(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子などの脆性材を砥石により研削する方法において、
アルミニウム、亜鉛、ニッケル、マグネシウム又は銅のいずれかをボンド材として有する砥石を用い、
前記砥石と前記脆性材との間に、シリカ粒子を含有し且つアルカリ液であるコロイダルシリカ液を介在させ、
前記コロイダルシリカ液中で界面電位二重層を形成する前記シリカ粒子と、前記ボンド材の金属イオンとを反応させてゲル化した生成物を、前記砥石の表面に付着させて、
前記脆性材を研削加工すると共に研磨加工することを特徴とする研削法。
【請求項２】
前記コロイダルシリカ液は、水溶性の研削液を含有していることを特徴とする請求項１に記載の研削法。
【請求項３】
前記コロイダルシリカ液は、金属イオンを含有していることを特徴とする請求項１または２に記載の研削法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズやプリズム等のガラスからなる光学素子などの脆性材の研削法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
脆性材であるガラス（光学ガラス）から、レンズやプリズムなどの光学素子を製造するために研削が行われる。この研削には、脆性材の表面に対して球面や平面形状を創成するための粗加工となるカーブジェネレーティング加工と、ダイヤモンドペレットなどによる共擦り（ラッピング）によるスムージング加工とがある。図５は『光学部品加工用語』（光学工業技術協会発行）に記載されているカーブジェネレーティング加工を示し、（ａ）は光学ガラス１０２から凸面形状を研削し、（ｂ）は光学ガラス１０２から凹面形状を研削する場合である。
【０００３】
光学ガラス１０２は被加工物ホルダ１０３に貼り付けられており、この光学ガラス１０２に対し所望の球面形状が創成できる角度αにカップ状のダイヤモンド砥石１０１を傾斜させて研削する。角度αは砥石ホルダ１０５の砥石軸１１０と被加工物ホルダ１０３のワーク軸１２０とのなす角度である。この角度αを保持させた状態で、砥石１０１および光学ガラス１０２の双方を回転させて創成を行うものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、被研削物を研削するための研削能率と得られる表面粗さ品質とは、相反する関係にあるため、研削能率を高めると、得られる表面粗さが低下し、逆に表面粗さを向上させると、研削能率が低下する。すなわち研削能率を向上させるためには、砥石が有する砥粒径を大きくして切り込み量を大きく確保する必要がある。しかし砥粒径が大きくなり、切り込み量が大きくなれば、得られる表面粗さが低下する。又、このように切り込み量が大きい場合、ガラスのような脆性材料では、破壊（割れ）が発生して材料の内部にまで亀裂であるクラックが進行するため、表面粗さがさらに低下する問題を有している。
【０００５】
そこで本発明は、高い研削能率を有する研削工具を用いながら、同時に高い表面粗さを得ることができる研削法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】
上記目的を達成するため、本発明の研削方法は、コロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子が有した界面電位二重層を利用し、砥石表面にシリカ粒子を吸着させて、脆性材である被加工物の表面に対して研削作用と同時に研磨作用を施すものである。
【０００７】
すなわち、請求項１の発明は、光学素子などの脆性材を砥石により研削する方法において、アルミニウム、亜鉛、ニッケル、マグネシウム又は銅のいずれかをボンド材として有する砥石を用い、前記砥石と前記脆性材との間に、シリカ粒子を含有し且つアルカリ液であるコロイダルシリカ液を介在させ、前記コロイダルシリカ液中で界面電位二重層を形成する前記シリカ粒子と、前記ボンド材の金属イオンとを反応させてゲル化した生成物を、前記砥石の表面に付着させて、前記脆性材を研削加工すると共に研磨加工することを特徴とする。
【０００８】
アルカリ液であるコロイダルシリカ液に含まれるシリカ超微粒子は、水酸基を吸着することによって負に帯電しており、極微弱な力ではあるが金属表面に吸着する。一方、アルカリ液中では、アルミニウム、亜鉛、銅、ニッケル、マグネシウムの金属は侵されることが知られている。このような金属をボンド材として利用している砥石を、アルカリ液であるコロイダルシリカ液の中で用いて脆性材の研削加工を行うと、アルカリ液により砥石のボンド材が浸食されてボンド材からプラスに帯電した金属イオンとして溶出する。この溶出によって水酸基を付着してマイナスに帯電しているシリカ超微粒子が、その砥石の表層で金属イオンと反応し、ゲル化した生成物（シリカゲル）が生じて砥石表面に付着する。
【０００９】
この状態が砥石の表層で発生するため、砥石が有するダイヤモンドやｃＢＮなどの砥粒による通常の研削加工にあわせて、表面に付着したシリカ超微粒子の研磨作用が加味され、水溶性研削液を用いた通常の研削加工以上の表面粗さを得ることができる。
【００１０】
また砥石表面にシリカ超微粒子が付着するため、砥石表面から突き出す砥粒の突き出し量が小さくなることから、砥石が有する砥粒の切り込み深さも小さくなり、より高い表面粗さを得ることができる。同時にゲル化した超微粒子の膜が、砥石と被研削物の界面に介在して、両者の加工に伴う振動を吸収する緩衝材の役割も果たすことから、高い表面粗さを得ることができる。このような作用に加えて、ゲル化した膜が介在しても、研削砥粒による研削が行われることに変わりがないため、研削能率が低下することはない。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記コロイダルシリカ液が、水溶性の研削液を含有していることを特徴とする。
【００１２】
この発明では、コロイダルシリカの液中に水溶性の研削液を混ぜていることから、砥石と被研削物との界面で活性化作用が作用し、研削により生じたスラッジの排出性が高まり、研削キズ（スクラッチ）の発生防止による表面粗さの向上を得られる。また研削液が有する潤滑作用によって研削抵抗力を軽減することもでき、研削加工による振動や発熱を抑えることができ、より高い表面粗さや形状の安定性を確保することができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記コロイダルシリカ液が、金属イオンを含有していることを特徴とする。
【００１４】
この発明では、コロイダルシリカの液中に金属イオンを含有させることにより、含有させた金属イオンとシリカ超微粒子とが付着し、金属イオンの電荷や量に応じた大きさを有するゲルが生成されて液中に介在する。このゲルは、液中では水酸基を更に付着しているため、徐々に軟化して液体状になって砥石表面に付着する。このようにコロイダルシリカの液中に、あらかじめ金属イオンを含有させることで、ある程度の大きさを有するゲルを生成しておき、該ゲルを砥石の表面に付着させることにより、より短時間での砥石の表面へのシリカ超微粒子の付着を促ることができるため、シリカ超微粒子の高い研磨能力を確保できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１及び図２（ａ）、（ｂ）、は本発明の実施の形態１であり、図２（ａ）はアルミボンド砥石にコロイダルシリカ液を用いて光学ガラスの研削加工を行ったときの表面粗さ計測結果を、（ｂ）にはアルミボンド砥石に既存の水溶性研削液を用いて研削加工を行ったときの表面粗さ計測結果を示す。
【００１８】
この実施の形態では、図１に示すように既存のカーブジェネレーター（以下、ＣＧ機）にアルミボンド砥石１を取り付け、水溶性研削液の代わりにコロイダルシリカ液２をノズル２ａから噴出して加工部位にかけながら、光学ガラス３を研削する。アルミボンド砥石１は、ダイヤモンド砥粒を、高純度のアルミニウムをボンド材として用いた砥石であり、この実施の形態では、新日産ダイヤモンド工業（株）で製造・販売されているアルミボンド砥石（＃６００、集中度１００）を用いた。
【００１９】
コロイダルシリカ液２は、シリカ純度が高く半導体の研磨等で用いられる日産化学工業（株）のスノーテックス３０（商品名、スノーテックスはシリカ超微粒子を３０重量％含むコロイダルシリカ液である。）を、純水で６重量％に希釈して用いた。このシリカ液２内のシリカ超微粒子はマイナスに帯電している。被研削物である脆性材としての光学ガラス３には、（株）オハラより製造・販売されているＦＰＬ５１（商品名）およびＢＳＬ７（商品名）の２種類を用いた。
【００２０】
また研削加工機は、既存のカーブジェネレータを用い、この実施の形態では、共立精機（株）のＫＣＧ−３型（商品名）を使用した。このカーブジェネレータの砥石ホルダ１ａにアルミボンド砥石１を装着し、光学ガラス３を被加工物ホルダ３ａに取り付けて、アルミボンド砥石１および光学ガラス３をそれぞれ回転しながら総切り込み量約１ｍｍの研削を行った。このときのアルミボンド砥石１の周速度は１０ｍ／秒、光学ガラス３の周速度は０．１ｍ／秒である。又、この研削では、ノズル２ａからコロイダルシリカ液２を供給した。
【００２１】
図２（ａ）および（ｂ）は、光学ガラス３としてＦＰＬ５１を用いた際の表面粗さの計測結果を示す。同じ研削条件で既存の水溶性の研削液を用いてアルミボンド砥石１による研削加工を行った場合の平均表面粗さＲａは、図２（ｂ）に示すように、０．３２０μｍであるのに対し、この実施の形態のアルミボンド砥石１にコロイダルシリカ液２を供給しながら研削を行った場合は、図２（ａ）で示すように、平均表面粗さＲａが約１／６に相当する０．０５２μｍまで向上した。他の光学ガラスにおいてもほぼ同様の傾向となった。
【００２２】
この理由を説明すると、マイナスに帯電したシリカ超微粒子を有するコロイダルシリカ液をアルミボンド砥石１に供給すると、シリカ超微粒子は極微弱な力ではあるが、アルミボンド砥石に吸着する。さらにコロイダルシリカ液２はアルカリ液であるため、アルミニウムは侵され、３価のアルミニウムイオンが溶出する。この溶出では、水酸基を付着してマイナスに帯電した状態で吸着してきたシリカ超微粒子が、その表層でアルミニウムイオンとさらに強力に吸着し、ゲル化して砥石の表面で付着が生じる。この状態が研削砥石の表層で発生するため、砥石が有するダイヤモンド砥粒による通常の研削加工に加えて、付着したシリカ超微粒子の研磨が作用し、水溶性研削液を用いた通常の研削加工以上の表面粗さを得ることができたものである。
【００２３】
従って、シリカ超微粒子を含まない通常の水溶性の研削液で加工を行った際の表面粗さに比べ、超微粒子の研磨作用が作用するため、より良好な表面粗さを得ることができる。また砥石表面にシリカ超微粒子が付着するため、砥石表面から突き出すダイヤモンド砥粒の突き出し量が小さくなる。このため、アルミボンド砥石自体が有する砥粒の切り込み深さも小さくなり、より高い表面粗さを得ることができる。
【００２４】
なお、この実施の形態では、アルミニウムボンド砥石１を用いたが、アルカリ液での溶出が発生する金属によるボンド材を用いた砥石であれば良く、亜鉛、銅、ニッケル、マグネシウムのいずれかを使用することができる。又、シリカ超微粒子の含有量が６重量％のコロイダルシリカ液２を用いたが、これに限定されるものではなく、３〜３０重量％の範囲内でその濃度を適宜、選択することができる。この場合の選択は、加工の作業性、ＣＧ機へのダメージ等の影響度を考慮して決定することができる。
【００２５】
このような実施の形態では、シリカ超微粒子の研磨作用を付加させて研削するため、より表面粗さの高い研削面を得ることができる。
【００２６】
（実施の形態２）
図３（ａ）、（ｂ）は本発明の実施の形態２であり、図３（ａ）は、この実施の形態の研削法で得られた表面粗さの計測結果、（ｂ）は研削加工中のアルミニウムボンド砥石１を回転させるモーターの電流値の増加分を示す。図３（ｂ）の特性図では、縦軸に研削加工しないとき（いわゆる空転時）の砥石側のモータ（砥石を回転させるモータ）の電流値を基準（０．００）として、各レンズを研削するときのモータの電流の増加分をプロットし、横軸にレンズの研削個数（光学ガラスに研削を施してレンズを３０個創成する場合のレンズの研削個数）をプロットしてある。この（ｂ）における特性曲線Ａはコロイダルシリカ液のみを用いた研削加工を、Ｂはコロイダルシリカ液と研削液とを混在させた時の研削加工を示す。
【００２７】
この実施の形態の特徴は、コロイダルシリカ液２の中に、わずかに水溶性の研削液を混在させた点である。すなわち、この実施の形態では、実施の形態１と同様な既存のカーブジェネレーター（ＧＣ機）に、アルミボンド砥石１を取り付けて研削するが、この研削加工中に供給するコロイダルシリカ液２の中に、わずかに水溶性の研削液を混ぜて用い、光学ガラス３を研削するものである。コロイダルシリカ液２としては、日産化学工業（株）のスノーテックス３０を純水で６重量％に希釈した液を用いた。
【００２８】
この実施の形態では、アルミボンド砥石１、コロイダルシリカ液２、光学ガラス３、カーブジェネレータは実施の形態１と同様とした。水溶性の研削液としては、（株）マブチ・エスアンドティーが販売しているグリーンカット（商品名）を用い、この研削液をコロイダルシリカ液２に１．５ｖｏｌ％の濃度で加えた。なお、コロイダルシリカ液２を水溶性研削液で６ｖｏｌ％以上に希釈すると、シリカ超微粒子による研磨作用の効果が得られ難く、水溶性研磨液のみを用いた研削加工時の表面粗さに近くなって、望ましい結果が得られなかった。
【００２９】
図３（ａ）に示すように、アルミボンド砥石１に水溶性の研削液を混ぜたコロイダルシリカ液２を供給しながら研削を行った場合は、図２（ｂ）で示したアルミボンド砥石に水溶性研削液のみを供給しながら研削を行った場合の０．３２０μｍに比べて、約１／８の高い表面粗さ精度である０．０４３μｍを確保していることが解る。またコロイダルシリカ液への水溶性研削液の混入により、図３（ｂ）で示すように、研削加工中の砥石を回転させるモータに流れる電流を、約１／３〜１／５程度にまで低減させることができる。
【００３０】
このような実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、付着したシリカ超微粒子の研磨作用が加味され、同時に微量であるが水溶性研削液を混ぜることにより、研削液が有する界面活性作用の効果が得られ、より良好な表面粗さを得ることができる。なお、コロイダルシリカ液自体（シリカ超微粒子を３０重量％含有するあるいは実施の形態１のように５倍に希釈したコロイダルシリカ液）だけでは、研磨材であるシリカ超微粒子を含むが、元来研削液としての作用を付与されたものではないので、研削されたガラスのスラッジ（削りカス）の排出や、被加工物と砥石との研削加工域での潤滑作用が極めて低いものである。
【００３１】
図３（ｂ）で示すように、３０個のレンズを連続的に得る研削加工中に、各レンズを得るたびにアルミボンド砥石１を回転させるモーターの電流値は、コロイダルシリカ液２にグリーンカット研削液を微量混在させた場合（特性曲線Ｂ）、コロイダルシリカ液２（特性曲線Ａ）のみで研削加工を行ったときの、約１／３〜１／５程度となる。これは研削加工域において、実施の形態１に比して本実施の形態では、微量であるが研削液を混在させているため、スラッジの排出や加工域での潤滑性が向上し、これにより研削加工中に伴う抵抗力が低下して、モーターに流れる電流値が低下したものである。
【００３２】
これにより、この実施の形態では、シリカ超微粒子の研磨作用による良好な表面粗さを得るとともに、水溶性研削液が有する界面活性作用により、研削で発生したスラッジの排出性が向上して、常に砥石が有するダイヤモンド砥石や、付着したシリカ超微粒子の研削・研磨作用を安定的に確保でき、高い表面粗さを得ることができる。従って、シリカ超微粒子による研磨作用と共に、研削液の界面活性作用とによって、より良好な表面粗さを得ることができる。
【００３３】
（実施の形態３）
この実施の形態では、実施の形態１のコロイダルシリカ液２の中に、微量の金属イオンを添加して含有させるものである。コロイダルシリカ液２に銅イオンを１ｖｏｌ％の濃度で混在させ、その液中にアルミボンド砥石を浸したところ、アルミボンド砥石のアルミ材の表面にコロイダルシリカ液に含有されるシリカ超微粒子が析出することが観察された。これは銅イオンを含むコロイダルシリカ液にアルミボンド砥石を浸すと、銅イオンがシリカ超微粒子表面に付着している水酸基と反応して、アルミボンド砥石の表面でゲル化した生成物が生じるためであり、ゲル化した生成物は、徐々に軟化して液体状になり、さらに水酸基を付着して、アルカリで溶出したアルミニウムイオンと結合し、これによりアルミボンド砥石表面にシリカ超微粒子の凝集体が付着するものである。
【００３４】
この実施の形態においても、実施の形態１と同じアルミボンド砥石１及び銅イオンを１ｖｏｌ％で混在させたコロイダルシリカ液を用い、光学ガラス３を研削したところ、その表面粗さは図４に示すように、Ｒａ０．０４８μｍとなり、既存の水溶性研削液を用いて研削加工を行った際の表面粗さＲａ０．３２０μｍより大幅に面粗さが向上した。
【００３５】
このような実施の形態によれば、コロイダルシリカ液２にわずかの銅イオンを含有させることで、シリカ超微粒子の析出速度を高めることができるものである。含有した銅イオンがシリカ超微粒子表面に付着している水酸基と反応して、ゲル化した生成物が生じ、さらにこのゲル化した生成物がアルカリで溶出したアルミニウムイオンとアルミボンド砥石１の表面で反応し、銅を析出させると共に、シリカ超微粒子をアルミボンド砥石表面に付着させるためである。
【００３６】
従って、銅イオンと、アルカリで溶出したアルミボンド砥石１の表層間で、還元反応による銅イオンの析出に伴う局部電池が形成され、アルミニウムボンドの溶出のみで得ていた電気エネルギーよりも、より高い電位を得ることができ、より早く、かつ強くシリカ超微粒子を付着成長させることができる。この銅イオンは、コロイダルシリカ液に１ｖｏｌ％未満（例えば、０．８ｖｏｌ％、０．４ｖｏｌ％）で添加しても砥石表面にシリカ超微粒子の析出速度を高めることができ、また、この砥石を用いて加工した場合には、既存の水溶性研削液を用いた研削加工による表面粗さよりも面粗さが向上する。なお、この実施の形態では金属イオンとして銅イオンを用いたが、カルシウムイオン、ナトリウムイオンでも同様な効果を有するものである。
【００３７】
この実施の形態では、シリカ超微粒子の強い付着力の確保と、早い成長速度を確保するために銅イオンなどの金属イオンを含有させたが、実施の形態２に示した水溶性の研削液も同時に含有させることにより、水溶性の研削液による界面活性作用を得ることができる。即ち、実施の形態２で述べたように、研削液が有する界面活性作用による研磨加工での加工作用力を向上する作用があることから、研削液を含有させることにより、シリカ超微粒子の析出速度が高まる上に、研削液による研削抵抗力の低減の作用が付加し、これにより被加工物の加工を迅速に行うことができるものである。
【００３８】
なお、この実施の形態では、コロイダルシリカ液２に銅イオンを混在させ、その液中にアルミボンド砥石を浸すことによりアルミボンド砥石のアルミ材を溶出させたが、これに限らず、銅イオン含有のコロイダルシリカ液中にアルミニウムブロック材を浸してブロック材からアルミニウムイオンを溶出させ、その後にこのコロイダルシリカ液中にアルミボンド砥石を浸してアルミボンド砥石表面にシリカ超微粒子の凝集体を付着させても良い。
【００３９】
このような実施の形態によれば、シリカ超微粒子のより強い付着と、早い成長とを行うことができ、効率の高い研磨作用を確保することができる。
【００４０】
なお、以上の各実施の形態では、コロイダルシリカ液を脆性材の表面に介在させる方法として、ノズルからコロイダルシリカ液を吹き付けているが、コロイダルシリカ液中に脆性材表面と砥石の加工面とを浸漬させることによりコロイダルシリカ液をこれらの間に介在させて研削を行ってもよい。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、シリカ超微粒子の研磨作用を付加させて研削するため、より表面粗さの高い研削面を得ることができる。
【００４２】
請求項２の発明によれば、シリカ超微粒子による研磨作用と共に、研削液の界面活性作用とによって、より良好な表面粗さを得ることができる。
【００４３】
請求項３の発明によれば、シリカ超微粒子のより強い付着と、早い成長とを行うことができ、効率の高い研磨作用を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】加工を行う装置の部分破断正面図である。
【図２】研削加工を行った場合の平均表面粗さの特性図であり、（ａ）は実施の形態１を、（ｂ）は既存の研削液の場合を示す。
【図３】（ａ）は実施の形態２によって研削加工を行った場合の平均表面粗さの特性図、（ｂ）は研削加工の際のモータの電流値の特性図である。
【図４】実施の形態４によって研削加工を行った場合の平均表面粗さの特性図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、従来の研削加工を示す正面図である。
【符号の説明】
１  アルミニウムボンド砥石
２  コロイダルシリカ液
３  光学ガラス
【図１】
0004197803.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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