JP2010269408A - 超精密ロール旋盤 - Google Patents

Abstract

【課題】刃物台をリニアモータ駆動で高速に往復移動させ、加工時間の短縮化を図った上で、ロールの長手方向の溝や螺旋溝を高い精度での加工を実現する。
【解決手段】第１サドル２１、第２サドル２２のペアからなるサドルを設置し、ロールＷの長手方向と直角の方向に移動可能に第１サドル２１上に第１送りテーブル２３を設置し、第２サドル２２上にはロールの長手方向と直角の方向に第１送りテーブル２３と独立して同時に移動可能な第２送りテーブル２４を設置し、第１送りテーブル２３と第２送りテーブル２４にまたがるように搭載されロールＷの長手方向と平行にその平行度を調整可能なレール受け３３と、レール受け３３に支持され空気静圧案内を有するガイドレール３２と、ガイドレール３２上をエアによる浮揚状態で走行し、ダイヤモンドバイトを保持する刃物台３０と、刃物台３０を駆動するリニアモータと、から高速移動刃物台を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶関連機器に使用されるプリズムシート等を製造するロールの加工に用いられる超精密ロール旋盤に係り、特に、ロールの表面にプリズム等の微細パターンを超精密加工できるロール旋盤に関する。

液晶パネルは自発光ができないため、バックライトユニットを光源とし、液晶パネルの背後から光を透過させている。このバックライトユニットには、プリズムシートや拡散シートなどその表面に微細なパターンを付加してあるブラスチックシートが使用されている。これらのプラスチックシートは、押出成形装置から押し出されたシートを、表面に微細なパターンの付加されたロールの間を通すことにより成形されている。

近年、機械制御技術の進歩によって、ロール旋盤による超精密加工が実現されている。最近では、液晶パネルに用いられる各種プラスチックシート類の成形用ロールの加工がロール旋盤で実施されるようになってきている。

このようなロールの超精密加工では、ロールの表面に数百μｍ〜数十μｍの微細な凹凸形状パターンを無数に切削加工することになる。
この種のロール旋盤によるロールの超精密加工では、１本のロールについて加工を終了するまでに長時間を要するという問題がある。最近では、液晶パネルの大型化の進展に伴って、ロール金型も大型になっており、例えば、２メートルもの長さのプリズムシート用ロール金型を加工することもある。

上記の長いロールの場合、軸方向に１本の横溝を加工するのに約１分程度の時間がかかる。しかし、プラスチックシート用のロールの場合は、その溝や凹凸一つ一つが微細なため、ロール全体では膨大な数の溝や凹凸を加工しなければならない点に大きな特徴がある。ロール全体では、長手方向の溝を仮に３万本とすると、１本のロールにすべての溝を中断なく加工して３００００分、つまり５００時間、３週間かかることになる。また、その加工の数値制御に必要なデータも膨大なものになる。

そこで、ロール加工の数値制御に要するデータ量を抑えて効率化するロール旋盤として、本出願人は、特許文献１に挙げる精密ロール旋盤を提案している。
さらに、本出願人は、バイトを高速でロールの長手方向に直線移動させるためのリニアモータ駆動のエアスライド装置を設けた精密ロール旋盤を提案している（特許文献２、３）。この精密ロール旋盤では、バイトの送りを高速化することができるので、ロール１本の加工に要する加工時間の大幅な短縮を実現することができる。

特開２００８−２７２９２５号公報 特願２００７−２８１６８４号 特願２００７−２８１７０２号

上記した従来の精密ロール旋盤では、ロールの表面のうねりや、ベッドの変形の影響などに起因して、現実には、刃物台の直線移動方向とロールの軸線との平行度が厳密に正確に出ていないという問題がある。

このため、長手方向に溝や螺旋溝を加工する場合、平行度の誤差の影響を受けて溝の深さが厳密に一定にならない。近年ますます、プラスチックシートの表面のパターンは微細化するとともに精密な加工が要求されており、平行度の誤差の克服は、加工時間の短縮とともにこの種の超精密加工にとって大きな課題として顕在化してきている。
そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、刃物台をリニアモータ駆動で高速に往復移動させ、加工時間の短縮化を図った上で、刃物台の移動方向とロールの軸線との平行度に誤差があっても、その影響を克服して長手方向の溝や螺旋溝を高い精度での加工を実現できるようにした超精密ロール旋盤を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、ベッドと、前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、前記ベッド上に設置され、前記ロールの長手方向に距離を隔てた第１サドル、第２サドルのペアからなるサドルと、前記ロールの長手方向と直角の方向に移動可能に前記第１サドル上に設置された第１送りテーブルと、前記第２サドル上に設置され、前記ロールの長手方向と直角の方向に前記第１送りテーブルと独立して同時に移動可能な第２送りテーブルと、前記第１送りテーブルと第２送りテーブルにまたがるように搭載され前記ロールの長手方向と平行にその平行度を調整可能なレール受けと、前記レール受けに支持され空気静圧案内を有するガイドレールと、前記ガイドレール上をエアによる浮揚状態で走行し、ダイヤモンドバイトを保持する刃物台と、前記刃物台を駆動するリニアモータと、を備えた高速移動刃物台と、を具備したことを特徴とすることを特徴とするものである。

また、本発明は、前記第１送りテーブルでは、前記レール受けの微小回転を許容する第１ピボットを介して前記レール受けの一端側を支持し、第２送りテーブルは、前記テーブル受けの微小回転を許容する旋回軸としての第２ピボットを介して前記レール受けの他端側を支持したことを特徴とするものである。

さらに、本発明では、前記第２ピボットは、前記レール受けの長手方向の微小直線移動を許容可能に支持することを特徴とするものである。

本発明によれば、刃物台をリニアモータ駆動で高速に往復移動させ、加工時間の短縮化を図った上で、刃物台の移動方向とロールの軸線との平行度に誤差があっても、その影響を克服して長手方向の溝や螺旋溝を高い精度での加工を実現することができる。

本発明による超精密ロール旋盤の一実施形態を示す斜視図である。 同超精密ロール旋盤の正面図である。 本発明の実施形態による超精密ロール旋盤における第１送りテーブルと第２送りテーブルを示す正面図。 本発明の実施形態による超精密ロール旋盤における第１送りテーブルと第２送りテーブルを示す平面図。 本発明の実施形態による超精密ロール旋盤におけるガイドレールと刃物台を示す横断面図である。 本発明の超精密ロール旋盤で用いるバイトを示す斜視図である。 刃物台の移動と、平行度の誤差の関係の説明図である。

以下、本発明による超精密ロール旋盤の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１、図２は、本実施形態による超精密ロール旋盤を示す。この図1、図２において、参照番号１０は、ベッドを示す。このベッド１０の上には、主軸台１２、心押台１４が配置されている。ワークはロール形状のロールＷであり、主軸台１２と心押台１４とで回転自在に支持されている。
主軸台１２は、ベッド１０の長手方向の一端部に配置されている。この主軸台１２は、主軸１８と、この主軸１８の先端に取り付けられたチャック１８ａと、主軸１８を駆動するサーボモータ２０を含む。主軸１８は本体部１７に内蔵されている図示しない静圧軸受により支持されている。この静圧軸受は油静圧軸受あるいは空気静圧軸受であってもよい。また、ころがり軸受であってもよい。チャック１８ａは、４つの爪によりロールＷの軸を把持し、主軸１８の回転をロールＷに伝達する。

この主軸台１２では、主軸１８を駆動するサーボモータ２０は、主軸１８を直接駆動するビルトイン型のサーボモータとして構成されている。主軸１８の回転量は、エンコーダにより検出される。このエンコーダの検出信号をフィードバックして主軸１８の位置制御および速度制御を行うことにより、主軸台１２にはロールＷの円周方向の割出しを行う割出し軸（Ｃ軸）としての機能と、主軸１８を一定の回転数（数百回転まで）で連続回転させる機能が付加されている。

次に、心押台１４は、主軸台１２に対向してベッド１０上に配置されている。ベッド１０の上面には案内面１９が設けられており、この案内面１９に沿って心押台１４は移動可能に設置されている。図２に示すように、心押台１４は、従来一般の心押軸の代わりに主軸２７を備えており、この主軸２７に取り付けたチャックでロールＷの軸を回転自在に支持する。

本実施形態による超精密ロール旋盤では、以下のように、サドル２１、２２を２台ペアにして、その上にそれぞれ送りテーブル２３、２４を設置している。

ベッド１０には、その両側にそれぞれ第１サドル２１と第２サドル２２が設置されている。これら第１サドル２１と第２サドル２２はベッド１０上で所定の間隔を隔てた位置に固定されている。

図３に示されるように、第１サドル２１の上には、第１送りテーブル２３が設置されている。第１サドル２１の上面には、案内面として、ロールＷの長手方向と直角な方向に延びるＶ溝２５ａ、２５ｂが形成されている。

同様に、第２サドル２２の上には、第２送りテーブル２４が設置されている。第２サドル２２の上面には、案内面として、ロールＷの長手方向と直角な方向に延びるＶ溝２６ａ、２６ｂが形成されている。なお、第１サドル２１、第２サドル２２の案内としては、Ｖ溝の他、リニアガイドなどの案内にしてもよい。

この実施形態では、第１送りテーブル２３、第２送りテーブル２４を送る駆動機構としてはリニアモータ用いられている。すなわち第１サドル２１の上面には磁石列２８がＶ溝２５ａ、２５ｂと平行に配列され、第１送りテーブル２３の下面には、コイル２９が取り付けられている。同様に、第２サドル２２の上面には磁石列２７がＶ溝２６ａ、２６ｂと平行に配列され、第２送りテーブル２３の下面には、コイル３１が取り付けられている。

本実施形態の超精密ロール旋盤では、切込軸であるＸ軸は、第１送りテーブル２３の送りを制御するＸ1軸と、第２送りテーブルの送りを制御するＸ2軸とから構成されている。切込軸であるＸ1軸、Ｘ2軸は、独立して位置制御を行えるように、それぞれＸ1軸サーボ機構、Ｘ2軸サーボ機構を備えている。そして、制御軸としては、Ｘ1軸、Ｘ2軸の他、主軸台１２にはＣ軸、以下に詳細に説明するように、刃物台を送るＺ軸が設けられている。ＮＣ装置は、これら各軸について数値制御を行う。

本実施形態による超精密ロール旋盤では、次のような高速移動刃物台が設置されている。この高速移動刃物台は、刃物台３０を高速でロールＷの長手方向に直線移動させ、ロールＷの軸方向に溝を高効率で加工するための刃物台である。この実施形態による高速移動刃物台は、刃物台３０をリニアモータにより駆動して空気静圧案内に沿って浮揚状態で高速で走行させるようになっている。

図１において、高速移動刃物台は、刃物台３０と、ガイドレール３２と、レール受け３３を含む。
レール受け３３は、第１送りテーブル２３と第２送りテーブル２４にまたがるようにして架設されている。この実施形態では、レール受け３３の両端部は、それぞれ次のようなピボットを用いて支持されている。

図４に示すように、第１送りテーブル２３には、第１のピボット４８が取り付けられており、レール受け３３の一端側は、この第１ピボット４８を介して支持されている。この第１ピボット４８のピボット軸４８ａの先端は半球面になっており、支持するレール受け３３の水平面上での微小回転を許容するようになっている。

第２送りテーブル２４には、第２のピボット４９が取り付けられ、レール受け３３の他端側は、この第２ピボット４９を介して支持されている。この第２ピボット４９のピボット軸４９ａの先端は、上からみて俵形の球面になっており、支持するレール受け３３の水平面上での微小回転に加えて、レール受け３３の長手方向の微小直線移動を許容するようになっている。

図５において、レール受け３３にはガイドレール３２が嵌合する溝３４が長手方向に形成されている。溝にガイドレール３２は、水平部３２ａと垂直部３２ｂとがＴ字に交差するＴ字断面をもつレールである。ガイドレール３２の垂直部３２ｂは、レール受け３３の着脱自在に嵌合し、固定ボルト３５により固定される。このボルト３５は、締め込みを加減することでガイドレール３２の真直度の修正も併せて行うことができる。ガイドレール３２は、様々なサイズにロールＷの加工に対応することができる。刃物台３０は、水平部３２ａを両側から抱き込むように嵌合している。また、ガイドレール３２の水平部３２ａの上面では、中央にリニアモータの固定子を構成する磁石３６がレール長手方向に配列されている。

ガイドレール３２では、水平部３２ａの上下面および側面には、刃物台３０の滑動面３７ａ、３７ｂ、３７ｃが形成されている。刃物台３０には、静圧空気軸受３８ａ、３８ｂ、３８ｃが設けられている。これらの静圧空気軸受３８ａ、３８ｂ、３８ｃからは滑動面３７ａ、３７ｂ、３７ｃに向けてエアが噴出されることで滑動面３７ａ、３７ｂ、３７ｃと静圧空気軸受３８ａ、３８ｂ、３８ｃとの間に軸受隙間が形成される。

リニアモータの可動子を構成するコイル４０は、磁石３６と対向するように、刃物台３０の下部に冷却ブロック４１を介して担持されている。冷却ブロック４１には、冷却水が供給されるようになっており、コイル４０の過熱を抑制している。このようなリニアモータは、エアスライダ４１を移動させ、その位置、速度制御をするＺ軸の駆動機構を構成している。

図５並びに図６において、刃物台３０には、バイトホルダ４２が取り付けられ、このバイトホルダ４２には、丸バイト４３が止めボルト４４を介して固定されている。この丸バイト４３の先端には、図７に示されるように、刃具として、超精密加工用のダイヤモンドチップが保持されている。

本実施形態による超精密ロール旋盤は、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。

加工前には、刃物台３０が直線移動するときの平行度を以下のようにして調べておく。理想的な状態であれば、ガイドレール３２はロールＷの軸線と正確に平行度を保った位置に位置決めされるが、現実には、位置決め誤差やベッドの変形などの影響を受けて、正確に平行度を出すことは困難である。

そこで、まず第１送りテーブル２３、第２送りテーブル２４を移動させ、ロールＷの軸線に対してガイドレール３２が機械座標上では平行になっている位置に位置決めする。その後、刃物台３０をＺ軸で送って、ロールＷの両端で平行度計測用の溝を周方向に加工する。次いで、刃物台３０に図示しない距離センサを取り付け、この距離センサで平行度計測用の溝を走査して、平行度を計測する。

次に、超精密本加工は、以下のようにして行うことになる。

この超精密本加工としては、例えば、ロールＷの全面に亘って微細な溝を軸方向に加工する例を挙げて説明する。この場合、刃物台３０を高速で移動させてロールＷの表面に微細な溝を１本ずつ加工する。そして、１本の溝の加工が終了すると、Ｃ軸による主軸１８の制御で次の溝の加工位置を割り出してから、刃物台３０を高速で移動させて次の溝をロールＷに加工する。これを繰り返して、ロールＷ全体に溝を加工する。

１本ずつ溝を加工するときには、上述した平行度の計測データを補正に利用して、以下のようにして、Ｘ1軸、Ｘ2軸による制御でそれぞれ第１送りテーブル２３と、第２送りテーブル２４の前進位置を微小量移動させて、丸バイト４３の刃具がロールＷの軸線と正確に平行に移動するようにする。

図７において、参照番号１００は、ロールＷの軸線を示し、参照番号１０２は、丸バイト４３の刃具の移動する軌跡を示す。この軌跡１０２に示されるように、バイトの刃具の先端は、ベッドの変形等の原因で平行度が完全に出ていない状態で移動している。

溝を切削するときに、仮に、補正を行わなかったとすると、測定した平行度の誤差Δｘの２倍の分だけ、テーパーで加工することになる。
そこで、第１送りテーブル２３と第２送りテーブル２４を誤差Δｘだけ補正した位置に位置決めする。このとき、第１送りテーブル２３と第２送りテーブル２４にレール受け３３を介して支持されているガイドレール３２は、レール受け３３が両端で支持されているだけなので、ベッド等が変形していても真直度には影響を受けない。

こうして、第１送りテーブル２３と第２送りテーブル２４を微少量移動させる補正した位置に位置決めすることにより、ガイドレール３２上を走行する刃物台３０はロールＷの軸線に正確に平行に移動するので、丸バイト４３の刃具は、ロールＷの軸線に対して平行にロール表面を正確に切削していくことになる。

ところで、以上のようにして、ロールＷ全体にわたって微細な溝を１本、１本軸方向に加工する場合、加工範囲が広くなる上に、溝の本数は膨大な数になる。

この問題点に対しては、本実施形態による超精密ロール旋盤によれば、次のようにして加工の高速化を図っている。

すなわち、ガイドレール３２の空気静圧軸受にそってリニアモータ駆動により高速で走行するエアスライダを刃物台３０として利用する高速移動刃物台として構成されているため、従来のロール旋盤のように、刃物台の載った往復台を送って溝を加工する場合と較べると、送り速度に格段の違いが生じる。

また、刃物台３０は、単純に高速になるだけにとどまるものではなく、空気軸受により刃物台３０を浮遊させ、リニアモータ駆動により直進運動を与えるので、運動の真直度が高く、また、摩擦がなく、位置および速度の制御を高精度に行える利点がある。

以上は、ロールＷの軸線に対して平行に正確に長手方向の溝を加工していく加工例であるが、本実施形態による超精密ロール旋盤によれば、次のようにして、ロールＷの軸線に対して、表面の母線が傾斜しているロールＷに長手方向に溝を切削していくテーパー加工も正確に行うことができる。

このテーパ加工では、ロールＷの母線に平行になるようにガイドレール３２を位置決めする必要がある。

図４において、この調整は、第１送りテーブル２３上の第１ピボット４８を基準してガイドレール３２の角度を調整して行う。第１送りテーブル２３および第２送りテーブル２４をＸ１軸、Ｘ2軸で制御して、ガイドレール３２をロールＷと平行に位置決めしておき、その後に、第２送りテーブル２４をＸ２軸で微動させその位置を、ガイドレール３２がロールＷの母線と平行になるように位置決めする。このとき、第２送りテーブル２４上の第２ピボット４９は、ガイドレール３２の微小回転とともに軸方向の変位を吸収するので、ガイドレール３２に変形や歪みが生じることはない。

以後、ロールＷの軸線に対して平行に長手方向の溝を加工する場合と同様に、刃物台３０を高速で移動させてロールＷに微細な溝を１本ずつ加工する。そして、１本の溝の加工が終了すると、Ｃ軸で次の溝の加工位置を割り出してから、刃物台３０を高速で移動させて次の溝をロールＷに加工する。これを繰り返して、ロールＷ全体に溝を加工する。

以上、本発明に係る超精密ロール旋盤について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明では、刃物台３０にバイトをピエゾ素子により駆動される微細加工ユニットを介して取り付け、さまざまなパターンをロール表面に加工するようにしてもよい。また、ロールを一定速度で回転させながら、刃物台を送ることにより、螺旋溝を加工することも可能である。この場合、バイトのすくい面が螺旋溝の進行方向を向くようにバイトを回しながら加工することになるが、丸バイトではこれが容易である。

１０…ベッド、１２…主軸台、１４…心押台、１８…主軸、２１…第１サドル、２２…第２サドル、２３…第１送りテーブル、２４…第２送りテーブル、３０…刃物台、３２…ガイドレール、３３…レール受け、４３…丸バイト、４８…第１ピボット、４９…第２ピボット

Claims (4)

1. ベッドと、
   前記ベッド上に設置され、ワークであるロールの一端をチャックで保持しながら該ロールに回転を与える主軸を有する主軸台と、
   前記主軸台に対向して前記ベッド上に配置され、前記ロールの一端を回転自在に支持する心押台と、
   前記ベッド上に設置され、前記ロールの長手方向に距離を隔てた第１サドル、第２サドルのペアからなるサドルと、
   前記ロールの長手方向と直角の方向に移動可能に前記第１サドル上に設置された第１送りテーブルと、
   前記第２サドル上に設置され、前記ロールの長手方向と直角の方向に前記第１送りテーブルと独立して同時に移動可能な第２送りテーブルと、
   前記第１送りテーブルと第２送りテーブルにまたがるように搭載され前記ロールの長手方向と平行にその平行度を調整可能なレール受けと、前記レール受けに支持され空気静圧案内を有するガイドレールと、前記ガイドレール上をエアによる浮揚状態で走行し、ダイヤモンドバイトを保持する刃物台と、前記刃物台を駆動するリニアモータと、を備えた高速移動刃物台と、
   を具備したことを特徴とする超精密ロール旋盤。
2. 前記第１送りテーブルでは、前記レール受けの微小回転を許容する第１ピボットを介して前記レール受けの一端側を支持し、第２送りテーブルは、前記テーブル受けの微小回転を許容する旋回軸としての第２ピボットを介して前記レール受けの他端側を支持したことを特徴とする請求項１に記載の超精密ロール旋盤。
3. 前記第２ピボットは、前記レール受けの長手方向の微小直線移動を許容可能に支持することを特徴とする請求項２に記載の超精密ロール旋盤。
4. 前記テーブル上で前記第１送りテーブルと第２送りテーブルをそれぞれ独立してロールの長手方向と直角に移動し、前記ガイドレールを位置決めする軸をＸ1軸、Ｘ2軸とし、前記刃物台をロールの長手方向に移動する軸をＺ軸とし、前記ロールを割り出す主軸台の主軸を制御する軸をＣ軸とする制御軸を備えることを特徴とする請求項１に記載の超精密ロール旋盤。

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