JP6062798B2 - ダイヤモンド工具の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤモンド工具の製造方法および製造装置に関するものであり、より特定的には、微細な孔をより安定に形成することが可能なダイヤモンド工具の製造方法および製造装置に関するものである。

微細な孔を有するダイヤモンド工具の例として、ダイヤモンドダイスがある。ダイヤモンドダイスは、銅線やアルミニウム線などの軟質線またはステンレス線やタングステン線などの硬質線をダイス孔に通過させて伸線するための工具である。ダイヤモンドダイスは、ダイヤモンドをステンレス鋼製のケース中において焼結合金により固定し、これに切削加工やレーザ加工を施してダイス孔を形成することにより製造される。

たとえば、特開平９−５７３３２号公報（以下、特許文献１という）では、高い歩留まりを達成することが可能な太線用のダイヤモンドダイスの製造方法が開示されている。また、特開昭６０−８２２８５号公報（以下、特許文献２という）では、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）レーザなどをパルスエネルギーとして用いて、微小径のさん孔またはくぼみを微小間隔で形成する加工方法が開示されている。

特開平９−５７３３２号公報 特開昭６０−８２２８５号公報

上記特許文献１および２において開示されている方法では、たとえば孔径が２０μｍ以下の微細なダイス孔を高精度に繰り返し形成することが困難であるという問題がある。そのため、従来では微細なダイス孔を有するダイヤモンドダイスを高い歩留まりで製造することは困難であった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、微細な孔をより安定に形成することが可能なダイヤモンド工具の製造方法および製造装置を提供することである。

本発明に従ったダイヤモンド工具の製造方法は、ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射して、ダイヤモンドに孔を形成する工程を備えている。

本発明に従ったダイヤモンド工具の製造装置は、ダイヤモンドを含む部材を保持する保持台と、ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射するレーザ照射部とを備えている。

本発明に従ったダイヤモンド工具の製造方法および製造装置によれば、微細な孔をより安定に形成することが可能なダイヤモンド工具の製造方法および製造装置を提供することができる。

本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置の構成を示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置における対物レンズ付近を拡大して示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置におけるステージ付近を拡大して示す概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法を概略的に示すフローチャートである。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法における工程（Ｓ１０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法における工程（Ｓ２０）を説明するための概略図である。 本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法における工程（Ｓ２０）を説明するための他の概略図である。

（本発明の実施の形態の説明）
まず、本発明の実施の形態の内容を列記して説明する。本発明の実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法は、ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射して、ダイヤモンドに孔を形成する工程を備えている。

本発明者の検討によれば、従来より孔の形成に用いられるＹＡＧレーザはパルス強度の安定性やビームの強度分布が悪く、微細な孔を安定して形成することは困難である。これに対して、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、パルス強度の安定性およびビームの強度分布がより優れたＹＶＯ_４レーザを用いて孔が形成される。したがって、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法によれば、微細な孔をより安定に形成することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、ダイヤモンドダイスが製造されてもよい。微細な孔を安定に形成可能な上記ダイヤモンド工具の製造方法は、ダイヤモンドダイスの製造において好適である。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法において、孔を形成する工程では、ダイヤモンドの表面とＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するようにＹＶＯ_４レーザが照射されてもよい。これにより、孔を形成する際に内周面の表面状態を良好に維持することができる。その結果、微細な孔を高精度に形成することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法において、孔を形成する工程では、孔の内周面に沿うようにＹＶＯ_４レーザが照射されてもよい。

これにより、孔を形成する際に内周面の表面状態をより良好に維持することができる。その結果、微細な孔をより高精度に形成することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法において、孔を形成する工程では、パルス幅が０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下であるＹＶＯ_４レーザが照射されてもよい。

本発明者の検討によれば、従来のＹＡＧレーザのようにパルス幅が大きいレーザを用いて孔を形成した場合には、孔の内周面における表面粗さが悪化する。これに対して、上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、パルス幅が小さいＹＶＯ_４レーザを用いることにより、孔を形成する際に内周面における表面粗さの悪化を抑制することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法において、ＹＶＯ_４レーザはＳＨＧＹＶＯ_４レーザであってもよい。これにより、微細な孔をより容易に形成することができる。

ここで、「ＳＨＧＹＶＯ_４レーザ」とは、第２高調波発生（ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）によりＹＶＯ_４（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ｖａｎａｄａｔｅ）レーザ（波長：１０６４ｎｍ）の波長が１／２（波長：５３２ｎｍ）になったものを意味する。

本発明の実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置は、ダイヤモンドを含む部材を保持する保持台と、ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射するレーザ照射部とを備えている。

本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置は、ＹＡＧレーザに比べてパルス強度の安定性およびビームの強度分布がより優れたＹＶＯ_４レーザを照射するレーザ照射部を備えている。これにより、ＹＡＧレーザを備える従来の製造装置に比べて微細な孔をより安定に形成することができる。

ここで、「ダイヤモンドを含む部材」とは、ダイヤモンド単体であってもよいし、ダイヤモンドと他の部材とからなる複合部材であってもよい。上記複合部材の例としては、焼結合金によりステンレスケースに固定されたダイヤモンドなどがある。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置は、ダイヤモンドダイスを製造するための装置であってもよい。微細な孔を安定に形成可能な上記ダイヤモンド工具の製造装置は、ダイヤモンドダイスの製造において好適である。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置は、ダイヤモンドの表面とＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさを変化させる角度調整部をさらに備えていてもよい。これにより、孔を形成する際に内周面の表面状態を良好に維持することができる。その結果、微細な孔を高精度に形成することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置において、上記角度調整部は、上記ダイヤモンドの表面とＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するようにレーザ照射部を動作させる第１可動部材であってもよい。また、上記角度調整部は、上記ダイヤモンドの表面とＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するように保持台を動作させる第２可動部材であってもよい。このように、上記角度調整部には種々の構成を採用することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置において、ＹＶＯ_４レーザのパルス幅は０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下であってもよい。

これにより、孔を形成する際に内周面における表面粗さの悪化を抑制することができる。

上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置において、ＹＶＯ_４レーザはＳＨＧＹＶＯ_４レーザであってもよい。これにより、微細な孔をより容易に形成することができる。

（本発明の実施の形態の詳細）
次に、本発明の実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法および製造装置の具体例を、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。

まず、ダイヤモンドダイスの製造装置を例として、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置について説明する。図１を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置（レーザ加工装置）１は、ダイヤモンドダイスの製造において、ダイヤモンド１１にレーザ加工を施してダイス孔を形成する際などに用いられるものである。レーザ加工装置１は、レーザ光源（レーザ照射部）２と、ビームエキスパンダー３と、対物レンズ４と、ステージ５（保持台）と、レーザ光源可動部材６（第１可動部材）と、ステージ可動部材７（第２可動部材）とを主に備えている。

レーザ光源２は、ＹＶＯ_４レーザＬ１を発信し、当該レーザＬ１をダイヤモンド部材１０に含まれるダイヤモンド１１の表面に照射する。レーザＬ１の出力はたとえば８Ｗであり、周波数は１０〜５０．６ｋＨｚ（たとえば２０ｋＨｚ）であり、パルス幅はたとえば０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下である。

ビームエキスパンダー３は、レーザＬ１のビーム径を拡大するためのものであり、レーザＬ１の光路上に配置されている。対物レンズ４は、レーザＬ１を集光してダイヤモンド１１の表面に照射する。対物レンズ４の倍率はたとえば５倍である。ステージ５は、表面５ａ上においてダイヤモンド部材１０を保持する。

図２を参照して、対物レンズ４の焦点距離ｆ（ｍｍ）は、たとえば４０ｍｍである。レーザＬ１のビーム径Ｄ（ｍｍ）（ビームエキスパンダーにより拡大された後）は、たとえば４ｍｍである。レーザＬ１の波長λ（μｍ）は、１．０６４（μｍ）である。これにより、対物レンズ４を通過した後のレーザＬ１のスポット径ｄは、ｄ＝１．２７×ｆ×λ／Ｄの関係式により１３．５μｍとなっている。

図３を参照して、レーザ加工装置１は、ダイヤモンド１１の表面１１ａとレーザＬ１の光軸（図３中実線矢印および点線矢印で示す）とが成す角の大きさ（角度）θを変化させる角度調整部を備えている。より具体的には、図１を参照して、上記角度θが変化するようにレーザ光源２を動作させるためのレーザ光源可動部材６（第１可動部材、角度調整部）をレーザ加工装置１は備えている。また、上記角度θが変化するようにステージ５を動作させるステージ可動部材７（第２可動部材、角度調整部）をレーザ加工装置１は備えている。なお、レーザ加工装置１は、図１に示すようにレーザ光源可動部材６およびステージ可動部材７のいずれも備えていてもよいし、レーザ光源可動部材６およびステージ可動部材７のうち一方を備えていてもよい。

次に、ダイヤモンドダイスの製造方法を一例として、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法について説明する。図４を参照して、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、工程（Ｓ１０）〜（Ｓ３０）が順に実施され、また工程（Ｓ２０）では上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置（レーザ加工装置１）が用いられる。

まず、工程（Ｓ１０）として、ダイヤモンド部材を準備する工程が実施される。この工程（Ｓ１０）では、図５を参照して、まず、天然のダイヤモンド１１およびステンレス製のダイス台座部１２が準備される。そして、ダイス台座部１２の底面１２ａ上にダイヤモンド１１が配置される。また、ダイヤモンド１１は、ペレット（図示しない）などを介して底面１２ａ上に配置されてもよい。ダイヤモンド１１の厚みはたとえば０．６ｍｍである。ダイス台座部１２の厚みはたとえば８ｍｍであり、外径はたとえば２５ｍｍである。

次に、ダイス台座部１２内にニッケル（Ｎｉ）およびクロム（Ｃｒ）を含む合金粉が充填される。そして、当該合金粉が押圧されつつダイス台座部１２が焼結される。これにより、ダイス台座部１２内において焼結ボンド１３によりダイヤモンド１１が固定されたダイヤモンド部材１０が得られる。そして、焼結処理が完了した後、ダイヤモンド部材１０が放冷される。

次に、工程（Ｓ２０）として、ダイス孔を形成する工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、図６を参照して、まず、ダイヤモンド部材１０に旋削加工が施され、導入口１４および逃げ口１５がそれぞれ形成される。

次に、図１を参照して、上記旋削加工が施されたダイヤモンド部材１０が、レーザ加工装置１のステージ５上に設置される。そして、ダイヤモンド１１の表面にレーザＬ１が照射される。これにより、図６に示すようにダイヤモンド１１を厚み方向に貫通するダイス孔１６が形成される。レーザＬ１のパルス幅は、たとえば０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下である。

図７を参照して、ダイス孔１６は、ベル部（エントランス部）１６ｂと、アプローチ部１６ｃと、リダクション部１６ｄと、ベアリング部１６ｅと、バックリリーフ部１６ｆと、エクジット部１６ｇとを含んでいる。ベアリング部１６ｅは、ダイス孔１６の直径が最小となる部分である。ベアリング部１６ｅの直径Ｄ１は、５０μｍ未満であり、より好ましくは２０μｍ以下である。また、リダクション角度θ１は、ベアリング部１６ｅの入口側における伸線する線材を絞り込む角度であり、２．５°以上２０°以下であり、好ましくは１０°以下である。

図３を参照して、この工程（Ｓ２０）では、レーザ光源２およびステージ５（図１参照）のうち少なくともいずれかを動作させて、ダイヤモンド１１の表面１１ａとレーザＬ１の光軸とが成す角の大きさ（角度）θが変化するようにレーザＬ１が照射される。より具体的には、図７を参照して、上記角度θを変化させつつレーザＬ１を照射することにより、内周面１６ａに沿うようにレーザＬ１が照射される。また、「レーザＬ１が内周面１６ａに沿う」とは、図７に示すようにレーザＬ１のビームの外縁部（図７中破線で示す）が内周面１６ａの接線となるような状態を意味する。

次に、工程（Ｓ３０）として、仕上げ工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、ダイス孔１６の内周面１６ａに研磨加工などが施される。以上のようにして上記工程（Ｓ１０)〜（Ｓ３０)が実施されることによりダイヤモンドダイス１０Ａ（図６参照）が製造され、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法が完了する。

以上のように、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、パルス強度の安定性およびビームの強度分布に優れたＹＶＯ_４レーザＬ１を用いてダイス孔１６が形成される。これにより、パルス強度の安定性およびビームの強度分布が悪いＹＡＧレーザを用いてダイス孔を形成する場合と比べて、微細なダイス孔１６を安定に形成することができる。また、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法では、ダイヤモンド１１の表面１１ａとＹＶＯ_４レーザＬ１の光軸とが成す角の大きさθが変化するようにＹＶＯ_４レーザＬ１が照射されてダイス孔１６が形成される。これにより、ダイス孔１６を形成する際に内周面１６ａの表面状態を良好に維持することができる。したがって、本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造方法によれば、微細なダイス孔１６を高精度に形成することができる。

また、上記本実施の形態に係るダイヤモンド工具の製造装置および製造方法では、レーザ光源２からＳＨＧＹＶＯ_４レーザＬ１が照射されてもよい。この場合にはレーザＬ１のスポット径ｄ（図２参照）は６．８μｍとなり、上記本実施の形態の場合と同様の加工を行うと、ベアリング部１６ｅの直径Ｄ１は５μｍ以上２０μｍ以下となり、リダクション角度θ１は２．５°以上２０°以下となる。

なお、上記本実施の形態では、ダイヤモンドダイスの製造装置および製造方法を一例として説明したが、本発明のダイヤモンド工具の製造装置および製造方法はこれに限定されるものではない。本発明のダイヤモンド工具の製造装置および製造方法は、たとえばダイヤモンドノズルなどの他のダイヤモンド工具の製造装置および製造方法などにおいて適用されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のダイヤモンド工具の製造装置および製造方法は、微細な孔を安定に形成することが要求されるダイヤモンド工具の製造装置および製造方法において、特に有利に適用され得る。

１ レーザ加工装置、２ レーザ光源、３ ビームエキスパンダー、４ 対物レンズ、５ ステージ、５ａ，１０ａ，１１ａ 表面、６ レーザ光源可動部材、７ ステージ可動部材、１０ ダイヤモンド部材、１０Ａ ダイヤモンドダイス、１１ ダイヤモンド、１２ ダイス台座部、１２ａ 底面、１３ 焼結ボンド、１４ 導入口、１５ 逃げ口、１６ ダイス孔、１６ａ 内周面、１６ｂ ベル部（エントランス部）、１６ｃ アプローチ部、１６ｄ リダクション部、１６ｅ ベアリング部、１６ｆ バックリリーフ部、１６ｇ エクジット部、Ｄ ビーム径、ｆ 焦点距離、ｄ スポット径、Ｌ１ レーザ（（ＳＨＧ）ＹＶＯ_４レーザ）、θ 角度、θ１ リダクション角度、Ｄ１ 直径。

Claims (9)

1. ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射して、前記ダイヤモンドに孔を形成する工程を備え、
   前記ＹＶＯ _４ レーザは、ＳＨＧＹＶＯ _４ レーザであり、
   前記孔は、直径が５０μｍ未満となる部分を有し、
   ダイヤモンドダイスが製造される、ダイヤモンド工具の製造方法。
2. 前記孔を形成する工程では、前記ダイヤモンドの表面と前記ＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するように前記ＹＶＯ_４レーザが照射される、請求項１に記載のダイヤモンド工具の製造方法。
3. 前記孔を形成する工程では、前記孔の内周面に沿うように前記ＹＶＯ_４レーザが照射される、請求項１又は２に記載のダイヤモンド工具の製造方法。
4. 前記孔を形成する工程では、パルス幅が０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下である前記ＹＶＯ_４レーザが照射される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のダイヤモンド工具の製造方法。
5. ダイヤモンドを含む部材を保持する保持台と、
   前記ダイヤモンドの表面にＹＶＯ_４レーザを照射して孔を形成するレーザ照射部とを備え、
   前記ＹＶＯ _４ レーザは、ＳＨＧＹＶＯ _４ レーザであり、
   前記レーザ照射部は、前記孔が５０μｍ未満となる直径となる部分を有するように前記ＹＶＯ _４ レーザを前記ダイヤモンドの表面に照射する、
   ダイヤモンドダイスを製造するためのダイヤモンド工具の製造装置。
6. 前記ダイヤモンドの表面と前記ＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさを変化させる角度調整部をさらに備える、請求項５に記載のダイヤモンド工具の製造装置。
7. 前記角度調整部は、前記ダイヤモンドの表面と前記ＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するように前記レーザ照射部を動作させる第１可動部材である、請求項６に記載のダイヤモンド工具の製造装置。
8. 前記角度調整部は、前記ダイヤモンドの表面と前記ＹＶＯ_４レーザの光軸とが成す角の大きさが変化するように前記保持台を動作させる第２可動部材である、請求項６又は７に記載のダイヤモンド工具の製造装置。
9. 前記ＹＶＯ_４レーザのパルス幅は、０．１ｎｓ以上３０ｎｓ以下である、請求項５〜８のいずれか１項に記載のダイヤモンド工具の製造装置。

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