(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが側壁を有する皿状の研磨粒子を含み、前記皿状の研磨粒子のそれぞれがαアルミナを含み、様々な厚さＴによって離隔される第１の面と第２の面とを有し、前記第１の面が窪んでおり、前記皿状の研磨粒子の厚さ比Ｔｃ／Ｔｉが１．２５〜５．００であり、前記Ｔｃが前記皿状の研磨粒子の先端部又は角部における厚さの平均を示し、前記Ｔｉが前記皿状の研磨粒子の前記第１の面の内部における最小の厚さの平均を示す、研磨粒子。
【請求項２】
前記第１の面が実質的に平面の中心部と複数の上向きの角部とを含む、請求項１に記載の研磨粒子。
【請求項３】
前記第１の面が凹状である、請求項１に記載の研磨粒子。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
研磨粒子及びこれらの研磨粒子から作製される研磨物品は、物品の製造工程において広範な材料及び表面を研磨、仕上げ、又は研削するために有用である。したがって、研磨粒子及び／又は研磨物品のコスト、性能、又は寿命を改善する必要性が引き続き存在する。
【０００２】
三角形の研磨粒子及びこれらの三角形の研磨粒子を使用する研磨物品は、米国特許第５，２０１，９１６号（Ｂｅｒｇ）、同第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔ）、及び同第５，９８４，９８８号（Ｂｅｒｇ）に開示されている。一実施形態において、この研磨粒子の形は正三角形を含む。三角形の研磨粒子は、優れた削り取りレートを有する研磨物品の製造に有用である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
成形された研磨粒子は、概して、ランダムに破砕された研磨粒子に勝る性能を有することができる。研磨粒子の形を調整することによって、研磨物品がもたらす性能を調整することが可能である。本発明者らは、窪み面又は凹面のいずれかを有する皿状に研磨粒子を作製することによって、予期しない研削上の利点がもたらされることを見出した。
【０００４】
理論に束縛されるものではないが、窪み面又は凹面は、皿状の研磨粒子によって取り出される物質の量を増加させると考えられる。具体的には、アイスクリームスクープ又はスプーンは、効果的に物質に食い込み、大量の物質を取り出す凹状の末端部を有する。物質に食い込み、大量の物質を取り出す場合、スクープは、ナイフ又は平坦な薄型ボディよりも遥かに有効である。同様に、凹面を有する中空のグランドチゼルは、より鋭い縁部をもたらす。同様の方法で、成形された研磨粒子の上に窪み面又は凹面を配置して皿状の研磨粒子を成形することは、平面的な第１の面と平面的な第２の面とを有する同様に成形された研磨粒子よりも、皿状の研磨粒子の研削性能を増加できる。
【０００５】
第２に、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子を更に形成することによって、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子は、側壁の抜き勾配に対応する角度で被覆された研磨物品のメークコート上に留まる傾向にある。９０度以外の抜き勾配は、皿状の研磨粒子を被覆された研磨物品内の裏材に対して９０度の配向にするのではなく、皿状の研磨粒子を傾けると考えられる。これは、被覆された研磨物品内の皿状の研磨粒子が留まる傾斜側壁が、抜き勾配によって傾斜するためである。皿状の研磨粒子は、これらが留まっている角度の付いた側壁のために大部分が先細であるか、片側に傾いているので、加工対象物に対して９０度未満のすくい角を有することができ、その結果、削り取りレートが改善する。このすくい角は、皿状の研磨粒子の削り取りレートを改善すると考えられる。
【０００６】
したがって、一実施形態において、本発明は、それぞれ側壁を有する皿状の研磨粒子を含む研磨粒子に関する。この皿状の研磨粒子のそれぞれはαアルミナを含み、様々な厚さＴによって離隔される第１の面と第２の面とを有し、第１の面は窪んでおり、皿状の研磨粒子の厚さ比Ｔｃ／Ｔｉは１．２５〜５．００である。
【０００７】
別の実施形態において、本発明は、それぞれ側壁を有する皿状の研磨粒子を含む研磨粒子に関する。この皿状の研磨粒子のそれぞれはαアルミナを含み、厚さＴによって離隔される第１の面と第２の面とを有し、第１の面は凸状であり、第２の面は凹状である。
【０００８】
別の実施形態において、本発明は、それぞれ側壁を有する皿状の研磨粒子を含む研磨粒子に関する。この皿状の研磨粒子のそれぞれはαアルミナを含み、様々な厚さＴによって離隔される第１の面と第２の面とを有し、第１の面は窪んでおり、第２の面は窪んでいる。
【０００９】
当業者は、この説明があくまで実施例の説明であって、本開示のより広範な観点を制限することを意図するものでなく、それらのより広範な観点が実施例の構築に具現化されていることを理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】皿状の研磨粒子の一実施形態の斜視図。
【図１Ｂ】図１Ａの皿状の研磨粒子の側面図。
【図１Ｃ】図１Ａの皿状の研磨粒子から作製された、被覆された研磨物品の側面図。
【図２Ａ】図１Ａの皿状の研磨粒子の顕微鏡写真。
【図２Ｂ】図１Ａの皿状の研磨粒子の顕微鏡写真。
【図２Ｃ】図１Ａの皿状の研磨粒子の顕微鏡写真。
【図３Ａ】皿状の研磨粒子の別の実施形態の斜視図。
【図３Ｂ】図３Ａの皿状の研磨粒子の側面図。
【図３Ｃ】図３Ａの皿状の研磨粒子から作製された、被覆された研磨物品の側面図。
【図４】図３Ａの皿状の研磨粒子の顕微鏡写真。
【図５】米国特許第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）の開示に従って作製した、従来技術の成形された研磨粒子の顕微鏡写真。
【図６Ａ】皿状の研磨粒子の別の実施形態の斜視図。
【図６Ｂ】図６Ａの皿状の研磨粒子の側面図。
【図７】平面に複数の溝を有する図１Ａ及び１Ｂの皿状の研磨粒子の別の実施形態の底面図。
【図８】凹面に複数の溝を有する図３Ａ及び３Ｂの皿状の研磨粒子の別の実施形態の底面図。
【図９】皿状の研磨粒子の時間に対する削り取りレートのグラフ。
【００１１】
明細書及び図中で繰り返し使用される参照記号は、本開示の同じ又は類似の特徴又は要素を表すことを意図する。
【００１２】
定義
本明細書で使用されているように、「含む」、「有する」、及び「包含する」という単語の形態は、法律的に同意義でありかつ制約されない。それゆえ、列挙されている要素、機能、工程又は制限に加えて、列挙されていない付加的な要素、機能、工程又は制限が存在し得る。
【００１３】
本明細書で使用される「研磨材分散液」という用語は、成形型の空洞に導入されるαアルミナに転換可能なαアルミナ前駆体を意味する。この組成物は、揮発性成分が十分に除去されて研磨材分散液の固化が生じるまでの研磨材分散液を指す。
【００１４】
本明細書で使用される「成形された研磨粒子の前駆体又は皿状の研磨粒子の前駆体」という用語は、成形型の空洞から取り出すことができ、後に続く加工作業中にその成型された形を実質的に保持できる固化されたボディを形成するために、研磨材分散液が成形型の空洞内にあるときに研磨材分散液から十分な量の揮発性成分を除去することによって生成される未焼結粒子を意味する。
【００１５】
本明細書で使用される「成形された研磨粒子」という用語は、成形された研磨粒子の前駆体の形成に使用される成形型の空洞から複製される所定の形を有する研磨粒子の少なくとも一部を有するセラミックの研磨粒子を意味する。研磨破片の場合（例えば、米国特許仮出願第６１／０１６９６５号に記載）を除き、成形された研磨粒子は、一般に、成形された研磨粒子の形成に使用された成形型の空洞を実質的に複製する、所定の幾何学的形状を有することになる。本明細書で使用される「成形された研磨粒子」は、機械的な粉砕作業によって得られる研磨粒子を除く。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
皿状の研磨粒子
図１Ａ、１Ｂ、及び１Ｃを参照すると、例示の皿状の研磨粒子２０が図示されている。皿状の研磨粒子２０が作製される材料は、αアルミナを含む。αアルミナ粒子は、本明細書で後述するように、ゲル化され、型で成形され、その形を維持するために乾燥され、か焼され、次に焼結された、α酸化アルミニウム一水和物の分散により作製されてよい。成形された研磨粒子の形は、次に成形された構造体に形成される、結合剤中の研磨粒子を含む粒塊を形成するための結合剤を必要とせずに維持される。
【００１７】
一般に、皿状の研磨粒子２０は、様々な厚さＴを有する側壁２８によって離隔される第１の面２４と、第２の面２６とを有する薄型のボディを含む。一般に、側壁の厚さは、皿状の研磨粒子の先端部又は角部で厚く、縁部の中間点で薄い。したがって、ＴｍはＴｃよりも小さい。いくつかの実施形態において、側壁２８は、本明細書で詳細に後述するように、９０度超の抜き勾配を有する傾斜側壁である。複数の傾斜側壁が存在してよく、各傾斜側壁の傾斜又は抜き勾配は、図１Ａ及び１Ｂに示されるように同じであっても、同時係属中の米国特許出願第１２／３３７，０７５号「Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｗｉｔｈ  Ａ  Ｓｌｏｐｉｎｇ  Ｓｉｄｅｗａｌｌ」（２００８年１２月１７日出願、代理人整理番号６４８６９ＵＳ００２）に記載されるように、皿状の研磨粒子の側面ごとに異なってもよい。
【００１８】
皿状の研磨粒子２０の側壁２８は、様々な形であってよく、第１の面２４の外辺部２９及び第２の面２６の外辺部２９を形成する。一実施形態において、第１の面２４及び第２の面２６の外辺部２９は幾何学的形状であるように選択され、第１の面２４及び第２の面２６は同一の幾何学的形状を有するように選択される。ただし、これらは寸法が異なり、１つの面が他の面よりも大きくてよい。一実施形態において、第１の面２４の外辺部２９及び第２の面２６の外辺部２９は、図示される三角形であった。いくつかの実施形態においては正三角形が使用され、他の実施形態においては二等辺三角形が使用される。
【００１９】
いくつかの実施形態において、図２Ａ〜２Ｃに示されるように、第１の面２４は窪んでおり、第２の面２６及び側壁２８は実質的に平面である。「窪んでいる」とは、第１の面２４の内部の厚さＴｉが、外辺部に沿った部分における成形された研磨粒子の厚さよりも薄いことを意味する。いくつかの実施形態において、窪み面は、実質的に平坦な中心部と、図２Ａと同様の複数の上向きの先端部又は複数の隆起した角部を有する。上向きの先端部同士又は角部同士の間の部分において皿状の研磨粒子の外辺部が平坦又は直線に見える図２Ａでは、厚さＴｃはＴｍよりも遥かに大きいことに留意されたい。他の実施形態において、窪み面は実質的に凹状であり、図２Ｂと同様の３個の上向きの先端部又は角部と、実質的に平面的な第２の面を有する（成形された研磨粒子は平凹状である）。図２Ｂでは、図２Ａと比較して、ＴｃとＴｍとの差が小さいこと、及び第１の面の内部から上向きの各先端部への移行が緩やかであることに留意されたい。以下で詳述するように、窪み面は成形型の空洞３１内のゾルゲルによって形成され、図１Ｂに最もよく示されるようにメニスカスを形成して第１の面を窪んだ状態に残す。
【００２０】
上述したように、先端部又は角部３０における厚さＴｃが、第１の面２４の内部の厚さＴｉよりも大きい傾向にあるように、第１の面２４は窪んでいる。したがって、先端部又は角部３０は、第１の面２４の内部よりも高く隆起している。理論に束縛されるものではないが、窪んだ第１の面２４は、皿状の研磨粒子２０によって取り出される物質の量を増加させると考えられる。具体的には、アイスクリームスクープ又はスプーンは、効果的に物質に食い込み、大量の物質を取り出す凹状の末端部を有する。物質に食い込み、大量の物質を取り出す場合、スクープは、ナイフ又は平坦な薄型ボディよりも遥かに有効である。同様に、凹面を有する中空のグランドチゼルは、より鋭い縁部をもたらす。同様の方法で、皿状の研磨粒子２０の上に窪み面を有することは、平面的な第１の面２４と平面的な第２の面２６とを有する、同様に成形された研磨粒子よりも皿状の研磨粒子の研削性能を増加させると考えられる。
【００２１】
更に、鋭い上向きの先端部又は角部が磨耗すると、成形された研磨粒子のより薄い内部を有することによって、皿状の研磨粒子の研削性能を促進し得ると考えられる。内部が薄いと、２つの要因が研削性能の向上に関与し得る。第１に、皿状の研磨粒子の使用中に生成された対応する磨耗平面は、より厚い内部を有する成形された研磨粒子と比較して、少ない面積を有するようになる。ある粒子が次の粒子の半分の厚さである場合、結果として生じる磨耗平面は、厚さの変化により半分の寸法になる。第２に、より薄い内部は、使用中に皿状の研磨粒子の断裂を増加させることがあり、したがって破壊力学によって自身を研ぎ直す粒子の機能を向上する。厚い粒子は、薄い粒子よりも断裂しにくい。
【００２２】
図５を参照すると、米国特許第５，３６６，５２３号の開示に従って作製した、従来技術の成形された研磨粒子が示される。既知の技術の成形された研磨粒子は、実質的に平面的な第１の面及び平面的な第２の面と、三角形の先端部において丸みのある角部と、側壁と面が接する丸みのある縁部と、を有する。
【００２３】
本発明の様々な実施形態において、厚さ比Ｔｃ／Ｔｉは、１．２５〜５．００、又は１．３０〜４．００、又は１．３０〜３．００であってよい。厚さ比を算出するには、ランダムに選択した１５個の皿状の研磨粒子を選別する。各粒子の各角部の高さを測定し、次にすべての高さを平均化して平均Ｔｃを決定する。例えば、三角形は、成形された研磨粒子ごとに３個のＴｃ測定値を有し、Ｔｃの平均を決定するのに用いる測定値を合計で４５個有することになる。成形された研磨粒子が丸、楕円であるか、あるいは角部若しくは先端部を有さない場合、成形された研磨粒子ごとに、外辺部に沿って相互に等距離にある３個の点を測定する必要がある。次に、各成形された研磨粒子の第１の面２４の内部について最小の厚さＴｉを測定する。多くの場合、成形された研磨粒子の透光性を使用して最小の内部厚さを検出でき、次に１５個の結果を平均化して平均Ｔｉを決定する。厚さ比は、平均Ｔｃを平均Ｔｉで除して決定する。Ｘ−Ｙステージ及び垂直位置測定ステージを装備する光学顕微鏡を使用して、皿状の研磨粒子の様々な部分の厚さを測定できる。いくつかの実施形態において、本発明によって作製される三角形の皿状の研磨粒子は、１．５５〜２．３２の厚さ比を有することが測定された。米国特許第５，３６６，５２３号、名称「Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ａｒｔｉｃｌｅ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）に開示される従来技術の方法で作製された三角形の粒子は、０．９４〜１．１５の厚さ比を有することが測定された。つまり、これらの粒子は実質的に平坦であり、中央部がやや薄い可能性があるのと同様に、中央部がやや厚い可能性がある。１．２０を超える厚さ比を有する皿状の研磨粒子は、９５％の信頼区間で統計的にＲｏｗｅｎｈｏｒｓｔ粒子とは異なる。
【００２４】
図１Ｂを参照すると、皿状の研磨粒子２０の第２の面２６と側壁２８とがなす抜き勾配αは様々であり、各面の相対的寸法を変化させてよい。参照用に、皿状の研磨粒子２０の作製方法を視覚化するために、成形型３３の成形型の空洞３１が点線で示されている。同時係属中の米国特許出願第１２／３３７，０７５号、名称「Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｗｉｔｈ  Ａ  Ｓｌｏｐｉｎｇ  Ｓｉｄｅｗａｌｌ」（２００８年１２月１７日出願、代理人整理番号６４８６９ＵＳ００２）に記載されるように、９０度超の抜き勾配αを有することは、成形された研磨粒子の研削性能を改善すると考えられる。更に、抜き勾配が９０度から９８度へとわずかながら増加すると、三角形の研磨粒子の切削性能が倍増し、抜き勾配が１３０度を超えるまでは改善された性能が存在することが見出されている。
【００２５】
本発明の様々な実施形態において、抜き勾配αは、約９５度〜約１３０度、又は約９５度〜約１２５度、又は約９５度〜約１２０度、又は約９５度〜約１１５度、又は約９５度〜約１１０度、又は約９５度〜約１０５度、又は約９５度〜約１００度であってよい。
【００２６】
次に図１Ｃを参照すると、被覆された研磨物品４０が示され、研磨層によって被覆された裏材４２の第１の主表面４１を有する。研磨層は、メークコート４４と、メークコート４４によって裏材４２に取り付けられた複数の皿状の研磨粒子２０と、を含む。サイズコート４６は、皿状の研磨粒子２０を裏材４２に更に取り付ける、又は接着するために塗布される。
【００２７】
上述のように、傾斜角αが９０度を超え、それによって傾斜側壁を形成する場合、皿状の研磨粒子２０の大部分は、先細であるか、一方に傾く。これにより、皿状の研磨粒子２０の大部分が、裏材４２の第１の主表面４１に対して９０度未満の配向角度βを有するようになる。傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子を塗布する静電塗装法は、初めて裏材に塗布されるときに、最初に粒子を９０度の配向角度βに配向する傾向にあるため、この結果は予想外である。静電場は、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子の上に配置される裏材に粒子が初めて塗布されたときに、粒子を垂直に整列させる傾向がある。更に静電場は、粒子を加速させ、９０度の配向でメークコートの方に移動させる傾向にある。ウェブ反転後の任意の時点（サイズコート４６の塗布前又は後のいずれか）で、重力下、又はメークコート及びサイズコートの表面張力下にある粒子は傾いて、傾斜側壁上に留まる傾向にある。被覆された研磨物品の作製プロセスにおいては、メークコート及びサイズコートが硬化して、固まり、これ以上回転しないようになる前に、皿状の研磨粒子が傾き、傾斜側壁によってメークコートに取り付けられるための十分な時間が存在すると考えられる。上述のように、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子が塗布され、傾くことが可能になると、最も高い角部３０は、加工対象物の研磨に好ましいすくい角にある。具体的には、第１の面２４は窪んでいることによって側壁２８と第１の面２４とでなす鋭角λをもたらし、従来技術の丸みのある角部ではなく、非常に鋭い先端部又は角部となる。これにより、特に抜き勾配αが９０度超の場合に、より多くの物質と係合して物質を取り出す鋸歯状の先端部４７が、皿状の研磨粒子にもたらされる。
【００２８】
傾斜配向を更に最適化するために、皿状の研磨粒子は、オープンコートの研磨層で裏材に塗布される。クローズドコートの研磨層は、製造機を１回通過させて研磨物品のメークコートに塗布できる研磨粒子又は研磨粒子のブレンドの最大重量として定義される。オープンコートの研磨層とは、塗布可能な最大重量（グラム単位）よりも重量が少ない、被覆された研磨物品のメークコートに塗布される研磨粒子又は研磨粒子のブレンドの量である。オープンコートの研磨層では、研磨粒子を含むメークコートの範囲が１００％未満になるため、粒子間に空き領域及び目に見える樹脂層を残す。本発明の様々な実施形態において、研磨層内の空き領域率は、約１０％〜約９０％、又は約３０％〜約８０％であってよい。
【００２９】
裏材に塗布される、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子の数が過剰な場合、粒子間の間隔が不十分になり、メークコート及びサイズコートを硬化させる前に粒子が傾斜したり先細になったりできるようになると考えられる。本発明の様々な実施形態において、オープンコートの研磨層を有する被覆された研磨物品内の皿状の研磨粒子の５０％超、６０％超、７０％超、８０％超、又は９０％超は、先細であるか、傾斜しており、９０度未満の配向角度βを有する。
【００３０】
理論に束縛されるものではないが、９０度未満の配向角度βは、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子に改善された切削性能をもたらすと考えられる。驚くべきことに、この結果は、被覆された研磨物品内のＺ軸を中心とする研磨粒子の回転配向にかかわらず生じる傾向にある。図１Ｃは理想化されており、全ての皿状の研磨粒子が同方向に整列している様子を示しているが、実際の被覆された研磨ディスクは、ランダムに分布し、Ｚ軸に対して様々な配向で回転した皿状の研磨粒子を有する。研磨ディスクは回転しており、皿状の研磨粒子はランダムに分布しているので、一部の粒子は、最初に第１の面２４を衝打していた加工対象物の方に移動し、一方で隣接する皿状の研磨粒子はちょうど１８０度回転する場合がある（加工対象物は粒子の背面及び第２の面２６を衝打する）。粒子がランダムに分布し、ディスクが回転するので、半分の粒子が、最初に第１の面２４ではなく、第２の面２６を加工対象物に衝打させる場合がある。しかし、定義された回転方向及び定義された加工対象物との接点を有する研磨ベルトの場合、図１Ｃで理想化されたように、傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子をベルト上に整列させ、まず加工対象物が第１の面２４へと移動するようにすることが可能であろう。本発明の様々な実施形態において、被覆された研磨物品の研磨層内の傾斜側壁を有する皿状の研磨粒子の大部分の配向角度βは、約５０度〜約８５度、又は約５５度〜約８５度、又は約６０度〜約８５度、又は約６５度〜約８５度、又は約７０度〜約８５度、又は約７５度〜約８５度、又は約８０度〜約８５度であってよい。
【００３１】
次に図２Ａ、２Ｂ、及び２Ｃを参照すると、窪み面を有する皿状の研磨粒子２０の顕微鏡写真が示される。抜き勾配αは約９８度であり、皿状の研磨粒子の外辺部は正三角形を含んだ。各三角形の辺は、第１の面２４の外辺部において約１．４ｍｍ長であった。窪み面の特性を更に示すと、皿状の研磨粒子の第１の面２４の曲率は、Ｐｈｉｌｌｉｐ  Ｓｈｅｒｒｏｄ（Ｂｒｅｎｔｗｏｏｄ，Ｔｅｎｎｅｓｓｅｅ）から入手可能な非線形回帰曲線適合プログラム「ＮＬＲＥＧ」（ｗｗｗ．ＮＬＲＥＧ．ｃｏｍで入手可能）など好適な画像解析プログラムを使用して球体を適合することによって測定した。画像解析の結果は、球体の中心を第１の面２４の中心上に垂直に位置合わせする場合、窪んだ第１の面に適合する球体の半径は、約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、又は約１ｍｍ〜約１４ｍｍ、又は約２ｍｍ〜約７ｍｍであり得ることが示された。一実施形態において、皿状の研磨粒子に適合した球体の半径は２．０ｍｍであり、別の実施形態においては３．２ｍｍ、別の実施形態においては５．３ｍｍ、及び別の実施形態においては１３．７ｍｍであった。
【００３２】
図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃを参照すると、皿状の研磨粒子２０の別の実施形態が図示される。皿状の研磨粒子２０が作製される材料は、αアルミナを含む。一般に、皿状の研磨粒子２０は、厚さＴを有する側壁２８によって離隔される第１の面２４と、第２の面２６とを有する薄型のボディを含む。一般に、側壁の厚さＴは、第２の実施形態の厚さＴよりも均一である。したがって、ＴｍはＴｃにほぼ等しい。いくつかの実施形態において、側壁２８は、本明細書で詳細に後述するように、９０度超の抜き勾配を有する成形型内で形成される。
【００３３】
皿状の研磨粒子２０の側壁２８は、様々な形であってよく、第１の面２４及び第２の面２６の外辺部２９を形成する。一実施形態において、第１の面２４及び第２の面２６の外辺部２９は幾何学的形状であるように選択され、第１の面２４及び第２の面２６は同一の幾何学的形状を有するように選択される。ただし、これらは寸法が異なり、１つの面が他の面よりも大きくてよい。一実施形態において、第１の面２４の外辺部２９及び第２の面２６の外辺部２９は、図示される三角形であった。いくつかの実施形態においては正三角形が使用され、他の実施形態においては二等辺三角形が使用される。
【００３４】
この実施形態において、皿状の研磨粒子が球殻の三角形断面を実質的に含むように、第１の面２４は凸状であり、第２の面２６は凹状である（凹凸状）。以下で詳述するように、凸面は、ゾルゲルの蒸発乾燥中に、ピーナッツオイルなどの離型剤が存在するために成形型の底面から放出される成形型の空洞３１内のゾルゲルによって形成されると考えられる。次に、ゾルゲルのレオロジーは第１及び第２の面を凸状／凹状に形成し、一方で外辺部２９は、蒸発乾燥中に三角形に形成される。
【００３５】
上述したように、第２の面２６は凹状であり、成形型の空洞３１の底面に近接して形成される。したがって、皿状の研磨粒子２０は、図３Ａで配置されるように表面に付着し、先端部又は角部３０は、第２の面２６の内部よりも高く隆起する。理論に束縛されるものではないが、凹状の第２の面２６は、皿状の研磨粒子２０によって取り出される物質の量を増加させると考えられる。具体的には、アイスクリームスクープ又はスプーンは、効果的に物質に食い込み、大量の物質を取り出す凹状の末端部を有する。物質に食い込み、大量の物質を取り出す場合、スクープは、ナイフ又は平坦な薄型ボディよりも遥かに有効である。同様に、凹面を有する中空のグランドチゼルは、より鋭い縁部をもたらす。同様の方法で、皿状の研磨粒子２０の上に凹面を配置することは、平面的な第１の面２４と平面的な第２の面２６とを有する、同様に成形された研磨粒子よりも皿状の研磨粒子の研削性能を増加させると考えられる。
【００３６】
次に図３Ｃを参照すると、被覆された研磨物品４０が示され、研磨層によって被覆された裏材４２の第１の主表面４１を有する。研磨層は、メークコート４４と、メークコート４４によって裏材４２に取り付けられた複数の皿状の研磨粒子２０と、を含む。サイズコート４６は、皿状の研磨粒子２０を裏材４２に更に取り付ける、又は接着するために塗布される。
【００３７】
被覆された研磨物品内で配向を最適化するために、皿状の研磨粒子は、オープンコートの研磨層で裏材に適用される。クローズドコートの研磨層は、製造機を１回通過させて研磨物品のメークコートに塗布できる研磨粒子又は研磨粒子のブレンドの最大重量として定義される。オープンコートの研磨層とは、塗布可能な最大重量（グラム単位）よりも重量が少ない、被覆された研磨物品のメークコートに塗布される研磨粒子又は研磨粒子のブレンドの量である。オープンコートの研磨層では、研磨粒子を含むメークコートの範囲が１００％未満になるため、粒子間に空き領域及び目に見える樹脂層を残す。本発明の様々な実施形態において、研磨層内の空き領域率は、約１０％〜約９０％、又は約３０％〜約８０％であってよい。
【００３８】
次に図４を参照すると、凹状の第２の面２６を有する皿状の研磨粒子２０の顕微鏡写真が示される。各三角形の辺は、第１の面２４の外辺部において約１．２ｍｍであり、皿状の研磨粒子は約０．３５ｍｍの厚さを有した。本発明の様々な実施形態において、球体の中心を第２の面の中心上に垂直に位置合わせする場合、凹状の第２の面２６に適合する球体の半径は、約１ｍｍ〜約２５ｍｍ、又は約１ｍｍ〜約１４ｍｍ、又は約２ｍｍ〜約７ｍｍであり得る。
【００３９】
次に図６Ａ及び６Ｂを参照すると、本発明の他の実施形態において、皿状の研磨粒子２０の第１の面２４及び第２の面２６は、両方とも窪んでいてよい。いくつかの実施形態において、皿状の研磨粒子は両凹面であってよく、凹状の第１の面２４と凹状の第２の面２６とを有する。このように成形された研磨粒子は、凹状の第２の面２６が成形された研磨粒子上で形成されるように、成形型の空洞３１の底面を凸状にすることによって作製できる。あるいは、成形型の空洞の底面の輪郭を適切に設計することによって、他の窪んだ構造的形状が第２の面２６に形成されてよい。例えば、図６Ｂでは、成形型の底面は、複数の上向きの先端部又は複数の隆起した角部３０を第２の面２６に形成する、実質的に平面の中心部と窪んだ角部を有してよい。かかる実施形態において、第１の面２４の湾曲度又は平坦度は、皿状の研磨粒子の乾燥方法（これにより、窪んだ若しくは湾曲した第１の面、又は実質的に平面的な第１の面をもたらす）によってある程度制御可能である。
【００４０】
記載される実施形態のいずれについても、皿状の研磨粒子２０は様々な３次元形状を有してよい。外辺部２９の幾何学的形状は、三角形、矩形、円形、楕円形、星形、又は他の正多角形若しくは非正多角形であってよい。一実施形態においては正三角形が使用され、別の実施形態においては二等辺三角形が使用される。加えて、皿状の研磨粒子の様々な傾斜側壁は、同一の抜き勾配又は異なる抜き勾配を有してよい。
【００４１】
加えて、同時係属中の米国特許出願第６１／１３８，２６８号、名称「Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ｇｒｏｏｖｅｓ」（代理人整理番号６４７９２ＵＳ００２、２００８年１２月１７日出願）に記載されるように、開口部を有する皿状の研磨粒子は面の１つに複数の溝を有してよい。複数の溝は、成形型から成形された研磨粒子の前駆体を取り出すことをより容易にすることが見出されている成形型の空洞の底面の複数の隆起部によって形成される。一実施形態において、複数の溝は、第２の面を完全に横切って延在し、第１の縁部に沿った外辺部２９と９０度の角度で交差する平行線を含む。複数の溝の断面形状は、切頭三角形、三角形、又は係属中の出願に記載される他の形状であってよい。
【００４２】
本発明の様々な実施形態において、複数の溝の深さＤは、約１マイクロメートル〜約４００マイクロメートルであってよい。更に、皿状の研磨粒子の厚さＴｃに対する溝の深さＤのパーセント比（Ｄ／Ｔｃ、％で示される）は、約０．１％〜約３０％、又は約０．１％〜２０％、又は約０．１％〜１０％、又は約０．５％〜約５％であってよい。
【００４３】
本発明の様々な実施形態において、各溝同士の間隔は、皿状の研磨粒子の縁部の１つの長さなど面寸法の約１％〜約５０％、又は約１％〜４０％、又は約１％〜３０％、又は約１％〜２０％、又は約５％〜２０％であってよい。一実施形態において、成形型の底面において２．５４ミリメートルの辺長を有し、０．２７７ｍｍの間隔で成形型の空洞ごとに８個の隆起部を有する正三角形は、１０．９％の溝間隔を有した。本発明の他の実施形態において、各成形型の空洞の底面の隆起部の数は、１〜約１００、又は約２〜約５０、又は約４〜約２５であってよく、したがって、皿状の研磨粒子内に対応する数の溝を形成する。
【００４４】
生産工具の一実施形態において、２８ミル（０．７１ｍｍ）の深さ及び各辺１１０ミル（２．７９ｍｍ）の三角形の成形型の空洞が使用された。側壁と成形型の底面とがなす抜き勾配αは９８度であった。生産工具は、成形型の空洞の５０％が、三角形の一辺と９０度の角度で交差する空洞の底面から上がる８つの平行の隆起部を有し、残りの空洞が平滑な成形型底面を有するように製造された。上記で参照された代理人整理番号６４７９２ＵＳ００２の特許出願に記述されているように、平行な隆起部は０．２７７ｍｍ毎の定間隔で置かれ、隆起部の断面は、高さ０．０１２７ｍｍで、それぞれの隆起部の側部が先端となす角度が４５度の三角形であった。次に図７を参照すると、図１Ａの皿状の研磨粒子に対応する第２の面２６に複数の平行溝を示す、記載の生産工具から作製された皿状の研磨粒子の顕微鏡写真が示される。次に図８を参照すると、図３Ａの皿状の研磨粒子に対応する第２の面２６に複数の平行溝を示す、記載の生産工具から作製された皿状の研磨粒子の顕微鏡写真が示される。溝は凹面にあるので、この面は最初に成形型の平面的な底面と接触しており、底面の隆起部からの模様を維持できるようにゾルゲルが十分に乾燥した後の乾燥プロセス中のある時点で凹状になったことは明らかである。
【００４５】
皿状の研磨粒子２０は、様々な体積縦横比を有してよい。体積縦横比は、体積の重心を貫通する最大断面積を体積の重心を貫通する最小断面積で除した比率として定義される。一部の形状では、最大断面積及び最小断面積は、その形の外部形状に対して平面傾斜しているか、角度がついているか、又は傾斜していてよい。例えば、球体は１．０００の体積縦横比を有するが、立方体は１．４１４の体積縦横比を有する。長さＡに等しい各辺及びＡに等しい均一の厚さを有する正三角形の形状の成形された研磨粒子は、１．５４の体積縦横比を有する。均一の厚さが０．２５Ａに減少すると、体積縦横比は２．６４に増加する。より大きい体積縦横比を有する皿状の研磨粒子は、改善された切削性能を有すると考えられる。本発明の様々な実施形態において、皿状の研磨粒子の体積縦横比は、約１．１５超、又は約１．５０超、又は約２．０超、又は約１．１５〜約１０．０、又は約１．２０〜約５．０、又は約１．３０〜約３．０であってよい。
【００４６】
本開示に従って作製される皿状の研磨粒子２０は、研磨物品に組み込まれるか、粉状（loose form）で用いられてよい。研磨粒子は、一般に、使用前に、定められた粒径分布に等級分けされる。そのような分布は典型的には、粗粒子から微粒子までのある範囲の粒径を有している。研磨の技術分野において、この範囲は、ときには「粗い」画分、「統制された」画分、及び「細かい」画分と呼ばれる。研磨業界公認の等級基準に従って等級分けされた研磨粒子は、各公称等級に対する粒径分布を数量的限界内で指定している。このような工業的に認められた等級分け規格（すなわち、研磨工業規格の公称等級）としては、アメリカ規格協会（ＡＮＳＩ）規格、研磨製品の欧州生産者連盟（ＦＥＰＡ）規格及び日本工業規格（ＪＩＳ）規格として知られているものが挙げられる。
【００４７】
ＡＮＳＩ等級表記（すなわち、公称等級として指定される）としては、ＡＮＳＩ  ４、ＡＮＳＩ  ６、ＡＮＳＩ  ８、ＡＮＳＩ  １６、ＡＮＳＩ  ２４、ＡＮＳＩ  ３６、ＡＮＳＩ  ４０、ＡＮＳＩ  ５０、ＡＮＳＩ  ６０、ＡＮＳＩ  ８０、ＡＮＳＩ  １００、ＡＮＳＩ  １２０、ＡＮＳＩ  １５０、ＡＮＳＩ  １８０、ＡＮＳＩ  ２２０、ＡＮＳＩ  ２４０、ＡＮＳＩ  ２８０、ＡＮＳＩ  ３２０、ＡＮＳＩ  ３６０、ＡＮＳＩ  ４００、及びＡＮＳＩ  ６００が挙げられる。ＦＥＰＡ等級表記としては、Ｐ８、Ｐ１２、Ｐ１６、Ｐ２４、Ｐ３６、Ｐ４０、Ｐ５０、Ｐ６０、Ｐ８０、Ｐ１００、Ｐ１２０、Ｐ１５０、Ｐ１８０、Ｐ２２０、Ｐ３２０、Ｐ４００、Ｐ５００、Ｐ６００、Ｐ８００、Ｐ１０００、及びＰ１２００が挙げられる。ＪＩＳ等級表記としては、ＪＩＳ８、ＪＩＳ１２、ＪＩＳ１６、ＪＩＳ２４、ＪＩＳ３６、ＪＩＳ４６、ＪＩＳ５４、ＪＩＳ６０、ＪＩＳ８０、ＪＩＳ１００、ＪＩＳ１５０、ＪＩＳ１８０、ＪＩＳ２２０、ＪＩＳ２４０、ＪＩＳ２８０、ＪＩＳ３２０、ＪＩＳ３６０、ＪＩＳ４００、ＪＩＳ６００、ＪＩＳ８００、ＪＩＳ１０００、ＪＩＳ１５００、ＪＩＳ２５００、ＪＩＳ４０００、ＪＩＳ６０００、ＪＩＳ８０００、及びＪＩＳ１０，０００が挙げられる。
【００４８】
あるいは、皿状の研磨粒子２０は、ＡＳＴＭ  Ｅ−１１「Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｗｉｒｅ  Ｃｌｏｔｈ  ａｎｄ  Ｓｉｅｖｅｓ  ｆｏｒ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｐｕｒｐｏｓｅｓ」に準拠するＵ．Ｓ．Ａ．Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔ  Ｓｉｅｖｅｓを使用して公称スクリーニング等級に等級分けされてよい。ＡＳＴＭ  Ｅ−１１は、指定の粒径に従って材料を分類するために、枠にはめた織布ワイヤクロスを媒体として用いる試験用ふるいの設計及び構造の要件を規定している。典型的な表記は、−１８＋２０のように表される場合があり、これは、皿状の研磨粒子２０がＡＳＴＭ  Ｅ−１１の１８号ふるいの規格に一致する試験用ふるいを通過するものであり、ＡＳＴＭ  Ｅ−１１の２０号ふるいの規格に一致する試験用ふるいに残るものであることを意味する。一実施形態において、皿状の研磨粒子２０は、大部分の粒子が１８号のメッシュ試験用ふるいを通過し、２０、２５、３０、３５、４０、４５、又は５０号のメッシュ試験用ふるいに残るような粒径を有する。本発明の様々な実施形態において、皿状の研磨粒子２０は、−１８＋２０、−２０＋２５、−２５＋３０、−３０＋３５、−３５＋４０、−４０＋４５、−４５＋５０、−５０＋６０、−６０＋７０、−７０＋８０、−８０＋１００、−１００＋１２０、−１２０＋１４０、−１４０＋１７０、−１７０＋２００、−２００＋２３０、−２３０＋２７０、−２７０＋３２５、−３２５＋４００、−４００＋４５０、−４５０＋５００、又は−５００＋６３５を含む公称スクリーニング等級を有することができる。
【００４９】
一態様において、本開示は、研磨工業規格の公称等級又は公称スクリーニング等級を有する複数の研磨粒子を提供し、複数の研磨粒子の少なくとも一部分は、皿状の研磨粒子２０である。別の態様において、本開示は、研磨工業規格の公称等級又は公称スクリーニング等級を有する複数の皿状の研磨粒子２０を提供するために、本開示に従って作製された皿状の研磨粒子２０を等級分けする工程を含む方法を提供する。
【００５０】
所望により、研磨工業規格の公称等級又は公称スクリーニング等級を有するこの皿状の研磨粒子２０を他の既知の研磨粒子又は非研磨粒子と混合することができる。いくつかの実施形態において、複数の研磨粒子の総重量に基づき、研磨工業規格の公称等級又は公称スクリーニング等級を有する複数の研磨粒子の少なくとも５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５重量％、あるいは１００重量さえ％が、本開示に従って作製された皿状の研磨粒子２０である。
【００５１】
皿状の研磨粒子２０との混合に好適な粒子としては、従来の研磨グレイン、希釈グレイン、又は米国特許第４，７９９，９３９号及び同第５，０７８，７５３号に記載されるなどの侵食性粒塊（erodable agglomerates）が挙げられる。従来の研磨グレインの代表的な例としては、溶融酸化アルミニウム、シリコンカーバイド、ガーネット、溶融アルミナジルコニア、キュービック窒化ホウ素、ダイヤモンドなどが挙げられる。希釈グレインの代表的な例としては、大理石、せっこう、及びガラスが挙げられる。異なる形状に成形された皿状の研磨粒子２０（例えば、三角形及び正方形）のブレンド、又は窪み面及び凹面を有する皿状の研磨粒子２０のブレンドは、本発明の物品に使用されてよい。
【００５２】
皿状の研磨粒子２０は、表面被覆を有してもよい。表面被覆は、研磨物品の研磨グレインと結合剤との接着を改善することで知られており、又は皿状の研磨粒子２０の静電蒸着を支援するために使用することができる。このような表面被覆は、米国特許第５，２１３，５９１号、同第５，０１１，５０８号、同第１，９１０，４４４号、同第３，０４１，１５６号、同第５，００９，６７５号、同第５，０８５，６７１号、同第４，９９７，４６１号、及び同第５，０４２，９９１号に記載されている。加えて、表面被覆は、皿状の研磨粒子のキャッピングを防ぐことがある。キャッピングとは、研磨中の加工対象物からの金属粒子が研磨物品の頂上部に溶接されるようになる現象を表す用語である。上記の機能を発揮する表面被覆は、当業者には既知である。
【００５３】
皿状の研磨粒子を有する研磨物品
図１Ｃ及び３Ｃを参照すると、被覆された研磨物品４０は、裏材４２の第１の主表面４１に塗布される結合剤の第１の層（以下、メークコート４４と呼ぶ）を有する裏材４２を含む。メークコート４４に取り付けられる又は部分的に埋め込まれるのは、複数の皿状の研磨粒子２０であり、研磨層を形成する。皿状の研磨粒子２０には、結合剤の第２の層（以下、サイズコート４６と呼ぶ）が塗布される。メークコート４４の目的は、皿状の研磨粒子２０を裏材４２に固定することであり、サイズコート４６の目的は、皿状の研磨粒子２０を補強することである。
【００５４】
メークコート４４及びサイズコート４６は、樹脂性接着剤を含む。メークコート４４の樹脂性接着剤は、サイズコート４６の樹脂性接着剤と同じものでも異なるものでもよい。これらのコートに好適な樹脂性接着剤の例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、アクリレート樹脂、アミノプラスト樹脂、メラミン樹脂、アクリル酸エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、及びこれらの組み合わせが挙げられる。樹脂性接着剤に加えて、メークコート４４若しくはサイズコート４６、又は両方のコートは、例えば、充填剤、研削助剤、湿潤剤、界面活性剤、染料、顔料、カップリング剤、接着促進剤、及びこれらの組み合わせのような当該技術分野で既知の添加剤を更に含むことができる。充填剤の例としては、炭酸カルシウム、シリカ、タルク、粘土、メタケイ酸カルシウム、ドロマイト、硫酸アルミニウム、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００５５】
研削助剤は、被覆された研磨物品に塗布されてよい。研削助剤は粒子材料として定義され、その添加が研磨の化学的及び物理的な工程に顕著な影響を及ぼし、それによって改善された性能をもたらす。研削助剤は、広範な様々な材料を包含し、また無機系又は有機系であり得る。研削助剤の薬品群の例としては、ワックス、有機ハロゲン化合物、ハロゲン化物塩、並びに金属及びその合金が挙げられる。有機ハロゲン化合物は、典型的には、研磨の間に分解し、ハロゲン酸又はガス状のハロゲン化合物を放つ。そのような材料の例としては、テトラクロロナフタレン、ペンタクロロナフタレンのような塩素化ワックス、及びポリ塩化ビニルなどが挙げられる。ハロゲン塩の例としては、塩化ナトリウム、カリウムクリオライト、ナトリウムクリオライト、アンモニウムクリオライト、テトラフルオロホウ酸カリウム、テトラフルオロホウ酸ナトリウム、フッ化ケイ素、塩化カリウム、塩化マグネシウムが挙げられる。金属の例としては、スズ、鉛、ビスマス、コバルト、アンチモン、カドミウム、鉄、及びチタンが挙げられる。他の研削助剤としては、イオウ、有機イオウ化合物、グラファイト、及び金属硫化物が挙げられる。異なる研削助剤の組み合わせを使用することも本発明の範囲内であり、また場合によっては、これによって相乗効果がもたらされることがある。一実施形態において、研削助剤はクリオライト又はテトラフルオロホウ酸カリウムであった。このような添加剤の量は、所望の性状をもたらすために調整されてよい。スーパーサイズコートを使用することもまた、本発明の範囲内である。スーパーサイズコートは、典型的に、結合剤及び研削助剤を含有する。結合剤は、フェノール樹脂、アクリレート樹脂、エポキシ樹脂、尿素ホルムアルデヒド樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、及びこれらの組み合わせのような材料から生成することができる。
【００５６】
皿状の研磨粒子２０を結合された研磨物品、不織布研磨物品、又は研磨ブラシで使用してよいこともまた、本発明の範囲内である。結合された研磨材は、結合剤によって共に結合されて成形された塊を形成する複数の皿状の研磨粒子２０を含んでよい。結合された研磨材に使用される結合剤は、金属、有機、又はガラス質であってよい。不織布研磨材は、有機結合剤によって繊維状不織布ウェブへと結合される複数の皿状の研磨粒子２０を含む。
【００５７】
皿状の研磨粒子の方法
第１のプロセス工程は、αアルミナに転換可能なシードされた又はシードされていない研磨材分散液のいずれかを提供する工程を伴う。αアルミナ前駆体組成物は、揮発性成分である液体を含むことが多い。一実施形態において、揮発性成分は水である。研磨材分散液は、成形型の空洞を充填して成形型表面を複製することを可能にするために、研磨材分散液の粘性を十分に低くするために十分な量でありながらも、後に成形型の空洞から液体を除去することを実現不可能なほど高価にしない程度の量の液体を含まなくてはならない。一実施形態において、研磨材分散液は、αアルミナに転換可能な、α酸化アルミニウム一水和物（ベーマイト）のような粒子を２重量％〜９０重量％、及び水のような揮発性成分を少なくとも１０重量％、又は５０重量％〜７０重量％、又は５０重量％〜６０重量％含む。逆に、いくつかの実施形態における研磨材分散液は、固体を３０重量％〜５０重量％、又は４０重量％〜５０重量％含有する。
【００５８】
また、ベーマイト以外の酸化アルミニウム水和物を使用してもよい。ベーマイトは、既知の技術によって調製すること、又は市販のものを入手することができる。市販のベーマイトの例としては、Ｓａｓｏｌ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から入手可能な「ＤＩＳＰＥＲＡＬ」（商標）及び「ＤＩＳＰＡＬ」（商標）、あるいはＢＡＳＦ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能な「ＨＩ−Ｑ４０」（商標）が挙げられる。これらの酸化アルミニウム水和物は比較的純粋である。すなわち、一水和物以外の水和物の相をたとえ含んでいるとしても比較的少なく含み、高い表面積を有する。結果として生じる皿状の研磨粒子２０の物理的性状及び結果として生じる粒子の寸法は、一般に、研磨材分散液で使用される材料の種類によって異なる。
【００５９】
一実施形態において、研磨材分散液はゲル状である。本明細書で使用される「ゲル」とは、液体に分散された３次元網状組織の固体である。研磨材分散液は、修正用添加剤又は修正用添加剤の前駆体を含有することができる。修正用添加剤は、研磨粒子のいくつかの所望の性状を強化するため又は後の焼結工程の効果を増すために機能することができる。修正用添加剤又は修正用添加剤の前駆体は、溶解性の塩の形状であってよく、典型的には水溶性の塩であってよい。これらは、典型的には、金属含有化合物からなり、マグネシウム、亜鉛、鉄、シリコン、コバルト、ニッケル、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、イットリウム、プラセオジウム、サマリウム、イッテルビウム、ネオジム、ランタン、ガドリニウム、セリウム、ジスプロシウム、エルビウム、チタン、及びこれらの混合物の酸化物の前駆体であってよい。研磨材分散液中に存在できるこれらの添加剤の具体的な濃度は、当該技術に基づき変動する場合がある。典型的には、修正用添加剤又は修正用添加剤の前駆体の導入によって、研磨材分散液はゲルになる。また、一定の時間をかけて加熱することによって研磨材分散液をゲル化することもできる。
【００６０】
研磨材分散液は、また、水和又はか焼した酸化アルミニウムからαアルミナへの形質転換を促進するために成核剤を含有することができる。本開示に好適な成核剤としては、αアルミナ、α酸化第二鉄又はその前駆体、酸化チタン及びチタン酸塩、酸化クロム、並びにこの形質転換の成核剤となるであろう他の任意の物質の微粒子が挙げられる。成核剤を使用する場合、その量は、αアルミナの形質転換を引き起こすために十分でなくてはならない。そのような研磨材分散液に核を生成する工程は、米国特許第４，７４４，８０２号（Ｓｃｈｗａｂｅｌ）に開示されている。
【００６１】
研磨材分散液に解膠剤を添加して、より安定したヒドロゾル又はコロイド状研磨材分散液を製造することができる。好適な解膠剤は、酢酸、塩酸、ギ酸、及び硝酸のような一塩基酸又は酸化合物である。多塩基酸を使ってもよいが、多塩基酸は研磨材分散液を急速にゲル化し、取り扱い又は追加的な成分の導入を困難にする。ベーマイトのいくつかの商用ソースは、安定した研磨材分散液の形成を助ける（吸収されたギ酸又は硝酸のような）酸タイターを含有する。
【００６２】
研磨材分散液は任意の好適な手段、例えば、単純に酸化アルミニウム一水和物を解膠剤含有水と混合することによって、又は酸化アルミニウム一水和物のスラリーを生成し、そこに解膠剤を加えることによって形成することができる。気泡を形成する傾向又は混合中に空気を混入する傾向を低減するために、消泡剤又は他の好適な化学物質を加えることができる。湿潤剤、アルコール、又はカップリング剤のような追加的な化学物質を所望により追加することができる。αアルミナ研磨材のグレインは、１９９７年７月８日付の米国特許第５，６４５，６１９号（Ｅｒｉｃｋｓｏｎら）に開示されているように、シリカ及び酸化鉄を含有することができる。αアルミナ研磨材グレインは、１９９６年９月３日付の米国特許第５，５５１，９６３号（Ｌａｒｍｉｅ）に開示されているように、ジルコニアを含有することができる。あるいは、αアルミナ研磨材グレインは、２００１年８月２１日付の米国特許第６，２７７，１６１号（Ｃａｓｔｒｏ）に開示されているように、ミクロ構造又は添加剤を有することができる。
【００６３】
第２のプロセス工程は、少なくとも１つの成形型の空洞３１を有する、好ましくは複数の空洞を有する、成形型３３を用意する工程を伴う。成形型は、一般に平面の底面と複数の成形型の空洞とを有してよい。複数の空洞は、生産工具内で形成することができる。生産工具は、ベルト、シート、連続ウェブ、輪転グラビアのようなコーティングロール、コーティングロール上に載置されるスリーブ、又はダイであることが可能である。生産工具は、高分子材料を含む。好適な高分子材料の例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリ（エーテルスルホン）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリオレフィン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、又はこれらの組み合わせ、及び熱硬化性材料など熱可塑性樹脂が挙げられる。一実施形態において、工具全体が高分子材料又は熱可塑性材料で作製される。別の実施形態において、乾燥工程中にゾルゲルと接触する、複数の空洞の表面などの工具表面は、高分子材料又は熱可塑性材料を含み、工具の他の部分は他の材料で作製することができる。好適な高分子被覆を金属工具に適用して、実施例の方法によって表面張力性状を変更することができる。
【００６４】
高分子工具は、金属のマスター工具から複製することができる。マスター工具は、生産工具に所望の逆パターンを有する。マスター用具は、製造用具と同様の方法で製造することも可能である。一実施形態において、マスター工具を、例えばニッケルのような金属で作製し、ダイヤモンドターニング加工することができる。高分子又は熱可塑性シート材料をマスター工具と共に加熱して、２つを一緒に加圧成形することにより、マスター工具パターンにて高分子又は熱可塑性シート材料がエンボス加工されるようにしてよい。高分子又は熱可塑性材料はまた、マスター工具上へと押出加工又はキャスティングし、次に加圧成形することもできる。熱可塑性材料を冷却し固化させて製造用具が製造される。熱可塑性生産工具が使用される場合、熱可塑性生産工具を歪めて寿命を制限することが可能な過度の熱を生成しないよう注意が必要である。生産工具又はマスター工具の設計及び製作に関する更なる情報は、米国特許第５，１５２，９１７号（Ｐｉｅｐｅｒら）、同第５，４３５，８１６号（Ｓｐｕｒｇｅｏｎら）、同第５，６７２，０９７号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、同第５，９４６，９９１号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、同第５，９７５，９８７号（Ｈｏｏｐｍａｎら）、同第６，１２９，５４０号（Ｈｏｏｐｍａｎら）に見出すことができる。
【００６５】
空洞へは、上面の開口部又は底面の開口部から達することができる。場合によっては、空洞は成形型の厚さ全体に延在することができる。あるいは、空洞は成形型の厚さの一部分のみに延在することができる。一実施形態において、上面は、ほぼ均一の深さを有する空洞を伴う成形型の底面とほぼ平行である。成形型の少なくとも１つの側部、すなわち空洞が形成される側部は、揮発性成分除去の工程の間、周囲の大気に曝露したままにすることができる。
【００６６】
空洞は、指定の３次元形を有する。一実施形態において、空洞の形は上から見たときに傾斜側壁を有する三角形であり、つまり、空洞の底面は上面の開口部よりわずかに小さいものであると説明できる。傾斜した側壁は、前駆体研磨粒子を成形型から取り出すのを容易にすることができると考えられる。本開示の多様な実施形態において、既定の角度αは約９５度〜約１３０度、又は約９５度〜約１２０度、例えば９８度のような角度であってよい。別の実施形態において、成形型は複数の三角形の空洞を含む。複数の三角形の空洞のそれぞれは、正三角形を含む。
【００６７】
あるいは、円形、矩形、正方形、六角形、星形、又はこれらの組み合わせのような、全てがほぼ均一の深さの寸法を有する、他の空洞の形を使用してもよい。深さの寸法は、上面から底面の最下点までの垂直距離と等しい。加えて、空洞は、角錘、台形角錐、切頭球、切頭回転楕円、円錐、及び台形円錐のような他の立体形状の逆の形を有することができる。与えられた空洞の深さは、均一であってもよく、又はその長さ及び／又は幅に沿って変化してもよい。与えられた成形型の空洞は、同じ形であってもよく、又は異なる形であってもよい。
【００６８】
第３のプロセス工程は、任意の従来の技法によって研磨材分散液を成形型の空洞に充填する工程を伴う。一実施形態において、成形型の上面は、研磨材分散液で被覆される。研磨材分散液をポンプして上面に載せることができる。次に、スクレーパ又はならし棒を使用して、研磨材分散液を成形型の空洞に完全に押し入れることができる。空洞に入らない研磨材分散液の残りの部分は、成形型の上面から取り出してリサイクルすることができる。いくつかの実施形態において、ナイフロールコーター又は真空スロットダイを使用することができる。いくつかの実施形態において、少量の研磨材分散液が上面に残る場合があり、他の実施形態では上面には分散液が実質的にない。スクレーパ又はならし棒に加える圧力は、典型的には、１００ｐｓｉ（６８９．５ｋＰａ）未満、又は５０ｐｓｉ（３４４．７ｋＰａ）未満、又は１０ｐｓｉ（６８．９ｋＰａ）未満である。いくつかの実施形態において、研磨材分散液の曝露された表面が上面を実質的に越えて延在することはなく、結果的にもたらされる研磨粒子の均一な厚さが確保される。
【００６９】
一実施形態において、側壁及び底面を含む空洞の内面は離型剤で被覆されている。典型的な離型剤としては、例えば、ピーナッツオイル、魚油、又は鉱油のような油、シリコーン、ポリテトラフルオロエチレン、ステアリン酸亜鉛、及びグラファイトが挙げられる。
【００７０】
第４の工程は、成形型内のゾルゲルのレオロジーを制御して、異なる種類の皿状の研磨粒子を作製する工程を伴う。具体的には、本発明者らは、離型剤の有無は作製される皿状の研磨粒子の種類に関与すると推測した。ゾルゲルと接触する工具の表面に離型剤が存在しない、又は少量存在する場合、ゾルゲルは工具の表面を濡らし、第１の面２４にメニスカスを形成する傾向にある。ゾルゲルと接触する工具の表面により多くの離型剤が存在する、又は過剰な離型剤が存在する場合、成形された研磨粒子の前駆体は、乾燥工程中に成形型の底面から放出される傾向にあり、それによって皿状の研磨粒子に凸面／凹面を形成する。一般に、離型剤を所望の場合、成形型のユニット領域ごとに約０．０ｍｇ／ｉｎ２（０．０ｍｇ／ｃｍ２）〜約３．０ｍｇ／ｉｎ２（０．４７ｍｇ／ｃｍ２）、又は約０．１ｍｇ／ｉｎ２（０．０１５ｍｇ／ｃｍ２）〜約５．０ｍｇ／ｉｎ２（０．７８ｍｇ／ｃｍ２）の離型剤が存在するように、液体中（水又はアルコールなど）約０．０重量％〜約５重量％の離型剤（ピーナッツオイルなど）が、ゾルゲルと接触する生産工具の表面に塗布される。
【００７１】
第５のプロセス工程は、複数の皿状の研磨粒子の前駆体を成形型の空洞から取り出す工程を伴う。複数の皿状の研磨粒子の前駆体は、成形型から粒子を取り出すために重力、振動、超音波振動、真空、又は加圧空気のいずれか１つのプロセス又は組み合わせを成形型に対して用いることによって、空洞から取り出すことができる。
【００７２】
皿状の研磨粒子の前駆体を成形型の外で更に乾燥させることができる。成形型内で望ましいレベルに研磨材分散液を乾燥する場合、追加的な乾燥工程は必要ない。しかし、場合によっては、この追加的な乾燥工程を採用して、成形型内に研磨材分散液がある時間を最低限にすることが経済的である場合がある。典型的には、皿状の研磨粒子の前駆体を１０〜４８０分間、又は１２０〜４００分間、５０℃〜１６０℃、又は１２０℃〜１５０℃の温度で乾燥させることになる。
【００７３】
第６のプロセス工程は、複数の皿状の研磨粒子の前駆体をか焼する工程を伴う。か焼工程の間に、本質的に全ての揮発性材料が除去され、研磨材分散液に存在していた多様な成分が形質転換されて金属酸化物になる。皿状の研磨粒子の前駆体は、一般に、４００℃〜８００℃の温度に加熱して、遊離水及び９０重量％を超す任意のバウンドされた揮発性材料が除去されるまで、この温度範囲内に維持する。選択的工程において、所望により、含浸プロセスによって修正用添加剤を導入することができる。か焼された、皿状の研磨粒子の前駆体の孔に、水溶性の塩を含浸によって導入することができる。次に複数の皿状の研磨粒子の前駆体を再び予備焼成する。この選択については、欧州特許出願第２９３，１６３号に詳述されている。
【００７４】
第７のプロセス工程は、か焼された、複数の皿状の研磨粒子の前駆体を焼結する工程を伴う。焼結前は、か焼された、皿状の研磨粒子の前駆体は完全には緻密化されていないので、研磨粒子として使用するための所望の硬度が足りない。か焼された、皿状の研磨粒子の前駆体を１，０００℃〜１，６５０℃の温度に加熱し、実質的に全てのαアルミナ一水和物（又は同等のもの）がαアルミナに転換し、気孔率が１５体積％未満に低減されるまで、それらをこの温度範囲内に維持することによって焼結を行う。このレベルの転換を達成するために、か焼された、皿状の研磨粒子の前駆体をこの焼結温度に曝露しなくてはならない時間の長さは、多様な因子に依存するが、通常、５秒〜４８時間が典型的である。別の実施形態において、焼結工程の持続時間は１分間〜９０分間の範囲である。焼結後、皿状の研磨粒子は、１０ＧＰａ、１６ＧＰａ、１８ＧＰａ、２０ＧＰａ以上のヴィッカース硬度を有してよい。
【００７５】
記述したプロセスを修正するために、か焼温度から焼結温度まで材料を急速に加熱する工程、研磨材分散液を遠心分離してスラッジ、廃棄物等を除去する工程、といったような他の工程を使用することができる。更に、所望により２つ以上のプロセス工程を組み合わせることによってこのプロセスを修正することができる。本開示のプロセスを修正するために使用できる従来のプロセス工程は、米国特許第４，３１４，８２７号（Ｌｅｉｔｈｅｉｓｅｒ）に詳述されている。成形された研磨粒子の作製方法に関する詳細については、同時係属中の米国特許出願第１２／３３７，００１号、名称「Ｍｅｔｈｏｄ  Ｏｆ  Ｍａｋｉｎｇ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｓｈａｒｄｓ，Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ  Ｗｉｔｈ  Ａｎ  Ｏｐｅｎｉｎｇ，Ｏｒ  Ｄｉｓｈ−Ｓｈａｐｅｄ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」（２００８年１２月１７日出願、代理人整理番号６３５１２ＵＳ００２）に開示されている。
【実施例】
【００７６】
本開示の目的及び利点を以下の非限定的な実施例で更に例示する。これらの実施例において列挙されるその特定の材料及び量、並びに他の条件及び詳細は、本開示を過度に制限しないと解釈されるべきである。特に記載のない限り、実施例及び本明細書の残りの部分における全ての部、パーセント、及び比率などは、重量による。
【００７７】
平面／凹状に成形された研磨粒子の前駆体（図２Ａ〜２Ｃ、７）の調製
次の配合を使用してベーマイトゾルゲルの試料を作製した。つまり、水（１１０００部）及び７０％の含水硝酸（２９３部）を含有する溶液を１０分間高せん断混合することによって、商品名「ＤＩＳＰＥＲＡＬ」を有する酸化アルミニウム一水和物粉末（７３３３部）を分散させた。結果として生じるゾルゲルは、１時間放置してから被覆した。ゾルゲルは、２８ミル（０．７１ｍｍ）の深さ及び各辺１１０ミル（２．７９ｍｍ）の三角形の成形型の空洞を有する生産工具に押し入れた。側壁と成形型の底面とがなす抜き勾配αは９８度であった。生産工具は、成形型の空洞の５０％が、三角形の一辺と９０度の角度で交差する空洞の底面から上がる８つの平行の隆起部を有し、残りの空洞が平滑な成形型底面を有するように製造された。上記で参照された代理人整理番号６４７９２ＵＳ００２の係属特許出願に記載されているように、平行な隆起部は０．２７７ｍｍ毎の定間隔で置かれ、隆起部の断面は、高さ０．０１２７ｍｍで、それぞれの隆起部の側部が先端となす角度が４５度の三角形であった。ゾルゲルは、生産工具の全ての開口部が完全に埋まるように、真空スロットダイコーティングステーションを使用して空洞に押し入れた。ゾルゲルで被覆された生産工具を、１０フィート／分（３．０メートル／分）で２７フィート（８メートル）の空気対流炉を通過させた。１３．５フィート（４．１メートル）のゾーン１区域は、４０％の気流速度において３００°Ｆ（１４９℃）、１３．５フィート（４．１メートル）のゾーン２区域は、４０％の気流速度において３２５°Ｆ（１６３℃）に設定した。超音波ホーンを通過させることにより、成形された研磨粒子の前駆体を生産工具から取り出した。
【００７８】
凹状／凸状に成形された研磨粒子の前駆体（図４、８）の調製
次の配合を使用してベーマイトゾルゲルの試料を作製した。つまり、水（７０８７部）及び７０％の含水硝酸（２１２部）を含有する溶液を１３分間高せん断混合することによって、商品名「ＤＩＳＰＥＲＡＬ」を有する酸化アルミニウム一水和物粉末（４８２４部）を分散させた。結果として生じるゾルゲルは、１時間放置してから被覆した。ゾルゲルは、２８ミル（０．７１ｍｍ）の深さ及び両側１１０ミル（２．７９ｍｍ）の三角形の成形型の空洞を有する生産工具に押し入れた。側壁と成形型の底面とがなす抜き勾配αは９８度であった。生産工具は、成形型の空洞の５０％が、三角形の一辺と９０度の角度で交差する空洞の底面から上がる８つの平行の隆起部を有し、残りの空洞が平滑な成形型底面を有するように製造された。上記で参照された代理人整理番号６４７９２ＵＳ００２の係属特許出願に記載されているように、平行な隆起部は０．２７７ｍｍ毎の定間隔で置かれ、隆起部の断面は、高さ０．０１２７ｍｍで、それぞれの隆起部の側部が先端となす角度が４５度の三角形であった。ゾルゲルは、生産工具の全ての開口部が完全に埋まるように、真空スロットダイコーティングステーションを使用して空洞に押し入れた。離型剤（水中２％のピーナッツオイル）を使用して生産工具を被覆し、生産工具に約１ｍｇ／ｉｎ２（０．１６ｍｇ／ｃｍ２）のピーナッツオイルを塗布した。ゾルゲルで被覆された生産工具を、１１フィート／分（３．４メートル／分）で２７フィート（８メートル）の空気対流炉を通過させた。１３．５フィート（４．１メートル）のゾーン１区域は、６０％の気流速度において２８０°Ｆ（１３７．８℃）、１３．５フィート（４．１メートル）のゾーン２区域は、４０％の気流速度において２５０°Ｆ（１２１．１℃）に設定した。超音波ホーンを通過させることにより、成形された研磨粒子の前駆体を生産工具から取り出した。
【００７９】
従来技術の成形された研磨粒子（図５）の調製
米国特許第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）に開示される手順に従って、従来技術の成形された研磨粒子を作製した。次の手順により、研磨材分散液（４４％固体）を作製した。つまり、水（３，０２６部）と７０％水性硝酸（７１部）とを含有する溶液を連続的に混合して、商品名「ＤＩＳＰＥＲＡＬ」を有するアルミニウム一水和物粉末（１，２３５部）を分散した。生じたゾルを約１２５℃の温度で連続乾燥機において乾燥させ、４４％固体の研磨材分散液を作製した。ゴムスキージを用いて、研磨材分散液を三角形の成形型の空洞に導入した。研磨材分散液を導入する前に、空洞をシリコーン剥離材で被覆した。型は、アルミニウムシートを突き抜けた、多数の正三角形の穴を含有するアルミニウムシートだった。三角形の穴の寸法は、２８ミル（０．７１ｍｍ）の深さ及び各辺１１０ミル（２．７９ｍｍ）だった。埋まった成形型は、７１℃の温度に維持される強制空気炉に２０分間配置した。研磨材分散液は、乾燥するにつれてかなり収縮し、成形された研磨粒子の前駆体は、空洞内で収縮した。成形された研磨粒子の前駆体を重力によって成形型から取り出し、その後、１２１℃の温度で３時間乾燥させた。
【００８０】
３種類すべての成形された研磨粒子の前駆体を約６５０℃でか焼し、次に（酸化物として報告された）濃度がそれぞれ１．８％のＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３及びＬａ２Ｏ３硝酸混合液で飽和した。過剰な酢酸溶液を除去し、飽和した、成形された研磨粒子の前駆体を乾燥させ、その後、成形された粒子の前駆体を６５０℃で再か焼し、約１４００℃で焼結して成形された研磨粒子を作製した。か焼及び焼結のいずれも、回転管状窯を使用して実行した。
【００８１】
使用した４番目のロットは、３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ）から入手可能な粗粒のＣＵＢＩＴＲＯＮ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｇｒａｉｎ  ３２１だった。
【００８２】
研磨粒子の４種類のロットを、−１８＋２０メッシュ（ＵＳＡ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｓｉｅｖｅｓ）の寸法に等級分けし、すべての破片又は形の壊れた粒子を取り除いた。各ロットは、等重量の−２５＋３０メッシュ（ＵＳＡ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｔｅｓｔｉｎｇ  Ｓｉｅｖｅｓ）の炭酸カルシウム粒子と混合した。−２５＋３０という表記は、２５号のメッシュスクリーンを通過したが、３０号のメッシュスクリーンには残った粒径を指す。炭酸カルシウムを充填したメークコート、クリオライトを充填したサイズコート、及びホウフッ化カリウム（ＫＢＦ４）を充填したスーパーサイズコートを使用して、研磨剤粒子／炭酸カルシウムの混合物のディスクごとに１８グラムのレベルで繊維ディスクの裏材を４種類のロットで連続的に被覆した。調製した４種類のロットは、次のとおりであった。
１．平面／凹状の三角形（図２Ａ〜２Ｃ、７）
２．凹状／凸状の三角形（図４、８）
３．従来技術の成形された研磨材の三角形（図５）
４．ＣＵＢＩＴＲＯＮ  Ａｂｒａｓｉｖｅ  Ｇｒａｉｎ  ３２１（ランダムに破砕）
【００８３】
ディスクの研削性能は、３０４ステンレス鋼の加工対象物でのスライド作用研削試験を使用して評価した。研磨ディスクに対して加工対象物への１８ポンド（８０．１Ｎ）の負荷力を使用した。このスライド作用研削試験は、被覆された研磨ディスクの削り取りレートを測定することを目的としたものである。それぞれの研磨材ディスクを使用して、３０４ステンレス鋼の加工対象物の１．２５ｃｍ×１８ｃｍの面を研削した。使用したグラインダーは、一定荷重のディスクグラインダーであった。加工物と研磨ディスクとの間の定荷重は、荷重バネによって与えられた。グラインダー用の支持パッドは、アルミニウム製支持パッドであって、縁から中央３．５ｃｍに向かって内へ延びる約７度の傾斜であった。研磨ディスクは、止めナットでアルミニウム製パッドに固定し、５，０００ｒｐｍで作動させた。取り出した金属の量（グラム単位）を１分間隔で記録した。
【００８４】
図９を参照すると、皿状の研磨粒子２０は、米国特許第５，３６６，５２３号（Ｒｏｗｅｎｈｏｒｓｔら）に開示され、２つの平行平面を有する従来技術の三角形の研磨粒子（図５）、又はランダムに粉砕されたグレインよりも著しく優れた性能を示した。具体的には、皿状の研磨粒子は、従来技術の成形された研磨粒子のほぼ２倍の初期削り取りレートを有した。これは、研磨ディスクにとって大幅な改善である。更に、従来技術の成形された研磨粒子と比較すると、皿状の研磨粒子は、試験期間を通じて高い削り取りレートを維持した。
【００８５】
当業者は、より具体的に添付の「請求項」に記載した本開示の趣旨及び範囲から逸脱せずに、本開示への他の修正及び変更を行うことが可能である。様々な実施形態の態様は、様々な実施形態の他の形態と全体的に、若しくは一部的に互換可能、又は結合され得るということが理解される。特許状への上記の出願の中で引用されている全ての参照、特許、又は特許出願は、全体として一貫した方法で参照することにより本明細書に組み込まれる。これらの組み込まれた参照と本明細書との間に部分的に不一致又は矛盾がある場合、先行する記述の情報が優先するものとする。当業者が請求項の開示を実行することを可能にするために与えられた先行する記述は、本請求項及びそれと等しい全てのものによって定義される本開示の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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