JP2002200548A

JP2002200548A - 研磨方法

Info

Publication number: JP2002200548A
Application number: JP2000398998A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Amano; 啓天野; Atsuo Inoue; 篤郎井上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-12-27
Filing date: 2000-12-27
Publication date: 2002-07-16

Abstract

(57)【要約】【課題】自由曲面形状の光学部品や、その光学部品を
成型するための成形用金型などを、高精度で高能率に研
磨加工することができる研磨方法を提供すること。【解決手段】研磨加工に用いる工具１の作用面の形状
を、前工程で用いられた工具の作用面の曲率半径よりも
大きい形状の曲面に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自由曲面形状の光
学部品や、その光学部品を成型するための成形用金型な
どを、高精度で高能率に加工する研磨方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳｉＣなどのように硬質の脆性材料は研
磨レートが非常に低いため、それらを被加工体として基
材から所望の非球面までの加工を全てを研磨加工で行っ
た場合には、著しく長い加工時間を要する。そのため、
従来は、所望の非球面に近い形状までの加工を研削加工
で行った後、研削加工時に砥石の形状が転写されて形成
された周期１００μｍ、振幅１００〜２００ｎｍＰ・Ｖ
程度の微小うねりの修正と、研削加工で形成された脆性
モードの加工面の除去を機械又は手による研磨により行
い、形状誤差３０ｎｍＰ・Ｖ、表面粗さ５ｎｍＲａ以下
の非球面形状の鏡面を得ていた。

【０００３】その一例を説明すると、例えば、回転対称軸
を持った非球面形状や、あるいは、回転対称軸を持たな
い自由曲面形状の、レンズやその成形用金型またはミラ
ーなどは、ダイヤモンドバイトあるいは研削砥石を用い
て、工作機械の母性原理を利用した切削または研削加工
で形状が仕上げられる。

【０００４】図７は、セラミックス製の凹非球面形状ミ
ラーの研削加工装置の例で、研削加工装置は、被加工体
５１を保持して回転する主軸５２を備えた本体５３を載
置したＺ軸テーブル５４と、被加工体５１の対向位置に
工具台５５に設けたれた砥石駆動用のエアスピンドル５
６に固定された研削砥石５７を備えたＸＹテーブル５８
が配置されている。それにより、回転している被加工体
５１に対して回転している研削砥石５７が接触して所定
の研削加工を施している。

【０００５】その後、機械加工の場合は、図８に示すよ
うな研磨装置を用いて研磨加工を施している。この研磨
装置は、被加工体５１を保持して回転する主軸６２を備
えた本体６３を載置したＺ軸テーブル６４と、被加工体
５１の対向位置に工具台６５に設けたれた、駆動用のエ
アスピンドル６６に固定された研磨工具６７を備えたＸ
Ｙテーブル６８が配置されている。なお、研磨工具６７
は弾性体で形成されている。回転している被加工体５１
に対して回転している研磨工具６７が接触して所定の研
磨加工を施している。研磨工具６７は弾性体で形成され
ているので、被加工体５１の表面に倣って、所望の表面
粗さになるまで研磨加工を施して、被加工体５１の表面
を仕上げている。

【０００６】図９（ａ）〜（ｃ）を用いて、これらの場
合の被加工体５１の被加工面５１ａの状況を説明する
と、図９（ａ）に示すように、切削または研削では、工具
５７の回転振れや工具５７の設定送り間隔、工具５７の
位置決め誤差、機械の振動などによって、工具５７の作
用面の形状に応じたうねり（連続または不連続のくぼ
み）が、加工面に発生している。

【０００７】研磨工程では、図９（ｂ）に示すように、研
磨工具６７のポリシャあるいは研磨クロスは、樹脂や布
織物などの弾性体が用いられているので、被加工体５１
の被加工面５１ａのうねり形状に沿って砥粒７１が作用
して、高能率な研磨が行われる。その結果、図９（ｃ）
に示すような、被加工体５１の被加工面５１ａに関して
の仕上面が得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
方法では、被加工面の表面粗さ成分を短時間で低減させ
る（表面粗さを向上させる）方法としては有効である
が、うねりを除去する能率は低い。そのため、うねりを
除去する能率を高めるために、比較的大きな粒径の砥粒
を用いる粗研磨工程を経ることが必要とされる。ところ
が、大きな粒径の砥粒を用いた場合、前工程（切削また
は研削）で作られた形状を保ったまま、面性状のみを向
上（うねりおよび表面粗さを向上）させることは非常に
難しい。このため、研磨工程においても形状精度測定を
随時行い、その測定結果に基づいて部分的に形状を整え
る形状修正加工が必要とされ、研磨加工の工程に要する
時間と手間は著しく大きい。

【０００９】また、手研磨で行なった場合は、加工の良
否が作業者の研磨技能に大きく左右され、かつ、長時間
を連続で行なう研磨加工が難しいために、被加工体が大
面積、大口径である場合、その非球面加工は極めて困難
である。そのため、手研磨では鏡面の口径はおよそφ１
００ｍｍ程度に制限されていた。

【００１０】また、硬質の脆性材料を加工物とするこれ
らの研磨加工をＮＣ制御の超精密加工装置で行う試みも
なされているが、ポリシャの曲率半径が所望の非球面の
曲率半径より著しく小さいため、研磨作用領域が極めて
小さく、研磨レートが低く実際の加工には不向きであっ
た。

【００１１】本発明はこれらの事情にもとづいてなされ
たもので、自由曲面形状の光学部品や、その光学部品を
成型するための成形用金型などを、高精度で高能率に研
磨加工することができる研磨方法を提供することを目的
としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明による手
段によれば、切削あるいは研削による前工程での加工に
より所定形状に形成された被加工体に対して研磨加工を
施す研磨方法において、前記研磨加工は、作用面の形状
が前記前工程で用いられた工具の作用面の曲率半径より
も大きい形状の曲面を有する工具を用いておこなうこと
を特徴とする研磨方法である。

【００１３】また請求項２の発明による手段によれば、
前記研磨加工は、銅又は錫又はそれらの合金のいずれか
による前記工具を用いておこなうことを特徴とする研磨
方法である。

【００１４】また請求項３の発明による手段によれば、
切削あるいは研削による前工程での加工により所定形状
に形成された被加工体に対して研磨加工を施す研磨方法
において、前記研磨加工は、弾性体のボディの外周に砥
粒が分散された作用面が形成されている工具を用いてお
こなうことを特徴とする研磨方法である。

【００１５】また請求項４の発明による手段によれば、
前記研磨加工は、前記作用面が軟質金属により形成され
た工具を用いておこなうことを特徴とする研磨方法であ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の研磨装置と研磨方
法の実施の形態を図面を参照して説明する。

【００１７】第１の実施の形態では、被加工体としてセ
ラミックス製ミラーを研磨加工した場合について説明す
る。このセラミックス製ミラーは、直径φ１２０ｍｍ
で、近似曲率半径が２１０ｍｍのセラミックス製の回転
対称凹非球面ミラーである。

【００１８】まず、図７に示した超精密非球面加工装置
を用いて被加工体３の研削加工を行なう。なお、超精密
非球面加工装置の構造については、従来の技術の項で説
明しているので、その説明は省略する。

【００１９】超精密非球面加工装置では、平形Ｒ付形状
（半径１００ｍｍ、作用面断面半径１００ｍｍ、ホイー
ル厚さ１０ｍｍ）のダイヤモンド砥石（砥石メッシュサ
イズ＃１２００：砥粒サイズ約１２μｍ）を用いて、凹
非球面形状ミラーを研削加工する。被加工体３は超精密
非球面加工装置の主軸端面に装着され、２０ｒｐｍの速
度で回転される。砥石は砥石駆動用のエアスピンドル５
２に装着され、６０００ｒｐｍの速度で回転され、超精
密非球面加工装置のＸ軸およびＺ軸の同時制御動作によ
って非球面断面曲線の軌跡で移動し、被加工体３である
ミラーの表面を研削する。

【００２０】なお、１回の切り込み量は１μｍ以下に設
定されている。この研削加工によって、非球面ミラー
は、加工面全体の非球面形状精度０．３μｍＰ−Ｖ、う
ねり成分０．１５μｍＰ−Ｖ、表面粗さ０．０２μｍＲ
ａに加工される。

【００２１】次に、図１に示すように、図７で示した超
精密非球面加工装置で、研削加工に用いた砥石に代え
て、砥石と同様の形状（平形Ｒ付形状）で銅製の研磨工
具１を砥石駆動用のエアスピンドル２に装着し、それに
より被加工体３に対して研磨加工を行う。なお、研磨工
具１の寸法は、半径１５０ｍｍ、作用面の断面半径１５
０ｍｍの形状で、前工程の研削で用いた砥石の作用面の
曲率半径よりも大きく、かつ被加工体３である非球面ミ
ラーの曲率半径よりも小さく、また、研磨工具１の肉厚
方向の曲率半径も非球面ミラーの曲率半径よりも小さい
ものを用いている。

【００２２】この場合、被加工体３は、研削加工時と同
様に２０ｒｐｍの速度で回転される。研磨工具１は１０
０〜５００ｒｐｍ程度の低い速度で回転され、砥石と同
様に超精密非球面加工装置のＸ軸および２軸の同時制御
動作によって、すでに前工程で研削加工された非球面ミ
ラーの断面曲線に沿う軌跡で移動する。研磨工具１は、
銅や錫あるいはそれらの合金などの硬質素材が用いら
れ、その作用面には、ダイヤモンド砥粒（平均粒径３μ
ｍ）が間欠的に供給される。その際、研磨工具１の作用
面は、非球面ミラー表面に対し接触させずに隙間を保
つ。隙間の寸法は、供給砥粒の平均粒径と同等（３μ
ｍ）に設定する。

【００２３】この研磨工程により、研削加工時に発生し
た、砥石の回転振れ設定送り間隔、超精密非球面加工装
置のＸ軸および２軸の同時制御動作の位置決め誤差、機
械の振動などにより発生している、砥石の作用面形状に
応じたうねり（運続または不連続のくぼみ）の凸部分が
選択的に研磨加工される。

【００２４】次に、これらの工程による被加工体３の被
加工面の状況を、図２（ａ）〜（ｃ）に示して説明す
る。

【００２５】図２（ａ）に示すように、回転軸から研削
作用面までの距離である曲率半径ｒを有する研削砥石か
らなる工具４を用いた研削加工においては、工具４の回
転振れや工具４の設定送り間隔、工具４の位置決め誤
差、機械の振動などによって、工具４の作用面形状に応
じたうねり（連続または不連続のくぼみ）が、被加工体
３の被加工面３ａに発生している。この場合、被加工面
３ａの全体の非球面形状精度０．３μｍＰ−Ｖ（＝研削
加工精度）、うねり成分０．０５μｍＰ−Ｖ、表面粗さ
０．００２μｍＲａに加工されている。

【００２６】研磨工程では、図２（ｂ）に示すように、平
均粒径１μｍのダイヤモンド砥粒６を用いて、被加工体
３である非球面ミラーの表面全体を研磨し、被加工面３
ａの全体の非球面形状精度０．３μｍＰ−Ｖ（＝研削加
工精度）、うねり成分０．０５μｍＰ−Ｖ、表面粗さ
０．００２μｍＲａに加工する。研磨工具１の寸法は、
前工程の研削で用いた砥石の作用面の曲率半径よりも大
きく、かつ、非球面ミラーの曲率半径よりも小さいもの
を用いている。また、研磨工具１のポリシャあるいは研
磨クロスは、樹脂や織物などの弾性体が用いられている
ので、被加工体３の被加工面３ｂのうねり形状に沿って
ダイヤモンド砥粒６が作用して、高能率な研磨が行われ
る。その結果、図２（ｃ）に示すような、被加工面３ｃ
として、うねり成分の除去効率の高い仕上面が得られ
る。

【００２７】なお、表面粗さの要求値が０．００５μｍ
Ｒａ以上の場合には、研磨工程を省略することができ
る。

【００２８】また、研磨加工に用いるダイヤモンド砥粒
の粒径については、研削加工のうねり精度に応じて選択
する。

【００２９】また、研磨加工に用いる超精密非球面加工
装置の構成は、上述の構成以外のものでも、同様の作用
を得ることが出来る。

【００３０】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。

【００３１】図３（ａ）は、本発明の研磨加工装置の要
部の模式平面図であり、図３（ｂ）は、その側面図であ
る。

【００３２】ＸＹＺの３軸方向に移動自在な移動テーブ
ル１１には、研磨圧力センサ１２とアクチュエータ１３
が設けられ、また、静圧軸受（不図示）で軸支されたス
ピンドル１４にポリシャ１５が取付けられている。な
お、アクチュエータ１３は研磨圧力センサ１２の検出結
果に応じて作動する。また、ポリシャ１５の回転は、ロ
ータリエンコーダとサーボモータを具備しＮＣ制御部
（不図示）により制御されている。

【００３３】一方、ポリシャ１５に対向する位置に被加
工体３を保持した保持テーブル１６がベッド１７上に設
けられている。この保持テーブル１６はポリシャ１５の
加工点を中心にＸＺ平面で所定角度が回動自在に設けら
れている。この回動動作もロータリエンコーダとサーボ
モータを具備しＮＣ制御部により制御されている。

【００３４】これらの構成により、本実施の形態の研磨
加工では、可能な限り定常的な研磨加工を実現して研磨
加工を自動化している。そのため、ポリシャ１５の揺
動、研磨作用領域の中心点での加工面法線（＃１３）と
ポリシャ１５の回転軸（＃１４）との成す角度（＃１
５）を一定に保つ制御を同時にＮＣ制御部で行なってい
る。

【００３５】その際に必要となるポリシャ１５と被加工
体３との運動は、被加工体３または研磨ポリシャ１５の
回転移動（＃１６）、研磨ポリシャ１５または被加工体
３のＸ軸方向並進移動（＃１７）、および、研磨ポリシ
ャ１５または被加工体３のＺ軸方向並進移動（＃１８）
である。

【００３６】さらに、研磨圧力センサ１２により研磨圧
力を検出し、その検出結果に応じてアクチュエータ１３
を作動させて、ポリシャ１５を軸方向に微動させて、研
磨圧力を一定に維持する。なお、被加工体３の回転、研
磨ポリシャ１５の回転、研磨ポリシャ１５の回転移動
は、ロータリエンコーダとサーボモータを具備しＮＣ制
御部により回転スピードや割り出し位置の制御が行なわ
れる。

【００３７】なお、ポリシャ１５の並進移動（＃１７、
＃１８）のガイドは、リニアスケールとサーボモータを
具備し、ＮＣ制御部により移動スピードや位置の制御が
可能なリニアモータガイド、エアスライドまたは油静圧
軸受け、または、これに類する軸受けを用いて行うこと
ができる。

【００３８】また、研磨圧力を検出する研磨圧力センサ
１２およびアクチュエータ１３にはピエゾ素子を用いて
いる。

【００３９】図４は、上述の加工方式において、所望の
非球面を球面で近似できる場合を示したものである。な
お、図３と同一部分については同一符号を付して個々の
説明を省略する。

【００４０】この場合、研磨作用領域中心点での加工面
法線（＃１３）とポリシャ１５の回転軸であるスピンド
ル１４との成す角度（＃１５）を一定に保つために必要
となるポリシャ１５と被加工体３の運動を、近似球面の
中心を回転中心とする被加工体３または研磨ポリシャ１
５の回転移動（＃２２）と、研磨ポリシャ１５または被
加工体３のＺ軸方向並進移動（＃２３）の２つに簡略化
することができる。そのため、制御が簡単になり加工の
生産性を向上させることができる。

【００４１】次に、上述の加工の際のポリシャ１５の作
用面と被加工体３の被加工面の状況等について、さらに
詳しく説明する。

【００４２】図５は、ポリシャ１５が砥粒１８を介して
被加工体３に作用する様子を微視的に示した説明図であ
り、図６は同様の作用を巨視的に示した説明図である。

【００４３】図５に示すように、ポリシャ１５の作用面
１５ａは、微視的には、粒径がφ１〜１０μｍの砥粒１
８が分散してボディ１９まで埋め込まれていることによ
り、被加工体３に対して効率よく研磨作用を及ぼしてい
る。また、前工程である研削加工時に用いた砥石の形状
が、被加工体３に転写されて形成された周期１００μ
ｍ、振幅１００〜２００ｎｍＰ・Ｖ程度の徽小うねりの
凸領域３ｅに局所的に高い研磨圧力を与え、被加工体３
の凸領域３ｅを選択的に研磨して除去している。

【００４４】そのためにポリシャ１５のボディ１９は、
粒径がφ１〜１０μｍの砥粒１８に対しては、これを容
易に埋め込む軟らかな材質で、かつ、周期１００μｍ、
振幅１００〜２００ｎｍＰＶ程度の微小うねりに対して
は、これに容易には倣わない堅さを有するもので形成さ
れている。

【００４５】図６に示すように、ポリシャ１５の作用面
１５ａは、また、巨視的には、研削加工後の非球面に直
径が数十〜数百ｍｍの範囲で倣い、研磨作用領域を確保
して高い研磨レートを発揮する。この場合、図５に示し
たように、作用面１５ａは、さらに、砥粒１８を介した
研磨作用によって、被加工体３の表面の微小うねりの凸
領域３ｅに形成された脆性モードの加工面（＃７）を除
去し、微小うねりの凹領域３ｆに形成された脆性モード
の加工面（＃９）を、微小うねりの凸領域３ｅの除去後
に除去する。

【００４６】このような条件を満たすポリシャ１５の作
用面１５ａを形成する材料として、例えば、銅などの軟
質金属の箔やめっきが用いられる。

【００４７】研磨ポリシャ１５のボディ１９は、作用面
１５ａに研磨圧力（＃１０）を与え、これを研削加工後
の非球面に、直径が数十〜数百ｍｍの範囲で倣わせるこ
とができるような弾性を有することが必要である。この
ような条件を満たすボディ１９の材料として、例えばゴ
ム、ウレタン、又は、エアパッドなどを用いることがで
きる。

【００４８】また、その形状と寸法として、例えば、所
望の非球面の最大曲率に等しい曲率を有する球面があ
る。作用面１５ａをボディ１９の表面に形成する方法に
は、箔の接着、めっきなどを用いることができる。な
お、めっきを用いる場合は、無電解めっきで下地処理を
行なった後に、電気めっきで、厚さ０．１μｍ〜０．３
μｍのＣｕ膜を形成する。

【００４９】また、これらによる研磨加工は、基本的に
被加工体３の軸中心回転（＃１１）および研磨ポリシャ
１５の回転（＃１２）により行われる。

【００５０】以上に述べたように、本発明によれば、Ｓｉ
Ｃなどに代表される硬脆材料を被加工体３として所望の
非球面形状を形状誤差が３０ｎｍＰ・Ｖ以下、表面粗さ
が約５ｎｍＨａ以下の鏡面に加工するための研磨ポリシ
ャ１５を用いた研磨加工方法で、予め、研削加工により
所望の非球面に近い形状に形成された加工面を被加工面
として、研削加工時に砥石の形状が転写されて形成され
た周期１００μｍ、振幅１００〜２００ｎｍＰ・Ｖ程度
の微小うねりを修正すると共に、研削加工時に形成され
る脆性モードの加工面を除去し、延性モードの鏡面から
なる所望の非球面形状を創成することができる。

【００５１】また、それらの研磨加工を自動で行うこと
ができ、さらに、研磨作用領域を広くとることにより、
高い研磨レートを確保することができる。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば、自由曲面形状の光学部
品や、その光学部品を成型するための成形用金型などを
高精度で高能率に研磨加工することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の超精密非球面加工
装置の模式説明図。

【図２】（ａ）〜（ｃ）は、加工工程に応じた被加工体
の被加工面の状況の説明図。

【図３】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態の研磨加
工装置の要部の模式平面図、（ｂ）は、その側面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態の変形例。

【図５】ポリシャの作用する様子を微視的に示した説明
図。

【図６】ポリシャの作用する様子を巨視的に示した説明
図。

【図７】従来の研削加工装置の模式図。

【図８】従来の研磨加工装置の模式図。

【図９】（ａ）〜（ｃ）は、加工工程に応じた被加工体
の被加工面の状況の説明図。

【符号の説明】

１…研磨工具、３…被加工体、３ａ、３ｂ、３ｃ…被加
工面、４…工具、６…ダイヤモンド砥粒、１３…ポリシ
ャ、１８…砥粒、１９…ボディ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】前工程での加工により所定形状に形成さ
れた被加工体に対して研磨加工を施す研磨方法におい
て、前記研磨加工は、作用面の形状が前記前工程で用い
られた工具の作用面の曲率半径よりも大きい形状の曲面
を有する工具を用いておこなうことを特徴とする研磨方
法。
【請求項２】前記研磨加工は、銅又は錫又はそれらの
合金のいずれかによる前記工具を用いておこなうことを
特徴とする請求項１記載の研磨方法。
【請求項３】切削あるいは研削による前工程での加工
により所定形状に形成された被加工体に対して研磨加工
を施す研磨方法において、前記研磨加工は、弾性体のボ
ディの外周に砥粒が分散された作用面が形成されている
工具を用いておこなうことを特徴とする研磨方法。
【請求項４】前記研磨加工は、前記作用面が軟質金属
により形成された工具を用いておこなうことを特徴とす
る請求項３記載の研磨方法。