JP4576255B2 - 工具砥石の形状創成方法 - Google Patents

Description

本発明は、研削加工技術に関し、特に、光学機器に使用されるレンズやプリズムなどの高精度光学素子の研削加工、あるいは、それらを成形するための光学素子成形型の研削加工に好適な砥石の形状を創成する技術に関する。

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る。このような高精度の光学部品を加工する方法として、例えば非特許文献１に記載されているように、円弧断面形状を有する砥石を用いて、工作物の回転方向とクロスする方向に砥石を移動させ、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方法（いわゆるパラレル研削法）が開示されている。この加工法では、図５に示すように、工具砥石１０９の断面形状が工作物１１０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工具砥石１０９を用いる必要がある。

そのような高精度な工具砥石１０９の創成、目立ての方法として、例えば特許文献１に開示されている球面形状砥石のツルーイング／ドレッシング法がある。この方法について、図６を用いて説明すると、カップ型をした創成砥石１０８を、形状創成する工具砥石１０９に対して１方向に切り込み（図６の（ａ）では左から右方向へ切り込む）、球面形状を創成し、その後はスラリ１１１によって図６の（ｂ）のようにして目立てするものであり、創成する工具砥石１０９の外径を直径とする球面形状を創成することができる。

ところで、最近、光学性能の向上を目的として、非球面レンズの形状や自由曲面プリズムの形状が多様化している。そのため、図７に示すような、球面形状の工具砥石１０９を使用すると、工具砥石１０９が非球面の工作物１１０と干渉してしまう場合がある。ここで、干渉を避けるために工具砥石１０９の半径を小さくすると、工具砥石１０９に加工負荷が大きくなるため、減耗が大きくなり十分な加工精度が得られないという問題がある。そのため、図８に示すような、工具砥石１０９の砥石直径ｂよりも小さな円環曲率半径ａを断面形状とした円環形状の砥石を用いることが必要となっている。

従来、工具砥石１０９の加工面を円環形状に創成する手段は、例えば特許文献２に開示されているように、単石ダイヤモンドドレッサ法や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法によって工具砥石を円環形状に創成する方法を図９の（ａ）を用いて説明すると、この方法は、回転する工具砥石１０９の加工面を単石ダイヤモンドドレッサ１１２に接触させながら、加工面が所望の曲率形状となるように単石ダイヤモンドドレッサ１１２と工具砥石１０９とを相対的に移動させることにより、工具砥石１０９を円環形状に創成するものである。

また、ステンレスロール法によって工具砥石を円環形状に創成する方法を図９の（ｂ）を用いて説明すると、この方法は、回転する砥石１０９とステンレスロール１１３とを接触させながら相対的に円弧運動させることにより、工具砥石１０９を円環形状に創成するものである。
特開２００１−２６００２３号公報 特開２００３−２６０６４６号公報 佐伯、厨川、庄司、「パラレル研削法による非球面金型加工に関する研究」、精密工学会誌、社団法人精密工学会、２００２年８月、第６８巻、第８号、ｐ．１０６７−１０７１

パラレル研削法で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に併せ、工作物の加工面にうねりを形成させないために、図１０に示すように、工具砥石１０９の加工面で砥石回転方向と鉛直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、前述したような従来の円環砥石の創成手法では、図９に示されているように、工具砥石１０９の回転方向に単石ダイヤモンドドレッサ１１２やステンレスロール１１３による一様な加工痕が形成されてしまう。このような工具砥石１０９を非球面形状の研削に使用すると、砥石表面の加工痕が工作物に転写されてしまうため、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という問題がある。

本発明は上述した問題に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、円環形状の砥石を高精度に創生する手法を提供することである。

本発明の態様のひとつである工具砥石の形状創成方法は、Ｘ軸、当該Ｘ軸に垂直な軸であるＺ軸、並びに当該Ｘ軸及び当該Ｚ軸の両者に垂直な軸を中心として旋回する軸であるＢ軸の３軸の各方向への移動が可能な機械加工装置と、当該Ｘ軸と当該Ｚ軸で構成される平面内において当該Ｂ軸で旋回可能な工具回転軸を有し工作物を研削する工具砥石と、工作物回転軸に保持されていて当該工具砥石に対向する部分に平面部を有しており当該工具砥石を形状創成するための創成砥石と、を用いて行う工具砥石の形状創成方法であって、当該工具砥石を当該工具回転軸にて軸回転させると共に当該創成砥石を当該工作物回転軸にて軸回転させ、当該工具砥石を当該Ｂ軸の回転方向に揺動させながら当該Ｘ軸の方向に往移動若しくは往復移動させ、この状態で当該工具砥石に対し当該Ｚ軸の方向へある一定量の切り込みを与えることで当該工具砥石を円環形状に創成する、ことを特徴とするものであり、この特徴によって前述した課題を解決する。

なお、上述した本発明に係る工具砥石の形状創成方法において、当該工具砥石の位置を、当該工具砥石の円環部の曲率中心とＢ軸の旋回中心とが一致するように調整しておくようにしてもよい。

また、前述した本発明に係る工具砥石の形状創成方法において、当該工具砥石のＸ軸方向の移動と当該工具砥石のＢ軸の回転方向の揺動とは非同期で行うようにしてもよい。
また、前述した本発明に係る工具砥石の形状創成方法において、当該工具砥石の当該Ｂ軸の回転方向での揺動と当該工具砥石の当該Ｘ軸の方向への移動とは複数回繰り返され、当該繰り返しにおける当該工具砥石と当該創成砥石との接触の開始位置を毎回異ならせるようにしてもよい。

本発明は、以上のようにすることにより、円環形状の砥石の加工面に砥石回転方向と鉛直方向に周期的な凹凸が生じないので、円環形状の砥石を高精度に創生できるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明の実施例１を説明する。まず、本実施例の構成を説明する。
図１において、超精密加工用旋盤１は、光学素子の光学面自体や当該光学素子の光学面を創成するための金型を加工する工作機である。超精密加工用旋盤１は、同図において矢印で示されているＸ軸、Ｚ軸、及びＢ軸の少なくとも３軸移動が可能となっている。

超精密加工用旋盤１では、Ｚ軸と平行である回転軸を持っている工作物回転駆動装置２が、Ｚ軸方向に移動制御可能なＺ軸ステージ３上に設置されている。更に、Ｚ軸に垂直であるＸ軸方向に移動制御可能なＸステージ４上には、Ｘ軸及びＺ軸の両者に垂直な軸を中心として旋回する軸であるＢ軸を持っているＢ軸ステージ５が配置されている。

Ｂ軸ステージ５上には、Ｘ軸とＺ軸とで張られる平面上に回転軸が含まれている工具回転駆動装置６が設置されている。また、Ｂ軸ステージ５の横側には、超精密加工用旋盤１のＸ軸方向及びＺ軸方向の移動制御装置とは別の、Ｂ軸方向の移動制御を行うためのＢ軸駆動装置７が設置されている。

Ｂ軸駆動装置７は、例えば、直流モータにクランクを介してＢ軸ステージを揺動させるなどといった構造、すなわち、Ｂ軸回転角制御と揺動移動速度制御といった制御を持たない簡単な構造でも構わない。また、超精密加工用旋盤１によるＢ軸ステージ５の移動制御を解除することが可能であり、この移動制御を解除すると回転移動が自在にできる。

工作物回転駆動装置２の先端には、工具回転駆動装置６と対向する面が平面となる円柱形状の創成砥石８が取り付けられる。このとき、工作物回転軸に対し、創成砥石８の平面部がスラスト方向及びラジアル方向のどちらの方向にも回転ずれが生じないよう調整を行った取り付けをする。

工具回転駆動装置６の先端には、実際の光学面や金型を研削加工するための工具砥石９が取り付けられている。工具砥石９は、工作物側の円環曲率中心とＢ軸ステージの回転軸中心とが一致するような位置に設置されている。なお、創成砥石８の結合材は、工具砥石９の結合材より硬い材質とする。

次に、本実施例の作用について、図２及び図３を用いて具体的に説明する。但し、これらは本発明を限定するものではない。
まず、工具砥石９の工作物側の円環曲率中心がＢ軸ステージ５の回転軸の中心（Ｂ軸の旋回中心）になるように併せ込み（工具回転駆動装置６の位置調整）を行う。図２はこの併せ込みを済ませた状態を示している。

その後、工具砥石９を工具回転駆動装置６にて軸回転させると共に、創成砥石８を工作物回転駆動装置２にて軸回転させる。このとき、Ｂ軸ステージ５を移動させる超精密加工用旋盤１のＢ軸角度の制御を解除しておく。

次に、Ｂ軸駆動装置７へ電力を投入し、Ｂ軸駆動装置７にてＢ軸ステージ５を揺動運動させる。この揺動運動は超精密加工用旋盤１の移動制御装置とは独立した駆動源を使用しているので、超精密加工用旋盤１において移動制御されているＸステージ４及びＺステージ３の各軸移動とＢ軸ステージ５のＢ軸方向の揺動とは非同期の移動動作となる。

このようにして工具砥石９を揺動運動させながら、工具砥石９の先端と創成砥石８の先端とが接触する位置からＺ軸方向へ、ある一定量の切り込みを与える。そして、この状態で、前記超精密加工用旋盤１のＸ軸ステージ４に対する移動制御によって、工具砥石９をＸ軸方向に往移動若しくは往復移動を行わせる。こうすると、創成砥石８と工具砥石９との接触点が図３に示すように移動し、工具砥石９の先端を円環形状に創成する加工が行われる。

なお、このときのＸ軸方向の移動速度は、創成砥石８の接触径と反比例するように変化させるとよく、こうすることにより、創成砥石８の作用点における単位面積当りの加工負荷量が均一になるので、創成砥石８の平面部が均一に磨耗することとなる。

また、Ｘステージ４によるＸ軸移動とＢ軸ステージ５によるＢ軸方向の揺動とが非同期の移動としたことにより、Ｘ軸方向の座標位置とＢ軸方向の揺動角度とが二度と一致することがない。この結果、創成砥石８の平面部の面形状を工具砥石９の創成面へ転写してしまうことがなくなるので、円環形状の工具砥石９の先端を高精度に創成することができる。

工具砥石９を円環形状に創成するための上述した加工工程を複数回繰り返すことで、工具砥石９の先端形状が円環形状の砥石に創成される。
以上のように、本実施例によれば、Ｘ軸方向の移動とＢ軸角度の揺動とにより、工具砥石を円環形状に創成することが可能となる。また、Ｘ軸方向の位置とＢ軸の角度とを二度と一致させないようにしたことにより、創成砥石８における凹凸のある平面部の面形状が工具砥石９の創成面に転写してしまうことがなくなる。

その結果、工具砥石９の加工面に砥石回転方向と鉛直方向に周期的な凹凸を生じさせてしまうことがなくなり、円環形状の工具砥石が高精度に創成加工される。

次に、本発明の実施例２を説明する。
本実施例では、実施例１に係る超精密加工用旋盤１に設置されていたＢ軸駆動装置７を廃止する。上記以外の本実施例の構成は図１に示した実施例１の構成と同一であるため、本実施例の構成図としては図１をそのまま用いることとし、その説明については省略する。

次に、本実施例の作用について、図４を用いて具体的に説明する。但し、これらは本発明を限定するものではない。
Ｂ軸の揺動は、超精密加工用旋盤１の移動制御装置で揺動させる。このとき、Ｂ軸ステージ５によるＢ軸の揺動とＸ軸ステージ４によるＸ軸の移動とは同一の制御によって移動するため、本実施例においては、両者は同期することとなる。

次に、工作物回転起動装置２と工具軸回転駆動装置６とを各軸で回転させながら、創成砥石８の先端と工具砥石９の先端とが接触する位置からＺ軸方向へ、ある一定量の切り込みを与え、そして、Ｂ軸ステージ５によるＢ軸方向での往復揺動をさせた状態で、Ｘ軸ステージ４によるＸ軸方向の往移動を１回行って工具砥石９を円環形状に創成する加工を行う。

次に、Ｂ軸方向に往移動させたときに、工具砥石９がＸ軸方向に移動した距離の０．１５倍の長さをＸ軸位置座標に加算して位置座標を変更した上で、前述と同様にして工具砥石９を円環形状に創成する加工を行う。以降、この工程を複数回繰り返す。

このようにして、創成砥石８と工具砥石９との接触開始時の接触位置を毎回異ならせると、図４に示すように、創成砥石８と工具砥石９との接触するＸ軸位置、及びＢ軸の揺動角は各回の工程毎にずれることになるので、創成砥石８と工具砥石９との接触するＸ軸位置とＢ軸の揺動角が二度と一致することがなくなる。

以上のように、本実施例によっても、実施例１と同様、Ｘ軸方向の移動とＢ軸角度の揺動とにより、工具砥石を円環形状に創成することが可能となる。また、Ｘ軸方向の位置とＢ軸の角度とを二度と一致させないようにしたことにより、創成砥石８における凹凸のある平面部の面形状が工具砥石９の創成面に転写してしまうことがなくなる。

その結果、工具砥石９の加工面に砥石回転方向と鉛直方向に周期的な凹凸を生じさせてしまうことがなくなり、円環形状の工具砥石が高精度に創成加工される。
その他、本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の改良・変更が可能である。

本発明の実施に使用する超精密加工用旋盤の概略構成例を示す図である。 実施例１における工具砥石の創成の方法を説明する図である。 実施例１における工具砥石の移動の様子を示す図である。 実施例２における工具砥石のＸ軸原点位置の変更の様子を示す図である。 パラレル研削法による研削加工の概要を説明する図である。 ツルーイング／ドレッシング法による球面形状砥石の創成法の概要を説明する図である。 球面形状の工具砥石と非球面工作物との干渉の問題を説明する図である。 円環形状砥石の形状の例を示す図である。 円環形状砥石の創成法の例を示す図である。 従来の創成手法で円環砥石に生じるうねりの問題を説明する図である。

符号の説明

１ 超精密加工用旋盤
２ 工作物回転駆動装置
３ Ｚ軸ステージ
４ Ｘ軸ステージ
５ Ｂ軸ステージ
６ 工具回転駆動装置
７ Ｂ軸駆動装置
８ 創成砥石
９ 工具砥石
１０８ 創成砥石
１０９ 工具砥石
１１０ 工作物
１１１ スラリ
１１２ 単石ダイヤモンドドレッサ
１１３ ステンレスロール
ａ 円環曲率半径
ｂ 砥石直径

Claims (4)

1. Ｘ軸、当該Ｘ軸に垂直な軸であるＺ軸、並びに当該Ｘ軸及び当該Ｚ軸の両者に垂直な軸を中心として旋回する軸であるＢ軸の３軸の各方向への移動が可能な機械加工装置と、当該Ｘ軸と当該Ｚ軸で構成される平面内において当該Ｂ軸で旋回可能な工具回転軸を有し工作物を研削する工具砥石と、工作物回転軸に保持されていて当該工具砥石に対向する部分に平面部を有しており当該工具砥石を形状創成するための創成砥石と、を用いて行う工具砥石の形状創成方法であって、
   前記工具砥石を前記工具回転軸にて軸回転させると共に前記創成砥石を前記工作物回転軸にて軸回転させ、
   前記工具砥石を前記Ｂ軸の回転方向に揺動させながら前記Ｘ軸の方向に往移動若しくは往復移動させ、この状態で前記工具砥石に対し前記Ｚ軸の方向へある一定量の切り込みを与えることで前記工具砥石を円環形状に創成する、
   ことを特徴とする工具砥石の形状創成方法。
2. 前記工具砥石の位置を、当該工具砥石の円環部の曲率中心とＢ軸の旋回中心とが一致するように調整しておくことを特徴とする請求項１記載の工具砥石の形状創成方法。
3. 前記工具砥石のＸ軸方向の移動と当該工具砥石のＢ軸の回転方向の揺動とは非同期で行うことを特徴とする請求項１記載の工具砥石の形状創成方法。
4. 前記工具砥石の前記Ｂ軸の回転方向での揺動と当該工具砥石の前記Ｘ軸の方向への移動とは複数回繰り返され、当該繰り返しにおける当該工具砥石と前記創成砥石との接触の開始位置を毎回異ならせることを特徴とする請求項１記載の工具砥石の形状創成方法。