WO2004087371A1 - 加工方法及び装置 - Google Patents

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WO2004087371A1
WO2004087371A1 PCT/JP2003/004083 JP0304083W WO2004087371A1 WO 2004087371 A1 WO2004087371 A1 WO 2004087371A1 JP 0304083 W JP0304083 W JP 0304083W WO 2004087371 A1 WO2004087371 A1 WO 2004087371A1
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WO
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work
jig
load
polishing
shape
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Application number
PCT/JP2003/004083
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shunsuke Sone
Yoshiaki Yanagida
Koji Sudo
Michinao Nomura
Original Assignee
Fujitsu Limited
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Publication date
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Priority to JP2004570186A priority patent/JP4282608B2/ja
Priority to AU2003244173A priority patent/AU2003244173A1/en
Priority to PCT/JP2003/007970 priority patent/WO2004087372A1/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B24B37/27—Work carriers
    • B24B37/30—Work carriers for single side lapping of plane surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B13/00—Machines or devices designed for grinding or polishing optical surfaces on lenses or surfaces of similar shape on other work; Accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B37/00—Lapping machines or devices; Accessories
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B24—GRINDING; POLISHING
    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B49/00—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation
    • B24B49/02—Measuring or gauging equipment for controlling the feed movement of the grinding tool or work; Arrangements of indicating or measuring equipment, e.g. for indicating the start of the grinding operation according to the instantaneous size and required size of the workpiece acted upon, the measuring or gauging being continuous or intermittent

Definitions

  • the present invention has a method and an apparatus for forming a three-dimensional curved surface, and particularly relates to a polishing method and an apparatus.
  • INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable, for example, for forming a curved curved shape and surface processing in an optical element such as a free-form mirror or a lens, which requires a high surface accuracy.
  • Optical elements such as mirrors and lenses used for optical communication have been required to have higher surface accuracy with the recent increase in speed and capacity.
  • the mirror used in the variable optical dispersion compensator in high-density wavelength division multiplexing transmission has a small external shape, for example, about 1 Omm X several millimeters. It has a complicated free-form surface shape and the required surface accuracy is very high.
  • Some variable optical dispersion compensators used in DWDM have already been proposed (for example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1).
  • Patent Document 1
  • a mold for the optical element is manufactured using a three-dimensional processing machine having 5 to 6 degrees of freedom, and then a resin or The mirror shape is manufactured by molding a molded member such as glass, and finally a mirror surface is created by depositing aluminum or gold on the required surface.
  • a method for obtaining a desired surface shape of an optical element such as a lens or a rod-shaped mirror
  • a method of applying pressure with a plurality of actuators (pressing members) during polishing is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-84818. . Is disclosed.
  • Other conventional techniques are disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-11897. Disclosure of the invention
  • the method of adding a load by an external mechanism at the time of polishing which is used in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-848818, is usually used in wafer planarization in CMP (Chemical Mechanical Polishing). It is a method, and although the objectives (shape formation, flattening) are different, both are common in the method of controlling the distribution of the polishing amount on the workpiece polishing surface by an external mechanism.
  • a load including these flattening and polishing processes, a plurality of minute holes are provided on the work holding surface of the processing head that holds the work, and the holes and the air supply source are connected.
  • a processing method includes a step of elastically deforming a jig on which a work is mounted together with the work; a step of pressing the work on a polished surface; Moving the polishing surface relative to each other.
  • Such a processing method resiliently deforms the jig together with the work by applying a load to a predetermined position of the jig, instead of relying only on locally changing the pressure applied to press the work against the polishing surface.
  • Damage to a thin work can be prevented.
  • an operation point is provided on the jig without directly providing an operation point on the work, it becomes particularly easy to apply a pulling load to the work without damaging the work.
  • the contact pressure of the work is not controlled only by a plurality of point loads, but the jig is elastically deformed together with the work, so that the uniformity of the contact pressure distribution can be maintained.
  • the elastically deforming step includes: approximating that a load applied to a predetermined position of the jig for elastic deformation and a deformation amount of the work caused by the load have a linear relationship; and / or Or, it is added to a predetermined position of the jig for elastic deformation.
  • the method may include a step of controlling the load by approximating the deformation of the work caused by the obtained load by an arc. Such approximation can simplify the control and reduce the load on the control software.
  • the load control step includes, for example, a step of calculating a necessary polishing amount distribution from a difference between a current shape and a target shape of the work, and a position information of the work and a relative speed between the work and the polished surface. Calculating a cloth; and calculating the load based on the polishing amount distribution and the relative velocity distribution.
  • the elastic deformation step deforms the jig stepwise.
  • the surface to be polished is curved, applying a large load to the jig at one time and bringing the workpiece into contact with the surface to be polished with large deformation may damage the polished surface or damage the polished surface. This is because there are cases where
  • a processing apparatus as another aspect of the present invention is a processing apparatus that presses a work against a polishing surface and relatively moves the workpiece and the polishing surface to polish the work into a predetermined shape.
  • the jig is elastically deformed together with the work by applying a load to a predetermined position of the jig.
  • the actuator may include a mechanism for applying a pulling load to the jig, for example, a link mechanism.
  • a mechanism for applying a pulling load to the jig for example, a link mechanism.
  • a control unit for controlling application of the load may be further provided. To simplify the control by such approximation and reduce the burden on the control unit Can be.
  • the processing apparatus further includes a measurement unit that measures a current shape of the work, and the control unit calculates a necessary polishing amount distribution from, for example, a difference between the current shape of the work and a self-shaped shape.
  • a jig as another aspect of the present invention is used in a processing apparatus that presses a work on a polishing surface, and grinds the work into a predetermined shape by relatively moving the work and the polishing surface,
  • a jig for mounting the work comprising: a guide mechanism that enables the work to be elastically deformed together with the work; and an applied part to which a load for applying the elastic deformation from the processing device is applied. It is characterized by.
  • Such a jig is used for the above-described processing apparatus, and can exert the same operation as the above-described processing method and apparatus.
  • the jig is made of, for example, a highly rigid material such as stainless steel or ceramic. Further, the jig of the present invention is suitable for a thin work having a thickness of 1 mm or less and a small work having an area of 500 mm 2 or less.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a processing apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a processing head used in the processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a target shape of a workpiece processed by the processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a perspective view of a processing jig equipped with a work, which is used in the processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the processing jig mounting the work shown in FIG. 4 is elastically deformed.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the effect of the processing jig shown in FIG.
  • FIG. 7 is a perspective view of another processing jig on which a work is mounted, which is used in the processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating a link mechanism for applying a pulling load to a processing jig equipped with a work, which is used in the processing apparatus shown in FIG.
  • FIG. 9 is a view for explaining a formula for calculating a relative speed between a workpiece and a polished surface in the processing apparatus shown in FIG. 'FIG. 10 is a diagram for explaining the arc approximation of the amount of radius.
  • FIG. 11 is a block diagram of a part of the control device shown in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a conventional load applying method.
  • FIG. 13 is a view for explaining a conventional load applying method. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of the processing apparatus 100.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a processing head 150 used in the processing apparatus 100.
  • the processing device 100 performs lapping.
  • the lapping process is to lap the work surface to be polished by interposing abrasive grains called slurry S between the work W supported by the processing head 150 and the polishing tool called lap surface plate 110. Polishing process in which the workpiece W is moved relative to the lapping surface 110 while the workpiece W is in contact with the surface polishing surface 111, and the slurry S interposed between the two removes the material.
  • Method is a method.
  • the processing device 100 includes a lap surface plate 110, a slurry supply pump 120, a processing arm 130, a shape measuring device 140, and a processing head. It is roughly composed of five modules of 150, and each module is connected to one control device 170. A plurality of processing arms and heads may be provided. The productivity can be improved by providing a plurality.
  • the lap surface plate 110 has a polishing surface 111 for polishing the workpiece W, and is rotationally driven by a motor 112. In the present embodiment, the start / stop and the rotation speed of the rotation of the motor 112 are controlled by the connected control device 170.
  • Motor 1 1 The driving force of the roller 2 is fixed to the rotating shaft 1 1 8 of the lap plate 1 1 10 via the belt 1 1 5 bridged to the roller 1 1 4 supported by the motor shaft 1 1 3 1 1 It is transmitted to 6 and drives the lap surface plate 110 to rotate.
  • the slurry supply pump 120 constantly supplies the slurry S to the polishing surface 111 of the lapping plate 110.
  • the pump 120 drops the slurry S from the storage tank (not shown) through a pipe to the lapping plate 110.
  • a plurality of storage tanks having slurries S of different concentrations are provided, and the supply amount of the slurry S and the switching instruction of the slurry S to be used are instructed by the connected control device 100.
  • the processing arm 130 moves the processing head 150 and the workpiece W to a predetermined position on the processing device 100.
  • FIG. 1 shows an arm by a linear motion mechanism, a moving mechanism by rotation / swing such as a scalar type may be used.
  • movement to three predetermined positions, a processing start position, a retreat position, and a shape measurement position is performed according to an instruction of the control device 170.
  • the shape measuring device 140 includes a measuring head 142 for measuring the shape of the surface to be polished of the work W, and is provided in the vicinity of the lap surface plate 110 or within the movement range of the processing arm 130.
  • the measuring method of the measuring head 142 is desirably a method using a laser or an ultrasonic wave, which can be measured in a non-contact state with the work W while being supported by the processing head 150. Further, a wiper mechanism for removing the attached slurry S which affects the measurement may be provided.
  • the start / end of the measurement is instructed by the control device 170, and the measured shape data is stored in a storage area (master) (not shown) in the control device 170.
  • the processing head 150 supports the jig 160 supporting the work W at the holding part 153, and is pressed against the lap surface plate 110 by its own weight and the pressurizing mechanism 115. Pressing by the pressurizing drive mechanism 15 1 is performed by pressing the processing head 15 0 that indicates the work W against the polished surface 11 1 by pressing the work head 15 0 against the polished surface 11 1. Although it is possible to pressurize by pressurizing force, it is not necessary to provide the pressurizing swing mechanism Absent.
  • the swing mechanism of the pressure swing mechanism 150 1 swings the working head 150. As the processing head 150 swings or rotates, the surface of the workpiece W to be polished is The distribution of the rally S can be made uniform and the workpiece W can be polished rotationally symmetrically.
  • one processing head 150 is provided for one lap surface 110, but the ramp surface 110 is equipped with a plurality of processing heads 150. It may be processed at the same time.
  • the processing head 150 includes an actuator 152 as a load applying mechanism for applying a load to one or a plurality of predetermined positions of the jig 160, separately from the pressure swinging mechanism 15 1.
  • Actuator 152 may be an air cylinder shown in FIG. 12 or a piezo element shown in FIG. 13 as long as the amount of generated load can be controlled by controller 170.
  • the actuator 152 applies a load to the processing jig 160 and does not directly apply a load to the work W.
  • the processing head 150 of the present embodiment applies a constant pressing force to the work W as a whole and individually applies a load to a predetermined position of the jig holding the work w. I do.
  • the pressing force may be performed only by the own weight of the processing head 150, or the pressing force by the pressurizing rocking mechanism 151 may be applied.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating a link mechanism 154 for applying a pressing load and a lifting load to a processing jig 160 on which a work is mounted.
  • the processing head 150 is connected to a correction ring 158 as a jig for correcting the polished surface 111 of the lapping plate 110.
  • the correction ring 158 has a hollow ring shape and is connected around the bottom of the holding portion 153 of the processing head 150.
  • the correction ring 158 need not be coupled to the processing head 150 and may be provided separately and at a distance.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an example of a target shape of the workpiece W.
  • FIG. 4 is an example of a processing jig 160 for creating the shape of FIG. 3 (a)
  • FIG. 4B is a perspective view of the lapping plate 110 of the processing jig 160 with the work W mounted thereon, with the lapping plate 110 side down.
  • FIG. 5 is a perspective view showing a state in which the processing jig 160 shown in FIG. 4 is elastically deformed.
  • the processing jig 160 mounts the work W, is supported by the processing head 150, and is elastically deformed together with the work W when a load is applied from the processing head 150.
  • the jig 160 eliminates the need for directly providing a large number of operating points on a work W having a small area of 500 mm 2 or less or a work W having a thickness of 1 mm or less. Since the jig 160 is larger than the work W, it is easy to provide a large number of operation points, and since the jig 160 is thicker than the peak W, there is little risk of being damaged by a load applied from the operation points.
  • the present invention is not limited to the work W having a small size and a small thickness. As described with reference to FIG.
  • the jig 160 has a large work W, such as cost reduction by reducing the number of actuators that can easily apply a lifting load to the work W.
  • the jig 160 is made of a high-rigidity material such as stainless steel or ceramic so that when the workpiece W is formed into the target shape, the linear portion of the target shape can be maintained due to its rigidity. There is a need.
  • the y direction is the linear direction.
  • the jig 160 is provided with a guide mechanism 162 that causes an elastic deformation to a predetermined shape when a load is applied to a predetermined location, and the processing jig is accompanied by a peak by the guide mechanism. Elastically deform.
  • An example of the guide mechanism is, for example, a guide groove as shown in FIG.
  • the present invention does not limit the shape of the jig 160 or the shape of the mounting portion on which the work W is mounted.
  • the shape of the mounting portion will be circular, and the outer shape will be cylindrical.
  • the work W is not directly increased by applying a load for pressing the lap surface plate 110 directly to the back surface of the work W opposed to the surface to be polished, but by increasing the contact pressure.
  • a load is applied to the attached jig 160 along with the work W to elastically deform the jig 160, and lapping is performed with the work W deformed to generate a desired polishing pressure distribution. I have. Therefore, in the present embodiment, the deformed shape of the jig 160 is optimized to generate a desired contact distribution.
  • a jig 160 as shown in FIG. 4 is used.
  • the jig 160 has a shape in which a plurality of guide grooves 162 are provided in the y direction on a thick flat plate.
  • it is desirable that the jig 160 has a guide mechanism formed by a guide groove for an integral part. By using an integral part, problems such as surface matching can be solved.
  • the work W is bonded and fixed to the jig 160, and both sides of the jig 160 are attached to the holding portion 1553 of the processing head 150.
  • FIG. 4 (a) when a load is applied to the applied portion 165 at the center of the back surface of the jig 160, it is elastically deformed in the form shown in FIG.
  • the reason why the shape was approximated to the target shape with only one load was that the processing jig was easily deflected in the y direction by this groove and had a characteristic of high rigidity in the X direction.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining the effect of the processing jig 160 A.
  • FIG. 6 (a) is a sectional view of the actuator 160 when the jig 16 OA is not used. Load and pressure distribution applied to the workpiece W from This shows the relationship between the load applied to the work W from the actuator 152 and the pressure distribution when the jig 16 OA is used.
  • the processing jig 160 of the present invention is intended to cover all the jigs for elastically deforming the work W into a desired shape by using these basic structures in combination.
  • FIG. 3 (b) is a perspective view showing another example of the target shape of the workpiece W.
  • FIG. 7 is an example of a processing jig 160B for creating the shape of FIG. 3 (b)
  • FIG. 7 (a) is a processing jig 16 with a workpiece W mounted thereon.
  • FIG. 7 (b) is a perspective view of the processing jig 16OB with the lap platen 110 side facing forward.
  • FIG. 7 (c) is a cross-sectional view taken along line AA shown in FIG. 7 (a)
  • FIG. 7 (d) is a cross-sectional view taken along line BB shown in FIG. 7 (b). It is.
  • the target shape in this example is the same as in the example of Fig. 3 (a) (i.e., it has a curvature in the X direction, but has a linear shape in the y direction).
  • the X direction is radiused in opposite directions at both ends.
  • the processing jig 160B has a rotating function provided in the jig 160B as shown in FIG. 7 (b).
  • the guide mechanism is constituted by the two guide grooves 16 2 B (that is, 16 2 B i and 16 2 B 2 ).
  • the guide groove 16 2 B is formed by a wire. Insertion hole. Since the wire is used, the guide grooves 16 2 B penetrate to the opposing surface.
  • the guide groove 16 extends from the right side surface in FIG. 7 (a) to the left side surface (not shown).
  • the four guide grooves 1 6 2 B 2 penetrate from the upper surface in FIG. 7 (a) to the bottom surface (not shown), but do not penetrate to the surface on which the work W is mounted.
  • the shape is defined by maintaining the linearity at both ends in the x direction shown in FIG. 3 (b) by these two guide groove mechanisms 16 2 B.
  • the jig 160B has a mounting portion 161B on which the workpiece W is mounted and an applied portion 1665B to which four loads are applied.
  • the mounting portion 161B is formed in a substantially rectangular shape by wire cut electric discharge machining. Ma
  • the portion to be applied 1 65B is also formed by a wire.
  • the guide groove 16 2 B applied portion 1 65 B has a concave shape, and as a result, for example, one of the concave protrusions (for example, the upper side) Pressing the applied portion 1 65 B) causes the other (for example, lower) applied portion 1 65 B to protrude about the rotation fulcrum 16 3 B like a seesaw.
  • the jig 160B is fixed to the holding portion 1553 of the processing head 150 through a pair of stepped mounting holes 167.
  • the stepped mounting hole 1667 is merely an example, and any means known in the art may be used as long as the jig 160B can be fixed to the processing head 150.
  • the jig 160B further has a pair of holes 168. Abutment members used to always position the workpiece W at the same position are inserted into the pair of holes 168.
  • the control device 170 controls each part, but controls the amount of polishing of the work W in order to form a desired shape on the work W.
  • the control device 170 controls the contact pressure P of the polished surface of the work W to the polished surface 111 in order to control the polishing amount R of the work W.
  • the polishing amount R in the lapping process is K
  • the proportionality constant is K
  • the contact pressure (force) generated on the surface to be polished of the workpiece W is P
  • the relative speed between the workpiece W and the lapping surface 110 is V
  • the polishing time t does not need to be considered this time because it has the same value everywhere on the polished surface 111.
  • the relative speed V can be calculated by calculation as shown in FIG. 9 since the trajectory of the work W on the lap surface plate 110 is known in advance.
  • v x is the relative speed (X component) of point P on the work.
  • v y is the relative speed (Y component) of point P on the workpiece. 1 2/1
  • w t is the angular velocity of the lap plate.
  • w c is the angular velocity of the processing jig. r. Is the distance from the center of rotation of the lap plate to the center of rotation of the work.
  • r c is the distance from the workpiece rotation center to a position P on the workpiece.
  • r t is the distance from the lapping plate center of rotation to the point P on the work.
  • e t is the angle formed by the point P on the work from the center of rotation of the lap surface plate.
  • ⁇ Is the angle between the rotation center of the work and the point ⁇ ⁇ ⁇ on the work. Also, when there is almost no difference in the relative speed depending on the lap surface plate 110, the external shape of the work W, or the trajectory of the work W
  • the control device 170 of the present embodiment controls the contact pressure P at the time of lapping using the actuator 152.
  • a control method In order to control the contact pressure, a relational expression between the amount of deformation of the workpiece W and the contact pressure P is required.
  • the contact pressure at a certain deformation can be calculated by using a structural analysis method such as FEM (Finite Element Method), but the contact problem is nonlinear. Therefore, it takes a long time to calculate, and moreover, it is necessary to repeat recalculation frequently because the shape constantly changes with the parallel application of pressure. Therefore, it cannot be used on control software. Therefore, in the present embodiment, an approximate solution is calculated by the following method and is used for control.
  • FEM Finite Element Method
  • Equation 3 is an equation that defines the radius of the contact circle.
  • Equation 4 defines the contact pressure generated at the center of the contact surface.
  • Equation 5 defines the pressure on the contact surface.
  • Pi is the contact pressure at point r on the contact surface.
  • p is the pressure at the center of the contact surface.
  • a is the radius of the contact circle.
  • r is the distance from the center of the osculating circle.
  • R i is the radius of the sphere.
  • L is the applied load.
  • E i is the Young's modulus of the plane.
  • E 2 is the Young's modulus of the sphere.
  • V is the Poisson's ratio of the plane.
  • V 2 is the Poisson's ratio of the sphere.
  • FIG. 11 shows a control block diagram of the load instruction value calculation device 1771 in the control device 170 based on the above idea.
  • the control system according to the present embodiment after inputting the current shape data from the shape measuring device 140 for measuring the current shape of the work, 1 5
  • Outputs load indication values to etas 15 2 A to 15 2 N details of which consist of 4 types of calculation units 17 2 to 17 5 and database 1 ⁇ 6 to 1 78 .
  • the polishing amount calculation unit 172 receives as input the target shape and the current shape from the shape measuring device 140 stored in the database 1776, which will be described later, and outputs a necessary polishing amount distribution from the difference.
  • the relative speed calculation unit 173 receives as input the rotation speed of the lap surface plate 110 and the rotation speed of the work W by the processing arm 130 from the controller 170, and a database 177 described later.
  • the relative velocity distribution of the work contact surface 1 1 1 is output from the position information of the work W given in advance from.
  • the contact pressure calculation unit 174 receives the polishing amount distribution and the relative speed distribution as inputs from the polishing amount calculation unit 172 and the relative speed calculation unit 173, respectively, and is required from the Preston relational expression. Output contact pressure distribution. The value of the constant of proportionality is determined by preliminary experiments.
  • the load calculation unit 175 receives the necessary contact pressure distribution from the contact pressure calculation unit 174 as an input, and based on the displacement amount based on the basic load value of the workpiece given in advance from the database 178 described later, The contact type is calculated back and the actuator 152 outputs the load instruction value to be applied.
  • the control device 170 controls only the load applied by the actuator 152 as described above. However, in another embodiment, the control device 170 applies a load applied by the pressurizing swing mechanism 151. The pressure may be controlled in addition to or together with the load.
  • the database 176 stores target shapes as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b).
  • the database 177 stores the position information of the work W, such as the distance from the rotation center of the lap surface plate 110.
  • the database 178 stores the displacement amount of the workpiece W based on the basic load value.
  • the target shape as shown in Fig. 3 (b) is stored in the database 176, and coordinate information that defines the distance from the rotation center of the lap surface 110 is stored. 1 6
  • the displacement amount of the workpiece W due to the basic load value is stored in the database 178.
  • the control device 170 controls the electric power supplied to the motor 112 to rotate the motor 112 at a predetermined number of revolutions.
  • the board 110 is rotated at a predetermined speed.
  • the control device 170 opens the pulp connected to a predetermined storage tank designated by a user by an input device (not shown), and supplies a predetermined slurry S to the slurry supply pump 120.
  • the controller 170 controls the actuator 152 to elastically deform the jig 160 into a desired shape.
  • the processing method of the present embodiment is not limited to the predetermined position 160 of the jig 160.
  • the jig 160 is elastically deformed together with the work W.
  • the contact pressure of the work W is not controlled only by a plurality of point loads, but the jig 160 is elastically deformed together with the work W, so that the uniformity of the contact pressure distribution can be maintained.
  • control device 170 deforms the jig 160 stepwise.
  • the surface to be polished W is a curve
  • a large load is applied to the jig 160 at a time, and the workpiece is polished when the workpiece is brought into contact with the surface to be polished with large deformation. This is because the surface 111 may be damaged.
  • the controller 170 controls the processing arm 130 to move the work W to the shape measuring device 140, and the current position of the work W via the measurement head 144 is controlled. Measure the shape. As shown in FIG. 11, the shape measuring device 140 transmits the measured current shape to the polishing amount calculating section 172 of the load instruction value calculating device 1771 in the control device 170. 1 7
  • the polishing amount calculation unit 172 receives as input the target shape stored in the database 1776 and the current shape from the shape measuring device 140, and outputs a necessary polishing amount distribution from the difference. Also,
  • the relative speed calculation unit 1703 receives as input the rotation speed of the lap platen 110 and the rotation speed of the work W by the processing arm 130 from the control device 170, and receives the work W from the database 1770.
  • the relative velocity distribution of the work contact surface 1 1 1 is output from the position information of
  • the contact pressure calculation unit 17 4 receives the polishing amount distribution and the relative speed distribution from the polishing amount calculation unit 17 2 and the relative speed calculation unit 17 3 as inputs, and obtains the necessary contact pressure distribution from the Preston relational expression. Is output.
  • the load calculation unit 175 receives the necessary contact pressure distribution from the contact pressure calculation unit 174 as an input, and calculates the Hertz contact formula based on the displacement based on the basic load value of the workpiece obtained from the database 178. Reversely calculates and outputs the load instruction value to be applied by actuators 152.
  • control device 170 controls the load applied by each part of actuator 152. As a result, the workpiece W can be processed into a target shape.
  • a processing jig having a guide mechanism for arbitrary deformation is provided.
  • the tool 160 is interposed between the actuator 152 and the work W, and an operation point is set on the jig 160 instead of directly on the workpiece W, and a load is applied to that point, thereby causing the work to accompany.
  • the working jig is elastically deformed state, that provides a processing method and apparatus for controlling the amount of polishing of the work surface to be polished W 1 by grinding in that state.
  • the processing method and apparatus which can process a complicated shape with high precision with respect to a workpiece can be provided.

Landscapes

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Description

加工方法及び装置
技術分野
本発明は、 3次元曲面の形成方法及び装置を有し、 特に、 研磨方法及び装置に 関する。 本発明は、 例えば、 表面に高い面精度が要求される自由曲面ミラー及び レンズなどの光学素子における曲面明形状形成及ぴ表面加工に好適である。
糸 1
技術背景 書
光通信に用いられるミラー及びレンズなどの光学素子は、 近年の高速大容量化 に伴い、 その要求される面精度が高まっている。 特に、 高密度波長分割多重伝送 (DWDM: D e n s e Wa v e l e n g t h D i v i s i o n M u 1 t i p 1 e x i n g) における可変型光分散補償器で用いられるミラーは、 外形が、 例 えば、 1 OmmX数ミリ程度と小さく、 複雑な自由曲面形状を有し、 かつ、 その 要求する面精度も非常に高い。 DWDMで用いられる可変型光分散補償器は既に 幾つか提案されている (例えば、 特許文献 1、 非特許文献 1 ) 。
特許文献 1
特表 2002— 5 1 43 23号公報
非特許文献 1
川幡雄一、 三田村宣明、 磯野秀樹、 「40 G b p s WDMシステム向け V I P A型分散補償器」、電子材料、株式会社工業調査会、 200 1年 1 1月 1 日発行、 第 40巻第 1 1号、 P 6 7— 6 9
このような複雑な自由曲面形状を有した光学素子を製作する上で従来は、 5乃 至 6自由度を有する 3次元加工機を用いて光学素子用の金型を製作し、 次いで、 樹脂又はガラスなどの成形部材を成型してミラー形状を製作し、 最後に必要な面 にアルミもしくは金蒸着を行うことで鏡面を生成している。 また、 レンズや棒状 ミラーの光学素子での目的とする面形状を得る方法として、 研磨加工時に複数の ァクチユエータ （加圧部材） で加圧する方法が特開 2000 - 848 1 8号公報 .開示されている。 その他の従来技術としては、 例えば、 特開平 1 0— 1 1 8 9 7号公報に開示されている。 発明の開示
しかし、 3次元加工機及び樹脂成型による方法の場合、 金型の自由曲面部のバ ィ ト痕が樹脂成 品の自由曲面部に転写され面精度が悪くなる。 それに対しハン ドラップ （作業者の手によって微細な研磨作業を施す方法） によって予め金型の パイ ト痕を除去する対策が用いられるが、 ハンドラップを行うと加工機で最適化 された形状が崩れてしまうため、 形状精度と面精度を両立させることが難しい。 —方、 特開 20 00— 848 1 8に開示されている方法では研磨加工時に形状 が形成できるため、 3次元加工機に付随する問題は発生しない。 そもそも特開 2 000 - 84 8 1 8に用いられている、 研磨加工時に外部機構による荷重を付加 する手法は、 CMP (Ch e m i c a l Me c h a n i c a l P o l i s h i n g) におけるウェハの平坦化加工で通常用いられている手法であり、 その目的 (形状形成、 平坦化） は異なっていても、 両者ともワーク研磨面上での研磨量分 布を外部機構で制御するという方法論では共通している。 これら平坦化研磨加工 も含めて従来の方法における荷重の付加方法は、 ワークを保持する加工へッドの ワーク保持面に複数の微小な穴を設け、 その穴とエア供給源とを接続し、 エア圧 の制御によってワークに荷重を付加する方法 (第 1 2図) と、 加工ヘッド内にェ ァシリンダゃピエゾ素子などのァクチユエータを複数設け、 そのァクチユエータ でワーク背面に直接荷重をワークに付加する方法 （第 1 3図） の 2種に分けるこ とができる。
これらの方法の基本的な考え方は、 研磨量を增やしたい箇所に外部機構 （上記 エア圧 ·ァクチユエータ) で荷重を付加することで局所的に接触圧、 そして研磨 速度を高めるというものである。 しかしこれらの方法で圧力制御できるのは、 第 1 2図の方式であればエア供給穴近傍、 第 1 3図の方式であればァクチユエータ 接触加圧点近傍のみである。 すなわち、 これらの方法は荷重の操作点近傍のみ高 い点荷重が付加される方法であり、 機構の存在しない箇所は制御できない。 その ため高い形状精度を得るためには非常に多数の操作点を設ける必要がある。 ゥェ ハのように比較的面積の大きいワークに対してはある程度の数の操作点 （特 、 第 1 2図の方式であれば加工へッドに対してはエア供給穴を設けるだけで済むた め、 数十個の操作点を設けることが可能） を設けることができるが、 光学素子の ように、 例えば、 1 O m m角以下と面積の小さなワークに対しては数点程度しか 設けることができない。 また、 もう一つの問題点として、 操作点を直接ワーク裏 面に設けるという、 複数の点荷重によってワークの接触圧を制御する方式では、 局所的に接触圧の高い操作点近傍と、 その他の箇所とでの圧力差が大きくなり過 ぎてしまい、 結果的に得られた研磨面に操作点数分の凹凸が発生してしまう。 そ の上、 ワークが厚さ 1 m m以下と薄い場合などはワーク自体にダメージを与える 可能性もある。
そこで、 本発明は、 以上の問題点に鑑み、 ワークに対して複雑な形状の加工を 高精度に施すことが可能な加工方法及び装置を提供することを例示的な目的とす る。
かかる目的を達成するために、 本発明の一側面としての加工方法は、 ワークを 搭載した治具を前記ワークと共に弾性変形させるステップと、 前記ワークを研磨 面に加圧するステップと、 前記ワークと前記研磨面を相対的に移動するステップ とを有することを特徴とする。 かかる加工方法は、 ワークを研磨面に加圧する加 圧力を局所的に変化させることのみに頼る代わりに、 治具の所定の位置に荷重を 加えることによって治具をワークと共に弾性変形させる。 ワークに直接操作点を 設けずに面積の大きな治具に操作点を設けることによって、 面積の小さいワーク に対しても所望の操作点数を確保することができると共にワークに直接加圧力を 加えないので薄型のワークにダメージを与えることを防止することができる。 ま た、 ワークに直接操作点を設けずに治具に操作点を設けると、 特に、 ワークにダ メージを与えずにワークに引上荷重を加えることが容易になる。 また、 複数の点 荷重のみによってワークの接触圧を制御するのではなく、 ワークと共に治具を弾 性変形させるので接触圧分布の均一性を維持することができる。
前記弾性変形ステップは、 前記弾性変形ステップは、 弾性変形のために前記治 具の所定位置に加えられた荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量は線形関係 にあると近似すること、 及び/又は、 弾性変形のために前記治具の所定位置に加 えられた荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、 前記荷重 を制御するステップを含んでもよい。 かかる近似により制御を単純化して、 制御 ソフトウェアの負担を軽減することができる。前記荷重制御ステップは、例えば、 前記ワークの現在の形状と目標形状との差分から必要となる研磨量分布を算出す るステップと、 前記ワークの位置情報及び前記ワークと前記研磨面の相対速度分 布を算出するステップと、 前記研磨量分布と前記相対速度分布に基づいて前記荷 重を算出するステップとを含む。
前記弾性変形ステップは、 前記治具を段階的に変形させることが好ましい。 特 に被研磨面が曲線である場合には、 一度に大きな荷重を治具に加え、 大きな変形 を発生させた状態でワークを研磨面に接触させると、 被研磨面が研磨面を損傷し たりする場合があるからである。
本発明の別の側面としての加工装置は、 ワークを研磨面に加圧して、 前記ヮー クと前記研磨面を相対的に移動することによつて前記ワークを所定の形状に研磨 する加工装置であって、 前記ワークを搭載した治具を前記ワークと共に所定の形 状に弹性変形させるために、 前記治具の所定の位置に荷重を加えるァクチユエ一 タを有することを特徴とする。 かかる加工装置は、 ァクチユエータがワークを研 磨面に加圧する加圧力を局所的に変化させる代わりに、 治具の所定の位置に荷重 を加えることによって治具をワークと共に弾性変形させる。 これにより、 上述の 加工方法と同様の作用を奏することができる。
前記ァクチユエータは、 前記治具に引上荷重を加えるための機構、 例えば、 リ ンク機構を含んでもよい。 押付荷重と引上荷重を組み合わせることにより、 治具 を所望の形状に変形させることがより容易になる。 複数の点荷重によってワーク の接触圧を制御する従来の方式は、 ワークに引上荷重を加えることは困難であつ たが、 治具とァクチユエータの組合せは、 押付荷重と引上荷重の両方を印加する ことを可能にするために、 ワークを所望の形状に加工することを容易にする。 前記加工装置は、 前記荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量が線形関係に あると近似すること、 及び Z又は、 前記荷重に伴う前記ワークの変形を円弧 （球 面） で近似することによって、 前記荷重の印加を制御するための制御部を更に有 してもよい。 かかる近似により制御を単純化して、 制御部の負担を軽減すること ができる。 前記加工装置は、 前記ワークの現在の形状を測定する測定部を更に有 し、 前記制御部は、 例えば、 前記ワークの前記現在の形状と自標形状の差分から 必要となる研磨量分布を算出する第 1の研磨量演算部と、 前記ワークの位置情報 及び前記研磨面の回転速度から相対速度分布を算出する第 2の演算部と、 前記研 磨量分布と前記相対速度分布から前記ワークの前記研磨面に対する接触圧分布を 算出する第 3の演算部と、 前記接触圧分布を得るために必要な前記荷重を算出す る第 4の演算部とを含んでもよい。
本発明の別の側面としての治具は、 ワークを研磨面に加圧して、 前記ワークと 前記研磨面を相対的に移動することによって前記ワークを所定の形状に研磨する 加工装置に使用され、 前記ワークを搭載する治具であって、 前記ワークと共に弾 性変形することを可能にする案内機構と、 前記加工装置から前記弾性変形するた めの荷重が付加される被印加部とを有することを特徴とする。 かかる治具は、 上 述の加工装置に使用され、 上述の加工方法や装置と同様の作用を奏することがで きる。 前記治具は、 例えば、 ステンレスやセラミックなどの剛性の高い材質から 構成される。 また、 本発明の治具は、 厚さ 1 m m以下の薄型のワークや面積が 5 0 0 mm 2以下の小型のワークに好適である。
本発明の他の目的と更なる特徴は、 以下、 添付図面を参照して説明される実施 例において明らかになるであろう。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の一実施形態の加工装置の概略斜視図である。
第 2図は、第 1図に示す加工装置に使用される加工へッドの概略断面図である。 第 3図は、 第 1図に示す加工装置によって加工されるワークの目標形状の斜視 図である。
第 4図は、 第 1図に示す加工装置に使用される、 ワークを搭載した加工用治具 の斜視図である。
第 5図は、 第 4図に示すワークを搭載した加工用治具が弾性変形した様子を示 す斜視図である。
第 6図は、 第 4図に示す加工用治具の効果を説明するための断面図である。 第 7図は、 第 1図に示す加工装置に使用される、 ワークを搭載した別の加工用 治具の斜視図である。
第 8図は、 第 1図に示す加工装置に使用される、 ワークを搭載した加工用治具 に引上荷重を加えるためのリンク機構を説明する概略断面図である。
第 9図は、 第 1図に示す加工装置においてワークと研磨面との間の相対速度の 算出式を説明するための図である。 ' 第 1 0図は、 橈み量の円弧近似を説明するための図である。
第 1 1図は、 第 1図に示す制御装置の一部のブロック図である。
第 1 2図は、 従来の荷重付加方法を説明するための図である。
第 1 3図は、 従来の荷重付加方法を説明するための図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 第 1図及び第 2図を参照して、 本発明の一実施形態の加工装置 1 0 0に ついて説明する。 ここで、 第 1図は、 加工装置 1 0 0の概略斜視図である。 第 2 図は、 加工装置 1 0 0に使用される加工ヘッド 1 5 0の概略断面図である。 加工装置 1 0 0は、 ラップ加工を行う。 ラップ加工とは、 加工ヘッド 1 5 0に 支持されたワーク Wと、 ラップ定盤 1 1 0と呼ばれる研磨工具との間にスラリ一 Sと呼ばれる研磨砥粒を介在させ、 ワーク被研磨面 をラップ定盤研磨面 1 1 1に接触させた状態で、 ワーク Wをラップ定盤 1 1 0に対して相対移動させるこ とで、 両者の間に介在するスラリ一 Sが材料除去を行うという研磨加工方法であ る。
そのため、 加工装置 1 0 0は、 第 1図に示すように、 ラップ定盤 1 1 0、 スラ リ一供給ポンプ 1 2 0、 加工アーム 1 3 0、 形状測定装置 1 4 0、 加工へッド 1 5 0の大きく分けて 5つのモジュールで構成され、 それらモジュールが各々 1つ の制御装置 1 7 0に接続される構成を有している。 加工アーム及びへッドは複数 設けてもよい。 複数個設けることによって生産性を向上することができる。 ラップ定盤 1 1 0はワーク Wを研磨するための研磨面 1 1 1を有し、 モータ 1 1 2によって回転駆動される。 本実施形態では、 モータ 1 1 2の回転の開始ノ停 止及ぴ回転速度は、 接続された制御装置 1 7 0によって制御される。 モータ 1 1 2の駆動力は、 モータ軸 1 1 3に軸支されたローラ 1 1 4に架橋されたベルト 1 1 5を介してラップ定盤 1 1 0の回転軸 1 1 8に固定されたローラ 1 1 6に伝達 され、 ラップ定盤 1 1 0を回転駆動する。
スラリ一供給ポンプ 1 2 0は、 ラップ定盤 1 1 0の研磨面 1 1 1に、 常時スラ リー Sを供給する。 ポンプ 1 2 0は図示しない貯蔵タンクから配管を通してスラ リー Sをラップ定盤 1 1 0に滴下する。 本実施形態では、 異なる濃度のスラリー Sを備えた貯蔵タンクを複数個有し、 スラリー Sの供給量及び使用されるスラリ 一 Sの切替指示は接続された制御装置 1 Ί 0によって指示される。
加工アーム 1 3 0は加工装置 1 0 0上で所定位置への加工へッド 1 5 0及びヮ ーク Wの移動を行う。 第 1図では直動機構によるアームを示しているが、 スカラ 型のような回転/揺動による移動機構を用いてもよい。 本実施形態では、 加工開 始位置、 退避位置、 形状測定位置の 3つの所定位置に対し、 制御装置 1 7 0の指 示によつて前記位置への移動を行う
形状測定装置 1 4 0は、 ワーク Wの被研磨面 の形状を測定するための測定 ヘッド 1 4 2を備え、 ラップ定盤 1 1 0近傍や加工アーム 1 3 0の移動範囲内に 設けられる。 測定へッド 1 4 2の測定方法は、 加工へッド 1 5 0に支持された状 態でワーク Wと非接触で測定できる、 レーザもしくは超音波を用いる方法が望ま しい。 また、 測定に影響を及ぼす、 付着したスラリー Sを除去するワイパー機構 を設けてもよい。 本実施形態では、 制御装置 1 7 0により測定の開始/終了が指 示され、 測定された形状データは制御装置 1 7 0内の図示しない記憶領域 (マス タ） 内に格納される。
加工へッド 1 5 0は、 ワーク Wを支持する治具 1 6 0を保持部 1 5 3において 支持し、自重及び加圧摇動機構 1 5 1によりラップ定盤 1 1 0に押し付けられる。 加圧摇動機構 1 5 1による加圧はワーク Wを指示する加工へッド 1 5 0を研磨面 1 1 1に対して加圧することによってワーク Wが研磨面 1 1 1に対して所定の加 圧力で加圧されることを可能にするものであるが、 加工へッド 1 5 0の自重で + 分な場合は加圧揺動機構 1 5 1のうちの加圧機構を設ける必要はない。 加圧揺動 機構 1 5 1のうちの摇動機構は、加工へッド 1 5 0を揺動するためのものである。 加工へッド 1 5 0が揺動又は回転することにより、 ワーク Wの被研磨面 のス ラリー Sの分布を均一化し、 ワーク Wを回転対称的に研磨することができる。 第 1図においては、 一つのラップ定盤 1 1 0に対して一つの加工へッド 1 5 0 が設けられているが、 ランプ定盤 1 1 0は複数の加工ヘッド 1 5 0を搭載し、 同 時に加工してもよい。
加工へッド 1 5 0は、 治具 1 6 0の一又は複数の所定位置に荷重を印加する荷 重印加機構としてのァクチユエータ 1 5 2を、 加圧揺動機構 1 5 1とは別個に有 する。 ァクチユエータ 1 5 2は発生させる荷重量が制御装置 1 7 0によって制御 できるものであれば、 図 1 2に示すエアシリンダでも図 1 3に示すピエゾ素子で も構わない。 ァクチユエータ 1 5 2は加工用治具 1 6 0に対して荷重を付加し、 ワーク Wには直接荷重を印加しない。 このように、 本実施形態の加工ヘッド 1 5 0は、 ワーク Wに対して、 ワーク Wの全体に一定の加圧力を加えると共にワーク wを保持した治具の所定位置に個別的に荷重を印加する。 伹し、 上述のように、 本発明においては、 加圧力は加工へッド 1 5 0の自重のみによってなされてもよ いし加圧揺動機構 1 5 1による加圧力を加えてもよい。
図 2に示すァクチユエータ 1 5 2は加工用治具 1 6 0に押付荷重のみを与えて いるが、 ァクチユエータ 1 5 2と治具 1 6 0との接続を、 第 8図に示すように、 回転支点 1 5 5の周りに回転可能なリンク機構 1 5 4と、 治具 1 6 0に設けられ た穴 1 6 6というような構造にすることによって、 押付荷重及び弓 I上荷重を与え ることも可能となる。 ここで、 第 8図は、 ワークを搭載した加工用治具 1 6 0に 押付荷重及ぴ引上荷重を加えるためのリンク機構 1 5 4を説明する概略断面図で める。
第 2図に示すように、 加工へッド 1 5 0は、 ラップ定盤 1 1 0の研磨面 1 1 1 を修正するための治具としての修正リング 1 5 8と結合している。より詳細には、 修正リング 1 5 8は、 中空のリング形状を有し、 加工へッド 1 5 0の保持部 1 5 3の底部周囲に接続されている。 もっとも、 修正リング 1 5 8は、 加工ヘッド 1 5 0に結合される必要はなく、 別個かつ離間して設けられてもよい。
以下、 第 3図乃至第 7図を参照して加工用治具 1 6 0について説明する。 ここ で、 第 3図は、 ワーク Wの目標形状の例を示す斜視図である。 第 4図は、 第 3図 ( a )の形状を作成するための加工用治具 1 6 0の一例であり、第 4図（a ) は、 ワーク Wを搭載した加工用治具 1 6 0のラップ定盤 1 1 0側を下にした斜視図で あり、 図 4 ( b ) は、 加工用治具 1 6 0のラップ定盤 1 1 0側を下にした斜視図 である。 第 5図は、 図 4に示す加工用治具 1 6 0が弾性変形した様子を示す斜視 図である。
加工用治具 1 6 0は、 ワーク Wを搭載し、 加工へッド 1 5 0に支持され、 加工 へッド 1 5 0から荷重を印加されてワーク Wと共に弾性変形をする。 治具 1 6 0 は、 例えば、 5 0 0 m m 2以下と面積の小さいワーク Wや厚さ 1 mm以下と薄型 のワーク Wに直接に多数の操作点を設けることを不要にしている。治具 1 6 0は、 ワーク Wよりも大きいので多数の操作点を設けることが容易であると共に、 ヮー ク Wよりも厚いので操作点から印加される荷重によって損傷するおそれが少ない。 但し、 本発明は、 このようにワーク Wが小型薄型化のものに限定するものではな い。 治具 1 6 0は、 第 8図を参照して説明したように、 ワーク Wに簡単に引上荷 重を印加することができるァクチユエータ数を削減することによるコス ト削減な どワーク Wが大型でも十分に有益な効果を提供することができるからである。 治具 1 6 0は、 ワーク Wを目標形状にする際に、 目標形状の線形部分はその剛 性によつて維持することができるように、 ステンレスやセラミックなどの高剛性 の材料から構成される必要がある。 例えば、 図 3 ( a ) においては、 y方向が線 形方向である。
治具 1 6 0は、 所定箇所に荷重を受けると、 予め定められた形状へ弾性変形を おこす案内機構 1 6 2が設けられており、 その案内機構によって加工用治具はヮ ークを伴って弾性変形する。 案内機構の一例は、 例えば、 第 4図に示すような案 内溝である。 弾性変形した状態でワーク Wの被研磨面 をラップ定盤 1 1 0の 研磨面 1 1 1に押し付けることで被研磨面 に所望の接触圧分布を生じさせる ことができる。 第 4図に示す案内機構を有する治具 1 6 0は、 例えば、 射出成形 によって形成されてもよいし、 切削加工によって形成されてもよい。
第 4図に示す治具 1 6 0は直方体形状を有するが、 本発明は治具 1 6 0の形状 やワーク Wを搭載する搭載部の形状を限定するものではない。 例えば、 ワーク W がウェハのように円盤状であれば搭載部の形状は円形になり、 外形形状は円筒形 形状になる。 このように、 本実施形態では、 直接ワーク Wの被研磨面 に対向する背面に ラップ定盤 1 1 0に押し付けるための荷重を付加して局所的に接触圧力を高める のではなく、 ワーク Wを取り付けた治具 1 6 0にワーク Wを伴って治具 1 6 0を 弾性変形させるための荷重を与え、 ワーク Wが変形した状態でラップ加工を行う ことで所望の研磨圧力分布を生じさせている。 そのため、 本実施形態は、 治具 1 6 0の変形形状は所望の接触分布を発生させる上で最適化されたものを使用して いる。
—例として、 目標形状が第 3図 （a ) に示される場合について考える。 この目 標形状は X方向に関しては曲率を有しているが、 y方向に関しては線形という特 徴を有している。 この目標形状を従来の方法で研磨するためには、 y方向を線形 性を確保するために y方向に沿った形で多数のァクチユエータを配置する必要が ある。
これに対し、本実施形態では、第 4図に示すような治具 1 6 0を使用している。 治具 1 6 0は厚みのある平板に対し、 y方向に複数の案内溝 1 6 2を設けた形状 である。 このように、 治具 1 6 0は、 一体の部品に対して案内溝によって案内機 構を構成する方が望ましい。 一体の部品とすることで、 面合わせなどの問題を解 消することができる。
第 4図（b )に示すように、 この治具 1 6 0にワーク Wを接着固定し、 治具 1 6 0両側面を加工へッド 1 5 0の保持部 1 5 3に取り付けた状態で、 第 4図 （ a ) に示すように、 治具 1 6 0の背面中央の被印加部 1 6 5に荷重を加えると、 第 5 図に示すような形で弾性変形する。 1点の荷重のみで目標形状に近似した理由は、 この溝によって加工用治具が y方向に対しては撓みやすく、 X方向においては剛 性が強いという特性を有したためである。
上記は、 目標形状での線形性を治具の剛性により維持するための案内機構の例 であるが、 第 6図 （a ) に示すような線形の傾きを維持する場合も、 第 6図 （b ) に示すように、 治具 1 6 O Aに回転支点 1 6 3を設けることで両端 2点のァクチ ユエ一タ 1 5 2で維持することができる。 ここで、 第 6図は、 加工用治具 1 6 0 Aの効果を説明するための断面図であり、 第 6図 （a ) は、 治具 1 6 O Aを使用 しない場合にァクチユエータ 1 5 2からワーク Wに印加される荷重と圧力分布と の関係を示し、 治具 1 6 OAを使用した場合にァクチユエータ 1 5 2からワーク Wに印加される荷重と圧力分布との関係を示している。
即ち、 本発明における加工用治具 1 60は、 これらの基本となる構造を組み合 わせて用いることで所望の形状にワーク Wを弾性変形させる治具を全てカバーす る趣旨である。
第 3図（b) は、 ワーク Wの目標形状の別の例を示す斜視図である。第 7図は、 第 3図 （b) の形状を作成するための加工用治具 1 6 0 Bの一例であり、 第 7図 (a) は、 ワーク Wを搭載した加工用治具 1 6 0のラップ定盤 1 1 0側を手前に 示す斜視図であり、 第 7図 （b) は、 加工用治具 1 6 O Bのラップ定盤 1 1 0側 を手前にした斜視図である。 第 7図 （c) は、 第 7図 （a) に示す AA線に沿つ た断面図であり、 第 7図 （d) は、 第 7図 （b) に示す B B線に沿った断面図で ある。
第 3図 (b) に示すように本例での目標形状は、 第 3図 (a) の例と同様の条 件 (即ち、 X方向は曲率を有しているが、 y方向に関しては線形) に加えて、 X 方向は両端で逆方向に橈んでいる。
第 3図 （b) に示す形状に対して、 加工用治具 1 6 0 Bは、 第 7図 （b) に示 すように、 治具 1 60 B内に設けられた回転機能を有する 2つの案内溝 1 6 2 B (即ち、 1 6 2 B i及び 1 6 2 B 2) によって案内機構が構成されている。 第 7図 において案内溝 1 6 2 Bの先に円筒部 1 64 Bが設けられているのは、 案内溝 1 6 2 Bをワイヤで形成しているためであり、 円筒部 1 64 Bはワイヤの挿入孔で ある。 ワイヤを使用しているので、 案内溝 1 6 2 Bは対向する面まで貫通してい る。 例えば、 案内溝 1 6 は、 第 7図 （a) の右側の面から図示しない左側 の面まで貫通している。 4つの案内溝 1 6 2 B 2は、 第 7図 （a) の上側の面か ら図示しない底面まで貫通しているが、 ワーク Wが搭載されている面までは貫通 していない。 この 2つの案内溝機構 1 6 2 Bによって第 3図 （b) に示す x方向 両端の線形を維持することで形状を規定している。
治具 1 6 0 Bは、 ワーク Wが搭載される搭載部 1 6 1 Bと 4つの荷重が加えら れる被印加部 1 6 5 Bを有する。 第 7図 （a) 及び第 7図 （c) に示すように、 搭載部 1 6 1 Bはワイヤカット放電加工によって略矩形状に形成されている。 ま た、 第 7図 '（b ) 及び第 7図 （d ) に示すように、 被印加部 1 6 5 Bもワイヤに よって形成されている。 第 7図 （d ) を参照するに、 案内溝 1 6 2ョぃ 被印加 部 1 6 5 Bは凹型形状を形成し、 この結果、 例えば、 凹型の突部を構成する一方 の （例えば、 上側の） 被印加部 1 6 5 Bを押圧すると、 シーソーのように、 回転 支点 1 6 3 Bを中心として他方の （例えば、 下側の） 被印加部 1 6 5 Bが突出す る。
また、 治具 1 6 0 Bは、 一対の段差付き取り付け孔 1 6 7を介して加工へッ ド 1 5 0の保持部 1 5 3に固定される。 段差付き取り付け孔 1 6 7は、 単なる一例 であり、 治具 1 6 0 Bを加工ヘッド 1 5 0に固定できる限り、 当業界で周知のい かなる手段を用いてもよい。 治具 1 6 0 Bは、 更に、 一対の孔 1 6 8を有する。 一対の孔 1 6 8には、 ワーク Wを常に同じ位置に位置決めするために使用される 突き当て部材が揷入される。
制御装置 1 7 0は、 各部を制御するが、 所望の形状をワーク Wに形成するため に、 ワーク Wの研磨量を制御する。 本実施形態では、 制御装置 1 7 0は、 ワーク Wの研磨量 Rを制御するためにワーク Wの被研磨面 の研磨面 1 1 1に対する 接触圧力 Pを制御する。
ラップ加工における研磨量 Rは、 比例定数を K、 ワーク Wの被研磨面 に生 じる接触圧 (力) を P、 ワーク Wとラップ定盤 1 1 0との相対速度を V、 研磨時 間を tとすると、 以下のプレストンの関係式に従い、 P、 V及び tに比例すると 考えられている。 数 1 R = K · P · V · t 従って、 所望の研磨量 Rを得るためには、 研磨面 1 1 1の接触圧分布と相対速 度分布を制御する必要がある。 研磨時間 tについては研磨面 1 1 1のどの場所で も同値となるため今回は考慮する必要はない。このうち、相対速度 Vに関しては、 ラップ定盤 1 1 0上でのワーク Wの軌跡が予めわかっているため、 図 9に示すよ うに、 計算によって算出することができる。 ここで、 v xは、 ワーク上の点 Pの 相対速度 （X成分） である。 v yは、 ワーク上の点 Pの相対速度 （Y成分） であ 差換え用弒（規則 26) 1 2/1
る。 wtは、 ラップ定盤の角速度である。 wcは、 加工用治具の角速度である。 r 。は、 ラップ定盤回転中心からワーク回転中心までの距離である。 r cは、 ワーク 回転中心からワーク上の位置 Pまでの距離である。 r tは、 ラップ定盤回転中心 からワーク上の点 Pまでの距離である。 e tは、 ラップ定盤回転中心からワーク 上の点 Pのなす角度である。 θ。は、 ワーク回転中心からワーク上の点 Ρのなす 角度である。 また、 ラップ定盤 1 1 0やワーク Wの外形、 もしくはワーク Wの軌 跡によっては相対速度にほとんど差がでない場合
差換え用紙 (規則 26) 13
は、 相対速度に関しては無視することができる。 よって、 あと研磨量を制御する ために必要となるのは接触圧力 Pであり、 この接触圧力 Pを制御することで所望 の研磨量分布を得ることができる。 本実施形態の制御装置 1 70は、 このため、 ァクチユエータ 1 5 2を用いてラップ加工時の接触圧力 Pを制御している。
以下、 本発明の実施形態における制御方法について説明する。 接触圧を制御す るためには、 ワーク Wの変形量と接触圧 Pとの関係式が必要である。 このような 場合、 F EM (F i n i t e E l eme n t Me t h o d ：有限要素法） 等の 構造解析手法を用いれば、 ある変形時での接触圧を算出することができるが、 接 触問題は非線形であるため計算に時間がかかり、 その上、 加圧並行に伴い形状が 常に変化するために頻繁に再計算を繰り返す必要がある。 そのため、 制御ソフト ウェア上では使えない。 そこで本実施形態では以下の方法で近似解を算出し、 そ れを制御に利用している。
本実施形態では計算の簡略化のため、 以下の前提で接触圧 Pの近似解を算出し ている。
(1) 与えた荷重と、 それに伴う変形量とは線形の関係にある。
(2) 第 1 0図に示すように、 ワーク Wの変形を円弧 (球面) で近似し、 ヘル ッの接触問題として接触圧 Pを算出する。
前提 (1) に関しては、 本来なら接触は非線形の問題であるが、 本実施形態で はワーク Wの変形は極微小 （弾性変形領域内） であるため、 この前提でも十分満 足する近似解が得られる。 荷重と変形量とが線形の関係にあるとみなすことによ つて任意の荷重付加におけるワーク Wの変位量の算出が容易になる。 予め基準と なる荷重を与えた場合のワーク Wの変位量を F E Mツールなどで算出しておけば、 あとは基準となる荷重値と任意の荷重値との比によってワーク Wの変位量を算出 することができるため、 計算量を大幅に削減することができる。
次に、 前提 （2) についても、 本実施形態ではワーク Wの変形は極微小である ため、 円弧と高い近似精度で近似できると考えられる。 なお、 撓み幅 l iと撓み 量 h iから、 近似円の半径 R iは、 以下の式で求めることができる。 4
Figure imgf000017_0001
そして球形状で近似したワーク Wの変形に、 次式で規定されるヘルッの接触理 論を適用する。 なお、 数式 3は接触円半径を規定する式である。 数式 4は、 接触 面中心に生じる接触圧力を規定する式である。 数式 5は、 接触面上の圧力を規定 する式である。
Figure imgf000017_0002
数 4
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000017_0004
ここで、 P iは接触面上の点 rの接触圧力である。 p ;は接触面中心の圧力である。 aは接触円半径である。 rは接触円中心からの距離である。 R iは球体半径であ る。 L；は印加荷重である。 E iは平面のヤング率である。 E 2は球体のヤング率 である。 V は平面のポアソン比である。 V 2は球体のポアソン比である。
これによつて接触圧 Pを 3次式のオーダで解くことが可能となる。 なお、 この 際の押付圧力についてはワーク W全体にかかる圧力を、 各接触凸部面積の比率で 分割した値を用いる。 この考え方を用いて、 必要となる接触圧から逆算して、 必 要な荷重を算出することができる。
以上の考えに基づいた制御装置 1 7 0内の荷重指示値演算装置 1 7 1の制御ブ ロック図を第 1 1図に示す。 本実施形態における制御システムでは、 ワークの現 在形状を測定する形状測定装置 1 4 0から現在形状データを入力後、 各ァクチュ 1 5
エータ 1 5 2 A乃至 1 5 2 Nに対して荷重指示値を出力し、 その詳細は 4種の演 算部 1 7 2乃至 1 7 5と、 データベース 1 Ί 6乃至 1 7 8で構成される。
研磨量演算部 1 7 2は、 後述するデータベース 1 7 6に格納された目標形状と 形状測定装置 1 4 0からの現在形状を入力として受け取り、 その差分から必要と なる研磨量分布を出力する。
相対速度演算部 1 7 3は、 制御装置 1 7 0から、 ラップ定盤 1 1 0の回転速度 及ぴ加工アーム 1 3 0によるワーク Wの回転速度を入力として受け取り、 後述す るデータベース 1 7 7から予め与えられたワーク Wの位置情報から、 ワーク接触 面 1 1 1の相対速度分布を出力する。
接触圧演算部 1 7 4は、 研磨量演算部 1 7 2及び相対速度演算部 1 7 3からそ れぞれ研磨量分布、 相対速度分布を入力として受け取り、 プレストンの関係式か ら必要となる接触圧分布を出力する。 なお、 比例定数値は予備実験などで求めて おく。
荷重演算部 1 7 5は、 接触圧演算部 1 7 4から必要な接触圧分布を入力として 受け取り、 後述するデータベース 1 7 8から予め与えられたワークの基本荷重値 による変位量を基に、 ヘルツの接触式を逆算してァクチユエータ 1 5 2が印加す べき荷重指示値を出力する。 本実施形態では、 制御装置 1 7 0は、 このようにァ クチユエータ 1 5 2が印加する荷重のみを制御しているが、 別の実施形態では、 加圧揺動機構 1 5 1が印加する加圧力を、 荷重に加えて又は荷重と共に、 制御し てもよい。
データベース 1 7 6は、 第 3図 ( a ) や第 3図 ( b ) に示すような目標形状を 格納する。 データベース 1 7 7は、 ラップ定盤 1 1 0の回転中心からの距離など のワーク Wの位置情報を格納する。 データベース 1 7 8は、 ワーク Wの基本荷重 値による変位量を格納する。
以下、 加工装置 1 0 0.の動作について説明する。 なお、 以下の説明では、 アル ファベットに大文字を付した参照符号 （1 6 O Aなど） は、 アルファベッ トのな い参照符号 （1 6 0など） で総括されるものとする。
まず、 前提として第 3図 （b ) に示すような目標形状をデータベース 1 7 6に 格納し、 ラップ定盤 1 1 0の回転中心からの距離などを規定する座標情報を格納 1 6
する。 また、 ワーク Wの基本荷重値による変位量をデータベース 1 7 8に格納す る。
次に、 研磨開始の命令に基づいて、 制御装置 1 7 0は、 モータ 1 1 2に供給さ れる電力を制御することによってモータ 1 1 2を所定の回転数で回転させ、 これ によって、 ラップ定盤 1 1 0を所定の回転数で回転させる。 次いで、 制御装置 1 7 0は、 図示しない入力装置によってユーザから指定された所定の貯蔵タンクに 接続されたとのパルプを開口し、 所定のスラリー Sをスラリ一供給ポンプ 1 2 0 に供給する。 '
次に、 制御装置 1 7 0は、 ァクチユエータ 1 5 2を制御して治具 1 6 0を所望 の形状に弾性変形させる。 このように、 本実施形態の加工方法は、 ワーク Wを研 磨面 1 1 1に加圧する加圧力を局所的に変化させることのみに頼る代わりに、 治 具 1 6 0の所定の位置 1 6 5に荷重を加えることによって治具 1 6 0をワーク W と共に弾性変形させる。 ワーク Wに直接操作点を設けずに面積の大きな治具 1 6 0に操作点を設けることによって、 面積の小さいヮーク Wに対しても所望の操作 点数を確保することができると共にワーク Wに直接加圧力を加えないので薄型の ワーク Wにダメージを与えることを防止することができる。 また、 ワーク Wに直 接操作点を設けずに治具 1 6 0に操作点を設けると、 特に、 ワーク Wを損傷せず にワーク Wに引上荷重を加えることが容易になる。 また、 複数の点荷重のみによ つてワーク Wの接触圧を制御するのではなく、 ワーク Wと共に治具 1 6 0を弾性 変形させるので接触圧分布の均一性を維持することができる。
弾性変形に際しては、 制御装置 1 7 0は、 治具 1 6 0を段階的に変形させるこ とが好ましい。 特に、 被研磨面 W が曲線である場合には、 一度に大きな荷重を 治具 1 6 0に加え、 大きな変形を発生させた状態でワークを被研磨面に接触させ ると被研磨面 が研磨面 1 1 1を損傷したりする場合があるからである。
研磨の途中で、 制御装置 1 7 0は、 加工アーム 1 3 0を制御してワーク Wを形 状測定装置 1 4 0まで移動させ、 測定へッ ド 1 4 2を介してワーク Wの現在の形 状を測定する。 形状測定装置 1 4 0は、 図 1 1に示すように、 測定された現在形 状を制御装置 1 7 0内の荷重指示値演算装置 1 7 1の研磨量演算部 1 7 2に送信 する。 1 7
研磨量演算部 1 7 2は、 データベース 1 7 6に格納された目標形状と形状測定 装置 1 4 0からの現在形状を入力として受け取り、 その差分から必要となる研磨 量分布を出力する。 また、
相対速度演算部 1 7 3は、 制御装置 1 7 0から、 ラップ定盤 1 1 0の回転速度 及び加工アーム 1 3 0によるワーク Wの回転速度を入力として受け取り、 データ ベース 1 7 7からワーク Wの位置情報から、 ワーク接触面 1 1 1の相対速度分布 を出力する。 接触圧演算部 1 7 4は、 研磨量演算部 1 7 2及び相対速度演算部 1 7 3からそれぞれ研磨量分布、 相対速度分布を入力として受け取り、 プレス トン の関係式から必要となる接触圧分布を出力する。
荷重演算部 1 7 5は、 接触圧演算部 1 7 4から必要な接触圧分布を入力として 受け取り、 データベース 1 7 8から得られるワークの基本荷重値による変位量を 基に、 ヘルツの接触式を逆算してァクチユエータ 1 5 2が印加すべき荷重指示値 を出力する。
得られた荷重指示値の結果に基づいて、 制御装置 1 7 0は、 ァクチユエータ 1 5 2の各部が加える荷重を制御する。 この結果、 ワーク Wを目標形状に加工する ことができる。
このように、 本実施形態は、 少ない操作点数で高い形状近似精度を確保し、 か つ点荷重による局所的な圧力を緩和するために、 任意の変形への案内機構を有し た加工用治具 1 6 0をァクチユエータ 1 5 2とワーク Wとの間に介在させ、 ヮー ク Wに直接ではなく治具 1 6 0に操作点を設け、 荷重をその箇所に付加、 それに よりワークを伴った状態で加工用治具を弾性変形させ、 その状態で研磨加工する ことでワーク被研磨面 W 1での研磨量を制御する加工方法及び装置を提供してい る。 本実施形態によれば、 切削加工を行わないためバイ ト痕が発生せず、 高精度 な自由曲面をワークに加工することができる。 また、 バイ ト痕除去のためのハン ドラップ等が不要になるため、 一度得られた形状精度を低下させることもない。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 ワークに対して複雑な形状の加工を高精度に施すことが可能 な加工方法及び装置を提供することができる。

Claims

1 8 請 求 の 範 囲
1 . ワークを搭載した治具を前記ワークと共に弾性変形させるステップと、 前記ワークを研磨面に加'圧するステップと、
前記ワークと前記研磨面を相対的に移動するステップとを有することを特徴と する加工方法。 '
2 . 前記弾性変形ステップは、 弾性変形のために前記治具の所定位置に加え られた荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量は線形関係にあると近似するこ とによって、 前記荷重を制御するステツプを含むことを特徴とする請求項 1記載 の加工方法。
3 . 前記弾性変形ステップは、 弾性変形のために前記治具の所定位置に加え られた荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、 前記荷重を 制御するステップを含むことを特徴とする請求項 1記載の加工方法。
4 . 前記荷重制御ステツプは、
前記ワークの現在の形状と目標形状との差分から必要となる研磨量分布を算出 するステップと、
前記ワークの位置情報及び前記ワークと前記研磨面の相対速度分布を算出する ステップと、
前記研磨量分布と前記相対速度分布に基づいて前記荷重を算出するステップと を含むことを特徴とする請求項 2又は 3記載の加工方法。
5 . 前記弾性変形ステップは、 前記治具を段階的に変形させることを特徴と する請求項 1記载の加工方法。
6 . ワークを研磨面に加圧して、 前記ワークと前記研磨面を相対的に移動す ることによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置であって、
前記ワークを搭載した治具を前記ワークと共に所定の形状に弾性変形させるた めに、 前記治具の所定の位置に荷重を加えるァクチユエータを有することを特徴 とする加工装置。
7'. 前記ァクチユエータは、 前記治具に引上荷重を加えるための機構を含む ことを特徴とする請求項 6記載の加工装置。 1 9
8 . 前記荷重と当該荷重に伴う前記ワークの変形量が線形関係にあると近似 することによって、 前記荷重の印加を制御するための制御部を更に有することを 特徴とする請求項 6記載の加工装置。
9 . 前記荷重に伴う前記ワークの変形を円弧で近似することによって、 前記 荷重の印加を制御するための制御部を更に有することを特徴とする請求項 6又は
8記載の加工装置。
1 0 . 前記加工装置は、 前記ワークの現在の形状を測定する測定部を更に有 し、
前記制御部は、
前記ワークの前記現在の形状と目標形状の差分から必要となる研磨量分布を算 出する第 1の研磨量演算部と、
前記ワークの位置情報及び前記研磨面の回転速度から相対速度分布を算出する 第 2の演算部と、
前記研磨量分布と前記相対速度分布から前記ワークの前記研磨面に対する接触 圧分布を算出する第 3の演算部と、
前記接触圧分布を得るために必要な前記荷重を算出する第 4の演算部とを含む ことを特徴とする請求項 8又は 9記載の加工装置。
1 1 . ワークを研磨面に加圧して、 前記ワークと前記研磨面を相対的に移動 することによって前記ワークを所定の形状に研磨する加工装置に使用され、 前記 ワークを搭載する治具であって、
前記ワークと共に弾性変形することを可能にする案内機構と、
前記加工装置から前記弾性変形するための荷重が付加される被印加部とを有す ることを特徴とする治具。
1 2 . 前記治具はステンレス又はセラミックから構成されることを特徴とす る請求項 1 1記載の治具。
1 3 . 前記ワークは厚さ 1 m m以下であることを特徴とする請求項 1 1記載 の治具。
1 4 . 前記ワークは、 面積が 5 0 0 m m 2以下であることを特徴とする請求 項 1 1記載の治具。
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