JPH0623663A - 超平滑化非接触研磨方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＥＥＭによる加工を具体化するための能率的
な方法として、円筒型回転工具を用いて線加工を行うよ
うにした一次元送り方式の超平滑化非接触研磨手段を得
る。 【構成】 円筒工具１４を、加工槽６中のワークＷの表
面に接触させた位置からその平行状態を保持して微小間
隔だけ離間させ、そのワークＷを、微細粉末研磨粒子を
一様に分散させた懸濁液中に置き、その状態で円筒工具
１４を高速回転させて、ワークと円筒工具との間に流体
軸受的流れを発生させ、微細粉末研磨粒子のワーク表面
への衝突により超平滑化非接触研磨を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、材料の表面を超平滑化
するための非接触研磨方法および装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種工業分野において、高性能、
高品質の製品が求められ、それに伴って、高精度、高品
質の平滑化表面が必要となり、今後、さらに原子単位の
高度な加工技術が望まれると考えられる。

【０００３】材料は原子の結合によって構成されている
ため、原子の単位で加工することができれば、仕上げ面
精度を原子のオーダーにまで近づけることも可能であ
る。このような原子単位の加工を実現しているのは、電
解研磨、化学研磨などの電気化学的加工法であり、これ
らの方法では、原子の結合を分離するのに要するエネル
ギーを電気化学的あるいは化学的に与えることにより達
成している。但し、実際の加工においては、材料の不均
一性や欠陥の分布の影響を受けるため、それほどよい精
度は実現されていない。

【０００４】もし、機械的方法によって、電子やイオン
に比べて十分に大きく、しかも、切削、研削、ラッピン
グにおける切れ刃の作用する応力場に比べて十分小さな
領域にエネルギーを与え、表面原子の離脱反応を誘発す
れば、転位やクラックに依存しない原子単位の除去加工
が可能になり、その加工精度を原子のオーダーに近づけ
ることができ、また物性的にも優れた表面を得ることが
できる。

【０００５】このような極微小量運動エネルギーによる
衝突現象を利用し、表面に格子欠陥を増殖させない加工
は、ＥＥＭ (Elastic Emission Machining) と呼ばれて
いる。このＥＥＭを可能にするためには、微細粉末研磨
粒子を表面にできるだけ水平に作用させ、ワーク表面上
を滑らせて、ワークと粉末粒子との原子間の相互作用力
によって加工を行えばいよい。

【０００６】このようなＥＥＭによる加工を具体化する
ための方法として、既に各種の方法が提案され、あるい
は実施されている。それらのうち、流体軸受的流れを利
用して加工を行う方法は、微細粉末研磨粒子を一様に分
散した懸濁液の中で、ポリウレタン球を回転し、それを
ワーク表面に近付けるときに生じる流体軸受的流れを用
いて、混合流中の微細粉末研磨粒子をワーク表面の微小
領域に衝突、滑走させ、加工を行うものである。そし
て、ポリウレタン球とワーク表面の隙間は、荷重と流体
の動圧との釣り合いによって自動的に安定に保たれ、流
れの状態と粉末粒子の分散状態が安定であれば、単位時
間あたりの作用粒子数も安定となり、単位時間あたりの
加工量も安定となる。

【０００７】上記方法は、ポリウレタン球を用いて流体
軸受的流れを発生させて加工し、そのポリウレタン球と
ワーク表面の隙間が、荷重と流体の動圧との釣り合いに
よって自動的に安定に保たれるため、機械等が簡単にな
る点で有利なものであるが、その反面、球を用いている
ために点加工になり、加工の範囲が少なく、従って加工
速度も遅いという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、ＥＥＭによる加工を具体化するための能率的な方法
として、円筒型回転工具を用いて線加工を行うようにし
た一次元送り方式の超平滑化非接触研磨方法および装置
を得ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の超平滑化非接触研磨方法は、超精密軸受で支
持された円筒工具を、加工槽中のワークの表面に接触さ
せた０点または一定の微小間隔に保持させた基準の位置
から、その平行状態を保持して微小間隔だけ離間させ、
上記ワークを、微細粉末研磨粒子を一様に分散させた懸
濁液中に置き、その状態で円筒工具を高速回転させて、
ワークと円筒工具との間に流体軸受的流れを発生させ、
微細粉末研磨粒子のワーク表面への衝突により超平滑化
非接触研磨を行うことを特徴とするものである。

【００１０】また、上記課題を解決するための本発明の
超平滑化非接触研磨装置は、機枠上に、加工槽に収容し
たワークに少なくとも一定方向の送りを与えるテーブ
ル、上記ワークを回転させるターンテーブル、およびワ
ークの姿勢を調整するための姿勢調整機構を設けると共
に、鉛直軸方向の位置調整機構を介してモータにより回
転駆動される円筒工具を、その回転軸を水平に向けて超
精密軸受で支持させて設置したことを特徴とするもので
ある。

【００１１】

【作用】円筒工具を、加工槽中のワークの表面と平行に
保持して、そのワーク表面から微小間隔だけ離間させた
状態に保持し、このワークを、微細粉末研磨粒子を一様
に分散させた懸濁液中に置いて円筒工具を高速回転させ
ると、ワークと円筒工具との間に流体軸受的流れが発生
し、微細粉末研磨粒子のワーク表面への衝突により超平
滑化非接触研磨が行われる。このようなＥＥＭによる加
工を行うに際し、円筒工具を用いると、線加工になり、
そのため、球を用いる場合に比して加工速度が著しく高
められる。従って、ＥＥＭによる加工を具体化するため
の能率的な方法として、円筒型回転工具を用いて線加工
を行うようにした一次元送り方式の超平滑化非接触研磨
方法および装置を得ることができる。

【００１２】

【実施例】図１および図２は、本発明にかかる超平滑化
非接触研磨装置の実施例を示している。この研磨装置
は、前記ＥＥＭによる超平滑化非接触研磨加工を行うも
ので、剛性の高い機枠１を備えている。この機枠１上に
は、直交する水平の１または２軸方向に駆動可能なテー
ブル３を備えたＸ（Ｙ）テーブル装置２を設置し、さら
にそのテーブル３上には、周辺部（例えば四隅）に配置
される適数のピエゾ素子からなる姿勢調整機構４を介し
て、ターンテーブル５を設置し、このターンテーブル５
上に、内底にの加工テーブル７上にワークＷを配設する
ようにした加工槽６を設けている。

【００１３】上記ＸＹテーブル装置２は、少なくともワ
ークＷに一定方向の送りを与えるものとして構成され
る。また、ピエゾ素子からなる姿勢調整機構４は、後述
する円筒工具に対するワークＷの０点または基準位置の
設定、ＸＹテーブル装置２の駆動に伴うテーブル３の上
下方向変位の補償等のために用いるものである。前記タ
ーンテーブル５上に設けた加工槽６は、内底に平面状を
なすワークＷを水平に配設し、それが浸漬するように微
細粉末研磨粒子を一様に分散した懸濁液を収容したもの
である。

【００１４】一方、上記機枠１には、鉛直軸方向の早送
り機構８および同軸方向の位置調整機構９を介して、非
接触研磨機構１０を設けている。この非接触研磨機構１
０は、図２に詳細に示すように、本体１１上に設けた高
速スピンドルモータ１２によりタイミングベルト１３を
介して駆動される円筒工具１４を、その回転軸１５を水
平に向けて設置している。

【００１５】上記鉛直軸方向の早送り機構８は、円筒工
具１４を早送りによりワークＷに向けて移動させるもの
であり、上記位置調整機構９は、その円筒工具１４がワ
ークＷに接近した後に、その円筒工具１４をワークＷに
対して±１μｍ程度に正確に位置決めするために用いる
ものである。また、上記非接触研磨機構１０は、高速ス
ピンドルモータ１２により高速駆動される円筒工具１４
の回転軸１５を、本体１１上に超精密軸受１６により水
平に向けて設置している。なお、上記モータ１２は必ず
しも高速スピンドルモータである必要はない。

【００１６】次に、上述した各構成要素の機能、性能、
動作等について、さらに具体的に説明する。先ず、超平
滑化研磨を行うためには、円筒工具１４をワークＷと平
行に保持する必要がある。また、円筒工具１４の回転で
は芯ぶれが不可避であるが、加工隙間が数μｍ程度であ
るから、その芯ぶれ数μｍ以下に抑える必要がある。但
し、非接触で研磨するため、芯ぶれが加工量に影響する
ことは少ないので、ある程度は許容できる。

【００１７】円筒工具１４は、それ自体の円筒度を精密
に加工し、表面粗さも十分に改善しておく必要がある。
また、回転工具の回転軸１５も静圧軸受等の超精密軸受
１６で支持させる必要がある。この軸受１６としては、
勿論、他の適宜超精密軸受を使用できるが、円筒工具１
４は適宜交換の必要があるので、工具の交換に支障を来
す軸受は不適である。

【００１８】上記円筒工具１４は、ワークの研磨に際し
て、その工具表面をワーク表面に対して高精度に平行に
配置する必要がある。このためには、ターンテーブル５
の下の四隅に配置したピエゾ素子からなる姿勢調整機構
４を利用するが、このピエゾ素子としては、１０ｎｍ程
度の分解能を有するものが既に知られているので、それ
によって高精度な平行度を得ることが可能になる。即
ち、円筒工具１４をワークに近づけて、その一端をワー
ク表面に接触させた後、円筒工具の他端の鉛直方向位置
を上記ピエゾ素子からなる姿勢調整機構４で調整するこ
とにより、両者の高精度な平行度を得ることができる。
なお、上記姿勢調整機構４による姿勢調整は、ワークＷ
自体の傾斜を調整する目的で行うものであるから、例え
ば、加工槽６内の加工テーブル７あるいは加工槽６自
体、さらにはターンテーブル５にその調整機構を設ける
こともできる。

【００１９】ＸＹテーブル装置２上に配設されている加
工槽６内の加工テーブル７は、ＸＹ平面でのテーブル３
の移動に伴って、その表面が上下方向に変位する可能性
がある。そのため、ＸＹテーブル装置２の特性を予め計
測しておき、テーブル３の移動に伴ってその表面が常に
単一の基準平面内にあるように、その上下位置を調整す
る必要がある。この調整は、テーブル３上に設置された
上記姿勢調整機構４を、予め計測しておいたＸＹテーブ
ル装置２の特性に応じて制御することによって行うこと
ができる。これらの各部は、図示しない制御装置によっ
てその駆動を制御されるものである。

【００２０】また、上記研磨装置では、ベルト１３の回
転や軸受１６における軸の回転で熱が発生し、この熱に
より各部に熱変形が生じる可能性がある。また、円筒工
具１４を高速回転させるため、非接触研磨機構１０の本
体１１にたわみが生じる可能性もある。そのため、上記
本体１１や円筒工具１４は、剛性が大きく、熱膨張係数
が小さいセラミックス等の材料を用いて製造するのが望
ましい。

【００２１】なお、円筒工具１４は、その表面がある程
度弾性変形して加工部位の面積を増大するのが望ましい
ので、それ自体を高速回転等のために剛性の高い材料で
形成する必要はあるが、必要に応じて表面を樹脂等の弾
性体で被覆する。

【００２２】上記構成を有する超平滑化非接触研磨装置
による加工に際しては、最初に０点の設定を行う必要が
ある。この０点の設定は、ワークＷの表面に円筒工具１
４を接触させてから、姿勢制御機構４により水平出しを
行い、その状態から円筒工具１４の両端の軸受１６を必
要量だけ上昇させる。そのため、ワークの表面はあらか
じめ精度よく仕上げておく必要があり、平面度も超平滑
化研磨に適する程度に高めておく必要がある。

【００２３】上記ワークＷと円筒工具１４とが接触して
いるかどうかは、それらのいずれかに圧力センサを設け
ておいて、そのセンサの出力変動により検出することが
できる。また、両者を完全に接触させた位置を０点とし
なくてもよく、例えば両者間に薄いフィルムを挟んでそ
の位置を基準にすることもでき、あるいは両者の間にレ
ーザ等の光ビームを投射しておき、両者間の隙間を通し
て通過する光ビームの有無により検知することもでき
る。これらの手段によるワークＷと円筒工具１４との接
触は、一般に円筒工具１４の一方の端がワークＷに接触
した状態で検出されるので、この状態において、円筒工
具１４の他端における円筒工具とワークとの隙間を計測
し、姿勢制御機構による位置修正を行う必要がある。

【００２５】上記０点または基準位置の設定は、ターン
テーブルを９０°回転して同様な作業を行い、これによ
り、ワークの表面はそれに含まれる二つの直交軸の方向
をワークＷの移動平面に対して平行に配置することがで
きる。

【００２６】上記装置による超平滑化研磨は、円筒工具
１４をワークＷの表面から数μｍ程度上昇させ、加工槽
６中に入れた微細粉末研磨粒子が一様に分散している懸
濁液の中で、円筒工具１４を高速回転させることにより
行うものである。それにより、ワークＷと円筒工具１４
との間に流体軸受的流れが生じ、微細粉末研磨粒子がワ
ーク表面の微小領域に衝突、滑走して、加工が行われ
る。

【００２７】円筒工具は、通常、数１００ないし数１０
００ｒｐｍ程度で回転させるが、他の条件との関連にお
いて、この範囲を越えた回転速度を設定することもで
き、特に装置全体の強度や振動等の問題がなければ、さ
らに高速で回転させることもできる。なお、ワークＷと
しては、通常１００mm幅程度のものまでが比較的簡易に
加工できる。

【発明の効果】このように本発明によれば、ＥＥＭによ
る加工を具体化するための能率的な方法として、円筒型
回転工具を用いて線加工を行うようにした一次元送り方
式の超平滑化非接触研磨方法および装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す正面図である。

【図２】上記実施例におけるの要部側面図である。

【符号の説明】

１ 機枠、 ２ ＸＹテーブ
ル装置、３ テーブル、 ４ 姿
勢調整機構、５ ターンテーブル、 ６
加工槽、１０ 非接触研磨機構、 １１
本体、１２ 高速スピンドルモータ、 １４
円筒工具、１５ 回転軸、 １６
超精密軸受、Ｗ ワーク。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超精密軸受で支持された円筒工具を、加
   工槽中のワークの表面に接触させた０点または一定の微
   小間隔に保持させた基準の位置から、その平行状態を保
   持して微小間隔だけ離間させ、上記ワークを、微細粉末
   研磨粒子を一様に分散させた懸濁液中に置き、その状態
   で円筒工具を高速回転させて、ワークと円筒工具との間
   に流体軸受的流れを発生させ、微細粉末研磨粒子のワー
   ク表面への衝突により超平滑化非接触研磨を行うことを
   特徴とする超平滑化非接触研磨方法。
2. 【請求項２】 機枠上に、加工槽に収容したワークに少
   なくとも一定方向の送りを与えるテーブル、上記ワーク
   を回転させるターンテーブル、およびワークの姿勢を調
   整するための姿勢調整機構を設けると共に、鉛直軸方向
   の位置調整機構を介してモータにより回転駆動される円
   筒工具を、その回転軸を水平に向けて超精密軸受で支持
   させて設置したことを特徴とする超平滑化非接触研磨装
   置。