JP4930984B2 - 軸対称レンズのマスター型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転する研削工具を被削材に押し当て研削工具の端部に形成されたレンズ形状を被削材の表面に形成する軸対称レンズのマスター型の製造方法に関する。

半導体製品、デジタル機器の小型化、軽量化に伴い、微細な高精度部品が必要となってきている。これにより、部品を製造する金型を製作する金型メーカーに対しても、金型の微細化、高精度化、納期短縮化の要求がますます厳しいものとなっている。そして、携帯電話等のデジタル機器には、多くの光学系が使用されている。これらの機器の光学系には、集光等のためのレンズが使用されており、これらのレンズに関しても更に小型化、薄型化、高精度化、納期短縮化の要求が強まってきている。そこで、レンズの小型化、薄型化を達成する方法のひとつとして、デジタル機器のレンズに、従来の球面レンズからフレネルレンズを使用することが検討されるようになっている。しかし、微細フレネルレンズの金型を従来のような最終仕上げを手作業で行なう金型製作方法で対応することは困難である。そこで、図４に示すように、レンズ金型の母材となる被削材１００を旋盤の主軸１０１の先端面１０２に取付け、工具にバイト１０３を使用して、被削材１００の端部にフレネルレンズ形状の加工を行なうことが行なわれている。また、被削材の端部に凹溝加工を行なう方法として、バイトの代りに砥石を使用する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。更に、被削材の端部に凹溝加工を行なう方法として、砥石端面を使用した加工方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２３７９４２号公報 特開平９−７０７５２号公報

しかし、工具にバイト１０３を使用する方法では、図４に示すように、バイト１０３の先端部を２軸同時に移動させながら加工を行なう必要があり、レンズ金型の精度が旋盤の運動精度に大きく影響を受け、超精密旋盤を使用することが前提になり、加工コストが高くなるという問題がある。特許文献１に記載された発明では、加工中にフレネル形状の円弧部と砥石の円弧部が相互に干渉するため加工できるフレネル形状の寸法に制限が生じ、溝隅部に鋭いエッジを形成することが非常に困難になる。また、旋盤を使用するため、被削材の形状も円柱状に限定されるという問題もある。特許文献２に記載された発明では、溝隅部に鋭いエッジを形成することは可能であるが、フレネル形状の加工ができないという問題がある。

本発明は係る事情に鑑みてなされたもので、被削材の形状に制約されずに表面に高精度なレンズ形状を安価に形成することが可能な軸対称レンズのマスター型の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法は、回転駆動される研削工具の端部に、該研削工具の回転中心にその中心軸を合わせて製造しようとする軸対称のフレネルレンズの基礎となるレンズ面を予め形成する第１工程と、
前記第１工程で製造された前記研削工具を回転させた状態でマスター型となる被削材に押し当て、前記研削工具の端部に形成された前記レンズ面を該被削材に形成する第２工程と、
前工程で製造された前記研削工具の周囲を削って、該研削工具の端部に前工程で製造されたレンズ面より径の小さいレンズ面を形成する第３工程と、
前記第３工程で製造された研削工具を軸心を合わせてその前工程で製造された前記被削材のレンズ面に対して所定深さまで研削する第４工程とを有し、
前記第３工程及び前記第４工程を１又は複数回行う。

本発明に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法において、前記研削工具の切削部は、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれか１又は２以上を砥粒に使用した砥石であって、該砥粒は導電性を有するメタルボンドで保持されていることが好ましい。

請求項１、２記載の軸対称レンズのマスター型の製造方法においては、軸心回りに回転させた研削工具をマスター型となる被削材に押し当てて加工を行なうので、工作機械の運動精度に左右される加工誤差の発生を防止して、高形状精度のフレネルレンズ面を効率的、かつ安価に形成することができる。また、被削材を固定した状態で、研削工具のみを回転させて加工を行なうので、任意形状の被削材、例えば、角形状被削材の端部の複数箇所にそれぞれフレネルレンズ形状の加工を施すことができる。そして、研削工具の周囲を削りながらレンズ面に順次径の小さなレンズ面を形成していくので、両側に明確な隅部及び角部が存在する同心環状溝を順次形成することができる。その結果、軸対称フレネルレンズの製造用の転写金型のマスター型を効率的、かつ安価に製造することができる。

特に、請求項２記載の軸対称レンズのマスター型の製造方法においては、砥粒がダイヤモンド、立方晶窒化硼素、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれか１又は２以上なので研削中に砥石の形状が変化するのを抑制することができる。また、砥粒は導電性のメタルボンド（鉄系又は非鉄金属系）で保持されているので、砥石の成形に放電加工を利用することができ、砥石を任意の形状に高精度かつ容易に加工することができる。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。

図１、図２に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法に使用する研削工具１０は、図示しない加工機械（例えば、マシニングセンター）の回転駆動軸に連結される円柱状の工具保持部１１と、工具保持部１１の先側に設けられ、砥粒１２として、例えば、粒径が３〜２５μｍのダイヤモンドをメタルボンド１３で保持した砥石部（砥石からなる切削部）１４を有している。ここで、工具保持部１１は、例えば、鉄（炭素鋼材又はステンレス鋼材）、超硬、セラミックスのいずれか１つで形成されている。そして、砥石部１４の端面の内側には、研削工具１０の回転中心にその中心軸を合わせて製造しようとする軸対称のレンズ形状の一例であるフレネルレンズ形状（反対の面は平面となっている）が形成されたレンズ形成面１５が設けられ、レンズ形成面１５の周囲には水平部１６が設けられている。なお、砥石部１４の周方向には、図示しない複数のスリットが研削工具１０の回転中心軸と平行に形成されている。スリットを設けることで、研削液を砥石部１４の端面中央部に容易に到達させることができると共に、砥石部１４の端面で発生した研削屑を研削液に載せて外部に排出させることができる。

続いて、本発明の第１の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法を適用してフレネルレンズ形状を形成する場合について説明する。
第１段階として、回転駆動される研削工具１０の端部に、研削工具１０の回転中心にその中心軸を合わせて製造しようとする軸対称のフレネルレンズ形状が形成されたレンズ形成面１５を形成する。ここで、研削工具１０は、以下の方法で製造する。先ず、窒化硼素材、グラファイト材、及びセラミックス材のいずれか１又は２以上で構成された図示しない有底円筒状の型枠内に、粒径が３〜２５μｍのダイヤモンド粉末と鉄粉との混合粉末を充填し加圧成形する。そして、得られた成形体を加熱炉内に入れ、鉄粉同士を焼結させる。これにより、導電性を有する鉄系のメタルボンドでダイヤモンドの砥粒が保持された原砥石部が得られる。そして、得られた原砥石部を、円柱状の工具保持部１１の基になる鉄製の棒部材の先端に、例えば、ろう付けすることにより、原研削工具を作製する。
なお、鉄粉の焼結は、真空中で行うことが好ましいが、加熱炉内に不活性ガス（例えば、アルゴンガス）を充満させて行うことも可能である。

ここで、混合粉末中のダイヤモンド粉末の割合は、２５〜５０体積％とする。ダイヤモンド粉末が２５体積％未満では、砥石部１４単位体積当たりのダイヤモンド含有量が少な過ぎ、研削効率が低下する。一方、ダイヤモンド粉末が５０体積％を超えると、相対的にニッケル系ろう材粉末の割合が低下するため、砥石部１４内でのダイヤモンドの保持力が低下し、砥石部１４の強度が低下して砥石部１４が摩耗し易く、均一な研削ができず加工精度が低下する。

次いで、原研削工具の棒部材の外周部を旋盤加工して横断面が真円となる工具保持部１１を形成して研削工具１０を製造する。そして、研削工具１０を放電加工により、工具保持部１１の回転中心にその中心軸を合わせて、原研削部の端面の内側に製造しようとする軸対称のフレネルレンズの片面体を形成したレンズ形成面１５、その外側の周囲に水平部１６を形成することで砥石部１４を完成させる。

第２段階として、砥石部１４を完成させた研削工具１０を加工機械の回転駆動軸に工具保持部１１を介して連結する。そして、被削材１７を加工機械の被削材固定テーブル１８上に固定し、研削工具１０を回転させた状態で被削材１７に押し当て、研削工具１０の端部に形成されたレンズ形成面１５及び水平部１６により、フレネルレンズ形状部１９及び水平研削部２０を被削材１７の表面に形成して行く。そして、研削工具１０が被削材１７に対して予め設定された切り込み深さに達した時点では、図２に示すように、被削材１７には研削工具１０の端部に形成されたレンズ形成面１５及びこの周囲に連続する水平部１６が正確にコピーされ、フレネルレンズ形状部１９と水平研削部２０との接続部には鋭い隅部２０ａが形成され、フレネルレンズ形状部１９内の同心環状溝の各溝の両側には鋭い隅部２０ｂ及び角部２０ｃがそれぞれ形成される。

ここで、被削材１７としてはセラミック材、例えば、アルミナ、ジルコニア、石英、炭化珪素、及び窒化珪素のいずれか１を使用する。セラミック材を使用することで、フレネルレンズ製造用の転写金型を溶融金属の鋳込みに製作する際のマスター型が得られる。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法を適用してフレネルレンズ形状を形成する場合について説明する。
図３（Ａ）に示すように、本発明の第２の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法は、回転駆動される研削工具２１の端部に、研削工具２１の回転中心にその中心軸を合わせて製造しようとする軸対称のフレネルレンズの基礎となる全レンズ面（レンズ面）２２及び全レンズ面２２の周囲に水平部２３を予め形成する第１工程を有している。ここで、研削工具２１は、原研削工具の棒部材の外周部を旋盤加工して横断面が真円となる工具保持部１１を形成して製造され、研削工具２１を放電加工により、工具保持部１１の回転中心にその中心軸を合わせて、原研削部の端面の内側に全レンズ面２２、その外側の周囲に水平部２３を形成することで研削部（砥石からなる切削部）２４を完成させる。

また、本発明の第２の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法は、第１工程で製造された研削工具２１を回転させた状態で被削材１７に押し当て、被削材１７の表面に研削工具２１の端部に形成された全レンズ面２２及び水平部２３がコピーされた全レンズ面２５及び水平研削面２６を形成する第２工程と、図３（Ｂ）に示すように、前工程で製造された研削工具２１の研削部２４の周囲を放電加工で削って、研削工具２１の端部に全レンズ面２２の直径より径の小さいレンズ面２７を形成する第３工程と、第３工程で製造された研削工具２８を軸心を合わせて第２工程で製造された全レンズ面２５を所定深さまで研削する第４工程とを有している。従って、第４工程終了後では、全レンズ面２５の内側にレンズ面２７がコピーされたレンズ面２９が形成され、その外側に全レンズ面２５の残部である第１環状部３０が形成される。

更に、本発明の第２の実施の形態に係る軸対称レンズのマスター型の製造方法では、第３工程及び第４工程が１又は複数回（本実施の形態では３回）行なわれる。すなわち、図３（Ｃ）に示すように、前工程で製造された研削工具２８の研削部２４の周囲を放電加工で削って、研削工具２８の端部にレンズ面２７の直径より径の小さいレンズ面３１が形成された研削工具３２を製作し、研削工具３２の軸心を合わせて前工程で製造されたレンズ面２９を所定深さまで研削する。これにより、レンズ面２９の内側にレンズ面３１がコピーされたレンズ面３３が形成され、その外側にレンズ面２９の残部である第２環状部３４が形成される。

更に、図３（Ｄ）に示すように、前工程で製造された研削工具３２の研削部２４の周囲を放電加工で削って、研削工具３２の端部にレンズ面３１の直径より径の小さいレンズ面３５が形成された研削工具３６を製作し、研削工具３６の軸心を合わせて前工程で製造されたレンズ面３３を所定深さまで研削する。これにより、レンズ面３３の内側にレンズ面３５がコピーされたレンズ面３７が形成され、その外側にレンズ面３３の残部である第３環状部３８が形成される。その結果、図３（Ｅ）に示すように、被削材１７の表面側に、第１〜第３環状部３０、３４、３８、及びレンズ面３７を備えたフレネルレンズ形状部３９が形成される。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。
例えば、第１、第２の実施の形態では、ダイヤモンドの砥粒が鉄系のメタルボンドで保持された砥石からなる切削部を有する研削工具を使用したが、ダイヤモンドの砥粒が導電性を有する非鉄金属系（例えば、銅系、銅−錫系）のメタルボンドで保持された切削部を有する研削工具を使用することもできる。また、砥粒としてダイヤモンドの代りに、立方晶窒化硼素、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれかを使用することができ、更に、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれか２以上を砥粒に使用することもできる。

ダイヤモンドの砥粒を鉄系のメタルボンドで保持した原研削工具を作製したが、ダイヤモンド粉末とろう材粉末との混合粉末を有底円筒状の型枠内に充填し、この型枠を加熱炉内に入れてろう材粉末の融点より、例えば５０℃程度高い温度まで加熱してろう材粉末を溶融させ、ろう材粉末の全体が溶融したら、型枠の上方から型枠形状に対応した円柱状の工具保持部の基になる鉄製の棒部材を型枠内に装入し、溶融させたろう材を上方から押圧しながら冷却することで、棒部材の先端に、切削部の基になる空隙の存在しない原砥石部が形成された原研削工具を作製することも可能である。ろう材粉末の溶融は、例えば、真空中で行うことが好ましいが、加熱炉内に不活性ガス（例えば、アルゴンガス）を充満させて行なってもよい。また、ろう材としては、例えば、ニッケル系、銅系、コバルト、鉄系、及び銀系のいずれか１を使用することができる。

また、第１の実施の形態では、切削部の端面の広さを、フレネルレンズ形状の全体を形成したレンズ形成面とその周囲に形成する水平部が一括して納まる面積としたが、フレネルレンズ形状の一部が形成されたレンズ形成面及びこのレンズ形成面の外側に形成する水平部のみが納まる面積とすることもできる。この場合は、研削液を切削部の端面中央部に容易に到達させることができるので、切削部の周方向に形成するスリットの本数を減少させたり、スリットの形成を省略することができる。

本発明の第１の実施の形態を適用してフレネルレンズ形状を形成する際の状況を示す斜視図である。 同製造方法を適用してフレネルレンズ形状の加工中の状態を示す側断面図である。 （Ａ）〜（Ｄ）は本発明の第２の実施の形態を適用したフレネルレンズ形状の加工工程を示す側断面図、（Ｅ）は得られたフレネルレンズ形状の側面図である。 従来例に係るフレネルレンズ形状の加工方法の説明図である。

１０：研削工具、１１：工具保持部、１２：砥粒、１３：メタルボンド、１４：砥石部、１５：レンズ形成面、１６：水平部、１７：被削材、１８：被削材固定テーブル、１９：フレネルレンズ形状部、２０：水平研削部、２０ａ、２０ｂ：隅部、２０ｃ：角部、２１：研削工具、２２：全レンズ面、２３：水平部、２４：研削部、２５：全レンズ面、２６：水平研削面、２７：レンズ面、２８：研削工具、２９：レンズ面、３０：第１環状部、３１：レンズ面、３２：研削工具、３３：レンズ面、３４：第２環状部、３５：レンズ面、３６：研削工具、３７：レンズ面、３８：第３環状部、３９：フレネルレンズ形状部

Claims (2)

1. 回転駆動される研削工具の端部に、該研削工具の回転中心にその中心軸を合わせて製造しようとする軸対称のフレネルレンズの基礎となるレンズ面を予め形成する第１工程と、前記第１工程で製造された前記研削工具を回転させた状態でマスター型となる被削材に押し当て、前記研削工具の端部に形成された前記レンズ面を該被削材に形成する第２工程と、
   前工程で製造された前記研削工具の周囲を削って、該研削工具の端部に前工程で製造されたレンズ面より径の小さいレンズ面を形成する第３工程と、
   前記第３工程で製造された研削工具を軸心を合わせてその前工程で製造された前記被削材のレンズ面に対して所定深さまで研削する第４工程とを有し、
   前記第３工程及び前記第４工程を１又は複数回行うことを特徴とする軸対称レンズのマスター型の製造方法。
2. 請求項１記載の軸対称レンズのマスター型の製造方法において、前記研削工具の切削部は、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素、窒化珪素、炭化珪素、及びアルミナのいずれか１又は２以上を砥粒に使用した砥石であって、該砥粒は導電性を有するメタルボンドで保持されていることを特徴とする軸対称レンズのマスター型の製造方法。

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