JP2002233952A - 研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工具の状態、加工条件のバラツキ等があって
も、同一の品質の高い面精度での研磨を行う。 【解決手段】 被加工物５に対して部分的に工具１を当
接した状態で相対的に走査させて研磨加工を行う。加工
前の被加工物５の形状を測定し、測定した形状から走査
速度を設定して被加工物５の全面を研磨加工する予備研
磨工程と、予備研磨工程の研磨前後の被加工物５の形状
を比較して被加工物５の各点における単位時間当たりの
研磨量を算出する工程と、算出した単位時間当たりの研
磨量を用いて予備研磨後の形状から理想形状を得るため
の研磨条件を算出する工程と、理想形状を得るための研
磨を行う仕上げ研磨工程とからなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レンズ等の光学素
子や成形用金型の表面を高精度に研磨するための研磨方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】非球面や自由曲面に形状を有したレンズ
や、これらのレンズを成形する成形用金型の加工におい
ては、所定の光学性能を満足させる表面を得るために研
磨加工が行われている。この研磨加工には様々な手法が
用いられるが、最も簡便な方法として、回転している工
具（ポリシャ）を被加工物の表面に圧力をかけて当接さ
せた状態で、ポリシャを被加工物の表面に対して位置決
め制御しながら加工することがなされている。

【０００３】図８は特開昭６３−２８５５２号公報に記
載された従来の研磨方法の断面図である。基台１１０上
に回転テーブル１２０が回転可能に支持され、回転テー
ブル１２０上に曲面凹状の加工面１３１を有するワーク
１３０が支持されている。これらの回転テーブル１２０
及びワーク１３０は駆動手段（図示省略）により回転さ
れるものであり、その回転は、制御手段（図示省略）に
より任意の回転速度に制御されている。

【０００４】ワーク１３０の上部には、ケース１４０が
配置されている。ケース１４０には、スピンドル１５０
が回転且つ軸方向に移動可能に支持されており、スピン
ドル１５０の先端に球面状のポリシャ１６０が取り付け
られ、ポリシャ１６０がワーク１３０の加工面１３１に
接触している。

【０００５】ケース１４０内には、ステータ１７１とロ
ータ１７２とからなるモータ１７０が配置されており、
ロータ１７２がスピンドル１５０の後部に固定されるこ
とにより、スピンドル１５０及びポリシャ１６０が所定
の回転速度で回転する。この回転速度は、図示を省略し
た制御手段によって制御されるものである。

【０００６】また、ケース１４０内には、定圧機構とし
て圧縮バネ１８０が配置されており、圧縮バネ１８０の
付勢によってポリシャ１６０が一定圧力でワーク３の加
工面１３１に押し付けられている。ケース１４０は調整
機構と制御手段（図示省略）により角度が制御されてお
り、これによりポリシャ１６０と加工面１３１との相対
的移動速度が調節されるようにポリシャ１６０と加工面
１３１との相対位置が制御されている。

【０００７】ワーク１３０への加工は、加工面１３１と
ポリシャ１６０との接触部位に対して砥粒を懸濁した加
工液を与えた状態で行われるものであり、ワーク１３０
とポリシャ１６０の双方の回転速度により加工面１３１
への加工が進行する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このようにポリシャ１
６０とワーク１３０との間に砥粒を介在させて行う研磨
方法は、簡便であるが、同じ形状・材質のワークを同一
の加工条件で研磨加工しても、加工する日や加工機・作
業者の違い等によって同一の品質を得ることが難しい問
題を有している。

【０００９】また、上述した従来の方法では、ポリシャ
１６０とワーク１３０の相対的な移動速度や加工圧力、
回転数等の制御を行っているが、ポリシャ１６０の表面
状態や加工液の供給状態、加工条件のバラツキや研磨装
置間の機差などにより、依然として同一の品質を得るこ
とが難しいものとなっている。

【００１０】本発明は、このような従来技術の問題点を
考慮してなされたものであり、ポリシャ等の工具の状態
や研磨装置の機差等の条件が異なっていても、同一の品
質で高い面精度で研磨することが可能な研磨方法を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、被加工物に対して部分的に工具
を当接した状態で相対的に走査させて研磨加工を行う方
法において、加工前の被加工物の形状を測定し、測定し
た形状から走査速度を設定して被加工物の全面を研磨加
工する予備研磨工程と、この予備研磨工程の研磨前後の
被加工物の形状を比較して被加工物の各点における単位
時間当たりの研磨量を算出する工程と、算出した単位時
間当たりの研磨量を用いて予備研磨後の形状から理想形
状を得るための研磨条件を算出する工程と、理想形状を
得るための研磨を行う仕上げ研磨工程とからなることを
特徴とする。

【００１２】この発明では、予備研磨加工と仕上げ研磨
加工との２段階で被加工物を研磨する。予備研磨加工で
は、被加工物の加工前の形状から所定の走査速度を設定
し、設定した走査速度で研磨を行う。そして予備研磨加
工における被加工物の各点の単位時間当たりの研磨量を
算出するが、かかる予備研磨加工における単位時間当た
りの研磨量に基づいて、所定の走査速度での工具による
被加工物への研磨特性を知ることができる。従って、予
備研磨後の形状と理想形状との差を算出し、算出結果に
基づいて仕上げ研磨加工を行うことにより、理想形状を
創成することができる。これにより、工具の状態や研磨
装置の機差等の条件が異なっていても、同一の品質の高
い面精度での研磨を行うことができる。

【００１３】請求項２の発明は、請求項１記載の研磨方
法であって、前記予備研磨工程及び仕上げ研磨工程にお
ける加工条件の内、被加工物に対する工具の相対的な走
査速度以外が全て同一の条件であることを特徴とする。

【００１４】この発明では、工具の走査速度以外の全て
の加工条件を予備研磨加工及び仕上げ研磨工程の双方で
同一とするため、走査速度だけを制御するだけで同一の
品質の研磨を行うことができる。このため、演算処理が
簡単となり、研磨の制御も容易となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図１は研磨加工装置の概略を示
し、図２は加工方法のフローチャート、図３は予備加工
前後の被加工物（ワーク）の形状に基づいた単位時間当
たりの研磨量のを説明する特性図、図４は仕上げ研磨時
の水平軸方向送り速度を説明する特性図である。

【００１６】この実施の形態では、加工方法の理解を容
易にするために、ワーク５に対して平面加工を行う場合
を説明する。図１に示すように、研磨加工装置は工具軸
部１０及びワーク軸部２０を備えている。

【００１７】工具軸部１０は、被加工物と当接して研磨
を行う工具としての球状のポリシャ１と、ポリシャ１を
回転させるポリシャ用モータ２とを備えている。また、
モータ２と一体となったポリシャ１の上下方向への移動
を可能とするガイド３と、ガイド３内に組み込まれてポ
リシャ１を下方向へ与圧する圧縮バネ４とを有してい
る。この実施の形態において、ポリシャ１は上下移動を
可能とするガイド３に対して、４５度の角度で傾斜する
ように固定されている。

【００１８】ワーク軸部２０は、平坦な加工面５ａを有
したワーク５が水平になるように載置されて固定された
載置台６と、載置台６を介してワーク５を回転軸に沿っ
て回転させるワーク用モータ７と、工具軸部１０とワー
ク軸部２０との水平軸方向の相対移動速度を制御する水
平軸方向送り機構８とからなる。

【００１９】ワーク５への研磨加工は、ポリシャ１及び
ワーク５が共に回転した状態で、圧縮バネ４の与圧によ
り荷重されることにより行われる。そして、この状態
で、ワーク軸部２０の水平軸方向送り機構８が予め設定
された走査速度で作動する。従って、この実施の形態で
は、ポリシャ１に対してワーク５が水平方向に走査され
るものである。

【００２０】この実施の形態の加工方法は、図２のフロ
ーチャートで示すように、加工前の回転中心を通ったワ
ーク５の断面形状を測定する（ステップＳＴ１）。次
に、測定した断面形状に基づいて、ワーク５の最外径部
から中心部にかけての水平軸方向送り速度を設定する
（ステップＳＴ２）。この送り速度がポリシャ１とワー
ク５の相対的な移動速度（走査速度）となる。

【００２１】次に、設定された水平軸方向送り速度を用
いて予備研磨を行う（ステップＳＴ３）。この予備研磨
はワーク５の全面に対して行う。予備研磨の加工後にお
いては、ワーク５の断面形状を測定し（ステップＳＴ
４）、予備研磨前後の断面形状の差を算出する（ステッ
プＳＴ５）。このようにして算出された差に基づいて、
ワーク５の各点における各位置の研磨量の差を知ること
ができる。

【００２２】次に、研磨後の理想の断面形状（仕上げ研
磨後の所望断面形状）と予備研磨後の断面形状の差を算
出する（ステップＳＴ６）。この差は、仕上げ研磨の際
に理想形状を得るための必要な研磨量となる。

【００２３】そして、ステップＳＴ６で算出された必要
な研磨量及び予備研磨での単位時間当たりの研磨量に基
づいて、仕上げ研磨時の水平軸方向送り速度を設定する
（ステップＳＴ７）。その後、設定した送り速度に基づ
いて、仕上げ研磨を行う（ステップＳＴ８）。

【００２４】なお、以上のフローチャートに基づいた研
磨では、水平軸方向の送り速度以外の全ての加工条件を
予備研磨及び仕上げ研磨で同一の条件とするものであ
る。このようにすることにより、水平軸方向の送り速度
だけを制御するだけで良く、演算処理が簡単となり、研
磨の制御も容易となるメリットがあり、しかも同一の品
質の研磨を行うことができる。

【００２５】以上のフローチャートに従った研磨加工の
内容を図３及び図４により説明する。まず、予備研磨前
のワーク５の断面形状をフォームタリサーフ（テーラー
ホプソン（社）製）により測定する。これにより、ワー
ク５の回転中心を通る断面形状を得ることができる。次
に、測定した断面形状に基づいて予備研磨における水平
軸方向送り速度の設定を行う。

【００２６】図３（ａ）は予備研磨時の水平軸送り速度
の設定を示し、横軸がワーク５の径方向位置、縦軸がポ
リシャ１とワーク５との水平軸方向送り速度（相対位置
移動速度）である。予備研磨であるため、水平軸方向送
り速度を大まかに設定するが、全面で均一な研磨量を得
る場合には、回転軸対称のワーク５では、外周部に向か
うにつれて、その径位置における研磨の取り代の総和が
大きくなるため、ワーク５の中心部よりも外周部の方が
水平軸方向送り速度が小さくように（遅くなるように）
設定することが好ましい。図３（ａ）において、各径位
置の送り速度の大きさをＳ１とする。

【００２７】図３（ｂ）は、予備研磨加工前におけるワ
ーク５の断面形状を縦軸方向「０」の位置に配置し、予
備研磨加工後のワーク５の断面形状を研磨量分だけ縦軸
方向下方に配置したものである。この（ｂ）では、最外
周部の研磨量が０．３μｍの場合を示している。なお研
磨量は、加工前後の高さ方向の変位を電気マイクロメー
タ等の測長器で測定することによって知ることができ
る。各径方向位置における予備研磨の研磨量の大きさを
ΔＨ１とする。

【００２８】図４は、仕上げ研磨時の水平軸方向送り速
度の設定を示す。同図（ａ）は、予備研磨加工後の断面
形状を縦軸方向「０」の位置に配置し、仕上げ研磨加工
後の断面形状（所望の理想形状）を仕上げ研磨加工の研
磨量分だけ縦軸方向下方に配置したものである。この
（ａ）では、最外周部の仕上げ研磨量が０．３μｍの場
合を示している。また、各径位置における仕上げ研磨加
工時のの研磨量の大きさ（必要研磨量）ΔＨ２とする。
この研磨量の大きさは、ワーク５上へのポリシャ１の滞
留時間に比例するため、水平方向送り速度の大きさとは
反比例することになる。

【００２９】以上により、各径位置における仕上げ研磨
加工時の水平軸方向送り速度の大きさＳ２は、Ｓ２＝
（０．３／０．３）×Ｓ１×（ΔＨ２／ΔＨ１）とな
る。

【００３０】図４（ｂ）は、この仕上げ研磨加工時の水
平軸方向送り速度の設定を示しており、この設定値に従
って仕上げ研磨加工を行う。

【００３１】このような実施の形態では、予備研磨加工
と仕上げ研磨加工の２段階で研磨すると共に、予備研磨
加工での単位時間当たりの研磨量に基づいて、ワーク５
に対するポリシャ１への研磨特性を知ることができ、こ
の情報に基づいて仕上げ研磨加工を行うため、ポリシャ
の状態や研磨装置の機差等の条件が異なっていても、同
一の品質の高い面精度での研磨を行うことができる。

【００３２】以上の実施の形態は、ワーク４の加工面５
ａが平面の場合を説明したが、加工面が球面や非球面で
あっても同様の加工を行うことができる。

【００３３】図５は回転軸対称の加工面４１ａを有した
ワーク４１への加工を行う実施の形態を示し、工具軸部
３０及びワーク軸部４０を有している。

【００３４】工具軸部３０は、先端が球状の加工部位と
なっているポリシャ３１と、ポリシャ３１を回転させる
ポリシャ用モータ３２と、ポリシャ３１をモータ３２と
共に鉛直方向下方に付勢して荷重をかけるシリンダ３３
と、これらの全てを鉛直方向上下に位置決めするＺ軸位
置決め機構（図示省略）とを有している。

【００３５】ワーク軸部４０は、ワーク４１を載置して
固定する載置台４２と、載置台４２を回転させるワーク
用モータ４３と、それらを揺動位置決めさせるＡ軸位置
決め機構（図示省略）と、これらの全てを水平方向にお
ける左右に位置決めするＹ軸位置決め機構（図示省略）
とを有している。

【００３６】この研磨加工装置では、ポリシャ３１はシ
リンダ３３によって一定荷重でワーク４１に当接してお
り、Ａ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３軸を制御することにより、ワ
ーク４１に対してポリシャ３１が常に垂直方向から荷重
されるように制御することができる。すなわち、回転す
るポリシャ３１及びワーク４１が、垂直方向に荷重され
るように一定荷重で当接すると共に、上述したＡ軸，Ｙ
軸，Ｚ軸の３軸の制御により、相対的な移動速度を有す
るように移動することにより、予備研磨及び仕上げ研磨
が行われる。

【００３７】このような研磨加工装置を用いることによ
り、球面や非球面の加工においても、上述した平面加工
と同様な研磨加工を行うことができ、同一の品質の高い
面精度での研磨を行うことができる。

【００３８】図６はワーク６１の加工面６１ａが非軸対
称の自由曲面の場合に対して適用する実施の形態を示
す。

【００３９】図６において、工具軸部５０は、先端が球
状の加工部位となっているポリシャ５１と、ポリシャ５
１を回転させるポリシャ用モータ５２と、ポリシャ５１
をモータ５２と共に鉛直方向下方に付勢して荷重をかけ
るシリンダ５３と、これらの全てを鉛直方向上下に位置
決めするＺ軸位置決め機構（図示省略）とを有してい
る。

【００４０】ワーク軸部６０は、ワーク６１を載置して
固定する載置台６２と、載置台６２を水平方向における
左右及び前後に移動位置決めするＸ軸位置決め機構及び
Ｙ軸位置決め機構（図示省略）とを有している。

【００４１】この研磨加工装置では、ポリシャ５１は一
定荷重でワーク６１と当接すると共に、Ｘ軸，Ｙ軸及び
Ｚ軸の３軸を制御する。図７はこの制御によって、ポリ
シャ５１がワーク６１の加工面６１ａを移動する軌跡７
０を示す。図７に示すように、ポリシャ５１が位置制御
されながらワーク６１の加工面６１ａの全面に対して移
動する。この場合、ポリシャ５１とワーク６１との界面
には、砥粒が懸濁されている加工液が供給されて、加工
が行われる。

【００４２】なお、図６におけるワーク６１の形状の測
定は、三次元形状測定機（例えば、商品名「ＵＡ３
Ｐ」、松下電器産業（株）製）を用いることにより行う
ことができる。また、ポリシャ５１とワーク６１の相対
位置送り速度（Ｘ軸及びＹ軸の速度）を調整することに
より、形状補正の研磨加工を行うことができる。

【００４３】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、予備研磨加工
における被加工物の各点の単位時間当たりの研磨量を算
出すると共に、予備研磨後の形状と理想形状との差を算
出して仕上げ研磨加工を行うため、工具の状態や研磨装
置の機差等の条件が異なっていても、同一の品質の高い
面精度での研磨を行うことができる。

【００４４】請求項２の発明によれば、請求項１の発明
の効果に加えて、走査速度だけを制御するだけで同一の
品質の研磨を行うことができため、演算処理が簡単とな
り、研磨の制御も容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】平面への研磨加工を行う実施の形態に適用され
る研磨加工装置の正面図である。

【図２】研磨を工程順に示すフローチャートである。

【図３】（ａ）は予備研磨時の水平軸方向送り速度を示
す特性図、（ｂ）は予備研磨前後の断面形状を示す特性
図である。

【図４】（ａ）は予備研磨後の形状及び理想形状を示す
特性図、（ａ）は仕上げ研磨時の水平軸方向送り速度を
示す特性図である。

【図５】回転軸対称のワークへの研磨を行う研磨加工装
置の正面図である。

【図６】非軸対称のワークへの研磨を行う研磨加工装置
の正面図である。

【図７】ワークへの加工を示す平面図である。

【図８】従来の研磨方法に用いる装置の断面図である。

【符号の説明】

１ ポリシャ ５ ワーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物に対して部分的に工具を当接し
   た状態で相対的に走査させて研磨加工を行う方法におい
   て、 加工前の被加工物の形状を測定し、測定した形状から走
   査速度を設定して被加工物の全面を研磨加工する予備研
   磨工程と、この予備研磨工程の研磨前後の被加工物の形
   状を比較して被加工物の各点における単位時間当たりの
   研磨量を算出する工程と、算出した単位時間当たりの研
   磨量を用いて予備研磨後の形状から理想形状を得るため
   の研磨条件を算出する工程と、理想形状を得るための研
   磨を行う仕上げ研磨工程とからなることを特徴とする研
   磨方法。
2. 【請求項２】 前記予備研磨工程及び仕上げ研磨工程に
   おける加工条件の内、被加工物に対する工具の相対的な
   走査速度以外が全て同一の条件であることを特徴とする
   請求項１記載の研磨方法。