JPS63221966A - 非接触研磨方法 - 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】 （７）技術分野 この発明は、球面を非接触で研磨する方法に関するもの
である。

光学部品、たとえばレンズや球面ミラーなどの表面は球
面に研磨しなければならない。

研磨には、固定砥粒を用いるものと、遊離砥粒を用いる
ものがある。固定砥粒を用いるものは、砥石面に砥粒が
固着しである。このため、流体などを必要とせず、排液
処理の問題がなく、自動連続研磨に好適である。これは
接触研磨である。

遊離砥粒によるものは、水などの流体の中に微細な砥粒
を混合し懸濁液としたものを用いる。砥石となる物体と
対象物が接触するものは接触研磨という。非接触のもの
を非接触研磨という。

非接触研磨法は、平面を研磨するのには適しているが、
球面を研磨するようにしたものはない。

球面は接触研磨によって研磨されている。

げ）従来技術 レンズなど球面を持つ光学部品は、高精度の球面を持つ
ように研磨される必要がある。

レンズを研削するには、リセス皿という半球形の治具が
用いられる。リセス皿には、多数のリセスと呼ばれるレ
ンズ取付穴がある。この取付穴にレンズ素材を嵌込む。

さらに、円筒形のカップ砥石というものを用いる。この
砥石の先端は断面が半円状になっている。

リセス皿の頂点に砥石の円筒面の最上点が重なるように
砥石軸をリセス皿の主軸に対して傾けて支持する。

こうすると、リセス皿に嵌込まれたレンズ素材の表面の
包絡面に、砥石の先端円周部が接触する。

この状態で、砥石を軸まわりに回転する。リセス皿も回
転する。こうすると、砥石の半円断面の先端部がレンズ
表面の包絡面を均一に磨くことになる。

このように、カップ型の砥石を傾けて回転し、レンズを
研削するという事はよく行なわれる。固定砥粒によるも
のであるから、研削という。

レンズ面を遊離砥粒によって、さらに精度よく研磨する
必要がある。この場合は、みがき皿という半球状の皿を
用いる。これはリセス皿に取り付けたレンズの包絡面に
等しい面を持つ皿である。

このみがき皿をレンズ表面に接触させ、研磨砥粒を含む
流体を供給しながら、レンズ表面を研磨する。みがき皿
も、リセス皿も回転させるので、均一に研磨する事がで
きる。

レンズは多数枚をいちどに研磨する事もあるが１枚だけ
を研磨する事もある。１枚だけの場合はリセス皿が不要
である。１枚のレンズがリセス皿に対応する運動をする
。

いずれにしても、従来の球面の研磨は接触研磨であった
。

これに対して、非接触研磨法が提案されている。

森らが提案したＥＥＭは非接触研磨法のひとつである。

森勇蔵、津和秀夫、杉山和久・精密機械Ｍｏｌ、４３Ｎ
０．５（１９７７）５４２ 森勇蔵、井川直哉、奥田徹、杉山和久・精密機械ｖｏ１
，４６　Ｎｏ、１２（１９８０）１５３７森勇蔵、井川
直哉、奥田徹、杉山和久、山内和人°精密機械ｖｏ１．
４９　Ｎｏ、１１（１９８Ｂ）１５４０１どに述べられ
ている。

これは、ポリウレタンのような弾力性のある物体を研磨
液の中で回転させて、粒子に運動を与えて、この粒子に
より対象物を研磨させるものである。ポリウレタンと対
象物の間には狭い空隙が生じる。この空隙を研磨液が高
速で流□れる。この圧力のためにポリウレタンが歪み、
対象物に接触しないようになる。ポリウレタンに圧力を
加えても非接触である。接触してしまえば、研磨液が流
れすくするからである。研磨液が流れている限り、流量
は一定である。狭い流路では圧力が高まるので、ポリウ
レタンが圧力を受けて歪むわけである。

こうして狭い流路が維持される。遊離砥粒が対象物に当
って、対象物表面の構造を除いてゆく。

Ｅ　Ｅ　Ｍ　（Ｅｌａｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ　Ｍ
ａｃｈｉｎｉｎｇ　）と呼ばれる。これは平坦な対象物
（被研磨物、工作物）を、球形のポリウレタンで研磨す
るものである。工作物は動かず、ポリウレタン球が回転
する。

非接触研磨であるので、研磨後の面の平坦性は極めて良
い。しかし、工作物が平坦でなければならない。そうで
なければ、ポリウレタン球が工作物の表面を均等に走査
するという事ができないし、研磨液を工作物表面へ均等
に分布させるという事ができないからである。

森らのＥＥＭは、弾性球体を回転する事により接線方向
の流れを生じさせ、これによって圧力を高め、球体を工
作物から離隔させるものであった。

その後いくつかの非接触研磨法が提案されている。

雑波らによって提案されたフロートボリツシングも非接
触研磨法である。

ワークホルダの下面に工作物をはりつけ、定盤の偏心位
置に置く。研磨液を定盤の上へ供給しながら、ワークホ
ルダと定盤との両方を回転させる。

ワークホルダが回転するので、流体がこれにつれて回転
し、流体の動圧力がワークホルダの下面に生じる。ワー
クホルダは回転力を与えるが、上下方向変位が可能であ
るように支持しである。

流体の動圧力によって、ワークホルダが浮き上り、定盤
と工作物が非接触となる。遊離砥粒が工作物の表面に当
たる。これにより表面の原子が除かれてゆく。

非接触研磨にするためには、流体の圧力を利用して、砥
石、定盤などが工作物から離れるようにしなければなら
ない。

ＨＥＭでは弾力性のあるポリウレタンの弾性変形を用い
ている。フロートポリッシュではワークホルダの上下変
位を自由にする事によって、工作物が、定盤から離隔す
るようになっている。

フロートポリッシュの場合、ワークホルダの裏面に工作
物を貼りつけ、これを回転させるのであるから、工作物
が平坦でなければならないのは当然のことである。

り）発明が解決すべき問題点 非接触研磨法は、研磨速度が遅いという欠点があるが、
研磨仕上後の平坦度が極めて良いという長所がある′。

しかし、非接触研磨法は、対象となる工作物が平面であ
るものに限られている。

ＥＥＭの場合は、ＮＣと組合わせ、ポリウレタンボール
の走査を任意の曲面に沿わせる事ができるかもしれない
。しかし、ＥＥＭは、ポリウレタン球の一点接触による
研磨であるから、曲面の研磨には非能率である。曲面を
連続的に走査しなければならないが、ＮＣによるとこれ
ができない。

三次元的な走査が可能であるが、ディスクリートな走査
になり、連続走査ができない。

球面は既に述べたように接触研削、接触研磨がなされて
いる。これは２つの回転を組合わせたものである。リセ
ス皿やレンズのように球面を持つ工作物は自らの主軸の
まわりに回転する。カップ型の砥石は、工作物主軸に対
して傾斜して設けられ、砥石軸のまわりに回転する。

２種類の回転によって球面が均一に研磨されてゆく。

球面の研磨を非接触で行なう事ができないのは理由のあ
る事である。

非接触とするためには、工作物と砥石（又は定盤）とを
離隔させなければならない。外部的手段で離隔させたの
では役に立たない。研磨液による流体圧によって工作物
と砥石とを離隔させなければならない。

流体圧によって離隔したとき、研磨液が工作物に当たり
、砥粒が、工作物表面を擦ってゆくことができる。

工作物と砥石とを流体圧によって離隔するためには、砥
石と工作物の接触面の全体に於て流体圧をほぼ等しい値
に維持しなければならない。

平坦な工作物であればこれは簡単であるが、球面の工作
物の場合、これは難しい。

流体圧をほぼ等しい値にするには、液体がまず一様に存
在しなければならない。また流体の運動と砥石の運動と
が一致してはならない。球面を研磨する場合、これは難
しい条件となる。

に）　　目　　　　　　　的 非接触球面研磨機を提供する事が本発明の目的である。

（イ）構　成 第１図は、本発明の非接触球面研磨を行なうための装置
の構成図である。

球面を研磨するために、カップホイールを使う点は、従
来の接触球面研磨の場合と変わらない。

カップホイールは、砥石本体１と、砥石本体１の先端に
貼りつけたリング状の弾性ホイール２と、砥石本体１の
中心に固着された砥石軸３とよりなっている。

弾性ホイールの先端部４は断面が半円状になっている。

接触研磨の場合ホイールは剛体で作られているが、ここ
では弾性のある材料で作ることとする。

砥石本体１の中心に固着された砥石軸３によって砥石は
高速回転する事ができる。砥石軸芯をＡで表わす。

被加工物Ｗは球面を持っている。球面の部分を研磨する
ことが目的である。ここでは半球面が図示されているが
、そうでなくてもよい。レンズのように球面の一部分で
あってもよいのである。被加工物Ｗの中心からみた立体
角の大きさは任意である。

被加工物Ｗは円形の被加工物治具５の上に、軸芯Σと、
被加工物の軸芯とが合致するように固着されている。

被加工物治具５は被加工物回転軸６によって回転可能に
支持されている。

被加工物回転軸６の軸芯をΣとする。

砥石軸芯Ａと被加工物軸芯Σとは中心Ｏで交差し、ここ
で角θをなす。

傾角ｅは、被加工物Ｗの半径Ｈによって一義的に決定さ
れる。

これは、次のような拘束条件が課される事による。

被加工物Ｗの頂点をＦとする。つまり、被加工物軸芯Σ
と被加工物面の交点をＦとするのである。

カップ砥石の弾性ホイール２が最上点にある時、弾性ホ
イール２が被加工物Ｗの頂点Ｆに接触しなければならな
い。もしもそうでなければ、頂点Ｆには弾性ホイール２
が接近するチャンスがなく、頂点Ｆを研磨する事ができ
ないからである。

弾性ホイール２の端部の半円弧の中心を、最上点でＰ１
最下点でＱとする。

さきほどの拘束条件から、線分ＯＰの上に頂点Ｆが存在
しなければならない。

線分ＯＱと被加工物Ｗの面との交点をＥとする。

線分ＰＱ、と砥石軸芯Ａの交点をＭとする。△ＯＰＱは
二等辺三角形である。半径ＯＦをＲとする。

弾性ホイール２の先端部の半円弧の半径をｒとする。

弾性ホイールの有効直径をＤとすると、ＱＥ＝Ｑｐ’＝
ｌ’（（１） Ｆ　Ｐ　＝　Ｅ　Ｑ　＝　ｒ　　　　　　　　　　　　
　　（２）ＰＱ＝Ｄ（３） である。△ＯＭＰの斜角がＯであるのでとなる。ただし
、正符号は被加工物が凸球面である場合に対応する。負
符号は被加工物が凹球面である場合に対応する。

この図は凸球面を例示しているが、凹球面の研磨にも使
用できるのは明らかである。

（４）式で分るとおり、ひとつの（Ｄ、ｒ）の値の組を
もつ弾性ホイールによって、半径Ｈの異なる被加工物Ｗ
を研磨する事ができる。

このような装置は接触球面研磨に於て既に用いられてお
り実績がある。

ここでは、非接触研磨を行なうのである。

このために、ホイールを弾性ホイールとして、歪みやす
くしている。研磨液の全圧力によって歪むのであるから
、弾性ホイールでなければならないが、もうひとつ、重
要なことは研磨液の流れである。

研磨液８は、砥石軸３の中心を抜いて設けた液流入ロア
から、砥石の内部空間Ｘの中へ圧力をかけて送りこまれ
る。

砥石と被加工物とによって囲まれた内部空間Ｘへ研磨液
８が流入する。

研磨液８は、弾性カップホイール２と被加工物Ｗの表面
との接触部から外部へ流出する。

（至）作　用 この時に研磨液の圧力により弾性カップホイール２が撓
み、空間が生じる。この空間によって非接触研磨が実現
される。

この圧力の内容が、従来の非接触研磨法と異なる。動圧
力によって非接触にするのではナク、むしろ静圧力によ
って非接触にするのである。

液体のエネルギーＵは Ｕ　＝　ρｇｈ　＋　”ρｖ”　＋　Ｐ　　　　　　（
５）によって与えられる。ρは密度、ｇは重力加速度、
Ｖは速度、Ｐは圧力である。

この内、Ｐを静圧力、ρｖ２／２を動圧力という事があ
る。

従来の非接触研磨法は、上方の開いた空間に研磨液を入
れていた。このため、静圧力を高めるという事ができな
い。静圧力Ｐは１気圧でしかない。

ｇＥＭに於ては、ポリウレタン球を高速回転させ、粘性
によって球に付いてくる液体に速度Ｖを与え、Ｖを高め
てゆきながら、液体と被加工物の間へ導いてゆく。この
ため、大きい動圧力ρｖ２／２を得る事ができるのであ
る。この圧力によって、ポリウレタン球を被加工物から
浮くようにしている。

ＥＥＭに於て、研磨液が自由表面（大気に接する）を持
つから、Ｐは１気圧なのである。変化するのは動圧力ρ
デ／２である。大きい動圧力を得るためにポリウレタン
球を高速回転′シナければならない。

この点はフロートポリッシュでも全く同じである。自由
空間に研磨液がある。このため、静圧Ｐは１気圧である
。ワークホルダと定盤とを回転することにより、粘性を
通じて液体を加速し、動圧力ρｖ／２を得ている。動圧
力によって、ワークホルダを浮き上らせているのである
。

ところが本発明に於ては、動圧力ではなく、静圧力を主
に利用する。液流入ロアから往道した液体は加圧液体で
ある。つまり、Ｐが大きいのである。１気圧ではない。

２〜５気圧にするのは容易なことである。

静圧力によって、弾性カップホイールの外縁を被加工物
Ｗから浮き上らせる。こうして、弾性カップホイールを
被加工物に対し非接触に維持する。

なぜ動圧力が利用できないか？という理由を説明する。

砥石の運動についてまず考える。

これは、砥石軸芯Ａに関して、回転対称であるリング状
の弾性ホイール２を持っている。これは接線方向に液体
を加速する事ができる。接線方向に加速した流体の流線
は当然接線方向である。

この流体の流線がホイールのリング状外縁を横ぎらない
ので、流路が狭くなって、流速が急激に上る、という事
がない。

カップ型の砥石を軸まわりに回転しても、液体に大きい
動圧力を与える事ができない。

次に、被加工物の回転であるが、これは、比較的広い空
間Ｘにある液体を殆ど加速する事ができない。粘性の作
用は極めて薄い層にしか及ばないからである。

Ｍ点（中点）の同一緯度にあたる２点、つまり、ホイー
ルの回転と、被加工物の回転方向がほぼ直交する２点で
は、被加工物の回転によって、液体を加速できる。しか
し、半径ｒのホイール外縁が回転−ｊるわけではないの
で、やはり加速が十分でない。それに、狭い空間が生じ
にくいので、粘性の働く面積が狭い。

ＨＥＭの場合、ウレタン球の半径が大きいほど圧力が高
まる領域が長くなり、動圧力も大きくｌる。それゆえ、
直径が５０〜７０闘程度のウレタン球を使う。

本発明の場合、これが弾性カップホイールの先端の円弧
半径ｒに対応する。直径に直しても、これは５ｍ程度で
ある。

こういうわけで、被加工物の回転運動も、液体を加速す
る事ができない。

それで、動圧力に代えて、静圧力を用いる。

静圧力によって、ホイールが被加工物から浮き上る。こ
のため非接触研磨になる。

研磨砥粒が被加工物Ｗに当って表面を研磨してゆくとい
う作用は、従来の非接触研磨法と同様である。

ホイールと、被加工面の間隙を、液中の微細粒チが面に
対しほぼ平行に流れる。微細粒子（研磨砥粒）が被加工
面に衝突することにより非接触微小加工ができる。

砥粒の粒径は１０八〜１００ＯＡ程度である。

カップホイールは、被加工物に向う方向に押圧力が加え
られている。この圧力と液体の全圧力（主に静圧力）が
つりあう位置でカップホイールの位置がきまる。つまり
、間隙の大きさが決まる。

弾性ホイール２は、ＥＥＭのように、弾性を必須要件と
しているものと異なり、より剛性の高いものであってよ
い。ポリウレタンでもよいが、より硬いテフロンでもよ
い。酸、アルカリに強い材料である程度の剛性があつに
方がよい。

しかし、全くの剛体であってはならない。

カップホイールと被加工物とが全く密合できるように、
完全な球、円環であればよい。しかし、いずれにも寸法
誤差があるはずである。被加工物とカップホイールを接
触させた時に、接触しない部分もあれば、接触する部分
もある。

こういつ場合に、内部空間に研磨液を注入しに時、カッ
プホイールの周縁から出る液の量が不均一になり、発生
する圧力が一様でないようになる。

剛体のホイールの場合、寸法誤差による圧力差を補償す
る事ができない。

カップホイールが弾性をもっていれば、強い圧力を受け
る部分は強く撓み、圧力を下げる。こうしてカップホイ
ールの周縁での圧力が均衡する。

このように、ホイールが弾性でなければならない理由も
、ＥＥＭの場合とは異なっている。

ＥＥＭの場合、ボールが弾性を持っていないと、流体の
流れが止まってしまい、動圧力を発生させる事ができな
い。

本発明の場合、圧力は、ポンプなどの装置によって与え
られ、動圧力を殆ど必要としない。圧力を発生させるの
ではナク、圧力を均一にするために、本発明ではホイー
ルが弾性体でなければならないのである。

（１）実施例 レンズなどを研削する横型カーブジェネレータ機を使用
し、本発明の思想に従って、ガラスを球面研磨した。通
常の研削用のカップ砥石のかわりに、先端のリング部分
がテフロンで作られたカップホイールを用意した（Ｄ＝
９０ｍｍ、ｒ　＝　２．５Ｍ　）。

これを砥石回転軸に着装した。

研磨液は回転主軸を通して、カップホイールとガラスで
形成される内部空間Ｘへ導入する事にしく２０） 六〇 被加工物としては、ＢＫ−ガラス製のレンズを選んだ。

このレンズはφ５”　のレンズであって、予めＲ＝　８
５６．４Ｍの曲率半径に前加工しである。加工面の精度
は１０ニュートン本、面粗さは５００ＡＲａであった。

このレンズを、カーブジェネレータ機のレンズ保持皿に
取りつけた。

研磨液は、純水に０．０１μｍＡｔ２０３微粉末を５ｗ
ｔ％分散させたものである。カップホイールの中心軸か
ら研磨液を内部空間へ流入させる。これは受は皿によっ
て集め、ポンプを通して、再びカップホイールへ循環さ
せるようにしである。

被加工物治具すなわちレンズ保持皿は、１０ｒｐｍ程度
で低速回転させた。

カップホイールは、８０００ｒｐｍ　〜１２００Ｏｒｐ
ｍまで、速度を変化させる事ができる。カップホイール
の回転数を、ひとつのパラメータとした。

カップホイールは、レンズに対して一定圧力で押しつけ
られている。Ｒ＝　８５６．８６Ｍ　、　Ｄ　＝　９０
ｍｍ　。

ｒ　＝　２．５鵬であるので、ホイール軸芯Ａと被加工
物軸芯Σとの斜角θは７．２０４°とした。Ｒ＝　８５
６．８６ｍｍというのは仕上げの曲率半径である。前加
工でＲ＝８５６．４Ｍｍとしているので、０．０４齢の
厚さだけ研磨することになる。

以上の如く条件を設定し、研磨加工を行なつ六〇加工能
率は、カップホイールの回転数に比例して上昇する。し
かし７０００〜８０００ｒｐｍ以上になると、ホイール
の精度や研磨液の供給が不均一となることが分った。こ
の実施例の場合、ホイール回転数が６００Ｏｒｐｍに於
て最適加工条件が得られた。

この最適加工条件で、Ｒ＝　８５６．４ＭからＲ＝８５
６．８６ａｎ　　の仕上げ値にまで加工するのに２０時
間を要した。

仕上げられた面の状態は、面精度が０．５ニユ一トン本
、面粗さが１８．６ＡＲａであった。曲率半径Ｈの精度
は±０．００５μｍ以下であった。優れた平坦度の研磨
面であるといえる。キズなども全くなかった。

一方、カップホイールの先端に、摩耗、変形が全く見ら
れなかった。

り）効　果 本発明によって、非接触球面研磨が可能になつ六〇非接
触研磨である事、球面研磨である事から、次のような利
点がある。

（１）非接触であるので、スクラッチやボイドなどの発
生を極力抑える事ができる。

微細粒子の衝突によって表面が加工されるから、被加工
物に与えるダメージが少ない。このため研磨加工にはつ
きものの加工変質層が少ない。

（１１）非接触であるので、工具の摩耗が少ない。工具
寿命が著しく伸びる。

再現性も良好であって、面精度の維持が容易である。

（川）カップホイールの径（Ｄ）を大きくすることで、
大面積の球面を一度に加工することができる。

加工能率が高まる。

これは、接触球面研削の場合にも同じことがいえるが、
ＥＥＭに比べて加工能率が高い事を（あ） 意味している。

４Ｖ）研磨液、或はカップホイールの材質を適当に選ぶ
ことにより、優れた面精度の研磨面が得られる。

Ｍ　Ｅ　Ｅ　Ｍのように工具を回転させながら走査する
、というものではないから、大がかりな機械は不要であ
る。カーブジェネレータ機一台を用いるだけでよい。装
置全体がコンパクトである。

（ｖｌｌ加工液の粒子の大きさを粒度の粗いもの（Ｔｈ
ｍφ）から粒度の細いもの（１／数百μｍφ）まで、数
段階に分けて、少しずつ細かくしてゆくことにより、同
じ装置を用いて研削から研磨まで全てを行なうことがで
きる。

（勾利用分野 （１）ガラスを始めとする、種々の球面をもつ光学部品
の研磨 （１１）超精密空気軸受の研磨 ０１１）磁気ヘッドの研磨 など高精度な球面を必要とする広範囲の技術分野に利用
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の非接触球面研磨を行なうための装置の
正面図。 １・・・・・・砥石本体 ２・・・・・・弾性ホイール ３・・・・・・砥石　軸 ４　・・・・・・　ホイール先端部 ５・・・・・・被加工物治具 ６　・・・・・・　被加工物回転軸 ７・・・・・・液流入口 ８・・・・・・研磨液 Σ・・・・・・被加工物軸芯 Ａ・・・・・・砥石軸芯 Ｘ・・・・・・内部空間 Ｗ・・・・・・被加工物 発　　明　者　　　　　　　　　草　　尾　　　　　　
幹特許出願人　　　　　住友電気工業株式会社第　　　
１　　　図 １被加工物回転軸

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）曲率半径Ｒの球面に仕上げるべき被加工物Ｗを被
   加工物治具５に取付け、半径がｒの半円形断面を有し実
   効直径がＤであるリング状の弾性ホイール２を先端に設
   けたカップホイールを、被加工物Ｗに対して斜角ｓｉｎ
   ＾−＾１［（Ｄ／２）／（Ｒ±ｒ）］をなすように当て
   、カップホイールの軸を貫いて設けた液流入口７からカ
   ップホイールの内部空間Ｘへ研磨液８を圧送しながら、
   カップホイールを軸芯Λのまわりに高速回転させ、かつ
   被加工物Ｗを軸芯Σのまわりに回転させる事により、弾
   性ホイール２と被加工物Ｗの間に研磨液の流れによる空
   隙を生ぜしめ、空隙を流れる研磨砥粒により被加工物Ｗ
   を研磨することを特徴とする非接触研磨方法。
2. （２）弾性ホイールがテフロンである事を特徴とする特
   許請求の範囲第（１）項記載の非接触研磨方法。
3. （３）カップホイールの回転数が６０００ｒｐｍである
   事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の非接触
   研磨方法。
4. （４）研磨液に含まれる粒子の直径が１０Å〜１０００
   Åである事を特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載
   の非接触研磨方法。
5. （５）弾性ホイールがポリウレタンである事を特徴とす
   る特許請求の範囲第（１）項記載の非接触研磨方法。