JP3304994B2 - 研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体、硝子、セラミ
ックス、金属単体または金属酸化物の単結晶等の硬脆材
料の表面を精密研磨加工（非球面研磨）する研磨装置お
よび研磨方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２４は研磨装置の従来例を示す。この
従来例では、矢印Ｘ方向と矢印Ｙ方向にそれぞれ移動可
能な移動手段１１１を有し、工具１１０を装着したハウ
ジング１１４がスライダ１１８に固定され、該移動手段
を駆動することにより、加工を行う。被加工面１１２よ
りも小さな工具１１０で修正研磨と形状計測を繰り返し
ながら形状を設計形状に加工するものである（特公昭６
３−２７１４８号公報参照）。

【０００３】このように、従来の非球面研磨装置は形状
計測装置とは分けられている。加工に必要な被加工面の
誤差形状データは、別に置かれた形状計測装置で測定す
る。この従来例では、被加工面としては比較的曲率半径
が大きい（近似球面半径が大きい）ものを対象としてい
るので、被加工面上での工具の運動制御にはたかだか２
軸を用い、研磨荷重を伸縮自在なエアシリンダ等で与え
ることで上下方向の自由度を補っている。また、研磨ヘ
ッドは１種を、加工の初期から終了まで交換せずに用い
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の研磨装
置には、次のような欠点があった。

【０００５】被加工物を形状計測装置と研磨装置の間を
頻繁に置き換えねばならず、そのたびにアライメント誤
差が生じるため、正確な加工が困難である。

【０００６】同様に、頻繁な被加工物の置き換えは被加
工物を傷つける、あるいは破損させる可能性が高い。

【０００７】２軸しかないため、制御自由度が少なく、
曲率半径の小さい（近似球面半径が小さい）自由曲面を
加工できない。

【０００８】１種類の研磨ヘッドしか使えないので、例
えば特に表面粗さが良好な研磨が期待できる研磨法たと
えば、ＥＥＭ研磨法を使用できない。

【０００９】研磨ヘッドを変えられないので、被加工面
の形状ごとの合理的な研磨加工ができない。

【００１０】被加工物の置き換えに高度なアライメント
作業が必須であるために、形状計測と非球面研磨加工を
多数連続して行う加工を無人で行うことが非常に困難と
なっている。

【００１１】本発明の目的は、形状計測装置との間で被
加工物を置き換えることなく加工できる研磨装置を提供
することにある。

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明の研磨方法は、研磨液あるいは研磨剤中
で研磨工具を被加工物に押しあてながら前記被加工物に
対して前記研磨工具を相対運動させる研磨ヘッドを被加
工物面上で走査させながら加工する研磨方法において、
研磨加工部と形状計測部を同一定盤上に配置し、前記形
状計測部では、被加工物形状を測定し、前記被加工物形
状から、前記形状計測部の記録領域に記録された設計形
状データを差し引いて誤差形状を計算し、前記誤差形状
と、前記研磨工具の単位時間あたりの研磨除去形状であ
る単位除去形状とから、前記被加工物面の研磨領域で前
記誤差形状を研磨除去するために必要な、各ポイントで
の前記研磨工具の研磨時間を２次元的に表示した滞留時
間分布を計算し、前記滞留時間分布より次段の研磨に用
いる研磨ヘッドの走査速度分布を決定し、前記研磨加工
部では、前記研磨ヘッドと前記被加工物の間の６自由度
の相対的な位置姿勢で両者を保持する少なくとも６軸の
運動機構を同時に同期的に移動させることによって、研
磨中は前記研磨ヘッドが前記被加工物の法線方向を追従
しながら被加工物表面をあらかじめ定められた前記走査
速度分布および前記設計形状データに従って走査し、研
磨加工と形状測定を交互に繰り返す修正研磨を行うこと
を特徴とする。

【００１５】一方、本発明の研磨装置は、研磨液あるい
は研磨剤中で研磨工具を被加工物に押しあてながら前記
被加工物に対して前記研磨工具を相対運動させる研磨ヘ
ッドを被加工物面上で走査させさながら加工する研磨装
置において、研磨加工部と形状計測部を同一定盤上に有
し、定盤面上において、両者の間を行き来し、位置決め
可能に設けられた第１の移動軸を有し、前記第１の移動
軸に直行する方向で位置決め可能な第２の移動軸を前記
第１の移動軸上に有し、垂直軸回りに回転移動し、回転
位置決め可能に設けられた前記被加工物が固定される回
転移動軸を前記第２の移動軸上に有し、前記形状計測部
では、垂直方向に位置決め可能な移動軸である計測用Ｚ
軸アームを有し、前記計測用Ｚ軸アームの先端に計測ヘ
ッドを有し、前記計測ヘッドに装着されたプローブと前
記被加工物間の押し付け方を一定に保つように前記計測
用Ｚ軸アームを上下する制御装置を有し、前記制御装置
は、前記第１、第２の移動軸を移動させることにより、
前記プローブで被加工物表面をなぞり、前記被加工物表
面の点の前記第１、第２の移動軸の各座標を１点づつ測
定することによって求めた被加工物形状と設計形状との
差から次段の研磨に用いる前記研磨ヘッドの走査速度分
布を計算し、前記研磨加工部では、前記第１、第２の移
動軸および回転移動軸に加えて上下方向と傾き２方向に
位置決め可能な３本の直動機構からなるＺチルティング
機構を前記第１、第２の移動軸および回転移動軸の上方
に有し、前記Ｚチルティング機構の下端に前記研磨ヘッ
ドを固定して有し、この運動機構を同時に同期的に移動
させることによって、研磨中は前記研磨ヘッドが前記被
加工物の法線方向を追従しながら前記被加工物表面をあ
らかじめ定められた走査速度分布に従って走査し、研磨
加工と形状測定を交互に繰り返すことを特徴とする。

【００１６】さらに、本発明の研磨装置は、ワークステ
ーションと、マイクロコンピュータと、両者で双方向伝
達を行う通信線とを有し、前記ワークステーションは、
あらかじめ定められた同期時間毎の各移動軸の目標位置
を前記マイクロコンピュータに送信し、前記マイクロコ
ンピュータは、受信した目標位置と各移動軸の現在位置
から偏差を計算し、前記同期時間でその偏差を解消する
ように各軸の移動速度と移動量を計算し、前記マイクロ
コンピュータのインターフェイスであるＩ／Ｏバスに
は、同期信号を発生する基準パルス発生器と、それと別
にパルス発生器と、そのパルス発生器の出力するパルス
を設定された分周比で分周する分周器と、その分周比を
格納するカスケードに接続された２段の分周比バッファ
と、前記分周器の出力パルス数を数え、目標出力パルス
数に達したときにゲートパルス信号を発生する出力パル
スカウンタと、その目標出力パルス数と符号ビットを格
納するカスケードに接続された２段の出力パルス数バッ
ファと、前記ゲートパルス信号によって前記分周器の出
力パルスを開閉するゲート回路と、前記同期信号によっ
て前記分周器バッファと出力パルス数バッファを同時に
それぞれ前記分周器、出力パルスカウンタに転送し、転
送終了と同時に次データ要求信号を発生し、分周器の出
力パルスと符号ビットから移動量を正転／逆転の方向を
持つ指令パルス列に変換してサーボモータの位置決め装
置に送信する電気回路を少なくとも２セット有し、全て
の前記分周比バッファと、前記出力パルス数バッファの
データを設定可能に前記マイクロコンピュータに接続
し、全ての前記次データ要求信号を前記マイクロコンピ
ュータで検出可能に接続し、前記次データ要求信号のう
ち最も遅いものを待って前記マイクロコンピュータは移
動速度から計算される分周比と移動量から計算される出
力パルス数をそれぞれ前記分周比バッファと前記出力パ
ルス数バッファにセットする。

【００１７】

【００１８】また、本発明の研磨装置は、計測ヘッド
は、計測用Ｚ軸アームに固定されるハウジングと真球の
先端を持つプローブと、そのプローブをハウジングに対
して上下方向に移動可能支持するガイドと、そのプロー
ブの自重をバランスさせるバネと、前記プローブと前記
ハウジングの相対距離を測定する変位センサからなり、
前記計測用Ｚ軸アームは、定盤に対して上下方向に移動
し、位置決め可能にガイド、位置測定手段、駆動手段、
位置決め制御手段を有し、前記計測用Ｚ軸アームの自重
を支えるように、定盤に対して固定された滑車に、両端
が前記計測用Ｚ軸アームとおもりに接続された吊りベル
トを有し、形状計測時、前記プローブと前記ハウジング
の相対距離を測定する変位センサの出力が一定になるよ
うに前記計測用Ｚ軸アームを駆動する制御手段を有す
る。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】本発明の研磨工具の定圧装置は、研磨工具
を前記被加工物に接触、加圧させる定圧手段である研磨
工具の定圧装置において、ケーシングの内部に取り付け
られ、研磨時の加圧力を発生させ、ボイスコイルモータ
である直進移動機構と、前記直進移動機構に一端が固定
され、変位センサにより変位が検出される荷重軸と、前
記荷重軸の荷重を検出する荷重センサとを有し、前記荷
重軸は、軸方向に往復移動自在に、かつ、軸まわりに回
転が拘束されて、前記ケーシングに取り付けられてお
り、前記荷重軸の下端部には、前記研磨工具を保持する
支持部に固定された略平行な２枚の板バネが荷重軸に対
して垂直にそれぞれ固定され、前記荷重軸の下端面が前
記各板バネの弾発力により前記荷重センサを常に押圧す
ることにより、前記荷重センサが前記荷重軸の下端面と
前記支持部の上面とにより挟持されていることを特徴と
する。

【００２３】本発明の研磨工具の定圧装置は、研磨工具
を保持手段に保持し、前記保持手段を前記直進移動機構
によって直進駆動し、前記直進移動機構による前記保持
手段への圧力を検出手段によって検出し、該検出手段に
よる検出信号を前記直進移動機構の制御信号とし、前記
変位センサにより検出された前記荷重軸の変位量を前記
ケーシングが取り付いている研磨アームの制御信号とす
る。

【００２４】

【００２５】

【００２６】また、本発明の研磨工具の定圧装置は、前
記荷重センサの温度を検出する温度センサを備え、前記
荷重センサの信号によって前記直進移動機構による加圧
力を調整する際に前記温度センサの信号に基づく加圧力
の補正を行う。

【００２７】

【００２８】

【作用】本発明の研磨装置は、非球面研磨を行う研磨加
工部に隣接して被加工物の非球面設計形状からの形状誤
差を計測する形状計測部を備え、被加工物をチャックす
る第１、第２の移動軸（テーブル）は、研磨加工部と形
状計測部を制御部の指令により往復自由に移動できるガ
イド上に設置されているので、最初に１度だけ被加工物
をワークチャック上にアライメントを行い、固定すれ
ば、テーブルを移動させるだけで研磨加工部と形状計測
部に移動できる。したがって、非球面加工、形状計測の
両作業を連続的に自動化して行えるので、被加工物の形
状が完成するまでの多数回の作業を無人で行うことが可
能となる。また、被加工物の置き換え作業が全く不要と
なるので、被加工物を傷つける、あるいは破損させる可
能性が減少する。

【００２９】研磨加工部の制御自由度を任意の自由曲面
に加工できるだけの軸数（６軸）としているので、曲率
半径の大きな（近似球面半径が小さい）自由曲面を加工
できる。このとき、これらの多自由度を同期的に制御し
て工具を常に工具のある位置の被加工物の法線方向に加
圧するので、研磨荷重を正確に制御できる。

【００３０】研磨ヘッドはつけ換え自由なので、被加工
面の形状ごとの合理的な研磨加工が可能となり、また、
ピッチ工具を用いて能率の高い研磨加工を行った後で、
特に、表面粗さの良好なＥＥＭ研磨ヘッドで仕上げの研
磨加工を行うことが可能である。

【００３１】形状計測部は、上下に移動可能なガイドに
支持された接触式の計測ヘッドを持っているので、最小
限の移動軸で大きな接触角度がある自由曲面であっても
プローブで形状を測定可能である。

【００３２】前記形状計測部は全体をカバーで覆われて
いるので、大気の攪乱を防止でき、高精度の形状計測が
可能となる。

【００３３】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００３４】図１は本発明の研磨装置の一実施例を示す
斜視図である。

【００３５】本実施例の研磨装置３０は、低熱膨張材製
の定盤３１に研磨加工部Ｐと形状計測部Ｍとを有し、形
状計測部Ｍで計測した被加工物３６の面形状データと設
計形状データとの差を除去形状とし、あらかじめ求めた
単位除去形状でこの除去形状をデコンボリューション
し、滞留時間を求め、後述する研磨加工の動作フローに
基づいて研磨加工を行うものである。そして、加工を終
えた被加工物３６を再び形状計測部Ｍへ送り、その表面
形状を計測し、面形状データを得、また加工部Ｐへ送る
というルーチンを繰り返し、設計形状まで加工、計測を
行ういわゆる修正研磨を行う。

【００３６】前記定盤３１は、耐震用ストッパ１１を備
え、空気バネの３点支持からなる除振システム１２上に
設置されている。前記定盤３１には、第１の移動軸であ
るＹテーブル３２が平行な２本のガイドレール３１ａ，
３１ｂに案内されて矢印Ｙ方向およびその逆方向に往復
移動自在に装着されている。２本のガイドレール３１
ａ，３１ｂの間には、各ガイドレール３１ａ，３１ｂと
平行にボールネジ３１ｃが回転自在に軸支されており、
該ボールネジ３１ｃはＹテーブル３２に設けられた不図
示のボールナットに螺合し、ボールネジ３１ｃの一端は
エンコーダ３１ｆを併設したモータ３１ｄの出力軸と接
続されている。これにより、ボールネジ３１ｃがモータ
３１ｄの駆動により正転、逆転することでＹテーブル３
２は矢印Ｙ方向およびその逆方向に往復移動する。また
２本のガイドレール３１ａ，３１ｂの間には各ガイドレ
ール３１ａ，３１ｂと平行にリニアスケール（不図示）
が設けられている。

【００３７】前記Ｙテーブル３２には、第２の移動軸で
あるＸテーブル３３がガイド３２ａに案内されて矢印Ｘ
方向（矢印Ｙ方向に対して垂直方向）およびその逆方向
に往復移動自在に装着されている。ガイド３２ａの内側
には矢印Ｘ方向と平行にボールネジ３３ｃが回転自在に
軸支されており、該ボールネジ３３ｃはＸテーブル３３
に設けられた不図示のボールナットに螺合し、ボールネ
ジ３３ｃの一端はエンコーダ３３ｆを併設したモータ３
３ｄの出力軸と接続されている。これにより、ボールネ
ジ３３ｃがモータ３３ｄの駆動により正転、逆転するこ
とでＸテーブル３３は矢印Ｘ方向およびその逆方向に往
復移動する。またガイド３２ａと平行にリニアスケール
（不図示）が設けられている。

【００３８】前記Ｘテーブル３３には、θテーブル３４
が不図示のエンコーダを併設したモータ（不図示）を介
して装着されており、該モータにより矢印θ方向および
その逆方向に正転、逆転される構成になっている。ま
た、該θテーブル３４には不図示のワークチャックとタ
ブ３５が固定され、被加工物３６は該ワークチャックに
装着され、かつタブ３５内に満たされる研磨液中に浸さ
れる。

【００３９】次に、本実施例の研磨装置３０の研磨加工
部Ｐの構成について説明する。

【００４０】前記被加工物３６の上方には、定盤３１に
設けられた３個のＬ字型の研磨フレーム３７ａ，３７
ｂ，３７ｃの各先端が位置しており、該先端にＺチルテ
ィング装置４０を装着するための取付板３８が固定され
ている。

【００４１】図２はＺチルティング装置４０を示す斜視
図である。

【００４２】正三角形の三角取付板４１の三つの角は前
記取付板３８（図１参照）にそれぞれ固定されている。
三角取付板４１には、各辺とそれぞれ平行に３個の軸４
５ａ，４５ｂ（他は不図示）が固着されており、各軸４
５ａ，４５ｂ（他は不図示）ごとにそれぞれブロック４
２ａ，４２ｂ，４２ｃが各軸４５ａ，４５ｂ（他は不図
示）まわりに回動自在に取り付けられている。ブロック
４２ａの２つの外側部には、ロ字状の研磨アーム４３ａ
の図示上下方向に対向する２つの内側部が公知のスライ
ド手段を介してそれぞれ取り付けられており、研磨アー
ム４３ａ（Ｚ１軸と呼ぶ）は、その２つの内側部がブロ
ック４２ａの２つの外側部にそれぞれ案内されて、ブロ
ック４２ａに対して往復移動（図示上下方向）自在とな
っている。他の２個の研磨アーム４３ｂ，４３ｃ（各々
をＺ２軸，Ｚ３軸と呼ぶ）も、他のブロック４２ｂ，４
３ｃに対してそれぞれ同一の構成となっている。

【００４３】各研磨アーム４３ａ，４３ｂ，４３ｃに
は、前記２つの内側部とそれぞれ平行にボールネジ４６
ａ，４６ｂ，４６ｃがそれぞれ回転自在に軸支されてお
り、各ボールネジ４６ａ，４６ｂ，４６ｃは、各ブロッ
ク４２ａ，４２ｂ，４２ｃをそれぞれ挿通し、各ブロッ
ク４２ａ，４２ｂ，４２ｃの内部に設けられたボールナ
ット（不図示）にそれぞれ螺合している。また、各ボー
ルネジ４６ａ，４６ｂ，４６ｃの図示上辺に取り付けら
れたモータ４４ａ，４４ｂ，４４ｃの出力軸にそれぞれ
接続されている。各研磨アーム４３ａ，４３ｂ，４３ｃ
の図示下辺はユニバーサルジョイント４７ａ，４７ｂ，
４７ｃを介して三角形の研磨ヘッド取付板４８の三つの
角にそれぞれ取り付けられている。

【００４４】前記各研磨アーム４３ａ，４３ｂ，４３ｃ
は、各ボールネジ４６ａ，４６ｂ，４６ｃが各モータ４
４ａ，４４ｂ，４４ｃの駆動によりそれぞれ正転、逆転
されることにより、各ブロック４２ａ，４２ｂ，４２ｃ
に対してそれぞれ往復移動（図示上下方向）する。例え
ば、各研磨アーム４３ａ，４３ｂ，４３ｃを同一の距離
だけ同方向にそれぞれ移動させることにより、研磨ヘッ
ド取付板４８を同じ姿勢に保ったまま前記距離だけ移動
させることができ、また、各研磨アーム４３ａ，４３
ｂ，４３ｃをそれぞれ異なる距離だけ移動させることに
より研磨ヘッド取付板４８をどの方向にも自在に傾斜さ
せることができる。これにより、Ｚチルティング装置４
０は、研磨ヘッド取付板４８に取り付けた研磨ヘッド５
０（図１参照）を、タブ３５に固定された被加工物３６
に対して、どの方向にも自在に傾斜（チルティング）さ
せることができ、かつ、自在に上昇、下降させることが
できる。研磨ヘッド５０は脱着が可能で、ローカルピッ
チ研磨用ヘッド（本実施例）やＥＥＭ研磨用ヘッドが用
途に応じ装着される。

【００４５】次に、前記研磨ヘッド５０について図３お
よび図４を参照して説明する。

【００４６】図３に示す研磨ヘッド５０は、定圧装置２
０および揺動装置５１からなっている。前記揺動装置５
１の本体５２は、その上部が前記研磨ヘッド取付板４８
の孔に嵌入されて、研磨ヘッド取付板４８の下面側にネ
ジなどの固着手段により取り付けられる。本体５２の上
部に固定された駆動モータ５３の出力軸５３ａは、図４
に示すように、本体５２に複数個の軸受を介して支持さ
れたクランク５４の一端部の穴に嵌入されて不図示のネ
ジによりクランク５４に固定されている。クランク５４
の図示左側には、カウンターマス５６が本体５２に設け
られた第１スライド軸５５に矢印Ｄ方向およびその逆方
向に摺動自在に取り付けられており、クランク５４とカ
ウンターマス５６とは第１ピン５８ａおよび第１コンロ
ッド５４ａにより連結されている。また、クランク５４
の図示右側には、定圧装置２０のケーシング２１がネジ
などの固着手段により取り付けられた揺動スライダ５７
が第２スライド軸５８に矢印Ｄ方向およびその逆方向に
摺動自在に取り付けられており、クランク５４と揺動ス
ライダ５７とは第２ピン５８ｂおよび第２コンロッド５
４ｂにより連結されている。

【００４７】前記駆動モータ５３の駆動によりクランク
５４が回転し、この回転運動が第１コンロッド５４ａを
介してカウンターマス５６に伝わり、カウンターマス５
６が矢印Ｄ方向およびその逆方向に往復移動する。ま
た、前記回転運動が同時に第２コンロッド５４ｂを介し
て揺動スライダ５７に伝わり、揺動スライダ５７が矢印
Ｄ方向およびその逆方向に往復移動する。前記各往復移
動のとき、カウンターマス５６および揺動スライダ５７
が互いに反対方向に移動するように構成されて、往復移
動による振動の発生を防止している。このようにして、
揺動装置５１は、揺動スライダ５７に取り付けられた定
圧装置２０を矢印Ｄ方向およびその逆方向に往復移動さ
せることにより、研磨工具保持装置１０に保持された脱
着可能の研磨工具１を矢印Ｄ方向およびその逆方向に揺
動（往復移動）させる構成となっている。

【００４８】研磨工具１は、被加工物３６の被加工面３
６ａに対して十分小さい外径の円柱状のもので、被加工
面と対向する面はアスファルトピッチなどの粘弾性体層
が形成されており、その下面が研磨面（以下、研磨面１
ａと称する）である。

【００４９】前記定圧装置２０について図５および図６
を参照して説明する。

【００５０】図５に示す定圧装置２０のケーシング２１
は、円筒状のものであり、内部に研磨時の加圧力を発生
させるボイスコイルモータ（ＶＣＭ）２２が取り付けら
れている。ＶＣＭ２２のヨーク２２ａはケーシング２１
の内周に嵌入されて該ケーシング２１に固定されてお
り、ＶＣＭ２２のボビン２２ｂには荷重軸２３の図示上
端部が固定されている。荷重軸２３は、ケーシング２１
に設けられた公知のボールスプライン２４を介して軸方
向（矢印Ｅ方向およびその逆方向）に往復移動自在に、
かつ、軸まわりに回転が拘束されて、ケーシング２１に
取り付けられている。荷重軸２３の図示下端部には、図
６に示すように、研磨工具保持装置１０の支持部３に複
数個のネジにより固定された２個の平行な板バネ２５
ａ，２５ｂがスペーサリング２５ｃ、２５ｄを挟んで、
荷重軸２３に対して垂直にそれぞれ固定されている。前
記荷重軸２３の図示下端面が各板バネ２５ａ，２５ｂの
弾発力により矢印Ｅ方向に荷重センサ２６を常に押圧す
ることにより、荷重センサ２６は荷重軸２３の図示下端
面と支持部３の図示上面とにより挟持されている。荷重
センサ２６には、該荷重センサ２６の温度を検出するた
めの温センサ２６ａが取り付けられている。

【００５１】前記ＶＣＭ２２により発生した加圧力は、
ボビン２２ｂから荷重軸２３に矢印Ｅ方向に加えられ、
荷重軸２３から荷重センサ２６を介して支持部３に加え
られる。このとき、前記荷重センサ２６が、荷重軸２３
から支持部３に加えられる加圧力の大きさを検出する構
成となっている。

【００５２】他方、ケーシング２１の内部の図示上端面
には、変位センサ２７が取り付けられており、該変位セ
ンサ２７がＶＣＭ２２のボビン２２ｂに固定された変位
センサ用リファレンス２７ａのケーシング２１に対する
変位量を検出することにより、荷重軸２３のケーシング
２１に対する軸方向の変位量を検出する構成となってい
る。

【００５３】ここで、前記加圧力の制御について図８を
参照して説明する。

【００５４】ＶＣＭ２２は、コントロールボックス２８
のアンプであるＡＭＰ２８ｃにより電流が与えられて、
荷重軸２３を介して支持部３に加えるべき加圧力を発生
する。荷重センサ２６により検出された加圧力は、荷重
信号として荷重センサ２６からバッファ２８ａを経てコ
ントローラ２８ｂに入力される。また、温度センサ２６
ａにより検出された荷重センサ２６の温度は、温度信号
として温度センサ２６ａからバッファ２８ａを経てコン
トローラ２８ｂに入力され、荷重センサ２６の温度によ
り誤差の補償に使用される。前記コントローラ２８ｂ
は、前記荷重信号および温度信号に基づいて演算を行
い、研磨時に現に支持部３に加えられている加圧力とあ
らかじめ設定された加圧力との差を算出し、この差をな
くすための制御信号をＡＭＰ２８ｃに入力し、ＡＭＰ２
８ｃが前記制御信号に基づいてＶＣＭ２２に電流を与え
てＶＣＭ２２により発生される加圧力が制御される。こ
のようにして、支持部３に加えられる加圧力がフィード
バック制御されて常に設定された加圧力に保たれる構成
となっている。

【００５５】また、前記変位センサ２７（図５参照）
は、荷重軸２３のケーシング２１に対する軸方向の変位
量を検出して、その検出信号を前記Ｚチルティング装置
４０を制御するコントローラに入力し、Ｚチルティング
装置４０が前記コントローラにより制御されて、荷重軸
２３の変位量が常に一定の範囲内に保たれ被加工面３１
ａの形状に倣い動作をさせるようにＺチルティング装置
４０が駆動される構成となっている。

【００５６】変位センサ２７について説明する。

【００５７】図３の距離Ｌは、研磨ヘッド取付板４８の
下面から研磨工具１が接触している被加工面３６ｂまで
の距離を示す。

【００５８】図１３に示して後述する上位コンピュータ
２０１は、被加工物３６の形状データより常に工具の加
圧方向と被加工面３６ｂの法線を一致させた法線追従研
磨を行うべくＸＹθテーブル３３，３２，３４およびＺ
チルティング装置４０の姿勢および位置を計算し、移動
させる。このとき、研磨ヘッド取付板４８の下面から研
磨工具１が接触している被加工面３６ｂの法線方向の距
離Ｌが姿勢および位置を計算するために必要となるが、
距離Ｌは２つの不確定要素を持ち、定数とはならない。

【００５９】１つ目の不確定要素は、図５で示す距離Ｄ
であり、これは変位センサ２７から変位センサ用リファ
レンス２７ａまでの距離で、ボールスプライン２４が可
動することにより、距離Ｄは０からボールスプラインの
可動範囲Ｄｍａｘまで変化する。

【００６０】２つ目の不確定要素は、研磨工具１の加圧
方向の厚さＷで、これは研磨時に被加工面３６ｂとの接
触によってつぶれて初期値より薄くなる。

【００６１】そこで、研磨時の法線追従動作において研
磨動作開始時には距離Ｌの不確定要素である距離ＤをＤ
＝Ｄｍａｘ／２と設定し、また、研磨工具１の厚みＷは
設計値であるとして距離Ｌを決定する。研磨が開始さ
れ、同期駆動によりＸＹθテーブル３３，３２，３４お
よびＺチルティング装置４０を駆動し、研磨が開始され
ると、研磨工具１がつぶれて厚さＷが変化するが、定圧
装置２０は加工圧を制御しているので、研磨工具１が被
加工面３６ｂから離れない。よって、研磨ヘッド取付板
４８の位置が変化しなければ、厚さＷが変化した量と同
じだけ距離Ｄが変化する。

【００６２】図１３に示して後述する上位コンピュータ
２０１は、図５の変位センサ２７で距離Ｄを検知し、距
離ＤがＤ＝Ｄｍａｘ／２の一定値となるように、ＸＹθ
テーブル３３，３２，３４およびＺチルティング装置４
０を駆動して距離Ｌを補正し、研磨の倣い動作を行う。

【００６３】補正動作を行うことで、装置の誤差（揺動
スライダ５７のガタ、ケーシング２１の揺動スライダ５
７への組み付け誤差、揺動装置本体５２の研磨ヘッド取
付板４８への組み付け誤差）も補正される。

【００６４】次に、図１に示す研磨装置３０の研磨加工
部Ｐの動作について説明する。

【００６５】例えば、非球面形状の被加工面を有する被
加工物３６を研磨する場合には、まず、Ｘテーブル３３
およびＹテーブル３２がそれぞれ移動されて被加工物３
６の被加工面３６ａがＺチルティング装置４０に装着さ
れた研磨ヘッド５０の下方に移動し、停止する。次い
で、Ｚチルティング装置４０駆動されて研磨ヘッド５０
が下降し、研磨工具１（図３参照）の研磨面１ａが研磨
液中に浸された被加工物３６の被加工面３６ａに接触す
る。さらに、Ｘテーブル３３およびＹテーブル３２を移
動させると同時に、揺動装置５１により工具１を矢印Ｄ
方向およびその逆方向に揺動させる。このとき、定圧装
置２０により任意の加圧力が加わり、工具１の研磨面１
ａと被加工物３６の被加工面３６ａとが摺擦して研磨が
行われる。また、前記研磨加工時にはＺチルティング装
置４０が該被加工物３６の被加工面３６ａの形状に合わ
せてあらかじめ作成された後述の研磨加工フローに基づ
いて駆動され、定圧装置２０の加圧軸２３が常に被加工
面３６ａの法線方向と一致するように保たれる。

【００６６】次に、本実施例の研磨装置３０の形状計測
部Ｍの構成について図１を参照して説明する。

【００６７】前記被加工物３６の上方には、定盤３１に
設けられた３個の計測フレーム６０ａ，６０ｂ，６０ｃ
の各先端が位置しており、各先端に計測用Ｚアーム７０
（ＭＺ軸と呼ぶ）を装着するためのＺアーム取付板６０
が固定されている。各計測フレーム６０ａ，６０ｂ，６
０ｃは低熱膨張材製である。

【００６８】前記形状計測部Ｍの定盤３１上の部分に
は、樹脂製の板でカバーリング１００を施し（図７参
照）、被加工物の形状計測を行っている最中は外部と遮
断する構成としている。なお、図７に示すシャッター１
００ａは、脱着可能とし、Ｘテーブル３３、Ｙテーブル
３２およびθテーブル３４が研磨加工部Ｐと形状計測部
Ｍとを行き来できるようにする。

【００６９】図１に示す計測用Ｚアーム７０について図
９を参照して説明する。

【００７０】ベース７５は前記Ｚアーム取付板６０（図
１参照）に固定されている。エアベアリング７２はハウ
ジング７２ｂが該ベース７５に固定され、該ハウジング
７２ｂ内には複数の多孔質のエアパッド７２ｃが配設さ
れ、垂直軸部材であるセラミックス製のスライドバー７
２ａのｘｙ方向を非接触に支持する。前記スライドバー
７２ａの下方には計測ヘッド８０が装着され、また、他
端はブロック７３が固設されている。該ブロック７３に
はリニアモータ７４の２つのリニアモータコイル７４ａ
および７４ｈを装着するためのコイル取付ブロック７４
ｅおよび７４ｆが固定され、さらにスチールベルト７７
が装着されている。前記リニアモータコイル７４ａおよ
び７４ｈの中央空間部には互いに平行なマグネット７４
ｂ，７４ｇが非接触に貫通し、取付治具７４ｃおよび７
４ｄによりベース７５に固定され、該計測ヘッド８０お
よびスライドバー７２ａは矢印Ａ方向に往復自在であ
る。

【００７１】図１０において、前記スチールベルト７７
は、Ｚアーム取付板６０上の治具６０ｄ，６０ｅ上に設
けられた滑車７８ａ，７８ｂに支持され、一端をブロッ
ク７３に他端をバランシングウェイト７９に固定されて
いる。バランシングウェイト７９の質量は、計測ヘッド
８０、スライドバー７２ａ、ブロック７３とリニアモー
タ７４の質量の総和と等しく、リニアモータ７４で発生
する力を最小限にする。

【００７２】図１１を参照して図１０に示す計測ヘッド
８０を説明する。

【００７３】スライドバー７２ａに固定されたプレート
８１は、ベースプレート８２と連結バー８８ａ，８８
ｂ，８８ｃ（不図示）、８８ｄ（不図示）によりビス止
めされている。これらは低熱膨張材製である。十字状も
しくは円板状の２枚の板バネ８４ａ，８４ｂが外端をバ
ネホルダー８５に、バネホルダー８５はプローブハウジ
ング８３に各々固定され、さらに、プローブハウジング
８３はベースプレート８２に固設されている。バネ８４
ａ，８４ｂの中央部にはプローブ８７が固定され、先端
にプローブ球８６を持っている。プローブハウジング８
３、バネホルダー８５、プローブ８７はそれぞれ低熱膨
張材製、プローブ球８６は被加工物３６の被加工面３６
ａに傷を生じず、かつ耐摩耗性に優れた材料、例えばタ
ングステンカーバイドで構成される。

【００７４】図１２を参照して計測用Ｚアームの測長シ
ステムを説明する。

【００７５】この測長システムは、４個のレーザー測長
系、すなわち、計測ヘッド８０のＺ方向変位を測定する
レーザー測長系であるＺ方向測長系９１と、プローブ８
７の変位、計測ヘッドのＸ方向変位、Ｙ方向変位をそれ
ぞれ測定する３個のレーザー測長系（不図示）とからな
る。例えば、Ｚ方向測長系９１では、ベースプレート８
２上に固定された参照ミラー９１ｃの変位を計測し、計
測ヘッド８０のＺ方向変位とする。

【００７６】次に、本実施例の研磨装置３０の形状計測
部Ｍにおける計測時の動作について説明する。

【００７７】まず、Ｘテーブル３３、Ｙテーブル３２、
θテーブル３４を駆動して形状計測部Ｍ内のプローブ８
７の下方に被加工物３６を移動させ、シャッター１００
ａを閉じ、形状計測部Ｍを外部と遮断する。次に、リニ
アモータ７４を駆動し、計測用Ｚアーム７０をＺ下方に
おろしてプローブ球８６を被加工物３６に接触させる。
さらに、押し込み平行板バネ８４ａ，８４ｂにより印加
される任意の押し付け力に到達させる。この押付力を一
定に保つ、すなわちプローブ８７の変位（Ｌ０）を一定
にするようにリニアモータ７４の出力を制御する。加え
て、被加工物３６を走査するように、あらかじめ作成さ
れた後述する形状計測フローに基づいてＸテーブル３
３、Ｙテーブル３２を駆動する。このようにプローブ８
７を一定の押し付け力で被加工物に接触させながら、
Ｘ，Ｙテーブルを駆動して得られる被加工物３６の必要
なエリアに関してのＸテーブル３３およびＹテーブル３
２のｘｙ座標データおよび前記要領で測定した計測用Ｚ
アーム７０のｚ座標データを被加工物の面形状データに
変換して上位コンピュータ２００に登録し、次段の研磨
加工時に使用する。

【００７８】図１３を参照してＸテーブル３３、Ｙテー
ブル３２、θテーブル３４（以下、これら３個のテーブ
ルをまとめてＸＹθテーブルと称する）、Ｚチルティン
グ装置４０（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）および計測用Ｚアーム
７０（以下、ＭＺと称する）のＮＣ動作を行うための制
御システムの構成を説明する。

【００７９】上位コンピュータ２００は、通信回線（Ｇ
Ｐ１Ｂ）２０３とＩ／Ｏインターフェイス２０４ａを介
して下位コンピュータ２０１に接続されており、被加工
物３６（ワーク）の形状データの管理およびＮＣ動作用
の目標位置データの計算を後述するデータフローによっ
て算出する。下位コンピュータ２０１は、Ｉ／Ｏバス２
０２を介して各駆動軸（Ｘ，Ｙ，θ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ
３，ＭＺ）の位置制御装置２０７ａ，２０７ｂ，２０７
ｃ，２０７ｄ，２０７ｅ，２０７ｆ，２０７ｇに移動指
令パルス列を出力するための装置であるパルス出力器２
０６ａ，２０６ｂ，２０６ｃ，２０６ｄ，２０６ｅ，２
０６ｆ，２０６ｇに基準クロックと同期信号を供給し、
各パルス出力器２０６ａ〜２０６ｇの同期を行うタイマ
ー２０５を備えている。各パルス出力器２０６ａ〜２０
６ｇは、それぞれ各駆動軸の位置制御装置２０７ａ〜２
０７ｇと接続されており、各駆動軸の位置制御装置２０
７ａ〜２０７ｇに移動指令パルス列で移動量を指令す
る。タイマー２０５は、各パルス出力器２０６ａ〜２０
６ｇに基準クロックおよび任意の時間△Ｔの同期を行う
ための（例えば２０ｍｓｅｃ毎に出力される）同期信号
を供給する。

【００８０】Ｘ軸およびＹ軸の位置制御装置２０７ａ，
２０７ｂは、それぞれのテーブル送り系のボールネジと
駆動用のエンコーダ内蔵型モータを持つ。各位置制御装
置２０７ａ，２０７ｂは、内蔵型のエンコーダで検出し
たボールネジの回転角度をフィードバックすることでテ
ーブル位置を制御する。また、Ｘ軸，Ｙ軸は、それぞれ
リニアスケールをテーブルのガイドに平行な位置に有し
ており、駆動モータ内蔵型のエンコーダでは検出できな
いボールネジや減速機のガタやボールネジの形状誤差の
影響を受けずに正確にテーブル位置を検出できる。リニ
アスケールの検出量は、Ｉ／Ｏインターフェイス２０４
を介して下位コンピュータ２０１で読み取る。θ軸の位
置制御装置２０７ｃは、θ軸に高精度の回転型エンコー
ダとモータを回転軸に直接取り付けたダイレクトドライ
ブの構成で回転角度を検出し、回転角を制御する。

【００８１】Ｚチルティング装置４０の位置制御装置２
０７ｄ，２０７ｅ，２０７ｆは、Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３軸の
それぞれを駆動するボールネジにエンコーダ内蔵のモー
タを取り付けている。各位置制御装置２０７ｄ，２０７
ｅ，２０７ｆは、ボールネジの回転量をエンコーダで検
出し、送り量を制御する。また、それぞれの軸にリニア
スケールを設け、送り量をＩ／Ｏインターフェイス２０
４を介して下位コンピュータ２０１で読み取る。

【００８２】計測用Ｚアーム（ＭＺ軸）の位置制御装置
２０７ｇは、第１および第２の制御からなる２方式の制
御形態を持ち、下位コンピュータ２０１からの指令で制
御方式を切り替えることができる。第１の制御は、アー
ムの上下動を検出するレーザー測長器でアームの位置を
検出しアームの位置制御を行う位置制御であり、第２の
制御は、計測ヘッドの接触圧を検出するレーザー測長器
の検出量（図１２に示すＬ０）を用いて計測ヘッド８０
の接触圧の制御を行う接触圧制御である。第１の位置制
御時には指令パルス列によってアームを移動する。第２
の接触圧制御時には下位コンピュータ２０１から接触圧
を指令され、その指令に従って制御を行う。

【００８３】次に、図１４を参照してパルス出力器２０
６ａ〜２０６ｇの構成を説明する。

【００８４】パルス出力器２０６ａ〜２０６ｇは、下位
コンピュータ２０１よりＩ／Ｏバス２０２を介して設定
できる第１の出力パルス周波数設定バッファ２０８と第
１の出力パルス数設定バッファ２０９とを持つ。第１の
出力パルス周波数設定バッファ２０８は、第２の出力パ
ルス周波数設定バッファ３００と接続されており、出力
パルス周波数を瞬時に第２の出力パルス周波数設定バッ
ファ２３００に転送できる構成を持つ。第１の出力パル
ス数設定バッファ２０９は、第２の出力パルス数設定バ
ッファ３０１と接続されており、出力パルス数を瞬時に
第２の出力パルス数設定バッファ３０１に転送できる。
また、第１、第２の出力パルス数設定バッファ２０９，
３０１は、それぞれ１ビットの方向データを示す出力方
向信号を出力する出力端を持つ。

【００８５】第２の出力パルス周波数設定バッファ３０
０はパルスの分周器３０２と接続され、分周器３０２は
の第２の出力パルス周波数設定バッファ３００データに
従ってパルスを分周する。分周器３０２は、出力パルス
周波数に従って基準クロック３０５のパルスを出力パル
スレート［Ｈｚ］＝（基準クロック周波数×出力パルス
周波数）／６５５３６で示す出力パルス３０６に変換す
る。

【００８６】第２の出力パルス数設定バッファ３０１は
出力パルスカウンタ３０３に接続されている。第２の出
力パルス数設定バッファ３０１の出力方向信号３０９の
出力端は、その信号により出力パルス（アップパルスま
たはダウンパルス）を変更する切り替えスイッチ３１０
に接続され、パルス出力器２０６ａ〜２０６ｇより出力
される指令パルス列の移動方向を変更できる。出力パル
スカウンタ３０３は、分周器３０２とも接続され、分周
器３０２より送られる出力パルス３０６でカウントし、
そのパルス数が第２の出力パルス数設定バッファ３０１
に設定された出力パルス数と同数になった時点でパルス
出力終了信号３０７を出力する。パルス出力終了信号３
０７は分周器３０２に送られ、分周器３０２はパルス出
力終了信号３０７でパルス出力を停止する。

【００８７】各パルス出力器２０６ａ〜２０６ｇは、タ
イマー２０５より基準クロック３０５と同期信号３０４
を供給される。同期信号３０５は同期時間ΔＴ毎に各パ
ルス出力器２０６ａ〜２０６ｇに供給される。同期信号
３０４は第１の出力パルス周波数設定バッファ２０８お
よび第１の出力パルス数設定バッファ２０９に送られ
る。第１の出力パルス周波数設定バッファ２０８および
第１の出力パルス数設定バッファ２０９は、この同期信
号３０４で、それぞれ出力パルス周波数および出力パル
ス数を第２の出力パルス周波数設定バッファ３００およ
び第２の出力パルス数設定バッファ３０１）へ瞬時に転
送する。同期信号３０４は、分周器３０２にも供給さ
れ、分周器３０２はこの同期信号でパルス出力終了信号
３０７によって停止されていたパルス出力を第２の出力
パルス周波数設定バッファ３００に新たに設定されたデ
ータに従って出力を開始する。第１の出力パルス周波数
設定バッファ２０８は、同期信号３０４により第２の出
力パルス周波数設定バッファ３００にデータを転送した
後、次データ要求信号３０８を下位コンピュータ２０１
にＩ／Ｏバス２０２を介して出力する。

【００８８】下位コンピュータ２０１は、各パルス出力
器２０６ａ〜２０６ｇの次データ要求信号３０８をモニ
タして、この次データ要求信号３０８で次の出力パルス
周波数およびパルス数のデータを、それぞれ第１の出力
パルス周波数設定バッファ２０８と第１の出力パルス数
設定バッファ３００に設定する。この出力パルス周波数
および出力パルス数は、タイマー２０５が出力する同期
信号ΔＴ間で均等な間隔で出力パルスが出力されるよう
に計算されたデータを設定している。

【００８９】次に、ＮＣ同期駆動の方法を説明する。

【００９０】上位コンピュータ２００は、ＮＣ駆動する
軌道データから同期時間ΔＴ毎のＸ，Ｙ，θ，Ｚ１，Ｚ
２，Ｚ３，ＭＺ軸の各軸の目標位置に計算し、通信回線
（ＧＰＩＢ）を利用して下位コンピュータ２０１にデー
タをリアルタイムで転送する。下位コンピュータ２０１
は、各駆動軸の現在位置をＩ／Ｏインターフェイス２０
４ｂ，２０４ｃで読み、転送された目標位置と比較し
て、今回の移動量を計算する。Ｘ，Ｙ，θ，Ｚ１，Ｚ
２，Ｚ３軸は、ボールネジの回転角度を制御し、移動す
るが、下位コンピュータ２０１は、リニアスケールによ
り現在位置を読み込むことによって、ボールネジのガ
タ、形状誤差による送りの誤差補正を行ったうえで各駆
動軸の検出機器（Ｘ，Ｙ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３、θはモー
タに直結した回転型エンコーダ、ＭＺはレーザ測長器）
の分解能から同期時間ΔＴの移動指令パルス数および出
力パルス周波数を算出する。下位コンピュータ２０１
は、移動指令パルス数および出力パルス周波数をＩ／Ｏ
バス２０２を介して各駆動軸のパルス出力器に設定し、
指令パルスの出力を指令する。また、タイマー２０５に
同期時間ΔＴを設定し、同期信号３０４を各パルス出力
器２０６ａ〜２０６ｇに供給するように設定する。各駆
動軸のパルス出力器２０６ａ〜２０６ｇは、設定された
出力パルス数および出力パルス周波数に従って移動指令
パルスを位置制御装置２０７ａ〜２０７ｇに指令する。
この同期時間ΔＴ間は、各駆動軸は直線に移動する。

【００９１】図１５は本実施例による研磨装置の動作フ
ローを示す。

【００９２】まず、被加工物３６（以下、ワークと称す
る）をワークチャックにセットし、固定する（ステップ
Ｓ０）。ワーク形状によって適当に定めた測定走査パタ
ーン（データＤ１）、例えば図１６に示すように、計測
開始ポイント３１１から開始して、計測範囲３１２内の
つづれ織り状の軌跡である走査ライン３１３を用い、後
でさらに詳しくフローを示す形状測定を行う（ステップ
Ｓ１）。その結果得られたワーク形状データ（データＤ
４）から、あらかじめ求めておいた再現する誤差、すな
わちシステム誤差（データＤ２）を差し引き（ステップ
Ｓ２）、ワークの設計形状（データＤ３）をこれに当て
はめ（カーブフィット）、設計形状からの差、つまり誤
差形状（データＤ５）を求める（ステップＳ３）。

【００９３】次に、この誤差形状が目標精度に達してい
るかどうかを判定し（ステップＳ４）、すでに目標精度
に達している場合には終了し、ワークを取り外す（ステ
ップＳ７）。まだ達していない場合には単位除去形状
（データＤ６）と誤差形状から滞留時間分布を求める計
算操作であるデコンボリューション計算操作（ステップ
Ｓ５）を行い、滞留時間分布（データＤ８）を得る（こ
のデコンボリューション計算操作は例えば１９９０年精
密工学会秋期講演論文集６４５頁参照）。この滞留時間
分布と研磨走査パターン（データＤ７）と設計形状（デ
ータＤ３）から後でさらに詳しくフローを示すＮＣ研磨
動作を行う（ステップＳ６）。その後、再びステップ１
の形状測定に戻る。

【００９４】図１７に形状測定（ステップＳ１）の詳し
い動作フローを示す。

【００９５】図中、Ｂ１は上位コンピュータ２００の動
作フロー、Ｂ２は下位コンピュータ２０１の動作フロー
である。まず、測定準備としてＹテーブル３２を計測部
Ｍに移動させ、最初の測定位置において、ワークにプロ
ーブ８７が接触するまでＺアームを下げる（ステップＳ
８）。次に、前述した方法でＺアームを位置制御から力
制御に切り替え、プローブ８７の押し付け力を一定値に
コントロールする（ステップＳ９）。測定走査速度（デ
ータＤ０）と、例えばつづれ織り等の測定走査パターン
（データＤ９）を用いて同期時間ΔＴ後の走査位置を計
算する（ステップＳ１０）。測定終了かどうかを判定し
（ステップＳ１１）、終了ならばワークからプローブ８
７を離し（ステップＳ１２）、終了する。そうでなけれ
ばＸＹ軸の目標位置を計算し（ステップＳ１３）、目標
測定位置に達したかどうかを判定する（ステップＳ１
５）。目標測定位置である場合にはプローブ８７のＸＹ
Ｚ座標を読み込み、メモリーに格納する（ステップＳ１
４）。次に下位コンピュータ２０１へＸＹ軸の目標位置
に送信する（ステップＳ１６）。下位コンピュータ２０
１は前述した方法でＸＹ軸を同期制御し（ステップＳ１
７）、再びステップ１０に戻る。

【００９６】図１８にステップＳ６のＮＣ研磨動作に関
する動作フローを示す。

【００９７】まず、研磨準備としてＹテーブル３２を研
磨加工部Ｐに移動させ、最初の研磨位置において、チル
ティング装置４０を下降させて研磨ヘッド５０をワーク
に接触させる。次に現在位置から滞留時間分布（データ
Ｄ８）を用いて走査速度を決定する（ステップＳ１
９）。次にその走査速度と走査パターン（データＤ７）
から同期時間ΔＴ後の走査位置を計算する（ステップＳ
２０）。次に走査が終了したか判定し（ステップＳ２
１）、終了していない場合には設計形状（データＤ３）
から研磨位置、姿勢を計算し（ステップＳ２２）、工具
位置、すなわち前述したセンサ２７の出力値Ｄの距離だ
けワーク法線方向の位置を補正し（ステップ２３）、
Ｘ，Ｙ，θ，Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３の６軸の目標位置を計算
し（ステップＳ２４）、下位コンピュータ２０１にその
目標位置を送信する（ステップＳ２５）。下位コンピュ
ータ２０１は送信された６軸の目標位置に従って前述し
た方法により、６軸を同期的に移動させ（ステップＳ２
６）、工具位置、すなわちセンサ２７の出力値Ｄを上位
コンピュータに送信する（ステップ１８）。

【００９８】次に、本実施例の研磨装置３０を用いて研
磨加工および形状計測を行って光学素子を製作した一例
を示す。

【００９９】ワークとして、平面に対して形状誤差を持
つ直径２００ｍｍの合成石英ガラスを、本実施例の研磨
装置で修正研磨した。そのときの手順を述べる。

【０１００】まず、ワークをθテーブル３４上のタブ３
５内のワークチャックに取り付ける。このワークチャッ
クはワーク底面を真空吸引してワークを固定する。次
に、Ｙ軸に沿ってＸＹθテーブルを形状計測部Ｍに移動
し、ＸＹθテーブルを形状計測系の原点位置で止める。
また、θテーブル３４はその回転の原点で固定される。
次にワークの加工すべき面（以下、被加工面と称する）
の形状を図１８に示した動作フローに従って計測する。
計測は各パラメータを入力し、計測開始指令を入力する
ことで開始する。このとき、入力するパラメータとして
は、計測開始位置、終了位置、形状計測領域、計測デー
タ取込間隔、触針の走査速度、針圧等からなる測定走査
パターン（図１５中のデータＤ１）、および、被加工面
設計形状等である。

【０１０１】図１９は、被加工面を本実施例の形状計測
部Ｍで実際に形状計測した結果を示す。

【０１０２】本実施例では被加工面の設計形状が平面で
あるので、図１９に示す起伏は現在の被加工面の理想平
面からの変位すなわち誤差形状（図１５中のデータＤ
５）を示す。最大０．９８μｍの起伏があることがわか
る。

【０１０３】次に、前述したデコンボリューション（図
１５中のステップＳ５）すなわち修正研磨加工時に工具
を制御するための演算を行う。まず、図１９に示す被加
工面の誤差形状（図１５中のデータＤ５）を上位コンピ
ュータ２００の演算領域に読み込む。また、修正研磨で
用いる研磨工具の単位時間あたりの研磨除去形状（単位
除去形状）（図１５中データＤ６）を上位コンピュータ
２００の演算領域に読み込む。

【０１０４】なお、この単位除去形状は、事前に被加工
面と同様な材質形状を持つテストピース上で、実際の修
正研磨で用いるのと同一の工具、研磨条件で既知の時間
一定の位置で研磨を行い、得られた研磨窪みを形状計測
し、それを単位時間あたりに換算することによって得ら
れる。このとき、例えば、既知の時間を６００秒とし、
単位時間と１秒とすれば，６００秒の一定の位置の研磨
で得られた研磨窪みの深さを１／６００倍すればよい。
また、これら２つのデータ群は、ポイント当たり（ｘ，
ｙ，ｚ）の三次元データで構成されている。ｘ，ｙにつ
いては等間隔のメッシュ状であり、ｚが誤差データ、ま
たは単位除去形状の形状を表わす。上位コンピュータ２
００の演算領域に読み込まれたこれら２つのデータ群を
用いて被加工面上での工具の滞留時間分布をデコンボリ
ューション演算する。

【０１０５】この演算で得られた工具の滞留時間分布
（図１５中データＤ８）とは、被加工面の修正研磨領域
で誤差形状を研磨除去するために必要な、各ポイントで
の工具の研磨時間を２次元的に表示したものである。す
なわち、これらの総和は被加工面の１回の修正研磨にか
かる総研磨時間を表わす。

【０１０６】図２０は本実施例で用いた工具の単位除去
形状、そして図２１はデコンボリューションによって得
られた滞留時間分布を示す。この滞留時間分布は上位コ
ンピュータ２００の記憶装置に保存される。

【０１０７】次に、ＸＹθテーブルを研磨加工部Ｐに移
動して、研磨加工部Ｐの原点で止める。

【０１０８】研磨加工部ＰのＺチルトアームには１軸揺
動式の研磨ヘッド５０が取り付けてあり、研磨ヘッド５
０先端の工具保持部には直径２０ｍｍのピッチ工具が固
定されている。上位コンピュータ２００の指令により、
研磨ヘッド５０は指定された周波数で揺動する。本実施
例では揺動ストローク１０ｍｍ、揺動周波数８Ｈｚであ
る。これは、誤差形状の空間周波数分布で、低周波数か
ら中間周波数領域の誤差（形状誤差、リップル）を除去
するのに好適な条件である。また、本実施例の研磨装置
外に設けられた研磨液供給装置（不図示）は、上位コン
ピュータ２００の指令によりθテーブル３４上のタブ３
５内に研磨液を供給し、被加工面上を研磨液で覆い、研
磨が行える状態にする。

【０１０９】上位コンピュータ２００に修正研磨準備に
指令を入力すると、上位コンピュータ２００は被加工面
形状に関するデータと滞留時間分布を演算領域に読み込
む。ここで、上位コンピュータ２００に研磨加工開始位
置、工具の走査パターン、走査回数、滞留時間分布から
得られた総研磨時間の何％を実際に行うかを入力する。
本実施例では、工具の走査パターンはつづれ織り状走査
（図１６に例を示した）であり、走査回数は４回、総研
磨時間の２５％を実際に行うこととした。

【０１１０】上位コンピュータ２００に修正研磨開始を
指令すると、前述のとおり、Ｘテーブル３３、Ｙテーブ
ル３２がそれぞれ移動し、被加工面の研磨開始位置にＺ
チルトアーム先端の工具が位置するようにして停止す
る。その後、Ｚチルトアームが下降し、研磨ヘッド５０
内の研磨工具の上下位置センサの信号が所定の値となっ
たところでＺチルトアームの下降を停止する。すなわ
ち、工具が被加工面に接触し、研磨ヘッド５０内での工
具の相対位置が上昇したことを検知して、Ｚチルトアー
ムの下降を停止する。その後、研磨ヘッド５０内の定圧
装置２０に所定の研磨荷重を発生させる指令が送られ、
ピッチ工具は被研磨面の修研磨開始位置に所定の研磨荷
重で圧接させられる。本実施例では研磨荷重は１３．２
ＫＰａである。

【０１１１】上位コンピュータ２００は、所定の荷重に
工具を加圧したことを確認した後、研磨ヘッド５０の揺
動を始め、修正研磨が開始される。研磨工具の走査は
ｘ，ｙ軸で行われるのは前述のとおりである。上位コン
ピュータ２００では滞留時間分布のデータと、そのデー
タの各ポイントのｘ，ｙの間隔から、工具の走査速度を
計算する。すなわち、ｘ，ｙのデータが１ｍｍ間隔であ
り、任意の位置（ｘ1 ，ｙ1 ）での滞留時間が４０ｓｅ
ｃであり、その２５％を実際に加工し、走査回数が４回
であるとすると、この位置（ｘ1 ，ｙ1）の前後０．５
ｍｍの走査速度Ｖ（ｘ1 ，ｙ1 ）は、 Ｖ（ｘ1 ，ｙ1 ）＝１／｛（４０×０．２５）／４｝＝
０．４（ｍｍ／ｓｅｃ） となる。

【０１１２】このような演算を行いながら、前述したよ
うに上位コンピュータ２００は同期時間△Ｔごとの各軸
の目標座標を求め、それを下位コンピュータ２０１に転
送し、下位コンピュータ２０１が各軸を制御すること
で、修正研磨は進行する。

【０１１３】第１回の修正研磨が終了した時点で、研磨
ヘッド５０は上方に隔離され、研磨液はタブ３５から抜
かれ、ワークを乾燥させる。その後、ｘｙθテーブルを
形状計測部Ｍに移動させ、第２回の形状計測を行う。こ
の形状計測と修正研磨の交互の繰り返しは、ワークの形
状が設計形状に体する公差内に入ったかどうかの判断に
より終了もしくは継続となる。

【０１１４】本加工の実施例ではこの操作を７回繰り返
し、目標精度の平面度０．１μｍ以下に加工できた。こ
の間、形状計測は１００×１００ｍｍの区間を１ｍｍピ
ッチに形状計測し、研磨加工は１２８×１２８ｍｍの区
間を１ｍｍピッチのラスター走査で行った。

【０１１５】図２２はこの間の途中経過４回加工後の形
状を、図２３は加工完了時（７回加工後）の形状を本実
施例の形状計測部Ｍで測定した結果をそれぞれ示す。

【０１１６】なお、最後の第７回加工は、工具の揺動周
波数を４Ｈｚにし、研磨荷重を８．８ｋＰａとして誤差
形状の周波数のうち高い周波数成分を選択的に修正し
た。

【０１１７】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、研磨加工
部と形状計測部に共通した移動手段を持つことで、研磨
加工部で加工した被加工物に人手が介在することなく形
状計測部で被加工物の面形状が測定でき、手間を省き、
アライメント誤差等を取り除くことができる。

【０１１８】研磨加工部では、Ｚチルティング装置を装
着し、かつｘテーブル、ｙテーブルおよびθテーブルと
の６軸の同期制御を行うので、対応できる被加工物の面
形状の自由度が大きい。また、６軸同期制御方式におい
て出力パルス周波数設定バッファおよびパルス数設定バ
ッファにそれぞれ２つのバッファを持ち、１つを次デー
タのホールド用にすることで間断なくデータを転送し、
各軸を駆動することができる。

【０１１９】また、研磨ヘッドを脱着可能としたので、
ローカルピッチ研磨法やＥＥＭ研磨法による加工を適応
でき、各方法の長所を活かした加工が可能である。

【０１２０】さらに、研磨工具を脱着可能としたので、
形状誤差の空間周波数領域にあった工具を選択できる。

【０１２１】形状計測部では計測用Ｚアームを有し、そ
の触針式の計測ヘッドの変位をレーザー測長系で測定す
るので、最小限の自由度構成で任意形状の自由曲面を計
測できる。

【０１２２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の研磨装置の一実施例を示す斜視図であ
る。

【図２】本実施例のＺチルティング装置の斜視図であ
る。

【図３】本実施例の研磨ヘッドの要部断面図である。

【図４】図３に示す研磨ヘッドの要部斜視図である。

【図５】本実施例の定圧装置の要部断面図である。

【図６】図５に示す定圧装置の要部組立図である。

【図７】同実施例のカバーリングの斜視図である。

【図８】同実施例の定圧装置の加圧力の制御ブロック図
である。

【図９】同実施例の計測用Ｚアームの模式図である。

【図１０】同実施例の計測用Ｚアームの側面図である。

【図１１】同実施例の計測ヘッドの模式図である。

【図１２】同実施例の計測ヘッドの測長系の模式図であ
る。

【図１３】同実施例のパルス出力器の構成図である。

【図１４】本研磨装置のＮＣ動作の制御ブロック図であ
る。

【図１５】本研磨装置の動作フロー図である。

【図１６】同実施例の計測ヘッドの走査軌跡の一例であ
る。

【図１７】同実施例の研磨加工の動作フローチャートで
ある。

【図１８】同実施例の形状計測の動作フローチャートで
ある。

【図１９】本実施例を用いて製作した光学素子の一例の
被加工面を示す図である。

【図２０】図１９に示す光学素子を研磨するために本実
施例で用いた工具の単位除去形状を示す図である。

【図２１】図１９に示す光学素子を研磨するためにデコ
ンボリューションによって得られた滞留時間分布を示す
図である。

【図２２】図１９に示す光学素子の途中経過４回加工後
の形状を示す図である。

【図２３】図１９に示す光学素子の加工完了時（７回加
工後）の形状を示す図である。

【図２４】研磨装置の従来例を示す概略斜視図である。

【符号の説明】

１ 研磨工具 １ａ 研磨面 １ｂ 粘弾性体層 １０ 研磨工具保持装置 １１ 耐震用ストッパ １２ 除振システム ２０ 定圧装置 ２２ ボイスコイルモータ ２３ 荷重軸 ２５ａ，２５ｂ 板バネ ２６ 荷重センサ ２６ａ 温度センサ ２７ 変位センサ ３０ 研磨装置 ３１ 定盤 ３１ａ ガイドレール ３１ｂ ガイドレール ３１ｃ ボールネジ ３１ｄ モータ ３１ｆ エンコーダ ３２ Ｙテーブル ３３ Ｘテーブル ３２ａ ガイド ３３ｃ ボールネジ ３３ｄ モータ ３３ｆ エンコーダ ３４ θテーブル ３５ タブ ３６ 被加工物 ３６ａ 被加工面 ３７ａ，３７ｂ，３７ｃ 研磨フレーム ４０ Ｚチルティング装置 ４１ 三角取付板 ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ ブロック ４３ａ，４３ｂ，４３ｃ 研磨アーム ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ モータ ４５ａ，４５ｂ，４５ｃ 軸 ４６ａ，４６ｂ，４６ｃ ボールネジ ４７ａ，４７ｂ，４７ｃ ユニバーサルジョイント ４８ 研磨ヘッド取付板 ４８ａ，４８ｂ，４８ｃ エンコーダ ５０ 研磨ヘッド ５１ 揺動装置 ５４ クランク ５４ａ 第１コンロッド ５４ｂ 第２コンロッド ５５ 第１スライド軸 ５６ カウンターマス ５７ 揺動スライダ ５８ 第２スライド軸 ６０ Ｚアーム取付板 ６０ａ，６０ｂ，６０ｃ 計測フレーム ６０ｄ，６０ｅ 治具 ７０ 計測用Ｚアーム ７１ ブレーキ ７２ エアベアリング ７２ａ スライドバー ７２ｂ ハウジング ７２ｃ エアパッド ７３ ブロック ７４ リニアモータ ７４ａ リニアモータコイル ７４ｂ マグネット ７４ｃ，７４ｄ 取付治具 ７４ｅ，７４ｆ コイル取付ブロック ７４ｇ マグネット ７４ｈ リニアモータコイル ７５ ベース ７７ スチールベルト ７８ａ，７８ｂ 滑車 ７９ バランシングウェイト ８０ 計測ヘッド ８１ プレート ８２ ベースプレート ８３ プローブハウジング ８４ａ，８４ｂ 板バネ ８５ バネホルダ ８６ プローブ球 ８７ プローブ ８８ａ，８８ｂ，８８ｃ，８８ｄ 連結バー ９１，９２，９３，９４ レーザー測長系 １００ カバーリング １００ａ シャッター １１０ 研磨工具 １１２ 被加工面 １１４ ハウジング １１８ スライダ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 聡 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 瀧本 雅文 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 安藤 学 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (72)発明者 肥後村 誠 東京都大田区下丸子３丁目30番２号 キ ヤノン株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−270066（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−37047（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−8070（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−241055（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−232978（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−251162（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−209866（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−16347（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−134657（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−15050（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭63−27148（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B24B 49/00 - 49/18 B24B 47/10 - 47/16

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 研磨液あるいは研磨剤中で研磨工具を被
   加工物に押しあてながら前記被加工物に対して前記研磨
   工具を相対運動させる研磨ヘッドを被加工物面上で走査
   させながら加工する研磨方法において、研磨加工部と形
   状計測部を同一定盤上に配置し、前記形状計測部では、
   被加工物形状を測定し、前記形状計測部を上下させる制
   御部では、前記被加工物形状から、前記制御部の記録領
   域に記録された設計形状データを差し引いて誤差形状を
   計算し、前記誤差形状と、前記研磨工具の単位時間あた
   りの研磨除去形状である単位除去形状とから、前記被加
   工物面の研磨領域で前記誤差形状を研磨除去するために
   必要な、各ポイントでの前記研磨工具の研磨時間を２次
   元的に表示した滞留時間分布を計算し、前記滞留時間分
   布より次段の研磨に用いる研磨ヘッドの走査速度分布を
   決定し、前記研磨加工部では、前記研磨ヘッドと前記被
   加工物の間の６自由度の相対的な位置姿勢で両者を保持
   する少なくとも６軸の運動機構を同時に同期的に移動さ
   せることによって、研磨中は前記研磨ヘッドが前記被加
   工物の法線方向を追従しながら被加工物表面をあらかじ
   め定められた前記走査速度分布および前記設計形状デー
   タに従って走査し、研磨加工と形状測定を交互に繰り返
   す修正研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
2. 【請求項２】 研磨液あるいは研磨剤中で研磨工具を被
   加工物に押しあてながら前記被加工物に対して前記研磨
   工具を相対運動させる研磨ヘッドを被加工物面上で走査
   させさながら加工する研磨装置において、研磨加工部と
   形状計測部を同一定盤上に有し、定盤面上において、両
   者の間を行き来し、位置決め可能に設けられた第１の移
   動軸を有し、前記第１の移動軸に直行する方向で位置決
   め可能な第２の移動軸を前記第１の移動軸上に有し、垂
   直軸回りに回転移動し、回転位置決め可能に設けられた
   前記被加工物が固定される回転移動軸を前記第２の移動
   軸上に有し、前記形状計測部では、垂直方向に位置決め
   可能な移動軸である計測用Ｚ軸アームを有し、前記計測
   用Ｚ軸アームの先端に計測ヘッドを有し、前記計測ヘッ
   ドに装着されたプローブと前記被加工物間の押し付け方
   を一定に保つように前記計測用Ｚ軸アームを上下する制
   御装置を有し、前記制御装置は、前記第１、第２の移動
   軸を移動させることにより、前記プローブで被加工物表
   面をなぞり、前記被加工物表面の点の前記第１、第２の
   移動軸の各座標を１点づつ測定することによって求めた
   被加工物形状から、前記制御部の記録領域に記録された
   設計形状データを差し引いて誤差形状を計算し、前記誤
   差形状と、前記研磨工具の単位時間あたりの研磨除去形
   状である単位除去形状とから、前記被加工物面の研磨領
   域で前記誤差形状を研磨除去するために必要な、各ポイ
   ントでの前記研磨工具の研磨時間を２次元的に表示した
   滞留時間分布を計算し、前記滞留時間分布より次段の研
   磨に用いる研磨ヘッドの走査速度分布を決定し、前記研
   磨加工部では、前記第１、第２の移動軸および回転移動
   軸に加えて上下方向と傾き２方向に位置決め可能な３本
   の直動機構からなるＺチルティング機構を前記第１、第
   ２の移動軸および回転移動軸の上方に有し、前記Ｚチル
   ティング機構の下端に前記研磨ヘッドを固定して有し、
   この運動機構を同時に同期的に移動させることによっ
   て、研磨中は前記研磨ヘッドが前記被加工物の法線方向
   を追従しながら前記被加工物表面をあらかじめ定められ
   た走査速度分布および前記設計形状データに従って走査
   し、研磨加工と形状測定を交互に繰り返すことを特徴と
   する研磨装置。
3. 【請求項３】 ワークステーションと、マイクロコンピ
   ュータと、両者で双方向伝達を行う通信線とを有し、前
   記ワークステーションは、あらかじめ定められた同期時
   間毎の各移動軸の目標位置を前記マイクロコンピュータ
   に送信し、前記マイクロコンピュータは、受信した目標
   位置と各移動軸の現在位置から偏差を計算し、前記同期
   時間でその偏差を解消するように各軸の移動速度と移動
   量を計算し、前記マイクロコンピュータのインターフェ
   イスであるＩ／Ｏバスには、同期信号を発生する基準パ
   ルス発生器と、それと別にパルス発生器と、そのパルス
   発生器の出力するパルスを設定された分周比で分周する
   分周器と、その分周比を格納するカスケード接続された
   ２段の分周比バッファと、前記分周器の出力パルス数を
   数え、目標出力パルス数に達したときにゲートパルス信
   号を発生する出力パルスカウンタと、その目標出力パル
   ス数と符号ビットを格納するカスケードに接続された２
   段の出力パルス数バッファと、前記ゲートパルス信号に
   よって前記分周器の出力パルスを開閉するゲート回路
   と、前記同期信号によって前記分周器バッファと出力パ
   ルス数バッファを同時にそれぞれ前記分周器、出力パル
   スカウンタに転送し、転送終了と同時に次データ要求信
   号を発生し、分周器の出力パルスと符号ビットから移動
   量を正転／逆転の方向を持つ指令パルス列に変換してサ
   ーボモータの位置決め装置に送信する電気回路を少なく
   とも２セット有し、全ての前記分周比バッファと、前記
   出力パルス数バッファのデータを設定可能に前記マイク
   ロコンピュータに接続し、全ての前記次データ要求信号
   を前記マイクロコンピュータで検出可能に接続し、前記
   次データ要求信号のうち最も遅いものを待って前記マイ
   クロコンピュータは移動速度から計算される分周比と移
   動量から計算される出力パルス数をそれぞれ前記分周比
   バッファと前記出力パルス数バッファにセットする請求
   項２記載の研磨装置。
4. 【請求項４】 計測ヘッドは、計測用Ｚ軸アームに固定
   されるハウジングと真球の先端を持つプローブと、その
   プローブをハウジングに対して上下方向に移動可能支持
   するガイドと、そのプローブの自重をバランスさせるバ
   ネと、前記プローブと前記ハウジングの相対距離を測定
   する変位センサからなり、前記計測用Ｚ軸アームは、定
   盤に対して上下方向に移動し、位置決め可能にガイド、
   位置測定手段、駆動手段、位置決め制御手段を有し、前
   記計測用Ｚ軸アームの自重を支えるように、定盤に対し
   て固定された滑車に、両端が前記計測用Ｚ軸アームとお
   もりに接続された吊りベルトを有し、形状計測時、前記
   プローブと前記ハウジングの相対距離を測定する変位セ
   ンサの出力が一定になるように前記計測用Ｚ軸アームを
   駆動する制御手段を有する請求項２または３記載の研磨
   装置。
5. 【請求項５】 研磨工具を前記被加工物に接触、加圧さ
   せる定圧手段である研磨工具の定圧装置において、ケー
   シングの内部に取り付けられ、研磨時の加圧力を発生さ
   せ、ボイスコイルモータである直進移動機構と、前記直
   進移動機構に一端が固定され、変位センサにより変位が
   検出される荷重軸と、前記荷重軸の荷重を検出する荷重
   センサとを有し、前記荷重軸は、軸方向に往復移動自在
   に、かつ、軸まわりに回転が拘束されて、前記ケーシン
   グに取り付けられており、前記荷重軸の下端部には、前
   記研磨工具を保持する支持部に固定された略平行な２枚
   の板バネが荷重軸に対して垂直にそれぞれ固定され、前
   記荷重軸の下端面が前記各板バネの弾発力により前記荷
   重センサを常に押圧することにより、前記荷重センサが
   前記荷重軸の下端面と前記支持部の上面とにより挟持さ
   れていることを特徴とする研磨工具の定圧装置。
6. 【請求項６】 研磨工具を保持手段に保持し、前記保持
   手段を前記直進移動機構によって直進駆動し、前記直進
   移動機構による前記保持手段への圧力を検出手段によっ
   て検出し、該検出手段による検出信号を前記直進移動機
   構の制御信号とし、前記変位センサにより検出された前
   記荷重軸の変位量を前記ケーシングが取り付いている研
   磨アームの制御信号とする請求項５記載の研磨工具の定
   圧装置。
7. 【請求項７】 前記荷重センサの温度を検出する温度セ
   ンサを備え、前記荷重センサの信号によって前記直進移
   動機構による加圧力を調整する際に前記温度センサの信
   号に基づく加圧力の補正を行う請求項５または６に記載
   の定圧装置。