(57)【要約】【課題】回転する研磨工具を被研磨面に押し付ける研磨荷重を精密に測定し、高精度に制御する。【解決手段】研磨ヘッドは、筐体９と、流体軸受２によってスラスト方向に移動可能に支持される工具軸１と、工具軸１を回転駆動する回転駆動手段７と、工具軸１に荷重を与える変位機構８と、筐体９に支持された差動トランス３と、を有する。差動トランス３は、工具軸１に固定された芯４に対向し、回転駆動手段７と工具軸１とを連結する板ばね５を含む伸縮連結部の下側に配置され、板ばね５の押込み長を測定することで、被研磨面１１に対する研磨パッド１０の研磨荷重を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する研磨工具によって被研磨面を研磨加工する研磨装置において、
前記研磨工具と、
前記研磨工具を保持し、スラスト方向に移動可能である工具軸と、
前記工具軸を回転駆動するための回転駆動手段と、
前記工具軸を介して前記研磨工具に前記スラスト方向の荷重を与える荷重付与手段と、
前記回転駆動手段と前記工具軸とを前記スラスト方向に伸縮自在に連結し、前記回転駆動手段による回転トルクを前記工具軸に伝達する伸縮連結部と、
前記伸縮連結部の伸縮長を測定する伸縮測定手段と、
前記伸縮連結部の伸縮長から、前記研磨工具によって被研磨面を研磨加工するときの研磨荷重を算出する演算手段と、
前記演算手段の出力に応じて前記荷重付与手段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】
前記伸縮測定手段は、非接触にて前記伸縮連結部の伸縮長を測定する差動トランスを有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３】
前記制御手段は、前記演算手段により算出された研磨荷重の変化を低減するように、前記荷重付与手段を制御することを特徴とする請求項１又は２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、工作物を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、より高い加工精度が求められており、これらの研磨加工においては、研磨ヘッドが研磨工具の研磨荷重や回転数を制御している。一般に、研磨除去量は、研磨工具と被研磨面との接触圧力、研磨工具の回転数、加工時間に比例することがプレストンの経験則として知られている。したがって、研磨除去量を制御するためには、研磨工具を被研磨面に押し付ける研磨荷重と研磨工具の回転数を制御しなくてはならない。研磨荷重を精密に制御するには、研磨荷重をモニタリングし、計測した値をフィードバックすることが有効であり、一般に荷重の測定にはロードセルが用いられる。
【０００３】
従来の研磨ヘッドは、ロードセル等の荷重検出手段と、荷重の検出方向に移動可能に支持された工具駆動部を連結したものがある（特許文献１参照）。これは、図６に示すように、研磨ヘッドに、荷重発生部１０８と、荷重検出部１０３と、回転駆動手段１０７と、研磨工具１１０と、を設ける。筐体１０９は荷重発生部１０８を支持し、研磨工具１１０を回転駆動する回転駆動手段１０７は、筐体１０９の内部に設置されているガイド１０６に沿って、工具軸１０１のスラスト方向に移動可能に構成されている。荷重発生部１０８は、回転駆動手段１０７を移動させて、研磨工具１１０を被研磨面に押し付ける。研磨工具１１０と被研磨面との接触圧力である研磨荷重は、荷重検出部１０３で得られる荷重値に、荷重検出部１０３と被研磨面との間にある可動部の重量による影響を加算することで得られる。ここで、可動部とは、工具軸１０１のスラスト方向に移動可能に構成され、荷重検出部１０３の下側で、被研磨面に押し付けられる研磨ヘッドの構成要素の組み合わされたものを指す。すなわち、回転駆動手段１０７と研磨工具１１０と工具軸１０１の組み合わされたものが可動部である。
【０００４】
図７は別例による研磨ヘッドを示す。この構成では、荷重発生部１０８が荷重検出部１０３を介して筐体１０９に支持されており、荷重発生部１０８と回転駆動手段１０７と研磨工具１１０と工具軸１０１の組み合わされたものが可動部である。
【０００５】
いずれの場合も、研磨ヘッドが重力方向に対して角度θだけ傾斜している場合には、可動部の重量により、以下の式（１）で表される大きさの力（荷重）ΔＦが研磨工具１１０と被研磨面との接触圧力である研磨荷重に影響している。
ΔＦ＝Ｍ・ｇ・ｃｏｓθ・・・・・（１）
ここで、ΔＦ：研磨荷重のうちで可動部の重量による荷重
Ｍ：可動部の質量
ｇ：重力加速度
θ：研磨ヘッドの重力方向に対する傾き角度
【０００６】
研磨ヘッドは、荷重検出部１０３で得られる荷重値にΔＦを加算することにより得られる値を基に、荷重発生部１０８を制御し、研磨工具１１０と被研磨面との間に任意の研磨荷重を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０８−１４１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、研磨ヘッドの重力方向に対する傾きθが正確に検出されない場合は、、研磨ヘッドの検出する研磨工具１１０と被研磨面との荷重値は、以下の式（２）で表される誤差Ｅを含む。
Ｅ＝Ｍ・ｇ・（ｃｏｓ（θ＋Δθ）−ｃｏｓθ）・・・・・（２）
ここで、Ｅ：研磨ヘッドの検出する荷重値に含まれる誤差
Ｍ：可動部の質量
ｇ：重力加速度
θ：研磨ヘッドの重力方向に対する傾き角度
Δθ：研磨ヘッドの重力方向に対する傾き角度の誤差
【０００９】
このように、誤差Ｅは、研磨ヘッドの可動部の質量Ｍに比例する。従来の研磨ヘッドのうち、研磨工具を押し付けながら回転駆動する研磨ヘッドにおいては、可動部の質量に回転駆動手段の質量が含まれるため、研磨加工中に検出する研磨荷重の誤差を増大させてしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、研磨工具を被研磨面に押し付ける研磨荷重を高精度に制御することが可能な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】
【００１１】
本発明の研磨装置は、回転する研磨工具によって被研磨面を研磨加工する研磨装置において、前記研磨工具と、前記研磨工具を保持し、スラスト方向に移動可能である工具軸と、前記工具軸を回転駆動するための回転駆動手段と、前記工具軸を介して前記研磨工具に前記スラスト方向の荷重を与える荷重付与手段と、前記回転駆動手段と前記工具軸とを前記スラスト方向に伸縮自在に連結し、前記回転駆動手段による回転トルクを前記工具軸に伝達する伸縮連結部と、前記伸縮連結部の伸縮長を測定する伸縮測定手段と、前記伸縮連結部の伸縮長から、前記研磨工具によって被研磨面を研磨加工するときの研磨荷重を算出する演算手段と、前記演算手段の出力に応じて前記荷重付与手段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】
【００１２】
工具軸に作用するスラスト力である研磨荷重を、伸縮連結部の伸縮長として研磨工具の回転中に回転を妨げることなく測定可能である。また、伸縮連結部と伸縮測定手段により構成される荷重測定部の下側の可動部に回転駆動手段が含まれないため、被研磨面に作用する研磨荷重を高精度に測定し、安定した精密な研磨加工を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態による研磨装置の構成を説明する模式図である。
【図２】伸縮連結部を構成するマグネットカップリング、マグネットを用いたギア、弾性的に伸縮しトルクを伝達可能な弾性体を示す図である。
【図３】伸縮連結部の伸縮長の測定方法を説明する図である。
【図４】第２の実施形態による研磨装置の構成を説明する模式図である。
【図５】第３の実施形態による研磨装置の構成を説明する模式図である。
【図６】一従来例による研磨装置の構成を説明する模式図である。
【図７】別の従来例による研磨装置の構成を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、第１の実施形態による研磨装置を示すもので、工具軸１は、下端に研磨工具である研磨パッド１０を保持し、流体軸受２により回転自在かつスラスト方向に移動可能に支持され、差動トランス３は、工具軸１のスラスト方向の移動を検出する。工具軸１の支持手段は必ずしも流体軸受２に限定されるものではなく、接触式のボールブッシュなどを用いてもよい。ただし、空気軸受などの非接触方式のほうが望ましい。板ばね５と板ばね支持体６から構成される伸縮連結部は、回転駆動手段７と工具軸１とを伸縮自在に連結し、回転駆動手段７の回転トルクを工具軸１に伝達する。
【００１５】
伸縮連結部は、板ばね５と板ばね支持体６からなるカップリングに限定されるものではない。例えば、図２（ａ）に示す円筒型の内輪６０に設けたマグネット６１ａを外輪６２のマグネット６１ｂに対向させたマグネットカップリングや、（ｂ）に示すマグネット６３ａを用いた一対のギア６３でもよい。また、図２（ｃ）に示す金属や樹脂などの弾性体など、トルクを伝達可能でスラスト方向に弾性的に伸縮する部材６４を介在させる構成でもよい。
【００１６】
伸縮測定手段を構成する差動トランス３は、前記伸縮連結部の伸縮長を、工具軸１に固着された芯４の変位により工具軸１のスラスト方向の移動量として非接触にて測定する。伸縮連結部の伸縮長を測定する伸縮測定手段は、差動トランス３を用いる方法に限定されるものではない。例えば、図３（ａ）に示すように、レーザー変位計６５により板ばね下面の測定点６６を測定してもよいし、（ｂ）に示すように工具軸１にフランジ部６７を設けてその下面に測定点６６を配置してもよい。また、レーザー変位計の代わりに、渦電流式変位計など他の変位センサを用いてもよい。工具軸１を介して研磨パッド１０にスラスト方向の荷重を与える荷重付与手段である変位機構８には筐体９が接続され、筐体９は、回転駆動手段７、差動トランス３、流体軸受２を支持する。筐体９を介して、変位機構８により工具軸１をスラスト方向に移動させる。
【００１７】
次に、研磨パッド１０と被研磨面１１との間に作用する研磨荷重の測定について説明する。変位機構８により筐体９が被加工物に近づけられると、工具軸１の先端に取り付けられた研磨パッド１０が回転しながら被研磨面１１に接触する。工具軸１の先端の研磨パッド１０が被研磨面１１に接触した後もひき続き筐体９が被加工物に近づけられると、工具軸１が板ばね５に押込まれ板ばね５を変形させる。工具軸１の板ばね５への押込み長（伸縮連結部の伸縮長）は、差動トランス３により芯４の変位として計測される。変位機構８が板ばね５を介して工具軸１に作用させるスラスト力（スラスト方向の荷重）は、演算手段１２により、板ばね５の押込み長の計測値及び既存のデータから算出することができる。また、研磨パッド１０と工具軸１と芯４からなる可動部の質量をあらかじめ計測しておけば、工具軸１に作用するスラスト力とあわせて、研磨加工中の研磨パッド１０と被研磨面１１との間に作用する研磨荷重を知ることができる。
【００１８】
研磨ヘッドが傾斜する場合には、図示しない傾斜測定手段により、研磨ヘッドの重力方向に対する傾斜角度を検知し、可動部の重量による荷重を傾斜角度分補正し、研磨パッド１０と被研磨面１１の間に作用する研磨荷重を算出すればよい。研磨荷重ＦＰは以下の式（３）よって算出される。
ＦＰ＝ＦＣ＋Ｍ・ｇ・（１−ｃｏｓθ）・・・・・（３）
ここで、ＦＰ：研磨パッド１０と被研磨面１１の間に作用する研磨荷重
ＦＣ：板ばね５が工具軸１を押す力
Ｍ：可動部の質量（工具軸１と研磨パッド１０と芯４の質量の合計）
ｇ：重力加速度
θ：研磨ヘッドの傾斜角度
【００１９】
傾斜角度θの測定に誤差があると、可動部の質量Ｍの大きさに比例して研磨荷重ＦＰの測定誤差が大きくなる。したがって、可動部の質量Ｍを小さくすることで研磨荷重ＦＰをより正確に計測することが可能である。
【００２０】
従来の研磨ヘッドでは、可動部に回転駆動手段が含まれるが、本実施形態による研磨装置の回転駆動手段７は、研磨荷重の測定に関わる可動部に含まれないため、可動部を軽量化でき、より高精度に研磨荷重の測定が可能である。
【００２１】
本実施形態の研磨装置において、研磨荷重を大きくするには、変位機構８により筐体９を被研磨面１１に近づくよう移動させ、研磨荷重を小さくするには、変位機構８により筐体９を被研磨面１１から遠ざけるよう移動させればよい。
【００２２】
研磨荷重の測定結果に基づく演算手段１２の出力に応じて、制御手段１３により研磨荷重の変化を低減し、目標とする研磨荷重になるように変位機構８を制御することで、所望の研磨加工結果を得ることができる。
【００２３】
図４は第２の実施形態を示す。本実施形態においては、変位機構８を筐体９の内部に配置する。これによって、変位機構８が移動させる構成要素が少なくなり、変位機構８が移動させる部分を軽量化して制御の応答性を高めることができる。また、差動トランス３を筐体９の内部に固定し、筐体９を変位機構８により移動させる代わりに、筐体内部の変位機構８に固定された差動トランスホルダ１４に差動トランス３を固定し、回転駆動手段７を変位機構８により移動させる。研磨パッド１０と被研磨面１１との間に作用する研磨荷重の測定方法及び研磨加工については第１の実施形態と同じである。
【００２４】
図５は第３の実施形態を示すもので、これは、より高精度に工具軸１の板ばね５への押込み長を測定することにより、より精度良く研磨パッド１０と被研磨面１１との間に作用する研磨荷重を測定することを可能にする。
【００２５】
筐体９には、伸縮測定手段を構成する２組の差動トランス３が固定され、それぞれ工具軸１に固定された芯４に対向する。板ばね５と板ばね支持体６により構成される伸縮連結部の上下に配置された２つの芯４の変位を計測して差をとることにより、工具軸１の板ばね５への押込み長を計測する。２つの芯４の変位の差をとることで、板ばね支持体６の回転駆動手段７への押込みの影響を排除できる。したがって、より高精度に工具軸１の板ばね５への押込み長を測定可能となり、より精度良く研磨パッド１０と被研磨面１１との間に作用する研磨荷重を測定できる。研磨荷重の測定方法及び研磨加工については第１の実施形態と同じである。
【符号の説明】
【００２６】
１    工具軸
２    流体軸受
３    差動トランス
４    芯
５    板ばね
６    板ばね支持体
７    回転駆動手段
８    変位機構
９    筐体
１０    研磨パッド
１１    被研磨面
１２    演算手段
１３    制御手段
【図１】
2011079079.tif 000003
【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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