(57)【要約】【課題】  研磨ヘッドの位置及び姿勢が同時に変化しても、研磨荷重を常に目標値に保つことができる研磨装置を実現する。【解決手段】  研磨ヘッド１に取り付けられた加速度検出部１０は、研磨工具９が被研磨面１７を押し付ける方向（Ｚ方向）の加速度を検出する。検出される加速度は、重力加速度と研磨ヘッド１の移動に伴う加速度のＺ方向成分の和である。加速度検出部１０の検出値に基づいて、研磨ヘッド１の位置及び姿勢の変化による研磨荷重への影響を算出し、研磨工具９を押し付ける荷重を制御することで、研磨荷重を目標値に保つ。【選択図】  図１
2010234520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨工具の位置及び姿勢を変化させながら被加工物を研磨する研磨装置において、
前記研磨工具と、
前記研磨工具を前記被加工物に押し付ける方向に前記研磨工具とともに移動する可動部と、
前記可動部を移動させて前記研磨工具を前記被加工物に押し付ける荷重を発生する荷重発生手段と、
前記研磨工具と前記被加工物の相対的な位置及び姿勢を変化させる手段と、
前記可動部の重心の加速度を検出する加速度検出手段と、
前記検出された可動部の重心の加速度に基づいて、前記荷重発生手段により発生させる荷重の大きさを制御する制御手段と、を有することを特徴とする研磨装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記検出された可動部の重心の加速度に基づいて、前記荷重発生手段により発生させる荷重の大きさＦを以下のように制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
Ｆ＝ｆ０−ＭＧ
ｆ０：研磨工具による研磨荷重の目標値
Ｍ：研磨工具とともに移動する可動部の質量
Ｇ：前記検出された可動部の重心の加速度
【請求項３】
前記加速度検出手段は、前記可動部の重心に配置された加速度センサであり、前記検出された前記可動部の重心の加速度は、前記可動部の重心に配置された加速度センサによって検出された値であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項４】
前記加速度検出手段は、前記可動部の重心を含む直線上の２箇所に配置された加速度センサにより構成され、前記２箇所に配置された加速度センサによって検出された値から、前記可動部の重心の加速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【請求項５】
前記加速度検出手段は、４箇所に配置された加速度センサにより構成され、前記４箇所に配置された加速度センサによって検出された値から、前記可動部の重心の加速度を算出することを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズやミラー等の被加工物を高精度に研磨加工する研磨装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、レンズやミラーといった光学素子においては、より高い精度が求められている。より精度の高い研磨加工を実現するためには、研磨除去量を高精度に制御する必要がある。一般に、研磨除去量は、研磨工具と被研磨面との接触圧力、研磨工具と被加工物の相対速度、加工時間に比例することが経験的に知られている。従って、研磨除去量を高精度に制御するためには、研磨工具と被研磨面との接触圧力（研磨荷重）を高精度に制御する必要がある。そのため、特許文献１に開示されたように、研磨荷重が加工面の法線方向に作用するように研磨ヘッドの位置及び姿勢を制御し、研磨工具をあらかじめ定められた走査速度分布及び設計形状データに従って走査しながら研磨加工を行う研磨装置がある。しかし、被加工物の形状によっては、研磨荷重を被研磨面の法線方向に一致させるために、研磨ヘッドの姿勢を変化させなくてはならない。
【０００３】
研磨ヘッドの姿勢変化は、研磨荷重の変動を引き起こし、安定した除去量を得られないという傾斜の問題を引き起こす。このような問題に対しては、研磨ヘッドの傾斜角度を検出して、検出した角度により研磨荷重の補正を行う研磨装置（特許文献２参照）が知られている。
【０００４】
また、研磨ヘッドが移動する時の加速度は、研磨ヘッドに慣性力を発生させ、その一部が研磨荷重に作用し、研磨荷重を変動させるという慣性力の問題を引き起こす。このような問題に対しては、工具駆動部が有する位置検出器の検出結果から加速度を算出し、加速度に基づいて慣性力を求めて研磨荷重の補正を行う研磨装置（特許文献３参照）が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３３０４９９４号公報
【特許文献２】特開平８−１４１８９９号公報
【特許文献３】特開平１０−２６４０２１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、研磨装置における研磨ヘッドでは、前記傾斜の問題と前記慣性力の問題が同時に生じ、研磨荷重の変動を引き起こす場合があるため、上記従来の技術では対応するのが難しい。
【０００７】
本発明は、研磨ヘッドが姿勢変化を伴いながら移動した場合でも、安定した研磨荷重を得ることができる研磨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】
【０００８】
本発明の研磨装置は、研磨工具の位置及び姿勢を変化させながら被加工物を研磨する研磨装置において、前記研磨工具と、前記研磨工具を被加工物に押し付ける荷重を発生する荷重発生手段と、前記研磨工具と被加工物の相対的な位置及び姿勢を変化させる手段と、前記研磨工具を被加工物に押し付ける方向の、前記研磨工具の加速度成分を検出する加速度検出手段と、前記加速度検出手段の検出値に基づいて、前記荷重発生手段により発生させる荷重の大きさを制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記構成によれば、研磨工具の荷重方向の加速度成分に基づいて荷重発生手段を制御することで、研磨工具が姿勢を変化させ傾斜したり、加減速を行いながら移動したり、傾斜と加減速が同時に行われたりしても、研磨荷重を常に目標値に保つことができる。すなわち、傾斜と慣性力による研磨荷重への影響を同時に排除できる。
【００１０】
位置及び姿勢の変化による荷重変動を補正するためのセンサが１つですむため、研磨ヘッドの製作コストを低くできる。また、荷重変動を補正するために必要な演算が簡易なものになり、複雑な演算器を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一実施形態による研磨装置を示す模式図である
【図２】図１の装置の研磨ヘッドの構成を示す模式断面図である
【図３】一変形例による研磨ヘッドの構成を示す模式断面図である
【図４】加速度センサを２個配置した研磨ヘッドの構成を示す模式図である
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、一実施形態による研磨装置を示すもので、この研磨装置は、研磨ヘッド１と、リンク機構２と、荷重制御部３と、工具駆動制御部４と、主制御装置５とを備える。
【００１４】
図２に示すように、研磨ヘッド１は、荷重発生部６と、荷重検出部７と、工具駆動部８と、研磨工具９と、加速度検出部（加速度検出手段）１０と、筐体１１と、ガイド１２と、可動体１３と、ピストン１４と、を含んで構成されている。
【００１５】
工具駆動部８は、工具駆動制御部４からの指示に従って研磨工具９を回転させ研磨を行う。
【００１６】
本実施形態においては、研磨工具９の回転軸は、Ｘ軸に平行に設置されているが、研磨工具回転軸の方向は、これに限定されるものではない。例えば、図３に示すように、工具回転軸をＺ軸に平行に配置した研磨工具２９を用いる構成でもよい。
【００１７】
また、本実施形態では、研磨工具９を回転させているが、研磨工具９の運動は、回転に限定されるものではない。研磨工具９の運動としては、揺動や固定、回転と揺動の組み合わせなどが適用可能である。工具駆動部８は、筐体１１に固定されたガイド１２に沿って移動する可動体１３に固定されている。なお、工具駆動部８及び研磨工具９とともに移動する可動体１３、加速度検出部１０等をまとめて、”可動部”と呼ぶ。
【００１８】
可動体１３は、研磨ヘッド１の筐体１１の内部に設置されているガイド１２に沿って、Ｚ方向（研磨工具９をテーブル１５上の被加工物１６に押し付ける方向）に移動可能に構成されている。従って、上記可動部は、筐体１１に固定されておらず、Ｚ方向に移動可能である。
【００１９】
荷重発生部６は、可動体１３、工具駆動部８、研磨工具９、加速度検出部１０を含む可動部をＺ方向に移動させようとする力（荷重）を発生させる荷重発生手段である。本実施形態では荷重発生部６としてエアシリンダを採用し、荷重制御部３からの指示に従って伸縮自在なピストン１４を備えている。ピストン１４には、荷重検出部７を介して上記の可動部が連結されている。
【００２０】
研磨ヘッド１は、被加工物１６の表面に沿って移動しながら、被研磨面１７を研磨する。ピストン１４を伸縮させることによって、研磨工具９を被研磨面１７に押し付ける荷重の大きさを調整することができる。
【００２１】
荷重発生部６の具体的構成はエアシリンダに限定されるものではない。例えば、ボイスコイルモータ、ボールネジとモータの組み合わせ機構等のように荷重を制御可能なものであればよい。
【００２２】
荷重検出部７は、ピストン１４と可動部との間に配置されており、荷重発生部６と可動部の間に作用する力を検出するためのものである。本実施形態においては、荷重発生部６で発生させる荷重をフィードバック制御するために荷重検出部７を設けている。荷重発生部６で発生させる荷重をオープンループで制御する場合には、荷重検出部７は、不要である。
【００２３】
加速度検出部１０は、研磨ヘッド１の移動による研磨ヘッド１の可動部の重心のＺ方向の加速度と重力加速度のＺ方向成分の和を検出値として出力する。つまり、加速度検出手段としての加速度検出部は、研磨工具を被加工物に押し付ける方向の加速度成分を検出する。加速度検出部１０では、重力加速度をはじめとする静的加速度を検出可能なものを使用する。本実施形態では、加速度検出部１０を加速度センサを用いて構成している。
【００２４】
リンク機構２は、研磨ヘッド１の重量を支持し、研磨ヘッド１の位置及び姿勢を変化させる手段である。リンク機構２は、テーブル１５との相対的な位置及び姿勢を連動して変化させることにより研磨工具９が被加工物１６の被研磨面１７に押し付けられる位置及び姿勢を任意に変化させる。本実施形態においては、リンク機構２として３軸のパラレルリンク機構を採用しており、リンク機構２は、研磨ヘッド１のＺ方向の位置及び傾斜角度を変化させることができる。リンク機構２の具体的構成は、パラレルリンク機構に限定されるものではない。研磨ヘッド１のＺ方向の位置及び傾斜角度を変化させる機能は、シリアルリンクメカニズムの組み合わせ等により実現可能である。リンク機構２による、研磨ヘッド２の運動は、Ｚ方向の位置及び傾斜に限定されるものではない。例えば、リンク機構２は、Ｚ方向の位置のみを変化させ、テーブル１５が被加工物１６を傾斜させることで、研磨工具９が被加工物１６の被研磨面１７に押し付けられる位置及び姿勢を任意に変化させることが可能である。
【００２５】
テーブル１５は、被加工物１６の被研磨面１７の研磨加工位置を変位させるべく図示しない駆動手段を介して駆動される。本実施形態においては、テーブル１５は、ＸＹ方向に移動し、リンク機構２と連動して動作することにより、被加工物１６の被研磨面１７と研磨工具９との相対的な位置及び姿勢を任意に変化させる。テーブル１５の駆動方向は、ＸＹ方向に限定されるものではない。リンク機構２との動作の連動により被加工物１６の被研磨面１７と研磨工具９との相対的な位置及び姿勢を任意に変化させることが可能な駆動方向であればよい。
【００２６】
主制御装置５は、入力された指示に従い、本実施形態の研磨装置全体を制御統括するためのものである。なお、主制御装置５、荷重制御部３、工具駆動制御部４は、実際には一体に構成することが可能である。
【００２７】
荷重制御部３は、研磨中、被研磨面１７と研磨工具９との接触圧力が指示された値を保つように、荷重発生部６を制御する制御手段を有する。荷重制御部３では、加速度検出部１０の検出値と、荷重検出部７の検出した荷重と、主制御装置５に入力された研磨荷重の目標値と、に基づいて、逐次制御を行っている。
【００２８】
本実施形態においては、荷重発生部６をフィードバック制御するために荷重検出部７を必要としているが、荷重発生部６の制御をオープンループとする場合には、荷重検出部７は必要ない。
【００２９】
工具駆動制御部４は、主制御装置５からの指示に従って工具駆動部８を作動させるものである。
【００３０】
以上のように構成される研磨装置において、研磨ヘッド１の位置及び姿勢の変化に伴って変化する被研磨面１７に研磨工具９を押し付ける荷重（研磨荷重）の補正について以下に説明する。
【００３１】
非軸対象自由曲面形状である被研磨面１７を有する被加工物１６の研磨加工に際しては、図１に示すように、被加工物１６をテーブル１５に搭載し、研磨ヘッド１の研磨工具９を、荷重発生部６による所定の研磨加圧力をもって被加工物１６に当接させる。そして、リンク機構２及びテーブル１５の連動した動作により、被加工物１６の被研磨面１７と研磨工具９との相対的な位置及び姿勢を変化させながら研磨加工を行う。この研磨加工に際して、被加工物１６の被研磨面１７の法線方向と研磨ヘッド１のＺ方向が一致するように、リンク機構２及びテーブル１５を動作させる。
【００３２】
研磨工具９と被研磨面１７との間の接触圧力は、荷重発生部６の発生する力と、可動部（可動体１３、工具駆動部８、研磨工具９、加速度検出部１０）に作用する重力及び慣性力と、によって決定される。しかし、可動部に作用する重力と慣性力のすべてが接触圧力に加わるわけではなく、そのＺ方向成分のみが接触圧力に含まれる。すなわち、接触圧力による研磨荷重は、下記の式（１）で示される。
ｆ＝Ｆ＋Ｍ・ｇｚ＋Ｍ・ａｚ        （１）
ここで、
ｆ：被加工物１６に加わる研磨荷重（研磨工具９と被研磨面１７との接触圧力の積分）
Ｆ：荷重発生部６の発生する荷重の大きさ
Ｍ：可動部の質量
ｇｚ：重力加速度のＺ方向成分
ａｚ：可動部の重心の加速度のＺ方向成分
式（１）を変形すると、次式が得られる。
ｆ＝Ｆ＋Ｍ（ｇｚ＋ａｚ）        （２）
式（２）の右辺に含まれる（ｇｚ＋ａｚ）は、研磨ヘッド１の移動及び姿勢の変化により変化する、加速度検出部１０の検出値に等しい。本発明においては、以降、可動部の重心のＺ方向の加速度と重力加速度のＺ方向成分の和（ｇｚ＋ａｚ）を、可動部の重心の加速度Ｇと称する。従って、Ｆが一定である場合、研磨荷重ｆは、研磨ヘッド１の移動及び姿勢の変化により変動する。研磨荷重ｆを所望の値（目標値）に保つためには、研磨ヘッド１の移動及び姿勢の変化によって生ずる荷重の変動分を、荷重発生部６の発生する力を変化させることで打ち消すことが必要である。すなわち、研磨荷重ｆが目標値ｆ０となるためには、荷重発生部６の発生する力は、｛ｆ０−ＭＧ｝でなくてはならない。
【００３３】
そこで、荷重制御部３は、加速度検出部１０の出力より演算される｛ｆ０−ＭＧ｝と、荷重検出部７の出力を比較し、荷重検出部７の出力が｛ｆ０−Ｍ（ｇｚ＋ａｚ）｝になるように荷重発生部６を制御する。
【００３４】
このように、研磨ヘッドの位置及び姿勢が変化した場合でも、研磨面加工面１７と研磨工具９との接触圧力を所望の値に保ち、安定した研磨加工を行うことができる。
【００３５】
本実施形態では、被研磨面１７と研磨工具９との接触圧力を一定に保つ場合について述べた。しかし、被研磨面の位置ごとに接触圧力を設定可能とすることで、接触圧力を位置ごとに異なる値とすることも可能である。被研磨面の位置ごとに接触圧力を設定する場合も、本発明を適用することで、研磨荷重（接触圧力）を常に設定値に一致させることが可能である。
【００３６】
加速度検出部１０は、可動部の重心のＺ方向の加速度と重力加速度のＺ方向成分の和、つまり、可動部の重心の加速度Ｇを検出できればどのような位置に配置してもよい。
【００３７】
図２に示す実施形態においては、加速度検出部１０を可動部の重心に配置する例を示している。このように、加速度検出部１０を可動部の重心に配置できれば、可動部の重心の加速度Ｇが、加速度検出部１０で検出される。しかし、可動部の構成によっては重心に加速度検出部を配置出来ない場合がある。可動部の重心に加速度検出部を配置できない場合は、複数の加速度センサを研磨ヘッド上に配置し、それぞれの加速度センサの出力結果より可動部の重心の加速度Ｇを算出することで、図２に示す実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
以下に、研磨ヘッド上に配置された加速度センサの出力と可動部の重心の加速度Ｇの関係について説明し、複数の加速度センサを研磨ヘッド上に配置することで、可動部の重心の加速度Ｇを算出可能であることを示す。
【００３９】
研磨ヘッドを一つの剛体であると考えると、研磨ヘッドの運動は、グローバル座標系に対する研磨ヘッドに固定されたヘッド座標系の並進と回転として考えることができる。可動部の重心を基準位置（０，０，０）とし、研磨ヘッドのＺ方向をＺ軸の方向としたヘッド座標系を考える。一般に座標系の運動は、並進と回転を合わせて４行４列の行列を用いた表現方法が用いられる。行列を用いて、グローバル座標系におけるヘッド座標系の速度と加速度を表現すると、速度が式（３）、加速度が式（４）のように表される。
【００４０】
【数１】
2010234520.tif 000003
【００４１】
【数２】
2010234520.tif 000004
【００４２】
式（３）は、ヘッド座標系の速度ベクトルが（ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ）、角速度ベクトルが
（ωｘ，ωｙ，ωｚ）であることを示している。式（４）は、ヘッド座標系の加速度ベクトルが（ｂｘ，ｂｙ，ｂｚ）、角加速度ベクトルが（αｘ，αｙ，αｚ）であることを示している。このとき、ヘッド座標系の任意の点（ｘ，ｙ，ｚ）のグローバル座標系における速度（ｘ’，ｙ’，ｚ’）と加速度（ｘ’’，ｙ’’，ｚ’’）は、それぞれ式（５）、（６）で表される。
【００４３】
【数３】
2010234520.tif 000005
【００４４】
【数４】
2010234520.tif 000006
【００４５】
式（６）に式（３）、（４）を代入すると式（７）が得られる。
【００４６】
【数５】
2010234520.tif 000007
【００４７】
式（７）より、グローバル座標系上を移動するヘッド座標系の任意の点の加速度を得ることが出来る。可動部の重心位置は（０，０，０）であるから、研磨ヘッドの運動による可動部の重心での加速度ａｚは、式（８）のようになる。
【００４８】
【数６】
2010234520.tif 000008
【００４９】
可動部の重心の加速度Ｇは、ａｚ＋ｇｚであるから、ｚ’’は式（９）のように表すことが出来る。
【００５０】
【数７】
2010234520.tif 000009
【００５１】
式（９）を変形すると、式（１０）が得られる。
【００５２】
【数８】
2010234520.tif 000010
【００５３】
研磨ヘッド上の点（ｘ，ｙ，ｚ）に配置された加速度センサの出力は、研磨ヘッド上の点（ｘ，ｙ，ｚ）の加速度ｚ’’にｇｚを加算したものである。つまり式（１０）は、研磨ヘッド上に配置された加速度センサの出力と可動部の重心の加速度Ｇの関係を示している。
【００５４】
式（１０）の（−ωｙ２−ωｘ２），（ωｙωｚ＋αｘ），（ωｘωｚ−αｙ），Ｇを４つの未知数とみなせば、研磨ヘッドに加速度センサを異なる４箇所に配置すれば、可動部の重心の加速度Ｇを算出可能である。
【００５５】
また、２点が式（１１）の関係にあるときは、加速度センサを２箇所に配置することで、可動部の重心の加速度Ｇを算出可能である。２点が式（１１）の関係にある時は、つまり、（０，０，０）を通過する直線すなわち可動部の重心を含む直線上にあることを示している。
【００５６】
【数９】
2010234520.tif 000011
ただしｋは０でない実数
【００５７】
図４に、加速度センサを２箇所に配置することで、可動部の重心の加速度Ｇを算出可能である実施形態の一例を示す。図２と同一部分には、同一符号を附して、重複説明を省略する。図４において、１８は、可動部の重心を示し、１９、２０は、加速度センサを示す。このように、加速度センサを可動部の重心１８を含む直線上の異なる２箇所に配置すると、可動部の重心の加速度Ｇを算出可能である。
【実施例１】
【００５８】
加速度センサを４箇所に配置した実施例を示す。可動部の重心の座標を（０,０,０）とし、加速度センサを、座標がそれぞれ（−１００,１００,１００）、（−１００,−１００,２００）、（１００,−１００,１００）、（１００,１００,２００）となる位置に設置した。加速度センサで検知される加速度（ｚ’’＋ｇｚ）をそれぞれＡｃ１、Ａｃ２、Ａｃ３、Ａｃ４とおき、式（１０）より、以下の４式を得た。
【００５９】
【数１０】
2010234520.tif 000012
【００６０】
式（１１）〜（１４）の（−ωｙ２−ωｘ２），（ωｙωｚ＋αｘ），（ωｘωｚ−αｙ），Ｇを４つの未知数とみなし、連立して解き、可動部の重心の加速度Ｇを、以下の式（１６）によって得られた。
【００６１】
【数１１】
2010234520.tif 000013
【実施例２】
【００６２】
加速度センサを２箇所に配置した実施例を示す。加速度センサ１９、２０の位置を、それぞれ、（ｘ１,ｙ１,ｚ１）、ｋ（ｘ１,ｙ１,ｚ１）とした。加速度センサで検知される加速度（ｚ’’＋ｇｚ）をそれぞれＡｃ１、Ａｃ２とおくと、式（１０）より以下の２式が得られた。
【００６３】
【数１２】
2010234520.tif 000014
【００６４】
式（１７）、（１８）より可動部の重心の加速度Ｇが、以下の式（１９）によって得られた。
【００６５】
【数１３】
2010234520.tif 000015
【符号の説明】
【００６６】
１  研磨ヘッド
２  リンク機構
３  荷重制御部
４  工具駆動制御部
５  主制御装置
６  荷重発生部
７  荷重検出部
８  工具駆動部
９  研磨工具
１０  加速度検出部
【図１】
2010234520.tif 000016
【図２】
2010234520.tif 000017
【図３】
2010234520.tif 000018
【図４】
2010234520.tif 000019