JP3652182B2

JP3652182B2 - 回折格子の加工方法及び加工装置

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Publication number: JP3652182B2
Application number: JP27140699A
Authority: JP
Inventors: 孝夫横松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2019-09-24
Also published as: JP2001091718A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば回折光学素子用金型にブレーズド形状の回折格子を切削工具により加工する回折格子の加工方法及び加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光学系の高性能化、小型化等の要求が高まるにつれて、回折格子が注目されている。この種の回折格子には、多数のブレーズド形状（鋸歯形状）の格子が形成されており、高い回折効率が与えられている。そして、回折格子は産業上の多様な分野、例えばレーザービームプリンタの走査光学系、光ディスク再生装置の光ピックアップ等に使用されつつあり、特に走査光学系、光ピックアップ等に使用される回折格子は、凸状で正のパワーを有することが多く、金型により量産可能とされている。
【０００３】
例えば、図６に示すように金型材料１には回折格子とは逆形状の多数の略楕円形状の溝２がバイト３により切削加工されている。これらの溝２の斜面２ａは中心線Ｃ側に向けられており、溝２のピッチは中心線Ｃ側に向うにつれて広くされている。回折格子がレプリカ法により平坦な形状に製作される場合には、金型材料１にはリン青銅、無酸素銅、真鍮等の軟質金属が使用される。バイト３はマシニングセンタ等のＮＣ工作機械の主軸に保持されるシャンク４と、このシャンク４の端部にろう付け等により固定された超硬又は単結晶のダイヤモンドチップ５とから構成されている。
【０００４】
金型材料１に溝２を形成する際には、バイト３がＮＣ工作機械の主軸により回転駆動され、溝２がフライカット加工により所望の形状に加工される。この際に、溝２の斜面２ａはチップ５の第１の切刃稜５ａにより切削され、溝２の側面２ｂはチップ５の第２の切刃稜５ｂにより切削される。
【０００５】
なお、回折格子がプラスチック、ガラス等から成形される場合には、平面、球面、自由曲面が問われることなく、超硬母材の表面にニッケルメッキ等が施され、表面処理層がバイト３により切削加工される。また、金型材料１が直動軸又は割出盤に固定され、バイト３が回転駆動されることなく金型材料１がシェーパ加工される場合もある。そして、凹状の負のパワーを有する回折格子が使用される場合もあり、この場合には負のパワーを有する回折格子は光学用樹脂から同様な方法で直接切削加工される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、レーザービームプリンタの走査光学系の回折格子は、主走査方向の波長変動による倍率色収差と、副走査方向の温度変化によるピント変化とを補正するようになっており、走査光学系の感光ドラムの近傍に配置されている。また、この種の回折格子は２００ｍｍ程度の長手方向の長さと、片側で８０００本以上の溝２とを有している。従って、バイト３は溝２を極めて長い距離に渡って切削することになり、チップ５が摩耗して溝２の頂点２ｃにバリ２ｄを発生させることになる。
【０００７】
バリ２ｄの大きさは通常１μｍ以下であるが、頂点２ｃの高さがμｍのオーダであるため、バリ２ｄは極めて大きい形状誤差の原因となる。一方、バリ２ｄは超音波洗浄等により或る程度まで除去できるが、バリ２ｄ自体に加えてバリ２ｄを除去した部分も設計値からずれることになり、回折効率を低下させる原因となる。
【０００８】
また、回折格子が良好な光学性能を得るためには、９０％以上の回折効率を得る必要があり、バリ２ｄの発生を抑制しただけでは所定の回折効率を得ることが困難となっている。例えば、溝２の高さを１．５μｍに形成する場合には、±５０ｎｍの形状精度が必要であるが、この形状精度を実現するためには、±２０ｎｍ程度の位置決め精度を有する工作機械が必要となる。しかしながら、一般的な５軸ＮＣ工作機械の位置決め精度は１００ｎｍ程度であるため、±５０ｎｍの形状精度を達成することは不可能となる。
【０００９】
更に、工作機械の運動軸を増加させることは精度を劣化させるため、工作機械の運動軸は３軸又は４軸である場合が多い。複雑な形状を加工するには５軸と主軸が必要であるが、一部に存在する超精密５軸ＮＣ工作機械はマイクロマシンを対象とした小型のものであり、上述したような２００ｍｍ程度の長さの回折格子や回折格子の金型を所定の形状と寸法に加工することは不可能となる。また、工作機械の主軸をボールベアリング等の摩擦を有する軸受により支持した場合には、主軸の回転ぶれが大きいため、フレアが発生しないＲmax ＝３０ｎｍ程度の表面粗さを得ることが不可能となる。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、多数のブレーズド形状の回折格子を高精度で加工し得る回折格子の加工方法及び加工装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る回折格子の加工方法は、凹のブレーズド形状を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子又は回折格子の型を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する回折格子の加工方法であって、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る回折格子の加工方法は、凹のブレーズド形状を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子又は回折格子の型を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する切削加工工程を含む回折格子の加工方法であって、前記切削加工工程では、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが径方向に微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る回折格子の加工方法は、正のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子の型、又は負のパワーを有するブレーズド形状の反射型回折格子の型、又は負のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子、又は正のパワーを有するブレーズド形状であって、格子ピッチが径方向に徐々に微細になる反射型回折格子を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する回折格子の加工方法であって、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る回折格子の加工装置は、直動３軸運動機構、回転２軸運動機構及びチップを有するバイト回転機構を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子の加工装置であって、前記直動３軸運動機構、回転２軸運動機構及びチップを有するバイト回転機構の運動部を静圧軸受により支持すると共に、前記直動３軸運動機構をリニアモータにより駆動し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて、前記運動部を摩耗のない駆動系によって駆動することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明を図１〜図５に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。
図１は回折格子の加工方法を実施するための加工装置の正面図であり、この加工装置は凹状のブレーズド形状を有する回折格子を製作するための金型の切削加工が可能とされている。平面ベース１１の上方には、Ｘスライダ１２、Ｙスライダ１３、Ｚスライダ１４がＸ、Ｙ、Ｚ方向にそれぞれ移動自在に設置されている。Ｚスライダ１４にはＢ軸の回りに回転するＢ軸割出盤１５が設けられ、Ｂ軸割出盤１５には取付プレート１６が支持されている。そして、Ｙスライダ１３にはＣ軸の回りに回転するＣ軸割出盤１７が設けられている。
【００１６】
取付プレート１６の一端には回転装置１８が支持されており、取付プレート１６の他端にはカウンタウエイト１９が固定されている。これにより、回転装置１８はカウンタウエイト１９によりモーメントが相殺されながらＢ軸の回りに回転可能とされている。回転装置１８にはスピンドル２０が回転自在に支持され、スピンドル２０にはホルダ２１を介してバイト２２が着脱自在に固定されている。そして、Ｃ軸割出盤１７にはロータ２３がＣ軸の回りに回転自在に支持され、ロータ２３には金型材料２４が同心に載置されている。
【００１７】
バイト２２はホルダ２１に保持されたシャンク２２ａと、このシャンク２２ａに固定された超硬又は単結晶のダイヤモンドチップ２２ｂとから構成され、ダイヤモンドチップ２２ｂには切刃稜２２ｃが設けられている。また、金型材料２４はリン青銅、無酸素銅、真鍮等の軟質金属又は超硬母材にニッケルメッキ等の切削可能な表面処理が施されたものとされ、その表面は平面とされている。
【００１８】
このような５軸運動機構を有する加工装置により、金型材料２４に多数のブレーズド形状の溝を高精度に加工するためには、バイト２２の摩耗を防止すると共に、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ１２、１３、１４、Ｂ軸割出盤１５、Ｃ軸割出盤１７、スピンドル２０、ロータ２３等の運動部の位置決め精度を向上させ、運動部の振動を抑制することが重要となる。このため、運動部には摩擦等の非線形要素を持たせず、高い制御応答性を持たせる必要がある。
【００１９】
そこで、本実施例では運動部が多孔質静圧空気軸受により非接触で支持されている。そして、溝の高さを±５０ｎｍの誤差内に加工するために、運動部は２００〜３００ｍｍのストロークを有する場合でも±２０ｎｍの精度で位置決め可能とされている。また、スピンドル２０が回転振れを有する場合には、バイト２２が振動してその振幅が金型材料２４の表面粗さにそのまま影響するので、スピンドル２０の回転振れはＰＶ２０ｎｍ程度に抑制されている。
【００２０】
このために、Ｘスライダ１２はＹスライダ１３に横パッド３１を介して５μｍの微小隙間で支持され、Ｙスライダ１３は平面ベース１１に浮上パッド３２を介して５μｍの微小隙間で支持され、平均効果による極めて高い運動精度と比較的高い支持剛性とが与えられている。Ｙスライダ１３は可動磁石３３と固定コイル３４から成る駆動用リニアモータにより、伝達機構を介することなく直接駆動が可能とされている。Ｚスライダ１４はＺガイド３５にパッド３６を介して支持され、可動磁石３７と固定コイル３８から成る駆動用リニアモータにより直線移動が可能とされている。スピンドル２０はラジアルパッド３９とスラストパッド４０を介して支持されている。そして、ロータ２３の大径部２３ａはラジアルパッド４１とスラストパッド４２により支持され、ロータ２３の小径部２３ｂはコイル４３とマグネット４４から成るビルトイン型のＤＣブラシレスモータにより回転駆動が可能とされている。
【００２１】
なお、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ１２、１３、１４の位置を検出するための図示しないレーザー干渉計、ロータ２３を割り出すためのエンコーダ、装置を数値制御するためのＮＣコントローラ等が備えられている。レーザー干渉計の分解能は１ｎｍとされ、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ１２、１３、１４はレーザー干渉計の空気揺らぎを含めても、分解能の±５パルス即ち±５ｎｍ程度の極めて高い精度で位置決め可能とされている。エンコーダは１回転を８１０００×１０２４に分割し、分解能の±２パルスで割出し可能とされ、回転中心から１００ｍｍの位置において±１５ｎｍの位置決めが可能とされている。そして、Ｂ軸割出盤１５にはロータ２３と同様な±１５ｎｍの位置決め精度が与えられ、スピンドル２０の回転振れはＰＶ２０ｎｍ程度に抑制され、その回転再現性はＰＶ５ｎｍ程度とされている。従って、本実施例の加工装置の５軸運動機構による位置決め精度は、総合して±２０ｎｍ（誤差の二乗和）程度に抑制されている。
【００２２】
図２は金型材料２４を切削加工することにより得られた金型２４’の平面図、図３は図２のＸ−Ｘに沿った断面図、図４は図２のＹ−Ｙ線に沿った断面図であり、金型２４’の表面には、片側で約８４００本、全体では１７０００本程度の平面楕円形状で断面ブレーズド形状の溝５１、５２、５３、・・・が、外方から内方に向かって同心状に形成されている。溝５１、５２、５３、・・・の高さは一定の１．５μｍとされ、それらのピッチは端部から中央に向かって大きくされ、最も小さいピッチは５μｍとされ、最も大きいピッチは２０００μｍとされている。
【００２３】
図５(a)〜(c)は金型材料２４に溝５１、５２、５３、・・・を形成する工程図であり、回折格子として有効な最外周の溝５１から始めて内周側の溝５２、５３、・・・を順次に形成することが重要となっている。この際に、金型材料２４の格子の中心をＣ軸回転中心に合わせて固定すると共に、金型材料２４とバイト２２をアライメントする。そして、ＮＣコントローラからの制御により、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ１２、１３、１４とＢ、Ｃ軸割出盤１５、１７を駆動し、ダイヤモンドチップ２２ｂの先端２２ｄと溝５１、５２、５３、・・・の底部５１ａ、５２ａ、５３ａ、・・・とを一致させ、図２に示すようにＸＹ平面視した場合の切刃稜２２ｃを溝５１、５２、５３、・・・の法線方向に向ける。そして、バイト２２と金型材料２４を毎秒数ｍｍの速度で相対移動させ、スピンドル２０を１００００ｒｐｍ程度の高速度で回転させ、バイト２２を金型材料２４に対して５〜１０μｍ切り込み、ロータ２３を１回転させる毎に両側の溝５１、５２、５３、・・・を順次に形成する。
【００２４】
ここで、図５(a)に示すように溝５１のピッチＰ１は最小となり、溝５１の斜面５１ｂの傾斜角は最大となり、バリの発生し易い溝５１の頂点５１ｃには、ダイヤモンドチップ２２ｂの接点２２ｅが当接する。また、図５(b)に示すように溝５２のピッチＰ２は溝５１のピッチＰ１よりも大きく、溝５２の斜面５２ｂの傾斜角は溝５１の斜面５１ｂの傾斜角よりも小さく、バリの発生し易い溝５２の頂点５２ｃにはダイヤモンドチップ２２ｂの未使用の接点２２ｆが当接する。そして、図５(c)に示すように溝５３のピッチＰ３は溝５２のピッチＰ２よりも大きく、溝５３の斜面５３ｂの傾斜角は溝５２の斜面５２ｂの傾斜角よりも小さく、バリの発生し易い溝５３の頂点５３ｃにはダイヤモンドチップ２２ｂの未使用の接点２２ｇが当接する。
【００２５】
このように実施例では、最も小さいピッチＰ１を有する最外周の溝５１を形成した後に、より大きいピッチＰ２、Ｐ３、・・・を有する内周側の溝５２、５３、・・・を加工するので、バリの発生し易いブレーズド形状の頂点５１ｃ、５２ｃ、５３ｃ、・・・に当接するダイヤモンドチップ２２ｂの接点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇは、常に未使用で鋭利な部分となる。従って、バリのない良好なブレーズド形状の溝５１、５２、５３、・・・を高精度で形成できる。特に、軟質金属或いは超硬母材の表面のニッケルメッキ層に全体で１７０００本程度の溝５１、５２、５３、・・・を形成するためには、バイト２２の移動距離が３２０ｍ程度に及ぶので、バリの発生し易いブレーズド形状の頂点５１ｃ、５２ｃ、５３ｃ、・・・にダイヤモンドチップ２２ｂの未使用の接点２２ｅ、２２ｆ、２２ｇを当接させることは極めて重要となる。
【００２６】
また、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ１２、１３、１４、Ｂ軸割出盤１５、Ｃ軸割出盤１７、スピンドル２０及びロータ２３を静圧空気軸受により支持し、スピンドル２０の回転再現性はＰＶ５ｎｍ程度としたので、スピンドル２０を非接触で円滑に回転させることができ、ダイヤモンドチップ２２ｂを破損させることはない。また、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ１２、１３、１４の送り速度と、Ｂ軸割出盤１５とＣ軸割出盤１７の旋回半径と、スピンドル２０の回転数とから計算される理論表面粗さに近いＲｍａｘ＝２０ｎｍ程度の良好な表面粗さを得ることができる。
【００２７】
なお、上述の実施例は凹状のブレーズド形状を有する回折格子を製作するための金型２４’を切削加工する方法について説明したが、同様の形状で負のパワーを有する回折格子を光学用樹脂に直接切削加工する場合や、試作用又は小ロット用の回折格子を光学用樹脂に直接切削加工する場合にも適用できる。従って、正のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子の型、負のパワーを有するブレーズド形状の反射型回折格子の型、負のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子、又は正のパワーを有するブレーズド形状の反射型回折格子を加工する場合にも適用できる。
【００２８】
また、加工装置の運動部を静圧空気軸受により支持したが、温度の制御が可能であれば静圧油軸受を採用できる。更に、軸受の剛性を余り必要としない場合には、製作が簡単なオリフイス絞りやステップ絞りを採用できる。そして、バイト２２と金型材料２４を５軸運動機構の運動部により相対駆動し、バイト２２を回転駆動すれば、バイト２２と金型材料２４を保持又は載置する運動部を制約する必要はない。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る回折格子の加工方法は、ピッチが微細な部分から粗い部分に向かって加工するので、回折格子の頂点を切削工具の未使用で摩耗していない部分により加工できる。従って、バリが回折格子の頂点に発生することを防止でき、多数のブレーズド形状の回折格子を高精度で形成できる。
【００３０】
本発明に係る回折格子の加工装置は、全ての運動部を静圧軸受により支持し、余分な伝達機構を省いて非接触で直接駆動できるので、極めて高い制御性と運動性能を確保できる。このため、２００〜３００ｍｍのストロークを有する一般の５軸ＮＣ工作機械を使用した場合でも、各軸の位置決め精度誤差を総合して±２０ｎｍレベルの高い位置決め精度が得られ、スピンドルの回転再現性もＰＶ５ｎｍ程度にすることができる。また、回折格子の頂点を切削工具の未使用で摩耗していない部分により加工するので、高い形状精度と表面粗さの多数のブレーズド形状の回折格子を切削加工でき、９０％以上の高い回折効率でフレアのない回折格子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工装置の構成図である。
【図２】金型の平面図である。
【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。
【図４】図２のＹ−Ｙ線に沿った断面図である。
【図５】金型の加工段階の工程図である。
【図６】従来例の一加工段階の工程図である。
【符号の説明】
１２Ｘスライダ
１３Ｙスライダ
１４Ｚスライダ
１５Ｂ軸割出盤
１７Ｃ軸割出盤
２０スピンドル
２２バイト
２３ロータ
２４金型材料
２４’ 金型
３１、３２、３６、３９、４０、４１、４２パッド
３３、３７可動磁石
３４、３８固定コイル
５１、５２、５３溝
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ピッチ

Claims

凹のブレーズド形状を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子又は回折格子の型を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する回折格子の加工方法であって、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする回折格子の加工方法。
前記回折格子は負のパワーを有することを特徴とする請求項１に記載の回折格子の加工方法。
前記回折格子の型は正のパワーを有することを特徴とする請求項１に記載の回折格子の加工方法。
凹のブレーズド形状を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子又は回折格子の型を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する切削加工工程を含む回折格子の加工方法であって、前記切削加工工程では、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが径方向に微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする回折格子の加工方法。
正のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子の型、又は負のパワーを有するブレーズド形状の反射型回折格子の型、又は負のパワーを有するブレーズド形状の透過型回折格子、又は正のパワーを有するブレーズド形状であって、格子ピッチが径方向に徐々に微細になる反射型回折格子を、チップを有するバイトを用いた切削により加工する回折格子の加工方法であって、前記バイトをスピンドルに取り付けて回転し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記回折格子を前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて加工することを特徴とする回折格子の加工方法。
前記回折格子又は回折格子の型を加工するための加工装置の直動３軸運動機構、回転２軸運動機構及び工具回転機構の運動部を静圧軸受により支持すると共に、前記直動３軸運動機構をリニアモータにより駆動し、前記運動部を摩耗のない駆動系によって駆動することを特徴とする請求項１〜５のうちの何れか１つの請求項に記載の回折格子の加工方法。
直動３軸運動機構、回転２軸運動機構及びチップを有するバイト回転機構を有し格子ピッチが径方向に徐々に微細になる回折格子の加工装置であって、前記直動３軸運動機構、回転２軸運動機構及びチップを有するバイト回転機構の運動部を静圧軸受により支持すると共に、前記直動３軸運動機構をリニアモータにより駆動し、前記回折格子の溝の頂点部に常に前記チップの未使用の接点が当接するように、前記格子ピッチが微細な部分から粗い部分に向けて、前記運動部を摩耗のない駆動系によって駆動することを特徴とする回折格子の加工装置。
請求項１に記載の方法又は請求項７に記載の装置に従って加工したことを特徴とする回折格子。