JP2008155223A - 立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法において、ｐＢＮ焼結体又はｈＢＮ焼結体の切断加工において効率的な加工が可能であると共に良好な切断面を得ること。
【解決手段】 熱分解立方晶窒化ホウ素又は六方晶窒化ホウ素を原料としたｃＢＮ焼結体８に紫外レーザビームλを照射して溝加工を行う工程と、前記溝加工の後に、外力を加えて前記溝加工で形成した溝に沿って切断する工程と、を有し、紫外レーザビームλの波長を、１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立方晶窒化ホウ素焼結体の中でもバインダー等の不純物を含まない熱分解立方晶窒化ホウ素又は六方晶窒化ホウ素を原料とした立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法に関する。

立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体は、高硬度を有すると共に鉄系金属と反応しない等の優れた特性を有しているため、切削工具等に多く採用されている。このｃＢＮ焼結体は、ｃＢＮの粉末に焼結助剤（バインダー）を添加した状態で焼結させることにより製造する方法と、ｃＢＮ原料である熱分解窒化ホウ素（ｐＢＮ）又は六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を触媒や焼結助剤を加えずにｃＢＮに転換させながら焼結させることにより製造する方法と、が知られている。

ｃＢＮ焼結体を刃先として切削工具に取り付けるために、ｃＢＮ焼結体を所定形状に加工する必要があるが、従来は、放電加工法、ワイヤー切断法又はスライシングマシン加工による加工法等によってｃＢＮ焼結体の切断加工を行っている。特に、焼結助剤を添加して焼結したｃＢＮ焼結体では、導電性を有しているため、放電加工法による切断加工が採用されている。また、特許文献１では、ＹＡＧレーザ光を照射してｃＢＮ焼結体の表面に溝を形成し、外力を加えて溝に沿って切断する方法が提案されている。さらに、特許文献２では、立方晶窒化ホウ素の表面に光を照射して加工する方法において、光の波長を１９０ｎｍから３６０ｎｍとする技術が提案されている。

特開平１０−１１８７８０号公報 特開平５−３３０８０６号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、導電性を有さないｐＢＮ焼結体やｈＢＮ焼結体を切断加工するには、放電加工法が適さないため、ワイヤー切断法やスライシングマシン加工による加工が採用されているが、高硬度なｃＢＮを加工するため、砥石における砥粒の消耗が激しく、効率的な加工が困難であった。また、上記特許文献１に記載の技術では、ＹＡＧレーザ光の照射による熱加工によって溝を形成し、その後に外力によって切断するが、ＹＡＧレーザ加工による溝にチッピングが生じてしまい、外力を加えて切断してもきれいな切断面を得ることが困難であった。同様に特許文献２に記載の技術においても、例えば波長３５５ｎｍのレーザ光をｐＢＮ焼結体やｈＢＮ焼結体に照射して加工を行っても、やはりチッピングが生じてしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ｐＢＮ焼結体又はｈＢＮ焼結体の切断加工において効率的な加工が可能であると共に良好な切断面を得ることができる立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ｃＢＮ材料に対するレーザ加工について鋭意研究を進めた結果、照射するレーザ光の波長とｃＢＮ表面に形成された溝の状態とに相関があることを見出した。
本発明は、前記課題を解決するために上記知見に基づいて以下の構成を採用した。すなわち、本発明の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法は、熱分解立方晶窒化ホウ素又は六方晶窒化ホウ素を原料とした立方晶窒化ホウ素焼結体にレーザビームを照射して溝加工を行う工程と、前記溝加工の後に、外力を加えて前記溝加工で形成した溝に沿って切断する工程と、を有し、前記レーザビームの波長を、１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、前記レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする。

この立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法では、ｐＢＮ焼結体又はｈＢＮ焼結体の溝加工を行う際に照射するレーザビームの波長を１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とするので、ｃＢＮ中の不純物や欠陥による吸収に対応したエネルギーを入射することで、効率的にエネルギーが吸収されて加工溝にチッピングが生じ難く、良好な切断面を得ることができる。

また、波長変換素子による高調波レーザビームを用いるので、小型の装置で上記波長範囲のレーザを安定して照射することができる。

さらに、本発明の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法は、前記基本波レーザビームが、波長１０６４ｎｍであるＹＡＧレーザの基本波であり、前記高調波レーザビームが、波長２６６ｎｍであるＹＡＧレーザの４倍波であることを特徴とする。

また、本発明の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法は、前記非線形光学結晶が、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７であることを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法によれば、溝加工の際に照射するレーザビームの波長を１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とするので、ｃＢＮに効率的にエネルギーが吸収されて加工溝にチッピングが生じ難く、きれいな切断面を得ることができる。したがって、ｐＢＮ焼結体又はｈＢＮ焼結体の切断加工において効率的な加工が可能であると共に良好な切断面を得ることができる。また、波長変換素子による高調波レーザビームを用いるので、小型の装置で上記波長範囲のレーザを安定して照射することができる。

以下、本発明に係る立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法の一実施形態を、図１から図４を参照しながら説明する。

本実施形態の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法は、熱分解立方晶窒化ホウ素（ｐＢＮ）又は六方晶窒化ホウ素（ｈＢＮ）を原料とした立方晶窒化ホウ素（ｃＢＮ）焼結体にレーザビームを照射して溝加工を行う工程と、この溝加工の後に、外力を加えて溝加工で形成した溝に沿って切断する工程と、を有している。そして、本実施形態の加工方法では、上記レーザビームの波長を１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下に設定している。特に、本実施形態では、波長２６６ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザの４倍波（第４高調波）を用いている。

上記レーザビームは、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームが用いられる。さらに、上記基本波レーザビームは、波長１０６４ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザの基本波を用い、上記高調波レーザビームは、上述したように波長２６６ｎｍであるＮｄ：ＹＡＧレーザの４倍波（第４高調波）を用いている。

この加工方法における上記溝加工は、以下のレーザ加工装置を用いて行う。このレーザ加工装置は、図１に示すように、波長２６６ｎｍの紫外レーザビームλを発生させる紫外レーザ発振機１と、紫外レーザビームλを所定光路に導くミラー等の光学部品２と、光学部品２で導かれた紫外レーザビームλを一点に集光させる対物レンズ３と、集光点に加工対象物であるｃＢＮ焼結体８を載置しＮＣ制御されたＸＹステージ４と、を備えている。

上記紫外レーザ発振機１は、基本波レーザビーム（波長１０６４ｎｍ）を発生させるＮｄ：ＹＡＧレーザ５と、基本波レーザビームの２倍波を発生させるＳＨＧ結晶（波長変換素子）６と、さらに高調波レーザビームとして４倍波（波長２６６ｎｍ）を発生させるＦＨＧ結晶（波長変換素子）７と、を備えている。なお、ＳＨＧ結晶６は、非線形光学結晶であるＬＢＯ（ＬｉＢ_３Ｏ_５）結晶を用い、ＦＨＧ結晶７は、非線形光学結晶であるＬＢ４（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７：四ホウ酸リチウム単結晶）結晶を用いている。
このレーザ加工装置では、ＸＹステージ４と同期を取りながら紫外レーザ発振機１から紫外レーザビームλが照射されてｃＢＮ焼結体８の表面に溝加工が施される。

また、本実施形態の加工方法を行う他のレーザ加工装置としては、図２に示すように、紫外レーザ発振機１と、紫外レーザビームλを所定光路に導くエクスパンダー等の光学部品１２と、紫外レーザビームλをＸ，Ｙ方向にスキャンさせるガルバノスキャナ１３と、スキャンされる紫外レーザビームλを一点に集光させるＦθレンズ１４と、集光点にｃＢＮ焼結体８を載置しステップ移動可能なステージ１５と、を備えている。
このレーザ加工装置では、Ｆθレンズ１４でｃＢＮ焼結体８の所定領域に溝加工が施されると、ステージ１５をステップ的に移動させて次の加工が施される。

本実施形態の加工方法における加工条件は、例えばＮｄ：ＹＡＧレーザの４倍波（第４高調波）として出力１Ｗ、繰り返し１０ｋＨｚのパルスレーザを用い、走査速度３０ｍｍ／ｓ、走査回数２パス、ワーク上での紫外レーザビームλのパワー０．７Ｗ、レンズの焦点距離１００ｍｍとする。

なお、上記加工条件のうち走査速度を変えた場合の加工溝の深さを測定した結果を、図３に示す。この図からわかるように、走査速度が遅いほど加工溝が深くなる。また、上記加工条件のうち走査速度だけでなく走査回数も変えた場合の加工溝の深さを測定した結果を、図４に示す。この図からわかるように、走査速度が遅いほど、また走査回数が多いほど加工溝が深くなる。なお、いずれもＸ軸方向及びＹ軸方向についてそれぞれ溝加工を行った。

ｃＢＮの基礎吸収端（バンドギャップ）は、約８ｅＶと言われ、波長で言えば１５５ｎｍ程度である。したがって、この波長より大きなエネルギーの光を照射すれば、吸収されて加工が始まると考えられる。従来、ＹＡＧレーザの３倍波である波長３５５ｎｍのレーザ光を照射する加工では、上記基礎吸収端に達しないエネルギーであり、多光子吸収による加工となり、多くのエネルギーを入射しないと加工が進まず、そのためにチッピングが生じやすくなると考えられる。

しかしながら、超高圧、高温下で合成されたｃＢＮ（ｐＢＮやｈＢＮ）は、その発光特性において２５０〜３００ｎｍ付近に不純物あるいは欠陥によるブロードな発光ピークが見られる。このため、本実施形態のように照射するレーザビームの波長を１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることにより、上記ｃＢＮの不純物準位や欠陥の吸収を介して加工が行われると考えられる。したがって、本実施形態では、ｃＢＮ中の不純物や欠陥の吸収に対応した波長１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下のエネルギーを入射することで、効率的にエネルギーが吸収されて加工溝にチッピングが生じ難く、良好な切断面を得ることができる。
また、本実施形態では、波長変換素子による高調波レーザビームを用いるので、小型の装置で上記波長範囲のレーザを安定して照射することができる。

次に、上記実施形態によって実際にｃＢＮを加工した際の加工状態について図５及び図６を参照して説明する。
レーザビームの波長を４倍波（波長２６６ｎｍ）とした場合の加工状態を図５に示すと共に、比較例としてレーザビームの波長を３倍波（波長３５５ｎｍ）とした場合の加工状態を図６に示す。
図５及び図６からわかるように、比較例では、加工溝に顕著なチッピングが多く発生しているのに対し、本実施例では、チッピングの無い非常にきれいな直線状の加工溝が得られている。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、レーザ光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザ５の第４高調波を用いたが、その他のレーザであっても構わない。例えば、Ｎｄ：ＹＶＯ_４レーザ（波長１０６４ｎｍ）の第４高調波（２６６ｎｍ）、Ｎｄ：ＹＬＦレーザ（波長１０４７ｎｍ）の第４高調波（２６２ｎｍ）、Ｎｄをドープしたその他の固体レーザの第４高調波、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ_２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）、その他の非線形光学を利用した和周波による上記波長範囲の紫外レーザなどが適用可能である。

また、ＳＨＧ結晶６及びＦＨＧ結晶７として用いた非線形光学結晶としては、上記ＬＢＯやＬＢ４以外のもの、例えばＢＢＯ（β−ＢａＢ_２Ｏ_４）、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ_４）、ＣＬＢＯ （ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０）等を用いても構わない。なお、上記実施形態のように、長尺化がしやすく、高い変換効率とウォークオフによるビーム変形との両方が得られるＬＢ４結晶が好ましい。

本発明に係る一実施形態の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法で用いるレーザ加工装置を示す概略的な構成図である。 本実施形態の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法で用いる他のレーザ加工装置を示す概略的な構成図である。 本実施形態の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法において、走査速度を変えた場合の溝深さを示すグラフである。 本実施形態の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法において、走査速度だけでなく走査回数を変えた場合の溝深さを示すグラフである。 本発明に係る実施例の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法による加工溝の拡大写真である。 本発明に係る比較例の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法による加工溝の拡大写真である。

符号の説明

１…紫外レーザ発振機、６…ＳＨＧ結晶、７…ＦＨＧ結晶、８…ｃＢＮ（立方晶窒化ホウ素）焼結体、λ…紫外レーザビーム

Claims (3)

1. 熱分解立方晶窒化ホウ素又は六方晶窒化ホウ素を原料とした立方晶窒化ホウ素焼結体にレーザビームを照射して溝加工を行う工程と、
   前記溝加工の後に、外力を加えて前記溝加工で形成した溝に沿って切断する工程と、を有し、
   前記レーザビームの波長を、１５７ｎｍ以上３００ｎｍ以下とし、
   前記レーザビームが、非線形光学結晶の波長変換素子内に基本波レーザビームを入射させて波長変換した高調波レーザビームであることを特徴とする立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法。
2. 前記基本波レーザビームが、波長１０６４ｎｍであるＹＡＧレーザの基本波であり、前記高調波レーザビームが、波長２６６ｎｍであるＹＡＧレーザの４倍波であることを特徴とする請求項１に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法。
3. 前記非線形光学結晶が、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７であることを特徴とする請求項１又は２に記載の立方晶窒化ホウ素焼結体の加工方法。