JP2005342875A - 曲面加工装置並びにこれを用いて形成された光学素子及び光学素子金型、パラレルリンク機構のキャリブレーション方法 - Google Patents

曲面加工装置並びにこれを用いて形成された光学素子及び光学素子金型、パラレルリンク機構のキャリブレーション方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 形状創成加工に必要な剛性を備え従来よりも小型軽量な構成の曲面加工装置及びそのキャリブレーション方法並びにこの装置で製造した光学素子及び光学素子金型を提供する。
【解決手段】 fθレンズ金型2を載置するワークテーブル34と加工機ベッド37とが伸縮可能なストラッド31で連結され、ストラッド31の伸縮及び旋回によってワークテーブル34の位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、fθレンズ金型2の研磨工具1との接点における法線と研磨工具1とが為す角度を一定に保つようにワークテーブル34の傾きを制御しつつ、研磨工具1を走査させる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、レーザビームプリンタ及びデジタル複写機のfθレンズとして適用される自由曲面レンズなどの光学素子又はその金型を形成するための曲面加工装置に関する。
レーザプリンタの書き込み系に用いるfθレンズには、非球面や自由曲面形状が採用されている。fθレンズを低コストで大量生産するために、射出成型法を用いたレンズ製造方法が開発されている。射出成形によるレンズ成形工程では、光学面を成形する入れ駒の形状精度が、樹脂レンズの性能に直接影響を与えるため、入れ駒にはサブミクロンオーダーの極めて高い形状精度が要求される。
通常、光学素子の入れ駒は、フライカッティング形態のダイヤモンド切削で製作されているが、入れ駒の形状精度をさらに高めるため、小径の研磨工具をごく小さい部分にのみ作用させ、滞留時間制御で形状誤差を修正して精度を高める工法が多数考案されている。
研磨工具としては、回転工具に砥粒を供給するものや砥粒を内包する固定砥粒工具が従来から用いられているが、最近では、磁性流体を用いて砥粒を作用させるアブレイシブジェットなどの方法も考案されている。
いずれの工法においても、滞留時間制御で形状修正を実施しており、単位時間当たりの除去体積(以下、除去能率と表記する)が一定であることを前提としている。
除去能率が加工位置で変化すると、加工誤差の増加につながるため、極力その変化を抑制する必要がある。
例えば、荷重転写で除去を行う研磨加工の場合、被加工面の傾斜による影響を低減するために、研磨荷重方向と加工点での法線とを常に一致させるように傾斜角の制御が行われる。fθレンズの光学面において光軸との直交面を0度とすると、最大で50度程度のものまで実用されており、傾斜角の姿勢制御は精度確保の上で必須となっている。
磁性流体研磨やアブレイシブジェット加工においてもノズルの噴射方向と加工点での法線とがなす角度を常に一定とすることで、除去体積が安定し、加工精度が向上する。
工具の走査と傾斜角の姿勢制御とを行うために、従来は5軸制御(直動の直交3軸と回転2軸)の位置決め機構を用いていた。また、研磨荷重方向の位置決め軸を不要とした場合は、4軸制御(直動の直交2軸とそれぞれの軸周りである回転2軸)の位置決め機構を用いていた。
特許文献1には、汎用のマシニングセンタに多用されている傾斜機構が示されている。この他には、fθレンズ光学面の傾斜が主走査方向に大で副走査方向に小であることを考慮して、回転ステージとゴニオステージとを組み合わせることで装置の省スペース化を図った特許文献2のような構成も開示されている。
副走査方向の角度範囲を限定しゴニオステージを利用した構成を図8に示す。この装置は、固定ベース101、片持ち支持部材102、コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103、スインガ104、サブスインガ(ゴニオステージ)106、マグネットヘッド107及び揺動角規制センサ108を有する。
片持ち支持部材102は、固定ベース101に固定して設置されている。コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103は、片持ち支持部材102に回転軸(出力軸)が水平方向となるように取り付けられて揺動部材を揺動させる。スインガ104は、コロ軸受付きダイレクトドライブモータ103の回転軸の端部に揺動可能に固定された揺動部材である。揺動角規制センサ108は、スインガ104の揺動角を規制するためのセンサである。スインガ104は、スインガベース105とスインガベース105上に固定されたサブスインガ106と研磨対象部材を磁気吸着するためのマグネットヘッド107とを有する。サブスインガ106は、スインガ104の揺動中心軸Jと直交方向でスイングベース105と平行な面内に揺動中心軸を持ち、スインガ4と直交方向に揺動可能に配置されている。
この構成においても、その装置寸法は加工物の寸法に対して十分に小さいとは言えない。特に、揺動装置のみでも20〜30kgをゆうに超える重さがあるため、これを高速駆動するには直交3軸の直動機構の大型化は避けられない。また、滞留時間制御で形状創成研磨を行うためには、急峻な加減速を4軸又は5軸同時に行う必要があり、各軸に大出力のモータ、そしてこれらを高速高精度に制御する制御機構が必要となる。
研磨という加工プロセス自体は、切削加工と比較して小さい転写圧力で行われるため、本来ならば切削装置よりも装置剛性を必要としない訳であるが、実際の研磨加工装置は、上記の原因により大型加工物を重切削加工する装置と同じくらい大きくかつ高価な装置となっている。
パラレルリンク機構を用いることによっても工作機械の小型化が図られている。
パラレルリンク機構を持つ工作機械は、特許文献3や特許文献4に開示されている。
特許文献3や特許文献4に開示される発明は、工具スピンドルの移動を制御する構成となってはいるが、これらの工作機械は運動精度が不十分であり、高精度加工用途には使用できないのが現状である。
パラレルリンク機構の場合、XYZ座標系での工具位置をストラッド伸縮モータの回転角から間接的に推定している。そのため、高精度な位置決めを行うためには、ストラッドの長さやジョイントの位置などの機構的なパラメータを正確に同定する必要がある。しかし、任意の空間内で工具の位置又は主軸先端の位置を正確に特定することは困難であり、当然上記パラメータの同定精度もこの測定精度に準ずることとなる。このため、パラレルリンク機構を用いた加工機械では、位置決め精度は数十〜数百μmが位置決め精度の限界とされてきた。
パラレルリンク機構の位置決め精度を向上させる方法としては、非特許文献1に開示される手法がある。この手法は、二つの球体を伸縮可能なバーで連結し、その伸縮量を取り込むセンサ、いわゆるダブルボールバー(DBB)方を用いる手法である。
特開平10−175150号公報 特開2002−079449号公報 特開平9−001491号公報 特開平9−019842号公報 精密工学会誌,No.2,2003「パラレルメカニズムを用いた三次元座標測定機の構成に関する研究」
しかし、この手法を用いても、実際の運動部先端(タッチプローブ)は並進運動に加えて、XYZ各軸周りに3自由度の回転運動を伴うため、機構的なパラメータの同定精度には限界があり、光学素子やその金型を加工するのに適用できる程度の精度を得ることはできない。
このように、従来の研磨装置は、形状創成研磨に必要な装置剛性を確保すると、装置が大型化してしまうという問題があった。
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、形状創成加工に必要な剛性を備え従来よりも小型軽量な構成の曲面加工装置及びそのキャリブレーション方法並びにこの装置で製造した光学素子及び光学素子金型を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明は、第1の態様として、被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によってワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つようにワークテーブルの傾きを制御しつつ、加工工具を走査させる曲面加工装置を提供するものである。このようにすることで、軽量かつ省スペースで安価な曲面加工装置を実現できる。可動部分の質量が小さいため、低慣性であり、角度姿勢制御を行いながらも従来よりも高速で加工できる。
また、上記目的を達成するため、本発明は、第2の態様として、被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によってワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、ワークテーブルの上面に回転テーブルをさらに有し、被加工物を回転させながら加工工具を走査させ、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つようにワークテーブルの傾きを制御することを特徴とする曲面加工装置を提供するものである。このようにすることで、軽量かつ省スペースで安価な曲面加工装置を実現できる。可動部分の質量が小さいため、低慣性であり、角度姿勢制御を行いながらも従来よりも高速で加工できる。さらに、軸対称な曲面を高速・高精度に容易に加工できる。
上記本発明の第1の態様又は第2の態様においては、球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で被加工物と圧接する加工工具と被加工物との接触圧を一定に保つとともに、加工工具の走査速度を制御することにより被加工物に対する加工量を調整することが好ましい。小径工具を点接触状態で作用させることにより、数mm波長のうねりやリップル成分を滞留時間制御で動的に除去できる。これにより、従来機のように工具を大面積で作用させ、その粘性及び弾性を利用して平均化する必要が無くなるため、加工効率や精度を向上させられる。
これに加えて、加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給されることがより好ましい。これにより、横軸姿勢での研磨において「工具の浮き上がり」を抑制し、安定した加工精度を長時間維持できる。
または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、ウレタン、クロロプレンゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ABS樹脂及びメラニン樹脂のいずれかを主成分とする結合材中に研磨材としての砥粒を含有するレジン砥石であり、被加工物へ付勢されることによって該被加工物への切り込み量が与えられることが好ましい。このようにすれば、「点接触+遊離砥粒」の研磨では能率が低いガラスやセラミックといった硬脆性材料に対しても、面品位を確保しつつ、砥粒径増加・工具周速増加が可能となり、加工能率が向上する。
または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、研磨材としての砥粒を含む流体を噴射するノズルであり、被加工物の表面に砥粒を衝突させて該被加工物の加工面表層を除去することが好ましい。このようにすれば、工具の摩耗や経時変化が問題とならなくなるため、長時間の加工が必要となる大面積ワークに対しても高精度な加工が可能となる。
これに加えて、加工工具の走査速度を変えることにより、被加工物の加工面の除去深さを変化させることがより好ましい。
または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させることが好ましい。このようにすれば、曲面上に回折パターンを容易に形成できる装置を、軽量・省スペースで安価に実現できる。また、従来機と比較して駆動部の質量が小さく低慣性であるため、ワークテーブルを高速に移動でき、加工効率を向上させることができる。
または、上記本発明の第1の態様又は第2の態様において、加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、切り込み方向の軸周りに回動可能な回転位置決め機構を有し、被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させるとともに、該加工工具の走査方向と該加工工具のすくい面とのなす角度を回転位置決め機構によって制御することが好ましい。このようにすれば、曲面上に回折パターンを容易に形成できる装置を、軽量・省スペースで安価に実現できる。また、従来機と比較して駆動部の質量が小さく低慣性であるため、ワークテーブルを高速に移動でき、加工効率を向上させることができる。さらに、切り込み方向とワーク加工点での法線とを一致させる姿勢制御と、すくい面の為す角度θを制御するすくい面角度制御をワークテーブル側と工具ヘッド側とで別個に行えるため、それぞれの制御指令を別々に導出できることに加え、それぞれの制御もシンプルな手順で行える。
また、上記目的を達成するため、本発明は、第3の態様として、上記本発明の第1の態様又は第2の態様のいずれかの構成にかかる曲面加工装置におけるパラレルリンク機構のキャリブレーション方法であって、ワークテーブル上に球面原器をクランプし、ベースプレートに対するワークテーブルの変位を検出する変位センサと、球面原器表面の傾きを検出するコリメータとを配置し、該コリメータの光軸が球面原器表面と直交する姿勢を維持しつつ該球面原器表面に対して走査するようにワークテーブルを動作させて、該ワークテーブルの実変位及びこれに同期した球面原器表面の光軸に対する傾きデータを取得し、これらの値に基づいてパラレルリンク構造の位置制御パラメータを同定することを特徴とするパラレルリンク構造のキャリブレーション方法を提供するものである。このようにすれば、パラレルリンク駆動源から出力端であるワークテーブルまでを連結する構成部材の実寸法と位置とを正確に同定できる。よって、従来機と比較して位置決め精度を飛躍的に高めることができる。
また、上記目的を達成するため、本発明は、第4の態様として、上記本発明の第1の態様又は第2の態様のいずれかの構成にかかる曲面加工装置を用いて形成した光学素子を提供するものである。これにより、光学素子を安価に提供できる。
また、上記目的を達成するため、本発明は、第5の態様として、上記本発明の第1の態様又は第2の態様のいずれかの構成にかかる曲面加工装置を用いて形成した光学素子金型を提供するものである。これにより、光学素子金型を安価に提供できる。
本発明によれば、形状創成加工に必要な剛性を備え従来よりも小型軽量な構成の曲面加工装置及びそのキャリブレーション方法並びにこの装置で製造した光学素子及び光学素子金型を提供できる。
〔発明の特徴〕
光学面を形成するための入れ子駒は、成形用金型としては小さく、軽量であることから、本発明においてはパラレルリンク機構をワークテーブルの移動機構として用い、ワークテーブル側のみの運動によって走査及び傾斜姿勢制御する構成とした。また、ワークを運動させる構造としては、ベースプレートとワークを固定するワークテーブルとを複数本の伸縮可能なストラッドで連結したパラレルリンク機構を採用し、これと荷重制御機構を持つ研磨ヘッドとを連結する構成とした。
また、パラレルリンクの機構的なパラメータを正確に同定するため、ワークステージの移動量を平行移動成分と回転移動成分とに正確に分離して取得する手段を設けることにより位置決め精度を向上させている。
このような構成とすることにより、従来では実施困難であった、パラレルリンク機構を用いた光学素子加工装置を実現した。
なお、ワーク自体の運動を、直交3軸と回転2軸との組合せによって行うことで、従来機に比べて、2倍以上の加速度でワークを運動させることが可能となる。例えば、研磨機としての使用時の送り速度の上限は、従来機では300mm/minであったが、本発明では1000mm/minまで高速化することが可能となる。
さらに、従来機においては、装置振動が発生しない範囲での工具の最大走査速度を求め、これを前提にして滞留時間制御用のNCデータを生成していたが、本発明においては、最大工具走査速度を2倍に設定可能となったため、滞留時間制御での走査速度を全体的に高めて研磨加工時間を従来機よりも大幅に短縮できる。
またさらに、本発明では余分な並進運動を伴わずに、加工点法線に合わせて工具を任意の傾きで接触させることができる。
従来機ではスライドストロークに十分な余裕を持たせるために装置が大型化していたが、本発明ではそのような無駄を省くことができ、リンク機構の効果も相まって従来加工装置に比べて大幅な小型化が可能であり、低コスト及び省スペース化が可能である。
このような特徴を有する本発明の好適な実施の形態について以下に説明する。
〔第1の実施形態〕
本発明を好適に実施した第1の実施形態について説明する。図1に、fθレンズの金型を研磨加工している状態を示す。研磨工具1は、タイヤ形状を有し、不図示の加圧機構がZ軸方向に発生させている研磨荷重(0.98N)によってfθレンズ金型2に押しつけられている。研磨工具1は、不図示のモータによって回転駆動され、Y方向である紙面垂直方向に走査され、fθレンズ金型2の外縁近傍でX方向に微小量移動し、再びY方向へ走査するという動作を繰り返すことで加工面全域を走査していく。研磨工具1は、木粉を樹脂で固めたものであり、加工点において弾性変形を生じることによりφ0.8程度の接触領域を備える。研磨工具1自体は研磨剤となる砥粒を含まないため、fθレンズ金型2の被加工面には1/4μm粒径のダイヤモンドペーストが均等な厚さで塗布されており、研磨工具1の回転と走査とによって砥粒が徐々に巻き込まれながら供給されるようになっている。
図3に、研磨工具及びその加圧機構の構成を示す。研磨工具1を駆動するスピンドルモータ15は、可動ブロック11に固定されている。可動ブロック11は、空気静圧スライド12に沿ってZ軸方向に移動可能となっており、Z軸方向の移動量は、リニアスケール14によって視認可能となっている。
加工点における法線と研磨荷重方向であるZ軸とを常に一致させるために、ストラッド31の伸縮動作によってワークテーブル34の傾斜姿勢が制御され、これによりfθレンズ金型2の傾斜姿勢も制御される。なお、ここではストラッドが6本の構成を例にするが、この本数は任意である。各ストラッド31は、ベース側ユニバーサルジョイント32とワークテーブル側ユニバーサルジョイント34とによって加工機ベッド37及びワークテーブル34にそれぞれ固定されている。
ストラッド31の伸縮動作は、上記の工具走査軌跡を発生させるように、ワークの平行移動的な運動を合わせて発生している。
形状創成のために工具走査速度を加減速するとともに、滞留時間を制御する。
従来機では、工具走査速度上限200mm/minを常用域としていたが、本実施形態においては、傾斜制御を伴う工具走査速度の上限を400mm/minまで高めた。これにより、滞留時間制御NCデータで0.3〜1.2sec/mm(F200〜50)の加工条件を0.15〜1.05sec/mm(F400〜57)の条件にシフトすることが可能となり、工具走査1mm当たり、0.15secの加工時間短縮が為されるため、走査距離2000mm程度のfθレンズ金型の加工においては、加工時間を約50分短縮できる。
このように、本実施形態にかかる曲面加工装置は、省スペース化、低コスト化する利点に加え、加工時間の短縮という効果も得られる。
〔第2の実施形態〕
本発明を好適に実施した第2の実施形態について説明する。図2に、本実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す。本実施形態にかかる曲面加工装置は、軸対称である共軸非球面の研磨をも行えるように構成している。
ここでは、第1の実施形態と同様に、ストラッド31を6本備える構成を例とする。基本的な構成は第1の実施形態にかかる曲面加工装置と同様であるが、本実施形態においては、ワークテーブル34の上にターンテーブル35をさらに備えている。なお、図1においては不図示であったロードセル16は、研磨工具に研磨荷重を付与するための装置である。
共軸非球面の形状誤差は、曲率誤差といった誤差量自体が軸対象成分を持つものと、そうではないアス成分とに区別できる。
ターンテーブル35を用いて回転対称成分を修正することにより、滞留時間制御のNCデータは、fθレンズの場合のラスタ走査タイプに比べて極めて簡素化でき、工具走査のための機械的な運動が少なくて済むため、加工精度も高められる。
〔第3の実施形態〕
本発明を好適に実施した第3の実施形態について説明する。図4に示す本実施形態にかかる曲面加工装置は、第2の実施形態における研磨工具1の部分を、砥粒を高速で噴射する高速噴射ノズル41で置き換えたものである。
砥粒としては、粒径が数μmからサブミクロン程度のアルミナ又はSiCを用いる。砥粒は、搬送空気流によって砥粒供給路43から供給され、噴射用の高圧空気は高圧空気供給路44から供給される。砥粒と高圧空気とは、混合流体42として高速噴射ノズル41から被加工物である共軸非球面レンズ金型22の加工面上へ噴射される。
このとき、砥粒の衝突エネルギーによって被加工物の加工面の表層が除去されていく。加工深さは、研磨の場合と同様で、工具の滞留時間に比例する特性を持つ。このため、上記実施形態と同様に、滞留時間の制御によって高精度な形状創成が可能である。
なお、加工方式上砥粒が飛散しやすいため、加工装置の摺動部には、砥粒の侵入を防ぐ防塵カバー36が設けられている。
共軸非球面レンズ金型22を自転させつつ高速噴射ノズル41の向きを加工点法線と一致させ、外周から中心に向かって走査してゆくことで、共軸非球面レンズ金型22の加工面全域を加工できる。
〔第4の実施形態〕
本発明を好適に実施した第4の実施形態について説明する。図5に、本実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す。
本実施形態にかかる曲面加工装置は、第2の実施形態における研磨工具1の部分を、単結晶ダイヤモンドバイト51で置き換えた構成である。ダイヤモンドバイト51は、回転制御機構52によって、回転駆動されるとともに位置決めがなされる。
共軸非球面レンズ金型22を自転させつつ、その表面に単結晶ダイヤモンドバイト51で切り込むことで同心円状の溝を形成する。単結晶ダイヤモンドバイト51は、剣先状でその先端の丸まりはR=1μm以下、先端角は91°である。また、切り込み方向は、図5中のZ軸方向であり、上記各実施形態と同様に、共軸非球面レンズ金型22の外周から中心へ向かって単結晶ダイヤモンドバイト51を走査していくことで加工面全域を加工する。
工具を接触させたまま走査すると渦巻き状の溝が形成されるため、定位置で切り込んだ後、一旦工具をワークから離し、共軸非球面レンズ金型22の回転半径方向に微少量移動し、底を定位置として切り込み動作を繰り返すことによって、曲面上に同心円状の溝を形成する。
工具の接触点における法線と切り込み方向であるZ軸との為す角は、任意に設定でき、一定角に保つことも、回転半径に応じて変化させることも可能である。
図6に、共軸非球面レンズ金型22の表面に同心円状のV字溝22aを形成した状態を示す。
図7に、V溝の開き角度を高精度に仕上げる手段を示す。単結晶ダイヤモンドバイト51はワークの自転によってワーク表面に対して工具軌跡55を形成する。このような円弧又は曲線の軌跡において、任意の位置における工具の進行方向は、その工具の軌跡の接線に等しい。図7ので、工具軌跡の接線53とすくい面とが為す角をθとするとき、θ=90°の時はダイヤモンドバイト51の先端角α0が、そのままの大きさで正確にワークへ作用することとなる。
図9に、パラレルリンク機構制御パラメータ同定のためのキャリブレーション動作を示す。制御パラメータとは、ストラッド31の実際の長さや実際のジョイント位置(ベース側ユニバーサルジョイント32及びワークテーブル側ユニバーサルジョイント33)が相当し、パラレルリンク駆動源から出力端であるワークテーブル34までを連結する構成部材の実寸法と位置とを指している。これが現物通り正確に同定できれば、従来10ミクロン程度が限界とされてきた位置決め精度を飛躍的に高めることが可能となる。
ここでは、第3の実施形態や第4の実施形態にかかる曲面加工装置のフレームに適用する場合について説明したが、オートコリメータ61を配置することで第2の実施形態にかかるの曲面加工装置のフレームにも適用可能である。
オートコリメータ61は。光軸がZ軸と平行になる姿勢でコラム87に取り付けられている。オートコリメータの対物レンズ62の光軸は、第3の実施形態及び第4の実施形態における高速噴射ノズル41やダイヤモンドバイト51の中心線とほぼ一致する位置関係にある。
光軸の延長線と被加工面との交点をPとし、P点における法線ベクトルnを図示する。ワークテーブル34にクランプされている球面原器64は、ガラス製であり曲率半径が100mm、直径はφ80mmである。球面原器64は、実際の加工物の近似曲率半径に極力近いものが用いられる。
ダブルボールバー67は、ワークテーブル34の加工機ベッド38に対する相対変位を検出するためのセンサである。このセンサでは、ワークテーブル34の傾きを含まない平行移動成分を検出している。ダブルボールバー67の移動球の曲率中心(図9中の点Q)と球面原器64との位置関係は、三次元測定機によって事前に正確に取得されている。この位置情報から、点Pにおける法線ベクトルn63と光軸とが一致した際のダブルボールバー67の位相角ω及び伸縮長さLのそれぞれの理論値であるωthとLthトを求めることができる。ここでの位相角ωとは、加工機ベッド37側の移動球の中心(図9中の点O)とワークテーブル34側の移動球の中心(点Q)とを結んだ線分OQをXY平面に投影した線がX軸と為す角度である。
現状のパラレルリンク機構のパラメータにおいて、加工領域全域をカバーするようにオートコリメータスポットを走査し、各位置でのωとLとをダブルボールバー67から取得する。オートコリメータ61は、その光軸がXY平面と直交するようにセットされているため、角度姿勢誤差β、γを取得できる。γは、オートコリメータ61の光軸と、光軸上の点Pにおける法線がなす角度であり、γはその位相角を示している。位相角γとは、先のωと同様に、法線ベクトルn63をXY平面に投影した線がX軸と為す角度である。
図10に、位相角の位置関係を示す。オートコリメータ61の光軸とZ軸とは平行であるため、Z軸を光軸と見なすことができる。
位相角ω及び伸縮長さLの実測値と理論値とからズレ量Δω、ΔLを求め、β、γ、Δω、ΔLの四つの誤差成分が評価域全域においてなるべく小さくなるようにパラレルリンク機構パラメータを同定する。この作業においては、リンク構造から解析式を導出しておけば、電子計算機を用いた収束演算によって、人手をかけることなく自動で最適パラメータを求められる。
解析式自体も平行移動成分を示すΔω及びΔLと回転姿勢成分を示すβ及びγに分離されているため、より簡単な構成とすることができ、収束演算における計算量も比較的少量に抑えられる。
凹面となる曲面上に図6に示すような同心円状のブレーズパターンを形成する場合加工方法を図11に示す。剣先形状のダイヤモンドバイトで切り込むとともに、被加工面を自転させて加工することが一般的である。ここではV溝用のバイトを用いているが、実際にダイヤモンド工具を制作する上で誤差なくねらいの先端角に作り込むことは困難である。このため、工具先端角誤差を補正する必要がある。図11において、すくい面のなす角をθ=90°としたとき、形成されるV溝の開き角をα0とする。θの角度を減少又は増加させて90°から離していくと、工具先端角はα0→α1のように小さく作用することとなる。
予め工具先端角を大きめにして工具を製作しておき、加工時にθを調整することで、より正確な開き角を持つV溝を形成できる。
本実施形態においては、回転位置決め機構52によって工具軌跡に合わせてθを正確に制御可能である。このため、工具走査とθとを同時制御することで、同心円のみならずそれ以外の任意の曲線溝加工において、V溝の開き角を数秒の誤差で正確に形成可能である。
なお、上記各実施形態は、本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはない。
例えば、上記各実施形態においては、加工工具の一例として、回転工具やダイヤモンドバイトをあげたが、本発明はこれら以外の加工工具を用いる装置にも適用可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。
本発明は、加工面に対して小径の研磨工具をトラバースし、被加工面の形状誤差を修正する研磨加工法全般に適用可能である。平面及び曲面の光学素子並びにその金型の形状修正加工、又は切削工具に適用することで、曲面を持つ回折パターンの加工や、フレネルレンズの加工等を容易に行える。
本発明を好適に実施した第1の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第2の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。 加圧機構の構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第3の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第4の実施形態にかかる曲面加工装置の構成を示す図である。 共軸非球面レンズ金型の外観を示す図である。 工具の動きと加工面との関係を示す図である。 ゴニオステージを用いた曲面加工装置の構成を示す図である。 パラレルリンク機構制御パラメータ同定のためのキャリブレーション動作を示す図である。 加工面の法線ベクトルと位相角との関係を表す図である。 曲面上にブレイズパターンを形成する場合の工具の動きを示す図である。
符号の説明
1 研磨工具
2 fθレンズ金型(入れ子)
11 可動ブロック
12 空気静圧スライド
13 研磨荷重制御用エアシリンダ
14 リニアスケール
15 スピンドルモータ
16 ロードセル
22 共軸非球面レンズ金型(入れ子)
31 ストラッド
32 ベース側ユニバーサルジョイント
33 ワークベース側ユニバーサルジョイント
34 ワークテーブル
35 ターンテーブル
36 防塵カバー
37 加工機ベッド
41 高速噴射ノズル
42 砥粒
43 砥粒供給路
44 高圧空気供給路
51 ダイヤモンドバイト
51a バイトのすくい面
52 回転位置決め機構
53 工具軌跡の接線
55 工具軌跡
61 オートコリメータ
62 オートコリメータの対物レンズ
63 P点における法線ベクトル
64 球面原器
65 移動球の球面座
66 移動球
67 伸縮バー
68 固定球
69 固定球の球面座
101 固定ベース
102 片持ち支持部材
103 コロ軸受付きダイレクトドライブモータ
104 スインガ
106 サブスインガ(ゴニオステージ)
107 マグネットベッド
108 揺動角規制センサ
110 研磨対象部材

Claims (12)

  1. 被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によって前記ワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、
    前記被加工物の加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つように前記ワークテーブルの傾きを制御しつつ、前記加工工具を走査させることを特徴とする曲面加工装置。
  2. 被加工物を載置するワークテーブルとベースプレートとが複数本の伸縮可能な棒状部材で連結され、該棒状部材の伸縮及び旋回によって前記ワークテーブルの位置と傾きとを制御するパラレルリンク機構を備えた曲面加工装置であって、
    前記ワークテーブルの上面に回転テーブルをさらに有し、前記被加工物を回転させながら加工工具を走査させ、前記被加工物の前記加工工具との接点における法線と該加工工具とが為す角度を一定に保つように前記ワークテーブルの傾きを制御することを特徴とする曲面加工装置。
  3. 球状又は樽状で弾性を備え加工時には弾性変形を生じて微小面積で前記被加工物と圧接する加工工具と前記被加工物との接触圧を一定に保つとともに、前記加工工具の走査速度を制御することにより前記被加工物に対する加工量を調整することを特徴とする請求項1又は2記載の曲面加工装置。
  4. 前記加工工具は、樹脂材料を主成分とする多孔質構造であり、研磨材としての砥粒は、加工時に外部から供給されることを特徴とする請求項3記載の曲面加工装置。
  5. 前記加工工具は、ウレタン、クロロプレンゴム、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ABS樹脂及びメラニン樹脂のいずれかを主成分とする結合材中に研磨材としての砥粒を含有するレジン砥石であり、前記被加工物へ付勢されることによって該被加工物への切り込み量が与えられることを特徴とする請求項1又は2記載の曲面加工装置。
  6. 前記加工工具は、研磨材としての砥粒を含む流体を噴射するノズルであり、前記被加工物の表面に前記砥粒を衝突させて該被加工物の加工面表層を除去することを特徴とする請求項1又は2記載の曲面加工装置。
  7. 前記加工工具の走査速度を変えることにより、前記被加工物の加工面の除去深さを変化させることを特徴とする請求項6記載の曲面加工装置
  8. 前記加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、前記被加工物の前記加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させることを特徴とする請求項1又は2記載の曲面加工装置。
  9. 前記加工工具は、単結晶のダイヤモンドバイトであり、切り込み方向の軸周りに回動可能な回転位置決め機構を有し、
    前記被加工物の前記加工工具との接点における法線と該加工工具の切り込み方向とを一致させるとともに、該加工工具の走査方向と該加工工具のすくい面とのなす角度を前記回転位置決め機構によって制御することを特徴とする請求項1又は2記載の曲面加工装置。
  10. 請求項1から9のいずれか1項記載の曲面加工装置におけるパラレルリンク機構のキャリブレーション方法であって、
    前記ワークテーブル上に球面原器をクランプし、前記ベースプレートに対する前記ワークテーブルの変位を検出する変位センサと、前記球面原器表面の傾きを検出するコリメータとを配置し、
    該コリメータの光軸が前記球面原器表面と直交する姿勢を維持しつつ該球面原器表面に対して走査するように前記ワークテーブルを動作させて、該ワークテーブルの実変位及びこれに同期した前記球面原器表面の光軸に対する傾きデータを取得し、
    これらの値に基づいて前記パラレルリンク構造の位置制御パラメータを同定することを特徴とするパラレルリンク構造のキャリブレーション方法。
  11. 請求項1から9のいずれか1項記載の曲面加工装置を用いて形成された光学素子。
  12. 請求項1から9のいずれか1項記載の曲面加工装置を用いて形成された光学素子金型。
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