JP2004344957A - レーザー複合加工機および精密加工製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーを用いて工具を製作し、その工具を用いて被削材を加工できるレーザー複合加工機と精密加工製品の製造方法を提供する。
【解決手段】回転自在の工具保持部４１を有する主軸ユニット４０と、レーザー光を照射するレーザーヘッド３０と、被削材の保持部５１を有する製品加工ユニット５０と、工具保持部４１に保持された工具素材６０に所定の向きからレーザー光を照射して工具に加工できるように、レーザーヘッド３０と工具保持部４１とを相対移動させる工具加工用駆動手段と、前記レーザー加工で得られた工具を主軸ユニット４０に保持したまま製品加工ユニット５０側に移行し、その工具で被削材に所定の加工がきるように、工具保持部４１と被削材保持部５１とを相対移動させる被削材加工用駆動手段とを具える。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー複合加工機および精密加工製品の製造方法に関するものである。特に、レーザーを用いて単結晶ダイヤモンドなどの超精密加工用工具を製造し、その工具を加工機に付け替えることなくそのまま被削材の加工に利用するレーザー複合加工機および精密加工製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、微細加工技術の発展に伴いマイクロ加工機の発展が著しい。この加工機に用いられる工具は、通常、単結晶ダイヤモンドや多結晶ダイヤモンドを素材とし、切刃が数μｍから数十μｍの微細なものである。このような切削工具は、工具メーカから出荷され、それを購入したユーザが加工機に取り付けて利用される。その際、工具は数μｍ以内の精度で加工機に装着することが求められる。一方、小径で軸付のダイヤモンドホイールは、微細研磨加工に使用される。この場合、取り付け後にドレッサを用いてツルーイング・ドレッシングすることにより取り付け精度の問題は解消できると考えられる。
【０００３】
一方、特許文献１には、被削材をレーザーと工具との複合加工により加工する複合加工機を開示している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１４３８号公報
第２頁、図３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術では、加工精度の改善に対して、工具を加工機に装着する際の取り付け精度が大きな障害となっている。特にガラス製光学部品を製造するための金型材料である超硬合金やセラミックスなどの脆性材料を高精度に切削加工するには、延性モード領域での加工が不可欠で、切り込み量を１μｍ以下にする必要がある。このような切削加工に複数の切刃を有する多刃切削工具を使用する場合、工具の取り付け精度が悪いと切刃によって切り込み量が変動し、高精度な切削加工が行えない。
【０００６】
前述したように、精密加工用切削工具は、工具自体が微細で、しかも折損しやすいため、工具の加工機への取り付けや位置調整が困難である。そのため、工具を容易かつ高精度に加工機に装着する技術の開発が続けられているが、未だ実用化されていない。ダイヤモンドホイールを用いた微細研磨加工の場合は、加工機へ取り付け後のツルーイング・ドレッシングで砥粒の位置を揃えることはできるが、頻繁にツルーイング・ドレッシングが必要で生産性が悪い。さらに、微細形状のホイールになると作用する砥粒の数が少なくなり、高精度な加工に時間がかかり実用的でない。
【０００７】
また、特許文献１に記載の技術では、レーザー加工と機械加工とを複合することで、一定の加工精度向上が期待できる。しかし、この装置におけるレーザーは被削材の下加工に利用されており、最終的な加工は工具により行われている。しかも、その工具自体は加工機に対して高精度に装着する必要がある。そのため、いかに精度の高い工具を用いても加工機への取り付け精度が低いと、全体としては低い加工精度にならざるを得ない。
【０００８】
さらに、精度の高い工具を従来の方法で製作する場合は以下の課題がある。即ち従来の方法として、ダイヤモンドホイールによる研削と、ラップ盤にダイヤモンド微粒子を塗り研磨する方法などがある。ダイヤモンドホイールによる方法では、切刃に大きなチッピングが発生し、精密な加工が行えない。また、ラップ盤による研磨の場合は良好な切刃は得られるが、加工圧力を大きくする必要があり、微細加工用工具では剛性が不足するため良好な加工が行えない。
【０００９】
従って、本発明の主目的は、工具を加工機に装着する際の取り付け精度の問題を解消し、高精度の工具の製作と、高精度の被削材の加工が容易にできるレーザー複合加工機と精密加工製品の製造方法とを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、レーザー加工で得た工具を別の加工機に付け替えることなくそのまま被削材の加工に用いることで上記の目的を達成する。
【００１１】
本発明レーザー複合加工機は、回転自在の工具保持部を有する主軸ユニットと、レーザー光を照射するレーザーヘッドと、被削材の保持部を有する製品加工ユニットとを有する。また、工具保持部に保持された工具素材に所定の向きからレーザー光を照射して工具に加工できるように、レーザーヘッドと工具保持部とを相対移動させる工具加工用駆動手段を有する。そして、前記レーザー加工で得られた工具を主軸ユニットに保持したまま製品加工ユニット側に移行し、その工具で被削材に所定の加工ができるように、工具保持部と被削材保持部とを相対移動させる被削材加工用駆動手段を具えることを特徴とする。
【００１２】
本発明加工機によれば、まず、レーザーにより主軸ユニットに固定された工具素材を加工して工具を作製する。その際、工具素材の加工はレーザー光により極めて高精度に無負荷で行なうことができる。次に、得られた工具を主軸ユニットから取り外すことなく、そのまま被削材の加工に用いる。そのため、主軸ユニットに対して極めて高精度に取り付けが行なわれた状態で被削材の加工に利用できる。つまり、工具の製造から被削材の加工までを工具の付け替えを行なうことなく可能とすることで、工具の取り付け精度の問題を完全に解消し、極めて精度の高い加工を行なうことができる。特に、被削材をナノオーダーの精度で加工することができる。なお、ナノオーダーの加工とは、製品で形状精度３００ｎｍ以下、表面粗さ数十ｎｍ以下のことを意味する。
【００１３】
本発明で用いるレーザー光の波長は短波長領域の波長とすることが好ましい。より具体的には、４００ｎｍ以下であることが好ましい。この波長のレーザー光はエネルギーが高く、ダイヤモンドの炭素−炭素結合を切ることができるので、炭素はそのまま蒸発する。従って、レーザー光により加工された面に変質相が少なく、レーザー加工された面は、研磨などの後加工することなく工具として使用できる。例えば、波長３５５ｎｍであるＹＡＧレーザーの第三高調波を用いるのが望ましい。
【００１４】
本発明加工機で加工する工具素材は、ダイヤモンド単結晶、焼結ダイヤモンド、気相合成法で作製された多結晶ダイヤモンドのいずれかであることが望ましい。これらの素材から得られる工具は、ナノオーダーの加工用に利用することができ、極めて微細で高精度の加工に好適である。特に、単結晶ダイヤモンドは硬くて刃先をシャープに加工でき、かつ均質なので、これを用いた工具は切削性能が高く寿命も長い。
【００１５】
また、工具素材には、新たに工具を作製する際、その元になる材料はもちろんのこと、一旦利用されて摩耗した既製の工具をも含む。摩耗した工具を工具保持部にセットしたままで、レーザー加工により再度工具形状を整えることで、そのまま工具として再利用することができる。このレーザーによる再研磨においても工具を主軸ユニットから取り外さないので、工具の取り付け精度に基づく被削材の加工精度の低下を回避することができる。
【００１６】
本発明加工機において、主軸ユニット、レーザーヘッド、製品加工ユニットは、工具の加工、被削材の加工ならびに工具の加工から被削材の加工への移行において互いの位置関係を変えるが、それらの位置は高精度に制御される必要がある。具体的には１００ｎｍ以下の位置精度、より好ましくは２０ｎｍ以下の位置精度、さらに好ましくは１０ｎｍ以下の位置精度で主軸ユニット、レーザーヘッド、製品加工ユニットなどの可動部材を位置制御することが好ましい。この制御技術自体は、既に加工機などで実用化されており、その技術を用いればよい。
【００１７】
ここで、主軸ユニットの回転軸とレーザーヘッドの光軸とは直交することが好ましい。この構成により、レーザーによる工具の製作と、工具による被削材の加工を相互に干渉することなく実行できる。
【００１８】
また、「レーザーヘッドと工具保持部とを相対移動させる」あるいは「工具保持部と被削材保持部とを相対移動させる」とは、主軸ユニット、レーザーヘッド、製品加工ユニット自体を物理的に移動させることはもちろん、主軸ユニットの一部である工具保持部や製品加工ユニットの一部である被削材保持部だけを部分的に移動させることも含む。さらには、これら物理的な移動だけでなく、レーザーヘッドを構成するレンズを移動して、レーザーの焦点を光軸方向に移動させる光学的な移動をも含む。
【００１９】
工具加工用駆動手段は、レーザーヘッドと工具保持部との互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることが好適である。この両者をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることで、あらゆる角度からレーザー光を工具素材に照射することができる。この「相対的に移動させる」とは、レーザーヘッドと工具保持部の少なくとも一方が移動可能で、互いの位置を可変できることを言う。例えば、次のような移動が可能である。
【００２０】
▲１▼レーザーヘッドが固定され、工具保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の全てに移動できる。
▲２▼工具保持部が固定され、レーザーヘッドがＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の全てに移動できる。
▲３▼レーザーヘッドがＸ、Ｙ、Ｚ軸方向から選択された少なくとも一軸方向に移動でき、工具保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のうちレーザーヘッドの移動方向として選択されなかった軸方向に移動できる。
【００２１】
同様に、被削材加工用駆動手段は、工具保持部と被削材保持部との互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることが好ましい。この両者をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることで、被削材に対して種々の加工を行うことができる。ここでも「相対的に移動させる」とは、工具保持部と被削材保持部の少なくとも一方が移動可能で、互いの位置を可変できることを言う。例えば、次のような移動が可能である。
【００２２】
▲１▼被削材保持部が固定され、工具保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の全てに移動できる。
▲２▼工具保持部が固定され、被削材保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の全てに移動できる。
▲３▼被削材保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向から選択された少なくとも一軸方向に移動でき、工具保持部がＸ、Ｙ、Ｚ軸方向のうち被削材保持部の移動方向として選択されなかった軸方向に移動できる。
【００２３】
より好ましい移動方向の分担は、主軸ユニット（工具保持部）をＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能とし、レーザーヘッドと製品加工ユニット（被削材保持部）をＺ軸方向に移動可能とすることである。この構成によれば、レーザー複合加工機全体として加工精度を維持しやすい。
【００２４】
また、主軸ユニットをレーザーヘッド側と製品加工ユニット側との間で移動させる移行には、直線移行はもちろん回転移行も含まれる。例えば、本発明複合加工機の平面視において、レーザーヘッド、主軸ユニット、製品加工ユニットを三角形に配置し、かつ「レーザーヘッドと製品加工ユニットとを結ぶ直線」と「主軸ユニットの回転軸」とを直交するように配置して、主軸ユニットがレーザーヘッド側と製品加工ユニット側との間を直線移行する構成が挙げられる。その他、同平面視において、レーザーヘッド、主軸ユニット、製品加工ユニットをこの順にて同一直線状に配置し、工具の加工を行う場合は主軸ユニットの工具保持部をレーザーヘッド側に向け、被削材の加工を行う場合は主軸ユニットを１８０度回転させて工具保持部を製品加工ユニット側に向ける構成が挙げられる。
【００２５】
上記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向への移動に加え、主軸ユニットは、工具保持部をＸ−Ｙ平面上、Ｙ−Ｚ平面上、Ｘ−Ｚ平面上のいずれかで旋回する旋回手段を有することが望ましい。このような旋回手段を具えることで、工具素材を加工する場合や、被削材を加工する場合の加工の自由度を高めることができる。旋回手段により主軸ユニットを回転させて、被削材に対する工具の向きを微調整することができるので、例えば、凹部の内面加工、とりわけ内球面加工に好適である。
【００２６】
さらに、被削材保持部は、回転自在に構成しても良い。例えば、主軸ユニットの回転軸と平行な或いはその軸を仮に延長したとき同軸となる回転軸を持つ被削材保持部が好適である。この構成により、工具自体の回転に加えて被削材自体の回転も複合してより自由度の高い加工を行うことができる。
【００２７】
この被削材保持部は、被削材を保持するのみならず、工具の研磨用具を保持するように構成することが好適である。被削材保持部に研磨用具を保持すれば、主軸ユニットの工具が摩耗した際に、摩耗した工具と研磨用具とを相対的に移動させて再研磨することができる。この再研磨においても工具を主軸ユニットから取り外す必要がなく、工具の取り付け精度による被削材の加工精度の低下を回避することができる。
【００２８】
一方、本発明精密加工製品の製造方法は、回転自在に工具素材を保持する主軸ユニットと、レーザー光を照射するレーザーヘッドと、被削材を保持する製品加工ユニットとを有するレーザー複合加工機を用いた精密加工製品の製造方法であって、以下のステップを具えることを特徴とする。
主軸ユニットに工具素材をセットする第１ステップ。
この工具素材に所定の角度からレーザー光を照射して工具素材を工具に加工する第２ステップ。
この工具を主軸ユニットに保持したまま製品加工ユニット側に移行し、製品加工ユニットに保持された被削材に工具で所定の加工を施す第３ステップ。
【００２９】
本発明方法によれば、前記複合加工機に関する説明で述べたように、工具の製造から被削材の加工までを工具の付け替えを行なうことなく可能とすることで、工具の取り付け精度の問題を完全に解消し、極めて精度の高い加工を行なうことができる。
【００３０】
第１ステップにおいて、工具素材に研磨面、劈開面や自形な面を形成して、これらの面を基準部位として工具素材を保持することが望ましい。工具素材は完成した工具に比較すると強度が高く取り扱いが容易なので、破損を恐れることなく工具素材の位置の特定や、位置合わせなどが容易にできる。その結果、完成した工具自体の精度と取り付け精度を高くすることができる。例えば、基準部位として研磨面を用い、その研磨面を工具のすくい面などに利用すれば、効率よく工具を製作することができる。
【００３１】
第２ステップにおいて、レーザー光の波長を短波長にすることが好ましいことは加工機の説明で述べたとおりである。
【００３２】
第３ステップにおいて、前記工具と製品加工ユニットとの互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させて被削材を加工することが好ましい。例えば、被削材を回転させて、工具と被削材とを相対的に直線動作させる加工が挙げられる。このような加工を行なう工具としては、バイトなどがある。
【００３３】
また、上記第３ステップにおいて、前記主軸ユニットを旋回させて工具を回転し被削材を加工することが好ましい。このような加工を行なう工具としては、エンドミルなどの複数の切刃を有する多刃工具がある。
【００３４】
本発明方法で得られる精密加工製品の代表例としては、光学部品用金型が挙げられる。光学部品用金型の具体的な製品としては、携帯電話やデジタルカメラ用レンズを作製するための金型、次世代ＤＶＤ用の青色又は青紫色レーザー用レンズの金型（ブルーレイディスク用レンズ）、液晶用の導光板を作製するための金型、ミラー用金型などである。これらの金型の材料には、超硬合金又はアルミナ、炭化珪素などのセラミックなどの難削材が用いられることが多い。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（複合加工機の構成）
図１はレーザーで工具を加工する際の状態を示す本発明レーザー複合加工機の正面図である。図２は工具加工後、被削材の加工へ移行する際の状態を示す本発明レーザー複合加工機の上面図である。図３は被削材加工時の状態を示す本発明加工機の上面図である。図４は本発明装置の概略機能ブロック図である。
【００３６】
この加工機は、ベース１０、コラム２０、ビーム２１、レーザーヘッド３０、主軸ユニット４０、および製品加工ユニット５０を具えている。
【００３７】
ベース１０はコラム２０、主軸ユニット４０、製品加工ユニット５０を一体に保持する支持定盤である。ここでは、ベース１０として直方体の定盤を用いている。
【００３８】
コラム２０はベース１０上に間隔をあけて固定された一対の支柱材である。このコラム２０の上端部をつなぐようにビーム２１が連結されている。ビーム２１は水平方向に伸び、その中間にレーザーヘッド３０が固定されている。
【００３９】
レーザーヘッド３０は、後述する工具素材にレーザーを照射し、工具へと加工を行うものである。ここでは、Ｚ軸方向である鉛直下方に向けてレーザー３１（図１）を照射できるようにレーザーヘッド３０を配置している。このレーザーヘッド３０は、内蔵するレンズを駆動することでレーザー３１の焦点位置をＺ軸方向に移動させることができる。レンズの駆動は、例えばモータ駆動回路３２を介してモータ３３を用いて行なう。（図４）
【００４０】
主軸ユニット４０は工具保持部４１を具え、その工具保持部４１に工具素材６０を保持する。この主軸ユニット４０はモータ４３Ａを内蔵し、そのモータ４３ＡによりＸ軸方向を向く回転軸（スピンドル）４４を回転させ、その軸心４６を共有する工具保持部４１を回転させる。つまり、この回転軸４４はレーザー３１の光軸と直交する方向に設けられている。また、主軸ユニット４０はベース１０上に支持され、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動自在に構成されている。このうちＹ軸方向への移動は、工具保持部４１をレーザーヘッド３０の下方から後述する製品加工ユニット５０の前面まで行なうことができる。なお、各々のモータ４３Ｂ、４３Ｃを用いて、主軸ユニットをＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動することができる。
【００４１】
このレーザー焦点のＺ軸方向の移動機構と、主軸ユニット４０の回転機構と、主軸ユニット４０のＸ軸方向およびＹ軸方向への移動機構により工具加工用駆動手段を構成する。図４に示すように、レーザーヘッド３０のＺ軸方向への移動用モータ３３、主軸ユニット回転用の各モータ４３Ａ〜４３Ｄは、ＣＰＵを含む制御回路７０からの指令に基づき、モータ駆動回路３２、４２を介して所定の相対移動をするように駆動される。この相対移動により、レーザーを工具素材６０に対して種々の方向から照射し、素材６０を所定形状の工具６０Ｚ（図２）に加工することができる。
【００４２】
さらに、主軸ユニット４０は旋回できるように構成されている。つまり、図３に示すように、主軸ユニット４０はＺ軸方向の軸も持ち、この軸を回転軸として所定の角度旋回させた後、加工することが出来る。
【００４３】
一方、製品加工ユニット５０は回転自在の被削材保持部５１を有し、この保持部５１に被削材８０を保持する。この被削材保持部５１の回転は、モータ駆動回路５２を介してモータ５３Ａにより行なわれる（図４）。このモータ５３Ａは、もちろん正逆両方向に回転できるが、被削材加工時は、主軸ユニット４０におけるＸ軸方向の回転と逆方向に被削材保持部５１を回転させることが好ましい。
【００４４】
そして、図４に示すように、製品加工ユニット５０の被削材保持部５１の回転とＺ軸方向の移動機構と、主軸ユニット４０の回転機構と、主軸ユニット４０のＸ軸方向およびＹ軸方向への移動機構、ならびに主軸ユニット４０の旋回機構により被削材加工用駆動手段を構成する。つまり、制御回路７０からの指令に基づき、モータ駆動回路５２を介して各モータ５３Ａ〜Ｂ、またモータ駆動回路４２を介して各モータ４３Ａ〜４３Ｄを回転させることで、工具６０Ｚと被削材８０の互いの位置を任意に三次元運動させ、所望の形状に被削材８０（図２）を加工する。
【００４５】
また、図４にしか示していないが、この加工機は顕微鏡カメラ９０とモニタ１００とを具えている。顕微鏡カメラ９０はレーザーヘッド３０に隣接してビーム上に設置され、上方からレーザー加工された工具素材６０（工具６０Ｚ）を撮影する。この顕微鏡カメラ９０にはＣＣＤカメラなどが利用できる。顕微鏡カメラ９０で撮影された工具６０Ｚの画像信号は、デジタル信号に変換され、モニタ１００に画像として表示される。操作者は、このモニタ１００を見ながらレーザー加工された工具形状を目視にて確認することができる。
【００４６】
さらに、加工を始める際の被削材８０の輪郭座標をキーボード１１０から入力し、モニタ１００上において工具６０Ｚと同一縮尺で表示させることができる。この被削材８０の輪郭画像と工具画像とを比較することで、加工された工具６０Ｚを用いて被削材８０の加工を行う際、工具６０Ｚが被削材８０に不必要に干渉しないかどうかを確認することができる。
【００４７】
（複合加工機を用いた高精度加工製品の製造）
次に、上記複合加工機を用いて工具の作製から被削材を加工して高精度加工製品を得るまでの一連の工程を説明する。
【００４８】
まず、主軸ユニット４０の工具保持部４１に工具素材６０を固定する。
【００４９】
次に、主軸ユニット４０をレーザーヘッド３０側へ移行し、工具素材６０をレーザーヘッド３０の光軸上に配置する。
【００５０】
続いて、レーザーを工具素材６０に照射して、所定形状の工具に加工する（図１）。その際、所定形状の工具６０Ｚが得られるように、主軸ユニット４０のＸ軸・Ｙ軸方向への移動、工具保持部４１の回転、レーザー焦点位置のＺ軸方向への移動を適宜複合してレーザー加工を行なう。
【００５１】
必要に応じて、工具加工途中あるいは加工完了後にモニタ１００に工具形状を表示させ、形状確認を行なう。
【００５２】
工具６０Ｚが形成できたら、工具６０Ｚを主軸ユニット４０から取り外すことなく、そのまま主軸ユニット４０をＹ軸方向に移動させ（図２）、製品加工ユニット５０の前面に位置させる。工具６０Ｚを主軸ユニット４０から取り外さないため、工具は高精度に位置決めされた状態で主軸ユニット４０に対して保持されている。
【００５３】
製品加工ユニット５０の被削材保持部５１には、被削材８０を保持しておく。
【００５４】
続いて、工具６０Ｚで被削材８０を所定形状に加工する（図３）。その際、主軸ユニット４０の回転、主軸ユニット４０の旋回、主軸ユニット４０のＸ軸・Ｙ軸方向への移動、被削材保持部５１の回転を適宜複合して切削加工を行い、精密加工製品を作製する。
【００５５】
（実施例１）
上記の本発明加工機を用いて単結晶ダイヤモンドの回転工具を製作し、続いて被削材の加工を行ってレンズ用金型を製作した。この金型は超硬合金製で、カメラ付携帯電話のガラスレンズを作製するのに用いられる。この工具による加工状態の説明図を図５に示す。
【００５６】
まず、直径３ｍｍで、厚さ０．８ｍｍの円盤状の単結晶ダイヤモンドを準備した。円盤の中心に直径１．３ｍｍの穴を開けて、これに超硬合金製の直径１．３ｍｍ、長さ３ｍｍの工具の軸部６０Ｂを挿入してロー付けし工具素材６０とした（図５）。
【００５７】
この工具素材６０を複合加工機の工具保持部４１（図１）にセットする。その際、工具素材の軸部６０Ｂを基準部位とし、図１に示す工具保持部４１のスピンドルの回転軸４４と図５の軸部６０Ｂの軸心を同軸に合わせて工具素材６０を保持した。用いた複合加工機の仕様は以下の通りである。
【００５８】
レーザーの種類：１０６５ｎｍの波長を有するＹＡＧレーザーの３倍高調波
レーザーの波長：３５５ｎｍ
レーザーヘッドのレンズの焦点距離：７５ｍｍ
レーザー焦点の位置決め制御単位（Ｚ軸方向）：１０ｎｍ
レーザー焦点の位置決め精度：１００ｎｍ
Ｘ−Ｙ製品加工ユニットの位置決め制御単位（Ｘ軸・Ｙ軸方向）：１ｎｍ
Ｘ−Ｙ製品加工ユニットの位置決め精度：１０ｎｍ
主軸ユニットのスピンドル回転数：１分間あたり５，０００〜２０，０００回転
複合加工機の設置場所：±０．２℃の範囲で温度制御可能なクリーンルーム内
【００５９】
次に、レーザー３１により円盤状単結晶ダイヤモンドの外周部に０．４ｍｍのアールを加工し、直径２．６ｍｍの円盤６０Ａとした（図５）。次に、スピンドルを所定の角度づつ回転しては停止させ、円盤６０Ａの外周部に複数の溝６０Ｃを形成した。このとき、レーザー３１をスピンドルに垂直（円盤の直径方向）に照射し、主軸ユニット４０をＸ軸、Ｙ軸方向に移動して溝６０Ｃを加工した。得られた工具は、図５に示すように、円盤６０Ａの外周部に、軸方向沿いのＵ型溝６０Ｃが６０個形成されている。各Ｕ型溝６０Ｃの内周面と円盤６０Ａの外周面との稜線部が切刃６０Ｄとなる。この工具では、ハッチングで示したごく浅い溝６０Ｃを有し、切刃６０Ｄの先端は円弧なので、レンズ用金型の超硬合金と狭い範囲で接触する。この工具が、Ｘ軸、Ｙ軸方向に動くことにより被削材に対して任意のレンズ形状が形成される。
【００６０】
工具のレーザー加工には、波長が紫外線域のレーザーを用いたため、加工面にグラファイトなどの変質したダイヤモンド層が殆ど見られなかった。
【００６１】
このようにして得られた工具を用いて、超硬合金製のレンズ用金型を製作した。この金型（被削材８０）は、図５に示すように、内球面で構成される凹部を有する形状である。被削材８０の加工を行うに際しては、主軸ユニット４０をＹ軸方向に移行させ、製品加工ユニット５０に保持された被削材８０に工具を対向させておく。
【００６２】
そして、被削材８０と工具とを相対的に相対移動させて被削材８０の加工を行った。本例では、被削材８０の回転と工具の回転を行なった。また、加工前において主軸ユニットを旋回させて工具を被削材に対して所定の向きに位置合わせを行なうことにより、工具とレンズ用金型の加工を予定されていない部分との接触を避けることができた。
【００６３】
得られた超硬合金製金型の寸法精度は、形状精度で２５０ｎｍ、表面粗さは４５ｎｍであった。また、途中で刃の形状を修正することなく加工が出来た。
【００６４】
（実施例２）
次に、本発明加工機を用いて、実施例１とは異なる工具およびレンズ成型用金型の製造を行なった。用いたレーザー加工機の仕様は実施例１に示したものと同様である。
【００６５】
まず、単結晶ダイヤモンドの工具素材を用意する。図６（Ａ）は、この工具素材の外観斜視図である。この素材６０Ｅは、幅１．５ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ５ｍｍの単結晶ダイヤモンドの側面と上面を研磨したほぼブロック状のものである。この工具素材６０Ｅにおいて、研磨されたそれぞれの面は、工具になったときの逃げ面６０Ｆとすくい面６０Ｇを形成する。また、研磨されている逃げ面６０Ｆとすくい面６０Ｇとは、工具素材６０Ｅを工具保持部４１へ取り付ける場合の基準面とすることができる。
【００６６】
図６（Ｂ）は、工具保持部４１にダイヤモンド単結晶素材６０Ｅが保持された状態を示す。そのとき、工具保持部４１に設定されているエンドミルの回転軸６０Ｈを、工具素材６０Ｅのすくい面６０Ｇの上に合わせ、逃げ面６０Ｆとエンドミルの回転軸６０Ｈを平行に調整する。この例では、エンドミルの回転軸６０Ｈと、スピンドルの回転軸４４は一致している。
【００６７】
次に、図１において、すくい面６０Ｇをレーザー複合加工機のＸ−Ｙ面と平行に設定し、レーザー３１に対して主軸ユニット４０をＸ軸、Ｙ軸方向に移動して、図６（Ｂ）に一点鎖線で示されたすくい面切り取り部６０Ｉを切断する。次に、スピンドルの回転軸４４を９０度回転し、レーザー３１に対して主軸ユニット４０をＸ軸、Ｙ軸方向に移動して、鎖線で示された下部の切り取り部６０Ｊをレーザーによって切り取る。これにより、角棒状に突出した切刃部が出来上がり工具が完成する。得られたエンドミルの切刃部の幅は２５μｍ、厚さが１０μｍ、切刃部長さ８０μｍであった。
【００６８】
このようにして作製されたエンドミルを用いて、製品加工ユニット５０の被削材保持部５１に保持された被削材８０の上に幅３０μｍの溝を加工してレンズ用金型を製作した。被削材８０は、鋼の上に厚さ０．３ｍｍのＮｉ−Ｐメッキ層を有するものである。得られた超硬合金製金型の寸法精度は、形状精度で３５０ｎｍ、表面粗さは６５ｎｍであった。また、途中で刃の形状を修正することなく加工が出来た。
【００６９】
【発明の効果】
本発明レーザー複合加工機および精密加工製品の製造方法によれば、次の効果を奏することができる。
【００７０】
工具素材から工具を製作し、その工具を別の加工機に付け替えることなくそのまま被削材の加工に使用することができる。従って、工具の工具保持部への取り付け精度と取り付け歩留まりが格段に高くなり、工具を加工装置に取り付ける時間を不要にできる。
【００７１】
カメラなど工具の摩耗状態を正確に把握する機構を設けることにより、工具が破損する前に使用を停止し、工具を再研磨して利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、レーザーで工具を加工する際の状態を示す本発明レーザー複合加工機の正面図である。
【図２】図２は、工具加工後、被削材の加工へ移行する際の状態を示す本発明レーザー複合加工機の上面図である。
【図３】図３は、被削材加工時の状態を示す本発明加工機の上面図である。
【図４】本発明加工機の機能ブロック図である。
【図５】図５は、円盤状の単結晶ダイヤモンド工具により超硬合金製レンズ用金型を切削している状態を示す説明図である。
【図６】図６（Ａ）はダイヤモンド単結晶素材を示す外観斜視図、図６（Ｂ）は本発明レーザー複合加工機にダイヤモンド単結晶素材を装着した状態を示す加工説明図である。
【符号の説明】
１０ ベース
２０ コラム
２１ ビーム
３０ レーザーヘッド
３１ レーザー
３２ モータ駆動回路
３３ モータ
４０ 主軸ユニット
４１ 工具保持部
４２ モータ駆動回路
４３Ａ〜４３Ｄ モータ
４４ 回転軸
４６ 回転軸の軸心
５０ 製品加工ユニット
５１ 被削材保持部
５２ モータ駆動回路
５３Ａ〜Ｂ モータ
６０ 工具素材
６０Ａ 円盤
６０Ｂ 軸部
６０Ｃ 溝
６０Ｄ 切刃
６０Ｅ 工具素材
６０Ｆ 逃げ面
６０Ｇ すくい面
６０Ｈ 回転軸
６０Ｉ すくい面切り取り部
６０Ｊ 切り取り部
６０Ｚ 工具
７０ 制御回路
８０ 被削材
９０ 顕微鏡カメラ
１００ モニタ
１１０ キーボード

Claims (11)

1. 回転自在の工具保持部を有する主軸ユニットと、
   レーザー光を照射するレーザーヘッドと、
   被削材の保持部を有する製品加工ユニットと、
   工具保持部に保持された工具素材に所定の向きからレーザー光を照射して工具に加工できるように、レーザーヘッドと工具保持部とを相対移動させる工具加工用駆動手段と、
   前記レーザー加工で得られた工具を主軸ユニットに保持したまま製品加工ユニット側に移行し、その工具で被削材に所定の加工がきるように、工具保持部と被削材保持部とを相対移動させる被削材加工用駆動手段とを具えることを特徴とするレーザー複合加工機。
2. 前記レーザー光の波長が４００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のレーザー複合加工機。
3. 前記工具素材が、単結晶ダイヤモンド、焼結ダイヤモンド、気相合成法で作製された多結晶ダイヤモンドのいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザー複合加工機。
4. 前記工具加工用駆動手段は、レーザーヘッドと工具保持部との互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザー複合加工機。
5. 前記被削材加工用駆動手段は、工具保持部と被削材保持部との互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させることを特徴とする請求項１に記載のレーザー複合加工機。
6. さらに前記主軸ユニットは、工具保持部をＸ−Ｙ平面上、Ｙ−Ｚ平面上、Ｘ−Ｚ平面上のいずれかで旋回する旋回手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザー複合加工機。
7. 回転自在に工具素材を保持する主軸ユニットと、レーザー光を照射するレーザーヘッドと、被削材を保持する製品加工ユニットとを有するレーザー複合加工機を用いた精密加工製品の製造方法であって、
   主軸ユニットに工具素材をセットする第１ステップと、
   この工具素材に所定の角度からレーザー光を照射して工具素材を工具に加工する第２ステップと、
   この工具を主軸ユニットに保持したまま製品加工ユニット側に移行し、製品加工ユニットに保持された被削材に工具で所定の加工を施す第３ステップとを有することを特徴とする精密加工製品の製造方法。
8. 第３ステップにおいて、前記工具と製品加工ユニットとの互いの位置をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に相対的に移動させて被削材を加工することを特徴とする請求項７に記載の精密加工製品の製造方法。
9. 第３ステップにおいて、前記主軸ユニットを旋回させて前記工具を回転し、被削材を加工することを特徴とする請求項７または８に記載の精密加工製品の製造方法。
10. 被削材の加工により得られる精密加工製品が光学部品用金型であることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の精密加工製品の製造方法。
11. 前記工具は、複数の切刃を有する多刃切削工具であることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の精密加工製品の製造方法。

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