JP2006263869A

JP2006263869A - 研磨工具及び研磨方法

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Publication number: JP2006263869A
Application number: JP2005086266A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Ito; 和彦伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2005-03-24
Publication date: 2006-10-05

Abstract

【課題】曲率変化の大きい非球面形状の光学素子の研磨に際して、うねりの平滑化効率が高く、被加工面形状の劣化を低減することが可能な研磨工具を提供すること。
【解決手段】非球面形状に倣うことのできる肉厚の薄い袋状弾性体２で閉空間５を形成し、閉空間５内に微細粉末粒子３を封入した構成で、該微細粉末粒子３の径よりも細かなメッシュのフィルター膜４で閉空間５を分割し、分割された閉空間５の微粉末３の無い空間に閉空間内空間５を減圧及び加圧することのできる流路８を設け、微細粒子３が閉空間５内で自由に流動可能な状態で工具を非球面形状に押付け閉空間２を形成している袋状弾性体２表面が非球面形状に倣った時点で、外部ポンプを稼動させて閉空間５内を減圧する構成を有しており、減圧により硬化したフィルム２及び微細粉末粒子３から成る研磨工具を微小角度でねじり運動することにより非球面形状を研磨する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レンズやミラー等の光学素子を研磨する研磨装置に使用される研磨工具に関し、特に、光学素子の非球面形状を研磨する際に使用される被加工面よりも小径の研磨工具に関するものである。

球面形状や非球面形状を持つレンズやミラー等の光学素子の表面を精密に仕上げるための研磨加工においては、光学素子の仕上げ面の表面粗さの向上や、光学素子の性能を著しく低下させる小周期のうねり（リップル）の平滑化を目的として、ポリシャにピッチや発泡ゴムを材料とした研磨工具が多く使われている。

これらの光学素子の非球面形状を研磨するための従来の研磨工具は、図９に図示するように構成されており、研磨面に複数の凹部を有する発泡ウレタンゴムを用いたポリシャ３０３は、工具基台（工具シャンク）３０１に支持されたゴム等の弾性体３０２に直接貼り付けられている。この弾性体３０２は、研磨工具のポリシャ３０３が非球面形状のどの場所でも被加工面に追従しうるようにするためのもので、回転中心に研磨液供給口３０５が設けられ、研磨液供給口から外周に向かって研磨液誘導溝３０４が設けられている。

又、特許文献１に記載されているように、工具基台に被加工面形状に追従できるように弾性体を貼り、更に弾性体の上に垂直方向に変形可能な板状部材を貼り、その上にポィッシャを貼って、小周期のうねりの凹凸に追従することなくうねりを効率良く平滑化する目的の工具もある。

又、特許文献２に記載されているように、被加工面にポリッシャの形状を追従させる目的で、加工圧力を受ける剛性の支持部材を加工圧力の軸線方向に少なくとも２箇所の開口部を設け中空円筒状に形成し、対被加工面側の開口部に被加工面形状に追従可能な弾性体を設け、開口部上部に中空円筒空間を密閉する部材を取り付け、密閉空間内に液体を注入する構成の工具も提案されている。

又、特許文献３に記載されているように、研磨工具の支持部材と支持部材に取り付けられた弾性体内部にアクチュエータを複数埋設し、接触面積検出手段を介して被加工面との接触面積を一定となるようにアクチュエータを制御する研磨工具も提案されている。

特開２０００−０３１７７９号公報（第１２頁、第１図）特開２００２−３２１１４８号公報（第６頁、第１図）特開２００２−１７２５５０号公報（第９頁、第２図）

しかしながら、非球面光学素子の場合、球面と異なり径方向の曲率が場所ごとに変わるだけでなく、同一場所においても径方向と周方向の曲率が異なってくる。そのため、特定の曲率に設定したポリッシャは、曲率の変化に伴って工具形状の必要変形量が大きくなり、被加工面に追従させてポリッシャの接触状態を維持させるためにはポリッシャと弾性体が被加工面の曲率変化に追従できるほど十分に柔らかい必要がある。被加工面の曲率変化に追従できる柔軟さがポリッシャと弾性体にない場合は、研磨工具で加工する被加工領域内で接触圧力分布が偏分布となり、研磨後の被加工面形状を劣化させるという欠点があった。

ポリッシャ面を柔軟に被加工面に追従させる方法としては、ポリッシャ自体の機械的材料剛性を下げるか、ポリッシャの幾何学的厚さを薄くして曲げ剛性を低下させる、更にはポリッシャを貼り付けている弾性体の機械的材料剛性を低下させる必要がある。

しかし、ポリッシャのバックアップとなる弾性体の機械的材料剛性が低くなるに従って被加工面上の小周期のうねりが平滑化しにくくなるという事実がある。即ち、平滑化したいうねり頂部に対して、工具が均一に接触しない現象が発生し、うねりの平滑化能率が悪いという欠点が生じる。

又、非球面の形状変化に追従させるために、工具径を小さくするということが考えられるが、工具径を小さくすればするほど、うねりの平滑化能率が低下し、研磨時間が大幅に長くなるという欠点があるとともに、平滑化したいうねりの周期によっては、うねりを平滑化することができなくなる。即ち、効率良くうねりを平滑化するためには、余り工具径を小さくすることはできない。

又、板状弾性体を液体圧で保持する形式の研磨工具では、被加工面形状に追従しつつうねりの平滑化を行うのが目的であるが、研磨工具の運動に呼応して変動する被加工面の接触形状に敏感に板状弾性体が追従するには、板状弾性体はある程度柔らかくなければ追従できないが、柔らか過ぎるとうねりの平滑化効率が極端に悪化し、うねりの平滑化効率を上げようとすると、板状弾性体を硬くしなければならないが、硬くすると被加工面形状に追従することができなくなり、被加工面形状を劣化させてしまう不具合があった。

又、工具面形状をアクチュエータにて制御し、接触面面積を一定にする目的の研磨工具では、研磨工具の運動による接触面形状変化にアクチュエータの制御を追従させることが難しく、被加工面に対する加圧点もアクチュエータの接触点近傍になるため加工圧分布が多面体状態になり、うねりの効率良い除去が困難で、被加工面の形状劣化の問題が大きかった。

このように非球面形状を研磨する際には、うねりの平滑化が可能な特性と被加工面に追従する特性という相反する特性を満足する必要がある。

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、曲率変化の大きい非球面形状の光学素子の研磨に際して、うねりの平滑化効率が高く、被加工面形状の劣化を低減することが可能な研磨工具及び研磨方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明の研磨工具は、非球面形状に倣うことのできる肉厚の薄い袋状弾性体で閉空間を形成し、閉空間内に微細粉末粒子を封入した構成で、該微細粉末粒子の径よりも細かなメッシュのフィルター膜で閉空間を分割し、分割された閉空間の微粉末の無い空間に閉空間内空間を減圧及び加圧することのできる流路を設け、該流路にポンプを接続し、微細粒子が閉空間内で自由に流動可能な状態で工具を非球面形状に押付け閉空間を形成している袋状弾性体表面が非球面形状に倣った時点で、外部ポンプを稼動させて閉空間内を減圧する構成を有しており、減圧により硬化したフィルム及び微細粉末粒子から成る研磨工具を微小角度でねじり運動することにより非球面形状を研磨することを特徴とする。

又、本発明の研磨工具は、非球面形状に倣うことのできる肉厚の薄い袋状弾性体で閉空間を形成し、被加工面に接触する部分の袋状弾性体上に袋状弾性体よりも剛性が高く、表面に研磨砥粒を保持し易い凹凸を有する板状弾性体を貼り付けた構成で、更に閉空間内に微細粉末粒子を封入した構成で、該微細粉末粒子の径よりも細かなメッシュのフィルター膜で閉空間を分割し、分割された閉空間の微粉末の無い空間に閉空間内空間を減圧及び加圧することのできる流路を設け、該流路にポンプを接続し、微細粒子が閉空間内で自由に流動可能な状態で工具を非球面形状に押付け閉空間を形成している袋状弾性体表面が非球面形状に倣った時点で、外部ポンプを稼動させて閉空間内を減圧する構成を有しており、減圧により硬化したフィルム及び微細粉末粒子から成る研磨工具を微小角度でねじり運動することにより非球面形状を研磨することを特徴とする。

更に、本発明の研磨工具は、工具基台に円筒状枠を開口部の一端を工具基台面に密着させ開口部他端の被加工面側に非球面形状に倣うことのできる肉厚の薄い板状弾性体で開口部を塞ぎ、閉空間を形成し、閉空間基台側にフィルターを設置し、フィルターと板状弾性体間に微細粉末粒子を内填する構造とする。内填する微細粉末粒子は、板状弾性体に張力が発生するような体積とし微細粉末粒子を内填した状態では、板状弾性体は曲率を持つＲ形状となるように設定する。

又、閉空間内に微細粉末粒子を封入した構成で、該微細粉末粒子の径よりも細かなメッシュのフィルター膜で閉空間を分割し、分割された閉空間の微粉末の無い空間に閉空間内空間を減圧及び加圧することのできる流路を設け、該流路にポンプを接続し、微細粒子が閉空間内で自由に流動可能な状態で工具を非球面形状に押付け閉空間を形成している袋状弾性体表面が非球面形状に倣った時点で、外部ポンプを稼動させて閉空間内を減圧する構成を有しており、減圧により効果したフィルム及び微細粉末粒子から成る研磨工具を微小角度でねじり運動することにより非球面形状を研磨することを特徴とする。

本発明によれば、曲率が一定でない球面以外の非球面や自由曲面を研磨する場合に、被加工面の曲率が場所によって大きく変化していても研磨工具面が被加工面に適宜倣うことが可能で、研磨工具面が被加工面に均一に接触し、加工圧力分布を均一とすることができ被加工面形状の劣化を抑えることができる。更には、小周期のうねりであるリップルに対して感度のある剛性を確保することができ、うねりを効率良く高精度に除去加工することができる。

袋状弾性体表面に袋状弾性体よりも弾性率の高い材料を貼り付けた場合は、被加工面に対する形状追従性を維持しつつうねりに対する加工効率を上げる効果がある。袋状弾性体表面に袋状弾性体よりも表面粗さの粗い材料を貼り付けた場合は、砥粒の保持能力が増大し、接触面への砥粒供給及び接触面からの残渣の排出が効率良く行われるようになり、研磨除去効率の増大と工具接触面内の均一な除去が得られる効果がある。

板状弾性工具を閉空間開口部に貼り付け、閉空間容積を超える研磨砥粒を内填して板状弾性工具に予備張力を発生させて表面形状に曲率を持たせた場合は、側面を剛な構成にできるので、ねじりに対して強くなり、被加工面に押圧した場合の工具変形状態が安定するとともに、工具寿命が増大し、被加工面に押付けた場合に反力が生じ易く、接触面を被加工面に追従させた場合の面状態が良好で弾性体に皺等が発生しなくなり、良好な加工面が得られる効果がある。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る研磨工具の断面図である。

図１において、１は本実施の形態に係る研磨工具で、その直径φ２５ｍｍである。２は厚さ０．３ｍｍの袋状クロロプレンゴム製工具材で、工具シャンク７と気密性を保って固着されている。

工具シャンク７と袋状工具材２で形成された閉空間内に気体のバッファキャビティ６を設けるようにフィルター４を設置している。袋状工具材２とフィルター４で構成する閉空間容積の８０％程度の研磨砥粒３を封入する。本実施の形態で使用する研磨砥粒３は、粒径１０μｍの酸化セリウムである。研磨工具１の中心に直径φ２ｍｍの気体流路８が設けられており、バッファキャビティ６と外部の減圧チャンバーを不図示の制御バルブを通じて連通する構成となっている。

フィルター４は、最小メッシュ１μｍのメッシュと補強メッシュから成る金属フィルターエレメントである。

研磨工具１の軸部を研磨加工装置本体の加工軸ヘッド１８に取り付けて加工を行うものである。図２は図８に示す研磨加工装置の研磨ヘッド１５０の全体図である。

研磨ヘッド１５０が研磨加工装置の取り付け板３８にボルトにより研磨ヘッド筐体１２を固定する構造となっている。研磨ヘッドは、研磨工具を被加工材に押し付けるための荷重機構としてボイスコイルモーター１３を備え、研磨工具に自転運動を与えるためのＡＣサーボモータ１５と連結されている。ＡＣサーボモータ１５にはエンコーダが内蔵されており、回転軸の回転角度を制御できる機構となっている。尚、本実施の形態では、角度１８度の範囲を２００Ｈｚで周方向に回動できるようになっている。

ＡＣサーボモータ１５の駆動軸に回転軸１６が直結されており、回転軸１６は、エアーベアリングガイド１７でボイスコイル１３による荷重方向にスライドできるようになっている。研磨工具１は、回転軸１６に研磨工具固定フランジ１８にキー連結される構造となっている。研磨工具固定フランジ１８には、研磨工具中心の気体流路８と連通する流路が設けられており、カップリングプレート１０内に設けられたリング状溝２６と相対位置にあり、カップリングプレートに設けられた流路２３と減圧チャンバーと連結されている連結ホース１９を通じて袋状工具材２と工具シャンク７で形成される閉空間内の気体を、工具シャンク内気体流路８を通じて減圧及び増圧することができるようになっている。

研磨工具１内の気体流路８が減圧及び増圧されると、フィルター４を通じて研磨砥粒３が内填されている袋状工具材２で形成されている閉空間５内が減圧及び増圧されることになる。その結果、減圧される場合は袋状工具材２で形成される閉空間５内の気体が排出され、袋状工具材２で形成される閉空間５の体積が減少していく。この際、袋状工具材２内に内填されている研磨砥粒３も気体の流れに乗って気体流路８方向に移動しようとするが、フィルターメッシュ４の分離メッシュサイズが研磨砥粒３の粒径１０μｍよりも小さい１μｍであるためにフィルターを通過することができず、気体のみ排出されることになる。

袋状工具２で形成される閉空間に容積が気体の排出により減少するに従って、袋状工具材２は、フィルター４方向に吸い寄せられて収縮する。この際、フィルター４と袋状工具材２の間には研磨砥粒３が介在するので、研磨砥粒３が抵抗となり、袋状工具材２は、フィルターと接することはなく、研磨砥粒３に大きな圧縮性がないことから研磨砥粒３を一定体積に保ちながら袋状研磨工具２が包み込んで一定容積に固めていくことになる。

袋状工具材２の変形は、袋状工具材２で形成される閉空間５内が減圧設定値となった時点で平衡状態となり、袋状工具材の表面形状が固定される。研磨工具１としての剛性は、シャンク７とフィルター４と研磨砥粒３と袋状工具材２との連結剛性となる。

上記減圧状態から、減圧チャンバーに連通している圧力制御弁を閉鎖し、大気へのリリースバルブをオープンにすることにより圧力をリリースすると袋状工具材２が外気圧により膨張し、研磨工具１内の研磨砥粒３が閉空間５内で自由に移動できるようになり、袋状工具材２の表面形状は自由変形できる状態に復帰する。

研磨工具１内の閉空間５内が大気圧の場合は研磨工具１を被加工面に押圧することで袋状研磨材２は被加工面形状に倣うことができる。従って、閉空間５内が大気圧の状態で被加工面に研磨工具１を押圧して被加工面形状に袋状研磨材２を倣わせた状態で閉空間５内を減圧することにより、図３に示すように、被加工面形状に倣った研磨工具面を有し、且つ、うねり成分の除去に必要な剛性を有した研磨工具とすることができる。尚、本実施の形態の場合、減圧値は６０ｋＰａで押圧力は１０Ｎである。

被加工面が球面の場合は、被加工面に押圧させながら減圧して被加工面の曲率に倣った状態を維持し、研磨工具を２０Ｈｚで自転運動させながら、被加工面全域を送りピッチ０．１ｍｍで周方向に輪帯状に走査加工することで被加工面上のうねり成分の除去を行うことができる。

しかしながら、被加工面が非球面の場合は、場所により曲率が異なるので、研磨工具１の工具材曲率が一定であると場所により工具接触面内で接触圧力分布が大きくなり、極端な場合には、線状の接触形態となってしまい、うねり成分の除去ができなくなる。更に、場所によって変化する曲率も径方向と周方向で大きく異なり、工具面内の接触分布が軸対称分布ではなく径方向を対称軸とする線対称分布となってしまうため、研磨工具が自転してしまうと工具面内に接触する部分と接触しない部分が発生してしまい、未加工領域が発生し、うねりの除去ができないばかりか面形状の劣化を招くことになる。

本実施の形態では、図６に示すように、研磨工具１の工具運動を工具中心軸周りの自転運動ではなく、自転回転方向に角度１８度で回動することにより工具面内の接触圧力分布を許容値内に抑えることで、うねりを除去するのに十分な当たりを確保しつつ除去加工に必要な工具相対運動を実現している。

研磨工具１は、図６に示すように、被加工レンズ５０上を１０ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で移動し、被加工レンズの光軸中心を中心とした輪帯状に周方向に走査し、１周したところで重ね合わせピッチ５１（０．１ｍｍ）分だけ半径方向内側に移動し、周方向の走査を行うという走査を繰り返す。このとき、０．１ｍｍ半径方向に工具をずらすときに、研磨工具１の被加工面に対する押圧力を一旦除荷するとともに、研磨工具１内を減圧している減圧弁を閉じ、大気圧に開放する。

研磨工具１内の閉空間５内が大気圧に開放されると閉空間５内の容積が膨張し、研磨砥粒３は、閉空間５内での移動が可能になる。０．１ｍｍ半径方向に研磨工具１を移動すると、再び研磨工具１を被研磨面に押し当てながら減圧弁を作動させつつ閉空間内５を減圧させて、研磨面形状に袋状工具材２を倣わせる。研磨工具１の接触面形状が被加工面形状に倣ったところで再び自転回転方向に角度１８度で回動させつつ、１０ｍｍ／ｓｅｃで周方向に走査していく加工を繰り返すことで被加工面全体の除去加工を行う。

＜実施の形態２＞
本発明の実施の形態２を図面を参照して説明する。

図４は本発明の実施の形態２に係る研磨工具の断面図である。

図４において、３１は本実施の形態に係る研磨工具で、その直径はφ２５ｍｍである。３２は厚さ０．２ｍｍの袋状シリコンゴム製弾性材で、工具シャンク３７と気密性を保って固着されている。工具シャンク３７と袋状弾性材３２で形成された閉空間内に工具シャンク３７と接するようにフィルター３４を設置している。袋状弾性材３２とフィルター３４で構成する閉空間容積の８０％程度の研磨砥粒３３を封入する。尚、本実施の形態で使用する研磨砥粒３３は、粒径１０μｍの酸化セリウムである。

袋状弾性体３２の表面で被加工面に接する面に、発泡ウレタン（縦弾性率１６０ＭＰａ）製で厚さ０．１ｍｍの工具材３９を接着材（コニシ株式会社製−クロロプレンゴム接着剤：Ｇ１７）で貼り付けた構造にする。研磨工具３１の中心に直径φ２ｍｍの気体流路３８が設けられており、フィルター３４を通じて工具内閉空間３５と外部の減圧チャンバーを不図示の制御バルブを通じて連通する構成となっている。フィルター３４は、最小メッシュ１μｍのメッシュと補強メッシュから成る金属フィルターエレメントである。

研磨工具３１の軸部を研磨加工装置本体の加工軸ヘッド１８に取り付けて加工を行うものである。図２は図８に示す研磨加工装置の研磨ヘッド５０の全体図である。

研磨ヘッド５０が研磨加工装置の取り付け板３８にボルトにより研磨ヘッド筐体１２を固定する構造となっている。研磨ヘッドは、研磨工具を被加工材に押付けるための荷重機構としてボイスコイルモータ１３を備え、研磨工具に自転運動を与えるためのＡＣサーボモータ１５と連結されている。ＡＣサーボモータ１５にはエンコーダが内蔵されており、回転軸の回転角度を制御できる機構となっている。尚、本実施の形態では、角度１８度の範囲を２００Ｈｚで周方向に回動できるようになっている。

ＡＣサーボモータ１５の駆動軸に回転軸１６が直結されており、回転軸１６は、エアーベアリングガイド１７でボイスコイル１３による荷重方向にスライドできるようになっている。研磨工具３１は、回転軸１６に研磨工具固定フランジ１８にキー連結される構造となっている。研磨工具固定フランジ１８には、研磨工具中心の気体流路８と連通する流路が設けられており、カップリングプレート１０内に設けられたリング状溝２６と相対位置にあり、カップリングプレートに設けられた流路２３と減圧チャンバーと連結されている連結ホース１９を通じてバッファキャビティ６内の気体を、工具シャンク内気体流路８を通じて減圧及び増圧することができるようになっている。

不図示の減圧チャンバーとの連通弁を開放し、気体流路３８が減圧及び増圧されると、フィルター３４を通じて研磨砥粒３３が内填されている袋状工具材３２で形成されている閉空間３５内が減圧及び増圧されることになる。その結果、減圧される場合は、袋状工具材３２で形成される閉空間３５内の気体が排出され袋状弾性材３２で形成される閉空間３５の体積が減少していく。この際、袋状弾性材３２内に内填されている研磨砥粒３３も気体の流れに乗って気体流路３８方向に移動しようとするが、フィルターメッシュ３４の分離メッシュサイズが研磨砥粒３３の粒径１０μｍよりも小さい１μｍであるためにフィルターを通過することができず、気体のみ排出されることになる。

袋状工具３２で形成される閉空間に容積が気体の排出により減少するに従って、袋状弾性材３２は、フィルター３４方向に吸い寄せられて収縮する。この際、フィルター３４と袋状弾性材３２の間には研磨砥粒３３が介在するので、研磨砥粒３３が抵抗となり、袋状弾性材３２は、フィルターと接することはなく、研磨砥粒３３に大きな圧縮性がないことから研磨砥粒３３を一定体積に保ちながら袋状弾性材３２が包み込んで一定容積に固めていくことになる。

袋状弾性材３２の変形は、袋状弾性材３２で形成される閉空間３５内が減圧設定値となった時点で平衡状態となり、袋状弾性材３２の表面形状が固定される。研磨工具３１としての剛性は、シャンク３７とフィルター３４と研磨砥粒３３と袋状弾性材３２と工具材３９の連結剛性となる。

上記減圧状態から、減圧チャンバーに連通している圧力制御弁を閉鎖し、大気へのリリースバルブをオープンにすることにより圧力をリリースすると、袋状工具材３２が外気圧により膨張し、研磨工具３１内の研磨砥粒３３が閉空間３５内で自由に移動できるようになり、袋状弾性材３２の表面形状は自由変形できる状態に復帰する。

研磨工具３１内の閉空間３５内が大気圧の場合は、研磨工具３１を被加工面に押圧することで工具材３９は被加工面形状に倣うことができる。従って、閉空間３５内が大気圧の状態で被加工面に研磨工具３１を押圧して被加工面形状に工具材３９を倣わせた状態で閉空間３５内を減圧することにより、図５に示すように、被加工面形状に倣った研磨工具面を有し、且つ、うねり成分の除去に必要な剛性を有した研磨工具とすることができる。尚、本実施の形態の場合、減圧値は５０ｋＰａで押圧力は１０Ｎである。

しかしながら、被加工面が非球面の場合は、場所により曲率が異なるので、研磨工具３１の工具材曲率が一定であると場所により工具接触面内で接触圧力分布が大きくなり、極端な場合には、線状の接触形態となってしまい、うねり成分の除去ができなくなる。更に、場所によって変化する曲率も径方向と周方向で大きく異なり、工具面内の接触分布が軸対称分布ではなく径方向を対称軸とする線対称分布となってしまうため、研磨工具が自転してしまうと工具面内に接触する部分と接触しない部分が発生してしまい、未加工領域が発生し、うねりの除去ができないばかりか面形状の劣化を招くことになる。

本実施の形態では、図６に示すように、研磨工具３１の工具運動を工具中心軸周りの自転運動ではなく、自転回転方向に角度１８度で回動することにより工具面内の接触圧力分布を許容値内に抑えることで、うねりを除去するのに十分な当たりを確保しつつ除去加工に必要な工具相対運動を実現している。

研磨工具３１は、１０ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で移動し、被加工レンズの光軸中心を中心とした輪帯状に周方向に走査し、１周したところで重ね合わせピッチ５１（０．１ｍｍ）分だけ半径方向内側に移動し、周方向の走査を行うという走査を繰り返す。このとき、０．１ｍｍ半径方向に工具をずらすときに、研磨工具１の被加工面に対する押圧力を一旦除荷するとともに、研磨工具３１内を減圧している減圧弁を閉じ、大気圧に開放する。研磨工具３１内の閉空間３５内が大気圧に開放されると閉空間３５内の容積が膨張し、研磨砥粒３３は、閉空間３５内での移動が可能になる。０．１ｍｍ半径方向に研磨工具３１が移動すると、再び研磨工具３１を被研磨面に押し当てながら減圧弁を作動させつつ閉空間内３５を減圧させて、研磨面形状に袋状弾性体３２を倣わせ、袋状弾性体３２表面に接着されている工具材３９も工具シャンク３７から伝わった加圧力を研磨砥粒３３を通じて伝わり被加工面に倣うことができる。

研磨工具３１の接触面形状が被加工面形状に倣ったところで再び、自転回転方向に角度１８度で回動させつつ１０ｍｍ／ｓｅｃで周方向に走査していく加工を繰り返すことで被加工面全体の除去加工を行う。

＜実施の形態３＞
本発明の実施の形態３を図面を参照して説明する。

図７は本発明の実施の形態３に係る研磨工具の断面図である。

図７において、２０１は本実施の形態に係る研磨工具で、その直径はφ２５ｍｍである。２０２は厚さ０．３ｍｍの袋状クロロプレンゴム製工具材で、工具シャンク２０６と気密性を保って固着されている。工具シャンク２０６と袋状工具材２０２で形成された閉空間内に工具シャンク２０６に接するようにフィルター２０４を設置している。袋状工具材２０２とフィルター２０４で構成する閉空間容積の８０％程度の研磨砥粒２０３を封入する。尚、本実施の形態で使用する研磨砥粒２０３は、粒径１０μｍの酸化セリウムである。

研磨工具２０１の中心に直径φ２ｍｍの気体流路２０７が設けられており、不図示の外部減圧チャンバーと不図示の制御バルブを通じて連通する構成となっている。フィルター２０４は、最小メッシュ１μｍのメッシュと補強メッシュから成る金属フィルターエレメントである。

研磨工具２０１の軸部を研磨加工装置本体の加工軸ヘッド１８に取り付けて加工を行うものである。図２は図８に示す研磨加工装置の研磨ヘッド１５０の全体図である。

研磨ヘッド１５０が研磨加工装置の取り付け板３８にボルトにより研磨ヘッド筐体１２を固定する構造となっている。研磨ヘッドは、研磨工具を被加工材に押付けるための荷重機構としてボイスコイルモータ１３を備え、研磨工具に自転運動を与えるためのＡＣサーボモータ１５と連結されている。ＡＣサーボモータ１５にはエンコーダが内蔵されており、回転軸の回転角度を制御できる機構となっている。尚、本実施の形態では、角度１８度の範囲を２００Ｈｚで周方向に回動できるようになっている。

ＡＣサーボモータ１５の駆動軸に回転軸１６が直結されており、回転軸１６は、エアーベアリングガイド１７でボイスコイル１３による荷重方向にスライドできるようになっている。研磨工具１は、回転軸１６に研磨工具固定フランジ１８にキー連結される構造となっている。研磨工具固定フランジ１８には、研磨工具中心の気体流路８と連通する流路が設けられており、カップリングプレート１０内に設けられたリング状溝２６と相対位置にあり、カップリングプレートに設けられた流路２３と減圧チャンバーと連結されている連結ホース１９を通じて研磨工具内の気体を、工具シャンク内気体流路２０７を通じて減圧および増圧することができるようになっている。

研磨工具２０１内が減圧及び増圧されるとフィルター２０４を通じて研磨砥粒２０３が内填されている袋状工具材２０２で形成されている閉空間内が減圧及び増圧されることになる。その結果、減圧される場合は、袋状工具材２０２で形成される閉空間内の気体が排出され、袋状工具材２０２で形成される閉空間の体積が減少していく。この際、袋状工具材２０２内に内填されている研磨砥粒２０３も気体の流れに乗って気体流路２０７方向に移動しようとするが、フィルターメッシュ２０４の分離メッシュサイズが研磨砥粒２０３の粒径１０μｍよりも小さい１μｍであるためにフィルターを通過することができず、気体のみ排出されることになる。

袋状工具２０２で形成される閉空間に容積が気体の排出により減少するに従って、袋状工具材２０２は、フィルター２０４方向に吸い寄せられて収縮する。この際、フィルター２０４と袋状工具材２０２の間には研磨砥粒２０３が介在するので、研磨砥粒２０３が抵抗となり、袋状工具材２０２は、フィルターと接することはなく、研磨砥粒２０３に大きな圧縮性がないことから研磨砥粒２０３を一定体積に保ちながら袋状研磨工具２０２が包み込んで一定容積に固めていくことになる。

袋状工具材２０２の変形は、袋状工具材２０２で形成される閉空間内が減圧設定値となった時点で平衡状態となり、袋状工具材の表面形状が固定される。研磨工具２０１としての剛性は、シャンク２０６とフィルター２０４と研磨砥粒２０３と袋状工具材２０２との連結剛性となる。

上記減圧状態から、減圧チャンバーに連通している圧力制御弁を閉鎖し、大気へのリリースバルブをオープンにすることにより圧力をリリースすると、袋状工具材２０２が外気圧により膨張し、研磨工具２０１内の研磨砥粒２０３が閉空間内で自由に移動できるようになり、袋状工具材２０２の表面形状は自由変形できる状態に復帰する。

研磨工具２０１内の閉空間内が大気圧の場合は、研磨工具２０１を被加工面に押圧することで袋状研磨材２０２は被加工面形状に倣うことができる。従って、袋状研磨材で形成される閉空間内が大気圧の状態で被加工面に研磨工具２０１を押圧して被加工面形状に袋状研磨材２を倣わせた状態で袋状研磨材２０２によって形成される閉空間内を減圧することにより被加工面形状に倣った研磨工具面を有し、且つ、うねり成分の除去に必要な剛性を有した研磨工具とすることができる。尚、本実施の形態の場合、減圧値は５０ｋＰａで押圧力は１５Ｎである。

しかしながら、被加工面が非球面の場合は、場所により曲率が異なるので、研磨工具２０１の工具材曲率が一定であると場所により工具接触面内で接触圧力分布が大きくなり、極端な場合には、線状の接触形態となってしまいうねり成分の除去ができなくなる。更に、場所によって変化する曲率も径方向と周方向で大きく異なり、工具面内の接触分布が軸対称分布ではなく径方向を対称軸とする線対称分布となってしまうため、研磨工具が自転してしまうと工具面内に接触する部分と接触しない部分が発生してしまい、未加工領域が発生し、うねりの除去ができないばかりか面形状の劣化を招くことになる。

本実施の形態では、図６に示すように、研磨工具１の工具運動を工具中心軸周りの自転運動ではなく自転回転方向に角度１８度で回動することにより工具面内の接触圧力分布を許容値内に抑えることで、うねりを除去するのに十分な当たりを確保しつつ除去加工に必要な工具相対運動を実現している。研磨工具１は、図６に示すように、被加工レンズ５０上を１０ｍｍ／ｓｅｃの走査速度で移動し、被加工レンズの光軸中心を中心とした輪帯状に周方向に走査し、１周したところで重ね合わせピッチ５１（０．１ｍｍ）分だけ半径方向内側に移動し、周方向の走査を行うという走査を繰り返す。このとき、０．１ｍｍ半径方向に工具をずらすときに、研磨工具１の被加工面に対する押圧力を一旦除荷するとともに、研磨工具１内を減圧している減圧弁を閉じ、大気圧に開放する。

研磨工具１内の閉空間５内が大気圧に開放されると閉空間５内の容積が膨張し、研磨砥粒３は、閉空間５内での移動が可能になる。０．１ｍｍ半径方向に研磨工具１が移動すると、再び研磨工具１を被研磨面に押し当てながら減圧弁を作動させつつ閉空間内５を減圧させて、研磨面形状に袋状工具材２を倣わせる。研磨工具１の接触面形状が被加工面形状に倣ったところで再び、自転回転方向に角度１８度で回動させつつ１０ｍｍ／ｓｅｃで周方向に走査していく加工を繰り返すことで被加工面全体の除去加工を行う。

本発明の実施の形態１に係る工具構成を示す断面図である。本発明の研磨工具を接続する研磨加工ヘッドの断面図である。本発明の実施の形態１に係る工具の加工状態を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る工具構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２に係る工具の加工状態を示す断面図である。本発明の加工時の工具運動と工具走査運動を説明する図である。本発明の実施の形態３に係る工具構成を示す断面図である。本発明の研磨工具を取り付ける研磨加工機の斜視図である。従来例の工具斜視図である。

符号の説明

１研磨工具
２袋状工具材
３研磨砥粒
４フィルター
５閉空間部
７工具シャンク
８気体流路
１０カップリングプレート
１１カップリングプレート保持部材
１２研磨ヘッド筐体
１３ボイスコイルモータ
１５ＡＣサーボモータ
１６回転軸
１７エアーベアリングガイド
１８研磨工具固定フランジ
１９連結ホース
２０Ｏリング
２１磁性流体軸受
２２磁性流体軸受
２３気体導通路
２４磁性流体軸受
２５磁性流体軸受
２６気体導通溝
３１研磨工具
３２袋状工具材
３３研磨砥粒
３４フィルター
３５閉空間
３７工具シャンク
３８気体流路
４０カップリングプレート
４１磁性流体軸受
４２磁性流体軸受
４３気体導通路
４４磁性流体軸受
４５磁性流体軸受
４６気体導通溝
４７回転軸
４８Ｏリング
５０被加工レンズ
５１工具走査重ね合わせ量
１５０研磨ヘッド

Claims

工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に微粒子を封入したことを特徴とする研磨工具。
被加工面に対して加圧力を付加させながら、該閉空間内の気体を該閉空間外へ排気し該閉空間内を減圧することを特徴とする請求項１記載の研磨工具。
被加工面に対して加圧力を付加させながら、該閉空間内の気体を該閉空間外へ排気し該閉空間内を減圧した後に再度増圧し、被加工面に対する接触状態を修正することを特徴とする請求項１記載の研磨工具。
前記弾性材料が袋状であることを特徴とする請求項１記載の研磨工具。
前記弾性材料が膜状であることを特徴する請求項１記載の研磨工具。
工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に微粒子を封入し、該弾性材料の表面に該弾性材料よりも縦弾性率の高い材料を貼り合わせたことを特徴とする研磨工具。
工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に微粒子を封入し、該弾性材料の表面に該弾性材料よりも表面粗さの大きい材料を貼り合わせたことを特徴とする研磨工具。
前記弾性材表面に張り合わせる材料は発泡ウレタンであることを特徴とする請求項７記載の研磨工具。
工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に該閉空間容積以上の微粒子を封入し、前記弾性体材料に予備張力を発生させて前記弾性体材料の表面形状に曲率を持たせたことを特徴とする研磨工具。
工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に微粒子を封入した研磨工具を使用することを特徴とする研磨方法。
被加工面に対して加圧力を付加させながら、該閉空間内の気体を該閉空間外へ排気し該閉空間内を減圧することを特徴とする研磨方法。
被加工面に対して加圧力を付加させながら、該閉空間内の気体を該閉空間外へ排気し該閉空間内を減圧した後に再度増圧し、被加工面に対する接触状態を修正することを特徴とする研磨方法。
工具運動と加工圧力を伝達する支持部と被加工面の形状に追従可能な伸縮性を有した弾性材料と該弾性材料と前記支持部とで形成した閉空間内に微粒子を封入し、該弾性材料の表面に該弾性材料よりも縦弾性率の高い材料を貼り合わせたことを特徴とする研磨工具の重心を通る軸対称軸周りに周方向に回動させながら被加工面を走査することを特徴とする研磨方法。