JP6453228B2 - 研磨工具、研磨方法および研磨装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズ等の光学素子の表面仕上げを行なう研磨工具、研磨方法および研磨装置に関する。

一般に、レンズ、プリズム、ミラー等の光学素子の表面仕上げとしては、ポリウレタン製の研磨用シートを接着した研磨工具と被研磨物とを互いに摺動させ、界面に介在する研磨用砥粒により研磨加工を行なう。

近年、面クセがなく、形状精度が高い光学素子が求められており、被加工物の仕上げ精度を向上する研磨装置として、研磨用工具を回転させる手段と、被加工物を回転させる手段と、研磨用工具と被加工物との相対位置関係を、揺動する揺動手段とを備えた研磨装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、被研磨物を研磨する研磨工具であって、研磨工具の回転軸から被研磨物を研磨する作用面の外周形状までの距離が回転方向で一定でない研磨工具が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平０９−３００１９１号公報 特開２００６−１３６９５９号公報

特許文献１においては、新たな装置の購入が必要であり、特許文献２では、研磨面を楕円状に形成することが困難である等の問題を有していた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、既存の研磨装置を利用しながら、被研磨物の面精度を向上しうる研磨工具、研磨方法、および研磨装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる研磨工具は、所定の曲率半径を有する研磨面と、前記研磨面の内側に、回転軸を中心として回転軸と直交する投影面において前記研磨面の外縁と同心円状をなす空孔と、を備え、前記研磨面は球帯状をなし、前記研磨面の内径に対する外径の比が１．０より大きく６．０以下であることを特徴とする。

また、本発明にかかる研磨工具は、上記発明において、被研磨物の外径に対する前記研磨面の球帯幅の比が０．９以上であることを特徴とする。

また、本発明にかかる研磨方法は、上記に記載の研磨工具を使用した研磨方法であって、前記研磨工具を、前記回転軸を中心として回転しながら、前記被研磨物の中心を通過するとともに前記回転軸と交わる直線が前記研磨面の球帯の幅方向の中心を通過する位置を基準点として、一定の揺動幅で前記被研磨物と前記研磨工具との相対角度を変化させて前記被研磨物を研磨することを特徴とする。

また、本発明にかかる研磨装置は、上記に記載の研磨工具と、前記被研磨物を前記研磨工具の研磨面に当接して加圧する加圧手段と、前記回転軸を中心として前記研磨工具を回転させる回転手段と、前記被研磨物の中心を通過するとともに前記回転軸と交わる直線が前記研磨面の球帯の幅方向の中心を通過する位置を基準点として、一定の揺動幅で前記被研磨物と前記研磨工具をとの相対角度を変化させる揺動手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、新規な制御装置等を導入することなく、既存の装置を利用しながら、被研磨物の面精度を向上することが可能となる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる研磨装置の構成を示す模式図である。 図２は、図１で使用する研磨工具の断面図である。 図３は、図２の研磨工具の上面図である。 図４は、図１の研磨装置でのレンズの研磨を説明する模式図（断面図）である。 図５は、図１の研磨装置でのレンズの研磨を説明する模式図（上面図）である。 図６は、従来の研磨工具による研磨を説明する模式図（断面図）である。 図７は、従来の研磨工具による研磨を説明する模式図（上面図）である。 図８Ａは、本発明の実施の形態の変形例１にかかる研磨工具の断面図である。 図８Ｂは、本発明の実施の形態の変形例２にかかる研磨工具でのレンズの研磨を説明する模式図（断面図）である。 図９は、実施例１の研磨工具で研磨したレンズ面について、参照レンズの基準球面からの差分を示す図である。 図１０は、実施例２の研磨工具で研磨したレンズ面について、参照レンズの基準球面からの差分を示す図である。 図１１は、実施例３の研磨工具で研磨したレンズ面について、参照レンズの基準球面からの差分を示す図である。 図１２は、従来の研磨工具（比較例）で研磨したレンズ面について、参照レンズの基準球面からの差分を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、これら実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、各図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。図面は模式的なものであり、各部の寸法の関係や比率は、現実と異なることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る研磨装置の構成を示す模式図である。図２は、図１で使用する研磨工具の断面図であり、図３は、図２の研磨工具の上面図である。
本実施の形態にかかる研磨装置１００は、研磨工具３と、被研磨物であるレンズ１を研磨工具３の研磨面３ｂに当接させるホルダー２と、研磨工具３を回転させる回転モータ７と、研磨工具３を揺動する揺動モータ６とを備える。

図２および３に示すように、研磨工具３は、台皿３ａと、所定の曲率半径を有する研磨面３ｂと、研磨面３ｂの内側に、研磨工具３の回転軸を中心として回転軸と直交する投影面において研磨面３ｂの外縁と同心円状をなす空孔３ｃとを備える。台皿３ａは、被研磨物であるレンズ１の形状を略反転させた所定の曲率半径をなすよう形成され、その表面にポリウレタン等の粘弾性シートを貼り付けることにより、所定の曲率半径を有する研磨面３ｂを形成する。図２および３では４枚の粘弾性シートを貼り付けて、４面の研磨面３ｂとしているがこれに限定するものではない。本実施の形態において、研磨面３ｂは、空孔３ｃの開口部を通過する平面によって球面の頭頂部が切り取られるとともに、該平面と平行な別の平面によってその球面がさらに切り取られた球帯状をなしている。また、粘弾性シート間は溝部３ｅであり、溝部３ｅを介して研磨剤が研磨面３ｂ全体に行き渡り、また、研磨されたスラッジが溝部３ｅから排出される。

図１に示すように、研磨工具３は、工具軸４の上端に接続され、工具軸４はスピンドル５と一体となる。スピンドル５は、回転モータ７に接続され、回転モータ７は、スピンドル５を回転可能に支持する下軸台座１４に固定されている。回転モータ７（回転手段）は、図示しない制御装置の制御のもと、回転軸の軸心周りに研磨工具３を回転させる。下軸台座１４は、上部が揺動部材９を貫通し、上部外周面を揺動部材９に一体的に取り付けてある。下軸台座１４には、揺動モータ６が、回転軸が回転モータ７の回転軸と直交するように固定されている。揺動モータ６は、図示を省略した制御装置のもと、揺動部材９を揺動する。揺動モータ６の回転速度および回転数は、任意に制御可能である。揺動モータ６および揺動部材９は、揺動手段を構成する。

揺動部材９は、舟型形状をなし、下面が研磨装置１００の本体に固定された揺動部材請け部１０に支持されている。揺動部材受け部１０は、揺動部材９との対向面を前記舟型形状の底面に対応した凹曲面形状にして揺動部材９を揺動可能に支持するとともに、揺動部材９が揺動する際の下軸台座１４との干渉をなくすための開口部分（図示省略）を形成している。

揺動モータ６の駆動軸には、ギア６ａが取り付けられており、ギア６ａは円弧状のガイド８とかみ合った状態となっている。ガイド８は、研磨装置本体２０に固定されており、揺動モータ６によりギア６ａが回動しつつガイド８に沿って移動して下軸台座１４が揺動し、揺動部材９および研磨工具３等が往復揺動するようになっている。

研磨工具３の上方には、貼付皿１２に貼り付けにより保持されたレンズ１が配置されている。レンズ１は、凸球面状のレンズ加工面（レンズ球面）１ａを研磨工具３に向けるとともに貼付皿１２を保持具としてのホルダー２内に保持させることにより、ホルダー２に対して回転自在に支持されている。なお、貼付皿１２とホルダー２は、図１では分離した状態であるが、研磨装置本体２０を介して組み立てられる。ホルダー２はワーク軸１１の下端側に接続され、ワーク軸１１は、その上端に連結された加圧用エアシリンダー１６のロッドにより上下動される。

加圧用エアシリンダー１６は、バックプレート１９の上面に固定した第１取付板１９ａに取り付けられ、図示を省略した制御装置のもと、研磨工具３に対してレンズ１を下降した後のレンズ１の加工時には、レンズ加工面１ａを研磨工具３の研磨面３ｂに当接して加圧する。第１取付板１９ａおよびバックプレート１９は、レンズ１加工中は上下動しない。

ワーク軸１１の中心軸線は、研磨工具３の研磨面３ｂにおける曲率中心を通る軸線上に位置しており、バックプレート１９の前面に固定した第２取付板１９ｂにロッドを連結した粗動用エアシリンダー１８により、バックプレート１９および加圧用エアシリンダー１６等を上下に移動するようになっている。粗動用エアシリンダー１８は、研磨装置本体２０に固定されて、ワーク軸１１およびホルダー２が研磨装置本体２０に穿設した孔２０ａを貫通して（図１では貫通していない状態で図示している）、レンズ１を研磨工具３に対向させるように配置されている。上記加圧用エアシリンダー１６は、レンズ１を支持するホルダー２等を、下向きに移動する方向（鉛直方向下向き）に加圧している。

加圧用エアシリンダー１６の下方のワーク軸１１とバックプレート１９には、それぞれ可動側と固定側とが対となって用いられる測定装置としてのリニアスケール１７（位置検出器）が配してあり、加圧用エアシリンダー１６によるワーク軸１１の移動量を検出し、その移動量は図示を省略する表示器に表示されるようになっている。また、バックプレート１９には、上下に位置調整可能なストッパー１５が固定されており、バックプレート１９、すなわちバックプレート１９を介してレンズ１を支持するホルダー２等の上部全体を粗動用エアシリンダー１８により下降した際、バックプレート１９側のストッパー１５が加工装置本体２０に固定したストッパー（本体側）２１に当て付くように配されている。

続いて、本実施の形態にかかる研磨装置１００によるレンズ１の研磨について説明する。図４および図５は、本実施の形態にかかる研磨装置１００でのレンズ１の研磨を説明する模式図（断面図および上面図）である。図６および図７は、従来の研磨工具による研磨を説明する模式図（断面図および上面図）である。

本実施の形態において、研磨装置１００が行うレンズ１の研磨は、回転モータ７により回転軸Ｏを中心として研磨工具３を回転しながら、図４に示す揺動中心位置に対して一定の揺動幅で研磨工具３を揺動させることにより行なう。ここで、揺動中心位置は、図４に示すように、レンズ１の中心を通過するとともに回転軸Ｏと交わる直線Ｌが研磨面３ｂの球帯の幅方向の中心Ｗを通過する位置である。レンズ１は、研磨工具３の回転による摩擦力で、回転方向と同じ方向に連れ回される。レンズ１は、球帯状の研磨面３ｂにより研磨されるが、研磨面３ｂの内縁側（内径Ｄｎ）と外縁側（外径Ｄｇ）では周速が異なる。本出願人は、周速比が大きい場合に、レンズ１のレンズ加工面１ａに中央部が基準となる参照レンズよりも高くなる中高や、低くなる中落ち等の面クセが発生し、面精度が低下することを見出した。

図６および７に示すように、従来の研磨工具３’は、研磨面３’ｂの中心から外縁までの全体でレンズ１を研磨するが、中心付近の周速Ｖｉは外縁近傍の周速Ｖｏと比べて非常に小さく、周速比Ｖｏ/Ｖｉ（＝研磨面３ｂの内径に対する外径の比Ｄｇ／Ｄｎ）は１０以上と非常に大きいものであった。

本実施の形態の研磨工具３は、図４および図５に示すように、研磨面３ｂの内側に、空孔３ｃが設けられ、球帯状の研磨面３ｂによりレンズ１を研磨する。本実施の形態では、研磨面の内縁側の周速Ｖｉと外縁側の周速Ｖｏの周速比Ｖｏ/Ｖｉは、従来の研磨工具に比べて小さくできるため、面クセの発生を抑制し、レンズ加工面１ａの面精度を向上することができる。本実施の形態において、周速比Ｖｏ/Ｖｉは６．０以下であり、４．０以下であることが好ましく、３．０以下が特に好ましい。周速比Ｖｏ/Ｖｉが、１．０に近いほど面クセを抑制しうるが、１．０に近づくと、研磨工具３が大きくなり、作業性が悪くなるほか、研磨工具３のコストも上昇するため、２．０以上とすることが好ましい。

また、本実施の形態にかかる研磨工具３は、被研磨物であるレンズ１の外径に対する研磨面３ｂの球帯幅の比αＲ/αＬ（図４を参照。以下、「リング幅係数」という）が、０．９以上であることが好ましい。リング幅係数を０．９以上とすることにより、レンズ加工面１ａの面精度をさらに向上することができる。リング幅係数は、０．９以上であれば１．０を超えてもよいが、リング幅係数が大きくなりすぎると、研磨工具３が大きくなることによる作業性の悪化や、研磨工具３のコストも上昇するため、１．１以下とすることが好ましい。

本実施の形態にかかる研磨工具は、研磨面の頭頂部に開口部を有する空孔を設けているため、内径と外径の比が小さい。即ち、本実施の形態にかかる研磨工具は、周速比が小さい球帯状の研磨面により被研磨物を研磨するため、面クセの発生を抑制して、面精度を向上することができる。

なお、上記の実施の形態では、ポリウレタン等の粘弾性シートを貼り付けた研磨工具を使用したが、台皿上に研磨砥粒を樹脂等で固定し、切削により研磨面を形成した研磨工具も使用することができる。図８Ａは、本実施の形態の変形例１にかかる研磨工具３Ａの断面図である。研磨工具３Ａは、台皿３Ａａ上に、研磨砥粒を樹脂等で固定して円柱状の砥粒体とした後、所定の曲率半径を有する研磨面３Ａｂ、空孔３Ａｃおよび溝部３Ａｅが切削により形成される。本変形例では、研磨工具３Ａの研磨面３Ａｂの内径と外径の比を６．０以下とすることにより、実施の形態と同様に被研磨物の面精度を向上することができる。

また、本発明の実施の形態にかかる研磨工具の空孔は、研磨中にレンズに対して非接触となるように、なだらかな凹みをもたせるような形状であってもよい。図８Ｂは、本実施の形態の変形例２にかかる研磨工具３Ｂでのレンズ１の研磨を説明する模式図（断面図）である。研磨工具３Ｂは、台皿３Ｂａの研磨面３Ｂｂの内側に凹部３Ｂｃを有する。台皿３Ｂａは、実施の形態の台皿３ａと同様に、被研磨物であるレンズ１の形状を略反転させた所定の曲率半径をなすよう形成され、その表面にポリウレタン等の粘弾性シートを貼り付けることにより、所定の曲率半径を有する研磨面３Ｂｂを形成する。研磨面３Ｂｂの内部には、研磨面３Ｂｂの外縁と同心円状をなす凹部３Ｂｃが設けられ、研磨工具３Ｂでレンズ１を研磨する際、図８Ｂに示すようにレンズ１は凹部３Ｂｃと接触しない。本実施の形態の変形例２では、研磨面３Ｂｂの内側に凹部３Ｂｃを設けることにより、実施の形態と同様に、研磨面の内縁側（内径Ｄｎ）の周速Ｖｉと外縁側（外径Ｄｇ）の周速Ｖｏの周速比Ｖｏ/Ｖｉは、従来の研磨工具に比べて小さくできるため、面クセの発生を抑制し、レンズ加工面１ａの面精度を向上することができる。

以上説明した実施の形態は、本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではない。また、本発明は、実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明を形成できる。本発明は、仕様等に応じて種々変形することが可能であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施の形態が可能である。

周速比Ｖｏ/Ｖｉ（研磨面の内縁側の周速Ｖｉと外縁側の周速Ｖｏの周速比；５．０、２．７、２．５、１０．８）と、リング幅係数αＲ/αＬ（レンズの外径に対する研磨面の球帯幅の比；０．７、１．０、０．６５）とをかえて、レンズを研磨工具により研磨し、研磨後のレンズ加工面の面精度を評価した。なお、周速比Ｖｏ/Ｖｉは、研磨面３ｂの内径に対する外径の比Ｄｇ／Ｄｎに等しい。

（実施例１）
周速比Ｖｏ/Ｖｉを５．０、リング幅係数αＲ/αＬを０．７としてレンズを研磨工具により研磨した。研磨の際の研磨工具の回転数は、８００ｒｐｍ、揺動角度は１１．０±２．０°であり、レンズは曲率６４ｍｍ、径２１ｍｍである。

（実施例２）
周速比Ｖｏ／Ｖｉを２．７、リング幅係数αＲ／αＬを０．７としてレンズを研磨工具により研磨した。研磨の際の研磨工具の回転数は、８００ｒｐｍ、揺動角度は１４．２±２．０°であり、レンズは曲率６４ｍｍ、径２１ｍｍである。

（実施例３）
周速比Ｖｏ／Ｖｉを２．５、リング幅係数αＲ／αＬを１．０としてレンズを研磨工具により研磨した。研磨の際の研磨工具の回転数は、８００ｒｐｍ、揺動角度は２１．３±２．０°であり、レンズは曲率６４ｍｍ、径２１ｍｍである。

（比較例）
周速比Ｖｏ／Ｖｉを１０．８、リング幅係数αＲ／αＬを０．６５としてレンズを研磨工具により研磨した。研磨の際の研磨工具の回転数は、８００ｒｐｍ、揺動角度は７．５±２．０°であり、レンズは曲率６４ｍｍ、径２１ｍｍである。

図９〜１２は、実施例１〜３および比較例に係る研磨工具でそれぞれ研磨した後のレンズ面について、レンズのＸ方向およびＹ方向についての、参照レンズの基準球面の高さからの差分値を示す図である。

比較例である従来使用されている研磨工具は、周速比Ｖｏ/Ｖｉが１０．８であり、リング幅係数αＲ/αＬが０．６５となるレンズを研磨しているが、図１２に示すように、レンズ中央部が高くなる中高の面クセが発生している。これに対して、実施例１〜３のように周速比Ｖｏ/Ｖｉを６．０以下とすると、図９〜図１１に示すように、面クセを低減できることが確認された。特に、リング幅係数αＲ/αＬを０．９以上とした実施例３では、さらに面クセが低減され、面精度が向上することが確認された。

１ レンズ
２ ホルダー
３、３Ａ、３’、３Ｂ 研磨工具
３ａ、３Ａａ、３Ｂａ 台皿
３ｂ、３’ｂ、３Ａｂ、３Ｂｂ 研磨面
３ｃ、３Ａｃ 空孔
３ｅ、３Ａｅ 溝部
３Ｂｃ 凹部
４ 工具軸
５ スピンドル
６ 揺動モータ
６ａ ギア
７ 回転モータ
８ ガイド
９ 揺動部材
１０ 揺動部材受け部
１１ ワーク軸
１２ 貼付皿
１４ 下軸台座
１５ ストッパー
１６ 加圧用エアシリンダー
１７ リニアスケール
１８ 粗動用エアシリンダー
１９ バックプレート
１９ａ 第１取付板
１９ｂ 第２取付板
２０ 研磨装置本体
２０ａ 孔
２１ ストッパー（本体）
１００ 研磨装置

Claims (1)

1. 所定の曲率半径を有する研磨面と、前記研磨面の内側に、回転軸を中心として回転軸と直交する投影面において前記研磨面の外縁と同心円状をなす空孔と、を備え、前記研磨面は球帯状をなし、前記研磨面の内径に対する外径の比が１．０より大きく６．０以下であり、被研磨物の外径に対する前記研磨面の球帯幅の比が０．９以上である研磨工具を装置下軸側に配置する工程と、
   装置上軸側に前記比被研磨物を１個のみ配置する工程と、
   前記回転軸を中心として前記研磨工具を回転しながら、前記被研磨物の中心を通過するとともに前記回転軸と交わる直線が前記研磨面の球帯の幅方向の中心を通過する位置を基準点として、一定の揺動幅で前記研磨工具を揺動させて前記被研磨物を研磨する工程と、
   を含むことを特徴とする研磨方法。

Images