JP5702577B2 - レンズアレイ金型の加工方法および加工装置 - Google Patents
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Description
従来、このような課題に対して、直交3軸(X,Y,Z軸)を基本とした超精密加工機を用いて対応する取り組みが試みられるようになってきた。(例えば、特許文献1参照)。
また、工具やワークの交換が困難であり、加工効率が低下しやすいという課題がある。つまり、旋盤系の加工では、ワークスピンドルの回転中心が加工中心となっているため、ワークの芯や工具先端の基準は、ワークスピンドルの回転中心に合わせられるが、直交3軸系の加工では、ワークや工具に対する加工機の特定の基準を持っていないため、ワークごとに工具中心とワーク基準点との相互位置を確認する作業、例えば、タッチプローブに取り替えてワーク座標を確認する作業が必要となる。しかし、超精密加工の場合、工具の着脱によるミクロンオーダの誤差も許されないため、前述のようなタッチプローブに取り替えてワーク座標を確認することができない。従って、ある程度の取り代の余裕をみて加工を行わなくてはならないため、その分、除去量が増え加工効率が低下する。
そして、加工工具の先端を位置させた回転テーブルの回転中心を加工基準として、回転テーブルの回転および往復移動テーブルの移動によりワークを回転および第1の軸方向へ移動させるとともに、第2および第3の移動機構により加工工具を第2および第3の軸方向へ移動させながら、ワークにレンズ形状を加工する(加工工程)。
一般に、長時間加工を行うと、周囲環境の温度変化や工具スピンドルからの発熱による誤差要因が加工精度に影響を与える。
この発明によれば、長時間加工を行った際、周囲環境の温度変化があっても、筐体内が温度制御されているから、加工精度に与える影響を少なくできる。
この発明によれば、長時間加工を行った際、工具スピンドルからの発熱があっても、工具スピンドルに設けられた温度制御機構によって工具スピンドルが温度制御されているから、加工精度に与える影響を少なくできる。
<加工装置の説明(図1参照)>
本実施形態の加工装置は、図1に示すように、ワークWを加工する加工機Aと、この加工機Aの全体を覆うとともに内部が温度制御可能な筐体Bと、加工機Aの駆動を制御する制御装置Cとを備える。
コラム34とYスライダ41との間には、Yスライダ41をY軸方向へ昇降させるY軸案内機構42YおよびY軸移動機構43Yが設けられている。Y軸案内機構42Yは、X軸案内機構やZ軸案内機構と同様に、V−Vころがり案内機構により構成されている。Y軸移動機構43Yは、コラム34の上端に設けられYスライダ41を昇降可能かつ任意の位置に位置決め可能な一対のシリンダ機構44によって構成されている。
C軸旋回機構50は、図2に示すように、C軸を中心として回転可能な回転軸51と、この回転軸51の先端に開閉可能に設けられたチャック52と、回転軸51の内部に形成された温度制御機構としての冷却流体循環路53とを含んで構成されている。冷却流体循環路53には、温度調節された空気や水などの流体が循環される。
工具スピンドル60は、図2に示すように、チャック52に着脱可能に把持されるアーム61を有する工具本体62と、この工具本体62にモータなどの駆動源によって回転可能に設けられ先端に加工工具Tを取り付けたスピンドル63と、このスピンドル63の周囲で工具本体62の内部に形成された温度制御機構としての冷却流体循環路64とを含んで構成されている。冷却流体循環路64には、温度調節された空気や水などの流体が循環される。これにより、C軸旋回機構50を含む工具スピンドル60の温度が設定温度に対して+0.05℃〜−0.05℃に温度制御されるようになっている。
まず、加工工具Tの先端を回転テーブル21の回転中心に位置させる。これには、Xテーブル11をX軸方向に移動させるとともに、Zテーブル31をZ軸方向に移動させ、加工工具Tの先端を回転テーブル21の回転中心に位置させ、この回転テーブル21の回転中心を加工基準として設定する。
ここで、ワークWの上面において、回転テーブル21の中心位置からオフセットされた加工点にレンズ形状を加工するには、Xテーブル11をX軸方向に移動させるとともに、Zテーブル31をZ軸方向に移動させる。または、回転テーブル21を180度回転させたのち、Xテーブル11をX軸方向に移動させるとともに、Zテーブル31をZ軸方向に移動させる。さらには、回転テーブル21の回転中心から加工点までを結ぶ線と回転中心を通るX軸線とのなす角度だけ、回転テーブル21を回転させたのち、回転テーブル21の回転中心から加工点までの距離だけXテーブル11を移動させる。すると、加工工具Tの真下に加工点が位置される。
従って、長時間加工において大きな誤差要因となる熱的影響が最も少ない回転テーブル21の回転中心を加工基準としたので、レンズアレイ金型を高精度に加工できる。また、回転テーブル21にワークWを載置するとともに、工具スピンドル60に加工工具Tを取り付けるようにしたので、ワークWおよび加工工具Tの交換も能率よく行うことができる。従って、レンズアレイ金型を高効率で加工できる。
長時間加工における位置誤差は、熱的影響が大きな要因として考えられる。加工点からX,Y,Z軸の各軸位置検出器、例えば、リニアエンコーダSX、SY,SZまでの経路に対して、熱的影響がおよぶ箇所を明確化すると、図4および図5のようになる。
EX1経路=ワーク→回転テーブル→Xテーブル→X軸リニアスケール
EX2経路=加工工具→工具スピンドル→Y軸→ベッド→X軸リニアスケール
EZ1経路=ワーク→回転テーブル→Xテーブル→ベッド→Z軸リニアスケール
EZ2経路=加工工具→工具スピンドル→C軸旋回機構→Y軸→Z軸リニアスケール
EY1経路=ワーク→回転テーブル→Xテーブル→ベッド→Y軸→Y軸リニアスケール
EY2経路=加工工具→工具スピンドル→C軸旋回機構→Y軸リニアスケール
本実施形態では、加工機Aの全体が、内部温度制御可能な筐体Bで覆われているため、長時間加工を行った際に周囲環境の温度変化があっても、筐体B内が温度制御されているから、加工精度に与える影響を少なくできる。
これに対しても、本実施形態では、C軸旋回機構50および工具スピンドル60に冷却流体循環路53,64を設けてあるため、長時間加工を行った際に工具スピンドル60からの発熱があっても、熱的影響を抑えることができる。従って、加工精度に与える影響を少なくできる。
一方、加工対象であるレンズアレイ金型では、水平方向の位置精度が+0.5〜−0.5μm以下、加工深さが+1〜−1μm以下程度の目標値が示されることが多いことから、水平方向の位置決め精度を重要視する必要がある。
本実施形態では、Xテーブル11の上に回転テーブル21を搭載した構造であるため、回転テーブル21の割出精度の再現性が、水平方向の位置精度に影響を及ぼす。そこで、回転テーブル21の上に200mmの基準平面を固定し、回転テーブル21を180度で繰り返し位置決めして、電気マイクロメータをX軸に平行に走査して得られる傾き誤差を評価したところ、図6および図7の結果が得られた。
結果として、200mmで0.05μm程度の再現性が得られていることから、要求される位置決め精度に対応できると考えられる。
また、回転テーブル21の上面を観察可能な観察装置70を備えているから、長時間加工において、工具寿命により加工工具を交換する必要が生じても、常に加工工具の先端を同じ座標位置に調整することができる。例えば、回転テーブル21の回転中心にて試し加工を行い、マイクロスコープ73で位置精度を確認することにより、交換した加工工具Tの刃先を回転テーブル21の回転中心に正確に位置させることができる。
なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものでなく、本発明を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、C軸旋回機構50の回転軸51にチャック52を介して工具スピンドル60を着脱可能に取り付けたが、ボルトなどによって工具スピドル60を回転軸51にしっかりと固定するようにすれば、より高精度な加工が期待できる。
上記加工装置によるレンズアレイ金型の加工方法について、有効性の検証を行った。加工位置と評価結果を図8に示す。
検証手順としては、まず、加工工具TおよびワークWを加工基準となる回転テーブル21の回転中心に合わせ、この回転中心からオフセットされた位置に3つのレンズ形状(凹球面)を加工する。次に、回転テーブル21を180度回転させ、再度3つのレンズ形状(凹球面)を加工した。同様の動作を24時間ごとに5回実施した。
加工位置の評価は、3次元形状測定器(UA3P、Panasonic製)を用い、最初の加工位置を誤差ゼロとし、計測位置と加工指示位置との差を評価した。測定時の温度差によるワークの熱膨張や測定の再現性など、評価の不確かさが少なからず含まれていると考えられるが、X軸方向およびZ軸方向ともに加工位置誤差がおおよそ0.2μm以下と良好な結果が得られた。
11…Xテーブル(往復移動テーブル)、
13X…X軸移動機構、
21…回転テーブル、
23…回転機構、
33Z…Z軸移動機構、
43Y…Y軸移動機構、
53…冷却流体循環路(温度制御機構)、
60…工具スピンドル、
64…冷却流体循環路(温度制御機構)、
A…加工機、
B…筐体、
C…制御装置、
T…加工工具、
W…ワーク。
Claims (4)
- ワークに複数のレンズ形状を加工するレンズアレイ金型の加工方法であって、
ベッドと、このベッドの上に設けられた往復移動テーブルと、この往復移動テーブルを前記ベッドに対して第1の軸方向へ移動させる第1の移動機構と、前記往復移動テーブルの上に回転可能に設けられた回転テーブルと、この回転テーブルを前記第1の軸方向に対して直交する軸を中心に回転させる回転機構と、前記回転テーブルの回転軸と平行な軸を中心として回転可能に設けられ発熱要素である工具スピンドルと、この工具スピンドルを前記第1の軸方向に対して直交しかつ互いに直交する第2および第3の軸方向へ移動させる第2の移動機構および第3の移動機構とを備えた加工機を用意する工程と、
前記回転テーブルに前記ワークを載置するとともに、前記工具スピンドルの先端に加工工具を取り付け、この加工工具の先端を前記回転テーブルの回転中心に位置させる段取工程と、
前記加工工具の先端を位置させた前記回転テーブルの回転中心を加工基準として、前記回転機構および前記第1の移動機構により前記ワークを回転および第1の軸方向へ移動させるとともに、前記第2および第3の移動機構により前記加工工具を前記第2および第3の軸方向へ移動させながら、前記ワークにレンズ形状を加工する加工工程と、を備えたことを特徴とするレンズアレイ金型の加工方法。 - ワークに複数のレンズ形状を加工するレンズアレイ金型の加工装置であって、
前記ワークを加工する加工機と、この加工機を制御する制御装置とを備え、
前記加工機は、ベッドと、このベッドの上に設けられた往復移動テーブルと、この往復移動テーブルを前記ベッドに対して第1の軸方向へ移動させる第1の移動機構と、前記往復移動テーブルの上に回転可能に設けられ上面にワークを載置する回転テーブルと、この回転テーブルを前記第1の軸方向に対して直交する軸を中心に回転させる回転機構と、前記回転テーブルの回転軸と平行な軸を中心として回転可能に設けられ先端に加工工具を有する発熱要素となる工具スピンドルと、この工具スピンドルを前記第1の軸方向に対して直交しかつ互いに直交する第2および第3の軸方向へ移動させる第2の移動機構および第3の移動機構とを含んで構成され、
前記制御装置は、前記加工工具の先端を位置させた前記回転テーブルの回転中心を加工基準として、前記回転機構および前記第1の移動機構を制御するとともに、前記第2の移動機構および第3の移動機構を制御して、前記ワークにレンズ形状を加工する、ことを特徴とするレンズアレイ金型の加工装置。 - 請求項2に記載のレンズアレイ金型の加工装置において、
前記加工機の全体を覆うとともに内部が温度制御可能な筐体を備えている、ことを特徴とするレンズアレイ金型の加工装置。 - 請求項2または請求項3に記載のレンズアレイ金型の加工装置において、
前記工具スピンドルには、温度制御が可能な温度制御機構を設けられている、ことを特徴とするレンズアレイ金型の加工装置。
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JP2010249465A JP5702577B2 (ja) | 2010-11-08 | 2010-11-08 | レンズアレイ金型の加工方法および加工装置 |
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