JP5571451B2

JP5571451B2 - 表面処理装置

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Publication number: JP5571451B2
Application number: JP2010112394A
Authority: JP
Inventors: 秀樹秋田; 基司鈴木; 政幸志摩; 隆志菅原; 聡史伊藤
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2030-05-14
Also published as: JP2011240419A

Description

本発明は被加工物の表面に形成された硬質皮膜を平滑に均す表面処理装置に関する。

例えばシリコンウエハの平面度を高める方法として、研磨スラリーを供給しつつ研磨パッドで被研磨面を研磨することが広く実施されている（特許文献１等参照）。

特開平１０−１５８１０号公報

現在、溶射や摩擦攪拌、ＰＶＤ、ＣＶＤ等の手法によって、様々な分野で材料表面に硬質皮膜が形成されている。ところが、硬質皮膜の表面を凹凸なく形成するには高度な技術を要する。そこで、既に材料に形成された硬質皮膜の表面の凹凸を事後的に補修することができれば、品質や歩留まりを向上させる上でも有用である。

その場合、特許文献１に記載されているような研磨技術を硬質皮膜の表面処理に適用し、硬質皮膜の表面を研磨することも考えられる。しかしながら、この種の表面研磨技術は、硬質皮膜表面の凸部（例えばＲmaxの測定で除外されるような高い山）を除去することには適しているが、凹部（例えばＲmaxの測定で除外されるような谷）やクラック等といった硬質皮膜表面の欠陥を補修することができない。

本発明の目的は、被加工物に形成した硬質被膜の表面の凸部を除去する一方で、凹部やクラック等の欠陥を補修することができる表面処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、被加工物の表面に形成された硬質皮膜を平滑に均す表面処理装置において、前記被加工物の硬質皮膜の表面に点接触する形状の表面処理工具と、この表面処理工具を回転させて前記被加工物の硬質皮膜に押し付けつつ当該硬質皮膜の表面に沿って移動させる装置本体とを備え、前記被加工物は、円筒状又は円柱状の部材であり、前記表面処理工具の被加工物との接触部は、円錐状、円柱状又は球面状に形成されており、前記装置本体は、前記被加工物を回転させる回転面盤と、この回転面盤を回転させる被加工物用駆動装置と、前記表面処理工具を保持する回転アームと、この回転アームを回転させる工具用駆動装置と、前記回転アームを前記回転面盤の回転軸方向に送る送り装置とを備えており、前記硬質皮膜の表面に対する前記表面処理工具の接触点の移動速度成分、及び前記接触点における前記表面処理工具の周速度成分が直交していて、前記硬質皮膜の表層を前記表面処理工具で掻き混ぜて塑性流動させることを特徴とする。

本発明によれば、被加工物に形成した硬質被膜の表面の凸部を除去する一方で、凹部やクラック等の欠陥を補修することができる。

本発明の第１実施形態に係る表面処理装置の模式図である。本発明の第１実施形態に係る表面処理装置において被加工物と表面処理工具とが接触した状態を被加工物の中心軸方向から見た模式図、及びこの図中の矢印Ａ方向から見た模式図である。本発明の第１実施形態に係る表面処理装置において被加工物と表面処理工具とが接触した状態を表す斜視図である。本発明に係る表面処理装置において表面処理の前後における硬質皮膜の表面粗さ測定結果を示した図である。本発明に係る表面処理装置において表面処理の前後における硬質皮膜の表面粗さ測定結果を示した図である。本発明の第２実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図である。本発明の第３実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図である。本発明の第４実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図である。

以下に図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る表面処理装置の模式図である。

図１に示した表面処理装置は、例えばシリンダのロッド等の円筒状又は円柱状の被加工物Ｗの外周面に形成した硬質皮膜を表面処理する装置であり、装置本体１と、この装置本体１に装着した表面処理工具２とを備えている。表面処理工具２は、被加工物Ｗの硬質皮膜の表面に点接触する形状（本実施形態では円筒状又は円柱状の被加工物Ｗに対して円錐状）の材料攪拌・塑性流動用のツールである。装置本体１は、被加工物Ｗと表面処理工具２とを相対動作させる、具体的には表面処理工具２を回転させて被加工物Ｗの硬質皮膜に押し付けつつ当該硬質皮膜の表面に沿って移動させる工作機械であり、被加工物Ｗを動作させる旋盤部１０と、表面処理工具２を動作させるボール盤部２０と、土台であるベース３０とを有している。

旋盤部１０は、基部１１と、被加工物Ｗを保持する回転面盤１２と、この回転面盤１２を回転させる被加工物用駆動装置１３と、回転面盤１２との間に介在させた被加工物Ｗを回転面盤１２側に芯押しする芯押し機１４とを備えている。基部１１はベース３０上に固定されており、回転面盤１２は基部１１に対して回転自在に取り付けられていいて、その中心軸は芯押し機１４に向かって水平に延在している。また特に図示していないが、回転面盤１２の盤面には、被加工物Ｗの一端の外周面を把持するチャックが備えられている。芯押し機１４はベース３０上に固定されており、被加工物Ｗの芯（回転中心）を押して被加工物Ｗの他端を支持する。すなわち、被加工物Ｗは、回転面盤１２のチャックに一端を把持され、芯押し機１４によって他端を支持されることで、回転面盤１２の中心軸と同心上に把持される。被加工物用駆動装置１３は、基部１１に取り付けられており、その出力軸は回転面盤１２の回転軸に直結、若しくは減速機、ギア又はプーリ等の駆動伝達機構を介して連結されている。被加工物用駆動装置１３の駆動速度は可変である。

ボール盤部２０は、基部２１と、表面処理工具２を保持する回転アーム（スピンドル）２２と、この回転アーム２２を回転させる工具用駆動装置２３と、基部２１、回転アーム２２、工具用駆動装置２３及び表面処理工具２を回転面盤１２の中心軸方向へ移動させる送り機構部２４とを備えている。基部２１はベース３０上の回転面盤１２の中心軸方向に延在するレール（図示せず）上に搭載されている。送り機構部２４は基部２１に螺合した例えばボールねじであり、両端は旋盤部１０の基部１１と芯押し機１４の基部に対して軸受（図示せず）を介して回転自在に支持されている。特に図示していないが、この送り機構部２４は回転面盤１２の駆動軸に対して変速機を介して連結されていて、ベース３０に備えられた設定手段（図示せず）の設定に従って回転面盤１２の回転速度が当該設定の変速比で伝達され、回転面盤１２の回転数に応じた一定の速度で回転する。工具用駆動装置２３は基部２１によって支持されており、下方に延びる回転アーム２２を設定に従った方向及び回転数で回転させる。また、特に図示していないが、工具用駆動装置２３は、当該工具用駆動装置２３を上下動させる機構を介して基部２１に接続されていて、当該機構によって工具用駆動装置２３、回転アーム２２及び表面処理工具２の上下位置が調整される構成である。工具用駆動装置２３の駆動速度は可変である。

表面処理工具２は、回転アーム２２の先端に当該回転アーム２２と同心上に着脱されるものであり、被加工物Ｗに接触する部位が円錐状に形成されている。回転面盤１２に装着された被加工物Ｗの回転中心軸と回転アーム２２に装着された表面処理工具２の回転中心軸とはねじれの位置関係（本実施形態では前者の中心軸が水平、後者の中心軸が鉛直）にあり、表面処理工具２の円錐面（円錐の曲面部）が被加工物Ｗの硬質皮膜（外周面）に点接触する。表面処理工具２の少なくとも円錐面は、ＤＬＣ、ＴｉＮ又はＣｒＮでコーティングされている。なお、表面処理工具２の径や頂角は特に限定されないが、表面処理工具２は、被加工物Ｗの中心軸に対して自己の中心軸がオフセットした状態（ねじれの位置関係）で回転アーム２２の中心軸方向に押し付けられるので、この押し付け力の被加工物Ｗの外周面の接線方向の分力よりも法線方向（被加工物Ｗの径方向）の分力が大きくなるように、頂角が９０度より大きな円錐形状（図１では頂角１２０度程度を例示）であることが望ましい。

図２（ａ）は本実施形態において被加工物Ｗと表面処理工具２とが接触した状態を被加工物Ｗの中心軸方向から見た模式図、図２（ｂ）は図２（ａ）中の矢印Ａ方向から見た模式図、図３はその斜視図である。

表面処理工具２は、回転アーム２２によって一定の荷重Ｆで被加工物Ｗの外周面に押し付けられ、被加工物Ｗとの接点Ｐで点接触している。荷重Ｆの接点Ｐにおける被加工物Ｗの法線方向の分力（接触圧力）は、硬質皮膜の材料の降伏点を越える程度が好ましい。接触圧力は被加工物Ｗの硬質皮膜の材料によって好適値が異なるが、例えば１−５０Ｎ程度が１つの目安である（例えば硬質皮膜がＷＣ膜である場合には１０Ｎ程度）。この状態で工具用駆動装置２３を駆動して表面処理工具２をＲ１方向に自転させるとともに、被加工物用駆動装置１３を駆動して被加工物ＷをＲ２方向に自転させつつ表面処理工具２をＸ方向に移動させる。これにより、図２（ｂ）中に破線で模式的に表したように被加工物Ｗの外周面上をピッチの狭い螺旋状に接点Ｐが移動し、結果として被加工物Ｗの外周面に形成した硬質皮膜の表面全体が表面処理工具２に接触することになる。このとき、被加工物Ｗの表面処理工具２との接点Ｐにおいては、硬質皮膜の材料の降伏点を超える圧力で接触する表面処理工具２が自転することで、硬質皮膜の表層に局所的な圧縮力、剪断力が作用し塑性流動が起こる。

本実施形態によれば、このように表面処理工具２で掻き混ぜて局所的な塑性流動を硬質皮膜の全面に亘って起こさせることにより、硬質皮膜表面の凸部（例えばＲmaxの測定で除外されるような高い山）を除去するとともに、凹部（例えばＲmaxの測定で除外されるような谷）やクラック等といった硬質皮膜表面の欠陥を補修することができる。このとき、被削材の表層を工具で抉って削り取る切削や研磨を含めた研削と異なり、表面処理工具２を硬質皮膜表面に押し付けて塑性流動を起こさせるので、硬質皮膜が被加工物Ｗから剥離したり、表面処理工具２のコーティング材が剥離したりすることもない。

また、スパッタリング等と違って接点Ｐにおける温度上昇も小さいため、被加工物Ｗの母材の劣化や熱歪の発生も抑制することができる。さらに、大気中で処理できるため、高価な真空チャンバーも不要である。

加えて、本実施形態のように表面処理工具２をＤＬＣ等でコーティングした場合には、接点Ｐにおける摩擦係数を下げて表面処理工具２と被加工物Ｗとの凝着の発生を抑制することができる。

図４及び図５は表面処理の前後における硬質皮膜の表面粗さ測定結果を示した図である。図４は被膜と直交する方向から見たもの、図５は斜めから見たものであり、図４（ａ）及び図５（ａ）は表面処理前、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は表面処理後の測定結果である。

図４及び図５から分る通り、表面処理後は表面処理前に比べて凹部の高低差が減少し、平滑度の向上が認められる。

図６は本発明の第２実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図であり、第１実施形態の図３に対応する図である。この図において第１実施形態と同様の部分には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、表面処理工具２Ａの被加工物Ｗとの接触部が円柱状に形成されている点である。表面処理工具２Ａと被加工物Ｗの中心軸はねじれの位置関係（本実施形態では表面処理工具２Ａの中心軸が鉛直、被加工物Ｗの中心軸が水平）にあり、表面処理工具２Ａの外周面が被加工物Ｗの外周面に点接触する構成である。表面処理工具２Ａの押し付け方向は被加工物Ｗの法線方向であるため、実質的に押しつけ力Ｆが接触圧力に等しい。また、表面処理工具２Ａの押し付け方向が表面処理工具２Ａの中心軸と直交する方向であるため、ボール盤部２０の駆動装置２３は、当該駆動装置２３を基部２１に対して鉛直方向のみならず水平方向に移動させる機構を介して基部２１に連結されている。その他の点については第１実施形態と同様である。

本実施形態では、表面処理工具２Ａの外周面を被加工物Ｗの外周面に押しつけ力Ｆで押し付けた状態で、表面処理工具２Ａを自転させるとともに、被加工物ＷをＲ２方向に回転させつつ表面処理工具２ＡをＸ方向に移動させることで、第１実施形態と同様に被加工物Ｗの硬質皮膜の全体の表層に塑性流動を起こさせることができる。よって、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、表面処理工具２Ａの押し付け方向が被加工物Ｗの法線方向に等しくなるため、押しつけ力Ｆを無駄なく接触圧力に利用できる点もメリットである。

また、表面処理工具２Ａが円柱状で、この表面処理工具２Ａが被加工物Ｗに対して外周面で接触するため、表面処理工具２Ａを自己の中心軸方向に動かす（図６中の破線両矢印参照）ことで被加工物Ｗとの接点を当該表面処理工具２Ａの外周面内で上下に移動させることができる。したがって、接点が同一高さに集中しないように表面処理工具２Ａを適宜上下動させることで、表面処理工具２Ａの寿命を延ばすことができる。

図７は本発明の第３実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図であり、第１実施形態の図３に対応する図である。この図において第１実施形態と同様の部分には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、表面処理工具２Ｂの被加工物Ｗとの接触部が球面状に形成されている点である。表面処理工具２Ｂと被加工物Ｗの中心軸はねじれの位置関係（本実施形態では表面処理工具２Ｂの中心軸が鉛直、被加工物Ｗの中心軸が水平）にあり、表面処理工具２Ｂの先端の半球部分の球面が被加工物Ｗの外周面に点接触する構成である。その他の点については第１実施形態と同様である。

本実施形態では、表面処理工具２Ｂの球面を被加工物Ｗの外周面に押しつけ力Ｆで押し付けた状態で、表面処理工具２Ｂを自転させるとともに、被加工物ＷをＲ２方向に回転させつつ表面処理工具２ＢをＸ方向に移動させることで、第１実施形態と同様に被加工物Ｗの硬質皮膜の全体の表層に塑性流動を起こさせることができる。よって、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

図８は本発明の第４実施形態に係る表面処理装置に備えられた表面処理工具と被加工物とが接触した状態を模式的に表す斜視図であり、第１実施形態の図３に対応する図である。この図において第１実施形態と同様の部分には第１実施形態と同符号を付して説明を省略する。

本実施形態が第１実施形態と相違する点は、被加工物Ｗの硬質皮膜を施した処理対象面が水平な平面であり、表面処理工具２Ｃが球状に形成されていて被加工物Ｗに対して球面（最大径部）で接触する点である。本実施形態では、表面処理工具２Ｃの回転中心軸は、例えば被加工物Ｗの表面（硬質皮膜を施した面）とほぼ平行であり、表面処理工具２Ｃの球面が被加工物Ｗの表面に点接触する。また本実施形態では、例えば表面処理工具２Ｃは自己の回転軸方向Ｘに往復移動し、表面処理工具２ＣのＸ方向の移動が折り返し点に差し掛かる度に、被加工物Ｗが表面処理工具２Ｃの回転軸に直交する方向Ｙに水平に所定距離だけ移動する。静止する被加工物Ｗに対して表面処理工具２Ｃが自己のＸ方向移動の折り返しの度にＹ方向（この場合図８の矢印と反対方向）に所定距離だけ移動する構成であっても良い。その他の点については第１実施形態と同様である。

本実施形態では、表面処理工具２Ｃの球面を被加工物Ｗの表面に押しつけ力Ｆで押し付けた状態で、表面処理工具２Ｃを自転させるとともに、表面処理工具２ＣをＸ方向に往復運動させつつ被加工物Ｗを表面処理工具２Ｃの折り返しの都度Ｙ方向に所定距離だけ送ることで、被加工物Ｗの被処理面の全体に表面処理工具２Ｃとの接点を移動させることができる。したがって、第１実施形態と同様に被加工物Ｗの硬質皮膜の全体の表層に塑性流動を起こさせることができるので、本実施形態においても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、被加工物Ｗや表面処理工具２，２Ａ−２Ｃを動作させるための装置本体の構成は以上で例示した態様に限られず、装置構成については、各実施形態における被加工物Ｗと表面処理工具２，２Ａ−２Ｃとの相対運動が実現できるように適宜設計変更することが可能である。

１装置本体
２，２Ａ−Ｃ表面処理工具
１０旋盤部
１１基部
１２回転面盤
１３被加工物用駆動装置
１４芯押し機
２０ボール盤部
２１基部
２２回転アーム（スピンドル）
２３工具用駆動装置
２４送り機構部
３０ベース
Ｆ荷重
Ｐ接点
Ｗ被加工物

Claims

被加工物の表面に形成された硬質皮膜を平滑に均す表面処理装置において、
前記被加工物の硬質皮膜の表面に点接触する形状の表面処理工具と、
この表面処理工具を回転させて前記被加工物の硬質皮膜に押し付けつつ当該硬質皮膜の表面に沿って移動させる装置本体とを備え、
前記被加工物は、円筒状又は円柱状の部材であり、
前記表面処理工具の被加工物との接触部は、円錐状、円柱状又は球面状に形成されており、
前記装置本体は、前記被加工物を回転させる回転面盤と、この回転面盤を回転させる被加工物用駆動装置と、前記表面処理工具を保持する回転アームと、この回転アームを回転させる工具用駆動装置と、前記回転アームを前記回転面盤の回転軸方向に送る送り装置とを備えており、
前記硬質皮膜の表面に対する前記表面処理工具の接触点の移動速度成分、及び前記接触点における前記表面処理工具の周速度成分が直交していて、前記硬質皮膜の表層を前記表面処理工具で掻き混ぜて塑性流動させることを特徴とする表面処理装置。