JP4222515B2 - ダイヤモンドの研磨方法と装置 - Google Patents

Description

本発明はダイヤモンドの研磨方法、とりわけ表面がダイヤモンド質で構成された工具類の研磨に好適な方法に関する。

ダイヤモンドは潤滑性と耐摩耗性にすぐれた特質を有することから、化学的蒸着法によって作成されたダイヤモンド膜（CVDダイヤモンド膜）を肩などの要部にコーティングしたプレス金型としたり、穴部にコーティングした引き抜きダイスとすれば、無潤滑にてプレス作業や引き抜き作業が可能となる。本発明で工具とは金型を含む広義の意である。

しかし、ＣＶＤダイヤモンド膜は表面粗さが大きいため、コーティングしたままでは使用できず、表面を平滑に研磨することが必要である。

従来、表層がダイヤモンド質の工具に対しては、砥石を用いるか、遊離砥粒を用いるいわゆる機械的・物理的研磨により研磨が行われていたが、ダイヤモンドは非常に固いため表面の研磨が難しく、非常に時間がかかるという問題があった。

この対策として、研磨用工具を高荷重でダイヤモンド表面に押し付けつつ高速で回転させ摺動させる方法（高速摺動研磨法）が提案されている。図１２に高速摺動研磨法の概略図を示す。高速摺動研磨法は、次のような手順で行われる。被研磨物であるダイヤモンド試料６１を円柱状ホルダ６２に埋め込み、一部突き出させる。そして円柱状ホルダ６２をリニアガイド付きエアシリンダ６３に取り付け、回転する工具円盤６４に所定圧力で押しつけ、ダイヤモンド試料６１を研磨する。

高速摺動研磨法は、径２００ｍｍほどの大型の円盤を高速回転させるもので、大型な工具を用いるため、微小な部分の作業性が悪い。また金型や工具は、ウエハーのような平たい単純な形態の場合と違って、複雑な曲面形状をしていたり、小径穴の内面であったりするため、適用が困難であった。さらにこの方法は、研磨用工具とダイヤモンド表面との熱化学反応を利用して研磨するものであることから、周囲の雰囲気や温度などの影響を受けやすい。また上記特許文献等に記載された発明では、熱化学反応が促進されやすいように高温（１００℃〜８００℃程度）下で、また研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面によけいな介在物があることで反応温度の低下がないように、また熱化学反応が阻害されないように、真空や酸素、アルゴンなどの雰囲気にするなど煩雑な、厳しい条件下で研磨する方法が提案されており、とても簡易な方法とは言えない。

本発明の課題は前記のような問題点を解消するためになされたもので、その課題とするところは、大型の工具を必要とせず、曲面形状をなしていたり、小径穴内面に施されていたりするダイヤモンド表面を、簡単に短時間で効率よく研磨することができる方法を提供することにある。特にダイヤモンド表面の微小形状の研磨など、細かい作業性を要する場合にも作業性良く研磨できる方法と装置を提供することにある。

また、本発明の課題は、複雑な条件を必要としない、ダイヤモンド表面を研磨できる簡易な方法と装置を提供することにある。

さらに本発明の課題は、研磨面周囲の凝着を防ぎ、より滑らかな研磨面を得ることができ、研磨用工具を例えば移動させる場合にも、移動がスムーズに行われ、研磨効率も上がる方法と装置を提供することにある。

なお、本発明で工具とは金型を含む広義の意味合いを指すものである。

上記目的を達成するため本発明は、超音波を印加した研磨用工具をダイヤモンド表面に押し付けて研磨することを特徴としている。具体的には下記の方法と装置を採用することにより達成できる。

請求項１記載の発明は、超音波を印加し、ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成された研磨用工具をダイヤモンド表面に点接触により押し付けて摩擦熱を発生させて、研磨用工具とダイヤモンド結晶中の炭素の熱化学反応によりダイヤモンド表面を研磨するダイヤモンドの研磨方法である。

請求項２記載の発明は、前記研磨用工具と前記ダイヤモンド表面の接触面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を介在させて研磨する請求項１記載のダイヤモンドの研磨方法である。

請求項３記載の発明は、前記潤滑性を有する液体／固体又はその混合物は植物油、切削油、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンからなる群から選択される少なくとも１つの物質からなる請求項２記載のダイヤモンドの研磨方法である。

請求項４記載の発明は、前記炭素と反応しやすい金属としてチタン、ジルコニウム、タンタルのうちいずれかの金属から構成された研磨用工具を用いる請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンドの研磨方法である。

請求項５記載の発明は、研磨用工具を移動させながら超音波縦振動させる請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの研磨方法である。

請求項６記載の発明は、ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成され、棒状部材とその先端の曲面状の先端部からなり、該曲面状の先端部をダイヤモンドの被研磨面に当接させることでダイヤモンド結晶中の炭素と熱化学反応を起こす研磨用工具と、該研磨用工具を超音波振動させて前記研磨用工具とダイヤモンドとの間に摩擦熱を発生させるための超音波振動系を有するダイヤモンドの研磨装置である。

請求項７記載の発明は、前記炭素と反応しやすい金属がチタン、ジルコニウム、タンタルのうちいずれかの金属である請求項６記載のダイヤモンドの研磨装置である。

請求項８記載の発明は、前記研磨用工具を移動可能な工具移動手段を備えた請求項６または７記載のダイヤモンドの研磨装置である。

本発明は、超音波振動による摩擦熱を利用して、研磨用工具とダイヤモンド表面に熱化学反応を起こさせて研磨を行うものである。そして請求項１記載の発明によれば、超音波を利用して、研磨用工具とダイヤモンドとの間に摩擦熱を短時間で効率的に発生させることができ、それによりダイヤモンドから炭素を極めて効率よく取り去って滑らかな表面を創成することができる。
さらに、研磨用工具をダイヤモンド表面と点接触させることで、超音波エネルギーを研磨面に集中させて熱量を効率よく得て、研磨用工具とダイヤモンド表面の熱化学反応が促進され、効率よくより滑らかな研磨面が得られる。

また熱化学反応を促進させるためには、研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面は、余計な介在物による温度低下や反応阻害を防止するため、周囲の雰囲気や温度管理が重要である。したがって通常は、研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面に何か介在物を入れることはしない。また高温下や真空状態、酸素やアルゴンなどの雰囲気にして熱化学反応をいかに促進させるかという点に着目され、研究が行われていた。
しかし本発明者は、請求項１記載の発明では、研磨面の周囲に、研磨用工具の材質の種類に起因すると考えられる凝着物が形成されることがあるので、前記凝着物が生じないようにすることについて鋭意研究の結果、以下のことを見い出し、請求項１記載の発明を更に発展させて、請求項２記載の発明を完成させた。

すなわち請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用に加えて、従来は非常識であると考えられていた研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を介在させて研磨することで、当該液体／固体又はその混合物の潤滑作用により、研磨面周囲の凝着を防ぎ、より滑らかな研磨面を得ることができる。その作用機構としては、超音波振動による摩擦熱で、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物として例えば油の油膜が破れることにより、研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面の温度低下や熱化学反応の阻害が緩和され、研磨が可能になると考えられる。

また請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の作用に加えて、上記潤滑性を有する液体／固体又はその混合物として植物油、切削油、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンからなる群から選択される少なくとも１つの物質を用いると、研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面の温度低下や熱化学反応の阻害が緩和され、研磨が可能になると考えられる。

さらに請求項４及び請求項７記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載及び請求項６記載の発明の作用に加えて、炭素（Ｃ）と反応しやすい金属として、炭素との反応活性が高い、炭素との親和性が高い金属であるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）を用いることで、ダイヤモンド膜からＣが取り去られるため、研磨が進む。

さらに請求項５及び請求項８記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれかに記載及び請求項６または７記載の発明の作用に加えて、研磨用工具が移動（自転を含む）することで、研磨用工具全体を満遍なく使用でき、研磨効率も上がり、また潤滑性を有する物質の潤滑作用により研磨面周囲の凝着が防止でき、移動がスムーズに行われる。

請求項６記載の発明によれば、超音波振動を利用して、ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成されダイヤモンド結晶中の炭素と熱化学反応を起こす研磨用工具とダイヤモンドとの間に摩擦熱を短時間で効率的に発生させ、それにより熱化学反応が促進されてダイヤモンドから炭素を極めて効率よく取り去って滑らかな表面を創成することができる装置である。また、研磨用工具が棒状部材とその先端の曲面状の先端部からなることで、ダイヤモンド膜の輪部形状がどのようなものであっても該曲面状の先端部を被研磨面に当接させて、ダイヤモンド膜と点接触させ、超音波エネルギーを研磨面に集中させて熱量を効率よく得ることでダイヤモンドの研磨ができる装置である。

本発明によれば、大型の工具を必要とせず、周囲の雰囲気や温度などの複雑な条件を必要としない、簡易な方法及び装置でダイヤモンド表面の研磨が可能である。

また請求項１記載の発明によれば、超音波を利用して、研磨用工具とダイヤモンドとの間に摩擦熱を短時間で効率的に発生させることができ、それによりダイヤモンドから炭素を極めて効率よく取り去って滑らかな表面を創成することができるというすぐれた効果が得られる。さらに曲面形状をなしていたり、小径穴内面に施されていたりするダイヤモンド表面を、簡単に短時間で効率よく研磨することができる。特にダイヤモンド表面の微小形状の研磨など細かい作業性を要する場合にも作業性よく研磨できる。
更に、研磨用工具とダイヤモンド表面の熱化学反応が促進され、効率よくより滑らかな研磨面を得ることができる。またダイヤモンド表面と点接触させることで、超音波エネルギーを研磨面に集中させて熱量を効率よく得ることができる。

さらに請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて研磨用工具とダイヤモンド表面の接触面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を介在させて研磨することで、研磨面周囲の凝着を防ぎ、より滑らかな研磨面を得ることができる。

そして請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明の効果に加えて、上記潤滑性を有する液体／固体又はその混合物として植物油、切削油、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンからなる群から選択される少なくとも１つの物質の中から適切な物質を選択して用いると、研磨面周囲の凝着を防ぎ、より滑らかな研磨面を得ることができる。

そして請求項４及び請求項７記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれかに記載及び請求項６記載の発明の効果に加えて、炭素（Ｃ）と反応しやすい金属として、炭素との反応活性が高い、炭素との親和性が高い金属であるチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）を用いることで、研磨が進み、効率よくより滑らかな研磨面を得ることができる。

さらに請求項５及び請求項８記載の発明によれば、請求項１〜４のいずれかに記載及び請求項６または７記載の発明の効果に加えて、研磨用工具全体を満遍なく使用でき、研磨効率も上がる。また潤滑性を有する液体／固体又はその混合物の作用により研磨面周囲の凝着が防止でき、研磨用工具の移動もスムーズに行われる。

また請求項６記載の発明によれば、超音波振動を利用して、ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成されダイヤモンド結晶中の炭素と熱化学反応を起こす研磨用工具とダイヤモンドとの間に短時間で効率的に摩擦熱を発生させて熱化学反応を促進することによって、ダイヤモンド膜が研磨されるため、従来の熱化学反応を利用した高速摺動研磨法に比べ、工具をコンパクトにできることから、微小な３次元複雑形状部の研磨にも対応できる。また研磨用工具の曲面状研磨部に凝着を生じにくく、工具全体を満遍なく使用でき、ダイヤモンド膜の輪部形状がどのようなものであっても対応できる。

好適には、超音波を印加する研磨用工具をダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成され、ダイヤモンド面と点接触させられる。

これによれば、曲面形状をなしたダイヤモンド面を的確に研磨できるばかりか、超音波エネルギーをダイヤモンド面に集中させることができ、これによりダイヤモンド面に摩擦熱ないし反応熱を効率よく伝えてダイヤモンド結晶中から炭素を迅速に取り去ることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な態様を説明すると、図１と図２は本発明をダイヤモンドコーティング膜付きプレス金型の研磨に適用した例を示している。

図１（ａ）は本発明によるダイヤモンドの研磨方法をダイヤモンド膜コーティング金型（雌型）に適用した状態を模式的に示す側面図であり、（ｂ）は同じくダイヤモンド膜コーティング金型（雄型）に適用した状態を模式的に示す側面図である。図１において、フライス盤、ロボットなど任意の工作機械１のテーブル４に研磨対象物が固定される。

図１（ａ）では、ダイヤモンド膜コーティング金型の雌型（ダイス）５であり、同図（ｂ）ではダイヤモンド膜コーティング金型の雄型５である。図２（ａ）は本発明の一実施例である研磨方法の概要を示す側面図であり、（ｂ）はその一部拡大図であり、（ｃ）は平面図であり、（ｄ）はその一部拡大図である。ダイヤモンド膜コーティング金型（雌型）に適用した場合は、図２のように、肩部５０に化学的蒸着法によって作成されたダイヤモンド膜（ＣＶＤダイヤモンド膜）６がコーティングされている。ダイヤモンド膜コーティング金型（雄型）に適用した場合は、図１（ｂ）のように、全体にＣＶＤダイヤモンド膜６がコーティングされている。

工作機械１のマシンヘッド１０には超音波振動系２が組み込まれており、これの端部に研磨用工具３が取り付けられている。したがって、マシンヘッド１０がＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動されることで、研磨用工具３は超音波振動系２とともにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動される。

図２に示すように研磨用工具３はシャンク３０の先端に曲面状研磨部３１を設けている。曲面状とした理由は、研磨対象部分（ダイヤモンド膜）の輪部形状がどのようなものであっても対応できるようにするとともに、研磨対象部分と点接触させ、超音波エネルギーを研磨面に集中させて熱量を効率よく得るためである。

線接触あるいは面接触では、工具の逃げによる研磨面への片当たりによりエネルギーが分散され、効率的な研磨が望めないので適当ではない。曲面状研磨部３１とすれば、曲面形状をしたダイヤモンド膜に摩擦熱を効率よく発生させることができる。

研磨部３１の材質としては、ダイヤモンドの化学的成分である炭素（Ｃ）と反応しやすいものとする。

その代表的なものとしては、「γ相の鉄（Ｆｅ）を成分中に含む金属」が挙げられる。その理由は、Ｃはγ相のＦｅと反応しやすく、Ｆｅ_３Ｃを生成する特性をもっており、したがって、γ相のＦｅが含まれる金属をダイヤモンド膜に接触させると、ダイヤモンド結晶からＣを取り込み、ダイヤモンド側が研磨されるからである。そして必要な反応熱を効率よく発生させ、接触面である研磨面に伝えるために、点接触での超音波振動を利用するのである。

γ相のＦｅを成分中に含む金属としては、常温でγ相のＦｅが安定的に存在するオーストナイト系ステンレス鋼などの合金鋼、あるいは、高温条件でα相がγ相に変化する低炭素鋼が挙げられる。そして、鋼の場合、Ｃ含有量が少ないことが条件であり、前者の代表例としては、ＳＵＳ３０４（ステンレス鋼）が挙げられる。これは、あらゆる金属の中で最もγーＦｅが豊富に含まれており、しかもＣの含有量が少なく、その分ダイヤモンドのＣを取り込みやすいことから好適である。後者の例としては、Ｓ１０Ｃ（低炭素鋼）が挙げられる。

また、本発明に適用されるダイヤモンドのＣと反応しやすい他の金属は鉄系金属に限定されず、非鉄金属でもよく、代表的にはチタン類が挙げられる。チタン（Ｔｉ）はＣと反応しやすく、ダイヤモンドに高温下で押し付けることにより、ＴｉＣが生成され、ダイヤモンド膜からＣが取り去られるため、研磨が進むのである。また炭素との反応活性が高い、炭素との親和性が高い金属であるジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）を用いても良い。

研磨に当たっては、研磨対象物５をテーブル４に固定し、図２（ｂ）、（ｃ）のように、研磨用工具３を研磨対象物５のダイヤモンド膜６に押し当て、超音波振動系２を駆動して研磨用工具３に超音波を印加するのであり、研磨点を順次所要の速度でＸ、Ｙ、Ｚのいずれかの方向に移動していくのである。

この例では、平面上の輪郭が円形をなすダイス肩部分にダイヤモンド膜６が施されているので、たとえば、その曲率にあわせて移動し、次いで、Ｚ方向に移動し、その位置でＸ、Ｙ方向に移動する動作を繰り返し、ダイヤモンド膜全体を研磨するのである。

上記工程においては、超音波振動によって研磨用工具３とダイヤモンド膜６と間に短時間で効率的に摩擦熱が発生し、前記のように研磨用工具３の材質的特性によってダイヤモンド結晶中のＣが取り去られ、面粗度を極めて短時間で平滑化することができる。

印加する超音波振動の条件は、超音波エネルギーをＥ、相対運動する面の摩擦係数をμ、周波数をｆ、荷重をＰ、振動振幅をεとすると、式Ｅ＝∫μ（２πｆε）Ｐｄｔで表される。この式から、超音波によりダイヤモンド表面に発生する摩擦熱は、振動振幅、荷重、時間に比例するので、周波数ともどもダイヤモンドの種類、厚さ、目標とする面粗度などに応じて、たとえば、周波数：２０〜３０ＫＨｚ、振動振幅：１０〜２０μｍ_(p-p)、研磨荷重（研磨用工具を被研磨物に押し付けた時に被研磨物にかかる荷重）：０．７〜１．２ｋｇｆの範囲から選択すればよい。

周波数と振幅が低すぎると、研磨用工具３とダイヤモンド膜６との間に短時間で効率的に摩擦熱を発生できなくなるので、適当でない。周波数が一定の条件では、振動振幅、研磨荷重を増加すると効果的である。

図３は本発明の実施に好適な装置とそれを用いた研磨状態を示しており、研磨用工具３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動させるだけでなく、自軸を中心として回転（自転）させるようにしたものである。これは、曲面状研磨部３１になるべく凝着を生じさせないように、全体を満遍なく使用するためである。

前記超音波振動系２は、図３（ａ）のように、裏当て部材２０と前面部材２１との間に振動素子２２を介在してボルトで締結したボルトランジュバン型の超音波振動子２Ａを有し、この超音波振動子２Ａの前端には縦振動用のホーン２Ｂが直列状に位置され、前面部材２１の先端に設けた雌ねじ穴にねじ込んだ連結ネジ２３で一体に連結している。前記ホーン２Ｂの先端には、研磨用工具３がネジ等により固定されている。

前記ホーン２Ｂは、前端に近い部位に設けたフランジ２４を外周のスリーブ主軸２Ｃに固定部材により固定しており、スリーブ主軸２Ｃはベアリング２５によりケーシング２Ｄに回転自在に支持されている。ケーシング２Ｄはマシンヘッド１０に内蔵される。

スリーブ主軸２Ｃは上部に給電要素２６が取り付けられる。これに外部の超音波発振器２Ｅが接続されている。また、これと別の位置にモータ２Ｆの回転力をスリーブ主軸に伝える伝動要素たとえば歯車２６が固定されており、これにより、研磨用工具３は図３（ｂ）のように自転しながら超音波振動をダイヤモンド膜６に伝達するようになっている。

本発明で超音波を用いるのは、研磨用工具３とダイヤモンド膜６との間に超音波による摩擦熱を短時間で効率的に発生させ、熱化学反応を促進させて、研磨用工具３の材質的特性により、ダイヤモンド６からＣを取り去るためである。

したがって、超音波振動系２は、上記熱量が発生するに十分な超音波振動振幅値と周波数が得られ、また、熱量を発生させるために必要な研磨荷重をかけても超音波振動振幅値や周波数が減少しないパワーが得られればよく、ボルトランジュバン型に限定されない。

また、場合によっては、研磨用工具３はフリー回転の形態としてもよい。これは、たとえば、曲面状研磨部３１を球体とし、シャンク３０に対して回転自由に組み付けることで実現できる。これによれば、装置構造が大幅に簡易なものとなるので、大型の金型のダイヤモンド膜研磨作業に適するハンドツールとすることも可能である。

前記研磨用工具３が移動あるいは自転しないタイプの場合、超音波振動系２’はいわゆる外付けタイプとしてもよい。図４に示す本発明の他の実施例の超音波振動系２’の側面図はこの例を示しており、工作機械１のマシンヘッド１０に、横アーム２Ｈを有する縦軸２Ｇが固定され、横アーム２Ｈに超音波振動系２を支持している。

図５には、引き抜きダイス５’の断面図を示し、この図５は本発明を、ダイヤモンド膜６を有する引き抜きダイス５’のダイヤモンド膜研磨に適用した例を示しており、ダイヤモンド膜６はベアリング部を中心として設けられている。

研磨用工具３はベル側から穴５２に挿入され、前記金型の場合と同じようにダイヤモンド膜６に押し当てられつつ超音波が印加され、それによって摩擦熱を効率よく発生させ、ダイヤモンド中の炭素を取り去って研磨するのである。

超音波振動系、振動条件、装置構成などは金型の研磨の場合と同様であるから、説明は援用する。

なお、研磨対象物５と研磨用工具３の相対移動は、必ずしもマシンヘッドをＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動する態様に限定されない。研磨対象物側を少なくともＺ方向に移動させてもよい。

また、本発明の研磨法で研磨対象のダイヤモンドは、ＣＶＤダイヤモンドに限らず、焼結ダイヤモンド（ＰＣＤ）、単結晶ダイヤモンド、天然ダイヤモンドなどが含まれる。

本発明によりＣＶＤダイヤモンド膜を研磨した結果を示す。

フライス盤の主軸部分に図４に示す治具を介して超音波振動系を固定し、ホーンに研磨用工具を取り付けた。被研磨物は直径２０ｍｍ、長さ７０ｍｍの超硬丸棒の外周に膜厚１５μｍのＣＶＤダイヤモンド膜のコーティングを施したものを使用し、これをキスラー動力計に研磨用工具と直交するように固定し、研磨荷重を測定するようにした。

研磨条件は、超音波周波数：２７．８Ｋｈｚ、超音波振動振幅μｍ_(p-p)：５、１０、１５、研磨荷重ｋｇｆ：０．３８、０．７５、１．１３、研磨時間ｓｅｃ：２、１０、２０、研磨用工具材質：ＳＵＳ３０４、Ｔｉとした。

その結果を観察した。図６（ａ）は研磨前のＣＶＤダイヤモンド膜の状態を示しており、（ｂ）はそれを拡大した状態を示している。ダイヤモンド膜は、多結晶体構造のため、表面の凹凸が激しい。図７は研磨用工具材質をＴｉとした場合の図６（ａ）の箇所を研磨後の状態を示している。

各工具材質において、振動振幅を１５μｍ_(p-p)とし、荷重を変化させた場合、荷重０．７５ｋｇｆでは２０秒でもやや結晶粒が残っていたが、研磨荷重１．１３ｋｇｆとした場合、１０秒以上で図７相当の良好な研磨面が得られた。

次に、研磨荷重を１．１３ｋｇｆとし、振動振幅を変化させた場合にいずれの各工具材質においても、１０秒でほぼ良好、２０秒で図７相当の良好な研磨面が得られた。

研磨結果を定量的に検討するため、振動振幅：１５μｍ_(p-p)、研磨荷重：１．１３ｋｇｆ、研磨時間：２０秒の条件での、面粗さを測定した。測定法はＳＥＭの付属機能である３次元形状測定装置を用いて測定距離は超音波振動振幅方向に１２０μｍで行った。その結果を図８に示す。図８（ａ）は研磨前の表面粗さを示す線図であり、図８（ｂ）は研磨後の表面粗さを示す線図である。この結果から短時間で著しく良好な研磨結果が得られていることが分かる。

さらに研磨用工具３の材質をＺｒ、Ｔａ、モリブデン（Ｍｏ）、Ｓ１０Ｃ、ニッケル（Ｎｉ）とし、上記と同様の研磨条件においてＣＶＤダイヤモンド膜を研磨した。Ｍｏ以外のＺｒ、Ｔａ、Ｓ１０Ｃ、Ｎｉは、良好な研磨面が得られた。この原因として、Ｍｏは他の金属と比べて、炭素と反応しにくいことが考えられる。

次に、ダイスの肩部５０に施したＣＶＤダイヤモンド膜６を研磨した。

ダイスは超硬合金製、直径５５ｍｍ、高さ４９ｍｍで、ダイス肩半径Ｒ３、ＣＶＤダイヤモンド膜は膜厚１５μｍ、研磨実行面積は１３０ｍｍ^２である。研磨用工具３は、材質：ＳＵＳ３０４とした。

装置は図３に示すものを使用し、超音波周波数は２７．８ＫＨｚ、最大振動振幅は２０μｍ_(p-p)、研磨荷重は１．１２５ｋｇｆとした。その結果、前記面積に対する研磨時間は短く、且つ図７に応答する良好な研磨結果が得られていることが確認された。

なお、研磨部分の成分分析結果から、研磨用工具３に超音波を印加してダイヤモンド膜６に押し付けて研磨した場合に効果的な研磨が行われるのは、研磨部３１が曲面であるために超音波エネルギーが集中して摩擦熱が効率良く発生し、かつ、曲面状研磨部の材質がＳＵＳ３０４というγ相のＦｅを豊富に含む低Ｃであるため、ダイヤモンドのＣが反応熱で急速に取り去られたからであることが確認された。

上記本発明の実施例では研磨面周囲に凝着物が形成されることがある。この凝着物は、研磨用工具３の材質の種類に起因すると考えられる。

本実施例では、従来の高速摺動研磨法の常識に反して、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を研磨面に塗布した後、図３と同様の装置を用いて、ＣＶＤダイヤモンド膜の研磨を行った。被研磨物は前記と同様に直径２０ｍｍ、長さ７０ｍｍの超硬丸棒の外周に膜厚１５μｍのＣＶＤダイヤモンド膜のコーティングを施したものを使用した。 研磨条件は、研磨用工具３の材質をＴｉ、Ｔａ、Ｚｒ、Ｍｏ、ＳＵＳ３０４、Ｓ１０Ｃ、Ｎｉとし、超音波周波数：２０．５ｋＨｚ、超音波振動振幅：１５μｍ_(p-p)、研磨時間：２０ｓｅｃ、研磨荷重：１１．１Ｎとした。

本実施例では、研磨用工具３とダイヤモンド膜６の各々の面もしくはどちらか一方の面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物として、油類を塗布して、ダイヤモンド膜６を研磨した。潤滑性を有する物質であれば、固体や流体など状態は問わず、油類に限られるものではない。

なお、以下、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を使用した場合の研磨については、「湿式」と言い、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を使用しない場合の研磨については、「乾式」と言う。なお、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物は植物油、切削油（２種６号）、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンなど種々の物質を用いることができ、これらの種類に限定されるものではない。また液体状に限らず、半固体状のグリースや、固体状のいわゆる脂でも良い。また潤滑性を有する液体／固体又はその混合物の塗布方法についても特に限定はなく、研磨用工具３とダイヤモンド膜６が接触する面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物が介在すれば良い。

図９（ａ）は、乾式研磨後の状態を示し、図９(ｂ）は植物油を用いた場合の湿式研磨後の状態を示す。図９(ａ）の乾式研磨後の状態と比べて明らかなようにＴｉ表面の凝着が認められず、滑らかな研磨面が得られた。植物油を使用することで、研磨面周囲の凝着を防ぎ、より滑らかな研磨面を得ることができる。また研磨用工具３をＺｒ、Ｔａとした場合でも、良好な研磨結果が得られた。これらの金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ）は、炭素との反応活性が高い、炭素との親和性が高い金属である。したがって、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物の作用による反応熱の低下や、Ｃとの反応阻害などの影響を受けにくかったものと推測される。一方研磨用工具３をＭｏ、ＳＵＳ３０４、Ｓ１０Ｃ、Ｎｉとした場合は、良好な研磨面が得られなかった。この理由として潤滑性を有する液体／固体又はその混合物の介在による反応熱（温度）の低下により、Ｃとの反応が阻害されたものと推測される。

次に乾式及び湿式にて図３のＸ方向またはＹ方向に研磨用工具３に送りをかけてＣＶＤダイヤモンド膜６の研磨を行った。研磨条件は、超音波周波数：２０．５ｋＨｚ、超音波振動振幅：１５μｍ_(p-p)、研磨荷重：１３．７Ｎ、工具送り：４ｍｍ／ｍｉｎ×１ｍｉｎとした。研磨用工具３の材質は、上記実施例２の湿式において良好な結果が得られたＴｉ、Ｚｒ、Ｔａとし、直径は１２ｍｍ、長さ１２５ｍｍ、研磨部分は先端約２ｍｍのところとし、研磨部３１はいずれの工具も＃４００のエメリー紙で最終仕上げをした。研磨用工具３をＴｉとした場合の結果を図１０及び図１１に示す。

図１０（ａ）は研磨用工具３に乾式で送りをかけた場合の研磨後の状態を示し、図１０（ｂ）は研磨用工具３に湿式で送りをかけた場合の研磨後の状態を示す。また図１１は、図１０（ｂ）の研磨部分と非研磨部分の境界面を拡大した状態を示している。図１０及び図１１からも明らかなように研磨用工具３に乾式で送りをかけた場合は、研磨面周囲の凝着が激しいが、湿式で送りをかけた場合は、実施例２の湿式研磨と同様に良好な研磨結果が得られた。図１０（ｂ）は植物油を用いた場合のものであるが、上記切削油（２種６号）、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンなどどの油でも良好な研磨面が得られ、効率よく研磨ができることが確認された。

特に研磨用工具３の材質によっては、潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を研磨面３１に塗布すれば、凝着を防ぐ効果がある。また潤滑性を有する液体／固体又はその混合物の効果により研磨用工具３に送りをかけた場合にも、送りがスムーズに行われ、研磨効率も上がる。

本発明はダイヤモンドからなる面を有する物品ことに、プレス金型や引き抜きダイスなどの広義の意味での各種工具の研磨に好適であるが、工具に限らずダイヤモンド膜付きの摺動材などの研磨にも好適である。

図１（ａ）は本発明によるダイヤモンドの研磨方法をダイヤモンド膜コーティング金型（雌型）に適用した状態を模式的に示す側面図、図１（ｂ）は同じくダイヤモンド膜コーティング金型（雄型）に適用した状態を模式的に示す側面図である。 図２（ａ）は本発明研磨方法の概要を示す側面図、図２（ｂ）はその一部拡大図、図２（ｃ）は平面図、図２（ｄ）はその一部拡大図である。 図３（ａ）は本発明で好適な態様を示す断面図、図３（ｂ）はその一部拡大図である。 本発明の他の態様を示す側面図である。 本発明をダイヤモンド膜コーティング引き抜きダイスの研磨に適用した例を示す断面図である。 図６（ａ）は本発明の実施例における研磨前のダイヤモンド膜表面写真（倍率×１０００）であり、図６（ｂ）はその拡大写真（倍率×６０００）である。 図６（ｂ）の乾式研磨後の状態を示す拡大写真（倍率×６０００）である。 図８（ａ）は研磨前の表面粗さを示す線図、図８（ｂ）は研磨後の表面粗さを示す線図である。 図９（ａ）は乾式研磨後の状態を示す拡大写真（倍率×１００）であり、図９（ｂ）は植物油を用いた場合の湿式研磨後の状態を示す拡大写真（倍率×１００）である。 図１０（ａ）は研磨用工具に乾式で送りをかけた場合の研磨後の状態を示す拡大写真（倍率×２０）であり、図１０（ｂ）は研磨用工具に湿式で送りをかけた場合の研磨後の状態を示す拡大写真（倍率×２０）である。 図１０（ｂ）の研磨部分と非研磨部分の境界面の拡大写真（倍率×２０００）である。 従来例の高速摺動法による研磨装置の概略図である。

符号の説明

１ フライス盤ロボット ２、２^、 超音波振動系
３ 研磨用工具 ４ テーブル
５ 研磨対象物 ６ ダイヤモンド膜
１０ マシンヘッド ２０ 裏当て部材
２１ 前面部材 ２２ 振動素子
２３ 連結ネジ ２４ フランジ
２５ ベアリング ２６ 歯車
３０ シャンク ３１ 曲面状研磨部
５０ 肩部 ５２ 穴
６１ ダイヤモンド試料 ６２ 円柱状ホルダ
６３ リニアガイド付きエアシリンダ
６４ 工具円盤 ６５ 工具動力計
６６ エア入り口

Claims (8)

1. 超音波を印加し、ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成された研磨用工具をダイヤモンド表面に点接触により押し付けて摩擦熱を発生させて、研磨用工具とダイヤモンド結晶中の炭素の熱化学反応によりダイヤモンド表面を研磨することを特徴とするダイヤモンドの研磨方法。
2. 前記研磨用工具と前記ダイヤモンド表面の接触面に潤滑性を有する液体／固体又はその混合物を介在させて研磨することを特徴とする請求項１記載のダイヤモンドの研磨方法。
3. 前記潤滑性を有する液体／固体又はその混合物は植物油、切削油、流動パラフィン、オレイン酸、グリセリンからなる群から選択される少なくとも１つの物質からなることを特徴とする請求項２記載のダイヤモンドの研磨方法。
4. 前記炭素と反応しやすい金属としてチタン、ジルコニウム、タンタルのうちいずれかの金属から構成された研磨用工具を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンドの研磨方法。
5. 研磨用工具を移動させながら超音波縦振動させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のダイヤモンドの研磨方法。
6. ダイヤモンド結晶中の炭素と反応しやすい金属から構成され、棒状部材とその先端の曲面状の先端部からなり、該曲面状の先端部をダイヤモンドの被研磨面に当接させることでダイヤモンド結晶中の炭素と熱化学反応を起こす研磨用工具と、該研磨用工具を超音波振動させて前記研磨用工具とダイヤモンドとの間に摩擦熱を発生させるための超音波振動系を有することを特徴とするダイヤモンドの研磨装置。
7. 前記炭素と反応しやすい金属がチタン、ジルコニウム、タンタルのうちいずれかの金属であることを特徴とする請求項６記載のダイヤモンドの研磨装置。
8. 前記研磨用工具を移動可能な工具移動手段を備えたことを特徴とする請求項６または７記載のダイヤモンドの研磨装置。

Images