JPH04244373A - 研磨方法及び研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レンズ、反射ミラー等
の光学素子、結晶等の材料、その他種種の物体の研磨方
法及びその方法を行なう研磨装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レンズ、ミラー等の製造の最終工程で行
なわれる研磨加工は、基本的には前加工の形状精度を崩
さずに、面粗さを小さくすることを目的としたものであ
る。これを実現するためには、加工面のどの位置におい
ても加工力、すなわち、加工中に工具が受ける力を一定
に保って加工むらをなくすことが重要になる。平面や球
面の場合は、平面や球面の研磨板を用い、相対的な運動
を加えることによって、上述の定圧研磨を容易に実現す
ることができる。

【０００３】一方、近年、光学応用機器においては、レ
ンズの性能向上や光学系の最適化の観点から非球面の光
学部品が使われる傾向にある。非球面の光学部品では、
場所によって曲率半径が異なるので、前述の研磨板を用
いた加工を行なうことはできない。そこで、例えば昭和
６１年度精密工学会春季大会学術講演会論文集、　　第
５９１頁に開示しているように、回転する小型の研磨工
具を取り付けたモーターをバネで保持し、この工具の位
置を非球面の形状に沿って数値制御する方法が行われて
いる。この時、被加工物の光学部品は回転テーブル上に
固定され一定速度で回転している。このような構成にす
れば、研磨工具と被加工物の相対位置関係が、機械的外
乱（数値制御の誤差、機械振動、チャックの不完全等）
によって加工中に変化した場合でも、バネの変形によっ
て追従し、ほぼ一定の力で加工できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の定圧研
磨法には二つの大きな問題があった。一つは、完全に一
定の加工力で研磨加工を実現できない点である。例えば
、今モーター保持用に用いているバネのバネ定数をＫ、
加工時の釣合いの位置をＸ１とすると、加工力Ｐ１は、

【数１】Ｐ１＝ＫＸ１　　　　　　　　　　　　　　　
　　　（１）となる。

【０００５】ここで工具と、被加工物の相対位置関係が
加工中にδ変動した場合を考える。この時加工力Ｐ２は
、

【数２】Ｐ２＝Ｋ（Ｘ１＋δ）　　　　　　　　　　（
２）となる。従って、加工力の変動量ΔＰは、

【数３】
ΔＰ＝Ｋδ　　　　　　　　　　　　　　　　　　（３
）となる。変動量δ及びバネ定数Ｋが小さな場合は、Δ
Ｐが小さくなるが、高精度の研磨加工を行なう場合には
わずかな加工力の変動も抑える必要がある。

【０００６】また、もう一つの問題は、モーターをバネ
で保持するような構成では、相対位置の変動に対する応
答周波数を大きくすることが困難な点である。例えば、
今モーターの重さＭが１００ｇ、バネ定数Ｋが１Ｋｇ／
ｍｍのバネ、質量系を考えると、その共振周波数ｆは、

【数４】 で求められ、その値は、約１００Ｈｚとなる。

【０００７】この共振周波数より十分小さい領域での追
従は可能である。しかし、工具や被加工物の回転数や外
乱振動の周波数によっては、系が共振し加工ができなく
なる可能性がある。すなわち、共振周波数は、加工に関
わる現象よりもはるかに高い値に設定し、安定な研磨加
工を実現する必要がある。上記応答周波数はこの共振周
波数より大きくすることはできない。

【０００８】本発明の目的は、加工時の加工力の変動が
少なく、応答周波数の大きな研磨方法を提供することに
ある。本発明の他の目的は、加工時の加工力の変動が少
なく、応答周波数の大きな研磨装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、（１）研磨
工具を被研磨物に押し付け、被研磨物を研磨する研磨方
法において、研磨中に該研磨工具に加わる加工力を検出
し、検出された加工力が所望の値となるように、研磨工
具と被研磨物との相対的位置を制御して研磨することを
特徴とする研磨方法、（２）上記１記載の研磨方法にお
いて、上記所望の値は一定の値であることを特徴とする
研磨方法、（３）上記１記載の研磨方法において、上記
所望の値は被研磨物の研磨位置によって異なる値である
ことを特徴とする研磨方法、（４）上記１、２又は３記
載の研磨方法において、上記加工力の検出は、ピエゾ素
子の圧電効果を利用して行なうことを特徴とする研磨方
法によって達成される。

【００１０】上記他の目的は、（５）研磨工具と、該研
磨工具と被研磨物との位置を相対的に移動させる駆動手
段を有する研磨装置において、上記研磨工具に加わる加
工力の検出手段と、該加工力を制御するための上記研磨
工具の位置移動手段と、該検出手段によって検出された
値を予め設定された所望の値となるように、該位置移動
手段によって上記研磨工具の位置を制御する制御手段と
を有することを特徴とする研磨装置、（６）上記５記載
の研磨装置において、上記検出手段は、ピエゾ素子の圧
電効果を利用した検出手段であることを特徴とする研磨
装置、（７）上記５又は６記載の研磨装置において、上
記位置移動手段は、ピエゾ素子よりなることを特徴とす
る研磨装置、（８）上記５、６又は７記載の研磨装置に
おいて、上記検出手段と上記位置移動手段とが上記研磨
工具の回転軸に備えられたことを特徴とする研磨装置に
よって達成される。

【００１１】

【作用】本発明の研磨方法は、研磨中に研磨工具と被研
磨物との相対位置変動が置きた場合、検出手段で加工力
を検出し、これが予め定めた力に一致するように研磨工
具を制御して研磨するので、所望の加工力で研磨できる
。予め定めた力は、一定の力でも、研磨位置により変化
させた値でもよい。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。図１は、微小研磨工具を用いた数値制御研磨装置の
構成図である。微小の研磨工具４を一定速度で回転させ
ながら、チャック１１ａに固定された被加工物１０を研
磨する。研磨工具用モーター３は、後に詳しく述べるよ
うにピエゾ素子を介してＺ軸テーブル８上に保持されて
おり、Ｚ軸移動モーター９によってＺ方向へ移動可能で
ある。さらに、これらのＺ軸移動機構はＸ軸テーブル７
上に固定されており、Ｘ軸移動モーター６によって図中
Ｘ方向へも移動可能である。

【００１３】このような装置構成において、Ｘ軸テーブ
ル７の動きに対応して数値制御手段１６からＺ軸移動信
号を出し、Ｚ軸テーブルを動かすことによって研磨工具
４を被加工物に沿って移動させて研磨する。一方、被加
工物１０は、チャック１１ａを介してスピンドル１１に
固定されており、モーター１２によって定速で回転する
。

【００１４】本装置の特徴は、研磨工具用モーター３の
一端を力検出用ピエゾ素子１と力変動用ピエゾ素子２と
を介して、Ｚ軸テーブル８に保持している点にある。さ
らに研磨工具用モーター３の他端を軸受５を介してＺ軸
テーブル８に固定することによって、力変動用ピエゾ素
子２を伸縮させると、研磨工具４の位置を、軸受５を回
転中心として移動させることができるようになっている
。

【００１５】図２に、力検出用ピエゾ素子に加えた力ｆ
と、発生電圧Ｖとの関係を示す。ピエゾ素子は、力が加
わると圧電効果によって電圧を発生する性質がある。図
２に示すように、加わる力ｆと発生電圧Ｖとの間には線
形性があるので、逆に発生電圧を検出すれば、ピエゾ素
子に加わっている力を検出することができる。

【００１６】図３は、加工力の制御方法を示す構成図で
ある。加工力Ｆを力検出用ピエゾ素子１で検出し、この
時の発生電圧Ｖと、制御回路１３からの加工力指令電圧
Ｖ０とを比較して、差が０になるように、ピエゾ素子駆
動回路１４により力変動用ピエゾ素子２を変位させる。 なお、制御回路１３とピエゾ素子駆動回路１４は図１に
は図示していない。この結果、図１の数値制御研磨装置
において、加工力が変動した場合でも、加工力指令値を
一定にすれば、加工力を一定にするように制御すること
ができる。このように本実施例によれば、閉ループで加
工力を制御することができるので、従来のバネを用いた
定圧方式に比べて、高い精度で加工力を一定に保つこと
ができる。

【００１７】また、図４に示すように、研磨工具用モー
ター３の軸３ａに力検出用ピエゾ素子１と力変動用ピエ
ゾ素子２とを直列に接合し、研磨工具用モーター３を図
１に示したＺ軸テーブル８に直接取付ける構成にすれば
、可動部の質量を小さくすることができるので、式４か
ら明らかなように共振周波数を大きくすることができる
。すなわち、研磨工具用モーター軸に力検出用ピエゾ素
子１及び力変動用ピエゾ素子２を直列に接合し、研磨加
工中に加工力をスリップリング１５を通して電圧信号と
して取り出す。この電圧信号と、加工力指令電圧との差
が０になるように、駆動電圧をスリップリング１５を介
して力変動用ピエゾ素子２に伝達して研磨工具位置を動
かすことができる。

【００１８】図５は、図４に示した方式を用いて、発生
電圧の周波数特性を測定した結果である。約１０ＫＨｚ
までは、ゲインＧが平坦であること、また、約１５ＫＨ
ｚに共振周波数があることが分かる。図４の方式を用い
れば従来に比べて１０００倍程度高い周波数領域におい
ても加工力を制御することができる。

【００１９】また、本実施例の装置は、加工力指令値を
研磨位置によって積極的に変化させてそれに従って加工
力を変動させることができる。例えば、単結晶材料を切
削加工して非球面形状を形成する場合、場所によって加
工面粗さに不均一が生じる。このような素材を研磨する
場合、従来は下加工面の粗さの不均一を取り去れないと
いう問題があった。例えば、光導波路に用いられるニオ
ブ酸リチウム単結晶の場合、ダイヤモンド切削加工によ
る粗さの分布が生じることが知られている。旋盤で加工
した場合、粗さの悪い領域が常に特定の角度範囲で現れ
、これを平滑化することが、光導波路への応用の課題に
なっていた。一般に、面粗さの悪い場所は、大きな研磨
圧力で、また、面粗さの良い領域は、小さな研磨圧力で
加工すれば均一な加工面が得られる。しかし、このよう
に、研磨位置によって加工力を高精度で制御する手段は
これまでなかった。

【００２０】図１に示した数値制御研磨装置を用い、被
加工物の回転角度を検出して下地の表面粗さの悪い場所
と良い場所とで加工力が変化するように制御すれば、均
一な粗さの研磨加工が実現できる。上述のダイヤモンド
切削したニオブ酸リチウム単結晶の加工面は、結晶方向
によって表面粗さに差が生じている。図６は、ニオブ酸
リチウム単結晶の加工面の表面粗さと単結晶の回転角度
との関係を示す図である。図中実線で示すように、表面
粗さは、良い位置では０．０３ミクロンであるのに対し
て、悪い部分では０．３ミクロンである。光の導波路と
して用いる場合、表面での光の散乱を防ぐために、これ
を均一な表面粗さにする必要がある。

【００２１】図７は、ニオブ酸リチウム単結晶の加工の
方法を示す模式的構成図である。研磨加工中、基板の回
転角度に同期して制御回路１３中の加工力制御信号によ
って表面粗さの良いところは弱い力で、また悪いところ
は強い力で加工力を制御するものである。この結果、図
６の破線で示すように全面に渡って表面粗さ０．０５ミ
クロン以下の値が得られた。

【００２２】また本発明を用いれば、主にＸ線反射鏡と
して使われる軸外し放物面やトロイダル面のような非回
転対称のミラーについても均一なポリッシング加工が可
能になる。すなわち、非回転対称の形状では回転位置に
よって基板の高さが異なるわけであるが、本発明を用い
ればどの回転位置でも加工力を一定にできるので均一な
平滑面を実現できる。

【００２３】以上、ここでは回転する被加工物を微小研
磨工具で加工する例について述べたが、固定された被加
工物を３次元的に移動する微小研磨工具によって加工す
る場合についても本発明は適用できる。また、これまで
述べた連続的な加工ばかりでなく、工具を所定の位置に
間欠的に位置決めする非連続的な加工についても本発明
は適用できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、力を検出パラメータと
する閉ループ制御が実現できたので、高い精度の定圧加
工を行なうことができた。また、可動部の重量を小さく
することができたので応答周波数を従来法に比べ大きく
することができた。さらに、加工力を研磨位置により変
化させ、局部的に加工力を変化できるので、例えば、下
加工により粗さに方向性の生じた結晶材料等を一様に研
磨することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の数値制御研磨装置の構成図
である。

【図２】力検出用ピエゾ素子に加わる力と発生電圧の関
係図である。

【図３】本発明に用いられる加工力制御方法の一例を示
す構成図である。

【図４】本発明に用いられる加工力制御方法の他の例を
示す構成図である。

【図５】本発明の力検出用ピエゾ素子に力を加えたとき
の発生電圧の周波数特性図である。

【図６】本発明を説明するためのニオブ酸リチウム単結
晶加工面の粗さ分布図である。

【図７】本発明の一実施例を示すニオブ酸リチウム単結
晶加工時の装置の模式的構成図である。

【符号の説明】

１　　力検出用ピエゾ素子　　　　　　　　　　　　　
　２　　力変動用ピエゾ素子 ３　　研磨工具用モーター　　　　　　　　　　　　　
　３ａ　　軸４　　研磨工具　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　５　　軸受６　　Ｘ軸移動モ
ーター　　　　　　　　　　　　　　　　７　　Ｘ軸テ
ーブル ８　　Ｚ軸テーブル　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　９　　Ｚ軸移動モーター １０　　被加工物　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　１１　　スピンドル １１ａ　　チャック　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　１２　　モーター１３　　制御回路　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　１４　　ピエゾ素
子駆動回路 １５　　スリップリング　　　　　　　　　　　　　　
　　１６　　数値制御手段

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】研磨工具を被研磨物に押し付け、被研磨物
   を研磨する研磨方法において、研磨中に該研磨工具に加
   わる加工力を検出し、検出された加工力が所望の値とな
   るように、研磨工具と被研磨物との相対的位置を制御し
   て研磨することを特徴とする研磨方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の研磨方法において、上記所
   望の値は一定の値であることを特徴とする研磨方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の研磨方法において、上記所
   望の値は被研磨物の研磨位置によって異なる値であるこ
   とを特徴とする研磨方法。
4. 【請求項４】請求項１、２又は３記載の研磨方法におい
   て、上記加工力の検出は、ピエゾ素子の圧電効果を利用
   して行なうことを特徴とする研磨方法。
5. 【請求項５】研磨工具と、該研磨工具と被研磨物との位
   置を相対的に移動させる駆動手段を有する研磨装置にお
   いて、上記研磨工具に加わる加工力の検出手段と、該加
   工力を制御するための上記研磨工具の位置移動手段と、
   該検出手段によって検出された値を予め設定された所望
   の値となるように、該位置移動手段によって上記研磨工
   具の位置を制御する制御手段とを有することを特徴とす
   る研磨装置。
6. 【請求項６】請求項５記載の研磨装置において、上記検
   出手段は、ピエゾ素子の圧電効果を利用した検出手段で
   あることを特徴とする研磨装置。
7. 【請求項７】請求項５又は６記載の研磨装置において、
   上記位置移動手段は、ピエゾ素子よりなることを特徴と
   する研磨装置。
8. 【請求項８】請求項５、６又は７記載の研磨装置におい
   て、上記検出手段と上記位置移動手段とが上記研磨工具
   の回転軸に備えられたことを特徴とする研磨装置。