(57)【要約】      （修正有）【課題】アルミニウムと珪素とを含有する研削砥石を用いてコロイダルシリカ液を供給しながら被研削物を良好な表面粗さに加工できる研削砥石とその製造方法を提供する。【解決手段】砥粒を結合する結合材中に主としてアルミニウムと珪素とを有しており、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で１５％未満とする。アルミニウムの含有量が多いため、反対の電気特性のコロイダルシリカが砥石に多く付着し、被研削物を良好な表面粗さに加工することができる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
砥粒を結合する結合材中に主としてアルミニウムと珪素とを有しており、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で１５％未満であることを特徴とする研削砥石。
【請求項２】
砥粒と、アルミニウム粉体と、珪素粉体との混合粉を焼結することにより形成されていることを特徴とする請求項１記載の研削砥石。
【請求項３】
砥粒とアルミニウム粉体と珪素粉体とを混合する工程と、混合された粉体をプレス成形する工程と、成形された成形物を加圧しながら焼結する工程とを有することを特徴とする研削砥石の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、脆性材料であるガラスからなるレンズやプリズムなどの光学素子の研削等に用いる研削砥石及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レンズやプリズム等の光学素子を研削する従来の方法として、砥粒を結合する結合材にアルミニウムと珪素とを含有する研削工具（研削砥石）を用い、研削時にコロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うことが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この従来の研削方法は、研削砥石中のアルミニウム表層がプラスに帯電するのに対し、マイナスに帯電したシリカ超微粒子を吸着させて、ゲル化したシリカ超微粒子の膜を研削工具に付着した状態とするものである。そして研削砥石が有するダイヤモンド砥粒で研削加工を行うと共に、吸着したシリカ粒子が研磨作用を発揮するため、鏡面研磨を同時に行うことが可能となっている。用いる研削砥石としては、アルミニウムだけでは素材の展延性が高く砥石構造を確保できないため、砥石としての強度及び耐磨耗性を確保するために延性の低い珪素を含有させている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１５０６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように研削と研磨とを同時に行う従来の加工方法は、研削砥石に用いたアルミニウムと加工中に供給するコロイダルシリカ液のゼータ電位を利用している。しかしながら、用いられている研削砥石は砥粒を結合する結合材中に重量比が３５〜１５％の高い割合で珪素を含有しているため、以下の問題点を有している。
【０００６】
上述のような珪素の高い含有量では、研削加工力に伴う結合材の弾性変形量が小さくなり、被研削物に与えるダイヤモンド砥粒の切り込み深さが大きくなるため、被研削物の表面粗さが悪化する。そして、このようにダイヤモンド砥粒による切り込み深さが増大して表面粗さが悪化することにより、砥石に付着するシリカ微粒子による研磨加工によっても被研削物表面を鏡面とすることが困難となる。すなわちダイヤモンド砥粒による研削面の粗さが悪い場合には、シリカ微粒子による研磨作用が付加しても、初期粗さが悪いために高い鏡面性を得ることが難しくなるものである。
【０００７】
特に、珪素の含有量が多いことは、相対的にアルミニウムの含有量が低下することになるため、砥石表面電位であるゼータ電位のプラスを呈する領域が狭くなり、シリカ微粒子の付着性が低下して研磨作用が小さくなる。すなわちコロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を発揮するアルミニウムの領域が狭くなるため、アルミニウムへ付着するマイナス電位を有するシリカ粒子が減るために研磨作用が小さくなる。このようなことから、上述の従来の方法では、Ｒａ０．０４３μｍでの粗さ確保レベルに留まっている。この程度のレベルは、既存のラッピング加工で得る研磨工程前に近いレベルの性能に留まるものとなる。従って、これ以上の小さな表面粗さを必要とする場合には、さらに研磨工程を必要とする問題を有している。
【０００８】
これに加えて、多品種少量生産では小さな表面粗さを求められることが多いことから、このような更なる研磨工程の追加は少量生産における生産コスト上、不利となる問題も有している。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、アルミニウムと珪素とを含有する研削砥石を用い、コロイダルシリカ液を供給しながら研削する加工において、被研削物を良好な表面粗さに加工することが可能な研削砥石を提供することを目的とする。また、本発明は、この研削砥石を良好に製造することが可能な製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１の発明の研削砥石は、砥粒を結合する結合材中に主としてアルミニウムと珪素とを有しており、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で１５％未満であることを特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明では、結合材中の珪素の含有量が重量比で１５％未満であることにより、コロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を発揮するアルミニウムの領域が広くなり、アルミニウムへ付着するマイナス電位を有するシリカ粒子が増えて研磨作用が大きくなる。また、珪素含有によりアルミニウムの展延性が抑えられて研削加工力に伴う結合材の弾性変形が有効に作用するため、被研削物への砥粒の切り込み深さを少なくすることができ、豊富なシリカ粒子の研磨作用により良好な表面粗さを得ることができる。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１記載の研削砥石であって、砥粒とアルミニウム粉体と珪素紛体との混合粉を焼結することにより形成されていることを特徴とする。
【００１３】
焼結することによって結合する粉体はアルミニウム同士であり、このアルミニウムの粉体自体も接触している部分のみの溶着により結合している状態となっている。砥粒及び珪素はこのようにして結合したアルミニウムの間に挟まれるように散在している。このため、研削砥石の磨耗に伴い砥粒が脱落し、容易に新しい砥粒を出現させることができる。これにより、優れた研削効率を得ることができる。また、粉体であるため被研削物に合わせた混合比の調整が容易であり、多種少量生産への対応が容易となる。
【００１４】
請求項３の発明の研削砥石の製造方法は、砥粒とアルミニウム粉体と珪素粉体とを混合する工程と、混合された粉体をプレス成形する工程と、成形された成形物を加圧しながら焼結する工程とを有することを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明では、焼結する際に圧力を加えることによって、アルミニウム粉体が相互に強力に接触すると共に、アルミニウム粉体の外周を覆う酸化皮膜に対し熱に加えて物理的外力も加わるため、酸化皮膜が溶け易くなり、その分加熱温度を下げることができる。これにより、砥粒への熱影響を減らすことができ、良好な研削砥石を作製することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の研削砥石は、ダイヤモンド砥粒等の砥粒を結合する結合材としてアルミニウム及び珪素を含有する組成とするものである。また、研削砥石による被研削物の研削の際には、コロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うものである。本発明において、砥粒を保持する結合材としてアルミニウム粉末と珪素粉末とを混合させたものを原材料として用いるが、この場合、アルミニウムと珪素との合計重量に対し結合材中の珪素の含有量が重量比で１５％未満になるように両者を混合することにより、アルミニウムが有している展延性を活かしたまま、砥石として活用できる構造・強度の特性を発揮させることができる。珪素の含有量は、研削砥石の使用目的に応じて、１５％未満の任意の値に適宜調整することができる。
【００１７】
この実施の形態における研削砥石は、砥粒にダイヤモンドＳＤ＃６００を集中度１００で配合し、これを支える結合材として、市販のアルミニウム粉体と高純度珪素粉体（珪素以外の不純物１００ｐｐｍ以下）を用いた。このアルミニウム粉体は、アルミニウム以外に、若干の珪素（ｘ重量％）と微量の金属不純物（ｙ重量％）を含有している。
【００１８】
本発明者は、結合材中のアルミニウムと珪素の重量比が、９９．８５：０．１５、９９．５：０．５、９５：５、９０：１０、８５：１５、８０：２０となるように、上記両粉体を混合した６種類の混合粉体を作製し、実際の研削加工による性能評価を行った。
【００１９】
混合するアルミニウム粉体の重量をＡ、珪素粉体の重量をＢとすると、結合材中のアルミニウムの重量は（１００−ｘ−ｙ）Ａ／１００、珪素の重量はＢ＋ｘＡ／１００となる。従って、アルミニウムと珪素の重量比が例えば９５：５である結合材を得るには、（１００−ｘ−ｙ）Ａ／１００：Ｂ＋ｘＡ／１００＝９５：５となるようにＡおよびＢを選んで混合粉体を作製する。但し、ｘおよびｙの値は極めて小さいため、現実にはＡ：Ｂ＝９５：５として混合粉体を作製しても何ら差し支えない。なお、本実施の形態で用いたアルミニウム粉体には０．１５重量％の珪素が含有されているため、アルミニウムと珪素の重量比が９９．８５：０．１５の結合材を得るのには、珪素粉体は用いずアルミニウム粉体のみを用いた。
【００２０】
粉体の配合にあっては、粉体状態のまま重量比で配合・混合することにより、アルミニウムに珪素を溶融して製造する合金とは異なる粉体状態での混合粉を用いた。混合粉体を用いた理由は、容易に配合比を調整できるのに加えて、被研削物の表面粗さを向上させることが主目的であり、合金化して結合材の強度をより向上させる必要性がないためである。
【００２１】
上述した６種類の混合粉からなる研削砥石の製作にあっては、アルミニウムと珪素を各重量配分で計量・混合し、さらにＳＤ＃６００のダイヤモンド砥粒が集中度１００になるように混合した上で、所望の形状を得るための金型に充填して成形を行った。成形は、プレス機によっ常温下で圧縮成形（コールドプレス）した材料を、水素還元雰囲気中で粉体の酸化を防止しながら加熱焼結することにより行った。水素還元雰囲気中での加熱焼結中には、アルミニウムや珪素表面の酸化被膜によって粉体間での原子の拡散が阻害されないようにするため、焼結中にも圧力を加えるホットプレスを用いた。これにより粉体に塑性変形を加えることも可能であり、これにより粉体表層にある酸化被膜を破壊しながら焼結を進行させることができる。焼結温度は約４５０〜５５０℃の範囲で設定を行い、約０．７〜１．５ｔ／ｃｍ２の圧力を加えて焼結して成形した。
【００２２】
次に、以上のような条件及び手順で作製した研削砥石の性能を評価するために、実際に市販されている光学ガラス素材ｓ−ＢＳＬ７の球面研削加工を行い、得られた表面粗さと形状をフォームタリサーフ（テーラーホブソン（株）製）で計測した。表面粗さは、作製した研削砥石にコロイダルシリカ液を供給しながら加工を行うことで、研磨加工面に近い表面粗さを得られるか否かの評価とし、形状計測は研削砥石の耐磨耗性を評価する判断基準とした。
【００２３】
研削砥石の耐磨耗性を評価するためには、砥石が減耗した量を計測することが望ましいが、砥石表面の凹凸が激しく、寸法計測が困難であり、さらには研削砥石は多刃による加工であることから計測点とすべき加工作用点を特定しにくいため、実際の被研削物の形状変化で代用したものである。この場合、被研削物の形状変化が小さい場合には、それを研削形成した砥石の減耗量も小さいことが推定でき、砥石の耐磨耗性が高いことが充分に推察できるものである。
【００２４】
実際の加工にあっては、６種類の砥石をそれぞれ用いて、直径（φ）１４ｍｍの市販の光学ガラス素材ｓ−ＢＳＬ７に対して曲率半径約１５ｍｍでの球面創成を行った。被研削物については１種の砥石で連続して１００個研削を行った。被研削物の１個目と１００個目で得られた球面形状の曲率半径寸法差を曲率半径の変化量として求め、研削砥石の耐摩耗性評価の代用値とした。
【００２５】
球面研削加工は、既存の球面創成機（カーブジェネレータ；ＣＧ機）を用い、研削砥石の回転数を１０，０００ｒｐｍ、被研削物の回転数を１０ｒｐｍ、研削時の加工切り込み速度を０．５ｍｍ／分、スパークアウト時間を約１０秒とし、研削加工時に加工領域に対して平均粒径１５ｎｍのコロイダルシリカ液（商品名「スノーテックス３０」、日産化学工業（株）製）を純水で６％希釈した液を供給しながら行った。
【００２６】
図１に評価の結果を示す。図１は上述の６種の研削砥石を用いて研削加工を行った結果であり、横軸は６種類の砥石をアルミニウムと珪素の配合比で示し、左縦軸及び実線からなる特性曲線Ｔでは被研削物である光学ガラス素材ｓ−ＢＳＬ７で得られた平均表面粗さＲａ値を、右縦軸及び破線からなる特性曲線Ｓでは、被研削物の１個目と１００個目の曲率半径寸法差となる変化量を示してある。グラフ中の横軸で右方向ほど砥石結合材中の珪素含有量が多くなっており、最も左側の配合比９９．８５：０．１５が、市販のアルミニウム粉体をそのまま用いた研削砥石の性能を示し、最も右側の配合比８０：２０が珪素を２０％と最大に含有させた研削砥石を示している。
【００２７】
図１のグラフ変化から、珪素含有量が増加するのに従って得られる表面粗さＲａ（特性曲線Ｔで示す。）が大きくなり、逆に被研削物の形状変化量（特性曲線Ｓで示す。）は小さくなっていることがわかる。特に珪素を混合することなく市販の紛体をそのまま用いた砥石（アルミニウム９９．８５重量％、珪素０．１５重量％）では、表面粗さＲａが０．０２μｍ以下で最も小さくなり、高い境面性を発揮している。しかしながら、この砥石は、逆に被研削物の形状変化量は１３０μｍ以上で最大となり、耐磨耗性が乏しいことが判る。同様に珪素の含有量が２０重量％となる砥石においては、被研削物の形状変化量が５０μｍ強と小さくなり、砥石の耐磨耗性が高くなっているが、表面粗さＲａが０．０５μｍの非常に大きな値となっており、従来技術で示した研削砥石と同様に耐摩耗性を得ることができる反面、境面性の低下が著しくなっている。特に、珪素含有量を２０重量％とした研削砥石においては、特性曲線Ｓで示すように、被研削物の曲率半径変化量が１５％重量含有の砥石に比べてそれほど向上していないのに対して、得られる表面粗さＲａは大きく増大している。
【００２８】
以上の現象は、結合材の主成分であるアルミニウムに延性が低い珪素が混合されることにより粒子間での結合材強度が高まり、これに支えられるダイヤモンド砥粒等の砥粒が強固に保持され、これにより被研削物への切り込み量が増大して、研削面粗さが増大するためである。すなわち、延性の高いアルミニウム粒子の間に延性の低い珪素が介在することにより、アルミニウムが有する展延性を確保しながらも珪素がその延性を抑えるように作用し、研削砥石としての強度を保つことができるものである。このため砥粒がアルミニウムだけの結合材によって保持されている砥石よりも砥粒が強固に保持され、これにより、研削力により砥粒が結合材に潜り込む弾性変形が抑えられ、その分、切り込み深さが増大して表面粗さが増大する。特に、この実施の形態では、アルミニウムと珪素との混合粉体としたため、これらの効果を両粉体の配合比によって容易に調整することが可能となっている。さらにホットプレスによる焼結を行うことにより、焼結温度に加えて粒子間に高い圧力が加わるため、粉体間の酸化被膜破壊による粒子拡散が助長されて砥石の強度の変化が顕著に現れている。このように砥石の結合材の強度が高まりダイヤモンドの切り込み量が増大して研削面粗さが増大することにより、シリカ粒子の研磨作用で被研削物の研削面を鏡面化することも困難となる。
【００２９】
また珪素含有量が増大すると、砥石の表層でのアルミニウムが占有する表面積が小さくなるため、コロイダルシリカ液中でその表面電位であるゼータ電位がプラスとなる領域が減少する。これにより、コロイダルシリカ液中のシリカ粒子が付着する領域が小さくなり、シリカ粒子による研磨作用も低下する。ここでのアルミニウムとは、砥石の表層で観察される酸化膜を有するアルミニウム粒子であり、表面が空気中の酸素などと結合して酸化膜を形成しているアルミニウム粒子を示している。酸化したアルミニウム粒子は、コロイダルシリカ液中でプラスのゼータ電位を呈するため、マイナス電位を呈するシリカ粒子（酸化珪素の微粒子）の付着作用とこれに伴う研磨作用を発揮させるためには、できる限りアルミニウムの含有量を増すことが必要となる。アルミニウムと共に混合した珪素粉体は、酸化して酸化珪素として表層に介在する。この酸化珪素はコロイダルシリカ液中のシリカ粒子と同様にマイナスの表面電位を形成するため、シリカ粒子の付着を阻害して、シリカ粒子の研磨作用を低下させる。しかしながらアルミニウムの含有量が多くなると、上述したように結合材の展延性が高くなって砥石としての強度を確保できないことから、被研削物の形状維持性（耐久性）が低下する。このため、ある程度の珪素を含有させることが望ましい。
【００３０】
以上より図１に示す結果が得られ、研削砥石の使い方に応じてアルミニウムと珪素の含有量を調整することが望ましいことが判る。例えば、デジタルカメラや光通信素子など大量生産が必須となるレンズ製造においては、ＣＧ工程での鏡面性に加え、むしろ生産コストの観点から研削砥石の耐磨耗性（耐久性）が重要になるため、図１に示すように高い割合で珪素を含有させることが望ましい。一方、顕微鏡や医療用素子、宇宙開発用光学素子など特殊で高精度かつ極少量での製造が必要な場合は、ＣＧ工程での研削砥石の耐久性よりも最終工程となる研磨加工を容易にし、かつ専用治工具などを必要とする中間工程を省き、高い鏡面性を得られることが要求されることから、図１で示す珪素をほとんど含有しない砥石を用いることが望ましい。
【００３１】
この実施の形態では、研削砥石の結合材としてアルミニウム粉体と珪素粉体との混合粉体を用いているため、それぞれの粉体を入手し、使用目的に応じた粉体の混合調整を行うことによって目的の材料製造が容易となる。さらに、両粉体の焼結時での粒子間結合を有効に作用させるためのホットプレスを用いることにより、さらに高い効果を得ることができる。
【００３２】
以上の両粉体の混合に限らず、上述したように市販されているアルミニウム粉体のみを用いても、微量な珪素を含有した砥石を製作することが可能である。この場合には、耐久性は劣るが用途に応じた利用を行うことにより充分に活用することができる。また、光学ガラスを研削加工するために、砥粒としてダイヤモンドを用いているが、被研削物が金属材料の場合には、ｃ−ＢＮ（キュービック・ボロンナイトライド）を砥粒として用いても良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の研削砥石によれば、被研削物に対して良好な表面粗さを得ることができ、しかも要求される表面粗さ及び耐久性に柔軟に対応した特性とすることができる。
【００３４】
本発明の研削砥石の製造方法によれば、焼結の加熱温度を下げることができ、砥粒への熱影響を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における研削砥石の特性図である。
【図１】
2004283972.tif 000002