JP2006289566A - マイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法及び研削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形面に所定の曲率半径、面精度等を有する球形状の凹部を高精度かつ均一に研削加工する。
【解決手段】ワークを取り付ける主軸７と、主軸７に対して傾斜配置可能な研削スピンドル９と、研削スピンドル９に取り付けた研削砥石１３と、研削砥石１３をワークに押し当て、主軸７とワークの加工中心との距離を略一定にした状態で、研削砥石１３をワークと略一体的に旋回移動させる研削スピンドルホルダー１２と、加工された球形状の凹部の寸法精度を測定するセンサ３５とを備え、センサ３５による測定結果を、制御部３６を介して回転テーブル１０にフィードバックし、研削スピンドル９の傾きを補正する。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロレンズ用の球形状の凹部又は凸部を形成したマイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法及び研削加工装置に関する。

マイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法として、ポンチによる圧力転写や高精度なダイヤモンドバイトを用いた工具転写などが提案されている。しかし、いずれにおいても、プラスチック成形用に用いられる金属材料への加工は可能であっても、ガラス成形型に用いられる超硬合金やセラミックス等の脆性材料には適さない加工法である。

このため、脆性材料への加工は、一般に研削加工が行われており、３次元研削加工装置を用いてフライアイレンズ形状に沿って成形面の全面を走査させる加工方法も知られているが、膨大な加工時間がかかる等の課題もある。そこで、この課題解決のため以下の加工法が提案されている。

例えば、特許文献１に記載されている研削加工方法では、回転する加工機主軸と、この加工機主軸の端部に設けられ回転軸に対して直交する２方向に移動可能でワークを保持するスライドテーブルと、ワークに対して相対的に接離方向に移動自在な切削工具とを備え、ワークの加工中心を任意に移動させて研削加工することを繰り返してマイクロレンズアレイの成形型を研削加工するものである。

また、特許文献２に記載されている研削加工方法では、ワークを加工機主軸に取り付け、その加工機主軸の回転軸に対して直角又は傾斜させて設置した研削砥石をワークに押し付け、更に加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を一定に保ちながら、回転するワークの回転と同じ方向に、かつ同じ速度で研削砥石を旋回させて凹面の球面形状を研削加工し、更にワーク上の位置を変えて一連の動作を複数回繰り返すことによりマイクロレンズアレイの成形型を研削加工するものである。
特開平１１−１７９６０１号公報（第３頁、図２） 特開２００４−１４８４５４号公報（第４頁、図１）

しかしながら、前述した従来技術のうち、例えば、特許文献１に記載された技術では、加工機主軸の端面に取り付けられたスライドテーブルの位置決め精度が、マイクロレンズアレイの各アレイ（球形状）のピッチ間隔の誤差となってしまう不具合がある。また、加工時には加工機主軸が回転することから、スライドテーブルの移動位置によっては、重心が移動して加工機主軸の回転バランスが崩れ、加工面精度（粗さ）に影響を与える。よって、この従来技術では、研削加工すべき球形状の曲率半径の値の変化には対応できるが、面精度（粗さ）や各アレイ間のピッチを高精度に位置決めすることは困難であった。

また、特許文献２に記載された技術では、面精度（粗さ）や各アレイ間のピッチを高精度に研削加工可能であるが、円盤状・球状・楕円状のいずれかの砥石を工作物に押付けて研削加工を行うことから、砥石形状（回転半径の大きさ）によって、得られる球形状の曲率半径の値が決定されてしまう。前記砥石形状を所望の回転半径（例えばミクロンレベル）にツルーイング・ドレス（砥石の形状を整えて切れ刃を作る作業）することは困難である。また、加工中の砥石摩耗により、得られる球形状の曲率半径の値が変化する場合には、これに対応することが難しい。すなわち、砥石の切れ刃再生のためにツルーイング・ドレスを行うことで、砥石が初期の回転半径よりも小さくなってしまい、複数個のマイクロレンズアレイの曲率半径の値を高精度かつ均一に加工することは困難であった。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、成形面に所定の曲率半径、面精度等を有する球形状の凹部又は凸部を高精度かつ均一に研削加工することのできるマイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法及び研削加工装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、請求項１に係る発明は、ワークを取り付けて回転する加工機主軸と、
該加工機主軸の回転軸に対し、機体ベース面と略平行な面内で傾斜して配置可能な研削スピンドルと、
該研削スピンドルに取り付けた研削砥石と、を備え、
該研削砥石をワークに押し当て、前記加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を略一定に保持した状態で、ワークに球形状の凹部又は凸部の研削加工を施すべく、ワークと前記研削砥石とを略一体的に前記加工機主軸の回転軸の周りに旋回移動させる、ことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のマイクロレンズアレイの成形型の研削加工装置において、
前記研削砥石は、円柱状又はカップ状の砥石である、ことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、回転する加工機主軸にワークを取り付け、
前記加工機主軸の回転軸に対し、機体ベース面と略平行な面内で傾斜して研削スピンドルを配置し、
該研削スピンドルに取り付けた研削砥石をワークに押し当て、前記加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を略一定に保持した状態で、
ワークと前記研削砥石とを略一体的に前記加工機主軸の回転軸の周りに旋回移動させて、ワークに球形状の凹部又は凸部の研削加工を施す、ことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のマイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法において、
前記球形状の凹部又は凸部の曲率半径を、前記研削砥石径及び前記加工機主軸の回転軸と前記研削スピンドルとの傾斜角度を変えて研削加工することで変更可能とした、ことを特徴とする。

本発明によれば、研削砥石をワークに押し当て、加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を略一定に保持した状態で、ワークと研削砥石とを略一体的に加工機主軸の回転軸の周りに旋回移動させて、これを複数回繰り返すことで、所定の曲率半径、面精度等を有する球形状の凹部又は凸部を高精度かつ均一に研削加工することができる。

また、加工機主軸の回転軸に対し、機体ベース面と略平行な面内で傾斜して配置可能な研削スピンドルの傾斜角度を可変にしたことで、任意の曲率半径の球形状の凹部又は凸部を加工することができる。しかも、加工された球形状の凹部又は凸部の寸法精度を測定するセンサを有し、該センサからの測定信号をフィードバックして、研削スピンドルの傾斜角度を補正することで、砥石摩耗が生じたとしても球形状の凹部又は凸部を高精度かつ均一に研削加工することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、被加工物であるマイクロレンズアレイの成形型１の仕上がり形状を示す斜視図、図２は、マイクロレンズアレイの成形型１の成形面２の正面図である。マイクロレンズアレイの成形型１は、例えば超硬合金を用いており、成形面２には、本実施形態にて対象形状とする球形状（凹面）の穴３が、Ｘ軸方向のピッチΔＸ、Ｙ軸方向のピッチΔＹで、Ｘ軸方向に３個×Ｙ軸方向に３列の計９個が形成されている。そして、これら９個の穴３が夫々レンズ型となる。但し、レンズ型の穴数や配列はこれらに限定されるものではない。

図３は、マイクロレンズアレイの成形型１に、球形状（凹面）の穴３を研削加工する研削装置４０である。この研削装置４０は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向にそれぞれスライド可能なＸ軸テーブル４、Ｙ軸テーブル５、Ｚ軸テーブル６を有し、３軸方向へ移動制御しながら研削加工することができる。また、主軸７を矢印Ｃ方向に回転させるモータ８と、研削スピンドル９を矢印Ｂ方向に旋回させる回転テーブル１０を有している。

このため、研削装置４０は、全体として、スライド可能な前記テーブル４，５，６に加えて、５軸方向に制御可能となっている。成形型１は、ベース１１上のＸ軸テーブル４及びＺ軸テーブル６上に設置されている主軸（加工機主軸）７に固定されている。そして、Ｚ軸方向は主軸７の回転軸７ａと略平行であり、また、Ｘ軸方向は主軸７の回転軸７ａに対して略直交している。

研削スピンドル９は、ベース１１上において、Ｘ軸テーブル４及びＺ軸テーブル６と対向するＹ軸テーブル５及び回転テーブル１０上に設置された研削スピンドルホルダー１２に固定されている。また、Ｙ軸は、Ｘ軸とＺ軸によって形成される平面に対して垂直であり、回転テーブル１０の回転軸１０ａは前記Ｙ軸と略平行である。更に、研削スピンドル９は、回転テーブル１０の回転軸１０ａを中心としてＢ方向に旋回可能な状態に設置されている。前記研削スピンドル９には円柱状の研削砥石１３が取り付けられている。

また、本実施の形態では、研削加工された球形状（凹面）の穴３の寸法精度を測定するセンサ３５と、主軸７の回転軸７ａに対し、機体ベース１１と略平行な面内で傾斜して配置可能な研削スピンドル９と、センサ３５からの測定信号に基づき、研削スピンドル９の回転軸９ａの傾斜角度を演算する制御部３６とを備えている。なお、この制御部３６は、回転テーブル１０の矢印Ｂ方向の回転以外の制御であるＸ軸テーブル４のＸ軸方向の移動、Ｙ軸テーブル５のＹ軸方向の移動、Ｚ軸テーブル６のＺ軸方向の移動、主軸７の矢印Ｃ方向の回転および研削スピンドル９の回転軸９ａに対する研削砥石１３の回転も制御可能となっている。前記センサ３５としては、例えばレーザセンサ等の非接触式センサが用いられるが、必ずしもこれに限るものではない。更に、センサ３５による検出結果は、制御部３６を介して回転テーブル１０にフィードバックされ、研削スピンドル９の回転軸９ａの傾きが補正される。

次に、本実施の形態によるマイクロレンズアレイの成形型１の研削加工方法を説明する。
この研削加工方法は、回転する被加工物（成形型１）に、研削砥石１３の端面を前記回転軸７ａに対して任意の角度に傾けて押し当て、球形状を研削加工するカーブジェネレータ（球面研削機）と同じ作用を用いて研削加工するものである。

図４（ａ）〜（ｄ）に、成形型１の成形面２に１つの球形状（凹面）の穴３を研削加工する工程を示し、図５に、成形面２の正面図を示す。
図４（ａ）〜（ｄ）及び図５において、主軸７の回転軸７ａを中心にモータ８によって成形型１が回転することに同期して、回転している研削砥石１３もＸ軸テーブル４とＹ軸テーブル５を同時制御して円弧状に軌跡を描いて移動する。このとき、成形型１と研削スピンドル９は、略一体的に円弧状に旋回されて、図４（ａ）→図４（ｂ）→図４（ｃ）→図４（ｄ）のように制御され、更に、Ｚ軸テーブル６により穴３の深さ方向に切り込みを与えて研削加工される。この動作を複数回繰り返して、所望の球形状（凹面）の穴３が形成されることになる。

次に、具体例を用いて研削加工工程を説明する。
図２に示す成形面２が研削対象であり、各マイクロレンズの球形状（凹面）の穴３のピッチは、ΔＸ＝１．０ｍｍ、ΔＹ＝１．０ｍｍとし、球形状（凹面）の穴３は、半径＝５．０ｍｍ（Ｒ５．０）としてある。使用する研削砥石１３は、直径がФ５ｍｍのダイヤモンド砥石である。この研削砥石１３を用いて、Ｒ５．０ｍｍの球形状（凹面）の穴３を研削加工するための主軸７の回転軸７ａと、研削スピンドル９の回転軸９ａのなす角度θは次の式によって表される（図６参照）。

Ｓｉｎθ＝Ｄ／２Ｒ・・・（１）
Ｄは砥石直径
Ｒは研削加工する球形状の曲率半径の値
次に、図７に示す成形面２に球形状の穴３ａを１番目として研削加工する。研削スピンドル９は、（１）式より、回転テーブル１０によって主軸７の回転軸７ａに対してθ＝３０°傾け、研削砥石１３の端面及び側面の交わる砥石角１３ａと、球形状の穴３ａの加工中心３ａ'と、を一致するようＸ軸テーブル４及びＹ軸テーブル５にて位置決めする。この状態で、Ｚ軸方向に切り込みを与え、回転している研削砥石１３を、球形状の穴３ａの加工中心３ａ'に押し当てる。このとき、主軸７の回転軸７ａと球形状の穴３ａの加工中心３ａ'との距離を一定に保つように、回転する主軸７と研削砥石１３を同時制御する。こうして、球形状の穴３ａが研削加工される。但し、形成された球形状の穴３ａは、研削砥石１３のツルーイング・ドレス状態、砥石径の測定誤差、研削加工状態等により、必ずしも設計の曲率半径の値にはならないのが通常である。

そこで、穴３ａの近傍に配置されたセンサ３５により、形成された球形状の穴３ａの寸法精度を測定して、基準の寸法精度と比較し、その測定結果を、回転テーブル１０にフィードバックする。この具体例において、例えばセンサ３５にて測定された曲率半径の値が、４．９ｍｍであったとすると、研削スピンドル９の傾きを補正し、曲率半径の値が、５．０ｍｍとなるようにして再度研削加工を行う。

次に、２番目として球形状の穴３ｂの加工中心３ｂ'に研削砥石１３の砥石角１３ａを位置決めして、前記と同様に研削加工する。以下、同様にして、３番目、４番目、・・・と計９個の球形状を研削加工し、マイクロレンズアレイの成形型１が研削加工される。

本実施形態によれば、カーブジェネレータ（球面研削機）と同様な研削加工の作用により、形成される球形状は良好な面粗さと真球度を得ることができ、更には曲率半径の値を可変にできることから、成形面全体にわたり高精度で均一な曲率半径の値を持つ球形状の穴を得ることができる。併せて、前記加工は研削装置４０の軸方向移動のみで位置決めされることから、各々の球形状のピッチ間隔についても高精度なマイクロレンズアレイの成形型１の研削が可能となる。

なお、本実施の形態では、１番目の球形状の穴を研削加工した後、穴寸法の測定結果をフィードバックして補正加工を行い、全ての球形状の穴を研削加工しているが、１番目から全ての球形状の穴を研削したのち、補正を加えて再度全てを研削するように、粗加工→仕上げ加工という形態としても良い。また、被加工物としての成形型１に超硬合金を用いているが、研削加工可能な金型材料であれば良く、更に、例えば鉄系の材料にはＣＢＮ（立方晶窒化ホウ素）砥石を用いることで研削加工を行うことができる。
［第２の実施の形態］
図８は、本実施の形態の成形型の成形面１６の仕上がり形状を示す正面図である。前述した実施の形態と同様に、成形面１６には、球形状（凹面）の穴１４，１５が、Ｘ軸方向に３個×Ｙ軸方向に３列の計９個形成されている。但し、Ｙ軸方向の中央の１列の球形状（凹面）の穴（１４ａ〜１４ｃ）と、その上列及び下列の球形状（凹面）の穴（１５ａ〜１５ｃ）は異なる曲率半径の値となっている。その他の構成は前述した実施の形態と同様である。

次に、具体例を用いて説明する。研削対象は図８に示す成形面１６であり、各マイクロレンズ用の穴のピッチはΔＸ＝１．０ｍｍ、ΔＹ＝１．０ｍｍとし、Ｙ軸方向の中央の１列の球形状（凹面）の穴（１４ａ〜１４ｃ）の曲率半径は５．０ｍｍ（Ｒ５．０）とし、その上列及び下列の球形状（凹面）の穴（１５ａ〜１５ｃ）の曲率半径は５．５ｍｍ（Ｒ５．５）としてある。用いる研削砥石１３は、直径がФ５ｍｍのダイヤモンド砥石である。

前述した研削砥石１３を用いて、Ｒ５．０及びＲ５．５の球形状（凹面）の穴を研削加工する際、主軸７の回転軸７ａと研削スピンドル９の回転軸９ａとの角度θは、前述した実施の形態での式（１）より以下の角度θとなる。

Ｒ５．０の場合；θ＝３０°
Ｒ５．５の場合；θ＝２７．０４°
すなわち、研削スピンドル９を、回転テーブル１０により主軸７の回転軸７ａに対してθ＝３０°傾け、成形面１６に、Ｒ５．０の球形状（凹面）の穴１４ａ〜１４ｃを研削加工する。次いで、研削スピンドル９の角度をθ＝２７．０４°に傾けて、上列及び下列の２列を、Ｒ５．５の球形状（凹面）の穴１５ａ〜１５ｃに加工する。こうして、成形面１６に球形状（凹面）の穴１４，１５を有するマイクロレンズアレイの成形型３１が研削加工される。

本実施形態によれば、同一の成形面１６内において、曲率半径が異なる球形状の穴１４，１５を有するマイクロレンズ用の成形型３１の研削加工が可能となり、得られる光学素子の機能、性能の向上を図ることができる。
［第３の実施の形態］
図９は、本実施の形態の成形型の成形面１７の仕上がり形状を示す正面図である。成形面１７には、Ｘ軸方向に３個×Ｙ軸方向に３列の計９個のマイクロレンズ用の球形状の凸部１８が形成されている。図１０は、研削加工時の上面図を示し、カップ状砥石１９の内周面２０から外周面２１にテーパに形成されている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

次に、具体例を用いて説明する。各マイクロレンズ用の球形状の凸部１８のピッチは、ΔＸ＝５．０ｍｍ、ΔＹ＝５．０ｍｍとし、球形状の凸部１８で、曲率半径は１０．０ｍｍ（Ｒ１０．０）で球状部の有効直径は、Ф４．０ｍｍとしてある。用いるカップ状砥石１９は、内周面２０の直径をФ２．１ｍｍとしてある。研削スピンドル９の角度は、第１の実施の形態での式（１）から、θ＝６．０３°傾ける。更に、カップ状砥石１９の内周面２０とテーパ面２２の交わる点２３と、球形状の凸部１８の加工中心１８ａを一致するようにＸ軸及びＹ軸にて位置決めする。その後は、第１の実施の形態と同様に、各マイクロレンズ用の球形状の凸部１８を順に研削加工し、多数の球形状の凸部１８を有するマイクロレンズアレイの成形用型３１が研削加工される。

本実施形態によれば、カップ状砥石１９を用いることにより、高精度な球形状の凸部１８と、このような球形状の凸部１８を有するマイクロレンズアレイの成形用型３１を得ることができる。なお、本実施形態では、被加工物としてマイクロレンズアレイの成形型を挙げたが、レンズアレイ形状であればこれに限らず、例えばマイクロレンズアレイそのものであっても良い。

マイクロレンズアレイの成形型の仕上がり形状の斜視図である。 マイクロレンズアレイの成形型の成形面の正面図である。 研削加工装置の斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）は、マイクロレンズアレイの成形型の成形面に１つの球形状の穴を加工する工程を示す図である。 マイクロレンズアレイの成形型の成形面に１つの球形状の穴を加工するときの正面図である。 研削砥石を用いて球形状の穴を加工するための主軸の回転軸と、研削スピンドルの回転軸のなす角度との関係を示す図である。 成形面に球形状の穴を加工する工程を示す図である。 成形面の仕上がり形状を示す正面図である。 成形面の仕上がり形状を示す正面図である。 研削加工時の上面図を示す図である。

符号の説明

１ 成形型
２ 成形面
３ 球形状の穴
４ Ｘ軸テーブル
５ Ｙ軸テーブル
６ Ｚ軸テーブル
７ 主軸
７ａ 回転軸
９ 研削スピンドル
１０ 回転テーブル
１０ａ 回転軸
１１ ベース
１２ 研削スピンドルホルダー
１３ 研削砥石
１６ 成形面
１８ 球形状の凸部
１９ カップ状砥石
３１ 成形型
３５ センサ
３６ 制御部
４０ 研削加工装置

Claims (4)

1. ワークを取り付けて回転する加工機主軸と、
   該加工機主軸の回転軸に対し、機体ベース面と略平行な面内で傾斜して配置可能な研削スピンドルと、
   該研削スピンドルに取り付けた研削砥石と、を備え、
   該研削砥石をワークに押し当て、前記加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を略一定に保持した状態で、ワークに球形状の凹部又は凸部の研削加工を施すべく、ワークと前記研削砥石とを略一体的に前記加工機主軸の回転軸の周りに旋回移動させる、
   ことを特徴とするマイクロレンズアレイの成形型の研削加工装置。
2. 前記研削砥石は、円柱状又はカップ状の砥石である、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズアレイの成形型の研削加工装置。
3. 回転する加工機主軸にワークを取り付け、
   前記加工機主軸の回転軸に対し、機体ベース面と略平行な面内で傾斜して研削スピンドルを配置し、
   該研削スピンドルに取り付けた研削砥石をワークに押し当て、前記加工機主軸の回転軸とワークの加工中心との距離を略一定に保持した状態で、
   ワークと前記研削砥石とを略一体的に前記加工機主軸の回転軸の周りに旋回移動させて、ワークに球形状の凹部又は凸部の研削加工を施す、
   ことを特徴とするマイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法。
4. 前記球形状の凹部又は凸部の曲率半径を、前記研削砥石径及び前記加工機主軸の回転軸と前記研削スピンドルとの傾斜角度を変えて研削加工することで変更可能とした、
   ことを特徴とする請求項３に記載のマイクロレンズアレイの成形型の研削加工方法。
   
   

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