JP2007000989A

JP2007000989A - 曲面の研磨方法

Info

Publication number: JP2007000989A
Application number: JP2005186541A
Authority: JP
Inventors: 昌信 ▲龍▼山; Masanobu Tatsuyama; Tomoyuki Koda; 倫行国府田; Masafumi Ito; 政文伊東; Takahiro Tamaki; 貴広玉木
Original assignee: Olympus Corp; Olympus Imaging Corp
Current assignee: Olympus Corp; Olympus Imaging Corp
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2007-01-11

Abstract

【課題】加工段差の発生を抑制し、良好な光学部品や、成形用型が得られる研磨方法を提供する。
【解決手段】ワークを均一研磨（ステップＳ１０１）した後に、形状測定をし（ステップＳ１０２）、所望の形状に対して誤差がある場合には、誤差をゼロにするように修正研磨（ステップＳ１０３）を実施した後に、ワークの外周縁部に生じる加工段差を見込んで行う見込み研磨を実施する（ステップＳ１０４）。見込み研磨を行う領域は、ワークの外縁から、球状ポリッシャがワークに接触する接触面の長手方向の距離の２倍以内の範囲とする。見込み研磨が終了したら、形状測定を実施し（ステップＳ１０６）、所望の形状が得られるまで修正研磨と見込み研磨とを繰り返す。
【選択図】図２

Description

本発明は、非球面や、自由曲面等の曲面を研磨する研磨方法に関する。

レンズやプリズムなどの光学部品や、そのような光学部品を成形する成形用型をワークとして研磨する際には、ワークをワーク台に載置固定し、その表面を研磨部材で研磨することが知られている（例えば、特許文献１参照）。さらに、ワークの外周に、ワークと同じ材質のヤトイと言われるダミーを装着して研磨し、ワークの外周の縁だれを防止する研磨方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

ここで、従来の研磨方法について図６を参照して説明する。研磨装置１０１は、スピンドル１０２を有し、スピンドル１０２にはワーク台１０３が固定され、ワーク１０４の外周にはダミー１０５が密着させられている。ダミー１０５の研磨面１０５Ａはワーク１０４の光学面１０４Ａと連続した面になっている。この研磨装置１０１では、ワーク１０４の光学面１０４Ａ及びダミー１０５の研磨面１０５Ａに、研磨部材である球状ポリッシャ１０８を所定の押圧力で当接させながら相対運動させて光学面１０４Ａを研磨する。球状ポリッシャ１０８は、ワーク１０４及びダミー１０５に法線方向から接し、なおかつ、ワーク１０４の光学面１０４Ａ全域及びダミー１０５を渦巻状に走査する。球状ポリッシャ１０８でワーク１０４及びダミー１０５を均一に研磨（均一研磨）した後に、形状測定を行い、実際の形状と設計上の形状との誤差をなくすように修正研磨がワーク１０４及びダミー１０５に対して実施される。
特開平８−２２９８１１号公報特開２００１−５４８６２号公報

しかしながら、ワーク１０４とダミー１０５を強固に密着させても、その境界には微視的なレベルで隙間が存在し、光学面１０４Ａと研磨面１０５Ａとを完全に一致することは事実上困難であるので、これに起因する不一致な研磨がワーク１０４とダミー１０５の境界で行われ、バリと言われる加工段差を生じていた。このような加工段差は、ワーク１０４とダミー１０５の材質を同じにし、かつ加工性を同じにしても生じてしまい、加工段差は均一研磨や修正研磨を重ねることで成長する。したがって、従来の研磨方法では、ワーク１０４の外周縁部に極端な形状誤差を生じ易かった。さらに、修正研磨は、設計値に合致するように研磨を追加する工程であるので、修正研磨を行っても加工段差は解消されずに、かえって加工段差を成長させてしまう。

ここで、ワーク１０４が凹状の光学面１０４Ａを有する場合に、その外周縁部にバリが発生した場合の形状測定結果の一例を図７に示す。このような加工段差の波及範囲は、ワーク１０４の光学的な有効面にまで影響を与えるもので、特に、外周縁部の端部までＰ−Ｖ値で０．１〜０．１５μｍ以下が要求されるような超高精度な光学部品や、そのような光学部品の成形用の型を研磨する際には、このような加工段差は大きな問題となる。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、加工段差の発生を抑制し、良好な光学部品や、成形用型が得られるようにすることを主な目的とする。

上記の課題を解決する本発明の請求項１に係る発明は、外周にダミーを嵌め込んだ曲面を有するワークに対し、前記曲面をポイント研磨可能な研磨部材を用いて前記ワークと前記研磨部材とを相対的に移動させながら前記ワークに押圧力を作用させて研磨をする曲面の研磨方法において、前記ダミーと前記ワークに亘って研磨をする第一の研磨工程と、前記第一の研磨工程によって前記ダミーと前記ワークとの境界に生じる加工段差を見込んで前記ワークの外周縁部に対して研磨をする第二の研磨工程とを有し、前記第二の研磨工程を前記第一の研磨工程の前工程又は後工程の少なくとも一方に実施することを特徴とする曲面の研磨方法とした。
この曲面の研磨方法では、第一の研磨工程を実施したときにワークとダミーとの間に発生する加工段差を見込んで、第一の研磨工程の前又は後に、ワークの外縁部のみに対して第二の研磨工程を実施し、加工段差の発生を抑制する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の曲面の研磨方法において、前記第二の研磨工程は、前記ワークと前記ダミーの境界から前記研磨部材が前記ワークに接触する接触面の長手方向の距離の３倍以内の範囲内に発生する加工段差を見込んで行われ、前記研磨部材の押圧力、相対速度、研磨回数、研磨部位のいずれか一つ以上を制御して実施されることを特徴とする。
この曲面の研磨方法では、第二の研磨工程を行う範囲を研磨部材がワークに当接する大きさに基づいて決定し、研磨部材がワークとダミーの境界を通過するときに発生する加工段差を第二の研磨工程によって除去する。さらに、研磨部材の押圧力、相対速度、研磨回数などを第一の研磨工程と異ならせることで加工段差の発生を抑制する。

本発明によれば、第一の研磨工程によって発生する加工段差を相殺するように研磨条件を見込んで第二の研磨工程を実施するようにしたので、加工段差が重畳して大きな形状ずれが生じることを防止できる。第一の研磨工程を複数回繰り返す場合に、第一の研磨工程の前又は後に第二の研磨工程を行うことで、加工段差が発生する領域が広がることを防止できるので、従来のように加工段差を最後にまとめて修正する場合に比べて研磨時間を短縮できる。また、従来では第一の研磨工程を重ねるうちに、修正が困難になるほど加工段差が大きくなることがあるが、本発明では加工段差が大きくなる前に第二の研磨工程で加工段差を減少させるので、形状精度を向上させることができる。

（第１の実施の形態）
図１に本実施の形態で使用される研磨装置の概略構成を示す。研磨装置１は、スピンドル２にワーク台３が固定されており、ワーク台３にワーク４が載置固定さている。ワーク４は、上部に曲面からなる光学面４Ａが凹設されており、その外周にはダミー５を密着させてある。ダミー５は、ワーク４と同じ材料、又は同等の加工性を有する材料から製造されており、その上面である研磨面５Ａは、ワーク４の光学面４Ａに連続するように成形されている。ワーク４の上方には、ポリッシャ軸６が駆動装置７に支持され、ＸＹ方向に移動自在になっている。さらに、ポリッシャ軸６は、ポリッシャ軸６回りに回転自在で、且つθ方向にて揺動自在になっている。ポリッシャ軸６の下端には、ワーク４に押し当てられる研磨部材である球状ポリッシャ８が取り付けられている。球状ポリッシャ８は、研磨面が球面状になっており、例えば、硬質ゴムから製造されている。さらに、駆動装置７とスピンドル２とは、制御装置９に接続されている。制御装置９は、装置全体の制御を司るもので、特にワーク４の光学面４Ａ及びダミー５の研磨面５Ａに対して球状ポリッシャ８が常に法線方向から接し、かつ光学面４Ａの全域を渦巻き状に走査し、任意の部分の研磨、及び全体の均一研磨が可能になるように制御をする。なお、制御装置９は、記憶装置を有し、研磨装置１の制御に必要なデータが格納されると共に、後述する見込み研磨加工（第二の研磨工程）に使用する見込み加工データを格納することが可能である。見込み加工データには、過去に加工段差を修正した際の実績のある加工データや、経験則を数値化した加工データが用いられる。

ここで、ワーク４には、光学部品や、光学部品を成形するための型用の部材が用いられる。光学面４Ａは、曲面として凹形状を有する非球面になっている。なお、ワーク４の光学面４Ａは、曲面として凸形状を有する非球面であっても良い。

次に、この研磨装置１を用いたポイント研磨工程について説明する。
図２のフローチャートのステップＳ１０１に示すように、外周にダミー５を嵌め込んだワーク４に対して研削加工により曲面を形成した後、このワーク４及びダミー５の曲面（上面）に最初に均一研磨（研磨加工）を実施する。スピンドル２を回転させて、ワーク台３ごとワーク４及びダミー５を回転させる。駆動装置７及び制御装置９は、球状ポリッシャ８をワーク４の上面及びダミー５の研磨面５Ａに、法線方向から所定の押圧力で当接するように走査させ、かつ球状ポリッシャ８を軸回りに回転させる。このようにして、球状ポリッシャ８をワーク４に対して押圧力を付与しつつ相対運動させることによって研磨を行い、光学面４Ａを得る。この際に、ワーク４の外周縁部を外側から中心に向かって研磨するときは、ダミー５の研磨面５Ａに案内されるようにして研磨されるので、光学面４Ａが均一に形状精度良く研磨される。なお、均一研磨の条件としては、例えば、球状ポリッシャ８には、直径５ｍｍのものを用い、ポリッシャ軸６の回転数は１５０ｒｐｍ、研磨押圧力１Ｎとし、ＸＹθ走査は、ワークの設計データに基づくＮＣ（Numerical Control）加工データに従って行った。また、スピンドル２の回転数は、２００ｒｐｍとした。

均一研磨が終了したら、ステップＳ１０２として形状測定を実施する。例えば、接触式又は光学式の形状測定装置（不図示）で、ワーク４の光学面４Ａの形状を測定し、設計上のデータと比較する。形状誤差がある場合には、ステップＳ１０３として修正研磨を行う。修正研磨の研磨条件は、形状測定結果からなる形状データに基づいて作成され、形状誤差をゼロにするようにＸＹθの走査データ、研磨条件が設定される。制御装置９は、走査データ及び研磨条件に従ってスピンドル２及び球状ポリッシャ８を駆動させ、光学面４Ａ全体及び研磨面５Ａに対して追加的な研磨である修正研磨を行う。

ここで、均一研磨（ステップＳ１０１）及び修正研磨（ステップＳ１０３）は、従来の研磨工程に相当するもので第一の研磨工程に相当し、これらの研磨ではワーク４の外周縁部に図７に示すようなバリと言われる加工段差が生じることが知られている。さらに、このような加工段差は、修正研磨（ステップＳ１０３）を重ねるごとに助長されることが経験的に知られている。したがって、ステップＳ１０４として加工段差の発生を見込んだ第二の研磨工程として見込み研磨を実施する。見込み研磨の条件は、制御装置９の記憶装置の見込み加工データに基づいて決定される。例えば、研磨範囲は、図１に示す研磨範囲Ｒとなる。この研磨範囲Ｒは、例えば、ワーク４とダミー５の境界部を０点（基準点）とし、ここからワーク４の中心（内側）に向かう方向を「−」とし、球状ポリッシャ８の接触面径が、加工痕の実測値から０．２ｍｍである場合に、接触面径の２倍の０．４ｍｍ以内である０．３ｍｍの範囲を研磨対象とした。そして、
（１−１）：研磨範囲０〜−０．０５ｍｍを２回
（１−２）：研磨範囲０〜−０．１０ｍｍを１回
（１−３）：研磨範囲０〜−０．３０ｍｍを１回
といった３つの研磨がこの順番に実施されるようにレシピを作成し、見込み研磨のレシピとして制御装置９に登録し、実行させた。

このようなレシピに基づいて球状ポリッシャ８を制御し、見込み研磨を実施したら、ステップＳ１０５で形状測定を行う。所望の形状精度に達していた場合には（ステップＳ１０６でＹｅｓ）、研磨を終了する。これに対して、所望の形状精度に達していない場合には（ステップＳ１０６でＮｏ）、ステップＳ１０３に戻り、修正研磨と見込み研磨とを光学面４Ａが所望の形状に達するまで実施した。

研磨後のワーク４の形状の一例を図３に示す。図３は、ワーク４が凹形の光学面４Ａを有する場合である。従来（図７参照）に比べて、バリの発生が抑制され、良好な形状及び面精度が得られた。

この実施の形態によれば、ワーク４とダミー５との境界を通過するような研磨（均一研磨、修正研磨）によって生じる加工段差を見込んだ研磨工程（見込み研磨）を実施したので、加工段差の発生を抑制することができる。特に、見込み研磨は、ワーク４の外周縁部から球状ポリッシャ８の接触面径の２倍以下の範囲に行い、過去の経験則やデータに基づき、研磨範囲と研磨回数とを制御するようにしたので、加工段差を確実に除去することができる。さらに、見込み研磨と、従来の修正研磨とを交互に行うことで加工段差を相殺するようにしたので、加工段差による形状崩れがなくなり、外周縁部まで良好な形状精度が得られる。従来では、均一研磨や修正研磨を重ねて行うことで、加工段差による形状崩れが助長されて広範囲の形状崩れを生じており、このような広範囲の形状崩れは修正し難いので修正に長い時間を要していたが、この実施の形態では、修正範囲を狭くすることができ、修正時間を短縮できる。さらに、別途の工程で加工段差の修正を行う必要がなくなるので、加工の段取り時間を短縮することができる。また、加工段差を抑制するように特別な形状をダミーに設ける必要がなくなる。

なお、研磨範囲は、球状ポリッシャ８の接触面径の２倍以内としたが、ワーク４の大きさや形状、研磨条件によっては、３倍以内としても良い。また、球状ポリッシャ８とワーク４の接触面が円形以外の場合には、その長手方向の長さの３倍以内で研磨範囲が設定されることが望ましい。

（第２の実施の形態）
この実施の形態は、図１に示す研磨装置を用いて実施され、ポイント研磨の方法のみが異なる。このため、重複する説明は省略する。
図４のフローチャートに示すように、ポイント研磨方法は、均一研磨（ステップＳ２０１）を実施した後に、形状測定を実施する（ステップＳ２０２）。均一研磨の条件は、第１の実施の形態と同じにした。形状測定では、ワーク４の光学面４Ａの形状を測定し、設計上のデータと比較する。形状誤差がある場合には、後に修正研磨を実施するので、形状データに基づいてＸＹθの走査データ、研磨条件を作成し、記憶装置に登録する。

ここで、均一研磨後のワーク４の外周縁部には、図７に示すような加工段差が生じ、このまま修正研磨を実施すると加工段差がさらに助長されるので、加工段差の発生を見込んだ見込み研磨を行う（ステップＳ２０３）。見込み研磨の条件は、記憶装置の見込み加工データに基づく、例えば、球状ポリッシャ８の接触面径が、加工痕の実測値から０．２ｍｍである場合には、接触面径の２倍の０．４ｍｍ以内である０．３ｍｍの範囲を研磨対象とし、
（２−１）：研磨範囲０〜−０．０５ｍｍ、研磨圧力＝４Ｎ
（２−２）：研磨範囲−０．０５〜−０．１０ｍｍ、研磨圧力＝２．５Ｎ
（２−３）：研磨範囲−０．１０〜−０．３０ｍｍ、研磨圧力＝１．５Ｎ
といった３つの研磨がこの順番に実施されるようにレシピを作成し、見込み研磨のレシピとして制御装置９に登録して実行した。なお、研磨圧力は、球状ポリッシャ８を光学面４Ａに押し付ける押圧力の大きさを荷重で示したものである。

このようなレシピに基づいて球状ポリッシャ８を制御し、見込み研磨を実施したら、ステップＳ２０４として修正研磨を行う。修正研磨は、形状測定（ステップＳ２０２）時に作成したデータに基づいて行う。そして、修正研磨が終了したら、ステップＳ２０５で形状測定を実施する。形状測定の結果、所望の形状精度に達していた場合には（ステップＳ２０６でＹｅｓ）、研磨を終了する。これに対して、所望の形状精度に達していない場合には（ステップＳ２０７でＮｏ）、ステップＳ２０３に戻り、見込み研磨と修正研磨とを光学面４Ａが所望の形状に達するまで実施する。なお、２回目以降の修正研磨は、見込み研磨に戻る前に測定した結果に基づいて実施した。

研磨後のワーク４の形状は、第１の実施の形態と同様に図３に示すようになり、バリの発生が抑制され、良好な形状及び面精度が得られた。

この実施の形態によれば、均一研磨と修正研磨との間に見込み研磨を実施するようにしたので、加工段差が助長される前に加工段差を抑制させることが可能になる。また、修正研磨を連続して行う場合には、各修正研磨の前に見込み研磨を実施するようにしたので、加工段差を抑制することができる。さらに、過去の経験則やデータに基づく見込み研磨として、研磨範囲と研磨圧力とを制御するようにし、加工段差を抑制するようにした。これらのことから、第１の実施の形態とは異なるタイミングで見込み研磨を行ったり、見込み研磨時の制御パラメータを変化させたりしても加工段差を抑制することができ、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
この実施の形態は、図１に示す研磨装置を用いて実施し、ポイント研磨の方法のみが異なる。このため、重複する説明は省略する。
図５のフローチャートに示すように、ポイント研磨方法は、最初に均一研磨（ステップＳ３０１）を実施する。均一研磨の条件は、第１の実施の形態と同じにした。ここで、均一研磨（ステップＳ３０１）を実施すると、ワーク４の外周縁部に図７に示すような加工段差が生じ、このまま修正研磨を実施すると加工段差がさらに助長されるので、加工段差の発生を見込んだ見込み研磨を実施する（ステップＳ３０２）。見込み研磨の条件は、記憶装置の見込み加工データに基づく、例えば、球状ポリッシャ８の接触面径が、加工痕の実測値から０．２ｍｍである場合には、接触面径の２倍の０．４ｍｍ以内である０．３ｍｍの範囲を研磨対象とし、
（３−１）：研磨範囲０〜−０．０５ｍｍ、送り速度＝１．１ｍｍ／ｍｉｎ
（３−２）：研磨範囲−０．０５〜−０．１０ｍｍ、送り速度＝１．８ｍｍ／ｍｉｎ
（３−３）：研磨範囲−０．１０〜−０．３０ｍｍ、送り速度＝３．０ｍｍ／ｍｉｎ
といった３つの研磨がこの順番に実施されるようにレシピを作成し、見込み研磨のレシピとして制御装置９に登録して実行した。なお、送り速度は、ワーク４に対して球状ポリッシャ８を相対的に移動させるときの相対速度である。

このようなレシピに基づいて球状ポリッシャ８を制御し、見込み研磨を実施したら、ステップＳ３０３として形状測定を行う。形状測定の結果、形状誤差がある場合には、後に修正研磨を実施するので、形状データに基づいてＸＹθの走査データ、研磨条件を作成し、記憶装置に登録すると共に、ステップＳ３０４として見込み研磨を実施する。この見込み研磨の条件は、ステップＳ３０２の条件と同じにした。見込み研磨が終了したら、ステップＳ３０５として修正研磨を実施する。このときの条件は、前記の形状測定（ステップＳ３０３）の結果に基づく。

さらに、ステップＳ３０６で形状測定を行い、形状測定の結果、所望の形状精度に達していた場合には（ステップＳ３０７でＹｅｓ）、研磨を終了する。これに対して、所望の形状精度に達していない場合には（ステップＳ３０８でＮｏ）、ステップＳ３０４に戻り、見込み研磨と修正研磨とを光学面４Ａが所望の形状に達するまで実施する。なお、２回目以降の修正研磨は、見込み研磨に戻る前に測定した結果に基づいて実施した。

この実施の形態によれば、均一研磨の後と、修正研磨の後とにそれぞれ見込み研磨を実施するようにし、見込み研磨が実施される頻度を高めたので、加工段差が助長される前に加工段差を抑制させることが可能になる。さらに、過去の経験則やデータに基づく見込み研磨として、研磨範囲と送り速度とを制御するようにし、加工段差を抑制するようにした。これらのことから、第１、第２の実施の形態とは異なるタイミングや、異なる頻度で見込み研磨を行ったり、見込み研磨時の制御パラメータを変化させたりしても加工段差を抑制することができ、第１の実施の形態と同様の効果が得られた。

なお、本発明は前記の各実施の形態に限定されずに広く応用することが可能である。
例えば、各実施の形態における見込み研磨の実施タイミングと頻度と、見込み研磨時の制御パラメータとは任意に組み合わせることができる。さらに、各見込み研磨時の制御パラメータにおいて、研磨回数を変更することが可能である。例えば、第１の実施の形態の（１−１）では、２回研磨を行うとしたが、１回又は３回以上に変更しても良い。また、１回の見込み研磨における研磨回数は３条件（例えば、（１−１）〜（１−３）の３つ）に限定されず、例えば、（１−１）から（１−３）を複数回実施するようにしても良い。そして、見込み研磨時の制御パラメータは、任意に組み合わせることが可能である。

本発明の実施の形態に係る研磨方法を実施するための装置構成を示す図である。研磨方法の一例を示すフローチャートである。光学面が凹形状のワークを研磨した後のワークの外周縁部の形状を測定した結果を示す図である。研磨方法の一例を示すフローチャートである。研磨方法の一例を示すフローチャートである。従来の研磨方法を説明するための図である。従来の研磨方法によるワークの外周縁部の形状を測定した結果を示す図であり、ワークの光学面が凹形状である場合の図である。

符号の説明

４ワーク
４Ａ光学面（曲面）
５ダミー
８球状ポリッシャ（研磨部材）
Ｓ１０１，Ｓ２０１，Ｓ３０１均一研磨（第一の研磨工程）
Ｓ１０３，Ｓ２０４，Ｓ３０５修正研磨（第一の研磨工程）
Ｓ１０４，Ｓ２０３，Ｓ３０２，Ｓ３０４見込み研磨（第二の研磨工程）

Claims

外周にダミーを嵌め込んだ曲面を有するワークに対し、前記曲面をポイント研磨可能な研磨部材を用いて前記ワークと前記研磨部材とを相対的に移動させながら前記ワークに押圧力を作用させて研磨をする曲面の研磨方法において、
前記ダミーと前記ワークに亘って研磨をする第一の研磨工程と、前記第一の研磨工程によって前記ダミーと前記ワークとの境界に生じる加工段差を見込んで前記ワークの外周縁部に対して研磨をする第二の研磨工程とを有し、前記第二の研磨工程を前記第一の研磨工程の前工程又は後工程の少なくとも一方に実施することを特徴とする曲面の研磨方法。
前記第二の研磨工程は、前記ワークと前記ダミーの境界から前記研磨部材が前記ワークに接触する接触面の長手方向の距離の３倍以内の範囲内に発生する加工段差を見込んで行われ、前記研磨部材の押圧力、相対速度、研磨回数、研磨部位のいずれか一つ以上を制御して実施されることを特徴とする請求項１に記載の曲面の研磨方法。