JP2016203328A - 加工方法及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工時の半径方向に沿って向きが一様でない立壁を形成する場合であっても、切削用工具と目標形状とが干渉して形状劣化が生じることを防止できる加工方法等を提供すること。【解決手段】切削用工具８０に対してワークＷを回転させつつ切削用工具８０を径方向Ｒに相対的に移動させ、ワークＷに対する切削用工具８０の刃先８０ａの位置である刃先位置に応じて刃先８０ａが通る工具軸ＴＸの延びる方向に切削用工具８０を変位させることによって、ワークＷの切削加工を行う加工方法である。ここで、ワークＷに対する刃先位置に応じて、切削用工具８０の工具軸ＴＸのまわりの回転姿勢を調整する。これにより、加工時の径方向Ｒに沿って向きが一様でない立壁ＯＷを形成する場合であっても、切削用工具８０の刃先８０ａの側部８０ｂと目標形状ＯＦとが干渉することを防止できる。【選択図】図３

Description

本発明は、切削用工具によって旋盤型の加工を行う加工方法及び加工装置に関し、特に光学素子又はその成形金型等の高精度部品に適する加工方法及び加工装置に関する。

光学面等の加工方法として、旋盤を用いて材料を回転させながら切削工具を半径方向に移動させることで凹面等を形成するものがある。このような旋盤加工によって、材料に球面等の回転対称な形状を加工することができるが、軸外し面のような非回転対称面の加工ができない。これを克服するものとして、回転するワークの回転位置に同期させて切削工具の切込み方向の位置を変化させるツールサーボ加工と呼ばれる方法がある。このツールサーボ加工は、ワークの回転方向又は周方向の位置に応じて切削工具を突き出したり引込めたりするものであり、軸外し面、自由曲面等の非回転対称な加工面を形成することができる。
ツールサーボ加工としては、ファストツールサーボ（Fast Tool ServoもしくはＦＴＳ、圧電素子等で切削工具を取り付けた工具台を駆動制御する方法）、及びスローツールサーボ（Slow Tool ServoもしくはＳＴＳ、工具台を乗せた工作機械の軸を駆動させる方法）の２種類が知られている。

しかしながら、上記のようなツールサーボ加工を用いても、ワークの加工後の目標形状において半径方向に沿って向きが一様でない立壁が存在するとき、切削工具と目標形状とが干渉して高精度の加工を行えない場合が生じる。すなわち、例えばらせん状の回折格子のように、半径位置の増加に伴って向きが徐々に変化する立壁状の部分を有するものを形成する場合、このような目標形状の少なくとも一部に対して工具すくい面でない部分（例えば側面）や工具すくい面の周辺部との間で干渉が生じ、目標形状を崩しながら加工することになって、加工精度を低下させていた。

なお、アレイレンズ用の金型等の微細加工方法として、ワークを旋回させるのではなく切削工具側の回転姿勢を調節しつつ切削工具をワークに対して周回させるとともに切込み方向に変位させることによって、切削工具先端の軌跡として複数の凹面を加工する方法が公知となっている（特許文献１参照）。この微細加工方法は、立壁が存在する形状を前提とするものではなく、上記ツールサーボ加工の場合と同様の問題が生じると思われる。
また、旋盤主軸に保持されたワークに対し切り込み方向の振動を与えることでワークを切削する切削加工方法であって、振動周波数、振幅、工具逃げ角、プランジカット角度等を所定条件が満たされるような範囲に設定することで、振動に際して工具逃げ面とワークとが衝突することを回避するものが公知となっている（特許文献２参照）。この切削加工方法は、刃先を高速振動させる振動切削を前提とするものであり、この手法を上記ツールサーボ加工そのまま適用することはできない。

特開２０１１−１１２９５号公報 特開２００２−９６２０１号公報

本発明は、上記背景技術の問題に鑑みてなされたものであり、加工時の半径方向に沿って向きが一様でない立壁状の形状部分を形成する場合であっても、切削用工具と目標形状とが干渉して形状劣化が生じることを防止できる加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る加工方法は、刃先にすくい面及び逃げ面を有する切削用工具に対してワークを回転させつつ切削用工具をワークの径方向に相対的に移動させ、ワークに対する切削用工具の刃先の位置（具体的には径方向や周方向に関する位置）である刃先位置に応じて刃先が通る工具軸の延びる方向に切削用工具を変位させることによって、ワークの切削加工を行う加工方法であって、ワークに対する切削用工具の刃先位置に応じて、切削用工具の工具軸のまわりの回転姿勢を調整する。なお、切削用工具の工具軸は、工具割出し軸とも呼ばれ、刃先位置に相当する加工点に対して切削用工具が延びる方向に相当し、通常はすくい面に略平行に延びるが、これに限るものではない。

上記加工方法では、ワークに対する切削用工具の刃先位置に応じて切削用工具の工具軸のまわりの回転姿勢を調整するので、加工時のワークの径方向に沿って向きが一様でない立壁等を形成する場合であっても、切削用工具の刃先の外側や周辺部の形状と目標形状とが干渉することを防止でき、得られる形状に形状劣化が生じることを防止できる。

本発明の具体的な側面によれば、上記加工方法において、切削用工具の刃先に対するワークの相対的な回転角と、ワークに対する刃先の回転軸を基準とする径方向位置とに応じて、刃先の工具軸のまわりの上記径方向を基準としての傾斜角を調整する。この場合、回転角及び径方向位置に基づいて、工具軸の方向の切込み量だけでなく工具軸のまわりの傾き角が調整されることになる。

本発明の別の側面によれば、刃先の工具軸のまわりの傾斜角は、最大で±４５°の範囲で変化させる。この場合、刃先の工具軸のまわりの傾き角が大きくなることを防止でき、刃先位置に応じた刃先の工具軸のまわりの回転姿勢の調整の精度を高めることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、切削用工具に対するワークの回転速度は、５００ｒｐｍ以下である。この場合、刃先位置の変動が大きくなることを防止でき、切削用工具による加工精度を高めることができる。

本発明のさらに別の側面によれば、ワークに形成される立壁状の形状部分に沿うように刃先の工具軸のまわりの回転姿勢を変化させる。この場合、立壁状の形状部分を高精度で形成することができる。なお、立壁状の形状部分の加工は、切削用工具の刃先の上記径方向に関する外側等が目標形状と干渉する典型的な場合である。

本発明のさらに別の側面によれば、刃先に対してワークを一方の第１回転方向に回転させつつ、少なくとも刃先の進行方向に関して所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を、刃先を引込める動作によって選択的に加工し、刃先に対してワークを他方の第２回転方向に回転させつつ、少なくとも刃先の進行方向に関して所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を、刃先を引込める動作によって選択的に加工し、第１及び第２回転方向のいずれかの回転に付随して、所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を除いた非立壁状の形状部分を、刃先を切込ませ又は引込める動作によって加工する。
この場合、第１回転方向の回転に際して、進行方向に関して所定傾斜角以上の（比較的急峻に立ち上がるタイプの）立壁状の形状部分を切削用工具を引込める動作によって選択的に加工し、第２回転方向の回転に際して、進行方向に関して所定傾斜角以上の（比較的急峻に立ち上がるタイプの）立壁状の形状部分を切削用工具を引込める動作によって選択的に加工するので、第１及び第２回転方向のいずれの回転に際しても、切削用工具を突き出すように切り込ませることで形成されるような急峻な立壁を加工する必要がなくなり、切削用工具の裏面側つまり逃げ面側と立壁の頂点とが干渉して形状劣化が生じることを防止できる。

本発明のさらに別の側面によれば、ワークに形成される立壁状の形状部分の段差量は、切削用工具の軸方向位置の最大振幅以下である。この場合、立壁状の形状部分の精密な加工が可能になる。

上記目的を達成するため、本発明に係る加工装置は、刃先にすくい面及び逃げ面を有する切削用工具と、切削用工具に対してワークを回転軸のまわりに相対的に回転させる第１駆動機構と、切削用工具を回転軸に垂直な径方向に相対的に移動させる第２駆動機構と、ワークに対する切削用工具の刃先の位置である刃先位置に応じて、切削用工具の刃先が通る工具軸の延びる方向に切削用工具を変位させる第３駆動機構と、ワークに対する切削用工具の刃先位置に応じて、切削用工具の工具軸のまわりの回転姿勢を調整する第４駆動機構とを備える。

上記加工装置では、第４駆動機構がワークに対する切削用工具の刃先位置に応じて切削用工具の工具軸のまわりの回転姿勢を調整するので、加工時のワークの径方向に沿って向きが一様でない立壁状の形状部分を形成する場合であっても、切削用工具の刃先周辺の形状と目標形状とが干渉することを防止でき、形状劣化が生じることを防止できる。

実施形態に係る加工装置を説明するブロック図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、切削用工具の側面図及び平面図である。 実施形態の加工方法を説明する概念図である。 （Ａ）は、切削用工具の回転姿勢の調整を説明する拡大図であり、（Ｂ）は、切削用工具の傾斜角の調整範囲を説明する図である。 （Ａ）は、第１回転方向の回転による加工を説明する概念的な断面図であり、（Ｂ）は、第２回転方向の回転による加工を説明する概念的な断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図５（Ａ）及び５（Ｂ）を変更した変形例を説明する概念的な断面図である。 （Ａ）は、第１回転方向の回転による加工を説明する平面図であり、（Ｂ）は、第２回転方向の回転による加工を説明する平面図である。 （Ａ）は、加工例を説明する平面図であり、（Ｂ）は、加工例及び切削用工具の姿勢を説明する斜視図である。 図１の装置を用いた製造方法を説明するフローチャートである。 別の加工例を説明する平面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態に係る加工装置及び加工方法について説明する。

図１は、実施形態の加工装置を模式的に説明するブロック図である。図示の加工装置１００は、ワークＷを回転させつつ切削用工具８０を３次元的に変位させる旋盤型の切削加工を可能にするＮＣ駆動機構９１と、ＮＣ駆動機構９１を制御しつつ駆動する駆動制御装置９７と、装置全体の動作を統括的に制御する主制御装置９８とを備える。

ＮＣ駆動機構９１は、台座９４ａ上に第１駆動機構９４ｂと第２駆動機構９４ｃとを載置した構造を有する。ここで、第１駆動機構９４ｂは、ワークスピンドル９５ａを回転可能に支持している。第１駆動機構９４ｂは、駆動制御装置９７に駆動されてワークスピンドル９５ａをＺ軸に平行で水平に延びる回転軸ＲＡのまわりに所望の速度で正転又は逆転させることができるとともに、ワークスピンドル９５ａの回転角又は回転姿勢を検出して駆動制御装置９７に角度情報として出力することができる。一方、第２駆動機構９４ｃは、切削用工具８０を取り付けた可動部９５ｂを支持しており、この可動部９５ｂ内には、第３駆動機構９５ｃ及び第４駆動機構９５ｄが組み込まれている。第２駆動機構９４ｃは、可動部９５ｂ及び切削用工具８０を支持して、これらを水平のＸ軸方向及び鉛直のＹ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で移動させることができる。また、第３駆動機構９５ｃは、可動部９５ｂ内で第４駆動機構９５ｄに支持されており、切削用工具８０を水平のＺ軸方向に沿った所望の位置に所望の速度で進退移動させることができる。第４駆動機構９５ｄは、切削用工具８０を水平に延びるＺ軸方向のまわりに回転させることができる。より具体的には、第４駆動機構９５ｄは、Ｚ軸に平行で水平に延びる切削用工具８０の工具割出し軸又は工具軸ＴＸのまわりに切削用工具８０を回転させ、その回転姿勢を調整することができる。駆動制御装置９７では、第２駆動機構９４ｃ等を介して切削用工具８０又はその刃先８０ａの位置や回転姿勢を制御することができる。
なお、加工対象であるワークＷは、金属、ガラス、セラミックス、樹脂等からなり、それ自体に微細構造を直接切削形成することにより、特殊な回折格子、位相差板等の光学素子に形成されるものであるが、この種の光学素子を樹脂、ガラス等から成形するための型として対応する形状に加工されるものであってもよい。

図２（Ａ）及び２（Ｂ）を参照して、切削用工具８０の主要部の形状について説明する。切削用工具８０は、刃先８０ａとして、実際に切削が行われる先端部８２を有するチップ部８１ａと、チップ部８１ａを支持するシャンク部８１ｂとを有する。チップ部８１ａは、表面側のすくい面８３ａと、先端の第１逃げ面８３ｂと、裏面側の第２逃げ面８３ｃとを有する。チップ部８１ａにおいて、先端部８２の中央又は中心をＺ軸方向に延びるように工具軸（工具割出し軸）ＴＸが通る。工具軸ＴＸに垂直な面に対して第１逃げ面８３ｂがなす角γ１を第１逃げ角と呼び、工具軸ＴＸに垂直な面に対して第２逃げ面８３ｃがなす角γ２を第２逃げ角と呼ぶ。第２逃げ角γ２は、チップ部８１ａの最大逃げ角となっている。第１逃げ面８３ｂの上下方向すなわちＹ軸方向の幅ｔを刃厚と呼ぶ。切削用工具８０の先端部８２は、すくい面８３ａと第１逃げ面８３ｂとの境界に形成される円弧であり、図１に示すワークＷに対して相対的にＹ軸方向に移動することで、ワークＷの表面Ｗａを切削する。具体的な適用例では、第１逃げ角γ１が１０〜６０°に設定され、第２逃げ角γ２が４５〜６０°に設定され、刃厚ｔが０．０５ｍｍ程度以上に設定された。また、すくい面８３ａは、ＸＺ面に略平行に延びているが、根元のシャンク部８１ｂ側で−Ｙ側となるように若干傾いている。なお、図示のチップ部８１ａは、Ｖ字型の先端形状を有するが、用途に応じて半円型等の先端形状を採用することができる。

図１に戻って、駆動制御装置９７は、高精度の数値制御を可能にするものであり、ＮＣ駆動機構９１に内蔵されたモータや位置センサ等を主制御装置９８の制御下で駆動することによって、第１及び第２駆動機構９４ｂ，９４ｃ、第３駆動機構９５ｃ、第４駆動機構９５ｄ等を目的とする状態に適宜動作させる。例えば、第１駆動機構９４ｂによって、ワークスピンドル９５ａ及びワークＷを回転軸ＲＡのまわりに比較的高速で回転させる。第１駆動機構９４ｂによるワークスピンドル９５ａの回転は、例えば正方向のみとすることができるが、正逆の双方向とすることもできる。なお、ワークスピンドル９５ａを＋Ｚ軸方向に見て時計方向（ＣＷ）の回転を正方向の回転とし、ワークスピンドル９５ａを＋Ｚ軸方向に見て反時計方向（ＣＣＷ）の回転を逆方向の回転とする。この際、第１駆動機構９４ｂは、ワークスピンドル９５ａの回転角からワークＷの回転角を割出す。
一方、第２駆動機構９４ｃによって、切削用工具８０の先端部８２の加工点を最初に回転軸ＲＡ上に配置し、つまり回転軸ＲＡと工具軸ＴＸとを一致させ、先端部８２をワークＷ又はワークスピンドル９５ａの径方向であるＸ軸方向に比較的低速で移動（送り動作）させる。これと並行して、第３駆動機構９５ｃは、切削用工具８０の先端部８２をＺ軸方向又は工具軸ＴＸ方向に比較的高速で進退移動させる。この進退移動のうち、＋Ｚ方向は、切削用工具８０の切込み動作又は前進動作に対応し、−Ｚ方向は、切削用工具８０を引込める動作又は後退動作に対応する。このような進退に際して切削用工具８０の刃先８０ａのＺ位置、換言すれば切削用工具８０の刃先８０ａの軸方向位置は、ワークスピンドル９５ａ又はワークＷの回転方向及び回転角と切削用工具８０の径方向位置とに応じて調整される。これにより、ワークＷの表面Ｗａ上の任意の位置に所望の形状を有する鏡面等を形成することができる。ワークＷの表面Ｗａ上に形成される形状には、段差、斜面等の立壁形状のほか、これらと平面、球面、自由曲面等を複合したものが含まれる。さらに、以上の動作に対応させて、第４駆動機構９５ｄは、切削用工具８０の刃先８０ａの回転姿勢を変化させる。すなわち、第４駆動機構９５ｄは、切削用工具８０を水平に延びる工具軸（工具割出し軸）ＴＸのまわりに回転させることにより、切削用工具８０の刃先８０ａの側部８０ｂ等が目標形状と干渉することを防止する。ここで、干渉の原因となる側部８０ｂには、チップ部８１ａの側面のほか、すくい面８３ａの周辺部が含まれる。このような干渉回避を達成すべく、切削用工具８０又は刃先８０ａの回転姿勢又は傾き角は、ワークスピンドル９５ａ又はワークＷの回転方向及び回転角と切削用工具８０の径方向位置とに応じて調整される。これにより、刃先８０ａの側部８０ｂ等が目標形状と干渉することを防止でき、刃先８０ａ自体で目標形状を崩しながら加工することを防止して、表面Ｗａ上に形成される段差、斜面等の立壁形状の加工精度を維持することができる。

主制御装置９８は、ワークＷの加工形状に関する情報を外部から受け付けて保管する記憶部（不図示）を有している。主制御装置９８は、駆動制御装置９７と協働してＮＣ駆動機構９１の動作を制御する制御部となっている。ワークＷの加工形状に関する情報は、第１駆動機構９４ｂ、第２駆動機構９４ｃ、第３駆動機構９５ｃ、第４駆動機構９５ｄ等を動作させる工程に相当するものを含んでおり、より具体的には、主制御装置９８は、ワークＷの設計形状又はこれを実現するために補正を加えた修正形状である目標形状を加工形状情報として受付ける。この加工形状情報は、例えばワークスピンドル９５ａ又はワークＷの回転軸ＲＡからの径方向位置と、当該径方向位置におけるワークスピンドル９５ａの回転角との関数として、切削用工具８０の刃先８０ａの軸方向位置を含むとともに、切削用工具８０の刃先８０ａの回転姿勢（具体的には傾斜角）を含むものとなっている。これにより、第２駆動機構９４ｃからの径方向位置のフィードバックを受けつつ、第１駆動機構９４ｂを介してワークスピンドル９５ａ又はワークＷの回転角を監視し、第３駆動機構９５ｃによって切削用工具８０の軸方向位置を調整するとともに切削用工具８０の回転姿勢を調整することができ、切削用工具８０の先端部８２をワークＷに対して相対的に回転させつつ目標形状に沿って移動させ、かつ、その傾斜姿勢を目標形状に対して適正に保つことができる。
さらに、主制御装置９８では、図２（Ａ）に示す形状を有する切削用工具８０による加工の都合を考慮して、目標形状が溝形状又は畝形状のように反対向きの立壁を含む場合、加工工程を正転のみに限らず正逆の回転に対応する２つの切削工程に分けたものを準備する。すなわち、主制御装置９８は、上記のような径方向位置、回転角、軸方向位置等を含む加工形状情報から、ワークスピンドル９５ａの正転に対応する第１切削工程での切削用工具８０の先端部８２に対応する加工点の軌跡と、ワークスピンドル９５ａの逆転に対応する第２切削工程での切削用工具８０の先端部８２に対応する加工点の軌跡とを算出する。このように、主制御装置９８は、通常ならば一括して行う切削工程を、ワークスピンドル９５ａの正転を利用した第１切削工程と、ワークスピンドル９５ａの逆転を利用した第２切削工程とに分割して行わせることができる。具体的には、ワークスピンドル９５ａを第１回転方向である時計方向（ＣＷ）に回転させる第１切削工程について、切削用工具８０の先端部８２に対応する加工点の軌跡及び刃先８０ａの回転姿勢又は傾斜角を算出するとともに、ワークスピンドル９５ａを第２回転方向である反時計方向（ＣＣＷ）に回転させる第２切削工程について、切削用工具８０の先端部８２に対応する加工点の軌跡及び刃先８０ａの回転姿勢又は傾斜角を算出し、これらを個別に記憶部に保管する。なお、上記した第１切削工程の軌跡や第２切削工程の軌跡は、予め外部で準備され主制御装置９８に入力されるものであってもよい。

以下、図３等を参照して、ワークＷの加工方法の基本概念について説明する。

図１に示すワークＷは、第１駆動機構９４ｂに支持されて、ワークスピンドル９５ａとともに回転軸ＲＡのまわりに時計方向（ＣＷ）又は反時計方向（ＣＣＷ）に回転する。一方、図３に示すようにワークＷを固定して見た場合、切削用工具８０が反対方向に回転し、円形の軌跡Ａを描くことになる。つまり、ワークスピンドル９５ａとともにワークＷが例えば時計方向に回転する場合、回転軸ＲＡから径方向Ｒにおいて半径位置（径方向位置）ｒにある切削用工具８０の刃先８０ａ又は先端部８２は、ワークＷに対して反時計方向である相対的な進行方向又は回転方向Ｄｒに回転する。この際、切削用工具８０の先端部８２の相対的な回転角はθである。つまり、切削用工具８０の刃先８０ａ又は先端部８２のＺ軸方向の座標値ｚｔである軸方向位置を制御することで、円筒座標（ｒ，θ，ｚｔ）で表される刃先８０ａ又は先端部８２の軌跡Ａを設定することができ、ワークＷの表面Ｗａに転写すべき形状を任意に設定することができる。この際、ワークスピンドル９５ａの回転数は、５００ｒｐｍ以下の比較的低速とする。ワークスピンドル９５ａやワークＷの回転数が大きいと、切削用工具８０の刃先８０ａをワークスピンドル９５ａの回転に同期させることが容易でなくなり、加工精度を確保することが容易でなくなるので、ワークスピンドル９５ａの回転数を５００ｒｐｍ以下として、加工精度を簡易に確保できるようにしている。
なお、切削用工具８０の先端部８２の軸方向位置である座標値ｚｔの変化が従来の光学面のように緩やかに変化する経路に相当するものであれば特に問題が生じないが、先端部８２の座標値ｚｔが急激に変化する経路を与えるものである場合、切削用工具８０の刃先８０ａがワークＷに形成すべき目標形状と干渉する問題が生じる。

図３、４等を参照して、切削用工具８０の刃先８０ａがワークＷに形成すべき目標形状と干渉する現象の一例について説明する。

切削用工具８０の刃先８０ａは、図２（Ａ）に示すように、先端部８２だけでなく、先端部８２の近傍に側部８０ｂを有する。このため、ワークＷに加工する目標形状が比較的平坦な場合は特に問題が生じないが、ワークＷに加工する目標形状が溝形状又は畝形状のような急峻な立壁を形成する場合、目標形状が刃先８０ａと干渉する可能性がある。
図４（Ａ）は、目標形状ＯＦが急峻な立壁ＯＷである場合を示している。このような立壁ＯＷを加工する場合において、仮に点線で示すように刃先８０ａのすくい面８３ａが径方向Ｒに延び目標形状ＯＦの立壁ＯＷと平行でないとすると、刃先８０ａのうち先端部８２の外側に隣接する側部８０ｂが目標形状ＯＦの立壁ＯＷにめり込むように配置されるので、これらの間で干渉が生じて、刃先８０ａ自体で目標形状ＯＦを崩しながら加工することになって、加工精度を低下させることになる。その一方で、刃先８０ａのすくい面８３ａが目標形状ＯＦの立壁ＯＷと平行に延びるように配置されるならば、刃先８０ａの側部８０ｂ等が目標形状ＯＦの立壁ＯＷと干渉することを防止でき、刃先８０ａ自体で目標形状ＯＦを崩しながら加工することを防止して加工精度を維持することができる。このため、図３に示すように、刃先８０ａの回転角θ及び径方向Ｒの半径位置ｒ（例えばｒ１，ｒ２）に応じて、刃先８０ａの回転姿勢、すなわち径方向Ｒに対する傾斜角αを調整し、図４（Ａ）に実線で示すようにすくい面８３ａが立壁ＯＷに沿って延びるように配置する。なお、立壁ＯＷを加工しない場合、つまり、比較的平坦な部分を加工する場合、刃先８０ａの傾斜角αをゼロに戻すのが原則である。ただし、このように比較的平坦な部分を加工する場合、刃先８０ａの傾斜角αをゼロに戻さなくても、加工自体は可能であり精度の劣化はない。よって、刃先８０ａの回転角θが立壁ＯＷの位置に対して所定角度以下の範囲内で近づく近傍角度領域では、刃先８０ａの傾斜角αを徐々に増減変化させて、立壁ＯＷに達した状態では、すくい面８３ａが立壁ＯＷに沿って延びるようにする。逆に、刃先８０ａの回転角θが立壁ＯＷの位置に対して所定角度以下の範囲内で離れる近傍角度領域では、刃先８０ａの傾斜角αを徐々にゼロに戻すように変化させる。つまり、立壁ＯＷを加工しない場合、刃先８０ａの傾斜角αの設定にある程度の自由度があるが、刃先８０ａの傾斜角αの変化は、連続的で緩やかなものとすることが望ましい。
図４（Ｂ）は、刃先８０ａの傾斜角αの適正な範囲を説明する図である。刃先８０ａの傾斜角αが±４５°を超えると、すくい面８３ａが刃先８０ａの進行方向に対して大きく傾くことになり、先端部８２による精密な加工が容易でなくなる。図示のように、刃先８０ａの傾斜角αが±４５°の範囲内であれば、刃先８０ａの軌跡に応じた精密な形状加工が比較的容易に達成される。また、刃先８０ａの傾斜角αを４５°に近い比較的大きな角度で変化させる場合、加工精度確保の観点から、ワークスピンドル９５ａやワークＷの回転数を大きくすることは容易でなくなる。このように、刃先８０ａの傾斜角αを比較的大きな角度で変化させる場合、ワークスピンドル９５ａの回転数は、刃先８０ａの傾斜角αの変化速度又は回転数に近づけることが望ましくなる。

さらに、目標形状が溝形状又は畝形状のように反対向きの一対の立壁又は段差を含む場合、図２（Ａ）に示す切削用工具８０の先端部８２に設けられている第２逃げ面（裏面）８３ｃ等がワークＷに形成すべき目標形状と干渉して形状劣化が生じる可能性がある。このような現象は、目標形状の下がり段差の傾斜が第２逃げ角γ２よりも急峻な傾斜を有するような立壁ＯＷの場合に顕著に生じる。

図５（Ａ）及び５（Ｂ）は、切削用工具８０の先端部８２以外の第２逃げ面８３ｃ等がワークＷに形成すべき目標形状と干渉して形状劣化が生じることを回避する手法を説明する断面図である。この断面図は、切削用工具８０の先端部８２の図３に示すような軌跡Ａに沿った断面となっており、図面の縦方向は、±Ｚ軸方向の位置を示し、図面の横方向は、先端部８２の相対的な回転角θに対応する位置を示す。

図５（Ａ）に示すように、ワークＷが第１回転方向である時計方向（ＣＷ）に回転している場合において、目標形状ＯＦに急峻な段差があっても、切削用工具８０の回転方向又は進行方向Ｄｒの先で上がる段差であれば、切削用工具８０を−Ｚ軸方向に後退させて引込めるだけで精密な加工が可能になる。つまり、切削用工具８０の逃げ面８３ｂ，８３ｃと目標形状ＯＦの立壁ＯＷ１とは干渉せず、目標形状ＯＦを劣化させないで加工することができる。一方、ワークＷが時計方向（ＣＷ）に回転している場合において、切削用工具８０の回転方向又は進行方向Ｄｒの先で下がる段差を加工するときは、切削用工具８０を＋Ｚ軸方向に切込むように動作させて切削を行うと、目標形状ＯＦの立壁ＯＷ２の頂点等と切削用工具８０の逃げ面８３ｂ，８３ｃとが干渉して、点線Ｄで示すように立壁ＯＷ２の形状が鈍って加工されることになり、根元に加工残りが発生する。
なお、立壁ＯＷ２が切削用工具８０と干渉する問題は、立壁ＯＷ２の傾斜角Δが切削用工具８０のチップ部８１ａの第２逃げ角γ２よりも大きくなるときに生じる。ただし、チップ部８１ａの第１逃げ面８３ｂが比較的広いときは、立壁ＯＷ２の傾斜角Δが第１逃げ面８３ｂに対応する第１逃げ角γ１よりも大きくなるときにも、同様の干渉の問題が生じる。

そこで、図５（Ｂ）に示すように、図５（Ａ）に示すものと同じ軌跡Ａの一部に関して、ワークＷを第２回転方向である反時計方向（ＣＣＷ）に回転させる。この場合、立壁ＯＷ２の段差が逆転する。つまり、図５（Ａ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転で回転方向又は進行方向Ｄｒに急激に下がる段差である立壁ＯＷ２は、図５（Ｂ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転で回転方向又は進行方向Ｄｒに急激に上がる段差となる。これにより、切削用工具８０を−Ｚ軸方向に引込めるように動作させて切削を行うことで立壁ＯＷ２を形成でき、立壁ＯＷ２の頂点等と切削用工具８０の逃げ面８３ｂ，８３ｃとが干渉して立壁ＯＷ２の形状が鈍って加工されることを確実に防止できる。

結果的に、図５（Ａ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による加工と、図５（Ｂ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による加工とを合成すれば、ワークＷの表面Ｗａに目標形状ＯＦを形成することができることが分かる。この際、図示の例では、目標形状ＯＦのうち急峻な段差でない部分（非立壁状の形状部分）ＯＦ０についても、図５（Ａ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による加工に付加して行うこととしている。つまり、図５（Ａ）に示す第１切削工程で、正転方向の立壁ＯＷ１と急峻な段差でない部分（非立壁状の形状部分）ＯＦ０とを含めたパターンＰＡ１が加工される。そして、次の図５（Ｂ）に示す第２切削工工程で、逆転方向の立壁ＯＷ２及びそれに続く付随部分を含めたパターンＰＡ２が加工される。ただし、急峻な段差でない部分（非立壁状の形状部分）ＯＦ０については、図５（Ｂ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による第２切削工程に付加して行うこともできる。さらに、図５（Ａ）のパターンＰＡ１は、単一の立壁ＯＷ１を含むものに限らず、複数の立壁ＯＷ１を含むものであってもよいが、２つの第１タイプの立壁ＯＷ１の間に第２タイプの立壁ＯＷ２が存在する場合、この立壁ＯＷ２周辺はパターンＰＡ１から外される。つまり、この場合、第１のパターンＰＡ１と、第２のパターンＰＡ２とは、交互に複数回繰り返される要素からなるものとなる。

図５（Ａ）に示す加工と図５（Ｂ）に示す加工とは、ワークＷに対して切削用工具８０が反転する必要があるため一般に同時に行うことができない。よって、一連の目標形状ＯＦであっても時計方向（ＣＷ）の回転による加工と反時計方向（ＣＣＷ）の回転による加工とを切換えて個別に実施する必要があり、回転の切換えに際してワークＷの回転角θがずれないように調整する必要がある。さらに、図５（Ａ）に示す第１切削工程から図５（Ｂ）に示す第２切削工程に切換える際には、通常は切削用工具８０の先端部８２をＺ軸方向にシフトさせる必要があるが、このシフトが大きくなると、先端部８２の位置精度を保つことが容易でなくなる。このため、図５（Ａ）に示す加工から図５（Ｂ）に示す加工に切換える際の先端部８２の変位量又はシフトを２０ｎｍ程度以下とすることが望ましい。ただし、かかる変位量又はシフトが上記２０ｎｍを超えても、先端部８２の刃先位置は、リアルタイム又は事前の計測を用いた制御手法等を用いることで、精密に補正することができる。

また、図５（Ａ）に示す第１切削工程を行う場合、段差が逆の立壁ＯＷ２やこれに付随する手前部分（立壁状の形状部分）を加工しない必要がある。つまり、立壁ＯＷ２を劣化させることを防止するため、立壁ＯＷ２を含む立壁状の形状部分を切削用工具８０が通る際に、切削用工具８０を−Ｚ軸方向に十分なマージンを持って引込める空振りＫが必要となる。この際、切削用工具８０を引込めるマージンは、立壁ＯＷ２の段差量以上を確保する必要があるが、複数の立壁ＯＷ２が存在する場合、最大の段差量以上とする。このような最大段差は、切削用工具８０のＺ軸方向の可動量すなわち最大振幅以下とする必要があり、具体的な実施例では１０００μｍ以下とした。逆に、また、図５（Ｂ）に示す第２切削工程を行う場合、段差が逆の立壁ＯＷ１やこれに付随する手前部分（立壁状の形状部分）を加工しない必要がある。このため、立壁ＯＷ１を含む立壁状の形状部分を切削用工具８０が通る際に、切削用工具８０を−Ｚ軸方向に十分なマージンを持って引込める空振りＫを行っている。

図６（Ａ）及び６（Ｂ）は、図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示す加工動作の変形例を示している。この場合、図６（Ａ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による加工が先行し、図６（Ｂ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による加工が続く。この場合も、図６（Ａ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による第１切削工程と、図６（Ｂ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による第２切削工程とが合成され、ワークＷの表面Ｗａに目標形状ＯＦを形成することができる。この際、目標形状ＯＦのうち急峻な段差でない部分ＯＦ０については、図示の例では、図６（Ａ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による加工に付加して行うこととしているが、図６（Ｂ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による加工に付加して行うこともできる。

以下、図５（Ａ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による第１切削工程と、図５（Ｂ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による第２切削工程とを連続して行う具体的手法について説明する。
図７（Ａ）に示す第１切削工程では、第２駆動機構９４ｃを適宜動作させることにより、切削用工具８０の先端部８２つまり工具軸ＴＸを回転軸ＲＡの−Ｘ軸方向であってワークＷの外周位置からスタートさせて、ワークＷの中心である回転軸ＲＡが通る位置Ｏまで＋Ｘ方向に移動させる。つまり、ワークＷの外周位置から中心の位置Ｏまでが先端部８２の駆動範囲となっている。この際、第２駆動機構９４ｃだけでなく、第３駆動機構９５ｃ及び第４駆動機構９５ｄも、第１駆動機構９４ｂと同期して動作する。これにより、ワークＷの表面Ｗａ全体に図５（Ａ）に例示する第１パターンＰＡ１の加工が、切削用工具８０の回転姿勢を適正に保ちつつ実行される。なお、図７（Ａ）に示すようにワークＷの外周位置から加工を開始する場合、予め刃先８０ａの回転姿勢又は傾斜角αを調整し、すくい面８３ａが立壁ＯＷに沿って延びるように事前準備動作を行うことが望ましい。これにより、刃先８０ａの回転姿勢の調節を精密にでき、ワークＷの外周位置における加工精度を確保することができる。
その後、図７（Ｂ）に示す第２切削工程では、第２駆動機構９４ｃを適宜動作させることにより、切削用工具８０の先端部８２をワークＷの中心である回転軸ＲＡが通る位置Ｏからスタートさせて、回転軸ＲＡの＋Ｘ軸方向であってワークＷの外周位置まで＋Ｘ方向に移動させる。つまり、ワークＷの中心の位置Ｏから外周位置までが先端部８２の駆動範囲となっている。この際、第２駆動機構９４ｃだけでなく、第３駆動機構９５ｃ及び第４駆動機構９５ｄも、第１駆動機構９４ｂと同期して動作する。これにより、ワークＷの表面Ｗａ全体に図５（Ｂ）に例示する第２パターンＰＡ２の加工が、切削用工具８０又は刃先８０ａの回転姿勢を適正に保ちつつ実行さる。結果的に、両パターンＰＡ１，ＰＡ２を合成したものによって、ワークＷの表面Ｗａ上に目標とする形状が得られる。
この場合、図７（Ａ）に示す工程から図７（Ｂ）に示す工程に移る際に、回転方向が変わるため切削用工具８０の先端部８２を若干−Ｚ軸方向に引込めることが望ましいが、引込めるとしても殆ど変位させる必要がないので、切削用工具８０による加工精度を維持しやすい。なお、図７（Ａ）に示す工程から図７（Ｂ）に示す工程に移る際に、切削用工具８０は、そのまま回転しないでも、刃先８０ａのすくい面８３ａが自動的に回転方向又は進行方向Ｄｒを向く。つまり、切削用工具８０の向きを回転方向に対応させて自動的に機能的な意味で反転させることになる。この際、切削用工具８０の回転姿勢を調整することもでき、この場合、刃先８０ａの反転に傾斜角を追加した効果を得ることができる。

なお、図７（Ａ）に示す工程から図７（Ｂ）に示す工程に移る切替えの際には、ワークＷの回転方向の角度関係を整合させること、すなわち加工位置の回転角に関する座標を切換える必要がある。つまり、図７（Ｂ）の加工では、図７（Ａ）の加工における回転角θの符号が反転するとともに位相が１８０°ずれることになる。

図７（Ａ）及び７（Ｂ）に示す切削工程の組み合わせは例示であり、図７（Ｂ）に示すような外向きの切削加工後に、図７（Ａ）に示す内向きの切削加工を行ったり、図７（Ａ）に示す内向きの切削加工を−Ｘ方向に逆進させたような外向きの切削加工を行うこともできる。

図８（Ａ）及び８（Ｂ）を参照して、ワークＷに形成すべき目標形状の具体例について説明する。ワークＷには、上記のような手法によって、らせん形状の微細構造を効率良く、かつ、高精度に作製することができ、これにより、高精度のらせん状の回折格子を得る。加工形状ＰＡの具体例であるらせん形状は、溝１ａ又は突起１ｂが径方向外側に広がるように湾曲して延びており、各溝１ａ又は突起１ｂの円周方向断面は矩形となっている。この場合、目標形状の立壁ＯＷの面方向が刃先８０ａの径方向Ｒの半径位置ｒの増加に伴って徐々に時計方向に回転するので、刃先８０ａの傾斜角αを半径位置ｒに合わせて徐々に増加させる、つまり時計方向に回転させる必要がある。さらに、目標形状の突起１ｂを構成する立壁ＯＷが、ワークＷが時計方向（ＣＷ）に回転している場合の立壁ＯＷ１と、ワークＷが反時計方向（ＣＣＷ）に回転している場合の立壁ＯＷ２とを含むので、上記のように、図５（Ａ）に例示するような時計方向（ＣＷ）の回転による第１切削工程と、図５（Ｂ）に例示するような反時計方向（ＣＣＷ）の回転による第２切削工程とを連続して行うことになる。

図９を参照して、図１の加工装置１００を用いた加工方法の全体について簡単に説明する。まず、主制御装置９８は、外部又は記憶部から対象とするワークＷに関する加工形状情報を取り込む（ステップＳ１１）。次に、主制御装置９８は、ステップＳ１１で取り込んだ加工形状情報から、第１回転方向である時計方向（ＣＷ）の回転に適合させた第１切削工程に関して加工点の軌跡及び刃先８０ａの傾斜角を算出するとともに、反時計方向（ＣＣＷ）の回転に適合させた第２切削工程に関して加工点の軌跡及び刃先８０ａの傾斜角を算出する。つまり、加工形状情報を加工して第１及び第２回転方向に関する２つの分離された加工データを得る（ステップＳ１２）。この際、図７（Ａ）及び７（Ｂ）等を参照して説明したように、２つの加工データは、回転角θの符号を反転させるとともに位相を１８０°ずらすことで整合性が保たれる。さらに、干渉を避けるべく各加工データに対して空振り量が適宜設定される。次に、主制御装置９８は、駆動制御装置９７を介してＮＣ駆動機構９１を適宜動作させ、第１回転方向である時計方向（ＣＷ）の第１切削工程に適合するようにワークＷの回転角と切削用工具８０の径方向位置とを初期化する（ステップＳ１３）。次に、主制御装置９８は、駆動制御装置９７を介してＮＣ駆動機構９１を適宜動作させ、第１回転方向の加工すなわち第１切削工程を実行する（ステップＳ１４）。これにより、図５（Ａ）に例示するような加工が刃先８０ａの回転姿勢又は傾斜角を適正に設定しつつ行われる。次に、主制御装置９８は、駆動制御装置９７を介してＮＣ駆動機構９１を適宜動作させ、第２回転方向である反時計方向（ＣＣＷ）の第２切削工程に適合するようにワークＷの回転角と切削用工具８０の径方向位置とを初期化する（ステップＳ１５）。次に、主制御装置９８は、駆動制御装置９７を介してＮＣ駆動機構９１を適宜動作させ、第２回転方向の加工すなわち第２切削工程を実行する（ステップＳ１６）。これにより、図５（Ｂ）に例示するような加工が刃先８０ａの回転姿勢又は傾斜角を適正に設定しつつ行われる。

本実施形態に係る加工方法によれば、ワークＷに対する切削用工具８０の刃先位置に応じて切削用工具８０の工具軸ＴＸのまわりの回転姿勢を調整するので、加工時の径方向Ｒに沿って向きが一様でない立壁ＯＷを形成する場合であっても、切削用工具８０の刃先８０ａの側部８０ｂと目標形状ＯＦとが干渉することを防止でき、得られる形状に形状劣化が生じることを防止できる。

以上、本実施形態に係る加工方法等について説明したが、本発明に係る加工方法は、上記のものには限られない。例えば、上記実施形態では、切削用工具８０をＺ軸方向に進退させるとともにＸ軸方向に走査移動させたが、ワークＷ側をＺ軸方向に進退させるとともにＸ軸方向に走査移動させることもできる。

また、上記実施形態では、ワークＷ側を回転させたが、ワークＷ側を回転させないで切削用工具８０側を回転させることによっても同様の加工が可能になる。

また、図４（Ａ）に示す時計方向（ＣＷ）の回転による第１切削工程と、図４（Ｂ）に示す反時計方向（ＣＣＷ）の回転による第２切削工程との間で例えば誤差が生じる場合、これを補償するような制御を行うこともできるが、結果的に形成される意図しない段差が低いものであれば事後的に除去することもできる。段差の除去方法として、例えばＧＣＩＢ（Gas Cluster Ion Beam）のようなビーム加工型の研磨法を用いることができる。

以上では、第１切削工程と第２切削工程とに分けたが、３つ以上の切削工程に分割してこれらを順次行うこともできる。

以上では、加工形状ＰＡとしてらせん状の回折格子の作製を図示したが、本発明はこれに限ることなく、本発明の手法により多様な面を含む各種光学素子、その成形金型等を上記加工方法によって作製することができる。図１０に、加工形状ＰＡとして、扇状の領域にストライプ状に延びる多数の突起からなる回折格子を形成したものを例示した。このような光学素子も本発明の手法により精密かつ効率的に作製することができる。
また、ワークＷに形成すべき目標形状は、図８（Ｂ）等に示すように円周方向断面が矩形のものに限る必要はなく、円周方向断面が三角形又は鋸歯状であってもよい。この場合、図５（Ａ）に示す第１切削工程のみでワークＷの加工を完結することも可能になる。

Ａ…軌跡、 ＴＸ…工具軸、 ＲＡ…回転軸、 Ｗ…ワーク、 ＯＦ…目標形状、 ＯＷ…立壁、 ＯＷ１…立壁、 ＯＷ２…立壁、 ８０…切削用工具、 ８０ｂ…側部、 ８１ａ…チップ部、 ８２…先端部、 ８１ａ…チップ部、 ８１ｂ…シャンク部、 ８２…先端部、 ８３ａ…すくい面、 ８３ｂ，８３ｃ…逃げ面、 ９１…ＮＣ駆動機構、 ９４ｂ…第１駆動機構、 ９４ｃ…第２駆動機構、 ９５ａ…ワークスピンドル、 ９５ｃ…第３駆動機構、 ９５ｃ…第３駆動機構、 ９７…駆動制御装置、 ９８…主制御装置、 １００…加工装置

Claims (8)

1. 刃先にすくい面及び逃げ面を有する切削用工具に対してワークを回転させつつ前記切削用工具をワークの径方向に相対的に移動させ、ワークに対する前記切削用工具の前記刃先の位置である刃先位置に応じて前記刃先が通る工具軸の延びる方向に前記切削用工具を変位させることによって、ワークの切削加工を行う加工方法であって、
   ワークに対する前記切削用工具の前記刃先位置に応じて、前記切削用工具の前記工具軸のまわりの回転姿勢を調整することを特徴とする加工方法。
2. 前記切削用工具の前記刃先に対するワークの相対的な回転角と、ワークに対する前記刃先の回転軸を基準とする径方向位置とに応じて、前記刃先の前記工具軸のまわりの前記径方向を基準としての傾斜角を調整することを特徴とする請求項１に記載の加工方法。
3. 前記刃先の前記工具軸のまわりの傾斜角は、最大で±４５°の範囲で変化させることを特徴とする請求項２に記載の加工方法。
4. 前記切削用工具に対するワークの回転速度は、５００ｒｐｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加工方法。
5. ワークに形成される立壁状の形状部分に沿うように前記刃先の前記工具軸のまわりの回転姿勢を変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の加工方法。
6. 前記刃先に対してワークを一方の第１回転方向に回転させつつ、少なくとも前記刃先の進行方向に関して所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を、前記刃先を引込める動作によって選択的に加工し、
   前記刃先に対してワークを他方の第２回転方向に回転させつつ、少なくとも前記刃先の進行方向に関して所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を、前記刃先を引込める動作によって選択的に加工し、
   前記第１及び第２回転方向のいずれかの回転に付随して、前記所定傾斜角以上の立壁状の形状部分を除いた非立壁状の形状部分を、前記刃先を切込ませ又は引込める動作によって加工することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の加工方法。
7. ワークに形成される立壁状の形状部分の段差量は、前記切削用工具の軸方向位置の最大振幅以下であることを特徴とする請求項５及び６のいずれか一項に記載の加工方法。
8. 刃先にすくい面及び逃げ面を有する切削用工具と、
   前記切削用工具に対してワークを回転軸のまわりに相対的に回転させる第１駆動機構と、
   前記切削用工具を前記回転軸に垂直な径方向に相対的に移動させる第２駆動機構と、
   ワークに対する前記切削用工具の前記刃先の位置である刃先位置に応じて、前記切削用工具の前記刃先が通る工具軸の延びる方向に前記切削用工具を変位させる第３駆動機構と、
   ワークに対する前記切削用工具の前記刃先位置に応じて、前記切削用工具の前記工具軸のまわりの回転姿勢を調整する第４駆動機構と、
   を備えることを特徴とする加工装置。

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