JP2009107055A - 研磨工具、研磨装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研磨効率を低下させることなく、微小な範囲を高精度に研磨加工することが可能な研磨技術を提供する。
【解決手段】ワークＷの表面に接する工具軸３の研磨軸３ａに有底筒状のガイド部材４を装着し、ガイド部材４の底部の貫通孔４ａに研磨軸３ａを挿通することで、研磨軸３ａの折損や曲がりを防止して、研磨軸３ａの折損や曲がりを懸念することなく、比較的大きな研磨荷重を細径の研磨軸３ａに作用させることを可能にして効率よくワークＷの微小部位の研磨加工を行う。また、研磨軸３ａの摩耗による長さの変化に従って、固定ネジ４ｂによるガイド部材４の工具軸３に対する固定位置をずらして、ガイド部材４からの研磨軸３ａの突き出し量を一定に調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、研磨技術に関し、たとえば、微小形状の光学素子および光学素子成形用金型等を高精度に研磨加工する研磨技術等に適用して有効な技術に関する。

たとえば、微小な被研磨材を研磨する方法として、特許文献１（特開平４−４１１７７号公報）に開示されるたような微小研磨技術が知られている。
すなわち、この特許文献１の技術では、中央ヨークの先端部に微小な球体を保持するとともに、この中央ヨークと当該中央ヨークを取り囲む対向ヨークとで磁気回路を形成して球体を磁化し、磁性研磨液を保持させて微小な研磨部を構成し、この研磨部を被研磨材に押し当てて研磨を行う微小研磨方法において、中央ヨークをＺ方向（中央ヨークの軸方向）に駆動するＺ方向アクチュエータの変位を拘束することなく、Ｘ方向およびＹ方向アクチュエータを中央ヨークの側面に当接させる構成として、前記研磨部を被研磨物に対して理想的なリサージュ運動を行わせることで、加工径を大きくしても加工痕が崩れず、平滑で良好な加工面を得ようとする技術が開示されている。

ところが、微小なワークの形状修正など、微小な範囲の研磨を行なう時、上述のような磁性研磨液を用いる従来の研磨方法では、工具加工部（上述の研磨部）とワーク加工面の接触面積が大きくなるため、微小な範囲の選択的な研磨が困難になるという技術的課題がある。

例えば、ワークの加工径が３ｍｍ以下の微小な光学素子の形状修正を行なおうとした場合、上述のように磁性研磨液を用いる磁性流体研磨では、研磨工具を構成する球体の先端の磁力により磁性流体を保持して研磨を行なうため、磁性流体が磁力を帯びた工具全体に付着し、磁性流体とワーク加工面との接触面積が大きくなる。そのため、微小な範囲を狙っても、研磨の必要の無い周辺部まで研磨され、高精度に形状創成を行うことが難しい。

そこで、工具径を１ｍｍ以下とし、工具とワーク加工面との接触面積を小さくする必要があるが、細径の工具は剛性が低いため折れやすいといった技術的課題が生ずる。また、これを避けるため、細径の工具で、研磨荷重を低くして加工を行なう方法もあるが、研磨加工量は研磨荷重に比例するため、研磨効率が低くなるといった技術的課題が新たに生ずる。
特開平４−４１１７７号公報

本発明の目的は、研磨効率を低下させることなく、微小な範囲を高精度に研磨加工することが可能な研磨技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、太径部の一端に細径部が突設された工具軸と、
前記工具軸の前記細径部が挿通される貫通孔を有し、前記細径部の外周を保持するガイド部材と、
を含む研磨工具を提供する。

本発明の第２の観点は、太径部の一端に細径部が突設された工具軸および前記工具軸の前記細径部が挿通される貫通孔を有し前記細径部の外周を保持するガイド部材を含む研磨工具と、
前記研磨工具を被加工物に相対的に摺動させる工具駆動手段と、
を含む研磨装置を提供する。

本発明によれば、研磨効率を低下させることなく、微小な範囲を高精度に研磨加工することが可能な研磨技術を提供することができる。

本実施の形態の第1態様では、段付き円柱形状の工具軸の細径部分に、前記工具軸の細径部分の外形と同程度の径の貫通穴を有し、前記工具軸の細径部分の外周を保持するように設けられたガイド部材を取り付ける。

第２態様では、第１態様において、研磨工具に取り付けたガイド部材の工具軸の軸方向における位置を調整可能にした。
第３態様では、第１態様において、研磨工具に取り付けたガイド部材の材質の硬度（ＪＩＳＫ６２５３）が、５°〜６５°とする。

本実施の形態の第１態様では、段付き円柱形状の工具軸の細径部分に、細径部分の外形と同程度の大きさの貫通穴を有し、前記工具軸の細径部分の外周を保持するように設けられたガイド部材を取り付けることで、ガイドが工具側面を支えることができるため、加工による振動や、加工抵抗を低減でき、工具軸の細径部分の折れや曲がりを防ぐことができる。

第２態様では、研磨工具を、工具の磨耗による工具長の変化に対して、ガイド部材を工具軸の軸方向の位置をずらすことで、工具の突き出し量を自在に調整することができる。
第３態様では、研磨工具に取り付けるガイド部材の硬度を５°〜６５°とし、工具軸を通す貫通穴の径を、工具軸より小さくすることで、ガイド部材の弾性により、ガイド部材を工具軸に固定させることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の一実施の形態であるの研磨装置Ｍの構成の一例を示す側面図であり、図２および図３は、その工具軸部の詳細を示した図である。

本実施の形態の研磨装置Ｍは、工具テーブル１、工具スピンドル２、工具軸３、ガイド部材４、エアシリンダ６、スライド板７、スタンド８、昇降軸９、ワークテーブル２１、固定ネジ２２を備えている。

工具テーブル１に取り付けられた工具スピンドル２は、図示省略したモータにより回転可能となっている。
工具スピンドル２は、先端に工具軸３を着脱できる把持機構を有している。

本実施の形態の場合、研磨装置Ｍは、工具軸３、研磨軸３ａおよびガイド部材４からなる研磨工具を備えている。
工具軸３はポリイミドからなり、研磨軸３ａを構成する細径部分の外径Ｄ１が０．２ｍｍ〜３ｍｍ、太径部３ｂの部分の外径Ｄ０が３ｍｍ〜１０ｍｍの段付き形状に同軸に削り出し加工されている。

本実施の形態の場合、この工具軸３には、たとえば、プラスチック等で構成され、一端が閉止された筒状のガイド部材４が装着されている。このガイド部材４は、閉止端側の中央部に貫通孔４ａが形成されており、開口端を工具軸３に嵌合させることで、貫通孔４ａに研磨軸３ａが挿通されるように、工具軸３に装着される。

すなわち、工具軸３の細径部分の研磨軸３ａに、当該研磨軸３ａの外径Ｄ１に対して、たとえば、１〜１．３倍の外径の貫通孔４ａが底部の中心部に設けられたガイド部材４を被せ、この貫通孔４ａより工具軸３の研磨軸３ａを、たとえば、突き出し量ΔＬが、１ｍｍ〜５ｍｍとなるように突き出した状態で、太径部３ｂにおいて、固定ネジ４ｂにより固定されている。

また、このガイド部材４は工具軸３の太径部３ｂにて、軸方向の任意の位置にスライド可能であり、工具軸３の細径部分の研磨軸３ａが磨耗により短くなった際には、固定ネジ４ｂを緩め、位置をずらすことで、工具軸３の研磨軸３ａの突き出し量ΔＬを調整することができる。

工具スピンドル２が載置される工具テーブル１は、エアシリンダ６に取り付けられている。この、エアシリンダ６は図示省略のエア圧制御装置と連動していて、加工中は指示した所望のスラスト負荷を工具軸３の軸方向（図１の上下方向のＺ軸方向）に作用させることが可能になっており、研磨軸３ａの先端部をワークＷに一定の圧力で押圧しつつ研磨できるようになっている。

さらに、エアシリンダ６はスライド板７に取り付けられている。このスライド板７は、スタンド８に設けられた昇降軸９に沿ってＺ軸方向に移動可能であり、ワークＷの高さに応じて、工具軸３を支持する工具スピンドル２等の支持構造の全体のＺ軸方向の高さを最適位置に調整することが可能となっている。

工具テーブル１の下方にはワークテーブル２１が配置されており、このワークテーブル２１は、図示省略したサーボモータにより、Ｘ軸（図１の左右方向）およびＹ軸方向（図１の紙面に垂直な方向）、さらにはＺ軸方向に移動可能となっている。また、ワークテーブル２１は、図示省略した別のモータによりＢ軸方向（Ｚ−Ｘ平面内の揺動）に揺動動作も可能となっている。

ワークテーブル２１上には、ワークＷを着脱自在に載せることができる凹部２１ａが設けられ、固定ネジ２２によりワークＷを固定する。
ワークテーブル２１の下方には、図示省略したワークスピンドルと、このスピンドルを回転させる図示省略したモータが取り付けられ、これによりワークＷをＺ軸の回りに回転させることが可能となっている。

以下、上述のような構成の研磨装置ＭによるワークＷの研磨方法について図１、図２、図３を参照して説明する。
図１より、まず、ワークＷをワークテーブル２１上の凹部２１ａにのせる。次に、ワークＷを必要な振れ精度に調整した上で固定ネジ２２によりワークテーブル２１に固定する。

続いて、ポリイミドからなる工具軸３を工具スピンドル２に取り付ける。そして、工具軸３（研磨軸３ａ）にガイド部材４を被せ、中央部の貫通孔４ａから、工具軸３の研磨軸３ａが１ｍｍ〜５ｍｍ（＝突き出し量ΔＬ）だけ突き出した状態となる位置で、固定ネジ４ｂを締めてガイド部材４を固定する。

次に、図示しない研磨剤をワークＷに塗布する。研磨剤はペースト状のものを使用し、ワークＷの表面に塗布する。また、加工中も適宜、研磨剤をワークＷに供給する。
続いてモータにより工具スピンドル２を回転させ、工具軸３を回転させる。また、別のモータによりワークテーブル２１を回転させ、ワークＷを回転させる。続いて、ワークＷの外周の加工開始位置の上方に、工具軸３が位置するようにワークテーブル２１を移動する。

研磨加工は加工開始位置より、エアシリンダ６によって、工具軸３の軸方向に圧力をかけ、研磨軸３ａをワークＷの加工面に所望の研磨荷重で押圧した状態で、工具軸３の研磨軸３ａをワークＷの加工面を走査させて行なう。

加工中は、ワークＷの研磨ポイントにおいて、工具軸３の加工部（研磨軸３ａの先端部）が常にワークＷの輪郭形状の接平面に垂直な方向（すなわち研磨ポイントにおける法線方向）で接触するように、ワークテーブル２１のＢ軸における揺動変位が制御されている。また、研磨ポイントが、ワークＷの加工面上を走査するように、ワークテーブル２１のＸ軸、Ｙ軸が制御されつつ研磨される。

加工動作は、ワークＷの全面の研磨を行なう際は、ワークＷの外周から研磨を開始し、ワークＷの中心部を通り、もう一端のワークＷの外周まで工具軸３を走査させて行なわれる。この動作を１サイクルとし、挽き目が除去され、所望の鏡面形状が得られるまで研磨を繰り返す。

一方、形状修正を目的とするような、狭い範囲での研磨を行う際は、ワークＷの断面形状の測定を行い、この断面形状の測定データより、平滑面にするために除去したい部分を選択し、ここに工具軸３の研磨軸３ａを滞留させて研磨を行なう。これを所望の形状が得られるまで測定と研磨加工を繰り返す。

研磨加工を繰り返し行なった場合、工具軸３の細径部分である研磨軸３ａの突き出し量ΔＬが磨耗して短くなる。この時、ガイド部材４の固定ネジ４ｂを緩め、ガイド部材４を工具軸３上で上方にスライドさせ、位置をずらすことで研磨軸３ａの細径部分の突き出し量ΔＬを調整することが可能である。図２は調整前の研磨軸３ａの詳細を示した断面図であり、図３は調整後の研磨軸３ａの詳細を示した断面図である。

研磨軸３ａの摩耗に従って、ガイド部材４の工具軸３に対する取り付け位置を上側にずらすことで、研磨軸３ａの突き出し量ΔＬを一定に調整している。
ワークＷの微小な範囲を研磨する際に、細径の研磨軸３ａによって研磨を行う場合に、そのままでは、加工抵抗や振動により研磨軸３ａが折損したり、研磨軸３ａが曲がって狙った部分を研磨できないといった技術的課題があるが、本実施の形態の場合には、研磨軸３ａにガイド部材４を被せることで、細径部分の研磨軸３ａの外周がガイド部材４の貫通孔４ａにより支えられ、研磨軸３ａの折れや、曲がりを防ぐことができる。

従って、研磨軸３ａの折れによる工具軸３の交換回数が減少し、効率良くワークＷを研磨することが可能となる。また、加工中の研磨軸３ａの曲がりを防ぐことができるので、ワークＷの正確な位置を研磨できるようになり、加工精度が向上する。

換言すれば、研磨軸３ａの曲がりや折損等を懸念することなく、エアシリンダ６から工具テーブル１を介して工具軸３の研磨軸３ａに可能な限り大きな研磨荷重を作用させて大きな研磨速度による短時間で効率のよいワークＷの研磨加工が可能になる。

また、ガイド部材４の位置を工具軸３の軸方向に自在に移動することができ、研磨軸３ａの突き出し量ΔＬを任意に調整することが可能なので、磨耗などにより工具軸３の研磨軸３ａの全長が短くなった場合でも、工具軸３を交換することなく、固定ネジ４ｂによるガイド部材４の位置の調整だけで対応できるので、加工効率が向上する。

すなわち、本実施の形態によれば、研磨効率を低下させることなく、ワークＷの微小な範囲を高精度に研磨加工することができる。
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２である研磨装置の概略構成を示す側面図であり、図５および図６は、工具軸部の詳細を示した図である。

実施の形態２の構成は上述の実施の形態１の構成と工具軸３の部分を除いて同じであるため、共通の符号を付して重複した説明は省略する。
図４より実施の形態２で使用する研磨工具について説明する。

本実施の形態２では、工具軸３およびガイド部材５からなる研磨工具を使用する。
工具軸３は、たとえばベークライトからなり、工具軸３の細径部分の外径Ｄ１が、たとえば０．２ｍｍ〜３ｍｍ、太径部３ｂの外径Ｄ０が、たとえば３ｍｍ〜１０ｍｍの段付き形状に削り出し加工されている。

この場合、工具軸３の細径部分である研磨軸３ａには、たとえば硬度が３０°のシリコンゴムからなるガイド部材５が、貫通孔５ａに研磨軸３ａを圧入することによって取り付けられている。

すなわち、ガイド部材５は、円柱形状で、中心部に工具軸３の研磨軸３ａの外径Ｄ１に対して、たとえば０．９８〜０．８倍の径の貫通孔５ａが軸方向に穿設されている。このように、貫通孔５ａの径を、工具軸３の研磨軸３ａの外径Ｄ１よりも小さくすることで、シリコンゴムの弾力を利用して、ガイド部材４を工具軸３の研磨軸３ａに密着させ固定できるようになっている。この貫通孔５ａに工具軸３の研磨軸３ａを圧入して取り付ける。

また、このガイド部材５の軸方向の全長は、ガイド部材５の端面を工具軸３の太径部３ｂの端面に突き当てた状態で被せた時に、工具軸３の研磨軸３ａの突き出し量ΔＬが、たとえば１ｍｍ〜５ｍｍとなるような長さにあらかじめ切断されている。

以下、上述の構成の研磨装置による研磨方法について図４、図５、図６を参照して説明する。
図４より、まずワークＷをワークテーブル２１上の凹部２１ａにのせる。次に、ワークＷを加工に必要な振れ精度に調整した上で固定ネジ２２で固定する。

続いて、ベークライトからなる工具軸３を工具スピンドル２に取り付ける。そして、工具軸３の細径部分である研磨軸３ａにシリコンゴムからなるガイド部材５の貫通孔５ａを挿通させて被せる。

このガイド部材５の長さは、ガイド部材５を研磨軸３ａに被せたときに、ガイド部材５の貫通孔５ａから工具軸３の細径部分である研磨軸３ａが、突き出し量ΔＬとして、たとえば１ｍｍ〜５ｍｍだけ突き出した状態になるように、あらかじめ切断しておく。

次に、図示しない研磨剤をワークＷに塗布する。研磨剤はペースト状のものを使用し、ワークＷの加工面上に塗布する。また、加工中も適宜、ワークＷの加工部位に供給する。
続いてモータにより工具スピンドル２を回転させ、工具軸３を回転させる。また、別のモータによりワークテーブル２１を回転させることで、ワークＷを回転する。続いて、ワークＷの外周の加工開始位置の上方に、工具軸３が位置するようにワークテーブル２１を移動する。

研磨加工は加工開始位置より、エアシリンダ６に圧力をかけ、ワークＷに表面に研磨軸３ａの先端を押圧した状態で工具軸３をワークＷの加工面を走査させて行なう。
加工中は、ワークＷの研磨ポイントにおいて、工具軸３の加工部が常にワークＷの表面の法線方向に接触するように、ワークテーブル２１のＢ軸による揺動変位が制御されている。また、研磨ポイントが、ワークＷの加工面上を走査するように、ワークテーブル２１のＸ軸およびＹ軸が制御されつつ研磨される。

加工動作は、ワークＷの全面の研磨を行なう際は、ワークＷの外周から研磨を開始し、ワークＷの中心部を通り、もう一端のワークＷの外周まで工具軸３を走査させ研磨が行なわれる。この動作を１サイクルとし、挽き目が除去され、所望の鏡面形状が得られるまで研磨を繰り返す。

一方、形状修正を目的とするような、狭い範囲での研磨を行う際は、ワークＷの断面形状の測定を行い、測定データより、平滑面にするために除去したい部分を選択し、ここに工具軸３の研磨軸３ａを滞留させて研磨を行なう。これを所望の形状が得られるまで測定と研磨加工を繰り返す。

研磨加工を繰り返し行なった場合、工具軸３の先端部分である研磨軸３ａが磨耗して短くなる。この時、ガイド部材５を外し、研磨軸３ａの突き出し量ΔＬが最適になるようにガイド部材５を切断して短くして長さを調整する。

図５は調整前の研磨軸３ａおよびガイド部材５の詳細を示した断面図であり、図６は調整後の研磨軸３ａおよびガイド部材５の詳細を示した断面図である。
研磨軸３ａの摩耗に従って、ガイド部材５の全長を短くすることにより、研磨軸３ａの突き出し量ΔＬが一定となるように調整している。

微小な範囲の研磨を行なう際、細径の研磨軸３ａを使用すると、加工中に研磨軸３ａが折れたり、曲がる等の技術的課題があったが、本実施の形態の場合には、工具軸３の研磨軸３ａにガイド部材５を被せることで、研磨軸３ａの外周がガイド部材５により支えられる状態となり、研磨加工における加工抵抗や振動による研磨軸３ａの折れや曲がりを防ぐことができるので、工具軸３の交換回数が減少する。これにより、ワークＷの加工効率の向上し、曲がった研磨軸３ａで加工することがないので加工精度が向上する等の効果が得られる。

また、本実施の形態２では、ガイド部材５として柱状のシリコンゴムを使用しているので、ガイド部材５の製作が簡単にできる。したがって、研磨軸３ａの磨耗などにより研磨軸３ａが短くなった場合でも、工具軸３を交換することなく、ガイド部材５を構成するシリコンゴムを切除して長さを調整することで、研磨軸３ａの突き出し量ΔＬを容易に調整することができる。

更に、ガイド部材５を構成するシリコンゴムは柔らかい材質なので、研磨軸３ａの磨耗が進み、ガイド部材５がワークＷの加工面に接触したとしてもワークＷの加工面を損傷することがない等の効果も得られる。

以上のように本発明の各実施の形態によれば、細径の研磨軸３ａは、加工中、振動や、加工抵抗により折損や曲がりが生じやすいが、研磨軸３ａにガイド部材４やガイド部材５を被せることで、ガイド部材４やガイド部材５により研磨軸３ａの外周を保持することができるので、加工中の研磨軸３ａの折れや曲がりを防ぐことができる。

また、ガイド部材４やガイド部材５等のガイド部材の研磨軸３ａの軸方向の位置を自在に調整可能としたことで、研磨軸３ａの突き出し量を調整することができ、磨耗などにより研磨軸３ａが短くなった場合でも、工具軸３を交換することなく、ガイド部材４やガイド部材５の位置の調整だけで対応できるので、効率良く加工できるようになる。

また、ガイド部材５として硬度が５°〜６５°である材料を使用し、ガイド部材５の貫通孔５ａの径を、研磨軸３ａの径より小さくすることで、ガイド部材５の弾力を利用して、研磨軸３ａに密着させて固定できるので、安価で簡便にガイド部材５を作製することができる。

なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態であるの研磨装置Ｍの構成の一例を示す側面図である。 その工具軸部の詳細を示した図である。 その工具軸部の詳細を示した図である。 本発明の他の実施の形態である研磨装置の概略構成を示す側面図である。 その工具軸部の詳細を示した図である。 その工具軸部の詳細を示した図である。

符号の説明

１ 工具テーブル
２ 工具スピンドル
３ 工具軸
３ａ 研磨軸
３ｂ 太径部
４ ガイド部材
４ａ 貫通孔
４ｂ 固定ネジ
５ ガイド部材
５ａ 貫通孔
６ エアシリンダ
７ スライド板
８ スタンド
９ 昇降軸
２１ ワークテーブル
２１ａ 凹部
２２ 固定ネジ
Ｍ 研磨装置
Ｗ ワーク

Claims (10)

1. 太径部の一端に細径部が突設された工具軸と、
   前記工具軸の前記細径部が挿通される貫通孔を有し、前記細径部の外周を保持するガイド部材と、
   を含むことを特徴とする研磨工具。
2. 請求項１記載の研磨工具において、
   前記ガイド部材は、一端が閉止された筒体からなり、開口端が前記工具軸の前記太径部に嵌合し、閉止端には前記細径部が貫通する前記貫通孔を備えたことを特徴とする研磨工具。
3. 請求項２記載の研磨工具において、
   前記ガイド部材の側壁部には、前記太径部の軸方向の任意の位置で当該ガイド部材を固定する位置調整手段を備えたことを特徴とする研磨工具。
4. 請求項１記載の研磨工具において、
   前記ガイド部材は、前記工具軸の前記細径部よりも全長が短く、当該細径部が貫通する前記貫通孔を備えた筒体を呈することを特徴とする研磨工具。
5. 請求項４記載の研磨工具において、
   前記ガイド部材の硬度が５°から６５°であり、当該ガイド部材の前記貫通孔に前記工具軸の前記細径部が圧入されていることを特徴とする研磨工具。
6. 太径部の一端に細径部が突設された工具軸および前記工具軸の前記細径部が挿通される貫通孔を有し前記細径部の外周を保持するガイド部材を含む研磨工具と、
   前記研磨工具を被加工物に相対的に摺動させる工具駆動手段と、
   を含むことを特徴とする研磨装置。
7. 請求項６記載の研磨装置において、
   前記研磨工具の前記ガイド部材は、一端が閉止された筒体からなり、開口端が前記工具軸の前記太径部に嵌合し、閉止端には前記細径部が貫通する前記貫通孔を備えたことを特徴とする研磨装置。
8. 請求項７記載の研磨装置において、
   前記研磨工具の前記ガイド部材の側壁部には、前記太径部の軸方向の任意の位置で当該ガイド部材を固定する位置調整手段を備えたことを特徴とする研磨装置。
9. 請求項６記載の研磨装置において、
   前記研磨工具の前記ガイド部材は、前記工具軸の前記細径部よりも全長が短く、当該細径部が貫通する前記貫通孔を備えた筒体を呈することを特徴とする研磨装置。
10. 請求項９記載の研磨装置において、
    前記ガイド部材の硬度が５°から６５°であり、当該ガイド部材の前記貫通孔に前記工具軸の前記細径部が圧入されていることを特徴とする研磨装置。

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