(57)【要約】【課題】硬質金属材料であっても高切削速度で加工可能であり、同時に非回転対称微細構造を達成可能な微細構造形成装置および方法を提供する。【解決手段】本発明は、スピンドルを用いて微細構造を形成するための装置および方法であって、スピンドルが、その長手軸を中心に回転駆動され、ワークピースを固定するための治具を備えており、当該装置が、ワークピース表面に実質的に垂直な方向に工具３２を高速移動させる高速駆動部３６を備えたアクチュエータ３０を有し、アクチュエータ３０が、第一の方向に直線送り運動を生成する更なる駆動部２４によって、加工対象のワークピース表面に沿って位置決め可能となっており、高速駆動部３６が、ガイド手段３８を介して工具３２に連結されており、ガイド手段が、復元力の作用に抗して高速駆動部３６の軸方向の工具３２の送りを可能とし、この方向に垂直な平面内において高剛性である装置および方法を提案する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドル（１２）を用いて微細構造を形成するための装置であって、
前記スピンドルが、その長手軸（２５）を中心に回転駆動され、ワークピース（１６）を固定するための治具を備えており、当該装置が、ワークピース表面に実質的に垂直な方向に工具（３２）を高速移動させる高速駆動部（３６）を備えたアクチュエータ（３０）を有し、前記アクチュエータ（３０）が、第一の方向（ｘ）に直線送り運動を生成する更なる駆動部（２４）によって、加工対象のワークピース表面に沿って位置決め可能となっており、
前記高速駆動部（３６）が、ガイド手段（３８）を介して前記工具（３２）に連結されており、前記ガイド手段が、復元力の作用に抗して前記高速駆動部（３６）の軸方向に前記工具（３２）を送ることを可能とし、この方向に垂直な平面内において高剛性であることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記高速駆動部が、圧電駆動部であることを特徴とする請求項１の装置。
【請求項３】
前記ガイド手段（３８）が、前記ガイド手段（３８）の送り方向に垂直な平面内において、少なくとも５０Ｎ／μｍ、好ましくは少なくとも１００Ｎ／μｍの静剛性を有することを特徴とする請求項１または２の装置。
【請求項４】
前記ガイド手段（３８）が、第１および第２のスプリング素子（４４，４８）上に移動可能に支持されたラム（４０）を備え、前記スプリング素子（４４，４８）が、前記ラム（４０）の半径方向に殆ど降伏せず、前記スプリング素子（４４，４８）のばね力に抗してラム軸（４１）の方向に屈曲を許容することを特徴とする請求項１、２または３の装置。
【請求項５】
前記スプリング素子（４４，４８）が、ホルダ（４５，４６，４９，５０）に固定された長手方向端部を有し、この方向を横断する方向に移動可能である板ばねとして構成されていることを特徴とする請求項４の装置。
【請求項６】
前記スプリング素子（４４，４８）が、半径方向において前記ホルダ（４５，４６，４９，５０）と前記ラム（４０）との間で交差配列で固定された隙間ゲージストリップで構成されていることを特徴とする請求項５の装置。
【請求項７】
前記スプリング素子が、半径方向に対称な円板として、特に円板ばねの形態で構成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかの装置。
【請求項８】
前記工具（３２）が、前記ラム（４０）の第１の端部に固定され、前記ラム（４０）が、前記工具（３２）とは反対側の第２の端部において、前記高速駆動部（３６）に対して付勢されていることを特徴とする請求項４〜７の何れかの装置。
【請求項９】
前記ラム（４０）が、流体圧またはばね圧によって、前記高速駆動部（３６）に対して付勢されていることを特徴とする請求項８の装置。
【請求項１０】
前記ラム（４０）が、ハウジング（６４）内に保持され、前記ラム（４０）および前記ハウジング（６４）が、流体圧を付与可能な耐圧空間（７２）を形成しており、前記空間（７２）が、圧電側において前記ラム（４０）に接続されている第１の隔壁（６８）と、工具側において前記ラム（４０）に接続されている第２の隔壁（７０）とによって、外方に向けて軸方向に密閉されており、前記第１の隔壁（６８）は、前記流体圧に曝される活性表面が前記第２の隔壁（７０）よりも大きいことを特徴とする請求項９の装置。
【請求項１１】
前記隔壁（６８，７０）の少なくとも１つが、アルミニウムで構成されていることを特徴とする請求項１０の装置。
【請求項１２】
前記ラム（４０）とは反対側の前記圧電駆動部（３６）の第１の端部が、保持治具（６０）上に固定されており、前記第１の端部とは反対側の第２の端部が、補償素子（４３，８２）を介して前記ラム（４０）に連結されており、前記補償素子が、前記ラム軸（４１）と前記圧電駆動部（３６）の長手軸（３７）との間の整合誤差を補償可能であることを特徴とする請求項２〜１１の何れかの装置。
【請求項１３】
前記圧電駆動部（３６）の前記第２の端部が、凸面素子、特にボール（８２）または球面素子を介して、前記ラム（４０）に対向配置されていることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１４】
前記圧電駆動部（３６）の前記第２の端部が、狭窄部（４７）を介して前記ラム（４０）に連結されるカバープレート内で終端していることを特徴とする請求項１２の装置。
【請求項１５】
前記ハウジング（６４）が、焼結材料、好ましくは焼結金属で形成された少なくとも１つの減衰素子（６６）を備えていることを特徴とする請求項１０〜１４の何れかの装置。
【請求項１６】
前記減衰素子（６６）が、高開放孔隙率を有することを特徴とする請求項１３の装置。
【請求項１７】
減衰媒体が充填された間隙（７３）が、前記減衰素子（６６）と、対向する前記隔壁（６９）との間に形成されていることを特徴とする請求項１５または１６の装置。
【請求項１８】
前記間隙には、前記減衰媒体として空気、グリースまたはオイルが充填されており、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚みを有していることを特徴とする請求項１７の装置。
【請求項１９】
前記駆動部（２４）が、前記スピンドル軸（２５）に垂直な方向（ｘ）の送り運動を許容し、前記アクチュエータ（３０）が、前記スピンドル軸（２５）の方向（ｚ）の前記工具（３２）の移動を許容することを特徴とする請求項1〜18の何れかの装置。
【請求項２０】
前記駆動部（２０）が、前記スピンドル軸（２５）と平行方向（ｚ）の送り運動を許容し、前記アクチュエータ（３０）が、この方向に対して垂直な方向（ｘ、ｙ）の前記工具（３２）の移動を許容することを特徴とする請求項１〜１６の何れかの装置。
【請求項２１】
前記アクチュエータ（３０）の移動制御のための電子制御装置（１７）が設けられており、前記電子制御装置が、前記ワークピース（１６）の角度位置（ｃ）および前記第１の方向（ｘ）に沿う前記アクチュエータ（３０）の位置（ｎ）に応じて、前記ワークピース（１６）に対する前記アクチュエータ（３０）の相対移動を制御することを特徴とする請求項１〜２０の何れかの装置。
【請求項２２】
前記制御装置（１７）が、前記ワークピースに形成すべき特定の微細構造を、極座標で定義される座標変換構造に変換するための手段を備えており、この手段が、前記回転角度（ｃ）および前記ワークピース表面に沿った前記第１の方向（ｘ）の直線的な送り（ｎ）の関数として、前記アクチュエータ（３０）に関する作動値（Ｇ（ｃ，ｎ））を含むことを特徴とする請求項２１の装置。
【請求項２３】
前記制御装置（１７）が、デカルト座標で定義される、前記ワークピース（１６）に形成すべき特定の微細構造を、極座標で定義される座標変換構造に変換するための手段を備えており、回転角度（ｃ）および半径（ｎ）を含む極座標（ｃ，ｎ）の関数として、作動値（Ｇ（ｃ，ｎ））を格納することを特徴とする請求項２０、２１の装置。
【請求項２４】
前記座標変換構造が、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に格納可能であり、前記電子制御装置（１７）が、前記アクチュエータ（３０）を駆動する目的のためにアンプに供給する作動信号（ｈ）を前記ルックアップテーブルから引き出すことを特徴とする請求項２２または２３の装置。
【請求項２５】
前記電子制御装置（１７）が、前記第１の方向（ｘ）の前記直線送り運動（ｎ）の位置増分の関数として前記アンプに供給される前記作動信号を補間するための手段を備えていることを特徴とする請求項２４の装置。
【請求項２６】
前記アクチュエータ（３０）が、少なくとも１，５００Ｈｚ、好ましくは少なくとも２，０００Ｈｚ、更に好ましくは少なくとも３，０００Ｈｚの第１の共振周波数（ｆＲ）を有し、前記制御手段（１７）は、上限カットオフ周波数（ｆＧ）が前記アクチュエータ（３０）の前記共振周波数（ｆＲ）を下回るローパスフィルタ信号またはバンドパスフィルタ信号を、前記アクチュエータ（３０）に供給するように設計されていることを特徴とする請求項1〜２５の何れかの装置。
【請求項２７】
高速駆動部、特に圧電駆動部（３６）によって微細構造表面を形成する目的のために旋削装置（１０）上でワークピースを移動させるためのアクチュエータ（３０）であって、
前記高速駆動部（３６）が、ガイド手段（３８）を介して工具（３２）に連結され、前記ガイド手段は、復元力の作用に抗して前記高速駆動部（３６）の軸方向に前記工具（３２）を送ることが可能であり、この方向に垂直な平面内で高剛性を呈することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２８】
アクチュエータ（３０）によってワークピース表面に向かう方向（ｚ）に移動可能であり、更なる駆動部（２４）によって前記ワークピース表面に沿って前記方向に対して垂直な方向に直線的に位置決め可能である、前記アクチュエータ（３０）により駆動される工具（３２）を用いて、スピンドル（１２）により回転されるワークピース（１６）に微細構造表面を形成する方法であって、
(a)  加工対象のワークピース（１６）のために所望の微細構造を準備する工程と、
(b)  前記工具のアクチュエータ制御送り運動に関して、前記ワークピース（１６）の回転角度（ｃ）および前記ワークピース表面に沿った前記工具の直線送り行程（ｎ）の関数として、垂直加工方向の作動位置Ｇ（ｃ，ｎ）を含むファイル（ルックアップテーブル、ＬＵＴ）に、前記の所望の微細構造を変換する工程と、
(c)  前記の所望の微細構造の空間周波数分析を実行して、回転角度（ｃ）と、前記ワークピース表面に沿った前記アクチュエータの前記直線送り運動（ｎ）と、切削速度（ｖ）との関数として、前記送り位置Ｇ（ｃ，ｎ）に関する信号の最大カットオフ周波数（ｆＧ）を決定する工程と、
(d)  前記の所望の微細構造の前記最大カットオフ周波数（ｆＧ）が前記アクチュエータ（３０）の第１の共振周波数（ｆＲ）よりも低く（ｆＧ＜ｆＲ）なるように、前記ワークピース（１６）の旋削動作のための前記切削速度（ｖ）を設定する工程と、
(e)  前記スピンドル（１２）と、前記ワークピース表面に沿った前記アクチュエータの直線的な位置決めのための駆動部（２４）とを駆動し、前記切削速度（ｖ）と、前記回転角度（ｃ）と、前記ワークピース表面に沿った前記アクチュエータの前記送り運動（ｎ）の長さとの関数としての前記ルックアップテーブルから引き出された作動値に基づいて、前記アクチュエータ（３０）により前記ワークピース表面に対して前記工具（３２）を送ることによって、前記ワークピース（１６）に微細構造を形成する工程と
を含む方法。
【請求項２９】
工程（ｄ）に従って調整可能な前記切削速度が不充分である場合、前記アクチュエータの送り運動に関する信号が、ローパスフィルタ処理またはバンドパスフィルタ処理される請求項２８の方法。
【請求項３０】
ローパス制限された白色ノイズが前記空間周波数分析で得られるように、アルゴリズムを用いて、前記ワークピース（１６）の所望の微細構造を形成する請求項２８または２９の方法。
【請求項３１】
ローパスフィルタ、特に二項フィルタによってフォールディングされたランダム生成ドットパターンによって、前記の所望の微細構造を形成する請求項３０の方法。
【請求項３２】
周波数空間に変換され、ローパスフィルタ処理されて局所空間に再変換されるランダム生成ドットパターンによって、前記の所望の微細構造を形成する請求項２８、２９、３０または３１の方法。
【請求項３３】
前記スピンドル軸（２５）の方向（ｚ）に前記アクチュエータ（３０）を送り、前記の更なる駆動部（２４）によって、この方向に対して垂直な方向（ｘ）に前記アクチュエータを位置決め可能な請求項２８〜３２の何れかの方法。
【請求項３４】
前記の更なる駆動部によって、前記スピンドル軸（２５）に平行なｚ軸方向に前記アクチュエータ（３０）を位置決めして、この方向に垂直な方向（ｘ，ｙ）に前記ワークピース表面に対して前記アクチュエータ（３０）を送る請求項２８〜３２の何れかの方法。
【請求項３５】
光学素子、特に、レンズの微細構造または回折構造に微細構造を形成するための方法であって、この様な光学素子のためのプレス金型を製造するための請求項２８〜３４の何れかの方法。
【請求項３６】
特に摩擦軸受のための摩擦負荷表面に微細構造を形成するための請求項２８〜３４の何れかの方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドルを用いて微細構造を形成するための装置であって、前記スピンドルがその長手軸を中心に回転駆動され、ワークピースを固定するための治具を備えており、前記装置が、ワークピース表面に実質的に垂直な方向に工具を高速移動させる高速駆動部を備えたアクチュエータを有し、前記アクチュエータが、第一の方向に直線送り運動を生成する更なる駆動部によって、加工対象のワークピース表面に沿って位置決め可能となっている装置に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、この種類の装置に適したアクチュエータに関する。
最後に、本発明は、アクチュエータによって駆動可能で、駆動部によってワークピースに沿って直線方向に位置決め可能であり、アクチュエータによって前記直線方向に対して垂直な方向にワークピース表面に向かって移動可能な工具を使用して、スピンドルにより回転可能なワークピースに微細構造表面を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
前記の種類の装置および方法は、下記特許文献１により公知である。
公知の方法および公知の装置は、旋削プロセスによってコンタクトレンズを製造するために使用される。このプロセスによれば、加工対象のコンタクトレンズ用の素材が、スピンドルに装着される。スピンドルによって回転駆動されるワークピースは、圧電駆動部により位置決めされる旋削工具によって加工可能である。旋削装置は、回動軸を中心とした回動運動のためにすえつけられたカラム状の旋回ヘッドを備えている。旋回ヘッド上には、キャリッジガイドが載置されている。キャリッジガイドは、旋回ヘッドの回動軸に対して直線方向および半径方向に工具キャリッジを案内する役割を果たす。好ましくは旋削ダイヤモンドの形態である旋削工具用の工具ホルダが、工具キャリッジ上に支持されている。旋回ヘッドの回動軸を中心とした旋削工具の高速送りのために、工具キャリッジは、モータ駆動部によってキャリッジガイドに沿って移動可能である。旋削工具の精密位置決めのために、２つの圧電並進手段で構成可能な圧電駆動部が設けられている。第１の圧電並進手段は、キャリッジガイドの方向の移動を可能とし、第２の圧電並進手段は、この第１の移動に対して垂直な方向の移動を許容するようになっている。圧電並進手段の位置決め移動は、スピンドル軸を中心としたスピンドルの回転角度に応答して制御される。
【０００４】
この構成によって、ダイヤモンドカッターによるレンズの高精度表面加工が可能となり、非回転対称の表面さえ加工が可能となる。
圧電駆動部を用いた旋削によって、非回転対称の表面を形成するための同様の装置が、例えば、下記特許文献２または下記特許文献３により公知になっている。
公知の装置および公知の方法により、ダイヤモンド工具を用いて微細構造表面の加工が可能ではあるが、この様な装置および方法は、不適切な動的特性のために非常に硬い金属材料の加工には適していない。この様な材料は、例えば、ホットプレスによるレンズの製造のための金型材料として必要とされる。問題の材料は、例えば、硬質合金である。多楕円体スポットライト（ＰＥＳスポットライト）として公知のスポットライトに使用される照明目的のためのレンズの製造において、例えば、ホットプレス工程において、各レンズに転写される非常に特殊な微細構造をこの様な金型に付与する必要がある。微細構造は、スポットライトの所定の光度分布特性を満たすために製造されるレンズの微細光学部材として役立つ。
【０００５】
例えば、硬質合金または鋳鉄から成るこの様な金型の製造は、現在では、想定の形態で幾何学的に不確定な工程によってのみ可能である。金型は、先ず、旋削によって各レンズの巨視的な形状に加工され、その後、必要に応じて金型表面が研磨される。その後で、製造対象のレンズ上に散乱中心が形成される金型の領域が、数々の工程、例えば、コランダムブラスト工程により生成される。コランダムブラスト工程では、この方法により微細構造を形成しない領域を覆うためにマスクを使用する。ブラスト工程の後、部分的に二次元の後処理を行う。この様な金型の製造には多数の手作業が必要であるが、これは、所望の表面構造を形成するために、極めて時間のかかる高コストな加工が必要となることを意味する。さらに、この様な一連の作業は、所与の光度分布特性の再現性に悪影響を及ぼす誤差や欠陥に非常に影響されやすい。
【０００６】
圧電駆動部を有する前記の公知の装置は、この様な成形作業には適しておらず、この目的のために必要な機械的安定性や、所要の切削速度で精密に硬質金属圧電ワークピースを加工するために必要な動的特性が欠如している。
位置制御された加工は、公知の装置でも可能であるが、これは当然、各システムの第１の共振周波数から充分に離れている場合にのみ可能であり、これは、公知のシステムによる加工が最高でも約１，０００Ｈｚまでしか可能でないことを意味する。しかし、特に、前記の種類の非回転対称表面構造を形成しようとする場合、達成可能な切削速度は、前記の素材を適切な表面品質で適切に加工するには不充分である。
【特許文献１】欧州特許第０４３９４２５号明細書
【特許文献２】米国特許第５４６６７５号明細書
【特許文献３】英国特許出願公開第２３１４４５２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明の目的は、硬質合金や鋳鉄などの硬質金属材料であっても、高切削速度で加工可能であり、同時に非回転対称微細構造を達成可能な微細構造形成装置および方法を提供することである。特に、本発明は、ＰＥＳスポットライト用のレンズに適した、散乱レンズ微細構造を備えたレンズをホットプレスにより製造するための金型の製造を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、アクチュエータが、ガイド手段を介して工具に連結されており、このガイド手段が、復元力の作用に抗して高速駆動部の軸方向の工具送りを可能とし、この方向に垂直な平面内において高剛性を有することで、上記のタイプの装置によりこの目的を達成する。
本発明の目的は、この様に完璧に達成される。
【０００９】
高速駆動部の移動方向に垂直な平面内のすべての方向に高剛性を有する専用設計のガイド手段に高速駆動部を連結することによって、高い動剛性と共に充分な高共振周波数を呈する旋削工具の移動のためのアクチュエータ制御システムを提供し、硬質合金や鋳鉄などの硬質材料でさえ充分に高速な切削速度で加工することが可能となる。同時に、この場合、さもなければ鋳鉄などの硬質材料を加工する際に発生して表面品質を損なう可能性のある振動が回避される。
【００１０】
高速駆動部は、圧電駆動部であることが好ましい。
しかし、油圧駆動部など、高速駆動部の他の実施形態も考えられる。本発明に関連して用いられている「高速駆動部」という用語は、軸方向の高速制御移動が可能であるが、この方向に垂直な平面内での制御移動が不可能であり、後者の方向には非常に小さな力しか必要としない駆動部のことを言う。「高速」という用語は、これに関して、駆動部が特定の制御信号により駆動される際に、少なくとも５００Ｈｚ以上の周波数で移動が可能なことを意味する。
【００１１】
本発明の好適な更なる発展態様によれば、ガイド手段は、ガイド手段の送り方向に垂直な平面内において、少なくとも５０Ｎ／μｍｍ、好ましくは少なくとも１００Ｎ／μｍの静剛性を有する。
この様な装置は、特に、微細構造表面または艶消し表面を有するＰＥＳスポットライト用のレンズのホットプレスのための金型の製造を可能とする。この様な装置は、鋳鉄または硬質合金を加工する際に、約６０ｍ／分の切削速度を達成可能である。これは、許容範囲の時間内に非回転対称表面の適切な加工を保証するのに充分である。この場合に使用するインサートは、従来のタイプのものでよい。
【００１２】
本発明の有利な更なる発展態様によれば、ガイド手段は、好ましくは第１および第２のスプリング素子上に支持されたラムを備え、前記スプリング素子は、ラムの半径方向に殆ど降伏せず、スプリング素子のばね力に抗してラム軸の方向に屈曲を許容する。
この実施形態の有利な更なる発展態様によれば、スプリング素子は、この目的のために、ホルダに固定された長手方向端部を有し、この方向を横断する方向に移動可能である板ばねとして構成されている。
【００１３】
この実施形態の好都合な更なる発展態様によれば、この場合、スプリング素子は、半径方向においてホルダとラムとの間で交差配列で固定された隙間ゲージストリップで構成されている。
あるいは、例えば、円板ばねの形態の、半径方向に対称なスプリング素子として構成することも可能であり、この場合、ラムは中心で連結される。
【００１４】
この様な構造によって、高速駆動部の移動方向に関してガイド手段の充分な弾性が達成されると同時に、この方向に垂直な平面内における高剛性が得られる。
本発明の有利な更なる発展態様によれば、工具は、ラムの第１の端部に固定され、ラムは、工具とは反対側の第２の端部において、高速駆動部に対して付勢されている。
これによって、所要の復元力が保証され、この復元力に抗して高速駆動部が作用する。
【００１５】
この実施形態の有利な更なる発展態様によれば、ラムは、流体圧によって高速駆動部に対して付勢されている。
付勢は、一般的に、スプリングなどの機械的手段により達成してもよいが、この特徴は、切削力ノイズの影響を低減する効果を有する。
この実施形態の有利な更なる発展態様によれば、ラムは、ハウジング内に保持され、ハウジングおよびラムは、流体圧を付加可能な耐圧空間を形成しており、この空間は、圧電側においてラムに接続されている第１の隔壁と、工具側においてラムに接続されている第２の隔壁とによって、外方に向けて軸方向に密閉されており、第１の隔壁は、流体圧に曝される活性表面が第２の隔壁よりも大きい。
【００１６】
この実施形態の有利な更なる発展態様によれば、隔壁は、アルミニウムで構成されている。
この様にして、単純で信頼性の高い方法で圧電駆動部に対する復元力を保証すると同時に、切削力ノイズにより起こり得る影響を低減可能である。
この実施形態の有利な更なる発展態様によれば、ハウジングは、焼結材料、好ましくは焼結金属で形成された少なくとも一つの減衰素子を備えている。この場合、減衰素子は、高開放孔隙率を有することが好ましい。
【００１７】
さらに、この設計において、好ましくは０．１ｍｍ〜１ｍｍの厚みを有し、減衰媒体が充填された間隙が、減衰素子と関連する隔壁との間に形成されていてもよい。減衰媒体は、例えば、空気、グリースまたはオイルとすることができる。
これらの特徴は、切削力ノイズの影響を低減する一助となる。
本発明の有利な更なる発展態様によれば、圧電駆動部の第１の端部、すなわちラムとは反対側の端部が、保持治具上に固定されており、第１の端部とは反対側の第２の端部が、補償素子を介してラムに連結されており、この補償素子は、ラム軸と圧電駆動部の長手軸との間の整合誤差を補償可能である。
【００１８】
この場合、圧電駆動部の第２の端部は、凸面素子、例えば、特にボールや球面素子を介して、ラムの関連する心出し手段に対向配置されていてもよい。
この様にして、例えば、圧電駆動部とラムとの間の整合誤差によって、そして、切削力ノイズの結果として起こり得る半径方向の静的および動的な横断力の付加を殆ど排除することができる。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、圧電駆動部の第２の端部は、狭窄部を介してラムに連結されるカバープレート内で終端している。
この様にして、システム全体の質量を更に低減することができ、必要に応じてジョイントを１つ節約することが可能となる。これは、システム全体の力学的の面で有利である。
本発明の更なる発展態様によれば、駆動部は、スピンドル軸に垂直な方向の送り運動を許容し、アクチュエータは、スピンドル軸の方向の工具の移動を許容する。
【００２０】
この実施形態では、工具が、圧電駆動部によって、実質的にスピンドル軸の方向、すなわちｚ軸方向に送られるので、旋削動作は、端面切削動作によって達成される。
この様な構造は、例えば、ＰＥＳスポットライト用レンズ製造のための金型に微細構造を形成するのに適している。
本発明の更なる実施形態によれば、駆動部は、スピンドル軸と平行方向の送り運動を許容し、アクチュエータは、この方向に対して垂直な方向の工具の移動を許容する。
【００２１】
この構成の場合、外面に微細構造を形成することによるワークピースの表面加工は、長手方向に実行可能である。したがって、この構成は、アクチュエータがスピンドル軸、すなわち、例えばｘ軸方向に垂直な平面内で工具を送るような長手方向旋削装置として有効である。
この様な構成は、例えば、グリースの密着性向上の目的で、外側軸受面など、摩擦応力に曝される表面に微細構造を形成する場合に適しており、これによって、潤滑特性および焼付防止性能の明らかな向上が達成される。
【００２２】
本発明の好都合な更なる発展態様によれば、アクチュエータの移動制御のための電子制御装置であって、ワークピースの角度位置および第１の方向に沿うアクチュエータの位置に応じてワークピースに対するアクチュエータの相対移動を制御する電子制御装置を提供する。
これによって、工具の圧電送り運動により非回転対称表面構造を達成できる。
【００２３】
本発明の更なる構成によれば、制御装置は、デカルト座標で定義される、金型に形成すべき特定の微細構造を、極座標で定義される座標変換構造に変換するための手段を備えており、回転角度および半径を含む極座標の関数として作動値を格納する。
この様な座標変換によって、端面切削動作の場合に、アクチュエータの各作動値を決定することができる。
【００２４】
この場合、座標変換構造は、好ましくは、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）に格納され、電子制御装置は、アクチュエータを制御する目的のためにアンプに供給する作動値をこのテーブルから引き出す。
この実施形態の好適な更なる発展態様によれば、電子制御装置は、第１の方向の直線送り運動の位置増分の関数としてアンプに供給される作動信号を補間するための手段を備えている。
【００２５】
補間は、自動的に一定の平滑化効果を有する圧電駆動部の動作方向における、機械システムの慣性により不必要になるが、直線送り運動の位置増分の関数としてアンプに供給される作動信号の補間は、意味がある。微細構造の隣接ピクセルが写像されるので、これによって、半径方向の直線送り運動により形成される工具跡に似た傷跡の形成を回避できる。
【００２６】
本発明の更に有利な実施形態によれば、アクチュエータは、少なくとも１，５００Ｈｚ、好ましくは少なくとも２，０００Ｈｚ、更に好ましくは少なくとも３，０００Ｈｚの第１の共振周波数を有し、前記制御手段は、上限カットオフ周波数がアクチュエータの共振周波数を下回るローパスフィルタ信号またはバンドパスフィルタ信号をアクチュエータに供給するように設計されている。
【００２７】
この実施形態によって、アクチュエータの位置制御を行うことなく、形成対象の所望の微細構造のカットオフ周波数がアクチュエータの共振周波数を若干下回るように選択される高切削速度での加工が可能となる。この様にして、開ループシステムは、位置制御を用いずに、アクチュエータの共振周波数から充分離れて、可能な限り高速な切削速度で加工を行うことができる。
【００２８】
さらに、本発明の目的は、圧電駆動部を使用して微細構造表面を形成するための旋削装置の工具を移動させるアクチュエータにより達成され、圧電駆動部は、ガイド手段を介して工具に連結され、ガイド手段は、復元力の作用に抗して圧電駆動部の軸方向に工具を送ることが可能であり、この方向に垂直な平面内で高剛性を呈する。
この方法に関連して、本発明の目的は、アクチュエータによってワークピース表面に向かう方向に移動可能であり、更なる駆動部によってワークピース表面に沿って前記方向に対して垂直な方向に直線的に位置決め可能であるアクチュエータ駆動工具を用いて、スピンドルにより回転されるワークピースに微細構造表面を形成する方法により達成され、前記方法は、
(a)  加工対象のワークピースのために所望の微細構造を準備する工程と、
(b)  工具の圧電制御送り運動に関して、ワークピースの回転角度およびワークピース表面に沿った工具の直線送り行程の関数として、垂直加工方向の作動位置を含むファイル（ルックアップテーブル、ＬＵＴ）に、所望の微細構造を変換する工程と、
(c)  所望の微細構造の空間周波数分析を実行して、回転角度と、ワークピース表面に沿ったアクチュエータの直線送り運動と、切削速度との関数として、送り位置に関する信号の最大カットオフ周波数を決定する工程と、
(d)  所望の微細構造の最大カットオフ周波数がアクチュエータの第１の共振周波数よりも低くなるように、ワークピースの旋削動作のための切削速度を設定する工程と、
(e)  スピンドルと、ワークピース表面に沿ったアクチュエータの直線的な位置決めのための駆動部とを駆動し、切削速度と、回転角度と、ワークピース表面に沿ったアクチュエータの送り運動の長さとの関数としてのルックアップテーブルから引き出された作動値に基づいて、アクチュエータによりワークピース表面に対して工具を送ることによって、ワークピースに微細構造を形成する工程と
を含む。
【００２９】
本発明に係る方法によって、この様に、ワークピースに微細構造を形成する際に、可能な限り高速な切削速度を使用し、共振周波数を下回る周波数でアクチュエータを作動することができる。これにより、アクチュエータの共振周波数により定義される最高切削速度までシステムを利用することができ、位置制御の必要がない。
基本的に、本発明に係る方法は、アクチュエータ制御工具を使用した旋削動作によってワークピースに微細構造を形成する従来の装置と組み合わせた使用にも適している。しかし、本発明に係る方法は、本発明に係る装置と組み合わせて用いることが好ましい。
【００３０】
本発明に係る方法の有利な更なる発展態様によれば、工程（ｄ）に従って調整可能な切削速度が不十分である場合、アクチュエータの送り運動に関する信号は、ローパスフィルタ処理またはバンドパスフィルタ処理される。
形成対象の所望の微細構造の空間周波数分析によって、例えば、鋭利な端部への移行の場合に発生する種類の超高周波数が含まれることが分かると、通常選択される切削速度は、明らかに低減され、システムの共振周波数から充分な間隔が維持される。この場合、上記の特徴により、この様な所望の微細構造の場合にも高切削速度を使用できる。最初に信号をフィルタ処理することによって、所望の微細構造が多少平滑化され、例えば、鋳鉄や硬質合金などの硬質材料を加工するために充分に高速な切削速度を使用できる。
【００３１】
本発明の更なる実施形態によれば、ワークピースの所望の微細構造は、ローパス制限された白色ノイズが空間周波数分析で発生するように、アルゴリズムを用いて形成される。
この場合、ディープパスフィルタ、好ましくは二項フィルタによってフォールディングされた、ランダムチェック生成装置により生成されるドットパターンによって、ワークピースの所望の微細構造を形成可能である。
【００３２】
この様な微細構造の構成を用いると、所望の微細構造の形成中に、アクチュエータの共振周波数を若干下回る加工に特に適したローパスフィルタ信号を得ることができる。
あるいは、ランダム生成ドットパターンを生成して周波数空間に変換し、ローパスフィルタ処理して局所空間に再変換することによって、この様な所望の微細構造を形成することができる。
【００３３】
この様な所望の微細構造は、散乱レンズの微細構造をレンズ表面に形成する場合に、ホットプレスによってＰＥＳスポットライト用レンズを製造するための金型の製造に特に適している。
本発明の方法によれば、スピンドル軸の方向にアクチュエータを好適に送り、第１の駆動部によって、この方向に対して垂直な方向にアクチュエータを位置決めすることができる。
【００３４】
これによって、端面切削動作による加工が可能となる。
あるいは、第１の駆動部によって、スピンドル軸に平行なｚ軸方向にアクチュエータを位置決めして、この方向に垂直な方向にワークピース表面に対してアクチュエータを送ることも可能である。
この実施形態の場合、ワークピースの微細構造形成は、長手方向の旋削動作に関しても可能である。
【００３５】
前記のように、本発明に係る方法は、光学素子、特に、レンズの微細構造や散乱構造の微細構造形成のため、または、この様な光学素子用のホットプレス金型の製造のために特に適している。
さらに、本発明に係る方法は、微細構造がワークピース表面に形成されるその他数々の目的に適している。これには、とりわけ、摩擦応力に曝される表面、特に摩擦軸受の表面への微細構造の形成が含まれる。
【００３６】
上記および下記の本発明の特徴は、本発明の範囲を逸脱することなく、上記の各組み合わせだけでなく、その他の組み合わせまたは単独でも使用可能であると理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明の更なる特徴および利点は、下記の図面を参照して、下記の好適な実施形態の説明から明らかになるであろう。
図１において、本発明に係る装置は、非常に概略的に示されており、参照番号１０によって総体的に示されている。
本発明に係る装置１０は、旋削装置であり、ワークピース１６に対する工具３２の高速圧電制御移動が可能なようにアクチュエータ３０を付加的に備えている。装置１０は、矢印２８で示すように、スピンドル軸２５を中心として回転駆動可能なスピンドル１２を備えている。スピンドル１２には、ワークピース１６を固定するチャックの形態の治具１４が装着されている。
【００３８】
装置１０のマシンベッド１３に、駆動部２０が、ｚ軸方向（スピンドル軸２５と平行）に延びるガイドに沿って設けられており、これによって、工具キャリッジ１８は、双頭矢印２６で示すようにｚ軸方向に変位可能である。工具キャリッジ１８には、駆動部２２が設けられ、これによって、キャリッジ２４は、双頭矢印２７で示すように垂直方向（ｙ軸方向）に変位可能である。キャリッジ２４には、更なる駆動部が設けられ、水平方向（スピンドル軸２５に垂直なｘ軸方向）に移動可能である。
【００３９】
キャリッジ２４は、最終的にアクチュエータ３０を支持しており、これによって、工具３２は、さらに、双頭矢印３４で示すようにｚ軸方向に変位可能である。
旋削装置およびアクチュエータを制御するために、参照番号１７で概略的に示す集中制御装置が設けられている。スピンドル１２の角度位置は、エンコーダ３１によって監視可能である。
【００４０】
ワークピース１６の表面に微細構造を形成するために、装置１０を使用し、スピンドル１２によってスピンドル軸２５を中心にワークピース１６を回転させ、キャリッジ２４によってアクチュエータ３０をｘ軸方向に位置決めし、エンコーダ３１により決定されるワークピース１６の角度位置およびアクチュエータ３０の空間座標に応じて、アクチュエータ３０によってワークピース表面に向かってｘ軸方向に工具３２を送ることができる。この様にして、微細構造をワークピース表面に形成し、非回転対称表面構造を高精度で形成することができる。
【００４１】
図１を参照して説明した構造によって、ワークピースを、端面切削動作により加工することが可能となる。端面切削動作とは、ワークピースの回転を開始し、工具３２を主にスピンドル軸を横断する水平方向（ｘ軸方向）またはワークピース１６に対して半径方向に移動させる一方、アクチュエータ３０の高速送り運動をｚ軸方向、すなわちスピンドル軸２５の方向に起こすことを意味する。さらに、その他の方向のその他の移動、例えば、輪郭を旋削するためのｚ軸方向の移動も、もちろん可能である。
【００４２】
長手方向旋削動作によるワークピースの加工も、同様に可能であると理解される。この場合、アクチュエータ３０の位置決め移動は、駆動部２０によってｚ軸方向に実行され、送り運動は、アクチュエータ３０によってこの方向に垂直な平面（ｘ／ｙ平面）内で可能となる。アクチュエータは、この目的のために、圧電軸がｘ軸方向（またはｙ軸方向）に延びるように、キャリッジ２４上に配置されていると都合がよい。この様な構成は、例えば、円筒外面旋削動作または円筒内面旋削動作によりワークピースの外面（または内面）に微細構造を形成するのに適している。
【００４３】
以下、復元力の作用に抗して圧電軸の方向に非常に高速で移動可能であるが、圧電軸に垂直な平面内で高剛性を呈するアクチュエータの特定の構造を、図２、図３を参照しながら更に詳述する。
図２、図３に総体的に参照番号３０で示すアクチュエータは、基本的に、ハウジング上に受けられ、ガイド手段３８を介して工具３２に作用する圧電駆動部３６を備えている。圧電駆動部３６は、圧電駆動部の軸方向にのみ移動可能であるが、この方向に垂直な平面内で送り力を生成することはできない。ガイド手段３８は、圧電駆動部３６の軸方向の送り運動を工具３２に直接伝達可能であること、およびアクチュエータ３０全体が圧電軸に垂直な平面内で高剛性を呈することを保証する。
【００４４】
ガイド手段３８は、この目的のためにラム４０を備え、そのラム軸４１は、可能な限り厳密に圧電駆動部３６の長手軸３７に整合（一直線に並ぶ）ようにされている。ラム４０は、第１のスプリング素子４４および第２のスプリング素子４８の力に抗して、ラム軸４１に沿って軸方向に移動可能であるが、特別な設計およびスプリング素子４４、４８の締着構成により、ラム軸４１に垂直な平面内において、実質的に無降伏状態で装架され（吊り下げられ）ている。スプリング素子４４、４８は、例えば、隙間ゲージ（フィーラーゲージ）ストリップとしての使用で公知となっているように、幅が広く、厚みの薄いばね鋼で形成された板ばねである。板ばねの外端部は、ホルダに固定され、ラム４０は、これら端部の中央に装着されている。第１のスプリング素子４４は、環状ホルダ４５、４６の間に固定され、第２のスプリング素子４８は環状ホルダ４９、５０の間に固定されている。
【００４５】
全般的に見て、この様にして、ラムは、約０．５ｍｍの軸方向の変位が可能であるが、ラム４０は、この方向に垂直な平面内において、非常に強固（１００Ｎ／μｍを上回る静剛性）に保持されている。この場合、圧電駆動部３６に作用する所要の復元力は、機械的にではなく空圧的に生成される。この目的のために、ラム４０は、キャビティ７２が形成されるようにハウジング６４内に装架され、このキャビティ７２は、外方に向けて気密に密閉され、圧縮空気接続部７４を介して圧縮空気が供給される。キャビティ７２は、軸方向において、圧電駆動部３６側の端部が第１の隔壁６８によって、そして、工具側の端部が第２の隔壁７０によって封止されている。この場合、圧電駆動部３６側の第１の隔壁６８の外側（外気側）の有効直径は、反対側の隔壁７０の直径よりも明らかに大きい。これにより、ラム４０を圧電駆動部３６の方向に付勢する差圧が生成され、ラム４０は、中央において２つの隔壁６８、７０によって接続される結果となる。付勢力は、もちろん、圧電駆動部３６により生成される加速力よりも大きくなければならないが、隔壁６８、７０の表面積関係の適切な選択と付与圧力によって調整可能である。
【００４６】
隔壁６８、７０は、好ましくは、比較的強固なアルミニウム素子で構成され、それぞれ外周で薄い対向隔壁６９、７１と接触し、対向隔壁６９、７１は、キャビティ７２内の過剰圧力のために隔壁６８、７０に押圧されている。さらに、キャビティ７２の横断面のほぼ全体に広がる焼結金属板６６が、圧電駆動部側のキャビティ７２の軸方向端部において、対向隔壁６９から非常に小さな間隔をおいて保持されている。焼結金属板６６は、例えば、焼結鋼で構成され、一定の開放孔隙率を有する。
【００４７】
したがって、焼結金属板３６は、通気性があるので、キャビティ７２内の圧力を隔壁６８に伝達可能であり、開放孔隙により形成される細い経路により顕著な減衰効果を提供し、これにより、アクチュエータの動作における切削力ノイズの影響が明らかに低減される。
工具３２自体は、例えば、治具４２に装着されたインサートとして構成され、治具４２は、ラム４０の軸方向の外端部に（図示しないねじによって）装着され、第２のスプリング素子４８への装着が交差スプリングス片によって同時に実現される。ラム４０の反対側の端部は、２つの第１の交差スプリング素子４４に強固に接続されている。これは、ねじ８０により達成され、このねじは、２つの交差スプリング素子４４の対応する中央凹部、中間スペーサ７６、および中間ピース７８を貫通し、ねじにより接続されるラム４０の端部へと延びている。
【００４８】
圧電駆動部３６は、ラム４０とは反対側の端部が、ねじ接続によって圧電座部を介して端部ピース６０と強固に接続されている。圧電駆動部３６は、ラム４０側の端部が、ボール８２および心出し（中心あわせ）素子８６を介してねじ８０に接触している。圧電駆動部３６の長手軸３７とラム軸４１との間の整合誤差を生じる可能性のある、圧電駆動部３６に作用する半径方向の力を、この様にして回避する。したがって、圧電駆動部３６は、確実に、その長手軸３７の方向にのみ負荷を与える。
【００４９】
圧電駆動部３６、そのサスペンション、および端部ピース６０により構成されるユニットは、共に螺刻ボルト５２および中間スペーサスリーブ５４によって、ホルダ４５、４６を貫通して直接取り付けられている。
この様に、この構成全体によりコンパクトなアクチュエータ３０が提供され、圧電駆動部３６は、空圧復元力に抗して軸方向に移動可能であり、この方向に垂直な平面内において高剛性を呈する。
【００５０】
旋削動作中に圧電駆動部３６を切削油から保護するのに適した完全な飛散保護などの更なる特徴については、当業者に一般的に知られており、ここで詳述する必要はない。
図２ａに、圧電駆動部３６とラム４０との間の接続の変更態様を示す。圧電駆動部３６の長手軸３７とラム軸４１との間の潜在的な整合誤差を補償するために、圧電駆動部３６とラム４０との間に補償素子４３がさらに設けられている。ただし、この場合、補償素子３６は、圧電駆動部３６の端部板３９およびラム４０に直接連結された狭窄部４７として構成され、これによって、圧電駆動部３６とラム４０との間の直接的で横方向に柔軟な接続が実現される。
【００５１】
さらに、図３に、横方向ブラケット８４を示す。このブラケットによって、例えば、アクチュエータ３０をキャリッジ２４に装着可能である。
図４は、図２および図３に係るアクチュエータの測定された周波数応答特性および動作範囲を示す。この場合、４０μｍの最大の送りを有する圧電結晶を圧電駆動部３６として用いた。０〜４，０００Ｈｚの周波数範囲において、１Ｖの振幅で圧電駆動部３６を励起した。図４の上側の図は、励起電圧の関数としての行程を示す。工具３２上に直接記録される振動計行程は、０〜約２２５０Ｈｚで約２．５μｍ／Ｖの不変振幅（振幅が一定の）特性を示す。第１の共振周波数は、約２，４００Ｈｚである。
【００５２】
図４の下側の図面は、周波数の関数としての位相応答特性の図を示す。位相応答特性は、０〜２２５０Ｈｚで極めて線形である。
本発明に係るアクチュエータは、その非常に良好な動的特性のために、表面への微細構造の形成、特に、高切削速度が要求される硬質材料の機械加工に特に適している。例えば、構造振幅が５μｍの場合、２．２５ｋＨｚまでの送り周波数を実現可能である。より大きな送り振幅、すなわち極めて高い材料除去率に対しては、最大送り周波数は多少低くなる。従来の閉ループ制御を（ここで使用されている開ループ制御の代わりに）用いて力学的に更に改善する必要はないであろうが、この様な改善は、測定される位相応答特性に起因して、共振周波数を僅かに下回る周波数までは見込めない。
【００５３】
使用するアクチュエータ３０の最大アクチュエータ行程は、約４０μｍであるので、共振周波数は、約２，４００Ｈｚの範囲である。しかし、数多くの用途において、最大アクチュエータ行程が２０μｍの圧電駆動部で充分である。これは、最低共振周波数が約３．５ｋＨｚまで増加する結果となる。
以下、図５〜図７を参照して、レンズの微細構造の形成のための正しい加工条件の選択についてより詳細に説明する。
【００５４】
図２〜図４を参照して上記で詳述したアクチュエータ３０を、半径方向の偏心が約０．４μｍの超精密スピンドルを備えた１９７８年製のインデックス型旋削装置と共に使用した。
ＰＥＳスポットライト用レンズのホットプレスのための金型製造のために、前記装置を用いた。
この場合、所与の光度分布特性に適合するために、各レンズの選択された表面領域に、マイクロレンズの形態の微細構造を設けなければならない。この様な微細構造、または「艶消し」のレンズを多楕円体スポットライトに使用すると、特定の光度分布特性となる。金型に形成された表面の微細構造は、ホットプレスによるレンズの製造中にレンズ表面に転写される。
【００５５】
図５は、この様な微細構造の拡大詳細図を示す。縦軸にプロットされる中間調（グレイ）値は、ｈｍｉｎ＝０、ｈｍａｘ＝２５５であり、０〜約１０μｍの山谷深度に相当する。
この様な構造は、二項フィルタでフォールディングされたランダム生成ドットパターンにより生成可能である。この様な構造を形成するために、図６に示すように、例えば８０１×８０１ピクセルの大きさの画像における個々のピクセルは、ランダムチェック発生装置によって、アドレス指定される。ｎピクセルの空間距離において、アドレス指定されたピクセルが存在しなかった場合（すなわち、その外接円内の隣接ピクセルのすべての中間調値が０である場合）、アドレス指定されたピクセルの中間調値は１に設定される。この様にして、ランダムチェック発生装置は、数十万サイクルを実行する。結果的に、中間調値１のランダムオーダーのピクセルを有する画像となり、隣接するピクセルの各対が、この制限値を下回ることはない。そして、画像は、二項フィルタによって２次元的にフォールディングされ、これは必要に応じて複数回行われる。例えて言えば、二項フィルタは、中心部の中間調値１の個々のピクセルに対して「適用」される。結果的に、図５のレンズ微細構造の形状を非常に効率よく模擬形成したランダム配列の「山」および「谷」を有する画像となる。この種類の二項フィルタはローパス特性を有するので、画像も全体的にローパス特性を有する。これは、アクチュエータを使用した形成に非常に良く適合する。
【００５６】
図示の事例において、図５または図６に例示の微細構造は、アクチュエータ３０を使用した端面切削動作によって、金型の表面に付与される。この場合、もちろん、デカルト座標で定義された所望の微細構造を極座標システムに変換する必要がある。極座標に変換されたこの構造は、例えば、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）の形態で格納できる。このテーブルは、アクチュエータ用の出力値Ｇ（ｃ，ｎ）を、回転角度（ｃ）およびアクチュエータの半径方向の位置（ｎ）の関数として定義する。
【００５７】
図７は、図６に係る構造から導出される空間周波数分析を示す。この場合、空間周波数は、ＦＦＴフーリエ解析（高速フーリエ変換）により解析される構造（この場合は半径３４ｍｍ）の外周に記録されている。円周断面上の図示の表面スペクトルから、空間周波数応答特性が、ゼロ〜約２周期／ｍｍで比較的一定であることが分かる。空間周波数応答特性は、約２．８構造体／ｍｍからゼロに近接している。
【００５８】
図７の下側の図は、工具切削速度が５０ｍ／分であるとの仮定に基づいた、ＦＦＴ解析で記録された空間周波数特性から振動周波数特性への変換を示す。結果的に、２，３５０Ｈｚの後、ゼロ付近まで空間周波数特性が直線的に降下するが、約１．７ｋＨｚまで非常に線形な位相特性が存在する。
本発明によれば、振幅応答特性がアクチュエータの第１の共振周波数（図４では約２，４００Ｈｚとして示されている）でゼロまで降下するように、切削速度を選択する。したがって、アクチュエータの空間周波数特性がゼロ付近である約２，３５０ｋＨｚに降下しているので、選択された構造は、切削速度を５０ｍ／分に設定できる。したがって、図６に示すように、図５の空間構造に対応する、ランダムチェック発生装置により生成される所望の表面は、白色ノイズの振幅応答特性がローパスフィルタ処理により制限され、本発明のアクチュエータ３０によって約５０ｍ／分の切削速度で好適に形成可能となる。これによって、さもなければ振動が発生するような高切削速度を要する硬質合金などの超硬質金属材料であっても、その加工が可能となる。
【００５９】
図８は、端面切削動作による加工の際に、微細構造形成のために使用する装置１０の一般的な制御を示す。
第一段階として、確率論的なレンズ微細構造が形成される（図５および図６を対照）。あるいは、変換された写真や記号など他の構造を撮像することも、もちろん可能である。
そして、これらの構造を極座標に変換する。
【００６０】
その後、空間周波数分析に基づいて、加工条件の選択および加工条件のシミュレーションを行う。信号処理カードを有するＰＣで構成されたアクチュエータ駆動用リアルタイムコンピュータは、適切な切削速度を用いて、アクチュエータに関する所要の作動信号およびアクチュエータの半径方向の位置決めのための所要の作動信号を生成する。この目的のために、リアルタイムコンピュータは、回転軸用にエンコーダ３１により生成されたパルスおよび半径方向軸用に更なるエンコーダにより生成されたパルスを評価し、加工動作のための開始パルスおよび終了パルスを生成する。
【００６１】
空間周波数分析は、形成対象の所望の微細構造のカットオフ周波数を決定する。空間周波数分析が、非常に高いカットオフ周波数を示す場合、その結果、非常に低速の切削速度が選択される可能性があり、最大カットオフ周波数は、アクチュエータの第１の共振周波数を下回ったままとなる。これは、例えば、形成対象の所望の微細構造が鋭いエッジ等を含む場合に相当する。
【００６２】
本発明に係るアクチュエータシステムを使用して好適に処理可能なローパスフィルタ信号を得るために、ローパスフィルタまたはバンドパスフィルタ、例えばソーベルフィルタの適用によって、最初に所望の微細構造を平滑化すると好都合である。
形成対象の所望の微細構造（図６を対照）の形状は、奇数の撮像ピクセル、例えば８０１×８０１ピクセルの正方形でなければならない。この正方形の構造に基づいて、端面切削動作の際に直径が８０１ピクセルの円形を加工することができる。画像の外輪郭においても正方ピクセルを得るためには、画像フォーマットは、ＰＩ（ピクセル精度）で除算される、スピンドル軸用のエンコーダの解像度に概ね対応しなければならない。深度として１バイト（＝２５５の中間調レベル）を選択する場合、使用するエンコーダは、例えば２，５００の増分を有する。例示として、２５５の中間調レベルは、その後、アクチュエータの深度送り運動に関して０〜１０μｍの深度に対応しなければならない。
【００６３】
次に、図９は、この様な加工動作のための関連アルゴリズムを示す。
形成対象の所望の微細構造は、極座標に変換され、２，５００×４０１ピクセルを有するＬＵＴに極座標画像Ｇ（ｃ，ｎ）として格納され、アクチュエータの作動値は１バイトの精度で与えられる。作動値Ｇは、この様に０〜２５５の値をとり、これは、０〜最大４０μｍのアクチュエータ偏位、または、より小さな範囲、例えば０〜１０μｍに対応する。
【００６４】
図９に示す極座標画像は、ＢＭＰフォーマットのＬＵＴに格納される。
図９に示すように、スピンドル１２の角度位置は、スピンドルＣエンコーダによって検出され、エッジカウンタを介して記録され、デジタル値への変換の後、「スピンドル開始」初期値に基づいて「ｃ値」として処理される。
同様に、アクチュエータの半径方向位置は、エンコーダＹによって検出され、デジタル値への変換の後、エッジカウンタを介して処理される。
【００６５】
圧電駆動部は、ｚ軸方向（ｈｍｉｎからｈｍａｘへの行程）の作動値を用いて、リアルタイムコンピュータを介して制御される。アンプは、適切なアルゴリズムに従って、デジタル／アナログ変換器を介して、ＬＵＴからの入力値と、角度位置および半径方向位置用のエンコーダからの値を受け取る。
ｇ＝０におけるアンプ入力電圧Ｕｍｉｎは、ｈｍｉｎに対応し、ｇ＝２５５におけるアンプ入力電圧Ｕｍａｘは、最大作動値ｈｍａｘに対応する。「全半径」という用語は、Ｒｍａｘ〜Ｒ０（すなわち外周半径から中心まで）の行程に関する半径方向パルスの数を言う。図９における「ｆｌｏｏｒ（ｙ）］という用語は、数値が次に小さない偶数に丸められていることを示す。
【００６６】
図９に示すアルゴリズムを用いて、アンプは、ＬＵＴからの値と、スピンドル用のエンコーダＣ値と、半径方向位置用のエンコーダＹ値とに基づいて、デジタル／アナログ変換器を介して制御される。
このアルゴリズムは、半径方向に隣接する２つピクセルの補間を利用して、アクチュエータの送り運動のために、半径方向に１ピクセルずつアンプ入力電圧を平滑化する。極座標画像の右横の第１のボックスに示すように、アルゴリズムは、ｇ＝Ｇ（ｃ，ｎ＋１）＊（１―ｄ）＋Ｇ（ｃ，ｎ＋２）＊ｄで補間する。これより、アンプ入力電圧のデジタル値ｕは、ｕ＝Ｕｍｉｎ＋ｇ＊（Ｕｍａｘ−Ｕｍｉｎ）／２５５として得られる。この値は、アンプを制御するために、デジタル／アナログ変換器によってアナログの値に変換される。
【００６７】
この様に、作動値の線形補間は、軸方向に隣接するピクセルに対して実行されるが、補間は、回転角度については実行されない。これによって、旋削方向に現れ得る顕著な「切削跡」を回避できる。
一定の半径方向位置における作動値に対しては、補間の必要はなく、アクチュエータの機械システムは、充分に高い慣性を有し、円周方向に平滑化効果を提供する。
【００６８】
図１０に、本発明に係るアクチュエータの長手方向断面が示されており、このアクチュエータは、図２に示す実施形態に対して若干変更されたもので、その全体が番号３０’で示されている。本明細書において、同様の部材は、同様の参照番号で示す。
アクチュエータ３０’は、その設計が、図２に関連して既に説明したアクチュエータと殆ど一致する。図２の実施形態とは対照的に、工具ホルダ４２は、工具が正確に中心整合するように位置決めされる。これによって、軸からずらすこととなるような軸方向に垂直な力成分を回避できる。この様にして、切削力ノイズを更に低減する。
【００６９】
さらに、ラム３０’と圧電駆動部３６との間の心出しは、ねじ８０の頂部面８８と、圧電駆動部３６の平坦な対向面９０とにより設計される。
さらに、焼結板６６と隔壁６８または対向隔壁６９との間には、約０．１ｍｍ〜１ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの小さな間隙７３が形成され、この間隙には減衰媒体が充填されている。これは、例えば、空気、グリースまたはオイルとすることができる。
【００７０】
また、これによって、切削力ノイズは、更に低減される。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る装置の簡略図面を示す。
【図２】図１に示す本発明に係るアクチュエータの長手方向断面図を示す。
【図２ａ】図２と比較して若干変更された本発明に係るアクチュエータの詳細を示し、アクチュエータとラムとの間の接続領域を示す。
【図３】図２のアクチュエータの斜視図を示す。
【図４】工具を備えた図２のアクチュエータの周波数応答特性および位相応答特性を示す。
【図５】ＰＥＳスポットライト用レンズの製造のための金型製造のために形成される所望のレンズ微細構造の拡大詳細図を示す。
【図６】ピクセルマップとして図５の所望の微細構造の図を示す。
【図７】Ｒ＝３４ｍｍの半径の外周に沿った、図６の所望の微細構造の空間周波数分析を示す。
【図８】アクチュエータのための制御を含むブロック図を示す。
【図９】アクチュエータを駆動するためのアルゴリズムの図を示す。
【図１０】図２に示す実施形態を若干変更した本発明に係るアクチュエータの長手方向断面図を示す。
【図１】
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【図２】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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