JP2008142799A - 回折溝の加工方法 - Google Patents

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俊司 千明
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Abstract

【課題】回折溝の形状を正確に且つ良好な面粗さで創成し、また加工リードタイム、ランニングコストを抑制することが可能な回折溝の加工技術を提供する。
【解決手段】回折格子成形用型1の加工面に、斜面部11aと平面部11bの交差部位にエッジ部11cを備えた円盤状の研削砥石11を押圧し回折格子形状1aを形成する場合に、斜面部11aの加工面に対する角度θTを、回折格子形状1aの斜面R1aの加工面に対する斜面角度θR1と等しくなるように設定し、回折格子形状1aの斜面R1aは研削砥石11の斜面部11aで加工され、回折格子形状1aの垂直面R1cは、エッジ部11cによって加工されるようにした。
【選択図】 図5

Description

本発明は、回折溝の加工技術に関し、たとえば、回折素子を成形する成形型の研削加工等に適用して有効な技術に関するものである。
従来の回折素子の成形用金型は単結晶ダイヤモンドバイトによる無電解ニッケルメッキ面への切削加工が中心であり、そのために回折素子材料はプラスチックとなっていた。近年、光学性能や耐熱強度等の課題からガラスによる回折素子が求められ、ガラス成形に対応するための超硬合金やセラミックス等への回折素子形状の研削加工方法が提案されている。
特許文献1には、円錐状で先端の尖った形状に創成したダイヤモンド砥石と、軸対称の工作物の回転軸に対して研削砥石の砥石回転軸が直交し、さらに工作物上で接する研削砥石の回転方向が工作物の回転方向と平行となるように配置された状態で、研削砥石と工作物を回転させながら研削抵石を工作物の半径方向に移動させ、回折格子形状を研削加工する技術が開示されている。
特許文献2には、回折格子形状の最外周の輪帯から内周方向へ砥石を送りながら、各輪帯の斜面の目標傾斜角度と同じ傾斜角度の斜面創成面と垂直面創成面を斜面創成用砥石と垂直面創成用砥石によってそれぞれ形成しながら金型の研削加工を行う回折光学素子用金型加工方法が開示されている。この特許文献2の場合、各輪帯ごとに目標傾斜角度の斜面創成面で研削するいわゆる総型の砥石による加工であるため、回折格子形状が正確で表面粗さも良好である。
しかしながら、前記従来技術に示した回折格子形状の研削加工には次のような課題がある。
すなわち、特許文献1に記載されている研削加工方法では、加工が進むにつれてダイヤモンド砥石のエッジ部の摩耗が進行して、中心の輪帯になるに従い正確な回折格子形状、特に最深部の形状創成が困難になる。また、砥石エッジ部での加工であり砥石送り速度を遅くしないと良好な表面粗さを得ることができないため、加工時間がかかるという課題もある。
一方、特許文献2の技術の場合には、各輪帯ごとに砥石創成を実行するため、金型全面を加工するためには加工時間がかかってしまい、金型を複数個加工する場合では、一面加工するごとに最外周の輪帯斜面角度に研削砥石を再創成する必要があり、研削砥石も複数個必要となり研削砥石のコストもかかってしまう。また、各輪帯ごとに斜面と垂直面を創成するため、研削砥石の輪郭形状が大きく変化し、この変化に合わせた各輪帯のピッチや深さの制御が難しくなるという課題がある。
特開2000−237942号公報 特開2002−321146号公報
本発明の目的は、回折溝の形状を正確に且つ良好な面粗さで創成し、また加工リードタイム、ランニングコストを抑制することが可能な回折溝の加工技術を提供することにある。
本発明の第1の観点は、被加工物の加工主面に研削砥石を押圧して回折溝を形成する回折溝の加工方法であって、
前記研削砥石は、交差部がエッジをなす第1および第2主面が外周部に設けられた円盤状を呈し、前記第1主面を、前記回折溝の前記加工主面に対して傾斜した第1加工面と同じ角度に傾けて前記被加工物に切り込み、前記回折溝の前記第1加工面を形成しつつ、前記研削砥石の前記エッジで前記回折溝の前記第1加工面と対向する第2加工面を研削加工する回折溝の加工方法を提供する。
本発明の第2の観点は、第1の観点に記載の回折溝の加工方法において、
前記回折溝の前記第1加工面を加工する前記研削砥石の前記第1主面をツルーイング・ドレスにより修正することにより、前記エッジを常に鋭利に保つ回折溝の加工方法を提供する。
本発明の第3の観点は、第1の観点に記載の回折溝の加工方法において、
前記被加工物の加工主面に複数の前記回折溝が同心円状に形成され、個々の前記回折溝の溝角度が互いに異なる場合、前記研削砥石の前記第1および第2主面のなす前記エッジの角度を、最小の前記溝角度よりも小さくする回折溝の加工方法を提供する。
本発明の第4の観点は、第1の観点に記載の回折溝の加工方法において、
前記被加工物の加工主面に複数の前記回折溝が同心円状に形成され、個々の前記回折溝の溝角度が互いに等しい場合、前記研削砥石の前記第1および第2主面のなす前記エッジの角度を、前記溝角度と等しく設定する回折溝の加工方法を提供する。
本発明の第5の観点は、第1の観点に記載の回折溝の加工方法において、
前記被加工物は、回折素子の型成形に用いられる成形型である回折溝の加工方法を提供する。
上記した本発明によれば、円盤状の研削砥石の第1主面を回折溝(回折格子形状)の斜面(第1加工面)と同じに角度に傾けて切り込むことで回折溝の斜面部は研削砥石の第1主面部で形成され、直線部は研削砥石のエッジ部で形成されることになり、研削抵抗を抑えられることで面精度の良好な斜面が得られる。さらには、加工主面に同心円状に形成される回折溝の各輪帯ごとに斜面部(第1加工面)を加工主面に対して任意の角度に傾けることができ、より性能の高い回折溝や、当該回折溝を備えた回折光学素子を型成形で製造するための金型への対応が可能である。
また、円盤状砥石の回折溝の斜面に作用する研削砥石の第1主面のみを修正することで、常に、回折溝の斜面の面精度と最深部の形状精度が保たれ正確な回折素子形状を得ることができる。また、研削砥石の第1主面のみの修正であるため、この第1主面に交差してエッジを形成する第2主面の支持軸方向(法線方向)における位置は変化せず、回折溝のピッチや深さの制御が容易になる。さらには、研削砥石の再生ではエッジ部を構成する第1および第2主面のうち、第1主面のみの修正が行われるため、修正に伴う損耗量も減少し、研削砥石のランニングコストも抑えられる。
本発明によれば、回折溝の形状を正確に且つ良好な面粗さで創成し、また加工リードタイム、ランニングコストを抑制することが可能な回折溝の加工技術を提供することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(実施の形態1)
本実施の形態では、回折溝の加工方法の一例として、型成形にて回折光学素子を成形するために用いられる回折格子成形用型1に回折格子形状1a(回折溝)を形成する場合について説明する。
図1は被加工物である回折格子成形用型1の最終的な仕上がり状態を示す斜視図であり、図2は回折格子成形用型の断面図である。
被加工物としての本実施の形態の回折格子成形用型1は円柱状を呈し、その一端面である加工主面1bには、同心円状の複数の回折溝(輪帯)からなる回折格子形状1aが後述のようにして形成される。この回折格子形状1aの形状は斜面角度とピッチが同心円状の各輪帯にてそれぞれ変化するものであり、素材は、たとえば、超硬合金からなる。
図3は、本実施の形態の回折溝の加工方法を実施することによって、後述のように回折格子成形用型1の回折格子形状1aを加工する加工機であり、超精密加工機2が使用される。
この超精密加工機2はX軸、Z軸の2軸方向にそれぞれスライド可能なX軸テーブル3、Z軸テーブル4を有し、また前記スライド軸に加えて主軸5を回転させる主軸回転モータ6、工具回転スピンドル8を回動させるB軸回転テーブル7を有した3軸制御が可能となっている。
回折格子成形用型1は超精密加工機ベース9上のZ軸テーブル4上に設置されている主軸5に固定されており、Z軸は主軸5の回転軸5aと平行な軸、X軸は主軸5の回転軸5aに対して垂直な軸となっている。この場合、回折格子成形用型1の加工主面1bは、回転軸5aに直交している。
工具回転スピンドル8は前記Z軸と対向した超精密加工機ベース9上のX軸テーブル3上のB軸回転テーブル7の上に設置された工具スピンドルホルダー10に固定されており、B軸はX軸とZ軸によって形成される面に対して垂直な軸で、主軸5の回転軸5aに対して水平方向に回動可能な状態に設置されている。
また、主軸5の隣には主軸5の回転軸5aと同じ高さの位置に研削砥石11をツルーイング及びドレスするためのツルア12が設置してある。本実施の形態では、ツルア12としては、一例としてダイヤモンドの単石ドレッサーを用いている。
図4は工具回転スピンドル8に研削砥石11が取り付けられた状態を示す上面図である。研削砥石11はレジンボンドのダイヤモンド砥石を用いており、斜面部11a(第1主面)と平面部11b(第2主面)の二つの面からなり、前記二つの面の交差部がエッジ部11cとして形成された円盤状である。
この研削砥石11の斜面部11aと平面部11bからなる先端の角度θ11は、回折格子成形用型1の回折格子形状1aの最小の溝角度θminより小さい角度となっている。前記研削砥石11は超精密加工機2のB軸回転テーブル7上に設置された工具回転スピンドル8に取付けられ、研削砥石11のエッジ部11cとB軸回転テーブル7の回転軸7aが工具スピンドルホルダー10の図示しない調整機構により合致している。また、工具回転スピンドル8の回転軸8aと主軸5の回転軸5aも回転軸が工具スピンドルホルダー10の図示しない調整機構により合致している。また、工具回転スピンドル8の回転軸8aと主軸5の回転軸5aも回転軸が工具スピンドルホルダー10の図示しない調整機構により合致している。
次に、この実施の形態の超精密加工機2による回折格子成形用型1の加工方法の一例を説明する。
図5は回折格子成形用型1を研削加工中の研削砥石11の上面図を示す。超精密加工機2によって回折格子成形用型1の最外周の輪帯から研削加工を開始する。研削加工時には、まず、円盤状に形成された研削砥石11の斜面部11aの角度θTを回折格子成形用型1の最外周の輪帯の斜面角度θR1にB軸回転テーブル7を回動させて合致させる。前記角度θTは主軸5の回転軸5aに垂直な平面に対しての角度としてある。また、研削砥石11のエッジ部11cは回折格子成形用型1の最外周の輪帯の指定されたX座標値X1にX軸テーブル3にて移動させる。
次いで、工具回転スピンドル8の回転軸8aを中心に回転している研削砥石11を主軸5の回転軸5aを中心に回転している回折格子成形用型1に所定の速度で所定のZ軸位置までZ軸テーブル4によって切り込ませることで最外周の一つの輪帯R1が研削加工される。このとき、一つの前記輪帯の斜面R1a(第1加工面)は研削砥石11の斜面部11aの転写で形成され、この斜面R1aに対向する垂直面R1c(第2加工面)は研削砥石11のエッジ部11cで形成される。
図6は輪帯を研削加工した後の研削砥石11の斜面部11aのツルーイング・ドレス中の上面図を示す。
回折格子成形用型1の最外周の一つの輪帯R1を研削加工した後に、B軸回転テーブル7を回動させて研削砥石11の斜面部11aを主軸5の回転軸5aに対して垂直にする。次いでZ軸テーブル4の切込みとX軸テーブル3による移動により、研削砥石11の斜面部11aをツルア12に接触させることによりツルーイング・ドレスする。Z軸テーブル4での研削砥石11の切込量は、研削砥石11の砥粒径と同等程度でよい。
最外周の輪帯R1の内側の輪帯R2の加工について説明する。輪帯R1と同様に円盤状に形成された研削砥石11の斜面部11aの角度θTを回折格子成形用型1の輪帯R2の斜面角度θR2にB軸回転テーブル7を回動させて合致させる。次に研削砥石11のエッジ部11cを回折格子成形用型1の輪帯R2の指定されたX座標値X2にX軸テーブル3にて移動させる。
図7に示すように、このとき研削砥石11のエッジ部11cは、研削砥石11の斜面部11aのツルーイング・ドレスにより、B軸回転テーブル7の回転軸7aからずれているので、ツルーイング・ドレスに切込量に応じてX座標位置とZ座標の切込量を補正する。
本実施の形態の場合には、研削砥石11の平面部11bに対してはツルーイング・ドレスを行わないので、当該平面部11b(すなわち、エッジ部11c)の工具回転スピンドル8の回転軸8aの方向(X軸方向)における位置は不変であるため、斜面部11aの位置が、ツルーイング・ドレスによって変化しても、斜面部11aと平面部11bの交点であるエッジ部11cの位置は、斜面部11aの変化から容易に算出できる。
以上の研削加工−ツルーイング・ドレス−座標補正の一連の作業を繰り返すことにより、回折格子成形用型1の端面である加工主面に同心円状に回折格子形状1aが形成される。
本実施の形態では、最外周の輪帯から研削加工を開始しているが、中心から開始しても良い。また、一つの輪帯の加工後に研削砥石11のツルーイング・ドレスを行っているが、研削砥石11のエッジ部11cの摩耗状態によっては続けて輪帯を加工することも可能であり、累積の研削距離によって研削砥石11のツルーイング・ドレスの実行間隔を設定することもできる。
本実施の形態によれば、円盤状の研削砥石11の面を、加工対象の回折格子形状1aの斜面(斜面R1a)と同じに角度に傾けて切り込むことで回折格子形状1aの斜面部は研削砥石11の斜面部11aで形成され、直線部(垂直面R1c)は研削砥石11のエッジ部11cで形成されることになり、研削抵抗を抑えられることで、加工速度を抑制しなくても面精度の良好な斜面が得られる。
さらには各輪帯毎に斜面部を任意に傾けることができ、より性能の高い回折光学素子の成形型における回折溝の加工への対応が可能である。
また、研削砥石11の斜面部11aのみにツルーイング・ドレスが実行され、平面部11bには実行されないため、研削砥石11の全体の損耗量が軽減され、研削砥石11の寿命が延長されてコスト低減になるとともに、ツルーイング・ドレスの所用時間も短縮される。
また、研削砥石11のエッジ部11cは、常に鋭利な状態が保たれるので、回折格子形状1aの溝の底部の形状精度も向上する。
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2である回折溝の加工方法によって得られた回折格子成形用型13の断面を示す。回折格子成形用型13の回折格子形状13aの形状は斜面角度とピッチが同心円状の各輪帯にて同一であり、素材は超硬合金からなっている。
本実施の形態の回折格子成形用型13を加工する加工機の構成は実施の形態1と同様である。
図9は工具回転スピンドル8に研削砥石14が取り付けられた状態の上面図である。研削砥石14はレジンボンドのダイヤモンド砥石を用いており、斜面部14a(第1主面)と平面部14b(第2主面)の二つの面からなり、前記二つの面の交差部がエッジ部14cとして形成された円盤状である。
この実施の形態2の場合、前記研削砥石14の平面部14bは工具回転スピンドル8の回転軸8aに直交し、且つ主軸5の回転軸5aと平行に配置され、前記研削砥石14の斜面部14aと平面部14bからなる先端の角度θ14は、回折格子成形用型13の回折格子形状13aの溝角度θ13と同じ角度となっている。前記研削砥石14は超精密加工機2のB軸回転テーブル7上に設置された工具回転スピンドル8に取付けられ、研削砥石14のエッジ部14cとB軸回転テーブル7の回転軸7aが工具スピンドルホルダー10の図示しない調整機構により合致している。また、工具回転スピンドル8の回転軸8aと主軸5の回転軸5aも回転軸が工具スピンドルホルダー10の図示しない調整機構により合致している。
次に、この実施の形態2の回折溝の加工方法による回折格子成形用型13の加工を説明する。
図10は回折格子成形用型13を研削加工中の研削砥石14の上面図を示す。超精密加工機2によって回折格子成形用型13の最外周の輪帯から研削加工を開始する。研削砥石14のエッジ部14cを回折格子成形用型13の最外周の輪帯の指定されたX座標値X1にX軸テーブル3にて移動させる。
次いで、工具回転スピンドル8の回転軸8aを中心に回転している研削砥石14を主軸5の回転軸5aを中心に回転している回折格子成形用型13に所定の速度で所定のZ軸位置までZ軸テーブル4によって切り込ませることで最外周の一つの輪帯R1が研削加工される。このとき、この一つの輪帯の斜面R1a(第1加工面)は研削砥石14の斜面部14aの転写で形成され、垂直面R1b(第2加工面)は研削砥石14の平面部14bで形成される。
図11は輪帯を研削加工した後の研削砥石14の斜面部14aのツルーイング・ドレスの上面図を示す。回折格子成形用型13の最外周の一つの輪帯R1を研削加工した後に、X軸テーブル3とZ軸テーブル4の移動により、研削砥石14の斜面部14aをツルア12によりツルーイング・ドレスする。研削砥石14の切込量は、回折格子成形用型13の一つの輪帯R1の溝深さと同等が良い。
この場合も、研削砥石14においてツルーイング・ドレスされるのは斜面部14aのみであり、平面部14bは、ツルーイング・ドレスされない。
次いで最外周の輪帯R1の内側の輪帯R2の加工となる。研削砥石14のエッジ部14cを回折格子成形用型13の最外周の輪帯の指定されたX座標値X2にX軸テーブル3にて移動させる。工具回転スピンドル8の回転軸8aを中心に回転している研削砥石14を主軸5の回転軸5aを中心に回転している回折格子成形用型13に所定の速度で所定のZ軸位置までZ軸テーブル4によって切り込ませることで一つの輪帯R2が研削加工される。このとき研削砥石14のエッジ部14cは、研削砥石14の斜面部14aのツルーイング・ドレスにより、B軸回転テーブル7の回転軸7aからずれているので、ツルーイング・ドレスに切込量に応じてZ座標の切込量を補正する。
この場合には、研削砥石14の斜面部14aのツルーイング・ドレスによる損耗分だけ、Z軸方向の切り込み量を深くするだけでよく、回折格子成形用型13の径方向、すなわちX軸方向の位置調整は不要である。
以上の研削加工−ツルーイング・ドレス−Z座標補正の一連の作業を繰り返すことにより、回折格子成形用型13に回折格子形状13aが形成される。
本実施の形態2によれば、上述の実施の形態1と同様に高精度な回折格子形状13aを有する回折格子成形用型13が得られる、という効果に加えて、研削砥石14のツルーイング・ドレス後の補正も容易にできる。
以上説明したように、本発明の上述の各実施の形態によれば、円盤状の研削砥石の面を回折格子形状の斜面と同じに角度に傾けて切り込むことで回折格子形状の斜面部は研削砥石面部で形成され、直線部は研削砥石エッジ部で形成されることになり、研削抵抗を抑えられることで面精度の良好な斜面が得られる。さらには各輪帯毎に斜面部を任意に傾けることができ、より性能の高い回折光学素子の成形型への対応が可能である。
また、円盤状砥石の回折格子形状の斜面に作用する研削砥石の第1主面のみを修正することで、常に斜面の面精度と溝のエッジが保たれ、正確な回折素子形状を得ることができる。また、研削砥石の一面のみの修正であり回折素子形状(回折溝)のピッチや深さの制御が容易になる。さらには研削砥石のランニングコストも抑えられる。
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、上述の各実施の形態では、回折光学素子を製造するための回折格子成形用型に対して回折溝を加工する場合を例示したが、回折光学素子自体の回折溝の加工に用いてもよい。
本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法で製作された成形型を示す斜視図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法で製作された成形型の断面図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法を実施する加工機の斜視図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法を実施する加工機の上面図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法を実施する研削砥石の加工中の上面図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法を実施する研削砥石のツルーイング・ドレスの上面図である。 本発明の実施の形態1の回折溝の加工方法を実施する研削砥石の位置決め制御例を示す上面図である。 本発明の実施の形態2の回折溝の加工方法で製作された成形型の断面図である。 本発明の実施の形態2の回折溝の加工方法を実施する加工機の上面図である。 本発明の実施の形態2の回折溝の加工方法を実施する研削砥石の上面図である。 本発明の実施の形態2の回折溝の加工方法を実施する研削砥石のツルーイング・ドレスの上面図である。
符号の説明
1 回折格子成形用型
1b 加工主面
1a 回折格子形状
2 超精密加工機
3 軸テーブル
4 Z軸テーブル
5 主軸
5a 回転軸
6 主軸回転モータ
7 B軸回転テーブル
7a 回転軸
8 工具回転スピンドル
8a 回転軸
9 超精密加工機ベース
10 工具スピンドルホルダー
11 研削砥石
11a 斜面部
11b 平面部
11c エッジ部
12 ツルア
13 回折格子成形用型
13a 回折格子形状
14 研削砥石
14a 斜面部
14b 平面部
14c エッジ部
R1 輪帯
R1a 斜面
R1b 垂直面
R1c 垂直面
R2 輪帯
θ11 研削砥石11のエッジ部11cの角度
θ13 回折格子形状13aの溝角度
θ14 研削砥石14のエッジ部14cの角度
θR1 回折格子形状1aの斜面角度
θR2 回折格子形状1aの斜面角度
θT 研削砥石11の斜面部11aの角度
θmin 回折格子形状1aの最小の溝角度

Claims (5)

  1. 被加工物の加工主面に研削砥石を押圧して回折溝を形成する回折溝の加工方法であって、
    前記研削砥石は、交差部がエッジをなす第1および第2主面が外周部に設けられた円盤状を呈し、前記第1主面を、前記回折溝の前記加工主面に対して傾斜した第1加工面と同じ角度に傾けて前記被加工物に切り込み、前記回折溝の前記第1加工面を形成しつつ、前記研削砥石の前記エッジで前記回折溝の前記第1加工面と対向する第2加工面を研削加工することを特徴とする回折溝の加工方法。
  2. 請求項1記載の回折溝の加工方法において、
    前記回折溝の前記第1加工面を加工する前記研削砥石の前記第1主面をツルーイング・ドレスにより修正することにより、前記エッジを常に鋭利に保つことを特徴とする回折溝の加工方法。
  3. 請求項1記載の回折溝の加工方法において、
    前記被加工物の加工主面に複数の前記回折溝が同心円状に形成され、個々の前記回折溝の溝角度が互いに異なる場合、前記研削砥石の前記第1および第2主面のなす前記エッジの角度を、最小の前記溝角度よりも小さくすることを特徴とする回折溝の加工方法。
  4. 請求項1記載の回折溝の加工方法において、
    前記被加工物の加工主面に複数の前記回折溝が同心円状に形成され、個々の前記回折溝の溝角度が互いに等しい場合、前記研削砥石の前記第1および第2主面のなす前記エッジの角度を、前記溝角度と等しく設定することを特徴とする回折溝の加工方法。
  5. 請求項1記載の回折溝の加工方法において、
    前記被加工物は、回折素子の型成形に用いられる成形型であることを特徴とする回折溝の加工方法。
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JP2009184066A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Jtekt Corp 凹型フレネルレンズ形状部材の加工方法及び凹型フレネルレンズ形状部材
JP2012071375A (ja) * 2010-09-28 2012-04-12 Avanstrate Inc ガラス板の製造方法
CN102513899A (zh) * 2011-12-31 2012-06-27 哈尔滨工业大学 微圆弧槽阵列光学元件的单方向斜轴仿形精密磨削方法

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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