ダイヤモンド研磨装置及びダイヤモンド研磨方法
【課題】被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを短時間で効率よく研磨すること。
【解決手段】ダイヤモンド研磨装置１は、被研磨物のダイヤモンドコーティングＤｂと線接触あるいは面接触して該ダイヤモンドコーティングＤｂを研磨する研磨工具２０と、研磨工具２０に超音波を印加する超音波振動系３０と、研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付けるように制御する荷重制御機構３５と、を備える。
【解決手段】ダイヤモンド研磨装置１は、被研磨物のダイヤモンドコーティングＤｂと線接触あるいは面接触して該ダイヤモンドコーティングＤｂを研磨する研磨工具２０と、研磨工具２０に超音波を印加する超音波振動系３０と、研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付けるように制御する荷重制御機構３５と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを研磨する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性や潤滑性に優れたダイヤモンドを金型や工具など（以下では「金型等」という）に用いると、無潤滑でプレス加工、引抜き加工、打ち抜き加工、切削加工などが可能となるが、ダイヤモンドから金型等を作成することは容易ではない。化学蒸着法によれば金型等の必要部分だけにダイヤモンド膜を容易に形成できるが、コーティング後の表面粗さは大きく、表面を平滑に研磨しなければ使用することができない。
【０００３】
コーティングされたダイヤモンド膜の研磨は、砥石や遊離砥粒を用いて機械的に行なわれていたが、高硬度のダイヤモンドの研磨は難しく、研磨に多くの時間が必要となることや、研磨精度が得られないなどの問題があった。
【０００４】
この問題を解決するためにいくつかの方法が提案されてきた。例えば、下記特許文献１，２には、研磨用工具をダイヤモンド表面に高荷重で押付けると同時に高速回転させながら摺動させる方法が記載されている。また、下記特許文献３には、高温において金属と化学反応させることによりダイヤモンド膜の平滑化を行う方法が記載されている。更に、下記特許文献４には、ダイヤモンド結晶と反応しやすい金属を用いた研磨工具に超音波を印加し、その研磨工具を被研磨面に点接触させ押し付けながら研磨する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２００１−１９８８３３号公報
【特許文献２】特開平８−２１７５９７号公報
【特許文献３】特開平７−３２８９０９号公報
【特許文献４】特開２００５−２３１０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１，２に記載の円盤を高速回転させる方法では、装置が複雑になるばかりでなく、単純形状の金型等しか研磨できず、複雑形状や微少孔などを有する金型等を研磨できない。一方、上記特許文献４に記載されているような、超音波を印加しながら研磨する方法は、複雑形状や微少孔などを有する金型等の研磨を可能にする。しかし、ダイヤモンドと研磨工具とが点接触状態であったり、振動の周波数が低くその振幅が大きかったりすると、熱伝導率の大きなダイヤモンドの研磨に必要な熱化学反応を充分生じさせることができない。また、上述したいずれの方法も基本的には研磨用工具をダイヤモンド表面に押し付けるだけであり、研磨量の制御が困難である。加えて、それらの方法では金型として要求される研磨精度を得ることは到底できない。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することが可能な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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のダイヤモンド研磨方法は、超音波を印加した研磨工具を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させ、一定荷重で押し付けるように制御することで、該ダイヤモンド表面を研磨することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のダイヤモンド研磨装置は、被研磨物のダイヤモンド表面と線接触あるいは面接触して該ダイヤモンド表面を研磨する研磨工具と、研磨工具に超音波を印加する印加手段と、研磨工具を一定荷重でダイヤモンド表面に押し付けるように制御する制御手段と、を備える。
【００１０】
このような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、研磨工具とダイヤモンド表面とが線または面で接触するので、ダイヤモンドを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が相対的に減少する。また、研磨工具とダイヤモンドとが一定荷重で接触するので、接触部分において常に安定した状態で熱供給することが可能になる。これにより、超音波振動によりダイヤモンド表面と研磨工具との接触部分に生じる摩擦熱あるいは反応熱を安定して発生させ、且つ効率よく利用することができ、その結果、ダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。
【００１１】
本発明のダイヤモンド研磨方法では、研磨工具とダイヤモンド表面との接触部分の面積が該ダイヤモンド表面の面積と略同一であることが好ましい。
【００１２】
この場合、ダイヤモンド表面を伝わって接触部分近傍に放散される熱量が減少するので、研磨面を短時間で且つ精度良く滑らかにすることができる。
【００１３】
本発明のダイヤモンド研磨方法では、ダイヤモンド表面を研磨する際に、研磨工具に形成された溝を介して研磨粉を排出する工程を含むことが好ましい。
【００１４】
この場合、研磨粉が研磨工具の溝を介して排出されるので、研磨面付近で研磨粉が凝着するのを防止することができる。
【００１５】
本発明のダイヤモンド研磨装置では、研磨工具及び被研磨物のうち少なくとも一つを移動させる移動手段を更に備えることが好ましい。
【００１６】
この場合、研磨工具又は被研磨物の位置を変えることで、研磨面を短時間で滑らかにすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
このような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、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図３】図１に示す超音波振動系の平面図である。
【図４】図１に示す超音波振動系の側面図である。
【図５】研磨されたダイヤモンド表面を示す写真である。
【図６】図１に示すダイヤモンド研磨装置でパンチを研磨している状態を示す図である。
【図７】（ａ）は研磨前のダイヤモンド表面の粗さを示すグラフであり、（ｂ）は研磨後のダイヤモンド表面の粗さを示すグラフである。
【図８】変形例に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図９】変形例に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
まず、図１〜４を用いて、実施形態に係るダイヤモンド研磨装置１の構成を説明する。図１，２はダイヤモンド研磨装置１の構成を示す模式図である。図３，４はそれぞれ、図１に示す超音波振動系３０の平面図及び側面図である。
【００２１】
ダイヤモンド研磨装置１は、被研磨物の表面にコーティングされたダイヤモンドを研磨する装置である。例えば、ダイヤモンド研磨装置１は金型や工具などのダイヤモンド表面を研磨するが、被研磨物の種類は限定されず、ダイヤモンド研磨装置１は任意の部材のダイヤモンド表面を研磨することが可能である。
【００２２】
ダイヤモンド研磨装置１は、テーブル（移動手段）１０、研磨工具２０、超音波振動系（印加手段）３０及び振動系取付部（移動手段）４０を備えている。
【００２３】
テーブル１０は、ダイヤモンドがコーティングされた被研磨物を支持及び固定する部材である。図２に示すように、テーブル１０は駆動手段（図示せず）により回転及び傾斜することができる。なお、被研磨物を固定する手段はテーブル１０に限定されず、例えばアームなどを用いてもよい。
【００２４】
図１，２に示す例では、テーブル１０は上下方向に貫通孔Ｄａが形成されたダイスＤを支持している。ここで、貫通孔Ｄａの上部は上に向かってテーパ状に広がっており、該上部には、化学的蒸着法によりダイヤモンドコーティングＤｂが施されている。
【００２５】
研磨工具２０は、ダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）Ｄｂを研磨する器具である。研磨工具２０は、上下方向に延びる軸部２１と、その軸部２１の下端に取り付けられた円盤状の研磨部２２とを備えている。研磨部２２の側面には上下方向に延びる複数の溝２３が一定間隔で形成されている。この溝２３は研磨粉を排出するために設けられている。
【００２６】
超音波振動系３０は、超音波を印加することで研磨工具２０を振動させる装置である。超音波振動系３０は、図３，４に示すように、上下方向に延びる支持部材（移動手段）５１と、その支持部材５１に取り付けられた水平方向に延びる台５２とにより支持及び固定されている。支持部材５１はＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能である。本実施形態では超音波振動系３０を固定したが、どこにも固定されない携帯型の超音波振動系を用いてもよい。
【００２７】
超音波振動系３０は、圧電セラミックス３１ａを有する超音波振動子３１と、その超音波振動子３１の下端にねじ止めされたコーン３２と、そのコーン３２の下端にねじ止めされたホーン３３と、スリーブ３４とを備えている。ホーン３３の下端には研磨工具２０がねじで連結されている。コーン３２は、振幅を拡大するために段付きとなっており、また、支持を安定させるために二段連結されている。コーン３２は、図示しないベアリングを介してスリーブ３４に取り付けられている。スリーブ３４は台５２を貫通するようにその台５２に固定されている。
【００２８】
超音波振動系３０は、台５２上に取り付けられた荷重制御機構（制御手段）３５により上下方向に移動し、これにより研磨工具２０を所定の荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付ける。荷重制御機構３５はアクチュエータ３５ａ、運動伝達手段３５ｂ、ロードセル３５ｃ及びブランジャー３５ｄを備えている。超音波振動系３０は、アクチュエータ３５ａの直線運動が運動伝達手段３５ｂを介して伝わることで上下方向に移動する。ダイヤモンドコーティングＤｂに加えられた荷重はロードセル３５ｃにより検出され、その検出結果に基づいて、研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付けるようにアクチュエータ３５ａの位置が変更される。ブランジャー３５ｄはアクチュエータ３５ａとロードセル３５ｃとの間に設けられ、アクチュエータ３５ａがロックするのを防止する。
【００２９】
超音波は、超音波振動子３１の圧電セラミックス３１ａの両端に高周波の電流を流すことによって発生し、研磨工具２０に伝達される。すると、超音波振動によって研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの間に摩擦熱が発生し、ダイヤモンドコーティングＤｂから炭素が分離する。超音波を用いるのは、ダイヤモンドコーティングＤｂから炭素を除去するための熱化学反応を効率よく生じさせることができるからである。なお、超音波を発生させる手段は限定されるものではなく、高周波の振動を得ることができる任意の装置を用いてよい。
【００３０】
研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触部分に加わるエネルギーは、印加される超音波の条件と次のような関係になると考えられる。超音波振動による単位時間あたりの運動エネルギーＥは、Ｅ＝μＰ・２πｆξで表される。ここで、μは摩擦係数、Ｐは接触面に加わる垂直荷重、ｆは振動周波数、ξは振動振幅である。振幅ξで振動することによって生じる研磨工具２０の掃引面積ＳＳは、ＳＳ＝ｌ・（ｄ＋２ξ）と表せる。ここで、ｌは接触面積の振動方向に垂直な部分の長さ、ｄは振動方向に平行な部分の長さである。ｄがξより大きければ、超音波振動中に研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとが常に接している部分が生じ、その面積ＳＯは、ＳＯ＝ｌ・（ｄ−２ξ）となる。
【００３１】
研磨工具２０の運動エネルギーが全て熱エネルギーに変換されるとすると、超音波振動による熱化学反応に有効な単位時間あたりのエネルギーＥＴは、ＥＴ＝ｋＳＯ・μＰ・２πｆξ＝２πｋｌμＰｆ（ｄξ−２ξ２）となる。ここで、ｋＳＯ＜１であり、ｋは接触面及びその周囲から放散する熱量に比例する係数である。
【００３２】
すなわち、摩擦面に生ずる熱量は、押付け荷重や超音波の周波数が大きいほど大きくなり、振動振幅が研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触面の振動方向に平行な部分の長さの１／２で最大となる。
【００３３】
周波数が大きすぎると凝着が起きやすくなり適切ではない。周波数は、最大でも数メガヘルツ程度が好ましい。また、振幅が大きすぎると熱効率が悪くなり適切ではない。熱効率の最も良い振幅が好ましいが、振動周波数が高くなると凝着が起きやすくなるので、振幅は、研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触面の振動方向に平行な部分の長さの１／２より小さくするのが好ましい。
【００３４】
図１に戻って、振動系取付部４０は、超音波振動系３０を支持する部分である。この振動系取付部４０はＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能である。
【００３５】
次に、ダイヤモンド研磨装置１を用いて被研磨物のダイヤモンド表面を研磨する方法を説明する。まず、被研磨物をテーブル１０に載せて固定し、テーブル１０、振動系取付部４０又は支持部材５１を移動させて研磨工具２０と被研磨物との相対位置を調整する。続いて、荷重制御機構３５により超音波振動系３０を下方に移動させることで、超音波が印加されている研磨工具２０を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させる。続いて、荷重制御機構３５を制御して研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンド表面に押し付けて、ダイヤモンド表面を研磨する。このとき、研磨工具に形成された溝を介して研磨粉が排出される。
【００３６】
以上説明したダイヤモンド研磨装置１によれば、研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとが線または面で接触するので、ダイヤモンドを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が相対的に減少する。また、研磨工具２０とダイヤモンドとが一定荷重で接触するので、接触部分において常に安定した状態で熱供給することが可能になる。これにより、超音波振動によりダイヤモンドコーティングＤｂと研磨工具２０との接触部分に生じる摩擦熱あるいは反応熱を安定して発生させ、且つ効率よく利用することができ、その結果、ダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。また、金型や工具に必要な研磨精度を得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、研磨粉は溝２３を経由して排出されるので、研磨面付近で研磨粉が凝着するのを防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、研磨工具２０又は被研磨物（例えばダイスＤ）の位置を変えることが可能なので、研磨面を短時間で滑らかにすることができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はそれらに何ら限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図１に示すダイスＤのダイヤモンドコーティングＤｂを研磨した結果を図５に示す。テーブル１０に固定されたダイスＤを回転及び傾斜させ、研磨工具２０に一定荷重を加えながら研磨を行った。研磨条件は、周波数２７ｋＨｚ、振動振幅１０μｍｐ−ｐ、押付け荷重５０Ｎ、接触面積３ｍｍ２とした。その結果、図５に示すように、ダイヤモンドコーティングＤｂが非常に滑らかに研磨された。一方、周波数、振動振幅及び押付け荷重を上記と同じとし、接触面積を小さくして点接触に近い状態で研磨を行ったところ、図５に示すような良好な結果を得ることはできなかった。
【００４１】
（実施例２）
図６に示すように、パンチＰの上面及び側面上部に施されたダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）Ｐａを図１に示すダイヤモンド研磨装置１を用いて研磨した。研磨前後のダイヤモンドコーティングＤｂの粗さを図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７の各グラフの縦軸は粗さ（μｍ）を示し、横軸はダイヤモンドコーティングＰａの水平方向の範囲（μｍ）を示す。
【００４２】
研磨前のダイヤモンドコーティングＰａは、図７（ａ）のグラフが示すように非常に粗く、算術平均粗さＲａ＝０．４８９μｍ、最大高さ粗さＲｚ＝３．０７９μｍであった。このダイヤモンドコーティングＰａを、周波数２７ｋＨｚ、振動振幅１０μｍｐ−ｐ、押付け荷重５０Ｎ、接触面積３ｍｍ２という条件で研磨したところ、図７（ｂ）に示すような良好な結果が得られた。具体的には、算術平均粗さＲａ＝０．０５６μｍ、最大高さ粗さ＝０．３６５μｍとなり、ダイヤモンドコーティングＰａを非常に滑らかにすることができた。一方、周波数、振動振幅及び接触面積を変更せずに押付け荷重を９０Ｎとして研磨したところ、図７（ｂ）に示すような良好な結果を得ることはできなかった。
【００４３】
したがって、押付け荷重は、周波数２７ｋＨｚ且つ振動振幅１０μｍｐ−ｐの場合には、９０Ｎ未満あるいは３０×１０６Ｎ／ｍ２未満が好ましいと考えられ、例えば１〜８５Ｎ、あるいは３×１０６Ｎ／ｍ２以上３０×１０６Ｎ／ｍ２未満とすることが好ましい。最適な押付け荷重は、周波数や振動振幅によって変化する。
【００４４】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００４５】
例えば図８に示すように、上記実施形態におけるテーブル１０、研磨工具２０及び振動系取付部４０に代えてテーブル１５、研磨工具２５及び振動系取付部４５を備えたダイヤモンド研磨装置２を用いてもよい。テーブル１５はＸ，Ｙ方向に移動可能であり、振動系取付部４５はＺ方向に移動可能である。研磨工具２５を構成する研磨部２５ａの径は、ダイスＤの貫通孔Ｄａの径と同一あるいは略同一である。図８には示していないが、研磨粉を排出するための溝を研磨部２５ａに設けてもよい。
【００４６】
また、図９に示すように、ダイヤモンド研磨装置２の研磨工具２５に代えて研磨工具２６を備えたダイヤモンド研磨装置３を用いてもよい。研磨工具２６の研磨部２６ａは、貫通孔Ｄａの上部のほぼ全体と接することができるように加工されており、その結果、研磨工具２６とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触部分の面積がダイヤモンドコーティングＤｂの面積と略同一になっている。図９には示していないが、研磨粉を排出するための溝を研磨部２６ａに設けてもよい。
【００４７】
このようなダイヤモンド研磨装置２あるいはダイヤモンド研磨装置３を用いれば、ダイヤモンドコーティングＤｂを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が減少するので、研磨面を短時間で且つ精度良く滑らかにすることができる。
【００４８】
上記ダイヤモンド研磨装置１では、超音波振動系３０がＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能であったが、被研磨物を支持する手段（例えばテーブルやアーム）をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能としてもよい。研磨工具とダイヤモンド表面との接触部分に一定の荷重を加えることができるならば、移動手段の構成は限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１，２，３…ダイヤモンド研磨装置、１０，１５…テーブル（移動手段）、２０，２５，２６…研磨工具、２２，２５ａ，２６ａ…研磨部、２３…溝、３０…超音波振動系（印加手段）、３１…超音波振動子、３５…荷重制御機構（制御手段）、４０，４５…振動系取付部（移動手段）、Ｄ…ダイス（被研磨物）、Ｐ…パンチ（被研磨物）、Ｄｂ，Ｐａ…ダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを研磨する装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
耐摩耗性や潤滑性に優れたダイヤモンドを金型や工具など（以下では「金型等」という）に用いると、無潤滑でプレス加工、引抜き加工、打ち抜き加工、切削加工などが可能となるが、ダイヤモンドから金型等を作成することは容易ではない。化学蒸着法によれば金型等の必要部分だけにダイヤモンド膜を容易に形成できるが、コーティング後の表面粗さは大きく、表面を平滑に研磨しなければ使用することができない。
【０００３】
コーティングされたダイヤモンド膜の研磨は、砥石や遊離砥粒を用いて機械的に行なわれていたが、高硬度のダイヤモンドの研磨は難しく、研磨に多くの時間が必要となることや、研磨精度が得られないなどの問題があった。
【０００４】
この問題を解決するためにいくつかの方法が提案されてきた。例えば、下記特許文献１，２には、研磨用工具をダイヤモンド表面に高荷重で押付けると同時に高速回転させながら摺動させる方法が記載されている。また、下記特許文献３には、高温において金属と化学反応させることによりダイヤモンド膜の平滑化を行う方法が記載されている。更に、下記特許文献４には、ダイヤモンド結晶と反応しやすい金属を用いた研磨工具に超音波を印加し、その研磨工具を被研磨面に点接触させ押し付けながら研磨する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平２００１−１９８８３３号公報
【特許文献２】特開平８−２１７５９７号公報
【特許文献３】特開平７−３２８９０９号公報
【特許文献４】特開２００５−２３１０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１，２に記載の円盤を高速回転させる方法では、装置が複雑になるばかりでなく、単純形状の金型等しか研磨できず、複雑形状や微少孔などを有する金型等を研磨できない。一方、上記特許文献４に記載されているような、超音波を印加しながら研磨する方法は、複雑形状や微少孔などを有する金型等の研磨を可能にする。しかし、ダイヤモンドと研磨工具とが点接触状態であったり、振動の周波数が低くその振幅が大きかったりすると、熱伝導率の大きなダイヤモンドの研磨に必要な熱化学反応を充分生じさせることができない。また、上述したいずれの方法も基本的には研磨用工具をダイヤモンド表面に押し付けるだけであり、研磨量の制御が困難である。加えて、それらの方法では金型として要求される研磨精度を得ることは到底できない。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することが可能な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を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のダイヤモンド研磨方法は、超音波を印加した研磨工具を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させ、一定荷重で押し付けるように制御することで、該ダイヤモンド表面を研磨することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のダイヤモンド研磨装置は、被研磨物のダイヤモンド表面と線接触あるいは面接触して該ダイヤモンド表面を研磨する研磨工具と、研磨工具に超音波を印加する印加手段と、研磨工具を一定荷重でダイヤモンド表面に押し付けるように制御する制御手段と、を備える。
【００１０】
このような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、研磨工具とダイヤモンド表面とが線または面で接触するので、ダイヤモンドを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が相対的に減少する。また、研磨工具とダイヤモンドとが一定荷重で接触するので、接触部分において常に安定した状態で熱供給することが可能になる。これにより、超音波振動によりダイヤモンド表面と研磨工具との接触部分に生じる摩擦熱あるいは反応熱を安定して発生させ、且つ効率よく利用することができ、その結果、ダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。
【００１１】
本発明のダイヤモンド研磨方法では、研磨工具とダイヤモンド表面との接触部分の面積が該ダイヤモンド表面の面積と略同一であることが好ましい。
【００１２】
この場合、ダイヤモンド表面を伝わって接触部分近傍に放散される熱量が減少するので、研磨面を短時間で且つ精度良く滑らかにすることができる。
【００１３】
本発明のダイヤモンド研磨方法では、ダイヤモンド表面を研磨する際に、研磨工具に形成された溝を介して研磨粉を排出する工程を含むことが好ましい。
【００１４】
この場合、研磨粉が研磨工具の溝を介して排出されるので、研磨面付近で研磨粉が凝着するのを防止することができる。
【００１５】
本発明のダイヤモンド研磨装置では、研磨工具及び被研磨物のうち少なくとも一つを移動させる移動手段を更に備えることが好ましい。
【００１６】
この場合、研磨工具又は被研磨物の位置を変えることで、研磨面を短時間で滑らかにすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
このような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、被研磨物にコーティングされたダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施形態に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図２】実施形態に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図３】図１に示す超音波振動系の平面図である。
【図４】図１に示す超音波振動系の側面図である。
【図５】研磨されたダイヤモンド表面を示す写真である。
【図６】図１に示すダイヤモンド研磨装置でパンチを研磨している状態を示す図である。
【図７】（ａ）は研磨前のダイヤモンド表面の粗さを示すグラフであり、（ｂ）は研磨後のダイヤモンド表面の粗さを示すグラフである。
【図８】変形例に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【図９】変形例に係るダイヤモンド研磨装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
まず、図１〜４を用いて、実施形態に係るダイヤモンド研磨装置１の構成を説明する。図１，２はダイヤモンド研磨装置１の構成を示す模式図である。図３，４はそれぞれ、図１に示す超音波振動系３０の平面図及び側面図である。
【００２１】
ダイヤモンド研磨装置１は、被研磨物の表面にコーティングされたダイヤモンドを研磨する装置である。例えば、ダイヤモンド研磨装置１は金型や工具などのダイヤモンド表面を研磨するが、被研磨物の種類は限定されず、ダイヤモンド研磨装置１は任意の部材のダイヤモンド表面を研磨することが可能である。
【００２２】
ダイヤモンド研磨装置１は、テーブル（移動手段）１０、研磨工具２０、超音波振動系（印加手段）３０及び振動系取付部（移動手段）４０を備えている。
【００２３】
テーブル１０は、ダイヤモンドがコーティングされた被研磨物を支持及び固定する部材である。図２に示すように、テーブル１０は駆動手段（図示せず）により回転及び傾斜することができる。なお、被研磨物を固定する手段はテーブル１０に限定されず、例えばアームなどを用いてもよい。
【００２４】
図１，２に示す例では、テーブル１０は上下方向に貫通孔Ｄａが形成されたダイスＤを支持している。ここで、貫通孔Ｄａの上部は上に向かってテーパ状に広がっており、該上部には、化学的蒸着法によりダイヤモンドコーティングＤｂが施されている。
【００２５】
研磨工具２０は、ダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）Ｄｂを研磨する器具である。研磨工具２０は、上下方向に延びる軸部２１と、その軸部２１の下端に取り付けられた円盤状の研磨部２２とを備えている。研磨部２２の側面には上下方向に延びる複数の溝２３が一定間隔で形成されている。この溝２３は研磨粉を排出するために設けられている。
【００２６】
超音波振動系３０は、超音波を印加することで研磨工具２０を振動させる装置である。超音波振動系３０は、図３，４に示すように、上下方向に延びる支持部材（移動手段）５１と、その支持部材５１に取り付けられた水平方向に延びる台５２とにより支持及び固定されている。支持部材５１はＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能である。本実施形態では超音波振動系３０を固定したが、どこにも固定されない携帯型の超音波振動系を用いてもよい。
【００２７】
超音波振動系３０は、圧電セラミックス３１ａを有する超音波振動子３１と、その超音波振動子３１の下端にねじ止めされたコーン３２と、そのコーン３２の下端にねじ止めされたホーン３３と、スリーブ３４とを備えている。ホーン３３の下端には研磨工具２０がねじで連結されている。コーン３２は、振幅を拡大するために段付きとなっており、また、支持を安定させるために二段連結されている。コーン３２は、図示しないベアリングを介してスリーブ３４に取り付けられている。スリーブ３４は台５２を貫通するようにその台５２に固定されている。
【００２８】
超音波振動系３０は、台５２上に取り付けられた荷重制御機構（制御手段）３５により上下方向に移動し、これにより研磨工具２０を所定の荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付ける。荷重制御機構３５はアクチュエータ３５ａ、運動伝達手段３５ｂ、ロードセル３５ｃ及びブランジャー３５ｄを備えている。超音波振動系３０は、アクチュエータ３５ａの直線運動が運動伝達手段３５ｂを介して伝わることで上下方向に移動する。ダイヤモンドコーティングＤｂに加えられた荷重はロードセル３５ｃにより検出され、その検出結果に基づいて、研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンドコーティングＤｂに押し付けるようにアクチュエータ３５ａの位置が変更される。ブランジャー３５ｄはアクチュエータ３５ａとロードセル３５ｃとの間に設けられ、アクチュエータ３５ａがロックするのを防止する。
【００２９】
超音波は、超音波振動子３１の圧電セラミックス３１ａの両端に高周波の電流を流すことによって発生し、研磨工具２０に伝達される。すると、超音波振動によって研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの間に摩擦熱が発生し、ダイヤモンドコーティングＤｂから炭素が分離する。超音波を用いるのは、ダイヤモンドコーティングＤｂから炭素を除去するための熱化学反応を効率よく生じさせることができるからである。なお、超音波を発生させる手段は限定されるものではなく、高周波の振動を得ることができる任意の装置を用いてよい。
【００３０】
研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触部分に加わるエネルギーは、印加される超音波の条件と次のような関係になると考えられる。超音波振動による単位時間あたりの運動エネルギーＥは、Ｅ＝μＰ・２πｆξで表される。ここで、μは摩擦係数、Ｐは接触面に加わる垂直荷重、ｆは振動周波数、ξは振動振幅である。振幅ξで振動することによって生じる研磨工具２０の掃引面積ＳＳは、ＳＳ＝ｌ・（ｄ＋２ξ）と表せる。ここで、ｌは接触面積の振動方向に垂直な部分の長さ、ｄは振動方向に平行な部分の長さである。ｄがξより大きければ、超音波振動中に研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとが常に接している部分が生じ、その面積ＳＯは、ＳＯ＝ｌ・（ｄ−２ξ）となる。
【００３１】
研磨工具２０の運動エネルギーが全て熱エネルギーに変換されるとすると、超音波振動による熱化学反応に有効な単位時間あたりのエネルギーＥＴは、ＥＴ＝ｋＳＯ・μＰ・２πｆξ＝２πｋｌμＰｆ（ｄξ−２ξ２）となる。ここで、ｋＳＯ＜１であり、ｋは接触面及びその周囲から放散する熱量に比例する係数である。
【００３２】
すなわち、摩擦面に生ずる熱量は、押付け荷重や超音波の周波数が大きいほど大きくなり、振動振幅が研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触面の振動方向に平行な部分の長さの１／２で最大となる。
【００３３】
周波数が大きすぎると凝着が起きやすくなり適切ではない。周波数は、最大でも数メガヘルツ程度が好ましい。また、振幅が大きすぎると熱効率が悪くなり適切ではない。熱効率の最も良い振幅が好ましいが、振動周波数が高くなると凝着が起きやすくなるので、振幅は、研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触面の振動方向に平行な部分の長さの１／２より小さくするのが好ましい。
【００３４】
図１に戻って、振動系取付部４０は、超音波振動系３０を支持する部分である。この振動系取付部４０はＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能である。
【００３５】
次に、ダイヤモンド研磨装置１を用いて被研磨物のダイヤモンド表面を研磨する方法を説明する。まず、被研磨物をテーブル１０に載せて固定し、テーブル１０、振動系取付部４０又は支持部材５１を移動させて研磨工具２０と被研磨物との相対位置を調整する。続いて、荷重制御機構３５により超音波振動系３０を下方に移動させることで、超音波が印加されている研磨工具２０を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させる。続いて、荷重制御機構３５を制御して研磨工具２０を一定荷重でダイヤモンド表面に押し付けて、ダイヤモンド表面を研磨する。このとき、研磨工具に形成された溝を介して研磨粉が排出される。
【００３６】
以上説明したダイヤモンド研磨装置１によれば、研磨工具２０とダイヤモンドコーティングＤｂとが線または面で接触するので、ダイヤモンドを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が相対的に減少する。また、研磨工具２０とダイヤモンドとが一定荷重で接触するので、接触部分において常に安定した状態で熱供給することが可能になる。これにより、超音波振動によりダイヤモンドコーティングＤｂと研磨工具２０との接触部分に生じる摩擦熱あるいは反応熱を安定して発生させ、且つ効率よく利用することができ、その結果、ダイヤモンドを短時間で効率よく研磨することができる。また、金型や工具に必要な研磨精度を得ることができる。
【００３７】
また、本実施形態によれば、研磨粉は溝２３を経由して排出されるので、研磨面付近で研磨粉が凝着するのを防止することができる。
【００３８】
また、本実施形態では、研磨工具２０又は被研磨物（例えばダイスＤ）の位置を変えることが可能なので、研磨面を短時間で滑らかにすることができる。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明はそれらに何ら限定されるものではない。
【００４０】
（実施例１）
図１に示すダイスＤのダイヤモンドコーティングＤｂを研磨した結果を図５に示す。テーブル１０に固定されたダイスＤを回転及び傾斜させ、研磨工具２０に一定荷重を加えながら研磨を行った。研磨条件は、周波数２７ｋＨｚ、振動振幅１０μｍｐ−ｐ、押付け荷重５０Ｎ、接触面積３ｍｍ２とした。その結果、図５に示すように、ダイヤモンドコーティングＤｂが非常に滑らかに研磨された。一方、周波数、振動振幅及び押付け荷重を上記と同じとし、接触面積を小さくして点接触に近い状態で研磨を行ったところ、図５に示すような良好な結果を得ることはできなかった。
【００４１】
（実施例２）
図６に示すように、パンチＰの上面及び側面上部に施されたダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）Ｐａを図１に示すダイヤモンド研磨装置１を用いて研磨した。研磨前後のダイヤモンドコーティングＤｂの粗さを図７（ａ）及び（ｂ）に示す。図７の各グラフの縦軸は粗さ（μｍ）を示し、横軸はダイヤモンドコーティングＰａの水平方向の範囲（μｍ）を示す。
【００４２】
研磨前のダイヤモンドコーティングＰａは、図７（ａ）のグラフが示すように非常に粗く、算術平均粗さＲａ＝０．４８９μｍ、最大高さ粗さＲｚ＝３．０７９μｍであった。このダイヤモンドコーティングＰａを、周波数２７ｋＨｚ、振動振幅１０μｍｐ−ｐ、押付け荷重５０Ｎ、接触面積３ｍｍ２という条件で研磨したところ、図７（ｂ）に示すような良好な結果が得られた。具体的には、算術平均粗さＲａ＝０．０５６μｍ、最大高さ粗さ＝０．３６５μｍとなり、ダイヤモンドコーティングＰａを非常に滑らかにすることができた。一方、周波数、振動振幅及び接触面積を変更せずに押付け荷重を９０Ｎとして研磨したところ、図７（ｂ）に示すような良好な結果を得ることはできなかった。
【００４３】
したがって、押付け荷重は、周波数２７ｋＨｚ且つ振動振幅１０μｍｐ−ｐの場合には、９０Ｎ未満あるいは３０×１０６Ｎ／ｍ２未満が好ましいと考えられ、例えば１〜８５Ｎ、あるいは３×１０６Ｎ／ｍ２以上３０×１０６Ｎ／ｍ２未満とすることが好ましい。最適な押付け荷重は、周波数や振動振幅によって変化する。
【００４４】
以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。
【００４５】
例えば図８に示すように、上記実施形態におけるテーブル１０、研磨工具２０及び振動系取付部４０に代えてテーブル１５、研磨工具２５及び振動系取付部４５を備えたダイヤモンド研磨装置２を用いてもよい。テーブル１５はＸ，Ｙ方向に移動可能であり、振動系取付部４５はＺ方向に移動可能である。研磨工具２５を構成する研磨部２５ａの径は、ダイスＤの貫通孔Ｄａの径と同一あるいは略同一である。図８には示していないが、研磨粉を排出するための溝を研磨部２５ａに設けてもよい。
【００４６】
また、図９に示すように、ダイヤモンド研磨装置２の研磨工具２５に代えて研磨工具２６を備えたダイヤモンド研磨装置３を用いてもよい。研磨工具２６の研磨部２６ａは、貫通孔Ｄａの上部のほぼ全体と接することができるように加工されており、その結果、研磨工具２６とダイヤモンドコーティングＤｂとの接触部分の面積がダイヤモンドコーティングＤｂの面積と略同一になっている。図９には示していないが、研磨粉を排出するための溝を研磨部２６ａに設けてもよい。
【００４７】
このようなダイヤモンド研磨装置２あるいはダイヤモンド研磨装置３を用いれば、ダイヤモンドコーティングＤｂを伝わって接触部分近傍に放散される熱量が減少するので、研磨面を短時間で且つ精度良く滑らかにすることができる。
【００４８】
上記ダイヤモンド研磨装置１では、超音波振動系３０がＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能であったが、被研磨物を支持する手段（例えばテーブルやアーム）をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能としてもよい。研磨工具とダイヤモンド表面との接触部分に一定の荷重を加えることができるならば、移動手段の構成は限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１，２，３…ダイヤモンド研磨装置、１０，１５…テーブル（移動手段）、２０，２５，２６…研磨工具、２２，２５ａ，２６ａ…研磨部、２３…溝、３０…超音波振動系（印加手段）、３１…超音波振動子、３５…荷重制御機構（制御手段）、４０，４５…振動系取付部（移動手段）、Ｄ…ダイス（被研磨物）、Ｐ…パンチ（被研磨物）、Ｄｂ，Ｐａ…ダイヤモンドコーティング（ダイヤモンド表面）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波を印加した研磨工具を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させ、一定荷重で押し付けるように制御することで、該ダイヤモンド表面を研磨することを特徴とするダイヤモンド研磨方法。
【請求項２】
前記研磨工具と前記ダイヤモンド表面との接触部分の面積が該ダイヤモンド表面の面積と略同一である、請求項１に記載のダイヤモンド研磨方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンド表面を研磨する際に、前記研磨工具に形成された溝を介して研磨粉を排出する工程を含む、請求項１又は２に記載のダイヤモンド研磨方法。
【請求項４】
被研磨物のダイヤモンド表面と線接触あるいは面接触して該ダイヤモンド表面を研磨する研磨工具と、
前記研磨工具に超音波を印加する印加手段と、
前記研磨工具を一定荷重で前記ダイヤモンド表面に押し付けるように制御する制御手段と、
を備えるダイヤモンド研磨装置。
【請求項５】
前記研磨工具及び前記被研磨物のうち少なくとも一つを移動させる移動手段を更に備える、請求項４に記載のダイヤモンド研磨装置。
【請求項１】
超音波を印加した研磨工具を被研磨物のダイヤモンド表面に線接触あるいは面接触させ、一定荷重で押し付けるように制御することで、該ダイヤモンド表面を研磨することを特徴とするダイヤモンド研磨方法。
【請求項２】
前記研磨工具と前記ダイヤモンド表面との接触部分の面積が該ダイヤモンド表面の面積と略同一である、請求項１に記載のダイヤモンド研磨方法。
【請求項３】
前記ダイヤモンド表面を研磨する際に、前記研磨工具に形成された溝を介して研磨粉を排出する工程を含む、請求項１又は２に記載のダイヤモンド研磨方法。
【請求項４】
被研磨物のダイヤモンド表面と線接触あるいは面接触して該ダイヤモンド表面を研磨する研磨工具と、
前記研磨工具に超音波を印加する印加手段と、
前記研磨工具を一定荷重で前記ダイヤモンド表面に押し付けるように制御する制御手段と、
を備えるダイヤモンド研磨装置。
【請求項５】
前記研磨工具及び前記被研磨物のうち少なくとも一つを移動させる移動手段を更に備える、請求項４に記載のダイヤモンド研磨装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−１７９３９４（Ｐ２０１０−１７９３９４Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４０３２（Ｐ２００９−２４０３２）
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、経済産業省、地域イノベーション創出研究開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【出願人】（５０９０３５５６５）有限会社ノンク (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、経済産業省、地域イノベーション創出研究開発 委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０６２０９４２２）地方独立行政法人 東京都立産業技術研究センター (134)
【出願人】（５０９０３５５６５）有限会社ノンク (1)
【Ｆターム（参考）】
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