(57)【要約】【課題】  熟練した技能を必要とせずに被研磨物と研磨皿を安定運動させながら、高い形状精度を得る研磨方法及び装置を提供する。【解決手段】  被研磨物（１）の研磨面に研磨工具（２）の研磨面を当て付け、被研磨物（１）と研磨工具（２）との相対すべりにより被研磨物（１）を研磨する研磨装置において、被研磨物（１）又は研磨工具（２）のいずれかを、他方に対しその回転軸（１８又は１９）を傾斜又はずらした位置に移動させ、回転軸（１８又は１９）を中心に揺動させる手段と、被研磨物（１）及び研磨工具（２）を各々独立に回転駆動させる手段と、移動させた回転軸（１８又は１９）を加工中にその位置を連続的に変化させる制御手段と、を備えた構成を特徴とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨物の研磨面に研磨工具の研磨面を当て付け、前記被研磨物と前記研磨工具との相対すべりにより前記被研磨物を研磨する研摩装置による研磨方法において、
前記被研磨物及び前記研磨工具の揺動幅を一定に保ったまま、前記被研磨物と前記研磨工具との相対位置を連続的に変化させることを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
前記相対位置は少なくとも２つ以上設定され、該相対位置間で前記被研磨物又は前記研磨工具の回転軸を移動させながら研磨することを特徴とする請求項１記載の研磨方法。
【請求項３】
被研磨物の研磨面に研磨工具の研磨面を当て付け、前記被研磨物と前記研磨工具との相対すべりにより前記被研磨物を研磨する研磨装置において、
前記被研磨物又は前記研磨工具のいずれかを、他方に対しその回転軸を傾斜又はずらした位置に移動させ、前記回転軸を中心に揺動させる手段と、
前記被研磨物及び前記研磨工具を各々独立に回転駆動させる手段と、
移動させた前記回転軸を加工中にその位置を連続的に変化させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子などの被研磨物の表面仕上げを行う研磨方法及び装置に係り、熟練した技能を必要とせずに被研磨物及び研磨皿を安定運動させながら高い形状精度を得られるようにした研磨方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にレンズ、プリズム、ミラーなどの光学素子の表面仕上げを行う手法としては、被研磨物と研摩用の弾性工具（以降、研磨皿と称する）とを互いに摺動運動させ、界面に介在する研磨用砥粒で被研磨物を除去する研磨加工法が用いられる。このような研磨加工方法では、研磨面の精度を確保するために人の技能に依存する製造形態が多い。その中で、摺動運動による研磨皿の揺動幅を研磨加工中に変化させ、被研磨物が研磨皿からはみ出す量を変化させることで、被研磨物の外周部に生じる形状精度の低下（以降、面クセと称する）を軽減させている。また、被研磨物の面全体の形状精度確保に対しては、揺動運動中に被研磨物と研磨皿の回転数比を変化させることで得ている。（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開平９−３００１９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１の技術である揺動幅を変化させながら面クセを軽減させることは、被研磨物が研磨皿からはみ出す領域だけで効果があり、研磨面全体での面クセ、特に被研磨物の回転中心部分に生じる面クセである中高（なかだか）や中落ちに関しては効果が期待できない。すなわち被研磨物が研磨皿からはみ出す領域で生じる面クセを軽減させるために、研磨中に揺動幅を変化させてはみ出す境界位置を分散させ、摩擦量を分散及び変化させることで面クセを目立たないようにしているため、被研磨物の回転中心に生じる中高及び中落ちの軽減には効果がない。
【０００４】
また上記特許文献１の技術では、中高及び中落ちを含めた被研磨物の研磨面全体の形状精度を確保するために、被研磨物と研磨皿の回転数の比をその両者の位置に応じて変化させることで得ている。しかし両者の位置が揺動幅の変化に伴って常に変化するため、その位置に応じて両者の回転数比を常に変化させることは揺動位置の条件、被研磨物の回転数、及び研磨皿の回転数と３つの因子を同時に制御する複雑な制御・加工システムとなってしまう。同時に被研磨物及び研磨皿の位置及び回転数が常に変化することで、研磨作用による研磨力が常に変動を繰り返し、研磨皿が被研磨物の加工面に倣うことで安定した研磨作用を発揮することが困難となり、安定した研磨加工を行うことが難しくなる。特に、研磨力の大きさ、方向が運動とともに大きく変動するため、被研磨物の研磨面で微小な振動が発生しやすくなり、被研磨物に細かな凹凸を有する面クセを発生させる懸念がある。
【０００５】
また摺動運動による研磨加工方法で、熟練技術者は、被研磨物の形状及び精度を得るために、機械に対してはカンザシの前後の出し入れ、揺動距離、及び軸回転数の変更の手段により研磨条件の調整を行うが、特にカンザシの前後出し入れが大きな変化と形状調整（修正）能力を有している。ここでのカンザシの前後出し入れとは、被研磨物と研磨皿との相対位置の変化及び調整を示しており、この作業自体を自動化することが高い形状精度を確保できることになる。
【０００６】
本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、熟練した技能を必要とせずに被研磨物と研磨皿を安定運動させながら、高い形状精度を得る研磨方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第一の態様は、被研磨物の研磨面に研磨工具の研磨面を当て付け、上記被研磨物と上記研磨工具との相対すべりにより上記被研磨物を研磨する研摩装置による研磨方法において、上記被研磨物及び上記研磨工具の揺動幅を一定に保ったまま、上記被研磨物と上記研磨工具との相対位置を連続的に変化させることを特徴とする研磨方法である。
【０００８】
本発明の第二の態様は、上記第一の態様において、上記相対位置が少なくとも２つ以上設定され、上記相対位置間で上記被研磨物又は上記研磨工具の回転軸を移動させながら研磨することを特徴とする研摩方法である。
【０００９】
本発明の第三の態様は、被研磨物の研磨面に研磨工具の研磨面を当て付け、上記被研磨物と上記研磨工具との相対すべりにより上記被研磨物を研磨する研磨装置において、上記被研磨物又は上記研磨工具のいずれかを、他方に対しその回転軸を傾斜又はずらした位置に移動させ、上記回転軸を中心に揺動させる手段と、上記被研磨物及び上記研磨工具を各々独立に回転駆動させる手段と、移動させた上記回転軸を加工中にその位置を連続的に変化させる制御手段と、を備えて構成される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、被研磨物に対する研摩工具の揺動幅を一定に保ったまま、被研磨物と研摩工具の相対位置を連続的に変化させるようにしており、これは、詳しくは後述するが、熟練した技能者が行うカンザシの出し入れ作業を連続的に行うこととほぼ同等な動作であり、その結果、熟練した技能を必要とせずに被研磨物と研磨皿を安定運動させながら、高い形状精度を得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
光学素子の研摩を行う際の時間と位置の関係を横軸に時間、縦軸に調整作業・動作に伴う位置とし、図１（ａ）〜（ｃ）に示した。図１（ａ）は技能者が被研磨物の形状精度を確保するために行うカンザシの前後出し入れ作業を、図１（ｂ）は特許文献１（特開平９−３００１９１）の調整方法を、図１（ｃ）は本発明の相対位置調整を示したものである。
【００１２】
図１（ａ）に示した技能者の作業を分析すると、機械の調整を行っている時間は同図に示すように機械動作が停止しているが、それを除く領域ではカンザシの出し入れにより研磨皿回転軸位置を変え、その位置で揺動を行い研磨作業が行われていることがわかる。すなわち研磨皿又は被研磨物を揺動運動させる揺動幅（振幅）は変わらず、その振り幅の中心位置つまり相対位置を変化させることになる。
【００１３】
図１（ｂ）に示した特許文献１（特開平９−３００１９１）の調整方法は、摺動運動による研磨皿の揺動幅を研磨加工中に変化させ、被研磨物が研磨皿からはみ出す量を変化させることで、被研磨物の外周部に生じる面クセを軽減させている。
【００１４】
図１（ｃ）に示した本発明の相対位置調整では、被研磨物と研磨皿の寸法などの情報から、あらかじめ算出設定された研磨皿の回転中心軸位置に対して、それぞれの上限下限値（同図の破線で示す位置）が求められ、その範囲内で設定された揺動幅（振幅）を保ったまま移動しながら研磨を行う方法であり、被研磨物と研磨皿の相対位置を研磨中に連続的に変化させている。これは図１（ａ）に示した熟練した技能者が行うカンザシの出し入れ作業を連続的に行っていることと同じような動作を得ており、経験作業を基本とした形状修正方法であり、非常に高い研磨面精度を得ることができる。
【００１５】
ここで相対位置を変化させる作業の重要性に関して、理論的な裏付けを行うために研磨加工の磨耗メカニズムを代表するプレストンの経験則をベースに、シミュレーションによる試算を行い、その結果を図２及び図３に示す。
【００１６】
図２に示す５つのグラフは、各研磨条件で研磨加工を行った際の研磨摩擦量の誤差量を示している。グラフＡ２、Ｂ２及びＣ２が相対位置を変化させた場合で、グラフＢ１、Ｂ２及びＢ３が揺動幅を変化させた場合である。グラフの破線で示す横軸は被研磨物の回転中心軸を中心に径方向の位置を示し、同様に破線の縦軸は被研磨物が研磨の摺り合わせで磨耗する量の誤差量を示す。すなわちグラフ中の曲線が被研磨物の回転軸を中心とした磨耗誤差量の分布を示しており、上記曲線のうねりが大きいほど被研磨物の位置による磨耗量の誤差が大きくなり、研磨面の高い形状精度を得られないことになる。逆に高い形状精度を得るためには、この曲線のうねりが小さくなり、理想は水平線になることである。
【００１７】
ここでグラフＢ１、Ｂ２及びＢ３が揺動幅を変化させた場合でＢ１、Ｂ２、Ｂ３の順で揺動幅が大きくなっている。Ｂ１よりもＢ３が揺動幅を増すことで誤差量が小さくなっていることがわかる。これは、特許文献１（特開平９−３００１９１）の技術にも通ずるところで、揺動幅の増加によって被研磨物と研磨皿の回転軸間距離、及び、研磨皿からのはみ出し量の位置変化が大きく生じるために、境界位置が分散され誤差量が小さくなっている。
【００１８】
これに対してグラフＡ２、Ｂ２及びＣ２は、相対位置を変化させた結果であるが、相対位置を変化させると上述した揺動幅の増減で見られるような誤差量の大きな増減は観察されず、むしろ誤差量の曲線形態が大きく変化することがわかる。グラフＡ２では相対位置が小さい、つまり被研磨物と研磨皿の回転軸の距離が近いため、被研磨物の外周部分での摺り運動が大きくなり外周部の磨耗が進行し、同図に示すように外周部分の誤差が大きくなるような誤差分布となる。逆にグラフＣ２では、被研磨物と研磨皿の回転軸の距離が遠く、同時に被研磨物が研磨皿からはみ出す量も大きくなるので、被研磨物の回転中心軸付近での摺り運動が大きくなり、上記回転中心軸付近で磨耗誤差が大きい分布となる。
【００１９】
ここで本発明の相対位置を変化させる手段は、図１（Ｃ）に示したように、この相対位置を連続的に変化させているので、図２で示したグラフＡ２、Ｂ２及びＣ２の各誤差量曲線の合成パターンになる。すなわちグラフＡ２では外周部の誤差量が大きいが、グラフＣ２では中心部の誤差量が大きくなるといった相反する誤差量パターンでの研磨を行うことができ、誤差量分布を相殺することができる。図３に、図２で示したグラフＡ２、Ｂ２及びＣ２を合成した結果の誤差量分布を示す。同図からわかるように、各誤差量の分布パターンの位相差が重なり合って、誤差量が最小のパターンを形成していることがわかる。
【００２０】
よって、相対位置を連続的に変化させることで、研磨による誤差量分布の形態（位相）を変化させることができ、高い形状精度を得ることができる。
また、図２に示したグラフＡ２及びＣ２の位置がわかれば、磨耗の誤差量を最小にすることが可能である。以下に述べる最小相対位置及び最大相対位置は、磨耗誤差を最小にするための相反する位相を得られる位置になり、最小相対位置と最大相対位置を合成することで、誤差量が最小となる位置のことである。
【００２１】
また、高い形状精度を得るための相対位置変化は、回転軸を傾斜又はずらすことで得る。例えば、レンズ研磨で用いられる球心研磨機、すなわち被研磨物であるレンズの研磨面である球面の曲率半径の中心点である球心を中心に揺動（移動）する装置、であればその球心を中心に傾斜させることでレンズと研磨皿の相対位置を変化させることができる。逆に、オスカー方式などのように被研磨物であるレンズの球心と無関係に揺動（移動）運動を行うような研磨機であれば、レンズの回転軸と研磨皿の回転軸をずらすことで相対位置を変えることができる。相対位置を変化させるために、装置の構造から球心方式であれば傾斜させることになり、球心方式ではない研磨装置であれば被研磨物と研磨皿のそれぞれの回転軸位置をずらせば良いことになる。
【００２２】
また、一般の研磨加工装置では研磨皿をモーターなどの駆動源を介して回転させ、被研磨物であるレンズは、研磨加工による摺れ力によって従属的に回転するが、本装置では被研磨物及び研磨皿の両軸に駆動源を備え、強制的に回転運動を行わせる構造となっている。高い形状精度を得るために両回転軸の相対位置を変化させる場合、両回転軸の距離が遠ざかると、研磨皿から伝わる摺れ力による回転運動の伝達が悪くなり被研磨物の安定した回転を得ることができなくなる。両者の回転運動によって研磨を行う本手段において、回転数が安定しないことは形状精度を確保することができなくなるため、本装置では両軸とも駆動源を介して、安定した回転を与える構成となっている。
【００２３】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図４は、本発明の実施例１における研磨装置の内部構成を説明する断面図である。本実施例は球心研磨機による手法であり、熟練技能者が行うカンザシの出し入れ作業に着目して新規に得られた研磨方法及び装置を示す。
【００２４】
ホルダー３は研磨加工中に、その片側が開口した状態で中に被研磨物となる凹レンズ１を挿入して保持する。レンズ１及びホルダー３の間には、ポリウレタンやシリコーンゴムなどのシート状の緩衝材３ａを介してレンズ１を保持する構造となっている。レンズ１の研磨面には、ポリウレタンなどの研磨シート２ａを介して、研磨面と近似形状を有する研磨皿２が当接されている。ここで研磨シート２ａは、研磨皿２の表面に接着剤などで貼り付けられ成形されている。この研磨皿２は、レンズ１の研磨面である球面の球面の球心１０を中心に、レンズ１及び研磨皿２の形状から定まる傾斜角度である基準相対角度１２の位置に、その回転軸１９を傾斜させて配置されている。ここで基準相対角度１２は、レンズ回転軸１８及び研磨皿回転軸１９の成す角度であり、レンズ１の球面の曲率半径値、径寸法、及び研磨皿２の径寸法によって経験的に、又は計算により定まる角度で、レンズ１の球面形状及びその精度を最も安定して得られる角度である。基準相対角度１２に研磨皿２を移動させるために、研磨皿２には揺動モーター１１が接続され、球心１０を中心に旋回、揺動運動可能に構成されている。揺動モーター１１には、基準相対角度１２の位置を定める制御、及び、基準相対角度又は他の相対角度を中心に揺動角度１５で研磨皿２を揺動運動させるための制御、を行う制御装置１６が接続されている。研磨皿２には、レンズ１との摺りあわせ運動による研磨作用を発揮させるために、下軸モーター９が取り付けられ、回転するように構成されている。
【００２５】
またホルダー３は、レンズ１を保持する開口部の反対側に凹部２０を有し、凹部２０と嵌合する球体を先端に有するカンザシ４によりレンズ１を介して研磨皿２に押圧されている。カンザシ４がホルダー３を押圧した状態でカンザシ４の回転動力がホルダー３に伝達されるように、カンザシ４の先端部には伝達ピン５が装着され、ホルダー３の切り欠け部分と嵌合している。カンザシ４は空気圧で非接触に保持するエアー軸受けなどのブッシュ７を介して研磨機の上軸２１に上下回転可能に取り付けられている。カンザシ４の上部には、カンザシ４を回転駆動させる上軸モーター８が、上下方向に移動可能なスライダー２２を介して上軸２１に取り付けられている。またカンザシ４の上端部には、レンズ１を研磨加工するための研磨荷重を付加する重り６が取り付けられている。
【００２６】
上述した研磨装置を用いて研磨加工を行う際の作用に関して以下に説明する。基準相対角度１２に、制御装置１６からの信号（命令）で揺動モーター１１を動作させ、研摩皿２が傾斜移動する。傾斜移動した研摩皿２に、レンズ１をホルダー３内に装着して当接させる。当接したレンズ１は、ホルダー３を介して上下動するカンザシ４により押圧される。このときの押圧力はカンザシ４、その回転駆動源である上軸モーター８、及び重り６である。ここで本実施例の装置では、研摩荷重として重り６のみでなくカンザシ４及び上軸モーター８の自重も付加される構造となっているが、低圧での研摩が必要な場合は、これらの自重を無くすべくカンザシ４が上方に引っ張られるように構成してもよいが、本実施例の内容には必須の要件ではないため省略しているだけである。
【００２７】
上述のように、レンズ１に重り６の研摩荷重がカンザシ４及びホルダー３を介して付加された状態で、制御装置１６から基準相対角度１２と同様に経験値又は計算値によって揺動モーター１１に動作信号が伝達され、揺動角度１５による研摩皿２の揺動運動が行われる。このときの揺動角度（の幅）は一定値であり、基準相対角度１２を中心として対称に揺動運動を行うものである。この状態で制御装置１６から徐々に基準相対角度１２を変化させる指示が出るため、相対角度位置が変化し、同図中の最小相対角度１３と最大相対角度１４の間で連続的にその角度を変化させながらレンズ１を研摩する。このとき揺動角度１５は常に一定値に保たれ、相対角度のみが変化するため、図１（ｃ）に示したような位置変化を生じながらレンズ１を研摩皿２が研摩していく。また説明の便宜上、相対角度を基準相対角度１２、最小相対角度１３、及び最大相対角度１４の３種類で示したが、研摩の揺動運動中に変化する相対角度の範囲が明確になれば実施することができるため、基準相対角度１２は必ずしも必要な位置情報とはならず、最小相対角度１３及び最大相対角度１４の２つの位置がわかれば実施することができる。
【００２８】
ここで揺動角度１５を一定に保ったまま相対角度のみを変化させるので、被研磨物であるレンズ１の磨耗誤差の分布パターンは図２で示すグラフＡ２、Ｂ２、及びＣ２のパターン、すなわち最小相対角度１３の位置で生じる磨耗誤差の分布パターングラフＡ２と、最大相対角度１４の位置で生じる分布パターングラフＣ２との間で変化することになる。このため相対角度が研磨中に変化することで、グラフＡ２、Ｂ２、及びＣ２を合成した状態で研摩加工が完了することになる。この合波は図３のようになるため、レンズ１の回転中心から外周部にかけての研摩による磨耗誤差が小さくなり、高い形状精度を得ることができる。
【００２９】
図５は、本発明の実施例２における研磨装置の内部構成を説明する断面図である。同図は、実施例１で示した球心揺動方式ではない、旧来からのオスカー方式の研磨機などの研摩装置での実施例を示したものである。基本的な考えは実施例１と同じであり、実施例１が球心揺動方式であったためにレンズ及び研摩皿の位置関係を相対角度での調整で行ったのに対して、本実施例では相対角度ではなく相対位置での調整になる点が異なるだけであり、同様な部分に関しては同一の番号を付して説明を省略する。
【００３０】
研摩皿２を回転させる機構は保有するが、下軸である研摩皿２の軸は鉛直位置又は傾斜位置で固定となり、本実施例では鉛直位置で示した。被研磨物であるレンズ１の球心での揺動運動を行わないため装置上軸２１が２体構造となっており、研摩装置の土台である装置ベース３２の上に、レンズ１を研摩皿２に対して相対的に移動させるため同図中で左右方向に移動可能な相対用スライダー３０を介して、相対軸３１が設置されている。相対軸３１は土台となる装置ベース３２と上軸２１との間に、同図中で左右方向に移動可能で挟まれるような状態で設置されている。相対軸３１の一端には、相対軸３１を研摩皿２に対して相対的に移動させるための相対用モーター２８からの動力を伝達するボールネジ３３などが接続されている。ボールネジ３３には装置ベース３２に固定された相対用モーター２８が接続され、相対用モーター２８は位置の演算処理やモーターの動作制御を行う制御装置１６が接続されている。さらに相対軸２１には上軸２１、及び実施例１で示した付属する装置構造が、同図中で左右方向に移動可能な揺動用スライダー２９を介して取り付けられている。ここで上軸２１にはクランクシャフトであるクランク２７が接続され、その一端は相対軸３１に固定された揺動用モーター１１に接続されている。
【００３１】
上述した実施例２の研磨装置を用いて研磨加工を行う際の作用に関して以下に説明する。実施例１と同様に、レンズ１の研摩すべき球面の曲率半径値、径寸法、及び研摩皿２の径寸法より、経験的に又は計算により求められる基準相対位置２４に、制御構造１６からの信号（命令）で相対用モーター２８を動作させ、相対軸２１より上部のユニットが移動する。移動したカンザシ４の先端部にレンズ１をホルダー３内に装着して、上下動するカンザシ４により押圧され研摩皿２に当接される。
【００３２】
制御装置１６から基準相対位置２４と同様に経験値又は計算値によって相対用モーター２８に動作信号が伝達され、最大相対位置２５と最小相対位置２６との間で移動運動を行う。このときの揺動幅２３は、揺動用モーター１１の回転運動がクランク２７を介して上軸２１に伝達され、相対軸２１に対して常に一定値で揺動運動を行う。クランク２７の長さや取り付け位置を変更すれば揺動幅２３は変化するが、研摩加工中は変更することなく設定したクランク２７の長さで揺動運動を伝達するため、揺動幅２３は変化しない。これによりオスカー方式の研磨機であっても、揺動幅２３は常に一定値に保たれ相対位置のみが変化するため、実施例１又は図１（ｃ）に示したような位置変化を生じながらレンズ１を研摩皿２が研摩を進めていき、実施例１と同様に、レンズ１の回転中心から外周部にかけての研摩による磨耗誤差が小さくなり、高い形状精度を得ることができる。
【００３３】
なお、上記実施例では被研磨物として凹レンズを用いた場合について説明したが、本発明は、例えば凸レンズ、プリズム、ミラー等その他の光学素子の研摩にも、その被研磨面の形状等を考慮しつつ、同様に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】光学素子の研摩を行う際の研摩時間と調整作業・動作に伴う位置の関係を、（ａ）はカンザシの前後出し入れ作業を伴う場合、（ｂ）は特許文献１の場合、（ｃ）は本発明の場合、について示す特性図である。
【図２】各研磨条件で研磨加工を行った際の研磨磨耗量の誤差量を示した図である。
【図３】図２で示したグラフＡ２、Ｂ２及びＣ２を合成した特性図である。
【図４】本発明の実施例１における研磨装置の内部構成を説明する断面図である。
【図５】本発明の実施例２における研磨装置の内部構成を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１      レンズ
２      研摩皿
２ａ    研摩シート
３      ホルダー
３ａ    緩衝材
４      カンザシ
５      伝達ピン
６      重り
７      ブッシュ
８      上軸モーター
９      下軸モーター
１０    球心
１１    揺動モーター
１２    基準相対角度
１３    最小相対角度
１４    最大相対角度
１５    揺動角度
１６    制御装置
１８    レンズ回転軸
１９    研摩皿回転軸
２０    凹部
２１    上軸
２２    スライダー
２３    揺動幅
２４    基準相対位置
２５    最大相対位置
２６    最小相対位置
２７    クランク
２８    相対用モーター
２９    揺動用スライダー
３０    相対用スライダー
３１    相対軸
３２    装置ベース
３３    ボールネジ
【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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