JP2000296431A - 超精密6軸加工装置 - Google Patents

超精密6軸加工装置

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JP2000296431A
JP2000296431A JP11104509A JP10450999A JP2000296431A JP 2000296431 A JP2000296431 A JP 2000296431A JP 11104509 A JP11104509 A JP 11104509A JP 10450999 A JP10450999 A JP 10450999A JP 2000296431 A JP2000296431 A JP 2000296431A
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axis
tool
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controlled
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JP11104509A
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English (en)
Inventor
Hitoshi Omori
整 大森
Yutaka Yamagata
豊 山形
Kiyoshi Moriyasu
精 守安
Takeo Nakagawa
威雄 中川
Shinya Morita
晋也 森田
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Original Assignee
RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軸非対称かつ非球面の被加工物を、工具を自
転させることなく、サブミクロン精度に加工できる超精
密加工装置を提供する。 【解決手段】 被加工物1と工具4の相対位置を直交3
軸方向(X,Y,Z)に直進制御する3軸制御の直動装
置と、被加工物と工具の相対角度を3軸まわり(A,
B,C)に回転位置制御する3軸制御の回動装置とを備
える。被加工物1はZ軸まわりに回転位置制御されるC
軸に固定されたワーク取付座6に取り付けられる。更
に、工具4を姿勢制御する工具チルト装置10を備え
る。この工具チルト装置は、X軸まわりに回転位置制御
されるA軸に固定されたA軸回転座12と、A軸回転座
に固定されY軸まわりに回転位置制御されるB軸に固定
された工具取付座14とを有し、この工具取付座に工具
4が取り付けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軸非対称かつ非球
面の被加工物を工具を自転させることなく加工する超精
密6軸加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、画像・情報機器の性能向上により
超精密でかつ複雑な曲面をもった光学素子に対する要求
が高まっている。例えば、極限的精度を要求されるX線
光学素子の分野で近い将来に必要といわれているEUV
リソグラフィー露光用のX線ミラーやマイクロフォーカ
スを実現するための軸非対称非球面ミラー、或いは分光
能力を必要とされる分析機器のためのホログラム光学素
子など、極めて高い精度を持ちかつ複雑な形状をもつ光
学素子の必要性が増大している。さらに、光ファイバ光
学系、光ディスクのピックアップ光学系などのマイクロ
オプティクスの分野でも微細でかつ高精度な光学素子の
加工技術が必要とされている。
【0003】図4は、上述したホログラム光学素子の一
例を示す図である。このホログラム光学素子1は、放射
光等の光(X線)を反射して分光かつ集光するように軸
非対称かつ非球面のミラー面2を備えている。また、こ
のミラー面には、ブラッグの定理で知られる微細な鋸波
状三角溝3が面に沿って多数刻まれており、反射効率が
高いブレーズドホログラムを実現するようになってい
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ホログラム光学素子に
必要となる鋸波状三角溝3のピッチはサブミクロン〜数
μmであり、その谷部のエッジ半径は10〜50nm以
下にする必要がある。従って、このような超精密でかつ
複雑な曲面をもった光学素子を加工する装置は、被加工
物(ホログラム光学素子)の必要精度以上に高い加工精
度が必要となる。すなわち、少なくともサブミクロン以
下の位置決め精度が必要となる。
【0005】更に、図4のミラー面2及び三角溝3を加
工するには、初めにミラー面2を高精度に平坦面に仕上
げ、次いで、ミラー面に沿って工具を移動させて三角溝
3を加工する。軸非対称かつ非球面であるミラー面2に
沿って工具を高精密に移動するには、通常の3軸制御
(X,Y,Z軸)の他に被加工物をZ軸の回りに回転さ
せて位置決めするC軸制御を加えた4軸制御が不可欠と
なる。
【0006】更に、かかる4軸制御の加工装置で三角溝
3を加工する場合には、工具として回転式工具(グライ
ンダ等)を用いる必要がある。しかし、工具を自転させ
る加工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がある。言い換えれば、
工具を自転させる場合には、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
り中心位置精度は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る問題点があった。
【0007】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、本発明の目的は、軸
非対称かつ非球面の被加工物を、工具を自転させること
なく、サブミクロン精度に加工できる超精密加工装置を
提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被加工
物(1)と工具(4)の相対位置を直交3軸方向(X,
Y,Z)に直進制御する3軸制御の直動装置と、被加工
物と工具の相対角度を前記3軸まわり(A,B,C)に
回転位置制御する3軸制御の回動装置と、を備えること
を特徴とする超精密6軸加工装置が提供される。
【0009】軸非対称かつ非球面の被加工物を、工具を
自転させることなく加工するには、C軸を含む4軸制御
の加工装置を更に発展させ、被加工物と工具の相対角度
を3軸(X,Y,Z)のまわり(A,B,C)に回転位
置制御する必要がある。すなわち、本発明の構成によ
り、被加工物(1)と工具(4)の相対位置を3軸制御
し、同時にその相対角度を前記3軸まわりに回転位置制
御することにより、軸非対称かつ非球面であるミラー面
2に沿って加工工具を自転させることなく移動させ、か
つ同時に工具の姿勢を制御することができる。
【0010】本発明の好ましい実施形態によれば、被加
工物(1)が取り付けられ、Z軸まわりに回転位置制御
されるC軸に固定されたワーク取付座(6)と、工具
(4)を姿勢制御する工具チルト装置(10)とを備
え、工具チルト装置は、X軸まわりに回転位置制御され
るA軸に固定されたA軸回転座(12)と、該A軸回転
座に固定されY軸まわりに回転位置制御されるB軸に固
定された工具取付座(14)とを有し、該工具取付座に
工具(4)が取り付けられる。この構成により、C軸ま
わりに被加工物(1)を回転位置制御しながら、同時に
工具(4)をA軸まわりおよびB軸まわりに回転位置制
御し、常に工具の姿勢を制御しながら切削加工すること
ができる。
【0011】また、前記直動装置は、直交3軸方向の移
動をそれぞれ1対の平行V溝に沿って針状ローラでころ
がり案内するV−Vローラガイド(16)を有する。か
かるV−Vローラガイドを用いることにより、針状ロー
ラの直径精度を高めることによりサブミクロンの位置決
め精度を達成することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
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、本発明による超精密6軸加工装置の全体斜視図であ
り、図2は、一部を分離して示す図1のA方向からの部
分斜視図である。図1及び図2に示すように、本発明の
超精密6軸加工装置は、被加工物1と工具4の相対位置
を直交3軸方向(X,Y,Z)に直進制御する3軸制御
の直動装置と、被加工物と工具の相対角度を直交3軸ま
わり(A,B,C)に回転位置制御する3軸制御の回動
装置とを備えている。
【0013】図1に示すように、3軸制御の直動装置
は、水平面内にX軸およびZ軸を持ち、X軸上には垂直
方向に動くY軸が搭載されている。X,Y,Zの各直進
軸は、直交3軸方向の移動を超精密V−Vローラガイド
16により案内される。この超精密V−Vローラガイド
16は、それぞれ1対の平行V溝に沿って針状ローラで
ころがり案内するガイドであり、高い安定性と直進性を
実現している。各直進軸X,Y,Zは最高分解能1nm
のホログラムスケールを装備しており1nm単位での制
御が可能である。また比較的速度を要求される加工のた
めに10nmの制御単位とするモードと切り換えが可能
なように設計されている。
【0014】また、Z軸まわりに回転位置制御されるC
軸にワーク取付座6が固定されており、このワーク取付
座6に被加工物1が取り付けられている。C軸は超精密
空気軸受けにより回転支持されている。またC軸は、1
/10,000度の分解能を持つロータリーエンコーダ
を装備している。
【0015】図2に示すように、本発明の超精密6軸加
工装置は、更に、工具4を姿勢制御する工具チルト装置
10を備えている。この工具チルト装置10は、X軸ま
わりに回転位置制御されるA軸に固定されたA軸回転座
12と、A軸回転座12に固定されY軸まわりに回転位
置制御されるB軸に固定された工具取付座14とを有す
る。この工具取付座14に工具4が取り付けられる。A
軸回転座12は、超精密転がり軸受で回転支持され、A
Cサーボモータで回転駆動し、ロータリーエンコーダで
角度位置を検出するようになっている。また、工具取付
座14は、超精密空気軸受で回転支持され、ACサーボ
モータで回転駆動し、ロータリーエンコーダで角度位置
を検出するようになっている。
【0016】工具4には、切削用のバイトのように、工
具自体が自転しない切削工具を用いるのがよい。またこ
の工具4の先端形状は、切削加工時の切削位置がサブミ
クロン精度の形状精度で製作されたものを使用する。回
転工具に比較し、かかる切削用バイトの加工面のみの形
状精度をサブミクロン精度に形成するこの比較的容易で
ある。
【0017】上述した超精密6軸加工装置により6軸同
時制御が可能であると同時に旋盤主軸のように定速回転
軸としても使用することが可能である。これにより、こ
の加工装置で可能となる加工方法は、旋盤加工、シェー
ビング、ミリング加工、ドリル加工、プロファイル加
工、溝入れ・スライス加工など多岐にわたる。各軸の精
度は、直進軸が直進度0.1μm以下、回転軸が非繰り
返し性揺動が0.05μm以下と超高精度を実現してい
る。各軸のストロークはX軸が300mm、Y軸が75
mm、Z軸が150mm、各回転軸が無制限となってい
る。NCコントローラーは1nm対応のものを採用し、
RS−232C/422による外部データ運転により長
時間の加工にも対応可能となっている。さらに、各リニ
アスケール/ロータリーリンコーダの出力はNCコント
ローラより分岐され別途サンプルが可能なように設計さ
れており、データ収集、運動精度/性能の解析、機上計
測などが可能となっている。また、加工装置本体は、2
3℃±0.1℃の温度制御がされたエンクロージャー内
に設置されており、熱変形による加工誤差を最小限とす
るように配慮されている。表1に加工装置の仕様をまと
めて示す。
【0018】
【表1】
【0019】
【実施例】図3にX軸を微小ステップで駆動した際の移
動の様子を示す。測定には静電容量式非接触微小変位計
を使用した。(a)は制御単位10nmモードの時に5
0nmステップで移動を行った際の様子を示している。
また(b)は、制御単位1nmモードの時に10nmス
テップで移動を行った場合の様子を示している。どちら
の場合もセンサのドリフトによると思われる偏差が見ら
れるが、良好な応答を示している。
【0020】上述した本発明の構成により、被加工物1
と工具4の相対位置を3軸制御し、同時にその相対角度
を3軸まわりに回転位置制御することにより、軸非対称
かつ非球面であるミラー面2に沿って加工工具を自転さ
せることなく移動させ、かつ同時に工具の姿勢を制御す
ることができる。従って、C軸まわりに被加工物1を回
転位置制御しながら、同時に工具4をA軸まわりおよび
B軸まわりに回転位置制御し、常に工具の姿勢を制御し
ながら切削加工することができる。
【0021】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。
【0022】
【発明の効果】上述したように、本発明の超精密6軸加
工装置は、被加工物と工具の相対位置を3軸制御し、同
時にその相対角度を3軸まわりに回転位置制御すること
により、被加工物に対し加工工具を自転させることなく
移動させ、C軸まわりに被加工物を回転位置制御しなが
ら、同時に工具をA軸まわりおよびB軸まわりに回転位
置制御し、常に工具の姿勢を制御しながら切削加工する
ことができる。
【0023】従って、本発明の超精密6軸加工装置は、
軸非対称かつ非球面の被加工物を、工具を自転させるこ
となく、サブミクロン精度に加工できる、等の優れた効
果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による超精密6軸加工装置の全体斜視図
である。
【図2】図1のA方向からの部分斜視図である。
【図3】本発明による装置の実施例を示す図である。
【図4】ホログラム光学素子の一例を示す図である。
【符号の説明】
1 ホログラム光学素子 2 ミラー面 3 鋸波状三角溝 4 工具 6 ワーク取付座 10 工具チルト装置 12 A軸回転座 14 工具取付座 16 V−Vローラガイド
───────────────────────────────────────────────────── 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 中川 威雄 埼玉県和光市広沢2番1号 理化学研究所 内 (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) 3C048 AA01 BC02 BC03 CC04 DD09 DD10 DD19 DD22

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被加工物(1)と工具(4)の相対位置
    を直交3軸方向(X,Y,Z)に直進制御する3軸制御
    の直動装置と、被加工物と工具の相対角度を前記3軸ま
    わり(A,B,C)に回転位置制御する3軸制御の回動
    装置と、を備るたことを特徴とする超精密6軸加工装
    置。
  2. 【請求項2】 被加工物(1)が取り付けられ、Z軸ま
    わりに回転位置制御されるC軸に固定されたワーク取付
    座(6)と、工具(4)を姿勢制御する工具チルト装置
    (10)とを備え、 工具チルト装置は、X軸まわりに回転位置制御されるA
    軸に固定されたA軸回転座(12)と、該A軸回転座に
    固定されY軸まわりに回転位置制御されるB軸に固定さ
    れた工具取付座(14)とを有し、該工具取付座に工具
    (4)が取り付けられる、ことを特徴とする請求項1に
    記載の超精密6軸加工装置。
  3. 【請求項3】 前記直動装置は、直交3軸方向の移動を
    それぞれ1対の平行V溝に沿って針状ローラでころがり
    案内するV−Vローラガイド(16)を有する、ことを
    特徴とする請求項1又は2に記載の超精密6軸加工装
    置。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002192432A (ja) * 2000-12-27 2002-07-10 Inst Of Physical & Chemical Res 非球面セグメントの加工装置および方法
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JPWO2017010447A1 (ja) * 2015-07-14 2018-06-14 戸田工業株式会社 フェライト積層体及びノイズ抑制シート

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