JPH10328995A

JPH10328995A - 曲面研削加工方法

Info

Publication number: JPH10328995A
Application number: JP13419697A
Authority: JP
Inventors: Shunji Chiaki; 俊司千明
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-05-26
Filing date: 1997-05-26
Publication date: 1998-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】互いに直交する２方向の面が非円弧の軸非対
称曲面である軸非対称曲面レンズであっても、高精度に
研削加工が可能な曲面研削加工方法を提供する。【解決手段】本発明は、所定の曲率半径を有する球形
の砥石を備える回転可能な研削工具６を用い、砥石の曲
率半径中心を研削工具６の回転中心軸上に位置させると
ともに砥石の回転軌跡を前記所定の曲率半径を有する真
球とさせた状態で、研削工具６を軸非対称曲面レンズ１
の加工面に対して相対的に移動させて、軸非対称曲面レ
ンズ１の加工面を研削加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子の光学機
能面あるいは光学素子を成形する成形用型の光学機能面
等を、曲面の中でも特に軸非対称曲面に研削加工する曲
面研削加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学素子または成形用型等の被加
工物の光学機能面を軸非対称曲面に加工する方法とし
て、ＮＣ平面研削盤による外周面がＲ形状の砥石を用い
る方法あるいはＮＣフライス盤等によるボールエンドミ
ル工具（以下、単に工具と称する）を用いる方法があ
る。

【０００３】上記方法は、両者とも被加工物と砥石（あ
るいは工具）との相対位置を制御して加工を行うもので
あるが、それぞれ砥石の形状誤差あるいは工具の真球精
度や摩耗等により形状精度的に限界があるといわれ、更
なる高精度化へ対応するための技術として以下の提案が
なされている。

【０００４】その一例として、特開平８−２５７８８６
号公報に開示された技術（以下、従来技術１と称する）
がある。この従来技術１は、Ｘ軸テーブルとＹ軸テーブ
ルをそれぞれ直交するＸ軸とＹ軸の向きに移動制御自在
に配置するとともに、このＸ軸とＹ軸に直交するＺ軸方
向の向きに回転スピンドルを配置する。そして、回転ス
ピンドルの下端に砥石を取り付け、加工する被加工物の
接線と砥石とが常に直角に接するように回転スピンドル
をＸ軸テーブルの上に取り付ける。

【０００５】一方、Ｙ軸テーブルの上には、回転割り出
し可能な回転軸を配置するとともに、この回転軸の回転
中心から所望の距離のところに被加工物を保持する保持
具を取り付け固定する。この保持具に保持させた被加工
物の先端と砥石の加工点を一致させ、回転スピンドルを
回転させるとともに回転軸を旋回させることにより、被
加工物を円弧形状に加工する。

【０００６】そして、Ｘ軸テーブルとＹ軸テーブルの同
時２軸ＮＣ制御により、回転軸とともに保持具に保持さ
せた被加工物をＹ軸方向に駆動制御して被加工物を非球
面形状に高精度に加工するものである。

【０００７】また、他の例として、特開平７−２９９７
４６号公報に開示された技術（以下、従来技術２と称す
る）がある。この従来技術２は、被加工物に三次元の非
回転対称非球面を、外周面が球面状である円盤状砥石に
より加工する非球面加工装置であって、非球面加工装置
のベッド上に、被加工物をワーク支持台の前面に設けら
れた真空チャックで保持しつつＸ軸方向に移動するワー
ク用スライドテーブルと、このワーク用スライドテーブ
ルに対して直交するＺ軸方向に砥石を水平移動する砥石
スライドテーブルと、砥石スライドテーブルに取り付け
られており前記Ｘ軸とＺ軸に直交するＹ軸方向（上下方
向）に移動可能に円盤状砥石を砥石のシャンク部に装着
した砥石ヘッドとを有する。

【０００８】上記被加工物を保持するワーク用スライド
テーブル上に、ツルアを固定したツルーイング装置を設
け、またベッド上のＺ軸方向に、ストロボ装置と顕微鏡
を対向して設置し、両者の間に砥石スライドテーブルに
て支持される砥石を位置決めすることによって、砥石の
各端部の映像を検知して砥石の径を測定する。そして、
被加工物を保持するワーク用スライドテーブル上に、ワ
ーク支持台と並列的にツルアを固定したツルーイング装
置を固定する。

【０００９】上記ツルーイング装置によって、砥石外周
面は砥石中心から均一な半径を持った球面状に高精度に
ツルーイングされる。次に、前記砥石の径を測定し、得
られた砥石半径Ｒを補正データとして形状データが再計
算され、この新しい形状データに基づいて、加工機のＸ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸制御をし、軸非対称曲面の加工を
高精度に行うものである。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術１では、前記加工によって得られた成形用型の軸
非対称加工面の互いに直交する断面形状が、一方の断面
形状は任意の曲面に加工可能であるものの、他方の断面
形状は回転軸の回転中心からの距離で決定されるもので
ある。従って、従来技術１は、同一面上の一方が円弧
で、直交する他方が非円弧である軸非対称曲面のみしか
対応できないといった問題が生じてしまう。

【００１１】上記従来技術２では、円盤状砥石を用いて
加工することから、被加工物の所望の軸非対称曲面が半
球になるほど円盤状砥石を保持するシャンク部の外周面
と被加工物の外縁部とが接触しやすくなり、特に深くて
小さい凹形状なものに対して制約を受けることとなる。
これを回避するためにシャンク部の径を小さくすると、
シャンク部に剛性がなくなり被加工物の加工面における
加工精度の劣化につながる。従って、従来技術２は、軸
非対称曲面が深くて小さい半球のものに対して加工が困
難といった問題が生じてしまう。

【００１２】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
のであり、互いに直交する２方向の面が非円弧の軸非対
称曲面であっても、さらには曲率の大小に係わらず研削
工具と被加工物との干渉がない、高精度に軸非対称曲面
等の研削加工が可能な曲面研削加工方法を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明に係る曲面研削加工方法は、所定の曲率
半径を有する球形の砥石を備える回転可能な研削工具を
用い、前記砥石の曲率半径中心を前記研削工具の回転中
心軸上に位置させるとともに前記砥石の回転軌跡を前記
所定の曲率半径を有する真球とさせた状態で、研削工具
を被加工物の加工面に対して相対的に移動させて、被加
工物の加工面を研削加工する。

【００１４】また、第２の発明に係る曲面研削加工方法
は、第１の発明に係る曲面研削加工方法において、前記
研削工具の回転中心軸が、被加工物の加工面内に位置し
ないように、前記研削工具を保持する研削スピンドルを
一定角度傾ける。

【００１５】さらに、第３の発明に係る曲面研削加工方
法は、第１または第２の発明に係る曲面研削加工方法に
おいて、前記研削工具は、砥石の曲率半径中心を基準と
して研削工具の回転中心軸から外周方向に向かって９０
°以上の範囲が砥石であるものを用いた。

【００１６】すなわち、第１の発明に係る曲面研削加工
方法は、砥石の曲率半径中心を前記研削工具の回転中心
軸上に位置させるとともに前記砥石の回転軌跡を前記所
定の曲率半径を有する真球とさせた状態で、研削工具を
被加工物の加工面に対して相対的に移動させて、被加工
物の加工面を研削加工する。

【００１７】また、第２の発明に係る曲面研削加工方法
は、前記研削工具の回転中心軸が、被加工物の加工面内
に位置しないように、前記研削工具を保持する研削スピ
ンドルを一定角度傾ける。

【００１８】さらに、第３の発明に係る曲面研削加工方
法は、砥石の曲率半径中心を基準として研削工具の回転
中心軸から外周方向に向かって９０°以上の範囲が砥石
である研削工具を回転させる。

【００１９】

【発明の実施の形態】

（発明の第１の実施の形態）本発明の第１の実施の形態
における軸非対称曲面レンズの斜視図を図１に示し、そ
の正面図を図２に、Ａ−Ａ断面図を図３に、Ｂ−Ｂ断面
図を図４に示す。そして、軸非対称曲面レンズを研削工
具で研削加工する加工機の説明図を図５に示し、この研
削工具の拡大図を図６に、研削工具を回転させた状態の
説明図を図７に示す。また、図１のＢ−Ｂ断面図である
軸非対称曲面レンズの光軸中心上で研削工具が作用する
状態を図８に示し、図１のＡ−Ａ断面図である軸非対称
曲面レンズの光軸中心上で研削工具が作用する状態を図
９に示す。そして、軸非対称曲面レンズの加工順序およ
び加工時の砥石の軌跡を図１０に示す。

【００２０】なお、本実施の形態では、図４に示す軸非
対称曲面レンズ１（ガラスレンズ）の最外周と曲率中心
とを結ぶ線と軸非対称曲面レンズ１の光軸とがなす角θ
₁とθ₂の和が９０°以下になるように凹形状の軸非対
称曲面レンズ１をダイヤモンド砥粒を持つ研削砥石８で
加工する。

【００２１】図５において、加工機は、超精密ＣＮＣ加
工機であり、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸方向にスライド可
能なＸ軸スライドテーブル２、Ｙ軸スライドテーブル３
およびＺ軸スライドテーブル４を有し、３軸同時制御で
運転可能で、Ｚ軸スライドテーブル４上に回転可能な主
軸５を備えたものである。

【００２２】この主軸５の先端には、軸非対称曲面レン
ズ１の素材が保持されている。一方、研削工具６は、そ
の回転中心軸１０ｂが精密に回転するスピンドル（以
下、研削スピンドル７と称する）の回転中心軸１０ａと
同軸となるようにして研削スピンドル７に保持されてい
る。また、研削スピンドル７はＹ軸スライドテーブル３
に対してＹ軸平面上でθ方向（円周方向）へ回動可能で
任意に傾けられるように取り付けられている。

【００２３】図６において、研削工具６の先端に備えら
れているダイヤモンド砥粒を有する所定の曲率半径Ｒ₁
の研削砥石８は、その曲率半径中心９が研削工具６の回
転中心軸１０ｂの軸上に位置している。また、研削砥石
８は、砥石８の曲率半径中心９を基準として研削工具６
の回転中心軸１０ｂから外周方向へ向かって９０°以上
の砥石有効部１２を持っており、図７に点線で示す研削
砥石８の回転軌跡１１が曲率半径Ｒ₁の球面になるよう
に構成されている。

【００２４】上記研削工具６のシャンク部（研削砥石８
から研削スピンドル７に至る部分）６ａの径は、研削砥
石８の回転軌跡１１よりも小さくなっている。これによ
り、軸非対称曲面レンズ１の加工面とシャンク部６ａと
の干渉をなくなり、半球状の曲面の加工を可能としてい
る。

【００２５】本実施の形態の研削スピンドル７の傾き角
度θは、以下のように設定される。図４において、傾き角度θ＝研削砥石の有効範囲（°）／２−（θ₁−
θ₂）／２となる。

【００２６】従って、角度θ₁＝θ₂のときは、傾き角度θ＝研削砥石の有効範囲（°）／２となる。

【００２７】次に、上記加工機によって軸非対称曲面レ
ンズを研削加工する方法を図８乃至図１０を用いて説明
する。まず、研削工具６の研削砥石８の回転中心９と軸
非対称曲面レンズ１の光軸中心１３とが一致し且つ研削
砥石８が軸非対称曲面レンズ１に接した位置をＮＣ座標
値のＸ，Ｙを０とし、曲率半径Ｒ₁の数値に書き換える
（ＮＣプログラムが研削砥石８の回転中心９を基準にし
て、各テーブル２，３，４を動かす）。これにより、Ｘ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸の基準位置が設定される。

【００２８】研削加工は、図１０に示す加工開始ライン
Ｌ１０１から行うが、研削工具６の研削砥石８の当接点
８ａが加工開始ラインＬ１０１を通過するように加工ラ
インに対し研削砥石８の当接点８ａの変化を考慮に入れ
て、研削砥石８の回転中心９の軌跡（図８に示すＹ方向
移動ラインＹＬ及び図９に示すＸ方向移動ラインＸＬの
交点）の各加工点の位置データを計算してＮＣプログラ
ムを作成する。

【００２９】この作成されたＮＣプログラムにより、Ｎ
Ｃ加工機のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の各方向の移動をＮＣ制御
し、１つのラインの加工を行う。この１つのラインの加
工が終了するとＹ軸をＮＣ制御し、次のラインＬ１０２
へ移動して同様の加工を行う。

【００３０】このように加工開始ラインＬ１０１からラ
インＬ１０２、Ｌ１０３、…とＹ軸方向に細分化した全
てのラインの加工を行うことにより、軸非対称曲面レン
ズ１を形成することができる。

【００３１】本実施の形態によれば、研削工具の研削砥
石を球状として加工することにより、複雑な軸非対称曲
面レンズであってもＮＣプログラムを容易に作成でき、
常に周速を持つ研削砥石にて連続した研削加工が可能と
なり、軸非対称曲面レンズにおいて高精度な光学面が得
られる。また、研削砥石にダイヤモンド砥粒を用いてい
るため、研削加工のみで良好な光学面が得られる。

【００３２】なお、本実施の形態では、加工順序におい
てＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で制御される横方向の加工ラインを
被加工物である軸非対称曲面レンズに対してＹ軸制御に
て下から上に移動させ研削加工を行っているが、逆に上
から下に移動させて研削加工を行うことができ、さらに
は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸で制御される縦方向の加工ライン
を軸非対称曲面レンズに対してＸ軸制御にて横方向に移
動させても研削加工が可能となる。

【００３３】また、被加工物の材質は、研削加工が可能
なものであれば、ガラスに限らず、アクリル樹脂等の光
学用樹脂を用いても良く、また、成形用型の材質は、超
硬、セラミックス等を用いても良い。

【００３４】さらに、研削工具の研削砥石にｃ−ＢＮ
（立方晶窒化ホウ素）を用いることで、ダイヤモンドと
親和性の良い鉄系の材料からなる被加工物についても、
高精度に加工が行える。

【００３５】（発明の第２の実施の形態）本発明の第２
の実施の形態における軸非対称曲面レンズの斜視図を図
１１に示し、その正面図を図１２に、Ｃ−Ｃ断面図を図
１３に、Ｄ−Ｄ断面図を図１４に示す。そして、図１２
のＤ−Ｄ断面図である軸非対称曲面レンズの光軸中心上
あるいは最外周１６上で研削工具が作用する状態を図１
５に示す。そして、軸非対称曲面レンズの加工順序およ
び加工時の砥石の軌跡を図１６および図１７に示す。

【００３６】なお、本実施の形態では、図１４に示す軸
非対称曲面レンズ１４の最外周と曲率中心とを結ぶ線と
軸非対称曲面レンズ１４の光軸とがなす角θ₃とθ₄が
それぞれ９０°になるようにすなわち半球の凹形状の軸
非対称曲面レンズ１４をダイヤモンド砥粒を持つ研削砥
石８で加工した。

【００３７】本実施の形態の加工機の構成は、第１の実
施の形態で用いたものと同様であり、図５に示す研削ス
ピンドル７の傾き角θを水平（０°）に近い状態とし、
図１２に示すＣ−Ｃラインの上の面と下の面の２つに分
けて加工する。なお、研削スピンドル７の傾き角θは、
１°以上で砥石有効範囲−９０°未満としている。

【００３８】軸非対称曲面レンズ１４を加工するための
Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の基準位置の設定を第１の実施の形態
と同様に行い、研削加工は非対称曲面レンズ１４の光軸
中心１５上のＣ−Ｃライン（ラインＬ２０１）を加工開
始ラインとし、第１の実施の形態と同様にＮＣプログラ
ムを作成する。そして、図１６に示すように加工開始ラ
インＬ２０１からラインＬ２０２、ラインＬ２０３、…
とＹ軸方向に細分化した全てのラインの加工を行うこと
により、軸非対称曲面レンズ１４の半分の面が形成され
る。

【００３９】次に、図１７に示すように光軸中心１５を
中心に軸非対称曲面レンズ１４を１８０°反転させ、上
記工程と同様に加工開始ラインＬ２０１、ラインＬ２０
２、ラインＬ２０３、…とＹ軸方向に細分化した全ての
ラインの加工を行うことにより、もう半分の面が形成さ
れ、軸非対称曲面レンズ１４が形成される。

【００４０】本実施の形態によれば、研削スピンドルを
傾けることにより半球あるいは半球に近い曲面レンズで
あっても研削加工が可能となり、高精度な光学面を得る
ことができる。

【００４１】（発明の第３の実施の形態）本発明の第３
の実施の形態における軸外し非曲面成形用型の斜視図を
図１８に示し、この軸外し非球面成形用型の光軸との位
置関係を図１９に示す。軸外し非曲面成形用型の加工順
序および加工時の砥石の軌跡を図２０に示す。そして、
軸外し非曲面成形用型の成形面上の研削工具が作用する
状態の側面図を図２１に示す。

【００４２】なお、本実施の形態では、図１８に示す軸
外し非球面成形用型１７を第１の実施の形態と同様な方
法で加工した。本実施の形態の加工機の構成は、第１の
実施の形態で用いたものと同様であり、図１９に示すよ
うに成形面１７ａには光軸１８が含まれないので、図５
に示す研削スピンドル７の傾き角θを水平（０°）に近
い状態とし、第１の実施の形態と同様な方法で加工す
る。

【００４３】軸外し非曲面成形用型１７を加工するため
のプログラムは、前記成形面１７ａの範囲の中の非球面
データを、第１の実施の形態と同様に図２１に示すライ
ンＬ３０１を研削工具６の研削砥石８の当接点８ａが通
過するように書き換え作成する。そして、図２１に示す
ようにラインＬ３０１を加工開始ラインとし、ラインＬ
３０２、ラインＬ３０３、…とＹ軸方向に細分化した全
てのラインの加工を行う。これにより、軸外し非球面成
形用型１７が形成される。

【００４４】本実施の形態によれば、軸外し非球面成形
用型においても特別な治具を用いずに研削加工が可能と
なり、高精度な光学面を得ることができる。なお、本実
施の形態では、軸外し非球面成形用型を研削加工した
が、軸外し非球面ミラーやレンズ等も研削加工できる。

【００４５】

【発明の効果】請求項１による本発明の曲面研削加工方
法によれば、曲率の大小に拘わらず軸非対称曲面あるい
は軸外し非球面等の曲面に加工できる効果を奏する。ま
た、研削砥石を真球としているのでプログラム作成時の
補正が容易である利点がある。

【００４６】請求項２による本発明の曲面研削加工方法
によれば、請求項１の効果に加えて、曲面全面を良好に
加工できる効果を奏する。請求項３による本発明の曲面
研削加工方法によれば、請求項１または請求項２の効果
に加えて、半球状であっても高精度で加工できる効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における軸非対称曲
面レンズを示す斜視図である。

【図２】第１の実施の形態における軸非対称曲面レンズ
を示す正面図である。

【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。

【図４】図２のＢ−Ｂ断面図である。

【図５】第１の実施の形態の加工機を示す側面図であ
る。

【図６】第１の実施の形態の研削工具を示す正面図であ
る。

【図７】第１の実施の形態の研削工具を示す平面図であ
る。

【図８】軸非対称曲面レンズの光軸中心上で研削工具が
作用する状態の側面図である。

【図９】軸非対称曲面レンズの光軸中心上で研削工具が
作用する状態の平面図である。

【図１０】加工時の研削砥石の軌跡および加工順序を示
す説明図である。

【図１１】第２の実施の形態における軸非対称曲面レン
ズを示す斜視図である。

【図１２】第２の実施の形態における軸非対称曲面レン
ズを示す正面図である。

【図１３】図１２のＣ−Ｃ断面図である。

【図１４】図１２のＤ−Ｄ断面図である。

【図１５】第２の実施の形態における加工状態を示す側
面図である。

【図１６】第２の実施の形態における一方の面の加工時
の研削砥石の軌跡を示す正面図である。

【図１７】第２の実施の形態における他方の面の加工時
の研削砥石の軌跡を示す正面図である。

【図１８】第３の実施の形態における軸外し非曲面成形
用型を示す斜視図である。

【図１９】第３の実施の形態における軸外し非曲面成形
用型の光軸との位置関係を示す平面図である。

【図２０】第３の実施の形態における研削加工時の研削
砥石の軌跡および加工順序を示す説明図である。

【図２１】第３の実施の形態における軸外し非曲面成形
用型の成形面上の研削工具の作用状態を示す側面図であ
る。

【符号の説明】

１軸非対称曲面レンズ２Ｘ軸スライドテーブル３Ｙ軸スライドテーブル４Ｚ軸スライドテーブル５主軸６研削工具７研削スピンドル８研削砥石１４軸非対称曲面レンズ１７軸外し非球面成形用型

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の曲率半径を有する球形の砥石を備
える回転可能な研削工具を用い、前記砥石の曲率半径中
心を前記研削工具の回転中心軸上に位置させるとともに
前記砥石の回転軌跡を前記所定の曲率半径を有する真球
とさせた状態で、研削工具を被加工物の加工面に対して
相対的に移動させて、被加工物の加工面を研削加工する
ことを特徴とする曲面研削加工方法。
【請求項２】前記研削工具の回転中心軸が、被加工物
の加工面内に位置しないように、前記研削工具を保持す
る研削スピンドルを一定角度傾けることを特徴とする請
求項１に記載の曲面研削加工方法。
【請求項３】前記研削工具の砥石は、砥石の曲率半径
中心を基準として研削工具の回転中心軸から外周方向に
向かって９０°以上の範囲の砥石有効部を特徴とする請
求項１または請求項２に記載の曲面研削加工方法。