JP2001088039A

JP2001088039A - 研磨工具

Info

Publication number: JP2001088039A
Application number: JP27159099A
Authority: JP
Inventors: Junji Takashita; 順治高下; Masaaki Yokota; 正明横田; Hidenori Nakagawa; 英則中川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-09-27
Filing date: 1999-09-27
Publication date: 2001-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】非軸対称自由曲面に対する加工接触面積の変
化をなくし、その形状を変えることなく除去深さを均一
にし表面粗さを向上させることができる研磨工具を提供
する。【解決手段】少なくとも被加工面１１に接触する部分
が球面に形成され、硬度や弾性率が異なる２種類の材料
を研磨層２と内部層３に層状に組み合わせて研磨工具１
を構成し、研磨層２は、内部層３より硬く、被加工面の
切削粗さ１２を除去できる剛な硬質材料（例えば、ウレ
タンゴム、ウレタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレ
ン、ナイロン樹脂、研磨用ピッチ等）で形成し、内部層
３は研磨層２より変形しやすい材料であって、被加工面
１１の小曲率半径の凹凸形状にも容易に倣い変形する柔
らかさを有する材料（例えば、中実発泡ゴム、スポン
ジ、中空ゴム、中空スポンジ等）で形成する。

Description

【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光学素子成形用金型等の研磨に使用
される研磨工具に関し、特に、場所により曲率が異なる
自由曲面を形状を変化させることなく表面粗さを数ナノ
メーターオーダーに仕上げるための研磨工具に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、各点で曲率が異なるいわゆる非軸
対称自由曲面の表面を加工する場合は、３次元ＮＣ精密
切削装置によりダイヤモンドバイトで切削して形状を創
成し、その後、表面に存在するミクロな切削痕を除去す
る仕上げ研磨を行なうのが一般的である。

【０００３】このような自由曲面の仕上げ研磨の方法
は、例えば、一例として、特開平５−０９２３６２号公
報に記載されているような研磨装置で球形状の研磨工具
を用い、加工すべき部品の面積に比べてはるかに小さい
接触面積の研磨工具を被加工表面に対し一定圧力で加圧
し、一定速度で走査して、直線溝状に均一な深さで部分
除去を行ない、さらに、その状態を保ったまま、被加工
面を一定間隔でずらし重ねることにより、全面を均一に
研磨することが行なわれている。研磨工具の材質として
は、ウレタン樹脂、フェルト等の樹脂や繊維質のもの、
研磨用ピッチなどの粘弾性質が用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の仕上
げ研磨工程において、切削目を効率よく除去するには、
経験上、工具表面がピッチやウレタン樹脂等のようなあ
る程度硬い材質がよいことが知られている。また、任意
の曲率形状の変化に対応できる工具としては球状に形成
された工具が適していることが知られている。しかしな
がら、ウレタン樹脂のような硬い材質で球状の工具を用
いて自由曲面形状を研磨する場合、工具と被加工面の接
触面積が磨く場所により変化し、特に被加工面が凹面と
凸面からなる形状の場合には、接触面積の変化は甚だし
く大きくなる。緩い凹凸面形状の場合は接触面積は広く
維持され緩いＵ字形となり、加圧が一定である限り接触
面が変化しても除去される体積は一定であるが、凹凸面
で曲率半径が小さい被加工面の場合は、凸面では接触面
積が非常に狭いＶ字形になったり、凹面では底面に工具
が入り込まずＷ字形になる。その部分では除去される体
積が他の部分とは異なるため、走査後の除去深さが変化
して除去過剰や除去不足になり、磨く前の形状とは異な
るくせのある形状となってしまう。

【０００５】また、急曲率の凹凸加工面での研磨工具の
接触面積を広げるために、その材質をフェルトのような
柔らかいものを用いる工具もあるが、柔らかい材質の場
合は切削目が除去されにくく平滑な研磨面が得られない
という問題点があった。

【０００６】ピッチを用いる際に適度の硬さを選定する
ことにより、ピッチは、被加工面の表面粗さの微小な突
起を除去すると同時にその粘性により被加工面の平面や
球面形状に倣って塑性変形して広い面積で接することが
でき、滑らかに除去研磨することができる特性があり、
他の研磨材料にない優れた平滑化効果が得られる。しか
しながら、ピッチには流動性があるため、曲率が変化す
る自由曲面では研磨中に工具の研磨面が拡大する場合が
ある。すなわち、例えば研磨する面が平面から凹面に変
化する場合、ピッチが工具外周よりも外方に流動変化し
て接触面積が大きくなり、一定の接触面積を維持するこ
とができなかった。そのため場所によって除去幅と除去
深さが大きく異なり、均一な深さで除去研磨ができない
という問題点があった。

【０００７】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、
非軸対称自由曲面に対する加工接触面積の変化をなく
し、その形状を変えることなく除去深さを均一にし表面
粗さを向上させることができる研磨工具を提供すること
を目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の研磨工具は、加圧して被加工物表面を研磨
する研磨工具において、表面層と内部層からなる２層構
造で、少なくとも被加工物表面に接触する部分の形状を
球面状として、前記表面層を研磨性材料とし、前記内部
層を前記表面層より変形しやすい材料で形成することを
特徴とする。

【０００９】本発明の研磨工具においては、前記表面層
を前記内部層の一部分のみに付着して構成することがで
き、また、前記表面層はセグメント状に分割されて前記
内部層に付着されていることが好ましく、あるいは、前
記表面層は多数の溝が形成されていることが好ましい。

【００１０】また、本発明の研磨工具は、加圧して被加
工物表面を研磨する研磨工具において、研磨性材料で形
成する表面層と内部層を有する多層構造とし、前記内部
層を電界または磁界により力学的特性が変化する液状物
質で構成することを特徴とする。

【００１１】本発明の研磨工具は、表面層を研磨性材料
とする多層構造で構成され、２層目を導電ゴム製の中空
球体とし、該中空球体の内部に電極を配置し、前記中空
球体と前記電極間に電圧により粘性が変化する液状物質
を満たしたことを特徴とし、また、表面層を研磨性材料
とする多層構造で構成され、２層目を磁性ゴム製の中空
球体とし、該中空球体の内部に電磁石を配置し、前記中
空球体と前記電磁石間に磁界により粘性が変化する磁性
流体を満たしたことを特徴とし、さらにまた、表面層を
研磨性材料とする多層構造で構成され、２層目を非磁性
ゴム製の中空球体とし、該中空球体の内部に電磁石を配
置し、前記中空球体と前記電磁石間に磁界により粘性が
変化する磁性流体を満たすとともに、前記被加工物裏面
にさらに電磁石を配置することを特徴とする。

【００１２】本発明の研磨工具においては、前記研磨性
材料がセグメント状に分割されていることが好ましい。

【００１３】本発明の研磨工具は、加圧して被加工物表
面を研磨する研磨工具において、粘性体層と該粘性体層
の研磨作用面以外の面を覆う弾性体層からなる２層構造
とすることを特徴とする。

【００１４】本発明の研磨工具において、前記弾性体層
は、肉厚の厚い側面部と肉厚の薄い底面部を有する容器
状に形成されていることが好ましく、また、前記弾性体
層の底面部に弾性ばねまたは空気ばねを付設することが
好ましい。

【００１５】

【作用】本発明の研磨工具によれば、自由曲面形状の研
磨に際して、部分曲率が変化する被加工面においても加
工接触面積を一定に維持することができ、被加工面全体
の形状を変化させることなく均一に研磨除去することが
でき、表面粗さを大きく向上させることができる。

【００１６】硬度や弾性率が異なる２層構造の球面形状
の研磨工具を用いて自由曲面形状を研磨することによ
り、被加工面全体の形状を変化させることなく均一に研
磨除去することができ、表面にある微小な切削目を除去
することを可能にする。

【００１７】また、研磨性材料を貼り付けた弾性質の中
空球体の内部にＥＲ流体（電気粘性流体）や磁性流体等
の力学的特性変化物質（粘性変化物質）を入れて、被加
工面の曲率の変化に応じて印加電界や磁界を変化させて
粘性を変えることにより、被加工面に部分曲率の変化が
あっても加工接触面積を揃えて、被加工面全体の除去形
状を変化させることなく、表面にある微小な切削目を研
磨除去することを可能にする。

【００１８】さらに、研磨工具の研磨作用をする粘性体
層（ピッチ）の非研磨面である側面および底面を弾性体
で包み込む構造として、弾性体の側面部の肉厚を厚くそ
して底面部の肉厚を薄く形成するすることにより、被加
工面の形状の変化に応じて粘性体層の研磨作用面が変形
をする場合でも、弾性体層の底面部が大きく変形し、粘
性体層の側面方向への変形を規制し、加工接触面積を一
定に維持することができ、均等な除去深さを得ることが
できる。

【００１９】

【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。

【００２０】図１の（ａ）は、本発明の研磨工具の一実
施例を研磨装置に取り付けた状態で概略的に図示する模
式図であり、同（ｂ）は、本実施例の研磨工具を用いて
被加工面を研磨加工する際の作用状態を示す模式図であ
る。

【００２１】図１の（ａ）に図示する研磨工具１は、少
なくとも被加工面に接触する部分が球面に形成され、硬
度や弾性率が異なる２種類の材料を研磨層２と内部層３
に層状に組み合わせて構成され、軸部１ａに保持される
ものであり、研磨層２は、内部層３より硬く変形しにく
い材料であって、被加工面の切削目を除去できる能力の
ある剛な硬質材料で形成し、内部層３は研磨層２より変
形しやすい材料であって、被加工面の小曲率半径の凹凸
形状にも容易に倣い変形する柔らかさを有する材料で形
成する。なお、研磨層２は、切削粗さに選択的に圧力差
を生じる剛性を有するとともに、ローカル曲率の変位に
は倣って反り変形する程度の弾性を有するものを用い、
研磨圧力で反り状に変形しやすいようにその厚さはでき
るだけ薄く形成する。

【００２２】研磨工具の内部層３の材料としては、中実
発泡ゴム、スポンジ、中空ゴム、中空スポンジ等を用い
ることができ、研磨層２の材料としては、ウレタンゴ
ム、ウレタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン（テフ
ロン樹脂）、ナイロン樹脂、研磨用ピッチ等を用いるこ
とができ、研磨層２と内部層３は、これらを適宜組み合
わせて使用する。

【００２３】次に、このように構成される本実施例の研
磨工具による研磨中の作用状態を図１の（ｂ）を用いて
説明する。

【００２４】図１の（ｂ）において、１０は、被加工物
を示し、例えば、３次元ＮＣ精密切削装置によりダイヤ
モンドバイト等で切削して創成された非軸対称自由曲面
の表面（被加工面）１１を有するレンズ等の光学素子あ
るいは光学素子成形用金型であり、被加工面１１はロー
カル曲率を有しており、その表面には微小な切削目の切
削粗さ１２がある。なお、１５は研磨工具１の曲率半径
を示す。

【００２５】被加工物の研磨に際して、研磨工具１が切
削粗さ（表面粗さ）１２を有する被加工面１１に押し付
けられると、研磨工具１の研磨層２は、前述したよう
に、剛の材質で形成されているから、表面粗さ１２の山
部（突起部）に作用する圧力（Ｐ１）が谷部に作用する
圧力（Ｐ２）よりも高くなる。この状態で、研磨工具１
と被加工面１１間で接線方向に相対移動を行なうと、山
部（突起部）が選択的に除去され、表面は平滑になる。

【００２６】被加工面１１のローカル曲率形状は、粗さ
の波長に比べ長い周期の傾斜であるから、研磨工具１
は、研磨層２が硬い剛の材質であっても内部層３が柔ら
かくなっているので、研磨圧力を作用させることで、内
部層３の柔らかさと研磨層２の弾性変形により、研磨層
２はローカル曲率に倣って反り変形する。

【００２７】以上のように、被加工面１１を表面粗さと
ローカル曲率形状の波長に分離して考えると、硬度や弾
性率が異なる２種類の材料からなる２層構造の研磨工具
１を使用することにより、短波長成分である表面粗さは
研磨層２の硬質材で除去され、長波長成分であるローカ
ル曲率形状は、研磨層２が内部層３の柔らかさと研磨層
２の弾性変形で倣い変形することになる。これにより、
被加工面１１のローカル曲率形状を変化することなく表
面粗さを研磨除去することが可能になる。

【００２８】次に、本実施例の具体例について説明する
と、研磨工具１は、図１の（ａ）および（ｂ）に示すよ
うに、研磨層２は直径１０ｍｍで表面硬度（Ｈｓ）９０
のウレタン球で、内部層３は硬度（Ｈｓ）４０のスポン
ジゴムでそれぞれ形成し、被加工物１０の被加工面１１
は、母線方向は曲率の緩いＲ４０前後の凸面で、子線方
向は曲率が急なＲ１０前後の凹面からなる鞍形形状で、
化学Ｎｉメッキ面をダイヤモンドバイトで鏡面に切削し
た面である。研磨装置で研磨荷重を１００ｇに設定し、
研磨工具１を６ｒｐｍで回転させ、子線方向に毎秒３ｍ
ｍの接線速度で旋回揺動させながら、それと直交する母
線方向に１揺動毎に２０μｍずつ送りながら全面を走査
し研磨した。

【００２９】これにより、被加工面の全面が均一に２１
０ｎｍだけ除去され、研磨前の切削面粗さ（Ｒmax ）２
０ｎｍが、研磨後は表面粗さ（Ｒmax ）３ｎｍに向上さ
せることができた。

【００３０】また、本実施例の研磨工具１において、図
２の（ａ）に図示するように、球面形状とした内部層３
の略下半球部分だけに研磨層２を均一に接着した構造と
することもでき、このような構成とすることによっても
前述したと同様の作用効果を得ることができる。

【００３１】図２の（ａ）に図示する研磨工具の一具体
例としては、内部層３を直径３０ｍｍのスポンジ球と
し、このスポンジ球の下半球部分だけに厚さ０．５ｍｍ
のウレタン樹脂を均一に接着して研磨層２を構成するも
のであり、このように構成された研磨工具１を用いて、
外形が８×１６ｍｍ、母線曲率半径が凹３０ｍｍ、子線
曲率半径が凹２０ｍｍの化学Ｎｉメッキ非球面トーリッ
ク金型面を研磨した。研磨に際しては研磨工具を回転さ
せながら子線方向に周期０．５秒で往復運動させ、母線
方向に送って被加工面全面を研磨した。これによって
も、前述したと同様に、被加工面の全面が均一に除去さ
れ、その表面粗さも向上させることができた。

【００３２】また、研磨層が容易に変形できるように、
研磨工具の少なくとも被加工面に接触する部分の研磨層
２をセグメント状に分割して、あるいは研磨層２に多数
の溝を形成して用いることもできる。

【００３３】図２の（ｂ）に図示する研磨工具の一具体
例は、内部層３を直径３０ｍｍのスポンジ球とし、この
スポンジ球の下半球部分に、厚さ０．５ｍｍの精製ピッ
チを均一に接着し、その表面に幅１ｍｍの溝２ａを３ｍ
ｍ毎に付けて研磨層２を構成するものであり、このよう
に構成された研磨工具１を用いて、前述したと同様の外
形が８×１６ｍｍ、母線曲率半径が凹３０ｍｍ、子線曲
率半径が凹２０ｍｍの化学Ｎｉメッキ非球面トーリック
金型面を研磨した。研磨に際しては研磨工具を６ｒｐｍ
で回転させながら子線方向に周期０．５秒で往復運動さ
せ、母線方向に送って被加工面全面を研磨した。このよ
うに、研磨層を変形しやすくすることにより、被加工面
の全面をより均一に除去でき、その表面粗さも向上させ
ることができる。

【００３４】次に、本発明の研磨工具の他の実施例につ
いて図３ないし図５を参照して説明する。

【００３５】本実施例は、研磨工具の内部に力学的特性
が変化する（液状）物質を充填し、その（液状）物質の
力学的特性を被加工面の部分曲率の変化に応じて適宜変
化させることにより、工具の変形量を制御して、被加工
面の部分曲率の変化があっても、加工接触面積を一定に
維持することができるようになし、被加工面全体の形状
を変化させることなく表面にある微小な切削目を研磨除
去することができるようにするものであり、力学的特性
変化物質としては、物質の粘性を変化させることができ
るものであって、例えば、電圧の印加により粘性が変化
する液状物質（電気粘性流体、以下、単にＥＲ流体とい
う）、あるいは磁界により粘性が変化する液状物質（以
下、単に磁性流体という）を用いることができる。ＥＲ
流体は、電圧の印加によって電場を作用させることによ
り、せん断速度に対するせん断応力が大きくなり（ウイ
ンズロー効果）、加圧変形抵抗が大きくなって、一定圧
のもとで一定時間後の変形量が小さくなる性質を有して
いる。また、磁性流体は、溶液中に微粒磁性体を分散さ
せたもので、磁界により分散物質が集まり、液流体の粘
性が高まるものである。

【００３６】先ず、力学的特性変化物質（粘性変化物
質）としてＥＲ流体を用いる実施例について、図３の
（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。

【００３７】図３の（ａ）は本実施例の研磨工具を研磨
装置に取り付けた状態で概略的に示す模式図であり、同
（ｂ）は、本実施例の研磨工具を用いて被加工面を研磨
加工する際の作用状態を示す模式図である。

【００３８】本実施例における研磨工具１は、図３の
（ａ）に示すように、被加工物１０を研磨する研磨性材
料で形成された研磨層４と、導電性の弾性のあるゴム等
で形成され、その表面に研磨層４が貼り付けられた中空
球体５と、この中空球体５の内部に充填された力学的特
性変化物質（粘性変化物質）としてのＥＲ流体６と、中
空球体５の内部で中空球体５に接触しないように間隔を
あけて配置された内部電極７とから構成され、中空球体
５と内部電極７の間に充填されるＥＲ流体６は、被加工
面１１のローカル曲率の変化に応じて印加する電圧を変
化させることによって、その粘性（力学的特性）に変化
を与え、工具の変形量を制御し、工具の加工接触面積を
一定にするためのものである。

【００３９】また、図３の（ａ）において、１ａは研磨
工具１を保持する軸部であり、研磨装置のスライド軸受
け２１に支持されて、回転モータ２２に連結される。２
３は軸部１ａに接するように設けられた電気供給用のス
リップリング、２４は導電性ゴム製中空球体５の表面に
接するように配置された電気供給用のスリップリングで
あり、２５は電源・制御部であって、電気リード線２６
およびスリップリング２３、２４を介して内部電極７に
電気接続している。また、研磨工具１の軸部１ａには、
滑車２７、２７に掛けられた吊り糸２９を介してバラン
ス錘２８が接続され、一定の研磨荷重を適宜設定するこ
とができるように形成されている。そして、研磨工具１
の下方に被加工物１０を保持してＸＹ方向に移動させる
ＸＹステージ３０が設けられている。

【００４０】次に、このように構成される本実施例の研
磨工具による研磨中の切削目除去作用と加圧変形につい
て、図３の（ｂ）および図４を用いて説明する。なお、
図３の（ｂ）において、１０は被加工物であってローカ
ル曲率形状をもつ被加工面１１を有し、１２は被加工面
１０の切削目の切削粗さであり、１５は研磨工具１の曲
率半径を示す。

【００４１】導電性ゴム製の中空球体５の表面には切削
目を除去できる剛の材料で形成される研磨シートからな
る研磨層４を接着し、内部層となる中空球体の導電性ゴ
ム５は、研磨加圧時に被加工面と接触幅がある値以上に
なるように比較的柔らかいものを用いる。研磨シートと
しては、ウレタンゴム、ウレタン樹脂、ポリテトラフル
オロエチレン（テフロン樹脂）、研磨用ピッチ等を用い
ることができる。

【００４２】ここで、導電性ゴム製の中空球体５の内部
に満たした粘性変化流体（力学的特性変化物質）として
のＥＲ流体７の粘性変化の作用について説明すると、被
加工面１１が図４の（ａ）に示すように凹面部分である
場合、ＥＲ流体に対する印加電圧を上げ、ＥＲ流体の内
部粘性を高めて工具変形速度に制限を与えることによ
り、中空球体５（すなわち、研磨工具１）の変形量ｈ１
を小さくし、その接触面積Ｗの拡大を防ぐことができ
る。中空球体５の初期曲率は、被加工面１１の最小凹曲
率半径より小さくすることにより、高電圧印加で粘性が
上がり加圧変形に対して抵抗力が生じ、中空球体５の非
加圧状態の曲率形状を維持することができ、凹面を研磨
するのに適している。

【００４３】また、被加工面１１が図４の（ｂ）に示す
ように凸面である場合には、印加電圧を低下させ、工具
変形速度を速くして変形量ｈ２を増し、接触面積を拡げ
ることができるようにする。

【００４４】凹面から凸面に連続変化する被加工面の場
合には、予め被加工面の曲面の各部分曲率に対応する電
圧値をプログラムしておき、加工位置毎に印加電圧を変
化させて、ＥＲ流体の粘性値を変更させるようにし、工
具の変形量を徐々に増して、加工接触面積を一定に保つ
ようにする。

【００４５】以上のように粘性を変化させることができ
るＥＲ流体を採用する研磨工具１を切削目の切削粗さ
（表面粗さ）１２のある被加工面１１に押し付けると、
研磨シート４は切削粗さ１２の山部に選択的に圧力が生
じる程度の剛性を有しかつローカル曲率の緩傾斜に倣っ
て変形する程度の変形能力のあるものが選択されるか
ら、切削粗さ１２の山部（突起部）では谷部より高い圧
力が作用する。その状態で研磨工具１と被加工面１０間
で接線方向に相対移動を行なうと、山部（突起部）が選
択的に除去され表面が平滑になる。また、被加工面１１
のローカル曲率形状は粗さの波長に比べれば長い周期の
緩い傾斜であるから、工具内面を柔らかくして加圧すれ
ば、研磨層はローカル曲率に倣い変形する。また、研磨
層の研磨シートは形状変形しやすいように前述した実施
例に説明するようにセグメント状の分割してゴム製の中
空球体の表面に貼り付けることもできる。

【００４６】次に、本実施例の具体例について説明する
と、表面直径１０ｍｍの導電性ゴム球５の表面に表面硬
度（Ｈｓ）９０のウレタン樹脂（研磨層）４を貼り付
け、導電性ゴム球５の内面と内部電極７の間にＥＲ流体
６を満たした。被加工面１１は、ＫＮｉメッキを鏡面に
切削した面で、Ｒ１００の凹面から平面に変化し、さら
に平面からＲ１００の凸面に変化する曲面である。

【００４７】図３の（ａ）に示す定圧研磨装置で研磨荷
重を１００ｇに設定し、工具回転数を６ｒｐｍとし、Ｘ
方向に毎秒３ｍｍの接線速度で旋回揺動させながら、Ｙ
方向に折り返し移動させて全面研磨した。この研磨に際
して、ローカル曲率に対応して加工凹面では内部電極に
４ＫＶ／ｍｍの高電圧を印加して工具内部周辺を高粘度
にし、加工凸面では内部電極の印加電圧をゼロにして低
粘度にする。このように印加電圧を連続的に変えながら
加工面全面を走査し研磨した。

【００４８】このように、被加工面の部分曲率の変化に
応じてＥＲ流体の印加電圧を適宜変化させてＥＲ流体の
粘性を変化させることにより、被加工面の部分曲率の変
化があっても加工接触面積を一定に維持することがで
き、被加工面全体の形状を変化させることなく表面にあ
る微小な切削目を研磨除去することができた。

【００４９】次に、本発明の研磨工具の他の実施例につ
いて説明する。

【００５０】前述した図３に図示する実施例において
は、導電性ゴム製の中空球体５内に内部電極７を配置
し、中空球体５内に粘性変化物質６としてＥＲ流体を満
たしているが、ＥＲ流体に代えて磁性流体を用いること
もでき、その場合には、磁性流体を充填する中空球体５
として磁性ゴムを用い、中空球体５内の内部電極に代え
て、電源・制御部により印加電圧を制御して磁界強度を
変えることができる内部電磁石を中空球体５内部に配置
する。

【００５１】磁性流体は、前述したように、溶液中に微
粒磁性体を分散させたもので、磁界により分散物質が集
まり、液流体の粘性が高まるものであって、電磁石の印
加電圧を変えて磁性流体に作用する磁界の強度を変化さ
せることにより、磁性流体の粘性が変えられ、工具内部
の粘性を変更することができる。

【００５２】図３の（ａ）に示す実施例と同様のＫＮｉ
メッキを鏡面に切削した金型面で、Ｒ１００の凹面から
平面に変化し、さらに平面からＲ１００の凸面に変化す
る曲面をもつ被加工面（金型面）を研磨するのに、直径
３０ｍｍの磁性ゴム製の中空球体の内部に磁性流体を満
たし、中空球体の表面には厚さ０．５ｍｍで溝の入った
ウレタン樹脂を均一に接着して構成した研磨工具を用い
た。磁性流体においても、図３の（ａ）、（ｂ）および
図４の（ａ）、（ｂ）に示す実施例と同様に、被加工面
の曲率の変化に応じて、内部電磁石の印加電圧を変化さ
せ、磁性流体に作用する磁界の強さを変化させて、磁性
流体の粘性を変えながら、工具の変形量を調整して、被
加工面全面を走査し研磨した。

【００５３】このように、被加工面の部分曲率の変化に
応じて、磁性流体に作用する磁界強度を適宜変化させて
磁性流体の粘性を変化させることにより、被加工面の部
分曲率の変化があっても加工接触面積を一定に保つこと
ができ、被加工面全体の形状を変化させることなく表面
にある微小な切削目を研磨除去することができる。

【００５４】次に、本発明の研磨工具の他の実施例につ
いて図５を参照して説明する。

【００５５】力学的特性変化物質（粘性変化流体）とし
て磁性流体を用いる場合に、前述した実施例では、磁性
流体を満たす弾性中空球体の材質として、磁性ゴムを用
いているが、特に磁性体でなくてもよく、非磁性ゴムを
用いて、被加工物下方に電磁石を配置して工具内部の電
磁石との相互作用で磁界強度を増減することも可能であ
る。

【００５６】図５において、５ａは直径３０ｍｍの非磁
性ゴム製の中空球体であり、その表面の下半球部に厚さ
０．５ｍｍのウレタン樹脂４ａを均一に接着し、そし
て、中空球体５ａの内部には磁性流体６ａを満たし、そ
の内部には内部電磁石７ａを配置し、また、被加工物１
０である金型の下方に外部電磁石８を配置する。内部電
磁石７ａおよび外部電磁石８には、電源・制御部２５ａ
を接続し、電源・制御部２５ａにより、両電磁石７ａ、
８に印加する電圧を制御することにより、両電磁石７
ａ、８の相互作用で磁性流体に作用する磁界の強度を増
減するように制御する。

【００５７】したがって、本実施例においても、先の実
施例と同様に、被加工物の部分曲率に対応した印加電圧
を電磁石に作用させて、磁性流体の粘性を適宜変化させ
ることにより、研磨工具の加工接触面積を一定に維持す
ることができ、被加工面全体の形状を変化させることな
く表面にある微小な切削目を研磨除去することができ
る。

【００５８】次に、本発明の研磨工具のさらに他の実施
例について図６の（ａ）および（ｂ）を参照して説明す
る。

【００５９】前述した各実施例における研磨工具は、自
由曲面に対する加工接触面積を一定に維持することがで
きるように２層構造で少なくとも被加工面に接触する部
分を球面形状とするものであったが、本実施例は、図６
に示すように、２重構造の円筒形状の研磨工具である点
で前述した各実施例と相違する。

【００６０】図６の（ａ）において、５１は本実施例の
研磨工具、５２は研磨用ピッチ等の粘性体、５３は容器
状の形状をした弾性体であり、内部に研磨用ピッチ等の
粘性体５２が嵌め込まれており、粘性体５２の研磨作用
面５２ａ以外の外表面は全て弾性体５３で囲み込まれて
いる。容器状の弾性体５３において、その側面部５３ａ
の肉厚は変形しにくくするように厚くし、その底面部５
３ｂの肉厚は薄くして、粘性体５２の変形を底面部で吸
収できるように変形しやすくしてある。また、弾性体５
３には工具基体５４が接合されるが、弾性体５３の底面
部５３ｂが大きく変形できるように粘性体５２に接する
面の反対側の面に空気室５５を形成するように底面部５
３ｂの周辺で工具基体５４に接合されている。

【００６１】粘性体５２は、微小な切削目を能率よく除
去することができる研磨用ピッチ等の研磨材料で形成さ
れ、研磨作用の中心をなす工具材料である。容器状の弾
性体５３は、ゴム、ウレタンゴム、軟質樹脂、スポンジ
などの通常のレンズ研磨等で使用される研磨材料で、弾
性に富み被加工物の形状に倣いやすい性質を有するもの
で形成する。

【００６２】本実施例の研磨工具５１の研磨作用につい
て、図６の（ｂ）を用いて説明すると、被加工面１１が
同図のように平面から凹面に変化する場合、被加工面の
形状が凹になると、工具接触部の周辺が持ち上げられる
ため、工具周辺の容器状の弾性体５３が圧縮変形する。
同時に粘性体５２も表面接触面の周辺から圧縮され内部
に変形が拡がるが、周囲の弾性体５３が横と奥方向に変
形し、粘性体５２の変形膨脹分を吸収する。その際の弾
性体５３の機能は、肉厚の厚い側面部５３ａにより横方
向に変形しにくく、肉厚の薄い底面部５３ｂにより粘性
体５２の変形を吸収し、粘性体５２と被加工面１１の接
触面積が図中横方向に拡がらずに縦方向に拡がるように
することである。さらに、弾性体５３の底面部５３ｂの
裏面側が空間の空気室５５としてあるので、底面部５３
ｂは大きく変形することができる。

【００６３】また、被加工面１１が平面から凸面に変化
する場合は、粘性体５２の中央部が変形し、その周辺に
押し拡げられるが、同様に弾性体５３の底面部５３ｂが
大きく変形して粘性体５２が弾性体５３の側面部５３ａ
を越えてはみ出すことを阻止する。本実施例の研磨工具
５１においては、研磨中に、弾性体５３と粘性体（ピッ
チ）５２の２つの材料が同時に被加工面１１に接触する
ことになるが、弾性体５３は、粘性体５２に比べて遥か
に柔らかいため、主として粘性体（ピッチ）５２が研磨
作用をする。弾性体５３としては前述したように通常の
レンズ研磨で使用される弾性に富む材料を用いることに
より、粘性体（ピッチ）５２とともに被加工面１１に接
触して研磨作用を行なうものであり、被加工面に傷を付
けることはない。

【００６４】次に、本実施例の具体例について説明する
と、研磨工具５１は、図６の（ａ）に示すように、硬度
（Ｈｓ）４０のウレタンゴムで作製した内径１０ｍｍで
底面部の肉厚が外周面より薄い容器状の弾性体５３を、
皿状の鉄製の工具基体５４に貼り付け、容器状弾性体５
３の底面部の裏側に空気室５５を設ける構成とする。そ
して、容器状弾性体５３の容器中に、加熱して流動状態
にした研磨用ピッチを流し込み、冷却固化した。その
後、研磨工具５１の研磨接触面を鋳鉄製の平面上で摺り
合わせ、容器状弾性体の外周端面上についたピッチを除
いて、ウレタンとピッチ面を同一平面に揃える。このよ
うに形成された研磨工具を用いて、平面から凹Ｒ１００
に曲率が連続変化する自由曲面上を加圧し、平面側から
凹面に向かって走査研磨した。研磨時において、図６の
（ｂ）に示すように、研磨工具５１の容器状のウレタン
部分が、被加工面の曲率に変形追随し、曲面変化に倣
い、ウレタンの底面部および側面部が変形してピッチが
工具の側面方向に変形することなく、加工接触面積を一
定に維持することができ、均等な除去深さを得ることが
できる。

【００６５】また、研磨工具５１において、加工曲面の
曲率変化が大きく粘性体（ピッチ）の変形量が大きくな
る場合に、弾性体の変形後の戻りが不足する場合もある
ので、変形の戻りを補うように、図７の（ａ）に図示す
るように、ウレタンゴム製の容器状弾性体５３の底面部
５３ｂの裏面側の空気室５５に複数のばね５６Ａを配置
した構造とすることもでき、また、図７の（ｂ）に図示
するように、研磨圧より小さい内圧のエアーバッグ等の
空気ばね５６Ｂを配置した構造とすることもできる。こ
のような構成とすることにより、研磨中、研磨面の曲率
変化により、ピッチ５２とばね５６Ａや空気ばね５６Ｂ
はつぶれ変形をし、そして、曲率変化が戻る場合は、ば
ね５６Ａや空気ばね５６Ｂが戻り回復変化をして、ピッ
チ面が被加工面に速やかに形状追随しながら走査研磨を
行なうことができる。

【００６６】さらに、図８に示すように、内径１５ｍｍ
で、内部に径２ｍｍの４本の柱状体５７を底面部５３ｂ
から延設させたウレタンゴム製の容器状弾性体５３を準
備し、その内部にピッチ片を入れ、容器状弾性体５３ご
と加熱してピッチを流動化させ、ピッチの表面が容器状
弾性体５３の開口部より盛り上がるまでピッチ片を追加
し、その後冷却固化し、そして、研磨工具５１の研磨接
触面を鋳鉄製の平面上で摺り合わせ、容器状弾性体５３
の端面上にある余分なピッチを除いて、ウレタンゴムと
ピッチ面を同一平面に揃え、研磨使用状態にした。この
ようにウレタンゴム製の容器状弾性体５３内に柱状体５
７を設けることにより、粘性体（ピッチ）５２の横方向
の拡がりを規制することができ、加工接触面積を効果的
に一定に維持することが可能となる。

【００６７】また、図９には、凹Ｒ５０から凹Ｒ３０に
曲率が連続変化するような自由曲面を研磨するための工
具として、研磨接触面を凸Ｒ５０の球面の一部とする研
磨工具を示し、研磨接触面を凸Ｒ５０の球面の一部とす
るウレタンゴム製の容器状弾性体５３を作製し、その内
部にピッチを充填し、凹Ｒ５０の鋳鉄製球面で加熱プレ
スし、冷却固化した後、同曲率の鋳鉄製球面と摺り合わ
せ、ウレタンゴム製の容器状弾性体５３の周辺端面に付
着したピッチを除いて、研磨使用状態とし、凹Ｒ５０か
ら凹Ｒ３０に曲率が連続変化する自由曲面をＲ５０の箇
所から走査研磨した。この実施例においても、前述した
実施例と同様の作用効果を得ることができる。さらに、
容器状弾性体５３の底面部５３ｂの裏面側の空気室５５
に、図７の（ｂ）に一点鎖線で示すような研磨圧より小
さい内圧のエアーバッグ５６Ｂを配置して、研磨したと
ころ、研磨中、研磨面の曲率変化により、粘性体（ピッ
チ）５２とエアーバッグ５６Ｂはつぶれ変形をし、ま
た、曲率変化が戻る場合は、エアーバッグ５６Ｂは戻り
回復変化をして、粘性体５２の研磨作用面５２ａが被加
工面１１に効率よく形状追随しながら走査研磨を行なう
ことができた。

【００６８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
自由曲面形状の研磨に際して、部分曲率が変化する被加
工面においても加工接触面積を一定に維持することがで
き、被加工面全体の形状を変化させることなく均一に研
磨除去することができ、表面粗さを向上させることが可
能になる。

【００６９】また、硬度や弾性率が異なる２層構造の球
面形状の研磨工具を用いて自由曲面形状を研磨すること
により、被加工面全体の形状を変化させることなく均一
に研磨除去することができ、表面にある微小な切削目を
除去することが可能となる。

【００７０】研磨性材料を貼り付けた弾性質の中空球体
の内部にＥＲ流体や磁性流体等の粘性変化物質を入れ
て、被加工面の曲率の変化に応じて印加電界や磁界を変
化させて粘性を変えることにより、被加工面に部分曲率
の変化があっても加工接触面積を揃えて、被加工面全体
の除去形状を変化させることなく、表面にある微小な切
削目を研磨除去することが可能になる。

【００７１】研磨工具の研磨作用をする粘性体（ピッ
チ）の非研磨面である側面を厚めの弾性体でそして底面
を薄い弾性体で包み込む構造とすることにより、被加工
面の形状の変化に応じて粘性体の研磨作用面が変形をす
る場合でも、弾性体の底面が大きく変形して、粘性体の
側面方向への変形を規制し、加工接触面積を一定に維持
することができ、均等な除去深さを得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明の研磨工具の一実施例を研磨
装置に取り付けた状態で概略的に図示する模式図であ
り、（ｂ）は、本実施例の研磨工具を用いて被加工面を
研磨加工する際の作用状態を示す模式図である。

【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１に図示する研磨工
具の実施例における変形例をそれぞれ示す図である。

【図３】（ａ）は、本発明の研磨工具の他の実施例を研
磨装置に取り付けた状態で概略的に図示する模式図であ
り、（ｂ）は、本実施例の研磨工具を用いて被加工面を
研磨加工する際の作用状態を示す模式図である。

【図４】図３に図示する研磨工具の実施例における力学
的特性変化物質としてのＥＲ流体の粘性変化の作用を説
明する図である。

【図５】本発明の研磨工具の他の実施例を研磨装置に取
り付けた状態で概略的に図示する模式図である。

【図６】（ａ）は、本発明の研磨工具のさらに他の実施
例を概略的に図示する模式図であり、（ｂ）は、被加工
面の凹面部分を研磨する際の状態を示す模式図である。

【図７】（ａ）および（ｂ）は、図６に図示する研磨工
具の実施例における変形例をそれぞれ示す図である。

【図８】（ａ）は、図６に図示する研磨工具の実施例に
おける変形例を示す模式図であり、（ｂ）は、その下面
図である。

【図９】図６に図示する研磨工具の実施例における他の
変形例を示す模式図である。

【符号の説明】

１研磨工具２研磨層２ａ溝３内部層４、４ａ研磨層５、５ａ中空球体６力学的特性変化物質（ＥＲ流体）６ａ力学的特性変化物質（磁性流体）７内部電極７ａ電磁石８外部電磁石１０被加工物１１被加工面１２切削粗さ２３、２３ａ、２４スリップリング２５、２５ａ電源・制御部２８バランス錘３０ＸＹステージ５１研磨工具５２粘性体（ピッチ）５３（容器状）弾性体（ゴム容器）５３ａ側面部５３ｂ底面部５４工具基体５５空気室５６Ａばね５６Ｂ空気ばね（エアーバッグ）５７柱状体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中川英則東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 3C049 AA09 CA01 CA03 3C058 AA09 CA01 CA03 3C063 AA10 AB02 BA03 BA24 BA31 EE02 EE19 FF01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加圧して被加工物表面を研磨する研磨工
具において、表面層と内部層からなる２層構造で、少な
くとも被加工物表面に接触する部分の形状を球面状とし
て、前記表面層を研磨性材料とし、前記内部層を前記表
面層より変形しやすい材料で形成することを特徴とする
研磨工具。
【請求項２】前記表面層を前記内部層の一部分のみに
付着してあることを特徴とする請求項１記載の研磨工
具。
【請求項３】前記表面層はセグメント状に分割されて
前記内部層に付着されていることを特徴とする請求項１
または２記載の研磨工具。
【請求項４】前記表面層は多数の溝が形成されている
ことを特徴とする請求項１または２記載の研磨工具。
【請求項５】前記内部層は、中実発泡ゴム、スポン
ジ、中空ゴムまたは中空スポンジで形成され、前記表面
層は、ウレタンゴム、ウレタン樹脂、ナイロン樹脂、ポ
リテトラフルオロエチレンまたはピッチで形成されてい
ることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に
記載の研磨工具。
【請求項６】加圧して被加工物表面を研磨する研磨工
具において、研磨性材料で形成する表面層と内部層を有
する多層構造とし、前記内部層を電界または磁界により
力学的特性が変化する液状物質で構成することを特徴と
する研磨工具。
【請求項７】加圧して被加工物表面を研磨する研磨工
具において、表面層を研磨性材料とする多層構造で構成
され、２層目を導電ゴム製の中空球体とし、該中空球体
の内部に電極を配置し、前記中空球体と前記電極間に電
圧により粘性が変化する液状物質を満たしたことを特徴
とする研磨工具。
【請求項８】加圧して被加工物表面を研磨する研磨工
具において、表面層を研磨性材料とする多層構造で構成
され、２層目を磁性ゴム製の中空球体とし、該中空球体
の内部に電磁石を配置し、前記中空球体と前記電磁石間
に磁界により粘性が変化する磁性流体を満たしたことを
特徴とする研磨工具。
【請求項９】加圧して被加工物表面を研磨する研磨工
具において、表面層を研磨性材料とする多層構造で構成
され、２層目を非磁性ゴム製の中空球体とし、該中空球
体の内部に電磁石を配置し、前記中空球体と前記電磁石
間に磁界により粘性が変化する磁性流体を満たすととも
に、前記被加工物裏面にさらに電磁石を配置することを
特徴とする研磨工具。
【請求項１０】前記研磨性材料が、ウレタンゴム、ウ
レタン樹脂、ポリテトラフルオロエチレンまたはピッチ
で形成されていることを特徴とする請求項６ないし９の
いずれか１項に記載の研磨工具。
【請求項１１】前記研磨性材料がセグメント状に分割
されていることを特徴とする請求項６ないし１０のいず
れか１項に記載の研磨工具。
【請求項１２】加圧して被加工物表面を研磨する研磨
工具において、粘性体層と該粘性体層の研磨作用面以外
の面を覆う弾性体層からなる２層構造とすることを特徴
とする研磨工具。
【請求項１３】前記弾性体層は、肉厚の厚い側面部と
肉厚の薄い底面部を有する容器状に形成されていること
を特徴とする請求項１２記載の研磨工具。
【請求項１４】前記弾性体層の底面部に弾性ばねまた
は空気ばねを付設することを特徴とする請求項１３記載
の研磨工具。
【請求項１５】前記粘性体層は研磨用ピッチで形成さ
れ、前記弾性体層はゴム、ウレタンゴム、軟質樹脂また
はスポンジで形成されていることを特徴とする請求項１
２ないし１４のいずれか１項に記載の研磨工具。