JPH09300191A - 研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大面積の被加工物について良好な仕上げ面精
度を得ることができる研磨装置を提供する。 【解決手段】 研磨用工具１を回転させるモータ３と、
被加工物４を回転させるモータ９と、研磨用工具１およ
び被加工物４の間の相対位置関係を往復変化させるモー
タ１２とを備え、モータ１２による振動の振幅を被加工
物４の研磨中に変化させるとともに、振動の最大振幅時
に被加工物４の被加工面の一部を研磨用工具１の外周よ
りも外側に位置させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子等の表面
仕上げをする研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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においては、被加工物表面と研磨
用弾性工具（主としてピッチやポリウレタン製の研磨用
パッドポリシャ）とを互いに摺動運動させ、この界面に
介在する研磨用砥粒に材料除去を担わせる研磨加工方法
が採られる。

【０００３】このような摺動運動による研磨加工方法で
通常広く用いられているオスカー型の横振り型研磨機や
円揺動型研磨機では、所望の面精度を得るのに揺動距
離、カンザシピンの前後の出し入れ、軸回転数の変更、
ピッチ面の削りおよび修正、パッドのツルーイング方法
の変更等の手段により研磨条件の調整が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
研磨条件の調整は作業者に対して熟練した技能を要求
し、生産性や研磨精度が作業者の技能に大きく依存する
こととなる。また、上述のように研磨条件を度々変更す
ると、研磨用工具の加工面への当たりが変化して加工面
自体が安定しないため、研磨加工の安定した持続性が得
られないという問題がある。

【０００５】とくに近年、光学素子に要求される形状精
度は益々厳しくなってきており、要求精度を満足させる
光学素子を安定的に生産することは極めて困難である。
また、上述のような方法では面精度、面癖の微妙な調
整、制御に限界があり、高精度光学素子の最終仕上げ研
磨作業は極めて困難なものとなっている。

【０００６】また、従来の研磨加工においては作業内容
が加工作業者の技能に大きく依存していることが作業手
順の標準化の大きな妨げとなっており、いわゆる標準作
業書や作業要領書等について統一的なものが作成し難い
という問題点がある。

【０００７】さらに近年、光学素子の仕上げ研磨加工具
の工具（ポリシャ）としてポリウレタン製の研磨用パッ
ドが多用されつつある。そのポリウレタンパッドはピッ
チに比べ瞬間弾性は大きいが、応力や熱による粘性流動
（塑性変形）が相当に小さいため、高速・高圧の加工条
件下での研磨荷重（研磨圧力）や、絶えず発生する研磨
熱にも十分耐えることができる。そのため従来より使用
されてきたピッチに比べ、単位時間当たりの研磨除去量
を大きくすることができるので、高速研磨が可能となっ
てきた。また、パッド自体の加工面精度は比較的維持し
やすいため、被加工物の仕上げ面精度の安定性、持続性
という点ではピッチに比べ良好である。仕上げ面研磨加
工具の工具（ポリシャ）として、ポリウレタンパッドを
使用する場合、被加工物の仕上げ面が上軸側、研磨面工
具が下軸側に配置された加工状態を採用することが多
い。

【０００８】しかし、近年の産業機器用光学素子の大口
径化の傾向に応じて、研磨用工具も大口径化が必要とな
るが、研磨用工具の大口径化は、その製造コスト、重
量、工具自体の加工面精度の確保という観点から見ると
問題は多い。また、被加工物が球面レンズや球面ミラー
の場合、その外径と曲率半径との比率から、工具直径に
は自ずから制約が存在する。

【０００９】このような被加工物と研磨用工具径との比
率をあまり大きくできない様な場合に、従来のオスカー
型と呼ばれる横振り揺動方式の研磨機、すなわち加工中
において揺動距離および揺動位置が一定であるような研
磨装置および研磨方法を適用すると、被加工物の仕上げ
面形状として、被加工物の揺動距離が最大となる位置
（折り返し位置）における被加工物の加工面上での研磨
用工具の最外周位置、すなわち、研磨用工具の最外周端
部からの被加工物のはみ出し部分に、特有な面形状誤差
（面癖）が発生しやすい。

【００１０】この面形状誤差は、ポリシャとしてパッド
を使用した場合に、上述のパッドポリシャの物理的機械
的性質のため、とくに顕著に発生する。また、使用する
パッドの機械的硬度が高くなる程、その量も大きくな
る。また、機械装置的な要因、すなわち被加工物を往復
運動させる際の折り返し位置付近での揺動速度の急激な
低下（クランク揺動方式のオスカー型研磨機および円揺
動型研磨機の場合でも、水平方向に投影すると結果とし
て同様）という現象も、上述の面形状誤差発生の一つの
要因として作用しているものと考えられる。揺動機構と
してボールねじ等を用いた場合には、折り返し位置にお
ける揺動速度＝０の時間がさらに長くなるため、上述の
面形状誤差の発生量も多くなるものと考えられる。

【００１１】本発明の目的は、大面積の被加工物につい
て良好な仕上げ面精度を得ることができる研磨装置を提
供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
〜図４に対応づけて説明すると、請求項１に記載の発明
は、回転させた研磨用工具１および回転させた被加工物
４を互いに摺動運動させ、研磨用工具１と被加工物４と
の界面に存在する砥粒により被加工物４の研磨を行う研
磨装置に適用される。そして、研磨用工具１を回転させ
る工具回転手段３と、被加工物４を回転させる被加工物
回転手段９と、研磨用工具１および被加工物４の間の相
対位置関係を往復変化させる振動手段１２と、振動手段
１２による振動の振幅を被加工物４の研磨中に変化させ
るとともに、振動の最大振幅時に被加工物４の被加工面
の一部を研磨用工具１の外周よりも外側に位置させるよ
うに振動手段１２を制御する制御手段１３、１４と、を
備えることにより上述の目的が達成される。請求項２に
記載の発明は、請求項１に記載の研磨装置において、制
御手段１３、１４が、振動手段１２による振動の振幅を
１回毎に変化させるように振動手段１２を制御するもの
である。

【００１３】請求項１に記載の発明では、振動手段１２
による振動の振幅を被加工物４の研磨中に変化させると
ともに、振動の最大振幅時に被加工物４の被加工面の一
部を研磨用工具１の外周よりも外側に位置させる。請求
項２に記載の発明では、振動手段１２による振動の振幅
を１回毎に変化させるように振動手段１２を制御する。

【００１４】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【００１５】

【発明の実施の形態】

−第１の実施の形態− 以下、図１〜図３を用いて本発明による研磨装置の第１
の実施の形態について説明する。図１において、１は回
転軸Ｘ１中心に回転可能に設けられた研磨用工具（研磨
皿）、１ａは研磨用工具１の加工面（上面）に貼付され
た弾性工具（ピッチまたはパッド等）、２は研磨用工具
１と結合されるベルト、３はベルト２を介して研磨用工
具１を駆動するモータ、４は被加工物（光学素子）、５
は被加工物４を保持するホルダー、６はホルダー５に取
り付けられたトルク伝達部材、７はトルク伝達部材６を
介してホルダー５と結合されるとともに回転軸Ｘ３を中
心として回転可能に設けられたカンザシピン、８はカン
ザシピン７と結合されるベルト、９はベルト８を駆動す
るモータ、１０はモータおよびベルト８を収納するとと
もに、カンザシピン７の一端を回転可能に支持する支持
部である。

【００１６】図１において、１１は支持部１０に取り付
けられたボールねじ、１２はボールねじ１１を駆動する
モータ、１３は演算処理装置、１４は演算処理装置１３
からの情報を受けてモータ３、モータ９およびモータ１
２に信号を出力するＮＣ制御部である。第１の実施の形
態では、モータ３、９および１２の回転数を独立して制
御することができる。

【００１７】以上のように構成された本実施の形態の研
磨装置を用いて被加工物４を研磨する場合の動作につい
て、次に説明する。図１に示すように、弾性工具１ａは
研磨用工具１の加工面に沿って貼り付けられ、ホルダー
５に保持された被加工物４の被加工面（研磨面）と密着
される。被加工物４と弾性工具１ａとが密着された状態
でモータ３およびモータ９を回転させると、研磨用工具
１が回転軸Ｘ１を中心として、被加工物４が軸Ｘ２を中
心として、それぞれ回転する。また、モータ１２の作動
によりボールねじ１１を介して収納部が振動されると、
カンザシピン７が図１のＡＢ方向に揺動運動をする。ト
ルク伝達部材６はカンザシピン７とホルダー５の結合角
を規制せず、かつカンザシピン７から受けたトルクをホ
ルダー５に伝達するように構成されているので、被加工
物４は、カンザシピン７の回転に伴って回転軸Ｘ２を中
心として回転するとともに、カンザシピン７の揺動に伴
って弾性工具１ａの上を摺動する。弾性工具１ａと被加
工物４との間には砥粒が供給され、上述の摺動運動に伴
って被加工物４が所定の面形状に研磨される。

【００１８】図２は被加工物４の揺動運動を示し、図２
（ａ）は研磨用工具１と被加工物４の相対位置関係を、
図２（ｂ）は被加工物４の揺動距離を、それぞれ示して
いる。図２（ｂ）の横軸は揺動回数を、縦軸は研磨用工
具１の回転中心軸からの被加工物４の揺動距離を、それ
ぞれ示している。本実施の形態の研磨装置では図２
（ｂ）に示す振幅の全体を１サイクルとして、このよう
なサイクルを連続して複数回繰返すことにより被加工物
４の研磨を行う。揺動距離のデータは予め演算処理装置
１３に格納され、そのデータに基づいてＮＣ制御部１４
がモータ１２の回転角を制御することによって図２
（ｂ）に示す揺動運動が実行される。

【００１９】図２（ｂ）に示す振幅変化サイクルにおい
て、揺動回数を重ねるごとに振幅が徐々に大きくなり振
幅が一定値まで増加すると、被加工物４が研磨用工具１
からはみ出し始め、段差を生ずる。例えば、図２（ａ）
に示すように、被加工物４が振幅ｄ₂ で振動されると、
振幅ｄ₂ に応じた位置まで弾性工具１ａのエッジが到達
し、再び被加工物４が研磨用工具１の中央部に引戻され
るのでその位置に段差を生じる。また振幅がｄ₃ のとき
には振幅ｄ₃ に対応した弾性工具１ａのエッジ位置に段
差を生ずる。しかし、本実施の形態の研磨装置では被加
工物４の振幅が一往復ごとに変化するので、被加工物４
に生ずる段差の位置も振幅に応じた位置に分散し、各段
差は極く小さなものとなる。このように本実施の形態の
研磨装置では、被加工物４の振幅を変化させて研磨用工
具１からのはみ出し量を分散させ、これにより滑らかな
研磨面を得るようにしている。

【００２０】なお、仮に研磨用工具１の揺動距離を小さ
く設定し、被加工物４の加工面全体を常に弾性工具１ａ
と接触させるようにすれば、弾性工具１ａのエッジが被
加工物４に当たらず被加工物４に段差は生じない。しか
し、研磨用工具１からはみ出ない範囲で被加工物４の研
磨をすると、研磨砥粒の供給が困難となり、また、弾性
工具１ａの中央部のみが磨耗してしまうので所望の研磨
精度を安定的に得ることができなくなる。

【００２１】上述のように、第１の実施の形態では、モ
ータ３およびモータ９の回転数を独立して制御可能とし
ており、被加工物４の回転数と、研磨用工具１の回転数
との比率（回転数比）を最適化することにより、研磨面
の仕上り精度を高めることができる。図３に示すよう
に、回転数比（被加工物４の回転数／研磨用工具１の回
転数）を変化させることにより、研磨面の精度が変化す
る。図３（ａ）〜（ｃ）は回転数比を変化させた場合の
被加工物４の面形状誤差分布を示したものである。

【００２２】図３（ａ）に示す回転数比Ａの場合はいわ
ゆる「中凸縁上がり面」となり、図３（ｂ）に示す回転
数比Ｂの場合は、いわゆる「中凹縁ダレ面」となってい
る。これに対して図３（ｃ）に示す回転数比Ｃを選択し
た場合には、ほぼ目標とする仕上げ面を得ることができ
る。このように、回転数比の調整によって研磨面全体の
面形状誤差を低減することができる。

【００２３】図５は、研磨用工具１の揺動距離を一定と
した場合を示す。図５（ａ）に示すように揺動距離を一
定として繰返し研磨を行うと、図５（ｂ）および図５
（ｃ）に示すように、揺動の折り返し時の弾性工具１ａ
のエッジの位置に大きな段差が生じ、第１の実施の形態
の装置による場合のような滑らかな仕上げ面を得ること
ができない。図５（ｂ）および（ｃ）から明らかなよう
に、回転数比を変化させてもこの段差の面形状誤差は同
一傾向のものとなる。

【００２４】第１の実施の形態では、振幅を徐々に大き
くした後、最大値から徐々に小さくするまでを被加工物
４の揺動運動の１サイクルとし、このようなサイクルを
繰返して被加工物４の研磨を行っているが、このような
パターンに限定されず、研磨中に振幅を変化させるよう
にすれば同様の効果を得ることができる。なお、振幅の
折り返し時に生ずる段差を小さくするためには同じ位置
での折り返し頻度を低下させる必要があるので、例えば
揺動回数を一定とした場合、振幅の変化幅を小さく設定
して同一位置での折り返し回数を極力低減させるように
すれば仕上げ面をより滑らかなものとすることができ
る。

【００２５】−第２の実施の形態− 以下、図４を用いて本発明による研磨装置の第２の実施
の形態について説明する。第２の実施の形態は本発明を
下軸球芯揺動型研磨機に適用したものである。図４にお
いて、１０１は回転軸Ｘ１中心に回転可能とされるとと
もに、ＣＤ方向に揺動可能に設けられた研磨用工具（研
磨皿）、１０１ａは研磨用工具１０１の加工面（上面）
に貼付された弾性工具（ピッチまたはパッド等）、１０
２は研磨用工具１０１と結合されるベルト、１０３はベ
ルト１０２を介して研磨用工具１０１を駆動するモー
タ、４は被加工物（光学素子）、１０５は被加工物４を
保持するホルダー、１０６はホルダー１０５に取り付け
られたトルク伝達部材、１０７はトルク伝達部材１０６
を介してホルダー１０５と結合されるとともに回転可能
に設けられたカンザシピン、１０８はカンザシピン１０
７と結合されるベルト、１０９はベルト１０８を介して
カンザシピン１０７を駆動するモータ、２１は研磨用工
具１０１に結合されるベルト、２２はベルト２１を駆動
して研磨用工具１０１をＣＤ方向に揺動運動させるモー
タである。

【００２６】図４において、１１３は演算処理装置、１
１４は演算処理装置１１３からの情報を受けてモータ１
０３、モータ１０９およびモータ２２に信号を出力する
ＮＣ制御部である。

【００２７】第２の実施の形態では、回転軸Ｘ１を中心
として回転される研磨用工具１０１と回転軸Ｘ２を中心
として回転される被加工物４とを互いに押し付けるとと
もに、研磨用工具１０１をＣＤ方向に揺動し、界面（摺
動面）に供給される砥粒により被加工物の研磨を行う。

【００２８】第２の実施の形態では、研磨用工具１０１
の揺動運動の振幅が可変可能とされ、研磨加工中にその
振幅が変化される。これにより弾性工具１０１ａのエッ
ジが被加工物４の被加工面に当たる位置を順次ずらしな
がら研磨を行うので、第１の実施の形態と同様に弾性工
具１０１ａのエッジによる段差を分散させることがで
き、被加工物４の仕上げ面を滑らかにすることができ
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、振動手段による振動の
振幅を被加工物の研磨中に変化させるとともに、振動の
最大振幅時に被加工物の被加工面の一部を研磨用工具の
外周よりも外側に位置させるように振動手段を制御する
ようにしているので、大面積の研磨において滑らかな仕
上げ面を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による研磨装置の第１の実施の形態を示
す図。

【図２】第１の実施の形態の研磨装置の被加工物の揺動
運動を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は揺動距
離の変化を示す図。

【図３】第１の実施の形態の研磨装置における仕上げ面
を示す図であり、（ａ）は回転数比Ａにおける仕上げ面
を示す図、（ｂ）は回転数比Ｂにおける仕上げ面を示す
図、（ｃ）は回転数比Ｃにおける仕上げ面を示す図。

【図４】本発明による研磨装置の第２の実施の形態を示
す図。

【図５】被加工物の揺動距離を一定とした場合を示す図
であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は回転数比Ａにおける
仕上げ面を示す図、（ｃ）は回転数比Ｂにおける仕上げ
面を示す図。

【符号の説明】

１ 研磨用工具 ３ モータ ４ 被加工物 ９ モータ １２ モータ １３ ＮＣ制御部 １４ 演算処理装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転させた研磨用工具および回転させた
   被加工物を互いに摺動運動させ、前記研磨用工具と前記
   被加工物との界面に存在する砥粒により前記被加工物の
   研磨を行う研磨装置において、 前記研磨用工具を回転させる工具回転手段と、 前記被加工物を回転させる被加工物回転手段と、 前記研磨用工具および前記被加工物の間の相対位置関係
   を往復変化させる振動手段と、 前記振動手段による振動の振幅を前記被加工物の研磨中
   に変化させるとともに、前記振動の最大振幅時に前記被
   加工物の被加工面の一部を前記研磨用工具の外周よりも
   外側に位置させるように前記振動手段を制御する制御手
   段と、を備えることを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、前記振動手段による前
   記振動の振幅を１回毎に変化させるように前記振動手段
   を制御することを特徴とする請求項１に記載の研磨装
   置。