(57)【要約】【課題】  複雑な形状や微細な凹凸形状が形成されている表面を均一で精度よく研磨することができる超音波研磨方法及びその装置を提供する。【解決手段】  容器４内に収容した粘性流体３に被研磨物１の研磨対象表面１１を転写した後、転写凹部に研磨材を混合した研磨流体２を注入し、被研磨物１を研磨流体２上に置き、被研磨物１に一定の圧力を加えると共に、超音波発振器７により励起される振動子１２から超音波振動を印加する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に所定粘度に調整された粘性流体を収容し、その上に前記粘性流体より粘度が低く研磨材が混合された研磨流体を注入し、前記研磨流体に研磨対象表面が接するようにして被研磨物を配して前記容器内を密閉し、一定の圧力を被研磨物、研磨流体及び粘性流体に加えた状態で被研磨物に超音波振動を印加して研磨流体により前記研磨対象表面を超音波研磨することを特徴とする超音波研磨方法。
【請求項２】
容器に温度制御された冷却水を循環させて研磨流体及び粘性流体の粘度を維持して超音波研磨する請求項１に記載の超音波研磨方法。
【請求項３】
粘性流体と研磨流体との間を膜状体で仕切るようにした請求項１又は２に記載の超音波研磨方法。
【請求項４】
容器内に収容した粘性流体に被研磨物の研磨対象表面を押し付けて研磨対象表面の形状を転写し、形状転写された上に研磨流体を注入し、研磨流体上に被研磨物を配する請求項１〜３いずれか一項に記載の超音波研磨方法。
【請求項５】
所定粘度に調整された粘性流体、この前記粘性流体より粘度が低く研磨材が混合された研磨流体、この研磨流体に研磨対象表面が接するようにして配置される被研磨物の順に収容する容器と、この容器の開口部を閉じる蓋体と、前記容器内の収容物に所定圧力を加える加圧手段と、この加圧手段により加圧された状態で被研磨物に超音波振動を印加する超音波加振手段とを備えてなることを特徴とする超音波研磨装置。
【請求項６】
粘性流体及び研磨流体を所定温度に維持する冷却手段が設けられてなる請求項５に記載の超音波研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動により被研磨物を研磨する超音波研磨方法及びその装置に関し、特に複雑な形状の被研磨物の表面を精密に研磨することができる超音波研磨方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波研磨加工として、研磨材を混入させた研磨用液体の中に被研磨物を浸し、密閉した状態で超音波振動を加え、キャビテーションによって生じた気泡の振動によって研磨材の流動を促進して被研磨物を研磨する方法が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
上記従来技術は、図５に示すように、容器１０１内に被研磨物１０３を収容し、容器１０１内に研磨材を混入させた研磨用液体１０４を供給して被研磨物１０３が研磨用液体に浸された状態とする。この容器１０１の開口部をパッキン１０６を介して蓋体１０５で閉じ、締め具１０７によって蓋体１０５を容器１０１に密着させて容器１０１内を気密状態にする。次いで、空気圧力調整弁１１２を調整して空気圧縮機１１３から容器１０１内に空気を供給し、容器１０１内の圧力を所定値に高める。この状態で超音波発振器１１０を作動させると超音波振動子１０９が超音波振動し、研磨用液体１０４に超音波振動が伝わり、超音波の進行方向に直進流が発生する。更に、超音波振動に基づくキャビテーションの生成及び破裂による効果と、キャビテーションで生じた気泡の振動により被研磨物１０３の近傍に小さな流れが生じて研磨用液体１０４の流れが促進される。この構成によりキャビテーションが高いエネルギーで生成、破裂されるため被研磨物の表面研磨がなされる。
【０００４】
また、被研磨物の凹部となっている部位を研磨するために、砥粒を含む液体を被研磨物の形状に合わせて固化もしくはゲル化させ、被研磨物との間に相対運動を与えて研磨する研磨方法が知られている（特許文献２参照）。
【０００５】
図６に（１）〜（６）の順に示す手順のように、被研磨物２０４の被加工面２０４´内に所定量の磁性砥粒２０３を含有する磁性流体２０１を流し込み、加工面２０４´内を埋めた状態にする（１）。この被研磨物２０４を磁界発生手段２０５上に載せると、液体２０２内に混入された磁性砥粒２０３の配列や分布密度を制御することができる（２）。この状態で被研磨物２０４を低温環境下に置くことによって磁性砥粒２０３が（２）の状態に制御した状態で磁性流体２０１は凍結固化される（３）。次に、ヒータ２０６により被研磨物２０４を磁性流体２０１の融点を少し上回る程度に加熱し、磁性流体２０１の加工面２０４´との接触面を薄く融解させる（４）。固化している磁性流体２０１に固定手段２０７を打ち込み（５）、被研磨物２０４との間に相対運動を与えると（６）、被研磨物２０４の加工面２０４´が研磨される。
【特許文献１】特開平０２−０３０４６３号公報（第５〜６頁、図１）
【特許文献２】特開平１１−１６５２５２号公報（第４〜５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１として開示された従来技術では、研磨用液体１０４に圧力を加えてもののキャビテーションの生成及び破裂のエネルギーを用いて研磨効果を得ているため、前加工で表面にうねりが残る。これは定盤に柔らかい布を貼り付けて研磨するラップ加工と似ており、見た目の光沢はよくなるが細かい凹凸は除去されず、表面が滑らかになるだけで超精密な表面粗さが得られない課題があった。
【０００７】
また、特許文献２として開示された従来技術では、微細な凹凸形状における凹部の底面や凸部の立ち上がり部分が研磨しがたく、被研磨物が複雑な形状になると、相対運動のストロークを小さくしなければならないので、研磨レートが遅くなる課題があった。また、三次元のストロークでは溝部底面のような形状のコーナーは他の部分に比して研磨し難くなるので、超精密研磨加工には適用できない課題があった。
【０００８】
本発明が目的とするところは、複雑な形状を有する被研磨物の表面あるいは微細な凹凸形状が形成されている被研磨物の表面を短時間で超精密に研磨することを可能にする超音波研磨方法及びその装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本願第１発明に係る超音波研磨方法は、容器内に所定粘度に調整された粘性流体を収容し、その上に前記粘性流体より粘度が低く研磨材が混合された研磨流体を注入し、前記研磨流体に研磨対象表面が接するようにして被研磨物を配して前記容器内を密閉し、一定の圧力を被研磨物、研磨流体及び粘性流体に加えた状態で被研磨物に超音波振動を印加して研磨流体により前記研磨対象表面を超音波研磨することを特徴とする。
【００１０】
上記研磨方法によれば、研磨流体に被研磨物の研磨対象表面が接した状態にして容器内の収容物を加圧しながら超音波振動が加えられるので、粘性流体と研磨対象表面との間に層状に介在する研磨流体に研磨対象表面が押し付けられ、研磨流体は研磨対象表面の複雑な形状部分や微細な凹凸形状部分にも侵入し、超音波振動が加えられることにより研磨流体が流動して研磨対象表面は研磨流体中の研磨材によって研磨される。
【００１１】
上記研磨方法において、容器に温度制御された冷却水を循環させて研磨流体及び粘性流体の粘度を維持して超音波研磨することにより、粘度の変化による研磨流体が研磨対象表面から外れた部分に移動することがなく、層状に介在した状態を維持して超音波研磨を実施することができる。
【００１２】
また、粘性流体と研磨流体との間を膜状体で仕切るようにして超音波研磨すると、研磨流体と粘性流体とが混合してしまうことを効果的に防止することができる。
【００１３】
また、容器内に収容した粘性流体に被研磨物の研磨対象表面を押し付けて研磨対象表面の形状を転写し、形状転写された上に研磨流体を注入し、研磨流体上に被研磨物を配して超音波研磨すると、複雑な形状の研磨対象表面であっても研磨流体が全ての研磨対象表面に接することになり、均一な研磨状態に加工することができる。
【００１４】
また、本願第２発明に係る超音波研磨装置は、所定粘度に調整された粘性流体、この前記粘性流体より粘度が低く研磨材が混合された研磨流体、この研磨流体に研磨対象表面が接するようにして配置される被研磨物の順に収容する容器と、この容器の開口部を閉じる蓋体と、前記容器内の収容物に所定圧力を加える加圧手段と、この加圧手段により加圧された状態で被研磨物に超音波振動を印加する超音波加振手段とを備えてなることを特徴とする。
【００１５】
上記構成によれば、研磨流体に被研磨物の研磨対象表面が接した状態にして加圧手段により容器内の収容物を加圧しながら超音波加振手段から超音波振動が加えられるので、粘性流体と研磨対象表面との間に層状に介在する研磨流体に研磨対象表面が押し付けられ、研磨流体は研磨対象表面の複雑な形状部分や微細な凹凸形状部分にも侵入し、超音波振動が加えられることにより研磨流体が流動して研磨対象表面は研磨流体中の研磨材によって研磨される。
【００１６】
上記構成において、粘性流体及び研磨流体を所定温度に維持する冷却手段を設けることが望ましく、超音波振動によって粘性流体及び研磨流体が発熱し、粘度が変化することによって粘性流体上に層状に研磨流体が存在する状態が崩れることがない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、研磨流体に被研磨物の研磨対象表面が接した状態にして加圧手段により容器内の収容物を加圧しながら超音波加振手段から超音波振動が加えられるので、研磨流体は研磨対象表面の複雑な形状部分や微細な凹凸形状部分にも侵入し、それらの部分も確実に研磨され、短時間で一様な研磨状態に仕上げられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る超音波研磨方法により被研磨物の表面を超音波研磨する超音波研磨装置の構成を示すものである。本装置を用いた超音波研磨方法の手順を以下に順を追って説明する。
【００１９】
まず、図３に示すように、容器４内に粘性流体３を投入し、その上から被研磨物１をその研磨対象表面１１が粘性流体３に接するように置き、容器４の開口部をパッキン８を設けた蓋体６で密閉し、超音波発振器７から延出する加圧棒１０によって被研磨物１を粘性流体３に押し付け、粘性流体３に被研磨物１の研磨対象表面１１の形状を転写する。この転写は、研磨対象表面１１に形成された微細な形状まで転写する必要はなく、研磨対象表面１１の概略形状が転写されればよいので、粘性流体３の粘度は高めに設定することが望ましい。
【００２０】
上記転写工程により粘性流体３に研磨対象表面１１の形状を転写した後、蓋体６を開いて容器４内から被研磨物１を取り出し、粘性流体３の転写凹部内に研磨材を混合した研磨流体２を所定量注入する。前記研磨流体２の粘度は、粘性流体３の粘度より低く、研磨対象表面１１に形成された微細な凹部に入り込むことができる粘度に設定される。
【００２１】
次いで、被研磨物１の研磨対象表面１１が研磨流体２に接触するようにして容器４内に戻し、容器４の開口部を蓋体６で閉じ、超音波発振器７の加圧棒（加圧手段）１０によって被研磨物１を研磨流体２に押し付けることにより、図１に示すように、被研磨物１の研磨対象表面１１と粘性流体３との間に研磨流体２が層となって介在する状態が得られる。研磨流体２は研磨対象表面１１に形成された微細な凹部にも入り込んで研磨対象表面１１の全体に接触した状態となる。
【００２２】
図１に示す状態で超音波発振器７から振動子（超音波加振手段）１２を励起して超音波振動を被研磨物１に加えると、超音波振動により研磨流体２が粘性流体３と研磨対象表面１１との間で流動するので、研磨流体２に混合された研磨材により研磨対象表面１１が研磨される。このとき、超音波振動の振幅方向を制御すると研磨方向を変更することができるので、研磨対象表面１１を研削加工する場合では、図４に示すように、研削筋と交差する方向に超音波振動の振幅方向を変更すると、研削筋の除去が容易であり、表面粗さの向上が図りやすく、研磨速度の向上も図ることができる。
【００２３】
尚、研磨加工中においては、超音波振動によって研磨流体３や粘性流体３が発熱するので、温度制御装置（冷却手段）９によって一定温度に制御された冷却水を容器４内に循環させることにより、研磨流体２及び粘性流体３の粘度が温度上昇によって変化しないように制御することができる。
【００２４】
図２は、第２の実施形態に係る超音波研磨装置の構成を示すもので、研磨流体２と粘性流体３との間にフィルム（膜状体）１４を介在させて研磨流体２と粘性流体３とが混合しないようにした構成である。他の構成は上述した第１の実施形態の構成を同一であり、共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００２５】
本構成においては、図３に示したように、容器４内に投入した粘性流体３に被研磨物１の研磨対象表面１１の形状を転写した後、形状が転写された粘性流体３の表面に極薄のフィルム１４を置き、その上に研磨流体２を一定量注入する。前記フィルム１４は、ゴム状材料のような極薄の弾性体を使用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上の説明の通り本発明によれば、複雑な形状や微細な凹凸形状が形成された表面の研磨加工を超精密に行うことができ、光学デバイスあるいは精密成形金型などの研磨加工に適用して有効なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る超音波研磨装置の構成を示す断面図。
【図２】第２の実施形態に係る超音波研磨装置の構成を示す断面図。
【図３】被研磨物の研磨対象表面を転写する工程を説明する断面図。
【図４】超音波振動の振幅方向と研磨方向との関係を示す図。
【図５】従来技術に係る超音波研磨装置の構成を示す断面図。
【図６】従来技術に係る研磨方法の手順を順を追って示す模式図。
【符号の説明】
【００２８】
１  被研磨物
２  研磨流体
３  粘性流体
４  容器
６  蓋体
７  超音波発振器
９  温度制御装置（冷却手段）
１０  加圧棒（加圧手段）
１１  研磨対象表面
１２  振動子（超音波加振手段）
１４  フィルム（膜状体）
【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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