(57)【要約】【課題】研磨工具の弾性ヘッド部の形状等を加工中にリアルタイムで制御する。【解決手段】研磨工具の弾性工具本体部は、筒状の弾性薄膜ヘッド部１の両端を一対の保持プレート２、３に密封保持させ、モータ１６によって回転する工具主軸である回転軸１１の内部に設けられた気体供給流路１１ａを通って装置外部から供給される制御自在な気体圧によって弾性薄膜ヘッド部１を所定の外形形状に維持する。油圧シリンダ１９によって両保持プレート２、３の間隔を調整することで、被加工レンズＷ１　の局所曲率半径に合わせて弾性薄膜ヘッド部１の外形形状を加工中に変化させることができる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する一対の円盤部材と、前記一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部と、モータによって回転する工具主軸に対して前記一対の円盤部材を結合する結合手段とを有し、前記工具主軸に設けられた気体供給流路を通って気体供給手段から供給される制御自在な気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部が所定の外形形状を維持し、被加工物との間に研磨砥粒を含んだ研磨液を流入させて非接触研磨加工を行うためのニップ部を形成することを特徴とする研磨工具。
【請求項２】
両円盤部材の間隔を変化させるための調整手段が設けられていることを特徴とする請求項１記載の研磨工具。
【請求項３】
調整手段が、一方の円盤部材を他方の円盤部材に向かって進退させる油圧シリンダを有することを特徴とする請求項２記載の研磨工具。
【請求項４】
軸方向に延在する気体供給流路を有する工具主軸と、前記工具主軸を回転駆動するモータと、前記工具主軸上で互いに対向する一対の円盤部材および前記一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部を備えた弾性工具本体部と、前記弾性工具本体部を前記工具主軸に結合する結合手段と、前記工具主軸の前記気体供給流路を経て前記弾性工具本体部の前記弾性薄膜ヘッド部に制御自在な気体圧を供給する気体供給手段とを有し、前記気体供給流路を経て供給される前記気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部が所定の外形形状を維持し、被加工物との間に研磨砥粒を含んだ研磨液を流入させて非接触研磨加工を行うためのニップ部を形成することを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
両円盤部材の間隔を変化させるための調整手段が設けられていることを特徴とする請求項４記載の研磨装置。
【請求項６】
調整手段が、一方の円盤部材を他方に向かって進退させる油圧シリンダを有することを特徴とする請求項５記載の研磨装置。
【請求項７】
工具主軸上に、気体供給流路に供給される気体圧の漏れを防ぐためのラビリンスシール構造が設けられていることを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の研磨装置。
【請求項８】
互いに対向する一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部を備えた弾性工具本体部を工具主軸によって回転させ、被加工物との間のニップ部に発生する研磨液の液流によって非接触研磨加工を行う研磨方法であって、前記工具主軸に設けられた気体供給流路を経て気体供給手段から前記弾性薄膜ヘッド部に供給される制御自在な気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部を所定の外形形状に維持することを特徴とする研磨方法。
【請求項９】
気体供給手段から供給される気体圧を制御することで、前記弾性薄膜ヘッド部の外形形状を加工中に変化させることを特徴とする請求項８記載の研磨方法。
【請求項１０】
両円盤部材の間隔を調整手段によって制御することで、弾性薄膜ヘッドの外形形状を加工中に変化させることを特徴とする請求項８記載の研磨方法。
【請求項１１】
弾性薄膜ヘッド部に供給される気体圧または両円盤部材の間隔またはその両方を制御することで、弾性薄膜ヘッド部の外形形状を被加工物の局所形状に応じて変化させることを特徴とする請求項８記載の研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細砥粒を分散させた溶液（研磨液）中に被加工物を浸して、被加工物と研磨工具とが接触することのないように微小間隔を保った状態で研磨工具を回転させ、ニップ部に発生した液流によって被加工物に微細砥粒を衝突させて被加工物の表面を滑らかに仕上げるいわゆる非接触研磨に用いられる研磨工具、研磨装置および研磨方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記の非接触研磨はＥＥＭ（Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）と呼ばれる研磨方法であって、レンズ、ミラーなどの光学部品の加工では、ポリウレタン球や、内部に気体を封入した弾性薄膜部材が研磨工具として用いられてきた（特開平９−８５６１３号公報、特開平９−８５６１４号公報参照）。
【０００３】
例えば、図６に示すように、ポリウレタン球等の弾性体１０１を一体的に支持するコア１０２をネジ部材１０３によって回転軸１１１の先端に固定し、回転軸１１１を、筐体１１２に保持された一対のベアリング１１３、１１４によって回転支持させ、カップリング１１５によって回転軸１１１の後端をモータ１１６に接続して、研磨液に浸した弾性体１０１を高速回転させる。
【０００４】
弾性体１０１を回転軸１１１に固定するためのコア１０２は、アルミやＳＵＳ材で構成され、コア１０２の周りにポリウレタン樹脂を創生したものの外形を、研削加工などの機械加工手段を用いて一定の曲率半径を有する球形状に加工することで弾性体１０１を形成する。
【０００５】
治具１２０に保持された被加工物Ｗ０　と、弾性工具本体部である球状の弾性体１０１とのニップ部における間隔は通常数μｍ以下なので、弾性体１０１の真球度は前記間隔以下に加工する必要がある。また、前記弾性体１０１の材質はポリウレタン球等を選定した段階で固定される。
【０００６】
他方、内部に気体を封入した弾性薄膜部材を研磨工具として用いる研磨装置においては、加工する光学部品の光学面形状に適した曲率半径になるように弾性薄膜部材内部に気体を封入し、逆止弁により内部圧力を保持することで外形形状を保つ構成となっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術によれば、ポリウレタンなどの弾性体を用いた中実の回転工具は、加工時の被加工物と球状の弾性工具本体部との間隔が通常数μｍ以下であることを考慮すると、弾性工具本体部の真球度は前記間隔以下に加工する必要があり、材料の性質上、弾性体の形状精度を保証することが困難となってくる。
【０００８】
また、弾性体は材質を選定した段階で固定され、工具外形も製作した時点で固定されるため、工具回転による流体圧によって弾性変形する弾性工具本体部の変形領域（加工領域）は、被加工面形状つまり被加工面の局所曲率半径に基づいて変動することになり、このために均一な加工ができなくなり、面粗さの分布が生じる結果となる。
【０００９】
他方、内部に気体を封入した弾性薄膜部材を弾性工具本体部とする研磨工具においては、封入気体の圧力を予め設定することで一定の曲率半径を保つことを想定しているため、被加工物が球面の場合は、その曲率半径に適した工具曲率半径を設定することで、最適な加工が可能となる。しかし、近年、光学部品に求められる性能も高精度化する傾向にあり、非球面形状からさらには自由曲面へと表面形状が複雑化してきているために以下のような問題がある。
【００１０】
つまり、さらなる高精度化に伴って非球面量も増大する傾向にあり、数百μｍに及ぶようになってきている。また、被加工面の局所曲率半径を見ても一つの光学部品内で１００ｍｍから数千ｍｍに及んでおり、一定の工具曲率半径で加工を行うと、局所的に加工能力が低下する箇所が生じる。従って、被加工物の加工面全面に対して、サブナノメートルの粗さに均一に加工することが困難となっている。
【００１１】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、被加工面の局所形状に合わせて研磨工具との間のニップ部における加工領域を加工中にリアルタイムに制御自在に構成することで、光学部品等の自由曲面を高精度で均一に、しかも効率良く研磨することのできる研磨工具、研磨装置および研磨方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の研磨工具は、互いに対向する一対の円盤部材と、前記一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部と、モータによって回転する工具主軸に対して前記一対の円盤部材を結合する結合手段とを有し、前記工具主軸に設けられた気体供給流路を通って気体供給手段から供給される制御自在な気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部が所定の外形形状を維持し、被加工物との間に研磨砥粒を含んだ研磨液を流入させて非接触研磨加工を行うためのニップ部を形成することを特徴とする。
【００１３】
両円盤部材の間隔を変化させるための調整手段が設けられているとよい。
【００１４】
調整手段が、一方の円盤部材を他方の円盤部材に向かって進退させる油圧シリンダを有するとよい。
【００１５】
本発明の研磨装置は、軸方向に延在する気体供給流路を有する工具主軸と、前記工具主軸を回転駆動するモータと、前記工具主軸上で互いに対向する一対の円盤部材および前記一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部を備えた弾性工具本体部と、前記弾性工具本体部を前記工具主軸に結合する結合手段と、前記工具主軸の前記気体供給流路を経て前記弾性工具本体部の前記弾性薄膜ヘッド部に制御自在な気体圧を供給する気体供給手段とを有し、前記気体供給流路を経て供給される前記気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部が所定の外形形状を維持し、被加工物との間に研磨砥粒を含んだ研磨液を流入させて非接触研磨加工を行うためのニップ部を形成することを特徴とする。
【００１６】
工具主軸上に、気体供給流路に供給される気体圧の漏れを防ぐためのラビリンスシール構造が設けられているとよい。
【００１７】
本発明の研磨方法は、互いに対向する一対の円盤部材によって両端を密封保持された筒状の弾性薄膜ヘッド部を備えた弾性工具本体部を工具主軸によって回転させ、被加工物との間のニップ部に発生する研磨液の液流によって非接触研磨加工を行う研磨方法であって、前記工具主軸に設けられた気体供給流路を経て気体供給手段から前記弾性薄膜ヘッド部に供給される制御自在な気体圧によって前記弾性薄膜ヘッド部を所定の外形形状に維持することを特徴とする。
【００１８】
気体供給手段から供給される気体圧を制御することで、前記弾性薄膜ヘッド部の外形形状を加工中に変化させるとよい。
【００１９】
両円盤部材の間隔を調整手段によって制御することで、弾性薄膜ヘッドの外形形状を加工中に変化させてもよい。
【００２０】
弾性薄膜ヘッド部に供給される気体圧または両円盤部材の間隔またはその両方を制御することで、弾性薄膜ヘッド部の外形形状を被加工物の局所形状に応じて変化させるとよい。
【００２１】
【作用】
上記研磨工具によれば、例えば、弾性薄膜ヘッド部の内圧を一定に保ちながら両端の円盤部材の間隔を調整することで、工具剛性を変化させることなくニップ部の加工領域の大きさを被加工物の局所曲率半径に合わせて、加工中にリアルタイムで拡大または縮小できるため、非球面レンズ等の自由曲面を高精度で均一にしかも効率よく加工することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２３】
図１は一実施の形態による研磨装置を示すもので、これは、筒状の薄膜からなる弾性薄膜ヘッド部１の両端を、それぞれ一対の互いに対向する円盤部材である第１、第２の保持プレート２、３に密封保持させた弾性工具本体部を有し、結合手段であるネジ部材４によって保持プレート２を回転軸１１の先端に固定し、回転軸１１を、筐体１２に保持された一対のベアリング１３、１４によって回転支持させ、カップリング１５によって回転軸１１の後端をモータ１６に接続し、研磨砥粒を含む研磨液に浸した上記弾性工具本体部を高速回転させる。
【００２４】
回転軸１１は、モータ１６のモータ軸にカップリング１５を介して連結されている、例えば外径φ３０ｍｍの工具主軸である。
【００２５】
回転軸１１には、その先端部から弾性薄膜ヘッド部１内に気体を導通させるための気体供給流路１１ａが全長の２／３の位置まで設けられており、反対側の軸端部の流路終端部分には、気体供給流路１１ａと外表面を結ぶ楕円状の貫通穴１１ｂが設けられている。
【００２６】
回転軸１１の外表面には、ラビリンスシール構造を形成するための、例えば５μｍのクリアランスを確保できる内径を有するシール部材１７が設けられており、その側面には気体供給流路１１ａに貫通穴１１ｂを介して制御自在な気体圧を供給するための気体供給手段である気体供給ライン１８が接続されている。
【００２７】
シール部材１７は、回転軸１１を保持する両ベアリング１３、１４を保持する筐体１２に固定保持されており、筐体１２は治具２０に保持された被加工物である被加工レンズＷ１　に対して相対角度を任意に設定できるようにチルティングユニット２１に連結されている。チルティングユニット２１は、ボイスコイル２２を介して移動ステージ２３から懸下され、上下方向にチルティングユニット２１以下の研磨ヘッドユニットを支持しており、研磨ヘッドユニットの自重をキャンセルする機能を有している。
【００２８】
また、加工時には、弾性薄膜ヘッド部１の回転により研磨液との間に動圧が発生するが、ボイスコイル２２によりこの動圧に反する荷重を加える構造となっている。さらに、ボイスコイル２２を懸下する移動ステージ２３は、ガイド２４に沿って移動し、研磨ヘッドユニット全体を前後左右に移動、揺動させることが可能となっている。
【００２９】
気体供給ライン１８から供給される気体はドライエアーで、シール部材１７に設けられた図示しない開口部を経て、回転軸１１に設けられた貫通穴１１ｂから回転軸１１内の気体供給流路１１ａを通り、２つの保持プレート２、３と弾性薄膜ヘッド部１で構成される弾性工具本体部の内部空間に気体圧を供給する。
【００３０】
弾性薄膜ヘッド部１は、例えば、肉厚２ｍｍのゴム膜であり、両保持プレート２、３の間に挟持される構成となっている。２つの保持プレート２、３は、回転方向にずれないように弾性薄膜ヘッド部１の内部で３本の規制キー５ａ、５ｂ、５ｃにより回転方向に固定されている。そして弾性薄膜ヘッド部１は、回転軸１１の内部に導通された気体供給流路１１ａから供給される気体圧により、例えば、０．３ＭＰａの内圧がかけられて所望の曲率を有する外形形状に膨張維持される。
【００３１】
第１の保持プレート２は、ネジ部材４により回転軸１１のスラスト方向に固定されており、第２の保持プレート３は、回転軸１１上をスラスト方向に摺動可能となっており、第２の保持プレート３と回転軸１１との摺動部分には、Ｏ−リングが配設され、両保持プレート２、３と弾性薄膜ヘッド部１とで構成される空間に供給されているエアーをシールする構造となっている。
【００３２】
また、第２の保持プレート３にはスラストベアリング１９ａが固定されている。このスラストベアリング１９ａは、回転軸１１には非接触になるように中心に例えばφ３５の貫通穴を有する調整手段である油圧シリンダ１９のシリンダヘッドの端面に接触している。油圧シリンダ１９は、その外周を筐体１２に固定保持され、油圧シリンダ１９の側面には、作動油の供給・排出を行うオイルライン１９ｂ、１９ｃ経路が筐体１２を通って外部に貫通しており、ここから不図示の圧力源に接続を行う。この油圧シリンダ１９によって、第２の保持プレート３が、第１の保持プレート２との間隔を伸縮するように移動する。
【００３３】
第１の保持プレート２と第２の保持プレート３の標準設定間隔は例えば２０ｍｍに設定され、最大４０ｍｍの間隔まで広げられるように第２の保持プレート３の稼動ストロークを確保してある。
【００３４】
図２の（ａ）は、両保持プレート２、３の間隔を２０ｍｍに設定し、弾性薄膜ヘッド部１内の気体圧である内圧を０．３ＭＰａかけた場合の研磨工具による加工状態を示す。このとき弾性薄膜ヘッド部１の曲率半径は３０ｍｍとなる。弾性薄膜ヘッド部１は、研磨液中で被加工レンズＷ１　の加工面上で回転軸１１により９００ｒｐｍで回転しながら接近し、そのニップ部には弾性薄膜ヘッド部１の連れまわりにより周辺の研磨液に流れが発生し、弾性薄膜ヘッド部１と被加工レンズＷ１　の間に流体圧が発生する。この流体圧と、図１に示す筐体１２に対して一定荷重を与えるボイスコイル２２により被加工面に発生する法線力が釣り合うことにより、ニップ部に１μｍ程度の隙間が生じた状態になっている。
【００３５】
このとき、隙間に発生する流体圧とボイスコイル２２による押し付け力により、内圧０．３ＭＰａがかかっている弾性薄膜部１の被加工面との対応部分が弾性変形し、被加工面に沿ったニップ部に、周囲に比べて指数関数的に圧力が増大する加工領域が形成されることとなる。これは、図２に示す断面に対して垂直な奥行き方向にも長さを持った楕円形状をした加工領域である。この加工領域は、弾性薄膜ヘッド部１の内圧の制御や、油圧シリンダ１９の駆動によって第２の保持プレート３を移動させることで、工具回転中であっても任意に変化させることができる。
【００３６】
図２の（ｂ）は、内圧を一定に保ち、両保持プレート２、３の間隔を３０ｍｍに拡大した場合の加工領域の変化を示す。このように、保持プレート２、３の間隔が広がることによって、弾性薄膜ヘッド部１の外形曲率が大きくなり平坦化する。すなわち、被加工面に対応する加工領域を図２の（ａ）の場合に比べて広くすることができる。
【００３７】
非球面レンズのように、位置により曲率半径が変化する光学部品等の被加工物に対して、上記のような弾性薄膜ヘッド部１の曲率を自由に小さくしたり大きくしたりできる研磨工具を使用すれば、被加工面の曲率の大きい場所では、弾性薄膜ヘッド部１の保持プレート２、３の間隔を広げて大きな曲率に設定することで加速速度を速くして加工効率を上げ、被加工面の曲率の小さい場所では、弾性薄膜ヘッド部１の曲率を小さく設定することができるため、被加工物の局所曲率半径に合わせて砥粒を供給する加工領域を最大限に活用するとともに、加工領域における砥粒の供給量を均一に保つことで、最終面粗さを高精度かつ均一に、しかも効率良く仕上げることが可能となるものである。
【００３８】
図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、内圧を０．３ＭＰａと一定にした状態で、保持プレート２、３の間の間隔をそれぞれ１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍに変化させた場合の弾性薄膜ヘッド部１の曲率変化を説明する図である。保持プレート２、３の間隔を標準の２０ｍｍよりも狭くして１０ｍｍに設定した場合は、２０ｍｍの時よりも弾性薄膜ヘッド部１の曲率が小さくなり、被加工面における流体圧発生領域が狭くなり、従って加工領域も狭くなる。逆に、保持プレート２、３の間隔を３０ｍｍと広くした場合は、間隔が２０ｍｍの場合よりも弾性薄膜ヘッド部１の曲率は大きくなり、被加工面における流体圧発生領域が広くなり加工領域も拡大する。
【００３９】
図４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す保持プレート間隔での加工状態をヘッド先端から見たものである。弾性薄膜ヘッド部１が、回転軸１１の回転により矢印Ｒで示す方向に回転すると、弾性薄膜ヘッド部１と被加工面の間にそれぞれ矢印Ａ１　、Ｂ１　、Ａ２　、Ｂ２　、Ａ３　、Ｂ３　で示す流体の流れが発生する。保持プレート２、３の間隔が１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍと広くなるにしたがって、被加工面と弾性薄膜ヘッド部１とのニップ部が長くなり、加工領域が広くなっている。
【００４０】
また、弾性薄膜ヘッド部１に装置外部からの気体圧を気体供給ライン１８によって供給し、回転軸１１との間はラビリンスシール構造によってシールすることで、回転軸１１を回転させた状態、すなわち研磨工具による加工中に弾性薄膜ヘッド部１の内部の気体圧を調整することが可能であるから、気体圧の増減により加工中の研磨工具の外形曲率の大小を調整することで、非球面レンズなど曲率半径が局所的に変化する光学部品の研摩加工においても、局所形状に適した工具径に自在に制御し、加工領域を最大限に効率的に利用することが可能となり、加工効率を大幅に向上できる。なお、弾性薄膜ヘッド部１の内圧と遠心力および弾性膜剛性との釣り合いにより、膨らんだ後の外形形状の真円度は保証されることになる。
【００４１】
例えば図５に示すように、保持プレート２、３の間の間隔を２０ｍｍに保ち、弾性薄膜ヘッド部１の内圧を０．１ＭＰａ、０．３ＭＰａ、０．５ＭＰａに変化させると、図５の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように弾性薄膜ヘッド部１の膨張量が変化し、内圧の増加とともに加工領域が小さくなる。
【００４２】
本実施の形態によれば、弾性薄膜ヘッド部を保持する回転軸に気体供給流路を設けて、ラビリンスシール構造によってシールすることで、加工中に弾性薄膜ヘッド部の内圧を制御し、弾性薄膜ヘッド部の曲率や工具剛性をリアルタイムで制御することが可能となる。
【００４３】
また、弾性薄膜ヘッド部の内圧と保持プレート間隔を同時に制御することで、弾性薄膜ヘッド部の外形形状および工具剛性を変化させ、ワーク（被加工物）とのニップ部で発生する流体圧や加工領域の寸法を研磨加工中であっても自在に制御することができる。
【００４４】
これにより、場所により変化する非球面の研磨加工においても、局所曲率半径に適応した工具形状による最適ニップ形状で加工できるようになり、加工効率の向上とともに均一かつ高精度な仕上げ粗さの実現が可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４６】
研磨工具のヘッド部を構成する一対の保持プレート間に弾性薄膜で覆われた空間を設け、外部からドライエアー等を供給して剛性を持たせることで、加工中に弾性薄膜ヘッド部の曲率および剛性をリアルタイムに制御して、レンズ等ワークとの対向部で発生する加工領域を自在に制御することができる。これにより、場所によって変化する非球面の局所曲率半径に適応した最適ニップ形状で加工できるようになり、除去能率の向上とともに均一な仕上げ粗さを実現することが可能となる。
【００４７】
また、内圧と保持プレート間隔を同時に制御することで、弾性薄膜ヘッド部の外形形状および内圧による剛性、すなわちニップ部の形状と工具剛性をそれぞれ任意に制御することができる。これによって、研磨加工の除去能率と仕上げ精度をより一層向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による研磨装置を示す模式断面図である。
【図２】保持プレート間隔を調整した場合の加工領域の変化を説明する図である。
【図３】保持プレート間隔を３段階に調整した場合の具体例を示す図である。
【図４】図３の具体例を別の方向からみた立面図である。
【図５】保持プレート間隔を一定に保ち、内圧のみを３段階に変化させた具体例を説明する図である。
【図６】一従来例を示す模式断面図である。
【符号の説明】
１　　弾性薄膜ヘッド部
２、３　　保持プレート
５ａ、５ｂ、５ｃ　　規制キー
１１　　回転軸
１１ａ　　気体供給流路
１２　　筐体
１３、１４　　ベアリング
１６　　モータ
１７　　シール部材
１９　　油圧シリンダ
２０　　治具
２１　　チルティングユニット
２２　　ボイスコイル
２３　　移動ステージ
２４　　ガイド
【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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