JP2003159640A - 曲面研削加工方法 - Google Patents

曲面研削加工方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、研削加工時間を低減でき、さらに
は砥石磨耗による加工誤差を低減し、高精度な非軸対称
曲面等の研削加工を実現できる曲面研削加工方法を提供
するする。 【解決手段】 本発明は、外周が凸の球面形状からな
り、かつ、回転半径R1が非軸対称曲面レンズ1の被加
工面1aの長尺方向の曲面の半径より小さく、外周半径
が被加工面1aの短尺方向の曲面の半径より小さいディ
スク型研削砥石7を用い、このディスク型研削砥石7と
被加工面1aとを、前記ディスク型研削砥石7の回転中
心軸方向(Y軸方向)へ相対的に接触移動させて、被加
工面1aを研削加工することを特徴とするものである。

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
能面又は光学素子を成形する成形用型の光学機能成形面
等を、曲面の中でも特に非軸対称曲面に研削加工可能な
曲面研削加工方法及び曲面研削加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光学素子の加工技術では、高精度
な形状創成が困難であった非軸対称曲面形状を、砥石と
被加工物の相対位置を制御して研削加工する技術が実用
化されている。この研削加工法では、加工機の機械要素
を高精度に制御することによって高い加工精度を実現し
ている。しかし、加工精度の要求がさらに高まるにつ
れ、様々な要因による加工誤差が問題となってきた。
【0003】その一例として、特開平9−314450
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、円盤状に形成された研
削砥石の側面を用いてNC加工する場合、研削砥石の外
径を考慮して工具軌跡を算出する必要があり、研削砥石
の磨耗による変形を整形すると、研削砥石の外径が小さ
くなるため、工具軌跡を再度算出しなければならないと
いう問題がある。
【0004】これは、研削砥石の再整形前と再整形後と
において、同一の工具軌跡を用いてNC加工ができず、
工具軌跡変更に伴う加工精度のばらつきが生じるという
事情に基づいたものである。
【0005】その解決策として球面状に整形された研削
砥石を用いる例がある。この場合には、研削砥石を再度
整形しても、球面部の半径は変わらず、NC加工する場
合、研削砥石を再度整形した場合でも再度の整形により
研削砥石が削られた量に対応する距離だけ研削開始時に
おける位置をずらすだけでよく、工具軌跡を再度算出す
る必要はないという利点がある。従って、研削砥石の再
整形前と再整形後とにおいて、同一の工具軌跡を用いて
NC加工することができ、工具軌跡変更に伴う加工精度
のばらつきを抑制することが可能となる。
【0006】また、他の例として、特開平8−2439
05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、加工後に工作物の
形状誤差を測定し、そのデータを元に再加工を行う方法
であるが、再現性のある系統的な誤差は除去できるもの
の、再現性の無い要因に起因する加工誤差を完全に除去
することはできず、高まる要求精度に対応がつかない。
【0007】また、測定・再加工に伴う加工時間の増加
や、工数の増加が加工能率の低下をもたらすという問題
も包含している。
【0008】その解決策として、回転する砥石と工作物
との相対位置を、予め求めた計画に従って変化させなが
ら工作物を研削し当該工作物の形状を加工する研削加工
方法がある。この場合には、前記砥石の磨耗量と当該砥
石の回転軸方向の変位量とを、前記加工と並行して検出
し、検出した砥石の磨耗量と砥石の回転軸方向の変位量
とに応じて、逐次、砥石の前記工作物への切り込み量を
補正する加工方法である。以上から、補正は加工と並行
してリアルタイムに行われるので、再加工が不要となる
ものである。
【0009】
【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、被加工物の加工面が凹形状をした非軸対
称曲面の場合、球面研削砥石の加工面への干渉を避ける
ために、長尺及び短尺方向の曲率より球面砥石の径を小
さくする必要がある。球面砥石の径が小さくなること
は、同時に砥粒切刃の減少になり、砥石切れ味の早期劣
化、または早期の砥石摩耗が生じてしまい、高精度の加
工面が得られなくなる。
【0010】また、非軸対称曲面加工は、例えば長尺方
向の一断面を研削加工した後、短尺方向へ任意ピッチ量
ずれて再度長尺方向の一断面を研削加工することを繰り
返し全面を加工している。その場合、加工後の加工面の
表面租さは短尺方向へのピッチ量と球面砥石径の関係で
決定される。
【0011】従って、球面砥石径が小さくなれば、その
分ピッチ量も小さくする必要があり、結果として加工時
間の延長になる。
【0012】また、上記従来技術2では、砥石の磨耗量
を加工と並行して検出し、補正をリアルタイムで行って
いるが、加工中は研削液等の関係で検出された磨耗量に
は誤差が含まれる。さらに非軸対称曲面の研削加工にお
いては、砥石外周径の設定されたある範囲で加工される
ことから、前記砥石外周径の検出された磨耗量にも誤差
が含まれるものとなる。
【0013】以上から、補正を加工とリアルタイムで行
っても正確な磨耗量検出が難しいことから、一回の加工
にて高精度に研削加工を行うことは困難である。
【0014】請求項1記載の発明に係る曲面研削加工方
法は、被加工物の被加工面を研削加工するに際して、デ
ィスク型砥石外周が凸のr形状からなり、且つディスク
型砥石回転半径Rが前記ディスク型砥石外周より大きい
工具を用い、このディスク型研削砥石の回転中心軸方向
へ相対的に移動させて研削加工を行うものである。
【0015】従って、被加工面の長尺あるいは短尺方向
の曲率に合わせたディスク型研削砥石を用いられること
から砥石を大きく設定可能となり加工時間の削減及び砥
石切れ味の早期劣化、早期磨耗を防ぐことができる。
【0016】請求項2記載の発明は、請求項1記載の曲
面研削加工方法にらおいて、前記ディスク型研削砥石の
研削加工中の磨耗による外周半径及び回転半径の変位を
見込んで予め設定された制御データに従いディスク型研
削砥石を被加工物の被加工面に対して相対的に接触移動
させて、被加工物の被加工面を研削加工することを特徴
とするものである。
【0017】請求項2記載の発明の曲面研削加工方法に
よれば、予めディスク型研削砥石の外周半径及び回転半
径の磨耗を予測して被加工物の被加工面を研削加工する
もねのであるから、請求項1記載の発明の作用を発揮す
ることに加えて、被加工面の高精度な研削加工を行うこ
とができる。
【0018】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
【0019】(実施の形態1) (構成)図1乃至図11は本発明の実施の形態1を示す
ものである。
【0020】図1は本発明の実施の形態1における非軸
対称曲面レンズの斜視図であり、図2は非軸対称曲面レ
ンズの正面図、図3は図2のA−A線断面図、図4は図
2のB−B線断面図である。
【0021】図1乃至図4に示す非軸対称曲面レンズ1
は、ガラスによって成形され、その前面が被加工面1a
となっており、その被加工面1aを図5に示す加工機2
0のディスク型研削砥石7によって研削加工するもので
ある。
【0022】図5は、前記非軸対称曲面レンズ1を研削
加工するディスク型研削砥石7を含む加工機20を示す
ものであり、超精密CNC加工機が使用されている。
【0023】この加工機20は、ベース5上に、X軸、
Y軸方向に移動可能な砥石駆動手段を構成するX軸テー
ブル2、Y軸テーブル3と、Z軸方向に移動可能な被加
工物駆動手段であるZ軸テーブル4を有し、3軸方向へ
図示しない制御装置により移動制御しながら運転可能と
なっている。X軸テーブル2及びZ軸テーブル4はベー
ス5上での離隔した位置に設置されており、Y軸テーブ
ル3はX軸テーブル2上に設置されている。
【0024】Z軸テーブル4上には、加工機20の主軸
6が取り付けられ、この主軸6の先端に非軸対称曲面レ
ンズ1が固定されるようになっている。本実施の形態1
において、Z軸は主軸6の軸6aと平行な軸となってお
り、また、X軸は主軸6の軸6aに対して垂直な軸、Y
軸はZ軸とX軸によって形成される面に対して垂直な軸
となっている。
【0025】ディスク型研削砥石7は、Y軸テーブル3
に取り付けたスピンドル(研削スピンドル)8に保持さ
れることにより、前記非軸対称曲面レンズ1と対向配置
されている。このディスク型研削砥石7の回転中心軸7
aは、回転する研削スピンドル8の回転中心軸8aと高
精度をもって同軸に設定される。
【0026】図6はディスク型研削砥石7の斜視図、図
7はディスク型研削砥石7の正面図である。ディスク型
研削砥石7は、ダイヤモンド砥粒からなり、回転半径R
1は非軸対称曲面レンズ1の長尺方向(図2のX方向)
の被加工面1aの半径(図3のR’)より小さく、外周
部の半径r1は非軸対称曲面レンズ1の短尺方向(図2
のY方向)の被加工面1aの半径(図4のr’)より小
さく設定されている。次に、加工機20の制御装置に用
いるNCプログラムの内容について説明する。図8は非
軸対称曲面レンズ1に対するディスク型研削砥石7の加
工軌跡を示す斜視図、図9は加工軌跡を示す正面図、図
10はディスク型研削砥石7の外周の非軸対称曲面レン
ズ1のY方向での当接点の変化を示し、図11は非軸対
称曲面レンズ1のX方向での設計形状に対するディスク
型研削砥石7の当接点の軌跡を示す。
【0027】本実施の形態1の研削加工方法によると、
図10に示すように、ディスク型研削砥石7がY軸テー
ブル3によって非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの
Y方向の下端Y−から上端Y+に移動しつつ、それと同
時にZ軸テーブル4によって非軸対称曲面レンズ1が移
動し、Y方向の一断面を研削加工する。
【0028】このような研削加工を、図9に示す非軸対
称曲面レンズ1の被加工面1aのX方向のプラス側の端
X+から任意のピッチで非軸対称曲面レンズ1のX軸中
心X0まで繰り返す。
【0029】この時、図10に示すように、ディスク型
研削砥石7の外周は、被加工面1aとの接触位置に対応
してこの被加工面1aに対する当接点Pr1a、Pr1
b、Pr1cが万遍なく変化する。
【0030】この場合、被加工面1aの一断面の加工中
におけるディスク型研削砥石7の外周は、当接点Pr1
a、Pr1b、Pr1cが順に変化することで砥石磨耗
による加工精度への悪影響は防止できるが、被加工面1
aの端X+からX軸中心X0への加工に伴い、ディスク
型研削砥石7の外周の磨耗が生じて回転半径R1が変化
し、図11に示すように、非軸対称曲面レンズ1の設計
形状9に対し、同図に点線で示す実加工形状10にな
り、形状誤差が発生してしまう。そこで、予め実験によ
り求めたディスク型研削砥石7の摩耗量データを加味し
て、X+からX0までが設計形状9に研削されるように
加工機20の制御装置に用いるNCプログラムを作成す
る。
【0031】(作用)次に、この実施の形態1における
加工機20による非軸対称曲面レンズ1の研削加工につ
いて説明する。
【0032】第1の工程として、図9、10に示すよう
に、ディスク型研削砥石7をX軸方向のプラス側の端X
+で、かつY軸方向に下降する。同時に、主軸6に取り
付けられた非軸対称曲面レンズ1をZ軸方向に前進させ
るというX、Y、Zの同時3軸移動により、非軸対称曲
面レンズ1の被加工面1aの端(X+、Y−)とディス
ク型研削砥石7の外周を接近させる。
【0033】そして、ディスク型研削砥石7をY軸テー
ブル3によって非軸対称曲面レンズ1の加工面1aのY
方向の端(下端)Y−から端(上端)Y+に移動させな
がら、同時にZ軸テーブル4によって非軸対称曲面レン
ズ1を移動させることにより、ディスク型研削砥石7を
図8に示す加工ラインLO1に沿って移動させる。
【0034】この結果、ディスク型研削砥石7によっ
て、非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの端Y−から
端Y+に向かうY方向の一断面が研削加工される。
【0035】このような加工を、図9に示す非軸対称曲
面レンズ1の加工面1aのX方向のプラス側の端X+か
ら任意のピッチで非軸対称曲面レンズ1のX軸中心X0
まで繰り返すことにより、非軸対称曲面レンズ1の被加
工面1aの半分が加工形成される。
【0036】次に、第2の工程として上述した加工と同
様に、X方向の残りの半分(マイナス側)をX方向のマ
イナス側の端X−からX軸中心X0まで加工することに
より、非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの全面が加
工形成される。
【0037】(効果)本実施の形態1によれば、被加工
面1aの長尺及び短尺方向の曲率に合わせた外周を有す
るディスク型研削砥石7を用いることから、どちらか一
方の小さい曲率にディスク型研削砥石7を合わせる必要
がなく、ディスク型研削砥石7を大きく設定できること
から、砥石切れ味の早期劣化及び早期磨耗を回避でき、
高精度な被加工面1aを得ることができる。
【0038】また、ディスク型研削砥石7の回転半径R
1を大きくとれ、その回転中心軸方向(Y軸方向)にこ
のディスク型研削砥石7を移動させることにより、ピッ
チ量も大きくできることから、加工時間の削減にもな
る。
【0039】更には、予め加工時のディスク型研削砥石
7の砥石摩耗を予測していることから、一回の加工で高
精度な形状精度が得られ、砥石磨耗の予測に関しても、
被加工面1aの半面加工時の予測であることから、全面
加工時の予測を行う場合より高精度とすることができ
る。
【0040】尚、本実施の形態1では、回転中心軸方向
(Y軸方向)の加工ラインを被加工面1aに対し下から
上に移動させる設定を行っているが、反対に上から下に
移動させて加工しても良く、さらには、X軸方向の任意
ピッチを取る場合も外周から中心へ向けて移動させてい
るが、逆に中心から外周に向けて移動させるようにして
も良い。
【0041】また、被加工物としては、ガラスからなる
非軸対称曲面レンズ1を用いているが、この他、超硬、
セラミックス等からなる被加工物の加工にも適用するこ
とができ、また鉄系の材料に対しては、研削砥石にCB
Nを用いることで高精度に加工できる。
【0042】(実施の形態2) (構成)図12は本発明の実施の形態2の曲面研削加工
方法、即ち、非軸対称曲面レンズ1に対する加工軌跡を
示したものであり、加工ラインL+01、L+02・
・、L−01、L−02・・のような加工軌跡で非軸対
称曲面レンズ1の被加工面1を加工するもである。
【0043】加工機20の構成、研削加工方法は、実施
の形態1の場合と同様であるが、本実施の形態2では、
非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの加工ラインの設
定を以下のように行う。
【0044】即ち、実施の形態1の場合と同様に、非軸
対称曲面レンズ1の被加工面1aのX方向のプラス側の
端X+01にてY軸、Z軸での加工ラインL+01のデ
ータを作成し、その後、前記X+01の位置と対称なX
方向のマイナス側の位置X−01でのY軸、Z軸での加
工ラインL−01のデータを作成する。
【0045】これによってX軸中心X0に対する+、−
方向の対称な位置での加工ラインが形成される。次に、
前記X+01の位置からX軸中心X0方向へ任意ピッチ
移動した位置X+02にてY軸、Z軸での加工ラインL
+02のデータを作成する。この後、前記X+02の位
置と対称なX方向のマイナス側の位置X−02でのY
軸、Z軸での加工ラインL−02のデータを作成する。
以上のデータの作成手順を繰り返し、X軸中心X0まで
の加工ラインに関するNCプログラムを作成する。
【0046】(作用)次に、本実施の形態2による研削
加工を再び図10を参照し、更に図12を用いて説明す
る。
【0047】非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの一
端、即ち、X軸が図12に示すX方向のプラス側の端X
+01の位置で、Y軸が図10に示すY方向の下降した
マイナス側の端Y−で、被加工面1aの一端とディスク
型研削砥石7の外周と接近させる。
【0048】そして、ディスク型研削砥石7をY軸テー
ブル3によって非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの
Y方向の端(下端)Y−から端(上端)Y+に移動させ
ながら、同時にZ軸テーブル4によって非軸対称曲面レ
ンズ1を移動させることにより、ディスク型研削砥石7
を図12に示す加工ラインL+01に沿って移動させ
る。
【0049】この結果、ディスク型研削砥石7によっ
て、非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの端Y−から
端Y+に向かったY方向の一断面が研削加工される。そ
の後、X軸テーブル2、Y軸テーブル2、Z軸テーブル
4を移動させて、前記端X+01の位置と対称なX方向
のマイナス側の端X−01で、Y軸が図10に示すY方
向の下降したマイナス側の端Y−で、被加工面1aをデ
ィスク型研削砥石7の外周と接近させ、前記加工ライン
L+01と同様に加工ラインL−01に沿って移動させ
る。
【0050】次に、前記端X+01の位置からX軸中心
X0の方向へ任意ピッチ移動した位置X+02で、Y軸
が図10に示すY方向の下降したマイナス側の端Y−
で、被加工面1aをディスク型研削砥石7の外周と接近
させ、前記加工ラインL+01と同様に加工ラインL+
02に沿って移動させる。
【0051】その後、X軸テーブル2、Y軸テーブル
2、Z軸テーブル4を移動させて、前記位置X+02の
位置と対称なX方向のマイナス側の位置X−02で、Y
軸が図10に示すY方向の下降したマイナス側の端Y−
で、被加工面1aをディスク型研削砥石7の外周と接近
させ、前記加工ラインL+02と同様に加工ラインL−
02に沿って移動させる。以上の操作を繰り返しX軸中
心X0まで加工ラインを移動させて、非軸対称曲面レン
ズ1の被加工面1aの全面を加工する。
【0052】(効果)本実施の形態2によれば、工程を
分けることなく非軸対称曲面レンズ1の被加工面1a全
面を研削加工でき、X軸中心X0に関する対称位置を交
互に研削加工することから、NCデータはX座標につい
てプラスとマイナスが変わるだけであり、簡単に作成で
き、さらには砥石磨耗量の見込みも容易に行うことがで
きる。
【0053】尚、本実施の形態の形態2では、加工ライ
ンをL+01→L−01→L+02→L−02・・と順
次設定しているが、この他加工ラインをL+01→L−
01→L−02→L+02・・のように設定しても良
い。
【0054】(実施の形態3) (構成)本発明の実施の形態3は、実施の形態1の第2
工程のX方向の半分(マイナス側)の加工に関する変形
例であり、図1に示す非軸対称曲面レンズ1を加工する
ものである。加工機20の構成、研削加工方法、NCプ
ログラム作成方法は実施の形態1と同様である。
【0055】(作用)本実施の形態3において、被加工
面1aの研削加工は、第1の工程として、実施の形態1
と同様に図9に示す非軸対称曲面レン1の被加工面1a
のX方向のプラス側の端X+から任意のピッチで、加工
ラインをL01、L02、L03・・・というように非
軸対称曲面レンズ1のX軸中心X0まで繰り返すことに
より、非軸対称曲面レンズ1の被加工面1aの半分が研
削加工される。
【0056】この後、非軸対称曲面レンズ1を、主軸6
の軸6aを中心に180度反転して、上述した第1の工
程と同様にして被加工面1aの半分(未加工部分)を加
工することにより、非軸対称曲面レンズ1の被加工面1
aの全面を加工形成する。
【0057】(効果)本実施の形態3によれば、被加工
物である非軸対称曲面レンズ1を被加工面1aが半分加
工された時点で反転させることにより、単一のNCプロ
グラムにより被加工面1aの全面加工が可能となりNC
プログラムの簡略化を図れる利点がある。
【0058】
【発明の効果】請求項1記載の発明によれば、加工時間
の削減が図れ、また、砥石切れ味の早期劣化、早期磨耗
を防ぐことができる曲面研削加工方法を提供することが
できる。
【0059】請求項2記載の発明によれば、請求項1記
載の発明の効果に加え、被加工面の高精度な研削加工を
行うことができる曲面研削加工方法を提供することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1の被加工物を示す斜視図
である。
【図2】本発明の実施の形態1の被加工物を示す正面図
である。
【図3】図2のA−A線断面図である。
【図4】図2のB−B線断面図である。
【図5】本発明の実施の形態1の加工機の概略構成図で
ある。
【図6】本発明の実施の形態1のディスク型研削砥石の
斜視図である。
【図7】本発明の実施の形態1のディスク型研削砥石の
正面図である。
【図8】本発明の実施の形態1の非軸対称曲面レンズに
対するディスク型研削砥石の加工軌跡を示す斜視図であ
る。
【図9】本発明の実施の形態1,3の非軸対称曲面レン
ズに対するディスク型研削砥石の加工軌跡を示す正面図
である。
【図10】本発明の実施の形態1の加工時のディスク型
研削砥石の外周の非軸対称曲面レンズに対する当接の状
態を示す正面図である。
【図11】本発明の実施の形態1の加工時の非軸対称曲
面レンズ形状誤差を示す説明図である。
【図12】本発明の実施の形態2の加工時のディスク型
研削砥石の軌跡を示す正面図である。
【符号の説明】 1 非軸対称曲面レンズ 1a 被加工面 2 X軸テーブル 3 Y軸テーブル 4 Z軸テーブル 5 ベース 6 主軸 6a 軸 7 ディスク型研削砥石 7a 回転中心軸 8 スピンドル 8a 回転中心軸 9 設計形状 10 実加工形状 20 加工機

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ディスク型の砥石であって、ディスク型
    砥石外周(ディスク型砥石回転中心軸方向断面での砥石
    側面部)が凸のr形状からなり、且つディスク型砥石回
    転半径Rが前記ディスク型砥石外周より大きい工具を用
    い、 このディスク型研削砥石と被加工物の被加工面とを、前
    記ディスク型研削砥石の回転中心軸方向へ相対的に接触
    移動させて、被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。
  2. 【請求項2】 前記ディスク型研削砥石の研削加工中の
    磨耗による外周半径及び回転半径の変位を見込んで予め
    設定された制御データに従いディスク型研削砥石を被加
    工物の被加工面に対して相対的に接触移動させて、被加
    工物の被加工面を研削加工することを特徴とする請求項
    1記載の曲面研削加工方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH1015800A (ja) * 1996-07-05 1998-01-20 Olympus Optical Co Ltd 研削加工方法
JP2001310249A (ja) * 2000-04-26 2001-11-06 Canon Inc 光学素子の加工方法及び、光学素子成形用金型の加工方法、並びに、トーリックレンズ

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