フェムト秒レーザを用いた多結晶 CVD ダイヤモンド・コーティング
工具の高機能刃先創製
名古屋工業大学

電気・機械工学科 機械工学分野
助教 劉 暁旭（2019 年度 奨励研究助成（若手研究者枠）AF-2019232-C2）
キーワード：フェムト秒レーザ，CVD ダイヤモンド・コーティング工具ベンディング，刃先創製

１．研究の目的と背景工法としてフェムト秒レーザが有望である．さらに，低フCVD ダイヤモンドは，高硬度，ヤング率，良い熱伝導

ルエンス fs レーザ照射により多結晶 CVD ダイヤモンドに性などの優れた特性を有するため，製造業で注目を浴びておける結晶性向上が誘起されるという新しい現象が報告いる１）．特に，安価，等方性かつ良好な加工性であるため，されている 7）．この構造改質の効果は，シリコン，DLC，工具のコーティング材として切削分野への適用が進めら

さらにはグラファイトさえも他の材料についても発見されている．高性能な CVD ダイヤモンド・コーティング工れた．具体的なメカニズムは未だ解明されていないが，こ具（下記 CVDD 工具）を用いて高精度高能率低コストのれは fs レーザによる PLG 加工の新しいアベニューを開いミクロ加工，例えば，CVDD 工具による超硬金型の直彫ており，CVD ダイヤモンドがかなりの量の欠陥と非晶質りなど，実現することが期待できる．しかし，CVDD 工炭素を含んでいるので，より高精度で熱衝撃の少ない，あ具では，切削加工によって直接刻んだ超硬合金ダイスなど

るいはダイヤモンドにポジティブな微細構造変化を得るの高精度，低コスト，研削の微細加工を実現できた．しか刃先創製手法が期待できる．

し，成膜時に生じる刃先丸味が工具切れ味の低下を引き起本研究では，fs レーザを用いた CVD ダイヤモンド被覆こすという課題がある．切れ味の低下は，切削抵抗の増加，工具の工具刃先形成と構造改質を同時に行うことを目的

摩耗の増大，被膜の剥離を生じさせる．また，CVD ダイとした．まず，赤外線（IR）範囲の fs レーザを用いて，ヤモンドにはアモルファスカーボン分率が高く，大きな粒CVD ダイヤモンド被覆工具上で PLG 加工を行い，ns レ径は，高い表面粗さをもたらす．これにより，刃先丸味をーザ PLG の比較を行った．次に，紫外（UV）fs レーザ除去する鋭利な刃先を成形する加工技術が求められてい

PLG を行い，適切な加工条件を調べた．最後に，工具刃る．

先形成と表面微細構造変化の観点から，3 種類のレーザをCVDD 工具の刃先成形としては，一般的な手法は研削用いた加工工具刃先を比較した．

加工である．しかし，ダイヤモンドの極高硬度により，生産性と制御性は難しくなる．それに対して，短パルスレー

２．研究方法

ザ加工は，材料硬さの制約を受けにくく，非接触な加工がFig.1（a）に示すように，超硬合金にコーティングされ可能であり，硬脆材料である CVD ダイヤモンドであってた約 20μm 厚の多結晶 CVD ダイヤモンドを用いた市販ダも鋭利な刃先が成形できるという利点がある 2)．Everson

イヤモンド切削インサートを使用した．走査型電子顕微鏡

らは，PCD ツールの製造の高い除去率を実現するために（SEM）による as-received したダイヤモンド工具の形態

ns レーザ処理を使用したが，表面の明らかに熱影響ゾーから，Fig.1（b）に示すように，刃先の丸みがかなり大き3)4,5)い．また，球晶のような表面形態は高い表面粗さをもたらについては，ナノ秒（ns）レーザを使用して，ダイヤモンし，ダイヤモンドには多くのアモルファス成分な炭素があドに大量のエネルギーを供給して表面をグラファイト化ることを示している．

ンはさらなる処理を必要とする ．いくつかの他の研究し，研磨を仕上げ加工プロセスとして行った．しかし，これらの方法は高コスト，低効率，高精度切削に必要な十分(a)(b)

シャープな刃先にならない．ここで，本研究室では短パルスレーザを用いて革新的なレーザ加工手法である PLG·(pulsed laser grinding)という研削方法を開発された．工具エッジを斜めに照射することにより，砥石車のように小さな加工角度で繰り返し走査することにより，鋭い刃先をPLG processed area

高効率かつ正確に生成することができる．ns レーザによる PLG の現在の問題点は，比較的滑らかな加工面を得ることができたが，ダイヤモンドの品質が影響を受け，縦筋が著しく出ている 6)．この熱影響を抑制するために，冷加Fig. 1. (a) polycrystalline CVD diamond coated inserts (b)SEM images the tool edge

本研究では，CVDD 工具の刃先部分をパルスレーザ研そして，さらに PLG 加工の精度をより向上させるため削で加工した．PLG 加工の概略を Fig.2 に示す．まずは，に，他の波長は UV の fs レーザ加工機も用いて，刃先成

パルスレーザ光は，円筒状および縦方向のレーザ加工領域形とダイヤモンド構造改質を同時に実現できる条件を調（赤色で描かれた）を形成するために，長焦点レンズで集査した．レーザ加工条件は Table 2 に示す．十分なレーザ光される．そして，研削加工において砥石走査のように，フルエンスを確保するため，対物レンズで集光してスポッ

集光ビームは小さな加工角度θで照射して工具刃先とほト径が 2 μm であった．PLG 加工を行った後，SEM を用ぼ平行に走査を繰り返す．特定のスキャン数後，工具は水いて加工刃先成形を評価した．ダイヤモンドの微細構造変平方向にレーザービームに向かって送りされ，スキャンの化表面を同定するためにラマン分光を用いた．Fig.3 に示新しいパースを開始する．そうすることで，Fig.2 の右側すように，PLG 処理面の加工 chamfer 角度θ’及び粗さのように刃先付近に薄いブルーの部分が除去され，刃先をRz をレーザ顕微鏡で測定した．

シャープになった．
processing angle

laser beamprocessed angle

as-deposited
diamond

PLG processedsurface

θ

tool

focal
point

removalpart
scan

20 μmfeed

Fig. 3. Definition of processed angle θ’ and the measurement
by laser microscope

Fig. 2. Schematic of PLG processing at a small processing
angle θ３．研究成果
3・1

IR fs レーザ PLG による刃先成形

本研究ではまず，改質されたダイヤモンドの結晶性のTable1 に記載された条件下での PLG 加工を行った．

以前の報告による波長 1045 nm の同じ fs レーザを用いてFig.4 は被加工端面（像の上側）の光学顕微鏡画像を示す．

PLG 加工を行った．レーザのスポット径が約 50 μm の長蒸着したコーティングよりも ns レーザの表面が非常に明焦点距離レンズ（焦点距離 100 mm）で集光され，加工角るい処理された表面に比べて fs レーザの方が暗くなった．

が変化し，それぞれ高いフルエンス及び低フルエンスを示

ns 及び fs レーザを用いた加工面の特徴は，レーザ研削処

す 2 つの異なる条件が行った．比較のために，最適である

理後の条件（a），（b）ともに平滑になってきた．レーザと確認された条件下で Nd:YAG ns レーザを用いた PLG

顕微鏡を用いて，加工面の粗さ Rz と加工された面取り角加工も行った．具体的な PLG 加工条件は Table1 に示し

度θ’を測定し，Fig.5 及び Table3 に示す．

た．
Table. 1 Laser parameters of PLG with ns laser and IR fs laser
Condition No.
Pulse width
Wavelength
Repetition rate
Scanning speed
Power
Processing
angle θa7 ns355 nm
15 kHz30 mm/s3W

b4.5 °

20 °c
700 fs1045 nm
100 kHz
60 mm/s
3W
10 °Table. 2 Laser parameters of PLG with UV fs laser
Condition No.
Pulse width, fs
Wavelength, nm
Repetition rate,kHzScanning speed,
mm/s

151015101010Power, mW

12525037520030035023456250257
Table. 3 Processed angle θ’ of PLG with ns laser and IR fs laser

50Condition No.
Processed angle θ’, °a
1.5

b
10.2

c1.2

レーザを使用した場合，ダイヤモンド品質の尺度として一Roughness Rz, μm0.450.4

般的に使用されているダイヤモンドピークの FWHM を0.35拡大し，G ピークの少し増加も観測できた．fs レーザを0.320°で加工した（b）については，未加工とほとんどスペ0.25クトルが変わらなく，これは fs レーザ PLG はネガティブ0.2の構造変化を抑制することができたと考える．この理由は0.15fs レーザが光励起電子と格子イオンの間の熱エネルギー0.1交換よりもはるかに速いので，熱的な影響は少なくなった．

0.05

また，低フルエンス fs レーザ（緑色線）の刃先（c）は 13300a) ns-laserb) fs-laser-20° c) fs-laser-10° as-deposited

Fig. 5. Roughness Rz of PLG-processed tool edge surfaces
with ns laser, IR fs laser with different processing angle θcm−1 でダイヤモンドピークが著しく増強し，また，CVDダイヤモンドの結晶性が向上していることを示唆される．
この効果は刃先形成に非常に有利であるが，完全に加工されなかった粗面は工具成形を実現するためにフルエンス

ns レーザと fs レーザで加工した表面では，両者の粗さが不十分であることを示唆している．高フルエンス（条件は未加工面の場合と比較して大幅に減少したが，ns レー式（b））の fs レーザは工具成形を達成することができる

ザは優れた縦筋がでていたが，比較的滑らかな工具刃先成が，粗さと高いシャファー角度はこの IR fs レーザの PLG面を示した．条件（c）での粗さは未加工面よりも高くなへの適用を制限した．これは fs レーザの波長が赤外領域

り，加工角 10°の条件下では，レーザエネルギーは CVDであるため，加工レートが低いためであろうと考える．

ダイヤモンド材料を除去するには不十分であり，部分的除3・2

UV fs レーザ PLG による刃先成形去により表面粗さを悪化させた可能性があることを示しより低表面粗さの加工面を達成できるため，Table2 にた．加工した面取り角θ’を考慮すると，ns レーザ PLG

示すように波長 257 nm の fs レーザを用いて PLG を行っは 4.5°加工角で 1.5°のシャファー角度を得ることがでた．まず，1〜3 条件でレーザフルエンスを固定し，走査き，fs レーザは 20°加工角で 10°のシャファー角を生成速度と加工パワーの組合せを変えた．Fig.7 は光学顕微鏡できた．これは 10°は IR fs レーザに対してやや加工閾値の写真であり，未加工面の凹凸よりもはるかに滑らかにな付近となり，ちょうど条件（c）ダイヤモンドが加工不十っていき，ns レーザ加工面の典型的な縦筋は現れない．3分の理由を説明した．この結果から，CVD ダイヤモンド

つの条件の比較により，パルスエネルギーの増加に伴い，のアブレーションには，IR fs レーザのしきい値は ns レー処理した表面は暗くなり，縦の幅は大きくなったが，レーザよりもはるかに高いことが示唆された．

ザの有効エネルギー数を減少させることにより総エネルギーを一致にした．対応する粗さ Rz と加工面取り角度θ’を Fig.8 に示す．チャンファ角θ’はレーザパワーと共にNormalized Intensity

as-deposited
ns-laserfs-laser 10°
fs-laser 20°

増加したが，条件 2 は最低表面粗さを示した．これは PLG加工におけるパルス間隔の影響に関する以前の報告と一致した．Fig.9 は，条件 1 および条件 2 の SEM 画像を示
し，パルス間隔は 0.1，0.2μm である．低いパルス間隔を持つ条件は明らかにより付着したデブリを示し，おそらく連続的で集中的な照射により，高温プラズマによる熱が不十分な散逸をもたらす．表面粗さに基づいて次のステップ

1000

1200

1400160018002000でパルス間隔 0.2μm の条件を採用した．

Raman Shift [cm-1]

Fig. 6. Raman spectra of PLG-processed CVD diamondsurfaces with ns laser and IR fs laser

1)

50 μm2)50 μm3)50 μm

PLG 工具刃先成形の評価基準としてマイクロ構造変化も注目され，PLG 加工された CVD ダイヤモンドのラマン
スペクトルを規格化し，Fig.6 に示す．ブラックラインで示された未加工面のスペクトルでは，1333 cm−1（ダイヤモンドのラマン線）中心の鋭いピークと，1350 と 1550
cm−1 の広い D と G バンドに対する大きな特徴（アモルファス成分）が観測された．PLG 処理後，ラマンスペクトル間のいくつかの小さな変化は，ダイヤモンド微細構造に対する PLG 加工の効果を明らかにすることができた．nsFig. 7. Optical microscope images of PLG-processedsurfaces with UV fs laser under condition 13: 1) 125 mW, 5mm/s; 2) 250 mW, 10 mm/s and 3) 375 mW, 15 mm/s

0.4た．パワー350 mW で加工された表面に対して縦加工マー2.5クが存在することが分かった．高いパルスエネルギーによRoughness Rz, μm20.3
0.25

1.50.210.15
0.10.5processed angle θ', °0.35

0.0500① 125 mW5 mm/s

② 250 mW
10 mm/s③ 375 mW
15 mm/s

as-deposited

り，パルスごとに作った細長いクレーターは加工面より深く修正不可な溝になったと考える．それに対して，300mW の条件で加工した表面は良好な低粗さを示す．一方，加工角度θ’が 2.7°であることは刃先形成にとしては有利であるので，現段階では最適な PLG 処理条件は，300 mWのパワーと 10 mm/s の走査速度であると考えられる．このようにして，この PLG 処理により，すくい面と逃げ面の双方で PLG 行うことで，エッジの創製を行った．

Fig. 8. Roughness Rz of PLG-processed surfaces with UV
fs laser under different conditions
30.52)

debrisRoughness Rz, μm1)20.3

1.50.210.1

0.500④200 mW

Fig. 9. SEM images of PLG-processed tool edges with UV fslaser under different conditions: 1) 125 mW, 5mm/s and 2)
250 mW, 10 mm/s

Fig. 11.

processed angle θ', °2.50.4②
250 mW⑤300 mW⑥as-deposited
350 mW

Roughness Rz of PLG-processed surfaces withUV fs laser under different laser powers2)

1)Fig. 12. SEM images of PLG-processed tool edges with UV
fs laser under different powers: 1) 300·mW and 2) 350 mW

3・3

ns レーザと fs レーザ PLG 加工による刃先創製手法の比較
上述した ns レーザ（条件 a）及び IR−fs レーザ（条件b）及び UV−fs レーザ（条件 5）を用いて，工具刃先すくい面及び逃げ面における PLG 処理を行った．ここで，工具刃先の創製を工具刃先形成とダイヤモンドの微細構造変化から評価した．まず，SEM を用いて Fig.13 に示すよ
次に，走査速度（走査間隔）で 2，4〜6 の条件でレーザうに加工した工具刃先を観察した．すべての PLG 加工条パワーの影響を調べた．Fig.10 に光学顕微鏡画像を示す.

件では，Fig.1（b）の未加工の CVD ダイヤモンドと比較

200 mW のパワーでは，PLG 加工後の工具刃先はほとんして PLG により球状粒子による粗面が大幅に平滑化されど変化しなかった．300 mW の加工面は（条件 5）最もた．三つの加工表面は明らかに異なった特徴を示した．

滑らかであるが，未加工面と比べると変色した．粗さ Rz

ns レーザ加工面では，比較的粗さが悪いが，縦筋は顕著（Fig.11）の結果は，200 mW 及び 350 mW の条件で，であり，高精度加工の達成を妨げる．さらなる拡大画像は，高い粗さを有する表面を示す．250 mW 以下の加工面に比このマシニングマークが工具エッジラインまで伸びるこべ，300 mW まで増加すると表面粗さが減少する．しかし，とを示す．それは切断の時に仕上げに移され，面精度に影さらにパワーが 350 mW になると，表面粗さは悪くなり，響を及ぼすと考える．一方，IR fs レーザ加工面は少し彎

加工角θ’は変化しない．表面形態がどのように変化する

曲し，再付着したデブリが超音波アセトン浴でも除去できかを調べるために，SEM により（Fig.12）工具を観察しない．上記 2 つと比較し，UV fs レーザで加工した刃先は

IR fs-laser

UV ns-laser
×1000

rake face×1000

rake facerake faceflank faceflank face
10 μm

5kV×5000

rake face

UV fs-laser

×5000

rake face

2 μm×5000

rake faceflank face
2 μm

5kV

10 μm

5kV

flank faceflank face
5kV

flank face
10 μm

5kV

5kV

2 μm

Fig. 13. SEM images of tool edge formation by PLG processing with UV ns laser, IR fs laser and UV fs laser

ほとんどマーキングマークがなく，またデブリも見られな以上のことから，UV fs レーザを用いた PLG 加工は，表い．工具端線の真直度については，一般に 2 種類の fs レ

面粗さが約 0.08μm に低下し，刃先真円度が 0 . 5μm 前後ーザで加工した工具稜線は ns レーザに比べて優れている．のより良い刃先形成を達成するだけでなく，CVD ダイヤ最後に，機械加工の最も重要な因子の一つである工具エッモンドの結晶性を向上させることができた．これにより，ジの鋭さを，SEM 反射電子像のグレイ値から曲率半径はシャープかつハードな CVDD 工具の同時実行が可能にな約 0.5μm で表現した．刃先の丸みは 20μm の元の値からった．メカニズムは完全には明らかではないが，より多く大幅に減少したので，この PLG 加工された工具により高の相転移をもつ吸着された光子は結晶性改善をもたらし精度の微細加工が期待できた．

た．さらに，光誘起相転移の程度である構造変化効果は，さらに，Fig.14 に示すラマンスペクトルを測定した．全適切に選択されたレーザ条件によって，ダイヤモンドの微体的には未加工面のと同じく示す．その中で，FWHM が細構造が制御されることが予想される．これは PLG 加工

17 cm から 10 cm−1 に減少すると，ダイヤモンドピーク表面の微細構造変化に及ぼすレーザパラメータの影響を強度の著しい増加が観測され，fs レーザ照射によるダイヤ明らかにする次のステップ研究につながる．

モンド結晶性の改善効果が示唆された．これは，初期加工角度がアブレーション加工を確保するのに十分であり，４．結び

PLG が進むにつれて加工角が小さくなり，閾値よりもフ本研究では，CVD ダイヤモンド被覆工具刃先に，IR とルエンスが低い時加工が停止する．このとき，低フルエン

UV の 2 つの fs レーザを用いた PLG 加工をそれぞれ行っ

スによる繰り返し走査照射の効果は，前研究での，fs レーた．結果を以下にまとめる．

ザ特有の光誘起相転移過程は，ダイヤモンドの結晶性の改1）IR‐fs レーザ PLG は ns レーザ p により加工表面に示善を特徴づけることができた．

したダイヤモンド微細構造への熱損傷を抑制することができた．しかし，加工したダイヤモンド表面粗さ Rz

as-deposited

0.21μm は，Rz 0.11μm である ns レーザより高い．

UV fs-laser condition 5

Normalized Intensity2）UV−fs レーザ PLG では，中間的なパルス間隔とパルスエネルギー（50 kHz の繰り返し率，300 mW のパワー，10 mm／s の走査速度）の条件が最適である．粗さ Rz が約 0 . 08μm の滑らかなエッジ表面を加工できる．また，
20 fs の IR−fs PLG の加工角度 θ’に比べて，2.7°の極めて小さなチャンファ角度が達成できた．
3）ラマン分光の結果は，UV fs レーザ PLG 処理後に多結晶 CVD ダイヤモンドの結晶性を改善し，刃先成形と構造
1000

1200

1400

1600

1800

2000

Raman Shift [cm-1]

Fig. 14. Raman spectra of PLG-processed CVD diamondsurfaces with UV fs laser under condition No.5

改質を同時に実現できることを示した．

謝 辞

polycrystalline diamond tools by combining laser

本研究の実施にあたり公益財団法人天田財団より奨励

ablation with grinding,” Prod. Eng., Vol. 7(4), pp.

研究助成（若手研究者枠）（AF-2019232-C2）を賜りました．

361-371, 2013.
5） Y. Yang, G. Zhao, M. Hu, L. Li, N. He and M.

ここに深甚なる謝意を表します．

Jamil,“FabricationCVD

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