JP2011036974A - 研磨加工方法および研磨加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨加工面の一部に曲率半径が小さな凹部を有する被加工物でも、研磨加工面の全体を安定して精度良く均一に研磨加工することが可能な研磨加工技術を提供する。
【解決手段】円環形状の弾性体６ａからなる加工作用部６ｂを備えた研磨工具６を用い、被加工物１の主軸回転軸Ａと、研磨工具６の工具回転軸Ｂとが、被加工物１の研磨加工面１ａの研磨加工点ｋにおける傾斜角α（ｘ）（接線の傾き）から所定の角度β（ｘ）を減算して得られる研磨角度θとなるように制御し、円環形状の加工作用部６ｂが三日月形状の領域で部分的に研磨加工面１ａに接触するようにして、研磨加工面１ａの一部に曲率半径が小さな凹部を有する被加工物１でも、研磨加工面１ａの全体を安定して均一に研磨加工することを可能にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨加工方法および研磨加工装置に関する。

回転軸対称形状を呈するレンズ、プリズムなどの光学部品やその成形金型は、光学特性を劣化させないようにするため高精度な形状や面粗さが必要とされている。特に、面粗さやうねりは光学特性の劣化の一因となるため、所望の精度で除去されていることが望まれている。

このような要求に対応する研磨方法が、特許文献１に開示されている。すなわち、図７に示すように、回転軸１０１の一端に回転軸１０１より大きな直径を有する円盤形状の弾性部材１０２を貼付け、更に前記弾性部材１０２のもう一方の面に固定砥粒フィルム１０３を貼付けたスムージング工具を用いて、被加工物１０５の加工面に固定砥粒フィルム１０３の表面の全体を接触させて加工することにより、うねりや前加工の挽き目を除去するスムージング方法が開示されている。

しかしながら、例えば研磨加工面の一部に曲率半径が小さな凹部を有する場合、上述の従来技術によるスムージング方法にて当該部位を研磨加工すると、スムージング工具の固定砥粒フィルム１０３の全面が均等に接触せず、スムージング工具の研磨作用面（固定砥粒フィルム１０３）の外周部が、被加工物１０５における前記凹部の周囲の研磨加工面に強く接触することとなる。

このため、被加工物１０５のスムージング工具が強く接触した部分は、大きく削れてしまうため所望の形状にならないといった技術的課題があった。

特許第３９４２５７３号公報

本発明の目的は、研磨加工面の一部に曲率半径が小さな凹部を有する被加工物でも、研磨加工面の全体を安定して精度良く均一に研磨加工することが可能な研磨加工技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、回転する回転軸対称形状の被加工物の子午線上を、研磨工具の円環形状を有する加工作用部の一部を当該被加工物に接触させつつ走査移動させる研磨加工方法を提供する。

本発明の第２の観点は、円環形状を有する加工作用部を備えた研磨工具と、
前記研磨工具を保持して回転させる工具保持手段と、
回転軸対称形状の被加工物を保持して回転させる被加工物保持手段と、
前記工具保持手段および前記被加工物保持手段を制御して、回転する前記被加工物の子午線上を、前記研磨工具の円環形状を有する前記加工作用部の一部を当該被加工物に接触させつつ走査移動させる加工制御手段と、
を含む研磨加工装置を提供する。

本発明によれば、研磨加工面の一部に曲率半径が小さな凹部を有する被加工物でも、研磨加工面の全体を安定して均一に研磨加工することが可能な研磨加工技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置の作用の一例を示す概念図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工部位を拡大して例示した概念図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置に備えられた研磨工具の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置に備えられた制御プログラムの作用の一例を示すフローチャートである。 本発明の他の実施の形態である研磨加工装置に備えられた研磨工具の構成例を示す斜視図である。 従来技術のスムージング工具を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置の作用の一例を示す概念図である。

図２は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法における加工部位を拡大して例示した概念図である。
図３は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置の構成の一例を示す斜視図である。

図４は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨加工装置に備えられた研磨工具の一例を示す斜視図である。
［構成］
まず、図３を参照して、本実施の形態１の研磨加工装置Ｍの構成を説明する。

図３に例示された本実施の形態の研磨加工装置Ｍは、回転軸対称の被加工物１を加工するための研磨加工装置である。
本実施の形態の研磨加工装置Ｍには、鉛直方向に設けられた主軸回転軸Ａ（被加工物の回転軸）に対し高精度に軸回転し、回転数を制御できる主軸スピンドル２と、上記主軸スピンドル２の先端に被加工物１を保持する被加工物保持機構３（被加工物保持手段）が備え付けられている。

研磨工具６の側には、工具回転軸Ｂ（研磨工具の回転軸）に対し高精度に軸回転し、回転数を制御できる工具スピンドル４が設けられ、この工具スピンドル４の先端には、研磨工具６を把持する工具保持機構５（工具保持手段）が備え付けられている。

研磨加工中の研磨工具６に一定荷重を掛けることができるように、工具保持機構５を支持する荷重装置８（工具保持手段）が設けられている。この荷重装置８は、工具保持機構５をＺ方向の下方に付勢するエアスライド、エアシリンダー、スプリングなどで構成されている。

更に、研磨工具６の側には、被加工物１に対する研磨工具６の位置を調整する位置調整機構９（工具保持手段）が設けられている。
この位置調整機構９は、コラム９ａ、ベーステーブル９ｂ、回転テーブル９ｃ、スライドテーブル９ｄ、支持アーム９ｅを備えている。

すなわち、工具保持機構５は、荷重装置８を介して位置調整機構９の垂直な支持アーム９ｅに支持され、この支持アーム９ｅは、Ｘ−Ｙ平面内で移動可能なスライドテーブル９ｄに搭載されている。

さらに、スライドテーブル９ｄは、回転テーブル９ｃに搭載されて、Ｚ軸の回りに回転される。
回転テーブル９ｃは、研磨加工装置Ｍの筐体の底板２０に垂直に設けられたコラム９ａの側面に突設されたベーステーブル９ｂの下面に下向きに搭載されている。

また、研磨加工装置ＭはＮＣ装置等からなる制御装置１１（加工制御手段）によりＸ軸方向とＺ軸方向に移動できるスライド移動機構１０（被加工物保持手段）を備え、被加工物１と研磨工具６とを相対的に移動できるようにしている。

すなわち、スライド移動機構１０は、Ｚ方向移動テーブル１０ａ、Ｘ方向移動テーブル１０ｂ、ベーステーブル１０ｃを備えている。
被加工物保持機構３は、Ｘ方向移動テーブル１０ｂに搭載されてＺ方向に移動するＺ方向移動テーブル１０ａに搭載されている。

Ｘ方向移動テーブル１０ｂの全体は、ベーステーブル１０ｃの上をＸ方向に移動する構成となっている。
このスライド移動機構１０に搭載されることにより、被加工物１を保持した被加工物保持機構３は、Ｚ−Ｘ平面内の任意の位置に移動される。

また、被加工物１の姿勢を、Ｘ軸―Ｚ軸平面に垂直なＹ方向に平行な旋回軸Ｃの回りに回転でき、主軸回転軸Ａと工具回転軸Ｂとの角度を相対的に変更できるよう、回転位置制御装置７（被加工物保持手段）を主軸側に設けている。

すなわち、上述のスライド移動機構１０の全体は、回転位置制御装置７に搭載されて旋回軸Ｃの回りに回転される構成となっている。
回転位置制御装置７は、研磨加工装置Ｍの筐体の底板２０に垂直に設けられたコラム７ａの側面に、旋回軸ＣがＹ方向に水平になるように支持されている。

図４に例示されるように、本実施の形態の研磨工具６は、先端部に、円環部の幅の中央における直径ｄの円環形状の加工作用部６ｂが設けられ、この加工作用部６ｂは、たとえば、ゴム、樹脂やスポンジなどからなる弾性体６ａで構成されている。

研磨工具６の加工作用部６ｂには、研磨加工できる状態にするため、たとえば、ダイヤモンド、立方晶窒化硼素焼結体（ＣＢＮ）、グリーンカーボン（ＧＣ）、ホワイトアルミナ（ＷＡ）や酸化セリウム等からなる砥粒を固定した固定砥粒が貼り付けられている。

あるいは、同様に加工作用部６ｂに研磨作用を持たせるために上述の砥粒を遊離状態で塗布してもよい。
図１は、研磨加工時の被加工物１と研磨工具６の接触状態を示している。また、図２には、図１における被加工物１と研磨工具６の接触部が拡大して示されている。

研磨工具６の先端の加工作用部６ｂは、上述のように円環形状を呈し、ゴム、樹脂やスポンジなどからなる弾性体６ａで構成されているため、被加工物１の研磨加工面１ａにおける凹凸や加工抵抗に応じて適宜変形する。

また、本実施の形態の場合には、後述のように研磨工具６の円環形状の加工作用部６ｂの全周の一部が、被加工物１の被加工面である研磨加工面１ａに接するように制御される。

上述の被加工物保持機構３の側の主軸スピンドル２、回転位置制御装置７およびスライド移動機構１０と、研磨工具６の側の工具スピンドル４、位置調整機構９の動作は、制御装置１１によって統括して制御される。

この制御装置１１は、たとえば、同時多軸制御のＮＣ装置で構成され、制御プログラム１２（加工制御手段）によって動作する。
［作用］
本実施の形態１の研磨加工装置Ｍの作用を、図１乃至図４を用いて説明する。

以下に本実施の形態１の作用を具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
本実施の形態の場合、被加工物１は、図１に示すように、たとえば、凸形の非球面形状の研磨加工面１ａを有するレンズである。

初めに、被加工物１を被加工物保持機構３にて保持する。この時、被加工物１の主軸回転軸Ａに対する回転偏心精度を５０μｍ以下にするように予め調整を行っておく。
次に研磨工具６を工具保持機構５にて把持する。このとき、研磨工具６の回転偏心を工具回転軸Ｂに対し、５０μｍ以下となるように保持させる。

次に、位置調整機構９にて旋回軸Ｃと研磨工具６の工具回転軸Ｂが交わるように研磨工具６の位置を調整する。
その後、上記位置調整機構９もしくはスライド移動機構１０のＸ軸方向の変位にて研磨工具６の円環形状の加工作用部６ｂの半径分（ｄ／２）の距離を移動させ、Ｘ軸方向の原点として設定する。

Ｚ軸方向の原点は被加工物１の主軸回転軸Ａと研磨加工面１ａとの交点（すなわち頂点（面頂１ｂ））が旋回軸Ｃ上にくる位置とし、回転位置制御装置７の原点座標は、主軸回転軸Ａと工具回転軸Ｂとが平行となる位置に設定する。

研磨加工では、主軸スピンドル２を回転させ被加工物１を主軸回転軸Ａ回りに回転させる。また、工具スピンドル４によって研磨工具６を工具回転軸Ｂの回りに回転させる。
この状態で荷重装置８にて研磨工具６を被加工物１へ一定荷重で押圧することで研磨を行うことができる。

また、制御装置１１は、常に研磨加工点ｋが旋回軸Ｃ上に位置するように、Ｘ方向移動テーブル１０ｂのＸ軸方向の変位、Ｚ方向移動テーブル１０ａのＺ軸方向の変位と、回転位置制御装置７の回転位置の変化を行わせるＮＣ制御にて、一定もしくは被加工物１の形状と研磨加工条件に基づいた移動速度で、被加工物１の研磨加工面１ａの子午線に沿って、研磨工具６を相対的に走査移動させる。

被加工物１の研磨加工面１ａの形状が回転軸対称の非球面形状で、研磨加工面１ａの面頂１ｂをＸ軸、Ｚ軸の原点とした場合、研磨加工面１ａの形状は次の数１の（イ）式で与えられる。

ここでｆ（ｘ）は研磨加工面１ａの非球面形状の子午線における輪郭形状を定義する設計式、ｘはＸ軸方向の座標点、Ｒは曲率半径係数、Ｐはコーニック係数、Ａ_２ｉは非球面係数を示している。

また、本実施の形態では、制御装置１１（制御プログラム１２）は、回転位置制御装置７の回転により、主軸回転軸Ａと工具回転軸Ｂのなす研磨角度θは、次式から求める。
θ＝ｇ（ｘ）＝α（ｘ）−β（ｘ） ………（ロ）
α（ｘ）＝ｆ’（ｘ） ………（ハ）
β（ｘ）＝ｓｉｎ^−１｛ｒ（ｘ）／（ｄ／２）｝ ………（二）
ここで、α（ｘ）は被加工物１の傾斜角度の正接、β（ｘ）はＸ座標点での被加工物１の曲率半径と研磨工具６の円環部と被加工物１とが接触した円弧半径が一致する角度（特定角度）、ｆ’（ｘ）は非球面設計式ｆ（ｘ）の微分式（研磨加工点ｋで接線の傾き）、ｒ（ｘ）はＸ座標点での被加工物１の曲率半径、ｄは研磨工具６の直径を示している。

尚、被加工物１の研磨加工面１ａの子午線に対する研磨工具６の相対的な走査移動は、上記（イ）式、（ロ）式にて算出される、Ｘ、Ｚ、θになるように、スライド移動機構１０によるＸ軸方向およびＺ軸方向の移動（Ｘ、Ｚ）と、回転位置制御装置７による旋回軸Ｃの回りの回転（研磨角度θ）にて実現させる。

これにより、研磨工具６の加工作用部６ｂの円環形状と被加工物１とが接触した円弧の半径と被加工物１の曲率半径ｒ（ｘ）とが一致するため、研磨工具６の加工作用部６ｂは被加工物１に対して三日月状に接触する。

更に、研磨工具６の弾性体６ａの弾性により、円環形状を有する加工作用部６ｂが、研磨加工点ｋの内部でも被加工物１の研磨加工面１ａの形状に倣うため、長い円弧の接触となる。これにより、研磨加工面１ａに対する加工作用部６ｂの接触面積が大きくなり、単位時間当たりの研磨量も大きく稼ぐことができる。

更に、この長い円弧をもった三日月状の加工作用部６ｂの接触が、研磨加工面１ａにおける既存のうねりの複数の周期を跨ぐことで、うねりの面頂から研磨加工され、前工程で発生した研磨加工面１ａのうねりを研磨加工装置Ｍにて除去することができる。

図５は、上述の制御動作を行う制御装置１１の制御プログラム１２の作用の一例を示すフローチャートである。
制御装置１１（制御プログラム１２）は、上述の各種の原点の設定を行う（ステップ２０１）。

次に、制御プログラム１２は、被加工物１と研磨工具６の回転を開始させる（ステップ２０２）。
その後、制御プログラム１２は、研磨加工点ｋが子午線上の加工開始点となるようにｘ座標値Ｘを設定する（ステップ２０３）。

そして、制御プログラム１２は、このＸの値に基づいて、上述の（イ）式および（ロ）式によってθとＺを決定し、このθとＺが実現されるように、回転位置制御装置７、スライド移動機構１０を制御して研磨加工を実行する（ステップ２０４）。

そして、制御プログラム１２は、ｘ座標を、子午線上の加工終端点方向に向かって所定の大きさのΔｘだけ増加させ（ステップ２０５）、加工終端点に到達したか判別する（ステップ２０６）。

制御プログラム１２は、更新後のｘ座標が加工終端点に到達していないと判定された場合には（ステップ２０７）、上述のステップ２０４に戻ってθ、Ｚの値を更新して子午線上の走査移動による研磨加工を継続する。

制御プログラム１２は、ステップ２０６で子午線上の加工終端点に到達したと判定された場合には、加工完了か判別し（ステップ２０７）、未完の場合には、上述のステップ２０３に戻って、子午線上の加工開始点から再度研磨加工を行う。

なお、このとき、子午線上を、加工終端点から加工開始点に向かって逆行するように（ｘ−Δｘ）として反復走査してもよい。
制御プログラム１２は、ステップ２０７で研磨加工が完了したと判定された場合には、加工を終了する。
［効果］
本実施の形態１によれば、被加工物１の曲率半径に応じて研磨工具６と被加工物１の研磨角度θを変化させているので、被加工物１の研磨加工面１ａに極小の曲率半径の凹部が存在していても、弾性体６ａからなる加工作用部６ｂが、その曲率半径に応じた研磨角度θに設定されるので、凹部の周囲が過度に研磨される等の不具合を生じることなく、研磨加工面１ａの全体を安定して研磨することが出来る。

更に、研磨工具６の弾性体６ａからなる加工作用部６ｂと被加工物１とが接触する面積を大きくとることができ、単位時間当たりの研磨量を大きく稼ぐことができ、加工所要時間を短縮できる。

［実施の形態２］
図６は、本発明の他の実施の形態である研磨加工装置に備えられた研磨工具の構成例を示す斜視図である。

［構成］
本実施の形態２では、研磨工具６の先端の加工作用部６ｂを円環形状とし、ゴム、樹脂やスポンジなどからなる弾性体６ａで構成するとともに、この加工作用部６ｂの内部には、研磨作用を実現するため、たとえばダイヤモンド、ＣＢＮ、ＧＣ、ＷＡや酸化セリウム等の砥粒を埋め込んで構成した点、および先端の加工作用部６ｂに、円環形状の直径方向に多数の切込み６ｃを形成した点が、上述の実施の形態１と異なり、他の構成は同様である。

また、加工作用部６ｂに切込み６ｃが形成されていることにより、加工作用部６ｂが研磨加工面１ａの形状に沿って変形しやすくなり、研磨加工面１ａの全体の更なる安定な加工を実現できる。

［作用］
本実施の形態２によれば、上述の実施の形態１と同等の作用をなすとともに、研磨加工により研磨工具６の加工作用部６ｂが磨耗しても、加工作用部６ｂの内部に埋まっている新たな砥粒が加工作用部６ｂの表面に露出し、研磨能力が経時的に変化しにくいので、安定した研磨量で加工することができる。

［効果］
本実施の形態２によれば、上述の実施の形態１の場合と同様の効果がえられるとともに、さらに、研磨工具６の加工作用部６ｂが磨耗しても安定した研磨量で加工を行うため、一つの研磨工具６で多数の被加工物１を安定して研磨加工することができる。

以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、研磨加工中に、被加工物１の研磨加工面１ａの曲率半径が部分的に変化する場合でも、研磨加工面１ａの全面を均一に安定して研磨でき、更に単位時間当たりの研磨量の向上を実現できる。

すなわち、研磨加工面の一部に曲率半径が小さな凹部を有する被加工物でも、研磨加工面の全体を安定して均一に研磨加工することが可能な研磨加工技術を提供することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
［付記１］
回転軸対称形状の被加工物の子午線上を円環形状の研磨工具を走査移動させて行う回転軸対称物の研磨加工方法において、
研磨工具の加工作用点は円環の一部とし、加工作用点における被加工物の回転軸と研磨工具の回転軸とのなす角を被加工物の加工点における傾斜角度からある特定の角度を減算した角度に保ちながら加工することを特徴とする、回転軸対称物の研磨方法。

［付記２］
付記１に記載する回転軸対称物の研磨方法において、
前記特定の角度とは、研磨工具の円環部の半径を、前記特定の角度の三角関数で除算した値と、研磨加工点における被加工物の曲率半径と、が一致するように求められることを特徴とする、回転軸対称物の研磨方法。

［付記３］
付記１に記載する回転軸対称物の研磨方法において、
前記研磨工具の研磨作用点部は弾性体からなることを特徴とする、回転軸対称物の研磨方法。

［付記４］
付記１に記載する回転軸対称物の研磨方法において、
前記研磨工具の研磨作用点部は弾性体に砥粒を埋め込みした砥石からなることを特徴とする、回転軸対称物の研磨方法。

１ 被加工物
１ａ 研磨加工面
１ｂ 面頂
２ 主軸スピンドル
３ 被加工物保持機構
４ 工具スピンドル
５ 工具保持機構
６ 研磨工具
６ａ 弾性体
６ｂ 加工作用部
６ｃ 切込み
７ 回転位置制御装置
７ａ コラム
８ 荷重装置
９ 位置調整機構
９ａ コラム
９ｂ ベーステーブル
９ｃ 回転テーブル
９ｄ スライドテーブル
９ｅ 支持アーム
１０ スライド移動機構
１０ａ Ｚ方向移動テーブル
１０ｂ Ｘ方向移動テーブル
１０ｃ ベーステーブル
１１ 制御装置
１２ 制御プログラム
２０ 底板
Ａ 主軸回転軸
Ｂ 工具回転軸
Ｃ 旋回軸
Ｍ 研磨加工装置

Claims (10)

1. 回転する回転軸対称形状の被加工物の子午線上を、研磨工具の円環形状を有する加工作用部の一部を当該被加工物に接触させつつ走査移動させることを特徴とする研磨加工方法。
2. 請求項１記載の研磨加工方法において、
   前記被加工物の回転軸と前記研磨工具の回転軸とのなす研磨角度を、前記被加工物の前記加工作用部の一部が接する加工作用点における傾斜角度（接線の傾き）から特定角度を減算した角度に保ちながら加工することを特徴とする研磨加工方法。
3. 請求項２記載の研磨加工方法において、
   前記特定角度は、前記研磨工具の前記加工作用部の半径で、前記加工作用点における前記被加工物の曲率半径を除した値の逆正弦関数値として求められることを特徴とする研磨加工方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の研磨加工方法において、
   前記研磨工具の前記加工作用部は弾性体からなることを特徴とする研磨加工方法。
5. 請求項４記載の研磨加工方法において、
   前記研磨工具の前記加工作用部には、放射状に複数の切込みが形成されていることを特徴とする研磨加工方法。
6. 円環形状を有する加工作用部を備えた研磨工具と、
   前記研磨工具を保持して回転させる工具保持手段と、
   回転軸対称形状の被加工物を保持して回転させる被加工物保持手段と、
   前記工具保持手段および前記被加工物保持手段を制御して、回転する前記被加工物の子午線上を、前記研磨工具の円環形状を有する前記加工作用部の一部を当該被加工物に接触させつつ走査移動させる加工制御手段と、
   を含むことを特徴とする研磨加工装置。
7. 請求項６記載の研磨加工装置において、
   前記加工制御手段は、前記被加工物の回転軸と前記研磨工具の回転軸とのなす研磨角度を、前記被加工物の前記加工作用部の一部が接する加工作用点における傾斜角度（接線の傾き）から特定角度を減算した角度に保ちながら加工することを特徴とする研磨加工装置。
8. 請求項７記載の研磨加工装置において、
   前記加工制御手段は、前記特定角度を、前記研磨工具の前記加工作用部の半径で、前記加工作用点における前記被加工物の曲率半径を除した値の逆正弦関数値として決定することを特徴とする研磨加工装置。
9. 請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の研磨加工装置において、
   前記研磨工具の前記加工作用部は弾性体からなることを特徴とする研磨加工装置。
10. 請求項９記載の研磨加工装置において、
    前記研磨工具の前記加工作用部には、放射状に複数の切込みが形成されていることを特徴とする研磨加工装置。