(57)【要約】【課題】充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる砥石ペレットを提供する。【解決手段】砥石ペレット１は、柱状の基体２と、基体２の少なくとも表面の一部に砥粒を含んでメッキ形成された砥粒層５とを備えて構成され、砥粒層５の表面に溝３が形成されるようにする。そして、この砥石ペレット１を所定の面形状を有する台皿９に設けることにより砥石１０を形成する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱状の基体と、前記基体の少なくとも表面の一部に砥粒を含んでメッキ形成された砥粒層とを備え、
前記砥粒層の表面に溝が形成されていることを特徴とする砥石ペレット。
【請求項２】
前記基体の表面に溝が形成され、前記溝を有する前記表面に前記砥粒層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の砥石ペレット。
【請求項３】
前記溝の溝幅は、前記砥粒層の層厚の２倍を超えた値であることを特徴とする請求項２に記載の砥石ペレット。
【請求項４】
前記砥粒層は、無電解メッキにより形成されたメッキ層であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項記載の砥石ペレット。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載の砥石ペレットが所定の面形状を有する台皿に設けられていることを特徴とする砥石。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、柱状の基体とこの基体に形成された砥粒層とを備えて構成される砥石ペレットと、この砥石ペレットが所定の面形状を有する台皿に設けられて構成される砥石に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の砥石には、被加工物の加工面の形状に合わせて形成された所定の面形状を有する台皿と、この台皿に複数個固定された砥石ペレットとを備えて構成されたものがあり、これら複数個の砥石ペレットの表面に形成された研磨面を被加工物の加工面に摺接させることにより被加工物を研磨加工するようになっている。また、台皿上における砥石ペレットの位置しない部分が溝となって、被加工物を研磨加工することにより除去された加工粉や脱落した砥粒等を外部に排出する機能を果たしている。
【０００３】
砥石ペレットは、メタルボンドやレジンボンド、そしてビトリファイボンド等を結合材とし、この結合材の中に砥粒を混入して所定の形状に固めて形成される。そしてこの砥石ペレットが接着剤等で台皿上に貼り付け固定され、砥石として被加工物の加工に供される。また、より高精度な研磨加工を行うため微細な砥粒を用いても均一な砥粒分布が得られるように、台皿に固定される柱状の基体と、この基体の表面に砥粒を含んでメッキ形成された砥粒層とを備えて構成される砥石ペレットが考案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、台皿の表面積に対する砥石ペレットが覆う台皿表面部分の面積比が低い（すなわち砥石ペレットが少ない）と、砥石の溝部分の面積が増加し研削液や空気層の入り込む余地が多くなって加工速度（単位時間あたりの被加工物の減耗量）が高くなる反面、砥石（ペレット）の表面が摩耗し易くなって砥石の寿命は短くなってしまう。一方、面積比が高い（すなわち砥石ペレットが多い）と、砥石（ペレット）の表面が摩耗しにくくなって砥石の寿命が長くなる反面、砥石の溝部分の面積が減少し研削液や空気層の入り込む余地が少なくなって加工速度は低くなり、さらに面積比が高すぎると被加工物と砥石とが吸着を起こして被加工物の加工ができなることがあった。そのため、充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる砥石ペレットを得るための方策が望まれていた。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる砥石ペレットを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このような目的達成のため、請求項１に係る発明の砥石ペレットは、柱状の基体と、基体の少なくとも表面の一部に砥粒を含んでメッキ形成された砥粒層とを備え、砥粒層の表面に溝が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に係る発明の砥石ペレットは、請求項１に記載の砥石ペレットにおいて、基体の表面に溝が形成され、溝を有する表面に砥粒層が形成されていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に係る発明の砥石ペレットは、請求項２に記載の砥石ペレットにおいて、溝の溝幅は、砥粒層の層厚の２倍を超えた値であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明の砥石ペレットは、請求項１から請求項３のうちいずれか一項記載の砥石ペレットにおいて、砥粒層は、無電解メッキにより形成されたメッキ層であることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に係る発明の砥石は、請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載の砥石ペレットが所定の面形状を有する台皿に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１には、本発明に係る砥石ペレットを備えた砥石１０の構成を示している。この砥石１０は、被加工物の加工面の形状に合わせて形成された所定の面形状を有する台皿９と、台皿９に複数個固定された砥石ペレット１，１，…とを備え、これら複数個の砥石ペレット１，１，…の表面に形成された研磨面（もしくは研削面）を被加工物の加工面に摺接させることにより被加工物を研磨加工（もしくは研削加工）するように構成される。
【００１２】
台皿９は、所定の金属材料を用いて鋳造法や切削加工等により被加工物の加工面の形状に合わせて所定の面形状を有するように形成され、必要に応じて所定の表面処理を施して構成される。台皿９の材料としては、砥石ペレット１を台皿９に固定するための接着剤に対して充分な接着性が得られ、且つ充分な機械的剛性が得られる金属材料が適しており、その中でも、鋳造法や切削加工により製造が容易で軽量のアルミニウムや、鋳造法により製造可能な鋳鉄が好ましい。
【００１３】
図２にも示すように、砥石ペレット１は、円柱状の基体２と、この基体２の表面に砥粒４を含んでメッキ形成された砥粒層５とを備えて構成され、砥粒層５が形成されている砥石ペレット１の表面には十字型の溝３が形成されている。基体２は所定の金属材料を用いて切削加工等により円柱状に形成され、その表面（一端側）に砥粒層５がメッキ法により形成される。また、基体２の表面には、十字型の溝部２ａが、砥粒層５をメッキ形成した状態で溝３の所望形状を得られるように形成されている。なお、溝部２ａの溝幅は、砥粒層５の層厚の２倍を超えた値であることが好ましい。このようにすれば、溝部２ａが砥粒層５に完全に塞がれることなく確実に溝３を形成することができる。
【００１４】
砥粒層５は砥粒４を含む非晶質メッキ層であり、基体２の表面に無電解メッキ法によりメッキ形成される。そして、複数個の砥石ペレット１，１，…が台皿９に固定された状態で、砥粒層５の表面が研磨面となって被加工物を研磨加工するようになっている。
【００１５】
砥石ペレット１を得るためには、まず、必要とする砥石ペレット１の各寸法に応じて基体２の寸法を決め、その寸法が得られるように基体２を所定の金属材料を用いて切削加工等により形成する。基体２の材料としては、無電解メッキ液に容易に浸食されず、且つ無電解メッキと良好な密着性を得られるものが好ましく、さらに、基体２の裏面（他端側）を台皿９に固定するための接着剤に対して充分な接着性が得られ、且つ充分な機械的剛性が得られるものが好ましい。そのため、基体２の材料としては金属材料が適しており、その中でも、メッキ反応を促す触媒作用を有する金属、もしくは、メッキ前に容易に基体２の表面に触媒層を形成できる金属が好ましい。
【００１６】
メッキ反応を促す触媒作用を有する金属としては鉄やニッケルが適しており、また、メッキ前に容易に基体２の表面に触媒層を形成できる金属としてはステンレスやアルミニウム、そして黄銅が適している。特に、ステンレスやアルミニウムは、基体２を再利用する際に既存の砥粒層を容易に剥離することができることから、基体２の材料としてより適している。
【００１７】
基体２の表面に溝部２ａを形成するには、プレス加工や切削加工、そしてエッチング法による加工等が用いられるが、多数の基体２の溝形成をより短時間で行える点でプレス加工が好ましい。十字型の溝であれば、その反転形状を有するパンチング型（図示せず）で基体２の表面にプレス加工を行えばよく、これにより基体２の表面に十字型の溝部２ａを形成することができる。また、予め砥粒層５が形成されていない基体２の表面に溝部２ａを形成するため、砥粒４によるパンチング型の損耗を防ぐことができる。
【００１８】
基体２の表面に溝部２ａを形成した後は、基体２上のカエリやバリ、そしてプレス加工により溝形成したときに生じる盛り上がり部の除去を行う。盛り上がり部の除去には、バレル研磨で行う方法やブラストによる方法があるが、多数の基体２を均等に且つ容易に処理できる点でバレル研磨が好ましい。詳細図示しないが具体的には、基体２を溶剤脱脂した後、基体２と所定のメディアおよびコンパウンドをバレル容器内に入れて回転させ、基体２上のカエリやバリ、そして盛り上がり部の除去を行う。そして、バレル研磨後は基体２を水洗し、乾燥することで溝部２ａを有した基体２が完成する。
【００１９】
次に、無電解メッキ法により基体２の表面に砥粒層５を形成する。なお、メッキ法により基体２の表面に砥粒層５を形成する際には、図４に示すように、複数の砥石ペレット１，１，…を一度に製造するために、複数の基体２，２，…を一度に固定できる治具１５が用いられる。治具１５の寸法は、製造する砥石ペレット１の数量に応じて決められる。治具１５の材料は、繰り返し使用するために無電解メッキの前処理および無電解メッキ液に容易に浸食されず、また後述するマスキング剤にも溶解されないものを選定する。後述するマスキング工程を簡略化するのであれば、治具１５の材料として樹脂が適している。また、基体２を多数固定する場合であれば、その重量に耐えられる機械的剛性を有する金属又は樹脂が適している。このような金属としてステンレスが好ましく、また、樹脂ではＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）が好ましい。
【００２０】
まず、無電解メッキ処理の前処理として、治具１５に接着剤で複数の基体２，２，…を貼り付け、基体２の表面中でメッキ処理を施さない領域、すなわち砥粒層５を形成しない領域をマスキングする。この基体２の取り付けに際して、基体２および治具１５を溶剤脱脂しておく。治具１５に基体２を固定するための接着剤としては、無電解メッキの前処理から無電解メッキ処理までの間は基体２を保持でき、しかもマスキング性を有し、さらに無電解メッキ処理後には、治具１５から基体２を容易に剥離できるものが適している。すなわち、このような接着剤を、基体２の固定とマスキングとの両方の目的で使用する。但し、基体２の固定に使用する接着剤と基体２のマスキングに使用するマスキング剤とは同一のものである必要はなく、別のものであってもよいが、工程簡略化の面から同一のものであることが好ましい。
【００２１】
治具１５が金属製である場合には、メッキ層が治具１５そのものにも析出するため、メッキ液に浸される金属露出部は全てマスキングする必要があるが、治具１５が樹脂製である場合にはその必要性はない。また、マスキング膜の厚さが不均一であっても、基体２上に析出する無電解メッキ層はその特性から均一な層厚が得られるため問題はない。
【００２２】
マスキング後は、基体２の表面中でマスキング膜が形成されていない領域に、無電解メッキ対する触媒層を形成する。基体２自体が触媒性を有するものであれば、所定のアルカリ脱脂と活性化処理を行って、基体２のマスキング膜が形成されていない領域の表面の酸化被膜等を除去し、ここを触媒層にする。一方、基体２自体が触媒性を有していないものであれば、所定のアルカリ脱脂と活性化処理を行った後、基体２の表面に触媒層を形成する。
【００２３】
触媒層の形成は、基体２の材質が黄銅やステンレスの場合、例えば、塩化パラジウムを主成分とする水溶液中に基体２を浸漬し、触媒となるパラジウムの層を基体２の表面に析出させる。また、基体２の材質がアルミニウムの場合には、亜鉛置換液中に基体２を浸漬し、触媒となる亜鉛の層を基体２の表面に析出させる。なお、無電解メッキの反応を促す触媒としては、鉄、ルテニウムなどの第８属の金属元素から、ニッケル、パラジウムなどの第１０属までの金属元素がある。また、ここでは、治具１５に基体２を固定した後に触媒層を基体２に形成したが、触媒層を基体２に形成した後、この基体２を治具１５に固定してもよい。
【００２４】
砥粒層５の形成には、均一析出性がよいことを特徴とする無電解メッキ液を用いる。これにより、基体２の溝部２ａや外縁部にメッキ層が多く析出することがなく、メッキ層（すなわち砥粒層５）の層厚を均一にすることができる。無電解メッキ液としては、例えばニッケル−リン・メッキ液が用いられる。次に、この無電解メッキ液中に砥粒４を混入する。砥粒４としては、市販されているダイヤモンドパウダーや立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）等が使用でき、その粒径も制限はないが、概ね０．１μｍ〜２００μｍの範囲で使用の用途が多い。
【００２５】
砥粒４を無電解メッキ液中に混入した後は、スターラー等でメッキ液を攪拌して砥粒４を均一に分散させながら、触媒層が形成されている基体２を無電解メッキ液中に投入する。そうすると、触媒層が形成された領域に砥粒４を含む均一な層厚のメッキ層が形成され、これが、無電解メッキ層、すなわち非晶質メッキ層を結合材とした砥粒層５となる。この砥粒層５の層厚は、主としてメッキ液温度とメッキ時間により制御する。また、砥粒層５における砥粒４の含有量は、無電解メッキ液中に混入する砥粒４の量とスターラーの攪拌条件とを一定にすることで制御が可能である。そして、所定時間後、基体２を無電解メッキ液中から取り出して治具１５から基体２を取り外し、マスキング膜を除去して水洗することにより、砥粒層５の表面に十字型の溝３が形成される砥石ペレット１が得られる。
【００２６】
上述のようにして得られる砥石ペレット１を有する砥石１０を製作するには、被加工物の加工面の形状に合わせて形成された所定の面形状を有する台皿９を準備し、この台皿９に複数の砥石ペレット１，１，…を接着剤等を用いて貼り付け固定する。そして、複数の砥石ペレット１，１，…の表面を連ねた面形状が被加工物の加工面の反転形状になるように、摺り合わせ皿等を用いて研削するか、または切削加工を行って仕上げることにより、砥石ペレット１を有する砥石１０が完成する。
【００２７】
このような構成の砥石１０および砥石ペレット１を用いて、例えば、被加工物である光学素子素材から光学素子を形成する場合には、図３に示すような手順で行われる。具体的には、まず、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、光学素子素材２０ａの形状を所望の光学素子２０の形状に近づけるために、この光学素子素材２０ａから素材２０ｂに形状創成する。次に、図３（ｃ）に示すように、粗研削用砥石１０ｃを用いて、形状創成された素材２０ｂの表面（加工面）に粗研削用砥石１０ｃの研削面を摺接させて、素材２０ｂの表面を粗研削する。続いて、図３（ｄ）に示すように、精研削用砥石１０ｄを用いて、粗研削された素材２０ｃの表面を精研削する。最後に、図３（ｅ）に示すように、精研削された素材２０ｄの表面を研磨して、所望の被加工面形状を有する光学素子２０を得る。
【００２８】
なお、図３では、各素材の表面粗さの変化を明確にするために、表面粗さを極端に描いている。また、図３では、光学素子素材２０ａの一方の面のみを加工しているように描いているが、光学素子がレンズの場合には、他方の面に関しても同様の処理が行われるのはいうまでもない。さらに、図３では、研磨工程を経て最終製造物である光学素子を得ているが、表面粗さがある程度大きいものでも仕様範囲である製品の場合には、精研削工程の後に研磨工程を経る必要はない。したがって、精研削工程を経た段階では、中間製造物である場合もあるし、最終製造物の場合もある。
【００２９】
ところで、本発明の発明者が、本発明に係る砥石ペレット１を備えた砥石１０と、砥粒層の表面に溝が形成されていない従来の砥石２種類との光学素子に対する加工実験を実施し、その性能比較を行っている。まず、加工実験に用いられる砥石ペレット１の具体的な製造方法について図４を参照して説明する。
【００３０】
基体２は、アルミニウム（Ａ５０５６）材で、直径１１．５ｍｍ、高さ３ｍｍの円柱状に形成されたものである。基体２の溝部２ａは、プレス機（図示せず）によりパンチング型（図示せず）で基体２の表面に押し込み形成された後、回転式バレル研磨機（図示せず）にて平滑化仕上げが行われている。溝部２ａの寸法は幅、深さともに１．５ｍｍとなっている。
【００３１】
まず、基体２を溶剤脱脂した後、図４（ａ）に示すように、メッキ槽１６に投入するための樹脂製の治具１５に溝部２ａが形成された面を上に向けて固定する。次に、治具１５とともにこの治具１５上に固定された複数の基体２，２，…をアルカリ脱脂、活性化処理を順に行ってから亜鉛置換液に３０秒浸漬し、基体２の表面および側面上に亜鉛層（図示せず）を形成する。これが無電解メッキの反応を促す触媒層となる。
【００３２】
触媒層形成後、治具１５上の基体２を水洗してから、この基体２を、図４（ｂ）に示すように、砥粒４を含む無電解ニッケル−リン・メッキ液１７中に投入する。無電解ニッケル−リン・メッキ液１７中には、砥粒４として粒径２〜４μｍのダイヤモンドパウダーが０．１重量％混入されており、攪拌機１８の攪拌条件は、メッキ層中に砥粒４が所定量含有される条件に設定されている。無電解ニッケル−リン・メッキ液１７の温度は８５℃で、この中に１６時間、基体２を投入しておき、厚さ０．２５ｍｍのメッキ層を析出させる。これが非晶質メッキ層で形成された砥粒層５となる。
【００３３】
メッキ層が所定の層厚まで析出すると、治具１５および基体２をメッキ槽１６から出して水洗し、図４（ｃ）に示すように、基体２を治具１５から取り外して乾燥することで、砥粒層５の表面に溝３が形成された、直径１２ｍｍ、高さ３．２５ｍｍの砥石ペレット１が完成する。なお、従来の砥石ペレット（図示せず）は、砥粒層の表面に溝が形成されていないこと以外は、直径や砥粒の粒径など全て本発明による砥石ペレット１と同じものである。
【００３４】
そして、表面の形状が平面で直径３８０ｍｍの台皿９に、２５０個の砥石ペレット１を接着剤により貼り付け固定し、台皿の表面積に対する砥石ペレットが覆う台皿表面部分の面積比が約２５％になるように本発明による砥石１０を形成した。また、台皿９に、２５０個の従来の砥石ペレットを接着剤により貼り付け固定し、面積比が約２５％になるように第一の従来砥石（図示せず）を形成した。さらに、台皿９に、１５０個の従来の砥石ペレットを接着剤により貼り付け固定し、面積比が約１５％になるように第二の従来砥石（図示せず）を形成した。
【００３５】
また、その他の加工条件として、光学素子（図示せず）の材質は石英（ＳｉＯ２）とし、光学素子の加工面の形状は直径２７０ｍｍの平面とした。さらに、研削装置は舘野製楕円運動型のものを使用し、その研削条件は、砥石回転数が２５０ｒｐｍ、光学素子回転数が３０ｒｐｍ、そしてゲージ圧力は０．４ＭＰａとした。また、研削液は水溶性タイプの研削原液を水で希釈したものを用い、研削原液と水との割合は１：１５とした。
【００３６】
以上の条件で、本発明による砥石１０と、第一の従来砥石と、第二の従来砥石とによりそれぞれ光学素子を加工したときの平均加工速度、光学素子の面変化量、光学素子の表面粗さ、そして砥石の減耗率を調べた結果、表１に示す通りとなった。ここで、加工速度は、単位時間あたりの被加工物（光学素子）の減耗量である。また、光学素子の面変化量は、被加工物（光学素子）を所定量研削（研磨）したときの、砥石表面の曲率半径の変化量と同義であり、砥石で加工された硝材の形状は砥石表面の形状を転写しているためである。そして、砥石の減耗率は、被加工物（光学素子）の減耗量を砥石の摩耗量で割った値である。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１からわかるように、本発明による砥石１０は問題なく加工することができたのに対し、第一の従来砥石は、台皿の表面積に対する砥石ペレットが覆う台皿表面部分の面積比が本発明による砥石１０と同じでありながら、加工速度が低下して加工を続行することができなかった。また、本発明による砥石１０と砥石１０より小さい面積比を有する第二の従来砥石とを比較すると、平均加工速度、光学素子の面変化量、そして砥石の減耗率においては、本発明による砥石１０の方がいずれも高い数値を示し、光学素子の表面粗さは同じ数値であった。
【００３９】
これにより、本発明による砥石１０により第一の従来砥石と比べて被加工物との吸着が抑制されることが確認された。さらに、本発明による砥石１０は第二の従来砥石と同等の表面粗さが得られながら、第二の従来砥石と比べてより高い砥石寿命（すなわち光学素子の面変化量および砥石の減耗率）が得られ、且つより高い加工速度が得られることが確認された。
【００４０】
この結果、砥石ペレット１の砥粒層５の表面に溝３が形成されているため、従来の砥石と比べて研削液や空気層の入り込む余地が多くなることから、この砥石ペレット１を所定の面形状を有する台皿に設けることで、充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる砥石を提供することができる。また、このような砥石ペレット１を備えた砥石１０によれば、充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる。
【００４１】
なお、上述の実施例において、基体２の表面に溝部２ａが形成され、この基体２の表面に砥粒層５をメッキ形成して溝３が得られるようにしているが、これに限られるものではなく、砥粒層側にのみ溝を形成するようにしてもよい。
【００４２】
また、上述の実施例において、砥粒層５は無電解メッキ法により形成されているが、これに限られるものではなく、電解メッキ法により砥粒層を形成するようにしてもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、砥石ペレットの砥粒層の表面に溝が形成されているため、従来の砥石と比べて研削液や空気層の入り込む余地が多くなることから、この砥石ペレットを所定の面形状を有する台皿に設けることで、充分な砥石寿命が得られ、かつ充分な加工速度が得られる砥石を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる砥石ペレットおよびこの砥石ペレットを備えた砥石を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る砥石ペレットの断面図である。
【図３】光学素子を製造する過程を示す説明図である。
【図４】本発明に係る砥石ペレットの製作手順を示す説明図である。
【符号の説明】
１　砥石ペレット
２　基体（２ａ　溝部）
３　溝
４　砥粒
５　砥粒層
９　台皿
１０　砥石（１０ｃ　粗研削用砥石、１０ｄ　精研削用砥石）
【図１】
2004025329.tif 000004
【図２】
2004025329.tif 000005
【図３】
2004025329.tif 000006
【図４】
2004025329.tif 000007