JP2007054941A - 微細加工用工具および脆性材料の微細加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ反応システム用チップ等の微細加工においてガラスやセラミックス等の脆性材料よりなる加工物の表面に幅や深さが１００μｍ以下の微細な溝等を形成したりすることが可能な微細加工用工具、およびこのような微細加工用工具を用いた脆性材料の微細加工方法を提供する。
【解決手段】工具本体１に形成された尖端部４に硬質炭素被膜５を被覆して、この硬質炭素被膜５の膜厚ｔを尖端部４の先端における外径ｄよりも大きくし、硬質炭素被膜５によって尖端部４の先端に表面が略凸曲面状をなす切刃部６を形成する。このような微細加工用工具を用いて、工具本体１を尖端部４の中心線Ｏ回りに回転しつつ送り出すことにより、脆性材料よりなる加工物の表面に切刃部６によって微細加工を施す。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガラスやセラミックス等の脆性材料の表面に幅や深さ、直径などが１００μｍ以下の微細な溝や孔、凹部等を形成するのに用いて好適な微細加工用工具、およびこのような微細加工用工具を用いた脆性材料の微細加工方法に関するものである。

近年、微細な分析用流路の中で溶液試料の混合や分離を行うマイクロＴＡＳに代表されるマイクロ反応システムが注目されている。特許文献１には、このマイクロ反応システムに用いられるチップとして、ガラス基板にサンドブラストによる加工によって加工面側に２００μｍ、加工面と反対側の面において１３０μｍの微細な幅のスリットを形成し、このガラス基板を他の２つのガラス基板によって挟着することにで内部に上述のような流路を形成することが記載されている。また、特許文献２には、このようなスリットをＣＯ_２レーザの照射によって形成することが、特許文献３にはフォトレジストエッチングによりガラス基板表面に溝を形成し、その上に他のガラス基板を接合して流路を形成することが記載されている。
特開２００４−１１７２７９号公報 特開２００４−５３５５９号公報 特開２００４−２１０５９２号公報

しかしながら、このうち特許文献１のサンドブラストや特許文献３のフォトレジストエッチングによる加工では、スリットや溝の幅、深さ等の寸法精度を確保するのが困難であるとともに、その形成に多くの時間を要することにもなる。また、特許文献２のようなレーザによる加工では加工装置が極めて高価であって、低廉なマイクロ反応システム用チップを提供することができない。さらに、これらの加工方法では、スリットや溝の幅を数百μｍ程度にまでしか狭めることができず、例えば１００μｍ以下の幅や深さを有するさらに微細な加工を行うことは不可能であった。

一方、本発明の発明者らは、例えば特開２００２−３５５７１０号公報や特開２００４−１６０５８１号公報、あるいは特開２００５−２２１０２号公報等において、ガラスやセラミックス等の脆性材料に加工を施す工具として、超硬合金等の工具母材の表面にダイヤモンド被膜等の硬質炭素被膜を被覆したものを提案しており、このような工具によれば、被膜に成長したダイヤモンド等の硬質炭素粒子の凹凸が切刃として作用して、脆性材料よりなる加工物にチッピングや剥離を生じさせることなく穴明けや溝加工を行うことが可能となる。ところが、これらの工具は、例えば特開２００２−３５５７１０号公報では外径が０．２〜３ｍｍとされた工具母材の先端部に凸曲面を形成して凸曲線状の所定の切刃形状を成形したりした上で５〜２５μｍの硬質炭素被膜を被覆したものであって、これに基づき上述のような１００μｍ以下の幅や深さ、直径の溝や孔、凹部を形成しうる工具を製造するには、外径が１００μｍ未満の工具母材の先端部に上記切刃形状を成形しなければならず、そのままマイクロ反応システム用チップの微細加工に適用するのは困難であった。

本発明は、このような背景の下になされたもので、上述のようなマイクロ反応システム用チップ等の微細加工においてガラスやセラミックス等の脆性材料よりなる加工物の表面に幅や深さ、直径が１００μｍ以下の微細な溝や孔、凹部等を形成したりすることが可能な微細加工用工具、およびこのような微細加工用工具を用いた脆性材料の微細加工方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の微細加工用工具は、工具本体に形成された尖端部に硬質炭素被膜が被覆されていて、上記硬質炭素被膜の膜厚が上記尖端部の先端における外径よりも大きくされており、該硬質炭素被膜によって上記尖端部の先端に表面が略凸曲面状をなす切刃部が形成されていることを特徴とするものである。また、本発明の脆性材料の微細加工方法は、このような微細加工用工具を用いて、上記工具本体を上記尖端部の中心線回りに回転しつつ上記切刃部を脆性材料よりなる加工物の表面に切り込ませることにより、上記加工物に微細加工を施すことを特徴とする。

上記構成の微細加工用工具においては、工具本体の尖端部に被覆される硬質炭素被膜の膜厚がこの尖端部の先端における外径よりも大きくされており、該硬質炭素被膜はこの尖端部の表面から硬質炭素粒子が概ね等方的に成長して被覆されることから、この硬質炭素被膜によって尖端部の先端に形成される切刃部の表面は、該尖端部に凸曲面を形成したりせずとも略凸曲面状を呈することになる。すなわち、尖端部が先細りの錐状に形成されていれば、硬質炭素粒子は尖端部の突端１点から球状に成長するため、切刃部の表面は、上記尖端部がなす錐の中心線上に中心を有する略半球面状に形成され、また尖端部が、その先端に端面を有する軸状や、先細りの錐体の先端を截頭したような錐台状に形成されていれば、硬質炭素粒子は、この軸や錐台の中心線に沿った端面の先端側では該端面からそのまま中心線方向先端側に延びたような軸状をなして成長するとともに、この端面の外周縁からは上記中心線に沿った断面において扇形をなすように、かつ上記軸状に延びた部分の周囲を環状に取り囲むように成長するため、切刃部の表面は、尖端部がなす軸や錐台の中心線に沿った断面において該中心線を短軸とする半長円形状とされる。

その一方で、上述のように尖端部が軸状である場合にその外径を５〜３３μｍの範囲内と極細としたり、あるいは尖端部が錐状である場合にその先端角を１０〜６０°の範囲内と極先細り状としたり、さらには尖端部が錐台状である場合にその上記尖端面の外径を３３μｍ以下の範囲内とするとともに錐状をなす周面の先端角を６０°以下の範囲内としたりして、切刃部の外径を１０〜１００μｍの範囲内と極小径にしても、この切刃部の剛性や強度は硬質炭素被膜自体の高い硬度によって確保される。そして、成長した硬質炭素粒子によってこの切刃部の表面には極微細な凹凸が形成され、これらの凹凸の凸部一つ一つが切刃として作用するため、上記微細加工方法のように工具本体を尖端部の中心線回りに回転しつつ切刃部を脆性材料よりなる加工物の表面に切り込ませて、溝加工の場合には中心線に交差する方向に工具本体を送り出すことにより、尖端部が軸状や錐台状で切刃部の表面が断面半長円形状である場合には極小径のラジアスエンドミルのようにして、また尖端部が錐状で切刃部表面が球面状である場合には極小径のボールエンドミルのようにして、ガラス等の脆性材料よりなる加工物に対し、幅や深さが切刃部外径と略等しい１００μｍ以下の極微細な溝等を形成することが可能となる。また、孔や凹部を形成する場合には、工具本体を尖端部の中心線回りに回転しつつ切刃部を加工物表面に切り込ませて、そのまま上記中心線方向に前進させればよい。このとき、尖端部が錐状や錐台状であれば、孔の内径がその開口部側に向けて漸次大きくなるテーパ孔を形成することも可能となる。

従って、このような微細加工用工具および該工具を用いた脆性材料の微細加工方法によれば、工具形状が簡単で製造が容易であるためにレーザ加工などに比べてはるかに安価に、また切削加工であるためサンドブラストやフォトレジストエッチングによる加工に比べては短時間で、上述のように幅や深さが１００μｍ以下の極微細な溝や孔、凹部等をガラス基板に形成することができる。しかも、このような切削加工では、上記切刃部の形状がそのまま加工物に転写されるために溝幅や溝深さ、あるいは孔や凹部の直径等について高い加工精度を得ることができるので、低廉でありながらも流路の寸法精度の高い高品位なマイクロ反応システム用チップを提供することが可能となる。

ここで、上記微細加工用工具において、硬質炭素被膜の膜厚は５〜５０μｍの範囲内とされるのが望ましい。すなわち、この膜厚が５０μｍを上回ると切刃部の外径が１００μｍを越えてしまうため、上述のような極微細な溝等を形成することができなくなるおそれが生じる。また、膜厚が厚すぎると切刃として作用する上記凸部の大きさにばらつきが生じ、加工精度を損なうおそれもある。一方、膜厚が５μｍを下回るほど薄いと切刃部の剛性や強度を十分に確保することができなくなり、折損等が生じ易くなって工具寿命が短縮されるおそれがある。

また、尖端部が上述のように軸状、錐状、錐台状である場合に、その上記中心線に直交する断面が正多角形をなすように形成することにより、切刃部においてはこの正多角形の角部周辺の硬質炭素被膜が専ら脆性材料等の加工物の微細加工に供される一方で、該正多角形の角部間に延びる辺の特に中央部分と加工物に形成された溝等の内面との間には微小ながらも間隔があけられるので、加工によって生じた極微細な切屑をこの間隔部分から円滑に排出することができ、かかる切屑によって加工物表面における溝等の縁部にコバ欠けが生じたりするのを防いだりすることができる。ただし、この尖端部の断面がなす多角形が正三角形であったり不等辺の多角形であったりすると、少なくとも一部の角部の角度が鋭角となって硬質炭素被膜の欠けや剥離が生じ易くなる一方、たとえ正多角形であっても九角形以上であると上記辺の中央部と溝内面等との間の間隔が小さくなりずぎて良好な切屑の排出が阻害されるおそれがあるので、この断面は正四角形から正八角形の間の正多角形とされるのが望ましく、特に正六角形とされるのがより望ましい。

図１および図２は、本発明の微細加工用工具の第１の実施形態を示すものである。本実施形態において工具本体１は、超硬合金またはセラミックス等の硬質材料を母材として中心線Ｏを中心とした概略２多段の円柱状をなしており、その後端側（図１において下側）部分は一定外径で大径のシャンク部２とされ、このシャンク部２の先端側（図１および図２において上側）に、先端側に向けて漸次縮径する円錐状部３を介して、尖端部４が一体かつ同軸に形成されている。

この尖端部４は、本実施形態では極細径の円柱軸状に形成されたものであって、すなわち上記中心線Ｏを中心として一定の外径ｄで上記円錐状部３から先端側に延びる円筒面状の周面４Ａと、この周面４Ａの先端において該周面４Ａと中心線Ｏとに直交する該中心線Ｏを中心とした上記外径ｄの円形の先端面４Ｂとを備えている。ここで、上記外径ｄは、本実施形態では５〜３３μｍの範囲内とされている。

そして、本実施形態では、上記円錐状部３からこの尖端部４にかけての工具本体１表面に、図２に示すように硬質炭素被膜５が被覆されており、その膜厚ｔが尖端部４の先端における径、すなわち上記外径ｄよりも大きくされている。ここで、この硬質炭素被膜５は、例えば気相合成法等の公知の方法によって工具本体１の表面にダイヤモンド粒子（硬質炭素粒子）を成長させて被覆されるダイヤモンドコーティング被膜であり、本実施形態では上記膜厚ｔが５〜５０μｍの範囲内で上述のように外径ｄよりも大きな略一定の厚さとなるように被覆されている。なお、シャンク部２の表面にはこのような硬質炭素被膜５は被覆されておらず、工具本体１を成形してこのシャンク部２の外周を仕上げ加工したままの外径とされている。

このように硬質炭素被膜５を被覆した工具本体１の上記尖端部４では、上記周面４Ａの周りには硬質炭素被膜５が一定の膜厚ｔで円筒状をなすように被覆されるため、この周面４Ａの径方向外周側においては、その外形は中心線Ｏを中心とした円柱状のままで外径Ｄはｄ＋２ｔとなり、本実施形態ではこの外径Ｄが１０〜１００μｍの範囲内となるようにされている。一方、尖端部４の先端では、上記先端面４Ｂから中心線Ｏに沿って先端側に向けては尖端部４をそのまま膜厚ｔの長さで延長するように円柱状に硬質炭素被膜５が被覆されるとともに、この円柱状部分の周りから、上記周面４Ａの周りの円筒状部分の先端にかけては、周面４Ａと先端面４Ｂとが交差する交差稜線部（先端面４Ｂ外周の円周）から等方的に硬質炭素粒子が成長し、中心線Ｏに沿った断面においてこの交差稜線部を中心に膜厚ｔの半径で上記円柱状部分の外周から円筒状部分の先端まで延びる１／４円の扇状に硬質炭素被膜５が被覆されることになる。

従って、この尖端部４の先端において硬質炭素被膜５の表面は、中心線Ｏに沿った断面において図２に示すように両側の上記１／４円部分の間に先端面４Ｂから延びる方形状の部分が挟まれた、中心線Ｏを短軸として扁平した半長円形状をなすことになって、両側の断面１／４円部分が凸曲面状に形成されることになる。そして、この硬質炭素被膜５の表面には、周面４Ａの周りに被覆された部分も含めて、成長した硬質炭素粒子による極微細な凹凸が無数に形成されていて、このうちの凸部が加工物を削り取る極微細な切刃として作用することとなり、すなわち尖端部４に被覆された硬質炭素被膜５によって切刃部６が形成される。従って、本実施形態ではこの切刃部６の表面が軸線Ｏに沿った断面において上述のような半長円形状をなすことになり、底刃と外周刃とのコーナ部がＲ状にされたコーナＲ付きエンドミルあるいはラジアスエンドミルと同様の切刃の回転軌跡を呈することになる。

このように構成された微細加工用工具を用いた本発明の脆性材料の微細加工方法の一実施形態では、上記シャンク部２を工作機械の主軸に把持して工具本体１をその中心線Ｏ回りに回転しつつ、上記切刃部６をガラスやセラミックス等の脆性材料よりなる加工物の表面に切り込ませ、さらに工具本体１をこの加工物の表面に沿って軸線Ｏに垂直に送り出すことにより、切刃部６表面の硬質炭素粒子による上記極微細な切刃によって加工物を削り取り、その表面に溝等を形成してゆく。そして、こうして形成される溝の幅および深さは、切刃部６の加工物への切り込み量によるが、尖端部４の先端面４Ｂよりも先端側の切刃部６部分だけを加工物に切り込ませたとすると、溝幅は上記外径Ｄ以下すなわち１００μｍ以下、溝深さは上記膜厚ｔ以下すなわち５０μｍ以下と、極微細な溝を形成することが可能となる。

このように、本実施形態の微細加工用工具およびこれを用いた脆性材料の微細加工方法においては、脆性材料よりなる加工物の表面に極微細な溝を形成することができるので、上述したマイクロ反応システム用チップに流路を形成するためのガラス基板への溝等の形成に用いて、従来のサンドブラストやフォトレジストエッチング、あるいはレーザによる加工よりもさらに微細な流路を形成することが可能となり、一層高精度の分析が可能なチップを提供することができる。また、このような工具による切削加工では、上記切刃部６の形状がそのまま転写されたような形状の溝等を形成することができるので、極微細ではありながらも溝幅や溝深さの寸法精度の高い加工を図ることができて、さらに高精度の分析等を促すことができる。加えて、レーザ加工機などに比べては工具や工作機械が極めて安価であり、またサンドブラストやフォトレジストエッチングなどに比べては短時間で効率的な溝の形成が可能であるため、より低廉なチップを提供することも可能となる。

そして、さらに上記構成の微細加工用工具では、上記切刃部６が本実施形態では円柱軸状の尖端部４にこの尖端部４の先端の径よりも大きな膜厚ｔの硬質炭素被膜５を被覆しただけで形成されたものであって、該硬質炭素被膜５の表面に突出する硬質炭素粒子の無数の凸部一つ一つが切刃として作用するため、例えば極小径となる尖端部４に回転軌跡が上述のような断面形状を呈するラジアスエンドミルと同様の切刃を研ぎ付けて形成したりする必要が無く、工具形状が簡単で製造し易いさらに安価な工具を提供することが可能となる。その一方で、この切刃部６は、高硬度の硬質炭素被膜５が尖端部４の外径ｄよりも大きな膜厚ｔで該尖端部４の周りに被覆されて形成されたものであるので、外径Ｄが上述のように極細径であってもこの硬質炭素被膜５自体の硬度によって十分な剛性や強度を確保することができ、加工中に尖端部４が曲がったり折損したりしてしまうような事態を防いで工具寿命の延長を図ることができるため、さらに低廉なチップを提供することが可能となる。

なお、より確実にこのような効果を奏するには、上記硬質炭素被膜５の膜厚ｔは５〜５０μｍの範囲内とされるのが望ましく、また切刃部６の外径Ｄは１０〜１００μｍの範囲内とされるのが望ましく、さらに本実施形態のように尖端部４が軸状である場合には、その外径ｄは５〜３３μｍの範囲とされるのが望ましい。すなわち、膜厚ｔが５０μｍを上回ると、硬質炭素粒子は上述のように等方的に成長するため切刃部６の外径Ｄも１００μｍ以下とすることができなくなって極細径の溝加工を行うことができなくなるおそれがあり、これは尖端部４の外径ｄが３３μｍを上回る場合も同様である。また、膜厚ｔが厚くなりすぎると、切刃として作用する切刃部６表面の上記凸部の大きさにばらつきが生じて加工精度を損なうおそれも生じる。

一方、これとは逆に、膜厚ｔが５μｍよりも薄くて切刃部６の外径Ｄが１０μｍを下回るような場合には、如何に高硬度とはいえ、硬質炭素被膜５によっても切刃部６の強度や剛性を十分に確保することができなくなるおそれがある。また、外径ｄが５μｍを下回るような尖端部４は形成すること自体が困難であり、さらに硬質炭素被膜５を被覆する際に変形してしまったりするおそれもある。なお、軸状の尖端部４に硬質炭素被膜５を被覆した本実施形態の微細加工用工具では、切刃部６の外径Ｄを１００μｍ以下とするには膜厚ｔは外径ｄに対してｄ／２分だけ５０μｍよりも薄くなり、また膜厚ｔを５μｍ以上としたときには外径Ｄは外径ｄ分だけ１０μｍよりも大きくなる。

次に、図３は、本発明の微細加工用工具の第２の実施形態を示す尖端部１１の先端側部分の断面図であり、図１および図２に示した第１の実施形態の微細加工用工具と共通する要素には同一の符号を配して説明を省略する。すなわち、この第２の実施形態では、尖端部１１が工具本体１の中心線Ｏを中心とした先細りの円錐状をなしており、このような尖端部１１に硬質炭素被膜５が被覆されて切刃部６が形成されていることを特徴とする。ここで、この尖端部１１がなす円錐の中心線Ｏに沿った断面における母線同士の挟角、すなわちその先端角θは、本実施形態では１０〜６０°の範囲内とされている。また、膜厚ｔは第１の実施形態と同様に５〜５０μｍの範囲内とされている。

このような第２の実施形態の微細加工用工具において硬質炭素被膜５は、尖端部１１がなす円錐の錐面１１Ａから該錐面１１Ａに垂直に膜厚ｔの厚さで硬質炭素粒子が成長して、先端を除いて表面が円錐台面状に被覆されるとともに、この尖端部１１の先端では該円錐の中心線Ｏ上における突端１１Ｂの１点から硬質炭素粒子が等方的に半径が膜厚ｔと等しい球状に成長して、上記円錐台面の先端に滑らかに接する上記突端１１Ｂを中心とした略半球面状に被覆される。そして、尖端部１１は円錐状であるため、その外径は中心線Ｏ方向先端側に向けて漸次小さくなり、その突端１１Ｂ近傍では膜厚ｔが尖端部１１の外径より大きくなることになって、この尖端部１１の先端に硬質炭素被膜５によって表面が上記半球面および円錐台面状の凸曲面をなす切刃部６が形成されることになる。なお、本実施形態ではこの切刃部６の外径も中心線Ｏ方向先端側に向けて漸次小さくなり、膜厚ｔが５０μｍ以下とされていることから、上記半球面状をなす部分における切刃部６の外径Ｄ（本実施形態では中心線Ｏに沿った断面において突端１１Ｂから錐面１１Ａに垂直に延びる直線と硬質炭素被膜５の表面との交点間の径）は、１００μｍ以下とされる。

従って、このような第２の実施形態の微細加工用工具においては、切刃部６の先端がボールエンドミルの切刃の回転軌跡と同様の半球状を呈することになって、その半径は硬質炭素被膜５の膜厚ｔと等しくされるので、該工具を用いて第１の実施形態と同様に脆性材料に微細加工を施す場合の第２の実施形態の微細加工方法においても、切り込み量によるが第１の実施形態と同様に溝幅が１００μｍ以下の微細な溝を脆性材料よりなる加工物に比較的短時間で高精度に形成することが可能となり、尖端部１１に切刃を研ぎ付けたりする必要が無くて工具自体や、また工作機械も安価であることから、高精度の分析等が可能であるにも拘わらず廉価なマイクロ反応システム用チップを提供することができる。また、本実施形態では尖端部１１が後端側に向けて漸次径が大きくなる錐状であるため、この尖端部１１自体の剛性や強度も確保しやすく、折損や曲がり等の生じることのない一層長寿命の微細加工用工具を得ることができる。

なお、本実施形態ではこの尖端部１１がなす円錐の先端角θを１０〜６０°の範囲内としているが、この先端角θがこれより小さいと後端側に向けての径の増大も小さくなるため上述の効果が得られなくなるとともに、そのような先端角θの小さな尖端部１１を形成すること自体が困難となる。一方、逆に先端角θが大きすぎると、切刃部６先端の表面が半球面状の部分が小さくなるとともに円錐台面状部分のテーパ角も大きくなるため、切り込み量が僅かに増えただけでも溝幅が大きくなって極微細な加工が困難となるおそれが生じる。このため、上記先端角θは上述の範囲内とされるのが望ましい。

さらに、図４は、本発明の微細加工用工具の第３の実施形態を示す尖端部１２の先端側部分の断面図であり、図１ないし図３に示した第１、第２の実施形態の微細加工用工具と共通する要素には、やはり同一の符号を配して説明を省略する。すなわち、この第３の実施形態では、尖端部２１が、周面２１Ａは第２の実施形態の錐面１１Ａと同じように工具本体１の中心線Ｏを中心とした先細りの円錐面状をなしているものの、その先端は第１の実施形態の先端面４Ｂと同様に中心線Ｏに直交する該中心線Ｏを中心とした円形の先端面２１Ｂとされていて、つまり円錐台状とされており、このような尖端部２１に硬質炭素被膜５が被覆されて切刃部６が形成されている。ここで、この尖端部２１がなす円錐台の上記周面２１Ａの中心線Ｏに沿った断面における母線同士の挟角、すなわちその先端角αは本実施形態では６０°以下とされ、また先端面２１Ｂの外径ｅは３３μｍ以下とされている。

このような尖端部２１に硬質炭素被膜５を被覆した切刃部６は、該硬質炭素被膜５が、上記先端面２１Ｂから先端側には円柱状に成長するとともに、この先端面２１Ｂと周面２１Ａとの交差稜線部からは中心線Ｏに沿った断面において上記円柱状部分の外周に１／４円の扇状をなすように成長することにより、その先端部の表面が第１の実施形態と同様に上記断面において軸線Ｏを短軸とする半長円形状をなしてコーナＲ付きエンドミルあるいはラジアスエンドミルと同様の切刃回転軌跡を呈することになる。また、周面２１Ａの外周側においては、上記断面１／４円の扇状部分から後端側に延びるように円錐台面状の表面を有する硬質炭素被膜５が形成される。なお、こうして硬質炭素被膜５が形成された切刃部６の先端部における外径Ｄ（本実施形態では中心線Ｏに沿った断面において周面２１Ａと先端面２１Ｂとの交点から周面２１Ａに垂直に延びる直線と硬質炭素被膜５の表面との交点間の径）も、１００μｍ以下とされている。

従って、この第３の実施形態でも、第１、第２の実施形態と同様に溝幅が１００μｍ以下の微細な溝を脆性材料よりなる加工物に短時間で高精度に形成することが可能となり、高精度の分析等が可能な廉価なマイクロ反応システム用チップを提供することができる。さらに、本実施形態では、第２の実施形態と同様に尖端部２１が後端側に向けて漸次外径が大きくなる錐台状であるため、その剛性や強度も確保し易い上、この尖端部２１の最先端は、第１の実施形態の尖端部４における先端面４Ｂと同様の平坦な先端面２１Ｂとされているので、第２の実施形態のように錐体状のまま突端１１Ｂの１点まで尖端部１１が延びているのに比べ、この最先端部分における尖端部２１の欠けやこれに伴う切刃部６の成形精度の劣化を防ぐことが可能となる。

しかも、このような錐台状の尖端部２１の周面２１Ａの上記先端角αが６０°以下とされ、また先端面２１Ｂの外径ｅが３３μｍ以下とされているので、このような効果を一層確実に奏功することが可能となる。すなわち、先端面２１Ｂの外径ｅが３３μｍを上回るほど大きいと、第１の実施形態と同様にこの外径ｅよりも大きな膜厚ｔを硬質炭素被膜５に確保した上で切刃部６の上記外径Ｄを１００μｍ以下にするのが困難になるおそれがあり、また先端角αが６０°を上回るほど大きいと、第２の実施形態と同様に切り込み量が僅かに増えただけでも溝幅が大きくなって、やはり極微細な加工が困難となるおそれが生じる。ただし、これらの先端角αや外径ｅが小さくなりすぎて、例えば先端角αが０°となると第１の実施形態と同様の構成となってしまい、また外径ｅが０μｍになると第２の実施形態と同様の構成となってしまうため、先端部２１が錐台状であることによる上述の効果を得ることができなくなる。このため、先端部２１の周面２１Ａがなす先端角αは１０〜６０°の範囲内とされるのが望ましく、また先端面２１Ｂの外径ｅは５〜３３μｍの範囲内とされるのが望ましい。

なお、第１の実施形態では尖端部４が円柱軸状、第２の実施形態では尖端部１１が円錐状、第３の実施形態では尖端部２１が円錐台状とされているが、これらは角柱軸状や角錐状、角錐台状であってもよく、また軸の先端部が錐状や錐台状とされていてもよい。図５は、このように軸の先端部に先端側に向けて縮径する錐台状の尖端部３１を有する本発明の第４の実施形態の先端側部分の断面図を示すものであり、図１ないし図４に示した第１ないし第３の実施形態と共通する要素には、やはり同一の符号を配してある。

すなわち、本実施形態では、上記第１の実施形態と同様に、工具本体１の図示されないシャンク部先端側に円錐状部を介して中心線Ｏを中心とする細径の円柱軸が形成され、この円柱軸の先端部が中心線Ｏを中心とする先細りの正六角錐台状に形成されて尖端部３１とされている。従って、この尖端部３１は中心線Ｏに直交する断面において略正六角形状を呈することとなり、その表面は、先端側に向けて漸次幅狭となる傾斜平面状の６つの周面３１Ａとこれらの周面３１Ａの先端に交差する中心線Ｏに垂直な正六角形の先端面３１Ｂとから構成されることになる。なお、この尖端部３１の先端角（本実施形態では図５に示すように隣接する周面３１Ａ同士の交差稜線のうち中心線Ｏを挟んで互いに反対側に位置する一対の交差稜線３１Ｃの交差角）αは、やはり１０〜６０°の範囲内とされるのが望ましく、本実施形態では３０°とされ、また先端面３１Ｂの外径（本実施形態では先端面３１Ｂがなす正六角形に外接する円の直径）ｅも５〜３３μｍの範囲内とされるのが望ましく、本実施形態では３０μｍとされている。

そして、この尖端部３１の表面には、先端面３１Ｂの上記外径ｅよりも大きな膜厚ｔの硬質炭素被膜５が略均一に被覆されて切刃部６が形成されている。従って、この切刃部６の先端部の表面は、中心線Ｏに沿った断面においては第１、第３の実施形態と同様に軸線Ｏを短軸とする半長円形状をなすように形成されるとともに、軸線Ｏに直交する断面では尖端部３１の断面がなす正六角形の各角部分が丸められた概略正六角形状を呈して、切刃部６が尖端部３１と同様の正六角錐台状に形成されることになる。なお、こうして硬質炭素被膜５が形成された切刃部６の先端部における外径Ｄ（本実施形態では図５に示すように上記一対の交差稜線３１Ｃとを含む中心線Ｏに沿った断面において、これら一対の交差稜線３１Ｃと先端面３１Ｂとの交点から各交差稜線３１Ｃに垂直に延びる直線と硬質炭素被膜５の表面との交点間の径）も１００μｍ以下の範囲内とされるのが望ましく、本実施形態では７０μｍとされ、硬質炭素被膜５の膜厚ｔはこれらの範囲を満たした上で５〜５０μｍの範囲内とされている。

このような第４の実施形態においても、コーナＲ付きエンドミルあるいはラジアスエンドミルと同様の溝加工等を脆性材料よりなる加工物に施すことができるのは勿論、尖端部３１が多角錐台である正六角錐台状に形成されているため、その表面に硬質炭素被膜５が被覆されてなる切刃部６も上述のように略正六角錐台を呈することになり、従ってこの切刃部６が回転しながら送り出されることによって加工物表面に形成される溝等の内面と該切刃部６の各錐面との間には、錐面同士の交差稜線部の中央部分、すなわち上記中心線Ｏに直交する断面において切刃部６が呈する略正六角形の各辺中央部に、間隔があけられることになる。このため、加工時に上述のように切刃部６表面の硬質炭素粒子による極微細な切刃によって加工物を削り取ることで発生する極微細な切屑を、この間隔部分を介して上記溝等の内側から効率的かつ円滑に排出することができるので、本実施形態によれば、例えばこのような切屑が切刃部６と溝内面との間に噛み込まれて加工物表面の溝の開溝縁部にコバ欠けが生じたりするのを防ぐことができ、より高精度で、しかも高品位のマイクロ反応システム用チップの加工を促すことが可能となる。

なお、この第４の実施形態では尖端部３１を角錐台状に形成することによって切刃部６も角錐台状を呈するようにしているが、上述のように尖端部が角柱軸状や角錐状であってもその周面や錐面と上記溝等の内面との間には間隔があけられるため、上述の効果を奏することができ、これはこの角柱や角錐、あるいは角錐台が断面正多角形でなくても同様である。ただし、これら尖端部や切刃部の中心線Ｏに直交する断面が正多角形でない場合には、部分的に上記間隔に広狭が生じて均一な切屑の排出が阻害されるおそれがあり、また正多角形でも正九角形以上の場合にはこの間隔が全周に亙って小さくなって上記効果が確実に奏功されなくなるおそれがある。その一方で、この断面が三角形であると、正三角形の場合も含めて、該断面の少なくとも一つの角部は鋭角となるために、この鋭角角部に位置する尖端部の稜線部分やその表面に被覆された切刃部６の硬質炭素被膜５に欠けや剥離が生じ易くなってしまうので、尖端部３１や切刃部６を断面多角形状とする場合には正四拡径（正方形）、正五角形、正六角形、正七角形、正八角形とされるのが望ましい。

さらに、これらの尖端部４、１１、２１，３１は厳密に軸状あるいは錐状、錐台状とされていなくても、成形誤差の範囲内であれば上記先端面４Ｂ，２１Ｂ，３１Ｂやその周面４Ａ，２１Ａ，３１Ａとの交差稜線部、上記交差稜線３１Ｃ、あるいは突端１１Ｂが丸められていたり面取りされていたりしてもよく、また第１、第３、第４の実施形態では先端面４Ｂ，２１Ｂ，３１Ｂが傾いていたりしてもよい。また、この尖端部４，１１，２１，３１に硬質炭素被膜５が被覆されて形成される切刃部６も、その表面が上述のように凹凸するものであるから、厳密に先端が断面半長円形状や半球状とされていなくてもよく、例えば第１、第３、第４の実施形態における切刃部６の先端面は多少凹んでいたり逆に凸となっていたりしてもよく、さらにこの切刃部６先端が全体的に中心線Ｏ方向やこれに直交する方向などに多少扁平していたりしてもよい。

一方、上記第１〜第４の実施形態の微細加工用工具による加工方法では、マイクロ反応システム用チップのガラス基板やセラミックス基板のような脆性材料よりなる加工物に、微細な幅および深さの溝を形成する場合について説明したが、工具本体１を尖端部４，１１，２１，３１の中心線Ｏ回りに回転しつつ切刃部６を加工物の表面に切り込ませて、そのまま工具本体１を上記中心線Ｏ方向に前進させれば、かかる加工物に孔や凹部を形成することが可能となる。このとき、上記第１の実施形態の微細加工用工具によれば、切刃部６を加工物表面に切り込ませてから上記膜厚ｔの深さまでの間で工具本体１を前進させれば、直径ｄの円形の底面外周から断面が半径ｔの円弧状をなす凹曲面状の壁面が延びる凹部が形成され、この膜厚ｔよりも大きな深さで工具本体１を前進させれば、孔底が上記凹部の形状をなす内径（直径）Ｄのストレート孔が形成される。

また、上記第２ないし第４の実施形態の微細加工用工具によれば、開口部の直径が上記外径Ｄとなる深さまでの間で工具本体１を前進させれば、第２の実施形態では半径ｔの凹球面状の凹部が、第３、第４の実施形態では直径ｅの円形の底面外周から断面が半径ｔの円弧状をなす凹曲面状の壁面が延びる凹部が形成される。そして、これら第２ないし第４の実施形態によれば、これよりも大きな深さで工具本体１を前進させれば、孔底が上述のような凹部形状をなし、かつ孔の開口部に向けて内径が上記先端角θ，αに応じたテーパ角で漸次拡径するテーパ孔を形成することができる。勿論、切刃部６が加工物を貫通するように工具本体１を前進させれば、上述のようなストレート孔またはテーパ孔状の貫通孔を形成することができる。

本発明の微細加工用工具の第１の実施形態を示す側面図である。 図１に示す実施形態の尖端部４先端側の拡大断面図である。 本発明の微細加工用工具の第２の実施形態を示す尖端部１１先端側の拡大断面図である。 本発明の微細加工用工具の第３の実施形態を示す尖端部２１先端側の拡大断面図である。 本発明の微細加工用工具の第４の実施形態を示す尖端部３１先端側の拡大断面図である。

符号の説明

１ 工具本体
４，１１，２１，３１ 尖端部
４Ａ 尖端部４の周面
４Ｂ 尖端部４の先端面
５ 硬質炭素被膜
６ 切刃部
１１Ａ 尖端部１１の錐面
１１Ｂ 尖端部１１の突端
２１Ａ 尖端部２１の周面
２１Ｂ 尖端部２１の先端面
３１Ａ 尖端部３１の錐面
３１Ｂ 尖端部３１の先端面
３１Ｃ 隣接する錐面３１Ａ同士の交差稜線
Ｏ 工具本体１の中心線（尖端部４，１１，２１，３１の中心線）
ｔ 硬質炭素被膜５の膜厚
Ｄ 切刃部６の外径
ｄ 尖端部４の外径
θ 尖端部１１の先端角
ｅ 尖端部２１，３１の先端面２１Ｂ，３１Ｂの外径
α 尖端部２１，３１の周面２１Ａ，３１Ａの先端角

Claims (8)

1. 工具本体に形成された尖端部に硬質炭素被膜が被覆されていて、上記硬質炭素被膜の膜厚が上記尖端部の先端における外径よりも大きくされており、該硬質炭素被膜によって上記尖端部の先端に表面が略凸曲面状をなす切刃部が形成されていることを特徴とする微細加工用工具。
2. 上記硬質炭素被膜の膜厚が５〜５０μｍの範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の微細加工用工具。
3. 上記切刃部の外径が１０〜１００μｍの範囲内とされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細加工用工具。
4. 上記尖端部が軸状に形成されていて、上記切刃部の表面が、上記尖端部がなす軸の中心線に沿った断面において該中心線を短軸とする略半長円形状とされていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細加工用工具。
5. 上記尖端部は錐状に形成されていて、上記切刃部の表面が、上記尖端部がなす錐の中心線上に中心を有する略球面状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細加工用工具。
6. 上記尖端部が錐台状に形成されていて、上記切刃部の表面が、上記尖端部がなす錐台の中心線に沿った断面において該中心線を短軸とする略半長円形状とされていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細加工用工具。
7. 上記尖端部が上記中心線に直交する断面において正四〜八角形状に形成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の微細加工用工具。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の微細加工用工具を用いて、上記工具本体を上記尖端部の中心線回りに回転しつつ上記切刃部を脆性材料よりなる加工物の表面に切り込ませることにより、上記加工物に微細加工を施すことを特徴とする脆性材料の微細加工方法。
   

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