JP2007245336A - 凹形の切削面を有する精密な機械加工用の機械加工ツールとその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】能力を拡張した精密機械加工システムを得る。
【解決手段】機械加工中に可変の突出機械加工幅を実現するように作られた切削面を備える機械加工ツールであって、切削面と背面とを有するものである。切削面は、機械加工ツールの先端に及ぶ第１の切削エッジと第２の切削エッジとを有しており、機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の当該切削面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凹形になっている。背面は、第１の切削エッジにおいて切削面と第１の鋭角を、第２の切削エッジにおいて切削面と第２の鋭角を形成し、そのため、機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の背面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凸形になっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、凹形の切削面を有した機械加工ツールとこれら機械加工ツールの製造方法とに関する。具体的には、これら機械加工ツールは、特徴部サイズを小さくし表面プロフィールを改善した微細構造体を製作する目的で、精密な機械加工プロセスにおいて使われるものである。

ダイヤモンド機械加工は、高度な正確さと表面仕上げとを提供し、光学部品（例：レンズ、格子）の製造に使われる光学級の型（mold）の製作に適している。例えば、ダイヤモンドツールは、光学ピックアップデバイスで使用される格子を製造するためのＮｉ型の機械加工に使われる。ダイヤモンド回転、フライカッティング、そして、振動機械加工（ＶＡＭ：Vibration Assisted Machining）が、これまでに試されてきた３つの精密ダイヤモンド機械加工の方法である。しかしながら、これらは各々、光学ピックアップの場合に考えうるいくつかの装置幾何学形状を達成できない限界がある。

他の２つのダイヤモンド機械加工方法として、低速ツールサーボ（ＳＴＳ：Slow Tool Servo）と高速ツールサーボ（ＦＴＳ：Fast Tool Servo）とがあり、上記多数の考えうる装置幾何学形状を作り出すための、別の精密機械加工方法として開発されてきた。
ＳＴＳ技術は、従来のダイヤモンド回転機械の能力を伸ばすものである。それにより、マイクロプリズム、トーリック、軸外し（off-axis）非球面、そして自由形式の光学素子全般といった表面構造の形成が可能になる。ＳＴＳは、超精密ダイヤモンド回転機械の並進および／または回転ステージだけを用いて、機械加工ツールの全ての機械加工運動を実行する。こうしたダイヤモンド回転機械が強力な運動コントローラを含んでいれば、ツール−パス（tool-path）プロセスは機械自体で行うことができる。しかし、Ｚ軸運動（基板表面に直交する方向の運動）で可能な帯域幅は、ダイヤモンド回転機械の移動ステージの限界によって決まってしまう。従って、ＳＴＳに関する帯域幅は、線形フィード軸の場合、１０Ｈｚ未満となる場合が多い。さらに自由形式の光学素子または回析パターンは、工作機械の位置を決定する機能によって、一般化および／または特徴付けされる可能性がある。

ＦＴＳでは、圧電変換アクチュエータ、リニアモータ、またはボイスコイルアクチュエータが、ダイヤモンドツールを高周波の単一軸運動で移動させる。移動の範囲は、１０ミクロン単位から約１ミリメートルが可能である。いくつかのシステムでは、１ｋＨｚの帯域幅を維持しながら１００μｍの移動を実現する。ＦＴＳの効果は、このアドオンツールが実現する帯域幅の拡大である（従来のダイヤモンド回転機械の軸の上での）。利用可能なＦＴＳシステムにはいくつかの例があり、その中には、ノースカロライナ州立大学の精密工学センタ（ＰＥＣ：Precision Engineering Center）とPrecitech社とによって開発されたシステムが含まれる。

ＦＴＳシステムでも、従来のダイヤモンド回転機械の能力は拡張され、マイクロプリズム、トーリック、軸外し非球面、そして自由形式の表面全般といった表面構造の形成が可能になる。例えば、Precitechのシステムを用いると、ツールパスソフトウェアが、Ｃ−プログラムまたはビットマップイメージを用いて、所望の部品のトポグラフィを描く。デジタル信号プロセッサを備えた外部の汎用コンピュータは、ワークスピンドル上での高解像角フィードバック（angular feedback）および機械並進スライドの線形位置フィードバックを利用し、ツールの軸位置を「リアルタイム」で計算する。PrecitechシステムおよびＰＥＣ ＦＴＳシステムは両方とも、回転プロセスにおいては、機械ノイズの低い非常に高度な動的運動を作り出すように設計されている。

４軸のダイヤモンド回転機械の機能を最大限に利用するシステムをＳＴＳまたはＦＴＳと組み合わせれば、さらに、従来の他のダイヤモンド回転およびフライカッティングの方法では不可能な機能も有するようになるであろう。例えば、ツールのリードインおよびリードアウトの領域（移行領域）を小さくできるであろう。さらに、ＳＴＳやＦＴＳを使って、カーブした溝を工作物に機械加工できるようになる可能性がある。多くの種類の光学部品の製造においてこれらの機能は望ましいものであり、そうした部品には、レンズおよび格子、並びに、光学ピックアップで使用される光学部品のための型が含まれる。

ＦＴＳを使用する場合、表面に対するツールの線形速度がＶＡＭで採用されるものに近いならば、表面仕上げおよび切削品質は、ＶＡＭを用いた場合に達成されるレベルに匹敵するものが保たれるであろう。しかし、ＳＴＳまたはＦＴＳを使用すれば、ＶＡＭでは達成できないツールと工作物との間の独特の方向決めを伴う機械加工が可能となり、それは、ＶＡＭシステムでは達成できない装置幾何学形状に関する条件を達成する能力をＦＴＳにもたらす。発明者が行ったテストが示すところでは、無電解ニッケルでは、わずか３５ｍｍ／分の線形速度でしか、格子の光学性能は維持されない。

いくつかの光学ピックアップの設計について望ましい特徴は、移行領域が最小限ということである。ＳＴＳまたはＦＴＳを使ったダイヤモンド回転機械の軸の調整によって、鋭いツールのリードアウトでこれを実現することは可能であろう。ＳＴＳまたはＦＴＳいずれかを、完全な位置決めのできるダイヤモンド回転機械と共に使用すれば、機械が制御する送りを減速することで表面線形速度は下がる。帯域幅と引込め（retraction）時間とが一定であれば、これによってリードアウト移行領域は効果的に小さくなる。これらの標準的な光学ピックアップ設計の移行領域に関する光学特性は、過度に厳しいものではないであろう。従って、送りを減速することから生じうる表面仕上げの質低下も許容範囲に収まるであろう。

これらの典型的な機械加工方法は、実質的に平らな切削面を有した機械加工ツールを利用する。基板材料を裂くことなくきれいに切削するために、こうした機械加工ツールの位置は、基板面の平面で切削面の断面が機械加工ツールの辿る機械加工パスに対して垂直になる、という形に位置合わせするのが望ましい。そうして、機械加工ツールによって機械加工される溝の形状およびサイズは、機械加工ツールによって設定される。
ＵＳ２００３／００３５２３１号

本発明は凹形の切削面を備えた機械加工ツールを包含する。本発明のこれら例示的な機械加工ツールの使用は、機械加工ツールの各パスの間に精密機械加工システムによって機械加工される溝の形に対する更なる制御を可能にすることで、精密機械加工システムの能力を拡張する。

本発明の例示的な実施の形態は、機械加工中に可変の突出機械加工幅を実現するように作られた切削面を備える機械加工ツールであって、切削面と背面とを有するものである。切削面は、機械加工ツールの先端に及ぶ第１の切削エッジと第２の切削エッジとを有しており、機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の当該切削面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凹形になっている。背面は、第１の切削エッジにおいて切削面と第１の鋭角を、第２の切削エッジにおいて切削面と第２の鋭角を形成し、そのため、機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の背面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凸形になっている。

本発明のもう一つの例示的な実施の形態は、使用中に可変の機械加工幅を突出するように作られた凹形の切削面を有した機械加工ツールの製造方法である。まず、ツール材料で形成され、実質的に平らな切削面と凸形の背面とを有する機械加工ツールブランクを用意する。機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面と凸形の背面とは、（i）第１のエッジ角を形成する第１の切削エッジと、そして、（ii）第２のエッジ角を形成する第２の切削エッジとにおいて合流する。第１の切削エッジと第２の切削エッジとは機械加工ツールブランクの先端に及ぶ。 そして、機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面は機械加工され、機械加工ツールブランクのツール材料の一部を実質的に平らな切削面から除去して機械加工ツールの凹形切削面を形成する。この機械加工によって、第１のエッジ角または第２のエッジ角のうち少なくとも一方は小さくなる。

本発明は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことで最もよく理解できる。通常のやり方に従い、図面における各種特徴部の大きさは実寸と異なる、ということを強調しておく。各種特徴部の寸法は、明瞭にする目的で任意に拡大または縮小してある。
本発明の例示的な実施の形態は、凹形の切削面を備えた例示的な機械加工ツールと、これらの機械加工ツールの例示的な製造方法とを包含する。これらの例示的な機械加工ツールは、数多くの異なる精密機械加工システムおよび方法において使用されるものである。そして、これらツールはその縦軸を中心に回転させられるが、その間、微細なツール送り方向が維持されて、「突出した」機械加工ツール幾何学形状が実現される。

こうした例示的な精密機械加工方法は、光学格子作成に使用するのが望ましいであろう。これらの例示的な方法はＳＴＳまたはＦＴＳの特徴を利用するので、調整運動システムのリードインおよびリードアウトを小さくする効果が実現されるであろう。加えて、予め形を付けた、本発明による例示的な機械加工ツールの「突出した」ビューを使用することで、細かい特徴部を形づくる際に、より高い精度が可能になる。なお、本発明と並行して提出された「精密機械加工システムおよび方法」というタイトルの米国の特許出願には、本発明の例示的な機械加工ツールが利用できそうな精密機械加工システムおよび方法がいくつか記述されている。留意すべき点として、本発明の例示的な機械加工ツールはダイヤモンド機械加工ツールである場合が最も多いが、他の機械加工ツール材料（例：サファイヤ、炭化ケイ素、タングステン、または炭化タングステン）も同様に使用できる。

ＳＴＳ法およびＦＴＳ法のいずれにおいても、工作物表面の平面に機械加工ツールが固定されるため、それはツール送り方向に対して回転させられる。これにより、「突出した」ツール幾何学形状の利用が可能となり、従って、機械加工ピッチおよび角度の変化（その結果生じる、異なる切削プロフィール）を実現できる。これらの例示的な方法が有する本特徴は、フレネルレンズや他の回析光学素子、または、そのための型を生産するのに特に望ましいであろう。ただし、他の多くの微細構造も、本発明の例示的な実施例を使用して製造することが可能である。また、本発明の例示的な機械加工ツールは他の機械加工方法と共に使用できる、という点にも同様に留意すべきである。

図１は、本発明による例示的な精密機械加工システムを示す。この例示的な精密機械加工システムは、機械加工ツール１１０の切削面（すくい面としても知られるもの）を回転させて、工作物１０８の表面で機械加工パスに対して垂直な可変機械加工幅を突出させる、という形に設計されている。
図１の例示的な精密機械加工システムは以下を有する。すなわち、ベース１００と、工作物１０８をその表面に平行な１本以上の軸に沿って移動させる並進ステージ１０２と、Ｚ軸に平行な軸を中心に工作物を回転させる工作物スピンドル１０４と、機械加工中に工作物１０８を保持している工作物ホルダ１０６と、機械加工ツール１１０の先端と工作物１０８の表面との相対的なＺ位置を制御するＺ軸並進ステージ１１６と、ツールスピンドル１１４と、機械加工ツールのセンターラインがＺ軸と実質的に平行となるように機械加工ツール１１０を保持する機械加工ツールホルダ１１２と、そして、工作物１０８の表面で機械加工ツール１１０の先端が予め決められた機械加工パスを通る、という形にシステムの運動を制御する機械加工パスコントローラ１２０と、である。ツールスピンドル１１４は機械加工ツールホルダ１１２に連結されて、機械加工ツール１１０をその縦センターラインを中心に回転させる。図３（ｃ）、（ｄ）（ならびに、図４（ｃ）、（ｄ）、図５（ｃ）、５（ｄ）、図７（ｃ）、（ｄ）、そして図８（ｃ）、８（ｄ））に示すように、例示的な機械加工ツール１１０をこのような形で回転させると、機械加工パスに直交する形で突出した切削面の幅は変化することになる。

図１の例示的なシステムを使用する例示的な工作物表面機械加工方法では、本発明の例示的な機械加工ツールを使用すればよい。留意すべき点として、図１の例示的なシステムは、この例示的な方法での使用に特に適したものではあるが、他の精密機械加工システムをこの例示的な方法で使用してもよく、その場合は、システムコントローラを適正にプログラミングして、これらシステムの並進および／または回転ステージの運動を調整させる
１つの例示的な方法において、工作物は精密機械加工システムの中に設置される。例示的な機械加工ツール１１０の先端は、工作物１０８の表面上で所望の開始位置の上に位置合わせされる。この所望の開始位置は、機械加工ツール１１０を工作物１０８の表面に突入させようとする特定の突入位置とすることができる。ただし、より望ましい形としては、当該開始位置は加速パスに沿っているものとする。加速パスとは、機械加工ツール１１０の先端が望ましい機械加工深さにまで工作物１０８の表面に入り込む際のパスであり、機械加工ツールは当該パスに沿い、工作物表面の平面で、工作物の表面に対して加速される。機械加工ツール１１０の切削面は工作物の表面に対して実質的に垂直である。ここから、機械加工ツール１１０はそのセンターラインの軸（工作物１０８の表面に実質的に直交する方向のもの）を中心に回転させられ、当該回転は、工作物１０８の表面で機械加工パスに直交する方向に突出した機械加工ツール１１０の切削面の幅が所望の機械加工幅になるまで行われる。

その後、機械加工ツール１１０の先端を、予め定められた機械加工深さだけ、工作物１０８の表面に突入させる。その際、工作物１０８の表面に実質的に直交する方向に工作物および／または機械加工ツール１１０を移動させる。先に述べたように、機械加工ツール１１０の先端は直接工作物の表面に突入させてもよいし、あるいは、より望ましい形として、工作物が当該工作物の表面に対して平行な平面において機械加工ツールに対して移動させられるのに従い、機械加工ツール１１０の先端を工作物１０８の表面に切り込ませていく形にしてもよい。この後者の方法では、機械加工ツール１１０の材料の磨耗がより小さくなるが、ツールのリードイン移行領域が生じることになる。

その後、工作物および／または機械加工ツールを、工作物の表面に対して実質的に平行な面で移動させる。この動きは、工作物の表面で、機械加工ツール１１０の先端が機械加工パスを通るように調整される。これらの調整された移動は、２つの線形方向の運動を含む場合、１つの線形方向および１つの回転方向の運動を含む場合、そして、２つの線形方向および１つの回転方向における運動を含む場合がある。

図２（ａ）〜（ｃ）は従来技術の機械加工ツールの特徴を示す。図２（ａ）は従来技術の機械加工ツールの正面図である。図２（ｂ）は従来技術の機械加工ツールの側面図である。図２（ｃ）は従来技術の機械加工ツールの上側からの断面図である。
この従来技術の機械加工ツールの切削面２００は、２つの切削エッジ２０２を有し、これらエッジ２０２は機械加工ツールの先端２０４で合流している。図２（ｃ）で分かるように、切削面２００は、機械加工ツールのセンターラインに直交する方向に見た断面では平らになっている。

図２（ｂ）、２（ｃ）に示すように、この従来技術の機械加工ツールは背面２０８を有する。この面も２つの切削エッジ２０２の間に延びているが、上から見た断面では凸形となっている。ここの例では、背面は２つの平らなセクションから形成されている。背面２０８は、各切削エッジにおいて切削面と逃げ角２１０を形成している。この角度があまりに小さいと、背面２０８は、切削エッジ２０２の一方の近くで切削されている材料のエッジと接触する状態になってしまい、これは機械加工品質の低下につながる。

上で述べた通り、いくつかの用途では、機械加工ツール１１０が回転させられることで、機械加工パスに対して垂直に突出した切削面の幅が、所望の機械加工幅（切削面の実際の幅よりも小さい幅）にまで小さくなる、とするのが望ましい。しかしながら、この構成で機械加工を実現するには、機械加工ツールが示す尖ったエッジは、切削面の各エッジ（切削エッジ）において、送り方向から見て９０度以下の角度になるのが望ましい。そうしなければ、切削エッジは工作物の材料を切削するよりも裂く形になり、そうすると、機械加工した面が荒くなるという望ましくない結果になりかねない。

機械加工ツールが、図２（ａ）〜（ｃ）の従来技術の機械加工ツールのように平らな切削面を有するならば、機械加工パスに対して切削面２００が垂直な状態になるような向きで当該機械加工ツールが使用される際には、両切削エッジ２０２における切削面は、送り方向から見て９０度の角度にある。しかし、切削面２００が機械加工パスに対して垂直にならない形で機械加工ツールを回転させると、その場合、一方の切削エッジにおいて切削面は回転して前に進み、送り方向から見て９０度よりも小さい角度（鋭角）を成す状態となるが、他方の切削エッジにおいて切削面は回転して後ろに下がり、送り方向から見て９０度よりも大きい角度を成す状態となる。従って、機械加工ツールが回転させられる時、両切削エッジにおける切削面を所望の角度に置こうとするなら、この従来技術の機械加工ツールの下がった切削エッジに近い切削面は、形を変えなければならない。そうして変えられた切削面を備えた機械加工ツールを上から見ると、断面は凹形となる。これは、図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｄ）、そして図８（ａ）〜（ｄ）に示された例示的な機械加工ツールに見られる。

図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示的な機械加工ツール１１０の特徴を示している。図３（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０の正面図であり、図３（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０の側面図であり、そして、図３（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０の上から見た形での断面図である。図３（ｄ）は、凹形の切削面３００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅３０４から、機械加工ツール１１０がそのセンターラインを中心に角度３０６だけ回転させられることで小さくなった状態の突出幅３０８へと変化する様子を示している。

例示的な機械加工ツール１１０の切削面３００は、２つの切削エッジ２０２を有し、これらエッジ２０２は機械加工ツールの先端２０４で合流している。図３（ｃ）で分かるように、切削面３００は、機械加工ツール１１０のセンターラインに直交する方向に見た断面が凹形となる。この例示的な実施の形態では、この凹形の断面は、頂点３０２を備えたＶ字の形であり、２つの切削エッジ２０２から延びる２つの実質的に平らなセクションを有する。留意すべき点として、図３（ｃ）、（ｄ）に示す切削面断面は対称形になっているが、対称性は必要ない。凹形の切削面３００（または図４（ｃ）、（ｄ）に示す切削面４００）は非対称でもよく、その場合、頂点３０２（４０２）は切削面の中央の位置にはない。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、例示的な機械加工ツール１１０において問題となりうるもう１つの要素は、背面２０６である。この面も２つの切削エッジ２０２の間に延びているが、切削エッジにおいて鋭角を成し、上から見た断面では凸形となる。この例示的な実施の形態では、この凸形の断面はＶ字の形であり、２つの切削エッジ２０２から延びる２つの実質的に平らなセクションを有する。背面２０６に関連して考慮すべき重要な点は逃げ角２０８である。この角度があまりに小さいと、機械加工ツール１１０が回転させられる際、背面２０６は切削エッジ２０２を越えて延びる形となる。そうすると、突出幅が所望の値よりも大きくなる結果に通じ、それと共に機械加工品質の低下も起こりやすい。

従って、本発明による例示的な機械加工ツールが機械加工の間に望ましい形で回転させられる際の最大角度は、切削面の形状または背面の形状によって決定される。図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｄ）、そして図８（ａ）〜（ｄ）はそれぞれ、例示的な機械加工ツール１１０´、１１０´´を示すが、これらの場合、望ましい最大回転角度はそれらの背面の形状に基づいており、それらの逃げ角２０８にほぼ等しい。

図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示的な機械加工ツール１１０´の特徴を示している。図４（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０´の正面図であり、図４（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０´の側面図であり、そして、図４（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０´の上から見た形での断面図である。図４（ｄ）は、凹形の切削面４００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅４０６から、機械加工ツール１１０´がそのセンターラインを中心に角度４０８だけ回転させられることで小さくなった状態の突出幅４１０へと変化する様子を示している。

図４（ｃ）に見られるように、機械加工ツール１１０´のセンターラインに直交する方向から見た断面で、切削面４００は凹形となっている。この例示的な実施の形態における当該凹形の断面は、２つの切削エッジ２０２から延びた３つの実質的に平らなセクションを有し、そのうち２つは、中心を外れたＶ字形状のくぼみ（divot）を機械加工ツールの前面の側で形成している。この中心を外れたくぼみは、頂点４０２に中心があり、例示的な機械加工ツールがより大きな最大回転角度（従って、より小さい最小突出幅）を有することを可能にするが、その際、切削エッジに形成される鋭角が鋭くなりすぎて、機械加工ツールを構造的に不健全にしてしまう、ということはない。

先の例示的な実施の形態の場合のように、背面４０４は切削エッジにおいて鋭角を成し、上から見た断面では３つのセクションを備えた凸形となっている。当業者であれば、図４（ａ）〜（ｄ）に示される例示的な背面４０４は、単に１つの例示的な多面形背面でしかないが、本発明の様々な実施の形態で使用できる、という点は理解できるであろう。背面については、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように異なった形にセクションが配列されたものや、４つ以上のセクションを有したものも使用することができるだろう。さらに、図５（ａ）〜（ｄ）には、滑らかにカーブした背面５０４が示されている。

また、留意すべき点として、他の多面的な切削面断面も可能であり、その例として、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように、対称形の３つのセクションが、先端を切られたＶ字形の面に向き合った形や、４つ以上のセクションを備えた切削面を有する断面がある。図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明による機械加工ツールの切削面に関わる、もう１つの例示的な実施の形態を示す。すなわち、滑らかにカーブした切削面５００である。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示的な機械加工ツール１１０´´の特徴を示している。図５（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０´´の正面図であり、図５（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０´´の側面図であり、そして、図５（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０´´の上から見た形での断面図である。図５（ｄ）は、凹形の切削面５００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅５０６から、機械加工ツール１１０´´がそのセンターラインを中心に角度５０８だけ回転させられることで小さくなった状態の突出幅５１０へと変化する様子を示している。

例示的な機械加工ツール１１０´´が有する平らなツール先端５０２では、切削エッジ２０２が外向きに角度付けされており、そのため、例示的な機械加工ツール１１０´´を用いて機械加工される溝は台形の断面を有することなり、図３（ａ）〜（ｄ）と図４（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示す例示的な機械加工ツール１１０、１１０´を使用して形成される溝が二等辺三角形の断面を有するのとは異なっている。図５（ａ）〜（ｄ）において平らなツール先端５０２は、例示的な機械加工ツール１１０´のセンターラインに中心が合わされ、これと垂直になるように示されている。しかしながら、留意すべき点として、この構成は単に例示的なものに過ぎず、平らなツール先端５０２が一方の側にずれている状態、および／または、機械加工ツールのセンターラインと非直角になるようセットされた状態となる構成もまた、本発明の例示的な実施の形態において使用できる。

また、留意すべき点として、図５（ｃ）、（ｄ）において、滑らかにカーブした切削面５００は円弧を描き、切削面の中心に関して対称形であるように示されているが、本発明の例示的な実施の形態では、他の形の滑らかにカーブした切削面を使用することも考えられる（例：放物線状の面、双曲線状の面、および／または、非対称にカーブした面）。さらには、滑らかにカーブしてほぼ平らなセクションを、例示的な切削面の中で組み合わせてもよい。例えば、切削面４００におけるくぼみを、図４（ａ）〜（ｄ）で示すようなＶ字の形状ではなく、滑らかにカーブした形とすることも可能であろう。

図７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の例示的な機械加工ツール１１０´´´の特徴を示している。例示的な機械加工ツール１１０´´´の先端２０４は、切削エッジのうち１つが機械加工ツールのエッジと平行になるよう、機械加工ツールのセンターラインから外れた位置に置かれている。先端２０４のこうした配置は、単に例示的なもので、これに限定することは意図していない。当業者であれば理解できるように、図３（ａ）〜（ｄ）と図７（ａ）〜（ｄ）との例示的な実施の形態の間の中間の位置を、先端２０４の位置として採用してもよいだろう。

図７（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´の正面図であり、図７（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´の側面図であり、そして、図７（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´の上から見た形での断面図である。図７（ｄ）は、凹形の切削面７００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅７０４から、機械加工ツール１１０´´´がそのセンターラインを中心に角度７０６だけ回転させられることで小さくなった状態の突出幅７０８へと変化する様子を示している。

留意すべき点として、例示的な機械加工ツール１１０´´´の切削面７００は、図３（ａ）〜（ｄ）の切削面３００と同様に、２つの平らなセクションから形成されるものとして示してあるが、本発明の例示的な実施の形態では、これと別に、他の凹形切削面を用いることもできる（例えば、図４（ａ）〜（ｄ）の切削面４００や図５（ａ）〜（ｄ）の切削面５００に類似したもの）。

図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明による更に別の例示的な機械加工ツール１１０´´´´の特徴を示す。例示的な機械加工ツール１１０´´´´の平らな先端８０４は、切削エッジ１０１が例示的な機械加工ツール１１０´´´´のセンターラインに対して実質的に平行になるように、機械加工ツールの最大機械加工幅にわたって延びる。
図８（ａ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´´の正面図であり、図８（ｂ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´´の側面図であり、そして、図８（ｃ）は例示的な機械加工ツール１１０´´´´の上から見た形での断面図である。図８（ｄ）は、凹形の切削面８００の突出幅が、垂直で最大の状態にある際の突出幅８０８から、機械加工ツール１１０´´´´がそのセンターラインを中心に角度８１０だけ回転させられることで小さくなった状態の突出幅８１２へと変化する様子を示している。

例示的な機械加工ツール１１０´´´´の例示的な切削面８００は３つの平らなセクションを含むため、これらの３つの平らなセクションは２つの頂点８０２で合流する。また、背面８０６も３つのセクションを有する。
留意すべき点として、図７（ａ）〜（ｄ）の例示的な機械加工ツール１１０´´´を用いて、ピッチが可変の鋸歯パターンを形成することにしてもよく、そして、図８（ａ）〜（ｄ）の例示的な機械加工ツール１１０´´´´を用いて、工作物表面に、ピッチが可変の矩形波パターンを形成することにしてもよい。

図６は、使用中に可変機械加工幅を突出するように作られた凹形切削面を有する機械加工ツールの例示的な製造方法を示す。先ず、実質的に平らな切削面と凸形の背面とを有する機械加工ツールブランクが提供される（ステップ６００）。実質的に平らな切削面と凸形の背面とは、（１）第１の切削エッジにおいて合流して第１のエッジ角を形成し、そして、（２）第２の切削エッジにおいて合流して第２のエッジ角を形成する。２つの切削エッジは機械加工ツールブランクの先端に達する。機械加工ツールブランクの選択は、製造中の例示的な機械加工ツールの凹形切削面の突出形状、そして、最大幅が所望のものになるように行うのが望ましい。従って、製造対象の機械加工ツールが、尖った先端（例：図３（ａ）〜（ｄ）、図４（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｄ）がそれぞれ示す例示的な機械加工ツール１１０、１１０´、１１０´´´）、または、平らな先端（例：図５（ａ）〜（ｄ）、図８（ａ）〜（ｄ）がそれぞれ示す例示的な機械加工ツール１１０´´、１１０´´´´）を有するならば、先端は尖った先端となるだろう。例えば、図２（ａ）〜（ｃ）の従来技術の機械加工ツールは、本ステップにおいて用いられる可能性のある１つの潜在的機械加工ツールブランクを例示している。上で述べたように、機械加工ツールブランクのツール材料は、精密機械加工システムで使われる材料であればどんなものでもよい（例：ダイヤモンド、サファイヤ、炭化ケイ素、タングステン、炭化タングステン）。

機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面を機械加工し、機械加工ツールブランクのツール材料の一部を、当該実質的に平らな切削面から除去する（ステップ６０２）。第１のエッジ角および第２のエッジ角は、この機械加工プロセスによって小さくなる。望ましい形として、この機械加工プロセスで機械加工ツールの凹形切削面が形成される。
切削面のサイズは小さく、特徴部のサイズは径でナノメートルから１ｍｍまでの範囲であり、切削面の断面に対しては先端と近いものが求められる。そのため、機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面を機械加工する本ステップでは、比較的精密かつ正確なマイクロ機械加工技術を使用することが必要となる。しかし、そうしたマイクロ機械加工技術は数多く存在しており、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、レーザアブレーション、集束イオンビーム機械加工、そして、３次元フォトリソグラフィなどがある。

本発明は、凹形切削面を備えた多数の例示的な機械加工ツールと、これらの機械加工ツールの製造方法とを含む。本文書の中で、本発明については、特定の実施の形態を参照しながら、図示および説明してきたが、本発明をここに示した詳細に限定する意図はない。それどころか、特許請求の範囲の相当物の範囲の中で、本発明から逸脱することなしに、これら詳細には様々な変更を施すことができるであろう。特に、当業者であれば理解できるように、ここで特別に図示した様々な実施の形態が有する多くの特徴を組み合わせれば、更に別の例示的な機械加工ツールを作ることができ、それらもまた、本発明を具体化したものである。

本発明は、機械加工ツールの各パスの間に精密機械加工システムによって機械加工される溝の形に対する更なる制御を可能にすることで、精密機械加工システムの能力を拡張するのに有用である。

本発明による例示的な凹形切削面加工ツールと共に使用される、例示的な精密機械加工システムを示す側面図である。 （ａ）従来技術の機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図２（ａ）の従来技術の機械加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図２（ａ）、（ｂ）の従来技術の機械加工ツールを示し、図２（ａ）、（ｂ）の線２Ｃ−２Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。 （ａ）本発明の凹形切削面を備えた例示的な機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図３（ａ）の例示的な機械加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図３（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図３（ａ）、（ｂ）の線３Ｃ−３Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。（ｄ）図３（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図３（ａ）、（ｂ）の線３Ｃ−３Ｃにおける断面を上から見た形で示す図であって、図３（ｃ）の状態から回転させた結果の状態を示す図である。 （ａ）本発明の凹形切削面を備えた別の例示的な機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図４（ａ）の例示的な機械加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図４（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図４（ａ）、（ｂ）の線４Ｃ−４Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。（ｄ）図４（ａ）、（ｂ）の例示的な加工ツールを示し、図４（ａ）、（ｂ）の線４Ｃ−４Ｃにおける断面を上から見た形で示す図であって、図４（ｃ）の状態から回転させた結果の状態を示す図である。 （ａ）本発明の凹形切削面を備えた更に別の例示的な機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図５（ａ）の例示的な加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図５（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図５（ａ）、（ｂ）の線５Ｃ−５Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。（ｄ）図５（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図５（ａ）、（ｂ）の線５Ｃ−５Ｃにおける断面を上から見た形で示す図であって、図５（ｃ）の状態から回転させた結果の状態を示す図である。 本発明の凹形切削面を備えた例示的な機械加工ツールの例示的な製造方法を示すフローチャートである。 （ａ）本発明の凹形切削面を備えた更に別の例示的な機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図７（ａ）の例示的な機械加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図７（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図７（ａ）、（ｂ）の線７Ｃ−７Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。（ｄ）図７（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図７（ａ）、（ｂ）の線７Ｃ−７Ｃにおける断面を上から見た形で示す図であって、図７（ｃ）の状態から回転させた結果の状態を示す図である。 （ａ）本発明の凹形切削面を備えた更に別の例示的な機械加工ツールを示す正面図である。（ｂ）図８（ａ）の例示的な加工ツールを示す側面図である。（ｃ）図８（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図８（ａ）、（ｂ）の線８Ｃ−８Ｃにおける断面を上から見た形で示す図である。（ｄ）図８（ａ）、（ｂ）の例示的な機械加工ツールを示し、図８（ａ）、（ｂ）の線８Ｃ−８Ｃにおける断面を上から見た形で示す図であって、図８（ｃ）の状態から回転させた結果の状態を示す図である。

符号の説明

１００ ベース
１１０ 機械加工ツール
１２０ 機械加工パスコントローラ
２００ 切削面

Claims (20)

1. 機械加工中に可変の突出機械加工幅を実現するように作られた切削面を備える機械加工ツールであって、前記機械加工ツールは、
   機械加工ツールの先端に及ぶ第１の切削エッジと第２の切削エッジとを有する切削面と、そして、
   第１の切削エッジにおいて切削面と第１の鋭角を、第２の切削エッジにおいて切削面と第２の鋭角を形成する、という背面と、を有し、
   機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の機械加工ツールの切削面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凹形になっており、そして、
   機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の機械加工ツールの背面の断面は、第１の切削エッジと第２の切削エッジとの間で凸形になっていること、
   を特徴とする機械加工ツール。
2. 機械加工ツールは、ダイヤモンド機械加工ツール、サファイヤ機械加工ツール、炭化ケイ素機械加工ツール、タングステン機械加工ツール、または、炭化タングステン機械加工ツールのうち１つであること、
   を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
3. 切削面は、
   第１の切削エッジから延びる、第１の実質的に平らなセクションと、そして、
   第２の切削エッジから延びる、第２の実質的に平らなセクションと、を有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
4. 第１の実質的に平らなセクションと第２の実質的に平らなセクションとは、切削面の中心における頂点で合流し、そして、
   機械加工ツールのセンターラインと直交する方向の機械加工ツールの切削面の断面はＶ字の形状を有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の機械加工ツール。
5. 第１の実質的に平らなセクションと第２の実質的に平らなセクションとは、切削面の中心からずれた位置にある頂点で合流すること、
   を特徴とする請求項３に記載の機械加工ツール。
6. 切削面は更に、第１の実質的に平らなセクションと第２の実質的に平らなセクションとの間に延びる第３の実質的に平らなセクションを有すること、
   を特徴とする請求項３に記載の機械加工ツール。
7. 切削面は、実質的に滑らかにカーブする凹形面のセクションを有すること、
   を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
8. 実質的に滑らかにカーブする凹形面のセクションは、第１の切削エッジから第２の切削エッジまで延びていること、
   を特徴とする請求項７に記載の機械加工ツール。
9. 切削面の実質的に滑らかにカーブする凹形面は、切削面の中心に関して対称な形であること、
   を特徴とする請求項７に記載の機械加工ツール。
10. 切削面の実質的に滑らかにカーブする凹形面は、切削面の中心に関して非対称な形であること、
    を特徴とする請求項７に記載の機械加工ツール。
11. 切削面の断面は、円弧、放物線状、あるいは双曲線状のいずれか１つであること、
    を特徴とする請求項７に記載の機械加工ツール。
12. 切削面は更に、実質的に平らなセクションを有すること、
    を特徴とする請求項７に記載の機械加工ツール。
13. 背面は、
    第１の切削エッジから延びる第１の実質的に平らなセクションと、そして、
    第２の切削エッジから延びる第２の実質的に平らなセクションと、を有すること、
    を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
14. 背面は、第１の切削エッジから第２の切削エッジまで延びる実質的に滑らかにカーブした凸面であること、
    を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
15. 機械加工ツールのセンターラインに直交する平面における第１の切削エッジから第２の切削エッジまでを測った切削面の最大幅は、約１ｎｍと１ｍｍとの間の値であること、
    を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
16. 機械加工ツールの先端は、尖った先端または平らな先端の一方であること、
    を特徴とする請求項１に記載の機械加工ツール。
17. 使用中に可変の機械加工幅を突出するように作られた凹形の切削面を有した機械加工ツールの製造方法であって、
    （ａ）ツール材料で形成され、実質的に平らな切削面と凸形の背面とを有する機械加工ツールブランクを用意するステップであって、実質的に平らな切削面と凸形の背面とは、（i）第１の切削エッジにおいて合流して第１のエッジ角を形成し、（ii）第２の切削エッジにおいて合流して第２のエッジ角を形成し、第１の切削エッジと第２の切削エッジとは機械加工ツールブランクの先端に及ぶ、というブランクを用意するステップと、そして、
    （ｂ）機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面を機械加工するステップであって、機械加工ツールブランクのツール材料の一部を実質的に平らな切削面から除去して機械加工ツールの凹形切削面を形成し、それによって第１のエッジ角または第２のエッジ角のうち少なくとも一方を小さくする、というステップと、
    を有することを特徴とする方法。
18. 加工ツールブランクのツール材料は、ダイヤモンド、サファイヤ、炭化ケイ素、タングステン、または、炭化タングステンのうち１つであること、
    を特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. ステップ（ｂ）において機械加工ツールブランクの実質的に平らな切削面を機械加工する処理は、反応性イオンエッチング、プラズマエッチング、レーザアブレーション、集束イオンビーム機械加工、そして、３次元フォトリソグラフィのうち少なくとも１つを含むこと、
    を特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. 第１のエッジ角と第２のエッジ角とが両方ともステップ（ｂ）において小さくされること、
    を特徴とする請求項１７に記載の方法。

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