JP3890188B2 - 研磨装置 - Google Patents

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際に研磨工具を保持するために使用される研磨工具保持装置に関し、特に、非球面形状の被加工面の高精度な研磨加工に用いることができる研磨工具保持装置及び研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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際には、一般に、研磨工具を保持するために研磨工具保持装置が使用されている。
【０００３】
従来、この種の研磨工具保持装置としては、特開平４−２４４３７２号公報、特開平７−７５９５２号公報に開示する研磨工具保持装置が知られている。これらの研磨工具保持装置は、図２（特開平７−７５９５２号公報）に示すように、ポリッシャ（研磨工具）３１cを保持するための工具保持部材３１aに設けられた凸球面３１dと加工力を加えるための荷重軸３９の端部の支持部３３に設けられた案内部３５aとにより、少なくとも３個の互いに間隔をおいて配列された球３５ｂ…を挟み、凸球面３１ｄの中心点が工具保持部材３１aに保持された研磨工具３１ｃの研磨面の中心点Ｏに一致するように構成する。このように、研磨工具３１ｃの揺動に伴なうモーメントの発生による姿勢変化（被加工面の工具のある位置の曲率半径の球面を仮定して、その球面に研磨工具の研磨面が沿って揺動するときの工具のピッチング方向の姿勢変化）を原理上無視できる構成が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の研磨工具保持装置では、工具を高速に揺動運動させた場合に、工具保持部材３１aに設けられた凸球面３１dと加工力が加えられる支持部３３に設けられた案内部３５aとによって挟まれ互いに間隔を置いて配置された球３５bが慣性力により接触状態が不安定となり、研磨工具３１cや工具保持部材３１aに必要な円滑な傾動追随運動が妨げられ、その結果、偏荷重が発生し、被加工面の形状創成に支障をきたすことがあった。
【０００５】
また、工具保持部材３１aに設けられた凸球面３１dと支持部３３に設けられた案内部３５aとによって挟まれた球３５bの支点を含む面内で、球のない区間は加工時に発生する工具と被加工面間の摩擦力を最寄の２個の球（２支点）に分配して支持部３３に設けられた案内部に伝えるため、摩擦力を支える２つの球を結ぶ仮想線を軸に新たなモーメント力が発生し、工具保持部に必要な円滑な傾動追随運動が妨げられ、その結果偏加重が発生し、被加工面の形状創成に支障をきたすことがあった。
【０００６】
また、凸球面３１ｄの工具保持部から案内部３５aの工具支持部までの構成要素が剛性の高い金属材料で形成されているために、高荷重で研磨工具を揺動させたときに、わずかな製作誤差によって生じる接触状態のアンバランスに起因する振動が発生することもあり、高能率な研磨加工が難しいことがあった。
【０００７】
これは、それぞれの構成要素が金属で形成されているので、比較的大きな質量をもつため、高速で揺動させたときに特に顕著となる。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の従来技術の有する未解決の問題点に鑑みてなされたものであって、研磨時、工具保持部に保持された研磨工具の研磨面が被加工物の被加工面の位置による曲率半径や法線方向の変化に対して円滑に追随することができ、かつ、高速度で揺動運動させても常に安定した研磨加工を可能とする研磨工具保持装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の研磨装置は、研磨工具と、該研磨工具を保持する工具保持部材と、前記研磨工具に加工力を加えるための荷重軸に取り付けられた支持部材とを有し、被研磨物の被研磨面に前記研磨工具を圧接して研磨加工するための研磨装置であって、前記研磨工具は前記工具保持部材に軸受けを介して回転自在に支持され、前記支持部材は凹球面形状部を有し、前記工具保持部材は、前記凹球面形状部に接触する部分が球面の一部を形成する潤滑性を有するリング状の滑り部材を有し、前記凹球面形状部の球面の中心と、前記リング状の滑り部材の前記凹球面形状部に接触する部分の球面の中心と、前記研磨工具の研磨面の中心とが一致していることを特徴とする。
【００１０】
本発明の研磨装置においては、前記滑り部材がフッ素樹脂で構成されていることが好ましい。
【００１１】
本発明の研磨装置においては、前記支持部材と前記工具保持部材との間に磁性力を作用させて前記滑り部材と前記工具支持部材との接触状態を保持することが好ましい。
【００１２】
【作用】
本発明の研磨工具保持装置によれば、工具保持部の凸状部と支持部の凹球面とで形成される空間内に工具保持部に嵌入した潤滑性のある滑り部材を配設したことにより、滑り部材の全周で加工力を分散して伝えることができ、凸状部と凹球面に浮き上がりが発生せず、工具保持部の凸状部に嵌入した滑り部材の外周上部の円弧面の中心軸と支持部の凹球面の中心点は研磨工具の研磨面の中心点と常に一致する。その結果、研磨工具を高速で揺動しても加工力の作用点は常に研磨面の中心点に一致し、そのため、研磨時に、研磨工具を揺動方向にピッチング（回転）させようとする偶力が発生しないので、被加工面に余分なうねりを発生させることもない。
【００１３】
より具体的には、従来例では、工具保持部に設けられた凸球面と支持部に設けられた凹球面とによって挟まれた３個の球の支点を含む面内で、球のない区間は加工時に発生する工具と被加工面間の摩擦力を最寄の２個の球（２支点）に分配して支持部に設けられた凹球面に伝えるため、摩擦力を支える２つの球を結ぶ仮想線を軸に新たなモーメント力が発生し、工具保持部に必要な円滑な傾動追随運動が妨げられ、その結果偏加重が発生し、被加工面の形状創成に支障をきたすことがあった。
【００１４】
これに対し、本発明では、凸球面と凹球面とにより挟まれた空間に、潤滑性のある滑り部材を挟む構造としたので、この滑り部材の全周で加工力を分散して伝えることができ、したがって上記の３個の球を使用した場合の問題点を解決でき、安定した工具支持が可能となるので被加工面の形状創成に支障をきたすことがない。
【００１５】
また、工具保持部の構成が簡単にでき、質量も小さくすることができ、さらに、潤滑性のある滑り部材をフッ素樹脂で形成することにより、従来用いられていた鋼球に比べ質量を小さくでき、高速での揺動に対して有利となる。
【００１６】
より具体的には、従来例では、球を３ヶ所に分けてなおかつ回転自在とするために、工具保持部に複雑な球受け部の加工が必要となるが、本発明では、工具保持部には滑り部材をはめるための軸部があればよく、球に替えて１個のリング状の滑り部材を作り前記軸部にはめるだけでよいので複雑な球受け部の加工が不要となる。これにより工具保持部の構成が単純化される。また、従来例では球は少なくとも３個必要であり、本発明の潤滑樹脂製の滑り部材よりも質量が大きくなる。すなわち本発明では工具保持部の質量を小さくすることができる。
【００１７】
また、研磨工具を工具保持部に対して回転自在とする軸受けを介して取り付けることにより、研磨工具は荷重軸回りに自由な位置を取ることができ、研磨工具の研磨面の圧力分布を短時間で確実に最も均一な状態にすることができる。
【００１８】
また、工具保持装置内で工具を安定して保持するためには工具軸にかかる荷重Pと研磨運動（たとえば揺動）により発生する工具研磨面と被加工面間の摩擦力が、支点（滑り部材の稜線）を介して安定でなければならない（図３により説明する）。
【００１９】
このためには、工具面の中心を原点として、工具にかかる荷重反力の合力Vと摩擦力の合力が工具軸法線となす角度（α ）と、同様に工具面の中心を原点として滑り部材の稜線が工具軸法線となす角度（β ）を比較してβ がα よりも大きいことが必要である．言い換えると、α のなす円錐面よりも下部に滑り部材の稜線がある。
【００２０】
このような条件下では工具支持部材の球面凹部面内に研磨工具、研磨工具保持部を安定して（摩擦力に抗して）保つ事ができる。
【００２１】
この関係が逆で、αの方が大きい（言い換えると、αのなす円錐面よりも上部に滑り部材の稜線がある）と、工具軸の荷重により生ずる工具、工具保持部への水平方向駆動力よりも摩擦力の方が大きくなってしまい、工具、工具保持部は工具支持部材の球面凹部面内から外れる可能性があり、安定した研磨除去が行えない恐れがある。
【００２２】
摩擦力は使用する工具面構成材料と被加工物間の静的、動的な値として、事前に測定しておく。
【００２３】
摩擦力の測定方法としては、ラップ盤に平面に仕上げた被加工面を取り付け、ラップ盤外から出したアームで研磨工具（研磨面に所定の構成材料を設けたもの）を支える。その支点部にロードセルを摩擦力が測定可能な方向に設けて置き、ラップ盤を回転させることで発生する摩擦力を直接測定する。そして、研磨工具にかかっている鉛直荷重から摩擦係数を求める。このとき、始動時の水平力を測定することで静摩擦係数を、ラップ盤が安定した回転をしているときの水平力から動摩擦係数を求めることができる。
【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、本発明の研磨工具保持装置を示す図であって、（ａ）は要部断面図であり、（ｂ）は構成概略図である。
【００２６】
本発明の研磨工具保持装置１０は、研磨工具１を保持する工具保持部２と加工力を加えるための荷重軸７の端部に取り付けられた支持部３とを備えている。
【００２７】
工具保持部２に保持される研磨工具１は、被加工物Ｗの被加工面Ｗａに対して十分小さい直径の円盤状に形成され、例えば、直径φ１００ｍｍの被加工面Ｗａに対して研磨工具外径は約φ２０ｍｍとする。そして、研磨工具１は、被加工物Ｗの被加工面Ｗａに接触して被加工面Ｗａを研磨するアスファルトピッチ等の粘弾性体層１ｂと、被加工面に対して形状追随する弾性体からなる形状追随層１ｃと、金属等の磁性体からなる工具本体１ｄとから構成されており、粘弾性体層１ｂの下面が被加工面Ｗａを研磨する研磨面１ａとなる。
【００２８】
工具保持部２は、その中央部の上下にそれぞれ磁石４ａ、４ｂが埋め込まれて接着あるいはねじ止め等の手段により固定されている。研磨工具１は、その工具本体１ｄの上方部のボス部が、工具保持部２の中央部に形成された穴部２ａにラジアルボールベアリング等の軸受け２ｅを介して取り付けられる。このとき、軸受け（ラジアルボールベアリング）２ｅは、その外輪が工具保持部２の穴部２ａに嵌入され、その内輪に工具本体１ｄの上方部のボス部が挿入される。そして、研磨工具１は、磁石４（４ａ、４ｂ）の磁力により工具保持部２に吸着されることにより保持される。このように、工具保持部２は、軸受け２ｅの外輪には接触するが内輪には全く接触しない構成で、研磨工具１は、軸受け２ｅの内輪には接触するが軸受け２ｅの外輪には全く接触しない構成となっており、また、研磨工具１を工具保持部２から磁石４（４ａ、４ｂ）の磁力に抗して引き離すことにより、研磨工具１は容易に工具保持部２から取り外すことができる構成となっている。
【００２９】
工具保持部２の上部表面の凸状部２ｂには段部２ｃが形成されており、その段部２ｃには、フッ素樹脂等の潤滑性部材でリング状に成形された滑り部材８が嵌め込まれ、この滑り部材８の外周上部のエッジはＣ0.1程度の面取りがなされている。このエッジに形成される外周面は、工具保持部２に保持されている研磨工具１の研磨面１ａの中心点Ｏを中心とした半径Ｒｔの球面上に位置するように形成されている。
【００３０】
金属等の磁性体からなる支持部３は、荷重軸７の下端部にねじ等により取り付けられ、工具保持部２に対向する面には凹球面３ｂが形成されており、この凹球面３ｂ内には、潤滑性のフッ素樹脂からなる滑り部材８を嵌め込んだ工具保持部２が位置付けられ、磁石４（４ａ、４ｂ）の磁力により常に支持部３に吸引される構成となっている。また、凹球面３ｂは、工具保持部２に保持される研磨工具１の研磨面１ａの中心点Ｏを中心とする半径Ｒｔの球面となるように形成されている。したがって、滑り部材８（図４に示す）の外周上部のエッジ外周面と凹球面３ｂは中心が一致しており、滑り部材８は、工具保持部２と支持部３とがどのように相対移動しても、円滑に滑動することができる。
【００３１】
工具保持部２の周縁部２ｄと支持部３の周縁部３ｃとには、ポリクロロプレン等の材料で形成された環状の可撓性部材（ゴムシール）６が固着され、この可撓性部材（ゴムシール）６は、工具保持部２と支持部３とを連結し、工具保持部２の凸状部２ｂと支持部３の凹球面３ｂとにより挟まれる空間を外部から密閉する。
【００３２】
次に、本発明の研磨工具保持装置１０の作動について、図１の（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。
【００３３】
荷重軸７を介して支持部３に加えられる加圧力Ｐと揺動時に荷重軸７および支持部３を介して伝えられる揺動力Ｎとの合力（加工力）は、支持部３の凹球面３ｂからフッ素樹脂製の滑り部材８を介して工具保持部２に伝わり、工具保持部２に保持された研磨工具１の研磨面１ａに作用する。
【００３４】
そして、工具保持部２は、軸受け（ラジアルボールベアリング）２ｅの外輪には接触するが軸受け２ｅの内輪には全く接触せず、また、研磨工具１は軸受け２ｅの内輪には接触するが軸受け２ｅの外輪には全く接触しない構成となっているので、研磨工具１は工具保持部２に対して回転自在であり、荷重軸７回りに円滑に回転する。
【００３５】
フッ素樹脂製の滑り部材８の外周上部のエッジと研磨面１ａ（工具加工面）の中心点Ｏで規定される球面は、支持部３の凹球面３ｂと一致するので、工具保持部２が支持部３に対してどのように傾斜していても、前記加工力の作用点は研磨面１ａの中心点Ｏに位置する。また、研磨時に発生する摩擦力Ｆも研磨面１ａに作用するので、研磨工具１を揺動方向に回転させようとするモーメント力（偶力）は発生しないので、研磨面１ａの圧力分布ωは常に均一に保たれる。
【００３６】
なお、参考のために、研磨加工の加工条件の一例を以下に示す。
【００３７】
荷重：１０Ｎ
揺動：ストローク±５ｍｍ、周期４Ｈｚ
このとき、研磨面１ａと被加工面の動摩擦係数は約０．５５、静摩擦係数は約０．７５なので、摩擦力の内最大のものは、１０Ｎ×０．７５＝７．５Ｎ程度となる。これをFmaxとする。
【００３８】
従って、工具にかかる荷重反力の合力Vは１０N、摩擦力の最大値Fmaxは７．５Nであるから、これらの２力の合力と工具軸法線とのなす角度（α）は、α＝tan^-1(Fmax/V)を求めればよく、α＝tan^-1(0.75)＝３６．８７度、となる。
【００３９】
従って、滑り部材８の滑り稜線面のなす角度βはαよりも大きく、すなわち工具軸法線上部から３６．８７度以上必要である。
【００４０】
本実施形態ではβを約５５度とする。βが十分にαよりも大きいので安定した工具保持が可能である。
【００４１】
また、本実施形態では工具保持部の構成が簡単にでき、質量も小さくすることができ、さらに、滑り部材８をフッ素樹脂で形成することにより、従来用いられている鋼球に比べ質量を小さくできるので、総合して軽量化が可能となり高速揺動を加えてもフッ素樹脂製の滑り部材８が浮き上がることがなく、またフッ素樹脂製の滑り部材８が支持部３の凹球面３ｂと全周にわたり円滑に接触しているので研磨工具に不要な外力を加えることもない。
【００４２】
以上のことから、本発明の研磨工具保持装置１０においては、被加工物Ｗの被加工面Ｗａが非球面などの複雑な形状であっても、研磨工具１が支持部３に対して自在に傾斜して研磨面１ａが前記形状に十分に追随することができ、さらに、研磨工具は荷重軸回りに自由な位置を取ることができ、研磨工具の研磨面の圧力分布を短時間で確実に最も均一な状態にすることができる。
【００４３】
なお、フッ素樹脂製の滑り部材８は、全周すべてが支持部３の凹球面３ｂと接触する必要はなく、空気抜きのために一部を切り欠いてもよい。
【００４４】
また、滑り部材の材質は樹脂材料に限定するわけではなく、グラファイト、ウルツ鉱型のＢＮ（ボロンナイトライド）の焼結体などの摩耗の少ない固形潤滑材料でもよい。
【００４５】
以上説明したように、上記の実施形態によれば、凸球面と凹球面とにより挟まれた空間に、潤滑性のある滑り部材を挟む構造としたので、この滑り部材の全周で加工力を分散して伝えることができ、したがって、安定した工具支持が可能となる。またその結果、凸球面に余分なモーメントが発生しないので、工具保持部の浮き上がりが発生せず、凸球面の中心点及び凹球面の中心点は研磨工具の研磨面の中心点と常に一致する。また、工具を高速で揺動しても加工力の作用点は常に研磨面の中心点に一致する。そのため、研磨時に研磨工具を揺動方向にピッチング（回転）させようとするモーメントが発生しないので被加工面に余分なうねりを生じることがない。
【００４６】
また、潤滑性のある滑り部材は鋼球と異なり、ダンピング特性に優れているので、高荷重で工具を保持して揺動させても工具支持部内に不要な振動を発生させることがない。この結果、高荷重研磨を安定して実現できる。
【００４７】
また、工具保持部の構成を簡単にでき、また鋼球を用いる場合に比べ質量を小さくできるので、高速での揺動に対して有利となる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、次のような作用効果を奏する。
【００４９】
支持部に加えられた加圧力の作用点は、研磨工具が支持部に対してどのように傾斜していても、常に研磨工具の研磨面の中心点に位置して研磨工具を揺動方向に回転させようとするモーメント力（偶力）が発生しないので、研磨工具の研磨面の圧力分布を常に均一にすることができる。
【００５０】
その結果、被加工物の被加工面が、回転楕円面、楕円筒面、あるいは、子線と母線の曲率半径差が比較的大きくかつ母線の曲率半径も比較的短いトロイダル面、あるいは高次の次数をもつ回転対称非球面等のような複雑な形状をしていても、その被加工面を高精度に均一に研磨加工することができる。
【００５１】
さらに、曲率半径の小さな被加工面上においても研磨工具の被加工面への追随のために必要となる揺動方向への傾動運動（ピッチング回転）が自在であるので、研磨工具の研磨面の形状が崩れることもなく、高精度な超平滑な研磨加工が可能となり、汎用性が向上する。
【００５２】
研磨工具は、軸受け部により支えられているので、荷重軸回りに円滑に回転できる。したがって、研磨工具が荷重軸回りに自由な位置を取ることができるので、研磨工具の製作精度等に起因する研磨面の圧力分布の不均一性を研磨工具自身の回転により短時間で確実により均一な状態にすることができる。
【００５３】
また、工具面の中心を原点として、工具にかかる荷重反力の合力Vと摩擦力の合力が工具軸法線となす角度（α ）と、同様に工具面の中心を原点として滑り部材の稜線が工具軸法線となす角度（β ）を比較してβ がα よりも大きいことが必要である。言い換えると、α のなす円錐面よりも下部に滑り部材の稜線がある。この配置で工具の保持は安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の研磨工具保持装置を示す図であって、（ａ）は要部断面図であり、（ｂ）は構成概略図である。
【図２】従来の研磨工具保持装置の一例を示す断面図である。
【図３】滑り部材の稜線の位置を示す図である。
【図４】滑り部材の形状を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 研磨工具
１ａ 研磨面
１ｂ 粘弾性体層
１ｃ 形状追随層
１ｄ 工具本体
２ 工具保持部
２ａ 穴部
２ｂ 凸状部
２ｃ 段部
２ｅ 軸受け（ラジアルボールベアリング）
３ 支持部
３ｂ 凹球面
４（４ａ、４ｂ） 磁石
６ 可撓性部材（ゴムシール）
６ａ ベローズ部（変形余裕部分）
７ 荷重軸
８ 滑り部材
１０ 研磨工具保持装置

Claims (3)

1. 研磨工具と、該研磨工具を保持する工具保持部材と、前記研磨工具に加工力を加えるための荷重軸に取り付けられた支持部材とを有し、被研磨物の被研磨面に前記研磨工具を圧接して研磨加工するための研磨装置であって、
   前記研磨工具は前記工具保持部材に軸受けを介して回転自在に支持され、
   前記支持部材は凹球面形状部を有し、前記工具保持部材は、前記凹球面形状部に接触する部分が球面の一部を形成する潤滑性を有するリング状の滑り部材を有し、
   前記凹球面形状部の球面の中心と、前記リング状の滑り部材の前記凹球面形状部に接触する部分の球面の中心と、前記研磨工具の研磨面の中心とが一致していることを特徴とする研磨装置。
2. 前記滑り部材がフッ素樹脂等の合成樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
3. 前記支持部材と前記工具保持部材との間に磁性力を作用させて前記滑り部材と前記工具支持部材との接触状態を保持することを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨装置。

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