JP2005177874A

JP2005177874A - 球面創成加工装置及び球面創成加工方法

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Publication number: JP2005177874A
Application number: JP2003418264A
Authority: JP
Inventors: Takuya Akahori; 拓也赤堀
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2023-12-16
Also published as: JP4524097B2

Abstract

【課題】高精度な凹面加工深さを持った加工物を量産することが可能な球面創成加工装置を提供することにある。
【解決手段】光学素子１を載置する載置台２と、光学素子１に凹球面を加工する球状の工具５と、この工具を転動自在に保持する保持部を一端に有すると共に、この保持部内に保持された工具を超音波発振器８からの超音波によって超音波振動させるホーン６と、このホーンに保持された工具と対向するように光学素子を固定する載置台２と、工具と光学素子とを所定の荷重を有して当接させる加圧シリンダ３と、工具の加工によって生じる載置台の変位量を測定するマイクロメータ４と、加圧シリンダの加圧方向に対向して前記載置台の高さを固定できるストッパ１２と、ストッパを昇降位置決めできるサーボモータ１４と、砥粒を含む加工液を光学素子と工具との当接部位に供給するディスペンサ２０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、光学レンズや光学素子などに対し、微小な凹球面を所望の深さに精度良く創成加工する球面創成加工装置及び球面創成加工方法に関する。

従来、光学レンズや光学素子等の球面創成加工装置及び球面創成加工方法が知られている（例えば、特許文献1参照。）。この特許文献1に開示された球面創成加工方法及び球面創成加工装置は、図１２に示すように構成されている。

すなわち、図１２中、１０１は被加工物である光学素子であり、載置台１０２に固定されている。載置台１０２は加圧シリンダ１０３及び不図示の案内機構により、上方へ加圧されることができる。また、載置台１０２の上面にはマイクロメータ１０４の端子が接触しており、載置台１０２の高さの検出が可能となっている。一方、鋼球からなる球状の工具１０５は、テーパ状の外形に成型されたホーン１０６により転動自在に保持されている。ホーン１０６は、軸体１０７を介して超音波発振器１０８に固定されており、コントローラ１０９によって超音波の出力を制御可能になっている。

前記ホーン１０６、軸体１０７及び超音波発振器１０８によって上軸部１１０を構成しており、この上軸部１１０は、ボールネジ１１１と、不図示の案内機構及びモータ１１２により球状の工具１０５を保持したまま昇降可能となっている。ディスペンサ１１３は不図示の案内によってディスペンサ１１３の針の先端が工具１０５及び光学素子１０１近辺に移動することが可能で、球状の工具１０５と光学素子１０１の間に加工液１１４を塗布することが可能である。

次に作用について説明する。光学素子１０１は、載置台１０２に固定されたまま、加圧シリンダ１０３及び案内機構によって上方に加圧され、加圧シリンダ１０３のストロークエンドで停止する。上軸部１１０は、球状の工具１０５を保持したままボールネジ１１１と、案内機構及びモータ１１２により下降し、やがて工具１０５は光学素子１０１に接触する。

そのまま下降すると、載置台１０２は上軸部１１０に押し下げられ、マイクロメータ１０４の値が変化する。この変化を検知してモータ１１２は停止し、上軸部は下降を停止する。ここで案内機構によりディスペンサ１１３が移動し、工具１０５と光学素子１０１の間に加工液１１４を塗布した後、ディスペンサ１１３は待機位置に戻る。このときのマイクロメータ１０４の値を記憶し、目標加工深さの値を加算して、加工を停止すべきマイクロメータ１０４の値を算出する。

コントローラ１０９によって出力を制御された超音波が超音波発振器１０８から発振され、軸体１０７、ホーン１０６を介して工具１０５が振動する。この振動により加工液１１４と光学素子１０１の間に摩擦が生じ、光学素子１０１は徐々に削れ、やがて工具１０５と反対形状、つまり凹面が形成される。光学素子１０１に凹面が形成されると、工具１０５はその分光学素子１０１の中にのめりこむ形となり、載置台１０２は徐々に上昇する。やがてマイクロメータ１０４の値が加工を停止すべき値になった時点で、超音波の出力を停止し、加工を終了すれば、光学素子１０１に工具１０５とほぼ同じ半径の凹面が目標深さで形成される。
特開平１１−３３３７０２号公報

前記特許文献１の球面創成加工方法及び球面創成加工装置は、マイクロメータ１０４によって目標加工深さを検出するが、加工は超音波発振器１０８が発生する振動によって行われるため、加工時のマイクロメータ１０４の値はある振幅を持ったチャタリングを発生した状態となる。従って、チャタリング中のマイクロメータ１０４の値が加工を停止すべき値に一瞬でもなった時に加工を停止しても、実際の光学素子１０１の凹面は、目標深さに到達していないことが多い。このチャタリングの発生により、マイクロメータ１０４の値から光学素子１０１の正確な目標凹面深さを検知することが難しい。

また、このため、超音波発振を停止するタイミングは、マイクロメータ１０４が加工を停止すべき値を検知した後、ある一定のタイムラグをおくことが要求されるが、凹面の加工速度は加工が進むにつれて徐々に早くなるため、加工速度が一定とならない。また塗布された加工液１１４内の砥粒の形状や量のばらつきや、工具１０５の面精度のばらつき、光学素子１０１の加工面形状のばらつきによっても、加工速度が変化し、同じ段階においても、加工速度が一定とはなり得ない。従って、同一のタイムラグをおいて加工を終了しても、光学素子１０１の凹面深さにばらつきが生じ、目標の凹面深さで生産することが、困難であった。

この発明は、前記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、加工液、工具、被加工物のばらつきに左右されることなく、正確な目標の凹面深さの加工物が得られる球面創成加工装置及び球面創成加工方法を提供することである。

この発明は、前記目的を達成するために、請求項１は、被加工物に凹球面を加工する球状の工具と、この工具を転動自在に保持する保持部を一端に有すると共に、この保持部内に保持された前記工具を超音波発振器からの超音波によって超音波振動させるホーンと、このホーンに保持された工具と対向するように前記被加工物を固定する載置台と、前記工具と前記被加工物とを所定の荷重を有して当接させる加圧手段と、前記工具の加工によって生じる前記載置台の変位量を測定する測定手段と、前記加圧手段の加圧方向に対向して前記載置台の高さを固定できるストッパと、前記ストッパを昇降位置決めできる位置決め手段と、砥粒を含む加工液を前記被加工物と前記工具との当接部位に供給する加工液供給手段とを備えたことを特徴とする球面創成加工装置にある。

請求項２は、超音波発振器に接続されたホーンの保持部に球状の工具を転動自在に保持し、被加工物を載置する載置台の加圧方向に対向する位置にあるストッパを載置台に当接させた状態で、前記被加工物を加圧手段によって所定の荷重で前記工具に当接させ、砥粒を含む加工液を前記工具と被加工物との当接部位に供給し、このときの前記載置台の位置を載置台の変位量を測定する測定手段によって記憶した後、前記ストッパを目標加工深さ分、前記載置台の加圧方向に移動させて固定し、前記ホーンを介して前記工具を超音波振動させて前記被加工物に凹球面を創成すると共に、この凹球面の創成に伴って生じる前記載置台の変位量により凹球面の深さを測定し、前記載置台が再び前記ストッパに当接し、かつ前記載置台が目標位置になった時点で超音波振動を停止し、加工終了とすることを特徴とする球面創成加工法にある。

この発明によれば、チャタリングに影響されることなく、より高精度な凹面加工深さを持った加工物を量産することが可能となる。

以下、この発明の各実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１の実施形態を示す球面創成加工装置の概略的構成図である。１は被加工物である光学素子であり、載置台２に固定されている。載置台２は加圧手段としての加圧シリンダ３及び不図示の案内機構により、上方へ加圧されることができる。また、載置台２の上面には測定手段としてのマイクロメータ４の端子４ａが接触しており、載置台２の高さの検出が可能となっている。また、他方の載置台２の上面にはストッパ１２が接触している。このストッパ１２はボールネジ１３、不図示の案内機構及び位置決め手段としてのサーボモータ１４により、ナット１５を介して昇降可能となっている。

一方、鋼球からなる球状の工具５は、テーパ状の外形に成型されたホーン６により、転動自在に保持されている。ホーン６は、軸体７を介して超音波発振器８に固定されており、超音波コントローラ１６によって超音波の出力を制御可能になっている。前記ホーン６、軸体７及び超音波発振器８によって上軸部９が構成されている。上軸部９は、ナット１７を介してボールネジ１８と、不図示の案内機構及びサーボモータ１９により、工具５を保持したまま昇降可能となっている。加工液供給手段としてのディスペンサ２０は不図示の案内によってディスペンサ２０の針２０ａの先端部が工具５及び光学素子１近辺に移動することが可能で、工具５と光学素子１の間に加工液１０を塗布することが可能である。

次に、図２〜図９に基づいて、第１の実施形態の作用を説明する。図２において、加圧シリンダ３はある一定の加圧力で載置台２及び光学素子１を持ち上げ、加圧シリンダ３の上端ストロークエンドで停止している。このとき、サーボモータ１４は励磁していない状態であり、ストッパ１２は、ストッパ１２及びナット１５の自重により下降し、載置台２の上端に接している。

加圧シリンダ３の加圧力は、前記載置台２、光学素子１、マイクロメータ４の端子４ａ、ストッパ１２、ナット１５の総重量よりも大きな力のため、載置台２の高さは加圧シリンダ３の上端ストロークエンドのままである。一方、工具５は上軸部９に転動自在に保持されている。図３において、上軸部９はナット１７、ボールネジ１８を介してサーボモータ１９により下降する。やがて工具５が光学素子１に接触し、上軸部９は光学素子１、載置台２、マイクロメータ４の端子４ａ及びストッパ１２、ナット１５を押し下げる。加圧シリンダ３のストローク範囲内でサーボモータ１９は停止し、上軸部９も停止する。

このときのマイクロメータ４の値と、サーボモータ１４のエンコーダの値より、載置台２の現在位置及びストッパ１２の現在位置を不図示の本装置コントローラが記憶する。あらかじめ設定された目標凹面深さを前記マイクロメータ４の現在値に加算することにより、不図示の本装置コントローラは、加工を停止すべきマイクロメータ４の値と、加工時のストッパ１２の位置を算出する。

図４において、ディスペンサ２０が不図示の案内機構によって突出し、工具５と光学素子１の間に加工液１０を塗布した後、前記案内機構によって待機位置に戻る。図５において、サーボモータ１４が励磁し、不図示の本装置コントローラによって算出された加工時の位置までストッパ１２をボールネジ１３、ナット１５を介して上昇させて停止する。このときの載置台２とストッパ１２の僅かな隙間１１は、目標凹面加工深さに相当する。

図６において、超音波コントローラ１６によって出力を制御された超音波が超音波発振器８より出力され、軸体７、ホーン６を介して工具５が振動し、加工液１０と光学素子１の摩擦により徐々に光学素子１が削られ、加工が開始される。光学素子１には工具５の曲率半径とほぼ同一の凹球面が形成され始め、球状の工具５が光学素子１の中にのめりこむような形となり、載置台２は加圧シリンダ３の加圧力により、チャタリングを発生しながらも徐々に上昇しはじめる。載置台２の上昇に伴い、マイクロメータ４の端子４ａも上昇を始め、マイクロメータ４の値が変化し始める。

図７において、マイクロメータ４は加工を終了すべき目標の値となり、不図示の本装置コントローラはこれを検知するが、加工はある一定の時間続行される。やがて載置台２の上面がストッパ１２に完全に接触することにより工具５に対する、光学素子１の上方への加圧力はなくなり、チャタリングも停止する。

図８において、十分に余裕を持ったタイムラグによって不図示の本装置コントローラは加工停止命令を出力し、超音波コントローラ１６は出力を停止する。図９において、上軸部９は工具５を保持したままナット１７、ボールネジ１８を介してサーボモータ１９により上昇し、加工完了となる。

本実施形態１によれば、マイクロメータ４が加工を終了すべき目標の値になっても加工は継続されるが、載置台２の上面がストッパ１２に完全に接触した時点で、工具５に対する光学素子１の上方への加圧力はなくなり、チャタリングも停止して加工は進行しなくなる。従って、十分なタイムラグを持って加工を終了させても、常に加工終了後の光学素子１の凹面加工深さは隙間１１と同じで一定であり、ばらつきのない精度の高い加工が可能となる。

図１０及び図１１は第２の実施形態を示し、第１の実施形態と同一構成部分は同一番号を付して説明を省略する。本実施形態は、第１の実施形態に改良を加えたもので、ストッパ１２を現状位置で強制的に固定することが可能なチャック２１及びチャックシリンダ２２を追加したものである。

図１０は、第１の実施形態における図５の工程と同じ工程を示したものであり、サーボモータ１４が励磁し、不図示の本装置コントローラによって算出された加工時の位置までストッパ１２をボールネジ１３、ナット１５を介して上昇させて停止する。このときの載置台２と、ストッパ１２のわずかな隙間１１は、目標凹面加工深さに相当する。ここでチャックシリンダ２２が爪を閉じることにより、チャック２１が両側よりストッパ１２を挟み込み、ストッパ１２を現状位置で固定する。固定後、再びサーボモータ１４の励磁を解除する。

図１１は、第１の実施形態における図７の工程と同じ工程を示したものであり、加工が進行し、載置台２の上面がストッパ１２に接触した状態であるが、この時もチャックシリンダ２２及びチャック２１はストッパ１２を固定し続け、加工が終了して上軸部９が上昇した時点で固定を解除する。

第２の実施形態２によれば、第１の実施形態の効果に加えて、ストッパ１２をサーボモータ１４の励磁で固定するのではなく、チャックシリンダ２２によって駆動するチャック２１の圧力で強制的に固定するため、加工が進行して載置台２の上面がストッパ１２に当接する際、載置台２からのチャタリングに左右されることなく、ストッパ１２を確実に固定しておくことができる。従って、第１の実施形態よりも、より精度の高い凹面加工深さの光学素子を得ることができる。

前記構成によれば、次のような構成が得られる。

（付記１）被加工物に凹球面を加工する球状の工具と、この工具を転動自在に保持する保持部を一端に有すると共に、この保持部内に保持された前記工具を超音波発振器からの超音波によって超音波振動させるホーンと、このホーンに保持された工具と対向するように前記被加工物を固定する載置台と、前記工具と前記被加工物とを所定の荷重を有して当接させる加圧手段と、前記工具の加工によって生じる前記載置台の変位量を測定する測定手段と、前記加圧手段の加圧方向に対向して前記載置台の高さを固定できるストッパと、前記ストッパを昇降位置決めできる位置決め手段と、砥粒を含む加工液を前記被加工物と前記工具との当接部位に供給する加工液供給手段とを備えたことを特徴とする球面創成加工装置。

（付記２）前記加圧手段は、加圧シリンダであることを特徴とする付記1記載の球面創成加工装置。

（付記３）前記測定手段は、マイクロメータであることを特徴とする付記1記載の球面創成加工装置。

（付記４）前記位置決め手段は、サーボモータ及びこのサーボモータによって駆動するボールネジであることを特徴とする付記1記載の球面創成加工装置。

（付記５）前記位置決め手段は、チャック及びチャックを駆動するチャックシリンダであることを特徴とする付記1記載の球面創成加工装置。

なお、この発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組合わせてもよい。

この発明の第１の実施形態を示し、球面創成加工装置の概略的構成図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。この発明の第２の実施形態を示し、球面創成加工装置の概略的構成図。同実施形態を示し、球面創成加工装置の作用説明図。従来技術における球面創成加工装置の概略的構成図。

符号の説明

１…光学素子（被加工物）、２…載置台、３…加圧シリンダ（加圧手段）、４…マイクロメータ（測定手段）、５…工具、６…ホーン、７…軸体、８…超音波発振器、９…上軸部、１０…加工液、１１…隙間、１２…ストッパ、１３…ボールネジ、１４…サーボモータ（位置決め手段）、１５…ナット、１６…超音波コントローラ、１７…ナット、１８…ボールネジ、１９…サーボモータ、２０…ディスペンサ（加工液供給手段）、２１…チャック、２２…チャックシリンダ

Claims

被加工物に凹球面を加工する球状の工具と、この工具を転動自在に保持する保持部を一端に有すると共に、この保持部内に保持された前記工具を超音波発振器からの超音波によって超音波振動させるホーンと、このホーンに保持された工具と対向するように前記被加工物を固定する載置台と、前記工具と前記被加工物とを所定の荷重を有して当接させる加圧手段と、前記工具の加工によって生じる前記載置台の変位量を測定する測定手段と、前記加圧手段の加圧方向に対向して前記載置台の高さを固定できるストッパと、前記ストッパを昇降位置決めできる位置決め手段と、砥粒を含む加工液を前記被加工物と前記工具との当接部位に供給する加工液供給手段とを備えたことを特徴とする球面創成加工装置。
超音波発振器に接続されたホーンの保持部に球状の工具を転動自在に保持し、被加工物を載置する載置台の加圧方向に対向する位置にあるストッパを載置台に当接させた状態で、前記被加工物を加圧手段によって所定の荷重で前記工具に当接させ、砥粒を含む加工液を前記工具と被加工物との当接部位に供給し、このときの前記載置台の位置を載置台の変位量を測定する測定手段によって記憶した後、前記ストッパを目標加工深さ分、前記載置台の加圧方向に移動させて固定し、前記ホーンを介して前記工具を超音波振動させて前記被加工物に凹球面を創成すると共に、この凹球面の創成に伴って生じる前記載置台の変位量により凹球面の深さを測定し、前記載置台が再び前記ストッパに当接し、かつ前記載置台が目標位置になった時点で超音波振動を停止し、加工終了とすることを特徴とする球面創成加工方法。