電気 泳動現 象利 用 に よる表面研磨* Field-assisted Fine Finishing (FFF) に 関 す る 研 究
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(2) 精 密 工 学 会 誌 52 /3 / 1986. 548. (2). と な る.た ま た,重. だ し,μ. は 溶 媒 の 粘 性 率 で あ る。. 力 に よ って砥 粒 が運 動 す る と きの速 度 砺. は,. Fig. 1. Schematics. of polishing method. (type I). (3) 砥 粒 の運 動 を制 御す る方 法 を検 討 す る.先 に記 した よ と な る.こ. うに,液 体 中 の微粉 砥粒 は何 らか の形 で 帯電 して い る ので,微 粉砥 粒 を懸 濁 した 液体 に電場 を 与 えれ ばそ の. こ で,fは. 粒 に 働 く力,ρ0は. 重力 の作 用 に よって液体 中の砥. 媒 液 の 密 度,ρ. 微 粉砥 粒 に 力(運 動 エ ネ ルギ ー)を 与 え る ことが で き る.電 場 の大 き さ(強 さ)及 び 印加方 向(極 性)を 変. 重 力 加 速 度 で あ る.. え る こ とに よ り砥 粒 の運 動 を制 御 で き る と考 え られ. 速 度 の は,. した が っ て,式(2),(3)か. ら,y軸. は 砥 粒 の 密 度, g は. 方 向 の砥粒 の 運動. る.こ こで 当然 な ことで はあ るが,液 体 中 に懸濁 した 砥 粒 に は液体 の流 れ方 向 に力 を受 け る.し か し,こ こ. (4). で は式 の扱 い の簡単 化 の ため 流速 の効 果 は考 慮 の外 に お き,解 析 を進 め る こ とにす る. と な る.. 液 体 中 に分散 して い る粒 子 は,. 次 に,x軸. (1). 方 向 に つ い て 考 え る.い ま,砥 粒 を 含 む 流. 体 が 加 工 面 に 平 行 に 相 対 速 度nで. 流 れ て い る とす る.. な る電荷 を もつ こ とがわ か っ てい る.こ こで,ε は媒. 砥 粒 の 加 工 面 に 対 す るx軸. 液 の誘電 率,ζ は砥粒 のゼ ー タ電 位,ο は砥 粒 を 球 と. お け る 流 体 の 速 度 に 一 致 す る も の とす る と,砥 粒 の x. 仮定 した ときの半径,1/xは したが って,一 様 な電場Eの. 軸 方 向 の 速 度Vxは,Vx=n.ま. 電 気 二重 層 厚 さで あ る. 中 に置 かれ て い る粒 子 に. 作用 す る静電気 力fは,fE=QEと. Vx=A1yと. 方 向 の 速 度 は,砥 粒 中 心 に. た,n=んlyと. お く と,. な る.. 加 工 面 に 対 す る砥 粒 の 相 対 速 度vは, v. な る.. で あ る か ら,式(4)か. 流 体 を利 用 して表 面 研磨 を行 う場 合,加 工面 との間 にわ ず か のす きまを有 す る対 向面 が 必要 とな る。 した. = √vx2 + vｙ2. ら,. が って,砥 粒 を電 気的 に制 御 して加工 能 率 の 向上 を図 るに は次 の2つ の方法 が考 え られ る.1つ. は 加工 面 に. (5). 砥粒 を引 き付 け て能率 向 上 を図 る方 法,他 の1つ は対 向面 に砥 粒 を集 中 させ る こ とに よって能 率 向上 を 図 る 方法 で あ る. 2.1 加 工面 に砥 粒 を引 き付 け る場 合. と な る.ま. す よ うに 加工 面 に平行 にx軸,そ. 粒 の 加 工 面 に 対 す る運 動 方 向 は, 砥. 粒 の 運 動 方 向 と加 工 面 の な す 角 を θ とす る と,. ここで は,加 工 面 と対 向面 が す き まkを 保 って と も に水平 に置 か れ てい るもの とす る。 そ して,図1に. た,砥. (6). 示 と な る.し. れ と垂 直 に 下方 を正. た が っ て,砥. 粒 が加工 面 に接 触す る ときの. としてy軸 を とる.い ま,砥 粒 が 負 に帯電 して い る も. 速 度 は,式(5)でy=aと. の と して,加 工 面 が 正,対 向面 が 負 に帯電 す るよ うに. とが で き る.式(5)お. 直 流電 圧 γ を印加 す る。その 場合,加 工 面 と対 向面 の. れ ぽ 電 場Eす. 間 にはE=V/hな る竃 場 が 生 じて い る の で,砥 粒 に は加工 面 の方 向 に力 が作 用 す る.こ の力 に よ って砥粒. 粒 の 運 動 を 制 御 で き る と考 え られ る 。. が運動 す る とき,そ の運 動 速度 砺 は,. エ ネ ル ギ ー に 比 例 す る も の と仮 定 す る と,砥 粒 の 運 動. い ま,加. な わ ち 電 圧Vを. ら,hが. 一定であ. 変 える こ とに よって砥. 工 層 は 加 工 面 に砥 粒 が 衝 突 す る と き の 運 動. エ ネ ル ギ ーKは, 152. お くこ とに よ って 求め る こ よ び 式(6)か.
(3) 黒部 ・今中 ・坂 谷:電 気泳動現 象利用 による表 面研磨. Fig. 2. Schematics. of polishing method. (Type. 549. II). Fig. 3. Polishing. setup (Type. I). (7). とな る.式(7)か ち 電 圧Vが. ら,加 工 量 は 電 場 の 強 さE,す. 大 き くな る に 従 っ て 増 大 す る.ま. (7)か ら,運 動 エ ネ ル ギ ーKは に 依 存 し,か. つ,ゼ. なわ た, 式. 砥 粒 の粒 径 お よび材 質. ー タ 電 位 に も関 係 す る こ とが わ か. る. 2.2. 砥 粒 が 対 向 面 に集 中 す る 場 合. 液 体 中 の 砥 粒 が 負 に 帯 電 し て い る も の と し て, 図 2 に 示 す よ うに 対 向 面 が 正,加. た 電 極 が 負 の 電 荷 を も つ よ うに 距 離hを 電 圧Vを. 印 加 す る と,そ. 場 が 生ず る.し. setup (Type II). る電. 全 に結合 して い るので は な く,静 電気 力 と重 力の 働 き. 粒 は対 向面 上 に引 っぱ ら. れ る こ とに な る. い ま,対. Polishing. おいて直流. の 間 に は,E=V/hな. た が っ て,砥. Fig. 4. 工面 また はほ か に設置 し. のみ で結 合 してい る と考 え られ るので,砥 粒 が加 工面. 向 面 が 水 平 に 置 か れ て い る もの とす る と,. と接 触 して そ れか ら力 を受 け る と,そ の結 合 は簡 単 に. 砥 粒 に 作 用 す る 力fは,. 解 け る. 砥 粒 が加 工面 に与 え るエ ネルギ ー は この結 合力 に比 例 す る とす る と,結 合 力 はfに 比 例 す るので,式 (8) か ら加 工 量 は電 場 の 強 さ,す なわ ち電圧 γ に 比 例 す. (8). る.し たが って,電 圧1Vを 変化 させ る こ とに よ って 加 とな る.こ の力 に よって砥 粒 は対 向面 上 に集 中す る.. 工 を制 御 で きる と考 え られ る.ま た,こ の とき砥 粒 が. そ の結果,砥 粒 と対 向 面 との 間 に摩擦 力 が生 じ,砥 粒 は対 向面 とともに運 動 す る と考 え られ る.こ の場 合,. 加工 面 に作 用す る角 度 は ほぼ 水平 とな るので,加 工 面 に垂 直 な方 向 の力 は非 常 に小 さい と考 え られ る.こ の こ とは加工 変質 層 の低減 に もつ なが る と推 考 され る.. 対 向面 と流 体 は等速 で運 動 して い るので,砥 粒 は流 体 か らの 力 をみ かけ上 うけ ない.ま た,砥 粒 間 に も力 が. 3.. 作 用す るので,そ の運動 の一部 は砥 粒 の堆 積 方 向 に砥 粒 の 堆 積 して い る範 囲 まで 伝 達 され る もの と思 わ れ る.し た が って,加 工 面 と対 向面 との相対 速 度 を 編 と. 3.1. 実. 験. 方. 法. 実験 装 置. 実 験 に使用 した装 置 の概 略 図 を図3,図4に. 示 す. 図. す る と,加 工面 と砥粒 の相 対 速度 は ほぼ 協 に等 し く. 3の 装 置 を 加 工 装 置(1),図4の. な る.こ の場合,砥 粒 と砥 粒 お よび砥 粒 と対 向 面 は完. と称 す る こ とにす る.加 工 装置(1)は 加 工物 に直 接 直 153. 装 置 を加 工 装 置 (ID.
(4) 550. 精 密 工 学 会 誌 52 / 3/ 1986. 流 電 圧 を 印 加 す る方 式 で あ り,一 方,加. 工 装 置(II). は. Table. 1. 電 極 を 加 工 物 とは 切 り離 し て設 置 し,電 極 と対 向 工 具 面 の 間 に 直 流 電 圧 を 印 加 す る方 式 で あ る.両 対 向 工 具 面 の 外 径 は80mm,上 は22mmで. Dimension specimen. and pre-machining. condition. of. 装置 とも. 下 の 回 転 軸 の偏 心 距 離. あ る.対 向 工 具 面 の 材 質 は黄 銅 で あ る. 加. 工 面 と対 向工 具 面 の 間 の す き ま の 調 整 は 上 側 回 転 軸 の 上 下 動 に よ り行 った.そ. の 際,す. き ま の検 出 ・調 整 は. ダ イ ヤ ル ゲ ー ジ を 用 い て 行 っ た. 図3に. 示 す 加 工 装 置(1)で. は,試 料 ホ ル ダ の 材 質 を. 黄 銅 と し,上 側 回 転 軸 に 直 接 取 り付 け た.実 工 具 面 側 が 正,加. 験 は対向. 工 物 側 が 負 の場 合 とそ の 逆 の 場 合 の. 2通 りに つ い て 行 った.図4に. 示 す 加 工 装 置(II)で. 試 料(1)は ア ク リル 製 ホ ル ダ(2)に 固 定 さ れ,ホ 溶 媒 中 に 完 全 に 浮 い た 状 態 に し て,回. は,. ル ダは. 転軸 に よ って下. 方 に 押 し付 け ら れ て い る.ホ ル ダは 回 転 軸 と試 料 の 摩 擦 に よ って 回 転 軸 と 同 じ速 度 で 回 転 す る.こ 場 合,対. 向 工 具 面 が 正,電. 設 定 し た.本. の実験 の. 極 が 負 に な る よ うに 電 圧 を. 研 究 で は 生 産 性 の 観 点 か ら,電 気 泳 動 現. 象 の 効 果 が よ り多 く期 待 さ れ る と 思 わ れ る 装 置 (II) を 主 に 使 用 し て 実 験 を 行 っ た. 3.2. 加 工 条 件. 研 磨 用 砥 粒 と し て は ア ル ミナA1203(粒 μm)と. シ リ カSiO2(粒. 径 20 〜 0.2. 径10〜0.02μm)を. 用 い た.. こ. れ は,砥 粒 材 質 に よ る帯 電 量 の 違 い の 影 響 を み る た め で あ る.砥. 粒 と媒 液 の 混 合 率 は 体 積 比 で,砥. 5%の3通. りに選 び実 験 を 行 っ た.媒. 粒 が 2, 4,. 液 と し て は,電. 離 度 の 影 響 を み るた め に,蒸 留 水,エ チ ル ア ル コ ー ル, メ チ ル ア ル コ ー ル を 使 用 した.加 場 合,構 造 用 炭 素 鋼S45Cを φ7.7mm,厚. さ7mmの. (II)の 場 合 は,シ mm)を. リ コ ン単 結 晶 ウ エ ハ(4"径,厚. 工 に 供 した 面 は(001)面. Fig. 5. 逆 の場 合 で あ る.図5に カ(10μm以. 置. 間 に 比 例 して 大 き くな る こ と が わ か る.ま. 工. られ た の は,先. 用 い て 測 定 し た.そ. 除 去 効 果 の ほ か,次. 定 力4mNで. の測 定条 件 あ る.表 面 の. 互 作 用 効 果(砥. 観 察 に は ノ マ ル ス キ ー型 干 渉 顕 微 鏡 を 用 い た.. 図5に. 装 置(I)の. 験. 装 置(1)を. の 理 論 解 析 で 示 した 砥 粒 の 衡 突 に よる 々 と加 工 面 に や っ て くる砥 粒 の相. 粒 径 は ク リア ラ ン ス の1/2程. 砥 粒 の 相 互 作 用 が 大 きい)も. 度 なので. 大 き く加 工(量)に. 影響. し て い る も の と考 え られ る. 果. 4.2. 場合. 図6に. 場合. 装 置(II)を. 用 い た 場 合 の 実 験 結 果 を示 す. 加. ル ミナ 砥 粒(粒 径8μm,濃. 度 5%). を エ チ ル ア ル コ ー ル に 懸 濁 させ た もの を 使 用 した.. 変 え て 行 っ た.. は 試 料 側 が 正,対 向 工 具 面 側 が 負 に な. る よ うに 電 圧 を 印 加 し た 場 合 で あ り,‑1.5Vは. 装 置(II)の. 工 液 と して は,ア. 用 い た 場 合 の 実 験 結 果 を 示 す. 実. 験 は 印 加 電 圧 を1.5V,OV,‑1.5Vと こ こ で,1.5Vと. 結. た,直 線 の. 場 合 が 最 も大 き くな って. い る.電 圧 を 印 加 す る こ とに よ って 加 工 量 が 大 き く得. 面 粗 さ は連 続 指 示 形 表 面 粗 さ測. 実. は加 工 時間 と. 加 工 量 の 関 係 を 示 し て い る 。 図 か ら,加 工 量 は 加工 時. で あ る.加. ん を 用 い て 求 め た.表. は,触 針 先 端 半 径5μm,測. 入 した エ チ ル ア. お よ び(111)面. 定 機(東. 4.1. 示 す 実 験 は 加 工 液 と して シ リ. 下)を 体 積 濃 度 で4%混. 傾 き は 印 加 電 圧 が1.5Vの. 京 精 密 製)を. and machin-. に 切 り出 し て 試 料 と した. 加. 工 実験 前後 の試料 の質 量減 を化 学天 び. 4.. stock removal. ル コ ー ル を 用 い た 場 合 の もの で あ る.図. さ 0.8. 示 す.. 加 工 量 は,加. Relation between ing time (silica). の. 使 用 し,そ の 形 状 寸 法 は 円 筒 状 の も の で あ る.装. 用 い,20mm角. 条 件 を 表1に. 工 試 料 は 装 置(I). 図6は. その. 電 圧 と加 工 量 の 関 係 を 示 して い る.図 か ら,. 加 工 量 は 電 圧 が 増 加 す る につ れ て 次 第 に増 えて い くの 154.
(5) 黒部 ・今中 ・坂谷:電 気泳動現象利用 による表 面研磨. Fig. Fig.. 6. Influence (alumina). of potential. on stock. 8. Surface. 551. roughness. of silicon. removal. (a) 0V. Fig. 7. Influence of potential (silica). (b) 60V. on stock removal. が わ か る. 図7に. wafer. シ リカ(粒 径2μm,濃. 度5%)を. (c) 100V. (d). (e) 200V. (f) 350V. 150V. 蒸. 留 水 中 に 懸 濁 させ た 場 合 の 実 験 結 果 を 示 す. 図 か ら,加 工 量 は 電 圧 の低 い と こ ろ で い った ん 低 下 し,そ れ 以 後 電 圧 が 増 え る に 伴 っ て 次 第 に増 加 し て い く こ とが わ か る.し か し, 100 Vを 過 ぎ る あ た りで 飽 和 す る 傾 向 が み ら れ る.こ れ は,加. 工 面 と対 向 面 の 間 の す き ま が. 砥 粒 径 に 比 べ て 大 きい の で,電. 圧が低 い とこ. ろで は 対 向 工 具 面 に 集 ま る砥 粒 数 が 少 な い こ とが原 因 し て 加 工 量 が 減 少 した も の と思 わ れ る.一 方,電 (量)が. 多 く な るた め 加 工 量 が 増 え た も の と考 え ら れ. る.図8に 示 す.図. Fig.. 9. Photographs. 表 面 粗 さRmaxの. 測 定 結 果(図7の. specimen. た.. 試 料) を 5.. か ら,表 面 粗 さ は 電 圧 が 増 す に つ れ て い っ た. ん大 き くな り,極 値 に 達 した 後 次 第 に 減 少 す る こ とが わ か る.図9に. of polished. 圧が高 い場 合 には砥粒 の集積 数. 考. 察. 以 上 の 実 験 結 果 か ら,砥 粒 の 電 気 泳 動 現 象 を 利 用 し. そ の 場 合 の 加 工 面 の 顕 微 鏡 写 真 を 示 す.. て,砥. 粒 を 加 工 面 に 引 き 付 け るか あ る い は 対 向 工 具 面. 図 か ら,加 工 面 は 電 圧 の 小 さい 範 囲 で は ラ ッピ ン グ を. 上 に 集 中 させ る こ とに よ っ て 加 工 能 率 を 向 上 で き る と. 施 した よ うな面 に な っ て い るが,電. 考 え られ る.砥. 圧 が 大 き くな る と. 粒 と し て シ リ カを 用 い た 場 合,そ. 次 第 に ポ リシ ン グ し た 面 の よ うに な る こ と が わ か る.. 負 に 帯 電 す る の で,非. なお,前 加 工 面 の表 面 粗 さ はRm。xで 約1.2μmで. は 砥 粒 を 加 工 面 に 引 き付 け る方 が 有 利 で あ る.水. あっ 155. れは. 水 系 媒 液 を 加 工 液 とす る場 合 に を加.
(6) 精 密工 学 会 誌 52 / 3/ 1986. 552. 工 液 に 用 い る場 合 に は,砥. 粒 が イ オ ン化 し て 次 第 に 電. 実 験 結 果 か ら,加. 工 量 は 電 圧 が 増 す に つ れ て 基本. 解 質 溶 液 とな り,電 極 反 応 が 起 こ り加 工 物 に 電 圧 を 印. 的 に は 増 加 す る 傾 向 に あ る が,そ. 加 す る こ とが 困 難 とな る が,加. 使 用 砥 粒 の 材 種 と 溶 媒 に よ っ て 変 わ る.. 大 に よ っ て 増 加 す る.水. 工 量 と して は 電 圧 の 増. にSiO2砥. 合 に は 電 離 度 が 大 き い の で,電. 粒 を 分 散 させ た 場. (5). 圧 が 大 き くな る と砥 粒. の 多 くは 対 向 工 具 面 上 に 付 着 す る.そ. ま り,電 圧. る.触. ま れ る)す. る が,電. こ と が 観 察 さ れ た.. 圧 が 大 き く な る と,加 工 面 上 の 山. 6.. 結. 終 わ り に 本 研 究 を 進 め る に 当 た り協 力 い た だ い た 金 沢 大 学 工 学 部 尾 西 隆 氏 に あ つ く お 礼 申 し 上 げ ま す.. 論. 参. 電 気 泳 動 現 象 利 用 の 表 面 研 磨 に つ い て,理 験 的 観 点 か ら そ の 可 能 性 を 検 討 し た.そ. 1). 論 的 ・実. 3). 4). て 加 工 を 行 う形 式 の もの とそ れ ら を 互 い に 切 り離 5). して 別 個 に 設 定 し て 行 う2形 態 の 装 置 を 試 作 し. 加 工 物 を 直 接 電 極 に取 り付 け た 実 験 に お い て. は,電. の現 象. は 使 用 砥 粒 の 材 種 に は よ らな い よ うで あ る. (4). 報)――Si単 結 晶 の イ オ ン ス パ ッタ 加工 に よ る格 子 不整, 精 密 機 械, 45, 3 (1979 )292. 宮 本 岩 男,谷 口紀 男:イ オ ン スパ ッ タ加 工 法 の 研 究 (第 2 報)―― ダ イ ヤ モ ン ドの 加 工,精 密 機 械, 46, 8 (1980) 102. 安 永暢 男,小 原 明,樽 見 昇,今 中 治:軟 質 粒 子 によ. 6). T. Kurobe, O. Imanaka and S. Tachibana : Magnetic Field-assisted Fine Finishing, Bull. JSPE, 17, 1, (1983) 49.. 7). 北 原 文 雄,渡 辺 共 立 出 版 (1972). 圧 を 試 料 側 が 正 に な る よ うに 印 加 した 方 が. 加 工 量 が 増 え る こ と が 明 らか とな っ た.こ. よ る超 精 密 数 値 制 御 加 工 法,精 1537. オ ンス パ ッタ加 工 法 の 研 究 (第 1. るSi単 結 晶 の メ カ ノ ケ ミカル ポ リシ ン グ,精 密 機 械, 44, 9 (1978) 1105.. た. (3). 献. Emission Machining)に 密 機 械, 46, 12 (1980) 宮 本 岩 男,谷 口紀 男:イ. 仕 方 の2形 式 が 可 能 な こ とが 明 ら か と な った. 実 験 装 置 と して,加 工 物 を 電 極 に 直 接 取 り付 け. 文. 2). 砥 粒 の 運 動 の 解 析 の 結 果,加 工 法 と して は砥 粒. を 加 工 面 に 引 き つ け る方 法 と対 向 面 に 集 中 さ せ る. 考. 森 勇 蔵,津 和 秀 夫,杉 山 和 久: EEM (elastic emission machining)の 基 礎 研 究―― 極 微 小量 弾 性 破 壊 の概 念 とそ の 可 能 性,精 密 機 械, 43, 5 (1977) 542. 森 勇 蔵,井 川 直 哉,奥 田 徹,杉 山和 久: EEM (Elastic. の結 果次 の よ. う な結 論 が 得 られ た.. (2). 面 粗 さは電. ッピングに似 たか たち の除去 作用 が営. の 部 分 を 完 全 に取 り去 っ て い くた め と思 わ れ る。. (1). 針 式 粗 さ 計 に よ る 測 定 か ら,表. 圧 が 大 き くな る に つ れ て 次 第 に 小 さ くな って い く. 圧 が 小 さ い と き は加 工 面 を ラ ッ ピ ン グ す る. よ うに 加 工(ラ. 圧 が 大 き くな る とポ. リシ ン グ し た 面 の よ うに 加 工 さ れ る こ とが わ か. の 増 大 に よ り,砥 粒 と対 向 工 具 面 の 結 合 力 が 大 き く な る た め,電. 圧 の 小 さ い範 囲 で は ラ ッピン. グ し た 面 の よ う に な る が,電. 面粗 さは次第. に 小 さ く な っ て い く も の と推 考 さ れ る.つ. 加 工 した 場 合 の 加 工 面 の 光 学 顕微. 鏡 写 真 観 察 か ら,電. のため 加工 量 は. 電 圧 が 大 き く な って も増 大 し な い が,表. 装 置(II)で. の増加 の程度は. 加 工 物 と電 極 を 互 い に 離 し て 設 置 し た 場 合 の. 156. 昌:界 11.. 面 電 気 現 象―― 基礎・測 定 ・応用,.
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