(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転駆動する回転駆動軸（１２）と、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進駆動する３軸駆動装置（１４）と、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを数値制御するＮＣ制御装置（１６）とを備え、
機械加工する回転曲面は、ＸＹ平面内で回転中心Ｏより距離Ｒ、Ｘ軸より角度αだけオフセットした位置Ｏ’を回転中心とする半径ｒの凹球面であり、
θを被加工物の時計回りの回転角度、ｔｒを加工工具先端部の工具刃先半径、ｄを球面のＺ方向の深さ、ｘをオフセット位置Ｏ’から切削点までのＸ軸方向距離とするとき、
前記ＮＣ制御装置（１６）による座標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数１）で与えられ、
【数１】
0003879891.tif 000012
これにより回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する前記先端部の相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工装置。
【請求項２】
被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転駆動する回転駆動軸（１２）と、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進駆動する３軸駆動装置（１４）と、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを数値制御するＮＣ制御装置（１６）とを備え、
機械加工する回転曲面は、ＸＹ平面内で回転中心Ｏより距離Ｒ、Ｘ軸より角度αだけオフセットした位置Ｏ’を回転中心とするＺ＝ｆ（ｘ）の回転曲面であり、
θを被加工物の時計回りの回転角度、ｔｒを加工工具先端部の工具刃先半径、ｄを回転曲面のＺ方向の深さ、ｘをオフセット位置Ｏ’から切削点までのＸ軸方向距離、βは加工点における曲面の傾き角度とするとき、
前記ＮＣ制御装置（１６）による座標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数２）で与えられ、
【数２】
0003879891.tif 000013
これにより回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する前記先端部の相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工装置。
【請求項３】
複数の加工工具（２）を予めオフセットして備える、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかの加工装置。
【請求項４】
前記加工工具（２）は、切削加工バイト、研削加工工具又は遊離砥粒による加工工具である、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの加工装置。
【請求項５】
被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転制御し、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進制御し、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを、請求項１の（数１）又は請求項２の（数２）で数値制御し、回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を加工工具で機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転中心からオフセットした位置にサブミクロン以上の高精度で回転曲面を機械加工する装置と方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
平板表面に多数の微細な凹面あるいは凸面を備えたマイクロレンズアレイが、重要な光学素子としてクローズアップされている。例えば、最新の自動焦点カメラに内蔵されるオートフォーカスシステムでは、複数箇所での自動焦点を可能にするために、各焦点位置に対応して対になったレンズが必要になる。このため複数対のレンズを数ミリ角のＣＣＤの前面に正確に位置決めする必要が生じる。この場合、マイクロレンズアレイは、複数対のレンズを平面状に備えた一体のものにする必要があり、かつ各レンズ間の中心間隔精度およびそれぞれのレンズの形状精度として、０．１〜０．５μｍ前後のサブミクロン精度が要求される。さらに、合焦精度を高めるためにレンズ形状として従来の球面レンズのみならず、非球面レンズも求められている。
【０００３】
また、マイクロレンズアレイは、光ファイバーのコネクタ、液晶ディスプレイなどのフラットパネルディスプレイ、光学式変位検出／計測装置、等にも適用が望まれている。光ファイバーのコネクタでは、外径１２５μｍ、芯径１０μｍ程度の極細の素線の端面を互いに対向させ、その間に集光レンズを配することにより、結合効率を格段に高めることができる。液晶ディスプレイではバックライト光を液晶位置だけを透過させることにより、液晶の回路設計の自由度が高まりかつ表示能力を高めることができる。これらの場合にも、マイクロレンズアレイとしては、多数のレンズを平面状に備えた一体のものにする必要があり、かつ各レンズ間の中心間隔精度およびそれぞれのレンズの形状精度としてサブミクロン精度が要求され、さらに、高性能化のためには非球面等の複雑な回転曲面が要求される。
【０００４】
上述したマイクロレンズアレイは、原盤としての金型を用いて、プラスチックやガラスを成形して製造される。金型には無酸素銅や無電解ニッケルメッキ材などの材料が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した金型を製造する従来方法は、フォトリソグラフィー法と機械的加工法に大別することができる。しかし、フォトリソグラフィー法は、多数の微細構造を同時に形成できるという特徴をもっているが、反面滑らかな曲面を自由に形成することは困難であり、微細凹面あるいは凸面の光学素子としての性能を満足できる水準にすることは実質的に不可能である。
【０００６】
機械加工法は、更に塑性加工法などの変形加工法によるものと、切削加工・研削加工などの除去加工法によるものとに区分することができる。しかし、変形加工法では、微小な凹面あるいは凸面の１個に相当する形状の原盤を作成し、それを塑性加工により被加工物に転写することによって目的の形状を形成するものであるが、変形加工による原盤の損傷、精度の低下により光学的に理想的な形状を得ることは困難であった。
【０００７】
更に、除去加工法は、フライス盤やボール盤のように工具を回転させる方法と旋盤のように被加工物（ワーク）を回転させる方法に区分することができる。工具を回転させる加工法は、円弧状の端面をもつ回転式切削あるいは研削工具を用いて３自由度制御によるピックフィードによって目的とする多数の微細凹凸形状を形成するものであるが、この方法では回転式工具の精度誤差が被加工物の誤差に与える影響が大きく精度を高めることが困難であること、微細な回転式工具の形成が困難であること、加工時間が極めて長いことなどの問題点を有していた。言い換えれば、工具を回転させる場合には、工具の中心位置精度と形状精度の両方が要求されるため、ＮＣ制御技術の向上により中心位置精度を１０ｎｍオーダの高精度に位置決めできても工具の全外面の形状精度をサブミクロン精度に形成するのが困難であり、かつかりに一旦は形成できても加工による摩耗が激しいため、工具の交換が不可避であり、結果として形状精度をサブミクロン精度に維持することができない問題点があった。
【０００８】
一方、ワークが回転する方式では、工具は回転しないため加工位置に位置する輪郭精度のみが要求されるので、上述した１０ｎｍオーダの数値制御技術により微細な回転曲面をサブミクロン精度に旋削加工することができる。しかし、この場合には、回転中心からオフセットした位置に回転曲面を加工できない問題点がある。
【０００９】
さらに、この方式を発展させ、ワークの加工位置が中心に位置するように、回転体上でワークをシフトさせる２軸の数値制御軸を増やし、ワークの複数の位置に回転曲面を加工することも原理上は可能である。しかし、この場合には、通常の３軸制御（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）と回転制御（Ｃ軸）の他に、更に２軸制御（ワーク上のｘ，ｙ軸）の多軸制御が必要となり、装置が複雑かつ高価になる問題点があった。
【００１０】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の主目的は、回転中心からオフセットした位置にサブミクロン以上の高精度で回転曲面を機械加工することができ、これにより複数の回転曲面を有する高精度のマイクロレンズアレイまたはその原盤を製作することができる装置と方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、加工工具が摩耗する場合でも、サブミクロン以上の高精度を維持して回転曲面を加工することができる装置と方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転駆動する回転駆動軸（１２）と、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進駆動する３軸駆動装置（１４）と、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを数値制御するＮＣ制御装置（１６）とを備え、
機械加工する回転曲面は、ＸＹ平面内で回転中心Ｏより距離Ｒ、Ｘ軸より角度αだけオフセットした位置Ｏ’を回転中心とする半径ｒの凹球面であり、
θを被加工物の時計回りの回転角度、ｔｒを加工工具先端部の工具刃先半径、ｄを球面のＺ方向の深さ、ｘをオフセット位置Ｏ’から切削点までのＸ軸方向距離とするとき、
前記ＮＣ制御装置（１６）による座標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数３）で与えられ、
【数３】
0003879891.tif 000002
これにより回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する前記先端部の相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工装置が提供される。
【００１２】
また、本発明によれば、被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転駆動する回転駆動軸（１２）と、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進駆動する３軸駆動装置（１４）と、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを数値制御するＮＣ制御装置（１６）とを備え、
機械加工する回転曲面は、ＸＹ平面内で回転中心Ｏより距離Ｒ、Ｘ軸より角度αだけオフセットした位置Ｏ’を回転中心とするＺ＝ｆ（ｘ）の回転曲面であり、
θを被加工物の時計回りの回転角度、ｔｒを加工工具先端部の工具刃先半径、ｄを回転曲面のＺ方向の深さ、ｘをオフセット位置Ｏ’から切削点までのＸ軸方向距離、βは加工点における曲面の傾き角度とするとき、
前記ＮＣ制御装置（１６）による座標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数４）で与えられ、
【数４】
0003879891.tif 000003
これにより回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する前記先端部の相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工装置
【００１３】
さらに、本発明によれば、被加工物（１）を回転中心Ｏを中心に回転制御し、加工工具（２）の先端部（２ａ）を被加工物表面の回転中心Ｏを座標の原点とし、回転駆動軸と平行なＺ軸とＺ軸と水平面内で直交するＸ軸と垂直なＹ軸からなる直交する３軸方向に直進制御し、回転駆動軸の角度座標Ｃと３軸駆動装置による先端部の相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを、請求項１の（数１）又は請求項２の（数２）で数値制御し、回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を加工工具で機械加工する、ことを特徴とするオフセットした回転曲面の加工方法が提供される。
【００１４】
上記本発明の装置及び方法によれば、被加工物（１）の回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する加工工具（２）の先端部（２ａ）の相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工するので、回転軸の回転中心から離れた位置で擬似的に旋削加工を行うことができる。
【００１５】
すなわち、３軸の直進駆動軸および１軸の回転駆動軸の合計４自由度をもつ加工装置を４軸同時制御することにより、被加工物（１）のオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具（２）の先端部（２ａ）を旋回させながらその相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工する。
【００１６】
従って、被加工物（１）と先端部（２ａ）との相対関係は、上述したワークが回転する方式と同一となり、加工工具は相対的には回転しないため加工工具の形状誤差の影響を最小にすることができるばかりでなく、旋削加工に近い高速度で加工を行うことが可能である。これにより、加工工具の輪郭精度で加工精度が決まり、上述した１０ｎｍオーダの数値制御技術により微細な回転曲面をサブミクロン精度に機械加工することができる。また、上述したように、４軸同時制御でこの加工ができるので、５軸以上の多軸制御と比較して装置がシンプルになり安価にできる。
【００１７】
更に、複数の加工工具（２）を予めオフセットして備えるのがよい。この構成により、予め各加工工具の先端部（２ａ）の相対位置をサブミクロン精度で計測しておくだけで、加工によりある工具の先端部が摩耗しても、別の工具にシフトするだけで、精密加工を継続し、形状精度をサブミクロン精度に維持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
図１は、本発明の回転曲面加工装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の回転曲面加工装置１０は、被加工物１（ワーク）を回転中心Ｏを中心に回転駆動する回転駆動軸１２と、加工工具２の先端部２ａをワーク１に対して直交する３軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に直進駆動する３軸駆動装置１４と、回転駆動軸１２の角度座標Ｃと３軸駆動装置１４による工具の先端部２ａの相対位置座標Ｘ，Ｙ，Ｚを数値制御するＮＣ制御装置１６とを備える。
【００１９】
すなわち、図１の例で、加工装置１０は３個の直進軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）および１個の回転軸１２（Ｃ軸）より構成され、各軸は超精密な運動制御が可能なものである。Ｚ軸とＸ軸は水平面内で直交した状態で存在しており、Ｙ軸はＸ，Ｚ軸に垂直にＸ軸上に設置されている。Ｃ軸はＺ軸上にありＺ軸の方向と平行な回転軸をもっている。被加工物１は、無酸素銅、無電解ニッケルメッキ、アルミニウム合金、アクリルなど比較的切削性の良い材料でＣ軸上に設置されている。加工工具２はこの例では先端部２ａ（刃先）が円弧状の切削工具であり、単結晶ダイヤモンドなどの硬度が高く超精密に研磨された工具であり、Ｙ軸上に被加工物１に対向するように取り付けられている。
【００２０】
図２は、本発明の装置及び方法で加工する被加工物、例えばマイクロレンズアレイ又はその原盤（金型）の一例を示す図である。この図で（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＳ−Ｓ’線における断面図である。
図２の被加工物１は、多数の凹面形状を長方形の素材上に形成したものである。図２（Ａ）で６角形で区切られた各領域は凹面のレンズを形成しており、その断面は図２（Ｂ）に示すように半径ｒの球面になっている。（Ａ）で中心Ｏに位置する凹面形状は、Ｃ軸の回転軸中心とその中心が一致しているため、一般的な旋削加工により加工が可能である。しかし、それ以外のオフセットした位置（例えばＯ’）の凹面形状は通常の方法では形成が困難である。
【００２１】
図３は、本発明による制御方法の説明図である。この図を用いて、右上部分の中心Ｏより距離Ｒ，水平軸より角度αだけ離れた中心Ｏ’をもつ凹面部分（球面）の加工について以下に説明する。
被加工物１を回転中心Ｏを中心に回転制御し、加工工具２の先端部２ａを被加工物１に対して直交する３軸方向に直進制御し、回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を加工工具で機械加工する。すなわち、３軸の直進駆動軸および１軸の回転駆動軸の合計４自由度をもつ加工装置を４軸同時制御することにより、被加工物１のオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具２の先端部２ａを旋回させながらその相対位置を数値制御してオフセットされた位置に対して旋削加工を行うことが可能である。
【００２２】
図中のＯはＣ軸の中心で被加工物１の中心と一致している。Ｏ’は加工すべきマイクロレンズの中心位置で、Ｏより距離Ｒ、角度αの位置にある。Ａ点は切削点でＯ’からＡまでのＸ軸方向の距離をｘとする。このときのＡ点の座標は、（数５）で表すことができる。
【００２３】
【数５】
0003879891.tif 000004
【００２４】
これより、工具刃先半径をｔｒとすると、加工装置に与えられるＮＣ座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃ）は、（数６）で表すことができる。
【００２５】
【数６】
0003879891.tif 000005
【００２６】
ただし、この場合θは被加工物１の時計回りの回転角度、ｄは球面のＺ方向の深さをそれぞれ表している。この状態でＣ軸の１回転ごとに一定量Δｘだけｘを中心位置に近づけていけばオフセットされた位置での旋削加工が実現する。実際には、θを０より一定量Δθずつ増加させそれに伴いｘを初期位置ｘ＝０よりΔｘずつ減少させるような点列を計算し、それらの点列を短線分で結んだ形のＮＣデータを生成し加工を行う。
あるいは、上式を（ｘ，θ）＝（ｘ０−νｔ，ωｔ）によってパラメータ表示される４次元座標上の曲線と考えることもできる。この場合、ν，ωはそれぞれＸ方向および回転方向の加工速度、ｘ０はｘの初期値である。
【００２７】
（工具径の補正）
また（数６）のうち、第１式（２）の最後の項および第３式（４）の最後の２項は円弧状の切削バイトによる加工を行った際の工具径補正を表す式である。この様子を図４によって説明する。図中、円弧Ａ１−Ａ１’は加工すべき凹面の球面形状であり、半径をｒとする。円弧Ａ２−Ａ２’は点Ｂにて接触（加工）状態になる円弧状の刃先を持つ加工工具であり、その半径をｔｒとする。座標の原点を被加工物の表面で回転軸の中心である点Ｏに取るとＢの座標は、（数７）で表すことができる。
【００２８】
【数７】
0003879891.tif 000006
【００２９】
また、接触（加工）点Ｂ点と加工工具の中心点Ｏ２との座標の差は３角形の相似性を考慮すると、（数８）で表すことができる。
【００３０】
【数８】
0003879891.tif 000007
【００３１】
しかし、実際の加工においては加工工具の原点を工具の中心点がＯ２’の位置（加工工具が被加工物の加工前の表面に接し、かつ回転軸の中心にある点）に取るのが便利である。すると上記の補正量にＺ方向のみ工具半径分を差し引けば良い。そのため、加工工具の原点をＯ２’とした場合の加工工具の座標は、（数９）と表すことが可能である。
【００３２】
【数９】
0003879891.tif 000008
【００３３】
（一般的な軸対称非球面の場合）
上述した例は、球面の凹面形状を加工する例であるが、Ｚ＝ｆ（ｘ）なる関数を使用すれば任意形状の非球面形状を加工することも可能である。その場合の制御は（数１０）のような式に従って計算が可能である。
【００３４】
【数１０】
0003879891.tif 000009
【００３５】
ただし、βは加工点における曲面の傾き角度を表し、（数１１）が成り立つ。さらに、Ｙ方向に対し同様の方法で任意関数を適用することで非軸対称な非球面形状を生成することも可能である。以上の加工プロセスを必要な凹面あるいは凸面の回数だけそれぞれ異なる（Ｒ，α）の組み合わせに対して実行することでマイクロレンズアレイを形成することが可能である。
【００３６】
【数１１】
0003879891.tif 000010
【００３７】
（相対加工速度）
前記のような制御を行った場合の加工工具の被加工物に対する相対速度を計算すると以下のようになる。
一般的に半径ベクトルｒで表される点が回転速度ωで回転しているとするとその速度ベクトルは外積を用いて、ｒ×ωで表される。ここでｒ，ωはベクトルでる。
【００３８】
図３において加工工具の位置は常に加工されるべき球面の中心からＸ方向にｘだけ離れた位置にある。そのた加工工具の速度は、ｓの中心点の速度と等しい。そのため加工工具の速度ベクトルは、（数１２）の（１７）で表され、一方被加工物のＡ点での速度ベクトルは（１８）で表すことができる。これらより、被加工物と加工工具の相対速度は、（１９）で表すことができる。
【００３９】
【数１２】
0003879891.tif 000011
すなわち、被加工物と加工工具の相対速度はベクトルＯ’Ａと回転速度によって決定されるため、回転角度に関わらず一定となる。
【００４０】
なお、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４１】
【発明の効果】
上述した本発明の装置及び方法によれば、被加工物１の回転中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に対する加工工具２の先端部２ａの相対位置を数値制御してオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を機械加工するので、回転軸の回転中心から離れた位置で擬似的に旋削加工を行うことができる。
【００４２】
従って、被加工物１と先端部２ａとの相対関係は、ワークが回転する方式と同一となり、加工工具は相対的には回転しないため加工工具の形状誤差の影響を最小にすることができるばかりでなく、旋削加工に近い高速度で加工を行うことが可能である。これにより、輪郭精度で加工精度が決まり、上述した１０ｎｍオーダの数値制御技術により微細な回転曲面をサブミクロン精度に機械加工することができる。また、上述したように、４軸同時制御でこの加工ができるので、５軸以上の多軸制御と比較して装置がシンプルになり安価にできる。
【００４３】
また、複数の加工工具２を予めオフセットして備えることにより、加工によりある工具の先端部が摩耗しても、別の工具にシフトするだけで、精密加工を継続し、形状精度をサブミクロン精度に維持することができる。
【００４４】
従って、本発明のオフセットした回転曲面の加工装置とその方法は、回転中心からオフセットした位置にサブミクロン以上の高精度で回転曲面を機械加工することができ、これにより複数の回転曲面を有する高精度のマイクロレンズアレイまたはその原盤を製作することができ、かつ加工工具が摩耗する場合でも、サブミクロン以上の高精度を維持して回転曲面を加工することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の回転曲面加工装置の全体構成図である。
【図２】  本発明の装置及び方法で加工する被加工物の一例を示す図である。
【図３】  本発明による制御方法の説明図である。
【図４】  本発明による工具径補正の説明図である。
【符号の説明】
１  被加工物（ワーク）
２  加工工具
２ａ  先端部（刃先）
１０  回転曲面加工装置
１２  回転駆動軸
１４  ３軸駆動装置
１６  ＮＣ制御装置
【図１】
0003879891.tif 000014
【図２】
0003879891.tif 000015
【図３】
0003879891.tif 000016
【図４】
0003879891.tif 000017