JP7016568B1

JP7016568B1 - フレネルレンズ金型製造方法、加工装置および切削工具

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Publication number: JP7016568B1
Application number: JP2021510998A
Authority: JP
Inventors: 英二社本
Original assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2022-02-21
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: CN113784811A; WO2021192144A1; JPWO2021192144A1; US20210299915A1

Abstract

切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する方法を提供する。切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃とを有する。加工装置は、第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する第１工程（Ｓ１）と、第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する第２工程（Ｓ２）とを繰り返して、フレネルレンズの金型を製造する。

Description

本開示は、フレネルレンズの金型を製造する技術に関する。

図１は、フレネルレンズの断面を示す。フレネルレンズ２０は、レンズ面２１と起立面（「ライズ面」とも呼ばれる）２２とが同心円状に交互に配置された表面形状をもつ。フレネルレンズ２０は、金型を用いてアクリルやポリカーボネート等のプラスチック樹脂材料を射出成形することで量産される。フレネルレンズ２０の金型は回転軸対称形状を有するため、旋削加工により製造されることが多い。

図２は、フレネルレンズ金型の従来の仕上げ工程を説明するための図である。フレネルレンズの金型３０は、フレネルレンズ２０のレンズ面２１の型となるレンズ型面３１と、フレネルレンズ２０の起立面２２の型となる起立型面３２とが同心円状に交互に配置された表面形状をもつ。金型３０の従来の仕上げ工程では、回転する被加工材に対して、切削工具２５の先端の微小円弧形状（ノーズ半径ｒ）をもつノーズ切れ刃２６を、目標とする断面形状からノーズ中心２７をｒだけ離した軌跡で送り、レンズ型面３１および起立型面３２を交互に仕上げる（たとえば特許文献１参照）。図２に示す一点鎖線は、ノーズ中心２７の送り軌跡を示している。

この仕上げ加工によると、レンズ型面３１と起立型面３２の境界となる角部３３には、ノーズ切れ刃２６の半径ｒの円弧形状が残る。この角部３３の丸みが転写されたレンズ面２１の領域は、レンズとしては無効な領域となるため、角部３３の円弧半径ｒは小さいことが好ましい。

特開２０１１－１２１１４６号公報

フレネルレンズ面の型となるレンズ型面３１の仕上げ面粗さＲthは、下記の式（１）によって理論的に予測できることが知られている。

ここで“ｒ”は、ノーズ切れ刃２６のノーズ半径、“ｆ”は、被加工材が１回転する間に切削工具２５が工具軌跡（図２中の「ノーズ中心の軌跡」）に沿って送られる送り量である。式（１）を参照すると、ノーズ半径ｒを大きくすること、および／または送り量ｆを小さくすることで、仕上げ面粗さＲthを小さくし、レンズ性能を向上できることが分かる。

しかしながら上記したように、ノーズ半径ｒは角部３３の円弧半径になるため、フレネルレンズ２０のレンズ面２１における無効領域を小さくするためには、ノーズ半径ｒを大きくできない。また送り量ｆを小さくすると、仕上げ面粗さＲthを小さくできるが、一方で加工能率が下がるため、コスト面から好ましくない。なお送り量ｆを小さくすると、切削工具２５の切削距離が長くなり、工具摩耗が進展しやすいという問題もある。

たとえばノーズ半径ｒ＝５μｍであるとき、１回転当たりの送り量ｆを１μｍに設定することで、鏡面レベルの仕上げ面粗さＲth（約０．０２５μｍ）を実現する。しかしながら１回転当たり１μｍの送り量ｆでは、高い加工能率を実現できない。

本開示はこうした状況に鑑みてなされており、その目的とするところは、フレネルレンズの金型を高い加工能率で製造するための技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様は、切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する方法に関する。使用する切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃とを有する。当該金型製造方法は、第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する第１工程と、第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する第２工程とを含み、第１工程と第２工程を繰り返して、フレネルレンズの金型を製造する。

本発明の別の態様は、切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する加工装置に関する。使用する切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃とを有する。当該加工装置は、被加工材に対して切削工具を相対的に動かす運動機構と、運動機構の動作を制御して、第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する加工と、第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する加工とを繰り返し実施する制御装置とを備える。

本発明のさらに別の態様は、フレネルレンズの金型の製造に使用される切削工具に関する。当該切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃であって、フレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を仕上げ加工するための第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃であって、フレネルレンズの起立面の型となる起立型面を仕上げ加工するための第２切れ刃とを備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本開示の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本開示の態様として有効である。

フレネルレンズの断面を示す図である。従来の仕上げ工程を説明するための図である。実施形態の加工装置の概略構成を示す図である。実施例１の切削工具の刃先形状の概要を示す図である。フレネルレンズ金型の加工手順を示す図である。実施例１の仕上げ工程を説明するための図である。角部に位置する切削工具５の刃先の状態を示す図である。実施例２の仕上げ工程を説明するための図である。

図３は、実施形態の加工装置１の概略構成を示す。加工装置１は、被加工材８に切削工具５の刃先を接触させて旋削加工する切削装置である。加工装置１は、主軸３を回転可能に支持する主軸台２と、切削工具５を移動可能に支持する刃物台４とを備える。回転機構６は主軸台２の内部に設けられて、被加工材８が取り付けられた主軸３を回転させる。送り機構７は、被加工材８に対して切削工具５を相対的に移動させる。

回転機構６および送り機構７は、被加工材８に対して切削工具５を相対的に動かす運動機構を構成する。運動機構は、切削工具５の姿勢を、切削運動方向周りに回転する機構を備えてよい。なお工具姿勢の回転機構は、送り機構７の一部の機構として設けられ、被加工材８に対する切削工具５の姿勢を相対的に変更するために利用されてよい。

制御装置１０は、回転機構６による主軸３の回転を制御する回転制御部と、主軸３の回転中に送り機構７により切削工具５を被加工材８に接触させて、切削工具５による加工を行わせる移動制御部とを備える。加工装置１は、ＮＣ工作機械であってよい。回転機構６および送り機構７を含む運動機構は、それぞれモータなどの駆動部を有して構成され、回転制御部および移動制御部は、それぞれ駆動部への供給電力を調整して、回転機構６および送り機構７のそれぞれの挙動を制御する。

なお実施形態の加工装置１では被加工材８が主軸３に取り付けられて、回転機構６により回転させられるが、別の例では、切削工具５が主軸３に取り付けられて、回転機構６により回転させられてもよい。また送り機構７は、被加工材８に対して切削工具５を相対的に移動させ、または姿勢変化させればよく、切削工具５または被加工材８の少なくとも一方を移動させ、または姿勢変化させる機構を有していればよい。制御装置１０は、回転機構６および送り機構７を含む運動機構の動作を制御して、被加工材８を切削加工し、フレネルレンズの金型を製造する。

（実施例１）
図４は、実施例１の切削工具５の刃先形状の概要を示す。切削工具５は超精密加工に適したダイヤモンド工具であることが望ましく、単結晶ダイヤモンド工具であることがさらに望ましい。実施例１の切削工具５は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃４０と、第１切れ刃４０に連続し且つ半径ｒ２の円弧形状の第２切れ刃４２とを有する。図４において、点Ｑは第１切れ刃４０と第２切れ刃４２の境界である。点Ｐと点Ｑの間の稜線が、第１中心４１を中心とした半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃４０を構成し、点Ｒと点Ｑの間の稜線が、第２中心４３を中心とした半径ｒ２の円弧形状の第２切れ刃４２を構成する。

切削工具５では、第１切れ刃４０の円弧中心である第１中心４１が、切削工具５の外部に設定され、第２切れ刃４２の円弧中心である第２中心４３が、切削工具５の内部に設定される。図示されるように、実施例１の第２切れ刃４２は、切削工具５の先端におけるノーズ切れ刃であり、したがって半径ｒ２はノーズ半径であって、半径ｒ１より小さい。実施例１では、加工装置１が図４に示す切削工具５を使用して、被加工材８を切削加工する。

図５は、フレネルレンズ金型の加工手順を示す。制御装置１０は回転機構６を駆動して、主軸３に取り付けられた被加工材８を回転させる。制御装置１０は、送り機構７を制御して切削工具５を被加工材８に対して相対移動させる。制御装置１０は、第１切れ刃４０を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する第１工程（Ｓ１）と、第２切れ刃４２を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する第２工程（Ｓ２）とを交互に繰り返し実施する。第１工程（Ｓ１）と第２工程（Ｓ２）は、全てのレンズ型面が形成されるまで（Ｓ３のＮ）繰り返し実行され、全てのレンズ型面が形成されると（Ｓ３のＹ）、フレネルレンズ金型の製造が完了し、切削加工は終了する。

図６は、フレネルレンズ金型の実施例１の仕上げ工程を説明するための図である。図６は、第１切れ刃４０がレンズ型面５１を仕上げ加工する第１工程の状態を示す。フレネルレンズの金型５０は、フレネルレンズ２０のレンズ面２１の型となるレンズ型面５１と、フレネルレンズ２０の起立面２２の型となる起立型面５２とが同心円状に交互に配置された表面形状をもつ。

第１工程で制御装置１０は、切削工具５を、目標とするレンズ型面５１の断面形状から、第１切れ刃４０の第１中心４１をｒ１だけ離した軌跡で送り、レンズ型面５１を仕上げる。第１工程の最後に、第２切れ刃４２の形状を転写した角部５３が形成される。第２工程で制御装置１０は、切削工具５を、目標とする起立型面５２の断面形状から、第２切れ刃４２の第２中心４３をｒ２だけ離した軌跡で送り、起立型面５２を仕上げる。第１工程およびそれに続く第２工程において、制御装置１０は、切削工具５の姿勢を変更しないことが好ましいが、第１工程から第２工程に切り替える際に、切削工具５の姿勢を第２中心４３の周りに回転してもよい。図６に示す一点鎖線は、第１工程および第２工程において第１中心４１が移動した軌跡を示している。なお第１工程と、別の第１工程においては、レンズ型面５１の傾斜が異なるため、制御装置１０は、切削工具５の姿勢を変更する必要がある。前記したように送り機構７が、工具姿勢の回転機構を備える場合、制御装置１０は、レンズ型面５１を形成する第１工程ごとに、送り機構７を制御して工具姿勢を変更する。

第２切れ刃４２を挟んで第１切れ刃４０と対向する第３切れ刃（図４において点Ｒから点Ｑとは逆方向に続く切れ刃）は、第１工程および第２工程の双方において、仕上げ面の創製に関与しない。第３切れ刃は、第２切れ刃４２に滑らかに接続する直線であってよく、目標とする起立型面５２に対して逃げる方向に傾いてよい。なお送り運動の軌跡は、反対向きの軌跡であってもよい。

図７は、角部５３に位置する切削工具５の刃先の状態を示す。第２切れ刃４２と第１切れ刃４０が接続する点Ｑの傾きが、レンズ型面５１の傾きが最も小さくなる（水平に最も近くなる）箇所の傾きと概ね同じであることが望ましい。より正確には、第２切れ刃４２が角部５３を加工した状態で、点Ｑからｆ／２だけレンズ型面５１に沿って半径が大きくなる側に離れた箇所の第１切れ刃４０の接線方向が、目標とするレンズ型面５１の最も小さい傾きと同じである又は最も近いことが望ましい。

１回の第１工程において切削工具５の姿勢（切削運動方向周りの回転姿勢）は一定であるため、制御装置１０は第１工程において、第２切れ刃４２が角部５３を加工するときに点Ｑからｆ／２だけレンズ型面５１に沿って半径が大きくなる側に離れた箇所の第１切れ刃４０の接線方向が、目標とするレンズ型面５１の最も小さい傾きと同じに又は最も近くなるように、切削工具５の切削運動方向周りの回転姿勢を定めることが好ましい。このように切削工具５の姿勢を定めることで、レンズ型面５１の全てを第１切れ刃４０により高能率に仕上げることができる。なお各レンズ型面５１の最小の傾き角度に応じて、切削工具５の姿勢が設定されてもよい。

実施例１において、第１切れ刃４０の半径ｒ１＝１ｍｍとしたとき、１回転当たりの送り量ｆを１４μｍに設定しても、鏡面レベルの仕上げ面粗さＲth（約０．０２４５μｍ）を実現できる。このようにレンズ型面５１を、ノーズ切れ刃よりも径の大きい第１切れ刃４０で加工することで、送り量ｆを大きくとることができ、高い加工能率を実現できる。

なお切削工具５が、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃４０と、第１切れ刃４０に連続し且つ半径ｒ２の円弧形状の第２切れ刃４２とを有することを説明したが、第２切れ刃４２を半径０の鋭利な角部（鋭角部）としてもよい。その場合は、角部５３に残される円弧が無くなるため、光学的な損失となる転写箇所を無くすことができる。なお鋭角部として構成される第２切れ刃４２は加工時に欠損の可能性を有するため、特に被加工材８の硬度が高く、工具刃先の靭性が低い場合には、刃先処理と呼ばれる丸みや面取り加工を施すことが望まれる。

（実施例２）
図８は、フレネルレンズ金型の実施例２の仕上げ工程を説明するための図である。実施例２では、制御装置１０が、実施例１とは別の切削工具５ａを使用する。実施例２においても、制御装置１０は、図５に示す加工手順にしたがって、フレネルレンズの金型を製造する。

実施例２の切削工具５ａは、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃４０と、第１切れ刃４０に連続し且つ半径ｒ３の円弧形状の第２切れ刃４２ａとを有する。切削工具５ａでは、第１切れ刃４０の円弧中心である第１中心４１と、第２切れ刃４２ａの円弧中心である第２中心４３ａとが、いずれも切削工具５ａの外部に設定され、それぞれの半径ｒ１、ｒ３が大径であることを特徴とする。なおｒ３≧ｒ１であることが好ましい。切削工具５ａは、ノーズ切れ刃を有さず、第１切れ刃４０と第２切れ刃４２ａとが、刃先稜線で接続する。したがって刃先稜線は、鋭利な鋭角部を形成する。

図５を参照して、制御装置１０は、第１切れ刃４０を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面５１を形成する第１工程（Ｓ１）と、第２切れ刃４２ａを用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面５２を形成する第２工程（Ｓ２）とを交互に繰り返し実施する。第１工程（Ｓ１）と第２工程（Ｓ２）は、全てのレンズ型面５１が形成されるまで（Ｓ３のＮ）繰り返し実行され、全てのレンズ型面５１が形成されると（Ｓ３のＹ）、フレネルレンズ金型の製造が完了し、切削加工は終了する。

図６に示した仕上げ面と比べると、切削工具５ａはノーズ切れ刃を持たないために、角部５３ａに残される円弧が無くなり、光学的な損失となる転写箇所を無くすことができる。刃先稜線を鋭角部とする場合、上記したように刃先処理と呼ばれる丸みや面取り加工を施すことが望ましい。

成形用金型における起立型面５２は、抜き勾配としてわずかに傾かせて（図６および図８において、上に行くほど左に傾く）形成されることが多い。起立型面５２の仕上げ面粗さＲthは、光学的には重要な意味を持たないが、抜き性のためには小さいことが望ましい。そのため実施例２では、起立型面５２の仕上げ面粗さＲthを小さくするとともに、起立型面５２を仕上げる際の送り量ｆを大きくするため、第１切れ刃４０に連続し且つ大きな半径ｒ３の円弧形状の第２切れ刃４２ａを有する切削工具５ａを使用する。切削工具５ａを使用することで、レンズ型面５１および起立型面５２における工具送り量ｆを大きくし、高い加工能率を実現できる。

なお一般的なフレネルレンズ形状の金型を実施例２で示す切削工具５ａで加工する場合には、第１工程と第２工程の間で、工具の姿勢を変化させる必要がある。すなわち、工具先端点（第１切れ刃４０の円弧と第２切れ刃４２ａの円弧の交点の内、工具先端側の点）の周りに回転させる必要がある。一般的なフレネルレンズ形状において、各起立型面５２の傾きは同じであるのに対し、各レンズ型面５１の傾きは半径位置に応じて徐々に変化するためである。

以上、本開示を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

実施形態では加工装置１が被加工材８を旋削加工する切削装置であって、レンズ面と起立面とが同心円状に交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する方法を説明した。変形例で加工装置１は被加工材８を平削り加工する切削装置であって、直線状にレンズ面と起立面とが交互に配置されるリニアフレネルレンズの金型を製造してもよい。加工装置１が平削り加工する切削装置である場合、運動機構は、主軸を回転させる回転機構６を含まないが、被加工材８または切削工具５を切削運動方向に相対的に直線運動させる送り機構を備える必要がある。

本開示の態様の概要は、次の通りである。
本開示のある態様は、切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する方法に関する。使用する切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃とを有する。当該金型製造方法は、第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する第１工程と、第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する第２工程とを含み、第１工程と第２工程を繰り返して、フレネルレンズの金型を製造する。

この態様によると、第１工程と第２工程とで異なる切れ刃を用いることで、レンズ型面と起立型面の境界における角部円弧半径を大きくすることなく、第１工程における送り量を向上できる。

第２切れ刃は、第１切れ刃に連続し且つ半径ｒ２の円弧形状を有してよい。第２切れ刃は、工具先端におけるノーズ切れ刃であり、第２切れ刃の半径ｒ２は、第１切れ刃の半径ｒ１より小さくてよく、この場合、第１切れ刃の円弧中心が切削工具の外部に位置し、第２切れ刃の円弧中心が切削工具の内部に位置してよい。なお第１切れ刃の円弧中心と、第２切れ刃の円弧中心は、それぞれ切削工具の外部に位置してもよい。

本開示の別の態様は、切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する加工装置に関する。使用する切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、第１切れ刃に連続する第２切れ刃とを有する。当該加工装置は、被加工材に対して切削工具を相対的に動かす運動機構と、運動機構の動作を制御して、第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する加工と、第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する加工とを繰り返し実施する制御装置とを備える。

本開示は、加工分野に利用できる。

１・・・加工装置、３・・・主軸、５，５ａ・・・切削工具、６・・・回転機構、７・・・送り機構、８・・・被加工材、１０・・・制御装置、２０・・・フレネルレンズ、２１・・・レンズ面、２２・・・起立面、２５・・・切削工具、２６・・・ノーズ切れ刃、２７・・・ノーズ中心、３０・・・金型、３１・・・レンズ型面、３２・・・起立型面、３３・・・角部、４０・・・第１切れ刃、４２，４２ａ・・・第２切れ刃、５０，５０ａ・・・金型、５１・・・レンズ型面、５２・・・起立型面、５３，５３ａ・・・角部。

Claims

切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する方法であって、前記切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、前記第１切れ刃に連続し且つ半径ｒ１とは異なる半径ｒ２の円弧形状の第２切れ刃とを有し、前記第２切れ刃は、前記切削工具の先端におけるノーズ切れ刃であり、半径ｒ２は、半径ｒ１より小さく、
前記第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する第１工程と、
前記第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する第２工程とを含み、第１工程と第２工程を繰り返して、フレネルレンズの金型を製造する、
ことを特徴とするフレネルレンズ金型製造方法。
第１工程において、レンズ型面と起立型面の境界となる角部を、前記第２切れ刃により形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載のフレネルレンズ金型製造方法。
第１工程において、当該切削工具の姿勢を変更せずに、レンズ型面を形成する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のフレネルレンズ金型製造方法。
前記第１切れ刃の円弧中心が切削工具の外部に位置し、前記第２切れ刃の円弧中心が切削工具の内部に位置する、
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフレネルレンズ金型製造方法。
切削工具により被加工材を切削加工して、レンズ面と起立面とが交互に配置されるフレネルレンズの金型を製造する加工装置であって、前記切削工具は、半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃と、前記第１切れ刃に連続し且つ半径ｒ１とは異なる半径ｒ２の円弧形状の第２切れ刃とを有し、前記第２切れ刃は、前記切削工具の先端におけるノーズ切れ刃であり、半径ｒ２は、半径ｒ１より小さく、
前記被加工材に対して前記切削工具を相対的に動かす運動機構と、
前記運動機構の動作を制御して、前記第１切れ刃を用いてフレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を形成する加工と、前記第２切れ刃を用いてフレネルレンズの起立面の型となる起立型面を形成する加工とを繰り返し実施する制御装置と、
を備えることを特徴とする加工装置。
前記制御装置は、レンズ型面を形成する加工において、レンズ型面と起立型面の境界となる角部を、前記第２切れ刃により形成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の加工装置。
前記制御装置は、レンズ型面を形成する加工において、当該切削工具の姿勢を変更せずに、レンズ型面を形成する、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の加工装置。
フレネルレンズの金型の製造に使用される切削工具であって、
半径ｒ１の円弧形状の第１切れ刃であって、フレネルレンズのレンズ面の型となるレンズ型面を仕上げ加工するための第１切れ刃と、
前記第１切れ刃に連続し、半径ｒ１とは異なる半径ｒ３の円弧形状の第２切れ刃であって、フレネルレンズの起立面の型となる起立型面を仕上げ加工するための第２切れ刃と、を備え、半径ｒ３は半径ｒ１より大きい、
切削工具。
前記第１切れ刃の円弧中心と、前記第２切れ刃の円弧中心が、それぞれ切削工具の外部に位置する、
ことを特徴とする請求項８に記載の切削工具。