JPH0441176A - 微小研磨方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、微小研磨方法に関し、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０．０１μｍ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。

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、０
１μｍ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。

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（１−１１８４６６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。

この磁気研磨法によれば、磁気的な保持力によって研磨
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でも、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出来な
かった。

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
回転数の変動や軸ふ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ッキが生じる
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。

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
通用することが出来ない。

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
材にも良好に通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方向と研磨面に垂直なＺ方向に微小運動させ、この
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。

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、＠房部を高速回転す
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出来る。

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る微小
運動を与えて、磁性研磨流体を被研磨材の研磨面に対し
て水平方向または垂直方向に微小運動させるようにし、
磁性研磨流体に対し、研磨面に対する水平方向の微小運
動によって研磨面に沿う微小の研磨運動を行わせ、研磨
面に対する垂直方向の微小運動によって研磨面に対する
加圧力を得させるようにしたものである。

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しさせな
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遥かに微小であるた
め、被研磨材をきめ細かく研磨加工して、表面粗さの極
めて小さな超高精度な鏡面加工を可能とする。

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加圧力は電歪素子によ
るＺ方向アクチュエータで加えるので、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ができるし、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
。非研磨材の形状も、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。

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以下の超高精度研磨加工を容易かつ
確実に実現できるのである。

なお、この新規な駆動方法による微小研磨方法および微
小研磨工具は、研磨材として磁性研磨流体を用いない方
法にも利用することが出来る。

〔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。

すなわち、この新規な駆動方式による微小研磨方法では
、加工能率を向上させること等を目的として、研磨部の
運動範囲を拡大して加工径を大きくしようとすると、加
工痕の形状が崩れ、良好な凹面状の加工痕が得られず、
加工面に凹凸が出来て平滑な仕上げ面が得られなくなる
という問題がある。

このような問題が発生するのは、つぎのような理由であ
ると考えられる。

前記微小研磨方法では、ｘｙ方向アクチュエータの周期
的に変動する作用力で、研磨部が、その支持個所を基点
して円弧状のりサージュ図形を描くような周期運動を行
い、この研磨部の運動軌跡に沿って加工痕が形成される
。第６図は、このような研磨部の運動軌跡Ｔと、被研磨
材Ｗに形成される加工痕Ｈ′の断面形状を模式的に示し
ている。研磨部の運動は、Ｘ方向およびＹ方向のアクチ
ュエータに加えられる励振周波数によって決まるので、
Ｘ方向成分Ｘ＝ＡｓｉｎωｔとＹ方向成分Ｙ−Ａｓｉｎ
（ωｔ＋９０°）とが合成された運動となり、半径Ａの
円弧を描（。加工径を大きくするには、ＸＹ方向アクチ
ュエータに加える励振周波数の振幅を大きくして、運動
軌跡Ｔの半径Ａを大きくすればよい。

ところが、このような研磨部の運動に伴って研磨加工さ
れる被研磨材Ｗは、その時点における研磨部の位置を中
心にして球面状に掘り込まれるので、加工痕Ｈ′は、半
径Ａの円周に沿って円環状の凹溝に形成される。すなわ
ち、加工痕Ｈ′の中心部分は研磨部が通過しないので、
加工痕Ｈの底面中央に加工されない部分Ｑが凸状に残っ
てしまうのである。半径Ａが小さい場合には、凸状の残
存部Ｑも小さく目立たないが、加工痕Ｈの加工径が大き
くなるほど、凸状の残存部Ｑが大きく目立つことになり
、研磨精度に悪影響を与えるようになってしまう。

そこで、この発明は、加工径を大きくしても、加工痕の
底部に凸状の残存部が残らず、滑らかな凹面状の加工痕
が形成され、平滑で良好な研磨加工面が得られる新規な
駆動方式による微小研磨法を提供することを課題とする
。

〔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
方法の主要構成は、以下のとおりである研磨工具先端の
研磨部と被研磨材の間に研磨材を保持した状態で、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力方向微小運動させ、かつ、Ｘ方向の微小運動
とＹ方向の微小運動の位相差を周期的に変化させて被研
磨材を研磨するようにする。

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。

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力方向微小運動させ、また、必要に応じて
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、軸を傾ける等の動作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出来る。

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、Ｓｎメツキ層やポリウレタン層等で
構成することが出来る。研磨部の形状は平面でも良いが
、球面にすると、研磨部の隅角が研磨面に当たることが
容易に避けられる。

研磨部をポリウレタンで構成する場合には、研磨部のＸ
Ｙ力方向微小運動の振幅がポリウレタンの気孔径よりも
大きくなるようにすると、研磨切れによる部分的研磨が
生じず、所望形状の加工痕を容易に得ることが出来る。

球面の研磨部は、研磨工具先端に転勤自在に保持された
球体で構成すると良い。この転勤により、研磨部の偏摩
耗が防止されるからである。球体は、軸受機構の球体の
ように、機械的に保持されても良く、磁力で保持されて
も良い。また、研磨材の粘性により保持されても良い。

この発明に用いる研磨材は、いわゆる磁性研磨流体に限
らず、非磁性研磨流体も用いることが出来る。

磁性研磨流体は、いわゆる磁性流体としての性質と、研
磨材としての機能を備えているものであり、通常の磁気
研磨法に用いられているものと同様のものを用いること
ができる。−船釣な磁性流体は、Ｆｅ２０ａ等からなり
粒径１０ｎｍＪ２２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
を構成する磁性粉粒が、被研磨材に対する研磨性を有し
ていれば、このような磁性粉粒からなる磁性流体をその
まま用いることもできる。磁性研磨剤粉粒の具体例とし
ては、α−Ｆｅｌ　０４　　（ベンガラ）等が挙げられ
る。また、研磨性を有さない磁性粉粒からなる磁性流体
に、磁性を有さない通常の研磨材粉粒を懸濁分散させた
ものでもよい。この場合の研磨材粉粒としては、Ａｌ２
ｏｔや５ｉｎ２等が用いられ、粒径１１００ｎ以下程度
のものが好ましく使用される。

研磨材として磁性研磨流体を用いる場合において、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磁気
的に保持するには、例えば、研磨工具先端の研磨部に近
接させるように磁気ヨークを設けて磁気回路を構成すれ
ば、その磁気的作用によって研磨部の近傍に容易に磁性
研磨流体を保持しておくことができる。

研磨部を微小運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運動の周波数が変わ
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。

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、Ｘ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
小運動させ被研磨材を研磨加工する。ＸＸ方向アクチュ
エータによる研磨部の動きは、Ｘ方向とＹ方向の運動の
位相を制御することによって、任意のりサージュ運動を
させることができる。Ｘ方向とＹ方向の運動の位相差を
周期的に変化させることにより、研磨部の運動軌跡すな
わちリサージュ図形は、一定の円弧図形でなく、円弧、
直線、楕円等の図形に連続的かつ周期的に変化する等、
より複雑なりサージュ図形を描かせることができる。上
記位相差は、Ｘ方向もしくはＹ方向の何れか一方には一
定の位相で運動させておき、他方の位相のみを変化させ
て位相差をつけてもよいし、ＸＹ両方向の位相を変化さ
せてもよい。研磨部のＸＹ力方向運動に位相差をつける
には、ＸＸ方向アクチュエータへの印加信号に位相差を
つければよい。そのためには、ＸＸ方向アクチュエータ
の駆動回路に印加信号の位相を変化させ得る可変位相信
号発生器を接続しておけばよい。

Ｘ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、Ｘ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。ま
た、このＸ方向アクチュエータの微小運動によるボンピ
ング作用で、研磨材が研磨面に順次供給されることにな
る。

ＸＸ方向アクチュエータとＸ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（ことにより、Ｘ方向
とＹ方向の場合は印加電圧の掛は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、Ｘ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ン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。

Ｘ方向アクチュエータとＸ方向アクチュエータとＸ方向
アクチュエータとは、積層型の電歪素子を用いて構成す
るのが好ましい。積層型のものを用いれば、伸縮でＸ方
向、Ｙ方向あるいはＸ方向の微小運動を行う。積層型の
電歪素子は、その両端に電圧を印加して伸縮させる。こ
のような積層型の電歪素子を用いれば、大きな変位が得
られ、かつＸＹ力方向微小運動の変位が外力の大小で変
動しない。

ＸＸ方向アクチュエータおよびＸ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。

研磨材が被研磨材に加わえる加圧力は、上述のように、
Ｘ方向アクチュエータによる加圧力で決まり、磁気的な
保持力を併用する場合はこの保持力の影響も受ける。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
２方向アクチユ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
状態で研磨加工を行えば、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
すことが出来る。

荷重検出手段で検出された加圧荷重値は、電機信号に変
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、Ｘ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、Ｘ方向アクチュエータ
による加圧力をフィードバン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、Ｘ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。

このように、Ｘ方向の加圧力を一定に保持する場合にお
いて、Ｘ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
るような現象が起きるようになる。

加圧力の設定値は、被研磨材の材質や研磨精度等の条件
にしたがって、適当に決められる。

研磨材として磁気研磨流体を用いる場合は、研磨軸は、
その磁気保持のための磁気回路の一部としての中央ヨー
クとなるので、研磨軸は磁性体で形成される。これに対
向する対向ヨークは、中央ヨークの先端の研磨部との間
に磁気ギャップとなる隙間をあけるようにして配置され
る。例えば、断面円形の中央ヨークの周囲に間隔をあけ
て円環状の対向ヨークが囲むように配置しておく。この
ようにしておけば、中央ヨークの研磨部周辺に磁気研磨
流体を良好に保持しておける。なお、棒状あるいは板状
等の対向ヨークを、中央ヨークと並べて配置しておくこ
ともできる。対向ヨークも磁気回路の一部を構成するの
で、磁性体で形成されていることは言うまでもない。対
向ヨークのうち、中央ヨークと対向する先端部が、先細
り形状になっていれば、対向ヨークの先端部分に磁界を
集中させることができて好ましい。

中央ヨークと対向ヨークを磁性発生手段で連結すること
によって、磁気回路が構成される。磁気発生手段として
は、永久磁石あるいは電磁石の何れも採用できるが、こ
の発明では、磁界の向きや大きさを変える必要がないの
で、永久磁石の方が構造が簡単で好ましい。永久磁石と
しては、ＳｍＣ０磁石等からなるものが使用できる。

〔作　　用〕

研磨部をＸ方向およびＹ方向に微小運動させる際に、Ｘ
Ｙ方向の位相差により、描かれるリサージュ図形すなわ
ち運動軌跡が決まる。したがって、従来の方法のように
、ＸＹ方向とも同じ位相で運動させると、その運動軌跡
は一定の円弧図形を描くだけなので、運動軌跡の中心に
研摩部が全く通過せず、充分な研磨作用を受けられない
部分が生じ、加工痕の中心に凸状の残存部が生じてしま
うのである。

これに対し、Ｘ方向とＹ方向の位相差を周期的に変化さ
せると、その運動軌跡は、ある時点では円弧、別の時点
では直線、さらに別の時点では楕円などと、時間ととも
に描かれるリサージュ図形が変化することになる。すな
わち、研磨部は運動範囲の全面を余すことなく確実に通
過するように運動するのである。その結果、被研磨材は
、研磨部の運動範囲全体にわたって均一かつ良好な研磨
作用を受け、得られる加工痕は、凸状の残存部は全くな
く、全面が平滑な凹面状を示すことになる〔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。

第１図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。

工具本体部１０の下面中心には図で見て鉛直方向たる２
方向のアクチュエータ２０が設けられ、その下端部から
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
の連結作用とは、ブロック２２をＸ方向アクチュエータ
２０に対して、Ｘ方向に対して垂直のＸＹＸ方向図で見
て垂直方向）に微小運動を自在とさせなからＸ方向アク
チュエータ２０のＸ方向の微小運動を確実にブロック２
２に伝える連結作用を言う。

Ｘ方向アクチュエータ２０は、連結部２１のすぐ上の部
分で、ＸＹＸ方向運動規制手段である規制金具８０を介
して工具本体部１０の構造部分に連結されている。第２
図は、規制金具８０の詳しい構造を示している。規制金
具８０は、Ｘ方向アクチュエータ２０と連結部２１の間
に挟まれて取り付けられる中央部８３と、この中央部８
３からＸＹＸ方向延びる棒状の規制支持部８１．８２と
からなり、規制支持部８１．８２の先端が工具本体部１
０に固定されている。規制支持部８１．８２には、長さ
方向の途中に、くびれ部８４が形成されていて、くびれ
部８４で規制支持部８１，８２が屈曲変形できるように
なっている。したがって、Ｘ方向アクチュエータ２０は
、規制支持部８１．８２の軸方向すなわちＸＹＸ方向は
移動できなくなっているが、規制支持部８１．８２のく
びれ部８４の屈曲方向すなわちＸ方向には伸縮移動でき
るのである。

つぎに、ブロック２２の下端には研磨軸たる中央ヨーク
２３が一体的に連結されて垂下している。第２図では、
ブロック２２と中央ヨーク２３がねし連結されている。

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（
第１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、Ｘ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２４ｙは、いずれも、多数の薄型エピゾ
素子を積層してなり電圧を印加することによってＸ方向
（中央ヨーク２３の軸方向）、Ｘ方向、Ｙ方向に伸縮し
、Ｘ方向の微小運動で研磨材を被研磨材に押しつけ、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
材の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。

ＸＹｚ方向アクチュエータの諸元としては、下記第１表
のようなものが使用できる。

第　　１　　表 中央ヨーク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。こ
の研磨部２６は、Ｓｎメツキ層等からなっていても良い
が、ポリウレタン層からなっているときには、このポリ
ウレタン層に含浸保持された磁性研磨流体Ｍが被研磨材
Ｗの研磨面を研磨するのである。

この実施例では、第３図に詳しく示すように、研磨部２
６は、中央ヨーク２３の先端に転勤自在に保持された球
体２５からなり、表面がＳｎメツキ層で表面仕上げされ
ている。この球体２５は、この実施例では、磁性研磨流
体Ｍの粘性で中央ヨーク２３の先端に保持されて保持さ
れている。しかし、このような球体は、中央ヨーク２３
の先端内部に嵌合されて機械的に保持されても良く、ま
た、磁気力によって保持されても良い。

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５
１に電気的接続されている。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、３５０Ｖ、１００
ｍＡ、３０ｋＨｚである。駆動アンプ５１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２
０，２４ｘ、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。

工具本体１０の下面には、非磁性体からなる筒状体３０
が取りつけられている。筒状体３０の中間部（第１図の
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、リング状の磁
性体からなる接続体３２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、中央ヨーク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３３の外周端には流体供給パイ
プ３４が接続されている。この流体供給パイプ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３
３から中央ヨーク２３の先端外周付近に滴下し供給され
る。接続体３２の下端にはリング状のＳ　ｍ　−Ｃｏ磁
石からなる永久磁石４０が取り付けられている。永久磁
石４０の磁力の強さは、例えば５にガウス程度である。

永久磁石４０の下端には磁性体からなる対向ヨーク３５
が取り付けられている。対向ヨーク３５は、下端に向け
て円錐状に狭まっており、先端内周部分が先細り状に尖
っていて、この先端内周部分が、中央ヨーク２３の先端
との間に一定の隙間をあけて対向配置されている。その
結果、永久磁石４０から接続体３２、中央ヨーク２３を
経て対向ヨーク３５から永久磁石４０へと戻る磁気回路
が構成されるとともに、中央ヨーク２３と対向ヨーク３
５の間にはドーナッツ状の磁気ギャップが構成されるこ
とになる。

中央ヨーク２３および対向ヨーク３５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下ハック制御されるようにな
っている。

駆動アンプ５１にはまた、Ｚ方向アクチュエータ２０の
加圧力に振動を付与するために、ＦＣゼネレータ７０か
ら振動付与信号が入力されるようになっている。

このような構造の研磨装置を用いて行なう、この発明の
磁気微小研磨方法を以下に具体的に説明する。

被研磨材Ｗをロードセル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
から中央ヨーク２３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は中央ヨーク２３と対向ヨーク
３５の間の磁気ギャップ付近に磁気的に保持される。こ
の状態では、第３図に模式的に示すように、磁性研磨流
体Ｍが中央ヨーク２３の先端下面部分まで覆って保持さ
れることになるので、磁気的な作用で磁性研磨流体Ｍが
被研磨材Ｗの表面に押し付けられた状態になる。

つぎに、Ｚ方向アクチュエータ２０に周期的な電圧を印
加すると、Ｚ方向アクチュエータ２０が被研磨材Ｗの研
磨面に垂直方向（第１図で見て上下方向）に微小の伸縮
運動を起こす。それに伴って、中央ヨーク２３の先端た
る研摩部２６が第３図で見て上下方向（直線矢印方向）
に微小運動を行い、磁性研磨流体Ｍを被研磨材Ｗの表面
（研磨面）に押しつけ加圧する。また、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２４ｘ、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２
１を中心にして第３図に円孤形矢印で示すように大きく
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力方向の微小運動となる。このＸ
Ｙ力方向微小運動と前記Ｘ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、中央ヨ
ーク２３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、はぼ中央ヨーク２３の研磨部２６の運動範囲
に相当する形状および大きさの加工痕Ｈが形成される。

このとき、Ｘ方向アクチュエータ２０に球対偶状の連結
部２１を介してＸＹ方向アクチュエータ２４ｘ、２４ｙ
を連結しているので、ＸＹ方向アクチュエータ２４ｘ、
２４ｙの運動が自由に行えると同時に、Ｘ方向アクチュ
エータ２０の加圧力が研磨部２６に確実に伝達される。

また、規制金具８０でＸ方向アクチュエータ２０のＸＹ
力方向の移動を規制しているので、ＸＹ方向アクチュエ
ータ２４ｘ、２４ｙの運動支点となる連結部２１または
Ｘ方向アクチュエータ２０が、ＸＹ方向アクチュエータ
２４ｘ、２４ｙの運動につられて移動してしまうことが
ない。その結果、研磨部２６に所定の運動を正確を行わ
せることができ、研磨精度が向上する。

そして、上記のような研磨加工の際に、ＸＹ力方向微小
運動の位相差を周期的に変化させる。研磨部２６の平面
内における運動を、ＸＹ座標成分に分けると、下式で表
すことができる。

Ｘ　＝　Ａ　ｓｉｎωｔ　　　　　　−（１）Ｙ＝Ａ　
ｓｉｎ　（（１）　ｔ＋δ）−（２）ここで、Ａは振幅
、ωは周波数、ｔは時間を示し、δが位相の変化分を示
しており、このδの値を周期的に増減させることによっ
て、Ｘ方向とＹ方向の位相差が周期的に変化する。すな
わち、この場合は、Ｘ方向には一定の周波数で振動させ
ながら、Ｙ方向の位相を増減させて、位相差を変化させ
る。

第４図は、前記δの値によって変化する研磨部２６の運
動軌跡Ｔ−１−模式的に示している。例えば、δ−０°
では、ＸＹ座標の原点を通過する直線的な軌跡を描き、
０°くδ〈９０°では、楕円状の軌跡を描き、δ＝９０
°では、円弧状の軌跡を描く。δが９０°を超えれば、
直線や楕円の傾きが逆になる。すなわち、δがＯｏから
徐々に増加して３６０°すなわち元の状態に戻る１号イ
クルの間に、研磨部２６の運動軌跡Ｔは、振幅Ａを半径
とする円形範囲内をくまなく通過することになる。その
結果、第５図に示すように、被研磨材Ｗの加工痕Ｈは、
中心を含む半径Ａの底面全体が均一に掘り込まれること
になる。

なお、研磨部２６の運動は、上記したように、直線、楕
円、円弧へと連続的に変化させる方法のほか、Ｘ方向と
Ｙ方向の運動の位相差を周期的に変化させて、一定の運
動範囲内をくまなく通過させることができれば、前記以
外の任意のりサージュ運動を行わせてもよい。

このような研磨作用を行わせながら、研摩工具１全体を
所定の研磨面形状に従って水平方向あるいは三次元方向
に移動させて、上記加工痕１１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。

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Ｘ方向アクチュエータ２０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Ｘ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、Ｚ方向用の信号発生
器５２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。その間、ＦＧゼネレータ７０は、
駆動アンプ５１に対してＺ方向アクチュエータ２０の加
圧力に振動を付与するための振動付与信号を発し続ける
。

〔発明の効果〕

この発明は、以上のように、研磨部を微小運動させる際
に、ｘｙ方向の位相差を周期的に変化させることにより
、加工径を大きくしても、加工痕の全面が均一に掘り込
まれるので、加工痕の中心に凸状の残存部が残らず、滑
らかな凹面状の加工痕が形成される。したがって、加工
径を大きくして研磨加工の能率を高めることができると
同時に、研磨精度もより高まることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図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の断面図、第２図はアク
チュエータ部分の分解斜視図、第３図はこの発明の研磨
作用の説明図、第４図は研磨部の運動軌跡を示す説明図
、第５図は形成された加工痕の模式的断面図、第６図は
従来方法による加工痕の断面形状および研磨部の運動軌
跡を示す説明図である。 ■・・・研磨工具　２４ｘ・・・Ｘ方向アクチュエータ
２４ｙ・・・Ｙ方向アクチュエータ　２６・・・研磨部
５３・・・可変位相２出力信号発生器　Ｈ・・・加工痕
Ｍ・・・磁性研磨流体　Ｔ・・・運動軌跡　Ｗ・・・被
研磨材 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第１図 第４図 第５ 図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　研磨工具先端の研磨部と被研磨材の間に研磨材を保
   持した状態で、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方向に微小運動させ、かつ
   、Ｘ方向の微小運動とＹ方向の微小運動の位相差を周期
   的に変化させて被研磨材を研磨する微小研磨方法。