JP2805982B2

JP2805982B2 - 微小研磨方法および微小研磨工具

Info

Publication number: JP2805982B2
Application number: JP2144725A
Authority: JP
Inventors: 信一水口; 修治上田; 康司加藤; 徳次梅原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1990-06-01
Publication date: 1998-09-30
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: JPH0441177A

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。

〔従来の方法〕

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0.01
μｍ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60−118466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。

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
量の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。

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、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やムラ等が生じな
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、この新規に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、良好な球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
として円弧状のリサージュ図形を描くような周期運動を
行い、この研磨部の運動に伴って球面状の加工痕が形成
される。研磨部はXY方向への運動だけでなくＺ方向への
運動も行えるようにＺ方向アクチュエータに支持されて
いる。ところが、このＺ方向アクチュエータは電歪素子
からなり、構造材料のような剛体ではないので、研磨部
のXY方向の動きが大きくなると、XY方向アクチュエータ
の作用力で、研磨部の運動基点となる支持個所すなわち
Ｚ方向アクチュエータもXY方向に動いてしまい、その結
果、研磨部の運動軌跡が乱れて、前記した円弧状のリサ
ージュ図形等の正確な形状を描かなくなってしまうので
ある。

そこで、この発明は、加工径を大きくしても、研磨部
が運動軌跡が乱れないようにして、加工痕が崩れず、平
滑で良好な加工面が得られる新規な駆動方式による微小
研磨法および微小研磨工具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
磨方法および微小研磨工具の主要構成は、以下のとおり
である。

まず、この発明にかかる微小研磨方法は、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方向および／または研磨面と垂直なＺ方向に
微小運動させ、かつ、前記Ｚ方向アクチュエータにXY方
向の微小運動が可能な連結部を介して研磨部を支持し、
この連結部と研磨部の間にXY方向アクチュエータを作用
させるとともにＺ方向アクチュエータのXY方向の運動を
規制しておくようにして、被研磨材を研磨するようにす
る。

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、積層型の電歪素子からな
りその伸縮作用により前記研磨部を研磨面と平行なＸ方
向に微小運動させるＸ方向アクチュエータと、積層型の
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
面と平行で前記Ｘ方向に垂直なＹ方向に微小運動させる
Ｙ方向アクチュエータと、積層型の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方向に
微小運動させるＺ方向アクチュエータとを備え、Ｚ方向
アクチュエータにXY方向の微小運動が可能な球対偶状の
連結部を介して研磨部が支持され、この連結部と研磨部
の間にXY方向アクチュエータの作用点が設けられ、Ｚ方
向アクチュエータにXY方向の運動規制手段が設けられて
いる。

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、研磨面に水平に方
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メッ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XY方向の微小運動が振幅がポリウレ
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、研磨工具先端に転動自在に保持され
た球体で構成すると良い。この転動により、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、研磨性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。一般的な磁性流体は、Fe₃O₄等からなり粒
径10nm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−
Fe₃O₄（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、Al₂O₃やSiO₂等が用いられ、
粒径100nm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、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材を研磨加工する。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方向への
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。

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。
また、このＺ方向アクチュエータの微小運動によるポン
ピング作用で、研磨材が研磨面に順次供給されることに
なる。

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。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。

Ｘ方向アクチュエータとＹ方向アクチュエータとＺ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Ｚ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方向の微小運動の変位が外力の大小で変
動しない。

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運動を加えるよう
にする等して、研磨部を駆動する。

この発明では、Ｚ方向アクチュエータにXY方向の微小
運動が可能な連結部を介して研磨部を支持し、この連結
部と研磨部の間にXY方向アクチュエータを作用させる。
XY方向の微小運動が可能な連結部としては、通常の機械
装置における各種連結機構が利用できる。例えば、球対
偶状の連結部であれば、XY方向の微小運動が自由で、し
かも、研磨部を確実に支持できる。球対偶状の連結部か
らXY方向アクチュエータの作用点までの距離と、球対偶
状の連結部から研磨部までの距離との比に対応して、XY
方向アクチュエータの伸縮量が拡大されて研磨部の運動
量となる。したがって、この場合には、XY方向アクチュ
エータから研磨部までの距離を長く設定しておけば、XY
方向アクチュエータの伸縮量は同じでも、研磨部の運動
範囲を拡大させることができる。

また、この発明では、Ｚ方向アクチュエータは、Ｚ方
向への伸縮は自由に行えるようにしておくが、XY方向へ
の運動は規制しておく。運動規制手段としては、上記の
ような機能があれば、通常の機械装置における各種の運
動規制機構が利用できる。例えば、Ｚ方向アクチュエー
タの前記連結部に近い個所に、剛性の高い工具本体の構
造部分側に支持された規制金具の一端を当ててXY方向に
動けないようにするとともに、この規制金具をＺ方向に
屈曲自在にしておけば、Ｚ方向アクチュエータの伸縮は
自由に行われる。

研磨材が被研磨材に加わえる加圧力は、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機回路で処理されて、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。

このように、Ｚ方向の加圧力を一定に保持する場合に
おいて、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。

研磨材として磁性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性
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、Sm−Co磁石等からなるものが使用できる。

〔作用〕

Ｚ方向アクチュエータにXY方向の微小運動が可能な連
結部を介して研磨部を支持し、この連結部と研磨部の間
にXY方向アクチュエータを作用させれば、XY方向アクチ
ュエータによる研磨部のXY方向への微小運動がスムーズ
に行えると同時に、Ｚ方向アクチュエータの加圧力を確
実に研磨部に伝えることができる。

しかし、この方法では、加工径を大きくしようとし
て、研磨部の運動範囲を拡大すると、研磨部がXY方向に
微小運動する際の基点となる連結部およびＺ方向アクチ
ュエータが、研磨部の動きにつられてXY方向に移動して
しまう。XY方向の微小運動の基点が動けば、この基点を
基準にして描かれる研磨部の運動軌跡も乱れてしまう。
すなわち、XY方向アクチュエータの周期的な伸縮振動
に、前記基点の移動による高次の振動成分が付加された
状態で研磨部が振動するのである。

そこで、Ｚ方向アクチュエータのXY方向の運動を規制
しておくと、Ｚ方向アクチュエータおよび連結部は、XY
方向に移動しなくなり、研磨部は、予め設定された正確
な運動軌跡を描くことになる。すなわち、Ｚ方向アクチ
ュエータおよび連結部のXY方向に対する剛性が高まるこ
とによって、前記した高次の振動成分が発生しなくな
り、研磨部はXY方向アクチュエータの周期的な伸縮によ
る本来の振動のみを行うのである。その結果、研磨部の
運動軌跡によって決定される加工痕の形状は正確にな
り、かつ、平滑な加工面が得られる。

〔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Ｚ
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。ここで、球対隅状の連
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。

Ｚ方向アクチュエータ20は、連結部21のすぐ上の部分
で、XY方向の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、Ｚ
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83からXY方向に延びる
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10に固定されている。規制支持部81,8
2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、Ｚ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XY方向には移動
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Ｚ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がねじ連結されている。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図の内
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24y
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（中央ヨーク23の軸方
向）,X方向,Y方向に伸縮し、Ｚ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。

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メッ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
26は、中央ヨーク23の先端に転動自在に保持された球体
25からなり、表面がSnメッ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51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、100mA、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。

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33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Sm
−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5k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35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
圧力がフィードバ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、FG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うなう、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。これに伴って、中央ヨーク23の先端たる研
磨部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が球体隅状の連結部21を中心にして第３図に円弧形
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、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、ほぼ中央ヨーク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三次元方
向に移動させて、上記加工痕Ｈ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Ｚ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、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。

第４図は、上記した実施例の方法と、Ｚ方向アクチュ
エータ20に規制金具80を取り付けない比較例の方法で、
研磨部26の運動範囲を拡大して加工径を大きくした場合
の加工状態を示しており、第４図（ｂ）に示す比較法に
より加工痕Ｈ′は、球面状にならず、凹凸が生じて形が
崩れているのに対し、第４図（ａ）に示す実施例の加工
痕Ｈは、平滑で良好な球面状をなしている。

〔発明の効果〕

この発明は、以上のように、Ｚ方向アクチュエータに
XY方向の微小運動が可能な連結部を介して研磨部を支持
し、この連結部と研磨部の間にXY方向アクチュエータを
作用させることにより、研磨部のXY方向の微小運動を妨
げずにＺ方向のアクチュエータの加圧力を確実に研磨部
に伝えることができるようになり、研磨部のＺ方向およ
びXY方向の微小運動による研磨作用を良好に発揮させる
ことが可能になる。しかも、Ｚ方向アクチュエータのXY
方向の運動を規制しておくことにより、研磨部のXY方向
の微小運動の基点が動かず、正確な運動軌跡を描くよう
になるので、研磨部の運動軌跡にしたがって形成される
加工痕の形状が正確で平滑な仕上がりが得られる。特
に、研磨部の運動範囲を拡大して、大きな加工痕を形成
させても、加工痕の形状が崩れず平滑に仕上げられるの
で、研磨加工の能率向上に大きく貢献できることにな
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（ａ）（ｂ）は加工痕の断面図を
表し第４図（ａ）はこの発明の実施例の場合、第４図
（ｂ）は比較例の場合である。１……研磨工具、20……Ｚ方向アクチュエータ、21……
球対隅状の連結部、23……中央ヨーク、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、35……対向ヨーク、80……規制金具、Ｍ……
磁性研磨流体、Ｗ……被研磨材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−65968（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B24B 37/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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方向および／または
研磨面と垂直なＺ方向に微小運動させ、かつ、前記Ｚ方
向アクチュエータにXY方向の微小運動が可能な連結部を
介して研磨部を支持し、この連結部と研磨部の間にXY方
向アクチュエータを作用させるとともにＺ方向アクチュ
エータのXY方向の運動を規制しておくようにして、被研
磨材を研磨するようにする微小研磨方法。
【請求項２】被研磨材の研磨面に対面する研磨部と、積
層型の電歪素子からなりその伸縮作用により前記研磨部
を研磨面と平行なＸ方向に微小運動させるＸ方向アクチ
ュエータと、積層型の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平行で前記Ｘ方向に垂直なＹ
方向に微小運動させるＹ方向アクチュエータと、積層型
の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方向に微小運動させるＺ方向アクチュエ
ータとを備え、Ｚ方向アクチュエータにXY方向の微小運
動が可能な球対偶状の連結部を介して研磨部が支持さ
れ、この連結部と研磨部の間にXY方向アクチュエータの
作用点が設けられ、Ｚ方向アクチュエータにXY方向の運
動規制手段が設けられている微小研磨工具。