JP4763327B2 - 研磨材、研磨工具、研磨装置、研磨材の製造方法、研磨工具の製造方法、及び研磨方法 - Google Patents
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Description
このER流体は前記のようなER効果を有するために、クラッチ、ダンパー、ショックアブソーバー、振動素子のような電気制御による機器の動力伝達用または制動用の分野などで利用されている。
また、特許文献2のように、砥粒が分散されたER流体の中で光学素子を回転させながら、ER流体に対して相対的に運動させて研磨を行う装置も知られている。この研磨装置によれば、印加電圧を変えてER流体の粘度を変えることで、最適な研磨圧力により非球面形状光学素子の表面をくまなく研磨することができる。
一方、特許文献2の研磨装置では、ER流体中に分散した砥粒が研磨の主体であるため、砥粒を光学素子に押しつける圧力はER流体の流れに依存し、非球面形状の光学素子に対する研磨力を高めることが困難である。
さらに、前記の分散相粒子を用いたER流体は、上述したように多くの優れたER効果を有するものではあるが、長期間静置されると、分散相粒子が分散媒中に沈降し、また一旦沈降すると、凝集して再分散が困難になるという問題もある。
ここで、ERGとは、ER流体が流動性を失ったゲル状物質である。また、「ERGと砥粒とを含む」とは、例えば、ERGの中に砥粒が分散しているような構造をいい、ER流体中に砥粒を分散させてゲル化を行えばそのような構造が得られる。
また、被加工物(ワーク)の表面粗度に応じてERGの硬度を変化させることができるので、被加工物の表面粗度が大きなときはERGに高い電圧をかけて硬くして、被加工物の表面粗度が小さくなったときはERGにかける電圧を下げて柔らかくすることで研磨を効率的に行うことができる。
さらに、砥粒がERG中に拡散・沈降することがないため、電気レオロジー特性が低下することなく、長期間に渡って研磨材としての性能が維持できる。
例えば、研磨の対称がプラスチックレンズ等の射出成形に用いられる金型のように導電性である場合は、両側電極と片側電極の両方式を用いることができる。一方、プラスチックレンズのような非導電性材料を研磨する場合には片側電極を用いることでERGに電圧をかけることができる。
すなわち、この研磨材は、レンズ表面を直接磨くこともできるし、あるいは、レンズ成形用の金型を研磨することにも好適に用いることができる。
本発明によれば、砥粒がERGの表層部分に保持されているため、研磨材が被加工物と接触した際に、ER効果が直接的に砥粒に反映するため、効率的に研磨を行うことができる。
本発明によれば、ERG中の液体成分が電気絶縁性媒体であるので、電圧印加時に電流が流れることなく、ER効果が好適に発現される。また、その電気絶縁性媒体中に分散相粒子が分散されているので、分散相粒子が沈降することがなくER効果が長期間安定して得られる。
本発明によればERGの基本骨格がポリシロキサン架橋体であるため、その骨格中に電気絶縁性媒体を多量に保持することができ、ERGの製造にとって好適である。
本発明によれば、ポリシロキサン架橋体がハイドロジェンシリコーンおよび不飽和基含有化合物のヒドロシリル化反応生成物であるため、製造が容易である。
ここで、研磨材が工具本体に固着されているとは、研磨材自身の吸着力により工具本体に吸着している場合や、工具側に溝を作成しておくなどして研磨材が工具本体に固定されている状態を意味する。
本発明によれば、研磨材が工具本体に固着されているため、研磨材が工具本体から剥離してしまうことなく、研磨工具として使用したときに上述の効果を好適に奏することができる。
本発明によれば、研磨装置が上述の研磨工具を備えているため、研磨装置として、上述の効果を好適に奏することができる。
本発明の製造方法によれば、ERGを製造した後、砥粒をそのERGの表面に散布するという簡便な方法で研磨材を得ることができる。さらに、ERGの表面が、被加工物(ワーク)の研磨予定面に応じた形状をしているため、研磨を極めて効率的に行うことができる。例えば、プラスチックレンズ成型用の金型を研磨する場合、研磨材の表面を凸面や凹面にする必要があり、各々の場合に合わせて研磨材を交換しなければならないが、本発明の製造方法によれば、自動的にその金型の表面形状に合わせた研磨材が得られるため、極めて便利である。
本発明の製造方法によれば、電気粘性流体の中にすでに砥粒が含まれているため、電気粘性流体をゲル化してERGとするだけで、そのまま研磨材として利用できる。
本発明によれば、電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行うので、被加工物の表面形状に沿った研磨工具を製造することができ、研磨効率が向上する。
本発明によれば、電気粘性流体の中にすでに砥粒が含まれているため、電気粘性流体をゲル化してERGとするだけ研磨材とすることができ、その研磨材を先端に備えているため、研磨工具の製造方法として簡便である。さらに、電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行うので、被加工物の表面形状に沿った研磨工具を製造することができ、研磨効率も向上する。
本発明によれば、ERGに印加した電圧を制御しながら研磨することで、ERGの硬度を制御することができ、被加工物(ワーク)の表面粗度に応じた研磨が可能となる。
(1)ERGの構造及び製法
本実施形態におけるERGは、電気絶縁性媒体および分散相粒子が分散されたERGである。具体的には、ポリシロキサン架橋体中に電気絶縁性媒体および分散相粒子が分散されたERGを用いている。ポリシロキサン架橋体は、ハイドロジェンシリコーンと前記不飽和基含有化合物のヒドロシリル化反応生成物であることが好ましい。
R1により示されるアルキル基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基などが含まれ、アラルキル基には、例えばベンジル基、フェネチル基などが含まれ、そして、アリール基には、例えば、フェニル基、トルイル基、ナフチル基などが含まれる。R1により示される置換アルキル基には、例えば、トリフルオロプロピル基、クロロプロピル基などのハロゲン化アルキル基、および2−シアノエチル基のようなシアノアルキル基が含まれる。好ましくは、R1はメチル基であり、n1は10〜200の整数である。ハイドロジェンシリコーンの具体例としては、下記式(B−1)、式(B−2)および式(B−3)で示されるものが挙げられる。
R2により示されるアルキル基には、例えば、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、オクチル基、ドデシル基などが含まれ、そして、アリール基には、例えば、フェニル基、トルイル基、ナフチル基などが含まれる。R3により示されるアルキレン基には、例えば、メチレン基、エチレン基、プロピレン基、ブチレン基、オクチレン基、ドデシレン基などが含まれ、アリールアルキレン基には、例えば、フェニルメチレン基、フェニルエチレン基、フェニルエチリデン基などが含まれる。R3について使用される「ヘテロ原子含有アルキレン基」という用語は、ヘテロ原子として、酸素、硫黄または窒素原子を含有する基であって、それらへテロ原子を炭素原子とみなすことにより、全体をアルキレン基とみなすことができる基を意味する。そのような基には、メチレンオキシメチレン基、メチレンオキシエチレン基、メチレンオキシプロピレン基、エチレンオキシプロピレン基、メチレンオキシエチレンオキシメチレン基、エチレンオキシエチレンオキシエチレン基、プロピレンオキシエチレンオキシプロピレン基、それらの酸素原子が硫黄または窒素原子で置き換えられたもの、およびそれらの酸素原子の一部が硫黄および/または窒素原子で置き換えられたものが含まれる。Zにより示される脂肪族基には、3価以上の直鎖状または分枝状のアルキル基が含まれ、例えば、メチニル基、エチニル基、プロピニル基、ブチニル基、オクチニル基、ドデシニル基などが含まれる。Zについて使用される「ヘテロ原子含有有機基」という用語は、ヘテロ原子として、酸素、硫黄または窒素原子を含有する脂肪族または芳香族の官能基を意味する。そのような官能基には、メチレンオキシメチニル基、メチレンオキシエチニル基、メチレンオキシプロピニル基、エチレンオキシプロピニル基、メチレンオキシエチレンオキシメチニル基、エチレンオキシエチレンオキシエチニル基、プロピレンオキシエチレンオキシプロピニル基、フェニレンビス(メチルオキシエチニル)基、それらの酸素原子が硫黄または窒素原子で置き換えられたもの、およびそれらの酸素原子の一部が硫黄および/または窒素原子で置き換えられたものが含まれる。Zの一置換3価ケイ素原子には、例えば、化学式≡Si−アルキル基が含まれ、具体例としては≡Si−CH3を挙げることができる。好ましくは、R2は水素原子またはメチル基であり、R2は−CH2OCH2−、−CH2OCH2CH2−、または−CH2OCH2CH2OCH2−である。不飽和基含有化合物の具体例としては、下記式(D−1)、式(D−2)、式(D−3)、式(D−4)、式(D−5)、式(D−6)、式(D−7)で示されるものが挙げられる。
式:0.5≦[(化合物(D)のモル数×化合物(D)の価数)/(化合物(B)のモル数×2)]≦1.5 (1)
この場合、特に、式(1)の下限が0.8で上限が1.2である場合に好ましい架橋密度のERG組成物が得られる。
アンチモンドーピング酸化錫(石原産業社製、SN−100P、電気伝導度:1.0×100Ω-1/cm) 30g水酸化チタン(石原産業社製、一般名:含水チタン、C−II、電気伝導度:9.1×10-6Ω-1/cm) 10g アクリル酸ブチル300g 1,3−ブチレングリコールジメタクリレート 100g 重合開始剤(アゾビスイソバレロニトリル) 2g上記処方の混合物を、第三リン酸カルシウム25gを分散安定剤として含む水1800ml中に分散し、60℃で1時間攪拌下に懸濁重合を行い、得られた生成物を酸処理し、水洗後、脱水乾燥し、無機・有機複合粒子を得た。この粒子200gに鉄フタロシアニン(山陽色素社製P−26)2gを加え、ボールミルにて75時間複合化処理を行い、次いでこれをジェット気流処理機(奈良機械製作所社製、ハイブリタイザー)を用いて周速75m/秒で210秒間ジェット気流処理を行い、分散相粒子のER複合粒子を得た。
(1-1)剪断応力および電流値の測定
前記で得たERGを二重円筒型回転粘度計にいれ、それぞれ内外円筒間に直流電圧2.0kv/mmを印加し、かつ内筒電極に回転力を与えて、25℃で、剪断速度100sec-1における剪断応力(Pa)を測定した。結果を表2に示す。
次に、前記のERGについて常温における沈降性について次の測定法を用いて評価した。このERGを、内径6mmの試験管に深さ100mmとなるように導入し、このまま常温(25℃)にて6ヶ月間静置し、ER複合粒子の粒子沈降による試験管の上澄み層の厚さを測定した。沈降性の大きいものほど、この数値は大きくなる。結果を表3に示す。
〔研磨材製造装置の構成〕
図1に、本実施形態に係る研磨材を製造するための研磨材製造装置1の断面図を、図2に、その分解斜視図を示す。
ここで、本実施形態においては、この研磨材製造装置1自体に加熱装置は内在していない。ゲル化のために加熱する際は、例えば、所定温度の加熱基板(ホットプレート)に載せることで、クリアランス部15に保持されたER流体を容易にゲル化できる。
また、ワーク保持側壁部材11の内部に存在するワーク10は、研磨の対象物であり、例えば、プラスチックレンズ等の射出成形に用いられる金型である。ワーク10は、導電性であればよく、表面の形状は特に問題とされない。ワーク保持側壁部材11は、ワーク10を保持するための円筒状の構造体(スリーブ)である。
クリアランス調整部材16は、ワーク保持側壁部材11の上面とERG固着部材12のフランジ部との間に配設されたドーナツ状のスペーサであって、その厚みを変えることによって、クリアランス部15の厚み、すなわち、製造するERGの厚みを変えることができる。
電圧印加部18は、前記ワーク保持側壁部材11の側壁面に貫通形成されたねじ孔に配設される電圧印加部正極18Aと、前記ER流体注入部13に形成されたねじ孔に配設された電圧印加部負極18Bとを含んで構成される。電圧印加部正極18Aは、中央の孔に電線が配されており、先端の電極がワーク10に押しつけられている。電圧印加部負極18Bは、回転するERG固着部材12に対してブラシによって通電するように構成されている。これらは、研磨装置を作動させるときに使用されるが詳細は後述する。
なお、ワーク保持側壁部材11とワーク保持基台部材14は、装置基台19にボルト191により固定されている。これらのワーク保持側壁部材11、ワーク保持基台部材14、及び、装置基台19については、ベークライトのような合成樹脂製、あるいは、セラミック製の電気絶縁材料が用いられる。
以下に、上述の研磨材製造装置1を用いた研磨材の製造方法について、図1、図2を用いて説明する。ERGの製造方法は、前記実施形態(1)で述べたとおりであるが、ERGを備えた研磨材を製造する際は、以下のようにして行う。
その後、クリアランス部15のER流体を、90℃で6時間加熱してゲル化を完了させ、ERGを得る。このERGの下面は、ワーク10の上面の形状(凹面、凸面等)に応じた形状となっている。
そして、ERG固着部材12に吸着・保持されたERGの表面に、砥粒を散布する。
図3に示すように、このERG固着部材12は、先端に、ERGと砥粒とからなる研磨材12Aを備えており、研磨工具100を構成する。この研磨工具100は、後述するように、研磨材製造装置1のワーク保持側壁部材11に挿入された後は、研磨装置の本体部分となる。
図4に、研磨材製造装置1を含んだ研磨装置200を模式的に示す。
研磨装置200は、研磨材製造装置1と、トルクセンサ2と、高圧電源部3と、モータ4と、動力伝達手段5と、制御手段6とを含んで構成される。
前述の研磨工具100は、研磨材製造装置1のワーク保持側壁部材11に回転可能に挿入されている。
高圧電源部3は、電圧印加部正極18Aと電圧印加部負極18Bを介してERGに直流の高電圧をかけ、ER効果を発揮させる。電圧印加部正極18Aはワーク保持側壁部材11に形成された孔を通してワーク10に電気的に接続されている。電圧印加部負極18BはERG固着部材12に形成されたER流体注入部13の先端に接続されている。
モータ4は、動力伝達手段(ベルト)5を介して所定の回転数にて研磨工具100を回転させる。そして、研磨材12Aによりワーク10の表面が研磨される。
すなわち、ゲル化する前のER流体がワーク表面に倣った形状となり、その形状を保ってゲル化するため、ワーク毎に最適な研磨形状を持った研磨材12A、研磨工具100を製造することができる。
さらに、この研磨材12Aは、ワーク10表面に押し付けられると、ERGが適度の弾性を持ったゲルであるので、ERG自体がワークの表面形状に倣った形状に変形するため、研磨材12Aを必ずしも前もってワークの表面形状に合わせて製造する必要がなく、研磨材製造の自由度が非常に高くなる。
すなわち、ワーク10の表面粗度に応じてERGの硬度を変化させることができるので、被加工物の表面粗度が大きなときはERGに高い電圧をかけて硬くして、被加工物の表面粗度が小さくなったときはERGにかける電圧を下げて柔らかくすることで研磨を効率的に行うことができる。
さらに、ERG中に分散相粒子が分散されているので、分散相粒子が沈降することがなくER効果が長期間安定して得られる。
さらに、ERGの表面が、ワーク10の研磨予定面に応じた形状をしているため、研磨を極めて効率的に行うことができる。例えば、プラスチックレンズ成型用の金型を研磨する場合、研磨材の表面を凸面や凹面にする必要があり、各々の場合に合わせて研磨材を交換しなければならないが、本実施形態の製造方法によれば、自動的にその金型の表面形状に合わせた研磨材が得られるため、極めて便利である。
[実施例1〜4]
(研磨材の性状および研磨条件)
各実施例とも、前記した実施形態に記載した以外の具体的条件は以下の通りである。
ERG厚さ:0.5mm(ERGは円盤状)
回転速度 :50rpm
ワーク :SUS420
実施例1:GC#600
実施例2:GC#1200
実施例3:GC#2000
実施例4:ダイヤモンドスラリー#4000
図6〜図9に、上記実施例1〜4における各ワーク表面の算術平均粗さ(中心線平均荒さ)の変化を示した。いずれの場合も、ワークの表面を良好に研磨することができ、電圧を変えることで研磨面の精度を調節できることも確認できた。
また、図6〜図9では、各々、図(A)がワーク中央のRaの推移をあらわし、図(B)がワーク外周のRaの推移をあらわしている。ワーク中央はワーク周辺部に比べて研磨速度が遅いにもかかわらず、研磨効率は、ワーク周辺部と同様に良好であった。
次に、図11のように、このゲル部82の表面に砥粒83が存在している場合、無電場時には、滑り特性の高いER粒子81が表面に多く存在し、また、砥粒83も固定されることがなく電極7とERG8との間隙で滑りやすいため、研磨効率は悪い。しかし、高電圧をかけると、ER粒子81がゲル内部に潜り込むと同時に、逆にゲル部82が砥粒83を押し上げるように働き、砥粒83を電極7に圧接するものと考えられる。さらに、ゲル部82の粘度と粘着力が非常に増して砥粒83を強く固定するため、電圧が高くなるほど電極7(本願のワーク10に相当)への研磨力が増すよう作用するものと推定される。
Claims (12)
- 電気レオロジーゲル(以後、「ERG」ともいう)と砥粒とを含む研磨材。
- 請求項1に記載の研磨材において、
前記砥粒が前記ERGの表層部分に保持されていることを特徴とする研磨材。 - 請求項1または請求項2に記載の研磨材において、
前記ERG中の液体成分が電気絶縁性媒体で、その電気絶縁性媒体中に分散相粒子が分散されていることを特徴とする研磨材。 - 請求項1〜請求項3のいずれかに記載の研磨材において、
前記ERGが、シロキサン架橋体中に電気絶縁性媒体および分散相粒子が分散された構造を持つことを特徴とする研磨材。 - 請求項4に記載の研磨材において、
前記ポリシロキサン架橋体がハイドロジェンシリコーンおよび不飽和基含有化合物のヒドロシリル化反応生成物であることを特徴とする研磨材。 - 請求項1〜請求項5のいずれかに記載の研磨材が工具本体に固着されていることを特徴とする研磨工具。
- 請求項6に記載の研磨工具を備えていることを特徴とする研磨装置。
- 電気粘性流体をゲル化して研磨材とする研磨材の製造方法であって、
前記電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行い、
前記ゲル化後の電気粘性流体の被加工物との接触面を被加工物から解離して、
砥粒を前記接触面に散布することを特徴とする研磨材の製造方法。 - 砥粒を含んだ電気粘性流体をゲル化して研磨材とする研磨材の製造方法であって、
前記電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行い、
前記ゲル化後の電気粘性流体の被加工物との接触面を被加工物から解離することを特徴とする研磨材の製造方法。 - 研磨材を先端に備えた研磨工具の製造方法であって、
前記研磨材は、
電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行い、
前記ゲル化後の電気粘性流体の被加工物との接触面を被加工物から解離して、
砥粒を前記接触面に散布したものであることを特徴とする
研磨工具の製造方法。 - 研磨材を先端に備えた研磨工具の製造方法であって、
前記研磨材は、
砥粒を含んだ電気粘性流体を被加工物の研磨予定面に接触した状態でゲル化を行い、
前記ゲル化後の電気粘性流体の被加工物との接触面を被加工物から解離したものであることを特徴とする研磨工具の製造方法。 - ERGと砥粒とを含む研磨材を用いて、前記ERGに印加した電圧を制御しながら研磨することを特徴とする研磨方法。
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