軟質材料の表面加工を行うラッピング装置及びラッピング加工方法
【課題】軟質材料からなる工作物に対して、簡素な構成で高精度かつ高加工能率で研磨加工を可能とするラッピング工具を備えたラッピング装置及びその加工方法を提供する。
【解決手段】ラッピング装置２は、端子部１１を備えたラッピング工具１と、テーブル２３上に設けられかつラップ剤４を貯留して該ラップ剤中に工作物３を浸漬させるための加工槽２４などを有する。工作物３には軟質材料が用いられ、端子部１１には、熱可塑性樹脂からなる端子本体１２と、端子本体を加熱するための加熱手段１３と、が設けられる。加熱手段の加熱量を制御して端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有する。最適温度は、工作物３の硬度と端子本体表面１２ａの硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されている。
【解決手段】ラッピング装置２は、端子部１１を備えたラッピング工具１と、テーブル２３上に設けられかつラップ剤４を貯留して該ラップ剤中に工作物３を浸漬させるための加工槽２４などを有する。工作物３には軟質材料が用いられ、端子部１１には、熱可塑性樹脂からなる端子本体１２と、端子本体を加熱するための加熱手段１３と、が設けられる。加熱手段の加熱量を制御して端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有する。最適温度は、工作物３の硬度と端子本体表面１２ａの硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラップ端子と工作物とを相対移動させてラップ剤中の砥粒によって表面加工を行うラッピング装置及びその加工方法に関するものであり、詳しくは、軟質材料からなる工作物を均一な鏡面に加工可能なラップ端子を含んだラッピング装置及びその加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック等の軟質材料が多く用いられている光学製品は、一般に、精密仕上げを要する製品である。こうした軟質材料を研磨加工する場合、軟質材料からなる工作物と比べた研磨工具端子の硬度比が大きくなり、砥粒の粒径や形状のバラツキが工作物への砥粒の食込み深さに強く影響し、スクラッチなどの加工欠陥が生じやすいことが問題とされている。
【０００３】
こうした軟質材料の加工欠損の問題に対し、従来、粒径と、形状のバラツキとを小さくした砥粒を使用させて対処することがなされていたが、従来の対処方法は、高硬度材料等への通常の研磨加工に比べて生産性が低くかつ加工コストが高いこと、及び熟練した職人のみがなせる技（加工法）であること、が指摘されている。
【０００４】
一方、本発明者らは、特許文献１及び２に示すように、在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工を可能とするラッピング工具を既に提案している。しかしながら、既に提案の加工技術は、高硬度材料からなる工作物への研磨加工を対象にしており、軟質材料からなる工作物への加工に対してそのまま適用し得るものではなかった。
【０００５】
より詳細には、特許文献１には、ラッピング工具として、工具の外側表面にゴムなどの保護被膜が施されたものが例示され、工作物として超硬金型の加工凹部が例示されている（特許文献１の段落「００２３」と段落「００１７」とを参照）。一方、特許文献２には、ラッピング工具として、ポリアミド系樹脂やポリプロピレン樹脂などの合成樹脂製の工具が例示され、工作物として超硬合金Ｖ１０（ＪＩＳ表記）製の平面形状物が例示されている（特許文献２の段落「００３０」と段落「００４２」とを参照）。
【０００６】
例えば、特許文献１に開示されたゴム等のエラストマーで被膜されたラッピング工具を軟質材料への研磨加工に適用しようとすると、工具周囲の遊離砥粒を工具表面に適度に保持できないことを本発明者らは既に確認している。一方、特許文献２に開示された合成樹脂製のラッピング工具を同様に適用すると、工具と工作物とが共に軟質材料が使用されることになり、工具と工作物との硬度比がほぼ１となる。つまり、軟質材料製の工作物に対して適用する工具が硬過ぎることになってしまい、この方法でも上記の加工欠損が生じてしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０５４９０４号公報
【特許文献２】特開２００９−０７２８７５号公報
【特許文献３】特開２００４−０４２２１７号公報
【特許文献４】特開平１０−１９３２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、以上のような従来技術における問題点や欠点を改善し、軟質材料からなる工作物に対して、簡素な構成で高精度かつ高加工能率で研磨加工を可能とするラッピング工具を備えたラッピング装置及びその加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、（１）合成樹脂の温度依存性に着目し、合成樹脂製の工具端子を備えた研磨工具を用意し、これを加熱すれば合成樹脂が軟化すること、及び、（２）その加熱量つまり工作物に接する工具端子の温度を制御すれば、工作物に適合した硬度比を有したラッピング工具を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
例えば、本発明の一実施態様は以下に示すものである。
端子部と前記端子部を弾性的に支持する弾性支持部とを備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルとを相対的に移動させる送り機構と、前記テーブル上に設けられかつラップ剤を貯留して該ラップ剤中に前記工作物を浸漬させるための加工槽と、を有したラッピング装置であって、
前記工作物には、軟質材料が用いられ、
前記端子部には、熱可塑性樹脂からなる端子本体と、前記端子本体を加熱するための加熱手段と、が設けられ、
前記加熱手段の加熱量を制御して前記端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有し、
前記最適温度は、前記工作物の硬度と前記端子本体の硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されていることを特徴とするラッピング装置。
【発明の効果】
【００１１】
以上の構成の本発明によれば、本発明者らが既に提案していたラッピング装置では加工できなかった軟質材料からなる工作物に対して、通常の超硬合金製の工作物と同様の加工条件で高品位かつ高能率の鏡面研磨加工を施すことが可能になる。
【００１２】
具体的には、本発明では、ラッピング工具に設置された加熱手段により端子及びその表面を加熱して、工作物の硬度に比較して所望の硬度（硬度比）が得られるまで軟化させることで、砥粒の寸法・形状のバラツキが加工中の工作物への切り込み深さに与える影響を緩和し、従来問題となっていた加工欠損の発生を大幅に抑制することが可能になる。さらに、従来のように粒径と形状のバラツキとを小さくした砥粒のみを使用する必要は無く、より広範な範囲の寸法を有する砥粒をラップ剤に含めることが可能になる
【００１３】
なお、特許文献３には、研磨加工時に研磨工具をそのガラス転移温度以下に冷却等する技術が開示されているが、その明細書の段落「０００８」に開示されるように、固定砥粒のバインダである樹脂の軟化を防止する目的で研磨工具の温度調節を行うものであり、軟質材料に対して高精度な研磨加工を行うことを目的とする本発明とその目的を異にするものであり、かつ、本発明の作用効果を奏するものではない。
【００１４】
また、特許文献４には、研磨加工の際に２０℃〜７０℃の温度領域で研磨用工具を加温する技術が開示されているが、その明細書の段落「００１４」に開示されるように、工作物の被研磨面の形状を転写させる目的で研磨工具の温度調節を行うものであり、特許文献３と同様に、本発明とその目的を異にするものであり、かつ、本発明の作用効果を奏するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のラッピング工具の構成を一部断面で示した正面図である。
【図２】本発明のラッピング装置の構成を示した図である。
【図３】ヒータから端子表面までの距離と端子表面温度との関係を示した図である。
【図４】代表的な熱可塑性樹脂における硬度と温度との関係を示した図である。
【図５】端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係を示した図である。（端子の材質と工作物の材質とを変化させた場合）
【図６】端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係を示した図である。（同一の端子を熱軟化させてその硬度を変化させた場合）
【図７】本発明のラッピング加工を施した際の表面粗さの経時変化を示した図である。
【図８】本発明の端子本体表面での砥粒の取り込み数を示した図である。
【図９】本発明のラッピング加工方法の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。
【実施例】
【００１７】
（ラッピング工具の構成）
図１は、本発明のラッピング工具１の構成を一部断面で示す正面図である。本発明のラッピング工具１は、軟質材料からなる工作物３（図２参照）に対して加工欠陥の無く鏡面研磨加工（本明細書では「ラッピング加工」とも呼ぶ。）を可能にする構造を有している。ここで、軟質材料とは、硬度（例えば、ビッカース硬度）が比較的低い材料のことをいい、より好適には、１００以下の範囲のビッカース硬さを有した材料である。本発明の軟質材料として、例えば、プラスチック、アルミニウム、黄銅、鉛などが挙げられる。なお、本発明においては、軟質材料の硬度と、後述する熱可塑性樹脂の硬度と、に対して、単一のスケールで両者を比較できる理由から、ビッカース硬度を用いることが好ましい。
【００１８】
ラッピング工具１は、その先端部分に相当する端子部１１に熱可塑性樹脂製の端子本体１２（本明細書中、「端子」とも呼ぶ。）を備えている。ここで、熱可塑性樹脂として、例えば、ポリアミド系樹脂（いわゆるナイロン）、アクリル系樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン等のポリスチレン系樹脂などが挙げられる。図示の端子本体１２は、略立方体形状を成しているが、必ずしもこれに限定されず、円筒形や球形を成しても良い。なお、後述する端子表面１２ａを熱軟化させるための温度制御の容易さの点では、略立方体形状の形状は好ましい。
【００１９】
また、端子本体１２の上側には、端子本体１２を加熱するための加熱手段（本実施例では、ヒータ）１３が設けられており、端子本体１２及びヒータ１３の外周には、これらの要素１２，１３を包囲してこれらの要素１２，１３の温度を所望の温度に一定に保つための断熱材１４が設けられている。
【００２０】
所望の温度に一定に保持されているか否かは、端子本体１２とヒータ１３との間に設置された温度計測手段（例えば、熱電対）１５によってヒータ１３の表面１３ａの温度を測定することによって判断される。熱電対１５は図示しない温度制御装置に接続され、熱電対１５で取得された温度情報が逐次、処理・蓄積される。
【００２１】
以上のように、端子本体１２とヒータ１３と断熱材１４とがラッピング工具１の端子部１１を形成する。ラッピング工具１は、好ましくは、端子部１１の上方に設けられかつコイルばね１６を含んだ弾性支持部１７と、ラッピング工具１をラッピング装置２（図２参照）の構成要素である主軸２１に接続する取付部１８と、をさらに備える。ここで、弾性支持部１７は、本発明のラッピング装置２によるラッピング工具１の加工中の位置決め誤差が工作物３への研磨圧力に与える影響を低減する役目を果たす。
【００２２】
なお、端子本体表面１２ａでの温度と、熱電対１５を載置した場所（例えば、ヒータ表面１３ａ）での温度とは、温度差が生じてしまい、端子本体表面１２ａでの温度が正確に測定出来ない場合が予測される。しかしながら、この温度差は、例えば、初期条件及び環境条件のパラメータに実測値及び仮定値を付与した有限要素法による数値解析によって見積もることが可能である。この数値解析結果の一例を図３に示す。
【００２３】
図３は、ヒータ表面１３ａから端子本体表面１２ａまでの距離（つまり端子厚さ）を横軸にとり、端子本体表面温度（解析値）を縦軸にとり、これらの関係を示した図である。ここで、ヒータ表面１３ａの温度は、８０℃、１００℃、１２０℃、又は１４０℃のいずれかから選ばれた一定温度とし、端子本体表面１２ａとラップ剤４との対流による熱伝達率は２００Ｗ／ｍ２Ｋと仮定して、定常状態の熱解析を行った結果である。この図３より、端子厚さが増大するに従い、ヒータ表面１３ａと端子本体表面１２ａとの温度差は増大する傾向があることが分かる。また、ヒータ温度を高めに設定してもヒータ表面１３ａと端子本体表面１２ａとの温度差は増大する傾向があることが分かる。
【００２４】
このように、本発明の加工方法に、端子周囲の環境条件を実際の状況に合うように適切に仮定した熱流体数値解析を導入すれば、熱電対１５を実際の加工に供される端子本体表面１２ａの至近距離に設置せずとも、端子本体表面温度を適切に取得することが可能となることが分かった。
【００２５】
（ラッピング装置の構成）
図２は、本発明のラッピング装置２の構成を示す図である。ラッピング装置２は、在来の工作機械を利用することができ、図示のような立形の工作機械（例えば、マシニングセンタやフライス盤）の主軸２１にラッピング工具１を取り付けることにより、本発明のラッピング装置２とすることができる。そのため、専用のラッピング装置を設置する必要がなく、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加という問題を避けることができる。その結果として、製品の加工・製造コストを低減することができる。
【００２６】
ベッド２２の上面には、工作物３を載置固定するためのテーブル２３が設置されている。テーブル２３はＺ軸方向に直交する水平面上のＸ，Ｙ軸方向に移動可能に設けられている。また、テーブル２３をＸ，Ｙ軸方向に移動させるためのＸ軸送り機構およびＹ軸送り機構が設けられているが、ここでは図示を省略している。Ｘ軸送り機構およびＹ軸送り機構もボールねじ機構と送りモータとからなるものでよい。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交し直交座標系をなすものである。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各送り機構により、ラッピング工具１と工作物３とは、直交３軸方向に相対移動が可能となっており、三次元の任意曲面形状の加工が可能である。
【００２７】
テーブル２３上に固定された工作物３の周囲を包囲するように加工槽２４が設置されている。加工槽２４とテーブル２３との接続部はシール等により水密に保たれ、ラップ剤４が漏れ出ないようにされている。加工槽２４の内部にラップ剤４を貯留して、工作物３が完全にラップ剤４中に浸漬されるようにする。加工槽２４の上面は開放されており、加工の妨げとなることはない。なお、在来の工作機械を利用する場合には、加工槽２４は簡単に取り外し可能な構造とすることが好ましい。
【００２８】
（ラップ剤）
本発明のラップ剤４には、水に水飴と砥粒（例えば、ダイアモンド砥粒やアルミナ砥粒）とを添加した混合液や、水に水溶性ポリマーと砥粒とを添加した混合液を使用することが可能である。なお、後者のラップ剤４を使用することにより、長時間均一に砥粒を浮遊させることができるため、長時間の加工時間を要するラッピング加工を行う場合には非常に有効である。
【００２９】
ここで、水溶性ポリマーとして、砥粒の均一浮遊化の観点から、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）やポリアクリルアミド（ＰＡＡ）が好ましいが、必ずしもこれに限定されず、高分子の網状化によりラップ剤４の粘弾性力を増加させる材料であればよい。例えば、親水性の高い、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸カリウム等のアクリル酸金属塩が挙げられる。なお、ＰＥＯ、ＰＡＡは、ともに人体には無害であり環境負荷も無いことから排水処理施設や化粧品などの分野にわたって使用されているポリマーである。
【００３０】
また、後者のラップ剤４にさらに低級アルコール類を添加してもよく、これにより、ラップ剤４が蒸発してその気化熱冷却効果を発揮し、工作物３等の発熱を効果的に除去することができる。
【００３１】
（熱可塑性樹脂における硬度の温度依存性）
図４に代表的な熱可塑性樹脂における硬度と温度との関係を示す。図４では、熱可塑性樹脂がエポキシ樹脂、ナイロン、及びポリプロピレン樹脂（ＰＰ）のいずれの樹脂でも、樹脂の温度が上昇するに従い、そのビッカース硬度が低下していく傾向を示している。従って、図１に示すラッピング工具１のように、端子本体１２に熱可塑性樹脂を採用し、端子本体１２に隣接したヒータ１３を設置し、このヒータ１３の通電及びその出力調整を行うことにより、端子本体１２を加熱及び温度制御することによって、端子本体１２（特に、その外側表面１２ａ）を、工作物３の硬度に比べて所望の硬度まで軟化させることが可能になる。
【００３２】
（端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係）
図５に、端子本体１２と工作物３との硬度比と加工限界粗さＲｚとの関係を示す。なお、硬度比を変化させるために、端子本体１２を構成する材料と工作物３を構成する材料との組合せを種々用意してみた。ここで、図中の黒色四角形で示した４つのプロットは、工作物３に軟質材料であるアクリルを採用し、かつ、端子本体１２に夫々、アクリル、ナイロン、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）を採用して、実際に加工した際の加工限界粗さＲｚである。一方、図中の複数の白抜き丸印で示したプロットは、工作物３に夫々、超硬合金（Ｖ１０）、ステンレス（ＳＵＳ３０４）、黄銅（Ｂｒａｓｓ）を採用し、かつ、端子本体１２にポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を採用して、実際に加工した際の加工限界粗さＲｚである。
【００３３】
図５から、工作物３と端子本体１２とのビッカース硬度比が増大すると、これに比例して加工限界粗さＲｚも増大してしまうことが分かる。特に硬度比が０．４より大きくなると、加工限界粗さＲｚも０．３より大きくなってしまう。これは、粒径や形状にバラツキのある砥粒が端子本体表面１２ａに十分食い込みにくくなり、工作物表面にスクラッチが発生するからであると考えられる。別言すれば、より高硬度の端子本体１２においては粒径の大きな砥粒が端子表面１２ａに十分に深く食い込まないため、局所的に出っ張り、工作物３への切り込み深さに悪影響を与えていると考えられる。
【００３４】
図６も、端子本体１２と工作物３との硬度比と加工限界粗さＲｚとの関係を示す。しかしながら、図５の場合と異なり、ここでは、本発明のラッピング工具１を採用しかつその端子本体表面１２ａの温度を変更することによってビッカース硬度比を変化させた。
【００３５】
図示のように、端子本体表面１２ａの温度が６０℃より高温になると、加工限界粗さＲｚが０．２μｍ以下になり、さらに８０℃以上になるとＲｚが略一定値（０．１μｍ）に漸近することが分かる、この結果から、工作物３に対する端子本体１２の硬度比を０．４以下、より好ましくは、０．２以下にすることで、砥粒が遊離したラップ剤４にドブヅケ状態に浸漬された工作物３を押圧しながら摺動する端子本体１２は、軟化した端子表面１２ａにて砥粒を適度に食い込ませながら保持し、砥粒の寸法や形状のバラツキが工作物３への切込み深さに与える影響を緩和する。従って、工作物３の加工面では、均一な切り込みを得られることから、鏡面状の研磨が可能になる。
【００３６】
図７に、本発明のラッピング工具１を用いて研磨加工を施した際の表面粗さの経時変化を示す。ここで、工作物３としてアクリル樹脂を用い、ラッピング工具１の端子本体１２として、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂を用いて加工を行った。比較例１として、ヒータ１３を通電しない状態（つまり、端子部１１を非加熱の状態）でも同様に工作物３を加工し、その表面粗さの経時変化を観察した。より詳細な加工条件は以下の表１に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
図７の結果より、比較例１の場合（端子本体１２を熱軟化させない場合）では、工作物３と端子本体１２とのビッカース硬度比は０．４６と計算され、加工限界粗さＲｚ（加工時間が経過しても変化しない表面粗さ）は０．３５μｍであった。これに対し、本実施例の場合（加工中の端子本体表面１２ａを８５℃に加熱した場合）では、硬度比は０．１４と計算され、加工限界粗さを０．１４μｍまで低減することができた。なお、加工限界粗さＲｚに到達するまで要した加工時間は、端子部１１の加熱（本実施例）、非加熱（比較例）にかかわらず同程度であったことから、本発明の加工法は生産性を落とすことなく、軟質材料（工作物３）の鏡面研磨加工が可能である。
【００３９】
（工作物を加工する際の端子表面の状況）
図２に示すように、本発明では、砥粒が浮遊したラップ剤４中に工作物３をドブヅケ状態にして、ラッピング工具１の端子部１１を工作物３に対して押圧・摺動させながらラッピング加工を行うため、端子本体表面１２ａは１００Ｗ／ｍ２Ｋ以上の高い熱伝達率で冷却されることになる。しかしながら、本発明者らの試験によれば、ヒータ１３の出力を４０Ｗ／ｃｍ２（好ましくは、６５Ｗ／ｃｍ２）程度まで上げれば、端子本体表面１２ａの温度を（上記硬度比との関係から算出される）所望の最適温度まで加熱し、維持できることが確認されている。
【００４０】
一方、加工時の工作物３の温度について着目すると、ラップ剤４が冷却剤としての効果を発揮するため、加熱された端子本体１２が隣接していても工作物３自体の温度は上昇しない。そのため、実際の加工後の状態を確認しても、工作物３表面に焼けや溶解による変質は見られない。
【００４１】
また、加熱されることにより端子本体表面１２ａの硬度は軟化するが、この表面１２ａに食い込んだ砥粒を保持するだけの強度は維持しており、１０００ｍｍ２程度の加工面積まで実際の加工に供された端子本体１２でも、端子本体表面１２ａに摩耗は見られなかった。
【００４２】
また、本発明者らは、上述した実施例のラッピング工具１を用いて、その端子本体表面１２ａが砥粒をどの程度取り込めたのか、実際に測定してみた。図８に、砥粒の取り込み数の実験結果を示す。ここで、比較例１として、実施例と同一のラッピング工具１（端子本体１２はポリプロピレン樹脂製、表１を参照）を加熱せずにラッピング加工してみた。また、比較例２として、端子本体１２がエポキシ樹脂製のラッピング工具１を加熱せずにラッピング加工してみた。これらの場合の加工後の端子本体表面１２ａでの砥粒の取り込み数（食いつき易さ能力）を比較してみた。ここで、図示の各取り込み数は、各場合において２０回程度実測した結果を平均した数値である。なお、いずれの場合も、工作物３と端子本体表面１２ａとが接触加工面積が１．０ｍｍ２になるまで加工した。
【００４３】
図８に示すように、本実施例の端子本体表面１２ａの取り込み数は、比較例１と比べて約４倍に増加し、比較例２と比べて約１５倍に増加していることが定量的に確認された。これにより、本実施例の端子本体表面１２ａでは砥粒が研磨加工に適合した食いつき易い状況になっていると推察される。
【００４４】
本発明のラッピング工具１及びラッピング装置２は以上説明したような構成・特徴を有している。次に、これら工具１及び装置２を用いた本発明のラッピング加工方法について説明する。
【００４５】
（本発明のラッピング加工方法）
図９は、本発明のラッピング加工方法のフローチャートの一例を示す。先ず、加熱手段（例えば、ヒータ）１３が端子部１１に設けられたラッピング工具１を用意する（工程Ｓ１）。なお、工程Ｓ１の「用意」には、ラッピング工具１をラッピング装置２の主軸２１に取り付けることを含む。
【００４６】
次に、後述の研磨加工（工程Ｓ７）を施す前に、加工対象である工作物３に用いられる材料について室温での硬度を取得する（工程Ｓ２）。さらに、端子本体１２に用いられる材料について硬度の温度依存性（例えば、図４に示すように０℃〜１５０℃での硬度変化）を取得する（工程Ｓ３）。次いで、工程Ｓ２と工程Ｓ３とから、工作物３の硬度と端子本体表面１２ａの硬度との硬度比が０．４以下（好ましく、０．２以下）になるように端子表面１２ａの最適温度を決定する（工程Ｓ４）。
【００４７】
そして、実際のラッピング加工に入る為に、工作物３とラッピング工具１の少なくとも端子部１１とをラップ剤４に浸漬する（工程Ｓ５）。より具体的には、ラッピング装置２に設けられた加工槽２４内に工作物３を載置してから、ラップ剤４を充填し、ラッピング工具１を移動させて端子部１１をラップ剤４中に浸漬させる。
【００４８】
その後、ラッピング工具１の端子部１１に設けられた加熱手段１３により端子本体１２ａを加熱し、図示しない温度制御手段により端子本体表面１２ａを工程Ｓ４で決定した最適温度に維持する（工程Ｓ６）。加熱手段１３にヒータを用いた場合は、ヒータを通電し、その通電量（出力）を制御することにより工程Ｓ６を実行できる。なお、この工程Ｓ６では、端子本体表面１２ａを最適温度に加熱・維持するにあたって、端子本体表面温度の実測が困難な場合に、加熱手段１３の温度を実測した上で数値解析（例えば、有限要素法による熱流体解析）により端子本体表面１２ａの温度を推定することを含むことが好ましい。これにより、熱電対等の温度測定手段１５の配置が容易になり、ラッピング工具１の設計に自由度が増す。
【００４９】
以上のような工程Ｓ１〜Ｓ６を実行することによって、ラッピング工具１の端子本体表面１２ａが最適温度に維持される（つまり、熱軟化により工作物３の加工に対して最適な硬度に維持される）ことが保証される。最後に、工作物３に対して所定の加工条件でラッピング工具１を摺動又は回転させることによって研磨加工を施すのである（工程Ｓ７）。
【００５０】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、工作物３の材料（軟質材料）としてアクリル樹脂を用いて本発明の作用効果を説明したが、ヒータ１３の通電量及び通電時間の制御によりラッピング工具１の端子本体表面１２ａの温度及び硬度を最適化することで、アクリル樹脂以外の軟質材料からなる工作３物に対して本発明を適用して鏡面研磨加工を施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
光学製品等の材料となる軟質材料に対して鏡面加工等の高精度な加工を施す要望は日増しに高まっている。本発明のラッピング装置およびラッピング加工方法は、研磨加工に熟練した職人に頼ることなく、軟質材料に対して高品位かつ高加工能率の鏡面加工を施すことが可能であるため、その適用範囲は広く、産業上の利用可能性及び有用性が非常に高い。
【符号の説明】
【００５２】
１ ラッピング工具
２ ラッピング装置
３ 工作物
４ ラップ剤
１１ 端子部
１２ 端子本体
１２ａ 端子本体の表面
１３ 加熱手段（ヒータ）
１３ａ 加熱手段（ヒータ）の表面
１４ 断熱材
１５ 温度測定手段（熱電対）
１６ コイルばね
１７ 弾性支持部
１８ 取付部
２１ 主軸
２２ ベッド
２３ テーブル
２４ 加工槽
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラップ端子と工作物とを相対移動させてラップ剤中の砥粒によって表面加工を行うラッピング装置及びその加工方法に関するものであり、詳しくは、軟質材料からなる工作物を均一な鏡面に加工可能なラップ端子を含んだラッピング装置及びその加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラスチック等の軟質材料が多く用いられている光学製品は、一般に、精密仕上げを要する製品である。こうした軟質材料を研磨加工する場合、軟質材料からなる工作物と比べた研磨工具端子の硬度比が大きくなり、砥粒の粒径や形状のバラツキが工作物への砥粒の食込み深さに強く影響し、スクラッチなどの加工欠陥が生じやすいことが問題とされている。
【０００３】
こうした軟質材料の加工欠損の問題に対し、従来、粒径と、形状のバラツキとを小さくした砥粒を使用させて対処することがなされていたが、従来の対処方法は、高硬度材料等への通常の研磨加工に比べて生産性が低くかつ加工コストが高いこと、及び熟練した職人のみがなせる技（加工法）であること、が指摘されている。
【０００４】
一方、本発明者らは、特許文献１及び２に示すように、在来の工作機械を利用して簡単な構成の工具により高精度かつ高加工能率の自動加工を可能とするラッピング工具を既に提案している。しかしながら、既に提案の加工技術は、高硬度材料からなる工作物への研磨加工を対象にしており、軟質材料からなる工作物への加工に対してそのまま適用し得るものではなかった。
【０００５】
より詳細には、特許文献１には、ラッピング工具として、工具の外側表面にゴムなどの保護被膜が施されたものが例示され、工作物として超硬金型の加工凹部が例示されている（特許文献１の段落「００２３」と段落「００１７」とを参照）。一方、特許文献２には、ラッピング工具として、ポリアミド系樹脂やポリプロピレン樹脂などの合成樹脂製の工具が例示され、工作物として超硬合金Ｖ１０（ＪＩＳ表記）製の平面形状物が例示されている（特許文献２の段落「００３０」と段落「００４２」とを参照）。
【０００６】
例えば、特許文献１に開示されたゴム等のエラストマーで被膜されたラッピング工具を軟質材料への研磨加工に適用しようとすると、工具周囲の遊離砥粒を工具表面に適度に保持できないことを本発明者らは既に確認している。一方、特許文献２に開示された合成樹脂製のラッピング工具を同様に適用すると、工具と工作物とが共に軟質材料が使用されることになり、工具と工作物との硬度比がほぼ１となる。つまり、軟質材料製の工作物に対して適用する工具が硬過ぎることになってしまい、この方法でも上記の加工欠損が生じてしまうことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−０５４９０４号公報
【特許文献２】特開２００９−０７２８７５号公報
【特許文献３】特開２００４−０４２２１７号公報
【特許文献４】特開平１０−１９３２７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、以上のような従来技術における問題点や欠点を改善し、軟質材料からなる工作物に対して、簡素な構成で高精度かつ高加工能率で研磨加工を可能とするラッピング工具を備えたラッピング装置及びその加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、（１）合成樹脂の温度依存性に着目し、合成樹脂製の工具端子を備えた研磨工具を用意し、これを加熱すれば合成樹脂が軟化すること、及び、（２）その加熱量つまり工作物に接する工具端子の温度を制御すれば、工作物に適合した硬度比を有したラッピング工具を提供できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
例えば、本発明の一実施態様は以下に示すものである。
端子部と前記端子部を弾性的に支持する弾性支持部とを備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルとを相対的に移動させる送り機構と、前記テーブル上に設けられかつラップ剤を貯留して該ラップ剤中に前記工作物を浸漬させるための加工槽と、を有したラッピング装置であって、
前記工作物には、軟質材料が用いられ、
前記端子部には、熱可塑性樹脂からなる端子本体と、前記端子本体を加熱するための加熱手段と、が設けられ、
前記加熱手段の加熱量を制御して前記端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有し、
前記最適温度は、前記工作物の硬度と前記端子本体の硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されていることを特徴とするラッピング装置。
【発明の効果】
【００１１】
以上の構成の本発明によれば、本発明者らが既に提案していたラッピング装置では加工できなかった軟質材料からなる工作物に対して、通常の超硬合金製の工作物と同様の加工条件で高品位かつ高能率の鏡面研磨加工を施すことが可能になる。
【００１２】
具体的には、本発明では、ラッピング工具に設置された加熱手段により端子及びその表面を加熱して、工作物の硬度に比較して所望の硬度（硬度比）が得られるまで軟化させることで、砥粒の寸法・形状のバラツキが加工中の工作物への切り込み深さに与える影響を緩和し、従来問題となっていた加工欠損の発生を大幅に抑制することが可能になる。さらに、従来のように粒径と形状のバラツキとを小さくした砥粒のみを使用する必要は無く、より広範な範囲の寸法を有する砥粒をラップ剤に含めることが可能になる
【００１３】
なお、特許文献３には、研磨加工時に研磨工具をそのガラス転移温度以下に冷却等する技術が開示されているが、その明細書の段落「０００８」に開示されるように、固定砥粒のバインダである樹脂の軟化を防止する目的で研磨工具の温度調節を行うものであり、軟質材料に対して高精度な研磨加工を行うことを目的とする本発明とその目的を異にするものであり、かつ、本発明の作用効果を奏するものではない。
【００１４】
また、特許文献４には、研磨加工の際に２０℃〜７０℃の温度領域で研磨用工具を加温する技術が開示されているが、その明細書の段落「００１４」に開示されるように、工作物の被研磨面の形状を転写させる目的で研磨工具の温度調節を行うものであり、特許文献３と同様に、本発明とその目的を異にするものであり、かつ、本発明の作用効果を奏するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明のラッピング工具の構成を一部断面で示した正面図である。
【図２】本発明のラッピング装置の構成を示した図である。
【図３】ヒータから端子表面までの距離と端子表面温度との関係を示した図である。
【図４】代表的な熱可塑性樹脂における硬度と温度との関係を示した図である。
【図５】端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係を示した図である。（端子の材質と工作物の材質とを変化させた場合）
【図６】端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係を示した図である。（同一の端子を熱軟化させてその硬度を変化させた場合）
【図７】本発明のラッピング加工を施した際の表面粗さの経時変化を示した図である。
【図８】本発明の端子本体表面での砥粒の取り込み数を示した図である。
【図９】本発明のラッピング加工方法の一例を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づき説明するが、本発明は、下記の具体的な実施形態に何等限定されるものではない。
【実施例】
【００１７】
（ラッピング工具の構成）
図１は、本発明のラッピング工具１の構成を一部断面で示す正面図である。本発明のラッピング工具１は、軟質材料からなる工作物３（図２参照）に対して加工欠陥の無く鏡面研磨加工（本明細書では「ラッピング加工」とも呼ぶ。）を可能にする構造を有している。ここで、軟質材料とは、硬度（例えば、ビッカース硬度）が比較的低い材料のことをいい、より好適には、１００以下の範囲のビッカース硬さを有した材料である。本発明の軟質材料として、例えば、プラスチック、アルミニウム、黄銅、鉛などが挙げられる。なお、本発明においては、軟質材料の硬度と、後述する熱可塑性樹脂の硬度と、に対して、単一のスケールで両者を比較できる理由から、ビッカース硬度を用いることが好ましい。
【００１８】
ラッピング工具１は、その先端部分に相当する端子部１１に熱可塑性樹脂製の端子本体１２（本明細書中、「端子」とも呼ぶ。）を備えている。ここで、熱可塑性樹脂として、例えば、ポリアミド系樹脂（いわゆるナイロン）、アクリル系樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン等のポリスチレン系樹脂などが挙げられる。図示の端子本体１２は、略立方体形状を成しているが、必ずしもこれに限定されず、円筒形や球形を成しても良い。なお、後述する端子表面１２ａを熱軟化させるための温度制御の容易さの点では、略立方体形状の形状は好ましい。
【００１９】
また、端子本体１２の上側には、端子本体１２を加熱するための加熱手段（本実施例では、ヒータ）１３が設けられており、端子本体１２及びヒータ１３の外周には、これらの要素１２，１３を包囲してこれらの要素１２，１３の温度を所望の温度に一定に保つための断熱材１４が設けられている。
【００２０】
所望の温度に一定に保持されているか否かは、端子本体１２とヒータ１３との間に設置された温度計測手段（例えば、熱電対）１５によってヒータ１３の表面１３ａの温度を測定することによって判断される。熱電対１５は図示しない温度制御装置に接続され、熱電対１５で取得された温度情報が逐次、処理・蓄積される。
【００２１】
以上のように、端子本体１２とヒータ１３と断熱材１４とがラッピング工具１の端子部１１を形成する。ラッピング工具１は、好ましくは、端子部１１の上方に設けられかつコイルばね１６を含んだ弾性支持部１７と、ラッピング工具１をラッピング装置２（図２参照）の構成要素である主軸２１に接続する取付部１８と、をさらに備える。ここで、弾性支持部１７は、本発明のラッピング装置２によるラッピング工具１の加工中の位置決め誤差が工作物３への研磨圧力に与える影響を低減する役目を果たす。
【００２２】
なお、端子本体表面１２ａでの温度と、熱電対１５を載置した場所（例えば、ヒータ表面１３ａ）での温度とは、温度差が生じてしまい、端子本体表面１２ａでの温度が正確に測定出来ない場合が予測される。しかしながら、この温度差は、例えば、初期条件及び環境条件のパラメータに実測値及び仮定値を付与した有限要素法による数値解析によって見積もることが可能である。この数値解析結果の一例を図３に示す。
【００２３】
図３は、ヒータ表面１３ａから端子本体表面１２ａまでの距離（つまり端子厚さ）を横軸にとり、端子本体表面温度（解析値）を縦軸にとり、これらの関係を示した図である。ここで、ヒータ表面１３ａの温度は、８０℃、１００℃、１２０℃、又は１４０℃のいずれかから選ばれた一定温度とし、端子本体表面１２ａとラップ剤４との対流による熱伝達率は２００Ｗ／ｍ２Ｋと仮定して、定常状態の熱解析を行った結果である。この図３より、端子厚さが増大するに従い、ヒータ表面１３ａと端子本体表面１２ａとの温度差は増大する傾向があることが分かる。また、ヒータ温度を高めに設定してもヒータ表面１３ａと端子本体表面１２ａとの温度差は増大する傾向があることが分かる。
【００２４】
このように、本発明の加工方法に、端子周囲の環境条件を実際の状況に合うように適切に仮定した熱流体数値解析を導入すれば、熱電対１５を実際の加工に供される端子本体表面１２ａの至近距離に設置せずとも、端子本体表面温度を適切に取得することが可能となることが分かった。
【００２５】
（ラッピング装置の構成）
図２は、本発明のラッピング装置２の構成を示す図である。ラッピング装置２は、在来の工作機械を利用することができ、図示のような立形の工作機械（例えば、マシニングセンタやフライス盤）の主軸２１にラッピング工具１を取り付けることにより、本発明のラッピング装置２とすることができる。そのため、専用のラッピング装置を設置する必要がなく、設置スペースの確保や設備コストの大幅増加という問題を避けることができる。その結果として、製品の加工・製造コストを低減することができる。
【００２６】
ベッド２２の上面には、工作物３を載置固定するためのテーブル２３が設置されている。テーブル２３はＺ軸方向に直交する水平面上のＸ，Ｙ軸方向に移動可能に設けられている。また、テーブル２３をＸ，Ｙ軸方向に移動させるためのＸ軸送り機構およびＹ軸送り機構が設けられているが、ここでは図示を省略している。Ｘ軸送り機構およびＹ軸送り機構もボールねじ機構と送りモータとからなるものでよい。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸は互いに直交し直交座標系をなすものである。Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の各送り機構により、ラッピング工具１と工作物３とは、直交３軸方向に相対移動が可能となっており、三次元の任意曲面形状の加工が可能である。
【００２７】
テーブル２３上に固定された工作物３の周囲を包囲するように加工槽２４が設置されている。加工槽２４とテーブル２３との接続部はシール等により水密に保たれ、ラップ剤４が漏れ出ないようにされている。加工槽２４の内部にラップ剤４を貯留して、工作物３が完全にラップ剤４中に浸漬されるようにする。加工槽２４の上面は開放されており、加工の妨げとなることはない。なお、在来の工作機械を利用する場合には、加工槽２４は簡単に取り外し可能な構造とすることが好ましい。
【００２８】
（ラップ剤）
本発明のラップ剤４には、水に水飴と砥粒（例えば、ダイアモンド砥粒やアルミナ砥粒）とを添加した混合液や、水に水溶性ポリマーと砥粒とを添加した混合液を使用することが可能である。なお、後者のラップ剤４を使用することにより、長時間均一に砥粒を浮遊させることができるため、長時間の加工時間を要するラッピング加工を行う場合には非常に有効である。
【００２９】
ここで、水溶性ポリマーとして、砥粒の均一浮遊化の観点から、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）やポリアクリルアミド（ＰＡＡ）が好ましいが、必ずしもこれに限定されず、高分子の網状化によりラップ剤４の粘弾性力を増加させる材料であればよい。例えば、親水性の高い、アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、メタクリル酸カリウム等のアクリル酸金属塩が挙げられる。なお、ＰＥＯ、ＰＡＡは、ともに人体には無害であり環境負荷も無いことから排水処理施設や化粧品などの分野にわたって使用されているポリマーである。
【００３０】
また、後者のラップ剤４にさらに低級アルコール類を添加してもよく、これにより、ラップ剤４が蒸発してその気化熱冷却効果を発揮し、工作物３等の発熱を効果的に除去することができる。
【００３１】
（熱可塑性樹脂における硬度の温度依存性）
図４に代表的な熱可塑性樹脂における硬度と温度との関係を示す。図４では、熱可塑性樹脂がエポキシ樹脂、ナイロン、及びポリプロピレン樹脂（ＰＰ）のいずれの樹脂でも、樹脂の温度が上昇するに従い、そのビッカース硬度が低下していく傾向を示している。従って、図１に示すラッピング工具１のように、端子本体１２に熱可塑性樹脂を採用し、端子本体１２に隣接したヒータ１３を設置し、このヒータ１３の通電及びその出力調整を行うことにより、端子本体１２を加熱及び温度制御することによって、端子本体１２（特に、その外側表面１２ａ）を、工作物３の硬度に比べて所望の硬度まで軟化させることが可能になる。
【００３２】
（端子と工作物との硬度比と加工限界粗さとの関係）
図５に、端子本体１２と工作物３との硬度比と加工限界粗さＲｚとの関係を示す。なお、硬度比を変化させるために、端子本体１２を構成する材料と工作物３を構成する材料との組合せを種々用意してみた。ここで、図中の黒色四角形で示した４つのプロットは、工作物３に軟質材料であるアクリルを採用し、かつ、端子本体１２に夫々、アクリル、ナイロン、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）を採用して、実際に加工した際の加工限界粗さＲｚである。一方、図中の複数の白抜き丸印で示したプロットは、工作物３に夫々、超硬合金（Ｖ１０）、ステンレス（ＳＵＳ３０４）、黄銅（Ｂｒａｓｓ）を採用し、かつ、端子本体１２にポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を採用して、実際に加工した際の加工限界粗さＲｚである。
【００３３】
図５から、工作物３と端子本体１２とのビッカース硬度比が増大すると、これに比例して加工限界粗さＲｚも増大してしまうことが分かる。特に硬度比が０．４より大きくなると、加工限界粗さＲｚも０．３より大きくなってしまう。これは、粒径や形状にバラツキのある砥粒が端子本体表面１２ａに十分食い込みにくくなり、工作物表面にスクラッチが発生するからであると考えられる。別言すれば、より高硬度の端子本体１２においては粒径の大きな砥粒が端子表面１２ａに十分に深く食い込まないため、局所的に出っ張り、工作物３への切り込み深さに悪影響を与えていると考えられる。
【００３４】
図６も、端子本体１２と工作物３との硬度比と加工限界粗さＲｚとの関係を示す。しかしながら、図５の場合と異なり、ここでは、本発明のラッピング工具１を採用しかつその端子本体表面１２ａの温度を変更することによってビッカース硬度比を変化させた。
【００３５】
図示のように、端子本体表面１２ａの温度が６０℃より高温になると、加工限界粗さＲｚが０．２μｍ以下になり、さらに８０℃以上になるとＲｚが略一定値（０．１μｍ）に漸近することが分かる、この結果から、工作物３に対する端子本体１２の硬度比を０．４以下、より好ましくは、０．２以下にすることで、砥粒が遊離したラップ剤４にドブヅケ状態に浸漬された工作物３を押圧しながら摺動する端子本体１２は、軟化した端子表面１２ａにて砥粒を適度に食い込ませながら保持し、砥粒の寸法や形状のバラツキが工作物３への切込み深さに与える影響を緩和する。従って、工作物３の加工面では、均一な切り込みを得られることから、鏡面状の研磨が可能になる。
【００３６】
図７に、本発明のラッピング工具１を用いて研磨加工を施した際の表面粗さの経時変化を示す。ここで、工作物３としてアクリル樹脂を用い、ラッピング工具１の端子本体１２として、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂を用いて加工を行った。比較例１として、ヒータ１３を通電しない状態（つまり、端子部１１を非加熱の状態）でも同様に工作物３を加工し、その表面粗さの経時変化を観察した。より詳細な加工条件は以下の表１に示す。
【００３７】
【表１】
【００３８】
図７の結果より、比較例１の場合（端子本体１２を熱軟化させない場合）では、工作物３と端子本体１２とのビッカース硬度比は０．４６と計算され、加工限界粗さＲｚ（加工時間が経過しても変化しない表面粗さ）は０．３５μｍであった。これに対し、本実施例の場合（加工中の端子本体表面１２ａを８５℃に加熱した場合）では、硬度比は０．１４と計算され、加工限界粗さを０．１４μｍまで低減することができた。なお、加工限界粗さＲｚに到達するまで要した加工時間は、端子部１１の加熱（本実施例）、非加熱（比較例）にかかわらず同程度であったことから、本発明の加工法は生産性を落とすことなく、軟質材料（工作物３）の鏡面研磨加工が可能である。
【００３９】
（工作物を加工する際の端子表面の状況）
図２に示すように、本発明では、砥粒が浮遊したラップ剤４中に工作物３をドブヅケ状態にして、ラッピング工具１の端子部１１を工作物３に対して押圧・摺動させながらラッピング加工を行うため、端子本体表面１２ａは１００Ｗ／ｍ２Ｋ以上の高い熱伝達率で冷却されることになる。しかしながら、本発明者らの試験によれば、ヒータ１３の出力を４０Ｗ／ｃｍ２（好ましくは、６５Ｗ／ｃｍ２）程度まで上げれば、端子本体表面１２ａの温度を（上記硬度比との関係から算出される）所望の最適温度まで加熱し、維持できることが確認されている。
【００４０】
一方、加工時の工作物３の温度について着目すると、ラップ剤４が冷却剤としての効果を発揮するため、加熱された端子本体１２が隣接していても工作物３自体の温度は上昇しない。そのため、実際の加工後の状態を確認しても、工作物３表面に焼けや溶解による変質は見られない。
【００４１】
また、加熱されることにより端子本体表面１２ａの硬度は軟化するが、この表面１２ａに食い込んだ砥粒を保持するだけの強度は維持しており、１０００ｍｍ２程度の加工面積まで実際の加工に供された端子本体１２でも、端子本体表面１２ａに摩耗は見られなかった。
【００４２】
また、本発明者らは、上述した実施例のラッピング工具１を用いて、その端子本体表面１２ａが砥粒をどの程度取り込めたのか、実際に測定してみた。図８に、砥粒の取り込み数の実験結果を示す。ここで、比較例１として、実施例と同一のラッピング工具１（端子本体１２はポリプロピレン樹脂製、表１を参照）を加熱せずにラッピング加工してみた。また、比較例２として、端子本体１２がエポキシ樹脂製のラッピング工具１を加熱せずにラッピング加工してみた。これらの場合の加工後の端子本体表面１２ａでの砥粒の取り込み数（食いつき易さ能力）を比較してみた。ここで、図示の各取り込み数は、各場合において２０回程度実測した結果を平均した数値である。なお、いずれの場合も、工作物３と端子本体表面１２ａとが接触加工面積が１．０ｍｍ２になるまで加工した。
【００４３】
図８に示すように、本実施例の端子本体表面１２ａの取り込み数は、比較例１と比べて約４倍に増加し、比較例２と比べて約１５倍に増加していることが定量的に確認された。これにより、本実施例の端子本体表面１２ａでは砥粒が研磨加工に適合した食いつき易い状況になっていると推察される。
【００４４】
本発明のラッピング工具１及びラッピング装置２は以上説明したような構成・特徴を有している。次に、これら工具１及び装置２を用いた本発明のラッピング加工方法について説明する。
【００４５】
（本発明のラッピング加工方法）
図９は、本発明のラッピング加工方法のフローチャートの一例を示す。先ず、加熱手段（例えば、ヒータ）１３が端子部１１に設けられたラッピング工具１を用意する（工程Ｓ１）。なお、工程Ｓ１の「用意」には、ラッピング工具１をラッピング装置２の主軸２１に取り付けることを含む。
【００４６】
次に、後述の研磨加工（工程Ｓ７）を施す前に、加工対象である工作物３に用いられる材料について室温での硬度を取得する（工程Ｓ２）。さらに、端子本体１２に用いられる材料について硬度の温度依存性（例えば、図４に示すように０℃〜１５０℃での硬度変化）を取得する（工程Ｓ３）。次いで、工程Ｓ２と工程Ｓ３とから、工作物３の硬度と端子本体表面１２ａの硬度との硬度比が０．４以下（好ましく、０．２以下）になるように端子表面１２ａの最適温度を決定する（工程Ｓ４）。
【００４７】
そして、実際のラッピング加工に入る為に、工作物３とラッピング工具１の少なくとも端子部１１とをラップ剤４に浸漬する（工程Ｓ５）。より具体的には、ラッピング装置２に設けられた加工槽２４内に工作物３を載置してから、ラップ剤４を充填し、ラッピング工具１を移動させて端子部１１をラップ剤４中に浸漬させる。
【００４８】
その後、ラッピング工具１の端子部１１に設けられた加熱手段１３により端子本体１２ａを加熱し、図示しない温度制御手段により端子本体表面１２ａを工程Ｓ４で決定した最適温度に維持する（工程Ｓ６）。加熱手段１３にヒータを用いた場合は、ヒータを通電し、その通電量（出力）を制御することにより工程Ｓ６を実行できる。なお、この工程Ｓ６では、端子本体表面１２ａを最適温度に加熱・維持するにあたって、端子本体表面温度の実測が困難な場合に、加熱手段１３の温度を実測した上で数値解析（例えば、有限要素法による熱流体解析）により端子本体表面１２ａの温度を推定することを含むことが好ましい。これにより、熱電対等の温度測定手段１５の配置が容易になり、ラッピング工具１の設計に自由度が増す。
【００４９】
以上のような工程Ｓ１〜Ｓ６を実行することによって、ラッピング工具１の端子本体表面１２ａが最適温度に維持される（つまり、熱軟化により工作物３の加工に対して最適な硬度に維持される）ことが保証される。最後に、工作物３に対して所定の加工条件でラッピング工具１を摺動又は回転させることによって研磨加工を施すのである（工程Ｓ７）。
【００５０】
本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。例えば、上記実施例では、工作物３の材料（軟質材料）としてアクリル樹脂を用いて本発明の作用効果を説明したが、ヒータ１３の通電量及び通電時間の制御によりラッピング工具１の端子本体表面１２ａの温度及び硬度を最適化することで、アクリル樹脂以外の軟質材料からなる工作３物に対して本発明を適用して鏡面研磨加工を施すことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
光学製品等の材料となる軟質材料に対して鏡面加工等の高精度な加工を施す要望は日増しに高まっている。本発明のラッピング装置およびラッピング加工方法は、研磨加工に熟練した職人に頼ることなく、軟質材料に対して高品位かつ高加工能率の鏡面加工を施すことが可能であるため、その適用範囲は広く、産業上の利用可能性及び有用性が非常に高い。
【符号の説明】
【００５２】
１ ラッピング工具
２ ラッピング装置
３ 工作物
４ ラップ剤
１１ 端子部
１２ 端子本体
１２ａ 端子本体の表面
１３ 加熱手段（ヒータ）
１３ａ 加熱手段（ヒータ）の表面
１４ 断熱材
１５ 温度測定手段（熱電対）
１６ コイルばね
１７ 弾性支持部
１８ 取付部
２１ 主軸
２２ ベッド
２３ テーブル
２４ 加工槽
【特許請求の範囲】
【請求項１】
端子部を備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルとを相対的に移動させる送り機構と、前記テーブル上に設けられかつラップ剤を貯留して該ラップ剤中に前記工作物を浸漬させるための加工槽と、を有したラッピング装置であって、
前記工作物には、軟質材料が用いられ、
前記端子部には、熱可塑性樹脂からなる端子本体と、前記端子本体を加熱するための加熱手段と、が設けられ、
前記加熱手段の加熱量を制御して前記端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有し、
前記最適温度は、前記工作物の硬度と前記端子本体の硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されていることを特徴とするラッピング装置。
【請求項２】
前記硬度比が０．２以下であることを特徴とする請求項１に記載のラッピング装置。
【請求項３】
前記硬度はビッカース硬度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のラッピング装置。
【請求項４】
前記軟質材料が、プラスチック、アルミニウム、黄銅、又は鉛を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はポリスチレン系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項６】
前記ラップ剤は、水又は低級アルコールの少なくともいずれかの液体と、水溶性ポリマーと、砥粒と、を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のラッピング装置に使用されるラッピング工具。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載のラッピング装置を用いたラッピング加工方法であって、
前記工作物に用いられる前記軟質材料の硬度を取得する工程と、
前記端子本体に用いられる前記熱可塑性樹脂における硬度の温度依存性を取得する工程と、
前記設定された硬度比になるように前記最適温度を設定する工程と、
前記加熱手段及び前記温度制御手段により前記表面温度を前記最適温度に加熱・維持する工程と、を含むことを特徴とするラッピング加工方法。
【請求項９】
前記最適温度を設定する工程は、前記加熱手段の温度を実測した上で数値解析により前記最適温度を推定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のラッピング加工方法。
【請求項１】
端子部を備えたラッピング工具と、工作物を取り付けるためのテーブルと、前記ラッピング工具と前記テーブルとを相対的に移動させる送り機構と、前記テーブル上に設けられかつラップ剤を貯留して該ラップ剤中に前記工作物を浸漬させるための加工槽と、を有したラッピング装置であって、
前記工作物には、軟質材料が用いられ、
前記端子部には、熱可塑性樹脂からなる端子本体と、前記端子本体を加熱するための加熱手段と、が設けられ、
前記加熱手段の加熱量を制御して前記端子本体の表面温度を最適温度に調節するための温度制御手段をさらに有し、
前記最適温度は、前記工作物の硬度と前記端子本体の硬度との硬度比が０．４以下になるように設定されていることを特徴とするラッピング装置。
【請求項２】
前記硬度比が０．２以下であることを特徴とする請求項１に記載のラッピング装置。
【請求項３】
前記硬度はビッカース硬度であることを特徴とする請求項１又は２に記載のラッピング装置。
【請求項４】
前記軟質材料が、プラスチック、アルミニウム、黄銅、又は鉛を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂が、ポリアミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリプロピレン樹脂、又はポリスチレン系樹脂を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項６】
前記ラップ剤は、水又は低級アルコールの少なくともいずれかの液体と、水溶性ポリマーと、砥粒と、を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のラッピング装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のラッピング装置に使用されるラッピング工具。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載のラッピング装置を用いたラッピング加工方法であって、
前記工作物に用いられる前記軟質材料の硬度を取得する工程と、
前記端子本体に用いられる前記熱可塑性樹脂における硬度の温度依存性を取得する工程と、
前記設定された硬度比になるように前記最適温度を設定する工程と、
前記加熱手段及び前記温度制御手段により前記表面温度を前記最適温度に加熱・維持する工程と、を含むことを特徴とするラッピング加工方法。
【請求項９】
前記最適温度を設定する工程は、前記加熱手段の温度を実測した上で数値解析により前記最適温度を推定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項８に記載のラッピング加工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−９１２６６（Ｐ２０１２−９１２６６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４０５６０（Ｐ２０１０−２４０５６０）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
【Ｆターム（参考）】
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