【手続補正書】
【提出日】平成17年9月16日(2005.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  マイクロ形状加工方法およびその装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】  加工液をワークの加工部に供給し、電圧が印加された工具電極により前記ワークに放電加工を施す第１の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した前記加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第２の工程とを、前記工具電極と前記ワークとの間の放電電流の状態の検出結果に基づいて切り替えて前記ワークを加工することを特徴とするマイクロ形状加工方法。
【請求項２】  前記放電加工と前記電解加工との切り替えを複数回行って、最終的に電解加工で加工を終了することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ形状加工方法。
【請求項３】  前記加工液は脱イオン水であることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ形状加工方法。
【請求項４】  前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えは、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって行なわれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ形状加工方法。
【請求項５】  前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えは、前記工具電極に印加するパルス状電圧のオン時間を変化させることによって行なわれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のマイクロ形状加工方法。
【請求項６】  前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には３００ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には３００ナノ秒以上に設定されることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ形状加工方法。
【請求項７】  工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記検出器による検出結果に基づいて前記工具電極で前記ワークに放電加工を施す第１の工程と前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第２の工程とを切り替える制御部と、を備えたことを特徴とするマイクロ形状加工装置。
【請求項８】  前記制御部は、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えを行うことを特徴とする請求項７に記載のマイクロ形状加工装置。
【請求項９】  前記制御部は、前記直流電源により前記工具電極に印加されるパルス状電圧のオン時間を変化させることによって前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えを行うことを特徴とする請求項７に記載のマイクロ形状加工装置。
【請求項１０】  前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には３００ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には３００ナノ秒以上に設定されることを特徴とする請求項９に記載のマイクロ形状加工装置。
【請求項１１】  前記放電加工と前記電解加工との切り替えを複数回行って、最終的に電解加工で加工を終了することを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のマイクロ形状加工装置。
【請求項１２】  前記加工液は脱イオン水であることを特徴とする請求項７ないし１１のいずれかに記載のマイクロ形状加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、穴径が２０μｍ程度の液体噴射用ノズルや穴径が数μｍ程度の電子ビームアパーチャなどのミクロン単位の形状を高精度に加工する方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
【特許文献１】
特開２０００−６１８３９号公報
【０００３】
放電エネルギーを１０−７Ｊ程度まで微小化したマイクロパルス放電によってワークを少しずつ処理していくマイクロ放電加工では、ワークの加工面が微小なクレータの集積した面になり、光学鏡面（表面粗さが例えば１０ナノｍ以下）とは言えない。また、加工表面は放電によるジュール熱によって溶融して再凝固した面になっており、放電時に生じる工具側の金属や加工液に油を使った場合には炭化物が加工表面に取り込まれるようになる。このようにマイクロ放電加工では不純物が含まれた加工面となるため、アパーチャとして用いる場合には不都合を生じることもある。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、マイクロ寸法に加工されたワークの加工面が不純物を含まない光学鏡面状になるようなマイクロ形状加工方法、および、その装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために本発明のマイクロ形状加工方法は、加工液をワークの加工部に供給し、電圧が印加された工具電極により前記ワークに放電加工を施す第１の工程と、前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した前記加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第２の工程とを、前記工具電極と前記ワークとの間の放電電流の状態の検出結果に基づいて切り替えて前記ワークを加工することを特徴とするものである。
【０００６】
本発明のマイクロ形状加工方法において、前記放電加工と前記電解加工との切り替えを複数回行って、最終的に電解加工で加工を終了してもよい。
また、本発明のマイクロ形状加工方法において、前記加工液は脱イオン水であることが好ましい。
【０００７】
また、本発明のマイクロ形状加工方法において、前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えは、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって行なわれてもよい。
【０００８】
さらに、本発明の本発明のマイクロ形状加工方法において、前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えは、前記工具電極に印加するパルス状電圧のオン時間を変化させることによって行なわれてもよい。この場合、前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には３００ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には３００ナノ秒以上に設定されてもよい。
【０００９】
本発明のマイクロ形状加工装置は、工具電極とワークとを相対的に移動させる移動手段と、前記ワークの加工部に加工液を供給する加工液供給手段と、前記工具電極と前記ワークとの間にパルス状放電電流を発生させる直流電源と、前記放電電流の状態を検出する検出器と、前記検出器による検出結果に基づいて前記工具電極で前記ワークに放電加工を施す第１の工程と前記工具電極と前記ワークとの間でイオン化した加工液を介して通電させることにより前記ワークに電解加工を施す第２の工程とを切り替える制御部と、を備えたものである。
【００１０】
本発明のマイクロ形状加工装置において、前記制御部は、前記工具電極と前記ワークとの間隔および前記工具電極に印加される電圧値を変化させることによって前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えを行ってもよいし、あるいは、前記直流電源により前記工具電極に印加されるパルス状電圧のオン時間を変化させることによって前記第１の工程と前記第２の工程との切り替えを行ってもよい。後者の場合において、前記パルス状電圧のオン時間は、前記放電加工時には３００ナノ秒未満に設定され、前記電解加工時には３００ナノ秒以上に設定されてもよい。
【００１１】
また、本発明のマイクロ形状加工装置において、前記放電加工と前記電解加工との切り替えを複数回行って、最終的に電解加工で加工を終了してもよい。
【００１２】
さらに、本発明のマイクロ形状加工装置において、前記加工液は脱イオン水であってもよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態であるマイクロ形状加工装置１０の概略構成図である。マイクロ形状加工装置１０は、地面または床に載置されるベース１２と、ベース１２上に垂直に立設された支持部１４とを備えている。
【００１４】
また、支持部１４の側部にはＺ軸機構部１６が設けられており、このＺ軸機構部１６には工具取り付け部１８が固定されている。さらに、工具取り付け部１８の下部には工具電極２０が取り付けられている。Ｚ軸機構部１６は工具取り付け部１８を上下方向に移動させることができ、これにより工具電極２０とワークＷとの間隔を任意に設定できるようになっている。
【００１５】
また、ベース１２上にはＸＹテーブル２２が配置されており、このＸＹテーブル２２上には駆動部２４が配置されている。この駆動部２４上には、工具電極２０に対向してワークＷが固定されている。ＸＹテーブル２２は、駆動部２４を水平方向に移動させることができ、これにより水平方向において工具電極２０に対するワークＷの位置決めができるようになっている。さらに、駆動部２４はワークＷを上下方向に微小距離だけ迅速に移動させることができ、これにより工具電極２０とワークＷの加工面との間隔を瞬時に変更して設定できるようになっている。
【００１６】
また、工具電極２０の近傍にはノズル２５が配置されており、このノズル２５は脱イオン水供給源２６に接続されている。脱イオン水供給源２６から供給された加工液としての脱イオン水は、ノズル２５の先端から噴出されて、工具電極２０によるワークＷの加工部に供給されるようになっている。
【００１７】
また、マイクロ形状加工装置１０は直流電源３０を備えており、この直流電源３０は工具電極２０とワークＷとの間にパルス状放電電流を発生させるためのものである。さらに、直流電源３０は、抵抗３２およびコンデンサ３４からなるＲＣ回路を介して工具電極２０とワークＷとにそれぞれ電気的に接続されている。前記ＲＣ回路には検出器３６が取り付けられており、工具電極２０とワークＷ間に発生する放電電流の状態を検出できる仕組みになっている。また、検出器３６は制御部３８に電気的に接続されており、制御部３８は検出器３６による検出結果に基づいて駆動部２４および直流電源３０をそれぞれ制御するようになっている。
【００１８】
次に、上記構成からなるマイクロ形状加工装置１０において例えば穴加工する場合の動作について説明する。
Ｚ軸機構部１６を駆動して工具電極２０をワークＷに接近させるとともに、ノズル２５から脱イオン水を噴出してワーク表面に流しながら、直流電源３０により例えば１００ボルトの電圧を工具電極２０に印加する。工具電極２０が脱イオン水の絶縁破壊する距離、例えば３μｍの距離までワークＷに近づくと、抵抗３２を介して直流電源３０から供給される電流によってコンデンサ３４に充電された電荷が、工具電極２０とワークＷ間に極めて短時間の放電電流をパルス状に発生させる。これにより発生する放電エネルギーがワークＷの表面でジュール熱として吸収されて、ワークＷの表面が微小領域で溶融蒸発する。その結果、立法ミクロンオーダの除去加工が起き、加工部の表面は図２（ａ）に示すようにクレータ状に形成される。このクレータ状の表面は微小凹凸が最小でも０．１μｍ程度ある。
【００１９】
放電加工の加工部において一旦溶融した表面が再凝固する際に、雰囲気に存在する様々な物質を化学的および物理的に含むことになるが、一方でその表面はワーク素材である金属が露出した状態になっている。すなわち、加工面には酸化物等の不導体膜が形成されていないため、化学的に活性な状態にある。また、加工液として供給されて工具電極２０とワークＷとの間に存在している脱イオン水は、放電による衝撃的な熱分解によって自ら酸素、水素およびＯＨのイオンに分解される。その結果、そのようにイオン化した脱イオン水を介して工具電極２０とワークＷの両極間に電流が流れることで電解加工が可能な状態になる。しかし、工具電極２０とワークＷの加工面との間隔および工具電極２０に印加される電圧が不変であれば放電加工が主体として発生することになる。
【００２０】
そこで、図３に示すように、Ｚ軸機構部１６により工具電極２０のＺ位置を下げてきて放電加工を進めてきた後の所定のタイミングで、制御部３８は放電加工から電解加工に切り替える制御を行う。具体的には、制御部３８は、Ｚ軸機構部１６による工具電極２０の下方への送り込みを停止する一方で、工具電極２０とワーク加工面との間隔を絶縁破壊まで至らずに放電が生じない程度の距離（例えば５μｍ程度）に広げるためにワークＷの位置を瞬時に下げるように駆動部２４を制御するとともに、工具電極２０とワークＷ間に印加される電圧を絶縁破壊による放電が生じることなくかつ電解加工が進む程度の電圧値（例えば５ボルト）に下げるように直流電源３０を制御する。
【００２１】
放電加工から電解加工に切り替える所定のタイミングは、検出器３６の検出結果に基づいて決められる。ここで検出結果とは、例えば、放電発生密度が閾値を越えたときであってもよいし、または、放電回数が所定数に達したときであってもよい。
【００２２】
電解加工時には、ワークＷの加工面から素材である金属がイオン化して溶け出る。特に、金属の溶出は工具電極２０に近い部分すなわち加工表面の微小突起の先端から始まるため、これにより放電加工によって生じた加工表面の凹凸が徐々に小さくなって図２（ｂ）に示すように加工表面が光学鏡面状になる。また、このときに放電加工時に加工表面の再凝固によって含まれることとなったワーク素材以外の不純物も除去される。さらに、電解加工は化学的除去加工であるため、加工表面に加工応力を残さないという利点もある。
【００２３】
電解加工では電流によって単位時間当たりの除去量を制御することができるが、電解加工による除去が進行するにしたがって、加工表面に不導体膜が次第に形成され、工具電極２０とワークＷ間に流れる電流が次第に低下し、やがては電流が流れなくなって（すなわち極間電流が０）電解加工が停止してしまう。この電流が流れなくなった状態を検出器３８で検出したとき、制御部３８は電解加工から放電加工へと切り替える。具体的には、工具電極２０とワークＷの加工面との間隔を絶縁破壊による放電が生じる程度の距離（例えば３μｍ）にするためにワークＷを上昇させるように駆動部２４を制御するとともに、工具電極２０およびワークＷ間に印加される電圧を例えば１００ボルトの放電電圧値に変更するように直流電源３０を制御する。
【００２４】
これにより、放電加工状態に切り替わり、電解加工時に加工表面に形成された不導体膜も溶融除去されるとともに、Ｚ軸機構部１６により工具電極２０を下方に送り込むことによって加工を進行させることができる。
【００２５】
その後は、上述したのと同様に所定のタイミングで電解加工に切り替える。このとき、前回の放電加工時に加工表面の不導体膜が既に除去されているため、電解加工が可能な状態になっている。
【００２６】
このように、放電加工と電解加工とを交互に繰り返し、最後は電解加工によって加工工程を終了する。最後に電解加工を行なうことによって、加工表面は放電加工時に形成された微小凹凸が除去されて光学鏡面状になる。また、最後の電解加工では、検出器３６によって検出される電流の状態に基づいて、加工表面に不導体膜が形成される前に加工を終了する。これにより、加工表面は不純物を含まない光学鏡面状に仕上げられる。
【００２７】
なお、本実施形態では放電電流の状態を検出する検出器３８の検出結果に基づいて放電加工と電解加工との切り替えを制御するようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば加工時間や加工深さをパラメータとして切り替えを行なってもよい。
【００２８】
このように本実施形態のマイクロ形状加工装置１０によれば、電解加工を放電電流の状態（または加工時間等）によって制御しつつ放電加工と電解加工とを交互に切り替えることにより、不純物のない光学鏡面状の加工表面となるマイクロ形状加工が可能になる。
【００２９】
次に、図４，５を参照して第２実施形態のマイクロ形状加工装置１１について説明する。この装置１１は、上述した第１実施形態のマイクロ形状加工装置１０とほぼ同様の構成を有しており、異なる構成としては工具電極２０に対してワークＷを瞬時に上下移動させる駆動部２４が存在せず、ＸＹテーブル２２上にワークＷが直に固定されている。
【００３０】
続いて、上記マイクロ形状加工装置１１の加工動作について説明する。
第１実施形態の装置１０における放電加工と電解加工との切り替えは、工具電極２０とワークＷとの間隔および両極間に印加する電圧値を変えることによって行なったが、上記マイクロ形状加工装置１１では工具電極２０とワークＷ間に印加するパルス状電圧のオン時間を変えることによって行なう。
【００３１】
本願発明者らは、次のことを見出すに至った。電解加工時の電解作用はイオンの移動によって生じるものであり、工具電極２０とワークＷの両極間の距離をイオンが移動するのに十分な時間だけ通電されていなければ電解加工は生じない。マイクロ放電加工においては両極間の距離は数μｍ程度であり、電圧差は１００ボルト前後であるため、この場合には電圧印加時間が３００ナノ秒以上でなれば十分な電解が生じない。このことを利用して第２実施形態のマイクロ形状加工装置１１では、工具電極２０に印加するパルス状電圧のオン時間を３００ナノ秒未満に設定するか、または、３００ナノ秒以上に設定するかによって、放電加工と電解加工とを切り替えるようにしたものである。
【００３２】
図５のチャートは、制御部３８による加工動作の制御の一例を示すものである。この例では、工具電極２０のＺ位置を一定速度で下降させるようにＺ軸機構部１６を駆動制御する。この状態で、まず、工具電極２０にはオン時間が３００ナノ未満の複数のパルス状電圧Ｖ１をナノ秒オーダの時間間隔をもって印加する。これにより、工具電極２０とワークＷの間隔が数μｍになったときに両極間に放電が生じて放電加工が行なわれる。
【００３３】
その後、制御部３８は、所定のタイミングで、放電加工から電解加工に切り替える。ここでの「所定のタイミング」は、第１実施形態のマイクロ形状加工装置１０と同様である。
【００３４】
電解加工時には、オン時間が３００ナノ秒以上のパルス状電圧Ｖ２が工具電極２０に印加され、これにより電解加工が進行する。なお、電解加工時のパルス状電圧Ｖ２の電圧値は放電加工時のパルス状電圧Ｖ１の電圧値と同一であり、かつ、工具電極２０とワークＷとの間隔は広げられていないため、パルス状電圧Ｖ２の印加時初期には両極間に放電が発生することになるが、その後は電解加工が進行することになる。
【００３５】
上述したように電解加工が進むにつれて、加工表面に不導体膜が形成されてゆき、やがては両極間に電流が流れなくなり（すなわち極間電流が０）、電解加工が停止する。そのとき、電解加工をさらに継続する場合には、３００ナノ秒以上のパルス状電圧Ｖ２を再度印加する。これにより、印加時初期の放電によって加工表面の不導体膜が除去されて両極間が通電可能になり、電解加工が進行することになる。この電解加工によって放電加工時に加工表面に生成された微量凹凸および不純物が除去されて、加工表面が汚染のない光学鏡面状になる。
【００３６】
このように３００ナノ秒以上のパルス状電圧Ｖ２を１つまたは複数印加して電解加工を行なった後、加工表面での不導体膜形成により電解加工が進行しなくなったとき、電解加工から放電加工に切り替える。この放電加工時には、上述したように３００ナノ秒未満の複数のパルス状電圧Ｖ１をナノ秒オーダの時間間隔をもって印加する。この放電加工により最終加工部である貫通穴部などのマイクロ形状を高精度に加工することができる。
【００３７】
なお、上記各実施形態では、放電加工と電解加工とを複数回切り替えるように制御したが、大部分を放電加工で加工した後、最終段階で電解加工に切り替えて仕上げを行なってもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のマイクロ形状加工方法およびその装置によれば、放電加工と電解加工とを切り替えながら行なうことにより、放電加工による加工表面の微小凹凸と不純物を電解加工で改善する一方、電解加工による加工表面の不導体膜の除去を放電加工で行なうことができ、このように両者の利点を生かすことでマイクロ形状加工おいて汚染のない光学鏡面状の加工表面を実現することができる。
【００３９】
また、放電加工から切り替えられる電解加工を制御しつつ行なうことにより、高精度のマイクロ形状加工が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施形態のマイクロ形状加工装置の概略構成図。
【図２】  （ａ）は放電加工時の加工表面性状を示し、（ｂ）は電解加工時の加工表面性状を示す図。
【図３】  第１実施形態のマイクロ形状加工装置における加工動作の一例を示すチャート。
【図４】  第２実施形態のマイクロ形状加工装置の概略構成図。
【図５】  第２実施形態のマイクロ形状加工装置における加工動作の一例を示すチャート。
【符号の説明】
１０，１１…マイクロ形状加工装置、１２…ベース、１４…支持部、１６…Ｚ軸機構部、１８…工具取り付け部、２０…工具電極、２２…ＸＹテーブル、２４…駆動部、２５…ノズル、２６…脱イオン水供給源、３０…直流電源、３２…抵抗、３４…コンデンサ、３６…検出器、３８…制御部、Ｗ…ワーク。