JP2009291865A - 抜き型の製造方法および抜き型 - Google Patents

Abstract

【課題】製造効率に優れ、かつ、きわめて優れた帯刃部の形状精度を有する抜き型の製造方法と上記製造方法によって得られた抜き型を提供する。
【解決手段】切削加工により所定のパターンを有する帯刃部１３を形成すること、および、該帯刃部において帯刃がなす頂点部分近傍の内側の切削加工の切削残部に、超短パルスレーザーを照射して該切削残部を除去することを含む、抜き型の製造方法と、上記製造方法によって得られた抜き型が得られた。
【選択図】図１

Description

本発明は、抜き型の製造方法および抜き型に関する。より詳細には、本発明は、機械的加工とレーザー加工とを組み合わせた抜き型の製造方法およびそのような製造方法によって得られる抜き型に関する。

帯刃（トムソン刃とも称される）を有する抜き型は、シート材から所定形状の製品を打ち抜いて切り出すために使用されている。製品の具体例としては、紙器パッケージ（例えば、包装用ケース、キャラメルケース等の食品ケース、薬品および化粧品ケース）、回路基板、電化製品等に使用される貼付用シールが挙げられる。従来、抜き型としては、例えば、木製合板に帯状刃物を組み込んだトムソン型、フォトリソグラフィーと機械的加工とを組み合わせて得られる型、および、削り出し加工により得られる型が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。一例として、フォトリソグラフィーと機械的加工とを組み合わせる方法を具体的に説明する。図６（ａ）〜図６（ｄ）に示すように、ワーク６１上に製品形状に対応したパターンを有するフォトマスク６２を配置し（図６（ａ））、エッチングによりフォトマスク６２に対応する部分のみを残し（図６（ｂ））、当該残った部分を切削工具（例えば、エンドミル）６４で切削加工し（図６（ｃ））、帯刃部６５を形成する（図６（ｄ））。このようにして、基体部６３上に所定のパターンの帯刃部６５を有する抜き型６０が得られる。削り出し加工により得られる抜き型は、エンドミル等の機械的切削により金属板を削り出して作製されている。いずれにしても、抜き型の帯刃部の最終的なパターンは、多くの場合、機械的加工により削り出し形成されている。

図７は、機械的加工により形成された帯刃部において削り出された帯刃がなす頂点部分近傍の拡大平面図である。帯刃６５の内側には、切削工具（代表的には、エンドミル）の回転により切削することに起因して平面視略円弧状の削り残し部分６６が不可避に形成されてしまう。当該削り残し部分は、エンドミルの半径に対応した平面視略円弧状の平坦部となる。このような削り残し部分（平坦部）が存在すると、帯刃がなす頂点部分において鋭利な刃先を形成することができないので、製品を打ち抜いた場合に平坦部が残ってしまい、所望の美しい形状に打ち抜くことができない。機械的加工により発生する平坦部は、例えば化粧品ケースのようなパッケージの製造用途においては、許容範囲を超えた不良品率を引き起こすことが多い。また、非常に薄くかつ複雑なパターンを有するフレキシブル回路基板（フレキシブルプリント配線基板）等の製造においては、このような削り残し部分は、打ち抜き不良による製造効率の低下のみならず回路不良を引き起こすので、帯刃部の形状精度（特に、頂点部分近傍の削り残し部分の除去）は重要な問題である。さらに、近年の回路基板の小型化・複雑化に伴い、多層回路基板が多く用いられるようになってきており、帯刃部の形状精度向上はきわめて重要な問題となり得る。

上記のような問題を考慮すると、帯刃がなす頂点部分近傍の内側に削り残しがない抜き型が望ましい。しかし、従来の技術ではそのような削り残しをなくすことは実質的に不可能である。頂点部分の刃先をできる限り鋭利にするために（削り残しの平坦部をできるだけ小さくするために）、小径かつテーパー状のエンドミルを用いて最終仕上げが行われるが、可能な限りの小径エンドミルを用いたとしても、当該エンドミルの半径に対応する削り残し部分（平坦部）を回避することはできない。さらに、エンドミルを小径にするにしたがって、製造効率が極端に低下する。すなわち、製造効率を犠牲にして削り残し部分をできるだけ小さくするように試みても、平坦部を実質的に除去することはできない。以上のように、製造効率に優れ、かつ、きわめて優れた帯刃部の形状精度を有する抜き型を実現する手段が強く望まれている。
特開２００３−１０３５００号公報 特開平１０−１７５２００号公報 ＷＯ２００２／５３３３２

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、製造効率に優れ、かつ、きわめて優れた帯刃部の形状精度を有する抜き型の製造方法を提供することにある。

本発明の抜き型の製造方法は、切削加工により所定のパターンを有する帯刃部を形成すること、および、該帯刃部において帯刃がなす頂点部分近傍の内側の切削加工の切削残部に、超短パルスレーザーを照射して該切削残部を除去すること、を含む。

好ましい実施形態においては、上記超短パルスレーザーのパルス幅は、２００フェムト秒〜３ピコ秒である。

好ましい実施形態においては、上記超短パルスレーザーの１パルスあたりのエネルギーは、１μＪ〜１ｍＪである。

好ましい実施形態においては、上記超短パルスレーザーの照射焦点径は、５μｍ〜１５μｍである。

好ましい実施形態においては、上記方法は、照射位置を連続的に移動させながら上記切削残部を照射する。さらに好ましい実施形態においては、上記超短パルスレーザー１パルスごとの間隔は０．２μｍ〜０．７μｍであり、パルスの重なりの数が２５〜７５である。

本発明の別の局面によれば、抜き型が提供される。この抜き型は、上記の製造方法により得られる。

本発明の別の実施形態による抜き型は、基体部と、該基体部から突設した所定のパターンを有する帯刃部とを有し、該帯刃部の帯刃がなす頂点部分近傍の内側に、帯刃先端部と同一高さの平坦部を有さない。

本発明によれば、超短パルスレーザー照射と機械的加工とを組み合わせることにより、帯刃の特性を変化させることなく、帯刃部において帯刃がなす頂点部分近傍の内側に削り残し部分のない抜き型を非常に高い製造効率で作製することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明するが、本発明はこれらの具体的な実施形態には限定されない。

本発明の抜き型の製造方法は、まず、切削加工により所定形状（所定パターン:例えば、回路基板、フィルム、粘着シール、紙器パッケージのパターン）の帯刃部を形成する。具体的な一例としては、以下の通りである：まず、図１（ａ）に示すように、抜き型用の金属板（ワーク）１１を用意する。金属板としては、代表的には、特殊鋼板等が挙げられる。次に、上記所定形状を規定するそれぞれの寸法位置を切削加工装置に入力する。次に、図１（ｂ）に示すように、上記切削加工装置に入力された情報にしたがった自動制御により、機械的切削により施工する。図示例では、ストレートエンドミル１２を用いて切削を行っているが、他の適切な切削手段を用いてもよい。この切削により、図１（ｃ）に示すように、帯刃となる部分が突出して形成される。さらに、入力された情報にしたがった自動制御により、テーパーエンドミル１２´を用いて刃先を形成する。その結果、図１（ｄ）に示すように、基体部１４上に所定のパターンの帯刃部１３を有する抜き型１０´が得られる。なお、図示例では、機械的切削手段のみを用いて帯刃部を形成する方法を説明したが、特開２００３−１０３５００号公報に記載のようにエッチング処理の後に機械的切削を行って帯刃部を形成してもよい。

図２（ａ）は、機械的切削により形成された抜き型１０´の一例の概略平面図であり、図２（ｂ）は、ｂ部分の拡大図である。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す部分のｃ−ｃ線に沿った概略断面図である。図２（ｂ）に示すように、帯刃１３がなす頂点部分（図２（ａ）のような矩形パターンの場合には、四隅の部分）近傍の内側には、機械的切削手段（例えば、エンドミル）の形状および操作に起因して、切削残部１５が不可避的に発生する。切削残部１５は、平面視略円弧状であり、円弧部分の曲率半径は、エンドミルの径に対応する。曲率半径は、代表的には０．１ｍｍ〜３ｍｍである。帯刃１３がなす頂点部分から円弧部分までの距離Ｄは、代表的には０．０４ｍｍ〜１．２ｍｍである。すなわち、図２（ｃ）に示すように、頂点部分近傍の内側には、帯刃１３の先端部（打ち抜きに寄与する部分）と同一高さの平坦部Ｆが不可避的に形成されてしまう。

上記のような切削残部１５（実質的には、平坦部Ｆ）は、刃先が形成されていないので、所望の打ち抜き加工は不可能である。その結果、打ち抜き不良による製造効率の低下や歩留まりの低下、ならびに、回路基板の製造においては回路不良を引き起こすので、その除去が強く望まれているが、従来、このような切削残部を除去する方法は実現されていない。すなわち、実用可能な最小径のエンドミルは０．５ｍｍ直径であり、このようなエンドミルを用いて微小部分の切削を長時間かけて行ったとしても、平坦部Ｆを除去することはできない。また、ワイヤカット方式を用い、帯刃がなす頂点部分に孔を穿けて加工を行っても、平坦部Ｆを除去することはできない。さらに、ワイヤカット方式では、帯刃の強度が半分程度に低下してしまう。本発明においては、切削残部１５に超短パルスレーザーを照射することにより、当該部分をはじめて実質的に除去することができた。以下、切削残部を除去する手順を具体的に説明する。

上記超短パルスレーザーは、いわゆるフェムト秒レーザーである。そのパルス幅は、短ければ短いほど好ましい。パルス幅が短いほど、加工時の熱的影響を小さくすることができるので、微細加工において非常に好ましい。さらに、エネルギー総量が小さくても、きわめて大きなピーク強度を有するレーザー光を照射することができる。このように、きわめて短い時間内にきわめて大きいエネルギーを有するレーザー光を照射することにより、被加工物に熱が伝道する前に光エネルギーで分子結合を切断し、周辺部分に熱拡散せずに分子を除去する「アブレーション」という現象を利用して加工することができる。言い換えれば、非熱的プロセスにより、切削残部を除去することができる。このような非熱的プロセスを採用することにより、帯刃の刃先の強度や特性に影響を与えることなく、切削残部を除去することができる。より具体的には、パルス幅は、好ましくは２００フェムト秒〜３ピコ秒であり、さらに好ましくは２００フェムト秒〜１ピコ秒であり、特に好ましくは２００フェムト秒〜８００フェムト秒であり、とりわけ好ましくは２００フェムト秒〜４００フェムト秒である。

上記超短パルスレーザーの１パルスあたりのエネルギーは、好ましくは１μＪ〜１ｍＪであり、さらに好ましくは３．５μＪ〜６５μＪであり、特に好ましくは４μＪ〜３０μＪであり、とりわけ好ましくは４．５μＪ〜５．５μＪである。１パルスあたりのエネルギーがこのような範囲であれば、レーザーの照射焦点径が所望の範囲より大きくなった場合でもレーザー照射による加工範囲の拡大を抑えることができる。

上記超短パルスレーザーの照射焦点径は、好ましくは５μｍ〜１５μｍである。照射焦点径がこのような範囲であれば、レーザー照射による加工範囲を小さくすることができる。その結果、切削残部が微小で複雑な形状であっても良好に除去することができる。さらに、照射焦点径をこのように非常に小さくすることにより、エネルギー総量が小さくても、きわめて大きなピーク強度を有するレーザー光を照射することができる。照射焦点径は、照射装置の集光レンズの焦点距離および当該集光レンズと照射位置との距離を調整することにより制御され得る。

上記超短パルスレーザーの波長は特に限定されない。１つの実施形態においては、波長は、好ましくは７００ｎｍ〜９００ｎｍであり、さらに好ましくは７６０ｎｍ〜８００ｎｍである。

上記のような超短パルスレーザーを照射し得るレーザー媒体としては、代表的には、チタンサファイア系結晶、クロム・フォルステライト系結晶、イットリビウム系結晶が挙げられる。

上記超短パルスレーザーの照射は、任意の適切な形式で行われる。１つの実施形態においては、本発明の製造方法は、照射位置を連続的に移動させながら上記切削残部１５を照射する。ここで、「連続的」とは、レーザーを１パルス照射するごとの移動距離が当該レーザーの照射焦点径よりも小さいことにより、レーザーが重なりながら照射位置を移動することをいう。超短パルスレーザーの周波数は、好ましくは５００パルス／秒〜１０００パルス／秒である。したがって、超短パルスレーザーの走査速度を制御することにより、レーザー１パルスごとの間隔やパルスの重なりの数を制御することができる。より具体的には、レーザー１パルスごとの間隔（所定のパルスのレーザーの中心と次のパルスのレーザーの中心との距離）は、好ましくは０．２μｍ〜０．７μｍであり、パルスの重なりの数は、好ましくは２５〜７５である。

上記超短パルスレーザーの走査様式としては、切削残部の大きさおよび形状等に応じて任意の適切な様式が採用され得る。例えば、切削残部の端部からＳ字状に走査してもよく、ストライプ状に走査してもよく、切削残部の平面視形状にしたがって周縁部から中心部に向かって走査してもよく、切削残部の中心部から周縁部に走査してもよい。照射深度は、好ましくは０．５μｍ〜７μｍである。本発明においては、好ましくは、切削残部を所望の厚み除去するまで、切削残部表面全体への走査（レーザー照射）を反復して行う。このように、１つの位置に長時間照射して切削残部を厚み方向に除去する操作を繰り返すのではなく、切削残部の平坦表面全体を徐々に厚み方向に除去することにより、熱的影響をより良好に排除することができる。切削残部１５を除去するための総照射時間は、好ましくは１６０秒〜２８０秒である。

上記のようにして、切削残部１５が実質的に除去される。言い換えれば、図３に示すように、頂点部分近傍の内側の平坦部Ｆが実質的に除去され、当該部分においても帯刃の鋭利な先端部（刃先）が形成される。その結果、頂点部分近傍の内側に帯刃の先端部と同一高さの平坦部を有さない抜き型を得ることができる。言い換えれば、所定のパターンを有する帯刃部全体にわたって鋭利な先端部を有する帯刃が形成された抜き型を得ることができる。このようにして、基体部１４と基体部１４から突設した所定のパターンを有する帯刃部１３とを有し、該帯刃部の帯刃がなす頂点部分近傍の内側に、帯刃先端部と同一高さの平坦部を有さない抜き型１０が得られる。

以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例には限定されない。

切削加工装置に所定の回路基板パターンを入力した。当該入力パターンにしたがって、Ａ４版（２９１ｍｍ×２１１ｍｍ）の鋼板（厚み１．２ｍｍ）を、エンドミルを用いて削り出し、帯刃部を形成した。図４Ａは、エンドミル加工後（超短パルスレーザー照射前）における帯刃がなす頂点部分近傍の内側の顕微鏡写真であり、図４Ｂは、当該部分の等高線図である。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、帯刃がなす頂点部分の内側近傍には、切削残部が形成されていた。

次に、高出力フェムト秒レーザー照射装置（サイバーレーザー株式会社製、型式：ＩＦＲＩＴ）を用いて、上記切削残部に超短パルスレーザーを照射した。照射条件は以下の通りであった：
波長 ：７８０ｎｍ±２０ｎｍ
パルス幅 ：２１０フェムト秒
平均出力 ：５ｍＷ
１パルスあたりのエネルギー量：５μＪ
照射焦点径 ：５μｍ〜１５μｍ
照射に際しては、エンコーダー処理により走査速度を制御し、レーザー１パルスごとの間隔を０．２μｍとして照射を行った。１つの切削残部に対する総照射時間は２２０秒であった。図５Ａは、超短パルスレーザー照射後における帯刃がなす頂点部分近傍の内側の顕微鏡写真であり、図５Ｂは、当該部分の等高線図である。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、帯刃がなす頂点部分の内側近傍の削り残し部分は、実質的に除去されていた。

本発明の製造方法により得られる抜き型は、紙器パッケージ、回路基板等の打ち抜きおよび切り出しに好適に利用され得る。特に、回路基板の製造において、きわめて優れた製造効率および省力化を実現し得る。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明の好ましい実施形態による抜き型の製造方法における機械的切削工程を説明する概略断面図である。 （ａ）は、機械的切削により形成された抜き型の一例の概略平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の抜き型のｂ部分の拡大図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す部分のｃ−ｃ線に沿った概略断面図である。 図２（ｂ）に示す部分の超短パルスレーザー照射後の形状を説明する概略断面図である。 超短パルスレーザー照射前における帯刃がなす頂点部分近傍の内側の顕微鏡写真である。 図４Ａに示す部分の等高線図である。 超短パルスレーザー照射後における帯刃がなす頂点部分近傍の内側の顕微鏡写真である。 図５Ａに示す部分の等高線図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来の抜き型の製造方法を説明する概略断面図である。 従来の製造方法により得られた抜き型の帯刃部における帯刃がなす頂点部分近傍の内側の削り残し部分を説明する概略平面図である。

符号の説明

１０ 抜き型
１３ 帯刃部
１４ 基体部

Claims (8)

1. 切削加工により所定のパターンを有する帯刃部を形成すること、および
   該帯刃部において帯刃がなす頂点部分近傍の内側の切削加工の切削残部に、超短パルスレーザーを照射して該切削残部を除去すること
   を含む、抜き型の製造方法。
2. 前記超短パルスレーザーのパルス幅が、２００フェムト秒〜３ピコ秒である、請求項１に記載の製造方法。
3. 前記超短パルスレーザーの１パルスあたりのエネルギーが、１μＪ〜１ｍＪである、請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記超短パルスレーザーの照射焦点径が、５μｍ〜１５μｍである、請求項１から３のいずれかに記載の製造方法。
5. 照射位置を連続的に移動させながら前記切削残部を照射する、請求項１から４のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記超短パルスレーザー１パルスごとの間隔が０．２μｍ〜０．７μｍであり、パルスの重なりの数が２５〜７５である、請求項５に記載の製造方法。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の製造方法により得られた、抜き型。
8. 基体部と、該基体部から突設した所定のパターンを有する帯刃部とを有し、
   該帯刃部の帯刃がなす頂点部分近傍の内側に、帯刃先端部と同一高さの平坦部を有さない
   抜き型。