(57)【要約】      （修正有）【課題】非球面形状の研磨に際して、高い時間応答性で被加工面の形状変化に追従することができるとともに、小周期のうねり（リップル）の平滑化を効率良く行うことができる研磨方法を提供する。【解決手段】被加工物表面を研磨加工するとして、熱可塑性材料３と該熱可塑性材料に包埋されたバネ４から成る部分を有する保持部材２に研磨体６を保持させ、前記保持部材を加熱して、熱可塑性材料が軟化し且つバネが伸縮可能な状態で研磨体を被加工物表面に倣うように形状変化させ、その後、前記保持部材を冷却して熱可塑性材料とバネと研磨体の形状変化状態を維持しながら、加工すべき領域を研磨加工する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物表面を研磨加工する方法であって、熱可塑性材料と該熱可塑性材料に包埋されたバネから成る部分を有する保持部材に研磨体を保持させ、前記保持部材を加熱して、熱可塑性材料が軟化し且つバネが伸縮可能な状態で研磨体を被加工物表面に倣うように形状変化させ、その後、前記保持部材を冷却して熱可塑性材料とバネと研磨体の形状変化状態を維持しながら、加工すべき領域を研磨加工することを特徴とする研磨加工方法。
【請求項２】
前記被加工物が非球面表面を有する光学素子であることを特徴とする非球面表面を有することを特徴とする請求項１記載の研磨加工方法。
【請求項３】
前記被加工物が非球面レンズであることを特徴とする請求項１又２記載の研磨加工方法。
【請求項４】
前記熱可塑性材料への加熱操作が、該熱可塑性材料に包埋されたバネへの通電により行なわれることを特徴とする請求項１記載の研磨加工方法。
【請求項５】
前記熱可塑性材料への加熱操作が、該熱可塑性材料への赤外線照射により行われることを特徴とする請求項１記載の研磨加工方法。
【請求項６】
被加工物表面を研磨加工する加工工具であって、前記加工工具を保持する保持部材の一部がバネ材と該バネ材を包埋する熱可塑性材料から成り、該保持部材の加熱操作により、前記加工工具の、被加工面に接触して研磨作用を行う研磨体の形状を変化するようにしたことを特徴とする研磨加工工具。
【請求項７】
前記熱可塑性材料が融解し、且つ、前記研磨体が被加工物と接触していない時は、該研磨体本体は平面形状であることを特徴とする請求項６記載の研磨加工工具。
【請求項８】
前記熱可塑性材料が、低融点金属であることを特徴とする請求項６記載の研磨加工工具。
【請求項９】
前記熱可塑性材料が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項６記載の研磨加工工具。
【請求項１０】
前記熱可塑性材料が、軟化点８０℃以上１２０℃以下であることを特徴とする請求項８又は９記載の研磨加工工具。
【請求項１１】
前記保持部材と前記研磨体との間に断熱作用を有する緩衝部材を配置したことを特徴とする請求項６記載の研磨加工工具。
【請求項１２】
前記研磨体が、ピッチ（アスファルト材）、発泡ポリウレタンで構成されていることを特徴とする請求項６記載の研磨加工工具。
【請求項１３】
被加工面が非球面形状である被加工物を研磨加工する加工装置であって、前記被加工面に接触して研磨作用を行う研磨体と、前記研磨体を保持する保持体と、前記保持体を加熱する加熱手段及び前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段とを備えたことを特徴とする研磨加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨加工に関し、特に、被加工面の精度がナノメートル単位の加工精度を要求される研磨加工に関する。更に、本発明は、前記の高い加工精度を保証するための研磨加工方法と高い加工精度を保証するための研磨加工工具及び研磨加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
球面形状や非球面形状を持つレンズやミラー等の光学素子の表面を精密に仕上げるための研磨加工においては、光学素子の仕上げ面の表面粗さの向上や、光学素子の性能を著しく低下させる小周期のうねり（リップル）の平滑化を目的として、研磨体にピッチを材料とした研磨工具が多く使われている。
【０００３】
これらの光学素子の非球面形状を研磨するための従来の研磨工具は、図７に図示するように構成されており、研磨面に複数の凸部を有するピッチを用いた研磨体２１は、工具基台（工具シャンク）２３に支持されたゴム等の弾性体２２に直接貼り付けられている。この弾性体２２は、研磨工具２０の研磨体２１が非球面形状のどの場所にも追従し得るようにするためのものであり、又、非球面上の小周期のうねり（リップル）を平滑化する目的で使用する研磨工具は、被加工物の被加工面よりも小径に形成されたものが用いられている。
【０００４】
前記工具において、研磨工具の研磨体面を非球面形状に確実に倣わせるためには、ゴム等の弾性体の硬度を下げるか、或は、より変形を大きくし得るように弾性体の厚みを厚くすることが考えられるが、弾性体の硬度が低くなるに従って被加工面上の小周期のうねりが平滑化しにくくなる。即ち、平滑化したいうねり頂部に対して、工具が均一に接触しない現象が発生し、うねりの平滑化能率が悪いという欠点が生じる。
【０００５】
一方、うねりの平滑化能率を向上させるためには弾性体の硬度を上げるか、或は弾性体の厚みを薄くする等の対策が考えられるが、この場合には弾性体の変形量が少なくなるために研磨体を被加工物の非球面形状に追従させ倣わせることが困難になる。
【０００６】
このように非球面形状を研磨する際には、研磨工具は相矛盾する特性を満足しなければならない。
【０００７】
以上のような要求に対し、非球面形状の超精密研磨に適した工具の提案として、特許文献１に示す技術が開示されている。この特許文献１に開示する技術は、多数の変位アクチュエータを二次元的に並設し、該アクチュエータの作動により変位する部材に、工具面を形成する工具部材を取り付けるように構成したものである。この工具は、被加工面が非球面であっても、工具の形状を変化させることにより工具面を非球面形状に対応させることができるとの提案である。
【０００８】
又、非球面形状の超精密研磨に適した工具の他の提案として、特許文献２に示す技術が開示されている。この特許文献２においては、研磨工具は図８に図示するように構成されており、研磨工具２４を保持する保持部材の一部を加熱により軟化する部材２６で構成し、該保持部材をヒータ２５からの加熱操作によって、研磨体２７を被加工物表面に倣うように操作して研磨加工することを提案したものである。
【０００９】
【特許文献１】特公平５−０５８８６４号公報
【特許文献２】特開２００３−１４４２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記に示した従来技術には以下のような課題があった。
【００１１】
即ち、特許文献１に提案された加工工具は、多数の変位アクチュエータにより、研磨面を被加工面に倣うようにすることができるが、形成する工具面の非球面形状と被加工面との接触部との接触誤差が生じ易いという問題があり、これによる加工精度の低下を招くことがある。
【００１２】
一方、特許文献２に示す技術によれば、研磨工具を加熱操作することにより研磨体２７を被加工物表面に倣わせることが可能であり、且つ、研磨時には保持部材は高い硬度に維持されるため、リップルを除去し易くもなる。
【００１３】
しかしながら、研磨体の形状は被加工物表面によって形成され、工具自身が単独でその形状を変化させることはできない。そのため、研磨体２７の形状変化に要する時間や変化の容易さは、変化させる前後の形状（曲率）の違いに依存することとなる。変化前後の形状差が大きい場合は、研磨体２７全面が新たな被加工面形状に正確に倣うまでに時間を要することがあり、そのため被加工物の形状によらず、より時間応答性良く非球面形状に倣う工具が望まれていた。
【００１４】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、非球面形状の研磨に際して、高い時間応答性で被加工面の形状変化に追従することができるとともに、小周期のうねり（リップル）の平滑化を効率良く行うことができる研磨方法、研磨加工及び研磨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】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、被加工物表面を研磨加工するとして、熱可塑性材料と該熱可塑性材料に包埋されたバネから成る部分を有する保持部材に研磨体を保持させ、前記保持部材を加熱して、熱可塑性材料が軟化し且つバネが伸縮可能な状態で研磨体を被加工物表面に倣うように形状変化させ、その後、前記保持部材を冷却して熱可塑性材料とバネと研磨体の形状変化状態を維持しながら、加工すべき領域を研磨加工することを特徴とする。
【００１６】
その一態様において、前記被加工物が非球面表面を有する光学素子であることを特徴とする。
【００１７】
又、その一態様において、前記被加工物が非球面レンズであることを特徴とする。
【００１８】
又、本発明の一態様おいては、前記熱可塑性材料への加熱操作を、該熱可塑性材料に包埋されたバネへの通電により行うことができる。
【００１９】
更に、別の一態様おいては、前記熱可塑性材料への加熱操作を、該熱可塑性材料への赤外線照射により行うことができる。
【００２０】
又、本発明の１つは、被加工物表面を研磨加工する研磨加工工具として、前記加工工具を保持する保持部材の一部がバネ材と該バネ材を包埋する熱可塑性材料から成り、該保持部材の加熱操作により、前記加工工具の、被加工面に接触して研磨作用を行う研磨体の形状を変化するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の一態様において、前記熱可塑性材料が融解し、且つ、前記研磨体が被加工物と接触していない時は、該研磨体本体は平面形状となる加工工具を用いることができる。
【００２２】
その一態様において、前記熱可塑性材料として低融点金属が好ましく用いられる。
【００２３】
又、別の一態様においては、前記熱可塑性材料として、熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。
【００２４】
更に、前記熱可塑性樹脂においては、軟化点８０℃以上１２０℃以下であるものが好ましく用いられる。
【００２５】
又、本発明の一態様においては、前記保持部材と前記研磨体との間に断熱作用を有する緩衝部材を配置したことを特徴とするものである。
【００２６】
又、前記研磨体が、ピッチ（アスファルト材）、発泡ポリウレタンで形成されていることを特徴とするものである。
【００２７】
又、本発明の１つは、被加工面が非球面形状である被加工物を研磨加工する研磨加工装置として、前記被加工面に接触して研磨作用を行う研磨体と、前記研磨体を保持する保持体と、前記保持体を加熱する加熱手段及び前記加熱手段の温度を制御する温度制御手段とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、被加工物表面を研磨加工する方法であって、前記被加工物表面に接触する研磨工具を保持する保持部材の加熱操作によって、前記被加工物表面に倣うように操作して研磨加工する研磨加工の方法により、研磨加工する被加工面に研磨体の研磨面を正確に倣わすことで、精度の良い非球面研磨加工ができる。
【００２９】
又、保持部材中にバネが設けられているため、どのような曲率の変化に対しても、研磨体の全面を正確且つ短時間に被加工面形状に倣わせることができる。これにより、非球面レンズの、複雑な非球面形状の加工を正確且つ時間応答性良く行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下に図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
図１は本発明に係る研磨加工工具の断面の構成を示す図面である。
【００３２】
図１において、２は研磨加工工具１の保持部であり、熱可塑性材料３、バネ４、支持部材５から構成される。又、６は前記保持部２に取り付けた研磨体、７はバネ４に接続された電線、８は通電制御手段、９は温度検出センサーである。
【００３３】
熱可塑性材料３は、所定の厚さを有した円盤形状を成しており、用いる材料の一形態として低分子ポリエチレンやポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることができる。又、また他の一形態としては低融点金属を用いることができ、各種合金が挙げられる。上記の熱可塑性材料に繰返し融解、凝固を起こすために要する時間の短縮や、周辺部材への影響、操作性を考慮し、樹脂の軟化点は８０℃以上１２０℃以下のものが好ましく用いられる。
【００３４】
バネ４は、熱可塑性材料３に包埋された状態で複数本設置されており、研磨体６に対して垂直方向に伸縮するようになっている。熱可塑性材料３が固化している時にはバネの伸縮はある一定の保たれた状態で固定され、熱可塑性材料３が軟化した時には伸縮可能となりバネとしての機能を発現する機構になっている。熱可塑性材料３が融解し、且つ、前記研磨体６が被加工物と接触していない時は、該研磨体本体は常に平面形状となる。
【００３５】
熱可塑性樹脂３を加熱する方法としては複数の手段が考えられるが、その１つとして好ましく用いられるのは、バネをヒータとして用いる方法である。この場合、図１に示したように、電線７を通して通電制御手段８からバネ４に通電し、バネの発熱により熱可塑性樹脂３を融解させるものである。前記保持部２には必要に応じて適宜個所に複数の温度検出センサー９を配置することにより、前記保持部２の温度検出が可能となる。
【００３６】
又、熱可塑性樹脂３を加熱する別の方法としては、保持部材２への赤外線照射が挙げられる。不図示の赤外光源から保持部に赤外線を照射し、バネ４及び熱可塑性部材２が加熱されることにより、該熱可塑性部材２が融解される。この場合、図１に示した電線７及び通電制御手段８は不要である。
【００３７】
研磨体６は研磨用ピッチとして、ストレートアスファルト（石油系）、タールピッチ（石炭系）ウッドピッチ（木材系）等の材料を使用する。又、ガラスレンズ研磨用の発泡ポリウレタン樹脂も使用できる。前記研磨体６は本体６Ａが円盤状を成し、円盤表面６Ａから多数の突起部６Ｂを形成する。又は、研磨体６は円盤表面６Ａ上に複数の縦横の溝６を形成するように構成しても良い。
【００３８】
支持部材５は研磨加工駆動装置に取り付けられる。
【００３９】
又、熱可塑性材料３と研磨体６の間に必要に応じて断熱部材を設置し、熱可塑性樹脂からの熱が研磨体に伝わるのを防ぐことができる。
【００４０】
本研磨加工工具１を作動操作する駆動装置としては本出願人の先の出願に係る特開平０５−０５７６０６号公報に示す研磨装置を適用することができる。
【００４１】
次に、本発明の研磨加工工具１において、研磨体の形状を変化させる操作について図１及び図２を参照して説明する。
【００４２】
先ず、研磨工具１が被加工物１０に接触しない状態におき、通電制御手段８によりバネ４に通電して、バネ４自身及び周囲の熱可塑性材料３を加熱する。熱可塑性材料３の温度が上昇し、軟化点を超えるとバネ４は伸び、加工面は平面形状となる（図２（ａ））。
【００４３】
次に、研磨工具１を加熱した状態のまま、研磨体６の研磨面を非加工物１０上の最初の加工位置に設置する。研磨面は被加工物１０の非球面の曲面形状に倣らった面形状になる（図２（ｂ））。この状態でバネへの通電を停止すると、熱可塑性材料３の温度は徐々に降下し、軟化点を下回ったところで該熱可塑性材料３は固化し、研磨体６の形状（曲率）はそのまま維持される。この状態で加工を行う。新たな面形状（曲率）を形成する場合は、
以上の操作を繰り返して行う。尚、上記操作のうち、必ずしも加工面を平面に戻す操作は必要なく、変化前後の形状の違いによっては研磨体を被加工物に接触させた状態で通電し、形状を変化させることも可能である。
【００４４】
＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００４５】
本実施の形態を図１、図３及び図４を用いて説明する。
【００４６】
本実施の形態では、被加工物として、図３に示したような、曲率が軸対称状に変化し、外周部につれて曲率が大きくなる大型の被球面レンズ１１を用いた。
【００４７】
又、熱可塑性材料としては、軟化点１１０℃の低分子ポリエチレンを用い、該熱可塑性樹脂を加熱する手段としては、通電制御装置からバネ４に通電する手段を用いた。更に、研磨体として発泡ポリウレタン材を用いた。
【００４８】
図４は、本実施の形態で非球面レンズ１１を加工操作した際の、研磨工具１の移動軌跡を示す図であり、工具がレンズの被加工面１２を同心円状に移動するように設定した。
【００４９】
被加工物である非球面レンズ１１は粗研削加工、精研削加工の工程を経て非球面形状に予備形状仕上げされており、これを研磨装置に取り付けた。
【００５０】
加工手順として、先ず、研磨工具１を被加工面１２近傍の被加工面１２とは接触しない位置に置き、通電制御手段８によりバネ４に通電して、バネ４自身及び周囲の熱可塑性材料３を加熱した。熱可塑性材料３の温度が上昇し、軟化点を超えたところでバネ４が伸び、加工面は一旦平面形状となった。
【００５１】
次に、研磨工具１を加熱した状態のまま、研磨体６の研磨面を非加工面１２上の最初の加工位置に設置した。これにより研磨面の全面が、被加工面１２の非球面の曲面形状に倣らった形状になった。この状態でバネへの通電を停止したところ、熱可塑性材料３の温度は降下し、軟化点を下回ったところで該熱可塑性材料３は固化し、研磨体６の形状（曲率）はそのまま維持された。
【００５２】
続いて、研磨工具１を移動走査して非球面レンズ１１の被加工面１２の研磨操作を開始した。研磨操作は、研磨工具４を細かく揺動させながら図４に示したように円周方向に移動させて行い、該円周方向への走査が終了したところで、研磨工具４を、前記研磨位置よりもより内周部へ移動させた。移動後、前記加熱手段のヒータに通電操作してバネ４及び熱可塑性材料３のポリエチレンを加熱軟化させ、上記と同様の方法で研磨体６の研磨面を、被加工面１２面形状に倣うようにし、研磨を行った。
【００５３】
曲率面が異なる領域ごとに、適宜上記の操作を繰返し、各領域の研磨加工を行った。どのような曲率の変化に対しても上記工具１は、研磨体６の全面を正確に且つ短時間に被加工面形状に倣わせることができた。これにより、非球面レンズ１１の非球面形状の研磨加工を正確且つ効率良く行うことができた。
【００５４】
＜実施の形態２＞
図５は本発明に係る研磨加工工具の実施の形態２を示す。
【００５５】
図５において、図１と同じ符号は前記実施の形態の研磨加工工具と同じ機能を有する部材である。本例は研磨工具の保持部材部２と研磨体６との間に断熱部材１３を配置したことを特徴とするものである。断熱部材１３としては、耐熱性、断熱性に優れ、伸縮性を有する高分子シートが適しており、本実施の形態ではゴム材を使用した。
【００５６】
又、熱可塑性材料としては、軟化点１１０℃の低分子ポリエチレンを用い、該熱可塑性樹脂を加熱する手段としては、通電制御装置からバネ４に通電する手段を用いた。
【００５７】
更に、研磨体としてストレートアスファルトを用いた。
【００５８】
研磨の操作は、実施の形態１に示した方法と同様に行い、非球面レンズ１１の非球面形状の研磨加工を正確かつ効率良く行うことができた。
【００５９】
＜実施の形態３＞
図６は本発明に係る研磨工具の実施の形態３を示す。本実施の形態の構成上の特徴は、保持部材２を加熱する方法として、保持部材２への赤外線照射を用いたことにある。
【００６０】
本実施の形態を図３及び図６を用いて説明する。本実施の形態では、被加工物として、実施の形態１に示したものと同じ非球面レンズを用いた。
【００６１】
又、熱可塑性材料としては、軟化点１１０℃の低分子ポリエチレンを用い、研磨体として発泡ポリウレタン材を用いた。
【００６２】
加工手順として、先ず、研磨工具１を被加工面１２近傍の、被加工面１２とは接触しない位置に置き、赤外線源１４から保持部材２に赤外線を照射しこれを加熱した。保持部材が２加熱すると共に熱可塑性材料３の温度が上昇し、軟化点を超えたところでバネ４が伸び、加工面は一旦平面形状となった。
【００６３】
次に、研磨工具１に赤外線を照射したまま、研磨体６の研磨面を非加工面１２上の最初の加工位置に設置した。これにより研磨面の全面が、被加工面１２の非球面の曲面形状に倣らった形状になった。この状態でバネへの赤外線照射を停止したところ、保持部材２及びポリエチレンの温度は降下し、軟化点を下回ったところで該ポリエチレンは固化し、研磨体６の形状（曲率）はそのまま維持された。
【００６４】
続いて、実施の形態１と同様の方法で研磨を行った。研磨工具１の研磨体の形状を変化させる際には、上記と同様の方法で保持部材を加熱し、研磨体６の研磨面を、被加工面１２面形状に倣うようにし、研磨を行った。
【００６５】
曲率面が異なる領域ごとに、適宜上記の操作を繰返し、各領域の研磨加工を行った。どのような曲率の変化に対しても上記工具１は、研磨体６の全面を正確に且つ短時間に被加工面形状に倣わせることができた。これにより、非球面レンズ１１の非球面形状の研磨加工を正確且つ効率良く行うことができた。
【００６６】
＜実施の形態４＞
本実施の形態は、研磨工具１の熱可塑性材料３として、低融点金属を用いたことを特徴とするものである。本実施の形態では、軟化点１００℃の低融点合金を用い、それ以外は実施の形態１と同様の方法で研磨操作を行った。その結果、どのような曲率の変化に対しても上記工具１は、研磨体６の全面を正確に且つ短時間に被加工面形状に倣わせることができた。これにより、非球面レンズ１１の非球面形状の研磨加工を正確且つ効率良く行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る研磨加工工具の構成の断面図である。
【図２】本発明における研磨加工工具の形状変化の方法を示す説明図である。
【図３】実施例に用いた非球面レンズを現す断面図である。
【図４】研磨加工の走査の説明図である。
【図５】本発明に係る研磨加工工具の他の構成の説明図である。
【図６】本発明に係る研磨加工工具の他の構成の説明図である。
【図７】従来の研磨加工工具の一例を示す断面図である。
【図８】従来の研磨加工工具の他の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１      研磨加工工具
２      保持部材
３      熱可塑性材料
４      バネ
５      支持部材
６      研磨体
７      電線
８      通電制御手段
９      温度センサー
１０    被加工物
１１    非球面レンズ
１２    被加工面
１３    断熱部材
１４    赤外線源
２０    研磨加工工具
２１    研磨体
２２    弾性体
２３    工具基台
２４    研磨工具
２５    ヒーター
２６    熱可塑性材料
２７    研磨体
【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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