(57)【要約】【課題】研磨粒子を含む加工流体を用いた研磨加工において、広い空間波長域で高精度な表面加工を行う。【解決方法】被加工物２に対して矢印で示す方向に走査するヘッド４に、ノズル口径の異なる複数のノズル３ａ〜３ｃを設け、各ノズル３ａ〜３ｃごとに異なる空間波長域における除去量を設定する。大きい空間波長域に対応するノズルから順次選択して、加工流体を噴射しながら走査させ、各ノズル口径に合わせた除去量になるように、それぞれ独立して研磨原液の供給量を制御することで、広い空間波長域を精度良く研磨する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨粒子を含む加工流体をノズルから噴射することによって被加工物の表面を加工する表面加工方法において、
研磨除去する目標加工量を、０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域に対応するように分割し、各空間波長域ごとに異なるノズル口径を選択する工程と、
前記ノズル口径を有するノズルから加工流体を噴射しながら被加工物の表面を走査させることで、各空間波長域ごとに分割された目標加工量で被加工物の表面を加工する工程と、を有することを特徴とする表面加工方法。
【請求項２】
前記ノズルから噴射される加工流体の研磨粒子含有量を、各空間波長域における目標加工量及び前記ノズル口径に応じて制御することを特徴とする請求項１に記載の表面加工方法。
【請求項３】
ノズル口径の異なる複数のノズルを用いて加工することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面加工方法。
【請求項４】
前記複数のノズルから同時に加工流体を噴射して加工することを特徴とする請求項３に記載の表面加工方法。
【請求項５】
前記複数のノズルを、走査方向に向かってノズル口径が大きくなるように並べて走査させることを特徴とする請求項４に記載の表面加工方法。
【請求項６】
研磨粒子を含む加工流体をノズルから噴射することによって被加工物の表面を加工する表面加工装置において、
それぞれノズル口径の異なる複数のノズルを有するヘッドと、
前記複数のノズルにそれぞれ加工流体を供給するための機構と、
前記複数のノズルに供給する加工流体の研磨粒子含有量を各ノズルごとに調整する機構と、
前記ヘッドを被加工物の表面で走査させる機構と、を備えており、
前記複数のノズルは、０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域にそれぞれ対応するように選択されたノズル口径を有することを特徴とする表面加工装置。
【請求項７】
前記ヘッドの走査方向に向かってノズル口径が大きくなるように前記複数のノズルを並べていることを特徴とする請求項７に記載の表面加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズ、ミラー等の光学素子や金型の表面を高精度に加工する表面加工方法及び表面加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被加工物の表面を加工する方法として、研磨粒子と水や空気といった流体との混合物である加工流体をノズルから噴射し、被加工物の表面を加工する方法がある。このような加工では、加工流体の噴射圧力、ノズルもしくは被加工物を移動する速度、ノズルと被加工物表面との距離、加工流体に含まれる研磨粒子の種類や量などを変えることで、被加工物表面の目的とする加工領域を、所望の加工量で加工を行う。
【０００３】
例えば、流体ジェットとノズルとの間隔を変更制御できるようにし、使用される流体の種類、圧力、研磨粒子の粒度、比重などに対応して加工条件を調整して加工する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、気体式ブラストノズルを、連続的に搬送される鋼板の板幅方向に複数本配置し、個別または予め設定した組み合わせごとに、各ノズルからの研磨粒子の噴射条件を調整して鋼板表面を加工する加工方法も知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−０５５４５１号公報
【特許文献２】特開２００３−３０５６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示された構成では、ノズルと被加工物表面の相対位置を変えずに一定時間加工することで作られるスポット形状が等方性であるといった特徴がある。このようなノズルを用いて自由曲面を加工する場合は、ノズルと被加工面を相対的に移動させて直線溝状に均一な深さで部分除去を行う。さらに、その状態を保ったまま、被加工面もしくはノズルを送りピッチ分だけ一定間隔でずらして重ねることにより、被加工物の表面を加工する。この加工方法をレンズやミラー等の光学素子あるいは金型表面の高精度加工に適用すると、加工時間、加工精度の問題が生じる。
【０００７】
例えば、空間波長０．３〜３００ｍｍの範囲において高精度な加工を行う場合では、二通りの方法が考えられる。一つ目は最も短い空間波長以下のスポット径にして加工する方法である。二つ目の方法は幾つかのスポット径により加工する方法である。
【０００８】
ノズル１個で加工を行う場合は、上記一つ目の方法では最も短い波長にあわせた工具サイズを用いる必要があるため、広い領域を加工する場合、加工時間がかかってしまう。上記二つ目の方法では、ワーク・ノズル間距離、噴射圧力などの噴射条件によりスポット径を変えようとしても、スポット径を１〜１０００倍に変更するといったことはできない。一般的にコサイン形状に近いスポット形状の直径をｄとした場合、被加工物表面を加工できる空間波長は主にｄ／２以上であることが知られている。そのため、高精度加工が必要な空間波長域が０．３〜３００ｍｍといった場合には対応できない。また、噴射条件を変えることで、単位時間あたりの加工量も変わってしまう。
【０００９】
加工時間の問題に対する解決策としては、特許文献２に開示されているような複数のノズルを設置することが考えられる。しかしこの方法もノズル口径が一定では、スポット径を１〜１０００倍に変更するといったことはできず、０．３〜３００ｍｍの広い空間波長域の加工に対応できない。また、噴射条件を変えることで、単位時間あたりの加工量も変わってしまう。さらに、離散的に存在するノズルにより加工するこの加工方法は、平面加工は容易に行えるが、自由曲面を加工するのは非常に困難である。
【００１０】
本発明は、レンズやミラー等の光学素子あるいは金型等の表面を広い空間波長域に対して高精度に加工することのできる表面加工方法及び表面加工装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明の表面加工方法は、研磨粒子を含む加工流体をノズルから噴射することによって被加工物の表面を加工する表面加工方法において、研磨除去する目標加工量を、０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域に対応するように分割し、各空間波長域ごとに異なるノズル口径を選択する工程と、前記ノズル口径を有するノズルから加工流体を噴射しながら被加工物の表面を走査させることで、各空間波長域ごとに分割された目標加工量で被加工物の表面を加工する工程と、を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の表面加工装置は、研磨粒子を含む加工流体をノズルから噴射することによって被加工物の表面を加工する表面加工装置において、それぞれノズル口径の異なる複数のノズルを有するヘッドと、前記複数のノズルにそれぞれ加工流体を供給するための機構と、前記複数のノズルに供給する加工流体の研磨粒子含有量を各ノズルごとに調整する機構と、前記ヘッドを被加工物の表面で走査させる機構と、を備えており、前記複数のノズルは、０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域にそれぞれ対応するように選択されたノズル口径を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
目標加工量を０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域に分割し、分割された目標加工量を、各空間波長域ごとに異なるノズル口径を有するノズルを用いて加工することによって、広範囲な空間波長域における高精度な表面加工を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態による表面加工装置を示す模式図である。
【図２】図１の装置の加工時のヘッドの走査軌跡を示す図である。
【図３】第２の実施形態による表面加工装置を示す模式図である。
【図４】図３の装置の加工時のヘッドの走査軌跡を示す図である。
【図５】第１及び第２の実施形態に用いるノズル構成を示す図である。
【図６】スポット径に対する除去量の決定方法を説明するためのグラフである。
【図７】加工流体中に含まれる研磨粒子の濃度と除去レートの関係を示すグラフである。
【図８】加工前の被加工物の表面形状を示す図である。
【図９】実施例１による加工後の被加工物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】実施例２による加工後の被加工物の表面形状を測定した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は第１の実施形態による表面加工装置を示すもので、Ｘ、Ｙの各軸方向に移動可能な走査機構であるステージ１上に被加工物２が設置され、被加工物２と対向する位置に、ノズル口径の異なる複数のノズル３ａ〜３ｃを備えたヘッド４が設置されている。各ノズル３ａ〜３ｃにはそれぞれ噴射用流体供給管５が配置され、噴射用流体供給機構６に噴射圧調整弁７を介して接続されている。また、各ノズル３ａ〜３ｃにはそれぞれ研磨原液供給管８が配置され、研磨原液供給機構９に供給量調整弁１０を介して接続されている。研磨原液供給機構９から研磨原液供給管８を経て研磨粒子を含んだ研磨原液が各ノズル３ａ〜３ｃに供給される。各ノズル３ａ〜３ｃにおいて、噴射用流体と研磨原液を混合することで加工流体１１を形成する。加工流体１１の噴射圧は噴射用流体供給機構６により発生させ、各ノズルごとに噴射圧調整弁７により調整する。また、供給量調整弁１０により供給する研磨原液の量を調整することで、各ノズルに供給する加工流体１１に含まれる研磨粒子の濃度（研磨粒子含有量）を調整する。
【００１６】
図２は、図１の装置による加工時の被加工物２に対するヘッド４の走査軌跡を示す。走査開始位置１２からヘッド４を＋Ｘ方向に一定間隔Ｐで送りながら、±Ｙ方向に走査し、ヘッド４が走査終了位置１３に到達するまで、ノズル３ａ〜３ｃのうちの１つから加工流体１１を噴射することで被加工面を加工する。走査開始位置１２を原点とし、走査時にヘッド４の基準位置（重心位置）のＸ、Ｙの各座標位置を図示しない位置センサにより計測する。計測したヘッド４の重心座標は、図示しない伝送ケーブルを介して加工制御装置に送信され、ヘッド４の重心位置によりノズル３ａ〜３ｃの加工条件を決定する。決定した加工条件は伝送ケーブルを介して供給量調整弁１０に伝送され、各空間波長域ごとに所望の除去量になるように研磨原液量が調整される。
【００１７】
複数のノズル３ａ〜３ｃについては、被加工物１の表面で研磨除去する目標加工量を、０．３ｍｍ以上の複数の空間波長域に対応するように分割し、各空間波長域ごとに異なるノズル口径を選択する。
【００１８】
ノズル３ａ〜３ｃのうちの１つを用いて加工流体を噴射しながら被加工物２の表面を走査する工程を、複数の空間波長域のすべてにおいて、それぞれ分割された目標加工量（除去量）で繰返すことで、被加工物２の表面加工を行う。
【００１９】
図３は第２の実施形態による表面加工装置を示す。Ｘ、Ｙの各軸方向に移動可能なステージ２１上に被加工物２２が設置され、被加工物２２と対向する位置にノズル口径の異なる複数のノズル２３ａ〜２３ｅを備えたヘッド２４が設置されている。各ノズル２３ａ〜２３ｅの並び方向にステージ２１を走査させる。矢印で示すヘッド２４の走査方向に向かって、各ノズル２３ａ〜２３ｅのノズル口径が徐々に変化するように配置する。各ノズル２３ａ〜２３ｅにそれぞれ噴射用流体供給管２５が配置され、噴射用流体供給機構２６に噴射圧調整弁２７を介して接続されている。各ノズル２３ａ〜２３ｅにそれぞれ接続された研磨原液供給管２８は、研磨原液供給機構２９に供給量調整弁３０を経て接続されている。研磨原液供給機構２９から研磨原液供給管２８を介して研磨粒子を含んだ研磨原液が各ノズル２３ａ〜２３ｅに供給される。各ノズル２３ａ〜２３ｅにおいて、噴射用流体と研磨原液を混合することで加工流体３１を形成する。加工流体３１の噴射圧は噴射用流体供給機構２６により発生させ、噴射圧調整弁２７により調整する。供給量調整弁３０により供給する研磨原液の量を調整することで、加工流体３１に含まれる研磨粒子の濃度（研磨粒子含有量）を調整する。
【００２０】
ノズル２３ａ〜２３ｅは、走査方向に変化するノズル口径を有し、中央のノズル２３ｃのノズル口径を最大とし、端部のノズル２３ａ、２３ｅに向かって段階的にノズル口径を小さくする。
【００２１】
図４は、図３の装置による加工時のヘッド２４の走査軌跡を表す。走査開始位置３２からヘッド２４を＋Ｘ方向に一定間隔Ｐで送りながら、±Ｙ方向に走査し、ヘッド２４が走査終了位置３３に到達するまで被加工面を加工する。ヘッド２４の走査方向に向かってノズル口径が大きくなるように、例えば−Ｙ方向の走査では、ノズル２３ａ、２３ｂ、２３ｃを選択する。走査開始位置３２を原点とし、走査時にヘッド２４の重心位置のＸ、Ｙの各座標位置を図示しない位置センサにより計測する。計測したヘッド２４の重心座標は、図示しない伝送ケーブルを介して加工制御装置に送信され、ヘッド２４の重心位置と予め決められている重心位置からの各ノズル２３ａ〜２３ｅの位置により各ノズル２３ａ〜２３ｅの加工条件を決定する。決定した加工条件は伝送ケーブルを介して供給量調整弁３０に伝送され、各ノズルごとに分割された目標加工量である所望の除去量になるように研磨原液量が調整される。
【００２２】
図５は、第１及び第２の実施形態に用いたノズル構成を示す。ノズル１０１には、噴射用供給圧力機構より噴射用流体１０２が供給される。また、研磨液供給機構より研磨原液１０３が供給ノズル１０４を介してノズル１０１に供給される。研磨原液１０３は噴射用流体１０２と混ざることで加工流体１０５となり、ノズル１０１より噴射される。
【００２３】
図６は、第１及び第２の実施形態における各ノズルの除去量の決定方法を示す。図６（ａ）に示すように、加工前形状Ａを目標形状Ｂに加工するに当たり、被加工面の形状評価については、うねり成分の量を空間周波数ごとに表すパワーススペクトル密度（ＰＳＤ）を用いる。加工対象とする空間波長域を３０ｍｍ以上、３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上に分割し、それぞれの空間波長域に対して、スポット径を３０ｍｍ、３ｍｍ、０．３ｍｍとする。予め、各スポット径について除去量とＰＳＤの関係を求めておく。例えば図６（ｂ）にグラフＣ１、Ｃ２で示すように、スポット径３ｍｍについて除去量２００ｎｍ、４００ｎｍの場合のＰＳＤを求める。このように、予め求めておいた各スポットについての各除去量とＰＳＤの関係から、使用するスポット径に対して各空間波長域で目標形状になるような除去量（分割された目標加工量）を求める。また、被加工面の各位置における除去量は、予め計測した加工面形状に応じて決定しておく。
【００２４】
図７は、第１及び第２の実施形態に用いた加工流体中に含まれる研磨粒子の濃度と除去レートの関係を示すグラフである。図８は、加工前の被加工物の表面形状を示す。なお、空間波長域を３つに限らず、任意の複数の領域に分けてもよい。流量調整弁には電磁弁、電動弁、ピンチ弁等を用いることが可能である。噴射用流体供給機構、研磨原液供給機構には軸流式、遠心式、往復式、回転式等を用いることが可能である。被加工物を移動させるステージの駆動方式には、超音波方式、電磁方式、圧電素子方式などを用いることが可能である。ステージのガイドには、エア方式、ボール方式、ローラ方式などを用いることが可能である。ノズル口径の異なる複数のノズルを用いる代わりに、ノズル口径を可変であるノズルを用いることも可能である。
【実施例１】
【００２５】
図１の表面加工装置を用いて表面加工を行った。研磨原液は水を主溶媒とし酸化セリウム（３０重量％、平均粒径０．２５μｍ）を分散させたものを用いた。噴射流体には水を用いた。加工対象とする空間波長域を３０ｍｍ以上、３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上に分け、それぞれの波長域に対して、スポット径３０ｍｍ、３ｍｍ、０．３ｍｍを用いることとした。初期噴射圧を５Ｍｐａとし、３つのノズルには、それぞれ噴射圧５Ｍｐａにおいてスポット径を０．３ｍｍ、３ｍｍ、３０ｍｍとするようなノズル口径を用いた。被加工物には石英ガラスを用いた。加工評価領域は直径６０ｍｍの円内とした。加工はスポット径３０ｍｍ、３ｍｍ、０．３ｍｍの順で行った。スポット径０．３ｍｍ、３ｍｍ、３０ｍｍに対して、送りピッチをそれぞれ０．０３ｍｍ、０．３ｍｍ、３ｍｍとした。それぞれのノズルの移動速度（走査速度）は５ｍｍ／ｓｅｃで一定とし、被加工面の各位置における除去量に応じて、噴射する加工流体に含まれる研磨粒子の濃度を変化させた。
【００２６】
図９は、実施例１による加工工程において、各ノズルによって走査後の加工面形状を測定した測定結果を示すグラフである。総加工時間は約７．４時間を要し、空間波長０．３〜３０ｍｍの範囲において約０．２３ｎｍＲＭＳであった。ヘッドの位置決め精度は±２μｍ、各ノズル中心の相対位置誤差は±３μｍであった。
【実施例２】
【００２７】
図３の装置を用いて表面加工を行った。研磨原液は水を主溶媒とし酸化セリウム（３０重量％、平均粒径０．２５μｍ）を分散させたものを用いた。噴射流体には水を用いた。加工対象とする空間波長域を３０ｍｍ以上、３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以上に分け、それぞれの波長域に対して、スポット径を３０ｍｍ、３ｍｍ、０．３ｍｍを用いることとした。初期噴射圧を５Ｍｐａとし、噴射圧５Ｍｐａにおいてスポット径をそれぞれ０．３ｍｍ、３ｍｍ、３０ｍｍ、３ｍｍ、０．３ｍｍとするような６つのノズル径を用いた。被加工物には石英ガラスを用いた。加工評価領域は直径６０ｍｍの円内とした。加工はスポット径３種類を同時に用いて行った。送りピッチは０．０３ｍｍとした。ヘッドの移動速度（走査速度）は５ｍｍ／ｓｅｃで一定とし、被加工面の各位置における除去量に応じて、噴射する加工流体に含まれる研磨粒子の濃度を変化させた。
【００２８】
図１０は、実施例２において、ヘッドを走査後の加工面形状を測定した結果を示すグラフである。総加工時間は約６．７時間を要し、空間波長０．３〜３０ｍｍにおいて約０．１９ｎｍＲＭＳであった。ヘッドの位置決め精度は±２μｍ、各ノズル中心の相対位置誤差は±３μｍであった。加工結果の計測には白色干渉計を用いた。
【符号の説明】
【００２９】
１、２１    ステージ
２、２２    被加工物
３ａ〜３ｃ、２３ａ〜２３ｅ、１０１    ノズル
４、２４    ヘッド
５、２５    噴射用流体供給管
６、２６    噴射用流体供給機構
７、２７    噴射圧調整弁
８、２８    研磨原液供給管
９、２９    研磨原液供給機構
１０、３０    供給量調整弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010228086.tif 000011
【図１０】
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