JP4125894B2

JP4125894B2 - Polishing apparatus and method

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Publication number: JP4125894B2
Application number: JP2002001362A
Authority: JP
Inventors: 弘之遠藤; 英利寒河江
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2003205459A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は研磨加工装置及び方法に関する。本発明は、光学素子成形用金型等の研磨加工技術（曲面または平面の超精密加工）に、特に有効に利用することができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
精密研磨加工に係る従来技術として、特開平５−１０４４３６号公報、特開平１０−２９６６３０号公報、特開平１１−１２３６５４号公報、特開平１１−２４５１５２号公報、特開平１１−３２０３６４号公報等に開示されたものが知られている。
【０００３】
以下、これら従来技術の骨子について説明する。
（１）特開平５−１０４４３６号公報に記載の発明
研磨加工の加工精度を上げることを目的としており、その構成は以下のとおりである。ロボットのエンドエフェクタには研磨器が設けられ、この研磨器と一体に触覚センサが設けられる。ロボット制御装置は、触覚センサーから送られてきた検出データに基づいて、ワークにポリッシング加工を行う。すなわち、検出データに基づいてワーク表面の動摩擦係数μを求め、この動摩擦係数の大きさに基づいて表面状態を判別し、研磨器本体の押し当て力や送り速度等を制御する。
【０００４】
（２）特開平１０−２９６６３０号公報に記載の発明
目的は、ワークを研磨するのに必要な研磨エネルギーが予め定めた指定値になるように摩擦力を制御することで、高品質な研磨面が実現可能な研磨エネルギー制御装置を提供することである。そのため以下のように構成する。
【０００５】
ワークと研磨装置が接する部位に生ずる摩擦力の接線方向成分Ｆ（ｔ）を、力指令値と比較する。そして、両者間の誤差を求め、その誤差に基づき、ロボットがワークを研磨装置に押しつける力を調節する。摩擦力と研磨速度の時間経過に伴う積分は研磨エネルギーに相当するため、この間の制御は研磨エネルギーの制御に一致する。摩擦力を直接制御するので、摩擦係数の変化に影響されずに安定して高品質の研磨面を得ることができる。
【０００６】
（３）特開平１１−１２３６５４号公報に記載された発明
目的は、機械加工装置の種類や材質、摩擦係数が異なる場合でも容易に異常推定の可能な力を考慮した加工制御用異常推定装置を提供することにある。そのために以下のように構成する。研磨装置がワークに与える法線方向の力及び接線方向の力から、見かけ上の摩擦係数αを求める。また、研磨装置の目標指令速度Ｖｒと検出速度Ｖ間の速度偏差ｅｖを算出する。見かけ上の摩擦係数α及び速度偏差ｅｖについて熟練者のスキルを反映させたファジィルールを基に、メンバーシップ関数を作成する。そして、この関数に基づき、見かけ上の摩擦係数α及び速度偏差ｅｖの確定値から、研磨装置の研磨面の状態を定量的に推定する。
【０００７】
（４）特開平１１−２４５１５２号公報に記載された発明
目的は、光学曲面の表面形状を高精度に仕上げ研磨するとともに、光学曲面の研磨加工の効率化を図ることである。そのため、発明の構成を以下のとおりとする。ワーク保持具に取り付けたワークの光学曲面を研磨する研磨装置において、ワークの光学曲面を回転しながら加工するポリッシャーを先端に備えた研磨ヘッドと、このポリッシャーを光学曲面の法線方向に押圧するスライダーと、ポリッシャーを回転させるモーターと、スライダーに配設した研磨ヘッドに備えたポリッシャーをワークの光学曲面に対して当接または離反するように移動させるＺ軸機構部と、研磨ヘッドに取り付けられて研磨ヘッドとともに移動する非接触変位計とを備える。そして、光学曲面にポリッシャーが当接している状態で、光学曲面と非接触変位計との距離を測定しつつ、所望の光学曲面の形状に研磨する。
【０００８】
（５）特開平１１−３２０３６４号公報に記載された発明
目的は、軟研削用の砥石の個体差による寿命を定量的に検出して高精度の軟研削加工を可能にした、ウエーハの面取り部軟研削加工管理方法及び面取り装置を提供することである。そのため、発明の構成を以下のとおりとする。研削ステージに保持されたウエーハを低速回転させながら、砥石回転用モーターにより高速回転する砥石に押し当てることにより面取り部の軟研削を行なう、ウエーハの面取り部軟研削加工管理方法及び面取り装置において、軟研削加工時に前記砥石とウエーハとの間の研削抵抗をモニターし、砥石回転用モーターの回転速度またはエアシリンダーの荷重等の加工条件にフィードバックすることにより、研削量を制御する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の光学素子等の研磨加工のような高精度研磨加工においては、数ｎｍから数十ｎｍのレベルの研磨除去深さ精度を望まれている。高精度な研磨加工物の一例としてＸ線用ミラーがあるが、その最終加工工程は荷重制御による研磨であり、形状計測→研磨→形状計測→研磨→…のように、工程を複数回繰り返すことにより長時間かけて所望の研磨精度をようやく達成しているのが現状である。
【００１０】
特開平１１−２４５１５２号公報には、研磨ヘッドとともに移動する非接触変位計で被加工面との距離を測定しながら、その測定データをもとに研磨ヘッドの位置を補正する方法が記載されているが、被加工面は切粉や砥粒などによって汚染されており、測定精度には限界がある。
【００１１】
研磨加工条件を決めれば除去深さが決まることが理想であるが、下記するプレストンの経験則における、被加工物の材質や研磨工具により決まるとされる比例定数ｋが変化してしまうため、たとえ研磨加工装置の方で高精度な加工条件を実現できても、研磨除去深さがばらついてしまうことになる。そのため、高精度な研磨加工を実現することが困難となる。前記比例定数ｋは主に研磨工具の状態、例えば砥粒の保持状態、砥粒の保持量、砥粒の突き出し量、切粉の付着量、その他に研磨液や、この研削液の被加工点への供給量等によって変化する。
【００１２】
ところで、摩擦力や研磨加工力を利用した従来の研磨加工技術としては、上記したものがある。
特開平５−１０４４３６号公報の発明では、摩擦係数の大きさに応じて研磨加工条件を変更しているが、ここでいう摩擦係数は触覚センサーと被加工面との間の摩擦係数により被加工面の表面粗さを推定するもので、研磨工具の状態変化すなわち研磨除去深さの変化を推定するものではない。
【００１３】
また、特開平１０−２９６６３０号公報の発明においては、摩擦力を制御して安定した研磨面を得ようとしている。特開平１１−３２０３６４号公報の発明では、研削抵抗のみをモニターしている。さらに特開平１１−１２３６５４号公報の発明では、摩擦係数および速度偏差の確定値から研磨面の状態を推定している。しかし、いずれも高い研磨除去深さ精度には結びつかないものである。
【００１４】
本発明は、従来技術の上記問題点に鑑みなされたもので、（１）研磨除去深さと、接線方向の力と荷重の比との関係を求めておき、研磨加工中に接線方向の力と荷重の比をセンシングしながら研磨除去深さを推定し、所望の研磨除去深さになるように研磨加工条件を補正することで高精度な研磨除去深さ精度が得られ、またこのような研磨加工が実現できる研磨加工装置及び方法を提供すること、さらに、（２）高精度な研磨加工を実現することによって形状計測→研磨加工→形状計測という工程を１回行うことによって仕上げ加工を完了することができる研磨加工装置及び方法を提供することが主な目的である。
【００１５】
本発明の目的はさらに、（３）高精度な研磨加工によって得られた光学素子成形用金型、この金型を使用して成形した光学素子、この光学素子を用いて構成したレーザー走査光学系および、（４）この光学系を搭載して構成した、高速で高精細な印刷が可能な印刷処理装置を、それぞれ提供することである。
【００１６】
本発明者は、研磨加工装置および方法についての検討過程において、研磨加工中の荷重と、研磨加工によって発生する接線方向の力をセンシングし、この接線方向の力と荷重の比を算出した。また、研磨加工後の研磨除去深さを測定した。そして、このような研磨加工実験から研磨除去深さと、接線方向の力と荷重の比とが１対１で対応することを見出し、この関係から研磨加工中の研磨除去深さを推定することが可能となった。
【００１７】
ところで、荷重制御によって行われる研磨や研削では、プレストンの経験則に従って被加工面の除去量と加工条件との関係が決まる。プレストンの経験則は、以下のように表すことができる。
δ＝ｋ×Ｐ×Ｖ×ｔ
ただし、δは研磨除去量、ｋは比例定数、Ｐは圧力、Ｖは研磨工具と被加工点の相対速度（工具周速）、ｔは滞留時間（送り速度の逆数）である。
本発明ではδを除去深さ、Ｐを荷重と考えても差し支えない。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工装置において、研磨加工中の荷重および、研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングするセンシング機構と、前記接線方向の力と前記荷重の比（接線方向の力／荷重、または荷重／接線方向の力）を算出する演算機構と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と、研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定する演算機構と、決定した研磨加工条件になるように当該研磨加工装置を制御する制御機構とを有することを特徴とする研磨加工装置である。
【００１９】
本発明において前記「接線方向の力と荷重の比」とは、「接線方向の力の荷重に対する比（接線方向の力／と荷重）、「荷重の接線方向の力に対する比（荷重／接線方向の力）のどちらをも意味する。ただし、後記する実施例おいては、「接線方向の力の荷重に対する比」として説明している。要するに本発明では、「接線方向の力と荷重の比」は、接線方向の力の大きさと、荷重の大きさとの大小関係を比で表したものである。
【００２０】
請求項２に記載の発明は、研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工方法において、研磨加工中に荷重および研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、該接線方向の力と荷重の比と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定することを特徴とする研磨加工方法である。
【００２１】
請求項３に記載の発明は、ある状態における研磨除去深さと研磨加工条件との関係、すなわちプレストンの経験則の比例定数をあらかじめ実験的に得ておき、前記研磨除去深さと研磨加工条件との関係から決定される研磨加工条件で加工するときに、センシングと演算で得られる接線方向の力と荷重の比と、前記接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係とから、所望の研磨除去深さに対する研磨除去深さを推定し、所望の設計形状に対する研磨加工前の被加工面の形状誤差から、前記プレストンの経験則の比例定数を補正して、所望の研磨除去深さが得られる研磨加工条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、滞留時間、工具周速、荷重の内の少なくとも一つを研磨加工条件とすることを特徴とする請求項２または３に記載の研磨加工方法である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、研磨加工条件を変化させたときの、接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係を調べ、この関係をグラフ化したときに変曲点を持つ研磨加工条件よりも、研磨除去深さが深くなる方の研磨加工条件を選択しないことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の研磨加工方法である。
【００２４】
請求項６に記載の発明は、所定のプレ研磨加工をダミーワークに施した後、本加工を行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の研磨加工方法である。
【００２５】
請求項７に記載の発明は、プレ研磨加工中の荷重および、該研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、これら接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ研磨加工を終了することを特徴とする請求項６に記載の研磨加工方法である。
【００２６】
請求項８に記載の発明は、前記研磨工具の加工面を、荷重制御を行いながらツルーイングおよびドレッシングするに際し、荷重と、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する接線方向の力とをセンシングし、前記接線方向の力と荷重の比によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、前記研磨工具の加工面に定寸の切込みを与えてツルーイングおよびドレッシングを行うに際し、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する力をセンシングし、このセンシングした力によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法である。
【００２８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の研磨加工装置を使用し、請求項２または３に記載の方法で研磨加工するに際し、研磨加工中の荷重および該研磨加工で発生する接線方向の力に関して得たセンシングデータに対して、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけてから、前記演算機構により演算処理することを特徴とする研磨加工方法である。
【００２９】
本発明によれば、請求項１に記載の研磨加工装置により加工され、または請求項２〜１０のいずれかに記載の研磨加工方法で加工された研磨加工物を得ることができる。
【００３０】
当該研磨加工物が光学素子成形用金型である。
【００３１】
本発明によれば、金型形状から第１の波長成分を、金型形状を転写した光学素子から第２の波長成分をそれぞれ抽出し、第１および第２の波長成分を相殺するように金型を研磨加工するフィードバックシステムを使用し、請求項１に記載の研磨加工装置により、または請求項２〜１０のいずれかに記載の研磨加工方法により製造された光学素子成形用金型を得ることができる。
【００３２】
前記金型を使用して成形された光学素子を得ることができる。
【００３３】
前記光学素子を搭載してなるレーザー走査光学系を得ることができる。
【００３４】
前記レーザー走査光学系を搭載してなる印刷処理装置を得ることができる。
なお以下では、これまでの説明と同様に研磨加工を加工と、研磨加工装置を加工装置と、研磨工具を工具と、研磨除去深さを除去深さと、それぞれ略記することがある。
【００３５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
図１に示すように研磨加工装置は、回転するタイヤ形状、球形状またはそれらの形状の一部からなる形状の研磨工具１、または円盤状あるいは円筒状などの研磨工具１が直動スライド３ａを兼ねたスピンドル３に固定されている。荷重発生機構５により直動スライド３ａに所定の荷重を与え、この荷重が研磨工具１に伝達されて研磨工具１と被加工物７の被加工面との間に荷重が発生する。
【００３６】
発生した荷重を荷重センサー４が検知し、この検知荷重が所定値になるように図略の制御部、たとえばパソコンから荷重発生機構５に指令を出す。符号８は３軸直動テーブルであり、これにより被加工物７はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向に移動自在となっている。また、Ｘ軸と平行な第１の回転軸（図略）の動きにより、およびＹ軸（紙面に垂直な方向）に平行な第２の回転軸（図略）の動きにより、被加工物７の被加工面の法線を研磨工具１による荷重負荷方向と一致させる、いわゆる法線制御が可能となっている。さらに、スピンドル３中には、接線方向の力を検出するセンサー（図略）が配備されている。なお、符号２は水平方向（紙面に垂直な方向）に沿う工具軸、符号６はコラムである。
【００３７】
図２に示したように、研磨前の被加工物７の被加工面形状と、所望の設計形状との間には誤差（偏差）が存在する。この被加工面形状は測定によって求める。そして、この誤差から各被加工点における除去量または除去深さを決定する。被加工面を加工する前に、この被加工面と同じ材料を加工することによって、除去量または除去深さと、加工条件との関係を把握しておく必要がある。
【００３８】
この関係については従来より、前出のプレストンの経験則
δ＝ｋ×Ｐ×Ｖ×ｔ
が知られている。本発明ではδは除去深さ、Ｐは荷重と考えても差し支えない。つまり、ここでは比例定数であるｋを求めることになる。一般的に比例定数ｋは、被加工物の材質や工具により決まる定数である。
【００３９】
次に、上記研磨加工装置による加工実験について説明する。
実施例１
図１に示した加工装置を用い、マルテンサイト系ステンレス鋼をダミーワークとして、その平面を研磨した。その結果、加工条件を変化させて得られた除去深さと加工条件との関係から、プレストンの経験則が成立することを確認した。この場合、前記比例定数ｋは０．９６×１０^-9となった、また、この加工で発生する荷重と接線方向の力とから、接線方向の力と荷重の比（接線方向の力／荷重）を算出した。その結果を図３に示す。ここで横軸は滞留時間（単位：ｓｅｃ／ｍｍ）であり、左縦軸は接線方向の力と荷重の比、右縦軸は除去深さ（単位：ｎｍ）である。
【００４０】
図３に示したように、除去深さ（□印）は滞留時間の増加とともに比例的に増加する。これに対し、接線方向の力と荷重の比（◆印）は、滞留時間が短い間はその増加とともに比例的に増加しているが、滞留時間が１ｓｅｃ／ｍｍ以上では減少する。この結果から、滞留時間は１ｓｅｃ／ｍｍまでを常用とした。また、接線方向の力と荷重の比が変曲点をもつ加工条件よりも、除去深さが浅くなる方の条件を常用とした（請求項５）。
【００４１】
接線方向の力と荷重の比（摩擦係数）が変曲点を持つ加工条件の前後では加工のモードが異なっており、それよりも除去深さが深くなる条件、つまり滞留時間や荷重や工具周速（研磨工具の周速）が大となる条件においては、スクラッチ（引っ掻き傷）の発生や除去深さの精度低下など、加工精度低下の可能性が高くなる。ただし、これは荷重２Ｎ、工具周速１３０ｍｍ／ｓｅｃにおける結果であり、荷重や工具周速を変化させたときの結果を含めてデータベースを作っておく必要がある。以上から決定した加工条件の常用域において、接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を加工実験により求めることにより、図４の結果を得た。
【００４２】
次に、各加工点で所望の除去深さが決まっているマルテンサイト系ステンレス鋼の研磨を行った。ここで所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と、被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差に相当する。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけ、その値から接線方向の力と荷重の比を算出した。
【００４３】
ここでは工具回転速度を１００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は１．６７Ｈｚである。そこで、１．６７Ｈｚを超える周波数をカットした。ある加工点Ｐａ（図略）における狙いの除去深さは１５０ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は約０．２２であり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係（図４参照）から、除去深さは約１３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は１３０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．６ｓｅｃ／ｍｍである。
【００４４】
除去深さを１３０ｎｍとすると、比例定数ｋは０．８３×１０^-9となることから、除去深さを１５０ｎｍとするためにはプレストンの経験則から、荷重および工具周速を一定とした場合には、滞留時間を０．７ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。したがって、比例定数ｋを０．８３×１０^-9として滞留時間を設定した。このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２２７となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差が４０ｎｍＰＶ下の高精度な加工面が得られた。かくして本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件によって的確な表面研磨を実施することができた。
【００４５】
実施例２
図１に示した加工装置を用いて、マルテンサイト系ステンレス鋼をダミーワークとして、その平面を研磨した。
まず、研磨の前にツルーイングを行った。なお、ツルーイングとは、加工機に取り付けられた砥石の、砥石回転軸に対する砥石作用面の振れまたは摩耗に起因する、砥石の目詰まりや形状公差からのずれなどの低減を目的に、砥石の形状や表面状態を修正することで、「形直し」ともいう。図５に示すように円筒状の研磨工具１に対し、ツルアー１１として円筒状のダイヤモンドツルアーを使用した。ツルアー１１は研磨工具１の回転によって連れ回りするが、回転軸１２に抵抗が存在するブレーキツルアーである。研磨時の目標荷重を２Ｎとし、実際の荷重をセンシングしながら、２Ｎを維持するようにフィードバックをかけて研磨を実施した。これと並行して接線方向の力をセンシングし、接線方向の力と荷重の比を算出した。
【００４６】
図６に示すように、接線方向の力と荷重の比（摩擦係数）は、ツルーイング時間の経過とともに減少した。１５分経過後の摩擦係数が一定となった時点でツルーイングを終了した。ツルーイングによって工具１の回転振れは０．５μｍ以下となり、前回の研磨によって工具表面に付着した切粉や砥粒が充分に除去された。次にダミーワークの研磨を行った。加工条件を変化させて得られた除去深さと加工条件との関係から、プレストンの経験則が成立することを確認した。また、この加工時に発生する荷重と接線方向の力とから、接線方向の力と荷重の比を算出した。その結果を図３に示す。
【００４７】
図３に見られるように、除去深さは滞留時間の増加とともに比例的に増加する。これに対し、接線方向の力と荷重の比は、滞留時間が短い間はその増加とともに比例的に増加しているが、滞留時間が１ｓｅｃ／ｍｍ以上では減少する。この結果から、滞留時間は１ｓｅｃ／ｍｍまでを常用とした。このように、摩擦係数が変曲点をもつ加工条件よりも、除去深さが浅くなる方の条件を常用とすることが望ましい。摩擦係数が変曲点をもつ加工条件の前後では加工のモードが異なっており、それよりも除去深さが深くなる条件、つまり滞留時間や荷重や工具周速が大となる条件においては、スクラッチの発生や除去深さの精度低下など、加工精度が低下する可能性が高くなる。ただし、これは荷重２Ｎ、工具周速１３０ｍｍ／ｓｅｃにおける結果であり、荷重や工具周速を変化させたときの結果を含めてデータベースを作っておく必要がある。以上から決定した加工条件の常用域において、加工実験により、図４に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を得た。
【００４８】
次に、各被加工点で所望の除去深さが決まっているマルテンサイト系ステンレス鋼の研磨を行った。ここで所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差である、加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけたそれらの値から、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を２００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は３．３３Ｈｚである。そこで、３．３３Ｈｚを超える周波数をカットした。ある被加工点Ｐｂでの狙いの除去深さは１００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２１であり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、除去深さは９０ｎｍと推定される、ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は２５０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．５ｓｅｃ／ｍｍである。
【００４９】
徐々に荷重を増加させたところ、接線方向の力と荷重の比が０．２１３となり、図４によると除去深さが１００ｎｍに相当する接線方向の力と荷重の比となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るための加工条件を決定した。このようにして、うねり誤差が４５ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。本実施例での加工条件は、事前に求めた常用域の範囲内にした。
【００５０】
実施例３
図７は、長尺の光学素子成形用金型２１を示す。被加工面２２には無電解ニッケルメッキが施されている。図示されているようなツールパス２３（ツールパスは工具経路ともいい、切削工具の特定の点によって描かれる経路のことである。）で加工が行われる。金型２１の被加工面２２は自由曲面であり、この被加工面２２の位置によって曲率半径が変化している。各被加工点における狙いの除去深さは図２に示したように、所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差から求める。
【００５１】
金型２１の加工の前に研磨工具１を図８に示すツルーイング装置にセッティングしてからツルーイングを行った。この図に示すように研磨工具１は球体の一部から形成された形状で、有気孔の工具である。また、ツルアー３１はすり鉢状の形状を持ち、このすり鉢の面にはダイヤモンドが電着されている。研磨工具１を、ツルアー３１に対し所定の切込みを与えた状態で保持して、すなわち例えば１５μｍ切り込んでその状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時には、工具１に垂直方向に働く力をセンシングし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では図９に示すような力の変化を示し、この力が０．５Ｎの一定値になったところでツルーイングを終了した。
【００５２】
次に、金型２１の加工前に、この金型と同じ材質の平面ダミーワークを研磨した。これをプレ加工というが、研磨距離つまりツルーパスの長さが７０００ｍｍとなったところでプレ加工を終了した。このときの研磨距離に対する除去深さの変化を図１０に示すが、研磨距離約７０００ｍｍにおいて除去深さは４５０ｎｍの一定になっている。このように一定となった状態においては、除去深さの変動は小さく抑えられる。研磨距離７０００ｍｍというのは実験的に求めた数字であり、７０００ｍｍ以上のプレ加工を行うと除去深さが安定する状態になる。
【００５３】
次に、金型の加工を行った。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数よりも高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけた後、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を１５０ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は２．５Ｈｚである。そこで２．５Ｈｚを超える周波数をカットした。例えば、ある加工点Ｐｃにおける狙いの除去深さは３５０ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２１であり、図１１に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、除去深さは３４０ｎｍと推定される。ここでの荷重は３Ｎ、工具周速は１８０ｍｍ／ｓｅｃで滞留時間は０．５ｓｅｃ／ｍｍである。除去深さが３４０ｎｍであるとすると比例定数ｋは１．２６×１０^-9となるため、除去深さを３５０ｎｍとするためには、プレストンの経験則から、荷重と工具周速を一定とした場合、滞留時間を０．５１５ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。
【００５４】
したがって、比例定数ｋを１．２６×１０^-9として滞留時間を設定した。このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２１５となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差が３０ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。かくて本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件によって加工を実施することができた。そして、この金型を使用してプラスチック成形を行ったところ、うねり誤差が３２ｎｍＰＶ以下の高精度な光学素子が得られた。
【００５５】
実施例４
図８に示すツルーイング装置に砥石をセッティングしてツルーイングを行った。この図に示すように研磨工具は球体の一部から形成された形状である。また、ツルアーはすり鉢状の形状を持ち、そのすり鉢の面にはダイヤモンドが電着されている。砥石をツルアーに対し所定の切込みを与えてその状態で保持して、すなわち例えば２０μｍ切り込み、その状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時には、工具に垂直方向に働く力をセンシグし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では力が０．２Ｎの一定値になったところでツルーイングを終了した。このツルーイングによって砥石の目立ても行っているので、ドレッシングも同時に行っていることになる。なお、ドレッシングとは一般に、ツルーイング後の砥石または、研削能の低下した砥石において、砥粒を傷めないようにして結合材だけを除去し、加工に必要な粒切刃を突出させて研削可能な砥石を得る処理をいう。
【００５６】
次に、各加工点で所望の除去深さが決まっていマルテンサイト系ステンレス鋼の加工を行った。ここで、所望の除去深さとは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の加工前の形状測定結果との誤差である。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、これらの値から接線方向の力と荷重の比を算出した。ある加工点Ｐｄにおいて狙いの除去深さは４００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２３であり、接線方向の力と荷重の比と、除去深さとの関係から除去深さは４３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は２Ｎ、工具周速は７５０ｍｍ／ｓｅｃ、滞留時間は０．７ｓｅｃ／ｍｍである。
【００５７】
徐々に工具周速つまり工具回転速度を減少させたところ、接線方向の力と荷重の比が０．２２５となり、図１１によると除去深さが４００ｎｍに相当する接線方向の力と荷重の比となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を利用し、所望の除去深さを得るための加工条件を決定した。このようにすることで、うねり誤差が４３ｎｍＰＶ以下の高精度な被加工面が得られた。このように本実施例では、事前に求めた常用域の加工条件で加工を実施した。
【００５８】
実施例５
図７に長尺の光学素子成形用金型を示す。金型の被加工面には無電解ニッケルメッキが施されており、図示されているようなツールパスで加工が行われる。被加工面は自由曲面であり、被加工面の位置によって曲率半径が変化している。各被加工点における狙いの除去深さは、図２に示したように所望の設計形状と被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差から求めた。ここで、金型形状から第１の波長成分を、金型形状を転写した光学素子から第２の波長成分をそれぞれ抽出し、第１および第２の波長成分を相殺するように、金型加工のフィードバックシステムを使用して加工を行った。
【００５９】
図１２はこのフィードバックシステムのフローチャートであり、これは成形品の主走査形状を改善する工程を説明するものである。主走査とは、図７において金型の幅方向（図７の上下方向）のことで、この方向にレーザービームが走査される。
【００６０】
図１２において、ステップＳ１，Ｓ２で第１回の成形品を製作する。ステップＳ３で成形品形状を測定する。形状測定（ステップＳ３）は、主走査方向に３本の位置で行う。ここで主走査方向をＸ座標で、副走査方向をＹ座標でそれぞれ表現する。また、高さ方向をＺとする。データのサンプリングはＸ方向ピッチで０．０５ｍｍ間隔である。計測軌跡はそれぞれ主走査方向と直交する副走査方向に１ｍｍの間隔をもたせている。これは、主走査方向の形状誤差の内で共通に発生している誤差成分が、走査レンズの集光特性に最も大きな影響を持つことが確認されているからである。このように３本のデータの平均をとり、以下の手順を進める。
【００６１】
ステップＳ４においては、ステップＳ３で取得したデータに対して近似曲線を求める。近似曲線の次数は設計式と同程度（４〜２０次）とする。ここでは、近似式に次の４次式を用いた。
Ｊｍ（ｘ）＝ａ＋ｂｘ＋ｃｘ² ＋ｄｘ³ ＋ｅｘ⁴
【００６２】
ステップＳ５で主走査方向の誤差Ｅｍ（ｘ）を求める。ステップＳ６では許容値である主走査形状公差との比較（主走査形状精度の判定）を行う。ここで精度が満足されない場合（ステップＳ６でＮＯ）には、ステップＳ１１において、ここに示される変換式によって成形収縮の影響を加味し、金型修正量Ｚｅｍを算出する。
【００６３】
次に、うねり成分について説明する。ステップＳ７，Ｓ８，Ｓ９では、金型の形状データ取得および多項式近似Ｊｍ（ｘ）を行う。ステップＳ８でうねり成分を抽出し、ステップＳ１０でうねり成分の精度を判定をする際、成形収縮分だけ金駒のうねり成分の波長が長くなるが、レンズ（光学素子）の成形条件下では収縮が約１％程度であり、これらのステップにおいては影響ないものとして扱うことができる。このため、ステップＳ１０で「ＮＯ」の場合（［うねり成分２］≦主走査うねり公差）においても、ステップＳ１２では求めたうねり成分がそのまま、金型修正量Ｚｕｍとして使用できることになる。
【００６４】
ステップＳ８に記載された式の通り、［うねり成分１］は計測データからＪｍ（ｘ）を差し引いたものに相当する。今回は、形状誤差のうちの波長１〜６ｍｍの成分をうねり成分としているため、ステップＳ９においてこの帯域でのバンドパスフィルター処理を行い、［うねり成分２］を得る。ステップＳ１０において、［うねり成分２］を公差と比較し、目標精度に満たない（ステップＳ１０で「ＮＯ」）時はステップＳ１２に進み、［うねり成分２］を金型修正量Ｚｕｍに変換する。また、総合の金型修正量Ｚｍ（ｘ）を求めるためステップＳ１３へ進み、長波長成分からの修正量Ｚｅｍ（ｘ）と、うねり成分からの修正量Ｚｕｍ（ｘ）の和をとりＺｍ（ｘ）とする。ここでは、このＺｍ（ｘ）はＹ方向に変動しない成分であるとの前提によってＺｍ（ｘ，ｙ）を得る。これが修正量となり、各被加工点における除去深さが決定されることになる。
【００６５】
金型の加工の前に、研磨工具１を図８に示すツルーイング装置にセッティングしてからツルーイングを行った。同図に示すように、研磨工具１は球体の一部から形成された形状をもつ有気孔の工具である。また、ツルアー３１は形状がすり鉢状で、このすり鉢の面にはダイヤモンドがニッケル電着されている。研磨工具１をツルアー３１に対して所定の切込みを与えてその状態で保持、例えば３０μｍ切り込みその状態で保持してツルーイングを進行させた。ツルーイング時に工具に垂直方向に働く力をセンシングし、その力が一定となったところでツルーイングを終了した。本実施例では図９に示すような力の変化を示し、力が０．５Ｎで一定になったところでツルーイングを終了した。
【００６６】
次に、金型の加工前に金型と同じ材質の平面ダミーワークを研磨した。これをプレ加工というが、研磨距離つまりツールパスの長さが９０００ｍｍとなったところでプレ加工を終了した。図１３に、このときの接線方向の力と荷重の比の変化を示すが、約９０００ｍｍにおいて一定になっている。このように接線方向の力と荷重の比が一定となったと判断したときにプレ加工を終了した。
【００６７】
次に、金型の加工を行った。加工中に発生する荷重と接線方向の力をセンシングし、工具回転の周波数よりも高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけたそれらの値から、接線方向の力と荷重の比を算出した。ここでは工具回転速度を１００ｒｐｍとしたので、工具回転の周波数は１．６７Ｈｚである。そこで１．６７Ｈｚを超える周波数をカットした。例えば。ある加工点Ｐｅにおいて狙いの除去深さは４００ｎｍであるが、加工中の接線方向の力と荷重の比は０．２３であり、図１１に示す接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から除去深さは４３０ｎｍと推定される。ここでの荷重は３Ｎ、工具周速は１１０ｍｍ／ｓｅｃで滞留時間は０．３ｓｅｃ／ｍｍである。除去深さが４３０ｍｍであるとすると比例定数ｋは４．３４×１０^-9となるため、除去深さを４００ｎｍとするためにはプレストンの経験則から、荷重と工具周速を一定とした場合、滞留時間を０．２７９ｓｅｃ／ｍｍとする必要がある。つまり、比例定数ｋを４．３４×１０^-9として滞留時間を設定した。
【００６８】
このとき、接線方向の力と荷重の比は０．２２５となった。以後、同様に接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係を利用して、所望の除去深さを得るために比例定数ｋを補正して滞留時間を決定した。このようにすることで、うねり誤差２５ｎｍＰＶ以下の高精度な加工面が得られた。かくして、本実施例では事前に求めた常用域の加工条件によって加工を実施することができた。
【００６９】
この金型を使用してプラスチック成形を行ったところ、うねり誤差が２７ｎｍＰＶ以下の高精度な光学素子が得られた。そして、この光学素子を使用したレーザー走査光学系を搭載したプリンターを製造したところ、１２００ｄｐｉの高精細画像を得ることができた。
【００７０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば以下の効果が得られる。
（１）請求項１の発明による効果
研磨加工中に荷重と、加工によって発生する接線方向の力をセンシングすることが可能となり、センシングした値から接線方向の力と荷重の比を算出し、その接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係から、所望の除去深さに対応する接線方向の力と荷重の比になるように加工条件を決定することが可能となる。また、決定した加工条件を実現するための制御が可能となる。
【００７１】
（２）請求項２の発明による効果
研磨加工中にセンシング可能な接線方向の力と荷重の比から、加工中にセンシング困難な除去深さを推定することができ、その除去深さが所望の除去深さと異なるときには加工条件を補正することで、その被加工点において所望の除去深さを得ることができる。つまり高精度な加工が可能となる。このように、高精度な加工が実現可能となるので、形状計測→研磨→形状計測という工程を繰り返す必要がなく、１回の加工を行うことで研磨仕上げが可能となる。また、工程を繰り返さないので、短時間で高精度な加工面が得られ、加工面として数十ｎｍ以下のうねり精度が得られる。
【００７２】
（３）請求項３の発明による効果
研磨加工中にセンシング可能な接線方向の力と荷重の比から、加工中にセンシング困難な除去深さを推定することができ、その除去深さが所望の除去深さと異なるときには、推定された除去深さと加工条件からプレストンの経験則の比例定数を補正することが可能となる。補正された比例定数によって、所望の除去深さが得られる加工条件を決定することで、その加工点での所望の除去深さを得ることが可能となり、高精度な加工面を得ることが可能となる。
【００７３】
（４）請求項４の発明による効果
研磨加工装置が高精度に制御することの可能な条件であるため、除去深さを容易に変化させることができ、高精度な加工が実現可能となる。ここで、滞留時間を送り速度の逆数に、工具周速を工具回転速度に、荷重を圧力にそれぞれ代えてもよく、これにより同じ効果が得られる。
【００７４】
（５）請求項５の発明による効果
接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係が急激に変化する条件よりも除去深さが深くなる方の加工条件においては、加工のモードがそれまでとは異なっており、被加工面にスクラッチが発生したり、接線方向の力と荷重の比と除去深さとの関係が崩れたりするので、除去深さ精度が崩れてしまう。この領域の加工条件を選択しないことで、未然に被加工面のスクラッチ発生や除去精度の低下を防ぐことが可能となり、高精度な加工が実現可能となる。
【００７５】
（６）請求項６の発明による効果
ツルーイングやドレッシング後、本番の研磨加工に入る前に除去深さの変化、つまりプレストンの比例定数ｋの変化を抑えた工具状態を得ることができ、できるだけ加工条件および比例定数ｋの補正量を小さくすることが可能となり、加工装置の演算および制御に過負荷を与えるのを防ぐことが可能となる。よって、除去深さ精度の高い加工が実現できる。
【００７６】
（７）請求項７の発明による効果
接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ加工を終了するということは、除去深さが一定となったことを加工中に判断できるということで、工具が安定状態となったことを加工中に判断でき、確実にプレ加工を終了することが可能となる。
【００７７】
（８）請求項８，９の発明による効果
荷重制御によるツルーイングおよびドレッシングにおいても、また定寸の切込みを与えて行うツルーイングおよびドレッシングにおいても、接線方向の力と荷重の比や、発生する力をセンシングすることで、工具の回転振れ、目立ての状態（砥粒の突出状態）、前回の加工で付着した砥粒や切粉などの付着状態が判断でき、充分で適切なツルーイングおよびドレッシングが可能となり、これが高精度で再現性の良い加工につながる。
【００７８】
（９）請求項１０の発明による効果
センシングした荷重、力には高周波的な成分が含まれており、工具の回転に伴う成分も含まれている。この高周波的な成分は、必ずしも除去深さとの相関は持っていないので、この成分をノイズとしてカットすることで、算出された接線方向の力と荷重の比から、より正確な除去深さを推定することができ、高い除去深さ精度を得ることが可能となる。
【００７９】
設計形状に対する誤差が除去された研磨加工物を得ることで、所望の機能を実現することが可能となる。
【００８０】
設計形状に対する誤差が除去された光学成形用金型を得ることで、高性能な光学素子を成形することが可能となる。
【００８１】
特定の波長成分を抽出して金型を修正することで、無駄なく確実に光学素子の光学特性向上が可能となり、また修正項目を絞り込んでいるため、より高い性能の実現も可能になる。このような加工によって、設計形状に対する誤差が除去された光学素子成形用金型を得ることで、高性能な光学素子を成形することができる。
【００８２】
高性能な光学素子を得ることで、高性能なレーザー走査光学系を構成することが可能となる。
【００８３】
高性能なレーザー走査光学系を得ることで、高性能な印刷処理装置を構成することが可能となる。
【００８４】
高性能な印刷処理装置を構成することで、１２００ｄｐｉ以上の高精細画質を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の各実施例に係る研磨加工装置の概略正面図である。
【図２】所望の設計形状と、被加工面の研磨前の形状測定結果との誤差（偏差）を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例１，２に係るもので、（１）滞留時間に対する、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比（接線方向の力／荷重）の変化状況および、（２）滞留時間に対する、被加工面の除去深さの変化状況を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１，２に係るもので、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２に係るツルーイング装置の概略断面図である。
【図６】同実施例２に係るもので、ツルーイング時間と、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重の比との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施例３，５に係る光学素子成形用金型の平面図である。
【図８】本発明の実施例３〜５に係るツルーイング装置の概略断面図である。
【図９】図８のツルーイング装置によるツルーイング結果（センシング結果）に係るもので、ツルーイング時間と、ツルーイング時に研磨工具に垂直方向に働く力との関係を示すグラフである。
【図１０】同実施例３に係るもので、プレ加工時における研磨距離と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図１１】同実施例３に係るもので、研磨加工時に発生する接線方向の力と荷重との比と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施例５に係るフィードバックシステムの動作を示すフローチャートである。
【図１３】同実施例５に係るもので、プレ加工時における研磨距離と、被加工面の除去深さとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１研磨工具
２工具軸
３スピンドル
３ａ直動スライド
４荷重センサー
５荷重発生機構
６コラム
７被加工物
８３軸直動テーブル
１１ツルアー
１２回転軸
２１光学素子成形用金型
２２被加工面
２３ツールパス
３１ツルアー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a polishing apparatus and methodLaw. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used particularly effectively for polishing technology (curved surface or flat surface ultra-precision processing) such as an optical element molding die.
[0002]
[Prior art]
As conventional techniques related to precision polishing, Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-104436, 10-296630, 11-123654, 11-245152, 11-320364, etc. What is disclosed is known.
[0003]
Hereinafter, the gist of these conventional techniques will be described.
(1) Invention described in JP-A-5-104436
The purpose is to increase the processing accuracy of the polishing process, and its configuration is as follows. The robot end effector is provided with a polisher, and a tactile sensor is provided integrally with the polisher. The robot control device polishes the workpiece based on the detection data sent from the tactile sensor. That is, the dynamic friction coefficient μ of the workpiece surface is obtained based on the detected data, the surface state is determined based on the magnitude of the dynamic friction coefficient, and the pressing force, feed speed, etc. of the grinder main body are controlled.
[0004]
(2) Invention described in JP-A-10-296630
The object is to provide a polishing energy control device capable of realizing a high-quality polished surface by controlling the frictional force so that the polishing energy necessary for polishing the workpiece becomes a predetermined specified value. . Therefore, it is configured as follows.
[0005]
The tangential direction component F (t) of the frictional force generated at the site where the workpiece and the polishing apparatus are in contact is compared with the force command value. Then, an error between the two is obtained, and the force with which the robot presses the workpiece against the polishing apparatus is adjusted based on the error. Since the integral of the frictional force and the polishing speed over time corresponds to the polishing energy, the control during this time coincides with the control of the polishing energy. Since the friction force is directly controlled, a high-quality polished surface can be stably obtained without being affected by the change in the friction coefficient.
[0006]
(3) Invention described in JP-A-11-123654
An object of the present invention is to provide an abnormality estimation device for machining control that takes into account a force that can be easily estimated even when the type, material, and friction coefficient of the machining device are different. For this purpose, the configuration is as follows. An apparent friction coefficient α is obtained from a normal force and a tangential force applied to the workpiece by the polishing apparatus. Further, a speed deviation ev between the target command speed Vr and the detected speed V of the polishing apparatus is calculated. A membership function is created based on a fuzzy rule that reflects the skill of an expert with respect to the apparent friction coefficient α and speed deviation ev. Based on this function, the state of the polishing surface of the polishing apparatus is quantitatively estimated from the apparent values of the friction coefficient α and the speed deviation ev.
[0007]
(4) Invention described in JP-A-11-245152
The purpose is to finish and polish the surface shape of the optical curved surface with high accuracy and to improve the efficiency of polishing processing of the optical curved surface. Therefore, the configuration of the invention is as follows. In a polishing apparatus for polishing an optical curved surface of a workpiece attached to a workpiece holder, a polishing head having a polisher at the tip for processing while rotating the optical curved surface of the workpiece, and a slider for pressing the polisher in the normal direction of the optical curved surface And a motor for rotating the polisher, a Z-axis mechanism for moving the polisher provided in the polishing head disposed on the slider so as to abut against or separate from the optical curved surface of the workpiece, and polishing attached to the polishing head A non-contact displacement meter that moves with the head. Then, in a state where the polisher is in contact with the optical curved surface, the distance between the optical curved surface and the non-contact displacement meter is measured, and polishing is performed into a desired optical curved surface shape.
[0008]
(5) Invention described in JP-A-11-320364
An object of the present invention is to provide a wafer chamfered portion soft grinding process management method and a chamfering apparatus capable of quantitatively detecting a life due to individual differences of a grindstone for soft grinding and enabling high-precision soft grinding. Therefore, the configuration of the invention is as follows. In a chamfered portion soft grinding processing management method and a chamfering apparatus for chamfering, a chamfered portion is softly ground by pressing the wafer held on the grinding stage at a low speed while pressing the chamfered portion with a grinding wheel rotating motor at a high speed. The amount of grinding is controlled by monitoring the grinding resistance between the grinding wheel and the wafer during grinding and feeding back to the machining conditions such as the rotational speed of the grinding wheel rotating motor or the load of the air cylinder.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in high-precision polishing such as polishing of recent optical elements or the like, polishing removal depth accuracy of a level of several nanometers to several tens of nanometers is desired. An example of a high-precision polished workpiece is an X-ray mirror, but the final processing step is polishing by load control, and the process is repeated multiple times, such as shape measurement → polishing → shape measurement → polishing →. As a result, the desired polishing accuracy is finally achieved over a long period of time.
[0010]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-245152 describes a method of correcting the position of the polishing head based on the measurement data while measuring the distance from the work surface with a non-contact displacement meter that moves with the polishing head. However, the surface to be processed is contaminated with chips and abrasive grains, and there is a limit to measurement accuracy.
[0011]
Ideally, the removal depth should be determined if the polishing conditions are determined. However, since the proportionality constant k determined by the material of the workpiece and the polishing tool in Preston's rule of thumb described below changes, Even if high-precision processing conditions can be realized by the polishing processing apparatus, the polishing removal depth varies. For this reason, it is difficult to realize highly accurate polishing. The proportional constant k is mainly the state of the polishing tool, for example, the holding state of the abrasive grains, the holding amount of the abrasive grains, the protruding amount of the abrasive grains, the adhesion amount of the chips, and the polishing liquid and the processing point of this grinding liquid. Varies depending on the amount of supply
[0012]
By the way, there are the above-described conventional polishing techniques using frictional force and polishing force.
In the invention of Japanese Patent Laid-Open No. 5-104436, the polishing conditions are changed according to the size of the friction coefficient. The friction coefficient here is determined by the friction coefficient between the tactile sensor and the surface to be processed. This is to estimate the surface roughness of the surface, and not to estimate the change in the state of the polishing tool, that is, the change in the polishing removal depth.
[0013]
In the invention of Japanese Patent Laid-Open No. 10-296630, the friction force is controlled to obtain a stable polished surface. In the invention of Japanese Patent Laid-Open No. 11-320364, only the grinding resistance is monitored. Further, in the invention of JP-A-11-123654, the state of the polished surface is estimated from the determined values of the friction coefficient and the speed deviation. However, none of these results in high polishing removal depth accuracy.
[0014]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art. (1) The relationship between the polishing removal depth and the ratio of the tangential force and the load is obtained, and the tangential force during polishing is calculated. The polishing removal depth is estimated while sensing the load ratio, and the polishing process conditions are corrected so that the desired polishing removal depth is obtained. Provide a polishing apparatus and method capable of realizing processing, and (2) complete finishing by performing the process of shape measurement → polishing processing → shape measurement once by realizing highly accurate polishing processing. It is a main object to provide a polishing apparatus and method that can be used.
[0015]
The object of the present invention is further (3) an optical element molding die obtained by high-precision polishing, an optical element molded using this mold, and a laser scanning optical system constructed using this optical element And (4) to provide a print processing apparatus that is equipped with this optical system and is capable of high-speed and high-definition printing.
[0016]
In the course of studying the polishing apparatus and method, the present inventor sensed the load during polishing and the tangential force generated by the polishing, and calculated the ratio of the tangential force and load. Further, the polishing removal depth after polishing was measured. From such a polishing experiment, it is found that the polishing removal depth and the ratio of the force and load in the tangential direction have a one-to-one correspondence, and it is possible to estimate the polishing removal depth during the polishing process from this relationship. It has become possible.
[0017]
By the way, in polishing and grinding performed by load control, the relationship between the removal amount of the surface to be processed and the processing conditions is determined according to Preston's rule of thumb. Preston's rule of thumb can be expressed as:
δ = k × P × V × t
Where δ is the polishing removal amount, k is a proportional constant, P is the pressure, V is the relative speed between the polishing tool and the workpiece (tool peripheral speed), and t is the dwell time (reciprocal of the feed speed).
In the present invention, δ may be considered as the removal depth and P as the load.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The invention described in claim 1 is a polishing apparatus that presses a polishing tool against a surface to be processed and generates a load in a normal direction to the surface to be processed. A sensing mechanism that senses a tangential force, an arithmetic mechanism that calculates a ratio of the tangential force and the load (tangential force / load, or load / tangential force), and experimentally obtained in advance A calculation mechanism for determining polishing processing conditions so as to obtain a ratio of tangential force and load at which a desired polishing removal depth can be obtained from a relationship between the ratio of the force and load in the tangential direction and the polishing removal depth; And a control mechanism for controlling the polishing apparatus so as to satisfy the determined polishing conditions.
[0019]
In the present invention, the “ratio of tangential force to load” means “ratio of tangential force to load (tangential force / load),“ ratio of load to tangential force (load / tangential direction). However, in the examples described later, it is described as “ratio of tangential force to load”. In short, in the present invention, the “ratio of tangential force to load” is a ratio representing the magnitude relationship between the magnitude of the tangential force and the magnitude of the load.
[0020]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a polishing method in which a polishing tool is pressed against a surface to be processed and a load in a normal direction is generated on the surface to be processed. The desired polishing removal depth is determined from the relationship between the tangential force / load ratio and the relationship between the tangential force / load ratio and the polishing removal depth, which have been experimentally determined in advance. In this polishing method, polishing conditions are determined so that the ratio of the tangential force and load is obtained.
[0021]
According to the third aspect of the present invention, a relationship between the polishing removal depth and the polishing process condition in a certain state, that is, a proportional constant of Preston's rule of thumb is obtained experimentally in advance, and the relationship between the polishing removal depth and the polishing process condition is obtained in advance. From the relationship between the tangential force and load ratio obtained by sensing and calculation, and the relationship between the tangential force and load ratio and the removal depth, when processing with the polishing conditions determined from the relationship, The polishing removal depth with respect to the polishing removal depth is estimated, and the proportional constant of the Preston rule of thumb is corrected from the shape error of the surface to be processed before polishing with respect to the desired design shape. The polishing method according to claim 2, wherein an obtained polishing process condition is determined.
[0022]
The invention according to claim 4 is the polishing method according to claim 2 or 3, wherein at least one of the residence time, the tool peripheral speed, and the load is set as the polishing condition.
[0023]
The invention according to claim 5 has an inflection point when the relationship between the ratio of the tangential force and load and the polishing processing condition when the polishing processing condition is changed and this relationship is graphed. The polishing method according to any one of claims 2 to 4, wherein the polishing processing condition in which the polishing removal depth is deeper than the polishing processing condition is not selected.
[0024]
The invention described in claim 6 is the polishing method according to any one of claims 2 to 5, wherein the main processing is performed after a predetermined pre-polishing processing is performed on the dummy workpiece.
[0025]
The invention according to claim 7 senses the load during the pre-polishing process and the tangential force generated by the polishing process, and performs the pre-polishing process when the ratio of the tangential force and the load becomes constant. The polishing method according to claim 6, wherein the polishing method is terminated.
[0026]
The invention according to claim 8 senses a load and a tangential force generated by the truing and dressing when truing and dressing the processed surface of the polishing tool while performing load control. 3. The polishing method according to claim 2, wherein the end of truing or dressing is determined based on the ratio of force and load.
[0027]
The invention described in claim 9 senses a force generated by truing and dressing when performing truing and dressing by giving a fixed-size notch to the processed surface of the polishing tool, and truing or dressing by the sensed force. The polishing method according to claim 2, wherein the end of is determined.
[0028]
The invention according to claim 10 uses the polishing apparatus according to claim 1 and performs polishing by the method according to claim 2 or 3, and the load during polishing and the tangent generated by the polishing In this polishing method, the sensing data obtained with respect to the directional force is subjected to arithmetic processing by the arithmetic mechanism after applying a low-pass filter for cutting a frequency higher than the frequency of tool rotation.
[0029]
  According to the present invention,Processed by the polishing apparatus according to claim 1, or processed by the polishing method according to any one of claims 2 to 10.LabPolishingCan get things.
[0030]
  ThisThe polished workpiece is an optical element forming gold.Is a type.
[0031]
  According to the present inventionThe first wavelength component is extracted from the mold shape, the second wavelength component is extracted from the optical element having the mold shape transferred, and the mold is polished so as to cancel the first and second wavelength components. Using a feedback system, manufactured by the polishing apparatus according to claim 1 or by the polishing method according to any one of claims 2 to 10.LightScience element molding goldCan get mold.
[0032]
  The goldOptical element molded using a moldCan get.
[0033]
  The lightLaser scanning optical system with optical elementsCan get.
[0034]
  SaidIt ’s not equipped with laser scanning optics.MarkPrinting deviceCan get.
  In the following description, the polishing process may be abbreviated as a processing apparatus, a polishing apparatus as a processing apparatus, a polishing tool as a tool, and a polishing removal depth as a removal depth, as described above.
[0035]
【Example】
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the polishing apparatus includes a rotating tire shape, a spherical shape, or a polishing tool 1 having a part of those shapes, or a polishing tool 1 having a disk shape or a cylindrical shape, etc. It is fixed to the spindle 3 which also serves as the same. A predetermined load is applied to the linear motion slide 3 a by the load generating mechanism 5, and this load is transmitted to the polishing tool 1, and a load is generated between the polishing tool 1 and the workpiece surface of the workpiece 7.
[0036]
The load sensor 4 detects the generated load, and issues a command to the load generation mechanism 5 from a control unit (not shown) such as a personal computer so that the detected load becomes a predetermined value. Reference numeral 8 denotes a three-axis linear motion table, whereby the workpiece 7 is movable in three directions of the X axis, the Y axis, and the Z axis. Further, the workpiece 7 is moved by the movement of the first rotation axis (not shown) parallel to the X axis and by the movement of the second rotation axis (not shown) parallel to the Y axis (direction perpendicular to the paper surface). So-called normal control is possible, in which the normal line of the surface to be processed coincides with the direction of load applied by the polishing tool 1. Further, a sensor (not shown) for detecting a tangential force is provided in the spindle 3. Reference numeral 2 denotes a tool axis along the horizontal direction (direction perpendicular to the paper surface), and reference numeral 6 denotes a column.
[0037]
As shown in FIG. 2, there is an error (deviation) between the processed surface shape of the workpiece 7 before polishing and the desired design shape. The shape of the surface to be processed is obtained by measurement. Then, the removal amount or removal depth at each processing point is determined from this error. Before processing the surface to be processed, it is necessary to grasp the relationship between the removal amount or the removal depth and the processing conditions by processing the same material as the surface to be processed.
[0038]
For this relationship, the previous Preston rule of thumb
δ = k × P × V × t
It has been known. In the present invention, δ may be considered as a removal depth and P may be considered as a load. That is, here, k which is a proportionality constant is obtained. In general, the proportional constant k is a constant determined by the material of the workpiece and the tool.
[0039]
Next, a processing experiment by the polishing apparatus will be described.
Example 1
Using the processing apparatus shown in FIG. 1, martensitic stainless steel was used as a dummy workpiece and the flat surface was polished. As a result, it was confirmed that Preston's rule of thumb was established from the relationship between the removal depth obtained by changing the machining conditions and the machining conditions. In this case, the proportionality constant k is 0.96 × 10^-9Also, the ratio of tangential force to load (force / load in tangential direction) was calculated from the load generated in this processing and the tangential force. The result is shown in FIG. Here, the horizontal axis is the residence time (unit: sec / mm), the left vertical axis is the ratio of tangential force and load, and the right vertical axis is the removal depth (unit: nm).
[0040]
As shown in FIG. 3, the removal depth (marked by □) increases proportionally with increasing residence time. In contrast, the force-to-load ratio (marked by ♦) in the tangential direction increases proportionally as the residence time is short, but decreases when the residence time is 1 sec / mm or more. From this result, the residence time was regularly used up to 1 sec / mm. Further, the condition in which the removal depth becomes shallower than the machining condition in which the ratio of the force in the tangential direction to the load has an inflection point is commonly used (Claim 5).
[0041]
The machining mode is different before and after the machining condition where the ratio of tangential force and load (coefficient of friction) has an inflection point, and the removal depth becomes deeper than that, that is, dwell time, load and tool circumference. Under conditions where the speed (peripheral speed of the polishing tool) is high, there is a high possibility of reduction in processing accuracy, such as generation of scratches (scratches) and reduction in accuracy of removal depth. However, this is a result at a load of 2 N and a tool peripheral speed of 130 mm / sec, and it is necessary to create a database including the results when the load and the tool peripheral speed are changed. In the normal range of the machining conditions determined from the above, the relationship between the tangential force / load ratio and the removal depth was obtained by machining experiments, and the result of FIG. 4 was obtained.
[0042]
Next, the martensitic stainless steel whose desired removal depth was determined at each processing point was polished. Here, the desired removal depth corresponds to an error between the desired design shape and the shape measurement result before polishing of the work surface as shown in FIG. The load generated during machining and the tangential force were sensed, a low-pass filter for cutting a frequency higher than the tool rotation frequency was applied, and the ratio of the tangential force and load was calculated from the value.
[0043]
Here, since the tool rotation speed is 100 rpm, the frequency of tool rotation is 1.67 Hz. Therefore, the frequency exceeding 1.67 Hz was cut. The target removal depth at a certain processing point Pa (not shown) is 150 nm, but the ratio of tangential force and load during processing is about 0.22, and the ratio of tangential force and load and removal depth. (See FIG. 4), the removal depth is estimated to be about 130 nm. The load here is 2N, the tool peripheral speed is 130 mm / sec, and the dwell time is 0.6 sec / mm.
[0044]
When the removal depth is 130 nm, the proportionality constant k is 0.83 × 10^-9Therefore, in order to set the removal depth to 150 nm, from the Preston rule of thumb, it is necessary to set the residence time to 0.7 sec / mm when the load and the tool peripheral speed are constant. Therefore, the proportionality constant k is 0.83 × 10^-9The residence time was set as At this time, the ratio of tangential force and load was 0.227. Thereafter, the dwell time was determined by correcting the proportional constant k in order to obtain a desired removal depth by using the relationship between the removal ratio and the ratio of tangential force and load. By doing in this way, the highly accurate processed surface where a wave | undulation error is 40 nmPV was obtained. Thus, in this example, it was possible to carry out accurate surface polishing according to the processing conditions in the normal range obtained in advance.
[0045]
Example 2
Using the processing apparatus shown in FIG. 1, martensitic stainless steel was used as a dummy workpiece and the flat surface thereof was polished.
First, truing was performed before polishing. In addition, truing is the shape of the grindstone for the purpose of reducing clogging of the grindstone or deviation from shape tolerance caused by the wobbling or abrasion of the grindstone working surface of the grindstone attached to the processing machine with respect to the grindstone rotating shaft. It is also called “reshape” by modifying the surface condition. As shown in FIG. 5, a cylindrical diamond truer was used as the truer 11 for the cylindrical polishing tool 1. The truer 11 is a brake truer that rotates with the rotation of the polishing tool 1 but has resistance on the rotary shaft 12. The target load at the time of polishing was set to 2N, and the actual load was sensed and feedback was applied so as to maintain 2N. In parallel with this, the tangential force was sensed, and the ratio of the tangential force and the load was calculated.
[0046]
As shown in FIG. 6, the ratio of tangential force and load (friction coefficient) decreased with the passage of truing time. The truing was finished when the friction coefficient after 15 minutes became constant. Due to truing, the rotational runout of the tool 1 was 0.5 μm or less, and the chips and abrasive grains adhering to the tool surface were sufficiently removed by the previous polishing. Next, the dummy workpiece was polished. From the relationship between the removal depth obtained by changing the machining conditions and the machining conditions, it was confirmed that Preston's rule of thumb was established. Further, the ratio of the tangential force and the load was calculated from the load generated during the processing and the tangential force. The result is shown in FIG.
[0047]
As can be seen in FIG. 3, the removal depth increases proportionally with increasing residence time. In contrast, the force-to-load ratio in the tangential direction increases proportionally as the residence time increases, but decreases when the residence time is 1 sec / mm or more. From this result, the residence time was regularly used up to 1 sec / mm. As described above, it is desirable to use the condition in which the removal depth is shallower than the machining condition in which the friction coefficient has an inflection point. The machining mode is different before and after the machining condition where the friction coefficient has an inflection point, and scratching is performed under conditions where the removal depth is deeper than that, that is, when the residence time, load, and tool peripheral speed are large. There is a high possibility that the processing accuracy will be reduced, such as the occurrence of slag and the accuracy of the removal depth. However, this is a result at a load of 2 N and a tool peripheral speed of 130 mm / sec, and it is necessary to create a database including the results when the load and the tool peripheral speed are changed. In the normal range of the machining conditions determined from the above, the relationship between the tangential force / load ratio and the removal depth shown in FIG. 4 was obtained by machining experiments.
[0048]
Next, the martensitic stainless steel whose desired removal depth was determined at each work point was polished. Here, the desired removal depth is a sensing of the load and tangential force generated during machining, which is an error between the desired design shape and the shape measurement result before polishing of the work surface as shown in FIG. Then, the ratio of the force and load in the tangential direction was calculated from those values obtained by applying a low-pass filter for cutting a frequency higher than the frequency of the tool rotation. Here, since the tool rotation speed is 200 rpm, the frequency of the tool rotation is 3.33 Hz. Therefore, the frequency exceeding 3.33 Hz was cut. The targeted removal depth at a certain point Pb is 100 nm, but the ratio of tangential force and load during machining is 0.21, and the relationship between the tangential force and load ratio and removal depth. Therefore, the removal depth is estimated to be 90 nm, the load here is 2 N, the tool peripheral speed is 250 mm / sec, and the residence time is 0.5 sec / mm.
[0049]
When the load was gradually increased, the ratio of tangential force to load was 0.213, and according to FIG. 4, the tangential force to load ratio corresponding to a removal depth of 100 nm was obtained. Thereafter, similarly, a processing condition for obtaining a desired removal depth was determined by utilizing the relationship between the removal ratio and the ratio of tangential force and load. In this way, a highly accurate machined surface with a waviness error of 45 nm PV or less was obtained. The processing conditions in this example were within the range of the normal range obtained in advance.
[0050]
Example 3
FIG. 7 shows a long optical element molding die 21. The work surface 22 is subjected to electroless nickel plating. Processing is performed with a tool path 23 (a tool path is also called a tool path, which is a path drawn by a specific point of a cutting tool) as shown in the figure. The work surface 22 of the mold 21 is a free-form surface, and the radius of curvature changes depending on the position of the work surface 22. As shown in FIG. 2, the target removal depth at each processing point is obtained from an error between a desired design shape and a shape measurement result before polishing of the processing surface.
[0051]
Before the mold 21 was processed, the polishing tool 1 was set in the truing apparatus shown in FIG. As shown in this figure, the polishing tool 1 has a shape formed from a part of a sphere and is a tool having a hole. The truer 31 has a mortar shape, and diamond is electrodeposited on the surface of the mortar. The polishing tool 1 was held in a state where a predetermined cut was given to the truer 31, that is, for example, 15 μm was cut and held in that state to advance truing. During truing, a force acting in the direction perpendicular to the tool 1 was sensed, and truing was terminated when the force became constant. In this embodiment, the change in force as shown in FIG. 9 is shown, and the truing is finished when the force becomes a constant value of 0.5N.
[0052]
Next, before processing the mold 21, a planar dummy work made of the same material as that of the mold was polished. This is called pre-processing, and the pre-processing was terminated when the polishing distance, that is, the length of the true path became 7000 mm. FIG. 10 shows the change of the removal depth with respect to the polishing distance at this time. The removal depth is constant at 450 nm at the polishing distance of about 7000 mm. In such a constant state, the variation in the removal depth is suppressed to a small level. The polishing distance of 7000 mm is an experimentally obtained number, and the removal depth becomes stable when pre-processing of 7000 mm or more is performed.
[0053]
Next, the mold was processed. The load generated during machining and the tangential force were sensed, and after applying a low-pass filter for cutting a frequency higher than the frequency of tool rotation, the ratio between the tangential force and the load was calculated. Here, since the tool rotation speed is 150 rpm, the frequency of the tool rotation is 2.5 Hz. Therefore, the frequency exceeding 2.5 Hz was cut. For example, the targeted removal depth at a certain processing point Pc is 350 nm, but the ratio of tangential force and load during processing is 0.21, and the tangential force and load ratio and removal shown in FIG. From the relationship with depth, the removal depth is estimated to be 340 nm. Here, the load is 3N, the tool peripheral speed is 180 mm / sec, and the residence time is 0.5 sec / mm. If the removal depth is 340 nm, the proportionality constant k is 1.26 × 10^-9Therefore, in order to set the removal depth to 350 nm, from the Preston rule of thumb, when the load and the tool peripheral speed are constant, the residence time needs to be 0.515 sec / mm.
[0054]
Therefore, the proportionality constant k is 1.26 × 10^-9The residence time was set as At this time, the ratio of tangential force and load was 0.215. Thereafter, the dwell time was determined by correcting the proportional constant k in order to obtain a desired removal depth by using the relationship between the removal ratio and the ratio of tangential force and load. By doing in this way, the highly accurate processed surface with a waviness error of 30 nmPV or less was obtained. Thus, in this example, it was possible to carry out the machining according to the machining conditions in the normal range obtained in advance. When plastic molding was performed using this mold, a highly accurate optical element having a swell error of 32 nm PV or less was obtained.
[0055]
Example 4
Truing was performed by setting a grindstone on the truing apparatus shown in FIG. As shown in this figure, the polishing tool has a shape formed from a part of a sphere. The truer has a mortar shape, and diamond is electrodeposited on the surface of the mortar. The grindstone was given a predetermined cut to the truer and held in that state, that is, for example, 20 μm was cut and held in that state to advance truing. During truing, the force acting in the direction perpendicular to the tool was sensed, and truing was terminated when the force became constant. In this example, the truing was finished when the force reached a constant value of 0.2N. Since this truing is also used to sharpen the grindstone, dressing is also performed at the same time. In general, dressing can be ground with a grindstone after truing or with a grindstone with reduced grinding ability by removing only the binding material without damaging the abrasive grains, and protruding the grain cutting blade necessary for processing. It refers to the process of obtaining a grinding wheel.
[0056]
Next, a desired removal depth was determined at each processing point, and martensitic stainless steel was processed. Here, the desired removal depth is an error between the desired design shape and the shape measurement result before processing the processed surface as shown in FIG. The load generated during machining and the tangential force were sensed, and the ratio of the tangential force and the load was calculated from these values. The target removal depth at a certain processing point Pd is 400 nm, but the ratio of tangential force and load during processing is 0.23. From the relationship between the tangential force and load ratio and the removal depth, The removal depth is estimated to be 430 nm. The load here is 2 N, the tool peripheral speed is 750 mm / sec, and the residence time is 0.7 sec / mm.
[0057]
When the tool peripheral speed, that is, the tool rotation speed is gradually decreased, the ratio of the tangential force and load becomes 0.225. According to FIG. 11, the ratio of the tangential force and load corresponding to a removal depth of 400 nm is obtained. became. Thereafter, similarly, a processing condition for obtaining a desired removal depth was determined using the relationship between the tangential force / load ratio and the removal depth. By doing in this way, the to-be-processed surface with a highly accurate wave | undulation error of 43 nmPV or less was obtained. As described above, in this example, the processing was performed under the processing conditions in the normal range obtained in advance.
[0058]
Example 5
FIG. 7 shows a long optical element molding die. The work surface of the mold is plated with electroless nickel and is processed with a tool path as shown. The surface to be processed is a free-form surface, and the radius of curvature changes depending on the position of the surface to be processed. The target removal depth at each processing point was obtained from the error between the desired design shape and the shape measurement result before polishing of the processing surface, as shown in FIG. Here, the first wavelength component is extracted from the mold shape, and the second wavelength component is extracted from the optical element to which the mold shape is transferred, so that the first and second wavelength components are canceled out. Machining was performed using the feedback system.
[0059]
FIG. 12 is a flowchart of this feedback system, which explains the process of improving the main scanning shape of the molded product. In FIG. 7, the main scanning is the mold width direction (vertical direction in FIG. 7), and the laser beam is scanned in this direction.
[0060]
In FIG. 12, the first molded product is manufactured in steps S1 and S2. In step S3, the shape of the molded product is measured. The shape measurement (step S3) is performed at three positions in the main scanning direction. Here, the main scanning direction is expressed by the X coordinate, and the sub scanning direction is expressed by the Y coordinate. Also, let the height direction be Z. Data sampling is performed at 0.05 mm intervals in the X direction pitch. Each measurement trajectory has an interval of 1 mm in the sub-scanning direction orthogonal to the main scanning direction. This is because it has been confirmed that an error component generated in common among the shape errors in the main scanning direction has the greatest influence on the condensing characteristics of the scanning lens. In this way, the average of the three data is taken and the following procedure is advanced.
[0061]
In step S4, an approximate curve is obtained for the data acquired in step S3. The order of the approximate curve is about the same as the design formula (4 to 20th order). Here, the following quaternary expression was used as an approximate expression.
Jm (x) = a + bx + cx² + Dx^Three + Ex^Four
[0062]
In step S5, an error Em (x) in the main scanning direction is obtained. In step S6, a comparison with a main scanning shape tolerance which is an allowable value (determination of main scanning shape accuracy) is performed. If the accuracy is not satisfied here (NO in step S6), in step S11, the mold correction amount Zem is calculated by taking into account the influence of molding shrinkage by the conversion formula shown here.
[0063]
Next, the swell component will be described. In steps S7, S8, and S9, mold shape data acquisition and polynomial approximation Jm (x) are performed. When the swell component is extracted in step S8 and the accuracy of the swell component is determined in step S10, the wavelength of the swell component of the metal piece becomes longer by the amount of molding shrinkage, but the shrinkage is reduced under the molding conditions of the lens (optical element). It is about 1% and can be treated as having no effect in these steps. Therefore, even when “NO” in step S10 ([waviness component 2] ≦ main scanning waviness tolerance), the waviness component obtained in step S12 can be used as it is as the mold correction amount Zum.
[0064]
[Waviness component 1] corresponds to the value obtained by subtracting Jm (x) from the measurement data as expressed in the step S8. In this case, since the component having the wavelength of 1 to 6 mm in the shape error is the undulation component, the band pass filter processing is performed in this band in step S9 to obtain [undulation component 2]. In step S10, [swelling component 2] is compared with the tolerance, and when the target accuracy is not reached ("NO" in step S10), the process proceeds to step S12, and [swelling component 2] is converted into the mold correction amount Zum. Further, in order to obtain the total mold correction amount Zm (x), the process proceeds to step S13, and the sum of the correction amount Zem (x) from the long wavelength component and the correction amount Zum (x) from the swell component is calculated as Zm (x ). Here, Zm (x, y) is obtained on the assumption that Zm (x) is a component that does not vary in the Y direction. This becomes a correction amount, and the removal depth at each workpiece point is determined.
[0065]
Before machining the mold, the polishing tool 1 was set in the truing apparatus shown in FIG. As shown in the figure, the polishing tool 1 is a porous tool having a shape formed from a part of a sphere. The truer 31 has a mortar shape, and diamond is electrodeposited on the surface of the mortar. The polishing tool 1 was given a predetermined cut to the truer 31 and held in that state, for example, 30 μm was cut and held in that state to advance truing. The force acting in the direction perpendicular to the tool was sensed during truing, and truing was terminated when the force became constant. In this embodiment, the change in force as shown in FIG. 9 is shown, and the truing is finished when the force becomes constant at 0.5N.
[0066]
Next, a planar dummy work made of the same material as the mold was polished before the mold was processed. This is called pre-processing, and the pre-processing was finished when the polishing distance, that is, the length of the tool path reached 9000 mm. FIG. 13 shows the change in the ratio of tangential force and load at this time, and is constant at about 9000 mm. Thus, when it was judged that the ratio of the force in the tangential direction and the load became constant, the pre-processing was finished.
[0067]
Next, the mold was processed. The load and tangential force generated during machining were sensed, and the ratio of the tangential force and load was calculated from those values applied with a low-pass filter for cutting frequencies higher than the tool rotation frequency. Here, since the tool rotation speed is 100 rpm, the frequency of tool rotation is 1.67 Hz. Therefore, the frequency exceeding 1.67 Hz was cut. For example. The target removal depth at a certain processing point Pe is 400 nm, but the ratio of tangential force and load during processing is 0.23, and the tangential force and load ratio and removal depth shown in FIG. From this relationship, the removal depth is estimated to be 430 nm. Here, the load is 3 N, the tool peripheral speed is 110 mm / sec, and the residence time is 0.3 sec / mm. If the removal depth is 430 mm, the proportionality constant k is 4.34 × 10.^-9Therefore, in order to set the removal depth to 400 nm, from the Preston rule of thumb, when the load and the tool peripheral speed are constant, the residence time needs to be 0.279 sec / mm. That is, the proportionality constant k is set to 4.34 × 10.^-9The residence time was set as
[0068]
At this time, the ratio of tangential force and load was 0.225. Thereafter, similarly, the relationship between the tangential force / load ratio and the removal depth was utilized to determine the residence time by correcting the proportionality constant k in order to obtain a desired removal depth. By doing in this way, the highly accurate processed surface with a waviness error of 25 nmPV or less was obtained. Thus, in this example, it was possible to carry out machining according to machining conditions in the normal range obtained in advance.
[0069]
When plastic molding was performed using this mold, a highly accurate optical element having a swell error of 27 nm PV or less was obtained. Then, when a printer equipped with a laser scanning optical system using this optical element was manufactured, a 1200 dpi high-definition image could be obtained.
[0070]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention provides the following effects.
(1) Effect of the invention of claim 1
It is possible to sense the load and the tangential force generated by the machining during polishing, calculate the ratio of the tangential force and load from the sensed value, and remove and remove the tangential force and load ratio From the relationship with the depth, it is possible to determine the processing conditions so that the ratio of the tangential force and load corresponding to the desired removal depth is obtained. In addition, control for realizing the determined machining conditions is possible.
[0071]
(2) Effect of the invention of claim 2
The removal depth that is difficult to sense during machining can be estimated from the ratio of tangential force and load that can be sensed during polishing, and the machining conditions are corrected when the removal depth differs from the desired removal depth. Thus, a desired removal depth can be obtained at the processing point. That is, highly accurate processing is possible. Thus, since highly accurate processing can be realized, it is not necessary to repeat the steps of shape measurement → polishing → shape measurement, and polishing finish can be performed by performing the processing once. Further, since the process is not repeated, a highly accurate processed surface can be obtained in a short time, and a waviness accuracy of several tens of nanometers or less can be obtained as the processed surface.
[0072]
(3) Effect of the invention of claim 3
From the ratio of tangential force and load that can be sensed during polishing, the removal depth that is difficult to sense during machining can be estimated, and when the removal depth differs from the desired removal depth, the estimated removal The proportional constant of Preston's rule of thumb can be corrected from the depth and processing conditions. By determining the machining conditions for obtaining the desired removal depth based on the corrected proportionality constant, it is possible to obtain the desired removal depth at the machining point, and to obtain a highly accurate machining surface. It becomes.
[0073]
(4) Effect of the invention of claim 4
Since the polishing apparatus is a condition that can be controlled with high accuracy, the removal depth can be easily changed, and high-accuracy processing can be realized. Here, the dwell time may be replaced with the reciprocal of the feed rate, the tool peripheral speed may be replaced with the tool rotation speed, and the load may be replaced with the pressure, thereby obtaining the same effect.
[0074]
(5) Effect of the invention of claim 5
In the processing conditions where the removal depth is deeper than the conditions in which the relationship between the tangential force and load ratio and the polishing processing conditions change abruptly, the processing mode is different from the previous one, Since the surface is scratched or the relationship between the tangential force / load ratio and the removal depth is broken, the removal depth accuracy is broken. By not selecting the machining conditions in this region, it becomes possible to prevent the occurrence of scratches on the surface to be machined and the reduction in the removal accuracy, thereby realizing high-precision machining.
[0075]
(6) Effect of the invention of claim 6
After truing and dressing, before entering the actual polishing process, it is possible to obtain a tool state that suppresses changes in removal depth, that is, changes in Preston's proportionality constant k, and reduces machining conditions and proportionality constant k as much as possible. Therefore, it is possible to prevent an overload from being applied to the calculation and control of the machining apparatus. Therefore, processing with high removal depth accuracy can be realized.
[0076]
(7) Effect of the invention of claim 7
Ending pre-machining when the ratio of tangential force and load is constant means that the removal depth is constant during the machining, which means that the tool has become stable. Can be determined during the processing, and the pre-processing can be surely terminated.
[0077]
(8) Effects of the inventions of claims 8 and 9
In truing and dressing under load control, and in truing and dressing performed with a constant depth of cut, sensing the ratio of tangential force and load, and the generated force, the rotational runout and sharpening of the tool The state (abrasive state of abrasive grains) and the state of adhesion of abrasive grains and chips adhering to the previous processing can be judged, and sufficient and appropriate truing and dressing are possible, which leads to processing with high accuracy and good reproducibility. .
[0078]
(9) Effect of the invention of claim 10
The sensed load and force contain high-frequency components, and components that accompany tool rotation. This high-frequency component does not necessarily have a correlation with the removal depth, so by cutting this component as noise, a more accurate removal depth can be estimated from the calculated tangential force-load ratio. This makes it possible to obtain high removal depth accuracy.
[0079]
  SettingA desired function can be realized by obtaining a polished workpiece from which an error with respect to the meter shape is removed.
[0080]
  SettingBy obtaining an optical molding die from which an error with respect to the meter shape is removed, a high-performance optical element can be molded.
[0081]
  SpecialBy extracting a fixed wavelength component and correcting the mold, it is possible to improve the optical characteristics of the optical element without waste, and since the correction items are narrowed down, higher performance can be realized. A high-performance optical element can be molded by obtaining an optical element molding die from which an error with respect to the design shape is removed by such processing.
[0082]
  HighBy obtaining a high-performance optical element, a high-performance laser scanning optical system can be configured.
[0083]
  HighBy obtaining a high-performance laser scanning optical system, a high-performance print processing apparatus can be configured.
[0084]
  HighBy configuring a high-performance print processing apparatus, a high-definition image quality of 1200 dpi or higher can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic front view of a polishing apparatus according to each embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an error (deviation) between a desired design shape and a shape measurement result before polishing of a work surface.
FIG. 3 relates to the first and second embodiments of the present invention, and (1) the change state of the ratio of tangential force and load (tangential force / load) generated during the polishing process with respect to the residence time; (2) It is a graph which shows the change condition of the removal depth of the to-be-processed surface with respect to residence time.
FIG. 4 is a graph related to Examples 1 and 2 of the present invention, showing the relationship between the ratio of tangential force and load generated during polishing and the removal depth of the work surface.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a truing device according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 6 is a graph according to Example 2 and showing the relationship between the truing time and the ratio of the tangential force generated during polishing and the load.
FIG. 7 is a plan view of an optical element molding die according to Examples 3 and 5 of the present invention.
FIG. 8 is a schematic sectional view of a truing device according to third to fifth embodiments of the present invention.
FIG. 9 relates to a truing result (sensing result) by the truing device of FIG. 8, and is a graph showing a relationship between a truing time and a force acting in a direction perpendicular to the polishing tool during truing.
FIG. 10 relates to Example 3 and is a graph showing the relationship between the polishing distance during pre-processing and the removal depth of the processing surface.
FIG. 11 is a graph related to Example 3 and showing the relationship between the ratio of the tangential force and load generated during polishing and the removal depth of the surface to be processed;
FIG. 12 is a flowchart showing an operation of the feedback system according to the fifth embodiment of the present invention.
FIG. 13 relates to Example 5 and is a graph showing the relationship between the polishing distance during pre-processing and the removal depth of the processed surface.
[Explanation of symbols]
1 Polishing tool
2 Tool axis
3 Spindle
3a Linear slide
4 Load sensor
5 Load generation mechanism
6 columns
7 Workpiece
8 3-axis linear motion table
11 Truer
12 Rotating shaft
21 Mold for optical element molding
22 Work surface
23 Toolpath
31 Truer

Claims

研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工装置において、
研磨加工中の荷重および、研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングするセンシング機構と、
前記接線方向の力と前記荷重の比を算出する演算機構と、
あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と、研磨除去深さとの関係から、所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定する演算機構と、
決定した研磨加工条件になるように当該研磨加工装置を制御する制御機構と、を有することを特徴とする研磨加工装置。In a polishing apparatus that performs a normal direction load on a work surface by pressing a polishing tool against the work surface,
A sensing mechanism that senses the load during polishing and the tangential force generated during polishing;
An arithmetic mechanism for calculating a ratio between the tangential force and the load;
Based on the relationship between the tangential force and load ratio, which has been experimentally determined in advance, and the polishing removal depth, the polishing process conditions are such that the desired tangential force and load ratio can be obtained to obtain the desired polishing removal depth. An arithmetic mechanism for determining
And a control mechanism that controls the polishing apparatus so as to satisfy the determined polishing conditions.

研磨工具を被加工面に圧接させ被加工面に対し法線方向の荷重を発生させて行う研磨加工方法において、
研磨加工中に荷重および研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、
該接線方向の力と荷重の比と、あらかじめ実験的に求めておいた接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係から、
所望の研磨除去深さが得られる接線方向の力と荷重の比になるように研磨加工条件を決定することを特徴とする研磨加工方法。In the polishing method that is performed by pressing the polishing tool against the processing surface and generating a load in the normal direction to the processing surface,
Sensing the load and the tangential force generated in the polishing process during polishing
From the relationship between the ratio of the force and load in the tangential direction and the ratio of the force and load in the tangential direction that has been experimentally obtained in advance and the polishing removal depth,
A polishing method characterized in that polishing processing conditions are determined so that a ratio of a tangential force and a load capable of obtaining a desired polishing removal depth is obtained.

ある状態における研磨除去深さと研磨加工条件との関係、すなわちプレストンの経験則の比例定数をあらかじめ実験的に得ておき、
前記研磨除去深さと研磨加工条件との関係から決定される研磨加工条件で加工するときに、センシングと演算で得られる接線方向の力と荷重の比と、前記接線方向の力と荷重の比と研磨除去深さとの関係とから、所望の研磨除去深さに対する研磨除去深さを推定し、
所望の設計形状に対する研磨加工前の被加工面の形状誤差から、前記プレストンの経験則の比例定数を補正して、所望の研磨除去深さが得られる研磨加工条件を決定することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。The relationship between the polishing removal depth in a certain state and the polishing process conditions, that is, experimentally obtaining in advance a proportional constant of Preston's rule of thumb,
When processing under polishing conditions determined from the relationship between the polishing removal depth and polishing conditions, the ratio of tangential force and load obtained by sensing and calculation, and the ratio of tangential force and load From the relationship with the polishing removal depth, the polishing removal depth with respect to the desired polishing removal depth is estimated,
A polishing process condition for obtaining a desired polishing removal depth is determined by correcting a proportionality constant of the Preston rule of thumb from a shape error of a surface to be processed before a polishing process with respect to a desired design shape. The polishing method according to claim 2.

滞留時間、工具周速、荷重の内の少なくとも一つを研磨加工条件とすることを特徴とする請求項２または３に記載の研磨加工方法。 4. The polishing method according to claim 2, wherein at least one of a residence time, a tool peripheral speed, and a load is set as a polishing condition.

研磨加工条件を変化させたときの、接線方向の力と荷重の比と研磨加工条件との関係を調べ、
この関係をグラフ化したときに変曲点を持つ研磨加工条件よりも、研磨除去深さが深くなる方の研磨加工条件を選択しないことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の研磨加工方法。Investigate the relationship between the ratio of tangential force and load and polishing conditions when changing the polishing conditions,
5. The polishing process condition according to claim 1, wherein the polishing process condition having a deeper polishing removal depth is not selected than the polishing process condition having an inflection point when this relationship is graphed. Polishing method.

所定のプレ研磨加工をダミーワークに施した後、本加工を行うことを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の研磨加工方法。 The polishing method according to claim 2, wherein the main processing is performed after a predetermined pre-polishing processing is performed on the dummy workpiece.

プレ研磨加工中の荷重および、該研磨加工で発生する接線方向の力をセンシングし、これら接線方向の力と荷重の比が一定となったところでプレ研磨加工を終了することを特徴とする請求項６に記載の研磨加工方法。 The load during pre-polishing and the tangential force generated in the polishing are sensed, and the pre-polishing is terminated when the ratio of the tangential force and load becomes constant. 6. The polishing method according to 6.

前記研磨工具の加工面を、荷重制御を行いながらツルーイングおよびドレッシングするに際し、荷重と、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する接線方向の力とをセンシングし、
前記接線方向の力と荷重の比によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。When truing and dressing the processing surface of the polishing tool while controlling the load, sensing the load and the tangential force generated by the truing and dressing,
3. The polishing method according to claim 2, wherein the end of truing or dressing is determined based on a ratio of the tangential force and load.

前記研磨工具の加工面に定寸の切込みを与えてツルーイングおよびドレッシングを行うに際し、ツルーイングおよびドレッシングによって発生する力をセンシングし、
このセンシングした力によって、ツルーイングまたはドレッシングの終了を判断することを特徴とする請求項２に記載の研磨加工方法。When performing truing and dressing by giving a fixed size cut to the processing surface of the polishing tool, sensing the force generated by truing and dressing,
The polishing method according to claim 2, wherein the end of truing or dressing is determined based on the sensed force.

請求項１に記載の研磨加工装置を使用し、請求項２または３に記載の方法で研磨加工するに際し、
研磨加工中の荷重および該研磨加工で発生する接線方向の力に関して得たセンシングデータに対して、工具回転の周波数より高い周波数をカットするためのローパスフィルターをかけてから、
前記演算機構により演算処理することを特徴とする研磨加工方法。When using the polishing apparatus according to claim 1 and polishing with the method according to claim 2 or 3,
For the sensing data obtained regarding the load during polishing and the tangential force generated in the polishing process, after applying a low-pass filter to cut the frequency higher than the frequency of the tool rotation,
A polishing method characterized by performing arithmetic processing by the arithmetic mechanism.