JP5956855B2 - 切れ刃エッジの加工方法及び器具の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば切削工具やカッターなどの機械加工用器具、包丁などの調理器具、メスなどの医療用器具など、刃形状を用いる幅広い器具に応用できるものであって、切れ刃エッジの加工方法及びその加工方法で加工された切れ刃エッジを有する器具に関する。

切れ刃に関しては、そのエッジ（刃先）をどのような形状に加工するかが性能を大きく左右することが知られている。エッジを先鋭化すると切れ味は増すが、エッジのかけが起こりやすくなり、耐久性が劣化することはよくある。また、耐久性をよくするためやエッジに素材が引っかからないようにするために、エッジに丸みをつけたりすることがよく行われている。例えば、特許文献１に、ガラスディスクのエッジをウエットエッチングによって丸めた例がある。また、特許文献２に、はさみの切れ刃をラップ研磨によって丸めた例がある。

また、切れ刃のエッジ強度を増大させるために、ファセットやチャンファと呼ばれる面取りを設けることが行われている。例えば、特許文献３に、切れ刃にチャンファを形成した例がある。このようなファセットやチャンファと呼ばれる面取りを設けると、切れ味をそれほど低下させずに耐久性を向上させることができる。

一方、ウエットエッチングやラップ研磨よりも微細な領域を高精度で研磨する方法として、ガスクラスターイオンビームを用いる方法が提案されている。特許文献４に、ガスクラスターイオンビームを外科用メスに照射して、エッジを先鋭化させている例がある。ガスクラスターイオンビームは、モノマーイオンビームと比較して、材料表面近傍にエネルギーが集中するので、低損傷加工が実現できるという特徴がある。このために、非常に尖鋭な切れ刃の加工であっても、微小クラックなどの損傷を与えずに加工することができる。

また、特許文献５にガスクラスターイオンビームを切れ刃に対して照射した結果が開示されている。これは、ガスクラスターイオンビームにより、１０μｍ四方の最大高さＲｚ（JIS B 0601:2001による）で１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜表面を平滑化する方法を提供しているものである。切れ刃エッジに対する影響として、ダイヤモンド被覆工具本来のチャンファが残っており、ガスクラスターイオンビーム照射によって切れ刃エッジが丸くならなく、切れ刃エッジに対して垂直方向からガスクラスターイオンビームを照射しても大きな面粗さの変化はないことが示されている。

特開２００８−１１２５２３号公報 特開２００５−２２４４１９号公報 特開２００４−５８１６８号公報 特表２０１１−５１２１７３号公報 特開２０１０−３６２９７号公報

ウエットエッチングやモノマーイオンビームエッチングを用いると、結晶材料では異方性が影響してしまい、ある種の結晶面が選択的に出現するようになったりする。場合によっては、この異方性をうまく用いることもできるが、高精度器具に用いる場合には切れ刃エッジの形状を任意に制御できないという問題がある。また、結晶材料ではなく、アモルファス材料などの場合でも、材料内部に存在する分相や各種欠陥に起因して、不均一にエッチングが起こることがあり、この不均一性が切れ刃の機械的耐久性を著しく損なうなどの問題がある。

ラップ研磨のような技術では、切れ刃材料表面を砥粒で削り取っていくようなプロセスであるので、その砥粒で削り取られたときにできる切れ刃材料表面の微細な損傷が避けられず、切れ刃の機械的耐久性を損なうことになる。

切れ刃エッジにファセットやチャンファと呼ばれる面取り（以下、ファセットと言う）を設けると、それなりに機械的耐久性が向上することもあるが、その作製方法が、ウエットエッチングやモノマーイオンビームエッチング、レーザー加工、ラップ研磨等の従来技術で行う限りにおいては、ファセットに微小な傷やクラック、脆性的な加工変質層などが生じてしまい、十分な機械的耐久性が得られないという問題がある。

一方、ガスクラスターイオンビーム技術を用いると、低損傷加工が実現できるが、従来においては、切れ刃を先鋭化する技術しか開示されていない。切れ刃を先鋭化すると、切れ刃の機械的耐久性に関しては不十分になりやすいという問題がある。また、ガスクラスターイオンビーム技術を用いて、切れ刃エッジを鈍化させることも考えられるが、単純に鈍化させると切削抵抗が大きくなるなど切れ味が悪くなるという問題が生じる。

一方、特許文献５では、前述したようにガスクラスターイオンビームを切れ刃に対して照射した結果が開示されている。しかしながら、特許文献５ではガスクラスターイオンビームにより、１０μｍ四方の最大高さで１μｍを超えるダイヤモンド被覆膜表面に対して平坦化処理を行っているのであって、平坦化することはできても例えばファセットを形成することはできず、切れ刃エッジの形状を精密に制御できる加工方法については何ら提示されていない。

このように、切れ刃に微小な損傷を与えずに、切れ刃エッジの形状を精密に制御し、理想的なファセットを形成することができるような加工方法は従来においては提案されていなかった。

この発明の目的はこのような状況に鑑み、低損傷加工が実現でき、かつ切れ刃エッジに理想的なファセットを形成することができる加工方法及びその加工方法で加工された切れ刃エッジを有する器具を提供することにある。

請求項１の発明による切れ刃エッジの加工方法によれば、切れ刃を構成する２つの表面の最大高さＲｚが１μｍ以下であって、それら２つの表面及びそれら２つの表面が交わる境界部分に存在する切れ刃エッジに対してガスクラスターイオンビームを同時に照射し、ガスクラスターイオンビームの照射は、前記２つの表面に対しては垂直ではない斜め照射となり、かつ切れ刃エッジにはその少なくとも一部に対して垂直になるような角度で照射することによって、切れ刃エッジにファセットを新たに形成する。

請求項２の発明では請求項１の発明において、前記２つの表面の最大高さＲｚを１μｍ以下とするための平坦化加工は、ガスクラスターイオンビームの照射によって行う。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、ガスクラスターイオンビームのガスに切れ刃を構成する材料と化学反応しないものを用いる。

請求項４の発明では請求項３の発明において、ガスはアルゴン、酸素、窒素及び二酸化炭素のいずれか、もしくはそれらの組み合わせとされる。
請求項５の発明による器具の製造方法によれば、請求項１乃至４記載のいずれかの切れ刃エッジの加工方法によって切れ刃エッジを加工する工程を有する。

請求項６の発明では請求項５の発明において、ファセットが複数形成されているものとされる。
請求項７の発明では請求項５又は６の発明において、ファセットの少なくとも一部が曲面となっているものとされる。

この発明による切れ刃エッジの加工方法によれば、切れ刃エッジに低損傷で、理想的なファセットを形成することができる。よって、切れ味がよく、同時に耐久性が良い切れ刃を生産性良く得ることができる。

エッジへのガスクラスターイオンビームの照射により、エッジに傾斜面が形成される様子を示す模式図。 エッジへのガスクラスターイオンビームの照射によるファセット形成を示す模式図。 ガスクラスターイオンビームの照射面の表面粗さが小さい場合にファセットか゜形成されることを示す模式図。 ガスクラスターイオンビームの照射面の表面粗さが大きい場合にはファセットが形成されないことを示す模式図。 ガスクラスターイオンビームの照射により、切れ刃エッジにファセットが形成される様子を示す模式図。 切れ刃を構成する２つの表面にガスクラスターイオンビームを同じ照射角度で照射した場合に形成されるファセットの状態を示す図。 切れ刃を構成する２つの表面にガスクラスターイオンビームを異なる照射角度で照射した場合に形成されるファセットの状態を示す図。 Ａはこの発明の実施例１における切れ刃エッジの初期状態を上方から観察した写真、ＢはＡの拡大写真、ＣはＢを横から見た形状を示す図、Ｄはガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジの状態を上方から観察した写真、ＥはＤを横から見た形状を示す図。 Ａはこの発明の実施例１におけるガスクラスターイオンビーム照射後の切れ刃エッジの状態を横から観察した写真、ＢはＡの状態を上方から観察した写真、ＣはＡをスケッチした図、ＤはＢをスケッチした図。 Ａは図９Ａの拡大写真、ＢはＡをスケッチした図。

まず、最初に、この発明に至った過程及びこの発明のポイントについて説明する。

ガスクラスターイオンビーム（Ｇａｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：以下、ＧＣＩＢと言う）の照射によって、切れ刃エッジに（２つの）ファセットが形成される新現象を発見したことがこの発明の最大のポイントである。

従来は、ＧＣＩＢ照射によって、切れ刃がどうなるかというと、
・先鋭化する（特許文献４）
・鈍化することもある、又は鈍化するかもしれない（特許文献４にもごくわずかに記述がある）
・平坦化する（特許文献５）
ことは知られていた。

・先鋭化→照射方向による形状効果（照射した部分だけ削れる）、スパッタ量の異方性
・鈍化→ラテラルスパッタ効果（山を削って谷を埋める感じのもの）
・平坦化→凸部に選択的に衝突し、選択的な研磨が可能（斜め照射による形状効果による）
によるものと考えられていた。

しかしながら、ＧＣＩＢの照射方法を工夫することによって、「エッジでの物質横移動の非対称性」を効果的に利用することができ、それによってファセットを形成させることができる。この事実およびこれに関するメカニズムを発見したのである。

図１及び図２はエッジでの物質横移動の非対称性及びエッジでのファセット形成のメカニズムをそれぞれ示したものである。図１，２中、１０はＧＣＩＢのクラスターを示し、２０はＧＣＩＢが照射される材料を示す。

従来の平坦化モデルでは、エッジにＧＣＩＢを照射した場合、どうなるかを理解することはできなかった。これに対し、ある条件でエッジにＧＣＩＢを照射すると、エッジに傾斜面が形成される。これは図１に示したような物質横移動の非対称性がそのメカニズムである。

即ち、エッジにある条件でＧＣＩＢを照射すると、図１（１）〜（４）に示したように領域２１の平坦性は維持するように表面物質が移動し、図１（４）及び図２Ａに示したように、一旦、エッジに傾斜面２２が形成されると、その傾斜面２２の方向にクラスター１０の流れができるので、その傾斜面２２の長さが大きくなるように成長していく。つまり、材料表面の局所的平坦性を延長するように材料表面物質を移動させるのである。さらに、図２Ａに示したクラスター１０の流れが傾斜面２２の終端２２ａ，２２ｂのエッジをシャープにさせる。なお、図２Ｂにおいて領域２１の平坦性は維持される。

このエッジでの物質横移動の非対称性を用いて、連続的なファセットとして形成させるためには、ファセットを形成させたいエッジを挟む面の表面粗さを小さくする必要がある。どの程度の表面粗さにしなければならないかは、従来の情報からは簡単には推測することはできない。ＧＣＩＢのクラスター１つが照射されて形成するクレーターの大きさレベルである１０ｎｍという大きさよりは大きくてもよいことは、まず推察できる。例えば、最大高さＲｚが数１０ｎｍであった場合には、ＧＣＩＢ照射によって比較的簡単に平坦化が進行するであろう。エッジを挟む面の表面粗さがそれよりももっと大きいとどうなるのかは、鋭意検討した結果、次のように考えられる。

表面粗さが大きいということはある種の大きな段差が存在しているということである。表面に存在しているその段差自体がエッジとして作用してしまうのである。そして、その段差に伴うエッジで物質横移動の非対称性を生じるのである。即ち、エッジに限らず、エッジを挟む表面のいたるところでミクロにエッジでの物質横移動の非対称性が生じてしまうのである。このような条件では、ファセットとして連続した面に成長しないので、ファセットが形成されないのである。ファセットが形成されるかどうかを決めるのはクラスターのエッジ斜面に沿った流れができるか否かであり、図３に示したように表面粗さが小さい場合にはクラスター１０のエッジ斜面（傾斜面２２）に沿った流れができるが、図４に示したように表面粗さが大きいとエッジ斜面に沿った流れはできず、ファセットは形成されない。

各種の検討から、ファセットとして連続した面に成長させるためには、表面粗さとして、最大高さＲｚが１μｍ以下という条件が望ましいことを明らかにした。

但し、ドーズ量を増やすなどの通常考えられる工夫をするなどして、結果的にファセットが形成されれば、本発明の効果が発揮されるものであり、ＧＣＩＢ照射によって、切れ刃エッジにファセットを新たに形成させることが、本発明の重要なポイントであることはいうまでもない。

図５は切れ刃エッジにＧＣＩＢを照射した際の「物質横移動の非対称性」を考慮したメカニズムを示したものである。図５中、３０は切れ刃を示し、３１，３２は切れ刃３０を構成する２つの表面を示す。また、３３は２つの表面３１，３２が交わる境界部分に存在する切れ刃エッジを示す。ＧＣＩＢは図５（１）に示したように、２つの表面３１，３２に対しては垂直ではない斜め照射となり、かつ切れ刃エッジ３３にはその少なくとも一部に対して垂直になるような角度で、２つの表面３１，３２及び切れ刃エッジ３３に対して同時に照射される。ＧＣＩＢの照射により、図５（２）〜（５）に示したように表面物質が移動し、図５（６）に示したように切れ刃エッジ３３に２つのファセット３３ａ，３３ｂが形成される。

このように形成されたファセット３３ａ，３３ｂは、切れ刃エッジ３０の各面と滑らかにつながっていて、つまり曲面的になっていて応力集中が起こりにくく、この点で、さらに機械的耐久性が高くなることも極めて重要な特徴である。ファセットが曲面的になることの本質はどこからくるのかといえば、エッジ部の「物質横移動の非対称性」からである。エッジ部において最初にこの非対称性が現れ、斜面となるので、斜面となった場合には斜面でない場合に比べて物質の横移動は大きくなる。この斜面が成長していくのであるが、図２Ｂで言えば、斜面の２２ｂ側よりも２２ａ側の方が傾斜角度が大きくなることは本質的なことである。しかしながら、図３Ｂのような斜面に沿ったＧＣＩＢの流れができて、その影響でファセット面が平坦化されるという競合が起こる。このバランスで実際のファセット形状が決まるのである。このようなメカニズムによって、ファセット面が曲面となることは本質的なのである。このようにして、初期にあった切れ刃エッジ面、生成した２つのファセット面などが滑らかにつながり、応力集中が起こりにくくなって機械的耐久性が向上するのである。また、ＧＣＩＢの従来からの特徴である低損傷加工及び平坦化効果も期待できるので、さらに一段と機械的耐久性が高まるのである。

ところで、ファセットが１つ形成される場合と２つ形成される場合がある。これは次のように考えられる。

エッジでの物質横移動の非対称性は、エッジ角度とＧＣＩＢ照射角度の２つに大きく依存するのである。エッジ角度が大きければ非対称性は小さくなり、逆にエッジ角度が小さければ非対称性が大きくなる。また、ＧＣＩＢ照射角度が斜めになるほど、そのビーム進行方向に対して多く移動し、進行方向に逆向きには少なくしか移動しない。即ち、エッジに対して角度を大きくして（より斜めにして）ＧＣＩＢを照射すれば、エッジでの物質横移動の非対称性は大きくなるのである。

このメカニズムを用いると、切れ刃エッジを形成している２つの表面に対して、同じ角度になるようにＧＣＩＢ照射を行えば、ファセットが２つ形成されやすくなり、逆にどちらかを大きな角度で、どちらかを小さな角度でＧＣＩＢ照射を行えば、ファセットが１つ形成される状況になりやすい。また、切れ刃エッジに対してどのような角度でＧＣＩＢを照射するかなどの制御を行えば、ファセットが２つ形成される場合でも、その２つのファセットの幅などの各種形状を非対称にするなどの制御ができる。

図６及び図７はこのようにＧＣＩＢの照射角度によって２つのファセットの形状が変わる様子を示したものであり、図６は切れ刃３０を構成する２つの表面３１，３２にＧＣＩＢを同じ照射角度で照射した場合であって、この場合、２つのファセット３３ａ，３３ｂは対称に形成される。一方、図７は切れ刃３０を構成する２つの表面３１，３２にＧＣＩＢを異なる照射角度で照射した場合であって、この場合、２つのファセット３３ａ’，３３ｂ’は図７Ｂに示したように非対称になる。

なお、エッジでの物質横移動の非対称性の効果が発現してファセットが形成されるためには、ＧＣＩＢを照射する切れ刃表面の最大高さＲｚが１μｍ以下という条件が望ましいが、ＧＣＩＢ照射による表面平坦化の効果を利用できれば、最大高さＲｚが１μｍ以上の表面にＧＣＩＢ照射することによって、最大高さＲｚが１μｍ以下まで平坦化したのちに本発明の効果によりファセットを形成することも可能である。

次に、高速に加工するにはどうすればよいかという点について説明する。

これまでのＧＣＩＢ技術の常識から考えると、単位時間当たりのドーズ量を大きくする、即ち、加速電圧を大きくする、ガス圧を高くする、化学反応性を利用するといった対策が取られがちだが、それではうまくいかない。なぜうまくいかないかといえば、加速電圧を大きくしたり、化学反応性を利用したりすると、物質横移動量が大きくなる比率よりもスパッタリング率が高くなってしまい、逆効果となるのである。上述した、本発明のポイントとなっている物質横移動のエッジでの非対称性効果を強く発揮させるためには、スパッタリングと物質横移動の割合が重要なのである。

即ち、スパッタリングを少なくして、物質横移動を多くすれば、本発明の特徴であるファセットを切れ刃全体のエッチング量を少なく、効率的に形成することができるようになる。そのための手段として、切れ刃材料とＧＣＩＢとの化学反応性を少なくする手法が考えられる。これは、ＧＣＩＢと切れ刃材料が化学反応を起こすと、見かけのスパッタ率が向上してしまうからである。この点から、ＧＣＩＢのガスとしては、どの材料に対しても化学反応性がない希ガスが好適であり、また、酸化物材料には酸素、窒化物には窒素などのような組み合わせも化学反応が起こりにくいので、好適な組み合わせとなる。

この発明による加工方法により、切れ刃エッジにファセットを形成すると、切れ味がよく、かつ機械的耐久性が良いのはなぜなのかといえば、
・切れ刃エッジの実質的な先鋭度を落とさずに（または向上させ）、刃先先端の角度だけを大きくできる
・ファセットを含めた切れ刃の各面の微小クラックや傷、各種欠陥を除去している
この２つのことを同時に実現しているからである。

以下、この発明の実施形態を具体的に説明する。

まずこの発明による切れ刃エッジの加工方法を実施する装置としては、例えば下記文献１に記載されているＧＣＩＢ装置を用いることができる。
文献１：特許第３９９４１１１号公報

この文献１に記載されているＧＣＩＢ装置の概要を以下に記す。

原料ガスをノズルから真空のクラスター生成室内に噴出させて、ガス分子を凝集させ、クラスターを生成する。そのクラスターはスキマーを通してガスクラスタービームとしてイオン化室へ導かれる。イオン化室ではイオナイザーから電子線、例えば熱電子を照射して中性クラスターをイオン化する。このイオン化されたガスクラスタービームは、加速電極によって加速される。入射されたガスクラスターイオンビームがアパーチャーにより、所定のビーム径とされて試料の表面に照射される。電気的絶縁体の試料の表面を平坦化する場合などには、ガスクラスターイオンを電子によりあらかじめ中性化する場合もある。また、試料を傾けることによって、切れ刃エッジに照射する角度を制御することができる。さらに、ＸＹステージや回転機構によって、試料を縦や横に移動させたり、回転させたりすることによって、任意の方向から照射するなどの制御ができる。

ダイヤモンド切削工具を作製するために、単結晶ダイヤモンド素材からレーザー加工によって、厚さ１ｍｍ、縦横ともに２ｍｍに切り出した。その後、各面をダイヤモンド砥石により研削して形状を整え、切れ刃部分は、スカイフ盤により研磨仕上げを行った。刃先角は６５度とした、切れ刃先端の曲率半径は約５０ｎｍであった。また、切れ刃を形成する２つの表面の表面粗さは、１０μｍ角領域を原子間力顕微鏡で測定し、算術平均粗さＲａは２ｎｍ、最大高さＲｚは１００ｎｍであった。

この切れ刃に対して、切れ刃を形成する２つの表面からともに１４７．５度になるような角度でＧＣＩＢを照射した。これらの照射角度の関係について図６Ａを使って説明すると、ＧＣＩＢの照射方向（矢印で示す）と切れ刃の表面３１とのなす角度、及びＧＣＩＢの照射方向と切れ刃の表面３２とのなす角度をもとに１４７．５度とした。また、切れ刃エッジ３３とＧＣＩＢの照射方向とのなす角度が垂直となっている。このような照射を行うことによって、切れ刃を構成する２つの表面と切れ刃エッジに対してＧＣＩＢを同時に照射することができ、切れ刃を構成する２つの表面に対しては垂直ではない斜め照射となる。さらには、切れ刃エッジ３３の頂点付近ではＧＣＩＢが垂直に照射されるようになる。この垂直に照射される箇所を境にして２つのファセットが形成されていくことになる。原料ガスとしてアルゴンを用い、加速電圧２０ｋＶ、照射ドーズ量は３×１０¹⁸ｉｏｎｓ／ｃｍ²とした。照射前後の切れ刃エッジを走査型電子顕微鏡により観察した結果を図８に示す。

図８Ａの写真はＧＣＩＢ照射前の切れ刃エッジ３３を上方から観察したものであり、図８Ｂの写真は図８Ａを拡大したものである。また、図８Ｄの写真はＧＣＩＢ照射後の切れ刃エッジ３３の状態を示したものである。なお、図８Ｃ及び図８Ｅはそれぞれ図８Ｂ及び図８Ｄを横から見た形状を示している。図８Ｄの写真より、切れ刃エッジ３３には２つのファセット３３ａ，３３ｂが形成されていることがわかる。ファセット３３ａ，３３ｂの幅は０．６μｍであった。

図９は図８Ｄ，Ｅと同じく、ＧＣＩＢ照射後の切れ刃エッジ３３の状態を写真及び写真に対するスケッチで示したものであり、図１０Ａは図９Ａの写真を拡大したものである。また、図９Ｃは図９Ａの写真をスケッチしたものである。図９Ａ，Ｃよりファセットの一部が曲面となっていることがわかる。

この切れ刃を用いて、摺動試験機で摺動試験を行った。石英ブロックに切れ刃を荷重１００ｇで押し付けて、距離１０ｍｍ、往復速度６０ｃｐｍで１００回往復させた。切れ刃のエッジ（刃先）を観察し、チッピングの有無を調べた結果、チッピングは全く観察されなかった。また、石英ブロックの切り口を観察したところ、非常にシャープで切り口に欠けなどは全くなかった。

［比較例１］
実施例１とＧＣＩＢ照射を除いて同様にサンプルを作製し、摺動試験を行った。切れ刃のエッジを観察したところ、数多くのチッピングが観察された。また、石英ブロックの切り口の形状はシャープではあるが、欠けが観察された。

［比較例２］
実施例１と、ＧＣＩＢ照射を除いて同様にサンプルを作製した後、ファセットを２つスカイフ研磨で形成した。ファセットの幅は１μｍとした。ファセットはきれいな平面となっていた。その後、実施例１と同様の摺動試験を行った。切れ刃のエッジを観察したところ、比較例１よりは少ない量ではあるがチッピングが観察された。また、石英ブロックの切り口は、シャープではなくて欠けが観察された。

実施例１と、ＧＣＩＢの照射角を除いて同様にサンプルを作製し、摺動試験を行った。作製した切れ刃に対して、切れ刃を形成する２つの表面から、１１７．５度と１７７．５度になるような角度でＧＣＩＢを照射した。切れ刃先端には２つのファセットが形成されていたが、１１７．５度の方がファセットの幅が広くなっており、０．８μｍであった。１７７．５度の側のファセット幅は０．４μｍであった。摺動試験の結果は、切れ刃エッジにチッピングは全く観察されなかった。また、石英ブロックの切り口は、非常にシャープで欠けなどは全くなかった。

［比較例３］
実施例１と、ＧＣＩＢ照射を除いて同様にサンプルを作製した。その後、ＣＶＤ法によりダイヤモンド多結晶膜を１０μｍの厚さで成膜した。ダイヤモンド結晶膜の粗さは、１０μｍ角領域を原子間力顕微鏡で測定し、算術平均粗さＲａは１２０ｎｍ、最大高さＲｚは１．１μｍであった。その後、実施例１と同様にＧＣＩＢ照射を行った。切れ刃エッジにはファセットが形成されなかった。摺動試験の結果は、切れ刃のエッジにチッピングが観察され、石英ブロックの切り口は、欠けが多く発生した。

実施例１と、ＧＣＩＢ照射を除いて同様にサンプルを作製した。その後、ＣＶＤ法によりダイヤモンドライクカーボン膜を１０μｍの厚さで成膜した。ダイヤモンドライクカーボン膜の粗さは、１０μｍ角領域を原子間力顕微鏡で測定し、算術平均粗さＲａは３ｎｍ、最大高さＲｚは０．５μｍであった。その後、実施例１と同様にＧＣＩＢ照射を行った。切れ刃エッジにはファセットが２つ形成されており、ファセットの幅はともに０．３μｍであった。摺動試験の結果は、切れ刃のエッジにチッピングは全く観察されず、石英ブロックの切り口は、非常にシャープで、欠けは全くなかった。

実施例１と、単結晶ダイヤモンド素材ではなく、バインダレスｃＢＮ（キュービックボロンナイトライド）素材である点を除き、全く同様にサンプルを作製した。ＧＣＩＢを照射する前の切れ刃を形成する２つの表面の表面粗さは、１０μｍ角領域を原子間力顕微鏡で測定し、算術平均粗さＲａは４ｎｍ、最大高さＲｚは３００ｎｍであった。ＧＣＩＢ照射によって、切れ刃エッジには２つのファセットが形成された。ファセットの幅は０．６μｍであった。ファセットの一部は曲面となっていた。
この切れ刃を用いて、摺動試験機で摺動試験を行った。切れ刃のエッジにはチッピングは全く観察されなかった。また、石英ブロックの切り口は非常にシャープで欠けなどは全くなかった。

実施例１と、素材を変えて同様な加工試験を行った。素材として、焼結ダイヤモンド、超硬材料、単結晶シリコン、石英ガラスを試験した。すべての素材で切れ刃エッジには、実施例１と同様なファセットが形成された。

実施例１と同様にして、焼結ダイヤモンド工具及びｃＢＮ工具を作製するために、焼結ダイヤモンド素材及びｃＢＮ素材からレーザー加工によって、厚さ１ｍｍ、縦横ともに２ｍｍに切り出した。その後、各面をダイヤモンド砥石により研削して形状を整え、切れ刃部分は、スカイフ盤により研磨仕上げを行った。この時、スカイフ研磨条件を変えながら、最大高さＲｚの表面粗さを変化させたサンプルを作製した。Ｒｚが１００ｎｍ〜２μｍのサンプルを作製した。これらのサンプルに対して、実施例１と同様にＧＣＩＢ照射を行った。切れ刃にファセットが形成されているかどうかを観察したところ、どちらの素材の工具においても、Ｒｚが１μｍ以下では形成されていたが、Ｒｚが１μｍを超えるものではファセットは形成されていなかった。

実施例１と、工具素材とＧＣＩＢの原料ガスの組み合わせを変えた点を除き、同様にサンプルを作製し、ファセット幅と切れ刃表面のエッチング量の関係を調べた。結果を以下に示す。
工具材料 原料ガス ファセット幅（μｍ） エッチング量（μｍ）
シリコン アルゴン ０．７ ０．１
シリコン ＳＦ₆ ０．８ １．２
シリコン 酸素 ０．６ １．１
シリコン 窒素 ０．６ １．０
シリカガラス 酸素 ０．７ ０．１
シリカガラス 窒素 ０．６ １．０
シリカガラス アルゴン ０．５ ０．１
窒化シリコン 窒素 ０．６ ０．１
窒化シリコン 酸素 ０．５ １．１

実施例１と、切れ刃を形成する２つの表面の最大高さＲｚは１．２μｍである点と、その切れ刃表面をＧＣＩＢ照射によって平坦化加工する工程を加えた点を除いて、同様な加工試験を行った。まず、平坦化加工によって、切れ刃を形成する表面の最大高さＲｚを０．５μｍにした。その後は、実施例１と同様な処理を行った。処理したサンプルの切れ刃エッジにはファセットが２つ形成されており、ファセットの幅はともに０．３μｍであった。摺動試験の結果は、切れ刃のエッジにピッチングは全く観察されず、石英ブロックの切り口は、非常にシャープで、欠けは全くなかった。

市販のガラススクライバー装置のカッティングツール（単結晶ダイヤモンド製）に本発明を適用してみた。その結果、本発明を適用しない従来品に比べて３倍のツール寿命となった。

以上の実施例、比較例から次のようなことがわかる。

実施例１と比較例１から、切れ刃エッジにＧＣＩＢ照射を行い、ファセットを形成すると刃先のピッチングがなくなり、機械的耐久性が著しく向上することがわかる。また、被加工材の加工品質も向上することがわかる。

実施例１と比較例２から、ＧＣＩＢ以外の方法でファセットを形成しても、刃先の機械的耐久性が向上しないことがわかる。すなわち、刃先にファセットが形成してあるだけでは本発明の効果は得られないのである。

実施例１と実施例２から、ＧＣＩＢの照射方向を変化させると、形成される２つのファセットの幅などを制御することができることがわかる。

実施例１、実施例３及び実施例８から、切れ刃材料とＧＣＩＢとの化学反応性を少なくすると、切れ刃材料をあまりエッチングさせずにファセットを形成することができることがわかる。

実施例１、実施例４、実施例７及び比較例３から、切れ刃表面の最大高さＲｚが１μｍ
を超えると、ＧＣＩＢ照射を行ってもファセットが形成されず、刃先の機械的耐久性が向上しないことがわかる。

実施例１、実施例４〜６から、切れ刃材料がどのようなものであってもＧＣＩＢ照射によって同様にファセットが形成されることがわかる。これは、ＧＣＩＢ照射を行った時のエッジでの物質横移動の非対称性や横移動量が材料に依存しないことによるものと考えられ、従来から知られていたＧＣＩＢ照射によるクレーター形成メカニズムと整合性がある。

実施例１と実施例９から、切れ刃表面の最大高さＲｚが１μｍより大きかったとしても、ＧＣＩＢ照射によって最大高さを１μｍ以下に低減しておけば、その後に本発明を適用することによってファセットを形成することができ、本発明の効果を発揮できることがわかる。

また、本発明の原理やメカニズムが発揮されるものであれば、ＧＣＩＢ照射条件や各種材料条件を含む設計事項的要素はどのようなものであってもよいことは明らかである。

１０ クラスター ２０，２０’ 材料
２１ 領域 ２２ 傾斜面
２２ａ，２２ｂ 終端 ３０ 切れ刃
３１，３２ 表面 ３３ 切れ刃エッジ
３３ａ，３３ｂ，３３ａ’，３３ｂ’ ファセット

Claims (7)

1. 切れ刃を構成する２つの表面の最大高さＲｚが１μｍ以下であって、それら２つの表面及びそれら２つの表面が交わる境界部分に存在する切れ刃エッジに対してガスクラスターイオンビームを同時に照射し、
   前記ガスクラスターイオンビームの照射は、前記２つの表面に対しては垂直ではない斜め照射となり、かつ前記切れ刃エッジにはその少なくとも一部に対して垂直になるような角度で照射することによって、前記切れ刃エッジにファセットを新たに形成することを特徴とする切れ刃エッジの加工方法。
2. 請求項１記載の切れ刃エッジの加工方法において、
   前記２つの表面の最大高さＲｚを１μｍ以下とするための平坦化加工は、前記ガスクラスターイオンビームの照射によって行うことを特徴とする切れ刃エッジの加工方法。
3. 請求項１又は２記載の切れ刃エッジの加工方法において、
   前記ガスクラスターイオンビームのガスに前記切れ刃を構成する材料と化学反応しないものを用いることを特徴とする切れ刃エッジの加工方法。
4. 請求項３記載の切れ刃エッジの加工方法において、
   前記ガスは、アルゴン、酸素、窒素及び二酸化炭素のいずれか、もしくはそれらの組み合わせであることを特徴とする切れ刃エッジの加工方法。
5. 請求項１乃至４記載のいずれかの切れ刃エッジの加工方法によって切れ刃エッジを加工する工程を有することを特徴とする器具の製造方法。
6. 請求項５記載の器具の製造方法において、
   前記ファセットが複数形成されていることを特徴とする器具の製造方法。
7. 請求項５又は６記載の器具の製造方法において、
   前記ファセットの少なくとも一部が曲面となっていることを特徴とする器具の製造方法。