JP2003251512A - ダイヤモンド工具及びこれを用いた穿孔方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】硬質脆性材料からなる被加工物に対して深穴加
工や小径の穴開け加工を容易に行うことができるように
する。 【解決手段】工具本体１２の外周面に、その後端から先
端に向かって延びる螺旋溝５を形成するとともに、工具
本体１２の先端にスクイ面３と逃げ面２及びこれらの間
に形成される刃先の面取り部４を設け、上記工具本体１
２の少なくとも先端部表面にダイヤモンド砥粒１０を固
着したダイヤモンド工具１を用い、ダイヤモンド工具１
の螺旋溝５方向とは異なる方向に回転させ、螺旋溝５に
クーラント液を供給しながら被加工物５０に押し当てる
ことにより穴開け加工を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばセラミック
ス、ガラス、単結晶シリコン板、ガラスカーボンなどの
硬質脆性材料からなる被加工物に対し、穴開け加工を行
うのに用いるダイヤモンド工具とこれを用いた穿孔方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造装置部品には多くのセ
ラミック部品が利用されている。これらのセラミック部
品の精度は益々厳しくなってきており、特に穴ピッチや
穴径などの精度は厳しく、焼成後に研削加工を施さない
と、部品としての精度の要求を満たせない状況となって
いる。その為、セラミック部品等の硬質脆性材料への穴
開け加工が重要視されている。

【０００３】これまで、セラミックス、ガラス、単結晶
シリコン板、ガラスカーボンのような硬質脆性材料への
穴開け加工に関しては、超硬合金からなる切削工具では
刃が立たないため、ダイヤモンド砥粒を固着したダイヤ
モンド工具が利用されている。

【０００４】従来のダイヤモンド工具としては、図６に
示すような金属からなる丸棒状をした工具本体２２の先
端端面及び側面にダイヤモンド砥粒１０をニッケルメッ
キにて電着させたものや、図７に示すような金属からな
る円筒状をした工具本体３２の先端端面及び内外周面に
ダイヤモンド砥粒１０を固着したコアードリルと呼ばれ
るものが用いられている。

【０００５】また、切削用のダイヤモンド工具として、
図８に示すように、超硬合金からなる丸棒状をした工具
本体４２の外周面に、その後端から先端に向かって時計
回り延びる螺旋溝４５を有し、上記工具本体４２の先端
には、スクイ面４３と逃げ面４２とから構成される切り
刃４４を有するツイストドリルの先端部表面にダイヤモ
ンド砥粒１０を固着したものが提案されている（特開平
１１−４８０１６号公報）。

【０００６】一方、図６示す無垢形状のダイヤモンド工
具２１による穿孔方法は、図９に示すように、ダイヤモ
ンド工具２１に時計回りの回転力を付与し、クーラント
液を供給しつつ、被加工物５０に押し当てることによ
り、被加工物を形成するセラミックス等の粒子をダイヤ
モンド砥粒１０によって、磨砕、脱落させ、被加工物５
０に穴を穿孔するようになっていた。

【０００７】また、図７のコアードリル形状のダイヤモ
ンド工具３１による穿孔方法は、図１０に示すように、
ダイヤモンド工具３１に時計回りの回転力を付与し、ク
ーラント液を供給しつつ、被加工物５０に押し当てるこ
とにより、被加工物を形成するセラミックス等の粒子を
ダイヤモンド砥粒１０によって、磨砕、脱落させ、被加
工物５０に穴を穿孔するようになっていた。

【０００８】さらに、図８のツイストドリル形状のダイ
ヤモンド工具４１による穿孔方法は、図１１に示すよう
に、ダイヤモンド工具２１に時計回りの回転力を付与
し、クーラント液を供給しつつ、被加工物５０に押し当
てることにより、被加工物５０を形成するセラミックス
等の粒子を切り刃４４に固着させたダイヤモンド砥粒１
０によって、切除、磨砕、脱落させ、被加工物５０に穴
を穿孔するようになっていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、いずれの穿
孔方法も、被加工物５０とダイヤモンド工具２１，３
１，４１との間に生じる摩擦によって加工熱が発生し、
ダイヤモンド工具２１，３１，４１の寿命を著しく低下
させると同時に、ダイヤモンド砥粒１０によって破壊さ
れた被加工物５０の加工屑が、ダイヤモンド砥粒１０の
間のポケットに残留すると加工効率を悪化させることか
ら、ダイヤモンド工具２１，３１，４１の先端にいかに
十分な量のクーラント液を供給し、加工熱を抑えかつ加
工屑を排除するかが重要である。

【００１０】しかしながら、図６に示す無垢形状のダイ
ヤモンド工具２１では、被加工物５０に深穴や細径穴を
開ける場合、クーラント液が穴の底まで供給できず、冷
却及び研削屑の排出が困難となり易く、その結果、被加
工物５０の加工速度を速くすることができないといった
課題があった。また、無理に加工速度を上げると、被加
工物５０が加熱されて無理な負荷が発生し、その結果、
被加工物５０が破損してしまうこともあった。

【００１１】また、図７に示すコアードリル形状のダイ
ヤモンド工具３１では、工具本体３２の中央部に貫通孔
３２ａを有するため、この貫通孔３２ａからクーラント
液を吐出することにより、研削屑の排出と冷却を行うこ
とができるものの、有底の穴を開ける場合、被加工物側
にコアー芯が残るといった課題があるとともに、穴径が
小さくなると、工具本体３２の軸心に貫通孔３２ａを形
成することができず、小径の穴開けを要する被加工物に
は適さないといった課題があった。

【００１２】また、図８に示すツイストドリル形状のダ
イヤモンド工具４１では、図６や図７に示すダイヤモン
ド工具２１，３１と比較してクーラント液の供給による
研削屑の排出及び冷却が可能であるものの、この工具４
１による加工は、切れ刃４４に固着したダイヤモンド砥
粒１０による剪断によって微少な切除を繰り返す切削加
工であるため、硬質脆性材料を加工する場合、送り速度
を速くすることができないといった課題があった。

【００１３】また、鋭利な角度を有する切れ刃４４に固
着されたダイヤモンド砥粒１０は脱落し易く摩耗が激し
いため、工具寿命が短いといった課題もあった。

【００１４】さらに、ツイストドリルにおける螺旋溝４
５の本来の目的は、クーラント液とともに加工屑を排出
するためのものであるため、図６や図７に示すダイヤモ
ンド工具２１，３１と比較してクーラント液を供給し易
いといっても工具先端まで十分な量のクーラント液を供
給することは難しく、その結果、例えば穴径が３ｍｍ以
下の小径穴加工や、工具径の３倍を超える深穴加工を施
すことは難しいものであった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、上記課題に鑑
み、本発明のダイヤモンド工具は、工具本体の外周面
に、その後端から先端に向かって延びる螺旋溝を形成す
るとともに、上記工具本体の先端にスクイ面と逃げ面及
びこれらの間に形成される刃先の面取り部を設け、上記
工具本体の少なくとも先端部表面にダイヤモンド砥粒を
固着したことを特徴とする。

【００１６】なお、上記工具本体の先端角は９０°〜１
８０°とすることが好ましく、また、上記面取り部は曲
面又は傾斜面とし、この面取り部にもダイヤモンド砥粒
を固着することが良い。

【００１７】また、本発明は、上記ダイヤモンド工具を
用いて穴を穿孔するにあたり、ダイヤモンド工具の螺旋
溝にクーラント液を供給しつつ、上記ダイヤモンド工具
を、その工具本体の後端から先端に向かって延びる螺旋
溝の回転方向と逆方向に回転させながら被加工物に押し
当てて穴を穿孔するようにしたことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１９】図１は本発明に係るダイヤモンド工具の一
例を示す図で、同図（ａ）は側面図、同図（ｂ）は正面
図である。図２は本発明に係るダイヤモンド工具による
穴開け機構を示す模式図である。図３は本発明に係るダ
イヤモンド工具の穿孔方法を示す模式図である。

【００２０】図１に示す本発明のダイヤモンド工具１
は、丸棒状をした工具本体１２の外周面に、その後端か
ら先端に向かって延びる螺旋溝５を有するとともに、上
記工具本体１２の先端にはスクイ面３と逃げ面２及びこ
れらの間に形成される刃先の面取り部４を有し、少なく
とも工具本体１２の先端部表面にダイヤモンド砥粒１０
を固着してある。

【００２１】ここで、刃先の面取り部４とは、スクイ面
３と逃げ面２とで形成される鋭利な切り刃を切り欠いた
面のことであり、図２（ａ）に示すような傾斜面、ある
いは図２（ｂ）に示すような曲面とすることが好まし
い。

【００２２】このように面取り部４を形成するのは、本
発明のダイヤモンド工具１は、図８に示すダイヤモンド
工具４１とは異なる方法で穴開け加工を行うからであ
る。

【００２３】即ち、本発明のダイヤモンド工具１による
穿孔方法は、図２に示すように、逃げ面２を被加工物５
０に押し当てて穴開けを行うため、図８に示すダイヤモ
ンド工具４１の切り刃４４を必要とせず、逆に切り刃４
４があると、大きな研削抵抗が作用したり、加工時の振
動を受けると、切り刃４４の近傍を起点としてダイヤモ
ンド砥粒１０の脱粒やニッケルメッキの剥がれが生じ易
いといった不具合が生じるからである。

【００２４】なお、面取り部４にもダイヤモンド砥粒１
０を固着しておくことが好ましく、このような構造とす
れば、スクイ面３方向から被加工物５０に押圧して回転
させても、スクイ面３が負角を構成するため、研削加工
と同様な機構で被加工物５０への加工を行うことができ
る。

【００２５】また、本発明のダイヤモンド工具１に備え
る螺旋溝５は、図８に示すダイヤモンド工具４１のよう
に加工屑を排出するためのものではなく、クーラント液
を工具先端に供給するためのものであり、それ故、本発
明において姪螺旋溝５は、工具本体１２の後端から先端
に向かう時計回りであっても、工具本体１２の後端から
先端に向かう反時計回りであってもいずれでも構わな
い。

【００２６】さらに、工具本体１２の先端角δは９０°
〜１８０°とすることが好ましい。

【００２７】ここで、工具本体１２の先端角δとは、工
具本体１２の先端に捩れを伴った螺旋溝５とマージン部
６が共に形成された先端の角度のことであり、この先端
角δが９０°よりも小さいと、外周近傍の刃先スクイ角
が小さくなるため、刃先の強度がなくなると同時に、刃
先がないチゼル部が長くなるため、より研削抵抗が増し
て研削性に悪影響を与えるからであり、逆に先端角δが
１８０°よりも大きくなると、工具本体１２のセンタリ
ングができなくなるからである。

【００２８】その為、工具本体１２の先端角δは９０°
〜１８０°とすることが必要であり、研削抵抗の低減と
工具寿命の向上の点で先端角δを１１０°〜１５０°と
することが好ましい。なお、図４（ａ）（ｂ）は先端角
δを１８０°とした本発明のダイヤモンド工具１を示し
たものである。

【００２９】ところで、本発明のダイヤモンド工具１を
形成する工具本体１２としては、コバルト入りハイス鋼
や超硬合金等を用いることができ、工具本体１２の先端
表面に固着するダイヤモンド砥粒１０としては、合成ダ
イヤモンド粒子、天然ダイヤモンド粒子、ニッケル膜で
被覆した合成ダイヤモンド粒子を用いることができる。
そして、ダイヤモンド砥粒１０を工具本体１２に固着す
るには、例えば、ニッケルメッキにて電着をさせれば良
い。

【００３０】次に、本発明のダイヤモンド工具１を用い
た穿孔方法について説明する。

【００３１】本発明のダイヤモンド工具１を用いてセラ
ミック基板等の被加工物５０に穴開け加工を行うには、
まず、ダイヤモンド工具１の先端部の折損を防止するた
めに、大きめの工具で、クーラント液を工具外部より供
給しながら揉み付けを行う。次に、穴開けに用いるダイ
ヤモンド工具１の螺旋溝５にクーラント液を供給しつ
つ、ダイヤモンド工具１を回転させながら被加工物５０
に押し当てる。この時、少し切り込んではダイヤモンド
工具１を一旦持ち上げ、また、少し切り込んではダイヤ
モンド工具１を持ち上げるスッテプフィード加工を行
い、所望の穴形状に加工するのであるが、例えば、穴径
が２ｍｍ〜５ｍｍの穴を穿孔する場合、その加工条件
は、回転数３０００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍ、送り速度
３ｍｍ／ｍｉｎ〜１５ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量０．１
ｍｍ〜０．４ｍｍとすれば良い。

【００３２】そして、本発明の穿孔方法によれば、図３
に示すように、ダイヤモンド工具１として螺旋溝５を工
具本体１２の後端から先端に向かって時計回りに形成し
たものを用いる場合、ダイヤモンド工具１を反時計回り
に回転させ、また、図４に示すように、ダイヤモンド工
具１として螺旋溝５を工具本体１２の後端から先端に向
かって反時計回りに形成したものを用いる場合、ダイヤ
モンド工具１を時計回りに回転させることを特徴とす
る。

【００３３】このように、螺旋溝５の螺旋方向と逆向き
の回転を与えることで、図２（ａ）（ｂ）に示すよう
に、ダイヤモンド工具１先端の逃げ面２に固着させたダ
イヤモンド砥粒１０による研削加工を行うことができ、
また逃げ面２が断続的に被加工物５０と接触することか
ら、一部のダイヤモンド砥粒１０に研削抵抗が集中せ
ず、また、断続的に押圧するので、大きなポケットの役
割を果たし、加工屑の排出が容易となる。また、断続的
な加工となるため、工具本体１２が発熱し難く、加工熱
の発生を抑えることもできる。その結果、加工速度を速
くすることができ、加工時間を短くすることができる。

【００３４】また、螺旋溝５の螺旋方向と逆向きの回転
を与えることで、工具１の先端に負圧が発生し、クーラ
ント液を螺旋溝５を伝って工具先端にまで供給すること
ができるため、工具先端に十分な量のクーラント液を供
することができるため、小径の穴加工や深穴加工であっ
ても被加工物５０を破損させることなく穿孔することが
できる。

【００３５】なお、本発明の穿孔方法では、通常の切削
加工のような切り屑の大量発生がなく、加工中の穴の内
周壁面やダイヤモンド工具１のマージン部６の壁面を伝
って研削屑の排出が行われる。

【００３６】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明はこれらの実施形態だけに限定されるもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば、改良
や変更したものにも適用できることは言うまでもない。

【００３７】

【実施例】ここで、図１に示す本発明のダイヤモンド工
具１と、図６及び図８に示す従来のダイヤモンド工具２
１，４１とを用い、被加工物に穴開け加工を施した時の
寿命について比較する実験を行った。

【００３８】本発明のダイヤモンド工具１には、工具本
体１２の外周面に後端から先端に向かって時計回りに形
成した螺旋溝１５を有し、工具本体２の先端角δを１３
５°、ねじれ角を３０°、先端刃先部の逃げ角を２０°
とし、その先端表面にダイヤモンド砥粒１０を固着した
ものを用い、螺旋溝５を図３に示すように工具本体１２
の後端から先端に向かって時計回りに形成したものと、
図４のように工具本体１２の後端から先端に向かって反
時計回りに形成したものをそれぞれ用意した。

【００３９】そして、螺旋溝５を工具本体１２の後端か
ら先端に向かって時計回りに形成した本発明のダイヤモ
ンド工具１は図３に示すように反時計回りに回転させて
穴開け加工を行い、また、螺旋溝５を工具本体１２の後
端から先端に向かって反時計回りに形成した本発明のダ
イヤモンド工具１は図４に示すように時計回りに回転さ
せて穴開け加工を行うようにした。

【００４０】一方、図６に示す従来のダイヤモンド工具
２１には、丸棒状の工具本体２２の先端にダイヤモンド
砥粒１０を固着したものを用い、時計回りに回転させて
穴開け加工を行った。

【００４１】また、図８に示す従来のダイヤモンド工具
４１には、工具本体４２の外周面に後端から先端に向か
って時計回りに形成した螺旋溝４５を有し、工具本体４
２の先端角を１３５°、ねじれ角３０°、先端刃先部の
逃げ角を２０°としたツイストドリルの先端表面にダイ
ヤモンド砥粒１０を固着したものを用い、時計回りに回
転させて穴開け加工を行った。

【００４２】なお、被加工物には、厚みが１５ｍｍのア
ルミナ純度９９．５％であるアルミナセラミック板を用
い、各工具１，２１，４１の工具径は４．３ｍｍとし
た。

【００４３】そして、加工条件は回転方向以外一定と
し、回転数４０００ｒｐｍ、送り速度１２ｍｍ／ｍｉ
ｎ、切り込み量０．３ｍｍの１ステップフィード加工を
行った。

【００４４】この結果、図８に示す従来のダイヤモンド
工具４１は９０個の穴開け加工しかでず、また、図６に
示す従来のダイヤモンド工具２１にあっては８０個の穴
開け加工しかできなかったのに対し、本発明のダイヤモ
ンド工具１は、いずれも１５６個の穴開け加工が可能で
あった。

【００４５】次に、被加工物に、厚みが２０ｍｍのアル
ミナ純度９９．５％であるアルミナセラミック板を用
い、加工条件を回転方向以外一定とし、回転数４０００
ｒｐｍ、送り速度６ｍｍ／ｍｉｎ、切り込み量０．２ｍ
ｍの１ステップフィード加工を行い、貫通穴を穿孔する
のに要する時間について測定する実験を行った。

【００４６】この結果、従来のダイヤモンド工具２１，
４１は共に５分以上の加工時間を要したのに対し、本発
明のダイヤモンド工具１を用い、本発明の穿孔方法を用
いたものは、いずれも１分以に加工することができ、従
来例と比較して約５倍以上も速く加工することができ
た。

【００４７】

【発明の効果】以上のように、本発明のダイヤモンド工
具によれば、工具本体の外周面に、その後端から先端に
向かって延びる螺旋溝を形成するとともに、上記工具本
体の先端にスクイ面と逃げ面及びこれらの間に形成され
る刃先の面取り部を設け、上記工具本体の少なくとも先
端部表面にダイヤモンド砥粒を固着するようにしたこと
から、研削加工によって穴開けを行うことができ、研削
速度を速めることができるため、加工時間を短縮するこ
とができる。

【００４８】また、上記工具本体の先端角を９０°〜１
８０°とすることで、研削抵抗を低減することができ
る。

【００４９】さらに、上記面取り部を曲面又は傾斜面と
し、この面取り部にもダイヤモンド砥粒を固着すること
で、さらに研削性能を高めることができるとともに、ダ
イヤモンド砥粒の脱粒を抑制し、工具寿命を向上させる
ことができる。

【００５０】また、本発明は、上記ダイヤモンド工具を
用いて穴を穿孔するにあたり、ダイヤモンド工具の螺旋
溝にクーラント液を供給しつつ、上記ダイヤモンド工具
を、その工具本体の後端から先端に向かって延びる螺旋
溝の回転方向と逆方向に回転させながら被加工物に押し
当てて穴を穿孔するようにしたことから、ダイヤモンド
工具の螺旋溝よりクーラント液を工具先端まで供給する
ことができるため、微小穴や深穴加工でも被加工物を破
損させることなく穿孔することができるとともに、研削
にて加工することができるため、工具の摩耗を抑え、工
具寿命を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るダイヤモンド工具の一例を示す図
で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は本発明に係るダイヤモンド工具
のさまざまな先端形状を示す部分拡大断面図である。

【図３】本発明に係るダイヤモンド工具による穴開け加
工状態を示す模式図である。

【図４】本発明に係る他のダイヤモンド工具による穴開
け加工状態を示す模式図である。

【図５】本発明に係るダイヤモンド工具の他の例を示す
図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。

【図６】従来のダイヤモンド工具の一実施例を示す側面
図である。

【図７】従来のダイヤモンド工具の一例を示す側面図で
ある。

【図８】従来のダイヤモンド工具の他の例を示す側面図
である。

【図９】図６のダイヤモンド工具による穴開け加工状態
を示す模式図である。

【図１０】図７のダイヤモンド工具による穴開け加工状
態を示す模式図である。

【図１１】図８のダイヤモンド工具による穴開け加工状
態を示す模式図である

【符号の説明】

１、２１、３１、４１…ダイヤモンド工具 ２、４２…逃げ面 ３、４３…スクイ面 ４…面取り部 ５、４５…螺旋溝 ６…マージン部 １０…ダイヤモンド砥粒 １２、２２、３２、４２…工具本体 δ…先端角

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具本体の外周面に、その後端から先端に
   向かって延びる螺旋溝を有するとともに、上記工具本体
   の先端にスクイ面と逃げ面及びこれらの間に形成される
   刃先の面取り部を備え、上記工具本体の少なくとも先端
   部表面にダイヤモンド砥粒が固着してあることを特徴と
   するダイヤモンド工具。
2. 【請求項２】上記工具本体の先端角が９０°〜１８０°
   であることを特徴とする請求項１に記載のダイヤモンド
   工具。
3. 【請求項３】上記面取り部は曲面又は傾斜面からなり、
   該面取り部にもダイヤモンド砥粒を固着してあることを
   特徴とする請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド
   工具。
4. 【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の
   ダイヤモンド工具の螺旋溝にクーラント液を供給しつ
   つ、上記ダイヤモンド工具を、その工具本体の後端から
   先端に向かって延びる螺旋溝の回転方向と逆方向に回転
   させながら被加工物に押し当てて穴を穿孔するようにし
   たことを特徴とするダイヤモンド工具を用いた穿孔方
   法。