JPH08141899A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 研磨ヘッドの傾きが変化しても、研磨荷重を
一定に保つことのできる研磨装置を得ること。 【構成】 角度検出部６は、研磨ヘッド１の傾き角度θ
を検出する。荷重制御部２は、荷重発生手段２の発生す
る出力をＷ・ｇ・（１−ｃｏｓθ）だけ変動させる。Ｗ
・ｇは、機構上、荷重検出部３よりも下側に位置する可
動部（４，５）の重量である。該出力変動の制御は、荷
重検出部３が検出している荷重発生手段２の出力軸２０
を通じて加えられている力を検出し、該検出結果を入力
としたフィードバック制御で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光学素子等を高精度に研
磨加工する研磨装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近のレンズやミラー等の光学部品は、
より高い精度を求められるようになっている。特に紫外
線やＸ線などの短波長を光源として使用する計測装置や
露光装置においては、形状精度で１ｎｍのレベルが要求
されている。従って、研磨加工においては、表面の平滑
化だけでなく、面形状を高精度に仕上げるために正確な
研磨除去量を得ることが必要である。

【０００３】研磨除去量は、研磨工具と加工面との接触
圧力、相対運動速度、及び加工時間に比例することが経
験的に知られている。よって高精度な研磨加工を行うに
は、研磨工具の揺動、回転運動と研磨荷重を精密に制御
する必要がある。

【０００４】そのため、図５に示すように、研磨荷重が
加工面の法線方向に一致するように研磨ヘッドの方向を
制御することで、研磨工具と研磨面との均一な接触圧力
を得ようとする研磨装置があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】被加工物がレンズ等の
場合、研磨荷重を加工面の法線方向に一致させるために
は、研磨ヘッドを傾斜させなければならない。しかし、
面の傾斜が大きな加工物（例えば、大径で曲率半径が小
さいレンズ）では、研磨ヘッドの傾斜によって研磨荷重
が変動し、安定した研磨除去量が得られないという問題
があった。

【０００６】本発明は、面の傾斜が大きな加工物であっ
ても研磨荷重が変動せず、安定した研磨除去量の得られ
る研磨装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたもので、その第１の態様としては、
研磨工具の位置及び姿勢を変更させつつ研磨対象物の被
研磨面の研磨加工を行う研磨装置において、上記研磨工
具を保持する保持部と、上記研磨工具を上記被研磨面に
押しつけるための力を発生させる荷重発生手段と、上記
荷重発生手段の発する力を、上記保持部に保持された上
記研磨工具に伝達する伝達機構部と、上記保持部に保持
された研磨工具の姿勢を変更する姿勢変更手段と、上記
荷重発生手段および姿勢変更手段を制御する制御手段
と、上記荷重発生手段の発生する力に起因して、上記伝
達機構が上記研磨工具を押す方向の傾きを検出する傾き
検出手段と、を備え、上記伝達機構部は、上記荷重発生
手段の発生した力が上記研磨工具を押す方向についての
位置を変更可能に構成された可動部を含んで構成され、
上記制御手段は、上記傾き検出手段の検出した傾きに応
じて、上記荷重発生手段に発生させる力の大きさを、逐
次、変更するものであることを特徴とする研磨装置が提
供される。

【０００８】上記制御手段は、上記傾き検出手段の検出
結果に従って、上記荷重発生手段に発生させる力を下記
ΔＦだけ変更させるものであることが好ましい。

【０００９】ΔＦ＝Ｗ・ｇ・（１−ｃｏｓ θ） Ｗ：可動部の質量 ｇ：重力加速度 θ：傾き検出手段の検出する傾きの大きさ（鉛直方向を
基準とする） 上記伝達機構を通じて上記保持部に伝えられる力の大き
さを検出する荷重検出手段を備え、上記制御手段は、上
記荷重検出手段の検出結果に従って、上記荷重発生手段
を制御するものであってもよい。

【００１０】上記保持部に保持された研磨工具を回転さ
せる回転駆動手段をさらに有してもよい。

【００１１】

【作用】制御手段は、荷重発生手段、姿勢変更手段を作
動させつつ、研磨を行う。該研磨中、荷重発生手段の発
生する力は、伝達機構部、保持部を通じて研磨工具に伝
えられている。また、研磨中、傾き検出手段は、上記荷
重発生手段の発生する力に起因して、上記伝達機構が上
記研磨工具を押す方向の傾き（θ）検出している。さら
に、制御手段は、研磨中、荷重検出手段の検出結果に基
づきながら、逐次、荷重発生手段に発生させる力の大き
さをΔＦだけ変更させることで、可動部の重量（Ｗ・
ｇ）に起因した研磨荷重の変動を解消する。

【００１２】ΔＦ＝Ｗ・ｇ・（１−ｃｏｓ θ） 研磨装置は、回転駆動手段を備えると可動部が重くなり
がちである。従って、本発明による研磨量の精密制御と
いう効果は、回転駆動手段を備えた研磨装置に適用した
場合に特に大きい。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例を図面を用いて説明する。

【００１４】本実施例の研磨装置は、図１に示すとお
り、研磨ヘッド１と、角度検出部６と、荷重制御部７
と、工具回転駆動制御部８と、ヘッド支持揺動機構９
と、入力装置１０と、主制御装置１１とを含んで構成さ
れている。

【００１５】研磨ヘッド１は、被加工物Ｒの表面に沿っ
て移動されながら、研磨加工面ｐを研磨するためのもの
である。該研磨ヘッド１は、図２に示すとおり、荷重発
生部２と、荷重検出部３と、工具回転駆動部４と、研磨
工具５と、筐体１００とを含んで構成されている。

【００１６】工具回転駆動部４は、研磨工具５を回転さ
せることで研磨を行うものである。該工具回転駆動部４
は、工具回転駆動制御部８からの指示に従って作動する
モータ１３を備えて構成されている。そして、該モータ
１３の回転軸１３０の先に研磨工具５を取り付けられる
ようになっている。従って、モータ１３を作動させるこ
とで研磨工具５を回転させることができる。該工具回転
駆動部４は、研磨ヘッド１の筐体１００内において固定
されていない。該工具回転駆動部４は、研磨ヘッド１の
筐体内部に設置されているガイド１２に沿って、回転軸
１３０の方向に移動可能に構成されている。本実施例の
説明においては、該工具回転駆動部４と研磨工具５とを
まとめて、”可動部”と呼ぶ。該可動部以外の部分は、
後述するヘッド支持揺動機構９によってその重量が支え
られている。これに対し可動部は研磨ヘッド１の筐体に
固定されていないため、その重量が研磨工具５と研磨加
工面ｐとの接触圧力に影響を与えることとなる。そして
その影響の大きさは、該研磨ヘッド１の傾き角度に応じ
て異なる。従って、可動部の重量に起因する影響分を補
正することが本実施例の目的である。研磨工具５と研磨
加工面ｐとの接触圧力に対する可動部の重量の意味およ
びその補正の内容については、後ほど詳細に説明する。

【００１７】荷重発生部２は、上述の回転軸１３０の方
向に工具回転駆動部４を移動させようとする力を発生さ
せるためのものである。本実施例においては、荷重発生
部２としてエアシリンダを採用している。該荷重発生部
２は、荷重制御部７からの指示に従って、伸縮自在な出
力軸２０を備えている。そして、この出力軸２０には、
後述の荷重検出部３を介して可動部（工具回転駆動部
４，研磨工具５）が連結されている。従って、該出力軸
２０を伸縮させることで、研磨工具５と研磨加工面ｐと
の接触圧力を調整することができる。荷重発生部２自体
は、研磨ヘッド１の筐体１００内において固定されてい
る。荷重発生部２の具体的構成はエアシリンダに限定さ
れるものではない。例えば、ボイスコイルモータ、バネ
とモータの組み合せ機構等のように荷重を制御可能なも
のであればよい。

【００１８】荷重検出部３は、荷重発生部２が発生して
いる力（より厳密には、出力軸２０を通じて作用してい
る力）を検出するためのものである。該荷重検出部３
は、荷重発生部２の出力軸２０と工具回転駆動部４との
間に設置されている。なお、研磨ヘッド１自体は、後述
するヘッド支持揺動機構９によって支えられているた
め、機構上、荷重検出部３よりも下側に属する（位置す
る）部分、すなわち、可動部の重量は、研磨中、荷重検
出部３が検出している値に含まれない。

【００１９】さらに、該荷重検出部３は、可動部の重量
を測定するためにも用いられるようになっている。該可
動部の重量を測定するには、研磨ヘッド１の姿勢を鉛直
として（θ＝０）、研磨工具５が宙に浮いている状態
（研磨加工面ｐなどに触れていない状態）を作り出せば
よい。該状態では、可動部が荷重検出部３にぶら下がっ
た状態となっている。従って、この状態において荷重検
出部３が検出した荷重が、可動部の重量である。

【００２０】荷重検出部３は検出結果を、荷重制御部７
へ出力している。本実施例では、検出値を電気信号とし
て出力するロードセルを使用しているがこれに限定され
るものではない。これ以外にも、各種の荷重センサ等を
使用可能である。

【００２１】荷重検出部３の設置位置は、図２に示した
位置に限定されない。図４のように、荷重発生部２の上
側に取り付けるようにしても良い。このような構成をと
った場合、荷重検出部３の検出値には荷重発生部２の重
量分も含まれる。つまり、荷重発生部２も可動部に含ま
れることになる。

【００２２】図１において、角度検出部６は、研磨ヘッ
ド１の傾き角度θを検出するためのものである。ここで
いう”研磨ヘッド１の傾き角度θ”とは、厳密には、荷
重発生部２に起因した力（研磨荷重）が被研磨面ｐに作
用する方向と、鉛直方向とがなす角度である。本実施例
では、角度検出部６を、研磨ヘッド１に設置した傾斜角
センサを用いて構成している。該角度検出部６の検出結
果は、荷重制御部７へ出力されている。角度検出部６の
具体的構成はこれに限定されるものではない。例えば、
ヘッド支持揺動機構９の有する揺動機構の位置検出セン
サ、ロータリエンコーダなどで測定した研磨ヘッドの位
置から演算するようにしてもよい。

【００２３】荷重制御部７は、研磨中、研磨加工面ｐと
研磨工具５との接触圧力が一定に保たれるように、荷重
発生部２を制御するものである。該荷重制御部７は、角
度検出部６の検出した角度と、荷重検出部３の検出した
荷重と、研磨作業者が入力装置１０を通じて入力する接
触圧力の設定値と、を入力として、該制御を行ってい
る。研磨ヘッド１の傾きは、研磨中、変化しつづけるた
め、該研磨中、荷重制御部７は、該フィードバック制御
を、逐次実行しつづけるようになっている。該荷重制御
部７による制御の内容については、後ほど詳細に説明す
る。

【００２４】荷重制御部７は、メモリおよびプロセッ
サ、荷重発生部２の駆動回路等を含んで構成されてい
る。メモリには、該制御において必要な可動部の重量、
傾斜角度θ等が保持されるようになっている。

【００２５】工具回転駆動制御部８は、主制御装置１１
からの指示に従って工具回転駆動部４を作動させるもの
である。

【００２６】ヘッド支持揺動機構９は、研磨ヘッド１自
体の重量（可動部を除く）が研磨加工面ｐに加わること
のないように支持するとともに、研磨加工面ｐの表面形
状にほぼ倣って、研磨ヘッド１を移動させるためのもの
である。荷重発生部２に起因した力（研磨荷重）が被研
磨面ｐに作用する方向は、該ヘッド支持揺動機構９によ
って、被研磨面ｐそれぞれの位置における法線Ｈの方向
に向けられる。該ヘッド支持揺動機構９自体は、本発明
の特徴とするところではなく、また、既に周知の機構で
あるためここでの説明は省略する。該ヘッド支持揺動機
構９ついては、例えば、特開昭６１−２６５２５７号、
特開平４−１３５１５４号に記載されている技術を適用
可能である。

【００２７】入力装置１０は、作業者が、上記各部に動
作指示、各種設定値を入力するためのものである。入力
装置１０としては、例えばキーボードを使用可能であ
る。上述の設定値も、該入力装置１０を通じて入力され
るものである。

【００２８】主制御装置１１は、入力装置１０から入力
された指示に従って、本実施例の研磨装置全体を制御統
括するためのものである。本実施例では、マイクロプロ
セッサ、メモリなどを含んで構成している。なお、荷重
制御部７、主制御装置１１等は、実際には一体に構成す
ることが可能である。

【００２９】荷重制御部７による制御内容について説明
する。

【００３０】研磨工具５と研磨加工面ｐとの間の接触圧
力は、荷重発生部２の発生する力と、可動部（工具回転
駆動部４，研磨工具５）の重量に起因した荷重と、によ
って決定される。しかし、可動部の重量のすべてが接触
圧力に加わる分けではなく、図５からも明らかなとお
り、該荷重を、加工点における法線の方向と、該法線に
垂直な方向とに分解した場合における、法線方向の成分
のみが接触圧力に含まれる。つまり、接触圧力（荷重）
は、下記数１で示されるものである。

【００３１】

【数１】ｆ＝Ｆ＋Ｗ・ｇ・ｃｏｓθ ｆ：実際に加わる研磨荷重 Ｆ：荷重発生部２の発生する力 Ｗ：可動部の質量 ｇ：重力加速度 θ：研磨ヘッド１の傾き角度（鉛直方向を０°とする） 研磨ヘッド１が鉛直になっているとき（θ＝０）のＦを
Ｆ₀とすると、下記数２が成立する。そして、該数２を
整理すると、数３が得られる。

【００３２】

【数２】Ｆ₀＋Ｗ・ｇ＝Ｆ（θ）＋Ｗ・ｇ・ｃｏｓθ

【００３３】

【数３】 ΔＦ＝Ｆ（θ）−Ｆ₀＝Ｗ・ｇ（１−ｃｏｓθ） 従って、荷重制御部７は、荷重発生部２が発生する荷重
をΔＦ（＝Ｗ・ｇ・（１−ｃｏｓθ））だけ変動させる
ことを制御目標とする。そして、この制御目標が実現さ
れるように、荷重検出部３の検出結果に基づいたフィー
ドバック制御を行う。

【００３４】繰返しになるが、本実施例では可動部以外
の部分の重量は、ヘッド支持揺動機構９によって支えら
れているため、接触圧力には影響がない。また、ヘッド
支持揺動機構９によって支えられていない部分が荷重検
出部３よりも上側に存在しても、ここで述べた補正はそ
のまま適用可能である（以下このような部分を”上可動
部”という）。これは、上可動部の重量に起因した荷重
は、荷重検出部３の検出結果に含まれるからである。可
動部の重量に起因した荷重は、荷重検出部３によっては
検出されない。該荷重検出部３によって検出されない
（できない）荷重分を補正することが本発明の目的であ
る。

【００３５】特許請求の範囲において言う”保持部”と
は、本実施例においては、モータ１３の回転軸１３０先
端部に相当する。”荷重発生手段”とは、荷重発生部２
に相当する。”伝達機構部”とは、荷重発生部２の出力
軸２０、工具回転駆動部４等の、荷重発生部２から研磨
工具５に至る途中に存在する部分によって構成されるも
のである。”姿勢変更手段”とは、ヘッド支持揺動機構
９に相当するものである。”制御手段”とは、荷重制御
部７、主制御部１１等によって実現されるものであ
る。”傾き検出手段”とは、角度検出部６に相当するも
のである。”荷重検出部”とは、荷重検出部３に相当す
るものである。”回転駆動手段”とは、工具回転駆動部
４、工具回転駆動制御部８、主制御部１１によって実現
されるものである。また、傾き検出手段が検出する”荷
重発生手段の発生する力に起因して、上記伝達機構が上
記研磨工具を押す方向”とは、図１においては、法線Ｈ
の方向に相当する。

【００３６】次に研磨動作を図３を用いて説明する。

【００３７】起動後、主制御装置１１は作業者が入力装
置１０を通じて入力される研磨荷重の設定値を受け付け
る。主制御装置１１は、該設定値を荷重制御部７へ出力
する。荷重制御部７は、該設定値（ｆ）を内部のメモリ
に保持する（ステップ３０１）。

【００３８】続いて、主制御装置１１は、ヘッド支持揺
動機構９を作動させて、研磨ヘッド１を鉛直（傾き角度
θ＝０°）にする。また、研磨工具５と被研磨面ｐとを
被接触の状態とするため、研磨ヘッド１をできるだけ高
い位置に移動させる。そして、この時の荷重検出部３の
検出結果を、可動部の重量（Ｗ・ｇ）として、荷重制御
部７のメモリに記憶させる（ステップ３０２）。

【００３９】この後、荷重制御部７は、ｆと、Ｗｇか
ら、数２における初期値Ｆ₀を求める。そして、該Ｆ₀が
得られるように、荷重発生部２のフィードバック制御を
開始する。一方、これと並行して、主制御装置１１は、
ヘッド支持揺動機構９の作動を開始させて研磨を開始す
る。

【００４０】この研磨中、荷重制御部７は、角度検出部
６の検出結果から、逐次、その時点での研磨ヘッド１の
傾き角度θを検出する（ステップ３０３）。そして、そ
の時点での、補正量ΔＦを求める（ステップ３０４、数
３参照）。そして、荷重発生部２の出力を該補正量ΔＦ
だけ変動させる（ステップ３０５）。

【００４１】荷重制御部２は、研磨中、ステップ３０３
〜３０５の処理を繰り返している。

【００４２】この図には示していないが、主制御装置１
１は、研磨を所定時間だけ実行した後、自動的に停止さ
せる。

【００４３】以上説明した実施例によれば、研磨ヘッド
の傾き角度が変動しても、研磨加工面ｐと研磨工具５と
の接触圧力を所望の値に保つことができる。また、可動
部の重量を測定するのに他の装置は不要である。従っ
て、研磨工具５を付け変えた場合でも、容易かつ正確に
可動部の重量を測定して、常に正確な補正を行うことが
できる。また、装置のコスト面でも有利である。

【００４４】上記実施例では、可動部の重量測定を、研
磨ヘッドの傾き角度θ＝０°の状態で行うようにしてい
た。しかし、これに限定されるものではない。傾き角度
θ≠９０°の状態であり、かつ、研磨工具５と被研磨面
ｐとが非接触でありさえすれば、可動部の重量を測定す
ることは可能である。但し、その場合には、荷重検出部
３の検出結果を傾きに応じて補正（可動部の重量＝荷重
検出部３の検出結果／ｃｏｓ θ）する必要がある。

【００４５】上記実施例の説明では、研磨工具５と被研
磨面ｐとの接触圧力を一定に保つ場合についてのみ述べ
た。しかし、被研磨面の位置毎に接触圧力を設定可能と
することで、接触圧力を場所によって異なったものとす
ることも容易に可能である。この場合にも、本発明を適
用すれば、研磨荷重（接触圧力）の設定値と、実際の研
磨荷重とのずれを無くすことができる。

【００４６】

【効果】以上説明したとおり本発明の研磨装置によれ
ば、研磨ヘッドの傾斜角度に関わらず所望の研磨荷重が
得られる。また、傾斜角度が変化しても、可動部の重量
分が影響して、研磨荷重が目的とする値からずれること
はない。従って、被加工面の傾斜が大きい場合でも研磨
除去量が変動することなく、精密な研磨が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である研磨装置の全体構成を
示す図である。

【図２】研磨ヘッド１の内部構造の模式図である。

【図３】動作を示すフローチャートである。

【図４】研磨ヘッドの他の例を示す模式図である。

【図５】研磨荷重を一定にするための研磨ヘッドの位置
・姿勢制御の概念図である。

【符号の説明】

１・・・研磨ヘッド、 ２・・・荷重発生部、 ３・・
・荷重検出部、 ４・・・工具回転駆動部、 ５・・・
研磨工具、 ６・・・角度検出部、 ７・・・荷重制御
部、 ８・・・工具回転駆動制御部、 ９・・・ヘッド
支持揺動機構、１０・・・入力装置、 １１・・・主制
御装置、 １２・・・ガイド、 １３・・・工具回転モ
ータ、 ２０・・・出力軸、 １３０・・・回転軸、
ｐ・・・研磨加工面、 Ｒ・・・被加工物

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨工具の位置及び姿勢を変更させつつ研
   磨対象物の被研磨面の研磨加工を行う研磨装置におい
   て、 上記研磨工具を保持する保持部と、 上記研磨工具を上記被研磨面に押しつけるための力を発
   生させる荷重発生手段と、 上記荷重発生手段の発する力を、上記保持部に保持され
   た上記研磨工具に伝達する伝達機構部と、 上記保持部に保持された研磨工具の姿勢を変更する姿勢
   変更手段と、 上記荷重発生手段および姿勢変更手段を制御する制御手
   段と、 上記荷重発生手段の発生する力に起因して、上記伝達機
   構が上記研磨工具を押す方向の傾きを検出する傾き検出
   手段と、を備え、 上記伝達機構部は、上記荷重発生手段の発生した力が上
   記研磨工具を押す方向についての位置を変更可能に構成
   された可動部を含んで構成され、 上記制御手段は、上記傾き検出手段の検出した傾きに応
   じて、逐次、上記荷重発生手段に発生させる力の大きさ
   を変更するものであること、 を特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の研磨装置において、 上記制御手段は、上記傾き検出手段の検出結果に従っ
   て、上記荷重発生手段に発生させる力を下記ΔＦだけ変
   動させるものであること、 ΔＦ＝Ｗ・ｇ・（１−ｃｏｓ θ） Ｗ：可動部の質量 ｇ：重力加速度 θ：傾き検出手段の検出する傾きの大きさ（鉛直方向を
   基準とする） を特徴とする研磨装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の研磨装置において、 上記伝達機構を通じて上記保持部に伝えられる力の大き
   さを検出する荷重検出手段を備え、 上記制御手段は、上記荷重検出手段の検出結果に従っ
   て、上記荷重発生手段を制御するものであること、 を特徴とする研磨装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の研磨装置において、 上記保持部に保持された研磨工具を回転させる回転駆動
   手段をさらに有すること、 を特徴とする研磨装置。