JP2009166222A - 研磨加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物における研削加工後の面粗さの向上や挽き目の除去を効率良く行えると同時に、被加工物の形状修正も行うことができ、うねりのない平滑な研磨面を得る研磨加工技術を提供する。
【解決手段】加工作用面４の外径が被加工物５の加工主面５ａの外径よりも大きな研磨工具１０を用い、研磨工具１０の加工作用面４の回転中心４ａと加工主面５ａが当接する点Ｐが被加工物５の加工主面５ａの外周から中心部までの子午線上を走査するように被加工物５および研磨工具１０を相対的に移動させることで研磨加工を行う。研磨工具１０の走査速度又は研磨荷重を加工中に制御することにより、研磨工具１０の外周部による加工主面５ａの加工量の制御が可能になるため、研磨工具１０による被加工物５のスムージング加工の途中で同時に、被加工物５の加工主面５ａの形状を修正することができる。
【選択図】 図２Ａ

Description

本発明は、研磨加工技術に関し、たとえば、光学素子又は光学素子成形用金型等の被加工物の研磨加工に適用して有効な技術に関する。

たとえば、回転軸対称形状を有する被加工物、特に非球面形状を有するレンズやこのレンズの成形用金型の加工においては、必要な光学性能を満足させる光学機能面を得るために研削及び研磨加工が行われる。

研削加工では、未加工の材料又は近似形状のブランク材料から所望の形状を創成し、研磨加工では、被加工物に最終品質として必要な面精度や面粗さを満足させる仕上げ加工が行われる。

この研磨加工を効率良く行うためには、研削加工で発生するクラックや研削挽き目を抑制する必要がある。そのために研削加工の工程を粗研削と仕上げ研削の工程に分割したり、研磨加工の工程を粗研磨と仕上げ研磨の工程に分割したりする方法がとられている。

上述の粗研磨に相当する加工方法として、特許文献１に開示されたスムージング方法がある。
すなわち、図６に示すように、回転軸１０２と、回転軸先端を覆うように固定された円盤形状の弾性部材１０３と、弾性部材に固定された固定砥粒フィルム１０４から構成され、被加工物１０１よりも径の小さいスムージング工具１００を用い、このスムージング工具１００の固定砥粒フィルム面を被加工物１０１の加工面に摺動させることによって、研削後の面粗さの向上や挽き目の除去を効率良く行うものである。

上述の特許文献１の従来技術のような円盤状のスムージング工具を被加工物の法線方向から当接させて加工した場合、工具の単一加工痕（被加工物を固定した状態で、工具のみを回転させて加工したときの除去量分布）は、工具の回転中心付近でほぼ０で工具の外周に向かって漸増する形状となり、除去量分布を示す曲線は、図７のようにＭ字状となる。

これは、研磨加工での加工量は、研磨荷重、滞留時間及び工具と被加工物の相対速度に比例するというプレストンの原理式でも説明できる。
すなわち、研磨工具と被加工物が接触する面内において研磨荷重と滞留時間が一定の場合、研磨工具の回転中心では周速度が０のため加工量も０であり、外周へ向かって周速度は大きくなるため加工量も漸増していくということになる。

一方、レンズやレンズの成形用金型の研磨工程は、除去加工としては最終工程となるため、所望の面形状が所望の面精度に加工されていなければならない。
例えばカメラの撮像用レンズでは、面精度（凹凸の山と谷の距離）がＰ−Ｖ値で１μｍ以下であることが一般的であり、レンズの成形用金型には、このＰ−Ｖ値が０．１μｍ程度の面精度を求められることも珍しくない。このため、研磨工程には面形状を修正できることが必要とされる。

ところが、従来技術で用いられるスムージング工具１００のように単一加工痕の除去量分布がＭ字状で２つのピークを持つ場合、形状修正加工は非常に困難となる。
例えば、研磨加工前の被加工物の形状データ（設計式に対する誤差データ）が図８のように中心に削り残しがある場合、研磨工具を被加工物の子午線上のどの位置で滞留させても中心部分のみを選択的に除去することは不可能である。

このため、従来技術のように円盤状のスムージング工具を用いて加工した場合は、その後に形状修正研磨工程を加える必要がある。例えば、図９のように研磨工具として球状のものを用いて、研磨工具の回転軸を被加工物の法線に対して傾斜させて回転させることにより、単一加工痕の除去量分布が球心位置でピークとなるようにした加工方法を用いて形状修正研磨を行う。

しかし、この場合には、修正加工の分だけ工程が増えることにより、全体の加工所要時間（リードタイム）が長くなるといった技術的課題がある。
また、円盤状の研磨工具に比べて球状の研磨工具の方が接触面積が小さくなるため、円盤状の研磨工具を用いて得られた平滑な面に対してうねりを発生させてしまい、面品質を低下させてしまうといった技術的課題もある。
特許第３９４２５７３号

本発明の目的は、被加工物における研削加工後の面粗さの向上や挽き目の除去を効率良く行えると同時に、被加工物の形状修正も行うことができ、うねりのない平滑な研磨面を得ることが可能な研磨加工技術を提供することにある。

本発明は、被加工物の加工主面に研磨工具の加工作用面を当接させ、前記被加工物および前記研磨工具を互いに回転させて相対的に移動走査させる研磨加工方法であって、
前記加工作用面の外径が前記被加工物の前記加工主面の外径よりも大きな前記研磨工具を用い、前記研磨工具の前記加工作用面の中心部が前記被加工物の前記加工主面の外周から中心部までの子午線上を走査するように前記被加工物および前記研磨工具を相対的に移動させる研磨加工方法を提供する。

本発明によれば、被加工物における研削加工後の面粗さの向上や挽き目の除去を効率良く行えると同時に、被加工物の形状修正も行うことができ、うねりのない平滑な研磨面を得ることが可能な研磨加工技術を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法に用いられる研磨工具の構成の一例を示す断面図であり、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工状態の一例を工程順に示す断面図である。

図３は、本実施の形態の研磨加工方法の作用の一例を示す線図である。
後述の図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃに例示されるように、本実施の形態では、一例として、直径Ｄ０が２０ｍｍで、光学機能面となる加工主面５ａの曲率半径Ｒが３０ｍｍの凸レンズである被加工物５に対して、スムージング加工として研磨加工を行う例について説明する。

図１に例示されるように、本実施の形態の研磨工具１０は、回転軸１と、弾性体２と、固定砥粒フィルム３とを備えている。
研磨工具１０の回転軸１の一端は、不図示の加工機にチャッキングされており、もう一方の端面は被加工物５の形状を略転写した曲率半径Ｒが−３０ｍｍの凹球面形状の加工作用面４となっている。すなわち、加工作用面４は、被加工物５の加工主面５ａと凹凸が逆に転写された形状である。

この場合、研磨工具１０の直径Ｄ１は２１ｍｍであり、上述の加工対象の被加工物５の直径Ｄ０（２０ｍｍ）よりも大きく設定されている。なお、研磨工具１０の直径Ｄ１の値は、被加工物５の直径Ｄ１よりも大きければ（Ｄ１＞Ｄ０）、任意である。

研磨工具１０の加工作用面４には、当該加工作用面４の形状に倣うように弾性体２が張り付けられている。この弾性体２は、たとえば弾性に富むゴムスポンジであるが、厚さは１〜１０ｍｍの範囲で、研磨加工中に、研磨工具１０の回転に伴ってよじれたりしない厚さを選定するのが良い。本実施の形態では弾性体２として厚さ３ｍｍのゴムスポンジを用いた。

さらに、弾性体２の表面には、全面に固定砥粒フィルム３が張り付けられており、この固定砥粒フィルム３の表面が加工作用面４として機能する。
この固定砥粒フィルム３は、たとえば樹脂性のフィルムに砥粒が練りこまれたものである。固定砥粒フィルム３の厚さは、一例として１２．５μｍ〜２００μｍ程度であることが望ましく、被加工物５の加工主面５ａの形状に倣うような厚さを選定するのが良い。また、砥粒はダイヤモンド、アルミナ、炭化ケイ素、酸化クロム、酸化セリウム等から、被加工物５に適した砥粒と粒径を選択するのが良い。

または、固定砥粒フィルム３を用いずに、前記砥粒が含まれたスラリーやペーストを弾性体２の表面（加工作用面４）に供給しても良い。
本実施の形態では、固定砥粒フィルム３として、厚さが２５μｍのフィルムに酸化セリウムが練りこまれたものを用いた。

以下、本実施の形態１の作用の一例について説明する。
被加工物５は不図示の姿勢制御装置により、Ｘ、Ｚ、θの３軸移動制御が可能となっており、研磨工具１０が被加工物５の子午線上を相対的に移動走査するように、被加工物５が姿勢制御される。また、加工中は研磨工具１０及び被加工物５は自転している。

図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃは、それぞれ、加工開始時、加工途中、加工終了時の状態を表す断面図である。研磨工具１０の回転中心４ａが当接する点Ｐにおける被加工物５の法線Ｌと、研磨工具１０の回転軸Ｃとが常に一致するように被加工物５の姿勢制御を行っている。

また、この加工開始時、加工途中、加工終了時の、それぞれの被加工物５の加工主面５ａの加工量分布を、図３の曲線ａ、曲線ｂ、曲線ｃに示す。
加工作用面４として機能する固定砥粒フィルム３は背面側の弾性体２の弾性により、被加工物５の加工主面５ａに対してほぼ均等に接触している。すなわち、加工作用面４と加工主面５ａの接触面内においては研磨荷重及び滞留時間はほぼ一定である。プレストンの原理より研磨工具１０の周速度の大きい外周ほど加工能力は高くなるため、被加工物５において研磨工具１０の外周部分が接する部分に加工量のピークが１箇所現れている。

すなわち、図３の曲線ａ（加工開始時）では、被加工物５の中心部に、曲線ｂ（加工途中）では、半径方向の中間部分に、曲線ｃ（加工終了時）では、外周部に加工量のピークが１箇所現れている。

これにより、本実施の形態の場合には、被加工物５の加工主面５ａ上において意図した任意の位置での加工量の制御が可能となる。例えば、研磨工具１０の走査速度又は研磨荷重を加工中に制御することにより加工量の制御が可能になるため、研磨工具１０による被加工物５のスムージング加工の途中で被加工物５の加工主面５ａの形状を修正することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、被加工物５の直径Ｄ０よりも大きな直径Ｄ１を持ち、被加工物５の加工主面５ａと凹凸が反転した形状（曲率半径Ｒの符号が逆）の加工作用面４を有する研磨工具１０を用いて、加工作用面４の中心部（回転中心４ａ）が被加工物５の加工主面５ａの外周から中心部までの子午線上を走査するように被加工物５および研磨工具１０を相対的に移動させることで研磨加工を行うので、被加工物５の加工主面５ａにおける研削加工後の面粗さの向上や挽き目の除去を実現するためのスムージング加工を効率良く行えると同時に、加工主面５ａの形状修正も行うことができ、短い加工所要時間にて、被加工物５の加工主面５ａとして、うねりのない平滑な研磨面を得ることができる。
［実施の形態２］
実施の形態２について、図を参照して説明する。

図４は、本発明の他の実施の形態の研磨加工方法で用いられる研磨工具の構成例を示す断面図である。
図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、本実施の形態の研磨加工方法の一例を工程順に示した断面図である。

なお、後述の図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに例示されるように、本実施の形態２では、直径Ｄ０が２０ｍｍで近似曲率半径Ｒが３０ｍｍの凸非球面レンズである被加工物１５の加工主面１５ａを加工する例を示す。

図４に例示されるように、研磨工具２０は、回転軸１１と、弾性体１２と、固定砥粒フィルム１３とを備えている。
回転軸１１の一端は、不図示の加工機にチャッキングされており、もう一方の端面は、被加工物１５の近似曲率半径Ｒに対して符号が反対で絶対値が大きい球面か、又は平面形状の加工作用面１４となっている。本実施の形態では加工作用面１４が平面で、研磨工具２０の直径Ｄ１は２１ｍｍとなっている。

被加工物１５は不図示の姿勢制御装置により、Ｘ、Ｚ、θの３軸移動制御が可能となっており、研磨工具２０が被加工物１５の子午線上を相対的に移動走査するように、被加工物１５が姿勢制御される。また、加工中は研磨工具２０及び被加工物１５は自転している。

図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃは、それぞれ加工開始時、加工途中、加工終了時の各々の状態を表している。
研磨工具２０の外周部が当接する加工主面１５ａの点Ｑにおける被加工物１５の子午線上の法線Ｍと、研磨工具２０の回転軸Ｃとが常に平行となるように、被加工物１５の姿勢制御を行っている。

このようにすることで、例えば、加工主面１５ａが変曲点を持つ非球面形状の被加工物１５でも、研磨工具２０において最も加工能力の高い外周部分が被加工物１５の意図した位置に確実に当接するため、被加工物１５における加工主面１５ａ上の研磨量分布は加工量のピークが研磨工具２０の外周部分が当接する部分の１箇所のみとなる。

よって実施の形態１と同様に、被加工物１５に対する研磨工具２０を用いたスムージング加工において、同時に加工主面１５ａの形状を修正することが可能となる。
以上の各実施の形態に説明したように、被加工物５（被加工物１５）に対して接触面積の大きな研磨工具１０（研磨工具２０）を用いることによって、研削後の加工主面５ａ（加工主面１５ａ）におけるクラックや挽き目の除去を効率良く行い、うねりのない平滑面が得られるとともに、加工主面５ａ（加工主面１５ａ）の面形状を高精度に修正することができるため、スムージング加工等の研磨加工における加工所要時間の短縮と品質の向上を達成することができる。

すなわち、上述のような本発明の実施の形態にかかる研磨加工方法にて研磨加工されたレンズ又は金型によって成形されたレンズが搭載された製品のコストダウン、高精度化に寄与することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
（付記１）
回転軸対称形状を有する被加工物に略円盤状の研磨工具を当接させ、互いに回転させて相対的に移動走査させながら行う研磨加工方法において、前記研磨工具として、前記被加工物の外径より大きな外径の研磨工具を用い、前記研磨工具の中心位置が被加工物の外周から中心までの子午線上を走査するように相対的に移動させることを特徴とする光学素子又は光学素子成形用金型の研磨加工方法。
（付記２）
付記１に記載の研磨加工方法において、加工中の工具送り速度と研磨荷重とのいずれかを制御しながら加工することを特徴とする研磨加工方法。
（付記３）
付記１及び又は付記２に記載の研磨加工方法において、前記研磨工具の形状を被加工物の形状を略転写した球面とし、前記研磨工具の回転中心が当接する点における前記被加工物上の法線と、前記研磨工具の回転軸とが常に一致するように被加工物の姿勢を制御しながら加工することを特徴とする研磨加工方法。
（付記４）
付記１及び又は付記２に記載の研磨加工方法において、被加工物が凸面の場合は、前記研磨工具の形状を前記被加工物の近似曲率半径に対し符号が反対で絶対値の大きい球面か又は平面とし、被加工物が凹面の場合は、前記研磨工具の形状を前記被加工物の近似曲率半径に対し符号が反対で絶対値の小さい球面として、前記研磨工具の外周が当接する点における前記被加工物の子午線上の法線と、前記研磨工具の回転軸とが常に平行となるように被加工物の姿勢を制御しながら加工することを特徴とする研磨加工方法。

本発明の一実施の形態である研磨加工方法に用いられる研磨工具の構成の一例を示す断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工状態の一例を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工状態の一例を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工状態の一例を工程順に示す断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法の作用の一例を示す線図である。 本発明の他の実施の形態の研磨加工方法で用いられる研磨工具の構成例を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態である研磨加工方法の一例を工程順に示した断面図である。 本発明の他の実施の形態である研磨加工方法の一例を工程順に示した断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法の一例を工程順に示した断面図である。 従来技術の研磨加工方法を示す断面図である。 従来技術の研磨加工方法の作用を示す線図である。 従来技術の研磨加工方法の作用を示す線図である。 従来技術の研磨加工方法の後に実施される修正加工を示す説明図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 弾性体
３ 固定砥粒フィルム
４ 加工作用面
４ａ 回転中心
５ 被加工物
５ａ 加工主面
１０ 研磨工具
１１ 回転軸
１２ 弾性体
１３ 固定砥粒フィルム
１４ 加工作用面
１５ 被加工物
１５ａ 加工主面
２０ 研磨工具
Ｃ 研磨工具の回転軸
Ｄ０ 被加工物の直径
Ｄ１ 研磨工具の直径

Claims (5)

1. 被加工物の加工主面に研磨工具の加工作用面を当接させ、前記被加工物および前記研磨工具を互いに回転させて相対的に移動走査させる研磨加工方法であって、
   前記加工作用面の外径が前記被加工物の前記加工主面の外径よりも大きな前記研磨工具を用い、前記研磨工具の前記加工作用面の中心部が前記被加工物の前記加工主面の外周から中心部までの子午線上を走査するように前記被加工物および前記研磨工具を相対的に移動させることを特徴とする研磨加工方法。
2. 請求項１に記載の研磨加工方法において、
   加工中の工具送り速度および研磨荷重の少なくとも一方を制御しながら加工することを特徴とする研磨加工方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の研磨加工方法において、
   前記研磨工具の前記加工作用面の形状を前記被加工物の前記加工主面の形状が略転写された球面とし、前記研磨工具の回転中心が当接する点における前記被加工物の前記加工主面上の法線と、前記研磨工具の回転軸とが常に一致するように前記被加工物の前記研磨工具に対する相対的な姿勢を制御することを特徴とする研磨加工方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の研磨加工方法において、
   前記被加工物の前記加工主面が凸面の場合は、前記研磨工具の前記加工作用面の形状を、前記加工主面の近似曲率半径に対し符号が反対で絶対値の大きい球面か又は平面とし、前記加工作用面の外周が当接する点における前記加工主面の子午線上の法線と、前記研磨工具の回転軸とが常に平行となるように前記被加工物の前記研磨工具に対する相対的な姿勢を制御しながら研磨加工を行うことを特徴とする研磨加工方法。
5. 請求項１または請求項２に記載の研磨加工方法において、
   被加工物の前記加工主面が凹面の場合は、前記研磨工具の前記加工作用面の形状を前記加工主面の近似曲率半径に対し符号が反対で絶対値の小さい球面とし、前記加工作用面の外周が当接する点における前記加工主面の子午線上の法線と、前記研磨工具の回転軸とが常に平行となるように前記被加工物の前記研磨工具に対する相対的な姿勢を制御することを特徴とする研磨加工方法。