JP4508355B2 - 研削方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズムなど脆性材料であるガラスからなる光学素子の研削等に用いる研削方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズやプリズムを製造するための研削法としては、球面や平面形状を創成するためのカーブジェネレーティング加工（ＣＧ加工）が用いられている。このＣＧ加工は、カップ状のダイヤモンド工具を、被研削物である光学ガラスに対して、所望の球面形状が創成できるような角度に傾斜させて配置し、工具および光学ガラスの両者を回転させることにより、球面形状を創成している。
【０００３】
又、研削加工にアルミニウムを結合材としたダイヤモンド工具を用いる従来の技術としては、特開平９−２９６１３号公報に記載されている。この技術はＥＰＤ（Ｅｌｅｃｔｏｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）研削切断法を用いるものであり、図４に示すように、被加工物５とカバー４との間に導電性のダイヤモンドブレード１を配置し、ダイヤモンドブレード１を回転させると共に、超微細砥粒を混合した加工液２をダイヤモンドブレード１に供給して被加工物５を研削するようになっている。この方法では、カバー４を陰極、ダイヤモンドブレード１を陽極とすることにより、ダイヤモンドブレード１と加工液２との間に電荷をかけ、加工液２中に懸濁された超微細砥粒を帯電させてダイヤモンドブレード１に付着させながら被加工物５を研削切断する。この場合、ダイヤモンドブレード１の結合材としてアルミニウムを用いるものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の研削方法は、いずれも以下の問題点を有している。
【０００５】
従来のＣＧ加工では、被研削物を加工するための研削能率と、得られる表面粗さ品質が相反する関係にある。すなわち、研削能率を高めると得られる表面粗さが低下し、逆に表面粗さを向上させようとすると、研削能率が低下する。研削能率を向上させるためには、研削砥石が有する砥粒の突き出し量を大きくし、切り込み量を大きく確保したり、砥粒を保持する結合材の強度を高め、大きな切り込み量を与えられるようにする必要がある。
【０００６】
このように従来のＣＧ加工では、切り込み量が大きくなれば、加工能率は向上するが、得られる表面粗さが低下しており、特に、ガラスのような脆性材料では、加工領域での破壊（割れ）が発生するため、表面粗さがさらに低下している。逆に、切り込み量を小さくすれば表面粗さは向上するが、除去量が少なくなり加工能率が低下する。同時に砥粒の突き出し量を小さくすると、動作精度の高い装置が必要となり、加工能率が低いにも関わらず、高価な設備となりコスト高な加工となる。
【０００７】
また、結合材として樹脂のような柔らい材料を用いると、結合材の弾性によって砥粒の突き出し量が小さくなるため、表面粗さは向上するが、結合材が柔らかいために砥粒保持力が小さくなる。このため、砥粒脱落の発生や結合材の摩滅が激しく、加工能率が低下すると共に工具寿命が短くなる問題がある。
【０００８】
特開平９−２９６１３号公報では、加工液中に懸濁された超微細砥粒を帯電させて、ダイヤモンドブレードに付着させるＥＰＤ研削により加工能率と面粗さ向上の両立を行っている。しかしながらＥＰＤ研削であるため、ブレードと加工液との間に電荷をかける必要があり、供給電源装置をはじめ、電極や装置構成における絶縁機能などを既存の研削加工機に付加させる必要がある。このため、装置自体が複雑となる。
【０００９】
又、ブレードでは電気分解に伴う陽極溶出が生じ、これを抑えるためにブレード表面にアノード皮膜を形成している。このアノード皮膜の形成は不可欠であり、アノード皮膜を安定的に確保し、かつある程度の皮膜強度を確保する場合には、結合材として、純度１００％等の高純度のアルミニウムを用いる必要がある。アルミニウムは既存の結合材であるブロンズやニッケル、鉄などよりも柔らかい金属であるため、表面粗さを向上させる可能性を有している。しかし実際は、展延性が高いためにダイヤモンド砥粒を保持する能力が小さく、工具の結合材としては不向きとなっている。
【００１０】
さらにアルミニウムの純度が高くなると強度も低くなり、工具としての強度不足や耐摩耗性不足となる。特開平９−２９６１３号公報でのＥＰＤ研削の場合には、工具表面にアノード皮膜が形成され、加工法に適した工具として使用できるが、工具に電位を与えない通常の研削加工に用いる場合には、上述した理由から使用することができなくなる問題を有している。
【００１１】
本発明は、このような問題点を考慮してなされたものであり、高い研削能率を有すると共に、高い表面粗さを得ることが可能な光学素子の研削等に用いる研削方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の研削方法は、砥粒を保持する結合材がアルミニウムと珪素とから構成されている研削工具を用い、この研削工具の表面にコロイダルシリカ液を供給する工程と、 前記研削工具と前記コロイダルシリカ液との間に電源による電圧をかけずに上記研削工具を被加工物に当接させて回転させることにより、被加工物を研削加工する工程と、を有し、前記結合材の重量比は、アルミニウム６５〜８５％、珪素３５〜１５％であることを特徴とする。
【００１３】
砥粒の結合剤としてアルミニウム及び珪素を用いることにより、アルミニウムが有している柔らかさと、珪素が有している強度とが付与される。すなわち、アルミニウムに珪素を含有させることにより、強度を向上させると共に展延性が抑えられる。このため、砥粒の保持力を確保することができる。また、前記結合材の重量比は、アルミニウム６５〜８５％、珪素３５〜１５％とし、このような重量比で珪素を混合して、成形・焼結することにより、アルミニウムが有する特性を損なうことなく通常の研削加工に耐え得る高強度の研削工具となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の具体的な実施の形態を説明する前に、本発明の概要を説明する。
コロイダルシリカ液はアルカリ液であり、このコロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子は、水酸基を吸着して負に帯電している。従って、極微弱な力ではあるが金属表面に吸着することができる。又、アルカリ液中では、アルミニウムは侵されることが知られている。結合材中にアルミニウムを含有する砥石（工具）で、アルカリ液であるコロイダルシリカ液の中で研削加工を行うと、工具表面に介在する酸化膜が研削加工によって削られ、極わずかではあるが、アルカリ液によりアルミニウムが侵食されるため、プラスに帯電した金属イオンとして溶出する。これにより、水酸基を付着してマイナスに帯電しているシリカ超微粒子が、その表層で金属イオンと吸着しゲル化してシリカゲルとなり、薄膜のように付着する。

【００１８】
さらに結合材にアルミニウムとあわせて珪素が含有しているため、砥粒の切り込み探さを浅く抑えるための軟質な結合材特性と、珪素含有に伴う強度を併せ持っている。このため結合材の展延性が低く抑えられて、砥粒の脱落を防止しながら、研削砥石表層での付着が発生するため、工具が有するダイヤモンド砥粒による通常の研削加工にあわせて、付着したシリカ超微粒子の研磨作用が加味される。このため、研削液を用いた通常の研削加工以上の表面粗さを得ることができる。
【００１９】
また工具表面にシリカ超微粒子が付着するため、工具表面からのダイヤモンド砥粒の突き出し量が小さくなる。これにより、工具が有する砥粒の切り込み探さも小さくなり、より高い表面粗さを得ることができる。同時にゲル化したシリカ超微粒子の膜が、工具と被研削物の界面に介在して、両者の加工に伴う振動を吸収する緩衝材の役割を行うため、高い表面粗さを得ることができる。この場合、ゲル化した膜が介在しても、ダイヤモンド砥粒による研削が行われることに変わりはなく、研削能率が低下することはない。
【００２０】
次に、本発明の具体的な実施の形態を説明する。
本実施の形態の研削工具は、ダイヤモンド砥粒の結合材として軟質な金属であるアルミニウムに硬質な珪素を含有させたものを用いるものである。これにより、砥粒を弱い保持力で支持して砥粒の切り込み深さ、すなわち切り込み量を小さく（浅く）抑えるアルミニウムの特性と、強度を向上させる珪素の特性とを併せ持っている。すなわち、この研削工具は、珪素の含有により、アルミニウムの特性を損なうことなく、通常の研削加工に耐え得る高い強度となり、展延性が低く抑えられるため、砥粒の脱落を防止する保持力が確保されている。
【００２１】
結合材中の珪素の含有量は、結合材全体を１００％として、１５〜３５％の範囲内である。すなわち、結合材の重量比は、１５〜３５％を珪素とし、残りの８５〜６５％をアルミニウムとする。結合材中のアルミニウムと珪素の重量比は実験から次のように推察される。
【００２２】
結合材中の珪素の含有量が約１５重量％以下となると、強度不足からアルミニウムの展延性が目立つようになり、研削工具の結合材としては砥粒保持能力に支障をきたし不向きとなる。一方、結合材中の珪素の含有量が約３５重量％以上となると、強度は向上するが、砥粒の切り込み深さを小さく抑えるアルミニウムの特性が失われ、研削工具の結合材としては砥粒保持能力が高くなりすぎる。このため、砥粒の切り込み深さが大きくなり、研削された加工物の表面粗さ品質が低下する。
【００２３】
本実施の形態の研削工具では、平均粒径が約２０〜３０μｍ、粒度が＃６００に相当するダイヤモンド砥粒を集中度１００、結合材としてアルミニウムと珪素のペレットを重量比７：３の割合で配合して成形し、焼結したカップ形状のものとした。焼結後の研削工具の表面を電子顕微鏡で観察すると、その表面観察像から砥粒として混入させた約２０μｍ程度のダイヤモンド砥粒と、この砥粒を支持する数μｍの粒で構成される結合材の存在が確認できた。
【００２４】
又、焼結後の研削工具の表面をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で評価した。この表面分析結果を図１に基づいて説明する。図１のＸ線スペクトルにおける左から順に、Ｏ（酸素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（珪素）、微量のＦｅ（鉄）が検出されており、結合材として用いたアルミニウムと珪素とが大きく存在していることが解る。なお、Ｏ（酸素）は研削工具表面が酸化したためにできた極微量の酸化膜であり、また、Ｆｅ（鉄）は素材や製造過程で混入した極微量の不純物である。
【００２５】
結合材としてアルミニウムのみでは展延性などのためにダイヤモンド砥粒を保持することが困難であったが、本実施の形態の研削工具では、アルミニウムに珪素を加えることにより、結合材の強度が高まり、ダイヤモンド砥粒を良好に保持することができる。また、本実施の形態の研削工具は、既存のメタルボンドと称するブロンズによる結合材よりも弱い保持力でダイヤモンド砥粒を支持でき、且つ樹脂であるレジンボンドと称する結合材よりも高い保持力を有しているため、高い研削能力と良好な表面（研削面）粗さを得ることができる。
【００２６】
次に、上記研削工具を用いて、被加工物としての光学ガラスを研削加工する研削方法を説明する。
【００２７】
カップ形状の研削工具を既存のカーブジェネレーター（商品名「ＫＣＧ−３型」、共立精機（株）製）に取り付け、研削工具の表面（加工面）にアルカリ性のコロイダルシリカ液（商品名「コンポール１２０」、不二見研磨材（株）製を６％に希釈したもの）を供給しながら、研削工具を光学ガラス（商品名「ＦＰＬ５１」（株）オハラ製）に当接させて回転させることにより、光学ガラスを球面形状に研削加工する。
【００２８】
このとき、研削加工される光学ガラスの中心軸と研削工具の中心軸とを交差させた状態で、光学ガラスと研削工具とを回転させる。そして、研削工具を光学ガラスに向かって軸方向へ移動させ、その表面（研削面）を光学ガラスに接触させる。さらに、研削工具を所定の切り込み速度で軸方向へ移動させ、光学ガラスを球面形状に研削加工する。
【００２９】
研削加工中において、研削工具の表面（研削面）では、酸化膜が削られ、アルミニウムが極僅かではあるがアルカリ性のコロイダルシリカ液により侵食され、これによりプラスに帯電した金属イオン（２価のアルミニウムイオン）が溶出する。一方、アルカリ性のコロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子は、水酸基を吸着してマイナスに帯電している。このため、研削工具の表面は、プラスに帯電した金属イオンに、マイナスに帯電したシリカ超微粒子が極微弱な力ではあるが吸着され、ゲル化（シリカゲル）したシリカ超微粒子の膜が付着した状態となる。すなわち、研削工具の表面には、コロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子が有する界面電位二重層と強アルカリ溶液の特性を利用して、電源を用いることなく、シリカ超微粒子を吸着させている。
【００３０】
研削工具の表面に付着したシリカ超微粒子により、ダイヤモンド砥粒による通常の研削加工に加えて、研磨加工作用が大きく作用するため、既存の水溶性研削液を用いた通常の研削加工よりも、表面（研削面）粗さを小さく良好なものとすることができる。特に、研削工具の表面と光学ガラスとの界面にコロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子が挟まれて擦れることにより、光学ガラスヘの研磨加工作用が発生し、水溶性研削液を用いた通常の研削加工よりも、表面（研削面）粗さを小さく良好なものとすることができる。
【００３１】
また、シリカ超微粒子により、研削工具の表面から突き出すダイヤモンド砥粒の突き出し量が小さくなるため、ダイヤモンド砥粒の切り込み深さが小さくなり、表面（研削面）粗さを小さく良好なものとすることができる。
【００３２】
さらに、ゲル化したシリカ超微粒子の膜は、研削工具と光学ガラスとの間に介在しているため、加工の際に生じる両者の振動を吸収する緩衝材として機能し、表面（研削面）粗さを小さく良好なものとすることができる。このように、ゲル化したシリカ超微粒子の膜が緩衝材として作用することにより、研削工具の結合材と光学ガラスとが干渉、接触するような状態であっても、焼き付きなどの不具合の発生を防止することができる。しかもゲル化したシリカ超微粒子の膜は、研削工具と光学素子との間に介在していても、ダイヤモンド砥粒による研削加工が行われることに変わりなく、研削能率を低下させることはない。
【００３３】
以上の本実施の形態の研削方法により研削された光学ガラスの表面粗さを計測した結果を図２に示す。比較例として既存のブロンズ結合材を用いた研削工具に、既存の水溶性研削液を用いた研削により研削した光学ガラスの表面粗さを計測した結果を図３に示す。図２および図３に示すように、本実施の形態の方法で研削された光学ガラスの平均粗さＲａは、比較例の方法で研削された光学ガラスの平均粗さＲａ０．３２０μｍの約１／８に相当する０．０４３μｍまで向上させることができた。
【００３４】
なお、本実施の形態では、アルミニウムと珪素とを７：３の重量比で配合したが、この配合比は、上述したアルミニウム６５〜８５重量％、珪素３５〜１５重量％の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００３５】
以上の説明から、本発明は次のような技術的思想を包含している。
【００３６】
（１）レンズやプリズムなどの光学素子を加工する研削工具において、
アルミニウムと珪素を結合材として具備する事を特徴とする研削工具。
【００３７】
この発明では、軟質なアルミニウムの特性と硬質な珪素の特性を有した工具となるため、表面粗さの品質を向上させることができると共に、砥粒を良好に保持することができる。
【００３８】
（２）上記（１）項記載の結合材の重量比は、アルミニウム６５〜８５％、珪素１５〜３５％であることを特徴とする研削工具。
【００３９】
このような重量比とすることにより、アルミニウムが有する特性を損なうことなく通常の研削加工に耐え得る高強度の研削工具とすることができる。
【００４０】
（３）レンズやプリズムなどの光学素子を加工する研削方法において、
アルミニウムと珪素とを結合材として具備する研削工具の表面に、コロイダルシリカ液を供給しながら研削加工を行うことを特徴とする研削方法。
【００４１】
この発明では、コロイダルシリカ液中のシリカ超微粒子が研削工具の表面に吸着されるため、研磨加工作用が大きくなり、表面粗さを小さくした加工を行うことができる。
【００４２】
（４）被加工物を研削加工する研削工具において、
砥粒を保持する結合材が、アルミニウムと珪素の焼結体であることを特徴とする研削工具。
【００４３】
アルミニウムと珪素の特性を併せ持つため、表面粗さの品質を向上させることができると共に、砥粒を良好に保持することができる。
【００４４】
（５）光学ガラスを平面または球面に創成加工する際に用いる研削工具において、 砥粒を保持する結合材が、アルミニウムと珪素の焼結体であり、その重量比がアルミニウム６５〜８５％、珪素３５〜１５％であることを特徴とする研削工具。
【００４５】
この発明では、アルミニウムが有する特性を損なうことなく通常の研削加工に耐え得る高強度の研削工具となり、表面粗さの品質を向上させることができると共に、砥粒を良好に保持することができる。
【００４６】
（６）上記砥粒は、ダイヤモンドであることを特徴とする上記（４）または（５）に記載の研削工具。
【００４７】
これにより、硬質なダイヤモンド砥粒による研削を確実に行うことができる。
【００４８】
（７）光学ガラスを平面または球面に創成加工する研削方法において、
砥粒を保持する結合材の重量比がアルミニウム６５〜８５％、珪素３５〜１５％である研削工具の表面にアルカリ性のコロイダルシリカ液を供給する工程と、
上記コロイダルシリカ液に含まれるシリカ微粒子が表面に付着した上記研削工具を、被加工物に当接させて回転させることにより、被加工物を研削加工する工程と、を有することを特徴とする研削方法。
【００４９】
コロイダルシリカ液中のシリカ超微粒子が表面に付着した状態で研削工具が回転するため、研磨加工作用が大きくなり、表面粗さを小さくした加工を行うことができる。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、コロイダルシリカ液中のシリカ超微粒子が研削工具の表面に吸着されて、研磨加工作用が大きくなり、表面粗さを小さくした加工を行うことができる。このため、既存の加工装置を用いながら、高い研削能率を確保したままで、より高い表面粗さ品質を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の工具の表面をエネルギー分散型Ｘ線分析装置で分析したＸ線スペクトルである。
【図２】実施の形態によって研削した光学ガラスの表面の計測結果を示す特性図である。
【図３】従来の方法によって研削した光学ガラスの表面の計測結果を示す特性図である。
【図４】従来の被加工物の研削方法を示す概略図である。

Claims (1)

1. 被加工物を研削加工する研削方法において、
   砥粒を保持する結合材がアルミニウムと珪素とから構成されている研削工具を用い、この研削工具の表面にコロイダルシリカ液を供給する工程と、
   前記研削工具と前記コロイダルシリカ液との間に電源による電圧をかけずに上記研削工具を被加工物に当接させて回転させることにより、被加工物を研削加工する工程と、
   を有し、
   前記結合材の重量比は、アルミニウム６５〜８５％、珪素３５〜１５％である研削方法。

Images