(57)【要約】【課題】加工品質を不安定化することなく、研磨量を大きくして研磨時間を短縮することが可能な磁性流体研磨技術を提供する。【解決手段】工具軸４に固定されて自転する永久磁石５からなる研磨工具３に、磁力で磁性流体研磨材６を保持して、一定の加工間隙ｄを保ちながらワーク３０の被加工表面３１に接触させて研磨加工を行う磁性流体研磨において、永久磁石５のワーク３０の加工部位３２を通る回転円周５ａの、回転方向における上流側に磁性流体研磨材６に接する調節部材４０を配置し、回転円周５ａの上流側における磁性流体研磨材６の厚さを、加工間隙ｄよりも大きな制御厚さｅに設定し、磁性流体研磨材６が制御厚さｅから加工間隙ｄに押し潰されるようにして研磨荷重を大きくして研磨量の大きな研磨加工を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨工具に磁性流体と研磨材との混合流体である磁性流体研磨材を磁力により保持させ、前記研磨工具を自転させながら被加工物の表面を相対的に走査して行う磁性流体研磨方法であって、
前記研磨工具に保持された前記磁性流体研磨材の厚さを、前記研磨工具の加工作用部の回転円周上において任意の厚さに調節することを特徴とする磁性流体研磨方法。
【請求項２】
請求項１記載の磁性流体研磨方法において、
前記磁性流体研磨材の前記厚さは、前記磁性流体研磨材が前記回転円周上の加工部位に達する直前に、前記研磨工具と前記被加工物の加工面との間隙よりも大きくなるように調整することを特徴とする磁性流体研磨方法。
【請求項３】
磁力を発生する研磨工具と、
磁性流体と研磨材との混合流体からなり前記磁力により前記研磨工具に保持される磁性流体研磨材と、
を含み、自転する前記研磨工具が被加工物の表面を相対的に走査して研磨を行う研磨装置であって、
前記研磨工具の加工作用部に保持された前記磁性流体研磨材の厚さを調節する調節手段を具備したことを特徴とする研磨装置。
【請求項４】
請求項３記載の研磨装置において、
前記調整手段は、前記研磨工具の前記加工作用部の回転円周上の加工部位に達する直前の前記磁性流体研磨材の前記厚さが、前記研磨工具と前記被加工物の加工面との間隙よりも大きくなるように調整することを特徴とする研磨装置。
【請求項５】
請求項４記載の研磨装置において、
前記調整手段は、前記研磨工具の前記加工作用部の前記回転円周上において、前記加工部位の上流側で前記磁性流体研磨材に接するように配置された調節部材であることを特徴とする研磨装置。
【請求項６】
請求項４記載の研磨装置において、
前記調整手段は、前記研磨工具の前記加工作用部の前記回転円周上において、前記加工部位の上流側で前記磁性流体研磨材を非接触に吸引する磁力発生部材であることを特徴とする研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性流体研磨方法および研磨装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１に開示されているように、光学素子の成形に用いられる金型などの曲面を高精度に研磨する方法として、磁性粉および分散媒からなる磁性流体に非磁性研磨材を混合した磁性流体研磨材を磁力により研磨工具に保持して研磨加工を行う技術が知られている。
【０００３】
すなわち、研磨工具の先端部に保持された磁性流体研磨材が被加工物に接した状態で研磨工具を自転させつつ、被加工物に対して相対的に走査することで研磨加工を行うものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−９８５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来技術では、図１に示されるように、工具軸に支持されて自転する研磨工具と被加工物の表面である加工面との間隙（加工間隙ｄ）を一定に保って加工を行っているが、研磨工具に保持された磁性流体研磨材の厚さは自転する研磨工具の回転円周上で加工間隙ｄにほぼ等しい値に一定となり、被加工物に接触する際に殆ど弾性変形が発生しない。
このため得られる研磨量が小さく研磨時間が長くなる、という技術的課題があった。
【０００６】
すなわち、研磨量δは、式（１）の研磨理論式で表される。
【０００７】
δ＝ｋ・Ｐ・Ｖ・ｔ    ………（１）
ただし、この式（１）において、ｋ：係数、Ｐ：研磨荷重、Ｖ：研磨工具（ポリッシャ）とワークの相対速度、ｔ：滞留時間（＝１／送り速度）である。
【０００８】
従来技術のように、自転する研磨工具と被加工物の表面との間隙を加工間隙ｄに一定に保って加工を行う場合には、そのままでは、加工部位を通る回転円周上で磁性流体研磨材の厚さが一定となり被加工物に接触する際に殆ど弾性変形が発生しないため、加工部位での前記研磨荷重Ｐが小さくなり、得られる研磨量δが小さくなる。
【０００９】
また、研磨量δを大きくするために、加工中に研磨工具と被加工物の間隙を変化させることが考えられるが、研磨荷重Ｐが変動することとなり、加工品質が不安定になるという別の技術的課題を生じる。
【００１０】
本発明の目的は、加工品質を不安定化することなく、研磨量を大きくして研磨時間を短縮することが可能な磁性流体研磨技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の観点は、研磨工具に磁性流体と研磨材との混合流体である磁性流体研磨材を磁力により保持させ、前記研磨工具を自転させながら被加工物の表面を相対的に走査して行う磁性流体研磨方法であって、
前記研磨工具に保持された前記磁性流体研磨材の厚さを、前記研磨工具の加工作用部の回転円周上において任意の厚さに調節する磁性流体研磨方法を提供する。
【００１２】
本発明の第２の観点は、磁力を発生する研磨工具と、
磁性流体と研磨材との混合流体からなり前記磁力により前記研磨工具に保持される磁性流体研磨材と、
を含み、自転する前記研磨工具が被加工物の表面を相対的に走査して研磨を行う研磨装置であって、
前記研磨工具の加工作用部に保持された前記磁性流体研磨材の厚さを調節する調節手段を具備した研磨装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、加工品質を不安定化することなく、研磨量を大きくして研磨時間を短縮することが可能な磁性流体研磨技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来の磁性流体研磨における加工状態を示す概念図である。
【図２】本発明の実施の形態の一態様の原理を説明する概念図である。
【図３】本発明の一実施の形態である磁性流体研磨方法を実施する研磨装置の構成の一例を示す側面図である。
【図４】本発明の一実施の形態である研磨装置に備えられる調節部材の構成の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施の形態である研磨装置の加工中における研磨工具の部位を拡大して例示した側面図である。
【図６】本発明の一実施の形態である研磨装置の加工中における研磨工具の部位を拡大して例示した正面図である。
【図７】本発明の一実施の形態である研磨装置の変形例における研磨工具の部分の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本実施の形態では、一態様として、図２の概念図に例示されるように、磁力によって研磨工具の外周に保持されて加工部位（加工作用点）に達する前の磁性流体研磨材の厚さ（以下、制御厚さｅと記す）を、研磨工具と被加工物表面との間隙（以下、加工間隙ｄと記す）よりも厚くなるように調整する。
【００１６】
前記加工間隙ｄより大きい制御厚さｅに調整された磁性流体研磨材の層は、加工部位に達した際に圧縮応力を受けて弾性変形する。これにより、加工間隙ｄが一定の状態で磁性流体研磨材が加工部位に与える研磨荷重Ｐは大きくなるため研磨力は従来技術と比較して大きくなり、加工品質を不安定化することなく、研磨量δを大きくして研磨時間を短縮でき、加工効率を向上させることができる。
【００１７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下の本実施の形態の説明では、各図において、Ｘ、Ｙ、Ｚの各方向は図示の通りとし、左右方向をＸ方向、上下方向をＺ方向、紙面に垂直な方向をＹ方向として説明する。また、一例として、Ｚ方向は鉛直方向、Ｘ−Ｙ平面は水平面とする。
【００１８】
図３は、本発明の一実施の形態である磁性流体研磨方法を実施する研磨装置の構成の一例を示す側面図である。
図４は、本発明の一実施の形態である研磨装置に備えられる調節部材の構成の一例を示す斜視図である。
図５は、本発明の一実施の形態である研磨装置の加工中における研磨工具の部位を拡大して例示した側面図である。
【００１９】
図６は、本発明の一実施の形態である研磨装置の加工中における研磨工具の部位を拡大して例示した正面図である。
なお、図６には、図３および図５における矢印Ａの方向から見た状態が例示されている。
【００２０】
図３に例示されるように、本実施の形態の研磨装置Ｍ１は、ワーク保持具２３を介してワーク３０（被加工物）が搭載されるワークステージ２１と、スライド板７および工具テーブル１が搭載されたスタンド８を備えている。
【００２１】
工具テーブル１にはスピンドル２が取り付けられている。スピンドル２には着脱可能な研磨工具３がチャックされている。なお、スピンドル２の内部にはスピンドルモータ（図示省略）が備えられており、研磨工具３は当該スピンドルモータの回転に連動して自転する。
【００２２】
研磨工具３は、スピンドルモータに接続されて回転する工具軸４と、球形状をした永久磁石５（加工作用部）とからなる。永久磁石５は、その磁力によって表面に後述の磁性流体研磨材６を保持するように機能する。
【００２３】
本実施の形態の場合、磁性流体研磨材６は、例えば、鉄粉等の磁性粒と純水等の分散媒とからなる磁性流体と、非磁性体のダイヤモンド砥粒等の研磨材との混合流体であり、磁性および研磨性を有している。
【００２４】
工具テーブル１は、スライド板７に取り付けられている。スライド板７は、スタンド８に固定されたガイド９に沿って、Ｚ軸方向（鉛直方向）の上下移動が可能となっており、これにより工具位置の調整を行なうことができる。
【００２５】
工具テーブル１の下方にはワークステージ２１が配置されている。ワークステージ２１は、ワークテーブル２２、ワークスピンドル２５、およびモータ２６からなる。
【００２６】
ワークテーブル２２は、ステッピングモータ（図示省略）により、図３に示すＸ軸方向（水平方向）およびＺ軸方向（鉛直方向）に移動可能となっており、更に、別のモータ（図示省略）により、図３に示すＢ軸方向に揺動可能となっている。
【００２７】
なお、このＸ軸方向、Ｚ軸方向、およびＢ軸方向の移動は、ＮＣ装置による数値制御に基づいて行われる。
ワークテーブル２２上にはワーク保持具２３が取り付けられており、ワーク３０を着脱自在に保持することができる。なお、ワーク３０は固定ねじ２４によりワーク保持具２３へ固定する。
【００２８】
ワーク保持具２３の下方には、ワークスピンドル２５とワークスピンドル２５を回転させるモータ２６とが取り付けられている。モータ２６を回転させることによりワーク３０を回転させることができる。
【００２９】
本実施の形態の研磨装置Ｍ１の場合、研磨工具３には、当該研磨工具３の自転とともに移動する磁性流体研磨材６の移動方向における加工部位３２の上流側に調節部材４０（調節手段）が配置されている。
【００３０】
この調節部材４０は、図４に例示されるように、垂直面部材４１、斜面部材４２、および可動支持アーム４３で構成され、可動支持アーム４３の基端部に設けられたアーム固定部材４４を介してスタンド８に固定されている。
【００３１】
この可動支持アーム４３は、例えば、折り曲げ自在で、任意の折り曲げ状態が維持可能な「スタンドアーム」等で構成され、研磨工具３に対する調節部材４０の位置関係を随意に調整および設定することが可能になっている。
【００３２】
すなわち、本実施の形態の場合、図６に例示されるように、可動支持アーム４３の折り曲げ状態を適宜調整することで、調節部材４０は、垂直面部材４１が、研磨工具３の永久磁石５の自転によりワーク３０の加工部位３２を通過する回転円周５ａの上流側の側面においてＺ−Ｘ平面に平行になるように配置される。
【００３３】
さらに本実施の形態の場合には、永久磁石５と垂直面部材４１との隙間に挟まれる磁性流体研磨材６の、当該回転円周５ａが通過する位置での厚さが制御厚さｅ（任意の厚さ）になるように配置位置が設定される。
この制御厚さｅの値は、可動支持アーム４３の屈曲状態を変化させることで随意の値に設定できる。
【００３４】
また、垂直面部材４１の上端に接続された斜面部材４２は、垂直面部材４１に対して鈍角の交差角度θをなしており、この垂直面部材４１と斜面部材４２で、永久磁石５を取り囲むように配置される。
【００３５】
この調節部材４０の配置により、本実施の形態の研磨装置Ｍ１では、磁力によって研磨工具３の永久磁石５に保持された磁性流体研磨材６は、回転円周５ａが通過する上流側の制御厚さｅの斜面部材４２に導かれて垂直面部材４１と永久磁石５の間に流れ込むように制御される。
【００３６】
なお、本実施の形態の調節部材４０は、平面的な垂直面部材４１と斜面部材４２を組み合わせた簡易的な形状であるが、研磨工具３の永久磁石５の球形に倣う曲面形状にしてもよい。
次に、図３に示した研磨装置Ｍ１を使用して行う、凸形状のワーク３０の研磨の方法について説明する。
【００３７】
まず、凸形状であるワーク３０をワークステージ２１に取り付ける。次に、ワーク３０の位置を固定ねじ２４により調整し、ワークテーブル２２を回転させた際に、ワーク３０の加工面の振れが生じないようにして固定する。続いて、研磨工具３の先端の永久磁石５に磁性流体研磨材６を磁力で付着させる。
【００３８】
さらに、本実施の形態の場合には、上述の図６に例示されるように調節部材４０を磁性流体研磨材６に接する前記所定位置（磁性流体研磨材６が制御厚さｅとなる位置）に配置する。
【００３９】
次に、スピンドルモータによりスピンドル２を例えば１００ｒｐｍで回転させて研磨工具３を回転させる。併せて、モータ２６によりワークスピンドル２５を例えば１２０ｒｐｍで回転させてワーク３０を回転させる。
【００４０】
次に、この状態でワークテーブル２２を水平方向に移動し、研磨工具３がワーク３０の端面の加工開始位置の上方に位置するようにする。続いて、スライド板７を下降させて、ワーク３０と研磨工具３の先端（すなわち永久磁石５）との隙間である加工間隙ｄが例えば０．４ｍｍになるまで両者を近づけ、研磨工具３で保持されている磁性流体研磨材６がこの隙間に介在してワーク３０に当接して研磨加工できる状態とする。
【００４１】
このとき、本実施の形態の場合、研磨工具３の永久磁石５に保持された磁性流体研磨材６は、粘性と永久磁石５の磁力とによって永久磁石５の自転に追随して移動し、加工部位３２を通る回転円周５ａでは、研磨工具３の永久磁石５と調節部材４０の隙間（制御厚さｅ）を通過して加工間隙ｄの加工部位３２に移動する状態となる。
【００４２】
ワーク３０の加工中は、ＮＣ装置による数値制御を実施することで、上記の加工間隙ｄをそのまま一定に保ちつつ、ワーク３０表面の加工部位３２における接線に対し研磨工具３のワーク３０への加重の方向が常に垂直になるようにＸ軸方向およびＺ軸方向の位置制御を行いながら、当該加工点を中心にワークテーブル２２をＢ軸方向に揺動させることにより、ワーク３０の中心部へと研磨工具３を走査させる。
【００４３】
その後、ワーク３０の端まで研磨工具３を走査させると研磨は一旦完了する。この動作を１サイクルとし、所望の鏡面形状が得られるまでこのサイクルを繰り返すことで、ワーク３０の加工面全体に渡る研磨が行われる。
【００４４】
ここで、本実施の形態の場合、上述のように研磨工具３の永久磁石５とワーク３０の被加工表面３１との間隙を加工間隙ｄに固定して加工を行う場合、上述の図６のように、調節部材４０を研磨工具３の先端の永久磁石５の上周部に配設している。
【００４５】
このため、直接にワーク３０の被加工表面３１に接触せず、図５のように加工部位３２の反対側の滞留部６ａに溜まった磁性流体研磨材６は研磨工具３の永久磁石５の回転に伴って調節部材４０の面に沿って流れ、垂直面部材４１を通過する際（すなわち、加工部位３２に接触する直前）には、永久磁石５の周囲の磁性流体研磨材６の厚さは一定の制御厚さｅに調整される。
【００４６】
そして、ｄ＜ｅとなるように制御厚さｅを設定すれば、磁性流体研磨材６は、永久磁石５の自転によって加工部位３２に接触する際に一部が押し潰されるように弾性変形し加工部位３２では圧縮弾性応力が働き、研磨荷重Ｐが大きくなり、加工間隙ｄが一定のままでも、研磨量δが大きくなるため、研磨加工の効率が向上する。
【００４７】
すなわち、研磨加工における加工所要時間が短縮される。
また、制御厚さｅと加工間隙ｄの関係が一定であれば、加工部位３２に作用する研磨荷重Ｐの増加量も一定となり、加工が安定する。
【００４８】
なお、上述の説明では、調節部材４０を可動支持アーム４３を介してスタンド８に固定する場合を例示したが、図示しないサーボモータ等で駆動されるアームの先端部に調節部材４０を固定して、加工間隙ｄの変化等に同期して制御厚さｅを変化させることが可能な構成としてもよい。
【００４９】
図７は、本実施の形態の変形例である研磨装置Ｍ２の構成例を示す研磨工具の部分の正面図である。
この変形例の研磨装置Ｍ２では、上述の調節部材４０の代わりに、磁力発生部材としての調節マグネット５０（調節手段）を用いる点が異なり、他の構成は同様である。
【００５０】
すなわち、この変形例の研磨装置Ｍ２の場合には、上述の調節部材４０と同じ位置に、磁性流体研磨材６に対して非接触に、可動支持アーム４３によって支持された調節マグネット５０を配置し、この調節マグネット５０が発生する磁力によって、磁性流体研磨材６の厚さを制御厚さｅに制御する。
【００５１】
この場合、調節マグネット５０は、各々の磁力（通電量）が独立に制御可能な電磁石からなる複数のマグネットユニット５１を、磁性流体研磨材６に面する端部の極性が異なるように束ねた構成となっている。
【００５２】
この調節マグネット５０に接続される通電ケーブル５２は、コントローラ５３に接続され、このコントローラ５３によって、ここのマグネットユニット５１の磁力の大きさを制御することで、調節マグネット５０の磁力の大きさや強度分布を制御する。
【００５３】
なお、通電ケーブル５２は、中空の可撓性のスタンドチューブ等からなる可動支持アーム４３の中に配線することができる。
この場合にも、上述の調節部材４０の場合と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
また、調節マグネット５０に対する通電量の制御によって、磁力の強さや分布を任意に制御できるため、例えば、加工中に加工間隙ｄを変化させる場合でも、当該加工間隙ｄの変化に同期して制御厚さｅを経時的に変化させるような複雑な制御も容易に実現できる。
【００５５】
以上説明したように、本発明の各実施の形態によれば、研磨工具３の永久磁石５に磁力で保持され、加工部位３２に接する直前の磁性流体研磨材６の厚さを一定の制御厚さｅに調整するので、加工部位３２に接する際の磁性流体研磨材６による研磨荷重Ｐが一定となり、安定した研磨加工が実現できワーク３０の加工品質が向上する。
【００５６】
また、加工部位３２に接する直前の磁性流体研磨材６の厚さを、研磨工具３の永久磁石５とワーク３０の被加工表面３１との間隙である加工間隙ｄよりも厚い制御厚さｅに調整するため、加工部位３２に接する際の磁性流体研磨材６に圧縮応力が働いて研磨荷重Ｐが増し、加工能力を向上することができ、研磨加工のリードタイム（Ｌ／Ｔ）の短縮を実現できる。
【００５７】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、研磨工具３の永久磁石５に磁力で保持された磁性流体研磨材６に気体を吹き付けて、上述の制御厚さｅとなるように磁性流体研磨材６の外形を成形する方法でもよい。
【００５８】
また、調節部材４０を用いる場合には、所望の容器に貯留された磁性流体研磨材６の中に、ワーク３０および研磨工具３を浸漬して加工する場合にも適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１  工具テーブル
２  スピンドル
３  研磨工具
４  工具軸
５  永久磁石
５ａ  回転円周
６  磁性流体研磨材
６ａ  滞留部
７  スライド板
８  スタンド
９  ガイド
２１  ワークステージ
２２  ワークテーブル
２３  ワーク保持具
２４  固定ねじ
２５  ワークスピンドル
２６  モータ
３０  ワーク
３１  被加工表面
３２  加工部位
４０  調節部材
４１  垂直面部材
４２  斜面部材
４３  可動支持アーム
４４  アーム固定部材
５０  調節マグネット
５１  マグネットユニット
５２  通電ケーブル
５３  コントローラ
Ｍ１  研磨装置
Ｍ２  研磨装置
Ｐ  研磨荷重
ｄ  加工間隙
ｅ  制御厚さ
δ  研磨量
θ  交差角度
【図１】
2011083827.tif 000003
【図２】
2011083827.tif 000004
【図３】
2011083827.tif 000005
【図４】
2011083827.tif 000006
【図７】
2011083827.tif 000007
【図５】
2011083827.tif 000008
【図６】
2011083827.tif 000009