(57)【要約】【課題】  高硬度の被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工工具であって、該被加工物に欠陥や熱的変質層を形成しない、加工の条件管理が容易である、加工能率も高いなどの優れた特徴を有する加工を可能とする加工工具及び加工方法を提供する。【解決手段】  被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工工具であって、該被加工物との接触部が、活性酸素種を発生する材料からなることを特徴とする加工工具、及び該加工工具を用い、接触、摩擦時に、該接触部より発生する活性酸素種と被加工物を構成する原子又は分子を反応させ、該反応の生成物を除去することを特徴とする加工方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工工具であって、該被加工物との接触部が、活性酸素種を発生する材料からなることを特徴とする加工工具。
【請求項２】
活性酸素種が、Ｏ−、Ｏ２−、Ｏ３−及びＯ２２−よりなる群から選ばれるイオンを主成分とすることを特徴とする請求項１に記載の加工工具。
【請求項３】
活性酸素種が、Ｏ−を主成分とすることを特徴とする請求項２に記載の加工工具。
【請求項４】
活性酸素種を発生する材料として、活性酸素種を内包する材料を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加工工具。
【請求項５】
活性酸素種を発生する材料として、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加工工具。
【請求項６】
酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料が、フッ化カルシウム型結晶構造を有する金属酸化物より選ばれることを特徴とする請求項５に記載の加工工具。
【請求項７】
フッ化カルシウム型結晶構造を有する金属酸化物が、酸化セリウム、酸化トリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ビスマス及びこれらの金属酸化物に酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ネオジウム、酸化サマリウム、酸化ガドリウム、酸化エルビウム又は酸化イッテルビウムを固溶したものよりなる群から選ばれることを特徴とする請求項６に記載の加工工具。
【請求項８】
酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料が、ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物より選ばれることを特徴とする請求項５に記載の加工工具。
【請求項９】
ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物が、酸化ランタンカルシウム及び酸化ランタンマンガンよりなる群から選ばれることを特徴とする請求項８に記載の加工工具。
【請求項１０】
活性酸素種を発生する材料として、雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の加工工具。
【請求項１１】
雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料が、遷移金属酸化物及び希土類酸化物よりなる群から選ばれることを特徴とする請求項１０に記載の加工工具。
【請求項１２】
加工工具を、被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工方法であって、該加工工具の被加工物に接触する部分に発生する活性酸素種と、被加工物を構成する原子又は分子を反応させ、該反応物を除去することを特徴とする加工方法。
【請求項１３】
該反応物が気化されて除去されることを特徴とする請求項１２に記載の加工方法。
【請求項１４】
被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲を昇温することを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の加工方法。
【請求項１５】
被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲の水分及びＯＨイオンを除去することを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれかに記載の加工方法。
【請求項１６】
被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲に、乾燥酸素ガス、乾燥炭酸ガス又は乾燥不活性ガスを供給することを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれかに記載の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンドや他の高硬度材などからなる被加工物を、除去加工するために用いられる加工工具、及び該加工工具を使用する加工方法に関する。より具体的には、活性酸素種を発生する材料を使用し、該活性酸素種と被加工物を構成する原子又は分子との酸化反応を利用して、該被加工物に研削、切削、研磨などの加工を施すための加工工具、及び該加工工具を使用する加工方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切削や研削などの機械加工に用いられる加工工具には、一般に、被加工物より高い硬度が求められる。例えば、切削工具は、被加工物に対してビッカース硬度が３倍必要とされており、又研削加工においても、モース硬度が被加工物に対して高いことが必要とされている。
【０００３】
しかし、このような高硬度材料からなる加工工具を使用した場合、被加工物との硬度差により加工損傷が発生し、被加工物内部にクラックなどの欠陥や熱的変質層が形成される。その結果、加工された表面に脆性破壊が生じて信頼性が低下するなど、この加工損傷により被加工材料の特性が減退する。又被加工物が硬度差の異なる複数の材料からなる場合は、柔らかい構成材料に対してより多くのダメージを与えることになり、被加工材の品位が低下する。
【０００４】
そこで、加工後さらにラッピング処理を施して前記欠陥や熱的変質層を除去する必要があるが、このラッピング処理によっても欠陥や熱的変質層を形成されるという問題もあった。
【０００５】
このような問題を解決し、欠陥や熱的変質層を形成しない加工方法として、各種の無歪精密加工方法が提案されている。このような方法として、例えば、軟質砥粒を用いたメカノケミカル（ＣＭＰ）加工及びＥＥＭ加工（弾性放散加工）が挙げられる。メカノケミカル（ＣＭＰ）加工は、被加工物を軟質砥粒（コロイダルシリカ）と化学反応させて加工液で除去しようとするもので、シリコン酸化絶縁膜（ＳｉＯ２）の加工の場合、加工液としてはアルカリ性加工液（ＫＯＨ）が使用される。
【０００６】
ＥＥＭ加工は、相互作用により被加工物と化学結合する性質を持つ粉末粒子（例えばＳｉＯ２微粒子）を水流によって被加工物の表面に輸送して、上記粉末粒子と被加工物の表面原子とを化学結合させるとともに、被加工物の表面原子とその下側の原子との結合力を減少させて、被加工物の表面原子を取り除くことにより、被加工物の表面を原子オーダで加工する手法である。
【０００７】
しかし、このメカノケミカル加工及びＥＥＭ加工では、液体状の加工液を必要とし、加工液の水素イオン濃度などの管理が必要であり、又ＥＥＭ加工では、加工工具と被加工材料との間を一定間隔の非接触状態に常に位置制御する必要があるなど、適用条件が限られ、実用的な加工は困難であった。
【０００８】
化学的エッチング効果を期待できる工具もしくは化学薬品により、被加工物を加工する方法も挙げられる。この方法は、半導体シリコン基板の研磨方法としてのコロイダルシリカ法として知られている。しかしこの加工方法も、加工能率が低く廃液処理の問題がある。
【０００９】
又、典型的な難加工材料であるダイヤモンドを加工する方法として、ダイヤモンド表面に、水素や酸素などを供給し該気体分子との反応を利用して加工する方法、あるいは高温金属との接触によって起こる固体拡散を加工原理とする方法などが知られている。例えば、特開昭６２−４１８００号公報には、ダイヤモンドを研磨する方法として、ダイヤモンド膜の表面を非酸化性雰囲気下で加熱して黒鉛化し、その黒鉛を鋳鉄製ラップ板で除去する方法が開示されており、又ダイヤモンド面と金属体とを非酸化雰囲気中で加熱して摺動させる際に、摺動面に水素を供給して、炭素をメタン化して除去する方法なども提案されている（特開昭６３−１４４９４０号公報、特開平３−４０９９３号公報）。
【００１０】
しかし、これらの加工方法では、気相または固相である加工工具、材料と被加工物であるダイヤモンドとが、加工面のみならず全被加工材料全体にわたって加熱されるため、ダイヤモンドが燃焼を起こす６００℃以上になることがある。この結果加工を期待する範囲、体積以上にダイヤモンドの構造が破壊されてしまう欠点があった。又不活性雰囲気での加工では、加工装置部品が１０００℃以上の高温にさらされて、現実的動作を困難としていた。又、被加工ダイヤモンド全面に渡って希望する加工精度に均一に仕上げることは困難であった。
【００１１】
さらに他の無歪精密加工方法として、ラジカル反応を用いた加工方法が提案されている（特開平１−１２５８２９号公報、特開平６−２１６０７９号公報）。この加工方法は、被加工物を、反応ガスを含む気体雰囲気中に配置し、この被加工物の加工面近傍で前記反応ガス分子を励起させてラジカルを発生させ、このラジカルと被加工物の構成原子又は分子とをラジカル反応させて、低温で気化しうる化合物を被加工物表面上に生成し、この化合物を気化させて前記加工面上から除去することでこの面上に原子または分子レベルの空所を順次形成して最終的に被加工物に対し切断、穿孔、切削、研磨などの加工を行うものである。
【００１２】
このようなラジカル反応を用いた加工法は、前記欠陥や熱的変質層を形成させないため、ラッピング処理が不要となる。また、原子又は分子レベルで加工が進行するので加工面の形状粗さを小さくできる。この加工法は、シリコン単結晶などの半導体もしくは導体又はガラスやセラミックスなどの絶縁体に対して適用されている。しかし、この加工法では、原子又は分子レベルで工具と加工面を位置制御して加工面の全面を複数回走査する必要があり、能率が低く、又加工装置が高価である、平面加工以外に適用できないなどの問題もあった。
【００１３】
このように、従来の無歪精密加工方法には、適用条件が限られその条件管理が難しい、加工能率が低く実用的でないなどの問題があり、このような問題を生じない無歪精密加工方法の開発が望まれていた。
【特許文献１】特開昭６２−４１８００号公報
【特許文献２】特開昭６３−１４４９４０号公報
【特許文献３】特開平３−４０９９３号公報
【特許文献４】特開平１−１２５８２９号公報
【特許文献５】特開平６−２１６０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工工具であって、該被加工物に欠陥や熱的変質層を形成しない、加工の条件管理が容易である、加工能率も高いなどの優れた特徴を有する加工を可能とする加工工具を提供することをその課題とする。又、本発明の課題は、欠陥や熱的変質層を形成せずラッピング処理などの後処理を必要としない無歪精密加工方法であって、条件管理が容易で、加工部以外への損傷もなく、かつ加工能率が高い加工方法を提供することにもある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、検討の結果、該被加工物との接触部が、活性酸素種を発生する材料からなる加工工具を用いることにより、前記の課題が達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１６】
本発明は、請求項１として、被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工工具であって、該被加工物との接触部が、活性酸素種を発生する材料からなることを特徴とする加工工具を提供する。
【００１７】
本発明の加工工具は、加工の際に、被加工物に接触し摩擦されるが、直接接触され、摩擦されることにより、活性酸素種を発生する材料から、反応性が高い活性酸素種が順次連続的に発生し、被加工物との接触部に、活性酸素種の雰囲気が作られ、酸化反応を起こす環境が作られる。その結果、被加工物を構成する材料と活性酸素種との酸化反応が確実、有効に引起こされ、この酸化反応の結果、被加工物の表面の原子間又は分子間の結合力が低下する。結合力が低下した結果、被加工物の表面の原子又は分子は、加工工具の摺動による被加工物との摩擦（相対運動）などによって容易に除去することができる。
【００１８】
活性酸素種を発生する材料とは、被加工物と接触し摩擦する際に、活性酸素種を発生することができる材料であって、活性酸素種を内包する材料、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料、雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料などを挙げることができる。
【００１９】
又被加工物がダイヤモンドのような炭素材料からなる場合、酸化物は気体となるため、被加工材の酸化物が気化蒸散して、前記加工面上から除去される。このようにして加工面上に原子または分子レベルの空所を順次形成して最終的に被加工物に対し切断、穿孔、切削、研磨などの加工が行われる。
【００２０】
すなわち、本発明の加工工具は、活性酸素種を発生し、該活性酸素種と被加工物を構成する材料との反応により、被加工物の表面の原子間又は分子間の結合力を低下させて、除去加工の能率を向上させることができるものである。そして反応生成物の気化蒸散により、又は被加工物と工具との摺動摩擦などの機械的除去加工により、被加工物の表面は均質、鏡面、高精度に加工される。
【００２１】
活性酸素種とは、酸素の分子やイオンであって高い反応性を有するものであるが、この活性酸素種としては、Ｏ−、Ｏ２−、Ｏ３−及びＯ２２−からなる群から選ばれるイオンを主成分とするものが、ダイヤモンドなどの高硬度材料と高い反応性を有し好ましい。請求項２は、この好ましい態様に該当し、前記の加工工具であって、活性酸素種が、Ｏ−、Ｏ２−、Ｏ３−及びＯ２２−よりなる群から選ばれるイオンを主成分とすることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００２２】
特に、Ｏ−が高い反応性を有し好ましい。請求項３は、この特に好ましい態様に該当し、前記の加工工具であって、活性酸素種がＯ−を主成分とすることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００２３】
Ｏ−などは、活性度の高い化学種として知られており、メタンのメタノール化や殺菌、脱臭など多くの工学的応用がされている。しかしこの酸素陰イオンを多量に蓄積し、イオンの状態での取り出し、必要とする反応が完了するまで活性種の寿命を保つことは、従来は困難と考えられていた。本発明者は、検討の結果、この酸素陰イオンを多量に蓄積し、必要とする反応が完了するまで該イオンの寿命を保つことができ、イオンの状態で容易に取り出すことができる材料など、この酸素陰イオンを発生する材料を見出し、本発明に至ったものである。
【００２４】
前記のように、活性酸素種を発生する材料としては、活性酸素種を内包する材料を用いることができる。請求項４は、この態様に該当し、前記の加工工具であって、活性酸素種を発生する材料として、活性酸素種を内包する材料を用いることを特徴とする加工工具を提供するものである。活性酸素種を内包する材料は、活性酸素種をその内部に一様に分散させてなる材料であって、例えば、直径数Åのケージ構造を有する結晶からなる材料などが挙げられ、ケージ内部にＯ３−、Ｏ２−、Ｏ２２−、Ｏ−などのアニオンが内包されている。
【００２５】
前記のように、活性酸素種を発生する材料としては、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料を用いることができる。請求項５は、この態様に該当し、前記の加工工具であって、活性酸素種を発生する材料として、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料を用いることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００２６】
酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料としては、特に限定されるものではないが、好ましくは一種あるいは二種以上からなる金属酸化物であって、フッ化カルシウム型結晶構造を有するもの、又はペロブスカイト型結晶構造を有するものが例示される。請求項６及び請求項８は、これらの態様に該当するものである。
【００２７】
すなわち、請求項６は、請求項５の加工工具であって、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料が、フッ化カルシウム型結晶構造を有する金属酸化物より選ばれることを特徴とする加工工具を提供するものであり、請求項８は、請求項５の加工工具であって、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料が、ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物より選ばれることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００２８】
フッ化カルシウム型結晶構造を有する金属酸化物としては、酸化セリウム、酸化トリウム、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化ビスマス及びこれらの金属酸化物に酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ニオブ、酸化タングステン、酸化ネオジウム、酸化サマリウム、酸化ガドリウム、酸化エルビウム又は酸化イッテルビウムを固溶したものよりなる群から選ばれるものが好ましい。請求項７は、この好ましい態様に該当し、請求項６の加工工具であって、フッ化カルシウム型結晶構造を有する金属酸化物が、前記の例示された金属酸化物から選ばれることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００２９】
前記の例示の中でも、適用温度範囲が広いこと、入手の容易さなどの点から酸化イットリウムを固溶した酸化ジルコニウム、及び酸化スカンジウムを固溶した酸化セリウムが好ましい。
【００３０】
ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物としては、酸化ランタンカルシウム又は酸化ランタンマンガンが好ましく例示される。請求項９は、この好ましい態様に該当し、請求項８の加工工具であって、ペロブスカイト型結晶構造を有する金属酸化物が、酸化ランタンカルシウム及び酸化ランタンマンガンよりなる群から選ばれることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００３１】
前記の例示された材料は、酸素を酸素イオンに変換する特性、酸素イオンを透過させる特性および酸素イオンを活性酸素種に変換する特性を有するので、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料として好ましく用いられる。
【００３２】
フッ化カルシウム型又はペロブスカイト型結晶構造を持つ金属酸化物から、酸素イオン伝導性を有し、表面に伝導した酸素イオンを活性酸素種に変換する材料を得る方法としては、焼成法、真空蒸着法、スパッタリング法、フラックス合成方法などが挙げられる。ここで焼成法とは、乾燥酸素雰囲気の電気炉で１０００℃以上に加熱して、例えば２時間程度アニールする方法、真空蒸着法およびスパッタリング法とは、シリコンなどの単結晶基盤の上に原料を加工物状態で結晶成長させる方法である。
【００３３】
活性酸素種を発生する材料としては、雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料を用いることができる。請求項１０は、この態様に該当し、前記の加工工具であって、活性酸素種を発生する材料として、雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料を用いることを特徴とする加工工具を提供するものである。
【００３４】
雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料としては、遷移金属酸化物、希土類酸化物などが挙げられる。請求項１１は、この態様に該当し、請求項１０の加工工具であって、雰囲気中の酸素分子と反応して、表面に活性酸素種を発生させる材料が、遷移金属酸化物及び希土類酸化物よりなる群から選ばれることを特徴とする加工工具を提供する。
【００３５】
本発明の加工工具は、研削用工具、切削用工具、超音波加工用工具、電解加工用工具、粉体噴射用工具、研磨用粉末、研磨用液状混合体（加工用セラミックスの粉体をマイクロカプセルの中に閉じこめたもの）、総型工具（被加工物の加工仕上がり形状に予め成形した工具）などとして用いられる。すなわち、本発明の加工工具には、粉末状、液状のものも含まれる。研削用工具、切削用工具等は、例えば、前記の活性酸素種を発生する材料を刃先形状に加工し、工具先端に設置することにより得ることができる。粉末状の工具としては、例えば、活性酸素種を発生する材料の微粉末をそのまま用いることができる。液状の工具としては、例えば、活性酸素種を発生する材料の微粉末を、マイクロカプセルの中に閉じこめ、該マイクロカプセルを分散媒中に分散させたものや、活性酸素種を発生する材料をコートした粉末を分散媒中に分散させたもの等が挙げられる。本発明の加工工具は、難加工材料であるダイヤモンドの加工の他、高硬度であるｃＢＮを含む複合材料、高融点のタングステン、高硬度の炭化タングステン、硬化させた炭化鉄などの加工に適用される。その他の、酸化させる事が可能である高硬度な窒化物、炭化物、硼化物、硫化物、塩化物の加工にも適用でき、さらに、白金や金などの難酸化金属を酸化させ、脆化させて除去加工する方法への適用も考えられる。
【００３６】
本発明は、さらに請求項１２として、加工工具を、被加工物に接触し摩擦させて該被加工物を加工する加工方法であって、該加工工具の被加工物に接触する部分に発生する活性酸素種と、被加工物を構成する原子又は分子を反応させ、該反応物を除去することを特徴とする加工方法を提供する。
【００３７】
すなわち、前記の本発明の加工工具を被加工物に接触し摩擦させることを特徴とする加工方法である。この加工方法に用いられる活性酸素種について、及び活性酸素種を発生する材料については、前記の加工工具についての説明と同じである。
【００３８】
この加工方法においては、加工工具から発生する活性酸素種と、被加工物を構成する材料との酸化反応により、被加工物の表面の原子間又は分子間の結合力を低下させて除去加工の能率が向上されるが、特に被加工物がダイヤモンドのような炭素材料からなる場合は、被加工材の酸化物が気化蒸散して、前記加工面上から容易に除去される。
【００３９】
請求項１３は、この態様に該当し、前記の加工方法であって、酸化反応物が気化されて除去されることを特徴とする加工方法を提供するものである。気化されて除去される被加工物として、具体的には、ダイヤモンド、ダイヤモンド焼結体、ダイヤモンド混合体を含む類似の材料、又はグラファイトを含む材料などが挙げられる。他に窒化物、炭化物、硫化物などが含まれている場合も、酸化物が気化され除去されることで、これらも容易に除去される。
【００４０】
被加工物と加工工具の接触、摩擦時においては、接触部及びその周囲を、加熱や発熱などにより昇温すると、工具からの活性酸素種の発生が促進され、酸化反応が促進されるので好ましい。請求項１４は、この態様に該当し、前記の加工方法であって、被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲を昇温することを特徴とする加工方法を提供するものである。
【００４１】
除去加工の促進のためには、昇温後の温度は高い方が好ましいが、一方、接触部及びその周囲の温度が高すぎると、被加工物の材料表面に、その表面に留まらない酸化物の厚い層が生成することがある。一般に酸化物は、窒化物、炭化物、硼化物や純金属より柔らかく結合力が弱いことが多いので、このような酸化物の生成は、被加工物の特性を低下させることが多い。そこで、昇温後の温度は１３５０℃以下であり、好ましくは、６００℃以下の範囲である。
【００４２】
本発明の加工方法において、加工工具と被加工物を摩擦する速度（相対速度）は、通常２０ｍ／分以上が採用され、１００〜５００ｍ／分の範囲が好ましい。２０ｍ／分未満の場合は、摩擦力や発熱が小さすぎて、活性酸素種を発生する材料からの活性酸素種の発生が困難になる。なお、５００ｍ／分を越えると、加工工具の材質を破壊する場合がある。ただし、噴射工具として使用する場合は、噴射粉末が被加工材料に衝突して結晶構造を破壊することが好ましい使用状態であるので、噴射速度はより速いことが好ましく、粉体の噴射速度（噴射型工具の場合での相対速度）が５００ｍ／分を超えて８０００ｍ／分まで良好に適用できる。
【００４３】
又、被加工物の切り込みは、通常５μｍ以下が採用され、０．０１〜１．０μｍの範囲が好ましい。５μｍを越えると、被加工物の粒界破壊が増大するとともに、活性酸素種を発生する材料の工具からの脱落が起こりやすくなる。
【００４４】
加工工具の送りは、通常５μｍ／ｒｅｖ以下であり、０．０１〜１．０μｍ／ｒｅｖの範囲が好ましい。５μｍ／ｒｅｖを越えると、工具と被加工物の接触が断続的になりやすく、安定的な接触ができない。
【００４５】
加工工具を被加工物に接触するときの圧力は、通常５ＧＰａ以下であり、０〜１．０ＧＰａの範囲が好ましい。５ＧＰａを越えると、加工工具の材質の破壊が起こりやすくなる。
【００４６】
本発明の加工方法においては、目的とする酸化反応を阻害する化学反応を引き起こす雰囲気ガスや微粒子を排除するため、被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲の水分及びＯＨイオンを除去すること又は接触部及びその周囲に、乾燥酸素ガス、乾燥炭酸ガス若しくは乾燥不活性ガスを供給すること、が好ましい。請求項１５及び請求項１６は、それぞれこの好ましい態様に該当する。
【００４７】
すなわち、請求項１５は、前記の加工方法であって、被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲の水分及びＯＨイオンを除去することを特徴とする加工方法を提供するものであり、又請求項１６は、前記の加工方法であって、被加工物と加工工具の接触、摩擦時に、接触部及びその周囲に、乾燥酸素ガス、乾燥炭酸ガス又は乾燥不活性ガスを供給することを特徴とする加工方法を提供するものである。従って、本発明の加工方法を実施する装置としては、乾燥酸素ガス、乾燥炭酸ガス又は乾燥不活性ガスの供給装置や水分及びＯＨイオンを除去する除湿装置を有することが好ましい。なお、不活性ガスとしては、アルゴン、ヘリウム、窒素が例示される。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の加工工具を用いることにより、又本発明の加工方法により、被加工物に欠陥や熱的変質層を形成せず、容易に、高い加工能率で被加工物の加工を行うことができる。特に、ダイヤモンドや他の高硬度材料の加工に好ましく適用される。本発明によれば、欠陥や熱的変質層の形成がないのでラッピング処理などの後処理を必要としない。
【００４９】
本発明のより具体的な効果としては、次の効果が例示される。
【００５０】
１）ダイヤモンド（１１１）面を容易に加工できる。
従来、ダイヤモンドは共摺り加工による加工方法のため、もっとも硬い結晶面は加工困難であった。このダイヤモンド（１１１）面の加工を結晶方位依存性がない本発明の加工工具、加工方法で容易に加工することができる。
【００５１】
２）硬度の異なる複合材料の加工に適する。
硬度差の大きい複数の材料が複合して構成された焼結材料、例えばｃＢＮ焼結体、銅タングステン材料、超硬、高速度鋼などは、硬度差による被加工量の違いから生じる凹凸を発生させること無く加工できる。
【００５２】
３）自動加工が可能である。
本発明は活性酸素種による酸化反応を利用するので、被加工物の硬度差や結晶方位による研磨能率の異方性が無い。そのため、硬度の異なる複数の材料が複合して構成された被加工物を加工する場合や結晶方位により硬度差が著しく異なる場合でも、加工を自動化することが容易である。例えば、被加工物の加工前の形状と目的とする形状のそれぞれを座標データで表し、このデータから求まる座標差に応じて加工時間を制御して自動制御する方法を容易に実施することができる。又環境に依存することなく除去加工が安定して進行するため、長時間の複雑形状の加工が自動化でき、修正加工も容易である。しかも、被加工物に対する形状誤差が０．００１μｍ程度とすることが可能である。
【００５３】
４）排出される被加工物などの除去が容易である。
排出される被加工物と工具材料は乾式粉末であり、有害な廃棄物やアルカリ性廃液を含まないため、廃棄物処理が容易である。
【００５４】
５）エッチングなどには、反応性のある有毒なガスが用いられるが、本発明では、このような有毒で反応性のある特殊反応ガスを含む雰囲気気体を使わない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
次に、本発明を実施するための最良の形態を、実施例により説明する。
【実施例１】
【００５６】
Ｙ２Ｏ３を３ｍｏｌ％添加した部分安定化ジルコニア（市販品：日本ファインセラミックス社製のジルコニアセラミックス）を、ダイヤモンド砥石でφ８０ｍｍ、厚さ１ｍｍに切断し、乾燥酸素中で２時間再焼結して、ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）の焼結体円盤工具（研削砥石）を製造した。製造された活性酸素種を含有するＹＳＺは、ビッカース硬さ（Ｈｖ）が５００であった。
【００５７】
なお、ＹＳＺは、安定化材としてイオン半径の大きいＹ２Ｏ３を固溶させることによって、常温でも立方晶構造を維持するようにさせた物質である。Ｙ２Ｏ３を固溶したことによって結晶内に構造安定した酸素空孔をつくり、酸素イオン（Ｏ２−）を多量に安定して含有している。この含有している酸素イオンは、外部からのエネルギー励起で容易にイオン伝導性を示す。また含有している酸素イオンは結晶構造が破壊されると、活性イオン種を放出する。
【００５８】
前記の製造されたＹＳＺも、多孔質の物質で内部に酸素の２価のマイナスイオン（Ｏ２−）を含んでおり、これがＯ２−とＯ−に分離して結晶の外に出てくる。ＥＳＲ（電子スピン共鳴測定方法）で、Ｏ−生成（＝含有）を確認している。又このＹＳＺに、電極をつけて真空中に活性酸素種を引き出すことに成功しており、この方法で１価のマイナス酸素イオン（Ｏ−）があることが測定されている。
【００５９】
前記の製造された円板工具を、砥石として工具研削盤に取付け加工工具とした。工具研削盤は、回転軸をエアスピンドルとして砥石の外径回転偏芯量を０．１μｍ以下とした。
【００６０】
比較例１
比較検討のために、実施例１のＹＳＺと同じ原料を使い、水蒸気供給をして湿潤雰囲気で焼成をした以外は実施例と同様にして焼成材を製造した。得られた焼成材では、活性酸素種としてＯＨ基が置換されて内包されていることがＥＳＲで確認されているが、１価のマイナス酸素イオン（Ｏ−）は確認されなかった。この焼成材のビッカース硬さはＹＳＺと同じ（Ｈｖ）５００であった。この焼成材を用い、実施例１と同様にして、円板工具を製作し、さらに同様にして、砥石として工具研削盤に取付け加工工具とした。
【実施例２】
【００６１】
市販品のＹＳＺ（Ｄａｌｉａｎ  Ｄａｎｎｉｎｇ  Ｏｐｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．社製）を、矩形に切断して加工工具を製造した。なお、用いたＹＳＺは、面方位は（１００）の研磨品、結晶構造は立方晶、フッ化カルシウム型構造を有し、含有するイットリウムの濃度は８ｍｏｌ％、密度は５．８０ｇ／ｃｍ３、融点は２５００℃であり、フラックス法により育成されたものである。
【実施例３】
【００６２】
ＤＣマグネトロン反応性スパッタ装置を使用して、Ｓｉ（１００）基板上に、ＹＳＺ薄膜をヘテロエピタキシャル成長させ、鏡面研磨用ＹＳＺ定盤を製造した。反応性ガスであるＯ２とスパッタガスであるＡｒを、同じ管を通して真空装置内に導入してスパッタ放電させて合成した。使用したスパッタターゲットは、直径９９ｍｍのＺｒ円盤上に、直径１０ｍｍのイットリウム円盤５枚を同心円状に配置したものを使用した。スパッタの基板温度は８００℃で、良好なヘテロエピタキシャル成長ができた。得られたＹＳＺ薄膜の結晶性は、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）で評価した結果、フッ化カルシウム型結晶構造であることを確認した。
【実施例４】
【００６３】
３ｍｏｌ％Ｙ（ＮＯ３）３を添加したＺｒＯ（ＮＯ３）２水溶液（Ｚｒ量に対して５０ｐｐｍのＳｉを不純物として含む）に、Ｚｒ量に対して５０ｐｐｍの平均粒径０．０２μｍのコロイダルシリカを添加したものを、焼結体製造の原料として使用した。その水溶液をＮＨ３水で中和して沈殿物を生成した。この沈殿を洗浄、乾燥した後、７００℃で仮焼して平均粒径０．４μｍのＺｒＯ２粉末を得た。それを加圧成形後、乾燥酸素中、１５００℃で２時間焼成して焼結体にした。この焼結体をアルゴンガスで封入した超硬ボールによるボールミル粉砕装置に掛けて粉砕して、ＹＳＺの研磨用微粉末を製造した。
【実施例５】
【００６４】
実施例１で得られた加工工具を使用し、被削材として合成ダイヤモンド単結晶（４ｍｍ×４ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ）を使い、このダイヤモンドの表面を１軸方向で走査して平面研削した。砥石外径の回転数は４０００ｒｐｍで、研削速度は、１２５ｍ／分に相当する、被削材である合成ダイヤモンド板は、送り速度２．５ｍｍ／分で一方向に送った、切り込みは０．７ミクロン／１ストロークとして１３５回、合計９５ミクロンを切り込んだ。このとき合成単結晶ダイヤモンドには２．４ミクロンの深さで、均一で平坦な鏡面の溝を加工することが出来た。この結果により、本発明により、ダイヤモンドを使用しないでダイヤモンドの鏡面加工が容易に行えることが確認された。
【００６５】
比較例２
実施例１で得られた加工工具の代りに、比較例１で得られた加工工具を用いた以外は、実施例５と同じ条件で、合成ダイヤモンド単結晶の平面研削を行った。合成ダイヤモンド単結晶は全く加工できなかった。
【実施例６】
【００６６】
実施例１と同様の製造条件で製作したＹＳＺを、切断工具としてソーブレードに整形して使用し、合成単結晶ダイヤモンドを切断加工した。直径６ｍｍの合成ダイヤモンド原石をダイヤモンド切断機に固定して、通常のダイヤモンド切断機では研磨切断が全く進まない（１１１）方向面を切断方向とした。使用したＹＳＺを使ったソーブレードは、刃幅１ｍｍで直径８０ｍｍである。回転数は３６００ｒｐｍとした。このときの砥石外径の速度は９００ｍ／分で、りん青銅盤を使ったダイヤモンド切断機の標準条件である。りん青銅盤を使ったダイヤモンド切断機の場合は、ソーブレードが支点を介してバランスを取り殆ど荷重をかけないようにするが、本実施例においても同様にした。この切断条件で、２．５時間で切断を完了した。活性酸素種を含有するＹＳＺによる切断は、被削材の硬度差に依存しない加工方法である。
【００６７】
比較例３
比較のため標準条件のダイヤモンド切断ソーを用い同じ条件で切断テストをしたが、研磨方向を（１１１）面としたため、全く切断できなかった。通常の切断方法である（１１０）方向で合成ダイヤモンド原石を切断した場合は平均で１８時間かかる。