(57)【要約】【課題】被加工物表面に圧子を押し込み，圧子形状を転写するディンプル形成方法により，無数にディンプルを分布させた成形型を加工するに際し，１個のディンプルが微細なので，広いディンプル面を加工するには長時間を要し，この間にディンプル形状が著しくばらつき，高精度なディンプル面の形成を困難なものにしていた．【解決手段】力検出器をインデンタと直列に結合し，押し込み力を検出可能にすることによって，圧子と被加工物表面との接触開始位置の検出や，最大押し込み荷重の制御を行い，押し込みサイクルのストロークを最小にすることにより，高精度なディンプル面を高能率に形成可能にしている．【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高硬度の圧子を先端にもつインデンタと，被加工物を載架しチャッキングできるテーブルと，該被加工物の表面に対し該インデンタを相対的に前進・後退できるようにした送り込み機構と，該インデンタの被加工物表面への押し込み力を検出可能な力検出手段と，該送り込み機構の送り込み方向に対し交差する方向に該テーブルを相対移動可能にした割り出し機構と，上記の送り込み機構，力検出手段および割り出し機構と電気的に接続された演算・制御手段より構成され，該力検出手段からの出力信号に同期して該送り込み機構を制御し，該圧子の転写形状をもつディンプル形状を被加工物表面に制御形成可能にしたことを特徴とするディンプルの分布面の加工方法
【請求項２】
力検出手段を用いて，圧子の被加工物表面への最大押し込み深さないしは最大押し込み力を制御可能にしたことを特徴とする請求項１に記載のディンプル面の加工方法
【請求項３】
力検出手段を用いて，圧子が被加工物表面に接触開始する位置を検出し，これを起点として送り込み機構を制御し，送り込み速度，最大押し込み深さ，最大押し込み力，押し込み方向の待機位置のうちの少なくともひとつを制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のディンプル面の加工方法
【請求項４】
隣接する３個により形成された頂点を各角部に配置した六角形のディンプルが分布形成されたことを特徴とする請求項１，２ないし３に記載のディンプル面の加工方法
【請求項５】
請求項１から４に記載の加工方法により加工されたディンプル面を母型として用いて複製されたディンプル形成品
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
微細凹凸，いわゆるディンプルを無数に表面に分布させることにより，潤滑，粘着・剥離，光学，接着，塗装，気流，伝熱などの表面機能を向上させることができるが，このディンプルを高精度に表面に形成する加工技術，ならびに当該技術によりディンプルを形成された加工品を対象としている．
【０００１】
【従来の技術】
成形された圧子を押しつけ，その被加工物の表面に圧子形状を転写し，ディンプルを形成している事例としては，特許公開平11-290959に見られるように，被加工物の表面を基準にして，ディンプル加工を行っている例がある．この例では，
1)  加工箇所周辺に位置検出のための面積を必要とし，しかも検出精度があまり高くない．
2)  とくに，ディンプルが形成された被加工物の表面の一部を，表面位置の検出基準としており，該表面位置の検出精度が劣化すること，
などの課題があった．
【０００２】
また特許公開平11-202105の例では，ムービングコイルをアクチュエータとして用い，圧子形状を被加工物表面に転写しディンプルを形成している．しかしこの加工法では，
1)  圧子の待機位置から被加工物表面までの距離の変動や，それに伴う加工速度の変動などによって，加工形状のばらつきが大きいこと，
2)  また被写体へのボケ味を提供する目的から，被加工物の表面粗さが亜鏡面ないしそれよりも粗面(表面粗さ0.05μｍRa以上)のマイクロレンズアレイを対象としており，ここで加工対象としている鏡面のディンプルが得られないこと，
など，上記２例とも，本発明の目的から大きく乖離しており，従来技術では，高精度なディンプル面を高能率に形成することは出来ない．
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は，形状精度が数μｍ以下で，表面粗さが鏡面となる高精度なディンプルを，被加工物表面に高能率に形成することにある．
【０００４】
【課題を解決するための手段】
圧子が被加工物表面に接触しているときの押し込み力を，力検出器を用いて検出し，圧子を被加工物内に押し込むときの最大深さを制御できるようにしている．
【０００５】
【発明の実施の形態】
最初に，本発明で加工対象としたディンプルが一様分布した被加工物の例を，図１および図２に示す．図１に示した例では，被加工物１の表面に，幅及び長さが約２０〜３０μm，最大深さ２〜３μm，曲率半径１００μｍの凹球面形状のディンプル２が，高密度に一様分布している．図２の例では，図１に示したディンプルの最大深さ，及び隣接するディンプル間のピッチと平均値がほぼ同じであるが，これら最大深さとディンプル間のピッチを意図的にランダムに変動させて，ディンプルの分布の周期性を無視できるようにした例である．
【０００６】
圧子を用いて，このようなディンプル面の形成に際し，ミクロンからサブミクロンレベルの精度を論じる場合には，
1) 被加工物の表面の形状誤差（うねり，平行度など）や厚さ寸法誤差
2) 被加工物のチャッキング誤差（チャックの形状誤差，塵埃のかみこみなど）
3) 加工機の熱変形や，検出系あるいは制御系のドリフト
など，種々の誤差要因が存在し，所望のディンプル形状の形成を難しくしている．
【０００７】
ちなみに，平均直径２５μｍのディンプルを１００mm四方の面に一様分布させたテクスチャ面を形成する場合には，１６ｘ１０６個のディンプルを形成することになり，１秒間に１０個の能率で形成するとして，４００時間を超える．圧子と被加工物表面との間の相対距離を，このような長時間にわたってサブミクロン精度で維持することは，至難である．このため，工作機械で一般に採用されている工具と被加工物間の位置検出制御方式では，作業箇所の室温や工作機械の温度を高精度に制御したとしても，上述の誤差要因などにより，ディンプルの最大深さは大きくばらつき，高精度なディンプル形成はほとんど不可能である．
【０００８】
これに対し本発明では，被加工物に圧子を送り込むときに発生する押し込み力を検出し，押し込み量の制御を行っている．
本発明の一実施例を，図３から図６を用いて説明する．
図３は，本発明の一実施例の加工機本体100を示す．図４，図５は，図３のA部の拡大図を示す．図４は被加工物表面が高い平面度をもつ場合を示し，図５は被加工物表面にうねりをもつ場合で，被加工物表面の形状が誇張して描かれている．図６は，該加工機本体からの検出信号系統および加工機本体への制御指令系統を示す図である．
加工機本体100は，お互いに直交方向に移動可能にしてＮＣ駆動機構をもったＸ軸テーブル４，Ｙ軸テーブル６，およびＺ軸スライダ８からなり，該Ｚ軸スライダには円筒状の垂直軸(図示せず)と，該垂直軸をＺ軸方向に移動制御可能なように垂直軸駆動モータ11が内蔵されている．該垂直軸の他端には，磁歪素子12，力検出器13，高硬度の圧子15が固着されたインデンタ14が，Ｚ軸方向に直列に結合されている．
【０００９】
また，Ｘ軸駆動モータ５，Ｙ軸駆動モータ７，Ｚ軸駆動モータ９，垂直軸駆動モータ11は，それぞれドライバー16を介してパソコン17と接続されている．一方，力検出器13からの検出信号は，チャージアンプ18，Ａ／Ｄコンバータ19を介して，パソコン17に入力されている．該パソコンからの出力信号の一つは，Ｄ／Ａコンバータ20，パワーアンプ21を介して，磁歪素子12に接続されている．
パソコン17では，力検出器13からの検出信号に基づいて，後述するフローに従って演算し，その結果をもとに，加工機本体100の各駆動部，すなわち磁歪素子12，およびＸ軸駆動モータ５，Ｙ軸駆動モータ７，Ｚ軸駆動モータ９，垂直軸駆動モータ11に制御指令を発している．
【００１０】
つぎに，パソコン17内での演算制御のフローについて，図７および図８を用いて説明する．図７は押し込み力制御のフローチャートを，図８はこの押し込み力制御のタイムチャートを示す．
【００１１】
最初に，パソコン17よりＸ軸駆動モータ５，Ｙ軸駆動モータ７に制御指令を与えて，被加工物が圧子15に対してディンプル形成の開始位置(Xo，Yo)に位置決めされる．ついで，圧子15と被加工物１の表面位置との間の相対位置は，最大可動範囲の約50％の入力指令を磁歪素子12に与えたとき，圧子15が被加工物１の表面と接触を開始するように，チャージアンプ18からの出力信号を監視しながら設定される．すなわち，磁歪素子12に約50％の入力指令を与えた状態で，パソコン17より垂直軸駆動モータ11に制御指令を与えて，被加工物１に対し圧子15をごく低速度で下降させていき，被加工物表面に圧子15が接触したことを，力検出器13からの力検出信号により確認し，この接触開始位置(Z＝Zs)より，あらかじめパソコンのメモリーにプリセットされた数μｍの間隔ξだけ隔てた上方の初期位置(Z＝Zo)に，圧子先端位置が初期設定される．これで初期設定が終了し，この初期位置(Xo，Yo，Zo)から，ディンプルの連続加工が開始される．
【００１２】
ディンプル２を連続して形成するときの１サイクルについて，図７，図８を用いて説明する．まず，パワーアンプ21より磁歪素子12に入力指令が与えられ，圧子15は初期位置Z＝Zoから下降し始め，力検出器13から極く微小な力の検出信号Foを感知したとき，この位置を圧子１５が被加工物表面に接触し始める接触開始位置Zsと認識する．圧子15は下降速度を落としてさらに下降し続け，力検出器13からの検出信号が，あらかじめパソコン17に設定された最大押し込み力Fmaxに達したとき，パワーアンプ21からの下降指令を停止し，ドウェル時間Td後に後退(上昇)に転じ，次のディンプル形成の「待機位置」であるZoまで戻る．
【００１３】
次いで，Ｘ軸駆動モータ５により，ピッチPxだけＸ方向に隔たった次のディンプル形成位置(Xo＋Px，Yo)に移動し，再び磁歪素子12に入力指令が与えられて，次のディンプル形成サイクルがスタートする．このようにしてディンプル形成サイクルが，被加工物のＸ方向に繰り返される．Ｘ方向に所望の長さＸmaxだけディンプルを形成し終えると，パワーアンプ21を介して磁歪素子12に後退指令が出され，圧子は待機位置まで戻る．それに続いて，Ｘ軸駆動モータ５により，Ｘ＝Ｘoの位置に早送り速度で戻る．次にＹ軸駆動モータ７により，ピッチPyだけ隔たったディンプル形成位置(Xo，Yo＋Py)に移動し，再び磁歪素子12に入力指令が与えられて，次の列のディンプル形成サイクルがスタートする．このように，Ｘ方向及びＹ方向にディンプル形成が繰り返されて，最終の点(Ｘmax，Ｙmax)に達したとき，ディンプル面の形成が完了する．
【００１４】
上述した，次のディンプル形成の「待機位置」とは，圧子先端の位置が，このディンプル形成サイクルの接触開始位置Zsから間隔ξだけ後退した位置にあることであり，チャージアンプ18からの出力信号Zoは，パソコン17により常時監視され，ξの値がほぼ一定となるように，微小量Δが補正される．このように，ディンプル形成サイクルの圧子15の待機位置を，被加工物の表面位置から一定間隔ξだけ隔たった位置に保持することにより，被加工物表面がうねっているときや傾斜しているとき，あるいは加工機本体や制御系の温度ドリフトなどがあっても，それらの誤差の影響を補償でき，常に最短の下降距離を維持でき，加工時間の短縮を可能にし，結果的には高能率なディンプル形成が可能になる．
【００１５】
また，上述の待機位置の変化を連続的に監視することにより，突発的に発生する異常な誤差要因を排除でき，安定した待機位置を確保することができ，結果的には，高いディンプル深さ精度をもったディンプル面が得られる．
なお，形成されるディンプル深さDdは，最大押し込み力Fmaxを被加工物の硬さＨで除した商の平方根に比例する関係にあるが，これらＨ，Dd，Fmaxの３者間の関係を，あらかじめ予備実験により求めておき，事前にパソコンにプログラムしておくことにより，押し込み力制御によるディンプル深さの制御を可能にしている．
【００１６】
【発明の効果】
押し込み行程中に，圧子の被加工物表面への押し込み力を検出可能としたことにより，先に述べた種々の誤差要因によるディンプル形成への影響を抑制でき，また圧子の待機位置と被加工物表面間の距離を微小な一定値に保持できることから，高精度にして高能率なディンプル加工が可能になった．とくに，押し込み力の検出手段により，圧子の被加工物表面との接触開始位置を検知できるようにしたことにより，これらの誤差要因を排除でき，被加工物表面に倣いながら，所要の深さ精度をもったディンプル面を形成可能になった．ちなみに，表面粗さ0.02μｍRyに鏡面仕上げされた無酸素銅の被加工物表面に，半径0.1mmの単結晶ダイヤモンドの圧子を用いて，上記の押し込み力制御によりディンプルを毎秒25個の速度で形成したところ，形状精度２μｍ，表面粗さ0.05μｍRy(表面粗さ0.01μｍRa相当)のディンプルが得られた．
【００１７】
本発明のもう一つの実施例を図９，図10に示す．押し込み変位量を制御するディンプル形成方法のフローチャートを図９に，またこのタイムチャートを図10に示す．すなわち，磁歪素子と並列に変位計を具備させ，磁歪素子の変形量を測定可能とすることにより，接触開始位置Zsからの磁歪素子の変形量が検知され，該変形量が（Zmax−Zs）で与えられる下降距離に達したとき，パワーアンプ21からの磁歪素子12への入力指令が停止し，ドウェル時間Td後に待機位置まで後退するようにしており，この変形量を検知し（Zmax−Zs）を制御する以外は，さきに図７，図８を用いて説明した押し込み力制御のディンプル形成方法と差異はない．このような押し込み変位量を制御することによって，上述と同様の効果が得られるほか，ディンプルの形状精度が被加工物の物性の影響を受けにくいという効果もある．
【００１８】
他のもう一つの実施例について，次に述べる．
上述よりもディンプルの所要形状精度がラフな場合や，多少冗長な加工時間が許容される場合，あるいは形成すべきディンプル面の面積がそれほど大きくない場合などには，間隔ξを先述の押し込み力制御の場合よりもやや大きく設定することにより，力検出器による接触開始位置Zsの検出信号を用いることなく，直接に最大押し込み力Fmaxを検出・制御することにより，ディンプル面の形成が可能である．
【００１９】
すなわち，接触開始位置を検知することなく，最大押し込み変位量が所望の値になるように，押し込み力があらかじめ設定された最大押し込み力Fmaxに達したときに圧子の下降を停止し，ドウェル時間Td後に上昇に移行する制御指令を出すことにより，ディンプルの最大深さDdを制御することができる．しかしこの実施例では，接触開始位置を検知することによるデータ処理時間の短縮が図れる効果があるが，加工機本体や制御系の経時変化によりＺ軸方向の誤差を生じ，加工時間がばらつくなどの懸念がある．
【００２０】
これに対しては，圧子の待機位置Zoから最大押し込み力Fmaxに達するまでの下降距離ないし下降時間を常時監視し，これら下降距離ないし下降時間が常に一定になるように，磁歪素子への制御指令を制御することによって，加工時間のばらつきをなくすことができ，これまでに述べた実施例と同様の効果を得ることができる．
【００２１】
以上のようにして形成されたディンプル面を母型として，この面を数多く複製するには，電鋳工程や樹脂レプリカ工程を組み合わせた量産のレプリカプロセスを用いることは，従来と変わらない．すなわち，たとえば
▲１▼母型 → ▲２▼電鋳工程 → ▲３▼(電鋳工程) → ▲４▼樹脂レプリカ工程 → ▲５▼複製品
により，ディンプル面をもつ成形品を多量に複製する．ここで，工程を１回経る毎に形状の凹凸が反転されるので，所望のディンプル形状から，鋳工程と樹脂レプリカ工程の合計工程数が決定される．すなわち複数工程であれば，母型と同じディンプル形状，奇数工程であれば，母型の反転形状をもつディンプル形状が形成される．
【００２２】
もちろん，本発明により製作されたテクスチャ面を，直接，機能面として用いることも可能であるが，該テクスチャ面の製作に長時間を要するため，経済的な理由から極めて付加価値の高い部品類にしか適用できず，一般的には，上記のようなレプリカプロセスにより複製品を製作する．
【００２３】
ところで図11には，押し込み力が過大なときに形成されるディンプルの中央を通るＸ方向の断面形状を示す．ディンプルの進行方向前方には，被加工物が塑性流動して大きな盛り上がり(バリ)32が発生し，これが後続のディンプル形成時に大きく変形させられることになる．またディンプルの進行方向後方にも被加工物が塑性流動し，ディンプルが非対称形状となる．このディンプルの断面形状を包絡線で近似すると，楕円31のごとくなり，その中心線30は大きく傾くことになる．このように，ディンプルを常に同じ方向(例えばＸ方向)に形成すると，ディンプル面に方向性が生じることになる．
【００２４】
この方向性を嫌う光学面などには，
▲１▼  Ｘ方向に順次ディンプルを形成する．
▲２▼  Ｙ方向にピッチPyだけ送る．
▲３▼  −Ｘ方向にディンプルを順次形成する．
▲４▼  Ｙ方向にピッチPyだけ送る．
▲５▼  Ｘ方向に順次ディンプルを形成する．
・・・・
の順にディンプルを形成する，すなわち＋Ｘ方向へのディンプル形成と−Ｘ方向へのディンプル形成とを交互に繰り返すことにより，この方向性を相殺することができる．
一方，押し込み力が過小なるときに形成されるディンプル面のＸ方向の断面形状を，図12に示す．隣接するディンプル間に，加工残り(ランド)が発生し好ましくない．
【００２５】
これらの問題点に対しては，１個のディンプルの周囲で，上述の被加工物の塑性流動が均一かつ最少になるディンプル形状とすればよい．そのディンプル形状の例を，図13，図14に示す．図13は平面図，図14は図13におけるＣ−Ｃ断面図である．すなわち，隣接するＹ方向のディンプル位置の位相を１／２だけシフトして形成することにより，隣接する３個のディンプルで頂点を形成させ，平面図上では六角形状のディンプルが分布したディンプル面とすることにより，被加工物の塑性流動する体積を最少にし，しかも加工残りの面積を最少にできる．図２は，ディンプルのピッチ間隔Pxを平均値から変動させて六角形状のディンプル面を形成した例を示すが，これを母型として光学部品を製作したした場合には，周期性に起因したモアレ縞や虹などの品質低下を阻止できる．
【００２６】
なお，図11に示すように，被加工物の材質として，アルミニウムや真鍮などの軟質金属を用いると，ディンプル肩部に大きなバリが発生し，圧子形状のディンプル形状への転写精度は必ずしも高くない．これに対し，加工硬化しやすいステンレス鋼などの金属を用いると，ディンプル肩部のバリを低減でき，圧子形状のディンプル形状への転写精度が，著しく改善される．さらには，ソーダガラスなどの非晶質のガラスを用いると，クラック発生限界により形成可能なディンプルの大きさが制限されるものの，ディンプル肩部のバリ発生を著しく抑制でき，極めて転写精度の良い母型を得ることができる．
【００２７】
本発明のもう一つの実施例を図15および図16に示す．図15は，鉛などの軟質金属からなる下地材23の上に，薄い板状の被加工物22を置き，これを圧子15を用いてディンプル形成している例である．塑性流動しやすい材質を下地材にすることで，バリなどの影響のほとんどない境界がシャープなディンプル面を形成することができる．
【００２８】
本発明の他の実施例を，図17および図18に示す．回転可能な圧子15を用いると良い．図17は圧子の回転駆動部を示し，図18は図17のＢ部の拡大図を示す．加工機本体100のＺ軸スライダ８に内蔵された垂直軸(図示せず)には，スリーブ34，力検出器29磁歪素子28，フランジ37，前ブラケット36がこの順に結合されたモータケース35が固定されており，該モータケースの内側には，モータステータ27が圧入されている．また，モータケース35の他端には，後ブラケット38が結合されており，前ブラケットと後ブラケットで，モータロータ26が転がり軸受けにて支承されている．
【００２９】
一方，転がり軸受23を介してスリーブ34に支承されたインデンタ軸39の一端には，圧子15を先端にもつインデンタ14が結合されており，他端には磁気カップリング25を介して，モータロータ26と，軸心方向に伸縮自在に結合され，該インデンタが回転駆動可能になっている．このような構成にして，圧子15を回転させながら，先述の押し込み力制御ないしは押し込み変位量制御のディンプル形成方法を採ることにより，ディンプルの表面がバニシングされ，より安定した良好な鏡面を得ることができる．
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が加工対象とした被加工物のディンプル面の一例を示す．
【図２】本発明が加工対象とした被加工物のもう一つのディンプル面の例で，陰影を施した平面図を示す．
【図３】本発明の一実施例の全体構成図を示す．
【図４】図３におけるＡ部の拡大図で，被加工物表面が平面の場合である．
【図５】図３におけるＡ部の拡大図で，被加工物表面にうねりがある場合である．
【図６】図３に示した加工機からの検出信号系統および加工機への制御指令系統を示す図である．
【図７】押し込み力制御方法のフローチャートを示す．
【図８】押し込み力制御方法のタイムチャートを示す．
【図９】押し込み変位量制御方法のフローチャートを示す．
【図１０】押し込み変位量制御方法のタイムチャートを示す．
【図１１】押し込み力が過大なるときのＸ軸方向の加工途上にある被加工物の断面図を示す．
【図１２】押し込み力が過小なるときのＸ軸方向の加工途上にある被加工物の断面図を示す．
【図１３】本発明により被加工物に形成されたディンプル面の平面図である．
【図１４】図13におけるC-C断面図である．
【図１５】下地材を用いて薄板よりなる被加工物にディンプルを形成している説明図である．
【図１６】ディンプルが形成された被加工物の断面図を示す．
【図１７】本発明の他の例で，圧子の回転駆動部の断面図を示す．
【図１８】図17の回転する圧子を用いてディンプルを形成する加工箇所近傍の拡大図である．
【符号の説明】
１    被加工物
２, ２'  ディンプル
３    コラム
４    Ｘ軸テーブル
６    Ｙ軸テーブル
８    Ｚ軸スライダ
12    磁歪素子
13    力検出器
14    インデンタ
15    圧子
17    パソコン
18    チャージアンプ
21    パワーアンプ
22    被加工物
23    下地材
24    転がり軸受
28    磁歪素子
29    力検出器
30    ディンプルの断面の対称軸
31  ディンプルの中心を通る断面形状の近似楕円
36    前ブラケット
38    後ブラケット
39    インデンタ軸
100   加工機本体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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