(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントな剛性の流体ジェットを生成する方法であって、
ａ）軸を有し、前記ジェット用のノズルを画定する非磁性材料から形成された管を有する電気ソレノイドを提供するステップと、
ｂ）磁気粘性流体を提供するステップと、
ｃ）前記ソレノイドを付勢して、前記ソレノイドの前記軸に平行に前記管を通過する磁力線を有する磁界を提供するステップと、
ｄ）前記磁気粘性流体を前記ノズル内に送り込み、前記磁界の存在下で前記流体を剛化させるステップと、
ｅ）前記剛化された流体を前記ノズルから噴出して前記ジェットを形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記磁気粘性流体が、磁気的に柔らかい粒子、磁気的に固い粒子、およびそれらの混合物から成るグループから選択された磁性粒子を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記磁気的に柔らかい粒子が複数の磁区を含み、鉄、カルボニル鉄、コバルトおよびニッケルと鉄の合金、およびそれらの混合物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記磁気的に柔らかい粒子が単一の磁区を含み、酸化γ鉄、二酸化クロム、およびそれらの混合物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記混合物が、大部分の磁気的に固い粒子および小部分の前記磁気的に柔らかい粒子を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記磁気粘性流体が、研磨材を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記研磨材が、酸化セリウム、ダイヤモンドダスト、アルミナ、およびそれらの混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
磁気粘性流体のジェットを偏向する方法であって、
ａ）少なくとも１つの可変的に付勢可能な電磁石を前記ジェットの経路に隣接して提供するステップと、
ｂ）前記電磁石を付勢して、前記ジェットの前記経路に、前記経路と直交する磁力線を有する磁界を形成するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
複数の独立に付勢可能な電磁石をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
４個の電磁石を含み、前記４個を１個づつ方形の各隅に配置し、前記方形が前記ジェット経路に直交する平面内に含まれることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
磁気粘性流体のジェットを衝突させることによって工作物を仕上げ加工するためのシステムであって、
ａ）前記工作物を保持するための取付具と、
ｂ）前記工作物から離して配置され、前記工作物に向かって方向付けられた軸を有し、非強磁性材料から形成された管を有する電気ソレノイドであって、前記管が前記ジェットのためのノズルを画定し、前記ソレノイドの前記軸に平行に前記ノズル内を通過する磁力線を有する磁界を提供するために付勢可能である前記ソレノイドと、
ｃ）磁気粘性流体と、
ｄ）ある量の前記流体を前記磁界内の前記ノズルに送り出して、そこで前記流体を磁気的に剛化させ、その後で前記剛化した磁気粘性流体のジェットを前記ノズルから噴出して前記工作物に衝突させるためのポンプ手段とを備えたことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記剛化した流体の前記工作物上の前記衝突の位置を変化させるために、前記取付具を複数のモードで制御可能に移動させるための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
ａ）前記工作物に衝突した後で前記流体を補集するための前記工作物の周囲のシュラウドであって、前記ノズルからの前記ジェットを取り込むためのアパーチャを有する前記シュラウドと、
ｂ）前記補集された流体を前記シュラウドから受容し、前記ポンプ手段に供給するためのタンクと、
ｃ）前記流体の温度を調整するために前記タンクに作動可能に接続された温度制御システムとを含む、前記磁気粘性流体のための再循環システムをさらに備えたことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記ジェットの経路に隣接する少なくとも１つの可変的に付勢可能な電磁石であって、前記ジェットをその弾道から偏向させるために前記経路に対して直交する磁力線を有する電磁石をさらに含むことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
４個の電磁石をさらに含み、前記４個を１個づつ方形の各隅に配置し、前記方形が前記ジェット経路に直交する平面内に含まれることを特徴とする請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
ソレノイド電流、ポンプ流量、前記磁気粘性流体の温度を含むプロセスパラメータを設定し、前記４個の電磁石の作動を制御して、前記工作物の前記表面全体に対して前記ジェットの２次元スキャンニングを行うためのプログラム可能な電子制御装置をさらに備えたことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
全部の粒子が、磁気的に固い粒子である磁性粒子を含むことを特徴とする磁気粘性流体。
【請求項１８】
前記磁気的に固い粒子が、酸化γ鉄、二酸化クロム、およびそれらの混合物から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の磁気粘性流体。
【請求項１９】
磁気的に固い磁性粒子と磁気的に柔らかい磁性粒子とを含み、前記磁気的に固体の粒子が重量的に大部分を構成することを特徴とする磁気粘性流体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、表面を形削りし研磨（加工）するための方法および装置に関し、さらに詳しくは、研磨ジェットの衝突によって表面を形削りし研磨するための方法および装置に関し、更に詳しくは、電磁的に変更可能であり電磁的に方向付けられるジェットの衝突によって表面を形削りし研磨するための方法および装置に関する。
【０００２】
（関連技術の説明）
研磨粒子を含む水ジェットは、ガラス、セラミックス、プラスチック、および金属などの材料を切削または形削るために使用されることが知られている。この技術は一般的に、アブレシブストリーム加工、またはアブレシブサスペンションジェット加工、またはアブレシブフロー加工として知られている。一般的に、そのようなジェットを、切削すべき基板に毎秒１０メートルを超える比較的高速度で衝突させる。ジェットが衝撃ゾーンに当たると、水キャリヤ内の研磨粒子が基板表面の粒子を削り落とす。材料除去速度は、ジェットの運動エネルギ、研磨粒子の尖鋭度、粒径、および硬度、基板の材料、ジェットノズルから工作物までの距離、ならびにジェットの入射角の関数である。
【０００３】
研磨液体ジェット技術を、例えば光学部品などのような、要求が非常に厳しい物体の表面の精密加工に適応させることは、事実上困難であった。流体ジェットの基本的性質は、ジェットがノズルを出るときに、突然加わる縦方向および横方向の圧力勾配、表面張力、ならびに空気力学的擾乱の組合せのため、その照準性を失い始めることである。水ジェットはすぐに散開して、ノズルから短い距離内、一般的にノズルオリフィスのノズル径数個分の距離内で砕けて水滴になる傾向があり、それによりジェットの断面積は増加し、それに比例してジェット内の単位運動エネルギは低下する。この理由から、研磨切削ジェットのノズルは一般的に、切削される工作物に実践的に可能な限り近くに配置される。圧力および流量を低下して、ジェットを切削ではなく研磨ができるフローレジムに配置することは、ジェットをさらに劣化することにもなるので、工作物の小領域に集中させることは容易にはできない。粘度上昇剤を添加することにより切削媒体の粘度を増加することは、ジェットの安定化に役立つが、送出システム内の流体の流動抵抗および流体をノズルに送り出すために必要なポンプ能力も比例して増加し、切削または研磨のどちらにも非実用的な高速高粘度のジェットになる。
【０００４】
研磨用のアブレシブ水ジェットを研磨に使用することのさらなる限界は、ノズルの姿勢または工作物の位置のいずれかを調整することでしか、工作物に対してジェットを位置決めできないことである。ジェット自体は、ひとたびノズルオリフィスを出てしまうと、方向を変えたり、誘導することができない。
【０００５】
（発明の概要）
本発明の主たる目的は、ノズルオリフィスからノズル径の多数個分の距離にわたって照準性およびコヒーレンスを維持する流体ジェットを提供することである。
【０００６】
本発明のさらなる目的は、高速でノズルから排出できる照準化された流体ジェットを提供することである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、高いみかけ粘度を有する流体の照準化されたジェットを提供することである。
【０００８】
本発明のさらに別の目的は、ノズルから出た後で方向を変更できるコヒーレントな流体ジェットを提供することである。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、基板表面の形削りおよび／または研磨に使用できる研磨粒子を含む、高速の、よく照準化された流体ジェットを提供することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、高速の、よく照準化された、遠隔的に方向を変更できる研磨用の流体ジェットの作用によって、基板表面を形削りおよび／または研磨するためのシステムを提供することである。
【００１１】
これらの目的は、「制御可能な」流体、例えば磁気粘性流体（ＭＲ流体）を使用することにより、達成することができる。
【００１２】
簡単に説明すると、磁界を加えることにより粘度の選択的増加を行うことができる流体を、磁気粘性流体と呼ぶ。本発明に使用するのに適したＭＲ流体の例は、１９９６年６月１１日にＫｏｒｄｏｎｓｋｙらに発行された米国特許第５，５２５，２４９号明細書に開示されており、これを参照によってここに組み込む。米国ノースカロライナ州ＣａｒｙのＬｏｒｄ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによってＶｅｒｓａＦｌｏ（登録商標）ＭＲシリーズ流体として供給されているものなどのＭＲ流体は、磁界を加えると、粒子フィブリルを形成し、かつ高い降伏応力を示す（基本的に固体になる）能力を提示する。フィブリルは、磁界の力線と整列する。ＭＲ流体は、ダンパ、クラッチ、ブレーキ、弁、およびマウントなど、様々な「制御可能な流体」装置でよく知られており、そこで加えられる磁界が無いときは、流体は低い固有粘度を持ち、２つのプレートの間の間隙を自由に流動することができるが、プレートに磁界が加わると、高いみかけ粘度（高い降伏応力）を獲得する。しかし、降伏応力および粘度の変化は異方性である。つまり、性質の変化は磁界の線に平行な方向には発生せず、最大の変化は磁界の線に直交する方向に発生する。この理由のため、加える磁界の方向および大きさを選択し制御することにより、性質は「選択可能」かつ「制御可能」であると言われる。また、ＭＲ流体によって与えられる選択可能な粘度変化は、加えられる磁界の低下または除去によって急速に可逆的であることにも注目されたい。
【００１３】
本発明では、ＭＲ流体の連続的な流れは、ソレノイドの螺旋巻線の軸方向に配置された非強磁性管を通して方向付けられる。ＭＲ流体は、研磨材が少なくとも一時的にその中を浮遊するように、細かく分割された研磨材、例えば酸化セリウム、ダイヤモンドダスト、または酸化鉄と結合することがことが好ましい。ソレノイドに電気が流れると磁界が発生し、これは、磁粉から磁界指向構造のフィブリルを形成し、それにより流動するＭＲ流体は剛化して事実上固体のロッドになり、これは、流れの方向に直角に剪断されたときには非常に高い降伏応力を示し、管の壁に沿うように流れの方向に剪断されたときには低い剪断応力を示す。そのような異方性フィブリル化により、剛化した流体は、従来の等方的に高粘度の流体に要求されるような高いポンプ圧を必要とすることなく、管内を容易に流れることができる。管はノズルを画定し、これは、直径を管自体より小さくすることができる特別に成形された出口オリフィスを有する。ノズルから噴出されるＭＲロッドは、ＭＲ流体の照準性の高い実質的に固体のジェットを画定する。ノズルを離れると、ＭＲ流体ジェットはソレノイドの磁界を通過し、ジェット内の異方性フィブリル化は徐々に崩壊し始める。しかし、ＭＲジェットの残留高粘度およびしたがってその結果生じる安定化は、ジェットが著しく散開して構造を失うことなく数フィート先まで移動できる充分な時間、持続することができる。これにより、研磨ジェットを使用して、工作物の表面をノズルから多少離れた位置で形削りおよび／または研磨することができる。
【００１４】
本発明で使用するのに適した磁気粘性流体は、磁気的に「柔らかい」粒子だけ、または磁気的に「固体」の粒子だけ、または２つの混合を含むことができる。混合は、大部分の固い粒子および小部分の柔らかい粒子を含むことが好ましい。
【００１５】
磁気的に柔らかい粒子は、磁界によって整列可能であるが磁界が無いときは無作為に方向付けらる複数の磁区、一般的に数千個のそうした磁区を持つものと定義される。磁気的に柔らかい粒子は、加えられる磁界が無いときは、磁性指向を維持しない。磁気的に柔らかい粒子の例として鉄、カルボニル鉄、およびコバルトおよびニッケルと鉄の合金がある。
【００１６】
磁気的に固い粒子は、磁界によって整列可能な単一の磁区を持つものと定義される。そのような粒子は一般的に針状であり、磁気記録材料の製造時のように、磁気によって粒子を物理的に整列させることができる。磁区の極性は、逆転磁界を加えることによって逆転することができ、磁気記録装置でビットを記録する場合のように、磁界が除去されたときに逆極性は維持される。磁気的に固い粒子の例として、酸化γ鉄および二酸化クロムがある。
【００１７】
好適な実施形態では、ジェットは、加工する工作物を取り囲むシュラウドに向けられる。ジェットの残留硬度により、研磨粒子は工作物に攻撃的に衝突する。工作物は、工作物の予め定められた材料除去要求を満たすために、多軸回転および変位が行われるように取り付けることができる。さらに、工作物の表面上でジェットを移動させるために、ソレノイドを同様に取り付けることができる。
【００１８】
さらに、現在の好適な実施形態では、本発明の装置は、複数の独立に付勢可能な電磁石を、好ましくは、ノズル出口オリフィスと工作物の表面との間の空間内の位置でジェットに対して直交する平面内に含まれる方形の隅に配置された４個を設けることができる。磁石は既知の手段によって動的に駆動して、電磁的に応答して剛化される流体のジェットを必要に応じて工作物の特定のターゲット領域に偏向させるか、または工作物の表面上を複雑な、予め定められたパターンで移動させることができる。
【００１９】
ソレノイド磁石、方向付け磁石、流体温度、およびポンプ圧（流量）を制御することによって、被削表面におけるジェットの形状、位置、およびみかけ粘度を制御することができるので、工作物に対する研磨材の攻撃の強度は、非常によく制御することが可能である。これにより、ブランク、例えばレンズブランクの表面のプログラムされた形削りおよび／または研磨が可能である。研磨を開始する前に、ブランク表面の実際の形状および粗さを、好ましくは、例えば既知の干渉計測技術によって決定し、所望する最終的な形状および表面平滑性と比較する。除去すべき異形の形状および位置をコンピュータ操作制御装置にプログラムし、これは、所望の結果を達成するためにジェットが工作物上の移動するときのジェットの強度およびドウェル時間を計算して制御する。
【００２０】
本発明の以上およびその他の目的、特徴、および利点は、現在の好適な実施形態と同様、添付の図面に関連して以下の説明を読むことにより、いっそう明らかになるであろう。
【００２１】
（発明の詳細な説明）
図１および図２を参照すると、本発明による装置の実施形態１０が示されている。仕上げ加工（形削りおよび／または研磨）される工作物１２は支持チャック１４に取り付けられ、チャックは次に軸受台１８の軸受１６に回転できるように支持される。工作物は、例えば最終形状およびその表面の平滑性に非常に高レベルの精度が要求される、ガラスまたはプラスチックレンズ用、またはその他の光学要素、または同様の金属またはセラミックの要素用の成形ブランクとすることができる。以下で述べる通り、システムの作業上の柔軟性により、工作物は、希望する場合には不規則な、非対象な形状を持つことができる。
【００２２】
工作物、軸受、および軸受台は、加工作業のための支持ハウジングおよびシールドとして働くシュラウド２０によって周囲を囲まれる。シュラウドの外に、多軸位置決め装置２２、例えば米国マサチューセッツ州ミルフォードのＢｏｓｔｏｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｒｐから入手可能な５軸ＣＮＣマシンがあり、その出力軸２４はシュラウド２０の開口を通してチャック１４に接続されており、また自在継手２６を含むことができる。位置決め装置２２は、加工作業中に所望する一連のオリエンテーションを通して工作物１２を回転および／または並進させるようにプログラム可能であることが好ましい。工作物を加工のために取り付ける前に、工作物の形状をレーザ干渉測定などにより特徴付け、除去すべき領域の三次元マップを生成することが好ましい。この除去を達成するための工作物の運動の指示がＣＮＣ位置決め装置に入力される。代替的に、工作物は、加工中にスキャンニングを行い、その結果を実時間で位置決め装置にフィードバックすることができる。
【００２３】
例えば約１０００ガウスの軸方向磁界を生成することができる電気ソレノイド２８は、ソレノイドの軸の延長が空間的に工作物１２の加工すべき表面部分と交差するように取り付けられる。ソレノイド２８に供給される電流を変化させて、磁界の強度を必要に応じて変化させることが好ましい。ソレノイド２８は、例えば鋼から形成された磁気的に不透明なシェル３１内に包含されることが好ましい導電性巻線２９を従来通りに巻き付ける。ソレノイド２８は、その軸長に沿って、ノズル３０を画定する管を装備する。この管は、例えばガラス、セラミック、またはシリーズ３００ステンレス鋼などの非強磁性材料から形成する。ソレノイド２８は、シュラウドの内側または外側に取り付けることができ、維持管理のためには後者の位置が好ましい。ノズル３０は、アパーチャ３２を通してシュラウド２０の内部に連絡する。流体タンク３６とノズル３０との間の流体の流動のために、ポンプ３４を接続する。作業流体を柔軟にするために、タンク３６には従来の冷却コイル３８などの制御可能な冷却手段を設けることが好ましい。タンク３６はある量の磁気粘性流体（ＭＲ流体）４０を含み、それは、例えば酸化セリウム、ダイヤモンドダスト、アルミナ、またはそれらの混合物など、細かく分割された研磨材を含むことが好ましい。
【００２４】
動作中、低い固有粘度を有するＭＲ流体は、ポンプによってタンクから汲み出され、ソレノイドのノズルに送られる。ＭＲ流体がノズル内のソレノイドの軸方向の磁界に入ると、磁性粒子の磁気モーメントが整列してフィブリルを形成し、流体内にロッド様構造を誘発する。流体は非常に剛化され、湿った粘度のような物理的組織になり、流れの方向をよぎる方向のみかけ粘度が非常に高くなる。剛化した流体は、ロッド様の非常によく照準化されたジェット３５としてノズルから工作物の方向に噴出される。ソレノイドの磁界を通り抜けた後、ジェットはその誘発された異方性構造および残留する「記憶された」流動学的性質を維持し、それはジェットの空気力学的力の低下を減衰し、表面張力の低下にも抵抗する。好適な実施形態では、磁気的に不透明なシェル３１をソレノイド２８に使用することによって残留異方性を強化する。全ての磁力線はこのようにしてシェル内に維持される。非遮蔽ソレノイドの巻線を超えて軸方向に延長するフリンジング磁界は徐々に発散し、ジェットの残留異方性を望ましくない程度まで低下する。その結果、ジェットは、ノズルから比較的大きい距離でコヒーレントであり続けることができる。磁気的に固体の粒子はそれらに加えられた極性を維持するので、磁気的に固い粒子を含むＭＲ流体はノズルより先まで、磁気的に柔らかい粒子のみを含むものより実質的に大きい範囲まで、フィブリル構造を維持する。
【００２５】
ＭＲ流体は工作物上に連続的に衝突し、工作物は、工作物表面の一部分を研磨のために順次ジェットに提示するため、予めプログラムされた一連の運動を行うように、位置決め装置によって駆動される。ジェットのコヒーレンスは、非常に高い効率、選択性、および材料除去の制御をもたらす。工作物から逸れたＭＲ流体は、シュラウド内に補集され、調整して再使用するためにタンクに戻される。
【００２６】
図３および図４を参照すると、第２実施形態４２は、剛化ジェット３５がノズル３０から工作物１２まで通過するときに、剛化ジェットの周囲に複数の磁石を配置することができるように、ソレノイドがシュラウドから離れて配置されていることを除いては、第１実施形態と同様である。４個のそうした磁石４４、４６、４８、および５０を、ジェットの流れ方向に直交する平面内に含まれる方形の隅に配置することが好ましい。磁石を既知の方法で（イオンビームまたは陰極線の電磁ステアリングと同様に）接続して駆動し、結果的に生じる磁気勾配をジェットに与えて、ジェットの軌跡を変化させることができる。この勾配は大きさおよび方向を希望通りに動的に変化させて、加工中に工作物の表面上でジェットの２次元スキャンニングを行うることができる。
例：
図１に示す装置では、５００ｃｐの粘度を持ち、３６体積％のカルボニル鉄、６体積％の酸化セリウム、５５体積％の水、および３体積％の安定剤を含むＭＲ流体を、Ｍ−０３型Ｈｙｄｒａ−Ｃｅｌｌ膜ポンプ（米国ミネソタ州ミネアポリス、Ｗａｎｎｅｒ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，  Ｉｎｃ．）を用いて、約４リットル／分の流量で汲み出して、１０メートル／秒のノズルジェット速度を達成した。ノズルを１６００回巻かれたソレノイドの１２．５ｍｍの内径に沿って配置し、このソレノイドは、１キロガウスの磁界を生成した。ノズルオリフィスの直径は３．５５ｍｍであり、ソレノイドの表面に高さを揃え、シュラウドのアパーチャの外側に高さを揃えて取り付けた。平坦なＢＫ７ガラスの工作物を、９０°のジェット入射角が得られるように、チャックに取り付けた。
結果：
１．工作物を静止させ、１．５アンペアのソレノイド電流で１５分間、１スポットをジェット処理にさらした。そのスポットを研磨の前後で干渉測定によって分析した。ガラス除去の最高速度は０．０７８５μｍ／分であり、除去関数は、静止工作物表面のジェット衝突後に流体が流れるゾーンの流体速度プロフィルの特徴を持つプロフィルを示した。
【００２７】
２．スピンドル速度を２００ｒｐｍに設定し、ガラス表面上に結果的に生じたリングを１時間研磨した。研磨後、リングの粗さおよびリング外の粗さをＣｈａｐｍａｎプロフィルメータで測定した。リングの表面加工は、２０−４０オングストロームの範囲内でＲＭＳ値に改善された。
【００２８】
以上の説明から、研磨粒子を含む磁気粘性流体がソレノイドの内部磁界の中で高いみかけ粘度に剛化され、ノズルから高速で噴出され、コヒーレントな照準化されたジェットとして加工表面に衝突する、精密要素の研磨ジェット加工のための改善されたシステムが提供されたことは明らかである。当業者は間違いなく、本発明に従って、ここで説明した磁気粘性流体を用いた研磨ジェット加工システムの変形例および変化例を思いつくであろう。したがって、以上の説明は解説と受け取るべきであって、制限的な意味に受け取るべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による装置の作動中の状態を示す部分略断面立面図である。
【図２】  図１の線２−２に沿って切った断面図である。
【図３】  ジェット操縦磁石の追加を示す、本発明のさらなる実施形態の、図１に示したのと同様の図である。
【図４】  図３の線４−４に沿って切った断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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