JP2021133450A - 磁気援用加工法を応用した固定砥粒研磨方法及び研磨装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る固定砥粒研磨方法は、図1〜図4に示すように、磁極13有する固定砥粒工具10の被研磨体側に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を磁気吸着させて、被研磨体20を研磨する、ことに特徴がある。この方法で使用する固定砥粒工具10において、「被研磨体20の側の端部11」は加工面となる側であるので加工面部11ともいい、「被研磨体の逆側端部12」は背面となる側であるので背面部12ともいう。
被研磨体20は、研磨する対象となるものであり、その形状及び材質は特に限定されない。形状は、固定砥粒工具10の形状に応じた各種の形状のものとすることができる。代表例としては、図1〜図4に示すように、固定砥粒工具10の加工面部11が円柱形状である場合は、被研磨体20は平らな形状のものとなる。例えば、矩形(長方形、正方形等)、多角形、円形、楕円形等の各種形状からなる板状部材を挙げることができる。一方、固定砥粒工具10の加工面部11が曲面である場合は、被研磨体20も曲面のものとすることができる。被研磨体20の形態は一様な平面形態であってもよいし、曲がった形態でも、段差を有する形態でも、途中で大きさが変化する形態であってもよい。
固定砥粒工具10は、図1に示すように、被研磨体20の側の端部11(加工面部11)に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒が磁気吸着される工具である。そして、固定砥粒工具10は、その加工面部11で突き出した固定砥粒1,1同士の隙間2に砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒が入り込んで磁気ブラシ3となるものであれば、どのような固定砥粒工具10であってもよい。固定砥粒工具10の形状も特に限定されないが、固定砥粒工具10は回転装置30に取り付けられるので、固定砥粒工具10の形状は、円柱形状であることが好ましい。円形形状の場合の直径も特に限定されないが、例えば2〜500mm程度とすることが好ましい。なお、固定砥粒工具10の被研磨体の逆側端部(回転装置30の側)には、磁極13が取り付けられている。
砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒は、図2に示すように、隙間2に入り込んで磁気ブラシ3を形成する。形成された磁気ブラシ3は、図1〜図3に示すように、2及び被研磨体20を研磨するように作用するので、砥粒が付着した磁性粒子と、磁性砥粒とは、それぞれ研磨材として機能する。なお、磁気ブラシ3を構成する「砥粒が付着した磁性粒子」とは、磁性を有しない砥粒(例えば、ダイヤモンド砥粒等)を付着した磁性粒子のことである。また、「磁性砥粒」とは、磁性を有する砥粒(例えば、KMX−80の磁性研磨材等)のことである。
磁性粒子は特に限定されず、どのような形状であってもよい。例えば、球状又は略球状の粒子であってもよいし、非球状の角形や不定形の粒子であってもよい。磁性粒子は、磁極13に磁気吸着されて、固定砥粒1,1間の隙間2に保持される。磁性粒子は、こうした挙動を示すような磁気特性や粒径を持っている必要がある。磁性粒子としては、鉄、コバルト、ニッケル、クロムやこれらの酸化物、合金、化合物等、一般に磁性体と呼ばれる元素を全部又は一部に含む粒子が用いられる。具体例としては、カルボニル鉄粉、電解鉄粉、ニッケル粉、Ni−P合金粉又はNi−B合金粉等のニッケル合金粉等を使用することができる。また、高温高圧下の不活性ガス中で鉄と焼結させた酸化アルミニウム粉や不活性ガス雰囲気中でのアルミニウムと、酸化鉄とのテルミット反応の生成物粉等を用いることも可能である。なお、磁性を有する砥粒としては、市販の磁性研磨剤(東洋研磨材工業株式会社;KMX−80)や、その他の未市販の磁性研磨剤等を用いることができる。また、磁性を持つ粉末の表面に、他の材料を被覆してなる粒子であってもよい。
砥粒は、磁性を有するものでも磁性を有しないものでもよい。磁性を有する砥粒は、上記した市販の磁性研磨剤(東洋研磨材工業株式会社;KMX−80)や、その他の未市販の磁性研磨剤等を挙げることができる。一方、磁性を有しない砥粒としては、ダイヤモンド粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化セリウム粒子、炭化ケイ素粒子、二酸化ケイ素粒子、酸化クロム粒子、又はそれらの複合体等が挙げられる。また、JIS表示でA、WA、GC、SA、MA、C、MD、CBNとして表されているものを含む、Al2O3、SiC、ZrO2、B4C、ダイヤモンド、立方晶窒化ホウ素、MgO、CeO2又はヒュームドシリカ等の砥粒であってもよい。砥粒の形態も特に制限されず各種の形態ものを用いることができる。
研磨材スラリー6は、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒と、研磨液とで少なくとも構成され、被研磨体20上に供給される。研磨材スラリー6に含まれる磁性粒子又は磁性砥粒は、固定砥粒工具10の加工面部11に磁気吸着して磁気ブラシ3となり、研磨体20とが相対移動しても被研磨体20の表面を高能率・高精度で研磨することができる。
固定砥粒工具10の被研磨体20の逆側(図3では回転装置側)には、磁極13が取り付けられている。この磁極13は、加工面部11で突き出した固定砥粒1,1同士の隙間2に入り込んだ砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を磁気吸着させて磁気ブラシ3とするように作用する。したがって、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を十分に磁気吸着するに足る磁力を有するものであることが好ましい。
本発明に係る研磨装置50は、図3の具体例に示すように、被研磨体20を研磨する固定砥粒工具10と、固定砥粒工具10を回転させる回転装置30と、被研磨体20を設置して固定砥粒工具10と相対移動させる相対移動装置40とを少なくとも備えている。そして、固定砥粒工具10は、磁極13を有する固定砥粒工具10の被研磨体側(加工面部11)に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を磁気吸着させて、被研磨体20を研磨する。こうした研磨装置50では、固定砥粒工具10を回転させ、被研磨体20に固定砥粒工具10を押し付けると同時に被研磨体20と固定砥粒工具10とを相対移動させて研磨するので、被研磨体20の各部で高能率で高精度の仕上げ研磨を実施できる。また、固定砥粒工具10の加工面部11に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒が磁気吸着されるので、その固定砥粒工具10の加工面部11では、突き出した固定砥粒同士1,1の隙間2に砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒が入り込んで磁気ブラシ3となる。その結果、磁気ブラシ3になった加工面部11により、被研磨体20を高能率で高精度に仕上げ研磨することができる。
図3に示した実験用の研磨装置50で実証した。使用した固定砥粒工具10を図4(A)(B)に示した。この研磨装置50は、被研磨体20を回転させるとともに、被研磨体20を相対移動させるXYステージからなる相対移動装置40を備えた装置である。被研磨体20は、縦100mmで横100mmで厚さ2.5mmのアルミナセラミックス平板(SSA−S)である。表1には、実験で用いた固定砥粒工具10、研磨材スラリー6(砥粒、磁性粒子、研磨液)、磁極13、研磨条件(回転数、送り速度、加圧荷重、加工時間)を示した。磁極13はリング状のNd−Fe−B磁石であり、N極13NとS極13Sとを図3(A)に示す態様で固定砥粒工具10の回転軸に取り付けた。
固定砥粒工具10の性能や挙動を調べるために、磁性粒子径と荷重を変えて、セラミックスの加工実験を行った。表1に実験条件を示す。市販のダイヤモンド砥石をそのまま使うと加工力が大きすぎたため、加工前に表2に示す条件でツルーイングを行った。研磨液と研磨材(砥粒と磁性粒子)をよく混ぜて研磨材スラリー6として使用した。また、研磨面が乾かないように、研磨材スラリー6を最初に研磨域に約2mLかけ、5分経過時に約1mLかけるようにした。
実験結果を図5及び図6にまとめた。図7は、光学式表面性状測定装置での測定結果である。まず、図5に示すように、磁性粒子径が75μmでは、荷重が1Nのときは、加工力がほぼないが、表面粗さRaは常に改善されていることが分かった。それに対し、3N、10Nの場合は、加工時間10分で一度大きく加工し、表面粗さRaが粗くなった。その後は加工力が下がり、仕上げ面粗さは改善に向かった。次に、図6に示すように、磁性粒子径が330μmでは、3N,10N,30Nの全ての荷重で表面粗さRaが大きく改善し、高品質表面が得られた。特に荷重が30Nの場合には、10分間の加工で加工量が8mg、表面粗さが8.3nmRaとなり、良好な仕上げ面が得られた。
実験1と同様、図3に示した実験用の研磨装置50に固定砥粒工具10を装着した。この実験2では、加工面部11に磁気ブラシ3を有しない固定砥粒工具を用いている点で、加工面部11に磁気ブラシ3を有する実験1の固定砥粒工具10とは異なる。研磨装置と被研磨体20は実験1と同じである。研磨材スラリーは使用しなかった。研磨条件(回転数、送り速度、加圧荷重、加工時間)、加工の位置決め、往復運動、及び荷重測定も実験1と同じである。
図13は、被研磨体を加工するときの砥粒と磁気ブラシの作用を模式的に表した図である。固定砥粒工具は磁極により磁化されており、磁性粒子は磁極から磁力線方向(x軸方向)と等磁位線の方向(y軸方向)にそれぞれ次式(1)(2)で表される磁力ΔFx,ΔFy(その合力ΔF)を受けて加工域に集中、吸着する。式中、V0:磁性粒子の体積、X:磁性粒子の磁化率、H:磁界の強さ、(∂H/∂x),(∂H/∂y):x,y座標方向の磁界の変化率、x,y:座標、である。式(1)(2)から磁極によって受ける磁力の大きさは、磁性粒子の体積が大きいほど強く働くことがわかる。
2 隙間
3 磁気ブラシ
6 研磨材スラリー
10 固定砥粒工具
11 加工面部(被研磨体側端部)
11a 周縁部(凸形状部)
11b 中央部(凹形状部)
12 背面部(被研磨体の逆側端部)
13 磁極
13N N極
13S S極
20 被研磨体
30 回転装置
40 相対移動装置
50 研磨装置
F 圧力
M 磁力
Claims (7)
- 磁極を有する固定砥粒工具の被研磨体側に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を磁気吸着させて、前記被研磨体を研磨する、ことを特徴とする固定砥粒研磨方法。
- 前記固定砥粒工具を回転させ、前記被研磨体に前記固定砥粒工具を押し付けると同時に前記被研磨体と前記固定砥粒工具とを相対移動させる、請求項1に記載の固定砥粒研磨方法。
- 前記固定砥粒工具の前記被研磨体側の端部が円形形状であり、周縁部が凸形状部になっており、中央部が凹形状部になっている、請求項1又は2に記載の固定砥粒研磨方法。
- 前記砥粒が付着した磁性粒子を用いた場合、前記砥粒と前記磁性粒子とは粒径が異なる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の固定砥粒研磨方法。
- 前記被研磨体が、ガラス、セラミックス、半導体シリコンウエハー等の硬脆材料、又は、ステンレス鋼、チタン合金等の難削材である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の固定砥粒研磨方法。
- 被研磨体を研磨する固定砥粒工具と、前記固定砥粒工具を回転させる回転装置と、前記被研磨体を設置して前記固定砥粒工具と相対移動させる相対移動装置とを少なくとも備える研磨装置であって、前記固定砥粒工具は、磁極を有する固定砥粒工具の被研磨体側に、砥粒が付着した磁性粒子又は磁性砥粒を磁気吸着させて、前記被研磨体を研磨する、ことを特徴とする研磨装置。
- 前記固定砥粒工具の前記被研磨体側の端部が円形形状であり、周縁部が凸形状部になっており、中央部が凹形状部になっている、請求項6に記載の研磨装置。
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