JP2004148471A - 単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル - Google Patents

Abstract

【課題】フレネルレンズやホログラムなどに用いられる４００μｍ以下の幅を持つ曲線状の溝を加工するための単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルを提供することにある。
【解決手段】本発明のエンドミルは、エンドミル本体とダイヤモンドチップで形成された一枚刃エンドミルである。ダイヤモンドは単結晶であり、ダイヤモンドチップにつながって形成された切刃部は角棒状で、すくい面が（１００）または（１１０）面である。切刃部の回転軸に直交する面が、ダイヤモンド単結晶の（１００）面である。切刃は、直線刃で形成されていて、１０μｍ以下のオフセットの距離を有する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無酸素銅、銅合金、純アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル−リン合金などの非鉄金属材料やアクリル、ポリカーボネイト、四フッ化エチレン、樹脂、ゴムなどの非金属材料を切削加工するためのダイヤモンド単結晶を用いたエンドミルに関する。特に、フレネルレンズやホログラムなどに用いられる微細な曲線状溝を加工するための単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、ＤＶＤやＣＤなどの光ディスクドライブは、小型化や低コスト化のため、光学系に回折格子（ホログラム）が用いられている。従来の回折格子は数枚のレンズの組み合わせが必要であったが、マイクロメーターオーダーで微細溝が形成された回折格子とすることで、１枚のレンズで同じ光学性能を得ることができるようになった。今後は、光ディスクの分野だけではなく、光通信分野においても回折格子の需要は広がることが予想される。
【０００３】
微細な直線の溝加工はシェーバ加工、また円周状の溝加工は旋削加工が利用されている。微細な溝の加工に関しては、Ｖ溝、角溝やＲ溝などの形状のものが種々な方法で加工されている。このなかで旋削加工は、工作物の回転中心付近では切削速度が遅くなり、溝エッジにバリが生じるなど切削が不安定になる。そこで、溝形状に対応した１枚刃の単結晶ダイヤモンドをシャンクに取り付けた工具を用意し、それを高速回転させて十分な切削速度を出すと共に、１刃当たりの除去量を少なくすることで、従来の旋削加工の欠点を克服しようとする旋削加工が検討されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
【非特許文献１】
澤田潔、竹内芳美著、「超精密マシニングセンタマイクロ加工」、
日刊工業新聞社、１９９８年６月３０日Ｐ．７４、７５、８８、８９
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
最近の青色レーザーの利用技術の進歩は著しく、これに対応する光学系を作るための技術開発が精力的に進められている。青色レーザーは、従来の赤色レーザーに比較して波長が約半分なので、光学系に使用される加工もそれに比例して小さくなる。このような要望に対応するマイクロメーターオーダーの微細加工を行うためには、ダイヤモンドの刃先を１〜４００μｍの幅に加工しなければならないが、工業的には実用化されていない。従来のダイヤモンドバイトは、細い板状のダイヤモンドをシャンクにロウ付けし、そのダイヤモンドを研削や研磨をしながら、所定の寸法に仕上げていくという方法で製作されていた。この方法で上記のような刃先が極めて細いダイヤモンドバイトにする場合、研削あるいは研磨加工中にダイヤモンドが欠けたり折れたりしやすいという問題が生じる。したがって、歩留まりが小さく実用化できていなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルは、エンドミル本体と切刃部を有するダイヤモンドチップで形成された一枚刃エンドミルであって、前記ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンドで構成され、前記切刃部は角棒状であって、すくい面が単結晶ダイヤモンドの（１００）面である。
【０００７】
本発明の単結晶ダイヤモンドは、天然のものでも人造のものでも使用できる。しかしながら、人造の単結晶は、同じ条件で製造されるので安定した品質を持ち、かつ結晶の面方位がはっきりした自形の単結晶なので面方位の割り出しがきわめて簡単であるという特徴を持つ。このような単結晶ダイヤモンドを、レーザーなどで切断して用いる。本発明のエンドミルによって加工しようとする溝の幅が４００μｍ以下なので、切刃部はそれ以下の大きさできわめて強度が弱く加工方法が極めて限定される。本発明のエンドミルは、切刃を構成する部分は砥石や遊離砥粒で研磨される。このときかなりの負荷が単結晶ダイヤモンドにかかるので、角棒状に切断される前の段階で切刃は形成される。
【０００８】
本発明では切刃が形成された後に、レーザーでほぼ角棒状に切断されたまま研磨することなく使用される。できるだけ単純な加工面を用いて切断するので、角棒状にするのが容易でありかつ経済的である。レーザーの中でも特に、短波長のレーザーを用いたものが好ましく、紫外域のレーザーやその高調波が望ましい。このようなレーザーを用いることで、単結晶ダイヤモンドに変質層の生成が少ないか又は殆どない切断面を得ることができる。変質層は、レーザーによる熱のためダイヤモンドが一定の厚みでグラファイト化した層のことである。従って、レーザーによる切断条件などで変質層の厚さは変化するが、これが厚いと切刃部の強度が弱くなり、目的とするエンドミルを得ることができない。
【０００９】
切刃部のすくい面を単結晶ダイヤモンドの（１００）面とする方が好ましいが（１１０）面としても、切刃の寿命が長いエンドミルを得ることができる。また、回転軸に直交する切刃部の面を単結晶ダイヤンドの（１００）面とすることで、逃げ面の摩耗とすくい面の摩耗のバランスをとることができる。
【００１０】
本発明のエンドミルが有する主切刃は、逃げ面とすくい面で形成された直線状の稜線であって、直線刃で構成されている。直線刃といっても、本発明の切刃は小さいので顕微鏡などで拡大して確認される。そして主切刃である逃げ面とすくい面で形成された直線状の稜線は、切刃部の中で最も長い直線部を形成する。この直線部は、ダイヤモンドチップをエンドミル本体に取り付けるときの基準線となるので、取り付け精度を維持するためには長いほうが好ましい。切刃部におけるその他の直線部は、前記したような制限がない。本発明のエンドミルにおいては、切刃部自体の強度と切刃部とダイヤモンドチップとのつながり部の強度とを高くするほど好ましい。そのためには他の直線部は、すくい面と逃げ面で構成される稜線で構成される直線部に比較して短い方が強度は高くなる。
【００１１】
また、切刃部は、半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有する少なくとも３つの曲面を経由してダイヤモンドチップにつながると角棒状の切刃部が強固にダイヤモンドチップとつながる。その繋ぎ目に鋭角部があればそこが破壊の起点になり強度を弱めることになるからである。
【００１２】
本発明のエンドミルは、幅４００μｍ以下の微細な溝を加工しようとするものである。従って、切刃部の回転半径が２００μｍ以下のときに本発明は特に効果を発揮する。この発明では、さらに５０μｍ以下の超微細な溝幅の加工もできることが確認された。そして、本発明のエンドミルは一枚刃なので、切削速度がゼロの回転軸からオフセット距離だけ離れた位置に先端がある。オフセットが、１０μｍ以下であれば溝の中心部も安定して切削できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明のエンドミルを図１に示す。図１（Ａ）は、本発明のエンドミルの平面図であり、図１（Ｂ）は、本発明のエンドミルの正面図である。このエンドミルは、エンドミル本体１の先端部にダイヤモンドチップ４が装着されている。ダイヤモンドチップ４は、保持具２をとめネジ３で締め付けてエンドミル本体１に取り付けられている。保持具２には、ダイヤモンドチップ４の厚さに相当する取り付け用の段差がある。前記チップ４の先端に切刃部が形成されているが、切刃部は小さいので図示していない。切刃部の詳細は図３に基づいて後述する。エンドミル本体は、長さ５０ｍｍ、直径６ｍｍ、先端角θ５は４５度の角度である。
【００１４】
本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルは、次のようにして作られる。図２に単結晶ダイヤモンドの加工工程を示す。図２（Ａ）は、人造の単結晶ダイヤモンドを幅１．５ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ５ｍｍにレーザー切断した単結晶ダイヤモンド素材１０を示す。このとき単結晶の方位によって工具寿命と加工性が影響を受ける。本発明では、単結晶ダイヤモンド素材の上面１１は、（１００）面で、先端部１２は（１００）面である。人造単結晶ダイヤモンドの製造技術が向上し、最近のものは形状・品質共にばらつきの少ないものができるようになり、従来の天然のダイヤモンドに比較すると安定した加工ができる。
【００１５】
図２（Ｂ）は、ダイヤモンド単結晶素材の先端部に面取部１４を設けた状態を示す。次に図２（Ｃ）に示すように右側面１３を研磨し、工具になったときの逃げ面１５を形成する。逃げ面１５は、３０度程度の逃げ角を持ち、逃げ角が大きい場合は、刃先保護の目的でその角度より小さな面取りをすることもできる。この面は、今後ダイヤモンドチップをエンドミル本体へ取り付ける場合の基準線となるので極めて重要な面である。
【００１６】
次に図２（Ｄ）に示すように、先端部１２を遊離砥粒で研磨する。この部分は、副切刃を構成するので特に重要な部分であり後述するように、種々の角度設定がなされる。すなわち、この部分で溝の底面を切削するが、回転軸の部分は切削速度ゼロとなり切削できないので、この部分にオフセットを設ける。概略４〜１０μｍ程度のオフセットを設けるので、図の副切刃１６の左側は、約５〜２０度の傾斜を持たせ、また右側も傾斜を持たせて研磨する。図２（Ｄ）において、図２（Ｃ）より付加されている先端部の実線は、上記研磨面同士の稜線である。この稜線部が後に図３で説明する先端２０になる。次に上面１１を遊離砥粒で研磨し、この面が完成した工具のすくい面となる。切刃部の詳細は、図３で詳細に説明する。
【００１７】
このようにして得られた、中間的に加工されたダイヤモンドチップは図１に示されたエンドミル本体に装着される。エンドミル本体の回転軸は、図１（Ｂ）に示されているように、ダイヤモンドチップのすくい面に合うようにあらかじめ調整してあるので、オフセット分を調整し、回転軸とすくい面の位置調整をして、とめネジで締め付ける。このときに簡単に１〜５μｍ程度の移動があるので調整には注意が必要である。このようにして、図２（Ｅ）に示すように取り付けられる。
【００１８】
次に、図２（Ｅ）の一点鎖線で示されたすくい面切り取り部１７、及び鎖線で示された下部の切り取り部１８をレーザーによって切り取って、切刃部が出来上がり完成品となる。この結果、切刃部は、角棒状であってその少なくとも２面がレーザー切断面となる。レーザーとしては、変質層の形成量が少ない紫外線レーザーを用いた。従って、この面は研磨などの変質層除去の工程は不要である。この工程を過ぎると、ダイヤモンドに不注意に触れると簡単に折れてしまう。このとき単結晶ダイヤモンドチップを用いたエンドミルの切刃部の幅Ｗは２５μｍ、厚さが１０μｍ、切刃部長さ８０μｍであった。切刃の幅Ｗは、この種の工具においては２０〜４０μｍ程度が好ましい。
【００１９】
図３（Ａ）は、切刃部の平面図である。一点鎖線は回転軸であり、エンドミルの最も先の頂点を先端２０といい、回転軸と先端の距離ｈをオフセットという。回転軸と逃げ面の距離は回転半径ｒであり、切刃部の幅はＷである。また、図２（Ｅ）においてすくい面切り取り部１７は、一点鎖線で切断される。この一点鎖線は回転軸５と交わらず、回転軸は切刃部の中心をずれた位置を通る。言い換えると、図３（Ａ）において、切刃部の幅Ｗは回転半径より大きい。図３（Ａ）において先端部の上下はそれぞれ角度、θ１、θ２の傾斜がある。また、切刃を構成する稜線部は先端から７０μｍの間は直線でありθ３の傾斜がある。また、図３（Ｂ）は、正面図で先端にはθ４の傾斜がある。
【００２０】
図３（Ａ）、（Ｂ）からも明らかなように、切刃部１９はダイヤモンド単結晶素材と少なくとも逃げ面１５に連続して形成された半径Ｒ１の曲面、すくい面切り取り部に形成された半径Ｒ２の曲面、下部切り取り部１８に形成された半径Ｒ３の曲面に示すように曲率を経由してつながっている。
【００２１】
以上のようにして得られた、エンドミルの顕微鏡写真を図４（Ａ）、（Ｂ）に示す。回転半径１５μｍのエンドミルをもちいて、レンズ用金型を作製した。レンズ用金型は、鋼の上にＮｉ−Ｐを０．３ｍｍ厚さでめっきし、Ｎｉ−Ｐの上に幅３０μｍの円周溝を形成して、レンズ用金型を作製した。溝の底がほぼ平坦な角型の溝を形成することができた。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によって得たエンドミルは、非鉄金属を加工して幅４００μｍ以下の溝を形成することができる。そして、エンドミル作製の歩留まりが高く、しかも工具寿命も長い。この発明により、従来の波長より短い青色レーザーなどに用いる各種の回折格子や、レンズなどに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルの平面図であり、図１（Ｂ）は、その正面図である。
【図２】図２は、本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルの製造工程の一例を示すもので、図２（Ａ）は本発明で用いるダイヤモンド単結晶素材を示し、図２（Ｂ）は先端部を面取りした状態を示し、図２（Ｃ）は逃げ面を形成した状態を示し、図２（Ｄ）は副切刃を研磨すると同時にオフセット用の傾斜を形成した状態を示し、図２（Ｅ）はダイヤモンドチップをエンドミル本体に取り付けた後、すくい面の切り取り部と下部の切り取り部を取り除く状態を示す。
【図３】図３は、本発明で用いたダイヤモンドチップの先端部拡大図で、図３（Ａ）はダイヤモンドチップの平面図であり、図３（Ｂ）はその正面図である。
【図４】図４は本発明の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミルの拡大写真で、図４（Ａ）は先端部拡大写真であり、図４（Ｂ）はダイヤモンドチップの切刃部分の拡大写真である。
【符号の説明】
１ エンドミル本体
２ 保持具
３ とめネジ
４ ダイヤモンドチップ
５ 回転軸
１０ ダイヤモンド単結晶素材
１１ 上面
１２ 先端部
１３ 右側面
１４ 面取りされた先端部
１５ 逃げ面
１６ 副切刃
１７ すくい面切り取り部
１８ 下部の切り取り部
１９ 切刃部
２０ 先端
ｈ オフセット
ｒ 回転半径
θ１ 軸心側先端部後退角
θ２ 先端部後退角
θ３ 切刃傾斜角
θ４ 逃げ角
Ｒ１ 逃げ面に連続している曲面の半径
Ｒ２ すくい面切り取り部に形成された曲面の半径
Ｒ３ 下部切り取り部に形成された曲面の半径
Ｗ 切刃部の幅

Claims (7)

1. エンドミル本体と切刃部を有するダイヤモンドチップで形成された一枚刃エンドミルであって、
   前記ダイヤモンドチップは、単結晶ダイヤモンドで構成され、
   前記切刃部は角棒状であって、すくい面が単結晶ダイヤモンドの（１００）または（１１０）面であることを特徴とする単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
2. 前記切刃部の回転軸に直交する面が単結晶ダイヤモンドの（１００）面であることを特徴とする請求項１記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
3. 前記切刃部が有する主切刃は、逃げ面とすくい面で形成された直線状の稜線であって、直線刃で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
4. 前記切刃部の回転半径が２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
5. 前記切刃部のオフセット距離が、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
6. 前記主切刃は、切刃部の中で最も長い直線部を形成することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。
7. 前記切刃部は、半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３を有する少なくとも３つの曲面を経由してダイヤモンドチップにつながることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の単結晶ダイヤモンドを用いたエンドミル。

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