JP7487932B2 - ノズル型加工ヘッド方式ｅｅｍ加工方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法に係わり、更に詳しくは例えば真空紫外線領域から硬Ｘ線領域までの波長帯の光学系に使用する光学素子や高精度な表面を備えたガラス基板を製造するためのノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法に関するものである。
真空紫外線領域から軟Ｘ線領域、硬Ｘ線領域までの波長帯の光は、殆どの物質に吸収されるため、その光学系には透過光学素子は使用できず、物質表面での反射を利用した反射光学素子を使用する必要がある。例えば、大型放射光施設（SPring-８等）やＸ線自由電子レーザー（SACLA等）で発生させたＸ線の光学系には、高精度な平面ミラーあるいは球面ミラーや非球面ミラー等の各種の反射型Ｘ線ミラーが使われている。
従来より高精度なＸ線ミラーは、ＥＥＭ（Elastic Emission Machining）加工方法によって製造されている。ＥＥＭは、微粒子を分散した加工液をワークの表面に沿って流動させて、該微粒子を表面上に略無荷重の状態で接触させ、その際の微粒子と表面界面での相互作用（一種の化学結合）により、表面原子を原子単位に近いオーダで除去して加工する超精密加工方法である（特許文献１、２）。
ワーク表面を任意曲面に加工する方法として、ノズル型加工ヘッドを数値制御するＥＥＭ加工方法がある。特許文献３には、加工槽内の超純水を主体とした液体中にワークとノズル型加工ヘッドとを所定の間隔を置いて配設し、粒径が１～１００ｎｍの微粒子が凝集して平均径が０．５～５μｍの集合体となった凝集微粒子を超純水に分散させた加工液を、前記ノズル型加工ヘッドからワークの表面に噴射し、該ワークの表面近傍に加工液の剪断流を発生させるとともに、加工液の流れによってワークと化学的な反応性のある凝集微粒子をワーク表面に供給し、ワークと化学結合した凝集微粒子を剪断流にて取り除いてワーク表面の原子を除去し、加工を進行させるノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法が開示されている。尚、ＥＥＭプロセスに使用する微粒子としては、シリカ（ＳｉＯ２）微粒子が用いられている。
通常、ＥＥＭ加工装置では、加工槽内に、純水若しくは超純水に微粒子を分散させた懸濁状態の加工液を満たし、該加工液中にワークとノズルを対向させて配置し、加工槽内の加工液を加圧ポンプで所定圧力に高めて前記ノズルに供給し、加工液中でワーク表面に向けて噴出させて加工し、加工液は循環させている。
ところで、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法では、大気開放下の加工槽内の加工液中にノズルから所定圧力の加工液を噴出させるのであるが、加工液に空気が溶存していると、キャビテーションが発生し易くなり、キャビテーションが発生するとワーク表面にエロージョンが発生し、予期せぬ欠陥が形成されることがある。ここで、キャビテーションは、ノズル内あるいはノズル出口近傍において、流速が急激に高くなることで、静圧が飽和蒸気圧より低下し、溶液中に存在する微小な気泡核が沸騰することで発生する。また、単に加工液に気泡が混入していても気泡破裂の際の衝撃力で同様な欠陥が形成される恐れがある。特に、加工液中の微粒子がキャビテーション崩壊や気泡破裂の際の衝撃力で加速されると、ワーク表面に深い凹部が形成されることになる。
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、第１には加工液から溶存空気を除去してノズルから高圧加工液を噴出した際のキャビテーション発生を抑制することにより、また第２には加工液中から混入気泡を除去することにより、欠陥の少ないワーク表面を得ることが可能なノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法を提供する点にある。
本発明は、前述の課題解決のために、以下に構成するノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法を提供する。
（１）
ワークの表面に対して物理化学的な相互作用により付着可能な加工微粒子を純水若しくは超純水に分散させた加工液を用い、
加工槽内に満たした加工液中に前記ワークと、加工を進行させるためのノズル型加工ヘッドを対向させて配置し、
加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給し、
前記ノズル型加工ヘッドの加工ノズルから噴出させた加工液を前記ワーク表面に沿って流動させ、無加重状態でワーク表面に付着した前記加工微粒子を、加工液の剪断流によって該加工微粒子に結合したワーク表面原子と共に除去してワークを加工するＥＥＭプロセスにおいて、
前記加工液の循環系であって前記加圧ポンプの前段に加工液から溶存空気と混入気泡を除去する脱気手段を設けた、
ことを特徴とするノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
ワークの表面に対して物理化学的な相互作用により付着可能な加工微粒子を純水若しくは超純水に分散させた加工液を用い、
加工槽内に満たした加工液中に前記ワークと、加工を進行させるためのノズル型加工ヘッドを対向させて配置し、
加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給し、
前記ノズル型加工ヘッドの加工ノズルから噴出させた加工液を前記ワーク表面に沿って流動させ、無加重状態でワーク表面に付着した前記加工微粒子を、加工液の剪断流によって該加工微粒子に結合したワーク表面原子と共に除去してワークを加工するＥＥＭプロセスにおいて、
前記加工液の循環系であって前記加圧ポンプの前段に加工液から溶存空気と混入気泡を除去する脱気手段を設けた、
ことを特徴とするノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
（２）
前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を前記加工槽に戻す（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を前記加工槽に戻す（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
（３）
前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を、加工槽内に区画して設けた貯液槽若しくは加工槽とは別に設けた貯液槽に供給し、該貯液槽内の加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を、加工槽内に区画して設けた貯液槽若しくは加工槽とは別に設けた貯液槽に供給し、該貯液槽内の加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
（４）
前記加工槽内の加工液を前記脱気手段を介して加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
前記加工槽内の加工液を前記脱気手段を介して加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する（１）記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
このような本発明のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法によれば、脱気手段によって加工液中から溶存空気や混入気泡が除去されるので、キャビテーションの発生が抑制され、また混入気泡のノズルからの噴出も抑制されるので、ワーク表面を欠陥が少なく高品位の面に加工できる。
次に、添付図面に示した実施形態に基づき、本発明を更に詳細に説明する。図１は本発明のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭの簡略説明図を示し、図中符号１はワーク、２は表面、３は加工微粒子、２１は加工ノズルを示している。
本発明のワークとしては、Ｘ線光学系やＥＵＶ光学系に使用される光学素子材料であるＳｉ単結晶や各種酸化物が挙げられる。Ｓｉ単結晶は、非常に純度が高く格子欠陥が少ないものが提供されているので、Ｘ線領域の反射光学系の材料として適している。また、本発明は、水晶、石英ガラスや極低膨張ガラスセラミックス等の単成分又は多成分系の酸化物からなるガラス基板にも良好に適用できる。
本発明の加工原理は、ワークの表面に対して物理化学的な相互作用により付着可能な加工微粒子を溶媒に分散させた加工液を用い、前記加工液を前記ワーク表面に沿って流動させ、無加重状態でワーク表面に付着した前記加工微粒子を、加工液の剪断流によって該加工微粒子に結合したワーク表面原子と共に除去してワークを加工するＥＥＭプロセスを用いている。
前記加工液は、純水又は超純水などの不純物の少ない水を溶媒として、加工微粒子を所定の濃度で分散させた懸濁液である。尚、加工液には、水以外に界面活性剤やその他の補助剤を混合する場合もある。また、前記加工液を前記ワーク表面に沿って流動させる手段として、回転球型加工ヘッド方式とノズル型加工ヘッド方式とがあるが、キャビテーションが発生する可能性があるのは後者の方式であり、本発明の対象である。
図１に、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭを簡略的に示す。ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭは、前記ワーク１と加工ノズル２１の少なくとも先端を加工槽内の加工液中に浸漬し、該加工ノズル２１の先端面をワーク１の表面２に対して平行に配するとともに、噴出方向を表面２に対して垂直に配し、ワーク１の表面原子と化学的な反応性のある加工微粒子３を均一に分散させた加工液を、前記加工ノズル２１の噴出口２２から液中にて噴出させ、前記表面２近傍に沿って加工液の高剪断流を発生させ、表面原子と化学結合した加工微粒子３を高剪断流にて取り除いて表面原子を除去し、加工を進行させる。図１中符号Ｐは加工液の流れを示している。
そして、広い面積のワーク表面２を連続的に加工するには、ノズル型加工ヘッドによる単位加工痕を表面２に対して相対的に走査するのである。ここで、ノズル型加工ヘッドは、前記加工ノズル２１を含む部分のことであり、図１中符号Ｘはノズル型加工ヘッドの相対的移動方向を示している。一方、表面２の局所加工を行うには、予め計測した加工前の表面プロファイルから目的面プロファイルを差し引いて求めた加工量に応じてノズル型加工ヘッドの滞在時間を数値制御して加工する。また、前記加工ノズル２１の噴出口２２は、円孔の他、横長のスリット孔も可能である。前記噴出口２２が、円孔の場合、単位加工痕が小さくなるので局所加工に適し、スリット孔の場合には広い面積を一様に加工するのに適している。尚、前記加工ノズル２１の噴出口２２による加工液の噴出方向が、ワーク１の表面２に対して傾斜しても構わない。その場合には、単位加工痕のプロファイルが対称ではなくなる。
本発明のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法は、図２に示すように、ワーク１の表面に対して物理化学的な相互作用により付着可能な加工微粒子を純水若しくは超純水に分散させた加工液１０を用い、加工槽１１内に満たした加工液中に前記ワーク１とノズル型加工ヘッド（加工ノズル２１）を対向させて配置し、加工液１０を加圧ポンプ１２で所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッド２１に供給し、前記ノズル２１から噴出させた加工液１０を前記ワーク表面２に沿って流動させ、無加重状態でワーク表面に付着した前記加工微粒子３を、加工液１０の剪断流によって該加工微粒子３に結合したワーク表面原子と共に除去してワーク１を加工するＥＥＭプロセスにおいて、前記加工液１０の循環系であって前記加圧ポンプ１２の前段に加工液１０から溶存空気と混入気泡を除去する脱気手段１３を設けたことを特徴とする。図中符号１４は、加工液１０を加圧ポンプ１２によって加工ノズル２１へ供給する加工用配管であり、加工循環系を構成している。
通常のＥＥＭプロセスで用いる加工微粒子としては、シリカ（ＳｉＯ２）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、セリア（ＣｅＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物が挙げられ、主にコロイダルシリカを用いる。また、ノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭでは、加工ノズル２１の先端とワーク表面２との加工ギャップを１０μｍ～５ｍｍと比較的広く取れるので、平均粒径が１ｎｍ～１０μｍと広い範囲の加工微粒子３を使用することができる。但し、微粒子の粒径が大きくなり過ぎると表面２に加工微粒子３の接触による引っ掻き傷が生じる恐れがあるので、実用上は上限を数μｍ程度とし、また粒径が小さくなり過ぎると表面２に付着した加工微粒子３を取り除くための剪断流の速度勾配を極端に大きくする必要があるので、実用上は下限を０．１μｍ程度とすることが好ましい。実際には、加工微粒子３として、複数の微粒子の集合体である凝集微粒子を用いて加工速度を速めている。前記凝集微粒子としては、粒径が１～１００ｎｍのシリカ微粒子が凝集して平均径が０．５～５μｍの集合体となったものを用いる。ここで、前記加工液中の無機微粒子からなる加工微粒子３の濃度は数ｖｏｌ％～１０ｖｏｌ％とすることが好ましい。また、加工微粒子３として、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂又はスチレン系樹脂からなる有機微粒子を用いることも可能である。有機微粒子を用いる場合、平均粒径は０．３～１０μｍの範囲、濃度は１０～５０ｗｔ％の範囲とすることが好ましい。
ここで、脱気手段１３としては市販のものを用いることができる。脱気方式にも各種存在し、中空糸膜脱気方式、タービン脱気方式、加熱脱気方式、真空脱気方式などがある。また、加工液の脱気と平行して、加工液をフィルターに通して大型化した凝集粒子や異物を取り除くようにすることが望ましい。尚、フィルターは気泡の混入の原因ともなり得るので配置には注意が必要である。
本発明の第１実施形態を図２に示す。本実施形態は、前記加工槽１１内の加工液１０を送液ポンプ１５で前記脱気手段１３に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液１０を前記加工槽１１に戻す、前記加工循環系とは独立した脱気循環系とした構造である。図中符号１６は脱気用配管を示す。脱気手段１３として、中空糸膜を用いた脱気ユニットを使用した場合、約１日の連続運転によって加工液中の溶存酸素量がほぼゼロになったことを確認している。尚、本実施形態の変形例として、加工液１０の液面からの空気の溶存速度は遅く、低い溶存空気の状態を長時間保つことができるので、脱気した加工液１０を溜め置き、加工中は脱気手段１３を循環させなくても一定時間、脱気状態を保った加工が可能である。
本発明の第２実施形態を図３に示す。本実施形態は、前記加工槽１１内の加工液１０を送液ポンプ１５で前記脱気手段１３に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を、加工槽１１内に区画して設けた貯液槽１７若しくは加工槽１１とは別に設けた貯液槽１７に供給し、該貯液槽１７内の加工液１０を加圧ポンプ１２で所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッド２１に供給する構造である。ここで、前記加圧ポンプ１２で加工ノズル２１へ供給する流量よりも前記送液ポンプ１５で貯液槽１７へ供給する流量が多くなるので、加工槽１１と貯液槽１７の水位を一定に維持するため、貯液槽１７の余剰分を加工槽１１へ戻す機構が必要である。本実施形態では、加工槽１１内を仕切った区画壁１８の高さを調節し、貯液槽１７から区画壁１８をオーバーフローした加工液１０を加工槽１１に戻すようにしている。
本発明の第３実施形態を図４に示す。本実施形態は、前記加工槽１１内の加工液１０を前記脱気手段１３を介して加圧ポンプ１２で所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッド２１に供給する構造である。つまり、前記加圧ポンプ１２の上流側の加工用配管１４に前記脱気手段１３を接続した構造で、いわゆるインラインと呼ばれている直列配置である。
１ ワーク
２ 表面
３ 加工微粒子
１０ 加工液
１１ 加工槽
１２ 加圧ポンプ
１３ 脱気手段
１４ 加工用配管
１５ 送液ポンプ
１６ 脱気用配管
１７ 貯液槽
１８ 区画壁
２１ 加工ノズル
２２ 噴出口
２ 表面
３ 加工微粒子
１０ 加工液
１１ 加工槽
１２ 加圧ポンプ
１３ 脱気手段
１４ 加工用配管
１５ 送液ポンプ
１６ 脱気用配管
１７ 貯液槽
１８ 区画壁
２１ 加工ノズル
２２ 噴出口
Claims (4)
- ワークの表面に対して物理化学的な相互作用により付着可能な加工微粒子を純水若しくは超純水に分散させた加工液を用い、
加工槽内に満たした加工液中に前記ワークと、加工を進行させるためのノズル型加工ヘッドを対向させて配置し、
加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給し、
前記ノズル型加工ヘッドの加工ノズルから噴出させた加工液を前記ワーク表面に沿って流動させ、無加重状態でワーク表面に付着した前記加工微粒子を、加工液の剪断流によって該加工微粒子に結合したワーク表面原子と共に除去してワークを加工するＥＥＭプロセスにおいて、
前記加工液の循環系であって前記加圧ポンプの前段に加工液から溶存空気と混入気泡を除去する脱気手段を設けた、
ことを特徴とするノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。 - 前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を前記加工槽に戻す請求項１記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
- 前記加工槽内の加工液を送液ポンプで前記脱気手段に送り、溶存空気と混入気泡を除去した加工液を、加工槽内に区画して設けた貯液槽若しくは加工槽とは別に設けた貯液槽に供給し、該貯液槽内の加工液を加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する請求項１記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
- 前記加工槽内の加工液を前記脱気手段を介して加圧ポンプで所定圧力に加圧して前記ノズル型加工ヘッドに供給する請求項１記載のノズル型加工ヘッド方式ＥＥＭ加工方法。
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