(57)【要約】【課題】光学部品を成形するための金型に測距マーク等の線状の溝をバリや変形のない状態で効率的に溝加工する。【解決手段】切削ユニット２０に保持されたバイト１１は、被加工物である金型Ｗに形成される溝の断面と同一形状の刃先を有する総型バイトであり、２つのアクチュエータ２１ａ、２１ｂによる２軸方向の振動によって擬似円運動を行いながら、５軸同期ステージ１０による送りによって、所定のパターンの刻線を溝加工する。刻線の端部から目標とする深さに切り込んで、送り方向に振動させて溝加工するものであるため、バリ等の発生を抑えて高精度な溝加工を行うことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交する２軸の方向にそれぞれ振動する２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似円軌道に沿って回動させながら、被加工物と前記切削工具を相対移動させることで前記被加工物に線状の溝を切削する工程を有し、前記切削工具に、前記溝の断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトを用いることを特徴とする溝加工方法。
【請求項２】
被加工物に線状の溝を切削するための溝加工装置であって、切削工具と、直交する２軸の方向にそれぞれ振動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似円軌道に沿って回動させる切削ユニットと、前記被加工物を前記切削ユニットに対して相対移動させるステージ装置とを有し、前記切削工具が、前記被加工物に切削される前記溝の断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトであることを特徴とする溝加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部品の金型等に溝パターン等を刻線加工するための溝加工方法および溝加工装置に関するものであり、特に、カメラなどに用いられる透明な樹脂製の光学部品に測距マークなどの微細な凸パターンを一体成形する金型の製作に好適である溝加工方法および溝加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カメラの光学部品等に測距マーク等の微細な凸パターンを形成する場合には、形成しようとする凸パターンと同形状の溝パターンを金型に刻設し、この金型を用いて、上記の凸パターンを有する光学部品を一体成形するのが一般的である。
【０００３】
図９は、上記のような溝パターンを有する金型Ｗを示す図であり、金型Ｗの平面状の加工面Ｓには、光学部品に測距マークを形成するための微細な線状の溝Ｌが刻設されている。溝Ｌの開き角度は、同図の（ｂ）に拡大して示すようにαである。
【０００４】
図１０は、図９に示す溝Ｌを金型Ｗに刻線加工するための一従来例による加工工具の形状を示す図であり、（ａ）は加工工具１１０の端面であるＡ面を示す正面図、（ｂ）は側面図である。加工工具１１０の刃１１１は斜面１１１ａ〜１１１ｄを有する四角錘状に形成されており、その斜面同士の開き角は、例えば斜面１１１ａと斜面１１１ｃの間の角度は、金型Ｗの溝Ｌの開き角と同じαに設定されている。また、加工工具１１０の先端にはダイヤモンドチップ１１２が埋め込まれている。
【０００５】
このような加工工具１１０を用いて金型Ｗに溝Ｌを刻線加工する場合には、加工工具１１０を例えばジグボーラー等の精密な工作機械に装着し、図１０の（ａ）に示すＡ面が加工しようとする溝Ｌの中心線に垂直となるように設定する。そして、金型Ｗに加工工具１１０を接近させ、その時の状態を顕微鏡で観察して所定の位置に工具を位置決めする。溝Ｌの長さの範囲で金型Ｗを移動させながら徐々に加工工具１１０を接近させ、金型Ｗに初めてスジがついた地点から所定の深さに切り込んで刻線加工を行う。このとき、加工工具１１０は回転させずに、Ａ面が溝Ｌの中心線に垂直な状態を保ったまま加工を行う（特開２００１−１６２４２９号公報参照）。
【０００６】
上記の構成では、加工工具のＡ面を常に加工しようとする溝の中心線に垂直に保たなければならないため、加工面の形状が平面でかつ溝による刻線の形状が直交する形状の場合に限られており、曲面上への刻線加工や、刻線形状が直交しなかったり、曲線であったりする場合には加工が不可能であった。
【０００７】
そこで、図１１に示すように、加工工具１２０の先端に角錐形状の刃１２１を備え、角錐の稜線１２１ａ〜１２１ｄが、加工工具１２０の中心軸線に対して、加工しようとする溝Ｌの開き角αの１／２の角度（１／２）αをなすように形成された加工工具１２０を回転させながら金型に切り込み溝加工を行う加工方法が提案されている（特開２００１−１６２４２９号公報参照）。
【０００８】
これにより、塑性変形やバリの少ない良好な溝加工が可能になった。しかし、上記方式では、加工工具の角錐刃先の中心と回転中心を合わせることが必要であり、加工工具を主軸に取り付けた状態で中心の位置合わせと回転体の動バランス調整が必要である。このため、加工工具の角錐刃先中心と加工工具の取り付け部分の位置を数μｍ以下で合わせた加工工具の製作が必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術においては、図１０に示す前者の方法では塑性変形が大きく溝の底部、外周を含め塑性変形が発生し加工面の特性は良くないと言う問題があり、図１１に示す後者の方法においては、工具製作上の難しさ以外に、回転中心と角錐中心のズレによる溝底部の形状崩れと、工具回転による周速が回転中心では零であるため溝底部の加工特性が良くないと言う未解決の課題があった。
【００１０】
また、一般的なフライカット加工法により刻線加工を行うと、フライカット加工の旋回半径はバイトの大きさなどから小さい場合でも通常５ｍｍ程度であり、例えば切り込み深さ２０μｍの条件で溝加工すると、加工開始点と加工終了点に約０．４５ｍｍ程度の長さで深さが端に行くほど徐々に浅くなる設計外の溝が加工されてしまう。このため、フライカット加工では必要な部分だけに溝を加工することが不可能であった。
【００１１】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、２つの直動アクチュエータにより切削工具を主分力方向と背分力方向の２軸方向に運動（振動）させて、工具先端を円軌道、楕円軌道、長方形軌道等の擬似円軌道に沿って回動させ、かつ、切削工具には刃先が加工する溝と同様の断面形状を有する総型バイトを用いて、バリや変形等がなくて寸法精度の高い測距マーク等の線状の溝（刻線）を簡単かつ効率的に加工することのできる溝加工方法および溝加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の溝加工方法は、直交する２軸の方向にそれぞれ振動する２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似円軌道に沿って回動させながら、被加工物と前記切削工具を相対移動させることで前記被加工物に線状の溝を切削する工程を有し、前記切削工具に、前記溝の断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトを用いることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
平面、曲面を問わず、いかなる形状の加工面であっても、必要な部位だけに正確にバリや塑性変形のない測距マーク等の線状の溝を刻線加工することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は第１の実施の形態による溝加工装置を示すもので、これは、図９に示す線状の測距マークとなる刻線を溝加工するためのもので、溝Ｌは、幅１５〜３０μｍ、深さ１５〜３０μｍ程度のＶ型の断面を有する溝であり、金型であるワーク（被加工物）Ｗの平面状の加工面Ｓに溝加工を行う。
【００１６】
図１の溝加工装置は、ステージ装置である５軸同期ステージ１０と、切削工具であるバイト１１を運動させる切削ユニット２０からなる。切削ユニット２０は、２つの直動アクチュエータであるアクチュエータ２１ａ、２１ｂによって、加工される溝Ｌと同一または略同一の断面形状を有する総型バイトであるバイト１１に後述するような擬似円軌道に沿った切削運動を与える。
【００１７】
５軸同期ステージ１０は、回転位置決めステージ（Ｂ軸）１を有し、回転位置決めステージ１はＹ軸回りの回転ステージであり、Ｚ方向に移動するＺスライダ２上に構成されている。ワークＷを固定する治具３ａ、３ｂは、Ｚ軸回りに回転する回転ステージ（Ｃ軸）４上に保持され、回転ステージ４はＸＹ方向に移動するＸＹスライダ５上に支持されている。
【００１８】
ワークＷは、治具３ａ、３ｂにより回転ステージ４に固定され、回転ステージ４とＸＹスライダ５によってＸ、Ｙ、ωＺ方向に移動自在である。バイト１１は、回転位置決めステージ１およびＺスライダ２によって、Ｙ軸回り（ωＹ方向）の回転運動とＺ方向の直進運動を行う。
【００１９】
図２は、工具駆動機構である切削ユニット２０の構成を説明するもので、バイト１１を２軸の方向にそれぞれ駆動するアクチュエータ２１ａ、２１ｂを有する駆動部を備えており、アクチュエータ２１ａはＺ方向に伸縮し、アクチュエータ２１ｂはＸ方向に伸縮するように配置されている。
【００２０】
アクチュエータ２１ａ、２１ｂは超磁歪素子であって、アクチュエータ２１ａ、２１ｂの発熱による熱変位の影響を極力減らし、短時間で熱的安定を図るために、冷却部２２ａ、２２ｂをアクチュエータ２１ａ、２１ｂの周囲に配設し、冷却を行っている。バイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトを用いる。バイト１１はバイトホルダ１２に固定され、バイトホルダ１２は可動部１３に固定されている。
【００２１】
可動部１３には、前記アクチュエータ２１ａ、２１ｂが弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂを介してして接続されている。一方の弾性ヒンジ２３ａはヒンジ部分が１段であり、他方の弾性ヒンジ２３ｂは２段のヒンジである。また、可動部１３は板バネ２４、２５によって切削ユニット２０のメインフレーム２６に保持されている。
【００２２】
板バネ２４は、図３の（ａ）に示すように十字の形状をしておりＸ、Ｙ方向に剛であり、かつ、Ｚ方向に柔らかい板バネであり、また、そのＺ方向の取り付け位置は弾性ヒンジ２３ａのほぼ中央に配置されている。板バネ２５は図３の（ｂ）に示すように、Ｙ方向に剛で、Ｘ、Ｚ方向に柔らかい板バネである。
【００２３】
アクチュエータ２１ａ、２１ｂ、弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、板バネ２４、２５からなる駆動機構により、バイト１１の可動部１３は、アクチュエータ２１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、また、アクチュエータ２１ｂの伸縮により板バネ２４の十字形状の中央を回転中心とした円弧運動を行う。このアクチュエータ２１ｂの動きは、図２に示すように、アクチュエータ２１ｂの駆動軸から弾性ヒンジ２３ａまでの距離Ｄ１と、弾性ヒンジ２３ａからバイト１１の先端までの距離Ｄ２の比で拡大され、バイト１１の先端のＸ方向のストロークとなる。
【００２４】
すなわち、アクチュエータ２１ａ、２１ｂの振動により、バイト１１の先端をＸ−Ｚ平面内で擬似回転させることができる。そしてこのような擬似回転運動を行うバイト１１を、被加工物であるワークＷに対して、５軸位置決めステージ１０によって相対移動させることで、ワークＷの表面に所望のパターンの線状溝を切削する。
【００２５】
次に溝加工を行うときのバイト１１の刃先の動きについて説明する。本加工方法では、２つのアクチュエータ２１ａ、２１ｂの動きにより刃先の動きを任意に決めることが可能である。このため、バリの発生を抑えて溝の加工開始点、加工終了点を正確に設定した高精度な刃先の動きを実現できる。
【００２６】
まず、図４はバイト刃先の軌跡を説明する図であり、図５は、その軌跡を作るためのアクチュエータ２１ａ、２１ｂの駆動量を示すグラフである。図４に示すように、バイト刃先の擬似円軌道は、台形形状を上下逆にしたものであり、バイト刃先は矢印方向に軌跡Ｒ１  、軌跡Ｒ２  、軌跡Ｒ３  、軌跡Ｒ４  の順に擬似回転運動を行い、軌跡Ｒ２  が溝の底部を切削加工する部分である。この様な軌道にする効果は以下の通りである。まず、軌跡Ｒ１  については、一番最初の切り込み時だけは平面に切り込むためバイトの逃げ面の干渉が発生する。そこで、その量を最小限にするように傾斜をつけたものである。また、切り込み量を上下方向移動量より若干小さくし、かつ、軌跡Ｒ３  に傾斜をつけることにより切り屑を切断しながら切削加工を行うことができる。これによって、切り屑の巻き込みによる加工面の劣化を防ぐことができる。
【００２７】
また、図５に示すように、上下方向のアクチュエータ２１ａを駆動する指令Ａの部分で指令値を滑らかに変化させているのは、軌跡Ｒ２  が加工面となるため指令Ａによりバイト刃先のオーバーシュートによる切り込み過ぎを防ぐためであり、水平方向のアクチュエータ２１ｂを駆動する指令Ｂの部分における位置指令の勾配が大きいのは、切削面の部分の切削速度を大きくし加工特性を良くするためである。
【００２８】
図６は、図１の装置による溝加工動作を説明するもので、ワークＷの加工面Ｓに溝Ｌからなる測距マークを刻線加工するに当り、バイト１１は、溝Ｌの断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトであり、同図の（ａ）に矢印Ｎで示すように擬似円軌道に沿って切削運動を行い、（ｂ）に示すようにバイト１１のＡ面が加工進行方向を向く向きにセットされる。そして、刃先が点Ｐ１の位置でワークＷの加工面Ｓより上の位置に保持されており、加工開始時は、図１のＺスライダ２により所定の位置まで下がり、その後、ＸＹスライダ５によりＸ方向に移動しワークＷを点Ｐ２まで移動させる。その後Ｚスライダ２でバイト１１をワークＷの加工面Ｓから上に逃げ、回転ステージ（Ｃ軸）４によりワークＷを回転させ、ＸＹスライダ５で刃先が点Ｐ２になるように移動し、Ｚスライダ２により所定の位置までさがり、ＸＹスライダ５をＹ方向に移動し、矢印Ｍの方向にワークＷを移動し点Ｐ３まで溝加工を行う。同様の方法で点Ｐ４まで溝加工を行う。
【００２９】
上記の方法で加工することにより、溝の底部の加工精度を、従来例に比べて格段に向上させることができる。すなわち、溝の底部をふくめてどの位置においてもバイトとワークが切削速度（相対速度）を有するため、溝のどの部分でも良好な加工面となる。実際に本方式で加工したところ、溝の底やエッジ部分にほとんどバリもなく、また、塑性変形の影響もない良好な加工面を得ることができた。
【００３０】
しかし、溝の入り口部分はバイトの逃げ部分が若干干渉しており加工面が少し崩れた面になっていたが、ワークＷを回転ステージ（Ｃ軸）４により１８０度反転させ溝を逆方向から同じ切り込み深さで前回の加工開始付近だけを再度加工することにより、加工開始点においても良好な加工面にすることができた。
【００３１】
また、バイトが図４に示すような軌跡を有することにより、加工開始点、終了点における溝のはみ出し量や設計形状に対する溝形状崩れ幅は１０μｍ程度であり、例えばフライカット加工法を用いた時のような溝加工しすぎることは無かった。
【００３２】
図７は第２の実施の形態による溝加工装置を示す。これは、図８に示すような球面状の加工面Ｓ１  を有するワークＷ１  を加工するのに好適な装置であって、特に、同図の（ｄ）に示すように、球面状の加工面Ｓ１  に対して面の法線方向に切り込み方向が合う溝Ｌ１  を加工する場合に用いられる。図８の（ｅ）に示すように加工面Ｓ１  の傾きに関係なく切り込み方向が同じである溝Ｌ２  を加工する場合は図１の装置でもよい。
【００３３】
図７の溝加工装置は６軸同期ステージ３０を有し、これは、図１の装置と同様の５軸同期ステージに、バイト１１のＸ軸回りの位置を制御する回転ステージ（Ａ軸）３１を付加したものである。回転位置決めステージ１にワークＷ１  を保持する治具３ａ、３ｂを設け、ＸＹスライダ５上の回転ステージ４にバイト１１を切削駆動するアクチュエータ２１ａ、２１ｂを設けて回転ステージ３１を付加した点以外は第１の実施の形態と同様である。
【００３４】
Ｚ方向に移動するＺスライダ２の上にＹ軸回りの回転位置決めステージ（Ｂ軸）１があり、ＸＹ方向に動くＸＹスライダ５の上にＺ軸回りの回転ステージ（Ｃ軸）４があり、回転ステージ４上にＸ軸回りの回転ステージ（Ａ軸）３１が設けられ、６軸同期ステージ３０を構成している。ワークＷ１  は取り付け用の治具３ａ、３ｂを介して回転位置決めステージ１に固定されており、バイト１１を切削駆動するアクチュエータ２１ａ、２１ｂは回転ステージ（Ａ軸）３１に固定されている。回転ステージ（Ａ軸）３１は、回転モータ３１ａ、ラジアル方向とスラストのガイド３１ｂ、可動部３１ｃから構成されている。
【００３５】
この構成によりワークＷ１  を回転位置決めステージ（Ｂ軸）１で割り出しＺスライダ２で移動させる。その時、バイト１１の刃先がワークＷ１  の法線を向くように２つの回転ステージ（Ａ軸、Ｃ軸）４、３１で角度を合わせ、角度を合わせることによりＸＹＺ方向に刃先位置がずれる量をＸＹスライダ５とＺスライダ２で補正することにより加工を行う。
【００３６】
このように、６軸同期ステージを有する切削加工機で加工することにより、球面状の加工面の上に常に法線方向に溝の切り込み方向を合わせた溝加工が可能になる。本実施の形態では、球面状の加工面を基に説明したが、自由曲面の上にも同様な加工が可能である。
【００３７】
また、この方法で加工することにより溝の面を場所により傾けたり、溝の開き角を場所により変更したりすることも可能になる。
【００３８】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【００３９】
本発明の溝加工方法は、直交する２軸の方向にそれぞれ振動する２つの直動アクチュエータによって切削工具を擬似円軌道に沿って回動させながら、被加工物と前記切削工具を相対移動させることで前記被加工物に線状の溝を切削する工程を有し、前記切削工具に、前記溝の断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトを用いることを特徴とする。
【００４０】
前記切削工具を、被加工物に遠い部位を底辺とする逆台形の擬似円軌道に沿って回動させるとよい。
【００４１】
本発明の溝加工装置は、被加工物に線状の溝を切削するための溝加工装置であって、切削工具と直交する２軸の方向にそれぞれ振動する２つの直動アクチュエータによって前記切削工具を擬似円軌道に沿って回動させる切削ユニットと、前記被加工物を前記切削ユニットに対して相対移動させるステージ装置とを有し、前記切削工具が、前記被加工物に切削される前記溝の断面形状と同一形状または略同一形状を有する総型バイトであることを特徴とする。
【００４２】
前記ステージ装置が、前記被加工物と前記切削工具の相対位置を、直交する３軸方向の位置と、前記３軸のまわりの回転角度をそれぞれ変化させることの自在な６軸同期ステージであるとよい。
【００４３】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４４】
測距マーク等の溝加工において、線状の溝の開始点と終点を必要な位置に合わせた溝加工が可能になり、また、バリ、塑性変形が無く、溝の底部も綺麗に加工することができる。さらに、６軸同期ステージを有する加工機を用いることにより、球面や自由曲面上の溝や曲線状の溝も綺麗に加工することができる。さらには、溝の断面形状を場所により傾けたり、溝の開き角を場所により変更したりすることも自在である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による溝加工装置を示す模式図である。
【図２】図１の切削ユニットを説明する模式図である。
【図３】図２の板バネを説明する図である。
【図４】バイトの軌跡を説明する図である。
【図５】バイトの軌跡とアクチュエータの駆動量との関係を示すグラフである。
【図６】バイトの送りを説明する図である。
【図７】第２の実施の形態による溝加工装置を示す模式図である。
【図８】第２の実施の形態による溝加工方法を説明する図である。
【図９】溝加工される刻線パターンを説明する図である。
【図１０】一従来例による溝加工方法を説明する図である。
【図１１】別の従来例による溝加工方法を説明する図である。
【符号の説明】
１    回転位置決めステージ
２    Ｚスライダ
３ａ、３ｂ    治具
４、３１    回転ステージ
５    ＸＹスライダ
１０    ５軸同期ステージ
１１    バイト
２０    切削ユニット
２１ａ、２１ｂ    アクチュエータ
２３ａ、２３ｂ    弾性ヒンジ
２４、２５    板バネ
２６    メインフレーム
３０    ６軸同期ステージ
【図１】
2004345017.tif 000003
【図２】
2004345017.tif 000004
【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】
2004345017.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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