JP5359844B2 - フレネルレンズの製造方法、フレネルレンズの金型の製造方法、および、切削加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、フレネルレンズの製造方法、フレネルレンズの金型の製造方法、および、切削加工装置に関するものである。

従来、同心円状に溝が設けられたフレネルレンズまたはフレネルレンズの金型を切削加工する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。加工の際、バイトに対して被加工物を相対的に回転させるようになっているが、この回転の単位時間当たりの回転数（以下、単に回転数という）が一定だと、バイトが回転中心から遠ざかるほど、バイトと被加工物との相対速度が大きくなってしまう。したがって、中心部で相対速度を理想的なものにすると、外周部で相対速度が過剰になっていまい、外周部で相対速度を理想的なものにすると、内周部で相対速度が不足してしまう。また、回転中心付近と外周部とでバイトと被加工物との相対速度が大きく異なると、フレネルレンズ（またはその金型）の加工面の面粗さが安定しない。

そこで、回転中心からの距離によってバイトと被加工物との相対速度が大きく変化することがないよう、バイトの回転中心からの距離が大きくなるほど回転数を低下させる技術が採用されている。この技術は、周速一定機能と呼ばれている。

特開２００４−４２１８８号公報

しかし、本発明の発明者の検討により、従来の周速一定機能を採用することには、以下のような問題があることが判明した。すなわち、バイトの回転中心からの距離が変化するのに伴って回転数を変化させると、回転数の変化時にナノレベルの軸ぶれが発生し、また、回転数の変化時に回転数安定までの回転むらが発生し、その結果、被加工物の加工面に面粗さや形状の悪化が生じてしまう。

本発明は上記点に鑑み、バイトに対して被加工物を相対的に回転させることでフレネルレンズまたはフレネルレンズの金型を切削加工する技術において、加工時にバイトの回転中心からの距離が大きくなるほど回転数を低下させながらも、被加工物の加工面に面粗さや形状の悪化が生じる問題に対処することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させると共に、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させることで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）を製造するフレネルレンズの製造方法であって、前記フレネル面（１１）の１つを切削加工するフレネル面加工工程と、前記ライズ面（１２）の１つを切削加工するライズ面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とするフレネルレンズの製造方法である。

このようになっていることで、フレネル面（１１）の切削加工中には、被加工物（３０）のバイト（２７）に対する回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生せず、また、回転数変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生せず、その結果、フレネル面（１１）に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル面（１１）において良好な仕上げ面を得ることができる。

他方、ライズ面（１２）の切削加工中には、被加工物（３０）のバイト（２７）に対する回転数変化があるので、その回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生し、また、回転変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生し、その結果、ライズ面（１２）に面粗さや形状の悪化が生じてしまう恐れがある。しかしながら、ライズ面（１２）は、フレネルレンズの実際の使用において光を透過しないので、フレネル面（１１）に面粗さや形状の悪化が生じてしまう場合に比べて、悪影響は遙かに小さい。

また、請求項２に記載の発明は、被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させる主軸（２５）と、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させ走査装置（２２、２３）と、前記主軸（２５）および前記操作装置（２２、２３）を制御することで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）を製造する制御ユニット（２８）と、を備えた切削加工装置であって、前記制御ユニット（２８）は、前記フレネル面（１１）の１つを切削加工するフレネル面加工工程と、前記ライズ面（１２）の１つを切削加工するライズ面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする切削加工装置である。このようになっていることで、請求項１に記載の発明と同等の効果を得ることができる。

また、請求項３に記載の発明は、被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させると共に、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させることで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）の金型（４０）を製造する金型の製造方法であって、前記金型（４０）において前記フレネル面（１１）の型となるフレネル型面（４１）の１つを切削加工するフレネル型面加工工程と、前記金型（４０）において前記ライズ面（１２）の型となるライズ型面（４２）の１つを切削加工するライズ型面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル型面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ型面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする金型の製造方法である。

このようになっていることで、フレネル型面（４１）の切削加工中には、被加工物（３０）のバイト（２７）に対する回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生せず、また、回転数変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生せず、その結果、フレネル型面（４２）に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル型面（４１）において良好な仕上げ面を得ることができる。

他方、ライズ型面（４２）の切削加工中には、被加工物（３０）のバイト（２７）に対する回転数変化があるので、その回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生し、また、回転変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生し、その結果、ライズ型面（４２）に面粗さや形状の悪化が生じてしまう恐れがある。しかしながら、ライズ型面（４２）は、フレネルレンズの実際の使用において光を透過しないライズ面（１２）の型となるので、フレネル型面（１１）に面粗さや形状の悪化が生じてしまう場合に比べて、悪影響は遙かに小さい。

また、請求項４に記載の発明は、被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させる主軸（２５）と、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させる走査装置（２２、２３）と、前記主軸（２５）および前記操作装置（２２、２３）を制御することで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）の金型（４０）を製造する制御ユニット（２８）と、を備えた切削加工装置であって、前記制御ユニット（２８）は、前記金型（４０）において前記フレネル面（１１）の型となるフレネル型面（４１）の１つを切削加工するフレネル型面加工工程と、前記金型（４０）において前記ライズ面（１２）の型となるライズ型面（４２）の１つを切削加工するライズ型面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル型面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ型面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする切削加工装置である。このようになっていることで、請求項２に記載の発明と同等の効果を得ることができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２または４に記載の切削加工装置において、前記制御ユニット（２８）は、前記バイト（２７）の加工径と前記回転数との対応関係式のデータを記録し、前記回転数を変化させるときに、現在のバイト（２７）の加工径を算出し、続いて、記録した対応関係式のデータに基づいて、算出した加工径に対応する回転数を算出し、算出した回転数を実現するよう、主軸２５を制御することを特徴とする。このようにすることで、作業者が上記対応関係式のデータを切削加工装置に記録させるだけで、切削加工装置が自動的に回転数を調整するようになる。

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係るフレネルレンズ１が使用されるヘッドアップディスプレイ５０を示す図である。 フレネルレンズ１の平面図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 フレネル面１１およびライズ面１２の拡大図である。 ＮＣ旋盤２の構成図である。 切削加工の詳細な工程を示すフローチャートである。 切削加工時における被加工物３０とバイト２７との位置関係を示す模式図である。 回転数および周速度と加工径との関係を示すグラフ５０、５１である。 バイト２７の走査工程を示す模式図である。 バイト２７の軌跡５２を示す模式図である。 第２実施形態における切削加工の詳細な工程を示すフローチャートである。 第２実施形態におけるバイト２７の走査工程を示す模式図である。 バイト２７の軌跡５３を示す模式図である。 第３実施形態における切削加工の詳細な工程を示すフローチャートである。 第３実施形態における切削加工の詳細な工程を示すフローチャートである。 フレネルレンズ１を製造するための金型４の断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態において製造されるフレネルレンズは、例えば、図１に示すようなヘッドアップディスプレイ５０に用いられる。このヘッドアップディスプレイ５０においては、インストゥルメントパネル等に設置されたケース５１内で、画像投射器５２が所望の画像の画像光を射出し、その画像光が凹面鏡５３および凹面鏡５４で反射され、その反射光が、斜線で示されたケース５１の上面からケース外に出て、フロントウィンドシールドＷＳ内の画像表示部５５に投影される。本実施形態のフレネルレンズ１は、反射光が通過するケース５１の上面に配置されることで、当該反射光がフレネルレンズ１を通過し、その結果、画像が画像表示部５５で拡大される。このようなフレネルレンズの作用により、ケース５１を小型化しながら、画像表示部５５内で画像を大きく表示することができる。

図２および図３に、このフレネルレンズ１の斜視図および側面図を示す。フレネルレンズ１の材質としては、ポリカーボネート樹脂等の樹脂を採用する。フレネルレンズ１をケース５１に取り付ける場合は、図３の上方向をケース５１に向けて取り付ける。

本実施形態において製造されるフレネルレンズ１は、凸レンズの表面を複数の同心円で区分けし、それら区分けされた各区間（フレネル面１１）の高さを概ね一様にするために、隣り合う区間の間に段差がつけられたレンズである。したがって、フレネルレンズ１には、同心円状に交互にフレネル面１１および段差を付けるためのライズ面１２が形成されている。

なお、図２および図３では、フレネル面１１およびライズ面１２の形状を明確に表すために、フレネルレンズ１全体のサイズとフレネル面１１およびライズ面１２のサイズとの比率を誇張して記載している。実際には、フレネルレンズ１の直径は１８０ｍｍ程度であり、各フレネル面１１およびライズ面１２のサイズは、図４に示すように、フレネル面１１のレンズ径方向の長さが０．３ｍｍであり、ライズ面１２の高さが０．１ｍｍである。したがって、フレネルレンズ１にはフレネル面１１およびライズ面１２がそれぞれ３００個程度形成される。

また、本実施形態のフレネルレンズ１は、クリアな画像を画像表示部５５に投影するために、高い形状精度と安定した面粗さを持つことが望まれる。具体的には、５００ｎｍ未満の形状精度および５０ｎｍ未満の表面粗さＲｚが望ましく、また、フレネル面１１とライズ面１２の間の溝部１３の曲率半径は５μｍ未満であることが望ましい。

本実施形態では、このようなフレネルレンズ１を製造するための方法として、切削加工を採用する。図５に、この切削加工に用いるＮＣ旋盤２の構成を示す。このＮＣ旋盤２としては、例えば、不二越社製の超精密旋盤ＡＳＰ０１（駆動制御単位は１ｎｍ）を用いてもよい。

この図に示すように、ＮＣ旋盤２は、ベッド２１、Ｚ移動テーブル２２、Ｘ移動テーブル２３、主軸台２４、主軸２５、および刃物台２６を備えている。

Ｚ移動テーブル２２およびＸ移動テーブル２３は、それぞれ土台となるベッド部２１の上面に配置され、図示しない駆動機構（モータ等）によって、それぞれベッド部２１に対して図中のＸ軸方向およびＺ軸方向に移動可能となっている。

主軸台２４は、Ｚ移動テーブル２２の上面に固定され、主軸２５の駆動機構（モータ等）を内蔵する部材である。主軸２５は、この主軸台２４に支持されると共に上記の駆動機構によって主軸台２４に対して回転するようになっている。後述するように、この主軸２５の回転数は制御可能となっている。この主軸２５には、フレネルレンズ１の素材となる被加工物３０を固定することができる。

刃物台２６は、Ｘ移動テーブル２３の上面に配置されており、各種のバイト２７を取り付けることができるようになっている。本実施形態のバイト２７は、高精度な加工を実現するために、微細な先端曲率半径（例えば５μｍ）を持つダイヤモンドバイトとなっている。

また、ＮＣ旋盤２は、Ｚ移動テーブル２２、Ｘ移動テーブル２３、主軸２５の駆動機構を制御する制御ユニット２８を備えている。制御ユニット２８は、ＮＣ旋盤２の作動内容が記述されたＮＣプログラム２９の入力を受け付けると、受け付けたＮＣプログラム２９を読み出して記憶媒体に記録し、さらにこのＮＣプログラム２９に従ってＮＣ旋盤２の上記駆動機構のそれぞれを制御することで、Ｚ移動テーブル２２およびＸ移動テーブル２３を移動させ、主軸２５の作動を制御する。なお、ＮＣプログラム２９には、切削加工中におけるＺ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置および移動速度、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置および移動速度を規定するデータが含まれている。また、主軸２５の回転数については、制御ユニット２８が制御することもできるし、図示しない回転数設定部を作業者が操作することで、作業者が直接制御することもできる。

また、制御ユニット２８には、表示装置２８ａが備えられており、制御ユニット２８はこの表示装置２８ａを用いて、Ｚ移動テーブル２２、Ｘ移動テーブル２３の現在の制御状態を表示するようになっている。より具体的には、Ｚ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置座標値（すなわち、Ｚ座標値）、および、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置座標値（すなわち、Ｘ座標値）を、加工位置座標表示として表示装置２８ａに表示させる。なお、１つのライズ面１２の加工に要する時間は、３０秒から１分程度である。

以下、ＮＣ旋盤２を用いたフレネルレンズ１の切削加工の工程について説明する。切削加工では、具体的には、被加工物３０の表面が所期の形状精度でフレネルレンズ１の表面に一致するよう、バイト２７で被加工物３０をプロファイル切削する。

まず、準備作業として、フレネルレンズ１の素材となる被加工物３０を主軸２５に固定し、刃物台２６にバイト２７を取り付ける。

次に、実際の切削加工を行う。具体的には、被加工物３０の表面が所期の形状精度でフレネルレンズ１の表面に一致するよう、バイト２７で被加工物３０をプロファイル切削する。図６に、この切削加工の詳細な工程のフローチャートを示す。

この切削加工の概要は、以下の通りである。図７に示すように、被加工物３０を固定した主軸２５を回転させることで、被加工物３０をバイト２７に対して相対的に回転させる。そしてその際、Ｚ移動テーブル２２、Ｘ移動テーブル２３を移動させることで、バイト２７を被加工物３０に対して被加工物３０の厚み方向（Ｚ軸方向に相当する）および被加工物３０の径方向（Ｘ軸方向に相当する）に相対的に移動させる。この厚み方向および径方向の位置変化を調整することで、バイト２７のノーズが、フレネルレンズ１の所期の表面形状に沿って被加工物３０を削りながら径方向に移動するように制御することが可能となる。このＺ移動テーブル２２およびＸ移動テーブル２３が走査装置の一例に相当する。

以下、切削加工の詳細を説明する。切削加工では、まずあらかじめ作業者が、被加工物３０に設けたい段差数（すなわち、ライズ面１２の数）を確認し、バイト２７が各フレネル面１１を加工するときの主軸２５の回転数を決定する（ステップ１００）。本実施形態においては、回転数は４００ｒｐｍから１０００ｒｐｍの間で変化するように設定する。ただし、バイト２７が１つのフレネル面１１を加工している間は、回転数が一定となるようにする。

図８に、加工径と主軸２５の回転数との関係を模式的にグラフ５０で示す。ここで、加工径とは、バイト２７が加工している被加工物３０上の位置の、回転中心からの距離をいう。このグラフ５０に示すように、１つのフレネル面１１内では、回転数は加工径にかかわらず一定となっている。しかし、隣り合うフレネル面１１間では、加工径の大きい側の方が回転数が小さくなっている。つまり、回転中心から離れたフレネル面１１ほど、加工時の回転数が小さくなる。

図８では更に、グラフ５０のように回転数を設定した場合における、加工径と周速度との関係を模式的に示すグラフ５１も表している。ここで、周速度とは、バイト２７が加工している被加工物３０上の位置と、バイト２７との間の相対速度の、回転方向（すなわち周方向）の成分をいう。回転中心から離れたフレネル面１１ほど加工時の回転数が小さくなるようにすることで、このグラフ５１に示すように、１つのフレネル面内において周速度は加工径に比例して増大するが、隣り合うフレネル面１１間での周速度の差はあまりない。その結果、被加工物３０全体として見れば、周速度は加工径の増大とともに若干増大するものの、加工径に比例して大きくなる場合に比べれば増大量は遙かに小さく、周速度は概ね一定になっていると言える。したがって、被加工物３０の回転中心付近と外周付近とで、周速度が大きく違ってしまうということがなくなり、例えば、被加工物３０の加工表面の面粗さを概ね一定にすることができる。

このようにして決めた回転数の特徴点は、隣り合う２つのフレネル面１１の間で回転数を変化させ、１つのフレネル面１１内では回転数を一定に保つ点である。

続いて作業者は、制御ユニット２８に所定のＮＣプログラム２９の実行を開始させる（ステップ１１０）。すると制御ユニット２８は、主軸２５を回転させると共に、Ｚ移動テーブル２２およびＸ移動テーブル２３の位置を適宜変化させることで、バイト２７のノーズが、フレネルレンズ１の所期の形状を形成するよう、被加工物３０の表面を厚み方向および径方向に相対的に移動しつつ、バイト２７で被加工物３０を切削し始める。

そして制御ユニット２８は、以下に説明するステップ１２０〜１６０のループを１回実行することで、一対の隣り合うフレネル面１１およびライズ面１２を切削加工し、そのループをフレネルレンズ１の段差数だけ繰り返す。そしてループの繰り返しを終えた後、最後に、一番中心に近いフレネル面１１を加工する（このステップは図示しない）ことで、完成したフレネルレンズ１を得る。また、作業者は、これらループの繰り返しの際に、主軸２５の回転数を調整する。

より具体的には、各ループにおいて、まず制御ユニット２８は、ＮＣプログラム２９に従って、図９（ａ）に示すように、バイト２７にフレネル面１１の走査（厚み方向および径方向への相対移動による切削をいう。以下同じ。）を開始させる（ステップ１２０）。

そして、ＮＣプログラム２９に従ってこのフレネル面１１の走査が進行し、その後、図９（ｂ）に示すようにフレネル面１１の走査が終了すると（ステップ１３０）、制御ユニット２８は続いて、ＮＣプログラム２９に従って、図９（ｃ）に示すように、バイト２７にライズ面１２の走査を開始させる（ステップ１４０）。

そして、このライズ面１２上の走査がＮＣプログラム２９に従って進行しているとき、作業者は、バイト２７がライズ面１２を走査していると判断し、主軸２５の回転数を変化させる（ステップ１５０）。具体的には、ステップ１００で決定した回転数のうち、次に走査するフレネル面１１における回転数に一致するよう、主軸２５の回転数を調整する。したがって、バイト２７がライズ面１２を切削加工している間に、主軸２５の回転数が変化することになる。

なお、作業者は、バイト２７がライズ面１２を走査しているか否かを、制御ユニット２８の加工位置座標表示を目視で確認して判断する。具体的には、加工位置座標表示において、フレネル面１１の走査時には、Ｘ座標値およびＺ座標値の両方が変化するが、ライズ面１２の走査時には、Ｚ座標値は変化するがＸ座標値はほとんど変化しないので、作業者は、Ｘ座標値に比べてＺ座標値が大きく変化しているときに、バイト２７がライズ面１２を走査していると判断する。

その後、ライズ面１２の走査が終了すると（ステップ１６０）、ループの１回分が終了して次のループが始まり、ＮＣプログラム２９に従って次のフレネル面１１の走査が開始される（ステップ１２０）。

このように、本実施形態の切削加工においては、フレネル面１１の加工中には主軸２５の回転数は一定に保たれ、ライズ面１２の加工中に回転数を変化させる。つまり、図１０に示すように、バイト２７の走査軌跡を破線５２で表した場合、点５２ａから点５２ｂまでにバイト２７が移動している間にのみ、主軸２５の回転数を変化させる。

したがって、フレネル面１１の切削加工中には、主軸２５の回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生せず、また、主軸２５の回転数変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生せず、その結果、フレネル面１１に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル面１１において良好な仕上げ面を得ることができる。

他方、ライズ面１２の切削加工中には、主軸２５の回転数変化があるので、その回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生し、また、回転変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生し、その結果、ライズ面１２に面粗さや形状の悪化が生じてしまう恐れがある。しかしながら、ライズ面１２は、フレネルレンズ１の実際の使用において光を透過しないので、フレネル面１１に面粗さや形状の悪化が生じてしまう場合に比べて、悪影響は遙かに小さい。

また、ライズ面１２に面粗さや形状の悪化が生じてしまう恐れがあるものの、バイト２７の移動を止めることなく、フレネル面１１に悪影響を及ぼさずに主軸２５の回転数を変化させることができるという利点もある。

なお、本実施形態においては、図６のステップ１２０から１３０まで、およびステップ１２０〜１６０のループの繰り返しの終了後の最後のフレネル面１１の加工工程が、フレネル面加工工程に相当し、ステップ１４０から１６０までが、ライズ面加工工程に相当する。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態が第１実施形態と異なるのは、主軸２５の回転数を変化させるときのバイト２７の位置である。より具体的には、本実施形態においては、バイト２７がフレネル面１１の加工を終えて被加工物３０から離れたときに、主軸２５の回転数を変化させる。

本実施形態において用いるＮＣ旋盤２は、第１実施形態と同じものを用いる。また、被加工物３０の加工についても、荒取り加工については、第１実施形態と同じでよい。

以下では、本実施形態における被加工物３０の切削加工について説明する。図１１に、この切削加工の詳細な工程のフローチャートを示す。

なお、本実施形態のＮＣプログラム２９には、切削加工中におけるＺ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置および移動速度、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置および移動速度に加え、フレネル面１１の走査が終了した時点でバイト２７のノーズを被加工物３０から離し、バイト２７の移動（正確には、被加工物３０の回転中心に対する移動）を停止させることを規定するデータが含まれている。

切削加工では、まずあらかじめ作業者が、図６のステップ１００と同様に、被加工物３０に設けたい段差数を確認し、加工時の主軸２５の回転数を決定する（ステップ２００）。加工径と主軸２５の回転数との関係も、第１実施形態と同じである（図８参照）。なお、第１実施形態と同様、バイト２７が１つのフレネル面１１を加工している間は、回転数が一定となるようにする。

続いて作業者は、第１実施形態のステップ１１０と同様、制御ユニット２８に所定のＮＣプログラム２９の実行を開始させる（ステップ２１０）。

そして制御ユニット２８は、以下に説明するステップ２２０〜２９０のループを１回実行することで、一対の隣り合うフレネル面１１およびライズ面１２を加工し、そのループをフレネルレンズ１の段差数だけ繰り返す。そしてループの繰り返しを終えた後、最後に、一番中心に近いフレネル面１１を加工する（このステップは図示しない）ことで、切削加工が完了し、フレネルレンズ１が完成する。また、作業者は、これらループの繰り返しの際に、主軸２５の回転数を調整する。

各ループにおいて、ステップ２２０、２３０の作動は、図６のステップ１２０、１３０の作動と同じである（図１２（ａ）、（ｂ）参照）。フレネル面１１の走査が終了すると、続いて制御ユニット２８は、ＮＣプログラム２９に従い、図１２（ｃ）に示すように、バイト２７のノーズを被加工物３０から離し（ステップ２４０）、その離れた状態で、ＮＣプログラム２９に従いバイト２７の移動（つまり、Ｚ移動テーブル２２およびＸ移動テーブル２３の移動）を停止させる（ステップ２５０）。

続いて、作業者は、バイト２７の移動が停止したことを確認すると、第１実施形態のステップ１５０と同じ方法で、主軸２５の回転数を変化させる（ステップ２６０）。したがって、バイト２７のノーズが被加工物３０から離れている間に、主軸２５の回転数が変化することになる。

主軸２５の回転数を変化させた後、作業者は続いてＮＣ旋盤２を操作することで、制御ユニット２８の制御によるバイト２７の移動を再開させる（ステップ２７０）。

すると制御ユニット２８は、バイト２７をＮＣプログラム２９に従って移動させ、第１実施形態のステップ１４０と同様に、ライズ面１２の加工を開始する（ステップ２８０）。その後、ライズ面１２の加工が終了すると（ステップ２９０）、ループの１回分が終了して次のループが始まり、ＮＣプログラム２９に従って次のフレネル面１１の走査が開始される（ステップ２２０）。

このように、本実施形態の切削加工においては、フレネル面１１の加工中およびライズ面１２の加工中には主軸２５の回転数は一定に保たれ、フレネル面１１の加工が終了してからライズ面１２の加工を開始するまでの間に、バイト２７を被加工物３０から離して停止させ、バイト２７が被加工物３０から離れて停止した状態で、主軸２５の回転数を変化させる。つまり、図１３に示すように、バイト２７の走査軌跡を破線５３で表した場合、点５３ａの位置でバイト２７が停止している間に、主軸２５の回転数を変化させる。

したがって、フレネル面１１およびライズ面１２の切削加工中には、主軸２５の回転数変化に伴うナノレベルの軸ぶれが発生せず、また、主軸２５の回転数変化に伴う回転数安定までの回転むらが発生せず、その結果、フレネル面１１およびライズ面１２に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル面１１およびライズ面１２において良好な仕上げ面を得ることができる。

本実施形態においては、第１実施形態と異なり、フレネル面１１の加工が終わった後にバイト２７を被加工物３０から離して停止させるという工程があるので、第１実施形態に比べて加工時間が長くなるものの、ライズ面１２にも面粗さや形状の悪化が生じないという利点がある。

なお、本実施形態においては、図１１のステップ２２０から２３０まで、およびステップ２２０〜２９０のループの繰り返しの終了後の最後のフレネル面１１の加工工程が、フレネル面加工工程に相当し、ステップ２８０から２９０までが、ライズ面加工工程に相当し、ステップ２４０が離す工程に相当する。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態が第１実施形態と異なるのは、図６のステップ１５０の回転数変更を、制御ユニット２８が自動的に実行するようになっている点である。

図１４に、本実施形態における切削加工の詳細な工程のフローチャートを示す。なお、図６と図１４のフローチャートで同じ符号が付されているステップの作動内容は、互いに同じである。

なお、ＮＣプログラム２９には、切削加工中におけるＺ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置および移動速度、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置および移動速度を規定するデータに加え、バイト２７の加工径と主軸２５の回転数との対応関係式のデータも含められている。この対応関係式のデータとしては、例えば、加工径の増大と共に線形的に回転数が低下するような式でもよいし、加工径に反比例して回転数が低下するような式でもよい。

以下、切削加工工程について説明する。本実施形態の切削加工では、まず作業者は、制御ユニット２８に所定のＮＣプログラム２９の実行を開始させ（ステップ１１０）、それにより、ステップ１２０〜１６０のループが繰り返され、各ループにおいて、制御ユニット２８の制御によってまずフレネル面１１が走査され（ステップ１２０、１３０）その後、ライズ面１２の加工が始まる（ステップ１４０）。

ライズ面１２の加工が始まると、制御ユニット２８は、現在のＸ座標値、Ｚ座標値に基づいて、現在のバイト２７の加工径を算出し（ステップ３４５）、続いて、ＮＣプログラム２９に記録されている対応関係式のデータに基づいて、算出した加工径に対応する回転数を算出する（ステップ３５０）。さらに続いて、算出した回転数を実現するよう、主軸２５の回転数を変更する（ステップ３５５）。

なお、制御ユニット２８は、現在フレネル面１１を加工しているのかライズ面１２を加工しているのかについては、Ｘ座標値に比べてＺ座標値が大きく変化していることに基づいて、バイト２７がライズ面１２を走査していると判定してもよい。あるいは、ライズ面１２を加工しているときのＸ座標時およびＺ座標値を、回転数を変更するときのＸ座標時およびＺ座標値として、あらかじめＮＣプログラム２９に記録しておき、制御ユニット２８は、そのＮＣプログラム２９中の回転数を変更するときのＸ座標時およびＺ座標値が実現しているときに、ライズ面１２を走査していると判定し、ステップ３４５〜３５５を実行するようになっていてもよい。

回転数の変更後、ライズ面１２の走査が終了すると（ステップ１６０）、ループの１回分が終了して次のループが始まる。このように、制御ユニット２８があらかじめ加工径と回転数の対応関係式のデータを読み取り、ライズ面１２の加工中のある一時点において、その時点の加工径に対応する回転数を対応関係式のデータに基づいて算出し、決定した回転数を実現するよう、主軸２５の回転数を変更する。

このようになっていることで、第１実施形態と同様に、フレネル面１１に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル面１１において良好な仕上げ面を得ることができる。また、制御ユニット２８が自動的に加工径に応じて回転数を変更するので、作業者の手間が省ける。また、作業者が上記対応関係式のデータをＮＣ旋盤２に記録させるだけで、ＮＣ旋盤２が自動的に回転数を調整するようになる。

なお、本実施形態においては、図１４のステップ１２０から１３０まで、およびステップ１２０〜１６０のループの繰り返しの終了後の最後のフレネル面１１の加工工程が、フレネル面加工工程に相当し、ステップ１４０から１６０までが、ライズ面加工工程に相当する。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態が第２実施形態と異なるのは、図１１のステップ２６０、２７０の回転数変更および移動再開の作業を、制御ユニット２８が自動的に実行するようになっている点である。

図１５に、本実施形態における切削加工の詳細な工程のフローチャートを示す。なお、図１１と図１５のフローチャートで同じ符号が付されているステップの作動内容は、互いに同じである。

なお、ＮＣプログラム２９には、切削加工中におけるＺ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置および移動速度、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置および移動速度を規定するデータに加え、第３実施形態と同様にして作成された、バイト２７の加工径と主軸２５の回転数との対応関係式のデータも含められている。

以下、切削加工工程について説明する。本実施形態の切削加工では、まず作業者は、制御ユニット２８に所定のＮＣプログラム２９の実行を開始させ（ステップ２１０）、それにより、ステップ２２０〜２９０のループが繰り返され、各ループにおいて、制御ユニット２８の制御によってまずフレネル面１１が走査され（ステップ２２０、２３０）その後、バイト２７のノーズが被加工物３０から離れて停止する（ステップ２４０、２５０）。

バイト２７の移動を停止した状態で、制御ユニット２８は、現在のＸ座標値、Ｚ座標値に基づいて、現在のバイト２７の加工径を算出し（ステップ４５５）、続いて、ＮＣプログラム２９に記録されている対応関係式のデータに基づいて、算出した加工径に対応する回転数を算出する（ステップ４６０）。さらに続いて、算出した回転数を実現するよう、主軸２５の回転数を変更する（ステップ４６５）。その後制御ユニット２８は、回転数の変更後、バイト２７の移動を再開し（ステップ４７０）、ライズ面１２を加工する（ステップ２８０、２９０）。

このようになっていることで、第２実施形態と同様に、フレネル面１１およびライズ面１２に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。すなわち、回転揺らぎの影響を与えることなくフレネル面１１およびライズ面１２において良好な仕上げ面を得ることができる。また、制御ユニット２８が自動的に加工径に応じて回転数を変更するので、作業者の手間が省ける。また、作業者が上記対応関係式のデータをＮＣ旋盤２に記録させるだけで、ＮＣ旋盤２が自動的に回転数を調整するようになる。

なお、本実施形態においては、図１５のステップ２２０から２３０まで、およびステップ２２０〜２９０のループの繰り返しの終了後の最後のフレネル面１１の加工工程が、フレネル面加工工程に相当し、ステップ２８０から２９０までが、ライズ面加工工程に相当し、ステップ２４０が離す工程に相当する。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の各発明特定事項の機能を実現し得る種々の形態を包含するものである。

例えば、上記実施形態では、フレネルレンズ１に対して、５００ｎｍ未満の形状精度および５０ｎｍ未満の表面粗さＲｚが望ましく、また、フレネル面１１とライズ面１２の間の溝部１３の曲率半径は５μｍ未満であることが望ましいと記載したが、製造するフレネルレンズ１は、必ずしもこのような条件のものに限らない。

また、第１、第２実施形態において、ステップ１５０、２６０、２７０の作業を、人ではなく制御ユニット２８の自動制御によって実現させるようになっていてもよい。その場合ＮＣプログラム２９には、主軸２５の回転数の変更のタイミングのデータ、および、各タイミングにおける変化後の回転数のデータも含める。その場合、制御ユニット２８は、ステップ１５０において、フレネル面１１を走査中であるかライズ面１２を走査中であるかについては、第３実施形態と同じ方法で判定する。

また、第３、第４実施形態においては、制御ユニット２８は、ＮＣプログラム２９にあらかじめ記録された対応関係式に基づいて、現在の加工径に応じた回転数を算出するようになっているが、最初から、加工径と回転数との対応表が、あらかじめＮＣプログラム２９に記録されているようになっていてもよい。

この場合、ＮＣプログラム２９には、切削加工中におけるＺ移動テーブル２２のＺ軸方向の位置および移動速度、Ｘ移動テーブル２３のＸ軸方向の位置および移動速度を規定するデータに加え、バイト２７の各加工径における主軸２５の回転数のデータ（すなわち、対応表）も含まれる。そして制御ユニット２８は、ステップ３５０および４５０で、この対応表に基づいて、現在の加工径に対応する回転数を算出する。

また、第１実施形態では、バイト２７を被加工物３０の外周から回転中心に向って走査するようになっているが、逆に、被加工物３０の回転中心から外周に向って走査するようになっていてもよい。その場合でも、ライズ面１２の切削加工中に、主軸２５の回転数を上昇させるようになっていればよい。

また、第２実施形態でも、バイト２７を被加工物３０の外周から回転中心に向って走査するようになっているが、逆に、被加工物３０の回転中心から外周に向って走査するようになっていてもよい。その場合は、第２実施形態とは逆に、１つのライズ面１２の切削加工が終わった後、次のライズ面１２の切削加工を行う前に、バイト２７を被加工物３０から離して停止させ、その停止した状態で主軸２５の回転数を上昇させるようになっていればよい。つまり、バイト２７を被加工物３０から離して停止させ、その停止した状態で主軸２５の回転数を上昇させるのは、フレネル面１１とライズ面１２面の境界のうち、奥まった溝部１３（図４参照）ではなく、突出した頂点部１４を加工した直後である。

また、上記実施形態においては、切削加工されたフレネルレンズ１の用途として、ヘッドアップディスプレイ５０の拡大投影用レンズが例示されているが、フレネルレンズ１の用途としては、このようなものに限らず、例えば高詳細オーバーヘッドプロジェクタのレンズ、高詳細ルーペ等にも用いることができる。

また、上記実施形態では、フレネルレンズとして、凸レンズの表面を複数の同心円で区分けし、それら区分けされた各区間（フレネル面）の高さを概ね一様にするために、隣り合う区間の間に段差がつけられた凸型フレネルレンズが例示されている。しかし、この凸型フレネルレンズを凹型フレネルレンズに代えても、同じ切削加工を用いて同じ効果を得ることができる。なお、凹型フレネルレンズとは、凹レンズの表面を複数の同心円で区分けし、それら区分けされた各区間（フレネル面）の高さを概ね一様にするために、隣り合う区間の間に段差がつけられたフレネルレンズをいう。

また、上記実施形態においては、ＮＣ旋盤２を用いてフレネルレンズ１を製造するようになっているが、ＮＣ旋盤２は、フレネルレンズ１ではなく、樹脂成形（例えば射出成形）によってフレネルレンズ１を製造するための金型の切削加工にも、用いることができる。図１６に、このような金型４０の断面図を示す。

この場合も、金型４０の素材となる被加工物に対して、上記実施形態と同じ方法で切削加工することができる。その場合、上記の各実施形態においては、被加工物３０を、フレネルレンズの金型４０の素材となる被加工物（例えば、ニッケルメッキを施した主に鉄系材料から成る板）に読み替え、フレネル面１１は、「金型において成形時にフレネルレンズ１のフレネル面１１の型となるフレネル型面４１」に読み替え、ライズ面１２は、「金型において成形時にフレネルレンズ１のライズ面１２の型となるライズ型面４２」に読み替え、フレネル面加工工程は、フレネル型面加工工程に読み替え、ライズ面加工工程は、ライズ面加工工程に読み替える。

そのように読み替えれば、本発明の切削加工方法は、フレネルレンズの金型４０としても捉えることができる。そして、このようにして製造された金型４０においても、そのような金型４０を用いて製造されたフレネルレンズ１についても、フレネル面（またはフレネル面を形成する金型上の面）に面粗さや形状の悪化が生じてしまうことがなくなる。

また、上記実施形態においては、フレネルレンズ１または金型４０を切削加工する装置として、ＮＣ旋盤２が用いられているが、上記実施形態のような加工機能を実現可能な切削加工装置なら、ＮＣ旋盤２以外の装置（例えば、マシニングセンタ）を用いてよい。

１ フレネルレンズ
２ ＮＣ旋盤
１１ フレネル面
１２ ライズ面
２２ Ｚ移動テーブル
２３ Ｘ移動テーブル
２５ 主軸
２７ バイト
２８ 制御ユニット
２８ａ 表示装置
２９ ＮＣプログラム
３０ 被加工物
４０ 金型
４１ フレネル型面
４２ ライズ型面
５０ 加工径と回転数との関係を示すグラフ
５１ 加工径と周速度との関係を示すグラフ
５２、５３ バイト２７の加工軌跡

Claims (5)

1. 被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させると共に、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させることで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）を製造するフレネルレンズの製造方法であって、
   前記フレネル面（１１）の１つを切削加工するフレネル面加工工程と、前記ライズ面（１２）の１つを切削加工するライズ面加工工程とを交互に繰り返し、
   前記フレネル面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、
   前記ライズ面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とするフレネルレンズの製造方法。
2. 被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させる主軸（２５）と、
   前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させる走査装置（２２、２３）と、
   前記主軸（２５）および前記操作装置（２２、２３）を制御することで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）を製造する制御ユニット（２８）と、を備えた切削加工装置であって、
   前記制御ユニット（２８）は、前記フレネル面（１１）の１つを切削加工するフレネル面加工工程と、前記ライズ面（１２）の１つを切削加工するライズ面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする切削加工装置。
3. 被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させると共に、前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させることで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）の金型（４０）を製造する金型の製造方法であって、
   前記金型（４０）において前記フレネル面（１１）の型となるフレネル型面（４１）の１つを切削加工するフレネル型面加工工程と、前記金型（４０）において前記ライズ面（１２）の型となるライズ型面（４２）の１つを切削加工するライズ型面加工工程とを交互に繰り返し、
   前記フレネル型面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、
   前記ライズ型面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする金型の製造方法。
4. 被加工物（３０）をバイト（２７）に対して相対的に回転させる主軸（２５）と、
   前記バイト（２７）を前記被加工物（３０）に対して前記被加工物（３０）の厚み方向および前記被加工物（３０）の径方向に相対的に移動させる走査装置（２２、２３）と、
   前記主軸（２５）および前記操作装置（２２、２３）を制御することで、前記バイト（２７）で前記被加工物（３０）を切削加工し、その結果、同心円状に交互にフレネル面（１１）およびライズ面（１２）が形成されたフレネルレンズ（１）の金型（４０）を製造する制御ユニット（２８）と、を備えた切削加工装置であって、
   前記制御ユニット（２８）は、前記金型（４０）において前記フレネル面（１１）の型となるフレネル型面（４１）の１つを切削加工するフレネル型面加工工程と、前記金型（４０）において前記ライズ面（１２）の型となるライズ型面（４２）の１つを切削加工するライズ型面加工工程とを交互に繰り返し、前記フレネル型面加工工程中には、前記被加工物（３０）の前記バイト（２７）に対する回転数を一定に保ち、前記ライズ型面加工工程中には、前記回転数を変化させることを特徴とする切削加工装置。
5. 前記制御ユニット（２８）は、前記バイト（２７）の加工径と前記回転数との対応関係式のデータを記録し、
   前記回転数を変化させるときに、現在のバイト（２７）の加工径を算出し、続いて、記録した対応関係式のデータに基づいて、算出した加工径に対応する回転数を算出し、算出した回転数を実現するよう、主軸２５を制御することを特徴とする請求項２または４に記載の切削加工装置。

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