(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工装置において、
研磨加工中の荷重および、研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングするセンシング機構と、
前記接線方向の力と前記荷重の比を算出する演算機構と、
あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と、研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定する演算機構と、
決定した研磨加工条件になるように当該研磨加工装置を制御する制御機構と、を有することを特徴とする研磨加工装置。
【請求項２】
研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工方法において、
研磨加工中に荷重および研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、
該接線方向の力と荷重の比と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係から、
所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定することを特徴とする研磨加工方法。
【請求項３】
ある状態における研磨除去深さと研磨加工条件との関係、すなわちプレストンの経験則の比例定数をあらかじめ実験的に得ておき、
前記研磨除去深さと研磨加工条件との関係から決定される研磨加工条件で加工するときに、センシングと演算で得られる接線方向の力と荷重の比と、前記接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係とから、所望の研磨除去深さに対する研磨除去深さを推定し、
所望の設計形状に対する研磨加工前の被加工面の形状誤差から、前記プレストンの経験則の比例定数を補正して、所望の研磨除去深さが得られる研磨加工条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。
【請求項４】
滞留時間、工具周速、荷重の内の少なくとも一つを研磨加工条件とすることを特徴とする請求項２または３に記載の研磨加工方法。
【請求項５】
研磨加工条件を変化させたときの、接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係を調べ、
この関係をグラフ化したときに変曲点を持つ研磨加工条件よりも、研磨除去深さが深くなる方の研磨加工条件を選択しないことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の研磨加工方法。
【請求項６】
所定のプレ研磨加工をダミーワークに施した後、本加工を行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の研磨加工方法。
【請求項７】
プレ研磨加工中の荷重および、該研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、これら接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ研磨加工を終了することを特徴とする請求項６に記載の研磨加工方法。
【請求項８】
前記研磨工具の加工面を、荷重制御を行いながらツルーイングおよびドレッシングするに際し、荷重と、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する接線方向の力とをセンシングし、
前記接線方向の力と荷重の比によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。
【請求項９】
前記研磨工具の加工面に定寸の切込みを与えてツルーイングおよびドレッシングを行うに際し、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する力をセンシングし、
このセンシングした力によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の研磨加工装置を使用し、請求項２または３に記載の方法で研磨加工するに際し、
研磨加工中の荷重および該研磨加工で発生する接線方向の力に関して得たセンシングデータに対して、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけてから、
前記演算機構により演算処理することを特徴とする研磨加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は研磨加工装置及び方法に関する。本発明は、光学素子成形用金型等の研磨加工技術（曲面または平面の超精密加工）に、特に有効に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
精密研磨加工に係る従来技術として、特開平５−１０４４３６号公報、特開平１０−２９６６３０号公報、特開平１１−１２３６５４号公報、特開平１１−２４５１５２号公報、特開平１１−３２０３６４号公報等に開示されたものが知られている。
【０００３】
以下、これら従来技術の骨子について説明する。
（１）特開平５−１０４４３６号公報に記載の発明
研磨加工の加工精度を上げることを目的としており、その構成は以下のとおりである。ロボットのエンドエフェクタには研磨器が設けられ、この研磨器と一体に触覚センサが設けられる。ロボット制御装置は、触覚センサーから送られてきた検出データに基づいて、ワークにポリッシング加工を行う。すなわち、検出データに基づいてワーク表面の動摩擦係数μを求め、この動摩擦係数の大きさに基づいて表面状態を判別し、研磨器本体の押し当て力や送り速度等を制御する。
【０００４】
（２）特開平１０−２９６６３０号公報に記載の発明
目的は、ワークを研磨するのに必要な研磨エネルギーが予め定めた指定値になるように摩擦力を制御することで、高品質な研磨面が実現可能な研磨エネルギー制御装置を提供することである。そのため以下のように構成する。
【０００５】
ワークと研磨装置が接する部位に生ずる摩擦力の接線方向成分Ｆ（ｔ）を、力指令値と比較する。そして、両者間の誤差を求め、その誤差に基づき、ロボットがワークを研磨装置に押しつける力を調節する。摩擦力と研磨速度の時間経過に伴う積分は研磨エネルギーに相当するため、この間の制御は研磨エネルギーの制御に一致する。摩擦力を直接制御するので、摩擦係数の変化に影響されずに安定して高品質の研磨面を得ることができる。
【０００６】
（３）特開平１１−１２３６５４号公報に記載された発明
目的は、機械加工装置の種類や材質、摩擦係数が異なる場合でも容易に異常推定の可能な力を考慮した加工制御用異常推定装置を提供することにある。そのために以下のように構成する。研磨装置がワークに与える法線方向の力及び接線方向の力から、見かけ上の摩擦係数αを求める。また、研磨装置の目標指令速度Ｖｒと検出速度Ｖ間の速度偏差ｅｖを算出する。見かけ上の摩擦係数α及び速度偏差ｅｖについて熟練者のスキルを反映させたファジィルールを基に、メンバーシップ関数を作成する。そして、この関数に基づき、見かけ上の摩擦係数α及び速度偏差ｅｖの確定値から、研磨装置の研磨面の状態を定量的に推定する。
【０００７】
（４）特開平１１−２４５１５２号公報に記載された発明
目的は、光学曲面の表面形状を高精度に仕上げ研磨するとともに、光学曲面の研磨加工の効率化を図ることである。そのため、発明の構成を以下のとおりとする。ワーク保持具に取り付けたワークの光学曲面を研磨する研磨装置において、ワークの光学曲面を回転しながら加工するポリッシャーを先端に備えた研磨ヘッドと、このポリッシャーを光学曲面の法線方向に押圧するスライダーと、ポリッシャーを回転させるモーターと、スライダーに配設した研磨ヘッドに備えたポリッシャーをワークの光学曲面に対して当接または離反するように移動させるＺ軸機構部と、研磨ヘッドに取り付けられて研磨ヘッドとともに移動する非接触変位計とを備える。そして、光学曲面にポリッシャーが当接している状態で、光学曲面と非接触変位計との距離を測定しつつ、所望の光学曲面の形状に研磨する。
【０００８】
（５）特開平１１−３２０３６４号公報に記載された発明
目的は、軟研削用の砥石の個体差による寿命を定量的に検出して高精度の軟研削加工を可能にした、ウエーハの面取り部軟研削加工管理方法及び面取り装置を提供することである。そのため、発明の構成を以下のとおりとする。研削ステージに保持されたウエーハを低速回転させながら、砥石回転用モーターにより高速回転する砥石に押し当てることにより面取り部の軟研削を行なう、ウエーハの面取り部軟研削加工管理方法及び面取り装置において、軟研削加工時に前記砥石とウエーハとの間の研削抵抗をモニターし、砥石回転用モーターの回転速度またはエアシリンダーの荷重等の加工条件にフィードバックすることにより、研削量を制御する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の光学素子等の研磨加工のような高精度研磨加工においては、数ｎｍから数十ｎｍのレベルの研磨除去深さ精度を望まれている。高精度な研磨加工物の一例としてＸ線用ミラーがあるが、その最終加工工程は荷重制御による研磨であり、形状計測→研磨→形状計測→研磨→…のように、工程を複数回繰り返すことにより長時間かけて所望の研磨精度をようやく達成しているのが現状である。
【００１０】
特開平１１−２４５１５２号公報には、研磨ヘッドとともに移動する非接触変位計で被加工面との距離を測定しながら、その測定データをもとに研磨ヘッドの位置を補正する方法が記載されているが、被加工面は切粉や砥粒などによって汚染されており、測定精度には限界がある。
【００１１】
研磨加工条件を決めれば除去深さが決まることが理想であるが、下記するプレストンの経験則における、被加工物の材質や研磨工具により決まるとされる比例定数ｋが変化してしまうため、たとえ研磨加工装置の方で高精度な加工条件を実現できても、研磨除去深さがばらついてしまうことになる。そのため、高精度な研磨加工を実現することが困難となる。前記比例定数ｋは主に研磨工具の状態、例えば砥粒の保持状態、砥粒の保持量、砥粒の突き出し量、切粉の付着量、その他に研磨液や、この研削液の被加工点への供給量等によって変化する。
【００１２】
ところで、摩擦力や研磨加工力を利用した従来の研磨加工技術としては、上記したものがある。
特開平５−１０４４３６号公報の発明では、摩擦係数の大きさに応じて研磨加工条件を変更しているが、ここでいう摩擦係数は触覚センサーと被加工面との間の摩擦係数により被加工面の表面粗さを推定するもので、研磨工具の状態変化すなわち研磨除去深さの変化を推定するものではない。
【００１３】
また、特開平１０−２９６６３０号公報の発明においては、摩擦力を制御して安定した研磨面を得ようとしている。特開平１１−３２０３６４号公報の発明では、研削抵抗のみをモニターしている。さらに特開平１１−１２３６５４号公報の発明では、摩擦係数および速度偏差の確定値から研磨面の状態を推定している。しかし、いずれも高い研磨除去深さ精度には結びつかないものである。
【００１４】
本発明は、従来技術の上記問題点に鑑みなされたもので、（１）研磨除去深さと、接線方向の力と荷重の比との関係を求めておき、研磨加工中に接線方向の力と荷重の比をセンシングしながら研磨除去深さを推定し、所望の研磨除去深さになるように研磨加工条件を補正することで高精度な研磨除去深さ精度が得られ、またこのような研磨加工が実現できる研磨加工装置及び方法を提供すること、さらに、（２）高精度な研磨加工を実現することによって形状計測→研磨加工→形状計測という工程を１回行うことによって仕上げ加工を完了することができる研磨加工装置及び方法を提供することが主な目的である。
【００１５】
本発明の目的はさらに、（３）高精度な研磨加工によって得られた光学素子成形用金型、この金型を使用して成形した光学素子、この光学素子を用いて構成したレーザー走査光学系および、（４）この光学系を搭載して構成した、高速で高精細な印刷が可能な印刷処理装置を、それぞれ提供することである。
【００１６】
本発明者は、研磨加工装置および方法についての検討過程において、研磨加工中の荷重と、研磨加工によって発生する接線方向の力をセンシングし、この接線方向の力と荷重の比を算出した。また、研磨加工後の研磨除去深さを測定した。そして、このような研磨加工実験から研磨除去深さと、接線方向の力と荷重の比とが１対１で対応することを見出し、この関係から研磨加工中の研磨除去深さを推定することが可能となった。
【００１７】
ところで、荷重制御によって行われる研磨や研削では、プレストンの経験則に従って被加工面の除去量と加工条件との関係が決まる。プレストンの経験則は、以下のように表すことができる。
δ＝ｋ×Ｐ×Ｖ×ｔ
ただし、δは研磨除去量、ｋは比例定数、Ｐは圧力、Ｖは研磨工具と被加工点の相対速度（工具周速）、ｔは滞留時間（送り速度の逆数）である。
本発明ではδを除去深さ、Ｐを荷重と考えても差し支えない。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工装置において、研磨加工中の荷重および、研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングするセンシング機構と、前記接線方向の力と前記荷重の比（接線方向の力／荷重、または荷重／接線方向の力）を算出する演算機構と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と、研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定する演算機構と、決定した研磨加工条件になるように当該研磨加工装置を制御する制御機構とを有することを特徴とする研磨加工装置である。
【００１９】
本発明において前記「接線方向の力と荷重の比」とは、「接線方向の力の荷重に対する比（接線方向の力／と荷重）、「荷重の接線方向の力に対する比（荷重／接線方向の力）のどちらをも意味する。ただし、後記する実施例おいては、「接線方向の力の荷重に対する比」として説明している。要するに本発明では、「接線方向の力と荷重の比」は、接線方向の力の大きさと、荷重の大きさとの大小関係を比で表したものである。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工方法において、研磨加工中に荷重および研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、該接線方向の力と荷重の比と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定することを特徴とする研磨加工方法である。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、ある状態における研磨除去深さと研磨加工条件との関係、すなわちプレストンの経験則の比例定数をあらかじめ実験的に得ておき、前記研磨除去深さと研磨加工条件との関係から決定される研磨加工条件で加工するときに、センシングと演算で得られる接線方向の力と荷重の比と、前記接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係とから、所望の研磨除去深さに対する研磨除去深さを推定し、所望の設計形状に対する研磨加工前の被加工面の形状誤差から、前記プレストンの経験則の比例定数を補正して、所望の研磨除去深さが得られる研磨加工条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、滞留時間、工具周速、荷重の内の少なくとも一つを研磨加工条件とすることを特徴とする請求項２または３に記載の研磨加工方法である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、研磨加工条件を変化させたときの、接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係を調べ、この関係をグラフ化したときに変曲点を持つ研磨加工条件よりも、研磨除去深さが深くなる方の研磨加工条件を選択しないことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の研磨加工方法である。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、所定のプレ研磨加工をダミーワークに施した後、本加工を行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の研磨加工方法である。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、プレ研磨加工中の荷重および、該研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、これら接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ研磨加工を終了することを特徴とする請求項６に記載の研磨加工方法である。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、前記研磨工具の加工面を、荷重制御を行いながらツルーイングおよびドレッシングするに際し、荷重と、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する接線方向の力とをセンシングし、前記接線方向の力と荷重の比によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、前記研磨工具の加工面に定寸の切込みを与えてツルーイングおよびドレッシングを行うに際し、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する力をセンシングし、このセンシングした力によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の研磨加工装置を使用し、請求項２または３に記載の方法で研磨加工するに際し、研磨加工中の荷重および該研磨加工で発生する接線方向の力に関して得たセンシングデータに対して、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけてから、前記演算機構により演算処理することを特徴とする研磨加工方法である。
【００２９】
本発明によれば、請求項１に記載の研磨加工装置により加工され、または請求項２〜１０のいずれかに記載の研磨加工方法で加工された研磨加工物を得ることができる。
【００３０】
当該研磨加工物が光学素子成形用金型である。
【００３１】
本発明によれば、金型形状から第１の波長成分を、金型形状を転写した光学素子から第２の波長成分をそれぞれ抽出し、第１および第２の波長成分を相殺するように金型を研磨加工するフィードバックシステムを使用し、請求項１に記載の研磨加工装置により、または請求項２〜１０のいずれかに記載の研磨加工方法により製造された光学素子成形用金型を得ることができる。
【００３２】
前記金型を使用して成形された光学素子を得ることができる。
【００３３】
前記光学素子を搭載してなるレーザー走査光学系を得ることができる。
【００３４】
前記レーザー走査光学系を搭載してなる印刷処理装置を得ることができる。
なお以下では、これまでの説明と同様に研磨加工を加工と、研磨加工装置を加工装置と、研磨工具を工具と、研磨除去深さを除去深さと、それぞれ略記することがある。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように研磨加工装置は、回転するタイヤ形状、球形状またはそれらの形状の一部からなる形状の研磨工具１、または円盤状あるいは円筒状などの研磨工具１が直動スライド３ａを兼ねたスピンドル３に固定されている。荷重発生機構５により直動スライド３ａに所定の荷重を与え、この荷重が研磨工具１に伝達されて研磨工具１と被加工物７の被加工面との間に荷重が発生する。
【００３６】
発生した荷重を荷重センサー４が検知し、この検知荷重が所定値になるように図略の制御部、たとえばパソコンから荷重発生機構５に指令を出す。符号８は３軸直動テーブルであり、これにより被加工物７はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向に移動自在となっている。また、Ｘ軸と平行な第１の回転軸（図略）の動きにより、およびＹ軸（紙面に垂直な方向）に平行な第２の回転軸（図略）の動きにより、被加工物７の被加工面の法線を研磨工具１による荷重負荷方向と一致させる、いわゆる法線制御が可能となっている。さらに、スピンドル３中には、接線方向の力を検出するセンサー（図略）が配備されている。なお、符号２は水平方向（紙面に垂直な方向）に沿う工具軸、符号６はコラムである。
【００３７】
図２に示したように、研磨前の被加工物７の被加工面形状と、所望の設計形状との間には誤差（偏差）が存在する。この被加工面形状は測定によって求める。そして、この誤差から各被加工点における除去量または除去深さを決定する。被加工面を加工する前に、この被加工面と同じ材料を加工することによって、除去量または除去深さと、加工条件との関係を把握しておく必要がある。
【００３８】
この関係については従来より、前出のプレストンの経験則
δ＝ｋ×Ｐ×Ｖ×ｔ
が知られている。本発明ではδは除去深さ、Ｐは荷重と考えても差し支えない。つまり、ここでは比例定数であるｋを求めることになる。一般的に比例定数ｋは、被加工物の材質や工具により決まる定数である。
【００３９】
次に、上記研磨加工装置による加工実験について説明する。
実施例１
図１に示した加工装置を用い、マルテンサイト系ステンレス鋼をダミーワークとして、その平面を研磨した。その結果、加工条件を変化させて得られた除去深さと加工条件との関係から、プレストンの経験則が成立することを確認した。この場合、前記比例定数ｋは０．９６×１０-9となった、また、この加工で発生する荷重と接線方向の力とから、接線方向の力と荷重の比（接線方向の力／荷重）を算出した。その結果を図３に示す。ここで横軸は滞留時間（単位：ｓｅｃ／ｍｍ）であり、左縦軸は接線方向の力と荷重の比、右縦軸は除去深さ（単位：ｎｍ）である。
【００４０】
図３に示したように、除去深さ（□印）は滞留時間の増加とともに比例的に増加する。これに対し、接線方向の力と荷重の比（◆印）は、滞留時間が短い間はその増加とともに比例的に増加しているが、滞留時間が１ｓｅｃ／ｍｍ以上では減少する。この結果から、滞留時間は１ｓｅｃ／ｍｍまでを常用とした。また、接線方向の力と荷重の比が変曲点をもつ加工条件よりも、除去深さが浅くなる方の条件を常用とした（請求項５）。
【００４１】
接線方向の力と荷重の比（摩擦係数）が変曲点を持つ加工条件の前後では加工のモードが異なっており、それよりも除去深さが深くなる条件、つまり滞留時間や荷重や工具周速（研磨工具の周速）が大となる条件においては、スクラッチ（引っ掻き傷）の発生や除去深さの精度低下など、加工精度低下の可能性が高くなる。ただし、これは荷重２Ｎ、工具周速１３０ｍｍ／ｓｅｃにおける結果であり、荷重や工具周速を変化させたときの結果を含めてデータベースを作っておく必要がある。以上から決定した加工条件の常用域において、接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を加工実験により求めることにより、図４の結果を得た。
【００４２】
次に、各加工点で所望の除去深さが決まっているマルテンサイト系ステンレス鋼の研磨を行った。ここで所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と、被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差に相当する。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけ、その値から接線方向の力と荷重の比を算出した。
【００４３】
ここでは工具回転速度を１００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は１．６７Ｈｚである。そこで、１．６７Ｈｚを超える周波数をカットした。ある加工点Ｐａ（図略）における狙いの除去深さは１５０ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は約０．２２であり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係（図４参照）から、除去深さは約１３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は１３０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．６ｓｅｃ／ｍｍである。
【００４４】
除去深さを１３０ｎｍとすると、比例定数ｋは０．８３×１０-9となることから、除去深さを１５０ｎｍとするためにはプレストンの経験則から、荷重および工具周速を一定とした場合には、滞留時間を０．７ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。したがって、比例定数ｋを０．８３×１０-9として滞留時間を設定した。このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２２７となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差が４０ｎｍＰＶ下の高精度な加工面が得られた。かくして本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件によって的確な表面研磨を実施することができた。
【００４５】
実施例２
図１に示した加工装置を用いて、マルテンサイト系ステンレス鋼をダミーワークとして、その平面を研磨した。
まず、研磨の前にツルーイングを行った。なお、ツルーイングとは、加工機に取り付けられた砥石の、砥石回転軸に対する砥石作用面の振れまたは摩耗に起因する、砥石の目詰まりや形状公差からのずれなどの低減を目的に、砥石の形状や表面状態を修正することで、「形直し」ともいう。図５に示すように円筒状の研磨工具１に対し、ツルアー１１として円筒状のダイヤモンドツルアーを使用した。ツルアー１１は研磨工具１の回転によって連れ回りするが、回転軸１２に抵抗が存在するブレーキツルアーである。研磨時の目標荷重を２Ｎとし、実際の荷重をセンシングしながら、２Ｎを維持するようにフィードバックをかけて研磨を実施した。これと並行して接線方向の力をセンシングし、接線方向の力と荷重の比を算出した。
【００４６】
図６に示すように、接線方向の力と荷重の比（摩擦係数）は、ツルーイング時間の経過とともに減少した。１５分経過後の摩擦係数が一定となった時点でツルーイングを終了した。ツルーイングによって工具１の回転振れは０．５μｍ以下となり、前回の研磨によって工具表面に付着した切粉や砥粒が充分に除去された。次にダミーワークの研磨を行った。加工条件を変化させて得られた除去深さと加工条件との関係から、プレストンの経験則が成立することを確認した。また、この加工時に発生する荷重と接線方向の力とから、接線方向の力と荷重の比を算出した。その結果を図３に示す。
【００４７】
図３に見られるように、除去深さは滞留時間の増加とともに比例的に増加する。これに対し、接線方向の力と荷重の比は、滞留時間が短い間はその増加とともに比例的に増加しているが、滞留時間が１ｓｅｃ／ｍｍ以上では減少する。この結果から、滞留時間は１ｓｅｃ／ｍｍまでを常用とした。このように、摩擦係数が変曲点をもつ加工条件よりも、除去深さが浅くなる方の条件を常用とすることが望ましい。摩擦係数が変曲点をもつ加工条件の前後では加工のモードが異なっており、それよりも除去深さが深くなる条件、つまり滞留時間や荷重や工具周速が大となる条件においては、スクラッチの発生や除去深さの精度低下など、加工精度が低下する可能性が高くなる。ただし、これは荷重２Ｎ、工具周速１３０ｍｍ／ｓｅｃにおける結果であり、荷重や工具周速を変化させたときの結果を含めてデータベースを作っておく必要がある。以上から決定した加工条件の常用域において、加工実験により、図４に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を得た。
【００４８】
次に、各被加工点で所望の除去深さが決まっているマルテンサイト系ステンレス鋼の研磨を行った。ここで所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差である、加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけたそれらの値から、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を２００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は３．３３Ｈｚである。そこで、３．３３Ｈｚを超える周波数をカットした。ある被加工点Ｐｂでの狙いの除去深さは１００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２１であり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、除去深さは９０ｎｍと推定される、ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は２５０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．５ｓｅｃ／ｍｍである。
【００４９】
徐々に荷重を増加させたところ、接線方向の力と荷重の比が０．２１３となり、図４によると除去深さが１００ｎｍに相当する接線方向の力と荷重の比となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るための加工条件を決定した。このようにして、うねり誤差が４５ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。本実施例での加工条件は、事前に求めた常用域の範囲内にした。
【００５０】
実施例３
図７は、長尺の光学素子成形用金型２１を示す。被加工面２２には無電解ニッケルメッキが施されている。図示されているようなツールパス２３（ツールパスは工具経路ともいい、切削工具の特定の点によって描かれる経路のことである。）で加工が行われる。金型２１の被加工面２２は自由曲面であり、この被加工面２２の位置によって曲率半径が変化している。各被加工点における狙いの除去深さは図２に示したように、所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差から求める。
【００５１】
金型２１の加工の前に研磨工具１を図８に示すツルーイング装置にセッティングしてからツルーイングを行った。この図に示すように研磨工具１は球体の一部から形成された形状で、有気孔の工具である。また、ツルアー３１はすり鉢状の形状を持ち、このすり鉢の面にはダイヤモンドが電着されている。研磨工具１を、ツルアー３１に対し所定の切込みを与えた状態で保持して、すなわち例えば１５μｍ切り込んでその状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時には、工具１に垂直方向に働く力をセンシングし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では図９に示すような力の変化を示し、この力が０．５Ｎの一定値になったところでツルーイングを終了した。
【００５２】
次に、金型２１の加工前に、この金型と同じ材質の平面ダミーワークを研磨した。これをプレ加工というが、研磨距離つまりツルーパスの長さが７０００ｍｍとなったところでプレ加工を終了した。このときの研磨距離に対する除去深さの変化を図１０に示すが、研磨距離約７０００ｍｍにおいて除去深さは４５０ｎｍの一定になっている。このように一定となった状態においては、除去深さの変動は小さく抑えられる。研磨距離７０００ｍｍというのは実験的に求めた数字であり、７０００ｍｍ以上のプレ加工を行うと除去深さが安定する状態になる。
【００５３】
次に、金型の加工を行った。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数よりも高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけた後、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を１５０ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は２．５Ｈｚである。そこで２．５Ｈｚを超える周波数をカットした。例えば、ある加工点Ｐｃにおける狙いの除去深さは３５０ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２１であり、図１１に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、除去深さは３４０ｎｍと推定される。ここでの荷重は３Ｎ、工具周速は１８０ｍｍ／ｓｅｃで滞留時間は０．５ｓｅｃ／ｍｍである。除去深さが３４０ｎｍであるとすると比例定数ｋは１．２６×１０-9となるため、除去深さを３５０ｎｍとするためには、プレストンの経験則から、荷重と工具周速を一定とした場合、滞留時間を０．５１５ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。
【００５４】
したがって、比例定数ｋを１．２６×１０-9として滞留時間を設定した。このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２１５となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差が３０ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。かくて本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件によって加工を実施することができた。そして、この金型を使用してプラスチック成形を行ったところ、うねり誤差が３２ｎｍＰＶ以下の高精度な光学素子が得られた。
【００５５】
実施例４
図８に示すツルーイング装置に砥石をセッティングしてツルーイングを行った。この図に示すように研磨工具は球体の一部から形成された形状である。また、ツルアーはすり鉢状の形状を持ち、そのすり鉢の面にはダイヤモンドが電着されている。砥石をツルアーに対し所定の切込みを与えてその状態で保持して、すなわち例えば２０μｍ切り込み、その状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時には、工具に垂直方向に働く力をセンシグし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では力が０．２Ｎの一定値になったところでツルーイングを終了した。このツルーイングによって砥石の目立ても行っているので、ドレッシングも同時に行っていることになる。なお、ドレッシングとは一般に、ツルーイング後の砥石または、研削能の低下した砥石において、砥粒を傷めないようにして結合材だけを除去し、加工に必要な粒切刃を突出させて研削可能な砥石を得る処理をいう。
【００５６】
次に、各加工点で所望の除去深さが決まっていマルテンサイト系ステンレス鋼の加工を行った。ここで、所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の加工前の形状測定結果との誤差である。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、これらの値から接線方向の力と荷重の比を算出した。ある加工点Ｐｄにおいて狙いの除去深さは４００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２３であり、接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係から除去深さは４３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は７５０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．７ｓｅｃ／ｍｍである。
【００５７】
徐々に工具周速つまり工具回転速度を減少させたところ、接線方向の力と荷重の比が０．２２５となり、図１１によると除去深さが４００ｎｍに相当する接線方向の力と荷重の比となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を利用し、所望の除去深さを得るための加工条件を決定した。このようにすることで、うねり誤差が４３ｎｍＰＶ以下の高精度な被加工面が得られた。このように本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件で加工を実施した。
【００５８】
実施例５
図７に長尺の光学素子成形用金型を示す。金型の被加工面には無電解ニッケルメッキが施されており、図示されているようなツールパスで加工が行われる。被加工面は自由曲面であり、被加工面の位置によって曲率半径が変化している。各被加工点における狙いの除去深さは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差から求めた。ここで、金型形状から第１の波長成分を、金型形状を転写した光学素子から第２の波長成分をそれぞれ抽出し、第１および第２の波長成分を相殺するように、金型加工のフィードバックシステムを使用して加工を行った。
【００５９】
図１２はこのフィードバックシステムのフローチャートであり、これは成形品の主走査形状を改善する工程を説明するものである。主走査とは、図７において金型の幅方向（図７の上下方向）のことで、この方向にレーザービームが走査される。
【００６０】
図１２において、ステップＳ１，Ｓ２で第１回の成形品を製作する。ステップＳ３で成形品形状を測定する。形状測定（ステップＳ３）は、主走査方向に３本の位置で行う。ここで主走査方向をＸ座標で、副走査方向をＹ座標でそれぞれ表現する。また、高さ方向をＺとする。データのサンプリングはＸ方向ピッチで０．０５ｍｍ間隔である。計測軌跡はそれぞれ主走査方向と直交する副走査方向に１ｍｍの間隔をもたせている。これは、主走査方向の形状誤差の内で共通に発生している誤差成分が、走査レンズの集光特性に最も大きな影響を持つことが確認されているからである。このように３本のデータの平均をとり、以下の手順を進める。
【００６１】
ステップＳ４においては、ステップＳ３で取得したデータに対して近似曲線を求める。近似曲線の次数は設計式と同程度（４〜２０次）とする。ここでは、近似式に次の４次式を用いた。
Ｊｍ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ2 ＋ｄｘ3 ＋ｅｘ4
【００６２】
ステップＳ５で主走査方向の誤差Ｅｍ（ｘ）を求める。ステップＳ６では許容値である主走査形状公差との比較（主走査形状精度の判定）を行う。ここで精度が満足されない場合（ステップＳ６でＮＯ）には、ステップＳ１１において、ここに示される変換式によって成形収縮の影響を加味し、金型修正量Ｚｅｍを算出する。
【００６３】
次に、うねり成分について説明する。ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９では、金型の形状データ取得および多項式近似Ｊｍ（ｘ）を行う。ステップＳ８でうねり成分を抽出し、ステップＳ１０でうねり成分の精度を判定をする際、成形収縮分だけ金駒のうねり成分の波長が長くなるが、レンズ（光学素子）の成形条件下では収縮が約１％程度であり、これらのステップにおいては影響ないものとして扱うことができる。このため、ステップＳ１０で「ＮＯ」の場合（［うねり成分２］≦主走査うねり公差）においても、ステップＳ１２では求めたうねり成分がそのまま、金型修正量Ｚｕｍとして使用できることになる。
【００６４】
ステップＳ８に記載された式の通り、［うねり成分１］は計測データからＪｍ（ｘ）を差し引いたものに相当する。今回は、形状誤差のうちの波長１〜６ｍｍの成分をうねり成分としているため、ステップＳ９においてこの帯域でのバンドパスフィルター処理を行い、［うねり成分２］を得る。ステップＳ１０において、［うねり成分２］を公差と比較し、目標精度に満たない（ステップＳ１０で「ＮＯ」）時はステップＳ１２に進み、［うねり成分２］を金型修正量Ｚｕｍに変換する。また、総合の金型修正量Ｚｍ（ｘ）を求めるためステップＳ１３へ進み、長波長成分からの修正量Ｚｅｍ（ｘ）と、うねり成分からの修正量Ｚｕｍ（ｘ）の和をとりＺｍ（ｘ）とする。ここでは、このＺｍ（ｘ）はＹ方向に変動しない成分であるとの前提によってＺｍ（ｘ，ｙ）を得る。これが修正量となり、各被加工点における除去深さが決定されることになる。
【００６５】
金型の加工の前に、研磨工具１を図８に示すツルーイング装置にセッティングしてからツルーイングを行った。同図に示すように、研磨工具１は球体の一部から形成された形状をもつ有気孔の工具である。また、ツルアー３１は形状がすり鉢状で、このすり鉢の面にはダイヤモンドがニッケル電着されている。研磨工具１をツルアー３１に対して所定の切込みを与えてその状態で保持、例えば３０μｍ切り込みその状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時に工具に垂直方向に働く力をセンシングし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では図９に示すような力の変化を示し、力が０．５Ｎで一定になったところでツルーイングを終了した。
【００６６】
次に、金型の加工前に金型と同じ材質の平面ダミーワークを研磨した。これをプレ加工というが、研磨距離つまりツールパスの長さが９０００ｍｍとなったところでプレ加工を終了した。図１３に、このときの接線方向の力と荷重の比の変化を示すが、約９０００ｍｍにおいて一定になっている。このように接線方向の力と荷重の比が一定となったと判断したときにプレ加工を終了した。
【００６７】
次に、金型の加工を行った。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数よりも高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけたそれらの値から、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を１００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は１．６７Ｈｚである。そこで１．６７Ｈｚを超える周波数をカットした。例えば。ある加工点Ｐｅにおいて狙いの除去深さは４００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２３であり、図１１に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から除去深さは４３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は３Ｎ、工具周速は１１０ｍｍ／ｓｅｃで滞留時間は０．３ｓｅｃ／ｍｍである。除去深さが４３０ｍｍであるとすると比例定数ｋは４．３４×１０-9となるため、除去深さを４００ｎｍとするためにはプレストンの経験則から、荷重と工具周速を一定とした場合、滞留時間を０．２７９ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。つまり、比例定数ｋを４．３４×１０-9として滞留時間を設定した。
【００６８】
このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２２５となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差２５ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。かくして、本実施例では事前に求めた常用域の加工条件によって加工を実施することができた。
【００６９】
この金型を使用してプラスチック成形を行ったところ、うねり誤差が２７ｎｍＰＶ以下の高精度な光学素子が得られた。そして、この光学素子を使用したレーザー走査光学系を搭載したプリンターを製造したところ、１２００ｄｐｉの高精細画像を得ることができた。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば以下の効果が得られる。
（１）請求項１の発明による効果
研磨加工中に荷重と、加工によって発生する接線方向の力をセンシングすることが可能となり、センシングした値から接線方向の力と荷重の比を算出し、その接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、所望の除去深さに対応する接線方向の力と荷重の比になるように加工条件を決定することが可能となる。また、決定した加工条件を実現するための制御が可能となる。
【００７１】
（２）請求項２の発明による効果
研磨加工中にセンシング可能な接線方向の力と荷重の比から、加工中にセンシング困難な除去深さを推定することができ、その除去深さが所望の除去深さと異なるときには加工条件を補正することで、その被加工点において所望の除去深さを得ることができる。つまり高精度な加工が可能となる。このように、高精度な加工が実現可能となるので、形状計測→研磨→形状計測という工程を繰り返す必要がなく、１回の加工を行うことで研磨仕上げが可能となる。また、工程を繰り返さないので、短時間で高精度な加工面が得られ、加工面として数十ｎｍ以下のうねり精度が得られる。
【００７２】
（３）請求項３の発明による効果
研磨加工中にセンシング可能な接線方向の力と荷重の比から、加工中にセンシング困難な除去深さを推定することができ、その除去深さが所望の除去深さと異なるときには、推定された除去深さと加工条件からプレストンの経験則の比例定数を補正することが可能となる。補正された比例定数によって、所望の除去深さが得られる加工条件を決定することで、その加工点での所望の除去深さを得ることが可能となり、高精度な加工面を得ることが可能となる。
【００７３】
（４）請求項４の発明による効果
研磨加工装置が高精度に制御することの可能な条件であるため、除去深さを容易に変化させることができ、高精度な加工が実現可能となる。ここで、滞留時間を送り速度の逆数に、工具周速を工具回転速度に、荷重を圧力にそれぞれ代えてもよく、これにより同じ効果が得られる。
【００７４】
（５）請求項５の発明による効果
接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係が急激に変化する条件よりも除去深さが深くなる方の加工条件においては、加工のモードがそれまでとは異なっており、被加工面にスクラッチが発生したり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係が崩れたりするので、除去深さ精度が崩れてしまう。この領域の加工条件を選択しないことで、未然に被加工面のスクラッチ発生や除去精度の低下を防ぐことが可能となり、高精度な加工が実現可能となる。
【００７５】
（６）請求項６の発明による効果
ツルーイングやドレッシング後、本番の研磨加工に入る前に除去深さの変化、つまりプレストンの比例定数ｋの変化を抑えた工具状態を得ることができ、できるだけ加工条件および比例定数ｋの補正量を小さくすることが可能となり、加工装置の演算および制御に過負荷を与えるのを防ぐことが可能となる。よって、除去深さ精度の高い加工が実現できる。
【００７６】
（７）請求項７の発明による効果
接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ加工を終了するということは、除去深さが一定となったことを加工中に判断できるということで、工具が安定状態となったことを加工中に判断でき、確実にプレ加工を終了することが可能となる。
【００７７】
（８）請求項８，９の発明による効果
荷重制御によるツルーイングおよびドレッシングにおいても、また定寸の切込みを与えて行うツルーイングおよびドレッシングにおいても、接線方向の力と荷重の比や、発生する力をセンシングすることで、工具の回転振れ、目立ての状態（砥粒の突出状態）、前回の加工で付着した砥粒や切粉などの付着状態が判断でき、充分で適切なツルーイングおよびドレッシングが可能となり、これが高精度で再現性の良い加工につながる。
【００７８】
（９）請求項１０の発明による効果
センシングした荷重、力には高周波的な成分が含まれており、工具の回転に伴う成分も含まれている。この高周波的な成分は、必ずしも除去深さとの相関は持っていないので、この成分をノイズとしてカットすることで、算出された接線方向の力と荷重の比から、より正確な除去深さを推定することができ、高い除去深さ精度を得ることが可能となる。
【００７９】
設計形状に対する誤差が除去された研磨加工物を得ることで、所望の機能を実現することが可能となる。
【００８０】
設計形状に対する誤差が除去された光学成形用金型を得ることで、高性能な光学素子を成形することが可能となる。
【００８１】
特定の波長成分を抽出して金型を修正することで、無駄なく確実に光学素子の光学特性向上が可能となり、また修正項目を絞り込んでいるため、より高い性能の実現も可能になる。このような加工によって、設計形状に対する誤差が除去された光学素子成形用金型を得ることで、高性能な光学素子を成形することができる。
【００８２】
高性能な光学素子を得ることで、高性能なレーザー走査光学系を構成することが可能となる。
【００８３】
高性能なレーザー走査光学系を得ることで、高性能な印刷処理装置を構成することが可能となる。
【００８４】
高性能な印刷処理装置を構成することで、１２００ｄｐｉ以上の高精細画質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施例に係る研磨加工装置の概略正面図である。
【図２】所望の設計形状と、被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差（偏差）を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１，２に係るもので、（１）滞留時間に対する、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比（接線方向の力／荷重）の変化状況および、（２）滞留時間に対する、被加工面の除去深さの変化状況を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１，２に係るもので、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２に係るツルーイング装置の概略断面図である。
【図６】同実施例２に係るもので、ツルーイング時間と、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例３，５に係る光学素子成形用金型の平面図である。
【図８】本発明の実施例３〜５に係るツルーイング装置の概略断面図である。
【図９】図８のツルーイング装置によるツルーイング結果（センシング結果）に係るもので、ツルーイング時間と、ツルーイング時に研磨工具に垂直方向に働く力との関係を示すグラフである。
【図１０】同実施例３に係るもので、プレ加工時における研磨距離と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図１１】同実施例３に係るもので、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重との比と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例５に係るフィードバックシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１３】同実施例５に係るもので、プレ加工時における研磨距離と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  研磨工具
２  工具軸
３  スピンドル
３ａ  直動スライド
４  荷重センサー
５  荷重発生機構
６  コラム
７  被加工物
８  ３軸直動テーブル
１１  ツルアー
１２  回転軸
２１  光学素子成形用金型
２２  被加工面
２３  ツールパス
３１  ツルアー
【図１】
0004125894.tif 000002
【図２】
0004125894.tif 000003
【図３】
0004125894.tif 000004
【図４】
0004125894.tif 000005
【図５】
0004125894.tif 000006
【図６】
0004125894.tif 000007
【図７】
0004125894.tif 000008
【図８】
0004125894.tif 000009
【図９】
0004125894.tif 000010
【図１０】
0004125894.tif 000011
【図１１】
0004125894.tif 000012
【図１２】
0004125894.tif 000013
【図１３】
0004125894.tif 000014