(57)【要約】［課題］  大型光学素子は焦点距離が非常に長いので、その加工面を計測するためには、長尺のフレーム構造体によって加工面と計測器とを遠く離して設置しなければならない。ところが、長尺のフレーム構造体には固有振動が残留するので、従来は測定値の揺らぎを統計的に減らすため、計測に十分な時間をかける必要があった。［本発明の構成］  計測器に近接して制振装置を設置し、計測器と加工面とを結ぶ方向に垂直な面内の振動を振幅１μｍ以下に抑え込んで制振することを特徴とする加工面計測システムである。
2011096090.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工面と、
当該加工面に近接して配置された参照面と、
当該加工面と当該参照面とを計測し、加工面から離れた位置に配置された計測装置と、
当該加工面と当該計測装置とを連結するフレーム構造体と、
当該計測器に近接して配置された制振装置と、
からなる加工面計測システムであって、
当該加工面と当該計測器とを結ぶＺ方向に垂直で互いに直交する方向であるＸ方向及びＹ方向の振動であって、フレーム構造体の固有振動に相当する振動を制振装置によって吸収して、Ｘ方向の振幅及びＹ方向の振幅を１μｍ以下に抑え込んで、制振することを特徴とする加工面計測システム。
【請求項２】
加工面がレンズや反射鏡などの非球面光学素子作成用の研削加工面あるいは研磨加工面である請求の範囲第１項に記載の加工面計測システム。
【請求項３】
参照面がコンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）パターン面であり、計測器が光学的干渉計測器である請求の範囲第１項または第２項に記載の加工面計測システム。
【請求項４】
請求の範囲第１項から第３項までのいずれか１つに記載の加工面計測システムを用いて、加工面を加工した直後に制振し、加工面及び参照面を計測することを特徴とする加工面計測方法。
【請求項５】
請求の範囲第４項に記載の加工面計測方法を繰り返し実施して、加工面の加工と計測を繰り返して自動的に所定の形状・寸法の加工面を製造する加工面半連続加工・計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研削・研磨の加工工程中において、加工機本体や周囲の擾乱によって励起される振動を実際上問題にならない程度に吸収する制振装置を用いて、レーザー式干渉計装置などによる光学的な機上計測システムの性能をフルに発揮させることができるもので、大型の反射鏡や光学レンズなどの光学素子の加工面を高精度に光学計測する加工面計測システムに関する。また、本発明はこの加工面計測システムを用いた加工面半連続加工・計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子の研削・研磨による製造プロセスで必要となる面形状の光学的測定を行う場合に、大口径の球面や非球面の被検査ワークでは測定用の干渉計との距離が非常に長くなり、同一の光学定盤の上に固定することはできない。そのため、研削・研磨された表面の形状測定装置を光学定盤に付属する何らかのフレーム構造物に搭載することにより、光学面全体の波面計測を可能にする方法が用いられる。
しかし、一般に大型の光学素子の場合焦点距離が非常に長くなり、光学定盤に付設する干渉計設置用フレーム構造物に微小な固有振動成分が残留するため、安定した干渉像を得ることが難しい。通常、大型のフレーム構造物の固有振動数は、典型的には１〜１０Ｈｚ（ヘルツ）程度、振幅も１μｍを超える程度はあり、光学干渉計装置による光学面の干渉縞測定では許容できない。
そのため外界からの振動の影響をほとんど被らないトンネル内で研削・研磨装置と面形状測定器を設けることもある。
通常の立地条件のもとで付属のフレーム構造物に設置した波面計測装置を使うには、測定値の揺らぎを統計的に減らしていくために計測に十分に長時間をかける必要があり、研削・研磨の加工工程中に、面形状を計測して直ちに研削・研磨に反映する早いサイクルを実現することが難しい。
【発明の開示】
【０００３】
大型高精度光学反射鏡や大口径レンズなどの素子製造は、基板となるガラスやセラミック材料の研削加工の工程および研磨工程が組み合わせられて、光学面の表面形状を形成する加工工程が行われる。その加工工程では、対象物の表面形状を全面に亘って測定し、その測定結果を研削・研磨工程に反映させ修正加工を進めることによって、最終的な目的の光学素子として完成することができる。光学面の形状を計測する方法としては、レーザーを光源とする干渉計システムを構成するのが一般的であるが、大型光学素子の場合は光学システム全体の焦点距離が非常に長くなり、したがって、干渉計システムの設置場所は、対象物から離れた場所に置かなければならない。ところが、そのような長尺のフレーム構造物には避けられない微小な残留振動によって、精密な測定を阻害される場合が起こる。
なかでも非軸対称かつ非球面形状を有する大型の光学素子製造においては、ＣＧＨマスクと呼ばれるコンピュータ生成ホログラフパターンをもつ一種の波面変換フィルタを搭載したＣＧＨ干渉計が用いられるが、設置場所において干渉計本体に微小振動があると、参照用の基準光学素子と被検面との干渉状態が揺らぐため、干渉縞の画像取得ができなくなる。とはいえ、５ｍ〜１０ｍのクラスのフレーム構造物においては１μｍ程度の微小な振動を被らないように構築するのは簡単ではなく、コスト面でも負担を増やすことになる。
上記課題は、請求の範囲第１項に記載の本発明の加工面計測システム、すなわち、（ａ）加工面と、（ｂ）当該加工面に近接して配置された参照面と、（ｃ）当該加工面と当該参照面とを計測し、加工面から離れた位置に配置された計測装置と、（ｄ）当該加工面と当該計測装置とを連結するフレーム構造体と、（ｅ）当該計測器に近接して配置された制振装置と、からなる加工面計測システムであって、当該加工面と当該計測器とを結ぶＺ方向に垂直で互いに直交する方向であるＸ方向及びＹ方向の振動であって、フレーム構造体の固有振動に相当する振動を制振装置によって吸収して、Ｘ方向の振幅及びＹ方向の振幅を１μｍ以下に抑え込んで、制振することを特徴とする加工面計測システムによって、解決される。
また、上記課題は、請求の範囲第４項に記載の本発明の加工面計測方法、すなわち、上記本発明の加工面計測システムを用いて、加工面を加工した直後に制振し、加工面及び参照面を計測することを特徴とする加工面計測方法によっても、解決される。
さらに、上記課題は、請求の範囲第５項に記載の本発明の加工面半連続加工・計測方法、すなわち、請求の範囲第４項に記載の加工面計測方法を繰り返し実施して、加工面の加工と計測を繰り返して自動的に所定の形状・寸法の加工面を製造する加工面半連続加工・計測方法によっても、解決される。
本発明では、単純な振り子に強力な磁石と銅板のカップリングで生じるダンピング効果を組み合わせた制振装置に振動エネルギーを吸収させることで、構造物の揺れを抑え込むものである。固有振動を起こしているフレーム構造物自体の総重量に比べて、その数１０分の１の重量の振り子に、小型の磁石の配列と銅板の対を付加しただけの非常に単純なもので、振り子の長さの調整で周波数を選択できて、すばやい振動吸収を実現する。
本発明においては、研削加工機と機上干渉計システムを一体化した場合に避けられない干渉計設置用フレーム構造物の微小な固有振動を確実に除去するための、簡単な構成の振り子と磁気ダンピングシステムを組み合わせた制振装置を完成した。これにより、１〜１０Ｈｚ程度の範囲の微小固有振動を除去する能力をもたせることができる。振り子の構成は、固有振動を起こしている構造体の重量の数１０分の１の重量をもつおもりを金属ワイヤーで吊り下げた単純なものであり、振動エネルギーの吸収は、平面に配列した小型磁石と導体板の間の誘導電流と導体板の内部抵抗に起因する熱的放散効果を利用する。非常に簡単な物理過程に基づくもので、振り子の長さ調整、および磁石と導体板との間隔調整のみで、振動数やダンピング効率を微調整できる。
本発明における制振装置を、研削・研磨加工装置に搭載した光学干渉式の機上計測システムの設置基板に取り付けて、フレーム構造物の固有振動数に同調するだけで、設置基板における微小振動が吸収され、大型光学素子の表面形状の測定を可能にする。そのため、光学素子の全面形状計測時間を大幅に短縮することができるので、研削・研磨の補正フィードバックサイクルを高速化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
第１図は本発明の加工面計測システムの実施形態を表す概略図である。
第２図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置の斜視図である。
第３図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置の断面図である。
第４図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置が働いている状態で、人為的に振動を励起した後に、如何に速やかに振動が抑えられるかを多素子加速度計で計測した結果を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
第１実施形態
第１図は、本発明の加工面計測システムの実施形態を表す概略図である。
平板状の光学定盤８の中央に大型光学素子５を載置する。大型光学素子５の上面に研削・研磨加工機７の研削・研磨砥石７１が回転しつつ接して、大型光学素子５の上面を所定のプロファイルに加工する。大型光学素子５の上面が本願の請求の範囲における「加工面」に相当する。また、光学定盤８の上には、大型光学素子５の近くに参照用基準光学素子６が載置されている。大型光学素子５の上面が本願の請求の範囲における「参照面」に相当する。
光学定盤８の上方の離れた位置に計測装置設置基板２を配置するために、光学定盤８と計測装置設置基板２とを連結するフレーム構造体４が配置されている。前述のように、大型の光学素子を加工、測定する場合には、焦点距離が非常に長くなり、そのため、フレーム構造体４は背高となる。
計測装置設置基板２の中央には計測装置３が固定されている。研削・研磨加工機７を一時的に側方へ移動した後に、大型光学素子５の上面と参照用基準光学素子６の上面を計測装置３を用いて精密に計測する。また、計測装置設置基板２には制振装置１も取り付けてある。
第２図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置の斜視図である。
クランプ支柱１１は、計測装置設置基板２に固定された支柱で、現に振動している計測装置設置基板２の振動を制振装置１に伝える。このクランプ支柱１１は、制振装置１を支えるとともに計測装置設置基板２の振動をワイヤー巻き取りドラム１２に伝える。クランプネジ１３は、これを十分締めることによってクランプ支柱１１とワイヤー巻き取りドラム１２を緩みなく固定する。また、このクランプネジ１３を緩めるとワイヤーの長さを調整することが可能となり、これによって制振しようとする振動の周波数を調整することができる。ワイヤー巻き取りドラム１２と連結されたワイヤー巻き取りレンチ１４は、その調整の際にワイヤー巻き取りドラム１２の回転を容易にするためのものである。ワイヤー巻き取りドラム１２には、一端を固定されたワイヤー１５が巻きついている。ワイヤー巻き取りドラム１２の振動に伴いワイヤー１５に吊り下げられているゴンドラ１６及びゴンドラ１６の上に取り付けられたおもり１７は一体として振り子運動を行う。なお、導体板１８は計測装置設置基板２に固定されている。
第３図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置の断面図である。
ゴンドラ１６の下面には強力な小型磁石を配置した磁石配列１１０が固定されている。したがってこの磁石配列１１０はゴンドラ１６とともに振り子振動を行うことになる。導体板１８は、導体板高さ調整ネジ１９を介して制振対象物である計測装置設置基板２に固定されている。導体板高さ調整ネジ１９は、導体板１８と磁石配列１１０との間隔を調整するためのものである。
以下に簡単に、上記のような構造を有する制振装置の制振能力が生じるメカニズムと、現実の振動に周波数を同調させる方法について述べる。
導体板１８は磁石配列１１０と平行に近接して設置する。ワイヤー１５に吊り下げられたゴンドラ１６に固定されている磁石配列１１０と導体板１６とが相対的に動くと、導体板１６の内部には誘導起電力が発生して導体板１６内に誘導電流が流れる。発生した誘導電流は磁石が持つ磁場に対して力学的抵抗として働くので、振り子運動に対するダンピング効果（制動効果）をもたらす。同時に誘導電流は導体板１６の内部抵抗によってジュール熱となり制振装置の外部環境に自然放出される。ダンピング効果を調整するためには、導体板高さ調整ネジ１９を使って、導体板１８と磁石距離１１０を変化させる。具体的には、１）まず、振動測定器（多軸加速度計）を使って計測装置設置基板２の振動を測定する。同時に、２）本制振装置１のゴンドラ１６にも、振動測定センサーをおいて、振動の周波数スペクトルを測定する。次に、３）振り子の運動をフリーにして、測定している振動スペクトルを監視しながら、ワイヤー１５の長さ調整を行って、振り子周期が固有振動数に合致するように調整する。最後に、４）導体板１８の高さを調整して、固有振動数のスペクトルのピーク値が最小になるように調整を行う。
第２実施形態
大型の光学素子を製造する目的の本発明の加工面測定システムにおいて用いられるフレーム構造物について、実用的な重さと時間でフレーム構造物の残留振動エネルギーを十分吸収できることを、上記のような構造を有する本発明の制振装置を用いて実証・確認した第２実施形態を説明する。
第２実施形態では、制振対象物は総重量が３トン程度の鉄骨フレーム構造物である。その振動は水平面内の直交する２つの方向で、固有振動数は２〜５Ｈｚ、振幅は１〜２μｍ程度であり、時間的にほとんどダンプしないことが加速度計で測定されている。この状況に対して、約１５０ｋｇ程度の重量のおもりを用いた制振装置１を構成し、その振動エネルギーの吸収効率を上記のような方法でダンピング項を最適化することにより、数秒以内（すなわち、微振動の波の数にして１０波以内）で振動が吸収されることが確かめられた。
第４図は本発明の加工面計測システムの実施形態における制振装置が働いている状態で、人為的に振動を励起した後に、如何に速やかに振動が抑えられるかを多素子加速度計で計測した結果を示すグラフである。第４図の（ａ）は、制振装置が働いていない状態で、人為的な励起を加えて、微小振動を発生させた後の約２０秒間の波形の記録である。微小振動を発生させた後、約２０秒経過した後でも微小振動の振幅は減少していない。すなわち、制振装置が働いていないと、フレーム構造体の固有振動は減衰しないことがわかる。
他方、第４図の（ｂ）は、制振装置を稼働状態にし、人為的な励起を加えて微小振動を発生させた後の約２０秒間の波形の記録である。振動の波が速やかに（約２秒）ダンプしていく様子を示している。すなわち、実施形態の制振装置を稼動させるとフレーム構造体の固有振動を約２秒で減衰させることができる。
第３実施形態
第１図に示した本発明の加工面計測システムを用いて、大型光学素子５の上面を研削・研磨加工機７で所定プロファイルに加工すると、研削・研磨加工機７によってフレーム構造体４が励起されて固有振動数で振動し続ける。次に、研削・研磨加工機７を一時的に側方へ移動した後に、制振装置１を稼働状態にする。すると、第２実施形態に示したように瞬時にフレーム構造体４の振動が制振装置１によって吸収されフレーム構造体４の振動が減衰する。この状態の微小振動であれば、大型光学素子５の加工面の測定に問題とならないので、フレーム構造体４の上部に設置した計測装置３によって大型光学素子５の加工面と参照面とを同時に測定することによって、現在の加工面の形状と最終目標の形状との差を知ることができる。そして、最終目標の形状を考慮して、次の加工における次期所定プロファイルを決定する。直ちに研削・研磨加工機７に次期所定プロファイルを送信し、研削・研磨加工機７を大型光学素子５の直上の位置に戻し、次期所定プロファイルに応じた加工を行う。このように、加工、制振、測定を繰り返すことによって、半連続的に大型光学素子の精密加工を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０００６】
本発明の加工面計測システム、加工面計測方法、及び加工面半連続加工・測定方法は、巨大望遠鏡のレンズやレンズセグメントや反射鏡や反射鏡セグメントなどの大型光学素子を精密に製造する際に利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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