JP4658667B2

JP4658667B2 - 輪帯光学素子の製造方法および輪帯光学素子用金型の製造方法

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Publication number: JP4658667B2
Application number: JP2005121338A
Authority: JP
Inventors: 晋太郎木村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: JP2006297715A; US7762165B2; US20060234607A1

Description

本発明は、光軸を中心とする輪帯部を有する輪帯光学素子の製造方法と、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。そして、このような輪帯溝を有する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な方法として知られている。また、平面視が光軸を中心とした円形となる円形面と、その周囲に階段状に複数形成される輪帯面とを有する位相輪帯素子などの光学素子は、直接チップなどによって旋削加工されている。ところで、このような輪帯面が階段状に形成される光学素子や前記した輪帯溝を有する金型をチップによって削る方法においては、チップの先端形状が光学素子の段差の隅部や金型の輪帯溝の隅部に転写されるため、チップの先端形状を尖らせることが望まれている。ただし、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った。

そこで、従来においては、図６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（特許文献１参照）。具体的には、図７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。また、この技術は、輪帯面が階段状に形成される光学素子にも同様に適用できると考えられている。

特開２００３−６２７０７号公報（段落００５９、図３，６）

しかしながら、前記した技術では、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。

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光学素子の製造方法および輪帯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複数の輪帯面と、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、先の尖ったチップの先端を前記ワークの前記輪帯面と前記境界壁面との隅部に相当する部分まで突き刺すことで、前記輪帯面を前記チップの一の側縁で形成しつつ前記境界壁面を前記チップの他の側縁または前記先端で形成し、前記チップを回転させることなく、前記チップを突き刺す位置を、前記輪帯面ごとに前記ワークの回転方向においてずらすことで、前記輪帯面の角度を前記輪帯面ごとに変化させることを特徴とする。

本発明によれば、例えば先の尖ったチップの一方の側縁を、形成しようとする輪帯面に合わせ、チップの先端が境界壁面に相当する部分に沿うようにチップを移動させ、そのチップの先端を、輪帯面と境界壁面との隅部に相当する部分まで突き刺すだけで、チップの一方の側縁で輪帯面が形成される。これにより、輪帯面がチップの一方の側縁で形成されるので、その面粗度が向上する。また、前記したようにチップをワークに対して突き刺すだけなので、従来のようにチップを輪帯面に沿って動かす方法に比べ、加工時間を短縮することができる。

なお、本発明では、円形部を形成する工程は、先端が緩やかなＲ形状で形成されるチップに取り替えてから行ってもよいし、先の尖ったチップのまま行ってもよい。ただし、先の尖ったチップのままで円形部を形成する場合は、面粗度を考慮すると、ワークの回転速度を落とすのが望ましい。ちなみに、このようにワークの回転速度を落とすことで多少加工時間が長くなるが、その分輪帯面等の加工時間が前記したように短いので、輪帯面の数が多ければ多いほど全体的な加工時間を短くできる。

また、「輪帯面の角度」とは、ワークの径方向に沿った断面における角度をいう。本発明によれば、チップを突き刺す位置を適宜ワークの回転方向においてずらすことで、突き刺される各チップの側縁で形成される各輪帯面を、ワークの径方向に沿ったある断面において、その突き刺した位置に応じた角度で形成することができる。なお、本発明は、前記したチップによる加工を、輪帯光学素子用の金型にも採用することができる。

本発明によれば、チップをワークに突き刺すだけで、輪帯面を良好に形成できるので、時間を掛けずに、かつ輪帯光学素子や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旋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、旋削装置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るとともに、その一面がワーク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逃げ面１１ｂが先端１１ｇと連続するように形成されている。そして、すくい面１１ａの形状は、その一側縁がチップ１１の基部から先端１１ｇにかけてワークＷの回転軸に沿った直線状に形成されるとともに、その他側縁がチップ１１の先端１１ｇから基部に向かって徐々に前記一側縁から離れるように傾斜した直線状に形成されている。そのため、チップ１１は、その先端１１ｇが尖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。なお、チップ１１は、そのすくい面１１ａが略上方を向くようにして、シャンク１３に保持されている。

〔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、任意に変更可能となっている。

また、ワークＷは、凹型のフレネルレンズ（輪帯光学素子）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、前記フレネルレンズの光軸を中心として平面視略円形に形成される凹部５や、この凹部５の周囲に形成される複数の輪帯溝６がチップ１１によって形成される。なお、前記した凹部５は、特許請求の範囲にいう「円形部」に相当し、輪帯溝６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。

なお、輪帯溝６は、図３（ｂ）に示すように、斜面状の輪帯面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は、その角度（ワークＷの径方向に沿った断面内における境界壁面６２に対する角度）がそれぞれ径方向外側に行くにつれて徐々に小さくなるように形成されている。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、前記旋削装置Ｓによるフレネルレンズの製造方法について説明する。
なお、本実施形態では、ワークＷの被加工面４は、予め粗加工されておらず、略平面状となっているものとする。

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の先端１１ｇ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（水平方向）に延在する基準線ＢＬと、凹部５（未加工）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を一旦、図の奥側へ移動させることで、このチップ１１をワークＷに所定量だけ食い込ませた後、矢印ＡＲ１（図の奥方向および左方向）の方向に移動させて、ワークＷに凹部５を形成する。なお、この場合には、チップ１１の尖った先端１１ｇで凹部５の面を形成することになるため、ワークＷの回転速度を比較的遅い速度として、面粗度を向上させるのが望ましい。

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を右方向に移動させることによって、元の第１加工位置Ｐ１にチップ１１の先端１１ｇを位置させる。そして、ワークＷの回転速度を前記した遅い速度から通常の早い速度に戻してから、チップ１１を所定の深さＤｅ（輪帯溝６の隅部に相当する部分）までワークＷに突き刺すことで、チップ１１の外縁で所定角度θ１（第１輪帯面６１Ａと境界壁面６２とのなす角）の輪帯溝６が形成されることとなる。

１つ目の輪帯溝６（第１輪帯面６１Ａおよび境界壁面６２）の形成が終了したら、再びチップ１１をワークＷから逃がし、その後チップ１１を右下方向に移動させることで、第２加工位置Ｐ２に、チップ１１の先端１１ｇを位置させる。ここで、第２加工位置Ｐ２とは、ワークＷの回転方向において第１加工位置Ｐ１よりも所定量だけずらした位置であり、かつ、第１輪帯面６１Ａの外周縁上の位置（詳しくは、外周縁上の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を第２加工位置Ｐ２に位置させたら、その位置からチップ１１を前記した深さＤｅと同一の深さＤｅでワークＷに突き刺すことで、チップ１１の外縁で所定角度θ２（第２輪帯面６１Ｂと境界壁面６２とのなす角）の輪帯溝６が形成されることとなる。ここで、所定角度θ２は、前記した所定角度θ１よりも小さくなるようになっている。その理由は、図４（ａ）に示すように、第１加工位置Ｐ１においては、第１加工位置Ｐ１を通るワークＷの径方向に沿う線（基準線ＢＬ）と、チップ１１のすくい面１１ａとが平行となっているのに対し、第２加工位置Ｐ２においては、第２加工位置Ｐ２を通るワークＷの径方向に沿う線ＢＬ’に対して、チップ１１のすくい面１１ａが所定の角度で傾いているためである。すなわち、図４（ｂ）に示すように、前記した基準線ＢＬと線ＢＬ’を合わせると、あたかも第１加工位置Ｐ１に位置するチップ１１に対して第２加工位置Ｐ２に位置するチップ１１が所定量だけ傾くかのようになるので、基準線ＢＬに沿った断面内においては、傾いたチップ１１の外縁形状が投影されたような形状で形成されることとなり（内側の輪帯溝６の幅Ｗ１よりも外側の輪帯溝６の幅Ｗ２の方が小さくなり）、その結果、図３（ｂ）に示すように、輪帯溝６の角度がそれぞれ異なるように形成される。

その後は、所定量ずつワークＷの回転方向にずれた第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に順次チップ１１を位置させ、その各位置でチップ１１をワークＷに突き刺すだけで、異なる角度の輪帯溝６がそれぞれ形成されることとなる。ちなみに、各輪帯溝６の角度は、前記したことから明らかなように、径方向外側に行くにつれて、詳しくは、すくい面１１ａと一致する基準線ＢＬから離れるにつれて、小さくなるようになっている。なお、各加工位置Ｐ３〜Ｐ６は、前記した第２加工位置Ｐ２等と同様に、各輪帯面６１（６１Ｂ，６１Ｃ，６１Ｄ，６１Ｅ，６１Ｆ）の外周縁上（詳しくは、図の手前側に少し離した位置）に設定されている。

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。
チップ１１をワークＷに突き刺すだけで、各輪帯溝６（輪帯面６１および境界壁面６２）をチップ１１の側縁で良好に形成できるので、時間を掛けずに、かつ面粗度を良好な状態で加工することができる。

チップ１１をワークＷの回転方向にずらすだけで、輪帯溝６の角度を変えることができるので、輪帯溝６の角度が異なる輪帯光学素子を、極めて簡単に形成することができる。また、輪帯溝６の隅部は先の尖ったチップ１１の先端１１ｇで形成されるので、隅部を鋭利に形成することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、境界壁面６２をワーク基準面ＢＦに対して垂直としたが、本発明はこれに限定されず、チップ１１の外縁形状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、境界壁面がテーパ状である光学部品であっても良好に形成することができる。

前記実施形態では、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。

前記実施形態では、凹部５、第１輪帯面６１Ａ、第２輪帯面６１Ｂ、・・・、第６輪帯面６１Ｆの順に形成したが、形成の順番はこれに限定されず、例えば前記実施形態の順番を逆としてもよい。また、前記実施形態では、凹部５を先の尖ったチップ１１で形成したが、本発明はこれに限定されず、凹部５の形成の際にチップ１１を先端形状が緩やかなＲ形状のチップに交換することで、ワークＷの回転速度を落とさずに形成してもよい。

前記実施形態では、輪帯光学素子として、凹型のフレネルレンズを採用したが、本発明はこれに限定されず、例えば樹脂光学切削加工品、ゲルマニウムレンズ、金属ミラーなどを採用してもよい。また、製造の対象としては、輪帯光学素子だけでなく、このような輪帯光学素子（例えば凸型のフレネルレンズ）を成型するための金型を採用してもよい。

前記実施形態では、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、チップの外縁形状を変えることにより、例えば従来図（図７）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。

前記実施形態では、チップ１１の両側縁で輪帯溝６を削るようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、前記実施形態に係るチップ１１をワークＷの外縁に向けて倒すことで、チップ１１の片側の縁部で輪帯面６１を形成し、先端で境界壁面６２を形成するようにしてもよい。

本実施形態で使用する旋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。チップをワークの回転方向にずらすことにより生じる現象を示す図であり、チップのすくい面とワークの径方向に沿う線との関係を示す部分拡大平面図（ａ）と、ワークの径方向に沿う断面に対するチップの傾きを示す部分拡大平面図（ｂ）である。チップの片側の縁部で輪帯面を形成する形態を示す平面図（ａ）と、（ａ）のＣ−Ｃ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（円形部）
６輪帯溝
１０バイト
１１チップ
１１ａすくい面
１１ｇ先端
３１移動ステージ
３２チャック
６１輪帯面
６２境界壁面
ＢＬ基準線
ＢＬ’ 線
Ｓ旋削装置
Ｓｂヘッド部
Ｓａツール部
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複数の輪帯面と、
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、先の尖ったチップの先端を前記ワークの前記輪帯面と前記境界壁面との隅部に相当する部分まで突き刺すことで、前記輪帯面を前記チップの一の側縁で形成しつつ前記境界壁面を前記チップの他の側縁または前記先端で形成し、
前記チップを回転させることなく、前記チップを突き刺す位置を、前記輪帯面ごとに前記ワークの回転方向においてずらすことで、前記輪帯面の角度を前記輪帯面ごとに変化させる
ことを特徴とする輪帯光学素子の製造方法。
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複数の輪帯面と、
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に、
前記円形部、前記輪帯面および前記境界壁面にそれぞれ対応する金型側円形部、金型側輪帯面および金型側境界壁面を有する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、先の尖ったチップの先端を前記ワークの前記金型側輪帯面と前記金型側境界壁面との隅部に相当する部分まで突き刺すことで、前記金型側輪帯面を前記チップの一の側縁で形成しつつ前記金型側境界壁面を前記チップの他の側縁または前記先端で形成し、
前記チップを回転させることなく、前記チップを突き刺す位置を、前記金型側輪帯面ごとに前記ワークの回転方向においてずらすことで、前記金型側輪帯面の角度を前記金型側輪帯面ごとに変化させる
ことを特徴とする輪帯光学素子用金型の製造方法。