JP2007175802A - 光学部品またはその金型の製造方法及びその金型 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができるフライカット加工機の製造条件を含んだ光学部品またはその金型の製造方法及びその金型を提供すること。
【解決手段】本発明は，工具を，その刃先を外側に向けて軸回りに回転させ，刃先が描く円の１箇所で被工作物の加工対象面を切削しつつ，工具と被工作物とを相対的に所定の送り速度で移動させて１ラインの切削加工を行い，次いで工具と被工作物とを相対的にピッチ方向にピックフィード量だけ移動させて次の１ラインの切削加工を行うことによる製造方法であって，工具回転数（Ｓ）：１００００〜５００００回転／分，送り速度（Ｆ）：３００〜２０００ｍｍ／分，工具の刃先回転半径（Ｄ）：５〜１５ｍｍ，ピックフィード量（ｆ）：０．０１〜０．０４ｍｍ，工具の刃先ノーズ径（ｒ）：５〜２０ｍｍの範囲内の条件で切削加工を行う製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は，自由曲面を有する光学部品の成形用金型を製造するための金型コア製造方法及びその製造方法によって製造された金型に関する。例えば，プロジェクションＴＶ用の自由曲面ミラーの成形用金型コアの製造方法及びその金型に適したものである。

近年，プロジェクションＴＶ用の投影ミラー等では，その鏡面に自由曲面を有するものが使われるようになってきている。特に，リアプロジェクション（背面投影）テレビ等では，光学系をできるだけ薄くする必要性から，自由曲面ミラーが重要となっている。このような自由曲面を有する光学部品を成型するためには，まずその自由曲面を写した金型を製造することが必要となる。一般に，回転軸を有しない自由曲面を切削加工する場合には，図１に示すようなフライカット加工機が用いられる（例えば，特許文献１，特許文献２参照。）。

このようなフライカット加工機１は，定盤１１にＸ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とが重ねて備え付けられている。また，Ｙ軸方向スライドテーブル１４には工具スピンドル１５が取り付けられている。工具スピンドル１５の先端部には工具１６が取り付けられている。各軸方向スライドテーブル１２，１３，１４は，それぞれの軸方向へ移動制御され，工具スピンドル１５は工具１６をその主軸回りに回転させるように回転制御される。

このフライカット加工機１によれば，Ｚ軸方向スライドテーブル１３の上に載置されたワーク２０は，Ｘ−Ｚ平面内において２軸制御される。また，工具１６は，所定の回転速度で回転されるとともに，Ｙ軸方向へ１軸制御される。これにより，工具１６とワーク２０とを相対的に３軸制御しつつ切削加工することができる。またこの他に，ワークのテーブルを１軸制御とし，工具のテーブルを２軸制御とした３軸制御の加工機もある。

このフライカット加工機１による切削では一般に，例えば特許文献１の図４に示されているように，工具１６の回転円周方向に工具１６とワーク２０とを相対的に移動させて１ラインの切削を行う。次に，工具１６の回転軸方向に工具１６とワーク２０とを相対的に移動させて，次のラインの切削を行う。そのため，フライカット切削加工による切削面には，例えば特許文献１の図８に示されているようなツールマークが残る。
特開２０００−９４２７０号公報 特開２０００−２９８５０９号公報

近年ますます小型で高精度の光学部品が要求されることから，加工精度のさらなる向上が望まれている。特に，プロジェクションＴＶ用の投影ミラー等では，像が拡大されることから，わずかなツールマークであってもフレアが発生する原因となるおそれがある。しかしながら，前記した従来の金型コア製造方法では，ワーク切削面の表面粗さ０．０７μｍ以内程度の成形精度での加工には十分であったが，切削長に比例して表面粗さが増加するため，例えば表面粗さ１０ｎｍ程度の切削加工は困難であるという問題点があった。

本発明は，前記した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができるフライカット加工機の製造条件を含んだ光学部品またはその金型の製造方法及びその金型を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の光学部品またはその金型の製造方法は，工具を，その刃先を外側に向けて軸回りに回転させ，刃先が描く円の１箇所で被工作物の加工対象面を切削しつつ，工具と被工作物とを相対的にライン方向に所定の送り速度で移動させて１ラインの切削加工を行い，次いで工具と被工作物とを相対的にライン方向と交差するピッチ方向にピックフィード量だけ移動させて次の１ラインの切削加工を行うことによる光学部品またはその金型の製造方法であって，
工具回転数（Ｓ）：１００００〜５００００回転／分
送り速度（Ｆ）：３００〜２０００ｍｍ／分
工具の刃先回転半径（Ｄ）：５〜１５ｍｍ
ピックフィード量（ｆ）：０．０１〜０．０４ｍｍ
工具の刃先ノーズ径（ｒ）：５〜２０ｍｍ
の範囲内の条件で切削加工を行うものである。

本発明の製造方法によれば，工具回転数（Ｓ）を大きくすることにより，送り速度（Ｆ）をも大きくでき，それだけ滑らかな曲面を切削することが可能になる。そして，被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができる。ここで，本発明での方法としては，上記条件での切削による金型の製造方法，上記条件での切削による光学部品の直接製造，上記条件での切削による金型を用いた光学部品の製造を包含する。

さらに本発明では，（Ｆ／Ｓ）²／８Ｄ，ｆ²／８ｒがともに１０ｎｍを超えない条件で切削加工を行うことが望ましい。これらは，送り方向とピックフィード方向との理論上の表面粗さに相当するものであり，このように加工条件を設定することにより，その加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができる。

また，本発明の光学部品またはその金型の製造方法は，工具を，その刃先を外側に向けて軸回りに回転させ，刃先が描く円の１箇所で被工作物の加工対象面を切削しつつ，工具と被工作物とを相対的にライン方向に所定の送り速度で移動させて１ラインの切削加工を行い，次いで工具と被工作物とを相対的にライン方向と交差するピッチ方向にピックフィード量だけ移動させて次の１ラインの切削加工を行い，その後に研磨工程を経ることによる光学部品またはその金型の製造方法であって，
工具回転数（Ｓ）：１００００〜５００００回転／分
送り速度（Ｆ）：３００〜２０００ｍｍ／分
工具の刃先回転半径（Ｄ）：５〜１５ｍｍ
ピックフィード量（ｆ）：０．０４〜０．０８ｍｍ
工具の刃先ノーズ径（ｒ）：５〜２０ｍｍ
の範囲内で，かつ，
（Ｆ／Ｓ）²／８Ｄ
ｆ²／８ｒ
がともに４０ｎｍを超えない条件で切削加工を行い，研磨工程により加工面の表面粗さＲｙを１０ｎｍ以内とするものであってもよい。このようにしても，最終的には表面粗さＲｙが１０ｎｍ以内の自由曲面を有する金型を製造できる。

また，本発明は，光学部品を射出成形により製造する金型であって，光学部品の光学面を転写する部位が，表面粗さＲｙが１０ｎｍ以下である３次元自由曲面である金型にも及ぶ。

本発明の光学部品またはその金型の製造方法及びその金型によれば，被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，自由曲面を有する光学部品の成形用金型の製造方法に本発明を適用したものである。

本形態で使用するフライカット加工機１は，図１に示すように，定盤１１には，Ｘ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とが重ねて備え付けられている。また，Ｙ軸方向スライドテーブル１４には工具スピンドル１５が取り付けられている。工具スピンドル１５の先端部には工具１６が取り付けられている。各軸方向スライドテーブル１２，１３，１４は，それぞれの軸方向へ移動制御され，工具スピンドル１５は工具１６をその主軸回りに回転させるように回転制御される。このフライカット加工機１の基本的な構成は従来のものと同様である。

このフライカット加工機１によれば，Ｚ軸方向スライドテーブル１３の上に載置されたワーク２０は，Ｘ軸方向スライドテーブル１２とＺ軸方向スライドテーブル１３とによってＸ−Ｚ平面内における所定の位置に配置される。あるいは，ワーク２０が所定の速度で所定の方向へ移動するように制御することもできる。また，工具１６は，工具スピンドル１５によって所定の回転速度で回転されるとともに，Ｙ軸方向スライドテーブル１４によってＹ軸方向へ位置制御される。

本形態では，図１に示すように，工具１６を回転させながら，工具１６とワーク２０とを相対的に近づけて，ワーク２０を切削する。この図ではワーク２０の左奥側の面が切削面となっている。そして，工具１６に切削される状態のまま，ワーク２０をＸ−Ｚ面内で移動させる。例えば，図に矢印で示した方向に工具１６を回転させ，Ｘ軸方向スライドテーブル１２をおよそ図中右奥から左手前方向へ移動させつつ１ラインの切削を行う。このとき，必要とされる切削面形状に合わせて，同時にＺ軸方向スライドテーブル１３も制御される。

１ラインの切削が終了したら，一旦工具１６とワーク２０を離し，工具１６をＹ軸方向へ所定量移動させるとともに，ワーク２０を右奥位置に戻す。そして，再び工具１６とワーク２０とを接触させて次の１ラインの切削を行う。この繰り返しにより所望の形状の加工面を得る。以下では，切削時のＸ−Ｚ面内でのワーク２０の移動方向（主としてＸ軸方向）を送り方向，１ラインごとの工具１６のＹ軸方向の移動方向をピックフィード方向と呼ぶ。また，ピックフィード方向の１回の移動量をピックフィード量と呼ぶ。これらのスライドテーブル１２，１３，１４としては，その位置制御の精度が０．０１μｍ以下のものを使用する。

工具１６は，単結晶ダイヤモンド工具である。工具１６の刃先部は，図２に示すように，円弧形状に形成されている。この円弧形状の半径を工具ノーズ半径と呼ぶ。この図ではかなり大きく示しているが，実際にはその材料による制限から，工具１６としては，あまり大きなものを使用することはできない。大きい工具１６を得ることは，コストが大きくなるのみでなく，製造上非常に難しいからである。

ここで，図３に示した各パラメータの工具１６の回転数Ｓと回転半径Ｄ，工具１６とワーク２０との送り方向への相対的な移動速度（送り速度）Ｆ，工具１６の工具ノーズ半径ｒと，ピックフィード量ｆを用いて，理論上の表面粗さを表すと次のようになる。ここで，表面粗さＡ１は切削ラインに沿った送り方向の表面粗さであり，表面粗さＡ２はピックフィード方向への表面粗さである。
Ａ１＝（Ｆ／Ｓ）²／８Ｄ （送り方向）
Ａ２＝ｆ²／８ｒ （ピックフィード方向）

「第１の方法」
本形態の第１の方法では，表面粗さＡ１，Ａ２がともに１０ｎｍ以内となるように，各パラメータの値を以下のように設定する。まず，工具１６の工具ノーズ半径ｒには上記のように制限があり，ここでは，ｒ＝５〜２０ｍｍの範囲内とする。さらに，他の条件は以下の範囲内に設定される。
工具１６の回転半径Ｄ＝５〜１５ｍｍ
工具１６の回転数Ｓ＝１００００〜５００００ｒｐｍ
ワーク２０の送り速度Ｆ＝３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ
ピックフィード量ｆ＝０．０１〜０．０４ｍｍ

このように各パラメータを設定すると，最大の範囲での理論上の表面粗さＡ１，Ａ２は以下の範囲となる。
Ａ１＝０．３〜１０００ｎｍ
Ａ２＝０．６３〜４０ｎｍ
なお，これらのパラメータは互いに関連しているので，総合的に上記のＡ１，Ａ２がいずれも１０ｎｍ以内という条件を満たすような組み合わせを選択することが必要である。

例えば，工具１６の回転半径Ｄが５ｍｍ以下であると，表面粗さの条件を満たすためにはＤに対応して送り速度Ｆを遅くする必要があり，加工時間が増加するため好ましくない。一方，工具回転半径Ｄが１５ｍｍ以上であると，回転による機械的な振動が増加しがちであり，加工精度が低下するため，加工後のワーク２０の表面粗さが理論上の表面粗さに比較して悪化する。このため，回転半径Ｄは，Ｄ＝５〜１５ｍｍの範囲内とすることが望ましい。

また，工具１６の回転数Ｓは，工具スピンドル１５の回転制御によって制御される。そして，この工具回転数Ｓが１００００ｒｐｍ以下であると，Ｄの場合と同様に，Ｓに対応して送り速度Ｆを遅くする必要が生じ加工時間が増加するため好ましくない。また，工具回転数Ｓが５００００ｒｐｍ以上であると，工具１６の回転軸の振れによる機械振動が発生しがちであり，加工精度が低下するため，加工後のワーク２０の表面粗さが理論上の表面粗さに比較して悪化する。このため，回転数Ｓは，Ｓ＝１００００〜５００００ｒｐｍの範囲内とすることが望ましい。

また，ピックフィード量ｆが０．０１ｍｍ以下であるとライン数が多くなりすぎ，加工時間が増加するので生産性が低下する。また，ピックフィード量ｆが０．０４ｍｍ以上であると，理論粗さを１０ｎｍ以内とするためには工具ノーズｒを２０ｍｍ以上とする必要があり，実際的ではない。このため，ピックフィード量ｆは，０．０１ｍｍ〜０．０４ｍｍの範囲内とすることが望ましい。

本発明者は，以下のような各条件の組み合わせでフライカット加工機１を使用し，表面粗さ１０ｎｍ以下の切削加工が実現できることを確認した。例えば，工具回転数Ｓ＝２００００ｒｐｍ，送り速度Ｆ＝６００ｍｍ，工具回転半径Ｄ＝１１ｍｍ，ピックフィード量ｆ＝０．０２ｍｍ，工具ノーズｒ＝１０ｍｍとすれば，理論上の表面粗さは，Ａ１＝１０ｎｍ，Ａ２＝５ｎｍとなる。この条件によって製造された金型の加工面は，表面粗さ１０ｎｍ以内となる。

以上詳細に説明したように本形態のフライカット加工機１による第１の加工方法によれば，フライカット加工機１が３軸制御可能であるので，自由曲面の切削が可能である。さらに，理論上の表面粗さＡ１，Ａ２がいずれも１０ｎｍ以内となるように，各パラメータが設定されているので，ワーク２０の加工面をその表面粗さが１０ｎｍ以内となるように加工できる。従って，被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができるフライカット加工機の製造条件を含んだ金型の製造方法となっている。

「第２の方法」
本形態の第２の方法では，表面粗さＡ１，Ａ２が４０ｎｍ程度となるように各パラメータの値を設定してフライカット加工し，その後，研磨を行う。これにより，ツールマークの凸部のみを削り取り，最終的に表面粗さが１０ｎｍ以内となるようにする。研磨方法は一般的なものでよい。

本方法では，表面粗さＡ１，Ａ２が４０ｎｍ程度となるように，各パラメータの値を以下のように設定する。
工具１６の回転半径Ｄ＝５〜１５ｍｍ
工具１６の回転数Ｓ＝１００００〜５００００ｒｐｍ
ワーク２０の送り速度Ｆ＝３００〜２０００ｍｍ／ｍｉｎ
ピックフィード量ｆ＝０．０４〜０．０８ｍｍ
工具１６の工具ノーズ半径ｒ＝５〜２０ｍｍ

この方法では，理論上の表面粗さが４０ｎｍ以内となるように各パラメータを設定する。上記の最大の範囲での理論上の表面粗さＡ１，Ａ２は以下の範囲となる。
Ａ１＝０．３〜１０００ｎｍ
Ａ２＝１０〜１６０ｎｍ
そこで例えば，工具回転数Ｓ＝２００００ｒｐｍ，送り速度Ｆ＝１０００ｍｍ，工具回転半径Ｄ＝１１ｍｍ，ピックフィード量ｆ＝０．０５ｍｍ，工具ノーズｒ＝１０ｍｍとすると，理論上の表面粗さは，Ａ１＝２８ｎｍ，Ａ２＝３１ｎｍとなる。

このように切削した後，研磨工程を行う。この研磨工程によって，その加工面の表面粗さが１０ｎｍ以内となった金型を得ることができる。

以上詳細に説明したように本形態のフライカット加工機１による第２の加工方法によれば，フライカット加工機１が３軸制御可能であるので，自由曲面の切削が可能である。さらに，理論上の表面粗さＡ１，Ａ２がいずれも４０ｎｍ以内となるように，各パラメータが設定されているので，ワーク２０の加工面をその表面粗さが４０ｎｍ以内となるように加工できる。さらにその後，研磨工程を加えているので，研磨後の加工面の表面粗さを１０ｎｍ以内とすることができる。従って，被加工物の加工面を表面粗さ１０ｎｍ程度以内の自由曲面に加工することができるフライカット加工機の製造条件を含んだ金型の製造方法となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，上記の各方法によって製造された金型のうち，表面粗さ１０ｎｍ以内とする部位は，成形する光学素子の光学面を転写する面のみであっても良い。ミラーであれば，蒸着面となる面のみでよい。他の部位については，従来と同様の精度でもかまわない。また，光学部品としてはレンズでも良い。また，上記の形態では金型の製造方法としたが，同様の製造条件を用いて光学部品材料を直接切削することにより光学部品を製造する製造方法にも適用可能である。

フライカット加工機の概略構成を示す斜視図である。 フライカット加工機の概略構成を示す側面図である。 各パラメータの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ フライカット加工機
Ｓ 工具回転数
Ｆ 送り速度
Ｄ 工具の回転半径
ｆ ピックフィード量
ｒ 工具ノーズ半径

Claims (4)

1. 工具を，その刃先を外側に向けて軸回りに回転させ，刃先が描く円の１箇所で被工作物の加工対象面を切削しつつ，工具と被工作物とを相対的にライン方向に所定の送り速度で移動させて１ラインの切削加工を行い，次いで工具と被工作物とを相対的にライン方向と交差するピッチ方向にピックフィード量だけ移動させて次の１ラインの切削加工を行うことによる光学部品またはその金型の製造方法において，
   工具回転数（Ｓ）：１００００〜５００００回転／分
   送り速度（Ｆ）：３００〜２０００ｍｍ／分
   工具の刃先回転半径（Ｄ）：５〜１５ｍｍ
   ピックフィード量（ｆ）：０．０１〜０．０４ｍｍ
   工具の刃先ノーズ径（ｒ）：５〜２０ｍｍ
   の範囲内の条件で切削加工を行うことを特徴とする光学部品またはその金型の製造方法。
2. 請求項１に記載の光学部品またはその金型の製造方法において，
   （Ｆ／Ｓ）²／８Ｄ
   ｆ²／８ｒ
   がともに１０ｎｍを超えない条件で切削加工を行うことを特徴とする光学部品またはその金型の製造方法。
3. 工具を，その刃先を外側に向けて軸回りに回転させ，刃先が描く円の１箇所で被工作物の加工対象面を切削しつつ，工具と被工作物とを相対的にライン方向に所定の送り速度で移動させて１ラインの切削加工を行い，次いで工具と被工作物とを相対的にライン方向と交差するピッチ方向にピックフィード量だけ移動させて次の１ラインの切削加工を行い，その後に研磨工程を経ることによる光学部品またはその金型の製造方法において，
   工具回転数（Ｓ）：１００００〜５００００回転／分
   送り速度（Ｆ）：３００〜２０００ｍｍ／分
   工具の刃先回転半径（Ｄ）：５〜１５ｍｍ
   ピックフィード量（ｆ）：０．０４〜０．０８ｍｍ
   工具の刃先ノーズ径（ｒ）：５〜２０ｍｍ
   の範囲内で，かつ，
   （Ｆ／Ｓ）²／８Ｄ
   ｆ²／８ｒ
   がともに４０ｎｍを超えない条件で切削加工を行い，
   研磨工程により加工面の表面粗さＲｙを１０ｎｍ以内とすることを特徴とする光学部品またはその金型の製造方法。
4. 光学部品を射出成形により製造する金型において，
   光学部品の光学面を転写する部位が，表面粗さＲｙが１０ｎｍ以下である３次元自由曲面であることを特徴とする金型。

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