JP2001246539A

JP2001246539A - 非軸対称非球面ミラーの研削加工方法

Info

Publication number: JP2001246539A
Application number: JP2000058282A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Omori; 整大森; Yutaka Yamagata; 豊山形; Kiyoshi Moriyasu; 精守安; Shinya Morita; 晋也森田; Katsuhiko Kada; 勝彦加田; Hidetaka Kira; 英隆吉良; Masaru Kawada; 勝川田; Hiroyuki Sasai; 浩行笹井
Original assignee: Shimadzu Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Shimadzu Corp; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-03-03
Publication date: 2001-09-11
Also published as: CN1311079A; KR100720275B1; KR20010087289A; US6537138B2; CN1170656C; US20010024934A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高い形状精度と優れた表面粗さを有し光を正
確に反射又は収束させることができる非軸対称非球面ミ
ラーを短時間に高精度に製作できる研削加工方法を提供
する。【解決手段】軸心Ｙを中心に回転しその外縁に半径Ｒ
の円弧面２ａを有する円板状のメタルボンド砥石２を有
し、砥石を電解によりドレッシングしながら、被加工物
１を研削加工する電解インプロセスドレッシング装置１
０と、回転軸Ｙに直交するＸ軸を中心に回転し円弧面２
ａをツルーイングするための回転式ツルーア１２と、砥
石の円弧面形状と被加工物１の加工面形状を機上で計測
するための形状計測装置１４と、砥石をＸ，Ｙ，Ｚの３
軸方向に数値制御する数値制御装置１６とを備え、数値
制御装置１６により砥石を３軸方向に移動させて、ツル
ーイング、研削加工、及び機上計測を繰り返す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、非軸対称非球面ミラー
の研削加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】楕円面、回転放物面、回転双曲面のよう
な非軸対称非球面を有する反射ミラ−（以下、非軸対称
非球面ミラーと呼ぶ）は、Ｘ線、レ−ザ−光、可視光等
を反射して集光又は分散させる光学素子として用いられ
る。例えば、図５に示す回転楕円面ミラ−は、（Ａ）に
示す２つの焦点Ｆ１，Ｆ２を有し、一方の焦点Ｆ１を通
過した光は楕円面ミラ−で反射して他方の焦点Ｆ２を通
過する特徴がある。また、この楕円面ミラ−は、焦点Ｆ
１からの光を焦点Ｆ２に高精度で絞り込む特性を有す
る。すなわち、（Ｂ）に示すように、例えば焦点Ｆ１に
位置する直径１ｍｍの光源は、回転楕円面ミラ−により
焦点Ｆ２ではその２００分の１〜１０００分の１に絞ら
れて直径数μｍに強く集光される。従って、この特性を
利用して例えばＸ線管からの弱いＸ線の光強度を高め
て、吸収線を利用した化学分析、土壌の分析等に用いる
ことができ、或いはレーザー光の光束を細く絞って、レ
ーザーメスその他のレーザー応用機器に利用することが
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述した非軸対称非球
面ミラーが目的とする機能を発揮するためには、非軸対
称非球面ミラーの反射面の形状精度を使用する光の波長
λの１／４以下（例えば、０．３μｍ以下）に加工し、
かつ反射面の表面粗さを４Å（０．４ｎｍ）以下の鏡面
にする必要がある。しかし、かかる超精密鏡面の加工
に、従来の加工手段では非常に長期間（例えば数カ月以
上）を必要とし、このため非軸対称非球面ミラーの利用
に支障をきたしている問題点があった。

【０００４】すなわち、従来の加工手段では、ラッピン
グ又は通常の研削により表面粗さを加工限界であるＲｍ
ａｘ１〜２μｍ（１０００〜２０００ｎｍ）まで加工
し、次いで、ポリッシングにより必要な表面粗さを（例
えば数Å）まで仕上げていたが、ポリッシングによる取
り代は、通常加工前の表面粗さの１０倍程度が必要とな
るため、実際には１０〜２０μｍをポリッシングで加工
する必要があり、ポリッシングによる取り代（加工量）
が大きい問題点があった。このため、弾性変形する工具
を、傷を付けないように光学素子の表面に軽く押し付
け、微細砥粒を含むスラリーを供給して磨く従来のポリ
ッシングでは、１０〜２０μｍを加工するのに数カ月以
上の長期間を必要とした。

【０００５】また、ポリッシングで１０〜２０μｍを除
去すると、ラッピング又は研削の際の表面の加工歪みが
除去されるため、表面と基準面の形状精度が悪化する問
題があり、超精密鏡面に必要な形状精度（λ／４以下）
を得るためには、ポリッシング後に基準面を再加工し、
再度ポリッシングを繰り返し、必要な精度がでるまでこ
れを繰り返す必要があった。更に、この繰り返しの際
に、光学素子の基準面にズレが生じやすい問題があっ
た。

【０００６】また、図６に示すように、非軸対称非球面
ミラー（この例では回転楕円面ミラー）は、矩形ブロッ
クの素材（石英等）の表面に曲率の大きい曲面を加工す
るため、素材表面（図６Ｃの上面）に直交する軸を中心
に回転する加工工具（例えば、ボールノーズ砥石）を用
いるとその下面中心での加工能率が低くかつ面粗さが悪
くなり、逆に素材表面（図６Ｃの上面）に平行な回転軸
を有する加工工具（例えば円筒形砥石）を用いると、素
材との干渉を回避するため回転軸が長くなり、その変形
の影響で加工精度が悪化する問題点があった。

【０００７】本発明は上述した問題点を解決するために
創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、高
い形状精度と優れた表面粗さを有し光を正確に反射又は
収束させることができる非軸対称非球面ミラーを短時間
に高精度に製作できる研削加工方法を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、軸心Ｙ
を中心に回転しその外縁に半径Ｒの円弧面（２ａ）を有
する円板状のメタルボンド砥石（２）と、該砥石と間隔
を隔てて対向する電極（４）と、砥石と電極との間に導
電性液を流すノズル（６）と、砥石と電極との間に電圧
を印加する印加装置（８）とからなり、砥石を電解によ
りドレッシングしながら、被加工物（１）を研削加工す
る電解インプロセスドレッシング装置（１０）と、前記
回転軸Ｙに直交するＸ軸を中心に回転し前記円弧面をツ
ルーイングするための回転式ツルーア（１２）と、前記
砥石の円弧面形状と被加工物（１）の加工面形状を機上
で計測するための形状計測装置（１４）と、前記砥石を
Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向に数値制御する数値制御装置（１
６）とを備え、数値制御装置（１６）により砥石を３軸
方向に移動させて、ツルーイング、研削加工、及び機上
計測を繰り返す、ことを特徴とする非軸対称非球面ミラ
ーの研削加工方法が提供される。

【０００９】上記本発明の方法によれば、数値制御装置
（１６）により砥石を３軸方向に移動させて、回転式ツ
ルーア（１２）により砥石の外縁に半径Ｒの円弧面（２
ａ）を正確にツルーイングすることができる。また、砥
石表面の砥粒の金属結合ボンド材を電解ドレッシングに
より除去しながら研削する電解インプロセスドレッシン
グ装置（１０）により、砥粒を細かくしても通常の研削
のように砥石の目詰まりを生じることなく、高精度の加
工を高能率で行うことができる。更に、形状計測装置
（１４）によりツルーイング後の砥石の円弧面形状と研
削加工後の被加工物（１）の加工面形状を機上計測し、
その計測データから加工データを補正して、再加工がで
きるので、砥石の摩耗と加工誤差を修正した所望の形状
を精度良く加工することができる。

【００１０】また、本発明の方法によれば、電解インプ
ロセスドレッシング装置（１０）、回転式ツルーア（１
２）及び形状計測装置（１４）を同一の装置内に備え、
被加工物が共通の取付け装置に取り付けられているの
で、被加工物を取付け装置から外すことなく、加工及び
計測を繰り返すことができ、光学素子の基準面の再加工
や、再取り付けによる基準面のズレを本質的に回避する
ことができる。

【００１１】本発明の好ましい実施形態によれば、被加
工物（１）の加工面をメタルボンド砥石（２）の回転軸
Ｙに対して３０度以上６０度以内に傾斜させて機上に固
定する。この方法により、目標とする非軸対称非球面を
加工できるように、円板状の砥石直径を非軸対称非球面
の最小曲率より十分小さくしても、被加工物（１）と砥
石回転軸との干渉を避けるために、メタルボンド砥石
（２）の回転軸を長くする必要性が少なく、従って、そ
の変位を最小限に抑え、加工精度を高く維持することが
できる。

【００１２】また、被加工物（１）の加工面に対して、
前記砥石をその回転軸Ｙの方向に相対的に高速で送りな
がら、これに直交するＸ方向に相対的に低速で移動させ
て研削加工する。この方法により、砥石表面の微細な凹
凸が被加工物（１）の加工面に転写されるのを防ぎ、表
面粗さに優れた加工面を得ることができる。

【００１３】更に前記形状計測装置は、レーザー式形状
計測装置又は接触式形状計測装置を用いる、ことが好ま
しい。レーザー式形状計測装置を用いることにより、離
れた位置から、砥石の円弧面形状と被加工物の加工面形
状を機上で高精度に計測することができる。また、接触
式形状計測装置を用いることにより、悪条件下でも確実
に機上計測ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通
する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。

【００１５】図１は、本発明による非軸対称非球面ミラ
ーの加工工程図である。この図に示すように、非軸対称
非球面ミラーを加工するためには、素材準備、研削工程
及び研磨工程が必要となる。なお、以下の実施形態にお
いては非軸対称非球面ミラーの例として回転楕円面ミラ
ーについて説明するが、本発明はこれに限定されず、回
転放物面、回転双曲面を含む周知の非軸対称非球面を有
する反射ミラ−に適用することができる。

【００１６】図１において、素材準備において、ＣＶＤ
−ＳｉＣなどのセラミックス、石英ガラスなどの光学ガ
ラス、単結晶シリコン等を非軸対称非球面ミラーの材料
として準備する。この材料には予め必要な基準面を加工
する。研削工程は、本発明では、機上計測（ワークを装
置に取り付けたままでの計測）を行いながら、粗研削、
中間研削、仕上研削を行う。研削後の計測評価は、機上
計測と併用して３次元デジタイザ等を用いて研削後の形
状を再計測し、必要な評価を行う。研磨工程は、反射面
の表面粗さを優れた鏡面にするため、粗研磨、中間研
磨、仕上研磨を行う。研磨後の計測評価により、研磨後
の形状と表面粗さを再計測し評価する。次いで、必要に
より修正ポリッシュを行い、最終製品（非軸対称非球面
ミラー）が完成する。本発明の方法は、上述した素材準
備と研削工程に関するものである。

【００１７】図２は、本発明の方法を適用する研削加工
装置の構成図である。この図に示すように、この研削加
工装置は、電解インプロセスドレッシング装置１０、回
転式ツルーア１２、形状計測装置１４及び数値制御装置
１６を備える。

【００１８】電解インプロセスドレッシング装置１０
（以下、ＥＬＩＤ研削装置と呼ぶ）は、軸心Ｙ（この例
では鉛直軸）を中心に図示しない駆動装置により回転駆
動される円板状のメタルボンド砥石２と、この砥石とわ
ずかな間隔を隔てて対向する電極４と、砥石２と電極４
との間に導電性液を流すノズル６と、砥石２と電極４と
の間に電圧を印加する印加装置８とからなる。また、メ
タルボンド砥石２は、その外縁に半径Ｒの円弧面２ａを
有している。この構成により、砥石２を電解によりドレ
ッシングしながら、被加工物１を研削加工することがで
きる。また、このＥＬＩＤ研削装置１０は、砥粒を細か
くしても通常の研削のように砥石の目詰まりを生じるこ
となく、高精度の加工を高能率で行うことができる。

【００１９】回転式ツルーア１２は、砥石２の回転軸Ｙ
に直交するＸ軸（この図で水平軸）を中心に図示しない
駆動装置で回転駆動される。回転式ツルーア１２は、例
えば円筒形のダイヤモンド砥石であり、その外周面と砥
石２とを接触させることにより、砥石２の円弧面２ａを
ツルーイングすることができる。

【００２０】形状計測装置１４は、この例ではレーザー
式形状計測装置であるが、接触式形状計測装置であって
もよい。レーザー式形状計測装置を用いることにより、
離れた位置から、砥石の円弧面形状と被加工物の加工面
形状を機上で高精度に計測することができる。また、接
触式形状計測装置を用いることにより、悪条件下でも確
実に機上計測ができる。

【００２１】図２において形状計測装置１４は、加工面
測定用と砥石面測定用の２台のレーザー式形状計測装置
１４ａ，１４ｂからなる。加工面測定用の形状計測装置
１４ａは、砥石２と共に移動できるように、砥石の図示
しない駆動ヘッドに取付けられている。また、砥石面測
定用の形状計測装置１４ｂは、被加工物１と同様に固定
されている。この構成により、砥石と共に加工面測定用
の形状計測装置１４ａを移動させることにより、砥石２
の円弧面形状と被加工物１の加工面形状を機上で計測す
ることができる。

【００２２】数値制御装置１６は、砥石２をＸ，Ｙ，Ｚ
の３軸方向に数値制御して移動させ、砥石２とツルーア
１２との接触によるツルーイング、砥石２と被加工物１
との接触による研削加工、及び形状計測装置１４による
機上計測を行うようになっている。

【００２３】更に、本発明の方法では、図１に示すよう
に、被加工物１の加工面をメタルボンド砥石２の回転軸
Ｙに対して３０度以上６０度以内（例えば４５度）に傾
斜させて機上に固定し、目標とする非軸対称非球面を加
工できるように、円板状の砥石直径を非軸対称非球面の
最小曲率より十分小さくしても、被加工物１と砥石回転
軸との干渉を避けるために、メタルボンド砥石２の回転
軸を長くする必要性が少なく、従って、その変位を最小
限に抑え、加工精度を高く維持するようになっている。

【００２４】また、本発明の方法では、図１に両矢印で
示すように、被加工物１の加工面に対して、砥石２をそ
の回転軸Ｙの方向に相対的に高速で送りながら、これに
直交するＸ方向に相対的に低速で移動させて研削加工
し、砥石表面の微細な凹凸が被加工物１の加工面に転写
されるのを防ぎ、表面粗さに優れた加工面を得るように
なっている。

【００２５】図３は、本発明による研削加工方法におけ
る砥石とワークとの関係図である。この図において、
（Ａ）は砥石２の回転軸Ｙの方向から見た図、（Ｂ）は
そのＡ−Ａ断面図である。砥石の回転面と加工面の法線
とのなす角をα、Ｚ軸と加工面の法線とのなす角をβと
すると、加工面形状の法線ベクトルは、式（１）で示さ
れ、工具の相対位置ベクトルは、式（２）で示される。
更に、加工面の設計形状（例えば回転楕円面）を、式
（３）とすると、式（４）、式（５）が求められる。

【００２６】

【数１】

【００２７】従って、式（１）〜（５）を用いて数値制
御におけるＮＣパスを計算することにより、メタルボン
ド砥石２の円弧面２ａの半径Ｒが変化しても、加工面を
正確に加工することができる。

【００２８】

【実施例】上述した研削加工装置を用いて本発明の方法
を実施した。表１は、その加工条件である。

【００２９】

【表１】

【００３０】また、図４は、この実施例による形状誤差
を示す図である。この図において、横軸は被加工物１の
Ｘ軸方向の位置、縦軸の■と◆は理想形状と測定形状を
右側のスケールで、▲は誤差（＝理想形状−測定形状）
を左側のスケールで示している。

【００３１】この図から明らかなように、理想形状と測
定形状とはほとんど完全に一致しており、その誤差は±
０．３μｍ以内に納まっており、非軸対称非球面ミラー
の反射面の形状精度を使用する光の波長λの１／４以下
（例えば、０．３μｍ以下）に加工することができるこ
とがわかる。また、反射面の表面粗さも、ＥＬＩＤ研削
装置１０を用いるため、砥粒を細かくしても通常の研削
のように砥石の目詰まりを生じることなく、高精度の加
工を高能率で行うことができことが知られており、優れ
た鏡面を得ることができる。

【００３２】上述したように本発明の方法によれば、数
値制御装置１６により砥石を３軸方向に移動させて、回
転式ツルーア１２により砥石の外縁に半径Ｒの円弧面２
ａを正確にツルーイングすることができる。また、砥石
表面の砥粒の金属結合ボンド材を電解ドレッシングによ
り除去しながら研削する電解インプロセスドレッシング
装置１０により、砥粒を細かくしても通常の研削のよう
に砥石の目詰まりを生じることなく、高精度の加工を高
能率で行うことができる。更に、形状計測装置１４によ
りツルーイング後の砥石の円弧面形状と研削加工後の被
加工物１の加工面形状を機上計測し、その計測データか
ら加工データを補正して、再加工ができるので、砥石の
摩耗と加工誤差を修正した所望の形状を精度良く加工す
ることができる。

【００３３】また、本発明の方法によれば、電解インプ
ロセスドレッシング装置１０、回転式ツルーア１２及び
形状計測装置１４を同一の装置内に備え、被加工物が共
通の取付け装置に取り付けられているので、被加工物を
取付け装置から外すことなく、加工及び計測を繰り返す
ことができ、光学素子の基準面の再加工や、再取り付け
による基準面のズレを本質的に回避することができる。

【００３４】なお、本発明は上述した実施形態に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できる
ことは勿論である。

【００３５】

【発明の効果】上述したように、本発明の非軸対称非球
面ミラーの研削加工方法は、高い形状精度と優れた表面
粗さを有し光を正確に反射又は収束させることができる
非軸対称非球面ミラーを短時間に高精度に製作できる、
等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による非軸対称非球面ミラーの加工工程
図である。

【図２】本発明の方法を適用する研削加工装置の構成図
である。

【図３】本発明による研削加工方法における砥石とワー
クとの関係図である。

【図４】本発明の実施例による形状誤差を示す図であ
る。

【図５】回転楕円面ミラーによる集光の模式図である。

【図６】回転楕円面ミラーの形状図である。

【符号の説明】

１被加工物、２メタルボンド砥石、２ａ円弧面、
４電極、６ノズル、８印加装置、１０電解イン
プロセスドレッシング装置、１２回転式ツルーア、１
４，１４ａ，１４ｂ形状計測装置、１６数値制御装
置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山形豊埼玉県和光市広沢２番１号理化学研究所内 (72)発明者守安精東京都板橋区加賀２−20−３ハイコーポ十条403 (72)発明者森田晋也東京都板橋区板橋４−46−９パークハイツ202 (72)発明者加田勝彦京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所内 (72)発明者吉良英隆京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所内 (72)発明者川田勝京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所内 (72)発明者笹井浩行京都府京都市中京区西ノ京桑原町１番地株式会社島津製作所内Ｆターム(参考） 3C034 AA19 BB87 BB93 CA05 CA09 CA22 CB01 CB11 DD05 DD20 3C047 AA02 AA13 AA15 AA29 3C049 AA02 AA19 AC02 BA09 BC02 CA01 CB01 CB03 3C059 AA02 HA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】軸心Ｙを中心に回転しその外縁に半径Ｒ
の円弧面（２ａ）を有する円板状のメタルボンド砥石
（２）と、該砥石と間隔を隔てて対向する電極（４）
と、砥石と電極との間に導電性液を流すノズル（６）
と、砥石と電極との間に電圧を印加する印加装置（８）
とからなり、砥石を電解によりドレッシングしながら、
被加工物（１）を研削加工する電解インプロセスドレッ
シング装置（１０）と、前記回転軸Ｙに直交するＸ軸を中心に回転し前記円弧面
をツルーイングするための回転式ツルーア（１２）と、
前記砥石の円弧面形状と被加工物（１）の加工面形状を
機上で計測するための形状計測装置（１４）と、前記砥
石をＸ，Ｙ，Ｚの３軸方向に数値制御する数値制御装置
（１６）とを備え、数値制御装置（１６）により砥石を３軸方向に移動させ
て、ツルーイング、研削加工、及び機上計測を繰り返
す、ことを特徴とする非軸対称非球面ミラーの研削加工
方法。
【請求項２】被加工物（１）の加工面をメタルボンド
砥石（２）の回転軸Ｙに対して３０度以上６０度以内に
傾斜させて機上に固定する、ことを特徴とする請求項１
に記載の非軸対称非球面ミラーの研削加工方法。
【請求項３】被加工物（１）の加工面に対して、前記
砥石をその回転軸Ｙの方向に相対的に高速で送りなが
ら、これに直交するＸ方向に相対的に低速で移動させて
研削加工する、ことを特徴とする請求項２に記載の非軸
対称非球面ミラーの研削加工方法。
【請求項４】前記形状計測装置は、レーザー式形状計
測装置又は接触式形状計測装置を用いる、ことを特徴と
する請求項３に記載の非軸対称非球面ミラーの研削加工
方法。