国立研究開発法人理化学研究所 開拓研究本部大森素形材工学研究室専任研究員　片平　和俊(2018年度一般研究開発助成 AF-2018214-B3)キーワード:フェムト秒レーザ,ナノ多結晶ダイヤモンド工具,サファイア
1.研究の目的と背景
直径数100メートルの巨大な高周波加速器の限界を打ち破る新しい粒子加速として,レーザとプラズマの相互作用を利用したレーザプラズマ加速が1979年に提案された.当時は，この提案を実現するような強力なレーザが存在せず，現実的な粒子加速法とは考えられていなかった．しかし,テラワット級の高出力フェムト秒レーザ技術の急速な進展によって実験室規模の強力なレーザが手に入るようになり，2000年代に入ってから急速に研究が進展した1 〉.レーザプラズマを閉じ込めて粒子加速させる小型の装置も開発されているが，キーパーツとなるレーザガイド（サファイア製キャピラリ)をいかに精度よく加工できるかがカギとなっている.上記，サファイア製キャピラリに限らず，同素材の産業ニーズは益々広がっている．例えば，サファイア製のマイクロリアクターが，医療診断向けの小型・高速反応の次世代型デバイスとして期待されている.マイクロリアクターとは,数cm角の透明材質基板上に幅•深さ数十～数百μmの流路を形成し，化学・生化学のプロセスを集積化したものである．その素材としては，サファイアのように，ほとんどの溶媒・溶質に対して安定という特性が必須となる.これら多岐に渡るニーズに応えるために,サファイアの三次元複雑形状および高品位な表面性状を得るための超精密加工技術の開発が求められている.通常，サファイアの形状創製には，ダイヤモンド砥石による研削加工が適用される．しかしながら，サプミクロンの形状精度とナノメータレベルの表面粗さを得るためには，高剛性かつ微細砥粒（平均粒径5 μm以下）の砥石を用いる必要があるが,砥石の小径化およびツルーイング精度に限界がある．また，単結晶ダイヤモンドバイトを用いてセラミックス等を旋削加工した報告もあるが、加工対象が非軸対象形状あるいは微細流路のような三次元複雑形状は難しい.くわえて，単結晶ダイヤモンドではへき開性があるため耐欠損性に劣るという問題を避けられない.これらの問題により，現状では，サファイアに対して，溝幅が数百μm，溝底面の平均表面粗さ数nm以下という微細複雑形状を高精度に効率良く加工する手法は未だ確立されていない.一方，ここ数年，我が国の素材メーカにて新たに開発されたナノ多結晶ダイヤモンド(Nano - Polycrystalline Diamond :以下NPD）が脚光を集めている2』.  NPDとは,グラファイト（黒鉛）などの非ダイヤモンド炭素に，十数GPa,二千数百℃以上の超々高圧高温を与えることで,ダイヤモンドに直接変換した素材である．NPDは，へき開性や硬度の異方性がなく，化学的にも安定であり，単結晶ダイヤモンドを凌駕する硬度や諸特性を有することから,硬脆材料に対する高効率切削工具として期待されている.しかしながら，NPD素材自体が硬すぎるために従来の研究磨仕上げが困難であること,導電性を有さないために放電加工が適用できないこと，などの問題のために，微細かつ形状自由度の高い工具を効率よく作製することは難しいと言われてきた.本研究では，まず，ナノ多結晶ダイヤモンドに対し，フェムト秒レーザを搭載したダイヤモンド工具成形専用装置を駆使することで，同素材の高品位・高効率工具成形技術を確立する。つぎに，単結晶サファイアに対し微細かつ高品位加工を達成するための基本条件を検証するため,多結晶ダイヤモンド(Polycrystalline Diamond：以下PCD)工具を用いて，微細溝加工特性を評価した.
2．フェムト秒レーザによるNPD工具成形
2.1レーザ加工条件
NPD工具の成形に使用したフェムト秒パルスレーザ加工機の外観を図1に示す. 3軸制御フェムト秒バルスレーザ加工機は，ウェハ割断や表面改質，レーザクリーニングの分野などで一般的に使用されるが,マイクロエンドミルを高精度に成形するために必要な仕様を有する５軸制御フェムト秒パルスレーザ加工機は現状では市販されていない．そこで本研究では，精密形彫放電加工機（ソディック, AP3L）をメインフレームとして用い，本装置に後述するフェムト秒バルスレーザを搭載することとした.本装置はリニアモータ駆動X-Y-Zの３軸（最小位置決め分解能0.1 μm）と、B-Cの回転軸の5軸から構成されている. NPDの成形に使用したフェムト秒パルスレーザの仕様を表1に示す.パルス幅が350 fsのフェムト秒バルスファイバレーザ（IMRA America, DE1050）を使用した.レーザ照射位置は，ガルバノスキャナを用いることでX-Y平面内を数 m/sの高速で走査することができる.

2. 1  NPD工具のレーザ加工プロセスおよび加工結果
加工対象の工具形状は，半径0.5 mmの一枚刃ボールエンドミルとした.実施した工具成形の各工程を図2に示す.工程(1)では，円筒形状のNPDプランク材に対し，レーザ光焦点位置をX-Y平面で矩形状に走査させ，垂直方向へ下降させながらレーザ照射することで,円筒部の半分を除去した．工程(2)にて，半円筒の外周部の接線方向にレーザ光を照射し,工具軸方向に往復走査させつつC軸を連続回転させ，旋削的に加工することで，円筒の外径を設定値である直径1 mmに仕上げた．工程(3)にて，レーザ光を1/4円弧状のパスにて往復走査させながらC軸を連続回転させることで四半球形状を成形した．工程(4)にて，工具の切刃エッジとして使用しない片方刃を往復走査で除去した．工程(5)では，レーザを往復走査させつつ，所望の逃げ角（第1逃げ角8°，第2逃げ角20°）に従って逃げ面を成形した．工程(6)では，工具をチャンファ角の設定値45°に傾斜させ,切刃エッジ部全周にチャンファを形成するため,Ｂ軸とＣ軸を同時に回転させつつ,XYZ軸を移動させ,レーザ照射角度が工具エッジに対して常に45°を保つように5軸同時制御加工を行い，チャンファ面を成形した.チャンファ工程は，他の工程と異なり，機械軸移動による加工が主体となるため,レーザ走査速度が最大で100 mm/min程度になる．これは，ガルバノスキャナを用いた場合のレーザ走査速度400 mm/sと比較すると単位時間あたりのエネルギ照射量が240倍となることを意味する.この過大なエネルギ照射がもたらす熱影響による加工面品位の悪化や表面層のグラファイト化を避けるため，図3に模式的に示すように,レーザ光をトロコイダル状に高速走査させながら断続的に加工を行った．工程(1)から(6)まで,工具を加工機上から取り外すことなくワンチャックで最終形状まで成形している。成形前後のNPD工具の様子を図4に示す.総加工時間は1時間以内に抑えることができた．今後は加工条件の最適化を進めることにより，更なる高効率成形の達成を狙う.成形した工具のすくい面からチャンファ部,逃げ面に至る部分のエッジ部プロファイルを測定した結果を図５に示す．加工特性に大きな影響を及ぼすと考えられる第 1逃げ面の角度は，目標値8°に対し，実測値8.6°であった．市販工具の角度誤差が±0.5°であることを考慮すると，概ね許容範囲内であるといえる.軸の送り軸および２軸の回転軸で構成された超精密加工機（Ultra NANO 100, ソディック）を使用した．加工した溝の粗さ測定には，白色光干渉顕微鏡（AMETEK）を使用した．工具観察には走査電子顕微鏡(日本電子)を用い、加工した溝の形状測定および工具刃部の表面性状測定には非接触表面性状測定装置PF-60(三鷹光器)を使用した.

3. PCD工具によるサファイアの微細溝加工
硬脆材料に対しPCD工具を用いて加工する際は，先端をツルーイング(研磨)している工具を用いる方が高品位な加工面を得られるという報告がある3 .しかし，研磨の有無により工具刃部の表面性状が異なる工具を用い,サファイアのような硬脆材料を加工する研究はなされていない.さらにサファイアに対し微細形状加工を試みる際には,脆性破壊による材料除去,切削力による工具のたわみや破損,工具摩耗による仕上げ面精度など多くの課題を有している．本研究では，研磨の有無により工具刃部の表面性状が異なるPCDラジアスエンドミルを用い，単結晶サファイアの微細溝加工特性を評価した．実験では，工具の輪郭形状を転写する単純な溝加工を行い,加工後の表面性状を評価し，適切な加工方法を比較検討した.
3.1実験方法
使用した工具は，直径0.3 mm，コーナR0.05 mmの研磨の有無により工具刃部の表面性状が異なるPCDラジアスエンドミル（日進工具）である．研磨有無のPCD工具をそれぞれ研磨済工具，未研磨工具と称する．両者の外観および表面プロファイル測定結果を図6に示す.工具表面のツルーイングの有無によりダイヤモンド砥粒の突き出し高さが異なることが確認できる.両者の外観および表面プロファイル測定結果を図6に示す．表2にPCD工具の研磨有無による溝加工実験の加工条件を示す.加工装置は,エアターピンスピンドル主軸，リニアモータ駆動による3
3. 2実験結果および考察
図7に加工面観察結果および表面粗さ測定値を示す.同図より，(a)の未研磨工具の加工面には，微細な凹凸や割れなどを表す斑点状の切削痕は確認されない.算術平均粗さが8.9 nm Saとなり高品位な加工が達成できているといえる．(b)の研磨済工具の加工面には，全体的に凹凸や割れなどを表す斑点状の切削痕が目立ち,脆性破壊を主体とする加工になっていることが確認できる．また，算術平均粗さが36.7 nm Saとなっており，(a)と比べて粗いこともわかる．さらに，双方の切削抵抗値では，未研磨工具より研磨済工具の方が高いことから,切削抵抗が低いと延性モードでの加工になり，切削抵抗が高いと脆性破壊を主体とする脆性モードでの加工になることが確認できる.図8に切削溝断面形状を示す。同図より，(a)の未研磨工具での平均切削深さは12.2 μm, (b)の研磨済工具での平均切削深さは1.6 μmとの結果が得られた．研磨済工具より未研磨工具の方が概ね設定値通りの深さで加工されたことが確認できた.図7  加工面観察結果および加工時切削抵抗値研磨済工具より未研磨工具を用いた方が高品位な加工となっている理由としては,切削抵抗が低かったことにより加工面の表面粗さが良くなったためであると考察できる。また，先行研究では，超硬合金を加工する際に PCD工具表面を研磨することで,ダイヤモンド表面が平坦に仕上げられているため,砥粒境界箇所が微細な切れ刃となり延性モードでスクラッチのない鏡面加工が達成できるという報告がある3 .しかし，本研究で研磨済工具より未研磨工具の方が,加工面性状や切削深さで良い結果を得られたことにおいては、サファイアほどの硬質材料を加工する場合，上記の加工メカニズムが機能しなかったために，研究磨済工具では高品位な加工面および設定値通りの加工深さが達成できなかったものと推察される．よって，本実験条件下においては,単結晶サファイアに対して微細溝加工を行うには表面を研磨しておらず砥粒の突き出しを確保している未研磨工具が有効であると考えられる.
4.まとめ
ナノ多結晶ダイヤモンドに対し,フェムト秒レーザを搭載したダイヤモンド工具成形専用装置を駆使することで,同素材の高品位・高効率工具成形技術を確立し得た．さらに,単結晶サファイアに対し微細かつ高品位加工を達成するための基本条件を検証するため，PCD工具を用いて，微細溝加工特性を評価した．本研究により，サファイア製キャピラリ等の微細加工を達成するための工具製作及び加工条件設定に関する基本的知見を得ることができた.今後,ナノ多結晶ダイヤモンド工具を用いて,長尺サファイア製キャピラリの高精度高効率加工を実施することを継続的に検討する.
蓄
本研究は公益財団法人天田財団に一般研究開発助成として採択されたものであり,同財団の有難いご支援に対し深くお礼申し上げる.