(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークスピンドルに絶縁体を介して把持された被加工材と、
工具スピンドルに把持された導電性材料からなる工具と、
前記被加工材と前記工具間に形成した閉回路と、
前記閉回路に発振器から高周波電流を供給するリングコイルと、
前記閉回路に発生する誘導電流を検出するリングコイルとを備え、
前記工具スピンドルを回転させながら前記工具を接触させずに前記被加工材のまわりを円弧移動させ、誘導電流を検出する前記リングコイルが検出した前記誘導電流に基づいて設定値に対する前記工具スピンドルの工具中心軸位置及び工具径の遠心力による誤差を演算手段により求め、前記誤差が無くなるように前記工具スピンドルの工具径及び工具中心軸位置を補正して被加工面を研削することを特徴とする精密機械加工方法。
【請求項２】
前記演算手段では工具径の誤差ΔＲを
Ｘ２２＋（Ｚ２＋ΔＲ）２＝Ｒ２２  、Ｒ２＝Ｒ１＋ｄ＋ΔＲ
ただし、（Ｘ２，Ｚ２）：工具先端位置、Ｒ１：マスターボール径、
Ｒ２：工具軌跡径、ｄ：間隔
で求め前記工具スピンドルの工具径を手動あるいは自動で補正し、
工具中心軸位置の誤差ΔＸを
（Ｘ２−ΔＸ）２＋Ｚ２２＝Ｒ２２、Ｒ２＝Ｒ１＋ｄ
ただし、（Ｘ２，Ｚ２）：工具先端位置、Ｒ１：マスターボール径、
Ｒ２：工具軌跡径、ｄ：間隔
で求め前記工具スピンドルの工具中心軸位置を手動あるいは自動で補正することを特徴とする請求項１に記載の精密機械加工方法。
【請求項３】
前記演算手段では工具中心軸位置の誤差ΔＲ及び工具径の誤差ΔＸを同時に求め、前記工具スピンドルの工具中心軸位置及び工具径を手動あるいは自動で補正することを特徴とする請求項２に記載の精密機械加工方法。
【請求項４】
前記演算手段は前記被加工面を研削中に前記工具スピンドルを回転させながら補正を行なうことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の精密機械加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、精密機械加工方法に関し、特に金型などの導電性の被加工材を精密に研削する精密機械加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
カメラ、映像機器などの超精密光学部品では、小型、軽量などの特徴を持つ、非球面レンズが普及しつつある。ガラスモールドレンズの高精度化に対する要求は強く、レンズを加工、製造する上で、レンズの金型には高い形状精度が要求されている。金型の材料は形状の精度化、良好な面粗さ、熱的影響の低減から、超硬合金が用いられることが多いが、難削材であることから金型の加工では、研削加工が主流になっている。
【０００３】
軸対称非球面レンズ用金型加工方法の一例として、工具、被加工材の位置関係を用いて、ソロバン型工具をＮＣプログラムに従って、回転中の被加工材の外周部より中心部へ加工するクロス研削法が利用されている。この方法では加工段取り時に設定される工具径と工具中心軸位置が、加工精度に影響を与える大きな誤差要因の一つとして上げられる。工具中心軸とは、工具が被加工材の外周を回転移動する際の回転軸であり、工具径とは、工具が被加工材の外周を回転移動する際の回転半径である。加工段取り時とは実際に研削加工する前に、工具径と工具中心軸位置を調節する状態である。形状誤差が生じると、誤差解析や再加工に伴い加工効率が低下することになる。
【０００４】
工具径や工具中心軸位置の測定には次に述べるような方法がある。
【０００５】
現在用いられている主な計測方法として、静的にピンゲージを工具に接触させ測定する方法とイメージセンサを用いて画像処理により非接触で測定する方法がある。
【０００６】
図９（Ａ）には静止している工具形状を測定する方法の一例として、ピンゲージを用いる接触式測定方法を示した。この方法は、十分な真円度が確保され、直径が正確に測定されているピンゲージをワーク軸に取り付け、静止している工具を両端から接触させることにより、ワーク軸回転中心に対する工具径や工具中心軸位置を測定する方法である。ピンゲージを用いる方法は、高精度なピンが比較的容易に入手できることから、安価でμｍ単位の測定が可能である。
【０００７】
また、図９（Ｂ）は回転している工具形状を測定する方法の一例として、イメージセンサを用いる方法を示した。近年、イメージセンサの高精度化に伴い、高い分解能が得られる。この方法は、非接触法であるため工具が回転中であっても測定が可能であり、１００万画素のイメージセンサで２〜３μｍ程度の分解能がえられる。
【特許文献１】特開平１０−００６１９１号公報
【特許文献２】特開平０６−２１０４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図９（Ａ）にピンゲージを用いる接触式測定方法を示したが、この方法は安価で精度が高い特徴があるが、人的誤差が生じやすく、熟練された技術者による計測が必要となる。また工具軸を回転させた時の遠心力や回転中心軸のずれは計測できず、余裕を見た段取り、加工が必要になる。そのため、形状計測、修正研削の回数が多くなることから、加工効率が低下する問題がある。
【０００９】
また図９（Ｂ）にイメージセンサを用いる方法を示した。この方法は非接触法であるため工具が回転中であっても計測ができる手法であるが、カメラの設置状態や測定位置が工具の曲率部分であることから、焦点位置の判別が難しく、システム誤差としては十分な測定精度が得られない問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、金型などの被加工面を研削するシステムにおいて、回転中の工具形状を、短時間に高精度で測定することができ、安価で信頼性が高い測定方法を備えた精密機械加工方法を提供することを目的とする。
【００１１】
上記目的を達成するために、導電性被加工材をワークスピンドルに絶縁体を介して把持し、導電性工具を工具スピンドルに把持する。被加工材と工具間で構成される閉回路に高周波電流供給することで、誘導電流を励起させ、工具と被加工材間に生じる静電容量を非接触で測定することにより、回転している工具と被加工材間の間隔の誤差を高精度で求める。演算手段でこの誤差をもとに幾何学的な演算を行い、工具径と工具中心軸位置の誤差に分離してそれぞれの誤差を求め、工具径と工具中心軸位置を正確に補正することを特徴とする。この補正に要する時間は十数秒程度と短く、加工効率を大幅に改善できる。また、測定方法がシンプルであるため、安価で、信頼性が高い測定が可能である。
【発明の効果】
【００１２】
超精密の研削加工では、加工段取り、砥石の設定状況、加工条件など、加工能率や加工精度に影響を与える要因が多く、さらに、高い形状精度を得るために行なわれる｛加工−測定−加工｝の作業サイクルでは、経験値を含め多くのデータベースが必要とされている。中でも加工前の段取り段階における工具形状誤差、すなわち、工具径および工具中心軸位置の誤差は非加工工程にもかかわらず、加工効率に与える影響が極めて大きく、また人的誤差が主であるため、これを抑える努力が必要不可欠である。また、加工前の段取り時は工具が回転しており、遠心力等の影響を受け変形するため、工具径および工具中心軸位置の誤差を高精度で計測する必要がある。
【００１３】
本発明によれば回転している工具の工具径および工具中心軸位置を高精度で計測することができ、その測定時間は１０数秒と非常に短時間で手動あるいは自動的に誤差を修正でき、加工効率を大幅に改善することができる。また、工具と被加工材間の静電容量の計測により、工具径および工具中心軸位置の誤差を計測する方法は、新たな計測装置を必要とせず、安価で信頼性が高い特徴を有している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
ここでは超精密非球面研削盤を例にとり、図面を参照して本発明を具体的に説明する。
【００１５】
図１に本発明に基づいた超精密非球面研削盤の概略構成を示す。
【００１６】
本装置はＸＹＺの各軸が１ｎｍの検出および移動分解能を有するものである。ＸＺ軸が水平軸として配置され、Ｘ軸テーブル上に設置されたＹ軸が垂直方向に移動する。
【００１７】
ワークスピンドル２はＺ軸上に、工具スピンドル５はＹ軸テーブルに取り付けられ、機械本体１に設置されている。両スピンドルとも空気軸受けによって軸が支持されている。
【００１８】
被加工材３として超微粒超硬合金製の平面形状または凸面形状（Ｒ＝１０ｍｍ）を用い、絶縁材４を介してワークスピンドル２を取り付けた。
【００１９】
工具６としては導電性レジノイドボンド砥石（Φ７０）を用いた。砥粒および粒度はダイヤモンド＃３０００である。砥石先端形状は円弧状（Ｒ＝５ｍｍ）に機上ツルーイングした。測定中には実際の加工中と同様、砥石軸を回転させ、研削液を供給した。
【００２０】
工具６−被加工材３間の間隔は機械本体１−工具６−被加工材３から構成される閉回路７における励起された誘導電流の変化によって計測した。誘導電流は発信器８より高周波電流を閉回路７に取り付けられたリング９ｂに供給することで行なった。励起された誘導電流は、前記閉回路７に取り付けられたリング９ａによって検出し記録計１１で記録した。検出された信号には機械本体１等からのノイズが混入するため、励起周波数帯でのバンドパスフィルタ１０を通し出力した。各部の静電容量を測定したところ、スピンドル軸受け間が７．３７ｎＦに対し、工具６と被加工材３（間隔約５μｍ）が０．４２ｎＦであった。そこで、閉回路７内のインピーダンスを低減するため励起周波数は１ＭＨｚとした。
【００２１】
図２に工具軸を回転させながら数値指令により、Ｚ軸に沿って被加工材３に接近させ、その後、接近時とは逆方向に離脱させるように移動させた場合の記録計１１に記録された出力値を示す。図２（Ａ）は３μｍ、図２（Ｂ）は１μｍのステップで工具軸を移動した場合の応答性を示す。
【００２２】
図２（Ａ）より、工具６と被加工材３間の間隔が狭くなると出力値がほぼ反比例して増加している。工具６と被加工材３の間隔が最も狭い点で、出力値も最大になり、接近時と離脱時のステップ変化も相対性を持っており、このことから再現性が確認できる。
【００２３】
さらに、図２（Ｂ）に示す１μｍのステップ送りにおいても、階段状のステップ変化が確認できることから、測定時の応答性や再現性も十分得られていることが分かる。
【００２４】
図３に、図２（Ｂ）において最も間隔が狭くなった位置より０．１μｍのステップで工具６を被加工材３に近づけた時の出力値を示す。出力値に急激な変化が見られるが、これは、工具６と被加工材３が接触したことを示しており、接触した瞬間を検出できる特徴がある。
【００２５】
図４に凸面形状のマスターボールを用いて測定を行った時のマスターボールと工具との位置関係を示す。マスターボールは工具中心軸位置と工具径とを測定するための基準球であり、０．２μｍ程度の形状精度が確保されている。
【００２６】
以下に測定の流れを示す。
（１）工具６として砥石を用い、砥石の回転を停止した状態で、砥石とマスターボールを静的に接触させ、砥石中心位置（工具中心軸位置）と砥石径（工具径）の設定値を決定する。
（２）次に、加工時の雰囲気と一致させるため、加工液を供給しながら砥石を回転させ（１）で得られた砥石中心位置と砥石径をもとにマスターボールと一定の間隔を保ちながら円弧補間によりメモリ運転をする。なお円弧補間中の機械の現在位置と出力値は同時に記録する。
（３）砥石中心位置や砥石径の設定値が正確であれば、間隔は一定に保たれ、出力値は一定になるが、実際にはこれら２つの誤差要因によって出力値が一定にならない。
（４）測定値より、誤差量を計算し修正した砥石中心位置と砥石径によって再度円弧補間によりメモリ運転を行いながら出力値が一定になるまで測定を行なう。
以上の操作により、加工前の工具径や工具中心軸位置を正確に設定することができる。
【００２７】
図５（Ａ）に工具径Ｒ２が設定値より小さく、図５（Ｂ）にさらに工具中心軸位置に誤差がある場合の工具軌跡を示した。図中Ｒ１はマスターボール径、Ｒ２は工具軌跡径（マスターボールに近接する工具先端の軌跡径）である。また、Ａ（Ｘ１，Ｚ１）はマスターボール径Ｒ１の任意の点であり、Ｘ１はマスターボール径Ｒ１のＸ座標、Ｚ１はマスターボール径Ｒ１のＺ座標である。一方、Ｂ（Ｘ２，Ｚ２）は工具先端が描く工具軌跡径Ｒ２の任意の点であり、Ｘ２は工具軌跡径Ｒ２のＸ座標、Ｚ２は工具軌跡径Ｒ２のＺ座標である。
マスターボールは常にワーク軸回転中心に把持されているため、表面形状（Ｘ１、Ｚ１）は下記のように定義される。
【００２８】
【数１】
0004001290.tif 000002
これに対し、工具径に誤差がある場合はＺ軸方向に誤差量ΔＲをシフトさせた円弧軌道と考えることができ、工具先端位置（Ｘ２，Ｚ２）は次式で示される。
【００２９】
【数２】
0004001290.tif 000003
【００３０】
【数３】
0004001290.tif 000004
三平方の定理から、Ｚ２について上式が成り立つ。
【００３１】
【数４】
0004001290.tif 000005
数２及び数３から、Ｘ２について上式を導くことができる。
【００３２】
【数５】
0004001290.tif 000006
工具径Ｒ２はマスターボール径Ｒ１と間隔ｄと誤差ΔＲの和で表されるため、Ｒ２について上式を導くことができる。上式を任意θに沿って計算すると、工具径が設定値よりも小さい場合は、θが小さくなるほど、すなわちマスターボールの頂点に近づくほど間隔ｄが小さくなる。つまり中央部では周辺部よりも大きな出力が得られることになる。
【００３３】
同様に、図５（Ｂ）に示すように工具中心軸誤差がある場合は、Ｘ軸方向に誤差量ΔＸをシフトさせた円弧軌道と考えることができ、工具、すなわち工具の先端位置（Ｘ２，Ｚ２）は次式で示される。
【００３４】
【数６】
0004001290.tif 000007
【００３５】
【数７】
0004001290.tif 000008
三平方の定理から、Ｚ２について上式が成り立つ。
【００３６】
【数８】
0004001290.tif 000009
数７及び数８から、Ｘ２について上式を導くことができる。
【００３７】
【数９】
0004001290.tif 000010
工具径Ｒ２はマスターボール径Ｒ１と間隔ｄの和で表されるため、上式を導くことができる。この場合、測定開始点と終了点で間隔ｄが異なり、測定開始点と終了点では、不均衡な出力結果が得られる。
【００３８】
実際には上述した２つの要因の和によって形状誤差が生じるが、マスターボールの周辺部と中心部の出力差、測定開始点と終了点の出力差をそれぞれ計測することによって工具径と工具中心軸位置の誤差に分解することができる。
【００３９】
図６に本方法を用いて工具径および工具中心軸位置を補正する方法を示す。
【００４０】
図６（Ａ）は静的に工具６と被加工材３を接触させて得られた工具中心軸位置、工具径を用いて設定値から円弧補間を行った時の出力例を示す。測定距離は２４．６ｍｍ、軸送り速度は１２０ｍｍ/分のため測定時間は１２秒程度と短時間で行なうことができる。図６（Ａ）では、測定時間の経過と共に出力値が低下し、経過時間が８秒程度の位置で、出力値が最小になっている。工具−マスターボールの間隔が出力値に反比例することから、円弧補間開始側の間隔が狭くなっている。このことから工具中心軸位置に誤差があり、実際の工具径が設定値より大きいことを示している。
【００４１】
まず、工具中心軸位置の誤差を修正する。図６（Ｂ）に工具中心軸位置を設定値に対し、Ｘ軸プラス方向へ５μｍ移動したときの出力値を示す。図６（Ａ）に対し、測定開始点と終了点の出力が逆の傾向を示している。図６（Ｂ）では測定開始点と終了点の出力差は１５ｍＶである。
【００４２】
図７に工具−マスターボール間の間隔と出力の関係を示す。測定範囲内ではほぼ直線性が得られていると考えると、１μｍの間隔で９ｍＶが得られている。そのため、１５ｍＶの出力差は測定開始点と終了点で１．６μｍの誤差が生じていることになる。
【００４３】
この１．６μｍの誤差は図８（Ａ）の工具中心軸誤差特性から、工具中心軸誤差が３μｍのときの出力差に相当していることから、工具中心軸位置を図６（Ｂ）の状態から−３μｍの位置に設定する。なお、図８は上述の演算式を適用し、工具径および工具中心軸位置に誤差が生じた時の出力差から求めた、マスターボール中心部と周辺部の誤差と工具径誤差の関係（図８（Ａ））、及び、測定開始点と終了点の誤差と工具中心軸誤差の関係（図８（Ｂ））を示す特性図である。
【００４４】
図６（Ｃ）は工具中心軸位置を補正後、工具径を設定値に対し＋４０μｍとしたときの出力を示す。工具中心軸位置が補正されているため測定開始点と終了点の値はほぼ等しくなっている。図６（Ｃ）より左右に比べ中央付近の値が約７ｍＶ程度増加しており、設定値が実際の工具径より大きくなっていることが分かる。図７より７ｍＶの出力は０．８μｍに相当する。
【００４５】
さらに、図８（Ｂ）の工具径誤差特性から、工具径誤差が２３μｍであることが分かる。そこで、図６（Ｃ）の工具径の設定値に対し、−２３μｍの補正を行なう。図６（Ｄ）に補正を行なった後に再び円弧補間したときの出力値を示す。図６（Ｄ）ではほぼ一様な出力が得られており、円弧移動の中心と半径が、それぞれ工具中心軸位置と工具径に一致したと考えられる。なお、図６では突起状の変化が見られるが、測定中のノイズであり、測定精度には影響を与えない。
【００４６】
このようにしてマスターボールを用いて、工具中心軸位置と工具径を決定した後、マスターボールの代わりに荒加工が終了した被加工材を取り付け加工に入る。工具軌跡の設定値に対する誤差から、前記幾何学的演算式を用いて工具径と工具中心軸位置の誤差を求め形状誤差を修正する方法として、工具中心軸位置の誤差を求め工具中心軸位置を修正した後、次に工具径の誤差を求め工具径の設定値を修正する操作を繰り返すことで、高精度で修正する方法を説明したが、工具径と工具中心軸位置の誤差を前記演算手段により、解析的に求め、同時に修正する方法を採ることもできる。さらに、工具形状誤差の修正は手動あるいは自動のいずれかによる。なお、加工においても本方法を用いて荒加工終了後の工作物の形状を把握することにより切込み等を迅速に設定することも可能である。
【００４７】
以上に超精密非球面の研削について説明したが、本発明はあらゆる曲面の研削に応用できることは明白である。たとえば、切削加工、レーザ加工、電子ビーム加工などに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態を示したもので、超精密非球面研削盤の概略図である。
【図２】本発明の実施形態を示したもので、工具をＺ軸に沿って移動した場合の出力値を示す特性図である。
【図３】本発明の実施形態を示したもので、図２の最も間隔が狭くなった位置でさらに０．１μｍのステップで間隔を縮小した場合の出力値を示す特性図である。
【図４】本発明の実施形態を示したもので、被加工材の変わりにマスターボールを取り付けた場合の工具と被加工材の位置関係を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態を示したもので、工具径が設定値より小さく、さらに工具中心軸位置に誤差がある場合の工具軌跡を示す平面図である。
【図６】本発明による工具径および工具中心軸位置を補正する方法を示す特性図である。
【図７】本発明による工具−マスターボール間の間隔と出力の関係を示す特性図である。
【図８】本発明による工具径および工具中心軸位置に誤差が生じた時の演算式による計算結果を示す特性図である。
【図９】従来の静的にピンゲージを工具に接触させ測定する方法とイメージセンサを用いて画像処理により非接触で測定する方法を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４９】
１    機械本体
２    ワークスピンドル
３    被加工材
４    絶縁材
５    工具スピンドル
６    工具
７    閉回路
８    発振器
９ａ  リングコイルａ
９ｂ  リングコイルｂ
１０  バンドパスフィルタ
１１  記録計
【図１】
0004001290.tif 000011
【図２】
0004001290.tif 000012
【図３】
0004001290.tif 000013
【図４】
0004001290.tif 000014
【図５】
0004001290.tif 000015
【図６】
0004001290.tif 000016
【図７】
0004001290.tif 000017
【図８】
0004001290.tif 000018
【図９】
0004001290.tif 000019