JP2020044629A - バレル研磨方法 - Google Patents

Abstract

【課題】硬脆材料で構成される被加工物を研磨する際に、被加工物に割れや欠け、打痕、変形、傷等といったダメージが生じることを低減できるバレル研磨方法が望まれている。【解決手段】このバレル研磨方法は、（１）密封可能なバレル槽に被加工物及び研磨メディアを含むマスを投入する工程、（２）回転軸を軸心にバレル槽を回転させて、マスを流動化させると共に、前記被加工物に対して研磨メディアを擦過させて当該被加工物を研磨する工程。そして、（２）の工程では、バレル槽が回転を始めてから回転速度が定常速度となるまで加速されている間、被加工物同士の衝突を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、硬脆材料、金属、合成樹脂および複合材料で構成される部品（被加工物）を研磨する際に被加工物表面に発生するダメージを軽減できるバレル研磨方法に関する。

被加工物のバリ取り、面粗度調整、丸み付け、光沢仕上げ、等のバレル研磨を行うバレル研磨機として、マスを装入した複数のバレル槽を地面に対して平行な軸を軸心として回転させる回転バレル研磨機や遠心バレル研磨機が知られている。回転バレル研磨機は、バレル槽を自転させるタイプであり、例えば特許文献１に開示されている。遠心バレル研磨機は、バレル槽を遊星運動（自転及び公転）させるタイプであり、例えば特許文献２に開示されている。
ここで、マスとは、バレル槽に装入する被加工物および研磨メディアの総称である。

特開昭５５−１３１４６４号公報 特開昭５７−１７３４５９号公報 特開平０３−０３３０２３号公報

回転バレル研磨機や遠心バレル研磨機により、硬脆材料（硬いが衝撃に弱く割れやすい材料）で構成された被加工物を研磨する際に、その角部や縁部に割れ（クラック）や欠け（チッピング）といったダメージが生じる。

硬脆材料は、積層セラミックスコンデンサ（ＭＬＣＣ）、インダクタ又は水晶発振子等の各種電子部品の材料として広く用いられている。電子部品は、高性能化かつ小型化が要求されているので、被加工物が研磨加工時に割れ又は欠けが生じない研磨装置および研磨方法が求められている。

例えば、特許文献３にはガラス光学レンズ等の光学素子をバレル研磨方法にて円滑加工することが開示されている。しかし、ダメージが生じないバレル研磨方法については開示されていない。

本技術分野では、硬脆材料で構成される被加工物を研磨する際に、被加工物に割れや欠け、打痕、変形、傷等といったダメージが生じることを低減できるバレル研磨方法が望まれている。

本発明の一側面は、被加工物および研磨メディアを含むマスが投入されるバレル槽自体の回転により前記被加工物を研磨するバレル研磨機によるバレル研磨方法である。
このバレル研磨方法は、次の（１）（２）の工程を含む。
（１）密封可能なバレル槽に被加工物及び研磨メディアを含むマスを投入する工程
（２）回転軸を軸心にバレル槽を回転させて、マスを流動化させると共に、前記被加工物に対して研磨メディアを擦過させて当該被加工物を研磨する工程。
そして、（２）の工程では、バレル槽が回転を始めてから回転速度が定常速度となるまで加速されている間、被加工物同士の衝突を制御する。

本発明の一実施形態では、上述の（２）の工程では、前記研磨メディアの集合体として形成される層中に、前記被加工物が混在した状態でバレル槽に投入してもよい。

本発明の一実施形態では、マスは更に砥粒を含み、この砥粒は被加工物を研磨すると共に、バレル槽が回転を始めてから回転速度が最高速度となるまで加速されている間、被加工物同士の衝突を制御してもよい。

本発明の一実施形態では、上述の（２）の工程では、被加工物を研磨メディアの集合体として形成される２つの層の間にセットしてもよい。

本発明の一実施形態では、上述の（２）の工程では、研磨メディアで形成される２つの層間に位置する前記砥粒で形成される層中に被加工物をセットしてもよい。

本発明の一実施形態では、被加工物を硬脆材料としてもよい。

本発明の一側面及び一実施形態により、被加工物にダメージが生じることを低減し、被加工物を良好に研磨することができる。

本発明の一実施形態で用いたバレル研磨機を示す模式図である。図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）におけるＡ−Ａ断面図、である。 図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は本発明の一実施形態のバレル研磨方法における被加工物のセット方法を説明するための模式図であり、図２（Ｄ）は従来のバレル研磨方法における被加工物のセット方法を説明するための模式図である。 バレル研磨におけるマスの動きを示す模式図である。 本発明の一実施形態のバレル研磨方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態のバレル研磨方法の評価における測定箇所を示す模式図である。 本発明のバレル研磨方法の別の形態を説明する模式図である。 本発明のバレル研磨方法の別の形態を説明する模式図である。

本発明の一実施形態を、図を参照して説明する。ここでは、バレル研磨機として遠心バレル研磨機を例に説明する。なお、以下の説明における「上下左右方向」は、特に断りのない限り図中の方向を指す。

始めに、本発明の一実施形態におけるバレル研磨機を説明する。図１に示すように、このバレル研磨機１０は、マスが装入される４つのバレル槽１１と、バレル槽１１がそれぞれ着脱自在に固定される４つのバレル槽ケース１２と、バレル槽ケース１２を回転可能に固定する一対のタレット１３（公転円盤）と、タレット１３の平面中心に固定されている公転軸１４と、公転軸１４を軸心としてタレット１３を回転させる駆動機構１５と、タレット１３の回転に従動してバレル槽ケース１２を回転させる従動機構１６と、公転軸を固定するベース１７と、バレル研磨機１０の作動を制御する制御機構１８と、これらを収容する筐体１９と、を備える。なお、図１では、便宜上２つのバレル槽１１及び２つのバレル槽ケース１２のみを図示している。

バレル槽１１は、内部に横断面（図１（Ｂ）におけるが多角形（一実施形態では八角形）の筒状の空間が形成されている。上面が開口したバレル槽本体１１ａと、この開口部を封止して内部の空間を密封できるバレル槽蓋１１ｂと、バレル槽蓋１をバレル槽本体に固定する為の蓋固定機構（図示せず）と、で構成される。

バレル槽ケース１２は、バレル槽１１を着脱自在に固定する。バレル槽１１が収納される枠体１２ａと、枠体１２ａの両端に固定される自転軸１２ｂと、枠体１２ａ内に収納されたバレル槽１１を係止すると共に、バレル槽蓋１１ｂをバレル槽本体１１ａに密着させるための係止機構１２ｃと、を備える。

自転軸１２ｂは、後述のようにバレル槽ケース１２をタレット１３に軸支させる。

バレル槽固定機構１２ｃは、枠体１２ａに立設されるように固定され、上部に支持部材１２ｅが遊嵌される穴が加工されたガイド部材１２ｄと、中央にネジ穴が貫通して設けられた板状の支持部材１２ｅと、該ネジ穴に螺嵌されたネジ部材１２ｆと、該ネジ部材１２ｆの上端に設けられた、該ネジ部材１２ｆを回転させるための押圧ハンドル１２ｇと、該ネジ部材１２ｆの下端に設けられた、バレル槽蓋１１ｂをバレル槽本体１１ａに向けて押圧するための押圧部材１２ｈと、を含む。

バレル槽１１を枠体１２ａ内に装入後、押圧部材１２ｈがバレル槽蓋１１ｂの中心の垂直方向（バレル槽蓋１１ｂの天面に対して垂直方向）に位置するように支持部材３１ｄを遊嵌する。そして、押圧ハンドル３１ｆを回転させることで、押圧部材３１ｇがバレル槽蓋１１ｂに向かって前進させる。これにより、バレル槽蓋１１ｂがバレル槽本体１１ａに押圧されて内部の空間が完全に密封されると同時に、バレル槽１１がバレル槽ケース１２に固定される。

タレット１３は円盤形状を有しており、タレット１３の平面中心には公転軸１４が挿通できる穴が形成されており、各穴には公転軸１４を回転可能に嵌合できる第一軸受１３ａが設けられている。タレット１３は、ベース１７に固定される公転軸１４に第一軸受１３ａを介して回転可能に支持されている。また、タレット１３には、第一軸受１３ａを中心に、その周方向に沿って複数の第二軸受１３ｂが等間隔で設けられている。これらの第二軸受１３ｂは、複数のバレル槽ケース１２の自転軸１２ｂに個別に嵌合し、各バレル槽ケース１２を回転可能に軸支している。この構成により、４つのバレル槽ケース１２が両タレット１３の間に等間隔で、かつタレット１３に対して相対回転可能に配置されている。

公転軸１４は、ベース１７によって地面に対して所定の角度で傾けられるように軸支されている。また、同様にタレットに設けられている第二軸受１３ｂに軸支される自転軸１２ｂも、地面に対して所定の角度となるように軸支されている。即ち、バレル槽１２は、ベース１７によって角度θで傾くように配置されている。

駆動機構１５は、駆動モータ１５ａ、モータプーリ１５ｂ、公転プーリ１５ｃ、及び駆動ベルト１５ｄを含んでいる。モータプーリ１５ｂは、駆動モータ１５ａの回転軸に固定されている。公転プーリ１５ｃは、一対のタレット１３のうち一方のタレット１３（図１では左側）の外周に設けられている。駆動ベルト１５ｄは、モータプーリ１５ｂと公転プーリ１５ｃとの間に架け渡されている。

従動機構１６は、駆動プーリ１６ａ、従動プーリ１６ｂ、及び従動ベルト１６ｃを含んでいる。駆動プーリ１６ａは、公転軸１４に固定されている。従動プーリ１６ｂは、自転軸１２ｂに固定されている。従動ベルト１６ｃは、駆動プーリ１６ａと前記従動プーリ１６ｂとの間に架け渡されている。

制御手段１８は、バレル研磨機１０の作動条件を入力する入力手段１８ａと、入力された作動条件を記憶し、またバレル研磨機を作動する信号を出力する記憶手段１８ｂと、を備える。

駆動モータ１５ａを作動させると公転軸１４を中心にタレット１３が回転する。このタレット１３の回転に伴い、バレル槽ケース１２に固定されたバレル槽１１が公転軸１４を軸心として旋回（公転）する。また、従動機構１６によって、バレル槽１１は自転軸１２ｂを軸心としてタレット１３の回転方向と逆方向に回転（自転）する。

この時、記憶手段１７ｂからの信号によって、バレル槽の回転をバレル研摩に最適な回転速度まで所定の時間で加速するよう、駆動モータ１５ａの作動が制御される。

以上の様に、バレル槽１１は自身の回転による自転およびタレット１３の回転による公転、即ち遊星運動をすることができる。これらの回転は、地面に対して水平である回転軸を軸心として行われる。

次に、バレル研磨方法について、図２〜図６を更に参照して説明する。ここでは、２０ｍｍ×２０ｍｍ×ｔ１．０ｍｍの石英板を、角部のＲ面取り加工を目的としてバレル研磨した場合を例に説明する。

＜Ｓ０１：マスの投入工程＞
まず、バレル槽蓋１１ａを取り外し、バレル槽本体１１ｂ内に被加工物２０、研磨メディア３０、水、研磨助剤（コンパウンド）を投入する。この投入方法については後述する。

研磨メディア３０は、砥粒同士をビトリファイド結合剤にて結合したタイプ（セラミックスメディア）、砥粒同士を樹脂にて結合したタイプ（樹脂メディア）、金属で構成されるタイプ（金属メディア）、植物系種子等の粉砕物であるタイプ（植物系メディア）等から適宜選択することができる。

コンパウンドは目的に応じて、コンパウンドの種類および量を適宜選択することができる。目的は、例えば（１）〜（１０）のいずれかを挙げることができる。
（１）研磨力の向上
（２）研磨メディアの洗浄および研磨力の持続（研磨メディアの目詰まりを防止）
（３）被加工物の洗浄
（４）被加工物の光沢度の向上
（５）被加工物のスケールの除去。
（６）被加工物の油脂の除去
（７）被加工物に防錆効果を付与、または被加工物の変色の防止
（８）被加工物表面に打撃痕の形成を防止
（９）水を軟化
（１０）被加工物が硬脆材料の場合、チッピングの抑制

マスを投入後、バレル槽本体１１ａに対してバレル槽蓋１１ｂを載置し、バレル槽ケース１２にセットする。その後、バレル槽固定機構１２ｃによりバレル槽１１を密封すると共に、バレル槽ケース１２に固定する。

一連の作業をすべてのバレル槽１１に対して行い、全てのバレル槽１１をバレル槽ケース１２に固定した後、扉１９ａを閉じてマスが投入されたバレル槽１１を筐体１９内に収容する。

＜Ｓ０２：研磨工程＞
制御機構１７の入力手段１７ａを介して、記憶手段１７ｂに予め稼働条件（稼働時間、タレット１３の回転速度、等）を入力する。そして、入力手段の起動釦を「ＯＮ」にすると、記憶手段１７ｂからの出力された信号により、駆動モータ１５ａが稼働して、バレル槽が遊星運動をする。

バレル槽１１の回転は、記憶手段１７ｂからの信号に基づき加速していき、やがて定常速度となる。定常速度となったバレル槽１１の内部では、マスが図３（Ａ）に示すような流動状態となる。その結果、被加工物２０に対して研磨メディア３０が擦過するので、研磨が進行する。

バレル槽にマスを投入する際、通常は所定量の被加工物２０、研磨メディア３０、水、コンパウンド、をそれぞれ纏めて投入する（図２（Ｄ））。その状態でバレル研磨機１０を作動させた場合、バレル槽１１の回転初期の段階（バレル槽１１が回転を始めてから回転速度が定常速度となるまでの加速されている間）で被加工物２０同士が衝突し、被加工物２０の角部や縁部に割れ（クラック）や欠け（チッピング）といったダメージが生じる。その為、その段階で被加工物２０同士の衝突を制御するのが好ましい。

被加工物２０同士の衝突を制御する方法について鋭意研究を行った結果、マスの投入方法により制御できることを見出した。一実施形態では、図２（Ａ）研磨メディア３０の集合体として形成される層中に、被加工物２０が混在した状態になるようにセットしてもよい。一実施形態では図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれかのように被加工物２０をセットしてもよい。

図３はマスの動きを示す模式図である。図３（Ａ）のようにセットされたマスは、回転初期の段階では、壁に沿って移動するが（図３（Ｂ））、ある程度の高さまで移動すると、自重により壁に沿うように落下する（図３（Ｃ））。やがて、定常速度まで速度が上昇すると、図３（Ｄ）のようにマスは流動状態になる。

図２（Ａ）は研磨メディア３０で形成される層と層の間に被加工物２０を挟み込むようにセットした状態を示す。回転初期の段階でマスが移動する際、被加工物２０は研磨メディア３０の層の重量によって自由に動くのが阻害されるので、被加工物２０同士が衝突するのを防ぐことができる。

図２（Ｂ）は研磨メディア３０同士の間に被加工物２０を混在された状態でセットした状態を示す。回転初期の段階ではマスは流動化していないので、マスに対して相対的な動きしかできないので、被加工物２０同士が衝突するのを防ぐことができる。

図２（Ｃ）はマスとして更に砥粒４０を含み、研磨メディア３０で形成される層、砥粒４０で形成される層、被加工物２０、砥粒４０で形成される層、研磨メディア３０の順でセットした状態を示す。砥粒４０で形成される層により、図２（Ａ）よりも更に被加工物２０の動きが制限されると共に、定常状態では研磨能力の向上に寄与するので、被加工物２０同士の衝突を防ぐとともに、研磨能力の向上の効果を得ることができる。研磨能力の向上は、被加工物２０が衝撃力をうける環境下におかれる時間を短縮することができるので、結果として被加工物２０へのダメージの抑制に寄与する。

砥粒４０は、材質及び粒子径を被加工物の物性に応じて適宜選択する。研磨力が強すぎると被加工物を必要以上に研磨して寸法精度に影響がでる。また、弱すぎると研磨能力の向上に寄与しない。砥粒４０の材質は、例えばアルミナ質や炭化珪素質など公知の物質より適宜選択してもよい。また、砥粒４０の粒子径は、ＪＩＳ Ｒ６００１：１９９８に規定されるＦ６０〜Ｆ２２０または＃２４０〜＃１０００の中から選択することができる。

以上のように、マスを図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のようにセットした一実施形態は、バレル槽１１が回転を始めてから回転速度が定常状態となるまで加速されている間、被加工物２０の動きを制御することで、被加工物２０同士の衝突を制御することができる。

図２（Ａ）（Ｃ）では、研磨メディア３０で形成される層を２層としたが、必要に応じて変更することができる。

＜Ｓ３：被加工物を回収＞
バレル研磨機の稼働が所定時間経過したら、記憶手段１７ａからの信号により駆動モータ１５ａが停止する。その後、被加工物２０及び研磨メディア１０をバレル槽１１から取り出す。その後、被加工物２０と研磨メディア３０と水（図３の場合は更に砥粒４０）とを分別し、超音波洗浄等で被加工物２０の洗浄を行う。この際、まず被加工物２０と研磨メディア３０との分離を行った後で被加工物２０と水の分離を行うと、水中で被加工物２０と研磨メディア３０との分離を行うことになるので、分離の過程で被加工物２０にダメージが生じるのを抑制することができる。

以上のＳ１〜Ｓ３の工程を経て、バレル研磨が完了する。

一実施形態のバレル研磨方法による効果を確認した。５０枚の被加工物を、図２に示す４通りの方法にてセットし、バレル研磨を行った。バレル研磨後、各条件においてそれぞれ５枚の被加工物に対して表面形状測定器にて図５に示す６か所の角部の形状（Ｒ面の寸法）を測定した。

さらに、すべての被加工物に対して、チッピングの有無をマイクロスコープにて確認した。

表１に示すように、一実施形態のバレル研磨方法である、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、従来のバレル研磨方法である図２（Ｄ）に比べてチッピングの発生が大きく減少しており、一実施形態のバレル研磨方法によって被加工物表面に発生するダメージを軽減できることがわかる。

一実施形態では、マスの投入方法によって、バレル槽１１が回転を始めてから回転速度が定常状態となるまで加速されている間の被加工物２０の動きを制御した。しかし、この制御は別の方法でも行うことができる。以下、変更例として説明する。

＜変更例１＞
被加工物２０同士の衝突の制御は、バレル槽１１の回転の加速度を制御してもよい。図６に示すように、定常速度Ｎ_Ｓまで一定速度で加速してもよいし（パターンＡ）、多段階で加速してもよい（パターンＣ）。または、時間−回転速度を示すグラフがなだらかな軌跡を描くように連続的に加速を変更してもよい（パターンＣ、パターンＣ）。加速度を制御することで、被加工物２０同士が衝突しないように被加工物２０に負荷される遠心力を制御することができる。この遠心力によってマスに対する被加工物２０の動きを制御できるので、被加工物２０同士の衝突を制御することができる。

別の方法として、バレル槽１１の傾斜角度θを任意に変更できる構成のバレル研磨機を用い、研摩の進行に合わせて傾斜角度θを変更しながらバレル研磨を行ってもよい。この方式の一実施形態は図７に示すように、ベース１７にシリンダ１７ａを取り付け、シリンダを伸縮させると、研磨ユニット（バレル槽１１、バレル槽ケース１２、タレット１３、公転軸１４、駆動機構１５、従動機構１６、ベース１７）を、軸受１７ｂを中心に回動する。シリンダ１７ａの長さによりバレル槽１１の傾斜角度が任意に調整される。シリンダ１７ａは、エアシリンダ、油圧シリンダ、電動シリンダ等公知のものを適宜選択できる。

例えば、バレル研磨機１０の起動時はバレル槽１１の傾斜角度θを９０°にして、バレル槽１１の回転初期の段階における被加工物２０の移動を抑制し、定常速度となった後、バレル槽１１の傾斜角度θが所定の角度となるようにシリンダ１７ａの長さを短くしていくことで研磨能力を確保することができる。即ち、バレル槽１１の傾斜角度を制御することで、被加工物２０の動きを制御し、それによって被加工物２０同士の衝突を制御することができる。

一実施形態のバレル研磨方法により、生産性と品質面の双方の要求を満たすバレル研磨方法が提供される。特に、被加工物が硬脆材料の場合はチッピング等のダメージは顕著であるので、硬脆材料の加工に対して一実施形態のバレル研磨方法を好適に適用することができる。

一実施形態では、バレル槽を傾けたタイプの遠心バレル研磨機を用いたバレル研磨について説明したが、バレル研磨機はこのタイプに限定されない。バレル槽を傾けないタイプ（θ=０°、９０°）の遠心バレル研磨機、バレル槽の底部に設けられた回転盤の回転によりマスを流動化させるタイプのバレル研磨機、バレル槽に振動力を加えることでマスを流動化させるタイプのバレル研磨機、バレル槽を自転させるタイプのバレル研磨機、においても一実施形態のバレル研磨方法は好適に用いることができる。

１０ バレル研磨機
１１ バレル槽
１２ バレル槽ケース
１３ タレット
１４ 公転軸
１５ 駆動機構
１６ 従動機構
２０ 被加工物
２１ ベース
２２ 脚部
３０ 研磨メディア

Claims (6)

1. 被加工物および研磨メディアを含むマスが投入されるバレル槽自体の回転により前記被加工物を研磨するバレル研磨機によるバレル研磨方法であって、
   密封可能なバレル槽に被加工物及び研磨メディアを含むマスを投入する工程と、
   回転軸を軸心に前記バレル槽を回転させて、マスを流動化させると共に、前記被加工物に対して研磨メディアを擦過させて当該被加工物を研磨する工程と、
   を含み、
   前記被加工物を研磨する工程では、前記バレル槽が回転を始めてから回転速度が定常速度となるまで加速されている間、被加工物同士の衝突を制御することを特徴とするバレル研磨方法。
2. 前記マスを投入する工程では、前記研磨メディアの集合体として形成される層中に、前記被加工物が混在した状態でバレル槽に投入されることを特徴とする請求項１に記載のバレル研磨方法。
3. 前記マスは更に砥粒を含み、
   前記砥粒は前記被加工物を研磨すると共に、前記バレル槽が回転を始めてから回転速度が最高速度となるまで加速されている間、被加工物同士の衝突を制御する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のバレル研磨方法。
4. 前記マスを投入する工程では、前記被加工物を前記研磨メディアの集合体として形成される２つの層の間にセットすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のバレル研磨方法。
5. 前記マスを投入する工程では、前記研磨メディアで形成される２つの層間に位置する前記砥粒で形成される層中に前記被加工物がセットされることを特徴とする請求項３に記載のバレル研磨方法。
6. 前記被加工物は硬脆材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載のバレル研磨方法。