KR20100119494A - 가공 장치 및 가공 방법 - Google Patents

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KR20100119494A
KR20100119494A KR1020100031750A KR20100031750A KR20100119494A KR 20100119494 A KR20100119494 A KR 20100119494A KR 1020100031750 A KR1020100031750 A KR 1020100031750A KR 20100031750 A KR20100031750 A KR 20100031750A KR 20100119494 A KR20100119494 A KR 20100119494A
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KR1020100031750A
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후미노리 타카미
마사히로 쿠보
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파나소닉 주식회사
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    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B24B13/06—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor grinding of lenses, the tool or work being controlled by information-carrying means, e.g. patterns, punched tapes, magnetic tapes

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Abstract

가공 형상의 배치 제한을 완화시킬 수 있고, 또한 가공 형상의 형상 정밀도 및 위치 정밀도를 향상시킬 수 있는 가공 장치를 제공한다. 회전축이 가공 공구를 회전시켜 3축의 직진축이 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시킴으로써 상기 가공 공구가 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 상기 가공 형상을 형성한다.

Description

가공 장치 및 가공 방법{MACHINING APPARATUS AND MACHINING METHOD}
본 발명은 축대칭 형상이나 비축대칭 형상, 자유 곡면 형상 등의 가공 형상을 피가공물 상에 형성하기 위한 가공 장치 및 가공 방법에 관한 것이다.
최근, 광학 기기의 소형화나 고성능화, 대용량화의 흐름에 따라 광학 기기에 사용되는 광학 소자의 소곡률화나 소직경화, 고정밀도화, 복잡 형상화가 진행되고 있다. 그 흐름 중에 구면 형상 또는 비구면 형상의 오목면 또는 볼록면이 어레이 형상으로 배치된 광학 소자가 존재한다. 이와 같이 오목면 등의 가공 형상이 어레이 형상으로 배치된 광학 소자에서는 각 가공 형상의 형상 정밀도는 물론 그들의 위치 정밀도도 광학 소자의 성능에 크게 영향을 준다.
가공 형상이 어레이 형상으로 배치된 광학 소자, 또는 그 광학 소자를 성형하기 위한 금형, 또는 그 금형을 성형하기 위한 마스터 금형을 작성하기 위한 종래의 가공 장치가 예를 들면 일본 특허 공개 2000-246614호 공보에 개시되어 있다. 도 5는 일본 특허 공개 2000-246614호 공보에 개시된 종래의 가공 장치를 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 종래의 가공 장치는 피가공물(1)의 중심(O)으로부터 오프셋된 위치(O')를 회전 중심으로 하는 회전 곡면을 형성하는 것이다. 이 가공 장치는 피가공물(1)을 중심(O)을 중심으로 회전시키는 회전 구동축(C축)(2), 가공 공구(3)의 선단부(3a)를 피가공물(1)에 대하여 서로 직교하는 3축 방향으로 직진시키는 3축의 직진 구동축(X축, Y축, Z축), 및 3축의 직진 구동축 및 1축의 회전 구동축(2)을 수치 제어하는 NC 제어 장치(4)를 구비한다. 그리고, 이 가공 장치는 회전 구동축(2)의 회전 중심[피가공물(1)의 회전 중심](O)을 중심으로 회전하는 오프셋 위치(O')를 추종하도록 가공 공구(3)의 선단부(3a)를 선회시키면서 오프셋 위치(O')와 가공 공구(3)의 선단부(3a)의 상대 위치를 NC 제어 장치(4)에 의해 수치 제어한다. 이 조작에 의해 오프셋 위치(O')를 회전 중심으로 하는 회전 곡면이 형성된다.
그러나, 상술된 종래의 가공 장치에는 (1) 회전 곡면의 배치가 제한되고, (2) 회전 곡면의 형상 정밀도에 불균일이 발생하며, 또한 (3) 회전 곡면의 위치 정밀도에도 불균일이 발생한다는 문제가 있다. 이하, 이들 문제에 관하여 설명한다.
(1) 회전 곡면의 배치는 가공기적인 제약 및 정밀도적인 제약에 의해 제한된다. 우선, 가공기적인 제약에 의한 회전 곡면의 배치의 제한에 관하여 설명한다. 상술한 종래의 가공 장치는 회전 중심(O)으로부터 이격된 오프셋 위치(O')에 회전 곡면을 형성할 때에 회전 중심(O)을 중심으로 회전하는 오프셋 위치(O')를 추종하도록 가공 공구(3)의 선단부(3a)를 선회시킨다. 따라서, 직선 구동축에 오프셋 위치(O')의 선회 궤적의 직경분 이상의 가동 범위, 즉 회전 중심(O)으로부터 오프셋 위치(O')까지의 거리의 2배 이상의 가동 범위가 필요하다. 그 때문에, 종래의 가공 장치는 회전 중심(O)으로부터 직선 구동축의 가동 범위의 절반 이하까지의 범위밖에 회전 곡면을 배치할 수 없었다.
이어서, 정밀도적인 제약에 의한 회전 곡면의 배치의 제한에 관하여 설명한다. 상술한 종래의 가공 장치는 회전 중심(O)으로부터 이격된 오프셋 위치(O')에 회전 곡면을 형성할 때에 회전 중심(O)을 중심으로 회전하는 오프셋 위치(O')를 추종하도록 가공 공구(3)의 선단부(3a)를 선회시킨다. 그 때문에, 오프셋 위치(O')가 회전 중심(O)으로부터 이격되는 것에 비례하여 직진 구동축의 이동 거리가 증대되고, 그것에 따라 직진 구동축의 반송 속도도 증가된다.
예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 회전 구동축(2)을 회전수 50[min-1]으로 회전시켜 회전 중심(O)으로부터 각각 1㎜, 5㎜, 20㎜ 이격된 오프셋 위치(O')를 중심으로 하는 회전 곡면을 형성했을 경우, 가공 공구의 이동 속도(직진 구동축의 반송 속도)는 각각 약 314[㎜/min], 약 1570[㎜/min], 약 6280[㎜/min]이 되었다. 이와 같이, 오프셋 위치(O')가 회전 중심(O)으로부터 이격됨에 따라 직진 구동축의 반송 속도가 증가된다. 그러나, 현재의 초정밀 가공기에 있어서는 고정밀도화의 관점에서 1000[㎜/min]를 초과하는 반송 속도는 현실적이지 않다. 따라서, 종래의 가공 장치에서는 직진 구동축의 반송 속도의 한계에 의해 회전 곡면의 배치가 제한된다.
이것의 대책으로서 회전 구동축의 회전수를 감소시켜 직진 구동축의 반송 속도의 한계 내에서 직진 구동축을 조작하는 것도 고려되지만, 이러한 방법에서는 가공 시간이 방대해진다. 가공 시간이 방대해지면 기온이나 습도 등의 변화나 가공 장치가 설치된 실내로의 인원의 출입에 따른 진동이 영향을 주어 가공 형상의 고정밀도화가 곤란하게 된다. 또한 절삭 공구를 사용한 절삭 가공의 경우, 회전수가 너무 늦으면 공구 마모나 그것에 따른 피가공물의 표면 성상(표면의 성질이나 상태)의 악화의 우려가 있다.
(2) 상술한 종래의 가공 장치는 회전 중심(O)으로부터 이격된 오프셋 위치(O')에 회전 곡면을 형성할 때에 회전 중심(O)을 중심으로 회전하는 오프셋 위치(O')를 추종하도록 가공 공구(3)의 선단부(3a)를 선회시킨다. 그 때문에, 회전 곡면마다 가공 데이터와 직진 구동축의 반송 속도가 다르다. 또한, 회전 중심(O)으로부터 오프셋 위치(O')까지의 거리가 증가됨에 따라 회전 구동축(2)의 분해 피치의 오차도 증가된다. 이러한 것으로부터 회전 곡면의 형상 정밀도에 불균일이 발생한다.
(3) 상술한 바와 같이, 오프셋 위치(O')가 회전 중심(O)으로부터 이격되는 것에 비례하여 직진 구동축의 이동 거리가 증대되고, 그것에 따라 직진 구동축의 반송 속도도 증가된다. 그 때문에, 오프셋 위치(O')가 회전 중심(O)으로부터 이격될수록 직진 구동축에 의한 추종이 지연되어 회전 곡면의 위치 정밀도가 악화된다. 또한, 그 추종 지연에 의한 위치의 오차는 오프셋 위치(O')에 따라 다르다. 그 때문에, 회전 곡면의 위치 정밀도에 불균일이 발생한다. 또한, 상술한 바와 같이, 오프셋 위치(O')가 회전 중심(O)으로부터 이격될수록 회전 구동축(2)의 분해 피치의 오차가 증가된다. 따라서, 이 분해 피치의 오차도 회전 곡면의 위치 정밀도의 불균일의 원인이 된다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 가공 형상의 배치 제한을 완화시킬 수 있고, 또한 가공 형상의 형상 정밀도 및 위치 정밀도를 향상시킬 수 있는 가공 장치 및 가공 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 가공 장치는 회전축, 상기 회전축 상의 공구 장착면, 상기 공구 장착면 상에 장착된 가공 공구, 상기 공구 장착면에 대향하는 피가공물 장착면, 및 상기 공구 장착면과 상기 피가공물 장착면을 서로 직교하는 3축 방향으로 상대적으로 이동시키는 3축의 직진축을 구비하고, 상기 회전축이 상기 가공 공구를 회전시켜 상기 3축의 직진축이 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시킴으로써 상기 가공 공구가 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 상기 가공 형상을 형성한다.
상술한 본 발명의 가공 장치에 있어서 상기 회전축과 상기 3축의 직진축은 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 복수개의 가공 형상이 형성되도록 동작하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 장치는 상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블을 더 구비하여도 좋다. 이 2축의 테이블이 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 상에 위치 결정하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 장치에 있어서 상기 3축의 직진축은 가공 형상의 형성중에 상기 가공 공구의 선단과 상기 회전축의 축선의 위치 어긋남을 보정하여도 좋다. 이 경우, 상술한 2축의 테이블이 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 근방에 위치 결정하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 장치에 있어서 상기 가공 공구는 절삭 가공용 공구 또는 연삭 가공용 공구여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 장치에 있어서 상기 가공 공구가 절삭 가공용 공구인 경우 상기 회전축과 상기 3축의 직진축은 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 일정하게 하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 장치에 있어서 상기 가공 공구가 절삭 가공용 공구인 경우 상기 회전축과 상기 3축의 직진축은 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 변화시켜 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물에 접촉되는 상기 가공 공구의 부분을 변화시켜도 좋다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 가공 방법은 가공 공구가 장착된 공구 장착면을 회전시키는 회전축의 동작, 및 상기 공구 장착면과 상기 공구 장착면에 대향하는 피가공물 장착면을 서로 직교하는 3축 방향으로 상대적으로 이동시키는 3축의 직진축의 동작을 제어하여 상기 피가공물 장착면 상에 장착된 피가공물 상에 가공 형상을 형성하는 가공 방법에 있어서, 상기 가공 공구를 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역 상의 가공 시작 위치에 위치 맞춤한 후에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시킨다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 가공 공구를 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역 상의 가공 시작 위치에 위치 맞춤한 후에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시키는 공정을 반복하여 상기 피가공물 장착면 상에 장착된 피가공물 상에 복수개의 가공 형상을 형성하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 가공 형상을 형성하기 전에 상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블의 동작을 제어하여 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 상에 위치 결정하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 상기 가공 공구의 선단과 상기 회전축의 축선의 위치 어긋남을 보정하면서 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 가공 형상을 형성하여도 좋다. 이 경우, 가공 형상을 형성하기 전에 상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블의 동작을 제어하여 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 근방에 위치 결정하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구 또는 연삭 가공용 공구를 사용하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구를 사용하고, 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 일정하게 하여도 좋다.
상술한 본 발명의 가공 방법에 있어서 상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구를 사용하고, 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 변화시켜 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물에 접촉되는 상기 가공 공구의 부분을 변화시켜도 좋다.
본 발명의 바람직한 형태에 의하면 가공 형상의 배치 제한이 완화되고 또한 가공 형상의 형상 정밀도 및 위치 정밀도가 향상된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 오목면 또는 볼록면이 어레이 형상으로 배치된 광학 소자, 또는 그 광학 소자를 성형하기 위한 금형 또는 마스터 금형 등의 고정밀도화를 도모할 수 있다.
도 1A는 본 발명의 실시형태에 있어서의 가공 장치의 구성을 측면으로부터 나타내는 모식도이고, 도 1B는 본 발명의 실시형태에 있어서의 가공 장치의 구성을 상면으로부터 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의 피가공물의 가공후의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 있어서의 가공 장치의 가공시의 피가공물과 바이트의 레이크면의 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예형태 있어서의 가공 장치의 가공시의 피가공물과 바이트의 레이크면의 관계를 나타내는 확대도이다.
도 5는 종래의 가공 장치의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명과의 비교를 위해서 종래의 가공 장치에 있어서의 회전 곡면의 중심 위치와 가공 공구의 이동 속도의 관계를 나타내는 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 각 도면에 있어서 동일한 구성 요소에 관해서는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명을 생략한다.
도 1A 및 도 1B에 나타낸 바와 같이, 이 가공 장치는 회전 구동축(11), X축 테이블(12), Y축 테이블(13), 및 Z축 테이블(14)을 구비한다. X축 테이블(12), Y축 테이블(13), 및 Z축 테이블(14)은 서로 직교하는 3축 방향으로 직진하는 3축의 직진 구동축을 구성하고 있다.
회전 구동축(11)에는 그 회전축(C축)에 직교하도록 공구 장착면(15)이 형성되어 있다. 공구 장착면(15)에는 가공 공구가 장착된다. 한편, Y축 테이블(13)에는 피가공물 장착면(17)이 형성되어 있다. 피가공물 장착면(17)에는 피가공물(16)이 장착된다.
회전 구동축(11)은 Z축 방향으로 직진하는 직진 구동축인 Z축 테이블(14) 상에 설치되어 있다. 이 회전 구동축(11)은 C축의 축선이 Z축의 축선과 평행하도록 배치되어 있다. 한편, Z축 방향과 직교하는 X축 방향으로 직진하는 직진 구동축인 X축 테이블(12) 상에는 Y축 테이블(13)이 설치되어 있다. Y축 테이블(13)은 Z축 방향과 X축 방향으로 직행하는 Y축 방향으로 직진하는 직진 구동축이다. 이 Y축 테이블(13)은 피가공물 장착면(17)이 공구 장착면(15)에 대향하고 또한 C축의 축선에 직교하도록 배치되어 있다.
이와 같이, 이 가공 장치는 3축의 직진 구동축인 X축 테이블(12), Y축 테이블(13) 및 Z축 테이블(14)에 의해 공구 장착면(15)과 피가공물 장착면(17)을 서로 직교하는 3축 방향(X축 방향, Y축 방향, Z축 방향)으로 상대적으로 이동시키는 구성으로 되어 있다.
또한, 이 가공 장치에는 공구 장착면(15)에 서로 직교하는 2축 방향으로 직진하는 2축의 이동 테이블(18)이 장비되어 있다. 그리고, 그 2축의 이동 테이블(18)에 가공 공구를 지지하는 공구 홀더(19)가 장착되어 있다. 이와 같이, 이 가공 장치는 C축 상의 공구 장착면(15)에 가공 공구를 장착하는 구성으로서 공구 장착면(15)에 장비된 2축의 이동 테이블(18)이 가공 공구를 유지하는 구성을 채용하고 있다.
또한, 이 가공 장치는 제어 장치(24)를 구비한다. 제어 장치(24)는 피가공물 장착면(17)에 장착된 피가공물(16)에 소망의 가공 형상이 형성되도록 상술한 4축(X축, Y축, Z축, C축)의 동작을 제어한다. 제어 장치(24)에는 예를 들면 상술한 4축을 수치 제어하는 NC 제어 장치를 사용할 수 있다. 여기에서는, 제어 장치(24)는 또한 2축의 이동 테이블(18)의 동작을 제어하는 기능도 갖는다.
본 실시형태에서는 가공 공구로서 절삭 가공용 공구인 바이트(20)를 이용하여 절삭 가공을 행하는 경우에 관하여 설명한다. 바이트(20)는 그 선단(21)이 C축의 축선 상에 위치하도록 배치된다. 여기에서는, 2축의 이동 테이블(18)에 의해 바이트(20)의 선단(21)이 C축의 축선 상에 위치 결정된다. 또한 여기에서는, 초기 상태로서 레이크면(22)이 Y축 방향에 직교하고 또한 Z축 스테이지(14)와는 반대측을 향하도록 바이트(20)가 배치된다. 이 초기 상태일 때의 C축의 각도를 0도로 하여 상술한 4축의 동작이 제어된다.
도 2는 본 실시형태에 있어서의 피가공물(16)의 가공후의 사시도이다. 여기에서는, 피가공물(16)을 가공하여 축대칭 오목면 회절 형상이 어레이 형상으로 배치된 광학 소자인 렌즈 어레이를 성형하기 위한 마스터 금형을 작성하는 경우에 관하여 설명한다. 즉, 피가공물(16)에 복수개의 축대칭 오목면 회절 형상(23)을 어레이 형상으로 형성하는 경우에 관하여 설명한다. 이 마스터 금형에 있어서는 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 형상 정밀도로 수십㎚ 이하의 정밀도가 필요하게 되어 있다. 또한, 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 위치의 정밀도로는 서브 마이크론의 정밀도가 필요하게 되어 있다.
이어서, 축대칭 오목면 회절 형상(23)을 형성할 때의 상술한 4축의 동작에 관하여 설명한다. 본 실시형태에서 가공 장치는 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 형성 예정 영역의 중심을 회전 구동축(11)에 의한 바이트(20)의 회전에 맞추어 X축 스테이지(12) 및 Y축 스테이지(13)에 의해 원호 형상으로 이동시키면서 Z축 스테이지(14)에 의해 바이트(20)를 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상(23)을 따르도록 이동시킨다. 그때, 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대하여 바이트(20)의 레이크면(22)이 일정한 각도가 되도록 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 형성 예정 영역의 중심이 바이트(20)의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동된다. 이 4축의 동작에 의해 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상(23)이 형성된다.
도 3은 본 실시형태에 있어서 가공 장치 가공시의 피가공물(16)과 바이트의 레이크면(22)의 상태를 나타내는 도면이다. 상세하게는, 도 3은 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)을 외측으로부터 가공할 때의 가공 시작으로부터 C축이 1회전할 때까지의 피가공물(16) 및 바이트의 레이크면(22)의 상태를 각각 90도마다 분할하여 나타내고 있다. 도 3에 있어서 2점 쇄선은 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 중심의 궤적을 나타내고 있다. 또한, 파선은 피가공물(16) 및 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 가공 시작시의 위치를 나타내고 있다.
우선, 가공 시작전에 가공 장치는 2축의 이동 테이블(18)의 동작을 제어함으로써 바이트(20)의 선단을 C축의 축선 상에 위치 결정한다. 그리고, 가공 장치는 바이트(20)의 선단을 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a) 상의 가공 시작 위치에 위치 맞춤한다. 그 후에 가공 장치는 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 중심을, 2점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 원호 형상의 궤적으로 이동시킨다. 그때, 가공 장치는 바이트의 레이크면(22)의 방향이 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 진행 방향에 대하여 항상 일정한 각도를 유지하도록 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 중심을 바이트(20)의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시킨다. 이 조작에 의해 절삭 가공이 진행된다. 도 3에는 바이트의 레이크면(22)의 방향이 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 진행 방향에 대하여 항상 180도의 각도가 되는 경우를 나타내고 있다.
도 4는 본 실시형태에 있어서의 가공 장치의 가공시의 피가공물(16)과 바이트의 레이크면(22)의 관계를 나타내는 확대도이다. 도 4는, 상세하게는 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역을 외측으로부터 가공할 때의 가공 시작으로부터 C축이 1회전할 때까지의 피가공물(16) 및 바이트의 레이크면(22)의 관계를 90도마다 분할하여 나타내고 있다. 도 4에 있어서 부호 23b는 가공 시작 위치이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, C축이 1회전하는 동안에 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)도 1회전하고 있다.
이상 설명한 1회전분의 동작에 의해 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상(23)의 최외주 부분이 형성된다. 그리고, 가공 장치는 상술한 1회전분의 동작과 동일한 동작을 예를 들면 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역(23a)의 중심이 외측으로부터 내측으로 향하는 소용돌이 형상의 궤적을 형성하도록 연속해서 행한다. 또한 그때, 가공 장치는 바이트(20)의 선단을 축대칭 오목면 회절 형상(23)을 따르도록 Z축 방향으로 깊게 베도록 한다. 이와 같이 하여 축대칭 오목면 회절 형상(23)이 형성된다.
가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성후에 가공 장치는 인접하는 다음의 가공 대상의 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 예정 영역 상의 가공 시작 위치에 바이트의 선단을 위치 맞춤한다. 그리고, 가공 장치는 상술한 축대칭 오목면 회절 형상의 형성 공정을 재차 행한다.
이상 설명한 공정이 반복됨으로써 피가공물에 복수개의 축대칭 오목면 회절 형상이 어레이 형상으로 형성된다. 이와 같이 하여 축대칭 오목면 회절 형상이 어레이 형상으로 배치된 렌즈 어레이를 성형하기 위한 마스터 금형이 작성된다.
본 실시형태에 의하면, (1) 가공 형상의 배치가 제한되고, (2) 가공 형상의 형상 정밀도에 불균일이 발생하며, 또한 (3) 가공 형상의 위치 정밀도에도 불균일이 발생한다는 종래의 문제가 해소된다.
즉, (1) 종래의 가공 장치는 회전 구동축(회전 중심)으로부터 이격된 오프셋 위치를 중심으로 하는 가공 형상을 형성할 때에 회전 중심을 중심으로 회전하는 오프셋 위치를 추종하도록 가공 공구를 선회시키고 있다. 그 때문에, 직선 구동축에 회전 중심으로부터 오프셋 위치까지의 거리의 2배 이상의 가동 범위가 필요하다. 따라서, 회전 중심으로부터 직선 구동축의 가동 범위의 절반 이하까지의 범위밖에 회전 곡면이 배치되지 않는다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는 1개의 가공 형상의 형성시에 있어서의 직진 구동축의 가동 범위는 가공 형상의 직경에 의존하고 피가공물 상의 위치에는 의존하지 않는다. 따라서, 회전 곡면의 배치는 종래의 약 2배의 자유도를 얻을 수 있다.
또한, 종래의 가공 장치는 회전 구동축(회전 중심)으로부터 이격된 오프셋 위치를 중심으로 하는 가공 형상을 형성할 때에 회전 중심을 중심으로 회전하는 오프셋 위치를 추종하도록 가공 공구를 선회시키면서 오프셋 위치와 가공 공구를 상대적으로 이동시키고 있다. 그 때문에, 오프셋 위치가 회전 중심으로부터 이격되는 것에 비례하여 직진 구동축의 이동 거리가 증대되고, 그것에 따라 직진 구동축의 반송 속도도 증가된다. 따라서, 직진 구동축의 반송 속도의 한계에 의해 가공 형상의 배치가 제한된다. 또한, 이 제한을 회피하기 위해서 회전 구동축의 회전수를 감소시켜 직진 구동축의 반송 속도의 한계 내에서 직진 구동축을 조작했을 경우 가공 시간이 증가된다. 가공 시간이 방대해지면 외적 요인에 의한 정밀도 불량이나 공구 마모에 의한 피가공물의 표면 성상(표면의 성질이나 상태)의 악화가 발생할 우려가 있다. 이러한 것으로부터, 종래의 가공 장치는 회전 구동축으로부터 실질 수㎜의 범위까지밖에 가공 형상을 배치할 수 없었다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는 가공 형상의 형성시에 있어서의 직진 구동축의 가동 범위는 가공 형상의 직경에 의존하고 피가공물 상의 위치에는 의존하지 않는다. 따라서, 직진 구동축의 반송 속도의 한계에 의한 가공 형상의 배치 제한을 회피할 수 있다.
(2) 또한 종래의 가공 장치는 가공 형상을 형성할 때에 회전 중심을 중심으로 회전하는 오프셋 위치를 추종하도록 가공 공구를 선회시킨다. 그 때문에, 가공 형상마다 가공 데이터와 직진 구동축의 반송 속도가 다르다. 또한, 회전 중심으로부터 오프셋 위치까지의 거리가 증가됨에 따라 회전 구동축의 분해 피치의 오차도 증가된다. 이러한 것으로부터, 종래의 가공 장치에서는 가공 형상의 형상 정밀도에 불균일이 발생하고 있었다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는 가공 형상의 형성시에 있어서의 직진 구동축의 가동 범위는 가공 형상의 직경에 의존하고 피가공물 상의 위치에는 의존하지 않으므로 어느 가공 형상도 동일한 가공 데이터를 이용하여 동일한 반송 속도에서 형성될 수 있다. 따라서, 가공 형상의 형상 정밀도의 불균일이 억제된다.
(3) 또한 종래의 가공 장치에서는, 상술한 바와 같이, 오프셋 위치가 회전 중심으로부터 이격되는 것에 비례하여 직진 구동축의 이동 거리가 증대되고, 그것에 따라 직진 구동축의 반송 속도도 증가된다. 따라서, 오프셋 위치가 회전 중심으로부터 이격될수록 직진 구동축에 의한 추종이 지연된다. 그 때문에, 가공 형상의 위치 정밀도가 악화된다. 또한, 그 추종 지연에 의한 위치의 오차는 오프셋 위치에 따라 다르다. 그 때문에, 종래의 가공 장치에서는 가공 형상의 위치 정밀도에 불균일이 발생하고 있었다. 또한, 상술한 바와 같이, 오프셋 위치가 회전 중심으로부터 이격될수록 회전 구동축의 분해 피치의 오차가 증가된다. 따라서, 이 분해 피치의 오차도 가공 형상의 위치 정밀도의 불균일의 원인이 되고 있었다.
이것에 대하여, 본 실시형태에서는 가공 형상의 형성시에 있어서의 직진 구동축의 가동 범위는 가공 형상의 직경에 의존하고 피가공물 상의 위치에는 의존하지 않으므로 가공 형상의 위치 정밀도는 가공 공구의 초기 위치의 정밀도로 결정된다. 즉, 가공 형상의 위치 정밀도는 직진 구동축의 정적인 위치 결정 정밀도로 결정된다. 따라서, 가공 형상의 위치 정밀도를 서브 마이크론의 정밀도로 얻을 수 있다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면, 가공 형상의 배치 제한이 완화되고 또한 피가공물의 중심으로부터의 거리에 관계없이 형상 정밀도 및 위치 정밀도가 고정밀도인 가공을 실현할 수 있다.
또한, 본 실시형태와 같이 2축의 이동 테이블을 이용하여 가공 공구의 선단을 C축의 축선 상에 위치 결정함으로써 가공 공구의 선단을 C축의 축선 상에 정확하게 위치 맞춤할 수 있다. 따라서, 보다 고정밀도의 가공이 실현될 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 2축의 이동 테이블(18)을 이용하여 바이트(20)의 선단을 C축의 축선 상에 위치 결정하는 경우에 관하여 설명하였지만, 이하와 같이 하여도 좋다.
즉, 바이트(20)의 선단과 C축의 축선의 위치 어긋남의 양을 미리 측정해 두고, 그 위치 어긋남을 X축 테이블(12)과 Y축 테이블(13)에 의해 보정하면서 가공 형상을 형성하도록 하여도 좋다. X 축 테이블(12)과 Y축 테이블(13)의 동작은 미리 측정된 위치 어긋남의 양에 의거하여 제어된다. 이와 같이 하면, X축 테이블(12)과 Y축 테이블(13)에 의해 위치 어긋남이 보정되므로 회전 구동축측에 무거운 테이블을 장착할 필요가 없어진다. 따라서, 회전 구동축의 안정된 고속 회전이 가능해진다. 이것에 의해, 가공 시간의 단축화를 도모할 수 있고 가공 시간에 기인하는 형상 정밀도의 악화 요인을 배제할 수 있다. 따라서, 보다 고정밀도의 형상 정밀도 및 위치 정밀도를 실현할 수 있다.
또한, 예를 들면 2축의 이동 테이블(18)을 이용하여 바이트(20)의 선단과 C축의 축선의 대략의 위치 맞춤을 행한 후에 바이트(20)의 선단과 C축의 축선의 위치 어긋남의 양을 측정하여도 좋다. 이와 같이 하면, 미소한 위치 어긋남을 X축 테이블(12)과 Y축 테이블(13)에 의해 보정하면서 가공 형상을 형성할 수 있으므로 가공 공구의 세팅의 작업성과 고정밀도화 양쪽을 만족시키는 것이 가능해진다.
또한, 바이트(20)의 선단과 C축의 축선의 위치 어긋남량의 측정 방법으로서는 예를 들면 공구를 180도 회전시켜서 공구의 측면 및 상면의 회전 전후의 윤곽의 어긋남을 고배율의 현미경으로 관찰하는 방법이나 피가공물을 회전시키지 않고 공구를 직선 운동시켜서 절삭하는 셰이퍼 가공을 세로 방향 및 가로 방향으로 각각 더미(dummy)에 대하여 공구를 180도 회전시켜서 2회 행하여 절삭된 형상간의 어긋남을 측정하는 방법 등을 채용하여도 좋다. 또한, 실제로 가공 형상을 형성해봐서 이상적인 가공 형상과 실제의 가공 형상의 어긋남으로부터 바이트의 선단과 C축의 축선의 위치 어긋남량을 측정하여도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 바이트의 레이크면(22)의 방향을 가공 형상의 진행 방향에 대하여 항상 180도로 유지하는 경우에 관하여 설명하였지만, 피가공물과 가공 공구의 관계에 따라서는 바이트의 레이크면(22)의 방향을 마이너스 방향 또는 플러스 방향으로 기울여도 좋다. 예를 들면, 가공 공구의 진행 방향으로의 바이팅(biting)을 좋게 하기 위해서 바이트의 레이크면(22)의 방향을 가공 형상의 진행 방향에 대하여 마이너스 방향으로 소정의 각도 기울인 상태에서 가공하여도 좋다. 또한, 예를 들면 절삭 부스러기의 배출을 좋게 하거나 배니시(vanish) 효과에 의한 표면 거칠기의 개선 효과를 얻기 위해서 바이트의 레이크면(22)의 방향을 가공 형상의 진행 방향에 대하여 플러스 방향으로 소정의 각도 기울인 상태에서 가공하여도 좋다. 바이트의 레이크면(22)의 방향을 플러스 방향으로 기울인 상태에서 가공하면 양호한 피가공물의 표면 성상을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는 축대칭 오목면 회절 형상을 형성하는 경우에 관하여 설명하였지만, 이러한 회절 격자나 톱날 형상 등의 미세 형상을 가공할 때에는 공구 마모의 억제 및 가공 시간의 단축에 유리한 칼날끝(R)이 큰 가공 공구를 사용하고, 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 가공 형상의 진행 방향에 대하여 바이트의 레이크면의 방향을 변화시켜서 가공 공구의 피가공물에 접촉되는 부분을 변화시켜도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는 가공 공구로서 절삭 가공용 바이트를 사용하였지만 연삭 가공용 숫돌을 사용하여도 좋다. 연삭 가공용 숫돌을 사용하는 경우 공구 장착면에 숫돌 스핀들을 장착한다. 이 경우에 있어서도 피가공물 상에 가공 형상이 어레이 형상으로 위치 정밀도 및 형상 정밀도 모두 불균일없이 고정밀도로 형성된다.
또한, 본 실시형태에서는 축대칭 오목면 회절 형상이 어레이 형상으로 배치된 렌즈 어레이를 성형하기 위한 마스터 금형을 작성하는 경우에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 축대칭 형상이나 비축대칭 형상, 자유 곡면 형상 등의 가공 형상 내지는 회절 격자나 톱날 형상 등의 미세 형상을 갖는 가공 형상이 단일 또는 어레이 형상으로 배치된 광학 소자, 또는 그 광학 소자를 성형하기 위한 금형 또는 마스터 금형의 작성에도 적용될 수 있다.
이상, 본 발명에 의한 실시형태가 상세하게 기술되었지만, 이 기술에 정통한 사람이면 본 발명이 새롭게 교시하는 것, 및 본 발명의 효과로부터 실질적으로 일탈하지 않는 범위에서 상기의 모범이 되는 실시형태에 있어서 여러가지 변경이 가능하다는 것이 용이하게 인식될 것이다. 따라서, 그러한 여러가지 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이 의도되어 있다.

Claims (16)

  1. 회전축;
    상기 회전축 상의 공구 장착면;
    상기 공구 장착면 상에 장착된 가공 공구;
    상기 공구 장착면에 대향하는 피가공물 장착면; 및
    상기 공구 장착면과 상기 피가공물 장착면을 서로 직교하는 3축 방향으로 상대적으로 이동시키는 3축의 직진축을 구비하고:
    상기 회전축이 상기 가공 공구를 회전시켜 상기 3축의 직진축이 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시킴으로써 상기 가공 공구가 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 상기 가공 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 복수개의 가공 형상이 형성되도록 상기 회전축과 상기 3축의 직진축이 동작하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블을 더 구비하고, 상기 2축의 테이블이 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 상에 위치 결정하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    가공 형상의 형성중에 상기 3축의 직진축이 상기 가공 공구의 선단과 상기 회전축의 축선의 위치 어긋남을 보정하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블을 더 구비하고, 상기 2축의 테이블이 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 근방에 위치 결정하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 공구는 절삭 가공용 공구 또는 연삭 가공용 공구인 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 공구는 절삭 가공용 공구이며, 상기 회전축과 상기 3축의 직진축이 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 가공 공구는 절삭 가공용 공구이며, 상기 회전축과 상기 3축의 직진축이 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 변화시켜 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물에 접촉되는 상기 가공 공구의 부분을 변화시키는 것을 특징으로 하는 가공 장치.
  9. 가공 공구가 장착된 공구 장착면을 회전시키는 회전축의 동작, 및 상기 공구 장착면과 상기 공구 장착면에 대향하는 피가공물 장착면을 서로 직교하는 3축 방향으로 상대적으로 이동시키는 3축의 직진축의 동작을 제어하여 상기 피가공물 장착면 상에 장착된 피가공물 상에 가공 형상을 형성하는 가공 방법으로서:
    상기 가공 공구를 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역 상의 가공 시작 위치에 위치 맞춤한 후에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시키는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    가공 공구를 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역 상의 가공 시작 위치에 위치 맞춤한 후에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 중심을 상기 가공 공구의 회전에 맞추어 원호 형상으로 이동시키면서 상기 가공 공구를 상기 가공 대상의 가공 형상을 따라 이동시키는 공정을 반복하여 상기 피가공물 장착면 상에 장착된 피가공물 상에 복수개의 가공 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    가공 형상을 형성하기 전에 상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블의 동작을 제어하여 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 상에 위치 결정하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 가공 공구의 선단과 상기 회전축의 축선의 위치 어긋남을 보정하면서 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물 상에 가공 형상을 형성하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    가공 형상을 형성하기 전에 상기 공구 장착면에 장비되어서 상기 가공 공구를 유지하는 2축의 테이블의 동작을 제어하여 상기 가공 공구의 선단을 상기 회전축의 축선 근방에 위치 결정하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구 또는 연삭 가공용 공구를 사용하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구를 사용하고, 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 일정하게 하는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 가공 공구로서 절삭 가공용 공구를 사용하고, 가공 대상의 가공 형상의 형성중에 상기 가공 대상의 가공 형상의 형성 예정 영역의 진행 방향에 대한 상기 가공 공구의 레이크면의 각도를 변화시켜 상기 피가공물 장착면에 장착된 피가공물에 접촉되는 상기 가공 공구의 부분을 변화시키는 것을 특징으로 하는 가공 방법.
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