JP2015051445A - 接合体の製造方法および接合体 - Google Patents

Abstract

【課題】外観が損なわれるのを抑えることができるとともに、製造コストを低く抑えることができる接合体の製造方法および接合体を提供する。
【解決手段】母材上に接合材および被接合材を設置する工程と、光を被接合材を透過させて接合材に照射する工程とを含む接合体の製造方法である。
【選択図】図４

Description

本発明は、接合体の製造方法および接合体に関する。

従来から、母材に他の部材を接合することによって作製される接合体が知られている。このような接合体としては、たとえば、高速度鋼または超硬合金などの母材の先端にダイヤモンドの刃先を接合させることにより作製したダイヤモンドバイトなどのダイヤモンド工具が知られている。

ダイヤモンド工具の作製において、母材とダイヤモンドの刃先との接合は、母材とダイヤモンドの刃先との間に設置されたろう材で接合することによって行なわれている。ろう材としては、たとえば銀にチタンまたは銅などを加えたものなどが用いられる。ろう材を用いた母材とダイヤモンドの刃先との接合は、たとえば、母材とダイヤモンドの刃先との間にろう材を設置した後にこれらの部材を８００℃〜９００℃で加熱し、その後冷却することによって行なわれている。しかしながら、これらの部材を大気中で加熱した場合には、ダイヤモンドの刃先の表面が酸化してしまう。そのため、これらの部材を真空炉の内部に設置して真空中で加熱した後に冷却することによって、ろう材による母材とダイヤモンドの刃先との接合が行なわれている。

しかしながら、真空炉の内部で加熱および冷却を行なった場合には、真空炉の加熱時間および冷却時間が長くなるため、母材およびダイヤモンドの刃先は、長時間加熱されて十分に熱膨張した状態でろう材によって接合され、その後長時間かけて冷却されることになる。このとき、ダイヤモンドの刃先の内部で発生する熱応力が大きくなるため、ダイヤモンドの刃先の厚さが薄い場合には、ダイヤモンドの刃先が破損することがあった。

そのため、従来においては、ダイヤモンドの刃先を厚くする必要があったことから、ダイヤモンド工具の製造コストが高くなっていた。

そこで、たとえば特許文献１には、集光された赤外線やレーザ光を用いて、ろう付け面に対して垂直または略垂直な方向からろう付けが必要な部分のみ局部加熱することによって短時間での加熱および冷却を実現するろう付け法が開示されている。

特許文献１に記載のろう付け法は、具体的には、以下のようにして行なわれる。まず、ろう付け治具装置の上に基材としての炭化タングステン合金板を置き、その上にろう材を、さらにその上にセラミックス部材として厚さ１．２ｍｍの単結晶ダイヤモンドを載置する。そして、セラミックス部材の端部から約１ｍｍ離れた基材に、基材温度が８２０℃となるように熱線としてのＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザ光を照射することによって２０秒間加熱する。

特許文献１に記載のろう付け法によれば、ろう材による接合状態が極めて良好で、単結晶ダイヤモンドにクラックが発生しなかったとされている。

特許第４３６６６９７号公報

特許文献１に記載のろう付け法は、単結晶ダイヤモンドにＹＡＧレーザ光を直接照射するのを避けている。これは、従来より、当業者間では、母材と単結晶ダイヤモンドとをろう材により接合する場合に厚い単結晶ダイヤモンドを用いる必要があり、厚い単結晶ダイヤモンドはＹＡＧレーザ光を吸収して溶融または損傷する可能性が高いと考えられていたためと考えられる。

しかしながら、特許文献１に記載のろう付け法においては、ＹＡＧレーザ光が照射された母材の表面部分にダメージが生じるため、ＹＡＧレーザ光の照射痕により製品の外観が損なわれるという問題があった。

上記の事情に鑑みて、外観が損なわれるのを抑えることができるとともに、製造コストを低く抑えることができる接合体の製造方法および接合体を提供することを目的とする。

本願発明の第１の態様によれば、母材上に接合材および被接合材を設置する工程と、光を被接合材を透過させて接合材に照射する工程と、を含む、接合体の製造方法を提供することができる。

本願発明の第２の態様によれば、母材と、母材上の接合材と、接合材上の被接合材とを含み、被接合材の厚さが１ｍｍ以下である接合体を提供することができる。

上記の態様によれば、外観が損なわれるのを抑えることができるとともに、製造コストを低く抑えることができる接合体の製造方法および接合体を提供することができる。

実施の形態の接合体の製造方法のフローチャートである。 実施の形態の接合体の製造方法の設置工程の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の接合体の製造方法の設置工程の他の一部を図解する模式的な断面図である。 実施の形態の接合体の製造方法の光照射工程を図解する模式的な断面図である。 図４の模式的な拡大断面図である。 光の波長とダイヤモンド結晶に対する光の透過率との関係を示す図である。 各種レーザ光の波長と各種金属の吸収率との関係を示す図である。 光を集光レンズによって集光した後に被接合材に照射する方法の一例を図解する模式的な構成図である。 実施の形態の接合体の一例としてのダイヤモンド工具の一例であるダイヤモンドバイトの刃先部分の模式的な拡大断面図である。 実験例１の実験方法を図解する模式的な断面図である。 ＣＯ₂レーザ光の照射エネルギ密度と、サンプル１の単結晶ダイヤモンドの表面温度との関係を示す図である。 サンプル１〜３のダイヤモンドバイトを用いた湿式切削加工後のワークの端面の表面粗さＲａの測定結果である。 送り量が０．０５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル３のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の顕微鏡写真である。 送り量が０．０５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル１のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の顕微鏡写真である。 送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル１のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果である。 送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル２のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果である。 送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル３のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果である。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本願発明の実施形態は以下の（１）〜（１０）を含んでいる。

（１）本願発明の第１の態様は、母材上に接合材および被接合材を設置する工程と、光を被接合材を透過させて接合材に照射する工程と、を含む、接合体の製造方法である。この場合には、接合材に選択的に光を照射して、接合材を選択的に加熱することができる。そのため、光の照射により母材の表面にダメージが発生するのを抑えることができることから、実施の形態の接合体の外観が損なわれるのを抑えることができる。また、光の照射により被接合材が加熱されるのを抑えることができることから、被接合材として薄いダイヤモンド結晶などの従来よりも低コストの材料を用いることができ、実施の形態の接合体の製造コストを低く抑えることができる。

（２）本願発明の第１の態様において、被接合材の厚さは１ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、実施の形態の接合体の製造コストを低く抑えることができる。

（３）本願発明の第１の態様において、被接合材に対する光の透過率は５０％以上であることが好ましい。この場合には、被接合材を透過させた光の照射によって接合材をより効率的に加熱することができる。

（４）本願発明の第１の態様において、光は光学系によって集光された後に被接合材に照射されることが好ましい。この場合には、光を光学系によって集光した後に被接合材に照射して被接合材を透過させることによって、接合材をより効率的に加熱することができる。

（５）本願発明の第１の態様において、光は接合材には焦点が合っているが、被接合材には焦点が合っていない状態で照射されることが好ましい。この場合には、光の照射によって被接合材が加熱されるのを抑えつつ、接合材をより選択的に加熱することができる。

（６）本願発明の第１の態様において、光の焦点深度は０．２ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、被接合材が加熱されるのを抑えて、接合材をより選択的に加熱することができる。

（７）本願発明の第１の態様において、光は炭酸ガスレーザ光であることが好ましい。この場合には、被接合材を透過させた光の照射によって接合材をより効率的に加熱することができる。

（８）本願発明の第１の態様において、被接合材の表面粗さＲａは１μｍ以下であることが好ましい。この場合には、被接合材の表面が平滑で、光をより効率的に接合材に照射することができるため、接合材３をより効率的に加熱することができる。

（９）本願発明の第１の態様において、被接合材は、ダイヤモンド単結晶またはダイヤモンド多結晶を含むことが好ましい。この場合には、炭酸ガスレーザ光（ＣＯ₂レーザ光）の透過率を５０％以上とすることができるため、炭酸ガスレーザ光の照射により接合材をより効率的に加熱することができる。

（１０）本願発明の第２の態様は、母材と、母材上の接合材と、接合材上の被接合材とを含み、被接合材の厚さが１ｍｍ以下である接合体である。この場合には、被接合材として厚さ１ｍｍ以下の従来よりも薄いダイヤモンド結晶を刃先に用いることができることから、少なくとも実施の形態の接合体の一例としてのダイヤモンド工具の製造コストを低く抑えることができる。

[本願発明の実施形態の詳細]
以下、本願発明の一例である実施の形態について説明する。なお、本願明細書の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

＜実施の形態の接合体の製造方法＞
図１に、実施の形態の接合体の製造方法のフローチャートを示す。図１に示すように、実施の形態の接合体の製造方法は、設置工程（Ｓ１０）と、光照射工程（Ｓ２０）とを含んでおり、設置工程（Ｓ１０）の後に光照射工程（Ｓ２０）が行なわれる。なお、実施の形態の接合体の製造方法には、設置工程（Ｓ１０）および光照射工程（Ｓ２０）以外の工程が含まれていてもよいことは言うまでもない。

＜設置工程＞
設置工程（Ｓ１０）は、たとえば、図２の模式的断面図に示すように、母材２上に接合材３を設置し、その後、図３の模式的断面図に示すように、接合材３上に被接合材４を設置することによって行なうことができる。

母材２としては、接合材３を設置できるものであれば特に限定なく用いることができ、たとえば超硬合金またはセラミックなどを用いることができる。超硬合金としては、たとえばＫ種超硬などを用いることができる。セラミックとしては、たとえば窒化珪素、ダイヤモンド焼結体、立方晶窒化ホウ素焼結体、シリコン多結晶、炭化珪素および窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも１種を含むセラミックなどを用いることができる。

接合材３としては、母材２と被接合材４とを接合することができるものであれば特に限定なく用いることができ、たとえば、ろう材などを用いることができる。ろう材としては、たとえば、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）およびＴｉ（チタン）からなる群から選択される少なくとも１種を含むろう材などを用いることができる。接合材３に用いられるろう材としては、たとえば、Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０重量％：２５重量％：２重量％の比で、ＡｇとＣｕとＴｉとを含む活性ろう材などを用いることができる。なお、活性ろう材中のＴｉの含有量（重量％）は、たとえば１〜３重量％とすることができる。また、接合材３の厚さも特に限定されないが、接合材３の厚さｔはたとえば１００μｍ以上８００μｍ以下とすることができる。

被接合材４としては、後述する光照射工程（Ｓ２０）で被接合材４に照射される光の少なくとも一部を透過させることができる材料を用いることができる。たとえば、実施の形態の接合体の製造方法によりダイヤモンド工具を製造する場合には、被接合材４としてはダイヤモンド工具の刃先となるダイヤモンド結晶を用いることができる。ダイヤモンド結晶としては、たとえばダイヤモンド単結晶およびダイヤモンド多結晶を用いることができる。また、ダイヤモンド結晶としては、天然ダイヤモンド結晶または合成ダイヤモンド結晶のいずれを用いてもよく、天然ダイヤモンド結晶および合成ダイヤモンド結晶は、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型またはＩＩｂ型のいずれであってもよい。

合成ダイヤモンド結晶の合成方法も特に限定されず、たとえば、高温高圧合成法、熱フィラメントＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、マイクロ波プラズマＣＶＤ法、またはＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）プラズマＣＶＤ法を用いることができる。

実施の形態の接合体の製造方法によりたとえばダイヤモンド工具を製造する場合には、被接合材４としてのダイヤモンド結晶の厚さＴは、１ｍｍ以下であることが好ましく、０．５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以下であることがさらに好ましく、０．２ｍｍ以下であることが特に好ましい。この場合には、従来（１ｍｍよりも厚い）よりも薄いダイヤモンド結晶を刃先に用いることができることから、少なくとも実施の形態の接合体の一例としてのダイヤモンド工具の製造コストを低く抑えることができる。

上述したように、真空炉を用いた加熱による従来の接合方法でダイヤモンド工具を作製した場合には、刃先と母材との接合時に発生する熱応力によりダイヤモンド結晶の刃先にクラックが発生することがあった。そのため、ダイヤモンド結晶の刃先を厚く形成する必要があり、これがダイヤモンド工具の製造コストを低く抑えることができない要因の１つとなっていた。

しかしながら、実施の形態の接合体の製造方法においては、被接合材４を透過させるように光５を照射することによって、接合材３以外の母材２および被接合材４などの部材が加熱されるのを抑えて、接合材３を選択的に加熱することができる。そのため、実施の形態の接合体の製造方法においては、従来の真空炉を用いた加熱による接合方法と比べて、ダイヤモンド結晶の刃先に発生する熱応力を大きく抑えることができることから、従来よりも薄いダイヤモンド結晶を刃先に用いることができる。

実施の形態の接合体の製造方法によりたとえばダイヤモンド工具を製造する場合には、被接合材４としてのダイヤモンド結晶の厚さＴは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。この場合には、実施の形態の接合体の製造方法により製造されたダイヤモンド工具を用いて切削加工を行なった場合でも、ダイヤモンド結晶の刃先の薄さに起因する破損の発生を有効に抑えることができる。

なお、設置工程（Ｓ１０）においては、母材２と被接合材４とを接合材３で接合することができるように、母材２、接合材３および被接合材４が設置されれるのであれば、接合材３および被接合材４の設置方法および設置順序は特に限定されない。

＜光照射工程＞
光照射工程（Ｓ２０）は、たとえば、図４の模式的断面図に示すように、被接合材４の上方から光５を照射し、図５の模式的拡大断面図に示すように、光５を被接合材４を透過させて接合材３に照射することにより行なうことができる。

光照射工程（Ｓ２０）において、被接合材４を透過した光５は、被接合材４の下方の接合材３に吸収され、接合材３を加熱して溶融させる。そして、溶融した接合材３が冷却されて凝固することにより、接合材３によって母材２と被接合材４とが接合する。これにより、母材２と被接合材４とが接合材３によって接合されてなる実施の形態の接合体が製造される。

実施の形態の接合体の製造方法においては、被接合材４の上方から光５を照射し、被接合材４を透過した光５によって、被接合材４の直下の接合材３を選択的に加熱することができる。そのため、光５の照射による母材２の表面のダメージの発生を抑えることができることから、特許文献１に記載の方法と比べて、実施の形態の接合体の外観が損なわれるのを抑えることができる。

また、実施の形態の接合体の製造方法においては、接合材３以外の母材２および被接合材４などの部材が加熱されるのを抑えて、接合材３を選択的に加熱することができる。そのため、たとえば実施の形態の接合体の製造方法によりダイヤモンド工具を製造する場合には、被接合材４としてのダイヤモンド結晶の刃先が加熱されるのを抑えることができるため、熱応力によりダイヤモンド結晶の刃先にクラックが発生するのを抑えることができる。これにより、上述のように、従来よりも薄いダイヤモンド結晶を刃先に用いることができることから、少なくとも実施の形態の接合体の一例としてのダイヤモンド工具の製造コストを低く抑えることができる。

被接合材４に対する光５の透過率は、５０％以上であることが好ましい。被接合材４に対する光５の透過率が５０％以上である場合には、被接合材４を透過させた光５の照射によって接合材３をより効率的に加熱することができる。

なお、被接合材４に対する特定の波長の光５の透過率Ｔ［％］は、以下の式（ａ）により算出することができる。なお、式（ａ）において、Ｉ₀は被接合材４に入射する光５の放射発散度であり、Ｉは被接合材４を透過した光５の放射発散度である。
透過率Ｔ［％］＝１００×Ｉ／Ｉ₀ …（ａ）

図６に、光の波長とダイヤモンド結晶における光の透過率との関係を示す。図６に示すように、たとえば、光５としてＣＯ₂レーザ光（波長１０．６μｍ）を用いた場合には、被接合材４としてＩｂ型、ＩＩａ型若しくはＩＩｂ型の合成ダイヤモンド単結晶、またはＩＩａ型の天然ダイヤモンド単結晶を用いることによって、被接合材４に対するＣＯ₂レーザ光の透過率を５０％以上とすることができる。したがって、被接合材４を透過させた光５の照射によって接合材３をより効率的に加熱する観点からは、光５としてはＣＯ₂レーザ光を用い、被接合材４としてはＩｂ型、ＩＩａ型若しくはＩＩｂ型の合成ダイヤモンド単結晶、またはＩＩａ型の天然ダイヤモンド単結晶を用いることが好ましい。

図７に、各種レーザ光の波長と各種金属の吸収率との関係を示す。図７の横軸が各種レーザ光の波長［μｍ］を示し、縦軸が各種金属の吸収率［％］を示している。図７においては、レーザ光の波長としては、半導体レーザ光の波長（波長８０８ｎｍ）、半導体レーザ光の波長（波長９４０ｎｍ）、Ｎｄ（ネオジム）：ＹＡＧレーザ光の波長（波長１．０６４μｍ）およびＣＯ₂レーザ光の波長（波長１０．６μｍ）が記載されている。また、図７において、各種金属としては、Ａｌ（アルミニウム）、Ａｇ、Ａｕ（金）、Ｃｕ、Ｍｏ（モリブデン）、Ｆｅ（鉄）およびＳｔｅｅｌ（鋼鉄）の吸収率が記載されている。

被接合材４の表面粗さＲａは１μｍ以下であることが好ましい。被接合材４の表面粗さＲａが１μｍ以下である場合には、光５をより効率的に接合材３に照射することができる程度に被接合材４の表面を平滑化することができるため、接合材３をより効率的に加熱することができる。なお、本明細書において、「表面粗さＲａ」は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１）の算術平均粗さＲａを意味するものとする。

また、光５は、光学系によって集光された後に被接合材４に照射されることが好ましい。図８に、光５を光学系の一例である集光レンズ６によって集光した後に被接合材４に照射する方法の一例を図解する模式的な構成図を示す。図８に示すように、光５としてのレーザ光は集光レンズ６に照射され、集光レンズ６によって集光された後に、被接合材４に照射される。被接合材４に照射された光５は、被接合材４を透過して、接合材３の表面に照射される。このように、光５を集光レンズ６によって集光した後に被接合材４に照射して被接合材４を透過させることによって、接合材３をより効率的に加熱することができる。なお、光学系としては、たとえば集光レンズなどの１つ以上の光学部品を用いることができる。

光５を集光レンズなどの光学系によって集光した後に被接合材４に照射する場合には、図８に示すように、母材２と被接合材４との間の接合材３には焦点Ｆが合っているが被接合材４には焦点Ｆが合っていない状態で照射されることが好ましい。この場合には、光５の照射によって被接合材４が加熱されるのを抑えつつ接合材３をより選択的に加熱することができる。したがって、この方法は、従来よりも薄いダイヤモンド結晶を刃先としたダイヤモンド工具を作製するのに好適である。

また、光５の焦点深度（ＤＯＦ：Ｄｅｐｔｈ ｏｆ Ｆｏｃｕｓ）は０．２ｍｍ以下であることが好ましい。この場合にも、被接合材４としてのダイヤモンド結晶の刃先が加熱されるのを抑えて、接合材３をより選択的に加熱することができる。

なお、本明細書において、「焦点」は、光軸に平行な光線が光学系に入射し、光学系を通過した後の光線を延長した直線が光軸と交わる点を意味するものとする。また、「焦点深度」は、焦点を中心に鮮明な像を結ぶと考えられる光軸上の範囲を意味するものとする。

被接合材４に照射される光５のエネルギー密度は、被接合材４の透過後の光５の照射によって接合材３を溶融することができる限り特に限定されないが、たとえば、接合材３としてＡｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０重量％：２５重量％：２重量％の比でＡｇとＣｕとＴｉとを含む活性ろう材を用い、被接合材４として厚さ０．１ｍｍ〜１ｍｍのダイヤモンド結晶を用い、光５としてＣＯ₂レーザ光（波長１０．６μｍ）を用いる場合には、２００ｍＪ／ｃｍ²以上３５０ｍＪ／ｃｍ²以下であることが好ましい。この場合には、光５としてＣＯ₂レーザ光の照射による被接合材４としてのダイヤモンド結晶のダメージの発生を抑えることができるとともに、融点が７８０℃〜８００℃である当該活性ろう材を溶融させることができる。

＜実施の形態の接合体＞
図９に、実施の形態の接合体の一例であるダイヤモンド工具としてのダイヤモンドバイト１の刃先部分の模式的な拡大断面図を示す。ダイヤモンドバイト１は、母材２としての台金と、接合材３としてのろう材と、被接合材４としてのダイヤモンド結晶の刃先とを備えている。ダイヤモンドバイト１において、母材２上には接合材３が設けられており、接合材３上には被接合材４が設けられている。

被接合材４としてのダイヤモンド結晶の刃先は、すくい面４ｂおよび逃げ面４ｃを含み、すくい面４ｂおよび逃げ面４ｃの接触部において切れ刃４ａが構成されている。

上述のように、ダイヤモンドバイト１の刃先（被接合材４）としては、従来よりも薄い１ｍｍ以下のダイヤモンド結晶を用いることができる。そのため、この場合には、ダイヤモンドバイト１の製造コストを低減することができる。

また、ダイヤモンドバイト１の刃先（被接合材４）として、たとえば厚さＴが１ｍｍよりも厚くなる厚いダイヤモンド結晶を用いた場合には、ダイヤモンドバイト１を切削工具として用いた切削加工後にダイヤモンドバイト１を研磨しなければならない場合がある。近年の母材２のコストの低下を考慮すると、ダイヤモンドバイト１の刃先に、従来よりも薄いダイヤモンド結晶を用いて、ダイヤモンドバイト１を使い捨てとすることによって、切削加工コストを低減することができることも考えられる。

さらに、上述したように、実施の形態の接合体の製造方法によりダイヤモンドバイト１を製造することによって、光５の照射による母材２の表面のダメージの発生を有効に抑えることができる。そのため、ダイヤモンドバイト１の外観が損なわれるのを抑えることができる。

なお、実施の形態の接合体としては、ダイヤモンドバイトに限定されず、たとえば、ドリル若しくはエンドミルなどの切削工具、またはドレッサー、スタイラス、ノズル若しくはダイスなどの耐摩耗工具などを用いることもできる。

＜作用効果＞
実施の形態においては、被接合材４を透過させるように光５を照射することによって、接合材３に選択的に光５を照射して、接合材３を選択的に加熱することができる。これにより、実施の形態においては、少なくとも以下の（ｉ）および（ｉｉ）の作用効果が発現する。

（ｉ）光５の照射により母材２の表面にダメージが発生するのを抑えることができるため、実施の形態の接合体の外観が損なわれるのを抑えることができる。

（ｉｉ）光５の照射により被接合材４が加熱されるのを抑えることができるため、被接合材４として薄いダイヤモンド結晶などの従来よりも低コストの材料を用いることができることから、実施の形態の接合体の製造コストを低く抑えることができる。
［実験例１］
＜単結晶ダイヤモンドの作製＞
実験例１においては、以下のようにして、単結晶ダイヤモンドを作製した。まず、５ｍｍ×５ｍｍの正方形状を有し、厚みが０．７ｍｍの高温高圧合成法により製造された単結晶ダイヤモンドからなる単結晶基板を準備した。次に、当該単結晶基板の表面を酸素（Ｏ₂）ガスおよび四フッ化炭素（ＣＦ₄）ガスを用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によって表面から０．３μｍの深さの領域までエッチングした。

次に、エッチング後の単結晶基板の表面にカーボンイオンをイオン注入することによって導電層を形成した。ここで、イオン注入エネルギーは３００〜３５０ｋｅＶとし、ドーズ量は５×１０¹⁵〜５×１０¹⁷個／ｃｍ²とした。

次に、マイクロ波プラズマＣＶＤ法により、導電層上に厚さ０．７ｍｍの単結晶ダイヤモンドをエピタキシャル成長させた。単結晶ダイヤモンドのエピタキシャル成長においては、水素（Ｈ₂）ガス、メタン（ＣＨ₄）ガスおよび窒素（Ｎ₂）ガスを用い、Ｈ₂ガスに対するＣＨ₄ガスの濃度を５〜２０体積％とし、ＣＨ₄ガスに対するＮ₂ガスの濃度を０．５〜４体積％とした。また、単結晶ダイヤモンドのエピタキシャル成長時の圧力は９．３〜１４．７ｋＰａに設定し、単結晶基板温度は８００℃〜１１００℃に設定した。その後、導電層を電気化学的エッチングすることによって、単結晶基板から単結晶ダイヤモンドを分離し、サンプル１の単結晶ダイヤモンド（エピタキシャル成長させた単結晶ダイヤモンド；ＩＩａ型）を得た。

＜実験方法＞
次に、図１０の模式的断面図に示すように、所定の台金１２の表面上にＡｇとＣｕとＴｉとを含む活性ろう材１３（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０重量％：２５重量％：２重量％）を設置し、活性ろう材１３の表面上にサンプル１の単結晶ダイヤモンド１４を設置した。

次に、図１０に示すように、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の上方からＣＯ₂レーザ光１５（波長１０．６μｍ）を以下の照射条件で照射し、ＣＯ₂レーザ光１５を集光した後に、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４に入射させた。そして、ＣＯ₂レーザ光１５をサンプル１の単結晶ダイヤモンド１４を透過させた後に活性ろう材１３に照射し、活性ろう材１３を溶融した後に冷却することによって、台金１２とサンプル１の単結晶ダイヤモンド１４とを活性ろう材１３で接合した。

＜照射条件＞
平均出力 ：１００Ｗ、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）
ビーム品質：Ｍ²＜１．２
パルス幅 ：１５０μｓ（マイクロ秒）未満
ビーム径 ：４ｍｍ
ビームスポット径：２００μｍ

＜照射エネルギ密度と表面温度との関係の評価＞
実験例１においては、まず、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の表面におけるＣＯ₂レーザ光１５の照射エネルギ密度を変化させて、それによって、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の表面温度（ＣＯ₂レーザ光１５の照射側の表面温度）がどのように変化するかを評価した。その結果を図１１に示す。なお、図１１において、横軸がＣＯ₂レーザ光１５の照射エネルギ密度［Ｊ／ｃｍ²］を示し、縦軸がサンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の表面温度［℃］を示している。

図１１に示すように、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の表面におけるＣＯ₂レーザ光１５の照射エネルギ密度が２００［Ｊ／ｃｍ²］以上３５０℃［Ｊ／ｃｍ²］以下である場合には、活性ろう材１３の融点（約７８０℃〜８００℃）以上の温度にサンプル１の単結晶ダイヤモンド１４を加熱することができることが確認された。

＜接合の評価＞
次に、ＣＯ₂レーザ光１５の照射エネルギ密度を２００［Ｊ／ｃｍ²］とし、活性ろう材１３の表面には焦点が合っているが、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１５には焦点が合っていない状態でＣＯ₂レーザ光１５を大気中で３秒間照射した。ここで、ＣＯ₂レーザ光の焦点深度は０．１ｍｍ以下であった。このとき、厚さが、１ｍｍ、０．５ｍｍ、０．３ｍｍ、０．２ｍｍおよび０．１ｍｍのサンプル１の単結晶ダイヤモンド１５を活性ろう材１３によって、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１５が割れることなく、接合できることが確認された。

＜接合強度の評価＞
また、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４と台金１２とが活性ろう材１３によって接合された接合体について、活性ろう材１３の接合強度を島津製作所製ＡＧＳ−Ｊ（５ｋＮ）を用いて、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分での押し抜き試験により測定したところ、いずれも２０ｋｇ／ｃｍ²以上であった。したがって、当該接合体における活性ろう材１３の接合強度は、切削工具として使用するのに十分な強度であることが確認された。

また、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４は、一般的には、６００℃〜７００℃に加熱されることによって表面が酸化して変質することが知られている。しかしながら、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４は、高熱伝導率（約２０００Ｗ／ｍ²）であるために、活性ろう材１３の融点（約７８０℃〜８００℃）以上の温度に加熱された場合でも、短時間であれば、その熱の影響を受けないと考えられる。また、ＣＯ₂レーザ光１５は、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４に照射されており、ＣＯ₂レーザ光１５の照射による母材２の表面のダメージを抑えることができたため、接合体の外観が損なわれるのを抑えることができることも確認された。

なお、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４における上記の結果から、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４の代わりに、高温高圧合成法で作製した単結晶ダイヤモンド（サンプル２の単結晶ダイヤモンド）またはダイヤモンド粉末を焼結することによって作製した多結晶ダイヤモンド（サンプル３の多結晶ダイヤモンド）を用いた場合にも、サンプル１の単結晶ダイヤモンド１４を用いたとき同様の効果が得られると推測される。
［実験例２］
＜サンプル１〜３のダイヤモンドバイトの作製＞
母材としてのワイパーチップ（住友電工ハードメタル株式会社製のＳＮＥＷ１２０４ＡＤＦＲ−ＷＳ）の表面上に、被接合材としてのサンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先を取り付けることによって、サンプル１のダイヤモンドバイトを作製した。

ここで、サンプル１のダイヤモンドバイトは、具体的には、以下のようにして製造した。まず、ワイパーチップの表面上に、接合材としてＡｇとＣｕとＴｉとを含む活性ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０重量％：２５重量％：２重量％）を設置した。次に、活性ろう材の表面上に厚さ０．５ｍｍ以下のサンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先（表面粗さＲａ：７．３ｎｍ）を設置した。その後、サンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先の表面上方からＣＯ₂レーザ光を照射し、集光レンズで集光させた後に、サンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先を透過（透過率５０％以上）させて、活性ろう材に照射した。これにより、活性ろう材が溶融し、その後凝固することによって、ワイパーチップの表面上にサンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先が接合され、サンプル１のダイヤモンドバイトが作製された。

なお、サンプル１のダイヤモンドバイトの作製において、ＣＯ₂レーザ光は、活性ろう材の表面には焦点が合っているが、サンプル１の単結晶ダイヤモンドの刃先には焦点が合っていない状態で照射され、ＣＯ₂レーザ光の焦点深度は０．２ｍｍ以下であった。

また、サンプル１の単結晶ダイヤモンドの代わりに、サンプル２の単結晶ダイヤモンドおよびサンプル３の多結晶ダイヤモンドを刃先としたこと以外はサンプル１のダイヤモンドバイトと同様にして、サンプル２のダイヤモンドバイト（刃先：サンプル２の単結晶ダイヤモンド）およびサンプル３のダイヤモンドバイト（刃先：サンプル３の多結晶ダイヤモンド）をそれぞれ作製した。

＜サンプル１〜３のダイヤモンドバイトの切削評価＞
上記のようにして作製したサンプル１〜３のダイヤモンドバイトをカッター（住友電工ハードメタル株式会社製のＲＦ４０８０Ｒ）に取り付け、旋盤としてファナック株式会社製の縦型マシニングセンターα−１４ｉＥを用いて、一枚刃で、ワークとしてＡｌ材（Ａｌ以外の成分として、０．２５重量％のＳｉ（珪素）、０．４０重量％のＦｅ、０．１０重量％のＣｕ、０．１０重量％のＭｎ（マンガン）、２．２〜２．８重量％のＭｇ、０．１５〜０．３５重量％のＣｒ（クロム）および０．１０重量％のＺｎ（亜鉛）を含む。）の端面の湿式切削加工を以下の切削条件で行なった。

＜切削条件＞
ワーク ：Ａ５０５２
切削速度：２０００ｍ／ｍｉｎ
送り量 ：０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、０．１ｍｍ／ｒｅｖまたは０．１５ｍｍ／ｒｅｖ
切込み量：０．０５ｍｍ

図１２に、サンプル１〜３のダイヤモンドバイトを用いた上記の湿式切削加工後のワークの端面の表面粗さＲａの測定結果を示す。０．０５ｍｍ／ｒｅｖ、０．１ｍｍ／ｒｅｖまたは０．１５ｍｍ／ｒｅｖのいずれの送り量においても、サンプル１〜３のダイヤモンドバイトを用いたワークの刃の抜け側の端面の湿式切削加工は実施可能であったが、図１２に示すように、サンプル３、サンプル２およびサンプル１のダイヤモンドバイトの順に、ワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａは小さくなり、優れた切削性能を示すことが確認された。

また、図１３に、送り量が０．０５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル３のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の写真を示し、図１４に、送り量が０．０５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル１のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の写真を示す。

図１３と図１４との比較から明らかなように、サンプル３のダイヤモンドバイトを用いた場合にはワークの刃の抜け側の端面にバリ（突起）の存在が確認されたが、サンプル１のダイヤモンドバイトを用いた場合にはワークの刃の抜け側の端面にバリの存在は確認されなかった。

また、図１５に、送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル１のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果を示す。また、図１６に、送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル２のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果を示す。さらに、図１７に、送り量が０．１５ｍｍ／ｒｅｖであるときのサンプル３のダイヤモンドバイトを用いて湿式切削加工を行なった後のワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａの測定結果を示す。

図１５〜図１７からも、サンプル３、サンプル２およびサンプル１のダイヤモンドバイトの順に、ワークの刃の抜け側の端面の表面粗さＲａが小さくなっていることは明らかである。

以上の結果により、サンプル１〜３のダイヤモンドバイトはいずれも優れた切削性能を有していたが、サンプル３、サンプル２およびサンプル１のダイヤモンドバイトの順に切削性能は高くなると考えられる。

以上のように本発明の実施の形態および実験例について説明を行なったが、上述の各実施の形態および各実験例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実験例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、接合体の製造方法および接合体に利用することができ、特にダイヤモンド工具の製造方法およびダイヤモンド工具に利用することができる。

１ ダイヤモンドバイト、２ 母材、３ 接合材、４ 被接合材、４ａ 切れ刃、４ｂ すくい面、４ｃ 逃げ面、５ 光、６ 集光レンズ、１２ 台金、１３ 活性ろう材、１４ 単結晶ダイヤモンド、１５ ＣＯ₂レーザ光。

Claims (10)

1. 母材上に接合材および被接合材を設置する工程と、
   光を前記被接合材を透過させて前記接合材に照射する工程と、を含む、接合体の製造方法。
2. 前記被接合材の厚さが１ｍｍ以下である、請求項１に記載の接合体の製造方法。
3. 前記被接合材に対する前記光の透過率が５０％以上である、請求項１または請求項２に記載の接合体の製造方法。
4. 前記光は、光学系によって集光された後に前記被接合材に照射される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
5. 前記光は、前記接合材には焦点が合っているが、前記被接合材には焦点が合っていない状態で照射される、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
6. 前記光の焦点深度は、０．２ｍｍ以下である、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
7. 前記光は、炭酸ガスレーザ光である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
8. 前記被接合材の表面粗さＲａが１μｍ以下である、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
9. 前記被接合材は、ダイヤモンド単結晶またはダイヤモンド多結晶を含む、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
10. 母材と、
    前記母材上の接合材と、
    前記接合材上の被接合材とを含み、
    前記被接合材の厚さが１ｍｍ以下である、接合体。