JP5083276B2 - Micromachining tool and brittle material micromachining method - Google Patents
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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。 The present invention provides a micromachining tool suitable for use in forming fine grooves, holes, recesses and the like having a width, depth, diameter and the like of 100 μm or less on the surface of a brittle material such as glass and ceramics, and the like. The present invention relates to a fine processing method of a brittle material using a fine tool for fine processing.
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CO2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。
In recent years, attention has been focused on a micro reaction system represented by a micro TAS for mixing and separating solution samples in a fine analysis channel. In
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。
However, among these, the processing by sandblasting in
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。 On the other hand, the inventors of the present invention, for example, in JP-A-2002-355710, JP-A-2004-160581, or JP-A-2005-22102, provide tools for processing brittle materials such as glass and ceramics. As a tool base material such as a cemented carbide alloy with a hard carbon coating such as a diamond coating. According to such a tool, unevenness of hard carbon particles such as diamond grown on the coating is proposed. Acts as a cutting edge, and drilling and grooving can be performed without causing chipping or peeling on a workpiece made of a brittle material. However, in these tools, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-355710, a convex curved surface is formed at the tip of a tool base material having an outer diameter of 0.2 to 3 mm, and a predetermined cutting edge shape having a convex curve shape is formed. A tool that can be formed and coated with a hard carbon coating of 5 to 25 μm, and based on this, can form grooves, holes, and recesses with a width, depth, diameter of 100 μm or less as described above. For this purpose, the shape of the cutting edge has to be formed at the tip of a tool base material having an outer diameter of less than 100 μm, and it has been difficult to directly apply it to microfabrication of a chip for a micro reaction system.
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。 The present invention has been made under such a background, and the width, depth, and diameter of the surface of a workpiece made of a brittle material such as glass or ceramics in the microfabrication of a chip for a micro reaction system as described above. For the purpose of providing a micromachining tool capable of forming fine grooves, holes, recesses and the like of 100 μm or less, and a micromachining method of a brittle material using such a micromachining tool Yes.
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、上記尖端部は先端角が10〜60°の範囲内の円錐状に形成されていて、上記切刃部の表面が、上記尖端部の先端では、上記尖端部がなす円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。 In order to solve the above problems and achieve such an object, the micromachining tool of the present invention has a hard carbon film coated on the tip formed on the tool body, and the film of the hard carbon film The thickness is larger than the outer diameter at the tip of the tip, and the hard carbon coating forms a cutting edge portion having a substantially convex curved surface at the tip of the tip, and the tip has a tip angle. It is formed in a conical shape within a range of 10 to 60 °, and the surface of the cutting edge portion is formed in a substantially spherical shape having a center on the center line of the cone formed by the tip portion at the tip of the tip portion. It is characterized by that. Further, the brittle material micromachining method of the present invention uses such a micromachining tool to rotate the tool main body around the center line of the pointed portion while the cutting edge portion is made of a brittle material. The above-mentioned workpiece is finely processed by being cut into the surface of the substrate.
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。そして、尖端部が先細りの円錐状に形成されていて、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、上記尖端部の先端では、上記尖端部がなす円錐の中心線上に中心を有する略半球面状に形成される。 In the micromachining tool having the above-described configuration, the film thickness of the hard carbon film coated on the tip of the tool body is larger than the outer diameter at the tip of the tip, and the hard carbon film is formed on the tip of the tip. Since hard carbon particles grow and coat from the surface almost isotropically, the surface of the cutting edge portion formed at the tip of the tip by this hard carbon coating forms a convex curved surface at the tip. Even if it does not, it will exhibit a substantially convex curved surface shape. And since the tip part is formed in the shape of a tapered cone , and the hard carbon particles grow in a spherical shape from one point of the tip part of the tip part, the surface of the cutting edge part has the tip part at the tip of the tip part. It is formed in a substantially hemispherical shape having a center on the center line of the cone .
その一方で、尖端部が円錐状である場合の先端角を10〜60°の範囲内と極先細り状として、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、尖端部が円錐状で切刃部表面が尖端部の先端では球面状であるため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、尖端部が円錐状であるので、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。 On the other hand, even if the tip angle when the tip is conical is within the range of 10 to 60 ° and extremely narrow, the outer diameter of the cutting edge is within the range of 10 to 100 μm and the minimum diameter, The rigidity and strength of the cutting edge are ensured by the high hardness of the hard carbon coating itself. The hard carbon particles thus grown form extremely fine irregularities on the surface of the cutting edge, and each of the irregularities acts as a cutting edge. The cutting edge is cut into the surface of a work piece made of a brittle material while rotating around the center line of the tip, and in the case of grooving, the tip of the tool is sent out in a direction crossing the center line. Since the part is conical and the surface of the cutting edge is spherical at the tip of the tip , the width and depth of the work piece made of a brittle material such as glass can be reduced. It is possible to form extremely fine grooves of 100 μm or less that are substantially equal to the outer diameter. Moreover, when forming a hole and a recessed part, what is necessary is just to advance in the said centerline direction as it is by cutting a cutting-blade part into the workpiece surface, rotating a tool main body around the centerline of a pointed part. At this time, since the tip is conical , it is possible to form a tapered hole in which the inner diameter of the hole gradually increases toward the opening.
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。 Therefore, according to such a tool for micromachining and a micromachining method for a brittle material using the tool, the tool shape is simple and the manufacturing is easy, so that it is much cheaper than laser machining and the like. Due to the processing, it is possible to form ultrafine grooves, holes, recesses and the like having a width and depth of 100 μm or less on the glass substrate in a shorter time than processing by sandblasting or photoresist etching. Moreover, in such a cutting process, since the shape of the cutting edge portion is transferred to the workpiece as it is, high processing accuracy can be obtained with respect to the groove width and depth, or the diameter of the hole and the recess, etc. Although it is inexpensive, it is possible to provide a high-quality micro reaction system chip with high dimensional accuracy of the flow path.
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。 Here, in the fine processing tool, it is desirable that the film thickness of the hard carbon coating is in the range of 5 to 50 μm. That is, if the film thickness exceeds 50 μm, the outer diameter of the cutting edge portion exceeds 100 μm, so that it may be impossible to form the extremely fine groove as described above. In addition, if the film thickness is too thick, the projections acting as cutting edges vary in size, which may impair processing accuracy. On the other hand, if the film thickness is thinner than 5 μm, the cutting edge portion cannot have sufficient rigidity and strength, and breakage or the like tends to occur, which may shorten the tool life.
図1および図2は、本発明の微細加工用工具の実施形態を説明する上での第1の参考例を示すものである。この参考例において工具本体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。
1 and 2 show a first reference example for explaining an embodiment of a micromachining tool of the present invention. In this reference example , the
この尖端部4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、5〜33μmの範囲内とされている。
The pointed portion 4 is formed in an extremely thin cylindrical shaft shape, that is, a cylindrical surface that extends from the
そして、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、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。
Then, the
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、第1の参考例ではこの外径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。
In the tip portion 4 of the
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、この第1の参考例ではこの切刃部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。
Therefore, the surface of the
このように構成された微細加工用工具を用いた脆性材料の微細加工方法では、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。
In the micromachining method of the brittle material using the micromachining tool configured as described above, the above-described cutting is performed while holding the
このように、第1の参考例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。
As described above, in the micromachining tool of the first reference example and the micromachining method of the brittle material using the same, an extremely fine groove can be formed on the surface of the workpiece made of the brittle material. It can be used to form grooves in a glass substrate for forming a flow path in a chip for a micro reaction system, which can form a finer flow path than conventional sandblasting, photoresist etching, or laser processing. Therefore, it is possible to provide a chip capable of analyzing with higher accuracy. Further, in the cutting process using such a tool, it is possible to form a groove or the like in which the shape of the
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が第1の参考例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。
Further, in the fine processing tool having the above-described configuration, the
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、さらに第1の参考例のように尖端部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。
In order to achieve such an effect more reliably, the film thickness t of the
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を被覆した第1の参考例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。
On the other hand, when the film thickness t is less than 5 μm and the outer diameter D of the
次に、図3は、本発明の微細加工用工具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の参考例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の参考例と同様に5〜50μmの範囲内とされている。
Next, FIG. 3 is a cross-sectional view of the tip side portion of the
このような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。
In the micromachining tool according to such an embodiment , the
従って、このような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の参考例と同様に脆性材料に微細加工を施す場合の本発明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の参考例と同様に溝幅が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。
Therefore, in the micromachining tool of such an embodiment, the tip of the
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。
In this embodiment, the tip angle θ of the cone formed by the pointed
さらに、図4は、本発明の微細加工用工具の第2の参考例を示す尖端部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の参考例および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2のの参考例では、尖端部21が、周面21Aは実施形態の錐面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の参考例の先端面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。
Further, FIG. 4 is a cross-sectional view of the tip side portion of the tip portion 12 showing a second reference example of the micromachining tool of the present invention. The first reference example and the embodiment shown in FIGS. The same reference numerals are assigned to elements common to the microfabrication tool, and description thereof is omitted. That is, in the second reference example , the
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上記第1の参考例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(第2の参考例では中心線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。
The
従って、この第2の参考例でも、第1の参考例や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、この第2の参考例では、上記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、上記第1の参考例の尖端部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、上記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。
Accordingly, in the second reference example , as in the first reference example and the embodiment, it is possible to form a fine groove having a groove width of 100 μm or less on a workpiece made of a brittle material with high accuracy in a short time. It is possible to provide an inexpensive micro reaction system chip capable of highly accurate analysis. Furthermore, in the second reference example , the
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の参考例と同様にこの外径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、上記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の参考例と同様の構成となってしまい、また外径eが0μmになると上記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。
Moreover, the tip angle α of the
なお、第1の参考例では尖端部4が円柱軸状、上記実施形態では尖端部11が円錐状、第2の参考例では尖端部21が円錐台状とされているが、これらは、他の参考例においては、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を有する第3の参考例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、第2の参考例、および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。
The first reference example tip 4 is a cylindrical shaft-like, in the above embodiment the
すなわち、この第3の参考例では、上記第1の参考例と同様に、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(第3の参考例では図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、第3の参考例では30°とされ、また先端面31Bの外径(第3の参考例では先端面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、第3の参考例では30μmとされている。
That is, in the third reference example , similarly to the first reference example , a small-diameter cylindrical shaft centered on the center line O is provided on the tip end side of the shank portion (not shown) of the
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2の参考例と同様に軸線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(第3の参考例では図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、第3の参考例では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。
A
このような第3の参考例においても、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、本第3の参考例によれば、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。
In the third reference example as well, it is possible to apply the same groove processing as the end mill with corner R or the radius end mill to a workpiece made of a brittle material, as well as a regular hexagon in which the
なお、この第3の参考例では尖端部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。
In the third reference example , the pointed
さらに、上記実施形態においては、尖端部11は厳密に円錐状とされていなくても、成形誤差の範囲内であれば突端11Bが丸められていたりしてもよい。また第1〜第3の参考例では先端面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の参考例における切刃部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。
Furthermore, in the above embodiment, the
一方、上記実施形態および第1〜第3の参考例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の参考例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。
On the other hand, in the processing method using the microfabrication tool according to the above embodiment and the first to third reference examples , a micro-reaction system chip having a fine width and a workpiece made of a brittle material such as a glass substrate or a ceramic substrate. Although the case where the groove of the depth is formed has been described, the
また、上記実施形態および第2、第3の参考例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、実施形態では半径tの凹球面状の凹部が、第2、第3の参考例では直径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、これら実施形態および第2、第3の参考例によれば、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。
Further, according to the fine processing tool of the above embodiment and the second and third reference examples , if the tool
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
DESCRIPTION OF
t The thickness of the hard carbon coating 5 D The outer diameter of the cutting edge portion 6 d The outer diameter of the tip portion 4 θ The tip angle of the tip portion 11 e The outer diameter of the tip surfaces 21B, 31B of the
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