(57)【要約】【課題】超硬合金のボールエンドミルやスクエアエンドミルにより、被削材としてのガラスに１μｍより深い溝を効率よく切削加工する。【解決手段】ボールエンドミル加工方法では、ボールエンドミル１を高速回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材７に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みで無損傷で切削加工を行う。好ましくは、ボールエンドミル１の回転軸９が前記被削材７の加工側表面１１に対してボールエンドミル１の送り方向に相対的な傾斜角θを有すると共にボールエンドミル１を高速回転させて被削材７に切削加工を行う。その結果、超硬合金のボールエンドミル１を用いて、一度の切削加工で、被削材７としてのガラス基板上に深さ幅２００μｍ、深さ２０μｍの加工溝５が形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みで無損傷で切削加工を行うことを特徴とするボールエンドミル加工方法。
【請求項２】
前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材の加工側表面に対してボールエンドミルの送り方向に相対的な傾斜角を有していることを特徴とする請求項１記載のボールエンドミル加工方法。
【請求項３】
前記切削加工を水中で行うことを特徴とする請求項１又は２記載のボールエンドミル加工方法。
【請求項４】
前記ボールエンドミルの傾斜角は、ボールエンドミルの切れ刃の外周面を所定の切込み深さに位置させたときに、ボールエンドミルの曲率半径の終端円周線が被削材の加工側表面と交差する位置まで傾斜した傾斜角度以上、かつ９０°以内の範囲にあることを特徴とする請求項２または３の何れかに記載のボールエンドミル加工方法。
【請求項５】
前記ボールエンドミルの傾斜角が４５°で、前記回転速度が２００００ｒｐｍ程度で、送り速度が１〜８μｍ／ｓｅｃであることを特徴とする請求項２乃至４の何れかに記載のボールエンドミル加工方法。
【請求項６】
前記ボールエンドミルの曲率半径が２００μｍで、前記切込み深さが１５〜２０μｍであることを特徴とする請求項５記載のボールエンドミル加工方法。
【請求項７】
切れ刃矩形とねじれ角を有するスクエアエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材に、一切れ刃あたり４．８〜６ｎｍ／edgeの送り速度で無損傷で切削加工を行うことを特徴とするスクエアエンドミル加工方法。
【請求項８】
前記切削加工を水中で行うことを特徴とする請求項７記載のスクエアエンドミル加工方法。
【請求項９】
前記スクエアエンドミルの回転速度を２００００ｒｐｍとしたとき、送り速度を０．２４ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項７又は８記載のスクエアエンドミル加工方法。
【請求項１０】
前記スクエアエンドミルの送り速度を０．４８ｍｍ／ｍｉｎとしたとき、回転速度を５００００ｒｐｍ以上とすることを特徴とする請求項７又は８記載のスクエアエンドミル加工方法。
【請求項１１】
前記スクエアエンドミルが、ｃＢＮ工具からなることを特徴とする請求項７，８，９又は１０記載のスクエアエンドミル加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ボールエンドミル加工方法及びスクエアエンドミル加工方法に関し、特にガラスなどのガラス質無機材料や、単結晶シリコンなどの硬脆性無機材料などの被削材に微細な溝加工を行うボールエンドミル加工方法及びスクエアエンドミル加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Lab on a chipとして知られるマイクロＴＡＳは、化学，製薬，医療などの現場で多用されており、ガラス質無機材料などの基板材料に対して微細な溝等の切削加工を施す技術が重要となっている。
【０００３】
従来、ガラス基板に微細な溝等の加工を行うには、フッ酸等の化学薬品を使用してエッチング加工する方法がある。しかし、このような化学的な加工法には次のような問題点がある。
【０００４】
強酸の化学薬品であるので、取り扱いに注意を要すると共に取り扱いの有資格者を必要とし、且つ環境問題を起こさないためには加工後の廃液処理が問題となる。このために、安全性対策を考慮する等のコストがかかる。
【０００５】
さらに、安全性を考慮して薄い濃度のフッ酸溶液を使用することが多いので、フッ酸溶液の濃度を薄くすると、加工処理に例えば１日という時間がかかるので工程時間短縮の障害となる。
【０００６】
また、所要の溝を形成するためにはマスキング部材を必要とし、マスキングの手間もかかるので作業効率の低下となる。
【０００７】
また、上記の化学薬品によるエッチング処理に対し、機械的な加工として、例えば、エンドミルを回転させながら所望の溝を切削する加工法、言い換えればエンドミル加工が行われている。
【０００８】
エンドミルはマシニングセンタのスピンドルに装着され、このスピンドルにより回転されるエンドミルで被削材に対して相対的にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三次元的に切削される。
【０００９】
図１４乃至は図１６を参照するに、エンドミル加工には、図１４に示されるようなボールエンドミル加工と図１６に示されるようなスクエアエンドミル加工がある。図１５はエンドミルによる加工メカニズムを二次元的に示したものである。
【００１０】
例えば、従来のボールエンドミル加工においては、図１４に示されているようにボールエンドミル１０１の回転軸１０３が被削材１０５の加工側表面１０７に対してほぼ直交するように切込まれ、矢印方向に移動される。ボールエンドミル１０１の切れ刃１０９で加工溝１１１の仕上げ面を作っているところは、図１５の実線で示されている切削厚さの小さい切れ刃１０９の食いつき部分Ａと、矢印方向に送られて図１５の２点鎖線で示されている切れ刃１０９の離脱部分Ｂである。それ以外は、切りくずとして以後の切削で除去されることになる。なお、図１５は、食いつき部分Ａの切れ刃１０９が離脱部分Ｂに回転移動し、この間にボールエンドミル１０１が実線の位置から２点鎖線の位置まで移動することを示している。
【００１１】
また、従来のスクエアエンドミル加工においては、図１６に示されているようにスクエアエンドミル１１３の回転軸１１５が被削材１０５の加工側表面１０７に対してほぼ直交するようにして切れ刃１１７が切込まれる。次いで、図１５で示した場合と同様に加工側表面１０７に対してほぼ平行に矢印方向に移動される。切削のメカニズムは上述したボールエンドミル加工とほぼ同様の食いつき部分Ａと離脱部分Ｂの関係で行われる。
【００１２】
一般に、被削材１０５としてのガラスの切削加工では、エンドミルの工具材料にはダイヤモンドが用いられ、３００００〜５００００ｒｐｍ、あるいはそれ以上で高速回転されて切削される。切込み深さが１μｍ以下になると、金属の切削加工の場合と同様に延性的に変形するために脆性損傷のない加工面が得られる（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−１５５６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、従来、ボールエンドミル１０１およびスクエアエンドミル１１３で被削材１０５としてガラスを切削加工する場合、加工溝１１１の加工深さが浅く、切込み深さＣＤが１μｍ以下であれば、カンナで削ったような切りくずが出てきて良好な切削加工が行われるが、１μｍを超えるとガラスが割れてしまう。このため、マイクロメートル単位のガラスの切削を行うためには、先端のとがったダイヤモンドのエンドミルを用いて、一度に１μｍ以下しか加工できないので、加工性が悪いという問題点があった。
【００１４】
また、ダイヤモンドのボールエンドミルは、例えば超硬合金のボールエンドミル１０１やスクエアエンドミル１１３の約１０倍の価格で非常に高価であるので、コスト高であるという問題点があった。
【００１５】
また、従来のボールエンドミル加工においては、図１４に示されているように、曲率半径Ｒを有するボールエンドミル１０１が被削材１０５の加工表面付近を切削するとき、切れ刃１０９の回転半径ｒ１で切削されるが、ボールエンドミル１０１の回転軸１０３の中心の切れ刃１０９の回転半径はゼロ（０）であり、回転軸１０３の中心付近は切れ刃１０９の回転半径ｒ２が小さいために切削速度も小さくなるので切削加工性が低下するという問題点があった。
【００１６】
この発明は上述の課題を解決するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この発明のボールエンドミル加工方法は、切れ刃丸みとねじれ角を有する超硬ボールエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材に１μｍ以上の深さの溝を１回の切込みで無損傷で切削加工を行うことを特徴とする構成である。
【００１８】
この発明のボールエンドミル加工方法は、前記ボールエンドミル加工方法において、前記ボールエンドミルの回転軸が前記被削材の加工側表面に対してボールエンドミルの送り方向に相対的な傾斜角を有していることが好ましい。
【００１９】
この発明のボールエンドミル加工方法は、前記ボールエンドミル加工方法において、前記切削加工を水中で行うことが好ましい。
【００２０】
この発明のボールエンドミル加工方法は、前記ボールエンドミル加工方法において、前記ボールエンドミルの傾斜角は、ボールエンドミルの切れ刃の外周面を所定の切込み深さに位置させたときに、ボールエンドミルの曲率半径の終端円周線が被削材の加工側表面と交差する位置まで傾斜した傾斜角度以上、かつ９０°以内の範囲にあることを特徴とする構成である。
【００２１】
この発明のボールエンドミル加工方法は、前記ボールエンドミル加工方法において、前記ボールエンドミルの傾斜角が４５°で、前記回転速度が２００００ｒｐｍ程度で、送り速度が１〜８μｍ／ｓｅｃであることが好ましい。
【００２２】
この発明のボールエンドミル加工方法は、前記ボールエンドミル加工方法において、前記ボールエンドミルの曲率半径が２００μｍで、前記切込み深さが１５〜２０μｍであることが好ましい。
【００２３】
この発明のスクエアエンドミル加工方法は、切れ刃矩形とねじれ角を有するスクエアエンドミルを回転させてガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材に、一切れ刃あたり４．８〜６ｎｍ／edgeの送り速度で無損傷で切削加工を行うことを特徴とするものである。
【００２４】
この発明のスクエアエンドミル加工方法は、前記スクエアエンドミル加工方法において、前記スクエアエンドミルの回転速度を２００００ｒｐｍとしたとき、送り速度を０．２４ｍｍ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。
【００２５】
この発明のスクエアエンドミル加工方法は、前記スクエアエンドミル加工方法において、前記スクエアエンドミルの送り速度を０．４８ｍｍ／ｍｉｎとしたとき、回転速度を５００００ｒｐｍ以上とすることが好ましい。
【００２６】
この発明のスクエアエンドミル加工方法は、前記スクエアエンドミル加工方法において、前記スクエアエンドミルが、ｃＢＮ工具からなることが好ましい。
【発明の効果】
【００２７】
以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明によれば、超硬合金のボールエンドミルを利用して、ガラス質無機材料、硬脆性無機材料からなる被削材に対して、例えば深さ１５〜２０μｍ、幅２００μｍ程度の微細加工溝を一度に効率よく切削加工できる。その結果、生産性は従来の約２０倍向上できる。また、超硬合金のボールエンドミルはダイヤモンドのエンドミルの約１０分の１の価格でよい。したがって、生産性と工具のコストの両面から従来の約２００分の１のコストダウンが期待できる。
【００２８】
また、スクエアエンドミル加工方法においては、ガラス基板に矩形断面のマイクロチャネルの加工を行う際に、スクエアエンドミルの一切れ刃の送りを４．８〜６ｎｍ／edgeとすることにより、脆性損傷のない極めて良好な加工面を得ることができる。
【００２９】
また、切削加工距離が長くなると、工具が摩耗するために切削加工面に及ぼす影響が大きくなるが、ｃＢＮ工具はガラスの溝加工において超硬合金工具より耐摩耗性に優れているので、ｃＢＮ工具を用いることにより安定した切削加工を長い距離に亘って行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１を参照するに、この実施の形態に係るボールエンドミル１の加工原理としては、ボールエンドミル１として切れ刃３が鈍角で、かつねじれ角を有している。そして、前記切れ刃３で加工溝５の仕上げ面を作っているところは、Ｘ軸、Ｙ軸の二次元的には、前述したように図１５の実線で示されている切削厚さの小さい切れ刃３の食いつき部分Ａと、矢印方向に送られて図１５の２点鎖線で示されている切れ刃３の離脱部分Ｂであり、それ以外は、以後の切削で切りくずとして除去される。したがって、被削材７としてのガラスのエンドミル加工では、適当な送り速度と回転数が設定され、仕上げ面を創成している切れ刃３の食いつき部分Ａと離脱部分Ｂの切削厚さがサブミクロンオーダとされることにより、ガラスを延性的に切削できることになる。換言すれば、エンドミルの切削の仕組みは、切れ刃３が仕上げ面を加工する際の材料を削る厚さがガラスの割れない１μｍ以下である。
【００３２】
この実施の形態のボールエンドミル１による加工では、上記の加工原理にＺ軸が加わって三次元的に拡張されたものである。つまり、ボールエンドミル１の切れ刃３はＺ軸方向に曲率半径Ｒを有しているので、ボールエンドミル１の切削速度は加工溝５の底部で小さく、切れ刃３の高さとともに大きくなる。ボールエンドミル１の底部は溝中心部の加工仕上げ面（単に仕上げ面、又は製品となる仕上げ面とも言う）を創成し、切れ刃３の高さが大きくなると共に溝側面から縁部の加工仕上げ面を創成する。したがって、適切な加工条件を設定することによってガラス質無機材料や硬脆性無機材料などの被削材７を延性的に切削できる。
【００３３】
しかし、従来のようにボールエンドミル１の回転軸９が被削材７の加工側表面１１に対してほぼ直交するように切込まれる場合は、回転軸９の中心の付近は切れ刃３の回転半径が小さいために切削速度も小さくなって切削加工性が低下するので、この実施の形態では、図１に示されているようにボールエンドミル１の回転軸９が被削材７の加工側表面１１に対して送り方向に傾斜角θを持って傾けることにより、加工溝５の底部でもある程度の切削速度を維持しながら加工するものである。傾斜角が９０°でも、すなわち、ボールエンドミル１の回転軸９が被削材７の加工側表面１１に対して垂直であっても、加工可能であるが、切削速度を確保するためには、傾斜角θを有していることが望ましい。
【００３４】
より詳しく説明すると、図１に示されているように上記の傾斜角θを有している場合では、ボールエンドミル１が実際に切削する切れ刃３の使用範囲Ｆは、ボールエンドミル１の曲率半径Ｒの中心Ｏを通過して被削材７の加工側表面１１とボールエンドミル１の送り方向とに直交する垂直面ＶＰから、送り方向側の被削材７の加工側表面１１までの範囲である。したがって、被削材７の加工側表面１１では切れ刃３の回転半径ｒ１による大きな切削速度を有し、加工溝５の底部では切れ刃３の回転半径ｒ２による切削速度が維持されることになる。なお、上記の傾斜角θを小さくするほど回転半径ｒ２による切削速度が大きくなる。
【００３５】
ボールエンドミル１を傾けたときの操作性は別にして、上記の傾斜角θをさらに小さくすると、図３に示されているように、ボールエンドミル１の切れ刃３の外周面を所定の切込み深さＣＤに位置させたときに、ボールエンドミル１の曲率半径Ｒの終端円周線ＥＬが被削材７の加工側表面１１と交差する位置まで傾斜したときの傾斜角度θ１とすることができる。この状態が、被削材７の加工側表面１１では切れ刃３の回転半径＝曲率半径Ｒによる最も大きな切削速度となり、且つ加工溝５の底部では切れ刃３の回転半径ｒ３による切削速度が最も大きくなる。
【００３６】
一方、傾斜角θを大きくすると、図４に示されているように被削材７の加工側表面１１では切れ刃３の回転半径ｒ４による切削速度が小さくなり、加工溝５の底部では切れ刃３の回転半径ｒ５による切削速度が小さくなる。
【００３７】
以上のことから、ボールエンドミル１の回転軸９の傾斜角θの適用範囲としては、上記の傾斜角θ１以上の角度で送り方向に傾斜していることである。例えば、図３において、ボールエンドミル１の曲率半径Ｒが２００μｍで、切込み深さＣＤが２０μｍであるとき、最小の傾斜角θ１は、cosθ１＝（２００−２０）／２００となり、傾斜角θ１＝約２６°となる。このときの傾斜角θの適用範囲は、２６°≦θ＜９０°となる。なお、最適な傾斜角θは、ボールエンドミル１の回転数、送り速度、切込み深さ、曲率半径Ｒ、操作性（加工効率）やその他の種々の加工条件との兼ね合いで設定されることになる。
【００３８】
また、水中ではガラスの機械的強度が低下するので、切削性の向上を図るためにガラスのボールエンドミル加工を水中で行うのが好ましい。
【００３９】
次に、上記の加工原理に基づいて行った加工特性試険について説明する。
【００４０】
超高速切削加工装置としてのマシニングセンタ１３は、図２に示されているようにスピンドルヘッド１５の下部にスピンドルアタッチメント１７が取り付けられ、このスピンドルアタッチメント１７に最高回転数８００００ｒｐｍのブラッシュレスモータスピンドル１９がスピンドルクランプ２１を介して任意に傾斜角θを設定可能に設けられている。
【００４１】
この試験では、超硬合金製のボールエンドミル１を使用した。
【００４２】
超硬ボールエンドミル１は前記スピンドル１９に装着され、Ｘ軸およびＹ軸方向の移動はマシニングセンタ１３のサーボ機構を用いて行われるので、スピンドル１９はＸ軸、Ｙ軸の二次元方向に対して任意に傾斜可能である。したがって、ボールエンドミル１が同様に任意に傾斜可能となる。
【００４３】
Ｚ軸方向の切込み設定には、分解能０．３μｍのステッピングモータ駆動によるステージ２３を使用した。すなわち、このステージ２３はサーボモータによりＸ軸、Ｙ軸方向へ移動可能であると共に前記スピンドルヘッド１５がＺ軸方向へ移動可能である。前記ステージ２３はマシニングセンタ１３のパレット２５上に設けられている。なお、被削材７としてのガラスは水中での切削加工が可能なように、ステージ２３上の水槽２７に保持されている。
【００４４】
超硬ボールエンドミル１は前記スピンドル１９に装着され、スピンドル１９をＸ軸、Ｙ軸方向に例えば傾斜角θを４５°として傾斜せしめ、例えば曲率半径Ｒが０．２ｍｍ、又は０．２５ｍｍの超硬ボールエンドミル１により切削加工試験を行なった。
【００４５】
まず、ボールエンドミル１の回転数８００００ｒｐｍ，送り速度１μｍ/secで溝加工した結果、加工溝５には切りくずの溶着物が多くなり、８００００ｒｐｍの回転数では切削温度が高いことがわかった。しかも、加工後のボールエンドミル１の工具損傷状態をみると、切れ刃３が過大に摩耗していた。したがって、回転数８００００ｒｐｍ，送り速度１μｍ/secの加工条件が適切でないことが判明した。
【００４６】
そこで、前記回転数を下げて、加工面性状を評価した結果、回転数２００００ｒｐｍにおける加工溝面が最も良好であった。さらに、この２００００ｒｐｍの回転数において、Ｚ軸方向の切込み深さを１８μｍとし、送り速度を変化させて、各送り速度が加工面に及ぼす影響を調べた。切込み１８μｍ，回転数２００００ｒｐｍでの各送り速度における加工面性状を比較した結果、加工溝５のエッジ部に脆性損傷が生じない最大の送り速度が、８μｍ/secであることが判明した。
【００４７】
したがって、少なくともこの実施の形態では、回転数２００００ｒｐｍにおいては、送り速度１〜８μｍ/secの範囲で良好な結果が得られている。
【００４８】
ＤＮＡマイクロアレイの解析精度を向上させるには、試験領域に付着させるｃＤＮＡやオリゴＤＮＡの量を一定にすることが不可欠である。このような要求から、Ｘ軸，Ｙ軸方向に一定間隔で、深さ１５〜２０μｍの加工溝５を切削加工し、一定の面積をもつマイクロアスペリティを作成した。
【００４９】
図５及び図６を参照するに、縦横１０個ずつ合計１００個のアスペリティを加工した例である。図５は、その一部を拡大したものであり、各アスペリティは良好な加工面が得られている。図６は図５のアスペリティにおける溝部のプロフィルであり、図６において下側に示された断面のように良好な仕上げ面が得られている。図５において縦列の加工溝５の切込み深さは２０μｍで、横列の加工溝５の切込み深さは１５μｍである。また、縦列の加工溝５の間の距離は３００μｍである。
【００５０】
以上のことから、ボールエンドミル１によるガラスの微細溝加工の加工原理の妥当性が明らかである。また、切削試験により、ボールエンドミル１の適正な回転数は２００００ｒｐｍ，工具送り速度は８μｍ/secであることを確認した。
【００５１】
また、マイクロアスペリティの製作の結果から、この実施の形態のボールエンドミル加工方法の実用性が明らかとなった。この例では、超硬合金のボールエンドミル１を利用して、ガラスに深さ１５〜２０μｍ、幅２００μｍ程度の微細加工溝５を一度に効率よく切削加工できたことから、生産性は従来の約２０倍向上できる。また超硬合金のボールエンドミル１ならダイヤモンドのエンドミルの約１０分の１の価格で済むことになる。したがって、生産性と工具のコストの両面から従来の約２００分の１のコストダウンが期待できる。
【００５２】
なお、上記の加工試験を行う過程で、ボールエンドミル１として曲率半径Ｒが２００μｍと２５０μｍのものをそれぞれ用いて行っており、実際にはその他の任意の曲率半径のボールエンドミル１を使用しても同様の作用効果が得られる。
【００５３】
次に、この発明の実施の形態に係るスクエアエンドミル加工方法について図面を参照して説明する。
【００５４】
図７および図８を参照するに、この実施の形態のスクエアエンドミル２９（以下、単に「工具」ともいう）は、図７に示されているように、切れ刃３１が矩形とねじれ角を有しており、その回転軸３３が被削材７の加工側表面１１に対してほぼ直交するように切込まれ、図８に示されているように矢印方向に移動される。つまり、スクエアエンドミル２９の加工工程は、被削材７であるガラスに対してスクエアエンドミル２９がチャネルの深さ方向に切り込む過程と、横方向に送る過程から構成される。なお、切削のメカニズムは図１５に示されているように前述したボールエンドミル加工とほぼ同様の食いつき部分Ａと離脱部分Ｂの関係で行われる。
【００５５】
このようなスクエアエンドミル加工においては、図７および図８に示されているように一切れ刃３１あたりの送りＦ（Feed/edge）が最大切削厚さになる。一方、ガラスは１μｍ以下の切削厚さになると金属と同様の切りくずが生成され、脆性き裂が発生せずに加工できる。
【００５６】
したがって、スクエアエンドミル加工では、一切れ刃３１あたりの送りＦを１μｍ以下にすることで、脆性損傷のない加工面が得られる。この実施の形態では、スクエアエンドミル２９の軸方向の切込み深さを数１０μｍとして溝５を加工しているが、回転数と送り速度を適切に設定して一切れ刃３１が除去する最大切削厚さをガラスの延性切削条件で加工することにより、脆性損傷のない加工面を得ている。ただし、スクエアエンドミル２９の切削過程の切れ刃３１の食いつき時と離脱時の応力状態の変化による脆性損傷を考慮し、一切れ刃３１あたりの送りＦを１μｍよりかなり小さくする必要がある。
【００５７】
そこで、スクエアエンドミル加工における一切れ刃３１あたりの適正な送り速度を得るために、種々の切削加工特性試験を行った。なお、超高速切削加工装置としては、図２に示されているマシニングセンタ１３が用いられている。
【００５８】
この切削加工特性試験では切削液が十分に供給されるように、被削材７が水槽２７内に保持されている。また、Ｘ，Ｙ軸の送りはマシニングセンタ１３のサーボ機構により駆動され、Ｚ軸方向の切込みは、分解能０．３μｍのステッピングモータにより駆動される。
【００５９】
この実施の形態では、φ０．３ｍｍのＴｉＡｌＮコートの２枚刃超硬スクエアエンドミル２９が用いられ、通常、スライドガラスとして使用されているクラウンガラスに矩形断面のマイクロチャネルの作成が試みられ、溝縁部の脆性損傷状態を観察した。 
図９を参照するに、工具送り速度が加工面に及ぼす影響を調べるために、工具の回転数を２００００ｒｐｍで一定にして、工具送り速度を０．０６〜０．３６ｍｍ／ｍｉｎに変化させて、各工具送り速度に対して、溝端部に発生した脆性損傷の総面積を比較した。その結果、送り速度の増加とともに溝縁部に観察される脆性損傷の大きさと数が増えており、０．３６ｍｍ／ｍｉｎではかなりの脆性損傷が確認されている。この場合、工具送り速度が０．２４ｍｍ／ｍｉｎ以下では切削加工面が良好である。
【００６０】
図１０を参照するに、工具の回転数が加工面に及ぼす影響を調べるために、工具送り速度を０．４８ｍｍ／ｍｉｎで一定にして、工具の回転数を３００００〜８００００ｒｐｍに変化させて、各工具の回転数に対して、溝端部に発生した脆性損傷の総面積を比較した。その結果、３００００ｒｐｍの低回転数では脆性損傷が生じているが、回転数の増加に伴って一切れ刃あたりの送り速度が小さくなるために、５００００ｒｐｍ以上の高回転数になると脆性損傷のない良好な加工面が得られている。
【００６１】
以上の両者の結果から、いずれも脆性損傷の有無に対しては、一切れ刃３１あたりの送りＦの影響が大きいものと考えられる。そこで、工具の回転数と送り速度を種々に変化せしめて適切な切削加工面が得られる一切れ刃３１あたりの送り速度を試験したところ、一切れ刃３１あたり４．８〜６ｎｍ／edgeの送り速度で脆性損傷のない加工が可能であることが明らかとなった。
【実施例】
【００６２】
現在、医学などの研究機関におけるガラス基板としては、パイレックス（登録商標）や石英ガラスの使用が一般的である。そこで、この実施の形態では、パイレックス（登録商標）のガラス基板に対してスクエアエンドミル２９により図１１（Ａ）〜（Ｄ）に示されているようにマイクロチャネルの加工を試みた。ただし、切削加工条件は、工具回転数が２００００ｒｐｍで、工具送り速度が０．１２ｍｍ／ｍｉｎで、水中で加工した。
【００６３】
図１１（Ａ）は、縦（図において上下方向）および横（図において左右方向）に深さ２０μｍの加工溝５のチャネルの４本を直交させて、３×３のマイクロアスペリティを加工した例である。
【００６４】
図１１（Ｂ）は、幅０．３ｍｍで、深さ０．１ｍｍの矩形断面を持つ深溝５のチャネルを加工した例である。ここでは２０μｍの軸方向の切込みを５回繰り返して０．１ｍｍの深さの加工溝５に加工している。
【００６５】
図１１（Ｃ）は、マイクロリアクターを想定したもので、深さ２０μｍの加工溝５でＹ字型のチャネルを加工したものであり、図１１（Ｄ）は、深さ３０μｍの加工溝５で渦巻状のチャネルを作成したものである。
【００６６】
上記の図１１（Ａ）〜（Ｄ）のいずれの場合も加工開始時点では脆性損傷はなく良好な加工面が得られているが、加工距離とともに加工溝５の幅および深さが小さくなっている。
【００６７】
例えば、図１１（Ｄ）のチャネルにおける加工開始点と終点の各断面をレーザ顕微鏡により測定した。図１２（Ａ）は加工開始点の断面を示し、図１２（Ｂ）は加工終点の断面形状を示し、同じ寸法で比較したものである。これらの図から分かるように、加工距離に伴って加工溝５の幅と深さが減少するとともに、溝底の中央部分が他の部分に比べて深くなっている。加工開始点では加工溝幅が約３７０μｍほどで、加工溝深さが約３２μｍほどであり、終点では加工溝幅が約２５０μｍほどで、加工溝深さが約２２〜２４μｍほどである。
【００６８】
この断面形状の変化は、スクエアエンドミル２９の側刃および底刃の摩耗に起因するものである。また、スクエアエンドミル２９の底刃の外周部は中心部より切削速度が高いため、摩耗の進行が外周部で早く、中心部で遅くなる。そのために、加工距離が長くなると、図１２（Ｂ）に示されているように相対的に底刃の中心部の切込みが他の部分より大きくなるのである。つまり、上記の実施例により、工具の摩耗による加工面に及ぼす影響が大きいことが明らかである。
【００６９】
そこで、適切な工具材質についても検討するために、この実施の形態では、超硬合金、ＴｉＡｌＮコートの超硬合金、ＤＬＣコートの超硬合金、ｃＢＮの４種類の工具材質からなるスクエアエンドミル２９を用いて切削加工試験を行い、上記の各工具の耐摩耗性について溝加工面を測定して比較した。なお、切削加工条件としては、工具送り速度が０．２４ｍｍ／ｍｉｎで、工具の回転数が２００００ｒｐｍで、軸方向の切込み深さが２０μｍであり、水中で切削加工を行った。
【００７０】
その結果、加工開始時と加工距離５０ｍｍの時点における溝５の形状を比較したところ、溝幅Ｗの変化は、図１３（Ａ）に示されているように、ｃＢＮ工具が最も少なく、ＤＬＣコートの超硬合金、超硬合金、ＴｉＡｌＮコートの超硬合金の順に溝幅変化量が大きくなっている。
【００７１】
また、スクエアエンドミル２９の底刃の半径９０μｍの位置における切れ刃３１の刃先後退量（Edge lost）は、図１３（Ｂ）に示されているように、ｃＢＮ工具が７．３２μｍと最も少なく、次いで、ＤＬＣコートの超硬合金が１０．７３μｍで、ＴｉＡｌＮコートの超硬合金が１６．３１μｍで、超硬合金が２６．０８μｍで、順に大きくなっている。
【００７２】
以上のように、加工距離に伴って生じる加工溝幅Ｗの変化と刃先後退量（Edge lost）から、比較した４種類の工具材質の中では、ｃＢＮ工具が耐摩耗性に優れていることが分かった。
【００７３】
以上説明したように、スクエアエンドミル加工においては、ガラス基板に矩形断面のマイクロチャネルの加工を行う際に、スクエアエンドミル２９の一切れ刃３１あたりの送りＦを４．８〜６ｎｍ／edgeとすることにより、脆性損傷のない極めて良好な加工面が得られる。また、切削加工距離が長くなると、工具の摩耗による加工面に及ぼす影響が大きくなるが、ガラスの溝加工において、ｃＢＮ工具は超硬合金工具より耐摩耗性に優れている。
【００７４】
なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
プレパラートの大きさに集積した化学分析装置「マイクロＴＡＳ」の安価で効率のよい試作や、微細なパターンのガラス製「型材」作りなどの試作や実用化など、さまざまな応用を期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】この発明の実施の形態のボールエンドミル加工原理の概略的な説明図である。
【図２】この発明の実施の形態で用いられる超高速切削加工装置としてのマシニングセンタの部分的な斜視図である。
【図３】ボールエンドミル加工原理の概略的な説明図である。
【図４】ボールエンドミル加工原理の概略的な説明図である。
【図５】この発明の実施の形態のボールエンドミル加工方法で制作したアスペリティの加工例で、その一部の拡大平面図である。
【図６】図５のアスペリティの溝部のプロフィルを示す斜視図である。
【図７】この発明の実施の形態のスクエアエンドミル加工の概略的な説明図である。
【図８】図７の平面図である。
【図９】スクエアエンドミル加工の工具回転数２００００ｒｐｍのときの工具送り速度に対する脆性損傷の総面積を示すグラフである。
【図１０】スクエアエンドミル加工の工具送り速度０．４８ｍｍ／ｍｉｎのときの工具回転数に対する脆性損傷の総面積を示すグラフである。
【図１１】スクエアエンドミル加工方法で制作したアスペリティの加工例で、（Ａ），（Ｃ），（Ｄ）は平面図で、（Ｂ）は断面図である。
【図１２】図１１（Ｄ）のチャネルの断面図であり、（Ａ）は加工開始点、（Ｂ）は終点の断面図である。
【図１３】（Ａ）は加工開始点と加工距離５０ｍｍの溝形状の平面図で、（Ｂ）は各種工具における刃先後退量を示すグラフである。
【図１４】従来のボールエンドミル加工原理の概略的な説明図である。
【図１５】図１４の平面図である。
【図１６】従来のスクエアエンドミル加工の概略的な説明図である。
【符号の説明】
【００７７】
１  ボールエンドミル
３  切れ刃
５  加工溝
７  被削材
９  回転軸
１１  加工側表面
１３  マシニングセンタ
１５  スピンドルヘッド
１７  スピンドルアタッチメント
１９  スピンドル
２１  スピンドルクランプ
２３  ステージ
２５  パレット
２７  水槽
２９  スクエアエンドミル
３１  切れ刃
３３  回転軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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