【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子をモールド成形するための金型等に、複数の曲線溝を切削工具により高精度に加工し、例えば断面ブレーズド形状の回折格子を同心状に複数配列した高精度な光学素子をモールド成形によって安価に製造することを可能にする金型等の加工方法、加工装置および回折格子金型に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学系の小型化、高性能化のために、回折格子を用いた光学素子を搭載する製品が開発されており、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、産業上多様な分野で利用されつつあり、例えばレーザビームプリンタ等の記録装置の光学系、光ディスク再生装置の光ピックアップ等に利用される。
【０００３】
この種の光学素子を量産する方法として、光学素子とは逆の形状を有する金型を用いて、モールド成形により光学素子を製造する方法がある。そして、この金型を製造するには、レプリカによる方法と切削等の機械加工による方法がある。ただし、レプリカにより製造できる金型の材質は、りん青銅、無酸素銅、真鍮等の軟質金属であり、型の耐久性等に問題がある。
【０００４】
一方、切削のように機械加工する方法では、軸対称に加工する場合には、被加工物を工作機械の主軸に取り付け、加工工具であるバイトを被加工物に当てることで比較的容易に製造することが可能であるが、例えば図７に示すように、回折格子形状の溝Ｒ１ 、Ｒ２ 、Ｒ３ ・・・Ｒｎ が加工面に垂直な軸Ｏの回りに同心状の楕円曲線状に複数配置されるような形状の金型Ｐを製造する場合には、図８に示すように、θテーブル１０１、Ｘスライダ１０２、Ｙスライダ１０３からなるワークステージ上にワークＷ０ を支持し、加工装置上部のＺスライダ１０４に姿勢調整軸１３０を介してスピンドル１２０を取り付け、バイト１１１をスピンドル軸のまわりに旋回させて加工を行ういわゆるフライカット方式による加工法（特開２００１−８７９２１号公報参照）や、ＮＣ制御のシェーパによる加工方法（特開平９−２３９６０３号公報参照）が用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シェーパによる加工では切削速度が低く、大きくても０．０１ｍ／ｓｅｃ程度であり、高精度な切削加工に必要な１０ｍ／ｓｅｃオーダの切削速度を得ることができず、格子の良好な形状と表面粗さを得ることが困難である。
【０００６】
また、前述のフライカットによる加工方法では、加工工具（バイト）の回転による加工工具の位置変化により、ワークの加工点以外のスポット、特に、隣接する格子との干渉が生ずる可能性がある。この干渉を防ぐには、干渉が発生する場所で加工工具のワークに対する接触角度を多少変化させ、ワークに刻む格子形状を多少設計値から外してこの干渉を防ぐ方法もある。しかし、精密な回折格子形状を設計値通り忠実に製作する場合には、加工工具を旋回させるフライカット方式では加工工具の旋回半径を小さくすることが必要である。
【０００７】
ところが、加工工具の旋回半径を小さくすると、加工工具の一回転あたりの切削痕（切削量）も小さくなるため、加工において良好な表面粗さを保つには、加工工具が一回転する間のワークの相対移動量を小さくする必要がある。従って、旋回速度を高速にするか、あるいは、旋回する加工工具のワーク表面に対する走査速度を落とす必要がある。
【０００８】
また、加工工具の旋回半径を小さくしても、加工工具を回転させているモータおよびその軸受からなるスピンドルユニットと干渉する。この干渉を防ぐには、加工工具の回転中心の軸を延長しスピンドルユニットより離すか、またはスピンドルユニットを小型化し、この小型化した分、加工工具の旋回半径を小さくする方法がある。しかし一方では、被加工物である金型の加工精度が数ｎｍのオーダで加工を必要とするため高い剛性が必要であって、加工工具の回転軸の延長やスピンドルユニットを小型化するとこの部分の剛性が低下し、高い加工精度を期待できなくなってしまう。
【０００９】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、超精密な回折格子等の光学素子形状を高速かつ高精度で切削加工することのできる加工方法、加工装置および回折格子金型を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の加工方法は、光学素子形状を加工工具によってワークに加工する加工方法であって、交差する２軸の方向に同一周期でそれぞれ往復駆動する２つの直動アクチュエータによって前記加工工具を円形または楕円状の軌道に沿って回動させながら、光学曲線方程式による曲線に従って前記加工工具と前記ワークとを相対的に移動させることで前記曲線状の溝を加工することを特徴とする。
【００１１】
ワークと加工工具の相対位置に基づいて軌道の形状または大きさまたはその両方を制御するとよい。
【００１２】
２つの直動アクチュエータの往復駆動量と速度および位相を制御することで、円形または楕円の一部を直線状にした任意の軌道に沿って加工工具を回動させるとよい。
【００１３】
回動する加工工具によって、金型に複数の回折格子形状の溝を加工するとよい。
【００１４】
各溝ごとに、軌道の形状または大きさまたはその両方を制御するとよい。
【００１５】
本発明の回折格子金型は、上記の加工方法によって回折格子形状の溝を加工されたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の加工装置は、光学素子形状をワークに加工するための加工工具と、前記加工工具を交差する２軸の方向にそれぞれ往復駆動するための２つの直動アクチュエータと、前記２つの直動アクチュエータを同一周期で個別に制御自在である制御手段と、前記加工工具と前記ワークとを相対的に移動させるための相対移動手段を備えたことを特徴とする。
【００１７】
２つの直動アクチュエータを同一周期で個別に制御することで加工工具を擬似回転させるとよい。
【００１８】
【作用】
交差する２軸の方向に同一周期で加工工具を直線駆動し、その２軸方向の移動速度、位相を制御することで、加工工具を所定の大きさの円形または楕円状あるいは任意の軌道に沿って回動させる。このような加工工具の擬似回転運動とともに、切削工具とワークとが接触する加工点を、回折格子等の光学素子形状に沿って移動させる。
【００１９】
直線２軸の方向に駆動する直動アクチュエータには、リニアモータ、磁歪素子、圧電素子等を用いる。
【００２０】
回転モータを用いるフライカット方式と比較して、２つの直動アクチュエータ等を含む駆動部をワークに干渉しにくい場所に、高い剛性で取り付けることが可能である。すなわち、工具駆動部を高い剛性を持つ高精度な運動機構にするとともに、回動する加工工具の軌道すなわち運動軌跡を、フライカットにおける工具旋回軌跡より大幅に縮小することが可能である。
【００２１】
また、２つの直動アクチュエータをそれぞれ制御することで、加工中に加工工具の運動軌跡を自在に変更できるという利点がある。例えば、加工している回折格子の加工点近傍での格子の曲線の曲率が小さく、加工工具の運動軌跡を大きくしても隣接する格子と加工工具との干渉が発生しにくい場合には、加工工具の運動軌跡を大きくするともに、加工点の移動速度を大きくして、良好な表面粗さを保ちつつ加工速度を上げる。逆に、加工している格子の曲率が大きく、隣接する格子と加工工具との干渉が発生する場合には、加工工具の運動軌跡を小さくして干渉を防ぎ、かつ、加工点の移動速度を小さくすることで良好な表面粗さを維持する。
【００２２】
また、ワークの加工面に対して垂直な軸線回りに複数の格子を加工する場合に、軸線回りの内周部と外周部では外周部の格子の方が曲率が小さくなるので、加工工具の運動軌跡を大きくしても、隣接する格子と加工工具との干渉は発生しにくくなる。この場合には、上記と同様に、加工工具の運動軌跡を大きくし、かつ、加工点の移動速度を大きくして、良好な表面粗さを保ちつつ加工速度を上げる。また、内周部において格子の曲率が大きく、隣接する格子と加工工具との干渉が発生する場合には、加工工具の運動軌跡を小さくして干渉を防ぎ、加工点の移動速度を小さくする。
【００２３】
このように、擬似回転する加工工具の軌道を加工中に自在に調整することで、高精度な回折格子等を効率的に製作することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は一実施の形態による加工装置を示すもので、回折格子金型を製作するための金型材料であるワークＷ１ はＺ軸回りに回転するθテーブル１に搭載され、θテーブル１はＸ方向に移動自在なＸスライダ２に搭載され、Ｘスライダ２はＹ方向に移動自在なＹスライダ３に搭載される。θテーブル１、Ｘスライダ２、Ｙスライダ３を移動させることで、ワークＷ１ はＺ軸回りの回転とＸ方向およびＹ方向の２次元移動が可能である。
【００２６】
また、加工工具であるバイト１１の運動機構である切削駆動ユニット２０は、Ｙ軸回りに回転可能なωＹ軸３０に、カウンタウエイト３１ａを有する固定部材３１を介して搭載される。ωＹ軸３０は、Ｚ方向に移動自在なＺスライダ４に搭載されている。切削駆動ユニット２０は、ωＹ軸３０の回転により、ωＹ軸３０の回転中心を中心として回転移動を行い、ワークＷ１ に対するＹ軸回りの角度が設定され、また、Ｚスライダ４によりＺ方向に移動される。
【００２７】
θテーブル１、Ｘ、Ｙ、Ｚスライダ２〜４およびωＹ軸３０はそれぞれ、前記方向にのみ移動可能となるように、それぞれ図示していない軸受により支持され、また、図示していない直動モータ、可動方向の位置を検出する位置検出装置等を有しており、それぞれの目標値を与えることで、切削駆動ユニット２０に取り付けたバイト１１の刃先１２とワークＷ１ との相対位置を変更する相対移動手段を構成しており、ワークＷ１ の任意の加工点にバイト１１を接触させて切削加工を行うことができる。
【００２８】
図２は、バイト１１の運動機構である切削駆動ユニット２０を説明する模式図である。切削駆動ユニット２０は、バイト１１の刃先１２を、交差する直線２軸の方向すなわち主分力方向Ｓ、背分力方向Ｔに駆動する運動機構である。切削駆動ユニット２０は２つの直動アクチュエータであるアクチュエータ２１、２２を備えており、アクチュエータ２１、２２はそれぞれ磁歪素子２１ａ、２２ａを有し、磁歪素子２１ａ、２２ａをそれぞれ囲む磁歪素子コイル部２１ｂ、２２ｂへエネルギーを供給し、伸縮させることで、バイト１１の軸部２３を主分力方向Ｓと背分力方向Ｔの２軸方向へ移動させる力を発生する。弾性ヒンジ２１ｃ、２２ｃは磁歪素子２１ａ、２２ａと軸部２３とを連結しており、弾性ヒンジ２１ｃは磁歪素子２１ａの伸縮による主分力方向Ｓの動きを、弾性ヒンジ２２ｃは磁歪素子２２ａの伸縮による背分力方向Ｔの動きを伝達する。
【００２９】
軸部２３の一端を支持する板バネ２４は、軸部２３を背分力方向Ｔのみ剛性が柔らかくなるような形状を有し、他の方向への動きを規制する。また軸部２３の他端を支持する板バネ２５は、主分力方向Ｓおよび背分力方向Ｔの動きは柔らかく、他の方向の動きは規制するような形状になっている（図３の（ａ）、（ｂ）参照）。
【００３０】
このように、磁歪素子２１ａ、２２ａを伸縮することで、軸部２３に固定されたバイト１１の先端の刃先１２を主分力方向Ｓおよび背分力方向Ｔへ移動可能である。そして、図示しない制御手段により、同一周期で異なる位相のＳｉｎ波により磁歪素子２１ａ、２２ａを伸縮させることで、バイト１１の刃先１２を主分力および背分力方向Ｓ、Ｔの２方向を含む平面内で、円形状の軌道に沿って回動（擬似回転）させることができる。
【００３１】
さらに、各磁歪素子２１ａ、２２ａの伸縮する一周期中の磁歪素子２１ａ、２２ａそれぞれの駆動パターンを変化させることにより、バイト１１の刃先１２を、真円と楕円の組み合わせからなる楕円状の軌道、あるいは楕円軌道の一部を直線に置き換えた任意の軌道Ａに沿って回動させることが可能である。
【００３２】
図７は、本発明を用いて加工する代表的な光学素子形状である回折格子の形状を示すもので、これは、レーザを用いたカラー画像形成装置に組み込まれるｆθレンズの一部を構成する回折光学素子をモールド成形するための回折格子金型である金型Ｐを上面から見た図である。この図に示すように、金型Ｐは加工面に垂直な軸線回りに同心状に配列する複数の曲線状の回折格子Ｒ１ 、Ｒ２ 、Ｒ３ ・・・Ｒｎ を刻設したものである。
【００３３】
このような楕円形状の回折格子を加工する際には、バイト１１の駆動部である切削駆動ユニット２０は、回折格子Ｒ１ 、Ｒ２ ・・・Ｒｎ の加工点における接線方向にバイト１１の運動２軸Ｓ、Ｔのうちの一軸が平行になるようにバイト１１をワークＷ１ に対して位置決めし、加工を行う。
【００３４】
すなわち、図２における主分力方向Ｓが常に加工点における回折格子Ｒ１ 、Ｒ２ ・・・Ｒｎ の接線方向と平行または一致するように、Ｘ〜Ｚスライダ２〜４の位置およびθテーブル１、ωＹ軸３０の回転角度を設定する。
【００３５】
図４は、図２のバイト運動メカニズムによりバイト１１の刃先１２が描く軌道（運動軌跡）の具体例を示す。刃先１２の軌道Ａ１ 、Ａ２ は、磁歪素子２１ａ、２２ａのうちで主分力方向Ｓへ伸縮する磁歪素子２１ａの伸縮量を変えることによって、軌道の主分力方向の振幅を変更したものである。
【００３６】
図５は、金型Ｐの断面図であり、図７のＬ−Ｌ線に沿った断面を示したものである。外側の回折格子例えば回折格子Ｒｎ−１ の間隔Ｄｎ−１ が内側のものよりも狭くなっており、回折格子の光学面の角度αも変化していることがわかる。
【００３７】
図６は、バイト１１の刃先１２の形状と回折格子の形状の関係を示すもので、バイト１１は回折格子の接線方向がＹ方向になる位置で示されている。バイト１１は、切削駆動ユニット２０による擬似回転運動で、バイト１１の刃先１２が主分力方向Ｓが回折格子の接線方向と平行または一致するように運動軌跡を描く。この時、各回折格子Ｒ１ 、Ｒ２ ・・・Ｒｎ の光学面ａ１ 、ａ２ ・・・ａｎ のＹ軸回りの角度が異なる場合には、総型バイトであるバイト１１の運動機構の背分力方向ＴをＹ軸回りにＺ方向より角度βだけ傾けて、加工する。このように、光学面の傾きが異なる回折格子形状に関しても随意対応できる。
【００３８】
次に、図１に基づいて回折格子形状の加工方法を説明する。バイト１１の切削運動はＹ方向が主分力方向Ｓであって、刃先１２の軌跡Ａはバイト１１がワークＷ１ と接触する際には主分力方向ＳがＹ方向のプラス方向に一致するように運動軌跡を描き、軌道を一回転する周期は周波数で１００〜５００Ｈｚ程度（例えば５００Ｈｚ）で、刃先１２が下端にある時の主分力方向Ｓの軌道の長さを任意の値（例えば１００μｍ）として、加工を行う（図４参照）。
【００３９】
この際、バイト１１の軌道の主分力方向Ｓが常に回折格子の接線方向と同一となるようにωＹ軸３０を回転させ、さらに、Ｘ、Ｙスライダ２、３の位置を移動することで、バイト１１の刃先１２とワークＷ１ との接触点で常にバイト１１の軌道の主分力方向ＳすなわちＹ方向が回折格子の接線方向と同一方向となるようにする。
【００４０】
前述のように、バイト１１の刃先１２は総型バイト形状であり、光学素子の設計形状から与えられる回折格子の加工面の角度α（図５および図６参照）に合わせて、バイト軌道の背分力方向Ｔの傾きを変更する。この変更は、図１の装置のＢ軸であるωＹ軸３０の回転により行う。このＢ軸の回転により移動するＺ方向をＺスライダ４の移動で、また、Ｘ方向の移動をＸスライダ２で補正するように、Ｘ〜Ｚスライダ２〜４およびωＹ軸３０、ならびにＣ軸であるθテーブル１の目標位置を随時変更する加工データを作成し、これによってＸ〜Ｚスライダ２〜４、Ｂ軸等を制御する。
【００４１】
そして、光学曲線方程式による曲線に従ってワークＷ１ 上をバイト１１によって走査し、複数ある回折格子を内側または外側より１本づつ加工する。
【００４２】
上記の回折格子加工方法では、バイトの運動機構により発生するバイトの運動軌跡は一定周期、一定振幅でワーク上の全ての回折格子を加工することが可能である。
【００４３】
また、複数ある回折格子の曲率が途中で変化する楕円形状または楕円と円を組み合わせた形状である場合には、回折格子の曲率が大きい部位や回折格子の曲率は比較的小さくとも隣接する回折格子の間隔が狭い部位、あるいは、加工点における回折格子の接線角度が隣接する回折格子と大きく異なるような場所では、バイト運動軌跡の主分力方向の幅が大きいと、隣接する回折格子にバイトが干渉し、回折格子の形状を崩すおそれがある。そこで、以下のように加工データを修正して加工を行う。
【００４４】
すなわち、Ｘ〜ＺスライダおよびＢ、Ｃ軸によるワーク面の走査と、バイト刃先の軌跡の主分力方向の振幅を変更することにより、干渉する場所においては、運動軌跡の主分力方向の幅を小さくする。これと同時に、主分力方向の幅が小さくなることで加工面の理論表面粗さが劣化するのを回避するために速度を落とす。
【００４５】
あるいは、回折格子の曲率の変化とともに、徐々にバイト運動軌跡の主分力方向の幅を増減させ、同時に加工面の理論表面粗さを保つように速度を変化させて加工を行う。
【００４６】
または、バイト運動軌跡の主分力方向の幅算出方法および変更のタイミングを、回折格子１本加工する毎に変更してもよい。加工データを算出する際に回折格子１本毎に干渉が起こらない最大のバイト運動軌跡の主分力方向幅を算出し、回折格子１本毎に、バイト運動軌跡および加工点の走査速度を決定し、加工を行う。
【００４７】
なお、以上の加工方法は平面ワーク上に複数の回折格子を加工する場合であるが、バイトの運動機構をＸ軸回りに回転させる機構を追加することで、自由曲面上に上記と同様に複数の回折格子を加工することもできる。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４９】
交差する直線２軸の方向に切削工具等の加工工具を往復駆動し、その２軸方向の駆動速度、位相等を変えることで、加工工具の運動軌跡を任意に変更することができる運動機構を設けて、回動する加工工具とワークとが接触する加工点を、加工する回折格子等の溝形状に沿って移動させるものであり、直線２軸方向の駆動にはリニアモータ、磁歪素子、圧電素子等による直動アクチュエータを用いることで、フライカット方式における回転モータ等を用いる場合と比較して、加工工具の駆動部をワークに干渉しにくい場所に、高い剛性で取り付けることができる。
【００５０】
これによって、安定性が高く高精度な光学素子形状等を切削加工できる加工装置を実現できる。
【００５１】
加えて、加工工具の運動軌跡をフライカットにおける工具旋回軌跡より小さくすることが可能となり、回折格子等の微細な光学素子形状を安定加工することができる。
【００５２】
また、加工中に加工工具の運動軌跡を変更することができるため、加工している回折格子の加工点近傍での回折格子の曲線の曲率が小さく、加工工具の軌跡を大きくしても隣接する回折格子と加工工具との干渉が発生しにくい場合には、加工工具の運動軌跡を大きくし、加工点の移動速度を大きくして、良好な表面粗さを保ちつつ加工速度を向上させる一方、回折格子の曲率が大きく、隣接する回折格子と加工工具との干渉が発生する場合には、加工工具の運動軌跡を小さくし、加工点の移動速度を小さくすることにより、干渉を起こさずに高精度な回折格子を正確かつ高速に製作することが可能となる。
【００５３】
さらに、ワークの加工面に、垂直な軸線回りに複数の回折格子を加工する場合には、軸線回りの内周部と外周部では、外周部の回折格子の方が回折格子の曲線の曲率が大きくなるので、加工工具の運動軌跡を大きくしても、隣接する回折格子と加工工具との干渉は発生しにくくなる。従ってこのような部位では、加工工具の運動軌跡を大きくし、加工点の移動速度を大きくして、良好な表面粗さを保ちつつ加工速度を上げる。また、内周部で回折格子の曲率が大きく、隣接する回折格子と加工工具との干渉が発生する部位では、加工工具の運動軌跡を小さくし、加工点の移動速度を小さくして、干渉を防ぐ。このようにして高精度な回折格子を正確に、かつ効率的に製作することができる。
【００５４】
前述のように加工工具の運動軌跡の大きさが加工中に変更自在であるため、例えば従来のフライカット方式において、回折格子と干渉しない範囲内で一番大きな旋回半径を選択し、これで複数の全ての回折格子を加工しなければならない場合と比較して、極めて正確かつ高速に回折格子を加工することができる。
回折光学素子をモールド成形するための金型（回折格子金型）を製作する工程において、上記の方法によって回折格子形状の溝を金型表面に高精度で効率的に加工することで、金型の高精度化と低価格化を促進し、その結果、モールド成形される光学素子の製造コストを大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による加工装置を示す斜視図である。
【図２】図１の装置の切削駆動ユニットを説明する図である。
【図３】板バネを説明する図である。
【図４】バイト刃先の軌道を説明する図である。
【図５】回折格子形状を加工した金型の一部分を示す一部分断面図である。
【図６】バイト刃先と回折格子形状の関係を示す説明図である。
【図７】回折格子金型を示す平面図である。
【図８】一従来例による加工装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ θテーブル
２ Ｘスライダ
３ Ｙスライダ
４ Ｚスライダ
１１ バイト
１２ 刃先
２０ 切削駆動ユニット
２１、２２ アクチュエータ
２１ａ、２２ａ 磁歪素子
２１ｂ、２２ｂ 磁歪素子コイル部
２１ｃ、２２ｃ 弾性ヒンジ
２３ 軸部
２４、２５ 板バネ
３０ ωＹ軸
３１ 固定部材
３１ａ カウンタウエイト[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a high-precision optical system in which a plurality of curved grooves are processed with high precision by a cutting tool in a mold or the like for molding a diffractive optical element, for example, a plurality of diffraction gratings having a blazed cross section are concentrically arranged. The present invention relates to a processing method, a processing apparatus, and a diffraction grating die for a mold and the like that enable an element to be manufactured at low cost by molding.
[0002]
[Prior art]
Products equipped with an optical element using a diffraction grating have been developed for miniaturization and high performance of the optical system. Particularly, a diffraction grating having a blazed cross section (sawtooth shape) is thin and has high diffraction efficiency. Therefore, it is being used in various industrial fields, for example, an optical system of a recording device such as a laser beam printer and an optical pickup of an optical disk reproducing device.
[0003]
As a method of mass-producing this kind of optical element, there is a method of manufacturing an optical element by molding using a mold having a shape opposite to that of the optical element. In order to manufacture this mold, there are a replica method and a mechanical method such as cutting. However, the material of the mold that can be manufactured by the replica is a soft metal such as phosphor bronze, oxygen-free copper, or brass, and has a problem in the durability of the mold.
[0004]
On the other hand, in a machining method such as cutting, when processing is performed symmetrically with an axis, the workpiece is attached to the main spindle of the machine tool, and the tool, which is a machining tool, is applied to the workpiece to make it relatively easy to manufacture. However, as shown in FIG. 7, for example, as shown in FIG. 7, the grooves R 1 , R 2 , R 3 ... R n of the diffraction grating shape are concentric elliptic curves around an axis O perpendicular to the processing surface. when producing molds P shaped as a plurality of disposed Jo, as shown in FIG. 8, to support the workpiece W 0 on the work stage consisting θ table 101, X slider 102, Y slider 103 A spindle 120 is attached to the Z slider 104 at the upper part of the machining apparatus via a posture adjusting shaft 130, and the tool 111 is turned around the spindle axis to perform machining by a so-called fly-cut method (Japanese Patent Laid-Open No. 2001-8). 921 No. see Japanese) and processing method according Shaper NC control (see Japanese Patent Laid-Open No. 9-239603) is used.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the machining speed by the shaper is low, and it is about 0.01 m / sec at the maximum, and the cutting speed on the order of 10 m / sec required for high-precision machining cannot be obtained. And it is difficult to obtain surface roughness.
[0006]
Also, in the above-described fly-cut machining method, there is a possibility that a spot other than the machining point of the work, particularly an adjacent grid, may interfere with the position of the machining tool due to the rotation of the machining tool (bite). In order to prevent this interference, there is a method of slightly changing the contact angle of the machining tool with respect to the work at the place where the interference occurs, and preventing the interference by slightly deviating the lattice shape cut into the work from the design value. However, when a precise diffraction grating shape is faithfully manufactured according to design values, it is necessary to reduce the turning radius of the processing tool in the fly-cut method in which the processing tool is turned.
[0007]
However, when the turning radius of the processing tool is reduced, the cutting marks (cutting amount) per rotation of the processing tool are also reduced. Therefore, in order to maintain a good surface roughness in the processing, the work during one rotation of the processing tool is required. It is necessary to reduce the relative movement amount of. Therefore, it is necessary to increase the turning speed or to reduce the scanning speed of the turning processing tool on the work surface.
[0008]
Further, even if the turning radius of the machining tool is reduced, it interferes with a motor that rotates the machining tool and a spindle unit including its bearing. In order to prevent this interference, there is a method of extending the axis of the rotation center of the processing tool and separating it from the spindle unit, or reducing the size of the spindle unit and reducing the turning radius of the processing tool by the size reduction. However, on the other hand, the processing accuracy of the die, which is the workpiece, is on the order of several nanometers, which requires high rigidity. Therefore, when the rotation axis of the processing tool is extended or the spindle unit is downsized, this part is required. Stiffness is reduced, and high processing accuracy cannot be expected.
[0009]
The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and a processing method, a processing apparatus, and a processing method capable of performing high-speed and high-precision cutting of optical element shapes such as an ultra-precision diffraction grating. It is an object to provide a diffraction grating mold.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a processing method according to the present invention is a processing method for processing an optical element shape into a work using a processing tool, wherein two linear motion actuators each reciprocally drive in the direction of two intersecting axes at the same period. While rotating the machining tool along a circular or elliptical trajectory, the machining tool and the workpiece are relatively moved according to a curve according to an optical curve equation to machine the curved groove. Features.
[0011]
The shape and / or size of the trajectory may be controlled based on the relative position between the workpiece and the processing tool.
[0012]
By controlling the reciprocating drive amount, the speed, and the phase of the two linear actuators, the machining tool may be rotated along an arbitrary trajectory in which a part of a circle or an ellipse is linear.
[0013]
A plurality of diffraction grating-shaped grooves may be formed in the mold by a rotating processing tool.
[0014]
For each groove, the shape and / or size of the track may be controlled.
[0015]
A diffraction grating mold according to the present invention is characterized in that grooves having a diffraction grating shape are processed by the above processing method.
[0016]
A processing apparatus according to the present invention includes a processing tool for processing an optical element shape into a workpiece, two linear motion actuators for reciprocatingly driving the processing tool in directions of two axes crossing each other, and the two linear motions. It is characterized by comprising control means capable of individually controlling actuators in the same cycle, and relative movement means for relatively moving the processing tool and the work.
[0017]
The processing tool may be pseudo-rotated by individually controlling the two linear actuators in the same cycle.
[0018]
[Action]
By linearly driving the processing tool in the direction of the two intersecting axes at the same cycle and controlling the moving speed and phase in the two axis directions, the processing tool can be moved along a circular or elliptical shape of a predetermined size or along an arbitrary trajectory. To rotate. Along with such a pseudo-rotational movement of the processing tool, a processing point at which the cutting tool and the workpiece come into contact is moved along the shape of an optical element such as a diffraction grating.
[0019]
A linear motor, a magnetostrictive element, a piezoelectric element, or the like is used for a linear motion actuator that is driven in two linear axes.
[0020]
Compared with the fly-cut method using a rotary motor, it is possible to mount a drive unit including two linear motion actuators and the like with high rigidity to a place where it does not easily interfere with the work. That is, it is possible to make the tool drive unit a high-precision motion mechanism having high rigidity, and to significantly reduce the trajectory, ie, the motion trajectory of the rotating machining tool, from the tool turning trajectory in fly cutting.
[0021]
In addition, there is an advantage that the motion trajectory of the processing tool can be freely changed during processing by controlling the two linear motion actuators. For example, if the curvature of the grating curve near the machining point of the grating being machined is small and interference between the adjacent grating and the machining tool is unlikely to occur even if the motion trajectory of the machining tool is increased, In addition to increasing the movement locus of the tool, the moving speed of the machining point is increased to increase the machining speed while maintaining good surface roughness. Conversely, when the curvature of the grid being processed is large and interference between the adjacent grid and the processing tool occurs, the motion trajectory of the processing tool is reduced to prevent interference, and the moving speed of the processing point is reduced. Good surface roughness is maintained by reducing the size.
[0022]
Also, when machining a plurality of grids around an axis perpendicular to the processing surface of the workpiece, the curvature of the outer peripheral grid is smaller at the inner peripheral portion and the outer peripheral portion around the axis. Even if the trajectory is enlarged, interference between the adjacent grid and the processing tool is less likely to occur. In this case, similarly to the above, the movement trajectory of the working tool is increased, and the moving speed of the working point is increased, so that the working speed is increased while maintaining good surface roughness. Further, when the curvature of the lattice is large in the inner peripheral portion and interference between the adjacent lattice and the processing tool occurs, the movement trajectory of the processing tool is reduced to prevent the interference and reduce the moving speed of the processing point.
[0023]
In this way, by freely adjusting the trajectory of the pseudo-rotating processing tool during the processing, a highly accurate diffraction grating or the like can be efficiently manufactured.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
Figure 1 shows a machining apparatus according to an embodiment, the workpiece W 1 is a mold material for making a diffraction grating mold is mounted on a theta table 1 rotating about the Z axis, theta Table 1 The X slider 2 is mounted on an X slider 2 movable in the X direction, and the X slider 2 is mounted on a Y slider 3 movable in the Y direction. By moving the θ table 1, X slider 2, Y slider 3, the workpiece W 1 is capable of two-dimensional movement of rotation and X and Y directions around the Z axis.
[0026]
Further, a cutting drive unit 20, which is a movement mechanism of the cutting tool 11, which is a processing tool, is mounted on a ωY axis 30 rotatable around the Y axis via a fixing member 31 having a counterweight 31a. The ωY axis 30 is mounted on a Z slider 4 that is movable in the Z direction. The cutting drive unit 20 is rotated around the rotation center of the ωY axis 30 by the rotation of the ωY axis 30 to set an angle around the Y axis with respect to the workpiece W 1 , and is moved in the Z direction by the Z slider 4. Is done.
[0027]
θ table 1, X, Y, Z sliders 2 to 4 and ωY axis 30 are respectively supported by bearings (not shown) so as to be movable only in the aforementioned directions, has a position detecting device for detecting a position of the movable direction, by giving each of the target values, changing the relative position between the tool 12 and the workpiece W 1 byte 11 attached to the cutting drive unit 20 constitute a relative movement means, it is possible to perform cutting by contacting the byte 11 in any processing point of the workpiece W 1.
[0028]
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a cutting drive unit 20 that is a movement mechanism of the cutting tool 11. The cutting drive unit 20 is a movement mechanism that drives the cutting edge 12 of the cutting tool 11 in directions of two intersecting linear axes, that is, in a main component direction S and a back component direction T. The cutting drive unit 20 includes actuators 21 and 22 that are two linear actuators. The actuators 21 and 22 have magnetostrictive elements 21a and 22a, respectively, and each have a magnetostrictive element coil part 21b that surrounds the magnetostrictive elements 21a and 22a. By supplying energy to 22b and expanding and contracting it, a force for moving the shaft portion 23 of the cutting tool 11 in two axial directions of the main component force direction S and the back component force direction T is generated. The elastic hinges 21c, 22c connect the magnetostrictive elements 21a, 22a and the shaft 23, the elastic hinge 21c moves in the main component direction S due to the expansion and contraction of the magnetostrictive element 21a, and the elastic hinge 22c expands and contracts the magnetostrictive element 22a. In the direction T of the back force.
[0029]
The leaf spring 24 supporting one end of the shaft portion 23 has a shape in which the rigidity of the shaft portion 23 becomes soft only in the back force direction T, and restricts movement in other directions. The leaf spring 25 supporting the other end of the shaft portion 23 has such a shape that the movement in the main component force direction S and the back component force direction T is soft, and the movement in other directions is restricted (see FIG. 3). (See (a) and (b).)
[0030]
As described above, by expanding and contracting the magnetostrictive elements 21a and 22a, the cutting edge 12 at the tip of the cutting tool 11 fixed to the shaft portion 23 can be moved in the main component force direction S and the back component force direction T. The control means (not shown) expands and contracts the magnetostrictive elements 21a and 22a with sine waves having the same cycle and different phases, so that the cutting edge 12 of the cutting tool 11 includes the main component force and the back component force directions S and T. It is possible to rotate (pseudo-rotate) in a plane along a circular orbit.
[0031]
Further, by changing the driving pattern of each of the magnetostrictive elements 21a and 22a during one cycle of expansion and contraction of each of the magnetostrictive elements 21a and 22a, the cutting edge 12 of the cutting tool 11 can be moved to an elliptical orbit made of a combination of a perfect circle and an ellipse. Alternatively, it is possible to rotate along an arbitrary trajectory A in which a part of the elliptical trajectory is replaced with a straight line.
[0032]
FIG. 7 shows the shape of a diffraction grating, which is a typical optical element shape processed using the present invention, and constitutes a part of an fθ lens incorporated in a color image forming apparatus using a laser. FIG. 3 is a diagram of a mold P, which is a diffraction grating mold for molding a diffractive optical element, as viewed from above. As shown in this figure, a mold P is formed by engraving a plurality of curved diffraction gratings R 1 , R 2 , R 3 ... R n arranged concentrically around an axis perpendicular to the processing surface. is there.
[0033]
When processing a diffraction grating such elliptical cutting drive unit 20 is a driving unit of byte 11, the diffraction grating R 1, R 2 ··· R n bytes 11 in the tangential direction at the processing point of movement two axes S, byte 11 so uniaxial is parallel of the T is positioned relative to the workpiece W 1, for machining.
[0034]
That is, as the main component force direction S in FIG. 2 always parallel or coincident with the tangential direction of the diffraction grating R 1, R 2 ··· R n at the processing point, the position and θ table X~Z slider 2-4 1. The rotation angle of the ωY-axis 30 is set.
[0035]
FIG. 4 shows a specific example of a trajectory (movement trajectory) drawn by the cutting edge 12 of the cutting tool 11 by the cutting tool movement mechanism of FIG. The trajectories A 1 and A 2 of the cutting edge 12 are obtained by changing the amplitude of the trajectory in the main component force direction by changing the amount of expansion and contraction of the magnetostrictive element 21a that expands and contracts in the main component force direction S among the magnetostrictive elements 21a and 22a. It is.
[0036]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the mold P, and shows a cross section taken along line LL of FIG. It can be seen that the distance D n-1 between the outer diffraction gratings, for example, the diffraction grating R n-1 is narrower than the inner one, and the angle α of the optical surface of the diffraction grating is also changed.
[0037]
FIG. 6 shows the relationship between the shape of the cutting edge 12 of the cutting tool 11 and the shape of the diffraction grating. The cutting tool 11 is shown at a position where the tangential direction of the diffraction grating is in the Y direction. The cutting tool 11 is a pseudo-rotational movement by the cutting drive unit 20, and the cutting edge 12 of the cutting tool 11 draws a movement trajectory such that the main component force direction S is parallel or coincides with the tangential direction of the diffraction grating. At this time, when the Y-axis angle of the diffraction grating R 1, R 2 ··· R optical surface a 1 of n, a 2 ··· a n are different, the movement of byte 11 is the total type byte Processing is performed by tilting the back force direction T of the mechanism around the Y axis by an angle β from the Z direction. As described above, it is possible to arbitrarily cope with diffraction grating shapes having different optical surface inclinations.
[0038]
Next, a method of processing the shape of the diffraction grating will be described with reference to FIG. Cutting motion of byte 11 is a Y-direction main component force direction S, the trajectory A of the cutting edge 12 is the main component force direction S is when byte 11 is in contact with the workpiece W 1 is equal to the plus direction of the Y-direction The cycle of one rotation of the trajectory is about 100 to 500 Hz (for example, 500 Hz) in frequency, and the length of the trajectory in the main component force direction S when the cutting edge 12 is at the lower end is set to an arbitrary value (for example, (See FIG. 4).
[0039]
At this time, the ωY axis 30 is rotated so that the main component direction S of the trajectory of the cutting tool 11 is always the same as the tangential direction of the diffraction grating, and the positions of the X and Y sliders 2 and 3 are moved. the main component force direction S that is, the Y-direction of the track always byte 11 at the contact point between the tool 12 and the workpiece W 1 byte 11 is set to be tangential in the same direction of the diffraction grating.
[0040]
As described above, the cutting edge 12 of the cutting tool 11 is in the form of an overall cutting tool, and the spine of the cutting tool trajectory is adjusted in accordance with the angle α (see FIGS. 5 and 6) of the processing surface of the diffraction grating given from the design shape of the optical element. The inclination in the component force direction T is changed. This change is performed by rotating the ωY axis 30, which is the B axis of the apparatus in FIG. The X-Z sliders 2 to 4 and the ωY-axis 30 and the C-axis are used so that the Z-direction moved by the rotation of the B-axis is corrected by the movement of the Z-slider 4, and the movement in the X-direction is corrected by the X-slider 2. Processing data for changing the target position of a certain θ table 1 at any time is created, thereby controlling the X to Z sliders 2 to 4 and the B axis.
[0041]
Then, the upper work W 1 is scanned by byte 11 according to curve by optical curve equation, to one by one machining from inside or outside a plurality of diffraction gratings.
[0042]
In the above-described diffraction grating processing method, it is possible to process all the diffraction gratings on the work at a constant period and a constant amplitude in the movement trajectory of the cutting tool generated by the movement mechanism of the cutting tool.
[0043]
In addition, when the curvature of a plurality of diffraction gratings has an elliptical shape or a shape obtained by combining an ellipse and a circle in the middle, a portion where the curvature of the diffraction grating is large or the curvature of the diffraction grating is relatively small even if the adjacent diffraction grating is relatively small. When the width of the tool motion trajectory in the main component direction is large, the tool may be attached to the adjacent diffraction grating at a part where the spacing of the tool is narrow or where the tangent angle of the diffraction grating at the processing point is significantly different from that of the adjacent diffraction grating. There is a possibility that interference will occur and the shape of the diffraction grating will be lost. Therefore, processing is performed by correcting the processing data as described below.
[0044]
That is, by changing the amplitude of the trajectory of the cutting tool trajectory in the main component force direction by scanning the work surface with the X to Z sliders and the B and C axes, the width of the motion trajectory in the main component force direction at the place of interference. Smaller. At the same time, the speed is reduced to prevent the theoretical surface roughness of the machined surface from deteriorating due to the decrease in the width in the main component force direction.
[0045]
Alternatively, machining is performed by gradually increasing or decreasing the width of the tool motion trajectory in the main component force direction along with the change in the curvature of the diffraction grating, and simultaneously changing the speed so as to maintain the theoretical surface roughness of the machining surface.
[0046]
Alternatively, the width calculation method and the change timing of the tool motion trajectory in the main component force direction may be changed every time one diffraction grating is processed. When calculating machining data, calculate the width of the main component force direction of the maximum tool motion trajectory that does not cause interference for each diffraction grating, and determine the tool motion trajectory and the scanning speed of the processing point for each diffraction grating And process.
[0047]
Note that the above processing method is for processing a plurality of diffraction gratings on a planar workpiece. However, by adding a mechanism for rotating a tool movement mechanism around the X axis, a plurality of diffraction gratings can be formed on a free-form surface in the same manner as described above. Can be processed.
[0048]
【The invention's effect】
Since the present invention is configured as described above, the following effects can be obtained.
[0049]
A motion mechanism capable of arbitrarily changing the motion trajectory of a machining tool by reciprocatingly driving a machining tool such as a cutting tool in the directions of two intersecting straight lines and changing the driving speed, phase, etc. in the two axes. In order to move a processing point at which a rotating processing tool and a workpiece come into contact with each other along a groove shape such as a diffraction grating to be processed, linear motors, magnetostrictive elements, piezoelectric By using a linear motion actuator formed by elements or the like, it is possible to mount the drive unit of the processing tool with high rigidity to a place where it does not easily interfere with the work, as compared with a case where a rotary motor or the like in a fly-cut method is used.
[0050]
This makes it possible to realize a processing apparatus capable of cutting a highly stable optical element shape or the like with high stability.
[0051]
In addition, the motion locus of the processing tool can be made smaller than the tool turning locus in fly cutting, and a fine optical element shape such as a diffraction grating can be stably processed.
[0052]
In addition, since the motion locus of the processing tool can be changed during the processing, the curvature of the diffraction grating curve near the processing point of the diffraction grating being processed is small, and even if the locus of the processing tool is large, it is adjacent. When interference between the diffraction grating and the processing tool is unlikely to occur, while increasing the movement trajectory of the processing tool, increasing the moving speed of the processing point, and improving the processing speed while maintaining good surface roughness, When the curvature of the diffraction grating is large and interference between the adjacent diffraction grating and the processing tool occurs, the trajectory of the processing tool is reduced and the moving speed of the processing point is reduced, so that the interference does not occur. An accurate diffraction grating can be manufactured accurately and at high speed.
[0053]
Further, when processing a plurality of diffraction gratings around a vertical axis on the processing surface of the workpiece, the curvature of the diffraction grating curve at the outer peripheral portion is larger at the inner peripheral portion and the outer peripheral portion around the axis. Therefore, interference between the adjacent diffraction grating and the processing tool is less likely to occur even if the movement locus of the processing tool is increased. Therefore, in such a part, the movement locus of the machining tool is increased, the moving speed of the machining point is increased, and the machining speed is increased while maintaining good surface roughness. In addition, in the area where the curvature of the diffraction grating is large at the inner periphery and interference between the adjacent diffraction grating and the processing tool occurs, the trajectory of the processing tool is reduced, and the moving speed of the processing point is reduced to reduce the interference. prevent. In this way, a highly accurate diffraction grating can be manufactured accurately and efficiently.
[0054]
As described above, since the magnitude of the motion trajectory of the processing tool can be changed during processing, for example, in the conventional fly-cut method, the largest turning radius within a range that does not interfere with the diffraction grating is selected. The diffraction grating can be processed very accurately and at high speed as compared with the case where all the diffraction gratings need to be processed.
In the process of manufacturing a mold (diffraction grating mold) for molding a diffractive optical element, the grooves of the diffraction grating shape are efficiently and accurately processed on the mold surface by the above-described method. This promotes high precision and low cost, and as a result, the manufacturing cost of the optical element to be molded can be greatly reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a processing apparatus according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a cutting drive unit of the apparatus of FIG.
FIG. 3 is a diagram illustrating a leaf spring.
FIG. 4 is a diagram for explaining a trajectory of a cutting edge;
FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing a part of a mold having a processed diffraction grating shape.
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a relationship between a cutting edge and a diffraction grating shape.
FIG. 7 is a plan view showing a diffraction grating mold.
FIG. 8 is a perspective view showing a processing apparatus according to a conventional example.
[Explanation of symbols]
1 θ table 2 X slider 3 Y slider 4 Z slider 11 Tool bit 12 Cutting edge 20 Cutting drive unit 21, 22 Actuator 21a, 22a Magnetostrictive element 21b, 22b Magnetostrictive element coil section 21c, 22c Elastic hinge 23 Shaft section 24, 25 Leaf spring 30 ωY-axis 31 Fixed member 31a Counter weight
