JP2010110889A - ジェットによる基板表面の仕上げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学要素を仕上げるため、特に、マイクロレンズを経済的に製造する。
【解決手段】表面を研磨性液体スラリー１４にて被覆する手段と、気体又は液体の何れかの流体ジェット３１をスラリーに対して衝突させ、基板表面２０に高せん断加工領域を形成し、これにより該表面の形状を所定の形状及び（又は）滑らかになるように変化させる手段とを備えている。該表面２０は、該表面上を流動するスラリー層を滝状に流すか又はスラリーを加工領域に衝突させ又は基板２０をスラリー内に浸漬させることにより、被覆することができる。ジェット流体を分配するノズル２６は、仕上げるべき表面から所定の距離にて及びある角度を成して正確に配置される。ノズル先端２６を基板表面２０から第一の距離に配置することにより粗除去機能が提供され、ノズル２６を基板表面２０により近い位置に配置することにより、精密な除去機能が提供される。
【選択図】図１

Description

その他の出願との関係

本出願は、２０００年１２月２１日付けで出願された、仮特許出願第６０／２５７，８４３号の優先権を主張するものである。

本発明は、研磨又はボリシングすることにより剛い物品を整形する方法及び装置、より具体的には、ガラス又はセラミックレンズのような剛い物品又は金属物品に流体ジェットを衝突させることにより仕上げる方法及び装置、最も特定的には、整形すべき物品から材料を除去することによりその物品の表面と接触した研磨性の軸受液体膜に、空気ジェット又は水ジェットのような流体ジェットを衝突させる方法及び装置に関する。

コルドンスキーら、米国特許第５，９５１，３６９号「基板の磁気レオロジー仕上げ用システム」１９９９年９月１４日ハーシシェら、米国特許第５，７００，１８１号、１９９７年１２月２３日 モンバー及びＲ．コバチェビックの「研磨性水ジェット加工の原理」（１９８８） 物品、特に、レンズ及びミラーのような光学要素を整形し、仕上げ且つポリシングするため研磨性流体を使用することは既知である。例えば、コルドンスキー（Ｋｏｒｄｏｎｓｋｙ）らに対して１９９９年９月１４日付けで発行された、米国特許第５，９５１，３６９号「基板の磁気レオロジー仕上げ用システム（Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｍａｇｎｅｔｏｒｈｅｏｌｏｇｉｃａｌ Ｆｉｎｉｓｈｉｎｇ ｏｆ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ，）」を参照するとよい。また、スプリンガ−ヴェルラグロンドンリミテッド（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ Ｌｏｎｄｏｎ， Ｌｔｄ．）から出版されたモンバー（Ｍｏｍｂｅｒ）及びＲ．コバチェビック（Ｋｏｖａｃｅｖｉｃ）の「研磨性水ジェット加工の原理（Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ａｂｒａｓｉｖｅ Ｗａｔｅｒ Ｊｅｔ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）」（１９８８）、特に、その３２８−３３０ページを参照するとよい。本明細書にて使用するように、「研磨」という語は、物品の全体形状を変化させるべく材料を比較的迅速に且つ、粗く除去することを意味する。「ボリシングする」という語は、研磨又はその他の粗い過程によって既に形成された表面のマイクロ粗さを減少させるため材料を比較的ゆっくりと且つ、微細に除去することを意味する。本明細書で使用するように、表面を整形するための研磨、ポリシング及び加工を含む全ての除去過程は、全体として「仕上げ」と称される。

既知のジェット仕上げ技術において、液体担体媒質中に懸濁させた研磨性粒子を含む液体スラリーは、高速度にて仕上げるべき基板表面に対して衝突させる。例えば、ハーシシェ（Ｈａｓｈｉｓｈ）らに対して１９９７年１２月２３日付けで発行された米国特許第５，７００，１８１号を参照するとよい。研磨性粒子は、機械的攻撃によって基板の遊離した粒子を分解するのに十分に強力であり、その後、その基板の粒子は、スラリーによって運び去られる。かかる仕上げは、機械的研磨の１つの形態であるとみなすことができる。

既知の技術にて行われているジェット衝突仕上げは、幾つかの重大な短所を有する。

例えば、研磨性スラリーは、典型的に、リザーバ内で混合した状態に保たなければならない。微粒子研磨材は、典型的に、急速に沈澱し易く、従って、能動的な混合を必要とする。

更に、研磨性スラリーは、特殊な耐研磨型ポンプによって耐研磨性供給システム及びノズルを通じて圧送しなければならない。ノズルの有効寿命は、比較的短いことが知られている。

更に、研磨性粒子は、スラリー供給システム内で沈澱し、これにより詰まり及び流れを停止させ易い。

更に、既知の仕上げシステムは、例えば、光ファイバストランドの端部のような、極めて小型の物品又は表面を仕上げるのに十分に適していない。ジェットの最小直径は、ノズルを通じて供給しなければならない研磨性粒子又はその塊のサイズによって制限される。極めて小径のノズルは、詰まり易く、また、高速度の流れを保つためには、高圧の圧送圧力が必要である。このため、従来技術の装置及び方法によって仕上げることのできる基板のサイズには実際的な下限値がある。

ミクロ及びナノサイズの物品を流体ジェットで表面仕上げするための方法及び装置が必要とされている。

本発明の１つの主目的は、仕上げるべき表面の最小サイズが研磨性粒子のサイズ、また、その表面に研磨性ジェットを衝突させるジェットの直径によっても制限されない、ジェットで仕上げのための改良された方法及び装置を提供することである。

本発明の更なる目的は、ノズルが研磨性粒子によって詰まることがない、ノズルによってジェットで仕上げするための改良された方法及び装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、研磨及びポリシングの双方を所定の仕上げ装置を調節することによって行うことのできる、ジェットで仕上げのための改良された方法及び装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、マイクロレンズを経済的に製造するための改良された方法及び装置を提供することである。

簡単に説明すれば、本発明に従って、基板の表面を仕上げるための方法及び装置は、研磨性粒子を含む液体スラリーにて表面を被覆する手段と、流体、好ましくは、空気又は水のジェットをスラリーに対して衝突させ、粒子を加速し且つ、基板表面に高せん断加工領域を形成する手段とを備え、基板の部分がスラリーによって持ち上げられ且つ除去され、基板表面の形状を所定の形状及び（又は）滑らかさに向けて変化させるようにする。表面は、該表面上に流動するスラリー層を滝状に流すか、又はスラリーを加工領域に衝突させ、又は基板をスラリーのプール内に浸漬させる等により被覆することができる。ジェットは、例えば、仕上げるべき表面から所定の距離に正確に配置することのできる出口オリフィスを有する管状ノズルによって提供される。粗い除去機能は、出口オリフィスを基板表面から第一の距離に確立することにより提供することができ、また、精密な除去又はポリシング機能は、出口オリフィスを基板表面から第二のより短い距離に配置することにより提供することができる。更に、除去機能の面積の形状は、ノズルと基板との間の距離及び角度を変更することにより変化させることができる。また、特定の間隔において、この機能は半径方向に２重モードとし、マイクロレンズのような湾曲面を簡単に勝つ経済的に形成することを許容する。ノズルは、ジェットの軸が仕上げるべき面に対して０°乃至９０°の範囲の所定の角度を形成するように方位決めすることができる。出口オリフィスは、スラリー内に浸漬させるか、又はスラリーの自由面よりも上方の空間内に配置することができる。スラリーは、水性又はその他のものとすることができる。好ましくは、スラリーは、水の粘度よりも多少、高粘度を有し、ジェットの衝突によりスラリー内に顕著な程度の表面せん断力が発生するようにする。好ましくは、基板及び（又は）ノズルは、互いに制御可能に動かして、基板表面の所望の輪郭又は滑らかさが得られるようにする。

基板を仕上げるため、研磨性スラリーのプール内に浸漬させたジェット発生ノズルを示す、本発明による装置の概略断面図である。 第二のノズルを介して付与される研磨性スラリー層の上方に取り付けられたジェット発生ノズルを示す、図１に示した図と同様の図である。 約６ノズル直径の基板からのノズル距離からジェットをスラリーに直角に衝突させることによる基板の除去量の特性線を示す図である。 約２ノズル直径のノズルの距離における除去量の特性線を示す、図３に示したものと同様の図である。 本発明に従って仕上げ装置をステップ状に割出すことにより形成される一連のマイクロレンズの平面図である。 図５の線６−６に沿った断面図である。 図１に円７で示した領域の拡大詳細図である。

本発明の上記及びその他の目的、特徴並びに有利な点、及びその現在の好ましい実施の形態は、添付図面に関する以下の説明を読むことによって一層、明らかになるであろう。

図１を参照すると、ジェットによる基板表面の仕上げを行う装置の第一の実施の形態１０は、ある容積の研磨性スラリー１４を保持する容器１２を備えている。スラリー１４は、例えば、液体媒体中に分散させた、酸化セリウムのような研磨性粒子の従来の懸濁物又は液体媒質中の微粒子研磨材のその他の処方分とすることができる。容器１２内には、装置１０によって仕上げるべき表面２０を有する基板１８を保持し、好ましくは、垂直軸１７の周りで回転する取り付け手段１６がある。スラリー１４の容積の深さは、表面２０がスラリー１４の液体上面２２の下方に没するようなものとする。好ましくは、容器１２は、装置が作動する間、スパッタリングによるスラリーの損失を最小にするようにカバー２４が設けられるようにする。

管３０及びマニホルド３２を介して流体媒質供給源２８に接続された中空ノズル２６がカバー２４を貫通して基板表面２０に向けて伸びている。流体の平行化ジェット３１がノズル２６から表面２０に向けられる。供給源２８によって提供される流体は、非限定的に、圧縮空気のような気体、又は、非限定的に、加圧水のような液体の何れかとすることができる。ノズル２６を通じて供給される流体媒質の流量は、周知の従来の手段（図示せず）にて所望に応じて調節することができる。ノズル２６は、排出流れの軸２７を有する。ノズル２６は、０°（表面に対して平行）から９０°（表面に対して直交）まで表面２０に対する任意の所望の角度３４にて配置することができる。９０°のノズル角度において、表面２０における流体の関係は、実質的に、円形対称である。ノズル２６は、排出先端３５の直径３３を有し、該先端は、図７に図示するように、表面２０から任意の所望の距離３６に配置することができる。説明の目的のため、距離３６対直径３３の比率は、便宜なメートル単位とする。

図１及び図３を参照すると、第一の好ましい作動モードにおいて、ノズル２６は、９０°の衝突角度にて基板表面２０から約５乃至６直径の距離に配置される。ノズル２６から出る流体ジェット３１は、既にスラリー中に存在する研磨性粒子を表面２０に向けて加速する。表面２０からの材料の除去量は、軸２７の周りの対称のベル形状曲線３７で示すように、衝突の強さに比例する。この除去モードは、「脆い」といわれ、粒子を表面２０に対して強力に推進させることを含む。これらの状態は、研磨性粒子が補助的な流体ジェット３１によって二次的に加速されるのではなくて、研磨性粒子がノズルを通じて供給される従来のジェット仕上げと比較して、仕上げ時、材料を全体して除去するのに有用である。しかし、かかる微粒子の攻撃は、仕上がった表面にマイクロ亀裂の形態にて表面下損傷を生じさせる可能性がある。

図１及び図４を参照すると、驚くべき且つ、予測し得ない現象が図示されている。ノズル先端３５は、例えば、１乃至２ノズル直径にて表面２０に近い位置に配置しなければならないため、除去量の特性線３８は、図３に示したものから劇的に変化する。軸２７における除去量は、減少し且つ，最大値４０まで半径方向に増大し、次に、減少する。ジェット及びスラリーの相互作用に起因する流体流れの解析の結果、除去量の特性線は、表面２０上でスラリーの流れにより発生された表面せん断応力の半径方向分配状態に相関することが分かる。換言すれば、本発明者は、加工面に対するノズル先端の間隔が比較的狭いとき、材料の除去は研磨性粒子が表面に対して角度を成して衝突することによるのではなくて、発生された表面せん断応力に起因して行われると考える。この除去モードは、「延性」であるといわれ、表面２０に表面下の損傷を生じさせない点にて衝突モードよりも有利である。

図５及び図６を参照すると、本発明の有益な適用例は、マイクロレンズ４２の配列４１を形成する場合である。かかるレンズは、典型的に、約５ｍｍ乃至約２０マイクロメートルの直径を有する。本発明による装置は、間欠的に作動可能な形態とすることができる。曲線３８で示した除去機能は、半径方向に対称であるため、全体して、手段１６が回転する必要はない。特定のレンズを形成するのに必要な曲線３８の形状及び勾配は、例えば、ガラス、又はブラスチックのような、レンズ配列として形成すべき基板の材料に従って、不必要な実験を行わずに、容易に決定することができる。ノズル２６は、レンズ４２の各々の所望の直径と比較可能なノズル直径３５を有することが好ましい。該配列を形成するための素材を第一の軸方向位置４４ａにて、取り付け手段１６上に配置する。供給源２８は、所定の時間、及び所定の流れの強さとなるように作動させる。表面２０は、ジェット発生の応力によって整形されて第一のマイクロレンズ４２ａを形成する。ジェットを遮断し、素材を所定の量だけ第二の位置４４ｂまで横方向に割出し、供給源２８を再度、作動させると、第二のマイクロレンズ４２ｂが形成される。同様に、この過程は、ステップ状に素材をわたって繰り返し、レンズ４２ａ乃至４２ｈを連続的に製造する。次に、レンズを個々に使用するため、素材から切断する。勿論、配列４１は、Ｙ方向に伸びて、所望に応じて複数の追加的な列のマイクロレンズ４２を含むことができる。

図２を参照すると、本発明による装置の第二の実施の形態５０は、実施の形態１０と同様である。しかし、取り付け手段１６の全体をスラリー１４内に浸漬させずに、補助的ノズル５２がスラリー１４を低速度にて表面２０に供給し、実施の形態１０によって提供されるもの実質的に同様にジェットによる表面仕上げを行う。ノズル２６は、スラリー１４中に浸漬させるか又は浸漬させなくてもよい。スラリー１４は、流動し且つ、ジェット３１により表面２０から強制的に除去され、出口５４が設けられた容器１２の底部に集まる。再循環ポンプ５６がホース５８、６０によって出口５４と補助的ノズル５２との間に接続されており、これにより、スラリー１４は表面２０に連続的に供給される。

上記の説明から、流体ジェットが基板表面上で研磨性液体スラリーに対して衝突し、これにより、基板の部分がスラリーによって持ち上げられ且つ、除去されて基板表面の形状を所定の形状及び（又は）滑らかさになるように変化させるようにした、ジェットにより基板表面を仕上げる改良された方法及び装置が提供されることが理解されよう。本明細書に記載された方法及び装置の変形例及び改変例は、本発明に従って、当該技術分野の当業者に明確に明らかであろう。従って、上記の説明は単に一例にしか過ぎず、限定的な意味を有するものではないと解釈されるべきである。

１０ 第一の実施の形態の装置
１２ 容器
１４ 研磨性スラリー
１６ 取り付け手段
１７ 垂直軸
１８ 基板
２０ 基板表面
２２ 液体上面
２４ カバー
２６ 中空ノズル
２７ 軸
２８ 流体媒質供給源
３０ 管
３１ 平行化ジェット、流体ジェット
３２ マニホルド
３３ 排出先端の直径
３４ 角度
３５ 排出先端、ノズル先端、ノズル直径
３６ 距離
３７ ベル形状曲線
３８ 除去量の特性線、曲線
４０ 最大値
４１ マイクロレンズの配列
４２ マイクロレンズ
４２ａ 第一のマイクロレンズ
４２ｂ 第二のマイクロレンズ
４２ｃ乃至４２ｈ マイクロレンズ
４４ａ 第一の軸方向位置
４４ｂ 第二の位置
５０ 装置の第二の実施の形態
５２ 補助的ノズル
５４ 出口
５６ 再循環ポンプ
５８、６０ ホース

Claims (7)

1. ジェット（３１）による（ｊｅｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ）基板（１８）の表面（２０）の仕上げ装置において、
   ａ）該表面（２０）を、研磨性粒子を含む研磨性液体スラリー（ａｂｒａｓｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｓｌｕｒｒｙ）（１４）にて被覆する手段（１４）と、
   b）前記スラリー以外の流体ジェットを前記スラリーに対して衝突させる手段（２６）であって、該流体は研磨性粒子を含んでいない気体であり、前記基板表面に隣接して前記スラリー内にせん断力を発生させ、これにより、前記基板（１８）の部分が前記スラリーによって除去され、前記基板表面の形状を所定の形状に向けて変化させる前記気体衝突手段（２６）とを備え、
   前記気体衝突手段（２６）が、ある直径（３３）を有する出口先端（３５）を備える気体衝突用ノズル（２６）を含み、
   前記ノズル（２６）の先端（３５）が、前記ノズル直径の約６倍以下の距離だけ前記基板表面（２０）から隔てられ、前記ノズル（２６）が前記基板表面（２０）に対して０゜から９０゜までの任意の所望の角度にて配置可能であり、且つ前記基板（１８）及び該基板の取り付け手段（１６）は軸線１７の周りで回転可能である、ジェットによる基板表面の仕上げ装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記被覆手段が、プール（１４）及び補助的ジェット（３１）から成る群から選ばれる、装置。
3. 請求項１に記載の装置において、
   前記距離が、ノズル直径の約２倍以下である、装置。
4. 請求項１に記載の装置において、
   前記ノズル先端（３５）が、前記スラリー中に浸漬される、装置。
5. 請求項１に記載の装置において、
   前記ノズル先端（３５）が、前記スラリーの自由上面よりも上方にある、装置。
6. 請求項１に記載の装置において、
   前記気体が空気である、装置。
7. ジェットにより基板（１８）の表面（２０）を仕上げる方法において、
   ａ）該表面を研磨性液体スラリー（１４）により被覆する工程と、
   ｂ）前記スラリー以外の流体ジェットを前記スラリーに対して衝突させる工程であって、該流体は研磨性粒子を含んでいない気体であり、前記基板表面に隣接する前記スラリー内にせん断応力を発生させ、これにより、前記基板の部分（１８）が前記スラリーにより除去され、前記基板表面（２０）の形状を所定の形状に向けて変化させる前記衝突させる工程と、
   ｃ）ある直径の出口先端（３５）を有して、前記ジェットを衝突させる気体衝突用ノズル（２６）を提供する工程と、
   ｄ）基板表面（２０）からノズル直径の約６倍以下の距離に前記ノズル先端（３５）を配置し、且つ前記ノズル（２６）が前記基板表面（２０）に対して０゜から９０゜までの任意の所望の角度にて配置可能である工程と、
   ｅ）前記基板（１８）及び該基板の取り付け手段（１６）は軸線１７の周りで回転可能である工程とを備える、ジェットにより基板表面を仕上げる方法。

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