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JP6497674B2 - Plasma gas processing apparatus and method - Google Patents
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Description

本発明は、被加工物に対して微細工具により微細加工を行う技術に関する。   The present invention relates to a technique for performing fine processing on a workpiece by using a fine tool.

近年、光通信用のマイクロレンズや、金型(例えば、LED照明装置の製造に用いられ、表面に微細な凹凸を有する金型)や、μTAS(Micro−Total Analysis System)用のバイオ分析チップなどを製造するために、これらの素材である被加工物に微細加工(マイクロ加工)を行うことの要求が増加してきている。このような微細加工では、微細工具により、数百μmの寸法の微細な凹凸や形状を被加工物に形成することが行われたり、被加工物の表面を鏡面に仕上げたりすることが行われている。   In recent years, microlenses for optical communication, molds (for example, molds having fine irregularities on the surface used in the manufacture of LED lighting devices), bio-analysis chips for μTAS (Micro-Total Analysis System), etc. In order to manufacture the substrate, there is an increasing demand for performing fine processing (micro processing) on the workpiece which is the material. In such microfabrication, fine unevenness and shape with dimensions of several hundreds of μm are formed on the work piece with a fine tool, and the surface of the work piece is finished to a mirror surface. ing.

微細工具は、例えば、50μm〜2000μm程度の直径を有するエンドミルである。微細工具は、例えば、多結晶ダイヤモンドで形成されている。多結晶ダイヤモンドの工具は、劈開性や硬度の異方性がなく、化学的安定性を有し、単結晶ダイヤモンドの工具よりも安価であるため、広く用いられている。近年では、特に、粒径が0.5μm〜1μmの微粒ダイヤモンドからなる多結晶ダイヤモンドの微細工具により、超硬合金やセラミックスなどの硬脆材料の被加工物に、上述した微細形状を加工しつつ、加工されたその表面を、平均粗さRaが4nm以下の鏡面に仕上げられることが確認されている。   The fine tool is, for example, an end mill having a diameter of about 50 μm to 2000 μm. The fine tool is made of, for example, polycrystalline diamond. Polycrystalline diamond tools are widely used because they are free of cleavage and hardness anisotropy, have chemical stability, and are less expensive than single crystal diamond tools. In recent years, in particular, while processing the above-mentioned fine shape on a work piece of a hard and brittle material such as cemented carbide or ceramics, using a polycrystalline diamond fine tool made of fine diamond having a particle diameter of 0.5 μm to 1 μm. It has been confirmed that the processed surface can be finished into a mirror surface having an average roughness Ra of 4 nm or less.

なお、本願の先行技術文献として、例えば下記の特許文献1がある。この文献には、多結晶ダイヤモンドからなる微細工具が記載されている。   In addition, there exists the following patent document 1 as a prior art document of this application, for example. This document describes a fine tool made of polycrystalline diamond.

特開2008−229764号公報JP 2008-229664 A

今後も幅広い材質の被加工物や微細工具に関して、微細加工(超精密加工)の精度を向上させるためには、次の2点(1)(2)が重要である。   In the future, the following two points (1) and (2) will be important in order to improve the precision of micromachining (ultra-precision machining) for workpieces and fine tools of a wide range of materials.

(1)冷却効果改善
被加工物を冷却しながら被加工物を加工する場合に、被加工物の冷却性能を向上させる。被加工物の冷却性能を向上させることにより、微細工具の加工性能を最大限に引き出す。例えば、微細工具と被加工物との境界での冷却性能を向上させることにより、微細工具の摩耗を防止できる。
(2)工具表面状態改善
被加工物の加工中に、被加工物の切り屑またはその反応物が微細工具に付着することを防止する。これにより、微細工具の微細な表面形状を、加工中において変わることなく維持する。すなわち、同じ微細工具により、長時間、加工性能を低下させずに加工を行えるようにする。
(1) Cooling effect improvement When processing a workpiece while cooling the workpiece, the cooling performance of the workpiece is improved. By improving the cooling performance of the workpiece, the processing performance of the fine tool is maximized. For example, the wear of the fine tool can be prevented by improving the cooling performance at the boundary between the fine tool and the workpiece.
(2) Tool surface condition improvement During machining of a workpiece, the chip of the workpiece or its reaction product is prevented from adhering to the fine tool. Thereby, the fine surface shape of the fine tool is maintained without being changed during processing. That is, the same fine tool can be used for a long time without lowering the processing performance.

そこで、本発明の目的は、被加工物を冷却しながら被加工物を加工する場合に、被加工物の冷却性能を向上させること、および、切り屑またはその反応物が微細工具に付着しないようにすることを達成可能な装置と方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to improve the cooling performance of a workpiece when machining the workpiece while cooling the workpiece, and to prevent chips or reaction products from adhering to the fine tool. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method capable of achieving the above.

上述の目的を達成するため、本発明によると、被加工物に微細加工を行う微細工具を有する加工機と、被加工物において前記微細工具により微細加工される加工点に冷却液を供給する冷却液供給装置を備え、前記微細加工の時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工装置であって、
前記加工点にプラズマガスを供給するプラズマガス供給装置を備える、ことを特徴とするプラズマガス利用加工装置が提供される。
In order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, a processing machine having a micro tool for performing micro processing on a workpiece, and cooling for supplying a coolant to a processing point to be micro processed by the micro tool in the workpiece. A plasma gas processing apparatus that includes a liquid supply device and uses a plasma gas during the fine processing,
There is provided a plasma gas processing apparatus comprising a plasma gas supply device for supplying a plasma gas to the processing point.

本発明のプラズマガス利用加工装置は、例えば、以下のように構成される。   The plasma gas utilization processing apparatus of this invention is comprised as follows, for example.

前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
前記プラズマガス供給装置は、前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える。
The surface of the workpiece is formed of silicon carbide,
The plasma gas supply device oxidizes silicon carbide forming the surface of the workpiece by supplying plasma gas to the surface region of the workpiece including the processing point, and forms the surface. From silicon carbide to silicon dioxide.

プラズマガス供給装置は、
電位差が印加される一対の電極と、
前記1対の電極の間における放電領域にプラズマ生成用ガスを供給するプラズマ生成用ガス供給装置とを備え、
放電領域にプラズマ生成用ガスが供給されている時に、1対の電極間に電位差が印加されることにより、放電領域を通して1対の電極間に放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成され、プラズマガス供給装置は、生成されたプラズマガスを、前記加工点に供給する。
The plasma gas supply device
A pair of electrodes to which a potential difference is applied;
A plasma generation gas supply device for supplying a plasma generation gas to a discharge region between the pair of electrodes;
When the plasma generation gas is supplied to the discharge region, a potential difference is applied between the pair of electrodes, whereby a discharge is generated between the pair of electrodes through the discharge region, and the plasma gas is generated from the plasma generation gas. The generated plasma gas supply device supplies the generated plasma gas to the processing point.

前記プラズマガス供給装置は、加工点にプラズマガスを噴射するガスノズルを有する。   The plasma gas supply device has a gas nozzle for injecting plasma gas at a processing point.

また、上述の目的を達成するため、本発明によると、被加工物に微細加工を行う時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工方法であって、
微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置により、微細工具による被加工物の加工点に、冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置により、前記加工点にプラズマガスを供給する、ことを特徴とするプラズマガス利用加工方法が提供される。
Moreover, in order to achieve the above-mentioned object, according to the present invention, there is provided a plasma gas utilization processing method using a plasma gas when performing fine processing on a workpiece,
When processing a workpiece with a fine tool, a coolant is supplied to a processing point of the workpiece with a fine tool by a coolant supply device, and a plasma gas is supplied to the processing point by a plasma gas supply device. A processing method using plasma gas is provided.

好ましくは、上述のプラズマガス利用加工方法において、前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える。
Preferably, in the above plasma gas utilization processing method, the surface of the workpiece is formed of silicon carbide,
By supplying plasma gas to the surface region of the workpiece including the processing point, the silicon carbide that forms the surface of the workpiece is oxidized, and the material that forms the surface is changed from silicon carbide to silicon dioxide. Change.

上述した本発明によると、微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置が、微細工具による被加工物の加工点に冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置が、加工点にプラズマガスを供給できる。これにより、次の効果(A)(B)若しくは次の効果(A)〜(C)が得られる。   According to the above-described present invention, when the workpiece is processed by the fine tool, the coolant supply device supplies the coolant to the processing point of the workpiece by the fine tool, and the plasma gas supply device Plasma gas can be supplied to the point. As a result, the following effects (A) and (B) or the following effects (A) to (C) can be obtained.

(A)被加工物表面の親水性が向上する。加工点を含む、被加工物の表面領域にプラズマガスを供給することで、プラズマガス中の活性種(例えば、OHラジカル、Nラジカル)が被加工物の表面領域に装飾された(存在している)状態となる。プラズマガス中の活性種は、反応性が非常に高いので、すぐに、他の原子や分子との間で酸化還元反応を起こし安定になろうとする。したがって、活性種が装飾された被加工物の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、微細工具と被加工物との境界での冷却性能が向上する。 (A) The hydrophilicity of the workpiece surface is improved. By supplying the plasma gas to the surface region of the workpiece including the processing point, the active species (for example, OH radical, N 2 radical) in the plasma gas are decorated (existing) in the surface region of the workpiece. ) State. The active species in the plasma gas have a very high reactivity, so they immediately cause oxidation-reduction reactions with other atoms and molecules to become stable. Therefore, the hydrophilicity of the surface of the workpiece decorated with the active species is significantly improved. As a result, the cooling performance at the boundary between the fine tool and the workpiece is improved.

なお、本願において、親水性とは、冷却液(オイル、水、または、オイルと水との混合液)との馴染み性(吸着性)が顕著に高いことを意味する。   In addition, in this application, hydrophilicity means that the familiarity (adsorption property) with a cooling fluid (oil, water, or a liquid mixture of oil and water) is remarkably high.

(B)微細工具の表面は切り屑が付着しにくい状態となる。加工点近傍の微細工具の表面領域にもプラズマガスが供給されることで、プラズマガス中の活性種が、加工点近傍の、微細工具の表面領域に装飾された(存在している)状態となる。したがって、微細工具の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、(例えば、高速回転している)微細工具表面の数ミクロンレベルの凹凸にまで、冷却液が行き届くために、微細工具表面の広範囲に渡って高い潤滑性が確保でき、切り屑が付着し難くなる。 (B) The surface of the fine tool is in a state in which chips are difficult to adhere. The plasma gas is also supplied to the surface area of the micro tool near the machining point, so that the active species in the plasma gas is decorated (exists) on the surface area of the micro tool near the machining point. Become. Therefore, the hydrophilicity of the surface of the fine tool is remarkably improved. As a result, the coolant reaches the unevenness of several micron level on the surface of the fine tool (for example, rotating at high speed), so high lubricity can be secured over a wide range of the surface of the fine tool, and chips adhere. It becomes difficult to do.

(C)被加工物の切り屑が微細工具に付着し難い物質に変化している。上述のように、加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガス中の活性種(例えば、OHラジカル)が装飾された(存在している)状態となる。これにより、活性種と、被加工物またはその切り屑とが反応することにより、被加工物の表層部やその切り屑が、微細工具に付着し難い反応物となる。したがって、微細工具の微細な表面形状が、加工中において変わることなく維持される。 (C) Chips of the workpiece have changed to a substance that is difficult to adhere to the fine tool. As described above, an active species (for example, OH radical) in the plasma gas is decorated (existing) in the surface region of the workpiece including the processing point. As a result, the active species reacts with the workpiece or the chips thereof, so that the surface layer portion of the workpiece or the chips thereof becomes a reactant that is difficult to adhere to the fine tool. Therefore, the fine surface shape of the fine tool is maintained without change during processing.

上記効果(A)(B)若しくは効果(A)〜(C)が重畳して、従来よりも優れた微細加工が実現される。例えば、被加工物の加工面の表面粗さを1nm程度若しくはそれ以下にでき、微細工具の摩耗を抑制でき、微細工具の切れ味を長時間維持できるようになる。   The above effects (A) and (B) or effects (A) to (C) are superimposed, and fine processing superior to the conventional one is realized. For example, the surface roughness of the processed surface of the workpiece can be reduced to about 1 nm or less, wear of the fine tool can be suppressed, and the sharpness of the fine tool can be maintained for a long time.

本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置を示す。1 shows a plasma gas processing apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1のプラズマガス利用加工装置に設けられるプラズマガス供給装置を示す。The plasma gas supply apparatus provided in the plasma gas utilization processing apparatus of FIG. 1 is shown. 本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置の全体を示す。1 shows an entire plasma gas processing apparatus according to an embodiment of the present invention. 走査型電子顕微鏡(SEM)により得たエンドミルの画像である。It is the image of the end mill obtained by the scanning electron microscope (SEM). 本発明の実施例と比較例による加工面の表面粗さを示す。The surface roughness of the processed surface by the Example and comparative example of this invention is shown. 本発明の実施例と比較例の加工後における微細工具のSEM画像である。It is a SEM image of a fine tool after processing of an example of the present invention and a comparative example. 被加工物表面に対してX線光電子分光により得たエネルギスペクトルである。It is an energy spectrum obtained by X-ray photoelectron spectroscopy with respect to the workpiece surface. 被加工物表面の親水性を示す画像である。It is an image which shows the hydrophilic property of the workpiece surface. 発光しているプラズマガスの光の各波長成分を示す。Each wavelength component of the light of the plasma gas currently emitted is shown. 本発明の実施例と比較例における微細工具の摩耗量を示す。The abrasion amount of the fine tool in the Example of this invention and a comparative example is shown.

本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。   A preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the common part in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図1は、本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工装置10を示す。プラズマガス利用加工装置10は、微細工具3を用いて被加工物1に微細加工を行う加工機20と、被加工物1において加工機20により微細加工される加工点Pmに冷却液を供給する冷却液供給装置5と、微細加工の時にプラズマガスを利用するためのプラズマガス供給装置7とを備える。   FIG. 1 shows a plasma gas utilizing processing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. The plasma gas processing apparatus 10 supplies a cooling liquid to a processing machine 20 that performs micromachining on the workpiece 1 using the fine tool 3 and a processing point Pm that is micromachined by the processing machine 20 on the workpiece 1. A cooling liquid supply device 5 and a plasma gas supply device 7 for using a plasma gas at the time of fine processing are provided.

加工機20は、大気中において、加工点Pmで被加工物1を微細加工する微細工具3を有する。すなわち、加工点Pmは、大気中に位置する。微細工具3は、6000μm以下の寸法(例えば、直径)を有する。微細工具3は、本実施形態では、50μm〜1000μm程度(または50μm〜2000μm)の直径を有する先端を持つエンドミルである。微細工具3は、例えば、50μm〜数百μm程度の微細構造(例えば窪み)を被加工物1に形成することに用いられる。
被加工物1は、本実施形態では、炭化ケイ素(SiC)で形成されているが、他の物質で形成されていてもよい。すなわち、本発明は、例えば硬脆材料(シリコン、石英、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、超硬合金、ハイグレードステンレス鋼など)である被加工物1の微細加工にも適用可能である。
The processing machine 20 has a fine tool 3 for finely processing the workpiece 1 at a processing point Pm in the atmosphere. That is, the processing point Pm is located in the atmosphere. The fine tool 3 has a dimension (for example, a diameter) of 6000 μm or less. In this embodiment, the fine tool 3 is an end mill having a tip having a diameter of about 50 μm to 1000 μm (or 50 μm to 2000 μm). The fine tool 3 is used to form a fine structure (for example, a depression) of about 50 μm to several hundred μm on the workpiece 1, for example.
The workpiece 1 is formed of silicon carbide (SiC) in the present embodiment, but may be formed of other materials. That is, the present invention can be applied to fine processing of the workpiece 1 that is, for example, a hard and brittle material (silicon, quartz, sapphire, silicon nitride, zirconia, cemented carbide, high grade stainless steel, etc.).

好ましい一例では、微細工具3は、多結晶ダイヤモンドで形成されている。多結晶ダイヤモンドの微細工具3は、硬脆材料の被加工物1を加工するのに適している。多結晶ダイヤモンドは、硬脆材料に対して劈開性がなく、硬度の異方性がなく、化学的安定性も高いためである。ただし、本発明によると、微細工具3の材質は、多結晶ダイヤモンドに限定されず、他の材質であってもよい。例えば、微細工具3は、単結晶ダイヤモンドからなる工具、表面にダイヤモンドコートがなされた工具(ダイヤモンドコート工具)、立方晶窒化ホウ素(cBN)からなる工具、または、バインダ(結合材)を含まないダイヤモンド多結晶からなる工具(バインダレス多結晶ダイヤモンド工具)であってもよい。   In a preferred example, the fine tool 3 is made of polycrystalline diamond. The polycrystalline diamond fine tool 3 is suitable for processing the work 1 of a hard and brittle material. This is because polycrystalline diamond does not cleave with respect to hard and brittle materials, has no hardness anisotropy, and has high chemical stability. However, according to the present invention, the material of the fine tool 3 is not limited to polycrystalline diamond, and may be other materials. For example, the fine tool 3 is a tool made of single crystal diamond, a tool with a diamond coating on the surface (diamond coated tool), a tool made of cubic boron nitride (cBN), or a diamond that does not contain a binder (binder). It may be a polycrystalline tool (binderless polycrystalline diamond tool).

加工機20の他の構成要素については、後述する。   Other components of the processing machine 20 will be described later.

冷却液供給装置5は、微細工具3により被加工物1を加工している時に、被加工物1における微細工具3による加工点Pm(より詳しくは、加工点Pmを含む、被加工物1表面の局所領域、および、加工点Pmを含む、微細工具3の先端部)に冷却液を供給する。図1では、冷却液供給装置5は、冷却液タンク5aとポンプ5bと冷却液管5cと冷却液ノズル5dを有する。冷却液タンク5aは、冷却液を蓄えている。ポンプ5bは、作動させられると、冷却液タンク5a内の冷却液を、冷却液管5cを通して冷却液ノズル5dに供給する。冷却液ノズル5dは、冷却液タンク5aから供給された冷却液をミスト状にして加工点Pmに噴射する。すなわち、冷却液ノズル5dは、ミスト状の冷却液を加工点Pmに供給する。冷却液は、例えば、オイル、水、またはオイルと水との混合液である。なお、冷却液が水である場合には、好ましくは、冷却液は、水以外に、水溶性界面活性剤を含んでいる。この場合、冷却液は、さらに防腐剤や着色剤を含んでいてもよい。   When the workpiece 1 is being processed by the fine tool 3, the coolant supply device 5 is a processing point Pm by the fine tool 3 in the workpiece 1 (more specifically, the surface of the workpiece 1 including the processing point Pm). The coolant is supplied to the local region and the tip of the fine tool 3 including the processing point Pm. In FIG. 1, the coolant supply apparatus 5 includes a coolant tank 5a, a pump 5b, a coolant pipe 5c, and a coolant nozzle 5d. The coolant tank 5a stores coolant. When the pump 5b is operated, the coolant in the coolant tank 5a is supplied to the coolant nozzle 5d through the coolant pipe 5c. The coolant nozzle 5d mists the coolant supplied from the coolant tank 5a and injects it to the processing point Pm. That is, the coolant nozzle 5d supplies a mist coolant to the processing point Pm. The cooling liquid is, for example, oil, water, or a mixed liquid of oil and water. When the cooling liquid is water, the cooling liquid preferably contains a water-soluble surfactant in addition to water. In this case, the cooling liquid may further contain a preservative and a colorant.

プラズマガス供給装置7は、加工点Pmにプラズマガスを供給する。これにより、プラズマガス中の活性種(例えば、OHラジカル、Nラジカル)が被加工物1の表面領域に装飾された(存在している)状態となる。これにより、被加工物1表面の親水性が向上して、冷却液が、被加工物1表面において、液滴とならずに、被加工物1表面に沿って広がる。その結果、微細工具3と被加工物1との境界(加工点)での冷却性能が向上する。 The plasma gas supply device 7 supplies a plasma gas to the processing point Pm. As a result, the active species (for example, OH radicals and N 2 radicals) in the plasma gas are decorated (existing) in the surface region of the workpiece 1. Thereby, the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 is improved, and the cooling liquid spreads along the surface of the workpiece 1 without being a droplet on the surface of the workpiece 1. As a result, the cooling performance at the boundary (working point) between the fine tool 3 and the workpiece 1 is improved.

好ましい一例では、被加工物1が炭化ケイ素(SiC)で形成されている。この場合、プラズマガス供給装置7は、加工点Pmを含む、被加工物1の表面領域に、プラズマガスを供給すると、プラズマガス中の酸化力を有する活性種(特に、OHラジカル)が、被加工物1の表面を形成する炭化ケイ素(SiC)を酸化させて、この表面を形成する物質を炭化ケイ素(SiC)から親水性の高い二酸化ケイ素SiOに変える。従って、被加工物1表面の親水性がさらに向上して、微細工具3と被加工物1との境界(加工点)での冷却性能がさらに向上する。 In a preferred example, the workpiece 1 is made of silicon carbide (SiC). In this case, when the plasma gas supply device 7 supplies the plasma gas to the surface region of the workpiece 1 including the processing point Pm, the active species having an oxidizing power in the plasma gas (especially, OH radicals) are exposed. The silicon carbide (SiC) that forms the surface of the workpiece 1 is oxidized to change the material that forms the surface from silicon carbide (SiC) to highly hydrophilic silicon dioxide SiO 2 . Accordingly, the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 is further improved, and the cooling performance at the boundary (processing point) between the fine tool 3 and the workpiece 1 is further improved.

プラズマガス供給装置7の構成を図2に示す。図2(A)は、図2(B)のA−A線断面図であり、図2(B)は、図2(A)のB−B線断面図である。   The configuration of the plasma gas supply device 7 is shown in FIG. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 2B, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 2A.

プラズマガス供給装置7は、電源7a、1対の電極7b,7c、および、プラズマ生成用ガス供給装置7dを有する。電源7aは、1対の電極7b,7cに電位差を印加する。プラズマ生成用ガス供給装置7dは、1対の電極7b,7cの間における放電領域Rにプラズマ生成用ガスを供給する。この構成で、放電領域Rにプラズマ生成用ガスが供給されている時に、電源7aが1対の電極7b,7c間に電位差を印加することにより、1対の電極7b,7c間で、放電領域Rを通して放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成される。プラズマガス供給装置7は、生成されたプラズマガスを加工点Pmに供給する。   The plasma gas supply device 7 includes a power source 7a, a pair of electrodes 7b and 7c, and a plasma generation gas supply device 7d. The power supply 7a applies a potential difference to the pair of electrodes 7b and 7c. The plasma generating gas supply device 7d supplies the plasma generating gas to the discharge region R between the pair of electrodes 7b and 7c. With this configuration, when the plasma generating gas is supplied to the discharge region R, the power source 7a applies a potential difference between the pair of electrodes 7b and 7c, thereby causing the discharge region between the pair of electrodes 7b and 7c. Discharge occurs through R, and plasma gas is generated from the plasma generating gas. The plasma gas supply device 7 supplies the generated plasma gas to the processing point Pm.

プラズマ生成用ガスは、一例では、プラズマ発生を補助する放電用ガス(例えば、窒素またはアルゴン)のみからなる。別の例では、プラズマ生成用ガスは、体積割合で、90%以上の上述の放電用ガスを含み、残りの全てとして、冷却効果を強める反応性ガス(例えば、酸素)を含む。   In one example, the plasma generating gas is composed of only a discharge gas (for example, nitrogen or argon) that assists plasma generation. In another example, the plasma generating gas contains 90% or more of the above-mentioned discharge gas by volume ratio, and the rest includes a reactive gas (for example, oxygen) that enhances the cooling effect.

プラズマガス供給装置7は、上述のように生成されたプラズマガスをプラズマガスジェットとして加工点Pmに噴射するガスノズル7eを有する。   The plasma gas supply device 7 includes a gas nozzle 7e that injects the plasma gas generated as described above to a processing point Pm as a plasma gas jet.

また、プラズマガス供給装置7は、先端部に上述のガスノズル7eが設けられたケース7fを有する。ケース7fは、その内部に上述の放電領域Rを有する。ケース7fは、誘電体(例えば石英)で形成されている。ケース7fの内部は、ガスノズル7eの先端開口7e1以外の箇所においては外部に対して気密になっている。図2の例では、ケース7fの中心部に一方の電極7bが配置され、ケース7fの内周面に他方の電極7cが配置されている。なお、一方の電極7bは、ケース7fに固定された絶縁部材7gで支持されている。絶縁部材7gの内部には、一方の電極7bと電源7aとを接続する導線7hが通っている。導線7hには、スイッチ7iが設けられている。なお、他方の電極7cは接地されていてよい。   In addition, the plasma gas supply device 7 has a case 7f provided with the gas nozzle 7e described above at the tip. The case 7f has the above-described discharge region R therein. The case 7f is formed of a dielectric (for example, quartz). The inside of the case 7f is airtight with respect to the outside except for the tip opening 7e1 of the gas nozzle 7e. In the example of FIG. 2, one electrode 7b is disposed at the center of the case 7f, and the other electrode 7c is disposed on the inner peripheral surface of the case 7f. One electrode 7b is supported by an insulating member 7g fixed to the case 7f. A conducting wire 7h connecting one electrode 7b and the power source 7a passes through the inside of the insulating member 7g. The conducting wire 7h is provided with a switch 7i. The other electrode 7c may be grounded.

プラズマ生成用ガス供給装置7dは、プラズマ生成用ガス(例えば、窒素ガス)を蓄えたガスタンク7d1と、ガスタンク7d1からケース7fの内部にプラズマ生成用ガスを供給するガス管7d2とを有する。なお、ガス管7d2には、弁7j(例えば、流量調整弁や開閉弁)が設けられていてよい。   The plasma generation gas supply device 7d includes a gas tank 7d1 that stores a plasma generation gas (for example, nitrogen gas), and a gas pipe 7d2 that supplies the plasma generation gas from the gas tank 7d1 to the inside of the case 7f. The gas pipe 7d2 may be provided with a valve 7j (for example, a flow rate adjusting valve or an on-off valve).

図3は、プラズマガス利用加工装置10の全体を示す図である。図3に示すように、プラズマガス利用加工装置10の加工機20は、上述した微細工具3、工具支持体9、台11、第1の駆動装置13、ノズル支持体15、第2の駆動装置17、および、制御装置19を備える。   FIG. 3 is a diagram illustrating the entire plasma gas utilization processing apparatus 10. As shown in FIG. 3, the processing machine 20 of the plasma gas utilization processing apparatus 10 includes the fine tool 3, the tool support 9, the table 11, the first drive device 13, the nozzle support 15, and the second drive device. 17 and a control device 19.

微細工具3がエンドミルである場合には、エンドミル3は、被加工物1における加工点Pmを切削加工する時に、回転駆動装置8(エアタービンスピンドル)により回転駆動される。
工具支持体9は、微細工具3を支持する。本実施形態では、微細工具3はエンドミルであり、工具支持体9は、エンドミル3を回転可能に支持する。すなわち、エンドミル3は、自身の中心軸まわりに回転可能に工具支持体9に支持される。
台11には、被加工物1が取り付けられる。図3の例では、被加工物1は、治具12により台11に固定される。
When the fine tool 3 is an end mill, the end mill 3 is rotationally driven by a rotational drive device 8 (air turbine spindle) when cutting the machining point Pm in the workpiece 1.
The tool support 9 supports the fine tool 3. In the present embodiment, the fine tool 3 is an end mill, and the tool support 9 supports the end mill 3 in a rotatable manner. That is, the end mill 3 is supported by the tool support 9 so as to be rotatable about its own central axis.
The workpiece 1 is attached to the base 11. In the example of FIG. 3, the workpiece 1 is fixed to the table 11 with a jig 12.

第1の駆動装置13は、工具支持体9と台11の一方または両方を駆動する。図3では、第1の駆動装置13は、工具支持体9を駆動する工具側駆動部13aと、台11を駆動する台駆動部13bにより構成されているが、工具側駆動部13aと台駆動部13bのうち一方により構成されていてもよい。第1の駆動装置13が、工具支持体9と台11の一方または両方を駆動することにより、工具支持体9に支持された微細工具3と、台11に取り付けた被加工物1との相対位置を変える。これにより、微細工具3が、被加工物1上の加工点Pmへ移動させられ、この加工点Pmで被加工物1を切削し、さらに、被加工物1において、微細工具3による加工点Pmを移動させる。すなわち、加工点Pmが連続的に移動しながら、加工点Pmで被加工物1が加工される。   The first driving device 13 drives one or both of the tool support 9 and the base 11. In FIG. 3, the first driving device 13 includes a tool side driving unit 13 a that drives the tool support 9 and a table driving unit 13 b that drives the table 11. You may be comprised by one among the parts 13b. The first drive device 13 drives one or both of the tool support 9 and the table 11, whereby the fine tool 3 supported by the tool support 9 and the workpiece 1 attached to the table 11 are relative to each other. Change position. As a result, the fine tool 3 is moved to the machining point Pm on the workpiece 1, the workpiece 1 is cut at the machining point Pm, and the machining point Pm by the fine tool 3 is further cut in the workpiece 1. Move. That is, the workpiece 1 is processed at the processing point Pm while the processing point Pm continuously moves.

図3では、詳細の図示を省略しているが、工具側駆動部13aは、図3に示す互いに直交するX軸、Y軸、Z軸の少なくともいずかの方向に工具支持体9を駆動する構成を有していてよい。また、工具側駆動部13aは、工具支持体9を、所定の軸(例えば、Y軸方向の軸)まわりに回転駆動する構成を有していてもよい。同様に、台駆動部13bは、X軸、Y軸、Z軸の少なくともいずかの方向に台11を駆動する構成を有していてよい。また、台駆動部13bは、台11を、所定の軸(例えば、Y軸方向の軸)まわりに回転駆動する構成を有していてもよい。   Although the detailed illustration is omitted in FIG. 3, the tool side drive unit 13a drives the tool support 9 in at least one of the X axis, the Y axis, and the Z axis shown in FIG. You may have the structure to do. Moreover, the tool side drive part 13a may have the structure which rotationally drives the tool support body 9 around a predetermined axis | shaft (for example, axis | shaft of a Y-axis direction). Similarly, the table drive unit 13b may have a configuration for driving the table 11 in at least one of the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions. Further, the table driving unit 13b may have a configuration for rotating the table 11 around a predetermined axis (for example, an axis in the Y-axis direction).

ノズル支持体15は、冷却液ノズル5dとガスノズル7eを支持する。すなわち、冷却液ノズル5dは、加工点Pmに冷却液を噴射できる向きと位置でノズル支持体15に取り付けられている。同様に、ガスノズル7eは、加工点Pmにプラズマガスを噴射できる向きと位置でノズル支持体15に取り付けられている。   The nozzle support 15 supports the coolant nozzle 5d and the gas nozzle 7e. That is, the coolant nozzle 5d is attached to the nozzle support 15 in the direction and position where the coolant can be sprayed to the processing point Pm. Similarly, the gas nozzle 7e is attached to the nozzle support 15 in such a direction and position that the plasma gas can be injected to the processing point Pm.

第2の駆動装置17は、被加工物1における加工点Pmの移動に従って、ノズル支持体15を駆動してノズル支持体15を移動させる。これにより、加工点Pmの位置が変わっても、冷却液ノズル5dは加工点Pmに冷却液を噴射でき、ガスノズル7eは加工点Pmにプラズマガスを噴射できる。   The second driving device 17 drives the nozzle support 15 to move the nozzle support 15 in accordance with the movement of the processing point Pm in the workpiece 1. Thereby, even if the position of the processing point Pm changes, the cooling liquid nozzle 5d can inject the cooling liquid to the processing point Pm, and the gas nozzle 7e can inject plasma gas to the processing point Pm.

制御装置19は、第1の駆動装置13および第2の駆動装置17を制御する。また、制御装置19は、ポンプ5b(図1を参照)の動作を制御することにより、冷却液ノズル5dから加工点Pmへの冷却液の噴射を制御する。さらに、制御装置19は、スイッチ7i(図2を参照)の開閉を制御し弁7j(図1を参照)の開閉または開度を制御することにより、冷却液ノズル5dから加工点Pmへのプラズマガスの噴射を制御する。   The control device 19 controls the first drive device 13 and the second drive device 17. Further, the control device 19 controls the injection of the coolant from the coolant nozzle 5d to the processing point Pm by controlling the operation of the pump 5b (see FIG. 1). Furthermore, the control device 19 controls the opening / closing or opening of the valve 7j (see FIG. 1) by controlling the opening / closing of the switch 7i (see FIG. 2), and thereby plasma from the coolant nozzle 5d to the processing point Pm. Control gas injection.

本発明の実施形態によるプラズマガス利用加工方法では、上述した構成を有するプラズマガス利用加工装置10を用いて、被加工物1を切削加工する。この方法では、微細工具3が被加工物1における加工点Pmを切削加工している時(以下、単に加工時ともいう)に、冷却液供給装置5は、この加工点Pmに冷却液を供給し、プラズマガス供給装置7は、この加工点Pmにプラズマガスを供給する。図1では、加工時に、冷却液供給装置5の冷却液ノズル5dが、加工点Pmに冷却液(例えば、ミスト状のオイル)を噴射し、プラズマガス供給装置7のガスノズル7eが、プラズマガスを加工点Pmに噴射する。   In the plasma gas utilization processing method according to the embodiment of the present invention, the workpiece 1 is cut using the plasma gas utilization processing apparatus 10 having the above-described configuration. In this method, when the fine tool 3 is cutting a processing point Pm in the workpiece 1 (hereinafter, also simply referred to as processing), the coolant supply device 5 supplies the coolant to the processing point Pm. The plasma gas supply device 7 supplies plasma gas to the processing point Pm. In FIG. 1, at the time of processing, the coolant nozzle 5d of the coolant supply device 5 injects coolant (for example, mist-like oil) to the processing point Pm, and the gas nozzle 7e of the plasma gas supply device 7 generates plasma gas. It sprays on the processing point Pm.

加工時に、プラズマガス中の活性種(OHラジカルやNラジカルなど)が、加工点に供給(噴射)される。OHラジカルは、ガス管7d2からの水分および大気中の水分がプラズマガス中の電子により解離されたものである。Nラジカルは、プラズマ生成用ガスの窒素分子Nによるものである。 During processing, active species (OH radicals, N 2 radicals, etc.) in the plasma gas are supplied (injected) to the processing point. The OH radical is obtained by dissociating moisture from the gas pipe 7d2 and moisture in the atmosphere by electrons in the plasma gas. The N 2 radical is due to the nitrogen molecule N 2 of the plasma generating gas.

この方法において、被加工物1の表面(例えば、被加工物1の全体)が炭化ケイ素(SiC)で形成さている場合、プラズマ生成用ガスが放電領域Rを通過する時に、一対の電極7b,7c間で放電領域Rを通して放電を生じさせることにより、このプラズマ生成用ガスをプラズマガスに変え、このプラズマガスを加工点Pmに供給する。これにより、被加工物1の表面の炭化ケイ素(SiC)が、プラズマガス中の酸化力を有する活性種(特にOHラジカル)と反応して二酸化ケイ素(SiO)に変わる。 In this method, when the surface of the workpiece 1 (for example, the entire workpiece 1) is formed of silicon carbide (SiC), when the plasma generating gas passes through the discharge region R, the pair of electrodes 7b, By generating a discharge through the discharge region R between 7c, this plasma generating gas is changed to a plasma gas, and this plasma gas is supplied to the processing point Pm. Thereby, the silicon carbide (SiC) on the surface of the workpiece 1 reacts with the active species (particularly OH radicals) having the oxidizing power in the plasma gas and changes to silicon dioxide (SiO 2 ).

このような動作が得られるように、制御装置19は、第1の駆動装置13と第2の駆動装置17を制御するとともに、冷却液供給装置5とプラズマガス供給装置7を制御する。
すなわち、微細工具3が被加工物1に接触していない状態から、微細工具3を被加工物1に接触させて被加工物1の加工を開始する加工開始時に、制御装置19は、第1の駆動装置13を制御することにより、被加工物1において、加工すべき位置に微細工具3が接触する。これにより、この位置が加工点Pmとなって、この加工点Pmにおいて微細工具3が被加工物1を切削加工する。また、加工開始時に、制御装置19は、第2の駆動装置17を制御することにより、冷却液ノズル5dが加工点Pmに冷却液を噴射できガスノズル7eが加工点Pmにプラズマガスを噴射できる位置へノズル支持体15を移動させる。また、加工開始時に、制御装置19は、ポンプ5bを作動させることにより、冷却液ノズル5dから加工点Pmへ冷却液が噴射される。さらに、加工開始時に、制御装置19は、弁7jを開けるとともにスイッチ7iを閉じることにより、プラズマ生成用ガスが、一対の電極7b,7c間の放電領域Rに供給されるとともに、電源7aから一対の電極7b,7cに電圧が印加され放電領域Rにおいて一対の電極7b,7c間で放電が生じる。したがって、プラズマ生成用ガスは、放電領域Rにおいてプラズマガスになり、このプラズマガスがガスノズル7eから加工点Pmへ噴射される。
The control device 19 controls the first driving device 13 and the second driving device 17 as well as the cooling liquid supply device 5 and the plasma gas supply device 7 so as to obtain such an operation.
That is, at the time of starting the processing of starting the processing of the workpiece 1 by bringing the fine tool 3 into contact with the workpiece 1 from the state where the fine tool 3 is not in contact with the workpiece 1, the control device 19 performs the first operation. By controlling the driving device 13, the fine tool 3 comes into contact with the position to be processed in the workpiece 1. Thereby, this position becomes the processing point Pm, and the fine tool 3 cuts the workpiece 1 at the processing point Pm. Further, at the start of processing, the control device 19 controls the second driving device 17 so that the coolant nozzle 5d can spray the coolant to the processing point Pm and the gas nozzle 7e can spray the plasma gas to the processing point Pm. The nozzle support 15 is moved to the left. Further, at the start of processing, the control device 19 operates the pump 5b to inject the coolant from the coolant nozzle 5d to the processing point Pm. Further, at the start of processing, the control device 19 opens the valve 7j and closes the switch 7i, so that the plasma generating gas is supplied to the discharge region R between the pair of electrodes 7b and 7c, and a pair of power sources 7a. A voltage is applied to the electrodes 7b and 7c, and a discharge occurs between the pair of electrodes 7b and 7c in the discharge region R. Therefore, the plasma generating gas becomes plasma gas in the discharge region R, and this plasma gas is injected from the gas nozzle 7e to the processing point Pm.

加工開始時以降は、制御装置19は、第1の駆動装置13を制御することにより、微細工具3と被加工物1との相対位置を変えて、被加工物1における加工点Pmを移動させる。この移動に伴って、制御装置19は、第2の駆動装置17を制御することにより、冷却液ノズル5dは、継続して加工点Pmへ冷却液を噴射し、ガスノズル7eは、継続してプラズマガスを加工点Pmに噴射する。なお、加工点Pmが移動しても、加工機20による被加工物1の加工が終了するまで、上述のように冷却液とプラズマガスが加工点Pmに噴射されるように、制御装置19は、ポンプ5bの作動を継続させ、弁7jを開けた状態にし、スイッチ7iを閉じた状態にする。   After the start of machining, the control device 19 controls the first drive device 13 to change the relative position between the fine tool 3 and the workpiece 1 and move the machining point Pm on the workpiece 1. . Along with this movement, the control device 19 controls the second drive device 17 so that the coolant nozzle 5d continuously injects coolant to the processing point Pm, and the gas nozzle 7e continues to plasma. Gas is injected to the processing point Pm. Even if the processing point Pm moves, the control device 19 is configured so that the coolant and the plasma gas are injected to the processing point Pm as described above until the processing of the workpiece 1 by the processing machine 20 is completed. The operation of the pump 5b is continued, the valve 7j is opened, and the switch 7i is closed.

上述したプラズマガス利用加工装置10を用いて被加工物1を切削加工した実施例を述べる。   An embodiment in which the workpiece 1 is cut using the above-described plasma gas utilization processing apparatus 10 will be described.

プラズマガスの条件を次のようにした。
使用ガス:プラズマ生成用ガスとして窒素ガスを用いた。
ガス流量:20LMのプラズマガス流量で、加工点Pmにプラズマガスを噴射した。
照射範囲:被加工物1表面上の半径5mm程度の領域にプラズマガスを加工点Pmに照射(噴射)した。
放電方式:一対の電極7b,7c間での放電形式として大気圧グロー放電を採用した。
印加電圧:交流100Vの電源7aにより、一対の電極7b,7c間に、周波数50Hzで8kVの電位差を印加した。
ケース7f:図2のケース7fを、直径が8mmの円筒形とし、その材質を石英とした。
The plasma gas conditions were as follows.
Gas used: Nitrogen gas was used as a plasma generating gas.
Gas flow rate: Plasma gas was injected to the processing point Pm at a plasma gas flow rate of 20 LM.
Irradiation range: Plasma gas was irradiated (injected) to a processing point Pm in a region having a radius of about 5 mm on the surface of the workpiece 1.
Discharge method: Atmospheric pressure glow discharge was adopted as a discharge type between the pair of electrodes 7b and 7c.
Applied voltage: A potential difference of 8 kV at a frequency of 50 Hz was applied between the pair of electrodes 7b and 7c by a power source 7a of AC 100V.
Case 7f: Case 7f in FIG. 2 was formed into a cylindrical shape having a diameter of 8 mm, and the material thereof was quartz.

加工条件を次のようにした。
被加工物1:被加工物1を、化学気相成長(chemical vapor deposition)により形成した高純度の炭化ケイ素(純度99.9995%以上のSiC)のバルク材とした。このバルク材の寸法は、縦10mm×横10mm×高さ5mmである。
送り速度:加工点Pmの移動速度を5mm/minにした。
工具回転数:エンドミル3の回転数を50000rpmとした。
冷却液:冷却液として、オイル(非塩素油脂系不水溶性油)をミストにして加工点Pmに噴射した。
The processing conditions were as follows.
Workpiece 1: Workpiece 1 was a bulk material of high-purity silicon carbide (SiC having a purity of 99.9995% or more) formed by chemical vapor deposition. The dimensions of this bulk material are 10 mm long × 10 mm wide × 5 mm high.
Feeding speed: The moving speed of the processing point Pm was set to 5 mm / min.
Tool rotation speed: The rotation speed of the end mill 3 was set to 50000 rpm.
Coolant: Oil (non-chlorine oil-based water-insoluble oil) was mist as a coolant and sprayed to the processing point Pm.

図4に示す微細工具3を用いた。図4は、走査型電子顕微鏡(SEM)により得たエンドミル3の画像である。図4において、左上の画像は、右下のエンドミル3の画像において破線で囲んだ部分(エンドミル3の先端部)を拡大したものである。図4のエンドミル3の先端部は、多結晶ダイヤモンドで形成されている。このエンドルの先端部の直径は、約200μm(0.2mm)である。図4に示すように、エンドルの先端部は、二枚刃になっている。   A fine tool 3 shown in FIG. 4 was used. FIG. 4 is an image of the end mill 3 obtained by a scanning electron microscope (SEM). In FIG. 4, the upper left image is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line (tip end portion of the end mill 3) in the lower right end mill 3 image. The tip of the end mill 3 in FIG. 4 is formed of polycrystalline diamond. The diameter of the end of the endle is about 200 μm (0.2 mm). As shown in FIG. 4, the end portion of the endl has a two-blade shape.

具体的な加工方法は、次の通りである。
本発明の実施例として、上述した条件の下で、プラズマガス利用加工装置10を用いてミーリング加工を行って、被加工物1表面に、深さ25μmの溝を多数形成した。
比較例として、加工点Pmにプラズマガスを噴射せずに、他の条件を上述の実施例と同じにして、ミーリング加工を行って、被加工物1表面に、深さ25μmの溝を多数形成した。
A specific processing method is as follows.
As an example of the present invention, milling was performed using the plasma gas processing apparatus 10 under the above-described conditions to form a number of grooves having a depth of 25 μm on the surface of the workpiece 1.
As a comparative example, a plasma gas is not injected to the processing point Pm, and other conditions are the same as in the above-described embodiment, and milling is performed to form a large number of grooves with a depth of 25 μm on the surface of the workpiece 1 did.

本発明の実施例の結果と、比較例の結果は、以下の通りである。   The results of the examples of the present invention and the results of the comparative examples are as follows.

(加工面の粗さ)
被加工物1において加工された加工面(溝の底面)の表面粗さとして、算術平均表面粗さと最大高さ粗さを測定した。
(Roughness of the processed surface)
The arithmetic average surface roughness and the maximum height roughness were measured as the surface roughness of the processed surface (bottom surface of the groove) processed in the workpiece 1.

図5(A)は、本発明の実施例と比較例による加工面の算術平均表面粗さ(average surface roughness)を示す。図5(A)において、横軸は、加工開始時点から被加工物1を加工した距離の総和(以下、加工距離という)を示し、縦軸は、加工面の算術平均表面粗さRaの測定値を示す。図5(A)において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図5(A)から分かるように、本実施例では、加工距離が3000mmになっても、加工面の表面粗さRaは、加工開始時点の表面粗さから悪化していない。すなわち、本実施例では、加工距離によらず、加工面の表面粗さRaが低い値(0.7nm〜2.1nmの範囲内の値)に維持されている。これに対し、比較例では、加工開始時点から加工距離が増えるに従って、加工面の表面粗さRaの値が次第に高くなっており、加工距離3000mmでは、加工面の表面粗さRaが6.0nmに悪化している。
また、図5(A)から分かるように、本発明のプラズマガス利用加工装置10により、算術平均表面粗さが1nm以下である高品質な加工面を得ることを期待できる。
FIG. 5A shows the average surface roughness of the machined surface according to the example of the present invention and the comparative example. In FIG. 5A, the horizontal axis indicates the total distance (hereinafter referred to as the processing distance) at which the workpiece 1 is processed from the processing start time, and the vertical axis indicates the measurement of the arithmetic average surface roughness Ra of the processing surface. Indicates the value. In FIG. 5A, the mark ♦ is a measured value in the case of the present example, and the mark ■ is a measured value in the comparative example.
As can be seen from FIG. 5A, in this example, even when the processing distance is 3000 mm, the surface roughness Ra of the processed surface does not deteriorate from the surface roughness at the start of processing. That is, in this embodiment, the surface roughness Ra of the processed surface is maintained at a low value (a value within the range of 0.7 nm to 2.1 nm) regardless of the processing distance. On the other hand, in the comparative example, the value of the surface roughness Ra of the processed surface gradually increases as the processing distance increases from the start of processing, and at the processing distance of 3000 mm, the surface roughness Ra of the processed surface is 6.0 nm. Is getting worse.
Further, as can be seen from FIG. 5 (A), it can be expected to obtain a high-quality processed surface having an arithmetic average surface roughness of 1 nm or less by the plasma gas utilizing processing apparatus 10 of the present invention.

図5(B)は、本発明の実施例と比較例による加工面の最大高さ粗さ(peak−to−valley surface roughness)を示す。図5(B)において、横軸は、加工距離を示し、縦軸は、加工面の最大高さ粗さRzの測定値を示す。図5(B)において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図5(B)から分かるように、本実施例では、加工距離が3000mmになっても、加工面の最大高さ粗さRzは、加工開始時点の最大高さ粗さRzから悪化していない。これに対して、比較例では、加工距離が2400mm以降では、最大高さ粗さRzは、大幅に悪化して200nmより大きくなり、加工距離2900mmでは加工面にクラックが発生したことにより1000nmより大きくなっている。
FIG. 5B shows the peak-to-valley surface roughness of the processed surface according to the example of the present invention and the comparative example. In FIG. 5B, the horizontal axis represents the machining distance, and the vertical axis represents the measured value of the maximum height roughness Rz of the machined surface. In FIG. 5B, the mark ♦ is a measured value in this example, and the mark ■ is a measured value in the comparative example.
As can be seen from FIG. 5B, in this example, even when the machining distance is 3000 mm, the maximum height roughness Rz of the machining surface is not deteriorated from the maximum height roughness Rz at the time of machining start. . On the other hand, in the comparative example, when the processing distance is 2400 mm or more, the maximum height roughness Rz is greatly deteriorated to be larger than 200 nm, and when the processing distance is 2900 mm, it is larger than 1000 nm because cracks are generated on the processing surface. It has become.

(エンドミルへの付着物の有無)
図6(A)は、本発明の実施例において、上述の加工距離が1000mmとなった時のエンドミル3の先端部をSEMで観察して得た画像である。図6(B)は、比較例において、上述の加工距離が1000mmとなった時のエンドミル3の先端部をSEMで撮像して得た画像である。なお、各図において、右側の画像は、左側の画像において破線で囲んだ部分の拡大図であり、棒グラフは、エネルギ分散形X線分光器(Energy Dispersive X−ray Spectrometer:EDS)により図のPoint AまたはPoint Bで得られた元素割合(アトミックパーセント)の分析結果を示す。
本実施例では、図6(A)のように、エンドミル3の先端部において切り刃として作用するエッジ部分の表面には、被加工物1の切り屑に由来する付着物が全く観察されなかった。これに対し、比較例では、図6(B)のように、エンドミル3の先端部において切り刃として作用するエッジ部分の表面には、被加工物1(SiC)の切り屑に由来する被膜状の付着物(Si)が付着していた。このように、加工点Pmへのプラズマガス噴射は、被加工物1の切り屑に由来する物質(Si)がエンドミル3への付着することの防止に、顕著な効果があった。
(Presence or absence of deposits on end mill)
FIG. 6A is an image obtained by observing the tip of the end mill 3 with an SEM when the above-described working distance is 1000 mm in the example of the present invention. FIG. 6B is an image obtained by imaging the tip of the end mill 3 with the SEM when the above-described processing distance is 1000 mm in the comparative example. In each figure, the image on the right side is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in the image on the left side, and the bar graph is a point of the figure by an energy dispersive X-ray spectrometer (EDS). The analysis result of the element ratio (atomic percent) obtained by A or Point B is shown.
In this example, as shown in FIG. 6A, no deposits derived from the chips of the workpiece 1 were observed on the surface of the edge portion that acts as a cutting blade at the tip of the end mill 3. . On the other hand, in the comparative example, as shown in FIG. 6B, the surface of the edge portion that acts as a cutting blade at the tip of the end mill 3 has a film shape derived from the chips of the workpiece 1 (SiC). The deposit (Si) was adhered. As described above, the plasma gas injection to the processing point Pm has a remarkable effect in preventing the substance (Si) derived from the chips of the workpiece 1 from adhering to the end mill 3.

(被加工物表面の親水性)
以下のように、本実施例ではプラズマガスにより被加工物1表面の親水性が向上していた。
被加工物1における加工点Pmへのプラズマガス噴射による作用効果(すなわち、被加工物1表面の親水性向上)を調べるために、上述した実施例において、X線光電子分光(X−ray Photoelectron Spectroscopy:XPS)により、被加工物1表面の元素組成を分析した。
図7(A)は、被加工物1にプラズマガスを噴射される前の場合を示し、図7(B)は、被加工物1にプラズマガスを噴射した後の場合を示す。図7(A)では、XPSにより得られたエネルギスペクトルにおいて、SiCに相当する黒丸の位置おいてのみ、ピークが生じているのに対し、図7(B)では、SiCに相当する結合エネルギの黒丸の位置だけでなく、SiOに相当する結合エネルギの白丸の位置においても、エネルギスペクトルにピークが生じている。したがって、被加工物1表面にプラズマガスを噴射することにより、被加工物1の表層のみが酸化していたことが分かる。具体的には、SiCである被加工物1にプラズマガスを噴射することにより、被加工物1におけるSiCの表層のみが酸化して、優れた親水性を示すSiOが形成されていた。
(Hydrophilicity of workpiece surface)
As described below, in this example, the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 was improved by the plasma gas.
In order to investigate the effect of plasma gas injection on the processing point Pm in the workpiece 1 (that is, the improvement in hydrophilicity of the surface of the workpiece 1), in the embodiment described above, X-ray photoelectron spectroscopy (X-ray Photoelectron Spectroscopy) is used. : XPS), the elemental composition of the surface of the workpiece 1 was analyzed.
FIG. 7A shows a case before the plasma gas is injected onto the workpiece 1, and FIG. 7B shows a case after the plasma gas is injected onto the workpiece 1. In FIG. 7A, in the energy spectrum obtained by XPS, a peak occurs only at the position of the black circle corresponding to SiC, whereas in FIG. 7B, the binding energy corresponding to SiC is shown. A peak occurs in the energy spectrum not only at the black circle position but also at the white circle position of the binding energy corresponding to SiO 2 . Therefore, it can be seen that only the surface layer of the workpiece 1 was oxidized by injecting the plasma gas onto the surface of the workpiece 1. Specifically, by injecting plasma gas onto the workpiece 1 that is SiC, only the surface layer of SiC in the workpiece 1 was oxidized, and SiO 2 exhibiting excellent hydrophilicity was formed.

図8は、SiOの親水性を示す画像である。図8(A)は、上述した実施例において、被加工物1にプラズマガスを噴射される前の被加工物1表面に、液滴を垂らした状態を示す。図8(B)は、上述した実施例において、被加工物1にプラズマガスが噴射された後の被加工物1表面に、液滴を垂らした状態を示す。図8から分かるように、プラズマガスが噴射された後では、プラズマガス中の活性種(OHラジカルとNラジカル)が被加工物1表面に装飾され、かつ、被加工物1(SiC)の表面には高い親水性を持つSiOが形成されていることにより、液滴が確認できないほどに、液体が被加工物1表面に広がっている。このように、プラズマガスを被加工物1表面に噴射すると、被加工物1表面に噴射された冷却液が被加工物1表面に沿って広がるので、微細工具3と被加工物1との境界において、冷却液による冷却効果を向上させることができる。 FIG. 8 is an image showing the hydrophilicity of SiO 2 . FIG. 8A shows a state in which droplets are dropped on the surface of the workpiece 1 before the plasma gas is jetted onto the workpiece 1 in the above-described embodiment. FIG. 8B shows a state where droplets are dropped on the surface of the workpiece 1 after the plasma gas is sprayed onto the workpiece 1 in the above-described embodiment. As can be seen from FIG. 8, after the plasma gas is injected, the active species (OH radical and N 2 radical) in the plasma gas are decorated on the surface of the workpiece 1 and the workpiece 1 (SiC) Since SiO 2 having high hydrophilicity is formed on the surface, the liquid spreads on the surface of the workpiece 1 to the extent that droplets cannot be confirmed. As described above, when the plasma gas is sprayed on the surface of the workpiece 1, the coolant sprayed on the surface of the workpiece 1 spreads along the surface of the workpiece 1, so that the boundary between the fine tool 3 and the workpiece 1 is reached. The cooling effect by the coolant can be improved.

なお、プラズマガス中に、OHラジカルとNラジカルが含まれていることは、次のように、分光器による測定で確認された。
ガスノズル7eからのプラズマガスは発光しており、この光の各波長成分を分光器で測定した。この測定結果を図9に示す。図9において、OHラジカルとNラジカルに対応する波長でピークが生じているので、プラズマガスには、OHラジカルとNラジカルが含まれていることが分かる。
Incidentally, in the plasma gas, it contains the OH radicals and N 2 radicals, as follows, was confirmed by the measurement with a spectroscope.
The plasma gas from the gas nozzle 7e emits light, and each wavelength component of this light was measured with a spectroscope. The measurement results are shown in FIG. 9, the peak at a wavelength corresponding to the OH radicals and N 2 radicals is generated, the plasma gas, it can be seen that contains OH radicals and N 2 radical.

(工具摩耗量)
図10は、本発明の実施例と比較例における微細工具3の摩耗量を示す。図10において、横軸は、加工距離を示し、縦軸は、微細工具3の摩耗量を示す。図10において、印◆は、本実施例の場合の測定値であり、印■は、比較例の場合の測定値である。
図10から分かるように、本実施例では、比較例と比べて、微細工具3の摩耗量が抑えられていることが分かる。すなわち、加工距離が1000mmの時点で、比較例での摩耗量が約1.31μmであったのに対し、本実施例での摩耗量は約0.77μmであった。
(Tool wear)
FIG. 10 shows the amount of wear of the fine tool 3 in the example of the present invention and the comparative example. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the machining distance, and the vertical axis indicates the amount of wear of the fine tool 3. In FIG. 10, the mark ◆ is a measured value in the case of the present example, and the mark ■ is a measured value in the comparative example.
As can be seen from FIG. 10, in this example, it can be seen that the wear amount of the fine tool 3 is suppressed as compared with the comparative example. That is, when the working distance was 1000 mm, the wear amount in the comparative example was about 1.31 μm, whereas the wear amount in the present example was about 0.77 μm.

上述した本発明の実施形態によると、微細工具3により被加工物1を加工している時に、冷却液供給装置5が、微細工具3による被加工物1の加工点Pmに冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置7が、加工点Pmにプラズマガスを供給できる。これにより、次の効果(A)(B)若しくは次の効果(A)〜(C)が得られる。   According to the above-described embodiment of the present invention, when the workpiece 1 is being processed by the fine tool 3, the coolant supply device 5 supplies the coolant to the processing point Pm of the workpiece 1 by the fine tool 3. At the same time, the plasma gas supply device 7 can supply the plasma gas to the processing point Pm. As a result, the following effects (A) and (B) or the following effects (A) to (C) can be obtained.

(A)被加工物1表面の親水性が向上する。加工点Pmを含む、被加工物1の表面領域にプラズマガスを供給することで、プラズマガス中の活性種(例えば、OHラジカル、Nラジカル、オゾン)が被加工物1の表面領域に装飾された(存在している)状態となる。プラズマガス中の活性種は、反応性が非常に高いので、すぐに、他の原子や分子との間で酸化還元反応を起こし安定になろうとする。したがって、活性種が装飾された被加工物1の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、微細工具3と被加工物1との境界での冷却性能が向上する。 (A) The hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 is improved. By supplying the plasma gas to the surface region of the workpiece 1 including the processing point Pm, active species (for example, OH radical, N 2 radical, ozone) in the plasma gas are decorated on the surface region of the workpiece 1. (There is an existing state). The active species in the plasma gas have a very high reactivity, so they immediately cause oxidation-reduction reactions with other atoms and molecules to become stable. Therefore, the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 decorated with active species is significantly improved. As a result, the cooling performance at the boundary between the fine tool 3 and the workpiece 1 is improved.

(B)微細工具3の表面は切り屑が付着しにくい状態となる。加工点Pm近傍の微細工具3の表面領域にもプラズマガスが供給されることで、プラズマガス中の活性種が、加工点Pm近傍の、微細工具3の表面領域に装飾された(存在している)状態となる。したがって、活性種が装飾された微細工具3の表面の親水性が顕著に向上する。その結果、(例えば、高速回転している)微細工具3表面の数ミクロンレベルの凹凸にまで,冷却液が行き届くために,微細工具3表面の広範囲に渡って高い潤滑性が確保でき、切り屑が付着し難くなる。なお、これにより、切り屑を、被加工物1表面から円滑に排出することが可能となる。 (B) The surface of the fine tool 3 is in a state where chips are difficult to adhere. By supplying the plasma gas also to the surface region of the fine tool 3 near the processing point Pm, the active species in the plasma gas is decorated in the surface region of the fine tool 3 near the processing point Pm (existing). ) State. Therefore, the hydrophilicity of the surface of the fine tool 3 decorated with active species is remarkably improved. As a result, since the coolant reaches the unevenness of several micron level on the surface of the fine tool 3 (for example, rotating at high speed), high lubricity can be secured over a wide range of the surface of the fine tool 3, and chips are removed. Becomes difficult to adhere. This makes it possible to smoothly discharge the chips from the surface of the workpiece 1.

(C)被加工物1の切り屑が微細工具3に付着し難い物質に変化している。上述のように、加工点Pmを含む、被加工物1の表面領域に、プラズマガス中の活性種(例えば、OHラジカル、Nラジカル)が装飾された(存在している)状態となる。これにより、活性種と、被加工物またはその切り屑とが反応することにより、被加工物1の表層部やその切り屑が、微細工具3に付着し難い反応物となる。したがって、微細工具3の微細な表面形状が、加工中において変わることなく維持される。 (C) The chips of the workpiece 1 are changed to a substance that is difficult to adhere to the fine tool 3. As described above, the active region (for example, OH radical, N 2 radical) in the plasma gas is decorated (existing) in the surface region of the workpiece 1 including the processing point Pm. As a result, the active species reacts with the workpiece or the chips thereof, so that the surface layer portion of the workpiece 1 and the chips thereof become a reactant that is difficult to adhere to the fine tool 3. Therefore, the fine surface shape of the fine tool 3 is maintained without changing during processing.

上記の効果(A)(B)若しくは上記の効果(A)〜(C)が重畳して、従来よりも優れた微細加工が実現される。例えば、被加工物1の加工面の表面粗さを1nm程度若しくはそれ以下にでき、微細工具3の摩耗を抑制でき、微細工具3の切れ味を長時間維持できるようになる。   The above effects (A) and (B) or the above effects (A) to (C) are superimposed, and fine processing superior to the conventional technique is realized. For example, the surface roughness of the processed surface of the workpiece 1 can be about 1 nm or less, wear of the fine tool 3 can be suppressed, and the sharpness of the fine tool 3 can be maintained for a long time.

また、被加工物1の表面は、炭化ケイ素(SiC)で形成されている場合には、次のように、被加工物1表面の親水性がさらに向上する。
プラズマガス供給装置7が、加工点Pmを含む、被加工物1の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、プラズマガス中の活性種(特にOHラジカルまたはオゾン)の酸化力により、被加工物1の表面を形成する炭化ケイ素(SiC)を酸化させる。すなわち、被加工物1において、被加工物1の表面を含む表層部が二酸化ケイ素(SiO)になる。二酸化ケイ素は優れた親水性を示す。したがって、被加工物1表面の親水性がさらに向上して、微細工具3と被加工物1との境界での冷却性能がさらに向上する。その結果、微細工具3の摩耗をさらに抑制できる。
Further, when the surface of the workpiece 1 is formed of silicon carbide (SiC), the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 is further improved as follows.
When the plasma gas supply device 7 supplies the plasma gas to the surface region of the workpiece 1 including the processing point Pm, the workpiece is processed by the oxidizing power of the active species (especially OH radical or ozone) in the plasma gas. The silicon carbide (SiC) that forms the surface of the object 1 is oxidized. That is, in the workpiece 1, the surface layer portion including the surface of the workpiece 1 is silicon dioxide (SiO 2 ). Silicon dioxide exhibits excellent hydrophilicity. Accordingly, the hydrophilicity of the surface of the workpiece 1 is further improved, and the cooling performance at the boundary between the fine tool 3 and the workpiece 1 is further improved. As a result, wear of the fine tool 3 can be further suppressed.

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、冷却液供給装置5は、加工点Pmに冷却液を供給できる構成であればよく、上述した構成以外の構成を有していてもよい。この場合、他の点は、上述と同様であってもよく、適宜に変更してもよい。
また、プラズマガス供給装置7は、加工点Pmにプラズマガスを供給できる構成であればよく、上述した構成以外の構成を有していてもよい。この場合、他の点は、上述と同様であってもよく、適宜に変更してもよい。
For example, the coolant supply device 5 may be configured to supply the coolant to the processing point Pm, and may have a configuration other than the configuration described above. In this case, other points may be the same as described above, or may be changed as appropriate.
Moreover, the plasma gas supply apparatus 7 should just be the structure which can supply plasma gas to the process point Pm, and may have structures other than the structure mentioned above. In this case, other points may be the same as described above, or may be changed as appropriate.

また、ノズル支持体15は、工具支持体9に設けられていてもよい。この場合、上述の第2の駆動装置17は省略され、他の点は上述と同様である。
また、第1の駆動装置13が、工具側駆動部13aと台駆動部13bのうち台駆動部13bのみにより構成されている場合には、ノズル支持体15は、台11にもうけられていてもよい。この場合、他の点は上述と同様である。
The nozzle support 15 may be provided on the tool support 9. In this case, the second drive device 17 described above is omitted, and the other points are the same as described above.
Further, when the first driving device 13 is configured by only the table driving unit 13b of the tool side driving unit 13a and the table driving unit 13b, the nozzle support 15 may be provided on the table 11. Good. In this case, the other points are the same as described above.

1 被加工物、3 微細工具(エンドミル)、5 冷却液供給装置、5a 冷却液タンク、5b ポンプ、5c 冷却液管、5d 冷却液ノズル、7 プラズマガス供給装置、7a 電源、7b 電極、7c 電極、7d プラズマ生成用ガス供給装置、7d1 ガスタンク、7d2 ガス管、7e ガスノズル、7e1 開口、7f ケース、7g 絶縁部材、7h 導線、7i スイッチ、7j 弁、8 回転駆動装置(エアタービンスピンドル)、9 工具支持体、10 プラズマガス利用加工装置、11 台、12 治具、13 第1の駆動装置、13a 工具側駆動部、13b 台駆動部、15 ノズル支持体、17 第2の駆動装置、19 制御装置、20 加工機、Pm 加工点、R 放電領域 1 Workpiece, 3 Fine tool (end mill), 5 Coolant supply device, 5a Coolant tank, 5b Pump, 5c Coolant tube, 5d Coolant nozzle, 7 Plasma gas supply device, 7a Power supply, 7b electrode, 7c electrode 7d plasma generating gas supply device, 7d1 gas tank, 7d2 gas pipe, 7e gas nozzle, 7e1 opening, 7f case, 7g insulating member, 7h lead wire, 7i switch, 7j valve, 8 rotary drive device (air turbine spindle), 9 tool Support body, 10 plasma gas processing apparatus, 11 units, 12 jigs, 13 first drive unit, 13a tool side drive unit, 13b platform drive unit, 15 nozzle support unit, 17 second drive unit, 19 control unit , 20 processing machine, Pm processing point, R discharge area

Claims (5)

被加工物に微細加工を行う微細工具を有する加工機と、被加工物において前記微細工具により微細加工される加工点に冷却液を供給する冷却液供給装置を備え、前記微細加工の時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工装置であって、
前記微細工具の表面の凹凸の程度が数ミクロンレベルであり、
前記加工点にプラズマガスを供給することにより、当該加工点を含む前記微細工具の前記表面と前記冷却液との馴染み性を向上させて前記微細工具の前記表面における数ミクロンレベルの前記凹凸に前記冷却液を行き届かせ、当該加工点を含む前記被加工物の表面と前記冷却液との馴染み性を向上させ、且つ、前記被加工物の切り屑を前記微細工具に付着し難い反応物にするプラズマガス供給装置を備える、ことを特徴とするプラズマガス利用加工装置。
A processing machine having a micro tool for performing micro processing on a workpiece, and a coolant supply device for supplying a coolant to a processing point of the workpiece to be micro processed by the micro tool, and plasma gas at the time of micro processing A processing apparatus using plasma gas,
The degree of unevenness on the surface of the fine tool is on the order of several microns,
By supplying a plasma gas to the processing point, the conformity between the surface of the fine tool including the processing point and the cooling liquid is improved, and the unevenness on the surface of the micro tool has a level of several microns. A coolant that reaches the surface, improves the familiarity between the surface of the workpiece including the processing point and the coolant, and provides a reaction material that is difficult to attach chips from the workpiece to the fine tool. A plasma gas utilization processing apparatus, comprising: a plasma gas supply apparatus that performs the processing.
前記被加工物の表面は、炭化ケイ素で形成されており、
前記プラズマガス供給装置は、前記加工点を含む、被加工物の表面領域に、プラズマガスを供給することにより、被加工物の表面を形成する炭化ケイ素を酸化させて、該表面を形成する物質を炭化ケイ素から二酸化ケイ素に変える、ことを特徴とする請求項1に記載のプラズマガス利用加工装置。
The surface of the workpiece is formed of silicon carbide,
The plasma gas supply device oxidizes silicon carbide forming the surface of the workpiece by supplying plasma gas to the surface region of the workpiece including the processing point, and forms the surface. The plasma gas processing apparatus according to claim 1, wherein the gas is changed from silicon carbide to silicon dioxide.
プラズマガス供給装置は、
電位差が印加される対の電極と、
前記1対の電極の間における放電領域にプラズマ生成用ガスを供給するプラズマ生成用ガス供給装置と、を備え、
放電領域にプラズマ生成用ガスが供給されている時に、1対の電極間に電位差が印加されることにより、放電領域を通して1対の電極間に放電が生じて、プラズマ生成用ガスからプラズマガスが生成され、プラズマガス供給装置は、生成されたプラズマガスを、前記加工点に供給する、ことを特徴とする請求項1または2に記載のプラズマガス利用加工装置。
The plasma gas supply device
A pair of electrodes a potential difference is applied,
A plasma generation gas supply device for supplying a plasma generation gas to a discharge region between the pair of electrodes,
When the plasma generation gas is supplied to the discharge region, a potential difference is applied between the pair of electrodes, whereby a discharge is generated between the pair of electrodes through the discharge region, and the plasma gas is generated from the plasma generation gas. The plasma gas processing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the generated plasma gas supply apparatus supplies the generated plasma gas to the processing point.
前記プラズマガス供給装置は、前記加工点にプラズマガスを噴射するガスノズルを有する、ことを特徴とする請求項1、2または3に記載のプラズマガス利用加工装置。 The said plasma gas supply apparatus has a gas nozzle which injects plasma gas to the said process point, The plasma gas utilization processing apparatus of Claim 1, 2, or 3 characterized by the above-mentioned. 微細工具により被加工物に微細加工を行う時にプラズマガスを利用するプラズマガス利用加工方法であって、
前記微細工具の表面の凹凸の程度が数ミクロンレベルであり、
前記微細工具により被加工物を加工している時に、冷却液供給装置により、前記微細工具による被加工物の加工点に、冷却液を供給するとともに、プラズマガス供給装置により、前記加工点にプラズマガスを供給することで、当該加工点を含む前記微細工具の前記表面と前記冷却液との馴染み性を向上させて前記微細工具の前記表面における数ミクロンレベルの前記凹凸に前記冷却液を行き届かせ、当該加工点を含む前記被加工物の表面と前記冷却液との馴染み性を向上させ、且つ、前記被加工物の切り屑を前記微細工具に付着し難い反応物にする、ことを特徴とするプラズマガス利用加工方法。
A plasma gas-based processing method that uses a plasma gas when performing fine processing on a workpiece with a fine tool ,
The degree of unevenness on the surface of the fine tool is on the order of several microns,
When you are working the workpiece by the micro tool, the coolant supply device, the machining point of the workpiece by the fine tools, supplies a coolant, by a plasma gas supply device, plasma in the machining point By supplying gas, the compatibility of the surface of the fine tool including the processing point and the coolant is improved, and the coolant is delivered to the unevenness on the surface of the micro tool on the order of several microns. Skein, improving the familiarity between the surface of the workpiece including the machining point and the cooling liquid, and making the chips of the workpiece difficult to adhere to the fine tool. A processing method using plasma gas.
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