JP2005279902A - 研磨加工装置及び研磨加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球面，非球面，自由曲面形状を有した被加工物を加工する際に、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することが可能な研磨加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】研磨工具１を被加工物１６に対して進退させるエアシリンダと、研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を可変させる回転駆動手段と、前記傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力の少なくとも一方の圧力を制御する制御手段とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、球面，非球面，自由曲面形状を有する被加工物を高い形状精度に研磨加工するための研磨加工装置及び研磨加工方法に関する。

光学素子や光学素子を成形する成形用金型のように球面、非球面、自由曲面形状を有する被加工物に対しては、圧力転写を用いた以下に示す研磨加工が従来より行われている。

すなわち、特開２００２−３６１５４６号公報には、自由曲面形状を有する被加工物に対して研磨工具を押圧する荷重機構部を備えた研磨装置が開示されている。荷重機構部としては、受圧面積が異なる２つの受圧部を有したエアシリンダを用いるものであり、一方の受圧部が研磨工具を含む可動部の自重を補償し、他方の受圧部が任意の加工圧力を発生するように構成されている。

特開平１０−１５８０１号公報記載の研磨装置は、球面ないし非球面形状を有する被加工物の加工点に対し、推力の方向と、加工点における法線方向の関係が常に一定になるように、被加工物の姿勢を上下、左右、回転方向の３軸で制御しながら加工を行う構造となっている。この場合、空気圧、油圧、磁力によって推力の方向と反対方向への力を付与し、この圧力と工具部の自重との差圧を加工圧力とするものである。

実用新案登録第２６０７１８４号公報記載の研磨装置は、球面形状を有するレンズ等の被加工物に対して、工具軸を傾動させ、常に被加工物の曲率中心に向けて加工圧力を付与する構造となっており、工具軸方向への力はエアシリンダによって付勢し、この力の方向と反対方向へはばねによって力を与えて、工具軸の自重をキャンセルするようになっている。
特開２００２−３６１５４６号公報 特開平１０−１５８０１号公報 実用新案登録第２６０７１８４号公報

特開２００２−３６１５４６号公報の研磨装置においては、工具部及び被加工物が工具軸（荷重軸）方向と、工具軸と垂直な平面内のみにしか相対的に移動できないものとなっている。この場合には、被加工物が平面の場合を除いて、工具軸（荷重軸）と、被加工物の加工点での法線とのなす角度は、被加工物の位置によって変化することになる。

一方、研磨加工においては、プレストンの経験則が知られている。これは、研磨量をδ、比例定数をＫ、加工圧力をＰ、研磨速度をｖ、研磨時間をｔとした場合、（１）式で表される関係となるものである。

δ＝Ｋ・Ｐ・ｖ・ｔ…（１）式
（１）式中の加工圧力Ｐは、加工点においてワークが法線方向から受ける圧力である。

これに対し、特開２００２−３６１５４６号公報記載の研磨装置においては、工具軸（荷重軸）と、被加工物の加工点での法線とのなす角度は、被加工物の位置によって変化するため、加工圧力Ｐも被加工物の加工位置によって変化することになる。（１）式中のｖ、ｔが一定であれば、研磨量δは加工圧力Ｐの変化に比例して変化する。このため、特開２００２−３６１５４６号公報記載の研磨装置では、研磨量は加工位置によってばらつき、安定した加工を行うことが困難となる問題を有している。

特開平１０−１５８０１号公報記載の研磨装置においては、被加工物の重量や寸法が大きい場合は被加工物側の姿勢を制御することが困難となる問題点を有している。

実用新案登録第２６０７１８４号公報記載の研磨装置においては、工具部が傾動するが、工具軸方向への圧力とこの圧力の方向と反対方向への圧力とが常に一定であるため、工具部が傾動して、工具部の自重における工具軸方向への分力が変化した場合に、加工圧力が変動する。従って、特開２００２−３６１５４６号公報と同様に、研磨量が加工位置によってばらつく問題点を有している。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、球面，非球面，自由曲面形状を有した被加工物を加工する際に、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することが可能な研磨加工装置及び研磨加工方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、被加工物を回転する研磨工具によって研磨加工する研磨加工装置において、前記研磨工具を被加工物に対して進退させるエアシリンダと、前記研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を可変させる回転駆動手段と、前記傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力の少なくとも一方の圧力を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする。

請求項１記載の発明では、回転駆動手段が研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を変更する際に、制御手段が傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力または可動部の自重を補償する圧力を制御するため、加工点における法線方向の加工圧力を常に一定に保つことができる。このため、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の研磨加工装置であって、前記制御手投は、エアシリンダの推力方向の圧力を制御する比例電磁式圧力制御弁と、エアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力を制御する圧力制御弁とを具備することを特徴とする。

請求項２記載の発明では、制御手段が比例電磁式圧力制御弁及び圧力制御弁を備えるため、エアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力を高精度に制御することができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の研磨加工装置であって、前記エアシリンダは、研磨工具と共に進退するシリンダロッドと、シリンダロッドを囲んでシリンダロッドを空気静圧支持するシリンダチューブとを具備することを特徴とする。

請求項３記載の発明では、シリンダチューブが空気静圧によってシリンダロッドを支持するため、シリンダロッドに連結された研磨工具を高精度に制御することができる。

請求項４記載の発明は、被加工物を回転する研磨工具によって研磨加工する研磨加工方法において、前記研磨工具をエアシリンダによって被加工物に対して当接させ、研磨工具と被加工物との当接箇所に応じて研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を可変させる工程と、前記傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力の少なくとも一方の圧力を制御して被加工物を研磨加工する工程と、を有することを特徴とする。

請求項４記載の発明では、研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力またはエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力制御して被加工物を研磨加工するため、加工点における法線方向の加工圧力を常に一定に保つことができ、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することができる。

本発明の研磨加工装置によれば、球面、非球面，自由曲面形状を有した被加工物を加工する際に、研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度に応じて制御手段がエアシリンダの推力方向の圧力または可動部の自重を補償する圧力を制御するため、加工点における法線方向の加工圧力を常に一定に保つことができる。このため、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することができ、被加工物の品質を向上且つ安定させることが可能となる。

本発明の研磨加工方法によれば、被加工物の研磨の際に、加工点における法線方向の加工圧力を常に一定に保つことができるため、高い形状精度で、うねりのない良好な加工面を創成することができ、被加工物の品質を向上且つ安定させることが可能となる。

以下、本発明を実施の形態により具体的に説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態では、球面、非球面形状を有する被加工物を研磨加工する場合について説明する。図１は研磨加工装置の主要部の正面図、図２は図１における矢印Ａからの工具部周辺を示す側面図、図３はエアベアリングシリンダの断面図である。

工具部５は、被加工物としてのワーク１６を研磨加工する球形のポリッシャ１を備えている。ポリッシャ１は、スピンドル２に取り付けられることによって回転可能となっている。スピンドル２はブラケット３によってプレート４ａに取り付けられ、プレート４ａはプレート４ｂ、４ｂを介してエアベアリングシリンダ６のロッド７に取り付けられている。

エアベアリングシリンダ６には３個の空気ポート８，９，１０が設けられている。ベアリングポート８には、精密レギュレータ１１により適切な圧力に減圧された空気が供給される。推力ポート９には、第１制御手段としての比例電磁式圧力制御弁１２により適宜制御された圧力の空気が供給される。キャンセルポート１０には、第２制御手段としての精密レギュレータ１３により適切な圧力に減圧された空気が供給される。この場合、精密レギュレータ１３の代わりに、比例電磁式圧力制御弁を用いても良い。

エアベアリングシリンダ６は、図３に示すように、シリンダロッド７とシリンダチューブ３３とが空気静圧支持されたシリンダであり、特にガイド等を用いなくてもシリンダロッド７の進退時の真直精度が高く、ガイドが不要のため、シリンダロッド７の進退時の摺動抵抗が極めて小さいものとなっている。

図３に示すように、エアベアリングシリンダ６においては、シリンダロッド７が略円柱形状をなしており、中央にリング状の突起部７ａが設けられている。突起部７ａは、上面が推力側受圧部３９となっており、下面がキャンセル側受圧部４０となっている。また、シリンダロッド７の周囲には、略円筒形状のシリンダチューブ３３が配設されており、シリンダチューブ３３には、ベアリングポート８、推力ポート９及びキャンセルポート１０からなる３個の空気ポートが設けられている。

ベアリングポート８は、シリンダチューブ３３の内部を通って、シリンダロッド７の上部側面を囲む第１多孔質部材３６ａと、シリンダロッド７の下部側面を囲む第２多孔質部材３６ｂとに連通している。従って、精密レギュレータ１１からの空気は、ベアリングポート８から多孔質部材３６ａ、３６ｂを介してシリンダロッド７の上部側面と下部側面に供給され、シリンダロッド７を空気静圧支持する。

推力ポート９は、シリンダチューブ３３の内部を通って推力側受圧部３９の上方空間に連通している。従って、比例電磁式圧力制御弁１２からの空気は、推力ポート９を介して推力側受圧部３９を工具軸Ｂ方向に押し下げるように作用する。

キャンセルポート１０は、シリンダチューブ３３の内部を通ってキャンセル側受圧部４０の下方空間に連通している。従って、精密レギュレータ１３からの空気は、キャンセルポート１０を介してキャンセル側受圧部４０を工具軸Ｂ方向に押し上げるように作用する。

以上のようなエアベアリングシリンダ６の作動により、ポリッシャ１を含む工具５は工具軸Ｂ方向に進退可能となる。このときの加工圧力は、エアベアリングシリンダ６におけるシリンダロッド７を含む可動部の自重及び推力と、可動部の自重を補償する側の圧力との差圧として発生する。

さらに、エアベアリングシリンダ６は円板状のロータリーテーブル１４に取り付けられており、回転駆動手段としてのθ軸サーボモータ１５により、ロータリーテーブル１４の中心軸θ_１（図１参照）を中心として回転方向に傾動可能となっている。

ワーク１６は、ヤトイ１７を介してワーク台１９に固定されたモータ１８に連結されており、Ｚ軸（垂直軸）を中心として自転可能となっている。ワーク台１９は、Ｘ軸サーボモータ２０によって回転するＸ軸ボールネジ２１に螺合された不図示のナットに連結されており、これによりＸ軸ガイド２２上をＸ軸方向（水平方向）に移動可能となっている。

Ｚ軸ボールネジ２４に螺合された不図示のナットは、Ｚ軸ガイド２５に取り付けられており、Ｚ軸サーボモータ２３の回転によってワーク台１９及びＸ軸の構成部材はＺ軸ガイド２５上をＺ軸方向（鉛直方向）に移動可能となっている。

以上の構成により、ワーク１６はＸ−Ｚ平面内を自在に直交移動可能となっている。

この実施の形態の研磨加工装置の作用を説明する。

まず、ワーク１６の加工点における法線方向に対する工具軸の傾斜角度を設定する。通常、ポリッシャ１が球形の場合、ポリッシャ１の回転速度を加工に寄与させるために、ポリッシャ側面がワーク１６と当接するように傾斜角度は３０〜６０°程度に設定するのが適当である。この実施の形態においては、この傾斜角度を４５°に設定するものである。

ポリッシャ１が予め研磨材を保持していない場合は、加工前に研磨材をワーク１６上に供給し、また必要に応じ、加工中にも適時、研磨材を供給する。加工時の作動は次の通りである。

ワーク１６及びポリッシャ１を回転させ、Ｘ軸、Ｚ軸、θ軸を制御しながら、予め設定した加工範囲内において、ワーク１６表面の母線上で、Ｘ軸の正方向の最外周部にポリッシャ１を当接させる。このときには、当然のことながら、ワーク１６とポリッシャ１の接点における法線と工具軸とのなす角度は、設定した値（４５°）となっている。

その後、Ｘ軸、Ｚ軸、θ軸を適切に制御して、ワーク１６とポリッシャ１の接点における法線と工具軸のなす角度を一定に保ちながら、ポリッシャ１はワーク１６表面の母線上を予め設定した移動速度に従って相対的に移動する。ポリッシャ１はワーク１６の中心を通過した後、予め設定した加工範囲内において、ワーク１６表面の母線上でＸ軸の負方向の最外周部に到達した時点で１回の加工を終了する。図４は、このときにポリッシャ１がワーク１６上を相対的に移動する軌跡２６を示している。

以上の作動は、予め工作物の設計図を基に作成されたＮＣプログラムを実行することによってなされる。

以上の作動におけるポリッシャ１がＸ＝０（図１の状態）にある場合を説明する。

推力をＰ、可動部の自重を補償する圧力（推力の方向と反対方向の圧力）をＲ、可動部の自重をＷとすると、工具軸方向への荷重Ｆは、（２）式となる。

Ｆ＝Ｐ＋Ｗ・ｃｏｓ４５°−Ｒ …（２）式
（２）式中のＷ・ｃｏｓ４５°は、エアベアリングシリンダ６における可動部の自重における工具軸方向の分力を表している。

次に、図５に示すように、ポリッシャ１がＸ＝ａとなる位置にある場合を説明する。

このとき、ポリッシャ１とワーク１６の接点における法線と、鉛直方向とのなす角度がαであるとすると、工具軸の傾斜角度は、鉛直方向に対して４５°＋αとなる。推力をＰ’、可動部の自重を補償する圧力（推力の方向と反対側の圧力）をＲ、可動部の自重をＷとすると、工具軸方向への荷重Ｆ’は、（３）式となる。

Ｆ’＝Ｐ’＋Ｗ・ｃｏｓ（４５°＋α）−Ｒ …（３）式

これらの（２）式及び（３）式の関係から（４）式を導くと、
Ｐ’＝Ｐ＋Ｗ・（ｃｏｓ４５°−ｃｏｓ（４５°＋α）） …（４）式
となる。従って、Ｆ＝Ｆ’となり、Ｘ＝０の位置と、Ｘ＝ａの位置での加工圧力を一定とすることができる。

具体的には、Ｘ＝０の位置で、比例電磁式圧力制御弁１２に与える電圧をＶ_０としたとき、Ｘ＝ａの位置で比例電磁式圧力制御弁１２に与える電圧Ｖ_ａを、数１で示す（５）式とすれば良いものである。

（５）式中の角度αは、ロータリーテーブル１４を駆動するθ軸サーボモータ１５のパルス信号を、不図示の計算用コンピュータに取り込んで角度換算した後、（５）式に代入して所望の電圧値とし、不図示のＤＡ変換器によりアナログ変換してから比例電磁式圧力制御弁１２に電圧を与えることにより得ることができる。

（実施の形態２）
この実施の形態では、自由曲面形状を有する被加工物を研磨加工する場合について説明する。なお、この実施の形態では、加工点におけるワーク１６上の法線と、工具軸の軸方向が一致しているものとする。

ワーク軸側の構成は図示しないが、実施の形態１に対し、Ｘ一Ｚ平面に対して垂直な方向にワーク部が移動できるＹ軸駆動部を設け、ワーク部がＸ−Ｙ−Ｚ空間内を直交移動できる構成とする。

図６は、この実施の形態における工具部５部分の正面図、図６は工具部５部分の側面図を示す。

エアベアリングシリンダ６は、θ_１軸サーボモータ２８によりθ_１軸を中心として回転駆動されるθ_１軸ロータリーテーブル２７に取り付けられている。θ_１軸サーボモータ２８はブラケット２９により、θ_１回転平面に対して垂直な面内を回転可能となっている。すなわちθ_１軸サーボモータ２８は、θ_１軸に対して垂直で、且つ水平であるθ_２軸を中心として回転可能となっているθ_２軸ロータリーテーブル３０に取り付けられている。θ_２軸ロータリーテーブル３０はθ_２軸サーボモータ３１に取り付けられることにより回転駆動される。

自由曲面形状を有したワーク１６の加工においては、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を制御して、ポリッシャ１がワーク１６上を図８に示すような軌跡３２を描くように走査させるのが一般的である。このとき、加工点におけるワーク１６上の法線と、工具軸が一致するようにθ_１軸サーボモータ２８及びθ_２軸サーボモータ３１を制御する。

ある加工点において、ワーク１６の法線方向と、鉛直方向とのなす角度がβであるときに、θ_１軸がθ_１°，θ_２が軸θ_２°傾動したとすると、角度βは数２で示す（６）式で表せるため、実施の形態１と同様な方法によって推力の制御を行うことにより自由曲面形状のワーク１６の加工を行うことができる。

なお、以上の実施の形態１及び２では、ともに推力を制御する場合を示しているが、自重を補償する側の圧力を制御しても良く、或いは双方を制御しても良いものである。

本発明の実施の形態１における研磨加工装置の正面図である。 実施の形態１の工具部を示す図１における矢印Ａ方向からの側面図である。 研磨装置に用いるエアベアリングシリンダの断面図である。 実施の形態１におけるポリッシャのワークに対する移動軌跡を示す平面図である。 実施の形態１の加工時における研磨加工装置の正面図である。 実施の形態２の工具部の正面図である。 実施の形態２の工具部の側面図である。 実施の形態２におけるポリッシャのワークに対する移動軌跡を示す平面図である。

符号の説明

１ ポリッシャ
２ スピンドル
５ 工具部
６ エアベアリングシリンダ
７ シリンダロッド
８ ベアリングポート
９ 推力ポート
１０ キャンセルポート
１１ 精密レギュレータ
１２ 比例電磁式圧力制御弁
１３ 精密レギュレータ
１４ ロータリーテーブル
１５ θ軸サーボモータ
１６ ワーク
１９ ワーク台
２０ Ｘ軸サーボモータ
２３ Ｚ軸サーボモータ

Claims (4)

1. 被加工物を回転する研磨工具によって研磨加工する研磨加工装置において、
   前記研磨工具を被加工物に対して進退させるエアシリンダと、
   前記研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を可変させる回転駆動手段と、
   前記傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力の少なくとも一方の圧力を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とする研磨加工装置。
2. 前記制御手投は、エアシリンダの推力方向の圧力を制御する比例電磁式圧力制御弁と、エアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力を制御する圧力制御弁とを具備することを特徴とする請求項１に記載の研磨加工装置。
3. 前記エアシリンダは、研磨工具と共に進退するシリンダロッドと、シリンダロッドを囲んでシリンダロッドを空気静圧支持するシリンダチューブとを具備することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨加工装置。
4. 被加工物を回転する研磨工具によって研磨加工する研磨加工方法において、
   前記研磨工具をエアシリンダによって被加工物に対して当接させ、研磨工具と被加工物との当接箇所に応じて研磨工具及びエアシリンダの傾斜角度を可変させる工程と、
   前記傾斜角度に応じてエアシリンダの推力方向の圧力及びエアシリンダにおける可動部の自重を補償する圧力の少なくとも一方の圧力を制御して被加工物を研磨加工する工程と、
   を有することを特徴とする研磨加工方法。

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