(57)【要約】本発明は、ワークに対して複雑な形状の加工を高精度に施すことが可能な加工方法及び装置を提供することを目的とする。  本発明の加工方法は、ワーク（Ｗ）を搭載した冶具（１６０）を前記ワークと共に弾性変形させるステップと、前記ワークを研磨面（１１１）に加圧するステップと、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動するステップとを有する。  また、本発明の加工装置は、ワーク（Ｗ）を搭載した治具（１６０）を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるために、前記治具の所定の位置に荷重を加えるアクチュエータ（１５２）を有する。  本発明は、例えば、表面に高い面精度が要求される自由曲面ミラー及びレンズなどの光学素子における曲面形状形成及び表面加工に好適である。
2004087372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを搭載した治具を前記ワークと共に弾性変形させるステップと、
前記ワークを研磨面に加圧するステップと、
前記ワークと前記研磨面を相対的に移動するステップとを有することを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記弾性変形ステップは、弾性変形のために前記治具の所定位置に加えられた荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量は線形関係にあると近似することによって、前記荷重を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項３】
前記弾性変形ステップは、弾性変形のために前記治具の所定位置に加えられた荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、前記荷重を制御するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の加工方法。
【請求項４】
前記荷重制御ステップは、
前記ワークの現在の形状と目標形状との差分から必要となる研磨量分布を算出するステップと、
前記ワークの位置情報及び前記ワークと前記研磨面の相対速度分布を算出するステップと、
前記研磨量分布と前記相対速度分布に基づいて前記荷重を算出するステップとを含むことを特徴とする請求項２又は３記載の加工方法。
【請求項５】
ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置であって、
前記ワークを搭載した治具を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるために、前記治具の所定の位置に荷重を加えるアクチュエータを有することを特徴とする加工装置。
【請求項６】
前記荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量が線形関係にあると近似することによって、前記荷重の印加を制御するための制御部を更に有することを特徴とする請求項５記載の加工装置。
【請求項７】
前記荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、前記荷重の印加を制御するための制御部を更に有することを特徴とする請求項５又は６記載の加工装置。
【請求項８】
前記加工装置は、前記ワークの現在の形状を測定する測定部を更に有し、
前記制御部は、
前記ワークの前記現在の形状と目標形状の差分から必要となる研磨量分布を算出する第１の研磨量演算部と、
前記ワークの位置情報及び前記研磨面の回転速度から相対速度分布を算出する第２の演算部と、
前記研磨量分布と前記相対速度分布から前記ワークの前記研磨面に対する接触圧分布を算出する第３の演算部と、
前記接触圧分布を得るために必要な前記荷重を算出する第４の演算部とを含むことを特徴とする請求項６又は７記載の加工装置。
【請求項９】
ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置に使用され、前記ワークを搭載する治具であって、
前記ワークと共に弾性変形することを可能にする案内機構と、
前記加工装置から前記弾性変形するための荷重が付加される被印加部とを有することを特徴とする治具。
【請求項１０】
ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置に使用される治具であって、
前記ワークを搭載すると共に任意の曲面を形成することができる搭載部と、
外部荷重が加えられることによって回転中心の周りに回転運動し、前記搭載部を弾性変形させる回転レバー部と、
前記外部荷重が回転レバー部に加えられても変形しない固定部とを有することを特徴とする治具。
【請求項１１】
ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置であって、
前記ワークを搭載した治具を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるために、前記治具に荷重を加えるアクチュエータを有し、
前記治具は、
前記ワークを搭載すると共に任意の曲面を形成することができる搭載部と、
前記荷重が加えられることによって回転中心の周りに回転運動し、前記搭載部を弾性変形させる回転レバー部と、
前記荷重が回転レバー部に加えられても変形しない固定部とを有することを特徴とする加工装置。
【請求項１２】
前記加工装置は、
前記治具を搭載すると共に前記アクチュエータを有する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドを支持する加工ベースと、
前記ワークを前記研磨面に位置決めするための位置決め機構とを有し、
当該位置決め機構は、
前記加工ヘッド又は前記加工ベースのいずれか一方に設けられた複数のシャフトと、
前記加工ヘッド又は前記加工ベースの他方に設けられ、前記シャフトの長手方向の移動を許容するリニアブッシュとを有することを特徴とする請求項１１記載の加工装置。
【請求項１３】
前記加工装置は、
前記治具を搭載すると共に前記アクチュエータを有する加工ヘッドと、
前記加工ヘッドを支持する加工ベースと、
前記ワークを前記研磨面に位置決めするための位置決め機構とを有し、
当該位置決め機構は、
前記加工ヘッド又は前記加工ベースのいずれか一方に設けられたピボットと、
前記加工ヘッド又は前記加工ベースの他方は、前記ピボットと一点で接続することを特徴とする請求項１１記載の加工装置。
【請求項１４】
前記加工装置は、前記ワークの加工量を測定するための測定系を更に有し、
当該測定系は、
前記加工ヘッドに設けられた被測定部の加工量を測定する測定部と、
当該測定部が測定した測定結果と比較される参照値を出力するための参照用測定部とを有することを特徴とする請求項１２又は１３記載の加工装置。
【発明の詳細な説明】
本出願は、平成１５年３月３１日に出願されたＰＣＴ／ＪＰ０３／０４０８３に基づく優先権を主張する。
【技術分野】  本発明は、３次元曲面の形成方法及び装置を有し、特に、研磨方法及び装置に関する。本発明は、例えば、表面に高い面精度が要求される自由曲面ミラー及びレンズなどの光学素子における曲面形状形成及び表面加工に好適である。
技術背景
光通信に用いられるミラー及びレンズなどの光学素子は、近年の高速大容量化に伴い、その要求される面精度が高まっている。特に、高密度波長分割多重伝送（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）における可変型光分散補償器で用いられるミラーは、外形が、例えば、１０ｍｍ×数ミリ程度と小さく、複雑な自由曲面形状を有し、かつ、その要求する面精度も非常に高い。ＤＷＤＭで用いられる可変型光分散補償器は既に幾つか提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１）。
このような複雑な自由曲面形状を有した光学素子を製作する上で従来は、５乃至６自由度を有する３次元加工機を用いて光学素子用の金型を製作し、次いで、樹脂又はガラスなどの成形部材を成型してミラー形状を製作し、最後に必要な面にアルミもしくは金蒸着を行うことで鏡面を生成している。また、レンズや棒状ミラーの光学素子での目的とする面形状を得る方法として、研磨加工時に複数のアクチュエータ（加圧部材）で加圧する方法も知られている（例えば、特許文献２）。その他の従来技術としては、例えば、特許文献３が知られている。
【特許文献１】特表２００２−５１４３２３号公報
【特許文献２】特開２０００−８４８１８号公報
【特許文献３】特開平１０−１１８９１７号公報
【非特許文献１】  川幡雄一、三田村宣明、磯野秀樹、「４０ＧｂｐｓＷＤＭシステム向けＶＩＰＡ型分散補償器」、電子材料、株式会社工業調査会、２００１年１１月１日発行、第４０巻第１１号、Ｐ６７−６９
【発明の開示】
しかし、３次元加工機及び樹脂成型による方法の場合、金型の自由曲面部のバイト痕が樹脂成型品の自由曲面部に転写され面精度が悪くなる。それに対しハンドラップ（作業者の手によって微細な研磨作業を施す方法）によって予め金型のバイト痕を除去する対策が用いられるが、ハンドラップを行うと加工機で最適化された形状が崩れてしまうため、形状精度と面精度を両立させることが難しい。
一方、特開２０００−８４８１８に開示されている方法では研磨加工時に形状が形成できるため、３次元加工機に付随する問題は発生しない。そもそも特開２０００−８４８１８に用いられている、研磨加工時に外部機構による荷重を付加する手法は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）におけるウェハの平坦化加工で通常用いられている手法であり、その目的（形状形成、平坦化）は異なっていても、両者ともワーク研磨面上での研磨量分布を外部機構で制御するという方法論では共通している。これら平坦化研磨加工も含めて従来の方法における荷重の付加方法は、ワークを保持する加工ヘッドのワーク保持面に複数の微小な穴を設け、その穴とエア供給源とを接続し、エア圧の制御によってワークに荷重を付加する方法（第１２図）と、加工ヘッド内にエアシリンダやピエゾ素子などのアクチュエータを複数設け、そのアクチュエータでワーク背面に直接荷重をワークに付加する方法（第１３図）の２種に分けることができる。
これらの方法の基本的な考え方は、研磨量を増やしたい箇所に外部機構（上記エア圧・アクチュエータ）で荷重を付加することで局所的に接触圧、そして研磨速度を高めるというものである。しかしこれらの方法で圧力制御できるのは、第１２図の方式であればエア供給穴近傍、第１３図の方式であればアクチュエータ接触加圧点近傍のみである。すなわち、これらの方法は荷重の操作点近傍のみ高い点荷重が付加される方法であり、機構の存在しない箇所は制御できない。そのため高い形状精度を得るためには非常に多数の操作点を設ける必要がある。ウェハのように比較的面積の大きいワークに対してはある程度の数の操作点（特に、第１２図の方式であれば加工ヘッドに対してはエア供給穴を設けるだけで済むため、数十個の操作点を設けることが可能）を設けることができるが、光学素子のように、例えば、１０ｍｍ角以下と面積の小さなワークに対しては数点程度しか設けることができない。また、もう一つの問題点として、操作点を直接ワーク裏面に設けるという、複数の点荷重によってワークの接触圧を制御する方式では、局所的に接触圧の高い操作点近傍と、その他の箇所とでの圧力差が大きくなり過ぎてしまい、結果的に得られた研磨面に操作点数分の凹凸が発生してしまう。その上、ワークが厚さ１ｍｍ以下と薄い場合などはワーク自体にダメージを与える可能性もある。
そこで、本発明は、以上の問題点に鑑み、ワークに対して複雑な形状の加工を高精度に施すことが可能な加工方法及び装置を提供することを例示的な目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明の一側面としての加工方法は、ワークを搭載した治具を前記ワークと共に弾性変形させるステップと、前記ワークを研磨面に加圧するステップと、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動するステップとを有することを特徴とする。かかる加工方法は、ワークを研磨面に加圧する加圧力を局所的に変化させることのみに頼る代わりに、治具の所定の位置に荷重を加えることによって治具をワークと共に弾性変形させる。ワークに直接操作点を設けずに面積の大きな治具に操作点を設けることによって、面積の小さいワークに対しても所望の操作点数を確保することができると共にワークに直接加圧力を加えないので薄型のワークにダメージを与えることを防止することができる。また、ワークに直接操作点を設けずに治具に操作点を設けると、特に、ワークにダメージを与えずにワークに引上荷重を加えることが容易になる。また、複数の点荷重のみによってワークの接触圧を制御するのではなく、ワークと共に治具を弾性変形させるので接触圧分布の均一性を維持することができる。
前記弾性変形ステップは、前記弾性変形ステップは、弾性変形のために前記治具の所定位置に加えられた荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量は線形関係にあると近似すること、及び／又は、弾性変形のために前記治具の所定位置に加えられた荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、前記荷重を制御するステップを含んでもよい。かかる近似により制御を単純化して、制御ソフトウェアの負担を軽減することができる。前記荷重制御ステップは、例えば、前記ワークの現在の形状と目標形状との差分から必要となる研磨量分布を算出するステップと、前記ワークの位置情報及び前記ワークと前記研磨面の相対速度分布を算出するステップと、前記研磨量分布と前記相対速度分布に基づいて前記荷重を算出するステップとを含む。
前記弾性変形ステップは、前記治具を段階的に変形させることが好ましい。特に被研磨面が曲線である場合には、一度に大きな荷重を治具に加え、大きな変形を発生させた状態でワークを研磨面に接触させると、被研磨面が研磨面を損傷したりする場合があるからである。
前記加工方法は、前記研磨面に導入されるスラリーの粒径を変更したり、フェーシング条件であるバイトノーズ半径又は角度を変更したりするステップを更に有してもよい。例えば、通常の研磨時と仕上げ加工時で異なる（具体的には、仕上げ加工時により小さい）スラリー粒径を使用するなどである。
前記移動ステップは、前記ワークを回転すると共に前記ワークの中心と前記回転の中心とを偏心したり、偏心量を変化させたり、前記ワークを揺動したりしてもよい。これにより、ワークの被研磨面を高精度に研磨することができる。
前記加工方法は、前記ワークを保持する部材の位置又は角度変位を測定して当該測定結果を利用して前記ワークの加工量を制御するステップを更に有してもよい。加工量の制御により、ワークを所望の形状に加工することができる。前記加圧ステップは、例えば、前記加工量に応じて前記ワークを前記研磨面に加圧する加圧力を変化させてもよい。前記加工方法は、レーザーを利用して前記ワークの形状を修正するステップを更に有してもよい。これにより、局所的にワークの形状を微小に修正することができる。前記加工方法は、前記ワークの厚さが３ｍｍ以下と薄くてもワークを所望の形状に加工することができる。
本発明の別の側面としての加工装置は、ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置であって、前記ワークを搭載した治具を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるために、前記治具の所定の位置に荷重を加えるアクチュエータを有することを特徴とする。かかる加工装置は、アクチュエータがワークを研磨面に加圧する加圧力を局所的に変化させる代わりに、治具の所定の位置に荷重を加えることによって治具をワークと共に弾性変形させる。これにより、上述の加工方法と同様の作用を奏することができる。
前記アクチュエータは、前記治具に引上荷重を加えるための機構、例えば、リンク機構を含んでもよい。押付荷重と引上荷重を組み合わせることにより、治具を所望の形状に変形させることがより容易になる。複数の点荷重によってワークの接触圧を制御する従来の方式は、ワークに引上荷重を加えることは困難であったが、治具とアクチュエータの組合せは、押付荷重と引上荷重の両方を印加することを可能にするために、ワークを所望の形状に加工することを容易にする。
前記加工装置は、前記荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量が線形関係にあると近似すること、及び／又は、前記荷重に伴う前記ワークの変形を円弧（球面）で近似することによって、前記荷重の印加を制御するための制御部を更に有してもよい。かかる近似により制御を単純化して、制御部の負担を軽減することができる。前記加工装置は、前記ワークの現在の形状を測定する測定部を更に有し、前記制御部は、例えば、前記ワークの前記現在の形状と目標形状の差分から必要となる研磨量分布を算出する第１の研磨量演算部と、前記ワークの位置情報及び前記研磨面の回転速度から相対速度分布を算出する第２の演算部と、前記研磨量分布と前記相対速度分布から前記ワークの前記研磨面に対する接触圧分布を算出する第３の演算部と、前記接触圧分布を得るために必要な前記荷重を算出する第４の演算部とを含んでもよい。
本発明の別の側面としての治具は、ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置に使用され、前記ワークを搭載する治具であって、前記ワークと共に弾性変形することを可能にする案内機構と、前記加工装置から前記弾性変形するための荷重が付加される被印加部とを有することを特徴とする。かかる治具は、上述の加工装置に使用され、上述の加工方法や装置と同様の作用を奏することができる。前記治具は、例えば、ステンレスやセラミックなどの剛性の高い材質から構成される。また、本発明の治具は、厚さ３ｍｍ以下の薄型のワークや面積が５００ｍｍ２以下の小型のワークに好適である。
本発明の別の側面としての治具は、ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置に使用される治具であって、前記ワークを搭載すると共に任意の曲面を形成することができる搭載部と、外部荷重が加えられることによって回転中心の周りに回転運動し、前記搭載部を弾性変形させる回転レバー部と、前記外部荷重が回転レバー部に加えられても変形しない固定部とを有することを特徴とする。かかる治具は、外部荷重が加えられることによってワークと共に弾性変形させる。これにより、上述の加工方法と同様の作用を奏することができる。固定部は、回転レバー部による変形の基準位置を決定するため、前記搭載部の変形は前記固定部からスリットなどで独立していることが好ましい。前記ワークは前記搭載部に接着剤を介して接着され、前記搭載部は溝又は孔を含むことが好ましい。これにより、接着剤と搭載部との接着面積が増加するため、ワークを接着する強度を上げることができる。
本発明の別の側面としての加工装置は、ワークを研磨面に加圧して、前記ワークと前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置であって、前記ワークを搭載した上述の治具を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるために、前記治具に荷重を加えるアクチュエータを有する。かかる加工装置は、上述の治具を利用してかかる治具及び上述の加工方法の作用を奏することができる。
前記加工装置は、前記治具を搭載すると共に前記アクチュエータを有する加工ヘッドと、前記加工ヘッドを支持する加工ベースと、前記ワークを前記研磨面に位置決めするための位置決め機構とを有し、当該位置決め機構は、前記加工ヘッド又は前記加工ベースのいずれか一方に設けられた複数のシャフトと、前記加工ヘッド又は前記加工ベースの他方に設けられ、前記シャフトの長手方向の移動を許容するリニアブッシュとを有してもよい。リニアブッシュはシャフトの移動を長手方向以外は規制するので高精度の位置決めを達成することができると共にシャフトの長手方向の移動を可能にするのでワークの加工を阻害しない。代替的に、前記位置決め機構は、前記加工ヘッド又は前記加工ベースのいずれか一方に設けられたピボットと、前記加工ヘッド又は前記加工ベースの他方は、前記ピボットと一点で接続してもよい。ピボットはピボット周りの回転を許容するが、それ以外の運動を規制するのでワークの高精度の位置決めを達成することができると共にピボット周りの運動を許容にするのでワークの加工を阻害しない。
前記加工装置は、前記ワークの加工量を測定するための測定系を更に有し、当該測定系は、前記加工ヘッドに設けられた被測定部の加工量を測定する測定部と、当該測定部が測定した測定結果と比較される参照値を出力するための参照用測定部とを有してもよい。ワークの加工量を測定することによってワークの加工精度を向上することができる。前記ワークの研磨時に、前記ワークの中心と前記治具の回転中心をずらすための偏心機構を更に有してもよい。これにより、ワークの被研磨面を高精度に研磨することができる。前記加工ベースを前記研磨面上で支持し、前記研磨面上で前記加工ヘッド及び前記加工ベースと一体的に回転する修正リングを更に有してもよい。修正リングが前記加工ヘッド及び前記加工ベースと一体であるので省スペース化に寄与する。
本発明の他の目的と更なる特徴は、以下、添付図面を参照して説明される実施例において明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】  第１図は、本発明の一実施形態の加工装置の概略斜視図である。
第２図は、第１図に示す加工装置に使用される加工ヘッドの概略断面図である。
第３図は、第１図に示す加工装置によって加工されるワークの目標形状の斜視図である。
第４図は、第１図に示す加工装置に使用される、ワークを搭載した加工用治具の斜視図である。
第５図は、第４図に示すワークを搭載した加工用治具が弾性変形した様子を示す斜視図である。
第６図は、第４図に示す加工用治具の効果を説明するための断面図である。
第７図は、第１図に示す加工装置に使用される、ワークを搭載した別の加工用治具の斜視図である。
第８図は、第１図に示す加工装置に使用される、ワークを搭載した加工用治具に引上荷重を加えるためのリンク機構を説明する概略断面図である。
第９図は、第１図に示す加工装置においてワークと研磨面との間の相対速度の算出式を説明するための図である。
第１０図は、撓み量の円弧近似を説明するための図である。
第１１図は、第１図に示す制御装置の一部のブロック図である。
第１２図は、従来の荷重付加方法を説明するための図である。
第１３図は、従来の荷重付加方法を説明するための図である。
第１４図は、第７図に示す加工用治具と共に第１図に示す加工装置に使用される別の加工ヘッドの斜視図である。
第１５図は、第１４図に示す加工ヘッド、加工ベース、修正リングの組み立てを説明するための分解斜視図である。
第１６図は、第１４図に示す加工ヘッドの平面図である。
第１７図は、第１６図に示す加工ヘッドのＧ−Ｇ断面図及び加圧ブロックの平面図である。
第１８図は、組み立てられた第１５図に示す構造体の断面図である。
第１９図は、第１６図及び第１８図に示す加工ベースのリニアブッシュの変形例としてのピボットを示す断面図である。
第２０図は、第３図（ｃ）に示す自由曲面ミラーの製造方法を説明するためのフローチャートである。
第２１図は、第２０図に示すラップ加工工程のワーク接着工程を説明するための斜視図である。
第２２図は、第２０図に示すラップ加工工程のワーク変形工程を説明するための斜視図である。
第２３図は、第２０図に示すラップ加工工程のワーク形状測定工程を説明するための斜視図である。
第２４図は、第２０図に示すラップ加工工程の加工工程を説明するための斜視図及び平面図である。
第２５図は、第２０図に示すラップ加工工程のワーク剥離工程を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下、第１図及び第２図を参照して、本発明の一実施形態の加工装置１００について説明する。ここで、第１図は、加工装置１００の概略斜視図である。第２図は、加工装置１００に使用される加工ヘッド１５０の概略断面図である。
加工装置１００は、ラップ加工を行う。ラップ加工とは、加工ヘッド１５０に支持されたワークＷと、ラップ定盤１１０と呼ばれる研磨工具との間にスラリーＳと呼ばれる研磨砥粒を介在させ、ワーク被研磨面Ｗ１をラップ定盤研磨面１１１に接触させた状態で、ワークＷをラップ定盤１１０に対して相対移動させることで、両者の間に介在するスラリーＳが材料除去を行うという研磨加工方法である。
そのため、加工装置１００は、第１図に示すように、ラップ定盤１１０、スラリー供給ポンプ１２０、加工アーム１３０、形状測定装置１４０、加工ヘッド１５０の大きく分けて５つのモジュールで構成され、それらモジュールが各々１つの制御装置１７０に接続される構成を有している。加工アーム及びヘッドは複数設けてもよい。複数個設けることによって生産性を向上することができる。
ラップ定盤１１０はワークＷを研磨するための研磨面１１１を有し、モータ１１２によって回転駆動される。本実施形態では、モータ１１２の回転の開始／停止及び回転速度は、接続された制御装置１７０によって制御される。モータ１１２の駆動力は、モータ軸１１３に軸支されたローラ１１４に架橋されたベルト１１５を介してラップ定盤１１０の回転軸１１８に固定されたローラ１１６に伝達され、ラップ定盤１１０を回転駆動する。
スラリー供給ポンプ１２０は、ラップ定盤１１０の研磨面１１１に、常時スラリーＳを供給する。ポンプ１２０は図示しない貯蔵タンクから配管を通してスラリーＳをラップ定盤１１０に滴下する。本実施形態では、異なる濃度のスラリーＳを備えた貯蔵タンクを複数個有し、スラリーＳの供給量及び使用されるスラリーＳの切替指示は接続された制御装置１７０によって指示される。
加工アーム１３０は加工装置１００上で所定位置への加工ヘッド１５０及びワークＷの移動を行う。第１図では直動機構によるアームを示しているが、スカラ型のような回転／揺動による移動機構を用いてもよい。本実施形態では、加工開始位置、退避位置、形状測定位置の３つの所定位置に対し、制御装置１７０の指示によって前記位置への移動を行う。
形状測定装置１４０は、ワークＷの被研磨面Ｗ１の形状を測定するための測定ヘッド１４２を備え、ラップ定盤１１０近傍や加工アーム１３０の移動範囲内に設けられる。測定ヘッド１４２の測定方法は、加工ヘッド１５０に支持された状態でワークＷと非接触で測定できる、レーザもしくは超音波を用いる方法が望ましい。また、測定に影響を及ぼす、付着したスラリーＳを除去するワイパー機構を設けてもよい。本実施形態では、制御装置１７０により測定の開始／終了が指示され、測定された形状データは制御装置１７０内の図示しない記憶領域（マスタ）内に格納される。
加工ヘッド１５０は、ワークＷを支持する治具１６０を保持部１５３において支持し、自重及び加圧揺動機構１５１によりラップ定盤１１０に押し付けられる。加圧揺動機構１５１による加圧はワークＷを指示する加工ヘッド１５０を研磨面１１１に対して加圧することによってワークＷが研磨面１１１に対して所定の加圧力で加圧されることを可能にするものであるが、加工ヘッド１５０の自重で十分な場合は加圧揺動機構１５１のうちの加圧機構を設ける必要はない。加圧揺動機構１５１のうちの揺動機構は、加工ヘッド１５０を揺動するためのものである。加工ヘッド１５０が揺動又は回転することにより、ワークＷの被研磨面Ｗ１のスラリーＳの分布を均一化し、ワークＷを高精度に研磨することができる。
第１図においては、一つのラップ定盤１１０に対して一つの加工ヘッド１５０が設けられているが、ラップ定盤１１０は複数の加工ヘッド１５０を搭載し、同時に加工してもよい。
加工ヘッド１５０は、治具１６０の一又は複数の所定位置に荷重を印加する荷重印加機構としてのアクチュエータ１５２を、加圧揺動機構１５１とは別個に有する。アクチュエータ１５２は発生させる荷重量が制御装置１７０によって制御できるものであれば、図１２に示すエアシリンダでも図１３に示すピエゾ素子でも構わない。アクチュエータ１５２は加工用治具１６０に対して荷重を付加し、ワークＷには直接荷重を印加しない。このように、本実施形態の加工ヘッド１５０は、ワークＷに対して、ワークＷの全体に一定の加圧力を加えると共にワークＷを保持した治具の所定位置に個別的に荷重を印加する。但し、上述のように、本発明においては、加圧力は加工ヘッド１５０の自重のみによってなされてもよいし加圧揺動機構１５１による加圧力を加えてもよい。
図２に示すアクチュエータ１５２は加工用治具１６０に押付荷重のみを与えているが、アクチュエータ１５２と治具１６０との接続を、第８図に示すように、回転支点１５５の周りに回転可能なリンク機構１５４と、治具１６０に設けられた穴１６６というような構造にすることによって、押付荷重及び引上荷重を与えることも可能となる。ここで、第８図は、ワークを搭載した加工用治具１６０に押付荷重及び引上荷重を加えるためのリンク機構１５４を説明する概略断面図である。
第２図に示すように、加工ヘッド１５０は、ラップ定盤１１０の研磨面１１１を修正するための治具としての修正リング１５８と結合している。より詳細には、修正リング１５８は、中空のリング形状を有し、加工ヘッド１５０の保持部１５３の底部周囲に接続されている。修正リング１５８は、スラリーＳをラップ定盤１１０にチャージする機能を有する。修正リング１５８にはスラリーＳが逃げるための孔が設けられている。もっとも、修正リング１５８は、加工ヘッド１５０に結合される必要はなく、別個かつ離間して設けられてもよい。
以下、第３図乃至第７図を参照して加工用治具１６０について説明する。ここで、第３図は、ワークＷの目標形状の例を示す斜視図である。第４図は、第３図（ａ）の形状を作成するための加工用治具１６０の一例であり、第４図（ａ）は、ワークＷを搭載した加工用治具１６０のラップ定盤１１０側を下にした斜視図であり、図４（ｂ）は、加工用治具１６０のラップ定盤１１０側を下にした斜視図である。第５図は、図４に示す加工用治具１６０が弾性変形した様子を示す斜視図である。
加工用治具１６０は、ワークＷを搭載し、加工ヘッド１５０に支持され、加工ヘッド１５０から荷重を印加されてワークＷと共に弾性変形をする。治具１６０は、例えば、５００ｍｍ２以下と面積の小さいワークＷや厚さ１ｍｍ以下と薄型のワークＷに直接に多数の操作点を設けることを不要にしている。治具１６０は、ワークＷよりも大きいので多数の操作点を設けることが容易であると共に、ワークＷよりも厚いので操作点から印加される荷重によって損傷するおそれが少ない。但し、本発明は、このようにワークＷが小型薄型化のものに限定するものではない。治具１６０は、第８図を参照して説明したように、ワークＷに簡単に引上荷重を印加することができるアクチュエータ数を削減することによるコスト削減などワークＷが大型でも十分に有益な効果を提供することができるからである。
治具１６０は、ワークＷを目標形状にする際に、目標形状の線形部分はその剛性によって維持することができるように、ステンレスやセラミックなどの高剛性の材料から構成される必要がある。例えば、図３（ａ）においては、ｙ方向が線形方向である。
治具１６０は、所定箇所に荷重を受けると、予め定められた形状へ弾性変形をおこす案内機構１６２が設けられており、その案内機構によって加工用治具はワークを伴って弾性変形する。案内機構の一例は、例えば、第４図に示すような案内溝である。弾性変形した状態でワークＷの被研磨面Ｗ１をラップ定盤１１０の研磨面１１１に押し付けることで被研磨面Ｗ１に所望の接触圧分布を生じさせることができる。第４図に示す案内機構を有する治具１６０は、例えば、射出成形によって形成されてもよいし、切削加工によって形成されてもよい。
第４図に示す治具１６０は直方体形状を有するが、本発明は治具１６０の形状やワークＷを搭載する搭載部の形状を限定するものではない。例えば、ワークＷがウェハのように円盤状であれば搭載部の形状は円形になり、外形形状は円筒形形状になる。
このように、本実施形態では、直接ワークＷの被研磨面Ｗ１に対向する背面にラップ定盤１１０に押し付けるための荷重を付加して局所的に接触圧力を高めるのではなく、ワークＷを取り付けた治具１６０にワークＷを伴って治具１６０を弾性変形させるための荷重を与え、ワークＷが変形した状態でラップ加工を行うことで所望の研磨圧力分布を生じさせている。そのため、本実施形態は、治具１６０の変形形状は所望の接触分布を発生させる上で最適化されたものを使用している。
一例として、目標形状が第３図（ａ）に示される場合について考える。この目標形状はｘ方向に関しては曲率を有しているが、ｙ方向に関しては線形という特徴を有している。この目標形状を従来の方法で研磨するためには、ｙ方向を線形性を確保するためにｙ方向に沿った形で多数のアクチュエータを配置する必要がある。
これに対し、本実施形態では、第４図に示すような治具１６０を使用している。治具１６０は厚みのある平板に対し、ｙ方向に複数の案内溝１６２を設けた形状である。このように、治具１６０は、一体の部品に対して案内溝によって案内機構を構成する方が望ましい。一体の部品とすることで、面合わせなどの問題を解消することができる。
第４図（ｂ）に示すように、この治具１６０にワークＷを接着固定し、治具１６０両側面を加工ヘッド１５０の保持部１５３に取り付けた状態で、第４図（ａ）に示すように、治具１６０の背面中央の被印加部１６５に荷重を加えると、第５図に示すような形で弾性変形する。１点の荷重のみで目標形状に近似した理由は、この溝によって加工用治具がｙ方向に対しては撓みやすく、ｘ方向においては剛性が強いという特性を有したためである。
上記は、目標形状での線形性を治具の剛性により維持するための案内機構の例であるが、第６図（ａ）に示すような線形の傾きを維持する場合も、第６図（ｂ）に示すように、治具１６０Ａに回転支点１６３を設けることで両端２点のアクチュエータ１５２で維持することができる。ここで、第６図は、加工用治具１６０Ａの効果を説明するための断面図であり、第６図（ａ）は、治具１６０Ａを使用しない場合にアクチュエータ１５２からワークＷに印加される荷重と圧力分布との関係を示し、治具１６０Ａを使用した場合にアクチュエータ１５２からワークＷに印加される荷重と圧力分布との関係を示している。
即ち、本発明における加工用治具１６０は、これらの基本となる構造を組み合わせて用いることで所望の形状にワークＷを弾性変形させる治具を全てカバーする趣旨である。
第３図（ｂ）及び第３図（ｃ）は、ワークＷの目標形状の別の例を示す斜視図である。第７図は、第３図（ｂ）及び第３図（ｃ）の形状を作成するための加工用治具１６０Ｂの一例であり、第７図（ａ）は、ワークＷを搭載した加工用治具１６０の平面図であり、第７図（ｂ）は、その底面図である。第７図（ｃ）は、第７図（ａ）に示す中心線としてのＡ−Ａ線に沿った断面図であり、第７図（ｄ）は、第７図（ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。第７図（ｅ）は、第７図（ａ）に示す中心線としてのＣ−Ｃ線に沿った断面図であり、第７図（ｆ）は、第７図（ａ）に示すＤ−Ｄ線に沿った断面図である。
第３図（ｂ）及び（ｃ）に示すように本例での目標形状は、第３図（ａ）の例と同様の条件（即ち、ｘ方向は曲率を有しているが、ｙ方向に関しては線形）に加えて、ｘ方向は両端で逆方向に撓んでいる。
第３図（ｂ）及び（ｃ）に示す形状に対して、加工用治具１６０Ｂは、第７図（ｃ）乃至（ｆ）に示すように、治具１６０Ｂ内に設けられた回転機能を有する２つの案内溝１６２Ｂ（即ち、１６２Ｂ１及び１６２Ｂ２）によって案内機構が構成されている。第７図において案内溝１６２Ｂの先に円筒部１６４Ｂが設けられているのは、案内溝１６２Ｂをワイヤで形成しているためであり、円筒部１６４Ｂはワイヤの挿入孔である。ワイヤを使用しているので、案内溝１６２Ｂは対向する面まで貫通している。例えば、案内溝１６２Ｂ１は、第７図（ａ）の右面から左面まで貫通している。４つの案内溝１６２Ｂ２は、第７図（ａ）の上面から底面まで貫通しているが、ワークＷが搭載されている面までは貫通していない。この２つの案内溝機構１６２Ｂによって第３図（ｂ）及び（ｃ）に示すｘ方向両端の線形を維持することで形状を規定している。
治具１６０Ｂは、ワークＷが搭載される搭載部１６１Ｂを面１６０Ｂ１に有し、後述する加工ヘッド１５０Ｂによって変形加重が加えられる４つの被印加部１６５Ｂを面１６０Ｂ２に有する。搭載部１６１Ｂは、ワークＷを任意の曲面に変形する形状形成部として機能する。第７図（ａ）に示すように、搭載部１６１Ｂはワイヤカット及び放電加工によって略矩形状に形成されている。ワークＷを接着する強度を上げるために、ワーク接着面に溝や孔を設けることが好ましい。これにより、ワークＷと接着剤層との接着面積は変化しないが、接着剤層と搭載部１６１Ｂとの接着面積が増加する。
また、第７図（ｂ）に示すように、被印加部１６５Ｂもワイヤによって形成されている。治具１６０Ｂの加工ヘッド１５０Ｂ側の面において４つの被印加部１６５Ｂの中心はほぼ正方形を形成し、被印加部１６５Ｂ以外の部分は形状形成部に変形を与えない固定部１６９として機能する。固定部１６９は、後述する回転レバー部１６５Ｃから構造上独立しており、回転レバー部１６５Ｃの回転に対して変形しない。治具１６５Ｂは、形状形成部の面形状を高精度に制御する必要があるので、熱膨張率の低い材料を使用することが好ましい。
第７図（ｄ）を参照するに、案内溝１６２Ｂ１、被印加部１６５Ｂは凹型形状の回転レバー部１６５Ｃの一部を形成し、この結果、例えば、凹型の突部を構成する一方の（例えば、上側の）被印加部１６５Ｂを押圧すると、シーソーのように、回転支点１６３Ｂを中心として他方の（例えば、下側の）被印加部１６５Ｂが突出する。２つの回転レバー部１６５Ｃは形状形成部を任意の曲面に変形させる。治具１６５Ｂは、形状形成部、回転レバー部１６５Ｃ、固定部１６９が一体になっている。
また、治具１６０Ｂは、一対の段差付き取り付け孔１６７を介して後述する加工ヘッド１５０Ｂに固定される。段差付き取り付け孔１６７は、単なる一例であり、治具１６０Ｂを加工ヘッド１５０に固定できる限り、当業界で周知のいかなる手段を用いてもよい。治具１６０Ｂは、更に、一対の孔１６８を有する。一対の孔１６８には、ワークＷを常に同じ位置に位置決めするために使用される突き当て部材が挿入される。
以下、第１４図乃至第１８図を参照して、第７図に示す治具１６０Ｂに使用される加圧機構について説明する。加圧機構は、加工ヘッド１５０Ａ、加工ベース２９０、修正リング１５８Ａ、測定系３００とを有する。ここで、第１４図は、加工ヘッド１５０Ａと治具１６０Ｂとの関係を説明する斜視図である。第１５図は、加圧機構の組み立てを説明するための分解斜視図である。第１６図は、加工ヘッド１５０Ａの平面図である。第１７図（ａ）は、第１６図に示す加工ヘッド１５０ＡのＧ−Ｇ断面図であり、第１７図（ｂ）は、一対の加圧ブロック２５０の平面図である。第１８図は、組み立てられた第１５に示す加圧機構の断面図である。
加工ヘッド１５０Ａは、ほぼ正三角形平板形状のベース２００と、重り２１０と、３本のシャフト２２０と、アクチュエータ１５２Ａとを有する。なお、ベース２００の形状は円形や四角形でもよいし、重り２１０やシャフト２２０の数及び形状も限定されない。但し、シャフト２２０は、３本であることが望ましい。
ベース２００は、第１の面２０２と第２の面２０４とを有し、例えば、ステンレスから構成される。第１の面２０２には、第１５図に示すように、治具１６０Ｂ及びワークＷを研磨面１１１に押圧するための重り２１０が一対のネジ２１２を介して取り付けられる。重り２１０には図示しない駆動手段が接続されていて加圧揺動機構１５１として機能する。
ベース２００の第２の面２０４には第１４図に示す３本のシャフト２２０が第１５図及び第１７図（ａ）に示す３つのネジ２２２及びワッシャ２２４を介して固定されている。３本のシャフト２２０は本実施形態では正三角形の頂点に配置されている。３本のシャフト２２０は、第１５図に示す加工ベース２９０のリニアブッシュ２９２に挿嵌される。加工ヘッド１５０Ａは、加工ベース２９０に対して垂直運動する。
ベース２００の第２の面２０４の中央には矩形状のアクチュエータ１５２Ａが固定されている。アクチュエータ１５２Ａの上面の形状は治具１６０Ｂの外形に対応し、第１６図に示すように、一対のボルト２４８を段差付き取り付け孔１６７に、一対のフックピン２４９を孔１６８に挿入することによって、治具１６０Ｂを上面に固定している。アクチュエータ１５２Ａの一側面には、治具１６０Ｂを変形させる変形力を印加する一対の押しネジ２３０が設けられ、かかる側面に対向する面にはバネ固定用ブロック２３５が４つのブロック固定用ボルト２３６を介して固定されている。各押しネジ２３０は、ナット２３２を介してアクチュエータ１５２Ａに固定されている。また、アクチュエータ１５２Ａのこれらと直交する側面には、押しネジ２３０による変形力の伝達を補助するシャフト２４０が貫通し、ナット２４２を介して固定されている。また、アクチュエータ１５２Ａの内部には一対の加圧ブロック２５０が設けられている。各押しネジ２３０は、加圧ブロック２５０毎に設けられており、シャフト２４０は一対の加圧ブロック２５０に共通に使用される。
各加圧ブロック２５０は、第１７図及び第１８図に示すように、ほぼＬ字形の断面形状を有し、対応する一の押しネジ２３０と当接し、シャフト２４０に回転自在に貫通支持されている。加圧ブロック２５０は、治具１６０に変形力を加える機能を有し、一対の加圧ピン２５２と、一のボルト２５３と、一の圧縮バネ２５４とを有する。第１７図（ｂ）に示すように、各加圧ブロック２５０は、上から見ると長方形形状をしており、一対の加圧ピン２５２を露出している。加圧ピン２５２は被印加部１６５Ｂと同様にほぼ正方形状に配置されている。
各加圧ブロック２５０は、押しネジ２３０とナット２３２を介して面２５１ａで当接している。ナット２３２を締めたり緩めたりすることによって押しネジ２３０の加圧ブロック２５０への押圧力Ｆｉｎを調節することができる。一対の押しネジ２３０は、それぞれ加圧ブロック２５０の一対の加圧ピン２５２の一方を上下に移動させる。一対の加圧ピン２５２は、加圧ブロックの面２５１ｃに設けられ、治具１６０Ｂの一対の被印加部１６５Ｂに変形力を付与する。本実施形態では、押しネジ２３０による押圧力Ｆｉｎは手動で行われるが、別の実施形態においては、押しネジ機能を有する装置が自動的に押圧力Ｆｉｎを付与する。
ボルト２５３は、加圧ブロック２５０の面２６１ａと面２６１ａに対向する２６１ｂを貫通している。圧縮バネ２５４は、一端が加圧ブロック２５０の面２６１ｂに当接してこれを押圧し、内部には、貫通したボルト２５３を収納し、他端はバネ固定用ブロック２３５に固定されている。シャフト２４０は、一対の加圧ピン２５２の間に設けられ、シーソーの支点のように機能する。即ち、第１７図（ｂ）の左側の加圧ブロック２５０において、上側の加圧ピン２５２がアクチュエータ１５２Ａから突出すれば下側の加圧ピン２５２はアクチュエータ１５２Ａ内に退避する。
第１７図（ａ）に示す上側の加圧ピン２５２に働く押圧力Ｆｏｕｔは、Ｌａをシャフト２４０から上側の加圧ピン２５２までの距離、Ｌｂをシャフト２４０から押しネジ２３０までの距離とすると、Ｆｏｕｔ＝Ｌｂ×Ｆｉｎ／Ｌａで与えられる。押しネジ２３０がアクチュエータ１５２Ａ内に突出すれば第１７図（ａ）に示す矢印方向に力が印加され、押しネジ２３０がアクチュエータ１５２Ａから退避すれば圧縮バネ２５４が加圧ブロック２５０を第１７図に示す反時計回りに回転するので矢印とは反対方向に力が作用することが理解されるであろう。
第１５図及び第１８図に示すように、加工ベース２９０は、ブラケット２９１と、３つのリニアブッシュ２９２と、３個の傾き調整ネジ２９３ａ及びナット２９３ｂと、３対のネジ２９４と、３つの偏心量調整ネジ２９５ａ及びナット２９５ｂと、３つの固定板２９６とを有する。
ブラケット２９１は、修正リンク１５８Ａの上面に載置される。３つのリニアブッシュ２９２は、１２０度間隔で設けられ、シャフト２２０を収納、固定及び高精度に位置決めする。第１５図においては、加工ヘッド１５０Ａのシャフト２２０が凸で、加工ベース２９０のリニアブッシュ２９２が凹の関係であるが、かかる関係は逆転してもよい。３つの傾き調整ネジ２９３ａ及びナット２９３ｂは、１２０度間隔で設けられ、ブラケット２９１の修正リンク１５８Ａの上面に対する位置を調節し、ブラケット２９１の研磨面１１１に対する平行性を維持する。３対のネジ２９４は、１２０度間隔で配置された固定板２９６を固定する。偏心量調整ネジ２９４は、修正リング１５８Ａ内の内径との距離を調整し、加工ベース２９０、即ち、ワークＷの偏心量を決定する。本実施形態においては、かかる距離は１０ｍｍ程度である。
修正リング１５８Ａは修正リング１５８と同様の機能を有するので、ここでは詳しい説明は省略する。
第１８図に示すように、測定系３００は、変位計３１０と、参照用変位計３２０と、加工ヘッド１５０Ａのベース２００の第１の面２０２に設けられる被測定部３３０と、被測定部３４０とを有する。測定系３００は、ワーク加工時の加工量を加工ヘッド１５０Ａの高さ変位として測定する外部モニタとして機能する。
本発明は、加工ヘッド１５０Ａの位置決めをリニアブッシュに限定するものではない。例えば、第１９図に示すように、位置決め機構は、加工ベース２９０Ａの中空リング部２９７と、一のピボット２９２Ａと、加工ヘッド１５０Ｂに固定された板状部材２２０Ａとを有する。
加工ベース２９０Ａは、第１５図と同様の形状を有するが、ブラケット２９１に対向する底部に中空リング部２９７を有し、中空リング部２９７には一のピボット２９２Ａが設けられている。ピボット２９２Ａは先端が球状であるため、加工ヘッド１５０Ｂはピボット２９２Ａによって一点支持される。従って、ワークＷの形状に拘らず、ワークＷがラップ定盤１１０に倣う。ワークＷとラップ定盤１１０との２接点とピボット２９２ＡによってワークＷの位置は決定される。第１９図に示す実施形態では、後述する測定系は、角度変位を測定するための変位計（角度計）３１０Ａを使用し、板状部材２２０Ａには被測定部３３０Ａが形成される。なお、第１９図に示す実施形態においても、参照用の変位計（但し、角度系）とそれに対応する被測定部が設けられる点は同様である。
制御装置１７０は、各部を制御するが、所望の形状をワークＷに形成するために、ワークＷの研磨量を制御する。本実施形態では、制御装置１７０は、ワークＷの研磨量Ｒを制御するためにワークＷの被研磨面Ｗ１の研磨面１１１に対する接触圧力Ｐを制御する。
ラップ加工における研磨量Ｒは、比例定数をＫ、ワークＷの被研磨面Ｗ１に生じる接触圧（力）をＰ、ワークＷとラップ定盤１１０との相対速度をＶ、研磨時間をｔとすると、以下のプレストンの関係式に従い、Ｐ、Ｖ及びｔに比例すると考えられている。
2004087372.tif 000003
従って、所望の研磨量Ｒを得るためには、研磨面１１１の接触圧分布と相対速度分布を制御する必要がある。研磨時間ｔについては研磨面１１１のどの場所でも同値となるため今回は考慮する必要はない。このうち、相対速度Ｖに関しては、ラップ定盤１１０上でのワークＷの軌跡が予めわかっているため、図９に示すように、計算によって算出することができる。また、ラップ定盤１１０やワークＷの外形、もしくはワークＷの軌跡によっては相対速度にほとんど差がでない場合は、相対速度に関しては無視することができる。よって、あと研磨量を制御するために必要となるのは接触圧力Ｐであり、この接触圧力Ｐを制御することで所望の研磨量分布を得ることができる。本実施形態の制御装置１７０は、このため、アクチュエータ１５２を用いてラップ加工時の接触圧力Ｐを制御している。
以下、本発明の実施形態における制御方法について説明する。接触圧を制御するためには、ワークＷの変形量と接触圧Ｐとの関係式が必要である。このような場合、ＦＥＭ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ：有限要素法）等の構造解析手法を用いれば、ある変形時での接触圧を算出することができるが、接触問題は非線形であるため計算に時間がかかり、その上、加圧並行に伴い形状が常に変化するために頻繁に再計算を繰り返す必要がある。そのため、制御ソフトウェア上では使えない。そこで本実施形態では以下の方法で近似解を算出し、それを制御に利用している。
本実施形態では計算の簡略化のため、以下の前提で接触圧Ｐの近似解を算出している。
（１）  与えた荷重と、それに伴う変形量とは線形の関係にある。
（２）  第１０図に示すように、ワークＷの変形を円弧（球面）で近似し、ヘルツの接触問題として接触圧Ｐを算出する。
前提（１）に関しては、本来なら接触は非線形の問題であるが、本実施形態ではワークＷの変形は極微小（弾性変形領域内）であるため、この前提でも十分満足する近似解が得られる。荷重と変形量とが線形の関係にあるとみなすことによって任意の荷重付加におけるワークＷの変位量の算出が容易になる。予め基準となる荷重を与えた場合のワークＷの変位量をＦＥＭツールなどで算出しておけば、あとは基準となる荷重値と任意の荷重値との比によってワークＷの変位量を算出することができるため、計算量を大幅に削減することができる。
次に、前提（２）についても、本実施形態ではワークＷの変形は極微小であるため、円弧と高い近似精度で近似できると考えられる。なお、撓み幅ｌｉと撓み量ｈｉから、近似円の半径Ｒｉは、以下の式で求めることができる。
2004087372.tif 000004
そして球形状で近似したワークＷの変形に、次式で規定されるヘルツの接触理論を適用する。なお、数式３は接触円半径を規定する式である。数式４は、接触面中心に生じる接触圧力を規定する式である。数式５は、接触面上の圧力を規定する式である。
2004087372.tif 000005
ここで、Ｐｉは接触面上の点ｒの接触圧力である。Ｐｉは接触面中心の圧力である。ａは接触円半径である。ｒは接触円中心からの距離である。Ｒｉは球体半径である。Ｌｉは印加荷重である。Ｅ１は平面のヤング率である。Ｅ２は球体のヤング率である。ν１は平面のポアソン比である。ν２は球体のポアソン比である。
これによって接触圧Ｐを３次式のオーダで解くことが可能となる。なお、この際の押付圧力についてはワークＷ全体にかかる圧力を、各接触凸部面積の比率で分割した値を用いる。この考え方を用いて、必要となる接触圧から逆算して、必要な荷重を算出することができる。
以上の考えに基づいた制御装置１７０内の荷重指示値演算装置１７１の制御ブロック図を第１１図に示す。本実施形態における制御システムでは、ワークの現在形状を測定する形状測定装置１４０から現在形状データを入力後、各アクチュエータ１５２Ａ乃至１５２Ｎに対して荷重指示値を出力し、その詳細は４種の演算部１７２乃至１７５と、データベース１７６乃至１７８で構成される。
研磨量演算部１７２は、後述するデータベース１７６に格納された目標形状と形状測定装置１４０からの現在形状を入力として受け取り、その差分から必要となる研磨量分布を出力する。
相対速度演算部１７３は、制御装置１７０から、ラップ定盤１１０の回転速度及び加工アーム１３０によるワークＷの回転速度を入力として受け取り、後述するデータベース１７７から予め与えられたワークＷの位置情報から、ワーク接触面１１１の相対速度分布を出力する。
接触圧演算部１７４は、研磨量演算部１７２及び相対速度演算部１７３からそれぞれ研磨量分布、相対速度分布を入力として受け取り、プレストンの関係式から必要となる接触圧分布を出力する。なお、比例定数値は予備実験などで求めておく。
荷重演算部１７５は、接触圧演算部１７４から必要な接触圧分布を入力として受け取り、後述するデータベース１７８から予め与えられたワークの基本荷重値による変位量を基に、ヘルツの接触式を逆算してアクチュエータ１５２が印加すべき荷重指示値を出力する。本実施形態では、制御装置１７０は、このようにアクチュエータ１５２が印加する荷重のみを制御しているが、別の実施形態では、加圧揺動機構１５１が印加する加圧力を、荷重に加えて又は荷重と共に、制御してもよい。
データベース１７６は、第３図（ａ）乃至（ｃ）に示すような目標形状を格納する。データベース１７７は、ラップ定盤１１０の回転中心からの距離などのワークＷの位置情報を格納する。データベース１７８は、ワークＷの基本荷重値による変位量を格納する。
以下、加工装置１００を利用して第３図（ｃ）に示す自由曲面ミラーの製造方法を、第２０図乃至第２５図を参照して説明する。ここで、第２０図は、自由曲面ミラーの製造方法を示すフローチャートである。第２１図は、ラップ加工工程のワーク接着工程を説明するための斜視図である。第２２図は、ラップ加工工程のワーク変形工程を説明するための斜視図である。第２３図は、ラップ加工工程のワーク形状測定工程を説明するための斜視図である。第２４図（ａ）及び（ｂ）は、ラップ加工工程の加工工程を説明するための斜視図及び平面図である。第２５図は、ラップ加工工程のワーク剥離工程を説明するための斜視図である。
まず、前提として第３図（ｃ）に示すような目標形状をデータベース１７６に格納し、ラップ定盤１１０の回転中心からの距離などを規定する座標情報を格納する。また、ワークＷの基本荷重値による変位量をデータベース１７８に格納する。
製造工程は、ラップ加工工程１０００とレーザー加工工程１１００からなる。ラップ加工工程１０００は、ワーク接着工程１０１０と、ワーク変形工程１０２０と、ワーク形状測定工程１０３０と、加工工程１０５０又は１０５０Ａと、ワーク剥離工程１０８０を有する。
ワーク接着工程１０１０では、第２１図に示すように、ワークＷを治具１６０Ｂの形状形成部としての搭載部１６１Ｂに接着する。本実施形態は、接着剤としてワックスを使用し、ワークＷと治具１６０Ｂを１００℃程度に加熱した状態で接着する。
ワーク変形工程１０２０では、第２２図に示すように、ワークＷを接着した治具１６０Ｂを加工ヘッド１５０Ａに、ボルト２４８とフックピン２４９を孔１６７及び１６８に嵌合することによって、取り付ける。本実施形態では、重り２１０の荷重は６００ｇ程度として、ワークＷに加わる荷重を１０００ｇ程度に設定した。次いで、加工ヘッド１５０Ｂの押しネジ２３０を介して治具１６０Ｂ上のワークＷに変形力Ｆｏｕｔを与える。本実施形態では、ワークＷの変形量は、数十μｍ程度である。
ワーク形状測定工程１０３０では、第２３図に示すように、変形されたワークＷの形状を測定する。形状測定は、例えば、レーザー変位計やスタイラス変位計を使用することができる。ワーク形状測定工程１０３０は、ワークＷが目的形状であるか否かを判定し（工程１０４０）、必要があれば、再度ワークＷに変形を与える（工程１０４０から１０２０へのフィードバック）。ワークＷが目標形状に到達したら、加工ヘッド１５０Ａを加工ベース２９０又は２９０Ａに取り付け、更に、修正リング１５８Ａに取り付ける。
このように、本実施形態の加工方法は、ワークＷを研磨面１１１に加圧する加圧力を局所的に変化させることのみに頼る代わりに、治具１６０Ｂの所定の位置１６５Ｂに荷重を加えることによって治具１６０ＢをワークＷと共に弾性変形させる。ワークＷに直接操作点を設けずに面積の大きな治具１６０Ｂに操作点を設けることによって、面積の小さいワークＷに対しても所望の操作点数を確保することができると共にワークＷに直接加圧力を加えないので薄型のワークＷにダメージを与えることを防止することができる。また、ワークＷに直接操作点を設けずに治具１６０Ｂに操作点を設けると、特に、ワークＷを損傷せずにワークＷに引上荷重を加えることが容易になる。また、複数の点荷重のみによってワークＷの接触圧を制御するのではなく、ワークＷと共に治具１６０Ｂを弾性変形させるので接触圧分布の均一性を維持することができる。
弾性変形に際しては、制御装置１７０は、治具１６０Ｂを段階的に変形させることが好ましい。特に、被研磨面Ｗ１が曲線である場合には、一度に大きな荷重を治具１６０Ｂに加え、大きな変形を発生させた状態でワークを被研磨面に接触させると被研磨面Ｗ１が研磨面１１１を損傷したりする場合があるからである。
加工量のモニタ方法によって加工工程は非外部モニタと外部モニタに分類される。第２０図では、便宜上、非外部モニタと外部モニタとを併記しているが、実際には、工程１０４０の後は工程１０５０又は１０５０Ａのいずれか一方の場合となる。
加工工程１０５０又は１０５０Ａでは、第２４図に示すように、研磨開始の命令に基づいて、制御装置１７０は、モータ１１２に供給される電力を制御することによってモータ１１２を所定の回転数で回転させ、これによって、ラップ定盤１１０を所定の回転数で回転させる。次いで、制御装置１７０は、図示しない入力装置によってユーザから指定された所定の貯蔵タンクに接続されたとのバルブを開口し、所定のスラリーＳをスラリー供給ポンプ１２０に供給する。加工ヘッド１５０Ａ、加工ベース２９０及び修正リング１５８Ａは、図示しないモータにより、位置を拘束され、回転する。偏心量調整ネジ２９５ａは、修正リング１５８Ａの中心とワークＷの中心とをずらして、第２４図（ａ）に示す研磨軌跡Ｐの位置（研磨位置）を変更する。これによって、その位置でのスラリーＳの減少や軌跡Ｐにおける研磨面１１１の窪みを防止し、研磨面１１１の全体を使用して高精度な加工を確保することができる。なぜなら、研磨位置を変更しないとワークＷの表面には、例えば、加工によって渦状のスジがついてしまうが、研磨位置を変更することによってかかるスジを除去して面精度を高めることができる。本実施形態では、偏心量を約１０ｍｍに設定した。また、第２４図（ｂ）に示すように、加工中に修正リング１５８Ａを直線的な陽動運動をさせることが好ましい。
非外部モニタの場合、約２０分毎に治具１６０Ｂをラップ定盤１１０から取り外し、ワークＷの形状測定を実施し（工程１０６０）、加工量を監視する（工程１０７０）。目標加工量に到達した場合は、スラリーＳの粒径を更に細かいものに切り替え、仕上げ加工を行う。本実施形態では、スラリー粒径を１μｍから１／１０μｍに切り替えている。例えば、スラリー粒径が１μｍのものを使用するラップ定盤をスラリー粒径が１／１０μｍのものを使用するラップ定盤に切り替えるなどである。また、本実施形態では、ラップ定盤１１０のフェーシング条件であるバイトノーズ半径及び角度を、例えば、０．５ｍｍから０．３ｍｍ、９０°から６０°に切り替えている。フェーシングとは、ラップを行う前の準備工程であり、研磨面１１１にバイトを当てて研磨時に発生するゴミを流す溝を形成する工程であり、バイトノーズ半径及び角度の切り替えは、溝の面積や間隔の変更に相当する。なお、本発明は、バイトノーズ半径及び角度を通常加工時と仕上げ加工時で変更すればよく、本実施形態の数値に限定されるものではない。
外部モニタでは、加工工程１０５０Ａ中に加工量の監視を行うことができるため（工程１０５２、１０５４）、ワーク形状測定工程１０６０が不要となる。目標加工量に到達した場合の処理は非外部モニタと同様である。
加工量の監視においては、制御装置１７０は、加工アーム１３０を制御してワークＷを形状測定装置１４０まで移動させ、測定ヘッド１４２を介してワークＷの現在の形状を測定する。加工によってワークＷは研磨され、重り２１０による押圧力によって下降する。上述したように、シャフト２２０はリニアブッシュ２９２内を鉛直方向に自由に移動することができる。加工量は測定系３００によって測定される。形状測定装置１４０は、図１１に示すように、測定された現在形状を制御装置１７０内の荷重指示値演算装置１７１の研磨量演算部１７２に送信する。
研磨量演算部１７２は、データベース１７６に格納された目標形状と形状測定装置１４０からの現在形状を入力として受け取り、その差分から必要となる研磨量分布を出力する。相対速度演算部１７３は、制御装置１７０から、ラップ定盤１１０の回転速度及び加工アーム１３０によるワークＷの回転速度を入力として受け取り、データベース１７７からワークＷの位置情報から、ワーク接触面１１１の相対速度分布を出力する。接触圧演算部１７４は、研磨量演算部１７２及び相対速度演算部１７３からそれぞれ研磨量分布、相対速度分布を入力として受け取り、プレストンの関係式から必要となる接触圧分布を出力する。
荷重演算部１７５は、接触圧演算部１７４から必要な接触圧分布を入力として受け取り、データベース１７８から得られるワークの基本荷重値による変位量を基に、ヘルツの接触式を逆算してアクチュエータ１５２が印加すべき荷重指示値を出力する。得られた荷重指示値の結果に基づいて、制御装置１７０は、アクチュエータ１５２の各部が加える荷重を制御する。調節される荷重は重り２１０以外に加えられる荷重であるが、可変荷重はゼロであってもよい。この結果、ワークＷを目標形状に加工することができる。加工量は、例えば、約２０μｍである。
ワーク剥離工程１０８０では、第２５図に示すように、仕上げ加工が終了したワークＷを治具１６０Ｂから取り外す。もちろん前提として、加工ヘッド１５０Ａを加工ベース２９０から取り外されている。本実施形態は、接着剤としてワックスを使用しているので、加熱してワークＷを剥離する。剥離後、必要に応じて、レーザー加工によるワークＷの形状を局所的に微小に（例えば、曲げ加工により）修正する（工程１１００）。
このように、本実施形態は、少ない操作点数で高い形状近似精度を確保し、かつ点荷重による局所的な圧力を緩和するために、任意の変形への案内機構を有した加工用治具１６０Ｂをアクチュエータ１５２とワークＷとの間に介在させ、ワークＷに直接ではなく治具１６０Ｂに操作点を設け、荷重をその箇所に付加、それによりワークを伴った状態で加工用治具を弾性変形させ、その状態で研磨加工することでワーク被研磨面Ｗ１での研磨量を制御する加工方法及び装置を提供している。本実施形態によれば、切削加工を行わないためバイト痕が発生せず、高精度な自由曲面をワークに加工することができる。また、バイト痕除去のためのハンドラップ等が不要になるため、一度得られた形状精度を低下させることもない。
【産業上の利用の可能性】
本発明によれば、ワークに対して複雑な形状の加工を高精度に施すことが可能な加工方法及び装置を提供することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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