JP4313686B2

JP4313686B2 - 輪帯光学素子用金型の製造方法

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Publication number: JP4313686B2
Application number: JP2004021439A
Authority: JP
Inventors: 晋太郎木村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: EP1559527A2; US20080265451A1; JP2005212030A; US7736552B2; US20050168839A1; US20080273253A1; EP1559527A3

Description

本発明は、光軸上に中心を持つ球状面と、この球状面の周囲に形成される突起状の輪帯部とを有する輪帯光学素子を成型するための輪帯光学素子用金型の製造方法に関する。

一般に、光軸上に中心を持つ球状面と、この球状面の周囲に複数形成される突起状の微小な輪帯部とを有するフレネルレンズやブレーズ型回折光学素子などの光学素子は、その球状部に対応する凹部や微小な輪帯部に対応する輪帯溝が形成された金型を使用して製造されている。このような金型の製造方法としては、チップによって微小な輪帯溝を削る方法が一般的であるが、この方法ではチップの先端形状が金型に転写されるため、チップの先端形状を尖らせることが望まれている。しかし、チップの先端形状を尖らせただけでは、加工面の面粗度が悪化するという問題がある。そこで、従来においては、このような微小な輪帯溝を有する金型の製造方法として、例えば以下に示す二つの技術が知られている。

第１の技術としては、図４に示すように、切削工具であるチップ２１の先端を微小な半径の曲線状に（微小なＲで）形成することで、金型に微小な輪帯溝を形成する方法がある（例えば、特許文献１参照）。具体的には、図５に示すように、チップ２１のすくい面２１ａをワークＷの回転方向に対して直角にした状態で、チップ２１を円柱状のワークＷの径方向に沿うように連続して動かしつつ適宜ワークＷの軸方向に動かすことで、粗加工されている波状の被加工面ＰＦにチップ２１の先端をなぞらせるようにして微小な輪帯溝７を形成している。このような技術によれば、チップ２１の先端を尖らせた場合に比べて面粗度が向上するとともに、輪帯溝７の底部を小さなＲ形状に形成することが可能となっている。

第２の技術としては、フォトリソグラフィの技術、すなわち多数のマスクを用いて露光、現像を行い、輪帯溝の斜面を階段状に近似して形成する技術によって、光学素子自体を製造する方法がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、このようなフォトリソグラフィの技術を利用した光学素子の製造は、加工時間の長さなどから量産に適さないため、一般にはフォトリソグラフィの技術によって製作された光学素子をモデルとし、このモデルを利用して電鋳などによって光学素子用の金型を反転加工することが多く行われている。

特開２００３−６２７０７号公報（段落００５９、図３，６）特開平９−２３０１２１号公報（段落００１８，００１９、図２）

しかしながら、第１の技術では、チップの先端を尖らせた場合よりも面粗度を若干向上させることができるが、一般的に用いられるチップで削った場合と比べるとやはり面粗度は望ましい状態とは言えなかった。また、少しでも面粗度を良好にするために、チップの送り速度を極端に低下させて加工を行う場合もあるが、この場合は加工時間の増大に繋がり、ひいては加工環境の温度安定性が低下することにより形状が悪化する可能性も高かった。さらに、チップの先端が細くなっているので、一般的に用いられるチップに比べて、消耗が大きいという問題があった。

また、第２の技術における反転加工では、十分な転写性を得ることや、ひずみを生じさせずに引き剥がすことが、技術的に困難であるといった問題があった。さらに、階段状のもので斜面を近似する場合、十分な回折効率を考えると、最低８ステップ（８段）程度の加工が必要であり、ステップ毎に行うマスクの位置決めが煩雑であるなどの問題があった。

そこで、本発明では、時間を掛けることなく、面粗度を向上させることができる輪帯溝光学素子用金型の製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、平面視が光軸を中心とした円形となる円形部と、この円形部の周囲にリング状に形成される少なくとも一つの輪帯面と、前記円形部と前記輪帯面、または、前記輪帯面同士を繋ぐ境界壁面とを有する輪帯光学素子を成型するための輪帯光学素子用金型の製造方法であって、前記光軸に相当する回転軸を中心にワークを回転させつつ、チップを前記ワークに対して相対的に移動させることで、前記回転軸に直交する前記ワークの被加工面に、前記円形部に対応する金型側円形部を形成する円形部形成工程と、前記チップを、前記輪帯面に沿った方向に、かつ、前記チップのすくい面と平行な方向に、前記ワークに対して相対的に移動させることで、前記被加工面に、前記輪帯面に対応する金型側輪帯面を形成するとともに、前記境界壁面に対応する金型側境界壁面に相当する部分に前記チップのすくい面を当てることで前記金型側境界壁面と前記金型側輪帯面との隅部を形成する輪帯面及び隅部形成工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、隅部形成工程において例えば金型側円形部と金型側輪帯面とを繋ぐ金型側境界壁面に相当する部分にチップのすくい面を当てることにより、あたかもチップの側方（すくい面の縁部）でワーク（金型）を削るかのようになるので、すくい面のＲがワークに転写されなくなる。すなわち、この方法によれば、すくい面のＲ（先端形状の曲率半径）が比較的大きい一般的なチップを用いることができるので、時間を掛けることなく、かつ金型の面粗度を向上させることができる。

また、本発明は、前記隅部形成工程の際に、前記チップの前記すくい面の向きを変えることによって、前記金型側境界壁面を傾斜させてもよい。これによれば、金型の垂直状の壁がテーパ状に形成されるので、成型した輪帯光学素子を金型から容易に抜き出すことが可能となる。

さらに、本発明は、前記円形部形成工程、前記輪帯面形成工程および前記隅部形成工程の前に、前記金型側円形部および前記金型側輪帯面を粗加工する粗加工工程を、設けてもよい。これによれば、粗加工工程において金型側円形部および金型側輪帯面が例えば他のチップなどで粗加工されるので、円形部形成工程、輪帯面形成工程および隅部形成工程で用いるチップの消耗を抑えることができる。

本発明によれば、隅部形成工程において例えば金型側円形部と金型側輪帯面とを繋ぐ金型側境界壁面にチップのすくい面を当てながらワークを切削することにより、すくい面のＲがワークに転写されなくなるので、すくい面のＲが比較的大きい一般的なチップを用いて、時間を掛けずに、かつ金型の面粗度を良好な状態で加工することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、図１は本実施形態で使用する施削装置を示す斜視図、図２はチップを示す拡大斜視図、図３はワークの被加工面を示す平面図（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。

図１に示すように、施削装置Ｓは、バイト１０を有するツール部Ｓａと、円柱状のワークＷが取り付けられるヘッド部Ｓｂとを主に備えている。以下、各部の詳細について述べる。なお、図１におけるワークＷとチップ１１は、便宜上、実際の寸法とは異なる大きさの関係で描かれているが、実際のワークＷとチップ１１の大きさの関係は、図３のような関係となっている。

〔ツール部〕
ツール部Ｓａは、チップ１１を有するバイト１０で主に構成され、このバイト１０は図示せぬ基台に着脱自在に固定されている。

バイト１０は、チップ１１と、このチップ１１が着脱自在に取り付けられるシャンク１３（チップホルダ、バイト本体とも言われる）とから主に構成されている。

チップ１１は、図２に示すように、ワークＷに押し当てられる先端側が先細となる形状に形成されている。また、チップ１１は、一般の規格に準拠して製造された既製品であり、その先端形状１１ｇ（通称、先端Ｒ、または単にＲとも呼ばれる）は比較的大きな曲率半径で形成されている。

さらに、チップ１１の構成について説明すると、チップ１１の一面はワークＷを主に切削するためのすくい面１１ａとなっている。また、チップ１１の先端側には、ワークＷとの干渉を避けるための第１逃げ面１１ｂおよび第２逃げ面１１ｃが前記先端形状１１ｇと連続するように形成されている。なお、本実施形態において使用するチップ１１の第１逃げ面１１ｂの逃げ角（後記するワーク基準面ＢＦに対する角度）は、後記するワークＷに形成する斜面状の輪帯面６１（図３（ｂ）参照）の角度よりも大きくなるように形成されている。

また、チップ１１の基端部には、ボルト孔１１ｈが穿設されており、図示しないボルトによって、チップ１１がシャンク１３のチップ保持部１３ａ（図１参照）に着脱自在に取り付けられるようになっている。なお、チップ１１をシャンク１３に固定する方法は、前記したボルトによる方法に限らず、例えばロウ付けによる方法などでもよい。

図１に示すように、シャンク１３は、略逆Ｌ字形を呈するアームであり、その一端部側にチップ１１を保持するためのチップ保持部１３ａが形成されている。また、シャンク１３の他端部側は、図示せぬ基台に着脱自在に固定されている。

〔ヘッド部〕
ヘッド部Ｓｂは、ワークＷとチップ１１との三次元方向の相対位置を変化させるための移動ステージ３１と、ワークＷを回転させるためのチャック３２とを主に備えている。

移動ステージ３１は、図示せぬ前後移動機構、左右移動機構、上下移動機構を備えることで、ツール部Ｓａに対して前後、左右および上下の三方向に移動自在となっている。つまり、図１の座標軸に示すように、ヘッド部Ｓｂの主軸線に平行な前後方向のＺ軸と、このＺ軸に直交する左右方向のＸ軸および上下方向のＹ軸とに、移動ステージ３１が移動自在となっている。

チャック３２は、円柱状のワークＷが取り付けられる部分であり、例えば真空チャックまたは図示しない複数のジョー（爪またはコレットとも言う）によってワークＷの外周面を把持することによってワークＷを保持している。また、このチャック３２は、移動ステージ３１に回転自在に取り付けられているとともに、図示しない駆動モータなどによって所定速度で回転するようになっている。ここで、このチャック３２の回転速度は、比較的大きい一般的な回転速度となっている。

また、ワークＷは、フレネルレンズ（光軸上に中心を持つ球状面と、この球状面の周囲に形成される複数の突起状の輪帯部とを有する輪帯光学素子）を成型するための金型の素材となるものである。すなわち、ワークＷの被加工面４には、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、前記球状面に対応する凹部５や、前記複数の輪帯部に対応する輪帯溝６がチップ１１によって形成される。なお、前記したフレネルレンズの球状面は、特許請求の範囲にいう「円形部」に相当し、前記輪帯部は、特許請求の範囲にいう「輪帯面および境界壁面」に相当する。また、凹部５は、特許請求の範囲にいう「金型側円形部」に相当し、輪帯溝６は、特許請求の範囲にいう「金型側輪帯面および金型側境界壁面」に相当する。

なお、輪帯溝６は、図３（ｂ）に示すように、斜面状の輪帯面（金型側輪帯面）６１と、ワーク基準面ＢＦに対してほぼ垂直状となる境界壁面（金型側境界壁面）６２とで主に構成されている。ここで、ワーク基準面ＢＦとは、ワークＷの回転軸Ｔに直交する仮想的な面をいう。そして、各輪帯面６１の角度（ワーク基準面ＢＦに対する角度）は、それぞれチップ１１の第１逃げ面１１ｂの角度よりも小さいものとなっている。また、以下の説明においては、便宜上、複数の輪帯面６１を中心側から順に、第１輪帯面６１Ａ、第２輪帯面６１Ｂ、第３輪帯面６１Ｃ、第４輪帯面６１Ｄ、第５輪帯面６１Ｅ、第６輪帯面６１Ｆとも呼ぶこととする。

次に、前記施削装置Ｓによる金型の製造方法について説明する。
なお、本実施形態においては、ワークＷは、チップ１１による切削の前に、前記した凹部５、輪帯溝６が予め粗加工されていることとする。ちなみに、この粗加工としては、ワークＷを他のバイトなどによって被加工面４の形状を大まかに形成（切削）しておく方法などが挙げられる。

図１に示すように、まず、チャック３２を回転駆動させることによって、ワークＷを前記フレネルレンズの光軸に相当する回転軸Ｔ（図３（ｂ）参照）を中心に回転させるとともに、移動ステージ３１でワークＷを移動させることによって第１加工位置Ｐ１（図３（ａ）参照）にチップ１１のすくい面１１ａを位置させる。なお、第１加工位置Ｐ１とは、ワークＷの中心を通って径方向に延在する基準線ＢＬと、凹部５の外周縁とが交差する位置（凹部５の外周縁から図の手前側に少し離した位置）をいう。また、このように移動ステージ３１によりワークＷを移動させることで、このワークＷに対してチップ１１が相対的に移動するのだが、以下の説明では、便宜上、移動ステージ３１によるワークＷの移動の説明を省略し、チップ１１のワークＷに対する相対的な動きのみに着目して説明することとする。

図３（ａ）に示すように、チップ１１を矢印ＡＲ１の方向（図の左方向および奥方向、すなわち凹部５の球状面に沿った方向）に移動させて、ワークＷに凹部５を形成する（円形部形成工程）。凹部５の形成が終了したら、チップ１１を一旦ワークＷから逃がし、その後チップ１１を下方向および右方向に移動させることによって、第２加工位置Ｐ２にチップ１１のすくい面１１ａを位置させる。なお、第２加工位置Ｐ２は、凹部５の外周縁と接する前記基準線ＢＬに平行な接線と、第１輪帯面６１Ａの外周縁とが交差する位置（第１輪帯面６１Ａの外周縁の所定位置から図の手前側に少し離した位置）をいう。

そして、チップ１１を矢印ＡＲ２（図の左方向および奥方向、すなわち輪帯面６１に沿った方向）に移動させて、言い換えるとチップ１１をそのすくい面１１ａとほぼ平行に二次元的に移動させて、輪帯面６１を形成する（輪帯面形成工程）。

その後、チップ１１が凹部５の境界壁面６２（矢印ＡＲ２の終点）まで移動すると、凹部５と第１輪帯面６１Ａとの間の境界壁面６２にチップ１１のすくい面１１ａが当たることによって境界壁面６２が形成されるとともに、輪帯溝６の隅部があたかもチップ１１のすくい面１１ａの縁部で削られるかのように加工されることとなる（実際には、すくい面１１ａに対してワークＷが斜めに入ってくることにより削られる）。そのため、チップ１１の先端形状１１ｇ（図２参照）がワークＷに転写されず、輪帯溝６の隅部が鋭利に形成されることとなる（隅部形成工程）。

その後は、チップ１１を順次、第３加工位置Ｐ３、第４加工位置Ｐ４、第５加工位置Ｐ５、第６加工位置Ｐ６、第７加工位置Ｐ７に位置させ、それぞれの加工位置Ｐ３〜Ｐ７から前記した輪帯面形成工程（矢印ＡＲ３〜ＡＲ７に沿った切削）および隅部形成工程を行うことにより、複数の輪帯溝６が形成されることとなる。なお、これらの加工位置Ｐ３〜Ｐ７は、各輪帯面６１（６１Ａ〜６１Ｅ）の外周縁と接する前記基準線ＢＬに平行な接線と、各輪帯面６１（６１Ｂ〜６１Ｆ）の外周縁とが交差する位置（第２輪帯面６１Ｂ、第３輪帯面６１Ｃ、第４輪帯面６１Ｄ、第５輪帯面６１Ｅ、第６輪帯面６１Ｆの外周縁の所定位置から図の手前側に少し離した位置）をいう。すなわち、本実施形態では、円筒状に形成された各境界壁面６２の各接線にすくい面１１ａを沿わせるようにチップ１１を相対的に動かすことで、各輪帯面６１、各境界壁面６２および各隅部が形成されるようになっている。

以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
隅部形成工程において境界壁面６２にチップ１１のすくい面１１ａを当てることにより、すくい面１１ａのＲ（先端形状）がワークＷに転写されなくなるので、すくい面１１ａのＲが比較的大きい一般的なチップ１１を用いることができる。そして、このようにすくい面１１ａのＲが比較的大きい一般的なチップ１１を用いることが可能となることによって、時間を掛けずに、かつ金型の面粗度を良好な状態で加工することができる。また、このようにＲが比較的大きい一般的なチップ１１を用いることが可能となるので、従来のようにＲを小さくしたチップを用いる場合と比べて、チップ１１の消耗を抑えることができる。

チップ１１による切削の前に、凹部５や輪帯溝６が予め粗加工されているので、最終的な仕上げに使用するチップ１１の消耗をさらに抑えることができる。
また、本実施形態のような加工方法によれば、チップ１１の先端Ｒの頂上部だけでワークＷを削ることができるので、その頂上部だけを精度良く加工すれば十分となる。すなわち、チップ１１の輪郭精度幅（ウインドアングル）を小さく設定することができるので、安価・短納期にて高精度加工することが可能となる。ちなみに、従来の方法（図５で示す方法）では、先端Ｒの大部分（例えば片側半分の部分）を使って削ることにより、先端Ｒの大部分を精度良く加工しなければならない（ウインドアングルを大きく設定せざるを得ない）ので、コストが掛かるとともに納期も遅くなっている。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
本実施形態では、境界壁面６２をワーク基準面ＷＦに対して垂直としたが、本発明はこれに限定されず、隅部形成工程の際に、チップ１１のすくい面１１ａの向きを変えることによって、境界壁面６２を傾斜させてもよい。これによれば、金型の垂直状の壁がテーパ状に形成されるので、成型した輪帯光学素子を金型から容易に抜き出すことが可能となる。なお、すくい面１１ａは、被加工面４にすくい面１１ａの基端部が近づくように傾けてもよいし、回転軸Ｔと平行な軸を中心に傾けてもよい。また、傾ける角度は、被加工面４に対してすくい面１１ａを傾ける場合では５°以下が望ましく、回転軸Ｔと平行な軸まわりにすくい面１１ａを傾ける場合では３°以下が望ましい。

本実施形態では、ヘッド部Ｓｂ側に３軸方向に移動可能な移動ステージ３１を設けたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ヘッド部Ｓｂ側を固定とし、ツール部Ｓａ側に３軸方向（前後、左右、上下）に移動可能な移動ステージを設ける構造や、ヘッド部Ｓｂ側に１軸方向（例えば、前後）に移動可能な移動ステージを設けるとともに、ツール部Ｓａ側に２軸方向に移動可能な移動ステージ（例えば、左右、上下）を設ける構造などを採用してもよい。

本実施形態では、円形部形成工程→輪帯面形成工程→隅部形成工程→輪帯面形成工程→・・・→隅部形成工程の順で加工を行ったが、各工程の順序はこれに限定されず、例えば本実施形態の工程を逆から行うように、すなわち隅部形成工程→輪帯面形成工程→隅部形成工程→・・・→輪帯面形成工程→円形部形成工程の順で加工を行ってもよい。なお、この場合、各輪帯溝６を形成するためのチップ１１の各スタート位置は、各矢印ＡＲ７，ＡＲ６，ＡＲ５，ＡＲ４，ＡＲ３，ＡＲ２の終端（各境界壁面６２近傍）とする。ただし、凹部５を形成するためのチップ１１のスタート位置は、矢印ＡＲ１の終端ではワークＷの回転速度がゼロとなるので、本実施形態と同様に矢印ＡＲ１の始端とするのが望ましい。

本実施形態では、チップ１１での仕上げ加工の前に粗加工を加えたが、本発明はこれに限定されず、無垢の状態のワークＷを直接チップ１１で加工するようにしてもよい。なお、ワークＷが無垢の状態である場合には、チップ１１のすくい面１１ａを当てる対象となる境界壁面６２も当然形成されていないが、ＮＣ加工装置（施削装置Ｓ）のプログラムを適宜変更することにより各境界壁面６２の位置や各加工位置を設定することができるので、チップ１１のすくい面１１ａを境界壁面６２に相当する場所に当てることにより本実施形態と同様に輪帯溝６の隅部を鋭利に形成することができる。

本実施形態では、凹部５と、複数の輪帯溝６とを有するフレネルレンズを成型するための金型の加工に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、平面視が光軸を中心とした円形となる円形部と、この円形部の周囲に形成される複数の輪帯面とを有し、前記円形部とその近傍の輪帯面および隣接する輪帯面同士の間に段差（境界壁面）が設けられることで階段状の凹部が形成される輪帯光学素子を成型するための金型に本発明を適用してもよい。

本実施形態では、輪帯面６１の断面形状が直線状となるタイプに本発明を適用したが、例えば従来図（図５）で示したような輪帯面の断面形状が曲面状となるタイプにも本発明を適用することができる。

本実施形態で使用する施削装置を示す斜視図である。チップを示す拡大斜視図である。ワークの被加工面を示す平面図（ａ）と、（ａ）のＢ−Ｂ断面図（ｂ）である。従来の先端Ｒの小さなチップを示す拡大斜視図である。従来の金型の製造方法を示す図であり、ワークの被加工面を示す平面図（ａ）と、（ａ）のＡ−Ａ断面図（ｂ）である。

符号の説明

４被加工面
５凹部
６輪帯溝
１０バイト
１１チップ
１１ａすくい面
３１移動ステージ
３２チャック
６１輪帯面
６２境界壁面
Ｓ施削装置
Ｓａツール部
Ｓｂヘッド部
Ｔ回転軸
Ｗワーク

Claims

平面視が光軸を中心とした円形となる円形部と、
この円形部の周囲にリング状に形成される少なくとも一つの輪帯面と、
前記円形部と前記輪帯面、または、前記輪帯面同士を繋ぐ境界壁面とを有する輪帯光学素子を成型するための輪帯光学素子用金型の製造方法であって、
前記光軸に相当する回転軸を中心にワークを回転させつつ、チップを前記ワークに対して相対的に移動させることで、前記回転軸に直交する前記ワークの被加工面に、前記円形部に対応する金型側円形部を形成する円形部形成工程と、
前記チップを、前記輪帯面に沿った方向に、かつ、前記チップのすくい面と平行な方向に、前記ワークに対して相対的に移動させることで、前記被加工面に、前記輪帯面に対応する金型側輪帯面を形成するとともに、前記境界壁面に対応する金型側境界壁面に相当する部分に前記チップのすくい面を当てることで前記金型側境界壁面と前記金型側輪帯面との隅部を形成する輪帯面及び隅部形成工程を有することを特徴とする輪帯光学素子用金型の製造方法。