JP2019198908A

JP2019198908A - 合成樹脂板加工方法

Info

Publication number: JP2019198908A
Application number: JP2018093622A
Authority: JP
Inventors: 巻子大前; Makiko Omae; 俊輝宮井; Toshiteru Miyai
Original assignee: Disco Abrasive Systems Ltd
Current assignee: Disco Corp
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2019-11-21

Abstract

【課題】加工性を損なうことなく、合成樹脂板を光学部品に加工することができる合成樹脂板加工方法を提供する。【解決手段】本発明によれば、合成樹脂板１０を所望の厚みに加工する合成樹脂板加工方法であって、合成樹脂板１０を保持手段によって保持し、合成樹脂板１０の上面１０ａを露出させバイト４３の切り刃によって上面１０ａを旋削するバイト加工工程と、バイト加工された合成樹脂板１０’の上面１０’ａに遊離砥粒Ｓを供給して研磨パッド９４によって研磨し、バイト加工による旋削痕１００を除去して鏡面に仕上げ、所望の厚みとする研磨加工工程と、から少なくとも構成される合成樹脂板加工方法が提供される。【選択図】図５

Description

本発明は、合成樹脂板を薄化して上面を鏡面に加工する合成樹脂板加工方法に関する。

スマートホン、携帯電話等で使用される液晶素材には、ガラス板が光学部品として用いられている。また、近年では、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の透明な合成樹脂板が、上記ガラス板の代替え品として検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２０１３−１２２４７１号公報

合成樹脂板をガラス板の代替え品として使用する場合、合成樹脂板を薄化加工し、さらに、表面を研磨加工して鏡面に仕上げる必要がある。しかし、合成樹脂板は、剛性が低く柔軟性があることから、研磨加工の前に薄化すべく研削砥石で研削すると、研削面にムシレ（研削面の欠損、窪み）が生じるため、通常の研磨加工では該ムシレが除去しきれず、光学部品として満足できる鏡面に仕上げることが困難であり、ガラス板に比べ加工性が悪いという問題がある。

また、液晶画面を構成する光学部品として、下面に対して上面が傾斜した形態を呈した透明板に加工する必要がある場合は、更に加工が困難となり、加工性に問題がある。

本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、加工性を損なうことなく、合成樹脂板を光学部品に加工することができる合成樹脂板加工方法を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、合成樹脂板を所望の厚みに加工する合成樹脂板加工方法であって、合成樹脂板を保持手段によって保持し、該合成樹脂板の上面を露出させバイトの切り刃によって該上面を旋削するバイト加工工程と、バイト加工された合成樹脂板の上面に遊離砥粒を供給して研磨パッドによって研磨し、バイト加工による旋削痕を除去して鏡面に仕上げ、所望の厚みとする研磨加工工程と、から少なくとも構成される合成樹脂板加工方法が提供される。

該合成樹脂板の所望の厚みは、該下面に対して該上面が所定角度傾斜する形態を呈し、該バイト加工工程において、該形態と同一の所定角度傾斜した保持治具を該保持手段の保持面と合成樹脂板の下面との間に配設し、該バイトの切り刃を該保持手段の保持面に対して平行に移動して合成樹脂板の上面を旋削することが好ましい。また、該合成樹脂板は、透明のポリエチレンテレフタレートからなる板とすることができる。

本発明の合成樹脂板加工方法は、合成樹脂板を保持手段によって保持し、該合成樹脂板の上面を露出させバイトの切り刃によって該上面を旋削するバイト加工工程と、バイト加工された合成樹脂板の上面に遊離砥粒を供給して研磨パッドによって研磨し、バイト加工による旋削痕を除去して鏡面に仕上げ、所望の厚みとする研磨加工工程と、から少なくとも構成されることにより、研磨加工工程前に合成樹脂板を薄化する際に、上面にムシレを生じさせることなく加工性が向上する。また、該合成樹脂板の所望の厚みが、該下面に対して該上面が所定角度傾斜する形態を呈するようにし、該バイト加工工程において、該形態と同一の所定角度傾斜した保持治具を該保持手段の保持面と合成樹脂板の下面との間に配設し、該バイトの切り刃を該保持手段の保持面に対して平行に移動して合成樹脂板の上面を旋削するようにすることで、合成樹脂板の下面に対して上面が傾斜した形態を呈する光学部品を容易に得ることができる。

本実施形態の合成樹脂板を支持する形態を示す斜視図である。本実施形態の旋削装置の一部を示す斜視図（ａ）、及びバイト加工工程の実施態様を示す平面図である。図２に示すバイト加工工程による合成樹脂板の変化を説明するための側面図（ａ）、（ｂ）、及び上面の一部を拡大した拡大図（ｃ）である。本実施形態の研磨装置の一部を示す斜視図である。図４に示す研磨装置により合成樹脂板を研磨する態様を示す一部拡大断面図（ａ）、及び、加工後の合成樹脂板を示す斜視図（ｂ）である。

以下、本発明に基づき実施される合成樹脂板加工方法の一実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。

本実施形態の合成樹脂加工方法は、合成樹脂板の上面を旋削するバイト加工工程と、バイト加工された合成樹脂板の上面を鏡面に仕上げ、所望の厚みとする研磨加工工程と、を備えている。

（バイト加工工程）
本実施形態の合成樹脂加工方法では、まず、合成樹脂板１０の上面１０ａをバイトの切り刃によって旋削するバイト加工工程を実施する。バイト加工工程を実施するに際し、図１に示すように、被加工物となるバイト加工前の合成樹脂板１０を用意する。合成樹脂板１０は、一辺が４０ｍｍの正方形の板であり、全体的に均一な５０μｍの厚みを有している。合成樹脂板１０は、たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から構成された透明な板である。

旋削装置２に搬送される合成樹脂板１０を支持する形態は、特に限定されないが、たとえば図１に示すように、合成樹脂板１０よりも若干大きく形成された正方形の保持治具１２と、保持治具１２の対角線よりも若干大きな直径を有する円盤形状の支持部材１４とを用意し、保持治具１２上に合成樹脂板１０を配設し、合成樹脂板１０が上面に配設された保持治具１２を支持部材１４の上面の中央に配設する。保持治具１２の合成樹脂板１０を載置する面、及び支持部材１４の保持治具１２を載置する面にはワックスが塗布され、いわゆるワックスダウン処理によって、保持治具１２を介して合成樹脂板１０が支持部材１４に支持され、一体化ユニット１６が形成される。

なお、本実施形態の合成樹脂加工方法によって得ようとする加工後の合成樹脂板１０の所望の厚みは、合成樹脂板１０の下面１０ｂに対して上面１０ａが所定角度（０．０１５°）傾斜する形態であるため、保持治具１２は、前記した加工後の合成樹脂板１０と同様に下面に対して上面が所定角度（０．０１５°）だけ傾斜させられている。したがって、保持治具１２上に配設された合成樹脂板１０の上面１０ａは、水平方向に対して図中矢印Ｐで示す方向（以下「傾斜方向Ｐ」という。）において下る方向に上記所定角度で傾斜した状態で支持される。

上記したように、バイト加工前の合成樹脂板１０を支持する一体化ユニット１６を用意したならば、図２（ａ）に一部のみを示す旋削装置２に一体化ユニット１６を搬送する。図２（ａ）を参照しながら、旋削装置２について説明する。

旋削装置２には、ベース３上に配設され矢印Ｙで示す方向（Ｙ軸方向）に移動可能な保持手段を構成するチャックテーブル７と、ベース３の後部側に配設された旋削ユニット４と、旋削ユニット４を上下方向（Ｚ軸方向）に上下動させる切込み送り手段５とが備えられている。切り込み送り手段５は、Ｚ軸方向の軸心を有するボールねじ５０を回動させるモータ５２と、内部のナットがボールねじに螺合して底部がガイドレール５１に摺設する可動板５３とを備えている。切込み送り手段５において、モータ５２がボールねじ５０を回動させると、これに伴い可動板５３がガイドレール５１にガイドされてＺ軸方向に上下動する。可動板５３に旋削ユニット４が取付けられていることから、可動板５３の上下動に伴い旋削ユニット４がＺ軸方向に切込み送りされる。

旋削ユニット４は、スピンドル４０と、スピンドル４０を回転させる駆動機構４１と、スピンドル４０の下端部に装着された円盤状のバイトホイール４２と、バイトホイール４２に対し着脱可能で、バイトホイール４２に対する突出量を調整可能に構成されたバイト４３とを備えている。バイト４３は、例えば、ダイヤモンドの粉末と金属バインダー等を高温高圧合成法で焼き固めた焼結体ダイヤモンドから構成されるチップ形状の切り刃を先端部に備えるタイプを採用することができる。旋削装置２は概略以上のように構成されており、合成樹脂板１０に対するバイト加工について、図２、図３を参照しながら説明する。

合成樹脂板１０は、図２（ｂ）に示す搬入位置Ａ１に移動させられたチャックテーブル７の保持面７ａ上に、合成樹脂板１０を支持する支持部材１４を下にして載置され、合成樹脂板１０の上面１０ａが露出した状態で保持される。この際、本実施形態では、図２（ｂ）に示すように、チャックテーブル７のバイトホイール４２に対する移動方向（図中Ａ１−Ａ２−Ａ３）であるＹ軸方向に、合成樹脂板１０の上面１０ａの傾斜方向Ｐが一致させられている。
支持部材１４の直径は、円形状に形成されたチャックテーブル７の保持面７ａと略同一か、保持面７ａよりも僅かに大きく形成されており、合成樹脂板１０は、支持部材１４を介してチャックテーブル７に接続された図示しない吸引手段の作用により吸引保持される。

合成樹脂板１０が支持部材１４を介してチャックテーブル７に吸引保持されたならば、切込み送り手段５を作動して、旋削ユニット４のバイト４３の切り刃の先端（下端）位置を、チャックテーブル７上の合成樹脂板１０の上面１０ａの最も低い高さ位置にセットする。その状態で駆動機構４１を作動させてスピンドル４０を回転させ、バイト４３を保持したバイトホイール４２を矢印Ｒ１で示す方向に回転する。バイトホイール４２の回転速度は、たとえば、６０００ｒｐｍで設定される。

次いで、搬入位置Ａ１にあるチャックテーブル７を、Ｙ軸方向にある旋削ユニット４のバイトホイール４２に向けて移動させると共に、切込み送り手段５を作動させて、予め設定された切込み送り量に基づいてバイト４３の切り刃の先端位置をＺ軸方向で調整する。チャックテーブル７をＹ軸方向でバイト加工位置Ａ２に向けて水平に移動することで、チャックテーブル７の保持面７ａに対してバイト４３の切り刃による加工位置が平行に移動させられる。バイト加工開始位置Ａ２では、傾斜方向Ｐにおいて合成樹脂板１０の上面１０ａが最も低くなる位置で旋削が開始されるようになっている。該切込み送り量は、加工開始位置Ａ２となる位置で約８μｍに設定され、合成樹脂板１０の最大厚みが４２μｍに、最少厚みが１２μｍになるようにしている。チャックテーブル７のＹ軸方向における移動速度は、たとえば、１４〜１５ｍｍ／ｓｅｃで設定され、該バイト加工は、バイト４３の切り刃が合成樹脂板１０の上面１０ａをＹ軸方向で完全に通過した時点で完了し、バイト加工が完了したならば、バイトホイール４２が上昇させられ、合成樹脂板１０’がバイト加工終了位置Ａ３に移動させられる。

図３（ａ）は、バイト加工前の合成樹脂板１０の側面図を示し、図３（ｂ）は、バイト加工後の合成樹脂板１０’の側面図を示している。図３（ａ）、及び図３（ｂ）から理解されるように、バイト加工工程を実施することで、合成樹脂板１０の上面１０ａが旋削装置２によって水平に旋削され、バイト加工後の合成樹脂板１０’が得られる。

本実施形態では、図３（ｂ）において２点鎖線で示すように、合成樹脂板１０の上面１０ａがチャックテーブル７の保持面７ａに対して平行に旋削され、バイト加工後の合成樹脂板１０’の上面１０’ａは、裏面１０’ｂに対して０．０１５°だけ傾斜した形態となる。すなわち、バイト加工後の合成樹脂板１０’の厚みは、上記した傾斜角度と、切込み送り量とによって、最も厚い位置（図中右端部）で４２μｍ、最も薄い位置（図中左端部）で１２μｍとなる。

図３（ｃ）に、図３（ｂ）に示した合成樹脂板１０’の２点鎖線Ｆで囲った領域を拡大して示す。上記したバイト加工工程によれば、被加工物が合成樹脂板１０であったとしても、ムシレ等を発生させることなく合成樹脂板１０を薄化する加工を実施することができる。しかし、図３（ｃ）から理解されるように、上記したバイト加工工程によって、加工後の合成樹脂板１０’の上面１０’ａには、１４０〜１５０μｍ間隔で、深さが０．２〜０．３μｍ程度の凹凸形状からなる縞状の旋削痕１００が形成される。よって、バイト加工された合成樹脂板１０’の上面１０’ａを研磨し、旋削痕１００を除去して鏡面に仕上げる研磨加工工程を実施する。なお、図３（ｃ）は、説明の都合上、縦及び横方向の寸法比を実際の寸法比に対して変更しており、実際の寸法比に従ったものではない。

（研磨加工工程）
図４、及び図５を参照しながら研磨装置２０、及び研磨装置２０を用いて実施される研磨加工工程について説明する。

図４には、本実施形態に係る研磨装置２０の一部が示されている。研磨装置２０は、図に示すように、ベース２２上に配設され前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能であり、回転駆動される保持手段を構成するチャックテーブル８と、ベース２２の後部側に配設された研磨ユニット９と、研磨ユニット９を上下方向（Ｚ軸方向）に上下動させる研磨送り機構６とが備えられている。研磨送り機構６は、Ｚ軸方向の軸心を有するボールねじ６０を回動させるパルスモータ６２と、内部のナットがボールねじに螺合して底部がガイドレール６１に摺設する可動板６３とを備えている。研磨送り機構６は、パルスモータ６２がボールねじ６０を回動させると、これに伴い可動板６３がガイドレール６１にガイドされてＺ軸方向に上下動する構成となっている。研磨ユニット９は可動板６３に取付けられており、可動板６３の上下動に伴い研磨ユニット９がＺ軸方向に研磨送りされる。

研磨ユニット９は、スピンドル９０と、スピンドル９０を回転させる図示しないサーボモータを内蔵する駆動機構９１と、スピンドル９０の下端部に装着されたホイールマウント９２と、ホイールマウント９２に基台９３を介して装着される研磨パッド９４と、を備えている。スピンドル９０の中心には、スピンドル９０を上下に貫通して遊離砥粒（スラリー）Ｓを研磨パッド９４に供給するスラリー供給路９５が形成されており、スラリー供給路９５の上端には、遊離砥粒Ｓを導入するための、スラリー導入口９６が形成されている。

研磨パッド９４は、たとえば発泡ウレタンシートで構成され、基台９３の下面に両面テープ等の接着手段により接着される。研磨パッド９４の中央には、図５に示すように、開口部９４ａが形成されており、スラリー供給路９５を介して、この開口部９４ａから研磨パッド９４による被加工物の研磨面に対して遊離砥粒Ｓが供給される。研磨パッド９４は、所定時間使用された後、基台９３から剥がされ、新しい研磨パッド９４に交換することができる。

チャックテーブル８は、図示しない回転駆動手段によって回転可能に構成されると共に、図示しないチャックテーブル移動手段によって、被加工物をチャックテーブル８に載置する載置域と、研磨パッド９４と対向し研磨加工が施される研磨域との間で移動させられる。なお、図には示されていないが、スピンドル９０の中心において上下方向に貫通する空間にスラリー供給路９５となる別部材としての管を挿入して、スラリー供給路９５とすることも可能である。

スラリー導入口９６には、遊離砥粒Ｓをスラリー導入口９６に導入する図示しないスラリー導入手段が接続される。該スラリー導入手段は、遊離砥粒Ｓが貯蔵されるスラリー貯蔵タンクや、スラリー貯蔵タンクから遊離砥粒Ｓを吸引して吐出するスラリー圧送ポンプ、さらに、遊離砥粒Ｓの導入量を制御するスラリーコントロールバルブ等を備えている。本実施形態において使用される遊離砥粒Ｓは、たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ:chemical mechanical polishing)スラリーであり、より具体的には、粒径が０．１μｍ以下のアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）１０〜２０ｗｔ％、水酸化カリウム（ＫＯＨ）１〜２ｗｔ％、及び水（Ｈ_２Ｏ）８９〜７８ｗｔ％で構成される。なお、遊離砥粒Ｓは、被加工物である合成樹脂板１０を形成する素材に応じて周知のＣＭＰスラリーから適宜選択される。研磨装置２０は、概ね上記したとおりの構成を備えており、上記したバイト加工工程に続いて実施される研磨加工工程について、以下に具体的に説明する。

バイト加工工程を経て、上面が旋削された合成樹脂板１０’を支持する一体化ユニット１６’を、研磨装置２０のチャックテーブル８の保持面８ａに載置し、図示しない吸引手段を作動させて、吸引保持する。次に、図示しない移動手段を作動し、チャックテーブル８を移動して研磨パッド９４と対向する研磨域に位置付けることにより、研磨パッド９４の直下にチャックテーブル８に吸引保持された合成樹脂板１０’を位置付け、平面視で、研磨パッド９４の中心と、チャックテーブル８の中心（＝合成樹脂板１０’の中心）とをずらした状態とする。

上記したように、研磨パッド９４の直下にチャックテーブル８を位置付けたならば、図５（ａ）に示すように、研磨パッド９４を合成樹脂板１０’の上面１０’ａに所定の力で押圧しつつ、上記した図示しないスラリー導入手段を作動させて、スラリー供給路９５に遊離砥粒Ｓを導入する。スラリー供給路９５に導入される遊離砥粒Ｓの流量は、遊離砥粒Ｓの表面張力によってスラリー供給路９５の内壁を伝って研磨パッド９４の開口部９４ａに達し、研磨パッド９４の開口部９４ａから被加工物に遊離砥粒Ｓが少しずつ供給される程度の所定の流量（例えば、０．１Ｌ／分）に設定される。このようにして、スラリー供給路９５を介して、研磨パッド９４と合成樹脂板１０’の上面１０’ａとの境界部に対して遊離砥粒Ｓを供給するのと同時に、スピンドル９０を、たとえば、矢印Ｒ２で示す方向に１０００ｒｐｍの回転速度で回転し、同時に、図示しない回転駆動手段を駆動してチャックテーブル８を、たとえば、矢印Ｒ３で示す方向に５００ｒｐｍの回転速度で回転し、合成樹脂板１０’の上面１０’ａを２μｍ程度研磨する。これにより、図５（ｂ）に示すように、バイト加工工程において形成された旋削痕１００を除去して鏡面１０”ａとすることができる。

上記した研磨加工により研磨される合成樹脂板１０’は、上面１０’ａが２μｍ程度研磨されて旋削痕１００が除去され、上面１０’ａが鏡面１０”ａとされた合成樹脂板１０”となる。研磨加工後の合成樹脂板１０”は、図５（ｂ）に示されているように、傾斜方向Ｐにおいて０．０１５°の傾斜が付与されており、最も厚い位置で４０μｍ、最も薄い位置で１０μｍ程度の厚みとなる。以上により、研磨加工工程が完了したならば、保持治具１２から合成樹脂板１０”が取り出されて洗浄され、次工程に搬送される等して、液晶素材の光学部品として使用される。

上記した実施形態によれば、バイト加工工程を経て研磨加工工程を実施していることから、バイト加工工程によって合成樹脂板１０を薄化する際に表面の欠損、窪み等のムシレを生じさせることがなく、研磨加工工程を良好に実施することができ、合成樹脂板１０から光学部品を形成する際の加工性が向上する。また、加工前の合成樹脂板１０を、加工後に得ようとする合成樹脂板１０の所望の形態と同一角度だけ傾斜した保持治具１２を介して支持部材１４によって支持することにより、合成樹脂板１０の下面１０ｂに対して上面が所定の角度だけ傾斜した形態を呈する光学部品を容易に得ることができる。

なお、上記した実施形態では、合成樹脂板１０の上面１０ａをバイトの切り刃によって旋削するバイト加工工程を実施し、バイト加工工程の後に研磨加工工程を実施する例を示したが、これは、上記したバイト加工工程の前に、研削加工工程等の他の工程を実施することを除外するものではない。加工前の合成樹脂板１０の厚みが、仕上がりの所望の厚みに対して相当厚い場合は、バイト加工工程の前に、研削砥石による研削工程を実施して、研削工程によって発生するムシレが、バイト加工工程によって除去できる程度まで薄くしてからバイト加工工程、及び研磨加工工程を実施してもよい。

上記した実施形態では、旋削装置２、研磨装置２０の保持手段として配設されたチャックテーブル７、チャックテーブル８の保持面７ａ、保持面８ａに支持部材１４、保持治具１２を介して合成樹脂板１０を保持している。しかし、本発明において合成樹脂板１０を保持手段によって保持する形態はこれに限定されず、合成樹脂板１０を所望の厚みに加工する際に、傾斜を有する形態とする必要がない場合（全面に亘り均一の厚みとする場合）は、保持治具１２を全面に亘り均一の厚みであるものとするか、又は、保持治具１２を使用せずに支持部材１４に直接支持させることができる。さらに、各チャックテーブル７、チャックテーブル８の保持面７ａ、保持面８ａが吸引手段によって吸引保持する手段を持たず、単なる平坦面で構成され、たとえば、ワックスダウン処理等によって合成樹脂板１０を直接保持できる場合は、合成樹脂板１０を保持手段に直接的に保持する形態としてもよい。

２：旋削装置
４：旋削ユニット
５：切込み送り手段
６：研磨送り機構
７、８：チャックテーブル
９：研磨ユニット
１０：合成樹脂板
１２：治具
１４：支持部材
１６：一体化ユニット
２０：研磨装置
４０：スピンドル
４３：バイト
９０：スピンドル
９１：駆動機構
９２：ホイールマウント
９４：研磨パッド
９５：スラリー供給路
９６：スラリー導入口
１００：旋削痕

Claims

合成樹脂板を所望の厚みに加工する合成樹脂板加工方法であって、
合成樹脂板を保持手段によって保持し、該合成樹脂板の上面を露出させバイトの切り刃によって該上面を旋削するバイト加工工程と、
バイト加工された合成樹脂板の上面に遊離砥粒を供給して研磨パッドによって研磨し、バイト加工による旋削痕を除去して鏡面に仕上げ、所望の厚みとする研磨加工工程と、
から少なくとも構成される合成樹脂板加工方法。
合成樹脂板の所望の厚みは、該下面に対して該上面が所定角度傾斜する形態を呈し、
該バイト加工工程において、該形態と同一の所定角度傾斜した保持治具を該保持手段の保持面と合成樹脂板の下面との間に配設し、該バイトの切り刃を該保持手段の保持面に対して平行に移動して合成樹脂板の上面を旋削する請求項１に記載の合成樹脂板加工方法。
該合成樹脂板は、透明のポリエチレンテレフタレートからなる板である、請求項１、又は２に記載の合成樹脂板加工方法。