JP3947355B2

JP3947355B2 - 砥粒工具及びその製造方法

Info

Publication number: JP3947355B2
Application number: JP2000382498A
Authority: JP
Inventors: 宏治宇根; 俊彦石原
Original assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Current assignee: Asahi Diamond Industrial Co Ltd
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: JP2002178264A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、砥粒工具及びその製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、砥粒分布密度を制御することができ、しかも被削材表面に筋の残らない、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電着やロウ付けなどにより作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具が知られている。これらの砥粒工具における砥粒の配置は、大きく分けて、ランダム配置と規則配置の２種類がある。
砥粒がランダム配置された砥粒工具の製造方法として、例えば、ばらまき法がある。ばらまき法は、作用面に一定量の砥粒を文字通りばらまくもので、簡易的ではあるが、砥粒分布密度の制御が難しく、密度の偏りが生じることが多い。
砥粒が規則配置された砥粒工具の製造方法は、個々の砥粒の位置を制御するものである。例えば、特開平５−２８５８４６号公報には、簡単な方法で台金表面に砥粒を均一に分散させる方法として、台金の表面に非マスキング部の穴径が電着する砥粒の径の１１０〜１６０％であり、厚みが電着する砥粒の径の５０〜１５０％である非マスキング部を有する絶縁物のマスキングを施して、非マスキング部に砥粒を電着する方法が提案され、規則的なマスキングパターンを有するマスキングシートが例示されている。また、特開平６−１１４７４１号公報には、超砥粒の分布を１粒単位でコントロールする方法として、台金表面にパターンシートを貼着して、パターンシートの各孔に対応する位置に超砥粒を１個ずつ配置して電着する方法が提案されている。さらに、特開平９−１９８６８号公報には、研削加工時に目詰まりがなく、寿命の長い電着ホイールとして、超砥粒が研削面に島状に分散して固着され、ひとつの島に超砥粒が２〜１０個集合して固着され、島部分の全面積が研削面の全面積の０.０２〜０.５倍である電着ホイールが提案され、規則的な島の配列パターンが例示されている。
砥粒がランダム配置された砥粒工具は、砥粒の分布密度の制御が難しく、工具性能がばらつきやすいという問題がある。また、砥粒が規則配置された砥粒工具は、同一線上に砥粒が並ぶために、例えば、ホイールに適用した場合、同一軌跡を砥粒が通り、被削材の表面に筋がつきやすいという問題がある。被削材の表面の筋を防ぐために、砥粒を配置する格子を回転方向に対してある角度に傾けるという方法があるが、角度を適切に選ばないと、依然として筋が発生する場合がある。また、ストレートホイールの外周に適用した場合、円周上の１か所で格子の継ぎ目が残るという問題もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、砥粒分布密度を制御することができ、しかも被削材表面に筋の残らない、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具及びその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、砥粒工具の作用面に仮想的な格子を想定し、該格子の個々の交点をランダムに変位させた位置に砥粒を配置することにより、砥粒分布密度が精密に制御され、しかも被削材表面に筋が残らない砥粒工具を製造し得ることを見いだし、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具において、該工具の作用面に仮想的な格子を想定し、該格子の個々の交点を、交差する２本の格子線方向又はＸ方向とＹ方向に、それぞれ砥粒の平均粒径の３倍以下の距離だけランダムに変位させた位置に対応させて穴をあけたマスキングテープ若しくは板状ジグを作用面に取り付け、マスキングテープ若しくは板状ジグの穴部分に砥粒を１個ずつ配置して仮固定し、マスキングテープ若しくは板状ジグを取り外したのち、前記砥粒を作用面に固定することを特徴とする砥粒工具の製造方法、及び、
（２）マスキングテープ若しくは板状ジグの穴の位置のランダムな変位が、乱数に基づいて設定される第１項記載の砥粒工具の製造方法、
を提供するものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の砥粒工具は、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具であって、該工具の作用面に仮想的な格子を想定し、該格子の個々の交点を、交差する２本の格子線方向又はＸ方向とＹ方向に、それぞれ砥粒の平均粒径の３倍以下の距離だけランダムに変位させた位置に砥粒が配置されてなる砥粒工具である。本発明の砥粒工具の製造方法においては、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具において、該工具の作用面に仮想的な格子を想定し、該格子の個々の交点を、交差する２本の格子線方向又はＸ方向とＹ方向に、それぞれ砥粒の平均粒径の３倍以下の距離だけランダムに変位させた位置に砥粒を配置する。
本発明において、作用面に想定する仮想的な格子の形状に特に制限はなく、例えば、図１(ａ)に示す正方格子、図１(ｂ)に示す長方格子、図１(ｃ)に示す斜方格子、図１(ｄ)に示す格子線の間隔が変化する方格子、図１(ｅ)に示す平行線と放射線の組み合わせからなる格子、図１(ｆ)に示す同心円と放射線の組み合わせからなる格子、図１(ｇ)に示す同心円と平行線の組み合わせからなる格子、これらの格子の格子線の間隔が波状に増減する格子などを挙げることができる。
【０００６】
本発明において、格子の個々の交点をランダムに変位させる方法に特に制限はないが、ランダムな変位を乱数に基づいて設定する方法は、市販されている書籍に掲載された乱数表、電気的にパルスを発生させる方法で作成した乱数列、市販されている表計算ソフトウェアの乱数発生機能などを利用することができるので好ましい。使用する乱数に特に制限はなく、一様乱数、疑似乱数のいずれをも用いることができる。市販されている表計算ソフトウェアの乱数発生機能としては、例えば、表計算ソフトウェア「エクセル」（マイクロソフト社）の「ＲＡＮＤ」機能などを挙げることができ、この機能を利用して、容易に乱数列を作成することができる。図２は、「ＲＡＮＤ」で作成した０〜１の範囲の乱数列の一例である。
本発明において、格子の個々の交点を、交差する２本の格子線方向又はＸ方向とＹ方向に、それぞれ変位させる距離は、砥粒の平均粒径の３倍以下であり、好ましくは砥粒の平均粒径の０.５〜２倍であり、より好ましくは砥粒の平均粒径の０.８〜１.５倍である。変位させる距離が砥粒の平均粒径の３倍を超えると、砥粒分布密度に部分的に過度の粗密を生ずるおそれがある。
【０００７】
平均粒径２５０μｍの砥粒を、格子線の間隔１,０００μｍの正方格子に配置し、図２に示す乱数列を用いて、格子の個々の交点をＸ方向及びＹ方向に、砥粒の平均粒径の１.２倍以下の距離、すなわち最大３００μｍ変位させる場合を考える。図３は、交点のランダム変位の計算例を示す説明図である。交点を変位させない場合、正方格子上において、４個の砥粒、ａ、ｂ、ｃ及びｄは、図３(ａ)に示す位置に配置される。図２に示す乱数例の左上から順に、砥粒ａのＸ方向の変位距離、Ｙ方向の変位距離、砥粒ｂのＸ方向の変位距離、Ｙ方向の変位距離、砥粒ｃのＸ方向の変位距離、Ｙ方向の変位距離、砥粒ｄのＸ方向の変位距離、Ｙ方向の変位距離に対応させる。図２に示す乱数列は、０〜１の乱数列なので、図２に示される数値から０.５を減じ、６００μｍを乗ずることにより、交点を変位させる距離を求めることができる。なお、この数値が正のときは、Ｘ方向は右方向、Ｙ方向は上方向、この数値が負のときは、Ｘ方向は左方向、Ｙ方向は下方向と決めておく。
【０００８】
乱数列の最初の数値は０.１６７７８なので、砥粒ａのＸ方向の変位距離は、
(０.１６７７８−０.５)×６００＝ −１９９（μｍ）
となり、乱数列の次の数値は０.９７８５９４なので、砥粒ａのＹ方向の変位距離は、
(０.９７８５９４−０.５)×６００＝２８７（μｍ）
となる。すなわち、砥粒ａは、Ｘ方向は左方向に１９９μｍ、Ｙ方向は上方向に２８７μｍ変位する。
砥粒ｂの変位距離は、同様にして乱数列の０.９７９１５５と０.４９５１０７を用いて、
Ｘ方向 (０.９７９１５５−０.５)×６００＝２８７（μｍ）
Ｙ方向 (０.４９５１０７−０.５)×６００＝ −３（μｍ）
となる。以下、同様にして、砥粒ｃの変位距離は、
Ｘ方向 (０.６５７８０７−０.５)×６００＝９５（μｍ）
Ｙ方向 (０.５３０７７７−０.５)×６００＝１８（μｍ）
砥粒ｄの変位距離は、
Ｘ方向 (０.５３３５８７−０.５)×６００＝２０（μｍ）
Ｙ方向 (０.５７７８９９−０.５)×６００＝４７（μｍ）
となる。このようにして設定したランダムな変位を、図３に示す砥粒ａ、ｂ、ｃ及びｄに適用すると、砥粒ａ、ｂ、ｃ及びｄは、図３(ｂ)に示す位置に配置される。
【０００９】
図４は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の一例である。本例においては、上記の計算と同様に格子線間隔１,０００μｍの正方格子の個々の交点をＸ方向及びＹ方向に、それそぞれ最大変位距離３００μｍで変位させている。
図５は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の他の例である。本例においては、格子線間隔１,０００μｍの正方格子の個々の交点をＸ方向及びＹ方向に、それそぞれ最大変位距離２５０μｍで変位させている。
図６は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の他の例である。本例においては、格子線間隔１,０００μｍの正方格子の個々の交点をＸ方向及びＹ方向に、それそぞれ最大変位距離２００μｍで変位させている。
【００１０】
格子線がＸ方向又はＹ方向を向いていない、例えば、図１(ｃ)に示す斜方格子の場合は、上記のようにして計算した変位距離の数値が正の場合は斜め上方に変位させ、負の場合は斜め下方に変位させると決めておくことにより、交点の変位の方向と距離を定めることができる。また、図１(ｆ)、図１(ｇ)に示す同心円状の格子線を有する格子では、上記のようにして計算した変位距離の数値が正の場合は時計回り方向に変位させ、負の場合は反時計回り方向に変位させると決めておくことにより、交点の変位の方向と距離を定めることができる。
本発明において、格子線がＸ方向及びＹ方向を向いている場合は、交差する２本の格子線方向はＸ方向及びＹ方向と一致するが、格子線がＸ方向又はＹ方向を向いていない場合は、格子の個々の交点を交差する２本の格子線方向に変位させる代わりに、Ｘ方向及びＹ方向に変位させることができる。ランダムな変位の方向及び距離をコンピュータ処理により設定する場合は、Ｘ方向及びＹ方向に変位させることにより、より容易に変位の設定を行うことができる。
【００１１】
本発明方法においては、板状のジグやマスキングテープなどの、上記のようにして設定された位置に、ドリルなどを用いて穴をあけ、この穴を通して砥粒を工具の作用面に配置することができる。また、砥粒を１個又は複数個ずつ、ＮＣ制御で作用面に固着することもでき、あるいは、設定された位置に接着剤又は粘着剤をつけておき、砥粒を仮固定する方法を適用することもできる。砥粒を固定する方法に特に制限はなく、電着、ロウ付け、溶射などにより砥粒を固定することができる。
本発明の砥粒工具の製造方法によれば、砥粒分布密度を再現性よく制御して、性能が安定し、しかも被削材表面に筋の残らない、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具を容易に製造し、眼鏡芯取り用ホイールなどの各種材料の研削に用いる研削ホイールや、ＣＭＰコンディショナなどの工具として効果的に使用することができる。
【００１２】
【実施例】
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によりなんら限定されるものではない。
実施例１
寸法１００Ｄ−２０Ｔ−２０Ｈのダイヤモンドストレートホイールを製作し、眼鏡レンズの芯取りを行った。
仮想的な格子として、図７(ａ)に示すホイール回転方向の格子線の間隔が９００μｍであり、ホイール回転方向の格子線上に２,０００μｍおきに砥粒が配置される斜方格子を想定した。砥粒として、平均粒径３５０μｍの人造ダイヤモンド砥粒を用いた。図７(ａ)で○を付した交点を、ＣＡＤを用いて乱数に基づき、回転方向に最大３００μｍ、軸方向に最大１５０μｍランダムに変位させた。
マスキングテープに、上記のＣＡＤで設定した砥粒配列に基づき、直径４００μｍの穴をあけた。また、炭素工具鋼Ｓ４５Ｃで、φ９９.３−２０Ｔ−２０Ｈの台金を製作した。台金の外周作用面に、穴をあけたマスキングテープを貼り付け、マスキングテープの穴部分に砥粒を１個ずつ配置し、台金作用面に接着剤［セメダイン(株)、工業用セメダイン］を用いて仮固定した。
マスキングテープを外したのち、仮固定した砥粒の間に平均粒径約１００μｍのＮｉ−Ｃｒ系ロウ材粉末を充填し、外周から三つ割の黒鉛製外型で固定し、真空炉中に載置して、５×１０^-3Pa、１,０５０℃で１５分間保持して、砥粒をロウ付けし、ホイールを完成した。
このホイールを眼鏡レンズ用玉刷り機に取り付け、乾式定圧切り込み円筒研削方式により、直径７６.５mm、厚さ５.５mmのポリカーボネート製レンズの研削を行った。ホイール周速を１,０５７ｍ／minとし、レンズ回転数６min^-1で反転を繰り返した。研削の結果は、バリが少なく、加工面の凹凸が小さく、研削方向の筋は認められなかった。
比較例１
ダイヤモンド砥粒を配置する位置が仮想的な格子の交点であって、ランダムに変位されていないダイヤモンドストレートホイールを製作し、眼鏡レンズの芯取りを行った。
仮想的な格子として、図７(ａ)に示すホイール回転方向の格子線の間隔が９００μｍであり、ホイール回転方向の格子線上に２,０００μｍおきに砥粒が配置される斜方格子を想定した。砥粒として、平均粒径３５０μｍの人造ダイヤモンド砥粒を用いた。
マスキングテープの図７(ａ)で○を付した交点の位置に、直径４００μｍの穴をあけた。また、炭素工具鋼Ｓ４５Ｃで、φ９９.３−２０Ｔ−２０Ｈの台金を製作した。台金の外周作用面に、穴をあけたマスキングテープを貼り付け、実施例１と同様にして、マスキングテープの穴部分に砥粒を１個ずつ仮固定したのち、砥粒をロウ付けし、ホイールを完成した。
このホイールを眼鏡レンズ用玉刷り機に取り付け、実施例１と同様にしてポリカーボネート製レンズの研削を行った。レンズ外周の加工面に、深さ約０.１mmの円周方向の溝が数本観察され、この溝がレンズの外観を著しく悪化させた。
実施例２
寸法１００Ｄ−４Ｔで、中心穴のないＣＭＰコンディショナを製作し、ポリッシングパッドのコンディショニングを行った。
仮想的な格子として、図７(ｂ)に示す格子線の間隔が１,０００μｍである正方格子を想定した。砥粒として、平均粒径２５０μｍの人造ダイヤモンド砥粒を用いた。正方格子の交点を、ＣＡＤを用いて乱数に基づき、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ最大３００μｍランダムに変位させた。
マスキングテープに、上記のＣＡＤで設定した砥粒配列に基づき、直径２７０μｍの穴をあけた。また、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４で、１００Ｄ−４Ｔの基板を製作した。基板の作用面に、穴をあけたマスキングテープを貼り付け、マスキングテープの穴部分に砥粒を１個ずつ配置し、基板の作用面に接着剤［セメダイン(株)、工業用セメダイン］を用いて仮固定した。
マスキングテープを外したのち、ニッケルメッキにより平均砥粒径の約７０％まで埋め込んで砥粒を固定し、ＣＭＰコンディショナを完成した。
このＣＭＰコンディショナを用いてポリッシングパッドをコンディショニングしたのち、酸化膜付きシリコンウェーハのＣＭＰ加工を行った。加工後のシリコンウェーハは、平坦度が良好であり、スクラッチも認められなかった。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の砥粒工具の製造方法によれば、砥粒分布密度を制御することができ、しかも被削材表面に筋の残らない、作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、仮想的な格子の形状の例である。
【図２】図２は、０〜１の範囲の乱数列の一例である。
【図３】図３は、交点のランダム変位の計算例を示す説明図である。
【図４】図４は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の一例である。
【図５】図５は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の他の例である。
【図６】図６は、本発明方法に用いられる変位距離の計算を示す模式図の他の例である。
【図７】図７は、実施例において想定した仮想的な格子である。

Claims

作用面に砥粒を単層に固着した砥粒工具において、該工具の作用面に仮想的な格子を想定し、該格子の個々の交点を、交差する２本の格子線方向又はＸ方向とＹ方向に、それぞれ砥粒の平均粒径の３倍以下の距離だけランダムに変位させた位置に対応させて穴をあけたマスキングテープ若しくは板状ジグを作用面に取り付け、マスキングテープ若しくは板状ジグの穴部分に砥粒を１個ずつ配置して仮固定し、マスキングテープ若しくは板状ジグを取り外したのち、前記砥粒を作用面に固定することを特徴とする砥粒工具の製造方法。
マスキングテープ若しくは板状ジグの穴の位置のランダムな変位が、乱数に基づいて設定される請求項１記載の砥粒工具の製造方法。