(57)【要約】  【課題】  加工性が高く、簡便な塑性材のマイクロ加工法を提供する。  【解決手段】  アルミ製ブランク１２を微小な凹凸を有する成形型１１に接触させ、該ブランク１２の背面に設けられた、液２２を満たした密閉容器１８内で放電を行うことによって衝撃波を発生させ、それによってブランク１２を上記成形型１１に沿った微細形状に成形する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の被加工材と微細成形型とを接触させ、該被加工材および微細成形型を上部に配置して密閉室を構成し、該密閉室の内部に液を満たして該液中で放電を行うことによって衝撃波を発生させ、上記被加工材または上記微細成形型の下面から衝撃波水圧を加えることにより、該被加工材を上記成形型に沿った形状に成形することを特徴とする塑性材料のマイクロ加工方法。
【請求項２】
板状の被加工材と微細な表面パターンを備えた転写型とを接触させ、該被加工材および転写型を上部に配置して密閉室を構成し、該密閉室の内部に液を満たして該液中で放電を行うことによって衝撃波を発生させ、上記被加工材または上記転写型の下面から衝撃波水圧を加えることにより、該被加工材の表面に上記転写型による深さ100μm以下の微細パターンを転写することを特徴とする塑性材料のマイクロ加工方法。
【請求項３】
a)板状の被加工材の上面または下面に接触するように配置された微細成形型または微細表面パターンを有する転写型と、
b)上記被加工材および微細成形型または転写型の下方に設けられた、液体を満たすための密閉室と、
c)上記密閉室内に設けられた放電電極と、
d)上記放電電極に電圧を印加する手段と、
を備えることを特徴とするマイクロ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメートルオーダーの微細形状を有する金型を用いて塑性材料を成形または転写加工する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、あらゆる装置の小型化、複雑化にともない、精密機械工業や電子産業で加工の高精度化および高密度化が要望されており、マイクロメートルオーダーでの微細加工を行うマイクロ加工技術が次々に開発されている。これまで、このようなマイクロ加工技術の開発は半導体プロセス技術からのアプローチが主流であったが、近年、半導体プロセス技術では困難な加工を実現することができる微細機械加工が注目され、機械加工による切削、圧印、鍛造、穴開け加工、放電加工などの様々な微細加工技術の研究が進められている。
【０００３】
一方、従来より板金加工などの塑性材料の加工分野において、液圧を用いた加工方法が広く用いられている。これは、液圧によって塑性材料をダイスに押しつけることによって成形を行うものであり、液体に圧力を付与する方法としては、ピストンにより機械的に行う方法の他に、液中で火薬を爆発させたり（爆発成形法）、放電を行ったりする（液中放電成形法）ことで生じる衝撃波を用いる方法が以前より行われている。
【０００４】
このうち爆発成形法と液中放電成形法は高エネルギ速度加工法に分類され、高ひずみ速度、高圧力下で成形が行われるため、スプリングバック量が大幅に低減されるなどの利点があり、ピストンなどによって生じる静水圧を用いた加工方法よりも、効率の点はもちろん、難加工材や複雑形状の成形に対する加工性の点でも好ましい。
【０００５】
しかし、爆発成形法は、火薬の使用による法的規制を受けるなど、取り扱いが難しいという問題がある。これに対し、液中放電成形法は、コンデンサ等に蓄えられた大電荷をエネルギ源とし、これを液中で瞬時に放電させて、その際に発生する衝撃圧力波を利用して、高速度の変形加工を行うものであり、爆発成形法のように法的規制を受けることがないため、比較的容易に行うことができるという特長を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液中放電による加工は衝撃的な加工となることから、従来、放電加工法は専ら強加工または仕上加工の前の粗加工等に用いられていた。
【０００７】
本願発明者は、この液中放電を微細加工（マイクロ加工）に利用すべく、その加工力を微細領域に集中するために、水中放電による衝撃波を音波レンズで収束して対象物に孔を空けるマイクロ穿孔技術を既に開発している。
本発明は、更に、そのような音波レンズを用いることなく、液中放電成形法を高精度マイクロ成形および高精度マイクロ転写加工に適用できるようにしたものである。すなわち、本発明が解決しようとする課題は、マイクロメートルオーダーの成形および転写加工を高速度かつ高精度で行うことのできる加工方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明に係るマイクロ加工方法は、板状の被加工材と微細成形型とを接触させ、該被加工材および微細成形型を上部に配置して密閉室を構成し、該密閉室の内部に液を満たして該液中で放電を行うことによって衝撃波を発生させ、上記被加工材または上記微細成形型の下面から衝撃波水圧を加えることにより、該被加工材を上記成形型に沿った形状に成形することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明に係るマイクロ加工方法は、加工用の型として微細な凹凸パターンを表面に施した転写型を使用することにより、被加工材に対して加工の深さが100μm以下の面内加工（転写加工）を行うものであってもよい。
すなわち、本発明の別の態様であるマイクロ加工方法は、板状の被加工材と微細な表面パターンを備えた転写型とを接触させ、該被加工材および転写型を上部に配置して密閉室を構成し、該密閉室の内部に液を満たして該液中で放電を行うことによって衝撃波を発生させ、上記被加工材または上記転写型の下面から衝撃波水圧を加えることにより、該被加工材の表面に上記転写型による深さ100μm以下の微細パターンを転写することを特徴とするものである。
【００１０】
なお、本発明のマイクロ加工方法においては、成形型または転写型の下方に被加工材を配置し、下からの衝撃水圧によって被加工材を型に押しつけることで成形・転写加工を行ってもよく、あるいは、被加工材の下方に成形型または転写型を配置し、下からの衝撃水圧によって型を被加工材に押しつけることで成形・転写加工を行ってもよい。
【００１１】
また、本発明に係るマイクロ加工装置は、a)板状の被加工材の上面または下面に接触するように配置された微細成形型または微細表面パターンを有する転写型と、b)上記被加工材および微細成形型または転写型の下方に設けられた、液体を満たすための密閉室と、c)上記密閉室内に設けられた放電電極と、d)上記放電電極に電圧を印加する手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のマイクロ加工方法においては、液中放電によって生じる衝撃波を利用して、極めて高速度で被加工物の変形を行うため、表面転写性や、成形品の寸法精度の高い加工を行うことができる。また、水圧を利用して成形を行うため、切削による微細加工のように精密な工具等を必要とせず、加工装置の耐久性の点でも優れている。更に、被加工材および成形型または転写型を液を満たした密閉室の上部に配置し、上向きの衝撃波によって成形を行う構成としたことにより、成形の際に型と被加工材の間に存在する空気が抜けやすくなり、該空気による成形のムラを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、実施例を用いて本発明の最良の形態を説明する。
【００１４】
（実施例１）
本発明に係るマイクロ加工装置の一例を図１に示す。該マイクロ加工装置１０は、キャップ１３と、成形型または転写型１１を保持する型ホルダ１４、被加工材である金属素板（ブランク）１２を押さえて変形によるしわの発生を防止するためのリング状のしわ押さえ板１５、ブランク１２およびしわ押さえ板１５を保持するためのブランクホルダ１６、バネ１７、液体２２を収容するための密閉容器１８、補助ピストン１９、電極２０、および電極間に設けられた金属細線（導細線）２１を備えている。上記密閉容器１８の素材にはS45C鋼材を使用し、該密閉容器１８はO-リング２７によってシールした。圧力媒体として用いる液体２２としては、放電により発生する衝撃波、および高温・高圧ガスの圧力エネルギを効率よくブランク１２に伝達し、かつ成形後の除去が容易な水を用いることが望ましい。また、上記電極２０は、エネルギ効率や放電の安定性などの点から、本実施例のように電極間２０に設けた導細線２１に通電させる方式を用いることが望ましいが、導細線２１を設けず間隙放電を行う方式を用いることもできる。導細線には直径0.25mmのアルミニウム線を使用し、電極間距離を10mm、ブランク１２から導細線２１までの距離を38mm、ブランク１２から底面までの距離を85mmとした。
なお、本実施例では、バネ１７の力のみでしわ押さえ板１５をブランク１２に押しつけることによりブランク１２を把持しているが、放電の際の衝撃圧がしわ押さえ板１５にも作用するようにしわ押さえ板を配置すれば、放電時の衝撃圧を利用してブランク１２を均一に押さえことができるためより望ましい。
【００１５】
上記電極２０はコンデンサ２３に接続されており、充電スイッチ２５をオンにして電源２４からの印加電圧によりコンデンサ２３に電気エネルギを蓄積した後、安全スイッチ２７をオンにすることで、コンデンサ２３に蓄積された電気エネルギが導細線２１に短時間に放電供給される。これにより導細線２１が急激に溶融蒸発して衝撃波が発生すると共に、電極間２０の水の爆発的な気化による圧力が発生し、ブランク１２が成形型１１の形状に沿った形状に成形される。このような衝撃波の強さは、制御器２６によってコンデンサ２３に印加する電圧を調節することによって制御することができる。
【００１６】
（実施例２）
上記実施例１のマイクロ加工装置１０を用いてマイクロ張り出し成形実験を行った。加工に用いる成形型１１は、集束イオンビーム装置（日立ハイテクノロジー社製  FB-2000A）を用いて作製した。図２に該成形型の模式図、およびSEM（Scanning Electron Microscope：走査電子顕微鏡）写真を示す。該成形型１１は、直径100μm、深さ50μmの円筒形とした。型１１の肩部には4μmの面取りを施し、更に、成形の際にブランク１２と型１１の間に存在する空気を抜くために、型１１の底部に直径10μmの穴を設けた。このとき、空気が効率よく抜けるように、穴の周囲をテーパー状に形成した。該成形型１１は型ホルダ１４に埋め込んで使用した。なお、上記の型から抜けた空気を外部に逃がすために、型ホルダ１４の上部にも空気抜きのための穴を設けた。
【００１７】
被加工材としては、厚さ0.025mmの純アルミニウム製ブランクを使用した。該ブランク１２はブランクホルダ１６上に置かれたしわ押さえ板１５と上記成形型１１の間に挟み込む形でセットした。コンデンサ容量を280μFの一定値とし、充電電圧を0V〜3000Vまで変化させることにより、充電エネルギを0〜1260Jまで変化させて成形実験を行った。また、装置の電源２４にはAC100Vを使用した。
【００１８】
図３に充電電圧2400Vで成形実験を行った際の成形品のSEM写真と、該成形品の形状測定の結果を示す。成形品はフランジ部と側壁部の角度がほぼ垂直となり、また、穴の入口のテーパー形状も再現されており、成形型１１に沿った良好な成形品が得られたことが分かる。また、成形品上部の凹凸は成形不良ではなく、型底部の加工荒さによる凹凸が転写されたものである。
以上の結果より本発明の液中放電によるマイクロ加工法は、100μmのマイクロ張り出し成形において非常に優れた成形性を有していることが確認された。
【００１９】
（実施例３）
上記実施例２では、ブランクを成形型に沿った形状に変形させる、いわゆる面外加工を行ったが、加工用の型としてブランクの厚みに対して十分に浅い凹凸パターンを表面に施した転写型を使用することにより、ブランクに対して面内加工を行うこともできる。以下、このような転写型を用いた転写加工実験について説明する。
【００２０】
上記実施例１のマイクロ加工装置１０を用いてホログラムの転写加工実験を行った。ホログラムとは物体表面で反射した光の波面を干渉縞の形で記録したものであり、可視光の波長に対応した約1μm間隔の干渉縞を有している。この微細縞形状を複製すれば、該複製ホログラムから元の立体像を再生することができる。
【００２１】
本実験に用いる転写型としては、表面に微細な凹凸を持つ市販のレリーフ型回折格子を用いた。また、被加工材としては厚さ0.1mmの純アルミニウム製ブランクを使用した。
図４に転写型と転写品の写真を、図５には転写品表面のSEM写真とその模式図を示す。転写加工されたブランク表面には放射状の虹色発色が確認でき、また、SEM写真により表面に1μm間隔の線状の溝が形成されていることが確認された。
以上より、本発明の液中放電成形によるマイクロ加工法によってレリーフ型回折格子の微細凹凸形状をアルミニウムブランクに転写加工できることが確かめられた。このようなマイクロ転写法は例えば、ホログラムの光学的効果を利用したアルミ缶や複雑形状の包装容器の装飾などに応用できる。また、転写型として織物等を使用し、その組織模様をブランクに転写させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１に係るマイクロ加工装置を示す図であり、(a)は分解断面図であり、(b)は回路図である。
【図２】本発明の実施例２に係るマイクロ成形実験において使用した成形型の(a)上面図と断面図、および(b)SEM写真。
【図３】同実施例の成形実験において成形された成形品の(a)SEM写真、および(b)形状測定結果。
【図４】本発明の実施例３に係る転写加工実験における(a)転写型の写真、および(b)転写品の写真。
【図５】同実施例に係る転写加工実験において転写加工された転写品の(a)SEM写真、および(b)その模式図。
【符号の説明】
【００２３】
１０…マイクロ加工装置
１１…成形型、転写型
１２…ブランク
１３…キャップ
１４…型ホルダ
１５…しわ押さえ板
１６…ブランクホルダ
１７…バネ
１８…密閉容器
１９…補助ピストン
２０…電極
２１…導細線
２２…液体
２３…コンデンサ
２４…電源
２５…充電スイッチ
２６…制御器
２７…安全スイッチ
２８…電圧計
２９…整流器
【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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