JP7146173B2 - 研磨加工装置、研磨加工システム及び研磨加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、大面積の被加工物の研磨加工を行うための研磨加工装置、研磨加工システム及び研磨加工方法に関する。

従来より、研磨材を圧縮空気と共に被加工物に衝突させて加工を行う方法としてエアブラスト加工が知られている。エアブラスト加工に用いられるノズルは、円形断面の噴射口を有するノズルが広く用いられている（例えば、特許文献１第２段落「従来の技術」）。このノズルは研磨材が噴射される幅が狭いため、被加工物として、ガラス基板、セラミックプレート、金型、フープ材等、平面形状の製品で大面積の領域を加工するときには、複数回の走査を行う必要があった。しかし、この方法では研磨加工に要する時間が長くなる。

別の解決方法として、複数のノズルを直線状に配置して加工する方法がある。しかし、この方法では、ブラスト加工装置が大型化し、また設備の製造コストも高くなる。

そこで、噴射口を横に広げた矩形断面の噴射口を有するノズルを用いることが提案されている。例えば、特許文献２には、ノズル本体をその平断面視において末広がり状の形態からなるようにし、ノズル本体内部にスピンドル状駒及び三角形のガイド部材を設けたノズルが開示されている。

特開２００２－１４４２３９号公報

しかし、上述のような矩形断面の噴射口を有するノズルでは、研磨材とエアとの固気混合流を噴射口全幅に渡って均一に噴射することは困難であった。また、均一に噴射するための内部構造を有するノズルでは、当該内部構造が研磨材で損耗するため耐久性が低く、安定した研磨加工ができない恐れがあった。

以上を鑑み、平面形状の製品で大面積の領域の研磨加工を短時間で安定して行うことができるとともに、設備を小型化し製造コストを低くすることができる新たな研磨加工装置の登場が求められている。そこで、本発明は、これらの課題を解決する研磨加工装置、研磨加工システム及び研磨加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、研磨加工装置が、研磨材を貯留し、被加工物に研磨材を噴射して研磨加工を行う加工室と、前記加工室の底部から圧縮エアを前記加工室内に供給し、上方に向かう気流により、貯留された研磨材を流動させて流動層を形成する流動化装置と、略矩形状に形成された噴射口を有し、当該噴射口が流動層内に位置するように配置されるエアブローノズルと、前記エアブローノズルを被加工物に対して相対的に移動させる移動手段と、を備え、被加工物を、少なくとも被加工領域が流動層内となるように配置し、前記エアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって研磨材を衝突させて研磨加工を行う、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の研磨加工装置において、前記エアブローノズルの周囲に気流の流路を形成し、当該流路に前記エアブローノズルの噴射口から被加工物へ向かう気流を形成するための流路形成部材を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の研磨加工装置において、前記エアブローノズルの噴射口は、被加工物の下方に位置するように配置される、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明では、研磨加工システムが、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の研磨加工装置と、前記加工室から送出された研磨材を分級し、研磨材を前記加工室に供給する分級装置と、前記分級装置から排出される粉塵を集塵する集塵機と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明では、研磨加工方法が、研磨材が貯留された加工室内において前記加工室の底部から圧縮エアを前記加工室内に供給し、上方に向かう気流により、貯留された研磨材を流動させて流動層を形成する工程と、被加工物を少なくとも被加工領域が流動層内となるように配置する工程と、エアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行う工程と、を備えた、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、研磨材が貯留された加工室内において研磨材を流動させて流動層を形成し、略矩形状に形成された噴射口を有したエアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行うことができる。これによれば、エアブローノズルは研磨材を含まないエアのみを噴射するため、幅広く均一の気流を発生させることができ、平面形状の製品で大面積の領域の研磨加工を短時間で安定して行うことができる。また、エアブローノズル内に研磨材が通過しないため、内部が研磨材で損耗することがなく、エアブローノズルの耐久性を高くすることができる。更に、エアブローノズルの気流により研磨材の噴射量を制御することができるので、研磨材の定量供給手段が不要である。また、研磨材の回収手段を設ける場合には、従来の研磨加工装置では、噴射量以上の回収能力が必要であったが、本発明ではそのような大きな回収能力は必要ない。これらにより、設備を小型化し製造コストを低くすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、流路形成部材によりエアブローノズルの周囲に気流の流路を形成して、エアブローノズルの噴射口から被加工物へ向かう気流を形成することができるので、エアブローノズルから被加工物に向う気流の方向性を高めることができ、被加工物の被加工領域に研磨材を均一な密度及び速度で衝突させることができる。

被加工物の下方では流動層が確実に形成されているため、請求項３に記載の発明のように、被加工物の下方から研磨材を衝突させることにより安定した研磨加工を行うことができる。

請求項４に記載の発明のように、研磨加工装置に分級装置及び集塵機を加えて、研磨加工システムを構成することができ、研磨材が貯留された加工室内において研磨材を流動させて流動層を形成し、略矩形状に形成された噴射口を有したエアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行うことができる。これによれば、エアブローノズルは研磨材を含まないエアのみを噴射するため、幅広く均一の気流を発生させることができ、平面形状の製品で大面積の領域の研磨加工を短時間で安定して行うことができる。また、エアブローノズル内に研磨材が通過しないため、内部が研磨材で損耗することがなく、エアブローノズルの耐久性を高くすることができる。更に、エアブローノズルの気流により研磨材の噴射量を制御することができるので、研磨材の定量供給手段が不要である。また、研磨材の回収手段を設ける場合には、従来の研磨加工装置では、噴射量以上の回収能力が必要であったが、本発明ではそのような大きな回収能力は必要ない。これらにより、設備を小型化し製造コストを低くすることができる。

請求項５に記載の発明によれば、研磨材が貯留された加工室内において研磨材を流動させて流動層を形成し、略矩形状に形成された噴射口を有したエアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行うことができる。これによれば、エアブローノズルは研磨材を含まないエアのみを噴射するため、幅広く均一の気流を発生させることができ、平面形状の製品で大面積の領域の研磨加工を短時間で安定して行うことができる。また、エアブローノズル内に研磨材が通過しないため、内部が研磨材で損耗することがなく、エアブローノズルの耐久性を高くすることができる。更に、エアブローノズルの気流により研磨材の噴射量を制御することができるので、研磨材の定量供給手段が不要である。また、研磨材の回収手段を設ける場合には、従来の研磨加工装置では、噴射量以上の回収能力が必要であったが、本発明ではそのような大きな回収能力は必要ない。これらにより、設備を小型化し製造コストを低くすることができる。

研磨加工装置及び研磨加工システムの構造を模式的に示す説明図である。 エアブローノズル及び流路形成部材の構造を模式的に示す説明図である。

本発明の研磨加工装置、研磨加工システム及び研磨加工方法について、図を参照して説明する。ここでは、板状の被加工物Ｗの全面を研磨加工する場合を例に説明する。

研磨加工装置１は、加工室１０と、加工室１０内で、研磨材Ｋを流動させて流動層Ｆを形成する流動化装置２０と、エアブローノズル３０と、被加工物Ｗを移動させる移動手段４０と、を備えている。

加工室１０は、研磨材Ｋを貯留し、被加工物Ｗに研磨材Ｋを噴射して研磨加工を行うための筐体である。

流動化装置２０は、加工室１０の下方に設けられており、圧縮空気供給源に接続され供給される圧縮エアのバッファとなる風箱２１と、風箱２１と加工室１０との間に設けられ加工室１０の底面として機能し、加工室１０内に流動層Ｆを形成するための圧縮エアを導入する分散板２２と、を備えている。

分散板２２は、細かい連通孔を有した板状部材などからなり、風箱２１の圧縮エアを加工室１０の底部から泡状に供給するための部材である。

流動化装置２０は、風箱２１から分散板２２を介して流動層Ｆが好適に形成される流量で加工室１０に圧縮エアを供給する。これにより、加工室１０に流動層Ｆが形成される。

エアブローノズル３０は、圧縮空気供給源に接続され、略矩形状に形成された、細長いスリット状の噴射口３０ａを有しており、幅広の気流を生じさせることができる。ここで、エアブローノズル３０は、長辺方向で気流に大きな速度差が生じないように構成されている。

噴射口３０ａの長辺は、被加工物Ｗの移動方向に直交する幅よりも長くなるように形成されている。

ここで、後述するようにエアブローノズル３０の外周面に沿って流動化した研磨材Ｋが流れるため、噴射口３０ａの長辺を含む外周面３０ｂ、３０ｂは、耐摩性のある材料により噴射口３０ａに向かう傾斜面として形成されていることが好ましい。

エアブローノズル３０は、噴射口３０ａが、流動層Ｆ内に位置するとともに、被加工物Ｗの下方に位置するように配置される。また、噴射口３０ａの長辺が、被加工物Ｗの搬送方向に直交する方向と一致するように配置される。

本実施形態では、噴射口３０ａからのエアの噴射方向は、被加工物Ｗの移動方向の下流側から傾斜して設定されている。これにより、被加工領域近傍から研磨材Ｋの排出を容易に行うことができ、被加工物Ｗで反射する研磨材Ｋと干渉しないようすることができる。噴射口３０ａからのエアの噴射方向は、加工目的や被加工領域などに応じて適宜設定することができる。

また、噴射口３０ａと被加工物Ｗとの距離は、噴射される研磨材Ｋと被加工物Ｗで反射する研磨材Ｋとが干渉しないような距離とすることが好ましい。

流路形成部材３１は、エアブローノズル３０の周囲に気流の流路３２を形成し、流路３２にエアブローノズル３０の噴射口３０ａから被加工物Ｗへ向かう気流を形成するための部材である。

本実施形態では、流路形成部材３１は、１組の板状部材３１ａ、３１ａにより形成されている。板状部材３１ａ、３１ａは、板面がエアブローノズル３０の噴射口３０ａの長辺と平行となるように、エアブローノズル３０に対して対称に配置されており、エアブローノズル３０と板状部材３１ａ、３１ａとの空隙が気流の流路３２として形成される。ここで、板状部材３１ａ、３１ａは、噴射口３０ａに向かって流路３２が狭くなるように配置されている。また、板状部材３１ａ、３１ａの被加工物Ｗ側の先端部は、噴射口３０ａよりも被加工物Ｗ側に延設されている。流路形成部材３１は、エアブローノズル３０の噴射口３０ａから被加工物Ｗへ向かう気流を形成できればよく、例えば、エアブローノズル３０を囲む矩形断面形状とすることもできる。

移動手段４０は、被加工物Ｗの被加工領域を流動層Ｆ内に搬送可能に構成されており、公知の搬送手段、例えば、ベルトコンベアなどを用いることができる。本実施形態では、被加工物Ｗとしてガラス板などの板状部材、移動手段４０としてガラス板を懸架する懸架治具を水平方向に駆動して移動させる構成を採用した。ここで、移動手段４０はエアブローノズル３０を被加工物Ｗに対して相対的に移動させることができればよく、エアブローノズル３０を移動させる構成や被加工物Ｗ及びエアブローノズル３０ともに移動させる構成を採用することもできる。また、被加工物Ｗがシート状のときには、ロールｔｏロール方式などの公知の移動手段を採用することができる。

研磨加工装置１に加えて、研磨材Ｋを分級し、研磨材Ｋを加工室に供給する分級装置２と、分級装置２から排出される粉塵を集塵する集塵機３と、を備えた研磨加工システムＳを構成することができる。分級装置２は、研磨加工装置１の加工室１０に設けられた排出口１０ａと接続されており、加工室１０から研磨材Ｋが送出される。

分級装置２は、研磨加工装置１の加工室１０に設けられた排出口１０ａと接続されており、加工室１０から送出された研磨材Ｋが投入される。分級装置２に投入された研磨材Ｋは分級され、使用可能な研磨材Ｋが加工室１０に戻される。分級装置２から排出される粉塵は集塵機３により集塵される。

研磨加工装置１の加工室１０は、通常の研磨加工システムが研磨材を貯留するための備えているホッパとして作用する。これにより、研磨材Ｋを常時回収する必要がなくなるため、研磨材Ｋの噴射量に応じた回収能力を有する回収手段が不要となるため、システム構成をコンパクトにすることができる。

次に、研磨加工装置１を用いて研磨加工を行う工程について説明する。

まず、加工室１０内に所定量の研磨材Ｋを投入し、流動化装置２０を作動させ、研磨材Ｋが貯留された加工室１０内で研磨材Ｋを流動させて流動層Ｆを形成する。流動層Ｆが形成されているか否かは、例えば、目視、オリフィス中の流れの検知、等により判断する。

研磨材Ｋとして、セラミックス系粒子（アルミナ系、炭化珪素系、ジルコン系、等）、天然石の粒子（エメリー、珪石、ダイヤモンド、等）、植物系粒子（くるみの殻、桃の種、杏の種、等）、樹脂系粒子（ナイロン、メラミン、ユリア、等）等が例示される。研磨材Ｋは、被加工物Ｗの材質や加工目的等により適宜選択することができる。また、研磨材Ｋの粒子径は、研磨加工装置１により被加工物Ｗを研磨できる能力を有し、かつ流動化できれば特に限定されないが、例えば、平均粒子径を２～６０μｍの中から被加工物Ｗの材質や加工目的等により適宜選択することができる。

次に、移動手段４０により加工室１０の上方から被加工物Ｗを少なくとも被加工領域が流動層Ｆ内となるように配置する。

続いて、図２に示すように、エアブローノズル３０により流動層Ｆから被加工物Ｗに向かう気流Ｇ１を発生させて、その気流により、流動化された研磨材Ｋを被加工物Ｗの被加工領域に向かって被加工物Ｗの下方から衝突させて研磨加工を行う。

ここで、被加工物Ｗの上方では、流動化のための圧縮エアが被加工物Ｗに遮蔽されて十分な流動化が行われていないおそれもあるが、被加工物Ｗの下方では流動層Ｆが確実に形成されているため、被加工物Ｗの下方から研磨材Ｋを衝突させて研磨加工を行うことが好ましい。なお、エアブローノズル３０を走査して研磨加工を行いたい場合などは、被加工物Ｗの上方から研磨材Ｋを噴射することもできる。また、被加工物Ｗの上下方向から研磨材Ｋを噴射して、上下面を研磨加工することもできる。

エアブローノズル３０の噴射口３０ａから被加工物Ｗに向かって圧縮エアを噴射すると、その気流Ｇ１により負圧が生じて、エアブローノズル３０の周囲で流路形成部材３１との間に形成された流路３２に被加工物Ｗへ向かう気流Ｇ２が発生する。

流路３２は噴射口３０ａに向かって狭くなるように形成されているため、気流Ｇ２は噴射口３０ａに向かって加速される。また、板状部材３１ａ、３１ａの被加工物Ｗ側の先端部は、噴射口３０ａよりも被加工物Ｗ側に延設されているため、気流Ｇ２により研磨材Ｋが噴射口３０ａ前に搬送される。気流Ｇ２は、気流Ｇ１を挟み込むように流れるため、被加工物Ｗに向う気流Ｇ１は長手方向に一定の速度分布のまま、短手方向に散逸することなく、被加工物Ｗに向かって噴射される。これにより、気流Ｇ１の方向性を高めるとともに、研磨材Ｋを噴射口３０ａ前に供給することができるので、被加工物Ｗの被加工領域に研磨材Ｋを均一な密度及び速度で衝突させることができる。

そして、移動手段４０によりエアブローノズル３０を被加工物Ｗに対して相対的に移動させながら研磨加工を行う。本実施形態では、移動手段４０により被加工物Ｗを水平方向（図中左方向）に所定速度で移動させながら研磨加工を行う。噴射口３０ａの長手方向は被加工物Ｗの移動方向と直交する方向となるように配置されている。噴射口３０ａの長辺は、被加工物Ｗの搬送方向に直交する幅よりも長くなるように形成されているので、このように被加工物Ｗを移動させながら研磨加工を行うことにより、幅広の被加工物Ｗの広い面積の研磨加工を一度の走査により全面で均一に行うことができる。つまり、大面積の研磨加工を全面で均一に短時間で行うことができる。

エアブローノズル３０からのエアの噴射速度や移動手段４０による被加工物Ｗの移動速度等を可変とすることにより、研磨材Ｋの衝突エネルギを可変とし、加工条件を制御することができる。

被加工物Ｗの加工状態は、被加工物Ｗに対するエアブローノズル３０の角度や距離、圧縮空気の噴射圧力、研磨材Ｋの材質、形状及び粒子径、などにより制御することができる。要求される加工状態に応じてそれらの条件を適宜変更することができる。

吸引式のブラスト加工装置では、粒度が小さい研磨材Ｋを用いると、ブリッチングやブロッキングにより噴射流が脈動するため、安定した噴射が困難である。本発明の研磨加工装置１、研磨加工システムＳ及び研磨加工方法によれば、粒度が小さい研磨材Ｋでも安定して噴射することができる。これによれば、被加工物Ｗの鏡面仕上げや光沢仕上げを良好に行うことができる。また、研磨力の強い研磨材Ｋであっても粒度が小さい研磨材Ｋを使用できるので加工時間を短くすることができる。

研磨材Ｋの分級を行うときには、以下の手順で行う。

まず、集塵機３を起動し、加工室１０の下部に設けられた排出口１０ａから分級装置２に向かう回収エアの流れを作る。

次に、排出口１０ａのバルブ（図示せず）を操作し、研磨材Ｋを加工室１０から排出し、回収エアの流れにより、分級装置２に送り込む。

分級装置２では、使用可能な研磨材と使用できない粉塵とを分級する。研磨材は分級装置２が備えたバッファタンクに一時的に貯留され、粉塵は集塵機３において回収される。

必要に応じて、バッファタンク内の研磨材を加工室１０内に戻す。このとき、未使用の研磨材を補給することもできる。

研磨材Ｋの分級は、複数回の研磨加工後に行うことができ、１回の研磨加工当たりに分級に要する時間を短くすることができる。また、研磨加工を行いながら、分級を行うこともできる。

（実施形態の効果）
本発明の研磨加工装置１、研磨加工システムＳ及び研磨加工方法によれば、研磨材Ｋが貯留された加工室１０内において研磨材Ｋを流動させて流動層Ｆを形成し、略矩形状に形成された噴射口３０ａを有したエアブローノズル３０により流動層Ｆから被加工物Ｗに向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材Ｋを被加工物Ｗの被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行うことができる。これによれば、エアブローノズル３０は研磨材Ｋを含まないエアのみを噴射するため、幅広く均一の気流を発生させることができ、平面形状の製品で大面積の領域の研磨加工を短時間で安定して行うことができる。また、エアブローノズル３０内に研磨材が通過しないため、内部が研磨材Ｋで損耗することがなく、エアブローノズル３０の耐久性を高くすることができる。更に、エアブローノズル３０の気流により研磨材Ｋの噴射量を制御することができるので、研磨材の定量供給手段が不要である。また、研磨材の回収手段を設ける場合には、従来の研磨加工装置では、噴射量以上の回収能力が必要であったが、本発明ではそのような大きな回収能力は必要ない。これらにより、設備を小型化し製造コストを低くすることができる。

１…研磨加工装置
２…分級装置
３…集塵機
１０…加工室
１０ａ…排出口
２０…流動化装置
２１…風箱
２２…分散板
３０…エアブローノズル
３０ａ…噴射口
３０ｂ…外周面
３１…流路形成部材
３１ａ…板状部材
３２…流路
４０…移動手段
Ｆ…流動層
Ｋ…研磨材

Claims (5)

1. 研磨材を貯留し、被加工物に研磨材を噴射して研磨加工を行う加工室と、
   前記加工室の底部から圧縮エアを前記加工室内に供給し、上方に向かう気流により、貯留された研磨材を流動させて流動層を形成する流動化装置と、
   略矩形状に形成された噴射口を有し、当該噴射口が流動層内に位置するように配置されるエアブローノズルと、
   前記エアブローノズルを被加工物に対して相対的に移動させる移動手段と、
   を備え、
   被加工物を、少なくとも被加工領域が流動層内となるように配置し、
   前記エアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により、流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって研磨材を衝突させて研磨加工を行うことを特徴とする研磨加工装置。
2. 前記エアブローノズルの周囲に気流の流路を形成し、当該流路に前記エアブローノズルの噴射口から被加工物へ向かう気流を形成するための流路形成部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の研磨加工装置。
3. 前記エアブローノズルの噴射口は、被加工物の下方に位置するように配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の研磨加工装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の研磨加工装置と、
   前記加工室から送出された研磨材を分級し、研磨材を前記加工室に供給する分級装置と、
   前記分級装置から排出される粉塵を集塵する集塵機と、
   を備えたことを特徴とする研磨加工システム。
5. 研磨材が貯留された加工室内において前記加工室の底部から圧縮エアを前記加工室内に供給し、上方に向かう気流により、貯留された研磨材を流動させて流動層を形成する工程と、
   被加工物を少なくとも被加工領域が流動層内となるように配置する工程と、
   エアブローノズルにより流動層から被加工物に向かう気流を発生させて、その気流により流動化された研磨材を被加工物の被加工領域に向かって衝突させて研磨加工を行う工程と、
   を備えたことを特徴とする研磨加工方法。

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