(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法であって、当該切削方法で使用される微粒子ナイフ(1)はナイフ本体(11)とナイフヘッド(12)とを備え、前記ナイフヘッド(12)は、凸状の尖形状に設計され、外側に突出するように前記ナイフ本体(11)の外表面に設けられ、前記ナイフヘッド(12)の幾何サイズは10nm〜1mmで、前記ナイフ本体(11)内には更に前記ナイフヘッダ(12)を終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられ、かつ、前記微粒子ナイフ(1)の外径は一つの環状流の内径に対応し、前記環状流は底部に噴射口を備えたマイクロジェットノズル(4)により形成され、当該マイクロジェットノズル(4)は噴射液体を提供する液圧装置の出液管路に連通している噴射室を有し、さらに、切削方法に必要な視覚拡大システムが配置されており、
微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法は、
１．先ず、ワークピースを前記マイクロジェットノズル(4)の下方に位置する作業台(3)に固定するステップと、
２．前記微粒子ナイフ(1)を前記ワークピースに置くステップと、
３．前記環状流の圧力、スピード、流量及び前記マイクロジェットノズル(4)から加工面までの距離がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように前記液圧装置を調節するステップと、
４．次いで、前記視覚拡大システムをオンにするステップと、
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、前記マイクロジェットノズル(4)の噴射口が前記微粒子ナイフ(1)に照準が合うまで前記マイクロジェットノズル(4)を移動させるステップと、
６．前記液圧装置のバルブを開き、前記マイクロジェットノズル(4)から環状流を噴出し、前記微粒子ナイフ(1)が前記環状流内に位置し、且つ当該環状流により捕集されるステップと、
７．前記マイクロジェットノズル(4)を移動することにより、ワークピースの加工位置にまで前記微粒子ナイフ(1)を移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップと、
８．前記作業台(3)と微粒子ナイフ(1)との間の相対的な直線移動を制御することにより、ワークピースと微粒子ナイフ(1)との間で設計要求の軌道に従って運動するようにし、予定形状の加工を完成するまでナイフヘッド(12)が下向きの前記微粒子ナイフ(1)がワークピースを切削するステップと、
を、含むことを特徴とする、微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項２】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)は必要に応じて直線移動を行い、前記マイクロジェットノズル(4)は固定して動かない、
ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項３】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)は固定して動かず、前記マイクロジェットノズル(4)は必要に応じて直線移動を行う、
ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項４】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)とマイクロジェットノズル(4)とは同時に必要に応じて相反方向に沿って直線移動を行う、
ことを特徴とする、請求項1に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項５】
前記マイクロジェットノズル(4)はノズルベース(41)とスプレーヘッド(42)を含み、前記ノズルベース(41)には軸方向に沿って貫通する通孔(411)が設けられ、前記スプレーヘッド(42)は前記ノズルベース(41)の底部に連結され、前記スプレーヘッド(42)は前記通孔(411)に対応する位置で周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔(421)が設けられ、当該複数の噴射小孔(421)が前記噴射口を形成する、
ことを特徴とする請求項1又は2又は3又は4に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項６】
微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法であって、当該切削方法で使用される微粒子ナイフ(1)はナイフ本体(11)とナイフヘッド(12)とを備え、前記ナイフヘッド(12)は凸状の尖形状に設計され、且つ、外側に突出するようにナイフ本体(11)の外表面に設けられ、前記ナイフヘッド(12)の幾何サイズは10nm〜1mmで、かつ、前記微粒子ナイフ(1)の外径は一つの環状流の内径に対応し、前記環状流は底部に噴射口を備えたマイクロジェットノズル(4)により形成され、当該マイクロジェットノズル(4)内には噴射液体を提供する液圧装置の出液管路に連通している噴射室を有し、さらに、切削方法に必要な視覚拡大システムが配置されており、
微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法は、
１．先ず、ワークピースを前記マイクロジェットノズル(4)の下方に位置する作業台(3)に固定するステップと、
２．前記微粒子ナイフ(1)を前記ワークピースに置くステップと、
３．前記環状流の圧力、スピード、流量及び前記マイクロジェットノズル(4)から加工面までの距離がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように前記液圧装置を調節するステップと、
４．次いで、前記視覚拡大システムをオンにするステップと、
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、前記マイクロジェットノズル(4)の噴射口が前記微粒子ナイフ(1)に照準が合うまで前記マイクロジェットノズル(4)を移動させるステップと、
６．前記液圧装置のバルブを開き、前記マイクロジェットノズル(4)から環状流を噴出し、前記微粒子ナイフ(1)が、前記環状流内に位置し、この際、微粒子ナイフ(1)の重心線と環状流の中心線が重なり合うことで当該環状流により捕集されるステップと、
７．前記マイクロジェットノズル(4)を移動することにより、ワークピースの加工位置まで前記微粒子ナイフ(1)を移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップと、
８．続いて、前記微粒子ナイフ(1)の重心線を前記環状流の中心線から離れるように設置し、環状流の作用により、微粒子ナイフ(1)を回転させ、この時、前記微粒子ナイフ(1)とマイクロジェットノズル(4)の間では下記の初期条件
0005897220.tif 000023
上式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフ(1)の重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフ(1)における作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v0はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズル(4)の噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズル(4)の底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフ(1)の接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフ(1)の質量で、θはマイクロジェットの微粒子ナイフ(1)に対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と微粒子ナイフ(1)の垂直方向外径の間の夾角である、
を満たすステップと、
９．予定形状の加工を完了するまで前記回転させられる微粒子ナイフ(1)がワークピースを切削するステップと、
を含むことを特徴とする、微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項７】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)は必要に応じて直線移動を行い、前記マイクロジェットノズル(4)は固定して動かない、
ことを特徴とする、請求項6に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項８】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)は固定して動かず、前記マイクロジェットノズル(4)は必要に応じて直線移動を行う、
ことを特徴とする、請求項6に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項９】
前記第８ステップにおいて、前記作業台(3)とマイクロジェットノズル(4)とは同時に必要に応じて相反方向に沿って直線移動を行う、
ことを特徴とする、請求項6に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【請求項１０】
前記マイクロジェットノズル(4)はノズルベース(41)とスプレーヘッド(42)とを含み、前記ノズルベース(41)には軸方向に沿って貫通する貫通孔(411)が設けられ、前記スプレーヘッド(42)は前記ノズルベース(41)の底部に連結され、前記スプレーヘッド(42)には前記貫通孔(411)に対応する位置で周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔(421)が設けられ、当該複数の噴射小孔(421)が前記噴射口を形成する、
ことを特徴とする、請求項6から9のいずれか１項に記載の微粒子ナイフ(1)を用いて微細加工を行う切削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工程技術の発展に従い、各業界のマイクロ部品（特徴サイズがマイクロメートルレベルからミリメートルレベルまでの）に対する需要は日増しに差し迫ってきている。その構造形状の特異化、部品材料の多様化、サイズ及び表面品質の高精度化はマイクロ部品、マイクロ装置及びその加工設備の顕著な特徴となっており、その使用機能、材料特性、構造形状、信頼性等の面に対する要求は益々高くなっている。マイクロ部品の製造技術は、先進製造技術を発展させる重要な方向として、また多領域が交差する科学技術研究の最前線として大いに注目を集めている。
【０００３】
目下、マイクロ部品の製造工程は主に材料除去製造工程、付加製造工程、変形製造工程といった三種類に分けられる。材料除去製造工程はレーザー、放電、超音波、高エネルギービーム等を手段とする特殊製造工程と各種のマイクロ切削機械により完成するマイクロ切削加工工程を含む。付加製造工程は各種の堆積製造工程、迅速成形及びマイクロ組立製造工程等を含む。変形製造工程はマイクロ押出、射出成形、スライドパンチ及びマイクロコイル製造工程等を含む。これらの製造工程において、マイクロ切削加工工程は効率が高く、加工材料の適応性が強い等の特徴を有していることから、代替不可能な優位性を持つ。
【０００４】
通常のマイクロ切削加工工程は主にマイクロターニング加工工程とマイクロミーリング加工工程等を有しているが、これらの切削工程は切削カッターのサイズと幾何形状の制限を受けるため、マイクロ切削加工を行う時に様々な困難が存在しており、ナノメートルレベルに対する加工は更に実現しにくい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする技術問題は上述した従来技術の現状を鑑み、工程が簡単で実現し易い微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した技術問題を解消するため、本発明が採用した技術案は以下の通りである。
【０００７】
微粒子ナイフを用いて微細加工を行う切削方法であって、当該切削方法で使用される微粒子ナイフはナイフ本体とナイフヘッドとを備える。前記ナイフヘッドは、凸状の尖形状に設計され、外側に突出するようにナイフ本体の外表面に設けられ、前記ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmである。前記ナイフ本体内には、さらに前記ナイフヘッダを終始下向きに偏向させるカウンタウェイトブロックが設けられる。かつ、前記微粒子ナイフの外径は一つの環状流の内径に対応し、前記環状流は底部に噴射口を備えたマイクロジェットノズルにより形成され、当該マイクロジェットノズルは噴射液体を供給する液圧装置の出液管路に連通している噴射室を有し、さらに、切削方法に必要な視覚拡大システムが配置されている。前記切削方法は、具体的に下記のステップ、即ち、
１．先ず、ワークピースを前記マイクロジェットノズルの下方に位置する作業台に固定するステップ、
２．前記微粒子ナイフを前記ワークピースに置くステップ、
３．前記環状流の圧力、スピード、流量及び前記マイクロジェットノズルから加工面までの距離がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように前記液圧装置を調節するステップ、
４．次いで、前記視覚拡大システムをオンにするステップ、
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、前記マイクロジェットノズルの噴射口が前記微粒子ナイフに照準が合うまで前記マイクロジェットノズルを移動させるステップ、
６．前記液圧装置のバルブを開き、前記マイクロジェットノズルから環状流を噴出し、前記微粒子ナイフが前記環状流内に位置し、且つ当該環状流により捕集されるステップと、
７．前記マイクロジェットノズルを移動することにより、ワークピースの加工位置にまで前記微粒子ナイフを移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップ、
および、
８．前記作業台と微粒子ナイフとの間の相対的な直線移動を制御することにより、ワークピースと微粒子ナイフとの間で設計要求の軌道に従って運動するようにし、予定形状の加工を完成するまでナイフヘッドが下向きの前記微粒子ナイフがワークピースを切削するステップ、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台は必要に応じて直線移動を行い、前記マイクロジェットノズルと捕集された微粒子ナイフは固定して動かない。
【０００９】
さらに好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台は固定して動かず、前記マイクロジェットノズルと捕集された微粒子ナイフは必要に応じて直線移動を行う。
【００１０】
さらに好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台とマイクロジェットノズルは同時に必要に応じて相反方向に沿って直線移動を行う。
【００１１】
安定的な環状流を形成すると同時に、加工と組立を容易にするため、好ましくは、前記マイクロジェットノズルはノズルベースとスプレーヘッドとを含み、前記ノズルベースには軸方向に沿って貫通する貫通孔が設けられ、前記スプレーヘッドは前記ノズルベースの底部に連結され、前記スプレーヘッドには前記貫通孔に対応する位置で周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔が設けられ、当該複数の噴射小孔が前記噴射口を形成する。
【００１２】
好ましくは、前記切削方法は下記のステップを採用して実現してもよい。
【００１３】
当該切削方法で使用される微粒子ナイフはナイフ本体とナイフヘッドを備える。前記ナイフヘッドは、凸状の尖形状に設計され、且つ、外側に突出するようにナイフ本体の外表面に設けられ、前記ナイフヘッドの幾何サイズは10nm〜1mmである。かつ、前記微粒子ナイフの外径は一つの環状流の内径に対応し、前記環状流は底部に噴射口を備えたマイクロジェットノズルにより形成され、当該マイクロジェットノズル内には噴射液体を供給する液圧装置の出液管路に連通している噴射室を有し、さらに、切削方法に必要な視覚拡大システムが配置されている。前記切削方法は具体的に下記のステップ、即ち、
１．先ず、ワークピースを前記マイクロジェットノズルの下方に位置する作業台に固定するステップ、
２．前記微粒子ナイフを前記ワークピースに置くステップ、
３．前記環状流の圧力、スピード、流量及び前記マイクロジェットノズルから加工面までの距離がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように前記液圧装置を調節するステップ、
４．次いで、前記視覚拡大システムをオンにするステップ、
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、前記マイクロジェットノズルの噴射口が前記微粒子ナイフに照準が合うまで前記マイクロジェットノズルを移動させるステップ、
６．前記液圧装置のバルブを開き、前記マイクロジェットノズルから環状流を噴出し、前記微粒子ナイフが、前記環状流内に位置し、この際、微粒子ナイフの重心線と環状流の中心線が重なり合うことで当該環状流により捕集されるステップと、
７．前記マイクロジェットノズルを移動することにより、ワークピースの加工位置まで前記微粒子ナイフを移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップ、
８．続いて、前記微粒子ナイフの重心線を前記環状流の中心線から離れるように設置し、環状流の作用により、微粒子ナイフを回転させ、この際、前記微粒子ナイフとマイクロジェットノズルの間では下記の初期条件を満たしているステップ、
0005897220.tif 000002
上式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフの重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフにおける作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v0はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズルの噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズルの底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフの接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフの質量で、θはマイクロジェットの微粒子ナイフに対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と微粒子ナイフの垂直方向外径の間の夾角である。
および、
９．予定形状の加工を完了するまで前記回転させられる微粒子ナイフがワークピースを切削するステップ、
を含む。
【００１４】
好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台は必要に応じて直線移動を行い、前記マイクロジェットノズルは固定して動かない。
【００１５】
さらに好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台は固定して動かず、前記マイクロジェットノズルは必要に応じて直線移動を行う。
【００１６】
さらに好ましくは、前記第８ステップにおいて、前記作業台とマイクロジェットノズルは同時に必要に応じて相反方向に沿って直線移動を行う。
【００１７】
好ましくは、前記マイクロジェットノズルはノズルベースとスプレーヘッドとを含み、前記ノズルベースには軸方向に沿って貫通する貫通孔が設けられ、前記スプレーヘッドは前記ノズルベースの底部に連結され、前記スプレーヘッドには前記貫通孔に対応する位置で周方向に沿ってリング状に分布された複数の噴射小孔が設けられ、当該複数の噴射小孔が前記噴射口を形成する。上述したマイクロジェットノズルの構造は安定的な環状流を形成できると同時に、加工と組立が容易である。
【発明の効果】
【００１８】
既存の技術に比べ、本発明は以下の利点がある。微粒子ナイフ（刃先がナノメートルレベル又はミリメートルレベルに達する）を切削カッターとし、マイクロジェットとにより、微粒子ナイフを回転駆動し、又は、微粒子ナイフを固定して“挟む”ことで、ナノメートルレベルのマイクロ切削加工を実現する。このように、マイクロジェットにより、微粒子ナイフを回転駆動し又は微粒子ナイフを固定して“挟む”加工工程は、これまでの切削カッターのように微粒子ナイフを工作機械の主軸に取付け、主軸の回転により駆動させる必要がないことから、当該切削方法を採用する装置は、主軸が不要で全体構造がより簡単であると同時に、操作及び実施が容易である。また、当該切削工程過程で、マイクロビームが切削過程で発生したエネルギーを適時に持ち去ることにより、熱−構造カップリング作用により生成される不均一変形場を大幅に減少させ、マイクロ切削変形域の寸法効果、不均質ひずみ、および転位等のせん断変形応力とせん断変形等に対する影響を低下させ、マイクロ切削の品質と作業効率が保証される、一種の新型のマイクロ切削方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例に係る微粒子ナイフの構造図である。
【図２】図１に示す微粒子ナイフの立体断面図である。
【図３】図１に示す微粒子ナイフを採用した切削装置である。
【図４】本発明の実施例に係る微粒子ナイフの応力解析図である。
【図５】本発明の実施例に係る微粒子ナイフのジェット作用下の有効作用面積計算図である。
【図６】本発明の実施例に係る切削装置のノズル断面図である。
【図７】図６に示すノズルの底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面及び実施例と合わせて、本発明を更に詳しく説明する。
【００２１】
本発明に係る実施例はマイクロ切削方法である。マイクロ切削は通常の切削とは異なり、マイクロ切削を行う際の切削の深さは通常、マイクロメートルレベルからナノメートルレベルまでである。一般材料の結晶粒子の大きさは数ナノメートルであるので、これはマイクロ切削が結晶粒子の内部で行われ、切削過程は一つ一つの結晶粒子を切削していることを意味している。これは必然的に単位面積の切削応力の急激な増大をもたらし、これにより、刃の単位面積あたりにかなり大きな熱量が発生し、刃先の温度が上昇し、高温、高応力の作業状態になってしまう。
【００２２】
上述したマイクロ切削過程における問題を解決するため、本発明に係わる実施例では新たな切削方法を示している。先ず、図1、図2に示されているように、本実施例の切削方法では通常のカッターの代わりに微粒子ナイフを採用して切削を実現する。当該微粒子ナイフ1はナイフ本体11とナイフヘッド12を備え、ナイフヘッド12は凸状の尖形状に設計されている。ナイフ本体11の外表面には間隔を空けて分布された一つ又は複数のナイフヘッド12を設置することができる。ナイフ本体11の幾何サイズはミリメートルレベル又はマイクロメートルレベルである。ナイフヘッド12は外側に突出するようにナイフ本体11の外表面に設置され、ナイフヘッド12の幾何サイズは10nm〜1mm（マイクロメートルレベルまたはナノメートルレベル）である。そのうち、ナイフ本体11は規則的な立体幾何形状の構造、例えば球状（図1参照）又は楕円形等であってもよく、ナイフ本体11は非規則的な他の立体幾何形状、例えば、非規則的な結晶構造等であってもよい。
【００２３】
図3、図6と図7に示されているように、本実施例の切削方法は下記のような切削装置により実現される。当該切削装置は切削作業台3、当該作業台3の上方に位置するマイクロジェットノズル4と、マイクロジェットノズル4に噴射液体を供給できる液圧装置を備える。マイクロジェットノズル4には噴射室が設けられ、噴射室の頂部には入液口が設置され、入液口は液出装置の出液管路に連結されている。噴射室の底部には噴射口が設置され、当該噴射口では環状流が形成され、微粒子ナイフ1の外径は当該環状流の内径に対応する。マイクロジェットノズル4はノズルベース41とスプレーヘッド42を含み、ノズルベース41には軸方向に沿って貫通する貫通孔411が設けられ、スプレーヘッド42はノズルベース41の底部に連結され、スプレーヘッド42には貫通孔に対応する位置で周方向に沿ってリング状に分布する複数の噴射小孔421が設けられる。切削装置にはさらに切削方法に必要な視覚拡大システム（図示せず）が配置される。当該視覚拡大システムは常用の技術で、既存技術における各種の装置を採用して実現することができるため、ここでは説明を省略する。
【００２４】
本実施例における切削方法の操作過程において、カッター（微粒子ナイフ）の取り付けは下記の二種類の方式を採用して実現することができる。第一は、マイクロジェットにより微粒子ナイフを挟む方式でマイクロ切削を行う。第二は、マイクロジェットにより微粒子ナイフを回転駆動させる方式でマイクロ切削を行う。
【００２５】
マイクロジェットにより微粒子ナイフを挟む方式でマイクロ切削を行う際、切削方法は具体的に下記のステップを含む。
【００２６】
１．先ず、ワークピースをマイクロジェットノズル4の下方に位置する作業台3に固定するステップ。
【００２７】
２．微粒子ナイフ1をワークピースに置くステップ。
【００２８】
３．環状流の圧力、スピード、流量及びマイクロジェットノズル4から加工面までの距離（標的距離H）がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように液圧装置を調節するステップ。
【００２９】
４．次いで、視覚拡大システムをオンにするステップ。
【００３０】
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、マイクロジェットノズル4の噴射口が微粒子ナイフ1に照準が合うまでマイクロジェットノズル4を移動させるステップ。
【００３１】
６．液圧装置のバルブを開き、マイクロジェットノズル4から環状流を噴出し、微粒子ナイフ1が前記間環状流内に位置し、且つ、当該環状流により捕集されるステップ。
【００３２】
７．マイクロジェットノズル4を移動することにより、ワークピースの加工位置にまで微粒子ナイフ1を移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップ。
【００３３】
８．作業台3と微粒子ナイフ1の間の相対的な直線移動を制御することにより、ワークピースと微粒子ナイフ1との間で設計要求の軌道に従って運動するようにし、予定形状の加工が完成するまで、ナイフヘッドが下向きの上述の微粒子ナイフ1がワークピースを切削するステップ。
【００３４】
上述の第８ステップにおいて、作業台3と微粒子ナイフ1の間の相対的な直線移動は下記の二種類の方式により実現することができる。１つは、作業台3が必要に応じて直線移動し、マイクロジェットノズル4および捕集された微粒子ナイフは固定して動かない方式である。もう１つは、作業台3が固定して動かず、マイクロジェットノズル4および捕集された微粒子ナイフ1が必要に応じて直線移動を行う方式である。
【００３５】
マイクロジェットによる微粒子ナイフを“挟む”ことでマイクロ切削を行う第一種の方式を採用する際、微粒子ナイフ1のナイフ本体11内には更にカウンタウェイトブロック2が設けられ、当該カウンタウェイトブロック2はナイフ本体11にあるナイフヘッド12が終始下向きに偏向し、且つ切削加工面に接触するようにする。加工時、液体を媒体とし、マイクロジェットノズル4のスプレーヘッドでは環状流が形成され、当該環状流は微粒子ナイフ1の表面に作用し、微粒子ナイフ1の表面に内側向きの水平分力と下向きの垂直分力を生成する。内側向きの水平分力は微粒子ナイフ1に対し“挟む”作用があり、まるでピンセットのようにマイクロジェットノズル4の下方にある微粒子ナイフ1をしっかりと“挟む”。下向きの垂直分力とカウンタウェイトブロックが共に微粒子ナイフ1に作用することにより、ナイフヘッド12が終始下を向くようにし、作業台3とマイクロジェットノズル4の間で相対的な直線移動を行うことで、ワークピースに対する切削を実現することができる。
【００３６】
マイクロジェットにより微粒子ナイフを回転駆動させることでマイクロ切削を行う際、切削方法は具体的に下記のステップを含む。
【００３７】
１．先ず、ワークピースをマイクロジェットノズル4の下方に位置する作業台3に固定するステップ。
【００３８】
２．微粒子ナイフ1をワークピースに置くステップ。
【００３９】
３．環状流の圧力、スピード、流量及びマイクロジェットノズル4から加工面までの距離（標的距離H）がそれぞれワークピースに対応する必要な数値になるように液圧装置を調節するステップ。
【００４０】
４．次いで、視覚拡大システムをオンにするステップと；
５．前記視覚拡大システムのガイドの下で、マイクロジェットノズル4の噴射口が微粒子ナイフ1に照準が合うまでマイクロジェットノズル4を移動させるステップ。
【００４１】
６．液圧装置のバルブを開き、マイクロジェットノズル4から環状流を噴出し、微粒子ナイフ1が、前記環状流内に位置し、この際、微粒子ナイフ1の重心線と環状流の中心線が重なり合うことで当該環状流により捕集されるステップ。
【００４２】
７．前記マイクロジェットノズル4を移動することにより、ワークピースの加工位置にまで微粒子ナイフ1を移動させ、且つ切削待ちの部位を探すステップ。
【００４３】
８．続いて、微粒子ナイフ1の重心線を環状流の中心線から離れるように設置し、環状流の作用によって微粒子ナイフ1を回転させ（作業台3は固定して動かなくても、必要に応じて直線運動を行ってもよい）、この際、微粒子ナイフ１とマイクロジェットノズル4の間では下記の初期条件を満たしているステップ。
0005897220.tif 000003
上記式において、kは作用係数で、rは前記微粒子ナイフの重心からマイクロジェットの当該微粒子ナイフにおける作用点までの間の距離で、ρはマイクロジェット液体の密度で、v0はマイクロジェットの前記マイクロジェットノズルの噴射口における速度で、gは重力加速度で、hは前記マイクロジェットノズルの底部からマイクロジェットと前記微粒子ナイフの接触点までの高さで、fは静摩擦係数で、mは前記微粒子ナイフの質量で、θはマイクロジェットの微粒子ナイフに対する垂直分力の作用点から円心までの連結線と微粒子ナイフの垂直方向外径の間の夾角である。
【００４４】
９．予定形状の加工を完成するまで、回転させられる微粒子ナイフ1がワークピースを切削するステップ。
【００４５】
前記ステップ８における初期条件は下記の力学分析により導き出される。微粒子ナイフの形状をほぼ球状体に設定し、この微粒子ナイフを導出対象とすれば、応力分布は図4に示される通りである。
【００４６】
静止時、微粒子ナイフは平衡状態にあり、
0005897220.tif 000004
により、
0005897220.tif 000005
0005897220.tif 000006
0005897220.tif 000007
を得ることができ、
運動量モーメント定理
0005897220.tif 000008
により、もし、微粒子ナイフが回転すると、α＞0でなければならず、即ち、
0005897220.tif 000009
式(2)、式(3)、式(4)を式(6)に代入して解くと、
0005897220.tif 000010
が得られる。もし、Fyが存在するならば、sinθ−f ＞0でなければならず、即ち、
0005897220.tif 000011
微粒子ナイフが回転する初期状態の時、Fx=0で、式(7)を下記のように単純化する。
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ジェットが微粒子ナイフに突き当たる時、図3に示されているように、微粒子ナイフの表面で形成された圧力は
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である。
【００４７】
図5に示されているように、ハッチング部分はジェットの微粒子ナイフに対して最大に作用する面積で、即ち、1/4の球面で、図中では半円で表されるが、この時の作用効果が最も良い。
【００４８】
仮に、ジェットの微粒子ナイフに対する作用面積がSであるとすれば、
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で、式(12)を式(9)に代入すると、
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になる。式(13)は微粒子ナイフが回転し、且つ切削加工を行う初期条件である。そのうち、π、r、ρ、g、f、mは既知であり、k、v0、h、θは変化するパラメータである。
【００４９】
以下、kとθの関係を確定する。
【００５０】
ジェットが微粒子ナイフに突き当たる時、その作用面積（相互に接触する面積）の投影は弓形である。理論力学の教材に基づき、その面積Sは
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であることが分かる。
【００５１】
式(11)と式(14)をまとめると、
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となり、整理して                                                                      
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が得られる。kとθは互いに関連する変数で、ジェット、微粒子のサイズ、両者間の相対的な位置等に関連している。図4によると、θの値の範囲は
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で、式(17)を式(16)に代入してkの値域は
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となる。上述のように、微粒子ナイフが回転し、且つ切削を行う初期条件は
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である。上述した式(1)から式(19)における符号の定義は下記の通りである。
Fx：微粒子ナイフに対する液体の水平分力
Fy：微粒子ナイフに対する液体の垂直合力
Ff：微粒子ナイフとワークピース表面の摩擦力
FN：微粒子ナイフに対するワークピース表面の支持力
f：静摩擦係数
r：微粒子ナイフの半径
m：微粒子ナイフの質量
g：重力加速度
e：Fy作用点から微粒子ナイフ円心までの水平距離
J：微粒子ナイフの重心に対する回転慣性
P：微粒子ナイフの表面に対するジェットの圧力
h：ノズルの底部からジェット及び微粒子ナイフの接触点までの高さ
k：作用係数
S：微粒子ナイフに対するジェットの作用面積
ρ：ジェット液体の密度
θ：Fyの作用点と円心を結ぶ連結線と垂直方向の夾角
α：角加速度
v0：ジェットのノズル出口における速度
よって、回転トルクの存在を維持すれば、微粒子ナイフは停止せずに回転し、これにより微粒子ナイフの水による回転を実現することができる。言い換えれば、微粒子ナイフの回転は風が風車を回すように、ジェットの圧力が微粒子ナイフに作用することで回転トルクが生成され、これにより、微粒子ナイフが回転する。現実に風力が風車に対する作用と類似し、微粒子ナイフつまり“風車”は、ジェット水流により生成された“風”の作用により回転する。また、微粒子ナイフの回転方向は、その水ポテンシャルにおける初期位置と微粒子ナイフそのものの形状によって決められる（初期位置は、水ポテンシャルが微粒子ナイフを捕集するのに成功した瞬間の、微粒子ナイフの水ポテンシャルにおける位置）。
【００５２】
本実施例の切削方法は水により微粒子ナイフを挟む又は水により微粒子ナイフを回転駆動させる方式でマイクロ切削を行う。作業台は微粒子ナイフに相対して直線移動を行うことができる。マイクロジェットの存在により、マイクロジェットノズルから噴出するマイクロビームが適時に切削過程で生成される熱量を持ち出すことができることによって、熱−構造カップリング作用により生成される不均一変形場を大幅に減少させ、マイクロ切削変形域の寸法効果、不均質ひずみ、および転位等のせん断変形応力とせん断変形エネルギーの影響を低下させ、切削効率と品質を向上させている。また、このような切削方法を採用すると、これまでの切削工具のように微粒子ナイフを主軸に取付ける必要がないため、切削装置全体の構造がより簡単になり、より操作し易い。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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