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理工学部 教授・谷 泰弘研究グループ  

希少金属・セリウムのガラス研磨における使用量低減技術を開発


 

 理工学部 教授・谷 泰弘の研究グループは、ガラスの鏡面研磨材として使用されているセリウムの使用量を、低減させる技術を開発いたしました。

 

 希少金属(レアメタル等)は、日本の成長を支える産業にとり必要不可欠な材料ですが特定産出国への依存度が高く、その供給リスクが経済成長の制約要因となってきています。  

 

 経済産業省/NEDO(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)ではこの対策の一環として平成19年度からインジウム、ディスプロシウム、タングステン、平成21年度からは白金族、セリウム、テルビウム・ユーロピウムの使用量低減技術開発及び代替材料開発を委託事業として実施しています。

 

 立命館大学は、このうちのガラスの鏡面研磨材として使用されているセリウムについて、㈱アドマテックス(本社:愛知県みよし市 代表取締役:安部 賛)、㈱クリスタル光学(本社:滋賀県大津市 代表取締役社長:桐野 茂)、九重電気㈱(本社:神奈川県川崎市 代表取締役:篠塚 豊)とともにNEDOから委託を受け平成21年7月より研究を開始しております。

このたび顕著な研究成果が得られ、サンプル提供を開始することになりましたので、ご報告申し上げます。

 

 

1.研究体制および研究内容

 研究開発は立命館大学、㈱アドマテックス、㈱クリスタル光学、九重電気㈱が協力して、砥粒、メディア粒子、工具、プロセス技術の研磨における4要素に関して、酸化セリウム砥粒の使用量を低減することを目的に行っています(図1)。

具体的には、母粒子の周囲に砥粒を付着させた複合砥粒の開発、新しい研磨技術である複合粒子研磨法の採用とメディア粒子の開発、高機能な研磨パッド(工具)の開発、化学作用を援用した研磨技術の開発などです。

 

 研究開発の中核の大学と、砥粒製造企業、研磨パッド製造企業、研磨装置製造企業(研磨専門業者でもある)の垂直連携体制により研究開発を実施しております。

 

図1

                              図1 研究体制と研究内容


2.研究成果

 ①多孔質エポキシ樹脂研磨パッド

 従来ガラス研磨においては工具として多孔質ウレタン樹脂研磨パッドが使用されてきました。

プロジェクトチームにおいてガラス研磨に最適な研磨パッド材質の精査を行った結果、研磨パッド材質にエポキシ樹脂を適用した場合、図2のように従来研磨の2倍を超える驚くべき研磨能率が達成されることが判明しました。

 

このことは酸化セリウムの使用量を半減させるばかりではなく、研磨コストの大幅な低減につながる成果です。エポキシ樹脂は研磨パッド材質としてこれまで全く検討されなかった素材です。

 九重電気㈱において、この素材を用いた多孔質エポキシ樹脂研磨パッドの工業的製造の検討を行ってきました結果、このほど500mm角までの多孔質エポキシ樹脂研磨パッドのサンプル提供が可能となりました。

 

図2-1 図2-2

図2 研磨パッドの種類と研磨特性

 

 

 多孔質エポキシ樹脂研磨パッドと酸化セリウム砥粒との組み合わせで、2倍以上の研磨能率を達成するということは、従来は酸化セリウム砥粒よりも研磨能率が低く採用されてこなかった研磨材(砥粒)であっても、多孔質エポキシ樹脂研磨パッドと組み合わせれば、使用が可能になることを意味しています。
 事実図3のように光学ガラスの研磨に使用されているジルコニア砥粒は多孔質ウレタン樹脂パッドでは酸化セリウムに対して4割程度の研磨能率ですが、多孔質エポキシ樹脂研磨パッドと組み合わせることで、従来研磨をはるかに上回る研磨能率を達成します。
 今後酸化セリウム砥粒の入手が困難となる事態が発生した場合、この組み合わせで砥粒の代替が可能となります。

 

図3
図3 エポキシ樹脂研磨パッドの効果

 

②有機無機複合砥粒

 もともと酸化セリウム砥粒は比重が7程度と重いために分散性が悪く、またガラス質工作物との親和性が高いために工作物の洗浄が難しいという問題点がありました。 そこで、プロジェクトチームではコア(母粒子)に有機物を用い、その周囲に砥粒を付着させたコアシェル構造の有機無機複合砥粒を開発してきました。

 複合砥粒の母粒子の種類の検討と最適化を進めてきました結果、図4のように研磨能率を50%改善することに成功しました。また同時に㈱アドマテックスにおいて 複合砥粒の工業的製造方法の検討を行いました結果、1kg単位のサンプル提供が可能になっております。複合砥粒を使用した研磨においては上記のように洗浄性が高く 工作物や研磨盤の汚れが少なくなるのみでなく、形状精度(平面度やうねり等)が改善されるという効果も確認されています。

 

図4
 図4 有機無機複合砥粒の母粒子の形状と研磨特性

 

 

 

<用語解説>

水和層:液体中で固体表面にできる水酸化膜。一般に軟質な場合が多い。

 

砥粒:研磨において機械的除去作用を行う硬質な粒子。研磨材ともいう。液体に分散したものを研磨剤と呼ぶ。

 

分散性: 液体中で固体粒子が分散状態を保つ安定の度合い。通常粒子が微細なほど、比重が軽いほど分散性はよい。分散性を高めるために界面活性剤が使用されるが、これは研磨能率の低下につながる。

 

洗浄性: 機械や物体の洗浄のし易さ。 複合砥粒: 有機物や無機物の表面に砥粒を付着させたもの。中央(コア部)に存在する大きな粒子を母粒子、母粒子の周り(シェル部)にある小さな粒子(砥粒)を子粒子と呼ぶ。その構造はコアシェル構造となっている。

 

複合粒子研磨法: 従来の研磨剤(スラリー)にメディア粒子を添加し、メディア粒子に砥粒を吸着させ、メディア粒子をミクロな研磨パッドとして作用させる谷らが開発した新しい研磨法。

 

4BODY研磨: 通常の研磨は加工域に砥粒、工作物、工具の3種類の固体が存在する3BODY研磨であるが、上記の複合粒子研磨法はこれにメディア粒子という4番目の固体が含まれた4BODY研磨である。

 

化学研磨: 砥粒を含まない研磨液の腐食作用を利用した研磨法。

 

化学複合研磨: 化学研磨に砥粒を適用し、砥粒の機械的除去作用を付加し、研磨特性を向上させた研磨法。

 

メディア粒子: 4BODY研磨において、砥粒を保持したり、切りくずを付着させたり、工具面を保護したり、研磨剤の粘度を高めたり、砥粒が有する除去作用以外の作用を行う4番目の粒子。

 

研磨パッド: 研磨に使用される高分子製の工具。砥粒を保持する役割を持つ。多孔質のポリウレタン樹脂製のものが多用されている。

 

PSD解析: 形状データ等をフーリエ解析して、そのデータに含まれる各周波数の成分を求めたもの。それぞれの波長の振幅が求められる。

 

縁ダレ: 研磨を行うと工作物の周辺部に応力集中が発生するため、角部が選択的に加工され、縁が丸まった状態となる。これを縁ダレと呼ぶ。縁ダレが大きいと、周辺まで利用できなくなる。

 

 

 

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