JP2000515818A

JP2000515818A - 切断工具インサートの製造方法

Info

Publication number: JP2000515818A
Application number: JP10508721A
Authority: JP
Inventors: スパーイ，ポウルス・ゲルハルドゥス・ヘンドリクス・マリア; ネリッセン，ヴイルヘルムス・ゲラルダ・マリア; バルテン，ヨハネス・コルネリウス・フランシスカス; レーメンス，エリク
Original assignee: ドレッカー・インターナショナル・ベー・ファウ
Priority date: 1996-07-30
Filing date: 1997-07-30
Publication date: 2000-11-28
Also published as: DE69717635D1; AU3786997A; US6353204B1; DE69717635T2; WO1998004382A1; ATE228914T1; EP0920363A1; EP0920363B1

Abstract

(57)【要約】ダイヤモンド又はその他の超硬材料の層（２０）の上に刃部分（３０）を形成する方法であって、その両側部に主要な平坦面（Ｄ１、Ｄ２）を有する材料の板を提供するステップと、主要面（Ｄ１、Ｄ２）に対して横断状に該板をレーザ切断し、２つ以上の層（２０）を形成し、該層の各々が該レーザカットにより製造された面（２６）の上に画成された刃部分３０）を有するようにするステップと、該刃部分（３０）に対しイオン衝撃エッチングを行うステップとを含む方法である。この方法にて形成された端縁を有するダイヤモンド又はその他の超硬材料の層は、工具インサートとして、特に、外科手術用ブレードとして有用である。

Description

【発明の詳細な説明】切断工具インサートの製造方法発明の背景本発明は、単結晶又は多結晶ダイヤモンドで出来た外科手術用ブレードのような切断工具インサートの製造方法に関する。ダイヤモンドは、特に、眼の手術（眼科学(ophthalmology)）にて使用する外科手術用メスの極限的材料として、1970年代の初め以降、成功裡に使用されている。その硬度、強度及び完全な結晶状の性質は、眼科学に必要とされる、例えば、100倍の倍率の顕微鏡検査下にて欠点のない刃部分を製造することを可能にする。ダイヤモンドインサートを備える外科手術用器具は、切断抵抗を少なくし且つ切断される組織の変形が少なく、よって、手術の精度を向上させることを可能にすることにより鋼製のメスの性能を上廻る。このことは、ある種の手術は１／ 100ｍｍ又はそれ以上の手術精度を必要とするため、特に重要なことである。天然のダイヤモンドの価格が比較的高く且つこの超硬度の材料を加工するに伴うコストは、その適用を特定の市場分野に制限している。近年、天然のダイヤモンドよりも著しく低価格の多結晶ダイヤモンド膜の合成方法が開発されている。より重要なことは、直径が10ｃｍ以上のダイヤモンドパネルを製造することが今や可能なことである。このことは、遥かに大形の製品を製造することを可能にする。例えば、１ｃｍ以上の寸法の天然のダイヤモンドは稀であり、極めて高価である。実際には、この理由のため、外科手術用メスは、８ｍｍ以下の長さのものに制限されている。多結晶ダイヤモンドの基本的性質は、そのダイヤモンドを外科手術用メスにて使用するのに適したものにするが、単結晶ダイヤモンドを加工する従来の方法は、多結晶材料に適用するのに適していない。例えば、単結晶メスの単一の小面を研磨するのに必要な時間は、数分程度である。同一の方法を多結晶材料に使用したとき、何時間も必要となり、このため、その材料のコスト上の利点が失われる。更に、研磨工程中、刃部分が欠けるのを避けることは極めて難しいため、形成される刃部分は必要とされる品質を得ることができない。ダイヤモンド業界にて公知であるダイヤモンド製品を整形する実際的な方法は、通常、Ｎｄ−ＹＡＧレーザビームを使用して材料をレーザ切断することである。この方法は、図１に示すような典型的なプロファイルを生じさせる。この図を参照すると、レーザビーム１０の入射側において、材料の端縁１２が丸くされて、いわゆる肩部を形成することが理解できる。例えば、端縁半径が小さく且つ夾角が60°以下であることを特徴とする鋭利な刃部分を製造することを目的とするならば、この肩部は不利益なものとなる。１つの代替的な方法は、レーザビーム１４の出口を使用して刃部分１６（図２）を形成することである。この方法は、欧州特許第Ａ-720887号の主題である。この方法は、小さい端縁半径及び小さい夾角を形成するが、出口端縁にて実現される品質は、波形の形態の凹凸及びレーザ切断に特有のより粗い小面によって制限される。発明の概要本発明によれば、超硬度の材料層上に刃部分を形成する方法は、その両側部に主要な平坦面を有する、材料の板を提供するステップと、主要な面を横断するように板を切断して、レーザにより形成された面の上に画成された刃部分を各々有する２つ以上の層を形成するステップと、刃部分に対してイオン衝撃エッチング（イオン・ビーム・ミーリングとしても公知）を行うステップとを含んでいる。この刃部分は、典型的に、レーザカットにより形成された面と板の主要面との間に画成される。更に、本発明によれば、この方法は、レーザ切断の前又はその後に、板の他の面すなわち主要面の一方又は双方をイオンビームで平滑にするステップを含んでいる。このイオンビーム平滑化は、切断中の摩擦を少なくし、レーザカットにより製造される最初の刃部分を改良することにつながることが分かった。製造された刃部分は、単一の小面又は多数の小面を有する刃部分とすることができる。これと代替的に、かかる刃部分を２つ以上、提供することもできる。単一又は２つ以上の刃部分は直線状又は湾曲状とし、若しくはその組み合わせとすることとができる。刃部分は非対称とし又は対称とすることができる。ブレードの点にて非対称の刃部分は、刃部分を形成する２つの交差面の一方がブレード自体の面である刃部分をいう。ブレードの点にて対称の刃部分は、刃部分を形成する２つの交差面の何れもがブレード自体の面ではない刃部分である。図面の簡単な説明図１及び図２は、従来技術に従ってレーザビームにより切断したダイヤモンド板の概略図である。図３は、ダイヤモンドに対するイオン衝撃エッチングの入射角度に関する典型的なエッチング率を示すグラフである。図４、図５、図６及び図７は、それぞれ、本発明の２つの実施の形態の側面断面図及び斜視図である。図８及び図９は、本発明の更なる実施の形態のそれぞれ平面図及び斜視図である。図１０は、本発明の更なる実施の形態の断面側面図である。図１１は、刃部分の頂点半径を示す図である。実施の形態の説明本発明は、切断工具、より特定的には、ダイヤモンド切断工具用の切断ブレードの製造に適用される。本発明は、性質上、多結晶であるダイヤモンドに最も広く適用されているが、このダイヤモンドは、性質上、単結晶又は多結晶のものとすることができる。このダイヤモンドは天然のものでよいが、合成して製造したものであることが好ましく、また、化学的蒸着法（ＣＶＤ）により製造したものであることがより好ましい。レーザカットを行うために使用されるレーザビームは、当該技術にて公知の任意のものとすることができ、典型的に、Ｎｄ−ＹＡＧビームである。イオン衝撃エッチングは、好ましいガス源として、アルゴンを使用して、中性化されることが好ましい、イオンビームを使用して行われる。このイオンの衝撃は、材料の性質によって決まる速度にて材料をエッチング処理する。ダイヤモンドの場合、その速度は、約0.05乃至10μｍ／時である。エッチング速度は、入射角度の関数であることが分かった。最高のエッチング速度は、図３に示したグラフから理解し得るように、54°の入射角度にて測定されたものである。最高のエッチング速度は、約54°にて典型的に生ずるが、この角度（α）はエッチング状態に依存する。アルゴンを使用する、適当なイオン衝撃エッチング状態の一例は、イオンビームを加速するための250乃至1500ボルトの電圧とし且つ0.2ｍＡ／ｃｍ²乃至20ｍＡ／ｃｍ²の範囲の電流密度とするものである。これらの状態は、材料の表面から１乃至50μｍの厚さの層を除去するのに適した時間、保たれる。イオン衝撃エッチングと同様の状態は、板又は層の２つ以上の面を平滑にするイオンビームについて使用することができる。イオンビームの入射角度は、典型的に、約０°（表面に対して直角）であり、静止型とし又は振動型とすることができる。本発明は、極めて薄い刃部分、及び頂部半径が50ｎｍ以下、好ましくは、20ｎｍ以下の刃部分を製造することができる。本発明の方法は、切断工具インサート、特に、外科手術用ブレードの高品質で鋭利な刃部分を製造するために使用することができる。更に、本発明は、刃部分となる表面又は小面の表面品質を改良するために使用することもできる。このことは、かかる面のＬ_pの値（この値は、面の平滑さについて許容される標準的な測定値である）を小さくし、これにより、組織を切断する間のブレードの抵抗を少なくするため、外科手術用ブレードとして特に重要なことである。本発明の１つの実施の形態において、多結晶ＣＶＤダイヤモンド板は、２つに切って、図１又は図２に示すように、多結晶ＣＶＤダイヤモンドの２つの層を形成する。層の端縁、例えば、端縁１２又は１６は、その後に、イオンビーム衝撃エッチングを施して、鋭利な刃部分を形成する。Ｄ１及びＤ２として示した、板の主要な平坦面（研磨されてない場合）は、レーザカットを行う前に、イオンビームで平滑にすることが好ましい。エッチング程工中に行われるダイヤモンドの除去の結果、入射角度０°のとき、すなわちイオンビームが表面に対して直角のとき、図４及び図５から理解し得るように、入射角度（α）にて端縁が形成される。これらの図を参照すると、ダイヤモンド切断ブレード２０は、レーザカットにより形成された対向する平坦な長手方向面２２、２４と、横断面２６とを有している。中性化したイオンビームであることが好ましいイオンビームは、矢印２８の方向に、すなわち面２４に対して直角に切断工具に向けられる。このことは、上述したように、刃部分３０にて夾角（α）を形成する。この角度は、初期の断面積から独立しており、このため、本発明の方法は、従来技術のレーザカットに見られるような（図１参照）レーザカットの肩部及び端縁の半径を解消する。イオンビームを適度に傾け且つ入射角度を０°以上、例えば、10°に選択することにより、イオンビームエッチングによる夾角を小さくすることが可能である。更に、本発明の方法は、エッチング工程中、製品を回転させることにより多数の小面を有する製品にて有効に適用することができる。図６及び図７に示すように、夾角（α）を更に小さくすることが可能である。これらの図において、図４及び図５と同様の部品は、同様の参照番号で示してある。イオンビームエッチングを使用すれば、材料層を面２２の１つから除去して、著しく小さい夾角（α）及び極めて鋭利で且つ細い刃部分３０を残すことができる。また、このイオンビームエッチングは、面２２を平滑にする効果がある。このエッチング又は平滑化は、例えば、矢印で示すように、入射角度にてダイヤモンドをイオンエッチングすることにより実現することができ、この入射角度は、刃部分３０に対して平行に又は刃部分から離れるように傾けることができる。この刃部分３０は、ブレードの面２２とレーザカットにより製造された面２６との間に形成され、このため、非対称の刃部分となる。この入射角度は、面２２にてミクロ小面が形成されるのを防止するため、全体として50°以上である。図４及び図５に図示したブレードから多数の小面を有する切断ブレードを製造することが可能である。この多数の小面ブレードは、図８及び図９に図示してある。この場合にも、同様の部品は同様の参照番号で表示してある。イオンビームが矢印１３の方向に振動すると、図８に図示するように、多数の小面から成るブレードが形成される。この多数の小面から成るブレードは、点３６にて合わさる刃部分３２、３４を有している。残りの数字について、図４及び図５の部品と同様の部品は同様の参照番号で表示する。イオンビームの振動又は回転は、零以外の角度の場合にのみ必要とされる。０°のエッチング処理の場合、回転又は振動は一切、必要ない。同様の方法にて湾曲した刃部分を形成することができる。ミクロ平坦面をレーザ整形刃部分まで研磨し、その後にミクロ小面を鈍角な端縁まで研磨することにより、波状部分のない刃部分を形成することができる。この実施の形態は、図１０に図示されており、この図において、図４及び図５に図示したものと同様の部品は同様の参照番号で表示してある。これらの図面を参照すると、レーザカットにより形成された面２６は、ミクロ平坦面３８を形成し得るように研磨し、その後に、ミクロ小面４０をその鈍角な端縁となるように研磨することができる。この研磨は、機械的又は熱機械的なものとすることができる。除去される材料は、極めて少量であるため、このことは、比較的迅速に行うことができる。次に、ブレードは、図４及び図５の実施の形態に関して上述したように、イオンビームエッチングにより鋭利にして、破線４２で示すように、小さい小面４０の残りを除去する。このことは、極めて鋭利で平滑な刃部分を提供することになる。この刃部分は、参照番号４４で図示してある。しかしながら、３８及び４０における材料の除去は極めて僅かであるから、イオンビームエッチングは、レーザカット面２６と面２２との間に画成された刃部分３０を効率的に鋭角にする。上述したように、本発明は、極めて薄い刃部分を形成することができ、また、頂点半径が50ｎｍ以下、好ましくは、20ｎｍ以下の刃部分を形成することができる。全ての刃部分の場合、如何に薄くても、ある頂点半径はある。この頂点半径は、図１１に図示した「ｒ」である。この刃部分は参照番号４４で示してあり、又、刃部分となる面は、参照番号４６、４８で示してある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者ネリッセン，ヴイルヘルムス・ゲラルダ・マリアオランダ王国エヌエル―5863 ベーイェーブリッターズヴァイク，ヴァーン・ラインデンストラート 17 (72)発明者バルテン，ヨハネス・コルネリウス・フランシスカスオランダ王国エヌエル―5831 エムゲーボクスマイアー，クヴィクストラート 36 (72)発明者レーメンス，エリクオランダ王国エヌエル―5831 テーエムボクスマイアー，エールデロム 31529

Claims

【特許請求の範囲】１．超硬材料の層（２０）の上に刃部分（３０）を形成する方法において、その両側部に主要な平坦面（Ｄ１、Ｄ２）を有する材料の板を提供するステップと、主要面（Ｄ１、Ｄ２）に対して横断状に該板をレーザ切断し、２つ以上の層（２０）を形成し、該層の各々が該レーザカットにより製造された面（２６）の上に画成された刃部分（３０）を有するようにするステップと、該刃部分（３０）に対してイオン衝撃エッチングを行うステップとを含む、方法。２．請求項１に記載の方法において、刃部分（３０）が、レーザカットにより形成された面（２６）と板の主要面（Ｄ１、Ｄ２）との間に画成される、方法。３．請求項１又は２に記載の方法において、板の主要面（Ｄ１、Ｄ２）の一方又は双方が、レーザ切断前にイオンビームで平滑にされる、方法。４．請求項１乃至３の何れかに記載の方法において、イオン衝撃エッチング用のイオンビームの入射角度が０°である、方法。５．請求項１乃至３の何れかに記載の方法において、イオン衝撃エッチング用のイオンビームの入射角度が０°以外である、方法。６．請求項１乃至５の何れかに記載の方法において、イオン衝撃エッチング用のイオンビームが中性化したイオンビームである、方法。７．請求項１乃至６の何れかに記載の方法において、イオン衝撃エッチングのイオンビーム用のガス源がアルゴンである、方法。８．請求項７に記載の方法において、イオン衝撃エッチング状態が、イオンビームを加速するための250乃至1500ボルトの電圧及び0.2ｍＡ／ｃｍ²乃至20ｍＡ／ｃｍ²の範囲の電流密度であり、材料の表面から１乃至50μｍの厚さの層を除去するのに適した時間、これらの状態が保たれる、方法。９．請求項１乃至８の何れかに記載の方法において、超硬材料がダイヤモンドである、方法。１０．請求項９に記載の方法において、ダイヤモンドが単結晶ダイヤモンドである、方法。１１．請求項９に記載の方法において、ダイヤモンドが多結晶ダイヤモンドである、方法。１２．請求項９乃至１１の何れかに記載の方法において、ダイヤモンドがＣＶＤダイヤモンドである、方法。１３．請求項９乃至１２の何れかに記載の方法において、イオン衝撃エッチングが、0.05乃至１０μｍ／時の速度にて材料を除去する、方法。１４．請求項１乃至１３の何れかに記載の方法において、形成された刃部分が、 50ｎｍ以下の頂点半径を有する、方法。１５．請求項１乃至１３の何れかに記載の方法において、形成された刃部分が、 20ｎｍ以下の頂点半径を有する、方法。１６．請求項１乃至１５の何れか１つの方法により製造された刃部分（３０）を有する超硬材料の層（２０）を備える、切断工具インサート。１７．外科手術用ブレードである、請求項１６に記載の切断工具インサート。