JP3819141B2 - 研磨装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、研磨ヘッドによって被加工物の光学曲面を研磨する研磨装置に関し、詳しくは被加工物に沿って研磨ヘッドを移動させながら研磨ヘッドに備えたポリシャを回転させて光学曲面を研磨する研磨装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般に、被加工面の光学曲面を研磨する場合、光学曲面の形状が球面であるか、それ以外の非球面形状であるかにより、研磨装置および研磨方法は大きく異なっており、最近、非球面光学曲面を研磨する装置として、小径研磨工具を用いたスモールツール研磨法が多く用いられている。
【0003】
従来、回転対称非球面光学曲面を研磨するための研磨装置としては、特公平4―50152号公報に記載されているものがある。また、上記非球面以外の非球面(自由曲面)光学曲面を研磨するための研磨装置としては、特開平6―126607号公報に記載されているものがある。
【0004】
まず、特公平4―50152号公報に示された研磨装置を図8および図9に基づいて説明する。図8は斜視図、図9は要部断面図である。
【0005】
この研磨装置では、図8に示すように、被加工物であるワーク50はロータリーテーブル51上のワークチャック52に固定され、ロータリーテーブル51の回転軸を中心に回転可能となっている。ロータリーテーブル51は、水平方向(X軸方向)に移動して位置決め可能なX軸機構部53に載置されており、ワーク50はX軸機構部53によって水平方向の移動が可能となっている。
【0006】
ワークチャック52に固定されたワーク50を研磨する工具54は、ワーク50の上方に位置したスピンドル55の先端に取り付けられて回転可能となっている。スピンドル55は、θ機構部56の一端面になるR軸機構部57上に取り付けたスライダ58に支持されている。θ軸機構部56は、X軸方向と直交する上下方向(Z軸方向)に移動可能なZ軸機構部59に対し回転制御自在に取り付けられ、回転制御により、図9に示すように、ワーク50の表面(光学曲面)のX,Zポイントにおける法線方向にスピンドル55の軸を一致させるように所定角度(図ではθ)を傾けることが可能になっている。また、スピンドル55とスライダ58との間には、工具54の軸方向にばね力を作用させる圧縮ばね60が介挿されており、工具54がワーク50に接触する圧力を調整可能となっている。
【0007】
このような構成で、工具54とワーク50を相対的にX,Z,θの3軸の位置決めを行い、さらに工具54を定圧でワーク50に接触させて研磨することにより、高精度な非球面の鏡面加工が可能になる。
【0008】
一方、特開平6―126607号公報に示された研磨装置を図10に基づいて説明する。図10は研磨装置の断面図である。
【0009】
この研磨装置では、被加工物61の加工面(光学曲面)61aを加工する円盤状工具62が工具回転軸63を介して研磨ヘッド64に回転自在に支持されている。工具回転軸63は駆動装置65により回転駆動され、工具回転軸63に固定されている円盤状工具62は工具回転軸63を中心にして回転可能となっている。また、工具回転軸63が加工点での接線Cと平行となるように研磨ヘッド64を揺動させるNCテーブル66が設けられている。
【0010】
このような構成で、研磨ヘッド64を揺動して工具回転軸63を加工点での接線と平行にすることで、被加工物61の加工面61aに円盤状工具62の外周面が押し当てられるため、円盤状工具62と加工面61aとの接触部における相対速度が均一となり、精度よく研磨することが可能になる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、研磨加工後の光学曲面には高い形状精度が要求されており、このような要求を満足させるため、加工中の光学曲面の形状を測定しつつ、所望の形状に仕上げるようにしている。
【0012】
しかし、上記従来の研磨装置にあっては、研磨装置とは異なる位置に配置した形状測定機により光学曲面の形状を測定する必要があるが、所望の形状に研磨加工するためには、研磨装置から被加工物を数回取り外して研磨加工中の光学曲面の形状を測定し、所望の曲面形状との形状誤差を積極的に修正しながら、光学曲面を繰り返し研磨し、光学曲面の形状精度を所望の精度にしていく必要がある。したがって、加工形状の研磨ならびに測定を研磨装置と形状測定機との間で着脱しながら繰り返し行うため、加工時間が長くなるという問題点があった。
【0013】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光学曲面の表面形状を更に高精度に仕上げ研磨できるとともに、光学曲面の研磨加工の効率化を図ることができる研磨装置を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1に係る本発明の研磨装置は、ワーク保持具に取り付けられた被加工物の光学曲面を研磨する研磨装置において、前記被加工物の光学曲面を回転しながら加工するポリシャを先端に備えた研磨ヘッドと、前記研磨ヘッドを配設して前記ポリシャを光学曲面の法線方向に押圧する押圧手段と、前記ポリシャを回転させる回転手段と、前記押圧手段に配設した研磨ヘッドに備えたポリシャを被加工物の光学曲面に対して当接または離反するように移動させる移動手段と、前記研磨ヘッドまたは研磨ヘッドを配設した押圧手段に取り付けられて研磨ヘッドとともに移動し、前記ポリシャが光学曲面に当接している状態で、前記光学曲面との距離を検出する非接触変位計と、一度研磨が終了した後、前記非接触変位計で検出した値に基づいて研磨条件を補正するCPUと、を具備するものである。
【0015】
また、請求項2に係る本発明の研磨装置は、請求項1の構成において、前記非接触変位計は、前記研磨ヘッドの走査方向の前後に各々配置した。
【0016】
さらに、請求項3に係る本発明の研磨装置は、請求項1の構成において、前記非接触変位計は、レーザー測長器であり、前記研磨ヘッドの回転中心軸に設けた中空穴の上方に配置した。
【0017】
すなわち、請求項1に係る研磨装置は、ポリシャを回転させる回転手段により研磨ヘッドに備えたポリシャを回転し、移動手段によりポリシャを被加工物の光学曲面に当接させるとともに、押圧手段により一定の加工圧力をポリシャに付加する。そして、この状態で所定の光学曲面形状を走査してポリシャで研磨しつつ、研磨ヘッドまたは研磨ヘッドを配設した押圧手段に取り付けた非接触変位計により光学曲面との距離を検出する。そして、そのデータを基に研磨条件を最適化しながら研磨し、非接触変位計と光学曲面との距離を所定の値にすることで研磨を完了とする。
【0018】
また、請求項2に係る研磨装置は、研磨ヘッドの走査方向の前後に各々配置した非接触変位計により、光学曲面上の未研磨面部と済研磨面部の両方の面との距離を検出し、研磨状況をリアルタイムで把握しつつ研磨する。
【0019】
さらに、請求項3に係る研磨装置は、研磨ヘッドの回転軸に中空穴を設け、この中空穴の上方にレーザー測長器からレーザー光を中空穴を介して光学曲面に照射して光学曲面との距離を測定し、請求項1と同様に光学曲面を所望の形状に研磨する。
【0020】
【発明の実施の形態】
[実施の形態1]
本発明の実施の形態1を図1〜3に基づいて説明する。図1〜3は本実施の形態が適用された研磨装置を示すもので、図1は正面図、図2は図1の左側面図、図3は研磨ヘッドの要部断面図である。
【0021】
研磨装置には、被加工物として研磨加工される光学曲面1aを有するワーク1を水平方向(X軸方向およびY軸方向)に移動可能とするX軸機構部2およびY軸機構部3が設けられている。
【0022】
X軸機構部2には、X軸機構部2の基台2bに対しガイドレール2d上を上記水平方向の面(以下、水平面という)内で、X軸方向に直線移動自在な移動テーブル2aが設けられている。移動テーブル2aは、基台2bの側壁に取り付けたステッピングモータ2cにより所定位置に移動、停止して位置決め可能となっている。
【0023】
また、Y軸機構部3には、X軸機構部2の移動テーブル2a上に取り付けた第2基台3bと、この第2基台3b内で不図示のガイドレール上を水平面内でY軸方向に直線移動自在なY軸移動テーブル3aが設けられている。Y軸移動テーブル3aは、第2基台3bの側壁に取り付けたステッピングモータ3cにより、移動テーブル2aの移動方向と直交するY軸方向に移動されて所定位置に停止し位置決め可能となっている。
【0024】
Y軸機構部3には、ワーク1の回転中心軸4を、上記水平方向に対し直交する面内で傾斜可能とするθ軸機構部5が設けられている。θ軸機構部5には、図2に示すように、Y軸移動テーブル3a上に固定されたL字型の台座5aが設けられており、台座5aは、移動テーブル2aとY軸移動テーブル3aにより、水平面内における任意の位置に移動、停止が可能となっている。台座5aの立ち上がり側面の裏面には、モータ6が取り付けられている。モータ6の駆動軸6aには、台座5aの立ち上がり側面の前面に配置したワークスピンドル固定板7が取り付けられている。モータ6の駆動軸6aは、Y軸方向に延在しワーク1の回転中心軸4と垂直に交わる水平軸8を中心にして回転可能となっている。回転中心軸4と水平軸8との交点は、ワーク1の研磨加工する光学曲面1aの球心O(光学曲面1aの曲率半径の中心)となるように設定されており、ワークスピンドル固定板7は、モータ6により水平軸8、すなわち球心Oを中心にして所定の揺動角度の範囲で揺動可能となっている。
【0025】
ワークスピンドル固定板7には、ワークスピンドル9が取り付けられている。ワークスピンドル9には、ワーク1の回転中心軸4を中心に回転するワーク保持具10が回転可能に保持されている。ワークスピンドル9の下方にはモータ11が接続され、このモータ11によりワーク保持具10が回転されるようになっている。
【0026】
ワーク保持具10には、光学曲面1aを上に向けてワーク1が着脱自在に取り付け可能となっている。ワーク1の着脱は、開閉自在な保持チャック(図示省略)をワーク1の外周方向から進退させることにより行うようになっている。
【0027】
上記X軸機構部2の基台2b上には、X軸機構部2の移動テーブル2aの後方において、Z軸機構部12の一部を構成するスタンド13が立設されている。Z軸機構部12は、ワーク保持具10に取り付けたワーク1の光学曲面1aを研磨加工するポリシャ21を有する研磨ヘッド20を上下方向(Z軸方向)に移動するもので、上記スタンド13と、このスタンド13の上側両側面に対で配設したガイド14と、このガイド14に案内されて上下方向に移動するスライド板15とを備えている。すなわち、Z軸機構部12は、ポリシャ21を光学曲面1aに対して当接または離反するように移動させる移動手段を構成している。
【0028】
スタンド13の上端には、取付台16bを介してモータ16が取り付けられている。モータ16の駆動軸には、スライド板15に螺合するボールネジ16aがZ軸方向に延在するように接続されており、スライド板15の上下動はモータ16の駆動によるボールネジ16aの回転により行われる。
【0029】
スライド板15には、静圧スライド18が底板17を介して取り付けられている。静圧スライド18には、スライド板15と同じZ軸方向に移動可能なスライダ18aが設けられており、このスライダ18aの前面には、保持台19を介してポリシャ21を先端に備えた研磨ヘッド20が光学曲面1aの球心Oに向かうように固定されている。静圧スライド18は、図示しない静圧制御装置により作動されるとともに、研磨加工時には、加工圧力を一定に制御するようにした定圧倣い制御装置18bによりスライダ18aを介して研磨ヘッド20をワーク1に対して常に一定の荷重を付加するように制御されている。ここにスライダ18aは研磨ヘッド20を配設してポリシャ21を光学曲面1aの法線方向に押圧する押圧手段を構成している。
【0030】
研磨ヘッド20は、工具べース22とポリシャ軸23を有している。工具べース22は、図3に示すように、略上側半分が大径部22aで略下側半分の先端側が細径の先端部軸22bからなっており、大径部22aが保持台19に固定されている。研磨ヘッド20の回転中心軸である工具べース22の中心部には、大径部22aと先端部軸22bの内部をZ軸方向に貫通した中空穴24が設けられている。
【0031】
ポリシャ軸23は、工具べース22の先端部軸22bを挿入可能な穴部を有しており、スペーサ25により上下方向に配置したベアリング26を介して先端部軸22bに回転可能に取り付けられている。ベアリング26はポリシャ軸23に取り付けた固定リング27により保持されている。ポリシャ軸23の先端には、リング状のポリシャ21が保持されている。ポリシャ21は円柱形状で、その中心部には工具べース22の先端部軸22bを挿入可能な穴が設けられている。このポリシャ21は弾性体からなっているが、固定砥粒、固形研磨部材であってもよい。
【0032】
ポリシャ軸23の外周には、ポリシャ21を回転させる回転手段としてのモータ28の駆動軸に巻回したベルト29が巻き付けられており、モータ28でポリシャ軸23と一緒にポリシャ21を回転可能となっている。モータ28はスライダ18aに固定されている。
【0033】
上記工具べース22の中空穴24内には、先端部軸22bの先端側に非接触変位計30がポリシャ軸23の回転とは独立して固持されている。非接触変位計30の先端は、ポリシャ21の研磨面(先端面)よりも後退した位置に設定されており、ワーク1の光学曲面1aとは非接触状態に配置されている。この非接触変位計30には静容量タイプを用い、非接触状態でワーク1の光学曲面1aとの距離を測定可能となっている。そして、非接触変位計30から検出される信号は、コード31を介してアンプ32により検出され、そのデータはCPU33に取り込まれる。
【0034】
次に、上記構成からなる研磨装置の作用を説明する。
研磨ヘッド20が研磨加工する際にワーク1の光学曲面1aを走査する軌跡は、ワーク1の加工形状によりCPU33がX軸機構部2、θ軸機構部5およびZ軸機構部12を同時制御するNCプログラムによるものであり、同時にその軌跡を走査した時のワーク1の光学曲面1aと非接触変位計30との距離は、ワーク1の光学曲面1aが所望の曲率に加工されたときに所定の距離になるように、あらかじめ目標値として算出しておく。したがって、ワーク1の加工前では、光学曲面1aと非接触変位計30との距離は長く、ワーク1が所望の曲率になったときは目標値になる。すなわち、非接触変位計30の先端とポリシャ21の研磨面との間の距離が目標値になったとき、ワーク1の光学曲面1aが所望の曲率に加工されるようになっている。
【0035】
まず、被加工物であるワーク1をワーク保持具10に固定する。次に、あらかじめ設定したNCプログラムをCPU33により実行することにより、モータ11によりワークスピンドル9を介してワーク保持具10およびモータ28によりベルト29を介してポリシャ軸23をそれぞれ回転させ、ワーク1およびポリシャ21の双方を回転させながらポリシャ21の研磨面をワーク1の光学曲面1aに当接させる。この時、研磨ヘッド20の研磨圧は、定圧倣い制御装置18bが作動してスライダ18aにより一定の圧力が与えられる。そして、この状態で、X軸機構部2、θ軸機構部5およびZ軸機構部12を同時制御し、ワーク1の光学曲面1aに対して所望の光学曲面1aとなるようにポリシャ21により研磨を進める。
【0036】
この研磨加工中において、研磨ヘッド20内に配置した非接触変位計30は、研磨しているワーク1の光学曲面1aとの距離を検出し、アンプ32を介してCPU33に転送する。一度研磨が終了すると、CPU33に転送された変位が所望の変位(目標値)になっているか算出し、所望の変位になるようにCPU33によりNCプログラムを補正して繰り返し研磨加工を行う。
【0037】
本実施の形態によれば、ワーク1の光学曲面1aを研磨ヘッド20に備えたポリシャ21で研磨しつつ、研磨ヘッド20の内部に配置した非接触変位計30によりワーク1の光学曲面1aとの距離を検出し、そのデータを基に研磨条件の最適化をしながら、光学曲面1aの研磨を行うことができる。そのため、研磨加工中に、ワーク保持具10からワーク1を取り外すことなく、ワーク1にポリシャ21に当接させた状態で、ワーク1の光学曲面1aの形状測定を行う回数を最小限に抑えることができるため、研磨加工時間の短縮化を図って効率良く研磨でき、加工コストの低減を図ることができる。
【0038】
[実施の形態2]
本発明の実施の形態2を図4,5に基づいて説明する。図4,5は本実施の形態が適用された研磨装置を示すもので、図4は正面図、図5は図4の左側面図である。なお、実施の形態1と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0039】
本実施の形態の研磨装置には、静圧スライド18に設けられZ軸方向に移動可能なスライダ18aの前面に保持台39を介して研磨ヘッド40が設けられている。この研磨ヘッド40は、ワーク1の回転中心軸4に対し、Y軸方向に略45°傾けた状態で配設されている。研磨ヘッド40の内部には、図示しないモータが設けられている。このモータの駆動軸41の先端には、ワーク1の光学曲面1aに当接して研磨加工する球体状のポリシャ42が取り付けられており、モータの駆動によりポリシャ42は回転軸43を中心に回転可能となっている。
【0040】
また、研磨ヘッド40のポリシャ42付近には、ポリシャ42を挟んで研磨ヘッド40の走査方向の前後であるX軸方向に一対の非接触変位計44,45が配設されている。この一対の非接触変位計44,45は、スライダ18aの前面に固定されたL字保持台46に取り付けられてポリシャ42と並列に配置されている。一対の非接触変位計44,45は、ワーク1の光学曲面1aとの距離を非接触でそれぞれ測定し、その信号はそれぞれに接続した図示しない2つのアンプを介して図示しないCPUに取り込まれるようになっている。
【0041】
次に、上記構成からなる研磨装置の作用を説明する。
ワーク1を研磨する動作は、上記実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。この時、ポリシャ42が研磨加工するワーク1の光学曲面1aの前後を、一対の非接触変位計44,45で光学曲面1aとの距離を検出する。
【0042】
本実施の形態によれば、一対の非接触変位計44,45は、ポリシャ42がワーク1の光学曲面1aを加工する走査方向の前後に配置されているので、未加工部表面と加工完了状態の表面との距離を検出することができる。したがって、研磨状態が所望の精度になるか、具体的には走査方向の前後の表面における差が小さくなって一致するか、あるいは所定の範囲内に収まっているか、などをリアルタイムに検出することができる。これにより、高精度な研磨加工が可能になるとともに、実施の形態1と同様に研磨加工の効率を向上させることができ、加工コストの低減を図ることができる。
【0043】
[実施の形態3]
本発明の実施の形態3を図6,7に基づいて説明する。図6,7は本実施の形態が適用された研磨装置を示すもので、図6は正面図、図7は研磨ヘッドの要部断面図である。なお、実施の形態1と同一の要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【0044】
本実施の形態の研磨装置には、実施の形態1と同様に、Z軸方向に移動可能なスライダ18aの前面に研磨ヘッド20が取り付けられている。研磨ヘッド20は、図7に示すように、実施の形態1と同様に構成されている。本実施の形態では、研磨ヘッド20の中央部に設けた中空穴24は、上下に貫通している状態となっている。研磨ヘッド20の中空穴24の上方には、スライダ18aの前面に固定したレーザー測長器48が配置されている。なお、レーザー測長器48は研磨ヘッド20の上端に直接取り付け、中空穴24の上方に配置してもよい。
【0045】
次に、上記構成からなる研磨装置の作用を説明する。
ワーク1を研磨する動作は、上記実施の形態1と同様であるので、その説明を省略する。研磨時、レーザー測長器48からレーザー光を中空穴24を通してワーク1の光学曲面1aに照射し、光学曲面1aまでの距離を検出する。
【0046】
本実施の形態によれば、実施の形態1と同様に、ワーク1の光学曲面1aをポリシャ21で研磨しつつ、レーザー測長器48によりワーク1の光学曲面1aとの距離を検出し、そのデータを基に研磨条件の最適化をしながら、光学曲面1aの研磨を行うことができる。そのため、研磨加工中に、ワーク保持具10からワーク1を取り外すことなく、ワーク1の光学曲面1aの形状測定を行う回数を最小限に抑えることができるため、研磨加工時間の短縮化を図って効率良く研磨でき、加工コストの低減を図ることができる。
【0047】
なお、上記実施の形態1,2,3においては、ワーク1の光学曲面1aが回転軸対称の曲面形状を研磨加工する場合を説明したが、これに限らず、対称軸を持たない回転軸非対称の曲面形状についても、X軸機構部2、Y軸機構部3、θ軸機構部5およびZ軸機構部12のNC制御により研磨することができ、実施の形態1と同様な効果を得ることができる。
【0048】
なお、上記した具体的実施の形態から次のような構成の技術的思想が導き出される。
(付記)
(1)ワーク保持具に取り付けられた被加工物の光学曲面を研磨する研磨方法において、前記光学曲面を研磨ヘッドに備えたポリシャで研磨しつつ、研磨ヘッドに配置した非接触変位計により光学曲面と非接触変位計との距離を測定し、そのデータを基に研磨ヘッドの滞留時間を補正し光学曲面を所望の形状に研磨することを特徴とする研磨方法。
【0049】
付記(1)の研磨方法によれば、非接触変位計により研磨加工している光学曲面との距離を測定することで、被加工物を研磨装置から取り外すこと無く被加工物の光学曲面を所望の形状に研磨することができ、研磨の効率化を図ることができる。
【0050】
【発明の効果】
請求項1の研磨装置によれば、ポリシャを回転させる回転手段により研磨ヘッドに備えたポリシャを回転し、移動手段によりポリシャを被加工物の光学曲面に当接させるとともに、押圧手段により一定の加工圧力をポリシャに付加して光学曲面を研磨する際、非接触変位計により光学曲面との距離を検出することできる。そのため、ワーク保持具から被加工物を取り外すことなく加工時の光学曲面の形状変位を測定しながら、光学曲面を研磨することができ、研磨の効率化を図ることができる。
【0051】
また、請求項2の研磨装置は、請求項1の効果に加えて、研磨ヘッドの走査方向の前後に各々配置した非接触変位計により、光学曲面上の未研磨面部と済研磨面部の両方の面との距離を検出し、研磨状況をリアルタイムで把握しつつ研磨することができる。
【0052】
さらに、請求項3の研磨装置は、研磨ヘッドの回転軸に中空穴を設け、この中空穴の上方にレーザー測長器からレーザー光を中空穴を介して光学曲面に照射して光学曲面との距離を測定することで、請求項1と同様な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1が適用された研磨装置を示す正面図である。
【図2】本発明の実施の形態1が適用された研磨装置を示す左側面図である。
【図3】本発明の実施の形態1が適用された研磨装置の研磨ヘッドを示す要部断面図である。
【図4】本発明の実施の形態2が適用された研磨装置を示す正面図である。
【図5】本発明の実施の形態2が適用された研磨装置を示す左側面図である。
【図6】本発明の実施の形態3が適用された研磨装置を示す正面図である。
【図7】本発明の実施の形態3が適用された研磨装置の研磨ヘッドを示す要部断面図である。
【図8】従来の研磨装置を示す斜視図である。
【図9】従来の研磨装置の要部断面図である。
【図10】従来の研磨装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1 ワーク
1a 光学曲面
2 X軸機構部
3 Y軸機構部
5 θ軸機構部
12 Z軸機構部
18 静圧スライド
18a スライダ
18b 定圧倣い制御装置
20,40 研磨ヘッド
21 ポリシャ
28 モータ
29 ベルト
30,44,45 非接触変位計
48 レーザー測長器
Claims (3)
- ワーク保持具に取り付けられた被加工物の光学曲面を研磨する研磨装置において、
前記被加工物の光学曲面を回転しながら加工するポリシャを先端に備えた研磨ヘッドと、
前記研磨ヘッドを配設して前記ポリシャを光学曲面の法線方向に押圧する押圧手段と、
前記ポリシャを回転させる回転手段と、
前記押圧手段に配設した研磨ヘッドに備えたポリシャを被加工物の光学曲面に対して当接または離反するように移動させる移動手段と、
前記研磨ヘッドまたは研磨ヘッドを配設した押圧手段に取り付けられて研磨ヘッドとともに移動し、前記ポリシャが光学曲面に当接している状態で、前記光学曲面との距離を検出する非接触変位計と、
一度研磨が終了した後、前記非接触変位計で検出した値に基づいて研磨条件を補正するCPUと、
を具備することを特徴とする研磨装置。 - 前記非接触変位計は、前記研磨ヘッドの走査方向の前後に各々配置したことを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
- 前記非接触変位計は、レーザー測長器であり、前記研磨ヘッドの回転中心軸に設けた中空穴の上方に配置したことを特徴とする請求項1記載の研磨装置。
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