JP2008073814A - ポリシングヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 研磨中の加工荷重の変化を無くし、一定荷重での研磨を行うために、バランスウエイト機構による平衡手段を利用しさらに低摩擦機構を用いることにより、微小荷重での研磨を可能にするポリシングヘッドを提供する。
【解決手段】 ガイド軸１１と、ガイド軸１１に嵌合した２つのエアスライド１２，１３とを有し、ガイド軸１１と２つのエアスライド１２，１３とでエアガイドを構成し、ガイド軸１１を固定側（工具ヘッド）へ垂直に装着し、２つのエアスライド１２，１３の一方にスピンドル１５を装着し、他方のエアスライド１２をワイヤー１６と固定側５とに設けた滑車１７，１８を介してスピンドル１５を装着したエアスライド１２ヘ連結し、他方のエアスライド１３をバランスウエイトとして構成した。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レンズ用金型磨き装置などのポリッシング加工（微細加工、ＭＥＭＳ、半導体、バイオ、食品など）装置に用いるポリシングヘッドに関する。

従来、この種のポリシング装置としては、例えば、自由曲面を工具により倣わせながら研磨する研磨方法および装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。この装置においては、スピンドル２２Ａに保持された工具２３Ａ先端をワーク９へ接触させる圧力を空気圧シリンダ２５で付与するよう構成したものが明示されている。
この公知例構造のような空気圧シリンダによる加圧方式においては、例えば、レンズのような光学部品の表面を磨き加工する場合に、微小な加圧力（例えば、単位面積当たり５ｇｆとか１０ｇｆ）で工具をワーク表面へ押圧しようとした場合に、設定が実質的に困難である。すなわち、空気圧シリンダでは、作動抵抗や圧縮性のために微小な圧力設定が困難であった。また、スピンドルの上下動と微小加圧とを１つの空気圧シリンダで達成しようとすると、微小加圧制御は非常に難しく実用的ではなかった。

そこで、昇降操作と加圧操作とを別個のシリンダで構成した方式が知られている（例えば、特許文献２を参照）。これによって、加工対象である光学部品の加工圧力の大小に関係なくスムースな昇降操作と、小径の光学部品の加工時に必要な微圧から高圧までの広範囲の加工圧設定が可能と説明している。しかしながら、このような構成では、２つの空気圧シリンダが直列に配置しているため、装置の大型化が避けられず、また、このような構造をポリシングヘッドのスピンドルに用いた場合は、上下動操作時に応答牲が悪いという問題点が新たに考えられる。すなわち、加圧シリンダと昇降シりンダとが直列に配置されているので、昇降操作時に昇降シリンダが上下動した際、加圧シリンダとの間の摩擦力の差により、加圧シリンダが追従しにくく、実用上使いにくいという欠点になりかねない。

また、研磨ワークを上軸部により揺動加圧研磨する研磨機が知られている（例えば、特許文献３を参照）。この装置は、エアシリンダを構成するピストンに一体のピストンロッド部を上軸として、この上軸がバランスワイヤーおよび滑車を介して上軸に平行に配置したガイド筒に嵌合したバランスウェイトに接続されている。この公知例装置は、上軸に加わる自重をバランス機構により一定に保つために設けられているが、実際上、上軸とバランスウエイトを平行に構成することが極めて難しい。そのため、作動上どうしても摩擦力が加わり、そのため微小な加圧力を設定することが困難であり、実用的でない。また。上軸側がエアシリンダ構造であり、ピストンとエアシリンダー部の間にはシール手段が当然設けられるので、従って摩擦力が加わり、そのため微小な加圧力を設定することが困難であり、実用的でない。

また、カウンターウェイトを用いず、バランス用アクチュエータとしてリニアモータなどのリニアアクチュエータを用いた場合が考えられるが、この場合には停止位置を保持するために電圧あるいは電流をかけ続ける必要があり、無駄なエネルギー消費が大きい。また、ボールねじのような駆動機構を用いる場合は、モータにサーボをかけて位置を保持する必要があるなど、実用的に問題点があった。
特開平１０−２３０４４８号公報 特公平４−７１６６５号公報 特開平８−３９４２５号公報

以上のように、従来の装置では、微小な加圧力（例えば、単位面積当たり５ｇｆとか１０ｇｆ）で工具をワーク表面へ一定圧で押圧することが実用的にできなかった。
そこで、本発明は、研磨中の加工荷重の変化を無くし、一定荷重での研磨を行うために、バランスウエイト機構による平衡手段を利用しさらに低摩擦機構を用いることにより、微小荷重での研磨を可能にするポリシングヘッドを提供することにある。

請求項１に係る発明は、固定側（工具ヘッド）に垂直に装着したガイド軸と、前記ガイド軸に同軸上に嵌合した２つのエアスライドと、前記２つのエアスライドの一方に装着したスピンドルと、前記固定側（工具ヘッド）に設けた滑車と、前記滑車を介して前記２つのエアスライドを連結したワイヤーとを有し、前記ガイド軸と前記２つのエアスライドとでエアガイドを構成するとともに、前記他方のエアスライドをバランスウエイトとして構成したことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のポリシングヘッドにおいて、前記固定側（工具ヘッド）に配置され、前記スピンドルを装着したエアスライドに対して押圧力を付加するリニアアクチュエータによる荷重補正手段を有することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１あるいは請求項２に記載のポリシングヘッドにおいて、前記エアガイドに代えて磁気ガイドにより構成してなるバランス機構としたことを特徴とする。

・ガイド軸とウエイトを同軸上にしたことにより、省スペース化を図れる。
・加工物ヘ工具の押圧力が微小圧であっても確実に正確に付与できるので、金型形状に対する追従性が良くなり、精密な磨き加工が可能になる。
・同位置を保持する際にエネルギーが必要ない。
・コストダウンが図れる。

・部品点数の削減が図れる。
・リニアアクチュエータとしてリニアモータやピエゾ素子を採用することで、粉塵が出にくい機構となっているので、衛生面に注意を要する食品製造用機械などにも使用できる可能性がある。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るポリッシングヘッドＰＨを組み込んだレンズ用金型磨き装置を示す。このレンズ用金型磨き装置は、ベース１と、べース１に垂直に植立したコラム２と、ベース１の上面に装着されたワーク（例えば、非球面レンズ用金型）Ｗを取り付けるためのテーブル３と、コラム２に対して垂直方向に上下動自在に取り付けてなる主軸ヘッド４とを有し、この主軸ヘッド４に本発明に係るポリッシングヘッドＰＨが装着されている。

以下、本発明に係るポリッシングヘッドＰＨの実施形態について説明する。
図２は、本発明の第１実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨを示す。
本発明の第１実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨは、以下の二つの機構から成る。
１．ダブルエアスライダによるバランス機構１０
主軸ヘッド４の支持部５に対して垂直下方に取り付けたガイド軸１１と、このガイド軸１１の外周部に摺動自在に装着した２つのエアスライダ１２，１３とでエアガイドが構成されている。２つのエアスライダ１２，１３のうち、下側に配置したエアスライダ１２の側方には、取付部材１４を介してスピンドル１５が装着されている。他方、上側に配置されたエアスライダ１３は、側方１箇所にワイヤー１６の端部が取り付けられ、主軸ヘッド４の支持部５側に回転自在に装着された２つの滑車１７，１８を介してエアスライダ１２の側方１箇所に連結されている。すなわち、一方のエアスライダ１３をカウンターウエイト、他方のエアスライダ１２をスピンドル付ガイドとし、双方の間をワイヤー１６を介して繋ぐことで重量バランスを取るように構成してある。この構成では、スピンドル付ガイドとカウンターウエイトとが垂直方向で同軸上に設置してある。また、本実施形態に示してある滑車１７，１８は、低摩擦の小径ベアリングを用いている。また、本実施形態において滑車を２個用いた例を説明したが、１個であっても同様に実施することができるので、後述する他の実施形態においても同様に適用可能である。

２．アクチュエータによる荷重補正手段２０
主軸ヘッド４の支持部５には、スピンドル１５に装着した工具Ｔが所定の微小圧力をワークＷへ加えるための荷重補正手段２０が配置されている。本実施形態における荷重補正手段２０は、アクチュエータの駆動により加工荷重の発生と補正とを行うものであり、アクチュエータとしてリニアモータを示している。リニアモータとしての構成は、一般的なものであり、例えばリニアパルスモータのように、入力パルス信号により所定ステップ直線移動させ、エアスライダ１２に対して下方へ押圧することで、スピンドル１５先端に取り付けた工具（ポリッシャー）Ｔへ微小圧を付加することができる。図２において、２１が固定子、２２が可動子であり、２３が可動子２２に取り付けた押圧片である。

次に、本実施形態の作用を説明する。
先ず、図１に示すテーブル３上へ秤をセットし、図２に示すスピンドル１５先端側に装着されているポリッシャーＴ先端へ所定の加圧荷重を設定する。このとき、エアスライダ１２に一体に設けてある突起部１２ａ下面にロードセル２４先端を接触させる（ロードセル２４は図１のテーブル３上ヘセットされる）。そして、リニアモータを駆動させ、可動子２３、押圧子２３を介して所定荷重（例えば、１０ｇｆ）を加える。ロードセル２４は、エアスライド１２の下面に押し当てるようにセットしても良い。さらに、スピンドル１５により近い方が検出精度が高いので、図２に示す取付部材１４の下面へ押し当てるようにセットしても良い。このとき、エアガイドにおいては、エアスライダ１２間で重量バランスがとられているので、ポリッシャーＴ先端に所定荷重が付加される。

この状態で、秤を取り外し、ワーク（例えば、非球面レンズ用金型）Ｗがテーブル３に取り付けられる。
このワークＷの加工開始点ヘポリッシャーＴ先端がセッティングされる。この時、ポリシングヘッド軸線をワークＷの加工面に対して常に法線方向に向くように追従制御をテーブル３側に持たせている。また、スピンドル１５だけでなく、ワークＷを保持するテーブル３側も回転するよう構成している。

従って、常時ポリッシャーＴ先端がワークＷの加工面に垂直に当接し、テーブル３側を回転、揺動制御し、ワーク形状に倣って磨き加工が行われる。
また、この加工中の荷重を一定に保つため、リニアモータに取り付けてある歪ゲージ２５の出力を荷重センシングし、それをモニタリングして出力が一定になるようリニアモータで荷重制御する。

このように構成したので、常時一定の荷重をポリッシャーＴヘ付加することができ、しかもスピンドル１５部分が重量バランス機構を介して装着されているので、簡単な機構で微小加圧が可能になり、実用的な装置が提供できる。
以上のように、本発明の第１実施形態に係るポリシングヘッドＰＨは、ダブルエアスライダによるバランス機構１０とアクチュエータの１つであるリニアモータによる荷重補正手段２０とを有しているので、研磨中の加工荷重の変化を無くし、一定荷重での研磨を行うことができる。また、バランスウエイトによる平衡手段を利用し、滑車１７，１８およびワイヤー１６による低摩擦機構を用いることにより、微小荷重での研磨を可能にすることができる。また、ガイド軸１１と２つのエアスライダ１２，１３とが同軸上に設置されているので、モーメント力を除去することができる。

図３は、本発明の第２実施形態に係るポリシングヘッドＰＨを示す。
本実施形態に係るポリシングヘッドＰＨにおいて、バランス機構としては第１実施形態と同じであり、アクチュエータによる荷重補正手段２０ａとして、バイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）を用いた。
従って、このバイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）に所定の電圧を加えることによって、エアガイドを構成しているスピンドル１５側のエアスライダ１２ヘ接触している素子先端が変形して所定の微小圧を付加することができる。他のバランス機構については説明を省略する。

図３に示すバイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）においても、図２における制御と同様な制御が可能であり、バイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）の下面へ歪ゲージを貼り付けておき、その出力を荷重センシングし、それをモニタリングして出力が一定になるよう荷重制御することが可能である。
本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

図４は、本発明の第３実施形態に係るポリシングヘッドＰＨを示す。
本実施形態に係るポリシングヘッドＰＨは、スピンドル１５ａをガイド軸１１と同心に配置したもので、その他の構成は図２あるいは図３と同様である。図ではバランス機構のみ記載した。
本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

図５は、本発明の第４実施形態に係るポリシングヘッドＰＨを示す。
本実施形態に係るポリシングヘッドＰＨは、ウエイトの構成が相違する。エアガイドを構成するエアスライダ部はエアスライダ１２の１個のみで、ウエイト１３ａは、ガイド軸１１ａの内部へ配置し、同様なワイヤー１６ａと滑車１７ａによるバランス機構を構成した。

本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
上記各実施形態では、摩擦レス機構であるエアガイド機構について説明したが、磁気軸受により構成することでも、摩擦力の小さいガイド機構が達成できる。また、メタルシリンダ（回転止めが必要）、ブッシュでも良い。
また、滑車とワイヤー部分に生じる微小な摩擦によるバランス変動をなくすために、滑車をエアベアリング構造としたり、モータ直結構造とすることも考えられる。

本発明に係るポリッシングヘッドを組み込んだレンズ用金型磨き装置の全体を示す説明図である。 本発明の第１実施形態に係るポリッシングヘッドを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るポリッシングヘッドを示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係るポリッシングヘッドを示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係るポリッシングヘッドを示す断面図である。

符号の説明

１ ベース
２ コラム
３ テーブル
４ 主軸ヘッド
５ 支持部
１０ バランス機構
１１、１１ａ ガイド軸
１２，１３ エアスライダ
１３ａ ウエイト
１４ 取付部材
１５，１５ａ スピンドル
１６，１６ａ ワイヤー
１７，１７ａ，１８ 滑車
２０，２０ａ 荷重補正手段
ＰＨ ポリッシングヘッド
Ｔ 工具
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. 固定側（工具ヘッド）に垂直に装着したガイド軸と、
   前記ガイド軸に同軸上に嵌合した２つのエアスライドと、
   前記２つのエアスライドの一方に装着したスピンドルと、
   前記固定側（工具ヘッド）に設けた滑車と、
   前記滑車を介して前記２つのエアスライドを連結したワイヤーとを有し、
   前記ガイド軸と前記２つのエアスライドとでエアガイドを構成するとともに、前記他方のエアスライドをバランスウエイトとして構成したことを特徴とするポリシングヘッド。
2. 前記固定側（工具ヘッド）に配置され、前記スピンドルを装着したエアスライドに対して押圧力を付加するリニアアクチュエータによる荷重補正手段を有することを特徴とする請求項１に記載のポリシングヘッド。
3. 前記エアガイドに代えて磁気ガイドにより構成してなるバランス機構としたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のポリシングヘッド。
   

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