(57)【要約】【課題】従来、難加工材料である超硬合金やダイヤモンドのような硬脆材料を加工する際、研磨や研削による機械的な仕上げでは形状が細長い場合には座屈により破断するために加工できないという問題があった。また、非接触加工法では任意の先端形状を作製することが難しいという問題があった。【解決手段】硬脆材料から成る加工対象物を回転、移動させながら、集光レンズを含む光学系を介したフェムト秒レーザを照射することで、任意の先端形状を作製する。さらに、フェムト秒レーザの楕円率を光学系の操作により変更することで、加工対象物の仕上げ表面粗さを制御することができる。【選択図】図１
2010110799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
硬脆材料から成る加工対象物を回転させる回転手段と、
前記回転手段を３軸方向に移動させる３軸移動手段と、
前記加工対象物に集光レンズを含む光学系を介して、フェムト秒レーザを照射するレーザ照射手段とを備え、
前記光学系は、前記加工対象物に照射される際の前記フェムト秒レーザの楕円率を、前記加工対象物の仕上げ表面粗さに応じて変更する手段を備えたことを特徴とする硬脆材料加工装置。
【請求項２】
前記光学系は、前記楕円率が０から±１の範囲で調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の硬脆材料加工装置。
【請求項３】
前記回転手段は、前記加工対象物の円周速度が0.01mm／秒から100mm／秒の範囲で制御可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の硬脆材料加工装置。
【請求項４】
前記硬脆材料がダイヤモンド、又は超硬合金であ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硬脆材料加工装置。
【請求項５】
硬脆材料から成る加工対象物を回転、移動させながらフェムト秒レーザ光を照射し、前記加工対象物の端部を凸状に加工する硬脆材料の端部加工方法であって、
前記加工対象物に照射される前記フェムト秒レーザの楕円率は仕上げ表面粗さに応じて調整することを特徴とする硬脆材料の端部加工方法。
【請求項６】
前記硬脆材料の端部が、予め研削又は研磨により所望の形状に加工してあることを特徴とする請求項５に記載の硬脆材料の端部加工方法。
【請求項７】
前記楕円率が０から±１の範囲にあることを特徴とする請求項６又は７に記載の硬脆材料の端部加工方法。
【請求項８】
前記端部の形状を、曲率半径が１μｍから１０００μｍの球面形状に加工することを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の硬脆材料の端部加工方法。
【請求項９】
前記硬脆材料がダイヤモンド、又は超硬合金であることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の硬脆材料の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、難加工材料である超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の加工装置および加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、難加工材料である超硬合金やダイヤモンドのような硬脆材料の加工に際しては、研磨や研削による直線的な加工、加工形状に作成した研削型による加工、又は非接触加工法の集束イオンビーム（ＦＩＢ）、超音波加工、エッチング加工、放電加工が用いられていた。しかし、機械的な仕上げでは形状が細長い場合には座屈により破断するために加工できないという問題があった。また、非接触加工法では任意の先端形状を作製することが難しいという問題があった。
【０００３】
一般に、極超短パルスレーザであるフェムト秒レーザは、非接触で多光子吸収過程によって被加工物内部にサブミクロンサイズの微細加工を可能にする。また、エネルギー注入時の熱拡散に要する時間に比べてレーザ光のパルス幅が非常に短いため、加工部周辺への熱損傷が少なく、非熱加工ができる。したがってフェムト秒レーザによる微細加工は、３次元構造を有する新デバイスの作製に利用されてきている。
このようなフェムト秒レーザを用いた被加工物についての加工に関し、特許第３２８３２６５号公報（特許文献１参照）、特許第３８２４６２２号公報（特許文献２参照）、特開２００５−２１００３７号公報（特許文献３参照）には、それぞれフェムト秒レーザを用いて、金属材料にラインまたはスポット(穴開け)加工を行う方法が開示されている。
【０００４】
また特開２００１−６８８９９号公報（特許文献４参照）には、フェムト秒レーザを用いてタングステン等の高融点金属板の表面に粒径１μｍ〜１００μｍの半球状の突起物を多数形成させる方法が開示されている。しかしながら、いずれも超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の先端を任意の形状に加工する技術を開示するものではない。
【特許文献１】特許第３２８３２６５号公報
【特許文献２】特許第３８２４６２２号公報
【特許文献３】特開２００５−２１００３７号公報
【特許文献４】特開２００１−６８８９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、難加工材料である超硬合金やダイヤモンドのような硬脆材料の加工を簡便に行う手法として、研磨や研削による直線的な加工、あるいは加工形状に作成した研削型等によって加工されていた。
しかし、図１４のような１μｍ〜１０００μｍの細長さにある超硬合金製の硬脆材料１４１の凸端部１４２へ、上述のような加工方法を用いて球状加工することは破損しやすいために、非常に困難であった。
【０００６】
また、フェムト秒レーザを用いた被加工物についての加工に関する先行技術においても、超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の加工に関する記述はない。
【０００７】
この発明はこのような状況に鑑みて提案されたもので、超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の先端、例えば曲率半径が１μｍ〜１０００μｍである微小な球状の凸部を簡便に、かつ高精度に加工する新規な硬脆材料の加工装置および加工方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、硬脆材料から成る加工対象物を回転させる回転手段と、前記回転手段を３軸方向に移動させる３軸移動手段と、前記加工対象物に集光レンズを含む光学系を介して、フェムト秒レーザを照射するレーザ照射手段とを備え、前記光学系は、前記加工対象物に照射される際の前記フェムト秒レーザの楕円率を、前記加工対象物の仕上げ表面粗さに応じて変更する手段を備えたことを特徴とする硬脆材料加工装置である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬脆材料加工装置において、前記光学系は前記楕円率が０から±１の範囲で調整可能であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の硬脆材料加工装置において、前記回転手段は、前記加工対象物の円周速度が0.01mm／秒から100mm／秒の範囲で制御可能であることを特徴とする。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の硬脆材料加工装置において、前記硬脆材料がダイヤモンド、又は超硬合金であることを特徴とする。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、硬脆材料から成る加工対象物を回転、移動させながらフェムト秒レーザ光を照射し、前記加工対象物の端部を凸状に加工する硬脆材料の端部加工方法であって、前記加工対象物に照射される前記フェムト秒レーザの楕円率は仕上げ表面粗さに応じて調整することを特徴とする硬脆材料の端部加工方法である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の硬脆材料の端部加工方法において、前記硬脆材料の端部が、予め研削又は研磨により所望の形状に加工してあることを特徴とする。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項６又は７に記載の硬脆材料の端部加工方法において、前記楕円率が０から±１の範囲にあることを特徴とする。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項５から７のいずれかに記載の硬脆材料の端部加工方法において、前記端部の形状を、曲率半径が１μｍから１０００μｍの球面形状に加工することを特徴とする。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５から８のいずれかに記載の硬脆材料の加工方法におおいて、前記硬脆材料がダイヤモンド、又は超硬合金であることを特徴とする。 
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば硬脆材料の端部に、例えば先端曲率半径が１μｍ〜１０００μｍである微小な球状の凸部を高精度に加工することができる。
また、本発明により端部を加工した硬脆材料は各種計測機器類の端子類や加工用微小工具類等に利用ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下添付の図面に基いて、この発明に関する硬脆材料の加工装置およびこの加工方法を詳細に説明する。
図面はこの発明の超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の加工装置および加工方法に係る実施例を示す。図１は硬脆材料の先端加工の段階を示す概略図、図２はフェムト秒レーザ加工装置の概略図、図３はフェムト秒レーザ加工装置に取り付けられ加工に用いる旋盤装置の平面図、図４は旋盤装置のブロック図、図５は超硬合金の丸棒端部を球状に加工したときの拡大写真、図６は図５の矢印方向から見たときのレーザ顕微鏡による３次元観察像、図７は図５に示したＸＹ座標における断面形状、図８は図７の一部を拡大表示した断面形状、図９は超硬合金の半球加工した部分の表面粗さ、図１０はレーザ光線の偏光度合いを示す楕円率と超硬合金加工部の表面粗さの関係、図１１はダイヤモンドの角材端部を球状に加工した球状部の拡大写真、図１２は図１１に示したＸＹ座標における断面形状、図１３は図１２の半球加工した部分の表面粗さである。
【００１９】
図１はこの発明の超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の加工方法に係る加工段階の１実施例を示すものである。超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１は、その前工程において予め頭部１３を切断した所定角度のテーパ面１２を備えた円錐形に加工されている。前加工は、研削あるいは研磨によって行えば良い。
【００２０】
このようにして前加工された超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１、例えば丸棒を回転させながら、その先端にフェムト秒レーザを照射し、先端部分の曲率半径が１μｍ〜１０００μｍの曲面を有する球面形状１４を形成する。フェムト秒レーザの照射は、後述する旋盤装置を用いて超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１を回転させながら所定の肉厚分を順次削り取って行くものである。
【００２１】
フェムト秒レーザの作用は、超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１の表面部におけるレーザアブレーションによる除去加工であり、極小の被加工物に対して非常に高精度の加工を行うことができる。レーザアブレーションとはレーザ照射による固体表面の除去の意味である。
【００２２】
フェムト秒レーザによる被加工物表面の除去加工はレーザフルエンスの大小によりその加工速度が異なる。レーザフルエンスとは単位面積あたりのエネルギー量を指し、Ｊ／ｃｍ2またはＷ／ｃｍ2で表わされる。レーザフルエンスが大きい程、レーザアブレーションによる除去量は多くなり、同時にプラズマの発生量も多くなる。レーザフルエンスが大きい程、集光加工点以外への影響が大きくなるため、加工部の表面粗さが悪化する。したがって、加工速度や加工精度に関して適切なレーザフルエンスが存在する。
【００２３】
図２にフェムト秒レーザ加工装置の概略を、図３にフェムト秒レーザによる旋盤加工に用いる旋盤装置の概略を示す。
図２において、この発明に用いられるフェムト秒レーザ加工装置は、超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１を取り付けた旋盤装置２１と、旋盤装置２１を搭載してｘｙｚ軸方向に移動可能とした３軸直交型電動リニアステージ２２と、３軸直交型電動リニアステージ２２上の旋盤装置２１に保持した超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１に光学系２３を介してフェムト秒レーザを照射するフェムト秒レーザ光源２４と、前記光学系２３と３軸直交型電動リニアステージ２２に保持した超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１との間に配置した集光レンズ２５とを備えている。
また、光学系２３は、ミラー２６で光軸を変えるとともに、偏光型アッテネータ２７、偏光素子（λ／４波長板）２８および減光フィルタ２９を配置した構成としてある。偏光型アッテネータ２７および減光フィルタ２９を調整することにより、レーザフルエンスを変更することができる。また、偏光素子２８を調節することにより、レーザ光線の偏光状態を変更することができる。
偏光とは光の振動方向、すなわち、光の強さが一様でなく、常に一定の平面上に限られている光をいう。偏光は直線偏光、楕円偏光、円偏光に分類できる。直線偏光とは光の振動（強さ）が光軸に対して垂直な平面上を一直線上に限られる場合である。円偏光とは光の振動（強さ）が光軸に対して垂直な平面上で常に一定であり、円を描く場合をいう。楕円偏光とは光の振動（強さ）が直線偏光と円偏光の中間である楕円を描く場合である。なお、楕円率とは楕円偏光の長軸と短軸との比を示す。これより、楕円率０の場合が直線偏光、楕円率±１の場合が円偏光、その中間の楕円率が楕円偏光である。ここで、±とは＋が右回りの場合、−が左回りの場合に対応する。
【００２４】
図３は前記旋盤装置２１の装置構成を示したものである。この旋盤装置２１はＰＣ制御の３軸直交型電動リニアステージ２２上に備えてあり、ｘｙｚ方向の位置決め制御が可能である。
図３において、丸棒の加工用に３軸直交型電動リニアステージ２２上には、独立した制御系の旋盤装置２１を取り付けてある。すなわち、前記旋盤装置２１はブラシレスＤＣモータ３１とスピンドル３２により構成されており、両者は同一方向にその端部に突設したプーリ３３，３３とこれらを連結する平ベルト３４によって動力伝達される。
図中３５は、前記スピンドル３２の先端に取り付けた被加工物を保持するためのチャックである。
【００２５】
図４はフェムト秒レーザ光線が集光レンズ２５で収束されて、スピンドル３２端部のチャック３５に取り付けた回転体１１の先端で集光し、除去加工するまでの光路を示した図である。
以上のような構造を採用すれば、被加工物である超硬合金やダイヤモンドなどの硬脆材料の回転体１１を非常に精度よく加工させることができる。
【実施例１】
【００２６】
フェムト秒レーザ加工装置として、パルス幅９０ｆs（フェムト秒）、最大レーザフルエンス３．６Ｗ／ｃｍ2、波長８００ｎｍ、発振周波数１ｋＨｚのものを用いた。
具体的な加工条件としては、上記仕様のフェムト秒レーザ加工装置におけるレーザフルエンスが５３０ｍＷ／ｃｍ2であり、５倍対物の集光レンズ（焦点距離３６ｍｍ）を用いて、被加工物である超硬合金製回転体の回転数を７．８ｒｐｍとして加工を行った。
なお、旋盤装置２２のレーザ集光点と加工軸が含まれるｘｙ平面上が同一になるよう、ｘｙ電動ステージを走査した。
【００２７】
加工手順は、前記図１に示すように機械仕上げ加工された超硬合金製の回転体１１の先端部に、研削あるいは研磨によってその頭部１３を切断した所定角度のテーパ面１２を備えた円錐形に加工して、旋盤装置２１のチャック３５へ取り付ける。その上で、ブラシレスＤＣモータ３１を駆動してスピンドル３２を回転させ、所定の速度で回転している回転体１１先端のテーパ面１２へフェムト秒レーザを照射して球状になるように表面を除去加工した。
具体的には、回転体１１として、直径１．０ｍｍ、長さ３０ｍｍの研磨丸棒の先端部分、約５ｍｍを予め直径０．６ｍｍに研削し、その先端部へ球状加工を行った。
なお、加工された回転体１１からなる試料は、共焦点型レーザ顕微鏡によって形状観察した。
【００２８】
図５に前記旋盤装置２１で加工した試料の外観を示す。回転体１１の先端は球状に加工されていることが確認できる。先端球の直径はφ４００μｍであった。
図６にその球状部分を図５の矢印で示した観察方向から見た３次元観察像を示す。同図より、概ね球状に加工されていることが確認される。
【００２９】
次に、図７は図５のＸＹ座標で示した球中央部におけるＸ方向の距離とＹ方向の高さの関係を示す。さらに図８は図７の一部を拡大表示したものである。
図９は図６から得られた表面のＪＩＳで規定されている算術平均粗さＲａ（断面の抜き取り部の平均線の下側に現れる断面の部分を平均線で折り返して得られる部分を含む総面積を基準長さで除した値をμｍで表したもの）であり、誤差線は標準偏差（測定数は５回）である。図９から、表面の算術平均粗さＲａ＝０．６程度であり、これは超仕上げ加工面の表面粗さを満たすものである。
【００３０】
レーザ光線の楕円率は球の表面粗さに影響を及ぼす。
図１０にレーザ光線の楕円率と表面粗さの関係を示す。同図より、楕円率０の直線偏光のとき表面粗さが最も大きく、楕円率が大きくなるほど表面粗さは減少し、楕円率＋１の円偏光のとき表面粗さが最も小さいことがわかる。なお、楕円率がマイナスの場合も図１０に対応する結果が得られた。
【実施例２】
【００３１】
上記実施例１と同様の加工装置を用いて，ダイヤモンド端部に球状加工を施した１例の拡大写真を図１１に示す。ダイヤモンド先端部の球の直径は約８７０μｍであり、球状に加工されている。このときの加工条件および加工手順は実施例１の超硬合金と同様であるが、レーザフルエンスが７１０ｍＷ／ｃｍ2であることのみ異なる。
【００３２】
次に、図１１のＸＹ座標で示した球中央部のＸ方向の距離とＹ方向の高さの関係を図１２に示す。
図１３は図１１から求めた表面の算術平均粗さＲａであり、誤差線は標準偏差（測定数は５回）である。図１３より、表面の算術平均粗さはＲａ＝１．１であり、これは超仕上げ加工面の表面粗さを満たすものである。
【００３３】
上記実施例においてはフェムト秒レーザ加工装置の加工条件として、パルス幅９０ｆs、最大レーザフルエンス３．６Ｗ／ｃｍ2、波長８００ｎｍ、発振周波数１ｋＨｚのものを示したが、加工条件はこの条件に限定されるものではない。
また、上記仕様のフェムト秒レーザ加工装置におけるレーザフルエンスが５３０ｍＷ／ｃｍ2や７１０ｍＷ／ｃｍ2であり、５倍対物の集光レンズ（焦点距離３６ｍｍ）を用いて、被加工物である超硬合金とダイヤモンド製回転体の回転数を７．８ｒｐｍとして加工を行ったが、この加工条件も、被加工物である硬脆材料製回転体１１の材質や求められる精度等に応じて適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上図示し説明したように、この発明に関して硬脆材料である超硬合金やダイヤモンドの加工装置および加工方法によれば、超硬合金あるいはダイヤモンドの回転体であればどのような用途のものにも適用することができる。
【００３５】
例えば、この発明の超硬合金やダイヤモンドの加工装置および加工方法は、硬度計の圧端子やその他の微細な端子類、また種々の金属類等を加工するための微小工具類等の加工用途に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の超硬合金やダイヤモンドの加工装置および機械仕上げ加工面とレーザ加工面を示す概略図である。
【図２】フェムト秒レーザ加工装置の概略を示す概略図である。
【図３】加工に用いる旋盤装置の平面図である。
【図４】旋盤装置に取り付けられた被加工物と集光したレーザとの関係図である。
【図５】超硬合金の丸棒端部を球状に加工した光学顕微鏡像である。
【図６】図５の矢印方向から見たレーザ顕微鏡による３次元観察像である。
【図７】図５の球中央部のＸＹ座標における断面形状である。
【図８】図７の一部分を拡大して得られた断面形状である。
【図９】図５の加工球面における表面粗さである。
【図１０】超硬合金におけるレーザの楕円率（偏光度合い）と加工表面粗さの関係を示している。
【図１１】ダイヤモンド端部の球状面の光学顕微鏡像である。
【図１２】図１１の球中央部のＸＹ座標における断面形状である。
【図１３】図１１の加工球面の表面粗さである。
【図１４】従来の細長く加工した超硬合金先端部の概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１１  回転体
１２  テーパ面
１３  頭部
１４  球面形状
２１  旋盤装置
２２  ３軸直交型電動リニアステージ
２３  光学系
２４  フェムト秒レーザ光源
２５  集光レンズ
２６  ミラー
２７  偏光型アッテネータ
２８  偏光素子（λ／４波長板）
２９  減光フィルタ
３１  ブラシレスＤＣモータ
３２  スピンドル
３３，３３  プーリ
３４  平ベルト
３５  チャック
１４１  細長くなっている超硬合金製加工部品
１４２  凸端部
【図１】
2010110799.tif 000003
【図２】
2010110799.tif 000004
【図３】
2010110799.tif 000005
【図４】
2010110799.tif 000006
【図５】
2010110799.tif 000007
【図６】
2010110799.tif 000008
【図７】
2010110799.tif 000009
【図８】
2010110799.tif 000010
【図９】
2010110799.tif 000011
【図１０】
2010110799.tif 000012
【図１１】
2010110799.tif 000013
【図１２】
2010110799.tif 000014
【図１３】
2010110799.tif 000015
【図１４】
2010110799.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月13日(2008.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2010110799.tif 000017
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2010110799.tif 000018
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１１】
2010110799.tif 000019