JP4341801B2

JP4341801B2 - 微細形状加工用ｅｌｉｄ研削装置

Info

Publication number: JP4341801B2
Application number: JP2000184259A
Authority: JP
Inventors: 整大森; 嘉宏上原
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2000-06-20
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2020-06-20
Also published as: KR100762074B1; JP2002001657A; KR20010114143A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アスペクト比が大きく極細の微細ピンを研削加工するための微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信や超精密機器の発展に伴い、フェルールやマイクロ機械部品に用いられる極細の微細ピンのニーズが増大し、その高能率かつ超精密な生産技術が切望されている。かかる極細微細ピンとしては、例えば、光ファイバコネクタのファイバガイド、ニードルベアリングのニードル、ドットプリンタのヘッド等があげられる。これらの極細微細ピンは、例えば、１００μｍ以下の直径を有する極細部品、アスペクト比（直径に対する長さの比）が大きい（例えば１０以上の）細長部品、矩形や多角形等の異形断面を有する異形部品、等である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、フォトリソグラフィ、エッチング、放電加工、光造形法などの微細加工に適した加工技術がめざましい進歩を遂げている。しかし、これらの技術は、上述した極細微細ピンのような３次元的構造物（立体物）の加工が困難であり、加工面の面粗さが悪く、安定して高い精度を維持することは難しい欠点がある。また、加工速度が低く、被加工材料も加工に適した特定のものに限定され、工具等に適した硬質材料は加工できなかった。
【０００４】
一方、従来の加工法である研削加工は、３次元的構造物（立体物）の加工が比較的容易であり、加工面の品位が高く、安定して高い精度を維持することができ、かつ加工速度も一般的に高く、工具等の加工も可能である特徴がある。しかし、その反面、研削加工時の加工抵抗がフォトリソグラフィ等の非接触加工に比べると大きく、そのため極細微細ピン自体を加工抵抗により変形もしくは損傷させるため、微細な加工には不向きとされていた。
【０００５】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、加工抵抗を十分に小さくすることができ、これにより、１００μｍ以下の直径を有する極細部品、アスペクト比が大きい細長部品、異形断面を有する異形部品、等の極細微細ピンを加工することができる微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、鉛直なＺ軸を中心に回転駆動される導電性砥石（２）と、ワーク（１）を水平なＸ−Ｙ面内で移動させるＸ−Ｙテーブル（４）と、前記砥石の外周面に近接して設けられかつＺ軸を中心に自由回転可能な電解用電極（６）と、該電極をワークから離れた位置に案内する電極案内装置（８）と、を備え、
前記電極案内装置（８）は、一端部が前記電解用電極（６）に固定された２本の接触子（８ａ）からなり、各接触子はＺ軸を中心とする直径方向に砥石とワークから間隔を隔てて延び、かつワークの一部を間隔を隔てて挟持し、
電極と砥石との間に導電性研削液を流し、砥石を電解ドレッシングで目立てしながら、ワークを移動させ、砥石に接触させて加工する、ことを特徴とする微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置が提供される。
【０００７】
上記本発明の構成によれば、導電性砥石（２）を自転させ、ワークを水平なＸ−Ｙ面内で移動させて砥石に接触させることにより、ワーク（１）の外面を砥石で研削することができる。また、電解用電極（６）がＺ軸を中心に自由回転し、この電極を電極案内装置（８）によりワーク（１）から離れた位置に常に案内するので、電極とワークとの接触を回避しながら、電極を砥石の外周面に常に近接して位置決めできる。従って、この状態で、電極と砥石との間に導電性研削液を流し、砥石を電解ドレッシングで目立てすることにより、微細な砥粒を含む導電性砥石の目詰まりを防止し、加工抵抗を大幅に低減することができる。
【０００８】
また、このＥＬＩＤ研削（電解インプロセスドレッシング研削）により、高精度加工を高能率にでき、かつ優れた面粗さが得られるので、小さい加工抵抗と相まって、１００μｍ以下の直径を有する極細部品、アスペクト比が大きい細長部品、異形断面を有する異形部品、等の極細微細ピンを加工することができる。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記導電性砥石（２）をＺ軸方向に移動するＺ軸送りステージ（１０）を備える。このＺ軸送りステージ（１０）により、砥石（２）をＺ軸方向に移動することにより、ネジ等の立体物の加工が可能となる。
【００１１】
また本発明の構成により、ワークを水平なＸ−Ｙ面内で移動させると、２本の接触子（８ａ）のいずれかがワークの一部に接触し、電解用電極（６）をＺ軸のまわりに回転させてワークの反対側に移動させるので、電極をワーク（１）から離れた位置に常に案内し、かつ、電極とワークとの接触を回避しながら、電極を砥石の外周面に常に近接して位置決めできる。
【００１４】
更に、電解用電極（６）と導電性砥石（２）との間に電解用電圧を印加するＥＬＩＤ電源（１１）と、電極と砥石との間に導電性研削液を流す研削液供給装置（１２）とを備える。
かかる研削液供給装置（１２）により電解用電極（６）と導電性砥石（２）との間に導電性研削液を流し、同時にＥＬＩＤ電源（１１）によりその間に電解用電圧を印加して、砥石を電解ドレッシングで目立てすることができる。
【００１５】
更に、前記Ｘ−Ｙテーブル（４）とＺ軸送りステージ（１０）を数値制御する数値制御装置（１４）を備えるのがよい。数値制御装置（１４）により、Ｘ−Ｙテーブル（４）とＺ軸送りステージ（１０）を数値制御することにより、導電性砥石（２）を自転させ、ワークをＸ−Ｙ−Ｚの３次元に数値制御して砥石に接触させることにより、ワーク（１）の外面を砥石で立体的に研削することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１７】
図１は、本発明による微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置の全体構成図である。この図に示すように、本発明の微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置は、鉛直なＺ軸を中心にスピンドルにより回転駆動される導電性砥石２と、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させるＸ−Ｙテーブル４と、導電性砥石２をＺ軸方向に移動するＺ軸送りステージ１０と、Ｘ−Ｙテーブル４とＺ軸送りステージ１０を数値制御する数値制御装置１４とを備える。
【００１８】
図１に示したＥＬＩＤ研削装置は、従来の工作機械のような大型ではなく、直径１００μｍ程度の加工サイズを想定している。そのため、この装置は可能な限り小型化されており、外形寸法は幅５００ｍｍ×奥行５００ｍｍ×高さ５６０ｍｍに納まっている。また、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸を同時制御可能であり、Ｘ，Ｙ軸はテーブル４により制御され、Ｚ軸はスピンドルが上下に動作することにより制御される。数値制御装置１４は、この例では制御用ＰＣとコントローラであり、コントローラによる手動操作と制御用ＰＣのソフトウェアによる３軸同時制御とが可能である。また、電源は、商用電源１００Ｖが使用可能である。本装置の主な仕様を表１に示す。
【００１９】
【表１】

【００２０】
図２は、本発明の装置の作動説明図である。この図に示すように、本発明のＥＬＩＤ研削装置は、更に、導電性砥石２の外周面に近接して設けられた電解用電極６と、電解用電極６と導電性砥石２との間に電解用電圧を印加するＥＬＩＤ電源１１と、電極６と砥石２との間に導電性研削液を流す研削液供給装置１２とを備える。
導電性砥石２は、例えばＳＤ４０００の微細なダイヤモンド砥粒を含むメタル−レジンボンド砥石である。電解用電極６は、導電性砥石２との間に一定の隙間を隔てるように、対向面が滑らかに形成されている。またこの隙間には、研削液供給装置１２により導電性研削液を流すようになっている。ＥＬＩＤ電源１１は、直流電源または直流パルス電源であり、導電性砥石２をプラスに印加し、電解用電極６にマイナスの電圧を印加するようになっている。なお、ＥＬＩＤ装置の主な仕様を表２に示す。
【００２１】
【表２】

【００２２】
この構成により、導電性砥石２をスピンドルによりＺ軸を中心に高速回転させ、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させて回転する砥石２に接触させることにより、ワーク１の外面を砥石２で研削することができる。
従って、この状態で、電極６と砥石２との間に導電性研削液を流し、砥石２を電解ドレッシングで目立てすることにより、微細な砥粒を含む導電性砥石の目詰まりを防止し、加工抵抗を大幅に低減することができる。
また、導電性砥石２を同一位置で回転させたままで、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させるので、矩形や多角形等の異形断面を有する異形部品であってもワーク１の数値制御により自由に加工できる。
【００２３】
図３（Ａ）は、図２に対応する図１の主要部の構成図である。この図に示すように、本発明のＥＬＩＤ研削装置は、更に、電解用電極６とＺ軸を中心に自由回転可能に支持する軸受装置１６と、電極６をワーク１から離れた位置に案内する電極案内装置８とを備える。
軸受装置１６は、この例では複数のボール１６ａを内輪１６ｂと外輪１６ｃの間に保持する玉軸受である。玉軸受の軸心はＺ軸と同軸に位置決めされ、外輪１６ｃが外輪固定部材１７を介してスピンドルの固定部に固定されている。また、内輪１６ｂに上述した電極６が図示しない固定装置（例えばボルト）により導電性砥石２との間に一定の隙間を隔てて取付けられている。
また、電極６を絶縁するために、ボール１６ａ、内輪１６ｂ、外輪１６ｃ、外輪固定部材１７のいずれかを絶縁材料で構成するのがよい。また、電極６と内輪１６ｂとの固定部を絶縁してもよい。
また、ＥＬＩＤ電源１１からの給電は、砥石２および電極６に図３（Ｂ）のような給電用プレート１８を有する回転給電手段により行われる。
この構成により、電解用電極６は絶縁された状態を保ち、しかも（-）極を与えられながら、ほとんど無負荷でＺ軸を中心に自由に回転することができる。なお、軸受装置１６および絶縁手段、給電手段は、この例に限定されず、他の任意の形式のものを用いることができる。
【００２４】
図４（Ａ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。また、図４（Ｂ）（Ｃ）は、（Ａ）の位置から砥石２がワーク１の周りを時計回り、もしくは反時計回りに旋回して加工する場合の作動説明図である。
図４（Ａ）に示す実施形態において、電極案内装置８は、一端部（図で右端）が電解用電極６に固定された２本の接触子８ａからなる。また、各接触子８ａはＺ軸を中心とする直径方向に砥石２とワーク１から間隔を隔てて延びている。また、２本の接触子８ａは、Ｚ軸の電極６の反対側でワーク１の一部を間隔を隔てて挟持している。
なお、この例で、２本の接触子８ａが挟持するワーク１の一部は、ワークの直径の大きい非加工部分であるが、本発明はこれに限定されない。
【００２５】
この構成により、導電性砥石２をスピンドルによりＺ軸を中心に同一位置で高速回転させ、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させると、ワーク１の移動に対応してワーク１の移動側に位置する接触子８ａが接触して移動方向に振られ、電極６をその反対方向に回動させることができる。
すなわち、図４（Ｂ）の例では、（Ａ）の位置からワーク１を右上方向に移動させてワークの右下部分を砥石２で研削する状態を示している。この場合、ワーク１の移動により（Ａ）の上側の接触子８ａがワーク１で破線矢印の方向に押され、これにより電極６がＺ軸を中心に時計回りに回転して、ワーク１と電極６との干渉を防いでいる。
同様に、図４（Ｃ）の例では、（Ａ）の位置からワーク１を左下方向に移動させてワークの上部分を砥石２で研削する状態を示している。この場合、ワーク１の移動により（Ａ）の下側の接触子８ａがワーク１で破線矢印の方向に押され、これにより電極６がＺ軸を中心に反時計回りに回転して、ワーク１と電極６との干渉を防いでいる。
【００２６】
なお、本発明の電極案内装置８は、上述した例に限定されず、ワーク１の移動により電極６をワークから離れた位置に案内できる他の手段でもよい。例えば、図４に示した接触子８ａの一方のみを用い、これをＺ軸を中心に図示しないバネ部材で付勢する構造であってもよい。この場合、バネ部材は、接触子８ａをワークの一部に接触する方向に付勢するように構成する。
【００２７】
この構成によっても、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させると、１本の接触子８ａがワークの一部にバネ部材で常に接触し、この接触子８ａの移動により電解用電極６をＺ軸のまわりに回転させてワークの反対側に移動させるので、電極をワーク１から離れた位置に常に案内し、かつ、電極とワークとの接触を回避しながら、電極を砥石の外周面に常に近接して位置決めできる。
【００２８】
【実施例】
表１、表２に示した装置を用い、超硬合金の円柱棒（直径６ｍｍ）の先端部に直径１００μｍ以下の極細微細ピンを加工する試験を実施した。この試験の加工条件を表３に、加工後の測定結果を表４に示す。
【００２９】
【表３】

【表４】

【００３０】
図５は、本発明の実施例により得られた極細微細ピンの拡大図である。この図に示す極細微細ピンの直径は、根元部８２．８μｍ、先端部８２．１μｍであり、長さは、約１０００μｍである。すなわち、本発明の装置により、１００μｍ以下の直径を有する極細部品及び、アスペクト比が１０以上の細長部品の加工が可能であることが確認された。また、表４に示したように、その表面粗さも、鏡面に近い優れたものであった。
【００３１】
なお、この実施例では円形断面の極細微細ピンを加工したが、上述したように、導電性砥石２を同一位置で回転させたままで、ワーク１を水平なＸ−Ｙ面内で移動させるので、矩形や多角形等の異形断面を有する異形部品であってもワーク１の数値制御により自由に加工できる。また、Ｚ軸方向に太さが変化する形状加工もできる。
【００３２】
なお、本発明は、上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）導電性砥石２を自転させ、ワークを水平なＸ−Ｙ面内で移動させて砥石に接触させることにより、ワーク１の外面を砥石で研削することができる。
また、電解用電極６がＺ軸を中心に自由回転し、この電極を電極案内装置８によりワーク１から離れた位置に常に案内するので、電極とワークとの接触を回避しながら、電極を砥石の外周面に常に近接して位置決めできる。
従って、この状態で、電極と砥石との間に導電性研削液を流し、砥石を電解ドレッシングで目立てすることにより、微細な砥粒を含む導電性砥石の目詰まりを防止し、加工抵抗を大幅に低減することができる。
【００３４】
（２）ＥＬＩＤ研削（電解インプロセスドレッシング研削）により、高精度加工を高能率にでき、かつ優れた面粗さが得られるので、小さい加工抵抗と相まって、１００μｍ以下の直径を有する極細部品、アスペクト比が大きい細長部品、異形断面を有する異形部品、等の極細微細ピンを加工することができる。
【００３５】
（３）Ｚ軸送りステージ１０により、砥石２をＺ軸方向に移動することにより、例えばネジや微細機械部品等の立体物の加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置の全体構成図である。
【図２】本発明の装置の作動説明図である。
【図３】図１の主要部の構成図である。
【図４】電極案内装置の作動を説明する図３（Ａ）のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】本発明の実施例により得られた極細微細ピンの拡大図である。
【符号の説明】
１被加工物（ワーク）、２導電性砥石、３治具、４Ｘ−Ｙテーブル、
６電解用電極、８電極案内装置、８ａ接触子、
１０Ｚ軸送りステージ、１１ＥＬＩＤ電源、
１２研削液供給装置、１４数値制御装置、
１６軸受装置、１７外輪固定部材、１８給電用プレート

Claims

鉛直なＺ軸を中心に回転駆動される導電性砥石（２）と、ワーク（１）を水平なＸ−Ｙ面内で移動させるＸ−Ｙテーブル（４）と、前記砥石の外周面に近接して設けられかつＺ軸を中心に自由回転可能な電解用電極（６）と、該電極をワークから離れた位置に案内する電極案内装置（８）と、を備え、
前記電極案内装置（８）は、一端部が前記電解用電極（６）に固定された２本の接触子（８ａ）からなり、各接触子はＺ軸を中心とする直径方向に砥石とワークから間隔を隔てて延び、かつワークの一部を間隔を隔てて挟持し、
電極と砥石との間に導電性研削液を流し、砥石を電解ドレッシングで目立てしながら、ワークを移動させ、砥石に接触させて加工する、ことを特徴とする微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置。
前記導電性砥石（２）をＺ軸方向に移動するＺ軸送りステージ（１０）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置。
更に、電解用電極（６）と導電性砥石（２）との間に電解用電圧を印加するＥＬＩＤ電源（１１）と、電極と砥石との間に導電性研削液を流す研削液供給装置（１２）とを備える、ことを特徴とする請求項１又は２のいずれかの微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置。
更に、前記Ｘ−Ｙテーブル（４）とＺ軸送りステージ（１０）を数値制御する数値制御装置（１４）を備える、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置。