(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも金属または金属酸化物を含有する線状或はベルト状といった長尺形状の研磨部材を、表面がダイヤモンドからなる被研磨物に摺擦させることにより研磨するダイヤモンド表面の研磨方法において、
該研磨部材の研磨表面を連続的もしくは断続的に繰り返しながら、摺擦部における前記被研磨物の材質および／または前記被研磨物の形状に応じて、加工領域の接触面圧が均一となるように前記研磨部材の押圧力を制御すると共に、記被研磨物のダイヤモンド表面の結晶サイズに応じて前記研磨部材の押圧力を補正して制御することを特徴とするダイヤモンド表面の研磨方法。
【請求項２】
被研磨物を保持する手段を有し、少なくとも金属または金属酸化物を含有する線状、或いはベルト状といった長尺形状の研磨部材と、該研磨部材を該被研磨物の加工面に向けて押圧する手段および該研磨部材と該被研磨物を相対運動させて摺擦する手段を備えた装置において、
該被研磨物の形状または座標情報を入力・記憶する手段と、該被研磨物の形状に応じて押圧力を入力または演算する手段と、ダイヤモンドの結晶サイズを入力する手段を備え、該入力または演算された所定押圧力に従って前記押圧手段を制御すると共に、入力された結晶サイズに対応して前記所定押圧力を補正演算する手段を備え、該演算された所定押圧力に従って前記押圧する手段を制御することを特徴とするダイヤモンド表面の研磨装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド及びダイヤモンド膜の表面を研磨する方法およびそれを実施する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素結晶であるダイヤモンドの物性は、硬度が極めて高く、耐摩耗性に優れているばかりか、滑り性や熱伝導性にも優れ、さらには高屈折率である。この様な物性を備えていることからダイヤモンドは、例えば、バイト、エンドミル、やすりなどの切削用工具、パンチ、ダイなどの塑性加工金型、バルブリフタ、軸受けなどの摺動部材、ヒートシンクなどの放熱部材、電子基盤、レンズ、ウインドウなどの光学部品等に使用されている。このようなダイヤモンド製品は、用途に合わせて加工され、一般にはその表面を研磨して平滑な面とすることが求められることが多い。研磨されたダイヤモンドの用途としては、ダイス、パンチ等のプレス金型、軸受けや自動車部品等の摺動部分、バイト、エンドミル等の切削工具、電子機器のヒートシンクや電子基盤、光学部品等があげられる。
【０００３】
ダイヤモンド表面の研磨には、古くは研磨手段にもダイヤモンド製の砥粒や砥石を用いた機械的研磨方法が採用されていたが、研磨に時間を要するばかりか、共削りとなるため、ツール寿命が短いという問題があり、また研磨されるダイヤモンド表面が平面ではなく凹凸のある立体的な表面の研磨には不向きであるという問題もあった。
特許文献１に開示された研磨方法はレーザー照射による事前加熱法を採用し、研磨部材を構成している金属をダイヤモンド表面の炭素と化学反応させることによって研磨を行うものであるが、この発明の目的は、研磨部材の寿命が長く、その制御も容易であり、平滑度の高い表面を得ることができるばかりか、凹凸のある立体的な表面の研磨にも容易に適用することができるダイヤモンド表面の研磨方法を提供すること、また、金属間化合物のように、特殊な製法により得られる高価な材料を使用せず、安価な金属単体で形成された研磨部材を用いることにより研磨を行うことが可能なダイヤモンド表面の研磨方法を提供することにある。そのために、この発明は、図１０に示されるように研磨部材による研磨に先立って、該研磨部材３またはダイヤモンド表面1aをレーザー光2a等によって加熱すると共に、前記研磨部材３には、線状、ベルト状の形状を有しており且つ少なくとも表面が炭素と易反応性の金属または浸炭性金属からなる素材を使用し、プーリーやローラーといった研磨部材支持具４に該研磨部材３を巻き付けて研磨表面を連続的もしくは間歇的に繰り出しつつ、研磨部材支持具４を介してダイヤモンド表面に押圧しながら、被研磨物１を移動させて研磨を行うダイヤモンド表面の研磨方法が提供されている。
【０００４】
また、特許文献２は本出願人が先に特許出願した「ダイヤモンド表面研磨方法」なる発明の明細書であるが、その内容はダイヤモンド表面に残留した研磨粉を除去しながらダイヤモンドを研磨する方法である。当該発明は、金属製研磨部材を使用し、該研磨部材および／またはダイヤモンド表面を加熱するダイヤモンド表面研磨方法において、摺擦によりダイヤモンド表面に残留した該研磨部材に由来する研磨粉を除去しながら研磨することを特徴とするダイヤモンド表面研磨方法であり、好ましい具体例として（１）前記研磨粉を除去するにあたり、仕上げ工具、ドレッシング工具、ショットブラスト、流体噴射、静電気力、磁気力及び粘着力からなる群より選択される少なくとも１つの手段を用いること、（２）前記研磨粉を除去するにあたり、更にエアブロー又はバキュームも用いることが示されている。このダイヤモンド表面研磨方法によれば、研磨中のダイヤモンド表面を仕上げ工具等により摺擦することで、ダイヤモンド表面の凹凸に付着した、研磨部材由来の金属粉（研磨粉）を有効に除去することができ、研磨粉が加熱・押圧されることで生じる凝着の問題を解決することができる。
【０００５】
従来の研磨方法でダイヤモンド表面を研磨した場合に、研磨部材を被研磨物表面に一定の押圧力で接触させた状態で研磨しても、被研磨物の形状が一様な平面ではなく凹凸形状であるなどの輪郭形状が均一でないと、研磨むらが生じるという問題が生じた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１７７８８３号公報「ダイヤモンド表面の研磨方法」  平成２３年９月１５日公開
【特許文献２】特願２０１３−２４１３６９号明細書「ダイヤモンド表面の研磨方法」  平成２５年１１月２１日出願
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者らはこの現象について精査し、その原因は被研磨物の形状が一様な平面ではなく凹凸形状であると研磨部材との接触状態が変わり、一定の押圧力で研磨部材を接触させても摺擦部の面圧に差が生じ、研磨量に差が出ることにあるとの知見を得た。
また、被研磨物表面のダイヤモンドの結晶サイズが異なると研磨部材を被研磨物表面に一定の押圧力で接触させた状態で研磨しても、研磨量に差が出ることも発見した。
【０００８】
本発明の課題は、上記の問題点、すなわち、ダイヤモンド表面を金属または金属酸化物を含有する研磨部材で被研磨物の表面を研磨する方法において、研磨むらや基材露出を起こす問題を解決し、被研磨物の形状に影響されないで均一な研磨を実現する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】
【０００９】
本発明のダイヤモンド表面の研磨方法は、少なくとも金属または金属酸化物を含有する線状或はベルト状といった長尺形状の研磨部材を、表面がダイヤモンドからなる被研磨物に摺擦させることにより研磨するダイヤモンド表面の研磨方法において、該研磨部材の研磨表面を連続的もしくは断続的に繰り出しながら、摺擦部における前記研磨部材の材質および／または前記被研磨物の形状に応じて、加工領域の接触面圧が均一となるように前記研磨部材の押圧力を制御することを特徴とする。
また、本発明のダイヤモンド表面の研磨方法は、表面のダイヤモンドに結晶サイズに応じて前記研磨部材の押圧力を補正するようにした。
【００１０】
本発明のダイヤモンド表面の研磨装置は、被研磨物を保持する手段を有し、少なくとも金属または金属酸化物を含有する線状或はベルト状といった長尺形状の研磨部材と、該研磨部材を被研磨物の加工面に向けて押圧する押圧手段および該研磨部材と該被研磨物を相対運動させて摺擦する手段を備えた研磨装置において、被研磨物の形状または座標情報を入力・記憶する手段と、前記被研磨物の形状に押圧力を入力または演算する手段とを備え、該演算された所定押圧力に従って前記押圧手段を制御するものとした。
また、押圧力を入力または演算する手段が加工領域の接触面圧が均一となるように押圧力を入力または演算するものとした。
さらに、研磨部材を連続的もしくは断続的に繰り出す手段を持つものとした。
また、被研磨物を保持する手段を回転させる手段を持つものとした。
更に、本発明のダイヤモンド表面の研磨装置は、ダイヤモンドの結晶サイズを入力する手段を備え、入力された結晶サイズに対応して前記所定押圧力を補正演算するものとした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のダイヤモンド表面の研磨方法は、摺擦部における前記研磨部材の材質および／または前記被研磨物の形状に応じて、加工領域の接触面圧が均一となるように前記研磨部材の押圧力を制御するようにしたので、被研磨物の形状に影響されず、研磨むらもなく基材露出といった事態を起こすことの無い研磨を実現することができる。
また、本発明のダイヤモンド表面の研磨方法は、表面のダイヤモンドに結晶サイズの分布がある場合であっても、該分布情報に応じて前記研磨部材の押圧力を補正するようにしたことにより、ダイヤモンドの結晶サイズに基づく研磨量の違いによって起きる研磨むらを効果的に補償することが出来る。
【００１２】
本発明に係るダイヤモンド表面の研磨装置は、被研磨物の形状または座標情報を入力・記憶する手段と、前記被研磨物の形状に対応して、加工領域の接触面圧が均一となるように押圧力を演算する手段を備えているので、入力・記憶された情報に基づいた適正な押圧力を研磨部材に印加することができ、被研磨物の形状に影響されず、研磨むらもなく基材露出といった事態を起こすことの無い研磨加工を提供することができる。
また、研磨部材の素材と形状が特定でなく、選択的である装置であっても、当該情報をも入力・記憶できる機能を前記入力・記憶手段に備えたものにおいては、被研磨物との組み合わせによる研磨量の違いに対応して適正押圧力を演算する機能を備え、適正な研磨加工を提供することができる。
【００１３】
更に、ダイヤモンドの結晶サイズを入力すると共に、ダイヤモンドの粒子結晶サイズと研磨部材の組み合わせに対応する研磨量をテーブル情報として前記入力・記憶する手段に備え、前記演算手段では前記テーブル情報を参照し、ダイヤモンドの結晶サイズに基づく研磨量の違いに対応して所定押圧力を補正演算する機能を備えた本発明のダイヤモンド表面の研磨装置は、ダイヤモンドの結晶サイズに基づく研磨量の違いに対応した補正を加えることが出来るので、ダイヤモンドの結晶サイズ分布のある被研磨物の加工においても適正な研磨加工を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】被研磨物の形状によって研磨量に差が出ることを説明する図である。
【図２】被研磨物の形状と研磨量の関係を総合的に示す図である。
【図３】被研磨物のダイヤモンドの結晶サイズとその写真および研磨量を示す図である。
【図４】ダイヤモンドの研磨量が押圧力に対応してどのように異なるかを示すグラフである。
【図５】研磨むらを解決する本発明の手法を説明する図である。
【図６】本発明に係る研磨装置の制御部の基本構成を示すブロック図である。
【図７】凸部と平面部を持つ第１の被研磨物を研磨した時の研磨量を実測したデータを示す図である。
【図８】凹部と平面部を持つ第２の被研磨物を研磨し、適正押圧力を割り出す説明図である。
【図９】本発明の研磨装置の加工部の構成を示す図である。
【図１０】特許文献１のダイヤモンド表面の研磨方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の課題の発見について、まず、説明する。図１に示すように、長尺形状の研磨部材３を研磨部材支持具４に巻き付けて被研磨物表面を連続的もしくは間歇的に繰り出しつつ、前記研磨部材支持具４を介し被研磨物の表面1aに押圧しながら、研磨を行う形態の研磨において、金属ワイヤーの研磨部材３の先端形状が円形であり、被研磨物１の形状がストレート部とＲ部を備えたものである場合に、研磨部材３を均一な押圧力で被研磨物１に接触させた状態で研磨加工を施すと、Ｒ部ではストレート部より研磨量が多くなるという現象が確認される。その原因を精査したところ、平面形状と凸形状部分とでは同じ押圧力を印加しても研磨部材との接触状態が変わること、すなわち、平面形状領域ではより広く接触し、凸形状部分では接触領域が小さくなることによって、単位面積当たりの圧力に差が生じ、それが研磨量の差となるという知見を得ることが出来た。もし、被研磨物の形状に凹部が存在した場合には、凹部領域では平面形状領域より広く研磨部材と接触することとなるため、研磨量はさらに小さくなる。この面圧の差による研磨量の違いは図２に示すように、凹部、平面、凸部において、両者の接触面積は大、中、小となって、面圧はその逆となり、面圧の高い箇所は研磨が進み易く、基材露出の現象が起こりやすくなる。要するに、両者を同じ押圧力で研磨すると、研磨むらが生じたり、過度な面圧がかかった場合には表面のダイヤモンドが削り取られ基材が露出してしまうことにもなる。
【００１６】
また、場所によって表面のダイヤモンドの結晶サイズに差がある被研磨物においては、同一条件で研磨処理をすると研磨むらが生じると共に、基材露出の問題が起こるおそれがある。図３の写真に示されるように、ダイヤモンド結晶に大結晶と小結晶があり結晶サイズが小さいほど研磨量が多いことが確認されている。
【００１７】
次に、同じダイヤモンド結晶サイズの被研磨物表面に対する押圧力を変えて研磨した場合の研磨状態を検証する。被研磨物表面にレーザー（出力41W）を照射して加熱し、金属の研磨部材を用い、その先端温度を200℃に加熱した状態で所定押圧力にて被研磨物を１００ｍｍ／ｓで摺擦させる試験を行った。図４に示したものは押圧力を５Ｎ，１０Ｎ，３０Ｎ，６０Ｎに設定し、摺擦回数３０回と６０回そして１２０回時点での表面粗さをデータ化してグラフ表示したものである。この結果から明らかなように、押圧力が大きいほど研磨量が多くなり、押圧力が研磨加工に大きく影響するものであることが確認できる。
【００１８】
次に本発明の研磨加工法についてその基本となる技術的思想を説明する。被研磨物の形状の違いによる研磨むらの解消（課題１）については、前述した被研磨物表面が凹部、平面、凸部であることに対応して、研磨部材との接触面積は大、中、小となって、面圧はその逆となり、面圧の高い箇所は研磨が進み易く、基材露出の現象が起こりやすくなるという知見に基づいて、本発明は加工領域の面圧が均一となるように研磨部材の押圧力を制御するようにした。すなわち、凹部、平面、凸部に対応して押圧力は小、中、大となるように制御される。図５の上段は平面部では押圧力を大とし、凸部では押圧力を小さくすることを模式的に示している。
【００１９】
被研磨物表面のダイヤモンド結晶サイズに対応して研磨量が変わるという問題の解消（課題２）については、前述したようにその要因は結晶サイズが小さいほど研磨されやすいという物性にあることを勘案し、本発明はダイヤモンドの結晶サイズに対応して研磨部材の押圧力を制御するという手法を採用する。すなわち、結晶サイズの大きな部分では研磨部材の押圧力を大きくし、結晶サイズの小さな部分では研磨部材の押圧力を小さくするというものである。図５の下段は結晶サイズの大きな（大粒径）領域では押圧力を大とし、結晶サイズの小さな（小粒径）領域では押圧力を小さくすることを模式的に示している。
【００２０】
研磨むらや基材露出を起こさない本発明の研磨装置における制御系の基本構成を図６にブロック図で示し、動作機能を説明する。１１は基礎情報や設定情報を入力したり、動作指令を発信するキーボードのような入力手段、１２は研磨部材や被研磨物の組み合わせに対応する研磨量の違いや、ダイヤモンドの結晶サイズによる押圧力の補正量等を記憶する記憶部、１３は設定された条件に基づいた対応情報を記憶部１２から読みだして、研磨ヘッドの押圧手段１４、研磨部材の加熱手段１５、研磨ヘッドの駆動手段１６そして被研磨物加熱手段１７等の本装置の各手段に適正制御量を演算して出力する演算・制御部である。研磨部材の材質によってダイヤモンドとの化学反応や機械的摩擦力は異なるし、研磨部材の形状そして被研磨物の形状との組み合わせによっても研磨量は変わってくるので、それぞれの選択条件に応じた研磨情報のデータベースを作成し記憶部１２に蓄積しておく。また、ダイヤモンドの結晶サイズによっても研磨量は変わってくるので、その補正量についてもテーブル情報としてデータベースを作成し、これも記憶部１２に蓄積しておく。また、この記憶部１２にはＵＳＢメモリのような外部メモリからデータを入力できる構成を備えていることが望ましい。これらの蓄積情報は設定条件に対応するルックアップテーブルとして機能し、必要情報を記憶部１２から読み出し演算・制御部１３に送信される。該演算・制御部１３では設定条件に対応して、本装置の研磨ヘッドの押圧手段１４、研磨部材の加熱手段１５、研磨ヘッドの駆動手段１６そして被研磨物加熱手段１７等の各手段の適正制御量を演算し、各手段に出力する。
【００２１】
図７は凸部と平面部を持つ第１の被研磨物を研磨した時の研磨量を実測したデータを示す図である。第１の被研磨物の仕様は図面左に示されているように、形状は外径がφ90ｍｍ、内径がφ66ｍｍ、厚さ35ｍｍのリング形状であって、表面粗さは最大高さRz：2.5μｍRzのもので、超合金製の基材に熱フィラメントCVD法によってダイヤモンドをコーティングしたものである。これを試験試料として、照射条件が出力値30Ｗスポット径φ0.5ｍｍのファイバーレーザーを用い、タンタル（φ１ｍｍ）製のワイヤーである研磨部材を200℃に温度調整し、リング状の被研磨物を周速度300ｍｍ/ｓ、ワイヤー送り速度を0.36ｍｍ/ｓ、研磨ヘッドの送りピッチを0.01ｍｍに設定し、研磨を施した。研磨部材の押圧力を30Ｎに設定して、リングの外周面（凸面部）と平面部について擦過回数を重ねていった。双方とも同一条件で研磨し、60回で研磨量を測定し、120回で再度研磨量を測定した。その結果が図７の右側にグラフで示されている。平面部より、凸面部の方の研磨量が多く、研磨が早く進むことが確認できた。なお、ここでの研磨量は研磨の仕上がり具合である表面粗さを計測し、初期値との差をもってその値とした。この計測には東京精密社製表面粗さ計（サーフコム2000ＳＤ3）を使用し、JISB0601-20001に準拠し、最大高さRzを測定した。カットオフ値は0.8とした。
【００２２】
図８は凹部と平面部を持つ第２の被研磨物を研磨し、適正押圧力を割り出す説明図である。第２の被研磨物の仕様は図面左に示されているように、形状は外径がφ95ｍｍ、内径がφ66ｍｍ、厚さ15ｍｍのリング形状であって、表面粗さは最大高さRz：1.7μｍRzのもので、超合金製の基材に熱フィラメントCVD法によってダイヤモンドをコーティングしたものである。これを試験試料として、第１の被研磨物と同様の加工条件（ただし、レーザー光の照射を停止）で研磨部材の押圧力を30Ｎ、50Ｎ、65Ｎに切替えて120回摺擦したところ、平面部の方の研磨量が多かった。その値を図８の右側にグラフで示してある。平面部（天面）を30Ｎで研磨した状態と凹部を65Ｎで研磨した時の研磨量がほぼ匹敵することが確認できた。従って、この第２の被研磨物を研磨する場合には平面部の研磨には30Ｎ，凹部の研磨には65Ｎの押圧力を印加すれば、研磨むらを生じない適正な研磨ができることになる。
この様に、個々の選択条件に対応した適正押圧力のデータを取得蓄積するが、具体的には研磨部材の素材と先端形状そして被研磨物の形状との組み合わせに対応させて、データベースを作成する。また、ダイヤモンドの結晶サイズについても複数のサンプルを準備し、同一押圧力での研磨量データを取得して結晶サイズと研磨量の関係を表データとし、押圧力も順次変更して多段の表データとしてデータベースとする。
【実施例】
【００２３】
次に、本発明の研磨方法を実施する研磨装置の一例について説明する。図９に示したものは、本発明に係る研磨装置の加工部の構成を示す例である。研磨ヘッド駆動手段１６上に研磨部が設置され、被研磨物１に対する両者の位置・姿勢がその駆動手段によって決められる。
また、研磨部材３には金属の線状のものが用いられ、研磨部の先端は研磨ヘッドとなっており、該研磨ヘッドを加工面に押圧する研磨ヘッド押圧手段１４も研磨ヘッド駆動手段１６上に配置されている。
被研磨物は被研磨物保持手段１８で保持され、モータ１９により回転駆動され、研磨ヘッドと摺擦される。被研磨物ワークの外周面は凸部形状であり、天面は平面であるため、押圧力は外周面では小さくし、天面では大きくして研磨を行う。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本明細書では本発明の研磨部材が炭素と易反応性の金属又は浸炭性の金属をその表面に有し、化学的研磨をするものとして説明してきたが、これに限らず、長尺状の研磨部材が連続的若しくは間歇的に送り出し巻き取られる形態であれば、ダイヤモンド研磨紙、ベルト研磨材、或はダイヤモンドワイヤー等を用いた機械的研磨方式のものにも適応できる。
【符号の説明】
【００２５】
１  被研磨物                        1a  被加工面(ダイヤモンド表面)
２  レーザー照射手段                2a  レーザー光
３  研磨部材                        ４  研磨部材支持具
５  ダイヤモンド結晶              １１  入力手段
１２  記憶部                        １３  演算・制御部
１４  研磨ヘッド押圧手段            １５  研磨部材加熱手段
１６  研磨ヘッド駆動手段            １７  被研磨物加熱手段
１８  被研磨物保持手段              １９  モータ
【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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【図１０】
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