(57)【要約】【課題】雰囲気温度を厳密に制御しなくても、高精度に工具の基準点を設定できる工具基準点設定装置及び工具基準点設定方法を提供する。【解決手段】測定部２０を測定位置に変位させることで、工具６を主軸８の軸線上もしくはその近傍においた状態で基準点を測定できるから、熱膨張の影響が極めて少なく、従って雰囲気温度に関わりなく精度良く測定を行えると共に、又、測定のため工具６を大きく移動させる必要もないから、迅速な測定を行うことができる。更に、加工時には測定部２０を退避位置に変位させることで、測定部２０が加工の邪魔にならないようにでき、且つ加工油や切りくずが測定部２０に付着することを抑制できる。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２次元的に工具を移動させる移動部と、ワークを回転させる主軸部と、前記移動部を制御する制御部とを備えた加工装置における前記工具の基準点を設定する工具基準点設定装置において、
前記工具の基準点を測定する測定手段と、
前記測定手段を、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍の測定位置と、前記測定位置とは異なる退避位置との間で変位自在に支持する支持手段と、を有することを特徴とする工具基準点設定装置。
【請求項２】
前記支持手段は、前記測定手段を支持し、かつ前記測定手段を支持した部位以外の部分を中心に回動するアームを有することを特徴とする請求項１に記載の工具基準設定装置。
【請求項３】
前記支持手段は、前記アームを回動させるために作業者の手で把持されるレバーを有し、前記レバーから前記アームへと、金属より熱伝導率が低い部材を介して、回動力が伝達されることを特徴とする請求項２に記載の工具基準設定装置。
【請求項４】
前記測定位置に回動したときに前記アームに当接する衝撃吸収部材を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の工具基準設定装置。
【請求項５】
前記測定位置に回動したときに前記アームを係止する係止部材と、前記係止部材の位置を調整する調整部材とを有することを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項６】
前記アームを前記係止部材に向かって付勢する付勢手段が設けられていることを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項７】
前記測定手段は、２次元画像センサと、前記工具からの反射光を前記２次元画像センサに結像させる集光光学系と、を有し、前記２次元画像センサからの情報に基づいて前記工具の基準点を決定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項８】
前記２次元画像センサは、ＭＯＳセンサであることを特徴とする請求項７に記載の工具基準設定装置。
【請求項９】
前記測定手段は、前記工具を照明する照明装置を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の工具基準設定装置。
【請求項１０】
前記測定手段は、前記工具に近接もしくは離隔する方向に変位可能に支持されていることを特徴とする請求項７乃至９のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１１】
前記測定手段が前記測定位置にあるときは、前記集光光学系の焦点位置が、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍に位置することを特徴とする請求項７乃至１０のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１２】
前記測定手段は、前記工具の基準点を、前記集光光学系の光軸方向に位置決めする位置決め手段を備えていることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１３】
前記集光光学系の焦点位置と、前記主軸部の軸線とのズレ量は１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７乃至１２のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１４】
前記加工装置は、軸制御分解能１００ｎｍ以下の超精密旋盤であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１５】
前記工具は、ダイアモンド製の切れ刃を有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の工具基準設定装置。
【請求項１６】
前記工具は、工具すくい面形状がその切れ刃において真円度１μｍ以下の円弧であることを特徴とする請求項１５に記載の工具基準設定装置。
【請求項１７】
前記工具は、工具すくい面形状が頂角を形成し、その先端幅が５μｍ以下であることを特徴とする請求項１５に記載の工具基準設定装置。
【請求項１８】
少なくとも２次元的に工具を移動させる移動部と、ワークを回転させる主軸部と、前記移動部を制御する制御部とを備えた加工装置における前記工具の基準点を設定する工具基準点設定方法において、
測定時には、前記工具の基準点を測定する測定手段を、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍の測定位置へ変位させ、
加工時には、前記測定手段を、前記測定位置とは異なる退避位置へと変位させることを特徴とする工具基準点設定方法。
【請求項１９】
所定点を中心に、前記測定手段を支持するアームを回動させることで、前記測定位置と前記退避位置との間を変位させることを特徴とする請求項１８に記載の工具基準点設定方法。
【請求項２０】
前記アームを回動させるために作業者の手で把持されるレバーから前記アームへの熱の移動を制限することを特徴とする請求項１９に記載の工具基準設定方法。
【請求項２１】
前記アームが前記測定位置に回動した際の衝撃を吸収することを特徴とする請求項１９又は２０に記載の工具基準設定方法。
【請求項２２】
前記測定位置における前記アームの回動位置を調整可能となっていることを特徴とする請求項１９乃至２１のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項２３】
前記アームを前記測定位置に向かって付勢することを特徴とする請求項１９乃至２２のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項２４】
前記測定手段は、２次元画像センサと、前記工具からの反射光を前記２次元画像センサに結像させる集光光学系と、を有し、前記２次元画像センサからの情報に基づいて前記工具の基準点を決定することを特徴とする請求項１８乃至２３のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項２５】
前記２次元画像センサは、ＭＯＳセンサであることを特徴とする請求項２４に記載の工具基準設定方法。
【請求項２６】
前記測定時に、前記工具を照明することを特徴とする請求項２４又は２５に記載の工具基準設定方法。
【請求項２７】
前記測定手段を、前記工具に対して近接もしくは離隔する方向に変位可能に支持することを特徴とする請求項２４乃至２６のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項２８】
前記測定時に、前記測定手段を、前記集光光学系の焦点位置が、前記主軸部の軸線上に位置するように配置することを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項２９】
前記工具の基準点を、前記集光光学系の光軸方向に位置決めすることを特徴とする請求項２４乃至２８のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【請求項３０】
前記集光光学系の焦点位置と、前記主軸部の軸線とのズレ量を１０ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項２４乃至２９のいずれかに記載の工具基準設定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、加工装置における工具の基準点を設定する装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、近年における光情報記録分野の発達により、６５０ｎｍ前後の短波長レーザ光源を用いてＤＶＤなどの光情報記録媒体に対して、高密度な情報記録を行えるようになってきている。ここで、高密度な光情報記録を達成するためには、光情報記録媒体上に照射されるレーザ光のスポット径を小さく絞り込むことが必要となる。特に、そのような用途の光ピックアップ装置に用いる光学素子は、極めて高精度な光学面形状を必要とする。又、ある種の光ピックアップ装置では、２種類の波長のレーザ光源を用いて、異なる種類の光情報記録媒体であるＤＶＤとＣＤに対して情報の記録又は再生を適切に行うために、対物レンズの光学面に微細な輪帯状の回折格子を形成している。しかるに、かかる回折格子において、その回折効率を所望の通りに発揮するためには、サブミクロンオーダーで輪帯形状を精度良く形成することが必要となる。
【０００３】
そのような対物レンズは、金型を用いた射出成形により大量生産することができる。しかるに、射出成形された対物レンズの精度は、金型の精度に大きく左右されるため、かかる金型を精度良く形成する必要がある。従来においては、光学素子成形用金型における光学面を成形するための光学面転写面は、超精密旋盤を用いてダイアモンド工具で切削されることが多い。
【０００４】
このように、金型の光学面転写面を超精密旋盤を用いてダイアモンド工具（単に工具ともいう）で切削する場合においては、その工具の基準点を超精密旋盤を数値制御する際に用いる座標原点に精度良く一致させる、もしくはそれらのオフセット量を精度良く求める（これを工具基準点の設定という）ことが、高精度な光学切削面を得る上で極めて重要である。また、金型を迅速に加工するためには、かかる工具の基準点を設定する作業を高精度かつ効率良く行うことが、実用上重要であるといえる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、基準点測定用の光学式顕微鏡を、加工の邪魔にならないよう、超精密旋盤の主軸の軸線上から例えば３００ｍｍほど離れた位置（装置原点に対する座標は予め既知）に配置している。かかる従来技術による光学式顕微鏡を用いた工具の基準点設定方法について説明する。
【０００６】
図６は、光学式顕微鏡により、ダイアモンド工具６のすくい面形状が円弧となっているＲバイトの先端を拡大して見た図である。図６において、Ｘ軸方向（図で左右方向）の工具基準点を、従来の方法によって求める場合を説明する。まず実線で示す工具６の円弧上の一点（ここでは右上）を、画面に設けられた指標のクロスポイントＣＰに合わせる。そしてＸ座標を読み取った後、工具６を矢印方向（Ｘ軸方向）に移動させる。ここで、工具６が点線で示す位置にくると、その円弧の左側の一点が指標のクロスポイントＣＰを通るので、そのＸ座標を読みとる。
【０００７】
しかるに、光学式顕微鏡の指標線に対して、工具６の円弧の右側が画面上交差しているとき（実線の状態）の基準点のＸ座標値ｘ１と、Ｘ軸方向にのみ移動して工具６の円弧の左側が指標線に交差しているとき（点線の状態）の基準点のＸ座標ｘ２を足して２で割ると、円弧中心のＸ座標が指標線の位置に来たとする座標を得られる。加工機の数値制御の座標原点と指標線までの距離（測定オフセット値）は、予め測定してあり既知であるから、そのＸ軸方向の工具基準点に測定オフセット値を加えた値が工具基準座標であり、この座標分だけ工具６をオフセットして、所定の数値制御座標のリセット操作を行えば、工具基準点と数値制御の座標原点とを一致させることができる。これが、従来の工具基準点設定方法であった。
【０００８】
ここで、以下の式に従って、工具基準点ｄｘを求めることができる。
ｄｘ＝（ｘ１＋ｘ２）／２＋測定オフセットＸ値
【０００９】
しかるに、従来技術の手法で問題なのは、▲１▼ｘ１とｘ２の測定値が目視による官能値であり、精度に欠けること、▲２▼僅か２点の座標測定で工具基準点を求めており、読みとり誤差がそのままｄｘに反映され、精度に欠けること、▲３▼加工位置から測定位置を大きく退避させたいために、測定オフセット値は一般に２００ｍｍ以上の大きな値であり、温度変化等による加工機の熱膨縮の影響を大きく受けてドリフトするため、精度に欠けるということである。これらの要因により、工具基準点の設定を精度良く行うことが困難であった。
【００１０】
又、従来技術による工具の基準点設定手法によれば、工具を光学式顕微鏡の視野内の測定位置から、主軸の近傍の加工位置まで移動させるのに時間がかかり、その間に雰囲気温度が変化すると、熱膨張によって主軸と光学式顕微鏡との距離が変化し、それにより正確に工具の基準点を設定できない恐れがあった。特に、上述したように光ピックアップ装置等に用いる対物レンズを成形する金型などは、サブミクロンオーダーで精度の良い加工が必要となり、数ミクロンの誤差に起因した金型の精度低下が、成形品である対物レンズの光学特性の大きな劣化を招くこともあり得る。しかしながら、雰囲気温度を厳格に制御することは難しく、何らかの対応策が必要とされていた。
【００１１】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、雰囲気温度を厳密に制御しなくても、高精度に工具の基準点を設定できる工具基準点設定装置及び工具基準点設定方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の工具基準点設定装置は、少なくとも２次元的に工具を移動させる移動部と、ワークを回転させる主軸部と、前記移動部を制御する制御部とを備えた加工装置における前記工具の基準点を設定する工具基準点設定装置において、前記工具の基準点を測定する測定手段と、前記測定手段を、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍の測定位置と、前記測定位置とは異なる退避位置との間で変位自在に支持する支持手段と、を有するので、前記測定手段を前記測定位置に変位させることで、前記工具を前記主軸部の軸線上もしくはその近傍においた状態で基準点を測定できるから、熱膨張の影響が極めて少なく、従って雰囲気温度に関わりなく精度良く測定を行えると共に、又、測定のため工具を大きく移動させる必要もないから、迅速な測定を行うことができる。更に、加工時には前記測定手段を前記退避位置に変位させることで、前記測定手段が加工の邪魔にならないようにでき、且つ加工油や切りくずが前記測定手段に付着することを抑制できる。ここで、「前記主軸部の軸線の近傍」とは、かかる軸線から１０ｍｍ以内の範囲をいうものとする。
【００１３】
請求項２に記載の工具基準点設定装置は、前記支持手段は、前記測定手段を支持し、かつ前記測定手段を支持した部位以外の部分を中心に回動するアームを有するので、操作が簡単であり、簡素な構成で高精度な変位を達成できる。前記測定手段を前記測定位置に常に高精度に変位させることが、精度の良い加工を行うために重要である。尚、前記アームの回動方向は、前記加工装置の横方向或いは高さ方向など任意の方向でよい。又、精度が確保されることを条件に、スライド等他の変位手段を用いても良い。
【００１４】
請求項３に記載の工具基準点設定装置は、前記支持手段は、前記アームを回動させるために作業者の手で把持されるレバー（以下、ハンドルともいう）を有し、前記レバーから前記アームへと、金属より熱伝導率が低い部材を介して、回動力が伝達されるので、作業者の手の熱が前記アームに伝達されて熱膨張を引き起こすことが抑制され、より精度の良い工具基準点の設定が可能となる。尚、「金属より熱伝導率が低い部材」を樹脂やプラスチックなどの弾性部材とすれば、前記レバーを作業者が強い力で回しても、その力が前記アームに直接伝達されることを抑制できる。
【００１５】
請求項４に記載の工具基準点設定装置は、前記測定位置に回動したときに前記アームに当接する衝撃吸収部材を有すると、前記アームが前記測定位置に係止される際に生じる衝撃を吸収することで、前記アームの変形等が抑制され、常に前記測定位置を同一とできる。
【００１６】
請求項５に記載の工具基準点設定装置は、前記測定位置に回動したときに前記アームを係止する係止部材と、前記係止部材の位置を調整する調整部材とを有するので、何らかの理由により前記測定位置に狂いが生じた場合でも、かかる調整部材を用いて、前記測定手段が正しい前記測定位置に係止するよう調整できることができる。
【００１７】
請求項６に記載の工具基準点設定装置は、前記アームを前記係止部材に向かって付勢する付勢手段が設けられているので、前記測定手段を所定の付勢力で、前記測定位置に精度良く付勢することができるので、前記測定位置を定位置に維持できる。尚、付勢手段としては、重力で付勢するものや、磁石のように電磁力で付勢するものの他、弾性力で付勢するものもあるが、一定の付勢力を付与できるものであれば、それに限られることはない。
【００１８】
請求項７に記載の工具基準点設定装置は、前記測定手段は、２次元画像センサと、前記工具からの反射光を前記２次元画像センサに結像させる集光光学系と、を有し、前記２次元画像センサからの情報に基づいて前記工具の基準点を決定するので、作業者間の測定バラツキを極力抑制できる。
【００１９】
請求項８に記載の工具基準点設定装置は、前記２次元画像センサは、ＭＯＳセンサであると好ましい。前記工具の画像は、一般的には比較的コントラストが高いため、２次元センサの中でもＣＣＤセンサなどを用いると、電荷の転送路が共通であることに起因する高輝度点を始点としたスメアと呼ばれるにじみ現象が生じ、前記工具の情報を精度良く取得できない恐れがあるが、電荷の転送路が独立したＭＯＳセンサには、そのようなデメリットがなく好適である。
【００２０】
請求項９に記載の工具基準点設定装置は、前記測定手段は、前記工具を照明する照明装置を有するので、前記２次元画像センサ（例えばＭＯＳセンサ等）が前記工具の画像を明瞭にとらえられるので好ましい。
【００２１】
請求項１０に記載の工具基準点設定装置は、前記測定手段は、前記工具に近接もしくは離隔する方向に変位可能に支持されているので、前記集光光学系の焦点位置に、前記工具の基準点が正確に位置するようにできる。
【００２２】
請求項１１に記載の工具基準点設定装置は、前記測定手段が前記測定位置にあるときは、前記集光光学系の焦点位置が、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍に位置すると、加工位置又はその近傍にある前記工具の画像が前記集光光学系により明瞭な状態で前記２次元画像センサ（例えばＭＯＳセンサ等）に結像されるので好ましい。
【００２３】
請求項１２に記載の工具基準点設定装置は、前記測定手段は、前記工具の基準点を、前記集光光学系の光軸方向に位置決めする位置決め手段を備えていると、更に精度良い工具基準点の設定を行える。ここで、位置決めの手法としては、前記集光光学系を介して前記工具の画像を２次元画像センサ（例えばＭＯＳセンサ等）でとらえ、その画像が最も明瞭になった位置を、前記焦点光学系の焦点距離の位置として求めることが考えられる。かかる場合、集光光学系と２次元画像センサとが位置決め手段を構成する。
【００２４】
請求項１３に記載の工具基準点設定装置は、前記集光光学系の焦点位置と、前記主軸部の軸線とのズレ量は１０ｍｍ以下であると好ましい。
【００２５】
請求項１４に記載の工具基準点設定装置は、前記加工装置は、軸制御分解能１００ｎｍ以下の超精密旋盤であると、高精度な工具基準点の設定が必要になるため、本発明の作用効果を発揮する上で好適である。
【００２６】
請求項１５に記載の工具基準点設定装置は、前記工具は、ダイアモンド製の切れ刃を有すると好ましい。ダイアモンド工具を用いたダイアモンド旋削では、高精度な光学面創成を行うため、特に高精度な工具基準点の設定が必要になり、又、ダイアモンド工具は、非常に高精度な輪郭形状に製作されるので、本発明の作用効果を発揮する上で好適である。
【００２７】
請求項１６に記載の工具基準点設定装置は、前記工具は、工具すくい面形状がその切れ刃において真円度１μｍ以下の円弧であると好ましい。例えば円弧の座標より、その中心を工具の基準点として用いることができるからである。
【００２８】
請求項１７に記載の工具基準点設定装置は、前記工具は、工具すくい面形状が頂角を形成し、その先端幅が５μｍ以下であると好ましい。剣先形状のダイアモンド工具は切れ刃の先端が鋭く細いので、非常に欠けやすい。特に、切れ刃の拡大像を２次元画像センサ（例えばＭＯＳセンサ等）で明瞭に取得すれば、刃先のカケなどの微細な不良観察も同時にでき、非常に便利である。従来方法では、工具基準点を設定しワークの加工を開始した後で、カケなどの不良に気がつくことがあり、かかる場合、工具とワークを代えて再度加工を行わなくてはならず、非常に手間どっていた。本発明によれば、工具不良を工具基準点設定段階で発見し、工具交換などの対応を迅速に行える。
【００２９】
請求項１８に記載の工具基準点設定方法は、少なくとも２次元的に工具を移動させる移動部と、ワークを回転させる主軸部と、前記移動部を制御する制御部とを備えた加工装置における前記工具の基準点を設定する工具基準点設定方法において、測定時には、前記工具の基準点を測定する測定手段を、前記主軸部の軸線上もしくはその近傍の測定位置へ変位させ、加工時には、前記測定手段を、前記測定位置とは異なる退避位置へと変位させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１に記載の発明と同様である。
【００３０】
請求項１９に記載の工具基準点設定方法は、所定点を中心に、前記測定手段を支持するアームを回動させることで、前記測定位置と前記退避位置との間を変位させることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項２に記載の発明と同様である。
【００３１】
請求項２０に記載の工具基準点設定方法は、前記アームを回動させるために作業者の手で把持されるレバーから前記アームへの熱の移動を制限することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項３に記載の発明と同様である。
【００３２】
請求項２１に記載の工具基準点設定方法は、前記アームが前記測定位置に回動した際の衝撃を吸収することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項４に記載の発明と同様である。
【００３３】
請求項２２に記載の工具基準点設定方法は、前記測定位置における前記アームの回動位置を調整可能となっていることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項５に記載の発明と同様である。
【００３４】
請求項２３に記載の工具基準点設定方法は、前記アームを前記測定位置に向かって付勢することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項６に記載の発明と同様である。
【００３５】
請求項２４に記載の工具基準点設定方法は、前記測定手段は、２次元画像センサと、前記工具からの反射光を前記２次元画像センサに結像させる集光光学系と、を有し、前記２次元画像センサからの情報に基づいて前記工具の基準点を決定することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項７に記載の発明と同様である。
【００３６】
請求項２５に記載の工具基準点設定方法は、前記２次元画像センサは、ＭＯＳセンサであることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項８に記載の発明と同様である。
【００３７】
請求項２６に記載の工具基準点設定方法は、前記測定時に、前記工具を照明することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項９に記載の発明と同様である。
【００３８】
請求項２７に記載の工具基準点設定方法は、前記測定手段を、前記工具に対して近接もしくは離隔する方向に変位可能に支持することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１０に記載の発明と同様である。
【００３９】
請求項２８に記載の工具基準点設定方法は、前記測定時に、前記測定手段を、前記集光光学系の焦点位置が、前記主軸部の軸線上に位置するように配置することを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１１に記載の発明と同様である。
【００４０】
請求項２９に記載の工具基準点設定方法は、前記工具の基準点を、前記集光光学系の光軸方向に位置決めすることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１２に記載の発明と同様である。
【００４１】
請求項３０に記載の工具基準点設定方法は、前記集光光学系の焦点位置と、前記主軸部の軸線とのズレ量を１０ｍｍ以下とすることを特徴とする。本発明の作用効果は、請求項１３に記載の発明と同様である。
【００４２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる工具基準点設定装置を適用できる超精密２軸旋盤の斜視図である。超精密２軸旋盤によりワークに非球面形状を切削加工する場合、直交する２軸のうち工具軸をＸ軸とし、ワークを取り付け回転させるスピンドルを移動する方向をＺ軸とする。従って、Ｚ軸方向は主軸の回転中心軸方向に一致しており、Ｘ軸方向はこれに直交する。回転するワークに対して、工具の切れ刃の軌跡が所望する軸対称光学面の断面形状となるように、数値制御により高精度にＸ、Ｚ各軸を駆動し光学面形状を切削創成する。図１において、円筒状の４つの脚部１に支持された基盤２上には、Ｚ軸（矢印Ｚ）方向に移動可能なＺ軸テーブル３が載置されており。更に、Ｚ軸テーブル３上には、Ｘ軸（矢印Ｘ）方向に移動可能なＸ軸テーブル４が載置されている。Ｚ軸テーブル３とＸ軸テーブル４とで移動部を構成する。
【００４３】
Ｘ軸テーブル４上には、工具６をセットした工具台５が取り付けられている。又、基盤２に固定設置された筐体７に、ワークＷ（光学素子成形用金型）を先端に取り付けた主軸（主軸部）８が回転可能に支持されている。筐体７上には、本実施の形態にかかる工具基準点設定装置１０が取り付けられている。尚、Ｚ軸テーブル３、Ｘ軸テーブル４、主軸８は、これらに接続された制御手段としてのパソコンＰＣにより、数値制御されるようになっている。
【００４４】
図２は、工具６の例を示す斜視図である。図２（ａ）に示した工具６は、工具すくい面形状６ａがその切れ刃において真円度１μｍ以下の円弧であるＲバイトとなっている。一方、図２（ｂ）に示した工具６は、工具すくい面形状が頂角を形成し、その先端幅が５μｍ以下の剣先バイトとなっている。それぞれにおいて、基準点はＳで示される。
【００４５】
図３は、工具基準点設定装置１０の斜視図であり、図４は、工具基準点設定装置１０の要部透視図である。工具基準点を測定するための測定手段を測定位置と退避位置とで変位させようとした場合、測定位置での集光光学系の位置再現性は、工具基準点の測定精度をサブミクロンのオーダーで必要とすることから、０．１μｍ程度以下のバラツキに抑える必要がある。すなわち、変位のたびに確実に０．１μｍ以下の精度で、その光学系の光軸を位置決めしなければならない。そのための構造を以下に示す。図３において、工具基準点設定装置１０は、主軸筐体上にネジ固定された基板１１を有している。基板１１上には、図３に示すごとく一対のヒンジ孔１１ａ（片方のみ図示）が形成されている。
【００４６】
略Ｔ字形板状のアーム１２が基板１１上に配置され、その一端に形成されたピン１２ａが、ヒンジ孔１１ａに係合している。それによりアーム１２は、ピン１２ａの軸線を中心として変位すなわち回動可能となっている。ピン１２ａとヒンジ孔１１ａの嵌合は緩くなってあり、回動に際しても若干の遊びがある。尚、ヒンジ孔１１ａと、アーム１２とで支持手段を構成する。
【００４７】
アーム１２の先端には、測定手段である測定部２０が取り付けられている。測定部２０は、図３で上下方向に延在する細長い中空の略円筒状のケース２１を有している。ケース２１の下端内方には、集光光学系である対物レンズ２２が配置されている。対物レンズの焦点位置Ｐは、図３に示す主軸８の軸線Ｏ上に位置させると好ましいが、１０ｍｍ程度ずれていても良い。
【００４８】
ケース２１の上部内方には、ＭＯＳセンサ２３が配置されている。ＭＯＳセンサ２３と対物レンズ２２との間で出射端２４ａが位置するように、ケース２１にライトガイド２４が側方より連結されている。図３に示す状態で、照明装置であるライトガイド２４を介して出射端２４ａから出射された光は、ビームスプリッタ２５で下方に反射され、対物レンズ２２を介して工具６の先端に集光される。又、その反射光は、対物レンズ２２、ビームスプリッタ２５を通過して、ＭＯＳセンサ２３の受光面に結像されるようになっている。ＭＯＳセンサ２３からの出力信号は、配線２３ａを介して外部のパソコンＰＣ（図１）に伝達されるようになっている。
【００４９】
アーム１２における測定部２０の近傍には、ハンドル１３が形成されている。ハンドル１３の把持部外周には、ゴムや樹脂など金属より熱伝導率の低い素材１４が巻き付けられ、作業者がここを把持しても、アーム１２へ手の熱が伝わることが制限されるようになっている。
【００５０】
更に、測定部２０の近傍におけるアーム１２には、マイクロメータ１５が取り付けられている。マイクロメータ１５の接触子１５ａの下端には、径２０ｍｍ程度の大ボール１５ｂが取り付けられており、図４に示す状態で、基板１１に形成された座繰り孔などで拘束された同径（１０ｍｍ程度）の３つのボール１６ａ、１６ｂ、１６ｃに対して当接するようになっている。一方、アーム１２のピン１２ａ側（根本側）において上下方向に位置調整自在に配置された２つの半球形の支持部１７Ａ、１７Ｂは、図４に示す状態で、基板１１に形成された座繰り孔などで拘束された同径の３つのボール１６ｅ、１６ｆ、１６ｇ；１６ｈ，１６ｉ．１６ｊにそれぞれ当接するようになっている。
【００５１】
このように３つのボールで球もしくは半球を支持すると、球もしくは半球から伝達される重量を正確に３等分できるので、３つのボールの変形が均一化され、各々円形の座繰り孔の中で外側に逃げようとするので、座繰り孔内壁に確実にしかも一定の突き当て圧力で接触し、極めて高い位置再現性を発揮できることとなる。従って、シフトは一切発生しない構造となっており、アーム１２は、０．１μｍの精度で常に精度良く同じ位置に位置決めされることとなる。尚、高さ調整用のマイクロメーター１５は、手前側（ワークに近い側）ではなく奥側の支持部１７Ａ、１７Ｂのいずれかに設けても良いが、手が届きにくいこと、及びカウンターバランス１８と干渉する恐れがあることから、手前側に設ける方が有利である。また、大ボール１５ｂは、基板１１側の３つのボール１６ａ〜１６ｃ上に当接して置かれても良いし、３つのボール１６ａ〜１６ｃと同じかまたは小さな径を有していても良い。
【００５２】
アーム１２のピン１２ａ側上面には、カウンターバランス１８が取り付けられている。カウンターバランス１８と、マイクロメータ１５との間におけるアーム１２の下面に、図４に示す状態で、基板１１の孔内に配置された衝撃吸収装置１９が係合するようになっている。衝撃吸収装置１９は、基板１１側に配置されるコイルバネ１９ａと、ゴムや樹脂などからなる当接部１９ｂとを有している。アーム１２は、図４に示す位置まで回動する前に、コイルバネ１９ａに付勢された当接部１９ｂに当接し、係止される際の衝撃力を緩和するようになっている。尚、他の衝撃吸収部材としては、クッションなどがある。
【００５３】
図３において、測定者（作業者）が、ハンドル１３を把持して回動させることで、アーム１２（すなわち測定部２０）を、図３で実線で示す測定位置と、点線で示す退避位置との間で変位させることができる。このとき、測定者がハンドル１３を素手で把持することにより、アーム１２に熱が伝導する恐れがあるが、金属より低い熱伝導性を有する素材１４でハンドル１３の把持部を包囲しているので、アーム１２への熱の伝導が制限され、アーム１２の熱膨張の影響を回避できる。又、点線で示すように、測定部２０が退避位置に変位すれば、ワークを切削する際に邪魔にならないし、且つ切削油や切りくずが測定部２０に付着することを抑制できる。
【００５４】
一方、工具の基準点を設定する場合、図３で点線に示す退避位置から実線に示す測定位置へと回動させる。このとき、基板１１に対するアーム１２の角度が９０度未満になると、付勢手段であるカウンターバランス１８の自重及びアーム１２の自重が回動方向に働くため、作業者がハンドル１３を強い力で押し付けなくても、アーム１２と測定部２０は、実線で示す測定位置に付勢され、また係止部材であるマイクロメータ１５の接触子１５ａのボール１５ｂが、ボール１６ａ〜１６ｃに当接してアーム１２を係止する前に、衝撃吸収部材である衝撃吸収装置１９の当接部１９ｂがアーム１２の下面に当接することで、係止時の衝撃が緩和される。更に、調整部材であるマイクロメータ１５のダイヤルを回動させることで、接触子１５ａが進退するため、それにより測定部２０における測定位置の上下方向（すなわち工具６に対して近接もしくは離隔する方向）の微調整を行える。
【００５５】
工具基準点の設定について説明する。本実施の形態で使用されるダイアモンド工具６の刃先は大きさを持っているため、工具６のワークに対する相対軌跡がそのまま切削断面形状とはならす、刃先すくい面６ａの形状が円形のＲバイトの場合では、工具半径のオフセットが必要である。また、この工具刃先すくい面の中心（工具基準点）が、超精密２軸旋盤の数値制御座標の座標原点と一致もしくは精度良く対応づけられていなければ、加工形状誤差を発生する恐れがある。
【００５６】
ここで、工具位置の自由度は６軸であるが、超精密２軸旋盤では工具６の回転に関する３自由度は工具６のセッティング時に、概ね１０秒角程度で突き当て規制できるため、加工形状にはさほど影響しない。平行移動に関する３自由度は、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向、高さ（Ｙ）方向となるが、このうちＺ軸方向については、工具の切り込み方向と一致するため数μｍ程度の許容幅を持つので、実用上はほとんど加工形状に影響を与えない。従って、超精密２軸旋盤における工具基準点の設定で最も重要なのは、工具６のＸ軸方向と高さ方向の位置決めであり、特にＸ軸方向の設定誤差は直接的に加工形状に影響を与えるので、かかる誤差を極力抑える必要がある。
【００５７】
工具６のＸ軸方向の原点位置誤差ｄｘは、加工する光学面形状の法線角（見込み角）θの大きさに影響し、法線角の大きな深い面ほど工具のＸ軸方向位置を高精度に位置決めする必要がある。光学面曲率半径≫ｄｘの時、工具オフセット半径誤差に依存する成分を除いた形状誤差ｄＺは、以下で与えられる。
ｄＺ≒ｄｘ・（１−ｃｏｓθ）／ｓｉｎθ　　　・・・・・（１）
【００５８】
つまり、法線角が１０°程度の浅い面では、１μｍのＸ軸方向の工具基準点の位置決め誤差があっても加工形状誤差ｄＺは８７ｎｍしか発生しないが、法線角が５０°の深い光学面では、約４７０ｎｍも加工形状誤差が発生することになる。また、工具の高さ方向の位置決め誤差ｄｈは、ワーク中心部に切り残しを発生し、加工光学面の法線角θに依存する微小な加工形状誤差ｄＺを発生する。
ｄＺ＝Ｘ・（１−ｃｏｓ（ｔａｎ−１（ｄｈ・ｓｉｎθ／Ｘ）））・（１／ｃｏｓθ−１）／ｓｉｎθ　　　　　　　　　　　　　・・・・・（２）
【００５９】
ここで、Ｘは加工面形状の法線角θにおける回転半径である。所望の光学面の法線角を最大５０°、回転半径が３ｍｍ、加工形状公差ｄＺを５０ｎｍ以下とした時、工具基準点の高さ方向位置決め誤差ｄｈは２７μｍ以下となるので、ｄＺを小さくするよりはワーク中心部の切り残しを防ぐために、工具基準点の高さ位置決め誤差は１μｍ以下に設定される。この条件では、Ｘ軸方向の誤差ｄｘは１０７ｎｍ以下となる。
【００６０】
このように高精度な位置決めを行うには、工具６の基準点を精度良く測定することが必要である。より具体的に、工具６の基準点を測定する手法について説明する。図３に示すように、測定部２０が測定位置に移動した状態では、超精密２軸旋盤の原点に対する対物レンズ２２の光軸のＸＺ座標が既知となる。
【００６１】
ここで、ライトガイド２４から光を工具６に照射し、その反射光に基づき、工具６のすくい面６ａの基準点（Ｒバイトなら円弧の中心、剣先バイトなら先端）をＭＯＳセンサ２３でとらえることができる。すなわち、対物レンズ２２により拡大投影された工具６のすくい面６ａの輪郭形状は、ＭＯＳセンサ２３によって電気信号に変換され、更に不図示の画像キャプチャーボードによりパソコンＰＣに取り込まれる。尚、照明時にダイアモンド工具６のすくい面６ａからの反射光は、その屈折率の高さから光量が大きくなるが、背景はほぼ完全な黒となるので、コントラストが非常に高い画像が得られることとなる。そのため、撮像素子としてＣＣＤを用いると、スメアが発生したり飽和してすくい面６ａの輪郭がにじんだりして画質が劣化し、その画像処理結果による測定精度も劣化する。これに対し、本実施の形態のようにＭＯＳセンサ２３を用いれば、かかる不具合を回避できる。
【００６２】
対物レンズ２２を主軸８の軸線上の定位置に配し、その視野内のどこでも良いから、ダイアモンド工具６の刃先をＭＯＳセンサ２３でとらえ、それに基づく画像をパソコンＰＣのモ二ターに写し出す。ここで、すくい面６ａの輪郭が明瞭になるように工具６の高さを変えて焦点調節する。焦点がちょうど合ったところで、すくい面６ａの高さが、主軸８の軸線の高さと一致するようにあらかじめ測定部２０の高さを調整しておけば、測定者は工具高さの調節により焦点調整をするだけで、工具高さを０．５μｍ以下の精度（但し、対物レンズの倍率を５０倍とする）で合わせられる。
【００６３】
ＭＯＳセンサ２３の視野範囲は、数値制御座標に対する画面中心点のオフセット座標をあらかじめ測定し決めてあるので、工具刃先の画面上の相対位置を画像処理により求めれば、工具基準点の座標＝視野内座標＋視野中心オフセット座標であるから、工具６のＸ軸とＺ軸の原点座標が決まる。例えば、Ｒバイトの場合は刃先すくい面輪郭の円弧の画素座標を検出して、最小自乗法により理想円弧とフィッティングを行う。これによりベストフィットされた理想円弧の中心座標が求まり、視野画面中心点のオフセット座標を加えて、数値制御上の工具基準点の座標が求まる。工具基準点を、刃先の輪郭形状の画像に対応するＭＯＳセンサ２３の１００〜５００画素のデータを基にフィッティングを行うため、極めて再現性良く高精度な工具基準点の座標が得られる。
【００６４】
さらに、工具基準点の座標と数値制御の座標原点とのオフセット量に基づいて、数値制御における通常のセットゼロ操作を行うことで、工具基準点を正確に数値制御上の座標原点に一致させ、すなわち工具基準点設定を行うことができる。本実施形態では、これらの一連の作業をパソコンＰＣのソフトにより自動で行い、セットゼロ操作もパソコンＰＣが工具基準点座標のオフセット分だけ工具６を自動送りしてセットゼロ信号を発生させ、完全に自動化することができる。従って、測定者は画面のどこでも良いから刃先が映るように工具６を移動させて工具高さを調整し、後は単に不図示のキャプチャーボタンを押すだけで、工具基準点と数値制御の座標原点の一致を自動的に行える。理想円弧とのフィッティングのプロセスで、Ｒバイトの半径値も同時に算出表示できるため、工具半径のオフセット機能を使い、この後すぐに非球面光学面などの切削加工を実行できる。特に工具交換後等では、テストカット無しに極めて迅速かつ容易に工具心だし作業ができるため、作業性が良好である。
【００６５】
本発明者が、本実施の形態の工具基準点設定装置を用いて、Ｒバイト形状のダイアモンド工具の設定精度を確認した。表１は、刃先すくい面形状のＲ値が異なる工具を用いて１０回測定したときの各標準偏差を示し、図５はその標準偏差をプロットしたものである。この時のＭＯＳセンサの画素分解能は２７５ｎｍである。数百の画素データの平均化によって、画素分解能よりも数倍高い再現性が実現できているのがわかる。従来方法では、僅か２点の平均によるので、例え正確に座標が読みとれたとしても明らかに劣る。実際に全く同じ装置で、目視による従来方法で１０回測定を行った工具基準点の標準偏差は、１２８４ｎｍであった。
【００６６】
刃先Ｒが大きく、画面上で緩やかな工具６ほどＸ軸方向の設定精度は劣化する傾向にある。特に、刃先Ｒが１．５ｍｍでは、Ｘ軸方向の標準偏差が約７μｍと大きいが、このような工具６は一般的には法線角が数度という小さな浅い光学面の加工に用いられるので、実用上の問題はない。尚、画像処理ソフトは、得られたすくい面６ａの画像から、Ｒバイトと剣先バイトを判別して、自動的に異なる処理ルーチンを行うようになっている。
【表１】
2004034259.tif 000003
【００６７】
以上述べたように、本実施の形態の工具基準点設定装置によれば、非接触測定であり工具６の移動範囲に測定部２０が存在しないので、工具６と測定部２０の衝突が生じない。又、Ｘ軸方向だけでなく高さ方向も同じ工具位置で測定できるため、簡素で作業性の良い工具基準点の設定が可能となる。
【００６８】
従って、工具基準点の設定位置は、Ｘ軸方向においてワーク中心軸と一致する主軸中心線上で行うのが、最も好ましい。しかもこの位置であれば、加工中に工具が頻繁に位置する場所であるから、工具基準点設定のための工具移動量が極めて僅かですみ、短時間で容易に査定ができるという実用上のメリットも生む。また、本実施の形態によれば、Ｘ軸方向とＺ軸方向の工具基準座標が、画像処理によって同時に一瞬で得られるため、２軸以上の多軸加工機へ応用した場合には、各軸の組み合わせを工具の輪郭形状から算出することで、さらに効率の良い工具基準点の設定ができ、高精度高作業性を達成できる。
【００６９】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。例えば、アームの回動方向は水平方向であっても良いし、垂直方向であっても良い。また、斜めやその他の方向であっても良い。回動（変位）によって、主軸中心線近傍の測定位置と退避位置が選択できることが、本発明の特徴である。工具基準点も、刃先すくい面の円弧中心でなくとも良く、刃先がＺ軸方向に最も突出した部分であっても良い。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、雰囲気温度を厳密に制御しなくても、高精度に工具の基準点を設定できる工具基準点設定装置及び工具基準点設定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる工具基準点設定装置を適用した超精密２軸旋盤の斜視図である。
【図２】工具６の例を示す斜視図である。
【図３】工具基準点設定装置１０の斜視図である。
【図４】工具基準点設定装置１０の要部透視図である。
【図５】本発明者の行った実験結果を示すグラフである。
【図６】光学式顕微鏡により、ダイアモンド工具６のすくい面形状が円弧となっているＲバイトの先端を拡大して見た図である。
【符号の説明】
１　脚部
２　基盤
３　Ｚ軸ステージ
４　Ｘ軸ステージ
６　工具
７　筐体
８　主軸
１２　アーム
２０　測定部
【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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