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技術 曲面研磨装置及び研磨方法

出願人 株式会社リコー
発明者 寒河江英利
出願日 1997年9月12日 (23年5ヶ月経過) 出願番号 1997-267956
公開日 1999年4月6日 (21年10ヶ月経過) 公開番号 1999-090806
状態 未査定
技術分野 3次曲面及び複雑な形状面の研削,研磨等
主要キーワード 円弧輪郭 ならし加工 組み合わせかた 合いマーク 円弧断面形状 回転面板 成型工具 制動要素
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1999年4月6日)のものです。
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図面 (12)

課題

工具うねり転写せずに自由曲面研磨する。

解決手段

工具切り込みまたは加圧方向をZ軸方向とし、Z軸に直交するX軸と平行に工具2の回転軸1が支持され、工具回転モータ3により回転駆動される。工具回転モータ3は支持部材4に連結され、支持部材4は、回転面板5に連結されている。回転面板5はZ軸方向の第2の回転軸8をもち、回転軸8のまわりに回転移動が可能であり、任意の角度姿勢において回転を固定するクランプ機構を有している。

概要

背景

トーリックレンズや断面が非円弧となる変形トーリックレンズ、または、その金型の加工は、精密フライス盤などの直交3軸のNC工作機械タイヤ形状砥石走査して研削あるいは研磨する方法が広く知られている(例えば、井他:3次元自由曲面光学部品超精密加工機械技術第43巻3号,p58〜63,1995.3月号)。また、研磨仕上げ加工としては、更に、回転要素揺動軸を加えた特開平6−126607号公報の発明のように、加工点法線に対して工具回転軸を常に一定の角度姿勢とすることで、加工形状の高精度化をはかったものが提案されている。その他にも、直交スライドと揺動軸の組み合わせかたの工夫で、加工形状の精度向上をはかったものがいくつか提案されている(例えば、実開昭63−83264号公報,特開平5−69300号公報)。これらの開示例は、いずれも光学的な鏡面仕上げまでをねらったもので、いずれも、タイヤまたは球形状工具を用いたものであるが、加工誤差高周波成分である表面粗さの向上までを考慮すると、十分な機械構成とはいいかねる。

図11は、従来の自由曲面加工(研磨)装置の一例を説明するための要部概略構成図で、図中、21はワーク、22は工具(砥石)、Aは砥石22の回転軸、Bは加工点、破線Cは砥石22の走査軌跡、Dはピックフィードで、図示のように、ワーク21の変形トーリック面は特定の間隔の複数の走査線工具軌跡によって加工が行われる。この走査線Cの間隔はピッチ量またはピック量と呼ばれ、走査線と直交する方向がピック方向Dである。工具22が走査線Cを1つ移動するごとに、それとは直交方向に工具22が微小移動し、再度走査線をたどる、繰り返しである。従来技術および本発明において、この加工様式は共通である。この方法によると、加工面は複数の溝加工集積によって形成されることとなる。タイヤ形状の工具により溝加工を行う場合、走査方向と工具回転軸位置関係によって、加工溝内の表面粗さおよびうねりが異なることが実験より確認された。

概要

工具のうねりを転写せずに自由曲面を研磨する。

工具切り込みまたは加圧方向をZ軸方向とし、Z軸に直交するX軸と平行に工具2の回転軸1が支持され、工具回転モータ3により回転駆動される。工具回転モータ3は支持部材4に連結され、支持部材4は、回転面板5に連結されている。回転面板5はZ軸方向の第2の回転軸8をもち、回転軸8のまわりに回転移動が可能であり、任意の角度姿勢において回転を固定するクランプ機構を有している。

目的

本発明は、上述のごとき課題を考慮し、簡単な構成で工具のうねりを転写せずに、自由曲面に研磨する装置、および、加工方法を提供することを目的とするものである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

外周縁円弧断面形状である円盤状工具と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転軸を該回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の第2の軸まわりに回転し、かつ、任意の角度でクランプできる機構を有することを特徴とする曲面研磨装置

請求項2

外周縁が円弧断面形状である円盤状工具と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の軸まわりに被加工物を回転し位置決めする機構を有することを特徴とする曲面研磨装置。

請求項3

前記工具回転軸角度姿勢を変化させる第2の回転軸が、前記円盤状工具の外周面内の円弧中心を通過する位置に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の曲面研磨装置。

請求項4

前記工具回転駆動機構を保持するフレームを有し、該フレームは前記第2の回転軸に直交する面内でスライド移動し、該第2の回転軸との相対位置を変化させる機構を有することを特徴とする請求項1に記載の曲面研磨装置。

請求項5

前記円盤状工具は、片持ち軸付き砥石形状で、その材質を柘植、朴(ほお)、等の木材、または、これらの圧縮材であることを特徴とする請求項1又は2に記載の曲面研磨装置。

請求項6

前記円盤状工具は、片持ちの軸付き砥石形状で、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成分とするレジン砥石とし、その含有砥粒ダイヤアルミナ炭化珪素のいずれかとし、粒経が3μm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の曲面研磨装置。

請求項7

加工機上で、前記円盤状工具の外周縁を円弧成型しさらにその表面を目つぶしする工具成型装置具備することを特徴とする請求項1又は2に記載の曲面研磨装置。

請求項8

前記工具成型装置は、その成型工具中空円筒形状またはすりばち状の円錐形状で、材質が電着砥石であることを特徴とする請求項7に記載の曲面研磨装置。

請求項9

請求項1又は2に記載の曲面研磨装置を用いて被加工物の曲面研磨を行う曲面研磨方法において、前記工具切り込みあるいは加圧軸方向に垂直な面内で、加工機の持つスライダと平行な方向に前記円盤状工具を走査し、つづいて、これと直交する方向に該工具を走査する動作を交互に行い、その際、工具回転軸が走査方向と常に平行となるように維持することを特徴とする曲面研磨方法。

請求項10

前記工具走査線のピッチを変化させ、加工面上での走査線分布疎密を与え、特定の場所の研磨除去深さを制御することを特徴とする請求項9に記載の曲面研磨方法。

技術分野

0001

本発明は、曲面研磨装置及び該曲面研磨装置を用いた曲面研磨方法、より詳細には、曲面形状を、光学部品として使用可能な鏡面に仕上げる加工技術に関し、特に、工具の移動を制御する制御装置にかかわり、加工対象物としては、レンズミラーおよびその金型があげられるが、その他、光学部品以外でも、磨き仕上げを必要とする金型の加工において、表面の微小うねりを除去することができ、高品位な仕上げ面を得ることのできる曲面研磨装置及びその使用方法に関する。

背景技術

0002

トーリックレンズや断面が非円弧となる変形トーリックレンズ、または、その金型の加工は、精密フライス盤などの直交3軸のNC工作機械タイヤ形状砥石走査して研削あるいは研磨する方法が広く知られている(例えば、井他:3次元自由曲面光学部品の超精密加工機械技術第43巻3号,p58〜63,1995.3月号)。また、研磨仕上げ加工としては、更に、回転要素揺動軸を加えた特開平6−126607号公報の発明のように、加工点法線に対して工具の回転軸を常に一定の角度姿勢とすることで、加工形状の高精度化をはかったものが提案されている。その他にも、直交スライドと揺動軸の組み合わせかたの工夫で、加工形状の精度向上をはかったものがいくつか提案されている(例えば、実開昭63−83264号公報,特開平5−69300号公報)。これらの開示例は、いずれも光学的な鏡面仕上げまでをねらったもので、いずれも、タイヤまたは球形状工具を用いたものであるが、加工誤差高周波成分である表面粗さの向上までを考慮すると、十分な機械構成とはいいかねる。

0003

図11は、従来の自由曲面加工(研磨)装置の一例を説明するための要部概略構成図で、図中、21はワーク、22は工具(砥石)、Aは砥石22の回転軸、Bは加工点、破線Cは砥石22の走査軌跡、Dはピックフィードで、図示のように、ワーク21の変形トーリック面は特定の間隔の複数の走査線工具軌跡によって加工が行われる。この走査線Cの間隔はピッチ量またはピック量と呼ばれ、走査線と直交する方向がピック方向Dである。工具22が走査線Cを1つ移動するごとに、それとは直交方向に工具22が微小移動し、再度走査線をたどる、繰り返しである。従来技術および本発明において、この加工様式は共通である。この方法によると、加工面は複数の溝加工集積によって形成されることとなる。タイヤ形状の工具により溝加工を行う場合、走査方向と工具回転軸位置関係によって、加工溝内の表面粗さおよびうねりが異なることが実験より確認された。

発明が解決しようとする課題

0004

上記構成の加工機で、自由曲面を研磨仕上げする場合、工具にφ2程度の接触領域を持つ程度の加圧(または切り込み)を与え工具を切り込み方向と直交する方向に走査して加工が行われる。その場合、切り込み方向をZ方向とすれば、走査方向がX,Yである。研磨工具には弾性体が用いられており、その表面には表面粗さおよびうねりが存在する。この研磨工具は、当然、ツルイングならし加工の後に、加工に用いるのであるが、研磨工具表面のうねりを0.1μm以下とするのは困難である。

0005

上記従来の研磨加工機では、タィヤ工具の回転軸が走査方向に対し直角をなす、あるいは、角度関係が意識的に維持されておらず、工具側のうねりと粗さが加工面に転写しやすい。目視ではっきり確認できる研摩痕が生じやすいのはこのためであり、これが従来技術の不十分な点である。

0006

この対策として、特開平9−6645号公報では、工具軸を加工点のほぼ法線周りに回転させるモータを付与する構成としているが、モータ軸と加工面法線が一致していないと、断続的な接触になりやすい、ワーク側の揺動機構を含めると機構が複雑で機械的誤差が生じやすい、制御用NCプログラムが複雑となる、等の弱点を有している。

0007

本発明は、上述のごとき課題を考慮し、簡単な構成で工具のうねりを転写せずに、自由曲面に研磨する装置、および、加工方法を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0008

請求項1の発明は、外周縁円弧断面形状である円盤状工具と、この工具を回転させる駆動機構を有し、この工具の回転軸を、該回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の第2の軸まわりに回転し、かつ、任意の角度でクランプできる機構を有することを特徴としたものである。

0009

請求項2の発明は、外周縁が円弧断面形状である円盤状工具と、この工具を回転させる駆動機構を有し、この工具の回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の軸まわりに被加工物を回転し位置決めする機構を有することを特徴としたものである。

0010

請求項3の発明は、請求項1の発明において、前記工具回転軸の角度姿勢を変化させる第2の回転軸が、円盤工具外周面内の円弧中心を通過する位置に配置されることを特徴としたものである。

0011

請求項4の発明は、請求項1の発明において、前記工具回転駆動機構を保持するフレームを有し、該フレームが前記第2の回転軸に直交する面内でスライド移動し、該第2の回転軸との相対位置を変化させる機構を有することを特徴としたものである。

0012

請求項5の発明は、請求項1又は2の発明において、前記円盤状工具を、片持ち軸付き砥石形状とし、その材質を柘植、朴(ほお)、等の木材、または、これらの圧縮材としたことを特徴としたものである。

0013

請求項6の発明は、請求項1又は2の発明において、前記円盤状工具を、片持ちの軸付き砥石形状とし、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成分とするレジン砥石とし、その含有砥粒ダイヤアルミナ炭化珪素のいずれかとし、粒経を3μm以下としてことを特徴としたものである。

0014

請求項7の発明は、請求項1又は2の発明において、加工機上で、前記工具の外周縁を円弧に成型しさらにその表面を目つぶしする工具成型装置具備することを特徴としたものである。

0015

請求項8の発明は、請求項7の発明において、前記工具成型装置は、その成型工具中空円筒形状またはすりばち状の円錐形状とし、材質を電着砥石としたことを特徴としたものである。

0016

請求項9の発明は、請求項1又は2の装置を用いた曲面加工において、前記工具切り込みあるいは加圧軸方向に垂直な面内で、加工機の持つスライダと平行な方向に工具を走査し、つづいて、これとは直交する方向に工具を走査する動作を交互に行い、その際、工具回転軸が走査方向と常に平行となるように維持することを特徴としたものである。

0017

請求項10の発明は、請求項9の発明において、前記工具走査線のピッチを変化させ、加工面上での走査線の分布疎密を与え、特定の場所の研磨除去深さを制御することを特徴としたものである。

発明を実施するための最良の形態

0018

図1図2は、工具2の走査方向(矢印方向)に対して、工具回転軸1を平行(図1)とした場合と直交(図2)とした場合を比較して示した図で、共に(A)図は溝加工状態の平面図、(B)図は溝の横断面図、(C)図は溝の縦断面図を示したもので、図1の平行の場合では溝の横断面、縦断面共に良好な表面粗さが得られることが確認された。一方、図2の直交する場合では、溝の横断面にタイヤ工具外縁の円弧輪郭と粗さがそのまま転写することとなり、結果として、表面粗さおよびうねりが悪くなりやすいことが確認された。この場合、目視で確認できる研磨痕が顕著に生ずる。この結果は、溝加工で多用される弾性工具である、フェルト系の起毛工具、皮、合成、皮革ポリウレタン等の弾性樹脂ゴムレジンボンド砥石で、程度の差はあれど、すべて同一の傾向を持つことが確認されている。

0019

本発明は、上述の原理を応用し、工具の回転軸をその走査方向に平行にさせるための回転機構を備えた研磨ヘッドを提供するもので、以下、本発明の実施例を図をもって説明する。

0020

図3は、本発明の一実施例を説明するための要部斜視図で、図示のように、工具切り込みまたは加圧方向をZ軸方向とし、Z軸に直交するX軸と平行に工具回転軸1が支持される。この回転軸1の周りにタイヤ形状工具2が工具回転モータ3により回転駆動される。工具回転モータ3は支持部材4に連結され、さらに、支持部材4は、回転面板ステージ)5に連結されている。回転面板5はZ軸方向の回転軸8をもち、回転軸8のまわりに回転移動が可能であり、任意の角度姿勢において回転を固定するクランプ機構を有している。支持部材4は回転軸8に直交する面内での方向にスライド可能で、Z方向に平行でタイヤ工具の断面円弧の中心と工具軸1を通る軸10と回転軸8を一致させるための位置調整を可能としている。合いマーク9aと9bの一致が、工具回転軸1がX軸に平行であることを意味し、9aと9cの一致はY軸と平行を意味する。回転の位置決めには、カービックカップリングなどを介することで簡単で正確な分割も可能である。支持部材6は回転運動に対して固定側となりNC加工機のZ軸コラムに連結されるものである。

0021

図4は、研磨加工時のワークとの位置関係を示す正面図で、研磨ヘッドの固定側支持部材6は、加工圧を制御するバネ要素7aとヘッド振動減衰させる粘性制動要素7bを介して直交3軸のNC機のZ軸コラム15に連結されている。7aと7bの具体的な機械要素としては、直動案内バネまたは直動案内+加圧アクチュエータなどがあり、加圧アクチュエータとしてはエアシリンダピエゾ素子ボイスコイルモータネジ送り機構などがある。Z軸コラム15の下降により、回転するタイヤ工具2をトーリック金型11の鏡面部11aに接触させ、X軸方向に工具を走査する。工具走査のプログラムは、単なる直線の走査線パスとして鏡面部11aのZ方向の変位は、弾性支持部となる7aで吸収するのが、もっとも簡単な加工法である。加工面に沿うようなXZ指令ツールパスも当然使用可能である。研磨のための砥粒は、レジン砥石およびゴム砥石を用いた場合を除いて、ダイヤ、sic、アルミナ等の遊離砥粒ペーストあるいはスラリーの状態で供給される。

0022

図5は、長手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図、図6は、短手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図で、共に、矢印中にて示す線分は、工具の走査軌跡および工具姿勢を示しており、トーリック金型の鏡面部を上方から見た図である。図5はタイヤ工具2をX軸方向に走査している状態であり、図4の状態に対応する。ここで工具回転軸1はX軸と平行となる姿勢となっている。鏡面部11aの長辺は加工機X軸に平行となるようにセットされている。図6は工具2をY軸方向に走査した状態であり、このときは工具回転軸1はY軸と平行となる姿勢となっている。

0023

走査線のツールパスで研磨を行う際、ピック方向に対して研磨加工による新たなうねりを発生しやすい。これを防止するには、図5に示した長手走査のツールパスと図6に示した短手走査のツールパスを交互に用いることが有効である。本発明の研磨ヘッドと合わせて使用することで、XとYどちらか方向の走査線パスに対しても、工具回転軸を走査方向に一致させることができ、目視レベルの研磨痕を生じさせずに表面粗さ、表面うねりを向上させた、曲面の研磨が可能となる。

0024

図7は、請求項2の発明の実施例を説明するための図で、請求項2の発明は、外周縁が円弧断面形状である円盤工具2と、該工具2を回転させる駆動機構を有し、この工具2の回転軸1と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の軸16のまわりに被加工物11を回転して位置決めする機構12を有し、図示のように、工具2の姿勢を維持するための回転機構12をワーク11側に持たせたものである。

0025

図8は、請求項5,6の発明の実施例を説明するための断面図で、円盤工具2は、片持ちの軸付き砥石形状とし、その材質を柘植、朴(ほお)、樫、竹、柳等の木材、またはこれらの圧縮材とし(請求項5)、或いは、その材質をフェノールまたはポリイミドを主成分とするレジン砥石とし、その含有砥粒はダイヤ、アルミナ、炭化珪素のいずれかとし、粒経を3μm以下とし(請求項6)たもので、図8は、心材2bには鉄系材を用い、工具部2aは木材および微細砥石樹脂ボンド砥石を用いた例を示した。

0026

図9図10は、請求項7及び8の発明の実施例を説明するための要部構成図で、図中、13,14はそれぞれ工具2の成型装置で、これら工具成形装置は、図示のように、加工機12上で、工具2の外周縁を円弧に成型し、さらに、その表面を目つぶしするもので、図9に示した例は、タイヤ工具成型工具が中空円筒状13のもの、図10に示した例は、すりばち状の円錐形状14のものを示す。

発明の効果

0027

請求項1の発明によると、外周縁が円弧断面形状である円盤状工具と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転軸を該回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の第2の軸まわりに回転し、かつ、任意の角度でクランプできる機構を有するので、工具回転軸を工具走査方向に対して常に平行にできるため、加工面に生ずる規則的な研磨痕を小さくすることができ、自由曲面の鏡面研磨において表面粗さと表面うねりを小さくすることができる。

0028

請求項2の発明によると、外周縁が円弧断面形状である円盤工具と、該工具を回転させる駆動機構を有し、該工具の回転軸と直交する工具切り込み方向あるいは工具加圧方向の軸まわりに被加工物を回転し位置決めする機構を有するので、請求項1の発明と同様、表面粗さと表面うねりを小さくすることができ、また、回転機構を加工機テーブル面に配置することで、Z軸コラムにぶら下がる部材が軽量化でき、図4に示したように、加圧制御要素7a,7bと組み合わせた際に、加圧制御が容易になる。

0029

請求項3の発明によると、請求項1の発明において、前記工具回転軸の角度姿勢を変化させる第2の回転軸を、円盤工具外周面内の円弧中心を通過する位置に配置したので、工具回転軸の姿勢をかえる回転動作を行った際に、工具表面最下点がZ軸コラムに対して移動しないため、NCプログラム中の工具オフセット値を変える必要がなく、NCプログラム作成が容易となる。

0030

請求項4の発明によると、請求項1の発明において、前記工具回転駆動機構を保持するフレームは、前記第2の回転軸に直交する面内でスライド移動し、第2の回転軸との相対位置を変化させる機構を有するので、図3に示したように、第2の回転軸と工具の位置関係を容易に微調整できる。

0031

請求項5,6の発明によると、各種研磨工具による図2に示した溝加工実験を実施し、鏡面研磨に関する工具の適正評価を行い、溝深さ10μmに達するまでの往復動を繰り返した結果、工具成形(ツルイング)と目つぶし(ならし)工程を組み合わせることで、請求項5,6の工具は、溝横断面のうねりを含めた表面粗さが0.6μmRtを達成している。その他の工具である、フェルト、バフ、ポリウレタン、弾性砥石数種はいずれもうねりを押さえるのが難しく2μmRt前後であった。

0032

請求項7の発明によると、加工機上に工具の外周縁を円弧に成型し、かつ、その表面を目つぶしする工具成型装置を有するので、機上で工具表面の円弧が成形できるため、円弧中心とNC座標の位置関係が容易に把握でき、加工時の工具オフセット量の入力が容易となる。また、円弧中心と第2の回転軸との位置あわせも容易になる。

0033

請求項8の発明によると、請求項7の発明において、前記工具成型装置は、その工具成型工具が中空円筒形状またはすりばち状の円錐形状で、かつ、材質が電着砥石であるので、弾性工具のツルイングは工具が逃げやすく難しいが、精度の高い円弧の成形が可能となった。

0034

請求項9の発明によると、請求項1又は2の装置を用いた曲面加工において、前記工具切り込みあるいは加圧軸方向に垂直な面内で、加工機の持つスライダと平行な方向に工具を走査し、つづいて、これと直交する方向に工具を走査する動作を交互に行い、その際、工具回転軸が走査方向と常に平行となるように維持するようにしたので、ピック方向のうねりを低減できる。

0035

請求項10の発明によると、請求項9の発明において、前記工具走査線のピッチを変化させ、加工面上での走査線の分布に疎密を与え、特定の場所の研磨除去深さを制御するようにしたので、従来の工具走査速度を変化させる(滞留時間制御方式)に比べて、特別な演算処理を要さずにNCプログラムのチェック視覚的に行え、形状補正のNCプログラム作成が容易となる。

図面の簡単な説明

0036

図1工具走査方向(矢印)に対して、工具回転軸を平行とした場合の図である。
図2工具走査方向(矢印)に対して、工具回転軸を直交とした場合の図である。
図3本発明の一実施例を説明するための要部斜視図である。
図4研磨加工時のワークとの位置関係を示す正面図である。
図5長手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図である。
図6短手走査のツールパス及び工具姿勢を示す図である。
図7被加工物を回転するようにした場合の実施例を示す要部構成図である。
図8タイヤ工具の一例を示す断面図である。
図9タイヤ工具成型工具が円筒状の例を示す図である。
図10タイヤ工具成型工具が円錐状の例を示す図である。
図11砥石の走査軌跡、ピックフィード方向を示す図である。

--

0037

1…工具回転軸、2…円盤状工具、3…工具回転モータ、4…支持部材、5…回転面盤、6…固定側支持部材、7…加圧制御機構、7a…バネ要素、7b…粘性減衰要素、8…第2の回転軸、9a…固定側合いマーク、9b…可動側合いマーク、10…工具円弧中心通過軸、11…ワーク、11a…研磨面(鏡面部)、12…ターンテーブル、13…円筒型ツルア、14…円錐型ツルア、15…Zコラム

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