JP3036298U - 微弾性放出研磨装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工作物に対して非接触式研磨加工を行い、超
微細表面粗度が得られ、かつ工作物に対して局部形状の
修正ができる微弾性放出研磨装置を提供する。 【解決手段】 研磨液Ｌを工作物Ｗが固定された作業区
内に注入する作業台２０と、研磨ボール１４が制御され
て自由に上下移動及び自転し、研磨作業中に研磨ボール
１４が高速で自転しながら、工作物Ｗに接近し、研磨ボ
ール１４の回転に従い、研磨液Ｌの中の研磨材が工作物
Ｗに対するせん断応力を利用して研磨加工を行う研磨機
１０と、研磨ボール１４と工作物Ｗとの間の研磨圧力を
検出するための研磨圧力センサーと、前記研磨圧力セン
サーの検出した研磨圧力を予定値と比べて研磨ボールと
工作物との相対位置を調整するコントローラからなる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は工作物の表面に対して自動研磨作業を行う微弾性放出研磨装置に係わ るものである。特に工作物に対して非接触式研磨加工を行い、超微細表面粗度が 得られ、かつ工作物に対して局部形状の修正ができる微弾性放出研磨装置に係わ るものである。

【０００２】

【従来の技術】

従来技術では、マイクロ素子に対する三次元表面の研磨は、熟練せる技術者の 経験に頼り、ふさわしい研磨液及び研磨パットを利用し、両手でその素子に対し て超微細加工を行う。図５は前記従来の接触式研磨作業の一例を示す。研磨作業 を行うとき、工作物Ｗは中心軸の回りをＲ方向に沿って自転する。加工工具とす るスポンジ質の研磨パットＮは、後ろから圧力当接ピンＰの押圧を受け、工作物 Ｗの加工すべき面に強く当接し、同時に矢印Ｓの方向に沿って左右に揺動する。 研磨パットＮと工作物Ｗの加工すべき面との間に研磨液を注入し、接触式研磨作 業を行う。他に超音波方式で工作物表面の研磨を行うのもある。 しかし、上記の従来技術は一般に、工作物表面の品質改良しかできず、工作物 の形状精度を改善することができない。かつ、非対称形状の工作物については、 研磨作業をすることができない。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

前述の問題点に鑑み、本考案の第一目的は、熟練せる技術者の経験に頼ること なく、事前に研磨装置の中に確立されたデータを利用し、自動的に研磨作業を行 うような微弾性放出研磨装置を提供することにある。 本考案の第二目的は、工作物に対して局部形状の修正を行うことができ、かつ 、非対称形状工作物に対しても研磨作業を行うことができるような微弾性放出研 磨装置を提供することにある。 本考案の第三目的は、作業区に入った研磨液に温度制御を施し、加工時の安定 性を確保し、加工精度を向上させるような微弾性放出研磨装置を提供することに ある。 本考案の第四目的は、非接触式研磨加工を利用することにより、一般の接触式 研磨加工で達成できない研磨精度及び超微細表面粗度が得られるような微弾性放 出研磨装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】

前述の目的を達成するため、本考案の微弾性放出研磨装置は、つぎのように構 成される。 請求項１の微弾性放出研磨装置は、作業区が設けられ、加工すべき工作物は前 記作業区内に固定されることができ、かつ研磨材を含む粘稠液体からなる研磨液 を前記作業区内に注入するような作業台と、 加工工具とする研磨ボールが設けられ、前記研磨ボールが制御されて自由に上 下移動及び自転し、かつ加工曲面の曲率半径によってその半径が妥当に選ばれ、 研磨作業が行われるとき、前記研磨ボールが高速で自転しながら、工作物に接近 し、工作物と研磨ボールとの間の隙間には前記研磨液を詰め込み、研磨ボールの 回転に従い、前記研磨液の中の研磨材が工作物に対するせん断応力を利用して研 磨加工を行う研磨機と、 前記研磨液で隔たった研磨ボールと工作物との間の垂直力（研磨圧力）を検出 する研磨圧力センサーと、 前記研磨圧力センサーが検出した研磨圧力を予定値と比べ、その比べた結果に よって研磨ボールと工作物との相対位置を調整するコントローラとからなること を特徴とする。

【０００５】 請求項２の微弾性放出研磨装置は、上記の微弾性放出研磨装置において、作業 台は、コンピューターで数値制御することにより、二つの直交する方向に沿って ある水平面内で移動して位置が決まり、かつ、ある水平軸線に回って自由に揺動 してある傾斜角に落ち着く。また、前記作業台は予定の速度で回転できる。なお 、前記研磨機には、軸線が前記作業区を通過するような研磨アームが設けられ、 この研磨アームは、前記研磨圧力センサーの検出した研磨圧力によって上下に移 動する。前記研磨ボールが前記研磨アームの前端に設けられ、その研磨アームと ともに上下に移動し、かつ、その研磨アームの軸線に回って自転することを特徴 とする。

【０００６】 更に、請求項３の微弾性放出研磨装置は、研磨液の循環システムと、濾過シス テムと、温度コントローラと、貯蔵タンクと、を含む。使用後の研磨液が循環シ ステムにより回収され、濾過システムに入り、そして再び貯蔵タンクに還流し、 温度コントローラの制御によって予定温度に達したら、また加工区に入る。従っ て、加工区に入った研磨液を予定の温度範囲内に維持させることを特徴とする。

【０００７】 本考案のその他の特徴及びその具体的構造、機能、効果は、下記の添付図面を 参考し、本考案の好適実施例での説明によって更に理解できるものである。

【０００８】

【考案の実施の形態】

図１及び図２を参照し、本考案の微弾性放出研磨装置を説明する。この微弾性 放出研磨装置は主に、作業台２０と、研磨機１０と、研磨圧力センサーと、コン トローラとから構成されている。

【０００９】 前記作業台２０には作業区があり、加工すべき工作物Ｗはこの作業区内に固定 されることができ、この作業区内に研磨材を含む粘稠液体からなる研磨液Ｌ（図 ３を参照）を注入する。前記研磨液Ｌの作用は後に詳述する。工作物Ｗの位置決 めが容易に行われるため、工作物Ｗを支持する支持フレーム２３は、図示してい ないコンピューター数値制御（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎ ｔｒｏｌ）で、第一横方向移動モータ３０及びねじ部材３１で駆動され、水平面 でＸ１方向に沿って自由に移動できる。また、第二横方向移動モータ４０及びね じ部材４１で駆動され、水平面でＸ１方向に直交するＹ１方向に沿って自由に移 動できる。

【００１０】 支持フレーム２３には、揺動モータ５０と、前記揺動モータ５０に駆動されて 前記Ｘ１方向に平行するＸ２軸線を回軸中心として自由に揺動しながら、ある傾 斜角に落ち着くクランク部２２と、が設けられている。工作物Ｗは、軸線Ａ１を 中心として回転する方式でクランク部２２に設けられている。また、クランク部 ２２には、モータ６１と、モータ６１の動力を工作物Ｗに伝動する支持軸２１の ベルト６２と、を備える回転駆動手段６０が設けられている。前記回転駆動手段 ６０で工作物Ｗをクランク部２２に対して予定速度で回転させる。更に、作業台 ２０は花崗岩で作製したベースに設けられることにより、微細加工時の安定度を 保証することができる。

【００１１】 前記研磨機１０は、本体１１と、前記本体１１に設けられ、図示していないコ ントローラの制御で本体１１に対して軸線Ｚ１方向に上下に移動する研磨アーム 保持体１２と、前記研磨アーム保持体１２に保持され、研磨アーム保持体１２と ともに上下に移動する研磨アーム１３と、加工工具とし、ポリウレタン等の材料 から構成し、空気軸受けで支持され、研磨アーム１３における、工作物Ｗに向い ている端に設けられ、予定速度で研磨アーム１３の軸線A2（以下、研磨ボール１ ４の主軸と称する）を回転中心として自転する研磨ボール１４と、から構成され ている。加工表面の曲率半径によってふさわしい半径を有する研磨ボール１４を 選べる。研磨アーム１３の妥当な位置に研磨圧力センサー（図示していない）が 設けられ、研磨作業が行われるとき研磨ボール１４の受ける垂直力（研磨圧力） が検出される。

【００１２】 次に、図３を参照して本考案による微弾性放出研磨装置を利用して、研磨作業 を行うときの原理を説明する。研磨作業を行うときには、前記研磨材を含む粘稠 液体からなる研磨液Ｌを研磨ボール１４と工作物Ｗとの間の隙間に詰め込み、前 記研磨ボール１４が高速で自転し、工作物Ｗに近づくとき、相互に接近すること により、両方の間の垂直力（研磨圧力）及び研磨材が工作物に対するせん断応力 が生じる。もし研磨圧力センサーは、前記垂直力が研磨圧力の予定値より高いと 検出するなら、研磨ボール１４が作業区から離れ、逆に、研磨圧力の予定値より 低いと検出するなら、研磨ボール１４が作業区に近づくことになる。上述の動作 で加工時に生じられる垂直力がほぼ予定値に等しく、即ち、加工するためのせん 断応力がほぼ一定に維持される。

【００１３】 なお、加工状況の安定性を確保するため、作業区に注入した研磨液は後述の温 度によって制御される。研磨液はノズルに案内されて加工位置に届き、使用後の 研磨液が直ちに、研磨液の循環システムにより作業台から吸い取られ、濾過シス テムに入り、そして貯蔵タンクに還流する。回収した研磨液は、貯蔵タンクに設 けられている温度コントローラによって制御され、予定温度に達する。従って、 加工区に入った研磨液を予定の温度範囲内に維持される。

【００１４】 本考案による微弾性放出研磨装置は、研磨ボールの主軸A2と、研磨アームの上 下摺動軸（Ｚ１）と、作業台のＸ軸と、Ｙ軸と、揺動軸（Ｘ２軸）と、工作物Ｗ の回転軸A1と、など六本の軸を有する。その中、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｘ２軸などは、コ ントローラによりＣＮＣ三軸制御を行うことができる。研磨ボールの主軸A2及び 工作物Ｗの回転軸A1は、前記コントローラに制御されて指定の速度で回転する。 また、研磨アームは、研磨圧力センサーで検出した研磨圧力によってその垂直位 置を決め、よって上下移動を行う。

【００１５】 次に、図４に示す研磨作業のフローチャートを参照しながら、図１ないし図３ を参照し、本考案の微弾性放出研磨装置を利用して研磨作業を行う過程を説明す る。

【００１６】 （ステップ１）………準備作業 まず、工作物Ｗを作業台２０の作業区内に固定し、工作物Ｗの高さを、揺動軸 Ｘ２の軸線が工作物の曲面の曲率中心を通過するように調整する。また、第一横 方向移動モータ３０及び第二横方向移動モータ４０を利用して工作物Ｗの水平位 置を調整し、そして研磨ボール１４を取り付ける。

【００１７】 （ステップ２）………刃物を選び、加工ルートを設定する 刃物を選ぶとは、ふさわしい材料から構成し、妥当な半径を有する研磨ボール １４を選択することである。

【００１８】 （ステップ３）………加工パラメータを設定する 妥当な加工パラメータを設定する。例えば、研磨ボール主軸の回転速度、研磨 圧力、工作物の回転速度、加工曲面の方程式などがパラメータである。

【００１９】 （ステップ４）………研磨作業を行う 回転中の研磨ボール１４を段々工作物Ｗに接近させると同時に、研磨液を作業 区内に注入する。このとき、研磨液の中の研磨材には、研磨ボール１４と工作物 Ｗとの間の相対運動のため、垂直力及びせん断応力を形成し、よって微小な加工 力が生じられ、研磨作業がそれで行われる。研磨作業が行われている間、研磨ア ーム１３に設けられている研磨圧力センサーは、研磨ボール１４が受ける垂直力 を検出し、コントローラが前記垂直力を予定の研磨圧力と比べる。実際の研磨圧 力が予定値より低くなったり、高くなったりすることにより、研磨アーム１３と 工作物Ｗとの間の相対位置を調整し、最終目的は研磨圧力がほぼ予定値に等しく なる。研磨ボール１４は、工作物Ｗに近付いたら、研磨すべき面に沿ってたどっ ていき、予定の加工ルートを全体通過してから、一回目の加工を完成する。

【００２０】 （ステップ５）………加工完成品の計測 加工が完成した後、計器で加工された工作物Ｗが規格に合うか、を計測する。 合うなら研磨作業が完了する（ステップ６）。さもなければ、ステップ３に戻り 、前回の加工において残された誤差により、改めて加工パラメータを設定し（ス テップ３）、そして、改めて研磨作業を行う（ステップ４）。ステップ３及びス テップ４を、加工された工作物Ｗが規格に合うまで繰り返される。

【００２１】

【考案の効果】

前記構造を有する本考案の微弾性放出研磨装置によれば、熟練せる技術者の経 験に頼ることなく、事前に研磨装置の中に確立されたデータを利用し、自動的に 研磨作業を行える。また、従来の研磨加工技術で達成できなかった0.1 μm 以下 の研磨精度及び５nmぐらいの超微細表面粗度が得られる。なお、本考案はマイク ロ素子に対して三次元曲面加工に適用し、かつ工作物に対して局部的に形状を修 正することができ、非対称形状の工作物に対しても研磨作業が行える。

【００２２】 以上では本考案の好適な実施例について説明したが、これに限定されるもので はなく、本考案の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。これ らの変形実施は本考案の範囲内にあると認めるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による微弾性放出研磨装置の側面図であ
る。

【図２】図１の微弾性放出研磨装置における作業台等の
正面図である。

【図３】本考案による微弾性放出研磨装置を利用し、研
磨作業を行うときの動作原理、を説明するための略図で
ある。

【図４】本考案による微弾性放出研磨装置を利用し、研
磨作業を行うときのフローチャートである。

【図５】従来の接触式研磨作業の一例である。

【符号の説明】

１０ 研磨機 １１ 本体 １２ 研磨アーム保持体 １３ 研磨アーム １４ 研磨ボール ２０ 作業台 ２１ 支持軸 ２２ クランク部 ２３ 支持フレーム ２７ 花崗岩ベース ３０ 第一横方向移動モータ ３１ ねじ部材 ４０ 第二横方向移動モータ ４１ ねじ部材 ５０ 揺動モータ ６０ 回転駆動手段 ６１ モータ ６２ ベルト Ｎ スポンジ質の研磨パット Ｐ 圧力当接ピン Ｗ 工作物 Ｌ 研磨液 Ａ１ 工作物Ｗの回転軸 Ａ２ 研磨ボールの主軸 Ｘ１ 方向 Ｙ１ 方向 Ｚ１ 摺動軸 Ｘ２ 揺動軸

Claims (3)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】作業区が設けられ、加工すべき工作物は前
   記作業区内に固定されることができ、かつ研磨材を含む
   粘稠液体からなる研磨液を前記作業区内に注入するよう
   な作業台と、加工工具とする研磨ボールが設けられ、前
   記研磨ボールが制御されて自由に上下移動及び自転し、
   かつ加工曲面の曲率半径によってその半径が妥当に選ば
   れ、研磨作業が行われるとき、前記研磨ボールが高速で
   自転しながら、工作物に接近し、工作物と研磨ボールと
   の間の隙間には前記研磨液を詰め込み、研磨ボールの回
   転に従い、前記研磨液の中の研磨材が工作物に対するせ
   ん断応力を利用して研磨加工を行う研磨機と、前記研磨
   液で隔たった研磨ボールと工作物との間の垂直力（研磨
   圧力）を検出するための研磨圧力センサーと、前記研磨
   圧力センサーの検出した研磨圧力を予定値と比べ、その
   比べた結果によって研磨ボールと工作物との相対位置を
   調整するコントローラと、を含む微弾性放出研磨装置。
2. 【請求項２】前記作業台は、コンピューターで数値制御
   することにより、二つの直交する方向に沿ってある水平
   面内で移動して位置が決まり、かつ、ある水平軸線に回
   って自由に揺動してある傾斜角に落ち着き、また、前記
   作業台は予定の速度で回転でき、なお、前記研磨機に
   は、軸線が前記作業区を通過するような研磨アームが設
   けられ、前記研磨アームは、前記研磨圧力センサーの検
   出した研磨圧力によって上下に移動し、前記研磨ボール
   が前記研磨アームの前端に設けられ、該研磨アームとと
   もに上下に移動し、かつ、前記研磨アームの軸線に回っ
   て自転する、ことを特徴とする請求項１記載の微弾性放
   出研磨装置。
3. 【請求項３】研磨液の循環システムと、濾過システム
   と、温度コントローラと、貯蔵タンクと、を含み、使用
   後の研磨液が前記循環システムにより回収され、前記濾
   過システムに入り、そして再び前記貯蔵タンクに還流
   し、温度コントローラの制御によって予定温度に達した
   ら、また加工区に入り、従って、加工区に入った研磨液
   を予定の温度範囲内に維持させる、ことを特徴とする請
   求項１記載の微弾性放出研磨装置。