JP4519618B2 - 砥石の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子などの研削加工に用いる砥石の成形方法及び成形装置に係り、特に高精度な研削加工に適用可能な砥石の成形方法及び成形装置に関する。

レンズやプリズムなどの光学部品は、非常に高い形状精度及び表面粗さ精度が必要とされている。このような高い精度の光学部品を加工する方法として、円環状砥石を用いて、工作物の回転方向とクロスする方向に砥石移動させ、砥石加工面を工作物に対して円弧包絡させながら非球面研削を行う手法（パラレル研削法）が開示されている。この成形方法では、図６に示すように砥石１６の断面形状が工作物１７に転写されるために、非常に高精度な円弧断面形状を有する砥石を用いる必要がある。（例えば、非特許文献１参照。）
そのような高精度な砥石の成形及び目立て方法としては、図７に示す球面形状砥石の（ａ）成形（ｂ）目立て方法がある。この方法は、カップ型砥石１８を、成形する球面形状砥石１９に対して１方向に切り込み（図では左から右方向へ切り込む）、球面形状を創成し、スラリ２０によって目立てするものである。（例えば、特許文献１参照。）
近年、光学性能の向上を目的として、非球面レンズや曲面プリズムの形状が多様化しており、図８に示すように、球面形状砥石２１を使用すると非球面工作物２２と干渉することや、干渉を避けるために砥石半径を小さくすると砥石の磨耗が大きいため十分な加工精度を得られないという問題がある。そのため、砥石の直径よりも小さな円弧断面形状の加工面を有する円環状砥石を用いることが必要となっている。

砥石の加工面を円環状に成形する手段は、図９（ａ）に示す単石ダイヤモンドドレッサ法や図９（ｂ）に示すステンレスロール法が知られている。単石ダイヤモンドドレッサによる円環状の成形方法は、図９（ａ）に示すように、回転する円環状砥石２３の加工面を単石ダイヤモンドドレッサ２４に接触させながら、加工面が所望のＲ形状となるように相対的に移動させることにより円環状を成形するものである。また、図９（ｂ）に示すステンレスロール法では、回転する円環状砥石２３とステンレスロール２５を接触させながら、相対的に円弧運動することにより、砥石加工面に円環状を成形するものである。（例えば、特許文献２参照。）
特開２００１−２６００２３号公報 特開２００３−２６０６４６号公報 精密工学会誌Ｖｏｌ．６８，Ｎｏ．８，２００２（１０６７頁−１０７１頁）「パラレル研削法による非球面金型加工に関する研究」佐伯優、厨川常元、庄司克雄

ところで、パラレル研削法により高精度な加工結果を得るためには、砥石の断面形状が高精度であることと同時に、工作物の加工面にうねりを形成させないために、砥石の加工面には砥石回転方向と同一方向に周期的な凹凸が存在しないことが必要である。しかしながら、特許文献２の技術による円環状砥石の成形手段では、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように円環状砥石２３の回転方向に単石ダイヤモンドドレッサ２４やステンレスロール２５による一様な成形痕２６が形成されてしまう。それらの砥石を非球面形状の研削に使用すると、砥石表面の成形痕２６が工作物に転写されるため、加工された光学素子の表面にうねりが形成され、十分な光学性能を得ることができない。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、砥石の回転方向に一様な成形痕が存在せず、高精度な光学素子加工に適用可能な砥石の成形方法及び成形装置を提供することである。

本発明における第１の砥石の成形方法は、非球面研削を行うために用いる円環状砥石とカップ型砥石とを成形装置上で回転させることで上記円環状砥石を成形する砥石の成形方法において、上記カップ型砥石の成形面がその直径両端で上記円環状砥石に接するように、第１の回転軸の回りに回転駆動可能な上記カップ型砥石と、上記第１の回転軸とは交差する第２の回転軸の回りに回転駆動可能な上記円環状砥石とを、少なくとも、互いに離接する方向、互いに交差する方向、及び上記カップ型砥石に対する上記円環状砥石の上記第２の回転軸の角度を変化させる方向に相対移動させる移動制御を行うことにより、上記円環状砥石を成形することを特徴とする。

この構成によれば、円環状砥石とカップ型砥石の接触点において、お互いの回転方向が交差する方向で成形が行われるために、円環状砥石の回転方向に周期的な成形痕は形成されず、高精度な円環状砥石が成形される。

本発明の第２の砥石の成形方法は、上記第１の砥石の成形方法において、上記移動制御は、上記カップ型砥石の上記第１の回転軸方向への移動制御と、上記円環状砥石の上記第１の回転軸方向とは直交する方向への移動制御と、上記円環状砥石の上記第２の回転軸の揺動制御とを含むことを特徴とする。

この構成によれば、カップ型砥石及び円環状砥石を各々の回転軸方向に移動、又は円環状砥石を回転軸方向に揺動させるため、複雑な構造にならない。
本発明における第３の砥石の成形方法は、上記第１又は第２の成形方法において、上記円環状砥石の成形後に、上記円環状砥石と上記カップ型砥石との接触面にＧＣ（Green Silicon Carbide）砥粒を有するスラリを介在させることによって目立てすることを特徴とする。

この構成によれば、供給された上記ＧＣスラリによって上記円環状砥石の加工面がより高精度に目立てされる。
本発明における第４の砥石の成形方法は、上記第１乃至第３の砥石の成形方法において、上記カップ型砥石の上記成形面は、ＧＣ（Green Silicon Carbide）砥粒を有することを特徴とする。

この構成によれば、被成形砥石が円環状に成形されると同時に上記カップ型砥石から脱落した上記ＧＣ砥粒によって目立てされる。
本発明における第５の砥石の成形方法は、非球面研削を行うために用いる円環状砥石とダイヤモンドドレッサとを成形装置上で回転させることで上記円環状砥石を成形する砥石の成形方法において、上記ダイヤモンドドレッサの成形面がその旋回直径の両端で上記円環状砥石に接するように、第１の回転軸の回りに旋回駆動可能な上記ダイヤモンドドレッサと、上記第１の回転軸とは交差する第２の回転軸の回りに回転駆動可能な上記円環状砥石とを、少なくとも、互いに離接する方向、互いに交差する方向、及び上記ダイヤモンドドレッサに対する上記円環状砥石の上記第２の回転軸の角度を変化させる方向に相対移動させる移動制御を行うことにより、上記円環状砥石を成形することを特徴とする。

この構成によれば、円環状砥石とダイヤモンドドレッサの接触点において、お互いの回転方向が交差する方向で成形が行われるために、円環状砥石の回転方向に周期的な成形痕は形成されず、高精度な円環状砥石が成形される。

本発明によれば、被成形砥石は砥石回転方向に一様な成形痕が存在しない高精度な円環状に成形され、高精度な非球面研削を行ことが可能である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は実施の形態１における成形装置全体の概略図であり、図２はカップ型砥石と円環状砥石の位置関係を説明する図である。成形装置１上の工作物軸スピンドル２は、その回転軸方向（Ｚ軸方向）で進退自在にＺ軸スライドテーブル３上に設置されている。工作物軸スピンドル２の先端には、砥粒サイズ♯３２５のダイヤモンド砥粒を保持するメタルボンド砥石、又はビトリファイドボンド砥石で構成される内径ｒのカップ型砥石４が回転自在に保持されている。また、Ｚ軸スライドテーブル３の移動方向と直交方向に移動するＸ軸スライドテーブル５が配設され、砥石軸スピンドル６は、Ｘ軸スライドテーブル５上に設置されたＢ軸ロータリテーブル７上に水平に配置されている。

成形される円環状砥石８は、砥粒サイズ♯３０００のダイヤモンド砥粒を保持するレジンボンド砥石で構成され、保持軸９を介して砥石軸スピンドル６の先端位置に回転駆動自在に保持されている。また、スラリ供給ノズル１０は、砥石の目立てのためにスラリを供給するためのノズルである。スラリは、ＧＣ（Green Silicon Carbide）砥粒を希釈油で希釈したものを使用する。

上述した実施の形態１における成形を行う際の作用に関して以下に説明する。図２において、円環状砥石８の形状は、円環状砥石８の中心を原点とするＸＹＺ座標系においてドーナツ形状の円環の断面円半径ａと円環の中心からの距離ｂを用いて

で表される。
図３は、円環状砥石の成形及び目立て工程におけるカップ型砥石と円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、（ａ）はＺ軸マイナス方向から見た図、（ｂ）はＹ軸プラス方向から見た図である。図３に示すように、内径ｒのカップ型砥石の内径のＹ軸方向直径端ｔを所望の円環状に接するようにＸＺＢ軸を移動制御するが、その時のカップ型砥石は円環上のｙ＝±ｒの位置で常に接するので、接点の軌跡を表す曲線ｓは上記式（１）においてｙをｒに置き換えて、ｘとｚの式は次のように表される。

したがって、カップ型砥石４の内径のＹ軸方向直径端ｔが曲線に沿うようにし、かつ、カップ型砥石の回転軸の方向が、この曲線上に立てた法線の向きとなるように成形装置のＸＺＢ軸を移動制御することで、円環状が成形される。このとき、カップ型砥石４の回転速度は５００〜１０００ｒｐｍ、成形する円環状砥石８の回転速度は１００〜５００ｒｐｍの間に設定した。また、ＸＺＢ各軸の移動速度は０．５〜４．０ｍｍ／ｍｉｎとして、Ｂ軸ロータリテーブル１回揺動するごとにＺ軸スライドテーブルを０．５〜２．０μm移動させ、成形する円環状砥石８に対して切り込みを入れた。

円環状砥石８の成形後、図３（ｂ）に示すように、ＸＺＢ各軸の移動制御による円環状砥石８とカップ型砥石４の接触を維持しながら、スラリ供給ノズル１０より♯２０００〜♯４０００のＧＣスラリ１１を供給し、砥石接触面に介在させることにより、円環状砥石８の目立てを行った。目立ては１分から５分間行った。

以上のように、円環状砥石８とカップ型砥石４の接触点において、お互いの回転方向が交差する方向で成形が行われるために、円環状砥石８の回転方向に周期的な成形痕は形成されず、高精度な円環状砥石８を得ることができた。

また、上記式（２）に円環状砥石８の移動制御座標を円環状砥石８の中心を原点とした座標の計算式を示したが、円環状砥石８の先端、又は円環の断面円中心を原点としてもｘとｚの座標値を変換することで同様に円環状砥石８の成形が可能である。

図４は実施の形態２におけるカップ型砥石と円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、Ｙ軸プラス方向から見た図である。実施の形態２では、上記実施の形態１におけるカップ型砥石は成形される砥石の砥粒メッシュサイズよりも細かいＧＣ砥粒（Green Silicon Carbide）をビトリファイド、又はレジノイド結合材によって保持したカップ型ＧＣ砥石１２で構成される。他の構成は、実施の形態１と同じである。

実施の形態２における作用は、上記実施の形態１と同様にＸＺＢ軸を移動制御すると同時に１〜６０μm／ｍｉｎでＺ軸スライドテーブルを成形する砥石に対して移動させる。その他は、実施の形態１に同じである。

実施の形態２によれば、カップ型ＧＣ砥石１２が円環状砥石８を成形しながら、脱落したＧＣ砥粒がスラリとしてＧＣスラリ１１を供給するために、円環状の成形と同時に高精度な目立てが行われるために、上記実施の形態１と同様に高精度な円環状砥石をさらに効率良く得ることが可能である。

図５は実施の形態３における円環状砥石の成形工程の単石ダイヤモンドドレッサと円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、（ａ）はＺ軸マイナス方向から見た図、（ｂ）はＹ軸プラス方向から見た図である。実施の形態３では、上記実施の形態１におけるカップ型砥石を単石ダイヤモンドドレッサ１３に置き換えたものである。図５（ｂ）に示すように、ドレッサ固定具１４の任意の位置にネジ１５を介して、工作物軸回転中心から距離ｒだけ離れた位置に単石ダイヤモンドドレッサ１３を保持するものである。

実施の形態３における作用は、単石ダイヤモンドドレッサ１３を旋回半径ｒで回転させ、その回転直径両端ｔを、実施の形態１と同様に所望の円環状に接触するように成形装置のＸＺＢ軸を移動制御し、円環状砥石８を成形する。目立て工程に関しては、実施の形態１又は２と同じ構成、作用となっている。

実施の形態３によれば、上記実施の形態１及び２と同様に円環状砥石８の回転方向に周期的な成形痕が形成されず、高精度な円環状砥石を得ることができると同時に、単石ダイヤモンドドレッサ１３の旋回半径を任意に設定できるために、Ｂ軸移動による工具との干渉を避けるに最適な旋回位置に設定することが可能である。

なお、実施の形態ではすべてＸＺＢ軸の３軸のみの制御としているが、Ｘ軸の揺動（Ｂ軸）に加えてＺ軸を揺動させてもよく、他の軸制御を加えてもよい。
また、実施の形態で用いた砥粒サイズ及び速度の数値はすべて望ましい一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。

実施の形態１における成形装置全体の概略図である。 実施の形態１におけるカップ型砥石と円環状砥石の位置関係を説明する図である。 実施の形態１における円環状砥石の成形及び目立て工程におけるカップ型砥石と円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、（ａ）はＺ軸マイナス方向から見た図、（ｂ）はＹ軸プラス方向から見た図である。 実施の形態２におけるカップ型砥石と円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、Ｙ軸プラス方向から見た図である。 実施の形態３における円環状砥石の成形工程の単石ダイヤモンドドレッサと円環状砥石の接点の位置関係を説明する図であり、（ａ）はＺ軸マイナス方向から見た図、（ｂ）はＹ軸プラス方向から見た図である。 非特許文献１における砥石と工作物の接点の位置関係を説明する図である。 特許文献１における球面形状砥石の（ａ）成形工程（ｂ）目立て工程を説明する図である。 球面形状砥石を使用すると非球面工作物と干渉することを説明する図である。 特許文献２における砥石の加工面を円環状に成形する手段を説明する図であり、（ａ）は単石ダイヤモンドドレッサ法、（ｂ）はステンレスロール法である。

符号の説明

１ 成形装置
２ 工作物軸スピンドル
３ Z軸スライドテーブル
４ カップ型砥石
５ Ｘ軸スライドテーブル
６ 砥石軸スピンドル
７ Ｂ軸ロータリテーブル
８ 円環状砥石
９ 保持軸
１０ スラリ供給ノズル
１１ ＧＣスラリ
１２ カップ型ＧＣ砥石
１３ 単石ダイヤモンドドレッサ
１４ ドレッサ固定具
１５ ネジ
１６ 砥石
１７ 工作物
１８ カップ型砥石
１９ 球面形状砥石
２０ スラリ
２１ 球面形状砥石
２２ 非球面工作物
２３ 円環状砥石
２４ 単石ダイヤモンドドレッサ
２５ ステンレスロール
２６ 成形痕

Claims (5)

1. 非球面研削を行うために用いる円環状砥石とカップ型砥石とを成形装置上で回転させることで前記円環状砥石を成形する砥石の成形方法において、
   前記カップ型砥石の成形面がその直径両端で前記円環状砥石に接するように、第１の回転軸の回りに回転駆動可能な前記カップ型砥石と、前記第１の回転軸とは交差する第２の回転軸の回りに回転駆動可能な前記円環状砥石とを、少なくとも、互いに離接する方向、前記第１の回転軸と直交する方向、及び前記カップ型砥石に対する前記円環状砥石の前記第２の回転軸の角度を変化させる方向に相対移動させる移動制御を行うことにより、前記円環状砥石を成形することを特徴とする砥石の成形方法。
2. 前記円環状砥石の成形後に、該円環状砥石と前記カップ型砥石との接触面に緑色炭化ケイ素砥粒を有するスラリを介在させることによって目立てすることを特徴とする請求項１に記載の砥石の成形方法。
3. 前記カップ型砥石の前記成形面は、緑色炭化ケイ素砥粒を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の砥石の成形方法。
4. 非球面研削を行うために用いる円環状砥石とカップ型砥石とを回転させることで前記円環状砥石を成形する砥石の成形装置において、
   第１の回転軸の回りに回転駆動可能な前記カップ型砥石と、前記第１の回転軸とは交差する第２の回転軸の回りに回転駆動可能な前記円環状砥石とを、少なくとも、互いに離接する方向、前記第１の回転軸と直交する方向、及び前記カップ型砥石に対する前記円環状砥石の前記第２の回転軸の角度を変化させる方向に相対移動させる移動手段と、
   前記カップ型砥石の成形面がその直径両端で前記円環状砥石に接するように、前記移動手段による各方向への移動量を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする砥石の成形装置。
5. 前記円環状砥石の成形後に、該円環状砥石と前記カップ型砥石との接触面に緑色炭化ケイ素砥粒を有するスラリを介在させることによって目立てすることを特徴とする請求項４に記載の砥石の成形装置。