と第２の重り７が固定された第２の梁１５とが回転中心軸４に対して対称な位置になるように取付ける。
【００２０】
この実施形態では、回転テーブル１２の回転時の遠心力Ｆｃは２つの梁１４，１５にそれぞれ反対方向に働くので、遠心力Ｆｃは相殺される。また、第１の梁１４と第２の梁１５はそれぞれの梁の剛性、第１の重り６および第２の重り７の重量を同じにしておけば、２つの梁１４，１５は遠心力Ｆｃで同じだけ変形することになり、回転テーブル１２の回転によって重心の位置が移動することはない。したがって、回転テーブル１２の高速回転時にも回転バランスが崩れることはない。
また、この実施形態では回転テーブル１２の回転中心軸４に２つの梁が設置されていないので、遠心力Ｆｃで梁１４，１５が倒れる方向が決まっており、重り６，７は必ずしも必要としない。第１の重り６と第２の重り７に重量差や取り付け位置の差をつけ、第１の梁１４に固定された工具２の重量を相殺するようにしてもよい。回転のアンバランスを完全になくすためには、回転中心軸に対して、２つの梁１４，１５の側で剛性、重量、および重心が厳密に等しくなるように調整する必要がある。
【００２１】
図４は、本発明に係る２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図４（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図４（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
【００２２】
第１の梁１４，第２の梁１５の剛性が弱いほど、回転速度に対する工具回転半径の変化を容易に大きくできる。しかし、梁１４，１５の剛性が弱いほど容易に工具２が振れてしまい、精密な加工ができない。梁１４，１５の剛性と工具回転半径Ｒｔの大きさを両立させるためには、梁１４，１５の剛性を高くした上で、梁１４，１５を弾性変形させる遠心力Ｆｃを十分に大きくすればよい。遠心力Ｆｃは、回転半径に比例する。したがって、重りの取り付け位置を回転中心軸４からできるだけ離れた位置にすることで、回転テーブル１２の同じ回転速度、重りの重量が同じでも、より大きな遠心力Ｆｃを得ることができる。
回転バランスを保つためには、２つの梁１４，１５と、それに連結された２つの重り６，７は、回転中心軸４に対して重心が対称であることが望ましい。また、重り６，７は、回転半径が大きい分、周速も大きくなるため、空気抵抗を受けやすい。そのため、重り６，７の形状は、空気抵抗を受けにくい形状が望ましい。
【００２３】
図４（ａ）には、重り６，７を回転中心軸４からできるだけ離れた位置で回転させるために、第１の腕１６と第２の腕１７を備えた本発明の実施形態が示されている。第１の梁１４と第２の梁１５は、図３に示される実施形態と同様に、回転テーブル１２に対して固定されている。
【００２４】
本実施形態では、回転テーブル１２に固定されない第１の梁１４と第２の梁１５の一端に、第１の腕１６と第２の腕１７の一端がそれぞれ取り付けられている。第１の腕１６と第２の腕１７のそれぞれの他端に、それぞれ第１の重り６，第２の重り７が取り付けられている。図４（ａ）では工具２が第１の梁１４に取り付けられているが、第２の梁１５に取り付けるようにしてもよい。
図４（ｂ）では、回転テーブル１２がある速度で高速回転している時の状態を示している。この実施形態では、腕１６，１７を用いることで、重り６，７を回転中心軸４からできるだけ離している。これによって、同じ回転速度、同じ重量の重りよりも、大きな遠心力Ｆｃを得ることができる。
【００２５】
図５は、加工方向に特に剛性を持たせつつ、遠心力方向に変位させ易くする構成を説明する図である。図５は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。加工方向に特に特に剛性を持たせつつ、かつ、遠心力方向に変位し易くするために、第１の梁１４および第２の梁１５は、遠心力方向の厚みが少ない断面形状であることが望ましい。ただし、梁１４，１５の剛性が弱いほど容易に工具２が振れてしまい、精密な加工ができないことから、遠心力方向の剛性も上述したとおり重要である。なお、図５において、回転テーブル１２の回転方向が図示される方向の場合、遠心力方向と加工方向は図示される方向である。回転テーブル１２の回転方向が図示と逆の場合には、加工方向も図示と逆になる。
【００２６】
図６は、本発明に係る２つの梁を一体のＵ字構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。第１の梁１４，第２の梁１５は、大きな遠心力で繰り返し弾性変形し、その根元の固定部には特に大きな応力が加わる。第１の梁１４，第２の梁１５を図６に示されるように一体のＵ字構造とすることで、取り付け部に余計な応力が加わらないようにできる。図６に示される工具ホルダ２０では、根元の固定部に、取り付けボルト孔１８が設けられており、ボルト（図示せず）を取り付けボルト孔１８に挿通し、工具ホルダ２０を回転テーブル１２に固定する。
【００２７】
図７は、回転バランスを調整する構成を説明する図である。図７（ａ）は図４（ａ）のＢ矢視図であり、図７（ｂ）は図４（ａ）のＣ矢視図である。工具ホルダ２０の各部に設けたネジ穴に、ネジの材質または長さで重量を調整したイモネジをねじ込み、回転バランスを調整する。回転バランスの状態を測定するには、市販の動バランス計測装置を用いることができる。通常の回転バランス調整では、回転速度によって、バランスは大きく変わらないが、この工具ホルダの場合には、回転速度によって変形する部分があるので、その分を考慮して、使用する回転数全域でバランス状態を確認する必要がある。回転速度によってバランスが変化する場合には、遠心力で変位する部分に設けてあるネジ穴でバランス調整する。工具ホルダ２０に関しては、一度、バランス調整すれば、工具ホルダ２０を外さない限り同じバランスが再現する。工具２の形状や重量が大きく異なるものに交換する場合は、その都度、バランスの確認、調整を行う。
【００２８】
図８は、平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。工具ホルダ２０の構造が単純な２つの梁の場合には、工具回転半径Ｒｔが変わると、梁が角度変化した分、工具２も同じように角度変化する（図１１参照）。加工によっては、このような工具の角度変化（姿勢変化）が許されない場合がある。これを解決するために、図８のように平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造にする。このようにすると、平行バネの構造となるので、取り付けた工具は、遠心力によって梁が変形しても角度変化（姿勢変化）しない。平行バネの構造も刃先の変位という意味では、図１５，図１６のような動きとなるので、姿勢の変化のみが抑えられる。
【００２９】
図９は、工具の角度（姿勢）が一定であれば、同心円状に溝を加工するような用途に対しても、一定断面形状の溝に容易に加工できることを説明する図である。工具の姿勢は、工作機械側の回転軸で修正することも可能であるが、同時制御が必要な軸数が増えるほど工具刃先の位置決め誤差は増加するので、図８のように工具姿勢を保つ構造の方が、精度の高い加工が可能となる。
【００３０】
図１０は、２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を工具ホルダの上方から見た図である。回転テーブル１２の回転が停止しているとき、図４（ａ）または図７（ａ）のＢ矢視図のように回転中心軸に工具２の刃先が一致していると、レンズ形状などの回転対称な形状の中心近傍の加工時に、回転速度が低く、加工速度も低くなるので、加工効率が悪い。
一般的な旋盤で、レンズ形状を加工する加工条件が理想であるとすると、旋盤の場合は中心付近を加工するときにも、一定の回転速度で加工する。この工具ホルダ２０で、工具２側を回転させて加工する場合の加工条件を旋盤に近付けるためには、ある程度の回転速度を保って、工具回転半径Ｒｔがゼロになる必要がる。
【００３１】
図１０は、工具２に初期オフセット量を与えたときの、静止状態から回転速度最大の状態までを、工具ホルダ２０から見た座標系（図４のＢ矢視方向に見たもの）で示したものである。静止状態において、工具２の刃先は回転中心よりも初期オフセット量だけずれた位置Ｔ0にある。
回転テーブル１２を回転させると、第１の重り６，第２の重り７などに遠心力が作用し、工具の刃先位置が変位する。最大回転速度の時の刃先位置をＴ1とする。このとき、回転速度が変化する間の工具刃先の軌跡はＴ0とＴ1を結ぶ直線となる。
【００３２】
回転速度を変えたときに、工具回転半径Ｒｔがゼロになる瞬間があるためには、Ｔ0とＴ1を結ぶ直線上に回転中心が位置している必要がある。また、そのためには、工具２側の梁と重りなどを含めた重心位置Ｇの位置関係も重要で、遠心力は回転中心からＧ点の方向に働く。実際に、刃先がどの方向に動くかは、図５のように梁がどの方向に変位し易い構造であるかにも依存するが、基本的には遠心力の方向に変位する。したがって、Ｇ点から回転中心に延ばした線の延長上にＴ0が位置するように工具２の取り付けを正確に行うのも重要である。しかし、実際には工具刃先の位置を正確に調整するのは難しいので、ずれた分を修正加工する方法もある（後述する図２１，図２２，図２３参照）。
【００３３】
このように、工具刃先の位置に初期オフセット量があることで、工具刃先が回転中心に位置するときに、ある一定の回転速度を確保でき、旋盤加工の加工条件に近づけることができる。図１０では、最大回転速度の時に、最大工具回転半径としているが、初期オフセットを大きくすれば、当然、静止状態に近いときに最大工具回転半径となる。
【００３４】
図１１は、２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を側面から見た図である。図１１は、図１０を横から見た図（図４に相当）である。工具２が取り付けられている梁１４，１５は一端が回転テーブル１２に固定されているので、図１２に示されるように、回転速度による刃先位置の軌跡は曲線的になる。
レンズ形状を加工する場合は、回転の中心軸方向が工具の切り込み方向となるので、この曲線は回転速度によって工具の切り込み量が変化することを意味している。したがって、後述する（図１６参照）ように、精密な加工を行うためには、この切り込み量を考慮して補正する必要がある。
【００３５】
図１３は、本発明に係る工作機械を説明する図である。図１３（ａ）は工作機械の概略側面図であり、主軸３０の中心に工具ホルダ２０を取り付け、ワーク２２をＺ軸で上下に動かして切り込み制御する。主軸３０は、回転の軸方向が重力方向となるようにする。これは、工具ホルダ２０が構造上重力の影響を受けるからである。工具ホルダ２０には重りなどの重量物が付加してある。重りが水平面内を回転する限りどの回転位相でも重力は、重りに対して常に同じ向きであるので、梁の変位には影響しない。しかし、垂直面で回転する場合は、重りに加わる重力の影響が直接梁の変位に影響を与えるので、垂直面での回転は望ましくない。なお、主軸３０は回転テーブル１２と同等のものである。
【００３６】
主軸は、正確な回転数で制御するためのモータ駆動が望ましい。また、主軸の軸受は高速回転時にも滑らか駆動が可能で発熱の少ない空気軸受が望ましい。主軸の配置によって、刃先が上向になる配置と、刃先が下向きになる配置があるが、ワーク２２上の切粉を排出し易いという観点からは、図１３に示されるように、工具２の刃先が上向の方が望ましい。ただし、工具ホルダ２０側に切粉が堆積しやすいという短所があるので、加工によっては、工具２の刃先が下向きになる配置の方が好ましい場合もある。
ワーク２２に対する工具２の刃先の位置は、主軸３０の回転速度とＺ軸の位置で決まるので、主軸の回転速度とＺ軸の位置を連続的に同時制御することで、レンズ形状などの任意の回転対象形状を切削加工する。切削工具としては、高精度に加工するためには、単結晶ダイヤモンド工具が望ましい。なお、切削工具の替わりに砥石を使用して研削加工することも原理的には可能である。しかし、小型の砥石しか取り付けることができないので、砥石の消耗が速いという問題がある。
【００３７】
図１３（ｂ）は工作機械を制御する数値制御装置の概略ブロック図である。ＣＰＵ４１は数値制御装置４０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ４１はバス、４８を介して、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、各軸のサーボモータを駆動制御する各軸の軸制御回路４４、スピンドル（主軸）を駆動制御するスピンドル制御回路４６などで構成されている。
ＣＰＵ４１はＲＯＭ４２に格納されたシステムプログラムを、バス４８を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。
各軸の制御回路４４はＣＰＵ４１からの各軸の移動指令値と各軸のサーボモータ５０にそれぞれ内蔵する位置・速度検出器からの位置、速度フィードバック信号を受けて、位置・速度のフィードバック制御を行い、各軸の指令をサーボアンプ４５に出力する。サーボアンプ４５はこの指令を受けて、工作機械の各軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のそれぞれのサーボモータ５０を駆動する。なお、図１３（ｂ）では、位置・速度のフィードバックについては省略している。なお、直動軸であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に加えて、Ａ軸，Ｂ軸を更に付加して５軸加工機として工作機械を構成してもよい。
また、スピンドル制御回路４６はＣＰＵ４１から主軸回転指令と、主軸３０の回転速度を検出する図示しないポジションコーダからの速度フィードバックを受けて、速度のフィードバック制御を行い、スピンドルアンプ４７にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ４７は、スピンドル速度信号を受けてスピンドルモータ５１を指令された回転速度で回転させる。
【００３８】
図１４は図１３に示される本発明に係る工作機械を用いて凹面のレンズ形状を加工する場合の例を示している。ワーク２２に対して工作機械１のＺ軸で工具２の切り込み方向の制御を行なう。また、主軸３０の回転速度で工具２の工具回転半径Ｒｔを制御する。図１４は凹面のレンズ形状を加工する例を示しているが、工作機械１のＺ軸３２および主軸３０を制御することによって、凸面のレンズ形状も加工できる。
本発明の場合、ワーク２２上の工具２の動きは、図２７（ｂ）に示す従来方法とほぼ同じになるが、この渦巻きの動きを主軸の回転速度だけで実現しており、工具の向きは原理的に加工方向を向くため、非常に簡便な方法であり、直動軸の高速駆動も全く必要がないという大きな利点がある。
【００３９】
図１５は、主軸回転速度と工具回転半径との関係をプロットしたグラフの例である。図１０の実施形態で説明したように、工具２の工具回転半径Ｒｔには初期オフセット量Ｔ0がある。図１５では、初期オフセット量Ｔ0は約２ｍｍである。
図１５に示されるように、半径２ｍｍ以下を加工する場合、０〜１００ｒｐｍ（Ｔ0〜回転中心）の回転速度領域Ｒ１と１００〜１４０ｒｐｍ（回転中心〜Ｔ2、Ｔ2はＴ0と同じ回転半径の刃先位置）の回転速度領域Ｒ２の２通り選択することが可能である。
【００４０】
しかし、「回転速度を指定できる分解能」＝「工具回転半径Ｒｔを指定できる分解能」であるので、図１５から分るように、回転速度領域Ｒ１（Ｔ0〜回転中心）の低い回転速度領域を用いる方が、分解能の高い工具回転半径Ｒｔの指定が可能であり、より精密な刃先位置制御が可能である。
また、加工条件の観点から、切削速度は工具回転半径Ｒｔ＊回転速度であるので、回転速度を上げると工具回転半径Ｒｔも増大する回転速度領域Ｒ２よりも、回転速度を上げると工具回転半径Ｒｔが減少する回転速度領域Ｒ１の方が、半径の相違による切削速度の変化が少ない。したがって、Ｔ0〜回転中心の低い回転速度領域Ｒ１の方が、一定の加工条件で加工できることになる。
レンズ形状などは、一般的に断面の形状式が与えられて、ここから工具の座標を導き出して加工する。加工プログラムを作成する場合は、このプロットから近似式を算出し、元の形状式から導き出される工具の座標Ｘ（＝工具回転半径Ｒｔ）を、回転速度Ｖに変換するとよい。
【００４１】
図１６は、主軸回転速度と工具の軸方向の変位の関係をプロットしたグラフの例である。工具が取り付けられている梁は、一端が固定されているので、工具の刃先の動きは直線にならない（図１１，図１２を参照）。図１６のグラフのプロットの例では、工具の回転速度が１５０ｒｐｍ近辺で、最も工具が突き出た（工具がワークを切り込む）変位になる。回転速度によって切り込み量が変位する分は、加工プログラム上で補正が必要である。レンズ形状などを加工する場合は、このプロットから近似式を算出し、元の形状式から導き出される工具の切り込み量Ｚに対して、補正Ｚｃ（＝工具の軸方向の変位）を加える。したがって、元の形状式の座標（Ｘ，Ｚ）を（Ｖ，Ｚ＋Ｚｃ）で表したものが、この請求項８の加工方法における加工プログラムになる。
【００４２】
図１７は、主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位の計測方法を説明する図である。請求項８に係る計測の例を示している。図１５，図１６のプロット図は、平面ワークに試し加工を行ない、これを計測することで、容易に作成できる。平面形状のワークに対して、回転数を段階的に変化させて、工作機械の軸の動きとしては毎回同じ切込みを行うと、図１７のような同心円状の加工痕が得られる。
【００４３】
図１８は、溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応することを説明する図である。図１７に示したワークの中心線Ｄ−Ｄの形状を、３次元測定器などを用いて計測すると、回転中心軸４で対称な溝が計測される。図１８では、溝２３ａと溝２３ｉと対応し、溝２３ｂと溝２３ｈと対応し、溝２３ｃと溝２３ｇと対応し、溝２３ｄと溝２３ｆが対応する。この計測結果で、それぞれの溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応する。
【００４４】
図１９は、本発明に係る加工方法により、平面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。請求項９に係る本発明の加工方法で平面形状のワーク２２上にレンズアレイ形状を加工するが図１９に示されている。工作機械１は、直動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を備え、主軸はＺ軸方向の向きに取り付けられている。Ｘ軸，Ｙ軸で位置決めした後、Ｚ軸での切り込みと主軸回転速度を同時制御することで、一つ一つのレンズ形状を加工する。この加工方法であれば、一つのレンズ形状を加工する時間は、旋削加工と同等にすることができ、レンズ間の距離も正確に位置決めできる。したがって、レンズアレイ形状の高速・高精度加工が可能になる。
また、この加工方法は、主軸以外の軸を高速に駆動する必要がないので、前述の工具ホルダ２０を主軸３０に取り付けることができれば、一般的な工作機械をレンズアレイ形状の高速・高精度加工へ容易に対応させることができる。
【００４５】
図２０は、本発明に係る加工方法により、曲面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。請求項９に係る本発明の加工方法により、曲面形状のワーク２２上にレンズアレイ形状を加工した例を示している。工作機械は、直動Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に加えて、回転Ａ，Ｂ軸を備えた５軸加工機であり、さらに、主軸がＺ方向に搭載される。２つの回転軸を搭載することで、工具２または、ワーク２２の姿勢を任意に変えることができる。図２０（ｂ）に示されるように、各レンズ形状の回転中心軸を曲面のワーク加工面に対して、常に法線方向に向けた加工が可能である。
【００４６】
図２１は、レンズ形状を加工する場合、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心軸を通る軌跡を描くことが重要であることを説明する図である。図１０を用いて説明したように、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心を通る必要がある。
本願発明の加工方法でレンズ形状を加工する場合、回転中心を通らない場合、工具回転半径Ｒｔがゼロにならないので、レンズ形状の中央に削り残しができる。この問題は、一般的な旋盤を使用したレンズ形状の加工の際にも起き、正確に回転中心に工具刃先の位置を調整する作業が必要である点では、本願発明の加工方法も同じである。
【００４７】
工具の取り付けを微小に調整するためには、取り付け位置を手動で微調整することは本願発明の方法も同様である。しかし、工具の取り付けを微小に調整するためには、取り付け位置を手動で微調整することになるので、一回で調整が終わるとは限らない。そこで、もっと簡便な方法が望まれる。旋盤による加工では、図２１（ｂ）に示されるように、回転するワーク２２との位置関係によっては、工具２の裏（逃げ面）が当たってしまうことになる。
一方、本願発明の工具ホルダ２０を使用した加工では、図２２に示されるように、工具２の向きが加工方向に必ず一致するため、工具２がどの位置（回転の位相）にあっても、逃げ面が当たることはない。この特徴を利用すると、削り残しを容易に除去することができる。
【００４８】
図２３は、レンズ形状中央の削り残しを除去する方法を説明する図である。図２３（ａ）は、本願発明の加工方法でレンズ形状を加工し、中央部に削り残しができた状態である。レンズ形状を加工するときには、加工の原理からレンズ形状の中心と工具の回転中心軸は一致する。
次に、削り残しを除去する工程が図２３（ｂ）になる。工具の回転中心軸とレンズ形状の中心の相対位置は、工作機械の軸（図１９ではＸＹ軸方向）を動かして変えることができる。したがって、工具回転半径Ｒｔが最小になる主軸回転速度で、レンズ中央部で工具２を微小に揺動させると、図２３（ｂ）のように中央の削り残しを除去できる。図２１に示したように、旋盤で同じことを行うと、必ず逃げ面で加工する瞬間があるので、加工面が荒れてしまい、このような加工はできない。
しかし、図２０の曲面ワーク加工のように、工具姿勢を自由に変えられるのであれば、図２３（ｃ）に示されるように、工具姿勢をレンズ形状に沿わせて（曲面の法線方向が工具回転軸になる姿勢）動かせば、最終的に残る誤差を小さくできる。
【００４９】
本願発明に係る工具ホルダ２０は、レンズ形状のような回転対称の形状とそれを多数配列した形状の加工を目的としているが、主軸の速度を一定にすれば、工具回転半径Ｒｔも一定になり、通常のミリング加工と同じになる。したがって、ミリング加工で加工可能な形状は、本願発明に係る工具ホルダ２０を使用した加工方法でも加工可能である。また、図２３を用いて説明したように、工具回転半径Ｒｔが小さい状態で工具姿勢を任意に変えれば、微小な曲面形状の加工も可能である。
【００５０】
図２４は、工具回転半径を変えた自由曲面の加工を説明する図である。本願発明の加工方法では、加工形状に合わせて工具の回転半径を変えることができるので、小径が必要なとき、大径でもよいときを使い分けることで、加工能率を向上させることができる。短時間で加工できるということは、それだけ工具がワークに接触している時間も短くなり、工具の磨耗を抑える利点もある。このように、レンズアレイ形状の加工だけでなく、自由曲面の高精度・高能率加工においても、本願発明の加工方法は有効である。
図２４で、なだらかな面を加工するときは、工具２の回転速度を大きくして、工具回転半径Ｒｔを大きくして加工し、微小凹面を加工するときは、工具２の回転速度を小さくして、工具回転半径Ｒｔを小さくして加工する。
【符号の説明】
【００５１】
１ 工作機械
２ 工具
３ 工具刃先
４ 回転中心軸
５ 回転中心
６ 第１の重り
７ 第２の重り
８ 第１のバネ
１０ 第２のバネ
１２ 回転テーブル
１４ １４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ 第１の梁
１５ 第２の梁
１６ 第１の腕
１７ 第２の腕
１８ 取り付けボルト孔
１９ バランス調整用のネジ穴
２０ 工具ホルダ
２２ ワーク
２４ 治具
２６ 機械ベース
２８ マウント
３０ 主軸
３２ Ｚ軸
４０ 数値制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ 軸制御回路
４５ サーボアンプ
４６ スピンドル制御回路
４７ スピンドルアンプ
４８ バス
５０ モータ
５１ スピンドルモータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工具回転半径可変の工具ホルダおよび該工具を備えた工作機械ならびに前記工作機械を用いた加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学部品に使われるレンズを量産するために、高精度に加工された金型が使用される。一般的なレンズは回転対称な形状であるので、金型の製作には単結晶ダイヤモンド工具を用いた超精密旋削加工が適用される。通常の旋削加工では、主軸に取り付けたワークを高速回転させ、工具をワークに押し付けて任意の回転対称な形状を切削加工する。したがって、ワーク上の回転中心は１点のみである。
しかし、最近では、１個が直径数ｍｍのレンズを数十〜数千個並べた形状を持つレンズアレイ型金型（図１９，図２０参照）の需要が増大している。レンズアレイの金型を旋削で加工するためには、旋盤の主軸に対して、一つ一つのレンズ形状ごとに回転中心を合わせて加工する必要がある。
手動でレンズの加工位置を精密に合わせるのは困難であるので、例えば、主軸上に回転に直交する向きの２軸直動テーブルを備え付け、そこにワークを取り付ければ、ワーク上の回転中心を任意に変えることができる。
【０００３】
しかし、高速回転する主軸上に駆動用のケーブルは接続できない上に、主軸回転時の遠心力に耐える保持力をテーブルに持たせるには、技術的に困難である。また、別の方法として、一つ一つ別のレンズ金型を旋盤で製作し、それらを多数組み合わせることで、レンズアレイ金型とする方法も考えられる。しかし、レンズアレイの用途の多くでは、各レンズ間の距離が厳密に設計されており、数千個の金型を正確なレンズ間距離で組み立てるのは難しい。
そこで、旋盤以外のレンズアレイの高速・高精度な加工方法が切望されている。
レンズアレイ形状の加工方法として、ミリングで加工する方法が一般的に用いられている。小径の回転工具を主軸に取り付け、工作機械の直交３軸を同時に駆動して、渦巻きの軌跡を描かせ、レンズ形状を加工する。
【０００４】
図２５に示されるように、一般的なミリング加工で複雑な自由曲面を加工する場合、加工形状の中で１箇所でも半径Ｒの小さい凹形状があれば、それに合わせた小径のエンドミル工具を使用することになる。しかし、小径の工具２が一回転する間に切削できる量は少ないので、なだらかな面では加工能率が非常に悪くなる。特に、超精密加工では、工具交換により工具の位置が１μｍずれることも許されない場合があり、仕上げ加工においては工具交換ができず、加工面全面を１本の工具で加工することも多い。
図２６は、従来技術である一般的なミリング加工によるレンズアレイの加工を説明する図である。図２６（ａ）は、主軸で切削工具を回転させながら、工作機械の直動軸で渦巻き状の軌跡を描いて加工する方法である。図２６（ｂ）は、工具を走査するように直動軸で動かしながら加工する方法である。どちらの方法も、高速で加工しようとすると、各軸の加減速が激しくなる加工方法であり、直動軸の加速性能で加工速度が決まる。また、工具が高速で回転しながら図２６に示される軌跡を描くので、実際の工具の切削距離は、軌跡よりも遥かに長く、工具磨耗が激しいという欠点もある。
【０００５】
上述したようにこの加工方法の欠点は、高速に加工しようとすると、わずか数ｍｍのレンズ直径の中で高速な渦巻き運動を行うこととなり、直動軸の方向反転が激しくなることである。特に、レンズの中心付近の加工では、高速な加減速の切り替えが必要になり、直動軸の加速性能が加工速度に大きく関わってくる。また、ミリングという加工方法は、工具自身が高速回転している分、旋削よりも工具摩耗が激しく、工具交換無しで数千個のレンズ形状を加工するのは困難である。
工具摩耗を抑える加工方法として、回転テーブルで工具の角度を変えながら、直交３軸で渦巻き運動を行う方法が考案されている。図２７は、他の従来技術として、工具２の角度を変えつつ、渦巻きの軌跡を描いて加工するレンズアレイの加工方法を説明する図である。この加工方法は、工具２から見ると旋削加工に近い動きになるので、工具磨耗を抑える点では有効な方法である。しかし、高速加工を行うためには、渦巻きの動きを行う直動軸の加減速が激しくなる欠点は図２６の加工方法と同じである。
【０００６】
工具摩耗を抑え、直動軸の高速駆動も抑えた加工方法として、特許文献１、特許文献２に開示される技術がある。
図２８は、他の従来技術（特許文献１参照）として、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する加工方法を説明する図である。この方法は、工具を圧電素子を用いて微小上下動しワークを加工する方法であり、凸形状には対応しない点と、凹形状であっても原理的に回転対称の形状を加工することはできないという欠点がある。
図２９は、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する従来技術（特許文献２参照）を説明する図である。この従来技術は、回転対称の形状や凸形状に対応できる。しかし、工具の輪郭精度をミクロンオーダー以下に成形するのは、非常に難しいので、高精度なレンズ形状の加工には向かない。
いずれの文献に開示される技術も、工具をレンズの断面形状に合わせて成形した特殊な工具が必要で、形状精度が工具精度に依存し、形状誤差を補正することも不可能で、高精度なレンズ金型の製造には適用できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４２１３８９７号公報
【特許文献２】特開２０００−５２２１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
加工速度、加工精度の観点から見ると、レンズ形状の加工は旋削加工が理想的な加工方法である。したがって、レンズアレイ形状の加工の場合も、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きとなることが望ましい。
そこで本発明の目的は、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具の回転半径可変の工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械、ならびに、前記工作機械を用いた加工方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願の請求項１に係る発明は、工具を固定する工具ホルダにおいて、前記工具ホルダを回転したときに生じる遠心力により、該工具ホルダの構造体が弾性変形し、前記工具の刃先を回転軸方向に向けた前記工具の回転半径をゼロから任意の径まで変化する構造を特徴とする工具ホルダである。
請求項１に係る発明の工具ホルダとすることで、工具回転半径を主軸の回転速度で変化させることができる。
請求項２に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する２つの梁を備え、該２つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダである。
請求項２に係る発明の工具ホルダとすることで、工具の回転半径が変わっても常に回転のバランスを保つことで、アンバランスによる回転に同期した振動を防止できる。
請求項３に係る発明は、前記工具ホルダの２つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある２つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダである。
請求項３に係る発明の工具ホルダとすることで、回転半径のより大きい位置にある重りを梁に連結する構造は、大きな遠心力を梁に加え、工具回転半径を大きくすることができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、前記工具ホルダの２つの梁は、一方の梁に工具を取り付けることができ、取り付けた工具の重量による変化分を含めて、工具ホルダ全体の回転バランスを調整するバランス重りを前記工具ホルダの構造体に付加できる構造であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の工具ホルダである。
工具ホルダに工具を取り付けたことによる重量の変化に対して、バランス重りで調整することで、回転時のアンバランスを防ぐことができる。
請求項５に係る発明は、前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する２つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項２〜４に記載の工具ホルダである。
平行バネにより、工具の回転半径が変化しても、工具の角度（姿勢）が変化するのを防ぐことができる。
請求項６に係る発明は、回転の軸方向に工具ホルダをみた座標系において、前記工具の刃先の位置は、静止時には回転中心軸から初期オフセットの分だけずれた第１の位置にあり、前記回転速度を最大にしたときに工具刃先は第２の位置にあり、前記第１の位置と第２の位置とを結んだ線分上に、回転の中心が位置する構造を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の工具ホルダである。
オフセットを与えることにより、工具回転半径が小さいときにも、ある程度の加工速度を確保することができる。静止状態での工具刃先の位置が回転中心の場合、中心部の加工速度（工具に対するワークの相対速度）が極端に遅くなってしまい、実際には加工できない。そこで、所定の回転速度のときに工具刃先が回転中心に来るようにして、加工速度を確保できる。
【００１１】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６に記載のいずれか１つの工具ホルダを主軸に搭載し、主軸の軸方向は重力方向に一致し、直動軸として少なくとも主軸の軸方向に移動可能な軸を備え、前記主軸の回転速度と前記直動軸の位置を制御することにより、任意の回転対称な形状を切削加工することを特徴とする工作機械である。
主軸の回転方向に移動可能な直動軸で切り込み量を制御し、工具の回転半径を主軸の回転速度で制御することで、任意の径で切り込み量を変えられるようになる。主軸が重力方向であると、工具ホルダの梁の変位が回転の位相によって重力の影響を受けない。したがって、前記工作機械により、任意の回転対称形状を精密に切削加工することができる。
請求項８に係る発明は、請求項７に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法である。
この加工方法は、主軸の回転速度に対する工具回転半径と工具刃先の変位量を事前に計測し、加工形状を加工プログラムに変換する過程において、この計測値を反映させることで、正確な加工ができる。
請求項９に係る発明は、請求項８の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法である。
工作機械が直動３軸を搭載していれば、回転対称の形状を平面に多数配列した形状を加工できる。さらに、工作機械が回転軸２軸搭載していれば、５軸加工により任意の自由曲面に回転対称の形状を多数配列した形状を加工できる。したがって、一般的な工作機械において、任意のレンズアレイ形状を高速・高精度に加工できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、工具から見ても、工作機械の各軸から見ても、旋削加工に近い動きを行うことが可能な工具の回転半径可変の工具ホルダ、および、工具ホルダを備えた工作機械、ならびに、前記工作機械を用いた加工方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るバネを備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図２】本発明に係る梁を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図３】本発明に係る２つの梁を回転中心軸に対して対称の構造を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図４】本発明に係る２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図５】加工方向に特に剛性を持たせつつ、遠心力方向に変位させ易くする構成を説明する図である。
【図６】本発明に係る２つの梁を一体のＵ字構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図７】回転バランスを調整する構成を説明する図である。
【図８】平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。
【図９】工具の角度（姿勢）が一定であれば、同心円状に溝を加工するような用途に対しても、一定断面形状の溝に容易に加工できることを説明する図である。
【図１０】２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を工具ホルダの上方から見た図である。
【図１１】２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を側面から見た図である。
【図１２】回転速度を変えたときの工具の軌跡を説明する図である。
【図１３】本発明に係る工作機械を説明する図である。
【図１４】Ｚ軸で切り込み方向の制御を行うことを説明する図である。
【図１５】主軸回転速度と工具回転半径との関係をプロットしたグラフの例である。
【図１６】主軸回転速度と工具の軸方向の変位の関係をプロットしたグラフの例である。
【図１７】主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位の計測方法を説明する図である。
【図１８】溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応することを説明する図である。
【図１９】本発明に係る加工方法により、平面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。
【図２０】本発明に係る加工方法により、曲面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。
【図２１】レンズ形状を加工する場合、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心軸を通る軌跡を描くことが重要であることを説明する図である。
【図２２】本発明に係る加工方法において、工具がどの位置（回転位相）にあっても、逃げ面がワークに当たらないことを説明する図である。
【図２３】レンズ形状中央の削り残しを除去する方法を説明する図である。
【図２４】工具回転半径を変えた自由曲面の加工を説明する図である。
【図２５】一般的なエンドミルによる自由曲面の加工を説明する図である。
【図２６】一般的なミリング加工によるレンズアレイの加工を説明する図である。
【図２７】工具の角度を変えつつ、渦巻きの軌跡を描いて加工するレンズアレイの加工方法を説明する図である。
【図２８】工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する加工方法を説明する図である。
【図２９】工具をレンズの断面形状に合わせて成形した上でワークを加工する他の加工方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、従来技術と同じ構成または類似の構成については同じ符号を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るバネを備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図１（ａ）は、回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図１（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
工具２には第１のバネ８の一端と第２のバネ１０の一端が固定され、第１のバネ８の他端は回転テーブル１２に固定され、第２のバネ１０の他端は回転テーブル１２に固定されている。そして、重り６が第１のバネ８に固定されている。
【００１６】
図１（ａ）に示されるように、回転テーブル１２が、静止状態において工具２が回転テーブル１２に対して回転中心軸４と同軸上になるように、第１のバネ８および第２のバネ１０を介して取り付けられている。第１のバネ８と第２のバネ１０とは回転中心軸４に対して対称に配置されている。そして、重り６が第１のバネ８と工具２との間に固定されている。
回転テーブル１２を回転中心軸４周りに回転させると、図１（ｂ）に示されるように、重り６に対して回転テーブル１２の回転速度に応じた遠心力Ｆｃが作用する。重り６は遠心力Ｆｃにより第１のバネ８を縮め第２のバネ１０を伸ばすので、重り６は回転中心軸４に垂直な外方向へ変位する。重り６の外方向変位によって、工具２は回転中心軸４から変位し、工具回転半径Ｒｔで回転中心軸４の周りに回転する。
【００１７】
図２は、本発明に係る梁を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図２（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図２（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
この実施形態では、工具２が回転テーブル１２に対してある程度の剛性のある第１の梁１４を介して取り付けられる。第１の梁１４は、その軸を回転中心軸４と重なるように回転テーブル１２にその一端が固定されている。第１の梁１４の一端の回転テーブル１２への固定方法は、例えば、溶接、あるいは、ボルト、あるいは、ねじ込みなどの方法がある。
【００１８】
第１の梁１４の他端には工具２が固定されている。また、第１の重り６が第１の梁１４の他端側の側部に固定されている。回転テーブル１２の静止状態において、第１の重り６が第１の梁１４に、回転中心軸４と重ならない位置（つまり、回転中心軸４とずれた位置）に固定されることで、図２（ｂ）のように回転テーブル１２を回転させると、第１の重り６に遠心力Ｆｃが作用する。第１の重り６に作用する遠心力Ｆｃによって、工具２が固定された側の第１の梁１４の他端は、工具回転中心軸から外方向へずれる。これにより、工具２は回転中心軸４の周りに工具回転半径Ｒｔで回転する。
【００１９】
図３は、本発明に係る２つの梁を回転中心軸に対して対称の構造を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図３（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図３（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
図３に示される実施形態は、図２に示される重り付き梁を２つ用いる形態である。回転テーブル１２を回転させたとき、回転バランスが崩れないようにするために、図３（ａ）に示されるように、回転テーブル１２に、第１の重り６が固定された第１の梁１４と第２の重り７が固定された第２の梁１５とが回転中心軸４に対して対称な位置になるように取付ける。
【００２０】
この実施形態では、回転テーブル１２の回転時の遠心力Ｆｃは２つの梁１４，１５にそれぞれ反対方向に働くので、遠心力Ｆｃは相殺される。また、第１の梁１４と第２の梁１５はそれぞれの梁の剛性、第１の重り６および第２の重り７の重量を同じにしておけば、２つの梁１４，１５は遠心力Ｆｃで同じだけ変形することになり、回転テーブル１２の回転によって重心の位置が移動することはない。したがって、回転テーブル１２の高速回転時にも回転バランスが崩れることはない。
また、この実施形態では回転テーブル１２の回転中心軸４に２つの梁が設置されていないので、遠心力Ｆｃで梁１４，１５が倒れる方向が決まっており、重り６，７は必ずしも必要としない。第１の重り６と第２の重り７に重量差や取り付け位置の差をつけ、第１の梁１４に固定された工具２の重量を相殺するようにしてもよい。回転のアンバランスを完全になくすためには、回転中心軸に対して、２つの梁１４，１５の側で剛性、重量、および重心が厳密に等しくなるように調整する必要がある。
【００２１】
図４は、本発明に係る２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの実施形態を説明する図である。図４（ａ）は回転テーブル１２が静止状態または、低速回転中の状態を示し、図４（ｂ）は回転テーブル１２が高速回転中の状態を示している。
【００２２】
第１の梁１４，第２の梁１５の剛性が弱いほど、回転速度に対する工具回転半径の変化を容易に大きくできる。しかし、梁１４，１５の剛性が弱いほど容易に工具２が振れてしまい、精密な加工ができない。梁１４，１５の剛性と工具回転半径Ｒｔの大きさを両立させるためには、梁１４，１５の剛性を高くした上で、梁１４，１５を弾性変形させる遠心力Ｆｃを十分に大きくすればよい。遠心力Ｆｃは、回転半径に比例する。したがって、重りの取り付け位置を回転中心軸４からできるだけ離れた位置にすることで、回転テーブル１２の同じ回転速度、重りの重量が同じでも、より大きな遠心力Ｆｃを得ることができる。
回転バランスを保つためには、２つの梁１４，１５と、それに連結された２つの重り６，７は、回転中心軸４に対して重心が対称であることが望ましい。また、重り６，７は、回転半径が大きい分、周速も大きくなるため、空気抵抗を受けやすい。そのため、重り６，７の形状は、空気抵抗を受けにくい形状が望ましい。
【００２３】
図４（ａ）には、重り６，７を回転中心軸４からできるだけ離れた位置で回転させるために、第１の腕１６と第２の腕１７を備えた本発明の実施形態が示されている。第１の梁１４と第２の梁１５は、図３に示される実施形態と同様に、回転テーブル１２に対して固定されている。
【００２４】
本実施形態では、回転テーブル１２に固定されない第１の梁１４と第２の梁１５の一端に、第１の腕１６と第２の腕１７の一端がそれぞれ取り付けられている。第１の腕１６と第２の腕１７のそれぞれの他端に、それぞれ第１の重り６，第２の重り７が取り付けられている。図４（ａ）では工具２が第１の梁１４に取り付けられているが、第２の梁１５に取り付けるようにしてもよい。
図４（ｂ）では、回転テーブル１２がある速度で高速回転している時の状態を示している。この実施形態では、腕１６，１７を用いることで、重り６，７を回転中心軸４からできるだけ離している。これによって、同じ回転速度、同じ重量の重りよりも、大きな遠心力Ｆｃを得ることができる。
【００２５】
図５は、加工方向に特に剛性を持たせつつ、遠心力方向に変位させ易くする構成を説明する図である。図５は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図を示している。加工方向に特に特に剛性を持たせつつ、かつ、遠心力方向に変位し易くするために、第１の梁１４および第２の梁１５は、遠心力方向の厚みが少ない断面形状であることが望ましい。ただし、梁１４，１５の剛性が弱いほど容易に工具２が振れてしまい、精密な加工ができないことから、遠心力方向の剛性も上述したとおり重要である。なお、図５において、回転テーブル１２の回転方向が図示される方向の場合、遠心力方向と加工方向は図示される方向である。回転テーブル１２の回転方向が図示と逆の場合には、加工方向も図示と逆になる。
【００２６】
図６は、本発明に係る２つの梁を一体のＵ字構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。第１の梁１４，第２の梁１５は、大きな遠心力で繰り返し弾性変形し、その根元の固定部には特に大きな応力が加わる。第１の梁１４，第２の梁１５を図６に示されるように一体のＵ字構造とすることで、取り付け部に余計な応力が加わらないようにできる。図６に示される工具ホルダ２０では、根元の固定部に、取り付けボルト孔１８が設けられており、ボルト（図示せず）を取り付けボルト孔１８に挿通し、工具ホルダ２０を回転テーブル１２に固定する。
【００２７】
図７は、回転バランスを調整する構成を説明する図である。図７（ａ）は図４（ａ）のＢ矢視図であり、図７（ｂ）は図４（ａ）のＣ矢視図である。工具ホルダ２０の各部に設けたネジ穴に、ネジの材質または長さで重量を調整したイモネジをねじ込み、回転バランスを調整する。回転バランスの状態を測定するには、市販の動バランス計測装置を用いることができる。通常の回転バランス調整では、回転速度によって、バランスは大きく変わらないが、この工具ホルダの場合には、回転速度によって変形する部分があるので、その分を考慮して、使用する回転数全域でバランス状態を確認する必要がある。回転速度によってバランスが変化する場合には、遠心力で変位する部分に設けてあるネジ穴でバランス調整する。工具ホルダ２０に関しては、一度、バランス調整すれば、工具ホルダ２０を外さない限り同じバランスが再現する。工具２の形状や重量が大きく異なるものに交換する場合は、その都度、バランスの確認、調整を行う。
【００２８】
図８は、平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造とした工具ホルダの実施形態を説明する図である。工具ホルダ２０の構造が単純な２つの梁の場合には、工具回転半径Ｒｔが変わると、梁が角度変化した分、工具２も同じように角度変化する（図１１参照）。加工によっては、このような工具の角度変化（姿勢変化）が許されない場合がある。これを解決するために、図８のように平行な２つの板状の梁をそれぞれ連結して２組の板バネ構造にする。このようにすると、平行バネの構造となるので、取り付けた工具は、遠心力によって梁が変形しても角度変化（姿勢変化）しない。平行バネの構造も刃先の変位という意味では、図１５，図１６のような動きとなるので、姿勢の変化のみが抑えられる。
【００２９】
図９は、工具の角度（姿勢）が一定であれば、同心円状に溝を加工するような用途に対しても、一定断面形状の溝に容易に加工できることを説明する図である。工具の姿勢は、工作機械側の回転軸で修正することも可能であるが、同時制御が必要な軸数が増えるほど工具刃先の位置決め誤差は増加するので、図８のように工具姿勢を保つ構造の方が、精度の高い加工が可能となる。
【００３０】
図１０は、２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を工具ホルダの上方から見た図である。回転テーブル１２の回転が停止しているとき、図４（ａ）または図７（ａ）のＢ矢視図のように回転中心軸に工具２の刃先が一致していると、レンズ形状などの回転対称な形状の中心近傍の加工時に、回転速度が低く、加工速度も低くなるので、加工効率が悪い。
一般的な旋盤で、レンズ形状を加工する加工条件が理想であるとすると、旋盤の場合は中心付近を加工するときにも、一定の回転速度で加工する。この工具ホルダ２０で、工具２側を回転させて加工する場合の加工条件を旋盤に近付けるためには、ある程度の回転速度を保って、工具回転半径Ｒｔがゼロになる必要がる。
【００３１】
図１０は、工具２に初期オフセット量を与えたときの、静止状態から回転速度最大の状態までを、工具ホルダ２０から見た座標系（図４のＢ矢視方向に見たもの）で示したものである。静止状態において、工具２の刃先は回転中心よりも初期オフセット量だけずれた位置Ｔ0にある。
回転テーブル１２を回転させると、第１の重り６，第２の重り７などに遠心力が作用し、工具の刃先位置が変位する。最大回転速度の時の刃先位置をＴ1とする。このとき、回転速度が変化する間の工具刃先の軌跡はＴ0とＴ1を結ぶ直線となる。
【００３２】
回転速度を変えたときに、工具回転半径Ｒｔがゼロになる瞬間があるためには、Ｔ0とＴ1を結ぶ直線上に回転中心が位置している必要がある。また、そのためには、工具２側の梁と重りなどを含めた重心位置Ｇの位置関係も重要で、遠心力は回転中心からＧ点の方向に働く。実際に、刃先がどの方向に動くかは、図５のように梁がどの方向に変位し易い構造であるかにも依存するが、基本的には遠心力の方向に変位する。したがって、Ｇ点から回転中心に延ばした線の延長上にＴ0が位置するように工具２の取り付けを正確に行うのも重要である。しかし、実際には工具刃先の位置を正確に調整するのは難しいので、ずれた分を修正加工する方法もある（後述する図２１，図２２，図２３参照）。
【００３３】
このように、工具刃先の位置に初期オフセット量があることで、工具刃先が回転中心に位置するときに、ある一定の回転速度を確保でき、旋盤加工の加工条件に近づけることができる。図１０では、最大回転速度の時に、最大工具回転半径としているが、初期オフセットを大きくすれば、当然、静止状態に近いときに最大工具回転半径となる。
【００３４】
図１１は、２つの梁と２つの腕を備えた工具ホルダの静止状態と回転状態を側面から見た図である。図１１は、図１０を横から見た図（図４に相当）である。工具２が取り付けられている梁１４，１５は一端が回転テーブル１２に固定されているので、図１２に示されるように、回転速度による刃先位置の軌跡は曲線的になる。
レンズ形状を加工する場合は、回転の中心軸方向が工具の切り込み方向となるので、この曲線は回転速度によって工具の切り込み量が変化することを意味している。したがって、後述する（図１６参照）ように、精密な加工を行うためには、この切り込み量を考慮して補正する必要がある。
【００３５】
図１３は、本発明に係る工作機械を説明する図である。図１３（ａ）は工作機械の概略側面図であり、主軸３０の中心に工具ホルダ２０を取り付け、ワーク２２をＺ軸で上下に動かして切り込み制御する。主軸３０は、回転の軸方向が重力方向となるようにする。これは、工具ホルダ２０が構造上重力の影響を受けるからである。工具ホルダ２０には重りなどの重量物が付加してある。重りが水平面内を回転する限りどの回転位相でも重力は、重りに対して常に同じ向きであるので、梁の変位には影響しない。しかし、垂直面で回転する場合は、重りに加わる重力の影響が直接梁の変位に影響を与えるので、垂直面での回転は望ましくない。なお、主軸３０は回転テーブル１２と同等のものである。
【００３６】
主軸は、正確な回転数で制御するためのモータ駆動が望ましい。また、主軸の軸受は高速回転時にも滑らか駆動が可能で発熱の少ない空気軸受が望ましい。主軸の配置によって、刃先が上向になる配置と、刃先が下向きになる配置があるが、ワーク２２上の切粉を排出し易いという観点からは、図１３に示されるように、工具２の刃先が上向の方が望ましい。ただし、工具ホルダ２０側に切粉が堆積しやすいという短所があるので、加工によっては、工具２の刃先が下向きになる配置の方が好ましい場合もある。
ワーク２２に対する工具２の刃先の位置は、主軸３０の回転速度とＺ軸の位置で決まるので、主軸の回転速度とＺ軸の位置を連続的に同時制御することで、レンズ形状などの任意の回転対象形状を切削加工する。切削工具としては、高精度に加工するためには、単結晶ダイヤモンド工具が望ましい。なお、切削工具の替わりに砥石を使用して研削加工することも原理的には可能である。しかし、小型の砥石しか取り付けることができないので、砥石の消耗が速いという問題がある。
【００３７】
図１３（ｂ）は工作機械を制御する数値制御装置の概略ブロック図である。ＣＰＵ４１は数値制御装置４０を全体的に制御するプロセッサである。ＣＰＵ４１はバス、４８を介して、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、各軸のサーボモータを駆動制御する各軸の軸制御回路４４、スピンドル（主軸）を駆動制御するスピンドル制御回路４６などで構成されている。
ＣＰＵ４１はＲＯＭ４２に格納されたシステムプログラムを、バス４８を介して読み出し、該システムプログラムに従って数値制御装置全体を制御する。
各軸の制御回路４４はＣＰＵ４１からの各軸の移動指令値と各軸のサーボモータ５０にそれぞれ内蔵する位置・速度検出器からの位置、速度フィードバック信号を受けて、位置・速度のフィードバック制御を行い、各軸の指令をサーボアンプ４５に出力する。サーボアンプ４５はこの指令を受けて、工作機械の各軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）のそれぞれのサーボモータ５０を駆動する。なお、図１３（ｂ）では、位置・速度のフィードバックについては省略している。なお、直動軸であるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に加えて、Ａ軸，Ｂ軸を更に付加して５軸加工機として工作機械を構成してもよい。
また、スピンドル制御回路４６はＣＰＵ４１から主軸回転指令と、主軸３０の回転速度を検出する図示しないポジションコーダからの速度フィードバックを受けて、速度のフィードバック制御を行い、スピンドルアンプ４７にスピンドル速度信号を出力する。スピンドルアンプ４７は、スピンドル速度信号を受けてスピンドルモータ５１を指令された回転速度で回転させる。
【００３８】
図１４は図１３に示される本発明に係る工作機械を用いて凹面のレンズ形状を加工する場合の例を示している。ワーク２２に対して工作機械１のＺ軸で工具２の切り込み方向の制御を行なう。また、主軸３０の回転速度で工具２の工具回転半径Ｒｔを制御する。図１４は凹面のレンズ形状を加工する例を示しているが、工作機械１のＺ軸３２および主軸３０を制御することによって、凸面のレンズ形状も加工できる。
本発明の場合、ワーク２２上の工具２の動きは、図２７（ｂ）に示す従来方法とほぼ同じになるが、この渦巻きの動きを主軸の回転速度だけで実現しており、工具の向きは原理的に加工方向を向くため、非常に簡便な方法であり、直動軸の高速駆動も全く必要がないという大きな利点がある。
【００３９】
図１５は、主軸回転速度と工具回転半径との関係をプロットしたグラフの例である。図１０の実施形態で説明したように、工具２の工具回転半径Ｒｔには初期オフセット量Ｔ0がある。図１５では、初期オフセット量Ｔ0は約２ｍｍである。
図１５に示されるように、半径２ｍｍ以下を加工する場合、０〜１００ｒｐｍ（Ｔ0〜回転中心）の回転速度領域Ｒ１と１００〜１４０ｒｐｍ（回転中心〜Ｔ2、Ｔ2はＴ0と同じ回転半径の刃先位置）の回転速度領域Ｒ２の２通り選択することが可能である。
【００４０】
しかし、「回転速度を指定できる分解能」＝「工具回転半径Ｒｔを指定できる分解能」であるので、図１５から分るように、回転速度領域Ｒ１（Ｔ0〜回転中心）の低い回転速度領域を用いる方が、分解能の高い工具回転半径Ｒｔの指定が可能であり、より精密な刃先位置制御が可能である。
また、加工条件の観点から、切削速度は工具回転半径Ｒｔ＊回転速度であるので、回転速度を上げると工具回転半径Ｒｔも増大する回転速度領域Ｒ２よりも、回転速度を上げると工具回転半径Ｒｔが減少する回転速度領域Ｒ１の方が、半径の相違による切削速度の変化が少ない。したがって、Ｔ0〜回転中心の低い回転速度領域Ｒ１の方が、一定の加工条件で加工できることになる。
レンズ形状などは、一般的に断面の形状式が与えられて、ここから工具の座標を導き出して加工する。加工プログラムを作成する場合は、このプロットから近似式を算出し、元の形状式から導き出される工具の座標Ｘ（＝工具回転半径Ｒｔ）を、回転速度Ｖに変換するとよい。
【００４１】
図１６は、主軸回転速度と工具の軸方向の変位の関係をプロットしたグラフの例である。工具が取り付けられている梁は、一端が固定されているので、工具の刃先の動きは直線にならない（図１１，図１２を参照）。図１６のグラフのプロットの例では、工具の回転速度が１５０ｒｐｍ近辺で、最も工具が突き出た（工具がワークを切り込む）変位になる。回転速度によって切り込み量が変位する分は、加工プログラム上で補正が必要である。レンズ形状などを加工する場合は、このプロットから近似式を算出し、元の形状式から導き出される工具の切り込み量Ｚに対して、補正Ｚｃ（＝工具の軸方向の変位）を加える。したがって、元の形状式の座標（Ｘ，Ｚ）を（Ｖ，Ｚ＋Ｚｃ）で表したものが、この請求項８の加工方法における加工プログラムになる。
【００４２】
図１７は、主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位の計測方法を説明する図である。請求項８に係る計測の例を示している。図１５，図１６のプロット図は、平面ワークに試し加工を行ない、これを計測することで、容易に作成できる。平面形状のワークに対して、回転数を段階的に変化させて、工作機械の軸の動きとしては毎回同じ切込みを行うと、図１７のような同心円状の加工痕が得られる。
【００４３】
図１８は、溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応することを説明する図である。図１７に示したワークの中心線Ｄ−Ｄの形状を、３次元測定器などを用いて計測すると、回転中心軸４で対称な溝が計測される。図１８では、溝２３ａと溝２３ｉと対応し、溝２３ｂと溝２３ｈと対応し、溝２３ｃと溝２３ｇと対応し、溝２３ｄと溝２３ｆが対応する。この計測結果で、それぞれの溝の谷の位置と深さが、各回転速度での工具回転半径と工具の軸方向の変位に対応する。
【００４４】
図１９は、本発明に係る加工方法により、平面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。請求項９に係る本発明の加工方法で平面形状のワーク２２上にレンズアレイ形状を加工するが図１９に示されている。工作機械１は、直動軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を備え、主軸はＺ軸方向の向きに取り付けられている。Ｘ軸，Ｙ軸で位置決めした後、Ｚ軸での切り込みと主軸回転速度を同時制御することで、一つ一つのレンズ形状を加工する。この加工方法であれば、一つのレンズ形状を加工する時間は、旋削加工と同等にすることができ、レンズ間の距離も正確に位置決めできる。したがって、レンズアレイ形状の高速・高精度加工が可能になる。
また、この加工方法は、主軸以外の軸を高速に駆動する必要がないので、前述の工具ホルダ２０を主軸３０に取り付けることができれば、一般的な工作機械をレンズアレイ形状の高速・高精度加工へ容易に対応させることができる。
【００４５】
図２０は、本発明に係る加工方法により、曲面ワーク上にレンズアレイ形状を加工した例を説明する図である。請求項９に係る本発明の加工方法により、曲面形状のワーク２２上にレンズアレイ形状を加工した例を示している。工作機械は、直動Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に加えて、回転Ａ，Ｂ軸を備えた５軸加工機であり、さらに、主軸がＺ方向に搭載される。２つの回転軸を搭載することで、工具２または、ワーク２２の姿勢を任意に変えることができる。図２０（ｂ）に示されるように、各レンズ形状の回転中心軸を曲面のワーク加工面に対して、常に法線方向に向けた加工が可能である。
【００４６】
図２１は、レンズ形状を加工する場合、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心軸を通る軌跡を描くことが重要であることを説明する図である。図１０を用いて説明したように、回転速度を変えたときに工具刃先が必ず回転中心を通る必要がある。
本願発明の加工方法でレンズ形状を加工する場合、回転中心を通らない場合、工具回転半径Ｒｔがゼロにならないので、レンズ形状の中央に削り残しができる。この問題は、一般的な旋盤を使用したレンズ形状の加工の際にも起き、正確に回転中心に工具刃先の位置を調整する作業が必要である点では、本願発明の加工方法も同じである。
【００４７】
工具の取り付けを微小に調整するためには、取り付け位置を手動で微調整することは本願発明の方法も同様である。しかし、工具の取り付けを微小に調整するためには、取り付け位置を手動で微調整することになるので、一回で調整が終わるとは限らない。そこで、もっと簡便な方法が望まれる。旋盤による加工では、図２１（ｂ）に示されるように、回転するワーク２２との位置関係によっては、工具２の裏（逃げ面）が当たってしまうことになる。
一方、本願発明の工具ホルダ２０を使用した加工では、図２２に示されるように、工具２の向きが加工方向に必ず一致するため、工具２がどの位置（回転の位相）にあっても、逃げ面が当たることはない。この特徴を利用すると、削り残しを容易に除去することができる。
【００４８】
図２３は、レンズ形状中央の削り残しを除去する方法を説明する図である。図２３（ａ）は、本願発明の加工方法でレンズ形状を加工し、中央部に削り残しができた状態である。レンズ形状を加工するときには、加工の原理からレンズ形状の中心と工具の回転中心軸は一致する。
次に、削り残しを除去する工程が図２３（ｂ）になる。工具の回転中心軸とレンズ形状の中心の相対位置は、工作機械の軸（図１９ではＸＹ軸方向）を動かして変えることができる。したがって、工具回転半径Ｒｔが最小になる主軸回転速度で、レンズ中央部で工具２を微小に揺動させると、図２３（ｂ）のように中央の削り残しを除去できる。図２１に示したように、旋盤で同じことを行うと、必ず逃げ面で加工する瞬間があるので、加工面が荒れてしまい、このような加工はできない。
しかし、図２０の曲面ワーク加工のように、工具姿勢を自由に変えられるのであれば、図２３（ｃ）に示されるように、工具姿勢をレンズ形状に沿わせて（曲面の法線方向が工具回転軸になる姿勢）動かせば、最終的に残る誤差を小さくできる。
【００４９】
本願発明に係る工具ホルダ２０は、レンズ形状のような回転対称の形状とそれを多数配列した形状の加工を目的としているが、主軸の速度を一定にすれば、工具回転半径Ｒｔも一定になり、通常のミリング加工と同じになる。したがって、ミリング加工で加工可能な形状は、本願発明に係る工具ホルダ２０を使用した加工方法でも加工可能である。また、図２３を用いて説明したように、工具回転半径Ｒｔが小さい状態で工具姿勢を任意に変えれば、微小な曲面形状の加工も可能である。
【００５０】
図２４は、工具回転半径を変えた自由曲面の加工を説明する図である。本願発明の加工方法では、加工形状に合わせて工具の回転半径を変えることができるので、小径が必要なとき、大径でもよいときを使い分けることで、加工能率を向上させることができる。短時間で加工できるということは、それだけ工具がワークに接触している時間も短くなり、工具の磨耗を抑える利点もある。このように、レンズアレイ形状の加工だけでなく、自由曲面の高精度・高能率加工においても、本願発明の加工方法は有効である。
図２４で、なだらかな面を加工するときは、工具２の回転速度を大きくして、工具回転半径Ｒｔを大きくして加工し、微小凹面を加工するときは、工具２の回転速度を小さくして、工具回転半径Ｒｔを小さくして加工する。
【符号の説明】
【００５１】
１ 工作機械
２ 工具
３ 工具刃先
４ 回転中心軸
５ 回転中心
６ 第１の重り
７ 第２の重り
８ 第１のバネ
１０ 第２のバネ
１２ 回転テーブル
１４ １４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ 第１の梁
１５ 第２の梁
１６ 第１の腕
１７ 第２の腕
１８ 取り付けボルト孔
１９ バランス調整用のネジ穴
２０ 工具ホルダ
２２ ワーク
２４ 治具
２６ 機械ベース
２８ マウント
３０ 主軸
３２ Ｚ軸
４０ 数値制御装置
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ 軸制御回路
４５ サーボアンプ
４６ スピンドル制御回路
４７ スピンドルアンプ
４８ バス
５０ モータ
５１ スピンドルモータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工具を固定する工具ホルダにおいて、
前記工具ホルダを回転したときに生じる遠心力により、該工具ホルダの構造体が弾性変形し、前記工具の刃先を回転軸方向に向けた前記工具の回転半径をゼロから任意の径まで変化する構造を特徴とする工具ホルダ。
【請求項２】
前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する２つの梁を備え、該２つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
【請求項３】
前記工具ホルダの２つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある２つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダ。
【請求項４】
前記工具ホルダの２つの梁は、一方の梁に工具を取り付けることができ、取り付けた工具の重量による変化分を含めて、工具ホルダ全体の回転バランスを調整するバランス重りを前記工具ホルダの構造体に付加できる構造であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の工具ホルダ。
【請求項５】
前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する２つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項２〜４に記載の工具ホルダ。
【請求項６】
回転の軸方向に工具ホルダをみた座標系において、前記工具の刃先の位置は、静止時には回転中心軸から初期オフセットの分だけずれた第１の位置にあり、前記回転速度を最大にしたときに工具刃先は第２の位置にあり、前記第１の位置と第２の位置とを結んだ線分上に、回転の中心が位置する構造を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の工具ホルダ。
【請求項７】
請求項１〜６に記載のいずれか１つの工具ホルダを主軸に搭載し、主軸の軸方向は重力方向に一致し、直動軸として少なくとも主軸の軸方向に移動可能な軸を備え、前記主軸の回転速度と前記直動軸の位置を制御することにより、任意の回転対称な形状を切削加工することを特徴とする工作機械。
【請求項８】
請求項７に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法。
【請求項９】
請求項８の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法。
【請求項１】
工具を固定する工具ホルダにおいて、
前記工具ホルダを回転したときに生じる遠心力により、該工具ホルダの構造体が弾性変形し、前記工具の刃先を回転軸方向に向けた前記工具の回転半径をゼロから任意の径まで変化する構造を特徴とする工具ホルダ。
【請求項２】
前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に同じ大きさだけ弾性変形する２つの梁を備え、該２つの梁に加わる遠心力を相殺し、前記工具ホルダの回転速度が変化しても回転のバランスを保つことを特徴とする請求項１に記載の工具ホルダ。
【請求項３】
前記工具ホルダの２つの梁は、工具ホルダより回転半径の大きい位置にある２つの重りにそれぞれ連結され、回転時に重りに加わる遠心力により、前記工具ホルダの弾性変形を増大させることを特徴とする請求項２に記載の工具ホルダ。
【請求項４】
前記工具ホルダの２つの梁は、一方の梁に工具を取り付けることができ、取り付けた工具の重量による変化分を含めて、工具ホルダ全体の回転バランスを調整するバランス重りを前記工具ホルダの構造体に付加できる構造であることを特徴とする請求項２または３のいずれか１つに記載の工具ホルダ。
【請求項５】
前記工具ホルダの構造体は、前記遠心力によりそれぞれ反対方向に弾性変形する２つの梁を備え、それぞれの梁は平行バネの形状をし、梁が前記遠心力により弾性変形したときに、梁の端面の角度が回転の軸に対して一定に保たれることを特徴とする請求項２〜４に記載の工具ホルダ。
【請求項６】
回転の軸方向に工具ホルダをみた座標系において、前記工具の刃先の位置は、静止時には回転中心軸から初期オフセットの分だけずれた第１の位置にあり、前記回転速度を最大にしたときに工具刃先は第２の位置にあり、前記第１の位置と第２の位置とを結んだ線分上に、回転の中心が位置する構造を特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の工具ホルダ。
【請求項７】
請求項１〜６に記載のいずれか１つの工具ホルダを主軸に搭載し、主軸の軸方向は重力方向に一致し、直動軸として少なくとも主軸の軸方向に移動可能な軸を備え、前記主軸の回転速度と前記直動軸の位置を制御することにより、任意の回転対称な形状を切削加工することを特徴とする工作機械。
【請求項８】
請求項７に記載の工作機械において、前記主軸の回転速度に対する工具回転半径の関係と主軸の回転速度に対する工具の回転軸方向の変位を予め計測しておき、加工する回転対称の形状について半径と高さの点群データまたは形状式において、半径を主軸の回転速度に変換し、高さを前記軸方向の変位で補正した前記直動軸の変位量に変換した上で、加工プログラムを作成することを特徴とした加工方法。
【請求項９】
請求項８の加工方法により、前記工作機械の直動軸または回転軸で前記工具ホルダの位置と姿勢を制御することで、被加工物の平面または曲面上の任意の位置に前記回転対称の形状を多数加工することを特徴とするレンズアレイ形状の加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【公開番号】特開２０１１−２５１３８３（Ｐ２０１１−２５１３８３Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２７８８４（Ｐ２０１０−１２７８８４）
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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