JP5247259B2 - 単結晶ダイヤモンド切削工具 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンドに切刃を形成した超精密加工用切削工具に関するものであり、特に回折格子、μ−ＴＡＳ、ＭＥＭＳなどのマイクロパターンの超精密加工を行うための単結晶ダイヤモンド切削工具に関する。

従来、μ−ＴＡＳ、ＭＥＭＳなどに必要なマイクロパターン加工や、回折格子の回折パターンの微細溝加工には、フォトリソグラフィ法やイオンビーム法などの半導体製造技術が主に使用されてきた。しかし、製造装置が高価で加工される材料もシリコンなどに限定されるなどコストが高く、加工方法の特性から滑らかな曲面やシャープなエッジが得られないなどの問題点から、半導体製造技術によるマイクロ加工に替え、ダイヤモンド工具を使った切削加工によることで、様々な材料を加工することも行われてきた。

一方、回折格子については、次世代ＤＶＤであるブルーレイディスクを始め青紫や青色レーザ用の短波長レーザに対応するため、２μｍ以下の微細溝幅の回折パターン加工の要求が出始めている。回折パターン加工においては、従来切削加工を行うことが多かったが、切削工具の切れ刃強度の問題などから５μｍの幅が限界であり、これ以下の幅のものはフォトリソグラフィ法による加工が行われていた（以下、本願では５μｍ以下の幅を「微小幅」という）。このような加工を行うにも高価な装置が必要であり、加工された溝の端部には丸みが生じるなどの問題があった。

このような分野においては、加工の自由度やコストダウンが課題となっており、そのためには、切削加工技術を用いることが容易であり、切削加工技術を使って様々な材料を自由に高精度に加工する要求が高まっている。

回折格子の微細な溝を加工するための切削工具としては、例えば特許文献１に記載のような工具を使用することが考えられる。この工具は、単結晶ダイヤモンドチップの先端に角棒状の切刃部を設けたものであり、エンドミルとして用いられるものである。この工具を用いれば、微細な幅の直線溝が形成できるが、この文献では切れ刃の幅は２０〜４０μｍのものが例示されているだけであり、上記のような微小幅の溝の加工についてまでは言及されていない。（例えば、特許文献１参照）

特開２００４−１４８４７１号公報

上記のような微小幅、特に２μｍ以下の幅の溝を切削加工する要求に応えるため、特許文献１に記載の工具の切れ刃の幅を２μｍ以下にしたものを作ることが考えられる。しかしながら、このような極めて微細な切れ刃を有する工具については、使用上および製作上の両面で問題があり、特許文献１に記載の工具の切れ刃を微小幅にしたものは製作が困難であり、仮に製作できたとしても使用上での問題が生じる。

使用上の問題として、切れ刃部の強度不足の問題があげられる。切れ刃部を角棒状とし、微小幅の切れ刃を形成したものでは、切削抵抗により切れ刃部の欠けや折損が極めて生じやすくなる。また、製作上の問題として、微小幅の切れ刃を形成するためには、切れ刃を形成する面の精度を従来以上に向上させる必要がある。そのためには、遊離砥粒とスカイフ盤を使った研磨を行うか、あるいはレーザービームや集束イオンビームなどを用いて加工することが考えられるが、切れ刃部が微細で強度が低いために研磨は容易でなく、レーザービームでは高精度な加工が容易ではない。また、集束イオンビームによる加工で製作することは可能であるが、エッジにはダレが生じやすく精密な切れ刃を形成し難い点もある。いずれの方法で製作したとしても、上記のように切れ刃部の強度不足という使用上の問題が残る。

使用上の問題を解決するためには、切れ刃部の強度を向上させることになるが、その対策としてすくい面に垂直な方向の厚みを大きくすることが考えられる。このように厚みを大きくした場合、使用上の問題は大幅に減少するが、製作上の問題が新たに発生する。これは、すくい面が微小幅で逃げ面が大きな面となるため、逃げ面を加工する際に以下のような問題が生じやすい。まず、研磨で加工を行う場合、研磨面が広くなり抵抗が大きくなるが、すくい面が微小幅のため、逃げ面の研磨加工中に切れ刃部が折損しやすくなる。そのため、研磨圧力の調整が極めて難しく、仮にできたとしても非常に時間を要することになる。次に、集束イオンビームにより加工を行う場合、加工面が広いため、やはり加工時間とコストが大幅に増大してしまうことになる。

以上のようなことから、本発明者らは使用上および製作上の両面から要求を満たせる形状の工具を検討し、本発明に至った。すなわち、本発明は微小幅の切れ刃であっても、使用中に欠けや折損が起こりにくく、製作する上でも欠けや折損が起こりにくい形状の切れ刃を有する単結晶ダイヤモンド切削工具を提供するものである。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の第１の特徴は、幅が５μｍ以下の切れ刃が先端に形成された単結晶ダイヤモンドチップを有する溝加工用単結晶ダイヤモンド切削工具であって、
少なくとも前記切れ刃が形成されるすくい面と逃げ面の部分は平板状で、前記平板状の厚み方向の面の一つがすくい面であり、
前記切れ刃は、前記すくい面と前逃げ面との境界部に形成される前切れ刃と、前記すくい面と２つの第１逃げ面との境界部に形成される２つの横切れ刃とからなり、
前記切れ刃の稜線は、前記前切れ刃と前記２つの横切れ刃が連続したコの字状であり、
前記逃げ面の高さ方向（すくい面に垂直な方向）の大きさｔは、前記コの字状切れ刃の幅ｗの２倍以上の大きさで、
前記切れ刃が形成された部分の逃げ面のうち、少なくとも前記すくい面と反対側の端部領域の表面あらさは、ＰＶ値で３〜１００ｎｍであることである。

コの字状の切れ刃を形成するにあたり、切れ刃部を平板状とし、逃げ面の高さ方向の大きさｔを切れ刃の幅ｗの２倍以上とすることで、切削加工時の切削抵抗に対して強くなり、切れ刃の欠けや折損を防止することができる。また逃げ面のうちすくい面と反対側の端部領域の表面あらさを小さくすることで、切削加工時に端部領域から亀裂などが生じにくくなり、より切れ刃部の強度を向上させることができる。本願のような微細な切れ刃の場合、切れ刃周辺だけでなく、逃げ面全体に渡って強度の低下に影響するような原因を取り除く必要がある。

第２の特徴は、前記第１逃げ面の後端側には、前記第１逃げ面に滑らかに繋がる凹形の曲面からなる第２逃げ面が形成されていることである。

このような形状にすることで、切れ刃部より後端側の部分において切れ刃部を支える強度が向上し、切れ刃部の欠けや折損を防止する効果がより高くなる。

第３の特徴は、前記第２逃げ面の後端側には、前記第１逃げ面より逃げ角が大きく、前記第２逃げ面の後端部とはある角度を持って形成され、平面からなる第３逃げ面が形成されていることである。

このような形状とすることで、切れ刃部を形成する加工は、すくい面と第３逃げ面は研磨加工で行うことができ、第１および第２逃げ面のみ集束イオンビームなどによる加工になるため、加工時間を短縮できるとともに加工コストを低減することができる。

第４の特徴は、前記すくい面を上面とした時に、前記第１逃げ面の下端部には、前記第１逃げ面より逃げ角が大きく、かつ前記第３逃げ面と同一平面にある第４逃げ面が形成され、前記第４逃げ面の下端部の稜線の凹凸は３００ｎｍ以下であることである。

このような形状にすることで、第４逃げ面は第３逃げ面とともに研磨加工により形成することができ、第４逃げ面の下端部の稜線は研磨加工により形成される。また、第４逃げ面の逃げ角は第１逃げ面の逃げ角より遙かに大きくなるため、第４逃げ面の下端部に形成される稜線の角度がより大きくなり、稜線に形成される凹凸の大きさを制御しやすくなる。そのため、本発明のような第４逃げ面の下端部の稜線の凹凸を小さくすることが容易になり、切れ刃に切削抵抗がかかった時に第４逃げ面の下端部から亀裂が生じる恐れがより小さくなるので、切れ刃部の欠けや折損を防止することができる。

第５の特徴は、前記第４逃げ面の下端部の稜線部には丸みが形成され、前記丸みの大きさは前記稜線の垂直方向の断面において、半径１００ｎｍ以下であることである。

このような丸みを形成することで、第４逃げ面の下端部から亀裂が生じる恐れがより小さくなるので、切れ刃部の欠けや折損を防止することができる。

第６の特徴は、前記第４逃げ面の逃げ角は、１５°以上４５°以下であることである。

このような逃げ角にすることで、稜線に形成される凹凸の大きさをさらに制御しやすくなり、下端部の稜線の凹凸を小さくすることが容易になる。そのため、切れ刃に切削抵抗がかかった時に第４逃げ面の下端部から亀裂が生じる恐れがより小さくなるので、切れ刃部の欠けや折損を防止することができる。

本発明のダイヤモンド工具は、切れ刃の幅が５μｍ以下、中でも２μｍ以下の切れ刃であっても、切削加工の際にかかる切削抵抗に対して強く、折損や欠けが生じにくい。また、すくい面と対向する側にある稜線部から亀裂などが入りにくく、切れ刃部の折損や欠けをより防止する効果が高くなる。さらには、切れ刃を形成する際に、平面からなる面を研磨加工で仕上げておき、その後集束イオンビームなどにより曲面を含む逃げ面の部分のみ加工すれば良いため、研磨加工を行う際には切れ刃部が欠けたり折損することもなく、しかも集束イオンビームで加工する量を小さくできるので、加工時間やコストを抑制することができる。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の第１の例を図１に示す。また、この工具に形成された切れ刃周辺の拡大図を図２、図３および図４に示す。図１はダイヤモンド切削工具に取り付けるインサート全体の斜視図であり、図２は図１と同じ角度から見た時の切れ刃周辺の拡大斜視図、図３は切れ刃周辺を別の角度から見た拡大斜視図である。図４は切れ刃周辺を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は左側面図である。図５は、図４（ｃ）の切れ刃部周辺を拡大した拡大左側面図である。

図１を参照して、本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具は、工具ホルダ（図示せず）の先端にインサート１が取り付けられる。インサート１は、超硬合金等からなる台金３の先端部にダイヤモンド２が接合され、後端側にはホルダに取り付けるための取付孔４が設けられていて、ねじなどにより工具ホルダに取り付けられる。

図２および図３を参照して、ダイヤモンド２の上面には平坦なすくい面１１が形成され、先端には幅５μｍ以下の切れ刃が形成されている。この切れ刃が形成される部分は平板状になっており、平板状の厚み方向の面の一つがすくい面になるように形成されている。切れ刃は前切れ刃２１と２つの横切れ刃２２が連続する形でコの字状に形成されており、コの字状の部分の幅が切れ刃の幅ｗであり、この幅ｗが５μｍ以下になっている。前切れ刃２１はすくい面１１と前逃げ面１２との境界部に形成される。また、すくい面１と一方の第１逃げ面１３ａとの境界部には一方の横切れ刃２２が形成され、すくい面１１ともう一方の第１逃げ面１３ｂとの境界部にはもう一方の横切れ刃２２が形成されていて、この例では２つの横切れ刃２２は略平行に形成されている。これらのすくい面１１および第１逃げ面１３ａ、１３ｂが平板状の切れ刃を形成している。

第１逃げ面１３ｂの後端側には、この第１逃げ面１３ｂに滑らかに繋がり凹形の曲面からなる第２逃げ面１４が設けられる。そして、この第２逃げ面１４のさらに後端側には、第１逃げ面１３ｂより逃げ角が大きく、第２逃げ面１４の後端部とはある角度を持って形成される第３逃げ面１５が設けられる。この第３逃げ面１５は平面からなる。さらに、すくい面１１を上面とした時に、第１逃げ面１３ｂの下端側には、第１逃げ面１３ｂよりも逃げ角が大きく、かつ第３逃げ面１５と同一平面にある第４逃げ面１６が設けられている。この第４逃げ面１６の下端には稜線２３が形成される。

第１逃げ面１３ｂが設けられる側には、上記のように第２逃げ面１４、第３逃げ面１５、第４逃げ面１６が設けられるが、第１逃げ面１３ａが設けられる側は平面からなる第１逃げ面１３ａが設けられるのみであり、他の面は設けられない。従って、稜線２３は第１逃げ面１３ａと第４逃げ面１６との境界および第１逃げ面１３ａと第３逃げ面１５との境界に連続して形成される。

図４を参照して、切れ刃部の逃げ面の高さ方向（すくい面に垂直な方向）の大きさｔは、コの字状の切れ刃の幅ｗの２倍以上になっている。なお、この大きさｔは切れ刃部全体に亘って一定の大きさとは限らないため、切れ刃部のうち最も小さい部分がコの字状の切れ刃の幅ｗの２倍以上となるように形成する。また、先端逃げ面１２には逃げ角αが設けられており、後端側に後退しているが、この後退している部分は上記の逃げ面の高さ方向の大きさｔには含まない。すなわち、切れ刃部の逃げ面の高さ方向の大きさｔとは、すくい面１１から稜線２３までの大きさのうち、最小の大きさをいう。先端逃げ面１２の逃げ角αの大きさは、切れ刃部の強度を確保する点から１〜１０°とするのが好ましい。また、第１逃げ面１３ａおよび１３ｂの逃げ角βは、同じく切れ刃部の強度を確保する点から０°３０′〜５°とするのが好ましい。

切れ刃が形成された部分の逃げ面すなわち第１逃げ面１３ａ、第１逃げ面１３ｂおよび第４逃げ面１６のうち、少なくともすくい面１１と反対側の端部領域すなわち稜線２３近傍の領域の表面あらさは、ＰＶ値で３〜１００ｎｍになっている。このような表面あらさの非常に小さい面とすることで、稜線２３の凹凸を小さくすることができ、切削加工の際に稜線２３から亀裂などが発生するのを防止することができる。

上記００２８に記載したように、稜線２３は第１逃げ面１３ａと第４逃げ面１６との境界および第１逃げ面１３ａと第３逃げ面１５との境界に連続して形成される。この稜線２３の凹凸は、３００ｎｍ以下になっている。このようにすれば、稜線２３から亀裂などが発生するのをより防止する効果が高くなる。図５は説明のために稜線２３の凹凸を強調して記載したものであるが、凹凸形状は一定の形状ではないため、凹凸の大きさｈは最も凹んでいる部分と最も突出している部分の幅を表すものとし、すくい面１１と平行な方向から見た時の大きさすなわち左側面を見る方向における凹凸の幅とする。

稜線２３には、丸みが形成されている。丸みの大きさは、稜線２３と垂直方向の断面を見た時に丸みの半径が１００ｎｍ以下となるように形成される。このような大きさの丸みにすることで、幅が５μｍ以下の切れ刃を形成した切れ刃部の強度をより向上させることができる。

第４逃げ面１６の逃げ角は１５〜４５°になっている。第４逃げ面１６と第３逃げ面１５は同一平面となっていることから、第３逃げ面１５の逃げ角も同じ逃げ角である。なお、第３逃げ面１５の逃げ角は、図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面におけるすくい面１１と第３逃げ面１５とのなす角である。このような角度にすれば、稜線２３を形成する部分の角度が大きくなる。そのため、第１逃げ面１３ａ、第３逃げ面１５および第４逃げ面１６を研磨加工して稜線２３を形成する際に、稜線２３の凹凸の大きさを制御することが容易になり、凹凸の大きさを小さくすることが可能になる。従って、稜線２３から亀裂が発生するのを防止することができ、強度が高い切れ刃部を形成することが容易になる。

すくい面１１と第３逃げ面１５との境界部には稜線２４が設けられる。この稜線２４の角度は、第３逃げ面１５を設ける角度により決まるが、稜線２４と横切れ刃２２とのなす角δが大きくなるように第３逃げ面１５を形成してやれば、下端部の稜線２３を形成する部分の角度を大きくするのが容易になり、切れ刃部の強度を向上させることができる。このような点から、稜線２４と横切れ刃２２とのなす角δを２０〜４５°するのが好ましい。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の第２の例を図６に示す。この形状は、基本的に第１の例のものと同じであるが、切れ刃部の逃げ面の高さ方向の大きさｔを、コの字状の切れ刃の幅ｗに対して非常に大きくしたものである。このような形状にすれば、切れ刃部の強度がより高くなり、稜線２３から亀裂が発生するのを防止することができる。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の第３の例を図７に示す。この形状は、上記第１の例にあった第２逃げ面１４、第３逃げ面１５、第４逃げ面１６を、第１逃げ面１３ｂが設けられる側だけでなく、第１逃げ面１３ａが設けられる側にも設けたものである。従って、第２逃げ面１４、第３逃げ面１５、第４逃げ面１６は各２つずつ設けられており、２つの第３逃げ面１５の境界および２つの第４逃げ面１６の境界に稜線２３が設けられる。

このような形状にすると、すくい面１１と２つの第３逃げ面１５の境界に設けられた稜線２４と稜線２５のなす角は第１の例の形状に比べて大きくすることができる。これにより、稜線２３を形成する部分の角度が大きくできるので、第３逃げ面１５および第４逃げ面１６を研磨加工し稜線２３を形成する際に、稜線２３の凹凸の大きさを制御することが容易になり、凹凸の大きさを小さくすることが可能になる。従って、稜線２３から亀裂が発生するのを防止することができ、強度が高い切れ刃部を形成することが容易になる。

本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具に取り付けるインサートの例を示す図である。 本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の切れ刃周辺の形状の第１の例を示す拡大斜視図である。 本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の切れ刃周辺の形状の第１の例を示す拡大斜視図である。 本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の切れ刃周辺の形状の第１の例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は左側面図である。 図４（ｃ）の切れ刃部周辺を拡大した図である。 本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の切れ刃周辺の形状の第２の例を示す拡大斜視図である。 本発明の単結晶ダイヤモンド切削工具の切れ刃周辺の形状の第３の例を示す拡大斜視図である。

符号の説明

１ インサート
２ ダイヤモンド
３ 台金
４ 取付孔
１１ すくい面
１２ 前逃げ面
１３ａ、１３ｂ 第１逃げ面
１４ 第２逃げ面
１５ 第３逃げ面
１６ 第４逃げ面
２１ 前切れ刃
２２ 横切れ刃
２３ 稜線
２４ 稜線
２５ 稜線

Claims (4)

1. 幅が５μｍ以下の切れ刃が先端に形成された単結晶ダイヤモンドを有する溝加工用単結晶ダイヤモンド切削工具であって、
   少なくとも前記切れ刃が形成されるすくい面と逃げ面の部分は平板状で、前記平板状の厚み方向の面の一つがすくい面であり、
   前記切れ刃は、前記すくい面と前逃げ面との境界部に形成される前切れ刃と、前記すくい面と２つの第１逃げ面との境界部に形成される２つの横切れ刃とからなり、
   前記切れ刃の稜線は、前記前切れ刃と前記２つの横切れ刃が連続したコの字状であり、
   前記逃げ面の高さ方向（すくい面に垂直な方向）の大きさｔは、前記コの字状切れ刃の幅ｗの２倍以上の大きさで、
   前記切れ刃が形成された部分の逃げ面のうち、少なくとも前記すくい面と反対側の端部領域の表面あらさは、ＰＶ値で３〜１００ｎｍであり、
   前記第１逃げ面の後端側には、前記第１逃げ面に滑らかに繋がり凹形の曲面からなる第２逃げ面が形成されており、
   前記第２逃げ面の後端側には、前記第１逃げ面より逃げ角が大きく、前記第２逃げ面の後端部とある角度を持って形成され、平面からなる第３逃げ面が形成されていることを特徴とする単結晶ダイヤモンド切削工具。
2. 前記すくい面を上面とした時に、前記第１逃げ面の下端部には、前記第１逃げ面より逃げ角が大きく、かつ前記第３逃げ面と同一平面にある第４逃げ面が形成され、前記第４逃げ面の下端部の稜線の凹凸は３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
3. 前記第４逃げ面の下端部の稜線部には丸みが形成され、前記丸みの大きさは前記稜線の垂直方向の断面において、半径１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。
4. 前記第４逃げ面の逃げ角は、１５°以上４５°以下であることを特徴とする請求項３に記載の単結晶ダイヤモンド切削工具。

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