JP2006082213A

JP2006082213A - 削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置

Info

Publication number: JP2006082213A
Application number: JP2004272608A
Authority: JP
Inventors: Keita Yamamoto; 慶太山本; Rei Hanamura; 玲花村; Yoshio Matsuo; 良夫松尾; Kunio Shimada; 邦雄島田
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行える削り加工と鏡面研磨の方法を提供すること
【解決手段】研磨対象（試料１）を支持台４の上に固定し、その試料１に対して研磨バイト２を非接触に対面させて隙間には磁気研磨液３を存在させる。磁気研磨液３には非磁性の砥粒を混合し、増粘剤としてαセルロースなどを混合する。研磨バイト２は、永久磁石１１を円柱体１０の中心に埋め込んでバイト面は中心が奥底になる窪み形状とし、駆動モータ５により回転させる。永久磁石１１の磁場により研磨液中に生成した磁気クラスタが、液中の砥粒を試料１の表面に押さえつけ作用し、研磨液の流動に伴って砥粒が動き回る。試料１は定位置に支持した状態とするので周速が速い外周側で研削が進む。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密機械部品や金型そしてガラス材料などの表面に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うことのできる削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置に関するもので、より具体的には、研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面し、これらの間に磁気研磨液を存在させて非磁性の砥粒により研磨を行うことの改良に関する。

研磨対象の表面を鏡面に仕上げる技術として、遊離砥粒を分散させた研磨剤を研磨対象とラップ定盤との間に介在させた状態で両者を擦り合わせる動作を行うラッピングや、ラッピングよりも微細な砥粒を用い、ポリッシングパッドと呼ばれる柔らかい工具により研磨対象との擦り合わせ動作を行うポリシングなどが行われている。

なお、磁気研磨液を用いる研磨の技術には、例えば特許文献１に見られるようなものが知られている。これには、磁気研磨液における分散粒子を調整することにより研磨液の性能を改善し、精密な研磨、仕上げ加工に適用し得るような技術の提案がある。

特開２００２−１７０７９１号公報

部材の表面処理に関して、同心状の削り加工を行うとともに鏡面に研磨したいという要求がある。この２つの処理は同時同一の作業によって加工できればコストを減らすことができ、生産性が上がるメリットがあって好ましい。

この要求は、例えば光学レンズの加工などに見られる。つまり、近年は超小型カメラを組み込んだ携帯電話機などが普及している。係る組み込み用途では、レンズは超小径のものが求められることはもちろんであるが、安価であることが重要な要求仕様になっている。このため、同心状の削り加工とともに鏡面研磨が行えると、コスト低減に大いにメリットが生じることになる。

しかしながら、従来は対応し得るような技術の提案がなく、レンズ面を得るような同心状の削り加工と鏡面研磨とは、それぞれ独立した別々の作業工程において行われる技術しかなかった。

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行える削り加工と鏡面研磨の方法および削り加工・鏡面研磨装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係る削り加工と鏡面研磨の方法は、研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うような削り加工と鏡面研磨の方法であって、研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面させてそれぞれに支持し、前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えるようにした。

また、本発明の削り加工・鏡面研磨装置は、研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うための削り加工・鏡面研磨装置であって、研磨対象を定位置に支持する第１支持部と、研磨工具を支持する第２支持部とを備えて両支持部が対向する配置として前記研磨対象に対して前記研磨工具を非接触に対面させ、前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加える構成とした。

また、前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に同心に永久磁石を埋め込み、前記研磨対象に対面させるバイト面は中心の前記永久磁石が奥底になる窪み形状とし、当該永久磁石により磁場を発生する構成としたり、あるいはまた、非磁性体からなる円柱体に対して環状の永久磁石を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成としたりするとよい。

また、上記各発明において使用する磁気研磨液としては、動粘度０．０１〜１００ｍｍ^２／ｓ程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径１〜８０μｍの強磁性粒子を好ましくは１０〜９５ｗｔ％分散させた流体に対して、粒子径１０〜５０ｎｍの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を好ましくは５〜９０ｗｔ％混合した複合流体に、粒子径０．０１〜１００μｍの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成したものをもちいることができる。

したがって本発明では、回転動作する研磨バイトは磁場発生源を有し、このため研磨バイトと研磨対象との間に磁場が作用し、磁気研磨液において磁気クラスタが生成する。例えば、上述した組成からなる磁気研磨液において、強磁性粒子（例えば鉄粒子），マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタとなる。磁気クラスタは、磁束に沿うので研磨対象に対立して針状に多数が立ち並び、これにより磁気研磨液中に存在する砥粒が研磨対象の表面に押えつけられる。また、磁気クラスタに絡み込まれた砥粒もあるので、それらも研磨対象の表面に押えつけられる。

係る状態で研磨バイトが回転動作することから、砥粒は研磨対象の表面を接触しつつ運動する。このため、研磨対象の表面の凸部を砥粒が研削し、より平滑な表面が得られる。

このとき、研磨バイトの外周部は内周部よりも周速が速いため研削の効率がよく、すなわち回転する研磨バイトでは内側に比べて外側が研削が進み、このため、研磨面は中央部の削り量が少なくて外周に向かって深く削り込まれる研削になり、中央から同心状に外周へ凹んでいく削り加工が行える。また、磁気クラスタの分布は磁場発生源による磁場の分布に対応する。このため磁場の分布を調整することで研磨バイトの削り特性を適宜に変えることができ、所望の曲率面となるような削り加工が行い得る。

また、上述した組成からなる磁気研磨液を用いた場合、その磁気研磨液にはαセルロース等の増粘剤を含むので、添加した増粘剤は磁気クラスタを保持するように作用する。その結果、多数の砥粒が研磨対象の表面に接触する状況を促進でき、同心状の削り加工および鏡面研磨を高効率に行えるようになる。

本発明に係る削り加工と鏡面研磨では、磁気研磨液において生成した磁気クラスタが押さえ力を発現し、砥粒に研削を行わせることになり、研磨対象は定位置に支持した状態とすることから、同心状の削り加工が行えるとともに、鏡面研磨も同一作業により行える。したがって、部材の表面処理において、例えばレンズ面となるような同心状の削り加工が行えて加工コストを低減でき、生産性を格段に向上することができる。

図１は、本発明の好適な一実施の形態を示している。本実施の形態において、削り加工・鏡面研磨装置は、研磨対象（試料１）を支持台４に固定し、その試料１に対して研磨バイト２を非接触に対面させるとともに、対面させた間には磁気研磨液３を存在させ、研磨バイト２は例えば永久磁石など磁場を発生する磁場発生源を有していて駆動モータ５により回転させて、磁気研磨液３に生成した磁気クラスタの作用により流体研磨を行う構成になっている。

支持台４は天面に試料１を固定し、スプリングネジ６によりトラバース装置７の基台８に取り付ける構成をとる。支持台４の裏底側には、接触式のロードセル９を配置している。つまり、トラバース装置７の基台８を動かすことで支持台４の上下位置を初期設定し、加工時に生じる押さえ力の状況をロードセル９により検出するようになっている。

研磨バイト２は、非磁性体からなる円柱体１０に同心に永久磁石１１を埋め込んだ構成を採り、それら両者の取り合い関係を所定に設定している。すなわち、図２に示すように、円柱形状の永久磁石１１をただ一つだけ円柱体１０の中心に埋め込むとともに、試料１に対面させるバイト面は中心の永久磁石１１が奥底になる窪み形状とし、円柱体１０の直径ｗ２，永久磁石１１の直径ｗ１，窪み部の深さｈ，窪み部の幅ｗ３に関して、
ｗ２／ｗ１＝３
ｗ３／ｈ＝４
ｗ３＝（ｗ２−ｗ１）／２
１．０ ≦ ｗ２／ｗ１ ≦ ３．０
０．１ ≦ ｈ／ｗ３ ≦ １０．０
という設定にしている。

また、研磨バイト２は、図３（ａ），（ｂ）に示すように、非磁性体からなる円柱体１０に環状の永久磁石１１を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成を採ることもよい。

駆動モータ５には、例えばボール盤，旋盤，ＮＣ旋盤，フライス盤などの回転駆動機構を用いることができ、出力軸に連結したチャック部１２に研磨バイト２の軸を取り付けし、着脱が行える構成になっている。

このような構成によれば、研磨バイト２と試料１との間では、図４に示すように、磁束が生じて磁気研磨液３において磁気クラスタ１３が生成する。つまり、研磨バイト２には永久磁石１１を埋め込んであるので磁場が作用し、永久磁石１１と試料１との間で磁束が生じ、強磁性粒子（例えば鉄粒子），マグネタイト粒子が磁気吸引力により多数が凝集して磁気クラスタ１３となる。磁気クラスタ１３は、磁束に沿うので試料１に対立して針状に多数が立ち並ぶことになる。

このとき、磁気研磨液３においては、増粘剤として加えたαセルロース１４が磁気クラスタ１３の相互間に織り込み状態に位置を占める。さらに非磁性の砥粒１５を加えてあるので、これは磁気クラスタ１３に絡み込まれるものもあるが、多くは試料１の表面に存在することになる。したがって、針状に立ち並ぶ磁気クラスタ１３および織り込み状態のαセルロース１４とによって、磁気研磨液３の中に存在する砥粒１５が試料１の表面に押さえつけられる。また、磁気クラスタ１３およびαセルロース１４に絡み込まれた砥粒１５もあるので、それらも試料１の表面に押えつけられる。

係る状態で研磨バイト２が回転動作することから、砥粒１５は試料１の表面を接触しつつ運動する。このため、試料１の表面の凸部を砥粒１５が研削し、より平滑な表面が得られる。つまり、鏡面研磨が行える。

このとき、研磨バイト２の外周部は内周部よりも周速が速いため研削の効率がよい。その結果、回転する研磨バイト２では内側に比べて外側が研削が進む。このため、研磨面は中央部の削り量が少なく、外周に向かって深く削り込まれる研削になり、中央から同心状に外周へ凹んでいく削り加工が行える。また、磁気クラスタ１３の分布は永久磁石１１による磁場の分布に対応し、このため磁場の分布を調整することで研磨バイト２の削り特性を適宜に変えることができ、所望の曲率面となるような削り加工が行い得る。

この削り加工は、逆に言えば中央が凸形状で同心状に外周へ凹んでいく加工であるので、レンズ表面の曲率面の加工そのものと言え、すなわち、レンズ面となるような同心状の削り加工が行える。

磁場が定常的では、磁気クラスタ１３は磁束に沿って整列して立ち並び、磁力により整列状態が保持されるので砥粒１５が試料１の表面（研磨面）に適度に当たって研磨が行える。また、磁場が変動的では、磁気クラスタ１３は動揺し、このときも砥粒１５が研磨面に適度に当たり研磨が行える。このように、試料１に対して研磨バイト２を接触させずに所定に隔てた非接触の状態であっても、磁気クラスタ１３およびαセルロース１４の押さえ作用により研磨することができ、流体研磨が行える。

また、磁気研磨液３には増粘剤としてαセルロース１４を含むので、添加した増粘剤は磁気クラスタ１３を保持するように作用し、その結果、多数の砥粒が研磨対象の表面に接触する状況を促進でき、同心状の削り加工および鏡面研磨を高効率に行えるようになる。もちろん、本発明では必ずしも増粘剤は必要ではなく、増粘剤を添加しない磁気研磨液を用いても良い。

したがって、本発明に係る削り加工と鏡面研磨によれば、磁気研磨液３において生成した磁気クラスタ１３が押さえ力を発現し、砥粒１５に研削を行わせることになる。そして、試料１は定位置に支持した状態とすることから、例えばレンズ面となるような同心状の削り加工が行えるとともに、鏡面研磨も同一作業により行える。

なお、図５に示す研磨バイトは、後述する評価試験で用いた比較例である。この比較例の研磨バイトは、円柱形状の永久磁石１１をただ一つだけ円柱体１０の中心に埋め込み、バイト面は窪ませずに平坦とし、円柱体１０の直径ｗ２，永久磁石１１の直径ｗ１に関して、
１．０ ≦ ｗ２／ｗ１ ≦ ３．０
という設定にしている。この比較例の研磨バイトによれば、研磨面を平面に仕上げることができ、通常の鏡面研磨が行える。

（実施例１）
図１に示す削り加工・鏡面研磨装置を用いて試料の研磨および同心状の削り加工を行った。つまり、本発明の効果を実証するため、加工の条件を替えて複数の試料を研磨し、それら各試料について同心状の削り加工の状態および表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を評価した。

磁気研磨液としては表１に示す組成とし、表２に示す条件により評価試験を行っており、その結果、同表に合わせて示すような削り加工の状態および表面粗さＲａが得られた。

つまり、磁気研磨液はその組成に、非磁性の砥粒として粒子径０．０５μｍのアルミナを含み、さらに増粘剤としてαセルロースを含むものとする。評価試験の条件は表２に示すように、試料は真鍮，ＳＵＳ３０４，アルミ，亜鉛，アクリル，ジュラルミンからなる合計１０個とし、研磨バイトは図２に示す（ａ），図３に示す（ｂ），図５に示す（比較例）の３つとし、回転数は５００ｒｐｍ、試料との間隔は１ｍｍ、研磨時間は１時間としている。

その結果、番号２の試料、つまり比較例の研磨バイトでは鏡面研磨は行えるものの同心状の削り加工は行えないことを確認した。そして、他の試料では１．５〜１４．９μｍ程度の表面粗さＲａが得られること、および同心状の削り加工によって削り部が適正に形成できていることを確認した。

この削り部は、中央から同心状に外周へ凹んでいっており、いわゆるレンズ表面のような曲率面が得られた。予想し得るように、この削り加工では加工時間を長くすると削り深さが深くなり、加工時間と削り深さとの関係は表３に示すような関係にあることを確認した。

また、図６は表３のデータを作図した削り深さのグラフ図であり、加工時間が１時間では削り部の深さが６４．７μｍで、表面粗さＲａは１０．７ｎｍが得られた。このように、削り深さは加工時間に正の相関があるので、加工時間を調整することで適宜な削り深さを得ることができる。

すなわち、本発明に係る削り加工と鏡面研磨によれば、部材の表面処理において、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行うことができ、本発明の有用性が確認できた。
（実施例２）

次に、試料をガラス板とし、研磨バイトは図３に示す（ｂ）として、レンズ加工を模擬した評価試験を行った。ここでは、磁気研磨液は表１に示す組成であり、回転数は５００ｒｐｍ、試料との間隔は１ｍｍ、研磨時間は２時間としている。

その結果、削り部は、図７に示すように同心状に形成できた。そして、図８に示すように、中央から同心状に外周へ凹んでいっており、最外周の深さは１０μｍが得られた。また、表面粗さＲａは加工前が７８４ｎｍであり、当該削り部では１４ｎｍが得られた。

したがって、この場合も、同心状の削り加工が行えるとともに鏡面研磨も同一作業により行うことができ、いわゆるレンズ表面のような曲率面が得られるという本発明の有用性が確認できた。

本発明に係る削り加工・鏡面研磨装置の好適な一実施の形態を示す構成図である。研磨バイトの好適な例１を示す断面図である。研磨バイトの好適な例２を示し、（ａ）が断面図、（ｂ）がそのバイト面を示す平面図である。磁気クラスタによる流体研磨を示す説明図である。研磨バイトの比較例を示す断面図である。表３のデータを作図した削り深さのグラフ図である。同心状の削り加工を説明する平面図である。同心状の削り加工を説明する断面図である。

符号の説明

１試料（研磨対象）
２研磨パッド
３磁気研磨液
４支持台
５駆動モータ
６スプリングネジ
７トラバース装置
８基台
９ロードセル
１０円柱体
１１永久磁石
１２チャック部
１３磁気クラスタ
１４ αセルロース
１５砥粒

Claims

研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うような削り加工と鏡面研磨の方法であって、
研磨対象に対して研磨工具を非接触に対面させてそれぞれに支持し、
前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、
前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、
前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えることを特徴とする削り加工と鏡面研磨の方法。
前記磁気研磨液は、
動粘度０．０１〜１００ｍｍ^２／ｓ程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径１〜８０μｍの強磁性粒子を分散させた流体に対して、粒子径１０〜５０ｎｍの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を混合した複合流体に、粒子径０．０１〜１００μｍの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の削り加工と鏡面研磨の方法。
研磨対象に対して同心状の削り加工と鏡面研磨とを同時に行うための削り加工・鏡面研磨装置であって、
研磨対象を定位置に支持する第１支持部と、研磨工具を支持する第２支持部とを備えて両支持部が対向する配置として前記研磨対象に対して前記研磨工具を非接触に対面させ、
前記研磨工具の支持部に回転手段および磁場を発生する磁場発生源を設け、
前記研磨対象と前記研磨工具との間に磁気研磨液を存在させて当該磁気研磨液には増粘剤および非磁性の砥粒を混合しておき、前記研磨対象は定位置に支持した状態で前記回転手段により前記研磨工具を回転するとともに、前記磁場発生源により前記磁気研磨液に時間的に定常的あるいは変動的な磁場を加えることを特徴とする削り加工・鏡面研磨装置。
前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に同心に永久磁石を埋め込み、前記研磨対象に対面させるバイト面は中心の前記永久磁石が奥底になる窪み形状とし、当該永久磁石により磁場を発生することを特徴とする請求項３に記載の削り加工・鏡面研磨装置。
前記研磨バイトは、非磁性体からなる円柱体に対して環状の永久磁石を同心に複数を埋め込み、磁性部位と非磁性部位とが同心に交互に繰り返す構成とすることを特徴とする請求項３に記載の削り加工・鏡面研磨装置。
前記磁気研磨液は、
動粘度０．０１〜１００ｍｍ^２／ｓ程度の水やケロシン等の分散媒中に、粒子径１〜８０μｍの強磁性粒子を１０〜９５ｗｔ％分散させた流体に対して、粒子径１０〜５０ｎｍの球形マグネタイト粒子が電気絶縁性を有する水やケロシン等の分散媒に一様に分散した流体を５〜９０ｗｔ％混合した複合流体に、粒子径０．０１〜１００μｍの非磁性の砥粒を混合し、さらに増粘剤としてαセルロースなどの繊維状物質あるいはポリビニルアルコール等の樹脂を混合して形成されていることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の削り加工・鏡面研磨装置。