JP3874340B2

JP3874340B2 - 研磨装置

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Publication number: JP3874340B2
Application number: JP2001309902A
Authority: JP
Inventors: 陽一赤上; 祐吉佐藤; 親慶山本
Original assignee: Fuji Die Co Ltd; Akita Prefecture; Kobayashi Industry Co Ltd
Current assignee: Fuji Die Co Ltd; Akita Prefecture; Kobayashi Industry Co Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2007-01-31
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: US20030068964A1; US20050040050A1; US6857940B2; JP2003117807A; CN1411955A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極間に電圧を印加し、誘電性を有する砥粒をクーロン力によって加工圧の加わる位置に配置して被研磨材を研磨する研磨装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に研磨装置は、種々の構造のものが提案されているが、研磨定盤の上に散布した砥粒を保持するポリシングパッドを固定し、被研磨材と研磨定盤とは相対移動させることにより前記砥粒が転動し前記被研磨材の表面の粗さを改善する装置が存在した。
また、近年電界や磁界に応答する各種機能性流体の研究が進み、一部で実用化されている。
【０００３】
例えば、研磨や表面仕上げなどの加工においては、磁界に応答する磁性流体を用いる例が知られている。この磁性流体は、オングストロームオーダーの磁性粒子を分散させた流体である。この流体を単独で研磨に用いても研磨作用が殆ど期待できないため、砥粒を加えて研磨に使用している。その作用は、磁界により被研磨材表面に沿って誘起される磁性流体によって砥粒に加工圧力が加えられる。しかし、このような磁性流体による研磨加工は、被加工面が球面などの特殊形状を有する場合には好適であるものの、磁界によって誘起される加工圧力が小さいため、研磨効率が低いという問題や加工屑が磁性流体に混入してスクラッチ痕を形成する事、被研磨材が磁性材の場合には，砥粒の運動は拘束されて研磨効果が得られないなどの問題点があり、用途の拡大が進んでいない。
【０００４】
また、磁界応答性流体（ＭＲ流体）は、マイクロメーターオーダーの鉄粉等の強磁性粒子を分散させた流体である。この流体に砥粒を混合し，磁界を印加すると、強磁性粒子は、速やかに誘起、粒子間で吸引し合い凝集するため、太い磁性針状態を形成するために、被研磨材に対して強い加工力を与えることができるため高い加工効率を得られる。しかし、その磁性針状体の形状・配置ならびに見かけ上の粘度などの制御が困難とされるため、このような状態において加工圧が加わると、被加工面にスクラッチ痕が形成される危険性が高い。即ち、このようなＭＲ流体では、粗い一次研磨（研削）には用いられ得るが、精微な研磨、すなわち、仕上げ加工には容易には利用できないとされている。また、ＭＲ流体における分散粒子には一般的に粒子径の大きな鉄粉等が用いられることも精微な研磨、仕上げなどの加工を阻害する要因である。
【０００５】
図１２は、従来の研磨装置の一例を示す説明図である。ここで、研磨装置には、回転電極１とこの回転電極の直下に配置されたポリシングパッド２を備えており、さらに研磨材にはシリコーンオイルまたは電気絶縁性を有する潤滑剤に分散した砥粒を用いる。導電性試料３と回転電極１との間に交流電圧を印加すると砥粒は電極に引き寄せられたり反発したりする。また、回転電極１は、図外の駆動機構により矢印Ａ方向に回転可能に支持されている。
図１３は、従来の電極の作用を模式的に示す説明図である。ここで、印加電界によって分散砥粒４は、導電性試料３に対して垂直に連続配列するクラスターを形成する。
ここで、電極間に発生したクラスターは隣同士が互いに反発し、ある間隔を保つため砥粒の配置が不均一になり易く、被研磨材の表面粗さにバラツキが生じ易かった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のように構成された従来の研磨装置においては、回転電極１から導電性試料３に叩きつける砥粒の動きや前述した不均一な砥粒配置があり、大型の製品に対する高品位な研磨面を得ることが困難であった。また、被研磨材に対して回転電極との間に電圧を印加する必要が有るため、絶縁性材料に適用することが困難であった。
すなわち、絶縁性被研磨材の厚みがそのまま空隙と同様に作用し、高い電界強度を供給しなければ砥粒の配置を制御できず高い研磨効果が得られないと云う問題と作業上の危険性や被研磨材に対する放電現象によってダメージを与える危険性も有していた。
また、一般的な研磨装置では、研磨部の回転による遠心力によって砥粒が加工領域から排他されて加工部外周に集まり易く、研磨効率を下げていた。この現象に対して従来の研磨装置では、印加電界を供給すると高い誘電率を有する砥粒は、再度クーロン力によって研磨領域に戻ることを利用し、被研磨材に与える砥粒量の均一化を図っていたが前記のように隣同士の砥粒の配置にある間隔を有するため高度に均一な砥粒配置は実現でき無かった。
本発明は上記実情に鑑み提案されたもので、絶縁性材料の研磨が可能であると共に砥粒の均一配置制御が容易な研磨装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電極を駆動装置によって駆動すると共に、前記電極と被研磨材との間に砥粒を配置し、前記電極に交流電圧を印加することで誘電性を有する砥粒をクーロン力で加工圧の加わる位置に配置し、被研磨材を研磨する研磨装置であって、前記電極は複数の電極素子から構成したことを特徴とする。
以上の構成により、被研磨材質や厚さの影響を受けることなく、均一な研磨を行うことができる。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明において、前記電極は、径の異なる複数の電極素子を同心円状に配置すると共に、各電極素子間は絶縁性材料で離隔した電極であることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、上記した請求項１または２に記載の発明の構成に加えて、前記電極の複数の電極素子には、異なる電圧が印加されることを特徴とする。または、絶縁材の厚みを調整し各電極素子の砥粒吸引力を調整することで、回転電極の遠心力による砥粒の飛散などの影響を抑制することもできる。
【００１０】
また、請求項４に記載の発明は、上記した請求項１から３の何れか１に記載の発明の構成に加えて、前記電極の複数の電極素子には、中心部から外周部に向かって順次高い電圧が印加されることを特徴とする。
以上の構成により、遠心力の影響が作用しやすい外周部において高い電圧を印加し、影響の少ない内周部に低い電圧を印加する事が可能となり、研磨量の均一化を実現することができる。
【００１２】
また、請求項５に記載の発明は、被研磨材へ砥粒を分散した流体を供給する機構であって、絶縁性管の周囲に電極を配設し、電界強度１．５〜３ｋＶ／ｍｍ、０．１〜１０Ｈｚの低周波交流電界を印加すると、前記絶縁性管から滴下する流体のみかけ上の粘度変化を生じ、流量を調整する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は、本発明に係る研磨装置の回転電極の第１の実施例を示す説明図、図２は本発明の回転電極を示す要部縦断面図である。ここで、研磨装置１０は、回転電極１１を図外の駆動装置によって回転駆動すると共に、回転電極１１と被研磨材１２との間に電気絶縁性を有する潤滑油に砥粒を分散させた流体を滴下し、回転電極１１に交流電圧を印加することにより、クーロン力が作用し、砥粒１３がポリシングパッド１７と被研磨材１２との間で数珠状に配置制御される。印加する電界は、電界強度±１〜１０ｋＶ／ｍｍ、周波数０．１〜１０００Ｈｚであることが望ましい。更に、印加する周波数と波形は、加工量の大きい研磨においては立ち上がりの良い方形波や加工量の少ない研磨にあっては、立ち上がりがゆるやかでノイズ分が含まれない正弦波とすることが望ましい。
【００１４】
回転電極１１は、支持軸１４と支持円盤１５と電極部１６とポリシングパッド１７等から構成されている。支持軸１４は、図示しない駆動機構により矢印Ａ方向に回転可能に支持されている。支持円盤１５は、支持軸１４に固着されると共に、円柱状に配設された電極部１６を固定保持している。また、ポリシングパッド１７は、電極部１６とほぼ同じ径の円盤状に形成されており、電気絶縁性を有する潤滑油に分散した砥粒１３が含浸されている。また、回転電極１１にカーボン給電部１８を介して交流電界が印加されている。
【００１５】
また、電極部１６には、図２、３に示すように複数の電極素子１６ａが同心円状に配設されており、それぞれ異なる電界を印加することができる。例えば、遠心力が強く作用する外周部には、高い電界を印加し順次内周に向かうに従って低い電圧を印加する。ここで、カーボン給電部１８は、カーボン電極１８ａと保持部１８ｂとから構成されおり、回転電極１６は、導体からなる電極素子１６ａと絶縁性部材１６ｂとが交互に配置されている。
【００１６】
また、ポリシングパッド１７に含浸させる砥粒を含む流体の溶媒としては、動粘度１〜１００００ｍｍ²／ｓ程度の電気絶縁性を有するケロシンやシリコーンオイル等を用いる。分散粒子として、単結晶、多結晶ダイヤモンド、酸化セリウムＣｅＯ₂、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、酸化ランタンＬａ₂Ｏ₃、酸化プラセオジムＰｒ₆Ｏ₁₁、酸化ネオジムＮｄ₂Ｏ₃、弗化物、酸化カルシウム、トリウム，立方晶系窒化ホウ素ＣＢＮ等を使用することができる。
【００１７】
以上のように構成した本発明の作用効果について説明する。先ず、ポリシングパッド１７に上述の砥粒を潤滑油に含ませると共に、同心円状に配置された電極素子１６ａを備えた電極部１６に交流電圧を印加する。この際、各電極素子１６ａに印加する電圧は、外周部が高く、内周部に向かって低く設定されている。また、回転電極１１は、図外の駆動機構によって回転駆動される。一方、砥粒が転動作用を生じ易くするために、被研磨材１２は、回転電極１１と逆方向に回転駆動される。また、回転電極１１と被研磨材に速度差をもたせ同一方向に回転駆動してもよい。
【００１８】
また、回転電極１１は被研磨材１２に対して一定の加工圧力が加えられる。このようにして被研磨材１２を研磨すると、回転電極１１と被研磨材１２の間に電圧を印加する必要がないので、被研磨材１２は導電性部材である必要がなくセラッミクスやガラスであっても被研磨材の材質に影響を受けない研磨ができる。例えば、ガラス（ＢＫ−７）の場合、加工荷重１８ｋｇｆで印加電界周波数０．８Ｈｚ、電界強度１．８ｋＶ／ｍｍの条件では、１５分間で表面粗さを１．５μｍＲｙから０．１μｍＲｙに改善することができた。
【００１９】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す回転電極の要部縦断面図である。ここで、電極部１６は支持軸１４を中心として電極素子１６ａが絶縁部材１６ｂを介して階段状に巻き付けられている。また、電極素子１６ａの外側には、カーボン給電部１８が当接しており、電圧が印加される。また、回転電極１１の遠心力を考慮して各電極素子の電圧を調整することにより、砥粒の均質配置が可能となり、均一な研磨面を得ることができる。砥粒１３は、図２に示すように、被研磨材表面と平行に配置され、電極から被研磨材に向かって叩きつける動作を生じない。したがって、高品位な研磨面を得ることができる。更に、研磨屑と砥粒との比誘電率の差によって生じるクーロン力が研磨屑の分離と排出を可能にする。一方、回転電極１１と被研磨材１２との間に電界を与えないので、被研磨材１２には放電現象によるダメージを与えない。
以上のように構成した場合、遠心力が強く作用する外周部では、電界強度を強くすることができる。このように各電極素子１６ａには、異なった電界を印加することができ均一な研磨面が得られる。例えば、最内側の電極素子１６ａには、１ｋＶ／ｍｍ、中間の電極素子１６ａには、２ｋＶ／ｍｍ、外側の電極素子１６ａには、３ｋＶ／ｍｍの電圧を印加することができる。
【００２０】
図５、図６及び図７は、本発明の第３の実施の形態を示すものであり、回転電極の製造方法を示す説明図である。ここで電極２０は、絶縁性部材２０ｂの上に導電体２０ａ形成し，軸２１に巻き付けることにより渦巻状に形成し、導電性材質を用いた筒状電極素子である電極ホルダー２３で固定したものである。また、例えば，絶縁性フィルムに蒸着、塗布、接着等の手段を用いて導電性体を被着し、導電体２０ａを構成しても良い。図７は、このようにして製造した電極２０を使用した研磨装置を示す説明図である。
【００２１】
更に、回転電極１１が図６に示すような絶縁層と導電層を有するフィルム状の薄帯を渦巻状に巻き付けることによって構成された回転電極を用いると、印加する電圧を抑制し、安全な作業が確保できる。
【００２２】
以上のように構成した本実施の形態の作用効果について説明する。先ず、電極２０を単に軸２１に巻き付けることで簡単に製造することができる。渦巻状に配置されたフィルム状の導電体２０ａを備えた電極２０に交流矩形波或るいは、正弦波電圧を印加する。また、電極２０は、図外の駆動機構によって回転駆動される。一方、被研磨材１２は、回転電極１１と逆方向に回転定盤２２により回転駆動される。
【００２３】
本実施の形態においては、絶縁性部材２０ｂの厚さを薄くできるので、印加電圧の値を必要に応じて低く抑えることができる。例えば、フィルムの厚さを０．１ｍｍとすれば、印加電圧を２００Ｖ〜３００Ｖとすることができる。
【００２４】
このように本実施の形態によれば、印加電圧を低くできるので特殊な高電圧装置が不要であると共に、マシニングセンターや汎用フライス盤等の工具を取り付けるヘッド部への取り付けが容易となる。また、絶縁層を薄くし印加電界強度を抑えることができる。したがって消費電力を抑制することが可能となる。よって特殊な高圧電源が不要となり装置構成の簡便、安価化が図れる。更に、砥粒が加工面に平行に並ぶことによって、低砥粒濃度の流体構成でも高品位な研磨面を得ることができる事からコストダウンが図れると共にポリシングパッドを使用することが不必要になる可能性を有する。
【００２５】
図８は、本発明の回転電極をマシニングヘッドに使用した例を示す説明図である。本実施の形態において、電極２０はマシニングセンターのヘッド３２に取り付けられており、回転定盤２２上の被研磨材１２を研磨することができる。
【００２６】
図９は、本発明の第４の実施形態を示す説明図であり、（ａ）は電極の斜視図、（ｂ）は同電極の電極部を示す説明図である。ここで、電極本体３０は、多孔性部材と櫛の歯状の電極素子からなる。図９（ｂ）に示すような櫛の歯状の電極素子３１ａ、３１ｂを互いに対向させると共に、所定の間隔を有するように互い違いに組み合せる。電極素子３１ａ、３１ｂには、交流電圧を印加する。低周波交流電界による電界極性の変化に対応して砥粒は運動し、他の砥粒と接触、衝突しドレッシングを行い加工屑の排出や砥粒の凝集を回避する効果を有する。柔軟性を有する多孔性部材は、スポンジ、発泡性樹脂等を使用することができる。このように構成した場合、例えば、放電加工機で加工された表面粗さ１０μｍＲｙの被研磨材を、研磨時間３０分、加工力５００ｇｆ、印加電界強度±２．０ｋＶ／ｍｍにて研磨を行うと、鏡面０．２μｍＲｙを得ることができた。
【００２７】
図１０は、本発明の実施の形態を示す要部斜視図である。ここで、電極本体３４は、多孔性部材３５から成る電極本体の中心に電極部材３４ｃを挿入すると共に、両端に電極素子３４ａ、３４ｂを配設し、交流電界を印加すると被研磨材３６と電極本体３４との間に砥粒が配置される。また、電極本体３４を介して被研磨材３６に対して、加工力を与えて、被研磨材３６を載置した移動定盤４０、４１をＸ、Ｙ軸方向に往復運動させことで、相対運動が生じ砥粒は転動して、研磨加工が発現する。また、移動定盤４０、４１をリニアモータ等によって０．１〜３０Ｈｚで水平移動することができる。電極本体３４と移動定盤とは、同期をとってそれぞれ直角方向へ移動する。例えば、移動定盤４０にＸ軸方向に５〜３０Ｈｚの微振動を加え、位置定盤４１にＹ軸方向に０．１〜１５Ｈｚ微振動を加える。
【００２８】
以上のように構成した場合、電極素子３４ａ、３４ｂに加工圧力を与えながら電界を印加するとクーロン力が発生し、その作用により砥粒が多孔性部材３５の加工面に集まり、その多孔性部材３５が加工面に沿ってＹ軸上でホウキで掃くように撓わみながら往復運動するので砥粒は転動し易く、従って、加工圧を低く抑えることができた。これにより加工変質層が生じ難い高品位な研磨を達成することができる。また、曲面を有する特殊形状にも多孔性部材３５が面に直角に押し上げられるため均一な加工圧を供給することが可能となる。また加工圧が低いため角部のダレを抑えることができる。
【００２９】
図１１は、本発明の第５の実施の形態を示す説明図である。ここで前述した実施の形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略する。被研磨材１２の上面に絶縁性を有する管３８から潤滑剤中に砥粒を分散させた流体３９を供給する。また、絶縁性を有する管３８の途中には、電極３７ａ、３７ｂが配設されており、交流電界が印加される。
【００３０】
以上のように構成した場合、電極３７ａ、３７ｂ間を流れる流体３９が増粘効果を呈し、被研磨材１２上へ供給滴下する流体３９の量を調整することができる。また、電極３７ａ、３７ｂ間に交流電界を印加することにより、砥粒の凝集を回避し、安定した分散流体を供給することができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は上記の構成からなり、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００３２】
先ず、被研磨材の形状、特にその厚みに影響を受けることなく研磨することができる。従来の単極電極で絶縁部材を研磨する場合、被研磨材の厚みがそのまま空隙となり、高い印加電圧を供給しなければ研磨が進行しなかった。この際に、放電現象を生じる可能性が高く安全性に欠ける。しかし、本発明の多重化電極では、ポリシングパッド上でシリコーンオイル中に含まれた砥粒が研磨面に平行配向し、また、印加電圧周波数に応じて運動し、ドレッシング作用も生じる。したがって、絶縁材料を研磨することが可能となる。
【００３３】
よって、被研磨材の材質に影響されることなく均質に研磨することができる。特に、被研磨材に電圧を印加しないので、被研磨材が導電性部材であっても、絶縁性部材であっても研磨することができる。例えば、セラミックスやガラス等の絶縁性脆性材料であっても研磨が可能である。すなわち、被研磨材質を選ばない研磨装置である。
【００３４】
電極の多重化によって、研磨面と平行に砥粒の密部と粗部を生じる。粗部密部は、電極の配置によって生じ、印加電界の周波数に応答した砥粒の運動によるドレッシング効果も加わって、この粗部から加工屑が排出される。更に、複数の電極へ印加する印加電圧の制御により、砥粒の均一配置が容易となり表面粗さの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る研磨装置の第１の実施形態に係る回転電極を示す説明図である。
【図２】同回転電極を示す要部縦断面図である。
【図３】同回転電極の底面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示す回転電極の要部縦断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示す回転電極の製造方法を示す説明図である。
【図６】同回転電極の製造方法を示す説明図である。
【図７】同回転電極を使用した研磨装置を示す説明図である。
【図８】同回転電極をマシニングヘッドに使用した例を示す説明図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態を示す説明図であり、（ａ）は回転電極の斜視図、（ｂ）は同回転電極の電極部を示す説明図である。
【図１０】図１０は、本発明の第４の実施の形態を示す要部斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明の第５の実施の形態を示す説明図である。
【図１２】従来の研磨装置の電極を示す説明図である。
【図１３】従来の電極の作用を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０研磨装置
１１回転電極
１２被研磨材
１３砥粒
１４支持軸
１５支持円盤
１６電極部
１６ａ電極素子
１６ｂ絶縁部材
１７ポリシングパッド
１８カーボン給電部
１８ａカーボン電極
１８ｂ保持部
２０電極
２０ａ導電体
２０ｂ絶縁性部材
２１軸
２２回転定盤
２３電極ホルダー
３０電極本体
３１ａ、ｂ電極素子
３２ヘッド
３４電極本体
３４ａ、ｂ電極素子
３５多孔性部材
３６被研磨材
４０Ｘ軸移動定盤
４１Ｙ軸移動定盤

Claims

電極を駆動装置によって駆動すると共に、前記電極と被研磨材との間に砥粒を配置し、前記電極に交流電圧を印加することで誘電性を有する砥粒をクーロン力で加工圧の加わる位置に配置し、被研磨材を研磨する研磨装置であって、前記電極は複数の電極素子から構成したことを特徴とする研磨装置。
前記電極は、径の異なる複数の電極素子を同心円状に配置すると共に、各電極素子間を絶縁性材料で離隔した電極であることを特徴とする請求項１に記載の研磨装置。
前記電極の複数の電極素子には、異なる電圧が印加されることを特徴とする請求項１または２に記載の研磨装置。
前記電極の複数の電極素子には、中心部から外周部に向かって順次高い電圧が印加されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１に記載の研磨装置。
前記被研磨材へ砥粒を分散した流体を供給する機構であって、絶縁性管の周囲に電極を配設し、前記絶縁性管から滴下する流体量を調整する供給機構を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか１に記載の研磨装置。