JP2000246614A

JP2000246614A - オフセットした回転曲面の加工装置とその方法

Info

Publication number: JP2000246614A
Application number: JP11056957A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamagata; 豊山形; Hitoshi Omori; 整大森; Kiyoshi Moriyasu; 精守安; Shinya Morita; 晋也森田
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-12
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: JP3879891B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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オフ
セットした回転曲面の加工装置とその方法を提供する。【解決手段】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
加工物に対して直交する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、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。

Description

【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
ロレンズアレイどしては、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１０
ｎｍ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と
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
物に対して直交する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、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を中心に回転制御し、加工工具（２）の先端
部（２ａ）を被加工物に対して直交する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、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。

【００１３】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。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。

【００１４】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。

【００１５】本発明の好ましい実施形態によれば、前記
ＮＣ制御装置（１６）による座標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、
（数３）で与えられる。

【数３】この装置により、オフセット位置Ｏ’を回転中心とする
球面を精密に加工できる。

【００１６】また、前記ＮＣ制御装置（１６）による座
標Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃを、（数４）で与えることもできる。

【数４】この装置により、オフセット位置Ｏ’を回転中心とする
非球面を精密に加工できる。

【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１
６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２
ａ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
切削的で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】

【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】

【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Δ
θ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どする。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】

【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】

【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】

【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】

【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】

【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】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１４３軸駆動装置１６ＮＣ制御装置

フロントページの続き (72)発明者守安精東京都板橋区加賀２丁目20番３号ハイコーポ十条403 (72)発明者森田晋也東京都板橋区板橋４丁目46番９号パークハイツ202 Ｆターム(参考） 3C045 BA01 BA11 CA18 DA18 EA02 3C049 AA01 AA11 AB06 BB02 BB06 BB09 BC02 CA01 CA06 CA07 CB01

Claims

【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）を被加工物に対して直交する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、
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】前記ＮＣ制御装置（１６）による座標
Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数１）で与えられる、ことを特徴
とする請求項１に記載の加工装置。【数１】
【請求項３】前記ＮＣ制御装置（１６）による座標
Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｃは、（数２）で与えられる、ことを特徴
とする請求項１に記載の加工装置。【数２】
【請求項４】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乃至３のいずれ
かの加工装置。
【請求項５】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４のいずれかの加工装
置。
【請求項６】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
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、ことを特徴とするオフセット
した回転曲面の加工方法。