JP5399167B2 - 研磨方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を中心として回転するレンズ等の被加工物を円盤形状の研磨工具を用いて研磨する研磨方法に関する。

従来、非球面を有するレンズ等の光学素子の外周部を効率よく研磨する方法として、例えば特許文献１の技術が提案されている。
この特許文献１によれば、図８に示すように、被加工物１１８に対して研磨工具１２０を押圧させつつ相対移動させている。このとき、被加工物１１８と研磨工具１２０との接点Ｐにおける法線Ｎに対して、被加工物１１８に対する研磨工具１２０の回転軸心Ｃを、被加工物１１８の目標とする形状に応じて定めた角度αだけ傾斜させて研磨している。

ここで、半球状の研磨工具１２０から被加工物１１８が受ける荷重の分布Ｏｐは、研磨工具１２０の押圧方向が傾いている方向に偏る。この結果、被加工物１１８の外縁近傍にもピーク荷重が加わるので、被加工物１１８の外縁近傍の研磨量も他の部位と略同じになるというものである。

しかし、半球状の研磨工具１２０を傾斜させて研磨しているため、被加工物１１８と研磨工具１２０との接触態様が点接触となり、被加工物１１８の表面形状のうねりや面粗さを効率よく研磨することは困難である。

さらに、この場合の研磨工具１２０の往復移動範囲と研磨量との関係は、図９に示すように、研磨量の安定領域境界Ｆが被加工物１１８の外周縁部Ｄよりもかなり内側に位置している。このように、被加工物１１８の表面を均一に研磨するのは困難である。

また、特許文献２には、図１０に示すように、円盤状の研磨工具１２０を用いて被加工物１１８を研磨する技術が開示されている。
この特許文献２では、研磨工具１２０として、円盤状の固定砥粒フィルム１２０ｂを弾性体１２０ａに取り付けたものを用いている。そして、この研磨工具１２０と被加工物１１８とを双方軸回転させ、被加工物１１８と研磨工具１２０との接点Ｐにおいて接線と工具軸とが垂直となるようにし、研磨工具１２０に一定荷重を加えることで弾性体１２０ａが弾性変形しながら固定砥粒フィルム１２０ｂの全面が被加工物１１８の表面に均一に当接するようにしている。

特開平９−８５６０３号公報 特許第３９４２５７３号公報

しかしながら、特許文献２では、例えば図１１に示すように、研磨工具１２０の半径Ｒに対し、小さい曲率半径の凹面部Ｕやコーナー部を持つ被加工物１１８に対しては、研磨工具１２０の全面でなく外周端縁のみが被加工物１１８の表面Ｐ’，Ｐ’に当ってしまうため、狙った点を研磨することが困難となる。すなわち、研磨工具１２０の外周端縁が被加工物１１８の表面の複数個所に当接し、その部分が大きく研磨されてしまうという課題があった。

本発明は、斯かる課題を解決するためになされたもので、被加工物の表面形状がコーナー部や平坦部を有する場合であってもその全域を安定して均一に研磨可能な研磨方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、
軸心の回りに回転する被加工物の研磨方法において、
回転軸の一端に固定された円盤形状の研磨工具を用い、
当該研磨工具の外周端縁を前記被加工物の表面に当接させて研磨することを特徴とする。

本発明は、上記発明において、
前記研磨工具と前記被加工物との接点における前記被加工物の回転軸と前記研磨工具の回転軸とのなす工具角度を、前記被加工物の回転軸と前記接点における法線とのなす法線角度と、所定の調整角度と、を加算した値に設定して研磨することが好ましい。

本発明は、上記発明において、
前記接点が前記被加工物の外周縁部に近い所定の位置より外側にある場合は当該位置より内側にある場合よりも、前記調整角度を大きい値に設定することが好ましい。

本発明は、上記発明において、
前記接点が前記被加工物の前記位置から前記外周縁部に至るまでの所定区間では、前記調整角度を１次関数式に従って増加させることが好ましい。

本発明は、上記発明において、
前記接点が前記被加工物の前記位置から前記外周縁部に至るまでの所定区間では、前記調整角度を２次関数式に従って増加させることが好ましい。

本発明は、上記発明において、
前記調整角度は、前記被加工物の表面が前記研磨工具側に向けて突出する凸面形状の場合は正符号とし、前記研磨工具側から陥入する凹面形状の場合は負符号とすることが好ましい。

本発明によれば、被加工物の表面形状がコーナー部や平坦部を有する場合であってもその全域を安定して均一に研磨可能な研磨方法を提供することができる。

実施の形態１の研磨装置の外観斜視図である。 研磨工具による被加工物の研磨状態を示す図である。 被加工物と研磨工具との接点位置に対応して調整角度を変えて研磨するときの状態を示す図である。 被加工物と研磨工具との接点における接触面積の違いを示す図である。 被加工物の径方向位置と研磨量との関係を示す図である。 表面形状が研磨工具側に向けて突出する凸面形状の被加工物を研磨するときの状態を示す図である。 実施の形態２の表面形状が凹面形状の被加工物を研磨するときの状態を示す図である。 従来の研磨工具から被加工物が受ける荷重の分布を示す図である。 被加工物の径方向位置と研磨量との関係を示す図である。 円盤状の研磨工具を用いて被加工物を研磨する従来例を示す図である。 円盤状の研磨工具を用いて被加工物を研磨する従来例を示す図である。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。
［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の研磨装置の外観斜視図である。

この研磨装置１は、床面（ＸＹ平面）に配置されたベースフレーム２と、このベースフレーム２から夫々立設された取付基板４，６とを有している。
取付基板４には、先端側に略水平（Ｙ軸方向）な旋回軸心Ｂの回りに旋回可能な旋回テーブル１２と、この旋回テーブル１２をＸＺ平面内で移動させることが可能な第１の位置調整機構２４と、回転位置制御装置２６と、が取り付けられている。

この回転位置制御装置２６は、旋回軸心Ｂの回りの任意の角度位置に旋回テーブル１２を回転停止させることができる。これにより、旋回テーブル１２は、第１の位置調整機構２４と回転位置制御装置２６とにより、旋回軸心Ｂを中心として任意の回転位置でかつＸＺ平面内の任意の位置に移動することができる。

旋回テーブル１２は、略直交する２枚の矩形板１２ａ，１２ｂが一体固定されて断面略Ｌ字状に形成されている。そして、一方の矩形板１２ａが第１の位置調整機構２４に取り付けられ、他方の矩形板１２ｂに被加工物保持機構１４が取り付けられている。

この被加工物保持機構１４には、光学素子等の被加工物１８が保持されている。この被加工物１８は、主軸スピンドル１６により回転軸心Ａの回りに旋回させることが可能となっている。

一方、取付基板６には、被加工物１８の上方に対向配置された研磨工具２０と、この研磨工具２０を先端に固定する工具軸２２等が取り付けられている。
この工具軸２２は、回転軸心Ｃの回りに回転駆動され、工具保持機構２８を介して工具スピンドル３０に支持されている。この工具スピンドル３０により、工具軸２２は回転軸心Ｃの周りに回転駆動可能とされている。

工具保持機構２８は、工具軸２２に一定荷重を付加する荷重付加装置３２を介して第２の位置調整機構３４に保持されている。この位置調整機構３４は、工具軸２２をＸＹ平面内で移動可能な構成を有している。

以上により、被加工物１８と研磨工具２０とは、相対的に３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）方向に移動可能であり、かつ回転軸心Ａ及び旋回軸心Ｂの回りに相対的に回転することができるようになっている。

次に、研磨工具２０による被加工物１８の研磨方法について説明する。
図２は、研磨工具２０による被加工物１８の研磨状態を示す図である。
研磨工具２０は、工具軸２２と一体構成された工具本体２１の先端に固定されている。この研磨工具２０は、円環形状又は円盤形状のスポンジゴムからなる弾性体２０ａと、この弾性体２０ａに接着された固定砥粒シート２０ｂ又は遊離砥粒とを有している。

研磨工具２０のＸ軸方向の原点は、被加工物１８の回転軸心Ａと工具軸２２の回転軸心Ｃが一致した状態から、研磨工具２０を第２の位置調整機構３４により研磨工具２０の半径分だけＸ軸方向（負の方向）に移動させ、研磨工具２０の外周端縁Ｑが被加工物１８の面頂（被加工物１８表面の回転軸心Ａ上の点）に一致する点に設定する。

研磨加工時には、研磨工具２０の外周端縁Ｑが被加工物１８の表面との接点Ｐ（研磨加工点）で当接し、安定した研磨を行うことができる。このとき、研磨工具２０には、工具軸２２から略一定の負荷荷重が付加されている。

こうして、被加工物１８の表面は、その略全領域を研磨工具２０の外周端縁Ｑによって略均一に研磨される。
研磨加工は、研磨工具２０の外周端縁Ｑと被加工物１８との接点ＰをＸＹＺの３軸方向に同時移動させ、被加工物１８の子午線（被加工物１８の回転軸心Ａを含む面と被加工物１８の表面との交線）上を走査移動させるようにして行う。

ここで、研磨工具２０の外周端縁Ｑと被加工物１８の表面との接点Ｐ（研磨加工点）において、被加工物１８の回転軸心Ａと研磨工具２０の回転軸心Ｃとのなす工具角度θは、次式によって定義される。

具体的には、図２において、接点Ｐ（研磨加工点）における被加工物１８の回転軸心Ａと研磨工具２０の回転軸心Ｃとのなす工具角度θは、被加工物１８の回転軸心Ａと接点Ｐにおける法線Ｎとのなす法線角度α（Ｘ）と、所定の調整角度βとを加算した角度に設定される。

すなわち、
θ＝α（Ｘ）＋β＝ｔａｎ^−１（ｆ’（Ｘ））＋β
で表わされる。

ただし、ｆ（Ｘ）は被加工物１８の非球面式である。
この調整角度βは、被加工物１８の表面の略全域を均一に研磨するために必要な角度として算出される値である。

図３は、研磨工具２０の外周端縁Ｑを被加工物１８の表面に当接させて研磨するときの状態を示す図である。
本実施の形態では、研磨工具２０の外周端縁Ｑと被加工物１８との接点Ｐが、被加工物１８の外周縁部Ｄにある場合は、接点Ｐが外周縁部Ｄよりも内側にある場合よりも、調整角度βを大きい値（β’ないしβ”）に設定することとした。

このように、外周縁部Ｄを研磨するときの調整角度βを大きく設定することで、被加工物１８の中心領域Ｅから外周縁部Ｄに至るまで、略同じ量を均一に研磨できるようにしたものである。

なお、被加工物１８の接点Ｐにおける研磨量は、研磨工具２０に加える圧力と、接点Ｐにおける被加工物１８の周速度と、被加工物１８の材質等とによって決定される。そして、これらの要因を考慮して、前述した調整角度βが決定される。なお、この調整角度βは、前述したように、被加工物１８の表面を均一に研磨するために決定される値であるが、研磨工具２０に加える圧力、周速度、材質等の要因が複雑に入り込むため、その算出の過程については説明を省略する。

本実施の形態では、図３に示したように、被加工物１８の中心領域Ｅから安定領域境界Ｆに至るまでは、研磨工具２０の工具角度θをθ＝α（Ｘ）＋βに設定し、また、被加工物１８の安定領域境界Ｆから外周縁部Ｄに至るまでは、その位置に応じて、研磨工具２０の工具角度θを、α（Ｘ）に調整角度β’ないし調整角度β”（β＜β’＜β”）を加えた値に設定している。

すなわち、安定領域境界Ｆから外周縁部Ｄでは、θ＝α（Ｘ）＋β’、又はθ＝α（Ｘ）＋β”に設定している。
図４は、被加工物１８と研磨工具２０との接点Ｐにおける接触面積の違いを示す図である。

この図４に示すように、被加工物１８の中心領域Ｅから外周縁部Ｄに向かう所定区間では、研磨工具２０と被加工物１８との接触面積が徐々に小さくなるような三日月状に接触する。すなわち、図４の斜線の三日月部分が研磨工具２０による研磨痕の形状を示している。

このように、研磨工具２０が中心領域Ｅから外周縁部Ｄに向かうに従い、研磨痕の面積が小さくなっているのが把握できる。
こうして、工具軸２２に負荷される荷重を一定とした場合、被加工物１８の中心領域Ｅから外周縁部Ｄに向かうに従い接触面積が小さくなることから、研磨工具２０の単位面積当りの接触圧力が次第に大きくなる。このため、被加工物１８の外周縁部Ｄでは単位時間当たりの研磨深さが深くなる。なお、研磨工具２０による研磨量は、各接点Ｐでの研磨痕の総和となる。

図５は、被加工物１８の径方向位置と研磨量との関係を示す図である。
同図５に示すように、被加工物１８の外周縁部Ｄでは研磨痕を深くしていることから、被加工物１８の表面の全域を均一深さで研磨することができる。

すなわち、被加工物１８の中心領域Ｅから外周近傍領域Ｇまでは、略均一の深さで研磨加工を行うことで、従来よりも安定領域境界をＦからＧへと外周縁部Ｄに近づけることができる（従来技術で前述した図９参照）。

このように、被加工物１８の外周縁部Ｄに限りなく近い部分まで安定した研磨加工が可能となる。また、本実施の形態では、研磨工具２０の外周端縁Ｑを被加工物１８の表面に当接させることで、図２に示したように、被加工物１８が凸面形状を有し、かつコーナー部や平坦部を有する場合であっても、所望の研磨加工位置で所望の荷重を加えながら、安定した研磨加工を行うことができる。

なお、本実施の形態では、被加工物１８は回転軸心Ａを中心として回転する回転軸対称の形状の場合を想定しているので、研磨時の研磨工具２０の走査移動は、被加工物１８の半径のみの移動で足りる。

また、研磨工具２０の走査移動方法は、次のどちらか一方の方法を用いる。
例えば、図２の破線の矢印Ｒで示すように、被加工物１８の外周部から中心に向かって研磨を開始する場合は、研磨工具２０が被加工物１８の中心まで移動してきたとき（研磨工具２０外周端縁Ｑが原点に来たとき）に、移動方向を反転し、研磨開始点へ戻る。

また、図６の矢印Ｓで示すように、被加工物１８の中心から外周部に向かって研磨開始する場合は、研磨工具２０が被加工物１８の外周部まで移動してきたときに、移動方向を反転し、研磨開始点へ戻る。

このように、研磨加工の走査移動方向を反転させる手段を用いることで、研磨工具２０ごとによる弾性体２０ａのたわみ方を平均化することができ、安定した研磨量の研磨を行うことができる。さらに、被加工物１８と研磨工具２０との接触開始と接触終了の回数を削減することで、接触開始時と接触終了時の不安定な荷重による研磨量の乱れを削減することができ、研磨量の安定化を図ることができる。

さらに、本実施の形態では、研磨工具２０と被加工物１８との接点Ｐ（研磨加工点）が、被加工物１８の安定領域境界Ｆから外周縁部Ｄに至るまでの所定区間では、調整角度βを１次関数式又は２次関数式に従って増加させるようにした。

これは、被加工物１８の表面形状は大部分が２次曲線で近似的に表わすことができ、これに伴い、被加工物１８の表面形状の傾斜角度の変化も、１次関数式ないし２次関数式で変化させることができると考えられるためである。

すなわち、被加工物１８の安定領域境界Ｆから外周縁部Ｄに至るまでの区間では、調整角度βを直線（１次曲線）に沿って増加させたり、又は放物線（２次曲線）に沿って増加させるようにする。

これにより、工具角度θも安定領域境界Ｆから外周縁部Ｄに至るまでの区間で変化することとなり、前述した図５に示すように、安定領域境界を被加工物１８の外周縁部Ｄに近づけることができる。

こうして、被加工物１８の中心領域Ｅから外周縁部Ｄの直前の領域（外周近傍領域Ｇ）まで研磨量を略一定に保持することができる。
本実施の形態によれば、被加工物１８の表面が研磨工具２０側に向けて突出する凸面形状であってコーナー部と平坦部を有する場合であっても、所望の研磨加工位置で、所望の荷重を加えながら、研磨を行うことができる。こうして、被加工物１８の研磨面の全域を安定して研磨することができる。

また、研削工具２０の弾性体２０ａを往復運動させることにより、研磨工具２０の弾性体２０ａのたわみ量と方向を平均化し、被加工物１８の研磨面の全面を安定して研磨することができる。さらに、研磨工具２０を往復走査移動することにより、研磨開始と研磨終了の回数を減らして、荷重が不安定になる回数を削減することができる。

［実施の形態２］
図７は、被加工物１８の表面が凹面形状になっている場合の実施の形態を示す。なお、実施の形態１と同一又は相当する部材には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態では、被加工物１８の回転軸心Ａと研磨工具２０の回転軸心Ｃとのなす工具角度θを、前述と同様に
θ＝α（Ｘ）＋β
とするが、被加工物１８の表面が研磨工具２０側に向けて凹面形状のため、βは負符号をとる。

これにより、研磨工具２０の工具角度θは、研磨工具２０と被加工物１８との接点Ｐが、被加工物１８の外周縁部Ｄでは中心領域Ｅよりも小さい値になる。こうして、凹面形状の被加工物１８の研磨面であっても、その全域を安定して研磨することができる。

本実施の形態によれば、図７に示したように、被加工物１８の表面が凹面形状であって平坦部を有する場合であっても、所望の研磨加工位置で、所望の荷重を加えながら、研磨加工を行うことができる。こうして、被加工物１８の研磨加工面の全域を安定して研磨することができる。

１ 研磨装置
２ ベースフレーム
４ 取付基板
６ 取付基板
１２ 旋回テーブル
１２ａ 矩形板
１２ｂ 矩形板
１４ 被加工物保持機構
１６ 主軸スピンドル
１８ 被加工物
２０ 研磨工具
２０ａ 弾性体
２０ｂ 固定砥粒シート
２１ 工具本体
２２ 工具軸
２４ 第１の位置調整機構
２６ 回転位置制御装置
２８ 工具保持機構
３０ 工具スピンドル
３２ 荷重付加装置
３４ 第２の位置調整機構
θ 工具角度
α（Ｘ） 法線角度
β 調整角度
Ａ 回転軸心
Ｂ 旋回軸心
Ｃ 回転軸心
Ｄ 外周縁部
Ｅ 中心領域
Ｆ 安定領域境界
Ｇ 外周近傍領域
Ｐ 接点（研磨加工点）
Ｑ 外周端縁

Claims (3)

1. 軸心の回りに回転する被加工物の研磨方法において、
   回転軸の一端に固定された円盤形状の研磨工具を用い、
   当該研磨工具の外周端縁を前記被加工物の表面に当接させて、
   前記研磨工具と前記被加工物との接点における前記被加工物の回転軸と前記研磨工具の回転軸とのなす工具角度を、前記被加工物の回転軸と前記接点における法線とのなす法線角度と、所定の調整角度と、を加算した値に設定して研磨する
   ことを特徴とする研磨方法。
2. 前記接点が前記被加工物の外周縁部に近い所定の位置より外側にある場合は当該位置より内側にある場合よりも、前記調整角度を大きい値に設定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の研磨方法。
3. 前記調整角度は、前記被加工物の表面が前記研磨工具側に向けて突出する凸面形状の場合は正符号とし、前記研磨工具側から陥入する凹面形状の場合は負符号とする
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の研磨方法。