JP4601317B2 - 研磨具およびその製造方法 - Google Patents
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しかし、この方法は機械的な除去作用によるものであり、得られる加工面の品位には限界があり、また、前記従来の固定砥粒工具の欠点、例えば、細目砥粒における目詰まりなどの欠点を解決できない。また、特開2002−239921号公報に記載されているものは、基材フィルムの上に研磨層を有し、その研磨層に固定砥粒として存在する第1の砥粒と、研磨時に遊離砥粒として作用する第2の砥粒を有している。そして、この第1の砥粒の粒径は0.5〜5μm、第2の砥粒の粒径は1〜500nmであって、いずれも微細なものであり、研磨層における砥粒の突き出し量の維持が非常に難しく、加工時に砥粒結合材(バインダ)と工作物との接触が生じ易く、その結果、加工抵抗の急増、砥粒の脱落等が生じ、最悪の場合には加工不可の状態に陥ってしまう恐れがある。
上記課題を解決するために講じた手段は、基材の上にバインダで砥粒が固定されている研磨層を有し、当該研磨層は一定の間隔で多数の一定の形状を有するブロックに分割され、ブロック間に溝を有する格子状パターンが設けられている研磨具を構成し、上記研磨層は加工物に対して機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムと、加工物に対してケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカによるものであり、上記第1及び第2の金属酸化物粒子が加工物の加工面に対して同時に作用させるようにしたことである。
加工物に対する研磨層に、それぞれ機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムと、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカを設けることによって、上記ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子は加工物表面と化学作用を起こし、柔らかい化学反応層、あるいは水和層を生じさせ、上記機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子により、メカニカル的に除去することができ、これが加工面に同時に作用する。これは、上記従来技術が困難とした加工能率の向上に極めて有効である。したがって、高加工面品位を損なうことなしに、加工能率が著しく向上する。
実施態様1は、上記解決手段1について、上記ブロック間に溝を有する格子状パターンが設けられ、それぞれ機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムと、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカが、加工物の加工面に対して同時に作用する研磨具あって、上記第1及び第2の金属酸化物粒子はそれぞれ異なるブロックを形成していて、バインダにより同一基材上に固定されていることである。
互いに機能が異なる第1及び第2の金属酸化物粒子を基材上の異なる位置に配置することによって、研磨加工中において、機能が異なる第1及び第2の金属酸化物粒子を同時に加工物の研磨面に均一に供給することができ、これによって、上記の二つの機能が加工面全面に均一に実現されるから、研磨面を均一に加工することができる。
もし、この異なる二つの機能を別々に持つ金属酸化物粒子を混ぜ、あるいはこれらを同じブロック中に配置すると、必ずどちらか一方の作用が強くなり、両機能がバランスよく作用しなくなるので、いわば加工面品位を損なうことなしに、加工能率を向上させることは難しい。しかし、上記のとおり、実施態様1によればこのようなことはない。また、最悪の場合、目詰まりなどの悪影響がより顕著となる恐れがあるが、実施態様1は、上記ブロック間に溝を有する格子状パターンが設けられているのでこのようなことはない。
実施態様2は、上記解決手段1又は実施態様1について、少なくとも機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子は、内部にバインダが含まれていない凝集体であり、あるいは、多数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を一次粒子同士の結合点にネックが形成される温度で加熱処理して得られた、多数の一次粒子が部分的に、かつ、その間に空隙が形成されている状態で結合している粒状の多孔質体であることである。
上記多数の一次粒子(微細研磨材)が部分的に、かつ、その間に空隙が形成された多孔質体であるから、微細な一次粒子の作用により優れた加工面粗さが得られ、同時に結合された多孔質体による高い加工能率が実現される。研削屑、特に、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子と加工物表面とで生成された化学反応層は超微細な一次粒子とともに加工面から離脱しやすく、目詰まりなどによる加工ダメージを生じる可能性が著しく低減される。
実施態様3は、上記解決手段1、実施態様1、又は実施態様2について、上記機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子の圧縮破壊強度が20MPa〜160MPaであることである。
機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子の圧縮破壊強度が20MPa以上160MPa以下であることから、高加工面品位と高加工能率の両方が実現される。圧縮破壊強度が20MPaよりも小さい場合は、第1の金属酸化物粒子自身が加工中につぶされるので、ワークの前加工面を完全に除去することができない。
他方、圧縮破壊強度が160MPaよりも大きい場合、機械的な除去作用が強すぎて加工による新たなスクラッチ等のダメージをもたらしてしまうが、実施態様3によればこのようなことはない。
実施態様4は、解決手段1又は実施態様1〜実施態様3のいずれかについて、上記の機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積と、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積との割合が、1:1以上であることである。
上記の機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積と、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積との割合が1:1以上であることから、研磨加工中に機械的除去作用とケミカル作用をより確実にバランスよく実現して、加工面品位を損なうことなく、加工能率を向上することができる。この割合が1:1未満であれば、いわばケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子を含む研磨層の面積の割合が、機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子を含む研磨層の面積を上回った場合、加工中にケミカル作用により多くの軟質の化学反応層、あるいは水和層が発生されるため、スクラッチが発生する可能性が高くなる。
実施態様5は、実施態様4の研磨具について、その機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子とケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子は、研磨層における含有率が体積比でそれぞれ10%乃至90%であることである。
金属酸化物粒子の含有率が体積比で10%以上、90%以下であることは、高能率で、かつ、高品位な加工面を得るのに特に有効である。前記金属酸化物粒子の添加率が10体積%未満であると添加の効果がなく、90体積%をこえると研磨具の結合剤量が少なすぎて、砥粒保持強度が著しく低下するので、これは優れた工具として実用に供し得るものでない。
実施態様6は、実施態様4又は実施態様5の研磨具について、研磨層を一定の間隔で一定の形状に分割されたブロックを、その間に溝を有する格子状パターンで設け、前記ブロックの平面形状が矩形(例えば、正方形)、円形、又は楕円形であることである。
分割された研磨層のブロックの平面形状は矩形、円形、又は楕円形であることから、より確実にブロック間に溝を設けることができ、研磨加工時により確実に切りくずなどを上記溝に誘導し、加工点から排出させることができるので、目詰まりなどを回避でき、スクラッチフリーで極めて良好な加工面品位を得ることができる。
解決手段2は、実施態様4の研磨具の製造方法であり、
所定の研磨層ブロック形状に対応した貫通穴パターンを有する第1のマスクシートで、上記基材上を覆う第1のマスク工程と、加工物に対してケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカとバインダとを混合した第1の塗布液を、上記第1のマスクシートの上から上記基材上に塗布する第1の塗布工程と、上記第1の塗布工程の後に上記第1のマスクシートを剥離する第1の剥離工程と、上記基材上のケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子を含む研磨層を乾燥する第1の乾燥工程と、他の研磨層ブロック形状に対応した貫通穴パターンを有する第2のマスクシートで、上記基材上に形成された第2の金属酸化物粒子を含む研磨層の上を覆う第2のマスク工程と、上記加工物に対して機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムとバインダとを混合した第2の塗布液を、上記第2のマスクシートで覆った上記基材に塗布する第2の塗布工程と、上記第2の塗布液を塗布した後に、上記第2のマスクシートを剥離する第2の剥離工程と、上記機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子を含む研磨層を乾燥する第2の乾燥工程とによって、上記第1及び第2の金属酸化物粒子を有するそれぞれの研磨層を上記基材上に形成することである。
上記第1及び第2のマスクシートを用いて所定のパターンで上記第2の金属酸化物粒子による研磨層のブロック、第1の金属酸化物粒子による研磨層のブロックを容易、かつ高精度で形成し、これを焼成することで、一定の間隔で多数の一定の形状を有するブロックに分割し、機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子による多数のブロックと、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子による多数のブロックを上記基材上に固定した研磨具を確実に高精度で成形することができので、高品質の研磨具が極めて低コスト製造される。
(1)請求項1に係る発明
加工物に対して機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムと、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカを基材上に設けたことにより、上記ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子が加工物表面と化学作用を起こし、柔らかい化学反応層、あるいは水和層を生じさせ、これを上記機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子がメカニカル的に除去するという複合研磨作用を奏することにより、加工物の加工面をより研磨し易くしながら、高能率で研磨加工することができるので、上記従来技術に比して加工能率が著しく高い。
また、機能が異なる第1の金属酸化物粒子による研磨層と第2の金属酸化物粒子による研磨層とを基材上にブロック状に区分けして配置することにより、加工物表面に対して、確実に上記の二つの機能を奏するので、これによって、加工物表面を均一に研磨加工することができる。
上記の二つの機能を持つ金属酸化物粒子を混合し、あるいは同じブロックに配置すると、必ずどちらか一方の作用が強くなるので、バランスよく、加工面品位を損なうことなしに加工能率を向上させるのは難しくなり、最悪の場合、目詰まりなどの悪影響がより顕著となる恐れがある。しかし、本発明によればこのようなことはない。
機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子とケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子の含有率が体積比で10%以上90%以下であることは、高能率で、かつ、高品位な加工面を得るのに特に有効である。前記金属酸化物粒子の添加率が10体積%未満であると添加の効果が小さすぎ、他方、90体積%を越えると研磨具の結合剤量が少なすぎて、砥粒保持強度が著しく小さくて工具として用いることができない。
いわゆるマスクシートを用いた通常の塗布作業と、焼成作業とによって本発明の研磨具を製造するものであるから、製造装置が極めて簡便なものであり、簡便な製造装置によって、高精度、高品質の研磨具を製造することができる。
なお、特定形状のブロックが均等に分布する配置パターンを上記マスクシートで形成すればよいのであって、そのブロックの平面形状の如何に関わり無く本発明はその作用効果を奏するので、貫通穴の形状を矩形、円形、楕円形などの極めて単純な形状にすることができ、貫通穴の形状を単純な形状にすることで、上記ブロックの形状及びその分布が高精度の研磨工具を簡単、容易に成形することができる。
加工物にもよるが、砥粒として金属酸化物は従来から利用されている。この金属酸化物の例としては、Al2O3,CeO2,ZrO2,SiO2,Fe2O2,TiO2,MnOなどがある。ガラスや石英やSiの酸化膜などのガラス質のワークに対して、酸化セリウムは最もケミカル作用が強いことが知られている。同様に、Siに対して、メカニカルケミカル作用の強いSiO2を用いることもできる。また、機械的除去作用の強い砥粒としては、加工対象物にもよるが、平均粒径が5μm以下の一次粒子の微細粉末が凝集して、平均粒径10〜300μm程度のもの、さらに好ましくは平均粒径40〜100μm程度の二次粒子径を備えたものが適している。材料としては、硬質無機材料、例えば、シリカ、セリア、ダイヤモンド、CBN、アルミナ、炭化珪素、酸化ジルコニウム等が用いられる。これらの凝集体はゾルゲル法、スプレードライヤー等の手段で作ることができる。
次いで、本発明の実施例を説明する。
また、焼成時間を短縮するために、あるいは硬さをさらに高めるためには、加圧した状態で上記焼成を行えばよい。
次に、ケミカル作用の強い第2の砥粒として、CeO2を採用した(昭和電工製SHOROX。モース硬さ6)。平均粒径D50は1.5μm程度であった。このCeO2砥粒(上記第2の砥粒)22を、粒子の体積比が25体積%になるよう、液状のウレタン樹脂と混合し、さらに有機溶媒を加え、溶液粘度を調整した後、撹拌機を用いて10分程度混合攪拌して混合物を作製した。撹拌は室温下で、回転速度50rpmで行った。
以上の上記実施例1、実施例2の研磨層の形状を円形や楕円形にしたものを製作して同様の研磨試験を行った。その結果は上記実施例1、実施例2のそれと違いがないことが確認された。
なお、この場合の円形や楕円形の研磨層のブロック形状は、その面積が実施例1の研磨層の面積とほぼ同じ形状にしたものである。
比較例1として、上記実施例1と同様に、機械的除去作用の強い第1のZrO2砥粒だけを用いた研磨具を作製した。この比較例の研磨具を研磨装置(図4)の定盤に取りつけ、面粗さ2μmRyに調整したBK7光学ガラスディスクを研磨加工した(加工条件:定盤回転数60rpm、加工圧力30kPa)。3分間で加工マーク(スクラッチ、加工傷など)フリー、かつ30nmRy以下の鏡面を得ることができた(面粗さの評価はテーラホプソン社製フォームタリサーフS4Cで行った)。また、引き続きガラスディスクを5枚研磨加工しても、スクラッチの発生は見られなかった。しかし、砥粒の磨耗に伴い、加工能率の方はどんどん低下し、最後にほぼゼロとなった。
なお、本発明は一次粒子である砥粒の種類、造粒凝集方法、添加物の種類、研磨具結合材の種類、加工工具の形状、加工対象物の如何に関わりなく、機械的除去作用の強い第1の砥粒と、ケミカル作用の強い第2の砥粒とを上記のような形態で複合することによって上記の作用効果を奏するものであるから、上記の実施例に限定されるものではない。
2:砥粒
3,3a:マスクシート(パターン付シート)
4:ワイヤバーコータ
5:ワーク(光学ガラスディスク)
6:定盤
11:バインダ
12:基材
21:機械的除去作用の強い第1の砥粒
22:ケミカル作用の強い第2の砥粒
23:機械的除去作用の強い第1の砥粒を含んだ研磨層
24:ケミカル作用の強い第2の砥粒を含んだ研磨層
31,31a:貫通穴
Claims (5)
- 基材の上にバインダで砥粒が固定されている研磨層を有し、当該研磨層は一定の間隔で多数の一定の形状を有するブロックに分割され、ブロック間に溝を有する格子状パターンが設けられている研磨具であって、
上記研磨層は加工物に対して、それぞれ機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムと、ケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカとによる研磨層であり、上記第1及び第2の金属酸化物粒子はそれぞれ異なるブロックを形成しており、
上記第1の金属酸化物粒子は、内部にバインダを含まない凝集体であり、あるいは、多数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を一次粒子同士の結合点にネックが形成される温度で加熱処理して得た、多数の一次粒子が部分的に、かつ、その間に空隙が形成されている状態で結合している粒状の多孔質体であり、
上記第1の金属酸化物粒子の圧縮破壊強度が20MPa〜160MPaであり、
上記第1の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積と、上記第2の金属酸化物粒子がバインダにより基材上に固定されているブロック状の研磨層の面積との割合が1:1以上であり、
上記第1及び第2の金属酸化物粒子が、加工物の加工面に対して同時に作用することを特徴とする研磨具。 - 上記バインダにより基材上に固定された研磨層での第1の金属酸化物粒子、又は第2の金属酸化物粒子の含有率は、体積比でそれぞれ10%〜90%であることを特徴とする請求項1に記載の研磨具。
- 上記ブロックの平面形状が、矩形、円形、又は楕円形であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の研磨具。
- 基材の上にバインダで砥粒が固定されている研磨層を有し、当該研磨層は一定の間隔で多数の一定の形状を有するブロックに分割され、ブロック間に溝を有する格子状パターンが設けられている研磨具の製造方法であって、
所定の研磨層ブロック形状に対応した貫通穴パターンを有する第1のマスクシートで、上記基材上を覆う第1のマスク工程と、
加工物に対してケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子である酸化セリウム、又はシリカとバインダとを混合した第1の塗布液を、上記第1のマスクシートで覆った上記基材に塗布する第1の塗布工程と、
上記第1の塗布液を塗布した後に、上記第1のマスクシートを剥離する第1の剥離工程と、
上記基材上のケミカル作用を生じる第2の金属酸化物粒子を含む研磨層を乾燥する第1の乾燥工程と、
他の研磨層ブロック形状に対応した貫通穴パターンを有する第2のマスクシートで、上記基材上に形成された第2の金属酸化物粒子を含む研磨層の上を覆う第2のマスク工程と、
上記加工物に対して機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子である酸化ジルコニウムとバインダとを混合した第2の塗布液を、上記第2のマスクシートで覆った上記基材に塗布する第2の塗布工程と、
上記第2の塗布液を塗布した後に、上記第2のマスクシートを剥離する第2の剥離工程と、
上記機械的除去作用を生じる第1の金属酸化物粒子を含む研磨層を乾燥する第2の乾燥工程とにより、
上記第1及び第2の金属酸化物粒子を有するそれぞれの研磨層を上記基材上に形成することを特徴とする研磨具の製造方法。 - 上記研磨層ブロック形状に対応した貫通穴パターンを有する第1及び第2のマスクシートの貫通穴の形状が、矩形、円形、又は楕円形であることを特徴とする請求項4に記載の研磨具の製造方法。
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