JP2005063074A - 曲面加工方法および装置ならびに光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 切削および研削によって高精度な溝深さを簡易な工程によって実現する曲面加工方法および装置を提供する。
【解決手段】 加工装置上に載置した形状計測プローブ１２により、被加工物１の形状を座標点１５で取得し、加工面傾きによる姿勢誤差を含めた状態で座標点データからモデル曲面を定義し、このモデル曲面上にツールパスを生成して前加工面への切り込み深さを均一とした追加の加工を行う曲面加工方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被加工物の曲面を加工する曲面加工方法および装置ならびにこれらを使用して製造された光学素子に関するものである。

従来、光学材料基板上に、直接高精度の任意形状の溝を機械的に加工する技術は従来から知られている（例えば、特許文献１）。
特開平０５−２００６１６号公報

回折格子やフレネルレンズは、平面のブランクに対して、数μｍ〜サブμｍの極浅い微細溝を形成することで製作されている。これらの光学素子がガラス材で形成される場合、ガラスのブランクに直接溝を刻んで製作する手法、あるいは超硬合金やセラミックス材を金型としてこれに溝を形成しガラスプレス成形法によってレプリカ成形する手法、が多用されている。
この場合、ガラスや超硬合金といった硬脆材料に微細溝を形成する手段としては、フォトリソグラフを用いたエッチングやレーザ加工が代表的である。しかしこれらの工法は溝幅と溝深さを制御する２．５次元加工であり、高精度な曲面や真直な傾斜面もつＶ溝については充分な精度が得られていなかった。
このため近年では、機械加工技術である研削やダイヤモンド切削を用いた溝加工技術が多用されつつある。研削や切削は工具軌跡を転写させる定寸切り込みの加工技術である。
加工機としてはＸＹＺの直交３軸の駆動軸をもち１〜１０ｎｍ精度で位置決め可能な超精密加工機が一般に用いられている。一例として平面形状に直線の溝を形成する場合では、大きくは以下２つの手順が必要である。
手順ａでは、Ｚ軸を切り込み軸とするとき、ＸＹ軸と被加工面を平行にする。
手順ｂでは、Ｚ軸において被加工面上空外で切り込みを入れ、Ｘ軸あるいはＹ軸によって工具を直線走査して溝を形成する。
特に手順ａでのＸＹ軸と被加工面の平行度は、溝の深さ精度を直接左右するため、サブμｍまたはそれ以下の平行度が要求される。被加工物が被削性のよいアルミや銅、真鍮などの場合は、ワークチャック後エンドミルや正面フライス工具によって表層を削り取ることで平行出しを行える。
しかし、被削材が上記のようなガラスや超硬合金の場合、表層を削り取ること自体が非常に手間のかかる作業となるため、ワークチャックの時点で平行調整をトライアンドエラーで手作業により調整するといった、非常に効率の悪い作業となっている。またサブμｍ以下の平行度を得ること自体が困難な状態となっている。
この問題を解決する手段として、前述した特許文献１に開示のように、溝加工工具と非接触の回転工具を回転機構によって交換し、切削軌跡上の被加工面のソリやゆがみを予め取得し、このデータに基づき切り込み量を補正し、一定の溝深さで加工を行う手法が提案されている。

図１０は従来の溝加工装置を説明する概略図である。この構成において、円柱状工具（微細工具）３２を回転させつつ機械的に光学材料基板３１上に微細な溝を形成する。光学材料基板３１の表面形状を前もって測定する変位計３７と測定した表面形状データを記録し、記録したデータに基づいて円柱状工具３２と光学材料基板３１との相対位置を制御する記録・制御装置３８とを有し、切り込み量が一定になるように制御しながら溝を加工する。
平面上に直線の溝を刻む場合においては、この方法で充分対処可能であるが、曲面上に曲線溝を刻むような加工形態においては、測定軌跡と工具軌跡を厳密に一致させることが困難であること、また、非接触センサによる計測では、鏡面仕上げされた曲面を精度よく計測できないこと等の問題があり、適用することができない。
そこで本発明の目的は、上記の問題点を解決するために、切削および研削によって高精度な溝深さを簡易な工程によって実現する曲面加工方法および装置ならびに光学素子を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、加工装置上に載置した形状計測プローブにより、被加工物の形状を座標点で取得し、加工面傾きによる姿勢誤差を含めた状態で座標点データからモデル曲面を定義し、このモデル曲面上にツールパスを生成して前加工面への切り込み深さを均一とした追加の加工を行う曲面加工方法を最も主要な特徴とする。
また、請求項２にかかる発明は、前記追加の加工とは前加工面の一部を除去するものであり、前加工面と追加の加工痕が混在する切削表面を形成する請求項１記載の曲面加工方法を主要な特徴とする。
また、請求項３にかかる発明は、前記追加の加工痕とは連続的な溝形態である請求項２記載の曲面加工方法を主要な特徴とする。
また、請求項４にかかる発明は、点群データからツールパスを生成するためのモデル曲面の作成方法として、直交多項式による表現を用いる請求項１記載の曲面加工方法を主要な特徴とする。
また、請求項５にかかる発明は、前記点群データからツールパスを生成するためのモデル曲面の作成方法として、スプライン補間による曲面定義を用いる請求項１記載の加工方法を主要な特徴とする。

また、請求項６にかかる発明は、請求項１に記載の加工方法を実施するための曲面加工装置において、加工ヘッドの工具が単結晶ダイヤモンドバイトであり、前記工具に対し断続切削となるような回転を付与せず前記工具を接触状態のまま走査し加工痕を形成する曲面加工装置を最も主要な特徴とする。
また、請求項７にかかる発明は、前記工具先端に超音波振動を付与する請求項６記載の曲面加工装置を主要な特徴とする。
また、請求項８にかかる発明は、切り込み軸に直交する平面へ工具軌跡を投影し、その軌跡に対して前記単結晶ダイヤモンドバイトのスクイ面が常に直交するように前記工具の回転姿勢制御を工具走査と同時に行う機構を有する請求項６記載の曲面加工装置を最も主要な特徴とする。
また、請求項９にかかる発明は、形状測定プローブが接触式であり、加工ヘッドと計測ヘッドの間でワークを移送するための機構は加工用スライドとは別構成である請求項６記載の曲面加工装置を主要な特徴とする。
また、請求項１０にかかる発明は、請求項１〜９いずれかに記載の曲面加工方法または局面加工装置によって製造された光学素子を最も主要な特徴とする。

請求項１によれば、曲面上への溝加工として、従来なし得なかった深さ精度が曲面全域において得ることができるようになり、これによって切り込み深さの管理が非常に重要なガラス材に対し、安定した加工状態が維持できるようになるため、ガラス曲面への溝切削が効率よく実施可能となる。
請求項２によれば、前加工の加工面を基準としてその面から、狙いの深さの加工を行うことは切削工法が不得意とするものであり、本発明により、前加工面基準での加工が容易に実施可能となった。
請求項３によれば、前加工の加工面を基準としてその面から、狙いの深さの加工を行うことは切削工法が不得意とするものであり、本発明により、前加工面基準での加工が容易に実施可能となった。
請求項４によれば、高価ＣＡＤ・ＣＡＭシステムに拠らなくても極めて高い精度のツールパスを得ることができ、一次微分式が直接得られるため、姿勢制御のための法線ベクトルの導出が極めて容易となる。
請求項５によれば、汎用のＣＡＭシステムの機能で実施可能であるため、すでにＣＡＤＣＡＭの保有環境である場合、収束計算等の数学的知識を持たなくても本加工方法を直ちに実施可能となる。
請求項６によれば、正確な切り込み制御により、ビビリのないシェーパー加工が実現できフライカットでは不可能な急峻な曲がり溝の加工が可能となる。
請求項７によれば、超音波付与により、工具表面に擬似的な潤滑効果が得られ、工具の磨耗が抑制され、結果として従来のダイヤバイトで切削できないとされてきた鉄鋼材やガラス材の鏡面加工が可能となる。
請求項８によれば、工具姿勢を切削方向に対し常に一定にできるため切削抵抗の変動が抑制でき、ビビリのない高品位で結果として深さ精度に優れる溝加工が実現できる。
請求項９によれば、接触プローブは外乱や測定面の傾斜による誤差の影響を受けにくく構成もシンプルであり、またナノ精度のＣＮＣスライドと移送スライドを別体とすることで、高速移送、装置の低コストが実現される。
請求項１０によれば、従来技術では達成され得ない高機能およびコンパクトを両立した高性能光学素子が実現可能となる。

以下に添付図面を参照して、この発明の最良な実施の形態を詳細に説明する。
本発明の概要は次の通りである。被加工物である前加工面形状を、接触式プローブによって、点群形態で座標取得する。このとき測定基準は加工機の直交２軸の直動スライドとし、被加工物の取り付けによる傾き誤差や変形をふくめた状態で座標取得する。取得した点群データに基づき、スプライン補間によるサ−フェイスモデルあるいは直交多項式表現への変換によって、任意のＸＹ座標位置における被加工面の高さＺが求まるようにする。機上計測データに基づくサーフェイスモデルあるいは直交多項式に対し、一定深さの溝を刻むためのツールパスを生成する。このツールパス生成は従来のＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）システムで実施可能である。このツールパスを用いて加工を行うことは、被加工面の持つ形状誤差、取り付け位置誤差、チャック変形をすべて含めた切り込み補正したことに相当するため、曲面上への溝加工といった複雑かつ困難な加工においても、サブμｍ精度の溝深さを容易に実現可能とできる。

図１は、本発明の加工方法を実施するための加工装置の実施形態を示す概略図である。加工装置は、計測ヘッドＥと加工ヘッドＤによって構成され、移動レール１０によって、ＸＹＡＢ軸の４軸ＣＮＣ（Computer Numerical control）位置決めテーブルが両ヘッドＤ、Ｅの直下に位置決め可能な構成となっている。ＣＮＣ位置決めテーブルは、ＸＹの直交２軸とＡＢの揺動２軸によって構成されている。直動軸の位置決め分解能は１ｎｍ、揺動軸の位置決め分解能は１０万分の１度である。前工程のダイヤモンド切削によって曲面形状に仕上げられたワーク１がテーブル上面にクランプされることになる。ワーク１は、母材がステンレス鋼、曲面部は無電解Ｎｉ―Ｐメッキである。クランプされたワーク１は、最初に計測ヘッドＥによって曲面形状の座標取得が行われる。
このときの座標取得では、前工程で生じた理想形状からのズレ量に加えて、ワークの取り付け位置、取り付け傾きを含めて取得することが目的であるため、通常の形状評価プログラム等で行う傾き成分の除去を行わない点が特徴である。
図１をさらに説明すると、加工ヘッドＤには加工ヘッド用直動スライド（Ｚ軸）２、回転位置決め機構（Ｃ軸）３、ダイヤモンド工具４が配置されている。また、移動レール１０上には揺動機構（Ａ軸）５、揺動機構（Ｂ軸）６、直動スライド（Ｙ軸）７、直動スライド（Ｘ軸）８が配置されている。一方、計測ヘッドＥには、計測ヘッド用直動スライド（Ｚ軸）１３、計測ヘッド用Ｚ軸コラム１１、形状計測プローブ１２が設けられる。
図２は、図１の加工装置によって鏡面仕上げされたワーク１を示す斜視図である。このワーク１は鏡面仕上げされた曲面上に深さ精度±０．１μｍで曲線上の溝１４を形成したものである。この加工手順を以下で説明する。

図３は、計測ヘッドによるワーク曲面の座標取得状態を示す斜視図である。形状計測プローブ１２の走査は、Ｘ軸スライドのみまたはＹ軸のみでの直線動作とし、加工装置のＸＹ各スライドを基準とした曲面の変位を座標点１５の点群形態で取得する。
走査はＸ方向軌跡１６およびＹ方向軌跡１７に示すように、形状計測プローブ１２が接触状態のまま倣い動作で連続的に行われる。走査中に特定のタイミングで形状計測プローブ１２のＺ方向変位とＸＹ座標を取り込むことで（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標の点群１５を得る。 図４および図５は点群形態の離散データから曲面を定義し、任意のｘｙ座標におけるワーク曲面の高さＺを得るための手順を説明する概略図である。図４および図５において、座標点１５をＣＡＤ（Computer Aided Design）上にプロットし、走査軌跡と同様の方向にスプラインで補間をおこなう。Ｘ方向スプライン１８とＹ方向スプライン１９をすべての点群に作成したのち、これらのスプラインすべてを包含する曲面をＣＡＤによって定義する。
得られた曲面２０がツールパス生成用のモデル曲面である。これを用いて、ＣＡＭ工程により、一定深さの溝を形成するためのツールパスを得る。加工工程実施のための４軸制御ＣＮＣテーブルは加工ヘッド直下に位置決めされる。これが図１の状態である。
ダイヤモンド工具４は、この実施の形態においては非回転のシェーパー加工形態としているが、回転スピンドルを搭載することでフライカット加工も当然可能である。また、超音波付与により、工具表面に擬似的な潤滑効果が得られ、工具の磨耗が抑制され、従来のダイヤバイトで切削できないとされてきた鉄鋼材やガラス材の鏡面加工が可能となる。

図６は、ワークに対するダイヤモンド工具のスクイ面の取り付け姿勢を説明する概略斜視図である。ダイヤモンド工具４の切り込みは加工用Ｚ軸スライド２によって行われる。この実施の形態ではダイヤモンド工具４には、単結晶ダイヤモンドバイトを用い、そのスクイ面４ａがＺ軸と平行となるような姿勢で取り付けられている。なお、スクイ面４ｂは、裏から見た模式図として示している。
図７はワーク上に形成される目標とする加工溝を示す上面図である。図７のように、目標とする加工溝はＸＹ平面図において概略楕円で表現される。溝加工はこの楕円軌跡に対しスクイ面４ａが常に直交するような姿勢を採るように回転位置決めする回転位置決め機構であるＣ軸を同期制御して行われる。
図８はＣ軸動作によるスクイ面の向きの変化を説明する概略図である。この制御に加えて、曲面上の斜面においても正確な切り込み量と加工痕形状を得るために、加工点での法線ベクトルと切り込み軸であるＺ軸が常に平行をなすような、姿勢制御をＡ、Ｂ軸の揺動機構によって行うため、同時６軸制御となっている。

図９は、本発明による加工装置の第２の実施形態として、座標取得した点群から制御装置２１の演算部にて直交多項式を求め、加工装置上でのモデル曲面を定義するための手順を説明する図である。この手法によれば、高価なＣＡＤ・ＣＡＭシステムに拠らなくても極めて高い精度のツールパスを得ることができる。式１は直交多項式を示したもので、ｍとｎはＹ方向とＸ方向の形状を表現するための次数であり、これが大であるほど、空間的に短波長な形状変化も表現可能となる。
曲面を定義することは式１において係数であるａｉｊを定めることに相当する。ａｉｊの求め方はいくつか手法があるが、ここではパーソナルコンピュータの収束計算による手法を用いている。
座標取得した点群１５の個々のＺ座標をＺハットとしそのときのＸＹ座標を代入し、式２が最小置をとるような係数を収束計算で求めるものである。第１の実施形態で示した手法においてＣＡＤ・ＣＡＭシステムの補間誤差が問題となる場合はこちらの手法が有効である。以上の手段によって、無電解Ｎｉメッキ極面に深さ２μｍの溝加工を実施し、±０．１μｍの深さ精度を得た。
他の実施例として、硼珪酸ガラス材でつくられた曲面上に、一回の切り込み量０．０５μｍ以下とし、工具先端に超音波加振を付与した状態で溝加工を実施し、深さ１μｍの溝をクラックの発生なしに形成することができた。
このように本発明によれば、光学材料基板表面の傾きや凹凸に影響されず、高精度の一定深さの精密微細な溝形成が可能となる。

以上のように、本発明は、光学材料基板上に直接高精度に任意形状の溝を形成するのに有用であり、特に、精密な光学素子の製造に適している。

本発明の加工方法を実施するための加工装置の実施形態を示す概略図。 図１の加工装置によって鏡面仕上げされたワークを示す斜視図。 計測ヘッドによる、ワーク曲面の座標取得状態を示す斜視図。 点群形態の離散データから曲面を定義し、任意のｘｙ座標におけるワーク曲面の高さＺを得るための手順を説明する概略図。 点群形態の離散データから曲面を定義し、任意のｘｙ座標におけるワーク曲面の高さＺを得るため手順を説明する概略図。 ワークに対するダイヤモンド工具のスクイ面の取り付け姿勢を説明する概略斜視図。 ワーク上に形成される目標とする加工溝を示す上面図。 Ｃ軸動作によるスクイ面の向きの変化を説明する概略図。 本発明による加工装置の第２の実施形態として、座標取得した点群から直交多項式を求め、加工装置上でのモデル曲面を定義するための手順を説明する図。 従来の溝加工装置を説明する概略図。

符号の説明

１ ワーク（被加工物）
４ ダイヤモンド工具
４ａ ダイヤモンド工具のスクイ面
１２ 形状計測プローブ
１４ 曲面上の溝
１５ 座標点
１８ 点群をＸ軸方向につないだスプライン曲線
１９ 点群をＹ軸方向につないだスプライン曲線
２０ プライン曲線を包含することで得られる曲面
Ｄ 加工ヘッド
Ｅ 計測ヘッド

Claims (10)

1. 加工装置上に載置した形状計測プローブにより、被加工物の形状を座標点で取得し、加工面傾きによる姿勢誤差を含めた状態で座標点データからモデル曲面を定義し、このモデル曲面上にツールパスを生成して前加工面への切り込み深さを均一とした追加の加工を行うことを特徴とする曲面加工方法。
2. 前記追加の加工とは前加工面の一部を除去するものであり、前加工面と追加の加工痕が混在する切削表面を形成することを特徴とする請求項１記載の曲面加工方法。
3. 前記追加の加工痕とは連続的な溝形態であることを特徴とする請求項２記載の曲面加工方法。
4. 点群データからツールパスを生成するためのモデル曲面の作成方法として、直交多項式による表現を用いることを特徴とする請求項１記載の曲面加工方法。
5. 前記点群データからツールパスを生成するためのモデル曲面の作成方法として、スプライン補間による曲面定義を用いることを特徴とする請求項１記載の曲面加工方法。
6. 請求項１に記載の加工方法を実施するための曲面加工装置において、加工ヘッドの工具が単結晶ダイヤモンドバイトであり、前記工具に対し断続切削となるような回転を付与せず前記工具を接触状態のまま走査し加工痕を形成することを特徴とする曲面加工装置。
7. 前記工具先端に超音波振動を付与することを特徴とする請求項６記載の曲面加工装置。
8. 切り込み軸に直交する平面へ工具軌跡を投影し、その軌跡に対して前記単結晶ダイヤモンドバイトのスクイ面が常に直交するように前記工具の回転姿勢制御を工具走査と同時に行う機構を有することを特徴とする請求項６記載の曲面加工装置。
9. 形状測定プローブが接触式であり、加工ヘッドと計測ヘッドの間でワークを移送するための機構は加工用スライドとは別構成であることを特徴とする請求項６記載の曲面加工装置。
10. 請求項１〜９いずれかに記載の曲面加工方法または局面加工装置によって製造されたことを特徴とする光学素子。

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