JP4786432B2 - 精密ロール旋盤 - Google Patents

Description

本発明は、三角錘や四角錐が縦横に配列する凹凸パターンをロールの外周面に加工できる精密ロール旋盤に関する。

ロールを加工する工作機械には、ロール研削盤やロール旋盤がある。ロール研削盤は、主軸台、心押台、往復台を備えており、往復台には研削砥石が設けられている。

従来、ロール研削盤では、ロールの外周面を砥石で研削する加工の他、外周面に溝を加工することが行われる。特許文献１には、溝を切削する切削鋸刃を有する溝加工装置を往復台に設けたロール研削盤が記載されている。

ロール旋盤は、ダイヤモンドバイトを取り付けた刃物台を往復台に設置した旋盤である。主軸台でロールを回転させ、往復台を前後方向（Ｘ軸）に送りながら周方向の溝を加工するのが基本的な使い方である。軸方向に溝を加工する場合は、主軸台（Ｃ軸）でロールを割り出しながら、往復台を左右方向（Ｚ軸）に高速移動させることにより、軸方向に溝を創生することができる。

近年、機械制御技術の進歩によって、旋盤による超精密加工が実現されている。これにより、旋盤でも光学レンズを成形する金型を加工できるようになってきている。例えば、本出願人は、フレネルレンズ成形用の金型を加工する立旋盤を提案している（特許文献２）。この立旋盤では、フレネルレンズ成形金型のＶ形レンズ溝を高精度に加工することができる。

ところで、液晶表示装置の普及により、液晶パネルのバックライトに使用されるレンズシートの需要が増大している。この種のレンズシートには、前述したフレネルレンズの他、レンチキュラーレンズシート、クロスレンチキュラーレンズシート、プリズムシートなどがある。

最近では、転写ロールを用いて、レンチキュラーレンズシート、クロスレンチキュラーレンズシート、プリズムシートを押出成形により成形することが検討されている。
特開２００３−９４２３９号公報 特開２００４−３５８６２４号公報

レンチキャラーレンズシートを製造する転写ロールの場合には、ロールの外周面に周方向の溝を一定のピッチで精密に加工すればよいので、ロール旋盤でも加工が可能である。

これに対して、クロスレンチキュラーレンズやプリズムシート用の転写ロールの場合には、四角錘（四角ピラミッド）、三角錐（三角ピラミッド）の形状パターンを加工しなければならない。

このうち、四角錘の形状パターンを加工するために、ロールの表面に周方向の溝と軸方向の溝を縦横に切削することが検討されている。また、三角錘の形状パターンを加工する方法として、ロールの外周面に軸方向に延びる溝と螺旋状に延びる溝を組み合わせて加工することが検討されている。

しかし、従来のロール旋盤では、これらの超精密加工にうまく対応できなかった。例えば、従来のロール旋盤の主軸台は、モータでロールに回転運動を与えるが、ロール回転とロールの割り出し機能の両方をもっていないので、ロールに軸方向の溝を加工をすることができなかった。

また、三角ピラミッドのパターンをロールに加工するには、溝を螺旋状に高精度に加工する必要があるが、高精度のねじ切り加工を行えるロール旋盤はこれまでなかった。

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、ロールの表面に、三角ピラミッドや四角ピラミッドの立体形状パターンを高精度に加工できるようにする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、前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、前記テーブル上に設置され、複数のバイトが取り付けられ、かつフライカッターを回転させるフライカッタスピンドル装置が設置された刃物台を有する刃物旋回台と、前記ロールの円周方向の割出しを行うための制御と、所定の回転数で主軸を連続回転させるための制御との双方の制御を実行するＣ軸制御手段と、前記ロールを割り出す制御と、主軸の連続回転の制御のうち、選択的に一方の制御に切り換える手段と、を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、主軸台によりロールを連続回転させて縦溝（周方向の溝）を切削できるのはもちろん、主軸台によりロールの周方向を等分に割り出しながら横溝（軸方向の溝）についても高精度の加工を行うことができる。また、螺旋溝と横溝を組み合わせるといったロール加工する場合にも、主軸台は螺旋溝の加工開始位置を割り出し、ロールを正確な回転数で連続回転させることができるので、往復台を送りながら螺旋溝を加工できる。このような主軸台を有することで、四角ピラミッド、三角ピラミッドが縦横に連続するパターンをロールに精密に加工することができる。

以下、本発明による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は、本発明の一実施形態による精密ロール旋盤を示す側面図で、図２は同精密ロール旋盤の平面図である。
図１および図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、往復台１６が配置されている。工作物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、本体部１７と、主軸１８と、この主軸１８の先端に取り付けられたチャック１９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油静圧軸受により支持されている。チャック１９は、ロールＷの軸を把持し、主軸１９の回転をロールＷに伝達する。

図３は、主軸台１２の断面を示す。主軸１８は、本体部１７の内部でラジアル軸受２１とスラスト軸受２２により回転自在に支持されている。この実施形態では、ラジアル軸受２１と主軸１８の外周面との間、スラスト軸受２２と主軸１８の先端側の端面との間には約５０μｍの隙間が形成され、これらラジアル軸受２１、スラスト軸受２２はそれぞれ主軸１８のラジアル荷重、スラスト荷重を矢印で示す圧油で支持する油静圧軸受を構成している。油静圧軸受の代わりに、高圧空気の圧力でスラスト荷重、ラジアル荷重を支える空気静圧軸受にしてもよい。

この主軸台１２では、主軸１８の後端にロータ２０ａが取り付けられ、このロータ２０ａはステータ２０ｂに遊嵌している。これにより、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２３により検出される。このエンコーダ２３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、図１、図２において、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の上面には図示しない案内面が設けられ、心押台１４は移動可能に設置されている。心押台１４は、従来一般の心押軸の代わりに主軸２３を備えており、この主軸２３に取り付けたチャック２５でロールＷの軸を回転自在に支持する。このような心押台１４は、サーボモータを持たない点を除いて基本的な構成は主軸台１２と同様のものである。

次に、往復台１６について説明する。
往復台１６は、ロールＷの軸方向に移動可能にベッド１０上に設置されているサドル２６を含む。このサドル２６の上には、ロールＷの軸方向と直角の方向に移動可能にテーブル２８が設置されている。本実施形態の精密ロール旋盤では、サドル２６を送る軸がＺ軸で、サドル２６上でテーブル２８を送る軸がＸ軸である。そして、この精密ロール旋盤では、Ｘ軸、Ｚ軸の他、主軸台１２にはＣ軸、テーブル２８に設けられた刃物旋回台３０にはＢ軸が設けられており、合計４軸制御の工作機械である。

図４は、刃物旋回台３０の正面を示す。図５は、ベッド１０やサドル２６からカバー類を取り外した状態で刃物旋回台３０を示す図である。本実施形態による刃物旋回台３０は、旋回台本体３１を含む。

この天板３２の片側には、刃物台３３が取り付けられ、他方の片側に寄った位置にフライカッタスピンドル装置３４が配置されている。この場合、フライカッタスピンドル装置３４は、刃物台３３に固定されたブラケット４５によって支持されている。刃物台３３は略半円柱の刃物台で、周方向に所定の間隔でダイヤモンドバイト３６が配列されている。この実施形態では、ダイヤモンドバイト３６が３本、天板３２といっしょに刃物台３３を９０度ごとに旋回させることで割り出せるようになっているが、ダイヤモンドバイトを４本にして旋回６０度毎に割り出すようにするなど、種々の形態がある。ダイヤモンドバイト３６には、Ｖ形の溝を加工できる刃先の尖ったバイトが用いられている。刃物台３３の上面には、フライカッタースピンドル装置３４の重量とバランスさせるためのカウンタウェイト３７が設置されている。

次に、フライカッタースピンドル装置３４について説明する。このフライカッタースピンドル装置３４は、本体部３４ａと、サーボモータ３５と、フライカッター３９が取り付けられたカッターホルダ３８を含む。本体部３４ａの内部では、図示されないカッタースピンドルが空気軸受により支持されており、このカッタースピンドルはサーボモータ３５により直接駆動され、高速で回転する。カッタスピンドルの先端に取り付けられているカッターホルダ３８は、周速を大きくするため円板状のカッタホルダである。このカッターホルダ３８の外周部にはダイヤモンドバイトからなるフライカッター３９が１個保持されている。この場合、カッタスピンドル装置３４は、カッタースピンドルをＸ軸方向とＺ軸方向に共に直角な姿勢で支持し、フライカッター３９をＸ−Ｚ平面内で高速に回転させる。刃物台３３に取り付けられているダイヤモンドバイト３６の刃先は、フライカッター３９の回転するＸ−Ｚ平面と同じ平面内にある。

図５において、サドル２６の上面には、逆Ｖ形に案内面が形成されたＸ軸ガイドレール４０が延びており、このＸ軸ガイドレール４０には、リテーナにより保持された多数のコロが配列された有限型の転がり案内４１が設けられている。同様に、ベッド１０の上面には、逆Ｖ形に案内面が形成されたＺ軸ガイドレール４２が延び、このＺ軸ガイドレール４２には、有限型の転がり案内４３が設けられている。
なお、サドル２６を送るＺ軸送り駆動装置と、刃物旋回台３０を搭載したテーブル２８を送るＸ軸送り駆動装置はともに、リニアモータから構成されている。図３において、参照番号４７は、Ｘ軸送り機構のリニアモータを構成する永久磁石列を示し、４８は、Ｚ軸ガイドレール４２と平行に延びる永久磁石列を示す。

次に、図３において、参照番号５２は、ＮＣ装置を示す。このＮＣ装置５２は、Ｘ軸、Ｚ軸、Ｂ軸、Ｃ軸を数値制御する。主軸台１２のＣ軸については、ロールＷの円周方向の加工開始位置（例えば、１６条のねじ切りであれば、円周を等分に１６分割する）を割出しを行うための制御と、所定の回転数で主軸を連続回転させるための制御との双方の制御が実行できるようになっている。Ｃ軸の場合、Ｃ軸サーボ機構５４には、位置制御部５５と速度制御部５６を有し、エンコーダ５６によって、位置制御ループ、速度制御ループが組まれている。参照番号５７は、ロールを割り出す制御と、主軸１８の連続回転制御とを切り換えるための切替部を示す。

ＮＣ装置５２から割り出しの指令が与えられると、位置制御部５５はエンコーダ２３からの位置フィードバックを比較し、ロールの周方向の位置を正確に割り出すことができる。また、ＮＣ装置５２から主軸連続回転の指令が与えられると、速度制御部５６は、エンコーダからの速度フィードバックと比較し、主軸の回転数が指令値に一致するように速度制御を行う。したがって、主軸台１２では、主軸１８にはロールを連続回転させるという本来の機能の加えて、同一エンコーダのまま高精度割出し軸としての機能が実現されている。

次に、以上のように構成される精密ロール旋盤を用いたロール加工について説明する。
図６は、ロールの表面に加工する凹凸パターンを示す図である。この図６に示すように、四角錐、いわゆる四角ピラミッドが縦横に配列した凹凸パターンである。
このような四角ピラミッドのパターンは、基本的に縦溝６０と横溝６２との組み合わせにより加工する。そして縦溝６０を一定のピッチで連続して加工し、その後、縦溝６０に交差させるようにして、横溝６２を一定のピッチで連続して加工することにより、ロール表面には四角ピラミッドが縦横に配列したパターンが形成される。

本実施形態の精密ロール旋盤は、四角ピラミッドのパターンを加工するために次のような機能をもっている。

すなわち、従来のロール旋盤の主軸台は、ロールを連続回転させるだけで、ロールを割り出すことができなかった。これに対して、本実施形態の精密ロール旋盤によれば、主軸台１２では、ロールＷの連続回転と、ロールの割り出しとを選択的に行なえるＣ軸を備えている。

さらにその上で、刃物旋回台３０には、刃物台３３とフライカッタスピンドル装置３４とを設置してあるので、以下のように使い分けることにより、ロールＷを連続回転させて縦溝６０（周方向の溝）を切削できるのはもちろん、ロールＷを割り出しながら横溝６２（軸方向の溝）についても高精度の加工を行うことができる。

そこで、縦溝６０の加工について説明すると、縦溝６０の加工は、通常のロール旋盤での加工と同様にして行う。すなわち、図７（ａ）に示すように、刃物台３３のダイヤモンドバイト３６をＢ軸で割出す。また、主軸台１２のサーボモータ２０でロールＷを連続回転させる。

そして、テーブル２８をＸ軸方向に送り、ダイヤモンドバイト３６でロールＷに切込み、縦溝６０を旋削することができる。以後、ダイヤモンドバイト３６をＺ軸方向にピッチ分だけ送り、同じようにして縦溝６０を連続して加工すればよい。

こうして縦溝６０を加工した後、刃物旋回台３３をＢ軸で旋回させ、フライカッタースピンドル装置３４を割り出す（図７（ｂ））。そして、主軸台１２のＣ軸でロールＷの横溝の加工を開始すべき周方向の位置が正確に割り出される。

フライカッタースピンドル装置３４を起動し、高速で回転させながらフライカッタ３９をＸ軸方向に切り込ませる。そして、往復台１６をＺ軸で送りながら横溝６２をフライカット方法により切削する。これにより、フライカッター３９は、断続的にロールＷを切削し、横溝６２を創成していく。フライカッタースピンドル装置３４のフライカッター３９は高速で回転しているので、フライカッター３９には理想の切削速度（約３００ｍ／分）を与えることができる。

以後、逐次ロールＷの周方向の切削開始位置をＣ軸で割り出しながら、横溝６２の加工を連続して行う（図７（ｃ））。以上のようにして、Ｖ形の縦溝６０に交差させてＶ形の横溝６２を加工することにより、図６に示すような四角ピラミッドのパターンをロールＷの表面に加工することができる。

以上のような四角ピラミッドの加工では、従来のロール旋盤では切削速度が確保できず、横溝６２について高精度の加工面が得られないという問題があった。この問題に対しては、フライカッタースピンドル装置３４を利用して、理想の切削速度が得られるので、高精度の加工精度を要求するものでも加工することが可能となる。

また、従来のロール旋盤では、主軸台の軸受には転がり軸受が用いられていたので、軸受内外輪とベアリングが直接接触するため、ベアリングの形状精度が軸受の運動精度に影響してしまい、光学レンズ用の転写ロールに要求される加工精度を満足することができなかった。これに対して、本実施形態では、主軸台１２の軸受を油静圧軸受に構成することより、主軸１８とラジアル軸受２１、スラスト軸受２２の軸受面の間に形成される油膜が形状誤差の影響を緩和する平均化効果により、滑らかな主軸の回転運動を実現する。これにより、主軸１８の振れ精度等が格段に向上するので、上述のＣ軸制御、フライカッタースピンドル装置３４の効果と相俟って、超精密加工に対応可能になる。なお、実施形態では、ダイヤモンドバイト３６に刃先の尖ったバイトを使用しているが、刃先にＲのついた丸いバイトを使用して上述の加工を行うことで、例えば、クロスキュラーレンズ成形用の転写ロールの加工も実現できる。

次に、図８に示す凹凸パターンは、三角錐、いわゆる三角ピラミッドが縦横に配列した凹凸パターンである。このような三角ピラミッドのパターンは、基本的に、互いに正逆反対方向に回りながら延びるＶ形の第１螺旋溝６４、第２螺旋溝６５と横溝６２とを組み合わせて加工する。この実施例の場合、第１螺旋溝６４と第２螺旋溝６５のねじれる角度は同じである。

そこで、第１螺旋溝６４の加工について説明すると、図９（ａ）において、矢印Ａ方向にロールＷを回転させ、ダイヤモンドバイト３６をロールの軸方向に送りながら加工する。すなわち、刃物台３３のダイヤモンドバイト３６を割り出すとともに、主軸台１２のサーボモータ２０でロールＷを連続回転させる。そして、ダイヤモンドバイト３６でロールＷに切込み、往復台１６をＺ軸で送ることで第１螺旋溝６４を旋削することができる。

以後、例えば、１６条のねじ切りであれば、ロールの円周方向を１６分割して設定した加工開始位置のうち、次の加工開始位置をＣ軸で割り出し、同じようにして第１螺旋溝６４を連続して加工すればよい。

次に、第２螺旋溝６５を加工するには、図９（ｂ）において、矢印Ｂ方向にロールＷを逆転させ、第１螺旋溝６４のときと同様に、主軸台１２をＺ軸で送ることで、第１螺旋溝６４とは逆回りの第２螺旋溝６５を第１螺旋溝６４に交差するように加工することができる。

こうして、第１螺旋溝６４および第２螺旋溝６５を連続して加工した後、これら螺旋溝６４、６５が交差する部分を通るようにして横溝６２を一定のピッチで連続して加工すれば（図９（ｃ））、ロール表面には図８に示すような三角ピラミッドが縦横に配列したパターンを加工することができる。横溝６２の加工は、上述した図７（ｂ）のように、フライカッタースピンドル装置３４を使って、理想の切削速度（約３００ｍ／分）を与えながら加工する点は四角ピラミッドの加工と同様であり、説明は省略する。

以上のような三角ピラミッドのパターンの加工では、主軸台１２のＣ軸でロールＷの螺旋溝の加工開始位置が正確に割り出されるとともに、ねじ切りをする間、正確な回転数でロールＷを連続回転できる。しかも、主軸台１２の軸受を油静圧軸受に構成することによる運動精度の向上と相俟って、三角ピラミッドパターンの超精密加工を実現できる。

本発明のロール加工方法を実施するための精密ロール旋盤の側面図。 同精密ロール旋盤の平面図。 同精密ロール旋盤の主軸台の縦断面図。 同精密ロール旋盤の刃物旋回台の一部断面正面図。 同精密ロール旋盤の備える刃物旋回台の斜視図。 本発明のロール加工方法により加工する四角ピラミッドの凹凸パターンを示す図。 四角ピラミッドを加工する順序の説明図。 本発明のロール加工方法により加工する三角ピラミッドの凹凸パターンを示す図。 三角ピラミッドを加工する順序の説明図。

符号の説明

１０ ベッド
１２ 主軸台
１４ 心押台
１６ 往復台
１９ チャック
２０ サーボモータ
２６ サドル
２８ テーブル
３０ 刃物旋回台
３３ 刃物台
３４ フライカッタースピンドル装置
６０ 縦溝
６２ 横溝
６４ 第１螺旋溝
６５ 第２螺旋溝

Claims (2)

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、
   前記ロールの長手方向（Ｚ軸）を移動可能に前記ベッド上に設置されたサドルと、
   ロールの長手方向と直角の方向（Ｘ軸）に移動可能に前記サドル上に設置されたテーブルと、
   前記テーブル上に設置され、複数のバイトが取り付けられ、かつフライカッターを回転させるフライカッタスピンドル装置が設置された刃物台を有する刃物旋回台と、
   前記ロールの円周方向の割出しを行うための制御と、所定の回転数で主軸を連続回転させるための制御との双方の制御を実行するＣ軸制御手段と、
   前記ロールを割り出す制御と、主軸の連続回転の制御のうち、選択的に一方の制御に切り換える手段と、
   を備えることを特徴とする精密ロール旋盤。
2. 前記主軸台は、前記主軸を直接駆動するビルトイン式のサーボモータと、
   前記主軸を支持するラジアル軸受、スラスト軸受からなり、流体圧によって前記主軸を非接触で支持する静圧軸受と、
   前記主軸の回転量を検出し、検出信号を前記Ｃ軸制御手段に出力するエンコーダと、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の精密ロール旋盤。

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