JP2010207933A - 研磨装置および研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球体を、精度よく安定に研磨することが可能な研磨技術を提供する。
【解決手段】小皿摺動面１ｃに研磨対象の球体４を保持する研磨溝５が形成された回転小皿１を、回転大皿２の平坦な大皿摺動面２ｃに偏心した状態で平行に対向させ、球体４を挟圧しつつ回転小皿１と回転大皿２を独立に回転させ、研磨液を供給して研磨することにより、転動する球体４の回転軸の方向が常に変化するようにして偏った研磨を防止し、球体４を精度よく安定に研磨する。
【選択図】図１

Description

本発明は、研磨装置および研磨方法に関する。

たとえば、真球度の高い高精度な球体を加工する場合、仕上げ工程では研磨が行われる。そして、このような研磨技術として、たとえば、特許文献１に開示されたボール研磨機が知られている。

すなわち、固定盤と、この固定盤に対面する平盤回転砥石と対向させて配置し、平盤回転砥石に対面する固定盤には、ボール転動用のうず巻きガイドと、当該うず巻きガイドの内外の両端に連通するボール送入用入口およびボール排出用出口を設け、排出用出口から排出されたボールが循環してボール送入用入口から供給される構成のボール研磨機が開示されている。

ところで、上述の特許文献１のように、固定盤と平盤回転砥石との間に球体を挟持して転動させて研磨する場合、球体を高精度に研磨するためには、球体に対して図６に示されるような３つの力が安定して付加される必要がある。

さらに、さまざまなサイズの球体の最適研磨条件に対応するためには、この３つの力を個々にコントロールする必要がある。
上述の３つの力に関して図６を用いて説明する。

図６は、固定盤と平盤回転砥石の間に挟持されて転動することで研磨されている球体４の状態を示す概念図である。
図６においては、研磨される球体４と、球体４の回転軸５１と、球体４の回転力５２と、研磨力５３、さらには回転軸５１の方向を移動（変化）させる軸移動力５４が示されている。

一般に、回転力５２は、平盤回転砥石の回転によって与えられる。研磨力５３は、球体４が、平盤回転砥石および固定盤に対して摺動することによって生ずる。
ここで、研磨力５３は球体４の研磨作用に関与する。回転力５２は、回転軸５１に対して、研磨力５３が、回転対称に働くために作用している。

従って、回転力５２と研磨力５３の２つの力によって、球体４の研磨は可能である。
しかし、この２つの力のみでは球体４が、回転軸５１に対して、回転対称に研磨されるため、回転軸５１の方向を長軸とする回転楕円体（ラグビーボール）状に研磨されることになり、これを防ぐためには、回転軸５１の方向を移動させる軸移動力５４が必要になる。

従来技術の特許文献１の構成では、固定盤と回転砥石盤を有することから、上述のように回転力５２と研磨力５３は発生する。
しかし、回転軸５１の方向を移動させる軸移動力５４は、球体４と渦巻状の球体ガイドとの摩擦力のアンバランスや、球体４の固定盤および回転砥石盤の各々に対する摩擦力のアンバランス等によって発生するのみであり、いずれも偶発的要素多く、制御が困難である。

したがって、回転軸５１の方向を移動させる軸移動力５４の過不足を生じ、軸移動力５４が不安定になることが予想される。
その結果、特許文献１のボール研磨機の構成では、第１に、真球となるべき球体がラグビーボール状の歪な球体となる可能性が有り、第２に、良好な球体が得られる時間がばらつくことが予想される。

よって、得られる球体の精度が悪く、不安定な加工となる、と言う技術的課題が生ずる。
一方、別の従来技術である特許文献２の球体研磨装置では、ワークである球体を支持する下部ラップを、内周側および外周側の同心円状の二つのリング状の構成にするとともに、内周側および外周側の境界部にワークを案内するＶ字形の溝を周方向に設けた構成としている。

そして、この溝に位置するワークを、上方から下部ラップと同軸に配置されたリング状の上部ラップで押圧しつつ、当該上部ラップおよび内外二つの下部ラップを独立に回転させることで、ワークである球体の研磨が行われるようにしている。

この特許文献２の技術では、上部ラップと、内外二つの下部ラップの三つの構成要素を独立に回転させることにより、球体を転動させるため、上述の「３つの力」を確保し、かつ、特許文献１の第１および第２の技術的課題も解決することが期待できる。

しかし、この特許文献２の場合には、従来、一体で構成されていた下部ラップを内外の２体構造に分割し、しかも分割箇所は、下部ラップの最も精度の要求される球体と接触する溝となっている。

このため、特許文献２の場合には、上述の特許文献１の技術的課題の解決は期待できるものの、下部ラップを２体構造にしたことにより、新たに、以下のような技術的課題が懸念される。

第１に、研磨皿として機能する２体構造の下部ラップの支持構造が複雑となり、球体を保持する溝の剛性が低下し、球体の精度が出ない。
第２に、２体構造の下部ラップの溝の内側と外側が、別の構造体で構成されるため、構造が複雑となる。

第３に、２体構造の下部ラップの剛性が低く構造も複雑なため、温度、振動等の外乱の影響を受けやすく、安定稼働等の観点から不利である。
上述の特許文献２の三つの技術的課題は、ともに高精度な球体を安定して研磨するには、好ましくない。

特開平５−７７１５０号公報 特開２００８−１６１９８６号公報

本発明の目的は、球体を、精度よく安定に研磨することが可能な研磨技術を提供することにある。

本発明の第１の観点は、第１主面に球体が収容される研磨溝が形成され、回転する第１研磨皿と、
前記第１主面よりも大きく、当該第１主面に対向する平坦な第２主面を備え、前記第１研磨皿とは独立に当該第１研磨皿に対して偏心して回転する第２研磨皿と、
を具備した研磨装置を提供する。

本発明の第２の観点は、第１研磨皿の第１主面に形成された研磨溝に球体を収容し、第２研磨皿の平坦な第２主面との間で挟圧し、前記第１研磨皿と前記第２研磨皿を偏心させて独立に回転させる研磨方法を提供する。

本発明によれば、球体を、精度よく安定に研磨することが可能な研磨技術を提供することができる。

本発明の一実施の形態である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。 本発明の一実施の形態である研磨方法を実施する研磨装置の全体構成の一例を示す側面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成の変形例を示す平面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成例を示す部分断面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成例を示す部分断面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置における研磨溝の構成例を示す部分断面図である。 本発明の一実施の形態研磨装置の一部を拡大して例示した断面図である。 本発明の一実施の形態である研磨方法を実施する研磨装置の作用を説明する概念図である。 固定盤と平盤回転砥石等の回転盤の間に挟持されて転動することで研磨されている球体の状態を示す概念図である。

本実施の形態では、一態様として、研磨面が平面の回転大皿と、研磨面に研磨溝を有する回転小皿とを有し、回転大皿と回転小皿の研磨面は対向し、回転大皿と回転小皿は個々に回転可能であり、両者の回転軸は同軸上にない研磨装置を例示する。

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。
（構成）
図１は、本発明の一実施の形態である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２は、本発明の一実施の形態である研磨方法を実施する研磨装置の全体構成の一例を示す側面図である。
なお、図１および図２において、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。

図１および図２に例示されるように、本実施の形態の研磨装置Ｍは、水平に設けられた回転大皿２（第２研磨皿）と、同じく水平に設けられ、回転大皿２に鉛直方向（Ｚ方向）に対向する回転小皿１（第１研磨皿）を備えている。

この場合、回転小皿１の小皿回転軸１ｚと、回転大皿２の大皿回転軸２ｚは、Ｘ方向に相対的に偏心距離Ｒだけ偏心した位置に、小皿回転軸１ｚおよび大皿回転軸２ｚを平行にした姿勢で配置されている。

回転大皿２は、鉛直方向に設けられた大皿支持軸２ｄを介して大皿駆動モータ２０に支持されて回転駆動される。
回転小皿１は、鉛直方向に設けられた小皿支持軸１ｄを介して小皿駆動モータ１１に支持され、回転大皿２とは独立に回転駆動される。

小皿駆動モータ１１は、回転小皿１の上方に設けられた荷重調整装置１０の側面に鉛直方向に滑動自在に支持された錘としても機能し、上端部に接続された吊り下げワイヤ１２の一端によって懸垂支持されている。

吊り下げワイヤ１２の他端部は、滑車１３を介して荷重調整装置１０の図示しない巻き取り機構に巻回され、この巻き取り機構によって、吊り下げワイヤ１２の張力Ｆを調整して、錘としての小皿駆動モータ１１から小皿支持軸１ｄを介して回転小皿１に作用する鉛直方向下向きの研磨荷重を調整する構成となっている。

回転小皿１は、小皿支持軸１ｄに上面の中央部が支持された円形のベース部１ａと、このベース部１ａの下面に固定され、回転大皿２に対向するピッチ皿１ｂで構成されている。

ベース部１ａは、剛性の大きな金属等で構成され、ピッチ皿１ｂは、アスファルト主体の、いわゆる光学用ピッチを用いて製作されている。なお、ピッチ皿１ｂの材質は、光学用ピッチに限らず、金属、樹脂等で製作しても良い。

さらに、図３Ａに例示されるように、回転小皿１のピッチ皿１ｂの回転大皿２に対向する小皿摺動面１ｃ（第１主面）には、小皿回転軸１ｚに、研磨溝５の溝中心５ｚが一致するように円形の研磨溝５が刻設されている。

図３Ｂに示すように、小皿摺動面１ｃに複数の研磨溝５を、研磨溝５の溝中心５ｚが小皿回転軸１ｚと一致するように同心円状に配置してもよい。
この図３Ｂの例では、複数の研磨溝５を設けたことにより、複数の研磨溝５の長さの和が大きくなり、研磨溝５に配列して同時に研磨されるワークとしての球体４の個数を多くすることができ、生産性が向上する。

なお、研磨溝５は、小皿回転軸１ｚと同軸に形成することに限らず、研磨溝５の溝中心５ｚと、小皿回転軸１ｚは偏心していても良く、その場合、例えば図３Ｃに示されるような配置が考えられる。

この図３Ｃの例では、互いに孤立した複数の円形の研磨溝５を、当該研磨溝５の溝中心５ｚが、回転小皿１の小皿回転軸１ｚを取り囲むように、小皿回転軸１ｚに対して偏心して配置している。

この図３Ｃの場合には、回転小皿１の小皿摺動面１ｃの全体を、ワークとしての球体４の配列領域としてより有効に利用できるとともに、同一径の独立な複数の研磨溝５を小皿回転軸１ｚの回りにバランス良く配置できる利点がある。

また、研磨溝５の断面形状は、図３Ｄに例示されるように、球体４の半径よりも深い、Ｕ字形研磨溝５ａとすることができる。
あるいは、図３Ｅに例示されるように、断面形状が球体４の半径と深さが等しい半円形研磨溝５ｂとしてもよい。

あるいは、図３Ｆに例示されるように、断面形状が球体４の半径よりも深さが浅い１／３円弧（中心角度１２０度の円弧）等の円弧形研磨溝５ｃとしてもよい。
このように、回転小皿１の小皿摺動面１ｃに形成される研磨溝５の断面形状は、必要に応じて任意の形状に設定できる。

図４は、回転小皿１および回転大皿２を拡大して例示した断面図である。この図４の例では、研磨溝５として浅い、円弧形研磨溝５ｃが設けられ、この円弧形研磨溝５ｃに沿って複数の球体４が配列されて転動する。

回転小皿１と同様に、回転大皿２は、中央部が大皿支持軸２ｄに支持されたベース部２ａと、このベース部２ａの上面に固定され、回転小皿１と対向するピッチ皿２ｂで構成されている。

本実施の形態の場合、回転大皿２のピッチ皿２ｂの回転小皿１に対向する大皿摺動面２ｃ（第２主面）は平坦であり、溝は形成されていない。
また、本実施の形態の場合、回転大皿２の大皿摺動面２ｃの口径は、回転小皿１の小皿摺動面１ｃに対して十分に大きく、たとえば、大皿摺動面２ｃの直径は、小皿摺動面１ｃの２倍以上に設定されている。

これにより、自転する回転小皿１を偏心距離Ｒだけ偏心させて回転大皿２の大皿回転軸２ｚの回りに相対的に公転させて摺動させることが可能なっている。
この回転大皿２のピッチ皿２ｂは、上述の回転小皿１のピッチ皿１ｂと同様の材質で構成できる。なお、ピッチ皿２ｂは、光学用ピッチを用いずに、ゴム等の弾性体、またはフェルト、金属、樹脂等を用いても良い。

本実施の形態の場合、回転小皿１の小皿摺動面１ｃおよび回転大皿２の大皿摺動面２ｃは、いずれも砥石を有しておらず、研磨液３２を使用して球体４の研磨を行う。
このため、実施の形態の場合は、図２に例示されるように、回転小皿１の上部に研磨液供給部３０が配置され、この研磨液供給部３０からピッチ皿２ｂの上部に研磨液供給ノズル３１の開口端部を延設している。

そして、この研磨液供給ノズル３１から所望の組成の研磨剤を含む研磨液３２をピッチ皿２ｂの大皿摺動面２ｃに滴下して供給することにより、球体４の研磨を行う。
本実施の形態の場合、上述のように、回転小皿１および回転大皿２は、それぞれ、小皿駆動モータ１１および大皿駆動モータ２０によって独立に駆動されるため、互いに独自に回転方向および回転速度を調整できる。

また、上述のように、錘としても機能する小皿駆動モータ１１を支持する吊り下げワイヤ１２の張力Ｆを調整することで、回転小皿１と回転大皿２との間に位置する球体４に作用する挟圧力を所望の値に制御できる。
（作用）
以下、本実施の形態の作用の一例を説明する。

まず、吊り下げワイヤ１２を巻き上げて回転小皿１を回転大皿２から上昇させ、複数の球体４を研磨溝５に配置したのち、吊り下げワイヤ１２を繰り出して回転小皿１を回転大皿２の上に降下させる。

そして、吊り下げワイヤ１２の張力Ｆを調整して、小皿駆動モータ１１等の自重によって回転小皿１と回転大皿２との間に作用する挟圧力を所望の研磨圧に調整する。
なお、静止した回転大皿２の大皿摺動面２ｃにおける回転小皿１の直下の位置に複数の球体４を、配列治具等を用いて回転小皿１の研磨溝５の形状に沿って配列しておき、その上に回転小皿１を降下させて、球体４が回転小皿１の研磨溝５に保持されるようにしてもよい。

次に、研磨液供給ノズル３１から研磨液３２を回転大皿２の大皿摺動面２ｃに供給しつつ、回転小皿１と回転大皿２を互いに独立に回転させると、回転小皿１の研磨溝５に配列された球体４は、回転小皿１の小皿摺動面１ｃと回転大皿２の大皿摺動面２ｃの各々に対する摩擦力によって研磨溝５の内部を転動しつつ周方向に移動し、研磨液３２が球体４の表面に塗布される。

これにより、球体４の表面が回転小皿１の小皿摺動面１ｃおよび回転大皿２の大皿摺動面２ｃに研磨液３２を介して摺動し、研磨液３２に含まれる研磨剤により研磨され、球体４の研磨が進行する。

ここで、本実施の形態の場合には、回転小皿１に対して偏心した回転大皿２の回転作用により、球体４の回転軸５１の方向は、回転小皿１および回転大皿２に平行な平面内（Ｘ−Ｙ平面）のみならず、当該Ｘ−Ｙ平面に交差する方向においても、研磨中、常に変化する。

すなわち、本実施の形態の研磨装置Ｍでは、上述の図６で説明した、回転力５２、研磨力５３、回転軸を移動させる軸移動力５４、の３つの力を有効に発生させることが出来る。

つまり、たとえば回転大皿２の回転を止めた状態で、回転小皿１を回転させた場合、回転小皿１の回転力によって、球体４に、回転力５２と、球体の側面に弱い研磨力５３が発生するとともに、回転軸５１の方向は、ほぼＸ−Ｙ平面内でしか変化しない。

この状態で、本実施の形態のように、回転大皿２を回転させると回転大皿２の回転力により、新たに加わる力は、回転軸５１の方向を変化させる軸移動力５４と、この軸移動力５４によって生ずる研磨力５３である。

従って、本実施の形態のように、回転大皿２の回転を調整することにより、軸移動力５４と、研磨力５３が調整可能となる。
すなわち、回転小皿１の回転のみの場合、研磨溝５に沿って球体転動軌道５ｋを転動する球体４の回転軸５１の方向は小皿摺動面１ｃおよび大皿摺動面２ｃに平行な水平面（Ｘ−Ｙ平面）内にほぼ平行となり変化しないため、球体４は、そのままでは、ラグビーボールのような歪な形状となる懸念がある。

これに対して、本実施の形態の場合には、図５に例示されるように、回転小皿１の小皿回転軸１ｚから偏心距離Ｒだけ偏心して配置された回転大皿２の回転により、回転軸５１の方向は、回転小皿１における球体４の球体転動軌道５ｋに交差する任意の半径の大皿回転軌道２ｋにおける転動作用により、水平面に交差する方向にも変化するため、球体４の回転軸５１の方向が水平面内にほぼ固定されることに起因して、球体４が偏って研磨されることを防止できる。

なお、図５では、回転軸５１の変化の方向を分かりやすくするため、回転軸５１を矢印で示している。
本実施の形態の場合、回転大皿２および回転小皿１の回転速度等の条件設定によって、回転軸５１の方向の変化状態は多様であるが、図５の例では、回転小皿１の研磨溝５における球体転動軌道５ｋにおける球体４の移動方向を後方から見た場合、球体４の転動に伴って、球体４の回転軸５１が、時計回り方向に徐々に変化し、回転軸５１は、球体転動軌道５ｋを中心として螺旋を描くように連続的に変化する様子が例示されている。

そして、本実施の形態では、回転大皿２の回転に伴って新たに加わった２つの軸移動力５４および研磨力５３を個々に変化させる場合、研磨力５３が、回転小皿１が回転大皿２に加える研磨荷重や、研磨液３２に含まれる研磨剤によって変化することを利用して、研磨力５３を軸移動力５４とは独立に制御する。

従って、本実施の形態では、回転力５２、軸移動力５４、研磨力５３をそれぞれ制御することが出来る。
（効果）
このように、本実施の形態の研磨装置Ｍによれば、回転小皿１と回転大皿２との間に球体４を挟持して研磨する場合に、転動する球体４に作用する軸移動力５４を確実に発生させるとともに、転動する球体４に作用する回転力５２、回転軸５１の軸移動力５４、研磨力５３をそれぞれ独立に制御して、球体４を均一に高精度に研磨することができる。

また、回転小皿１の小皿摺動面１ｃおよび回転大皿２の大皿摺動面２ｃのいずれにも砥石を用いることなく、研磨液３２を使用して球体４を研磨するので、研磨装置Ｍの製造コストや保守管理コストを削減できる。

また、本実施の形態の場合には、上述の特許文献２の構成と全く異なり、回転大皿２を分割構造とせずに、剛性の高い単体構造で使用するので、回転大皿２の支持構造が簡素となり、球体４を保持する研磨溝５の剛性が低下することがなく、球体４を高精度に研磨することができる。

また、回転大皿２が単体構造であるため、回転大皿２を支持する大皿支持軸２ｄおよび大皿駆動モータ２０等の構造が簡略化され、研磨装置Ｍの設計や製造が容易となり、研磨装置Ｍの製造コストを削減できる。

また、単体構造の回転大皿２の剛性が高く構造も簡素なため、温度、振動等の外乱に対する耐性が向上し、研磨装置Ｍの安定な稼働を実現できる。
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、球体４を、精度よく安定に研磨する研磨装置Ｍを提供することができる。

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。
［付記１］
球体の研磨装置において、研磨面が平面の回転大皿と、研磨面に研磨溝を有する回転小皿とを有し、回転大皿と回転小皿の研磨面は対向し、回転大皿と回転小皿は個々に回転可能であり、両者の回転軸は同軸上にない球体研磨装置。

［付記２］
付記１の球体研磨装置において、研磨溝がＵ字、若しくは円弧の一部の形状である球体研磨装置。

［付記３］
付記２の球体研磨装置において、回転大皿と回転小皿は個々に回転速度、回転方向を調整できる球体研磨装置。

［付記４］
付記３の球体研磨装置において、研磨される球体の材質は、光学ガラスである球体研磨装置。

１ 回転小皿
１ａ ベース部
１ｂ ピッチ皿
１ｃ 小皿摺動面
１ｄ 小皿支持軸
１ｚ 小皿回転軸
２ 回転大皿
２ａ ベース部
２ｂ ピッチ皿
２ｃ 大皿摺動面
２ｄ 大皿支持軸
２ｋ 大皿回転軌道
２ｚ 大皿回転軸
４ 球体
５ 研磨溝
５ｚ 溝中心
５ａ Ｕ字形研磨溝
５ｂ 半円形研磨溝
５ｃ 円弧形研磨溝
５ｋ 球体転動軌道
１０ 荷重調整装置
１１ 小皿駆動モータ
１２ 吊り下げワイヤ
１３ 滑車
２０ 大皿駆動モータ
３０ 研磨液供給部
３１ 研磨液供給ノズル
３２ 研磨液
５１ 回転軸
５２ 回転力
５３ 研磨力
５４ 軸移動力
Ｍ 研磨装置

Claims (7)

1. 第１主面に球体が収容される研磨溝が形成され、回転する第１研磨皿と、
   前記第１主面よりも大きく、当該第１主面に対向する平坦な第２主面を備え、前記第１研磨皿とは独立に当該第１研磨皿に対して偏心して回転する第２研磨皿と、
   を具備したことを特徴とする研磨装置。
2. 請求項１記載の研磨装置において、
   少なくとも一つの前記研磨溝が、前記第１研磨皿の回転中心に対して同心円状に形成されていることを特徴とする研磨装置。
3. 請求項１または請求項２記載の研磨装置において、
   前記研磨溝の断面形状が、前記球体の半径よりも深いＵ字形、もしくは前記球体の半径と等しい深さの半円形または前記球体の半径よりも浅い深さの円弧形を呈することを特徴とする研磨装置。
4. 請求項１記載の研磨装置において、
   前記第１研磨皿および前記第２研磨皿は、互いに独立に回転速度および回転方向が調整可能にされていることを特徴とする研磨装置。
5. 請求項１記載の研磨装置において、
   前記球体は光学ガラスからなることを特徴とする研磨装置。
6. 第１研磨皿の第１主面に形成された研磨溝に球体を収容し、第２研磨皿の平坦な第２主面との間で挟圧し、前記第１研磨皿と前記第２研磨皿を偏心させて独立に回転させることを特徴とする研磨方法。
7. 請求項６記載の研磨方法において、
   少なくとも一つの前記研磨溝が、前記第１研磨皿の回転中心に対して同心円状に形成されていることを特徴とする研磨方法。