(57)【要約】【要  約】【課  題】    直径50ｍｍ以上の大型軸対称非球面レンズ、金型、ミラーなどの研削加工を実現する。【解決手段】  汎用の数値制御平面研削盤にレジノイドボンドダイヤモンド砥石２を取り付け、加工面を軸対称とするための加工物Ｗの回転を、平面研削盤のテーブル３上に設けた回転テーブル４により行う。【選択図】    図２
2006055961.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジノイドボンドダイヤモンド砥石を水平軸回りに回転させて軸対称非球面を研削加工する平面研削盤による軸対称非球面の加工方法であって、軸対称とするための加工物の回転を前記平面研削盤のテーブル上に設けた回転テーブルを縦方向の回転軸回りに回転させることによって行うことを特徴とする平面研削盤による軸対称非球面の加工方法。
【請求項２】
前記回転テーブルの回転が毎分５０〜５００回転である請求項１に記載の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法。
【請求項３】
前記回転テーブルの回転軸が垂直方向に対して傾斜している請求項１または２に記載の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法。
【請求項４】
前記レジノイドボンドダイヤモンド砥石を、回転テーブルを取り付けたテーブルの左右方向と互いに直交あるいは平行する送り方向、および上下の切り込み方向に移動させて行う請求項１ないし３のいずれかに記載の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法。
【請求項５】
水平軸にレジノイドボンドダイヤモンド砥石（２）を取り付けた平面研削盤のテーブル（３）上に、加工物（Ｗ）を取り付けて縦方向の回転軸回りに回転させる回転テーブル（４）を設けたことを特徴とする平面研削盤による軸対称非球面の加工装置。
【請求項６】
前記回転テーブル（４）が静圧流体軸受等の精密軸受で回転支持されている請求項５に記載の平面研削盤による軸対称非球面の加工装置。
【請求項７】
前記回転テーブル（４）の回転軸を垂直方向に対して傾斜させる傾斜機構（６）を有する請求項５または６に記載の平面研削盤による軸対称非球面の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品として開発が期待されている軸対称非球面レンズ、ミラー、あるいはこれらを製造する金型を高精度、高能率に加工することのできる平面研削盤による軸対称非球面の加工方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
軸対称非球面レンズ、あるいはミラーは、収差がないという特徴のために最近、光学部品として開発が期待されている。現在の軸対称非球面レンズとしては、ガラスを直接研削加工するものよりも、研削加工した金型を使用するプラスチック製が主流である。これは、金型材料として加工しやすい軟らかい金属を使用できる上、直径0.1ｍｍから100ｍｍ以上という広い範囲のレンズを射出成形により容易に量産できるからである。ただしプラスチック製レンズには熱変形が大きい、環境や経年による劣化が大きい、疵がつきやすい等の弱点がある。
【０００３】
したがって高精度な光学部品としては、耐熱性、耐久性に優れたガラス製レンズが要求される。ガラス製軸対称非球面レンズを量産するには金型によるガラスプレス成形法があるが、硬いガラスを高温に熱して成形を行うため、金型材として超硬合金やセラミックスのような耐熱性と耐摩耗性を併せ持つ材料が必要である。しかしこのような材料は高硬度のため通常の切削では加工できないので、研削加工方法がいろいろ試みられてきた。
【０００４】
例えば特許文献１には、砥石の種類は特定されていないが、回転する砥石の送り方向を制御することによって研削条痕を低減し、ポリッシングなどの鏡面加工による精度低下を抑制することが記載されている。
【０００５】
ところで一般にガラスレンズに求められる形状精度は１μｍ以下、表面粗さは10ｎｍＲｚ以下である。上記のガラスプレス成形では表面状態がそのままレンズに転写されるから、金型にはレンズと同等の形状精度が要求される。また、ガラスプレス成形では、加熱して成形されたガラスレンズを冷却する際に熱収縮により変形が発生する。したがって、レンズ金型はこの変形を考慮に入れて設計、製作する必要があり、その加工精度はレンズの形状精度の１桁下、すなわち0.1μｍが要求される。
【０００６】
しかし金型材は前記のとおり高硬度材料のため、
ａ）従来の軸対称非球面加工機は小型の加工物にしか対応できず、例えば直径50ｍｍ以上という大型の軸対称非球面の高精度な加工はできない。
ｂ）一般の研削加工ではレンズに必要な表面粗さが得られず、研磨液によるラッピングなどの遊離砥粒による研磨工程を必要とするためこれによる形状の崩れが発生するほか、加工時間と経費が大幅に増大する。これは金型の寸法が大きくなるほど顕著である。
などの問題点がある。
【０００７】
したがって、現在ガラスプレス成形で商品化されている軸対称非球面レンズは、直径５ｍｍ以下がほとんどであり、大型の軸対称非球面レンズ金型の加工プロセス、あるいは大型の軸対称非球面レンズのガラスプレス成形による製造、量産は実現していない。このため現在の大型の軸対称非球面レンズは、ガラスプレス成形ではなくガラスを直接研削・研磨して一つづつ加工する方法によっているため、量産するには多くの設備を必要とし、かつ多くの時間とコストがかかる。
【０００８】
高硬度材の大型の軸対称非球面加工技術は、レンズ用金型だけでなく軸対称非球面ミラーの製造にもつながるので、反射光学系の光学機器からも望まれている技術であるが、上記の問題点から直径50ｍｍ以上のものについてはまだ実用化されていない。
【０００９】
さきに本発明者らは非軸対称非球面の研削加工方法を提案し特許文献２により公開されているが、この加工方法によって軸対称非球面の加工は一応可能である。しかし平面研削盤の左右方向と前後方向との位置決め精度の違いや、平面研削盤自身や砥石の前後方向と左右方向との剛性の違いなどにより、加工物を完全な軸対称形状にすることは困難であった。
【特許文献１】特許第３２３６８７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２６０６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解消し、直径50ｍｍ以上の大型軸対称非球面レンズの生産を可能にする高精度・高能率なガラスプレス成形用金型の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法及び装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、レジノイドボンドダイヤモンド砥石を水平軸回りに回転させて軸対称非球面を研削加工する平面研削盤による軸対称非球面の加工方法であって、軸対称とするための加工物の回転を前記平面研削盤のテーブル上に設けた回転テーブルを縦方向の回転軸回りに回転させることによって行うことを特徴とする平面研削盤による軸対称非球面の加工方法であり、望ましくは前記回転テーブルの回転が毎分５０〜５００回転である前記の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法であり、あるいはまた前記回転テーブルの回転軸が垂直方向に対して傾斜している前記の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法であり、さらに前記レジノイドボンドダイヤモンド砥石を、加工物を装着した回転テーブルの回転方向と互いに直交あるいは平行する送り方向、および上下の切り込み方向に移動させて行う前記の平面研削盤による軸対称非球面の加工方法である。
【００１２】
また本発明は、水平軸にレジノイドボンドダイヤモンド砥石を取り付けた平面研削盤のテーブル上に、加工物を取り付けて縦方向の回転軸回りに回転させる回転テーブルを設けたことを特徴とする平面研削盤による軸対称非球面の加工装置であり、望ましくは前記回転テーブルが静圧流体軸受等の精密軸受で回転支持されている前記の平面研削盤による軸対称非球面の加工装置であり、あるいはまた前記回転テーブルの回転軸を垂直方向に対して傾斜させる傾斜機構を有する前記の平面研削盤による軸対称非球面の加工装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、平面研削盤を使用して、高硬度材料の高精度・高能率な大型軸対称非球面の研削加工が実現し、その結果、光学性能に優れた大型のガラスプレス成形用金型やガラス製レンズ、ミラーを安価に量産することができ、光学機器のコスト削減と高性能化が実現するという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
従来の軸対称非球面加工機では、小径の砥石を高速度で回転させて加工するタイプがほとんどであるため、加工機の剛性が低く、砥石の摩耗の影響が大きい。
【００１５】
また、従来の軸対称非球面加工機は、加工物の回転軸が重力に対して直角方向、すなわち水平方向の旋盤タイプがほとんどであり、加工物を装着する回転テーブル（チャック）にわずかでも偏心があると、重心が上下に移動するときに回転動力の変動が発生し、これが回転振れを増大させる。この現象は、大型の金型などの重量物を装着したときにより顕著である。
【００１６】
本発明では、つぎのような手段によりこれらの問題に対処し、大型の軸対称非球面加工を可能とした。
ａ）加工機として平面研削盤を使用する。平面研削盤は本体部分の剛性が高く、大型の加工物の研削に十分対処できる。使用する砥石が従来の軸対称非球面加工機の場合直径１〜60ｍｍ程度であったのに対し、平面研削盤では100〜1000ｍｍと大きく、砥石表面積にして100倍以上の違いがあるので、砥石の摩耗の影響がきわめて少ない。
ｂ）平面研削盤の通常のテーブル上に、特別に縦方向の回転軸回りに回転する回転テーブルを設けている。重力の方向と回転テーブルの回転軸の方向がほぼ平行であるから、前記のような回転振れは発生しにくい。
【００１７】
またこの回転テーブルは通常のテーブルに加工物を固定する固定手段で取り付けできるので着脱が容易であり、加工内容に合わせて仕様の異なる回転テーブルを選択使用できる。
【００１８】
このような理由で本発明は特に大型の軸対称非球面加工で威力を発揮し、直径10〜50ｍｍの範囲のものに対応できるのはもちろんであるが、50ｍｍ以上の軸対称非球面レンズ用金型の加工に好適である。
【００１９】
また前記の特許文献２における加工方法で軸対称非球面加工を行った場合に問題となっていた方向による加工精度や剛性の違いが、軸対称とするための加工物の回転を従来のテーブル上に設けた回転テーブルで行うことにより解消し、完全な軸対称形状が得られるようになった。
【００２０】
さらに、砥石として鏡面の得やすいレジノイドボンドダイヤモンド砥石を使用することにより、従来の加工方法において加工時間や加工コストの多くを占めていた研磨工程を省略できるか、あるいは大幅に削減することができ、大型の軸対称非球面加工の能率を大きく向上させることが可能となった。
【００２１】
以下本発明の実施形態を図面により詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明に係わる平面研削盤を示す概念図で、左右方向をＸ軸、前後方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とすれば、１はコラム、２はコラム１に沿ってＺ方向に上下する砥石、３はテーブル、Ｗはテーブル３の上面に取り付けられた加工物である。
【００２３】
テーブル３はＸ、Ｙ両方向に移動可能であるが、いまＸ方向を一定としてテーブル３をＹ方向に移動させながら同時に砥石をＺ方向に切り込んで研削を行う場合をパラレル研削、逆にＹ方向を一定としてテーブル３をＸ方向に移動させながら同時に砥石をＺ方向に切り込んで研削を行う場合をクロス研削と呼ぶことにする。ちなみにＺ方向は砥石の上下方向である。
【００２４】
図２は本発明の軸対称非球面加工装置の要部を示す説明図で、４はテーブル３上に設けられた回転テーブルである。ａは砥石２の回転方向、ｂは回転テーブル４の回転方向である。特に図示しないが、平面研削盤に内蔵された数値制御装置により砥石２の回転軸をＺ方向に位置制御するとともにテーブル３をＸ、Ｙ両方向に位置制御し、かつ砥石２の回転数ならびに回転テーブル４の回転数を制御して研削加工を行う。
【００２５】
本発明では、砥石２は通常の平面研削盤と同様、Ｙ軸に平行な水平軸回りに回転させる。砥石２としてはレジノイドボンドダイヤモンド砥石を使用する。その理由は、加工物が超硬合金製の金型の場合、一般の砥石では研削できないからである。レジノイドボンドダイヤモンド砥石は、粗研削、仕上げ研削ともに粒度番号が＃1000番よりも細かいものを使用して行ってもよいが、仕上げ研削のみに＃1000番よりも細かいものを使用してもよい。また、レジノイドボンドダイヤモンド砥石はボンド内に気孔を有する有気孔レジノイドボンドダイヤモンド砥石でも、無気孔レジノイドボンドダイヤモンド砥石でもよい。
【００２６】
砥石２のツルーイング・ドレッシングは例えばステンレスロール法を用い、図３に示すようにステンレスロール５を用いて外周を円弧状に成形したものを使用するのがよい。Ｐ１はドレッシングの際の砥石２の軌跡である。
【００２７】
図４は図３の砥石２を用いて研削加工を行う場合の説明図である。砥石２を軌跡Ｐ２のように移動させたとき、外周のプロフィルが円弧状であると、研削溝の境に残るカスプが突出せず鏡面加工が容易であり、また砥石の側面の広い面積を研削に使用するので能率がよい。
【００２８】
本発明では、加工面を軸対称とするための加工物の回転を、テーブル３上に設けた回転テーブル４を縦方向の回転軸回りに回転させることによって行う。図示しないモータ等の回転機構による回転テーブルの回転は毎分５０〜５００回転である。この回転数の範囲はさまざまな加工条件による実験により決定した。５０回転以下では回転させる効果が現れない。また５００回転以上では回転が不安定になり、加工精度が得られない。
【００２９】
前記したようにレンズ、あるいは金型の表面精度は１μｍ以下、あるいは0.1μｍのオーダーであり、一般の回転機構ではこの精度を維持することは困難であるから、回転テーブルの回転支持には気体、あるいは液体の静圧流体軸受、精密ボールベアリング等の精密軸受を使用することが望ましい。
【００３０】
図５はパラレル研削を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。Ｘ方向を一定としてテーブル３をＹ方向に移動させながら研削を行い、順次Ｘ方向に送って研削を行う。また図６はクロス研削を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。Ｙ方向を一定としてテーブル３をＸ方向に移動させながら研削を行い、Ｙ方向に送って研削を行う。
【００３１】
いずれの場合も、砥石２の移動軌跡は、目的とする軸対称非球面を表わす式
ｆ(ｘ，ｙ，ｚ)＝０ 
から加工物Ｗの中心を通る加工対称断面の各点における座標値を求め、つぎにこれら各点に対する工具（砥石）位置座標値を求め、その後加工方向に合わせて工具位置座標値を配列し、これらの加工データを用いて位置制御を行うのである。
【００３２】
回転テーブル４の回転軸は、回転機構の上ではＺ方向と平行な状態がもっとも好ましいのではあるが、図７に示すようにテーブル３と回転テーブル４との中間に傾斜機構６を設けることにより、回転テーブル４をＺ方向に対して角度θだけ傾斜させることもできる。傾斜させることにより、研削によって発生する切り屑や冷却水の研削溝からの排出がスムースになり加工能率が向上する。また加工の途中で傾斜を行うことによって、これまで使用されなかった砥石２の側面が加工物Ｗに接触することになり、砥石２が有効利用できる。このような目的であるから、θはせいぜい45°以内である。
【実施例】
【００３３】
つづいて本発明の具体的な実施例を説明する。
【００３４】
本発明の内容に基づき、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）成形平面研削盤を使用し、テーブル上に回転テーブルを、その回転軸が砥石の切り込み方向（Ｚ方向）と平行で、かつ重力方向と平行になるように設置し、数値制御装置により砥石位置とテーブル位置の制御を行いつつ凹形の軸対称非球面形状の研削加工を行った。
【００３５】
加工物は外径66ｍｍの炭化タングステン微粒子と微量のコバルトからなる超硬合金で、回転テーブル上にワックスにより固定した。
【００３６】
砥石は粗研削、仕上げ研削ともに外径200ｍｍ、幅20ｍｍ、粒度番号＃1500番の有気孔レジノイドボンドダイヤモンド砥石を使用し、そのツルーイング・ドレッシングにはステンレスロール法を用い、砥石外縁を半径33ｍｍの円弧状とした。ツルーイング・ドレッシング条件を表1に示す。
【００３７】
【表１】
2006055961.tif 000003
【００３８】
粗研削の条件は表２に、仕上げ研削条件は表３に示す。
【００３９】
【表２】
2006055961.tif 000004
【００４０】
【表３】
2006055961.tif 000005
【００４１】
砥石の送り方法は、砥石を、回転する加工物の外周から加工物の回転軸中心に向かってテーブル左右方向（Ｘ方向）に送るクロス研削、または砥石を加工物の外周から加工物の回転軸中心に向かって前後方向（Ｙ方向）に送るパラレル研削とし、砥石と加工物の接触点が目標の非球面形状を描くよう、左右方向（Ｘ）および上下方向（Ｚ）の移動を数値制御により行った。砥石の振れおよび回転数を常時監視し、砥石の目詰まりにより研削抵抗が大きくなる度にステンレスロール法によりツルーイング・ドレッシングを行った。ツルーイング・ドレッシングの際、および研削加工時には潤滑と冷却のためケミカルソリューションタイプの研削液を供給した。
【００４２】
以上の軸対称非球面加工を行った結果は表４に示すとおりである。
【００４３】
【表４】
2006055961.tif 000006
【００４４】
表４において、加工面の形状精度とは、加工した軸対称非球面の加工物外周から回転軸中心をとおり体面の加工物外周までの断面形状を、非接触式の三次元形状測定装置を用いて測定し、目標形状との高さ方向の偏差を示したものである。また加工面の表面粗さは、加工物上の任意の５か所を非接触三次元表面粗さ計により測定した最大高さ粗さの平均である。形状精度は１μｍ未満、表面粗さは50ｎｍＲｚ以下を達成しており、本発明により高精度でかつすぐれた鏡面を持つ軸対称非球面を容易に得ることができた。また加工時間は研削量100μｍに対して16時間以下であり、大型の軸対称非球面形状を高能率に加工することができた。
【００４５】
なお、ツルーイング・ドレッシングにおける砥石の周速度および研削加工における砥石の周速度は各表にも示したようにそれぞれ800ｍ／分、1300ｍ／分が最適であるが、いずれも800〜１３００ｍ／分の範囲で行えば好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係わる平面研削盤を示す概念図である。
【図２】本発明の軸対称非球面加工装置の要部を示す説明図である。
【図３】本発明における砥石のツルーイング・ドレッシングを示す説明図である。
【図４】図３の砥石を用いて研削加工を行う場合の説明図である。
【図５】本発明におけるパラレル研削を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。
【図６】本発明におけるクロス研削を示す説明図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図７】本発明において回転テーブルを傾斜させる例を示す要部の説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
１    コラム
２    砥石（レジノイドボンドダイヤモンド砥石）
３    テーブル
４    回転テーブル
５    ステンレスロール
６    傾斜機構
Ｗ    加工物
Ｐ１、Ｐ２    砥石軌跡
【図１】
2006055961.tif 000007
【図２】
2006055961.tif 000008
【図３】
2006055961.tif 000009
【図４】
2006055961.tif 000010
【図５】
2006055961.tif 000011
【図６】
2006055961.tif 000012
【図７】
2006055961.tif 000013