JP4658578B2 - ノズル式ｅｌｉｄ研削方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解インプロセスドレッシング研削に係わり、更に詳しくは、砥石対向電極を用いないノズル式ＥＬＩＤ研削方法および装置に関する。

近年の科学技術の発展に伴って、超精密加工への要求は飛躍的に高度化しつつあり、この要求を満たす鏡面研削手段として、電解インプロセスドレッシング研削法（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｉｎ-ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｒｅｓｓｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、「ＥＬＩＤ研削法」と呼ぶ）が本出願人等により開発され、発表されている（理研シンポジウム「鏡面研削の最新技術動向」、平成３年３月５日開催）。

このＥＬＩＤ研削法は、図８に模式的に示すように、従来の電解研削における電極に代えて導電性砥石５４を用い、かつこの砥石と隙間（ギャップ）を隔てて対向する電極５２（以下、「砥石対向電極」と呼ぶ）を設け、砥石と電極との間に導電性液５３を流し、砥石５４と電極５２との間に電圧を印加し、砥石を電解によりドレッシングしながら、砥石によりワークを研削するものである。すなわち、メタルボンド砥石５４を陽極、砥石表面にギャップを隔てて対設された電極５２を陰極とし、研削作業と同時に砥石の電解ドレッシングを行うことにより、研削性能を維持・安定させることのできる研削法である。なお、この図において、５１はワーク（被研削材）、５５はＥＬＩＤ電源、５６は給電体、５７は導電性液のノズルである。

このＥＬＩＤ研削法では砥粒を細かくしても電解ドレッシングにより砥粒の目立てにより砥石の目詰まりが生じないので、砥粒を細かくすることにより鏡面のような極めて優れた加工面を研削加工により得ることができる。従って、ＥＬＩＤ研削法は、高能率研削から鏡面研削に至るまで砥石の切れ味を維持でき、かつ従来技術では不可能であった高精度な表面を短時間に創成できる手段として、種々の研削加工への適用が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特許文献１の「電解ドレッシング制御方法と装置」は、図９に示すように、ノズル６４により砥石６２と電極６３との間に導電性液を流しながら、電源６５及び給電体６６により砥石と電極との間に電圧を印加し、砥石を電解によりドレッシングしながらワーク６１を研削する電解ドレッシング研削において、位置制御装置６７により電極と砥石間の電流又は電圧を検出し、この検出値が設定範囲になるように電極移動装置６８により砥石と電極間の間隔を調節するものである。

特許文献２の「微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置」は、図１０に示すように、導電性砥石７２と、Ｘ-Ｙテーブルと、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７６と、電極案内装置７８とを備える。電極案内装置７８は、一端部が電解用電極７６に固定された２本の接触子からなり、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するものである。

特開平７−１３３３号公報、「電解ドレッシング制御方法と装置」 特開２００２−１６５７号公報、「微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置」

上述したように、これまでのＥＬＩＤ研削法では、砥石の外周部に砥石とわずかな隙間を隔てて対向する電極（「砥石対向電極」）が不可欠であった。
しかしそのため、例えば砥石の直径が１〜２ｍｍ程度まで小型化すると電極の小型化やその設置手段等が困難又は不可能となり、装置の小型化に制約が生じる問題点があった。そのため、近年ニーズの増大するマイクロレンズやマイクロレンズ用の金型の加工等において、ＥＬＩＤ研削法の適用が難しい問題点があった。

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、従来不可欠と考えられていた砥石対向電極を用いることなくＥＬＩＤ研削を行うことができ、これにより例えば砥石の直径が小型化しても容易にＥＬＩＤ研削ができるノズル式ＥＬＩＤ研削方法および装置を提供することにある。

本発明によれば、電解媒体を導電性砥石の表面に供給するための流路を有するノズル本体と、該流路内に対向して配置されたノズル電極対と、該ノズル電極対にイオン化用電圧を印加するノズル電源とからなるイオン供給ノズルから回転する導電性砥石の表面に水酸イオン（ＯＨ⁻）を含む電解媒体を供給し、砥石表面を電解もしくは化学反応によりドレッシングしながらワークを研削し、
更に、ワークとの接触面を有する導電性砥石を正電位（＋）に印加する、ことを特徴とするノズル式ＥＬＩＤ研削方法が提供される。
また、前記電解媒体は、アルカリ水溶液又はそのミストである。

また本発明によれば、ワークとの接触面を有し回転する導電性砥石と、導電性砥石の表面に水酸イオン（ＯＨ⁻）を含む電解媒体を供給するイオン供給ノズルとを備え、砥石表面を電解もしくは化学反応によりドレッシングしながらワークを研削し、
前記イオン供給ノズルは、前記電解媒体を導電性砥石の表面に供給するための流路を有するノズル本体と、該流路内に対向して配置されたノズル電極対と、該ノズル電極対にイオン化用電圧を印加するノズル電源とからなり、
更に、導電性砥石を正電位（＋）に印加する砥石電源を備える、ことを特徴とするノズル式ＥＬＩＤ研削装置が提供される。

上記本発明の方法及び装置によれば、イオン供給ノズルを備え、導電性砥石の表面に水酸イオン（ＯＨ⁻）を含む電解媒体（アルカリ水溶液又はそのミスト）を供給するので、砥石表面の導電性成分がＯＨ⁻イオンに引き寄せられ積極的に化学反応し溶出する。
従って、イオン供給ノズルの先端部が砥石表面から十分離れた構成でも、砥石表面を電解もしくは化学反応により溶出後、表面が酸化して不導体化されることで、砥石の電解ドレッシング（ＥＬＩＤ）が可能となる。
本発明により、砥石の小型化に対応できるとともに、電極の設置場所をノズル先端とすることで砥石外周部が解放されることから、砥石の小型化とともに砥石全周を加工に用いることができる。
従って、従来不可欠と考えられていた砥石対向電極を用いることなくＥＬＩＤ研削を行うことができ、これにより例えば砥石の直径が小型化しても容易にＥＬＩＤ研削ができる。

以下、本発明の好ましい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。

図１は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第１実施形態図である。この図に示すように、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置１０は、導電性砥石１２、砥石電源１４、及びイオン供給ノズル１６を備える。

導電性砥石１２は、非導電性の砥粒（例えばダイヤモンド砥粒）と導電性のボンド部（例えば鋳鉄、銅、青銅、Ｃｏ，Ｎｉなどの金属やカーボン等）からなり、全体として導電性を有し、ボンド部を電解することにより、砥粒の目立（ドレッシング）ができるようになっている。また、導電性砥石１２は、ワーク１との接触面１２ａを有する。
ワーク１は、非導電性材料（ガラス、セラミックス、等）でも導電性材料（例えば、金属材料、半導体）でもよい。ワーク１が導電性材料である場合には、ワーク１は電気的に絶縁され、導電性砥石１２と同電位になるように構成されている。
砥石電源１４は、導電性砥石１２に給電する給電ライン１５を備え、＋端子１４ａから給電ライン１５を介して導電性砥石１２を正電位（＋）に印加する。この正電位（＋）は、直流パルス電圧であるのが好ましいが、一定電圧であってもよい。
なおこの例では、砥石電源１４の陰極（−端子１４ｂ）は、接地（アース）している。なお、接地する代わりに、後述するノズル電源１９の陰極（−端子）に接続してもよい。

図２は、図１のイオン供給ノズルの構成図である。この図において、イオン供給ノズル１６は、導電性砥石１２の表面に水酸イオン（ＯＨ^-−）を含む電解媒体を供給する機能を有し、流路１７ａを有するノズル本体１７、少なくとも１対のノズル電極対１８ａ，１８ｂ、及びノズル電源１９を有する。
電解媒体は、導電性を有するアルカリ水溶液又はそのミストであるのがよい。

ノズル本体１７は、流路１７ａを介して電解媒体２（液又はミスト）を導電性砥石１２の表面に供給する。ノズル電極対１８ａ，１８ｂは、ノズル本体１７から電気的に絶縁され、流路１７ａ内に対向して配置される。ノズル電源１９は、ノズル電極対１８ａ，１８ｂにイオン化用電圧を印加する。このイオン化用電圧は、直流パルス電圧であるのが好ましいが、一定電圧や交流であってもよい。
なおこの例において、ノズル電極対１８ａ，１８ｂは、流路１７ａに直交し、かつ電極間の間隔が漸減するように対向している。また、ノズル電極の材質は、金属などの導電材でよいが、耐食性に優れた金属等が望ましい。

図３は、イオン供給ノズルの別の構成図である。この例では、ノズル電極対１８ａ，１８ｂは、ノズル内に流路に沿って配置されたリング状電極である。イオン供給ノズル１６は、砥石面に電解媒体２（例えば研削液又はミスト）と共に水酸イオン（ＯＨ⁻）を噴出するようになっている。
なお、電極の配置はこれらに限定されず、流路に直交するように平行に配置してもよく、その他の構成であってもよい。またこの図において、導電性砥石１２は、軸心Ｚを中心に回転する円板状の砥石であるが、本発明の砥石面は、これに限定されず、平板、円弧面、その他の形状であってもよい。

図１において、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置１０は、更に、研削液供給ノズル２０を備える。この研削液供給ノズル２０は、ノズル電極対１８ａ，１８ｂとノズル電源１９を備えず、研削液を導電性砥石１２の表面のワーク１との接触部付近に供給する。
かかる研削液供給ノズル２０を備えることにより、電解媒体２を導電性砥石１２の表面から洗い流し、ワーク１が導電性材料である場合に電解媒体２に残存する水酸イオン（ＯＨ^-）によるワーク１の腐食を低減することができる。もちろん、研削作用を円滑なものとするための潤滑・冷却効果も発揮する。

図４は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第２実施形態図である。この例において、ワーク１は球形であり、下端部がＺ軸を中心に回転する軸と共に回転する。また、導電性砥石１２は直径５ｍｍの小径の円柱形状であり、Ｙ軸を中心に回転し、Ｘ−Ｚ面内を数値制御される。
また、この例では、砥石電源１４とノズル電源１９が一体化し、単一のＥＬＩＤ電源２１を構成している。

図５（Ａ）は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第３実施形態図である。この例において、ワーク１は、円筒形の凹部１ａの底部に半球状の凸部１ｂを有するディンプルミラーである。このディンプルミラーの円筒形の凹部１ａの直径は２〜３ｍｍ、半球状の凸部１ｂの直径は１ｍｍ程度である。また、導電性砥石１２は直径１００μｍの下端が球面の円柱形状であり、Ｚ軸を中心に回転し、Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸を数値制御して、半球状の凸部の外面を鏡面に加工する。
なお、この例では、砥石電源１４及びノズル電源１９は、図示していないが、第１実施形態図又は第２実施形態図と同様である。
この加工の際に、導電性砥石１２の下端部の加工パスは、図５（Ｂ）のように等高線加工の加工パス、同（Ｃ）のようにスキャン加工の加工パス、同（Ｄ）のように螺旋加工の加工パスのいずれであってもよい。

図６（Ａ）は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第４実施形態図である。この例において、ワーク１は金型や光学素子（例えばフレネルレンズ）等であり、導電性砥石１２は両Ｖ砥石である。なお片Ｖ砥石も同様である。さらに、フレネルレンズの断面を一体化した複数のＶ字断面形状を持つ総型砥石にも適用できる。
従来の電極式の場合は、どうしても電極と砥石先端部との間に研削液と電解が集中し過ぎ、折角、シャープにツルーイングしても電解ドレッシングの際に形を崩してしまう問題があった。
しかし、本発明では、そうした点を解決できる。すなわち、エッジがシャープにツルーイングされた砥石に対して、シャープネスを崩すことなく、ドレッシングができる。

図６（Ｂ）は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第５実施形態図である。この例において、ワーク１は金型や各種構造部品であり、導電性砥石１２は例えば総型砥石である。このような曲面を持つ断面とＶ字断面を組み合わせた総型砥石でもよい。
また図６（Ｃ）は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第６実施形態図である。この例において、ワーク１は金型、光学素子（回折格子）等である。
図６（Ａ）（Ｂ）において、矢印は、ノズルＥＬＩＤの研削液噴射方向を示している。
図６（Ａ）（Ｂ）の形態において、シャープエッジや特定の形状を持つ砥石に対して、形を維持しながら適度なドレッシングを実現できる効果がある。

図７は、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第７実施形態図である。この例において、導電性砥石１２は切断や微細溝入加工に用いられる薄型砥石である。
薄型砥石の場合、これまでの電極式の場合、砥石を挟む隙間の狭い電極の製作が難しく、電極とのギャップ調整が難しい問題があった。
本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削の適用により、適切かつ簡便なドレッシングが実現できる。

図１に示した装置を用い、従来の砥石対向電極を用いたＥＬＩＤ研削と、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削を実施した。
表１は、使用した砥石、被削材、及び電解媒体、表２は、加工条件である。本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削は、砥石電源とノズル電源を併用し、従来のＥＬＩＤ研削では、このうち砥石電源を砥石対向電極と砥石間に印加した。その他の条件は同一である。

表３は、この実施例で得られた表面粗さと研削能率比の比較表である。この表において、研削比とは、ＥＬＩＤ研削を適用しない研削に対する加工速度の比を示している。
この表から、本発明により、従来のＥＬＩＤ研削に匹敵する鏡面に近い滑らかな表面粗さが得られることが確認された。また、研削比は従来のＥＬＩＤ研削には及ばないものの、ＥＬＩＤ研削を適用しない場合よりは倍以上高いことが確認された。
ＥＬＩＤ研削を適用しない場合は、同一条件で加工したところ総切込量９０μｍの１／３程度の段階で、加工抵抗が急上昇し、スピンドルの過負荷異常が発生した。これに対して、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削では、低い加工抵抗を最終段階まで維持しており、砥石の目つぶれや目詰まりがなく加工できることが確認された。

図４に示した装置を用い、直径５ｍｍの導電性砥石１２を用い、直径約３０ｍｍの球面を＃２０００の砥石で加工した。
その結果、研削方向に平行方向の粗さ：Ｒａ０．１８μｍ、Ｒｙ１．０μｍ、研削方向に垂直方向の粗さ：Ｒａ０．１６μｍ、Ｒｙ０．９μｍの極めて優れた鏡面が得られた。さらに、微粒子の砥石も適用できる。

上述したように、本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削方法及び装置では、研削液ノズルの先端部に（＋）（−）の対となるノズル電極対を形成し、研削液中の水の電気分解によりＯＨ^-イオンを砥石表面に供給する。
その時、砥石に（＋）の電位（（−）電極からみて相対的に（＋）の電位として）を与えると、導電性砥石の導電成分がＯＨ⁻イオンに引き寄せられ積極的に反応し溶出しようとすることにより、（＋）イオン化とともに、不導体化されることで、砥石のドレッシング（ＥＬＩＤ）が可能となる。
従って本発明により、砥石の小型化に対応できるとともに、電極設置場所をノズル先端とすることで砥石外周部が解放されることから、砥石の小型化とともに砥石全周を用いる加工ができる。

また、砥石に（＋）の電位がかかっていることが望ましいが、必ずしも必要ではない。すなわち、研削液にアルカリ水溶液を使用していることから、メタルボンド砥石の金属成分はアルカリ水溶液中において陽イオンとして溶出し易い雰囲気にあり、そうした環境下で、ＯＨ-イオンを供給することで、砥石表面での金属イオンとの次のような反応が起こり得る。
Ｍ＋ｎＯＨ⁻→Ｍ（ＯＨ）ｎ＋ｎｅ⁻・・・（１）
ここで、Ｍは砥石の導電成分（金属等）であり、ＯＨ⁻は、
Ｈ_２Ｏ→Ｈ^＋＋ＯＨ⁻・・・（２）（水の電気分解）により発生・供給される。
もちろん、砥石の電位を制御できることが、ドレッシング量の制御には望ましいですが、必ずしも必要ではない。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第１実施形態図である。 図１のイオン供給ノズルの構成図である。 イオン供給ノズルの別の構成図である。 本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第２実施形態図である。 本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第３実施形態図である。 本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第４〜６実施形態図である。 本発明のノズル式ＥＬＩＤ研削装置の第７実施形態図である。 従来のＥＬＩＤ研削法の模式図である。 特許文献１の「電解ドレッシング制御方法と装置」の構成図である。 特許文献２の「微細形状加工用ＥＬＩＤ研削装置」の構成図である。

符号の説明

１ ワーク、２ 電解媒体（液又はミスト）、
１０ ノズル式ＥＬＩＤ研削装置、
１２ 導電性砥石、１２ａ 接触面、
１４ 砥石電源、１４ｂ −端子、１５ 給電ライン、
１６ イオン供給ノズル、１７ ノズル本体、１７ａ 流路、
１８ａ，１８ｂノズル電極対、１９ ノズル電源、
２０ 研削液供給ノズル、２１ ＥＬＩＤ電源

Claims (5)

1. 電解媒体を導電性砥石の表面に供給するための流路を有するノズル本体と、該流路内に対向して配置されたノズル電極対と、該ノズル電極対にイオン化用電圧を印加するノズル電源とからなるイオン供給ノズルから回転する導電性砥石の表面に水酸イオン（ＯＨ⁻）を含む電解媒体を供給し、砥石表面を電解もしくは化学反応によりドレッシングしながらワークを研削し、
   更に、ワークとの接触面を有する導電性砥石を正電位（＋）に印加する、ことを特徴とするノズル式ＥＬＩＤ研削方法。
2. 前記電解媒体は、アルカリ水溶液又はそのミストである、ことを特徴とする請求項１に記載のノズル式ＥＬＩＤ研削方法。
3. 前記電極間の間隔は、前記流路の下流側に移行するにつれて漸減している、ことを特徴とする請求項１または２に記載のノズル式ＥＬＩＤ研削方法。
4. ワークとの接触面を有し回転する導電性砥石と、導電性砥石の表面に水酸イオン（ＯＨ⁻）を含む電解媒体を供給するイオン供給ノズルとを備え、砥石表面を電解もしくは化学反応によりドレッシングしながらワークを研削し、
   前記イオン供給ノズルは、前記電解媒体を導電性砥石の表面に供給するための流路を有するノズル本体と、該流路内に対向して配置されたノズル電極対と、該ノズル電極対にイオン化用電圧を印加するノズル電源とからなり、
   更に、導電性砥石を正電位（＋）に印加する砥石電源を備える、ことを特徴とするノズル式ＥＬＩＤ研削装置。
5. 前記電極間の間隔は、前記流路の下流側に移行するにつれて漸減している、ことを特徴とする請求項４に記載のノズル式ＥＬＩＤ研削装置。

Images