(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液が収納された加工槽内に被加工物とともに電極を配設し、
前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加して前記被加工物表面に不働態膜を生成し、
この不働態膜を切削工具により切削して前記被加工物を所定の形状に加工する微細切削方法において、
前記電解電圧を印加しているときに、前記切削工具により前記不働態膜を除去した時の前記電極と前記被加工物間の電解電流のピーク電流を計測し、
前記電解電流のピーク電流と閾値とを比較し、
前記電解電流のピーク電流が前記閾値より大きいとき、前記電解電圧を下げ、前記電解電流のピーク電流が前記閾値より小さいとき、前記電解電圧を上げ、前記電解電流のピーク電流が前記閾値と同じとき、前記電解電圧を維持することで、前記不働態膜を形成する時の電解電圧を制御することを特徴とする微細切削方法。
【請求項２】
前記ピーク電流の計測は、前記電解電圧の印加開始し、前記切削工具により加工を開始した後、１０〜２０ｍ秒の時点で行うことを特徴とする請求項１に記載の微細切削方法。
【請求項３】
前記切削工具による加工は、前記電解液のｐＨを一定に保った状態で行うことを特徴とする請求項１記載の微細切削方法。
【請求項４】
電解液が収納された加工槽内に被加工物とともに電極を配設し、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加して前記被加工物表面に不働態膜を生成し、この不働態膜を切削工具により切削して前記被加工物を所定の形状に加工する微細切削装置において、
前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加する電解電圧印加手段と、
前記電解電圧を印加しているときに、前記切削工具により前記不働態膜を除去した時の前記電極と前記被加工物との間に流れる電解電流のピーク電流を検出する電解電流検出手段と、
前記電解電流検出手段によって検出された前記ピーク電流と閾値とを比較し、前記ピーク電流が前記閾値以上であるか、前記閾値以下であるかを判定する判定手段と、
前記判定手段により前記ピーク電流が前記閾値より大きいと判定されたとき、前記電解電圧が下がり、前記ピーク電流が前記閾値より小さいと判定されたとき、前記電解電圧が上がり、前記ピーク電流が前記閾値と同じと判定されたとき、前記電解電圧が維持されるように、前記不働態膜を形成する時の前記電解電圧印加手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする微細切削装置。
【請求項５】
前記加工槽は、前記電解液のｐＨ値を一定に保つｐＨ調整手段を備えることを特徴とする請求項４記載の微細切削装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細切削方法および微細切削装置に関し、特に、金属材料からなる被加工物の切削対象部分の表面に最適の不働態膜を生成し、その不働態膜を切削除去して被加工物を加工する微細切削方法および微細切削装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属材料からなる被加工物の表面に、数十μｍ程度の幅及び深さの微細な加工を切削工具を用いて行いたいという要求がある。例えば、インクジェットヘッド部品、微細光学部品、これらを製造する金型の原型等を作製する場合である。微細切削を行うための切削工具は、当然、微細な形状になるため、被加工物との摩擦による切削工具の摩耗、切削抵抗による切削工具の変形や折損等の問題を解決しなければならない。このため、従来より被加工物の切削性を改良した微細切削方法や微細切削装置が提案されている。
【０００３】
例えば、特開平１０−１５６６２６号公報の微細切削方法は、導電性の金属からなる被加工物と電極との間に電解液を介在させ、被加工物と電極との間に電解電圧を印加し、被加工物の表面に不働態膜を生成させ、この不働態膜部分を微細切削工具により切削加工する。切削後、再び不働態膜を生成し、この不働態膜を切削工具により切削するという工程を何度も繰り返すことにより、所望の深さおよび形状の切削を行っている。
【０００４】
不働態膜は、酸化膜あるいは水酸化膜であり、金属であったときとモル分子（原子）容積が異なるために、膨張して金属層との界面における応力が増大して剥離しやすくなり、また、適当な電解条件下において多孔質になり、機械的な性質が脆くなる。そこで、不働態膜を切削工具で切削すれば、極めて容易に切削が行え、不働態膜の生成とその切削を繰り返せば、切削工具の摩耗や、変形、折損を発生させることなく、微細な切削工具により、所望の深さおよび形状に加工することができる。
【０００５】
そして、不働態膜の成膜においては、電解液のｐＨが影響を与えることが知られている。そこで、加工槽内の電解液のｐＨを検出し、ｐＨ値が所定値から変化したときに電解液に酸性溶液を滴下してｐＨ値を調整し、常時、一定の電解条件が形成されるようにして被加工物表面に不働態膜を生成する微細切削方法も提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の微細切削方法および微細切削装置によると、特開平１０−１５６６２６号公報の微細切削方法の場合、電極と被加工物間に発生している電解の状態を検出していないため、電解条件の変化によって、不働態膜が被加工物の表面に十分に形成されなかったり、被加工物表面が過不働態化状態になる恐れがある。電極と被加工物間に電解電圧を印加する際、被加工物表面に不働態膜を生成させるために適正な電解条件下で電解電圧の印加を行う必要があるが、被加工物の表面に不働態膜が十分に形成されない電解条件下で電解電圧を印加した場合、不働態化されていない状態の金属部分を切削することになり、切削抵抗が上昇し、切削工具の欠けや折損を発生させることになる。
【０００７】
また、被加工物表面が過不働態化状態となる電解条件下において、電解電圧を印加した場合には、金属の粒界腐食による凹凸が発生し、加工面の形状精度や表面粗さを低下させる。
【０００８】
さらに、電解液のｐＨの検出値の変化に応じて酸性溶液を電解液に滴下してｐＨ値を調整する従来の微細切削方法によると、ｐＨ値の計測を行っている場所が、電解電圧が印加されている電極と被加工物の間ではないため、電極と被加工物間に局所的なｐＨ値の変化が生じた場合には、不働態膜が被加工物の表面に十分に形成されなかったり、被加工物の表面が過不働態化状態になる恐れがある。
【０００９】
したがって、本発明の目的は、不働態膜が被加工物表面に最適な条件により形成されるようにし、不働態膜が最適な条件下で形成されないことに起因する工具の欠けや折損を防止でき、更に加工面の形状精度や表面粗さの低下を防止できるようにした微細切削方法および微細切削装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、電解液が収納された加工槽内に被加工物とともに電極を配設し、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加して前記被加工物表面に不働態膜を生成し、この不働態膜を切削工具により切削して前記被加工物を所定の形状に加工する微細切削方法において、前記電解電圧を印加しているときに、前記切削工具により前記不働態膜を除去した時の前記電極と前記被加工物間の電解電流のピーク電流を計測し、前記電解電流のピーク電流と閾値とを比較し、前記電解電流のピーク電流が前記閾値より大きいとき、前記電解電圧を下げ、前記電解電流のピーク電流が前記閾値より小さいとき、前記電解電圧を上げ、前記電解電流のピーク電流が前記閾値と同じとき、前記電解電圧を維持することで、前記不働態膜を形成する時の電解電圧を制御することを特徴とする微細切削方法を提供する。
【００１１】
この方法によれば、被加工物の表面に不働態膜が最適に形成される電解条件に設定され、被加工物表面が過不働態化状態や不働態膜が十分に形成されない状態となることを防ぎ、切削工具の欠けや折損を防止し、或いは加工面の形状精度や表面粗さの低下を防止することができる。
【００１２】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、電解液が収納された加工槽内に被加工物とともに電極を配設し、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加して前記被加工物表面に不働態膜を生成し、この不働態膜を切削工具により切削して前記被加工物を所定の形状に加工する微細切削装置において、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加する電解電圧印加手段と、前記電解電圧を印加しているときに、前記切削工具により前記不働態膜を除去した時の前記電極と前記被加工物との間に流れる電解電流のピーク電流を検出する電解電流検出手段と、前記電解電流検出手段によって検出された前記ピーク電流と閾値とを比較し、前記ピーク電流が前記閾値以上であるか、前記閾値以下であるかを判定する判定手段と、前記判定手段により前記ピーク電流が前記閾値より大きいと判定されたとき、前記電解電圧が下がり、前記ピーク電流が前記閾値より小さいと判定されたとき、前記電解電圧が上がり、前記ピーク電流が前記閾値と同じと判定されたとき、前記電解電圧が維持されるように、前記不働態膜を形成する時の前記電解電圧印加手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする微細切削装置を提供する。
【００１３】
この構成によれば、電解電圧印加手段により電極と被加工物間に電解電圧が印加され、その電解電流の波形が電解電流検出手段により検出され、電解電流の波形に基づいて被加工物の表面の不働態膜の形成状態が表面状態判別手段により判別され、その判別結果に応じて電解電圧印加手段の出力電圧の制御（電圧値の変更等）が行われる。したがって、被加工物表面に不働態膜圧が十分な量となる電解条件に設定され、被加工物表面の過不働態化状態や不働態膜圧が不十分となる状態を無くし、切削工具の欠けや折損を防止し、或いは加工面の形状精度や表面粗さの低下を防止することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の微細切削装置の構成を示す。
本発明の微細切削装置は、位置制御機構１００、位置制御装置１２０、電解電圧印加装置１３０（電解電圧印加手段）、電解電圧検出装置１４０、電解電流検出装置１５０（電解電流検出手段）、表面状態判別装置１６０（表面状態判別手段）、ｐＨ調整装置１７０（ｐＨ調整手段）、ｐＨセンサ１８０、及びｐＨ調整溶液供給機構１９０を備えて構成されている。
【００１５】
位置制御機構１００は、被加工物１０７を水平方向へ移動させるためのＸ軸ステージ１０１、被加工物１０７をＸ軸ステージ１０１の移動方向と直交する方向に水平移動させるためのＹ軸ステージ１０２、切削工具１０５を保持して垂直方向へ移動させるＺ軸ステー１０３、およびＺ軸方向を中心軸にして切削工具１０５を回転させるθ軸ステージ１０４を備えて構成される。Ｘ軸ステージ１０１には、電解液１０８を満たした加工槽１０９が設置されている。そして、加工槽１０９内には被加工物１０７が設置され、この被加工物１０７に対して昇降自在に電極１０６が配設されている。ここでは、電極１０６に白金電極を用い、電解液１０８に０．０１Ｎ硝酸ナトリウム水溶液を用いている。また、被加工物１０７には、不働態膜の生成が可能な材質、例えば、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、アルミニウム等の金属、或いは、鉄、ニッケル、コバルト、チタン、アルミニウム等を含む合金を用いることができる。
【００１６】
位置制御装置１２０は、信号線１２１ａ，１２１ｂ，１２２を介してＸ軸ステージ１０１、Ｙ軸ステージ１０２、およびＺ軸ステージ１０３に制御信号を出力する。電解電圧印加装置１３０は、ケーブル１３１，１３２を通して不働態膜を形成するための電圧（電解電圧）を電極１０６と被加工物１０７の間に印加する。電解電圧検出装置１４０は、その入力端子がケーブル１３１，１３２に接続され、切削工具１０５と被加工物１０７間の電解電圧値を計測する。電解電流検出装置１５０は、切削工具１０５と被加工物１０７間の電解電流の変化を計測する。
【００１７】
表面状態判別装置１６０は、電解電圧印加装置１３０、電解電圧検出装置１４０、および電解電流検出装置１５０のそれぞれに信号線１６２，１６１，１６３を介して接続されており、電解電圧検出装置１４０および電解電流検出装置１５０で計測された電解状態を判別し、設定電圧値を電解電圧印加装置１３０へ送出する。電解電流検出装置１５０には、ケーブル１３２に接続された計測部１５０ａが設置されている。ｐＨ調整装置１７０は、電解液１０８のｐＨ値を調整するために用いられる。ｐＨセンサ１８０は、その計測部が電解液１０８に浸されるように配置され、信号線１７１を介して計測したｐＨ値はｐＨ調整装置１７０に取り込まれる。
【００１８】
ｐＨ調整溶液供給機構１９０は、希硝酸等の酸性溶液によるｐＨ調整溶液１９２が収納された溶液槽１９１と、ｐＨ調整溶液１９２の加工槽１０９内への供給を制御するバルブ１９３と、先端部が溶液槽１９１の底部に結合され、他端が加工槽１０９の所定の位置に及ぶように設けられ、途中にバルブ１９３が設けられたパイプ１９４とを備えて構成されている。バルブ１９３は、信号線１７２を通して与えられるｐＨ調整装置１７０よりの制御信号によって開閉制御される。
【００１９】
図２は、電解電圧印加装置１３０の出力が電極１０５と被加工物１０７間に印加されたときの電解電流波形を示す。電解時における電解電流ＩE は、印加電圧及び電解液１０８のｐＨ値に依存して変化する。この電解電流ＩE の変化は、電解電流検出装置１５０により計測される。被加工物１０７の表面が不働態化された状態にあっても、被加工物１０７の表面が完全な絶縁層の状態ではないため、電極１０６と被加工物１０７間には、平衡維持電流ＩB と呼ばれる微弱な電流が流れている。この状態で被加工物１０７の表面の不働態膜が除去されると、電解電圧の印加（図２のｔ1 時点）と同時に、数ｍ秒程度の幅のピーク電流Ｉ1 を含む電解電流ＩE が流れる。電解電圧の印加に伴って、被加工物１０７の表面には不働態膜が形成されていくため、流れる電解電流値は時間とともに低下していき、最終的に平衡維持電流ＩB と同一値になる。
【００２０】
図３は被加工物表面が過不働態化状態になった場合の電解電流波形を示す。図３においては、ｔ1 時点で電解電圧の印加を開始した時、電解電流ＩE のピーク電流Ｉ2 が設定した閾値Ｔｈ以上であるときの電解電流波形が示されている。ピーク電流Ｉ2 が閾値Ｔｈを越える状態は、過不働態化状態になることを意味しており、被加工物１０７の加工面に凹凸が発生し、加工面の形状精度の低下や表面粗さの低下を生じさせる。なお、被加工物表面にはわずかな電解溶出が発生しているため平衡維持電流よりも大きな電流値となる一定電流波形がピーク波形後に検出される。
【００２１】
図４は不働態膜が十分に形成されない場合の電解電流波形を示す。図４においては、ｔ1 時点で電解電圧の印加を開始した時、電解電流ＩE のピーク電流Ｉ3 が設定した閾値Ｔｈ以上であったときの電解電流波形が示されている。ピーク電流Ｉ3 が閾値Ｔｈ以下になる状態は、不働態膜が十分に形成されていないことを意味している。不働態膜が十分に形成されていない状態において加工を行うと、被加工物１０７自体を切削してしまい、切削抵抗が上昇するため、電極１０５の折損等を招き易くなる。この場合も、平衡維持電流ＩB が一定値になった後のｔ2 時点で電解電圧の印加を停止する。
【００２２】
図２〜図４から明らかなように、閾値Ｔｈを適正に設定し、閾値Ｔｈと電解電流ＩE のピーク電流値とを比較すれば、この比較結果から被加工物表面の状態が十分な膜圧の不働態膜が形成（図２のケース）、過不働態化状態（図３のケース）、不働態膜の形成が不十分（図４のケース）のいずれかにあることを把握することができる。さらに、上記比較結果に基づいて電解電圧を制御すれば、不働態膜の成膜を制御することができる。
【００２３】
次に、φ５０μｍの超硬材料の先端をＤ字形の断面形状に加工された切削工具１０５によりＳＵＳ３０４の被加工物１０７を加工する場合を例にし、かつ、具体的な数値を示して図１の微細切削装置の動作を図３および図４を参照して説明する。
【００２４】
まず、電解電圧印加装置１３０により電極１０６と被加工物１０７の間に電解電圧を印加し、被加工物１０７の表面に不働態膜を形成する。電解電圧は、２．０Ｖを初期電圧とし、これを電極１０６と被加工物１０７の間に印加し、かつ、２．０Ｖの値を０．５秒間出力し、次に０．５秒間停止するパルス状の波形を繰り返し印加する。
【００２５】
次に、θ軸ステージ１０４を駆動して、切削工具１０５を３０００ｒｐｍで回転させ、切削工具１０５を被加工物１０７の上端面から１０μｍの位置、つまり、切り込み深さが１０μｍとなる切削開始位置まで移動させる。ついで、Ｘ軸ステージ１０１を用いて被加工物１０７を移動させながら切削加工を開始する。ここで、被加工物１０７の送り速度は、０．１μｍ／ｓｅｃとした。
【００２６】
切削工具１０５により被加工物１０７の表面の不働態膜部分が除去されると、被加工物１０７の金属部分（素地）が露出する。この状態において、電極１０６と被加工物１０７の間に電解電圧が印加されていれば、不働態膜が形成される。そして、被加工物１０７に不働態膜が形成される過程で、電解電流が計測部１５０ａと電解電流検出装置１５０により計測される。不働態膜が最適に形成された場合、閾値Ｔｈと同一又は近傍の値の図２に示すピーク電流Ｉ1 が計測される。電解電流検出装置１５０によるピーク電流の計測結果は、表面状態判別装置１６０に取り込まれ、閾値Ｔｈとピーク電流Ｉ1 の比較が行われ、偏差が無いことをもって被加工物１０７の表面に不働態膜が適正に形成されたものと判定し、現在の電解電圧値を維持するように電解電圧印加装置１３０に指示を出す。なお、表面状態判別装置１６０による被加工物１０７の表面状態の判定には、電解電圧の印加開始後１５ｍｓｅｃの時点の電解電流波形を用いた。
【００２７】
次に、図３に示した波形の電解電流が計測された場合、表面状態判別装置１６０は、被加工物１０７の表面が過不働態化状態にあると判定する。この判定に伴い、表面状態判別装置１６０は、電解電圧印加装置１３０の出力電圧を所定の電圧だけ下がるように電解電圧印加装置１３０を制御する。この場合、電解電圧印加開始時のピーク電流値の判定に用いる閾値Ｔｈは、１０μＡとした。
【００２８】
さらに、図４に示した波形の電解電流が計測された場合、表面状態判別装置１６０は、被加工物１０７の表面の不働態化が十分に行われていないと判定する。この判定に伴い、表面状態判別装置１６０は、電解電圧印加装置１３０の出力電圧を所定の電圧だけ上げるように電解電圧印加装置１３０を制御する。
【００２９】
以上のように、電極１０６と被加工物１０７間に印加される電解電圧を適正な値に調整することによって、被加工物１０７の表面に最適な厚みの不働態膜を生成させることができ、不働態膜の部分を切削加工することによって低切削抵抗での切削加工が可能になる。
【００３０】
ところで、不働態膜が形成される電解条件は、電極１０６と被加工物１０７間に印加される電解電圧と、電解液１０８のｐＨ値により決定される。したがって、不働態膜を安定に生成するためには、印加する電解電圧と電解液１０８のｐＨ値を適正に設定する必要がある。そこで、加工中においては、電解液のｐＨ値が大きく変化しないように、予め設定されたｐＨ値（例えば、６．８）が保持されるように制御する。ｐＨ値はｐＨセンサ１８０により所定の時間周期で計測され、その計測値がｐＨ値調整装置１７０に取り込まれ、設定値との偏差に基づいてバルブ１９３の開閉を制御し、パイプ１９４を通して電解液１０８中へ滴下することにより、電解液１０８のｐＨ値を調整することができる。ｐＨ値が安定であれば、電解電圧の設定のみにより不働態膜の生成を制御することができるので、制御が複雑化するのを防止することができる。
【００３１】
図５は本発明の微細切削方法を示す。図５の処理は、電解電圧印加装置１３０、電解電圧検出装置１４０、電解電流検出装置１５０、および表面状態判別装置１６０によって実行される。まず、加工の開始（ステップ５０１）と同時に、電解電圧印加装置１３０により電極１０６と被加工物１０７の間に電解電圧（ここじは、２．０Ｖ）が印加される（ステップ５０２）。次に、電極１０６により所定の距離が加工されたか否かの判定、つまり、不働態膜の生成が必要か否かの判定が行われる（ステップ５０３）。所定の距離が加工されていれば加工を終了し（ステップ５０４）し、Ｚ軸ステージ１０３を動作させ、切削工具１０５を電解液１０８内より退避させる。切削工具１０５による加工が所定の距離以下であれば、ステップ５０５へ移行する。ステップ５０５では、計測部１５０ａ及び電解電流検出装置１５０によりピーク電流が計測され、この計測結果は表面状態判別装置１６０に取り込まれる。表面状態判別装置１６０では、図３及び図４で説明したように、閾値Ｔｈとピーク電流Ｉ2 またはＩ3 との比較が行われる。表面状態判別装置１６０は、〔ピーク電流＞閾値Ｔｈ〕が判定されたときには電解電圧が０．１Ｖ下がるように電解電圧印加装置１３０を制御し（ステップ５０７）、逆に、〔閾値Ｔｈ＞ピーク電流〕が判定されたときには印加開始時の電解電圧に対し、電解電圧が０．１Ｖ上がるように電解電圧印加装置１３０を制御する（ステップ５０８）。ステップ５０７，５０８の処理後、ステップ５０２に戻り、以降の処理を繰り返し実行する。
【００３２】
なお、上記実施の形態においては、電解電圧の増減は０．１Ｖ単位としたが、本発明はこの値に限定されるものではなく、設備規模や加工条件等に応じて任意に設定することができる。
【００３３】
また、切削工具１０５にＤ字形の断面形状のものを用いたが、加工すべき形状、加工条件等に応じて任意の形状のものを用いることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の微細切削方法および微細切削装置によれば、電極と被加工物間の電解電流の電流波形を計測し、この電流波形の計測結果に基づいて電解電圧を制御するようにしたので、最適な不働態膜を被加工物の表面に形成する電解条件を容易に設定することができ、その結果、被加工物表面の過不働態化状態や不働態膜が十分に形成されない状態が無くなるため、切削工具の欠けや折損が防止され、或いは加工面の形状精度や表面粗さの低下が防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微細切削装置の構成を示す構成図である。
【図２】被加工物表面に不働態膜が形成されているときの電解電流波形を示す波形図である。
【図３】被加工物表面が過不働態化状態であるときの電解電流波形を示す波形図である。
【図４】被加工物表面の不働態膜が十分に形成されていない状態であるときの電解電流波形を示す波形図である。
【図５】本発明の微細切削方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００  位置制御機構
１０１  Ｘ軸ステージ
１０２  Ｙ軸ステージ
１０３  Ｚ軸ステージ
１０４  θ軸ステージ
１０５  切削工具
１０６  電極
１０７  被加工物
１０８  電解液
１０９  加工槽
１２０  位置制御装置
１３０  電解電圧印加装置
１４０  電解電圧検出装置
１５０  電解電流検出装置
１５０ａ  電解電流計測部
１６０  表面状態判別装置
１７０  ｐＨ調整装置
１８０  ｐＨセンサ
１９０  ｐＨ調整溶液供給機構
【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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