JP2007245335A - 精密機械加工システムと方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学部品のモールドの製作において、ＳＴＳまたはＦＴＳシステムの能力を拡張する精密機械加工システムを提供する。
【解決手段】工作物を保持する工作物ホルダと、Ｚ軸が機械加工ツールのセンターラインとほぼ平行になる形で機械加工ツールを保持する機械加工ツールホルダと、工作物ホルダまたは機械加工ツールホルダの少なくとも一方に連結されたＺ軸並進ステージおよびＸ軸並進ステージと、工作物ホルダに連結されてＺ軸に平行な工作物の軸を中心に工作物を回転させる工作物スピンドルと、Ｘ軸並進ステージおよび工作物スピンドルに電気的に結合された機械加工パスコントローラと、そして機械加工ツールホルダに連結されたツールスピンドルとを有する。ツールスピンドルは機械加工ツールのセンターラインを中心に機械加工ツールを回転させ、機械加工パスに対し垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅を変える。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密機械加工の方法、および、こうした方法の実行に用いられる精密機械加工システムに関する。これらの方法は特に、加工寸法を小さくし表面プロフィールを改善する、という微細構造物の製造に用いられる。

ダイヤモンド機械加工は、高度な正確さと表面仕上げとを提供し、光学部品（例：レンズ、格子）の製造に使われる光学級の型（mold）の製作に適している。例えば、ダイヤモンドツールは、光学ピックアップデバイスで使用される格子を製造するためのＮｉ型の機械加工に使われる。ダイヤモンド回転、フライカッティング、そして、振動機械加工（ＶＡＭ：Vibration Assisted Machining）が、これまでに試されてきた３つの精密ダイヤモンド機械加工の方法である。しかしながら、これらは各々、光学ピックアップの場合に考えうるいくつかの装置幾何学形状を達成できない限界がある。

他の２つのダイヤモンド機械加工方法として、低速ツールサーボ（ＳＴＳ：Slow Tool Servo）と高速ツールサーボ（ＦＴＳ：Fast Tool Servo）とがあり、上記多数の考えうる装置幾何学形状を作り出すための、別の精密機械加工方法として開発されてきた。
ＳＴＳ技術は、従来のダイヤモンド回転機械の能力を伸ばすものである。それにより、マイクロプリズム、トーリック、軸外し（off-axis）非球面、そして自由形式の光学素子全般といった表面構造の形成が可能になる。ＳＴＳは、超精密ダイヤモンド回転機械の並進および／または回転ステージだけを用いて、機械加工ツールの全ての機械加工運動を実行する。こうしたダイヤモンド回転機械が強力な運動コントローラを含んでいれば、ツール−パス（tool-path）プロセスは機械自体で行うことができる。しかし、Ｚ軸運動（基板表面に直交する方向の運動）で可能な帯域幅は、ダイヤモンド回転機械の移動ステージの限界によって決まってしまう。従って、ＳＴＳに関する帯域幅は、線形送り軸の場合、１０Ｈｚ未満となる場合が多い。さらに自由形式の光学素子または回析パターンは、工作機械の位置を決定する機能によって、一般化および／または特徴付けされる可能性がある。

ＦＴＳでは、圧電変換アクチュエータ、リニアモータ、またはボイスコイルアクチュエータが、ダイヤモンドツールを高周波の単一軸運動で移動させる。移動の範囲は、１０ミクロン単位から約１ミリメートルが可能である。いくつかのシステムでは、１ｋＨｚの帯域幅を維持しながら１００μｍの移動を実現する。ＦＴＳの効果は、このアドオンツールが実現する帯域幅の拡大である（従来のダイヤモンド回転機械の軸の上での）。利用可能なＦＴＳシステムにはいくつかの例があり、その中には、ノースカロライナ州立大学の精密工学センタ（ＰＥＣ：Precision Engineering Center）とPrecitech社とによって開発されたシステムが含まれる。

ＦＴＳシステムでも、従来のダイヤモンド回転機械の能力は拡張され、マイクロプリズム、トーリック、軸外し非球面、そして自由形式の表面全般といった表面構造の形成が可能になる。例えば、Precitechのシステムを用いると、ツールパスソフトウェアが、Ｃ−プログラムまたはビットマップイメージを用いて、所望の部品のトポグラフィを描く。デジタル信号プロセッサを備えた外部の汎用コンピュータは、ワークスピンドル上での高解像角フィードバック（angular feedback）および機械並進スライドの線形位置フィードバックを利用し、ツールの軸位置を「リアルタイム」で計算する。PrecitechシステムおよびＰＥＣ ＦＴＳシステムは両方とも、回転プロセスにおいては、低い機械ノイズで非常に高度な動的運動を作り出すように設計されている。

４軸のダイヤモンド回転機械の機能を最大限に利用するシステムをＳＴＳまたはＦＴＳと組み合わせれば、さらに、従来の他のダイヤモンド回転およびフライカッティングの方法では不可能な機能も有するようになるであろう。例えば、ツールのリードインおよびリードアウトの領域（移行領域）を小さくできるであろう。さらに、ＳＴＳやＦＴＳを使って、カーブした溝を工作物に機械加工できるようになる可能性がある。多くの種類の光学部品の製造においてこれらの機能は望ましいものであり、そうした部品には、レンズおよび格子、並びに、光学ピックアップで使用される光学部品のための型が含まれる。

ＦＴＳを使用する場合、表面に対するツールの線形速度がＶＡＭで採用されるものに近いならば、表面仕上げおよび切削品質は、ＶＡＭを用いた場合に達成されるレベルに匹敵するものが保たれるであろう。しかし、ＳＴＳまたはＦＴＳを使用すれば、ＶＡＭでは達成できないツールと工作物との間の独特の方向決めを伴う機械加工が可能となり、それは、ＶＡＭシステムでは達成できない装置幾何学形状に関する条件を達成する能力をＦＴＳにもたらす。発明者が行ったテストが示すところでは、無電解ニッケルでは、わずか３５ｍｍ／分の線形速度でしか、格子の光学性能は維持されない。

いくつかの光学ピックアップの設計について望ましい特徴は、移行領域が最小限ということである。ＳＴＳまたはＦＴＳを使ったダイヤモンド回転機械の軸の調整によって、鋭いツールのリードアウトでこれを実現することは可能であろう。ＳＴＳまたはＦＴＳいずれかを、完全な位置決めのできるダイヤモンド回転機械と共に使用すれば、機械が制御する送りを減速することで表面線形速度は下がる。帯域幅と退縮（retraction）時間とが一定であれば、これによってリードアウト移行領域は効果的に小さくなる。これらの標準的な光学ピックアップ設計の移行領域に関する光学特性は、過度に厳しいものではないであろう。従って、送りを減速することから生じうる表面仕上げの質低下も許容範囲に収まるであろう。
ＵＳ２００３／００３５２３１号

本発明は、機械加工ツールの各々の移動の間、機械加工される溝の形を精密機械加工システムが付加的に制御できるようにすることで、ＳＴＳまたはＦＴＳシステムの能力を拡張する。

本発明の例示的な実施の形態は、機械加工ツールの切削面の突出機械加工幅が可変である精密機械加工システムであって、機械加工対象の工作物を保持する工作物ホルダと、Ｚ軸が機械加工ツールのセンターラインと実質的に平行になるよう機械加工ツールを保持する機械加工ツールホルダと、工作物ホルダおよび／または機械加工ツールホルダに連結されたＺ軸並進ステージと、工作物ホルダおよび／または機械加工ツールホルダに連結されたＸ軸並進ステージと、工作物ホルダに連結されて、Ｚ軸に平行な工作物の軸を中心に工作物を回転させる工作物スピンドルと、Ｘ軸並進ステージおよび工作物スピンドルに電気的に結合された機械加工パスコントローラと、そして、機械加工ツールホルダに連結されたツールスピンドルとを有する。Ｚ軸並進ステージは、機械加工ツールの先端と保持された工作物の表面との相対的なＺ位置を制御する。工作物スピンドルは、Ｚ軸と平行な工作物の軸を中心に当該工作物を回転させる。機械加工パスコントローラは、機械加工ツールの先端が、保持された工作物の表面で、機械加工パスを通るようにＸ軸並進ステージと工作物スピンドルとを制御する。ツールスピンドルは、機械加工ツールのセンターラインを中心に当該機械加工ツールを回転させ、それによって、機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅が変化する。

本発明の例示的なもう一つの実施の形態は、工作物の表面を機械加工する方法であって、機械加工幅が可変である機械加工ツールの切削面を突出させるように作られた精密機械加工システムを使用する方法である。まず、精密機械加工システムの中に工作物を設置する。機械加工ツールの切削面が工作物の表面に対して実質的に垂直になるように、 工作物の表面の開始位置の上で機械加工ツールの先端の位置を合わせる。工作物の表面に対して実質的に垂直な軸を中心に機械加工ツールを回転させて、工作物の表面上で機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅が予め定められた機械加工幅と同じにする。工作物の表面に実質的に直交する方向に工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を移動させて、機械加工ツールの先端が工作物の表面の予め定められた機械加工深さに達する状態にする。そして、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように、工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に対して実質的に平行に移動させる。

本発明の更なる例示的な実施の形態は、機械加工幅が可変で、機械加工ツールの切削面を突出させるように作られた精密機械加工システムであって、位置合わせ手段と、ツール回転手段と、直交方向移動手段と、そして、平行移動手段とを有するものである。位置合わせ手段は、機械加工ツールの切削面が工作物の表面に対して実質的に直角をなすように、工作物表面の上で、機械加工ツールの先端の位置を合わせる。ツール回転手段は、工作物の表面に実質的に直交する方向の軸を中心に機械加工ツールを回転させることで、工作物の表面で、機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅を変化させる。直交方向移動手段は、工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に実質的に直交する方向に移動させる。平行移動手段は、工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に対して実質的に平行に移動させる。

本発明は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで最もよく理解できる。通常のやり方に従い、図面における各種特徴部の大きさは実寸と異なる、ということを強調しておく。各種特徴部の寸法は、明瞭にする目的で任意に拡大または縮小してある。

本発明の例示的な実施の形態は、「突出した」ダイヤモンド形のプロフィールを形成するための、低速ツールサーボモータ（ＳＴＳ）または高速ツールサーボモータ（ＦＴＳ）の精密機械加工方法の強化に関る。これらの例示的な実施の形態による機械加工ツールは、その縦軸を中心に回転させられるが、その一方で、肉眼で見えるツールの送り方向は、「突出した」機械加工ツールの幾何学形状が実現されるように維持される。留意すべき点として、本発明の精密機械加工方法が最も多く用いるのはダイヤモンド機械加工ツールであるが、他の機械加工ツール材料（サファイヤ、炭化ケイ素、タングステン、または炭化タングステン）を使用することもできる。

上述の例示的な精密機械加工方法は、光学格子の生成のために用いるのが望ましいであろう。これらの例示的な方法はＳＴＳまたはＦＴＳの特徴を利用するので、調整運動システムのリードインおよびリードアウトを小さくする効果が実現されるであろう。加えて、予め形を付けて設置されるダイヤモンドの「突出」ビューを使用することで、細かい特徴部を形づくる際に、より高い精度が可能になるであろう。

ＳＴＳおよびＦＴＳのいずれの方法でも、機械加工ツールは工作物表面の平面に固定されるので、ツール送り方向に対して回転させられる。これが、「突出した」ツールの幾何学形状の生成を可能にし、したがって、達成される最大縦横比は大きくなる。こうして縦横比を大きくすることが可能となれば、より小さな機械加工ピッチで特徴部を形成することが可能になるだろう。加えて、本発明の例示的な方法を用いて機械加工した特徴部では、角度のより鋭い角を実現できる。本発明の例示的な方法が有するこれら能力は、フレネルレンズや他の回析光学素子、または、そのための型を生産するのに特に望ましいであろう。ただし、他の多くの微細構造も、本発明の例示的な実施例を使用して製造することが可能である。

図１は、本発明による例示的な精密機械加工システムを示す。この例示的な精密機械加工システムは、機械加工ツール１１０の切削面を回転させて、工作物１０８の表面上の機械加工パスに対して垂直な可変機械加工幅を突出させる、という形に設計されている。
図１の例示的な精密機械加工システムは以下を有する。すなわち、ベース１００と、工作物１０８をその表面に平行な１本以上の軸に沿って移動させる並進ステージ１０２と、Ｚ軸に平行な軸を中心に工作物を回転させる工作物スピンドル１０４と、機械加工中に工作物１０８を保持している工作物ホルダ１０６と、機械加工ツール１１０の先端と工作物１０８の表面との相対的なＺ位置を制御するＺ軸並進ステージ１１６と、機械加工ツール１１０をそのセンターラインを中心に回転させるツールスピンドル１１４と、機械加工ツールのセンターラインがＺ軸と実質的に平行となるように機械加工ツール１１０を保持する機械加工ツールホルダ１１２と、そして、工作物１０８の表面上で機械加工ツール１１０の先端が予め決められた機械加工パスを通る、という形にシステムの運動を制御する機械加工パスコントローラ１２０と、である。

例示的な精密機械加工システムが修正型のＦＴＳ機械加工システムである場合、機械加工ツールホルダ１１２は、機械加工ツール１１０をＺ軸に対して実質的に平行に振動させる振動手段（図示せず）を有するのが望ましい。先に述べたように、この振動手段は、数多くある様々な装置（例：圧電変換器、リニアモータ、または、ボイスコイルアクチュエータ）のいずれでもよい。これら様々な振動手段は通常、最大移動距離がおよそ２００μｍ未満であるが、振動手段の最大移動距離は１００μｍ未満であるのが望ましい。通常、振動手段の帯域幅はおよそ２ＫＨｚ未満である。しかし、最大移動距離が大きくなれば、この帯域幅は小さくなる。振動手段は、例示的な精密機械加工システムの他の構成要素同士の間（例えば、Ｚ軸並進ステージ１１６とツールスピンドル１１４との間）につないでもよいが、当業者であれば理解されるように、振動手段によって振動させられる質量を大きくすることで、振動の帯域幅は小さくなる。

図１の例示的な実施の形態では、並進ステージ１０２は、望ましい構成として、工作物スピンドル１０４の径に沿って工作物１０８を移動させるＸ軸並進ステージを有する。このように、例示的な本システムを使用すれば、回転または螺旋の機械加工パスを簡単に機械調整することができる。また、例示的な本システムでは、並進ステージ１０２および工作物スピンドル１０４の運動を適正に調整することにより、工作物１０８の表面で、機械加工ツール１１０の先端が他の任意の機械加工パスをたどるようにすることができる。ただし、このように、例示的な精密機械加工システムを用いて任意の機械加工パスを機械調整する場合は、機械加工プロセス中に機械加工ツールを回転させて一定の向きを保たない限り、機械加工パスに対する機械加工ツール切削面の向きは、機械加工パスに沿って異なるポイントごとに変化してしまうかもしれない。

留意すべき点として、並進ステージ１０２の中に同様にＹ軸並進ステージも含ませることで、任意の機械加工パスの機械調整は単純になる。これらの３本の軸（Ｘ、Ｙ、θ）の間の運動を、機械加工パスコントローラ１２０を使用して調整することにより、機械加工パスに対する機械加工ツールの切削面の向きを所望の方向に維持しながら、工作物１０８の表面で、機械加工ツール１１０の先端に任意の機械加工パスをたどらせることができる。これを達成するのに、機械加工プロセス中に機械加工ツールを回転させる必要はない。

他にも留意すべき点として、他の実施の形態では、工作物スピンドル１０４を省き、Ｘ軸並進ステージとＹ軸並進ステージとを含んだ並進ステージ１０２のみを用いて、機械加工パスをなぞる運動を実現することもできる。しかし、この例示的な実施の形態では、機械加工プロセス全体を通して切削面を所望の向きに維持するためには、径方向およびθの運動だけを用いる実施の形態の場合のように、機械加工ツール１１０を回転させる必要があるだろう。

図１の例示的な実施例では、Ｘ軸並進ステージを有し、Ｙ軸並進ステージも有する可能性のある並進ステージ１０２は、工作物１０８を移動させるようにシステム内に結合された形で示されており、Ｚ軸並進ステージ１１６は、機械加工ツール１１０を移動させるようにシステム内に結合された形で示されている。重要なのは工作物１０８または機械加工ツール１１０の相対的な移動であるため、当業者であれば理解できるように、これらの２つ又は３つの並進ステージの各々は、システム内部で工作物１０８、機械加工ツール１１０のいずれかを移動させるように構成しておく。

先に述べたように、機械加工パスコントローラ１２０は、並進ステージ１０２および工作物スピンドル１０４（省略される場合もある）に電気的に結合されており、保持された工作物の表面で、機械加工ツール１１０の先端が機械加工パスを通る、という形になるように工作物１０８および機械加工ツール１１０の相対的な移動を制御する。また、機械加工パスコントローラ１２０を用いることで、機械加工ツール１１０の先端が機械加工パスを通る際の速度を制御することもできる。この速度については、機械加工パスの大半を通して、機械加工速度に維持されるのが望ましいだろう。また、機械加工パスコントローラ１２０をプログラムして、機械加工パスの開始点および終了点の近くで速度を落とし、それによって、リードインおよびリードアウトのそれぞれの移行長を短くする、という形にしてもよい。

留意すべき点として、機械加工パスコントローラ１２０はまた、機械加工ツール１１０の先端が、当該先端が機械加工パスを通る際に、保持された工作物の表面での機械加工の深さを所望の深さに維持するように、Ｚ軸並進ステージ１１６を制御するのが好ましい。ＳＴＳの場合、機械加工パスコントローラ１２０はさらに、Ｚ軸並進ステージ１１６をドライブして、機械加工中、Ｚ軸方向で低速サーボ運動を実現する。加えて、機械加工工作物の表面が実質的に平らでない場合は、Ｚ軸並進ステージ１１６を能動的に制御するが望ましいであろう。

機械加工パスコントローラ１２０は多数の処理要素を有し、それら要素には、特定目的の制御回路、特定用途集積回路、多目的コンピュータ、および／または、デジタル信号処理プロセッサが１つ又は複数含まれる。
この例示的な実施の形態では、ツールスピンドル１１４は機械加工ツールホルダ１１２に連結されており、機械加工ツール１１０をその縦のセンターライン中心に回転させる。図２（ｃ）、２（ｄ）に示すように、機械加工ツール１１０をこのように回転させることで、機械加工パスに直交する方向に突出した切削面の幅が変わる。

上で述べたように、本発明の例示的な実施例における機械加工ツール１１０は、ツールスピンドル１１４によって回転させられ、それによって、機械加工パスに対して直角に突出した切削面の幅は、所望の機械加工幅（切削面の実際の幅よりも小さい幅）にまで小さくなる。しかしながら、この構成で機械加工を実現するには、機械加工ツールが「示す」尖ったエッジは、切削面の各エッジ（すなわち、切削エッジ）において、送り方向から見て９０度以下の角度になければならない。そうしなければ、切削エッジは工作物の材料を切削るよりも裂く形になり、そうすると、機械加工した面が荒くなるという望ましくない結果に至る。

機械加工ツールが、現在入手可能な機械加工ツールが有するような平らな切削面を有し、それが、機械加工パスに対して切削面が垂直な状態になるような向きで使用される場合は、両切削エッジにおける切削面は、送り方向から見て９０度の角度にある。しかし、機械加工ツールを回転させて、機械加工パスに対して垂直でない状態にすると、その場合、一方の切削エッジにおける切削面は回転して前に進み、送りの方向から見て９０度よりも小さい角度（鋭角）を成す状態となるが、他方の切削エッジにおける切削面は回転して後ろに下がり、送り方向から見て９０度よりも大きい角度を成す状態となる。したがって、機械加工ツールが回転させられる時、両切削エッジにおける切削面を望ましい角度に置こうとするなら、この突出した機械加工ツールの下がった切削エッジに近い切削面は、形を変えるのが望ましい。そうして変えられた切削面を備えた機械加工ツールを上から見ると、断面は凹形となる。

図２（ａ）〜２（ｄ）は、本発明の例示的な精密機械加工システムと共に使用される例示的な機械加工ツール１１０の特徴を示している。図２（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０の正面図であり、図２（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０の側面図であり、そして、図２（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０の上から見た形での断面図である。図２（ｄ）は、凹形の切削面２００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅２１２から、機械加工ツール１１０がそのセンターラインを中心に角度２１４だけ回転させられたことで小さくなった状態の突出幅２１６へと変化する様子を示している。

例示的な機械加工ツール１１０の切削面２００は、２つの切削エッジ２０２を有し、これらエッジ２０２は機械加工ツールの先端２０４で合流している。留意すべき点として、例示的な切削面の形状は他の形を採用してもよい（例えば、平らな先端を備えた切削面）。図２（ａ）〜２（ｄ）に示す尖った切削面２００は、単に例示的なものであり、これに限定するわけではない。ただし、切削面は全て、２つの切削エッジを有する。図２（ｃ）で分かるように、切削面２００の断面は、機械加工ツール１１０のセンターラインに直交する方向に見ると、凹形となる。この例示的な実施の形態では、この凹形の断面は、頂点２０６を有したＶ字の形である。

図２（ｂ）、２（ｃ）に示すように、例示的な機械加工ツール１１０において問題となりうるもう１つの要素は、背面２０８である。この面も２つの切削エッジ２０２の間に延びているが、上から見ると凸形の断面を有する。背面２０８に関連して考慮すべき重要な点は逃げ角２１０である。この角度があまりに小さいと、機械加工ツール１１０が回転させられる際、背面２０８は切削エッジ２０２を越えて延びる形となる。そうすると、機械加工品質の低下の可能性につながると共に、突出幅が所望の値よりも大きくなる結果にも通じる。

本発明の例示的な実施の形態で使用される例示的な機械加工ツールは更に、本出願と並行して提出された「正確な機械加工のための凹形の切削面を有した機械加工ツールおよびその製造方法」という題の米国特許出願にも記述されている。
ここで図１に戻る。ツールスピンドル１１４が機械加工ツール１１０をそのセンターラインを中心に回転させる際の制御は、その回転させる角度を、各切削エッジにおいて切削面に接する面が機械加工パスに出会って、保持された工作物の表面で鋭角または直角を成す、という範囲にするのが望ましい。これは手動で行ってもよいし、ゴニオメータで行ってもよい。望ましい角度の設定が完了すれば、ツールスピンドル１１４は、回転ステージ用の標準的なロック機構（止めネジなど）を用いてその位置にロックするのが望ましい。

別の形では、機械加工パスコントローラ１２０は電気的にツールスピンドル１１４に結合されており、機械加工パスに直交する方向に突出した機械加工ツール１１０の切削面の幅を、機械加工ツール１１０の先端が機械加工パスを通るのに従い制御する、ということにしてもよい。機械加工パスコントローラ１２０を用い、機械加工プロセスの開始時に、機械加工ツール１１０の切削面の突出幅を望ましい大きさに設定して、その後、ツールスピンドルは機械加工プロセスを通して、その位置に残しておく、としてもよい。あるいは、機械加工パスコントローラ１２０が、機械加工ツール１１０の先端が機械加工パスを通るのに従い、能動的に切削面の突出幅を制御してもよいが、その場合は、機械加工パスの異なる部分ごとに突出幅を変えることも可能である。

上述の通り、４軸の精密機械加工システムの能力をＳＴＳまたはＦＴＳとの組合せで最大限に利用する場合、システムは更に、ダイヤモンド回転およびフライ切削だけでは持てない能力（例えば、ツールのリードインおよびリードアウト領域（移行領域）を大幅に小さくできる能力、そして、工作物にカーブした溝を機械加工する能力）を有することになる。

図３は、工作物の表面を機械加工する方法として、例示的なものを示しており、その方法では、機械加工ツールの切削面を可変的な機械加工幅で突出させるように作られた精密機械加工システム（例えば、図１の例示的なシステムなど）を使用する。留意すべき点として、図１の例示的なシステムは、この例示的な方法に使用するのに特に適してはいるが、この例示的な方法に他の精密機械加工システムを使用することも可能であり、その場合は、システムコントローラを適正にプログラミングして、これらシステムの並進および／または回転ステージの運動を調整させる。

先ず、工作物を精密機械加工システムの中に設置する（ステップ３００）。その後、機械加工ツールの先端を、工作物の表面の所望の開始位置の上で位置合せする（ステップ３０２）。この所望の開始位置は、機械加工ツールを工作物の表面に突入させようとする特定の突入位置とすることができる。ただし、より望ましい形としては、当該開始位置は加速パスに沿っているものとする。加速パスとは、機械加工ツールの先端が望ましい機械加工深さにまで工作物の表面に入り込む際のパスであり、機械加工ツールは当該パスに沿い（工作物表面の平面で）工作物の表面に対して加速される。機械加工ツールを、そのセンターラインの軸（工作物の表面に対して実質的に垂直）を中心に回転させる（ステップ３０４）。回転は、工作物の表面上で、機械加工パスに直交する方向に突出した機械加工ツールの切削面の幅が望ましい機械加工幅になるまで行われる。

その後、機械加工ツールの先端を、予め定められた機械加工深さだけ、工作物の表面に突入させる（ステップ３０６）。その際、工作物の表面に実質的に直交する方向に工作物および／または機械加工ツールを移動させる。先に述べたように、ツールの先端は直接工作物の表面に突入させてもよい。ただし、工作物が当該工作物の表面に対して平行な面において機械加工ツールに対して移動させられるのに従い、先端を工作物の表面に切り込ませていく、という形がより望ましい。この後者の方法では、機械加工ツールの材料での磨耗がより小さくなるが、ツールのリードイン移行領域が生じることになる。

工作物および／または機械加工ツールを、工作物の表面に対して実質的に平行な面で移動させる（ステップ３０８）。この動きは、工作物の表面で、機械加工ツールの先端が機械加工パスを通るように調整される。上で図１を参照しながら述べたように、これらの調整された移動は、２つの線形方向の運動を含む場合、１つの線形方向および１つの回転方向の運動を含む場合、そして、２つの線形方向および１つの回転方向における運動を含む場合がある。これらの運動はまた、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通る際の機械加工速度が実質的に一定になるように調整される。あるいは、予め定められた形で機械加工速度が変化するように調整してもよい（例えば、機械加工パスの始めと終わりとで減速し、ツールのリードインおよびリードアウト移行領域を小さくする、という形がある）。

さらに、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るのに従い、工作物および／または機械加工ツールは、工作物の表面に実質的に直交する方向に移動させられるか、あるいは、機械加工ツールがそのセンターライン軸を中心に回転させられる。処理中に工作物および／または機械加工ツールが実質的に直交する方向に移動させられる場合、機械加工ツールの先端は、機械加工プロセス全体を通し、工作物の表面で予め定められた機械加工深さに実質的に維持される。これは特に、非平面の工作物、または、異なる深さの溝が望まれる機械加工構造体の場合には望ましいであろう。また、それとは別に、修正型のＳＴＳ方法を用いる場合、このＺ軸運動を用いれば切削の質は向上するであろう。

機械加工ツールをそのセンターライン軸を中心に回転させる場合、工作物の表面で機械加工パスに直交する方向に突出した機械加工ツールの切削面の幅は、機械加工プロセスを通して、所望の機械加工幅に実質的に維持される。これは一定の機械加工幅である場合もあれば、機械加工パスの異なる部分ごとに異なる機械加工幅となる場合もある。本発明の例示的な実施の形態のこの特徴は、回析光学素子（例えばフレネルレンズ）の機械加工に特に有用であろう。

本発明には多数の例示的な精密機械加工システムおよび方法が含まれる。本文書では特定の実施の形態を参照しながら本発明を図示し記述したが、本発明をここに示した詳細に限定する意図はない。むしろ、特許請求の範囲に相当するものの範囲で、本発明から逸脱することなく、様々な変更が可能であろう。

本発明は、機械加工される溝の形を精密機械加工システムが付加的に制御できるようにすることで、ＳＴＳまたはＦＴＳシステムの能力を拡張するのに有用である。

本発明による例示的な精密機械加工システムを示す側面図であり、機械加工ツールの切削面の突出機械加工幅が可変であるものを示した図である。 （ａ）図１の例示的な精密機械加工システムと共に使用される、例示的な加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図２（ａ）の例示的な加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図２（ａ）、（ｂ）の例示的な加工ツールを示し、図２（ａ）、（ｂ）の線２Ｃ−２Ｃにおける断面を上から見た形で示す断面図である。（ｄ）図２（ａ）、（ｂ）の例示的な加工ツールを示し、図２（ａ）、（ｂ）の線２Ｃ−２Ｃにおける断面を上から見た形で示す断面図であって、図２（ｃ）の状態から回転させた後の状態を示す図である。 本発明による例示的な精密機械加工方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１００ ベース
１１０ 機械加工ツール
１２０ 機械加工パスコントローラ
２００ 切削面

Claims (24)

1. 機械加工ツールの切削面の突出機械加工幅が可変である精密機械加工システムであって、
   機械加工の対象の工作物を保持する工作物ホルダと、
   Ｚ軸が機械加工ツールのセンターラインと実質的に平行になるよう機械加工ツールを保持する機械加工ツールホルダと、
   工作物ホルダまたは機械加工ツールホルダのうち少なくとも一方に連結されて、保持された工作物の表面と機械加工ツールの先端との相対的なＺ位置を制御するＺ軸並進ステージと、
   工作物ホルダまたは機械加工ツールホルダのうち少なくとも一方に連結されたＸ軸並進ステージと、
   工作物ホルダに連結されて、Ｚ軸に平行な工作物の軸を中心に工作物を回転させる工作物スピンドルと、
   Ｘ軸並進ステージおよび工作物スピンドルに電気的に結合された機械加工パスコントローラであって、機械加工ツールの先端が保持された工作物の表面で機械加工パスを通るようにＸ軸並進ステージおよび工作物スピンドルを制御する機械加工パスコントローラと、そして、
   機械加工ツールホルダに連結され、機械加工ツールのセンターラインを中心に機械加工ツールを回転させ、それにより、機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅を変化させるツールスピンドルと、
   を有することを特徴とする精密機械加工システム。
2. 機械加工ツールホルダは、Ｚ軸に対して実質的に平行に機械加工ツールを振動させる振動手段を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
3. 振動手段は、圧電変換器、リニアモータ、または、ボイスコイルアクチュエータのうちの少なくとも１つであること、
   を特徴とする請求項２に記載の精密機械加工システム。
4. 振動手段の最大移動距離は約２００μｍ未満であること、
   を特徴とする請求項２に記載の精密機械加工システム。
5. 振動手段の帯域幅は約２ＫＨｚ未満であること、
   を特徴とする請求項２に記載の精密機械加工システム。
6. 機械加工ツールは、ダイヤモンド機械加工ツール、サファイヤ機械加工ツール、炭化ケイ素機械加工ツール、タングステン機械加工ツール、または、炭化タングステン機械加工ツールのうち１つであること、
   を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
7. 機械加工ツールの切削面は、第１の側面切削エッジと第２の側面切削エッジとを有し、
   機械加工ツールのセンターラインに直交する方向の機械加工ツールの切削面の断面は、第１の側面切削エッジと第２の側面切削エッジとの間で凹形になっており、そして、
   ツールスピンドルは、機械加工ツールを当該機械加工ツールのセンターラインを中心に、ある範囲の角度だけ回転させるように制御され、その様態は、
   第１の切削エッジにおいて、切削面に接する第１の面が機械加工パスと合流するところで、保持された工作物の表面において鋭角または直角のいずれか一方が形成され、そして、
   第２の切削エッジにおいて、切削面に接する第２の面が機械加工パスと合流するところで、保持された工作物の表面において鋭角または直角のいずれか一方が形成される、というものであること、
   を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
8. 機械加工パスコントローラは、さらにＺ軸並進ステージにも電気的に結合されてＺ軸並進ステージを制御することで、機械加工ツールの先端が保持された工作物の表面において機械加工パスを通る際、前記表面において機械加工ツールの先端が予め定められた機械加工深さを維持するようにすること、
   を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
9. 工作物ホルダまたは機械加工ツールホルダのうち少なくとも一方に連結されたＹ軸並進ステージを更に有し、
   機械加工パスコントローラは更にＹ軸並進ステージにも電気的に結合されており、当該機械加工パスコントローラは、Ｘ軸並進ステージ、Ｙ軸並進ステージ、そして工作物スピンドルを制御して、機械加工ツールの先端が保持された工作物の表面で機械加工パスを通るように制御すること、
   を特徴とする請求項７に記載の精密機械加工システム。
10. 機械加工パスコントローラは、特定目的の制御回路、特定用途集積回路、汎用コンピュータ、および／または、デジタル信号処理プロセッサのうち少なくとも１つを有すること、
    を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
11. 機械加工パスコントローラは、Ｘ軸並進ステージと工作物スピンドルとを制御し、機械加工ツールの先端が保持された工作物の表面で機械加工パスを通る際の速度が機械加工速度に維持されるようにすること、
    を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
12. 機械加工パスコントローラは、Ｘ軸並進ステージと工作物スピンドルとを制御して、機械加工速度を下げ、
    保持された工作物の表面の機械加工パスの開始点の近くではリードイン移行長を短くし、そして、
    機械加工パスの終了点の近くではリードアウト移行長を短くすること、
    を特徴とする請求項１１に記載の精密機械加工システム。
13. 機械加工パスコントローラは更にツールスピンドルに電気的に結合されており、機械加工ツールの先端が保持された工作物の表面で機械加工パスを通る際に、機械加工パスに対して直角に突出した機械加工ツールの切削面の幅を制御すること、
    を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
14. ツールスピンドルは更にロック機構を有し、当該機構は、機械加工パスに対し実質的に予め定められた角度をなす状態で機械加工ツールをロックし、それによって、機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅が予め定められた幅となること、
    を特徴とする請求項１に記載の精密機械加工システム。
15. 機械加工ツールの切削面を機械加工幅が可変となる形で突出させるように作られた精密機械加工システムを使用して、工作物の表面を機械加工する方法であって、
    （ａ）精密機械加工システムの中に工作物を設置するステップと、
    （ｂ）機械加工ツールの切削面が工作物の表面に対して実質的に垂直になるように、 工作物の表面の開始位置の上で機械加工ツールの先端の位置を合わせるステップと、
    （ｃ）工作物の表面に実質的に直交する方向の軸を中心に機械加工ツールを回転させるステップであって、工作物の表面上で機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅が予め定められた機械加工幅になるまで回転させるステップと、
    （ｄ）工作物の表面に実質的に直交する方向に工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を移動させるステップであって、機械加工ツールの先端が工作物の表面で予め定められた機械加工深さに達するまで移動させるステップと、そして、
    （ｅ）機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように、工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に対して実質的に平行に移動させるステップと、を有すること、
    を特徴とする方法。
16. 前記ステップ（ｅ）が、
    （ｅ１）工作物または機械加工ツールの一方を、工作物の表面に対して実質的に平行である第１の方向に移動させるステップと、
    （ｅ２）工作物または機械加工ツールの一方を、工作物の表面に対して実質的に平行であるが第１の方向とは実質的に平行でない、という第２の方向に移動させるステップと、そして、
    （ｅ３）第１の方向および第２の方向への移動を、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように調整するステップと、を有すること、
    を特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ステップ（ｅ）が、
    （ｅ１）工作物または機械加工ツールの一方を、工作物の表面に対して実質的に平行である面における第１の方向に移動させるステップと、
    （ｅ２）工作物または機械加工ツールの他方を、工作物の表面に対して実質的に平行である面における、第１の方向とは実質的に平行でない第２の方向に移動させるステップと、そして、
    （ｅ３）第１の方向および第２の方向への移動を、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように調整するステップと、を有すること、
    を特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記ステップ（ｅ）が、
    （ｅ１）工作物を、当該工作物の表面に実質的に直交する方向の軸を中心に回転させるステップと、
    （ｅ２）工作物の表面に対して実質的に平行で前記軸と交差する径方向ラインにおいて、工作物または機械加工ツールのうち一方を移動させるステップと、そして、
    （ｅ３）前記軸を中心とした回転と前記径方向ラインにおける移動とを、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように調整するステップと、を有すること、
    を特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記ステップ（ｅ３）は、径方向ラインにおける機械加工ツールの先端の位置に基づいて、工作物の表面で機械加工ツールの先端が機械加工パスを通る際の機械加工速度が実質的に一定となるように、工作物の回転速度を変化させる処理を含むこと、
    を特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記ステップ（ｅ）が、
    （ｅ１）工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように、工作物の表面に対して実質的に平行に移動させるステップと、そして、
    （ｅ２）機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通る際、機械加工ツールの先端が工作物の表面で、予め定められた機械加工深さに実質的に維持されるように、工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物表面に実質的に直交する方向に移動させるステップと、を有すること、
    を特徴とする請求項１５に記載の方法。
21. 前記予め定められた機械加工深さは、機械加工パスの異なる部分ごとに異なった値であること、
    を特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記ステップ（ｅ）が、
    （ｅ１）工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を、機械加工ツールの先端が工作物の表面で機械加工パスを通るように、工作物の表面に対して実質的に平行に移動させるステップと、そして、
    （ｅ２）機械加工ツールの先端が機械加工パスを通る際に、工作物の表面で機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅が、予め定められた機械加工幅に実質的に維持される形で、機械加工ツールを、工作物の表面に実質的に直交する方向の軸を中心に回転させるステップと、を有すること、
    を特徴とする請求項１５に記載の方法。
23. 前記予め定められた機械加工幅は、機械加工パスの異なる部分ごとの異なる値であること、
    を特徴とする請求項２２に記載の方法。
24. 機械加工幅を変化させながら、機械加工ツールの切削面を突出させるように作られた精密機械加工システムであって、
    機械加工ツールの切削面が工作物の表面に対して実質的に垂直になるように、工作物表面の上で、機械加工ツールの先端の位置を合わせる位置合わせ手段と、
    工作物の表面に実質的に直交する方向の軸を中心に機械加工ツールを回転させることで、工作物の表面で、機械加工パスに対して垂直に突出した機械加工ツールの切削面の幅を変化させるツール回転手段と、
    工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に実質的に直交する方向に移動させる直交方向移動手段と、そして、
    工作物または機械加工ツールのうち少なくとも一方を工作物の表面に対して実質的に平行に移動させる平行移動手段と、
    を有することを特徴とするシステム。

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