JP4605683B2

JP4605683B2 - 非球面セグメントの加工装置および方法

Info

Publication number: JP4605683B2
Application number: JP2000396445A
Authority: JP
Inventors: 整大森; 嘉宏上原; 和俊片平; 晋也森田; 豊山形
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2020-12-27
Also published as: JP2002192432A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大型回転面の回転中心から外れた部分に相当する非球面セグメントの加工装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ある曲線を軸のまわりに回転して得られる回転面、例えば、非球面、放物面、楕円面、双曲面等がミラーやレンズに用いられる。図７は反射望遠鏡の例であり、カセグレン式（Ａ）やグレゴリー式（Ｂ）の反射望遠鏡では、回転中心部に穴が設けられた回転放物面のミラー１が用いられる。
近年、かかる望遠鏡の直径が約４ｍに達する大型のものが、宇宙観測用に要望されている。この大型望遠鏡は、スペースシャトル等で地球の静止軌道上に打ち上げ、地表面の直径約６００ｋｍに相当する範囲の素粒子の観測等に用いることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来、大型回転面の加工には、一般的に大型正面旋盤や大型縦旋盤が用いられる。しかし、この場合には、被加工物（ワーク）の大きさに応じて大型の旋盤を用意する必要があり、大型回転面１の直径が数ｍを超えると、大型旋盤自体の製作が困難であり、実質的に不可能であった。
【０００４】
そこで、図８に模式的に示すように、大型回転面１を複数（この例では１６）の非球面セグメント２に分割し、各非球面セグメント２を組み立てて大型回転面１を構成することが考えられている。この場合、図９（Ａ）（Ｂ）に示すようにターンテーブル３の回転中心Ｚから外れた部分に非球面セグメント２を取付け、ターンテーブル３を回転させながら切削工具４で非球面セグメント２の表面を所望の回転面に加工する手段が想定される。
【０００５】
しかし、この手段では、大型回転面を分割した非球面セグメント自体は小型化できるが、これを加工する装置（旋盤等）は、依然として大型となる問題点があった。また、工具によるワーク（非球面セグメント）の加工時間に比べて、工具が空転している時間が多くなり、実加工時間が短く能率が悪い問題点があった。更に、断続切削となるため、切削抵抗の断続による工具の変形や振動が大きく、加工精度が低くなり、かつ工具寿命が短い問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる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、大型回転面を分割した非球面セグメントを能率よく加工でき、かつ装置全体を小型化し、加工精度を高め、工具寿命を延ばすことができる非球面セグメントの加工装置および方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、大型回転面の回転軸から半径方向に外れた部分に相当する非球面セグメントの加工装置であって、回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動する揺動テーブル（１２）と、該揺動テーブルの回転軸から半径方向に外れた部分に非球面セグメント（２）を固定する固定治具（１４）と、非球面セグメントに対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動可能な加工装置（１６）とを備えた、ことを特徴とする非球面セグメントの加工装置が提供される。
【０００８】
また、本発明によれば、大型回転面の回転軸から半径方向に外れた部分に相当する非球面セグメントの加工方法であって、（Ａ）揺動テーブル（１２）の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント（２）を固定し、（Ｂ）揺動テーブルを回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動させ、（Ｃ）非球面セグメントに対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに加工装置（１６）を移動させて非球面セグメントを加工する、ことを特徴とする非球面セグメントの加工方法が提供される。
【０００９】
上記本発明の装置及び方法によれば、揺動テーブル（１２）の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント（２）を固定して、揺動テーブルを回転軸Ｚを中心に揺動させ、加工装置（１６）を非球面セグメントに対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動させて非球面セグメントを加工する。
揺動テーブル（１２）は、回転軸Ｚを中心に揺動するだけなので、３６０°回転する場合に比べてテーブルの大きさ及びその移動領域を小さくでき、装置全体を小型化できる。また、揺動テーブル（１２）が必要な所定の角度範囲θで揺動し、加工装置（１６）で非球面セグメントの表面を加工するので、その角度範囲の両端部分以外で加工ができ、実加工時間を大幅に増やし、加工能率を高めることができる。更に、加工装置（１６）は軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動できるので、加工ができない両端部分で、工具を逃がすことにより工具の変形や振動を抑制し、加工精度を高めかつ工具寿命を延ばすことができる。
【００１０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記加工装置（１６）は、機上で交換可能な切削工具、研削工具又は研磨工具であり、機上で切削工具、研削工具又は研磨工具に交換して加工する。
この構成及び方法により、非球面セグメントを揺動テーブルから取り外すことなく、切削、研削、研磨を順次又は繰り返して行うことができ、取外し／取付けに伴うセグメントの位置ズレを防ぎ、非球面セグメントの加工精度を高めることができる。
【００１１】
前記加工装置（１６）は、導電性砥石を電解ドレッシングしながら非球面セグメントを加工するＥＬＩＤ研削装置であり、導電性砥石を電解ドレッシングしながら非球面セグメントを加工する、ことが好ましい。
この構成及び方法により、非球面セグメントの加工にＥＬＩＤ研削法を適用することができ、高能率かつ高精度に鏡面を形成することができる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記回転軸Ｚは水平軸であり、前記揺動テーブル（１２）は固定治具（１４）の反対側にバランスウェイト（１３）を有する。
かかるバランスウェイト（１３）を備えることにより、揺動テーブル（１２）を水平な回転軸Ｚのまわりに揺動させる場合の軸まわりのトルク変動を低減し、駆動装置を小型化することができる。
【００１３】
また、前記回転軸Ｚは鉛直軸であり、前記揺動テーブル（１２）の下部に偏荷重を受ける揺動ガイド（１７）を備える。
かかる揺動ガイド（１７）を備えることにより、揺動テーブル（１２）を鉛直な回転軸Ｚのまわりに揺動させる場合のテーブルの撓みを低減し、非球面セグメントの加工精度を高めることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１５】
図１は、本発明の非球面セグメント加工装置の第１実施形態図である。本発明の非球面セグメントの加工装置１０は、図８に示した大型回転面１の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に相当する非球面セグメント２の加工装置である。なお、非球面セグメント２はこのような用途に限定されず、例えば平行光線（レーザー光等）をオフセットした位置に集光させるために単独で用いてもよい。また、非球面セグメント２の材質は、ガラス、セラミックス、金属等が適している。
【００１６】
図１（Ａ）において、本発明の非球面セグメントの加工装置１０は、回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動する揺動テーブル１２と、揺動テーブル１２の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント２を固定する固定治具１４と、非球面セグメント２に対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動可能な加工装置１６とを備える。回転軸Zは高精度を確保するため静圧スピンドルであるのがよい。
【００１７】
この例において、揺動テーブル１２は、水平な揺動軸１２ａを有し、図示しない駆動装置により所定の角度範囲θで揺動駆動される。また、揺動テーブル１２は、回転軸Ｚにほぼ直交するワーク取付面１２ｂを有する。固定治具１４は、機械的な保持金具又は真空チャックであり、揺動テーブル１２の回転軸Ｚから半径方向に外れた所定の位置に非球面セグメント２を固定する。
揺動テーブル１２の揺動角度範囲θは、加工装置１６をＸ方向に移動させることなく、ワーク取付面１２ｂに取付けられた非球面セグメント２の加工面全体を加工できる角度に設定するのがよい。
【００１８】
加工装置１６は図示しない駆動装置により非球面セグメント２に対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動される。この移動により非球面セグメント２の表面に沿って所定の曲線を描き、揺動テーブル１２の揺動により表面に所望の回転面（例えば、非球面、放物面、楕円面、双曲面等）を加工する。なお、必要により、加工装置１６をＸ方向に移動させる駆動装置を備えてもよい。
【００１９】
図１（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、加工装置１６は、非球面セグメントを揺動テーブルから取り外すことなく、切削、研削、研磨を順次又は繰り返して行うことができるように、機上で交換可能な切削工具１６ａ（例えばバイト）、研削工具１６ｂ（例えば砥石）又は研磨工具１６ｃ（例えばポリッシング用のポリウレタン）であるのがよい。
また、図１（Ｂ）に示すように、高能率かつ高精度に鏡面を形成するために加工装置１６を、導電性砥石１６ｂと電極１６ｃを備えたＥＬＩＤ研削装置とし、導電性砥石１６ｂを電解ドレッシングしながら加工するようにしてもよい。
【００２０】
図２はＥＬＩＤ研削装置の構成図である。この図に示すようにＥＬＩＤ研削装置は、導電性砥石１６ｂと間隔を隔てて対向するＥＬＩＤ電極１６ｃと、砥石１６ｂと電極１６ｃとの間に電圧を印加するＥＬＩＤ電源１９とを備え、砥石１６ｂと電極１６ｃとの間に導電性液を流しながら、砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解によりドレッシングしながらワーク２（非球面セグメント）を研削する。
【００２１】
図３は、本発明の加工装置の第２実施形態図である。この例では、回転軸Ｚが水平軸であり、揺動テーブル１２は固定治具１４の反対側にバランスウェイト１３を備え、揺動テーブル１２を水平な回転軸Ｚのまわりに揺動させる場合の軸まわりのトルク変動を低減し、駆動装置を小型化するようになっている。その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
【００２２】
図４は、本発明の加工装置の第３実施形態図である。この例では、図４（Ａ）に示すように、回転軸Ｚは鉛直軸であり、揺動テーブル１２の下部に偏荷重を受ける揺動ガイド１７を備える。この揺動ガイド１７は、この例では回転軸Ｚを中心とする円弧状のＶ溝レール１７ａと、この上面を摺動するＶ型の摺動部材１７ｂとからなる。摺動部材１７ｂは、Ｖ溝レール１７ａ上を滑りながら、回転軸Ｚを中心として円弧状に移動し、テーブル１２の撓みを低減し、非球面セグメントの加工精度を高めるようになっている。
【００２３】
なお、本発明はかかる揺動ガイド１７に限定されず、上面が水平なレールと下面が水平な摺動部材の組合せで、テーブル１２の撓みのみを抑制するようにしてもよい。また、上述したＶ溝レール１７ａとＶ型摺動部材１７ｂを用いて揺動テーブルの揺動を案内し、揺動軸１２ａを省略してもよい。更に、案内レール（揺動ガイド１７）には、高精度・高剛性を確保するため非接触油静圧を採用するのがよい。
【００２４】
また、図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、加工装置１６は、非球面セグメント２を揺動テーブルから取り外すことなく、切削、研削、研磨を順次又は繰り返して行うことができるように、機上で交換可能な切削工具１６ａ、研削工具１６ｂ又は研磨工具１６ｃであるのがよい。
また、図４（Ｂ）に示すように、高能率かつ高精度に鏡面を形成するために加工装置１６を、導電性砥石１６ｂと電極１６ｃを備えたＥＬＩＤ研削装置とし、導電性砥石１６ｂを電解ドレッシングしながら加工するようにしてもよい。
【００２５】
図５は、本発明の非球面セグメント加工方法の第１実施形態図である。上述した非球面セグメントの加工装置１０を用い、本発明の方法では、（Ａ）揺動テーブル１２の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント２を固定し、（Ｂ）揺動テーブル１２を回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動させ、（Ｃ）非球面セグメント２に対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに加工装置１６を移動させて非球面セグメントを加工する。
【００２６】
この場合、加工装置１６で加工ができない揺動の両端部分で、工具を逃がすことにより工具の変形や振動を抑制するのがよい。また、図５（Ｂ）に示すように、非球面セグメント２の加工面２ａを例えばフレネルレンズのように加工することにより、比較的薄い非球面セグメントで大型の放物面と同様の集光性能を得ることができる。
【００２７】
更に、この図に示すように、工具１６ａの他に計測プローブ１８を同一の機上に備えることにより、加工と計測を同一機上で行うことができ、取外し／取付けに伴うセグメントの位置ズレを防ぎ、非球面セグメントの加工精度を高めることができる。
【００２８】
図６は、本発明の加工方法の第２実施形態図である。非球面セグメント２の形状は、図５や図８に示した扇状の形状に限定されず、図６（Ａ）に示すような台形状でもよい。すなわち、図６（Ｂ）に示すように、回転放物面や双曲面の一部でもよい。この場合、この非球面セグメント２を図６（Ｃ）に示すように、平行光線（レーザー光等）をオフセットした位置に集光させるために単独で用いることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の効果】
上述した本発明の装置及び方法によれば、揺動テーブル１２の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント２を固定して、揺動テーブル１２を回転軸Ｚを中心に揺動させ、加工装置１６を非球面セグメント２に対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動させて非球面セグメント２を加工することができる。
また、揺動テーブル１２は、回転軸Ｚを中心に揺動するだけなので、３６０°回転する場合に比べてテーブルの大きさ及びその移動領域を小さくでき、装置全体を小型化できる。また、揺動テーブル１２が必要な所定の角度範囲θで揺動し、加工装置１６で非球面セグメントの表面を加工するので、その角度範囲の両端部分以外で加工ができ、実加工時間を大幅に増やし、加工能率を高めることができる。更に、加工装置１６は軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動できるので、加工ができない両端部分で、工具を逃がすことにより工具の変形や振動を抑制し、加工精度を高めかつ工具寿命を延ばすことができる。
【００３１】
従って、本発明の非球面セグメントの加工装置および方法は、大型回転面を分割した非球面セグメントを能率よく加工でき、かつ装置全体を小型化し、加工精度を高め、工具寿命を延ばすことができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の非球面セグメント加工装置の第１実施形態図である。
【図２】ＥＬＩＤ研削装置の説明図である。
【図３】本発明の加工装置の第２実施形態図である。
【図４】本発明の加工装置の第３実施形態図である。
【図５】本発明の非球面セグメント加工方法の第１実施形態図である。
【図６】本発明の加工方法の第２実施形態図である。
【図７】反射望遠鏡の模式図である。
【図８】大型回転面１を分割した非球面セグメント２の説明図である。
【図９】従来の非球面セグメントの加工手段である。
【符号の説明】
１大型回転面、２非球面セグメント、３ターンテーブル、
４切削工具、１０非球面セグメント加工装置、
１２揺動テーブル、１２ａ揺動軸、１２ｂワーク取付面、
１３バランスウェイト、１４固定治具、
１６加工装置、１６ａ切削工具、１６ｂ研削工具、１６ｃ研磨工具、
１７揺動ガイド、１７ａＶ溝レール、１７ｂＶ型摺動部材、
１８計測プローブ、１９ＥＬＩＤ電源

Claims

大型回転面の回転軸から半径方向に外れた部分に相当する非球面セグメントの加工装置であって、
回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動する揺動テーブル（１２）と、該揺動テーブルの回転軸から半径方向に外れた部分に非球面セグメント（２）を固定する固定治具（１４）と、非球面セグメントに対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに移動可能な加工装置（１６）とを備えた、ことを特徴とする非球面セグメントの加工装置。
前記加工装置（１６）は、機上で交換可能な切削工具、研削工具又は研磨工具である、ことを特徴とする請求項１に記載の非球面セグメントの加工装置。
前記加工装置（１６）は、導電性砥石を電解ドレッシングしながら非球面セグメントを加工するＥＬＩＤ研削装置である、ことを特徴とする請求項１に記載の非球面セグメントの加工装置。
前記回転軸Ｚは水平軸であり、前記揺動テーブル（１２）は固定治具（１４）の反対側にバランスウェイト（１３）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非球面セグメントの加工装置。
前記回転軸Ｚは鉛直軸であり、前記揺動テーブル（１２）の下部に偏荷重を受ける揺動ガイド（１７）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の非球面セグメントの加工装置。
大型回転面の回転軸から半径方向に外れた部分に相当する非球面セグメントの加工方法であって、
（Ａ）揺動テーブル（１２）の回転軸Ｚから半径方向に外れた部分に非球面セグメント（２）を固定し、（Ｂ）揺動テーブルを回転軸Ｚを中心に所定の角度範囲θで揺動させ、（Ｃ）非球面セグメントに対して軸方向Ｚ及び半径方向Ｙに加工装置（１６）を移動させて非球面セグメントを加工する、ことを特徴とする非球面セグメントの加工方法。
前記加工装置（１６）として、機上で切削工具、研削工具又は研磨工具に交換して加工する、ことを特徴とする請求項６に記載の非球面セグメントの加工方法。
前記加工装置（１６）として、導電性砥石を電解ドレッシングしながら非球面セグメントを加工する、ことを特徴とする請求項６に記載の非球面セグメントの加工方法。