JP5355206B2

JP5355206B2 - 加工装置および加工方法

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Publication number: JP5355206B2
Application number: JP2009110227A
Authority: JP
Inventors: 文宣高見; 雅裕久保
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: JP2010260110A; TW201038345A; KR20100119494A; US20100280650A1; CN101875180A

Description

本発明は、軸対称形状や非軸対称形状、自由曲面形状等の加工形状を被加工物上に形成する加工装置および加工方法に関する。

近年、光学機器の小型化や高性能化、大容量化の流れに伴って、光学機器に用いられる光学素子の小曲率化や小径化、高精度化、複雑形状化が進んでいる。その流れの中で、球面形状または非球面形状の凹面または凸面をアレイ状に配置した光学素子が存在する。このように凹面等の加工形状がアレイ状に配置された光学素子では、各加工形状の形状精度はもとより、それらの位置精度も大きく性能に影響する。

加工形状がアレイ状に配置された光学素子、またはその光学素子を成形するための金型、またはその金型を成形するためのマスター金型を作成するための従来の加工装置が、例えば特許文献１に開示されている。図５は、特許文献１に開示された従来の加工装置を示している。

図５に示す従来の加工装置は、被加工物１の中心Ｏからオフセットした位置Ｏ’に、オフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を形成するものであり、被加工物１を中心Ｏを中心に回転させる回転駆動軸（Ｃ軸）２と、加工工具３の先端部３ａを被加工物１に対して互いに直交する３軸方向に直進させる３軸の直進駆動軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）と、３軸の直進駆動軸および１軸の回転駆動軸２を数値制御するＮＣ制御装置４とを備え、回転駆動軸２の回転中心（被加工物１の回転中心）Ｏを中心に回転するオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具３の先端部３ａを旋回させつつ、オフセット位置Ｏ’と加工工具３の先端部３ａとの相対位置をＮＣ制御装置４により数値制御することにより、オフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を形成する。

しかしながら、上記した従来の加工装置は、（１）回転曲面の配置が制限され、（２）回転曲面の形状精度にバラツキが発生し、さらに（３）回転曲面の位置精度にもバラツキが発生するという問題がある。以下、これらの問題について説明する。

（１）回転曲面の配置は、加工機的な制約および精度的な制約によって制限される。まず、加工機的な制約による回転曲面の配置の制限について説明する。上記した従来の加工装置は、回転中心から離れたオフセット位置Ｏ’に回転曲面を形成する際に、回転中心Ｏを中心に回転するオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具３の先端部３ａを旋回させるため、直線駆動軸に、オフセット位置Ｏ’の旋回軌跡の直径分以上の稼動範囲、つまり回転中心Ｏからオフセット位置Ｏ’までの距離の２倍以上の稼動範囲が必要となり、回転中心Ｏから直線駆動軸の稼動範囲の半分以下の範囲までしか回転曲面を配置できなかった。

続いて、精度的な制約による回転曲面の配置の制限について説明する。上記した従来の加工装置では、回転中心Ｏを中心に回転するオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具３の先端部３ａを旋回させながら、そのオフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を形成するので、オフセット位置Ｏ’が回転中心Ｏから離れるのに比例して、直進駆動軸の移動距離が増大し、それに伴って直進駆動軸の送り速度も増加する。

例えば図６に示すように、回転駆動軸２を回転数５０［ｍｉｎ^−１］で回転させて、回転中心Ｏからそれぞれ１ｍｍ、５ｍｍ、２０ｍｍのオフセット位置Ｏ’を中心とする回転曲面を形成した場合、加工工具の移動速度（直進駆動軸の送り速度）は、それぞれ約３１４［ｍｍ／ｍｉｎ］、約１５７０［ｍｍ／ｍｉｎ］、約６２８０［ｍｍ／ｍｉｎ］となり、回転中心Ｏから離れるに従って直進駆動軸を非常に速く操作しなければならない。現在の超精密加工機においては、高精度化の観点から１０００［ｍｍ／ｍｉｎ］を超えるような送り速度は現実的ではない。このように、直進駆動軸の送り速度の限界により回転曲面の配置が制限される。

この対策として、回転駆動軸の回転数を下げ、直進駆動軸の送り速度の限界内で操作することも考えられるが、このような方法では加工時間が膨大になる。加工時間が膨大になると、気温や湿度等の変化の影響や、加工装置が設置された室内への人員の出入りに伴う振動の影響などを受けるため高精度化が困難となる。また切削工具を用いた切削加工の場合、回転数が遅すぎると、工具磨耗やそれに伴う被加工物の表面性状（表面の性質や状態）の悪化のおそれがある。

（２）上記した従来の加工装置では、回転中心Ｏを中心に回転するオフセット位置Ｏ’に追従して加工工具３の先端部３ａを旋回させながら、オフセット位置Ｏ’を回転中心とする回転曲面を形成するので、回転曲面ごとに加工データと直進駆動軸の送り速度が異なる。また、回転中心Ｏからオフセット位置Ｏ’までの距離が増加するにつれて、回転駆動軸２の分解ピッチの誤差も増える。これらのことから、回転曲面の形状精度にバラツキが発生する。

（３）上記したように、オフセット位置Ｏ’が回転中心Ｏから離れるのに比例して、直進駆動軸の移動距離が増大し、それに伴って直進駆動軸の送り速度も増加する。よってオフセット位置Ｏ’が回転中心Ｏから離れるほど、直進駆動軸の追従遅れにより回転曲面の位置精度が悪化する。またその追従遅れによる位置の誤差は、オフセット位置Ｏ’によって異なるため、回転曲面の位置精度にバラツキが発生する。さらに上記したように、オフセット位置Ｏ’が回転中心Ｏから離れるほど、回転駆動軸２の分解ピッチの誤差が増加するため、この分解ピッチの誤差も回転曲面の位置精度のバラツキの原因となる。

特開２０００−２４６６１４号公報（図１）

本発明は、上記した従来の問題点に鑑み、加工形状の配置制限を緩和でき、かつ加工形状の形状精度および位置精度を向上させることができる加工装置および加工方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の加工装置は、回転軸と、前記回転軸上の工具取付面と、前記工具取付面に装備された２軸のテーブルと、前記２軸のテーブルに保持された加工工具と、前記工具取付面に対向する被加工物取付面と、前記工具取付面と前記被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸とを備え、前記２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を前記回転軸の軸線上に位置決めし、前記回転軸および前記３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工装置であって、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする。

また、本発明の第２の加工装置は、回転軸と、前記回転軸上の工具取付面と、前記工具取付面に装備された２軸のテーブルと、前記２軸のテーブルに保持された加工工具と、前記工具取付面に対向する被加工物取付面と、前記工具取付面と前記被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸とを備え、前記２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を前記回転軸の軸線近傍に位置決めし、前記回転軸および前記３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工装置であって、前記直進軸の動作制御を、前記回転軸の軸線近傍に位置する前記加工工具の先端と前記回転軸の軸線との位置ずれに基づいて行うことにより、前記位置ずれを補正しながら、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工装置は、前記被加工物を加工して複数の加工形状を形成するものであってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工装置は、前記加工工具が、切削加工用の工具または研削加工用の工具であってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工装置は、前記加工工具が切削加工用の工具であり、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面が一定の角度となるように、加工形状の形成予定領域の中心を前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させるものであってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工装置は、前記加工工具が切削加工用の工具であり、加工対象の加工形状の形成中に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面の角度を変化させて、前記加工工具の前記被加工物に接触させる部分を変化させるものであってもよい。

また、本発明の第１の加工方法は、加工工具を保持する２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を、前記２軸のテーブルが装備された工具取付面を回転させる回転軸の軸線上に位置決めした後に、前記回転軸の動作、および前記工具取付面と前記工具取付面に対向する被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工方法であって、前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする。

また、本発明の第２の加工方法は、加工工具を保持する２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を、前記２軸のテーブルが装備された工具取付面を回転させる回転軸の軸線近傍に位置決めした後に、前記回転軸の動作、および前記工具取付面と前記工具取付面に対向する被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工方法であって、前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、前記直進軸の動作制御を、前記回転軸の軸線近傍に位置する前記加工工具の先端と前記回転軸の軸線との位置ずれに基づいて行うことにより、前記位置ずれを補正しながら、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工方法は、前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させる工程を繰り返して複数の加工形状を形成するものであってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工方法は、前記加工工具として、切削加工用の工具または研削加工用の工具が用いられるものであってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工方法は、前記加工工具として切削加工用の工具が用いられ、加工対象の加工形状を形成する際に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面が一定の角度となるように、加工形状の形成予定領域の中心を前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させるものであってもよい。

また、上記した本発明の第１及び第２の加工方法は、前記加工工具として切削加工用の工具が用いられ、加工対象の加工形状を形成する際に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面の角度を変化させて、前記加工工具の前記被加工物に接触させる部分を変化させるものであってもよい。

本発明の好ましい形態によれば、加工形状の配置制限を緩和でき、かつ加工形状の形状精度および位置精度を向上させることができる。したがって、凹面または凸面をアレイ状に配置した光学素子、あるいはその光学素子を成形するための金型またはマスター金型等の高精度化を図ることができる。

本発明の実施の形態における加工装置の構成を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。本発明の実施の形態における被加工物の加工後の斜視図本発明の実施の形態における加工装置の加工時の被加工物とバイトのすくい面の様子を示す図本発明の実施の形態における加工装置の加工時の被加工物とバイトのすくい面の関係を示す拡大図従来の加工装置の構成を示す斜視図従来の加工装置における回転曲面の中心位置と加工工具の移動速度の関係を説明するための図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、各図面において同じ構成要素については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。図１は本実施の形態における加工装置の構成を示す模式図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。

図１に示すように、この加工装置は、回転駆動軸１１と、互いに直交する３軸方向に直進する３軸の直進駆動軸であるＸ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１３およびＺ軸テーブル１４を備える。回転駆動軸１１には、その回転軸（Ｃ軸）に直交するように、加工工具を取り付ける工具取付面１５が設けられている。一方、Ｙ軸テーブル１３には、被加工物１６を取り付ける被加工物取付面１７が設けられている。

回転駆動軸１１は、Ｚ軸方向に直進する直進駆動軸であるＺ軸テーブル１４上に、Ｃ軸の軸線がＺ軸と平行となるように配置されている。一方、Ｚ軸と直交するＸ軸方向に直進する直進駆動軸であるＸ軸テーブル１２上には、Ｚ軸とＸ軸に直行するＹ軸方向に直進する直進駆動軸であるＹ軸テーブル１３が、被加工物取付面１７が工具取付面１５に対向しかつＣ軸の軸線に直交するように配置されている。

このように、この加工装置は、３軸の直進駆動軸であるＸ軸テーブル１２、Ｙ軸テーブル１３およびＺ軸テーブル１４により、工具取付面１５と被加工物取付面１７とを互いに直交する３軸方向（Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向）へ相対的に移動させる構成となっている。

また、この加工装置は、工具取付面１５に、互いに直交する２軸方向へ直進する２軸の移動テーブル１８が装備されており、その２軸の移動テーブル１８に、加工工具を支持する工具ホルダ１９が取り付けられている。このように、この加工装置は、Ｃ軸上の工具取付面１５に加工工具を取り付ける構成として、工具取付面１５に装備した２軸の移動テーブル１８が加工工具を保持する構成を採用している。

また、図示しないが、この加工装置は、被加工物取付面１７に取り付けられた被加工物１６に所望の加工形状が形成されるように上記した４軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ｃ軸）の動作を制御する制御装置を備える。制御装置には、例えば上記した４軸を数値制御するＮＣ制御装置を用いることができる。ここでは、制御装置はさらに、２軸の移動テーブル１８の動作を制御する機能も有する。

本実施の形態では、加工工具として切削加工用の工具であるバイト２０を用いて切削加工を行う場合について説明する。バイト２０は、その先端２１がＣ軸の軸線上に位置するように配置する。ここでは、２軸の移動テーブル１８の動作を制御することにより、バイト２０の先端２１をＣ軸の軸線上に位置決めする。またここでは、初期状態として、すくい面２２がＹ軸方向に直交しかつＺ軸ステージ１４とは反対側を向くようにバイト２０を配置し、この初期状態のときのＣ軸の角度を０度として上記した４軸の動作を制御する。

図２は本実施の形態における被加工物１６の加工後の斜視図である。ここでは、被加工物１６を加工して、軸対称凹面回折形状がアレイ状に配置された光学素子であるレンズアレイを成形するためのマスター金型を作成する場合について説明する。つまり、被加工物１６に複数の軸対称凹面回折形状２３をアレイ状に形成する場合について説明する。軸対称凹面回折形状２３の形状精度には数１０ナノ以下の精度が必要とされており、また位置精度にはサブミクロンの精度が必要とされている。

続いて、軸対称凹面回折形状２３を形成する際の上記した４軸の動作について説明する。本実施の形態では、加工対象の軸対称凹面回折形状２３の形成予定領域の中心を、回転駆動軸１１によるバイト２０の回転に合わせて、Ｘ軸ステージ１２およびＹ軸ステージ１３により円弧状に移動させつつ、Ｚ軸ステージ１４によりバイト２０を加工対象の軸対称凹面回折形状２３に沿うように移動させることにより、加工対象の軸対称凹面回折形状２３を形成する。またその際、軸対称凹面回折形状２３の形成予定領域の進行方向に対してバイト２０のすくい面２２が一定の角度となるように、軸対称凹面回折形状２３の形成予定領域の中心をバイト２０の回転に合わせて円弧状に移動させる。

図３は、本実施の形態における加工装置の加工時の被加工物１６とバイトのすくい面２２の様子を示す図であり、加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａを外側から加工するときの加工開始からＣ軸が１回転するまでの被加工物１６およびバイトのすくい面２２の様子をそれぞれ９０度ごとに分割して示している。図３において、２点鎖線は、加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの中心の軌跡を示している。また破線は、被加工物１６および加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの加工開始時の位置を示している。

まず、加工開始前に、２軸の移動テーブル１８の動作を制御することにより、バイト２０の先端をＣ軸の軸線上に位置決めする。そして、バイト２０の先端を加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａ上の加工開始位置に位置合わせした後、加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの中心を、２点鎖線で示すように円弧状の軌跡で移動させる。その際、バイトのすくい面２２の向きが、軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの進行方向に対して常に一定の角度を保つように、軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの中心をバイト２０の回転に合わせて円弧状に移動させて、切削加工していく。図３には、バイトのすくい面２２の向きが、軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの進行方向に対して常に１８０度の角度となる場合を示している。

図４は、本実施の形態における加工装置の加工時の被加工物１６とバイトのすくい面２２の関係を示す拡大図であり、加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域を外側から加工するときの加工開始からＣ軸が１回転するまでの被加工物１６およびバイトのすくい面２２の関係を９０度ごとに分割して示している。図４において、２３ｂは加工開始位置である。図４に示すように、Ｃ軸が１回転する間に、軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａも１回転している。

以上説明した１回転分の動作により、加工対象の軸対称凹面回折形状２３の最外周部分が形成される。そして、この１回転分の動作と同様な動作を、例えば軸対称凹面回折形状の形成予定領域２３ａの中心が外側から内側へ向かって渦巻き状の軌跡を形成するように連続して行う。またその際、バイト２０の先端を軸対称凹面回折形状２３に沿うようにＺ軸方向へ切り込ませる。このようにすれば、軸対称凹面回折形状２３を形成することができる。

加工対象の軸対称凹面回折形状の形成後は、隣接する次の加工対象の軸対称凹面回折形状の形成予定領域上の加工開始位置にバイトの先端を位置合わせし、上述した軸対称凹面回折形状の形成工程を再度行う。この工程を繰り返して、被加工物に複数の軸対称凹面回折形状をアレイ状に形成することにより、軸対称凹面回折形状がアレイ状に配置されたレンズアレイを成形するためのマスター金型を作成することができる。

本実施の形態によれば、（１）加工形状の配置が制限され、（２）加工形状の形状精度にバラツキが発生し、さらに（３）加工形状の位置精度にもバラツキが発生するという従来の問題を解消することができる。

すなわち（１）従来の加工装置では、回転駆動軸（回転中心）から離れたオフセット位置を中心とする加工形状を形成する際に、回転中心を中心に回転するオフセット位置に追従して加工工具を旋回させる必要があるため、直線駆動軸に、回転中心からオフセット位置までの距離の２倍以上の稼動範囲が必要となり、回転中心から直線駆動軸の稼動範囲の半分以下の範囲までしか回転曲面を配置できなかった。

これに対して、本実施の形態では、１つの加工形状の形成時における直進駆動軸の稼動範囲は加工形状の径に依存し、被加工物上の位置には依存しないので、回転曲面の配置は、従来の約２倍の自由度を得ることができる。

また従来の加工装置では、回転駆動軸（回転中心）から離れたオフセット位置を中心とする加工形状を形成するのに、回転中心を中心に回転するオフセット位置に追従して加工工具を旋回させながら、オフセット位置と加工工具を相対的に移動させているため、オフセット位置が回転中心から離れるのに比例して、直進駆動軸の移動距離が増大し、それに伴って直進駆動軸の送り速度も増加する。そのため、直進駆動軸の送り速度の限界により加工形状の配置が制限される。また、この制限を回避するために回転駆動軸の回転数を下げて直進駆動軸の送り速度の限界内で操作すると、加工時間が増加して、外的要因による精度不良や、工具磨耗による被加工物の表面性状（表面の性質や状態）の悪化が起こるおそれがある。これらのことから、従来は回転駆動軸から実質数ｍｍの範囲までしか加工形状を配置することができなかった。

これに対して、本実施の形態では、加工形状の形成時における直進駆動軸の稼動範囲は加工形状の径に依存し、被加工物上の位置には依存しない。よって、直進駆動軸の送り速度の限界による加工形状の配置制限を回避することができる。

（２）また従来の加工装置では、回転中心を中心に回転するオフセット位置に追従して加工工具を旋回させながら加工形状を形成するので、加工形状ごとに加工データと直進駆動軸の送り速度が異なる。また、回転中心からオフセット位置までの距離が増加するにつれて、回転駆動軸の分解ピッチの誤差も増える。これらのことから、従来は加工形状の形状精度にバラツキが発生していた。

これに対して、本実施の形態では、加工形状の形成時における直進駆動軸の稼動範囲は加工形状の径に依存し、被加工物上の位置には依存しないので、いずれの加工形状も同じ加工データを用いて、同じ送り速度で形成することができる。よって、加工形状の形状精度のバラツキを抑制することができる。

（３）また従来の加工装置では、上記したように、オフセット位置が回転中心から離れるのに比例して、直進駆動軸の移動距離が増大し、それに伴って直進駆動軸の送り速度も増加する。よってオフセット位置が回転中心から離れるほど、直進駆動軸の追従遅れにより加工形状の位置精度が悪化する。またその追従遅れによる位置の誤差は、オフセット位置によって異なるため、従来は加工形状の位置精度にバラツキが発生していた。さらに上記したように、オフセット位置が回転中心から離れるほど、回転駆動軸の分解ピッチの誤差が増加するため、この分解ピッチの誤差も加工形状の位置精度のバラツキの原因となっていた。

これに対して、本実施の形態では、加工形状の形成時における直進駆動軸の稼動範囲は加工形状の径に依存し、被加工物上の位置には依存しないので、加工形状の位置精度は、加工工具の初期位置の精度で決まる。つまり、直進駆動軸の静的な位置決め精度で決まる。よって、加工形状の位置精度をサブミクロンの精度で得ることができる。

以上のように本実施の形態によれば、加工形状の配置制限を緩和でき、かつ被加工物の中心からの距離にかかわらず、形状精度および位置精度が高精度な加工を実現することができる。

また本実施の形態のように、２軸の移動テーブルを用いて加工工具の先端をＣ軸の軸線上に位置決めすることにより、加工工具の先端をＣ軸の軸線上に正確に合わせることができ、より高精度な加工を実現することができる。

なお、本実施の形態では、２軸の移動テーブル１８を用いてバイト２０の先端をＣ軸の軸線上に位置決めする場合について説明したが、バイト２０の先端とＣ軸の軸線との位置ずれの量を予め測定して、加工時に、Ｘ軸テーブル１２とＹ軸テーブル１３の動作制御を予め測定した位置ずれ量に基づいて行うことで、位置ずれを補正しながら加工形状を形成するようにしてもよい。このようにすれば、Ｘ軸テーブル１２とＹ軸テーブル１３を用いて位置ずれを補正することができるので、回転駆動軸側に重いテーブルを取り付ける必要がなくなり、回転駆動軸の安定した高速回転が可能になる。したがって、加工時間の短縮化を図ることができ、加工時間に起因する形状精度の悪化要因を排除できるため、より高精度な形状精度および位置精度を得ることができる。

また、２軸の移動テーブル１８を用いてバイト２０の先端とＣ軸の軸線との大まかな位置合わせを行い、加工時に、Ｘ軸テーブル１２とＹ軸テーブル１３の動作制御を、Ｃ軸の軸線近傍に位置するバイト２０の先端とＣ軸の軸線との位置ずれ量に基づいて行うことで、微小な位置ずれを補正しながら加工形状を形成するようにしてもよい。このようにすれば、加工工具のセッティングの作業性と高精度化の両方を満足することが可能となる。

なお、バイト２０の先端とＣ軸の軸線との位置ずれ量の測定方法としては、例えば、工具を１８０度回転させて、工具の側面及び上面の回転前後の輪郭のズレを高倍率な顕微鏡で観察する方法や、被加工物を回転させずに工具を直線運動させて切削するシェーパー加工をダミーに対して工具を１８０度回転させて縦方向および横方向へそれぞれ２回行ったときのズレを測定する方法や、実際に加工形状を形成して、形状のズレから測定する方法などを採用してもよい。

また本実施の形態では、バイトのすくい面２２の向きを、加工形状の進行方向に対して常に１８０度に保つ場合について説明したが、被加工物と加工工具の関係によっては、加工工具の進行方向への食いつきを良くするために、バイトのすくい面２２の向きを、加工形状の進行方向に対してマイナス方向へ所定の角度傾けた状態で加工してもよいし、切り屑の排出を良くしたり、バニッシュ効果による表面粗さの改善効果を得るためにプラス方向へ所定の角度傾けた状態で加工してもよい。プラス方向へ傾けた状態で加工すれば、良好な被加工物の表面性状を得ることができる。

また本実施の形態では、軸対称凹面回折形状を形成する場合について説明したが、このような回折格子や鋸刃形状などの微細形状を加工する際には、工具磨耗の抑制および加工時間の短縮に有利な刃先Ｒの大きな加工工具を使用して、加工対象の加工形状の形成中に、加工形状の進行方向に対してバイトのすくい面の向きを変化させて、加工工具の被加工物に接触させる部分を変化させてもよい。

また本実施の形態では、加工工具として切削加工用のバイトを用いたが、工具取付面に砥石スピンドルを取り付けて、研削加工用の砥石を用いてもよい。この場合であっても、被加工物上に加工形状をアレイ状に、位置精度および形状精度ともばらつくことなく高精度に形成することができる。

また本実施の形態では、軸対称凹面回折形状がアレイ状に配置されたレンズアレイを成形するためのマスター金型を作成する場合について説明したが、軸対称形状や非軸対称形状、自由曲面等の加工形状ないしは回折格子や鋸刃形状等の微細形状を有する加工形状が単一またはアレイ状に配置された光学素子、あるいはその光学素子を成形するための金型またはマスター金型の作成にも適用することができる。

本発明にかかる加工装置および加工方法は、加工形状の配置制限を緩和でき、かつ加工形状の形状精度および位置精度を向上させることができ、軸対称形状や非軸対称形状、自由曲面形状等の加工形状が単一またはアレイ状に配置された光学素子、あるいはその光学素子を成形するための金型またはマスター金型の作成に有用である。

１被加工物
２回転駆動軸
３加工工具
３ａ加工工具の先端
４ＮＣ制御装置
１１回転駆動軸
１２Ｘ軸テーブル
１３Ｙ軸テーブル
１４Ｚ軸テーブル
１５工具取付面
１６被加工物
１７被加工物取付面
１８２軸の移動テーブル
１９工具ホルダ
２０バイト
２１バイトの先端
２２バイトのすくい面
２３軸対称凹面回折形状
２３ａ軸対称凹面回折形状の形成予定領域
２３ｂ軸対称凹面回折形状の形成予定領域の加工開始位置

Claims

回転軸と、前記回転軸上の工具取付面と、前記工具取付面に装備された２軸のテーブルと、前記２軸のテーブルに保持された加工工具と、前記工具取付面に対向する被加工物取付面と、前記工具取付面と前記被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸とを備え、前記２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を前記回転軸の軸線上に位置決めし、前記回転軸および前記３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工装置であって、
加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする加工装置。
回転軸と、前記回転軸上の工具取付面と、前記工具取付面に装備された２軸のテーブルと、前記２軸のテーブルに保持された加工工具と、前記工具取付面に対向する被加工物取付面と、前記工具取付面と前記被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸とを備え、前記２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を前記回転軸の軸線近傍に位置決めし、前記回転軸および前記３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工装置であって、
前記直進軸の動作制御を、前記回転軸の軸線近傍に位置する前記加工工具の先端と前記回転軸の軸線との位置ずれに基づいて行うことにより、前記位置ずれを補正しながら、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする加工装置。
前記被加工物を加工して複数の加工形状を形成することを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の加工装置。
前記加工工具は、切削加工用の工具または研削加工用の工具であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加工装置。
前記加工工具は切削加工用の工具であり、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面が一定の角度となるように、加工形状の形成予定領域の中心を前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加工装置。
前記加工工具は切削加工用の工具であり、加工対象の加工形状の形成中に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面の角度を変化させて、前記加工工具の前記被加工物に接触させる部分を変化させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の加工装置。
加工工具を保持する２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を、前記２軸のテーブルが装備された工具取付面を回転させる回転軸の軸線上に位置決めした後に、前記回転軸の動作、および前記工具取付面と前記工具取付面に対向する被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工方法であって、
前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする加工方法。
加工工具を保持する２軸のテーブルの動作を制御することにより、前記加工工具の先端を、前記２軸のテーブルが装備された工具取付面を回転させる回転軸の軸線近傍に位置決めした後に、前記回転軸の動作、および前記工具取付面と前記工具取付面に対向する被加工物取付面とを互いに直交する３軸方向へ相対的に移動させる３軸の直進軸の動作を制御することにより、前記被加工物取付面上に取り付けられた被加工物を加工して加工形状を形成する加工方法であって、
前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、前記直進軸の動作制御を、前記回転軸の軸線近傍に位置する前記加工工具の先端と前記回転軸の軸線との位置ずれに基づいて行うことにより、前記位置ずれを補正しながら、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させることにより、加工対象の加工形状を形成することを特徴とする加工方法。
前記加工工具を加工対象の加工形状の形成予定領域上の加工開始位置に位置合わせした後、加工対象の加工形状の形成予定領域の中心を、前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させつつ、前記加工工具を加工対象の加工形状に沿うように移動させる工程を繰り返して複数の加工形状を形成することを特徴とする請求項７もしくは８のいずれかに記載の加工方法。
前記加工工具として、切削加工用の工具または研削加工用の工具を用いることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の加工方法。
前記加工工具として切削加工用の工具を用い、加工対象の加工形状を形成する際に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面が一定の角度となるように、加工形状の形成予定領域の中心を前記加工工具の回転に合わせて円弧状に移動させることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の加工方法。
前記加工工具として切削加工用の工具を用い、加工対象の加工形状を形成する際に、加工形状の形成予定領域の進行方向に対して前記加工工具のすくい面の角度を変化させて、前記加工工具の前記被加工物に接触させる部分を変化させることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載の加工方法。