JP4370190B2 - 金型成形面の加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ等の光学素子を成形する金型成形面の加工に関し、特に、高い偏心精度が要求される金型成形面の加工法に関する。

回転軸対称の金型の成形面は、研削または切削工程によってその形状が創成される。また、必要であれば研磨による仕上げ加工が行われる。光学素子成形用の成形機における金型の保持構造は、成形機の機構によっても異なるが、ガラスレンズを成形する場合には、図７に示す構造となっている。

図７における符号１４０，１４０は、成形機に設けられた一対のダイプレートであり、このダイプレート１４０，１４０は金型１１０，１１０を押圧する面１４０ａ，１４０ａの平行度が高精度に調整されている。

一対の金型１１０，１１０は、筒状のスリーブ２内に挿入され、成形面１１０ａ，１１０ａの間にはガラス素材１３０が配置される。この状態で加熱を行い、ダイプレート１４０，１４０によって金型１を押圧し、ダイプレート１４０，１４０がスリーブ１２０に当接してダイプレート１４０，１４０の間隔がスリーブ１２０の長さになるまで押し込む。そして、この状態で保持・冷却を行うことにより成形品とする。

このような成形において、成形品の偏心精度は、金型１１０，１１０の底面１１０ｂ，１１０ｂに対する成形面１１０ａ、１１０ａの傾き（チルト）と金型１１０，１１０のスリーブ１２０と嵌合する外周面１１０ｃ，１１０ｃの中心軸（底面とは直交する）に対する成形面１１０ａ，１１０ａの光軸の平行ズレ（シフト）に大きく影響される。一方、金型の加工を行う場合には、予め成形面１１０ａ，１１０ａ以外の底面１１０ｂ，１１０ｂや外周面１１０ｃ，１１０ｃの加工が高精度に行われる。底面１１０ｂ，１１０ｂに対する成形面１１０ａ、１１０ａのチルトや外周面１１０ｃ，１１０ｃに対するシフトは、形状創成を行う工程である精密研削または切削工程によって略決定されるものである。

金型成形面を加工する際には、加工機に金型を取り付ける主軸の回転軸と金型の回転軸（底面に対して垂直で且つ外周面の中心軸に相当する軸）を一致させた状態で加工を行う必要がある。この場合の加工機の主軸への金型の固定は、非特許文献１に記載されるように、真空チャックによって行われたり、非特許文献２や特許文献１に記載されるように、三つ爪等の機械的な保持によって行われたり、或いはセットビスによる固定によって行われるものである。また、チルトやシフトの調整は、真空チャック面の位置調整や突っ張り引っ張り等によって行われている。
実公平７−４４４４１号公報 刊行物「オプトメカトロニクス時代の超精密切削技術」（日本オプトメカトロニクス協会発行） 刊行物「超精密加工のエッセンス」（伊藤豊次著）

従来の金型加工において、金型を固定する際における真空チャックやセットビス或いは三つ爪チャック等は金型の底面を覆うようになっている。図８は金型をセットビスによって固定した構造を示す。

図８に示すように、金型固定部材１５０が図示を省略した加工機の主軸先端に取り付けられており、この金型固定部材１５０にセットビス１５０ａを用いて金型１６０が固定される。この状態で加工機の主軸の回転軸に対する金型１６０のチルト及びシフトの調整を行う場合には、金型１６０の外周面１６０ａに２本の測定端子７を当接させて、その両方の回転時の振れ量が最小になるように調整機構（図示省略）によって調整する。

しかしながら、この方法では、測定された振れ量を最小にすることはできるが、正確なチルト調整とはなっていない。実際の成形では、図７に示すように、チルトは金型の底面によって決定されるものであり、金型１６０の底面１６０ｂを用いてチルト調整を行っていないためである。これに加えて、金型１６０の底面１６０ｂと外周面１６０ａの直角度は１μｍ弱程度であり、高精度な偏心精度を要求される場合には、底面１６０ｂを用いたチルトの調整を行う必要がある。

これに加えて、近年のレンズとしては、両面が非球面形状となったレンズの割合が増えている。これに伴って、レンズの偏心精度に対する要求も厳しくなり、両面の光軸の傾きとして、０．００１度以下が要求されている。このような要求に対応するためには、金型を成形機にセットした際に衝面となる面を用いて、金型加工時のチルト・シフト調整を行う必要がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、金型成形面を加工する超精密切削や超精密切削加工において、偏心精度の高い金型を加工することが可能な加工方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明の金型成形面の加工方法は、金型成形面の加工方法において、加工機の回転軸に対してチルトが調整可能な調整治具に金型を取り付ける取付工程と、前記回転軸を中心に金型を回転させたときにおける金型成形面の反対側の底面の振れ量を測定する測定工程と、前記振れ量が最小になるように調整治具によって金型のチルトを調整する調整工程と、金型成形面を加工する加工工程と、を有し、前記取付工程は、前記金型の底面に座グリ部を設け、この座グリ部をチャックによって固定して調整治具に取り付けることを特徴とする。

請求項１記載の発明では、金型を調整治具に取り付けた状態で金型の底面の振れ量を測定し、この振れ量が最小となるように金型のチルトを調整し、この状態で金型成形面を加工するため、チルト調整を金型の底面を用いて行うようになっている。このような調整では、成形の際の衝面となる底面を用いてチルト調整を行うため、実際の成形に合わせた調整を行うことができ、偏芯精度の高い金型成形面を加工することができる。
また、金型の底面に設けた座グリ部を用いて調整治具に取り付けるため、金型の底面に対する振れ量の測定を簡単に行うことができる。

請求項２記載の発明の金型成形面の加工方法は、金型成形面の加工方法において、加工機の回転軸に対してチルト及びシフトが調整可能な調整治具に金型を取り付ける取付工程と、前記回転軸を中心に前記金型を回転させたときにおける金型成形面の反対側の底面及び金型の側面の振れ量を測定する測定工程と、前記振れ量が最小になるように調整治具によって金型のチルト及びシフトを調整する調整工程と、金型成形面を加工する加工工程と、を有し、前記取付工程は、前記金型の底面に座グリ部を設け、この座グリ部をチャックによって固定して調整治具に取り付けることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、金型を調整治具に取り付けた状態で金型の底面及び側面の振れ量を測定し、これらの振れ量が最小となるように金型のチルト及びシフトを調整し、この状態で金型成形面を加工するため、チルト調整を金型の底面を用いて行い、シフト調整を金型の側面を用いて行うようになっている。このような調整では、成形の際の衝面となる底面及び側面を用いてチルト調整及びシフト調整を行うため、実際の成形に合わせた調整を行うことができ、偏芯精度の高い金型成形面を加工することができる。
また、金型の底面に設けた座グリ部を用いて調整治具に取り付けるため、金型の底面に対する振れ量の測定を簡単に行うことができる。

本発明の金型成形面の加工方法によれば、成形の際の衝面となる底面を用いてチルト調整を行うため、実際の成形に合わせた調整を行うことができ、偏芯精度の高い金型成形面を加工することができる。

（実施の形態１）
図１〜図４は、本発明の実施の形態１を示し、図１は金型取り付け時の断面図、図２は加工手順のフローチャート、図３は金型と金型固定治具との接着構造を示す断面図、図４は測定時の断面図である。

図１に示すように、加工機の主軸部１０は、スピンドル１と、保持手段としての真空チャック部２とを備え、回転駆動手段としてのモータ８０によって回転可能となっている。また、空圧機構（図示省略）によって真空チャック部２のチャック面２ａにチャック部２０の真空吸着保持が可能となっている。

調整治具としてのチャック部２０は、主軸部１０側の固定板３と、金型部３０側の金型固定部材４とを有している。これらの固定板３及び金型固定部材４は調整／固定ネジ４ａによって突っ張り引っ張り機構によってチルト調整（傾き調整）及び固定が可能となっている。金型固定部材４は、固定板３との反対側に円筒状の開口部（図示省略）が設けられており、その開口部を介して金型部３０が取り付けられる。

金型部３０は、金型固定治具５と、金型６とを有し、これらは回転軸が極力一致するような状態で熱可塑性ワックスによって接着されている。金型固定治具５はチャック部２０における金型固定部材４の開口部に挿入され、この挿入状態で固定ネジ４ｂを締め付けることにより固定される。

図２を用いて金型６のチャック部２０への固定から成形面６ｃの加工までの作業手順について説明する。

まず、金型６を金型固定治具５に接着して固定する（ステップＳ１３）。この実施の形態では、金型６は略円柱形状であり、図３及び図４に示すように、金型成形面６ｃすなわち後述する切削工具８５によって回転軸対称形状に加工する加工面が凹面のＲ形状となっている。

図３に示すように、成形面６ｃの反対側にある底面６ｂは、円柱形状の金型固定治具５と接着する接着面（中央底面）６ｄと、この接着面６ｄを囲む外側底面６ｅとからなる平面によって構成されている。ここで、金型固定治具５の外径（直径）は、金型６の外径（金型６の底面の直径）よりも小さく設定されている。

金型固定治具５への金型の固定は、図３に示す治具１２を用いて各部材の回転軸が極力一致するように接着する。

治具１２には下方に金型固定治具５の挿入可能な内径の小径穴１２ａが設けられ、上方に金型６の挿入可能な内径の大径穴１２ｂが形成されている。この治具１２をヒータ１３上に載置し、さらに小径穴１２ａに金型固定治具５を挿入して加熱する。そして、熱可塑性ワックスが充分に溶解する温度に達した時点で、金型固定治具５の上面５ａにワックスを塗布し、治具１２の大径穴１２ｂに金型６を挿入する。この状態で自然冷却する。これにより、金型固定治具５と金型６との回転軸が極力一致した状態でワックスによって接着されて固定され、金型部３０が形成される。

ステップＳ１１では、加工機の主軸部１０の真空チャック部２のチャック面２ａにチャック部２０を固定する。この際、チャック部２０の固定板３の外周面がスピンドル１を回転させた際に振れないように位置を調整する（ステップＳ１２）。

次に、ステップＳ１３で準備した金型部３０をチャック部２０に固定する。この固定は、金型部３０の金型固定治具５をチャック部２０の金型固定部材４に挿入し、固定ネジ４ｂを締めることにより固定する（ステップＳ１４）。このとき、後述する第１測定手段としての電気マイクロメータ１４の測定端子先端が金型６の外側底面６ｅに当接できるように外側底面６ｅ付近にスペースを設けている。

次に、金型６のチルトを調整する（ステップＳ１５）。この調整では、図４に示すように、金型６の底面のなるべく外周に近い側の外側底面６ｅに電気マイクロメータ１４の測定端子先端を当接させる。この状態で、スピンドル１を手で回転させて、金型６の外側底面６ｅの振れ量を測定する。この振れ量が小さくなるように調整／固定ネジ４ａによりチルト調整を行う。この振れ量が０．３μｍ以下になった状態でチルト調整完了とし、調整／固定ネジ４ａを締める。

次に、金型６のシフトを調整する（ステップＳ１６）。この調整では、図４に示すように、金型６の側面（外周面）６ａに第２測定手段としての電気マイクロメータ１５の測定端子先端を当接させる。この状態でスピンドル１を手で回転させて、金型６の外周面６ａの振れ量を測定する。

なお、金型６のチルト及びシフトの調整時のスピンドル１の回転は、モータ８０等の回転駆動手段を用いても良い。この振れ量が小さくなるように、真空チャック２のチャック面２ａ上の固定板３の位置を調整する。この調整は、固定板３の外周面の振れの大きい部分をプラスチックハンマー等によって軽く打撃することによって行う。そして、この振れ量が０．３μｍ以下になった状態でシフト調整完了とする。

次に、再度金型６の底面６ｂの振れ量を電気マイクロメータ１４によって確認し、振れ量が０．３μｍ以下であることを確認して、金型６のチャッキング作業を完了する（ステップＳ１７）。

この状態で金型６を回転させて、加工手段としての切削工具１００（図４参照）を移動させ、成形面６ｃを加工する。これにより、金型の底面６ｂ及び側面６ａを規準とした回転軸に対して偏心精度の高い金型を得ることができる。

この実施の形態では、金型６と金型固定治具５との接着を熱可塑性ワックスによって行っているが、加工液との反応性、加工抵抗に耐え得る接着強度、加工抵抗によって変形を起こさない硬度が確保できる場合には、加熱や二液混合の化学反応により硬化する接着剤を用いても良い。

（実施の形態２）
図５及び図６は、本発明の実施の形態２を示し、図５は金型取り付け時の断面図、図６は加工手順のフローチャートである。

図５に示すように、加工機の主軸部４０は、スピンドル１６と、真空チャック部１７とから構成されると共に、モータ（図示省略）によって回転可能となっている。また、空圧機構（図示省略）によって真空チャック部１７の真空チャック面１７ａに対してチャック部５０が真空吸着保持可能となっている。

調整治具としてのチャック部５０は、固定板１８と、ハイドロチャック１９とから構成されており、固定板１８及びハイドロチャック１９は調整／固定ネジ１９ａによって突っ張り引っ張りの機構によりチルト調整及び固定が可能となっている。また、ハイドロチャック１９は、固定板１８との反対側にワークすなわち金型２０を保持する爪１９ｃが設けられている。この爪１９ｃは、ネジ１９ｂを締めることによって開くようになっている。

金型７０は、底面７０ｂの中央部に爪１９ｃが挿入可能な径の座グリ部７０ｄが形成されている。また、金型７０の底面７０ｂの外側には、実施の形態１と同様に、電気マイクロメータ１４の測定端子先端を当接させるための外側底面７０ｅが設けられている。

次に、図６を用いて金型のチャック固定から加工までの作業手順について説明する。

まず、加工機の主軸部４０の真空チャック部１７のチャック面１７ａにチャック部５０を固定する（ステップＳ２１）。この際、チャック部５０の固定板１８の外周面がスピンドル１６を回転させた際に振れないように位置を調整しておく（ステップＳ２２）。

次に、金型７０をチャック部５０に固定する（ステップＳ２３）。このときには、ハイドロチャック１９の爪１９ｃを金型７０の座グリ部７０ｄに挿入し、この状態で、ネジ１９ｂを締める。これによって爪１９ｃが外側に開いて金型７０の座グリ部７０ｄを把持する。

その後においては、ステップＳ２４，２５，２６で示すように金型７０のチルト及びシフトの調整を行い、ステップＳ２７で示すように成形面２０ｃの加工を行う。これらのの手順及び方法は実施の形態１と同様である。

この実施の形態によれば、実施の形態１と同様に偏心精度の高い金型７が得られるのに加えて、金型７０を金型固定治具５（図３参照）に接着してからチャッキングする必要がないため、接着及び加工後の剥離に関連する作業を廃止することができ、作業性が向上する。また、金型７０をチャッキングするので、加工抵抗や衝撃によって金型７０が落下することがなく、確実なチャッキングを行うことができる。

本発明の実施の形態１における金型取り付け時の断面図である。 実施の形態１の加工手順を示すフローチャートである。 実施の形態１の金型と金型固定治具との接着を示す断面図である。 実施の形態１の測定時の断面図である。 実施の形態２における金型取り付け時の断面図である。 実施の形態２の加工手順を示すフローチャートである。 金型によってレンズを成形する状態を示す断面図である。 従来における金型の測定を示す断面図である。

符号の説明

１，１６ スピンドル
２，１７ 真空チャック部
３，１８ 固定板
４，１９ 金型固定部材
５ 金型固定治具
６，７０ 金型
６ａ、７０ａ 金型の側面
６ｂ、７０ｂ 金型の底面
６ｃ、７０ｃ 金型の成形面
６ｅ 金型の外側底面
２０，５０ チャック部
７０ｄ 金型の座グリ部

Claims (2)

1. 金型成形面の加工方法において、
   加工機の回転軸に対してチルトが調整可能な調整治具に金型を取り付ける取付工程と、
   前記回転軸を中心に金型を回転させたときにおける金型成形面の反対側の底面の振れ量を測定する測定工程と、
   前記振れ量が最小になるように調整治具によって金型のチルトを調整する調整工程と、
   金型成形面を加工する加工工程と、
   を有し、
   前記取付工程は、前記金型の底面に座グリ部を設け、この座グリ部をチャックによって固定して調整治具に取り付けることを特徴とする金型成形面の加工方法。
2. 金型成形面の加工方法において、
   加工機の回転軸に対してチルト及びシフトが調整可能な調整治具に金型を取り付ける取付工程と、
   前記回転軸を中心に前記金型を回転させたときにおける金型成形面の反対側の底面及び金型の側面の振れ量を測定する測定工程と、
   前記振れ量が最小になるように調整治具によって金型のチルト及びシフトを調整する調整工程と、
   金型成形面を加工する加工工程と、
   を有し、
   前記取付工程は、前記金型の底面に座グリ部を設け、この座グリ部をチャックによって固定して調整治具に取り付けることを特徴とする金型成形面の加工方法。

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