JP7557166B2 - 修正研磨加工方法および修正研磨加工装置 - Google Patents
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Description
本発明は、局所的に研磨加工可能な回転ツールにより数値制御で走査加工する修正研磨加工方法に関する。
レンズやミラーなどの光学素子の表面形状は、光の集光性能や強度変化に大きく影響を及ぼす。一方で、要求される表面形状は様々である。特に非球面や自由曲面形状は、従来のすり合わせ研磨による作製は難しい。そこで、局所的に研磨加工可能な回転ツールを、スラリー状の研磨加工液を間に供給しつつ、ワーク（被加工物）に押し付けながら全面にわたって数値制御で走査加工する修正研磨加工が行われている。
修正研磨加工では、予めワークと同質の材料に回転ツールを走査せずに研磨加工することで静止加工痕を得、この静止加工痕を単位時間当たりに置き換えた単位加工形状を得る。そして、この単位加工形状とワーク上の形状誤差（修正目標形状）とをデコンボリューション（逆畳み込み積分）計算することで回転ツールの滞留時間（走査速度）を算出し、この滞留時間分布に沿って回転ツールを走査する、というプロセスにより目的の形状へと修正加工を行う（例えば、特許文献１参照。）。
修正研磨加工では、ツール摩耗や加工液（スラリー）の供給方法によって発生する、加工レートの不安定性を抑えることが重要となる。特に、酸化セリウムやシリカなどの一般的な研磨砥粒を用いた場合、砥粒の分散性の悪さが加工レートの不安定性の要因となる。この課題に対し、本発明者は既に、アクリルなどの有機粒子を砥粒として用いるOrganic Abrasive Machining（ＯＡＭ法）を開発した（特許文献２を参照。）。有機粒子を用いるメリットは、水と比重が近いため粒子の分散性が非常に高い、工作物と比べて柔らかく加工傷が付きにくい、有機溶剤に溶解するため加工後の除去が容易、安価で入手し易いといった点が挙げられる。
上記ＯＡＭ法では、アクリル粒子を用いて１００μｍ空間分解能の修正研磨加工が達成されている。しかしながら、このＯＡＭ法においても、図６に示す通り、静止加工痕にツールの回転方向に依存する縞が発生する。この結果、修正研磨加工の走査ピッチを上げると、研磨加工後の表面粗さはツール回転方向に異方性が見られ、わずかに悪化してしまう。このため、走査ピッチを上げることができず、加工の効率化が図れないといった課題があった。
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、静止加工痕での縞の発生を抑え、修正研磨加工の走査ピッチを上げても表面粗さに異方性が出ず、加工の効率化を図ることができる修正研磨加工方法および修正研磨加工装置を提供する点にある。
本発明者は、上述の課題を解決するべく鋭意検討した結果、ワークを揺動させることにより加工を平均化して縞の発生、ひいては異方性を抑制し、表面粗さを改善できる可能性があることを着想し、揺動による静止加工痕の変化を調査した結果、本発明を完成するに至ったものである。
すなわち本発明は、以下の発明を包含する。
（１） 局所的に研磨加工可能な回転ツールを、スラリー状の研磨加工液を間に供給しつつ、数値制御で走査加工する修正研磨加工方法において、前記ワークを揺動させながら加工を行うことを特徴とする、修正研磨加工方法。
（２） 前記揺動の振動数を、０．１Ｈｚ以上とした、（１）記載の修正研磨加工方法。
（３） 前記揺動の振幅を、１μｍ以上とした、（１）又は（２）記載の修正研磨加工方法。
（４） 前記研磨加工液が、平均粒径５μｍ以上の有機粒子からなる砥粒を液体中に分散させた研磨加工液である、（１）～（３）の何れかに記載の修正研磨加工方法。
（５） 前記液体が、純水または水を主成分とする液体である、（１）～（４）の何れかに記載の修正研磨加工方法。
（６） 走査されない静止状態で局所的にワークを研磨できるワーク研磨用の回転ツールと、
該回転ツールとワークとの間に、スラリー状の研磨加工液を供給する加工液供給手段と、前記ワークをＸＹＺ方向に移動可能に保持するワーク保持機構と、該ワーク保持機構に保持されたワークを揺動させる揺動手段とを備え、前記揺動手段によって揺動するワークに対し、前記ワーク保持機構を数値制御して走査加工する、修正研磨加工装置。
該回転ツールとワークとの間に、スラリー状の研磨加工液を供給する加工液供給手段と、前記ワークをＸＹＺ方向に移動可能に保持するワーク保持機構と、該ワーク保持機構に保持されたワークを揺動させる揺動手段とを備え、前記揺動手段によって揺動するワークに対し、前記ワーク保持機構を数値制御して走査加工する、修正研磨加工装置。
（７） 前記揺動手段が、前記ワークを保持する保持体を、前記揺動方向に沿って案内するガイド機構と、前記保持体を前記揺動方向に沿って振動させる振動アクチュエータと、よりなる（６）記載の修正研磨加工装置。
以上にしてなる本願発明によれば、ワークを、回転ツールの回転方向に交差する方向にワークを揺動させながら加工を行うことで、該回転ツールによる静止加工痕での縞の発生が抑えられるため、数値制御で走査加工する際の走査ピッチを上げても、表面粗さに異方性が出ず、修正研磨加工の効率化を図ることができる。
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
本発明の代表的実施形態に係る修正研磨加工装置１は、図１に示すように、ワーク９に対して局所的に押し付けられるワーク研磨用の回転ツール２と、回転ツール２とワーク９との間に、スラリー状の研磨加工液を供給する加工液供給手段３と、ワーク９をＸＹＺ方向に移動可能に保持するワーク保持機構４と、ワーク保持機構４に保持されたワーク９を揺動させる揺動手段５とを備えている。
本実施形態では、ＯＡＭ法（特許第６４４６５９０号公報記載の局所研磨加工方法）に、揺動手段５を組み合わせて構成したものについて説明するが、本発明は、このようなＯＡＭ法を用いたものに限定されるものではなく、ＥＥＭ加工（Elastic Emission Machining）法や磁性流体研磨加工方法（特公平２－２５７４５号公報）、その他の種々の局所研磨加工法に揺動手段を組み合わせて構成することが可能である。特に、工具ツールとワーク表面が直接接触せず、もしくは強い接触力を生じず、高速で揺動することが可能な修正研磨加工法に組み合わせて構成することが有効である。なお、本実施形態のＯＡＭ法に関する構成に関しては、上記特許第６４４６５９０号公報の記載が参照により援用される。
回転ツール２は、ゴム等の弾性素材よりなる回転体２０と、先端に該回転体２０が設けられ、該回転体２０を回転させる軸方向に長い軸体２１と、基端側で該軸体２１を支持しつつ軸中心に回転させる回転支持部２２とより構成されており、回転体２０の外周面をワーク９側に押し当てることで、軸体２１が湾曲し、該湾曲した軸体２１の弾性復元力により回転体２０がワーク９側に押し付け付勢される。図中符号７０は錘、７１の電子天秤であり、回転体２０のワーク９への押し付け荷重（及び荷重変化）を電子天秤７１で詳細に測定し、パソコン１０に記録できるように構成されている。
回転体２０は、ワーク９に対面する外周面における研磨作用領域の外径（領域内の最大直径）が５．０ｍｍ以下になるように構成され、回転体の直径（外周面の最大直径）は従来の回転ツールの直径と比較して小径に設定されている。具体的な弾性素材としては、フッ素ゴムを用いることが好ましい。回転体２０の形状は、球状、部分球状、断面円のリング形状（トロイダル形状）その他、種々の形状が採用できる。
軸体２１は、ステンレス等の金属シャフトを用いることができる。本実施形態では、軸体２１の先端部をトロイダル形状の回転体２０に嵌め込んで固定し、かつ該軸体２１の基端部を回転支持部２２に固定することにより回転ツール１１が構成されている。回転支持部２２は電動モータなどを用いることができる。そして、回転体２０とワーク被加工面９０との間に介在する砥粒が、回転体２０に押さえつけられながら被加工面９０上を転動して被加工面９０を研磨する。
加工液供給手段３は、噴出ノズル３０と、該ノズルから噴射してワーク被加工面９０に当って落下する研磨加工液８を受け入れる、噴出ノズル３０の周りの回収槽３１と、回収槽３１に受け入れて回収された研磨加工液８を再度、噴出ノズル３０に供給して上方に噴出させるスラリー循環ポンプ３５とよりなる加工液噴射ユニットが構成されている。研磨加工液８はこれら噴出ノズル３０、ワーク被加工面９０、回収槽３１およびポンプ３５の間を循環する。
研磨加工液８の液体は、有機粒子の分散性の点で純水または水を主成分とする液体であることが好ましい。有機粒子は、種々のものを採用でき、とくに高分子材料からなるアクリル粒子、ウレタン粒子、スチレン粒子など、密度１ｇ／ｃｍ３に近いものが好ましい。なかでもウレタンやアクリル（密度は共に１．２ｇ／ｃｍ３）がより好ましい。異なる素材の有機粒子を混合してもよい。また、有機粒子の平均粒径は、５μｍ以上３０μｍ以下が好ましい。
ワーク保持機構４は、被加工面９０を下方に向けたワーク９を上方位置においてＸＹＺ方向に移動可能に保持するＸ軸ステージ４１、Ｙ軸ステージ４３及びＺ軸ステージ４２の３軸自動ステージより構成されている。ワーク保持機構４にワーク９を保持したまま回動させる回動機構（回転ステージ；θステージ）を付与すれば、ワークの位置に加えて姿勢を変えることができ、より加工の自由度を高めることができる。ワーク保持機構４や回転ツール２の支持台６０の動作などを図示しないコンピュータにより数値制御することにより、回転ツール２と接触した状態のワーク９を動かし、被加工面９０を自動で走査加工するように構成されている。
揺動手段５は、ワーク９を保持する保持体４０を揺動方向に沿って案内するガイド機構５１と、保持体４０を揺動方向に沿って振動させる振動アクチュエータ５２とを備えている。ガイド機構５１はリニアガイドが好適であり、振動アクチュエータ５２には圧電アクチュエータが好適である。圧電アクチュエータに正弦波の交流電流を流すことで、圧電アクチュエータの変位がガイド機構５１を通じてワークに伝達され、ワークをガイド機構５１の案内方向に沿って揺動させる。圧電アクチュエータとしては、たとえばメカノトランスフォーマ社製の変位拡大機構型圧電アクチュエータなどを好適に用いることができる。
揺動の振動数は０．１Ｈｚ以上、振幅は１μｍ以上とすることが好ましい。本実施形態では、ガイド機構５１による揺動の案内方向は、回転ツール２の被加工面９０に沿った回転接線方向に直交する方向にまっすぐな方向とされ、この方向に揺動されることになるが、本発明はこのような揺動方向に限定されない。揺動の態様も直線往復以外に曲線往復、無端状（ループ状）に回転揺動など、種々の態様が可能である。
＜静止加工痕試験１＞
図１に示した加工装置を用い、揺動の振幅のみ変えて、静止加工痕（ツールの走査を停止した加工）の違いを確認する実験を行った結果について説明する。
図１に示した加工装置を用い、揺動の振幅のみ変えて、静止加工痕（ツールの走査を停止した加工）の違いを確認する実験を行った結果について説明する。
（加工条件）
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
・回転ツールの回転体の素材：フッ素ゴム
・回転ツールの回転体の外径：３ｍｍ
・回転ツールの押し込み深さ：４００μｍ
・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動の振動数（圧電アクチュエータに入力する正弦波交流電流の周波数）：１Ｈｚ
・ワーク揺動の振幅：０μｍ（揺動なし）／１μｍ／５μｍ／１０μｍ／２０μｍ／３０μｍ
・加工時間：５分
（結果）
結果を図２（ａ）～図２（ｆ）に示す。各図の左側は、各振幅におけるスポット加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果、右側は深さプロファイルを示している。深さプロファイルのうちツール（回転ツール）の回転と垂直方向（被加工面に沿った回転接線方向に直交する方向）のプロファイルを比較すると、揺動無しでは非常に表面粗さが粗いのに対し、揺動の振幅を増やすほど表面が滑らかになっていく様子が確認された。また、振幅が大きくなるにつれて静止加工痕のサイズが肥大化する様子も確認された。
＜静止加工痕試験２＞
次に、図１に示した加工装置を用い、揺動の周波数のみ変えて、静止加工痕の違いを確認する実験を行った結果について説明する。
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
・回転ツールの回転体の素材：フッ素ゴム
・回転ツールの回転体の外径：３ｍｍ
・回転ツールの押し込み深さ：４００μｍ
・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動の振動数（圧電アクチュエータに入力する正弦波交流電流の周波数）：１Ｈｚ
・ワーク揺動の振幅：０μｍ（揺動なし）／１μｍ／５μｍ／１０μｍ／２０μｍ／３０μｍ
・加工時間：５分
（結果）
結果を図２（ａ）～図２（ｆ）に示す。各図の左側は、各振幅におけるスポット加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果、右側は深さプロファイルを示している。深さプロファイルのうちツール（回転ツール）の回転と垂直方向（被加工面に沿った回転接線方向に直交する方向）のプロファイルを比較すると、揺動無しでは非常に表面粗さが粗いのに対し、揺動の振幅を増やすほど表面が滑らかになっていく様子が確認された。また、振幅が大きくなるにつれて静止加工痕のサイズが肥大化する様子も確認された。
＜静止加工痕試験２＞
次に、図１に示した加工装置を用い、揺動の周波数のみ変えて、静止加工痕の違いを確認する実験を行った結果について説明する。
（加工条件）
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
・回転ツールの回転体の素材：フッ素ゴム
・回転ツールの回転体の外径：３ｍｍ
・回転ツールの押し込み深さ：４００μｍ
・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動の振幅：１０μｍ
・ワーク揺動の振動数：０Ｈｚ（揺動なし）／０．１Ｈｚ／１Ｈｚ／１０Ｈｚ
・加工時間：５分
（結果）
結果を、図３（ａ）～図３（ｄ）に示す。各図の左側は、各振幅におけるスポット加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果、右側は深さプロファイルを示している。深さプロファイルのうちツール（回転ツール）の回転と垂直方向（被加工面に沿った回転接線方向に直交する方向）のプロファイルを比較すると、振動数は０．１Ｈｚでも十分に表面粗さの改善が確認された。ただし、これ以上振動数を上げても、さらなる改善は見られなかった。これは、０．１Ｈｚの揺動であってもも加工時間５分の間にワークは３０往復しており、十分に加工の平均化作用が行われたことによると考えられる。
＜走査加工痕の比較＞
回転ツールを送り（ワークを移動させる）ながら、一定範囲の走査（スキャン）加工を行い、走査ピッチの違い、及び揺動の有無による表面粗さの違いを確認する実験を行った結果について説明する。
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
・回転ツールの回転体の素材：フッ素ゴム
・回転ツールの回転体の外径：３ｍｍ
・回転ツールの押し込み深さ：４００μｍ
・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動の振幅：１０μｍ
・ワーク揺動の振動数：０Ｈｚ（揺動なし）／０．１Ｈｚ／１Ｈｚ／１０Ｈｚ
・加工時間：５分
（結果）
結果を、図３（ａ）～図３（ｄ）に示す。各図の左側は、各振幅におけるスポット加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果、右側は深さプロファイルを示している。深さプロファイルのうちツール（回転ツール）の回転と垂直方向（被加工面に沿った回転接線方向に直交する方向）のプロファイルを比較すると、振動数は０．１Ｈｚでも十分に表面粗さの改善が確認された。ただし、これ以上振動数を上げても、さらなる改善は見られなかった。これは、０．１Ｈｚの揺動であってもも加工時間５分の間にワークは３０往復しており、十分に加工の平均化作用が行われたことによると考えられる。
＜走査加工痕の比較＞
回転ツールを送り（ワークを移動させる）ながら、一定範囲の走査（スキャン）加工を行い、走査ピッチの違い、及び揺動の有無による表面粗さの違いを確認する実験を行った結果について説明する。
（加工条件）
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
・回転ツールの回転体の素材：フッ素ゴム
・回転ツールの回転体の外径：３ｍｍ
・回転ツールの押し込み深さ：４００μｍ
・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動：揺動無し／搖動あり（振幅３０μｍ、振動数９０Ｈｚ）
・走査ピッチ：１０μｍ／５０μｍ（走査ピッチは図７参照）
・走査範囲：走査ピッチ１０μｍでは６９０μｍ四方、走査ピッチ５０μｍでは６５０μｍ四方
・加工時間：３０分
（結果）
結果を、図４（ａ）～図４（ｄ）及び図５に示す。図４の各図の左側が加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果であり、右側が加工部分の拡大像である。５０μｍピッチの揺動無しでは、走査ピッチに依存する表面粗さの悪化がみられたのに対し、５０μｍピッチの揺動ありでは、走査ピッチに依存する表面粗さの悪化は見られず、表面粗さが改善した。１０μｍピッチでは、揺動の有無で表面粗さは変わりなかった。すなわち走査ピッチに依存する表面粗さの悪化はみられず、これ以上の表面粗さの改善もなかった。
・ワークの素材：石英ガラス
・研磨加工液：平均粒径１０μｍのアクリル粒子を１０ｗｔ％で純水と混合したスラリー
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・回転ツールの回転速度：２０００ｒｐｍ
・ワーク揺動：揺動無し／搖動あり（振幅３０μｍ、振動数９０Ｈｚ）
・走査ピッチ：１０μｍ／５０μｍ（走査ピッチは図７参照）
・走査範囲：走査ピッチ１０μｍでは６９０μｍ四方、走査ピッチ５０μｍでは６５０μｍ四方
・加工時間：３０分
（結果）
結果を、図４（ａ）～図４（ｄ）及び図５に示す。図４の各図の左側が加工痕全体の走査型白色干渉計による計測結果であり、右側が加工部分の拡大像である。５０μｍピッチの揺動無しでは、走査ピッチに依存する表面粗さの悪化がみられたのに対し、５０μｍピッチの揺動ありでは、走査ピッチに依存する表面粗さの悪化は見られず、表面粗さが改善した。１０μｍピッチでは、揺動の有無で表面粗さは変わりなかった。すなわち走査ピッチに依存する表面粗さの悪化はみられず、これ以上の表面粗さの改善もなかった。
図５は揺動方向の表面粗さのＰＳＤ（パワースペクトル密度）の比較を示す。５０μｍピッチの低い空間周波数では表面粗さの改善がみられるが、１０μｍピッチの高い周波数領域では揺動による表面粗さの改善がみられない結果が得られた。
この結果から推測するに、揺動の平均速度が回転ツールの回転速度と比較して１．７％程度しかなく、粒子一つ一つの流れは揺動の影響をほとんど受けないことから、走査ピッチを細かくしてスポット加工時の縞の影響がそもそも出ない状況下では、搖動を加えても更なる表面粗さの向上は図れなかったのであろう。これに対し、走査ピッチを上げた場合の表面粗さの悪化については、搖動により効果的に防止できることがわかる。
１ 修正研磨加工装置
２ 回転ツール
３ 加工液供給手段
４ ワーク保持機構
５ 揺動手段
８ 研磨加工液
９ ワーク
２０ 回転体
２１ 軸体
２２ 回転支持部
３０ 噴出ノズル
３１ 回収槽
３５ スラリー循環ポンプ
３５ ポンプ
４０ 保持体
４２ Ｚ軸ステージ
４１ Ｘ軸ステージ
４３ Ｙ軸ステージ
５１ ガイド機構
５２ 振動アクチュエータ
７０ 錘
７１ 荷重測定装置
６０ 支持台
９０ 被加工面
２ 回転ツール
３ 加工液供給手段
４ ワーク保持機構
５ 揺動手段
８ 研磨加工液
９ ワーク
２０ 回転体
２１ 軸体
２２ 回転支持部
３０ 噴出ノズル
３１ 回収槽
３５ スラリー循環ポンプ
３５ ポンプ
４０ 保持体
４２ Ｚ軸ステージ
４１ Ｘ軸ステージ
４３ Ｙ軸ステージ
５１ ガイド機構
５２ 振動アクチュエータ
７０ 錘
７１ 荷重測定装置
６０ 支持台
９０ 被加工面
Claims (6)
- 局所的に研磨加工可能な回転ツールを、スラリー状の研磨加工液をワークとの間に供給しつつ、数値制御で走査加工する修正研磨加工方法において、
前記ワークを圧電アクチュエータにより振幅１μｍ以上３０μｍ以下で揺動させながら加工を行うことを特徴とする、修正研磨加工方法。 - 前記揺動の振動数を、０．１Ｈｚ以上とした、請求項１記載の修正研磨加工方法。
- 前記研磨加工液が、平均粒径５μｍ以上の有機粒子からなる砥粒を液体中に分散させた研磨加工液である、請求項１又は２記載の修正研磨加工方法。
- 前記液体が、純水または水を主成分とする液体である、請求項３記載の修正研磨加工方法。
- 走査されない静止状態で局所的にワークを研磨できるワーク研磨用の回転ツールと、
該回転ツールとワークとの間に、スラリー状の研磨加工液を供給する加工液供給手段と、
前記ワークをＸＹＺ方向に移動可能に保持するワーク保持機構と、
該ワーク保持機構に保持されたワークを圧電アクチュエータにより振幅１μｍ以上３０μｍ以下で揺動させる揺動手段とを備え、
前記揺動手段によって揺動するワークに対し、前記ワーク保持機構を数値制御して走査加工する、修正研磨加工装置。 - 前記揺動手段が、
前記ワークを保持する保持体を、前記揺動方向に沿って案内するガイド機構と、
前記保持体を前記揺動方向に沿って振動させる振動アクチュエータと、
よりなる請求項５記載の修正研磨加工装置。
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