(57)【要約】【課題】多種多様な形状及びサイズの非球面の単品少量生産及び大量生産の両方に適し、加工効率が高く且つ加工コストが低い非球面加工方法及び加工装置を提供することを課題とする。【解決手段】所定の二次曲線方程式に基づき数学計算によって円錐体から軌跡取得ための正確な変数α、φ及びＬを求め、成はテスト加工により適正な曲線軌跡を確定する。一つの軌跡切取体を装着している非球面軌跡創成装置の上に一つ円錐体を取り付け、前述の方法で求められた変数に基づき円錐体と軌跡取得体の相対位置を確定させ、軌跡切取体を用いて円錐体から前述の軌跡を取得し、加工素子を自転させると同時に円錐体と共に揺動軸回りに揺動させることによって円錐体から取得した正確な軌跡曲線を精確に素子上に移し、非球面軌跡を創成し、二次非球面素子を加工する。円錐体に取って代わって他の方法で加工した精確な平板型板を装置に取り付けることによって、平板型板にある高次曲線を精確に素子に移し、高次非球面素子を加工する。【選択図】図２
2004338076.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸面と凹面二次非球面及び高次非球面素子の粗研削、精研削及び研磨加工に用いる非球面軌跡創成の加工方法であって、所定の二次曲線方程式に基づき、数学計算によって円錐体から軌跡切取るための正確な変数α、φ及びＬを求め、或はテスト加工により適正な曲線軌跡を確定することと、一つの軌跡切取体を装着している非球面軌跡創成装置の上に一つ円錐体を取り付け、前述の方法で求められた変数に基づき円錐体と軌跡切取体の相対位置を確定させ、軌跡切取体を用いて円錐体から前述の軌跡を切取り、加工素子を自転させると同時に円錐体と共に揺動軸回りに揺動させることによって円錐体から切取った正確な軌跡曲線を精確に素子上に移し、非球面軌跡を創成し、二次非球面素子を加工することと、円錐体に代わって他の方法で加工した精確な平板型板を装置に取り付けることによって、平板型板にある高次曲線を精確に素子に移し、高次非球面素子を加工することとを特徴とする凸面と凹面二次非球面及び高次非球面素子の粗研削、精研削と研磨加工を行う一種非球面軌跡創成の加工方法。
【請求項２】
請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法において、円錐体と軌跡切取体との接触点が揺動軸の軸線の右側にあるとき、凸面非球面を加工できることを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法。
【請求項３】
請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法において、円錐体と軌跡切取体との接触点が揺動軸の軸線の左側にあり、回転砥石の半径が被加工非球面の円に最も近い半径より小さいとき、凹面非球面を加工できることを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法。
【請求項４】
請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法において、円錐体と軌跡切取体との位置を確定した後、加工素子を回転砥石に向け移動させ、切込み送りを与え、前述の軌跡切取体及び円錐体との接触点と回転砥石の研削面とは同一垂直線上にあることを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法。
【請求項５】
請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法において、ガラス、セラミックス、結晶体、金属を材料とする光学非球面素子及び機械非球面素子を加工できることを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法。
【請求項６】
揺動台、推力支持具、推力器、素子回転軸モーター、円錐体移動ガイトスクリュー、案内台、素子装着軸、支え座、回転砥石、支持フレーム、軌跡切取体、円錐体、マシンベット、揺動軸、揺動軸モーター、素子軸ボックス等によって構成され、支持フレームの上に取り付けられる回転砥石と、支持フレームの上に取り付けられる前後上下移動可能な軌跡切取体と、マシンベットの上に固定される支持フレームと、支え座の上に取り付けられる角度を調整できる円錐体と、案内台の上に固定される支え座と、素子軸ボックスの底にある案内に沿ってスライドできる案内台と、揺動台の上に縦にスライドできる素子軸ボックスと、揺動軸モーターに駆動され揺動軸回りに回転する移動台と、素子装着軸の先端に取り付けられ、素子装着軸回りに自転しながら、円錐体と共に揺動台と一緒に加工素子の半張角度αをもって、揺動軸回りに揺動する加工素子と、揺動台の上に固定される推力支持具と、推力支持具と素子軸ボックスの間に取り付けられる推力器により常に軌跡切取体と接触する円錐体とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法を実現する非球面加工装置。
【請求項７】
請求項６に記載の非球面加工装置において、回転砥石が円盤形でも、円柱形でもよく、凸面非球面の加工に円盤形の砥石を用いる場合、砥石が１枚或は２〜３枚重ねるものとなることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【請求項８】
請求項６に記載の非球面加工装置において、前述の素子装着軸の軸線と円錐体の軸線と揺動軸の軸線とを同じ垂直な平面上にあり、前述の素子装着軸の軸線と回転砥石の軸線を同じ水平な平面上にあることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【請求項９】
請求項６に記載の非球面加工装置において、揺動台１に取り付けられた回転砥石が自転すると同時に揺動する、支持フレームに取り付けられた素子が回転するのみ、円錐体と軌跡切取体の位置を入れ替えさせ、軌跡切取体と回転砥石と共に揺動させるだけでも、本発明の加工目的を達成できることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の非球面加工装置において、円錐体に取って代わって凸面成は凹面の高次非球面用の平板型板を用いて、凸面或は凹面の高次非球面素子を加工できることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は凸面と凹面二次非球面及び高次非球面素子軌跡創成の加工方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来と現今の非球面素子加工方法は何十種類あるが、今まで加工効率、加工精度及び通用性など共に優れる方法は一つもない。伝統的な手作業加工方法による場合、高精度の非球面素子を加工できるが、操作者には高い技能及び経験を必要とするだけではなく、加工の再現性が低く、加工時間が長く、コストが高いという短所があるため、量産のニーズに応じられない。これに対して、機構或は倣い軌跡創成による加工方法の場合、加工効率が高く、素子表面粗さの保証もやすいのであるが、加工軌跡の誤差が大きいため、高精度の非球面素子を加工することが困難で、しかも機構或は倣いによる軌跡が単一であるため、多種多様なサイズの非球面素子の加工に適していないので、機構成は倣い軌跡創成による加工方法は形状もサイズも特定される低加工精度しか要求されない非球面素子の量産に適している。
現今の数値制御ＮＣ加工方法では、多種多様な形状及びサイズの非球面素子の加工に適しているが。しかし、高精度の加工面を作り出すためには、反復に測定及び研磨をしなければならなく、しかも、加工設備の価額が高く、操作技術も複雑であるため、その操作には専門エキスパートを要する。数値制御ＮＣ加工法が伝統な手作業加工に比べ、より容易に高精度の非球面素子を加工することが出来るが、しかし、その加工期間が依然長く、加工コストも高いため、量産には適していない。プラスチック非球面素子の射出方法とガラス非球面素子のモールデング方法は大量生産のニーズに応じられるが、単品小量生産には応じられない。且つプラスチック非球面素子の応用範囲は狭く、モールデングできるガラスの種類は少ない
従って、現時点において、球面素子の加工技術と比類できる非球面素子の加工技術は未だに存在していない。つまり、単品少量生産及び大量生産の両方に適し、加工効率が高く且つ加工コストが低い非球面加工方法は存在していない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術によれば、単品少量生産及び大量生産の両方に適している加工効率と加工精度が高く、且つ加工コストが低い非球面加工方法は存在していない。
そこで、本発明は、多種多様な形状及びサイズの非球面の単品少量生産及び大量生産の両方に適し、加工効率が高く且つ加工コストが低い非球面加工方法及び加工装置を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は凸面と凹面二次非球面及び高次非球面の加工素子の研削、精研削及び研磨の加工を実現する加工方法を提供する。この加工方法による加工プロセスは以下の通りである。所定の二次曲線方程式に基づき、数学計算によって円錐体から軌跡切取るための正確な変数α、φ及びＬを求め、或はテスト加工により適正な曲線軌跡を確定することと、一つの軌跡切取体を装着している非球面軌跡創成装置の上に一つ円錐体を取り付け、前述の方法で求められた変数に基づき円錐体と軌跡切取体の相対位置を確定させ、軌跡切取体を用いて円錐体から前述の軌跡を切取り、加工素子を自転させると同時に円錐体と共に揺動軸回りに揺動させることによって円錐体から切取った正確な軌跡曲線を精確に素子上に移し、非球面軌跡の創成と二次非球面素子の加工を実現することと、円錐体に代わって他の方法で加工した精確な平板型板を装置に取り付けることによって、平板型板にある高次曲線を精確に素子に移し、高次非球面素子を加工することとを特徴とする凸面と凹面二次非球面及び高次非球面素子の粗研削、精研削と研磨加工を行う一種非球面軌跡創成の加工方法である。
【０００５】
前述の請求項６に記載の発明は前述の加工方法を実現する一つ加工装置を提供する。この装置が、揺動台、推力支持具、推力器、素子回転軸モーター、案内台、素子装着軸、円錐体移動ガイトスクリュー、支え座、回転砥石、支持フレーム、軌跡切取体、円錐体、マシンベット、揺動軸、揺動軸モーター、素子軸ボックス等によって構成され、支持フレームの上に取り付けられる回転砥石と、支持フレームの上に取り付けられる前後上下移動可能な軌跡切取体と、マシンベットの上に固定される支持フレームと、支え座の上に取り付けられる角度を調整できる円錐体と、案内台の上に固定される支え座と、素子軸ボックスの底にある案内に沿ってスライドできる案内台と、揺動台の上に縦にスライドできる素子軸ボックスと、揺動軸モーターに駆動され揺動軸回りに回転する移動台と、素子装着軸の先端に取り付けられ、素子装着軸回りに自転しながら、円錐体と共に揺動台と一緒に加工素子の半張角度αをもって、揺動軸回りに揺動する加工素子と、揺動台の上に固定される推力支持具と、推力支持具と素子軸ボックスの間に取り付けられる推力器により常に軌跡切取体と接触する円錐体とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の非球面軌跡創成の加工方法を実現する非球面加工装置。
【０００６】
また、請求項６に記載の非球面加工装置において、回転砥石が円盤形でも、円柱形でもよく、凸面非球面の加工に円盤形の砥石を用いる場合、砥石が１枚成は２〜３枚重ねるものとなることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【０００７】
また、請求項６に記載の非球面加工装置において、前述の素子装着軸の軸線と円錐体の軸線と揺動軸の軸線とを同じ垂直な平面上にあり、前述の素子装着軸の軸線と回転砥石の軸線を同じ水平な平面上にあることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【０００８】
また、請求項６に記載の非球面加工装置において、揺動台１に取り付けられた回転砥石が自転すると同時に揺動する、支持フレームに取り付けられた素子が回転するのみ、円錐体と軌跡切取体の位置を入れ替えさせ、軌跡切取体と回転砥石と共に揺動させるだけでも、本発明の加工目的を達成できることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【０００９】
また、請求項６に記載の非球面加工装置において、円錐体に取って代わって凸面或は凹面の高次非球面用の平板型板を用いて、凸面或は凹面の高次非球面素子を加工できることを特徴とする請求項６に記載の非球面加工装置。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明の円錐体から軌跡を切取ることを示す、図２、図３と図４は本発明による正確な軌跡の切取及びこの軌跡を素子に移し非球面素子を加工することに関する方法及び装置である。図１に示すように、半張角度をαとする円錐体の頂点Ａから円錐体の母線に沿って距離がＬとする点Ｄで、平面ａ−ａを使って円錐体を横切る。平面と円錐体の軸線との夾角φ１＝９０°にすると、一つ円の曲線方程式の軌跡を切取られる。平面ｂ−ｂと円錐体軸線との夾角９０°＞φ２＞αの範囲内にすると、一つ楕円の曲線方程式の軌跡を切取られる。平面ｃ−ｃと円錐体軸線の夾角φ３＝αにすると、一つ放物線の曲線方程式の軌跡を切取られる。平面ｄ−ｄと円錐体軸線の夾角α＞φ４＞−αの範囲内にすると、一つ双曲線の曲線方程式の軌跡を切取られる。要するに、与えられた二次曲線方程式の相関変数α、φとＬの値を求めれば、所定のあらゆる二次曲線方程式の軌跡を円錐体から切取ることが出来る。数学計算によって変数α、φとＬの値が求められる。或はテスト加工によって適正な曲線軌跡を確定できる。実際に、加工された円錐体１３の半頂角αが一定であるため、φとＬの値さえを算出すれば、所定の曲線を求めることが出来る。
【００１１】
図２、図３と図４に示す正確な軌跡の切取及びこの軌跡を素子に移し非球面素子を加工することに関する方法及び装置によれば、ます、α、φとＬの精確な値に基づき、円錐体１３と軌跡切取体１２との精確な位置を確定する。そして、素子９の円に最も近い円心と揺動軸の軸線１５と合わせ、軌跡切取体１２と円錐体１３との接触点Ｄと回転砥石１０の研削面とを同一垂直線上に保たせ、少しの推力によって円錐体１３と軌跡切取体１２とを終始に接触させる。この際、揺動軸モーター１６を起動し、揺動台１を揺動させることによって円錐体１３の上から所定の二次曲線方程式の精確な軌跡が描かれる。これで、回転砥石１０と素子９を回転させ、素子９を回転砥石に向け、僅かながら切込み送りを与えることにより、切取った軌跡に基づき、回転砥石が精確に素子上の余分量を研削する。繰り返しの研削及び研磨により余分量が全部削られ、切取った軌跡が精確に素子９に移され、所定の曲線方程式の軌跡と完全一致な高精度二次非球面を作り出される。
【００１２】
また、凸非球面の加工装置を示す図２に示すように、非球面加工装置が、揺動台１、推力支持具２、推力器３、素子軸駆動モーター４、円錐体移動ガイトスクリュー５、案内台６、素子装着軸７、支え座８、回転砥石１０、支持フレーム１１、軌跡取得体１２、円錐体１３、マシンベット１４、揺動軸１５、揺動軸モーター１６、素子軸ボックス１７等によって構成される。素子９が素子装着軸７回りに回転すると同時に円錐体１３と共に揺動台１に従って揺動軸１５回りに素子の半張角度αの範囲内に揺動する。円錐体１３がスプリング推力器３に推され、軌跡切取体１２にぴったりくっ付けられる。当該装置の上に素子軸ボックス１７を取り付け、素子軸ボックス１７を揺動台１の上に縦にスライドできるようにする。揺動台１に固定された推力支持具２と素子軸ボックス１７の間に推進器３を取り付ける、図２に示すように、推進器３に利用されるスプリングの推力を錘の引っ張る力に取って代わることも可能にする。支持フレーム１１成はマシンベット１４の上に軌跡切取体１２を取り付け、前後上下移動可能にする。軌跡切取体１２の先端を回転砥石１０の外円周研削面と同じ垂直面上に合わせることによって、正確に軌跡を取得することとその軌跡を精確に素子９に移すことを保つ。回転砥石１０を支持フレーム１１の上に取り付ける。つまり、軌跡切取体１２との位置を固定させる。支え座８に円錐体１３を取り付け、円錐体の軸線と揺動軸１５との角度を算出されたφに調整する。支え座８を案内台６の上に固定させ、案内台６を素子軸ボックス１７の底にある案内に固定させ、円錐体移動ガイトスクリュー５を回して案内台６を案内に沿ってスライドさせ、円錐体１３を前後移動させる。円錐体１３が後ろに移動すると同時に素子軸ボックス１７が前に移動し、素子９を回転砥石１０に接触させ、素子上の加工あまりを削りながら円錐体１３から軌跡切取体より切取った軌跡を精確に素子９に移し、非球面を創成する。
【００１３】
また、凹非球面の加工を示す図３と図４に示すように、凹非球面を加工するとき、回転砥石の半径が素子の半径より小さいでなければならない。図３に示すように、円盤状の砥石を用いて曲率半径の大きい凹非球面を加工する。図４に示すように、円柱状の砥石を用いて曲率半径の小さい凹非球面を加工する。
【００１４】
また、円錐体に取って代わって一つ凸或は凹の高次非球面平板型板を用いれば、凸或は凹の高次非球面を加工することが出来る。
【００１５】
また、凸非球面の加工状況を示す図２によれば、円錐体１３と軌跡切取体１２との接触点Ｄが移動軸の軸線１５の右側にある場合、凸非球面の加工を実現できる。凹非球面の加工状況を示す図３と図４によれば、円錐体１３と軌跡切取体１２との接触点Ｄが移動軸の軸線１５の左側にあり、しかも回転砥石の半径が素子の曲率半径より小さいである場合、凹非球面の加工を実現できる。
【００１６】
なお、上記実施例において、移動台１に取り付けられた回転砥石１０を自転させる同時に移動させ、支持フレーム１１に素子９を取り付け、素子９を回転させ、円錐体１３と軌跡切取体１２との位置を入れ替えることによって、本発明の加工目的を同じく実現できる。
【００１７】
また、本発明は上記実施形態に示す構成のものに限定されず、請求項に記載した範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。
【００１８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかな如く請求項１又は請求項６の本発明によれば、二次曲線が円錐曲線であるため、所定の円、楕円、放物線、双曲線等のあらゆるサイズの二次曲線を円錐体１３から切取ることができる。
【００１９】
また、請求項１又は請求項６の発明によれば、所定の二次曲線方程式ｙ２＝ｆ（ｘ）から導かれた計算式を用いて変数α、φとＬの精確な値を求めることが出来るため、所定の二次方程式の精確な軌跡を確定することが出来る。
【００２０】
また、請求項１又は請求項６の発明によれば、取り付けられた軌跡転送装置が簡単で高い精確性を有し、φとＬの値を微調整することにより素子表面形状の誤差を除去でき、取得した曲線軌跡を精確に素子９に移すことが出来る。これによって高精度の非球面を得ることが出来る。
【００２１】
また、請求項１又は請求項６の発明によれば、非球面素子の加工効率が高く、加工コストが低い。つまり、加工軌跡を正確に切取られ、加工過程において軌跡を精確に素子に移せる、しかも一回装着するだけで研削、精研削、研磨等のすべて加工工程を完成できるため、加工効率が高く、加工コストが低くとなる。
【００２２】
また、請求項１又は請求項６の発明によれば、加工装置の操作が簡単で、操作者に高い技術レベルを要求しない、専門家による操作を必要としないため、広範囲の普及が容易となる。このため、非球面素子の加工の難題を有効に解決でき、現行の球面光学素子の加工効率と加工コストに近い加工効率及び加工コストを得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における円錐体から軌跡を切取る概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態における凸非球面素子を加工する装置の概略構成図である。
【図３】本発明の実施形態における凹非球面素子を加工する装置の概略構成図である。
【図４】本発明の実施形態における円柱形回転砥石を用いて凹非球面素子を加工する概略構成図である。
【符号の説明】
１    揺動台
２    推力支持具
３    推力器
４    素子軸駆動モーター
５    円錐体移動ガイトスクリュー
６    案内台
７    素子装着軸
８    支え座
９    加工素子
１０  回転砥石
１１  支持フレーム
１２  軌跡切取体
１３  円錐体
１４  マシンベット
１５  揺動軸
１６  揺動軸モーター
１７  素子軸ボックス
【図１】
2004338076.tif 000003
【図２】
2004338076.tif 000004
【図３】
2004338076.tif 000005
【図４】
2004338076.tif 000006