JPS6341706B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、棒状の端部を高精度且つ容易に凸状
曲面に形成し得る方法に関する。

各種工業用途に使われる圧子やピボツト軸の端
面は凸状曲面に形成されており、又、短焦点の特
殊レンズ或いは光フアイバコネクタの中にも凸状
曲面を有しているものがある。

このような凸状曲面を得る従来の手段として、
例えば第１図に示すように一定曲率の円弧状溝１
が刻設された研磨皿２を前記円弧状溝１の長手方
向に往復動させると共に円弧状溝１内に被加工物
３の被加工面４を押し付け、この被加工物３を把
持する回転体５により被加工物３を同心回転する
一方、これら研磨皿２と被加工面４との間に研磨
砥粒を含む液状の研磨剤を供給して被加工物３の
被加工面４を凸状曲面に形成する方法が用いられ
ている。

ところが、このように剛体同士のすり合せによ
る研磨皿の転写原理に基づく方法では被加工物３
の被加工面４の曲率に対応した曲率の円弧状溝１
を具えた研磨皿２をその都度用意しなければなら
ず、もし、用意するにしても研磨皿の加工自体が
むずかしく、しかも加工の進行につれて研磨皿２
の円弧状溝１の形状が摩耗により変化して来るた
め、高精度の凸状曲面を加工することが困難であ
つた。又、凸状曲面を鏡面加工する場合に研磨皿
２に鋳鉄製のものを用いると、被加工面４が欠け
たり、或いは大きな傷が発生しやすくなるため、
研磨皿２に軟質金属を用いると共に微細なダイヤ
モンド砥粒により加工を行なわざるを得ず、コス
トが非常に嵩むと共に研磨皿２は数回の反復使用
にしか耐えぬ欠点があつた。

本発明は、このような従来の凸状曲面加工方法
にかかる種々の不具合及び欠点を解消し、高品位
で高精度な凸状曲面を容易且つ経済的に形成し得
る方法を提供することを目的とする。

この目的を達成する本発明の凸状曲面の製造方
法は、棒状をなす被加工物の端面を、水平面内で
回転又は摺動可能とされた定盤上に弾性率の異な
つた少くとも二種類の弾性材を積層してなる弾性
材層の表面に押圧力を印加しつゝ前記被加工物を
同軸回転させ、且つ前記被加工物の端面と前記弾
性材層との接触面に研磨剤を供給して、前記被加
工物の端面を回転軸対称の凸状曲面に形成するこ
とを特徴とする。

ところで、弾性材上で被加工物の研磨作業を行
なう場合、弾性材に対する被加工物の押圧力（研
磨圧力）をＰ、これらの相対的な移動速度をｖと
すると、被加工物の研磨量（研磨速度）Ｖは、 Ｖ＝ｋ・Ｐ・ｖ（ただし、ｋは比例定数） として近似的に表わされる。

そこで、本発明の加工原理とその圧力分布とを
表わす第３図ａ〜ｃに示すように、丸棒状の被加
工物１０１の端面を弾性材層１０２に押し付けな
がら回転し、これらの間に液状の研磨剤を供給す
ると、加工初期（第３図ａ参照）においては外周
部の圧力が中心部よりも極端に高くなつているた
め、まずこの外周部が専ら研磨され（第３図ｂ参
照）、最終的にこれらの接触部の圧力分布が等し
くなるような曲面形状に被加工物１０１の端面が
研磨される（第３図ｃ参照）。一方、被加工物１
０１を回転させることによる弾性材層１０２との
相対速度ｖは、被加工物１０１の端面の外周側ほ
ど直線的に高くなつているから、弾性材層１０２
に対する被加工物１０１端面の押圧力Ｐとこの被
加工物１０１の回転速度を適宜組み合わせること
により、任意の曲率の凸状曲面を製作することが
できる。

ここで、弾性体に剛体端面を押しつけたとき
の、剛体端面直下の圧力分布について考察を試
み、端面加工を行つた際の形成面形状について説
明を加える。剛体平面に作用する圧力分布は弾性
論で良く知られたBoussinesqの式 で示される。ここで、πは円周率、ａは被加工物
の半径、ｒは被加工物の中心から被加工物の任意
の点までの距離、Ｗは全荷重、Ｐ（ｒ）は被加工
物の前記任意点における圧力である。この
Boussinesqの式によると、ｒ＝±ａの場合には
ｐ（ｒ）が無限大となるが、実際には当然有限で
あつて第３図ａに示す如き圧力分布となる。一
方、大口径ウエハを被加工物としてポリシングを
行つた場合、弾性変形し易いポリシヤを用いるほ
ど被加工物の先端面が凸形状となることは経験上
からも明らかであるが、この凸形状の程度はポリ
シヤの弾性変形量δに対応することが昭和52年度
精機学会秋季大会学術講演会論文集の第295ペー
ジ（唐木、三宅：Si単結晶のメカノケミカルポリ
シング第２報）等で報告されている。この報告中
には被加工物の先端面形状が最終的に飽和するこ
とも確かめられており、この最終的な先端面形状
Sfを得られるのが第３図ｃに示した等圧力分布と
なつた時である。

このような経験的実験的事実から、被加工物の
最終的な先端面形状Sfは Sf∝δ となる。又、ポリシヤの弾性変形量δは被加工物
中央の変形量（Δ）ｒ＝ｏと被加工物周縁の変形
量（Δ）ｒ＝ａとの差で示されるが、ポリシヤの
ヤング率をＥ、ポリシヤのポアソン比をν、圧力
をＰとすると、 δ＝（Δ）ｒ＝ｏ−（Δ）ｒ＝ａ ＝２（１−ν²）Ｐ・ａ／Ｅ（１−２／π） ＝Ｋ・Ｚ・Ｐ・ａ となる。但し、Ｋは比例定数、Ｚはポリシヤの材
質に関係する係数であり、要するにポリシヤの弾
性変形量δはポリシヤのヤング率Ｅやポアソン比
νと圧力Ｐと被加工物の半径ａとに関係する。

理論的に被加工物の先端を半径Ｒの凸状曲面に
成形するためには、前述した式を基に単純に考え
ると、 δ＞ａの場合 Ｒ＜δ δ＝ａの場合 Ｒ＝δ δ＜ａの場合 Ｒ＞δ となる。従つて、実際の加工ではポリシヤを静止
させて一定の弾性変形量δとなるように一定荷重
を与え、被加工物を高速回転させることによつて
凸状曲面が被加工面に形成される。

δ＞ａの場合にＲ＜δとなることを確認した。
同様に、δ＝ａ、δ＜ａの場合についても前述の
理論的関係を実験的に確認した。但し、δ＝ａの
場合に被加工物先端部の半径Ｒがポリシヤの弾性
変形量δよりも若干小さ目になつたが、これは前
述したＶ≒ｋ・Ｐ・ｖにおける相対移動速度ｖの
影響と考えられる。つまり、被加工物の回転のみ
ならずポリシヤとなる弾性材を被加工物の回転に
よる速度よりも遥かに大きな相対速度が得られる
ように動かすことによつて、より理論的関係に近
付けることができることを確認している。

このような本発明を達成する装置としてその一
例を第２図に示すように、ボール盤等のチヤツク
１１を利用して被加工物１２を駆動回転自在に把
持し、定盤１３上に下部弾性材１４と上部弾性材
（ポリシヤ）１５とを積層して貼着し、ここに被
加工物１２の一端面を押し付ける一方、貯槽１６
内の研磨剤１７を供給管１８を介して被加工物１
２の被加工面に流し込む。

つぎにかかる装置を用いて行つた本発明の実施
例を説明する。研磨剤１７としてPHが10.5で100
〜200Åの粒径のコロイダルシリカを使用し、厚
さ約１ミリメートルの人口皮革を上部弾性材１５
とし、下部弾性材１４にシリコンゴムを使用し、
長さ２cm、３mm×３mmの断面を有するシリコン結
晶棒を被加工物１２とした。シリコン結晶棒を毎
分800〜1500回転させると共に800グラムの押圧力
で前記上部弾性材１５に押圧した所、第４図に示
すような輪郭の凸状曲面に成形できた。この場
合、ポリシヤとなる弾性材を静止させてその弾性
変形量δを1.7mmとしたところ、第４図に示す如
く、先端部の凸状曲面は略半球面をなし、その球
面の半径Ｒは1.4mmとなつた。第４図のプロフア
イルから半球面の精度は±0.01mm以内とよみ取れ
る。

本実施例では被加工物１２を回転させている
が、逆に下部弾性材１４と上部弾性材１５とを積
層して貼着した定盤１３を回転せしめ、被加工物
１２を把持しながら押し付けて研磨しても同様な
効果があることは自明である。

上述した下部弾性材１４及び上部弾性材１５の
弾性変形量も被加工物１２の曲率に影響を及ぼす
要因であるから、弾性材の硬さや厚さを適宜選定
することでも各種曲率の凸状曲面に被加工物１２
を成形することが可能である。又、鏡面加工の必
要がない場合には、炭化硅素やアルミナ等の一般
のラツピング用砥粒を使用した研磨能率を上げる
こともできる。更に、被加工物１２のエツチング
液を砥粒に添加すれば、メカノケミカル効果が発
生して研磨能率を上げることができ、又あらかじ
め被加工物１２の被加工面を大まかな凸状曲面状
に切削しておいた場合には、極く短時間で研磨作
業を終了可能である。ここで上部弾性材１５は所
謂ポリシヤであり、下部弾性材１４は所謂バツフ
ア層である。従つて、上部弾性材１５としてはポ
リシヤとしての機能を持つていれば下部弾性材１
４よりも軟質のものでも硬いものでも良い。つま
り、成形加工しようとする凸状曲面の寸法や厚さ
等の加工条件に合わせて選択すれば良い。

なお、前記した実施例では下部弾性材１４及び
上部弾性材１５を静止したが、水平往復運動や回
転運動させることにより研磨能率を高めることが
可能であり、特に水平往復運動は被加工物１２の
中心の相対速度ｖがＯより大きくなるので鏡面加
工に適している。又、被加工物１２に回転と遥動
運動とを与えたり、同時に弾性材に回転運動を与
えながら押圧する運動形態でも良い。

このような本発明の凸状曲面の製造方法による
と、弾性材層に被加工物を押し付けながらこれら
を相対回転して被加工物の先端部を凸状曲面に成
形するようにしたため、あらゆる曲率の凸状曲面
を同じ装置で低コストに得ることができ、しかも
容易に高品位かつ高精度な凸状曲面を形成し得
る。

さらに本発明の研磨皿は弾性材であるので、ス
クラツチや欠けのない被加工曲面が得られるうえ
に磨耗度が少ない。したがつて従来技術のよう
に、短寿命な研磨皿を比し、研磨機の運用コスト
の低減を図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の凸状曲面の加工方法を実現する
装置の外観図、第２図は本発明による凸状曲面の
加工方法の一実施例を実現する装置の外観図、第
３図ａ〜ｃは本発明の加工原理とその圧力分布と
を表わす工程図、第４図は本発明の製作方法によ
つて得られた被加工物の凸状曲面の形状を表わす
輪郭図の一例である。 図面中、１０１，１２……被加工物、１０２…
…弾性材、１４……下部弾性材、１５……上部弾
性材、１７……研磨剤。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 棒状をなす被加工物の端面を、水平面内で回
   転又は摺動可能とされた定盤上に弾性率の異なつ
   た少くとも二種類の弾性材を積層してなる弾性材
   層の表面に押圧力を印加しつゝ前記被加工物を同
   軸回転させ、且つ前記被加工物の端面と前記弾性
   材層との接触面に研磨剤を供給して、前記被加工
   物の端面を回転軸対称の凸状曲面に形成すること
   を特徴とする凸状曲面の製造方法。