JP4417053B2

JP4417053B2 - レーザーハイコンセントレーションフォーミング方法及びシステム

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Publication number: JP4417053B2
Application number: JP2003287283A
Authority: JP
Inventors: 常元厨川; 和憲谷
Original assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Current assignee: Nihon Micro Coating Co Ltd
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP2005052942A

Description

本発明は、樹脂結合剤で砥粒を固定したレジノイドボンド砥石のレーザーハイコンセントレーションフォーミング方法及びシステムに関するものである。特に、非球面レンズなどの光情報通信用マイクロ光学素子、ガラスモールド用の超硬質の金型、光導波路のような超微小のＶ字形、Ｕ字形の溝の鏡面研削加工、磁気ディスク用ヘッドスライダー、シリコンウエハ、サファイア、水晶などの研削加工、ダイシング加工などに用いるのに適したレジノイドボンド砥石のレーザーハイコンセントレーションフォーミング方法及びシステムに関するものである。

光デジタル通信用マイクロ光学素子、磁気へッドスライダー、水晶発振子などの精密部品の研磨には、ラッピング等の遊離砥粒法が用いられていたが、エッジにダレを生じるなどの問題があるため、近年、遊離砥粒法は、砥石を用いた固定砥粒法に置き換えられつつある。固定砥粒法に用いることのできる砥石として、メタルボンド砥石、セラミックスボンド砥石、レジノイドボンド砥石などが知られているが、被研磨面に高い平滑性が求められているため、平均粒径３０μｍ以下の小さい砥粒を使用し、この砥粒を被研磨面に弾力的に作用させることのできるレジノイドボンド砥石が研磨工具として使用されている。また、凹凸面、エッジなどを研磨する必要上、円柱状、溝付円柱状（総形砥石）、円錐状、半球状などの形状に加工した小型のものが使用されている。

一般に、砥石は、その切れ味（切削性能）を向上させるため、カップツルア（等速）法、ロータリドレッサ法、スティック砥石法などのツルーイング・ドレッシング法を利用して、ツルーイング（形状修正）され、ドレッシング（目立て）される。

このようなツルーイング・ドレッシング法では、砥石の表面に、ツルアと呼称される修正工具（炭化珪素、酸化アルミニウム、ダイヤモンドなどからなる砥粒をメタル、セラミックス又は樹脂結合剤で固定した砥石）を接触させて機械的にツルーイング・ドレッシングを行っている。しかし、このような機械的なツルーイング・ドレッシングでは、レジノイドボンド砥石の表面から４０％〜５０％以上の砥粒が脱粒し、レジノイドボンド砥石の表面の砥粒密度が２０％程度となり、研磨工具としての切削性能が著しく低下するという問題がある。このため、近年、レジノイドボンド砥石の表面にレーザー光を照射して、表面部分の樹脂結合剤のみをアブレーション作用により除去する非接触的なツルーイング・ドレッシング法が提案されている（特許文献１参照）。
特開平９−２８５９６２号公報（段落０００６、０００７）

しかし、この従来の非接触的なツルーイング・ドレッシング法では、レジノイドボンド砥石の表面からの砥粒の突出量が調節されるだけであり、表面砥粒密度（研磨に寄与する砥粒の有効切刃数）を高くすることができないという問題がある。ここで、レジノイドボンド砥石中の樹脂結合剤に対する砥粒の割合を大きくすることによって砥石全体の砥粒密度を高くし、表面砥粒密度を高くすることができるが、この砥粒の割合を大きくすると、樹脂結合剤による砥粒の結合力が低下し、脱粒し易くなるという問題が生じ、この問題は、特に、上記の精密部品の研磨に使用される小型のレジノイドボンド砥石（例えば、直径５ｍｍ以下の半球状のもの）において顕著に現れる。

したがって、本発明の目的は、レジノイドボンド砥石をツルーイング・ドレッシングするとともに、その表面砥粒密度を高くできる方法及びシステムを提供することである。

本発明は、レジノイドボンド砥石の表面をレーザーハイコンセントレーションフォーミングする方法及びシステムである。すなわち、本発明は、樹脂ボンド砥石をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くし、レーザーを使用して、レジノイドボンド砥石の表面をドレッシングする方法及びシステムである。

レジノイドボンド砥石の表面のレーザーハイコンセントレーションフォーミングは、まず、レジノイドボンド砥石をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くする（この工程をハイコンセントレーション工程という）。このハイコンセントレーション工程では、レジノイドボンド砥石の表面にある砥粒がレジノイドボンド砥石の内部方向に所定の切込量で押し込まれる。この所定の切込量は、砥粒の平均粒径の１／２以下にある。

次に、レジノイドボンド砥石の表面にレーザー光を照射して、レジノイドボンド砥石の表面にある樹脂結合剤を除去し、目立てする（この工程をレーザードレッシング工程という）。このレーザードレッシング工程では、レジノイドボンド砥石の表面にある樹脂結合剤が、レーザー光のレーザーアブレーション作用によって除去される。レーザー光は、連続発振又はパルス発振される。レーザー光の照射エネルギー密度は、５０Ｊ／ｃｍ²以下の範囲にある。

本発明のレーザーハイコンセントレーションフォーミングシステムは、レジノイドボンド砥石をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くするハイコンセントレーション手段、及びレジノイドボンド砥石の表面にレーザー光を照射して、レジノイドボンド砥石の表面にある樹脂結合剤を除去するレーザードレッシング手段から構成される。

ハイコンセントレーション手段は、レジノイドボンド砥石の表面にある砥粒をレジノイドボンド砥石の内部方向に所定の切込量で押し込むための手段から構成される。

この手段は、ツルア（修正工具）、レジノイドボンド砥石を保持するための手段、ツルアにレジノイドボンド砥石の表面を所定の切込量で押し付けるための手段、及びツルアにレジノイドボンド砥石の表面を所定の切込量で押し付けた状態で、ツルアとレジノイドボンド砥石とを相対的に移動させるための手段から構成される。ツルアとして、メタル、セラミックス又は樹脂結合剤で砥粒を固定した板状又は円柱状の砥石が使用される。

レーザードレッシング手段は、レーザー発振器、このレーザー発振器で生成したレーザー光を所定の波長、レーザーエネルギー及びビーム形状に調整するための光学系、及びこの光学系で調整されたレーザー光をレジノイドボンド砥石の表面に照射するためのレーザー照射部から構成される。

本発明では、レジノイドボンド砥石に固定される砥粒として、レーザー光を反射又は吸収する薄膜をコーティングしたものが使用され得る。

本発明が以上のように構成されるので、レジノイドボンド砥石をツルーイング・ドレッシングするとともに、その表面砥粒密度を高くできる。

図１〜５に、本発明に従って、軸の先端に固定した半球状のレジノイドボンド砥石１１のレーザーハイコンセントレーションフォーミングシステムを示す。

本発明のレーザーハイコンセントレーションフォーミングシステムは、レジノイドボンド砥石１１をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くするハイコンセントレーションユニット１０（図１、２）、及びレジノイドボンド砥石１１の表面にレーザー光を照射して、レジノイドボンド砥石１１の表面にある樹脂結合剤を除去するレーザードレッシングユニット２０（図３〜５）から構成される。

レジノイドボンド砥石１１として、粒度８００番以上のダイヤモンド粒子を樹脂結合剤で固定した砥粒集中度３５０以下の微粒レジノイドボンドダイヤモンド砥石が使用される。ここで、砥粒集中度４００は、砥粒１００％を意味し、例えば、砥粒集中度２００は、砥粒５０％、結合剤５０％を意味する。

樹脂結合剤として、エポキシ、ポリイミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポリフタルアミド、ポリウレタン、アクリルなどから選択される材料からなる結合材が使用される。

砥粒として、好適に、単結晶ダイヤモンド、多結晶ダイヤモンド、又はこれら混合物からなる粒度８００番以上の粒子が使用される。また、砥粒の表面にニッケルや銅などのレーザー光を反射又は吸収する膜を薄くコーティングした砥粒を使用することが望ましい。これは、レーザー光を反射又は吸収する薄膜がコーティングされた砥粒を使用することにより、レーザー光が砥粒の表面側に照射されたときに、砥粒を保持している砥粒の裏側の樹脂結合剤が、アブレーション作用により除去され、この砥粒の脱落や欠損を生じ難くするためである。

図１及び２に示すハイコンセントレーションユニット１０は、レジノイドボンド砥石１１の表面にある砥粒をレジノイドボンド砥石１１の内部方向に所定の切込量で押し込むための手段から構成される。

この手段は、ツルア１４、１５、レジノイドボンド砥石１１を保持するための手段、ツルア１４、１５にレジノイドボンド砥石１１の表面を押し付けるための手段、及びツルア１４、１５にレジノイドボンド砥石１１の表面を押し付けた状態で、ツルア１４、１５とレジノイドボンド砥石１１とを相対的に移動させるための手段から構成され得る。

図１に示す例では、ツルア１４として、樹脂結合剤、メタル又はセラミックスで砥粒を固定した板状の砥石が使用され、このツルア１４は、回転可能で、任意の方向に傾斜可能の可動台１３上に固定されている。また、レジノイドボンド砥石１１の軸は、可動台１３の上方に位置するモータ１２に取り付けられ、軸の先端に固定されているレジノイドボンド砥石１１は、可動台１３上のツルア１４に対面するように位置されている。可動台１３は、昇降手段（図示せず）によって上下方向に適宜に移動できるようになっており、可動台１３を上方に移動することにより、レジノイドボンド砥石１１は、可動台１３上のツルア１４の表面に押し付けられる。また、モータ１２は、昇降手段（図示せず）によって上下方向に適宜に移動できるようにし、モータを下方に移動することにより、レジノイドボンド砥石１１を、可動台１３上のツルア１４の表面に押し付けるように構成してもよい。

レジノイドボンド砥石１１のハイコンセントレーション（表面砥粒の高密度化）は、モータ１２を駆動して、軸の先端に固定したレジノイドボンド砥石１１を矢印の方向に回転させている状態で、可動台１３を上方へ移動して、レジノイドボンド砥石１１の表面を可動台１３上のツルア１４に押し付けるとともに、半球状のレジノイドボンド砥石１１の表面形状にほぼ沿った軌道を描くように可動台１３を傾斜移動させることによって行われ、この際に、レジノイドボンド砥石１１の表面の砥粒が、レジノイドボンド砥石１１の内部方向に所定の切込量で押し込まれ、同時に、レジノイドボンド砥石１１がツルーイングされる。

図２に示す例では、ツルア１５として、樹脂結合剤、メタル又はセラミックスで砥粒を固定した円柱状の砥石が使用される。このツルア１５は、回転可能で任意の方向に傾斜可能の可動台１３上に固定したモータ１６のシャフトに固定されている。また、レジノイドボンド砥石１１の軸は、可動台１３の上方に位置するモータ１２に取り付けられ、軸の先端に固定されているレジノイドボンド砥石１１は、可動台１３上のツルア１５の上方に位置している。可動台１３は、昇降手段（図示せず）によって上下方向に適宜に移動できるようになっており、可動台１３を上方に移動することにより、レジノイドボンド砥石１１は、可動台１３上のツルア１５の表面に押し付けられる。また、モータ１２は、昇降手段（図示せず）によって上下方向に適宜に移動できるようにし、モータを下方に移動することにより、レジノイドボンド砥石１１を、可動台１３上のツルア１５の表面に押し付けるように構成してもよい。

レジノイドボンド砥石１１のハイコンセントレーション（表面砥粒の高密度化）は、モータ１２を駆動して、軸の先端に固定したレジノイドボンド砥石１１を矢印の方向に回転させ、可動台１３上のモータ１６のシャフトに固定されているツルア１５を矢印の方向に回転させている状態で、可動台１３を上方へ移動して、レジノイドボンド砥石１１の表面をツルア１５の表面に押し付けるとともに、半球状のレジノイドボンド砥石１１の表面形状にほぼ沿った軌道を描くように可動台１３を傾斜移動させることによって行われ、この際に、レジノイドボンド砥石１１の表面の砥粒が、レジノイドボンド砥石１１の内部方向に所定の切込量で押し込まれ、同時に、レジノイドボンド砥石１１がツルーイングされる。

レジノイドボンド砥石１１へのツルア１４、１５の切込量は、下記の式１から得られる。ツルアに固定されている砥粒１個当りの実質切込量ｇｍは、下記の式１に示すように、ツルアの送り速度ν、ツルア周速度Ｖ、レジノイドボンド砥石への切込量δ、ツルア直径Ｄに依存する。ここで、ツルアの送り速度（ν）は、１〜１０００ｍｍ／分、ツルアの周速度（Ｖ）は、１〜３０００ｍ／分、レジノイドボンド砥石への切込量（垂直方向の切込量）（δ）は、０．１〜５０μｍ／ｐａｓｓ、ツルアの直径（Ｄ）は、０．１〜３５０ｍｍの範囲にある。

レジノイドボンド砥石の強度を損なうことなくレジノイドボンド砥石の表面だけの砥粒密度（表面砥粒密度）を高めるため、ハイコンセントレーション工程において、レジノイドボンド砥石の砥粒１個に対するツルアの実質切込量（ｇｍ）をできるだけ小さくして、機械的な力によりレジノイドボンド砥石の表面の砥粒を、脱落、欠損しないようにレジノイドボンド砥石の内部方向に押し込むことが重要である。レジノイドボンド砥石の砥粒１個に対するツルアの切込量δは、レジノイドボンド砥石の砥粒の粒径の１／２以下であるのが好ましい。これは、１／２以上にするとレジノイドボンド砥石の砥粒の脱落、欠損が生じ易くなり、レジノイドボンド砥石の表面砥粒密度が高くならないからである。

図３〜５に示すように、レーザードレッシングユニット２０は、レーザー発振器２１、このレーザー発振器２１で生成したレーザー光を所定の波長、レーザーエネルギー及びビーム形状に調整するための光学系２２、及びこの光学系２２で調整されたレーザー光をレジノイドボンド砥石１１の表面に照射するためのミラー２６、レンズ２７、プリズムなどからなるレーザー照射部２３から構成される。

レーザー発振器２１で生成されるレーザー光の照射エネルギー、照射ショット数、照射パルス時間及び照射時間は、レーザー発振器２１に接続したレーザー制御装置（図示せず）によって制御される。

光学系２２は、好適に、レーザー強度を変えることのできるオプチカルアッテネータ、２倍高調波発生器、３倍高調波発生器などから構成され、さらにビームサイズを変えることのできるＸＹスリッタを有し得る。

レーザー照射部２３は、レジノイドボンド砥石１１の表面に、光学系２２で調整されたレーザー光を所定の軌道で照射できるように、上下移動可能で回転可能な、任意の方向に傾斜移動可能の可動台１３上に取り付けられる。

レーザードレッシングユニット２０は、レジノイドボンド砥石１１の表面へのレーザー照射状態をモニターするための顕微鏡やカメラ（図示せず）をさらに有し得る。

レーザー発振器２１で生成されたレーザー光は、光学系２２を通じ、レーザー照射部２３に入力され、レジノイドボンド砥石１１の表面に照射される。表面砥粒密度が１０〜５０％となるように、レーザー光のアブレーション作用によって、レジノイドボンド砥石１１の表面の目つぶれした樹脂結合剤のみが除去される。

レジノイドボンド砥石１１をナノメートルのオーダーでレーザードレッシングする場合、５００ｎｍ以下の波長のレーザー光が使用される。好適に、ＹＡＧレーザー光の第３次高調波（３５５ｎｍ）又はエキシマレーザーが使用できる。レーザーエネルギー密度は５０Ｊ／ｃｍ²以下であり、照射パルス幅は３ｎｓ〜１０ｎｓであり、単位面積あたりの等価照射ショット数は２〜１０ショットである。

レーザードレッシングユニット２０は、図３に示すように、レーザー発振器２１、光学系２２及びレーザー照射部２３を一体的に直結し、これら構成成分を上記の可動台１３上に固定し得る。また、図４に示すように、レーザー発振器２１のみを可動台１３の外部に分離して配置し、レーザー発振器２１と、レーザー照射部２３に直結した光学系２２とを光ファイバー２４やレンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子（図示せず）を使用して連結してもよい。さらに、レーザードレッシングユニット２０は、図５に示すように、レーザー発振器２１と光学系２２とを一体的に直結し、これらを可動台１３の外部に配置し、この光学系２２と、可動台１３に取り付けたレーザー照射部２３とを光ファイバー２４やレンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子（図示せず）を使用して連結してもよい。

ここで、実用的には、ハイコンセントレーションユニット１０及びレーザードレッシングユニット２０に使用される可動台１３として、高精度の回転制御及び位置決め機能を備えている研削盤を使用することが望ましい。

本発明に従って、粒度１５００番（粒径８μｍ）のダイヤモンド砥粒を固定した半球状のレジノイドボンド砥石（半球外径約２ｍｍφ、砥粒集中度１２５）のレーザーハイコンセントレーションフォーミングを行った。

ハイコンセントレーション工程を、図２に示すユニットを使用して、下記の表１に示すハイコンセントレーション条件で行った。ツルアとして、粒度３２５番のダイヤモンド砥粒をメタルで固定した円柱状のメタルボンド砥石を使用した。このメタルボンド砥石の砥粒集中度は１００であった。

ハイコンセントレーション工程後のレジノイドボンド砥石の表面砥粒密度は８０％以上であった。

次に、レーザードレッシング工程を、図３に示すユニットを使用して、レーザードレッシング工程を、下記の表２に示す条件で行った。

＜比較例＞カップツルア法（ツルアとして、砥粒集中度１５０のレジノイドボンド砥石を使用した）を利用して、粒度１５００番（粒径８μｍ）のダイヤモンド砥粒を固定した半球状のレジノイドボンド砥石（半球外径約２ｍｍφ、砥粒集中度１２５）をツルーイング・ドレッシングした。

カップツルア法によるツルーイング・ドレシング後のレジノイドボンド砥石の表面砥粒密度は２０％であった。

次に、このレジノイドボンド砥石の表面を、上記の表２に示す条件で、レーザードレッシングした。

＜結果＞比較例では、ツルーイング・ドレッシングの際に、レジノイドボンド砥石の表面から半分以上の砥粒が脱粒したため、レーザードレッシング後に、実施例１では、比較例の約２．５倍の砥粒集中度のレジノイドボンド砥石が得られた。

図１は、本発明のレーザーハイコンセントレーションシステムのハイコンセントレーションユニットの第一の態様の側面図である。図２は、本発明のレーザーハイコンセントレーションシステムのハイコンセントレーションユニットの第二の態様の側面図である。図３は、本発明のレーザーハイコンセントレーションシステムのレーザードレッシングユニットの第一の態様の側面図である。図４は、本発明のレーザーハイコンセントレーションシステムのレーザードレッシングユニットの第二の態様の側面図である。図５は、本発明のレーザーハイコンセントレーションシステムのレーザードレッシングユニットの第三の態様の側面図である。

符号の説明

１０・・・ハイコンセントレーションユニット
１１・・・レジノイドボンド砥石
１２・・・モータ
１３・・・可動台
１４・・・ツルア
１５・・・ツルア
１６・・・モータ
２０・・・レーザードレッシングユニット
２１・・・レーザー発振器
２２・・・光学系
２３・・・レーザー照射部
２４・・・光ファイバー
２５・・・ミラー
２６・・・レンズ

Claims

樹脂結合剤で砥粒を固定したレジノイドボンド砥石の表面をレーザーハイコンセントレーションフォーミングする方法であって、
前記レジノイドボンド砥石をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くするハイコンセントレーション工程、及び
前記レジノイドボンド砥石の表面にレーザー光を照射して、前記レジノイドボンド砥石の表面にある前記樹脂結合剤を除去するレーザードレッシング工程、
から成り、
前記ハイコンセントレーション工程が、前記レジノイドボンド砥石の表面にある砥粒を前記レジノイドボンド砥石の内部方向に所定の切込量で押し込む工程から成る方法。
前記所定の切込量が、前記砥粒の平均粒径の１／２以下である、請求項１の方法。
前記レーザー光が、連続発振又はパルス発振され、
前記レジノイドボンド砥石の表面にある前記樹脂結合剤が、前記レーザー光のレーザーアブレーション作用によって除去される、請求項１の方法。
前記レーザー光の照射エネルギー密度が、５０Ｊ／ｃｍ²以下の範囲にある、請求項１の方法。
前記レジノイドボンド砥石に固定される前記砥粒として、前記レーザー光を反射又は吸収する薄膜をコーティングしたものが使用される、請求項１の方法。
樹脂結合剤で砥粒を固定したレジノイドボンド砥石の表面をレーザーハイコンセントレーションフォーミングするシステムであって、
前記レジノイドボンド砥石をツルーイングしながら、その表面砥粒密度を高くするハイコンセントレーション手段、及び
前記レジノイドボンド砥石の表面にレーザー光を照射して、前記レジノイドボンド砥石の表面にある前記樹脂結合剤を除去するレーザードレッシング手段、
から成り、
前記ハイコンセントレーション手段が、前記レジノイドボンド砥石の表面にある砥粒を前記レジノイドボンド砥石の内部方向に所定の切込量で押し込むための手段から成るシステム。
前記押し込むための手段が、
ツルア、
前記レジノイドボンド砥石を保持するための手段、
前記ツルアに前記レジノイドボンド砥石の表面を押し付けるための手段、及び
前記ツルアに前記樹脂ボンド砥石の表面を押し付けた状態で、前記ツルアと前記樹脂ボンド砥石とを相対的に移動させるための手段、
から成る、請求項６のシステム。
前記ツルアとして、メタル、セラミックス又は樹脂結合剤で砥粒を固定した板状又は円柱状の砥石が使用される、請求項７のシステム。
前記レーザードレッシング手段が、
レーザー発振器、
前記レーザー発振器で生成したレーザー光を所定の波長、レーザーエネルギー及びビーム形状に調整するための光学系、及び
前記光学系で調整されたレーザー光を前記レジノイドボンド砥石の表面に照射するためのレーザー照射部、
から成る請求項６のシステム。