(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
６面体ダイヤモンドから研磨された単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルであって、この単結晶ダイヤモンドの先端部は、４角錐面を有しており、この４角錐の中心線は単結晶ダイヤモンドの一つの結晶軸及びドリル軸と一致しており、更に、ドリル軸の軸直角平面へ投影されたとき、上記４角錐の稜線の投影像は、残る２つの結晶軸に対して４５度±５度の角度をなしているとともに、上記４角錐の対稜角は９０度±１０度の範囲であること
を特徴とする単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリル。
【請求項２】
請求項１に記載された、単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、
上記単結晶ダイヤモンドは｛１００｝面によってドリル軸にロウ付けされていること
を特徴とする単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリル。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載された、単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、
上記単結晶ダイヤモンドの４角錐の底辺角部には、ドリル軸と平行な面であって、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度までの範囲の角度をなす面によって落とされた逃げ角が形成されていること
を特徴とする単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリル。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれかに記載された、単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、
上記単結晶ダイヤモンドの４角錐の底辺角部には、ドリル軸と平行な面であって、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度の範囲の角度をなす面によって落とされた負のすくい角が形成されていること
を特徴とする単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリル。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれかに記載された、単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、このドリルは小径ドリル及びマイクロドリルを含むドリルであること
を特徴とする単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はその先端に単結晶ダイヤモンドを有しているドリルに関し、硬脆性材、例えば、石英ガラス、シリコン、マシナブルセラミックス又はＩＣ基板等の孔あけに適したドリルに関する。更に、通常の大きさの孔のためのドリルのみならず小径のドリルあるいは更に細い極細孔に対して有用な、いわゆる、マイクロドリルの技術の分野に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＣパッケージを実装する多層基板において、層間の接続にバイアホールが多用される。このバイアホールの径は製造技術の許す限り小径であることが望まれている。
【０００３】
従来、バイアホールその他の孔あけには、弦巻状の刃溝を有する超硬合金製のマイクロドリル、又は、このマイクロドリルの超硬合金の刃部の表面に多数の微細ダイヤモンドをメッキ法により被覆して耐摩耗層を設けたマイクロドリル、あるいは、弦巻状の刃溝を備えた超硬合金製の軸とこの先端にロウ付けされた多結晶ダイヤモンドを有したマイクロドリルが使用される。
【０００４】
これらのマイクロドリルは、弦巻状の刃溝（ねじれ溝）を有するため、その径が小さくなると、製造が困難になるだけでなく、ねじれ溝が設けられている分、ドリルの断面積が減少するので、強度の低下を来たし、使用上の限界に至っている。
【０００５】
上記ねじれ溝は、ドリル先端部で発生した切り屑を排出するため、先端切れ刃部からシャンク手前までにわたって設けられる。このようなねじれ溝は、従来必須のものと考えられ、例えば、ガンドリルや芯残しドリルのような特別な切り屑排出構造を持つドリルを除きほとんど設けられていた。
【０００６】
また、ドリル先端にはチゼルエッジが形成されており、チゼルエッジは中心からの距離がほとんどない又は０であるので、この点における周速はほとんどないか０である。一方では、ドリルの軸方向の前進速度は回転中心からの距離によらずどこでも等しいので、理論上すくい角が負になり、チゼルエッジでは切削作用がほとんど又は全く生じない。
【０００７】
更に、従来、チゼルエッジは、ドリル中心（チゼルポイント）に向かって次第に高くなる２つの稜線を有しているが、この２つの稜線のなす角度が鋭く形成されていないため、ドリルの先端（すなわちチゼルポイント）が被加工物に食いつく際の位置が被加工物の表面の僅かなゆがみ、被加工物材料の局所的なバラツキ、ドリルの軸ぶれ等不測の条件により僅かながら中心からずれることがある。このような食い付き位置の微妙なずれは、あけた孔の最終位置に大きく影響を及ぼす。
【０００８】
また、意図したとおりの位置にドリルが被加工物に食い付いたとしても、穿孔の途中でドリル先端の進行方向が変化し孔が曲がるような現象が生じることがある。
【０００９】
このため、極細マイクロドリルのような強度の弱いドリルでは、横方向の力が加わるためドリルが折損する、ないしは、折損しないまでも穿けられた孔（表開口円又は裏開口円）の中心が意図した位置からずれるといった現象が生じる。
【００１０】
また、多結晶ダイヤモンドドリルで石英ガラス、シリコン板又はマシナブルセラミックスなどの硬脆性材を対象とした孔あけではドリル寿命が短命であったり、意図した位置への食い付きが悪いことが原因となる軸折れの問題もある。
【００１１】
このような鋭くないドリル先端の弊害を避けるため、また、ねじれ溝による強度低下を避けるため、先端を角錐体とし、ねじれ溝を持たないドリルが考えられている。
【００１２】
このような中で、先端の強度を高めるため、ドリルの先端部（切れ刃部及びガイド部）を単結晶ダイヤモンドにて構成しようとするアイデアが実開平５−９８１４号（実願平３−８３５８５号）公報、及びそのＣＤ−ＲＯＭ明細書に開示されている。ここには、４角柱のガイド部とこれに連続する先端を対稜角６０度から９０度の４角推を単結晶ダイヤモンドにて構成することが記載されている。
【００１３】
広く知られているようにダイヤモンドはこの世で最も硬い物質であり、しかも、宝飾用、工業用ときわめて広い用途を有している。ダイヤモンド合成の技術の発展により近年比較的安価な工業用ダイヤモンドが供給されるようになったが、やはり高価であることは否めない。
【００１４】
上記公報のドリルでは、先端からガイド部までもが単結晶ダイヤモンドにて構成されるため、大粒の単結晶ダイヤモンドが必要となり、非常に高価になり実用的ではない。更に、この公報には、単結晶ダイヤモンドを加工する際の結晶軸の方向、及び、ドリル軸へ取付る際の結晶面について、配慮も開示もなされていない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
天然、合成にかかわらず供給されるダイヤモンドの形状（外形）、寸法は合成時の偶然に支配されて様々である。このため、これを加工するに当たっては供給されたダイヤモンドの一つ一つについて個別の工夫がなされなければならない。
【００１６】
すなわち、ダイヤモンドは、その硬度が高いだけに加工が難しく、通常、回転する鋳鉄製の円盤上にダイヤモンドパウダーを塗りつけ、これに押し付ける形で行われる。そして、ダイヤモンドが結晶構造を有することから、結晶方向によってその物理的、化学的性質について異方性を示し、加工性についてもその例外ではない。
【００１７】
ダイヤモンドよりも硬い素材は存在しないから、加工を施す材料として選択できる素材はダイヤモンド以上のものはなく、したがって、ダイヤモンド単結晶を任意の方向に自由に加工することは現実的にあるいは実質的に不可能である。
【００１８】
図１は、ダイヤモンド結晶の結晶面を示す。ダイヤモンドは立方晶系に属する結晶構造を有しており、この図に示されるような３種の結晶面が結晶体に現れる。
【００１９】
図１において（ａ）は｛１００｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。結晶軸ｘ、ｙ、ｚに関してそれぞれ｛１００｝面が現れ（｛１００｝面、｛１０１｝面、｛００１｝面はそれぞれ互いに等価である。）、結晶体の肉側（内側）と空間側を分ける面がそれぞれ表にあるか裏にあるかに応じて、見かけ上合計６つの面がある。この６つの面だけで構成された場合が同図に示される６面体結晶である。
【００２０】
（ｂ）は｛１１０｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。（ａ）と同様に考えて、見かけ上合計１２の面がある。この１２の面だけで構成された場合が同図に示される１２面体結晶である。更に、（ｃ）は｛１１１｝面を、また、この面だけから構成された結晶体を示している。同様に、見かけ上合計８の面がある。この８つの面だけで構成された場合が同図に示される８面体結晶である。
【００２１】
これらの３種の面が普通は複合されて現れる。図２は、これら３種の結晶面の全てが現れたダイヤモンド単結晶の一例を示す図であるが、この図のようにほぼ球形に近い均整のとれた形になることは稀である。
【００２２】
加工性が結晶面によって大きく異なることは先に述べたが、図３は結晶方位と摩耗（加工性）の関係を示し、方位により加工性が異なることを示したグラフである。実験は水平に保たれた鋳鉄板上で、これに予め決められた研磨角度にセットされたダイヤモンドを当てて、一定の荷重及び一定の時間だけ研磨することにより行われたものである。結晶軸に平行な方向の研磨角度を０度とし、８面体面｛１１１｝面だけは任意の方向が選定されて実験されたものである。
【００２３】
図３のグラフからわかるように、１２面体面｛１１０｝面が最も加工性が高く、６面体面｛１００｝面がこれに続く。一方、８面体面｛１１１｝面については、ほとんど摩耗が発生せず実質的に研磨できなかった。
【００２４】
図４は単結晶ダイヤモンドの代表的な結晶面から近接する結晶面に角度を傾けて順次研磨したときの結晶面方位による研磨難易度を示した Grozinsky のステレオ投影図である。矢印は研磨が容易なことを示し、点線は困難なことを示す。
【００２５】
図１（ａ）に示す立方体ダイヤモンドから研磨によって４角錐を得る場合、下部側面にある４つの６面体面｛１００｝からドリル軸心と一致した結晶軸〔１００〕に対し傾き角をもって研磨すれば、この傾きが４５度になった時、１２面体面｛１１０｝からなる４角錐が得られる。
【００２６】
図４では、結晶軸〔１００〕に対し結晶面方位｛１００｝から結晶面方位｛１１１｝に向かって傾き角をもって研磨したときの研磨が難しいことを示し、結晶面方位｛１１０｝から結晶面方位｛１００｝へ傾けた研磨では結晶面方位｛１１０｝の近傍になるに従い研磨が容易であることを示している。図３からもわかるとおり、各々の結晶面上では研磨方位によって摩耗傾向を異にしているため、研磨方位が問題となる。
【００２７】
また、このとき得られた４角錐の稜線の各々は、図４が示す６面体面｛１００｝から８面体面｛１１１｝にかけて得られる結晶面方位で耐摩耗性方位からなっている。
【００２８】
本発明は、このような加工性と４角錐の稜線切れ刃の耐摩耗性を考慮したドリル頂を加工する技術を提供すること、更に、リーミング効果と寸法出しの効果を得ることを課題とするものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段によって解決される。すなわち、
「第１番目の発明の解決手段」
第１番目の発明の解決手段は、６面体ダイヤモンドから研磨された単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルであって、この単結晶ダイヤモンドの先端部は、４角錐面を有しており、この４角錐の中心線は単結晶ダイヤモンドの一つの結晶軸及びドリル軸と一致しており、更に、ドリル軸の軸直角平面へ投影されたとき、上記４角錐の稜線の投影像は残る２つの結晶軸に対して４５度±５度の角度をなしているとともに、上記４角錐の対稜角は９０度±１０度の範囲であるものである。
【００３０】
「第２番目の発明の解決手段」
第２番目の発明の解決手段は、第１番目の発明の単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、上記単結晶ダイヤモンドを｛１００｝面によってドリル軸にロウ付けしたものである。
【００３１】
「第３番目の発明の解決手段」
第３番目の発明の解決手段は、第１番目又は第２番目の発明の単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度までの範囲の角度をなす面によって落とされた逃げ角が形成されているものである。
【００３２】
「第４番目の発明の解決手段」
第４番目の発明の解決手段は、第１番目から第３番目までの発明の単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、上記単結晶ダイヤモンドの４角錐の底辺角部には、ドリル軸と平行な面であって、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度の範囲の角度をなす面によって落とされた負のすくい角が形成されているものである。
【００３３】
「第５番目の発明の解決手段」
第５番目の発明の解決手段は、第１番目から第４番目までの単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、このドリルを小径ドリルおよびマイクロドリルを含むドリルとしたものである。
【００３４】
更に、本明細書には、第１番目から第５番目までの単結晶ダイヤモンドをその先端に有したドリルにおいて、ドリル軸の材料を超硬合金とすること、ドリル軸の材料を鋼とすること、ドリル軸の円筒面を微細ダイヤモンドの耐摩耗層を有するようにすること、及び、単結晶ダイヤモンドのドリル軸へのロウ付けを不活性ガス中で行うことが開示されている。
【００３５】
【発明の実施の形態】
先に、図１及び図２において、産出あるいは合成されるダイヤモンドの外形の例を示し、このような均整のとれた形状になることは希である旨を説明した。ダイヤモンドの合成法によって合成された単結晶ダイヤモンドは図５に示すような面｛１００｝と面｛１１１｝からなる切頭（角に面｛１１１｝が現れている）６面体である。この大きい結晶体のものは結晶面方位を定め、レーザによって所定の寸法に切断され、面｛１００｝からなる６面体（４角柱）ダイヤモンドとなる（図８参照）。
【００３６】
なお、図５には、切頭６面体ダイヤモンド１が取り付けられるドリル軸２の一部が点線にて示されている。また、理解を容易にするため、図５には切頭６面体ダイヤモンド１のうちの均整のとれたものが示されているが、実際使用されるものは、多少歪なもの（上下の｛１００｝面の大きさが異なる等）も許容される。ただし、この場合にあっても、結晶の性質から各結晶面の方向は一定である。
【００３７】
図６には、上記切頭６面体ダイヤモンド１の上面図、３方向からの側面図が示されており、それぞれ（ａ）はｚ軸方向からみた上面図、（ｂ）はｙ軸方向から見た側面図、（ｃ）は、ｘ軸方向から見た側面図、（ｄ）は、（ａ）において４５度方向から見た側面図である。
【００３８】
本発明実施例において、ドリル先端の切頭６面体ダイヤモンド又は面｛１００｝からなる６面体（４角柱）ダイヤモンドは、その下方の｛１００｝面によってドリル軸２にロウ付けされる。このダイヤモンドは（ｂ）に示す研磨面ｐ１によってｚ軸（ドリル中心軸）周りに９０度ずつ割り出されて研磨される。この例では研磨面ｐ１とｚ軸の傾きは３５度１６分にとられている。
【００３９】
こうして形成された４角錐は、ドリル軸と同じ軸を有するドリルの先端となり、その４つの稜は３つの結晶軸に対して平行な方向を持たず耐摩耗性方位を示している。
【００４０】
この例では、対面角は７０度３２分（上記研磨面ｐ１に対するｚ軸との傾き３５度１６分の２倍）であることから、図６（ｄ）に示されるように、形成された４角錐の対稜角は８面体結晶の対稜角と等しい９０度になる。なお、稜線は、図６（ａ）でみたとき、点線で示したｘ軸及びｙ軸に対し４５度方向にあらわれる。
【００４１】
上記ドリル対稜角は、９０度に限られるものではなく、９０度±１０度の範囲に選ぶことができる。対稜角をこの範囲に選ぶ理由は、ドリル対稜角が１００度を超えるとドリルの食い付きが悪くなり、あけた穴の中心位置の精度が悪化するからであり、また、８０度以下では最先端部が欠けやすくなり寿命が短命化するからである。つまり、寿命と精度のバランスを考慮して決められた範囲である。
【００４２】
図７には、こうして創成された４角錐面に加工されたダイヤモンド１とこれが固着されたドリル軸２とが示されている。
【００４３】
上記４角錐は、別な表現をすれば、この４角錐の中心線が単結晶ダイヤモンドの一つの結晶軸及びドリル軸と一致しており、更に、ドリル軸の軸直角平面へ投影されたとき、上記４角錐の稜線の投影像は残る２つの結晶軸に対して４５度であるが、場合によりこの角度から±５度の範囲にとることができる。
【００４４】
ドリル軸２は、ドリル把持のために通常のシャンク１５（図１５参照）を有しており、本発明実施例では、この状態でドリルとして使用可能である。しかしながら、加工孔の径を定める稜は軸心から等距離にあるとは限らず、また、角部を形成するので、ドリル加工孔の内側面の面が荒く仕上げられる。そこで、ドリル加工される孔の直径を調整するために、図７の囲み部分５の角８（錐体底部の角部）がドリル軸に平行な２つの平面によって落とされる。
【００４５】
図８はドリル軸方向から見た平面図であって、この図に示すように、単結晶ダイヤモンドの４角錐の４つの底辺角部には、ドリル軸と平行な面であって、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度までの範囲の角度をなす面（研磨面ｐ２）によって落とされた逃げ角と、ドリルの中心軸と稜線を含む面に対して６５度から８５度の範囲の角度をなす面（研磨面ｐ３）によって落とされた負のすくい角が形成される。図９にはこうして逃げ角とすくい角が形成されたドリルの先端近傍を示す。この２面によって形成された新たな稜２０は軸心と平行であって、加工孔の径を定めるとともに、孔の面粗度を改善する。
【００４６】
別の例、すなわち、６面体ダイヤモンド（つまり、切頭６面体でない単結晶ダイヤモンド）から、本発明にかかるドリルを製造する過程を図１０、図１１、図１２、及び、図１３に示し、それぞれ、図５、図６、図７及び図９に対応するものである。この過程は上に説明した切頭６面体ダイヤモンドの場合とほとんど同じであるので省略する。ただ、４角錐面を形成した段階で、はじめから存在している６面体ダイヤモンドの稜の一部が図１２に稜２１として示されるように残されている。この稜２１はドリル軸と平行であり、このままでも一応リーミング作用をするものであるが、孔径の寸法を出すため、先の例（図８）と同様に図１３に示すようにドリル軸に平行な２つの面で落とされて稜２０（図１３）が形成される。
【００４７】
図１４は、本発明実施例の完成した単結晶ダイヤモンドを先端に有したドリルの全体図である。先端部以外は通常のドリル例えばマイクロドリルと同様の寸法、形状の構成とすることができる。ドリル軸２はその材料として超硬を使用し、切り粉によって削られドリル軸がやせ細ることを防止するようにすることができる。一方、超硬はもろいため折損しやすいことから、ドリル軸を靭性の高い鋼材とし、この場合に生じ易い切り粉によるやせ細りを防止するため、ドリル軸表面に微細ダイヤモンドを付着させることにより耐摩耗層を設けるようにすることが可能である。この耐摩耗層はドリル軸を超硬とした場合にも設けることができる。
【００４８】
材料の６面体ダイヤモンド１は予めドリル軸２に固着（ロウ付け）した後、これを上に述べたようにして４角錐に加工することも、６面体ダイヤモンド１を別の軸に取付て４角錐に加工した後、これを取り外してドリル軸に固着するようにすることも可能である。前者の場合は、後者のようなドリル先端とシャンクとの調芯性を確保するための厳密な位置あわせが必要なくなるので生産性が向上する。また、ロウ付けは不活性ガス中で行う方がよい。
【００４９】
更に、本発明実施例のドリルは、先端が鋭く尖っているので被加工物に食い付く際に、中心から外れることが少なく、位置精度のよい孔加工が可能となる。
【００５０】
【発明の効果】
ダイヤモンドの８面体面｛１１１｝は学術的にも研磨が不可能とされる面方位であり、研磨で得られた４角錐の稜線は６面体面｛１００｝から８面体面｛１１１｝に傾けた角度範囲であるため対摩耗性の高いことが知られている。このため、本発明において、ドリル先端の単結晶ダイヤモンド４角錐の稜線は結晶学的にみて高い耐摩耗性を付与したものであり、このような稜線を切れ刃としているため、ドリルの寿命を長くすることができるという効果を奏する。更に、上記錐体底部の角部を落とすことにより、ドリルの加工半径の調整と、リーミング効果がえられるため、本発明のドリルに依れば、径精度の高い、また、内面粗度のよい孔をあけることができる。
【００５１】
本発明のドリルは、先端を４角錐としたので食い付きが良く、位置精度の高い孔をあけることができ、更に、ドリル軸が耐摩耗性の高い微小ダイヤモンド層を有するので、使用中にドリル軸がやせ細るという問題が発生しにくいという効果を奏する。本発明の一つはドリル軸を鋼としているので、靭性が高く折損することが少ないという効果を奏する。
【００５２】
本発明では、単結晶ダイヤモンドとドリル軸とのロウ付けは不活性ガス中で行われる。このため、空気中の影響を受けてロウ付け強度が低下するようなことがないという効果を奏する。
【００５３】
本発明では、４角錐底部の角部にリーミング用のドリル軸に平行なエッジ（稜線）が形成されているので、これにより孔の径を調整するとともに、あけた穴の内側面を良好に加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ダイヤモンド結晶の結晶面とこの面によって構成される結晶外形を示す説明図である。
【図２】３種の結晶面の全てが現れたダイヤモンド単結晶の一例を示す鳥瞰図である。
【図３】結晶方位と摩耗（加工性）の関係を示し、方位により加工性が異なることを示したグラフである。
【図４】単結晶ダイヤモンドの代表的な結晶面から近接する結晶面に傾けたときの研磨難易度を示したGrozinskyのステレオ投影図である。
【図５】切頭６面体ダイヤモンドとこれが取り付けられるドリル軸の一部を示す鳥瞰図である。
【図６】切頭６面体ダイヤモンド１の上面図、３方向からの側面図を示すものであり、それぞれ（ａ）はｚ軸方向からみた上面図、（ｂ）はｙ軸方向から見た側面図、（ｃ）は、ｘ軸方向からみた側面図、（ｄ）は、（ａ）において４５度方向から見た側面図である。
【図７】４角錐面が創成された切頭６面体ダイヤモンドとこれが固着されたドリル軸とを示す鳥瞰図である。
【図８】ドリル軸方向から見た平面図である。
【図９】逃げ角とすくい角が形成されたドリル先端近傍を示す図である。
【図１０】６面体ダイヤモンド（切頭でない６面体ダイヤモンド単結晶）とこれが取り付けられたドリル軸の一部を示す鳥瞰図である。
【図１１】６面体ダイヤモンドの上面図、３方向から見た側面図を示すものであり、それぞれ（ａ）はｚ軸方向から見た上面図、（ｂ）はｙ軸方向から見た側面図、（ｃ）はｘ軸方向から見た側面図、（ｄ）は（ａ）において４５度方向から見た側面図である。
【図１２】４角錐面が創成された６面体ダイヤモンドとこれが固着されたドリル軸とを示す鳥瞰図である。
【図１３】逃げ角とすくい角が形成されたドリル先端近傍を示す図である。
【図１４】本発明実施例の完成した単結晶ダイヤモンドを先端に有したドリルの全体図である。
【符号の説明】
１  （切頭）６面体ダイヤモンド
２  ドリル軸
２０、２１  稜
１５  シャンク
ｐ１、ｐ２、ｐ３  研磨面
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003540256.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
0003540256.tif 000012
【図１２】
0003540256.tif 000013
【図１３】
0003540256.tif 000014
【図１４】
0003540256.tif 000015