JPS5812349B2 - プラズマ利用の表面研摩方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、超精密の表面研摩加工に関し、特にプラズ
マ利用による表面研摩方法及びその装置に係るものであ
る。

本出願人は、先に出願した特許出願に、大気から遮断し
た雰囲気内で一対の間隔をおいて配置した電極間にプラ
ズマを形成し、砥粒を担持した加工物を砥粒がプラズマ
にさらされるように配置し、プラズマにさらした砥粒の
運動で加工物表面を研摩する表面研摩方法を提案した。

該提案方法ではプラズマより得た帯電エネルギーに加え
衝突エネルギーを増大させるためには、砥粒を加工物表
面上で跳躍させる必要があり、そのだめ砥粒が加工物表
面に衝突する際の入射角や、砥粒密度即ち加工物表面の
単位面積に対する単位時間当りの砥粒供給量や、或は陰
極と陽極間に形成されるプラズマ内における加工物表面
の位置を適正に設定或は保持することが難しいという問
題があった。

この発明は、本出願人が先に提案したプラズマ利用によ
る表面研摩方法を改良して上述のような問題を解消する
ように図ったものである。

■ 衝突砥粒の入射角 一般に、第１図に示すように、加工物表面Ｓに対する砥
粒の入射角θが小さければ水平分力Ｈは大きくなり、垂
直分力Ｔは小さくなる。

即ち、引っかき効果が大きく、押し込み効果が小さくな
る。

逆に入射角θが大きければ引っかき効果が小さく、押し
込み効果が大きくなる。

従って或角度から投射すれば加工物表面は水平と垂直の
両成分を合成堕傷を受けて摩耗し、摩耗したくぼみの形
状は第１図に示すように入射角θにより変化する。

θ＝９０°の場合は摩耗分布の巾がせまいが材料に深く
くぼみがつき、入射角の小さくなるほど摩耗分布の巾が
広がり、くぼみ９最犬位置が中心よりずれてくると共に
深さが浅くなる。

この現象からして被加工物の材質により適正な入射角を
選定しなければならない。

プラズマ内で帯電した砥粒は電気力と重力の両作用を受
け電場と重力の合成方向に動く。

従って第２図に示すように、直立したプラズマ発生管壁
Ｔ内のプラズマ雰囲気Ｐ内にさらされた砥粒Ｒは、管軸
方向に作用する電場Ｅと重力の方向に落下し、加工物表
面Ｓに衝突する。

そこで加工物表面Ｓをプラズマ発生管の管軸に対し角度
をなすように配一又は傾斜配置して表面仕上又は研摩に
最適な入射角θを設定すればよい。

２ 砥粒密度 第３図に示すように、密度Ｏのときは加工量は０と考え
てよく、密度が増すとともに砥粒の衝突数は多くなるの
で加工量は当然大きくなる。

しかしある密度に達すると第３図に示すように、衝突し
てはね返った砥粒Ｒ１にこれから衝突しようとする砥粒
Ｒ２が、あるいは衝突前の砥粒同士が互にぶつかって衝
突エネルｙ一を低下させる確率が増し、その結果として
加工量が密度とともに少しづつ減少すると考えられる。

つまり砥粒密度に関しては砥粒が効果的に衝突する低密
度の非干渉区間と、砥粒同士が互いにぶつかり合い全体
の衝突量が少なくなる干渉区間があることになる。

しかも高密度の凝集粒子ではプラズマによる帯電も不確
実なものとなり、結果として砥粒の衝突エネルギーを低
下させることにもなるので、加工能率上適正な砥粒密度
を保持することが必要である。

そこで第４図に示すように、上下方向に間隔をおいて配
置し７４極Ｋ及び陽極Ａ間にプラズマＰを形成し、該プ
ラズマＰ内に配置した加工物Ｗの表面に対し、陰極Ｋの
孔Ｈを通して適正量の砥粒を連続して落下させればよい
。

なお加工物表面を加振すれば、振動により加工物表面上
の砥粒の堆積を防ぐことができる。

３ プラズマ内における加工物表面の位置工業的にプラ
ズマを容易に得る方法はガイスラー管を使用したグロー
放電現象がある。

グロー放電は、圧力０．１〜１０Ｔｏｒｒ（水銀柱０．
１〜１０ミリメートル）の希ガスを入れた円筒状の管内
に電極を入れ、それに直流電圧をかけて放電を行なわせ
て生じたプラズマ状態を指し、電極間には明暗の分布が
生ずる。

叩ち、アストン（Ａｓｔｏｎ）暗部、陰極グロー、クル
ックス（Ｃｒｏｏｋｓ）暗部、負グロー、ファラデー（
Ｆａｒａｄａｙ）暗部、陽光柱、陽極暗部、陽極グロー
なとである。

アストン暗部には陰極で２次的に放出されたばかりの低
エネルギーの電子がたくさんあり、陰極グローでは正イ
オンの中性化の際の励起エネルギーの放出による発光が
ある。

クルツクス暗部は電位降下の最も著しいところで電子は
ここで十分に加速される。

そこで得たエネルギーをもって気体との励起衝突が盛ん
に行なわれる領域が負グローである。

電子はファラデー暗部で再びエネルギーを得るが、やが
て多数の弾性衝突により不規則運動が生じ、それによっ
て電離が行々われる部分が陽光柱である。

陽光柱は中性のプラズマ状態で最も安定した部分である
。

そこで第４図に示すように砥粒を陰極Ｋから陽極Ａに向
ってプラズマＰのすべての明暗部を通過させれば、砥粒
は落下するにつれてプラズマ内の場所によって次々と変
化する電場、電位、電荷密度の中を通過していくことに
なる。

したがって帯電しだ砥粒の加速度、速度、運動の方向も
落下するにつれてつぎつぎと変化すると考えられる。

そこでプラズマ内における加工物Ｗの位置を、第４図に
示すように実線位置から点線位置へ変更可能にして云い
換えれば陰極Ｋからの間隔位置を調節又は変更可能にし
ておいて、帯電により加速した砥粒を加工物表面に衝突
させる場合に最も仕上又は研磨効果のある加工物の位置
を選定かつ設定すればよい。

以下この発明の実施例を説明する。

当該方法を実施する研摩装置を設計するに当って次の諸
点を考慮した。

■）砥粒の供給方向と電場の方向が同一方向であること
。

２）１）を可能にするため、砥粒の供給は陰極の内部か
ら行なえるようにすること。

３）加工物がそれ自体陽極と兼ねることもできるように
すること。

４）砥粒はできるかぎり単位時間当たり一定量づつ供給
できるようにすること。

５）一度使用した砥粒を再度使用できるような砥粒循環
機構を備えること。

６）砥粒を供給あるいは運搬するだめの振動フイーダを
設けること。

７）加工物表面に対する砥粒入射角を可変できること。

８）装置は簡単な構造であること。

９）装置は大気圧に対して十分な強度をもっていること
。

１０）砥粒循環機構を作動させるだめに、真空を保ちな
がら外部から運動を導入できるようにすること。

１１）装置の材質は内部が透視でき、製作しやすいよう
なものであること。

第５図において、装置本体は、プラズマ発生管、砥粒供
給装置、砥粒循環装置及び砥粒運搬用加振装置からなり
、装置内を真空に保つため図示のように外壁Ｇに取り囲
まれている。

装置外壁Ｇはある程度強度を有し製作し易ぐかつ作動中
にプラズマや砥粒の動きを透視できるように、比較的肉
厚例えば１０へ１５ｍｍ厚のアクリル樹脂板とすること
が望ましい。

１は直立したプラズマ発生管であって、管の上端部に陰
極２を配置し、陰極２は後記する砥粒供給装置とプラズ
マ発生管を隔てる役目を有し、かつ中央部に砥粒の落下
口３を形成している。

管１の下端部には砥粒の排出口４ａ（第９図）を形成し
た例えば真中製円管状の陽極４を配置し、両電極２及び
４は直流電圧発生装置（図示なし）に接続している。

砥粒供給装置は、第６図に示すように陰極２の上面から
立上ったガラス製のホッパ５を備え、ホツパ５の砥粒導
入口６の中に、ギヤボックス及びモータ７の出力軸から
延設した樹脂製の回転棒８に螺設したらせん部８ａが伸
長し、らせん部８ａはねじコンベヤのようにホッパ５内
の砥粒を一定量づつ落下口３を通して管１内に供給する
。

モータは途中に可変低抗を結線して回転数を適宜選定す
る。

砥粒供給装置上部の装置外壁には開放可能な密閉上蓋（
図示なし）が設けられ、上蓋には装置内の真空度測定端
子口を設けてある。

砥粒循環装置は、タイミングベルト９、ベルトプーリ１
０〜１２、及びベルトに装着した複数のパケット１３か
らなり、１４はベルトのテンショナーの役目をするプー
りである。

フ一リ軸１５は適宜軸受により支承され、ベルト９の駆
動は、第７図に示すシール機構を貫通しかつ装置外のモ
ータ（図示なし）に接続すると共に装置内でプーり１０
のプーリ軸１５に接続するところの回転導入軸１６の回
転により得られる。

第７図において、装置外壁を貫通してこれに密閉固着し
た回転導入本体１７に螺着したキャップ１８を締めつけ
ると、ブシュ１９が０リング２０を圧縮し、これにより
回転導入軸１６０貫通孔１６ａのすき壕を密閉して真空
を保持する。

またすきまには真空グリスを充てんする。

このシール機構を装置の内部と外部とに設ける。

陽極の排出口４ａを通って排出される砥粒を収容する砥
粒溜り２８が装置下方に底壁を傾斜して配設され、この
砥粒溜り２８の最深部にプーり１０を配置する。

砥粒運搬用加振装置は、スピーカ２１の如き振動発生装
置を備え、スピーカ２１の中心部に着脱自在に取付けた
支柱２２艇陽極４の孔４ａを通り抜けて管１内に直立す
る。

この支柱２２の先端に加工物Ｗを着脱自在にかつ加工面
が管軸に対し角度をもつように取付ける。

スピーカ２１を加振するとある固有の振動数で加工物上
の砥粒は加工面から落下し陽極４の排出口４ａを通って
下方の砥粒溜り２８の方へ搬送され、まだ振動によって
砥粒が加工物表面に堆積するのを防止している。

支柱先端の加工物取付部は、例えば第８図に示すように
支柱２２の先端部に円形くぼみ２３を形成し、Ｔ形取付
棒２４の先端円形部をくぼみ２３内に側方から嵌太し、
取付棒２４を、その加工物取付面２５が所定の角度をな
すように回動した後ねじ２６で支柱２２に固着する。

取外しの際はねじ２６をゆるめ取付棒２５を側方から抜
き出す。

加工物は取付棒の取付面２５に加工後剥離可能な接着剤
、又は適当な吸着手段或はクランプ具で取付ける。

装置の下方側面に開閉可能な扉（図示なし）を設け、扉
目を通して加工物の取付け、取外しや砥粒の挿入を行う
。

排気口２７に排気用ポンプ（図示なし）を接続し、スピ
ーカにスピーカを適切な振動数で加振するオッシレータ
及びパワーアンプ（図示なし）を接続する。

当該装置による研摩動作は次の通りであった。

乾燥した砥粒を砥粒溜り２８に挿入した。

加工物Ｗをスピーカ支柱２２の先端に取付け、支柱をス
ピーカに取付け、平坦な外工物表面を第９図に示すよう
にプラズマ発生管１内に傾斜配置した。

排気ポンプにより装置内部を排気し、所定の真空度にし
た。

直流電源により両電極に電圧を印加しグロー放電による
プラズマを発生させた。

スピーカ２１を振動させ、砥粒を搬送するのに最適の振
動数にした。

モータ７を回転し、また回転導入軸１６を回転した。

ベルト９が回転するとパケット１３が砥粒溜り２８から
砥粒をすくい、パケットにより運ばれた砥粒はいったん
ホツパ５に溜められ、そこかららせん部８ａの回転によ
り一定量づつ陰極２の孔３を通って第９図に示すように
プラズマ内を末広がり状又は円錐状に落下し、砥粒は加
工物Ｗの表面に衝突した後、加工面から陽極４の孔４ａ
を通って砥粒溜り２８に排出され、再びホツパ５に戻さ
れ、プラズマ内の加工物Ｗの表面上には砥粒が連続して
衝突した。

第１３図はこの発明の表面研摩方法によって得られた加
工物の表面あらさの一例を、イは加工前、口，ハ及び二
はそれぞれ３０分、９０分及び１５０分加工後を、表示
したもので、加工前イ図の最犬あらさ１．４μｍが１５
０分加工後二図では０．９μｍに研摩された。

この場合、加工物は銅板０．５Ｘ１５Ｘ２０ｍｎ，使用
砥粒ＧＣ＃１０００、砥粒供給量毎分０．５ｇ、印加電
圧ＤＣ４００Ｖ、加工物位置４０１ｉ、電流１．６ｍＡ
、真空度１．５Ｔｏｒｒ、砥粒入射角４５°、電極間隔
１１０ｍｇであった。

この発明において、陰極は、第９図以外に、砥粒の流れ
を絞るようにした第１０図に示した形状でもよく、或は
砥粒を落下させる孔、すきま、又は他の開口部のある限
り他の任意の形状でよい。

場合により、第１１図に示すように加工物を陽極として
もよい。

また第１２図に示すように、ホッパの導入口６をプラズ
マ発生管１の上部に接続し、プラズマ上部から砥粒を落
下させる方式でもよい。

プラズマは例示したグロー放電に限らず一般に低圧の気
体を通じて行なわれる真空放電によって形成されるプラ
ズマを利用してもよい。

装置内特に放電部の雰囲気ガスは空気に限らず他の不活
性ガスを使用してもよく、また真空度は水銀柱Ｏないし
７６０ミリメートルとしてもよい。

加工物は、銅に限らず、軟鋼、アルミニューム、ガラス
、シリコン、プラスチック等任意の材質でよい。

また加工物の表面は場合によっては、平坦面以外の曲面
であってもよく、またプラズマ内に水平配置としてもよ
い。

前記した条件下の加工例は例示であって、加工物の材質
、大きさ、又は表面形状に従い、それぞれに適した使用
砥粒、及びその粒径並びに供給量、プラズマ強度、加工
物位置、砥粒入射角或は砥粒の流れ（ビーム）等の諸条
件を選定すればよい。

以上説明したようにこの発明は、上下方向に間隔配置し
た１対の電極間にプラズマを形成し、上方の電極を通し
砥粒をプラズマ内に連続して落下せしめて加工物に衝突
させるので、プラズマより得た帯電エネルギーに加え衝
突エネルギーを増大させると共に、プラズマ内の加工物
の表面を角度配置して衝突砥粒の入射角を適正に設定し
たり、電極を通って落下する砥粒の量を一定にして砥粒
密度を適正に保持したり、或はプラズマ内における加工
物の位置を適正に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は砥粒の入射角とくぼみの形状の関係を示す概要
図、第２図は砥粒の運動と加工物表面の関係を示す概要
図、第３図は衝突における砥粒密度と加工量の関係を示
すグラフ図、第４図はプラズマ内における加工物位置と
陰極の関係を示す概要図、第５図はこの発明の表面研摩
方法の実施装置を示す縦断面図、第６図は第５図に示す
実施装置におけるホッパの１部を拡大して示す部分断面
図、第７図は第５図に示す実施装置における回転導入軸
のシール機構を示す部分断面図、第８図は第５図に示す
実施装置における加工物取付部を示す部分側面図、第９
図は陰極、陽極及び加工物の関係を示す概要図、第１０
図は陰極の変形例を示す部分断面図、第１１図は加工物
を陽極とした変形例を示す概要図、第１２図は実施装置
の一部変形例を示す縦断面図、第１３図は当該方法によ
って得られた加工物の表面あらさを例示する線図である
。 １・・・プラズマ発生管、２・・・陰極、４・・・陽極
、Ｗ・・・加工物、５・・・ホッパ、８・・・らせん部
、１３・・・パケット、２１・・・振動発生装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ プラズマ利用の表面研摩方法において、犬気シから
   遮断した雰囲気内で上下方向に間隔をおいて配置した１
   対の電極間にプラズマを形成すること、及びプラズマ内
   に配置した加工物表面に対し上方の電極を通し又はプラ
   ズマ上部から砥粒を連続して落下せしめて衝突させるこ
   とを特徴とする表面研摩方法。 ２ 加工物表面に振動を加えた特許請求の範囲第１項に
   記載の表面研摩方法。 ３ 加工物表面から落下した砥粒を再び上方の電極を通
   して循環せしめた特許請求の範囲第１項に記載の表面研
   摩方法。 ４ 落下する砥粒を概ね一定量とした特許請求の範囲第
   １ないし３項の何れかに記載の表面研摩方法。 ５ 加工物表面をプラズマ内で傾斜配置した特許請求の
   範囲第１ないし３項の倒れかに記載の表面研摩方法。 ６ 陰極を上端部にかつ陽極を下端部に配置し大気から
   遮断した雰囲気内でプラズマを形成するプラズマ発生管
   と、プラズマ発生管の上方に砥粒を収容するホッパを備
   えかつホッパから砥粒をプラズマ発生管内に供給する砥
   粒供給装置と、プラズマ発生管外に排出されだ砥粒をホ
   ッパに戻す砥粒循環装置と、プラズマ発生管内に支持さ
   れた加工物の表面に振動を加える砥粒運搬用加振装置と
   を備えてなる表面研摩装置。 ７ 陰極に砥粒の落下口を設け、該落下口をホッパに接
   続した特許請求の範囲第６項に記載の表面研摩装置。