(57)【要約】【課題】各種の光学結晶やガラス等の脆性材料からなるフレネルレンズの、簡便にして、低加工コストで、高精度な切削加工を行うことができる軸対称回折曲面の切削加工方法を提供すること。【解決手段】先端の尖った微小な剣状切削バイト１１を、回転軸を有する被加工物１上で、一定の軌跡に沿って駆動させながら、１軸（Ｚ）直線運動と、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、剣状切削バイト１１の切れ刃の転写および包絡によって、回転する被加工物１の表面に不連続な回折曲面を形成する工程において、まず、被加工物１の回転軸近傍の第１の溝について、１軸（Ｚ）直線運動と、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、回転する被加工物１の表面に不連続な回折曲面を形成し、順次、回転軸から外側の溝を同様に加工する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を所定の回転軸を中心として回転させ、前記回転軸に対して対称な回折曲面を形成するための軸対称回折曲面の切削加工方法であって、
前記回転軸に平行なＺ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸に対して垂直なＸ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に対して垂直なＹ軸を中心とした回転運動とを行うよう、先端の尖った微小な剣状切削バイトを３軸同時制御することにより、前記回転軸を中心として回転する前記被加工物に対して直線包絡法で切削を行い、前記回転軸近傍の第１の溝から順次、外側の溝を加工して、前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成することを、特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法。
【請求項２】
所定の溝を加工するためのＺ軸に沿った直線運動の際に発生する、前記被加工物の直線加工部先端のチッピングが、次の外側の溝加工により削除されるよう、前記剣状切削バイトを３軸同時制御して直線包絡法で切削を行うことを、特徴とする請求項１記載の軸対称回折曲面の切削加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸対称回折曲面の切削加工方法に係り、特に暗視野赤外線光学機器や車載用ナイトビジョンシステム、赤外線センサー等に用いられるフレネルレンズの製造方法として好適な軸対称回折曲面の切削加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
フレネルレンズは、球面や非球面レンズの表面を同心円状の細かい幅に分割し、その傾斜角だけを平面上にプリズムとして置き換えたものであり、不連続な回折表面よりなる。フレネルレンズのレンズ母材としては、ガラスやプラスチック、光学結晶などがある。その中でもプラスチック製フレネルレンズは、射出成形技術により、比較的安価に生産を行えるようになってきている。しかし、各種光学結晶や一部のガラス等の脆性材料をレンズ基板としたときには、射出成形が不可能であり、機械加工に頼らざるを得ない。しかし、このような硬質脆性材料のフレネルレンズ形状の加工は技術的に困難であり、加工コストが非常に大きいという問題点がある。
【０００３】
本発明の先行技術として、断面が直線である鋸刃状を有する光学素子を製造するための加工方法が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、この先行文献は、曲面加工が出来ないという問題点がある。また、短い直線を理想曲線の内側でつないで擬似曲面を加工する方法も提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、この方法は、工作物１回転あたりの切取り厚さに対して制御を行っていないため、光学素子成形加工用の金属製金型の製造においては有効であるが、脆性材料製フレネルレンズの加工には適用できないという問題点がある。
【０００４】
また、硬質脆性材料のフレネル形状の新しい加工方法も提案されている（非特許文献１参照）。この新しい加工方法を要約すると、先端の尖った円盤状研削砥石を使用し、砥石の回転軸と工作物の回転軸とを直交するように配置し、工作物上で接する研削砥石の回転方向と工作物の回転方向とが平行になるようにした研削加工方法である。しかし、この加工方法では、複数の砥粒の形状およびその分布を精密に把握することが不可能であるため、硬質脆性材料に適した高品質・高安定性加工は困難である。また、加工対象となるフレネルレンズ等の光学部品について、砥石成形技術の制限により、表面回折部すなわち溝の底部において大きな円弧が残され（数十ミクロンレベル）、光学部品の性能に影響を及ぼす。さらに、加工中に断続的に加工を停止させ、砥石を成形修正しなければならない問題もある。
【０００５】
一方、本発明者は、先に硬質脆性材料に適した軸対称回折曲面の加工方法を提案している（特許文献３参照）。この方法は、先端の尖った微小な剣状切削バイトを軸対称被加工物の回転軸が所在する平面上で一定の軌跡に沿って駆動させながら、前記平面と垂直な直線を軸として旋回させ、１軸（Ｚ）直線運動と、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、前記剣状切削バイトの切れ刃の転写および包絡によって、回転する前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成するものである。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３０９６０１号公報
【特許文献２】特開平１０−２９３２０５号公報
【特許文献３】特開２００５−９６０６４号公報
【非特許文献１】鈴木浩文、樋口俊郎、和嶋直、北嶋孝之、奥山繁樹、山崎洋、「マイクロフレネルレンズ成形型の超精密研削−超硬合金型の研削加工の可能性検証−」、精密工学会誌、1999、65(8)、p.1163-1168
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献３に記載の加工方法で硬質脆性材料を加工すると、最外溝から回転中心方向に加工するので、それぞれのＺ軸の直線加工において、被加工物の先端の凸部（Lens edge）に、脆性破壊やマイクロチッピング等の欠陥が導入される可能性が高く、加工後に、脆性破壊部やマイクロチッピングを除去するための表面研磨加工が必要になり、結果的に加工コストが大きくなり、更に、加工により光学性能が低下するという課題がある。特に、剣状切削バイトの先端が摩耗したときに、チッピングが生じやすくなる。
【０００８】
本発明はこのような課題に着目してなされており、本発明の目的は、簡便にして、低加工コストで、高精度な切削加工を行うことができる軸対称回折曲面の切削加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、被加工物を所定の回転軸を中心として回転させ、前記回転軸に対して対称な回折曲面を形成するための軸対称回折曲面の切削加工方法であって、前記回転軸に平行なＺ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸に対して垂直なＸ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に対して垂直なＹ軸を中心とした回転運動とを行うよう、先端の尖った微小な剣状切削バイトを３軸同時制御することにより、前記回転軸を中心として回転する前記被加工物に対して直線包絡法で切削を行い、前記回転軸近傍の第１の溝から順次、外側の溝を加工して、前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成することを、特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法が得られる。
【００１０】
また、本発明によれば、所定の溝を加工するためのＺ軸に沿った直線運動の際に発生する、前記被加工物の直線加工部先端のチッピングが、次の外側の溝加工により削除されるよう、前記剣状切削バイトを３軸同時制御して直線包絡法で切削を行うことを、特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、各種の光学結晶やガラス等の脆性材料からなるフレネルレンズの、簡便にして、低加工コストで、高精度な切削加工を行うことができる軸対称回折曲面の切削加工方法が得られる。その実用化により、光学機器の飛躍的な高機能化・小型化・軽量化が期待できる。また、加工工程でチッピングを削除できるため、剣状切削バイトが摩耗しても加工を継続することができ、コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、主軸（工作物軸）をＺ軸とし、水平面上にＸ軸、鉛直上方にＹ軸をとり、ＸＹＺ各軸回りの回転軸をＡ、Ｂ、Ｃ（右ねじ方向を正）と加工機械における座標系を定義し、先端の尖った微小な剣状切削バイトを、回転軸を有する被加工物上で、一定の軌跡に沿って駆動させながら、１軸（Ｚ）直線運動と、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、前記剣状切削バイトの切れ刃の転写および包絡によって、回転する前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成する工程において、まず、前記非加工物の回転軸近傍の第１の溝について、１軸（Ｚ）直線運動と、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、回転する前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成し、順次、回転軸から外側の溝を同様に加工することを特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法であり、第１の溝の１軸（Ｚ）直線運動の際に発生する、直線加工部先端部の脆性破壊やマイクロチッピングが、次の外側の溝加工の２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡加工により、削除されることを特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法が得られる。従って、簡便にして、低加工コストで、高精度な切削加工を行うことができる。
【００１３】
また、本発明は、被加工物を所定の回転軸を中心として回転させ、前記回転軸に対して対称な回折曲面を形成するための軸対称回折曲面の切削加工方法であって、前記回転軸に平行なＺ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸に対して垂直なＸ軸に沿った直線運動と、前記Ｚ軸および前記Ｘ軸に対して垂直なＹ軸を中心とした回転運動とを行うよう、先端の尖った微小な剣状切削バイトを３軸同時制御することにより、前記回転軸を中心として回転する前記被加工物に対して直線包絡法で切削を行い、前記回転軸近傍の第１の溝から順次、外側の溝を加工して、前記被加工物の表面に不連続な回折曲面を形成することを、特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法であり、所定の溝を加工するためのＺ軸に沿った直線運動の際に発生する、前記被加工物の直線加工部先端のチッピングが、次の外側の溝加工により削除されるよう、前記剣状切削バイトを３軸同時制御して直線包絡法で切削を行うことを、特徴とする軸対称回折曲面の切削加工方法である。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の加工方法を示す断面図である。まず、図１（ａ）において、回転中心軸に一番近い内側の溝加工をＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順番で行い、加工後に次の外側の溝加工開始位置Ｅまで、微小な剣状切削バイト１１を移動する。次に図１（ｂ）において、回転中心軸から二番目の内側の溝加工をＥ→Ｆ→Ｇ→Ｈの順番で行い、加工後に次の外側の溝加工位置Ｉまで剣状切削バイト１１を移動する。この要領を繰り返して、内側から外側方向に溝加工を行った。
【００１５】
ここでは、切削加工工具として、微小な剣状切削バイト（Diamond tool）１１を用いる。この微小な剣状切削バイト１１は、高硬度材であるダイヤモンド、ＣＢＮ（cubic boron nitride：立方晶系窒化ホウ素）、セラミックスなどから構成することができる。このとき、脆性材料の加工における脆性破壊を防ぐため、剣状切削バイト１１のすくい面に微小な面取りを施しておく。これにより剣状切削バイト１１の工具すくい角が適正に負の値となり、切削領域において静水圧応力が生成される。
【００１６】
被加工物１のフレネルレンズ基板としては、赤外線から紫外線までの全ての波長範囲において透過性のある硬質脆性材料、具体的には、光学ガラス、シリコン、ゲルマニウム、ＺｎＳｅ、石英、フッ化カルシウムなどを用いる。特に、単結晶ゲルマニウム（Ｇｅ）は赤外線光学材料であり、車載用ナイトビジョンシステムおよび赤外線センサー等のレンズ基板材料として用いることが出来る。
【００１７】
図２は、本発明の加工方法で、脆性破壊やマイクロチッピングが削除される工程を示す。図２（ａ）において、剣状切削バイト１１の１軸（Ｚ）直線運動を行うことにより、最初に剣状切削バイト１１が硬質脆性材料に接触する直線加工部先端（Lens edge）に脆性破壊やマイクロチッピング（microcrack）２が発生する。しかしながら、次の外側の溝加工の際、図２（ｂ）において、２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い、前の溝加工時に発生した脆性破壊やマイクロチッピング２を切削除去することが可能となる。
【００１８】
図３は、加工用ＮＣ（数値制御）プログラムのフローチャートである。
（１）まず、最も内側の溝（最内溝）（ｎ＝０）の切削開始点のＸ座標へバイト１１を移動する。
（２）次に、割り込みで工具を被切削材に接触させる。
（３）溝本数（ｎ＝ｎ＋１）を設定する。
（４）溝の垂直面を形成する（−Ｚ方向へ移動）。
（５）溝の円弧面を形成する（Ｘ，Ｚ方向へ垂直運動かつＢ軸回転）。
（６）溝の加工は完了したか否かチェックする。
（７）溝の加工が完了したら、剣状切削バイト１１を離し（Ｚ方向＋へ移動）作業を完了する。溝の加工が完了していなければ、次（＋１）の溝の加工を続行する。
【００１９】
具体例として、実験には、（株）不二越製ＸＺＢ同時３軸制御装置搭載の非球面加工機ＡＳＰ−１５を使用した。図４は、加工装置主要部の概観である。Ｂ軸回転テーブル１２上に設けられる工具台１３に剣状切削バイト１１を装着し、反時計方向に回転する主軸１４に被加工物１の工作物を固定して、図３のプログラムを実行した。
【００２０】
図５は剣状切削バイト１１の先端の概略斜視図および顕微鏡写真である。刃先角６０°、すくい角−３０°、逃げ角６°の単結晶ダイヤモンド製の剣状切削バイト１１を切削加工工具として使用した。被加工物１の工作物として、直径３０ｍｍ、厚さ１ｍｍの単結晶ゲルマニウムウエハ（１１０）面を使用した。フレネルレンズのレンズ曲率半径（Ｒ）は１００ｍｍ、微細溝の深さ（ｄ）は５０μｍであるため、溝の本数は２１本であり、溝の幅（ｗ）は３００μｍ〜３ｍｍの間で変化する。溝の垂直面を加工するとき、工作物１回転あたりの工具のＺ軸方向への送り量を５０ｎｍ、傾斜面を加工する際に、工具主切れ刃と溝傾斜面とのなす角度（切れ刃角ｋ）を０．２°、工作物１回転あたりのＸＺ軸方向への工具送り量（ｆ）を１０μｍ／ｒｅｖ、実質切取り厚さ（ｈ）を５０ｎｍ未満に設定した。また、主軸の回転数は１０００ｒｐｍ、切削液は灯油噴霧である。
【００２１】
図６は、本発明の加工後と従来法加工後との直線加工部先端部の比較図面である。図６（ａ）は本発明の加工方法後で、図６（ｂ）は、従来の加工方法後である。両者を比較することで、本発明の製造方法により脆性破壊やマイクロチッピングが削除されていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の軸対称回折曲面の切削加工方法を示す（ａ）回転中心軸に一番近い内側の溝加工のときの断面図、（ｂ）回転中心軸から二番目の内側の溝加工のときの断面図である。
【図２】図１に示す軸対称回折曲面の切削加工方法の（ａ）１軸（Ｚ）直線運動で直線加工部先端部の脆性破壊やマイクロチッピングが発生する状態を示す断面図、（ｂ）２軸（ＸＺ）に加えてＢ軸の３軸同時制御による直線包絡を行い脆性破壊やマイクロチッピングを除去する工程を示す断面図である。
【図３】図１に示す軸対称回折曲面の切削加工方法を実行するための加工用ＮＣ（数値制御）プログラムのフローチャートである。
【図４】図１に示す軸対称回折曲面の切削加工方法を実施するための加工装置主要部の概観を示す斜視図である。
【図５】図１に示す軸対称回折曲面の切削加工方法の（ａ）剣状切削バイトを示す概略斜視図、（ｂ）剣状切削バイトの先端を示す顕微鏡写真である。
【図６】（ａ）図１に示す軸対称回折曲面の切削加工方法による加工後の直線加工部先端部を示す拡大断面図および顕微鏡写真、（ｂ）従来の加工方法による加工後の直線加工部先端部を示す拡大断面図および顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００２３】
１    被加工物
２    マイクロチッピング
１１  剣状切削バイト
１２  Ｂ軸回転テーブル
１３  工具台
１４  主軸
【図１】
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【図２】
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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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