(57)【要約】本体、本体の少なくとも一部にある刃先、及び、前記刃先上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層、を含む切削工具。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体；
前記本体の少なくとも一部にある刃先；及び、
前記刃先上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；
を含む切削工具。
【請求項２】
前記本体は長手軸を有する円筒状の本体を含む、請求項１に記載の切削工具。
【請求項３】
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具と係合するための前記円筒状の本体の一端にある工具係合端を前記刃先と反対側に含む、請求項２に記載の切削工具。
【請求項４】
前記炭素皮膜層は、２０ｎｍ〜５０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜５０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜３０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜１５００ｎｍ、２５０ｎｍ〜１０００ｎｍ、５００ｎｍ〜３０００ｎｍ、５００ｎｍ〜２５００ｎｍ、及び１０００ｎｍ〜２０００ｎｍからなる群から選択される厚みを有する、請求項１に記載の切削工具。
【請求項５】
前記硬い皮膜層は少なくとも１０ＧＰａの硬度を有する、請求項１に記載の切削工具。
【請求項６】
前記炭素皮膜層は、１０ＧＰａ〜６０ＧＰａ、又は２０ＧＰａ〜４５ＧＰａの硬度を有する、請求項５に記載の切削工具。
【請求項７】
前記炭素皮膜層は、前記作業端上に設けられた第一の層、及び前記第一の層上に設けられた第二の層を含み、前記第二の層の硬度は前記第一の層よりも硬い、請求項１に記載の切削工具。
【請求項８】
前記第一の層は５ＧＰａ〜１０ＧＰａの硬度を有し、前記第二の層は１０ＧＰａ〜３５ＧＰａの硬度を有する、請求項７に記載の切削工具。
【請求項９】
前記第一の層及び第二の層は、独立に、それぞれ１０ｎｍ〜２５００ｎｍ、２５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、５００ｎｍ〜１０００ｎｍ、及び８００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内の厚みを有する、請求項７に記載の切削工具。
【請求項１０】
金属炭化物界面層又は金属界面層を、前記刃先と前記炭素皮膜層との間に含む、請求項１に記載の切削工具。
【請求項１１】
前記金属炭化物層又は金属層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択される遷移金属を含む、請求項１０に記載の切削工具。
【請求項１２】
前記金属炭化物界面層は、炭化チタン及び炭化クロムのうち少なくとも一種類であり、前記金属界面層は、チタン及びクロムのうち少なくとも一種類である、請求項１０に記載の切削工具。
【請求項１３】
前記炭素皮膜層は、フィルタリングした炭素イオンのプラズマを用いて堆積させた、請求項１に記載の切削工具。
【請求項１４】
前記フィルタリングした炭素イオンのプラズマは、陰極真空アークから発生した、請求項１３に記載の切削工具。
【請求項１５】
前記切削工具はプリント配線板（ＰＣＢ）ドリルビットである、請求項１に記載の切削工具。
【請求項１６】
前記切削工具はプリント配線板（ＰＣＢ）ルータービットである、請求項１に記載の切削工具。
【請求項１７】
前記円筒状の本体は、０．００１ｍｍ〜３ｍｍ、０．０１ｍｍ〜３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、及び０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍからなる群から選択される直径を有する、請求項２に記載の切削工具。
【請求項１８】
本体は、炭化タングステン及びコバルトを含む、請求項１に記載の切削工具。
【請求項１９】
炭素皮膜層が約０．３〜約１の間のラマン強度の値を示す点で特徴付けられる、請求項１に記載の切削工具。
【請求項２０】
前記刃先から前記炭素皮膜層の外部に向かって一般的に増加する硬度を有して、複数の前記炭素皮膜層が前記刃先上に堆積される、請求項１に記載の切削工具。
【請求項２１】
長手軸を有する円筒状の本体、前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端、及び前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端を含む工具ビットを被覆する方法であって、
（ａ）フィルタリングしたプラズマ炭素イオンを前記作業端上に堆積させて、その上に実質的にマクロ粒子を含まない炭素皮膜層を形成する工程；
を含む方法。
【請求項２２】
工程（ａ）の前に、
（ｂ）不活性雰囲気中、又は真空下において、陰極真空アーク源から炭素イオンを含むプラズマビームを発生させる工程；及び、
（ｃ）前記プラズマビームをフィルタリングして、実質的に全てのマクロ粒子をプラズマビームから取り除く工程；
を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
工程（ａ）の間に、
（ｄ）前記工具ビットの前記作業端に可変バイアスパルスを印加する工程、前記バイアスパルスは相対的に高い負のバイアスパルスと低い負のバイアスパルスの間で変化する；
を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
（ｄ１）前記高い負のバイアスパルスを−５００Ｖ〜−５０００Ｖ及び−１０００Ｖ〜−３０００Ｖの範囲からなる群から選択する工程；
を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
（ｄ２）前記低い負のバイアスパルスを、フローティング電源、又は−５０Ｖ〜−１０００Ｖ及び−５０Ｖ〜−１５０Ｖの範囲からなる群から選択する工程；
を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
（ｅ）１０ｋＨｚまで、又は５ｋＨｚまでの周波数で基板にバイアスをパルス処理する工程；
を含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記パルス処理工程（ｅ）は、
（ｅ１）周波数を、１ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲から選択する工程；
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記パルス処理工程（ｅ）は、
（ｅ２）パルス持続時間を、１μｓ〜５０μｓ、１μｓ〜２５μｓ、３０μｓ〜５０μｓ、及び５μｓ〜１０μｓからなる群から選択する工程；
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記相対的に高い負のバイアス及び前記低い負のバイアスは、０．１秒〜２０秒、又は１秒〜５秒からなる群から選択される持続時間で交互になされる、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
工具ビットが
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端；及び
前記作業端上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；を含み、使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記被覆された作業端がＰＣＢの基板に穴をあける、
プリント配線板（ＰＣＢ）の製造のための前記工具ビットの使用。
【請求項３１】
（ａ）長手軸を有する円筒状の本体、前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端、及び前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端を含む工具ビットを提供する工程；並びに
（ｂ）プラズマ炭素イオンを前記作業端上に堆積させて、その上に実質的にマクロ粒子を含まない炭素層を形成する工程；
を含む、工具ビットを作る方法。
【請求項３２】
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記シャンク端と反対の端にある作業端；
前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、ＰＣＢに穴をあけるための、前記作業端上の、実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；
を含む、プリント配線板（ＰＣＢ）ドリルビット又はルータービット。
【請求項３３】
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記シャンク端と反対の端にある作業端；
前記作業端上の、実質的にマクロ粒子を含まない、約１．５μｍ以下の厚みを有する炭素皮膜層；を含み、
使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記炭素層がＰＣＢの基板に穴をあける、
プリント配線板（ＰＣＢ）の製造の間にＰＣＢの基板に穴をあけるための工具ビットの使用。
【請求項３４】
請求項１に記載の工具ビットによりあけられた一つ以上の穴を有するプリント配線板（ＰＣＢ）。
【請求項３５】
（ａ）プラズマ堆積させた実質的にマクロ粒子を含まない炭素皮膜層をその端部に含む前記ドリル工具ビット又はルーター工具ビットで、ＰＣＢ板の基板に穴をあける工程；
を含む、プリント配線板（ＰＣＢ）の基板に穴をあける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、例えば工具ビットなどの被覆された切削工具、例えば（本明細書中では「ＰＣＢ」と呼ばれる）プリント配線板の製造に用いる炭素被覆された工具ビットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＰＣＢに関する機械作業は精密でなければならず、非常に狭い許容誤差に適合しなければならない。ドリルビットやその他の類似した回転式穴あけ装置を用いた穴あけ作業に関しては、許容誤差は穴の口径、軸の真直度、及び穴の深さに関して測定される。
【０００３】
ＰＣＢの基板は、（例えばファイバーグラスなどの）穴をあけることが難しく、ＰＣＢの製造の間に用いられるドリルビットやその他の回転式穴あけ工具に高度な要求を与える材料から通常作られる。ファイバーグラスなどの材料は非常に研磨性である可能性があり、比較的急速にドリルビットの端部の切れ味を鈍くする傾向がある。これにより、結果としてドリルビットが許容誤差標準を満足することに失敗し、ＰＣＢ板の製造において寸法の誤りを生じさせる。
【０００４】
ドリルビットの高い磨耗速度と関連するこの問題を克服するために、ドリルビットを硬質化した炭素鋼などの硬い皮膜で被覆して、ドリルビットの切れ味が鈍くなる速度を阻むことが知られている。しかし、ＰＣＢ板の材料が研磨性の為に、切れ味が鈍くなって役目を果たし交換しなければならなくなる前までに、殆どの硬質炭化物ＰＣＢドリルビットはそれぞれ約５００〜２０００サイクルの寿命を有する。
【０００５】
物理的気相堆積法によって堆積させた炭素皮膜を有する工具ビットは、米国特許第６８８１４７５号（Ｏｈｔａｎｉら）に開示されている。Ｏｈｔａｎｉは、炭化タングステンのベース材料、炭化タングステンベースの刃先に堆積した厚み０．０５〜０．５μｍの非晶質炭素膜、及びベース層と炭素皮膜層との間に配置された厚み０．５〜１０ｎｍの界面層からなる炭素被覆された工具を教示する。物理的気相堆積法による堆積方法の問題は、比較的硬い「マクロ粒子」がコーティング中の表面上に堆積し、これが工具の切削抵抗を増加させるために望ましくないことである。Ｏｈｔａｎｉは、可能な限り小さなマクロ粒子密度を有することが望ましいことを認識していた。Ｏｈｔａｎｉは炭素皮膜上に可能な限り低いマクロ粒子密度を得る必要性を認識していたけれども、一方でその典型的なマクロ粒子密度は依然として７０，０００〜２６０，０００のオーダーであった。Ｏｈｔａｎｉは２４０００のマクロ粒子密度を有する一つのサンプルを開示するけれども、より低い粒子密度を有することがより望ましいであろう。更に、低いマクロ粒子密度のサンプルは、皮膜の厚みもまた小さく（５０ｎｍ）、炭素皮膜外層と炭化タングステンのベース材料との間に界面層は配置されていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６８８１４７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の不利益の一つ以上を克服するか、又は少なくとも改善する工具ビットを提供する必要がある。
【発明を解決するための手段】
【０００８】
第１の態様に従うと、
本体；
前記本体の少なくとも一部にある刃先；及び、
前記刃先に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；
を含む切削工具が提供される。
【０００９】
有利には、炭素皮膜層は実質的にマクロ粒子を含まないので、皮膜の内部に配置されたマクロ粒子を有する炭素で被覆された切削工具と比較して、切削抵抗が減少する。より有利には、ＰＣＢ材料に穴をあけるために用いる場合には、切削工具は工具ビットであっても良く、プラズマ堆積させた炭素皮膜層は実質的にマクロ粒子を含まず、既知の硬い皮膜層と比較して工具ビットのサイクル寿命を有意に延ばす。
【００１０】
一つの実施形態において、切削工具は、
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端；及び、
前記作業端上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；
を含む工具ビットである。使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記被覆された作業端がワークピースに穴をあける。
【００１１】
炭素皮膜層は、少なくとも１０ｎｍより上の厚さを有していても良い。炭素皮膜層は、２０ｎｍ〜５０００ｎｍ、２０ｎｍ〜４０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜３０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜２５００ｎｍ、２５０ｎｍ〜２０００ｎｍ、２５０ｎｍ〜１５００ｎｍ、２５０ｎｍ〜１０００ｎｍ、５００ｎｍ〜３０００ｎｍ、５００ｎｍ〜２５００ｎｍ、及び１０００ｎｍ〜２０００ｎｍからなる群から選択される厚みを有していても良い。
【００１２】
炭素皮膜層は、少なくとも５ＧＰａ、好ましくは少なくとも１０ＧＰａの硬度を有していても良い。任意であるが、硬い皮膜層は５ＧＰａ〜６０ＧＰａ又は１０ＧＰａ〜６０ＧＰａ又は２０ＧＰａ〜４５ＧＰａの硬度を有している。
【００１３】
一つの実施形態において、炭素皮膜層は、前記刃先上に設けられた第一の層、及び前記第一の層に設けられた第二の層を含み、ここで前記第二の層の硬度は前記第一の層よりも高い。
【００１４】
任意であるが、第一の層は５ＧＰａ〜２０ＧＰａ又は５ＧＰａ〜１０ＧＰａの硬度を有し、第二の層は１０ＧＰａ〜６０ＧＰａ又は２０ＧＰａ〜４５ＧＰａの硬度を有する。一つの実施形態において、第一の層及び第二の層は、それぞれ１０ｎｍ〜２５００ｎｍ、１０ｎｍ〜１５００ｎｍ、２５０ｎｍ〜１５００ｎｍ、５００ｎｍ〜１５００ｎｍ、及び８００ｎｍ〜１５００ｎｍの範囲内の厚みを有する。
【００１５】
金属炭化物界面層又は金属界面層は、刃先と炭素皮膜層との間に配置されても良い。金属炭化物界面層又は金属界面層の金属は、遷移金属であっても良い。遷移金属は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｏｓ、及びこれらの組み合わせからなる群から選択することができる。
【００１６】
一つの実施形態において、遷移金属炭化物は炭化チタン、炭化クロム、又はこれらの混和物である。別の実施形態において、金属界面層の金属は、チタン、クロム、又はこれらの合金である。
【００１７】
炭素皮膜層は、フィルター型陰極真空アークにより発生させるプラズマを用いて堆積させても良い。
一つの実施形態において、切削工具はプリント配線板（ＰＣＢ）ドリルビットである。別の実施形態においては、切削工具はプリント配線板（ＰＣＢ）ルータービット（ｒｏｕｔｅｒ  ｂｉｔ）である。
【００１８】
円筒状の本体は、０．００１ｍｍ〜３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜３ｍｍ、０．０５ｍｍ〜２ｍｍ、０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍ、及び０．０５ｍｍ〜０．２５ｍｍからなる群から選択される直径を有していても良い。
【００１９】
一つの実施形態において、切削工具は、前記作業端と前記硬い皮膜層との間に配置された金属層を含む。金属層の厚みは２５０ｎｍ〜１５００ｎｍであっても良い。
一つの実施形態において、円筒状の本体は、炭化タングステン及びコバルトを含む。
【００２０】
一つの実施形態において、
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端；
前記作業端上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた第一の炭素皮膜層；
前記第一の炭素皮膜層上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた第二の炭素皮膜層を含み、前記第二の炭素皮膜層の硬度は、前記第一の炭素皮膜層と比較してより硬く；
使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記被覆された作業端がワークピースに穴をあける；
工具ビットが提供される。
【００２１】
プラズマ堆積させた炭素皮膜層は、約０．３〜約１又は約０．５〜約０．８のラマン強度の値を示しても良い。
第２の態様に従うと、長手軸を有する円筒状の本体、前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端、及び前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端を含む工具ビットを被覆する方法であって、（ａ）プラズマ炭素イオンを前記作業端上に堆積させて、その上に実質的にマクロ粒子を含まない炭素層を形成する工程を含む方法が提供される。
【００２２】
この方法は、工程（ａ）の前に、（ｂ）不活性雰囲気中、又は真空下において、陰極真空アーク源から炭素イオンを含むプラズマビームを発生させる工程；および
（ｃ）前記プラズマビームをフィルタリングして、実質的に全てのマクロ粒子をプラズマビームから取り除く工程；
を含んでも良い。
【００２３】
この方法は、工程（ａ）の間に、
（ｄ）前記工具ビットの前記作業端に可変バイアスパルスを印加する工程を含んでも良く、前記バイアスパルスは相対的に高い負のバイアスパルスと低い負のバイアスパルスの間で変化する。
【００２４】
この方法は、（ｄ１）前記高い負のバイアスパルスを−５００Ｖ〜−５０００Ｖ、−１０００Ｖ〜−３０００Ｖ、−１８００Ｖ〜−４５００Ｖ、及び−２０００Ｖ〜−２５００Ｖの範囲からなる群から選択する工程を含んでいても良い。
【００２５】
この方法は、（ｄ２）フローティング電源を選択するか、又は前記低い負のバイアスパルスを−５０Ｖ〜−５００Ｖ、−１００Ｖ〜−２００Ｖ、及び−５０Ｖ〜−１５０Ｖの範囲からなる群から選択する工程を含んでいても良い。
【００２６】
この方法は、（ｅ）１０ｋＨｚまで、又は５ｋＨｚまでの周波数で基板にバイアスをパルス処理する工程を含んでいても良い。このパルス処理工程（ｅ）は、（ｅ１）周波数を１ｋＨｚ〜３ｋＨｚの範囲から選択する工程を含んでいても良い。
【００２７】
このパルス処理工程（ｅ）は、（ｅ２）パルス持続時間を１μｓ〜５０μｓ、１μｓ〜２５μｓ、３０μｓ〜５０μｓ、及び５μｓ〜１０μｓからなる群から選択する工程を含んでいても良い。
【００２８】
この相対的に高い負のバイアス及び低い負のバイアスは、０．１秒〜２０秒、又は１秒〜５秒からなる群から選択される持続時間で交互になされても良い。
第３の態様に従うと、工具ビットが
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端；
前記作業端上に設けられた実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；を含み、
使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記被覆された作業端がＰＣＢに穴をあける、プリント配線板（ＰＣＢ）の製造のための工具ビットの使用が提供される。
【００２９】
第４の態様に従うと、
（ａ）長手軸を有する円筒状の本体、前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端、及び前記本体の前記工具係合端と反対の端にある作業端を含む工具ビットを提供する工程；並びに
（ｂ）実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ炭素イオンを前記作業端上に堆積させて、その上に実質的にマクロ粒子を含まない炭素層を形成する工程；
を含む、工具ビットを作る方法が提供される。
【００３０】
第５の態様に従うと、
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記シャンク端と反対の端にある作業端；
前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、ＰＣＢに穴をあけるための、前記作業端上の、実質的にマクロ粒子を含まないプラズマ堆積させた炭素皮膜層；
を含む、プリント配線板（ＰＣＢ）ドリルビット又はルータービットが提供される。
【００３１】
第６の態様に従うと、工具ビットが
長手軸を有する円筒状の本体；
前記円筒状の本体を前記長手軸に関して回転させることの出来る工具との係合のための、前記本体の一端にある工具係合端；
前記本体の前記シャンク端と反対の端にある作業端；
前記作業端上の、実質的にマクロ粒子を含まない、約１．５μｍ以下の厚みを有する炭素皮膜層；を含み、
使用の際には、前記円筒状の本体がその長手軸に関して回転し、前記炭素層がＰＣＢに穴をあける、
プリント配線板（ＰＣＢ）の製造の間に板に穴をあけるための工具ビットの使用が提供される。
【００３２】
第７の態様に従うと、第一の態様において請求される工具ビットによりあけられた一つ以上の穴を有するプリント配線板（ＰＣＢ）が提供される。
第８の態様に従うと、
（ａ）プラズマ堆積させた実質的にマクロ粒子を含まない炭素皮膜層をその端部に含むドリル工具ビット又はルーター工具ビットで、ＰＣＢ板の基板に穴をあける工程；
を含む、プリント配線板（ＰＣＢ）の基板に穴をあける方法が提供される。
【００３３】
定義
本明細書中で用いられる以下の単語及び用語は、下記の意味をもつものとする。
用語「マクロ粒子（単数又は複数）」は、大きな（典型的には０．１ミクロン〜１０ミクロンまで）、典型的には中性の粒子であって、陰極アーク法を用いて堆積させた膜中に光学顕微鏡で視認出来る多原子クラスターである。
【００３４】
用語「実質的にマクロ粒子を含まない」は、炭素イオンのプラズマによって堆積させた皮膜中のマクロ粒子の密度が少なくとも１００００粒子／ｍｍ２、より好ましくは少なくとも１０００粒子／ｍｍ２より低いことを意味する。
【００３５】
用語「工具ビット」は、この明細書の文脈においては、軸の穴あけのために用いられる工具ビットを意味し、ワークピースに穴をあけるためのドリルビット、エンドミル、及びルータービットをその範囲内に含む。一つの実施形態において、工具ビットはＰＣＢの作製のためにエレクトロニクス産業において用いられ、特に、工具ビットはＰＣＢの基板に軸の穴をあけるために用いられる。
【００３６】
用語「作業端」は、この明細書の文脈においては、プラズマ堆積させた炭素皮膜層が炭素に被覆された、実際にワークピースに穴をあける工具ビットの末端を意味する。
用語「工具係合端」は、この明細書の文脈においては、工具ビットをその長手軸に関して回転させることの出来る工具と係合する、工具ビットの末端を意味する。例えば、この工具係合端は、ドリルのチャックに挿入してロックして係合することの出来るシャンク部分を含んでいても良い。
【００３７】
用語「硬い皮膜層」は、この明細書の文脈においては、工具ビットの作業端の硬度と比較してより固い硬度を有する炭素皮膜層を意味する。典型的には、皮膜層の硬度は少なくとも１０ＧＰａであり、より典型的には皮膜層の硬度は１０ＧＰａ〜３５ＧＰａの間である。
【００３８】
用語「刃先」は、材料を切削可能な工具の本体の任意の部分を含むものとして幅広く解釈される。この用語は工具の実際の縁部に限定されず、切削作業を実施可能な工具の特定点を意味しても良いことに注意すべきである。例えば、ドリルビット切削工具において、刃先は、固体のビットに導入され、それによりビットを切削可能なドリルビットの端部である「作業端」であっても良い。それ故に、用語「刃先」及び「作業端」はドリルビットを記載する場合には相互に可換なものとして用いることが出来る。
【００３９】
特に限定しない限り、用語「含む」及びその文法的な変化形は、「限定の無い」又は「包括的な」表現と意図されるので、この用語は列挙された各要素を含むけれども、追加の、列挙されていない要素の包含を許す。
【００４０】
本明細書において、構成成分の濃度に関する文脈において用いられる用語「約」は、典型的には記載された値の±５％、より典型的には記載された値の±４％、より典型的には記載された値の±３％、より典型的には記載された値の±２％、更により典型的には記載された値の±１％、及び更により典型的には記載された値の±０．５％を意味する。
【００４１】
この開示を通じて、ある実施形態を範囲の形式で記載しても良い。範囲の形式での記載は単に利便性及び簡潔性のためであり、開示された範囲に硬直的に限定されるものと解釈すべきではないことが理解されるべきである。従って、範囲の記載は、その範囲内の個々の数値ばかりでなく、全ての可能な副範囲を具体的に開示していると考えるべきである。例えば、１〜６といった範囲の記載は、例えば１、２、３、４、５、及び６といったその範囲内の個々の数字ばかりでなく、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６などの副範囲を具体的に開示していると考えるべきである。これは範囲の大きさに関わらず適用される。
【００４２】
添付の図面は、開示されている実施形態を図説し、開示されている実施形態の原理を説明するのに役立つ。しかし、図面は説明の目的のためだけに作成され、本発明を限定する定義としてのものではないことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は、一つの開示されている実施形態に従った、被覆された工具ビットの概略側面図である。
【図２】図２は、図１の工具ビットの作業端に適用された、一つの皮膜実施形態の概略断面図である。
【図３】図３は、図１の工具ビットの作業端に適用された、別の皮膜実施形態の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１を参照して、ドリルビット１０の形態の切削工具の概略側面図を示す。以下の記載はドリルビット１０を記載するけれども、これは単に利便性のためであり、以下の記載はレンガ用ドリル、エンドミル、ルータービット、ナイフ、旋盤、チェーンソー、鋸、ハサミなどのその他の切削工具にも等しく適用できることは当然である。
【００４５】
ドリルビット１０は、破線１４により表される軸に沿って延びる長手軸を有する円筒状の本体１２を含む。本体１２は、炭化タングステンとコバルトとの合金（ＷＣ−Ｃｏ）から作られる。ＷＣ−Ｃｏ工具ビットは、当技術分野において知られており、アメリカ合衆国のミシガン州ＳａｇｉｎａｗにあるＳＦＳ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｔｏｏｌ，Ｉｎｃ．及び英国のバークシャー州ウォーキンガムにあるＳＧＳ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｔｏｏｌ  （ＵＫ）  Ｌｔｄなどのいくつかの製造業者から商業的に入手可能である。
【００４６】
本体１２は、シャンク端１６の形態の工具係合端、及び端部１８の形態の作業端を含み、作業端は本体１２のシャンク端１６とは反対の端部にある。本体はまた、端部１８から本体１２の中央部に延びるらせん形状を含む。このらせん形状は、更に以下で説明するように、ＰＣＢ板に穴をあける際に役立つ。
【００４７】
シャンク端１６は、ドリル工具のチャック（図示せず）によって係合可能な寸法及び形状の構成を有するので、結果として、本体１２は使用の際に長手軸１４に関して回転可能である。
【００４８】
作業端１８は、本体１２と比較して硬い炭素皮膜層２０で被覆される。炭素皮膜層２０は、炭素イオンからなるプラズマビームによって作業端１８上に堆積された炭素を含む。更に以下で記載するように、炭素イオンのプラズマビームをフィルタリングして、実質的にマクロ粒子を含まなくする。それ故に、炭素皮膜層２０は実質的にマクロ粒子を含まない。
【００４９】
プラズマビームは、シンガポールのＮａｎｏｆｉｌｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｐｔｅ  Ｌｔｄ（ＮＴＩ）によって開発され、参照によって本明細書中にその全体を援用する国際特許出願公開第９６／２６５３１号及び米国特許第７０１４７３８号に記載されたフィルター型陰極真空アーク（ＦＣＶＡ）装置を用いてグラファイトターゲットから発生させる。ＦＣＶＡ装置は、中性の多原子クラスターである粒子を含むマクロ粒子を実質的に含まないという意味で「フィルタリング」されたプラズマビームを陰極アーク源から発生させる。
【００５０】
電源を用いて端部１８にバイアスを印加する。ＮＴＩから入手可能な「高電圧パルス発電器（ｈｉｇｈ  ｖｏｌａｇｅ  ｐｕｌｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）（ＨＶＰＧ）」などの任意の数の電源を用いることが出来る。電力ユニットは、変数を手動で設定可能な制御パネルを有する。また、電流の過負荷及び短絡回路に対して保護する、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの切換機器も用いる。発電器アセンブリは、出力ヒューズもまた備える。
【００５１】
パルス発電器の出力範囲は−１００００Ｖまで、好ましくは−５０００Ｖまで、及びより好ましくは−２０００Ｖ〜−４０００Ｖまでであり、パルスは１〜５０μｓの間、ダイレクトアーク源の場合には好ましくは１〜２０μｓの間、より好ましくは５〜１０μｓの間、及びＦＣＶＡ源の場合には好ましくは１０〜４０μｓの間、より好ましくは１５〜２５μｓの間持続し、１０ｋＨｚまで、好ましくは１〜３ｋＨｚ、より好ましくは１．５〜２．５ｋＨｚの周波数である。
【００５２】
ＨＶＰＧをＦＣＶＡ装置と関連付けて、ドリルビット１０に接続する。ＦＣＶＡ装置の作動中、大きな負の電圧パルスをドリルビット１０に送るようにＨＶＰＧを設定する。ＨＶＰＧは、手動又は遠隔操作のいずれかで運転及び停止させる。
【００５３】
炭素皮膜層２０の厚みは、約０．１〜１μｍの間である。それ故に、炭素皮膜層２０は非常に薄く、裸眼では見ることが出来ないが、図１に示すように、その厚みを説明の目的の為に誇張する。
【００５４】
驚くべきことに、本発明者らによって、ＦＣＶＡ装置によって堆積させた炭素皮膜層２０は、他の堆積方法によって堆積させた既知の炭素皮膜よりも長いサイクル寿命を提供することが見出された。理論に縛られるものではないが、プラズマ堆積させた炭素イオンが、炭素皮膜層の端部１８への非常に強固な密着性を保証し、それによりドリルビット１０のサイクル寿命を増加させると考えられる。更に、炭素イオン層の積層は互いに堆積して炭素皮膜を形成するので、非常に高い硬度を与える極めて密着した皮膜層が構築されると考えられる。更に、フィルタリングされたプラズマビームは、典型的には３００粒子／ｍｍ２より少ないマクロ粒子が欠如した滑らかな皮膜を保証し、これは、切削工具の切削抵抗が、相対的に高いマクロ粒子密度を有する炭素皮膜を備えた切削工具の切削抵抗よりも小さいことを意味する。本発明者らは、驚くべきことに、ＰＣＢ板の穴あけを必要とするＰＣＢの製造において、実質的にマクロ粒子を含まない炭素皮膜を備えたドリルビット１０が、既知の堆積方法で被覆されたドリルビットと比較して有意に長いドリルサイクル寿命を有することを見出した。
【００５５】
図２を参照して、道具ビット１０の端部１８に適用可能な皮膜２０Ａの一つの実施形態の概略断面図を示す。皮膜２０Ａは、ＦＣＶＡ装置によって発生させた、フィルタリングしたプラズマビームから形成され、道具ビット１０の端部１８上に堆積させた最初の金属層２２からなる。金属層１８の金属はチタン（Ｔｉ）であり、０．０５μｍ〜０．８μｍの間の厚み（ｔＭ）を有する。
【００５６】
炭化チタン（ＴｉＣ）層２４Ａの形態の第一の金属炭化物層を、金属層２２Ａに適用する。１５〜２５ＧＰａの範囲の比較的小さい硬度と低い応力を有する比較的柔らかい第一のＴｉＣ層２４Ａを生成するために、道具ビットの端部１８に−３５００Ｖのバイアスをかけながら、第一のＴｉＣ層２４Ａをプラズマビームによって堆積させる。第一のＴｉＣ層２４Ａの厚み（ｔＬｓ）は、０．０５μｍ〜０．８μｍの間である。
【００５７】
第一のＴｉＣ層２４Ａが形成された後、フィルタリングした炭素イオンのプラズマビームを適用しつづけて、炭素層２６Ａを形成する。初期バイアスは−３５００Ｖであるけれども、約１０秒後に−２００Ｖへと上げる。より低い負のバイアスは、第二の炭素層２６Ａの硬度を約３５ＧＰａに増加させる。第二の炭素層２６Ａの厚み（ｔＬｈ）は、０．０５μｍ〜０．８μｍの間である。
【００５８】
従って、工具ビットの端部１８と炭化チタン層２４Ａとの間のチタン層２２Ａは、連続する層の間の密着性を高める。更に、炭化チタン層２４Ａと炭素層２６Ａとの間の硬度の増加は、金属層２２Ａから上部の炭素層２６Ａに向かって皮膜２０Ａの硬度を増加させる結果となる。この硬度の増加は、穴あけ作業の間にワークピースにほとんどが曝される炭素皮膜２０Ａの一部分が最も硬い層であり、従ってＰＣＢの製造におけるドリルビット１０のサイクル寿命を増加させることを保証する。
【００５９】
更に、工具ビットの端部１８から上部の炭素皮膜層２６Ａへと連続的に増加する硬い層は優れた密着性を保証し、結果として皮膜２０Ａは端部１８上にしっかりと固定される。
層２４Ａ及び２６Ａを二つの別々の層として図２に示したけれども、これは単に説明の目的のためであることは当然である。実際には、プラズマ堆積の間に、負のバイアスの程度を減少させることにより、金属炭化物層２４Ａから炭素層２６Ａへと硬度が増加する多くの層を連続的に形成しても良い。それ故に、増加した硬度を有する層は必ずしも図２に示すような別々に形成された層である必要は無く、層の周縁部に向かって硬度が増加する層からなっていても良い。
【００６０】
いくつかの実施形態においては、金属炭化物層を純粋な金属層に置き換えても良いことも当然である。別の実施形態においては、金属炭化物界面層又は金属界面層は存在せず、皮膜は純粋な炭素である。
【００６１】
炭素皮膜は、実質的にマクロ粒子を含まず、プラズマ堆積工程の間に印加されたバイアスに依存して硬度の程度が異なる複数の炭素の層からなっていても良い。図３を参照すると、図２と同じ皮膜が示されているが、ここで図２の第一の層２４Ａは第一の層２４Ｂに対応し、図２の第二の層２６Ａは第二の層２６Ｂに対応し、金属層２２Ａは存在しない。
【実施例】
【００６２】
２００μｍの直径を有するＷＣ−Ｃｏドリルビットを、上述のＦＣＶＡ装置を用いて炭素皮膜で被覆した。炭素皮膜は、総炭素皮膜層が約０．１μｍである「皮膜Ａ」、及び総炭素皮膜層が約０．３μｍの「皮膜Ｂ」の二つの群からなっていた。
【００６３】
炭素皮膜Ａ及びＢは、皮膜Ａに関して０．０２μｍ、及び皮膜Ｂに関して０．１μｍの最初の炭素皮膜からなっており、この間にドリルビットにはバイアスを適用しなかった。
次いで、フィルタリングした炭素イオンのプラズマビームを金属層に印加して、皮膜Ａに関して０．０４μｍ、及び皮膜Ｂに関して０．１μｍの厚みを有する第一の炭素の層を形成した。第一の層の形成の間、１０μｓのパルス持続時間及び３ｋＨｚの周波数で、−３６００Ｖのパルスを１５秒間ドリルビットに適用した。第一の炭素層の形成の後、皮膜Ａに関して０．０４μｍ、及び皮膜Ｂに関して０．１μｍの厚みを有する上部の第二の炭素層を形成した。第二の層の形成の間、１０μｓのパルス持続時間及び３ｋＨｚの周波数で、−１５０Ｖのパルスを１５秒間ドリルビットに適用した。
【００６４】
両方の皮膜における第一の炭素層は約１５〜２５ＧＰａの硬度を有しており、一方第二の層は約３０〜４０ＧＰａだった。
異なる硬度を有する複数の層を有する利点は、最外部の層が、硬くないけれども応力が低い内部の層よりも、とても固いことである。これらの二つの層を互いに組み合わせて、これらの層が実質的にマクロ粒子層を含まないという事実と組み合わせることで、非常に硬いけれども応力が少なく、切削工具として用いた場合に小さな切削抵抗を示す切削表面を提供する。
【００６５】
皮膜Ａ及びＢのＳＥＭ分析を実施し、皮膜は実質的にマクロ粒子を含まないことが見出された。皮膜から完全にマクロ粒子を取り除くことは不可能だけれども、粒子密度は、皮膜Ａ及びＢの両方において、３００粒子／ｍｍ２より高くは無かった。
【００６６】
複数のドリルビット皮膜をラマン分光分析にかけ、それぞれのサンプルの皮膜についてのピーク強度を得た。サンプルの皮膜のピーク強度（ＩＤ／ＩＧ）は、約０．３〜約０．５の比較的硬いラマン強度の値を有しており、比較的硬い皮膜を示唆していることが見出された。
【００６７】
次いで、皮膜Ａ及びＢにより被覆されたドリルビットを用いて、ＰＣＢの製造において用いられる種類の５ｍｍの総厚みを有するファイバーグラスの積層板に穴をあけ、ドリルビットの切れ味が鈍くなって交換が必要になるまでのサイクル数を記録した。比較の為に、被覆していないＷＣ−Ｃｏドリルビットを、同じ穴あけ作業にかけ、これらの被覆していないドリルビットの交換が必要になるまでのサイクルを記録した。
【００６８】
皮膜Ａ、皮膜Ｂ、及び被覆していないドリルビットに関して２０００のドリルビットのサンプルセットを試験し、結果を以下の表１に与えた。
【００６９】
【表１】
2010531242.tif 000003
【００７０】
従って、炭素被覆されたドリルビットが、被覆されていないＷＣ−Ｃｏドリルビットと比較して大体４倍長いサイクル寿命を示したことがこのデータから見て取れる。それ故に、炭素皮膜は、ＰＣＢの製造におけるドリルビットのサイクル寿命を有意に増加させることが分かるだろう。
【００７１】
プラズマ堆積させた皮膜は、ドリルビットへの優れた密着性も示し、それ故に既知の被覆方法と比較してそのサイクル寿命を増加させる。
また、ドリルビット上の炭素皮膜は実質的にマクロ粒子を含まないと考えられるので、高いマクロ粒子密度を有する炭素皮膜と比較して低い切削抵抗を示し、それがドリルビットのサイクル寿命を有意に増加させると思われる。更に、開示されている異なる負のバイアスで堆積させた炭素皮膜の更なる組み合わせは、相対的に、内部の炭素皮膜が小さい応力を有する一方、外部の炭素皮膜は高い硬度を有することを意味する。これは、皮膜が全体として高い硬度、小さい応力であり、皮膜が実質的にマクロ粒子を含まないという事実の為に、切削工具として用いた場合に小さな切削抵抗を示すことを意味する。それ故に、開示されている皮膜は、切削工具のサイクル寿命を有意に増加させることにより、開示されている上述の先行技術の不利益のいくつかを克服するか、又は少なくとも改善する。
【００７２】
開示されている炭素皮膜は、それ故に、ドリルビットなどの切削器具の高い磨耗速度に関連した問題を克服する。
上述の開示を読んだ後で、本発明の精神及び範囲を逸脱すること無く、本発明の様々なその他の修飾及び適合が当業者に自明であることは明らかであろう。例えば、開示されたドリルビットが、その製造方法及び使用は特にＰＣＢの製造において有用であるけれども、ドリルビットのための皮膜をレンガ用ドリルビットなどの他の用途において用いることが出来ることは理解できよう。それ故に、全てのかかる変更及び適合化が添付の特許請求の範囲内に収まることが意図されている。
【図１】
2010531242.tif 000004
【図２】
2010531242.tif 000005
【図３】
2010531242.tif 000006
【国際調査報告】
2010531242.tif 000007
2010531242.tif 000008