JP3673682B2 - 研磨工具 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやミラー等の光学素子あるいは金型等を研磨する時に使用される研磨工具に関し、特に、超精密研磨加工に用いられる形状可変の研磨工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度な形状精度が要求されるレンズやミラー等の光学素子あるいは金型等を仕上げ研磨する際には、一般に、弾性材料からなるポリッシャを用いる研磨工具が従来から使用されており、このポリッシャの研磨面を被加工面に対して押し付け、研磨面と被加工面の間に研磨液を供給しながら、ポリッシャを被加工面に対して回転あるいは揺動運動させて加工を行なっている。このとき、被加工面が球面ならば、求められる球面の曲率半径の合致するようにポリッシャの表面を高精度に成形しておくのが普通である。
【０００３】
ところで、被加工物の形状は様々であり、例えば、非球面のような曲率半径が変化するような場合には、上記のように予め一定の曲率半径に成形された１種類の研磨工具だけで加工を行なうと、被加工面上で変化する曲率（以下、単にＲともいう）に対応できず、研磨工具の研磨面と被加工面に曲率の差があるために、研磨工具の接触する被加工面上で圧力分布の差が生じ、一様に研磨加工することができない。極端な場合には、研磨面と被加工面の間に隙間が生じ、研磨面の一部しか加工に作用しないこともあり得る。
【０００４】
また、研磨加工の進行にしたがって、ポリッシャの研磨面の形状が徐々に変形して劣化するため、一定の曲率を維持するためには、摺りあわせ等の作業により研磨面を再成形する必要がある。この摺りあわせ作業に費やされる労力と時間やその間に研磨加工を中断することが、製造効率の低下と製造コストの増大につながる。
【０００５】
以上のことから、多様な曲率半径を加工することができるように工具部材の研磨面を任意に形成することが可能な加工用の研磨工具も提案され、例えば特公平５−５８８６４号公報には、複数個のアクチュエータを用いて研磨面形状すなわち研磨面曲率を変化させるようにした研磨工具が開示されている。
【０００６】
この従来の研磨工具は、図９に図示するように、基盤１０１上に不図示の制御手段により個別に作動可能な複数個の変位アクチュエータ１０２を二次元的に配置し、これらの変位アクチュエータ１０２の作動によって変位する出力側の部材１０３に全体として任意の曲率形状の工具面を形成する弾性体からなる工具部材１０４を取り付けた構成となっている。
【０００７】
この研磨工具を用いて、被加工物に対して工具部材１０４を相対的に摺動させることにより加工を行なう際に、加工中に変位アクチュエータ１０２を各々作動させ、工具部材１０４の形状を部分的に独立変化させて、個々に被加工面を押圧する力を調整し、全体として所望の曲面を形成しようとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の研磨工具においては、次のような問題点があった。
【０００９】
複数個の変位アクチュエータ１０２を個々に制御して、所望の曲面形状を得るようにしているため、装置構成を複雑でかつ高価なものにし、特に連続的に微小に曲率が変化するような緩やかな曲面（例えば、球面からのずれである非球面量が０．１ｍｍ程度）のような場合には、工具部材１０４の面内で一部分の曲率を急激に変化させることを必要としないため、かかる労力および費用に対し効果が少ないという問題点があった。
【００１０】
また、曲率変化が急激で大きな被加工面（例えば、球面からのずれである非球面量の最大値が０．５ｍｍ以上）に対しては、ポリッシャとなる部材の降伏応力、成形可能な大きさ等の制約により、十分小さい面積の研磨工具（例えば、φ２０ｍｍ）を構成しなければならないので、工具面に複数個の変位アクチュエータを二次元的に配置することが、現状のアクチュエータのサイズ（小さいものでも、φ１０ｍｍ）では物理的に困難である。
【００１１】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ簡便な構成で被加工面をスムーズに平滑化することができる研磨工具を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の研磨工具は、研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記板状部材の長手方向および短手方向の中央部に取り付けられ、前記板状部材を前記研磨面の押圧方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の研磨工具において、前記板状部材の周辺部は、前記支柱部材に対して、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に取り付けられていることが好ましい。
【００１５】
さらに、研磨工具は、研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記支柱部材に取り付けられ、該支柱部材を前記研磨面の押圧方向と直交する方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とするものでもよい。
【００１６】
本発明の研磨工具において、前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の少なくとも１個の部分は前記ベース部材に対して固定され、前記支柱部材の残りの部分は、前記ベース部材に対し前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることが好ましく、あるいは、前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の各部分は、前記ベース部材に対し、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることが好ましい。
【００１７】
本発明の研磨工具において、前記支柱部材の各部分を互いに中心軸対称に移動させる対称移動機構を備えていることが好ましく、対称移動機構としてボールネジ機構を用いることができる。
【００１８】
本発明の研磨工具において、前記板状部材と前記ベース部材との間に、前記研磨面の押圧方向に引張りあるいは圧縮の予圧手段が介在されていることが好ましい。
【００２１】
【作用】
本発明の研磨工具によれば、演算制御手段により任意の加工位置における設計された理想的な加工面形状を算出し、１個のアクチュエータを駆動して、板状部材を直接的にあるいは板状部材の周辺部を取り付けた支柱部材を介して、研磨パッドを取り付けた板状部材を変形させ、研磨パッドの研磨面形状を理想的な加工面形状に強制的に一致させることができ、研磨パッドの研磨面を被加工面に隙間なく密着させ、加工圧を被加工面内に均一に加えることができる。これにより、被加工物の研磨加工をスムーズにかつ全面で行なわれ、比較的短波長の形状誤差成分である微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００２２】
また、研磨加工される前の被加工面の形状は一般に設計された理想形状からずれているけれども、研磨工具の形状を強制的に変形形成して加工することにより、研磨面内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面の形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００２３】
以上のように、本発明によれば、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、多種多様な曲率をもつ被加工面を常に均一な圧力分布で研磨でき、所望の形状を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１実施例の研磨工具の模式図であり、図２は、本発明の第１実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状（光学レンズ）を加工する状態を示す模式図である。
【００２６】
図１および図２に図示する研磨工具１は、研磨パッド（ポリッシャ）２と、研磨パッド２を取り付ける板状部材３と、板状部材３の周辺部を固定するための支柱部材（以下、単に支柱ともいう。）４と、変位可能なアクチュエータ５と、支柱部材４を保持するベース６とを具備し、さらに、アクチュエータ５を駆動制御する駆動制御手段７および加工位置における加工面形状を算出しその算出結果を駆動制御手段７に送信する演算制御手段８を備えている。
【００２７】
研磨パッド２は、りん青銅や薄板ばね鋼等で構成された板状部材３の下面に接着等の手段により固着されて取り付けられ、その下面が研磨面２ａとなる。この研磨パッド２は、ピッチや発泡ウレタン等で作製され、その形状は、図１においては長手方向と短手方向のある矩形状としているが、円盤形状でもよく、その形状は限定されるものではない。また、図１においては研磨パッド２は２個に分割されたものとして示しているが、全体が繋がっている１枚のものでもよく、また、分割するのではなく、研磨面２ａ上に溝を形成するものであってもよい。
【００２８】
支柱部材４は、ベース６の下面側に固定的に装着されている固定支柱であり、この固定支柱４の下面には、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）がネジ止めあるいは接着等の手段により固定されている。
【００２９】
変位可能なアクチュエータ５は、その一端がベース６に固定され、紙面上下方向に変位可能な下端部が板状部材３の長手方向および短手方向の中央部分に接続されるように配設されており、このアクチュエータ５が、ベース６を基準にしてその下端部を矢印Ａ方向に変位すると、板状部材３の中心部分を同様に紙面上下方向（図中矢印Ｂ）に変位させる。このとき、板状部材３は、その周辺部が固定支柱４を介してベース６に対して固定されているために、その中央部分のみが上下方向に変位し、凸あるいは凹の曲率面を形成し、板状部材３に固着されている研磨パッド２の研磨面２ａも同様にそれにならう形で曲率面となる。
【００３０】
アクチュエータ５としては、高速な応答が求められる場合には、ピエゾ素子等の電圧変位変換素子等を用い、応答性は必要としないが大ストロークが求められる場合にはエアシリンダ等を選択して用いる。また、その他に回転型モータに直動型に変換する機構（例えば、ラックとピニオン機構）を取り付けて用いることもできる。
【００３１】
また、７は、アクチュエータ５に接続され、アクチュエータ５を駆動制御するための駆動制御手段であり、８は、加工位置におけるＸＹ平面上のＺ座標や曲率半径等の加工面形状を算出する演算制御手段（例えば、ＣＰＵ）で、駆動制御手段７に接続され、駆動制御手段７の駆動に必要な演算を行ない、その演算結果を駆動制御手段７に送信する作用を果たすためのものである。
【００３２】
図２において、Ｌは、例えば中心軸対称の凸の非球面を有する光学レンズ等の被加工物であり、真空吸着あるいは不図示の治具を介したねじ止め、接着等の手段により保持体Ｈに固定され、保持体Ｈにはその中心軸Ｎに沿って一定速度で回転するモータ等の駆動手段（不図示）が取り付けられている。被加工物Ｌの被加工面Ｌａは、不図示の研磨剤を介して研磨パッド２の研磨面２ａが押圧接触され、研磨が行なわれるが、ここで、被加工面Ｌａの研磨に使用される研磨パッド２および板状部材３は被加工面Ｌａに対して十分小さい寸法に設定される。例えば、直径φ１００ｍｍの被加工面Ｌａに対して、２０ｍｍ×６ｍｍの矩形の研磨パッド２が用いられる。
【００３３】
次に、以上のように構成される研磨工具１を用いて、被加工物Ｌを研磨加工する態様について説明する。
【００３４】
被加工物Ｌは、保持体Ｈに取り付けられて、不図示の駆動手段により、中心軸Ｎを右周りに一定の回転数Ｗｒ（例えば、１０ｒｐｍ）で回転される。研磨工具１は、被加工物Ｌの被加工面Ｌａの頂点である中心軸Ｎ上の位置から半径方向を外側に向かって（図中矢印Ｃ）一定の速度ｖ（例えば、５ｍｍ／ｍｉｎ）で移動する。そのため、見かけ上は、被加工物Ｌに対し研磨工具１が、被加工面Ｌａの中心から外周に向かって螺旋状に走査されることになる。
【００３５】
またこのとき、研磨工具１は、研磨加工の能率を高くするために、振幅ｈおよび周波数ｆ（例えば、振幅（ｈ）２ｍｍで周波数（ｆ）２Ｈｚ、すなわち、速度ｖｒ（＞ｖ、例えば２５ｍｍ／ｓｅｃ））で半径方向の揺動運動（図中、矢印Ｄ）しながら、被加工面Ｌａを加工している。さらに、研磨工具１において、研磨パッド２の研磨面２ａから被加工面Ｌａに対して加工に必要な荷重が付与されることはいうまでもない。
【００３６】
被加工物Ｌの加工位置は、被加工物Ｌの回転数Ｗｒと研磨工具の半径方向の移動速度ｖより、あらかじめ予測することができ、演算制御手段８によりその加工位置に対する設計曲率半径Ｒを求め、駆動制御手段７を介して、研磨工具１のアクチュエータ５を駆動し、板状部材３および研磨パッド２の形状を所望の曲率半径Ｒに一致させることができる。このことは、研磨工具が、被加工物Ｌの中心付近にあるとき（曲率半径Ｒ１、例えばＲ１＝３００ｍｍ程度）でも、外周付近にあるとき（曲率半径Ｒ２＜Ｒ１、例えばＲ２＝２００ｍｍ）でも全く同様である。
【００３７】
このように、外部に設置された演算制御手段８により、任意の加工位置における理想的な加工面形状（例えば、曲率半径）を算出し、研磨パッド２をこの加工面形状に強制的に一致させるように、一端がベース６に固定されたアクチュエータ５を駆動させて、研磨パッド２を取り付けた板状部材３をたわみ変形させる。これにより、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００３８】
このように、研磨工具１の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００３９】
また、被加工面Ｌａの形状は一般に設計された理想形状からずれているため、強制的に研磨パッド２の形状を形成して加工することにより、研磨面２ａ内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面Ｌａの形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００４０】
以上のように、本実施例の研磨工具を用いることにより、例えば非球面レンズのような多種多様な曲率を有する被加工面においても、均一な圧力分布で研磨することができ、しかも、多種多様な曲率を有する被加工面に単一の工具で対応できる。
【００４１】
次に、本発明の第２実施例の研磨工具について図３および図４を参照して説明する。
前述した第１実施例においては、板状部材３は固定支柱４に固着されており、板状部材３自身の伸縮で曲率半径の変化に対応していたけれども、本実施例においては、板状部材３の両端部分を固定支柱４に対して紙面左右方向にスライド可能に装着して、曲面形状を構成する部分の長さを調整し得るようにし、形状変化の対応範囲を拡大することができるように構成するものである。なお、本実施例において、前述した第１実施例の部材と同様な部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
本実施例において、板状部材３は、その両端部分３ａ、３ａが紙面上方に折り曲げられ、その部分にそれぞれガイドピン９を挿通するための貫通穴３ｂが形成されている。ガイドピン９は、板状部材３の貫通穴３ｂを介して、固定支柱４、４のそれぞれの外側部に取り付けられるとともに、ガイドピン９には、固定支柱４の外側面と板状部材３の上方に折り曲げられた部分３ａとの間にコイルばね１０がそれぞれ挿入される。これらのコイルばね１０は板状部材３の両端部３ａを外側に拡げる予圧機構の作用をする。このような構成とすることにより、板状部材３は、その両端部３ａが左右方向にスライド可能となるために、その素材の伸縮性のみに頼って形状対応の範囲が決まるのではなく、固定支柱４に対する板状部材３の形状を変化させる部分の長さを調節できるため、より広範囲の形状に対応可能とすることができる。なお、コイルばね１０を、ガイドピン９の終端と板状部材３の端部３ａの間に挿入して、板状部材３を内側に縮める方向に予圧をかけるようにすることもできる。
【００４３】
また、ガイドピン９に代えて、超小型の直動スライド等を用いることも可能である。この場合には、直動スライドの固定側を固定支柱４に固着し、板状部材３の端部３ａにスライドテーブル側に取り付ける。
【００４４】
図４には、本実施例の研磨工具を用いて、被加工物Ｌの中心付近は凹面で、外周付近は凸となる曲率変化の大きい非球面レンズを加工している状態を図示する。本実施例においても、中心付近でも外周付近でも、被加工面Ｌａ上の加工位置に応じて設計された曲率半径に合わせるように板状部材３を変形させることができ、図４に示すように、凹面から凸面へ移行するような曲率半径の変化が大きい場合でも、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００４５】
以上のように本実施例においては、前述した第１の実施例と同様の作用効果を奏することができるとともに、比較的簡単な機構を付加するだけで、板状部材の形状を変化させる部分の長さを調節できるため、より広範囲の形状に対応可能となす。
【００４６】
次に、本発明の第３実施例の研磨工具について図５および図６を参照して説明する。
【００４７】
前述した各実施例においては、板状部材３を取り付ける支柱部材４をベース６に固定的に装着し、変位可能なアクチュエータ５をベース６に固定するとともに変位可能な端部を板状部材３に直接的に固定しているけれども、本実施例においては、支柱部材を少なくとも２個の部分から構成し、その一方を移動可能とし、かつアクチュエータ５を可動支柱に取り付けて該支柱を介して板状部材３を変位させるように構成するものである。以下、詳細に説明する。
【００４８】
支柱部材４は、図５に図示するように、ベース６の下面に固定されている固定支柱４ａと、ベース６の下面の設けられたガイド６ｂに沿って固定支柱４ａに対し接近離反しうるように（矢印Ｅ方向に）移動可能に設けられた移動支柱４ｂとから構成され、固定支柱４ａと移動支柱４ｂのそれぞれの下面に、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）がネジ止めあるいは接着等の手段により固定されている。
【００４９】
固定支柱４ａと移動支柱４ｂの間には紙面左右方向に変位可能なアクチュエータ５が配設されており、このアクチュエータ５は、移動支柱４ｂを固定支柱４ａに対し接近あるいは離反するように駆動される。
【００５０】
駆動制御手段７は、前述した各実施例と同様に、アクチュエータ５に接続され、アクチュエータ５を駆動制御し、駆動制御手段７に接続される演算制御手段８も同様に、加工位置におけるＸＹ平面上のＺ座標や曲率半径等の加工面形状を算出し、駆動制御手段７の駆動に必要な演算を行ない、その演算結果を駆動制御手段７に送信するためのものである。
【００５１】
また、図５において、１１は、ベース６と板状部材３の間を接続され、板状部材３に与圧を与えるための予圧コイルばねであり、例えば、予圧コイルばね１１の自然長さをベース６と板状部材３の距離よりも短くしておくことにより、予圧コイルばね１１の両端に引っ張り方向の力が働くため、板状部材３は常に紙面上側に持ち上げられる方向に曲げられ、研磨パッド２の研磨面２ａは凹面形状になりやすくなる。また、逆に研磨パッド２の研磨面２ａを凸面形状に作りやすくするためには、予圧コイルばね１１の自然長さをベース６と板状部材３の距離よりも長くしておけば、予圧コイルばね１１が縮められた反発力で、板状部材３は紙面下側に押し出す向きに曲げられ、研磨面２ａを凸面形状になりやすくなる。なお、いずれの場合においても予圧コイルばね１１の剛性は十分弱くとり、板状部材３の自由な変形を妨げない程度に調整しておくことが必要である。
【００５２】
次に、本実施例におけるアクチュエータ５の変位により研磨パッド２の研磨面２ａの形状を変える作動について説明する。
【００５３】
アクチュエータ５が、ベース６に固定されている固定支柱４ａを基準にして、矢印Ｅ方向に変位すると、移動支柱４ｂもガイド６ｂに沿って同様に紙面左右方向に移動する。例えば、移動支柱４ｂが、紙面左方向に移動されると、固定支柱４ａと移動支柱４ｂの距離が縮められる。それによって、予圧コイルばね１１により予め紙面上方向に引っ張り上げられている板状部材３の中心部分は大きく撓み紙面上方向に変位する。このとき、板状部材３の周辺部は支柱部材４の固定支柱４ａと移動支柱４ｂに固定されているため、紙面上下方向には変位しない。そのため、板状部材３の中央部分のみが撓んで、凸あるいは凹の曲率面（Ｒ面）を形成し、板状部材３に固定された研磨パッド２の研磨面２ａもそれにならう形で曲率面（Ｒ面）となる。このように、板状部材３はその長さを変えることなくそのたわみ形状が適宜変形する。アクチュエータ５と板状部材３の中央部分のたわみ量は１対１で対応するので、あらかじめこの関係を把握しておけば、アクチュエータ５を変位させて、所望の曲率面（Ｒ面）を作ることが可能である。
【００５４】
また、アクチュエータ５の駆動により、固定支柱４ａに対して移動支柱４ｂの距離が変化するため、たわみの中心となる板状部材３の中心部分の位置（すなわち、研磨面２ａの中心軸Ｍの位置）も紙面左右方向に絶えず変化する。しかし、演算制御手段８では、任意の加工位置におけるアクチュエータ５の変位に応じて中心位置のずれ量を算出し、研磨工具装置の移動機構上で中心位置を補正して、加工位置での曲率半径中心の軸線と、研磨面２ａの中心軸Ｎを合わせることができる。
【００５５】
以上のように構成される本実施例の研磨工具を用いて、被加工物Ｌを研磨加工する態様について説明する。
被加工物Ｌは、保持体Ｈに取り付けられて、不図示の駆動手段により、中心軸Ｎを右周りに一定の回転数Ｗｒ（例えば、１０ｒｐｍ）で回転される。研磨工具１は、被加工物Ｌの被加工面Ｌａの頂点である中心軸Ｎ上の位置から半径方向を外側に向かって（図中矢印Ｃ）、一定速度ｖ（例えば、５ｍｍ／ｍｉｎ）で移動する。そのため、見かけ上は、研磨工具１が、被加工面Ｌａに対し被加工面Ｌａの中心から外周に向かって螺旋状に走査されることになる。研磨工具１において、研磨パッド２の研磨面２ａから被加工面Ｌａに対して加工に必要な荷重が付与されることはいうまでもない。
【００５６】
またこのとき、研磨工具１は、研磨加工の能率を高くするために、振幅ｈおよび周波数ｆ（例えば、振幅（ｈ）２ｍｍで周波数（ｆ）２Ｈｚ、すなわち、速度ｖｒ（＞ｖ、例えば２５ｍｍ／ｓｅｃ））で半径方向の揺動運動（図中、矢印Ｄ）しながら、被加工面Ｌａを加工している。
【００５７】
被加工物Ｌの加工位置は、被加工物Ｌの回転数Ｗｒと研磨工具の半径方向の移動速度ｖより、あらかじめ予測することができ、演算制御手段８によりその加工位置に対する設計曲率半径Ｒを求め、研磨工具１のアクチュエータ５を駆動し、板状部材３および研磨パッド２の形状を所望の曲率半径Ｒに一致させることができる。このことは、研磨工具が、被加工物Ｌの中心付近にあるとき（曲率半径Ｒ１、例えばＲ１＝３００ｍｍ程度）でも、外周付近にあるとき（曲率半径Ｒ２＜Ｒ１、例えばＲ２＝２００ｍｍ）でも全く同様である。
【００５８】
外部に設置された演算手段８により算出される任意の加工位置における理想的な加工面形状（例えば、曲率半径）に研磨パッド２の研磨面２ａを強制的に一致させるように、一端が固定支柱４ａに固定されたアクチュエータ５を駆動させて、移動支柱４ｂを紙面左右方向に移動させ、研磨パッド２を取り付けた板状部材３をたわみ変形させる。これにより、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００５９】
このように、研磨工具１の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００６０】
また、一般に被加工面Ｌａの形状は設計された理想形状からずれているため、強制的に研磨工具の形状を形成して加工することにより、研磨面２ａ内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面Ｌａの形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００６１】
以上のように、本実施例の研磨工具を用いることにより、例えば非球面レンズのような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ簡便に構成、制御可能な研磨工具を提供することができる。
【００６２】
次に、本発明の第４実施例の研磨工具について図７を参照して説明する。
【００６３】
本実施例は、前述した第３実施例における支柱部材４（４ａ、４ｂ）を全て紙面左右方向に移動可能な移動支柱４ｃ、４ｄに代え、そして、アクチュエータとして対称移動機構（例えば、ボールネジ機構）を採用するものである。なお、本実施例においても、前述した各実施例の部材と同様な部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
図７に図示する本実施例において、移動支柱４ｃ、４ｄは、ベース６の下面の設けられたガイド６ｃ、６ｄに沿って紙面左右方向に移動可能にそれぞれ取り付けられ、それぞれの下面には、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）が固定されている。そして、ボールネジ機構で構成されるアクチュエータ５ａは、スペーサ５ｃを介してベース６に固定されており、アクチュエータ５ａから左右両方向に延びるネジ軸５ｂの両端部には互いに逆ネジが形成され、移動支柱４ｃ、４ｄにはアクチュエータ５ａのネジ軸５ｂの両端部に螺合するネジ穴がそれぞれ設けられており、例えば、アクチュエータ５ａのボールネジ機構が、矢印Ｇ方向に回転駆動されると、移動支柱４ｃ、４ｄは、互いに矢印Ｈ方向に移動して中心軸Ｍに近付くように平行移動し、また、ボールネジ機構が矢印Ｇの逆方向に回転駆動されると、移動支柱４ｃ、４ｄは、矢印Ｈの反対方向に移動して中心軸Ｍを中心として互いに遠ざかり離反するように平行移動するように構成されている。
【００６５】
このように構成する本実施例では、前述した第３実施例の奏する作用効果に加えて、次のような利点がある。すなわち、両端のネジ部が逆方向に切られているため、アクチュエータ５ａの作動により、移動支柱４ｃおよび４ｄが中心軸Ｍを対称に移動して、中心軸Ｍの位置が常に変化せず、研磨工具外部の演算制御装置８において、その位置ずれ量の計算およびその補正を必要としないという利点がある。
【００６６】
次に、本発明の第５実施例の研磨工具について図８を参照して説明する。
【００６７】
本実施例は、前述した第４実施例として説明した研磨工具に、板状部材３の中央部分の変位を測定する変位量検出手段１３を付設するものであり、この変位量検出手段１３は、板状部材３の中央部分の実際の変位量（以下、実際変位量ともいう）を測定して、この実際変位量を駆動制御手段７および演算制御手段８に送り込み、実際変位量と理想的な加工面形状とを比較し、理想的な加工面形状と一致させるために必要な変位量（以下、必要変位量ともいう）を算出して、この差分を補正するフィードバック制御を行なうように構成したものである。
【００６８】
変位量検出手段１３として、例えば、歪みゲージを用いる場合には、歪みゲージは板状部材３の裏面（研磨面２ａと反対側）に貼り付けられ、また、荷重計を用いる場合には、予圧コイルばね１１と板状部材３を接続する部分に挿入する。これらの歪みゲージや荷重計のいずれを用いる場合でも、検出量を変位量に換算するため、研磨工具内に組み込む以前に、歪みと変位の曲線あるいは荷重と変位の曲線を実測して両者の関係を明確にしておくこととする。
【００６９】
また、変位量検出手段１３として、変位センサを用いることも可能である。この場合には、変位センサを押圧方向にベース６に固定し、板状部材３の中央部の変位を検出する構成とする。
【００７０】
また、変位量検出手段１３は、駆動制御手段７を介して演算制御手段８に接続され、演算制御手段８において、変位量検出手段１３で検出された量（例えば、歪み）が取り込まれ、実際変位量に変換された後、必要変位量と比較し、その差分を補正すべき量として、駆動制御手段７からアクチュエータ５ａへ制御信号が送られる。
【００７１】
以上のように構成される本実施例においては、板状部材３のたわみ量を常にモニタして、所望の曲率を形成するのに必要なたわみ量と一致するように補正することができるために、板状部材３および研磨パッド２を、理想的な加工面形状により高精度に維持できるという利点がある。
【００７２】
なお、本実施例においては、第４実施例に変位量検出手段を付設した例で説明したが、前述した第１ないし第３の各実施例の研磨工具においても、板状部材の変位量を測定する変位量検出手段を付設することができることはいうまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、研磨工具に１個のアクチュエータを組み込むことで所望の加工面形状を得ることができ、研磨工具を簡略にかつ安価に構成することができる。特に連続的に曲率が変化する非球面形状の場合、研磨面内で部分的に曲率を変化させることを必要とせず、必要最小限の労力と費用で任意の理想的な加工面形状を作ることができ、最大限の効果を得ることができる。
【００７４】
また、曲率変化の大きな被加工面に対しては、研磨パッドとなる部材の降伏応力、成形可能な大きさ等の制約により、十分小さい面積の研磨工具を構成しなければならない場合もあるが、かかるときに、本発明の研磨工具は、単一のアクチュエータしか用いないため、小さな曲率の面に対応する研磨面の寸法が小さな工具を構成するのに好適である。
【００７５】
さらに、研磨工具の研磨面形状を理想的な加工面形状に強制的に一致させることができ、研磨パッドの研磨面と被加工面は隙間なく密着し、研磨工具に付加された荷重が加工圧として被加工面内に均一に加えることができ、研磨工具の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００７６】
また、研磨加工される前の被加工面の形状は一般に設計された理想形状からずれているため、研磨工具の形状を強制的に形成して加工することにより、研磨面内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面の形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００７７】
以上のように、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ多種多様な曲率をもつ被加工面を均一な圧力分布で研磨することができ、そして、簡便な構成で、制御可能な研磨工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の研磨工具の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施例の研磨工具の模式図である。
【図４】本発明の第２実施例の研磨工具を用いて、凹から凸に曲率半径が大きく変化する非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施例の研磨工具の模式図である。
【図６】本発明の第３実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図７】本発明の第４実施例の研磨工具の模式図である。
【図８】本発明の第５実施例の研磨工具の模式図である。
【図９】従来の研磨工具の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 研磨工具
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 板状部材
４ 支柱（部材）
４ａ 固定支柱
４ｂ 移動支柱
４ｃ、４ｄ 移動支柱
５ アクチュエータ
５ａ アクチュエータ（ボールネジ機構）
５ｂ ネジ軸
６ ベース（部材）
６ｂ、６ｃ、６ｄ ガイド
７ 駆動制御手段
８ 演算制御手段
９ ガイドピン
１０ コイルばね
１１ 予圧コイルばね
１３ 変位量検出手段
Ｌ 被加工物（光学レンズ）
Ｌａ 被加工面
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやミラー等の光学素子あるいは金型等を研磨する時に使用される研磨工具に関し、特に、超精密研磨加工に用いられる形状可変の研磨工具に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高度な形状精度が要求されるレンズやミラー等の光学素子あるいは金型等を仕上げ研磨する際には、一般に、弾性材料からなるポリッシャを用いる研磨工具が従来から使用されており、このポリッシャの研磨面を被加工面に対して押し付け、研磨面と被加工面の間に研磨液を供給しながら、ポリッシャを被加工面に対して回転あるいは揺動運動させて加工を行なっている。このとき、被加工面が球面ならば、求められる球面の曲率半径の合致するようにポリッシャの表面を高精度に成形しておくのが普通である。
【０００３】
ところで、被加工物の形状は様々であり、例えば、非球面のような曲率半径が変化するような場合には、上記のように予め一定の曲率半径に成形された１種類の研磨工具だけで加工を行なうと、被加工面上で変化する曲率（以下、単にＲともいう）に対応できず、研磨工具の研磨面と被加工面に曲率の差があるために、研磨工具の接触する被加工面上で圧力分布の差が生じ、一様に研磨加工することができない。極端な場合には、研磨面と被加工面の間に隙間が生じ、研磨面の一部しか加工に作用しないこともあり得る。
【０００４】
また、研磨加工の進行にしたがって、ポリッシャの研磨面の形状が徐々に変形して劣化するため、一定の曲率を維持するためには、摺りあわせ等の作業により研磨面を再成形する必要がある。この摺りあわせ作業に費やされる労力と時間やその間に研磨加工を中断することが、製造効率の低下と製造コストの増大につながる。
【０００５】
以上のことから、多様な曲率半径を加工することができるように工具部材の研磨面を任意に形成することが可能な加工用の研磨工具も提案され、例えば特公平５−５８８６４号公報には、複数個のアクチュエータを用いて研磨面形状すなわち研磨面曲率を変化させるようにした研磨工具が開示されている。
【０００６】
この従来の研磨工具は、図９に図示するように、基盤１０１上に不図示の制御手段により個別に作動可能な複数個の変位アクチュエータ１０２を二次元的に配置し、これらの変位アクチュエータ１０２の作動によって変位する出力側の部材１０３に全体として任意の曲率形状の工具面を形成する弾性体からなる工具部材１０４を取り付けた構成となっている。
【０００７】
この研磨工具を用いて、被加工物に対して工具部材１０４を相対的に摺動させることにより加工を行なう際に、加工中に変位アクチュエータ１０２を各々作動させ、工具部材１０４の形状を部分的に独立変化させて、個々に被加工面を押圧する力を調整し、全体として所望の曲面を形成しようとするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の研磨工具においては、次のような問題点があった。
【０００９】
複数個の変位アクチュエータ１０２を個々に制御して、所望の曲面形状を得るようにしているため、装置構成を複雑でかつ高価なものにし、特に連続的に微小に曲率が変化するような緩やかな曲面（例えば、球面からのずれである非球面量が０．１ｍｍ程度）のような場合には、工具部材１０４の面内で一部分の曲率を急激に変化させることを必要としないため、かかる労力および費用に対し効果が少ないという問題点があった。
【００１０】
また、曲率変化が急激で大きな被加工面（例えば、球面からのずれである非球面量の最大値が０．５ｍｍ以上）に対しては、ポリッシャとなる部材の降伏応力、成形可能な大きさ等の制約により、十分小さい面積の研磨工具（例えば、φ２０ｍｍ）を構成しなければならないので、工具面に複数個の変位アクチュエータを二次元的に配置することが、現状のアクチュエータのサイズ（小さいものでも、φ１０ｍｍ）では物理的に困難である。
【００１１】
そこで、本発明は、上記のような従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ簡便な構成で被加工面をスムーズに平滑化することができる研磨工具を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の研磨工具は、研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記板状部材の長手方向および短手方向の中央部に取り付けられ、前記板状部材を前記研磨面の押圧方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の研磨工具において、前記板状部材の周辺部は、前記支柱部材に対して、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に取り付けられていることが好ましい。
【００１５】
さらに、研磨工具は、研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記支柱部材に取り付けられ、該支柱部材を前記研磨面の押圧方向と直交する方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とするものでもよい。
【００１６】
本発明の研磨工具において、前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の少なくとも１個の部分は前記ベース部材に対して固定され、前記支柱部材の残りの部分は、前記ベース部材に対し前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることが好ましく、あるいは、前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の各部分は、前記ベース部材に対し、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることが好ましい。
【００１７】
本発明の研磨工具において、前記支柱部材の各部分を互いに中心軸対称に移動させる対称移動機構を備えていることが好ましく、対称移動機構としてボールネジ機構を用いることができる。
【００１８】
本発明の研磨工具において、前記板状部材と前記ベース部材との間に、前記研磨面の押圧方向に引張りあるいは圧縮の予圧手段が介在されていることが好ましい。
【００２１】
【作用】
本発明の研磨工具によれば、演算制御手段により任意の加工位置における設計された理想的な加工面形状を算出し、１個のアクチュエータを駆動して、板状部材を直接的にあるいは板状部材の周辺部を取り付けた支柱部材を介して、研磨パッドを取り付けた板状部材を変形させ、研磨パッドの研磨面形状を理想的な加工面形状に強制的に一致させることができ、研磨パッドの研磨面を被加工面に隙間なく密着させ、加工圧を被加工面内に均一に加えることができる。これにより、被加工物の研磨加工をスムーズにかつ全面で行なわれ、比較的短波長の形状誤差成分である微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００２２】
また、研磨加工される前の被加工面の形状は一般に設計された理想形状からずれているけれども、研磨工具の形状を強制的に変形形成して加工することにより、研磨面内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面の形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００２３】
以上のように、本発明によれば、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、多種多様な曲率をもつ被加工面を常に均一な圧力分布で研磨でき、所望の形状を得ることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１実施例の研磨工具の模式図であり、図２は、本発明の第１実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状（光学レンズ）を加工する状態を示す模式図である。
【００２６】
図１および図２に図示する研磨工具１は、研磨パッド（ポリッシャ）２と、研磨パッド２を取り付ける板状部材３と、板状部材３の周辺部を固定するための支柱部材（以下、単に支柱ともいう。）４と、変位可能なアクチュエータ５と、支柱部材４を保持するベース６とを具備し、さらに、アクチュエータ５を駆動制御する駆動制御手段７および加工位置における加工面形状を算出しその算出結果を駆動制御手段７に送信する演算制御手段８を備えている。
【００２７】
研磨パッド２は、りん青銅や薄板ばね鋼等で構成された板状部材３の下面に接着等の手段により固着されて取り付けられ、その下面が研磨面２ａとなる。この研磨パッド２は、ピッチや発泡ウレタン等で作製され、その形状は、図１においては長手方向と短手方向のある矩形状としているが、円盤形状でもよく、その形状は限定されるものではない。また、図１においては研磨パッド２は２個に分割されたものとして示しているが、全体が繋がっている１枚のものでもよく、また、分割するのではなく、研磨面２ａ上に溝を形成するものであってもよい。
【００２８】
支柱部材４は、ベース６の下面側に固定的に装着されている固定支柱であり、この固定支柱４の下面には、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）がネジ止めあるいは接着等の手段により固定されている。
【００２９】
変位可能なアクチュエータ５は、その一端がベース６に固定され、紙面上下方向に変位可能な下端部が板状部材３の長手方向および短手方向の中央部分に接続されるように配設されており、このアクチュエータ５が、ベース６を基準にしてその下端部を矢印Ａ方向に変位すると、板状部材３の中心部分を同様に紙面上下方向（図中矢印Ｂ）に変位させる。このとき、板状部材３は、その周辺部が固定支柱４を介してベース６に対して固定されているために、その中央部分のみが上下方向に変位し、凸あるいは凹の曲率面を形成し、板状部材３に固着されている研磨パッド２の研磨面２ａも同様にそれにならう形で曲率面となる。
【００３０】
アクチュエータ５としては、高速な応答が求められる場合には、ピエゾ素子等の電圧変位変換素子等を用い、応答性は必要としないが大ストロークが求められる場合にはエアシリンダ等を選択して用いる。また、その他に回転型モータに直動型に変換する機構（例えば、ラックとピニオン機構）を取り付けて用いることもできる。
【００３１】
また、７は、アクチュエータ５に接続され、アクチュエータ５を駆動制御するための駆動制御手段であり、８は、加工位置におけるＸＹ平面上のＺ座標や曲率半径等の加工面形状を算出する演算制御手段（例えば、ＣＰＵ）で、駆動制御手段７に接続され、駆動制御手段７の駆動に必要な演算を行ない、その演算結果を駆動制御手段７に送信する作用を果たすためのものである。
【００３２】
図２において、Ｌは、例えば中心軸対称の凸の非球面を有する光学レンズ等の被加工物であり、真空吸着あるいは不図示の治具を介したねじ止め、接着等の手段により保持体Ｈに固定され、保持体Ｈにはその中心軸Ｎに沿って一定速度で回転するモータ等の駆動手段（不図示）が取り付けられている。被加工物Ｌの被加工面Ｌａは、不図示の研磨剤を介して研磨パッド２の研磨面２ａが押圧接触され、研磨が行なわれるが、ここで、被加工面Ｌａの研磨に使用される研磨パッド２および板状部材３は被加工面Ｌａに対して十分小さい寸法に設定される。例えば、直径φ１００ｍｍの被加工面Ｌａに対して、２０ｍｍ×６ｍｍの矩形の研磨パッド２が用いられる。
【００３３】
次に、以上のように構成される研磨工具１を用いて、被加工物Ｌを研磨加工する態様について説明する。
【００３４】
被加工物Ｌは、保持体Ｈに取り付けられて、不図示の駆動手段により、中心軸Ｎを右周りに一定の回転数Ｗｒ（例えば、１０ｒｐｍ）で回転される。研磨工具１は、被加工物Ｌの被加工面Ｌａの頂点である中心軸Ｎ上の位置から半径方向を外側に向かって（図中矢印Ｃ）一定の速度ｖ（例えば、５ｍｍ／ｍｉｎ）で移動する。そのため、見かけ上は、被加工物Ｌに対し研磨工具１が、被加工面Ｌａの中心から外周に向かって螺旋状に走査されることになる。
【００３５】
またこのとき、研磨工具１は、研磨加工の能率を高くするために、振幅ｈおよび周波数ｆ（例えば、振幅（ｈ）２ｍｍで周波数（ｆ）２Ｈｚ、すなわち、速度ｖｒ（＞ｖ、例えば２５ｍｍ／ｓｅｃ））で半径方向の揺動運動（図中、矢印Ｄ）しながら、被加工面Ｌａを加工している。さらに、研磨工具１において、研磨パッド２の研磨面２ａから被加工面Ｌａに対して加工に必要な荷重が付与されることはいうまでもない。
【００３６】
被加工物Ｌの加工位置は、被加工物Ｌの回転数Ｗｒと研磨工具の半径方向の移動速度ｖより、あらかじめ予測することができ、演算制御手段８によりその加工位置に対する設計曲率半径Ｒを求め、駆動制御手段７を介して、研磨工具１のアクチュエータ５を駆動し、板状部材３および研磨パッド２の形状を所望の曲率半径Ｒに一致させることができる。このことは、研磨工具が、被加工物Ｌの中心付近にあるとき（曲率半径Ｒ１、例えばＲ１＝３００ｍｍ程度）でも、外周付近にあるとき（曲率半径Ｒ２＜Ｒ１、例えばＲ２＝２００ｍｍ）でも全く同様である。
【００３７】
このように、外部に設置された演算制御手段８により、任意の加工位置における理想的な加工面形状（例えば、曲率半径）を算出し、研磨パッド２をこの加工面形状に強制的に一致させるように、一端がベース６に固定されたアクチュエータ５を駆動させて、研磨パッド２を取り付けた板状部材３をたわみ変形させる。これにより、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００３８】
このように、研磨工具１の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００３９】
また、被加工面Ｌａの形状は一般に設計された理想形状からずれているため、強制的に研磨パッド２の形状を形成して加工することにより、研磨面２ａ内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面Ｌａの形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００４０】
以上のように、本実施例の研磨工具を用いることにより、例えば非球面レンズのような多種多様な曲率を有する被加工面においても、均一な圧力分布で研磨することができ、しかも、多種多様な曲率を有する被加工面に単一の工具で対応できる。
【００４１】
次に、本発明の第２実施例の研磨工具について図３および図４を参照して説明する。
前述した第１実施例においては、板状部材３は固定支柱４に固着されており、板状部材３自身の伸縮で曲率半径の変化に対応していたけれども、本実施例においては、板状部材３の両端部分を固定支柱４に対して紙面左右方向にスライド可能に装着して、曲面形状を構成する部分の長さを調整し得るようにし、形状変化の対応範囲を拡大することができるように構成するものである。なお、本実施例において、前述した第１実施例の部材と同様な部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４２】
本実施例において、板状部材３は、その両端部分３ａ、３ａが紙面上方に折り曲げられ、その部分にそれぞれガイドピン９を挿通するための貫通穴３ｂが形成されている。ガイドピン９は、板状部材３の貫通穴３ｂを介して、固定支柱４、４のそれぞれの外側部に取り付けられるとともに、ガイドピン９には、固定支柱４の外側面と板状部材３の上方に折り曲げられた部分３ａとの間にコイルばね１０がそれぞれ挿入される。これらのコイルばね１０は板状部材３の両端部３ａを外側に拡げる予圧機構の作用をする。このような構成とすることにより、板状部材３は、その両端部３ａが左右方向にスライド可能となるために、その素材の伸縮性のみに頼って形状対応の範囲が決まるのではなく、固定支柱４に対する板状部材３の形状を変化させる部分の長さを調節できるため、より広範囲の形状に対応可能とすることができる。なお、コイルばね１０を、ガイドピン９の終端と板状部材３の端部３ａの間に挿入して、板状部材３を内側に縮める方向に予圧をかけるようにすることもできる。
【００４３】
また、ガイドピン９に代えて、超小型の直動スライド等を用いることも可能である。この場合には、直動スライドの固定側を固定支柱４に固着し、板状部材３の端部３ａにスライドテーブル側に取り付ける。
【００４４】
図４には、本実施例の研磨工具を用いて、被加工物Ｌの中心付近は凹面で、外周付近は凸となる曲率変化の大きい非球面レンズを加工している状態を図示する。本実施例においても、中心付近でも外周付近でも、被加工面Ｌａ上の加工位置に応じて設計された曲率半径に合わせるように板状部材３を変形させることができ、図４に示すように、凹面から凸面へ移行するような曲率半径の変化が大きい場合でも、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００４５】
以上のように本実施例においては、前述した第１の実施例と同様の作用効果を奏することができるとともに、比較的簡単な機構を付加するだけで、板状部材の形状を変化させる部分の長さを調節できるため、より広範囲の形状に対応可能となす。
【００４６】
次に、本発明の第３実施例の研磨工具について図５および図６を参照して説明する。
【００４７】
前述した各実施例においては、板状部材３を取り付ける支柱部材４をベース６に固定的に装着し、変位可能なアクチュエータ５をベース６に固定するとともに変位可能な端部を板状部材３に直接的に固定しているけれども、本実施例においては、支柱部材を少なくとも２個の部分から構成し、その一方を移動可能とし、かつアクチュエータ５を可動支柱に取り付けて該支柱を介して板状部材３を変位させるように構成するものである。以下、詳細に説明する。
【００４８】
支柱部材４は、図５に図示するように、ベース６の下面に固定されている固定支柱４ａと、ベース６の下面の設けられたガイド６ｂに沿って固定支柱４ａに対し接近離反しうるように（矢印Ｅ方向に）移動可能に設けられた移動支柱４ｂとから構成され、固定支柱４ａと移動支柱４ｂのそれぞれの下面に、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）がネジ止めあるいは接着等の手段により固定されている。
【００４９】
固定支柱４ａと移動支柱４ｂの間には紙面左右方向に変位可能なアクチュエータ５が配設されており、このアクチュエータ５は、移動支柱４ｂを固定支柱４ａに対し接近あるいは離反するように駆動される。
【００５０】
駆動制御手段７は、前述した各実施例と同様に、アクチュエータ５に接続され、アクチュエータ５を駆動制御し、駆動制御手段７に接続される演算制御手段８も同様に、加工位置におけるＸＹ平面上のＺ座標や曲率半径等の加工面形状を算出し、駆動制御手段７の駆動に必要な演算を行ない、その演算結果を駆動制御手段７に送信するためのものである。
【００５１】
また、図５において、１１は、ベース６と板状部材３の間を接続され、板状部材３に与圧を与えるための予圧コイルばねであり、例えば、予圧コイルばね１１の自然長さをベース６と板状部材３の距離よりも短くしておくことにより、予圧コイルばね１１の両端に引っ張り方向の力が働くため、板状部材３は常に紙面上側に持ち上げられる方向に曲げられ、研磨パッド２の研磨面２ａは凹面形状になりやすくなる。また、逆に研磨パッド２の研磨面２ａを凸面形状に作りやすくするためには、予圧コイルばね１１の自然長さをベース６と板状部材３の距離よりも長くしておけば、予圧コイルばね１１が縮められた反発力で、板状部材３は紙面下側に押し出す向きに曲げられ、研磨面２ａを凸面形状になりやすくなる。なお、いずれの場合においても予圧コイルばね１１の剛性は十分弱くとり、板状部材３の自由な変形を妨げない程度に調整しておくことが必要である。
【００５２】
次に、本実施例におけるアクチュエータ５の変位により研磨パッド２の研磨面２ａの形状を変える作動について説明する。
【００５３】
アクチュエータ５が、ベース６に固定されている固定支柱４ａを基準にして、矢印Ｅ方向に変位すると、移動支柱４ｂもガイド６ｂに沿って同様に紙面左右方向に移動する。例えば、移動支柱４ｂが、紙面左方向に移動されると、固定支柱４ａと移動支柱４ｂの距離が縮められる。それによって、予圧コイルばね１１により予め紙面上方向に引っ張り上げられている板状部材３の中心部分は大きく撓み紙面上方向に変位する。このとき、板状部材３の周辺部は支柱部材４の固定支柱４ａと移動支柱４ｂに固定されているため、紙面上下方向には変位しない。そのため、板状部材３の中央部分のみが撓んで、凸あるいは凹の曲率面（Ｒ面）を形成し、板状部材３に固定された研磨パッド２の研磨面２ａもそれにならう形で曲率面（Ｒ面）となる。このように、板状部材３はその長さを変えることなくそのたわみ形状が適宜変形する。アクチュエータ５と板状部材３の中央部分のたわみ量は１対１で対応するので、あらかじめこの関係を把握しておけば、アクチュエータ５を変位させて、所望の曲率面（Ｒ面）を作ることが可能である。
【００５４】
また、アクチュエータ５の駆動により、固定支柱４ａに対して移動支柱４ｂの距離が変化するため、たわみの中心となる板状部材３の中心部分の位置（すなわち、研磨面２ａの中心軸Ｍの位置）も紙面左右方向に絶えず変化する。しかし、演算制御手段８では、任意の加工位置におけるアクチュエータ５の変位に応じて中心位置のずれ量を算出し、研磨工具装置の移動機構上で中心位置を補正して、加工位置での曲率半径中心の軸線と、研磨面２ａの中心軸Ｎを合わせることができる。
【００５５】
以上のように構成される本実施例の研磨工具を用いて、被加工物Ｌを研磨加工する態様について説明する。
被加工物Ｌは、保持体Ｈに取り付けられて、不図示の駆動手段により、中心軸Ｎを右周りに一定の回転数Ｗｒ（例えば、１０ｒｐｍ）で回転される。研磨工具１は、被加工物Ｌの被加工面Ｌａの頂点である中心軸Ｎ上の位置から半径方向を外側に向かって（図中矢印Ｃ）、一定速度ｖ（例えば、５ｍｍ／ｍｉｎ）で移動する。そのため、見かけ上は、研磨工具１が、被加工面Ｌａに対し被加工面Ｌａの中心から外周に向かって螺旋状に走査されることになる。研磨工具１において、研磨パッド２の研磨面２ａから被加工面Ｌａに対して加工に必要な荷重が付与されることはいうまでもない。
【００５６】
またこのとき、研磨工具１は、研磨加工の能率を高くするために、振幅ｈおよび周波数ｆ（例えば、振幅（ｈ）２ｍｍで周波数（ｆ）２Ｈｚ、すなわち、速度ｖｒ（＞ｖ、例えば２５ｍｍ／ｓｅｃ））で半径方向の揺動運動（図中、矢印Ｄ）しながら、被加工面Ｌａを加工している。
【００５７】
被加工物Ｌの加工位置は、被加工物Ｌの回転数Ｗｒと研磨工具の半径方向の移動速度ｖより、あらかじめ予測することができ、演算制御手段８によりその加工位置に対する設計曲率半径Ｒを求め、研磨工具１のアクチュエータ５を駆動し、板状部材３および研磨パッド２の形状を所望の曲率半径Ｒに一致させることができる。このことは、研磨工具が、被加工物Ｌの中心付近にあるとき（曲率半径Ｒ１、例えばＲ１＝３００ｍｍ程度）でも、外周付近にあるとき（曲率半径Ｒ２＜Ｒ１、例えばＲ２＝２００ｍｍ）でも全く同様である。
【００５８】
外部に設置された演算手段８により算出される任意の加工位置における理想的な加工面形状（例えば、曲率半径）に研磨パッド２の研磨面２ａを強制的に一致させるように、一端が固定支柱４ａに固定されたアクチュエータ５を駆動させて、移動支柱４ｂを紙面左右方向に移動させ、研磨パッド２を取り付けた板状部材３をたわみ変形させる。これにより、研磨パッド２の研磨面２ａと被加工面Ｌａは隙間なく密着し、研磨工具１に付加された荷重が、加工圧として被加工面Ｌａ内に均一に加わる。
【００５９】
このように、研磨工具１の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００６０】
また、一般に被加工面Ｌａの形状は設計された理想形状からずれているため、強制的に研磨工具の形状を形成して加工することにより、研磨面２ａ内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面Ｌａの形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００６１】
以上のように、本実施例の研磨工具を用いることにより、例えば非球面レンズのような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ簡便に構成、制御可能な研磨工具を提供することができる。
【００６２】
次に、本発明の第４実施例の研磨工具について図７を参照して説明する。
【００６３】
本実施例は、前述した第３実施例における支柱部材４（４ａ、４ｂ）を全て紙面左右方向に移動可能な移動支柱４ｃ、４ｄに代え、そして、アクチュエータとして対称移動機構（例えば、ボールネジ機構）を採用するものである。なお、本実施例においても、前述した各実施例の部材と同様な部材には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００６４】
図７に図示する本実施例において、移動支柱４ｃ、４ｄは、ベース６の下面の設けられたガイド６ｃ、６ｄに沿って紙面左右方向に移動可能にそれぞれ取り付けられ、それぞれの下面には、板状部材３の周辺部分（本実施例では、周辺の両端部）が固定されている。そして、ボールネジ機構で構成されるアクチュエータ５ａは、スペーサ５ｃを介してベース６に固定されており、アクチュエータ５ａから左右両方向に延びるネジ軸５ｂの両端部には互いに逆ネジが形成され、移動支柱４ｃ、４ｄにはアクチュエータ５ａのネジ軸５ｂの両端部に螺合するネジ穴がそれぞれ設けられており、例えば、アクチュエータ５ａのボールネジ機構が、矢印Ｇ方向に回転駆動されると、移動支柱４ｃ、４ｄは、互いに矢印Ｈ方向に移動して中心軸Ｍに近付くように平行移動し、また、ボールネジ機構が矢印Ｇの逆方向に回転駆動されると、移動支柱４ｃ、４ｄは、矢印Ｈの反対方向に移動して中心軸Ｍを中心として互いに遠ざかり離反するように平行移動するように構成されている。
【００６５】
このように構成する本実施例では、前述した第３実施例の奏する作用効果に加えて、次のような利点がある。すなわち、両端のネジ部が逆方向に切られているため、アクチュエータ５ａの作動により、移動支柱４ｃおよび４ｄが中心軸Ｍを対称に移動して、中心軸Ｍの位置が常に変化せず、研磨工具外部の演算制御装置８において、その位置ずれ量の計算およびその補正を必要としないという利点がある。
【００６６】
次に、本発明の第５実施例の研磨工具について図８を参照して説明する。
【００６７】
本実施例は、前述した第４実施例として説明した研磨工具に、板状部材３の中央部分の変位を測定する変位量検出手段１３を付設するものであり、この変位量検出手段１３は、板状部材３の中央部分の実際の変位量（以下、実際変位量ともいう）を測定して、この実際変位量を駆動制御手段７および演算制御手段８に送り込み、実際変位量と理想的な加工面形状とを比較し、理想的な加工面形状と一致させるために必要な変位量（以下、必要変位量ともいう）を算出して、この差分を補正するフィードバック制御を行なうように構成したものである。
【００６８】
変位量検出手段１３として、例えば、歪みゲージを用いる場合には、歪みゲージは板状部材３の裏面（研磨面２ａと反対側）に貼り付けられ、また、荷重計を用いる場合には、予圧コイルばね１１と板状部材３を接続する部分に挿入する。これらの歪みゲージや荷重計のいずれを用いる場合でも、検出量を変位量に換算するため、研磨工具内に組み込む以前に、歪みと変位の曲線あるいは荷重と変位の曲線を実測して両者の関係を明確にしておくこととする。
【００６９】
また、変位量検出手段１３として、変位センサを用いることも可能である。この場合には、変位センサを押圧方向にベース６に固定し、板状部材３の中央部の変位を検出する構成とする。
【００７０】
また、変位量検出手段１３は、駆動制御手段７を介して演算制御手段８に接続され、演算制御手段８において、変位量検出手段１３で検出された量（例えば、歪み）が取り込まれ、実際変位量に変換された後、必要変位量と比較し、その差分を補正すべき量として、駆動制御手段７からアクチュエータ５ａへ制御信号が送られる。
【００７１】
以上のように構成される本実施例においては、板状部材３のたわみ量を常にモニタして、所望の曲率を形成するのに必要なたわみ量と一致するように補正することができるために、板状部材３および研磨パッド２を、理想的な加工面形状により高精度に維持できるという利点がある。
【００７２】
なお、本実施例においては、第４実施例に変位量検出手段を付設した例で説明したが、前述した第１ないし第３の各実施例の研磨工具においても、板状部材の変位量を測定する変位量検出手段を付設することができることはいうまでもない。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、研磨工具に１個のアクチュエータを組み込むことで所望の加工面形状を得ることができ、研磨工具を簡略にかつ安価に構成することができる。特に連続的に曲率が変化する非球面形状の場合、研磨面内で部分的に曲率を変化させることを必要とせず、必要最小限の労力と費用で任意の理想的な加工面形状を作ることができ、最大限の効果を得ることができる。
【００７４】
また、曲率変化の大きな被加工面に対しては、研磨パッドとなる部材の降伏応力、成形可能な大きさ等の制約により、十分小さい面積の研磨工具を構成しなければならない場合もあるが、かかるときに、本発明の研磨工具は、単一のアクチュエータしか用いないため、小さな曲率の面に対応する研磨面の寸法が小さな工具を構成するのに好適である。
【００７５】
さらに、研磨工具の研磨面形状を理想的な加工面形状に強制的に一致させることができ、研磨パッドの研磨面と被加工面は隙間なく密着し、研磨工具に付加された荷重が加工圧として被加工面内に均一に加えることができ、研磨工具の移動する範囲内で、スムーズにかつ全面で加工が行なわれ、微小なうねり（リップル）を含めた被加工面の平滑化が可能となる。
【００７６】
また、研磨加工される前の被加工面の形状は一般に設計された理想形状からずれているため、研磨工具の形状を強制的に形成して加工することにより、研磨面内に形成される圧力の差異を利用して、被加工面の形状を補正し、理想形状に近づけることも可能になる。
【００７７】
以上のように、非球面レンズ等のような多種多様な曲率をもつ被加工面に単一の工具で対応でき、かつ多種多様な曲率をもつ被加工面を均一な圧力分布で研磨することができ、そして、簡便な構成で、制御可能な研磨工具を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の研磨工具の模式図である。
【図２】本発明の第１実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施例の研磨工具の模式図である。
【図４】本発明の第２実施例の研磨工具を用いて、凹から凸に曲率半径が大きく変化する非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図５】本発明の第３実施例の研磨工具の模式図である。
【図６】本発明の第３実施例の研磨工具を用いて、軸対称の凸の非球面形状を加工する状態を示す模式図である。
【図７】本発明の第４実施例の研磨工具の模式図である。
【図８】本発明の第５実施例の研磨工具の模式図である。
【図９】従来の研磨工具の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 研磨工具
２ 研磨パッド
２ａ 研磨面
３ 板状部材
４ 支柱（部材）
４ａ 固定支柱
４ｂ 移動支柱
４ｃ、４ｄ 移動支柱
５ アクチュエータ
５ａ アクチュエータ（ボールネジ機構）
５ｂ ネジ軸
６ ベース（部材）
６ｂ、６ｃ、６ｄ ガイド
７ 駆動制御手段
８ 演算制御手段
９ ガイドピン
１０ コイルばね
１１ 予圧コイルばね
１３ 変位量検出手段
Ｌ 被加工物（光学レンズ）
Ｌａ 被加工面
Claims (8)
- 研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記板状部材の長手方向および短手方向の中央部に取り付けられ、前記板状部材を前記研磨面の押圧方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とする研磨工具。
- 前記板状部材の周辺部は、前記支柱部材に対して、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能なように取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の研磨工具。
- 研磨面を有する研磨パッドと、該研磨パッドを取り付ける板状部材と、該板状部材の周辺部を前記研磨面の押圧方向に取り付ける支柱部材と、該支柱部材を保持するベース部材と、前記支柱部材に取り付けられ、該支柱部材を前記研磨面の押圧方向と直交する方向に変位させる１個のアクチュエータと、加工位置に応じて加工面形状を算出する演算制御手段と、該演算制御手段により算出される面形状に合致するように前記アクチュエータを駆動させる駆動制御手段を備えることを特徴とする研磨工具。
- 前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の少なくとも１個の部分は前記ベース部材に対して固定され、前記支柱部材の残りの部分は、前記ベース部材に対し前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることを特徴とする請求項３記載の研磨工具。
- 前記支柱部材は少なくとも２個の部分から構成され、前記支柱部材の各部分は、前記ベース部材に対し、前記研磨面の押圧方向と直交する方向に移動可能に装着されていることを特徴とする請求項３記載の研磨工具。
- 前記支柱部材の各部分を互いに中心軸対称に移動させる対称移動機構を備えていることを特徴とする請求項３記載の研磨工具。
- 前記対称移動機構はボールネジ機構で構成されていることを特徴とする請求項６記載の研磨工具。
- 前記板状部材と前記ベース部材との間に、前記研磨面の押圧方向に引張りあるいは圧縮の予圧手段が介在されていることを特徴とする請求項４ないし７のいずれか１項に記載の研磨工具。
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