JP2016112628A - プラズマガス利用加工装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物を冷却しながら被加工物を加工する場合に、被加工物の冷却性能を向上させること、および、切り屑またはその反応物が微細工具に付着しないようにすることを達成する手段を提供する。【解決手段】プラズマガス利用加工装置１０は、被加工物１に微細加工を行う微細工具３を有する加工機２０と、被加工物１において微細工具３により微細加工される加工点Ｐｍに冷却液を供給する冷却液供給装置５と、加工点Ｐｍにプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置７とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物に対して微細工具により微細加工を行う技術に関する。

近年、光通信用のマイクロレンズや、金型（例えば、ＬＥＤ照明装置の製造に用いられ、表面に微細な凹凸を有する金型）や、μＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）用のバイオ分析チップなどを製造するために、これらの素材である被加工物に微細加工（マイクロ加工）を行うことの要求が増加してきている。このような微細加工では、微細工具により、数百μｍの寸法の微細な凹凸や形状を被加工物に形成することが行われたり、被加工物の表面を鏡面に仕上げたりすることが行われている。

微細工具は、例えば、５０μｍ〜２０００μｍ程度の直径を有するエンドミルである。微細工具は、例えば、多結晶ダイヤモンドで形成されている。多結晶ダイヤモンドの工具は、劈開性や硬度の異方性がなく、化学的安定性を有し、単結晶ダイヤモンドの工具よりも安価であるため、広く用いられている。近年では、特に、粒径が０．５μｍ〜１μｍの微粒ダイヤモンドからなる多結晶ダイヤモンドの微細工具により、超硬合金やセラミックスなどの硬脆材料の被加工物に、上述した微細形状を加工しつつ、加工されたその表面を、平均粗さＲａが４ｎｍ以下の鏡面に仕上げられることが確認されている。

なお、本願の先行技術文献として、例えば下記の特許文献１がある。この文献には、多結晶ダイヤモンドからなる微細工具が記載されている。

特開２００８−２２９７６４号公報

今後も幅広い材質の被加工物や微細工具に関して、微細加工（超精密加工）の精度を向上させるためには、次の２点（１）（２）が重要である。

（１）冷却効果改善
被加工物を冷却しながら被加工物を加工する場合に、被加工物の冷却性能を向上させる。被加工物の冷却性能を向上させることにより、微細工具の加工性能を最大限に引き出す。例えば、微細工具と被加工物との境界での冷却性能を向上させることにより、微細工具の摩耗を防止できる。
（２）工具表面状態改善
被加工物の加工中に、被加工物の切り屑またはその反応物が微細工具に付着することを防止する。これにより、微細工具の微細な表面形状を、加工中において変わることなく維持する。すなわち、同じ微細工具により、長時間、加工性能を低下させずに加工を行えるようにする。

そこで、本発明の目的は、被加工物を冷却しながら被加工物を加工する場合に、被加工物の冷却性能を向上させること、および、切り屑またはその反応物が微細工具に付着しないようにすることを達成可能な装置と方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明によると、被加工物に微細加工を行う微細工具を有する加工機と、被加工物において前記微細工具により微細加工される加工点に冷却液を供給する冷却液供給装置を備え、前記微細加工の時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工装置であって、
前記加工点にプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置を備える、ことを特徴とするプラズマガス利用加工装置が提供される。

本発明のプラズマガス利用加工装置は、例えば、以下のように構成される。

前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
前記プラズマガス供給装置は、前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える。

プラズマガス供給装置は、
電位差が印加される一対の電極と、
前記１対の電極の間における放電領域にプラズマ生成用ガスを供給するプラズマ生成用ガス供給装置とを備え、
放電領域にプラズマ生成用ガスが供給されている時に、１対の電極間に電位差が印加されることにより、放電領域を通して１対の電極間に放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成され、プラズマガス供給装置は、生成されたプラズマガスを、前記加工点に供給する。

前記プラズマガス供給装置は、加工点にプラズマガスを噴射するガスノズルを有する。

また、上述の目的を達成するため、本発明によると、被加工物に微細加工を行う時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工方法であって、
微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置により、微細工具による被加工物の加工点に、冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置により、前記加工点にプラズマガスを供給する、ことを特徴とするプラズマガス利用加工方法が提供される。

好ましくは、上述のプラズマガス利用加工方法において、前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える。

上述した本発明によると、微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置が、微細工具による被加工物の加工点に冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置が、加工点にプラズマガスを供給できる。これにより、次の効果（Ａ）（Ｂ）若しくは次の効果（Ａ）〜（Ｃ）が得られる。

（Ａ）被加工物表面の親水性が向上する。加工点を含む、被加工物の表面領域にプラズマガスを供給することで、プラズマガス中の活性種（例えば、ＯＨラジカル、Ｎ_２ラジカル）が被加工物の表面領域に装飾された（存在している）状態となる。プラズマガス中の活性種は、反応性が非常に高いので、すぐに、他の原子や分子との間で酸化還元反応を起こし安定になろうとする。したがって、活性種が装飾された被加工物の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、微細工具と被加工物との境界での冷却性能が向上する。

なお、本願において、親水性とは、冷却液（オイル、水、または、オイルと水との混合液）との馴染み性（吸着性）が顕著に高いことを意味する。

（Ｂ）微細工具の表面は切り屑が付着しにくい状態となる。加工点近傍の微細工具の表面領域にもプラズマガスが供給されることで、プラズマガス中の活性種が、加工点近傍の、微細工具の表面領域に装飾された（存在している）状態となる。したがって、微細工具の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、（例えば、高速回転している）微細工具表面の数ミクロンレベルの凹凸にまで、冷却液が行き届くために、微細工具表面の広範囲に渡って高い潤滑性が確保でき、切り屑が付着し難くなる。

（Ｃ）被加工物の切り屑が微細工具に付着し難い物質に変化している。上述のように、加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガス中の活性種（例えば、ＯＨラジカル）が装飾された（存在している）状態となる。これにより、活性種と、被加工物またはその切り屑とが反応することにより、被加工物の表層部やその切り屑が、微細工具に付着し難い反応物となる。したがって、微細工具の微細な表面形状が、加工中において変わることなく維持される。

上記効果（Ａ）（Ｂ）若しくは効果（Ａ）〜（Ｃ）が重畳して、従来よりも優れた微細加工が実現される。例えば、被加工物の加工面の表面粗さを１ｎｍ程度若しくはそれ以下にでき、微細工具の摩耗を抑制でき、微細工具の切れ味を長時間維持できるようになる。

本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置を示す。 図１のプラズマガス利用加工装置に設けられるプラズマガス供給装置を示す。 本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置の全体を示す。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得たエンドミルの画像である。 本発明の実施例と比較例による加工面の表面粗さを示す。 本発明の実施例と比較例の加工後における微細工具のＳＥＭ画像である。 被加工物表面に対してＸ線光電子分光により得たエネルギスペクトルである。 被加工物表面の親水性を示す画像である。 発光しているプラズマガスの光の各波長成分を示す。 本発明の実施例と比較例における微細工具の摩耗量を示す。

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置１０を示す。プラズマガス利用加工装置１０は、微細工具３を用いて被加工物１に微細加工を行う加工機２０と、被加工物１において加工機２０により微細加工される加工点Ｐｍに冷却液を供給する冷却液供給装置５と、微細加工の時にプラズマガスを利用するためのプラズマガス供給装置７とを備える。

加工機２０は、大気中において、加工点Ｐｍで被加工物１を微細加工する微細工具３を有する。すなわち、加工点Ｐｍは、大気中に位置する。微細工具３は、６０００μｍ以下の寸法（例えば、直径）を有する。微細工具３は、本実施形態では、５０μｍ〜１０００μｍ程度（または５０μｍ〜２０００μｍ）の直径を有する先端を持つエンドミルである。微細工具３は、例えば、５０μｍ〜数百μｍ程度の微細構造（例えば窪み）を被加工物１に形成することに用いられる。
被加工物１は、本実施形態では、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成されているが、他の物質で形成されていてもよい。すなわち、本発明は、例えば硬脆材料（シリコン、石英、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、超硬合金、ハイグレードステンレス鋼など）である被加工物１の微細加工にも適用可能である。

好ましい一例では、微細工具３は、多結晶ダイヤモンドで形成されている。多結晶ダイヤモンドの微細工具３は、硬脆材料の被加工物１を加工するのに適している。多結晶ダイヤモンドは、硬脆材料に対して劈開性がなく、硬度の異方性がなく、化学的安定性も高いためである。ただし、本発明によると、微細工具３の材質は、多結晶ダイヤモンドに限定されず、他の材質であってもよい。例えば、微細工具３は、単結晶ダイヤモンドからなる工具、表面にダイヤモンドコートがなされた工具（ダイヤモンドコート工具）、立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）からなる工具、または、バインダ（結合材）を含まないダイヤモンド多結晶からなる工具（バインダレス多結晶ダイヤモンド工具）であってもよい。

加工機２０の他の構成要素については、後述する。

冷却液供給装置５は、微細工具３により被加工物１を加工している時に、被加工物１における微細工具３による加工点Ｐｍ（より詳しくは、加工点Ｐｍを含む、被加工物１表面の局所領域、および、加工点Ｐｍを含む、微細工具３の先端部）に冷却液を供給する。図１では、冷却液供給装置５は、冷却液タンク５ａとポンプ５ｂと冷却液管５ｃと冷却液ノズル５ｄを有する。冷却液タンク５ａは、冷却液を蓄えている。ポンプ５ｂは、作動させられると、冷却液タンク５ａ内の冷却液を、冷却液管５ｃを通して冷却液ノズル５ｄに供給する。冷却液ノズル５ｄは、冷却液タンク５ａから供給された冷却液をミスト状にして加工点Ｐｍに噴射する。すなわち、冷却液ノズル５ｄは、ミスト状の冷却液を加工点Ｐｍに供給する。冷却液は、例えば、オイル、水、またはオイルと水との混合液である。なお、冷却液が水である場合には、好ましくは、冷却液は、水以外に、水溶性界面活性剤を含んでいる。この場合、冷却液は、さらに防腐剤や着色剤を含んでいてもよい。

プラズマガス供給装置７は、加工点Ｐｍにプラズマガスを供給する。これにより、プラズマガス中の活性種（例えば、ＯＨラジカル、Ｎ_２ラジカル）が被加工物１の表面領域に装飾された（存在している）状態となる。これにより、被加工物１表面の親水性が向上して、冷却液が、被加工物１表面において、液滴とならずに、被加工物１表面に沿って広がる。その結果、微細工具３と被加工物１との境界（加工点）での冷却性能が向上する。

好ましい一例では、被加工物１が炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成されている。この場合、プラズマガス供給装置７は、加工点Ｐｍを含む、被加工物１の表面領域に、プラズマガスを供給すると、プラズマガス中の酸化力を有する活性種（特に、ＯＨラジカル）が、被加工物１の表面を形成する炭化ケイ素（ＳｉＣ）を酸化させて、この表面を形成する物質を炭化ケイ素（ＳｉＣ）から親水性の高い二酸化ケイ素ＳｉＯ_２に変える。従って、被加工物１表面の親水性がさらに向上して、微細工具３と被加工物１との境界（加工点）での冷却性能がさらに向上する。

プラズマガス供給装置７の構成を図２に示す。図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。

プラズマガス供給装置７は、電源７ａ、１対の電極７ｂ，７ｃ、および、プラズマ生成用ガス供給装置７ｄを有する。電源７ａは、１対の電極７ｂ，７ｃに電位差を印加する。プラズマ生成用ガス供給装置７ｄは、１対の電極７ｂ，７ｃの間における放電領域Ｒにプラズマ生成用ガスを供給する。この構成で、放電領域Ｒにプラズマ生成用ガスが供給されている時に、電源７ａが１対の電極７ｂ，７ｃ間に電位差を印加することにより、１対の電極７ｂ，７ｃ間で、放電領域Ｒを通して放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成される。プラズマガス供給装置７は、生成されたプラズマガスを加工点Ｐｍに供給する。

プラズマ生成用ガスは、一例では、プラズマ発生を補助する放電用ガス（例えば、窒素またはアルゴン）のみからなる。別の例では、プラズマ生成用ガスは、体積割合で、９０％以上の上述の放電用ガスを含み、残りの全てとして、冷却効果を強める反応性ガス（例えば、酸素）を含む。

プラズマガス供給装置７は、上述のように生成されたプラズマガスをプラズマガスジェットとして加工点Ｐｍに噴射するガスノズル７ｅを有する。

また、プラズマガス供給装置７は、先端部に上述のガスノズル７ｅが設けられたケース７ｆを有する。ケース７ｆは、その内部に上述の放電領域Ｒを有する。ケース７ｆは、誘電体（例えば石英）で形成されている。ケース７ｆの内部は、ガスノズル７ｅの先端開口７ｅ１以外の箇所においては外部に対して気密になっている。図２の例では、ケース７ｆの中心部に一方の電極７ｂが配置され、ケース７ｆの内周面に他方の電極７ｃが配置されている。なお、一方の電極７ｂは、ケース７ｆに固定された絶縁部材７ｇで支持されている。絶縁部材７ｇの内部には、一方の電極７ｂと電源７ａとを接続する導線７ｈが通っている。導線７ｈには、スイッチ７ｉが設けられている。なお、他方の電極７ｃは接地されていてよい。

プラズマ生成用ガス供給装置７ｄは、プラズマ生成用ガス（例えば、窒素ガス）を蓄えたガスタンク７ｄ１と、ガスタンク７ｄ１からケース７ｆの内部にプラズマ生成用ガスを供給するガス管７ｄ２とを有する。なお、ガス管７ｄ２には、弁７ｊ（例えば、流量調整弁や開閉弁）が設けられていてよい。

図３は、プラズマガス利用加工装置１０の全体を示す図である。図３に示すように、プラズマガス利用加工装置１０の加工機２０は、上述した微細工具３、工具支持体９、台１１、第１の駆動装置１３、ノズル支持体１５、第２の駆動装置１７、および、制御装置１９を備える。

微細工具３がエンドミルである場合には、エンドミル３は、被加工物１における加工点Ｐｍを切削加工する時に、回転駆動装置８（エアタービンスピンドル）により回転駆動される。
工具支持体９は、微細工具３を支持する。本実施形態では、微細工具３はエンドミルであり、工具支持体９は、エンドミル３を回転可能に支持する。すなわち、エンドミル３は、自身の中心軸まわりに回転可能に工具支持体９に支持される。
台１１には、被加工物１が取り付けられる。図３の例では、被加工物１は、治具１２により台１１に固定される。

第１の駆動装置１３は、工具支持体９と台１１の一方または両方を駆動する。図３では、第１の駆動装置１３は、工具支持体９を駆動する工具側駆動部１３ａと、台１１を駆動する台駆動部１３ｂにより構成されているが、工具側駆動部１３ａと台駆動部１３ｂのうち一方により構成されていてもよい。第１の駆動装置１３が、工具支持体９と台１１の一方または両方を駆動することにより、工具支持体９に支持された微細工具３と、台１１に取り付けた被加工物１との相対位置を変える。これにより、微細工具３が、被加工物１上の加工点Ｐｍへ移動させられ、この加工点Ｐｍで被加工物１を切削し、さらに、被加工物１において、微細工具３による加工点Ｐｍを移動させる。すなわち、加工点Ｐｍが連続的に移動しながら、加工点Ｐｍで被加工物１が加工される。

図３では、詳細の図示を省略しているが、工具側駆動部１３ａは、図３に示す互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の少なくともいずかの方向に工具支持体９を駆動する構成を有していてよい。また、工具側駆動部１３ａは、工具支持体９を、所定の軸（例えば、Ｙ軸方向の軸）まわりに回転駆動する構成を有していてもよい。同様に、台駆動部１３ｂは、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の少なくともいずかの方向に台１１を駆動する構成を有していてよい。また、台駆動部１３ｂは、台１１を、所定の軸（例えば、Ｙ軸方向の軸）まわりに回転駆動する構成を有していてもよい。

ノズル支持体１５は、冷却液ノズル５ｄとガスノズル７ｅを支持する。すなわち、冷却液ノズル５ｄは、加工点Ｐｍに冷却液を噴射できる向きと位置でノズル支持体１５に取り付けられている。同様に、ガスノズル７ｅは、加工点Ｐｍにプラズマガスを噴射できる向きと位置でノズル支持体１５に取り付けられている。

第２の駆動装置１７は、被加工物１における加工点Ｐｍの移動に従って、ノズル支持体１５を駆動してノズル支持体１５を移動させる。これにより、加工点Ｐｍの位置が変わっても、冷却液ノズル５ｄは加工点Ｐｍに冷却液を噴射でき、ガスノズル７ｅは加工点Ｐｍにプラズマガスを噴射できる。

制御装置１９は、第１の駆動装置１３および第２の駆動装置１７を制御する。また、制御装置１９は、ポンプ５ｂ（図１を参照）の動作を制御することにより、冷却液ノズル５ｄから加工点Ｐｍへの冷却液の噴射を制御する。さらに、制御装置１９は、スイッチ７ｉ（図２を参照）の開閉を制御し弁７ｊ（図１を参照）の開閉または開度を制御することにより、冷却液ノズル５ｄから加工点Ｐｍへのプラズマガスの噴射を制御する。

本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工方法では、上述した構成を有するプラズマガス利用加工装置１０を用いて、被加工物１を切削加工する。この方法では、微細工具３が被加工物１における加工点Ｐｍを切削加工している時（以下、単に加工時ともいう）に、冷却液供給装置５は、この加工点Ｐｍに冷却液を供給し、プラズマガス供給装置７は、この加工点Ｐｍにプラズマガスを供給する。図１では、加工時に、冷却液供給装置５の冷却液ノズル５ｄが、加工点Ｐｍに冷却液（例えば、ミスト状のオイル）を噴射し、プラズマガス供給装置７のガスノズル７ｅが、プラズマガスを加工点Ｐｍに噴射する。

加工時に、プラズマガス中の活性種（ＯＨラジカルやＮ_２ラジカルなど）が、加工点に供給（噴射）される。ＯＨラジカルは、ガス管７ｄ２からの水分および大気中の水分がプラズマガス中の電子により解離されたものである。Ｎ_２ラジカルは、プラズマ生成用ガスの窒素分子Ｎ_２によるものである。

この方法において、被加工物１の表面（例えば、被加工物１の全体）が炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成さている場合、プラズマ生成用ガスが放電領域Ｒを通過する時に、一対の電極７ｂ，７ｃ間で放電領域Ｒを通して放電を生じさせることにより、このプラズマ生成用ガスをプラズマガスに変え、このプラズマガスを加工点Ｐｍに供給する。これにより、被加工物１の表面の炭化ケイ素（ＳｉＣ）が、プラズマガス中の酸化力を有する活性種（特にＯＨラジカル）と反応して二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）に変わる。

このような動作が得られるように、制御装置１９は、第１の駆動装置１３と第２の駆動装置１７を制御するとともに、冷却液供給装置５とプラズマガス供給装置７を制御する。
すなわち、微細工具３が被加工物１に接触していない状態から、微細工具３を被加工物１に接触させて被加工物１の加工を開始する加工開始時に、制御装置１９は、第１の駆動装置１３を制御することにより、被加工物１において、加工すべき位置に微細工具３が接触する。これにより、この位置が加工点Ｐｍとなって、この加工点Ｐｍにおいて微細工具３が被加工物１を切削加工する。また、加工開始時に、制御装置１９は、第２の駆動装置１７を制御することにより、冷却液ノズル５ｄが加工点Ｐｍに冷却液を噴射できガスノズル７ｅが加工点Ｐｍにプラズマガスを噴射できる位置へノズル支持体１５を移動させる。また、加工開始時に、制御装置１９は、ポンプ５ｂを作動させることにより、冷却液ノズル５ｄから加工点Ｐｍへ冷却液が噴射される。さらに、加工開始時に、制御装置１９は、弁７ｊを開けるとともにスイッチ７ｉを閉じることにより、プラズマ生成用ガスが、一対の電極７ｂ，７ｃ間の放電領域Ｒに供給されるとともに、電源７ａから一対の電極７ｂ，７ｃに電圧が印加され放電領域Ｒにおいて一対の電極７ｂ，７ｃ間で放電が生じる。したがって、プラズマ生成用ガスは、放電領域Ｒにおいてプラズマガスになり、このプラズマガスがガスノズル７ｅから加工点Ｐｍへ噴射される。

加工開始時以降は、制御装置１９は、第１の駆動装置１３を制御することにより、微細工具３と被加工物１との相対位置を変えて、被加工物１における加工点Ｐｍを移動させる。この移動に伴って、制御装置１９は、第２の駆動装置１７を制御することにより、冷却液ノズル５ｄは、継続して加工点Ｐｍへ冷却液を噴射し、ガスノズル７ｅは、継続してプラズマガスを加工点Ｐｍに噴射する。なお、加工点Ｐｍが移動しても、加工機２０による被加工物１の加工が終了するまで、上述のように冷却液とプラズマガスが加工点Ｐｍに噴射されるように、制御装置１９は、ポンプ５ｂの作動を継続させ、弁７ｊを開けた状態にし、スイッチ７ｉを閉じた状態にする。

上述したプラズマガス利用加工装置１０を用いて被加工物１を切削加工した実施例を述べる。

プラズマガスの条件を次のようにした。
使用ガス：プラズマ生成用ガスとして窒素ガスを用いた。
ガス流量：２０ＬＭのプラズマガス流量で、加工点Ｐｍにプラズマガスを噴射した。
照射範囲：被加工物１表面上の半径５ｍｍ程度の領域にプラズマガスを加工点Ｐｍに照射（噴射）した。
放電方式：一対の電極７ｂ，７ｃ間での放電形式として大気圧グロー放電を採用した。
印加電圧：交流１００Ｖの電源７ａにより、一対の電極７ｂ，７ｃ間に、周波数５０Ｈｚで８ｋＶの電位差を印加した。
ケース７ｆ：図２のケース７ｆを、直径が８ｍｍの円筒形とし、その材質を石英とした。

加工条件を次のようにした。
被加工物１：被加工物１を、化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）により形成した高純度の炭化ケイ素（純度９９．９９９５％以上のＳｉＣ）のバルク材とした。このバルク材の寸法は、縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×高さ５ｍｍである。
送り速度：加工点Ｐｍの移動速度を５ｍｍ／ｍｉｎにした。
工具回転数：エンドミル３の回転数を５００００ｒｐｍとした。
冷却液：冷却液として、オイル（非塩素油脂系不水溶性油）をミストにして加工点Ｐｍに噴射した。

図４に示す微細工具３を用いた。図４は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により得たエンドミル３の画像である。図４において、左上の画像は、右下のエンドミル３の画像において破線で囲んだ部分（エンドミル３の先端部）を拡大したものである。図４のエンドミル３の先端部は、多結晶ダイヤモンドで形成されている。このエンドルの先端部の直径は、約２００μｍ（０．２ｍｍ）である。図４に示すように、エンドルの先端部は、二枚刃になっている。

具体的な加工方法は、次の通りである。
本発明の実施例として、上述した条件の下で、プラズマガス利用加工装置１０を用いてミーリング加工を行って、被加工物１表面に、深さ２５μｍの溝を多数形成した。
比較例として、加工点Ｐｍにプラズマガスを噴射せずに、他の条件を上述の実施例と同じにして、ミーリング加工を行って、被加工物１表面に、深さ２５μｍの溝を多数形成した。

本発明の実施例の結果と、比較例の結果は、以下の通りである。

（加工面の粗さ）
被加工物１において加工された加工面（溝の底面）の表面粗さとして、算術平均表面粗さと最大高さ粗さを測定した。

図５（Ａ）は、本発明の実施例と比較例による加工面の算術平均表面粗さ（ａｖｅｒａｇｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を示す。図５（Ａ）において、横軸は、加工開始時点から被加工物１を加工した距離の総和（以下、加工距離という）を示し、縦軸は、加工面の算術平均表面粗さＲａの測定値を示す。図５（Ａ）において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図５（Ａ）から分かるように、本実施例では、加工距離が３０００ｍｍになっても、加工面の表面粗さＲａは、加工開始時点の表面粗さから悪化していない。すなわち、本実施例では、加工距離によらず、加工面の表面粗さＲａが低い値（０．７ｎｍ〜２．１ｎｍの範囲内の値）に維持されている。これに対し、比較例では、加工開始時点から加工距離が増えるに従って、加工面の表面粗さＲａの値が次第に高くなっており、加工距離３０００ｍｍでは、加工面の表面粗さＲａが６．０ｎｍに悪化している。
また、図５（Ａ）から分かるように、本発明のプラズマガス利用加工装置１０により、算術平均表面粗さが１ｎｍ以下である高品質な加工面を得ることを期待できる。

図５（Ｂ）は、本発明の実施例と比較例による加工面の最大高さ粗さ（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｖａｌｌｅｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）を示す。図５（Ｂ）において、横軸は、加工距離を示し、縦軸は、加工面の最大高さ粗さＲｚの測定値を示す。図５（Ｂ）において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図５（Ｂ）から分かるように、本実施例では、加工距離が３０００ｍｍになっても、加工面の最大高さ粗さＲｚは、加工開始時点の最大高さ粗さＲｚから悪化していない。これに対して、比較例では、加工距離が２４００ｍｍ以降では、最大高さ粗さＲｚは、大幅に悪化して２００ｎｍより大きくなり、加工距離２９００ｍｍでは加工面にクラックが発生したことにより１０００ｎｍより大きくなっている。

（エンドミルへの付着物の有無）
図６（Ａ）は、本発明の実施例において、上述の加工距離が１０００ｍｍとなった時のエンドミル３の先端部をＳＥＭで観察して得た画像である。図６（Ｂ）は、比較例において、上述の加工距離が１０００ｍｍとなった時のエンドミル３の先端部をＳＥＭで撮像して得た画像である。なお、各図において、右側の画像は、左側の画像において破線で囲んだ部分の拡大図であり、棒グラフは、エネルギ分散形Ｘ線分光器（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＥＤＳ）により図のＰｏｉｎｔ ＡまたはＰｏｉｎｔ Ｂで得られた元素割合（アトミックパーセント）の分析結果を示す。
本実施例では、図６（Ａ）のように、エンドミル３の先端部において切り刃として作用するエッジ部分の表面には、被加工物１の切り屑に由来する付着物が全く観察されなかった。これに対し、比較例では、図６（Ｂ）のように、エンドミル３の先端部において切り刃として作用するエッジ部分の表面には、被加工物１（ＳｉＣ）の切り屑に由来する被膜状の付着物（Ｓｉ）が付着していた。このように、加工点Ｐｍへのプラズマガス噴射は、被加工物１の切り屑に由来する物質（Ｓｉ）がエンドミル３への付着することの防止に、顕著な効果があった。

（被加工物表面の親水性）
以下のように、本実施例ではプラズマガスにより被加工物１表面の親水性が向上していた。
被加工物１における加工点Ｐｍへのプラズマガス噴射による作用効果（すなわち、被加工物１表面の親水性向上）を調べるために、上述した実施例において、Ｘ線光電子分光（Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＸＰＳ）により、被加工物１表面の元素組成を分析した。
図７（Ａ）は、被加工物１にプラズマガスを噴射される前の場合を示し、図７（Ｂ）は、被加工物１にプラズマガスを噴射した後の場合を示す。図７（Ａ）では、ＸＰＳにより得られたエネルギスペクトルにおいて、ＳｉＣに相当する黒丸の位置おいてのみ、ピークが生じているのに対し、図７（Ｂ）では、ＳｉＣに相当する結合エネルギの黒丸の位置だけでなく、ＳｉＯ_２に相当する結合エネルギの白丸の位置においても、エネルギスペクトルにピークが生じている。したがって、被加工物１表面にプラズマガスを噴射することにより、被加工物１の表層のみが酸化していたことが分かる。具体的には、ＳｉＣである被加工物１にプラズマガスを噴射することにより、被加工物１におけるＳｉＣの表層のみが酸化して、優れた親水性を示すＳｉＯ_２が形成されていた。

図８は、ＳｉＯ_２の親水性を示す画像である。図８（Ａ）は、上述した実施例において、被加工物１にプラズマガスを噴射される前の被加工物１表面に、液滴を垂らした状態を示す。図８（Ｂ）は、上述した実施例において、被加工物１にプラズマガスが噴射された後の被加工物１表面に、液滴を垂らした状態を示す。図８から分かるように、プラズマガスが噴射された後では、プラズマガス中の活性種（ＯＨラジカルとＮ_２ラジカル）が被加工物１表面に装飾され、かつ、被加工物１（ＳｉＣ）の表面には高い親水性を持つＳｉＯ_２が形成されていることにより、液滴が確認できないほどに、液体が被加工物１表面に広がっている。このように、プラズマガスを被加工物１表面に噴射すると、被加工物１表面に噴射された冷却液が被加工物１表面に沿って広がるので、微細工具３と被加工物１との境界において、冷却液による冷却効果を向上させることができる。

なお、プラズマガス中に、ＯＨラジカルとＮ_２ラジカルが含まれていることは、次のように、分光器による測定で確認された。
ガスノズル７ｅからのプラズマガスは発光しており、この光の各波長成分を分光器で測定した。この測定結果を図９に示す。図９において、ＯＨラジカルとＮ_２ラジカルに対応する波長でピークが生じているので、プラズマガスには、ＯＨラジカルとＮ_２ラジカルが含まれていることが分かる。

（工具摩耗量）
図１０は、本発明の実施例と比較例における微細工具３の摩耗量を示す。図１０において、横軸は、加工距離を示し、縦軸は、微細工具３の摩耗量を示す。図１０において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図１０から分かるように、本実施例では、比較例と比べて、微細工具３の摩耗量が抑えられていることが分かる。すなわち、加工距離が１０００ｍｍの時点で、比較例での摩耗量が約１．３１μｍであったのに対し、本実施例での摩耗量は約０．７７μｍであった。

上述した本発明の実施形態によると、微細工具３により被加工物１を加工している時に、冷却液供給装置５が、微細工具３による被加工物１の加工点Ｐｍに冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置７が、加工点Ｐｍにプラズマガスを供給できる。これにより、次の効果（Ａ）（Ｂ）若しくは次の効果（Ａ）〜（Ｃ）が得られる。

（Ａ）被加工物１表面の親水性が向上する。加工点Ｐｍを含む、被加工物１の表面領域にプラズマガスを供給することで、プラズマガス中の活性種（例えば、ＯＨラジカル、Ｎ_２ラジカル、オゾン）が被加工物１の表面領域に装飾された（存在している）状態となる。プラズマガス中の活性種は、反応性が非常に高いので、すぐに、他の原子や分子との間で酸化還元反応を起こし安定になろうとする。したがって、活性種が装飾された被加工物１の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、微細工具３と被加工物１との境界での冷却性能が向上する。

（Ｂ）微細工具３の表面は切り屑が付着しにくい状態となる。加工点Ｐｍ近傍の微細工具３の表面領域にもプラズマガスが供給されることで、プラズマガス中の活性種が、加工点Ｐｍ近傍の、微細工具３の表面領域に装飾された（存在している）状態となる。したがって、活性種が装飾された微細工具３の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、（例えば、高速回転している）微細工具３表面の数ミクロンレベルの凹凸にまで，冷却液が行き届くために，微細工具３表面の広範囲に渡って高い潤滑性が確保でき、切り屑が付着し難くなる。なお、これにより、切り屑を、被加工物１表面から円滑に排出することが可能となる。

（Ｃ）被加工物１の切り屑が微細工具３に付着し難い物質に変化している。上述のように、加工点Ｐｍを含む、被加工物１の表面領域に、プラズマガス中の活性種（例えば、ＯＨラジカル、Ｎ_２ラジカル）が装飾された（存在している）状態となる。これにより、活性種と、被加工物またはその切り屑とが反応することにより、被加工物１の表層部やその切り屑が、微細工具３に付着し難い反応物となる。したがって、微細工具３の微細な表面形状が、加工中において変わることなく維持される。

上記の効果（Ａ）（Ｂ）若しくは上記の効果（Ａ）〜（Ｃ）が重畳して、従来よりも優れた微細加工が実現される。例えば、被加工物１の加工面の表面粗さを１ｎｍ程度若しくはそれ以下にでき、微細工具３の摩耗を抑制でき、微細工具３の切れ味を長時間維持できるようになる。

また、被加工物１の表面は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成されている場合には、次のように、被加工物１表面の親水性がさらに向上する。
プラズマガス供給装置７が、加工点Ｐｍを含む、被加工物１の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、プラズマガス中の活性種（特にＯＨラジカルまたはオゾン）の酸化力により、被加工物１の表面を形成する炭化ケイ素（ＳｉＣ）を酸化させる。すなわち、被加工物１において、被加工物１の表面を含む表層部が二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）になる。二酸化ケイ素は優れた親水性を示す。したがって、被加工物１表面の親水性がさらに向上して、微細工具３と被加工物１との境界での冷却性能がさらに向上する。その結果、微細工具３の摩耗をさらに抑制できる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、冷却液供給装置５は、加工点Ｐｍに冷却液を供給できる構成であればよく、上述した構成以外の構成を有していてもよい。この場合、他の点は、上述と同様であってもよく、適宜に変更してもよい。
また、プラズマガス供給装置７は、加工点Ｐｍにプラズマガスを供給できる構成であればよく、上述した構成以外の構成を有していてもよい。この場合、他の点は、上述と同様であってもよく、適宜に変更してもよい。

また、ノズル支持体１５は、工具支持体９に設けられていてもよい。この場合、上述の第２の駆動装置１７は省略され、他の点は上述と同様である。
また、第１の駆動装置１３が、工具側駆動部１３ａと台駆動部１３ｂのうち台駆動部１３ｂのみにより構成されている場合には、ノズル支持体１５は、台１１にもうけられていてもよい。この場合、他の点は上述と同様である。

１ 被加工物、３ 微細工具（エンドミル）、５ 冷却液供給装置、５ａ 冷却液タンク、５ｂ ポンプ、５ｃ 冷却液管、５ｄ 冷却液ノズル、７ プラズマガス供給装置、７ａ 電源、７ｂ 電極、７ｃ 電極、７ｄ プラズマ生成用ガス供給装置、７ｄ１ ガスタンク、７ｄ２ ガス管、７ｅ ガスノズル、７ｅ１ 開口、７ｆ ケース、７ｇ 絶縁部材、７ｈ 導線、７ｉ スイッチ、７ｊ 弁、８ 回転駆動装置（エアタービンスピンドル）、９ 工具支持体、１０ プラズマガス利用加工装置、１１ 台、１２ 治具、１３ 第１の駆動装置、１３ａ 工具側駆動部、１３ｂ 台駆動部、１５ ノズル支持体、１７ 第２の駆動装置、１９ 制御装置、２０ 加工機、Ｐｍ 加工点、Ｒ 放電領域

Claims (6)

1. 被加工物に微細加工を行う微細工具を有する加工機と、被加工物において前記微細工具により微細加工される加工点に冷却液を供給する冷却液供給装置を備え、前記微細加工の時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工装置であって、
   前記加工点にプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置を備える、ことを特徴とするプラズマガス利用加工装置。
2. 前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
   前記プラズマガス供給装置は、前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える、ことを特徴とする請求項１に記載のプラズマガス利用加工装置。
3. プラズマガス供給装置は、
   電位差が印加される一対の電極と、
   前記１対の電極の間における放電領域にプラズマ生成用ガスを供給するプラズマ生成用ガス供給装置と、を備え、
   放電領域にプラズマ生成用ガスが供給されている時に、１対の電極間に電位差が印加されることにより、放電領域を通して１対の電極間に放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成され、プラズマガス供給装置は、生成されたプラズマガスを、前記加工点に供給する、ことを特徴とする請求項１または２に記載のプラズマガス利用加工装置。
4. 前記プラズマガス供給装置は、加工点にプラズマガスを噴射するガスノズルを有する、ことを特徴とする請求項１、２または３に記載のプラズマガス利用加工装置。
5. 被加工物に微細加工を行う時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工方法であって、
   微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置により、微細工具による被加工物の加工点に、冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置により、前記加工点にプラズマガスを供給する、ことを特徴とするプラズマガス利用加工方法。
6. 前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
   前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える、ことを特徴とする請求項５に記載のプラズマガス利用加工方法。