(57)【要約】  ダイヤモンドは、地球上で入手できる材料中で、最高最良の汎用素材であるが、加工性がなく、大きな市場を展開することが出来なかった。宝石ダイヤの面出し加工が、自己摩耗法によって効率良く行われることが知られていたが、分子動力学法を用いて、自己摩耗の原子レベルにおける律速段階が、結晶面上のsp3−sp2  秩序−無秩序転位であって、これによって表面無定形層が生成し、その化学的崩壊が、面出しカットの機構であることが明らかになった。そこで自己摩耗作用が、ダイヤモンド結晶中で機械的に強固な結晶面ではなく、弱点である頂点、稜などに優先的に働くような、自己摩耗装置を考案した。球形ダイヤモンドは、自己凝集性が無く、劈開に導く衝撃に対して抵抗が強く、化学的に安定な表面を持ち、新規で有望なダイヤモンド素材である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶ダイヤモンド粒子の集合体を、繰り返し改良自己摩耗操作に掛けて、多面体の頂点、稜などの突起部を、優先的に損耗することによって球形化することを特徴とする球形ダイヤモンドの製造方法。
【請求項２】
ダイヤモンド粒子同志の自己摩耗による球形化を加速あるいは減速する補助手段として加圧、（２）転動、（３）加熱または冷却、および（４）容器内壁の多結晶ダイヤモンド薄膜内張り、の４操作うち1つ或いは複数を加えた改良自己摩耗操作を有することを特徴とする請求項１記載の球形ダイヤモンドの製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の球形ダイヤモンドの製造方法によって製造され、既知のダイヤモンド結晶構造から成る内部、および極めて多数のダイヤモンド結晶面断片からなる球表面から構成される球形ダイヤモンドであって、適切な真球度指標、またはミクロン以下の大きさの場合には２次元画像から求める円形度係数によって、球形度が90％以上、好ましくは95％以上であることを特徴とする球形ダイヤモンド。
【請求項４】
球形ダイヤモンドの表面は、安定化のために、摩耗操作によって生じた未配位炭素原子価に、水素、フッ素、酸素、水などを付加して飽和させておくことを特徴とする請求項３記載の球形ダイヤモンド。
【請求項５】
単結晶ダイヤモンド粒子の球形化補助手段の内、前記加圧の操作が、球形化処理装置内部に、容易に転動できる程度に充填した単結晶ダイヤモンド粒子群に対して、上蓋を通して垂直荷重をかけ、摺動あるは接触に際して接触点にかかる力を増大させ、接触部先端の破壊を加速することによって達成することができる操作であることを特徴とする請求項２記載の球形ダイヤモンドの製造方法。
【請求項６】
単結晶ダイヤモンド粒子の球形化補助手段の内、前記転動の操作が、自己摩耗および加圧による球形化が粒子全体にむらなく万遍に起きて、最短時間で求める円形度に到達するために処理装置の上蓋および容器を反対方向に水平回転させて、個々のダイヤモンド粒子を常に回転させる操作であって、上蓋および容器の何れか一方が回転せずに静止している場合を含む操作であることを特徴とする請求項２記載の球形ダイヤモンドの製造方法。
【請求項７】
単結晶ダイヤモンド粒子の球形化補助手段の内、前記加熱または冷却の操作が、球形化装置の内、ダイヤモンド粒子の自己摩耗処理を行う空間を、100ないし300℃に加熱してダイヤモンド球形化を加速、或いは前記空間を室温以下の温度に冷却してダイヤモンド球形化を減速する処理であることを特徴とする請求項２記載の球形ダイヤモンドの製造方法。
【請求項８】
単結晶ダイヤモンド粒子の球形化補助手段の内、前記容器内壁の多結晶ダイヤモンド薄膜内張りの操作が、球形化処理によって容器内壁が単結晶ダイヤモンド粒子によって損耗、または容器材質が鋼鉄の場合、炭化反応を起こして変質することを防ぐための処置であって、3nmダイヤモンドを結晶成長核とするCVD法によってなされることを特徴とする請求項２記載の球形ダイヤモンドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工単結晶ダイヤモンドの工業的応用を推進・拡大するためのダイヤモンド加工の一方法であり、目的は工業的に価値の高いダイヤモンド球体粒子の量産である。この方法は原理的に、如何なる大きさの単結晶ダイヤモンドにも適用することが出来るが、本明細書においては、ｍｍ以下のサイズ、特にμｍサイズの微小単結晶ダイヤモンド粒子の真球状加工方法について詳述する。【０００２】
一般に工業材料の成形加工は、熱可塑性、光硬化性などの材料固有の物性を利用して、物理的変形を与えるか、あるいは昇華、気化、溶解、溶融、化学反応など外からの刺激を利用するか、あるいは当該材料よりも硬い材料を道具として強制的に切断、研磨などの操作を行うことによって目的を達する。しかし、結晶ダイヤモンドは物理的な変形や相変化などを全く受け付けないだけでなく、地球上で最も高い硬度とヤング率を持つために、自身よりも硬い材料による強制加工を適用することもできず、加工性が全く欠如している。このため、ダイヤモンドの応用に当たっては、「生成時の形が、最終の応用形である」という不便な制約が付きまとう。このため、人工単結晶ダイヤモンドの用途は、極めて限定されていた。
【背景技術】
【０００３】
しかし、単結晶ダイヤモンドを加工する特殊な技法が、古くから一つだけ知られている。それは自己摩耗、すなわちダイヤモンドでダイヤモンドに強い衝突、押し付けなどの作用を与えて、損耗させる方法である。例えば宝石の研磨においては、古くから挽き割りダイヤモンド(diamond grit)を埋め込んだ円板を高速回転しておいて、回転面に原石を強く押し付けて自己摩耗によって接触面を摩損し、任意の反射角を与える面を磨き出している（カット）。この面出し法は、円板の回転速度を上げることによってダイヤモンド結晶同志の衝突エネルギーを上げることが出来、また研磨職人が摩耗し易い結晶面を経験的に選んで研磨するために効率が良いとされ、数百年に亘って使い続けられている。【０００４】
最近、自己摩耗の原子的機構が、分子動力学計算によって明らかにされた。その結果によると、第一段階はsp3−sp2  秩序−無秩序転位であり、生成した無定形表面層が化学的に活性で、空気中の酸素による酸化的分解反応を起こして、速やかにC-C結合が開裂し、表面層の崩壊に至ることが明らかになった（非特許文献1）。【０００５】
これまでダイヤモンドの自己摩耗は、ダイヤモンド表面を新しく切り出すことを目的としていたが、上に述べたように、律速段階がダイヤモンド表面に無定形層を生成させる反応であるならば、むしろ頂点・稜などダイヤモンド結晶構造における機械的強度の弱い部分の破壊に自己摩耗を適用して、最終的に球形ダイヤモンドの生成を目指すと、更に高い成形効率を達成すると予想される。【０００６】
球形ダイヤモンドは、稀に天然ダイヤとして産出することがあるが、人工単結晶ダイヤモンドとしては未知であり、後で述べるように広範な応用展開が期待されるので、工業素材として興味深い。学術的見地から眺めると、ダイヤモンド球面は未知であり、結晶形の定義（結晶面に囲まれた多面体）から逸脱するので、普通の結晶の範疇に入らない新物質という事が出来る。【０００７】
実用的見地からすると、球状ダイヤモンドの最大のメリットは、球体が凝集を起こさないことである。球体間の接触は、点接触なので、面接触・線接触などのようにvan der Waals型吸引相互作用を十分に獲得することができず、自己凝集が阻害される。この特徴は、とくに多面体ナノダイヤモンド粒子のように、大きな比表面積をもつために自己凝集が非常に顕著に起き易い系において、極めて有利に働くと予想される。例えば球状ナノダイヤモンドは液体のように流れるであろう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Pastewke, L.; Moser, S.; Gumbsch, P.; Mosele, M. Nature Mater. 2011, 10, 34-38.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ダイヤモンド粒子同志が強い衝突を繰り返す自己摩耗プロセスを化学反応として捉えると、強固なC-C結合の開裂を多数含むために、速やかに進む事は期待できない。強力な加速要因を、出来るだけ数多く、継続的に与え続けることが必要と考えられる。このような加速手段として、加圧および転動が有効である。またC-C結合の開裂は大きな吸熱反応なので、高温下で行うことが望ましい。【００１０】
自己摩耗、加圧および転動を同時に行うためには、たとえば水平に重ね合わせた2枚の同心円板の間に、ダイヤモンド粒子を適当量充填し、上から荷重をかけて粒子同志を押し付けながら、円板対を互いに反対の向きに水平回転させるのが、技術的に最も簡単であろう。ただし、下側の円板の円周に沿って側壁を付け、加圧回転に伴ってダイヤモンド粒子が槽の外側に落ちるのを防ぐ必要がある。下に落ちた粒子を集めて、自己摩耗場に戻すのが石臼の原理である。【００１１】
加熱による加速が必要な場合は、二枚重ね円板に赤外線を照射すればよい。また、摩耗が早過ぎたり、回転用モーターからの発熱が著しかったりする場合には、逆に冷却を行う必要がある。現実問題としては、予備実験によって、自己摩耗が予想外に強力で、速やかに進行することが解ったので、温度調節は不要と予想している。【００１２】
球形化装置の内壁は、高速に回転、転動するダイヤモンド粒子と直接接触して強い摺動応力を受けるので、激しく損耗すると予想される。特にSUSなど鉄製の素材は、ダイヤモンド粒子の表面と反応して、炭化鉄を生じ、ダイヤモンドを汚染するので、予めCVDダイヤモンド膜などによって、内壁を内張りしておく必要がある。内張りに関しては、以下で述べるように、ホモエピタキシャルCVDダイヤモンド薄膜製造方法が進歩しつつあるので、実施は不可能ではないが、技術的には依然として大きな障壁となるので、本発明における予備実験に於いては、当面実施を省略する。【００１３】
自己摩耗、加圧、転動、加熱または冷却、内張りの５手段を如何に効率よく組み合わせて球形化処理を行い、経済的時間内に目的を達するかが、本発明を達成するために解決しなければならない技術的問題である。【００１４】
球形ダイヤモンドの原料は、単結晶人工ダイヤモンド粒子であり、形は一般に不規則な多面体であるが、本来人工ダイヤモンド結晶は等軸立方晶系であるので、始めから真球度はかなり高く、本来球形化に適した素材であると言うことが出来る。とくにミクロダイヤモンドは、近年生産拠点がアメリカ、ヨーロッパから中国に移り、この際製造コストが一挙に２０分の１に低下したが、多面体ミクロダイヤモンド粒子に対する市場が対応して成長しなかったために、生産過剰の状況にあり、工業素材として利用者側に有利な状況にある。本発明においては、中国からのミクロダイヤモンド輸入品を用いた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
自己摩耗・加圧・転動
上に述べた考察に基づいて、ダイヤモンド球形化装置（以下球形化装置と略）を設計し、試運転、改良、再設計、試運転再試行・・・を繰り返して、性能を向上し、実用的な球形化装置に到達する計画を立て、まず始めに円板を2枚水平に重ねた石臼型蓋付摩耗槽を試作した。石臼型球形化装置の原理を図１に示したが、下円板の円周に沿って円形側壁を垂直に張り巡らせ、上円板の直径を、下円板より僅かに小さくして、ダイヤモンド粒子の散逸を防ぐように設計した。実際には厚いSUS素材から、旋盤を使って底面付き円筒と、内接円板を別々に切り出して、それぞれ摩耗槽および上蓋とした。【００１６】
第一号球形化装置の設計に当たっては、加圧、回転、水平保持などの機能は、市販電動墨磨り器(図２左)を流用した。丸硯回転装置を取り外して、上記摩耗槽を取り付け、上蓋は墨鋏み機能を利用して吊り下げた（図２中央）。しかし、第１号機では上下円板の平行性を保つのが困難であったために、簡単な上円板位置の微調整機構を取り付けて、第２号機とした（図２右）。
なお、他にも加圧方法や転動方法は容易に考案することが出来るので、必ずしも上に述べた方法に限定するものではない。【００１７】
加熱または冷却
ダイヤモンド表面部のC-C結合開裂を促進するためには、少なくとも100〜300℃に加熱することが望ましい。しかし、後に取り付けを予定している各種センサーやモーターなどの温度を室温近くに保つためには、加熱領域を摩耗槽・上蓋に限定することが望ましい。そのためには後者の材質を吟味しておくことが必要である。加熱冷却部分は、下で述べるように内側を多結晶ダイヤモンド薄膜で内張りするので、耐熱性以外にダイヤモンド結晶成長核（後述）との結合性の良いことが前提条件となる。
自己摩耗方式が予想外に強力で効率が良いことが解ったので、加熱冷却装置を取り付けるかどうかは球形化装置のデザインが決まってから、再考する。ただし、ｍｍあるいはｃｍ大のダイヤモンドを球形化する場合には、摩耗量も増えるので、加熱する必要があると考えられる。
また、冷却操作とは、上記球形化装置の内、ダイヤモンド粒子の自己摩耗処理を行う空間を、必要に応じて、同上空間を室温以下の温度、例えば-70℃に冷却してダイヤモンド球形化を減速する処理を謂う。
なお、他にも加熱冷却方法は容易に考案することが出来るので、必ずしも上に述べた方法に限定するものではない。【００１８】
ダイヤモンド内張り
幸運なことに、近年当社で独占的に生産している３nmダイヤモンド分散粒子を、CVDダイヤモンド薄膜のホモエピタキシャル結晶成長核に用いて、高品質多結晶ダイヤモンド超薄膜を製造する技術が進行しつつある。すでに天然ダイヤモンドと同等程度のヤング率をもつ多結晶ダイヤ薄膜の合成に成功している（非特許文献２、３）ので、最終的には、Williams法を採用する予定である。
なお、他にも内張り方法は考案することが出来るので、必ずしも上に述べた方法に限定するものではない。【００１９】
（非特許文献２）Williams, O. A. et al. Size dependent reactivity of diamond particles, ACS Nano, 2010, 4, 4824-4830.
（非特許文献３）Williams, O. A. et al. High Young’s modulus in ultrathin nanocrystalline diamond, Chem. Phys. Lett, 2010, 495, 84-89.【００２０】
ダイヤモンド粒子としては、輸入商社ニューメタルズ・エンド・ケミカルズ経由で、中国Changsha Xinye社の製造にかかる高温高圧法単結晶ミクロダイヤモンドMMP型を購入し、淡黄緑色の微細粉末をそのまま用いた。このミクロダイヤモンドをデジタル顕微鏡（東京HIROX社製、KH1300型）によって撮影した写真を図３に示すが、粒度がかなり良く揃った多面体であることがわかる。本発明においては、このようにデジタル顕微鏡で得られる2次元画像から、他の粒子と重なり合わずに、孤立して外縁が全部はっきりと見える粒子を、各バッチについて120−500個選び出し、粒子毎に、粒子解析ソフトウエアMacView(東京Mountech社製)を用いて、Heywood直径（粒子と同一の面積をもつ円の直径）、および直接計測できない真球度の代わりに2次元の円形度係数（4πS/p2, S: Heywood面積、p: 周囲長、真円は１）を求めた。実験バッチ毎に2変数について、研磨前後の2群間の分散及び平均値に有意な差が存在するか否かをF-およびt−検定によって確認し、自己研磨の進行度を判定した。また実験バッチ毎にHeywood直径と円形度係数の分布をヒストグラムとして表現し、自己研磨の特性把握を試みた（後述）。【００２１】
上記中国製ミクロダイヤモンドMMPは、公称サイズ22−36μm、実測Heywood直径29.15（5.65）μm、円形度係数0.78（0.10）であった（括弧ないは標準偏差、サンプル総数119）。【００２２】
（発明の具体的な提示）
ここでは、第2号球形化装置（図２右と図４）を用いて、約10回の予備実験を行った中から、4例を選んで説明する。実験操作の詳細に関しては、実施例１〜４に記述した。【００２３】
まず、成功実験について述べる。第2号球形化装置の運転条件は未知であったが、２，３回の試運転を経て、予備実験用の条件を一時的に設定し、実施例１の実験に入った。しかし、摩耗槽の回転に与るモーターからの発熱が予想外に激しく、送風冷却も追いつかないので、連続運転を6時間で打ち切った。放冷後摩耗槽を開き、中央部数ヶ所から、ミクロダイヤモンド粉末を取り出し、デジタル顕微鏡を用いて観察した。やや暗色化した以外は変わった様子はなかったが、デジタル顕微鏡の視野内で他の粒子と重なりや接触のない粒子を119個選んで、市販粒子画像解析ソフトを用い、Heywood直径と円形度係数を算出し、それぞれ出現頻度に関するヒストグラムを描いた（図５、６の中段）。これを同図上段に示した球形化処理前のヒストグラムと比べると、肉眼観察では気付かなかった変化が起きていることが明らかになった。まず、Heywood直径（図５、上段と中段の比較）は全体として明らかに直径分布全体が減少の方向に、中央値付近では数ミクロンも移動し、また分布が左右不均衡となり、急速な粒径減少の動的過程の最中であることが窺えた。一方で円形度係数（図６、上段と中段の比較）は全体として高円形度側にシフトし、処理前には殆ど見られなかった円形度90％以上の球形粒子が相当数新たに出現した。そこで、処理前後におけるHeywood直径および円形度の幅広い分布の変化が、有意か否かのF-およびt-検定を行ったところ、F検定により2群の等分散性を確認し、続いてt-検定により何れも有意差があることを確認した。【００２４】
【表１】
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【００２５】
最終的な結果として、粒径は8.3%減少し、円形度は5.1％向上した。【００２６】
第２号球形化装置による上記の予備実験結果は、予想を上回る好結果であったが、さらに実験を繰り返したところ、まず蓋と容器の内壁を正しく平行に固定出来なかったり、負荷が高過ぎたりすると、ミクロダイヤの粉砕が優先して起きることが解った（図７）。後者の場合には、試験前後で円形度は変化せず、直径14μmを中心とする破片が全粒子の約30％に達したため、Heywood直径平均値が17.7％も減少した（図８）。粉砕は、自己摩耗過程において過大衝突が起き、結晶の劈開が摩耗に優先して起きた結果、発生したと思われる。自己摩耗速度を遅くして、且つ、過大な負荷が掛かって粉砕が起きないように、それ以外は前記成功例と同一条件にして、12時間処理を行ってみたが、粉末の色、円形度、Heywood直径も全く変化しなかった。これは負荷が少なすぎたことを意味し、負荷を数字として捉える必要があることが明らかである。これらの結果は失敗例であるので、実施例に含めていない。【００２７】
更に以下の様な興味深い事例が得られた。装置の蓋と容器内壁との平行性を微調整しておいて、上述の成功例と同じ条件の下で5日間連続運転したところ、平均粒径がやや増大し、円形度がやや減少するという予想外の結果が得られた。初めは適切な負荷がかかっていなかったかと思ったが、処理後のミクロダイヤモンド試料をデジタル顕微鏡で観測したところ、非常に驚いたことに50μm程度まで粒径が増大した板状粒子を、複数回見出した（図９）。明らかに相当大きな応力により、結晶粒子全体が強い変形（扁平化のように見える）を受けたことが窺える。これまでも、本発明にかかる加圧転動型自己摩耗装置内におけるダイヤモンド粒子同志の衝突は、予想していたよりも激しいことを示唆する実験的証拠が、得られているので、ここで注目すべき扁平化現象に対して次のような説明を考えた。【００２８】
まず今回用いたミクロダイヤモンドには、ある割合で格子欠陥の非常に多い粗悪粒子が含まれていて、粗悪粒子は結晶内部に空隙を持つので、欠陥の少ない優良結晶に比べて粒径は大きめ、比重は小さ目であると考えられる。処理前の市販ミクロダイヤの粒径分布 (図５上段)を良く眺めると、粒径40μmを中心として小さな大型粒子ピークがあり、このため粒径分布曲線は、全体的に右側が膨れている。このバッチでは、37.5μm以上の大型粒子が、粗悪粒子であると仮定すると、その個数基準分率は9.32%である。HTHP合成ミクロダイヤは、極めて短時間に結晶成長を終了させるので、粗大粒子をこのようにかなり多量に含有する可能性は、これまで指摘されたことはないが、否定できないと思われる。【００２９】
処理前ミクロダイヤモンドの円形度ヒストグラム（図６上段）を良く見ると、主ピークは円形度82％を中点としていて、平均円形度（78％）と合わないことに気付く。これは円形度70〜40％に亘って、非円形粒子が広く分布しているために、平均値が低めに出たことが原因である。処理前ミクロダイヤモンドを多数視野内に入れたデジタル顕微鏡写真（図３）を見ても、擬球形結晶の間にかなりの割合で棒型の結晶が見られる。これは図６上段の左側の裾野に跨る非球形粒子に相当し、同時にHeywood直径ヒストグラム（図５上段）の40μmを中心とする粗大粒子であると考えることができる。【００３０】
同じ図６の中段、下段に掲げた球形化処理済みのミクロダイヤモンドでは、低円形度粒子の分布は、あらかた消滅しているので、均整度の悪い異形粒子は、自己摩耗によって速やかに変形したと思われる。この変形はどのようなものだろうか？粗大粗悪粒子を加圧転動自己摩耗に掛けると、負荷と衝突エネルギーを受けても、棒状なのでうまく転動できないまま、大きな力を受け、結晶が押し潰されて、板状結晶に変形したように思われる。【００３１】
このような板状結晶を顕微鏡のプレパラートに広げると、板状の面を上下にして、平らに広がった体勢を取り易いので、実際よりも大きく見える。これが、約50μmの板状粒子の正体だと思われる（図９）。このような板状結晶を顕微鏡のプレパラートに広げると、板状の面を上下にして、平らに広がった体勢を取り易いので、実際よりも大きく見える。これが、約50μmの板状粒子の正体だと思われる（図９）。
粗悪粒子の板状変形が目立つような長時間処理においても、格子欠陥の少ない優良粒子の間の自己摩耗は進行し、その結果として優良粒子に限ると円形度が向上している筈であるが、粗悪板状粒子の増加に妨げられて、全体の平均円形度は向上しなかったと解釈することができる。【００３２】
粗悪板状粒子の出現はHeywood直径の分布にどのような影響を与えるだろうか？変形を受けて板状に押しつぶされた粒子を、上から見ているので、実際よりも大きく見える。これが、図６下段図の右側、45−52.5μmに亘って、僅かな強度ではあるが分布するピークに帰属されると思われる。【００３３】
簡単な加圧転動自己摩耗装置を使った予備実験結果を纏めると以下の様である：
（１）加圧転動自己摩耗におけるダイヤモンド粒子間の衝突は予想外に強く、負荷、回転速度、摩耗時間などの条件が適切であれば、短時間で球形化を達成できることを示唆する結果が得られた。
（２）ただし、多くの要因の水準を適切に選択しないと、ダイヤモンド粒子の劈開、融合が顕著に起きたり、あるいは何も起きなかったりと様々な障害が起きる。
（３）従って、摩耗装置の設計・製作に当たっては、摩耗室の回転速度、水平保持などに関して高い精度が要求されるので、各種計測器を備え付けることが必要である。
（４）高い円形度係数を達成するためには、とくに負荷を精密に調整することが求められる。ダイヤモンド粒子の大きさに応じて、最適条件を適切に調節することが重要である。
（５）使用する人工単結晶ダイヤモンド粒子の品質に対しても、厳しい条件を課すべきであろう。特に、平均値よりも大きな直径と、異常に低い円形度をもつ粒子が混入していないことが望ましい。その意味では、Heywood直径および円形度係数のヒストグラムは有効な評価手段である。
【発明の効果】
【００３４】
ダイヤモンド粒子の自己摩耗球形化プロセスを効率化して、球形ダイヤモンドを量産することが出来ると、現在生産されている不完全多面体人工ダイヤに比べて、遥かに有用な工業材料となる。球形ダイヤモンドは、結晶面が全面的に露出することがないので劈開が起こり難い。また球は接触面積が小さいので摩耗しにくいと予想される。球形粒子同志の接触が、面積の極めて小さな点接触であるために、自己凝集が起きにくい。この効果はナノダイヤモンドについて顕著に現われると考えられる。
本発明にかかる方法は、原理的に如何なるサイズの人工ダイヤにも、適用可能であるので、ｍｍサイズの人工ダイヤも球形化可能とすると、応用範囲が広がる。例えば、鋼鉄製ボールベアリングのボールの置換え、ボール型レンズ、人工宝石、ボールペンの先端ボール、球形半導体などに適用することができる（非特許文献５）。とくに赤外線センサーを内蔵する夜間用眼鏡・望遠鏡などに必要な光学レンズとしては、球形ダイヤモンドに優る材料は無いと考えられるので、軍事用あるいは夜間ドライブ用眼鏡など、広い応用が期待される。【００３５】
（非特許文献５）  柴田順二「球体のはなし」技報堂出版、2011年、166頁。【００３６】
本発明の当初の目的は、真球状単結晶ミクロダイヤモンドをAttrition millingのAttritterとして用いて、真球状ナノダイヤモンドを製造し、後者をナノころ潤滑（特許文献１，２）における「ころ」として利用することである。現在でもこの用途が、本発明における最大目的の1つである。因みに、ころ潤滑は、これまで潤滑機能のない油を、殆ど唯一の潤滑剤として用いて来た、近代工業における最大の「必要悪」を修正すると期待されている。真球度の高い人工単結晶ナノダイヤモンド粒子を「ころ」として用いると、摩擦係数が事実上ゼロの超潤滑が可能となり、燃費の大幅な節減、これに伴って炭酸ガス発生量の大幅な抑制が実現し、地球温暖化の緩和にも役立つと予想される。【００３７】
（特許文献１）「ナノころ潤滑」大澤映二、森  誠之、翻訳文提出日 2013年3月1日、出願番号PCT・JP2010/065671、優先権主張： WO/2012/029191、公表特許2013-538274、公表日 2013年10月10日。
（特許文献２）“Nanospacer lubrication,” International Application No.: PCT/JP2010/065671, International Filing Date: 03.09.2010, Priority Date: 03.09.2010, Publication No: WO/2012/029191, Publication Date: 2012.03.08. Applicants/Inventors: NCRI, OSAWA Eiji, MORI Shigeyuki.
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】加圧転動自己摩耗装置の基本概念図。2枚の硬質同心円板の間にダイヤモンド粒子を、層状に挟み、上から加圧して粒子同志を強く接触させつつ、上下の円板を反対方向に回転して、全粒子を同時に転動させる。
【図２】左：市販電動墨磨り器、円筒形硯に水を張って回転し、上から墨挟みに挟んだ墨を、硯に垂直に押し付けて、横からねじ止めして固定し、自動的に墨を磨る。中央：第1号球形化装置。円筒形硯に代えて、内径103mm、深さ30mm、厚さ6mmのSUS304製底付き円筒槽を、硯回転機構に取り付けて、約30rpmの早さで回転する。円筒槽にミクロダイヤモンド粉末約20gを入れ、上から直径100mm、厚さ5mm、重さ620ｇのSUS304製蓋を円筒槽に差し入れ、自分の重みで加圧作用を果たす（図４）。右：第２号球形化装置。蓋の高さ、傾きなどを微調整できるような機構を作って、写真右側に取り付け。モーターの放熱を助けるために、カバーを外し、且つ扇風機の風を当てて加熱を防いだ。
【図３】球形化処理前のミクロダイヤモンドのデジタル顕微鏡写真。平均直径値：公称22−36μm。東京HIROX社製デジタル顕微鏡、KH1300型使用。
【図４】第一号ダイヤモンド球形化処理装置の寸法（単位mm）。
【図５】球形化処理したミクロダイヤモンド試料のHeywood直径分布のヒストグラム。試料はそれぞれ処理前(上段、サンプル数119)、実施例１中断後（サンプル数119）、および実施例４終了後（下段、サンプル数512）
【図６】球形化処理したミクロダイヤモンド試料の円形度係数分布のヒストグラム。詳細は図５に同じ。
【図７】実施例２終了後のミクロダイヤモンド試料のデジタル顕微鏡写真。粉砕されたミクロダイヤモンドの細粉に注目。
【図８】実施例２終了後のミクロダイヤモンド試料と未処理試料のHeywood直径分布の比較。試料の約30％が粉砕を受けて、全体の平均値は23.98（7.34）と、処理前の平均値29.15（5.65）μmから大きく低下した。円形度係数に変化はなかった。
【図９】実施例４において、扁平化を受けたミクロダイヤモンド粒子のデジタル顕微鏡写真。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
発明の概要は、以下の詳細な説明を添付図面と共に読むとさらによく理解できる。本発明を説明するために本発明の例示的な表現として、図面には具体的な例が示されているが、本発明は開示された特定の方法、組成、およびデバイスに限定されない。また、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。
【実施例１】
【００４０】
図２右に掲げた第2号ダイヤモンド球形化装置の硯回転機構を取り外して、内径103mm、深さ30mm、厚さ6mmのSUS304製底付き摩耗槽を、取り付け（図４）、約30rpmの早さで回転する。上から墨挟みの代わりに直径100mm、厚さ5mm、重さ620ｇのSUS304製上蓋を円筒型の摩耗槽に差し入れ、重みの一部で加圧作用を果たすことを期待した（図４）。上蓋と摩耗槽の間の空間に、平均直径約29ミクロンの市販ミクロダイヤモンド約20gを充填し、連続運転を行った。しかし、大きな負荷のもとでモーターを作動させたので、発熱が著しく、扇風機で冷したが、6時間後には摩耗槽の外側が70℃まで上がったので中止した。【００４１】
装置を放冷後、摩耗槽の中央部数ヶ所から、ミクロダイヤモンド粉末を取り出して、デジタル顕微鏡（東京HIROX製、KH3000型）を用いて観察した。やや暗色化した以外は変わった様子はなく、球形に近づいたかどうかは不明であった。しかし、デジタル顕微鏡の視野内で他の粒子と重なりや接触のない粒子を119個選んで、市販粒子画像解析ソフト（東京Mountech社製MacView第4版)を用いて、Heywood直径と円形度係数を算出し、両者の分布に関するヒストグラムを描いて、処理前と比べたところ、画然たる差が現れた（図５，６）。すなわち、Heywood直径の分布をみると、全体として明らかに直径分布全体が直径減少の方向に移動したことが明らかである（図５）。また、円形度係数の分布は逆に高円形度側にシフトし、処理前には殆ど見られなかった円形度90％以上の粒子が相当数出現した（図６）。しかし分布の幅に比べると、これらのシフト幅が小さいので、試験前後における変化が、有意か否かのF-検定およびt-検定を行ったところ、何れも等分散、且つ有意差があることを確認した（検定の詳細については（発明の具体的な提示）に記述）。
【実施例２】
【００４２】
第2号球形化装置を用い、実施例１と同条件の運転を長時間行って、高い円形係数の実現を目指して、実験を繰り返したが、その一つにおいて上蓋底面と摩耗槽底面が直接接触して、軋み音を発しつつ回転が数時間継続したことがあった。ダイヤモンドを取り出すと、黒色が強くなり、SUS製内壁表面が一部削り取られて、混入したことが明らかであった。デジタル顕微鏡写真を見ると、ミクロダイヤモンドの破片が大量に混入していた（図７）。【００４３】
実施例１と同様にして、177個の標本について、Heywood直径の分布を調べた結果、全体の30％程度が粉砕され、破片ピークは、直径14μmに中心があり、およそ2等分されるのが主な粉砕パターンであることがわかる（図８）。全体の未粉砕粒子のピーク位置は、処理前に比べて変わらず、摩耗を受けていないことになる。興味深いことに、円形度係数は0.78(0.07)となり、処理前と同じ値となった。これは2等分粉砕が、平均円形度に影響を与えないことを意味する。
【実施例３】
【００４４】
実施例２と対照的に、実施例１と同様な条件で12時間加圧転動自己摩耗を行ったにも拘わらず、Heywood直径および円形度係数が、両者共に殆ど変化をしなかったことがある。解析データのt-検定によっても、有意差はなかった。加圧負荷が重要であることは、予め予想していたが、自己摩耗現象自体が、特に負荷の影響を敏感に受けるように思われる。第3号機以降の設計において留意すべき点である。
【実施例４】
【００４５】
実施例１と並んで、特に興味深い結果を与えた実験結果をここで取り上げる。摩耗槽と上蓋の内壁の平行配置を微調整してから、実施例１と同じ条件下で5日間連続運転したところ、平均粒径がやや増大し、平均円形度がやや減少するという不思議な結果が得られた。更に処理後のダイヤモンド粒子をデジタル顕微鏡で観察したところ、不可解なことには50μm近くまで粒径が増大して板状に見える粒子を複数回観測した（図９）。実施例４の結果の解釈については（発明の具体的な提示）において、詳細に述べた。【００４６】
以上、本発明につき好適な形態例を挙げて種々説明してきたが、本発明はこの形態例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない範囲内で多くの改変を施し得るのは勿論のことである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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