(57)【要約】【課題】  ランニングコスト低減のために、研磨の高効率化を可能とするダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法を提供する。【解決手段】  被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具１４と、研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有し、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２表面を研磨する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被研磨材のダイヤモンド表面と接触させることで当該被研磨材のダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具と、
前記研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段と、
を有し、
前記被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、前記研磨工具により、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置。
【請求項２】
被研磨材のダイヤモンド表面と接触させることで当該被研磨材のダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具と、
前記ダイヤモンド研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段と、
を有し、
前記被研磨材のダイヤモンドを加熱する加熱手段を備え、
前記被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、前記研磨工具により、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置。
【請求項３】
前記研磨工具は、砥石により構成されているものであることを特徴とする請求項１又は２記載のダイヤモンド研磨装置。
【請求項４】
前記ダイヤモンド研磨装置は、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨している際に発生する研磨屑を前記研磨工具の研磨面から排出させる研磨屑排出機構を備えることを特徴とした請求項１〜３何れか１項記載のダイヤモンド研磨装置。
【請求項５】
被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てることにより、前記ダイヤモンド研磨工具で、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨方法。
【請求項６】
加熱手段を用いて、被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てることにより、前記ダイヤモンド研磨工具で、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨方法。
【請求項７】
前記研磨工具は、砥石により構成させたものを用いることを特徴とする請求項５又は６記載のダイヤモンド研磨方法。
【請求項８】
研磨屑排出機構を用いることにより、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨している最中に、前記研磨工具の研磨面に発生する研磨屑を当該研磨面から排出させることを特徴とした請求項５〜７何れか１項記載のダイヤモンド研磨方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンドの研磨において、研磨工具や加熱手段を用い、被研磨材であるダイヤモンドに高熱を与え、ダイヤモンドを黒鉛化することにより、研磨の効率化を可能とするダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ダイヤモンドの研磨において、研磨時間の短時間化等の効率化を目的にした技術が開発されてきている。例えば、特許文献１には、水素雰囲気において、ダイヤモンド上の多孔金属の摺動によって発生した高熱によってダイヤモンドを黒鉛化させ、その黒鉛が水素と化学反応し、除去されることを特徴とするダイヤモンドの研磨法が開示されている。
【０００３】
そして、この技術によれば、ダイヤモンド膜の熱化学的反応を利用した研磨法において、熱化学的反応による研磨の加工能率に大きな支配要因となる水素との接触面積を、多孔金属を用いる事によって、研磨時間の短時間化を可能にしたことにより、効率の良いダイヤモンドの加工が可能になるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平４−２１９４００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、水素雰囲気において、熱化学的反応を利用して研磨しているため、研磨装置の製造や運用のコストが大きなものとなってしまう。また、特許文献１に開示されている研磨技術は、研磨装置に生じる高いコスト等の理由から、金銭的な面で、高額な設備投資が難しい現場においては、採用されにくく、一般的には、ダイヤモンド同士を摺り合わせる研磨（共摺り研磨）の技術が利用されることが多い。
【０００６】
しかし、ダイヤモンドの共摺り研磨技術は、研磨時間が長く、また、ダイヤモンドの研磨工具が消耗してしまうことから、ランニングコストが高いといった問題が指摘されている。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとしている課題は、こういった問題に対応するためのもので、ランニングコスト低減のために、研磨の高効率化を可能とするダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明は、以下の技術的手段を講じている。
即ち、請求項１記載の発明は、被研磨材のダイヤモンド表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具と、前記研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段とを有し、前記被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、前記研磨工具により、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置である。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、被研磨材のダイヤモンド表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具と、前記ダイヤモンド研磨工具を一定荷重で、前記被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段とを有し、前記被研磨材のダイヤモンドを加熱する加熱手段を備え、前記被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、前記研磨工具により、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨装置である。
【００１０】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のダイヤモンド研磨装置であって、前記研磨工具は、砥石により構成されているものであることを特徴としている。またさらに、請求項４記載の発明は、請求項１〜３何れか１項記載のダイヤモンド研磨装置であって、前記ダイヤモンド研磨装置は、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨している際に発生する研磨屑を前記研磨工具の研磨面から排出させる研磨屑排出機構を備えることを特徴としている。
【００１１】
そして、請求項５記載の発明は、被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てることにより、前記ダイヤモンド研磨工具で、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨方法である。
【００１２】
また、請求項６記載の発明は、加熱手段を用いて、被研磨材のダイヤモンドの表面に高熱を生じさせることで、当該被研磨材のダイヤモンドの表面を黒鉛化させ、その状態で、低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド表面に線接触又は面接触にて押し当てることにより、前記ダイヤモンド研磨工具で、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨することを特徴としたダイヤモンド研磨方法である。
【００１３】
そして、請求項７記載の発明は、請求項４または５記載のダイヤモンド研磨方法であって、前記研磨工具は、砥石により構成させたものを用いることを特徴としている。さらに、請求項８記載の発明は、請求項５〜７何れか１項記載のダイヤモンド研磨方法であって、研磨屑排出機構を用いることにより、前記被研磨材のダイヤモンド表面を研磨している最中に、前記研磨工具の研磨面に発生する研磨屑を当該研磨面から排出させることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によれば、被研磨材に高熱を生じさせるため、被研磨材の黒鉛化量を調整することができ、その結果、研磨時間の短縮や、研磨の高効率化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第１の実施形態を示した構成概略図である。
【図２】本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第２の実施形態を示した構成概略図である。
【図３】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態で行われた実験での、研磨前と研磨時間１時間経過後の被研磨材の算術平均粗さを示したグラフである。
【図４】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態で行われた実験での、研磨前と研磨時間１時間経過後の被研磨材の最大高さ粗さを示したグラフである。
【図５】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態で行われた実験での、研磨時間４時間経過までの被研磨材の算術平均粗さを示したグラフである。
【図６】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態で行われた実験での、研磨時間４時間経過までの被研磨材の最大高さ粗さを示したグラフである。
【図７】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第２の実施形態で行われた実験での、研磨時間４時間経過までの被研磨材の算術平均粗さを示したグラフである。
【図８】本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第２の実施形態で行われた実験での、研磨時間４時間経過までの被研磨材の最大高さ粗さを示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
続いて、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第１の実施形態を示した構成概略図である。また、１０はダイヤモンド研磨装置、１２は被研磨材のダイヤモンド、１４は研磨工具、１６は押し当て手段、１８は加熱手段を示している。
【００１７】
まず、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によって、研磨工程を効率化する理論について説明する。まず、ダイヤモンドは、酸素存在下においては、６００度付近で黒鉛化することが知られている（「Fabrication of single-crystal diamond microcomponents」J.D. Hunnら Appl. Pyhs. Lett., 65(24)、3072-3074頁参照）。
【００１８】
つまり、ダイヤモンド研磨において、被研磨材が黒鉛化すれば、研磨工具は黒鉛よりも高硬度な材料であれば研磨が可能になるわけである。従って、研磨工具は、従来研磨工具としてのダイヤモンドを用いる必要がなく、高温時に黒鉛よりも高硬度なセラミックスを研磨工具として使用する事ができるため、ランニングコストの削減が可能となる。
【００１９】
また、ダイヤモンドは、熱伝導率が非常に高いため、ダイヤモンドを研磨工具に使用した場合は、研磨工具に入力される摩擦熱が大きいため、被研磨材の黒鉛化には効率的な方法ではない。一方で、セラミックス等は、熱伝導率が低いため、研磨工具に使用した場合は、発生する摩擦熱が、被研磨材の黒鉛化に有効なものとなる。このため、研磨時間の短縮が可能となる。
【００２０】
ここで、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置１０は、図１に示すように、被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具１４と、研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有し、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に高熱を生じさせることで、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を黒鉛化させ、その状態で、研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２表面を研磨するものである。
【００２１】
さらに、本実施形態は、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８を備え、この加熱手段１８は、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱させることにより、被研磨材のダイヤモンド１２の温度を上昇させ、その状態で、研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を研磨するというものである。なお、本実施形態では、加熱手段１８には、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されたヒーターを使用している。
【００２２】
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法について詳細に説明していく。図１に示すように、ダイヤモンド研磨装置１０において、被研磨材のダイヤモンド１２は、図示しない回転装置により、矢印で示す方向に回転している。
【００２３】
そして、研磨工具１４は、押し当て手段１６により、一定の荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てられ、研磨圧力が得られる構造となっている。なお、本実施形態では、押し当て手段１６は、バネ部材を用いている。
【００２４】
ここで、本実施形態における研磨工具１４は、低熱伝導率を持つとともに、高温強靭性をも持つ材料から構成すれば、研磨工具１４の摩耗を効果的に抑えることができ、硬度の維持もより可能となる。また、研磨工具１４を砥石により構成させれば、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に生じる研磨屑を砥粒の間を通じて、適確に排出され、研磨面への研磨屑の蓄積又は固着を防ぐことができる。
【００２５】
続いて、本実施形態では、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８が備えられており、この加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する構成となっている。つまり、加熱手段１８が、被研磨材のダイヤモンド１２の温度を上昇させるため、被研磨材のダイヤモンド１２の黒鉛化に必要となる摩擦熱が低くなる。そうすると、研磨の高効率化も図ることができるわけである。
【００２６】
従って、本実施形態では、ダイヤモンド研磨工具１４による被研磨材のダイヤモンド１２の研磨を行う前に、予め、加熱手段１８により、被研磨材のダイヤモンド１２の温度を高くしておき、研磨作業中も、同様に加熱を維持するように設定しておくようにする。
【００２７】
なお、本実施形態では、加熱手段１８は、円筒状の被研磨材のダイヤモンド１２の内部に挿置されているが、例えば、外部に設置しても良く、加熱効率が良ければ、その構成箇所は、本発明を限定するものではない。
【００２８】
続いて、本発明に係るダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明に係るダイヤモンド研磨装置の第２の実施形態を示した構成概略図である。符号については、２０研磨屑排出機構、２２が揺動手段を示している以外は、図１と同様である。
【００２９】
本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置１０は、図２に示すように、被研磨材のダイヤモンド１２の表面と接触させることで当該ダイヤモンド表面を研磨する低熱伝導率を持つ材料からなる研磨工具１４と、研磨工具１４を一定荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てる押し当て手段１６とを有し、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に高熱を生じさせることで、被研磨材のダイヤモンド１２の表面を黒鉛化させ、その状態で、研磨工具１４により、被研磨材のダイヤモンド１２表面を研磨するものである。
【００３０】
さらに、本実施形態は、研磨工具１４を揺動させる揺動手段２２を有する研磨屑排出機構２０が備えられており、この揺動手段２２が、研磨工具１４を揺動させることにより、研磨により生じる研磨屑が研磨面から排出され、研磨面への研磨屑の蓄積又は固着を防ぎながら研磨することができるようになっている。また、被研磨材と、研磨工具との密着性や、研磨工具面の形状を正常に保つことが可能となり、さらに、研磨の高効率化も図ることができるわけである。
【００３１】
ここで、本実施形態における研磨工具１４は、低熱伝導率を持つとともに、高温強靭性をも持つ材料から構成すれば、研磨工具１４の摩耗を効果的に抑えることができ、硬度の維持もより可能となる。また、研磨工具１４を砥石により構成させれば、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に生じる研磨屑を砥粒の間の気孔を通じて、適確に排出され、研磨面への研磨屑の蓄積又は固着をより防ぐことができる。
【００３２】
なお、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱する加熱手段１８を備え、この加熱手段１８により、被研磨材のダイヤモンド１２を加熱することで、被研磨材のダイヤモンド１２の温度を上昇させ、被研磨材のダイヤモンド１２の黒鉛化に必要な摩擦熱を低くするように構成させても良い。
【００３３】
続いて、本実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法について詳細に説明していく。図２に示すように、ダイヤモンド研磨装置１０において、被研磨材のダイヤモンド１２は、図示しない回転部材により、矢印で示す方向に回転している。
【００３４】
そして、ダイヤモンド研磨工具１４は、押し当て手段１６により、一定の荷重で、被研磨材のダイヤモンド１２の表面に線接触又は面接触にて押し当てられ、研磨圧力が得られる構造となっている。なお、本実施形態では、押し当て手段１６は、バネ部材を用いている。また、本実施形態における被研磨材のダイヤモンド１２と、研磨工具１４の仕様は、第１の実施形態における仕様と同様である。
【００３５】
（実験１）
続いて、第１の実施形態におけるダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法によるダイヤモンド研磨実験を行った。また、本実験における被研磨材のダイヤモンド１２は、円筒状で、直径が１８．８ｍｍ、そして、粗さがＲｚ２．５２ｕｍ（平均値）のＣＶＤダイヤ膜を用い、さらに、研磨工具１４の材料は、低熱伝導率且つ高温強靭性材料である窒化珪素を用い、被研磨材のダイヤモンド１２との接触面の曲率半径が９．４ｍｍ、軸方向距離が６ｍｍ、被研磨材のダイヤモンド１２との接触面積が３．０１×６＝１８．０６ｍｍ２となるものを用いている。
【００３６】
ところで、ダイヤモンド膜の共擦り研磨では、ダイヤモンド砥粒が使用されるが、この砥粒は、研磨時に摩耗し、砥粒形状および接触面積が変化するため、微視的な研磨原理は動的に変化している。このため、本実験では、従来研磨方法の比較として、ダイヤモンド砥粒を用いずに、被研磨材に総形のＣＶＤダイヤモンドブロックを用い、ダイヤモンド研磨工具として採用した。また、ダイヤモンド研磨工具は、バネ（バネ定数：２．９[Ｎｍｍ−１]）によって、被研磨材に押し当てられる機構とした。
【００３７】
また、本実験では、精密旋盤（理研製鋼、ＲＢＬ−５）を使用し、被研磨材を回転させた。また、被研磨材の加熱は、円筒被研磨材内部に、定格５０Ｗのカートリッジヒータを固定し、入力電圧によって出力を制御する構成とした。実験条件は、次表（表１）に示した通りで、研磨速度、研磨加重と研磨時間は一定とした。
【００３８】
【表１】
2020121367.tif 000003
【００３９】
また、実験種類は、次表（表２）に示した通りである。なお、表中の実験番号１は、被研磨材が非加熱、研磨工具が非冷却で、従来の共摺り研磨によるものである。
【００４０】
【表２】
2020121367.tif 000004
【００４１】
本実験では、各実験種類での被研磨材の粗さの変化を計測した。表面粗さは、算術平均粗さＲａ[μｍ]及び最大高さ粗さＲｚ[μｍ]を採用し、レーザ顕微鏡を用い、粗さの変化を評価した。研磨時間１時間経過後の結果を図３及び図４に示す。
【００４２】
続いて、研磨時間４時間での粗さの変化を図５及び図６に示す。実験番号２のダイヤモンド膜非加熱の窒化珪素ツールは、４時間での粗さが、従来方式よりも大きくなったが、研磨前に比べて粗さは低減された。この事から、摩擦熱がダイヤモンドを黒鉛化し、窒化珪素によって研磨された事が考えられる。
【００４３】
実験番号４のダイヤモンド膜２０Ｗ加熱及び窒化珪素ツールの２時間目の粗さは、研磨前の粗さよりも大きくなった。これは窒化珪素ツールに大量の黒鉛が固着し、その形状が、ダイヤモンド膜に転写された事に起因する。なお、ダイヤモンド膜全体の最大温度は、９１．７℃であった。実験番号３のダイヤモンド膜１０Ｗ加熱は、３時間目以降において、実験番号４と同様の現象が起きたため、粗さが大きくなった。
【００４４】
（実験２）
実験１は、黒鉛化量が多く、窒化珪素ツールからの研磨屑の排出性が低かったために、ツール研磨面に黒鉛が固着してしまった。従って、研磨屑の排出性を改善し、表面粗さを低減させるため、第２の実施形態により実験を行った。
【００４５】
研磨工具の材質は、窒化珪素、被研磨材外部加熱量は、２０Ｗとした。揺動手段による研磨ツールの揺動方法は、精密旋盤のＺ軸自動送り機能を使用し、研磨ツールをＺ軸±方向に揺動させるものとした。また、黒鉛発生量を抑制するため、以下に示す表３の研磨条件で実験を行った。研磨時間２〜３時間は、研磨荷重を１０．２Ｎに低減し、また、研磨時間３〜４時間は、研磨荷重を１０．２Ｎに維持したまま、研磨速度を１．２ｍｓ−１にまで低減する研磨条件とした。なお、実験装置の構成及び表面粗さ計測は、上記実験１と同様である。
【００４６】
【表３】
2020121367.tif 000005
【００４７】
図７、８に本実験での被研磨材の粗さの変化を示す。黒実線（SiN, 20W, 揺動）は、第２の実施形態、灰色実線４（SiN, 20W）は、第１の実施形態における実験番号４の結果を示している。Ｒａ及びＲｚの両方において、第２の実施形態（SiN, 20W, 揺動）は、第１の実施形態における実験番号４（SiN, 20W）よりも表面粗さが小さくなった。また、窒化珪素研磨ツールへの黒鉛の固着は減少した。従って、本方式（第２の実施形態）は、効率的な研磨方法であることを示している。
【符号の説明】
【００４８】
１０  ダイヤモンド研磨装置
１２  被研磨材のダイヤモンド
１４  研磨工具
１６  押し当て手段
１８  加熱手段
２０  研磨屑排出機構
２２  揺動手段
【図１】
2020121367.tif 000006
【図２】
2020121367.tif 000007
【図３】
2020121367.tif 000008
【図４】
2020121367.tif 000009
【図５】
2020121367.tif 000010
【図６】
2020121367.tif 000011
【図７】
2020121367.tif 000012
【図８】
2020121367.tif 000013