(57)【要約】【課題】簡単な構成で、被加工物形状と工具面の接触状態を常に最適な状態を保ちながら研磨することができる研磨方法および形状可変研磨工具装置を提供することを目的とする。【解決手段】被加工面に接触する工具面を有する研磨部材と、大きさの異なる複数の輪帯状部材と、それぞれの輪帯状部材を工具軸方向に駆動する駆動手段とを有し、前記輪帯状部材によって前記研磨部材を所望の形状に変化させて被加工面を研磨する。【選択図】        図１
2004160565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工面に接触する工具面を有する研磨部材と、大きさの異なる複数の輪帯状部材と、それぞれの輪帯状部材を工具軸方向に駆動する駆動手段とを有し、前記輪帯状部材を介して前記研磨部材を被加工面に対応する形状に変化させて被加工面を研磨することを特徴とする研磨方法。
【請求項２】
被加工物の被加工面に接触する工具面を有する研磨部材の形状を変化させるように作用する駆動手段と、前記研磨部材を回転させる回転手段と、前記研磨部材に推力を与える推力発生手段と、前記推力発生手段で発生させた推力のみが前記研磨部材に作用するように研磨部材に係る自重を打ち消すためのカウンタウエイトを有することを特徴とする形状可変研磨工具装置。
【請求項３】
被加工物の被加工面に接触する工具面を有する研磨部材と、同心円状に配列された複数の輪帯状部材と、輪帯状部材に連結されたシャフトと、該シャフトを等間隔に複数取付けた円環状基板と該円環状基板を工具軸方向に駆動する駆動手段と、前記円環状基板の内輪を外輪に対し回転可能にする回転軸受と、シャフトを貫通させる穴を有する工具形成部本体と、前記工具形成部本体を回転させる回転手段と、前記工具形成部本体および前記円環状基板および前記駆動手段および前記回転手段を一体とする構造体と、装置全体の基準となるベースと、該ベースに固定したハウジングと、該ハウジングに対して構造体を工具軸方向に移動可能にする軸受と、前記構造体の自重を打ち消すように作用するカウンタウエイトを有することを特徴とする形状可変研磨工具装置。
【請求項４】
前記カウンタウエイトは、構造体の外側面に静圧軸受および磁石与圧によって拘束されていることを特徴とする請求項３に記載の形状可変研磨工具装置。
【請求項５】
前記カウンタウエイトは、構造体の外側面を静圧軸受を介して、覆うように設けられていることを特徴とする請求項３に記載の形状可変研磨工具装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやミラー等の光学素子あるいは金型等を研磨するときに使用される形状可変研磨工具装置および研磨方法に関し、特に、半径方向において曲率半径が変化する非球面形状等の研磨及びリップルと呼ばれるうねりの除去に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非球面を含む光学面の研磨方法として特許文献１がある。これは、あらかじめ被加工物形状を計測し、計測された形状と設計形状との形状偏差に応じて被加工物上に配置された複数の研磨工具が発生する研磨荷重を制御し、これらの研磨荷重を柔軟な研磨パッドに作用させ、この研磨パッドを被加工物と工具間で揺動させることで研磨加工を進めるものである。大型の望遠鏡ミラー、Ｘ線望遠鏡用光学素子の能率的な研磨が可能であり、非軸対象の誤差形状も除去可能である。
【０００３】
また、複数の駆動手段を備える形状可変工具として特許文献２がある。
【０００４】
【特許文献１】
ＵＳＰ４８５０１５２
【特許文献２】
特公平５−５８８６４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では以下の課題が残る。
【０００６】
特許文献１の方法では、工具の大きさによって最小加工単位が制限され、細かな形状誤差を修正できない。研磨荷重が加工部における面法線方向に作用しないため、工具の除去形状が加工部位によって変化し、除去量が不安定であり、これに起因して高い加工精度が望めない。また、工具間のつなぎ部が不連続になり、工具の大きさに起因するリップルと呼ばれるうねりの成分を生み出しやすい。
【０００７】
特許文献２の方法では、変位駆動手段を用いて形状可変な工具であることを主体にしているため、工具の除去量の制御が難しい。被加工物面上の工具軌跡に合わせて複数の変位駆動手段を制御しながら加工を進める必要があるため、駆動手段の制御が困難であり、駆動手段が複数あるため工具そのものの小型化も難しいという問題点があった。
【０００８】
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、簡単な構成で、被加工物形状と工具面の接触状態を常に最適な状態を保ちながら研磨することができる研磨方法および形状可変研磨工具装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の研磨方法において、被加工面に接触する工具面を有する研磨部材と、大きさの異なる複数の輪帯状部材と、それぞれの輪帯状部材を工具軸方向に駆動する駆動手段とを有し、前記輪帯状部材を介して前記研磨部材を被加工面に対応する形状に変化させて被加工面を研磨することを特徴とする。
【００１０】
また本発明の形状可変研磨工具装置において、被加工物の被加工面に接触する工具面を有する研磨部材の形状を変化させるように作用する駆動手段と、前記研磨部材を回転させる回転手段と、前記研磨部材に推力を与える推力発生手段と、前記推力発生手段で発生させた推力のみが前記研磨部材に作用するように研磨部材に係る自重を打ち消すためのカウンタウエイトを有することを特徴とする。
【００１１】
また本発明の形状可変研磨工具装置において、被加工物の被加工面に接触する工具面を有する研磨部材と、同心円状に配列された複数の輪帯状部材と、輪帯状部材に連結されたシャフトと、該シャフトを等間隔に複数取付けた円環状基板と該円環状基板を工具軸方向に駆動する駆動手段と、前記円環状基板の内輪を外輪に対し回転可能にする回転軸受と、シャフトを貫通させる穴を有する工具形成部本体と、前記工具形成部本体を回転させる回転手段と、前記工具形成部本体および前記円環状基板および前記駆動手段および前記回転手段を一体とする構造体と、装置全体の基準となるベースと、該ベースに固定したハウジングと、該ハウジングに対して構造体を工具軸方向に移動可能にする軸受と、前記構造体の自重を打ち消すように作用するカウンタウエイトを有することを特徴とする。
【００１２】
また本発明の形状可変研磨工具装置においては、前記カウンタウエイトは、前記構造体の外側面に静圧軸受および磁石与圧によって拘束されているか、あるいは、前記構造体の外側面を静圧軸受を介して覆うように構成されていることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１、図２は本発明の特徴を最もよくあらわす実施例であり、図１は断面概略図であり、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ断面概略図である。
【００１４】
１は被加工面と接触する工具面を有するピッチ、ウレタン等によって形成された工具材料、２はシート状に形成された工具材料１に接着された弾性体、３は弾性体２に接着され可撓性を有する工具基板である。以下、１〜３を研磨部材と呼ぶ。３ａは研磨部材の外周部に設けられたカバーであり内部に異物が入り込まないように構成される。４ａ，４ｂは連結部であり、５ａ，５ｂはシャフト、６ａ，６ｂはシャフトの案内部、７ａ，７ｂは円環状基板（回転軸受内輪を兼ねる）、９ａ，９ｂは回転軸受外輪、１０ａ，１０ｂは円環状基板を軸方向に移動可能なアクチュエータである。シャフト６ａ，６ｂは円環状基板ごとに等間隔で数本下ろされ、そのシャフトごとにシャフトの案内部、連結部は設けられている。アクチュエータ１０ａ，１０ｂは内枠１１上に取付けられ、制御装置からの出力値に従ってアクチュエータ１０ａ，１０ｂをそれぞれ駆動することにより、円環状基板７ａ，７ｂを工具軸Ｔ方向に移動させ、円環状基板７ａ，７ｂからそれぞれ数本下ろしたシャフトを工具形状形成部本体２５に設けられた穴の内部に設けたシャフトの案内部６ａ、６ｂ内を貫通させ、シャフトの案内部６ａ、６ｂに沿って工具軸Ｔ方向に移動させ、連結部４ａ，４ｂによって連結された２つの輪帯状部材２６ａ，２６ｂをそれぞれ上下動させることにより研磨部材１〜３を変形させ、工具面１を任意の形状に形成する。
この連結部４ａ，４ｂは、例えば図４に示すように構成されている。図４において、図４（ａ）、図４（ｂ）は、それぞれ異なった連結方法を示している。
まず図４（ａ）は、樹脂製の軸受ハウジング２６ａ´に、樹脂の弾性を利用してシャフト５ａの先端の球状連結部４ａを着脱可能とする方法である。連結部４ａは球状であるため軸受ハウジング２６ａ´に対して回動自在に連結することが可能である。
【００１５】
図４（ｂ）は、軸受ハウジングを２６ａ´，２６ａ´´の２体構造とし、開いた状態でシャフト５ａの先端の球状連結部４ａを挿入し、その状態で軸受ハウジング２６ａ´，２６ａ´´を閉じて連結する方法である。こちらも連結部４ａは球状であるため軸受ハウジング２６ａ´，２６ａ´´に対して回動自在に連結することが可能である。
【００１６】
図４（ａ）、図４（ｂ）に示した軸受ハウジングは、輪帯状部材２６ａと一体としてもよいし、連結部４ａと連結した後軸受ハウジング２６ａ´，２６ａ´´を輪帯状部材に固定してもよい。
【００１７】
工具形状形成部本体２５の外周には、歯車１３が設けられ、モータ部１５に連結された歯車１４から回転トルクが伝達され、工具面１、弾性体２、工具基板３、輪帯状部材２６ａ，２６ｂ、連結部４ａ，４ｂ、シャフト５ａ，５ｂ、シャフトの案内部６ａ，６ｂ、円環状基板７ａ，７ｂを一体として、内枠１１に対して回転案内部１２を介して形状形成部本体２５が回転するように構成されている。回転軸受内輪を兼ねている円環状基板７ａ，７ｂ、回転軸受外輪９ａ，９ｂが回転自在の軸受部を構成しているため、アクチュエータ１０ａ，１０ｂによる工具形状が形成された状態を保ったまま、工具面１は工具中心軸回りに回転可能である。ここでは歯車を使って工具形状形成部本体２５が回転するように構成したが、工具形状形成部本体２５の回りにベルトをかけ、モータの回転が減速プーリ、ベルトを介して工具形状形成部本体２５に伝達されるようにしてもよい。
【００１８】
さらに、以上述べてきた構成部品を一体とするように構造体１８が設けられ、この構造体１８を上下方向に移動可能にする構造体案内部として静圧軸受１６及びハウジング１７を設け、ハウジング１７は取付け具１９ａ，１９ｂを介して形状可変研磨工具装置全体の基準となるベース２１に取付ける。このような構成にすることで、構造体１８は形状可変研磨工具装置全体のベース２１に対して上下方向に移動可能である。また２０は推力発生アクチュエータであり、構造体１８に取付けられており、その推力は構造体１８、内枠１１を介して工具面に作用するように構成されている。ここでは推力発生アクチュエータとして、ヨークとコイルからなるボイスコイルモータを使用した。また２４はカウンタウエイトであり、ワイヤ２３、滑車２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを介して構造体１８に連結されている。これにより工具面に作用する形状可変研磨工具装置全体の自重がキャンセルされ、工具面にはアクチュエータ２０の推力のみが作用する。またカウンタウエイト２４と構造体１８の間には静圧軸受３０が設けられ、カウンタウエイト２４は構造体１８の外側面を覆うように構成され構造体側面に沿って上下方向に案内される。
【００１９】
上記カウンタウエイト２４について前述した図２（ａ）に示す実施例の他に、他の実施例として図２（ｂ）に示したような構成も考えられる。図２（ａ）で説明した実施例との違いのみを説明する。図２（ａ）においては、構造体１８の外側面を覆うようにカウンタウエイト２４を構成したが、図２（ｂ）の実施例においては、２つのカウンタウエイトを構造体の一側面およびその反対側面に設け、構造体とカウンタウエイトとの間に静圧軸受および磁石３１が設けられ、この静圧軸受と磁石与圧によってカウンタウエイト２４が構造体の外側面に沿って上下方向のみ摺動可能になるように構成されている。ここでは２つのカウンタウエイトを取付けたが１つでもまた３つ以上取付けても構わない。
【００２０】
カウンタウエイトを前述した実施例のように構成することによって、形状可変研磨工具装置が傾斜してもカウンタウエイトが構造体１８から離れてしまうことがなく、従って不要な振動を起こすことがなくなり、確実に工具面に作用する形状可変研磨工具装置全体の自重をキャンセルすることができる。
【００２１】
次に、工具形状の形成方法について図５を参照して説明する。ここでは図５（ａ）に示したような２つの輪帯状部材２６ａ，２６ｂ（ここでは輪帯状部材の中心線のみを示す）にシャフトの連結部４ａ，４ｂが円周方向に８分割で配置された場合を示す。図５（ｂ）に示したように、加工部位の近似球面の半径がＲであり、工具中心からの距離がｒであった場合、工具中心部との高さの差ΔＨを例えば以下の計算式から求めることができる。
【００２２】
ΔＨ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）
このようにして、図５（ｃ）に示すように、各連結部４ａ，４ｂの工具中心部からの距離ｒ１，ｒ２と各研磨点における近似球面の半径から各研磨点ごとに工具中心部との高さの差ΔＨ１，ΔＨ２を求めその値に応じてアクチュエータ１０ａ，１０ｂを駆動し工具面１を所望の形状に形成する。
【００２３】
次に、以上説明した形状可変研磨工具装置を用いた実際の研磨装置について、図３を用いて説明する。
【００２４】
図３において、５０はベッドであり、ベッド５０上にはガイド４１が形成された基台５１が取付けられており、基台５１に形成されたガイド４１に沿ってｙ方向に往復移動可能なｙテーブル５２が取付けられている。ｙテーブル５２はモータｍｙの駆動により移動可能であり、ｙテーブル５２にはセンサーｓｙが付設されており、センサーｓｙによりｙテーブル５２のｙ方向移動量が検出される。ｙテーブル５２上にはガイド４２が形成されており、このガイド４２に沿ってｙテーブル５２に対して直交方向に相対的に往復移動可能なｘテーブル５３が取り付けられている。ｘテーブル５３はモータｍｘの駆動により移動可能であり、ｘテーブル５３にはセンサーｓｘが付設されており、センサーｓｘによりｘテーブル５３のｘ方向移動量が検出される。
【００２５】
ｘステージ上には回転テーブル５７が設置されており、該回転テーブル５７はモータｍθｚの駆動により回転可能であり、モータｍθｚにはエンコーダｅθｚが付設され、回転位置の検出がなされる。
【００２６】
一方、ベッド５０にはコラム５４が固定されている。コラム５４には上下方向すなわちｚ方向のガイド４３が形成されており、ガイド４３に沿って上下方向に往復移動可能なようにｚステージ５５が取付けられている。ｚステージは、モータｍｚの駆動により移動可能であり、またｚステージにはセンサーｓｚが付設されており、センサーｓｚによりｚステージのｚ方向移動量が検出される。
【００２７】
ｚステージ５５には研磨ヘッド保持体５６が支持されている。ｚステージにはモータｍθｘが取付けられており、その駆動回転軸は研磨ヘッド保持体５６に接続されていて、研磨ヘッド保持体５６のｘ軸まわりの回動を駆動することができる。モータｍθｘにはエンコーダｅθｘが付設されており、エンコーダｍθｘによりｘ軸まわりの傾斜角（回動量）が検出される。
【００２８】
また研磨ヘッド保持体５６には、モータｍθｙが取付けられており、その駆動回転軸は、前述した形状可変研磨工具装置Ｓを保持する保持部（不図示）に接続されており保持部はｙ軸回りの回動を駆動することができる。またモータｍθｙにはエンコーダｅθｙが付設されており、このエンコーダｅθｙによりｙ軸まわりの傾斜角（回動量）が検出される。そして保持部に前述した形状可変研磨工具装置Ｓを取付け、研磨を行なう。
【００２９】
次に実際研磨を行なうための動作について説明する。
【００３０】
まず、回転テーブル５７上に被加工物Ｗを積載固定する。被加工物Ｗは適切な前加工により所定の表面粗さ、形状精度に仕上げられているものとする。５８は制御装置であり、この制御装置５８のメモリ領域に、予め形状可変研磨工具装置の走査パターンを入力しておく。
【００３１】
この走査パターンは図６に示すようにいくつか考えられる。図６（ａ）は被加工物Ｗ全体をラスター状に形状可変研磨工具装置Ｓを走査する走査パターンを示した図であり、図６（ｂ）は被加工物Ｗを回転させ、さらに形状可変研磨工具装置Ｓを半径方向Ｈに走査することによってスパイラル状に研磨する走査パターンを示した図、図６（ｃ）は被加工物Ｗの扇形加工対象部位における任意な走査パターンを示した図である。このような走査パターン上に順に研磨点を予め設定しておく。
【００３２】
さらに予め求めておいた被加工物の表面形状データ、設計形状データを制御装置５８に入力しておき、表面形状データと設計形状データの差から被加工物表面上の各研磨点における研磨工具の滞留時間を求め、それらの値に基づいてモータｍｘ、ｍｙ、ｍθｚ、ｍｚへ駆動信号を出力し形状可変研磨工具装置Ｓの被加工物上の位置を制御する。
【００３３】
また形状可変研磨工具装置Ｓの工具軸Ｔが各研磨点において被加工物表面形状の法線方向を向くようにモータｍθｘ、ｍθｙを駆動制御する。
【００３４】
さらに前述した形状可変研磨工具装置Ｓの工具形状が、各研磨点における近似球面に沿うようにアクチュエータ１０ａ，１０ｂをそれぞれ別々に駆動し工具面を所望の形状に形成する。また所定の回転数になるようモータ１５を駆動する。加えて、アクチュエータ２０を駆動制御し所望の推力を工具面に作用させる。このようにして被加工物表面の研磨を行う。
【００３５】
以上詳述したように、本発明の研磨方法および形状可変研磨工具装置を用いることによって、簡単な構成および制御で、被加工面の近似球面と一致する工具形状を形成でき、工具と被加工物間の接触状態を常に理想的な状態に維持し、研磨加工を安定して行え高精度な加工が実現できる。平面形状、球面形状、非球面形状自由曲面形状であっても加工中に各研磨点、工具位置に応じて工具形状を可変、形成することで被加工物形状と一致させることが可能である。
【００３６】
また被加工面上の全ての位置で工具形状が加工部位の形状と一致する為、滞留時間一定の均等研磨において被加工物形状精度を劣化させることなくうねり、リップル成分を除去可能である。
【００３７】
さらに工具の自転中心と研磨点の面法線を一致させることで、従来では工具形状と被加工物形状のフィッティングのために設けられていたイコライズ機構が不要となり、工具と被加工物の接触状態が常に理想的な状態を確保でき、工具面内の圧力分布も常に同じ状態が維持できる。
【００３８】
また、カウンタウエイト機構により工具面に係る形状可変研磨工具装置の自重がいかなる状態においてもキャンセルされ、アクチュエータによる推力だけが研磨荷重として作用する。そのため工具の除去形状、除去量が安定し、高精度な加工が可能である。
【００３９】
また、工具と被加工物の接触状態が一定である為、うねり、リップル成分の除去においても工具の位置、姿勢によらず安定したリップル除去性能を発揮できる。特に、工具が被加工物の外周部でオーバハングするような状態であっても、工具と工作物の接触状態を理想的な状態で維持でき、工作物全面において未加工部分を残すことなくうねり、リップル成分の除去を実施できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、簡単な構成で、被加工面の近似球面と一致する工具形状を形成できるため、工具と被加工物間の接触状態を常に理想的な状態に維持でき、研磨加工を安定して行え高精度な加工が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による形状可変研磨工具装置の実施例を示す概略図
【図２】本発明による形状可変研磨工具装置の実施例を示す断面図
【図３】本発明による形状可変研磨工具装置を使用した研磨装置の実施例を示す図
【図４】連結部を示す図
【図５】工具形状の形成方法を示す図
【図６】走査パターンを示す図
【符号の説明】
１  工具材料
２  弾性体
３  工具基板
１〜３  研磨部材
４ａ，４ｂ  連結部
５ａ，５ｂ  シャフト
６ａ，６ｂ  シャフトの案内部
７ａ，７ｂ  円環状基板（回転軸受内輪を兼ねる）
９ａ，９ｂ  回転軸受外輪
１０ａ，１０ｂ  アクチュエータ
１１  内枠
２５  工具形状形成部本体
２６ａ，２６ｂ  輪帯状部材
１８  構造体
２０  推力発生アクチュエータ
２４  カウンタウエイト
【図１】
2004160565.tif 000003
【図２】
2004160565.tif 000004
【図３】
2004160565.tif 000005
【図４】
2004160565.tif 000006
【図５】
2004160565.tif 000007
【図６】
2004160565.tif 000008