(57)【要約】    【課題】  曲率半径の小さいレンズ形状の凹部を形成することができる光学素子金型の加工方法及び加工装置を提供する。    【解決手段】  被加工物１Ａを切削するダイヤモンドバイト３を用いて加工して、複数の独立した光学機能面を有する光学素子を成形するためのマイクロレンズ金型１を作成する加工方法において、ダイヤモンドバイト３をＸ軸方向へ移動させ、この移動と同時にＹ軸周りにダイヤモンドバイト３を回転させ、更にＺ軸方向へ被加工物１Ａを移動させて被加工物１Ａの加工面２を切削する。その後、被加工物１Ａを所定ピッチだけＹ軸方向へ移動させる。上記切削と移動とを繰返して凹部２ａを形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物を切削する工具を用いて加工して、複数の独立した光学機能面を有する光学素子を成形するための金型を作成する加工方法において、
前記被加工物の加工面に対して直交するＺ軸の方向への前記被加工物の移動と、このＺ軸と水平面上で直交するＸ軸の方向への前記工具の移動と、前記Ｚ軸及びＸ軸と直交するＹ軸周りへの前記工具の回転とを同時に行なって前記被加工物の加工を行う加工工程と、
前記Ｙ軸の方向へ前記被加工物を前記工具に対して相対的に移動させる移動工程とを繰り返し行うことを特徴とする光学素子金型の加工方法。
【請求項２】
被加工物を切削する工具を用いて加工して、複数の独立した光学機能面を有する光学素子を成形するための金型を作成する加工方法において、
前記被加工物の加工面に対して直交するＺ軸の方向への前記被加工物の移動と、このＺ軸と水平面上で直交するＸ軸の方向への前記工具の移動とを同時に行なって前記被加工物の加工を行う加工工程と、
前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸と直交する前記Ｙ軸の方向へ前記被加工物を前記工具に対して相対的に移動させる移動工程とを繰り返し行うことを特徴とする光学素子金型の加工方法。
【請求項３】
前記工具の刃先の逃げ角は前記被加工物の加工面と前記工具との当接時における最大接線角より大きいことを特徴とする請求項２記載の光学素子金型の加工方法。
【請求項４】
被加工物を保持し、前記被加工物の加工面に対してほぼ直交するＺ軸の方向と、前記Ｚ軸の方向と直交するＹ軸の方向とに移動可能な被加工物保持部と、前記Ｚ軸及びＹ軸と直交するＸ軸の方向へ移動可能であり、前記被加工物を研削する工具とを有する加工装置において、
前記被加工物の加工時に、前記被加工物保持部の前記Ｚ軸の方向への移動と同時に、前記工具を前記Ｘ軸の方向へ移動させ、その後前記被加工物保持部を前記Ｙ軸の方向へ移動させる制御手段を備えていることを特徴とする加工装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記被加工物保持部を前記Ｚ軸の方向へ移動させると同時に、前記Ｙ軸と直交する平面内で前記工具の先端部が円弧状の軌跡を描くように前記工具を前記Ｙ軸周りへ回転させることを特徴とする請求項４記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光学素子金型の加工方法及び加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加工方法として、特開平８−１１２２３号公報に記載されたフライカット方式による加工方法が知られている。
【０００３】
この加工方法は次の通りである。
【０００４】
同時３軸以上の超精密加工機を用いて、ダイヤモンドバイトを主軸に取り付けて回転させる一方、ワーク（被加工物）を軸に水平な面又は直交する面に固定する。ダイヤモンドバイトを所定のピッチでＺ方向へスキャンさせながらワークをＸ、Ｙ方向へ移動させてワーク表面の所定部分を取り除き、所望のレンズ形状に対応する凹部を形成する。
【特許文献１】特開平８−１１２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
小さな曲率半径の凹部の形成するためには、ダイヤモンドバイトの回転半径を小さくする必要がある。
【０００６】
しかし、上記加工方法にはダイヤモンドバイトを取り付けた主軸とワークとの干渉等の問題があるため凹部の曲率半径を小さくするには限界があった。
【０００７】
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その課題は曲率半径の小さい凹部を形成することができる光学素子金型の加工方法及び加工装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため請求項１記載の発明は、被加工物を切削する工具を用いて加工して、複数の独立した光学機能面を有する光学素子を成形するための金型を作成する加工方法において、前記被加工物の加工面に対して直交するＺ軸の方向への前記被加工物の移動と、このＺ軸と水平面上で直交するＸ軸の方向への前記工具の移動と、前記Ｚ軸及びＸ軸と直交するＹ軸周りへの前記工具の回転とを同時に行なって前記被加工物の加工を行う加工工程と、前記Ｙ軸の方向へ前記被加工物を前記工具に対して相対的に移動させる移動工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、被加工物を切削する工具を用いて加工して、複数の独立した光学機能面を有する光学素子を成形するための金型を作成する加工方法において、前記被加工物の加工面に対して直交するＺ軸の方向への前記被加工物の移動と、このＺ軸と水平面上で直交するＸ軸の方向への前記工具の移動とを同時に行なって前記被加工物の加工を行う加工工程と、前記Ｚ軸及び前記Ｘ軸と直交する前記Ｙ軸の方向へ前記被加工物を前記工具に対して相対的に移動させる移動工程とを繰り返し行うことを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の光学素子金型の加工方法において、前記工具の刃先の逃げ角は前記被加工物の加工面と前記工具との当接時における最大接線角より大きいことを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、被加工物を保持し、前記被加工物の加工面に対してほぼ直交するＺ軸の方向と、前記Ｚ軸の方向と直交するＹ軸の方向とに移動可能な被加工物保持部と、前記Ｚ軸及びＹ軸と直交するＸ軸の方向へ移動可能であり、前記被加工物を研削する工具とを有する加工装置において、前記被加工物の加工時に、前記被加工物保持部の前記Ｚ軸の方向への移動と同時に、前記工具を前記Ｘ軸の方向へ移動させ、その後前記被加工物保持部を前記Ｙ軸の方向へ移動させる制御手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の加工装置において、前記制御手段は、前記被加工物保持部を前記Ｚ軸の方向へ移動させると同時に、前記Ｙ軸と直交する平面内で前記工具の先端部が円弧状の軌跡を描くように前記工具を前記Ｙ軸周りへ回転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば曲率半径の小さい凹部を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１はこの発明の一実施例に係る光学素子金型の加工方法の実施に使用される加工装置の斜視図、図２はその加工方法によって作成されたマイクロレンズ金型の正面図である。
【００１６】
この加工装置はＺ軸スライド６とＹ軸スライド７とＸ軸スライド５とＢ軸回転テーブル８とを備えている。
【００１７】
この実施形態の加工装置は例えばＮＣ加工装置であり、例えばＮＣコントローラ（制御手段）１０からの指示によって、Ｚ軸スライド６、Ｙ軸スライド７、Ｘ軸スライド５及びＢ軸回転テーブル８を駆動するモータ（図示せず）の起動・停止や回転速度を制御し、Ｚ軸スライド６、Ｙ軸スライド７、Ｘ軸スライド５及びＢ軸回転テーブル８をプログラムで決められた任意の位置に移動させることができる。
【００１８】
Ｚ軸スライド６は図示しないベッド上に配置されている。Ｚ軸スライド６はベッド上をＺ軸方向へ移動可能である。Ｚ軸スライド６の位置は例えばレーザ干渉計（図示せず）で検出され、検出結果がＮＣコントローラ１０にフィードバックされる。
【００１９】
Ｙ軸スライド７はＺ軸スライド６上に配置されている。Ｙ軸スライド７はＹ軸方向（高さ方向）へ移動可能である。Ｙ軸スライド７の位置は例えばレーザ干渉計で検出され、検出結果がＮＣコントローラ１０にフィードバックされる。Ｙ軸スライド７のＺ軸方向の先端部には主軸スピンドル９が設けられている。
【００２０】
主軸スピンドル９の中央部（被加工物保持部）にはマイクロレンズ金型（光学素子金型）１（図２参照）の基材となる被加工物１Ａがねじ（図示せず）等によって固定されている。
【００２１】
Ｘ軸スライド５は図示しないベッド上にＹ軸スライド７に隣接配置されている。Ｘ軸スライド５はベッド上をＸ軸方向へ移動可能である。Ｘ軸スライド５の位置は例えばレーザ干渉計で検出され、検出結果がＮＣコントローラ１０にフィードバックされる。
【００２２】
Ｂ軸回転テーブル８はＸ軸スライド５上に配置されている。Ｂ軸回転テーブル８は矢印Ｂに示すようにＺ軸及びＸ軸と直交するＹ軸周りへ回転可能である。Ｂ軸回転テーブル８の回転角度は回転角度検出器（図示せず）によって検出され、検出結果がＮＣコントローラ１０にフィードバックされる。
【００２３】
Ｂ軸回転テーブル８の中央部にはダイヤモンドバイト（工具）３を保持するダイヤモンドバイトホルダ４が設けられている。ダイヤモンドバイト３は例えば単結晶ダイヤモンドバイトである。ダイヤモンドバイト３の刃先は被加工物１Ａの加工点以外と干渉しない形状である。
【００２４】
ダイヤモンドバイト３を用いて被加工物１Ａの加工面（ＸＹ面）２を切削して、マイクロレンズのレンズ形状に対応する凹部２ａが形成される。刃先３−１の形状の精度はそのままマイクロレンズ金型１の形状の精度を決定づける。したがって、刃先３−１の真円度精度が高いダイヤモンドバイト３を用いるか、各スライド５，６，７の蛇行や熱変形に起因する加工誤差等を補正するために補正加工機能を加工装置に持たせる必要がある。補正加工機能は、加工面２を加工した後に凹部２ａの形状を測定し、形状誤差を考慮して元の加工プログラムを修正し、２回目以後の加工の誤差を解消しようとする機能である。
【００２５】
ダイヤモンドバイト３をダイヤモンドバイトホルダ４に固定したとき、ダイヤモンドバイト３の高さ方向（Ｙ軸方向）の位置は主軸スピンドル９の中心軸の高さ方向の位置と一致する。
【００２６】
この加工装置を用いたシェーパ加工には、同時２軸シェーパ加工と同時３軸シェーパ加工とがある。シェーパ加工とは被加工物１Ａを固定し、ダイヤモンドバイト３を移動させる加工方法である。
【００２７】
図３はシェーパ加工を説明するための図である。
【００２８】
まず、同時２軸シェーパ加工について説明する。
【００２９】
（１）マイクロレンズ金型１の凹部２ａの曲率半径に応じてダイヤモンドバイト３をＸ軸の方向へ移動させ、かつこの移動と同時に、被加工物１ＡをＺ軸方向へ移動させるように各スライド５，６を駆動するモータを制御して被加工物１Ａの加工面２を切削する。
【００３０】
（２）被加工物１Ａを予め決められた所定量だけ切削した後、被加工物１Ａをダイヤモンドバイト３に接触させずに所定ピッチだけＹ軸方向へ移動させるようにＹ軸スライド７を駆動するモータを制御する。
【００３１】
（３）（１）と同様にダイヤモンドバイト３をＸ軸の方向へ移動させ、かつこの移動と同時に、被加工物１ＡをＺ軸方向へ移動させるように各スライド５，６を駆動するモータを制御して被加工物１Ａの加工面２を切削する。
【００３２】
以下、上記工程（１）〜（３）を繰返してマイクロレンズ金型１が作成される。
【００３３】
この同時２軸シェーパ加工ではダイヤモンドバイト３の刃先３−１の逃げ角を被加工物１Ａの加工面２とダイヤモンドバイト３との当接時の最大接線角より大きくする必要がある。
【００３４】
単結晶ダイヤモンドバイトの場合、刃先３−１の真円度を保ちながら２０°以上の逃げ加工を行うことはダイヤモンドの結晶方位との関係で非常に難しく、刃先３−１の強度が低下して刃先３−１の摩耗が早くなる。したがって、最大接線角が２０°を超えるときにはＸ軸、Ｚ軸方向への移動だけでなくＹ軸周りの回転も同時に行う同時３軸シェーパ加工の方が好ましい。
【００３５】
次に、同時３軸シェーパ加工について説明する。
【００３６】
（１）マイクロレンズ金型１の凹部２ａの曲率半径に応じてダイヤモンドバイト３をＸ軸の方向へ移動させ、かつこの移動と同時に、Ｙ軸周りにＢ軸回転テーブル８を回転させるようにＸ軸スライド５とＢ軸回転テーブル８とを駆動するそれぞれのモータを制御し、更にＺ軸スライド６を駆動するモータを同時に起動して被加工物１Ａの加工面２を切削する。
【００３７】
（２）被加工物１Ａを予め決められた所定量だけ切削した後、被加工物１Ａをダイヤモンドバイト３に接触させずに所定ピッチだけＹ軸方向へ移動させるようにＹ軸スライド７を駆動するモータを制御する。
【００３８】
（３）（１）と同様にダイヤモンドバイト３をＸ軸の方向へ移動させ、かつこの移動と並行して、Ｙ軸周りにＢ軸回転テーブルを回転させるようにＸ軸スライド５とＢ軸回転テーブル８とを駆動するそれぞれのモータを制御し、更にＺ軸スライド６を駆動するモータを同時に起動して被加工物１Ａの加工面２を切削する。
【００３９】
以下、上記工程（１）〜（３）を繰返してマイクロレンズ金型１が作成される。
【００４０】
本発明者は金型加工結果のデータをとるために以下の実験を行った。
【００４１】
マイクロレンズ金型１の材料としては、スタバックス（ウッデホルム社製の１３Ｃｒ系ステンレス鋼）にＮｉ−Ｐ（無電解ニッケルめっき）を施した被加工物１Ａを用いた。凹部２ａの半径及び深さがそれぞれ８ｍｍ及び０．２５ｍｍのいわゆる４目玉のマイクロレンズ金型１を作成した。
【００４２】
以下、加工条件とともに加工結果を記載する。
【００４３】
加工条件：１．単結晶ダイヤモンドバイト、刃先半径１ｍｍ
２．仕上げ送り速度  Ｘ軸、Ｚ軸  １００ｍｍ／ｍｉｎ
Ｂ軸  ３ｒｐｍ
３．仕上げ切り込み量  ２μｍ
４．仕上げ加工ピッチ（Ｙ軸方向）  ８μｍ
５．切削油  白灯油
６．加工時間  １００分
加工結果：１．面粗さ  ６．７ｎｍＲａ（理論面粗さは（仕上げ加工ピッチ）2／８＊（刃先半径））＝８ｎｍＲａ）
２．うねり  ０．０６ｎｍＲａ
３．アス  ０．１４μｍ
４．形状精度  ０．１μｍ
５．位置精度（凹部間の位置関係）  ０．５μｍ以下であった。
【００４４】
この実施形態によれば、上述のようにダイヤモンドバイトによるワークの削り方が従来例と異なるので、ダイヤモンドバイトを取り付けた主軸とワーク（被加工物）との干渉等の問題が生じず、曲率半径の小さい凹部２ａを形成することができる。また、上記加工結果からフライカット方式より高い面精度を得ることができる。更に、上記加工結果から位置精度をサブミクロン単位まで高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１はこの発明の一実施例に係る光学素子金型の加工方法の実施に使用される加工装置の斜視図である。
【図２】図２はその加工方法によって作成されたマイクロレンズ金型の正面図である。
【図３】図３はシェーパ加工を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４６】
１：マイクロレンズ金型（光学素子金型）、１Ａ：被加工物、２：加工面、３：ダイヤモンドバイト（工具）、３−１：刃先、５：Ｘ軸スライド、６：Ｚ軸スライド、７：Ｙ軸スライド、８：Ｂ軸回転テーブル、１０：ＮＣコントローラ（制御手段）。
【図１】
2007015199.tif 000003
【図２】
2007015199.tif 000004
【図３】
2007015199.tif 000005