JPH05329762A - 曲面研磨方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 研磨工具の偏磨耗を抑えることによって、被
加工物の形状精度を向上させる 曲面研磨方法および装
置を提供することにある。 【構成】 被加工物１のどの曲率とも異なる球冠を有す
る研磨工具２を、工具回転モータ３２により第１の軸Ｌ
回りに回転させながら、圧縮コイルばね３３の付勢力に
より被加工物１の被加工面に押圧させる。それと同時に
研磨工具２を、工具揺動モータ４５により第１の軸Ｌと
交差し、かつ、研磨工具１の球冠の曲率中心を通る第２
の軸Ｍ回りに往復揺動させる。これにより研磨工具２の
球冠は被加工物１の被加工面にまんべんなく押圧され、
研磨工具２の偏磨耗が抑えられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学レンズの光学面や
金型のキャビティ面等、高精度な形状と面仕上げが必要
な被加工物の被加工面を部分的に研磨する曲面研磨方法
および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の曲面研磨方法としては、
球状体の研磨工具を回転させつつ被加工物の被加工面に
押圧し、研磨工具と被加工物とを相対的に走査して両者
を相互摺動する方法が知られている。またこのとき、研
磨工具の周速度が大きい方が研磨工具による除去量が大
きく効率的に研磨を行うことができるので、大きな周速
度を得るために研磨工具の回転軸を被加工面に対して傾
斜させ、研磨工具の回転中心とはできるだけ離れた部位
を使用して研磨を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
従来の曲面研磨方法では、研磨工具の、被加工物との押
圧部がほぼ一定であるため研磨工具は輪帯状に被加工物
に押圧され、研磨工具は輪帯状に偏磨耗しやすくなる。
そのため加工を重ねていくにつれて、研磨工具の被加工
物との押圧部の曲率半径が次第に大きくなってしまう。
研磨工具が偏磨耗してその摺動部の曲率が大きくなって
しまうと、研磨工具の被加工物との接触幅が大きくなっ
て研磨の必要がない部位までも研磨してしまうおそれが
あり、被加工物を所定の曲面に研磨することが難しいと
いう問題点があった。

【０００４】本発明の目的は、研磨工具の偏磨耗を抑え
ることによって、被加工物の形状精度を向上させる、曲
面研磨方法および装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の曲面研磨方法は、被加工物の被加工面のどの曲
率半径とも異なる曲率半径の球冠を有する研磨工具を用
い、前記研磨工具を前記研磨工具の球冠の曲率中心を通
る第１の軸回りに回転させつつ、前記研磨工具の球冠を
前記被加工物に押圧し、同時に前記研磨工具を、前記第
１の軸と交差し、かつ、前記研磨工具の球冠の曲率中心
を通る第２の軸回りに往復揺動させながら、前記研磨工
具と前記被加工物とを相対的に走査して相互摺動するこ
とを特徴とする。

【０００６】また、被加工面が凹面の場合に、研磨工具
の球冠の曲率半径を前記被加工面の最小曲率半径よりも
小さくしてもよいし、研磨工具の、被加工物との押圧部
における周速度が一定となるように、前記研磨工具の第
２の軸回りへの揺動角度に応じて前記研磨工具の回転数
を変化させてもよい。

【０００７】本発明の曲面研磨装置は、球冠を有する研
磨工具と、前記研磨工具を前記球冠の曲率中心を通る第
１の軸回りに回転させる回転手段とを有し、前記研磨工
具を回転させつつ前記球冠を前記被加工物に押圧し、同
時に前記研磨工具と前記被加工物とを相対的に走査させ
て両者を相互摺動させる曲面研磨装置において、前記回
転手段を、前記第１の軸と交差し、かつ前記球冠の曲率
中心を通る第２の軸回りに回転自在に支持する支持軸
と、前記支持軸を前記第２の軸回りに往復揺動させる揺
動手段とを有することを特徴とする。

【０００８】

【作用】上記の通り構成された請求項１に記載の発明で
は、研磨工具を、研磨工具の球冠の曲率中心を通る第１
の軸回りに回転させると同時に、前記曲率中心を通り、
かつ第１の軸と交差する第２の軸回りに往復揺動させる
ことで、研磨工具の回転により被加工物に押圧される研
磨工具の輪帯位置が連続的に変化し、研磨工具の球冠は
まんべんなく被加工物と相互摺動される。その結果、研
磨工具の球冠は均一に磨耗し、研磨工具の偏磨耗が抑え
られる。

【０００９】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１０】まず、本発明の曲面研磨装置の一実施例の
全体構成について説明する。

【００１１】図１に示すように、定盤５は枠体１３を介
して３つの除振ユニット３（１つは不図示）に載置され
ている。定盤５の下方には３つの耐震用ストッパ４（１
つは付図示）が配設され、定盤５の上面には、被加工物
１を走査するための公知のＸＹテーブル６が備えられて
いる。また、定盤５には、逆Ｌ字形の３本の研磨フレー
ム１１および六角取付板１６を介して、後述する工具姿
勢制御機構２０が支持されている。この工具姿勢制御機
構２０には研磨ヘッド３０が取り付けられ、研磨ヘッド
３０はＸＹテーブル６の上方に位置している。

【００１２】次に、ＸＹテーブル６、工具姿勢制御機構
２０および研磨ヘッド３０等の各部の詳細構造について
順次説明する。

【００１３】ＸＹテーブル６は図１に示すように、定盤
５に矢印Ｙ方向に往復移動自在に設けられたＹテーブル
７と、Ｙテーブル７に矢印Ｘ方向（矢印Ｙ方向に対して
垂直方向）に往復移動自在に設けられたＸテーブル９と
を有する。Ｙテーブル７にはボールナット（付図示）が
設けられており、このボールナットに螺合されたボール
ねじ軸１９ａには、定盤５に固定されたＹ軸モータ８の
出力軸が一体的に連結されている。一方、Ｘテーブル９
にもボールナット（付図示）が設けられており、このボ
ールナットに螺合されたボールねじ軸１９ｂには、Ｙテ
ーブル７に固定されたＸ軸モータ１０の出力軸がカップ
リングを介して一体的に連結されている。

【００１４】この構成を有するＸＹテーブル６は、Ｙ軸
モータ８を駆動させてボールねじ軸１９ａを正転、逆転
させることにより、Ｙテーブル７は定盤５に対して矢印
Ｙ方向に往復移動され、また、Ｘ軸モータ１０を駆動さ
せてボールねじ軸１９ｂを正転、逆転させることによ
り、Ｘテーブル９はＹテーブル７に対して矢印Ｘ方向に
往復移動され、被加工物１が所定位置に位置決めされ
る。

【００１５】Ｘテーブル９の上面には、加工台１２が回
転駆動手段（付図示）を介して装着されており、この回
転駆動手段により加工台１２が矢印Ｒ方向に正転、逆転
される構成となっている。また、加工台１２は、その上
面に被加工物１が取り付けられる構成となっているとと
もに、桶体１５を有している。この桶体１５は被加工物
１を取り囲み、内部に研磨液を受容できるように構成さ
れる。

【００１６】曲面研磨装置の上方部位に設けられた工具
姿勢制御機構２０は、図２に示すように三角取付板２１
を有し、この三角取付板２１の３つの角部は六角取付板
１６（図１参照）の開口部に嵌合して固定されている。
三角取付板２１には、その各辺とそれぞれ平行に３本の
軸２２（１本は不図示）が固着されており、各軸２２ご
とにそれぞれブロック２５が各軸回りに回動自在に取り
付けられている。各ブロック２５には、それぞれ各ブロ
ック２５を囲む枠体である研磨アーム２４が、公知のス
ライド手段を介して図示上下方向（矢印Ｚ方向）に往復
移動自在に取り付けられている。各研磨アーム２４に
は、それぞれ矢印Ｚ方向と平行なボールねじ軸３６が回
転自在に軸支されており、各ボールねじ軸３６は、それ
ぞれ各ブロック２５を挿通し、各ブロック２５の内部に
設けられたボールナット（不図示）に螺合している。ま
た、各ボールねじ軸３６の図示上端は、各研磨アーム２
４の図示上辺に取り付けられたモータ２７の出力軸に一
体的に連結されている。各研磨アーム２４の図示下辺に
はそれぞれユニバーサルジョイント２６が取り付けら
れ、これら各ユニバーサルジョイント２６を介して研磨
ヘッド取付板２３が連結されている。

【００１７】各研磨アーム２４は、各ボールねじ軸３６
が各モータ２７の駆動によりそれぞれ正転、逆転される
ことにより、各ブロック２５に対して矢印Ｚ方向に往復
移動される。例えば、各研磨アーム２４を同一距離だけ
同じ向きにそれぞれ移動させることにより、研磨ヘッド
取付板２３を同じ姿勢に保ったまま前記距離だけ移動さ
せることができ、また、各研磨アーム２４をそれぞれ異
なる距離だけ移動させることにより、研磨ヘッド２３を
どの方向にも自由に傾斜させることができる。すなわち
研磨ヘッド取付板２３に取り付けられた研磨ヘッド３０
は、工具姿勢制御機構２０により、被加工物１に対して
任意の向きに傾斜され、かつ、自在に上昇、下降され
る。

【００１８】次に、本発明の特徴である研磨ヘッド３０
の構造について図３および図４を参照して説明する。

【００１９】図３は、図１に示した曲面研磨装置の研磨
ヘッド周辺の一部を破断した正面図であり、図４は、図
１に示した曲面研磨装置の研磨ヘッドの周辺の一部を破
断した側面図である。図３および図４に示すように、上
述した工具姿勢制御機構２０（図２参照）の研磨ヘッド
取付板２３の研磨ヘッド取付孔２３ａには、一端に工具
揺動軸支持部材４１が固着されたボス４０が嵌め込まれ
て固定される。工具揺動軸支持部材４１は、水平方向に
延びる腕部と、鉛直方向下向きに延びて前記腕部の両端
にそれぞれ一体的に設けられた垂下部とを有する。各垂
下部の図示下端部には、それぞれ軸受４４を介して、支
持軸としてのＬ字形の工具揺動軸４３の一端部が回転自
在に軸支されており、各工具揺動軸４３の回転中心はと
もに第２の軸Ｍ上にある。また、各工具揺動軸４３の他
端には、それぞれ水平方向に延びて回転手段としての工
具回転モータ３２を支持する工具回転モータ支持部材４
２が固着されているとともに、各工具揺動軸４３のうち
一方の工具揺動軸４３の一端部には、減速機４６を介し
て揺動手段としての工具揺動モータ４５が連結されてい
る。

【００２０】工具回転モータ３２は、そのハウジングに
対して出力軸（不図示）が第２の軸Ｍと直交する第１の
軸Ｌ回りに回転されるとともに第１の軸Ｌ方向に移動自
在に設けられたものであり、工具回転モータ３２の出力
軸の一端には工具回転軸３１が一体的に連結されてい
る。工具回転軸３１の図示上端部にはその外周に沿って
つば３１ａが突設され、加工第２に被加工物１が取り付
けられていないときには、つば３１ａが工具回転モータ
３２の下端面に一体的に設けられたストッパ３７に当接
することにより、工具回転軸３１の落下を防止する。工
具回転軸３１の一端には、半球状の球冠を有する研磨工
具２が接着剤等により固着されている。この研磨工具２
はポリウレタン樹脂からなり真球度が１μｍ以内に形成
されている。研磨工具２の球冠の曲率中心は、工具回転
軸３１の回転中心すなわち第１の軸Ｌと、各工具揺動軸
４３の回転中心すなわち第２の軸Ｍとの交差点上に位置
する。また、研磨工具２の球冠の曲率半径は、被加工物
１の被加工面のどの曲率半径とも等しくない値である。

【００２１】一方、工具回転モータ３２の図示上端面に
は逆Ｌ字形の押え板３４が一体的に設けられるととも
に、工具回転モータ３２の出力軸上端面３２ａにはスラ
スト軸受３６を介してばね支持部材３５が設けられ、押
え板３４とばね支持部材３６との間に圧縮コイルばね３
３が挟持されている。工具回転モータ３２の出力軸は圧
縮コイルばね３３の付勢力により第１の軸Ｌ方向に沿っ
て下向きに付勢され、その結果、研磨工具２が被加工物
１の被加工面に押圧される。

【００２２】以上説明した構成に基づいて工具回転モー
タ３２を駆動させると、研磨工具２は第１の軸Ｌ回りに
回転され、また、工具揺動モータ４５を所定の周期で正
転、逆転させると、研磨工具２は第２の軸Ｍを中心とし
て、図４に示した矢印θ方向に往復揺動される。このと
き、研磨工具２の球冠の曲率中心が研磨工具２の回転の
中心および往復揺動の中心となるので、理論上は球冠の
曲率中心の位置は変化しない。

【００２３】ところが実際には、研磨工具２にはその回
転や揺動によって種々の振動が発生する。この振動のう
ち、研磨工具２の回転に起因する高周波の振動について
は、工具回転軸３１の振れを１μｍ以下に抑えてその振
幅を１μｍ以下に抑えることが望ましい。これは、研磨
工具２の回転に起因する振動の振幅が大きいと、研磨工
具２は圧縮コイルばね３３の付勢力に抗して被加工物１
からはじかれ、研磨工具２が被加工物１の被加工面の形
状に確実に追随しなくなるおそれがあるためである。一
方、研磨工具２の揺動に起因する低周波の振動について
は、これだけでは圧縮コイルばね３３の付勢力に抗する
力が研磨工具２には作用しないので研磨工具２の被加工
物１への追随性にはあまり影響を与えない。このため、
研磨工具２の球冠の曲率中心と第２の軸Ｍとの位置のず
れは１０μｍ以下として、研磨工具２の揺動に起因する
振動の振幅を１０μｍ以下に抑えておけばよい。

【００２４】次に、本実施例の曲面研磨装置の動作につ
いて説明する。

【００２５】まず、予め工具姿勢制御機構２０により研
磨ヘッド３０を上昇させて研磨工具２を被加工物１の被
加工面から離しておき、この状態で研磨工具２を回転さ
せる。研磨工具２の回転数は２００〜５０００ｒｐｍの
範囲であるが、通常の研磨では５００〜１０００ｒｐｍ
の範囲でよい。

【００２６】次に、工具姿勢制御機構２０により研磨ヘ
ッド３０を下降させ、これと同時に研磨工具２を往復揺
動させて、研磨工具２の球冠を被加工物１の被加工面に
押圧させる。研磨工具２の揺動角度は、図４に示したθ
が９０°以下となる範囲で任意に設定できる。また、研
磨工具２の揺動速度は、研磨加工中に研磨工具２が少な
くとも３往復できる速度の範囲でできるだけ遅い方がよ
く、具体的には１往復あたり１〜１０秒の周期となるよ
うな速度が好ましい。これは、研磨工具２の揺動速度が
速いと、研磨工具２がこの揺動により共振してしまうお
それがあり、研磨工具２による被加工物１の除去量が安
定しなくなってしまうためである。

【００２７】そして、上述したように研磨工具２の回転
および揺動を行いつつ、加工台１２を移動させて被加工
物１を走査し、被加工物１と研磨工具２とを相互摺動さ
せることで被加工物１の研磨を行う。このように、研磨
工具２を第１の軸Ｌ回りに回転させるとともに第２の軸
Ｍ回りに揺動させることで、研磨工具２の球冠の、被加
工物１に押圧される輪帯の位置が連続的に移動され、研
磨工具２の球冠は被加工物にまんべんなく押圧される。
その結果、研磨工具２が輪帯状に偏摩耗してその部位の
曲率半径が大きくなることがなく、被加工物１との接触
幅も一定に保たれるので、研磨加工を重ねても被加工物
１の研磨したい部位のみを確実に研磨することができ、
被加工物の形状精度を向上させることができる。

【００２８】本実施例では、研磨工具２を一定の回転数
で回転させて被加工物１の研磨を行うものの例について
示したが、研磨工具２の回転数が一定の場合、研磨工具
２の、被加工物１への押圧部（加工部）における周速度
が、研磨工具２の傾きによって変化する。研磨工具２の
加工部における周速度が変化すると、それに応じて被加
工物１の除去量も変化する。そこで研磨工具２の回転数
は、研磨工具２の、被加工物１への加工部における周速
度が一定となるように変化させてもよい。具体的には、
研磨工具２の球冠の曲率半径、揺動角度および回転数
を、それぞれｒ、θおよびＮとすると、研磨工具２の加
工部での周速度Ｖは、Ｖ＝Ｎπｒ・ｓｉｎθで表わされ
る。ここで周速度Ｖを一定としたとき、この式を変形し
てＮ＝Ｖ／（πｒ・ｓｉｎθ）を得ることにより、揺動
角度θに応じた回転数Ｎが求められ、この値に基づいて
研磨工具２の回転数Ｎを変化させればよい。

【００２９】このように、研磨工具２の加工部での周速
度が一定となるように研磨工具２の回転数を変化させる
ことで、研磨工具２の傾きによらずに研磨工具２による
被加工物１の除去量が一定となり、被加工物１の形状精
度をより向上させることができる。

【００３０】

【発明の効果】本発明は以上説明したとおり構成されて
いるので、以下に記載する効果を奏する。

【００３１】本発明の曲面研磨方法では、研磨工具を第
１の軸回りに回転させると同時に第２の軸回りに往復揺
動させることで、研磨工具の球冠は被加工物にまんべん
なく押圧されて均一に磨耗する。そのため、研磨工具の
偏磨耗により研磨工具の加工部における曲率半径が大き
くなって被加工物との接触幅も大きくなることがなくな
るので、研磨工具は被加工物の必要な部位のみを研磨す
ることができ、被加工物の形状精度を向上させることが
できる。

【００３２】また、研磨工具の、被加工物との押圧部に
おける周速度が一定となるように、研磨工具の第２の軸
回りへの揺動角度に応じて研磨工具の回転速度を変化さ
せることで、研磨工具による被加工物の除去量が一定と
なり、被加工物の形状精度をより向上させることができ
る。

【００３３】本発明の曲面研磨装置では、研磨工具を第
１の軸回りに回転させる回転手段を第２の軸回りに回転
自在に支持する支持軸と、支持軸を第２の軸回りに往復
揺動させる揺動手段とを有することで、研磨工具は第１
の軸回りに回転されるとともに第２の軸回りに往復揺動
されるので、本発明の曲面研磨方法を容易に実施するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の曲面研磨装置の一実施例の概略斜視図
である。

【図２】図１に示した曲面研磨装置の工具姿勢制御機構
の拡大斜視図である。

【図３】図１に示した曲面研磨装置の研磨ヘッド周辺の
一部を破断した正面図である。

【図４】図１に示した曲面研磨装置の研磨ヘッド周辺の
一部を破断した側面図である。

【符号の説明】

１ 被加工物 ３ 除振ユニット ４ 耐震用ストッパ ５ 定盤 ６ ＸＹテーブル ７ Ｙテーブル ８ Ｙ軸モータ ９ Ｘテーブル １０ Ｘ軸モータ １１ 研磨フレーム １２ 加工台 １３ 枠体 １５ 桶体 １６ 六角取付板 １９ａ、１９ｂ、２８ ボールねじ軸 ２０ 工具姿勢制御機構 ２１ 三角取付板 ２２ 軸 ２３ 研磨ヘッド取付板 ２４ 研磨アーム ２５ ブロック ２６ ユニバーサルジョイント ２７ モータ ３０ 研磨ヘッド ３１ 工具回転軸 ３１ａ つば ３２ 工具回転モータ ３２ａ 出力軸上端面 ３３ 圧縮コイルばね ３４ 押え板 ３５ ばね支持部材 ３６ スラスト軸受 ３７ ストッパ ４０ ボス ４１ 工具揺動軸支持部材 ４２ 工具回転モータ支持部材 ４３ 工具揺動軸 ４４ 軸受 ４５ 工具揺動モータ ４６ 減速機

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被加工物の被加工面のどの曲率半径とも
   異なる曲率半径の球冠を有する研磨工具を用い、 前記研磨工具を前記研磨工具の球冠の曲率中心を通る第
   １の軸回りに回転させつつ、前記研磨工具の球冠を前記
   被加工物に押圧し、 同時に前記研磨工具を、前記第１の軸と交差し、かつ、
   前記研磨工具の球冠の曲率中心を通る第２の軸回りに往
   復揺動させながら、前記研磨工具と前記被加工物とを相
   対的に走査して相互摺動することを特徴とする曲面研磨
   方法。
2. 【請求項２】 被加工面が凹面の場合に、研磨工具の球
   冠の曲率半径を前記被加工面の最小曲率半径よりも小さ
   くした請求項１に記載の曲面研磨方法。
3. 【請求項３】 研磨工具の、被加工物との押圧部におけ
   る周速度が一定となるように、前記研磨工具の第２の軸
   回りへの揺動角度に応じて前記研磨工具の回転数を変化
   させる請求項１または２に記載の曲面研磨方法。
4. 【請求項４】 球冠を有する研磨工具と、前記研磨工具
   を前記球冠の曲率中心を通る第１の軸回りに回転させる
   回転手段とを有し、前記研磨工具を回転させつつ前記球
   冠を前記被加工物に押圧し、同時に前記研磨工具と前記
   被加工物とを相対的に走査させて両者を相互摺動させる
   曲面研磨装置において、 前記回転手段を、前記第１の軸と交差し、かつ前記球冠
   の曲率中心を通る第２の軸回りに回転自在に支持する支
   持軸と、 前記支持軸を前記第２の軸回りに往復揺動させる揺動手
   段とを有することを特徴とする曲面研磨装置。