JP4196123B2 - ガラス状カーボンの加工方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、非球面ガラスレンズなどの光学デバイスのガラス成形用型材料として用いられるガラス状カーボンの加工方法及び装置に関するものである。
ＤＳＣ，ＤＶＤ等の光学デバイスに用いられる非球面ガラスレンズの製造方法として超硬合金型を用いたプレス成形が用いられている。この超硬合金型は、研削加工を用いて任意の形状に加工された後に表面処理を施して用いられるものである。しかしながら、成形時において、ガラス材料と超硬合金型表面との間で付着が生じるなど量産における問題がある。
近年、ガラス状カーボン材料のガラスのプレス成形用型への適用が検討されているが、ガラス状カーボンは、ガラスとの反応性が低く、且つ、高温時において不活性ガス雰囲気中においても、その性質が安定しているという特徴を有しており、ガラスレンズのプレス成形用型材料として期待できるものとされている。
従来のガラス状カーボンの加工方法としては、図３に示すような研削加工などの機械加工が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。
図３において、砥石１０１は回転可能なスピンドルに取り付けられて回転することが可能で、ガラス状カーボンからなる加工材料１０２は回転ステージ上に設置されており一定速度で回転することができる。また、砥石を保持するスピンドルおよび回転ステージは同時制御可能な加工機ステージ上に設置されており、任意方向へ正確に位置決めすることができる。本加工方法では、砥石１０１を回転させながら加工材料１０２に対して切り込むことにより任意形状へ加工していた。
精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，２００２年度（３５５頁）
精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集，２００２年度（３５５頁）
しかしながら、上記従来の技術においては、材料の弾性変形及び塑性変形に基づいた材料の破壊により加工が進行するため、加工時において加工面に対する負荷が大きく、材料の脆性により加工表面に微小な欠陥を生じやすいという問題が生じる。また、ガラス状カーボン材料は、超硬合金と比較した場合、縦弾性係数が低いために加工後の材料の弾性回復量が大きく、所望の形状精度を得ることが難しいという問題もある。
以上の問題により、機械加工によるガラス状カーボン材料の光学デバイス用高精度型加工への適用は難しい状況にあるのが現状である。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、ガラス状カーボンを加工面に欠陥を生じることなく、高精度に加工することが可能なガラス状カーボンの加工方法及び装置を提供することを目的とする。
本願第１の発明のガラス状カーボンの加工方法は、脱イオン水をガラス状カーボンの被加工物の加工点付近に供給しながら、前記被加工物と前記被加工物に対向して設けられた工具電極の間に電圧を印加することで、前記工具電極を前記被加工物に対して送り込み、前記脱イオン水の電気分解反応により前記被加工物を電気化学的に加工することを特徴とするものである。
本加工方法によれば、電解質溶液中で工具電極と被加工物であるガラス状カーボンとの間に電圧を印加すると、与えられた電気エネルギーにより加工液中のイオンと被加工物との間で化学反応が生じ高精度な加工が可能となる。
本願第２の発明のガラス状カーボンの加工装置は、脱イオン水をガラス状カーボンの被加工物の加工点付近に供給する供給手段と、工具電極をその軸芯回りに回転駆動可能に保持するマンドレルと、前記被加工物を保持する保持手段と、前記工具電極に対して前記被加工物を移動及び位置決めするステージと、前記工具電極と前記被加工物との間に電圧を印加する電気回路とを備え、前記印加により前記脱イオン水を電気分解反応させ、前記被加工物を電気化学的に加工することを特徴とするものである。
以上のように、本願第１の発明のガラス状カーボンの加工方法によれば、被加工物が電気化学反応により加工されるため、加工時の材料への負荷が極めて小さく、被加工面上に脆性破壊を生じることなく高精度な鏡面を有する加工が可能となる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
本発明の加工方法の実施の形態１について、図１を参照しながら説明する。
本発明の加工方法の実施の形態１について、図１を参照しながら説明する。
図１は、実施の形態１に係る加工装置の概略図であり、同図において、２０１は加工装置であり、水平方向で互いに直交するＸ軸方向とＹ軸方向に移動及び位置決め可能なＸＹステージ２０２上に、水平方向に対して垂直なＺ軸方向に移動及び位置決め可能なＺステージ２０３が配置されている。Ｚステージ２０３上には、工具電極２０４を保持する回転駆動可能なマンドレル２０５がＶ軸受け２０６により保持され、Ｏリング２０７を介してモーター２０８により回転できるように構成されている。また加工材料２０９は、ＸＹステージ２０２上に保持されている。
また、工具電極２０４を保持するマンドレル２０５と加工材料２０９との間には、抵抗２１０を介して電源２１１により電圧を印加できるように接続されている。更に、加工装置２０１は、工具電極２０４と加工材料２０９が近接する加工点付近へノズル２１２を介して電解質溶液を供給できるように構成されている。
以上の構成において、加工材料２０９は、工具電極２０４と加工材料２０９が近接する加工点近傍に配置されたノズル２１２から電解質溶液が供給されると共に、電源２１１により工具電極２０４と加工材料２０９との間に印加された電圧によって駆動されるモーター２０８にて工具電極２０４を回転させながら送り込まれることにより加工される。
このとき、加工材料２０９の穴形状を加工する場合は、工具電極２０４をＺ方向に送り込むが、ＸＹステージ２０２を工具電極２０４の送り込みと同期させて駆動し、工具電極２０４を加工材料２０９上で走査させることにより任意の形状を加工することが可能となる。
本実施の形態１の加工方法においては、工具電極２０４と加工材料２０９との間に電圧を印加して電気的なエネルギーを与えることにより、加工液中のイオンと加工材料２０９との間で反応が生じて加工が進行する。加工材料２０９は、電気化学反応により加工されるため、加工時の負荷が極めて小さく加工材料２０９面上に脆性破壊を生じることなく高精度な鏡面の加工が可能となる。
また、工具電極２０４の材料としてタングステンまたはチタンを用いると、夫々の材料の電解質溶液に対する耐食性の高さにより加工時における工具消耗が殆どなく、加工材料２０９を高精度に加工することができる。
また、加工液として脱イオン水を用いると、工具電極２０４とワーク間の極めて限られた範囲でのみ水の電気分解反応による水素イオンと水酸化物イオンが発生することから、電気化学反応が生じる範囲を限定することが可能となり、加工精度を向上することが可能となる。
具体的な加工例としては、工具電極２０４として直径５０μｍのタングステン電極を用い、電解質溶液としては脱イオン水を用い、更に、工具電極２０４と加工材料２０９であるガラス状カーボンとの間に７０Ｖの電圧を印加して送り速度３０μｍ／ｓｅｃで工具電極２０４を加工材料２０９に送り込んだ結果、直径が６４μｍで加工面が極めて滑らかな穴を加工することができた。
通常の回転工具による機械加工では、脆性破壊により加工面上に微小な欠陥を生じるが、本実施の形態１の加工方法によれば、加工が電気化学反応により進行するため加工面上に欠陥のない高精度な加工を実現することができる。
（実施の形態２）
本発明の加工方法の実施の形態２について、図１及び２を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
本発明の加工方法の実施の形態２について、図１及び２を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略し、相違点のみを説明する。
本実施の形態２は、従来の技術に比べ、より高精度な加工を目標としたものであり電源２１１としてパルス電圧を発生することができる電源を用いるものである。このパルス電源２１１は、図２に示すように、数十ナノｓｅｃ程度のパルス幅３０１を設定電圧３０２で一定周期間隔３０３にて発生することが可能である。
本実施の形態２に係る加工法は、加工材料２０９の加工が電気化学的に進行するため、反応量は工具電極２０４と加工物２０９との間に印加する電圧と時間により決定される。従って、直流電源を用いた加工法では反応量を制御することが難しく、加工物２０９の加工面にうねりが生じるという問題があるが、工具電極２０４とワーク間に印加する電圧をパルス化することにより、単位時間当たりの反応量を小さくすることが可能となり、加工精度を向上することができる。
具体的な加工例としては、直径２５０μｍの円柱形状電極の底面を用いて、単位切り込み量を０．５μｍ、送りピッチを１００μｍ、工具送りの速度を１００ｍｍ／ｍｉｎの条件の平面加工において、まず、直流電源を用いて加工開始し、回路に流れる電流をモニタリングしながら電流値が既定値以下となった時点で印可する電圧を周期２μｓｅｃのパルス幅５０ｎｓｅｃで７０Ｖのパルス電圧へと変更し、最終の切り込み加工を以上の条件で加工した結果、加工面粗さとして１８ｎｍＲｚの鏡面を有する平面を加工することができた。
本発明のガラス状カーボンの加工方法及び装置は、ガラス状カーボンを加工面に欠陥を生じることなく高精度に加工することが可能となる技術であり、特に非球面ガラスレンズなどの光学デバイスのガラス成形用型材料の加工に適用することができる。
２０１ 加工装置
２０２ ＸＹステージ
２０３ Ｚステージ
２０４ 工具電極
２０５ マンドレル
２０６ Ｖ軸受け
２０７ Ｏリング
２０８ モーター
２０９ 加工材料
２１０ 抵抗
２１１ 電源
２１２ ノズル
２０２ ＸＹステージ
２０３ Ｚステージ
２０４ 工具電極
２０５ マンドレル
２０６ Ｖ軸受け
２０７ Ｏリング
２０８ モーター
２０９ 加工材料
２１０ 抵抗
２１１ 電源
２１２ ノズル
Claims (4)
- 脱イオン水をガラス状カーボンの被加工物の加工点付近に供給しながら、
前記被加工物と前記被加工物に対向して設けられた工具電極の間に電圧を印加することで、
前記工具電極を前記被加工物に対して送り込み、前記脱イオン水の電気分解反応により前記被加工物を電気化学的に加工することを特徴とするガラス状カーボンの加工方法。 - 前記工具電極はタングステンまたはチタンであることを特徴とする請求項１に記載のガラス状カーボンの加工方法。
- 前記印加する電圧は、直流電圧と任意のパルス幅の電圧を切り替えて印加することを特徴とする請求項１または２に記載のガラス状カーボンの加工方法。
- 脱イオン水をガラス状カーボンの被加工物の加工点付近に供給する供給手段と、工具電極をその軸芯回りに回転駆動可能に保持するマンドレルと、前記被加工物を保持する保持手段と、前記工具電極に対して前記被加工物を移動及び位置決めするステージと、前記工具電極と前記被加工物との間に電圧を印加する電気回路とを備え、前記印加により前記脱イオン水を電気分解反応させ、前記被加工物を電気化学的に加工することを特徴とするガラス状カーボンの加工装置。
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