JP2009018366A - 凸曲面研削方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ツールの剛性が十分に得られ、砥石の摩耗が少なく、加工能率・研削精度が高く、安定生産できる凸曲面研削方法を提供する。
【解決手段】Ｚ軸方向に移動自在、Ｃ軸に回転自在のワーク支持手段５７ａにワークＷ３を支持し、外径がワークの非研削部の外径より所要大きいカップ状のツールＴ３をＸ軸方向に移動自在な回動テーブル５３に備えたツール支持手段６７の先端に取り付け、ツールＴ３の先端面外端を回動テーブル５３の回転中心に一致させ、ツール支持手段６７のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を所要範囲内に可変し、ワーク支持手段５７ａに回転とＺ軸方向スライド、ツール支持手段６７に回転とＸ軸方向スライド、回動テーブル５３の回動を与え、Ｂ軸上にツールとワークを点接触させてワークの端面に形成された点対偶凸曲面に倣って研削する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型、レンズ等のワークの端面の点対偶凸曲面を研削する凸曲面研削方法に関する。

光学素子は成形により形成され量産されている。レンズ成形金型は、超精密切削法及び研削加工法を用いて所望する形状精度と表面粗さに加工される。非球面レンズ生産におけるプレス成形金型は、成形システムの高安定・低コスト化の要望から、レンズに相対する金型面数の低減から、分離金型（筒型とＲ２凸型）を一体にした形状の金型にシフトしている。特に、非球面部を中心部に有する点対偶凸曲面を成形できる光学素子用の成形金型が望まれている。

レンズ成形金型の研削加工方法としては、例えば、特許文献１の研削加工方法が提案されている。

他方、従来において、Ｒ２凸型の研削には、二軸パラレル方式の点対偶凸曲面研削を行う図４に示す研削装置１０が使用されている。図４において、符号１1は定盤であり、定盤１1上に設けられたＺ軸方向スライドテーブル１２に、Ｚ軸方向に沿ったＣ軸１３の回りに例えば矢印１４の方向に回転自在であるワーク回転軸１５にワークＷ１を支持し、定盤１1上に設けられたＸ軸方向スライドテーブル１６に設けられたＸ軸方向に沿ったＡ軸１７の回りに例えば矢印１８の方向に回転自在であるツール回転軸１９に算盤玉形状のツールＴ１を支持してなる。さらに、この研削装置によれば、ツールＴ１の径が小さくかつ小径のツールシャフト２０をツール回転軸１９より張り出して取り付けたシャンク２１にチャックする構成であり、径が１０ｍｍφ〜２０ｍｍφのワークＷ１を対象としている。

この研削方法は、ワーク回転軸１５とツール回転軸１９とをそれぞれ回転させ、ワークＷ１の先端面をツールＴ１の周面に当接し、Ｚ軸方向スライドテーブル１６のＺ軸方向スライドとＸ軸方向スライドテーブル１２のＸ軸方向スライドとを相対的に動作させることにより、ツールＴ１によりワークＷ１の端面に精密仕上げ切削加工により形成された点対偶凸曲面に対して精密に倣うようにツールＴ１を平面→凹Ｒ面→非球面と連続移動して非球面レンズ形状に研削し、点対偶凸曲面に対して研削するものである。

この研削方法によれば、ツールＴ１の径が小さく算盤珠形状であり、かつ、ツールシャフトが小径で長く張り出しているので、砥石の摩耗時期が早くしかも不定期であり、砥石形状維持が困難であり、加工能率が低く、形状精度が１μｍ、および形状誤差が１μｍである。

図５（ａ）〜（ｄ）は、現在使用されている他の研削装置３０の研削行程図を示す。構成を図５（ａ）を参照して説明する。研削装置３０は、定盤（図示しない）上に設けられたＺ軸方向スライドテーブル３１に、Ｚ軸方向に沿ったＣ軸３２の回りに例えば矢印３３の方向に回転自在であるワーク回転軸３４にワークＷ２を支持し、定盤（図示しない）上に設けられたＸ軸方向スライドテーブル３５に設けられた回動テーブル３６上に、回転軸心３７がワーク回転軸３４の回転軸心３２を通るＸ−Ｚ平面内を旋回するツール回転軸３８を設け、該ツール回転軸３８にツールＴ２を支持してツールＴ２の先端面外端を回動テーブル３８の回転中心（Ｂ軸）３９に一致させてなる。さらに、この研削装置によれば、ツールＴ２が小径の円筒体でありかつ小径のツールシャフト４０をツール回転軸３８より張り出して取り付けたシャンク４１にチャックする構成であり、径が１０ｍｍφ〜２０ｍｍφのワークＷ２を対象としている。

この研削方法は、ワーク回転軸３２とツール回転軸３８とをそれぞれ回転させ、ワークＴ２の先端面をＢ軸３９に一致するツール３９の先端面に当接し、Ｚ軸方向スライドテーブル３１のＺ軸方向スライドとＸ軸方向スライドテーブル３５のＸ軸方向スライドと回動テーブル３６のＢ軸回動とを相対的に動作させることにより、図５（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）のツール運行行程に示すように、ツールＴ２を平面→凹Ｒ面→非球面と連続移動し、ワークＷ２の端面に精密仕上げ切削加工された点対偶凸曲面に対して精密に倣うように、ツールＴ２を運行し、かつ、ツールＴ２の研削接点における両側の隙間角が等しくなるように保ち、非球面レンズ形状に研削し、点対偶凸曲面に対して研削するものである。

この研削方法によれば、図４の研削方法に比べ、砥石の摩耗時期と加工能率が多少改善され、形状精度が０．１μｍ、および形状誤差が０．０５μｍである研削が行える。

上述したように、図５に示す研削装置３０は、図４に示す研削装置１０よりも優れているので、凸曲面研削方法の主流となっている。
特開２００２−３４６８９３号公報

しかしながら、ワークの大径化が進むと共に、非球面形状精度のさらなる高精度化と加工能率の向上の要求に対して、図５に示す凸曲面研削方法では、ツールの剛性の不足と砥石形状の不安定により安定生産に限界を生じてきた。

そこで、この発明は、ツールの剛性が十分に得られかつ砥石形状が安定し、砥石の摩耗が少なく、加工能率が高く、形状精度がさらに高く得られ、形状誤差がさらに小さくて安定生産できる凸曲面研削方法を提供することを課題とする。

かかる課題を達成するために、本発明は、Ｃ軸に回転自在のワーク支持手段にワークを支持し、Ｃ軸と直角方向のＢ軸に回転自在の回動テーブルに備えられたＢ軸に直角面内を回動自在のツール支持手段の先端に、外径が前記ワークの被研削部の外径よりも所要大きいカップ状のツールを取り付け、かつ、該ツールの先端面外端を前記回動テーブルの回転中心であるＢ軸に一致させ、前記ワーク支持手段と前記ツール支持手段に、それぞれ回転を与えると共に、Ｘ軸−Ｚ軸の二次元方向の相対的なスライドを与えることにより、前記回動テーブルの回転中心線上で前記ツールと前記ワークとを点接触させつつ前記ツールと前記ワークの相対的な向きを変えて、前記ワークの端面に形成された凸曲面に倣って研削することを特徴とする凸曲面研削方法。

本発明によれば、ツールの剛性が十分に得られかつ砥石形状が安定し、砥石の摩耗が少なく、加工能率が高く、形状精度が従来よりもさらに高く得られ、形状誤差を従来よりも小さく抑えられ、安定生産できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
〔実施の形態１〕

図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態にかかる研削装置５０の研削行程の平面図を示す。

図１（ａ）〜（ｄ）において、紙面（図面）の横方向がＸ軸、縦方向がＺ軸、紙面（図面）の横方向がＹ軸、回転中心線がＸ軸に沿う方向をＡ軸、回転中心線がＹ軸に沿う方向をＢ軸、及び、回転中心線がＺ軸に沿う方向をＣ軸と設定するものとする。

まず、構成を図１（ａ）を参照して説明する。研削装置５０は、定盤（図示しない）上にＺ軸方向スライドテーブル５１とＸ軸方向スライドテーブル５２とが設けられ、Ｘ軸方向スライドテーブル５２には回動テーブル５３が設けられ回動テーブル５３の回転中心がＢ軸５４となっている。

Ｚ軸方向スライドテーブル５１上に第１の固定台５５が設けられ、この第１の固定台５５に軸受５６を介してワーク回転軸５７が設けられ、このワーク回転軸５７が第１のモータ５８により回転される構成であり、このワーク回転軸５７の先端にワーク支持手段５７ａが設けられた構成である。なお、Ｚ軸方向スライドテーブル５１とＸ軸方向スライドテーブル５２と回動テーブル５３の各駆動源は図示していない。

この構成により、ワーク回転軸５７は、Ｚ軸方向に沿ったＣ軸５９の回りに例えば矢印６０の方向に回転自在であり、かつ、Ｚ軸方向スライドテーブル５１によりＺ軸方向にスライド自在であり、軸先端には、詳細を図示していないが、ワークＷ３を支持するチャック機能を有している。

また、回動テーブル５３上に第２の固定台６１が設けられ、この第２の固定台６１に軸受６２を介してツール回転軸６３が設けられ、このツール回転軸６３が第２の固定台６１に設けられた第２のモータ６４により回転される構成である。ツール回転軸６３の軸心６５は、ワーク回転軸５７の軸心５９と同一の高さに設けられ、回動テーブル５３が回動すると、ワーク回転軸５７の軸心５９を通るＸ−Ｚ平面内に旋回される。

この構成により、ツール回転軸６３は、第２のモータ６４により例えば矢印６６の方向に回転自在、Ｘ軸方向スライドテーブル５２によりＸ軸方向にスライド自在、回動テーブル５３によりワーク回転軸５７の軸心を通るＸ−Ｚ平面内に旋回自在であり、軸先端には、詳細を図示していないが、ツール（砥石）Ｔ３を支持している。

第２の固定台６１は、回動テーブル５３上に二次元方向に位置調整可能・精密位置決め可能に設けられている（図示しない）。そして、ツールＴ３の先端面の中心を通るＸ−Ｚ平面と交差する端縁が回動テーブル５３の回転中心のＢ軸５４に一致するように、第２の固定台６１が回動テーブル５３上に位置決めされ、これにより、ツールＴ３の先端面の中心を通るＸ−Ｚ平面と交差する端縁が、回動テーブル５３の旋回とＸ軸方向スライドテーブル５２の移動を行っても、回動テーブル５３の回転中心のＢ軸に常に一致し、このＢ軸５４上にツールＴ３とワークＷ３を接触させて研削する。

特に、この研削装置５０によれば、ワーク回転軸５７の先端に備えたワーク支持手段５７ａで例えば外径が３０ｍｍφ以上の大きなワークＷ３を着脱自在であると共に、ツール回転軸６３の先端にツール（砥石）Ｔ３を着脱自在に支持するツール支持手段として、この実施の形態では、フランジ６７を備え、このフランジ６７にはテーパ軸６８を備え、このテーパ軸６８をツール回転軸６３に設けられたテーパ孔に嵌合することにより、フランジ６７をワンタッチで着脱自在である。フランジ６７は、ツールＴ３を触れ回りしないように保持できるように適宜機構を備えているものとする（図示しない）。そして、このフランジ６７に、カップ状凹部の内径がワークＷ３の外径と略同等以上の大きさであることが好ましい。また、ツールＴ３は、外径が例えば３０ｍｍφのワークＷ３であるときに、外径がワークＷ３の外径の１．５倍〜２倍の大きさであることが好ましい。こうしたワークＷ３とカップ状のツールＴ３との寸法関係により、研削時における両者の干渉を避けることができる。この実施の形態では、カップ状のツールＴ３がツール支持手段６７のフランジ面に一体に固着されていて、ツールＴ３とツール支持手段６７とが一体に交換可能にツール回転軸６３に嵌着されている。

本発明の凸曲面研削方法は、上記構成の研削装置５０による研削方法であり、ワーク回転軸５７とツール回転軸６３とをそれぞれ回転させ、ワークＷ３の先端面を、Ｂ軸５４と一致するツールＴ３の先端面に当接し、Ｚ軸方向スライドテーブル５１のＺ軸方向スライドとＸ軸方向スライドテーブル５２のＸ軸方向スライドと回動テーブル５３のＢ軸回動とを相対的に動作させ、図２（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）のツール運行行程（逆の行程でも良い）に示すように、ツールＴ３を、ワークＷ３の端面に精密仕上げ切削加工された点対偶凸曲面に対して、平面→凹Ｒ面→非球面と精密に倣うように連続運行する。

その際、ツール回転軸６３のＺ軸に対する傾き角を可変し、前記ワークの端面に精密切削加工により形成された中央部に凸状非球面を有する凸曲面に倣うように、ツールＴ３をワークＷ３に対して相対的に運行し、好ましくは、ツールＴ３の刃の先端角を２分割する分割線６９の延長線がワークＷ３の被研磨点における曲率中心を通るように（研削接点における両側の隙間角が等しくなるように）保ち、点対偶凸曲面に対して研削する。

これにより、研削時において、ツールＴ３の回転中心線とワークＷ３の回転中心線（Ｃ軸と一致する）との交差角が、ワークＷ３の円周部の平面を研磨する際には、６７．５°又はこれに近い角度になり（図１（ａ）参照）、ワークＷ３の円周部の平面から非球面部に移行する凹曲面部では曲率中心が小さくしかも非球面部の曲率中心とは反対側になるため、該交差角を６７．５°〜ｍａｘ９０°まで変化させ（図１（ｂ）参照）、研磨点がワークＷ３の非球面部に移ったら、再び６７．５°まで戻していく（図１（ｃ），（ｄ）参照）。

この実施の形態のカップ状のツールＴ３は、刃先角が外周面に対して４５°又は４５°に近い鋭角であるので、研削時のツールＴ３の揺動を小さく抑えられるから、研削点の変動量に対するツール揺動量を小さく抑えられ、凹曲面部に対して滑らかな倣い研削ができる。

本発明では、ツール回転軸６３のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を４５°〜９０°の範囲内に抑えて可変すれば、ツールＴ３がワークＷ３を深く研削したり他分に対して干渉する研削を生じない。

すなわち、この凸曲面研削方法は、Ｚ軸方向に移動自在かつＺ軸方向に沿うＣ軸に回転自在のワーク回転軸５７にワークＷ３を支持し、一方、カップ状凹部の内径がワークの外径より大きいカップ状のツールＴ３をＸ軸方向に移動自在な回動テーブル５３に備えるツール回転軸６３の先端に取り付け、ツールＴ３の先端面外端を回動テーブル５３の回転中心に一致させ、ツール回転軸６３のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を４５°〜９０°の範囲内として可変し、ワーク回転軸５７に回転とＺ軸方向スライドとを与え、ツール回転軸６３に回転とＸ軸方向スライドとＢ軸回動とを与え、Ｂ軸上にツールＴ３とワークＷ３を点接触させてワークＷ３の端面に形成された点対偶凸曲面に倣って研削する。

要するに、この凸曲面研削方法は、ワーク支持手段５７ａとツール支持手段６７に、それぞれ回転を与えると共に、Ｘ軸−Ｚ軸の二次元方向の相対的なスライドを与えることにより、回動テーブル５３の回転中心線上（Ｂ軸上）でツールＴ３とワークＷ３とを点接触させつつツールＴ３とワークＷ３の相対的な向きを変えて、ワークＷ３の端面に形成された凸曲面に倣って研削するものである。

この研削方法によれば、図４、図５の研削方法に比べ、ツールＴ３が図５のツールに比べ、頗る大きいので、砥石の摩耗が少なく、加工能率が高く、ワークＷ３の形状精度が０．０５μｍ、および形状誤差が０．０２μｍである研削が行えようになった。

この実施の形態によれば、ツール径を飛躍的に大きくしたときの加工現象の解明から、上記のような加工精度が得られる凸曲面研削方法を開発したもので、カップ状凹部の内径がワークの外径より大きいカップ状のツールを採用したことでツールの剛性が十分に得られかつ砥石形状が安定し、ツールの摩耗が少なくなり、求める高い加工能率が得られ、ワークの形状精度・形状安定性をさらに高く得られ、形状誤差がさらに小さく抑えられ、安定生産でき、デジタルカメラの高画素化に寄与できる。

この実施の形態によれば、前記ツール支持手段のツール支持部の外径が前記カップ状のツールの外径にほぼ等しい大きさであるので、ツール支持手段をカップ状のツールの大きさに対応して選択でき、ツール回転軸に簡単に装着でき、ツール支持手段がツール回転軸からは長く張り出さないので、ツールの剛性を一層十分に得られ、一層高い加工精度が得られ、デジタルカメラの高画素化に寄与できる。

この実施の形態によれば、ツール回転軸の先端に着脱可能に備えたツール支持手段にカップ状のツールを支持して研削するので、ツール交換が容易であり、装置の稼働率が向上する。

この実施の形態によれば、カップ状のツールの外径をワークの非研削部の外径の１．５倍〜２倍としたので、研削を担持する刃先長が十分に大きく得られ、砥石の摩耗が少なく、大きなワークに対する高い加工能力が得られ、安定生産できる。

この実施の形態によれば、ツール支持手段の回転軸のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を４５°〜９０°の範囲内として可変し、研削するので、カップ状のツールがワークの研削すべき箇所以外の他の箇所に干渉することなく、また、ツールの振動の原因となるワークからツールに伝わる研削反力を所要大きさ以下に抑えられ、ビビリが生じない研磨が行える。

この実施の形態によれば、カップ状のツールの刃先角を約４５°としたので、ツール支持手段の回転軸のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を小さく抑えることができて、ツールの振動の原因となるワークからツールに伝わる研削反力を一層小さく抑えられ、ビビリが生じない研磨が行えて、鏡面研削に寄与する。
〔実施の形態２〕

図３（ａ）〜（ｄ）は、先端面が外周面に対して直角乃至直角に近い鋭角であるカップ状のツールＴ４を用いて、ワークＷ４に対して、Ｂ軸上にツールＴ４とワークＷ４を点接触させ、ツールＴ４を、ワークＷ４の端面に形成された点対偶凸曲面に倣って、図３（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）のツール運行行程（逆の行程でも良い）に示すように、ワークＷ４の端面に精密仕上げ切削加工された点対偶凸曲面に対して、平面→凹Ｒ面→非球面と精密に倣うように連続運行するところを示す行程図である。

この場合も、ツールＴ４の刃の先端角を２分割する分割線６９の延長線がワークＷ４の被研磨点における曲率中心を通るように保ち、点対偶凸曲面に対して研削する。この実施の形態のカップ状のツールＴ４は、刃先角が外周面に対して９０°又はこれに近い鋭角であるので、ワークＷ３の円周部の平面を研磨する際には、ツール回転軸６３の軸心のＸ軸に対する交差角が４５°又はこれに近い角度になる。

この実施の形態によれば、刃先角の相違に関係する事項を除いて、実施の形態１と同様の効果が得られる。

本発明は、上記一実施の形態に限られるものではなく、その趣旨と技術思想の範囲を逸脱しない範囲でさらに種々の変形が可能である。

上記の実施の形態では、ワーク支持手段をＺ軸方向スライドテーブル５１に設けて、ワーク支持手段に回転とＺ軸方向スライドとを与え、また、回動テーブル５３をＸ軸方向スライドテーブル５２に設けて、ツール支持手段に回転とＸ軸方向スライドと回動テーブルの回動とを与えたが、これに限定されない。具体的には、ワーク支持手段を回転とＺ軸方向スライドさせずＺ軸方向に沿ったＣ軸に関して回転自在とし、かつ、回動テーブルをＸ軸−Ｚ軸方向にスライド自在である二次元テーブル上に設けることにより、ツール支持手段をＹ軸に沿ったＢ軸に関して回転自在とし、かつ、Ｘ軸及びＺ軸の二次元方向にスライド自在としても良い。

上記の実施の形態では、レンズ成形金型をワークとして非球面が平面に連続する点対偶凸曲面の研削について説明したが、本発明は、レンズ等の他のワークの端面の点対偶凸曲面を研削する点対偶凸曲面の研削にも適用される。また、ワーク回転軸によるワークの支持構造やツール回転軸によるツールの支持構造について、上記の実施の形態に示す構造に限定されるものではない。

本発明の凸曲面研削方法を実施する研削装置の研削行程を示す概略平面図 図１に示す研削装置の要部を拡大した研削行程を示す概略平面図 本発明の他の実施形態の研削装置の要部を拡大した研削行程を示す概略平面図 従来の凸曲面研削方法を実施する研削装置の概略平面図 従来の他の凸曲面研削方法を実施する研削装置の概略平面図

符号の説明

５０…研削装置
５１…Ｚ軸方向スライドテーブル
５２…Ｘ軸方向スライドテーブル
５３…回動テーブル
５４…Ｂ軸
５７…ワーク回転軸
５７ａ…ワーク支持手段
５９…Ｃ軸
Ｗ３，Ｗ４…ワーク
６３…ツール回転軸
Ｔ３，Ｔ４…ツール
６７…フランジ（ツール支持手段）

Claims (6)

1. Ｃ軸に回転自在のワーク支持手段にワークを支持し、
   Ｃ軸と直角方向のＢ軸に回転自在の回動テーブルに備えられたＢ軸に直角面内を回動自在のツール支持手段の先端に、外径が前記ワークの被研削部の外径よりも所要大きいカップ状のツールを取り付け、かつ、該ツールの先端面外端を前記回動テーブルの回転中心であるＢ軸に一致させ、
   前記ワーク支持手段と前記ツール支持手段に、それぞれ回転を与えると共に、Ｘ軸−Ｚ軸の二次元方向の相対的なスライドを与えることにより、前記回動テーブルの回転中心線上で前記ツールと前記ワークとを点接触させつつ前記ツールと前記ワークの相対的な向きを変えて、前記ワークの端面に形成された凸曲面に倣って研削することを特徴とする凸曲面研削方法。
2. 前記ツール支持手段のツール支持部の外径が前記カップ状のツールの外径にほぼ等しい大きさであること特徴とする請求項１に記載の凸曲面研削方法。
3. 前記ツール回転軸の先端に着脱可能なツール支持手段を備え、該ツール支持手段に支持された前記カップ状のツールにより研削することを特徴とする請求項１又は２に記載の凸曲面研削方法。
4. 前記カップ状のツールは、外径が前記ワークの被研削部の外径の１．５倍〜２倍であること特徴とする請求項１乃至３の何れか一に記載の凸曲面研削方法。
5. 前記ツール支持手段の回転軸のＸ−Ｚ平面内のＺ軸に対する傾き角を４５°〜９０°の範囲内として可変し、研削することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の凸曲面研削方法。
6. 前記カップ状のツールは、刃先角が約４５°であること特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の凸曲面研削方法。

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