JPH10180620A

JPH10180620A - 研磨装置及び研磨方法

Info

Publication number: JPH10180620A
Application number: JP8341542A
Authority: JP
Inventors: Eishirou Uchishiba; 栄士郎内芝; Kuninori Shinada; 邦典品田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 1998-07-07

Abstract

(57)【要約】【課題】効率的に、複雑な断面輪郭形状を有する部品の
表面を均一に研磨する。【解決手段】研磨工具３の研磨パッド１は、加工物Ａに
押し当てられると加工物Ａの断面輪郭形状に倣って変形
する弾性材料で形成されている。加工槽１３には、加工
物Ａと固相反応性に富んだ砥粒を含む研磨液１０が充填
してある。研磨液１０中の砥粒は、帯電しているため、
研磨工具３の台金３ａと電極９との間に、台金３ａ側が
砥粒と反対の極性となるような電圧が印加されると、研
磨パッド１の孔２に向かって引き寄せられる。そのた
め、研磨パッド１の作業面には十分な砥粒が絶えず供給
される。また、研磨パッド１と加工物Ａとの摺動運動に
伴い、研磨パッド１の孔２に引き寄せられた砥粒は、加
工物Ａの溝部ａ₁に密集してくる。そのため、他の領域
ａ₂よりも砥粒切れ刃の機械的研磨作用が及びにくい溝
部ａ₁には、ここに密集した砥粒の化学的研磨作用が積
極的に及ぼされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複雑な断面輪郭形
状を有する部品の仕上げ加工に適した研磨方法及び研磨
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】遊離砥粒による研磨加工は、極めて高精
度の加工を行い得ることから、精密機械部品の表面仕上
げに採用されることが多い。さて、この遊離砥粒による
研磨加工とは、研磨工具と加工物との間に遊離砥粒を介
在させながら研磨工具と加工物とを摺動させることによ
って加工物の表面を鏡面仕上げする加工であるが、これ
には、研磨すべき加工物の形状に適した種々の形式があ
る。例えば、断面が急に変化する溝や孔等(以下、切欠
き部と呼ぶ)が形成された精密機械部品の表面仕上げ加
工としては、一般に、以下に項目(１)(２)に分けて説明
する２通りの形式の内の何れか一方の形式が採用され
る。

【０００３】(１)図４に示すように、この形式(以下、
第一の形式と呼ぶ)においては、部品Ａの切欠き部ａ₁と
干渉しない程度に十分に小径な研磨工具３２(以下、小
径工具３２と呼ぶ)が使用される。そして、砥粒を含ん
だ研磨液Ｂを部品Ａの表面に補給しながら、小径工具３
２に部品Ａの表面への押当ｚと回転運動θと送り運動ｘ
とを与えることによって、小径工具３２で部品Ａの表面
を局所的に研磨してゆき、最終的には、部品Ａの全面を
鏡面仕上げする。

【０００４】(２)図５に示すように、この方式(以下、
第二の形式と呼ぶ)においては、部品Ａの切欠き部ａ₁に
も砥粒切れ刃の機械的研磨作用を積極的に及ぼすことが
できるように、研磨荷重によって部品Ａの断面輪郭形状
に倣って弾性変形する砥粒保持材２１を貼り付けた研磨
工具２２が使用される。従って、砥粒を含んだ研磨液Ｂ
を部品Ａの表面に補給しながら、加工物Ａに回転運動θ
₂を与え、且つ、研磨工具２２に回転運動θ₂と往復送り
運動ｘとを与えることによって、部品Ａの切欠き部ａ₁
にも他の領域ａ₂と同様に砥粒切れ刃の機械的研磨作用
を積極的に及ぼすことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記２つの
形式による研磨加工には、以下に示すように互いに相反
する欠点と利点とがある。

【０００６】上記第二の形式による研磨加工には、加工
物との接触幅が大きな研磨工具を使用しているために研
磨能率が高いという利点がある。その反面、図６に示す
ように、砥粒保持材２１と加工物Ａとの摺動によって保
持材２１の作業面２１ａと加工物Ａの表面との間から一
旦砥粒ｂが排出されてしまうと、砥粒保持材２１の作業
面２１ａ上の中央領域付近には研磨液Ｂが補給されにく
いことから、砥粒保持材２１の作業面２１ａ上の中央領
域付近に局所的に砥粒が保持されていない領域が発生し
やすいという欠点がある。そのために、研磨仕上げ面に
悪影響を与えるということがあった。また、他の領域ａ
₂よりも研磨圧が小さくなる切欠き部ａ₁には砥粒切れ刃
の機械的研磨作用が及びにくいという欠点もある。その
ために、切欠き部ａ₁が鏡面仕上げされる迄の間に他の
領域ａ₂が研磨過剰になることが多く、前加工面の形状
精度を維持することが非常に困難であった。

【０００７】一方、上記第一の形式による研磨加工に
は、加工物との接触幅が小さい小径工具３２を使用して
いるために、第二の形式による研磨加工と比べて研磨能
率が低いという欠点がある。その反面、第二の形式によ
る研磨加工とは異なり、作業面に研磨液を補給しやすい
ことから、良好な研磨仕上げ面を創成することができる
という利点がある。また、作業面内における研磨圧分布
にバラツキが生じにくいことから、加工物の表面を均一
に研磨することができるという利点もある。

【０００８】そこで、本発明は、研磨能率を低下させる
ことなく、複雑な断面輪郭形状を有する部品の表面を均
一に研磨することができる研磨装置及び研磨方法を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、加工物に押し当てられて前記加工物の断
面輪郭形状に倣って弾性変形する砥粒保持材を用いて前
記加工物の表面を研磨する研磨方法であって、電荷を有
する砥粒を含んだ研磨液の中に、前記砥粒保持材と前記
加工物とを浸漬し、前記研磨液に電圧を印加することに
より当該研磨液中の砥粒を前記砥粒保持材と前記加工物
との間に引き寄せながら、前記砥粒保持材を前記加工物
に押し当てた状態で前記砥粒保持材と前記加工物とを摺
動させることを特徴とする研磨方法を提供する。

【００１０】また、上記研磨方法を実施する研磨装置と
して、加工物に押し当てられて前記加工物の断面輪郭形
状に倣って弾性変形する砥粒保持材を備えた研磨装置で
あって、前記砥粒保持材を前記加工物に押し当てる押圧
手段と、電荷を有する砥粒を含んだ研磨液を充填するた
めの加工槽と、前記加工槽に充填された研磨液中で前記
加工物と前記砥粒保持材とを相対的に摺動させるため
に、前記加工物と前記砥粒保持材とを相対的に移動させ
る移動手段と、前記加工槽に充填された研磨液中の砥粒
を前記加工物と前記砥粒保持材との間に引き寄せる電界
を形成する電界形成手段とを備えることを特徴とする研
磨装置を提供する。

【００１１】本研磨方法及び研磨装置によれば、研磨液
に電圧を印加することによって、研磨液中の砥粒が加工
物と砥粒保持材との間に強制的に引き寄せることできる
ため、砥粒保持材の作業面の中央領域付近にも十分な砥
粒を補給することができる。従って、加工物の表面を均
一に研磨することができる。

【００１２】また、加工物と砥粒保持材との間に引き寄
せられた砥粒は、加工物と砥粒保持材との摺動運動に伴
って、加工物に形成された切欠き部に密集する傾向にあ
る。従って、他の領域よりも研磨圧が小さくて砥粒切れ
刃の機械的研磨作用が及びにくい切欠き部には、ここに
密集した砥粒の化学的研磨作用が積極的に及ぼされるよ
うになる。従って、切欠き部の研磨能率のみが他の領域
に比べ著しく低下するということはない。すなわち、本
研磨方法及び研磨装置によれば、ガイドレールや金型の
ような、複雑で断面輪郭形状を有する加工物の表面を均
一に研磨することができる。これを換言すれば、前加工
面を崩すことなく表面精度を向上させることができる。

【００１３】また、従来技術の欄で説明した第二の形式
と同様に、加工物の断面輪郭形状に倣って弾性変形する
砥粒保持材を用いているため、加工物の切り部の寸法と
は無関係に砥粒保持材の径を定めることができる。即
ち、砥粒保持材と加工物との接触幅を比較的大きくとる
ことが可能であるため、少なくとも、従来技術の欄で説
明した第二の形式と同程度の研磨能率を確保することが
できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る一実施の形態について説明する。

【００１５】最初に、図１により、本実施の形態に係る
研磨装置の基本構成について説明する。尚、図１におい
ては、本研磨装置の構成要素の相互の関係を理解するめ
に必要最低限の部分についてのみ記してある。従って、
例えば、研磨ヘッドを送るＸステージ等も部分的に示し
てある。

【００１６】本研磨装置は、加工物Ａと固相反応性に富
んだ砥粒を分散させた研磨液１０を充填させた加工槽１
３を備える。例えば、炭化珪素から形成された精密機械
部品等を研磨する場合には、研磨液１０として、酸化ク
ロム砥粒を約１０重量％程度懸濁させたアルカリ性溶液
を使用することが望ましい。また、これ以外にも、一般
的な機械部品の仕上げ加工に用いられることの多い研磨
液の一例としては、酸化鉄砥粒を約１０重量％程度懸濁
させたアルカリ性溶液等が挙げられる。尚、一般に、通
常の砥粒は、研磨液１０中では正負の何れか一方の極性
に帯電する性質を有していることが知られているが、こ
こで使用している研磨液１０に分散させた砥粒も、当
然、そのような性質を有している。

【００１７】さて、加工物Ａは、加工槽１３の内部に配
置されたテーブル１４上に載置される。そして、このテ
ーブル１４は、サーボモータ１０１の回転を伝達する主
軸１１に連結されている。尚、加工槽１３の孔１３ａと
主軸１１との間には、外部への研磨液１０の漏洩を防止
するシールが施されている。また、主軸１１の回転速度
の変動が抑制されるように、サーボモータ１０１は、速
度コントローラ(不図示)によって速度制御されている。

【００１８】一方、研磨工具３は、サーボモータ１０２
の回転を伝達する工具軸４に連結されている。尚、工具
軸４の回転速度の変動が抑制されるように、サーボモー
タ１０２は、速度コントローラ(不図示)によって速度制
御されている。そして、工具軸４は、研磨ヘッド１００
の内部に収納されており、エアシリンダ(不図示)の出力
によって駆動され研磨ヘッド１００の内部から軸方向に
出入りするようになっている。これにより、一定の押圧
力で研磨工具３を加工物Ａに押し当てることができる。
また、研磨ヘッド１００は、サーボモータ１０５の出力
が研磨ヘッド送り用ボールネジ(不図示)に伝達されると
Ｘステージ１０３に沿って往復移動するようになってい
る。尚、研磨ヘッド送り用ボールネジを駆動するサーボ
モータ１０５の回転角は、ＮＣ装置１０４によって数値
制御されている。

【００１９】また、研磨工具３は、弾性材料で形成した
研磨パッド１を、導電性材料で形成した台金３ａに貼り
付けることによって作成されている。尚、研磨パッド１
を形成する弾性材料は、研磨パッドとして使用可能な程
度の硬度を有しており、且つ、通常の研磨荷重で加工物
Ａに押し当てられた場合に、加工物Ａの断面輪郭形状に
倣って弾性変形する弾性率を有しているものであること
が望ましい。例えば、ネオプレンゴム等が適当である。

【００２０】そして、研磨パッド１には、図２に示すよ
うに、加工物Ａの表面と摺動すべき作業面１ａ側から、
台金３ａに密着させる裏面１ｂ側に貫通する複数の孔２
が開いている。尚、各貫通孔２の中心間の間隔ｔは、特
に限定はしないが研磨パッド１の作業面１ａの面積を著
しく減少させない程度の距離(通常、孔２の直径ｄの２
倍程度)であればよい。例えば、通常の機械部品の研磨
加工に使用する研磨パッド１をネオプレンゴムで作成す
る場合には、適当な厚さ(通常、約３ｍｍから１０ｍｍ
程度)のネオプレンゴムシートを準備し、これに工具径
１０ｍｍ程度の穴開け工具を約２０ｍｍ間隔毎につき刺
して孔２を開ければよい。

【００２１】また、研磨工具３の台金３ａには電極９と
電源８とが接続されており、研磨パッド１の孔２を介し
て研磨液１０に電圧を印加することができるようになっ
ている。

【００２２】ところで、本実施の形態においては、研磨
工具とテーブルを１個づつ備えた装置構成としている
が、必ずしも、このようにする必要はない。例えば、同
様な研磨工具とテーブルとを複数備えた装置構成とする
ことによって、同一の加工槽の中で複数の加工物を同時
に研磨するようにしても構わない。

【００２３】また、本実施の形態においては、加工槽か
らの研磨液の漏洩を防止するために、主軸を貫通させる
孔部にシールを施しているが、必ずしも、このようにす
る必要はない。例えば、加工槽の孔部と主軸とを溶接し
ても構わない。このようにした場合にはテーブルと共に
加工槽も回転することになるが、そのことによる影響は
殆どない。

【００２４】また、本実施の形態においては、機械的に
研磨パッド１に孔２を開けているが、必ずしも、このよ
うにする必要はない。一方の面から他方の面にぬける空
洞を形成することができるのであれば、例えば、研磨パ
ッド１を形成すべき弾性材料として、発泡体を使用して
も構わない。尚、研磨パッド１に孔２を開けたのは、こ
の孔２を介して研磨液１０に電圧を印加するためである
ため、研磨パッド１を形成すべき弾性材料が導電性を有
しているものであるならば、あえて人為的に孔２を開け
る必要はない。

【００２５】次に、ＮＣ装置１０４の制御により、この
研磨装置が実行する研磨加工について説明する。但し、
ここでは、テーブル１４上には、既に、断面が急に変化
する切欠き部ａ₁等が形成された加工物Ａが載置されて
いるものとする。また、加工槽１３中には、加工物Ａが
侵漬する程度に十分な研磨液１０が貯蔵されているもの
とする。

【００２６】研磨ヘッド１００の内部から工具軸４を押
し出し、研磨工具３を加工物Ａに押し当てることによっ
て、図３に示すように、研磨工具３の研磨パッド１を加
工物Ａの断面輪郭形状に倣って弾性変形させる。

【００２７】それと共に、研磨工具３の台金３ａと電極
９との間には、研磨工具３の台金３ａ側が砥粒の極性と
反対の極性となるような電圧を印加する。例えば、酸化
クロム砥粒を懸濁させた研磨液１０を使用している場合
には、研磨工具３の台金３ａと電極９との間には、研磨
工具３の台金３ａ側が陽極となる電圧を印加すればよ
い。それにより、研磨液１０中の砥粒は、研磨パッド１
に開けられた孔２の内部に向かって電気泳動する。

【００２８】この状態で、主軸１１と工具軸１２とをそ
れぞれ適当な回転速度(通常、約２０ｒｐｍから１００
ｒｐｍ程度)で回転させると共に、研磨ヘッド１００を
適当な送り速度(通常、約１０ｍｍ／ｓｅｃから１００
ｍｍ／ｓｅｃ程度)で往復移動させる。これにより、研
磨工具３の研磨パッド１の作業面と加工物Ａの表面とが
摺動し始める。

【００２９】そして、予め定めた研磨加工時間が経過す
る迄、研磨工具３の台金３ａと電極９との間に電圧を印
加し続けながら、研磨工具３の研磨パッド１ａの作業面
と加工物Ａの表面とを摺動させる。そのようにすること
によって、研磨液１０中の砥粒が研磨パッド１に開けら
れた孔２の内部に向かって強制的に引き寄せられるた
め、研磨加工中、研磨パッド１の作業面の中央領域付近
にも十分な砥粒を補給することができる。また、研磨パ
ッド１と加工物Ａとの摺動運動に伴って、研磨パッド１
に開けられた孔２の内部に向かって引き寄せられてくる
砥粒は、加工物に形成された切欠き部ａ₁の内部に密集
する傾向にある。そのため、他の領域ａ₂よりも研磨圧
が小さくて砥粒切れ刃の機械的研磨作用が及びにくかっ
た切欠き部ａ₁には、ここに密集した砥粒の化学的研磨
作用が積極的に及ぼされようになる。従って、他の領域
に比べて切欠き部ａ₁だけが研磨不足となることはな
い。換言すれば、加工物Ａの表面を均一に研磨すること
ができる。

【００３０】尚、砥粒切れ刃の機械的研磨作用が積極的
に及ぼされた領域ａ₂に生じている可能性がある変質層
を除去するために、上記研磨加工時間が経過した後に、
研磨工具３の研磨パッド３ａの作業面と加工物Ａの表面
との間に極僅かな隙間を開けた状態(いわゆるデッドウ
ェイト状態)で研磨加工を続行して、加工物Ａの全面に
砥粒の化学的研磨作用を及ぼすようにしても構わない。

【００３１】最後に、こうした効果を確認するために、
図１の研磨装置を用いて、深さ１ｍｍ、横幅１０ｍｍ程
度の溝部が形成された部品の表面を試験的に研磨した
後、部品の表面粗さを測定した。

【００３２】その結果、表面粗さＲ_maxが約３Å以下に
抑制されていることが確認された。この値は、精密機械
部品として許容される公差を難なくクリアする値である
ことから、本研磨装置の優れた研磨性能を容易に推測す
ることができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る研磨装置及び研磨方法によ
れば、複雑で緻密な断面輪郭形状を有する部品の表面を
均一に研磨することができる。

【００３４】また、研磨工具の作業面と加工物の表面と
の接触幅を大きくすることが可能であるため、従来技術
の欄で説明した第二の形式の研磨加工(小径工具を使用
した研磨加工)のように研磨能率の低下をきたすという
ことはない。

【００３５】尚、精密機械部品の素材として、高強度・
高硬度材料であるセラミックスやタングステンカーバイ
トが多用されるようになったにも関わらず、加工時間の
延長も許されないという現状においては、研磨量のバラ
ツキを抑制することができ、且つ、研磨性能を低下させ
ることもないという本発明の効果は非常に注目に値すべ
きものと思われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る研磨装置の基本構成
を示した図である。

【図２】上図は、図１の研磨工具の研磨パッドの下面で
あり、下図は、図１の研磨工具の研磨パッドの断面図で
ある。

【図３】本発明の実施の形態に係る研磨加工における砥
粒の挙動を説明するための図である。

【図４】従来の研磨加工を説明するための図である。

【図５】従来の研磨加工を説明するための図である。

【図６】図５の研磨加工における砥粒の挙動を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１…研磨パッド２…孔３…研磨工具３ａ…台金４…工具軸８…電源９…電極１０…研磨液１１…主軸１３…加工槽１４…テーブル１００…研磨ヘッド１０１…サーボモータ１０２…サーボモータ１０３…Ｘステージ１０４…ＮＣ装置１０５…サーボモータ

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【手続補正書】

【提出日】平成９年２月２７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】また、加工物と砥粒保持材との間に引き寄
せられた砥粒は、加工物と砥粒保持材との摺動運動に伴
って、加工物に形成された切欠き部に密集する傾向にあ
る。従って、他の領域よりも研磨圧が小さくて砥粒切れ
刃の機械的研磨作用が及びにくい切欠き部には、ここに
密集した砥粒の化学的研磨作用が積極的に及ぼされるよ
うになる。従って、切欠き部の研磨能率のみが他の領域
に比べ著しく低下するということはない。すなわち、本
研磨方法及び研磨装置によれば、ガイドレールや金型の
ような、複雑な断面輪郭形状を有する加工物の表面を均
一に研磨することができる。これを換言すれば、前加工
面を崩すことなく表面精度を向上させることができる。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】次に、ＮＣ装置１０４の制御により、この
研磨装置が実行する研磨加工について説明する。但し、
ここでは、テーブル１４上には、既に、断面が急に変化
する切欠き部ａ₁等が形成された加工物Ａが載置されて
いるものとする。また、加工槽１３中には、加工物Ａが
浸漬する程度に十分な研磨液１０が貯蔵されているもの
とする。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２８】この状態で、主軸１１と工具軸４とをそれ
ぞれ適当な回転速度(通常、約２０ｒｐｍから１００ｒ
ｐｍ程度)で回転させると共に、研磨ヘッド１００を適
当な送り速度(通常、約１０ｍｍ／ｓｅｃから１００ｍ
ｍ／ｓｅｃ程度)で往復移動させる。これにより、研磨
工具３の研磨パッド１の作業面と加工物Ａの表面とが摺
動し始める。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３２】その結果、表面粗さＲ_rms が約３Å以下に
抑制されていることが確認された。この値は、精密機械
部品として許容される公差を難なくクリアする値である
ことから、本研磨装置の優れた研磨性能を容易に推測す
ることができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３３】

【発明の効果】本発明に係る研磨装置及び研磨方法によ
れば、複雑な断面輪郭形状を有する部品の表面を均一に
研磨することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工物に押し当てられて前記加工物の断面
輪郭形状に倣って弾性変形する砥粒保持材を備えた研磨
装置であって、電荷を有する砥粒を含んだ研磨液を充填するための加工
槽と、前記砥粒保持材を前記加工物の表面に押し当てる押圧手
段と、前記加工槽に充填された研磨液中で前記加工物と前記砥
粒保持材とを相対的に摺動させるために、前記加工物と
前記砥粒保持材とを相対的に移動させる移動手段と、前記加工槽に貯蔵された研磨液中の砥粒を、前記加工物
と前記砥粒保持材との間に引き寄せる電界を形成する電
界形成手段とを備えることを特徴とする研磨装置。
【請求項２】請求項１記載の研磨装置であって、前記電界形成手段として、２つの電極を備え、前記２つの電極の内の一方の電極は、前記砥粒保持材を
貼付する台金であり、前記砥粒保持材には、前記加工物と摺動する表面側から
前記台金と密着する裏面側に貫通する孔が複数形成され
ていることを特徴とする研磨装置。
【請求項３】加工物に押し当てられて前記加工物の断面
輪郭形状に倣って弾性変形する砥粒保持材を用いて前記
加工物の表面を研磨する研磨方法であって、電荷を有する砥粒を含んだ研磨液の中に、前記砥粒保持
材と前記加工物とを浸漬し、前記研磨液に電圧を印加することにより当該研磨液中の
砥粒を前記砥粒保持材と前記加工物との間に引き寄せな
がら、前記砥粒保持材を前記加工物の表面に押し当てた
状態で前記砥粒保持材と前記加工物とを摺動させること
を特徴とする研磨方法。