(57)【要約】      （修正有）【課題】歯車伝達機構を使用しない新たな概念の高圧・高速両面研摩加工法と装置の提供。【解決手段】互いに逆方向又は同方向に回転する上定盤１及び下定盤２を用いる回転型研磨定盤の上下定盤間に挟まれ、キャリア１３で保持された工作物３を、キャリア１３の回転を行わないで、工作物３と定盤１，２の半径方向の接触摩擦力の差異を用いて工作物３を回転運動させ、定盤と工作物との相対運動で、研摩加工する両面研磨法及び装置。定盤１，２による摩擦力の差異の創出は、定盤の半径方向に相手定盤側へ突出する段差を設けて、工作物３と定盤１，２との実接触面積を定盤の半径方向で変えることにより行う。摩擦力の差異の創出は丸孔や溝をもつポリシャの表面構造を用いることにより、工作物と定盤との実接触面積を、定盤の半径方向で変えることによって行うこともできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆方向又は同方向に回転する上定盤及び下定盤を用いる回転型研磨定盤の上下定盤間に挟まれ、キャリアで保持された工作物を、キャリアの回転を行わないで、定盤半径方向の工作物と定盤又は定盤表面に貼付したポリシャとの定盤半径方向の接触摩擦力の差異を用いて工作物を回転運動させ、上下の研磨定盤と工作物との相対運動で、工作物を研摩加工する両面研磨法。
【請求項２】
定盤又は定盤表面に貼付したポリシャの定盤半径方向の表面構造の違いによって、工作物と定盤又はポリシャの定盤半径方向の実接触面積を異ならせることによって接触摩擦力の差異を創出することを特徴とする請求項１記載の両面研磨法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法を実施するために用いる装置であって、
上定盤と下定盤のどちらかの一方の表面、又は該表面に貼付したポリシャが、外周側から定盤の回転中心方向へ一定の距離の位置まで円周状に相手定盤側への突出段差が形成され、この段差の縁の位置は、工作物の中心より一定距離だけ定盤の回転中心寄りであり、
他の一方の表面、又は該表面に貼付したポリシャは、定盤の回転中心から外周方向へ一定の距離の位置まで円周状の相手定盤側への突出段差が形成されており、この段差の縁の位置は、工作物の中心より一定距離だけ定盤の外周側寄りであり、
上下両定盤が工作物の上下面と重なって接触する定盤半径幅は、工作物の回転を許容する幅としたことを特徴とする両面研摩装置。
【請求項４】
前記定盤半径幅は、工作物の中心（中心に環状穴を持つ工作物では、穴の壁面）を起点として工作物の直径の１０％以内であることを特徴とする請求項３記載の両面研摩装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の方法を実施するために用いる装置であって、円形ポリシャの内周側又は外周側に溝や穴等を持ち、定盤半径方向で工作物とポリシャとの実接触面積を異ならせて、定盤半径方向の工作物とポリシャとの接触摩擦力の差異を創出するポリシャを定盤表面に貼付した両面研摩装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属（鉄鋼・非鉄金属）や非金属（セラミック・ガラス・プラスチック）等の研磨加工に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遊離砥粒を分散させた研磨剤を介して工作物とラップ(lap)を擦り合わせて研磨するラッピングや金属よりも軟らかいポリシャ(polisher)と呼ばれる工具を用いて研磨するポリシング等の研磨加工は、機械加工の最終仕上げ工程に用いる加工法であり、近年の機器の高品位化に伴い、重要性を増している加工法である。この加工法では、微小に工作物表面を除去していくため、加工能率が悪く、加工コストが高くなるため、加工能率の向上が強く求められている。
【０００３】
研磨加工には、片面、両面、曲面等多くの加工作業があるが、基本的に、図１０に示すように、研磨定盤(surface plate)１０上（ポリシングの場合は、定盤上に貼付したポリシャ１１上）に、キャリア１３等で保持されてｎの速度で回転するホルダ１４内に収容された工作物３を圧力Ｐで押しつけ、研磨定盤１０上（ポリシングの場合はポリシャ１１上）に遊離砥粒１２を含む研磨液１５を滴下しながら研磨定盤１０をＮの速度で回転し、その回転と工作物３の回転との相対運動により、工作物３の表面を遊離砥粒１２で除去し、表面を高平滑にしていく加工法である。ポリシャとしては、不織布やスエ−ドタイプ（suede-type）のプラスチックが用いられることが多い。この研磨加工における現状の最高研磨速度は2m/s程度であると考えられる。
【０００４】
これに対して、近年、本発明者は、磁気ディスク基板の片面ポリシング加工の研究で、現在、一般に行われている最高ポリシング速度の2m/sよりも数倍以上も高速のポリシングを行い、研磨除去速度は格段に向上するが、研磨平滑度はほとんど変わらないという、非常に有用な結果を見いだしている（非特許文献１）。また、高圧力ポリシングの方が、除去速度が大きく、高能率に加工が行えることも示している。このような高速化・高圧化は、他のポリシング作業やラッピング作業等の研磨加工でも有効であると考えられる。
【０００５】
この高速・高圧力研磨加工法は、図１１に例を示すように、上定盤１と下定盤２との間に太陽ギヤ１６及びインターナルギヤ１７からなる歯車を用いた現在の両面研磨加工法では、工作物３の回転用キャリア１３が高圧力や高速回転で生じる高負荷力に耐え得ないために、適用出来ない。すなわち、現在行われている両面研磨加工の多くは、平行回転定盤（ポリシングの場合は、定盤上に貼付したポリシャ）間に、工作物３を保持する歯車刃を外周に持つキャリア１３内に置き、そのキャリア１３を歯車で自転と公転させることにより、工作物３を研磨している。キャリア１３を回転する歯車は、研磨定盤の中心にある太陽ギア１６と研磨定盤の外周側にあるインタ−ナルギア１７により行われる。研磨定盤の回転速度と研磨圧力の最大条件は、そのキャリア１３の強度も加味して決められるが、キャリア１３が薄く、強度も高くないため、太陽ギア１６、インタ−ナルギア１７、キャリア１３等で構成される歯車伝達機構に許容回転速度が生じ、研磨定盤の回転速度には、限界がある。そして、実用的には、現在行われている2m/s程度が両面研磨速度の限界となっている。また、研磨圧力も大きくできなくなっている。
【０００６】
このように、通常の両面研磨加工では、2m/sを研磨速度限界として、その研磨速度範囲内で研磨圧力もそれほど大きくしないで、加工が行われていると言える。このため、より高能率研磨加工が出来る高速・高圧両面研磨加工法の開発が期待されている。
【０００７】
【非特許文献１】H.YASUI, T.FUKAMACHI, S.SAKAMOTO, S.TAKAKURA: High Removal Rate Ultra-Smoothness Polishing of NiP Plated Aluminum Magnetic Disk Substrate by Means of High Polishing Speed with High Polishing Pressure，Proc. ASPE 17th Annual Meeting, pp.689-692, Oct. 20-25, 2002, St. Louis, USA(2002.10)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
既存の歯車を用いた両面研磨盤では、工作物を歯車機構で回転させるキャリアの耐負荷力に問題があり、現状で行われている研磨圧力・速度を相当上回る高速・高圧研磨加工が出来ない。このため、近年、本発明者によって見出された高速・高圧研磨加工法による研磨加工の高能率化が出来なくなっており、新たな概念の高速両面研磨加工法とその実施のための研磨装置を製作することが課題になっている。また、研磨装置の低価格化も大きな解決課題の一つである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、（１）互いに逆方向又は同方向に回転する上定盤及び下定盤を用いる回転型研磨定盤の上下定盤間に挟まれ、キャリアで保持された工作物を、キャリアの回転を行わないで、定盤半径方向の工作物と定盤又は定盤表面に貼付したポリシャとの定盤半径方向の接触摩擦力の差異を用いて工作物を回転運動させ、上下の研磨定盤と工作物との相対運動で、工作物を研摩加工する両面研磨法、である。
【００１０】
本発明は、（２）定盤又は定盤表面に貼付したポリシャの定盤半径方向の表面構造の違いによって、工作物と定盤又はポリシャの定盤半径方向の実接触面積を異ならせることによって接触摩擦力の差異を創出することを特徴とする上記（１）の両面研磨法、である。
【００１１】
さらに、本発明は、（３）上記（１）又は（２）の方法を実施するために用いる装置であって、上定盤と下定盤のどちらかの一方の表面、又は該表面に貼付したポリシャが、外周側から定盤の回転中心方向へ一定の距離の位置まで円周状に相手定盤側への突出段差が形成され、この段差の縁の位置は、工作物の中心より一定距離だけ定盤の回転中心寄りであり、他の一方の表面、又は該表面に貼付したポリシャは、定盤の回転中心から外周方向へ一定の距離の位置まで円周状の相手定盤側への突出段差が形成されており、この段差の縁の位置は、工作物の中心より一定距離だけ定盤の外周側寄りであり、上下両定盤が工作物の上下面と重なって接触する定盤半径幅は、工作物の回転を許容する幅としたことを特徴とする両面研摩装置、である。
【００１２】
また、本発明は、（４）前記定盤半径幅は、工作物の中心（中心に環状穴を持つ工作物では、穴の壁面）を起点として工作物の直径の１０％以内であることを特徴とする上記（３）の両面研摩装置、である。
【００１３】
また、本発明は、（５）上記（１）又は（２）の方法を実施するために用いる装置であって、円形ポリシャの内周側又は外周側に溝や穴等を持ち、定盤半径方向で工作物とポリシャとの実接触面積を異ならせて、定盤半径方向の工作物とポリシャとの接触摩擦力の差異を創出するポリシャを定盤表面に貼付した両面研摩装置、である。
【発明の効果】
【００１４】
以上、本発明の方法では、従来の歯車を使用した研磨法では実現困難であった、高速・高能率両面研磨が可能であり、従来の方法に対して、次のような特徴の効果がある。
（１）本発明の概念を用いて製作される研磨装置での両面研磨速度は、従来の歯車機構を使用した両面研磨加工機における常用最高研磨速度の２m/sに比較して、理論的には、１０倍以上の高速化が可能である。
（２）高速・高圧両面研磨にすると、研磨除去速度は、現在の常用速度の研磨加工の場合に比較して、格段の高能率研磨加工が可能である。
（３）研磨速度は、平滑度には大きな影響を及ぼさないため、本研磨法によって高除去速度で形成される平滑度は、従来の両面研磨加工機によって形成される平滑度と大きな変化がない。
（４）本発明の研磨方法では、キャリアを駆動せず、歯車を使用しないため、低価格で装置を製作することが出来る
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、キャリアを回転させるための歯車機構を使用しない本発明の両面研磨法の概念斜視図である。図２は、本発明の回転型両面研磨装置の上下両定盤の部分断面図及び上下両定盤と工作物の接触状態を示す一部拡大図である。本発明の方法では、図１に示すように、歯車を使用せず、上定盤１と下定盤２の平行回転型両面研磨定盤を回転させるだけで、工作物３を両面研磨する。
【００１６】
互いに逆方向又は同方向に回転する上定盤１及び下定盤２の間にキャリア１３の穴内に保持された工作物３を挟む。図１及び図２において、工作物３は中心部に環状穴をもつ円盤状基板である。キャリア１３の穴は工作物３が定盤の外周寄りに位置するように少なくとも１個設ける。キャリア１３の回転は行わない。工作物３と上下の定盤１、２（ポリシングの場合はポリシャ）との接触摩擦力を、定盤の半径方向に異ならせることにより工作物３を回転運動させる。そして、上下の研磨定盤１、２と回転する工作物３との相対運動で、工作物３を研摩加工する。なお、図２に示すように、砥粒を含む研磨液１５は、上定盤１に設けた穴を介して、研磨面に供給される。研磨液は下定盤２又は上下両定盤に設けた穴を介して、研磨面に供給してもよい。
【００１７】
図３に、接触摩擦力を異ならせる具体例を模式的に示す。図３（Ａ）は、上下両定盤表面を加工して円周状に段差を設けた例を示す。また、図３（Ｂ）は、環状のポリシャを上下両定盤表面上に貼り付けて段差を設けた例を示す。上下両定盤表面に円周状に段差を設ける場合は、図３（Ａ）に示すように、下定盤２は、外周側から定盤の回転中心方向へ一定の距離の位置まで円周状に相手定盤側への突出段差が形成されている。この円周状に形成した段差の縁の位置は、工作物３の中心より一定距離（Ｘ１）だけ下定盤２の回転中心寄りとする。この一定距離（Ｘ１）は、工作物３の直径の１０％程度以下が好ましい。図に示すように、中心に環状穴を持つ工作物３では、工作物３の直径の１０％程度以下、工作物の穴の壁面より下定盤２の回転中心寄り（図中Ｘ２で示す幅）とする。段差により低くなった領域は定盤表面又は定盤表面に貼付したポリシャと接触っしないことになる。
【００１８】
上定盤１は、下定盤２とは逆に、上定盤１の回転中心から外周方向へ一定の距離の位置まで円周状に相手定盤側への突出段差が形成されている。この段差の縁の位置は、工作物の中心より一定距離（Ｘ１）だけ定盤の外周側寄りである。上定盤１の円周状に形成した段差は、工作物３の中心を挟んで下定盤２の場合と対称的な位置にある。
【００１９】
このような形状を持つ上定盤１と下定盤２とを、両定盤１、２間に配置されたキャリア１３で保持された工作物３に押し付ける。すなわち、工作物３の中心付近を境にして、定盤の外周側寄りに円周状に段差をつけた上定盤１と、回転中心寄りに円周状に段差をつけた下定盤２を、逆方向に回転させながら、両定盤１、２を工作物３に押し付けることになる。これにより、定盤半径方向の工作物と定盤又は定盤表面に貼付したポリシャとの定盤半径方向の接触摩擦力の差異が創出される。
【００２０】
そして、上定盤１と下定盤２を、互いに逆方向に回転すると、上定盤１と工作物３の摩擦力と下定盤２と工作物の摩擦力が逆方向になるため、工作物３に偶力が生じ、工作物３
が容易に回転運動するようになる。この工作物３の回転運動とモーターにより回転する上定盤１と下定盤２との相対運動で研磨加工を行う。
【００２１】
この場合、図示のように、工作物３の下面は、工作物３の中心を起点として、工作物３の直径の１０％程度以下、下定盤２の回転中心寄りの部分まで下定盤２の表面に接触する。また、工作物３の上面は、工作物３の中心を起点として、工作物３の直径の１０％程度以下、上定盤２の外周側寄りの部分まで上定盤２の表面に接触する。工作物３の中心から一定の幅が上下両定盤により重なるように支持されるために、両定盤の工作物３への押し付けによる、工作物３の垂直方向曲げ変形が生じず、工作物３の平面度が保たれる。
【００２２】
なお、上下両定盤が工作物の上下面が重なって接触（「重複接触」という）する領域の定盤半径幅（重複接触半径幅）は、工作物の回転を許容する幅であればよいが、工作物３の中心（中心に環状穴を持つ工作物では、穴の壁面）を起点として工作物３の直径の１０％程度以内が好ましい。その理由は、上下定盤の重複接触している面積では、反対側定盤の回転摩擦力と逆方向の摩擦力が働き、工作物の回転が妨げられるので、重複半径幅を出来るだけ小さくし、その影響を無くすためである。
【００２３】
なお、本研磨装置は、モ−タ回転数を変えることにより高速化できるが、汎用の3600rpmのモ−タを使用することにより、定盤直径３００ｍｍの場合で、通常のポリシング速度の１０倍の約２０ｍ／ｓのポリシング速度が理論的には可能となる。
【００２４】
ポリシングの場合は、図３（Ａ）に示す定盤の段差の代わりに、図３（Ｂ）に示すように、ポリシャ１１を工作物３と重複接触するように上下両定盤表面上に貼付する。これにより、上記の図３（Ａ）に示す定盤形状を用いた場合と同様に工作物３を回転させて研磨できる。また、図３（Ａ）に示す定盤形状の全面にポリシャを貼付して定盤の段差をポリシャに反映させてもよい。
【００２５】
具体的な実施方法の他の例として、図４に示すように、定盤に貼付する円形ポリシャの内周側又は外周側に溝や孔等を持たせたポリシャを使用し、定盤半径方向で工作物とポリシャとの実際の接触面積（「実接触面積」という）に差を設けることによって、定盤半径方向の表面構造の違いを創出し、上述の定盤形状を変えた場合と同様に、定盤半径方向で工作物とポリシャとの接触摩擦力を変え、工作物の回転力を増加する方法も採用できる。
【００２６】
図４の（Ａ）に示す例は、上定盤のポリシャ１１であり、定盤外周部側に丸孔２１が環状に多数空けられており、一方、定盤内周部側は丸孔は空けられていない。丸孔２１の面積分はポリシャは基板と接触しないことになる。このため、定盤の回転中心から半径方向の線上で一定の幅について見た場合、内周部側の方が、基板３とポリシャ１１との実接触面積が大きくなる。一方、図４の（Ｂ）に示す下定盤側に貼付するポリシャの表面構造は、上定盤とは、逆になっており、内周部側の方が、基板とポリシャとの実接触面積が小さくなる。
【００２７】
図５は、本発明の回転型両面研磨装置の定盤に貼付するポリシャ表面構造を定盤半径方向に変化させた場合のポリシャと工作物の接触状態を示す模式図である。図５に示すように、工作物とポリシャとは実接触面積が異なることになり、上定盤１と下定盤２を、互いに逆方向に回転すると工作物３に偶力が生じ、工作物３が容易に回転運動するようになる。
【００２８】
この定盤に貼付する円形ポリシャの表面構造を変えて、内周側又は外周側に溝や丸孔等を持たせたポリシャを使用する方法は、上述の定盤形状を定盤半径位置によって変え、接触面積を変える場合よりも容易である。ポリシャを使用する方法の利点は、上述で示した
定盤形状で段差を付ける方法では、高精度機械加工が必要で、各種のポリシング作業に対応して、定盤を加工するのは、多大の時間と労力を要するが、ポリシャの表面構造を変えることは、ポリシャが柔らかく、刃物などによる加工が容易である。また、ポリシャが決まった構造の場合は、型によって、大量に生産することが出来る。
【００２９】
以上の方法では、上定盤と下定盤は逆回転する方法の例であるが、上下定盤と工作物との接触摩擦力を、共に外周側を大きくするような定盤やポリシャの表面構造にすることにより、上定盤と下定盤を同方向に回転させても両面研磨することが可能である。
【実施例１】
【００３０】
本発明の方法及び実施例を、図を参照して以下に示す。図６に示すように、キャリア１３の穴内に収容した工作物（磁気ディスク基板）３の穴の壁面より下定盤２の回転中心寄り5mm程度先の段差の縁の位置まで円周状に上定盤側へ突き出た段差形状をもつ下定盤２と工作物３の穴の壁面より上定盤１の外周側寄り5mm程度先の段差の縁の位置までが円周状に下定盤側へ突き出た段差形状をもつ上定盤１とを、工作物３に押し付ける型の両面研磨装置を用いて、ポリシャ１１，１１に挟んだ磁気ディスク基板３のポリシング加工を行った。    
【００３１】
図７は、従来使用されている最大ポリシング圧力約10kPaの約２倍強の24kPaで、従来の使用最高ポリシング速度1.5m/sの約４倍以上の６m/sまでのポリシング条件で、磁気ディスク基板をポリシングした場合のポリシング時間と基板除去厚さの関係を示すものである。本ポリシング加工法により、ポリシングを行うことが出来ることがわかる。
【００３２】
なお、従来の最大ポリシング圧力付近の12kPaと従来の最高ポリシング速度付近の1.5m/sの実験条件において同じ実験を行ったところ、ポリッシング時間１０分で得られる除去厚さは、約０．５μｍであったので、実験で使用したポリシング圧力24kPaと最高ポリシング速度の6m/sの実験条件でで得られる除去厚さを、ポリシング時間１０分で比較すると、除去速度は、約５倍となっており、本発明加工法の有用性がわかる。このことから、さらに、ポリシング速度を高速化すれば、片面ポリシングの場合と同様、さらに、高除去速度が得られよう。
【００３３】
図８は、従来使用されている最大ポリシング圧力約10kPaの約２倍強の24kPaで、従来の使用最高ポリシング速度1.5m/sの約４倍以上の６m/sまでのポリシング条件で、磁気ディスク基板をポリシングした場合のポリシング時間と基板平滑度の関係を示すものである。基板平滑度は、ポリシング時間とともに、平滑化されていく。そして、いずれのポリシング条件の場合とも、表面粗さHraは、最終的に0.3nmに近づきつつある。これは、従来片面ポリシングで得られていた表面粗さと同じ程度になっており、ポリシング圧力と速度を増加したことは、大きな影響を示さないことがわかる。
【００３４】
図９は、図８の結果を示す一例で、従来の使用最高ポリシング速度1.5m/sの約４倍以上の６m/sで、10分間ポリシングした場合の基板表面粗さの測定例である。図９（ａ）のポリシング圧力6kPaと図９(ｂ）の24kPaの場合とも２次元的に測定した基板表面粗さHraは約0.25nmで、超平滑面になっており、本加工法は、従来の方法と平滑度は同じあることを示す。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の方法及び装置は、キャリアの回転を行わないので、キャリアの回転のための歯車が必要ではないので、摩擦力により工作物が回転し得る速度及び圧力範囲まで、定盤を高圧で高速回転することが出来、高速・高圧研磨が可能となる。また、歯車を使用しないので、研磨装置を低価格で製作することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】キャリアを回転させるための歯車機構を使用しない本発明の両面研磨法の概念斜視図である。
【図２】本発明の回転型両面研磨装置の上下両定盤の部分断面図及び上下両定盤と工作物の接触状態を示す一部拡大図である。
【図３】本発明の回転型両面研磨装置の定盤の形状（Ａ）及びポリシャの形状（Ｂ）を示す模式図である。
【図４】本発明の回転型両面研磨装置の上定盤に貼付したポリシャ表面構造例（Ａ）と下定盤に貼付したポリシャ表面構造例（Ｂ）を示す模式図である。
【図５】本発明の回転型両面研磨装置の定盤に貼付するポリシャ表面構造を定盤半径方向に変化させた場合のポリシャと工作物の接触状態を示す模式図である。
【図６】実施例で用いた、両面研磨装置の定盤及びポリシャの形状を示す模式図である。
【図７】実施例で得られた、24kPaの高圧ポリシングで、ポリシング速度6m/sまでのポリシング条件でポリシングした場合のポリシング時間とポリシング除去厚さの関係を示すグラフである。
【図８】実施例で得られた、24kPaの高圧ポリシングで、ポリシング速度6m/sまでのポリシング条件でポリシングした場合のポリシング時間と工作物表面粗さの関係を示すグラフである。
【図９】実施例で得られた、6m/sの高速ポリシングを用い、ポリシング圧力6kPaと24kPaの条件で、10分間ポリシングした場合の工作物表面粗さHraを光干渉式高精度表面測定器（WYKO）で測定した結果を示す図面代用写真である。
【図１０】通常の研磨加工の原理を示す（ポリシング加工の例）模式図である
【図１１】従来の歯車機構を用いた両面研磨法の例を示す模式図である。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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