(57)【要約】【課題】  研磨を行うことなく所定の鏡面が得られる脆性材料の切削方法を提供する。【解決手段】  単結晶の脆性材料を、工具の刃先に楕円振動を与えながら切削する楕円振動切削法で切削する。フッ化カルシウムなどの脆性材料であっても楕円振動法によれば、切り屑を引き上げながら加工を行うため、切り屑厚さ、切削力を大幅に低減し、広い延性モード領域にて高効率の切削を行うことができる。より具体的には、85nm超の切り取り厚さでも延性モードによる加工が可能となる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶の脆性材料を、工具の刃先に楕円振動を与えながら切削する楕円振動切削法で切削することを特徴とする脆性材料の切削方法。
【請求項２】
単結晶の脆性材料が、CaF2、LiF、MgF2、BaF2、LiAlCaF6またはSrF2であることを特徴とする請求項1に記載の脆性材料の切削方法。
【請求項３】
前記切削を延性モードで行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の脆性材料の切削方法。
【請求項４】
前記切削における切り取り厚さを85nm超とすることを特徴とする請求項１〜3のいずれかに記載の脆性材料の切削方法。
【請求項５】
前記刃先のすくい角が0〜−40°であることを特徴とする請求項1〜４のいずれかに記載の脆性材料の切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、脆性材料の切削方法に関するものである。特に、フッ化カルシウムなどの光学材料を高精度に切削するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光の分散が非常に低いフッ化カルシウム（CaF2）を光学製品のレンズとして利用することが行なわれている。中でも非球面レンズは高い収差補正能力があり、光学系のコンパクト化、光学性能の向上が可能になるため、高精度の非球面レンズの要望が大きい。
【０００３】
フッ化カルシウムのレンズを作製する主な方法として次の2つの方法がある。
(1)まずフッ化カルシウムの母材を切削し又は研削加工し、次いでその加工面を研磨して所定の鏡面を得る。
【０００４】
(2)フッ化カルシウムの母材を回転させ、この母材に数値制御により所定の非球面の軌跡に沿って動かされる単結晶ダイヤモンドバイトを押し当てて切削する。その際、切り込みを非常に小さくした特定の切削条件により、研磨を行うことなく切削加工のみで所定の鏡面を得る（例えば、非特許文献１）。
【０００５】
【非特許文献１】「新しい延性モード切削法による単結晶フッ化カルシウム製非球面レンズ加工技術の開発」  閻  紀旺  清水浩貴  庄司克雄
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、切削（研削）と研磨の両方を行なうのでは工程数が多くなり、コスト面でも不利である。特に、非球面レンズの加工では高精度の研磨を行なうのに手間がかかる。
【０００７】
また、単結晶ダイヤモンドバイトによる超精密加工では研磨を行なうことなく研削だけで鏡面加工を行なうことができる。しかし、この加工方法では非常に切削効率が低い。切削によりレンズとして必要な鏡面を得るには、脆性破壊を生じることなく薄いテープ状の切り屑を排出しながら切削を行う延性モード加工が必要になる。この延性モード加工を行うには、非常に小さい切り込み量としなければならず、例えば非特許文献１に示される切り取り厚さはわずか85nmにすぎない。このようなわずかな切り取り厚さによる切削では到底実用的な加工は不可能である。
【０００８】
特に、直径が30mm以下のように小径のレンズを加工する場合、小さなレンズに対して刃先位置を高精度に制御して非球面を加工することは難しい。特に、凸面の非球面レンズではなく、凹面や凸面と凹面とが組み合わされた小径の非球面レンズを加工することは非常に難しい。これは、刃先の逃げ角と加工対象との間の角度が凸面の場合より凹面の場合の方が小さくなり、この幾何学的位置関係から凹面の加工は凸面の加工よりもより狭い条件でしか加工できないためである。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、研磨を行うことなく所定の鏡面が得られる脆性材料の切削方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記の事情に鑑みて脆性材料を効率的に加工する技術を検討した結果、楕円振動切削法を利用すれば脆性材料を鏡面加工できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明切削方法は、単結晶の脆性材料を、工具の刃先に楕円振動を与えながら切削する楕円振動切削法で切削することを特徴とする。
【００１２】
楕円振動切削法は、図1に示すように、圧電素子などにより切削工具１の切刃1Aに切削方向と切り屑流出方向の振動を重畳して与えて、切刃1Aを楕円状の振動軌道2に運動させ、その状態で切刃1Aを被削材3に押し当てて切削を行う技術である。この切刃1Aの楕円振動により、切り屑4を引き上げながら加工を行うため、切削力を減少させて高精度の加工を可能にする（例えば特開2000-52101号公報）。
【００１３】
従来、この楕円振動切削法は主として金属材料、特に鋼材を切削対象としていた。鋼材等の鉄系材料を超精密加工用のダイヤモンド工具で工具を振動させずに通常切削した場合、ダイヤモンド工具と鉄系材料とが常時接触することになる。その際、ダイヤモンド工具（炭素）は鉄系材料と化学的親和性が高く、ダイヤモンド工具が非常に摩耗し易くなって、高い形状精度や鏡面を得る超精密切削加工ができない。
【００１４】
これに対して楕円振動切削法は、刃先に水平方向（切削方向）の振動のみならず垂直方向（切り屑排出方向）の振動を付与して被削材を切削し、切り屑との摩擦力の低減、切削抵抗の減少、切削油剤の浸透効果向上などによりダイヤモンド工具の摩耗を抑制することができる。
【００１５】
しかし、楕円振動切削法を用いても、フッ化カルシウムなどの硬脆材料を延性モードで高精度に鏡面加工するには、非特許文献1に示される切り取り厚さ85nm以下という条件が必要であり、この条件を満たさなければ到底加工ができないと考えられていた。
【００１６】
本発明者らは、この楕円振動切削法を脆性材料の切削に適用したところ、より大きな切り込みでも鏡面加工が可能であることを見出した。
【００１７】
本発明切削方法が切削対象とする単結晶の脆性材料としては、イオン結合性が強いもの、特にフッ化物や塩化物が挙げられる。より具体的には、CaF2、LiF、MgF2、BaF2、LiAlCaF6またはSrF2である。とりわけフッ化カルシウム（CaF2）は低分散で、レンズの材料として好適である。その他、GaN、Si,GaAs、Ge、ZnSe、ZnSなどの結晶も本発明方法による切削が適すると考えられる。
【００１８】
本発明による切削は延性モードで行うことが好ましい。脆性破壊の生じない延性モードでの加工を行うことにより、切削のみで被削材を鏡面加工することができる。
【００１９】
切削における切り取り厚さは85nm超とすることが好ましい。切り取り厚さとは、切り屑の厚さのことである。従来、脆性材料を延性モードで加工するには非常にわずかな切り取り厚さでしか加工を行うことができず非常に加工効率が悪かった。本発明方法によれば、85nm超の切り取り厚さでも延性モードによる加工が可能となる。より好ましい切り取り厚さは1μm以上である。フッ化カルシウムを切削する場合、本発明方法による延性モード加工が可能な切り取り厚さの上限は5μm程度である。
【００２０】
また、切り込み量は20μm以下とすることが好ましい。このような切り込み量とすることで、より実用的な加工を行うことができる。
【００２１】
工具に与える振動の周波数は20〜40kHz程度が好適である。この振動数をより高くすることで効率的な切削が可能になる。
【００２２】
本発明方法によりレンズの加工を行う場合、単結晶ダイヤモンドバイトを用いることが好適である。その際、刃先のすくい角は0〜−40°とすることが好ましい。このようなすくい角とすることでより表面粗さの小さい鏡面を得ることができる。また、すくい角をネガとすることで刃先強度を高め、刃先の欠けを抑制して工具寿命を長くすることができる。
【００２３】
逃げ角は正の値とすることが好ましい。例えば、逃げ角を5〜10°程度が好ましい。さらに刃先のノーズ半径は1.0mm以下とすることが望ましい。これら逃げ角やノーズ半径の規定条件を満たすことで、表面粗さの小さい鏡面を得ることができる。
【００２４】
本発明方法を用いれば、レンズ表面を研磨することなく、単結晶の脆性材料から構成された非球面レンズを得ることができる。特に、従来は不可能であった凹面を有する非球面レンズを脆性材料から切削のみにより得ることができる。この非球面レンズの形状は、凹面に凸面が複合された形状が好適である。凹面に凸面が複合された形状のレンズを従来の方法で得ることは不可能であると考えられていたが、本発明方法では複雑な形状の非球面も切削で形成することができる。凹面と凸面とを複合した形状としては、図5に示すような環状の凸部51を有し、この凸部51の内周側と外周側が凹部52となった非球面レンズ5の形状が挙げられる。
【００２５】
また、本発明方法を利用すれば、以下の特性を単独であるいは複合した高精度のレンズを工業的に能率よく得ることができる。
【００２６】
(1)非球面レンズの非球面量（図5参照）が50μm以上である。
(2)非球面レンズの形状精度が、そのレンズが利用される波長λに対して、λ／10以下、より好ましくはλ／20以下、さらに好ましくはλ／100以下である。
(3)非球面レンズの直径が50mm以下である。
(4)非球面レンズの表面粗さRaが0.01μm以下である。
【００２７】
上記の非球面レンズは、切削のみにより形成されているが、さらにその切削面にスキンポリッシュを施してもよい。切削面に形成されたリップル（切削痕による凹凸）のみを除去するスキンポリッシュを施すことで、より表面粗さの小さいレンズとすることができる。また、スキンポリッシュであれば、ごく短時間で容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
単結晶フッ化カルシウムの母材を用いて楕円振動切削法により加工を行った。楕円振動切削法は刃先に超音波領域の楕円振動を与えて切り屑を引き上げながら切削を行う加工法である。ここでは、超音波楕円振動制御システムを搭載した超精密加工機「株式会社ナガセインテグレックスNIC-300」を用いて切削を行った。Z軸上に搭載したインデックステーブルに振動工具を取り付け、その下方に位置するX軸インデックステーブルに（111）面の出ているフッ化カルシウムを固定し、X-Z軸同期送りによって所定の傾きで連続的に切り込み量が変化するプレナー型の溝加工および平面加工を行った。その際、延性モードから脆性破壊を伴う加工への遷移について検討を行った。また、工具に振動を与えることなく切削を行う従来法による切削も同様に行った。切削条件は次の通りである。
【００２９】
切り込み量：0-3μm（溝加工）  0-15μm（平面加工）    切削速度：0.37m/min
送り：10-40μm    切削方向：＜-12-1＞、＜1-21＞
振動：円軌跡    振幅：4μm    周波数:19.5kHz
工具：単結晶ダイヤモンドバイト    ノーズ半径：1mm    すくい角：0゜
【００３０】
＜-12-1＞および＜1-21＞方向に切り込み量2μmで溝加工した加工面の微分干渉顕微鏡写真を図２、図３に示す。各図の（A）は楕円振動切削法による加工面、（B）は従来法による加工面を示す。この写真から明らかなように、従来法による加工面では脆性破壊した面が現れているのに対し、本発明法による加工法では鏡面加工が可能であることがわかる。従って、従来法に比べて大幅に延性モードにより加工できる領域が広がっていることがわかった。
【００３１】
次に、溝加工試験より、延性モード加工が最も困難であった＜-12-1＞方向に対して切り込み量および送り量を変化させて平面加工を行った際の加工面の微分干渉顕微鏡写真を図４に示す。図４も（A）は楕円振動切削法による加工面、（B）は従来法による加工面を示す。ここでは切り込み量が5μmで送り量が10および20μmのときの加工面を示している。
【００３２】
その結果、送り量が変化しても加工面性状はあまり変化していない。しかし、通常の切削では脆性破壊面が見られ送り量の増加に伴って脆性破壊面が増大しているのがわかる。また、さらに切り込み量を増大した場合、加工面性状は若干劣化するが、楕円振動切削法では顕著な脆性破壊面が発生しにくい傾向を確認できた。以上の結果からも従来法に比べて大幅に延性モードにより加工できる領域が広がっていることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明方法によれば、高精度の非球面レンズを切削加工のみにより得ることができる。従って、光学材料の加工分野などにおいて本発明方法を利用することが期待される。また、本発明方法で得られた非球面レンズは、各種光学製品に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】楕円振動切削の加工状態を示す説明図である。
【図２】＜-12-1＞方向に溝加工した際の加工面の微分干渉顕微鏡写真で、（A）は本発明方法、（B）は従来方法による加工面を示す。
【図３】＜1-21＞方向に溝加工した際の加工面の微分干渉顕微鏡写真で、（A）は本発明方法、（B）は従来方法による加工面を示す。
【図４】＜-12-1＞方向に平面加工した際の加工面の微分干渉顕微鏡写真で、（A）は本発明方法、（B）は従来方法による加工面を示す。
【図５】非球面レンズの形状構成図である。
【符号の説明】
【００３５】
1  切削工具  1A  切刃  2  楕円軌道  3  被削材  4  切り屑
5  非球面レンズ  51  凸部  52  凹部
【図１】
2005254516.tif 000002
【図５】
2005254516.tif 000003
【図２】
2005254516.tif 000004
【図３】
2005254516.tif 000005
【図４】
2005254516.tif 000006