JP2006239796A - Vitreous carbon machining method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非球面ガラスレンズなどの光学デバイスのガラス成形用型材料として用いられるガラス状カーボンの加工方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for processing glassy carbon used as a glass molding mold material for optical devices such as aspherical glass lenses.
DSC,DVD等の光学デバイスに用いられる非球面ガラスレンズの製造方法として超硬合金型を用いたプレス成形が用いられている。この超硬合金型は、研削加工を用いて任意の形状に加工された後に表面処理を施して用いられるものである。しかしながら、成形時において、ガラス材料と超硬合金型表面との間で付着が生じるなど量産における問題がある。 As a method for producing an aspheric glass lens used in an optical device such as DSC and DVD, press molding using a cemented carbide mold is used. The cemented carbide mold is used after being subjected to surface treatment after being processed into an arbitrary shape using grinding. However, there is a problem in mass production such that adhesion occurs between the glass material and the cemented carbide mold surface during molding.
近年、ガラス状カーボン材料のガラスのプレス成形用型への適用が検討されているが、ガラス状カーボンは、ガラスとの反応性が低く、且つ、高温時において不活性ガス雰囲気中においても、その性質が安定しているという特徴を有しており、ガラスレンズのプレス成形用型材料として期待できるものとされている。 In recent years, application of glassy carbon materials to glass pressing molds has been studied. Glassy carbon has low reactivity with glass, and even in an inert gas atmosphere at high temperatures. It has the characteristic that the property is stable, and is expected to be a mold material for press molding of glass lenses.
従来のガラス状カーボンの加工方法としては、図3に示すような研削加工などの機械加工が挙げられる(例えば、非特許文献1参照)。 As a conventional glassy carbon processing method, machining such as grinding as shown in FIG. 3 can be cited (for example, see Non-Patent Document 1).
図3において、砥石101は回転可能なスピンドルに取り付けられて回転することが可能で、ガラス状カーボンからなる加工材料102は回転ステージ上に設置されており一定速度で回転することができる。また、砥石を保持するスピンドルおよび回転ステージは同時制御可能な加工機ステージ上に設置されており、任意方向へ正確に位置決めすることができる。本加工方法では、砥石101を回転させながら加工材料102に対して切り込むことにより任意形状へ加工していた。
しかしながら、上記従来の技術においては、材料の弾性変形及び塑性変形に基づいた材料の破壊により加工が進行するため、加工時において加工面に対する負荷が大きく、材料の脆性により加工表面に微小な欠陥を生じやすいという問題が生じる。また、ガラス状カーボン材料は、超硬合金と比較した場合、縦弾性係数が低いために加工後の材料の弾性回復量が大きく、所望の形状精度を得ることが難しいという問題もある。 However, in the above prior art, since the processing proceeds due to the destruction of the material based on the elastic deformation and plastic deformation of the material, the load on the processing surface is large at the time of processing, and minute defects are formed on the processing surface due to the brittleness of the material. The problem that it is easy to occur arises. Further, the glassy carbon material has a problem that, when compared with the cemented carbide, the elastic modulus of the material after processing is large because the longitudinal elastic modulus is low, and it is difficult to obtain a desired shape accuracy.
以上の問題により、機械加工によるガラス状カーボン材料の光学デバイス用高精度型加工への適用は難しい状況にあるのが現状である。 Due to the problems described above, it is difficult to apply the glassy carbon material by machining to high-precision machining for optical devices.
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ガラス状カーボンを加工面に欠陥を生じることなく、高精度に加工することが可能なガラス状カーボンの加工方法及び装置を提供することを目的とする。 This invention solves the said conventional subject, and provides the processing method and apparatus of glassy carbon which can process glassy carbon with high precision, without producing a defect in a processing surface. Objective.
本願第1の発明のガラス状カーボンの加工方法は、電解質性溶液をガラス状カーボンの加工物の加工付近に供給しながら、前記加工物に対向して設けられた工具電極と前記加工物に接続された電気回路に電圧を印加することで、前記工具電極を前記加工物に対して送り込むことにより前記加工物を電気化学的に加工することを特徴とするものである。 The glassy carbon processing method according to the first invention of the present application is connected to a tool electrode provided facing the workpiece and the workpiece while supplying an electrolyte solution in the vicinity of the processing of the glassy carbon workpiece. The workpiece is electrochemically processed by feeding the tool electrode to the workpiece by applying a voltage to the formed electric circuit.
本加工方法によれば、電解質溶液中で工具電極と被加工物であるガラス状カーボンとの間に電圧を印加すると、与えられた電気エネルギーにより加工液中のイオンと被加工物との間で化学反応が生じ高精度な加工が可能となる。 According to this processing method, when a voltage is applied between the tool electrode and the glassy carbon that is the workpiece in the electrolyte solution, the given electrical energy causes the ions in the machining fluid to be between the workpiece and the workpiece. A chemical reaction occurs and high-precision processing becomes possible.
また、本願第2の発明のガラス状カーボンの加工装置は、電解質性溶液をガラス状カーボンの加工物の加工付近に供給する供給手段と、工具電極をその軸芯回りに回転駆動可能に保持するマンドレルと、前記加工物を保持する保持手段と、前記工具電極に対して被加工物を移動及び位置決めするステージと、前記工具電極と前記被加工物との間に電圧を印加することが可能な電気回路とを備えたガラス状カーボンの加工装置であって、前記電気回路に流れる電流をモニタリングしながら印加する電圧を直流電圧と任意の時間幅のパルス電圧に任意に切り替える制御手段を有することを特徴とするものである。 Further, the glassy carbon processing apparatus according to the second invention of the present application holds the supply means for supplying the electrolyte solution to the vicinity of the processing of the glassy carbon workpiece, and the tool electrode so as to be rotationally driven around its axis. A voltage can be applied between the tool electrode and the workpiece, a mandrel, holding means for holding the workpiece, a stage for moving and positioning the workpiece relative to the tool electrode, and An apparatus for processing glassy carbon provided with an electric circuit, comprising a control means for arbitrarily switching a voltage applied while monitoring a current flowing through the electric circuit to a DC voltage and a pulse voltage having an arbitrary time width. It is a feature.
本加工装置によれは、加工中の電流をモニタリングすることで単位時間当たりの反応量を検知することが可能となり、反応状態に応じて与えるエネルギーを変化させることで、高精度な加工が可能となる。 According to this processing device, it is possible to detect the amount of reaction per unit time by monitoring the current during processing, and it is possible to perform highly accurate processing by changing the energy given according to the reaction state. Become.
以上のように、本願第1の発明のガラス状カーボンの加工方法によれば、被加工物が電気化学反応により加工されるため、加工時の材料への負荷が極めて小さく、被加工面上に脆性破壊を生じることなく高精度な鏡面を有する加工が可能となる。 As described above, according to the glassy carbon processing method of the first invention of the present application, since the workpiece is processed by an electrochemical reaction, the load on the material at the time of processing is extremely small, and on the processing surface. Processing with a highly accurate mirror surface is possible without causing brittle fracture.
また、本願第2の発明のガラス状カーボンの加工装置によれば、加工中の電流をモニタリングすることで単位時間当たりの反応量を検知することが可能となり、反応状態に応じて与えるエネルギーを変化させることで、被加工物の高精度な加工が実現できる。 Further, according to the glassy carbon processing apparatus of the second invention of the present application, it becomes possible to detect the reaction amount per unit time by monitoring the current during processing, and change the energy given according to the reaction state. By doing so, high-precision machining of the workpiece can be realized.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
本発明の加工方法の実施の形態1について、図1を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
図1は、実施の形態1に係る加工装置の概略図であり、同図において、201は加工装置であり、水平方向で互いに直交するX軸方向とY軸方向に移動及び位置決め可能なXYステージ202上に、水平方向に対して垂直なZ軸方向に移動及び位置決め可能なZステージ203が配置されている。Zステージ203上には、工具電極204を保持する回転駆動可能なマンドレル205がV軸受け206により保持され、Oリング207を介してモーター208により回転できるように構成されている。また加工材料209は、XYステージ202上に保持されている。
FIG. 1 is a schematic diagram of a processing apparatus according to the first embodiment. In FIG. 1,
また、工具電極204を保持するマンドレル205と加工材料209との間には、抵抗210を介して電源211により電圧を印加できるように接続されている。更に、加工装置201は、工具電極204と加工材料209が近接する加工点付近へノズル212を介して電解質溶液を供給できるように構成されている。
Further, a
以上の構成において、加工材料209は、工具電極204と加工材料209が近接する加工点近傍に配置されたノズル212から電解質溶液が供給されると共に、電源211により工具電極204と加工材料209との間に印加された電圧によって駆動されるモーター208にて工具電極204を回転させながら送り込まれることにより加工される。
In the above configuration, the machining material 209 is supplied with an electrolyte solution from the nozzle 212 disposed in the vicinity of the machining point where the
このとき、加工材料209の穴形状を加工する場合は、工具電極204をZ方向に送り込むが、XYステージ202を工具電極204の送り込みと同期させて駆動し、工具電極204を加工材料209上で走査させることにより任意の形状を加工することが可能となる。
At this time, when machining the hole shape of the work material 209, the
本実施の形態1の加工方法においては、工具電極204と加工材料209との間に電圧を印加して電気的なエネルギーを与えることにより、加工液中のイオンと加工材料209との間で反応が生じて加工が進行する。加工材料209は、電気化学反応により加工されるため、加工時の負荷が極めて小さく加工材料209面上に脆性破壊を生じることなく高精度な鏡面の加工が可能となる。
In the machining method according to the first embodiment, a voltage is applied between the
また、工具電極204の材料としてタングステンまたはチタンを用いると、夫々の材料の電解質溶液に対する耐食性の高さにより加工時における工具消耗が殆どなく、加工材料209を高精度に加工することができる。
Further, when tungsten or titanium is used as the material of the
また、加工液として脱イオン水を用いると、工具電極204とワーク間の極めて限られた範囲でのみ水の電気分解反応による水素イオンと水酸化物イオンが発生することから、電気化学反応が生じる範囲を限定することが可能となり、加工精度を向上することが可能となる。
In addition, when deionized water is used as a working fluid, an electrochemical reaction occurs because hydrogen ions and hydroxide ions are generated by water electrolysis only in a very limited range between the
具体的な加工例としては、工具電極204として直径50μmのタングステン電極を用い、電解質溶液としては脱イオン水を用い、更に、工具電極204と加工材料209であるガラス状カーボンとの間に70Vの電圧を印加して送り速度30μm/secで工具電極204を加工材料209に送り込んだ結果、直径が64μmで加工面が極めて滑らかな穴を加工することができた。
As a specific processing example, a tungsten electrode having a diameter of 50 μm is used as the
通常の回転工具による機械加工では、脆性破壊により加工面上に微小な欠陥を生じるが、本実施の形態1の加工方法によれば、加工が電気化学反応により進行するため加工面上に欠陥のない高精度な加工を実現することができる。 In machining with a normal rotary tool, microscopic defects are generated on the processed surface due to brittle fracture. However, according to the processing method of the first embodiment, since the processing proceeds by an electrochemical reaction, defects on the processed surface are generated. Highly accurate machining can be realized.
(実施の形態2)
本発明の加工方法の実施の形態2について、図1及び2を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態1と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
(Embodiment 2)
A second embodiment of the processing method of the present invention will be described with reference to FIGS. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, description thereof is omitted, and only differences are described.
本実施の形態2は、従来の技術に比べ、より高精度な加工を目標としたものであり電源211としてパルス電圧を発生することができる電源を用いるものである。このパルス電源211は、図2に示すように、数十ナノsec程度のパルス幅301を設定電圧302で一定周期間隔303にて発生することが可能である。
The second embodiment is aimed at higher-precision machining than the conventional technique, and uses a power source capable of generating a pulse voltage as the power source 211. As shown in FIG. 2, the pulse power supply 211 can generate a
本実施の形態2に係る加工法は、加工材料209の加工が電気化学的に進行するため、反応量は工具電極204と加工物209との間に印加する電圧と時間により決定される。従って、直流電源を用いた加工法では反応量を制御することが難しく、加工物209の加工面にうねりが生じるという問題があるが、工具電極204とワーク間に印加する電圧をパルス化することにより、単位時間当たりの反応量を小さくすることが可能となり、加工精度を向上することができる。
In the processing method according to the second embodiment, since the processing of the processing material 209 proceeds electrochemically, the reaction amount is determined by the voltage and time applied between the
具体的な加工例としては、直径250μmの円柱形状電極の底面を用いて、単位切り込み量を0.5μm、送りピッチを100μm、工具送りの速度を100mm/minの条件の平面加工において、まず、直流電源を用いて加工開始し、回路に流れる電流をモニタリングしながら電流値が既定値以下となった時点で印可する電圧を周期2μsecのパルス幅50nsecで70Vのパルス電圧へと変更し、最終の切り込み加工を以上の条件で加工した結果、加工面粗さとして18nmRzの鏡面を有する平面を加工することができた。 As a specific processing example, using a bottom surface of a cylindrical electrode having a diameter of 250 μm, in plane processing with a unit cut amount of 0.5 μm, a feed pitch of 100 μm, and a tool feed speed of 100 mm / min, Start processing using a DC power supply, change the applied voltage to 70V pulse voltage with a pulse width of 50nsec with a period of 2μsec while monitoring the current flowing through the circuit, and the final value. As a result of the cutting process performed under the above conditions, a flat surface having a mirror surface of 18 nmRz as the processed surface roughness could be processed.
本発明のガラス状カーボンの加工方法及び装置は、ガラス状カーボンを加工面に欠陥を生じることなく高精度に加工することが可能となる技術であり、特に非球面ガラスレンズなどの光学デバイスのガラス成形用型材料の加工に適用することができる。 The glassy carbon processing method and apparatus according to the present invention is a technique that enables glassy carbon to be processed with high accuracy without causing defects on the processed surface, and particularly glass for optical devices such as aspherical glass lenses. It can be applied to the processing of molding mold materials.
201 加工装置
202 XYステージ
203 Zステージ
204 工具電極
205 マンドレル
206 V軸受け
207 Oリング
208 モーター
209 加工材料
210 抵抗
211 電源
212 ノズル
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記電気回路に流れる電流をモニタリングしながら印加する電圧を直流電圧と任意の時間幅のパルス電圧に任意に切り替える制御手段を有すること
特徴とするガラス状カーボンの加工装置。 Supply means for supplying an electrolytic solution to the vicinity of the processing of the glassy carbon workpiece, a mandrel for holding the tool electrode so as to be rotatable about its axis, a holding means for holding the workpiece, and the tool electrode A glassy carbon processing device comprising a stage for moving and positioning a workpiece relative to the workpiece, and an electric circuit capable of applying a voltage between the tool electrode and the workpiece,
An apparatus for processing glassy carbon, comprising control means for arbitrarily switching a voltage to be applied to a DC voltage and a pulse voltage having an arbitrary time width while monitoring a current flowing through the electric circuit.
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