JPWO2005035174A1 - ダイヤモンド工具、合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法ならびにダイヤモンド宝飾品 - Google Patents

Abstract

工具に用いる合成単結晶ダイヤモンドの窒素含有量を３ｐｐｍ以下に減少させることによって高くなるダイヤモンドの（１００）面＜１１１＞方向の硬度を利用し、同時に欠陥が減少することを利用して、各種のダイヤモンド工具を提供する。合成単結晶ダイヤモンドは、超高圧高温下で温度差法によって合成され、結晶中に、原子置換型で侵入したニッケルあるいは原子置換型で侵入したホウ素およびニッケルを含有する。

Description

本発明は、ダイヤモンド工具、合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法ならびにダイヤモンド宝飾品に関し、特に、シャープな刃先を有し、耐摩耗性や耐欠損性に優れ、かつ品質の安定した、ダイヤモンドバイトやダイヤモンドナイフや、耐摩耗性に優れたダイヤモンドダイスやドレッサーやスタイラスなど、優れた性能を有するダイヤモンド工具、結晶中にニッケルを置換型で含有する合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法、結晶中にホウ素とニッケルを原子置換型で含有する合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法、鮮やかな色を呈するダイヤモンド宝飾品に関する。

従来の単結晶ダイヤモンド工具は、天然ダイヤモンドの中から適当な原石を選択し、製作されたものであった。また、一部では、窒素を不純物として含む人工合成単結晶ダイヤモンド（Ｉｂ型）が使用されていた。

ダイヤモンドは、非常に硬度が高いこと、非常に熱伝導率が良好なこと、屈折率が大きいため美しく輝くこと等のため、工業用や宝飾用に広く利用されている。しかしながら、天然産のものは非常に高価であるため、工業的に製造されたダイヤモンドが工業用の用途を中心に広く用いられている。このような工業的に製造されたダイヤモンドは、超高圧高温下で結晶を成長させる温度差法等により合成して製造されるのが一般的である（特許文献１〜特許文献６）。

また、近年の産業の高度化の下、高度の耐摩耗性や均一な耐摩耗性を有している等の特殊な機械的、物理的性質が天然のものより優れた合成単結晶ダイヤモンドの開発もなされている（特許文献７〜９）。

さらには、半導体特性あるいは導電性等本来ダイヤモンドが有していない性質を有する合成単結晶ダイヤモンドの開発もなされている（特許文献１０）。
特開昭６０−１２７４７号公報 特開平５−１３７９９９号公報 特開平５−１３８０００号公報 特開平５−３２９３５６号公報 特開平６−１８２１８２号公報 特開平６−１８２１８４号公報 特開平３−１３１４０７号公報 特開平３−２２８５０４号公報 特開平７−１１６４９４号公報 特開平５−２００２７１号公報 Ｓｕｍｉｙａ ｅｔ ａｌ．， Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，５，１３５９（１９９６）

天然ダイヤモンドは、多くの窒素不純物を含み、地球内部の複雑な成長履歴を反映して、結晶内に多くの歪や結晶欠陥を持ち、結晶によるバラツキも大きい。天然ダイヤモンドからは、不純物や結晶欠陥を含まない高い品質の結晶を安定入手することはほとんど不可能である。天然ダイヤモンドが持つこうした結晶欠陥や不純物は破壊の起点となる。そのため、従来の天然ダイヤモンドを用いた工具は、品質が安定せず、性能や寿命が大きくバラついていた。

これに対し、ダイヤモンドが熱力学的に安定な高圧高温条件で育成される合成ダイヤモンド単結晶は、天然ダイヤモンドよりはるかに結晶性に優れ、品質も安定している。しかし、通常の合成ダイヤモンドは、窒素を孤立置換型不純物として数十ｐｐｍから数百ｐｐｍ含み（Ｉｂ型）、各種の特性に影響を及ぼす。特に、紫外域と赤外域に窒素不純物による強い吸収が生じる。また、この窒素不純物は結晶中に不均一に分布しており、このため、結晶内部に少なからず歪が生じる。

また人工合成ダイヤモンドでは、窒素不純物を孤立置換型不純物として含むＩｂ型のダイヤモンドが一部で切削工具やナイフなどに用いられている。人工合成ダイヤモンドは、品質の安定性は天然ダイヤモンドよりもはるかに優れるが、工具の特性を左右する刃立性、耐摩耗性は十分とはいえなかった。

ところで、温度差法により合成されたダイヤモンドは、特許文献２ないし特許文献６等にも記載されているように、特別の窒素ゲッターを添加された溶媒金属を使用しない限り、溶媒中の窒素が結晶内に取込まれて黄色く着色してしまう。

この窒素は原子置換型の不純物であり、しかも窒素原子は炭素原子よりも寸法が大きいため、ダイヤモンドの立方晶の結晶構造を部分的に歪ませてしまう。その結果、ダイヤモンドの硬度や熱伝導度が低下する。

これらの性質の低下は、工業用としての使用、特に工具の刃先として使用したときには、直接的に製品の耐研磨性や耐摩耗性等の劣化につながるだけでなく、製造過程においても問題を発生させ、ひいては間接的にも製品の性能の劣化につながる。

すなわち、刃先にするための研磨時の摩擦で生じた熱が、熱伝導度が低下した分逃げ難くなり、刃先の先端が過度に加熱され、酸化される。このため、刃先の作用部に通常セクタと呼ばれる０．０４ｍｍ程度の段差が生じ、これが刃先の作用部に生じると工具としての刃立ち性が悪くなり、製品の被削面の仕上げ精度が低下する原因となる。

また、一層優れた機械的特性を有するものや、本来ダイヤモンドが有さない半導体特性や導電性を有するものを合成するため、特許文献９、１０にも記載されているように、ダイヤモンド結晶内にホウ素（Ｂ）を混入させることもなされている。ただし、このためには、炭素源として特別なダイヤモンド粉末を必要とする等、現在の技術はまだまだ不充分である。

また、ダイヤモンドの色が透明や青や赤と異なり黄色、特に濃黄色を呈すれば、宝飾品としての価値が低くなる。また光学部品やレーザ窓にも使用することが困難となる。

一方、窒素のダイヤモンド結晶内への侵入を防ぐため、製造時に溶媒金属中にアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）等の窒素ゲッターを添加しておく方法が種々開発されている。これらの方法では、窒素含有量が少ない、しかも無色透明なダイヤモンドが得られる。しかし、溶媒中に生じたこれら窒素ゲッターの炭化物がダイヤモンド結晶中に取込まれないようにするためには、結晶の成長速度を落とす必要がある。これについても、特許文献２ないし特許文献６に記載されているように、種々工夫がなされているが、現在のところ、成長速度は最大で２ｍｇ／ｈｒないし２．５ｍｇ／ｈｒである。このため、製造コストが増加する。

また、半導体特性や導電性は、本来ダイヤモンドが有していない性質であるだけに、現状のものでは、まだまだ不充分である。

以上のため、工業用、特に工具用に、不純物の窒素の含有量が少ない、そして安価な合成単結晶ダイヤモンドの開発が望まれていた。また、耐摩耗性等の機械的、物理的性質が一層優れた合成単結晶ダイヤモンドの開発が望まれていた。同じく半導体特性、適度の導電性を有する合成単結晶ダイヤモンドの開発も望まれていた。さらに、宝飾用に美しい色彩の、そして安価な合成単結晶ダイヤモンドの開発も望まれていた。また、それらの合成単結晶ダイヤモンドを使用した工具や宝飾品も要望されていた。

以上の他、工具の刃先として使用する場合にはシャンク等工具本体へのロウ付けが容易であること等の要望を充たす技術の開発が望まれていた。

そこで、この発明の１つの目的は、従来のダイヤモンド工具よりはるかに優れた、刃立性、耐摩耗性、品質の安定性を有するダイヤモンド工具を提供することにある。

この発明の他の目的は、不純物の窒素の含有量が少なく安価で工業用に使用でき、耐摩耗性等の機械的、物理的性質に優れ、美しい色彩で、工具本体へのロウ付けが容易な合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、美しい色彩で安価な合成単結晶ダイヤモンドを用いたダイヤモンド宝飾品を提供することにある。

本願発明に係るダイヤモンド工具は、高圧下の温度差法により人工的に合成された単結晶ダイヤモンドを用いて作製され、結晶中ダイヤモンドの不純物量が３ｐｐｍ以下である。好ましくは、該ダイヤモンド工具において、結晶中ダイヤモンドの不純物量が０．１ｐｐｍ以下である。

人工合成ダイヤモンドの窒素不純物は、高圧合成時に窒素ゲッターとなる成分を溶媒に添加することで除去できるが、インクル−ジョンを含み易くなり良質な結晶が得られなくなる。しかし、本発明者らにより、窒素ゲッターを添加しても良質な結晶が得られる方法が示された（非特許文献１）。このようにして、窒素不純物を３ｐｐｍ以下に制御した高純度合成ダイヤモンド結晶（ＩＩａ型）は、不純物による結晶欠陥や歪がない。このため、硬度、強度などの機械的特性が向上し、品質のバラツキも小さくなると考えられる。また、紫外域の２７０ｎｍに若干窒素不純部による吸収があるものの、それ以外は不純物による吸収がない。窒素量を０．１ｐｐｍ以下にすれば２７０ｎｍの吸収も見られず、紫外から、遠赤外まで透明な結晶が得られる。

本発明者等は、この高純度合成ダイヤモンドの機械的特性を詳細に調べたところ、天然ダイヤモンドや従来の合成ダイヤモンドに見られない特徴を有することを見いだした。

表１に、窒素量の異なる合成ダイヤモンド結晶の（１００）面の＜１００＞方向および＜１１０＞方向のヌープ硬度を測定した結果を示す。（１００）面＜１００＞方向のヌープ硬度は、図１に示すように、窒素量の減少とともに向上する。窒素量１ｐｐｍ以下のものは、硬度１００００ｋｇ／ｍｍ^２以上と高硬度である。また、窒素が３ｐｐｍ以下の合成ダイヤモンド結晶においては、（１００）面＜１１０＞方向は正常なヌープ圧痕が形成されず、非常に硬いことがわかる。図２に、窒素量０．１ｐｐｍの合成ＩＩａ型ダイヤモンド結晶と、６０〜２４０ｐｐｍの窒素を含むＩｂ型ダイヤモンド結晶、および天然のＩａ型ダイヤモンド結晶（凝集型窒素不純物を約１０００ｐｐｍ含む）の（１００）面上の各方位のヌープ硬度の測定結果を示す。

天然ダイヤモンドや通常の合成ダイヤモンドは（１００）面上では＜１００＞方向が＜１１０＞方向より硬いが、不純物量３ｐｐｍ以下のダイヤモンドはこれとは逆の傾向を示し、特に＜１１０＞方向は、ヌープ圧子による圧痕が形成されず、極めて硬い。これは、合成ＩＩａ型ダイヤモンド結晶は圧子押し込みによる変形の起点となる不純物、欠陥が極めて少ないためと考えられる。なお、不純物３ｐｐｍを越えるとこの傾向は見られなくなり、天然ダイヤモンド結晶や合成Ｉｂ型ダイヤモンド結晶と同様の傾向を示すようになる。

本発明によるダイヤモンド工具では、該ダイヤモンド工具を超精密切削バイトとする事ができる。上記の低窒素含有ダイヤモンドの高い硬度により高い耐摩耗性を持つ超精密切削バイトを提供することができる。

また、本発明によるダイヤモンド工具では、該ダイヤモンド工具をミクロトームナイフやサージカルナイフなどのダイヤモンドナイフとする事ができる。上記の低窒素含有ダイヤモンドの高い硬度と低欠陥により優れた刃立ち性を持つダイヤモンドナイフを提供することができる。

同じく本発明によるダイヤモンド工具では、該ダイヤモンド工具を線引き用ダイスやダイヤモンドスタイラスとする事ができる。上記の低窒素含有ダイヤモンドの高い硬度と低欠陥により耐摩耗性に優れ、欠陥の少ない線引き用ダイスを提供することができる。

さらに、本発明によるダイヤモンド工具では、該ダイヤモンド工具をドレッサーとする事ができる。上記の低窒素含有ダイヤモンドの高い硬度と低欠陥により、耐摩耗性に優れ、刃立ち性の良いドレッサーを提供することができる。

以上の知見に基づき、不純物量が３ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下で、結晶欠陥の少ない合成ダイヤモンドを用いて工具を作製した。不純物量の低減は、高純度な炭素源、Ｆｅ−Ｃｏ溶媒を用い、溶媒にＴｉなどの窒素ゲッターを添加することで可能である。また、線状の転位欠陥は、低欠陥ダイヤモンド結晶から切り出した結晶を種にすることで、転位欠陥を除去できる。

本発明に係る合成単結晶ダイヤモンドは、１つの局面では、超高圧高温下において温度差法によって合成される合成単結晶ダイヤモンドであって、結晶中に原子置換型で侵入したニッケルを含有することを特徴とする。

本発明においては、溶媒中にニッケルを多く含有させたため、淡緑色を呈する合成単結晶ダイヤモンドとなる。併せて、合成単結晶ダイヤモンド中に原子置換型で侵入する窒素が減少するため、結晶歪が小さくなり、合成単結晶ダイヤモンドの硬度、耐摩耗性が向上する。

含有窒素量が減少することにより、工具等に使用した場合、刃先へ加工する時の過度の過熱に基づく酸化による劣化が抑制されるため、刃立ち性が向上する。

ニッケル含有量は、０．０１〜１０ｐｐｍであることが好ましい。ニッケル含有量が１０ｐｐｍ以下であれば、合成単結晶ダイヤモンドの硬度、耐摩耗性、刃立ち性に悪影響を及ぼさず、また合成単結晶ダイヤモンドに美しい淡緑色を呈させる。また、１０ｐｐｍを超えると、過剰な歪のため、本願発明の作用、効果が発揮しにくく、色も黒くなる。一方、ニッケル含有量が０．０１ｐｐｍ未満であると、合成単結晶ダイヤモンドの強度等の機械的、物理的な品質面からは好ましいが、製造にコストと時間がかかる。これはニッケルを含む溶媒を用いると結晶の成長速度を大幅に上げることができるからである。さらに、薄い緑色を呈する面からは、ニッケルが少なくとも１ｐｐｍ含有されているのが好ましい。

窒素含有量は、０．０１〜３ｐｐｍであることが好ましい。この範囲であれば、硬度や耐摩耗性の向上等の効果が充分に得られると共に、製造コストを抑えることができる。

本発明を、工具に使用する合成単結晶ダイヤモンドに適用することにより、硬度の向上等の効果を大きく発揮する。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドを工具の刃先に使用する場合、ロウ材を使用してシャンク（工具本体）に合成単結晶ダイヤモンドをロウ付けするに際して、チタンが含まれる活性ロウ材を用いることが比較的低温でロウ付けすることができるため好ましい。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドは、窒素含有量が極めて少なく、ニッケルを含有させているため濃黄色を呈さず淡緑色を呈する。このため、宝飾品として使用することが好ましい。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドを使用した工具は、高い硬度、高い耐磨耗性の工具として長寿命化等の効果を得ることができる。このような工具としては、バイト、ドレッサー等が挙げられる。また、本発明の合成単結晶ダイヤモンドを使用した宝飾品は淡緑色に輝く宝飾品として高い評価を得ることができる。

本発明に係る単結晶ダイヤモンドの合成方法は、超高圧高温下において温度差法によって単結晶ダイヤモンドを合成する方法であって、鉄、コバルトの少なくも１種と、３６重量％以上のニッケルと、１〜２重量％のチタンと、３〜５．５重量％の黒鉛からなる溶媒を使用することを特徴とする。

本発明においては、溶媒に１〜２重量％、好ましくは１．５重量％程度含有されているチタンが不純物として含まれる窒素と反応して、窒素がダイヤモンド結晶内に侵入することを阻止する。また、銅等のインクルージョンの発生を防止する元素が添加されていなくても、上記チタンがインクルージョンとしてダイヤモンド結晶内に侵入することはない。これは、溶媒中に、周期律表で銅に極めて近い位置を占めるニッケルが３６重量％、好ましくは４０重量％程含有されているからであると推測される。一方、ニッケルが原子置換型の不純物として１０ｐｐｍ以下ダイヤモンド結晶内に侵入する。

種結晶の種面は、（１００）面であることが、結晶の成長の面等から好ましい。また、合成温度は、原子置換型不純物としてのニッケルのダイヤモンド結晶内への適度の侵入等の面から１３８０±２５℃が好ましい。

合成速度は、経済性、原子置換型不純物としてのニッケルのダイヤモンド結晶内への適度の侵入等の面から３．９〜４．７ｍｇ／ｈｒ（時間）であることが好ましい。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドは、他の局面では、超高圧高温下で温度差法によって合成される合成単結晶ダイヤモンドであって、結晶中に原子置換型で侵入したホウ素とニッケルとを含有する。

本発明においては、溶媒中のニッケルの含有量を多くしまたチタン等の窒素ゲッターとホウ素を添加したため、合成単結晶ダイヤモンド内に原子置換型で侵入する窒素が減少し、逆に原子置換型で侵入したホウ素とニッケルを含有する合成単結晶ダイヤモンドが得られる。

主に、含有窒素量が減少することにより、結晶歪が小さくなり、さらにホウ素を含有することにより高硬度、高耐摩耗性を有する合成単結晶ダイヤモンドが得られる。含有窒素量が減少することにより、工具等に使用した場合、刃先に加工する時の過度の過熱に基づく酸化による劣化が抑制されるため刃立ち性が向上する。また、上記合成単結晶ダイヤモンドは、ホウ素を含有するため、導電性をも有することとなる。さらに、合成単結晶ダイヤモンドは、ホウ素とニッケルを含有するため、薄青緑色を呈する。

ホウ素量は、１〜３００ｐｐｍであることが好ましい。３００ｐｐｍ以下であれば、溶媒金属がダイヤモンド結晶内に不純物として取り込まれることが少なく、耐摩耗性も優れていることによる。また、３００ｐｐｍを超えると結晶が脆くなり、色も黒くなるため実用に供することが困難になることによる。また、１ｐｐｍ以上、特に５ｐｐｍを超えると、適度の薄青緑色を呈し、併せて適度の導電性を有するからである。

ニッケル量は、０．０１〜１０ｐｐｍであることが好ましい。１０ｐｐｍ以下であれば、薄青緑色を呈し、またチタン等の窒素ゲッターの作用と併せて窒素のダイヤモンド結晶内への原子置換型の侵入が相対的に少なくなり、このため硬度、耐摩耗性、刃立ち性が良好な単結晶ダイヤモンドになるからである。また、１０ｐｐｍを超えると、過剰な歪が発生し、色も黒くなるからである。また、０．０１ｐｐｍ未満であると製造に時間とコストがかかるからである。さらに、共存するホウ素とあいまって薄青緑色を呈する面からは、少なくも１ｐｐｍ含まれるのが好ましい。

窒素量は、３ｐｐｍ以下であることが好ましい。３ｐｐｍ以下であれば、ダイヤモンド結晶の歪が小さく、このため硬度、耐摩耗性、刃立ち性が良好になるからである。

本発明は、工具に使用する合成単結晶ダイヤモンドに適用することにより、優れた耐摩耗性等の効果を大きく発揮する。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドを工具の刃先に使用する場合、ロウ材を使用してシャンク（工具本体）にロウ付けするに際して、チタンが含まれる活性ロウ材を用いることが比較的低温でロウ付けすることが出来るため好ましい。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドは、窒素をほとんど含有せず、ホウ素とニッケルを含有するため、薄青緑色を呈する。このため、宝飾品として使用することが好ましい。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドを使用した工具は、高い硬度、高い耐磨耗性を有する工具として長寿命化等の効果を得ることができる。このような工具としては、バイト等を挙げられる。また、本発明の合成単結晶ダイヤモンドを使用した宝飾品は薄青緑に輝く宝飾品として高い評価を得ることができる。

本発明に係る単結晶ダイヤモンドを合成する方法は、他の局面では、超高圧高温下において温度差法によって単結晶ダイヤモンドを合成する方法であって、鉄、コバルトの少なくとも１種と、３６重量％以上のニッケルと、１〜２重量％のチタンと、０．１〜０．２重量％のホウ素と、３〜５．５重量％の黒鉛からなる溶媒を使用することを特徴とする。

本発明においては、溶媒に１〜２重量％、好ましくは１．５重量％程度（±１０％）含有されている窒素ゲッター（実施の形態ではチタン）が不純物として含まれている窒素と反応して、窒素がダイヤモンド結晶内に侵入するのを阻止する。また、銅等のインクルージョンの発生を防止する元素が添加されていなくても、チタン等の窒素ゲッターがインクルージョンとしてダイヤモンド結晶内に侵入することはない。これは、溶媒中に、周期律表で銅に極めて近い位置を占めるニッケルが３６重量％、好ましくは４０重量％程含有されているからであると推測される。一方、ニッケルが原子置換型の不純物として１０ｐｐｍ以下ダイヤモンド結晶内に侵入する。また、溶媒に０．１〜０．２重量％、好ましくは０．１５重量％程度含有されているホウ素も、原子置換型の不純物として３００ｐｐｍ以下ダイヤモンド結晶内に侵入する。

また、種結晶の種面は、ダイヤモンド結晶の（１００）面であることが、ホウ素の均一な分散やダイヤモンド結晶の成長の面から好ましい。

また、合成温度は、原子置換型不純物としてのニッケルおよびホウ素のダイヤモンド結晶内への適度の侵入等の面から１３５０±３０℃が好ましい。

また、合成速度は、経済性、原子置換型不純物としてのニッケルおよびホウ素のダイヤモンド結晶内への適度の侵入等の面から３．１〜３．８ｍｇ／ｈｒ（時間）であることが好ましい。

本発明に係るダイヤモンド宝飾品は、上述の合成単結晶ダイヤモンドを用いて作製される。

単結晶ダイヤモンドを用いる工具において、窒素不純物の量の少ない合成ダイヤモンドを用いることにより、その高硬度および低欠陥により従来のダイヤモンド工具よりはるかに優れた、刃立性、耐摩耗性、品質の安定性を有するダイヤモンド工具を提供することができる。

本発明の合成単結晶ダイヤモンドは、合成単結晶ダイヤモンド中に原子置換型で侵入した窒素が少く、このため結晶歪が小さくなり、硬度と耐磨耗性が向上し、好ましい工具を製造することができる。また、溶媒中にニッケルを含有させているため、速い成長速度で合成可能なため製造コストを低減することができる。また、淡緑色を呈するため、高い価値を有する宝飾品を提供することができる。

また、本発明の合成単結晶ダイヤモンドによれば、元素置換型の不純物として結晶中に含まれる窒素の含有率が少なく、適度のホウ素を含むため耐磨耗性に優れた合成単結晶ダイヤモンドが得られる。また、工具の刃先用として有用な耐磨耗性等に優れた合成単結晶ダイヤモンドが得られる。また、適度の導電性を有する合成単結晶ダイヤモンドが得られる。また、元素置換型の不純物として結晶中にニッケルとホウ素を含有するため、宝飾用として価値の高い薄青緑色を呈する合成単結晶ダイヤモンドが得られる。また、以上の合成単結晶ダイヤモンドが、低コストで得られる。

合成ダイヤモンドの（１００）面＜１００＞方向のヌープ硬度を示す図である。 各種ダイヤモンドの（１００）面上の各方位のヌープ硬度を示す図である。 本発明の実施の形態３における合成単結晶ダイヤモンドの合成装置の概念図である。 本発明の実施の形態３における合成単結晶ダイヤモンドを使用した工具の刃先を示す側面図である。 図４Ａに示す工具の刃先の平面図である。 本発明の実施の形態３における合成単結晶ダイヤモンドを使用したドレッサの斜視図である。 本発明の実施の形態４における合成単結晶ダイヤモンドの合成装置の概念図である。 本発明の実施の形態４における合成単結晶ダイヤモンドを使用した工具の刃先を示す側面図である。 図７Ａに示す工具の刃先の平面図である。

符号の説明

１１ 炭素源、１２ 溶媒金属、１３ 種結晶、１４ 絶縁体、１５ 黒鉛ヒータ、１６ 圧力媒体、２１ 合成単結晶ダイヤモンドの刃先、２２ ロウ付け層、２３ シャンク先端、３１ 合成単結晶ダイヤモンドのドレッサ、３２ 焼結部。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
高圧下の温度差法によるダイヤモンド結晶の合成において、原料に高純度黒鉛、溶媒にＦｅ−Ｃｏ溶媒を用い、窒素ゲッターとしてＴｉを１．５重量％、溶媒に添加し、種結晶に低欠陥結晶を用い（００１）面を種面にして、圧力５．５ＧＰａ、温度１３５０℃、合成時間７０時間で、約０．８カラットの高純度ＩＩａ型ダイヤモンド単結晶を合成した。

得られたダイヤモンド結晶は、無色透明で、紫外可視スペクトル、赤外スペクトルとも、窒素などの不純物による吸収がほとんど認められず、不純物０．１ｐｐｍ以下の高純度ＩＩａ型結晶であった。また、偏光顕微鏡観察より、内部歪がほとんどなく、Ｘ線トポグラフ観察により、結晶欠陥がほとんどないことを確認した。

上記のようにして得られたダイヤモンド結晶から次のようにしてダイヤモンドバイトを作製した。該ダイヤモンド結晶を、長さ３ｍｍ、幅１ｍｍ、厚み１ｍｍに加工し、これをバイトシャンクにロウ付けした。この際、ロウ付けにはＴｉが含まれる活性ロウ材を使用すると比較的低温でロウ付けすることができ、単結晶ダイヤモンド表面の熱劣化が少なくなるため好ましい。更にダイヤモンド素材とシャンクの間のロウ層は１００μｍ以上あれば作製されたバイト先端部にロウ付けの際の残留応力が少なくなるので好ましい。また、単結晶ダイヤモンド素材のロウ付け面を確保するため上下面は（１００）面とした。その後、刃先を先端Ｒ１０μｍ、先端角４５度のダイヤモンドバイトを作製した。

その場合先端部の面方位は（１１０）面とすれば研磨加工が容易となり工具先端部の強度、刃立ち性を良くすることができる。また、ダイヤモンドバイト作製にはダイヤモンド遊離砥粒を鋳鉄盤の上に付し高速回転するスカイフ研磨装置を使用した。以上のようにして作製したダイヤモンドバイトの刃先先端部は数ミクロンあるいはそれ以下の大きさの微小欠けが全く確認できなかった。このダイヤモンドバイトを精密旋盤に取り付け回転速度８００ｒｐｍ、送り速度０．３μｍ／ｒ、切り込み１μｍの条件で金型表面にメッキ処理された金属Ｎｉ部分を切削した結果、送りマークも見られず高精度な鏡面が得られた。

（実施の形態２）
窒素ゲッターのＴｉの添加量を１．５重量％として、他は実施の形態１と同様にして、約０．８カラットの高純度ＩＩａ型ダイヤモンド単結晶を合成した。得られたダイヤモンド結晶は、薄く黄色味があり、紫外可視スペクトルに孤立置換型の窒素不純物による吸収が若干見られ、窒素不純物量は約２．８ｐｐｍであった。偏光顕微鏡観察より、内部歪がほとんどなく、Ｘ線トポグラフ観察により結晶欠陥がほとんどないことを確認した。

上記のようにして得られたダイヤモンド結晶から、実施の形態１と同様にしてダイヤモンドバイトを作製した。このダイヤモンドバイトの刃先先端部は数ミクロンあるいはそれ以下の大きさの微小欠けが全く確認できなかった。このダイヤモンドバイトを精密旋盤に取り付け、実施の形態１と同様の条件で金型表面にメッキ処理された金属Ｎｉ部分を切削したところ、送りマークも見られず高精度な鏡面が得られた。

（比較例１）
窒素ゲッターを用いずに、他は実施の形態１と同様にしてダイヤモンドを合成した。得られたダイヤモンドは、約１カラットの窒素不純物を含んだＩｂ型結晶で、黄色を呈していた。赤外吸収スペクトルより見積もった窒素量は約６０ｐｐｍであった。この合成Ｉｂ型ダイヤモンド結晶より、実施の形態１と同様にして超精密切削バイトを作製した。実施の形態１のバイトに比べ、刃立性があまりよくなく、耐摩耗性にも劣ったものであった。

（比較例２）
天然のダイヤモンドＩａ型を用いて実施の形態１と同様にダイヤモンドバイトを作製した。刃先に欠陥があったためか、刃立性が悪く、切削時の摩耗も大きかった。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

＜合成について＞
先ず、ダイヤモンドの合成について説明する。

図３に、本実施の形態のダイヤモンドの合成装置を示す。図３において、１１は炭素源、１２は溶媒金属、１３は種結晶、１４は絶縁体、１５は黒鉛ヒータ、１６は圧力媒体である。

炭素源１１には、黒鉛を使用した。溶媒金属１２は、必須の成分としてニッケルを４２重量％、窒素ゲッターとしてチタンを１．５重量％含む。

残りは鉄が５３重量％、コバルトが５重量％、黒鉛が４．５重量％であり、これらは全て粒径５０から１００ミクロンの高純度粉末を用いた。なお、鉄、コバルトの配合比率はかなりの自由度がある。また、種結晶としては、合成ダイヤモンドの砥粒の（１００）面を種面とした。

この下で、５．５ＧＰａ、１３８０℃で、炭素源と種結晶の温度差は３０℃として、７０時間保持し、１．５カラット（１カラットは、２００ｍｇである）の単結晶ダイヤモンドを１０個合成した。

得られた単結晶ダイヤモンドは、（１００）面が大きく、紫外可視スペクトルおよび赤外スペクトルの吸収を測定して、窒素は３ｐｐｍ以下であり、ニッケルは１０ｐｐｍ以下であるのを確認した。ただし、淡緑色がついているため、ニッケルは少なくも淡緑色がつき始める濃度である１ｐｐｍは含まれており、１．５〜２ｐｐｍは含まれているものと思われる。

また、偏光顕微鏡による観察では、内部歪がほとんどなかった。さらに、Ｘ線トポグラフによる観察では、結晶欠陥はほとんどなかった。

＜工具の刃先の製造＞
次に、本実施の形態の合成ダイヤモンドを、工具の刃先に使用する場合について説明する。

上述の合成ダイヤモンドを加工して、刃先用に長さ５ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ１ｍｍの合成単結晶ダイヤモンド素材を作製した。さらに、この素材をシャンクにロウ付けした。なお、このロウ付けには、チタンを含む活性ロウ材を用いた。チタンを含む活性ロウ材は、比較的低温でロウ付けが可能であり、このため単結晶ダイヤモンド表面の熱劣化が少なくなる。

また、バイト先端部に熱応力が残留しないよう、ロウ層の厚さは１００μｍ以上とした。さらに、ロウ付け面を確保するため、ダイヤモンド素材の上下面は（１００）面とした。

しかる後、高速回転する研磨装置を用いて、先端Ｒ１００μｍ、先端角３０度、すくい角２０度のダイヤモンドバイトの刃先を形成した。この刃先先端は、１μｍ以上の欠けがなく、鋭利であることを確認した。

この刃先を、図４Ａ、図４Ｂに示す。図４Ａ、図４Ｂにおいて、２１は刃先の合成単結晶ダイヤモンドである。Ｒは先端の直径であり、すくい角αは２０度であり、先端角βは３０度である。２２は、チタンを含むロウ付け層である。２３は、シャンク先端である。

このダイヤモンドバイトを精密旋盤に取付け、被切削部直径５ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍ、送り速度０．３μｍ／ｒ、切り込み０．１μｍの切削条件で、金属金型表面にめっきされたニッケルを精密切削し、高精度な鏡面を得た。

従来の合成単結晶ダイヤモンドを使用したものでは、同じ切削条件での工具寿命は５８個であったが、本発明品の工具寿命は９３個であった。この結果、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドは、工具の刃先用の素材として好適であることが確認できた。

＜ドレッサーの製造＞
次に、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドを、ドレッサに使用する場合について説明する。

上述の装置、方法で合成したダイヤモンドの原石を（１１１）面に沿って厚さ０．８ｍｍにへき開し、レーザにて切断して、長さ３ｍｍ、幅０．８ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの短冊状の素材を製作した。この短冊状の素材３個をニッケルを主成分とする焼結用の粉末中に配置し、焼結した。

なお、短冊状の素材は、長面部分がへき開面（１１１）およびレーザ切断面（１１０）となり、ドレッシング面が（２１１）面となるようにしている。このため、短冊状の素材からなる試験片の端面がドレッシング面となるので、研磨方向＜１１０＞と平行になる。

このドレッサを、図５に示す。図５において、３１は短冊状の合成単結晶ダイヤモンド素材であり、３２はその焼結部である。

このドレッサを、砥石周速１５００ｒｐｍ、砥石ＳＮ８０Ｎ８Ｖ５１Ｓ（ノリタケ製、４０５×５０×１２７ｍｍ）、切込量０．１ｍｍ／ｐａｓｓ、送り０．５ｍｍ／ｒｅｖの湿式条件（研削油：ノリタケクールＮＫ８８）で、砥石の回転軸に平行な方向へ２０分往復運動させてドレッシングを行って磨耗量を測定した。

また、同じ条件で従来の合成単結晶ダイヤモンドを使用したドレッサについても磨耗量を測定した。その結果は、表２の通りであり、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドは、従来の合成単結晶ダイヤモンドより磨耗量が著しく少なく、ドレッサ素材として好適であることが確認できた。

＜宝飾用への使用＞
最後に、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドの宝飾品への使用について説明する。

上述の装置、方法で合成した１．５５カラットのダイヤモンドを、スカイフ研磨盤によってラウンドブリリアンカット加工を施した。

得られた０．４５カラットの宝飾用のダイヤモンドは、欠け、割れは一切なく、やや緑色を呈した鮮やかなダイヤモンドであった。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４について説明する。

＜合成について＞
先ず、本実施の形態のダイヤモンドの合成について説明する。

図６に、本実施の形態の単結晶ダイヤモンドの合成装置を示す。図６において、１１は炭素源であり、１２は溶媒金属であり、１３は種結晶であり、１４は絶縁体であり、１５は黒鉛ヒータであり、１６は圧力媒体である。

炭素源１１には、黒鉛を使用した。溶媒金属１２は、必須成分としてのニッケルを４２重量％、ホウ素を０．１５重量％、窒素ゲッターとしてチタンを１．５重量％含む。残りは、鉄が４６．８５重量％、コバルトが５重量％、黒鉛が約４．５重量％であり、これらは全て粒径５０から１００ミクロンの高純度粉末を用いた。なお、鉄、コバルトの配合比率は、かなりの程度変更可能である。種結晶としては、合成ダイヤモンド砥粒の（１００）面を種面とした。

この下で、５．５ＧＰａ、１３５０℃で、炭素源と種結晶の温度差は３０℃として７０時間保持し、１．２カラット（１カラットは、２００ｍｇである）の単結晶ダイヤモンドを１０個合成した。

得られた合成単結晶ダイヤモンドは、（１００）面が大きく、紫外可視スペクトルおよび赤外スペクトルによると、窒素は３ｐｐｍ以下であり、ホウ素は５０ｐｐｍ、ニッケルは１０ｐｐｍ以下であった。ただし、ダイヤモンド結晶の色彩は、ホウ素に起因する青色の他にニッケルに起因する緑色が混じった薄青緑であるため、ニッケルは少なくも１ｐｐｍ含まれているものと思われる。

また、偏光顕微鏡による観察では、内部歪がほとんどなかった。さらに、Ｘ線トポグラフによる観察では、結晶欠陥はほとんどなかった。また、ダイヤモンド単結晶の電気抵抗を測定したところ、１０ないし１００Ω・ｃｍであり、適度の導電性を有しているのを確認できた。

＜工具の刃先の製造＞
次に、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドを、工具の刃先に使用する場合について説明する。

上述の合成単結晶ダイヤモンドを加工して、ダイヤモンドエンドミルの刃先用に長さ５ｍｍ、幅１ｍｍ、厚さ１ｍｍの合成単結晶ダイヤモンド素材を製作した。さらに、この素材をシャンクにロウ付けした。なお、このロウ付けには、チタンを含む活性ロウ材を用いた。このロウ材は比較的低温でロウ付けが可能であり、このため合成単結晶ダイヤモンド表面の熱劣化が少なくなる。

また、ダイヤモンドバイト先端部に熱応力が残留しないよう、ロウ層の厚さは１００μｍ以上とした。さらに、ロウ付け面を確保するため、ダイヤモンド素材の上下面は（１００）面とした。

しかる後、高速回転する研磨装置を用いて、先端Ｒ１００μｍ、先端角３０度、すくい角２０度のダイヤモンドバイトの刃先を形成した。この刃先先端は、１μｍ以上の欠けがなく、鋭利であることを確認した。

この刃先を、図７Ａ、図７Ｂに示す。図７Ａ、図７Ｂにおいて、２１は刃先の合成単結晶ダイヤモンドである。Ｒは、先端の直径であり、すくい角αは２０度であり、先端角βは３０度である。２２は、チタンを含むロウ付け層である。２３は、シャンク先端である。

このダイヤモンドバイトを精密旋盤に取付け、被切削部直径５ｍｍ、回転速度３０００ｒｐｍ、送り速度０．３μｍ／ｒ、切り込み０．１μｍの切削条件で、金属金型表面にめっきされたニッケルを精密切削し、高精度な鏡面を得た。

従来の合成単結晶ダイヤモンドを使用したものでは、同じ切削条件での工具寿命は５８個であったが、本発明品の工具寿命は８５個であった。この結果、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドは、工具の刃先用の素材として好適であることが確認できた。

本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドは、適度の導電性を有しているため、自動工具交換が可能な設備に取付けた場合には、工具の電気抵抗を測定することにより被削物に対する接触の有無の判断が可能になる。このため、工具の管理や製品の品質管理も容易になる。

＜宝飾用への使用＞
最後に、本実施の形態の合成単結晶ダイヤモンドの宝飾品への使用について説明する。

上述の装置、方法で合成した１．２カラットの合成単結晶ダイヤモンドに、スカイフ研磨盤によってラウンドブリリアンカット加工を施した。

得られた０．３６カラットの宝飾用の合成単結晶ダイヤモンドは、欠け、割れは一切なく、やや緑色を呈した鮮やかなダイヤモンドであった。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、各実施の形態の特徴を適宜組合せることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態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、ダイヤモンド工具、合成単結晶ダイヤモンドおよび単結晶ダイヤモンドの合成方法ならびにダイヤモンド宝飾品に有効に適用され得る。

Claims (36)

1. 高圧下の温度差法により人工的に合成された単結晶ダイヤモンドを用いて作製されたダイヤモンド工具において、ダイヤモンド結晶中の不純物量が３ｐｐｍ以下であることを特徴とするダイヤモンド工具。
2. 前記ダイヤモンド結晶中の不純物量が０．１ｐｐｍ以下である、請求項１に記載のダイヤモンド工具。
3. 前記ダイヤモンド工具が、超精密切削バイト、ミクロトームナイフ、ダイヤモンドナイフ、ダイヤモンドスタイラス、線引用ダイス、ドレッサーのいずれかである、請求項１に記載のダイヤモンド工具。
4. チタンを含む活性ロウ材（２２）により前記ダイヤモンドを工具本体に取付けた、請求項１に記載のダイヤモンド工具。
5. 高圧下の温度差法により人工的に合成された単結晶ダイヤモンドを用いて作製されたダイヤモンド工具において、ダイヤモンド結晶中に含まれる窒素含有量が３ｐｐｍ以下で、かつ前記ダイヤモンド結晶中にニッケルを含有することを特徴とするダイヤモンド工具。
6. 前記ニッケルの含有量が、０．０１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である、請求項５に記載のダイヤモンド工具。
7. チタンを含む活性ロウ材（２２）により前記ダイヤモンドを工具本体に取付けた、請求項５に記載のダイヤモンド工具。
8. 高圧下の温度差法により人工的に合成された単結晶ダイヤモンドを用いて作製されたダイヤモンド工具において、ダイヤモンド結晶中に含まれる窒素含有量が３ｐｐｍ以下で、かつ前記ダイヤモンド結晶中にホウ素とニッケルを含有することを特徴とするダイヤモンド工具。
9. 前記ホウ素の含有量が、０．０１ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下である、請求項８に記載のダイヤモンド工具。
10. 前記ニッケルの含有量が、０．０１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である、請求項８に記載のダイヤモンド工具。
11. チタンを含む活性ロウ材（２２）により前記ダイヤモンドを工具本体に取付けた、請求項８に記載のダイヤモンド工具。
12. 超高圧高温下において温度差法によって合成される合成単結晶ダイヤモンドであって、
    結晶中に原子置換型で侵入したニッケルを含有することを特徴とする合成単結晶ダイヤモンド。
13. 前記ニッケルの含有量が、０．０１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である、請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
14. 窒素の含有量が、０．０１ｐｐｍ以上３ｐｐｍ以下である、請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
15. 前記合成単結晶ダイヤモンドを工具に使用する、請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
16. チタンを含む活性ロウ材（２２）により前記合成単結晶ダイヤモンドを前記工具の先端部（２３）に取付けた、請求項１５に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
17. 前記合成単結晶ダイヤモンドを宝飾品に使用する、請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
18. 請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド工具。
19. 請求項１２に記載の合成単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド宝飾品。
20. 超高圧高温下において温度差法によって単結晶ダイヤモンドを合成する方法であって、
    鉄、コバルトの少なくも１種と、３６重量％以上のニッケルと、１重量％以上２重量％以下のチタンと、３重量％以上５．５重量％以下の黒鉛からなる溶媒を使用することを特徴とする単結晶ダイヤモンドの合成方法。
21. 種結晶（１３）の種面は、ダイヤモンド結晶の（１００）面である、請求項２０に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。
22. 合成温度は、１３８０±２５℃である、請求項２０に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。
23. 合成速度は、３．９ｍｇ／ｈｒ以上４．７ｍｇ／ｈｒ以下である、請求項２０に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。
24. 超高圧高温下で温度差法によって合成される合成単結晶ダイヤモンドであって、結晶中に原子置換型で侵入したホウ素とニッケルとを含有することを特徴とする合成単結晶ダイヤモンド。
25. 前記ホウ素の含有量は、１ｐｐｍ以上３００ｐｐｍ以下である、請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
26. 前記ニッケルの含有量は、０．０１ｐｐｍ以上１０ｐｐｍ以下である、請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
27. 窒素の含有量は、３ｐｐｍ以下である、請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
28. 前記合成単結晶ダイヤモンドを工具に使用する、請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
29. チタンを含む活性ロウ材（２２）により前記合成単結晶ダイヤモンドを前記工具の先端部（２３）に取付けた、請求項２８に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
30. 前記合成単結晶ダイヤモンドを宝飾品に使用する、請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンド。
31. 請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド工具。
32. 請求項２４に記載の合成単結晶ダイヤモンドを備える、ダイヤモンド宝飾品。
33. 超高圧高温下において温度差法によって単結晶ダイヤモンドを合成する方法であって、
    鉄、コバルトの少なくとも１種と、３６重量％以上のニッケルと、１重量％以上２重量％以下のチタンと、０．１重量％以上０．２重量％以下のホウ素と、３重量％以上５．５重量％以下の黒鉛からなる溶媒を使用することを特徴とする単結晶ダイヤモンドの合成方法。
34. 種結晶（１３）の種面は、ダイヤモンド結晶の（１００）面である、請求項３３に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。
35. 合成温度は、１３５０±３０℃である、請求項３３に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。
36. 合成速度は、３．１ｍｇ／ｈｒ以上３．８ｍｇ／ｈｒ以下である、請求項３３に記載の単結晶ダイヤモンドの合成方法。

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