(57)【要約】【課題】  熟練した技能者を必要とすることなく、少ない加工工数で、切削条痕等に起因する虹目の発生を防止して滑らかな鏡面を得る。【解決手段】  超音波洗浄槽２に、研磨材３ａを含む研磨材溶液３を貯留して超音波発生器４から超音波４ａを印加し、この研磨材溶液３の内部にワーク１を浸漬して超音波４ａのエネルギーによるキャビテーション５ａにて研磨材３ａを活性化してワーク１の研磨面９の研磨を行う。微細なナノメータレベルの微細な研磨材３ａを用いることで研磨面９を損傷することなく、切削条痕等を効果的に除去して、切削条痕に起因する虹目（虹色の干渉光）等の欠陥を防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
研磨材を含む溶液中に被加工物を浸漬し、前記溶液に超音波を印加することで前記被加工物の研磨を行うことを特徴とする研磨加工方法。
【請求項２】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記溶液中におけるキャビテーションの発生位置を通過するように、前記被加工物に対して、回転変位および直線変位の少なくとも一方を与えることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項３】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記超音波の周波数を変化させることで、前記溶液内におけるキャビテーションの発生位置を、前記溶液に浸漬された前記被加工物に対して相対的に変化させることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項４】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記溶液の圧を変化させることで、前記溶液内におけるキャビテーションの発生位置を、前記溶液に浸漬された前記被加工物に対して相対的に変化させることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項５】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、微細な砥粒が凝集したクラスタ粒子を含むことを特徴とする研磨加工方法。
【請求項６】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、数１０ナノメートル以下のダイヤモンド、アルミナ、酸化セリウム、ジルコニア、又は酸化けい素等の砥粒が、数１００ナノメートル以下の大きさで凝集したクラスタ粒子であることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項７】
請求項１記載の研磨加工方法において、
前記被加工物はプラスチック成形用金型であることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項８】
プラスチック成形用金型の切削加工後の研磨加工方法であって、超音波洗浄槽内を、研磨材を均一に分散させた溶液で満たし、前記超音波洗浄槽に２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波振動を与え、ワークを超音波洗浄槽内に浸漬させるとともに、前記超音波洗浄槽内でキャビテーションが発生する領域で、前記ワークの研磨対象部位がほぼ同じ時間だけ滞留するような変位を当該ワークに与えることを特徴とする研磨加工方法。
【請求項９】
請求項８記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、数１０ナノメートル以下のダイヤモンド、アルミナ、酸化セリウム、ジルコニア、又は酸化けい素等の砥粒が数１００ナノメートル以下の大きさで凝集したクラスタ粒子であることを特徴とする研磨加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨加工技術に関し、例えば、切削加工されたプラスチック成形用金型等の被加工物の外観品質を向上させるための研磨加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、プラスチックレンズの成形においては、成形用金型の光学鏡面に、超精密切削が可能なＮｉとＰからなる無電解ニッケルメッキの層を形成し、このメッキ層をダイヤモンドバイトによる切削によって鏡面加工することが一般的であり、特許文献１においても一般的な技術として述べられている。
【０００３】
上述の加工方法において、刃先輪郭精度の良いダイヤモンドバイトを用い、切り込み量を数マイクロメートル、送り速度を数ミリメートル毎分の条件で加工を行うことで、粗さＲａが数ナノメートルの光学鏡面を得ることができる。
【０００４】
しかるに、図４および図５に示したように、上述のダイヤモンドバイトを用いる加工方法で加工されたワーク１０１の加工面には、ダイヤモンドバイト等の切削工具によって創成される規則的な切削条痕１０２が存在しており、この加工面に白色光が入射すると、反射光は光の干渉により虹色を呈する干渉光となる。この干渉光は虹目と呼ばれる欠陥である。
【０００５】
また、成形金型の切削条痕１０２は、成形時に製品である光学素子にも転写され、この光学素子の表面にも虹目が出現する。
この干渉光（虹目）は、光学素子の用途によっては製品機能上問題になることがあるため、このような場合には、成形金型の切削加工後に研磨加工を行って、切削条痕１０２を除去する必要がある。
【０００６】
しかし、切削条痕１０２を除去するための研磨加工には、超精密切削加工で創成した形状を維持しつつ、光学鏡面に研磨キズを付けないようにすることが求められるため、熟練した技能作業者による手作業によりなされており、歩留まりが悪い、加工工数が大きく部品がコスト高になる、手作業による加工のため品質がばらつく、加工作業者が技能者に限られる等の技術的課題を抱えている。
【０００７】
なお、上述の特許文献１は、母材上にＮｉとＰからなる無電解ニッケルメッキの加工層を形成し、このメッキ層をダイヤモンドバイトによる切削によって鏡面加工した後に熱処理を行うことで、高温のガラス成形における面形状精度および表面粗さの向上を実現しようとするものであり、依然として上述のような技術的課題を有することに変わりはない。
【特許文献１】特開平１１−１５７８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、熟練した技能者を必要とすることなく、少ない加工工数で、低コストで、切削条痕等に起因する虹目の発生を防止して滑らかな鏡面を得ることが可能な研磨加工技術を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、高歩留りで、安定した品質の被加工物を得ることが可能な研磨加工技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、被加工物を損傷することなく、また、被加工物の本来の形状を損なうことなく、切削条痕等に起因する虹目の発生を防止して滑らかな鏡面を得ることが可能な研磨加工技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の観点は、研磨材を含む溶液中に被加工物を浸漬し、前記溶液に超音波を印加することで前記被加工物の研磨を行う研磨加工方法を提供する。
本発明の第２の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記溶液中におけるキャビテーションの発生位置を通過するように、前記被加工物に対して、回転変位および直線変位の少なくとも一方を与える研磨加工方法を提供する。
【００１１】
本発明の第３の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記超音波の周波数を変化させることで、前記溶液内におけるキャビテーションの発生位置を、前記溶液に浸漬された前記被加工物に対して相対的に変化させる研磨加工方法を提供する。
【００１２】
本発明の第４の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記溶液の圧を変化させることで、前記溶液内におけるキャビテーションの発生位置を、前記溶液に浸漬された前記被加工物に対して相対的に変化させる研磨加工方法を提供する。
【００１３】
本発明の第５の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、微細な砥粒が凝集したクラスタ粒子を含む研磨加工方法を提供する。
本発明の第６の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、数１０ナノメートル以下のダイヤモンド、アルミナ、酸化セリウム、ジルコニア、又は酸化けい素等の砥粒が、数１００ナノメートル以下の大きさで凝集したクラスタ粒子である研磨加工方法を提供する。
【００１４】
本発明の第７の観点は、第１の観点記載の研磨加工方法において、
前記被加工物はプラスチック成形用金型である研磨加工方法を提供する。
本発明の第８の観点は、プラスチック成形用金型の切削加工後の研磨加工方法であって、超音波洗浄槽内を、研磨材を均一に分散させた溶液で満たし、前記超音波洗浄槽に２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波振動を与え、ワークを超音波洗浄槽内に浸漬させるとともに、前記超音波洗浄槽内でキャビテーションが発生する領域で、前記ワークの研磨対象部位がほぼ同じ時間だけ滞留するような変位を当該ワークに与える研磨加工方法を提供する。
【００１５】
本発明の第９の観点は、第８の観点記載の研磨加工方法において、
前記研磨材は、数１０ナノメートル以下のダイヤモンド、アルミナ、酸化セリウム、ジルコニア、又は酸化けい素等の砥粒が数１００ナノメートル以下の大きさで凝集したクラスタ粒子である研磨加工方法を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、熟練した技能者を必要とすることなく、少ない加工工数で、低コストで切削条痕等に起因する虹目の発生を防止して滑らかな鏡面を得ることが可能となる。
また、高歩留りで、安定した品質の被加工物を得ることが可能となる。
【００１７】
また、被加工物を損傷することなく、また、被加工物の本来の形状を損なうことなく、切削条痕等に起因する虹目の発生を防止して滑らかな鏡面を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨装置の構成の一例を示す概念図であり、図２および図３は、本実施の形態の研磨加工方法の作用の一例を示す断面図である。
【００１９】
本実施の形態の研磨装置Ｍは、超音波洗浄槽２、研磨材溶液３、超音波発生器４、制御部１０、保持機構２０を含んでいる。
超音波洗浄槽２は、研磨材溶液３を貯留するとともに、その底部には超音波発生器４が設けられている。そして、この超音波発生器４から上向きに研磨材溶液３に対して超音波４ａのエネルギーが印加される。
【００２０】
超音波発生器４は制御部１０によって動作が制御され、たとえば発振する超音波４ａの波長や強度等が制御可能になっている。
保持機構２０は、超音波洗浄槽２の上部に配置されており、ワーク１を保持して、超音波洗浄槽２の内部に貯留された研磨材溶液３に浸漬する動作を行う。この場合、保持機構２０は、鉛直方向を軸とする回転変位（回転運動Ｒ）、および超音波洗浄槽２の内部を昇降する直線変位（上下運動Ｖ）等の任意の三次元的な変位をワーク１に与えることが可能となっている。
【００２１】
また、この保持機構２０によるワーク１の保持動作や変位は、制御部１０によって制御される。従って、必要に応じて、本実施の形態の後述の研磨動作は、自動化することが可能である。
【００２２】
すなわち、制御部１０により、超音波発生器４における超音波４ａの発振のＯＮ／ＯＦＦのタイミングや発振波長等の制御と、保持機構２０によるワーク１の研磨材溶液３に対する浸漬、ワーク１の変位等の制御を連動させることが可能である。
【００２３】
ワーク１は、たとえば、成形用金型からなり、研磨対象となる成形面（研磨面９）には、切削加工が施されることによって切削条痕６が存在している。ワーク１は、たとえば、樹脂成形による光学素子の製造に用いられるプラスチック成形用金型である。
【００２４】
切削加工が施されたワーク１を浸漬させる超音波洗浄槽２内には研磨材３ａが均一に分散された研磨材溶液３が満たされている。ここでは一例として、直径が数１０ナノメートル以下のダイヤモンド粒子８が数１００ナノメートル以下の大きさ（凝集したときの最大の直径）で弱い結合力で凝集しているダイヤモンドクラスタ７を研磨材３ａとして用いるものとして説明する。
【００２５】
なお、研磨材３ａとしては、ダイヤモンド以外に、直径が数１０ナノメートル以下のアルミナ、酸化セリウム、ジルコニア、又は酸化けい素等の砥粒が数１００ナノメートル以下の大きさ（凝集したときの最大の直径）で凝集したクラスタ粒子を用いることもできる。
【００２６】
ここで、研磨材３ａの粒子の直径が数１０ナノメートルを超える場合、ワーク１の表面に、光学品質上、問題となる傷が付くことがあるため好ましくない。
また、砥粒が凝集したクラスタ粒子の最大の直径が数１００ナノメートルを超える場合も、クラスタ粒子がワーク１の表面に衝突する際の運動エネルギーが大きくなり、ワーク１の表面に、光学品質上、問題となる傷が付くことがあるため好ましくない。
【００２７】
以上のような構成の本実施の形態の研磨装置Ｍの作用を図１、図２及び図３を用いて説明する。
研磨材溶液３で満たされた超音波洗浄槽２の底部に設けられている超音波発生器４により２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの超音波振動を研磨材溶液３に与えると、超音波４ａのエネルギーによって研磨材溶液３中に圧力の高低差が発生する。
【００２８】
上述した超音波発生器４の周波数は、標準的な数値であり、この範囲を下回る場合、超音波による加工能力が低くなるといった問題があり、また、この範囲を超える場合、装置が大がかりになるといった問題がある。
【００２９】
圧力の低い部分は気化して小さな気泡５が発生する。この気泡５は短時間で研磨材溶液３による圧で潰れて崩壊し、この際にエネルギーの高い衝撃波を発生させる。これらの現象や発生した気泡のことをキャビテーションと呼ぶが、ここでは特に気泡５の破壊現象をキャビテーション５ａと定義して説明する。
【００３０】
ワーク１を超音波洗浄槽２に浸漬させると、図２に例示されるように、キャビテーション５ａの発生する位置（超音波洗浄槽２の底面からの高さＨ）のワーク１の表面では、数１００ナノメートル以下の大きさで結合した数１０ナノメートル以下のダイヤモンドクラスタ７が、キャビテーション５ａの衝撃波によって爆発的に崩壊し、図３のように、ばらばらになって四方八方に飛散する。この中でも特にワーク１の表面に沿って飛散したダイヤモンド粒子８は研磨面９に存在する切削条痕６の凸部分を優先的に除去して行くため、切削条痕６は消失する。
【００３１】
このように、超音波４ａのエネルギーによって研磨材３ａを活性化し、キャビテーション効果と、結合したダイヤモンドクラスタ７の破壊エネルギーによって、単一のダイヤモンド粒子８を用いた場合よりも効率的にワーク１の表面の切削条痕６を除去し、滑らかな研磨面９を形成する。また、各々のダイヤモンド粒子８は数１０ナノメートル以下と小さいため、ワーク１の表面に傷を付けることはない。
【００３２】
一方、超音波洗浄槽２の底面から超音波４ａの１／２波長間隔の位置でキャビテーション５ａがよく発生することが知られているが、この位置でワーク１の研磨加工範囲内（この場合、研磨面９）のあらゆる点が同じ時間だけ滞留するように、ワーク１に等速の上下運動Ｖを与えるとともに、１０ｒｐｍ〜５００ｒｐｍの回転運動Ｒを与える。これによって、ワーク１の全面、特に研磨面９が均等に研磨加工される。
【００３３】
以上の本実施の形態の研磨加工方法によれば、ワーク１の表面（研磨面９）に傷を付けることなく、切削条痕６を除去して虹目（干渉光）等の欠陥を無くすとともに、研磨面９として滑らかな鏡面を得ることができる。
【００３４】
また、ワーク１の全面を均等に研磨加工することができるため、切削条痕６以外の、切削加工によって創成した研磨面９の本来の形状を損なうことがない。この結果、高品質のワーク１を高い歩留りにて得ることができる。
【００３５】
さらに、本実施の形態による上述の研磨加工は、制御部１０により、超音波発生器４および簡易な保持機構２０を連動させるように制御することで、ワーク１の研磨を自動で行うことができる。
【００３６】
すなわち、従来必要とされていた熟練した技能者による手磨きによる作業と比較して、品質及び良品率が向上し、加工工数が大幅に削減でき、技能を持たない作業者でも容易にワーク１の研磨加工を行うことが可能となり、ワーク１の製造コストを低減できる。
【００３７】
この結果、たとえば、ワーク１が光学素子の樹脂成形金型の場合、低コストで、虹目等の欠陥のない高品質な光学素子を提供することができる。
すなわち、本実施の形態によれば、熟練した技能者を必要とすることなく、少ない加工工数で、ワーク１における切削条痕６等に起因する虹目の発生を防止して研磨面９に滑らかな鏡面を得ることが可能となる。
【００３８】
また、ワーク１の研磨面９を損傷することなく、また、ワーク１の研磨面９の本来の形状を損なうことなく、研磨面９に存在する切削条痕６等に起因する虹目の発生を防止して、研磨面９に滑らかな鏡面を得ることが可能となる。
【００３９】
上述の説明では、ワーク１に対して回転運動Ｒや上下運動Ｖを与えることで、キャビテーション５ａに対してワーク１の研磨面９を均一に通過させる場合を例示したが、ワーク１を研磨材溶液３内で静止させ、キャビテーション５ａの位置（高さＨ）を相対的に変化させるようにしてもよい。
【００４０】
すなわち、上述のように、キャビテーション５ａは、超音波４ａの１／２波長間隔の位置に形成されるため、制御部１０によって超音波４ａの波長を変化させることで、キャビテーション５ａの位置（高さＨ）を変化させることができる。
【００４１】
さらに、超音波４ａの周波数が一定の場合、研磨材溶液３の圧（すなわち、超音波４ａの研磨材溶液３における伝播速度）を変化させることで、超音波４ａの波長を変化させ、キャビテーション５ａの位置を変化させることもできる。
【００４２】
この場合、超音波洗浄槽２を密閉構造として、内部に研磨材溶液３を満たし、図示しない与圧機構にて研磨材溶液３を与圧することで研磨材溶液３の圧を変化させることが可能である。当然、与圧機構は制御部１０にて制御される。
【００４３】
なお、本発明は、上述の実施の形態に例示した構成に限らず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
たとえば、研磨材３ａとしては、上述の実施の形態に例示したものに限定されない。また、研磨装置Ｍの構成も種々変更可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施の形態である研磨加工方法を実施する研磨装置の構成の一例を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施の形態である研磨加工方法の作用の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態である研磨加工方法の作用の一例を示す断面図である。
【図４】本発明の参考技術におけるワークの切削条痕を示す平面図である。
【図５】本発明の参考技術におけるワークの切削条痕を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  ワーク
２  超音波洗浄槽
３  研磨材溶液
３ａ  研磨材
４  超音波発生器
４ａ  超音波
５  気泡
５ａ  キャビテーション
６  切削条痕
７  ダイヤモンドクラスタ
８  ダイヤモンド粒子
９  研磨面
１０  制御部
２０  保持機構
１０１  ワーク
１０２  切削条痕
Ｍ  研磨装置
Ｒ  回転運動
Ｖ  上下運動
【図１】
2007098537.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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