(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）軟磁性材料から形成され、組み合わされて磁気体を規定し、対向する端部の間に第１のギャップおよび第２のギャップが形成され、前記磁気体内に円筒状の空洞を形成する、第１および第２の極片と、
ｂ）前記円筒状の空洞内において回転可能に配置され、円筒軸に対して垂直方向に磁気化された円筒状の永久磁石と、
を備えることを特徴とする、磁場の強度を制御可能に変動する、永久磁石システム。
【請求項２】
前記軟磁性材料は鉄であることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
【請求項３】
前記円筒状の永久磁石は、希土類元素を含む材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
【請求項４】
前記永久磁石は、サマリウム、コバルト、ネオジム、鉄、ホウ素およびセラミックからなる群から選択される材料を含むことを特徴とする、請求項３に記載の永久磁石システム。
【請求項５】
前記極片の前記対向する端部の間の前記第２のギャップの幅は、短くとも前記第１のギャップの幅と等しいことを特徴とする、請求項１に記載の永久磁石システム。
【請求項６】
ａ）担体ホイールと、
ｂ）前記担体ホイールを作動させる回転手段と、
ｃ）前記担体ホイールに近接して配置され、軟磁性材料から形成され、組み合わされて磁気体を規定し、対向する端部の間に第１のギャップおよび第２のギャップが形成され、前記磁気体内に円筒状の空洞を形成する、第１および第２の極片と、
ｄ）前記円筒状の空洞内において回転可能に配置され、円筒軸に対して垂直方向に磁気化された円筒状の永久磁石と、
を備えることを特徴とする、基板の磁気流動学的研磨システム。
【請求項７】
前記第１および第２の極片内における磁束の方向および密度を変化させることにより、前記第１のギャップおよび前記第２のギャップの内部における磁場強度を変化させ、
前記軸において前記円筒状の永久磁石を選択的に回転できるよう、前記円筒状の永久磁石と操作的に結合されるアクチュエータ手段をさらに備えることを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
ａ）前記第１のギャップおよび前記第２のギャップにおける、前記円筒状の永久磁石の角度位置を決定する第１の感知手段と、
ｂ）前記アクチュエータ手段と結合しており、前記第１の感知手段からのシグナルに反応する制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１のギャップおよび前記第２のギャップの少なくとも一つの内部の磁場強度を決定するため、前記制御手段と結合している第２の感知手段をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スラリーを利用した基板研磨仕上げシステムに関する。詳しくは、磁気流体と、ホイール上の作業領域において流体を磁気的に硬化させるために球状の担体ホイールに近接する磁石とを用いる研磨システムに関する。さらに詳しくは、担体ホイールの中に、硬化用磁石が配置されたシステムに関する。とりわけ詳しくは、硬化用磁石が磁場を変動できるように永久磁石を組み立てた磁石から構成される、改良されたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
基板の研磨仕上げおよび研削に使用される、磁性硬化特性を有する磁性流体（ＭＲＦ）がよく知られている。液状担体中に分散した磁気的に軟らかい研磨粒子を含む流体は、磁場の中では磁気的に誘導された可塑性挙動を示す。ＭＲＦは見かけの粘度の振り幅が広く、粘度を磁気的に増加させることができる。その結果、ＭＲＦの粘稠度は水のような状態から非常に硬いペースト状へと変化する。そのようなペーストが、成型または研磨される基板表面、例えば、光学素子に対して適切に向けられた場合、高レベルの研磨のクオリティー、正確さおよびコントロールが達成できる。
【０００３】
確定的な基板の磁気流動学的研磨の方法、流体および装置については、Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉらの特許文献１に記載されている。この特許は、ここでは’３６９と示す。
【０００４】
’３６９において公開されているような典型的な磁気流動学的研磨システムでは、作業領域は、垂直に配置された非磁性ホイールを備える。非磁性ホイールは、ハブが対称に切り取られ、軸方向に伸びるリムを有する。ホイールの表面上に、好ましくは上死点辺りの位置に磁気の作業領域が形成されるように、切り取られたリムの下に、特別に形成された極片がホイールの対向する側面へ拡がる。ホイールの表面は球体の赤道部分であることが好ましい。
【０００５】
仕上げ研磨する基板を作業領域に届かせるため、回転可能なチャック装置のような基板のレシーバーが、作業領域の上方に配置される。このようなチャック装置は、複数の動作モードにおいて、プログラム可能に操作できる。チャック装置は、好ましくは、プログラム可能なコントローラまたはコンピュータによって制御される。
【０００６】
回転するホイールの作業表面上に、リボンのように、成型ノズルから非磁性状態のＭＲＦが押し出され成型される。回転するホイールは、流体を作業領域に運ぶ。作業領域において、流体は磁化されペースト状の粘度となる。作業領域において、ペースト状のＭＲＦは、磁気流動学的研磨として知られている研磨作業を基板に対して行う。作業領域を過ぎると、ホイール上の流体は再度非磁性となり、再循環および再使用するためにホイールの作業表面からスクレーパーにより取りさられる。
【０００７】
ホイールへの流体の放出およびホイールからの液体の回収は、’３６９において開示されているような、閉鎖型流体放出システムによって行われる。ＭＲＦは吸引ポンプによってスクレーパーから回収され、温度が測定され調整されたタンクへ送られる。特定の流量でのタンクからノズルへの再循環（それゆえに再循環は作業領域を経由する）は、例えば、加圧式ポンプ、典型的にはぜん動式または遠心ポンプの回転のスピードを設定することにより実現される。ぜん動式ポンプは、拍動性の流れを示すため、ポンプの下流に拍動性ダンペナーのようなものが使用される。
【０００８】
作業領域に供給されるＭＲＦの流量は高度に制御される。流体再循環システムにはインライン流量計が設けられ、インライン流量計はコントローラを経てポンプを制御できるように接続される。
【０００９】
毛管粘度計が、ホイールへの流体放出システムの出口においてホイール表面上に設置される。流量計および粘度計からの出力シグナルは、コンピュータのアルゴリズムへ入力される。コンピュータは、ホイールへ送り出されるべきＭＲＦの見かけの粘度を算出し、目的とする見かけの粘度を調整するため、粘度計の手前の混合チャンバー内における再循環ＭＲＦへの担体流体の補給率（使用の際に蒸発によって失われた担体流体）の制御を行う。
【００１０】
Ｊａｃｏｂｓらの特許文献２（‘０６６）には、非磁性ドラム内で非磁性の台上に固定して設置され、軟鉄製のＮ極とＳ極のリング状極片を有する永久磁石リングを備えた磁気流動学的研磨システムが開示されている。なお、非磁性ドラムは、その外側の表面上に担体表面を備える。
【００１１】
‘０６６システムの重大な欠点は、担体ホイール表面が円柱状であるため、凹表面を研磨することが不可能な点である。
【００１２】
さらなる欠点は、永久磁石では磁場の値がたった一つであるため、磁場強度を変えることによる除去率の制御が不可能な点である。
【００１３】
また、さらなる欠点は、永久磁石の磁場は、流体変更のための装置の洗浄および維持を困難にする点である。
【００１４】
Ｋｏｒｄｏｎｓｋｉらの特許文献３（‘１０２）は、上述の‘０６６システムを改良しており、水平軸を有し、垂直に配置された担体ホイールを備える磁気流動学的研磨システムを開示しており、ここに参照として取り込まれる。担体表面が球面であるように、担体ホイールは、球体の赤道部分であることが好ましい。ホイールは一般的にくぼみが付けられた形状であり、回転駆動手段に接続された円板を備え、円板は、円板から側方に拡がる球状表面を支持する。平らなＮ極の極片とＳ極の極片を有する電磁石が、ホイール内、球体の外被内、好ましくはホイールを構成する球状部分の外被内に設置される。磁石が、ホイールの中心角１２０度を覆って拡がる場合、作業領域の前後の十分な領域において、ＭＲＦはある程度硬化した状態を維持する。磁気スクレーパーは、硬化が緩和された時に、ホイールからＭＲＦを取りさり、ホイール上での調整および再成型のためにＭＲＦを一般的な流体放出システムに戻す。ホイール内における磁石の配置は、担体表面の各側部上に妨げのない空間を作り出し、その結果、大きな凹面の基板（この基板は仕上げ研磨作業の際にホイール表面の端部を越えて広がっていなければならない）も研磨作業に適用できる。磁石の角度の広がりによって、その広げられた中心角を覆うホイール上にＭＲＦが保持されるので、ホイールの下死点またはそれに近い位置の作業領域にＭＲＦを配置し、仕上げ研磨が可能となる。
【００１５】
‘１０２システムの利点は、永久磁石を使用せずに電磁石を使用しており、もう一つの制御パラメーター、すなわち磁場強度を、電磁石に供給される電流のアンペア数を変えることにより、変えることができる点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第５９５１３６９号明細書
【特許文献２】米国特許第５６１６０６６号明細書
【特許文献３】米国特許第６５０６１０２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
‘１０２システムの欠点は、増大した電磁石の大きさが（永久磁石と同等の強さと比較して）、球状ホイールの大きさの最小値を制限し、従って、仕上げ研磨される凹面基板の曲率半径の最小値を制限することにある。
【００１８】
このような技術においては、より小さい半径の球状の仕上げ研磨ホイールを有するＭＲＦシステムが必要とされる。
【００１９】
本発明の主とする目的は、従来技術のＭＲＦシステムよりも、より小さい半径の凹面を仕上げ研磨することである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、磁気システムの大きさにより仕上げ研磨する部分の凹面の半径が制限されない、凹面基板を磁気流動学的研磨するシステムを提供することである。
【００２１】
また、さらなる本発明の目的は、任意の磁場強度で仕上げ研磨を実行できる、永久磁石を用いた基板の磁気流動学的研磨システムを提供することである。
【００２２】
また、さらなる本発明の目的は、磁気流動学的研磨において、メンテナンス費用および電力消費を削減することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
簡潔に述べると、本発明による基板の磁気流動学的研磨の改良されたシステムは、垂直に配置され、くぼみが付けられ、水平軸を有する球状の担体ホイールを備える。ホイールは、回転駆動手段に接続された円板を備えており、円板は円板から側方に拡がる球状の表面を支持する。ホイールの内部には、Ｎ極の極片とＳ極の極片を有する変動磁場永久磁石システムが設置される。好ましくは、変動磁場永久磁石システムは、ホイールによって定められた球状部分の外被の中に設置される。極片は、ホイールの中心角約１２０度を覆って拡がる。磁気スクレーパーは、ホイールからＭＲＦを取りさる。永久磁石の組み立て品の大きさは比較的小さいので、小さい半径のホイールが使用でき、担体表面の各側部上に妨げのない空間が生じる。これにより、急な曲がりの凹面の基板（この基板は仕上げ研磨作業の際にホイールの端部を越えて広がっていなければならない）でも、仕上げ研磨に適用できる。極片の角度の広がりによって、その広げられたホイールの中心角を覆うホイール上に、ＭＲＦが保持される。
【００２４】
変動磁場永久磁石システムの動作の特徴は、第１および第２の非磁性のギャップを持つ磁気回路における永久磁石によって生じる磁束の再分配にある。変動磁場磁石システムは、鉄のような軟磁性材料から構成される二つの極片を含み、二つの極片は中央を円筒状の空洞が貫らぬく磁気体を規定する。二つの鉄の極片は、ブラス、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁性材料によって、第１および第２のギャップにおいて接合される。例えば、サマリウム−コバルト、ネジウム−鉄−ホウ素またはセラミック等で構成され、円筒軸に対し垂直に磁気化された円筒状の永久磁石が、空洞の中に挿入される。アクチュエータが、円筒状の永久磁石が縦軸について任意の角度に回転できるように、取り付けられる。円筒状の永久磁石の回転動作によって、鉄の極片を通る磁気回路における磁束の分布が変化する。したがって、所望する磁場強度を与える角度に円筒状の永久磁石を回転させ、円筒状の永久磁石の回転位置を決めることにより、ギャップにおける磁場強度をコントロールできる。第１のギャップおよび第２のギャップにおける磁場は、極片上も有効に通過するので、第１のギャップにおける漏れ磁場はホイールの外へ拡がり、ホイールの表面上のＭＲ流体層を通過する。したがって、仕上げ研磨の制御において所望するようにＭＲ流体の硬度を変えることができる。なお、第１のギャップから１８０度離れている第２のギャップの大きさおよび形状は、第１のギャップにおける磁場強度に影響を与える。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明について、添付の図面の例を参照しながら説明する。
【図１】本発明による変動磁場永久磁石システムについて、コンピュータ化された磁気モデルによって描いた断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が垂直に向いた場合の第１および第２のギャップにおけるゼロ磁場を示す。
【図２】図１に示したような断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が水平に向いた場合のギャップにおける最大磁場を示す。
【図３】図１および図２に示したような断面立面図であり、円筒状の永久磁石における磁場が４５度に向いた場合のギャップにおける中程度の強度の磁場を示す。
【図４】ホイール上の角度位置の関数として、種々の円筒状の磁石の向きにおける第１のギャップでのホイール上方の磁束密度を示すグラフである。
【図５】本発明によるＭＲＦ装置の等角図である。
【図６】図５の平面６−６に沿った断面図である。
【図７】図５の平面７−７に沿った断面図である。    一致する参照符号は、全図面を通して一致する部分を示す。ここにおいて提示される例は、一つの構造における本発明の一つの好ましい実施の形態を描いたものであり、この例は、任意の形態に係る本発明の範囲を限定して解釈するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１を参照すると、本発明による変動磁場永久磁石システム１０は、好ましくは鉄である、軟磁性材料から構成された二つの極片１２と極片１４を含んでおり、二つの極片１２、極片１４は、中央を円筒状の空洞１６に貫かれた磁気体１５を規定する。本体の半分となる極片１２と極片１４は、ブラス、アルミニウムまたはプラスチックのような非磁性材料によって接合され、極片１２と極片１４との間の第１の磁気ギャップ１８と第２の磁気ギャップ１９とを規定する。円筒軸２２に対して垂直に磁気化させた円筒状の永久磁石２０が、空洞１６の中に挿入され、軸２２において磁石２０が回転できるよう、アクチュエータ１１８（図５〜７に示す）が取り付けられる。そのような磁石としては、例えばＤｅｘｔｅｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（Ｅｌｋ  Ｇｒｏｖｅ  Ｖｉｌｌａｇｅ、イリノイ州、ＵＳＡ）の磁石が利用できる。円筒状の永久磁石２０の回転動作によって、磁気回路における磁束２４の分布が変化する。図１に示すように、永久磁石の磁場２６が垂直を向いている場合には、磁束２４は、対向する磁気分路として機能する二つの半体１２、１４に、均等に分配される。この場合、ギャップ１８、１９において、正味の磁場は存在しない（“オフ”ポジション）。
【００２７】
図２を参照すると、図１において示した位置から９０度の位置へ空洞１６内の磁石２０を回転させることによって、永久磁石２０の磁場２６は水平方向に向き、磁束２４は、極片１２と極片１４との間のギャップ１８、１９を横切る。磁石２０のこのような位置は、ギャップ１８、１９における最大の磁場強度を生み出す（“マックス”ポジション）。
【００２８】
図３を参照すると、永久磁石２０の代表的な中間の回転位置（磁場の角度＝４５度）は、磁場２６が向いた角度に依存した中程度の強さの磁場３０、３１をもたらす。このように、円筒状の永久磁石２０を所望の磁場強度を与える角度に回転させ、円筒状の永久磁石２０の回転位置を決めることにより、ギャップ１８、１９における磁場３０、３１の強度をコントロールできる。
【００２９】
磁場３０は、極片１２と極片１４の上方を有効に通過するので（漏れ磁場３２）、変動磁場３０は担体ホイール（図５〜７以外では示していない）上のＭＲ流体層１１２を通って拡がる。したがって、仕上げ研磨率を制御するために、ＭＲ流体の硬度を制御して変えることができる。
【００３０】
なお、第２のギャップ１９のジオメトリー（大きさおよび形状）は、第１のギャップ１８における磁場３０に影響を与えるので、第１のギャップ１８における所望の磁場強度を得る場合に重要なパラメーターである。第２のギャップ１９の幅は、第１のギャップ１８の幅と同じ、またはそれよりも大きいことが好ましい。
【００３１】
図４は、磁場２６の種々の角度における担体ホイールの円周に沿った磁束密度曲線を示す。磁場２６の角度は、図１に示す、ギャップ１８を横断する平面３６に平行で軸２２を含む平面３４との角度として表される。曲線４０は図１に示すように９０度方向を表し、曲線４２は図２に示すように０度方向を表し、曲線４４は図３に示すように４５度方向を表し、曲線４６は３０度方向を表す。
【００３２】
図５〜図７を参照すると、本発明による、基板１０２を仕上げ研磨する改良された磁気流動学的研磨システム１００は、水平軸を有し、垂直に配置された担体ホイール１０４を備える。担体表面１０６が球状であるように、担体ホイール１０４は球体の赤道部分であることが好ましい。ホイール１０４は、一般的にくぼみの付けられた形状であり、回転駆動手段１１０に接続された円板１０８を備えており、円板１０８は円板１０８から側方に広がる球状の表面１０６を支持する。Ｎ極とＳ極の極片１２、１４を有する変動磁場永久磁石システム１０は、ホイール１０４の内、球体の外被内、好ましくはホイールによって規定される球状の外被内に設置され、好ましくはカバープレート１０５によって閉じられる。好ましくは、極片１２、１４は、ホイールの中心角約１２０度を覆って拡がり、磁性流体１１２は、完全に硬化する作業領域１１４の前後の十分な領域においてある程度硬化した状態が維持される。磁気スクレーパー１１６は、硬化が緩和された時にホイールからＭＲＦ１１２を取りさり、ＭＲＦ１１２をホイール上での調整および再加工のために一般的な流体放出システム（図示せず）に戻す。永久磁石２０の大きさが比較的小さいので、小さいホイールが使用でき、担体表面の各側部上に妨げのない空間が生じる。これにより、急な曲がりの凹面、または深い凹面の基板（この基板はホイールの端部を越えて広がっていなければならない）でも、仕上げ研磨に適用できる。
【００３３】
上述したように、変動磁場永久磁石システムの動作原理は、第１のギャップ１８および第２のギャップ１９を含む磁気回路における永久磁石２０によって生じる磁束の再分配である。アクチュエータ１１８は、所望する角度へ磁石および磁化軸を回転させるよう取り付けられる。センサ１２０（例えば、ポジショニングポテンシオメーター、光学エンコーダ等）が、磁石の角度の測定ができるように備えられる。好ましくは、アクチュエータ１１８を制御するために、磁束を測定できるように、第１のギャップ１８または第２のギャップ１９のいずれかにおいて、ホール効果センサまたはその他の適切なプローブ（図示せず）が取り付けられる。この際アクチュエータ１１８は、所望する磁場強度を設定するために、一般的なプログラム可能な制御手段（図示せず）を介した、センサ１２０を含む一般的なフィードバックループで制御される。
【００３４】
本発明の種々の具体的な実施の形態が参照により記述された一方、記述された本発明の概念の意図および範囲内において、多くの変形をつくることが可能であることを理解すべきである。従って、本発明は記述された実施の形態には限定されないことを意図しているが、請求項の文言によっては充分な範囲にて規定される。
【符号の説明】
【００３５】
１０  変動磁場永久磁石システム
１２  第１の極片、半体
１４  第２の極片、半体
１５  磁気体
１６  円筒状の空洞
１８  第１の磁気ギャップ、第１のギャップ、ギャップ
１９  第２の磁気ギャップ、第２のギャップ、ギャップ
２０  円筒状の永久磁石
２２  円筒軸
２４  磁束
２６  永久磁石の磁場
３０  第１の磁場
３１  第２の磁場
３２  漏れ磁場
３４  第１の磁気ギャップを横断する平面に平行で円筒軸を含む平面
３６  第１の磁気ギャップを横断する平面
４０  円筒状の永久磁石の磁場の角度が９０度である場合の担体ホイールの円周に沿った磁束密度曲線
４２  円筒状の永久磁石の磁場の角度が０度である場合の担体ホイールの円周に沿った磁束密度曲線
４４  円筒状の永久磁石の磁場の角度が４５度である場合の担体ホイールの円周に沿った磁束密度曲線
４６  円筒状の永久磁石の磁場の角度が３０度である場合の担体ホイールの円周に沿った磁束密度曲線
１００  磁気流動学的研磨システム
１０２  基板
１０４  担体ホイール
１０５  カバープレート
１０６  担体表面
１０８  円板
１１０  回転駆動手段
１１２  磁性流体、ＭＲ流体層、ＭＲＦ
１１４  作業領域
１１６  磁気スクレーパー
１１８  アクチュエータ
１２０  センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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