(57)【要約】【課題】  従来の流体接触加工法では、ワークが大きな場合や、光学面の面積が広い場合、加工時間が非常に長くなってしまい、被加工面の全域に亙って均一な除去を安定して行うことが困難である。【解決手段】  本発明による超精密研磨装置は、ワーク１０に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液１１が貯溜される加工タンク１２と、この加工タンク１２内に設けられてワーク１０が搭載されるワークテーブル１３と、加工タンク１２内に貯溜された加工液１１を攪拌する攪拌羽根１６と、ワークテーブル１３に超音波振動を与える超音波振動発生装置１５とを具え、ワーク１０と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用してワーク１０の被加工面２４の表面部分を構成している材料を除去する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液中に被加工物を浸漬するステップと、
加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップと
を具え、被加工物と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用して被加工物の表面部分を構成している材料を除去することを特徴とする超精密研磨方法。
【請求項２】
加工液の温度を調整して被加工物に対する化学的遊離砥粒の化学的活性度を変化させるステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１に記載の超精密研磨方法。
【請求項３】
加工液の圧力を調整して被加工物に対する化学的遊離砥粒の化学的活性度を変化させるステップをさらに具えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超精密研磨方法。
【請求項４】
加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップは、被加工物の表面の法線方向と、これに対して直交する被加工物の表面に沿った第１の方向と、これら法線方向および第１の方向に対して直交する被加工物の表面に沿った第２の方向とに沿った成分を含んでいることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の超精密研磨方法。
【請求項５】
加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップは、加工液および被加工物の少なくとも一方に超音波振動を与えるステップを有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の超精密研磨方法。
【請求項６】
被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液が貯溜される加工タンクと、
この加工タンク内に設けられて被加工物が搭載されるワークテーブルと、
加工タンク内に貯溜された加工液を動かす加工液流動手段と、
ワークテーブルに超音波振動を与える超音波振動発生手段と
を具えたことを特徴とする超精密研磨装置。
【請求項７】
前記加工タンク内を所定の圧力に調圧するための調圧手段をさらに具えたことを特徴とする請求項６に記載の超精密研磨装置。
【請求項８】
前記加工タンク内に貯溜された加工液を所定の温度に加熱するための加熱手段をさらに具えたことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の超精密研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射鏡などの光学面を原子レベルで高精度に研磨し得る超精密研磨方法およびその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
形状誤差および表面あらさ共に高い精度が要求される反射鏡やレンズなどの光学素子を製造する場合、この光学素子の光学面の形状誤差が所定の公差内に収まるように加工した後、この加工された光学面の形状を維持したまま、その表面あらさをさらに向上させる仕上げ加工が施される。一般的には、光学素子となるワークの形状測定作業と、これにより得られるワークの誤差形状に応じた修正研削作業とを繰り返してワークの光学面の形状誤差を所定の公差内に収め、しかる後、研削されたワークの光学面全域をピッチなどを用いてほぼ均等に研磨することにより、その表面あらさを改善して高精度な光学面に仕上げている。
【０００３】
しかしながら、要求される光学面の表面あらさが原子レベルのオーダーになると、上述のようにピッチなどの研磨工具に対してワークの被加工面、つまり光学面が密着するようにワークを研磨工具に押し当て、これらの間に研磨砥粒を含む加工液を介在させた状態で研磨工具とワークとを相対運動させ、ワークの被加工面を研磨する機械的加工方法では、被加工面を原子レベルのオーダーで平滑化することが根本的に不可能である。
【０００４】
被加工面を原子レベルのオーダーで平滑化する技術としては、流体接触加工法が知られている。この流体接触加工法は、純水などを主体とする加工液中の微粒子（研磨砥粒）とワークの表面を構成する原子とを化学的な反応によって結合させる一方、このワークの表面原子とその表面下に位置する原子との結合力を減少させ、ワークの表面原子を剥離させることにより、ワークの表面を原子レベルのオーダーで平滑化するものである。この流体接触加工法で用いられる微粒子は、通常、金属原子間に酸素原子が配置する構造を持つ金属酸化物であり、微粒子とワークの表面との間にも酸素が介在する形でこれらが結合すると考えられている。
【０００５】
この流体接触加工法の加工原理を図２〜図４に模式的に示す。上述したような微粒子とワークの表面原子との結合（図４参照）は、微粒子のおよびワークの両表面のＯＨ終端基（図２参照）間での脱水反応（図３参照）により形成される可能性が高い。ワークの表面原子が離脱する（図５参照）理由として、これらの界面に存在する電気陰性度の高い酸素原子が、この酸素原子と結合するワークの表面原子から電子を奪い、結果としてワークの表面原子と、その表面下に位置する原子との結合（バックボンド）が弱まり、ワークの表面原子が剥離しやすくなるためであると考えられおり、この加工物の表面原子の除去機構は電子論的解析により非特許文献１にて証明されている。
【０００６】
従って、流体接触加工法においては、微粒子とワーク表面の原子とが結合した際に、その結合エネルギーがバックボンドの結合エネルギーよりも大きくなるような化学的性質を持つ微粒子を用い、バンクボンドの結合エネルギーよりも大きな相対的運動エネルギーを微粒子とワークとの間で発生させればよいことが理解し得よう。このように、微粒子とワークの表面原子との結合が化学反応によるものであるため、流体接触加工法においては、結晶学的には化学的エッチングと同等の優れた加工表面が得られ、これらの界面の温度や圧力などによってその活性度を変えることができ、つまり加工制御性をも有していることになる。
【０００７】
このような流体接触加工法は、特許文献１や特許文献２に開示されている。特許文献１には、ワークと相互作用により結合する性質を持った粉末粒子を純水中に分散させた加工液中にワークを浸漬し、駆動回転するスピンドルの先端に取り付けられた弾性体を加工液中でワークの被加工面に近接させた状態に保ち、この状態にてスピンドルを駆動回転させることにより、弾性体の周囲に介在する加工液を連れ回りさせ、加工液中に介在する粉末粒子をワークの表面に対して流動させ、粉末粒子とワークの表面原子とをこれらの相互作用により結合させると共にワークの表面原子と表面直下の原子との結合力を減少させてワークの表面原子を加工液中に離脱させることにより、ワークの表面を原子レベルのオーダーで平滑に加工する技術が開示されている。特許文献２には、超純水を主体とする加工液が貯溜される加工槽内にワークと高圧噴射ノズルとを所定の間隔を置いて配設し、高圧噴射ノズルからワークの被加工面に向けて加工液を噴射して高速剪断流を発生させ、加工液の流れによってワークと化学的反応性を持つ加工液中に介在する微粒子をワークの表面に供給し、ワークに対して化学結合する微粒子を加工液の高速剪断流にてワークの表面から排除し、これに伴ってワークの表面原子を剥離させ、被加工物の表面を原子レベルのオーダーで平滑に加工する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１７０１５９号公報
【特許文献２】特開２０００−１６７７７０公報
【非特許文献１】精密工学会誌６８巻３号（２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光学素子の高精度な光学面の表面あらさを原子レベルのオーダーで仕上げるためには、上述したような流体接触加工法を利用することが有効である。
【００１０】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された弾性体や高圧噴射ノズルを使用する方法では、ワークが大きな場合や、光学面の面積が広い場合、加工時間が非常に長くなってしまう欠点がある。また、被加工面の全域に亙って均一な除去を安定して行うためには、被加工面の加工位置における加工液の流動状態を一定に保持する必要があり、これに伴って被加工面に対する弾性体や高圧噴射ノズルの姿勢を一定に制御しなければならず、克服すべき問題が多い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の形態は、被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液中に被加工物を浸漬するステップと、加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップとを具え、被加工物と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用して被加工物の表面部分を構成している材料を除去することを特徴とする超精密研磨方法にある。
【００１２】
本発明においては、被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液中に被加工物を浸漬した状態で、被加工物を加工液に対して相対移動させ、流体接触加工現象によって被加工物の表面が原子または分子単位で平滑化される。
【００１３】
本発明の第１の形態による超精密研磨方法において、加工液の温度を調整して被加工物に対する化学的遊離砥粒の化学的活性度を変化させるステップをさらに具えることができる。あるいは、加工液の圧力を調整して被加工物に対する化学的遊離砥粒の化学的活性度を変化させるステップをさらに具えることも可能である。
【００１４】
加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップは、被加工物の表面の法線方向と、これに対して直交する被加工物の表面に沿った第１の方向と、これら法線方向および第１の方向に対して直交する被加工物の表面に沿った第２の方向とに沿った成分を含んでいることが好ましい。
【００１５】
加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させるステップは、加工液および被加工物の少なくとも一方に超音波振動を与えるステップを有するものであってよい。
【００１６】
石英ガラスまたはシリコンを被加工物として採用することができ、この場合には化学的遊離砥粒が酸化セリウムまたは酸化ジルコニウムであってよい。
【００１７】
本発明の第２の形態は、被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液が貯溜される加工タンクと、この加工タンク内に設けられて被加工物が搭載されるワークテーブルと、前記加工タンク内に貯溜された加工液を動かす加工液流動手段と、前記ワークテーブルに超音波振動を与える超音波振動発生手段とを具えたことを特徴とする超精密研磨装置にある。
【００１８】
本発明においては、加工タンク内のワークテーブル上に被加工物を載置し、被加工物が加工液中に浸漬するように、加工タンク内に加工液を注入した後、加工液流動手段によっ加工液を流動させる一方、超音波振動発生手段によってワークテーブル上の被加工物に超音波振動を与えることにより、被加工物を加工液に対して相対移動させ、被加工物と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用して被加工物の表面部分を構成している材料を除去する。
【００１９】
本発明の第２の形態による超精密研磨装置において、加工タンク内を所定の圧力に調圧するための調圧手段をさらに具えることができる。同様に、加工タンク内に貯溜された加工液を所定の温度に加熱するための加熱手段をさらに具えることも可能である。
【００２０】
石英ガラスまたはシリコンを被加工物として採用することができ、この場合には化学的遊離砥粒が酸化セリウムまたは酸化ジルコニウムであってよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の超精密研磨方法によると、被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液中に被加工物を浸漬し、加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させ、被加工物と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用して被加工物の表面部分を構成している材料を除去するようにしたので、被加工物の表面あらさを効率よく改善することができる。また、研磨工具などを使用せずとも被加工物の全加工領域を化学的遊離砥粒に対して同時に高速で相対運動させることができるので、被加工物の表面の形状に拘らず、被加工物の表面形状を維持したまま、その全加工領域を原子レベルのオーダーで均等かつ効率良く加工することができる。
【００２２】
加工液の温度を調整したり、あるいは加工液の圧力を調整して被加工物に対する化学的遊離砥粒の化学的活性度を変化させるようにした場合、その加工効率をさらに向上させることができる。
【００２３】
加工液中において加工液に対する被加工物の相対移動方向が、被加工物の表面の法線方向と、これに対して直交する被加工物の表面に沿った第１の方向と、これら法線方向および第１の方向に対して直交する被加工物の表面に沿った第２の方向とに沿った成分を含んでいる場合、被加工物の全加工領域をより均等に加工することができる。
【００２４】
加工液および被加工物の少なくとも一方に超音波振動を与えることにより、加工液中で被加工物を加工液に対して相対移動させる場合、その駆動機構を極めてコンパクトかつ簡略化させることができる。
【００２５】
本発明の超精密研磨装置によると、被加工物に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒を純水中に分散させた加工液が貯溜される加工タンクと、この加工タンク内に設けられて被加工物が搭載されるワークテーブルと、加工タンク内に貯溜された加工液を動かす加工液流動手段と、ワークテーブルに超音波振動を与える超音波振動発生手段とを具えているので、被加工物と化学的遊離砥粒との間の化学的作用を利用して被加工物の表面部分を構成している材料を効率よく除去してその表面あらさを向上させることができる。また、研磨工具などを使用せずとも被加工物の全加工領域を化学的遊離砥粒に対して同時に高速で相対運動させることができるので、被加工物の表面の形状に拘らず、被加工物の表面形状を維持したまま、その全加工領域を原子レベルのオーダーで均等かつ効率良く加工することができる。
【００２６】
加工タンク内を所定の圧力に調圧するための調圧手段や、加工タンク内に貯溜された加工液を所定の温度に加熱するための加熱手段をさらに具えている場合、その加工効率をさらに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明による超精密研磨方法を実施し得る本発明による超精密研磨装置の一実施形態について、その概念を表す図１を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこのような実施形態のみに限らず、特許請求の範囲に記載された本発明の概念に包含されるあらゆる変更や修正が可能であり、従って本発明の精神に帰属する他の技術にも当然応用することができる。
【００２８】
基本的に耐圧性の密閉構造を有し、レンズや反射鏡などの光学素子となる石英などで形成された被加工物、つまりワーク１０に対して化学的に反応性を持つ化学的遊離砥粒、例えばワーク１０が石英の場合には酸化セリウムを純水中に分散させた加工液１１が所定量貯溜される加工タンク１２内には、ワーク１０を所望の姿勢で固定保持するワークテーブル１３と、加工タンク１２内に貯溜された加工液１１を所定の温度に加熱するための本発明の加熱手段としての電気ヒータ１４とが組み込まれている。前記ワークテーブル１３と加工タンク１２との間には、ワークテーブル１３上に固定保持されたワーク１０に超音波振動を与えるための超音波振動発生装置１５が組み込まれており、ワークテーブル１３はこの超音波振動発生装置１５を介して加工タンク１２内に設置された状態となっている。ワークテーブル１３は、ワーク１０の形状などに応じてワーク１０を最適な姿勢に保持し得るような形状および機構を有する。
【００２９】
前記加工タンク１２には、加工タンク１２内に貯溜された加工液１１を攪拌流動させるための攪拌羽根１６と、この攪拌羽根１６が下端に連結されたスピンドル１７を有する攪拌駆動モータ１８とを有する加工液流動手段１９と、先端側が加工タンク１２内に連通する配管２０と、この配管２０の途中に組み込まれた調圧弁２１と、配管２０の基端側が連通する図示しない高圧のエアタンクとを有し、加工タンク１２内の空隙部分２２に加圧空気を充填することによって、加工タンク１２内を所定の圧力に調圧するための調圧手段２３とが設けられている。
【００３０】
電気ヒータ１４や超音波振動発生装置１５，攪拌駆動モータ１８，調圧弁２１などの作動は、図示しない制御装置により、予め設定されたプログラムに基づいて制御されるようになっている。なお、ワーク１０の被加工面２４と加工液１１との相対移動方向が、ワーク１０の被加工面２４の法線方向（図中、上下方向）と、これに対して直交するワーク１０の被加工面２４に沿った第１の方向（図中、左右方向）と、これら法線方向および第１の方向に対して直交するワーク１０の被加工面２４に沿った第２の方向（図中、紙面に対して垂直な方向）とに沿った成分を含むように、超音波振動発生装置１５の作動によるワーク１０の振動方向と、攪拌羽根１６の駆動回転による加工タンク１２内での加工液１１の旋回流の方向が適切に設定されている。
【００３１】
本実施形態では、ワーク１０が石英ガラスのため、化学的遊離砥粒として酸化セリウムを使用するようにしたが、ワーク１０がシリコンの場合には、酸化ジルコニウムを化学的遊離砥粒として使用することが有効であり、ワーク１０の材質に応じて化学的遊離砥粒の材質を適宜選択する必要があることは言うまでもない。
【００３２】
このような超精密研磨装置を用いてワーク１０の表面あらさを向上させる場合、まずワークテーブル１３上にワーク１０を固定し、このワーク１０が充分に浸漬するように加工タンク１２内に加工液１１を注入した後、加工タンク１２を密閉する。次に、超音波振動発生装置１５、攪拌駆動モータ１８をそれぞれ作動させ、ワーク１０に超音波振動を与えると共に加工液１１を加工タンク１２内で循環流動させ、ワーク１０の被加工面２４と加工液１１との間に流体接触加工現象によるワーク１０の表面原子を除去するのに充分な相対運動を発生させる。さらに必要に応じて電気ヒータ１４および調圧弁２１を作動して加工液１１の温度および圧力を制御し、加工液１１中の化学的研磨砥粒とワーク１０の被加工面２４上の原子との結合を活性化させる。
【００３３】
これにより、ワーク１０の被加工面２４全域において同時に加工が進行することとなり、従来のものよりも原子レベルのオーダーで効率良くワーク１０の被加工面２４の表面あらさを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明による超精密研磨装置の一実施形態の概念図である。
【図２】本発明の背景となる加工原理図であり、化学的遊離砥粒の水酸基が被加工物表面の水酸基に結合する前の状態を表す。
【図３】本発明の背景となる加工原理図であり、化学的遊離砥粒の水酸基が被加工物表面の水酸基と結合した状態を表す。
【図４】本発明の背景となる加工原理図であり、化学的遊離砥粒の水酸基と被加工物表面の水酸基とが化学的反応を起こした状態を表す。
【図５】本発明の背景となる加工原理図であり、化学的遊離砥粒が被加工物表面の酸素原子を除去した状態を表す。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ワーク
１１  加工液
１２  加工タンク
１３  ワークテーブル
１４  電気ヒータ
１５  超音波振動発生装置
１６  攪拌羽根
１７  スピンドル
１８  攪拌駆動モータ
１９  加工液流動手段
２０  配管
２１  調圧弁
２２  空隙部分
２３  調圧手段
２４  被加工面
【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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