JP2001087921A

JP2001087921A - 加工方法

Info

Publication number: JP2001087921A
Application number: JP27140799A
Authority: JP
Inventors: Takao Yokomatsu; 孝夫横松
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 1999-09-24
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】高い形状精度の回折格子を短時間で加工す
る。【解決手段】断面ブレーズド形状の多数の回折格子３
１、３２、３３、・・・・を、５軸の自由度を有する工
作機械に取り付けたバイト２２により被加工物１９にフ
ライカット加工する。中央部の格子３１は最大のピッチ
Ｐで最小の傾斜角度α1 を有し、端部の格子は最小のピ
ッチで最大の傾斜角度を有する。最小の傾斜角度をαmi
n とし最大の傾斜角度をαmax としたとき、バイト２２
の刃先角度θを（９０−αmin）゜から（９０−αmax）
゜の間の値とする。バイト２２の切り刃稜２４ｂを格子
３１、３２、３３、・・・・の傾斜面３１ｂ、３２ｂ、
３３ｂ、・・・・にそれぞれ合わせながら、被加工物１
９とバイト２２を相対駆動すると共に、バイト２２を高
速度で回転駆動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば回折光学素子を
成形するための金型材料に、断面ブレーズド形状の多数
の微細な回折格子を切削工具により高精度に加工する回
折格子の加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学系の高性能化や小型化の要求
が高まるにつれ、回折光学素子が注目されている。特
に、断面ブレーズド形状（鋸歯形状）の回折格子は薄型
で回折効率が高いため、産業上の多様な分野で利用され
つつあり、例えばレーザービームプリンタ等の記録装置
の走査光学系、光ディスク再生装置の光ピックアップ等
への利用が検討されている。

【０００３】ブレーズド形状の回折格子は凸のパワーを
持つ回折格子として使用されることが多く、この種の回
折格子を量産するための金型は逆のブレーズド形状を有
している。金型材料として、レプリカで平坦な形状を製
作する場合はリン青銅、無酸素銅、真鍮等の軟質金属が
使用され、プラスチックやガラスで成形する場合は平
面、球面、自由曲面を問わず、金型母材にニッケルメッ
キ、銅メッキ等を表面処理したものが使用され、ニッケ
ルメッキ、銅メッキ等の表面処理層が切削加工されてい
る。そして、ガラスモールドでは金型母材に超硬材料が
使用されている。

【０００４】例えば図６に示すように、金型材料から成
る被加工物１には多数の微細な要素から成る格子２が形
成されており、この格子２の傾斜面ａは中央部に向けら
れている。傾斜面２ａのベース面２ｂに対する角度は傾
斜角度αとされ、傾斜面２ａの軸線に対する角度は開き
角度βとされている。また、格子２の高さは一定とされ
ていると共に、格子２のピッチは中央部から端部に向か
って微細にされている。このため、格子２の傾斜角度α
は、中央部から端部に向かって大きくされている。

【０００５】被加工物１が軸対称である場合には、格子
２の開き角度βは端部において最小の開き角度βmin と
なるので、超硬又は単結晶のダイヤモンドから成るバイ
ト３の刃先角度θは、最小の開き角度βmin よりも小さ
くされている。そして、被加工物１を加工する際には、
被加工物１を数値制御マシニングセンタ等の工作機械の
主軸に取り付け、被加工物１とバイト３をＸ、Ｙ方向に
相対駆動すると共に、被加工物１を回転駆動している。

【０００６】図７〜図９に示すように、被加工物１が軸
対称でない同心の楕円形状である場合には、単純な切削
加工は行えず、例えば特開平９−２３９６０３号公報に
開示されている溝切削方法が利用されている。この溝切
削方法では５以上の自由度を有する工作機械により直交
３軸スライダと回転２軸割出盤により被加工物１とバイ
ト３を相対駆動し、シェーパ加工を行っている。そし
て、シャンクの長手方向を軸としてバイト３を回転駆動
すると共に、シェーパ加工中にバイト３の向きを変化さ
せることにより、格子２の断面形状の変化に対応させて
いる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
ービームプリンタの走査光学系等を中心に、高さが一定
で傾斜角度αが任意に変化する回折格子を特つ光学レン
ズの今後の需要の増加が予想されている反面で、特開平
９―２３９６０３号公報に開示されている溝切削方法で
は、良好な断面形状と表面粗さの格子２を得ることが困
難になっている。

【０００８】即ち、上述の溝切削方法はシャンクの長手
方向を軸としてバイト３を回転駆動することにより傾斜
角度αに対応させ、直交３軸スライダと回転２軸割出盤
により被加工物１とバイト３を相対駆動してシエーパ加
工を行うので、切削送り速度は大きくても毎秒０．０１
ｍ程度であり、高精度な切削加工に必要な毎秒１０ｍの
オーダの切削送り速度を得ることができない状態になっ
ている。従って、切削抵抗が大きくなり、格子２の良好
な形状精度と表面粗さを得ることができない。また、格
子２にバリ等が発生することも多いため、格子２として
最も重要な高い回折効率も得られない結果となってい
る。

【０００９】例えば、格子２の高さは一定の１．５μｍ
とされているので、１００％に近い回折効率を得るため
には、高さには±０．０５μｍの誤差しか許容されてい
ない。しかしながら、シェーパ加工では加工抵抗が大き
くなるので、高さの誤差は許容誤差の数倍になってしま
い、格子２の高い形状精度を達成することは不可能な状
態になっている。

【００１０】これに対し、高い切削速度を得るために
は、バイト３を回転駆動してフライカット加工を行うこ
とも考えられている。そして、軸対称でなく回折格子２
の断面形状が変化する場合には、図１０に示すように格
子２の最小の開き角度βmin よりも小さい刃先角度θを
特つバイト３により１回目の加工を行い、その後に図１
１に示すように同一の格子２に対して２回目の加工を行
うことが考えられている。しかしながら、同一の格子２
に対してバイト３のアライメントを２度行うため、アラ
イメント誤差が累積し、格子２の内部に例えば突出部２
ｃが発生することがある。従って、格子２の高い形状精
度を得ることが極めて困難である上に、加工時間も２倍
になってしまうという問題点がある。

【００１１】本発明の目的は、上述の問題点を解消し、
高い形状精度で短時間で加工し得る加工方法を提供する
ことにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の請求項１に係る回折格子の加工方法は、断面
が三角形状で傾斜面の傾斜角度が変化する多数の要素を
被加工物に切削工具により加工する加工方法であって、
前記傾斜角度のうちの最小値をαmin とし最大値をαma
x としたとき、前記切削工具の刃先角度を（９０−αmi
n）゜から（９０−αmax）゜の間の値とし、前記傾斜面
を創成する前記切削工具の切り刃稜を前記傾斜角度が変
化する前記傾斜面に合わせるように、前記切削工具と前
記被加工物を相対駆動すると共に前記切削工具を回転駆
動して、全ての前記多数の要素を加工することを特徴と
する。

【００１３】本発明の請求項２に係る発明は、前記多数
の要素はブレーズド回折格子を構成することを特徴とす
る請求項１に記載の加工方法である。

【００１４】本発明の請求項３に係る発明は、前記切削
工具と前記被加工物を５軸の自由度を有する工作機械に
より相対駆動してフライカット加工を行うことを特徴と
する請求項１又は２に記載の加工方法である。

【００１５】本発明の請求項４に係る発明は、請求項１
又は２又は３に記載の加工方法を用いて創成したことを
特徴とする回折光学素子である。

【００１６】本発明の請求項５に係る発明は、請求項１
又は２又は３に記載の加工方法を用いて創成した型によ
り製作した回折格子を有することを特徴とする回折光学
素子である。

【００１７】本発明の請求項６に係る発明は、請求項４
又は５に記載の光学素子を有する光学系である。

【００１８】本発明の請求項７に係る発明は、請求項６
に記載の光学系を有する記録装置である。

【００１９】本発明の請求項８に係る発明は、請求項６
に記載の光学系を有する記録装置である。

【００２０】本発明の請求項８に係る発明は、前記回折
格子の格子線の面内での形状では楕円であることを特徴
とする請求項６又は７又は８に記載の光学系又は装置で
ある。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明を図１〜図５に図示の実施
例に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る加工
方法を実施するための加工装置の正面図であり、この加
工装置は５軸の自由度を有し、非軸対称で傾斜面の傾斜
角度が任意に変化する断面ブレーズド形状（三角形状）
の多数の要素（回折格子又はその型）をフライカット加
工できるようにされている。以下、便宜上、この多数の
要素を「回折格子」と云うことにする。

【００２２】図示しないベース上には、Ｘスライダ１１
が左右のＸ方向に移動自在に設置され、Ｘスライダ１１
の上部にはＹスライダ１２が紙面と直交するＹ方向に移
動自在に設置されている。そして、ベース上でＹスライ
ダ１２と対向する位置には、Ｚスライダ１３が上下のＺ
方向に移動自在に設けられている。

【００２３】Ｚスライダ１３には、Ｂ軸割出盤１４がＹ
軸と平行な軸を中心として回転自在に搭載され、このＢ
軸割出盤１４には取付プレート１５が固定されている。
取付プレート１５の一端には工具駆動装置１６が取り付
けられ、取付プレート１５の他端にはカウンタウエイト
１７が取り付けられている。これにより、工具駆動装置
１６はＹ軸と平行な軸を中心として回転可能とされてい
ると共に、カウンタウエイト１７によって工具駆動装置
１６のＢ軸に対するモーメントが相殺され、Ｂ軸駆動系
の負荷が軽減されている。

【００２４】Ｙスライダ１２の上部には、Ｃ軸割出盤１
８がＺ軸を中心として回転自在に設けられ、このＣ軸割
出盤１８の上面には被加工物１９が載置されている。ま
た、工具駆動装置１６のロータ２０には、バイトホルダ
２１を介してバイト２２が保持されている。バイト２２
はバイトホルダ２１に固定されたシャンク２３と、この
シャンク２３に固定されたチップ２４とから構成されて
おり、チップ２４は超硬又は単結晶のダイヤモンドとさ
れている。そして、被加工物１９は例えば回折格子を量
産するための金型材料とされ、リン青銅、無酸素銅、真
鍮等の軟質金属か、或いは超硬母材に切削可能なニッケ
ルメッキ、銅メッキ等の表面処理が施されたものとされ
ている。

【００２５】図２は被加工物１９とバイト２２の位置関
係を示し、加工前の被加工物１９の表面は平面とされて
おり、この被加工物１９にはピッチが変化する片側数千
本の回折格子３０の創成が可能とされている。回折格子
３０は断面ブレーズド形状とされ、その高さは一定の
１．５μｍとされている。回折格子３０のピッチは端部
で最も微細な２０μｍとされ、中央部に向かって次第に
粗くされ、中央部では最も粗い２０００μｍとされてい
る。

【００２６】被加工物１９を加工する際には、被加工物
１９をＣ軸割出盤１８にそれぞれの回転中心が一致する
ように固定し、被加工物１９とバイト２２の位置をアラ
イメントする。この際に、図示しないＮＣコントローラ
からの制御により、バイト２２の先端２４ａと回折格子
３０の最深部３０ａが一致するように位置決めすると共
に、バイト２２の切り刃稜２４ｂがＸＹ平面でみた場合
の楕円溝の法線方向に向くように、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ
１１、１２、１３とＢ軸割出盤１４、Ｃ軸割出盤１８を
駆動する。そして、被加工物１９とバイト２２を毎秒数
ｍｍの速度で駆動すると共に、バイト２２を１００００
ｒｐｍ程度の高速度で回転駆動し、バイト２２を被加工
物１９に対して５〜１０μｍ切り込むことにより、所定
のプレーズド形状の回折格子３０を切削加工する。

【００２７】ここで、図３に示すようにバイト２２の刃
先角度θは、最大のピッチＰで最小の傾斜角度α1 を有
する中央部の回折格子３１を加工するように（９０−α
1 ）゜としている。そして、この刃先角度θを有する
バイト２２の切り刃稜２４ｂを回折格子３１の傾斜面３
１ｂに合わせている。このときに、回折格子３１のピッ
チＰは２０００μｍであり、高さは１．５μｍであるの
で、傾斜角度α1 は０．０４３０゜となり、刃先角度θ
は８９．９５７゜となる。

【００２８】次に、回折格子３１に順次に隣接する全て
の回折格子３２、３３、・・・・を加工する場合にも、
上述と同様な刃先角度θを有するバイト２２を使用す
る。即ち、傾斜角度α2 を有する回折格子３２を加工す
る際には、バイト２２の切り刃稜２４ｂを回折格子３２
の傾斜面３２ｂに合わせる。同様に、傾斜角度α3 を有
する回折格子３３を加工する際には、バイト２２の切り
刃稜２４ｂを回折格子３３の傾斜面３３ｂに合わせる。
このときに、バイト２２の切り刃稜２４ｂを傾斜面３１
ｂ、３２ｂ、３３ｂ、・・・・に順次に合わせるように
被加工物１９とバイト２２を相対的に変位させるが、バ
イト２２の刃先２４ａを回折格子３１、３２、３３、・
・・・の最深部３１ａ、３２ａ、３３ａ、・・・・に合
わせることは当然である。

【００２９】ところで、図４に示すように回折格子３０
の断面形状は、理想的な断面形状から斜線部Ｓを切り落
とした形状となり、回折格子３０の本来の高さｈは実際
の高さｈ’となって現れる。この場合の回折効率は、本
来の高さｈと実際の高さｈ’の比にほぼ比例して低下す
る。実際の高さｈ’はｈ・ｃｏｓα・ｃｏｓαとして計
算でき、実際の高さｈ’が最小となる部分は傾斜角度α
が最大の位置、即ちピッチＰが最小の部分である。従っ
て、ピッチＰの最小値は２０μｍであり本来の高さｈは
１．５μｍであるので、傾斜角度αは４．２８９゜とな
り、実際の高さｈ’は１．４９２μｍとなる。この値は
本来の高さｈから誤差量８ｎｍを引いた値であり、本来
の高さｈに対する９９．４７％の値である。従って、上
述の加工方法による回折効率の低下分は０．５３％とな
り、回折効率は殆ど低下しないことが分かる。

【００３０】一方、上述の説明ではバイト２２の刃先角
度θを最小の傾斜角度αminを有する中央部の回折格子
３１によって決定したが、図５に示すように最大の傾斜
角度αmaxを有する端部の回折格子ｎｎに合わせること
も考えられる。この場合には、刃先角度θを（９０−α
max）゜とし、切り刃稜２４ｂを回折格子ｎｎの傾斜面
ｎｎｂに合わせることになる。結果として、実際の高さ
ｈ’は１．５０１μｍとなるので、設計値との誤差はむ
しろ少なくなり、回折効率の低下も少なくなる。しかし
ながら、バイト２２の刃先角度θが（９０−αmin）゜
よりも小さいので、設計値からオーバーハングする斜線
部Ｓ’が発生する場合がある。この斜線部Ｓ’が金型に
発生した場合には、離型時に成型品が破損する危険があ
るので、十分に注意する必要がある。

【００３１】そして、刃先角度θを一定の（９０−αmi
n）゜とし、図２においてバイト２２の切り刃稜２４ｂ
を回折格子３０の傾斜面３０ｂに合わせるのではなく、
他の切り刃稜２４ｃを回折格子３０の垂直面３０ｃに合
わせることが考えられる。しかしながら、θ＝（９０α
min）゜ではｈ’＝０．０１５μｍ、刃先角度θを一定
の（９０−αmin）゜とした場合のｈ’は１５０μｍと
なり、誤差を論ずるレベルではなく、切り刃稜２４ｂを
傾斜面２４ｂに合わせることが重要であることが分か
る。

【００３２】このように実施例では、（９０−αmax）
゜＜θ＜（９０−αmin）゜となるように刃先角度θを
決定し、切り刃稜２４ｂを傾斜面３１ｂ、３２ｂ、３３
ｂ、・・・・に合わせるので、ピッチＰと傾斜面３１
ｂ、３２ｂ、３３ｂ、・・・・が次第に変化する平面楕
円状で断面ブレーズド形状の多数の回折格子３１、３
２、３３、・・・・を、リン青銅、無酸素銅、真鍮等の
軟質金属、或いは超硬母材に表面処理したニッケルメッ
キ層、銅メッキ層等に、バリを発生させることなく、極
めて高い形状精度と表面粗さで創成することができる。

【００３３】なお、実施例では被加工物１９を金型材料
として説明したが、被加工物１９を光学用樹脂とした場
合でも、同一のバイト２２を使用し、回折格子３１、３
２、３３、・・・・の傾斜面３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、
・・・・にバイト２２の切り刃稜２４ｂを合わせて切削
加工することにより、高い形状精度と表面粗さを有する
回折格子を直接に得ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る加工方
法は、切削工具の刃先角度を（９０−αmin）゜から
（９０−αmax）゜の間の値とし、傾斜面を創成する切
削工具の切り刃稜を傾斜角度が変化する傾斜面に合わせ
るように、切削工具と被加工物を相対駆動すると共に切
削工具を回転駆動して、全ての回折格子を加工するの
で、５軸の自由度を持つ工作機械を使用してフライカッ
ト加工を行い切削抵抗の少ない加工を実行でき、バリの
ない高い形状精度と表面粗さの回折格子を加工できる。

【００３５】また、同一の切削工具で全ての回折格子を
加工しても、回折格子の高さの変化を１０ｎｍ程度に抑
制でき、回折効率を低下させることがない。更に、フラ
イカット加工が可能である上に、１つの回折格子に対し
て切削工具のアライメントを２度行うことはないので、
加工時間の短縮が可能となる。そして、プラスチックを
直接切削加工するか、或いは金型を切削加工してモール
ド成形することにより、レーザービームプリンタ等の記
録装置の走査光学系や光ディスク再生装置に使用可能な
ピント変動抑制レンズを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の加工方法を実施するための切削装置の
正面図である。

【図２】回折格子とバイトの位置関係の説明図である。

【図３】回折格子の加工方法の説明図である。

【図４】回折格子の形状誤差の説明図である。

【図５】回折格子の形状誤差の説明図である。

【図６】従来例の切削状態の説明図である。

【図７】従来例の平面図である。

【図８】従来例の横断面図である。

【図９】従来例の縦断面図である。

【図１０】従来の加工方法の説明図である。

【図１１】従来例の加工方法の説明図である。

【符号の説明】

１１Ｘスライダ１２Ｙスライダ１３Ｚスライダ１４Ｂ軸割出盤１６工具駆動装置１８Ｃ軸割出盤１９被加工物２２バイト２４チップ２４ａ刃先２４ｂ、２４ｃ切り刃稜３０〜３３回折格子３０ａ〜３３ａ最深部３０ｂ〜ｎｎｂ傾斜面 α、α1 〜α3 傾斜角度 θ 刃先角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断面が三角形状で傾斜面の傾斜角度が変
化する多数の要素を被加工物に切削工具により加工する
加工方法であって、前記傾斜角度のうちの最小値をαmi
n とし最大値をαmax としたとき、前記切削工具の刃先
角度を（９０−αmin）゜から（９０−αmax）゜の間の
値とし、前記傾斜面を創成する前記切削工具の切り刃稜
を前記傾斜角度が変化する前記傾斜面に合わせるよう
に、前記切削工具と前記被加工物を相対駆動すると共に
前記切削工具を回転駆動して、全ての前記多数の要素を
加工することを特徴とする加工方法。
【請求項２】前記多数の要素はブレーズド回折格子を
構成することを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】前記切削工具と前記被加工物を５軸の自
由度を有する工作機械により相対駆動してフライカット
加工を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の加
工方法。
【請求項４】請求項１又は２又は３に記載の加工方法
を用いて創成したことを特徴とする回折光学素子。
【請求項５】請求項１又は２又は３に記載の加工方法
を用いて創成した型により製作した回折格子を有するこ
とを特徴とする回折光学素子。
【請求項６】請求項４又は５に記載の光学素子を有す
る光学系。
【請求項７】請求項６に記載の光学系を有する記録装
置。
【請求項８】請求項６に記載の光学系を有する記録装
置。
【請求項９】前記回折格子の格子線の面内での形状で
は楕円であることを特徴とする請求項６又は７又は８に
記載の光学系又は装置。