JP7034976B2 - ワーク保持部及びワーク保持部回転ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、ワーク保持部及びワーク保持部回転ユニットの技術に関する。
従来のワーク保持部及びワーク保持部回転ユニットの技術は、例えば、特許文献1に記載の如くである。
特許文献1には、コーティングシステムにおけるワークピースの装填装置が開示されている。この装填装置においては、挿入スリーブに形成されたボアホールにワークピースを収容し、保持することができる。ワークピースを収容した複数の挿入スリーブは、スタンドに形成された複数の開口部に挿入された状態で保持される。このようにして保持されたワークピースに対して、コーティングが施される。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、挿入スリーブにはワークピースの長さに応じた深さのボアホールが形成されている。このため、種類の異なる(長さの異なる)ワークピースを保持するためには、そのワークピースの長さに応じた挿入スリーブを準備する必要がある点で、改善の余地があった。
本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、複数種類のワークに対応することができるワーク保持部及びワーク保持部回転ユニットを提供することである。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、この課題を解決するため、本発明に係るワーク保持部は、第一の部分と、前記第一の部分よりも外径が小さい第二の部分と、を具備する棒状のワークを保持するワーク保持部であって、前記第一の部分を挿入可能な第一の孔部、及び前記第一の孔部と連続するように形成され、前記第一の部分を挿入不能かつ前記第二の部分を挿入可能な第二の孔部を具備する貫通孔が形成されたアダプタと、前記アダプタが挿入された状態で前記アダプタを保持可能な本体部と、を具備するものである。
また、本発明に係るワーク保持部回転ユニットは、前記ワーク保持部を具備し、前記ワーク保持部を回転させることが可能なものである。
本発明によれば、複数種類のワークに対応することができる。
以下では、図中の矢印U、矢印D、矢印L、矢印R、矢印F及び矢印Bで示した方向を、それぞれ上方向、下方向、左方向、右方向、前方向及び後方向と定義して説明を行う。
以下では、図1及び図2を用いて、本実施形態に係るスパッタリング装置1の概略について説明する。
スパッタリング装置1は、真空中で成膜処理を行う真空処理装置(真空成膜装置)である。本実施形態に係るスパッタリング装置1は、成膜対象となるワーク(処理品)Wとして、加工用の工具を想定している。スパッタリング装置1は、主として成膜室2、ワーク保持部回転ユニット3、モータ4、排気装置5、ターゲット(スパッタリングターゲット)6及びヒータ7を具備する。
成膜室2は、ワークWに成膜処理を施すための空間を形成するものである。成膜室2は、軸線を上下方向に向けた略円柱状に形成される(図2参照)。成膜室2は、中空状に形成される。
ワーク保持部回転ユニット3は、後述するワーク保持部60を回転させるものである。ワーク保持部回転ユニット3は、成膜室2内に配置される。
モータ4(図1参照)は、ワーク保持部回転ユニット3を回転駆動させるための駆動源である。モータ4は、成膜室2の外部に配置される。モータ4の動力は、適宜の動力伝達機構(例えば軸等)を介してワーク保持部回転ユニット3に伝達される。
排気装置5(図1参照)は、成膜室2内の空気を排出することで、成膜室2内を成膜処理に適した真空度となるように調節するものである。
ターゲット6は、ワークWに成膜される材料(成膜材料)である。ターゲット6は、平板状に形成される。ターゲット6は、成膜室2内に配置される。ターゲット6は、ワーク保持部回転ユニット3を挟んで一対設けられる。ターゲット6は、板面が垂直方向に沿うように配置される。またターゲット6は、板面が成膜室2の中央(すなわち、ワーク保持部回転ユニット3)を向くように配置される。
ヒータ7は、ワークWを加熱して、成膜品質(均一性等)を向上させるためのものである。ヒータ7は、成膜室2内に配置される。ヒータ7は、ワーク保持部回転ユニット3を挟んで一対設けられる。ターゲット6及びヒータ7は、ワーク保持部回転ユニット3の周囲に等間隔に配置される。
次に、ワーク保持部回転ユニット3についてより具体的に説明する。
図3及び図4に示すワーク保持部回転ユニット3は、主として回転軸20、上部回転体30、回転ホイール40、取付部材50、ワーク保持部60、固定円盤70、規制部80及びカバー90を具備する。
回転軸20は、後述する回転ホイール40の回転中心となるものである。回転軸20は、略円柱状に形成される。回転軸20は、軸線を鉛直方向(上下方向)に向けて配置される。回転軸20には、回転軸20の側面を覆うように、円筒状に形成された外筒部材21が一体的に回転可能となるように嵌め合わされる。外筒部材21の上端部には、キー溝21aが形成される。
上部回転体30は、回転軸20と一体的に回転可能なものである。上部回転体30は、平面視円形状に形成される。上部回転体30の底面の中心には、回転軸20の上端部が固定される。上部回転体30の底面の中心近傍には、キー部材31が固定される。このキー部材31が外筒部材21のキー溝21aに係合されることで、上部回転体30と回転軸20との相対回転が規制される。すなわち、上部回転体30は、回転軸20と一体的に回転することができる。上部回転体30の上部は、成膜室2の上面に回転可能に支持される。上部回転体30には、モータ4(図1参照)の動力が伝達可能とされる。上部回転体30は、モータ4からの動力によって、回転軸20と共に回転することができる。
図3から図6までに示す回転ホイール40は、後述するワーク保持部60を回転軸20を中心として回転(公転)させるものである。回転ホイール40は、主としてボス部41、リブ42及び外周部43を具備する。
ボス部41は、回転ホイール40の中心に形成される部分である。ボス部41は、軸線を鉛直方向(上下方向)に向けた略円筒状に形成される。ボス部41の中心には、ボス部41を上下に貫通する貫通孔41aが形成される。
リブ42は、ボス部41から、回転ホイール40の径方向においてボス部41の外側に向けて延びるように形成される棒状の部分である。リブ42は、ボス部41の周囲に等間隔に複数(本実施形態では5つ)形成される(図6参照)。
外周部43は、後述するワーク保持部60を支持する部分である。外周部43は、平面視において、ボス部41を中心とする円環状に形成される。外周部43の内周面は、回転ホイール40の径方向においてリブ42の外側の端部に固定される。このようにして、外周部43は、リブ42を介してボス部41と接続される。なお、本実施形態においては、ボス部41、リブ42及び外周部43は一体的に形成されている。外周部43には、主として傾斜面43a及び貫通孔43bが形成される。
図5及び図6に示す傾斜面43aは、外周部43の上面に形成される。傾斜面43aは、上下方向(回転軸20の軸線方向)に対して傾斜する方向を向くように形成される。具体的には、傾斜面43aは、回転ホイール40の径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜するように形成される。
貫通孔43bは、外周部43を上下に貫通するように形成される。貫通孔43bの上端は、傾斜面43aに開口するように形成される。貫通孔43bは、傾斜面43aに対して垂直に延びるように形成される。すなわち、貫通孔43bは、鉛直方向(上下方向)に対して傾斜する方向に延びるように形成される。より具体的には、貫通孔43bは、上方に向かうにつれて回転ホイール40の径方向外側に延びるように形成される。貫通孔43bの下端(下側の開口部)は、板状の閉塞部材43cによって閉塞される。
図6に示すように、傾斜面43a及び貫通孔43bは、外周部43の周方向に沿って等間隔に複数形成される。
図4に示すように、回転ホイール40は、回転軸20(外筒部材21)に設けられる。具体的には、回転ホイール40のボス部41(貫通孔41a)が、回転軸20に挿入される。この際、回転ホイール40と回転軸20は一体的に回転可能となるように係合される。また回転軸20には、回転ホイール40が上下に等間隔に複数並ぶように設けられる。図1、図3及び図4では、一例として2つの回転ホイール40を図示している。
図4及び図5に示す取付部材50は、後述するワーク保持部60を回転ホイール40に取り付けるためのものである。取付部材50は、主として本体部51及びフランジ部52を具備する。
本体部51は、円筒状に形成された部分である。本体部51には、上側の端面と下側の端面とを貫通する貫通孔51aが形成される。貫通孔51aは、本体部51の中心(軸線上)に形成される。本体部51の外径は、回転ホイール40の貫通孔43bの内径と略同一となるように形成される。
フランジ部52は、本体部51の上端部近傍から拡径するように形成された円盤状の部分である。
本体部51は、回転ホイール40の貫通孔43bに上方から挿入される。フランジ部52は、回転ホイール40の傾斜面43aに適宜の締結部材(ボルト等)によって固定される。このようにして、取付部材50は、回転ホイール40の各貫通孔43bに設けられる。取付部材50(本体部51)の軸線は、貫通孔43bと同じ角度で傾斜するように配置される。
図5及び図7に示すワーク保持部60は、ワークWを回転(自転)可能に保持するものである。
ここで、図7を用いて、ワーク保持部60が保持するワークWについて具体的に説明する。前述の如く、本実施形態においては、ワークWとしてエンドミル等の加工用の工具を想定している。ワークWは、一方向に延びる棒状に形成される。ワークWは、主としてシャンク部W1、刃部W2及びテーパ部W3を具備する。
シャンク部W1は、工具の柄となる部分である。シャンク部W1は、略円柱状に形成される。シャンク部W1は、長手方向に亘って直径が一定となるように形成される。
刃部W2は、工具の刃が形成される部分である。刃部W2は、らせん状又は直線状に形成されて、全体的な外観が略円柱状である。また、全体的な外観については、略円柱形状の先端に略円錐が追加されたような形状としてもよい。刃部W2は、長手方向の少なくとも一部の直径が一定となるように形成される。刃部W2の直径は、シャンク部W1よりも小さくなるように形成される。刃部W2の先端(シャンク部W1と反対側の端部)から中途部に亘る所定の範囲には、適宜に刃が形成される。
テーパ部W3は、シャンク部W1と刃部W2とを接続する部分である。テーパ部W3は、シャンク部W1から刃部W2に向かって徐々に外径が小さくなるするテーパ状に形成される。
このようにワークWは、シャンク部W1と比べて外径が小さい刃部W2に刃が形成されている。またシャンク部W1は工具の柄となる部分であり、工具を使用する際に保持される部分となる。このため、スパッタリング装置1を用いて成膜処理を行う場合、ワークWの刃部W2にのみ成膜を行い、シャンク部W1に対しては成膜を行わない(成膜材料が付着しない)ようにすることが望ましい。
そこで本実施形態のワーク保持部60は、ワークWのシャンク部W1に成膜材料が付着しないように、シャンク部W1を囲うように構成されている。以下、図5、図7及び図8を用いてワーク保持部60について具体的に説明する。ワーク保持部60は、主として回転支持部61、被回転駆動部62及びアダプタ63を具備する。
図7及び図8に示す回転支持部61は、ワークWを保持するものである。回転支持部61は、主として保持部61a、支持部61b及び貫通孔61cを具備する。
保持部61aは、アダプタ63を介してワークWを保持する部分である。保持部61aは、略円柱状に形成される。保持部61aは、主として収容部61d及び平坦部61eを具備する。なお、保持部61aは、例えば、多角形や多角形の角部を丸くした形状でもよい。
収容部61dは、アダプタ63を介してワークWを収容可能な凹部である。収容部61dは、断面視(回転支持部61の軸線方向から見て)で円形状となるように形成される。収容部61dは、保持部61aの上側の端面から保持部61aの下端部近傍まで延びるように形成される。収容部61dは、保持部61a(回転支持部61)の中心(軸線上)に形成される。なお、収容部61dは、アダプタ63を介してワークWを収容可能な形状であれば、例えば、多角形や多角形の角部を丸くした形状でもよい。
平坦部61eは、保持部61aの外側面に形成される平坦な部分(平面)である。平坦部61eは、保持部61aの外側面(曲面)の一部を切り欠くようにして形成される。平坦部61eは、保持部61aの長手方向の中央部より上方であって、被回転駆動部62の固定時に小径部62bの後述するねじ孔62dに対応する位置に形成される。なお、平坦部61eは、保持部61aの長手方向の中央部に設けてもよいし、中央部より下方に設けてもよい。
支持部61bは、取付部材50を介して回転ホイール40に支持される部分である。支持部61bは、略円柱状に形成される。支持部61bの外径は、取付部材50の内径よりも小さくなるように形成される。支持部61bは、保持部61aの底面から下方に向かって突出するように形成される。支持部61b及び保持部61aは、同一軸線上に形成される。
図5に示すように、支持部61bは、取付部材50の貫通孔51aに上方から挿入される。支持部61bは、適宜の軸受部材64を介して、取付部材50(本体部51)に回転可能に支持される。支持部61bを本体部51に挿入することで、保持部61aが回転ホイール40から上方に向かって突出するように配置される。回転支持部61の軸線は、取付部材50(本体部51)の軸線と同じ角度で傾斜するように配置される。換言すると、回転支持部61は、図1に示すように、側方に配置されたターゲット6の板面に対して傾斜するように配置される。回転支持部61は、回転軸20の軸線(上下方向)に対して傾斜した軸線を中心として回転(自転)することができる。
このようにして回転支持部61(ひいては、ワーク保持部60)は、取付部材50を介して、回転ホイール40の外周部43に設けられる。またワーク保持部60は、外周部43に沿って(すなわち、回転軸20を中心とする円周上に)並ぶように複数設けられる。
なお、軸受部材64としては、任意の部材を用いることができる。例えば、ボールベアリングやすべり軸受等、任意の部材を適宜選択することができる。また、1つの支持部61bに対して、軸受部材64を複数設けることも可能である。
また、支持部61bの軸線の傾斜角度(後述する傾斜角度α(図5参照))は、任意に設定することができる。例えば、支持部61bが、回転軸20やターゲット6に対して(鉛直方向を基準として)、20~80°傾斜するように設定することができる。
図7及び図8に示す貫通孔61cは、収容部61dと外部とを連通するものである。貫通孔61cは、収容部61dの底部と、支持部61bの下側の端面と、を連通するように形成される。貫通孔61cは、保持部61a(回転支持部61)の中心(軸線上)に形成される。貫通孔61cは、支持部61bの下側の端面を開口するように形成されているが、支持部61bの側面を開口するように形成されてもよい。なお、アダプタ63の側面に溝を設けるなど空気抜き用の面取り加工がされているなど、ワークWとアダプタ63との回転支持部61への挿入時に、収容部61dから外部に空気が抜けるような構造とされていれば、貫通孔61cは設けなくてもよい。
図5及び図7に示す被回転駆動部62は、ワーク保持部60を回転させるためのものである。被回転駆動部62は、主として接触部62a、接触部62aよりも外径が小さい小径部62b、貫通孔62c及びねじ孔62dを具備する。
接触部62aは、後述する固定円盤70と接触する部分である。接触部62aは、回転支持部61の軸線方向から見て略円形状に形成される。
小径部62bは、接触部62aの上端から突出するように形成される部分である。小径部62bは、略円柱状に形成される。小径部62bは、接触部62aと同一軸線上に形成される。小径部62bの外径は、接触部62aの外径よりも小さくなるように形成される。
貫通孔62cは、被回転駆動部62を貫通するものである。貫通孔62cは、被回転駆動部62の上側の端面(小径部62bの上端面)と、被回転駆動部62の下側の端面(接触部62aの下端面)と、を貫通するように形成される。貫通孔62cは、被回転駆動部62の中心(軸線上)に形成される。貫通孔62cの内径は、回転支持部61の保持部61aの外径と略同一となるように形成される。
ねじ孔62dは、被回転駆動部62の外側面と内側面を貫通するように形成される。具体的には、ねじ孔62dは、小径部62bの外側面と、貫通孔62cと、を径方向に貫通するように形成される。ねじ孔62dの内側面には、締結部材62e(ボルト等)が締結可能となるように、適宜にねじ部が形成される。
被回転駆動部62の貫通孔62cは、回転ホイール40の上方において、回転支持部61の保持部61aに嵌め合わされる。この際、被回転駆動部62のねじ孔62dと、回転支持部61の平坦部61eが対向するように、被回転駆動部62及び回転支持部61の位置が調節される。この状態で、被回転駆動部62のねじ孔62dに締結部材62eが締結される。締結部材62eの先端部(被回転駆動部62の径方向内側の端部)は、回転支持部61の平坦部61eに接触する。これによって被回転駆動部62と回転支持部61との相対的な回転が規制され、被回転駆動部62及び回転支持部61が一体的に回転可能となる。なお、被回転駆動部62及び回転支持部61を一体としてもよい。
アダプタ63は、ワークWの一部(主にシャンク部W1)を覆うものである。アダプタ63は、略円柱状に形成される。アダプタ63の外径は、回転支持部61の収容部61dの内径と略同一となるように形成される。アダプタ63は、主として貫通孔63a及びテーパ部63bを具備する。
貫通孔63aは、アダプタ63を長手方向に貫通するものである。貫通孔63aは、アダプタ63の長手方向一端面と他端面とを貫通するように形成される。貫通孔63aは、アダプタ63の中心(軸線上)に形成される。貫通孔63aは、主として第一の孔部63c及び第二の孔部63dを具備する。
第一の孔部63cは、貫通孔63aのうち、長手方向における一側(図7における下端側)の部分を形成するものである。第一の孔部63cは、長手方向断面視で円形状に形成される。第一の孔部63cは、長手方向に亘って内径が一定となるように形成される。第一の孔部63cの内径は、ワークWのシャンク部W1の外径と略同一となるように形成される。すなわち、第一の孔部63cの軸線方向視における断面形状は、シャンク部W1の軸線方向視における断面形状と略一致する。ここで、軸線方向視における断面形状とは、軸線に直交する切断面で切断した場合の断面形状である。これによって、第一の孔部63cは、シャンク部W1が挿入可能に形成されている。第一の孔部63cは、アダプタ63の下端から上端近傍に亘って形成される。
第二の孔部63dは、貫通孔63aのうち、長手方向における他側(図7における上端側)の部分を形成するものである。第二の孔部63dは、第一の孔部63cと連通(連続)するように形成される。第二の孔部63dは、長手方向断面視で円形状に形成される。第二の孔部63dの内径は、第一の孔部63cの内径よりも小さくなるように形成される。より具体的には、第二の孔部63dは、下側(第一の孔部63c側)の端部から、上側(第一の孔部63cから離間する側)の端部に向かって、徐々に内径が小さくなるようなテーパ状に形成される。第二の孔部63dの内径(特に、上端の内径)は、ワークWのシャンク部W1の外径よりも小さく、かつ刃部W2の外径と略同一に(又は、刃部W2の外径よりも大きく)なるように形成される。すなわち、第二の孔部63dは、シャンク部W1が挿入不能かつ刃部W2が挿入可能に形成されている。
テーパ部63bは、アダプタ63の外側面に形成される。テーパ部63bは、アダプタ63の下端部に形成される。テーパ部63bは、アダプタ63の下側の端部に向かって、徐々に外径が小さくなるように形成される。
ここで、上述の如く構成されたワーク保持部60を用いてワークWを保持する手順について説明する。
まず、図9(a)に示すように、ワークWがアダプタ63の貫通孔63aに挿入される。この際ワークWは、外径の小さい刃部W2側から、貫通孔63aの第一の孔部63cに挿入される。
ワークWが貫通孔63aにある程度挿入されると、図9(b)に示すように、シャンク部W1と刃部W2の段差部分(すなわち、テーパ部W3)が、テーパ状に形成された貫通孔63aの第二の孔部63dと接触する。これによって、ワークWの移動が規制される。この状態では、ワークWのシャンク部W1がアダプタ63によって上方から覆われることになる。また、ワークWの刃部W2は、アダプタ63から突出することになる。
次に、図9(b)に示すようにワークWが挿入されたアダプタ63が、回転支持部61の収容部61dに挿入される(図5参照)。この際アダプタ63は、下端部(テーパ部63bが設けられた端部)から、収容部61dに挿入される。テーパ部63bによってアダプタ63を収容部61d内へと案内することができるため、アダプタ63を収容部61dに容易に挿入することができる。また、収容部61dと連通するように形成された貫通孔61cによって、収容部61d内の空気が排出されるため、アダプタ63を収容部61dに速やかに挿入することができる。
アダプタ63及びワークWは、図5に示すように、アダプタ63又はワークWの下端が収容部61dの底面と接触する位置まで、収容部61dに挿入される。このようにして、ワークWは、アダプタ63を介して回転支持部61に保持される。また、ワークWのシャンク部W1は、アダプタ63及び回転支持部61によって覆われる。このように、ワークWのシャンク部W1を覆うことで、成膜材料がシャンク部W1に付着するのを防止することができる。
また、本実施形態の如く、アダプタ63を介して回転支持部61にワークWを保持する構成とすることで、種類の異なるワークWであっても、ワーク保持部60に保持することができる。
例えば図10(a)~(c)に示すように、ワークWとしては、シャンク部W1及び刃部W2の長さが異なる複数種類の工具が想定される。しかしながら、このようにシャンク部W1及び刃部W2の長さが異なるワークWであっても、アダプタ63の貫通孔63aに挿入し、ワークWの段差部がアダプタ63の第二の孔部63dと接触した状態で、そのアダプタ63ごと回転支持部61の収容部61dに挿入することができる。すなわち、シャンク部W1及び刃部W2の長さが異なる複数種類のワークWを、同じワーク保持部60で保持することができる。
なお、収容部61dに挿入されたアダプタ63に対してワークWの位置がずれる(抜け落ちる方向に移動する)のを防止する観点から、アダプタ63の形状(長さ)を適宜設定することが望ましい。具体的には、ワークWがアダプタ63の貫通孔63aに挿入された状態(ワークWが貫通孔63aの第二の孔部63dと接触された状態)において、ワークWの下端(シャンク部W1の下端)がアダプタ63の下端と同一位置(面一)となる(例えば、図10(c)に示す状態)か、ワークWの下端がアダプタ63の下端から突出する(例えば、図10(a)に示す状態)ように、アダプタ63の形状(長さ)を設定することが望ましい。このように構成することで、収容部61dに挿入されたワークWの下端が、収容部61dの底面と接触するため、ワークWがアダプタ63に対して下方(抜け落ちる方向)にずれるのを防止することができる。
図3から図5、及び図11に示す固定円盤70は、ワーク保持部60を回転させるためのものである。固定円盤70は、平面視円形の板状(円盤状)に形成される。固定円盤70の中心には、貫通孔70aが形成される。
図4に示すように、固定円盤70は、固定部材71及び軸受部材72を介して、回転軸20に設けられる。具体的には、固定円盤70の内側(貫通孔70a)には、固定部材71を介して軸受部材72の外輪が固定される。この軸受部材72の内輪が、回転軸20に挿入されて、回転軸20に固定される。このように、固定円盤70は軸受部材72を介して回転軸20に相対回転可能に設けられる。固定円盤70は、回転ホイール40の上方に、回転ホイール40と適宜の間隔を空けて設けられる。すなわち固定円盤70は、各回転ホイール40に対応するように、回転ホイール40と同数設けられる。固定円盤70の外周端部は、対応する回転ホイール40に設けられたワーク保持部60の被回転駆動部62(接触部62a)と接触するように配置される。
なお、軸受部材72としては、任意の部材を用いることができる。例えば、ボールベアリング、ローラーベアリング、すべり軸受等、任意の部材を適宜選択することができる。
固定円盤70及び被回転駆動部62は、ワーク保持部60が回転軸20を中心として回転(公転)することで、ワーク保持部60を自転させるための動力がワーク保持部60に伝達されるように構成されている。例えば、固定円盤70及び被回転駆動部62は、互いに噛み合う歯を有する歯車(例えば、かさ歯車等)により形成することができる。これにより、固定円盤70はワーク保持部60を連続的に回転(自転)させる(特に、ワークWがターゲット6と対向している状態で、このワークWを連続的に回転させる)ことができる。その他、固定円盤70及び被回転駆動部62は、互いに接触して動力を伝達可能な構成であればよい。例えば、歯車、チェーンとスプロケットとの組み合わせ、穴部と突起部との組み合わせ等の噛み合わせ構造を用いて動力を伝達する構成、接触面同士の摩擦力を用いて動力を伝達する構成等でもよい。
また、固定円盤70と被回転駆動部62とは、機械的な機構を含まない介在物を介して接触してもよい。この場合、回転部である固定円盤70とワーク保持部60の一部である被回転駆動部62とは、機械的な機構を介在することなく、接触することになる。
また、固定円盤70と被回転駆動部62とは、機械的な機構を含まない介在物を介して接触してもよい。この場合、回転部である固定円盤70とワーク保持部60の一部である被回転駆動部62とは、機械的な機構を介在することなく、接触することになる。
また、固定円盤70及び被回転駆動部62は、歯車のように連続的に動力を伝達させ、ワーク保持部60を連続的に回転させるものに限らない。例えば固定円盤70及び被回転駆動部62は、カム等を用いて断続的に動力を伝達することで、ワーク保持部60を断続的に回転(自転)させることも可能である。
規制部80は、固定円盤70の回転を規制するものである。規制部80は、主として第一規制部材81及び第二規制部材82を具備する。
第一規制部材81は、各固定円盤70に固定されるものである。第一規制部材81は、矩形状の板材を屈曲させて形成される。具体的には、第一規制部材81は、水平に延びる左部81aと、左部81aの右端から鉛直上方に延びる中途部81bと、中途部81bの上端から右方に延びる右部81cと、を具備する。このように、第一規制部材81は、固定円盤70の径方向外側の部分(右部81c)が径方向内側の部分(左部81a)よりも高くなるように形成されている。これによって、ワーク保持部60やワークWとの干渉を避けることができる。
第一規制部材81の左部81aは、固定円盤70の上面の右端部近傍に適宜の締結部材(ボルト等)によって固定される。第一規制部材81の右部81cは、固定円盤70から右方に突出するように配置される。右部81cには、切欠部81dが形成される。
第二規制部材82は、第一規制部材81と係合するものである。第二規制部材82は、略円柱状に形成される。第二規制部材82は、軸線を鉛直方向(上下方向)に向けて配置される。第二規制部材82の上端部は、ブラケット82aを介して成膜室2の上面に固定される。第二規制部材82は、各固定円盤70に設けられた第一規制部材81の切欠部81dに係合される。より具体的には、第一規制部材81の切欠部81dに、第二規制部材82が嵌め込まれて、固定円盤70の回転が規制されることになる。
このように、固定円盤70に設けられた第一規制部材81が、成膜室2に固定された第二規制部材82と係合することで、固定円盤70の回転が規制される。これによって、回転軸20が回転しても、固定円盤70が回転することはない。
図3から図5までに示すカバー90は、ワーク保持部60を覆うものである。カバー90は、板状の部材を適宜屈曲させて形成される。カバー90は、ワーク保持部60を側方(固定円盤70の径方向外側)及び上方から覆うように配置される。カバー90には、貫通孔91が形成される。貫通孔91を介して、ワーク保持部60に保持されたワークWの刃部W2をカバー90の外側に露出させることができる。カバー90は、回転ホイール40に適宜の方法で固定される。
次に、モータ4の動力によってワーク保持部回転ユニット3が動作する様子について説明する。
モータ4が駆動すると、モータ4の動力によって回転軸20が回転する。回転ホイール40は、回転軸20と一体的に回転する。これによって、回転ホイール40の外周部43に設けられたワーク保持部60は、回転軸20を中心として回転(公転)する。
一方、回転軸20に対して相対回転可能に設けられた固定円盤70は、規制部80によって回転が規制されている。このため、固定円盤70は、回転軸20の回転に伴って回転することはない。
ワーク保持部60の被回転駆動部62は、固定された(回転しない)固定円盤70と接触しながら、回転軸20を中心として回転(公転)することになる。これによって、ワーク保持部60は、回転軸20を中心として回転(公転)しながら、このワーク保持部60の軸線を中心として回転(自転)する(図2参照)。
また、ワーク保持部60は、回転軸20を中心として回転(公転)する場合、ワーク保持部60の外側から回転軸20に向う方向に見た(換言すれば、図4及び図5に示すような、回転軸20を通り、かつ回転軸20と平行な断面視における)傾斜角度αが常に一定となる。なお、傾斜角度αとは、図4及び図5に示す断面(回転軸20を中心とする仮想円の周方向から見た断面)において、回転軸20の軸線やターゲット6の板面に対する角度を意味する。本実施形態では、回転軸20の軸線及びターゲット6の板面は上下方向(鉛直方向)に平行であるため、傾斜角度αは、図4及び図5に示す断面において上下方向(鉛直方向)に沿う仮想線Xに対する角度となる。回転軸20を中心とする仮想円の周方向から見た断面とは、回転軸20を中心とする仮想円の円周上から見た断面と表現することもできる。
従って、ワーク保持部60が回転軸20を中心として回転(公転)すると、ワークWがターゲット6に対向する位置で、ターゲット6から成膜材料の粒子がワークWに衝突して比較的厚く成膜される成膜領域において、ターゲット6に対するワーク保持部60(ワークW)の傾斜角度αがほぼ一定となる。さらに、この際にワーク保持部60の軸線を中心として自転することで、ワークWの露出面全体に形成される膜の膜質の均一化を図ることができる。
次に、上述の如く構成されたスパッタリング装置1を用いた成膜品の製造方法(スパッタリング方法)について説明する。
図12に示すように、本実施形態に係る成膜品の製造方法は、主としてワーク保持工程S1、排気工程S2、ワーク加熱工程S3及び成膜工程S4を含む。
ワーク保持工程S1は、ワーク保持部60にワークWを保持させる工程である。ワーク保持工程S1において、作業者は、アダプタ63に挿入されたワークWをワーク保持部60の保持部61aに挿入し、このワーク保持部60によってワークWを保持させる。
排気工程S2は、成膜室2内の空気を排出する工程である。排気工程S2において、排気装置5が作動されると、成膜室2内の空気が排出される。排気装置5を適宜制御することで、成膜室2内が成膜処理に適した真空度となるように調節される。
ワーク加熱工程S3は、ワークWを加熱する工程である。ワーク加熱工程S3において、モータ4が駆動されると、ワーク保持部回転ユニット3が作動され、ワーク保持部60の回転(公転及び自転)が開始される。またワーク加熱工程S3において、ヒータ7が作動され、ワーク保持部60に保持されたワークWが適宜の温度まで加熱される。
成膜工程S4は、ワークWに成膜処理を施す工程である。成膜工程S4においては、引き続きワーク保持部回転ユニット3が作動される。また成膜工程S4において、成膜室2内にスパッタリングガス(例えば、Ar等の不活性ガス)が供給される。この状態でターゲット6にマイナスの電圧又は高周波(RF:Radio Frequency)の電圧を印加することで、グロー放電を発生させる。これによって、スパッタリングガスをイオン化し、このイオンをターゲット6の表面に高速で衝突させることで、ターゲット6を構成する成膜材料の粒子(スパッタ粒子)を叩き出す。ターゲット6から叩き出された成膜材料の粒子は、ワークW(特に、アダプタ63から露出している刃部W2)の表面に付着する。この粒子をワークWの表面に堆積させることで、薄膜を形成することができる。このようにして、成膜処理が施されたワークW(成膜品)を製造することができる。
なお、本実施形態では、便宜上、ワーク保持工程S1、排気工程S2、ワーク加熱工程S3及び成膜工程S4を順に説明したが、成膜品の製造方法は必ずしもこれに限るものではない。例えば、一部工程の順序を入れ替えたり(例えば、排気工程S2とワーク加熱工程S3の順序を入れ替える等)、同時に行うこと(例えば、排気工程S2とワーク加熱工程S3を同時に行う等)も可能である。
ここで、図13を用いて、スパッタリング装置1を用いた成膜品の製造方法により、ワークWに形成される薄膜のムラの発生が抑制される様子について説明する。なお、図13においては説明の便宜上、ワークWの形状を簡略化して、円柱状のものとして図示している。
比較例として、図13(a)に示すように、仮にワークWが傾斜しておらず、鉛直方向を向いた軸線を中心として自転する場合を想定する。この場合、ワークWは自転しているため、ワークWの側面全体が、ワークWの側方に配置されたターゲット6と対向することになる。これによって、ターゲット6からの成膜材料の粒子を、ワークWの側面全体に付着させることができる。
一方、ワークWが自転しても、ワークWの上面がターゲット6と対向することはないため、ターゲット6からの成膜材料の粒子は、ワークWの上面に付着し難い。すなわち、ワークWの側面と上面で、形成される薄膜にムラが生じてしまうおそれがある。
特にスパッタリング(スパッタ法)による成膜処理では、ワークWの側面と上面に形成された薄膜の圧縮応力(内部応力)に差が生じ、この圧縮応力の差によって薄膜の密着性や均質性の低下等が懸念される。
これに対して本実施形態では、図13(b)に示すように、ターゲット6に対して傾斜した軸線を中心としてワークWが自転するように構成されている。この場合、ワークWの側面だけでなく、上面も、ターゲット6と対向させることができる。このため、ワークWの側面と上面で、形成される薄膜にムラが生じるのを抑制することができる。また、ワークWの側面と上面で、薄膜の圧縮応力に差が生じるのを抑制することができ、薄膜の密着性や均質性の向上を図ることができる。
以下では、図14及び図15を用いて、本実施形態に係るスパッタリング装置1(成膜品の製造方法)により成膜された工具の評価の一例について説明する。
図14には、本実施形態に係るスパッタリング装置1により成膜された工具(以下、「本願工具」と称する)と、比較例として従来公知の方法で成膜された工具(以下、「比較例」と称する)との、寿命に関する評価の一例を示している。
ここで、本実施形態でのスパッタリング条件としては、RF電源を用いたRFスパッタリング法により、スパッタリングターゲットにAlCr系合金を用いて、スパッタリングガスがアルゴンガスに窒素ガスを含有させた混合ガスによる反応性スパッタリングで成膜を行った。
なお、評価の対象とした工具は「R0.5超硬ボールエンドミル」である。この工具は、母材がWC-Co合金の「超硬材(超硬合金)」であり、AlCrN系の成膜(コーティング)が施されたものである。
また評価試験として、上記2種類の切削加工用の工具を用いて切削加工を行った。切削加工の対象となる材種(被削材種)はSUS420J2(HRC55)である。加工条件は、回転数:30,000(min-1)、送り速度:1,500(mm/min)、切り込みRd(XY):0.05(mm)である。
また評価の際の寿命の基準(工具の寿命を判断するための工具の磨耗量)として、(A):磨耗量0.005(mm)、(B):磨耗量0.01(mm)の、2パターンの基準を設定した。図14の横軸は加工距離、縦軸は磨耗量を示している。
図14に示すように、寿命基準を(A):磨耗量0.005(mm)とした場合、比較例の寿命が104.8(m)であるのに対し、本願工具の寿命は200.1(m)である。すなわち、寿命基準を(A):磨耗量0.005(mm)とした場合、本願工具は比較例と比べて工具寿命が約2倍に延びていることが分かる。
また、寿命基準を(B):磨耗量0.01(mm)とした場合、比較例の寿命が109.8(m)であるのに対し、本願工具の寿命は293.5(m)である。すなわち、寿命基準を(B):磨耗量0.01(mm)とした場合、本願工具は比較例と比べて工具寿命が約3倍に延びていることが分かる。
図15には、本願工具と比較例との、欠けの発生に関する評価の一例を示している。
なお、欠けの発生に関する評価として、図14に示した例と同じ条件で200(m)の切削加工を行った場合における、工具の欠けの発生回数を比較した。評価回数(切削加工の回数)は10回であり、切削加工後に工場顕微鏡を用いて20倍の倍率で工具を観察した。欠けの大きさに関係なく、欠けが確認された場合、欠けが発生したものとしてカウントした。
その結果、図15に示すように、比較例では、10回の評価回数のうち、8回で欠けの発生が確認された。これに対して、本願工具では、10回の評価回数のうち、わずか2回だけ欠けの発生が確認された。すなわち、本願工具の欠けの発生率は、比較例の4分の1になっていることが分かる。
このように本実施形態に係るスパッタリング装置1(成膜品の製造方法)により成膜された工具は、薄膜(コーティング)の密着性や均質性の向上により、長寿命化や欠けの発生の抑制を図ることが可能となることが分かった。
なお、本実施形態では、真空処理装置(真空成膜装置)の一例としてスパッタリングを行う装置(スパッタリング装置1)を例示したが、本発明はこれに限らず、その他種々の真空処理に適用することが可能である。例えば、粒子の物理的な運動を利用した物理的気相成長法(物理蒸着法:PVD)や、化学反応を利用した化学的気相成長法(化学蒸着法:CVD)等に広く適用することが可能である。
なお、PVDの中には、蒸着源を加熱して蒸発させて成膜を行う蒸発系として、真空蒸着、分子線蒸着、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、PLD(プラズマーレーザーデポジション)などがある。また、本実施形態で例示したようなスパッタ系として、コンベンショナル・スパッタリング、マグネトロン・スパッタリング、イオンビーム・スパッタリング、ECRスパッタリング、反応性スパッタリング(反応性ガス(O2、N2等)を導入し、酸化物や窒化物の成膜を行うもの)などがある。また、ワークWの材料に応じて、RF(高周波)電源を用いたRFスパッタリングを用いることも可能である。
また、CVDの中には、コンベンショナルCVD、熱CVD、光CVD、プラズマCVD、エピタキシャルCVD、MOCVDなどがある。
また、本実施形態によりワークWに形成される薄膜としては、特にAlCrN、AlN、TiCrN、TiN、TiAlN、TiAlCrN、Al2O3のうちの少なくとも1つを含む、単層又は複数積層からなるものを想定しているが、その他任意の薄膜を形成することも可能である。
また、上記成膜材料に加えて、適宜添加物を加えることも可能である。例えば、添加剤として、Nb、Ta、Mo、V、Y、Si等を加えることが可能である。
また、真空処理装置としては、成膜装置以外に、ドライエッチング装置、表面改質装置等のプラズマ処理装置に本発明を適用することができる。
以上の如く、本実施形態に係るワーク保持部60は、
シャンク部W1(第一の部分)と、前記シャンク部W1よりも外径が小さい刃部W2(第二の部分)と、を具備する棒状のワークWを保持するワーク保持部60であって、
前記シャンク部W1を挿入可能な第一の孔部63c、及び前記第一の孔部63cと連続するように形成され、前記シャンク部W1を挿入不能かつ前記刃部W2を挿入可能な第二の孔部63dを具備する貫通孔63aが形成されたアダプタ63と、
前記アダプタ63が挿入された状態で前記アダプタ63を保持可能な回転支持部61(本体部)と、
を具備するものである。
シャンク部W1(第一の部分)と、前記シャンク部W1よりも外径が小さい刃部W2(第二の部分)と、を具備する棒状のワークWを保持するワーク保持部60であって、
前記シャンク部W1を挿入可能な第一の孔部63c、及び前記第一の孔部63cと連続するように形成され、前記シャンク部W1を挿入不能かつ前記刃部W2を挿入可能な第二の孔部63dを具備する貫通孔63aが形成されたアダプタ63と、
前記アダプタ63が挿入された状態で前記アダプタ63を保持可能な回転支持部61(本体部)と、
を具備するものである。
このように構成することにより、複数種類のワークWに対応することができる。すなわち、ワークWが挿入されたアダプタ63を回転支持部61に挿入して保持する構成としたことで、ワークWの種類(例えば、長さや形状等)が異なっていても、ワークWを保持することができる。これによって、ワークWの種類に応じて複数のワーク保持部60を用意する必要がなくなる。
また、第一の孔部63cは、前記シャンク部W1に対応した断面形状となるように形成されている。
このように構成することにより、ワークWのがたつきを抑制することができる。すなわち、ワークWのシャンク部W1が、アダプタ63の貫通孔63a(第一の孔部63c)内でがたつくのを抑制することができる。これによって、ワークWの姿勢を安定させることができる。なお、本実施形態においては、第一の孔部63cとシャンク部W1の軸線方向視における断面形状が略一致するものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、第一の孔部63cの断面形状を、シャンク部W1に対応させてワークWのがたつきを抑制することができるものであればよい。例えば、第一の孔部63cの側面の複数個所でシャンク部W1と接触させるような形状とすることでも、ワークWのがたつきを抑制することができる。
また、前記第二の孔部63dは、前記第一の孔部63cから離間する方向に向かって内径が小さくなるテーパ状に形成されている。
このように構成することにより、ワークWを貫通孔63aに容易に挿入することができる。すなわち、テーパ状に形成された第二の孔部63dによって、ワークWを貫通孔63aの中心に寄せるように案内することで、ワークWを貫通孔63aに速やかに挿入することができる。
また、前記アダプタ63は、外側面のうち、前記回転支持部61に挿入される側の端部に形成され、前記回転支持部61に挿入される側に向かって外径が小さくなるテーパ部63bを具備するものである。
このように構成することにより、アダプタ63を容易に回転支持部61に挿入することができる。すなわち、先端に向かって外径が小さくなるテーパ部63bによってアダプタ63を回転支持部61の収容部61dへと案内することができる。
また、ワーク保持部60は、
前記回転支持部61に設けられ、回転力が伝達される被回転駆動部62をさらに具備し、
前記回転支持部61は、前記被回転駆動部62に締結される締結部材62eが接触可能な平坦部61eを具備するものである。
前記回転支持部61に設けられ、回転力が伝達される被回転駆動部62をさらに具備し、
前記回転支持部61は、前記被回転駆動部62に締結される締結部材62eが接触可能な平坦部61eを具備するものである。
このように構成することにより、被回転駆動部62と回転支持部61との相対移動を抑制することができる。すなわち、締結部材62eを平坦部61eに接触させることで、被回転駆動部62に対する回転支持部61の相対的な移動(本実施形態においては、相対回転)を抑制することができる。これによって、被回転駆動部62に伝達される回転力によって、回転支持部61を安定して回転させることができる。
また、本実施形態に係るワーク保持部回転ユニット3は、
前記ワーク保持部60を具備し、前記ワーク保持部60を回転させることが可能なものである。
前記ワーク保持部60を具備し、前記ワーク保持部60を回転させることが可能なものである。
このように構成することにより、複数種類のワークWにも対応することができる。
なお、本実施形態に係るシャンク部W1は、第一の部分の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る刃部W2は、第二の部分の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る回転支持部61は、本体部の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る刃部W2は、第二の部分の実施の一形態である。
また、本実施形態に係る回転支持部61は、本体部の実施の一形態である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想の範囲内で適宜の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、ワークWの一例として加工用の工具(切削加工、研削加工、研磨等の機械加工用の工具)を例示したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、成膜の対象となるワークWは、任意に選択することができる。例えば、ワークWのその他の例としては、パンチ部品(打ち抜きのための刃)、ダイキャスト用の金型の部品、カッターの刃など、種々の物品が想定される。
また、ワークWの形状は限定するものではなく、任意の形状のものを用いることができる。すなわちワークWとしては、一方向に延びた棒状であり、中途部において太さ(径)が変化しているもの(太さの異なる2つの部分を有するもの)であれば、種々のものを用いることができる。
また、本実施形態では、ワークWを回転軸20やターゲット6に対して傾斜した状態で保持しているが、この傾斜の角度及び方向は任意に変更することができる。例えば、回転ホイール40を、貫通孔43bの傾斜角度が異なる別の回転ホイール40と交換することで、ワーク保持部60の傾斜角度α(ひいては、ワークWの傾斜角度α)を変更することができる。また、回転ホイール40に限らず、その他の部材(例えば、取付部材50)を交換することでも、ワークWの傾斜角度αを変更することが可能である。
また、本実施形態では、ワークWを回転軸20やターゲット6に対して傾斜した状態で保持しているが、ワークWを傾斜させることなく保持してもよい。すなわち、ワークWの長手方向を鉛直方向に向けて保持してもよい。
また、本実施形態では、アダプタ63の第一の孔部63cが、ワークWのシャンク部W1に対応した断面形状となるように形成されるものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、第一の孔部63cは、ワークWを挿入可能な形状であればよい。
また、本実施形態では、第二の孔部63dがテーパ状に形成されているものとしたが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、第二の孔部63dは、シャンク部W1を挿入不能かつ刃部W2を挿入可能な形状であれば、任意の形状とすることが可能である。例えば、第二の孔部63dを、第一の孔部63cと同様に長手方向に亘って内径が一定となるように形成することも可能である。このような場合、ワークWをアダプタ63の貫通孔63aに挿入すると、第一の孔部63cと第二の孔部63dの間の段差(角)がワークWと接触することになる。
また、本実施形態では、回転ホイール40、回転ホイール40に設けられたワーク保持部60、及びワーク保持部60に対応する固定円盤70が、上下に2つ並んで(2段に)配置された様子を図示して説明したが、この回転ホイール40等の個数は限定するものではない。すなわち、この回転ホイール40等を、スパッタリング装置1に1つだけ設けることや、3つ以上設けることも可能である。
なお、本実施形態では、この回転ホイール40等が、側方から見て上下に隣接する他の回転ホイール40等と重複しないように配置されている。例えば図4に示すように、下方(下の段)に設けられた回転ホイール40、ワーク保持部60及び固定円盤70は、上方(上の段)に設けられた回転ホイール40等よりも下方に位置するように配置されている。このように、両者を側方から見て重複しないように配置することで、側方からのメンテナンス性を向上させることができる。
また、本実施形態では、ワーク保持部回転ユニット3の周囲にターゲット6及びヒータ7を配置する構成を例示したが、本発明はこれに限るものではない。例えば、さらにイオンガンを設けて、前処理を行う(例えば、ワークW表面の酸化物をアルゴンイオンを打ち付けて除去する等)ことも可能である。また、ワークWの種類等に応じて、ヒータ7を用いることなく成膜処理を行うことも可能である。
また、本実施形態では、動力源の一例としてモータ4を例示したが、本発明はこれに限るものではない。すなわち、その他の動力源(エンジン、アクチュエータ等)を用いることも可能である。
また、ワーク保持部60の回転(公転及び自転)の速度(回転数)は、適宜設定することができる。例えば、ワーク保持部60が回転軸20を中心とする回転(公転)によってターゲット6の正面を通過する間(ターゲット6と対向している間)に、このワーク保持部60が少なくとも1回転(360°)以上自転するように設定している。これによって、ターゲット6からの成膜材料を、ワークWの全域に付着させることができ、薄膜の密着性や均質性をより向上させることができる。
1 スパッタリング装置
3 ワーク保持部回転ユニット
60 ワーク保持部
61 回転支持部
61e 平坦部
62 被回転駆動部
62e 締結部材
63 アダプタ
63a 貫通孔
63b テーパ部
63c 第一の孔部
63d 第二の孔部
W ワーク
W1 シャンク部
W2 刃部
W3 テーパ部
3 ワーク保持部回転ユニット
60 ワーク保持部
61 回転支持部
61e 平坦部
62 被回転駆動部
62e 締結部材
63 アダプタ
63a 貫通孔
63b テーパ部
63c 第一の孔部
63d 第二の孔部
W ワーク
W1 シャンク部
W2 刃部
W3 テーパ部
Claims (6)
- 第一の部分と、前記第一の部分よりも外径が小さい第二の部分と、を具備する棒状のワークを保持するワーク保持部であって、
前記第一の部分を挿入可能な第一の孔部、及び前記第一の孔部と連続するように形成され、前記第一の部分を挿入不能かつ前記第二の部分を挿入可能な第二の孔部を具備する貫通孔が形成されたアダプタと、
前記アダプタが挿入された状態で前記アダプタを保持可能な本体部と、
を具備するワーク保持部。 - 前記第一の孔部は、前記第一の部分に対応した断面形状となるように形成されている、
請求項1に記載のワーク保持部。 - 前記第二の孔部は、前記第一の孔部から離間する方向に向かって内径が小さくなるテーパ状に形成されている、
請求項1又は請求項2に記載のワーク保持部。 - 前記アダプタは、外側面のうち、前記本体部に挿入される側の端部に形成され、前記本体部に挿入される側に向かって外径が小さくなるテーパ部を具備する、
請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載のワーク保持部。 - 前記本体部に設けられ、回転力が伝達される被回転駆動部をさらに具備し、
前記本体部は、前記被回転駆動部に締結される締結部材が接触可能な平坦部を具備する、
請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載のワーク保持部。 - 請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載のワーク保持部を具備し、前記ワーク保持部を回転させることが可能なワーク保持部回転ユニット。
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