JP4891445B1 - 超精密複合加工装置および超精密複合加工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被加工材から微細加工物を製造する超精密複合加工装置であって、被加工材を粗削りするための電磁波加工手段;粗削りされた被加工材に対して精密加工を施すための精密機械加工手段であって、プレーナ加工具、シェーパ加工具、フライカット加工具、ダイヤモンドターニング加工具およびマイクロミーリング加工具から成る群から選択される切削加工具が取替え自在となっている精密機械加工手段;ならびに、電磁波加工手段および精密機械加工手段の使用に際して被加工材の形状を測定するための形状測定手段を有して成ることを特徴とする超精密複合加工装置。
【選択図】図1
Description
被加工材を粗削りするための電磁波加工手段;
粗削りされた被加工材に対して精密加工を施すための精密機械加工手段であって、プレーナ加工具、シェーパ加工具、フライカット加工具、ダイヤモンドターニング加工具およびマイクロミーリング加工具から成る群から選択される切削加工具が取替え自在となっている精密機械加工手段;ならびに
電磁波加工手段および精密機械加工手段の使用に際して被加工材の形状を測定するための形状測定手段
を有して成ることを特徴とする超精密複合加工装置を提供する。
(i)被加工材に対して電磁波加工を施して被加工材を粗削りする工程;および
(ii)プレーナ加工、シェーパ加工、フライカット加工、ダイヤモンドターニング加工およびマイクロミーリング加工から成る群から選択される切削加工を行って、粗削りされた被加工材に対して精密機械加工を施す工程
を含んで成り、
工程(i)および工程(ii)の少なくとも一方の実施に際して被加工材の形状を測定することを特徴としている。
本発明の装置は、被加工材から微細加工物を製造する超精密複合加工装置である。図1に模式的に示すように、本発明の超精密複合加工装置100は、
被加工材を粗削りするための電磁波加工手段10;
粗削りされた被加工材に対して精密加工を施すための精密機械加工手段30であって、プレーナ加工具、シェーパ加工具、フライカット加工具、ダイヤモンドターニング加工具およびマイクロミーリング加工具から成る群から選択される切削加工具が取替え自在となっている精密機械加工手段30;および
電磁波加工手段10および精密機械加工手段30の使用に際して被加工材の形状を測定するための形状測定手段50
を有して成る。
・プレーナ加工具:いわゆる“プレーナ-加工”(平削り)を実施するための切削工具である。つまり、プレーナ加工具は、被加工材を削って平面を作り出すための切削工具である。典型的には、プレーナ加工具としてバイドを用い、被加工材が取り付けられたテーブルを水平方向に運動させつつ、バイトをテーブルの運動方向と直角方向に間欠的に送ることによって平面削りを実施できる。
・シェーパ加工具:いわゆる“シェーパ加工”(型削り・形削り)を実施するための切削工具である。つまり、シェーパ加工具34は、被加工材を削って主に非平面部(例えば溝など)を作り出すための切削工具である(図6参照)。典型的には、シェーパ加工具としてバイドを用い、被加工材が取り付けられたテーブルをバイトの運動と直角方向に間欠的に送りつつ、往復運動するバイトを被加工材に接触させることによって型削り・形削りを実施できる。
・フライカット加工具:いわゆる“フライ加工”を実施するための切削工具である。典型的には、フライカット加工具35として回転工具を用い、それを回転運動させつつ被加工材(特に位置固定された被加工材)に対して送ることによって被加工材の切削を行う(図7参照)。ちなみに、“フライカット加工”という用語は、“フライ加工”と実質的に同義であるものの、本発明のような精密機械加工を前提とすると、切れ刃を1つだけ使用して行う加工態様をも包含している。
・ダイヤモンドターニング加工具:いわゆる“SPDT(Single Point Diamond Turning)”または“超精密旋削加工”を実施するための切削工具である。典型的には、被加工材81を回転運動させ、かかる被加工材81とダイヤモンド工具36とを接触させることによって、被加工材を回転中心形状に加工する(図8参照)。
・マイクロミーリング加工具:“micro-milling”などのミーリング加工を実施するための切削工具である。典型的には、マイクロミーリング加工具37として小径の回転工具(例えばダイヤモンド回転工具)を用い、それを回転運動させつつ被加工材と接触させることによって刃先形状の転写や各種形状を形成する(図9参照)。
かかる態様では、超精密複合加工装置が、被加工材を載置させるテーブルの少なくとも1軸の動作と、精密機械加工手段および/または電磁波加工手段の少なくとも1軸の動作とを同期制御するための制御部を更に有して成る。つまり、図15に示されるように、被加工材を載置させるテーブル85の少なくとも1つの方向の運動を制御すると共に、精密機械加工手段30および/または電磁波加工手段10の少なくとも1つの方向の運動を制御することができる制御部を更に有して成る。かかる制御部は、上記の演算手段に含まれていてよく、例えばコンピュータ90(図13参照)により構成されるものであってよい。このような制御部を超精密複合加工装置が有して成ることによって加工時間の更なる短縮を図ることができる。
かかる態様では、図16に示すように、被加工材80を載置させるテーブル85および/またはレーザ加工手段15が可動自在となっており、被加工材80に対するレーザ加工手段15のレーザ入射光15aの角度が調整可能となっている。これにより、任意の形状の微細加工物をより好適に製造することができる。被加工材80を載置させるテーブル85の可動には、被加工材80が例えば回転方向、水平方向および/または垂直方向などに動くことができるように(図17参照)、各種可動機構(例えば、カム機構などを利用した可動機構)が備わっている。尚、テーブルが傾くように可動するものであってもよい。同様に、レーザ加工手段15の可動には、そのレーザヘッドなどが例えば回転方向、水平方向および/または垂直方向などに動くことができるように各種可動機構が備わっていることが好ましい。
かかる態様では、レーザ加工手段として、レーザ波長がそれぞれ異なる複数のレーザ発振器を有して成る。つまり、超精密複合加工装置が、複数台のレーザ装置を搭載して成り、被加工材の材質に応じて最適なレーザ波長を選択できるようになっている。これによって、被加工材の材質の材料の自由度が増す。例えば、微細加工物としてマイクロレンズアレイ金型が製造される場合、波長が500nm〜1100nmのレーザを発生するレーザ装置と、波長が200nm〜400nmのレーザを発生するレーザ装置とが設けられていることが好ましい。また、微細加工物としてマイクロレンズアレイをガラスまたはプラスチックなどの材質の被加工材から直接的に製造する場合、波長が300nm〜1100nm且つパルス幅が数十ps〜数百fsのレーザ装置が搭載されていてもよい。
本発明に係る製造方法は、被加工材から微細加工物を製造するための超精密複合加工方法である。具体的には、本発明の超精密複合加工方法は、
(i)被加工材に対して電磁波加工を施して被加工材を粗削りする工程;および
(ii)プレーナ加工、シェーパ加工、フライカット加工、ダイヤモンドターニング加工およびマイクロミーリング加工から成る群から選択される切削加工を行って、工程(ii)で粗削りされた被加工材に対して精密機械加工を施す工程
を含んで成り、
工程(i)および工程(ii)の少なくとも一方の実施に際して被加工材の形状の測定を行う。
このように本発明の超精密複合加工方法は、上記のような被加工材から微細構造物を製造できるものであり、被加工材の材質は特に制限なく、無機質(ガラス、金属など)あるいは有機質(ポリマーなど)の素材に対して超精密複合加工を施すことができる。
従来技術の加工法(比較例1)および本発明の加工法(実施例1)を実施することによって、図20(a)に示すようなフレネルレンズ金型を製造した。
従来技術の加工法として、全ての加工を切削加工により行うことによって難削材からフレネルレンズ金型を製造した。概要を表1に示す。
本発明の実施例として、レーザ加工によって被加工材を粗削りし、その粗削りされた後の被加工材に微細機械加工を施すことによってフレネルレンズ金型を得た。加工概要を表2に示す。尚、実施例1では、形状測定手段としCCDカメラによるレンズ配置の位置測定および、レーザ光を使用した光干渉による形状測定を実施した。また表面粗さ測定手段としては光干渉を使用した白色干渉測定により実施した。
従来技術の加工法(比較例2)および本発明の加工法(実施例2)を実施することによって、図20(b)に示すような多眼レンズ金型を製造した。
従来技術の加工法として、放電加工を施した後に切削加工を施すことによって難削材から多眼レンズ金型を製造した。概要を表4に示す。
本発明の実施例として、レーザ加工によって被加工材を粗削りし、その粗削りされた後の被加工材に微細機械加工を施すことによって多眼レンズ金型を得た。概要を表5に示す。尚、実施例2では、形状測定手段としてレーザ光を使用した光干渉による形状測定を実施した。また表面粗さ測定手段としては光干渉を使用した白色干渉測定により実施した。
ケースAおよびケースBから分かるように、本発明では、従来技術で難削材から微細構造物を製造する場合と比べて70〜80%製造時間を短縮することができる。従って、本発明は、微細構造物の製造にとって極めて有利な効果を奏するものであることが理解できるであろう。
15 レーザ加工手段
15a レーザ入射光
30 精密機械加工手段
30a 工具刃先
31 スライド台、
32 垂直軸可動モータ
33 加工ヘッド
34 シェーパ加工具
35 フライカット加工具
36 ダイヤモンドターニング加工具
36a 真空チャック
36b エア・スピンドル
36c 誘導電動機
36d サーボモータ
36e 切削油剤タンク
37 マイクロミーリング加工具
38 研削加工具
38a 研削加工具(ダイヤモンド砥石)
38b ツルーイング砥石
50 形状測定手段
52 撮取手段/撮画手段(形状測定手段)
54 レーザ光を利用した検出器(形状測定手段)
80 被加工材
81 粗削りされた被加工材
82 粗削り後に精密機械加工された被加工材(=微細構造物)
82a 微細構造物の微細部
85 被加工材を載置ためのテーブル
90 演算手段(例えばコンピュータ)
100 超精密複合加工装置
Claims (16)
- 被加工材から微細加工物を製造する超精密複合加工装置であって、
前記被加工材を粗削りするための電磁波加工手段;
前記粗削りされた前記被加工材に対して精密加工を施すための精密機械加工手段であって、プレーナ加工具、シェーパ加工具、フライカット加工具、ダイヤモンドターニング加工具およびマイクロミーリング加工具から成る群から選択される切削加工具が取替え自在となっている精密機械加工手段;
前記電磁波加工手段および前記精密機械加工手段の使用に際して前記被加工材の形状を測定するための形状測定手段;ならびに
前記形状測定手段で測定された前記被加工材の形状の情報に基づき、前記電磁波加工手段または前記精密機械加工手段を制御する手段;
を有して成ることを特徴とする超精密複合加工装置。 - 前記微細加工物の微細部寸法が10nm〜15mmの範囲にあることを特徴とする、請求項1に記載の超精密複合加工装置。
- 前記精密機械加工手段が振動切削手段として更に機能することを特徴とする、請求項1または2に記載の超精密複合加工装置。
- 前記電磁波加工手段がレーザ加工手段であることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の超精密複合加工装置。
- 前記被加工材を載置させるテーブルおよび/または前記レーザ加工手段が可動自在となっており、前記被加工材に対する前記レーザ加工手段のレーザ入射光の角度が調整可能となっていることを特徴とする、請求項4に記載の超精密複合加工装置。
- 前記レーザ加工手段として、レーザ波長がそれぞれ異なる複数のレーザ発振器を有して成ることを特徴とする、請求項4または5に記載の超精密複合加工装置。
- 前記形状測定手段によって測定されたデータと、前記微細加工物のモデルから得られる前記電磁波加工手段および/または前記精密機械加工手段の加工パスのデータとに基づいて補正加工用データを構築する演算手段を更に有して成ることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の超精密複合加工装置。
- 前記微細加工物が光学レンズ用金型または光学レンズであることを特徴とする、請求項2に従属する請求項3〜7のいずれかに記載の超精密複合加工装置。
- 被加工材から微細加工物を製造するための超精密複合加工方法であって、
(i)前記被加工材に対して電磁波加工を施して前記被加工材を粗削りする工程;ならびに
(ii)プレーナ加工、シェーパ加工、フライカット加工、ダイヤモンドターニング加工およびマイクロミーリング加工から成る群から選択される切削加工を行って、前記粗削りされた前記被加工材に対して精密機械加工を施す工程、
を含んで成り、
前記工程(i)および前記工程(ii)の少なくとも一方の実施に際して前記被加工材の形状を測定し、その測定結果に基づいて前記工程(i)または前記工程(ii)を実施すること
を特徴とする超精密複合加工方法。 - 製造される前記微細加工物における微細部寸法が10nm〜15mmの範囲となることを特徴とする、請求項9に記載の超精密複合加工方法。
- 前記工程(ii)では、前記切削加工に加えて、研削加工を行って前記被加工材に前記精密機械加工を施すことを特徴とする、請求項9または10に記載の超精密複合加工方法。
- 前記工程(ii)では、前記被加工材に対して振動切削加工を少なくとも施すことを特徴とする、請求項9〜11のいずれかに記載の超精密複合加工方法。
- 前記工程(i)では、前記被加工材に対してレーザを照射することによって前記電磁波加工を行うことを特徴とする、請求項9〜12のいずれかに記載の超精密複合加工方法。
- 前記レーザ照射の拡がり角に合わせて、前記レーザ照射および/または前記被加工材の向きを調整し、前記被加工材における垂直面の加工を行うことを特徴とする、請求項13に記載の超精密複合加工方法。
- 前記被加工材を載置させるテーブルの少なくとも1軸の動作と、前記精密機械加工手段および/または前記電磁波加工手段の少なくとも1軸の動作とを同期制御することを特徴とする、請求項9〜14のいずれかに記載の超精密複合加工方法。
- 前記微細加工物として光学レンズ用金型または光学レンズを製造することを特徴とする、請求項10に従属する請求項11〜15のいずれかに記載の超精密複合加工方法。
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