JPH10286771A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】制御が簡単で、しかも、被加工面の外周部分を
通常部分と同じように研磨できる研磨装置および研磨方
法を提供する。 【解決手段】被加工面にポリシャ３０を押し当てた状態
で、ポリシャ３０を被加工面に対して相対移動させて研
磨を行い、その際、ポリシャ３０の押し当て力をポリシ
ャ３０の位置に応じて変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学部品、半導体
素子、セラミックス、金型等の曲面の鏡面加工に好適な
研磨装置および研磨方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】研磨工具のポリシャを被加工面に押し当
て、ポリシャと被加工面に相対運動を与えて研磨を行な
う研磨装置が従来から知られている。

【０００３】例えば、特開昭６１−２６５２５７号公報
に記載の発明では、被加工面の各点においてポリシャを
法線方向より一定圧力で押し当てながら研磨を行ってい
る。

【０００４】また、特開平５−５７６０６号公報の発明
では、被加工面の形状測定データより得られた誤差形状
に基づいて、研磨除去形状が誤差形状と同一となる様に
研磨工具を動作させている。この際、被加工面の各点の
研磨除去量は、各点に研磨工具を滞留させておく時間
（滞留時間）を変えることで制御している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】

＜課題１＞さて、一般に、研磨除去量は、被加工面に対
する研磨工具の相対速度Ｖ、圧力Ｐ、加工時間Ｔに比例
するとされている。プレストンの実験式によれば、研磨
除去量Ｓは、（式１）で表わされる。

【０００６】

【数１】

【０００７】すなわち、前述の滞留時間制御方式では、
加工時間Ｔを長くすることで研磨除去量Ｓを増加させ、
加工時間Ｔを短くすることで研磨除去量Ｓを減少させよ
うとしている。

【０００８】しかしながら、プレストンの実験式が示す
ように、例えば研磨除去量を増加させるために加工時間
Ｔを長くすると、その分、被加工面に対する研磨工具の
相対速度が落ちてしまい、かえって研磨除去量を減少さ
せる場合もある。

【０００９】このように、滞留時間制御方式では、相反
する２つの変数を操作する必要があるため、研磨除去量
の制御が非常に難しい。

【００１０】＜課題２＞また、従来の研磨装置では、ポ
リシャを被加工面上のみで移動させていたため、図５に
示すように、被加工面の外周部分ではポリシャの進行方
向の反転が行なわれる。一方、被加工面の通常の部分に
おいて、ポリシャは、この通常部分上を通過するように
して研磨している。したがって、被加工面の外周部分で
は、通常部分と同じような研磨ができず、従来では、こ
の外周部分は研磨不能領域とされていた。

【００１１】このような問題に鑑み、本発明の目的は、
制御が簡単で、しかも、被加工面の外周部分を通常部分
と同じように研磨できる研磨装置および研磨方法を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の態様によれば、被加工面にポリシャを
押し当てるための押し当て力を発生させる手段と、前記
被加工面に押し当てたポリシャを該被加工面に対して相
対移動させる手段とを備えた研磨装置において、前記押
し当て力を前記ポリシャの位置に応じて変化させる制御
手段を備えたことを特徴とする研磨装置が提供される。

【００１３】第１の態様では、被加工面各位の研磨除去
量を制御するパラメータとして、ポリシャが被加工面に
与える圧力（研磨圧力）を用いている。

【００１４】研磨圧力は、相対速度や加工時間と異な
り、値を変えても他のパラメータに影響がないため、研
磨除去量の制御が格段に簡単化される。

【００１５】また、第１の態様によれば、ポリシャが被
加工面からはみ出した場合に、そのはみ出し量に応じて
押し当て力を減少させ、ポリシャが被加工面より完全に
離脱した場合には、押し当て力をゼロにし、ポリシャを
被加工面に再度突入させる場合には、先程とは逆に，研
磨工具が被加工面に接触した時点から押し当て力を徐々
に増加させる、といった制御も可能である。これによ
り、被加工面の外周部分が、通常部分と同じように研磨
することができるようになる。

【００１６】上記目的を達成するための本発明の第２の
態様によれば、当該研磨装置の工具軸に連結した伸縮媒
体を備え、前記制御手段は、前記伸縮媒体の工具軸方向
の伸縮量を変化させて前記押し当て力を変化させる駆動
手段を有することを特徴とする研磨装置が提供される。

【００１７】この第２の態様は、硬質ポリシャの場合に
好適であり、伸縮媒体（コイルばね、シリンダに充填さ
れた空気、油）の伸縮量で研磨圧力を制御する。

【００１８】上記目的を達成するための本発明の第３の
態様によれば、制御手段は、前記ポリシャの変形量を変
化させることで前記押し当て力を変化させる駆動手段を
有することを特徴とする研磨装置が提供される。

【００１９】第３の態様は、軟質ポリシャの場合に好適
であり、ここでは、ポリシャ自身の弾性を利用して、ポ
リシャの潰れ量を駆動手段で制御する。

【００２０】上記目的を達成するための本発明の第４の
態様によれば、被加工面にポリシャを押し当てた状態
で、該ポリシャを被加工面に対して相対移動させながら
研磨を行なう研磨方法において、前記ポリシャの押し当
て力を該ポリシャの位置に応じて変化させることを特徴
とする研磨方法が提供される。

【００２１】上記目的を達成するための本発明の第５の
態様によれば、ポリシャの一部が被加工面からはみ出し
た場合に、前記押し当て力を減少させることを特徴とす
る研磨方法が提供される。

【００２２】上記目的を達成するための本発明の第６の
態様によれば、ポリシャの一部が被加工面からはみ出し
た場合に、前記ポリシャの回転数を増加させることを特
徴とする研磨方法が提供される。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る一実施形態に
ついて図面を参照しながら説明する。

【００２４】図１には、本発明の一実施形態である研磨
装置１００と、被加工物１の形状を測定するための形状
測定装置２００と、測定された形状データと、要望され
る形状との差分を求めて誤差形状を算出する数値演算装
置３００とを備えた加工システムが示されている。

【００２５】研磨装置１００は、被加工物１を実際に研
磨する機械部２と、機械部２の制御を行う制御部３に大
別される。

【００２６】被加工物１は、Ｗ軸回りに回転するロータ
リーテーブル１０に固定されている。ロータリーテーブ
ル１０は、Ｘガイドテーブル１１に載置されており、モ
ータ１２の駆動よりＸガイドテーブル１１に沿ってＸ方
向に直動する。Ｘガイドテーブル１１は、Ｙガイドテー
ブル１３に載置されており、モータ１４の駆動によりＹ
ガイドテーブル１３に沿ってＹ方向に直動する。

【００２７】一方、モータ２０の駆動によりＺ軸方向に
直動するＺスライダ２１には、モータ２２の駆動よりＢ
軸回りに回転する回転フレーム２３が取り付けられてい
る。回転フレーム２３には、モータ２４の駆動によりＡ
軸回りに回転する支持台２５が取り付けられている。支
持台２５には、研磨工具の回転・直動機構２６が取り付
けられている。

【００２８】被加工物１の形状が非回転対称であるとき
は、ロータリテーブル１０を回転させずに停止させてお
き、回転・直動機構２６により研磨工具を被加工物１に
押し当てて、被加工物１と研磨工具との間に、Ｘ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の各軸の直進運動と、Ａ軸、Ｂ軸、Ｔ軸の各軸
回りの回転運動を相対的に与えて、被加工面を研磨す
る。この際、被加工面には研磨液を塗布する。

【００２９】一方、被加工物１が回転対称物である場合
には、ロータリテーブル１０で被加工物をＷ軸回りに回
転させ、Ｘ軸、Ｚ軸、Ａ軸の３軸もしくはＹ軸、Ｚ軸、
Ｂ軸の何れか一方の組みを用いて研磨工具を被加工面上
の一断面上を滑走させながら研磨を行う。

【００３０】次に、回転・直動機構２６について説明す
る。

【００３１】回転・直動機構２６の構成は、使用するポ
リシャ種によって異なり、弾性変形しづらい硬質ポリシ
ャ（例えば、ウレタンパッドやピッチに代表される樹
脂）を使用する場合には、図２に示すような構成にし、
弾性変形しやすい軟質ポリシャを使用する場合は、図３
に示すような構成にする。

【００３２】図２において、硬質ポリシャ３０は、工具
軸３１の下端に設けられた台皿３２に固定されている。
ケーシング３３内では、工具軸３１の上端がスラストベ
アリング（図示省略）を介してコイルばね３４の下端に
連結している。ケーシング３３の真上には、直動モータ
３５が設置されており、その直動軸の先端に取り付けら
れた押し板３８は、コイルばね３４の上端に連結してい
る。

【００３３】また、ケーシング３３の側面には、回転モ
ータ３６が取り付けられており、該回転モータ３６の回
転軸と、工具軸３１の中央部に設けられたボールスプラ
イン（図示省略）の外周には、ベルト３７が掛け渡され
ている。このように工具軸３１は、回転しながら上下動
できるような仕組みになっており、実際の研磨において
は、回転モータ３６で工具軸３１をＴ軸回りに回転させ
つつ、さらに、直動モータ３５でコイルばね３４の伸縮
量を変えて、ポリシャの押し当て力を調整する。直動モ
ータ３５には、例えば、ボイスコイルモーターを使用す
る。

【００３４】一方、軟質ポリシャの場合は、それ自身が
弾性力を有するため、ポリシャの変形量のみでポリシャ
の押し当て力を調整できる。この場合、図３に示すよう
に、コイルばねを使用せずに、工具軸３１を直動モータ
ー３５の直動軸に直結することができるため、押し当て
力の制御精度が向上する。

【００３５】つぎに、本加工システムの使用方法につい
て説明する。

【００３６】まず、形状測定装置２００を用いて被加工
物１の形状を測定する。図１には、一例として光学的干
渉測定器を示したが、被加工物の形状を測定できる測定
器であれば特に限定されない。なお、形状測定器を大別
すると断面形状測定型と全面形状測定型に大別できる
が、一般には、被加工物が回転対象物の場合に断面形状
測定型を使用し、非回転対象物の場合に全面形状測定型
を使用する。

【００３７】形状測定装置２００での測定を終えると、
測定結果である形状データがネットワークを介して数値
演算装置３００へ転送される。

【００３８】数値演算装置３００では、転送された形状
データと、要望される目標形状との差分を求めて、誤差
形状を算出する。誤差形状の算出処理は、形状測定装置
２００で行ってもよい。

【００３９】数値演算装置３００では更に、被加工物の
形状と材質、ポリシャの形状と材質、研磨剤の材質など
の加工条件を基に、誤差形状を修正するための研磨工具
の走査方法を決定し、研磨工具制御ファイルとして研磨
装置１００の制御部３へ転送する。

【００４０】研磨装置１００の制御部３は、送られた研
磨工具制御ファイルに従って各モータを駆動してポリシ
ャ３０を被加工面上で滑走させ、被加工面を部分的に修
正研磨する。

【００４１】研磨装置１００の具体的な動作は以下の通
りである。

【００４２】研磨装置１００は、送られた研磨工具制御
ファイルの内容にしたがって、研磨工具と被加工物１と
の間に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向とＡ、Ｂ軸の２軸
回りの相対運動を与え、工具軸３１を被加工面の法線方
向と一致する姿勢に保ちながら、ポリシャ３０を被加工
面上で滑走させて研磨を行う。この際、誤差形状を修正
するために、各点における研磨圧力を直動モータ３５で
調整する。つまり、研磨工具の移動速度と、研磨工具の
回転数は一定にして、被加工面上の各点での研磨量の増
減は、直動モータ３５のみで制御する。具体的には、各
研磨点における研磨圧力は、図２に示すような硬質ポリ
シャ用の駆動機構を装着している場合は、コイルばね３
４の伸縮量で調整する。コイルばね３４の伸縮量と、被
加工面にポリシャ３０を押し当てるための押し当て力と
の関係は、研磨工具制御ファイルを生成するための基本
情報の一部として数値演算装置３００に記憶されてい
る。また、図３に示すような軟質ポリシャ用の駆動機構
を装着している場合は、軟質ポリシャの変形量で研磨圧
力を調整する。これらの関係についても、数値演算装置
３００に記憶されている。

【００４３】そして、ポリシャ３０が被加工面の外縁に
到達して、被加工面よりポリシャ３０がはみ出し場合に
は、そのはみ出し量に応じて、ポリシャ３０を押し当て
るための押し当て力を軽減する。

【００４４】ポリシャ３０の位置と押し当て力との関係
は、数値演算装置３００で計算され、例えば、図４に示
す通りとなる。

【００４５】また、ポリシャ３０がさらに移動して、工
具軸の回転中心軸がはみ出した場合（すなわち、ポリシ
ャのほぼ半分がはみ出し場合）、そのままの状態では、
研磨工具に回転モーメントが働いて、安定した研磨加工
を行なうことができない。そこで、回転モーメントを生
じても安定して加工できる押し当て力の上限値を予め求
めて数値演算装置３００に組み込んでおき、工具軸の回
転中心軸がはみ出した後は、この値を用いて研磨を実施
する。なお、押し当て力不足は、工具軸の回転数を増加
させることにより補う。研磨工具の回転数は、研磨除去
量と単純な比例関係にあるため、その制御は簡単であ
る。

【００４６】一方、ポリシャ３０が被加工面から完全に
離脱して、被加工面に再突入させる場合には、以上と逆
の処理を実施する。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、他の制御パラメータと
独立な関係にある研磨圧力を用いて研磨量の増減を決定
できるため、高精度な研磨作業をより簡単に行なうこと
ができるようになる。

【００４８】また、被加工物の外周部でも研磨圧を任意
に設定することが可能であるため、外周部を通常部分と
同じように研磨できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る研磨装置の一実施形態を含んだ加
工システムの一例を示した構成図。

【図２】本発明に係る研磨装置の一実施形態の回転・駆
動機構（その１）の構成図。

【図３】本発明に係る研磨装置の一実施形態の回転・駆
動機構（その２）の構成図。

【図４】本発明に係る研磨装置の一実施形態で使用す
る、押し当て力とポリシャ位置との関係を示すグラフ。

【図５】従来の研磨装置のポリシャの動きを示した説明
図。

【符号の説明】

１：被加工物、２：研磨装置の機械部、３：研磨装置の
制御部、１０：ロータリーテーブル、１１：Ｘガイドテ
ーブル、１２、１４、２０、２２、２４、３５、３６：
モータ、１３： Ｙガイドテーブル、２１：Ｚスライ
ダ、２３：回転フレーム、２５：支持台、２６：回転・
直動機構、３０：ポリシャ、３１：工具軸、３２：台
皿、３３：ケーシング、３４：コイルばね、３７：ベル
ト、３８：押し板、１００：研磨装置、２００：形状測
定装置、３００：数値演算装置

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工面にポリシャを押し当てるための押
   し当て力を発生させる手段と、 前記被加工面に押し当てたポリシャを該被加工面に対し
   て相対移動させる手段とを備えた研磨装置において、 前記押し当て力を前記ポリシャの位置に応じて変化させ
   る制御手段を備えたことを特徴とする研磨装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の研磨装置において、当該
   研磨装置は、前記押し当て力を発生させる手段として、
   当該研磨装置の工具軸に連結した伸縮媒体を備え、前記
   制御手段は、前記伸縮媒体の工具軸方向の伸縮量を変化
   させて前記押し当て力を変化させる駆動手段を有するこ
   とを特徴とする研磨装置。
3. 【請求項３】請求項１に記載の研磨装置において、 前記制御手段は、 前記ポリシャの変形量を変化させることで前記押し当て
   力を変化させる駆動手段を有することを特徴とする研磨
   装置。
4. 【請求項４】被加工面にポリシャを押し当てた状態で、
   該ポリシャを被加工面に対して相対移動させながら研磨
   を行なう研磨方法において、 前記ポリシャの押し当て力を該ポリシャの位置に応じて
   変化させることを特徴とする研磨方法。
5. 【請求項５】請求項４記載の研磨方法において、 ポリシャの一部が被加工面からはみ出した場合に、前記
   押し当て力を減少させることを特徴とする研磨方法。
6. 【請求項６】請求項５記載の研磨方法において、 ポリシャの一部が被加工面からはみ出した場合に、前記
   ポリシャの回転数を増加させることを特徴とする研磨方
   法。