JP2000246634A

JP2000246634A - プラズマ放電ツルーイング装置とこれを用いた微細加工方法

Info

Publication number: JP2000246634A
Application number: JP11055907A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Omori; 整大森; Yutaka Yamagata; 豊山形; Kiyoshi Moriyasu; 精守安
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1999-03-03
Filing date: 1999-03-03
Publication date: 2000-09-12
Anticipated expiration: 2019-03-03
Also published as: US6447376B1; EP1033908A3; EP1033908A2; CA2299638A1; SG84571A1; JP3463796B2; CA2299638C

Abstract

(57)【要約】【課題】砥石の芯ズレや振れを効率よく除去すること
ができ、砥石自体の変形がなく高精度のツルーイングが
でき、電源設備が小型，小出力で足り、複雑な制御回路
や制御装置が不要であり、電極等消耗品の製作／再加工
が容易であるプラズマ放電ツルーイング装置と微細加工
方法を提供する。【解決手段】ワーク１を加工するための導電性砥石１
２と、砥石の加工面１２ａに近接可能な外周縁１４ａを
有する円板状の放電電極１４と、電極を回転駆動する電
極回転装置１６と、電極の外周縁と砥石との相対位置を
制御する位置制御装置１８と、砥石と電極間に電圧をパ
ルス的に印加する電圧印加装置２０と、砥石と電極間に
加圧ミスト（弱導電性水溶液と圧縮空気の混合体）を供
給するミスト供給装置２２とを備える。加圧ミストを介
して砥石と電極間にプラズマ放電を発生させて、高能率
かつ高精度に砥石をツルーイングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、極細又は極薄など
の特殊形状を有する導電性砥石を機上でツルーイングす
る機上プラズマ放電ツルーイング装置とこれを用いた微
細加工方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光通信システム及び光学技術の急速な進
歩により、ファインセラミックス、光学ガラス、光学結
晶、半導体単結晶、等の硬質脆性材料が、広く用いられ
るようになり、これら硬質脆性材料を効率よく高精度で
スライスしたり形状を付与する技術が生産分野において
強く望まれている。かかる硬質脆性材料の成形加工に特
に適した加工方法として、電解インプロセスドレッシン
グ研削法（以下、ＥＬＩＤ研削法）が注目されている。
ＥＬＩＤ研削法は、微細ダイヤモンド砥粒を用いた極細
又は極薄の導電性砥石を用い、この砥石を電解ドレッシ
ングしながら被加工物（ワーク）を加工する加工法であ
り、加工精度が高く、高品質の表面粗さが得られ、かつ
硬質な３次元形状部品の加工が比較的容易である、等の
特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】マイクロ加工へ適用す
る極細／極薄などの特殊形状を有する砥石であっても、
製作時には、必ず芯ズレや振れがある。このため、ＥＬ
ＩＤ研削加工のような精密加工に適用する前に、この芯
ズレや振れをツルーイングにより除去する必要がある。
しかし、ＥＬＩＤ研削加工に使用するメタルボンド砥石
はボンド材の硬度が高く、従来のツルーイング法では修
正効率が低く、かつ修正精度にも限界があり、適用が困
難であった。すなわち、硬質脆性材料へ適用する砥石が
極細又は極薄（例えば直径１ｍｍ以下、厚さ１ｍｍ以
下）又は特殊形状を有する場合、機械的ツルーイングの
ために工具が接触すると、砥石自体が変形するため、高
精度のツルーイングができない問題点があった。

【０００４】一方、非接触でワークを加工する加工法と
して放電加工(Electric DischargeMachining)が知られ
ている。この加工法は、被加工物（ワーク）と加工電極
とを絶縁性の加工液中で隙間を隔てて対向させ、短時間
のパルス性アーク放電を繰り返すことによって、除去加
工を行うものである。

【０００５】しかし、この加工法では、電極の形状を
所望の加工形状に予め合わせておく必要がある、電極
とワークとの間隔を一定に保つように精密な位置制御が
必要である、電極とワークとの間に大電流パルスを供
給する必要があり、大型で複雑な電源設備を必要とす
る、電極消耗により電極形状が変化するので電極の頻
繁な交換が必要となる、等の問題点があった。

【０００６】本発明は、上述した種々の問題点を解決す
るために創案されたものである。すなわち、本発明の目
的は、極細／極薄などの特殊形状を有する砥石の芯ズレ
や振れを効率よく除去することができ、砥石自体の変形
がなく高精度のツルーイングができ、電源設備が小型，
小出力で足り、複雑な制御回路や制御装置が不要であ
り、電極等消耗品の製作／再加工が容易であるプラズマ
放電ツルーイング装置とこれを用いた微細加工方法を提
供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者等は、円
板状の電極を回転させてその外周縁と砥石との間に均一
かつ高効率なスパーク（プラズマ放電）を発生させるこ
とにより、非接触で効率的に高精度のツルーイングがで
きるばかりでなく、電源設備を小型，小出力化でき、か
つ電極の消耗による形状変化を大幅に低減することがで
きることに着眼した。言い換えれば、ＥＬＩＤ研削加工
に使用するメタルボンド砥石の導電性を利用して、砥石
と電極の微小隙におけるプラズマ放電現象によって、メ
タルボンド部分を非接触で高精度に溶融除去し、砥石表
面を所望の形状に修正することができる。本発明は、か
かる新規の知見に基づくものである。

【０００８】すなわち、本発明によれば、被加工物
（１）を加工するための導電性砥石（１２）と、該導電
性砥石の加工面（１２ａ）に近接可能な外周縁（１４
ａ）を有する円板状の放電電極（１４）と、該放電電極
をその軸心Ｚを中心に回転駆動する電極回転装置（１
６）と、電極の外周縁と砥石との相対位置を制御する位
置制御装置（１８）と、砥石と電極間に所定の電圧をパ
ルス的に印加する電圧印加装置（２０）と、砥石と電極
間に加圧ミストを供給するミスト供給装置（２２）と、
を備えたことを特徴とするプラズマ放電ツルーイング装
置が提供される。

【０００９】上記本発明の構成によれば、回転する円板
状の放電電極（１４）の外周縁と位置制御装置（１８）
で位置制御された導電性砥石（１２）の加工面（１２
ａ）との間に電圧印加装置（２０）により上述したスパ
ーク（プラズマ放電）を安定して発生させることによ
り、導電性砥石のメタルボンド部分を非接触で高能率か
つ高精度に溶融除去し、砥石表面を所望の形状に修正す
ることができる。また、放電電極（１４）は、電極回転
装置（１６）により軸心Ｚを中心に回転しているので、
プラズマ放電により消耗しても真円度を維持でき、長時
間連続して使用することができる。

【００１０】更に、ミスト供給装置（２２）により砥石
と電極間に加圧ミスト（好ましくは、弱導電性水溶液と
圧縮空気の混合体）を供給するので、ドライ状態や絶縁
性液をそのまま供給する場合に比較して、低い電圧で高
い電流のプラズマ放電を安定して発生させることがで
き、電源設備を小型，小出力化することができる。更
に、実験の結果、かかる加圧ミストを用いることによ
り、ツルーイングの能率及び精度も高めることができる
ことが確認された。

【００１１】また、本発明によれば、（Ａ）導電性砥石
（１２）の加工面（１２ａ）に近接可能な外周縁（１４
ａ）を有する円板状の放電電極（１４）と、該放電電極
をその軸心Ｚを中心に回転駆動する電極回転装置（１
６）を備え、砥石と電極間に加圧ミストを供給しなが
ら、導電性砥石と放電電極との間に直流電圧をパルス的
に印加して放電により加工面を整形するプラズマ放電ツ
ルーイング工程と、（Ｂ）前記導電性砥石（１２）の加
工面から間隔を隔てた対向面（２８ａ）を有するドレッ
シング電極（２８）を備え、砥石とドレッシング電極の
間に導電性液を供給しながら、導電性砥石とドレッシン
グ電極との間に直流電圧を印加し、導電性砥石を電解に
よりドレッシングする電解ドレッシング工程と、（Ｃ）
導電性砥石で被加工物を加工する研削工程と、からなる
ことを特徴とする微細加工方法が提供される。

【００１２】この方法により、プラズマ放電ツルーイン
グ工程（Ａ）で芯ズレや振れを除去した極細又は極薄な
ど特殊形状を有する導電性砥石を用いて、電解ドレッシ
ング工程（Ｂ）と研削工程（Ｃ）を同一の機上で同時又
は繰り返して行うことができ、芯ズレや振れの悪影響を
なくし、かつワーク等の再取付時に発生する位置決め誤
差をなくして硬質脆性材料を効率よく高精度に加工する
ことができる。また、加圧ミストを供給して放電ツルー
イングを行うので、上述のように、ツルーイングの能率
及び精度も高めることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
を図面を参照して説明する。なお、各図において共通す
る部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略す
る。図１は、本発明によるプラズマ放電ツルーイング装
置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の
プラズマ放電ツルーイング装置１０は、導電性砥石１
２、円板状の放電電極１４、電極回転装置１６、位置制
御装置１８、電圧印加装置２０、及びミスト供給装置２
２を備える。

【００１４】導電性砥石１２は、この例では、微細ダイ
ヤモンド砥粒を用いたメタルボンド砥石であり、図で左
方向に移動させて被加工物１を溝加工またはスライス加
工又は成形加工をするようになっている。また、この導
電性砥石１２は、その軸心を中心に回転駆動され、位置
制御装置１８により、電極１４の外周縁１４ａと砥石１
２との相対位置を制御するようになっている。なお、メ
タルボンド砥石の厚さは任意であり、例えば、１ｍｍ以
下でもよい。また、導電性砥石１２は、極細のメタルボ
ンド砥石であってもよい。

【００１５】円板状の放電電極１４は、導電性砥石１２
（薄刃砥石）の加工面１２ａに近接可能な外周縁１４ａ
を有する。放電電極１４の外周縁１４ａは、その軸心Ｚ
を中心とする完全な真円に形成されている。この放電電
極１４の厚さは、安定したプラズマ放電が得られるよう
に、真円度を保持できる限りで薄いほど好ましく、例え
ば２ｍｍ以下にするのがよい。放電電極１４は、電極回
転装置１６（例えば、電動機）の回転軸に取り付けら
れ、その軸心Ｚを中心に回転駆動されるようになってい
る。

【００１６】電圧印加装置２０は、直流電源２４、パル
ス放電回路２５、及び電流供給ライン２６からなる。直
流電源２４は、所定の直流電圧（例えばＤＣ６０〜１０
０Ｖ）を発生させ、パルス放電回路２５の入力端子に印
加するようになっている。また、電流供給ライン２６
は、砥石１２の回転軸と放電電極１４の表面に摺動しな
がら接触するブラシ２６ａ（給電体）と、このブラシ２
６ａとパルス放電回路２５の出力端子とを電気的に接続
する接続線２６ｂとからなり、出力端子のプラス側を砥
石に接続しマイナス側を電極に接続している。ミスト供
給装置２２は、砥石１２と電極１４の間に加圧ミストを
供給するようになっている。この加圧ミストは、例え
ば、ＥＬＩＤ研削に使用する水溶性研削液と圧縮空気の
混合体であるのがよい。また、この液は、完全な絶縁液
ではなく、ある程度の電気伝導度（例えば１３００〜１
８００μＳ／ｃｍ）を有しており、砥石１２と電極１４
間の電気抵抗を低減する機能を有する弱導電性水溶液で
あるのがよい。

【００１７】図２は、プラズマ放電の原理図である。こ
の図に示すように、砥石１２をプラスに電極１４をマイ
ナスに印加すると、砥石のメタル部１２ａが粒子化（イ
オン化）して、プラズマ状態として高能率に解離してい
く。この状態で砥石１２と電極１４の間に導電性ミスト
粒子が存在すると、その間の電流のルートが安定的に確
保されやすくなり、放電現象が安定する。これにより、
高エネルギ状態となり、極間の温度が上がり易く、ツル
ーイング効率が急激に上がり、プラズマ状態の発生によ
る放電ツルーイングが行われる。

【００１８】図１に示したプラズマ放電ツルーイング装
置１０の構成により、放電電極１４を一定の周速で回転
し、砥石１２も一定の周速で回転しながら、位置制御装
置１８により砥石１２を軸方向に往復し、同時に径方向
に所定の速度で送る。また、砥石１２と電極１４との間
には一定の間隙を維持して、加圧ミストを供給し、安定
した放電スパークを発生させてプラズマ放電ツルーイン
グを行う。上述した本発明の構成によれば、回転する放
電電極１４の外周縁１４ａと位置制御装置１８で位置制
御された導電性砥石１２の加工面１２ａとの間に電圧印
加装置２０によりスパーク（プラズマ放電）を安定して
発生させることにより、導電性砥石１２のメタルボンド
部分を非接触で高能率かつ高精度に溶融除去し、砥石表
面を所望の形状に修正することができる。

【００１９】また、放電電極１４は、電極回転装置１６
により軸心Ｚを中心に回転しているので、プラズマ放電
により消耗しても真円度を維持でき、長時間連続して使
用することができる。更に、ミスト供給装置２２により
砥石と電極間に加圧ミストを供給するので、ドライ状態
や絶縁性液を供給する場合に比較して、低い電圧で高い
電流のプラズマ放電を安定して発生させることができ、
電源設備を小型，小出力化することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１に示
したように、本発明のプラズマ放電ツルーイング装置１
０は、直流パルス化電源（電圧印加装置２０）と電動機
１６で回転駆動された円板状の放電電極１４とからな
る。また、砥石１２を軸線方向に往復動させて砥石外周
面と電極外周面をオーバラップさせてツルーイングする
レシプロツルーイングモードを採用した。更に、放電ツ
ルーイングの際のツルーイング媒体として、ＡＦＧ−
Ｍ（ＥＬＩＤ研削に使用する弱導電性水溶液）、ＡＦ
Ｇ−Ｍを圧縮空気でミスト化した加圧ミスト、加圧空
気を使用し、これらの媒体を使用しない空気ギャップ
の場合と比較した。

【００２１】電気化学の基礎理論によれば、かかるシス
テムにおける電気加工モードは、ツルーイング砥石、電
極及び作動媒体の相互作用を伴う。また、導電性水溶液
（ＡＦＧ−Ｍ）を用いたツルーイングのメカニズムは、
様々な電気加工作用が共存する複雑なプロセスとして説
明される。なお、本発明のプラズマ放電ツルーイング装
置とこれを用いた微細加工方法の目的の１つは、加工目
的に合わせたツルーイングプロセスを提供することにあ
り、電気的ツルーイングのメカニズムを制御することで
その効率を最適化しようとするものであると言える。従
って同種の工具にも適用することができる。

【００２２】（プロセス特性）プロセス特性を研究する
ために、上述したツルーイングシステムを縦型のマシニ
ングセンタに取り付けて種々の試験を実施した。この試
験で、厚さ１ｍｍ、直径１５０ｍｍの＃２０００の鋳鉄
ボンドダイヤモンド砥石をツルーイングした。試験中、
砥石を２００ｒｐｍで回転し、かつＺ方向に１００ｍｍ
／ｍｉｎで往復動させ、同時にツルーイング電極を１０
０ｒｐｍで回転させた。

【００２３】（臨界放電隙間）図３は、４種の作動媒
体、すなわち空気、ＡＦＧ−Ｍ、加圧ミスト、及び加圧
空気における臨界放電隙間を示している。この隙間は、
ｇ_air＜ｇ_pair＜ｇ_mist＜ｇ_AFGの順序で大きいことが
わかった。

【００２４】（電圧降下）図４は同一条件の４種の作動
媒体における実電圧を示している。電圧降下は、ＡＦＧ
−Ｍ及び加圧ミストを用いたツルーイングで大きい。こ
れは同時に別の何らかの電気的加工作用が起きている結
果と考えられる。

【００２５】（ツルーイング効率）図５は同一条件の４
種の作動媒体における入力電圧とツルーイング効率との
関係を示している。砥石と電極との隙間は３０μｍの一
定値に設定した。実験結果は、４種の作動媒体すべてに
おいて、入力電圧が高いほどツルーイング効率が上昇す
ることを明確に示している。また、作動媒体として加圧
ミスト、加圧空気、及びＡＦＧ−Ｍを用いた場合のツル
ーイング効率が、この順序で空気を用いる場合よりはる
かに大きく、かつ入力電圧が高いほどこの傾向は顕著で
あった。

【００２６】（ツルーイング精度）図６は、４種の作動
媒体におけるツルーイング精度を示している。作動媒体
として加圧ミストを用いたツルーイング精度が最も良
く、またその他の作動媒体でもほぼ同等の精度が達成さ
れるのがわかる。

【００２７】なお、本発明は上述した実施形態及び実施
例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲で種々変更できることは勿論である。

【００２８】

【発明の効果】本発明では、電気的ツルーイング手段と
してプラズマ放電ツルーイングを適用し、マイクロ研削
加工に使用するメタルボンド砥石の微細なツルーイング
を精密に行い、ＥＬＩＤ研削に必要な加工精度を確保す
ることができることを確認した。また、上述したプラズ
マ放電ツルーイングを適用することにより、以下の利点
があることがわかった。１．メタルボンドやレジン−メタル複合ボンドなどの導
電性ボンド砥石のツルーイングに適用することができ
る。２．電気的ツルーイング法は非接触の加工法であるた
め、小径砥石と薄刃砥石の精密ツルーイングが可能であ
る。３．ＮＣマシンにより複雑な形状表面の砥石のツルーイ
ングが可能である。４．電気的ツルーイングにより、砥石の振れ取りのみな
らず、超砥粒もボンド部分から突き出すことができ、砥
石形状を維持しながら、複雑形状面の精密な研削加工が
可能である。

【００２９】従って、本発明のプラズマ放電ツルーイン
グ装置とこれを用いた微細加工方法は、極細／極薄の砥
石の芯ズレや振れを効率よく除去することができ、砥石
自体の変形がなく高精度のツルーイングができ、電源設
備が小型，小出力で足り、複雑な制御回路や制御装置が
不要であり、電極等消耗品の製作／再加工が容易である
等の優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ放電ツルーイング装置の
全体構成図である。

【図２】プラズマ放電の原理図である。

【図３】臨界放電隙間の比較図である。

【図４】実入力電圧の比較図である。

【図５】入力電圧とツルーイング効率との関係図であ
る。

【図６】ツルーイング精度の比較図である。

【符号の説明】

１被加工物（ワーク）１０プラズマ放電ツルーイング装置１２導電性砥石１４円板状放電電極１６電極回転装置１８位置制御装置２０電圧印加装置２２ミスト供給装置２４直流電源２５パルス放電回路２６電流供給ライン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者守安精東京都板橋区加賀２丁目20番３号ハイコーポ十条403 Ｆターム(参考） 3C047 AA26 AA27 AA28

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工物（１）を加工するための導電性
砥石（１２）と、該導電性砥石の加工面（１２ａ）に近
接可能な外周縁（１４ａ）を有する円板状の放電電極
（１４）と、該放電電極をその軸心Ｚを中心に回転駆動
する電極回転装置（１６）と、電極の外周縁と砥石との
相対位置を制御する位置制御装置（１８）と、砥石と電
極間に所定の電圧をパルス的に印加する電圧印加装置
（２０）と、砥石と電極間に加圧ミストを供給するミス
ト供給装置（２２）と、を備えたことを特徴とするプラ
ズマ放電ツルーイング装置。
【請求項２】前記加圧ミストは、弱導電性水溶液と圧
縮空気の混合体である、ことを特徴とする請求項１に記
載のプラズマ放電ツルーイング装置。
【請求項３】（Ａ）導電性砥石（１２）の加工面（１
２ａ）に近接可能な外周縁（１４ａ）を有する円板状の
放電電極（１４）と、該放電電極をその軸心Ｚを中心に
回転駆動する電極回転装置（１６）を備え、砥石と電極
間に加圧ミストを供給しながら、導電性砥石と放電電極
との間に直流電圧をパルス的に印加して放電により加工
面を整形するプラズマ放電ツルーイング工程と、（Ｂ）前記導電性砥石（１２）の加工面から間隔を隔て
た対向面（２８ａ）を有するドレッシング電極（２８）
を備え、砥石とドレッシング電極の間に導電性液を供給
しながら、導電性砥石とドレッシング電極との間に直流
電圧を印加し、導電性砥石を電解によりドレッシングす
る電解ドレッシング工程と、（Ｃ）前記導電性砥石で被加工物を加工する研削工程
と、からなることを特徴とする微細加工方法。