JP2007230079A - 硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガラスなど硬脆性材料の被削材基板に安価な超硬ボールエンドミルを用いて任意な直線及び曲線からなる複雑な平面パターンの微細な溝加工を行う高品質で効率性及び経済性に優れた硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置を提供する。
【解決手段】 切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを回転させガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みにより無損傷で切削加工を行う硬脆性無機材料加工方法及び加工装置であって、ボールエンドミルの回転軸が被削材基板の加工側表面に対し常にボールエンドミルを被削材基板の任意な直線及び曲線からなる平面パターンの溝に沿って加工送り方向側に所定の傾斜角を有するように被削材基板の移動及びボールエンドミルの移動を同時協調制御し、少なくとも前記被削材基板の移動を１軸方向としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置に関し、特にガラス質無機材料や単結晶シリコンなどの硬脆性無機材料などの被削材基板にボールエンドミルを用いて任意な直線及び曲線からなる平面パターンの微細な溝の加工を行う硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置に関する。

近年、化学反応を高速に行うことができ、微小量での反応が可能で、かつ、オンサイト分析等が実現できるという利点を持つマイクロＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）（マイクロ化学チップ又はマイクロチップともいう）は、その開発が進み、化学、製薬、医療などの現場で多用されるようになっている。マイクロ化学チップは、幅１０μｍ〜数１００μｍ、深さ数１０μｍ〜数１００μｍの微細な流路を有し、その流路内で混合・反応・分離・検出などのプロセスが行われる。反応性や検出感度の観点などから、流路の加工表面は鏡面状であることが必要とされ、ガラス質無機材料などの基板材料に対して微細な溝等の切削加工を施す技術が重要となっている。

従来、ガラス基板に微細な溝等の加工を行うには、エキシマレーザやフッ酸等の化学薬品を使用したウェットエッチングなどの加工方法がある。

しかし、ウェットエッチングなどの化学的な加工法には次のような問題点がある。フッ酸等は強酸の化学薬品であるので、有資格者を必要とし取り扱いに注意を要するとともに、環境保全ためには加工後の廃液処理が問題となる。このために、安全性対策を考慮する等のコストがかかる。

さらに、安全性を考慮して薄い濃度のフッ酸溶液を使用することから、加工処理に時間がかかり、工程時間短縮の障害となる。また、所要の溝を形成するためのマスキングの手間もかかり、作業効率の低下となる。

また、エキシマレーザやウェットエッチングによる加工の場合、複雑な形状の加工が困難であること、多品種への対応が困難であること、設備投資が多大であることなどの問題がある

そこで、複雑な加工を行うことができ、また、多品種への対応が比較的容易である機械的手段による効率的な加工が検討され、その代表的な機械的加工方法の一例として、特殊な研削用砥石を用いた研削加工方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特許文献１の研削加工方法は、先端部が被加工物表面を異なる面粗さに加工することが可能な２種以上の砥粒層から形成された砥石を用いて、砥石を送り方向側へ傾斜させて研削加工する方法である。

また、機械的加工方法の他の例として、本願の一発明者らによるボールエンドミル又はスクエアエンドミルを用いた切削加工方法が提案されている（例えば、特許文献２）。
特許文献２の切削加工方法は、切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルの回転軸が前記被削材の加工側表面に対してボールエンドミルの送り方向に相対的な傾斜角を有した状態で、ボールエンドミルを回転させてガラス質無機材料等の硬脆性無機材料からなる被削材に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みで無損傷で切削加工を行う方法である。

なお、同時４軸制御加工装置においてボールカッタの軸心を垂直回転軸に対して傾斜させるとともにボールカッタの先端Ｒ（円弧）中心を前記垂直回転軸と一致させてボールカッタを支持する工具アタッチメントを用いた加工方法が提案されている（例えば、特許文献３）。
特開２００６−３５３６３号公報 特開２００５−９６３９９号公報 特開２００３−２０５４３２号公報

しかしながら、特許文献１の研削加工方法では、表面粗さが小さく高品質な加工面を高効率で得るための研削用砥石が異なる面粗さに加工可能な２種以上の砥粒層から形成された特殊な構造であることから高価で、特にガラス質無機材料などの硬脆性無機材料に対しては最も高価なダイヤ砥粒が必要となるという問題点がある。また、砥石を用いた研削加工方法は、高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工には対応できないという問題点がある。

また、特許文献１（図９）に示された加工装置は、ワークテーブルが３段のテーブルから構成され、それぞれＸＹ平面内で回転自在、Ｘ軸及びＹ軸方向に移動させ、研削砥石が取付けられたスピンドル軸がＺ軸方向に移動するように構成されている。このため、ワークテーブルの互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の移動機構を重ねた上にさらにＸＹ平面内で回転する機構を重ねた重畳機構方式では化学チップ用ガラス等の硬脆性材の複雑かつ微細な溝加工に必要な高精度を維持するための剛性確保が相当困難で加工対象物（被削材）の位置決め誤差が大きく、さらに高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工には対応できないという問題点がある。

これに対し、特許文献２の切削加工方法は、従来マイクロメートル単位のガラスの切削を行うために先端のとがったダイヤモンドのエンドミルを用いて一度に１μｍ以下しか加工できなく加工性が悪いという問題点を改善し、高価なダイヤモンド製でない比較的安価なｃＢＮ（（Ｃｕｂｉｃ Ｂｏｒｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ：立方晶窒化ホウ素）などの超硬合金製のボールエンドミルを用いて被削材の加工側表面に対してボールエンドミルの送り方向に相対的な傾斜角を有した状態で１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みで無損傷で切削加工を行うようにしたものであって、化学チップの高集積化に必要な微細加工にも対応できる等の利点がある。しかし、特許文献２には、ボールエンドミルを用いた硬脆性無機材料の基礎的な加工方法について開示されているだけで、本願発明のような化学チップに適用する硬脆性無機材料基板上の任意な方向の直線及び曲線からなる複雑な平面パターンの溝加工方法ならびにその加工装置については具体的に開示されていない。

すなわち、特許文献２（図２）に示された加工装置は、ステージ（ワークテーブル）がＸ軸及びＹ軸方向へ移動するとともにスピンドルヘッドがＺ軸方向へ移動し、スピンドルがＸ軸、Ｙ軸の二次元方向に対して任意に傾斜可能であるように構成されている。このようなステージの互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の移動機構を重ねた重畳機構方式では、化学チップ用ガラス等の硬脆性材の複雑かつ微細な溝加工に必要な高精度を維持するための剛性確保が相当困難で被削材の位置決め誤差が大きくなり、特に高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工には対応できないという問題点がある。

また、特許文献３の加工方法は、工具ホルダからのボールカッタの突出量を可能な限り少なくし、かつ、ワークと工具ホルダ等との干渉を防ぎ、様々な立体形状を加工するためにボールカッタの軸心を垂直回転軸に対し傾斜させるように支持さているもので、特許文献２あるいは本願発明のように被削材の加工側表面に対してボールカッタの送り方向に相対的な一定の傾斜角を常に維持するように意図したものではなく、さらに、本願発明のような化学チップに適用する硬脆性無機材料基板上の任意な方向の直線及び曲線からなる複雑な平面パターンの溝加工を高精度で行うことは機構的及び制御的に難しいという問題点がある。

そして、特許文献３（図４）に示された同時４軸制御加工装置は、ワークの互いに直交するＸ軸（第１軸）、Ｙ軸（第２軸）と、ボールカッタのＺ軸（第３軸）方向への直線動作及びＺ軸を中心とするＣ軸（第４軸）の旋回動作とを同時制御して、ボールカッタにより、ワークに任意の曲面加工を行うもので、このようなワークの互いに直交するＸ軸、Ｙ軸の移動機構を重ねた重畳機構方式では化学チップ用ガラス等の硬脆性材の複雑かつ微細な溝加工に必要な高精度を維持するための剛性確保が相当困難で、特に高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工には対応できないという問題点がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、従来切削加工法では不可能とされていたガラスなどの硬脆性材料の被削材基板に市場で安価に手に入る超硬・ｃＢＮ製の小径ボールエンドミルを用いて任意な直線及び曲線からなる複雑な平面パターンの微細な溝加工を行う高品質で効率性及び経済性に優れた硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明の硬脆性無機材料加工方法は、切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みにより無損傷で切削加工を行う硬脆性無機材料加工方法であって、前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の加工側表面に対して常にボールエンドミルを前記被削材基板の任意な直線及び曲線からなる平面パターンの溝に沿って相対的な加工送り方向側に所定の傾斜角を有するように前記被削材基板の移動及びボールエンドミルの移動を同時協調制御し、少なくとも前記被削材基板の移動を１軸方向としたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の硬脆性無機材料加工方法であって、前記同時協調制御は、水平面内に配置された前記被削材基板の水平面内第１軸方向の直線移動と、前記被削材基板の上方に配置されたボールエンドミルの前記第１軸と平行水平面内で直交する第２軸方向の直線移動と、前記ボールエンドミルの垂直面内第３軸方向の直線移動と、前記ボールエンドミルの第３軸と平行な第４軸回りの水平旋回とを協調させて、前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の前記平面パターンの溝に沿って加工送り方向に対して常に前記傾斜角を維持するようＮＣ制御により行われることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の硬脆性無機材料加工方法であって、前記被削材基板が水中に置かれた状態で切削加工を行うことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の硬脆性無機材料加工方法であって、前記ボールエンドミルの傾斜角は、ボールエンドミルの切れ刃の外周面を所定の切込み深さに位置させたときに、ボールエンドミルの曲率半径の終端円周線が被削材基板の加工側表面と交差する位置まで傾斜した傾斜角度以上、かつ９０°以内の範囲にあることを特徴とする。

請求項５の発明の硬脆性無機材料加工装置は、切刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを保持する第１のスピンドルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みにより無損傷で切削加工を行う硬脆性無機材料加工装置であって、前記被削材基板を保持して水平面内第１軸方向の直線移動を行う第１軸移動手段を有するワークテーブルと、前記ワークテーブルの上方に立設され、前記ボールエンドミルの回転軸が水平面に対して所定の傾斜角を有するように前記第１のスピンドルを支持し、前記第１軸と平行水平面内で直交する第２軸方向の直線移動を行う第２軸移動手段、垂直面内第３軸方向の直線移動を行う第３軸移動手段及び前記第３軸と平行な第４軸回りの水平旋回を行う第４軸旋回手段を有するコラムと、を備え、前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の加工側表面に対して常にボールエンドミルを前記被削材基板の任意な直線及び曲線からなる平面パターンの溝に沿って加工送り方向側に相対的な所定の傾斜角を維持するように前記第１、第２及び第３軸移動手段ならびに第４軸旋回手段が同時協調制御されることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項５記載の硬脆性無機材料加工装置であって、前記ワークテーブル上に前記被削材基板を水中に保持する貯水槽を備えたことを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項５又は請求項６記載の硬脆性無機材料加工装置であって、前記被削材基板は、常温では強力な粘着力を保持し、所定の温度に冷却又は加熱すると粘着力を失って容易に前記被削材基板を貯水槽内から取り外し可能な特性を有する両面接着テープを用いて前記貯水槽内に固定されることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の硬脆性無機材料加工装置であって、前記第１のスピンドルを取り付けるアタッチメントの下端部に、被削材基板の溝の位置検出及び画像処理手段による画像処理を行って前記第１、第２、第３軸移動手段及び第４軸旋回手段の同時協調制御におけるフィードバック制御もしくは溝形状測定による加工後の検証を行う光センサーあるいは視覚認識手段が設けられていることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項５乃至請求項８のいずれか１項記載の硬脆性無機材料加工装置であって、前記被削材基板の所定の位置に穿孔もしくは座ぐり加工するカッターを保持した第２のスピンドルが、前記コラムに前記第１のスピンドルと併設されていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、超硬合金のボールエンドミルを利用して、ガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に対して、例えば深さ１５〜２０μｍ、幅２００μｍ程度の微細加工溝を一度に効率よく切削加工できる。このため、従来のダイヤモンドのエンドミルを用いた加工では一度に１μｍ以下しか加工できなく加工性が悪いのに対し、生産性は従来の約２０倍向上できる。また、超硬合金のボールエンドミルはダイヤモンドのエンドミルの約１０分の１の価格であることから、生産性と工具のコストの両面から従来のダイヤモンドのエンドミルを用いた加工方法の約２００分の１のコストダウンが可能である。

また、被削材基板の加工側表面に対して常にボールエンドミルの相対的な加工送り方向側への所定の傾斜角を保持するように被削材基板の１軸方向の移動とボールエンドミルの多軸移動を同時協調制御することにより、被削材基板の任意な直線及び曲線からなる複雑な平面パターンの溝を加工することができ、従来の被削材を直交するＸ軸、Ｙ軸の移動機構を重ねた重畳機構方式に比べて被削材基板の位置決め等の高精度を維持するための剛性確保ができる。このように、被削材基板の位置誤差を生じ易い被削材基板側を最小限一つの単純な直線移動機構にとどめることにより、加工装置全体の剛性を確保して高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工を実現することが可能である。

請求項２の発明によれば、被削材基板の１軸方向の移動とボールエンドミルの２軸移動及び１軸旋回とを同時協調させてＮＣ制御することにより、加工装置全体の剛性を確保して高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工の信頼性を一層向上させることができる。

請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２の発明と同様な効果を有するのに加えて、水中ではガラスなどの硬脆性無機材料の機械的強度が低下するので切削性の向上とともに加工部の局部的な温度上昇による被削材基板の温度不均一性を抑えて割れ防止を図ることができる。

請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、ボールエンドミルの被削材基板の加工側表面に対する傾斜角度を適用範囲に規定することにより、最適な切削加工速度を確保して生産性を向上させることができる。

請求項５の発明によれば、被削材基板を保持するワークテーブルの１つの第１軸移動手段とボールエンドミルを保持する第１のスピンドルの２つの第２軸、第３軸移動手段及び第４軸旋回手段とを同時協調制御するように構成されているので、前記請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明と全く同様な効果を有することができる。

請求項６の発明によれば、請求項５の発明と同様な効果を有するのに加えて、ワークテーブル上の貯水槽内に被削材基板を保持して水中で加工することができ、前記請求項３の発明と全く同様な効果を有する。

請求項７の発明によれば、請求項５乃至請求項６のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、冷却又は加熱すると粘着力を失う特殊な両面接着テープを用いてワークテーブル上の貯水槽内に被削材基板を固定するので、被削材基板のワークテーブル上への取り付け及び取り外しがボルト止め治具による一般的な固定方法に比べて作業が簡素化され、作業効率が著しく向上する。

請求項８の発明によれば、請求項５乃至請求項７のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、光センサーあるいは視覚認識手段及び画像処理手段により前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の移動制御及びＣ１軸周りの旋回制御におけるフィードバック制御や加工部形状測定等の加工後の検証などを行うことができる。これにより、高機能化・多機能化のために一層微細な溝が緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工に対応する信頼性を一層向上させることができる。

請求項９の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項の発明と同様な効果を有するのに加えて、コラムに第１のスピンドルと併設された第２のスピンドルにより、同一の硬脆性無機材料加工装置で第１のスピンドルで溝加工を行うのと前後自在に化学チップに必要な穿孔や座ぐりなどを加工することができる。これにより、化学チップの加工工程を短縮化し生産性を一層向上させることができる。

以下、本発明を図示する実施例により具体的に説明する。

図１は本発明の一実施の形態の硬脆性無機材料加工装置の正面図、図２は図１の側面図、図３は図１のＡ−Ａ矢視横断面図、図４は図１のＢ−Ｂ矢視図、図５は本発明の硬脆性無機材料加工方法のボールエンドミル加工部の説明図、図６は化学チップの一例写真である。

本発明の硬脆性無機材料加工装置は、ガラス質無機材料等の硬脆性無機材料からなる被削材基板Ｇを保持するワークテーブル４とワークテーブル４の上方に門型形状に立設されスピンドル２を支持するコラム８とを備えている。

ワークテーブル４は、水平面内第１軸（Ｙ軸）方向の直線移動を行う第１軸移動手段（Ｙ軸移動手段）３を有する。

コラム８は、Ｙ軸と平行な水平面内で直交する第２軸（Ｘ軸）方向の直線移動を行う第２軸移動手段（Ｘ軸移動手段）５、Ｘ軸に対して垂直な第３軸（Ｚ軸）方向の直線移動を行う第３軸移動手段（Ｚ軸移動手段）６及びＺ軸と平行なＣ１軸回りの水平旋回を行う旋回手段（Ｃ１軸旋回手段）７を有する。

前記特許文献１乃至３等のような従来の加工装置が被削材を保持するワークテーブルを水平面内に直交するＸ軸及びＹ軸方向の直線移動機構あるいはさらに旋回機構を積み重ねた重畳機構方式であるのに対し、本発明の硬脆性無機材料加工装置は、被削材基板Ｇを保持するワークテーブル４の水平面内移動をＹ軸移動手段３によるＹ軸方向直線移動一つに限定し、スピンドル２側のＸ軸移動手段５による水平Ｘ軸方向直線移動及びＺ軸移動手段６による垂直Ｚ軸方向直線移動に分離した構成としている。このように、被削材基板Ｇの位置誤差を生じ易いワークテーブル４側を最小限一つの単純な直線移動機構にとどめることにより、加工装置全体の剛性を確保して高機能化・多機能化のために一層微細な溝Ｇａが緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工を実現することを可能にしている。

第１のスピンドル２は、例えば最高回転数８００００ｒｐｍのブラッシュレスモータにより駆動され、図２に示すように、スピンドルヘッド７１の下部にスピンドルアタッチメント７２が取り付けられ、このスピンドルアタッチメント７２にスピンドルクランプ７３を介してボールエンドミル１の回転軸（Ｓ軸）が水平面に対し任意に所定の傾斜角θを保持するよう設定可能に取付けられている。

このように、水平に固定された硬脆性無機材料からなる被削材基板Ｇの加工表面Ｇ１に対しボールエンドミル１を加工方向に所定の傾斜角θに保持しての加工原理（図５参照）は、本願の一発明者らによる前記特許文献２の切削加工方法に基づいている。

この場合、ボールエンドミル１は、先端の切れ刃１２が鈍角で、かつ捩れ角（図示しない）を有しており、従来の高価なダイヤモンド製のものより略１／１０程度安価なｃＢＮなどの超硬合金製としても実用上十分な耐久性を有することが判明している。

旋回機構７は、例えば減速機付サーボモータなどの旋回アクチュエータ７４により駆動され、第１のスピンドル２を前記傾斜角θに保持して取り付けた状態でＣ１軸回りを正逆両方向に旋回させる。

第１軸移動手段３は、図１〜３に示すように、ベット９上に設けられ、Ｙ軸方向に延設された例えばリニアガイド機構３２を介して移動可能に水平に設置されたワークテーブル４を例えば減速機付サーボモータなどの第１アクチュエータ３１によりＹ軸方向に往復移動させる。

ワークテーブル４は、内部に水を張ることができる貯水槽を備えた構造となっており、その貯水槽内に被削材基板Ｇを水平に保持する。これは、水中ではガラスなどの硬脆性無機材料の機械的強度が低下するので切削性の向上とともに加工部の局部的な温度上昇による被削材基板の温度不均一性を抑えて割れ防止を図ることができ、硬脆性無機材料のボールエンドミル加工を水中で行うのが好ましいためである。

ワークテーブル４の貯水槽内に被削材基板Ｇを固定する方法には次の二つの例がある。
一つの例は、ワークテーブル４の貯水槽内にいずれも図示しない穿設された複数のボルト穴を介して治具により被削材基板Ｇを固定する一般的な方法である。

他の例は、図示しない特殊な両面接着テープを用いてワークテーブル４の貯水槽内に被削材基板Ｇを固定する方法である。この特殊な両面接着テープには２種類あって、ここでは詳細な説明は省略するが、いずれも常温では強力な粘着力を保持し、一方のものは例えばおよそ０℃近辺まで冷却すると粘着力を失い、他方のものは例えばおよそ５０〜６０℃近辺まで加熱すると粘着力を失って容易に被削材基板Ｇをワークテーブル４から切り離すことが可能な特性を有するアクリル系粘着剤をそれぞれ例えばＰＥＴテープの両面に塗膜したものである。

このような、特殊な両面接着テープを用いてワークテーブル４上に被削材基板Ｇを固定する方法は、被削材基板Ｇのワークテーブル４の貯水槽内への取り付け及び取り外しがボルト止め治具による一般的な固定方法に比べて作業が簡素化され、作業効率が著しく向上する。

第２軸移動手段５は、図１、２及び４に示すように、ベット９上に立設された門型形状のコラム８の上部にＸ軸方向に延設された例えばリニアガイド機構５２を介して移動可能に垂直方向に設置されたＸ軸架台５１を例えば減速機付サーボモータなどの第２アクチュエータ５３によりＸ軸方向に往復移動させる。

Ｘ軸架台５１の側面上には、第３軸移動手段６が設けられている。第３軸移動手段６は、図１、２及び４に示すように、Ｘ軸架台５１の側面上にＺ軸方向に延設された例えばリニアガイド機構６２を介して移動可能に垂直方向に設置されたＺ軸架台６１を例えば減速機付サーボモータなどの第３アクチュエータ６３によりＺ軸方向に上下移動させる。

Ｚ軸架台６１の側面上には、第１のスピンドル２を支持するスピンドルヘッド７１をＺ軸に平行なＣ１軸回りに旋回する前記の旋回機構７がＣ１軸に沿って垂直方向に設けられている。

さらに、Ｚ軸架台６１の側面上には、Ｚ軸に対してＣ１軸と反対側平行なＣ２軸に沿って例えばスクエアエンドミルなどのカッター１１を先端部に把持した第２のスピンドル１０が垂直方向に第１のスピンドル２と併設されている。第２のスピンドル１０は、例えば最高回転数８００００ｒｐｍのブラッシュレスモータにより駆動され、カッター１１により被削材基板Ｇの所定の位置に例えば図６の化学チップの一例写真に示すような穿孔Ｇｂあるいは座ぐり（図示しない）などを加工するのに用いられる。

このように、同一の硬脆性無機材料加工装置で、第１のスピンドル２で溝Ｇａの加工を行うのと前後自在に第２のスピンドル１０で化学チップに必要な穿孔Ｇｂや座ぐりなどを加工することにより、化学チップの加工工程を短縮化し生産性を向上させることができる。

また、図２に示すように、スピンドルアタッチメント７２のＣ１軸上の下端部には、レーザなどの光センサー１００あるいは図示しないＣＣＤカメラなどの視覚認識手段が設けられている。光センサー１００あるいは視覚認識手段は被削材基板Ｇの溝Ｇａなどの位置検出及び図示しない画像処理手段による画像処理等を行い、前記Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の移動制御及びＣ１軸周りの旋回制御におけるフィードバック制御や加工部形状測定等の加工後の検証などを行う。これにより、高機能化・多機能化のために一層微細な溝Ｇａが緻密に高集積化されて形成される化学チップの高精度微細加工に信頼性を向上させて対応することができる。

以上のような構成により、ボールエンドミル１の回転Ｓ軸が被削材基板Ｇの加工側表面Ｇ１に対して常にボールエンドミル１を被削材基板Ｇの任意な直線及び曲線からなる溝Ｇａに沿って加工送り方向側に相対的な所定の傾斜角θを常に維持するようにＸ軸移動手段５、Ｙ軸移動手段３及びＺ軸移動手段６ならびにＣ１軸旋回手段７が同時協調制御される。図１〜３中の符号１１０は操作盤、１１１は制御盤、１１２は前記各種モータコントローラを示し、これらはベット９内外に付属し硬脆性無機材料加工装置として床面上任意な場所に走行及び固定可能なように一体的にユニット化された構成となっている。

この前記同時協調制御は、言い換えれば、水平面内に配置された被削材基板Ｇの水平面内Ｙ軸方向の直線移動と、被削材基板Ｇの上方に配置された第１スピンドル２のＹ軸と平行水平面内で直交するＸ軸方向及び垂直面内Ｚ軸方向の直線移動と、第１スピンドル２のＺ軸と平行なＣ１軸回りの水平旋回とを協調させて、ボールエンドミル１の回転Ｓ軸が被削材基板Ｇの任意な直線及び曲線からなる複雑な平面パターの溝Ｇａに沿って加工送り方向に対して常に前記傾斜角θを維持するようにＮＣ制御により行われる。

従来のようにエンドミルの回転軸が被削材の加工側表面に対してほぼ直交するように切込まれる場合は、回転軸の中心付近は切れ刃の回転半径が小さいために切削速度も小さくなって切削加工性が低下することから切れ刃が仕上げ面を加工する際の材料を削る溝深さが例えばガラス製被削材基板の場合は割れない限界の１μｍ以下である。これに対して本発明においては、図５に示すように、ボールエンドミル１の切れ刃１２の外周面を所定の切込み深さＴに設定したときに、ボールエンドミル１の曲率半径Ｒの終端円周線１１が被削材基板Ｇの加工側表面Ｇ１と交差する位置までボールエンドミル１を傾斜したときの傾斜角度θはθ＝θ１となる。この状態において、被削材基板Ｇの加工側表面Ｇ１では切れ刃１２の回転半径＝曲率半径Ｒによる最も大きな切削速度となり、さらに加工溝Ｇａの底部では切れ刃１２の回転半径ｒによる切削速度が最も大きくなる。

これに対して、ボールエンドミル１の傾斜角θを大きくすると、被削材基板Ｇの加工側表面Ｇ１では切れ刃１２の回転半径ｒによる切削速度が小さくなり、加工溝Ｇａの底部では切れ刃１２の回転半径ｒによる切削速度が小さくなる。

このようなことから、ボールエンドミル１の回転Ｓ軸の傾斜角θの適用範囲としては、前記傾斜角θ１以上の角度θ≧θ１で送り方向に傾斜させることが望ましい。例えば、図５において、ボールエンドミル１の曲率半径Ｒ＝２００μｍ、切込み深さＴ＝２０μｍであるとき、最小の傾斜角θは、ｃｏｓθ＝（２００−２０）／２００であることから傾斜角θ≒２６°となる。すなわち、この場合の傾斜角θの適用範囲は、２６°≦θ＜９０°となる。ただし、最適な傾斜角θは、ボールエンドミル１の回転数、送り速度、切込み深さＴ、曲率半径Ｒ、操作性（加工効率）やその他の種々の加工条件との兼ね合いで設定される。

ボールエンドミル１を用いた硬脆性無機材料の基礎的な加工方法の詳細については、本願の一発明者らによる前記特許文献２において具体的に述べられているので省略するが、ボールエンドミル１の傾斜角θ＝４５°で、曲率半径Ｒ＝０．２ｍｍと０．２５ｍｍの超硬ボールエンドミル１による切削加工試験の結果、ボールエンドミル１の回転数２００００ｒｐｍにおける加工溝面が最も良好であって、ボールエンドミル１の回転数２００００ｒｐｍにおいては、送り速度１〜８μｍ／ｓｅｃの範囲で良好な結果が得られている。

なお、上記の切削加工試験ではボールエンドミル１の曲率半径Ｒ＝０．２ｍｍと０．２５ｍｍのものをそれぞれ用いて行っているが、実際にはその他の任意の曲率半径Ｒのボールエンドミル１を使用しても同様の作用効果が得られる。

以上のような本発明の硬脆性無機材料加工方法及びその加工装置では、ｃＢＮなどの超硬合金のボールエンドミル１を利用して、例えばガラス製の被削材基板Ｇに深さ１５〜２０μｍ、幅２００μｍ程度の微細加工溝Ｇａを一度に効率よく切削加工できることから、生産性は従来の回転軸が被削材の加工側表面に対してほぼ直交するように切込まれるエンドミルによる加工方法に比べて約２０倍向上できる。また本発明の超硬合金のボールエンドミル１の場合、従来のダイヤモンドのエンドミルの約１０分の１の価格で済むことから、生産性と工具のコストの両面で従来のダイヤモンドのエンドミルによる加工方法に比べて約２００分の１のコストダウンが可能である。

本発明の一実施の形態の硬脆性無機材料加工装置の正面図である。 図１の側面図である。 図１のＡ−Ａ矢視横断面図である。 図１のＢ−Ｂ矢視図である。 本発明の硬脆性無機材料加工方法のボールエンドミル加工部の説明図である。 化学チップの一例写真である。

符号の説明

１ ボールエンドミル
２ 第１のスピンドル
３ 第１軸（Ｙ軸）移動手段
４ ワークテーブル
５ 第２軸（Ｘ軸）移動手段
６ 第３軸（Ｚ軸）移動手段
７ 旋回手段
８ コラム
９ ベット
１０ 第２のスピンドル
１１ カッター
３１、５３、６３ 第１、第２、第３アクチュエータ
３２、５２、６２ リニアガイド機構
７１ スピンドルヘッド
７２ スピンドルアタッチメント
７３ スピンドルクランプ
７４ 旋回アクチュエータ
１００ 光センサー
１１０ 操作盤
１１１ 制御盤
１１２ 各種モータコントローラ

Claims (9)

1. 切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みにより無損傷で切削加工を行う硬脆性無機材料加工方法であって、
   前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の加工側表面に対して常にボールエンドミルを前記被削材基板の任意な直線及び曲線からなる平面パターンの溝に沿って相対的な加工送り方向側に所定の傾斜角を有するように前記被削材基板の移動及びボールエンドミルの移動を同時協調制御し、少なくとも前記被削材基板の移動を１軸方向としたことを特徴とする硬脆性無機材料加工方法。
2. 前記同時協調制御は、水平面内に配置された前記被削材基板の水平面内第１軸方向の直線移動と、前記被削材基板の上方に配置されたボールエンドミルの前記第１軸と平行水平面内で直交する第２軸方向の直線移動と、前記ボールエンドミルの垂直面内第３軸方向の直線移動と、前記ボールエンドミルの第３軸と平行な第４軸回りの水平旋回とを協調させて、前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の前記平面パターンの溝に沿って加工送り方向に対して常に前記傾斜角を維持するようＮＣ制御により行われることを特徴とする請求項１記載の硬脆性無機材料加工方法。
3. 前記被削材基板が水中に置かれた状態で切削加工を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の硬脆性無機材料加工方法。
4. 前記ボールエンドミルの傾斜角は、ボールエンドミルの切れ刃の外周面を所定の切込み深さに位置させたときに、ボールエンドミルの曲率半径の終端円周線が被削材基板の加工側表面と交差する位置まで傾斜した傾斜角度以上、かつ９０°以内の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の硬脆性無機材料加工方法。
5. 切刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを保持する第１のスピンドルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材基板に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みにより無損傷で切削加工を行う硬脆性無機材料加工装置であって、
   前記被削材基板を保持して水平面内第１軸方向の直線移動を行う第１軸移動手段を有するワークテーブルと、
   前記ワークテーブルの上方に立設され、前記ボールエンドミルの回転軸が水平面に対して所定の傾斜角を有するように前記第１のスピンドルを支持し、前記第１軸と平行水平面内で直交する第２軸方向の直線移動を行う第２軸移動手段、垂直面内第３軸方向の直線移動を行う第３軸移動手段及び前記第３軸と平行な第４軸回りの水平旋回を行う第４軸旋回手段を有するコラムと、を備え、
   前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材基板の加工側表面に対して常にボールエンドミルを前記被削材基板の任意な直線及び曲線からなる平面パターンの溝に沿って加工送り方向側に相対的な所定の傾斜角を維持するように前記第１、第２及び第３軸移動手段ならびに第４軸旋回手段が同時協調制御されることを特徴とする硬脆性無機材料加工装置。
6. 前記ワークテーブル上に前記被削材基板を水中に保持する貯水槽を備えたことを特徴とする請求項５記載の硬脆性無機材料加工装置。
7. 前記被削材基板は、常温では強力な粘着力を保持し、所定の温度に冷却又は加熱すると粘着力を失って容易に前記被削材基板を貯水槽内から取り外し可能な特性を有する両面接着テープを用いて前記貯水槽内に固定されることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の硬脆性無機材料加工装置。
8. 前記第１のスピンドルを取り付けるアタッチメントの下端部に、被削材基板の溝の位置検出及び画像処理手段による画像処理を行って前記第１、第２、第３軸移動手段及び第４軸旋回手段の同時協調制御におけるフィードバック制御もしくは溝形状測定による加工後の検証を行う光センサーあるいは視覚認識手段が設けられていることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項記載の硬脆性無機材料加工装置。
9. 前記被削材基板の所定の位置に穿孔もしくは座ぐり加工するカッターを保持した第２のスピンドルが、前記コラムに前記第１のスピンドルと併設されていることを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか１項記載の硬脆性無機材料加工装置。

Images