JP3144753B2

JP3144753B2 - ダイヤモンド膜の研磨装置

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Publication number: JP3144753B2
Application number: JP13018394A
Authority: JP
Inventors: 正明横田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1994-06-13
Filing date: 1994-06-13
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH07328909A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜状のダイヤモンドの
表面を平坦化するための研磨装置に関し、特に、光学素
子および光学素子成形用型などの種々の形状の基材上に
形成されたダイヤモンド膜を、光学的に満足する範囲で
高精度に平滑化ならびに形状加工するために用いられる
ダイヤモンド膜の研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ダイヤモンド研磨には、鋳鉄
板やニッケル、ＳｉＯ₂などをコートした回転板を回転
させて、その接触部分にダイヤモンドを押しつけて研磨
加工する機械的研磨装置が一般に用いられている。更
に、近年開発された研磨方法としては、非酸化性雰囲気
下で、ダイヤモンドと鉄、ニッケルなどの金属とを、そ
れらの加熱中において、互いに接触させ、ダイヤモンド
表面のカーボンを、それが金属中へ拡散することによっ
て、除去し、あるいは、ダイヤモンドを黒鉛化させて、
その黒鉛を活性化水素により除去する、所謂、熱化学反
応による研磨方法が採用されている。

【０００３】ここで用いられる研磨装置は、特開昭５−
１８５３５６号公報、特開平４−２１９４００号公報、
特開平２−１６０７００号公報などに所載のように、非
酸化性雰囲気、活性酸素、活性水素、真空などの制御雰
囲気内で、鉄、ニッケルなどの金属製の平面形状研磨板
を加熱しながら回転させて、ダイヤモンドの総加工面積
よりも大きい接触面で、ダイヤモンドと接触させる構成
に、あるいは、前記制御雰囲気内で、粉末状、粒状、溶
融状態の鉄、ニッケル、モリブデンなどの流動性金属を
加熱しながら、ダイヤモンドを摺り合わせる構成になっ
ている。

【０００４】一方、ダイヤモンド以外の材質の光学レン
ズや金型を高精度な形状、表面状態に研磨加工する装置
として、特公平３−２６２８号公報に所載のように、２
軸の回転および位置制御により、高精度加工を達成する
研磨装置が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先に述
べた従来のダイヤモンド研磨装置では、ダイヤモンド膜
表面の凹凸を平滑にはできるものの、その形状精度に関
しては、その対象が平面研磨板の場合における平面研磨
面が、また、流動性金属の場合における母材形状の倣い
研磨が、それぞれ、辛うじて有効であり、光学系で要求
される高精度な非球面、球面、トーリック面などを創成
することは不可能である。

【０００６】また、ダイヤモンド以外の対象物における
研磨装置では、ガラス、金属などは高精度の加工できる
ものの、ダイヤモンド膜の研磨加工では、工具の摩耗が
激しく、ほとんど加工不可能である。

【０００７】

【発明の目的】そこで、本発明は、上記問題点を解決し
て、球面、非球面、トーリック面などの形状をした、母
材上に形成されたダイヤモンド膜を、高精度な形状に、
また、表面粗さに研磨加工できるようにしたダイヤモン
ド膜の研磨装置を提供することを目的としてなされた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
の手段として、本発明では、熱化学的反応を利用してダ
イヤモンド膜を研磨加工する場合、反応に預かるダイヤ
モンド膜と反応金属工具との接触部分の面積を、ダイヤ
モンドの総加工面積よりも少なくして、全面接触もしく
は平面接触から点接触方式に変更する。また、前記点接
触部分を、ダイヤモンド膜上で移動させつつ、摺動さ
せ、その際、前記接触部分の温度および／あるいは作用
時間を連続的に変化させることで、前記目的を達成する
ことができた。

【０００９】

【作用】このように、点接触方式をとるのは、平面もし
くは球面加工では、工具の接触部分の形状が、平面もし
くは球面の、全面接触による摺動加工が可能であるが、
非球面やトーリック面などの光学面になると、全面接触
による摺動加工が不可能になり、点接触による研磨加工
が必要になるからである。また、温度を連続的に変化さ
せるのは、非球面およびトーリック面などの光学面の研
磨加工では、各部位により、必要除去量が、連続的に変
化するため、加工中にその除去量を連続的に変化させる
必要があるからである。そのために、熱化学的な反応
で、研磨加工における除去量の変化に対して最も影響の
大きな加工温度を、その除去量に応じて、連続的に変化
させるのである。

【００１０】

【実施例】以下、本発明のダイヤモンド膜の研磨装置に
ついて具体的に説明する。先ず、各加工因子とダイヤモ
ンド膜の除去量との相関関係について説明する。図７に
示すように、平面円盤形状のＳｉＣ基材１１上に、マイ
クロ波プラズマＣＶＤ法により、ダイヤモンド膜１２を
膜厚７μｍで形成した場合、このサンプルを図１に示す
研磨装置の回転軸７１上に乗せる。なお、ここでは、金
属加工工具７３として、２種類の金属製工具（Ｆｅ，Ｎ
ｉ）を設置している。また、膜厚は、成膜の効率と膜の
内部応力増加による超硬合金およびセラミックス母材と
の密着力の低下などを考慮して５０μｍ以下がよいと考
えられるが、本発明の実施例では、更に好ましい値とし
て、１０μ以下の膜厚を採用した。

【００１１】この装置を用いて、加工温度、加工圧力、
摺動速度、工具材質を、それぞれ、変化させた時のダイ
ヤモンド除去量の変化を求める実験を行った。この際の
実験条件は表１に示されている。

【００１２】

【表１】この実験方法では、図２に示すように、ダイヤモンド膜
のサンプルの回転中心から１０ｍｍ離れたポイントに、
金属製工具の接触部分を、その回転中心が、ダイヤモン
ド膜のサンプル回転の接線上で、加工面に対して高さ方
向に３０°の角度に設定された状態で、接触させ、か
つ、偏摩耗防止のために３ｒｐｍで回転させた。

【００１３】また、上記４実験の共通条件として、加工
時間２０分、加工雰囲気３×１０^-3Ｔｏｒｒ以下とし
た。そして、ダイヤモンド膜上に残された工具の加工跡
の形状を測定して、ダイヤモンド膜の除去深さを求め
た。本実験の結果を、図３、４、５に示す。これらの結
果より、ダイヤモンドの熱化学的反応による研磨加工に
は温度の影響が最も大きいことが確認された。

【００１４】次に、上述の研磨装置の具体例を説明す
る。図１には、本発明による光学素子成形用非球面金型
のＣＶＤダイヤモンド膜の研磨装置の構成が示されてお
り、ここでは、雰囲気制御チャンバー７６内で、ヒータ
ー７５により、被加工物としての非球面金型７２と金属
加工工具７３を加熱しながら、前記非球面金型７２を回
転させ、回転する前記工具７３を前記非球面金型７２に
接触させながら、移動し、更に、接触する部位に応じ
て、加工温度を変化させ、所望の除去量を得るのであ
る。

【００１５】更に詳述すれば、図１において、符号７１
は回転軸であり、磁気シール１７１を介して、チャンバ
ー７６の外部の回転モーター２１に接続されており、更
に、加工中の荷重を制御するための荷重センサー２１
が、回転モーター２１に取りつけられている。また、回
転軸７１には、前述の非球面ＣＶＤダイヤモンド膜金型
７２が取りつけられており、所望の速さで回転できるよ
うになっている。

【００１６】一方、内部に温度センサー２２を備えた、
例えば、直径５ｍｍの純鉄製の、前述の金属加工工具７
３は、上部回転軸７４に取りつけられている。歯車機構
２５は上部回転軸７４より温度センサー２２の検出信号
を外部に取り出すための媒介として機能し、また、歯車
機構２５を介して回転モーター２４のモーター軸１８１
に連動・接続され、金属加工工具７３を所望の速さで回
転できるようになっている。

【００１７】また、前記回転軸７４、前記モーター軸１
８１は、耐熱製ベアリング１８２により、前記モーター
２４や、温度調節のための窒素ガス導入パイプ７７と共
に、稼働フレーム１７９に取りつけられている。この稼
働フレーム１７９は、その一部をチャンバー７６内に挿
入した状態で進退自在に保持され、その外部突出部は、
ベローズ１７３を介してシールされ、また、モーター軸
１８１を磁気シール１７７でシールしている。

【００１８】更に、稼動フレーム１７９は、位置制御機
構２３によって、研磨過程において、上記回転軸７４を
ＸＹＺの３方向に、所望の位置に対して任意の早さで、
移動および停止可能であり、これにより、ダイヤモンド
膜と加工金属の接触点の位置と作用時間とを任意に制御
できる。また、前記稼働フレーム１７９には加圧機構１
８０が備えられており、研磨加工中の加圧力を、前記荷
重センサー１７２より検出し、フィードバックすること
で、常時、所望の圧力を加工点に掛けている。

【００１９】ヒーター７５は、この実施例ではカンタル
巻線ヒーターであり、被加工物７２のまわりを円柱状に
覆っている。そして、温度センサー２２により、金属加
工工具の中心が所望の温度になるように制御される。こ
こでの加熱方式は、まわりからの輻射加熱であるため
に、真空中、雰囲気ガス中のいずれも、金属加工工具中
心の温度、および、ダイヤモンド膜と工具との接触点の
温度には、±３℃以内での差があることが、実験により
確認されている。

【００２０】この温度制御と前記位置の制御は一体的に
実施され、被加工物の加工位置に応じて温度の制御が可
能である。つまり、加工位置とその位置での加工温度
を、予め、情報として、集中制御装置１７６に入力して
おくことで、所望の位置における所望温度での研磨加工
ができ、所望量のダイヤモンド膜の除去ができる。

【００２１】また、本発明に係わる集中制御システム
は、図６に示されている。本実施例の装置は、前記集中
制御システムによって、任意の加工位置における温度、
摺動速度、加工圧力、作用時間を所望の状態に制御でき
るものである。

【００２２】次に、非球面形状ダイヤモンド膜の平坦化
のための研磨加工例を具体的に示す。ここでは、図１に
示す装置を使って、非球面形状の光学素子成形用金型の
母材上に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により形成され
たダイヤモンド膜を、連続的に温度を変化させる熱化学
的反応による加工方法によって、平坦化する。

【００２３】なお、本実験で用いた型母材は、ほぼ凹面
形状で（図１０参照）、中心から口径１０ｍｍまでの曲
率半径がＲ＝２０ｍｍ、口径１０ｍｍから口径２０ｍｍ
までが非球面形状である。この型母材上に形成したダイ
ヤモンド膜の形状を、非球面形状測定器で計測したとこ
ろ、周辺部は中心部より約２μｍ厚く形成されており、
中心で約５μｍ、周辺で約９μｍであった。

【００２４】そこで、本発明による装置を用いて、次に
示す条件で、第１次加工を行った。即ち、加工雰囲気を
３×１０^-3Ｔｏｒｒの真空にして、金属加工工具に純鉄
を用い、回転軸７１および７４を回転させ、加工部分の
摺動速度が２０ｍｍ／秒になるように制御した。また、
金属加工工具とダイヤモンド膜の接触圧力を１００ｇに
保った状態で、型母材の中心から周辺に向かって、各部
位での滞留時間が一定になるような速度で移動するとと
もに、前記接触部分の温度を、型母材の中心から周辺部
分にかけて、８５０℃から９００℃に連続的に変化させ
た。

【００２５】この時のダイヤモンド膜の除去深さは、中
心部分で約３μｍ、周辺部分では約６μｍであり、加工
後の面形状は、図１１に示すように、所望形状に対し
て、中心から半径５ｍｍから１０ｍｍの間で、連続的に
０〜１．５μｍ程度、オーバーしていた（例えば、半径
７．５ｍｍの部分で１．５μｍのオーバー）。なお、こ
こまでの加工時間は約１２時間であった。

【００２６】次に、前記オーバー部分の修正方法につい
て述べる。このサンプルの加工後のダイヤモンド膜形状
を、非球面形状測定器によって、正確に測定し、所望形
状からのずれ量、つまり、除去すべき量を算出し、集中
制御装置に入力する。この時に入力した加工位置と除去
量との関係のデータ（グラフ）は図８に示されている。
このグラフより明らかなように、除去すべき量は、被加
工物の中心から半径５ｍｍ離れた位置から、同じく半径
７．５ｍｍ離れた位置までは、増加し、その量は１．５
μｍになる。そして、半径１０ｍｍの位置で０になる。

【００２７】前記データの入力により図１に示す研磨装
置では、研磨加工位置と、加工温度が最適になるように
自動設定される。つまり、被加工物の中心から半径５ｍ
ｍ〜半径１０ｍｍまでの研磨加工において、半径５ｍｍ
の位置での温度は７００℃であり、その後に加工位置が
中心から離れるに従って連続的に昇温して、１．５μｍ
の除去が必要な半径７．５ｍｍの位置で、温度が８３０
℃になり、更に、研磨加工位置が離れて、半径１０ｍｍ
の位置で、温度が７００℃になるように、連続的に、徐
々に降温するのである。

【００２８】この研磨加工時の工具とダイヤモンド膜と
の摺動速度は、２０ｍｍ／秒であり、加工圧力は１００
ｇの、一定値に保たれた。また、この時、微妙な温度制
御をするに当たって、流量制御装置１８３で制御された
窒素ガスを、導入パイプ７７より加工部分に導入した。
この修正加工に要した時間は、約３時間であった。した
がって、温度を変化させた時の総加工時間は、約１５時
間であった。

【００２９】加工後の表面粗さは、中心近傍、周辺近傍
ともＲ_MAX＝２０ｎｍ以下であった。また、非球面形状
は、所望形状からのずれが０．１μｍ以下であった。

【００３０】次に、本発明との比較のために、比較例を
挙げて説明する。前記実施例と同様の条件で、加工時の
温度を一定（８５０℃）にして、非球面形状のダイヤモ
ンド膜の研磨加工を行ったところ、表面粗さは、中心近
傍、周辺近傍とも、Ｒ_MAX≡２０ｎｍ以下であったが、
面形状は、周辺部分が所望形状に対して、約４μｍずれ
ていた。これは、加工時の温度を一定にしたため、ダイ
ヤモンド膜の除去厚が中心部と周辺部とで、同一の３μ
ｍになり、成膜後のダイヤモンド膜厚の不均一な状態が
改善されず、中心と周辺の膜厚差４μｍが、そのまま、
残留したことによる。なお、図９において、符号９２は
不均一な厚みに研磨されたダイヤモンド膜を示してお
り、ここまでの加工時間は約１２時間であった。

【００３１】このダイヤモンド膜を、加工温度を一定
（８５０℃）として、滞留時間のみ、変化させながら、
修正の研磨加工をしたところ、加工に要した時間は、約
９時間であった。したがって、一定温度での総加工時間
は約２１時間であった。

【００３２】次に、本発明の、作用時間を変化させた研
磨加工例を説明する。即ち、図１２に示すような、凸面
球面形状の光学素子成形用の型母材１３１上には、ＣＶ
Ｄダイヤモンド膜１３２が被覆されているが、このダイ
ヤモンド膜の各部分での作用時間は、熱化学反応の加工
過程で変化されるのである。なお、型母材形状は、曲率
半径Ｒ＝４０ｍｍの凸面、口径２０ｍｍで、材質は超硬
合金である。そして、球面部分に、マイクロ波プラズマ
ＣＶＤ法により、ダイヤモンド膜を被覆した。また、膜
厚は、前記実施例と同様の理由で、１０μｍ以下の膜厚
を選択した。ここで選択した型の膜厚は、中心部が７μ
ｍ、周辺部が４μｍで、不均一な厚さになっている。

【００３３】次に、この型母材を、図１に示す加工装置
に組み込み、１μｍの均一な厚さに加工する方法を述べ
る。加工条件は、３×１０^-3Ｔｏｒｒの真空雰囲気で、
金属加工工具には純鉄を用い、回転軸７１および７４を
回転させ、加工部分の摺動速度が２０ｍｍ／秒になるよ
うに制御する。また、加工ポイントの接触圧力を１００
ｇに保った状態で、加工温度を一定（８５０℃）とし、
型母材の中心から周辺に向かって、各部分での作用時間
を変化させながら移動した。

【００３４】今回のサンプルは、ダイヤモンド膜厚が周
辺部（４μｍ）より中心部（７μｍ）が厚いので、加工
ポイントの作用時間を、中心部が周辺部の２倍になるよ
うに、集中制御を設定した。具体的には、ダイヤモンド
膜状のある１ポイントが、周辺部分では、金属加工工具
下の加工点を約３８０回、中心部分では、約７６０回、
通過するように制御して、中心部分から周辺部分にかけ
て、連続的に作用時間を減少するように研磨加工した。
この時のダイヤモンド膜の除去深さは、中心部分で６μ
ｍ、周辺部分では３μｍであり、不均一な膜厚で形成さ
れていたダイヤモンド膜が、本実験の研磨加工により、
図１３に示すように、球面全面に１μｍの均一な厚さの
ダイヤモンド膜１４２に研磨できた。加工後のダイヤモ
ンド膜の表面粗さは、中心近傍、周辺近傍共に、Ｒ_MAX
≡２０ｎｍ以下、面形状はＮ＝±０．５本以下であっ
た。また、本実験の総研磨加工時間は約２３時間であっ
た。

【００３５】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように、ＣＶＤ
ダイヤモンド膜の熱化学的反応を利用した研磨加工装置
において、総加工面積よりも、金属加工工具との接触面
積を小さくすると共に、接触部分の温度、および／もし
くは、作用時間の連続的な変化を可能にしたので、表面
粗さ、形状精度ともに、光学的要求精度を満足するダイ
ヤモンド膜の研磨が可能となった。

【００３６】更には、熱化学的反応による研磨加工の加
工能率に大きな支配要因となる温度を連続的に変化させ
て、研磨加工を可能にしたことにより、効率の良いダイ
ヤモンド膜の加工が可能とになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すダイヤモンド膜の平坦
化のための研磨装置の概略図である。

【図２】加工実験における工具とダイヤ膜の位置関係を
示す平面および側面図である。

【図３】加工温度、工具材質と加工深さの関係を示すグ
ラフである。

【図４】加工圧力と加工深さの関係を示すグラフであ
る。

【図５】摺動速度と加工深さの関係を示す実験より得ら
れたグラフである。

【図６】集中制御装置の構成図である。

【図７】本発明に係わる実験用サンプルの模式的な概略
側面図である。

【図８】所望形状からのずれ量を示すグラフである。

【図９】光学素子成形用型材の模式的な概略側面図であ
る。

【図１０】光学素子成形用型材の模式的な概略側面図で
ある。

【図１１】本発明の別の実施例における第１次加工後の
ダイヤモンド膜サンプルの断面形状を示す模式的略解図
である。

【図１２】光学素子成形用型材の模式的な概略側面図で
ある。

【図１３】光学素子成形用型材の模式的な概略側面図で
ある。

【符号の説明】

７１ワーク回転軸７２被加工サンプル７３金属製加工用工具７４工具回転軸７５加工部分加熱用ヒーター７６チャンバー７７温度調節用ガス導入パイプ２１，２４モーター２３移動および加圧機構１１基材１２ＣＶＤダイヤ膜６１，８１，９１，１０１，１３１，１４１型母材６２，８２，９２，１０２，１３２，１４１ＣＶＤダ
イヤモンド膜１１１型母材１１２ダイヤモンド膜１１３所望形状よりオーバーしているダイヤモンド
膜１１４所望形状１１５口径１０ｍｍ部分１１６口径１５ｍｍ部分１１７口径２０ｍｍ部分１１８所望形状からのずれ量

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 1/00,13/00 C30B 29/04,33/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高温において金属との化学反応により、
研磨対象であるダイヤモンドの球面、非球面あるいはト
ーリック面を平滑化するダイヤモンド膜の研磨装置にお
いて、ダイヤモンドの前記球面、非球面あるいはトーリ
ック面の総加工面積より小さい接触部分にて、ダイヤモ
ンドに対する接触をする金属加工工具を備えると共に、
金属加工工具とダイヤモンドとの、前記球面、非球面あ
るいはトーリック面における前記接触部分の温度を連続
的に変化させ、かつ、前記接触部分の、ダイヤモンド上
の作用時間を、前記接触部分のダイヤモンド上の位置に
応じて連続的に変化させながら、両者を相対的に摺動さ
せて研磨することを特徴とするダイヤモンド膜の研磨装
置。
【請求項２】前記接触部分の温度を制御するための加
熱手段と冷却手段とを具備することを特徴とする請求項
１に記載のダイヤモンド膜の研磨装置。