JPH04336954A

JPH04336954A - 微小研磨方法及び微小研磨工具

Info

Publication number: JPH04336954A
Application number: JP3103031A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Mizuguchi; 水口　信一; Yasushi Kato; 康司加藤; Tokuji Umehara; 徳次梅原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-05-09
Filing date: 1991-05-09
Publication date: 1992-11-25
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: KR920021258A; US5404680A; JP2682260B2; KR950004923B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、微小研磨方法および
微小研磨工具に関し、詳しくは、レンズや光学素子等の
製造分野において、超高精度な加工を行うために、微小
な領域を精密に研磨する方法、および、上記方法の実施
に用いる研磨工具に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】各種の電子機器や光学機器に組み込まれ
て使用される非球面レンズやＸ線光学素子等は、研磨加
工によって製造されているが、製品の形状精度が０．０
１μｍ以下という極めて高精度な加工を要求されており
、このような超高精度な研磨加工を行える加工方法が求
められている。そのためには、研磨面に対して、微小な
領域に限定して精密に研磨できる研磨方法が必要となる
。

【０００３】従来、高精度な研磨方法としては、ポリッ
シング加工やラッピング加工等が採用されていたが、前
記した０．０１μｍ以下の超高精度加工は全く不可能で
あったため、近年、より高精度な加工を行える方法とし
て、研磨材として磁性研磨流体を用いる磁気研磨方法が
注目されている。ここに、磁性研磨流体とは、磁性流体
単体またはこれに微粒状の研磨材を懸濁分散させてなる
ものを言う。

【０００４】磁気研磨法では、研磨工具先端の研磨部と
被研磨材の間に、磁性研磨流体を供給するとともに磁界
を印加するようにする。そうすると、磁性研磨流体は、
磁気的作用で、被研磨材の研磨面を加圧した状態で研磨
部と被研磨材の間に保持される。この状態で、研磨工具
を高速回転させると、磁性研磨流体は研磨工具の回転に
引きずられて高速回転運動させられて、被研磨材に対し
研磨加工を行う。この際に、印加する磁界の方向や強さ
を変動させることによって、磁性研磨流体による研磨面
の加圧力を変動させたり、磁性研磨流体の運動を制御し
たりして、研磨性能を向上させることも行われている。この磁気研磨法の具体例については、例えば、特開昭６
０−１１８４６６号公報、特開昭６１−２４４４５７号
公報、特公昭１−１６６２３号公報等に開示されている
。

【０００５】この磁気研磨法によれば、磁気的な保磁力
によって研磨面の微小な領域に研磨材を集中的に作用さ
せることができるので、従来の研磨法に比べて、高精度
な研磨加工ができるという利点がある。しかし、この磁
気研磨法によっても、０．０１μｍ以下の超高精度加工
には未だ充分に対応することができなかった。

【０００６】すなわち、この方法では、磁性研磨流体を
研磨工具の高速回転によって高速回転させるようにする
ので、研磨面の仕上がりは研磨工具の回転の状態に直接
影響を受けることになる。ところが、研磨工具の回転に
はどうしても回転数の変動や軸ぶれ等が起き易いため、
この方法では、研磨面の仕上がりに、研磨量の変動や局
部的な研磨の偏り、研磨領域の変動が生じてしまうと言
う問題があったのである。回転機構等の機械的な動作機
構には、各部材がスムーズに運動できるだけの空間的余
裕が必要であり、そのために研磨部の運動に若干のガタ
ツキが生じるのもやむを得ないことであり、その結果、
研磨面の仕上がりにムラや変動が生じると言う問題もあ
った。要するに、研磨部を高速回転する限り、これらの
問題を完全に防止することは不可能であった。

【０００７】従来の高速回転磁気研磨法では、磁性研磨
流体を研磨面に押し付けるための加圧力は、研磨工具の
回転自体によっては生じず、前述のように磁気の印加に
よって生じさせているので、印加する磁気を強くしない
と充分な研磨力が生じず、磁気の強さが変動すると研磨
量が変わってしまう。そのため、この高速回転磁気研磨
法では、電磁石等の磁気発生手段が大掛かりになるとと
もに、磁気力の制御を厳密に行う必要があると言う問題
もあった。さらに、この加圧力を得るための磁気回路は
、被研磨材自体がその一部を構成する必要があるため、
被研磨材が磁気的な導体すなわち磁性体でなければなら
ないという制約があった。もっとも、被研磨材が非磁性
体であっても、薄いものであれば、この非磁性被研磨材
を通して磁気回路を構成することもできる。しかし、こ
の場合でも、被研磨材の厚みの僅かな変動や磁気的性質
の変動によって磁性研磨流体の研磨面加圧力が変わるの
で、研磨量や研磨精度等の管理が難しいという問題があ
った。なお、前記したレンズや光学素子等は、非磁性体
であるとともにかなりの厚みがあるので、上記高速回転
磁気研磨法を適用することが出来ない。

【０００８】そこで、上記従来の高速回転磁気研磨法の
問題点を解消し、より高精度な加工が可能であるととも
に、被研磨材の磁気的性質に影響を受けず、非磁性体か
らなる被研磨材にも良好に適用することのできる微小研
磨方法を提供するべく、発明者らは、先に、研磨部を電
歪素子すなわちピエゾ素子からなるアクチュエータで研
磨面に平行なＸＹ方向および／または研磨面に垂直なＺ
方向に微小運動させるとともに研磨部と被研磨材の間に
機械的に圧力をかけた状態で、前記研磨部の微小運動を
磁性研磨流体に伝達して被研磨材の研磨面を研磨させる
ようにする微小研磨方法および微小研磨工具を開発した
。

【０００９】この電歪素子からなるアクチュエータを用
いる新規な微小研磨方法および微小研磨工具は、研磨部
を高速回転する必要がないため、また、被研磨材自体を
磁性研磨流体保持と磁性研磨流体加圧のための磁気回路
の一部にする必要がないため、前述した従来の高速回転
微小研磨法の諸問題を完全に解消することができる。

【００１０】すなわち、この新規な駆動方式による微小
研磨法では、電歪素子を利用するＺ方向アクチュエータ
の働きで磁性研磨流体を被研磨材に押し付けるとともに
研磨部を研磨面に沿って微小運動させるようにし、これ
によって被研磨材を研磨加工するようにしている。つま
り、研磨部に対し電歪素子を利用するＸＹ方向アクチュ
エータまたはＺ方向アクチュエータにより、磁性研磨流
体を被研磨材の研磨面に対して水平方向および／または
垂直方向の微小運動を行わせたり、研磨面に対する加圧
力を得させるようにしたものである。

【００１１】このように、この新規な駆動方式による微
小研磨法では、研磨部の回転を必要としない結果、回転
ムラや軸ぶれ等による研磨のバラツキや表面粗さムラ等
が生じない。電歪素子によるアクチュエータは、機械的
な摺動部分や作動機構が全くなく、印加電圧にしたがっ
て極めて正確に駆動するので、磁性研磨流体の運動も安
定している。このような点でも、研磨のバラツキやムラ
を生じさせない。アクチュエータによる磁性研磨流体の
ＸＹ方向運動は、従来のような回転運動に比べて遙に微
小であるため、被研磨材をきめ細かく研磨加工して、表
面粗さの極めて超高精度な鏡面加工を可能とする。

【００１２】また、この新規な駆動方式による微小研磨
法では、磁性研磨流体を被研磨材に押し付ける機械的な
圧力は電歪素子によるＺ方向アクチュエータで加えるこ
とができるので、研磨工具の研磨部から被研磨材につな
がる磁気回路を設けておく必要がなくなり、その結果、
被研磨材が非磁性体であっても何ら差し支えなく研磨加
工できるし、被研磨材の材質や厚みによる磁気的性質の
違いに関係なく、アクチュエータへの印加電圧だけで被
研磨材への加圧力が設定制御できるので、被研磨材の材
質や形状による研磨能率や研磨精度への影響を生じさせ
ないのである。被研磨材は、従来の高速回転磁気研磨法
でも研磨できる鋼等の磁性体材料のほか、従来の高速回
転磁気研磨法では研磨出来なかったガラスやセラミック
等の非磁性体材料も使用できる。被研磨材の形状も、薄
いものから分厚いものまで幅広く適用でき、研磨面は平
面や球面あるいは自由曲面等も加工できる。

【００１３】この新規な駆動方法による微小磁気研磨方
法によれば、上述のように、研磨部の微小運動は、電歪
素子に電圧を印加することによって得られる極めて微小
な運動であるので、磁性研磨流体は、研磨部周辺の極め
て微小な領域のみで被研磨材を高精度に研磨することが
でき、被研磨材の表面をきめ細かく均一に研磨すること
ができる。従来の高速回転研磨法に比べて、はるかに均
一な研磨加工が施されるので、超高精度な鏡面加工も可
能になり、形状精度０．０１μｍ以下の超高精度加工を
容易かつ確実に実現できるのである。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、その後の研究
により、この新規な微小研磨方法および微小研磨工具に
は、つぎのような新たな問題のあることが分かった。

【００１５】すなわち、この新規な駆動方式による微小
研磨法では、研磨量の正確な制御が難しくＣＣＰ（コン
ピュータコントロールポリッシング）に適用できないば
かりか、加工が済んだ研磨面の表面粗さが大きく一定し
ないという不具合があった。

【００１６】そこで、この発明は、前記の新規な微小研
磨方法および微小研磨工具において、研磨量の正確な制
御が容易で、しかも、加工が済んだ研磨面の表面粗さが
小さく一定したものにできるようにすることを課題とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の、この発明にかかる微小研磨方法および微小研磨工具
の主要構成は、以下のとおりである。

【００１８】まず、この発明にかかる微小研磨方法は、
研磨工具先端に研磨部を備え、磁性流体に非磁性砥粒を
分散させた研磨材を前記研磨部と被研磨材の間に磁界に
より保持するとともに研磨部と被研磨材の間に機械的に
圧力をかけた状態で、前記研磨部を電歪素子からなるア
クチュエータで研磨面と平行なＸＹ方向および／または
研磨面と垂直なＺ方向に微小運動させることにより、被
研磨材を研磨するようにする。

【００１９】つぎに、この発明にかかる微小研磨工具は
、被研磨材の研磨面に対面する研磨部と、電歪素子から
なり前記研磨部を研磨面と平行なＸＹ方向に微小運動さ
せるＸＹ方向アクチュエータと、電歪素子からなりその
伸縮作用により前記研磨部を研磨面と垂直なＺ方向アク
チュエータとを備えるとともに、磁性流体に非磁性砥粒
を分散させた研磨材を研磨部と研磨面の間に保持するた
めの磁界をかける磁界印加部を備えている。

【００２０】この発明において、研磨工具は、従来の高
速回転磁気研磨法の場合と同様、適当な支持部材に支持
された状態で、先端の研磨部を被研磨材に沿って移動さ
せられるが、この支持手段や移動手段は、各種の工作機
械等で用いられている手段が採用される。

【００２１】研磨工具は、後述の微小駆動手段により、
被研磨材の形状や目的に応じて、その研磨部を、研磨面
に水平な方向すなわちＸＹ方向へ微小運動させ、また、
研磨面に垂直な方向すなわちＺ方向へ微小運動させる。さらに、軸を傾ける等の運動を行わせるようにすれば、
複雑な曲面形状等の研磨加工を行うことができる。

【００２２】被研磨材は研磨部の表面性状に対応する性
状に加工される。この研磨部は、先端が球面形状である
ことが望ましい。研磨部が平面形状の場合、研磨部の傾
き次第では研磨部の隅角が被研磨材の研磨面に当たるこ
とがあり、加工痕は変形形状となり、円弧形等の所望の
綺麗な形状にならないと言う不具合が出やすいからであ
る。球面形状は、研磨工具先端に転動自在に保持された
球体で構成するとよい。この転動により、研磨部の偏磨
耗が防止されるからである。球体の保持は、軸受機構の
ような機械的保持、磁力保持、あるいは、研磨材の粘性
による保持のうちのひとつないし複数の併用により行う
ことができる。

【００２３】この発明で用いられる研磨材は、磁性流体
に非磁性砥粒を懸濁分散させた磁性研磨流体である。一
般的な磁性流体は、Ｆｅ２　Ｏ３　等からなり粒径１０
ｎｍ以下程度の微細な磁性粉粒を水や油等にコロイド状
に分散させたものであるが、この磁性流体を構成する磁
性粒子が、被研磨材に対する研磨性を有していてもよい
。具体例としては、α−Ｆｅ２　Ｏ３　（ベンガラ）を
用いた磁性粒子等が挙げられる。また、非磁性砥粒とし
ては、ダイヤモンド、ＣｅＯ２　やＳｉＯ２　等が用い
られ、粒径１０００ｎｍ以下程度のものが好ましく使用
される。

【００２４】研磨部を微小振動させるアクチュエータは
、電圧を印加することによって伸縮する、ピエゾ素子と
も呼ばれる電歪素子を用いる。研磨部をこのアクチュエ
ータに連結して周期的に変動する電圧をアクチュエータ
に印加すれば、研磨部を微小運動させることができる。印加電圧の周波数によってアクチュエータの微小振動の
周波数が変わり、印加電圧の大きさによってアクチュエ
ータの微小運動の振幅が変わる。研磨部のこの微小運動
が研磨材に伝達されて、研磨材が研磨部と同じような微
小運動を行い、研磨材のこの微小運動で被研磨材を研磨
する。

【００２５】Ｘ方向アクチュエータは研磨部を研磨面に
水平なＸ方向に微小運動させて、また、Ｙ方向アクチュ
エータは研磨部を研磨面に水平で上記Ｘ方向に垂直なＹ
方向に微小運動させて、研磨材を被研磨材の研磨面と平
行な方向に微小運動させ被研磨を研磨加工する。ＸＹ方
向アクチュエータによる研磨部の動きは、Ｘ方向または
Ｙ方向の単独の動きであってもよいし、Ｘ方向の動きと
Ｙ方向の動きを関連させて同時に動かせる動きであって
もよい。例えば、Ｘ方向とＹ方向の運動の位相を制御す
ることによって、リサージュ運動をさせることができる
。

【００２６】Ｘ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエ
ータは、積層型の電歪素子を用いて構成すると、大きな
変位が得られ、制御も容易であり、外圧の影響で変位量
が変動しない。しかし、棒状の屈曲型ピエゾ素子を用い
ると一つで兼ねさせることができる。

【００２７】Ｚ方向アクチュエータは、研磨面に対して
垂直な方向に研磨部を動かし、研磨材を被研磨材に垂直
方向から衝突するように運動させ、被研磨材に加圧力を
与える。したがって、Ｚ方向アクチュエータに加える電
圧の大きさで、被研磨材に加わる加圧力を制御すること
ができる。

【００２８】ＸＹ方向アクチュエータとＺ方向アクチュ
エータは、各方向別々に電圧印加配線をしておくことに
より、Ｘ方向とＹ方向の場合は印加電圧の掛け方を適宜
に制御することによっても、それぞれの先端をＸ，Ｙ，
Ｚ方向に微小運動させる。各アクチュエータに電圧を印
加する駆動配線は、駆動アンプやファンクショジェネレ
ータ等に接続される。これらの駆動回路もしくは駆動機
構は、通常の機械装置における電歪素子を用いたアクチ
ュエータの場合と同様の構造が採用できる。ＸＹ方向ア
クチュエータの場合、Ｘ方向とＹ方向の印加電圧の位相
を適当に制御することによって、ＸＹ方向アクチュエー
タの先端すなわち研磨部の運動軌跡を単純な直線的動き
からリサージュ図形運動のような複雑な動きまで自由に
変更することができるのである。

【００２９】ピエゾ素子として屈曲型のものを用いれば
、屈曲でＸＹ方向の微小運動を行い、積層型のものを用
いれば伸縮でＸ方向またはＹ方向の微小運動を行う。Ｚ方向アクチュエータとしては、積層型ピエゾ素子を利
用するのが良い。屈曲型ピエゾ素子は、その棒体周面に
対向状に２対の電極を設けて制御電圧を各対ごとに印加
して屈曲させる。積層型ピエゾ素子は、その両端に電圧
を印加して伸縮させるのである。

【００３０】ＸＹ方向アクチュエータおよびＺ方向アク
チュエータは、通常は直接に研磨部を駆動せず、先端を
研磨部とする研磨軸に水平方向や垂直方向の微小駆動を
加えるようにする等して、研磨部を駆動する。

【００３１】この場合に、Ｚ方向のアクチュエータによ
る加圧力を研磨部に確実に伝えるとともに、かつ、研磨
部のＸＹ方向の動きを自在とさせるためには、Ｚ方向ア
クチュエータと研磨部の間に研磨部のＸＹ方向の微小運
動を自在とする球対隅状の連結部を設けて、ＸＹ方向の
アクチュエータの作用点をこの連結部と前記研磨部の間
に設けるようにするのが良い。

【００３２】研磨部の微小運動は、上記したＺ方向の微
小運動とＸＹ方向の微小運動を同時に行わせることが最
も好ましいが、Ｚ方向もしくはＸＹ方向の何れか一方の
みでも研磨加工は可能である。

【００３３】微小振動の周波数を研磨途中で段階的に下
げることにより単位時間当たりの研磨量を段階的に下げ
ることができる。すなわち、発明者の見い出したところ
によると、研磨量が周波数に比例し周波数が高いほどよ
く研磨できるため、最初から粒径の小さい仕上げ加工用
の砥粒を用い、高い周波数で荒加工を行い、中程度の周
波数で中加工を行い、そして低周波数で仕上加工を行う
のである。砥粒粒径の大小を仕上げ程度に応じて変更す
ることが考えられるが、砥粒の分離が完全にできず現実
的ではない。

【００３４】また、研磨部を研磨途中で研磨面から短時
間のあいだ離すことにより非磁性砥粒のよび込みを行う
ことができる。研磨の進行につれ砥粒が排除され研磨面
での砥粒数が少なくなり、研磨作用が低下したり過大な
荷重が砥粒にかかり表面粗さが悪化したりする。また、
砥粒の磨滅により砥粒粒径が小さくなって、この点でも
研磨作用の低下が起こる。このとき、研磨部を研磨面か
ら短時間のあいだ離すだけで研磨部と研磨面の間に新た
な研磨材がどっと流れ込む。研磨部を研磨途中で研磨面
から短時間のあいだ離すには、Ｚ方向アクチュエータに
大きな電圧（微小振動させる電圧より十分に大きい電圧
）を時々印加する（間歇的に印加する）ようにすればよ
い。

【００３５】研磨材が被研磨材に加える加圧力は、上述
のように、Ｚ方向アクチュエータによる加圧力で決まる
。しかし、この加圧力は加工の進行とともに減少する。そこで、被研磨材に加わる加圧荷重の値を検出して、こ
れをＺ方向アクチュエータの制御にフィードバックして
加圧力制御を行うようにすることが好ましい。加圧荷重
値を検出する荷重検出手段は、被研磨材に加わる垂直方
向の荷重を検知できさえするものであれば、通常の各種
機械装置に組み込まれているものと同様の圧力センサが
使用できる。例えば、被研磨材をロードセルの上に載置
した状態で加工研磨を行えば、被研磨材に加わる加圧荷
重の大きさをロードセルで検出して、電気信号として取
り出すことができる。

【００３６】荷重検出手段で検出された加圧荷重値は、
電気信号に変換されて、アクチュエータの駆動を制御す
る。具体的には、検出信号が適当な電気回路で処理され
て、アクチュエータに電圧を印加する駆動回路に入力さ
れ、ここで予め設定された加圧荷重値と検出された加圧
荷重値とを比較して、Ｚ方向アクチュエータに印加する
電圧を増やしたり減らしたりする。すなわち、Ｚ方向ア
クチュエータによる加圧力をフィードバック制御するよ
うにするのである。このフィードバック制御は、たとえ
ば、Ｚ方向アクチュエータによる加圧力を常に所定の大
きさに保ったり、加工過程の初期は大きく（荒研磨）、
中期は中程度に（中研磨）、そして終期は小さく（仕上
研磨）なるようにして行う。なお、この多段階研磨の場
合でも、各過程での加圧力は一定であるように制御する
のが好ましい。

【００３７】このように、Ｚ方向の加圧力を一定に保持
する場合にいて、Ｚ方向アクチュエータによる加圧力に
振動が加わるように制御すれば、この振動によるポンピ
ング作用で、研磨材が研磨面に順次供給され、かつ、順
次排除されるような減少が起きる。

【００３８】加圧力の設定値は、被研磨材の材質や研磨
精度等の条件に従って、適当に決められる。

【００３９】研磨材を保持するために研磨部と被研磨材
の間にかける磁界は、通常、研磨面と垂直なＺ方向の向
きの磁界であり、例えば、以下のようにして磁界をかけ
る。

【００４０】先端に研磨部を備える研磨軸を磁性体とし
、永久磁石をその磁極を研磨軸の軸方向に向かわせた状
態で研磨軸に設置し、研磨部の前面（つまり研磨部と被
研磨材の間）に永久磁石の磁界が研磨軸方向に向かって
かかるようにするのである。永久磁石としては、例えば
、Ｓｍ−Ｃｏ磁石等からなるものが使用できる。

【００４１】

【作用】この発明の方法で研磨を行う場合、磁性流体に
非磁性砥粒を分散させた研磨材を磁界により前記研磨部
と被研磨材の間に保持するようにしている。もし、研磨
部と研磨面の間に磁界がなければ、図４の（ａ）にみる
ような状態で研磨部（例えば、鋼球）Ａの下面にある磁
性流体Ｃ中の非磁性砥粒Ｄは、研磨部Ａと被研磨材（例
えば、ガラス材）Ｂに向けて押しつけられると、図４の
（ｂ）にみるように、非磁性砥粒Ｄが横に逃げてしまう
が、研磨部のところに磁界をかければ磁性流体Ｃが引き
つけられて非磁性砥粒Ｄの逃げを抑えることができる。

【００４２】その結果、研磨量の正確な制御ができるよ
うになる。例えば、研磨量と研磨時間が非常によい比例
性を示すようになったり、研磨量と微小振動の振動周波
数とがよい比例性を示すようになり、研磨時間や振動周
波数の調整により研磨量を正確にコントロールできるた
め、ＣＣＰへの適用が可能になる。

【００４３】また、研磨を終えた研磨面の表面粗さも小
さくて一定したものとなる。磁界のない場合は、図６に
みるように、疎らに点在する非磁性砥粒Ｄにより、被研
磨材Ｂ表面や研磨部Ａ表面が部分的に深く削られ均一な
研磨がされなくなるが、磁界をかけた場合、図７にみる
ように、十分に保持された非磁性砥粒Ｄが被研磨材Ｂ表
面をまんべんなく削り均一に研磨するのである。

【００４４】なお、図５の（ａ）にみるように、研磨面
に垂直なＺ方向の向きの磁界Ｈをかけると、図８にみる
ように、磁性流体Ｃ中の非磁性砥粒Ｄは砥粒Ｄ同士の斥
力で均一な分散状態（２−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｔ
ｒｉａｎｇｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）　となり、研
磨部Ａと被研磨材Ｂが当接すると、図５の（ｂ）にみる
ように、非磁性砥粒Ｄが研磨面に適切に散らばった状態
が現出する。

【００４５】微小振動の周波数を研磨途中で段階的に下
げることにより、単位時間当たりの研磨量の段階的な切
り下げが、砥粒粒径の大小を変更を要せずに簡単に実現
できる。

【００４６】また、研磨部を研磨途中で研磨面から短時
間のあいだ離すことにより砥粒がよび込まれるために、
研磨作用の低下や表面粗さの悪化を抑えることができる
。

【００４７】研磨部の先端が球面形状であると、研磨部
の隅角が研磨面に当たることが容易に避けられ、かつ、
平面に比べて同じ幅でも実質的幅が大きくなり、加工痕
１個当たりの幅が大きくなるという利点がある。

【００４８】研磨部先端の球面形状を転動自在な球体で
構成すると、研磨部の偏磨耗が起きないという利点があ
る。

【００４９】

【実施例】ついで、この発明の実施例を、図を参照しな
がら、以下に詳しく説明する。

【００５０】図１は、この発明にかかる微小研磨方法の
実施に用いる研磨装置の主要部たる研磨工具を示してい
る。この研磨工具１は、その本体部１０が研磨装置本体
（図示せず）に支持軸１１で支持固定されている。この
支持軸１１は、水平方向および垂直方向に自由に移動で
きるとともに、任意の角度で傾くことができるようにも
なっている。支持軸１１の作動機構は、通常の工作機械
における加工軸等の作動機構と同様のものである。

【００５１】工具本体部１０の下面中心には図で見て鉛
直方向たるＺ方向のアクチュエータ２０が設けられ、そ
の下端からは、球対隅状の連結作用を有する連結部２１
を介して、ブロック２２が吊り下げられている。ここに
、球対隅状の連結作用を有する連結作用とは、ブロック
２２をＺ方向アクチュエータ２０に対して、Ｚ方向に対
して垂直のＸＹ方向（図で見て垂直方向）に微小運動を
自在とさせながらＺ方向アクチュエータ２０のＺ方向の
微小運動を確実にブロック２２に伝える連結作用を言う
。そして、このブロック２２の下端には研磨軸２３が一
体的に連結されて垂下している。前記ブロック２２の上
部には、図で見て水平のＸ方向側面にＸ方向アクチュエ
ータ２４ｘの先端が当接接続続され、図で見て水平で上
記Ｘ方向に対し垂直のＹ方向側面（図の向側側面）にＹ
方向アクチュエータ２４ｙの先端が当接接続されている
。この実施例では、Ｚ方向アクチュエータ２０とＸ方向
アクチュエータ２４ｘとＹ方向アクチュエータ２４ｘは
、いずれも、多数の薄型ピエゾ素子を積層してなり電圧
を印加することによって（Ｚ方向（研磨軸２３の軸方向
），Ｘ方向，Ｙ方向に伸縮し、Ｚ方向けて研磨材を被研
磨材に押し付け、Ｘ方向とＹ方向の微小運動の組み合わ
せで研磨材を被研磨面内で自由に運動させることができ
るようになっている。

【００５２】ＸＹＺ方向のアクチュエータの諸元として
は、以下のようなものが使用できる。

【００５３】寸法：５ｍｍ角×１８ｍｍ長さ、定格電圧
：１００Ｖ、変位量：１５μｍ／１００Ｖ、励振周波数
：１０〜３００Ｈｚ研磨軸２３の先端部は次第に細くな
り、先端面は球面になっている。この球面部分が研磨部
２６である。

【００５４】この実施例では、研磨部２６は、図２にみ
るように、磁性体からなる研磨軸２３の先端に転動自在
に保持された磁性体である鋼球２５からなり、表面がＳ
ｎメッキ層で表面仕上げされている。鋼球２５の直ぐ上
には磁界印加用の永久磁石（磁界印加部）２８が設置さ
れており、研磨部２６の前面にＺ方向に向かう磁界Ｈが
かかっている。なお、鋼球２５は研磨軸２３の先端凹部
２３１内に磁性研磨流体Ｍの粘性および永久磁石２８の
磁力により保持されている。なお、図３にみるように、
研磨軸２３に鋼球２５を機械的に保持する先端凹部２３
２を設けるようにしてもよい。研磨部２６は磁性体であ
ると磁界がより適切な状態で強くかけられるので磁性体
であることが望ましい。また、研磨部２６は転動する構
成でなく静止している構成であってもよい。

【００５５】各アクチュエータ２０、２４ｘ、２４ｙの
駆動配線５０は、３ＣＨピエゾドライバアンプからなる
駆動アンプ５１に電気的に接続されている。３ＣＨピエ
ゾドライバアンプの具体的な仕様としては、例えば、３
５０Ｖ、１００ｍＡ、３０ｋＨｚである。駆動アンプ５
１には、Ｚ方向用の信号発生器５２とＸＹ方向用の可変
位相２出力信号発生器５３が接続されている。これらの
信号発生器５２，５３から、駆動アンプ５１を介して各
アクチュエータ２０，２４ｘ，２４ｙに所定の周波数か
らなる電圧を印加して、各アクチュエータ２０、２４ｘ
、２４ｙの駆動を制御する。

【００５６】工具本体１０の下面には、筒状体３０が取
りつけられている。筒状体３０の中間部（図１の右側側
面部）には、アクチュエータ２４ｘ、２４ｙや各アクチ
ュエータの駆動配線５０等を挿入する開口３１が形成さ
れている。筒状部３０の下部には、リング状の接続体３
２がねじ込み接続されている。接続体３２の内周部分の
一部は、研磨軸２３の外周面に近接する位置まで延びて
いる。接続体３２には、その外周側面から内周下面に向
けて貫通する流体供給路３３が形成され、流体供給路３
３の外周端には流体供給パイプ３４が接続されている。この流体パイプ３４に磁性研磨流体を供給すると、磁性
研磨流体が流体供給路３３から研磨軸２３の先端外周付
近に滴下し供給される。

【００５７】研磨軸２３の下方には荷重検出手段となる
ロードセル６０が設置されており、被研磨材Ｗはこのロ
ードセル６０の上に載せられた状態で研磨加工が行われ
る。ロードセル６０の検出出力は、コントローラ６１を
経て駆動アンプ５１へと入力されるようになっており、
Ｚ方向アクチュエータ２０から被研磨材Ｗに加わる加圧
力がフィードバック制御されるようになっている。

【００５８】信号発生器５２、５３は、微小振動の周波
数を研磨途中で段階的に下げることで研磨量を段階的に
下げることができるよう、段階的に周波数が変化する電
圧を発生させられる構成となっている。また、信号発生
器５２は、研磨部を研磨途中で研磨面から短時間のあい
だ離すために、Ｚ方向アクチュエータに印加する大きな
電圧（微小振動させる電圧より十分に大きい電圧）を時
々（間歇的に）発生させられる構成にもなっている。

【００５９】なお、微小振動はＸ、Ｙ、Ｚの３方向同時
に行う形態に限らず、Ｘ、Ｙ方向の微小振動だけ、ある
いは、Ｚ方向の微小振動だけという形態もとることがで
きる。

【００６０】このような構造の研磨装置を用いて行う、
この発明の微小研磨方法を、以下に具体的に説明する。

【００６１】被研磨材Ｗをロートセル６０の上に載せた
状態で研磨工具１を被研磨材Ｗの上に配置する。流体供
給パイプ３４から研磨部２６の先端部分に磁性研磨流体
Ｍを供給すると、磁性研磨流体Ｍは研磨部２６の先端部
分に磁気的に保持される。

【００６２】ＸＹ方向アクチュエータ２４ｘ，２４ｙに
も周期的な電圧が印加され、ＸＹ方向アクチュエータ２
４ｘ，２４ｙの各先端が当接されたブロック２２が水平
方向（図で見て左右方向）に揺動する。その結果、研磨
部２６が球対隅状の連結部２１を中心にして円弧を描く
ように揺動する。この揺動は、被研磨材Ｗの表面（研磨
面）に対して水平方向（ＸＹ方向）の微小運動となる。このＸＹ方向の微小運動と前記Ｚ方向の微小運動が磁性
研磨流体Ｍに伝達されて、磁性研磨流体Ｍが被研磨材Ｗ
の表面（研磨面）を研磨加工する。磁性研磨流体Ｍは、
研磨部２６の先端と被研磨材Ｗの間に挟まれた部分付近
のみで被研磨材Ｗを加圧して研磨作用を行うので、被研
磨材Ｗには、ほぼ研磨部２６の先端形状に相当する大き
さの加工痕が形成される。

【００６３】このような研磨作用を行わせながら、研磨
工具１全体を所定の研磨面形状に従って水平方向あるい
は３次元方向に移動させて、上記加工痕を被研磨材Ｗの
研磨面全体に広げ終えると、平面や球面あるいは自由曲
面等の所望の研磨面を自由に得ることが出来る。

【００６４】この間、被研磨材Ｗを載置したロードセル
６０では、研磨工具１の研磨部２６が磁性研磨流体Ｍを
介して被研磨材Ｗに加える加圧力が加圧荷重値として検
出されており、この加圧荷重信号がコントローラ６１を
経て駆動アンプ５１にフィードバックされている。その
ため、例えば、被研磨材Ｗに加わる加圧力が規定の値以
上になれば、駆動アンプ５１でＺ方向アクチュエータ２
０への印加電圧を下げる等して加圧力が小さくなるよう
に制御され、逆に、被研磨材Ｗに加わる加圧力が規定の
値以下になれば、駆動アンプ５１でＺ方向アクチュエー
タ２０への印加電圧を上げる等して加圧力が大きくなる
ように制御される。他方、加工痕１個の加工を行う過程
においては、加圧力が時間の経過とともに減少する傾向
があるので、ロードセル６０は、この傾向も検出して検
出結果を駆動アンプ５１にフィードバックすることによ
り、加圧力が常に一定となるようにする。また、コント
ローラ６１は、加工痕１個の加工を行う過程において、
初期は加圧力が大きく、中期は加圧力が中程度に、そし
て、終期は加圧力が小さくなるように、駆動アンプ５１
に対して制御信号を発することもできる。

【００６５】以下の条件で研磨した場合の結果を具体的
に説明する。鋼球：直径５ｍｍ、ＳＵＪ２製磁界：６．３×１０４　Ａ／ｍ（Ｈ１）、１０．３×１
０４　Ａ／ｍ（Ｈ２）：０Ａ／ｍ（Ｈ３）作動アクチュエータ：Ｚ方向磁性流体：Ｗ−４５（ＷａＴｅｒ　　Ｂａｓｅｄ）タイ
ホー工業製非磁性砥粒：ダイヤモンド砥粒　　０−１μｍ結果　１
　　研磨時間と研磨深さ（研磨率）の関係は、図９の通
りであった。但し、加圧力は４．９×１０−２Ｎ、周波
数は２０Ｈｚ、非磁性砥粒含有量は４体積％である。

【００６６】結果　２　　研磨時間と表面粗さの関係は
、図１０の通りであった。但し、加圧力は４．９×１０
−２Ｎ、周波数は２０Ｈｚ、非磁性砥粒含有量は４体積
％である。

【００６７】結果　３　　非磁性砥粒の濃度（ρ）と表
面粗さの関係は、図１１の通りであった。但し、加圧力
は５×１０−２Ｎ、周波数は２０Ｈｚ、研磨時間５分で
ある。

【００６８】結果　４　　周波数２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、
６０Ｈｚの場合の研磨深さを図１２に並べて示す。但し
、２０Ｈｚの場合の研磨時間は５分、４０Ｈｚの場合の
研磨時間は２分３０秒であり、６０Ｈｚの場合の研磨時
間は１分４０秒、加圧力は４．９×１０−２Ｎ、非磁性
砥粒含有量は４体積％である。

【００６９】結果　５　　周波数２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、
６０Ｈｚの場合の表面粗さを図１３に並べて示す。但し
、２０Ｈｚの場合の研磨時間は５分、４０Ｈｚの場合の
研磨時間は２分３０秒、６０Ｈｚの場合の研磨時間は１
分４０秒であり、加圧力は４．９×１０−２Ｎ、非磁性
砥粒含有量は４体積％である。

【００７０】結果　６　　砥粒粒径と研磨率の関係を図
１４に示す。但し、加圧力は４．９×１０−２Ｎ、周波
数は２０Ｈｚ、非磁性砥粒含有量は４体積％である。な
お、研磨率は、〔加工体積（ｍ３）〕／〔荷重（Ｎ）×
すべり距離（ｍ）〕であらわされる。

【００７１】結果　１〜　６にみるように、研磨深さ、
表面粗さとも極めて良好な結果が得られることが良く分
かる。また、図９、１０より研磨時間と研磨量がよい比
例性を示しており、図１２、１３より微小振動周波数と
研磨量がよい比例性を示していることが分かる。

【００７２】

【発明の効果】この発明は、以上のように、研磨時に非
磁性砥粒が研磨面に均一に分散するようになるため、研
磨量の正確な制御が行え、表面粗さが小さくて一定して
いる研磨面を作り出すことができる。

【００７３】微小振動の周波数を研磨途中で段階的に下
げるようにすると、単位時間当たりの研磨量の段階的な
切下げが簡単に実現できる。

【００７４】研磨部を研磨途中で研磨面から短時間のあ
いだ離すようにすると、研磨作用の低下や表面粗さの悪
化を抑えることができる。

【００７５】研磨部の先端が球面形状であると、変形形
状の加工痕が生じず、かつ、研磨部の実質的幅が大きく
なるという利点がある。

【００７６】研磨部先端の球面形状を転動自在な球体で
構成すると、研磨部の偏磨耗が起きないという利点があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる微小研磨方法の実施に用いる
研磨装置の主要部たる研磨工具の断面図である。

【図２】図１の研磨工具における研磨部まわりの構成例
をあらわす断面図である。

【図３】図１の研磨工具における研磨部まわりの他の構
成例をあらわす断面図である。

【図４】磁界未印加の場合の研磨面における磁性流体中
の非磁性砥粒の分布状態をあらわす説明図である。

【図５】磁界印加（研磨面に垂直な方向）の場合の研磨
面における磁性流体中の非磁性砥粒の分布状態をあらわ
す説明図である。

【図６】磁界未印加の場合の研磨状態をあらわす説明図
である。

【図７】磁界印加（研磨面に垂直な方向）の場合の研磨
状態をあらわす説明図である。

【図８】垂直磁界印加時の磁性流体中の非磁性砥粒の分
布をあらわす説明図である。

【図９】実施例による研磨結果における研磨時間と研磨
深さの関係をあらわすグラフである。

【図１０】実施例による研磨結果における研磨時間と表
面粗さの関係をあらわすグラフである。

【図１１】実施例による研磨結果における非磁性砥粒の
濃度（ρ）と表面粗さの関係をあらわすグラフである。

【図１２】周波数２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、６０Ｈｚの場合
の研磨深さ結果をあらわすグラフである。

【図１３】周波数２０Ｈｚ、４０Ｈｚ、６０Ｈｚの場合
の表面粗さ結果をあらわすグラフである。

【図１４】砥粒粒径と研磨率の関係をあらわすグラフで
ある。

【符合の説明】

１　　　　　　研磨工具２３　　　　研磨軸２８　　　　永久磁石（磁界印加部）２０　　　　Ｚ方向アクチュエータ２４ｘ　　Ｘ方向アクチュエータ２４ｙ　　Ｙ方向アクチュエータ２５　　　　鋼球（球体）２６　　　　研磨部Ｍ　　　　　　磁性研磨流体Ｗ　　　　　　被研磨材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　研磨工具先端に研磨部を備え、磁性流
体に非磁性砥粒を分散させた研磨材を前記研磨部と被研
磨材の間に磁界により保持するとともに研磨部と被研磨
材の間に機械的に圧力をかけた状態で、前記研磨部を電
歪素子からなるアクチュエータで研磨面と平行なＸＹ方
向および／または研磨面と垂直なＺ方向に微小変動させ
ることにより、被研磨面を研磨するようにする微小研磨
方法。
【請求項２】　　磁界が研磨面と垂直なＺ方向の向きに
かけられる請求項１記載の微小研磨方法。
【請求項３】　　微小振動の周波数を研磨途中で段階的
に下げることにより単位時間当たりの研磨量を段階的に
下げてゆくようにする請求項１または２記載の微小研磨
方法。
【請求項４】　　研磨部を研磨途中で研磨面から短時間
のあいだ離すことにより非磁性砥粒のよび込みを行うよ
うにする請求項１から３までのいずれかに記載の微小研
磨方法。
【請求項５】　　研磨部の先端が球面形状である請求項
１から４までのいずれかに記載の微小研磨方法。
【請求項６】　　研磨部先端の球面形状が転動自在な球
体で構成されている請求項５記載の微小研磨方法。
【請求項７】　　被研磨材の研磨面に対面する研磨部と
、電歪素子からなり前記研磨部を研磨面と平行なＸＹ方
向に微小運動させるＸＹ方向アクチュエータと、電歪素
子からなりその伸縮作用により前記研磨部を研磨面と垂
直なＺ方向アクチュエータとを備えるとともに、磁性流
体に非磁性砥粒を分散させた研磨材を研磨部と研磨面の
間に保持するための磁界をかける磁界印加部を備えてい
る微小研磨工具。
【請求項８】　　磁界印加部が研磨面と垂直なＺ方向の
向きの磁界をかける請求項７記載の微小研磨工具。
【請求項９】　　微小振動の周波数が研磨途中で段階的
に下がるようになっている請求項７または８記載の微小
研磨工具。
【請求項１０】　　研磨部が研磨途中で研磨面から短時
間のあいだ離れて非磁性砥粒が研磨部と研磨面の間によ
び込まれるようになっている請求項７から９までのいず
れかに記載の微小研磨工具。
【請求項１１】　　研磨部の先端が球面形状である請求
項７から１０までのいずれかに記載の微小研磨工具。
【請求項１２】　　研磨部先端の球面形状が転動自在な
球体で構成されている請求項７から１１までのいずれか
に記載の微小研磨工具。