JP2008238285A

JP2008238285A - 加工装置および加工方法

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Publication number: JP2008238285A
Application number: JP2007078694A
Authority: JP
Inventors: Fuminori Takami; 文宣高見; Yoshifumi Takasu; 良史鷹巣
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: JP4843539B2

Abstract

【課題】軸対称形状，軸非対称形状，自由曲面形状、あるいは、それらの形状が複数アレイ上に配置された光学素子、またはそれらを成形するための成形型を高精度に加工可能にする。
【解決手段】所定の形状がアレイ状に配置された光学素子を加工する際、第１の回転軸１に被加工物９の中心を合わせて取り付け、第１の回転軸１の回転中心にないアレイ状に配置された一形状を第１の回転軸１を中心に回転する。この回転を、第１の回転軸１と対面する工具８を備えた第２の回転軸５を同回転数で同期回転させることによって、相殺して加工する。アレイ状に配置された形状の位置は、第１の回転軸（Ｃ１軸）に対する第２の回転軸５の回転開始角と、第２の回転軸（Ｃ２軸）５上にある直線軸Ｘ２軸６における半径方向の位置により決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種形状が１個以上アレイ上に配置された部材，部品、あるいは、それらを成形するための成形金型を高精度に加工するための加工装置および加工方法に関するものである。

近年、光学機器の小型化，高性能化，大容量化の流れに伴って、それらに用いられる光学素子においても、それぞれ小曲率化，小径化，高精度化，複雑形状化が進んでおり、例えば、球面形状ないし非球面形状に対応する凹形状または凸形状をアレイ上に配置した光学素子が存在する。これらの光学素子では、一般的に、各形状一つ一つの形状精度はもとより、それらの位置精度も大きく性能に影響する。

このような光学素子を得るための従来の加工装置，加工方法の一例として特許文献１に記載のものがある。

図７は特許文献１に記載された加工法について概略説明するための斜視図である。

図７において、加工機２０の保持部２１の回転軸２２と、治具２３に取り付けられた母型２４の表面のうち、レンズアレイを成形する部分の外形中心位置とを一致させて固定し、保持部２１の回転軸２２と、母型２４の表面のレンズアレイの小レンズの光学的中心に対応する位置とを合わせる。そして、治具２３の駆動部２５Ｘ，２５Ｙの目盛の変動量から、母型２４の移動量を算出する。さらに、治具２３の円盤部２６の移動量（実測値）を求める。実測値と算出値との差が、所定値以下であれば、母型２４の表面のレンズアレイの凹部２７を形成するようになっている。

そして加工時、保持部２１により母型２４を回転させると共に、母型２４をＺ軸方向に沿って移動させる。さらに、ディスク型砥石２８を回転させながら、母型２４の表面に当接させ、ディスク型砥石２８をＹ軸方向，Ｘ軸方向に移動させる。すなわち、保持部２１は、ディスク型砥石２８に対して、３次元的に位置決め可能な軸構成であり、ディスク型砥石２８は、保持部２１に対して三次元的に位置決めしながら移動することとなる。このようにして、母型２４に凹部２７が形成される。

このように前記従来技術では、軸対称な形状がアレイ状に配置された被加工物を、治具を用いて一つずつ主軸の回転中心に移動し、主軸を回転させながら工具を相対的に走査して加工を行う方法を用いている。
特開２００５−１１１６５２号公報（図３）

しかしながら、前記従来の加工方法では大きく３つの課題がある。

第１の課題として、被加工物上にアレイ状配置された所定の形状を複数個加工する際、一つの所定の形状の中心を、加工機主軸の回転中心へと治具を用いて合わせ、その状態で主軸を回転させ、工具を直交する３軸の直線軸にて被加工物に対して相対的に走査し加工を行うが、位置調整のためのステージが２つと部品点数が多く剛性が低いため、主軸を高速に回転させることができない。

また、各アレイ状に配置された形状の一つ一つを主軸回転中心に合わせて加工を順次行うため、被加工物の中心軸上に回転中心がなく、主軸を高速回転させることができない。主軸を高速回転できないということは、加工時間が長くなるということであり、時間に関する装置誤差、変動が乗りやすくなるため、各アレイ上に配置された形状の一つ一つにバラツキが起こり、結果として形状精度，位置精度を高精度に得ることはできない。

また、仮に高速回転させたとしても、高速回転になるに従って、また被加工物の中心軸より離れた位置の形状になるに従って、主軸の回転精度が悪くなり形状精度が悪化する。

第２の課題として、治具を用いて被加工物上にアレイ状に配置された形状の一つ一つを主軸回転中心に合わせて加工するため、測定，フィードバック，補正機能を備えてはいるものの、アレイ状に配置された形状の数が増えてくると、一つ一つステージを動作させ位置合わせを行うことによる誤差の累積は避けることができない。

第３の課題として、アレイ状に配置された一つ一つの形状の中心を主軸回転中心にステージを移動させて行う加工方法のため、ステージの稼動範囲を超える位置に配置されている形状を加工することは不可能である。

また、これらの対策として、ステージの稼動範囲を大きくし、その稼動範囲の限界近くにて加工をすると、前記第１の課題にも記載したが、主軸回転バランスが悪化し、また剛性も悪くなるため、高精度な位置精度、形状精度を得ることは困難である。

本発明は、前記従来の技術の課題を解決するものであり、被加工物上にアレイ状に配置された各形状の位置精度と、各形状の形状精度の高精度化を目的とした加工装置、および加工方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の加工装置に係る発明は、被加工物を取り付ける被加工物取付面と、前記被加工物取付面を回転させる第１の回転軸と、前記被加工物を加工する工具を保持する保持部と、前記保持部を前記第１の回転軸と平行な軸で回転させる第３の回転軸と、前記第１の回転軸と平行な軸で前記保持部を回転させる第２の回転軸と、前記第２の回転軸と前記保持部との距離を変化させる工具移動軸と、前記第１の回転軸と平行な方向に前記被加工物取付面と前記保持部とを相対的に移動する直線Ｚ軸と、前記直線Ｚ軸と垂直な方向に前記被加工物取付面と前記保持部とを相対的に移動する直線Ｘ軸とを備えたことを特徴とし、このような構成にすることにより、被加工物の回転中心にはない所定の形状を、あたかも回転中心にあるかのように加工を行うことができる。

請求項２に記載の発明は、本願の第１の発明の加工装置において、第１の回転軸と第２の回転軸とを同回転数で同期回転する制御ユニットを備えたことを特徴とし、請求項１の加工装置を数値制御することができ、精度の良い加工を行うことが可能になる。

請求項３に記載の発明のように、制御ユニットは、第１の回転軸と第２の回転軸と第３の回転軸と直線Ｚ軸と直線Ｘ軸と工具移動軸との少なくとも一つの軸を数値制御するものであればよい。

請求項４に記載の発明のように、工具は、切削加工用バイトまたは研削加工工具であることが望ましい。

請求項５に記載の加工方法に係る発明は、被加工物に複数の形状の加工を行う同一形状加工方法おいて、前記被加工物を取り付けた被加工物取付面を回転させる第１の回転軸と、前記第１の回転軸の延長線上に配置した第２の回転軸とを相対的に回転し、前記第２の回転軸で回転される加工工具と前記被加工物とを所望の位置に配置する回転配置工程と、前記加工工具を前記第２の回転軸と垂直な方向に移動する半径方向配置工程と、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とを同回転数で同期回転させる同期回転工程と、前記被加工物に対し、前記加工工具を相対的に移動して加工を行う加工工程とを含み、前記回転配置工程と前記半径方向配置工程と前記同期回転工程と前記加工工程とを所望回数行うことにより、被加工物に複数の形状の加工を行うことを特徴とし、このような加工方法により、被加工物の回転中心にはない所定の形状を、あたかも回転中心にあるかのように加工を行うことができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の加工工法において、第２の回転軸の回転に対して、第３の回転軸を逆方向に同回転数で回転させることを特徴とし、このような加工方法により、被加工物に対する工具の向きを一定に保つことができ、より安定した精度の良い形状面を得ることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項５または６記載の加工方法において、第１の回転軸の延長線上の被加工物の回転中心に近い形状から加工することを特徴とし、このような加工方法により、アレイ状に複数配置された一つ一つの形状精度、および、それらの位置精度を高精度に得ることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項５，６または７記載の加工方法において、第１の回転軸の延長線上の被加工物の回転中心より回転対称な位置にある２形状ごとに順次加工を行うことを特徴とし、このような加工方法により、アレイ状に複数配置された一つ一つの形状精度、および、それらの位置精度を高精度に得ることができる。

本発明に係る加工装置および加工方法によれば、軸対象形状，軸非対称形状，自由曲面形状、あるいは、またそれらの形状がアレイ上に複数配置された凹面ないし凸面の光学素子、またはそれらを成形するための光学素子成形金型などを高精度に加工することができる。

以下、本発明に係る加工装置および加工方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係る加工装置の一実施形態を示すものであり、図１（ａ）は本実施形態の側面図、図１（ｂ）は図１（ａ）においてＡ矢印方向から見た工具台の正面図を示す。

図１に示すように、第１の回転軸（Ｃ１軸）１が配置され、第１の回転軸１と垂直に直線軸Ｙ軸テーブル２が設けられ、直線軸Ｙ軸テーブル２の下に該直線軸Ｙ軸テーブル２と直交する直線軸Ｚ軸テーブル（直線Ｚ軸）３が配置され、直線軸Ｚ軸テーブル３と垂直に直線軸Ｘ軸テーブル（直線Ｘ軸）４が配置されている。

前記直線軸Ｘ軸テーブル４上には第１の回転軸１と平行に配置された第２の回転軸（Ｃ２軸）５が配置され、第２の回転軸５には直線軸Ｘ軸テーブル４と平行な直線軸Ｘ２軸（工具移動軸）６が装備され、直線軸Ｘ２軸６には、第１の回転軸１と第２の回転軸（Ｃ２軸）５とに平行な第３の回転軸（Ｃ３軸）７が装備されている。第３の回転軸７の保持部７ａには工具８が取り付けられており、工具８の先端は各軸に対して所定の位置に位置出しされている。また被加工物９は、第１の回転軸１に中心軸が重なるように取り付けられている。

図２は図１に示す本実施形態の要部の拡大図であり、図２（ａ）は図１の各部の平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）をＡ矢印方向より見た斜視図、図２（ｃ）は図２（ａ）をＢ矢印より見た斜視図である。

図２において、図１に示す第１の回転軸１の被加工物取付面１ａに被加工物９を取り付け、平行して対面している第３の回転軸７に工具８が、第２の回転軸５から直線軸Ｘ２軸６を用いて所定の半径位置に固定されている状態を示す。

図３は本実施形態にて使用した被加工物９の斜視図であり、所定の軸対称凹面形状１０をアレイ状に複数備えたレンズアレイ成型用金型を例示している。軸対称凹面形状１０の形状精度は数１０ナノ以下の精度が必要とされており、また、軸対称凹面形状１０の一つ一つの位置精度はサブミクロンの精度が必要とされている。

図１，図２に示す加工装置において、図４（ア）は被加工物９上に複数アレイ状に配置された所定の軸対称凹面形状１０の一つを加工するときの、始めの１回転の状態を示す正面図であり、図４（イ）は図４（ア）より工具８の位置関係に絞りぬき出したものであり、図４（ａ）〜（ｅ）は加工開始位置０°から９０°おきに１回転分の被加工物９の所定の軸対象凹面形状１０と工具８との関係を抜き出して示すものである。

図５は軸対称凹面形状１０の一つを加工するときの加工開始時と終了時の１回転の被加工物９と工具８の位置関係を示す図であり、図５（ア）は加工開始時の被加工物と工具の関係を示す正面図、図５（イ）は加工終了時の被加工物９と工具８の関係を示す正面図であって、図５（ａ）〜（ｅ）は加工開始時（実線）と終了時（点線）の１回転分の被加工物９と工具８との位置関係をそれぞれ９０°ごとに抜き出して示す平面図である。

図４（ア）に示すように、軸対称凹面形状１０は被加工物９回転中心より所定の距離ｒ離れた位置に配置されており、図４（イ）に示すように、工具８も第２の回転軸５の回転中心から距離ｒになるように第２の回転軸５に固定する。また、第３の回転軸７を用いて、工具８が常に同じ方向が向くように制御して、この状態で第１の回転軸１と第２の回転軸５を同回転数で同期回転させることにより、形状中心回転軌跡１１と工具刃先回転軌跡１２は同じ半径で回転していることになり、図４（ａ）〜（ｅ）に示すように、加工開始点１３は移動し、加工範囲１４はあたかも軸対象凹面形状１０が第１の回転軸１中心にあるかのごとく、１回転につき１周分加工されていることが分かる。

前記のように第１の回転軸１と第２の回転軸５を同回転数で同期回転させることにより、図６に示すように、一般的な被加工物中心に軸対称形状が一つ配置された金型を直線Ｚ，Ｘ軸を用いて加工するときのように、軸対象凹面形状１０が第１の回転軸１中心にあるかのごとく、１回転につき１周分加工されるため、そのまま直交する直線軸Ｚ軸テーブル３と直線軸Ｘ軸テーブル４を用いて、図５に示す工具加工軌跡１６のように走査すれば、軸対称凹面形状１０を加工することができる。

第１の回転軸１と第２の回転軸５を同回転数で同期回転させるための制御部としてはＮＣ制御ユニット（図示せず）を設置する。なお、ＮＣ制御ユニットによるコントロールとしては、第１の回転軸１，第２の回転軸５，第３の回転軸７，直線Ｚ軸３，直線Ｘ軸４，直線Ｙ軸２，工具移動軸６のうちのいずれか一つ、あるいは全部の軸を数値制御することが考えられる。

図４，図５にて説明したように、被加工物９の回転中心から所定の形状の位置を決定しているのは、第１の回転軸１と第２の回転軸の開始角度と、第２の回転軸５上の回転中心より工具８取り付け位置までの距離である。この角度と距離を変更することにより、被加工物９上に複数のアレイ状に配置した形状を加工することが可能である。

また、被加工物９の回転中心に近い形状から加工したり、被加工物９の回転中心より回転対称な位置にある２形状ごとに順次加工することにより、第１の回転軸１の回転バランスが崩れることなく加工することができるため、精度の良い形状を加工することができる。

この構成を用いることで、軸対象形状が複数アレイ状に配置された光学素子、またはそれらを成形するための成型用金型を加工する際、被加工物９の中心は第１の回転軸１上に固定されるため、従来のステージを用いて被加工物９のアレイ状に配置された一形状の中心にステージを移動させて回転させる方法に比べ、第１の回転軸１の剛性が高く、また移動させることがないため、回転バランスもくずれることがなく、高速に回転させることが可能である。

高速に第１の回転軸１を回転させて加工を行えるということは、工具８の磨耗を少なくすることができ、また加工総時間が大きく短縮できるため、アレイ状に配置された所定の形状の位置精度も高精度なものを得ることができる。

また、従来ではアレイ状に配置された形状を加工する際に、第１の回転軸１上の治具を用いて、一つ一つ位置合わせをして加工を行っているが、本実施形態の加工装置および加工方法では、第１の回転軸１上に、一度固定された被加工物９は、すべてのアレイ状に配置された形状を加工するまで、一度も動かすことなく加工することができる。このことから一つ一つステージ治具を用いて位置出しを行うことによる累積誤差などがなく、アレイ状に配置された所定の形状の位置精度も高精度なものを得ることができる。

なお、本実施形態では第３の回転軸７を用いて工具８の向きを一方向に制御しているが、第２の回転軸の回転と同回転数で逆方向に回転するか、第２の回転軸の回転が伝わらない構成にしても同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では第３の回転軸７を用いて、凹面形状１０に対して常に同じ方向が向くように制御し加工を行ったが、被加工物９上の形状によっては、工具角度をフレキシブルに変化させて加工を行うものもある。

なお、本実施形態では直線軸Ｚ軸テーブル３と直線軸Ｘ軸テーブル４との２軸を用いて加工を行ったが、直線軸３軸を用いるような複雑な形状の加工に関しても同様の効果を得ることができる。

また、工具８は切削加工用バイト、あるいは研削加工工具であることが望ましい。

なお、本実施形態では軸対称形状が複数アレイ状に配置された光学素子成型用金型としたが、軸対称，軸非対称形状，自由曲面などの形状、および回折格子を有するものを、単一またはアレイ状に配置された光学素子、またはそれらを成形するための成型用金型を加工する際にも有用である。

本発明に係る加工装置および加工方法は、軸対称形状，軸非対称形状，自由曲面形状、また、それらの形状が複数アレイ状に配置された凹面ないし凸面の光学素子、またはそれらを成形するための成形型を高精度に加工するために用いて有効である。

本発明の実施形態における加工装置の構成図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）において矢印Ａからみた工具台の正面図本実施形態の要部であるレンズアレイ加工部の拡大図であり、（ａ）は加工部の平面図、（ｂ）は（ａ）において矢印Ａから見た被加工物側の斜視図、（ｃ）は（ａ）において矢印Ｂから見た工具側の斜視図本実施形態における被加工物の斜視図本実施形態における加工部の正面図であり、（ア）は軸対称凹面形状の一つを加工するときの始めの１回転の被加工物と工具の関係を示す正面図、（イ）は（ア）の工具の位置関係を抜き出して示す正面図、（ａ）〜（ｅ）は加工開始位置より９０°おきの被加工物と工具の関係を示す正面図本実施形態における軸対象凹面形状の加工開始時と終了時の１回転の被加工物と工具の位置関係を示す図であり、（ア）は加工開始時の被加工物と工具の関係を示す正面図、（イ）は加工終了時の被加工物と工具の関係を示す正面図、（ａ）〜（ｅ）は加工開始時（実線）と終了時（点線）の１回転分の被加工物と工具との位置関係をそれぞれ９０°ごとに抜き出した時の平面図本実施形態における一般的な軸対称形状の加工軌跡を表した平面図従来の加工装置の構成を示す斜視図

符号の説明

１第１の回転軸（Ｃ１軸）
１ａ第１の回転軸の被加工物取付面
２直線軸Ｙ軸テーブル
３直線軸Ｚ軸テーブル
４直線軸Ｘ軸テーブル
５第２の回転軸（Ｃ２軸）
６直線軸Ｘ２軸
７第３の回転軸（Ｃ３軸）
７ａ第３の回転軸の保持部
８工具
９被加工物
１０軸対象凹面形状
１１軸対象凹面形状中心回転軌跡
１２工具刃先回転軌跡
１３加工開始点
１４加工された範囲
１５Ｃ１軸，Ｃ２軸回転方向
１６工具刃先加工軌跡

Claims

被加工物を取り付ける被加工物取付面と、
前記被加工物取付面を回転させる第１の回転軸と、
前記被加工物を加工する工具を保持する保持部と、
前記保持部を前記第１の回転軸と平行な軸で回転させる第３の回転軸と、
前記第１の回転軸と平行な軸で前記保持部を回転させる第２の回転軸と、
前記第２の回転軸と前記保持部との距離を変化させる工具移動軸と、
前記第１の回転軸と平行な方向に前記被加工物取付面と前記保持部とを相対的に移動する直線Ｚ軸と、
前記直線Ｚ軸と垂直な方向に前記被加工物取付面と前記保持部とを相対的に移動する直線Ｘ軸とを備えたことを特徴とする加工装置。
前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とを同回転数で同期回転する制御ユニットを備えたことを特徴とする請求項１記載の加工装置。
前記制御ユニットは、前記第１の回転軸と前記第２の回転軸と前記第３の回転軸と前記直線Ｚ軸と前記直線Ｘ軸と前記工具移動軸との少なくとも一つの軸を数値制御することを特徴とする請求項１または２記載の加工装置。
前記工具は、切削加工用バイトまたは研削加工工具であることを特徴とする請求項１または３記載の加工装置。
被加工物に複数の形状の加工を行う同一形状加工方法おいて、
前記被加工物を取り付けた被加工物取付面を回転させる第１の回転軸と、前記第１の回転軸の延長線上に配置した第２の回転軸とを相対的に回転し、前記第２の回転軸で回転される加工工具と前記被加工物とを所望の位置に配置する回転配置工程と、
前記加工工具を前記第２の回転軸と垂直な方向に移動する半径方向配置工程と、
前記第１の回転軸と前記第２の回転軸とを同回転数で同期回転させる同期回転工程と、
前記被加工物に対し、前記加工工具を相対的に移動して加工を行う加工工程とを含み、
前記回転配置工程と前記半径方向配置工程と前記同期回転工程と前記加工工程とを所望回数行うことにより、被加工物に複数の形状の加工を行うことを特徴とする加工方法。
前記第２の回転軸の回転に対して、前記第３の回転軸を逆方向に同回転数で回転させることを特徴とする請求項５記載の加工工法。
前記第１の回転軸の延長線上の前記被加工物の回転中心に近い形状から加工することを特徴とする請求項５または６記載の加工方法。
前記第１の回転軸の延長線上の前記被加工物の回転中心より回転対称な位置にある２形状ごとに順次加工を行うことを特徴とする請求項５，６または７記載の加工方法。