JP2008238179A - Method for machining mold and apparatus for using the same - Google Patents
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Description
本発明は、ガラスレンズなどの光学部品を成形するために用いる金型の加工方法とそれに用いる加工装置に関するものであり、特に、研削または切削加工された加工面の最終仕上げに関するものである。 The present invention relates to a method for processing a mold used to mold an optical component such as a glass lens and a processing apparatus used therefor, and particularly to final finishing of a processed surface that has been ground or cut.
携帯電話などに搭載されている100万画素以上のカメラモジュールには、低背化と高解像度を目的として、非球面のガラスレンズが用いられている。この非球面のガラスレンズは、光学設計された形状に基づいて加工された超硬などの金型で、球状の硝材を加熱しながら押圧することで形状を転写させて成形する。 An aspherical glass lens is used in a camera module having 1 million pixels or more mounted on a mobile phone or the like for the purpose of reducing the height and the resolution. This aspherical glass lens is a mold made of cemented carbide or the like processed based on an optically designed shape, and is formed by transferring a shape by pressing a spherical glass material while heating.
そのため、用いられる金型には高い形状精度が要求され、通常は、図4に示すように、円筒状またはそろばん玉形状の砥石1を用いて加工を行い、成形部2を形成する。図4は、その加工の状態を説明するための模式図である。金型3と円筒状の砥石1とを互いに回転させながら、この砥石1を設計された形状の軌跡に沿って移動させることで成形部2を加工する。このとき成形部2の表面には、砥石1と金型3の相対運動による軌跡に沿って特定のパターンの凹凸が形成され、この凹凸が成形したレンズに転写されることで解像度の低下や収差の原因となる。この凹凸は非常に微小であり、そのため作業者が成形部2に研磨紙などを押圧して除去し、手作業で最終仕上げを行っていた。
Therefore, high mold accuracy is required for the mold to be used, and usually, as shown in FIG. 4, processing is performed using a cylindrical or abacus-
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。
上記従来の方法では、仕上げを作業者による手作業で行うため、どこで止めるのかの判断が難しく、過剰に行うことで形状精度を低下させてしまう課題があった。 In the above-described conventional method, since finishing is performed manually by an operator, it is difficult to determine where to stop, and there is a problem in that shape accuracy is deteriorated by performing excessively.
そこで本発明は、形状精度を低下させることなく仕上げを行うことを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to perform finishing without reducing the shape accuracy.
上記目的を達成するために本発明は、金型に設けた成形部上の一点にレーザ光を照射しながら、前記金型を一定時間回転させた後、前記レーザ光の照射点を金型の回転半径に沿って移動させることで、前記成形部を仕上げ加工する加工方法であって、前記金型の回転数をレーザ光の照射点に応じて変化させることで、前記レーザ光の加工量を制御するので、必要とする加工精度、あるいは各照射点での回転速度(周速)に応じてレーザ光による加工量を一定にすることができるので、高い精度で加工面の仕上げ加工を行うことができる。 In order to achieve the above object, the present invention rotates the mold for a certain period of time while irradiating a laser beam to a point on the molding part provided in the mold, and then sets the irradiation point of the laser beam to the mold. A processing method for finishing the molded part by moving along a rotation radius, wherein the processing amount of the laser light is changed by changing the number of rotations of the mold according to the irradiation point of the laser light. Since it is controlled, the amount of processing with laser light can be made constant according to the required processing accuracy or the rotation speed (peripheral speed) at each irradiation point, so the finished surface can be processed with high accuracy Can do.
本発明に係る金型の加工方法とそれに用いる加工装置によれば、金型に設けた成形部上の一点にレーザ光を照射しながら金型を一定時間回転させた後、このレーザ光の照射点を金型の回転半径に沿って移動させることで、成形部の仕上げ加工を行う。このとき、回転半径におけるレーザ光の照射点に応じて金型の回転数を変化させることで、このレーザ光の加工量を制御するので、必要とする加工精度に応じて単位時間当たりの加工量を制御することができ、また、照射点による金型の回転速度(周速)の違いに起因する加工量の変動を常に一定とすることができるので、高い精度で金型の成形部を仕上げ加工することができる作用効果を奏する。 According to the mold processing method and the processing apparatus used therefor according to the present invention, after the mold is rotated for a certain time while irradiating the laser beam to one point on the molding portion provided in the mold, the laser beam is irradiated. The molded part is finished by moving the point along the radius of rotation of the mold. At this time, the amount of processing of the laser beam is controlled by changing the number of rotations of the mold according to the irradiation point of the laser beam at the radius of rotation, so the amount of processing per unit time according to the required processing accuracy In addition, it is possible to always keep the variation of the processing amount due to the difference in the rotation speed (peripheral speed) of the mold depending on the irradiation point, so the molded part of the mold can be finished with high accuracy. There exists an effect which can be processed.
また、レーザ光として、ピコ秒またはフェムト秒などの超短パルスのレーザ光を用いること、さらにレーザ光を金型の回転中心から周縁部に向けて移動させることで、隣接するレーザ光の照射点による熱の影響を受けないので、より高い精度で金型の成形部を仕上げ加工することができる作用効果も同時に奏する。 Also, by using laser light of ultrashort pulses such as picoseconds or femtoseconds as the laser light, and further moving the laser light from the rotation center of the mold toward the peripheral part, adjacent laser light irradiation points Since it is not affected by heat caused by the above, there is also an effect that can finish the molded part of the mold with higher accuracy at the same time.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図1は、本発明の金型加工装置を用いて加工する金型の一例を示している。図1(a)は、ガラスレンズなどのモールド成形に用いる金型4の外観斜視図であり、図1(b)は、図1(a)のA−AA断面図である。この金型4は超硬などの材料からなり、その天面部4aには、ガラスレンズを成形するための球面あるいは非球面の成形部5が形成されており、他方の底面部4bには天面部4aと径の異なる鍔部6を設けている。一対の上記金型4を両端が開放された円筒状のスリーブに挿入して、成形部5で硝材を挟持しながら加熱、押圧することで形状を硝材に転写する。凸レンズを成形する場合は、図1(b)に示すように、凹形状の成形部5を形成し、また凹レンズを成形する場合は、凸形状の成形部5を形成する。
FIG. 1 shows an example of a mold to be processed using the mold processing apparatus of the present invention. Fig.1 (a) is an external appearance perspective view of the metal mold | die 4 used for mold shaping | molding, such as a glass lens, FIG.1 (b) is AAA sectional drawing of Fig.1 (a). The
金型4に成形部5を形成する場合、以下に示す主に二つの工程を行う。主にレンズ形状を加工する第一の工程と、この第一の工程で加工した成形部5の表面を鏡面に仕上げる第二の工程である。第一の加工は、ダイヤモンドを整形したバイト、あるいは、微細なダイヤモンド粒を金属、セラミック、樹脂などで焼結した後に整形した固定砥石などの工具を、金型と相対的に移動させながら当接させることにより、球面、非球面形状などの成形部5を加工する。
When forming the
第二の工程は、第一の工程で成形部5の表面に残る凹凸を取り除き、鏡面に仕上げる。第一の工程では、工具の回転数や送りピッチの揺らぎなどにより、成形部5の表面には微小な凹凸が綾目などの幾何学模様で形成される。この微小な凹凸が残った状態でガラスレンズの成形を行うと、レンズの表面にこの凹凸が転写されて、光が散乱、または異常屈折することで、解像度の低下や収差を生じる原因となる。そのため、特に100万画素以上の高画素の撮像素子に用いられるレンズでは、この微小な凹凸を成形部5より取り除いて鏡面化する必要がある。本実施の形態は、この研削または切削された成形部5の表面に残存する微小な凹凸を取り除く加工方法とそれに用いる加工装置である。
In the second step, the unevenness remaining on the surface of the
図2は、本発明の一実施の形態における金型加工装置の外観斜視図を示している。本実施の形態における金型加工装置は、除振台7上に金型4を保持して移動させる多軸ステージ8と、この金型4の成形部5にレーザ光9を照射するためのレーザ光発生部10とを主に備えている。
FIG. 2 is an external perspective view of the mold processing apparatus according to the embodiment of the present invention. The mold processing apparatus in the present embodiment includes a multi-axis stage 8 that holds and moves a
レーザ光発生部10は、LDなどの励起光源11から出射される励起光12を、発振器13、再生増幅器14、パワー調整ユニット15を介して一定のパルス幅を有するレーザ光9として外部へ送り出し、複数のミラー16、17で反射させることにより、その光路を多軸ステージ8に保持された金型4の成形部5へ導き、集光レンズ18で集光して成形部5へ照射するものである。
The laser
発振器13は、YLF(リチウム・イットリウム・フロライド:LiYF4)などの結晶に、励起光源11からの励起光12を照射することで発光させて、その発光光を半導体過飽和ミラーに照射することで、ピコ秒、フェムト秒などの超短パルスのレーザ光9を発振させる。
The
さらにこの発振器13からのレーザ光9を再生増幅器14に入射して、増幅または偏光を行った後、場合によりSHGユニットなどでレーザ光9の波長を第二高調波に変換する。そしてパワー調整ユニット15で、一定の出力に調整されるものである。
Further, the laser beam 9 from the
金型4は、成形部5を露出させてホルダー19により多軸ステージ8に保持、固定されている。多軸ステージ8は、x軸、y軸、z軸の直交三軸20と、直交三軸20のうち二軸からなる水平面で回動する回動軸21と、ホルダー19を一定の回転数で回転させるエアスピンドル、高周波スピンドルなどからなる回転軸22とを備えている。これら回転軸22と回動軸21とは互いに直交するように配置されており、この回動軸21により、成形部5とレーザ光9の光路との垂直度を調整する。そして成形部5上の一点にレーザ光9を照射しながら、回転軸22を連続的に一定時間回転させることで、この成形部5上に略円形の軌跡でレーザ光9の照射点を移動させて、仕上げ加工を行うものである。
The
尚、仕上げ加工の状態をモニタリングするためのモニタ用カメラユニット23と、ホルダー19に保持された金型4の回転中心を求めて、機械原点と補正するための芯出し用カメラユニット24とを、レーザ光9の光路と並行に設けている。
It should be noted that a
上述した芯出し用カメラユニット24、モニタ用カメラユニット23、多軸ステージ8、発振器13などは、入出力ポートを介して制御コントローラ25に接続されている。成形部5上の一点にレーザ光9を照射しながら、金型4を一定時間回転させた後、多軸ステージ8を移動させることによりこのレーザ光9を金型4の回転半径に沿って一定のピッチで移動させる。そして再度一定時間回転させて、これらの工程を複数回繰り返すことにより成形部5の全面または一部を略円形に仕上げ加工する。このとき、制御コントローラ25によりレーザ光9の照射点に応じて、回転軸22の回転数を可変させることで、周速や要求される加工精度に応じて単位時間当たりの加工量を調節するものである。
The above-described
上述した金型加工装置は、多軸ステージ8で成形部5に照射するレーザ光9の位置を調整するものであるが、光路を調整する複数のミラー16、17の一部を可動にすることにより、レーザ光9の位置を調整することも可能である。こうすることにより、多軸ステージ8を構成する際に、各軸の組込による累積誤差を低減して、高精度にレーザ光9の位置決めが可能である。
The mold processing apparatus described above is for adjusting the position of the laser beam 9 applied to the
次に、図3を用いて上記金型加工装置を用いた加工方法の一実施の形態を説明する。 Next, an embodiment of a processing method using the mold processing apparatus will be described with reference to FIG.
まず初めにレーザ光9のエネルギー分布を測定する。レーザ光9は、その光路を中心としたガウシアン分布でエネルギーが減少するため、実際に加工に寄与する有効径を予め決定しておく。 First, the energy distribution of the laser beam 9 is measured. Since the laser beam 9 has a Gaussian distribution centered on the optical path and the energy decreases, an effective diameter that actually contributes to processing is determined in advance.
次に、金型4をホルダー19に固定して、成形部5上の第一の点26にレーザ光9を照射する。この第一の点26では、レーザ光9が成形部5に略垂直で入射するように多軸ステージ8の回動軸21で調整を行う。そして、レーザ光9を照射しながら回転軸22により金型4を連続的に一定時間回転させることにより、成形部5上のレーザ光9の照射点を移動させることで、有効径の幅で略円形となる第一の仕上げ加工27を行う。そして、多軸ステージ8を一定のピッチで移動させて、レーザ光9の照射点を金型4の回転半径に沿って第二の点28に移動させた後、再び一定の時間回転させることで、第一の仕上げ加工27に隣接した成形部5上に第二の仕上げ加工29を行う。上記の工程を繰り返すことにより、成形部5の一部または全面に仕上げ加工を行うものである。
Next, the
このとき、要求される加工精度、または金型4の回転速度(周速)の違いに応じて、レーザ光9の照射点毎に金型4の回転数を可変させて仕上げ加工を行う。具体的には、レーザ光9による加工量は、照射点に投入される熱量に比例するため、レーザ光9の投入エネルギーと、金型4の回転速度の積に加工量は比例する。そのため、レーザ光9の照射点毎に金型4の回転数を可変とすることで、要求される加工精度に応じて、単位時間当たりの加工量を調整するものである。
At this time, finishing is performed by varying the number of rotations of the
また、金型4を同一の回転数で回転させた場合、照射点(例えば26、28)毎に金型4の回転速度(周速)は異なるので、照射点毎に加工量が異なることになる。そのため、照射点毎に金型4の回転数を可変とすることで、加工量を照射点に依存せず、常に一定とすることができる。
Further, when the
また、金型4の回転数を低くすることで、レーザ光9の加工モードを、熱的な除去を主とすることができ、一方、回転数を高くすることで、アブレーションまたは熱処理を主として用いることができる。このように、金型4の回転数を可変とすることで、レーザ光9の加工モードを任意に変更することができる。
Further, by lowering the rotational speed of the
尚、レーザ光9の照射点を一定のピッチで金型4の回転半径に沿って移動させる場合、そのピッチは少なくともレーザ光9のスポット径以上とする。さらに、その移動方向は、矢印Bに示すごとく金型4の回転中心から周縁部に向けて移動させる。こうすることにより、隣接する仕上げ加工部からの熱の影響を受けることがなく、その結果、高い精度で成形部5を仕上げ加工することができる。
When the irradiation point of the laser beam 9 is moved along the rotation radius of the
尚、上述した仕上げ加工を行う際、レーザ光9のパルス幅を数10ピコ秒程度の超短パルスとした。このような超短パルスとすることで、隣接するレーザ光9による熱の影響をさらに低減させることができる。本実施の形態では、上記の超短パルスで、エネルギーを数mJとすることで、レーザ光9を照射した照射点にアブレーションを発生させて、微小な凹凸を除去した。 When performing the above-described finishing process, the pulse width of the laser beam 9 was set to an ultrashort pulse of about several tens of picoseconds. By setting it as such an ultrashort pulse, the influence of the heat by the adjacent laser beam 9 can further be reduced. In the present embodiment, the above-mentioned ultrashort pulse is used to set the energy to several mJ, so that ablation is generated at the irradiation point irradiated with the laser light 9 and minute irregularities are removed.
また、凹凸の凸部には、研削または切削加工により炭素が偏析しやすく、レーザ光9の照射条件により、凸部のみを除去することも可能である。 In addition, carbon easily segregates on the uneven protrusions by grinding or cutting, and it is possible to remove only the protrusions depending on the irradiation condition of the laser light 9.
本発明に係る金型の加工方法とそれに用いる加工装置によれば、金型に設けた成形部上の一点にレーザ光を照射しながら金型を一定時間回転させた後、このレーザ光の照射点を金型の回転半径に沿って移動させることで、成形部の仕上げ加工を行う。このとき、回転半径におけるレーザ光の照射点に応じて金型の回転数を変化させることで、このレーザ光の加工量を制御するので、必要とする加工精度に応じて単位時間当たりの加工量を制御することができ、また、照射点による金型の回転速度(周速)の違いに起因する加工量の変動を常に一定とすることができるので、高い精度で金型の成形部を仕上げ加工することができる作用効果を奏する。 According to the mold processing method and the processing apparatus used therefor according to the present invention, after the mold is rotated for a certain time while irradiating the laser beam to one point on the molding portion provided in the mold, the laser beam is irradiated. The molded part is finished by moving the point along the radius of rotation of the mold. At this time, the amount of processing of the laser beam is controlled by changing the number of rotations of the mold according to the irradiation point of the laser beam at the radius of rotation, so the amount of processing per unit time according to the required processing accuracy In addition, it is possible to always keep the variation of the processing amount due to the difference in the rotation speed (peripheral speed) of the mold depending on the irradiation point, so the molded part of the mold can be finished with high accuracy. There exists an effect which can be processed.
また、レーザ光として、ピコ秒またはフェムト秒などの超短パルスのレーザ光を用いること、さらにレーザ光を金型の回転中心から周縁部に向けて移動させることで、隣接するレーザ光の照射点による熱の影響を受けないので、より高い精度で金型の成形部を仕上げ加工することができる作用効果も同時に奏するので、ガラスレンズなどの光学部品を成形するために用いる金型の加工方法とそれに用いる加工装置、特に、研削または切削加工された加工面の最終仕上げに有用である。 Also, by using laser light of ultrashort pulses such as picoseconds or femtoseconds as the laser light, and further moving the laser light from the rotation center of the mold toward the peripheral part, adjacent laser light irradiation points Because it is not affected by the heat caused by heat, it also has the effect of being able to finish the molded part of the mold with higher accuracy, so the processing method of the mold used to mold optical parts such as glass lenses and so on It is useful for the finishing machine of the processing apparatus used for it, especially the grinding | polishing or the cutting processed surface.
4 金型
5 成形部
7 除振台
8 多軸ステージ
9 レーザ光
10 レーザ光発生部
11 励起光源
13 発振器
26 第一の点
27 第一の仕上げ加工
28 第二の点
29 第二の仕上げ加工
4
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102069299A (en) * | 2010-12-23 | 2011-05-25 | 无锡荣兴科技有限公司 | Coaxial revolving photomasking device for laser processing |
-
2007
- 2007-03-26 JP JP2007078504A patent/JP2008238179A/en active Pending
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