JP5181703B2 - 凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法及び凹型フレネルレンズ形状部材 - Google Patents

凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法及び凹型フレネルレンズ形状部材 Download PDF

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本発明は、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法及び凹型フレネルレンズ形状部材に関する。
従来より、凹型フレネルレンズ形状部材を加工する場合、例えば図1〜図3に示す加工装置1を用いて加工している。
図1(A)は当該加工装置1の左側面図を示し、図1(B)は図1(A)におけるY軸移動手段30のAA断面図を示している。
また図2(A)は、当該加工装置1の平面図を示し、図2(B)は図2(A)におけるZ軸移動手段50とX軸移動手段60のBB断面図を示している。
また図3は、当該加工装置1の斜視図を示している。
図1〜図3に示す加工装置1は、直交する水平方向の軸であるX軸とZ軸に平行な上面と、X軸とZ軸との双方に直交する鉛直下向き方向の軸であるY軸に平行な側面を備えたベッド2を有している。
ベッド2の上面には、X軸テーブル60bをX軸方向に移動可能なX軸移動手段60が載置され、X軸テーブル60b上には、Z軸テーブル50bをZ軸方向に移動可能なZ軸移動手段50が載置されている。また、Z軸テーブル50b上には、Z軸方向に平行なC軸(ワーク回転軸WZ)回りにワークWを回転可能なC軸回転手段40が載置されている。
ベッド2の側面(C軸回転手段40の先端側の側面)にはY軸テーブル30bをY軸方向に移動可能なY軸移動手段30が取り付けられており、Y軸テーブル30bにはB軸テーブル20bをY軸方向に平行なB軸回りに旋回可能なB軸旋回手段20が載置されている。また、B軸テーブル20bには砥石回転軸TZ回りに回転砥石Tを回転可能な工具回転手段10が取り付けられている。また、回転砥石Tの先端がB軸と接触するように、且つB軸と砥石回転軸TZとが直交するように設定されている。
次に、図4(C)に凹型フレネルレンズ形状部材(以下、「ワークW」と記載する)の断面の例を示す。図4(C)の例に示すワークWは、図4(A)に示す凹型レンズL1から、図4(B)に示すハッチング部分を取り除いた形状である。
例えば、図1〜図3に示す加工装置1を用いて、このワークWの凹型フレネルレンズ形状を加工する場合、まず凹型フレネルレンズ形状が粗研削されたワークWを、ワーク回転軸WZとC軸が一致するようにC軸回転手段40の先端に取り付ける。そして、Y軸移動手段30を制御してワーク回転軸WZ(C軸)と砥石回転軸TZのY軸方向の位置を一致させ、B軸旋回手段20を制御してワーク回転軸WZと砥石回転軸TZとが直交するように設定し、Y軸方向の位置とB軸の旋回角度を固定する(図4(D)参照)。この状態から、ワークWをワーク回転軸WZ回りに回転させ、回転砥石Tを砥石回転軸TZ回りに回転させる。
そして、凹型フレネルレンズの断面形状に沿うようにX軸移動手段60とZ軸移動手段50を制御して回転砥石TをXZ平面内で移動させて、ワークWの凹型フレネルレンズ形状を仕上げ加工する(図5(B)参照)。
ここで、特許文献1に記載された従来技術では、回転砥石TをワークWの外周部から中心(ワーク回転軸WZ)に向かう方向に移動させて(図5(B)参照)、ワークWの凹型フレネルレンズ形状を加工している。
特開2000−237942号公報
特許文献1に記載された従来技術では、図4(D)の例に示すワークWと回転砥石Tの配置において、図5(B)に示すようにワークWの外周部から中心部に向かう方向へと、回転砥石TをXZ平面内で移動させて加工するため、図6(B)に示すように回転砥石Tの径が大きい側の端面Tfの側の縁部から磨耗が進行していく。この磨耗が進行した回転砥石TでワークWの凹型フレネルレンズ形状を、図5(B)に示すように加工した場合、図6(B)に示すように、加工後のワークWの理想形状に対して残存部Rが残り、幅Dの形状誤差が発生する。当該幅Dの形状誤差部に入射された光は所望する方向に屈折させることができないため、レンズの集光効率を低下させる要因の1つとなっている。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、凹型フレネルレンズ形状を、より高精度に加工することが可能な、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法、及び当該加工方法を用いてより高精度に研削された凹型フレネルレンズ形状部材を提供することを課題とする。
上記課題を解決するための手段として、本発明の第1発明は、請求項1に記載されたとおりの凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
請求項1に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法は、砥石回転軸に対して所定角度で傾斜した傾斜面を有するとともに当該傾斜面の先端の縁部が鋭利に成形された円盤状の回転砥石を用いた凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法において、工作物回転軸回りに工作物を回転させ、前記砥石回転軸が前記工作物回転軸と直交するように前記工作物に対して前記回転砥石を配置する。
そして、前記工作物に対して前記回転砥石を、前記傾斜面方向で且つ前記工作物の回転中心から外周部に向かう方向に相対的に移動させるとともに前記工作物に切込む方向に相対的に移動させて凹型フレネルレンズ形状を加工する、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
また、本発明の第2発明は、請求項2に記載されたとおりの凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
請求項2に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法は、請求項1に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法であって、前記円盤状の回転砥石の形状は、砥石回転軸に対して所定角度で傾斜した傾斜面を有する円錐の裾部形状であり、前記裾部形状において前記砥石回転軸に直交する端面における径が大きい側の端面は平面に成形されている。
そして、前記径が大きい側の端面を前記工作物回転軸と一致させた位置から、前記工作物に対して前記回転砥石を、前記工作物回転軸に平行な方向に相対的に移動させて加工を開始し、前記工作物に対して前記回転砥石を、前記工作物回転軸から外周部に向かう前記工作物回転軸に直交する方向に、且つ前記回転砥石の径が小さい側の端面の方向に相対的に移動させながら、前記工作物に対して前記回転砥石を前記工作物回転軸に平行な方向に相対的に移動させて凹型フレネルレンズ形状を加工する、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
また、本発明の第3発明は、請求項3に記載されたとおりの凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
請求項3に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法は、請求項1または2に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法であって、前記回転砥石のツルーイングにおいて、2回目以降のツルーイングでは、前記砥石回転軸に直交する前記端面のツルーイングを行わず、前記傾斜面のツルーイングのみを行い、ツルーイング後の前記回転砥石の位置の補正は、前記砥石回転軸に平行な方向の補正を行わず、前記砥石回転軸に直交する方向の補正のみを行う、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法である。
また、本発明の第4発明は、請求項4に記載されたとおりの凹型フレネルレンズ形状部材である。
請求項4に記載の凹型フレネルレンズ形状部材は、請求項1〜3のいずれかに記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法を用いて凹型フレネルレンズ形状が加工されている。
また、本発明の第5発明は、請求項5に記載されたとおりの凹型フレネルレンズ形状部材である。
請求項5に記載の凹型フレネルレンズ形状部材は、請求項4に記載の凹型フレネルレンズ形状部材であって、前記凹型フレネルレンズ形状部材は、凸型フレネルレンズを製造するための金型である。
請求項1に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法を用いれば、ワークWの回転中心から外周部に向かう方向に凹型フレネルレンズ形状部材を加工していく(図5(A)参照)ので、回転砥石Tの傾斜面Tkの側から磨耗が進む(図6(A)参照)。従って、図6(B)の「理想形状」に示すような残存部Rが発生しないので、より高精度に凹型フレネルレンズ形状を加工することができる。
また、請求項2に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法によれば、請求項1と同様に、ワークWの回転中心から外周部に向かう方向に回転砥石を移動させながら回転砥石を工作物回転軸に平行な方向に移動させて凹型フレネルレンズ形状部材を加工していく(図5(A)参照)、従って、回転砥石Tの傾斜面Tkの側から磨耗が進む(図6(A)参照)が、回転砥石Tの端面Tfの側からの磨耗は進まない。そして、図6(B)の「理想形状」に示すような残存部Rが発生しないので、より高精度に凹型フレネルレンズ形状を加工することができる。
また、請求項3に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法によれば、回転砥石Tの磨耗は傾斜面Tkの側から進み、端面Tfの側からの磨耗は進まないので、ワークWを加工する回転砥石の最外周縁部(図6(A)のEM部)は、この端面Tf上にある。従って、端面Tfは、最初に砥石回転軸に直交する平面に成形しておけば、それ以降は成形する必要がない。なお、端面Tfを成形する必要はないが、傾斜面Tkは成形する必要があり、傾斜面Tkを成形した後は、回転砥石の径が小さくなっているので、砥石回転軸に直交する方向の位置補正をすれば、砥石回転軸に平行な方向の位置補正までは必要ない。
従って、回転砥石の磨耗に対して成形と補正の手間を少なくすることができ、補正の誤差をより小さくすることができる。
また、請求項4に記載の凹型フレネルレンズ形状部材によれば、容易に、且つより高精度に凹型フレネルレンズ形状部材を加工することができる。
また、請求項5に記載の凹型フレネルレンズ形状部材によれば、容易に、且つより高精度に凹型フレネルレンズ形状の金型を加工できるので、当該金型を用いてより高精度な凸型フレネルレンズを製造することができる。
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。
例えば、ガラス製のフレネルレンズを製造する場合、高温に熱したガラス材料を、超硬やセラミックス等の硬脆材料の金型でプレスして成型する。
この金型にフレネルレンズ形状を加工する場合、円盤状の砥石の先端を鋭利に成形した回転砥石を用いて研削加工する。
以下、凸型フレネルレンズを製造するための、凹型フレネルレンズ形状の金型の加工を例として説明する。
●[加工装置1の構成(図1〜図3)]
図1〜図3は、本発明の凹型フレネルレンズ形状部材を加工する加工装置1の例を示している。
なお、当該加工装置1の全体構成については、すでに説明しているので、説明を省略する。
回転砥石Tは、図4(D)及び図5(A)に示すように、砥石回転軸TZに対して所定角度で傾斜した傾斜面Tkを有し、傾斜面Tkの先端の縁部Eが鋭利に成形されている。回転砥石Tの形状をより具体的に説明すると、円錐の頂点側を取り除いた裾部の形状であり、砥石回転軸TZに直交する径が大きい側の端面Tfを先端側にしており、径が小さい側の端面は工具回転手段10に接続されている。径が大きい側の端面Tfの縁部Eは鋭角であり、この縁部Eと傾斜面TkにてワークW(凹型フレネルレンズ形状部材)を加工する。
●[凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法(図5)]
次に図5を用いて、凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法について説明する。ここで、図5(A)は本実施の形態における加工方法を説明する図であり、図5(B)は従来の加工方法を説明する図である。
すでに説明したように、ワークWの回転中心であるワーク回転軸WZ(工作物回転軸に相当し、C軸回転手段40に取り付けられた状態では、C軸と一致)と、回転砥石Tの回転中心である砥石回転軸TZと、が直交するように、ワークWと回転砥石Tとが配置されている(図4(D)、図5(A)参照)。そして、この図5(A)に示す配置において、ワークWまたは回転砥石Tの少なくとも一方をXZ平面内で移動させて、粗研削で加工されたワークWの凹型フレネルレンズ形状を、仕上げ加工する。
まず、制御装置(数値制御装置等であり、図示省略)を用いて、Y軸移動手段30とB軸旋回手段20を制御して、ワーク回転軸WZと砥石回転軸TZとが直交するようにワークWと回転砥石Tとを位置決めする。
次に、制御装置からC軸回転手段40を制御してワークWをワーク回転軸WZ回りに回転させ、工具回転手段10を制御して回転砥石Tを砥石回転軸TZ回りに回転させる。
そして、制御装置からX軸移動手段60を制御して、図5(A)に示すように、回転砥石Tの径が大きい側の端面Tfとワーク回転軸WZとが接する(一致する)ようにワークWを位置決めする。
そして、制御装置からZ軸移動手段50を制御して、回転砥石Tの縁部Eに近接する方向にワークWを移動させて加工を開始し、X軸移動手段60を用いてワークWを、ワーク回転軸WZに直交する方向であるX軸方向に、且つ回転砥石Tの径が小さい側の端面の方向に移動させながら、Z軸移動手段50を用いてワークWをワーク回転軸WZに平行な方向であるZ軸方向に移動させる。この移動により、回転砥石Tの縁部EとワークWとの接点の軌跡が、図5(A)に示すワークWのフレネルレンズ形状の輪郭の軌跡となるようにして加工し、凹型フレネルレンズ形状を加工する。
このように、回転砥石TをワークWの回転中心から外周部に向かう方向に相対的に移動させるとともにワークWに切込む方向に相対的に移動させて凹型フレネルレンズ形状を加工する。
特開2000−237942に記載されている従来の加工方法は、図5(B)に示すように、回転砥石TがワークWの外周部から回転中心に向かう方向に相対的に移動させながら研削しており、本実施の形態とはまったく逆の方向に回転砥石Tを移動させて加工している。
●[回転砥石Tの磨耗(図6)]
次に図6を用いて、回転砥石Tの磨耗について説明する。ここで、図6(A)は本実施の形態における加工方法による回転砥石Tの磨耗を説明する図であり、図6(B)は従来の加工方法による回転砥石Tの磨耗を説明する図である。
硬脆材料の金型を回転砥石Tで加工するので、回転砥石Tは当然磨耗する。更に、当然のことながら、回転砥石TにおけるワークWに切込む切込面が、回転砥石Tの切込方向(ワークWに対して回転砥石Tの相対的な切込方向)と反対方向に磨耗が進行していく。
図6(B)に示す従来の加工方法の場合、回転砥石Tの切込面は端面Tfであり、この端面Tfが切込方向と反対側に磨耗していく。この場合、図6(B)に示すように、磨耗後の回転砥石Tにおいて、最外周縁部EMは端面Tf上には存在せず、傾斜面Tkの側に存在する。この磨耗した回転砥石Tで加工した場合、理想形状に対して残存部Rが発生する。この残存部Rは、フレネルレンズに入射される光を、所望する方向に屈折できないので、集光効率の低下の要因となる。
これに対して、本実施の形態にて説明した加工方法の場合、図6(A)に示すように、回転砥石Tの切込面は傾斜面Tkであり、この傾斜面Tkが切込方向と反対側に磨耗していく。この場合、図6(A)に示すように、磨耗後の回転砥石Tにおいて、最外周縁部EMは端面Tf上にあり、図6(B)に示す残存部Rが発生しない。
●[回転砥石Tの成形方法と、成形後の位置補正方法(図7、図8)]
回転砥石Tを成形する場合、ワークWの代わりに略円柱形状のツルア70をC軸回転手段40に取り付け、ツルア70をC軸回りに回転させる。
例えば、回転砥石Tの端面Tfを成形する場合、C軸と砥石回転軸TZのY軸方向の位置を一致させた状態で、ツルア70におけるC軸に直交する端面70fに、回転砥石Tの端面Tfを接触させて成形する(図7(A)参照)。
また更に、回転砥石Tの傾斜面Tkを成形する場合、B軸旋回手段20を用いてツルア70における円筒面70s(外周面)に、回転砥石Tの傾斜面Tkを接触させて成形する(図7(B)参照)。この場合、B軸旋回手段20の旋回角度を調整することで、砥石回転軸TZに対する傾斜面Tkの傾斜角度を任意の角度にすることができる。
回転砥石Tを初めて使用する場合は、上記の方法にて、端面Tfと傾斜面Tkとを成形する必要があるが、いくつかのワークWを加工して磨耗が進行した回転砥石Tを成形する場合(2回目以降のツルーイングでは)、本実施の形態の場合、回転砥石Tの端面Tfを成形する必要がなく、傾斜面Tkを成形するだけでよい。従来の加工方法による磨耗の場合は、端面Tfと傾斜面Tkの双方を研削する必要がある。
本実施の形態の場合、2回目以降の成形(ツルーイング)では、成形後の端面Tfの位置が変化しない(径のみが変化する)ので、回転砥石Tの径方向の位置補正を行うだけでよく、回転砥石Tの位置補正が簡素化される。つまり、砥石回転軸TZに直交する方向の位置補正は必要であるが、砥石回転軸TZに平行な方向の位置補正は不要である。
これにより、成形と位置補正の手間が少なく、サイクルタイムを短縮化することができ、補正の誤差もより小さくすることができる。
なお、砥石回転軸TZに平行な方向における回転砥石Tの位置の補正方法の例を図8(A)及び(B)に示す。
まず、ワークWの代わりに略円柱(円盤)形状のカーボンワークCWをC軸回転手段40に取り付け、カーボンワークCWをC軸回りに回転させる。
そして、砥石回転軸TZがC軸に直交するように回転砥石Tを位置決めし、回転砥石Tの端面TfをC軸と一致させて回転砥石TをカーボンワークCWの方向に切込む。
このとき、回転砥石Tの端面Tfにおける砥石回転軸TZに平行な側の位置がずれていた場合、図8(B)に示すように、カーボンワークCWの端面Sfに、C軸を中心とした半径ERの接触痕Kが残る。この接触痕Kの半径ERを求め、半径ER分の距離を補正すればよい。この補正は、端面Tfを成形した後にのみ実行すればよい。
なお、回転砥石Tの径方向の補正量は、上記の端面Tfの位置ほどシビアに補正する必要がなく、ツルーイング時に径を認識するようにすればよい。
以上、本実施の形態の説明では、回転砥石Tに対してワークWをX軸方向に移動させたが、ワークWに対して回転砥石TをX軸方向に移動させる構成にすることもできる。従って、ワークWは回転砥石Tに対して相対的にX軸方向に移動するものである。
同様に、Z軸方向については、回転砥石Tに対してワークWをZ軸方向に移動させたが、ワークWに対して回転砥石TをZ軸方向に移動させる構成にすることもできる。従って、ワークWは回転砥石Tに対して相対的にZ軸方向に移動するものである。
本発明の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法は、本実施の形態で説明した方法に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また、本実施の形態の説明では、粗研削された凹型フレネルレンズ形状部材を仕上げ加工する例で説明したが、円柱状のワークの端面(平面)から凹型フレネルレンズ形状部材を削り出すこともできる。
凹型フレネルレンズ形状部材を加工可能な加工装置1の例を説明する左側面図(図1(A))、及びAA断面図(図1(B))である。 加工装置1の例を説明する平面図(図2(A))、及びBB断面図(図2(B))である。 加工装置1の例を説明する斜視図である。 凹型フレネルレンズ形状部材(ワークW)の形状と、ワークWと回転砥石Tの配置を説明する図である。 本実施の形態の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法と、従来の加工方法を説明する図である。 本実施の形態の加工方法による回転砥石Tの磨耗と、従来の加工方法による回転砥石Tの磨耗を説明する図である。 回転砥石Tの成形方法(ツルーイング方法)を説明する図である。 砥石回転軸TZに平行な方向における回転砥石Tの位置を補正する方法を説明する図である。
1 加工装置
2 ベッド
10 工具回転手段
20 B軸旋回手段
30 Y軸移動手段
30b Y軸テーブル
40 C軸回転手段
50 Z軸移動手段
50b Z軸テーブル
60 X軸移動手段
60b X軸テーブル
70 ツルア
T 回転砥石
Tk 傾斜面
Tf 端面(径が大きい側の端面)
TZ 砥石回転軸
E 縁部
EM 最外周縁部
W ワーク(凹型フレネルレンズ形状部材)
WZ ワーク回転軸(工作物回転軸)

Claims (5)

  1. 砥石回転軸に対して所定角度で傾斜した傾斜面を有するとともに当該傾斜面の先端の縁部が鋭利に成形された円盤状の回転砥石を用いた凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法において、
    工作物回転軸回りに工作物を回転させ、
    前記砥石回転軸が前記工作物回転軸と直交するように前記工作物に対して前記回転砥石を配置し、
    前記工作物に対して前記回転砥石を、前記傾斜面方向で且つ前記工作物の回転中心から外周部に向かう方向に相対的に移動させるとともに前記工作物に切込む方向に相対的に移動させて凹型フレネルレンズ形状を加工する、
    凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法。
  2. 請求項1に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法であって、
    前記円盤状の回転砥石の形状は、砥石回転軸に対して所定角度で傾斜した傾斜面を有する円錐の裾部形状であり、前記裾部形状において前記砥石回転軸に直交する端面における径が大きい側の端面は平面に成形されており、
    前記径が大きい側の端面を前記工作物回転軸と一致させた位置から、前記工作物に対して前記回転砥石を、前記工作物回転軸に平行な方向に相対的に移動させて加工を開始し、
    前記工作物に対して前記回転砥石を、前記工作物回転軸から外周部に向かう前記工作物回転軸に直交する方向に、且つ前記回転砥石の径が小さい側の端面の方向に相対的に移動させながら、前記工作物に対して前記回転砥石を前記工作物回転軸に平行な方向に相対的に移動させて凹型フレネルレンズ形状を加工する、
    凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法。
  3. 請求項1または2に記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法であって、
    前記回転砥石のツルーイングにおいて、2回目以降のツルーイングでは、前記砥石回転軸に直交する前記端面のツルーイングを行わず、前記傾斜面のツルーイングのみを行い、
    ツルーイング後の前記回転砥石の位置の補正は、前記砥石回転軸に平行な方向の補正を行わず、前記砥石回転軸に直交する方向の補正のみを行う、
    凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法を用いて凹型フレネルレンズ形状が加工された、
    凹型フレネルレンズ形状部材。
  5. 請求項4に記載の凹型フレネルレンズ形状部材であって、
    前記凹型フレネルレンズ形状部材は、凸型フレネルレンズを製造するための金型である、
    凹型フレネルレンズ形状部材。
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