JP2013202739A - 微細成形物の製造装置及び測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で被成形物の成形ができる製造装置及び被成形物の表面形状の把握が可能な測定装置を提供すること。
【解決手段】レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体までの距離を測るレーザー測長部と、レーザー測長部と離隔し、被研磨体を研磨する研磨機と、研磨機に隣接し、被研磨体を固定し設置する設置台と、設置台を被研磨体が設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体までの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置とを具備し、設置台に固定された被研磨体における研磨の必要な個所が上記研磨機に接触する位置に位置するように、設置台を移動させる微調整機構を有し、レーザー測長部により得られた距離データから被研磨体の形状を確定しつつ、あらかじめ設計された所望の被研磨体形状と比較して研磨の必要な個所を特定し、微調整機構を制御する制御機構を有する微細成形物の製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細成形物の製造装置及び測定装置に関し、さらに詳細には、単結晶ダイヤモンドバイトなどの微細加工用の工具としての微細成形物を高精度で製造することができる製造装置と当該製造装置に用いられる微細成形物の形状を簡易且つ簡便に精度よく測定できる測定装置に関する。

鏡面仕上げや微細溝加工用のカッターとして単結晶ダイヤモンドバイトが広く用いられている。単結晶ダイヤモンドバイトは被成形物の表面を削るだけで鏡面仕上げができるという特徴を有しているが、それだけにダイヤモンドバイト表面が研磨されていて欠けや突出のないことが要求される。
このため、通常ダイヤモンドバイトの製造に際しては表面形状を計測しつつ研磨を行うことにより、欠けや突出部分のないダイヤモンドバイトを製造する。
しかし、従来のダイヤモンドバイトの製造装置では、表面形状の計測が不十分であり、また、表面形状を測定した後、再度研磨する際にずれが生じてしまい、精度よくダイヤモンドバイトを製造できなかった。

一方、微細な表面形状を正確に測定し、他の工程に活かす計測方法については種々の提案がなされている。
例えば、特許文献１には、被測定面の大きさによらず精度よく曲率半径の測定ができる曲率半径測定装置を提供することを目的として、光学素子の被測定面の位置と干渉計の参照面の位置とを干渉計の光軸に沿って相対移動させる相対移動機構と、干渉計の光軸の方向から見て被測定面と重なる範囲に設けられて光学素子あるいは干渉計のいずれかの移動量の基準となる反射面を有する反射鏡とレーザー干渉測長器によって、集光位置の位置と被測定面の曲率中心の位置とが一致して波面収差が最小となる測定原点から、集光位置の位置と被測定面の面頂の位置とが一致して波面収差が最小となるまでの反射面の光軸Ｘに沿った移動量を計測する方法が提案されている。
また、特許文献２には、曲率半径測定方法および装置において、検査効率および測定精度を向上することができるようにすることを目的として、フィゾー面、被測定面をコンフォーカル状態とキャッツアイ状態の各調整目標位置の間および近傍で光軸方向に相対移動させる直動ステージ、ピエゾ素子と、相対移動位置を測定するレーザー測長器と、被測定面を光軸方向の少なくとも２位置に相対移動させ、干渉縞の画像情報に基づいて波面を測定し、この波面に対応する各相対移動位置の情報とともに記憶させる波面測定部と、波面を解析して位置ずれ評価値を算出する位置ずれ評価値算出部と、相対移動位置と位置ずれ評価値とにより、各調整目標位置の推定値を算出する調整目標位置算出部とを備えた装置が提案されている。
また特許文献３には、空気揺らぎと気圧、温度、湿度を含めた環境の変化による測長誤差を補正することを目的として、ＸＹ方向に移動するステージと、このステージの位置を測長するためのレーザー干渉計と、このステージとレーザー干渉計間の測長光路の少なくとも一部を覆う測長光路筒機構と、測長光路筒機構内に設けられた波長トラッカーと、を有し、さらにレーザー干渉計に固定される固定筒と、ステージの移動と連動して運動する可動筒とを備えるＸＹステージ装置が提案されている。

特開2010-019750号公報 特開2010-025689号公報 特開2010-238933号公報

しかし、特許文献１〜３に記載されている測定方法では、いまだ微細加工用の単結晶ダイヤモンドバイトなどの精密工作器具の製造においては十分ではなく、より高い精度で工具の成形ができる製造装置及び工具の表面形状の把握が可能な測定装置の開発が要望されているのが現状である。

したがって、本発明の目的は、高い精度で被成形物の成形ができる製造装置及び被成形物の表面形状の把握が可能な測定装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、微細成形物を製造する際に表面を研磨する工程に着目し、かかる研磨に際して研磨しつつ表面形状を微細に測定できれば上記課題を解消しうることを知見し、さらに研究を進めた結果本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の各発明を提供するものである。
１．レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体までの距離を測る、レーザー測長部と、
上記レーザー測長部と離隔して設けられ、被研磨体を研磨する研磨機と、
上記研磨機に隣接して設けられ、上記被研磨体を固定し設置する設置台と、
上記設置台を被研磨体が設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体までの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置とを具備する、結晶物を研磨して所定形状に成形する微細成形物の製造装置であって、
上記設置台に固定された被研磨体における研磨の必要な個所が上記研磨機に接触する位置に位置するように、該設置台を移動させる微調整機構を有し、
レーザー測長部により得られた距離データから被研磨体の形状を確定しつつ、あらかじめ設計された所望の被研磨体形状と比較して研磨の必要な個所を特定し、上記微調整機構を制御する制御機構を有する
微細成形物の製造装置。
２．上記制御機構は、レーザー測長部による距離測定ができない測定不能個所を検出して、該測定不能個所を要研磨部分として確定し、さらに研磨を行う位置に設置台を移動させるように制御する１記載の製造装置。
３．１記載の製造装置に用いられる微細成形物の形状を測定する測定装置であって、
レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体までの距離を測る、レーザー測長部と、
上記被研磨体を固定し設置する設置台と、
上記設置台を被研磨体が設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体までの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置とを有し、
上記レーザー測長部は、レーザー測長機と該レーザー測長機が固定されたピエゾステージとからなり、ピエゾステージによりレーザー測長機を微動作させつつ被研磨体までの距離を測定することで距離データを得、得られた距離データをもとに被研磨体の形状を確定するＣＰＵに連結されている測定装置。

本発明に係る微細成形物の製造装置は、高い精度で工具の成形ができるものであり、測定装置は、表面形状の正確な把握が可能なものである。

図１は、本発明の製造装置の１実施形態の全体概要を示す概略図である。 図２は、図１に示す製造装置の要部を示す概略図である。 図３は、図１に示す製造装置の他の要部を示す概略図である。 図４は、図１に示す製造装置における測定装置の要部を示す概略図である。 図５（ａ）及び（ｂ）は、本発明の測定装置を用いた測定方法の概要を示す概略図である。 図６は、本発明の測定装置を用いた測定方法の概要を示す概略図である。

以下、本発明を、図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（製造装置の概要）
本実施形態の微細成形物の製造装置１は、結晶物を研磨して所定形状に成形する微細成形物の製造装置であり、図１に示すように、レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体Ａまでの距離を測る、レーザー測長部１０と、
レーザー測長部と離隔して設けられ、被研磨体を研磨する研磨機２０と、
研磨機に隣接して設けられ、被研磨体Ａを固定し設置する設置台３０と、
設置台を被研磨体Ａが設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体Ａまでの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置４０とを具備する。
移動装置４０は、図１〜３に示すように、四角柱形状で棒状の設置台３０に連結された取り付け台４１と、取り付け台４１が縁部に固定されてなる、回転自在な円盤基体５２とからなる。
また、レーザー測長部１０及び移動装置４０及び後述する微調整機構５０は、これらを制御する制御機構としての、ＣＰＵ、メモリー及びプログラム及びデータを格納するハードディスク（いずれも図示せず）を具備するコンピュータ６０に連結されている。

本実施形態において被研磨体Ａは、単結晶ダイヤモンドバイトであるが、これに制限されず、研磨により微細加工が必要な種々成形物に適用することができる。また、研磨機は円盤状のスカイフ板からなる。
レーザー測長部１０は、レーザー測長機１１とレーザー測長機１１を微細に２次元移動させるピエゾステージ１２とからなる。レーザー測長機１１及びピエゾステージ１２はいずれも市販のものを特に制限なく使用することができる。
また、被研磨体Ａの位置を確認するためのカメラ７０が設置され、カメラ７０とコンピュータ６０は連結されており、被研磨体Ａが所定位置に設置されているかどうかを確認し、カメラで取得した設置データとハードディスクに格納されている設計データとを照合して、研磨機及び微調整機構を制御できるようにしている。

本実施形態の製造装置は、被研磨体Ａを設置台に設置し、研磨機を回転させて研磨を行い、カメラで研磨状態を確認し所望の設計データと照合し、微細形状についてはレーザー測長部で測定を行い、必要に応じてさらに研磨を行うようにコンピュータから指示することにより研磨を行って、微細成形物を製造する。

そして、本実施形態の製造装置１は、設置台に固定された被研磨体Ａにおける研磨の必要な個所が研磨機に接触する位置に位置するように、設置台３０を移動させる微調整機構５０を有する。微調整機構５０は、円盤基体５２が位置決めされた状態で設置されており、円盤基体５２を２次元方向（図３の矢印方向）にナノメートル単位で移動させることが可能な基体移動装置５１からなる。基体移動装置５１は、ピエゾステージ等の市販の微細移動装置を制限なく用いることができる。
設置台３０には、被研磨体Ａが接着剤を固定手段として固定されている。なお、設置台３０と移動装置４０とは着脱可能に接合されている。

また、本実施形態の製造装置において制御機構としてのコンピュータ６０は、図１〜３に示すように、レーザー測長部１０により得られた距離データから被研磨体Ａの形状を確定しつつ、あらかじめ設計された所望の被研磨体形状と比較して研磨の必要な個所を特定し、微調整機構５０を制御する制御機構として機能する。
本実施形態の製造装置において制御機構は、レーザー測長部による距離測定ができない測定不能個所を検出して、測定不能個所を要研磨部分として確定し、さらに研磨を行う位置に設置台を移動させるように制御する。すなわち、後述する測定装置において距離測定（測長）ができないと判断される個所においては微小な突起やくぼみが存在する場合が多いため、これらの測長不能箇所を検出した場合には、ハードディスクに収納されたデータベースと照合して、たとえば突起であると判断される場合にはその形状や突起の方向をＣＰＵが算出すると共にどのように研磨すればいいかを算出し、研磨機２０及び移動装置４０及び微調整機構５０に指示を出して、設置台３０を研磨に最適な位置に移動させて研磨を行う。
レーザー測長部によって距離を測定できない理由は定かではないが、例えば、レーザー光と被研磨体の面方向との角度が大きすぎる場合も測定できない。しかしこの場合には単に反射するレーザー光の光量が測定に不十分となるだけであるため要研磨部分とは認定しない。すなわち、本発明においては、レーザー光の光量不足でないのに局所的に距離測定ができないと判断される箇所を測定不能箇所として検出する。

（製造方法の概要）
本実施形態の製造装置を用いて被研磨体Ａの研磨を行い微細成形物の製造を行う製造法の概要について説明すると、まず、被研磨体Ａを設置台に固定した後、被研磨体Ａを研磨機に押し当て、研磨機を回転させることにより研磨を行う。この際、円盤基体を微細に回転させることにより、研磨体先端と研磨機との接触角が変わり，被研磨体Ａの先端形状を任意の形状、たとえば円形の先端形状等に加工できる。また、移動装置を２次元方向に移動させることで被研磨体Ａを任意の形状に研磨することができる。
カメラは被研磨体Ａが正しい位置に取り付けられているか確認するために用いられ、カメラで取得した設置状態データを、あらかじめ設定しハードディスクに格納しておいた理想設置データと照合して、一致していない場合には設置位置の微調節を行う。
また、研磨を行いつつ、適宜円盤基体を図３の矢印方向に回転させることにより被研磨体Ａの先端部分をレーザー測長機に向けて、レーザー測長機により被研磨体Ａの先端形状をナノオーダーで上述の測定方法に準じて測定する。測定データをコンピュータに送信し、あらかじめ設計してハードディスクに格納しておいた設計データと照合して、所望の形状になっていない場合には再度図２に示すように研磨機に被研磨体Ａを当接させてさらに研磨を行う。

（測定装置の概要）
次に本実施形態の製造装置に用いられる微細成形物の形状を測定する測定装置について説明する。
測定装置は、図１〜３に示すように、レーザー測長部１０と、被研磨体Ａを固定し設置する設置台３０と、移動装置４０とからなる。
また、レーザー測長部１０は、レーザー測長機１１とレーザー測長機１１が固定されたピエゾステージ１２とからなり、ピエゾステージ１２によりレーザー測長機１１を微動作させつつ被研磨体Ａまでの距離を測定することで距離データを得、得られた距離データをもとに被研磨体Ａの形状を確定するＣＰＵを有するコンピュータ６０に連結されている。
本実施形態において用いられるレーザー測長機１１についてさらに詳述すると、図４に示すように、レーザー発光部１３、ピンホール板１４ａを備えたレーザー受光部１４、発光したレーザーを被測定物たる被研磨体Ａに向けて調節すると共に反射して帰ってきたレーザー光をレーザー受光部１４に向けて集光する２枚一組のレンズ１５、レーザー光が被研磨体Ａの先端にあたることを確認するＣＣＤカメラ１６、および光を反射させてレーザー受光部１４とＣＣＤカメラ１６とに光を送るミラー１７を具備する。

（測定方法の概要）
本実施形態の測定装置を用いた測定方法について説明すると、まず研磨を行った被研磨体Ａを、移動装置４０の回転基体を図３の矢印方向に回転させることで設置台を移動させて、レ研磨機に接する位置からーザー測長を行える位置にまで移動させる。
次に、レーザー測長機１１によりレーザー測長を行う。レーザー測長は，ブルーレイレーザーを被研磨体Ａに当て，その反射光の強さをレーザー受光部で測定することで行う。レーザーの進路に設けられた二つのレンズの相対距離を変化させることで，ピンホールに当たるレーザーのピントを変化させる。焦点があった時に最もピンホールを通過する光が多くなるので，この時のレンズの相対位置と照合することで，測長機から加工物までの距離を確定することができる。また、レーザー測長機により測長できる場所は一点であるので，測長機自体をピエゾステージにより移動させて，異なる位置での距離を測定する．ピエゾステージによる移動量に対し，測長結果の差異を算出することで，加工物の形状を測定することができる。

測長方法についてさらに詳述すると、図５（ａ）に示すように、レーザー測長機１１から被研磨体Ａにレーザーを照射し、レーザーの進行方向と加工物の法線方向とから被研磨体Ａの測長部分の形状を特定する。しかし、この角度差が大きい場合、レーザー受光部に戻る光量が減り，計測できない場合が生ずる。この場合、図5（ｂ）に示すように計測できる向きに加工物を回転させて形状を測定し，そのデータを、回転角度を加味しつつ他の計測できた個所のデータとつなぎ合わせることで，高範囲に形状を測定（特定）できる。この回転の操作は、微調整機構によって実現できる。
さらに、被研磨体Ａ表面の特性で計測できない条件、たとえばレーザー光を散乱させて照射したレーザー光がレーザー受光部に帰ってくる光量が足りない条件が、微小な突起やくぼみであることがレーザー測長と形状との関係から自明である場合には、かかるデータをあらかじめコンピュータのハードディスクに入力しておき、データベースを構築しておく。そして、レーザー測長を行う際にレーザー受光部での受光量が足りず測長ができない場合でもデータベースのデータと照合することにより加工物の形状や向きを推定できる。例えば，図６に示すように、レーザー光を散乱させる微小な突起ａやくぼみなどが複数ある場合でも、かかるデータベースの存在により突起やくぼみの形状や向きを算定できる。
そして、このように測定不能箇所はすなわち微小な突起ａやくぼみの存在する部分であるため、これらを検出した場合には、上述の制御機構の働きにより、移動装置に設置台を研磨位置に戻すように指令を出し、当該測定不能箇所の研磨を行う。

（実施の形態の効果）
以上のように構成された本実施形態の製造装置は、通常では測長できずに見逃してしまう微小な突起やくぼみも見逃すことなく研磨するため、従来の装置よりも高精度で単結晶ダイヤモンドバイトなどの成形物を所望の微細形状に成形することができる。また、本実施形態の測定装置は、通常であれば測長できずに形状を把握することのできない微小な突起やくぼみも測定することができ、従来の装置よりも高精度で微細な形状の把握が可能なものである。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
たとえば、レーザー測長は，ブルーレイレーザーを用いた例をもって説明したが他のレーザーを用いることもできる。

１ 製造装置
１０ レーザー測長部
２０ 研磨機
３０ 設置台
４０ 移動装置
５０ 微調整機構
６０ コンピュータ

Claims (3)

1. レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体までの距離を測る、レーザー測長部と、
   上記レーザー測長部と離隔して設けられ、被研磨体を研磨する研磨機と、
   上記研磨機に隣接して設けられ、上記被研磨体を固定し設置する設置台と、
   上記設置台を被研磨体が設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体までの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置とを具備する、結晶物を研磨して所定形状に成形する微細成形物の製造装置であって、
   上記設置台に固定された被研磨体における研磨の必要な個所が上記研磨機に接触する位置に位置するように、該設置台を移動させる微調整機構を有し、
   レーザー測長部により得られた距離データから被研磨体の形状を確定しつつ、あらかじめ設計された所望の被研磨体形状と比較して研磨の必要な個所を特定し、上記微調整機構を制御する制御機構を有する
   微細成形物の製造装置。
   
2. 上記制御機構は、レーザー測長部による距離測定ができない測定不能個所を検出して、該測定不能個所を要研磨部分として確定し、さらに研磨を行う位置に設置台を移動させるように制御する
   請求項１記載の製造装置。
   
3. 請求項１記載の製造装置に用いられる微細成形物の形状を測定する測定装置であって、
   レーザー発光部及び受光部を具備し、レーザー光の干渉を測定して被研磨体までの距離を測る、レーザー測長部と、
   上記被研磨体を固定し設置する設置台と、
   上記設置台を被研磨体が設置されたままで、レーザー測長部により被研磨体までの距離を計測可能な位置に設置台を移動させる移動装置とを有し、
   上記レーザー測長部は、レーザー測長機と該レーザー測長機が固定されたピエゾステージとからなり、ピエゾステージによりレーザー測長機を微動作させつつ被研磨体までの距離を測定することで距離データを得、得られた距離データをもとに被研磨体の形状を確定するＣＰＵに連結されている測定装置。
   

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