JP2006175572A - 研磨工具及び研磨加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非球面等の多種多様な曲率半径を持つ被加工物の研磨加工において、簡便な構成により高度な形状精度を有する研磨加工が実現可能で、且つ、摺り合わせ作業が不要な画期的な研磨工具及び研磨加工方法を提供すること。
【解決手段】工具基台と、磁性部材と、前記磁性部材に固着された研磨面を有する研磨パッドと、前記磁性部材の周囲に配置された磁性部材制御手段とを具備する研磨工具を被加工物に押付けて研磨加工する際に、前記磁性部材制御手段により前記研磨面の押圧方向と直交方向に前記磁性部材を駆動させて、被研磨面の形状に合致するように前記研磨パッドを変形させて前記研磨面を被研磨面にフィットさせて加工する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズやミラー等の光学素子或は金型の研磨加工に係り、特に超精密研磨加工に利用される研磨工具及びそれを用いた研磨加工方法に関するものである。

従来、高度な形状精度が要求されるレンズやミラー等の光学素子或は金型を仕上げ研磨加工する際には、一般に弾性材料から成るポリシャを用いた研磨工具が使用される。ポリシャは、通常、発泡ウレタンやピッチ等で形成されており、工具基台に接着剤等で貼り付けられている。そして、研磨面と被研磨面との間隙に研磨液を供給しながら、研磨パッドの研磨面を被研磨面に押付けて、ポリシャを被研磨面に対して回転ある揺動運動させることで研磨加工を行う。このとき、被研磨面が球面であれば、この球面の曲率半径に合致するようにポリシャの表面（研磨面）を高精度に成形することで、高度な形状精度を有する非研磨面に仕上げることができる。

しかし、近年レンズやミラー等の光学素子或は金型の形状は多様化しており、例えば被研磨面が非球面のように曲率半径が変化するような場合、上記のように一定の曲率半径に成形されたポリシャから成る研磨工具を用いて研磨加工を行うと、加工位置によって研磨工具の研磨面と被加工物の被研磨面との曲率半径の差が発生するため、研磨面と被研磨面との接触面上の圧力分布の差が発生して、一様な研磨加工が実現できないといった不具合が生じる。

又、研磨加工の進行に伴いポリシャの研磨面の形状が徐々に変形して劣化するため、高度な加工精度を維持するためには、適時摺り合わせ等の作業により研磨面を再成形する必要がある。この摺り合わせ作業に費やされる労力や時間、コストが生産性の大幅な低下を招くことになる。

従って、非球面等の曲率半径が変化する被加工面における研磨加工に対応可能で、且つ、摺り合わせ作業の不要な研磨工具を提供することが望まれている。そのための指針の１つとして、ポリシャの研磨面を被研磨面の形状（曲率半径）の変化に追従して任意に変形させることが可能な研磨工具を提供することが知られている。例えば、特許文献１において、複数個のアクチュエータを用いて研磨面の形状を任意に変化させる研磨工具が開示されている。

即ち、図１２に示すように、基盤１０１上に制御手段（図示せず）により個別に作動可能な複数個のアクチュエータ１０２を２次元的に配置し、これらの変位アクチュエータ１０２の作動によって変位する出力部材１０３に弾性体から成る工具部材１０４を取り付けた構成となっている。この研磨工具を用いて、被加工物に対して工具部材１０４を相対的に摺動させて加工を行う際に、変位アクチュエータ１０２をそれぞれ作動させ、工具部材１０４の形状を部分的に独立変化させて個別に被加工物を押圧する力を調整し、全体として所望の曲面を形成するものである。

特公平５−５８８６４号公報

しかしながら、上記従来の方法は、複数個の変位アクチュエータを個別に制御して工具部材を所望の形状に形成しているため、これを実現するための装置構成が複雑で高価なものになる。又、特に連続的に曲率が微小変化する曲面形状を形成する場合、工具部材の曲率を急激に変化させる必要がないため、要する労力や費用に対する効果が余り享受できない。又、曲率変化が急激に変化する曲面形状を形成するには、工具部材の降伏応力や成形可能な大きさ等の制約により、十分面積の小さい研磨工具を構築せざるを得ないため、この場合、工具面に複数個の変位アクチュエータを２次元的に配置することが物理的に困難となる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、非球面等の多種多様な曲率半径を持つ被加工物の超精密研磨加工において、簡便な構成でポリシャの研磨面を被研磨面の形状（曲率半径）の変化に合致するように任意に変形させることが可能で、且つ、摺り合わせ作業の不要な画期的な研磨工具及び研磨加工方法を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の研磨工具の構成は、工具基台と、磁性部材と、前記磁性部材に固着された研磨面を有する研磨パッドと、前記磁性部材の周囲に配置され前記研磨面の押圧方向と直交方向に前記磁性部材を駆動制御させる磁性部材制御手段とを具備することを特徴とする。

又、本発明の研磨工具を用いた研磨加工方法は、工具基台と、磁性部材と、前記磁性部材に固着された研磨面を有する研磨パッドと、前記磁性部材の周囲に配置された磁性部材制御手段とを具備する研磨工具を被加工物に押付けて研磨加工する際に、前記磁性部材制御手段により前記研磨面の押圧方向と直交方向に前記磁性部材を駆動させて、被研磨面の形状に合致するように前記研磨パッドを変形させて前記研磨面を被研磨面にフィットさせた状態で、前記研磨工具と前記被加工物とを相対的に運動させて前記被研磨面を加工することを特徴とする。

本発明に係る研磨工具によれば、磁性部材制御手段により磁性部材が研磨パッドの研磨面の押圧方向と直交方向に移動し、研磨パッドの研磨面の形状を被加工物の被研磨面の形状に合致するように変形させることが可能となる。

又、本発明に係る研磨加工方法によれば、研磨工具を被加工物に押付けて加工する際に、磁性部材制御手段により磁性部材が研磨パッドの研磨面の押圧方向と直交方向に移動させることにより、研磨パッドの研磨面の形状を被加工物の被研磨面の形状の変化に合致するように変形させることで、常に研磨面の全面が被研磨面にフィットした状態での研磨加工が可能となる。そのため、非球面のように被研磨面の曲率半径が変化するような被加工物に対しても、研磨面の形状（曲率半径）や研磨圧力を自由自在に変化させることができるので、高度な形状精度を有する安定した研磨加工が実現できる。又、研磨パッドの研磨面の形状や研磨圧力を自由自在に制御することができるので、曲率半径の異なる複数の被加工物の研磨加工において研磨工具を取り替えることなく逐次的に研磨加工を行うことが可能となる。そのため、面倒な工具の摺り合わせ作業等を施す必要がなく、莫大な労力や時間、コストが削減でき、生産性の大幅な向上に繋がる。

以上から、本発明によれば、簡便な構成で多種多様な被加工物に対して極めて高精度な研磨加工が可能で、且つ、生産性の大幅な向上に寄与できる研磨工具を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一の記号を付している。

＜実施の形態１＞
図１及び図２は本発明の実施の形態１に係る研磨工具の模式的な断面図であり、図１は研磨面の押圧方向（紙面の上下方向）に対する断面図で、図２は研磨面の押圧方向と直交方向に対する断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）で研磨工具を研磨面の押圧方向の上から見たもので工具基台を省略している。又、図３は本発明の実施の形態１に係る研磨工具を用いた研磨加工の模式図を示している。

図１に示すように本実施の形態に係る研磨工具５０は、工具基台１の周辺に磁性部材２が設置され、その磁性部材２には研磨面５を有する研磨パッド３が固着され、前記磁性部材２の周囲には磁性部材２に磁束を通過させて磁性部材２を研磨面５の押圧方向と直交方向に駆動制御させるための磁性部材制御手段４が配置された構造をしている。

研磨パッド３は、高精度な表面粗さを実現するために高い剛性を有する部材で形成するのが好ましく、例えば発泡ウレタン樹脂や硬質ウレタン樹脂、ピッチ樹脂等のみで構成しても良く、ウレタンゴムのような伸縮性を有する基材に、接着等の手段により発泡ウレタン樹脂や硬質ウレタン樹脂、ピッチ樹脂等を貼り付けて研磨パッドを形成しても良い。又、図２に示すように、研磨パッド３の形状はたとえば円形（例えば、直径φ２５ｍｍ）で厚みは０．１〜２．０ｍｍ程度である。このとき、研磨パッド３の下面が研磨面５となる。そして、図１に示すように研磨パッド３は接着剤（図示せず）により磁性部材４に貼り付けられるが、機械的な締結具等を用いて研磨パッド３を磁性部材２に固着させても良い。

磁性部材２は、複数の磁性体８と弾性体９とで構成され、図２に示すように、円形状になるように複数の磁性体８を弾性体９で連結している。磁性体８にはフェライト磁石が用いられる。磁性体８は磁気的性質を有する部材であれば何でも良く、ネオジムや鉄を主成分とするネオジム磁石、サマリウムやコバルトを主成分とするサマコバ磁石、アルニコ磁石等を利用しても良い。又、これらに限定されることなく、例えば直方体の容器に砂鉄や磁性流体等の磁気的性質を有する粉末状部材や溶媒等を密封して磁性体８としても良い。又、弾性体９はゴム等の非常に大きな伸縮性を有する部材が好ましく用いられる。そして、図２に示すように、磁性部材２は工具基台１（例えば、鉄鋼）の周辺に略円形状に配置されたガイド６に取り付けられ、研磨面５の押圧方向と直交方向（矢印Ｄ）に放射状に移動制御される。

磁性部材制御手段４は、例えば鉄心の周辺をエナメル線等で巻き付けて構成した電磁石で、通電したときに形成される磁束経路が磁性部材２を貫通するように、磁性部材２の両側に対向して配置される。又、磁性部材制御手段４は、図６に示すように、磁性部材２の磁性体８の位置に対応するように、複数に分断して略円形状になるように配置させても良い。

以下、本発明の実施形態１に係る研磨工具を用いた研磨加工方法について説明する。

図３において、保持台１０の上に被加工物６０（例えば、軸対称の凹の非球面を有するレンズ）が真空吸着や機械的な冶具による締結、接着による固着等の手段により位置決めして固定され、前記保持台１０にはその中心軸に沿って一定速度で回転するモータ等の駆動手段（図示せず）が取り付けられている。

しかし、前記駆動手段は被加工物６０や研磨工具５０の運動等によっては、前記駆動手段は左右前後に水平移動、揺動させるためのモータ等であっても良く、例えば研磨工具をその中心軸に沿って回転させて、固定された被加工物６０に対して研磨加工する場合は前記駆動手段はなくても良い。研磨工具５０は、被加工物６０の半径方向（紙面の左右方向）に揺動しながら、被加工物６０の被研磨面１１の頂点から半径方向（紙面の左右方向）を外周部に向かって一定速度で移動する。

又、研磨工具５０が取り付けられたアクチュエータ（図示せず）により研磨パッド３の研磨面５を被加工物６０の被研磨面１１へ加工に必要な押付荷重が付与されるため、研磨工具５０は、研磨面５を被研磨面１１に押圧接触させながら、被加工物６０に対して被加工物６０の中心部から外周部に向けて螺旋状に走査しながら研磨加工することになる。このとき、研磨加工中において研磨面５と被研磨面１１との間隙に研磨液（図示せず）が供給される。

このとき、磁性部材制御手段４に電流を通電すると、図１及び図２に示すように見かけ上、磁性部材制御手段４ａの一方から磁性部材２を貫通して他方の磁性部材制御手段４ｂに到達するように磁束経路７が形成される。このとき、前記磁束経路７は研磨面５の押圧方向と直交方向（矢印Ｄ）に形成されるので、ガイド６に取り付けられた磁性部材２が前記磁束経路７に沿って研磨工具５０の中心部から外周部に向かって放射状に伸長、若しくは外周部から中心部に向かって収縮するように移動する。この移動方向及び移動量は磁性部材制御手段４ａ及び４ｂに印加される磁力の差によって決定される。

即ち、印加される磁力の大きさが磁性制御手段４ｂの方が磁性制御手段４ａより大きければ、図４に示すように磁性部材２は外周部中心部から中心部外周部に向かって移動し、逆に、印加される磁力の大きさが磁性制御手段４ａの方が磁性制御手段４ｂより大きければ図５に示すように中心部外周部から外周部中心部に向かって移動する。このとき、図４及び図５に示すように、磁性部材２の移動に対応して、磁性部材２に固着された研磨パッド３が自由に変形する（同図に示す研磨パッド３の変形は例であり、実際は後述するように研磨加工の対象となる被加工物の被研磨面の形状に合致するように変形する）。

前述したように、研磨加工中はアクチュエータにより荷重を負荷して研磨工具５０を被加工物６０に押し付けているため、図３に示すように、研磨パッドの研磨面５の全面が被加工物６０の被研磨面１１の凹形状に合致するように変形する。

又、磁性部材制御手段４に通電する電流を適切に制御することによって、被研磨面１１の曲率半径が局部的に急に変化するような形状を有していても、それに追従して研磨面５が被研磨面１１に合致するように研磨パッド３を変形することが可能となる。被加工物６０の所望の設計形状から研磨加工位置における形状情報（例えば、曲率半径）を演算して、その情報信号を磁性部材制御手段４に伝達するための制御装置（図示せず）を取り付けて、研磨面５が被研磨面１１の形状に合致するように磁性部材制御手段４に通電する電流を制御しても良い。

以上から、本実施の形態に係る研磨工具を用いれば、研磨加工中、被加工物６０の被研磨面１１の全領域において常に研磨面５の全面が被研磨面１１にフィットした状態が維持され、研磨面５と被研磨面１１に作用する研磨圧力を適切に制御することが可能になり安定した研磨加工が実現できる。結果として、高度な形状精度を有する所望の非球面レンズを得ることが可能となる。又、複数の被加工物の研磨加工において、被加工物の形状（曲率半径）を選ぶことなく単一の簡便な研磨工具で逐次的に研磨加工を行うことが可能となるため、工具の摺り合わせ作業等が不要となり、労力や時間、コストを大きく削除することができる。

ここでは、被加工物６０の形状が凹形状の場合について説明したが、図１０に示すように凸形状を有する場合でも本実施の形態に係る研磨工具を用いた研磨加工方法により、研磨面５が凸形状の被研磨面１１に合致するように研磨パッド３を変形させることできるので、安定した研磨加工が実現でき、結果として高度な形状精度を有する所望の非球面レンズを得ることが可能となる。

＜実施の形態２＞
図７及び図８は本発明の実施の形態２に係る研磨工具の模式的な断面図であり、図７は研磨面の押圧方向（紙面の上下方向）に対する断面図で、図８は研磨面の押圧方向と直交方向に対する断面図（図１のＡ−Ａ’断面図）で研磨工具を研磨面の押圧方向の上から見たもので工具基台を省略している。又、図９は本発明の実施の形態２に係る研磨工具を用いた研磨加工の模式図を示している。

図７及び図８に示すように、本実施の形態に係る研磨工具５０は、磁性部材２がヒンジ１２を介して工具基台１に設置され、磁性部材２を研磨面５の押圧方向と直交方向（矢印Ｄ）に駆動制御させるための磁性部材制御手段４が磁性部材２の片側のみに配置された構造をしている。その他の構成については前述した実施の形態１と同じである。図７〜図９においては実施の形態１と同様の部材には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施の形態における磁性部材２は、工具基台１に円形状になるように配置されたヒンジ（又はピボット）１２に取り付けられており、ヒンジ１２の周辺に設けられた磁性部材制御手段４により前記磁性部材２に研磨面５の押圧方向と直交方向（紙面の左右方向）の力が加わると、図７に示すように、磁性部材２がヒンジ１２を中心に矢印Ｄ方向に回転するようになっている。磁性部材制御手段４は、研磨工具５０の半径方向（図７において紙面の左右方向）において磁性部材２の外側のみに設けられている。磁性部材制御手段４に通電する電流の大きさを適切に制御することにより、磁性部材２がヒンジ１２を中心に研磨面５の押圧方向と直交方向に回転移動し、それに追従して磁性部材２に固着された研磨パッド３が自由に変形する。

研磨加工中はアクチュエータにより荷重を付加して研磨工具５０を被加工物６０に押し付けているため、図９に示すように、研磨パッドの研磨面５の全面が被加工物６０の被研磨面１１の凹形状に合致するように変形する。又、磁性部材制御手段４に通電する電流を適切に制御することによって、多種多様な形状を有する被研磨面１１に対しても、それに追従して研磨面５が被研磨面１１に合致するように研磨パッド３を変形させることが可能である。

ここでは、磁性部材制御手段４を研磨工具５０の半径方向において磁性部材２の外側に設けているが、逆に磁性部材２の内側に設けても同様の効果が得られることは言うまでもない。

以上から、本実施の形態によれば、非球面のように被研磨面の曲率半径が変化するような被加工物に対しても、被加工物の被研磨面１１の全領域において常に研磨面５の全面が被研磨面１１にフィットした状態を維持し、研磨面５と被研磨面１１に作用する研磨圧力を適切に制御することで高度な形状精度を有する安定した研磨加工が実現可能な研磨工具を、より低コスト且つ簡便な構成で提供できる。

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、これに限定されることなく本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変形実施若しくは拡張実施が可能である。例えば、上述の実施形態では、研磨工具の押圧方向と直交方向の断面形状を円形に限定して説明したが、矩形等その他形状にも適用できることは言うまでもない。又、図１１に示すように、アクチュエータによる荷重付与と併用してエアー１３を吹付ける機構（図示せず）を取り付ける等の手段を講じることで、より確実に研磨面が被研磨面の形状に合致するように研磨パッドを変形させたり、より高度な表面粗さや形状精度を有する安定した研磨加工の実現が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を用いた研磨加工を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態２に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態２に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態２に係る研磨工具を用いた研磨加工を示す模式的断面図である。 本発明の実施の形態１に係る研磨工具を用いた研磨加工を示す模式的断面図である。 本発明の拡張実施の形態に係る研磨工具を示す模式的断面図である。 従来の研磨工具を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 工具基台
２ 磁性部材
３ 研磨パッド
４ 磁性部材制御手段（電磁石）
４ａ 磁性部材制御手段（内側）
４ｂ 磁性部材制御手段（外側）
５ 研磨面
６ ガイド
７ 磁束経路
８ 磁性体
９ 弾性体（ゴム）
１０ 保持台
１１ 被研磨面
１２ ヒンジ（ピボット）
１３ エアー
５０ 研磨工具
６０ 被加工物
１０１ 基盤
１０２ 変位アクチュエータ
１０３ 出力部材
１０４ 工具部材

Claims (2)

1. 工具基台と、磁性部材と、前記磁性部材に固着された研磨面を有する研磨パッドと、前記磁性部材の周囲に配置され前記研磨面の押圧方向と直交方向に前記磁性部材を駆動制御させる磁性部材制御手段とを具備することを特徴とする研磨工具。
2. 工具基台と、磁性部材と、前記磁性部材に固着された研磨面を有する研磨パッドと、前記磁性部材の周囲に配置された磁性部材制御手段とを具備する研磨工具を被加工物に押付けて研磨加工する際に、前記磁性部材制御手段により前記研磨面の押圧方向と直交方向に前記磁性部材を駆動させて、被研磨面の形状に合致するように前記研磨パッドを変形させて前記研磨面を被研磨面にフィットさせた状態で、前記研磨工具と前記被加工物とを相対的に運動させて前記被研磨面を加工することを特徴とする研磨加工方法。

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