(57)【要約】【課題】研磨具であって、加工面に対して化学的作用をもたらしたのちに機械的に水垢を除去することを目的とする。【解決手段】吸水性を持つ発泡弾性体領域及び砥粒を固定した研磨シート領域を含む研磨具であって、発泡弾性体領域は、研磨シート領域によって構成される研磨面から突出して配置され、研磨対象物を溶解あるいは軟化させる機能を持つ機能性物質を含むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸水性を持つ発泡弾性体領域及び砥粒を固定した研磨シート領域を含む研磨具であって、
前記発泡弾性体領域は、前記研磨シート領域によって構成される研磨面から突出して配置され、研磨対象物を溶解あるいは軟化させる機能を持つ機能性物質を含むことを特徴とする研磨具。
【請求項２】
前記砥粒は、
多数の一次粒子を含み、
前記一次粒子間に空隙が形成された状態に結合している多孔質体により構成されることを特徴とする請求項１に記載の研磨具。
【請求項３】
複数の前記発泡弾性体領域を含み、
前記機能性物質が水溶性の酸もしくは炭酸水素ナトリウムであり、
前記水溶性の酸及び前記炭酸水素ナトリウムをそれぞれ異なる前記発泡弾性体領域に含むことを特徴とする請求項１に記載の研磨具。
【請求項４】
前記発泡弾性体領域は、
前記機能性物質を含むことが出来る空隙が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の研磨具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、研磨用途（洗浄用途含む）に用いる、砥粒が研磨面に固定された研磨具に関する。
【背景技術】
【０００２】
浴室、洗面場等に設置されている鏡やガラス等の表面、調理用具、水道の蛇口、浴槽、流し台等には、水垢が堆積する。これらの中でも、鏡やガラス等の硬脆材料の表面の水垢は、水中から沈殿した炭酸カルシウムやケイ素が主成分であり非常に強固で除去しにくい。
【０００３】
水垢等の洗浄除去において、炭酸水素ナトリウム（重曹）とクエン酸の化学的作用により、水と反応して炭酸成分を発生させ、水垢の主成分の一つである炭酸カルシウムを溶解させる洗浄が行われている。しかし、厚さ０．１ｍｍを超えるほどに堆積し固化したウロコ状態の水垢に対しては、水垢の内部まで溶解させることが出来ず、水垢を完全に除去することが困難である。
【０００４】
これに対して、研磨具の基材上に機械的作用もしくは化学的作用を持つ２種類の砥粒を配置し、２種類の砥粒を加工物に対して同時に作用させる技術が開示されている（特許文献１）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された方法によれば、化学的作用を持つ砥粒と加工面との化学反応により、加工面と水垢の間に柔らかい水和層が発生する。そして機械的作用を持つ砥粒によりウロコ状の水垢の除去を行うことが出来る。しかし、研磨具が当たる箇所によっては、化学的作用を持つ砥粒と加工面との化学反応による水和層が発生しないまま機械的作用を持つ砥粒が当たるため、強い力を加えて研磨し続けなければ水垢を除去することができない。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、研磨具において、加工面を研磨する際に、加工面に対して化学的作用をもたらし続けることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、吸水性を持つ発泡弾性体領域及び砥粒を固定した研磨シート領域を含む研磨具であって、前記発泡弾性体領域は、前記研磨シート領域によって構成される研磨面から突出して配置され、研磨対象物を溶解あるいは軟化させる機能を持つ機能性物質を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、研磨具において、加工面を研磨する際に、加工面に対して化学的作用をもたらし続けることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る研磨具の研磨面を示す模式図。
【図２】砥粒の構造を示すモデル図。
【図３】本発明の第一実施形態における研磨時の断面図。
【図４】本発明の第一実施形態における水垢溶解の説明図。
【図５】本発明の第一実施形態における水垢除去の説明図。
【図６】本発明の第二実施形態に係る研磨具の断面を示す模式図。
【図７】本発明の第二実施形態に係る研磨具の機能付与物質供給時の説明図。
【図８】本発明の第三実施形態に係る研磨具の研磨面を示す模式図。
【図９】研磨具の研磨能力評価の結果を示す図。
【図１０】水垢が付着したガラス表面に研磨加工を行った結果を撮影した写真。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。まず、図１の研磨具１の研磨フィルム１０を示す模式図に基づいて、本発明に係る研磨具１の構造について説明する。
【００１１】
＜第一実施形態＞
研磨具１には、機能性物質としてクエン酸を含有させた発泡弾性体（以下、スポンジＡ）、機能性物質として炭酸水素ナトリウムを含有させた発泡弾性体（以下、スポンジＢ）、砥粒１１が研磨フィルム１０の研磨面に配置されている。そして、この研磨フィルム１０が基材３３に固定されている（図３参照）。
【００１２】
スポンジＡは、クエン酸水溶液に多孔質かつ弾性体である発泡弾性体を浸漬させ、クエン酸を発泡弾性体に含有させて作製する。クエン酸水溶液を発泡弾性体にシリンジ等で注入し、クエン酸を発泡弾性体に含有させて作製してもよい。このように、クエン酸を発泡弾性体に含有させることで、研磨具１を押圧してクエン酸を外部に放出できる発泡弾性体とすることが出来る。
【００１３】
スポンジＢも、スポンジＡと同様にして発泡弾性体に炭酸水素ナトリウムを含有させて作製する。
【００１４】
霧吹き等で水を付与し、研磨具１を研磨方向に往復動作させることで、スポンジＡからクエン酸が、スポンジＢから炭酸水素ナトリウムが夫々水に溶出する。そして、溶出したクエン酸と炭酸水素ナトリウムが反応し、二酸化炭素が発生する。このようにして発生させた炭酸ガスとクエン酸により、水垢の主成分である炭酸カルシウムが溶解あるいは軟質化する。
【００１５】
図２は、本発明に係る砥粒１１のモデル図を示したものである。図２に示すように本発明で用いる砥粒１１は、多数の一次粒子２０が、互いに空隙が形成された状態で部分的に結合している粒状の多孔質体により構成されている。
【００１６】
砥粒１１は、硬質な多孔質の無機材料であり、多数の一次粒子２０を既知のゾルゲル法やスプレードライヤ法を用いて凝集させて二次粒子を形成している。そして、この二次粒子を、一次粒子２０間の結合箇所が一次粒子２０を構成する物質の移動により太く不連続点のないなだらかな曲面、つまり１葉双曲面状（鼓状）にくびれたネック２１が形成される温度に制御し、加熱処理を行う。このようにすると、一次粒子２０間に空隙が形成された状態で結合している多孔質の二次粒子を得ることが出来る。
【００１７】
砥粒１１は、空隙を持った粒状の多孔質であるため、研磨ないし洗浄に用いると徐々に摩耗する。したがって、研磨を行う加工面に接触する砥粒１１の外表面のみならず、砥粒１１内部の夫々の一次粒子２０が欠けることで夫々切刃として機能する。このような構成により、研磨具１においては一粒の砥粒１１であっても実質的に多数の砥粒１１であるように機能するので、高速での研磨ないし洗浄が可能である。
【００１８】
一次粒子２０の原材料として、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化セリウム（ＣｅＯ２）、シリカ（ＳｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化チタン（ＴｉＯ２）またはそれらの混合物を用いることが出来る。これらの化合物は、いずれも硬度が大きいため、これらの化合物から構成された砥粒１１を用いることで、高い研磨効果ないし洗浄効果を得ることが出来る。
【００１９】
本発明に係る砥粒１１は、バインダ（結合剤）を介することなく一次粒子２０が結合されて構成される。したがって、研磨の際にバインダが砥粒１１内部に詰まることがなく、研磨速度と洗浄速度を維持することが可能である。このような効果は、特に一次粒子２０の数平均粒径（メディアン径Ｄ５０）が、５μｍ以下であると高くなる。このような平均粒径範囲であると、加工面への傷やスクラッチの発生防止効果も得られるため、本発明に係る一次粒子２０の数平均粒径は５μｍ以下が好ましい。
【００２０】
また、砥粒１１の数平均粒径は、小さすぎると研磨効率及び研磨に使用可能な寿命の低下を招き、大きすぎると加工面に傷を生じる。従って、本発明で用いる砥粒１１は１０μｍ以上３００μｍ以下程度の数平均粒径が好ましく、高速でかつ優れた研磨加工を行うためには４０μｍ以上１００μｍ以下程度の数平均粒径がさらに好ましい。
【００２１】
さらに、砥粒１１の摩耗により、高い研磨効果及び加工面に対し傷の発生防止効果を両立して得るために、砥粒１１の圧縮破壊強度が１ＭＰａ以上５００ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００２２】
本発明においては、砥粒１１がバインダ（砥粒１１を固定する結合剤、不図示）によって研磨フィルム１０に固定されている。従って、砥粒１１が固定された箇所の研磨フィルム１０は、研磨シートに相当する機能を持つ領域である。
【００２３】
図３は、本発明の第一実施形態に係る研磨具１を示した断面構造図である。図３に示すように、研磨具１において、スポンジＡ及びスポンジＢは、研磨フィルム１０に配置されている砥粒１１よりも高さｄだけ突出した構造である。このような位置関係により、２００〜４００ｇｆの弱い力で研磨フィルム１０を加工物３１に対し押圧し、弾性体領域（スポンジＡ、スポンジＢ）のみを加工物３１に当接させることができる。また、水を含ませることで、化学式（１）に示す化学反応を発生させることが出来る。
【００２４】
【化１】
2017019063.tif 000003
【００２５】
化学式（１）に示す化学反応が加工物３１の加工面で発生することにより、二酸化炭素が発生する。この時発生した二酸化炭素は、加工物３１の加工面の水へ溶解する。
【００２６】
水垢３２が硬い状態もしくは水垢３２が厚く堆積している場合には、砥粒１１を接触させず、スポンジＡ及びスポンジＢで構成される弾性体領域のみを加工物３１に当接させる。このように、弾性体領域のみを加工物３１に当接させることで、砥粒１１の磨滅や脱粒を抑制し、研磨具１の寿命をさらに延長させることが出来る。
【００２７】
水垢３２の堆積やスポンジＡ、スポンジＢの材質の硬さに応じて高さｄは変更可能であるが、５〜１０ｍｍとすることで好ましい研磨性能を得ることが出来る。
【００２８】
次に、図４及び図５を参照して、研磨具１を使用して加工物３１の研磨を行う場合の態様について説明する。図４は、研磨具１の弾性体領域のみが水垢３２に当接していることを示す断面図である。
【００２９】
加工物３１に対して霧吹き等で水を添加しながら研磨を開始する場合、まず、図４のように、水垢３２に対して、クエン酸を含有させたスポンジＡ及び炭酸水素ナトリウムを含有させたスポンジＢを接触させる。このようにすると、スポンジＡからはクエン酸４１が、スポンジＢからは炭酸水素ナトリウム４２が夫々水に溶解する。クエン酸４１、炭酸水素ナトリウム４２、水により化学式（１）の化学反応が発生し、この時生成した炭酸水が水垢３２に対して化学式（２）に示すように作用する。
【００３０】
【化２】
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【００３１】
化学式（２）に示すように、水垢３２の主成分である炭酸カルシウムは、炭酸水と反応して、炭酸水素カルシウムとなる。したがって、スポンジＡ及びスポンジＢを加工物３１に当接させることにより、水垢３２を溶解させることが出来る。この時、図５に示すように、研磨具１の垂直方向に圧力をかけることで、弾性体領域が圧縮され、砥粒１１が水垢３２に接触する。さらに、研磨方向に動かし、研磨作用５１を及ぼすことで、砥粒１１によって機械的に水垢３２を除去することが出来る（図１０（ｅ）参照）。
【００３２】
＜第二実施形態＞
研磨加工を進めるにつれて、スポンジＡに含有されるクエン酸の量及びスポンジＢに含有される炭酸水素ナトリウムの量は減少する。従って、水垢３２を溶解させ軟化させる作用も弱まることになる。このような化学的作用の低下を、弾性体領域の外部からクエン酸、炭酸水素ナトリウムを供給することで防止することができる。以下、図６及び図７を参照して、第二実施形態に係る研磨具１の構造及び研磨時の態様について説明する。
【００３３】
図６に示すように、スポンジＡは機能性物質６３（クエン酸）を内包するための空隙６１を、スポンジＢは機能性物質６４（炭酸水素ナトリウム）を内包するための空隙６２を含む。弾性体領域がこのような構造である場合、研磨加工時に、機能性物質６３（クエン酸）をシリンジ７１で空隙６１に、機能性物質６４（炭酸水素ナトリウム）をシリンジ７２で空隙６２に夫々供給することが出来る。このようにすることで、研磨具１を用いて加工物３１を研磨する場合に水垢３２を溶解、軟化させる効果を維持させることが出来る。
【００３４】
＜第三実施形態＞
図８に示すように、クエン酸を含有するスポンジＡのみを研磨フィルム１０に配置した研磨具１であっても、水垢３２の付着した加工物３１の研磨に用いることができる。図８に示すような研磨具１を用いて水垢３２を除去した場合、第一実施形態の研磨具１と比較すると研磨性能は低下するものの、水垢３２を除去することが可能である。また、炭酸水素ナトリウムを含有するスポンジＢのみを研磨フィルム１０の研磨面に配置した研磨具１であっても、同様である。
【００３５】
＜研磨能力評価＞
図９は、第一実施形態及び第二実施形態における研磨具１と、従来の研磨用具を数種類使用して、研磨加工能力を夫々評価したものをまとめた表である。まず、水垢３２が付着したガラスを準備し、単軸一方向に自動動作するロボシリンダにスポンジを接着させ、夫々の研磨フィルムをスポンジに固定して往復動作させ、研磨加工を行った。
【００３６】
研磨加工後におけるガラスの水垢除去状態を目視判断することで研磨能力を評価する研磨評価機により評価を実施した。この時の評価条件として、ロボシリンダ速度：１００ｍｍ／秒、研磨方向：往復、研磨フィルム押付圧力：３６ｋＰａ、研磨フィルムサンプル：５０ｍｍ×５０ｍｍ、研磨回数：５回、１０回、２０回とし、研磨加工前に、水垢付着ガラスに霧吹きで水を噴霧した。
【００３７】
以下、図９及び図１０を参照して、研磨能力評価の結果について説明する。図１０（ａ）は、水垢３２が付着した研磨加工前のガラスの表面写真である。本発明の第一実施形態の研磨具１を用いて研磨加工を行ったガラスの表面写真が図１０（ｂ）である。図９に示す通り、少ない研磨回数で水垢の除去が可能であり、研磨加工後のガラス表面には、傷やスクラッチは発生しなかった。
【００３８】
従来例ａでは、本発明と同じ砥粒と同じ材質の砥粒を使用し研磨加工を行った。図１０（ｃ）は、従来例ａを用いて研磨加工を行ったガラスの表面写真である。従来例ａを用いての研磨加工後のガラスの表面には、傷やスクラッチは発生しなかったものの、水垢３２の除去能力が小さく、図９に示す通り、第一実施形態の研磨具１の１．５倍の研磨回数にて水垢３２を除去することが出来た。
【００３９】
従来例ｂでは、市販されているダイヤモンドの粉末砥粒を用いた水垢除去商品を使用し研磨加工を行った。図１０（ｄ）は、従来例ｂを用いて研磨加工を行ったガラスの表面写真である。図９及び図１０（ｄ）に示す通り、従来例ｂを用いての研磨加工後のガラスの表面には、水垢３２は除去されたものの、傷やスクラッチが多数発生した。
【００４０】
従来例ｃでは、水垢３２を溶解軟化させることのできるクエン酸を含有したスポンジを用いて研磨加工を行った。図１０（ｅ）は、従来例ｃを用いて研磨加工を行ったガラスの表面写真である。図９及び図１０（ｅ）に示す通り、従来例ｃを用いての研磨加工後のガラスの表面には、傷やスクラッチは発生しなかったものの、スポンジで擦る程度の機械的作用では水垢３２の除去がほとんどできなかった。
【００４１】
従来例ｄは、化学的作用をもたらす砥粒と凝集砥粒とを組み合わせた水垢除去工具を用いて研磨加工を行った（特開２００５−２９７１６５号公報参照）。図９に示す通り、従来例ｄを用いての研磨加工後のガラスには、傷やスクラッチは発生しなかったものの、水垢３２の除去能力については、ばらつきがみられた。
【００４２】
このように、本発明の第一実施形態の研磨具１の水垢除去能力が優れ、研磨傷及びスクラッチが発生しにくいという結果が得られた。
【００４３】
次に、研磨加工を進行させる上での研磨具１の耐久性を確認するために、水垢３２の付着しているガラスの場所を変更して研磨加工を行った。
【００４４】
第一実施形態の研磨具１は、１０か所地度研磨を行った後に研磨能力の低下が確認された。そこで、第二実施形態に示すように、研磨具１の弾性体領域の外部から、クエン酸や炭酸水素ナトリウムを供給することにより、研磨能力が改善し、さらに１０か所程度研磨加工を行うことが出来た。
【００４５】
以上説明したように、本発明に係る研磨具１は、吸水性を持つスポンジ等の発泡弾性体領域と、砥粒１１を固定した研磨シート領域を含み、研磨具１の非押圧時において発泡弾性体領域のみが研磨対象物に当接するように配置されている。さらに、発泡弾性体領域の内部に機能性物質を含有させることにより、砥粒１１による機械的除去が行われる前に化学的作用により研磨対象物を溶解・軟化させる。そして、研磨具１を研磨対象物に押圧し、砥粒１１によって機械的に研磨を行う。このように構成することにより、研磨具１においては、加工面に対して化学的作用をもたらし続けながら機械的に水垢を除去するため、研磨能力に優れ、傷やスクラッチが発生しにくい研磨加工を行うことが出来る。
【００４６】
上記実施形態は、本発明の実施形態の例を記載したものに過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の技術的範囲を逸脱しない範囲で様々な実施形態が有り得る。例えば、発泡弾性体領域に含有させる酸として、酢酸等の水溶性の酸を用いることが出来る。
【００４７】
また、発泡弾性体領域は、複数含む構成であってもよい。このような場合、夫々の発泡弾性体にクエン酸もしくは炭酸水素ナトリウムを含有させることにより、同様の研磨加工を行うことが出来る。
【００４８】
さらに、砥粒の凝集具合（圧縮破壊強度）を制御することにより、加工物の材質に応じて、加工物に傷やスクラッチを生じることなく研磨加工を行うことが出来る。砥粒が軟質であれば、金属研磨及びポリカーボネート等のプラスチック材料の洗浄研磨に好適であるし、砥粒が硬質であれば、光学ガラス等工業用硬脆材料の研磨に好適である。
【符号の説明】
【００４９】
１  研磨具
１０  研磨フィルム
１１  砥粒
２０  一次粒子
２１  ネック
３１  加工物
３２  水垢
３３  基材
４１  クエン酸
４２  炭酸水素ナトリウム
５１  研磨作用
６１  空隙（スポンジＡ）
６２  空隙（スポンジＢ）
６３  機能性物質（スポンジＡ）
６４  機能性物質（スポンジＢ）
７１  シリンジ（スポンジＡ）
７２  シリンジ（スポンジＢ）
Ａ  スポンジＡ
Ｂ  スポンジＢ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５０】
【特許文献１】特開２００５−２９７１６５号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2017019063.tif 000009
【図６】
2017019063.tif 000010
【図７】
2017019063.tif 000011
【図８】
2017019063.tif 000012
【図９】
2017019063.tif 000013
【図１０】
2017019063.tif 000014