(57)【要約】【課題】微粒子を放電電極に付着することにより、放電開始電圧を低下させて、放電電極の微小化を実現して、低出力での微細レベルの加工を行う。【解決手段】本発明の放電加工装置は、電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、放電電極の先端部近辺に供給するための微粒子供給手段と、先端部近辺に供給された微粒子を放電電極の先端部に付着させる微粒子付着手段とを備える。この放電電極に放電加工電圧を供給して、放電電極の先端部に付着した微粒子に電荷を帯びさせて、この電荷を帯びた微粒子を利用しつつ、被加工物を放電加工する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物と放電電極の間に放電電圧を印加して、被加工物を加工する放電加工方法において、
電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、前記放電電極の先端部近辺に供給して、この供給された微粒子を前記放電電極の先端部に付着させる微粒子付着プロセスと、
前記放電電極に放電加工電圧を供給して、前記放電電極の先端部に付着した微粒子に電荷を帯びさせて、この電荷を帯びた微粒子を利用しつつ、前記被加工物を放電加工する放電加工プロセスと、
から成る放電加工方法。
【請求項２】
供給された前記微粒子は、電界吸着させるための電圧を前記放電電極に印加することにより、前記放電電極の先端部に付着させた請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項３】
前記放電電極を複数個備え、かつ、該複数個の放電電極はライン状、又は直交する２方向ラインに沿って配置した請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項４】
前記放電電極を複数個備え、電界吸着させるための電圧を放電電極毎に個々に制御することにより、加工に必要な部分のみに対応した放電電極先端部に微粒子を選択吸着した後、前記放電電極の全てに放電加工電圧を一括して供給することにより、前記被加工物と微粒子が吸着された放電電極のみとの間で放電加工を行う請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項５】
前記放電電極は、先端が尖った針状電極形状である請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項６】
前記微粒子は、C60フラーレン粒子、C60フラーレン粒子の反応物、或いは水酸化フラーレン粒子である請求項１に記載の放電加工方法。
【請求項７】
被加工物と放電電極の間に放電電圧を印加して、被加工物を加工する放電加工装置において、
電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、前記放電電極の先端部近辺に供給するための微粒子供給手段と、
前記先端部近辺に供給された前記微粒子を前記放電電極の先端部に付着させる微粒子付着手段と、を備え、
前記放電電極に放電加工電圧を供給して、前記放電電極の先端部に付着した前記微粒子に電荷を帯びさせて、この電荷を帯びた微粒子を利用しつつ、前記被加工物を放電加工することから成る放電加工装置。
【請求項８】
前記微粒子付着手段は、電界吸着させるための電圧を前記放電電極に印加することにより、前記放電電極の先端部に前記微粒子を付着させる構成にした請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項９】
前記放電電極を複数個備え、かつ、該複数個の放電電極はライン状、又は直交する２方向ラインに沿って配置した請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１０】
前記放電電極を複数個備え、電界吸着させるための電圧を前記放電電極毎に個々に制御することにより、加工に必要な部分のみに対応した前記放電電極の先端部に前記微粒子を選択吸着して、前記被加工物と微粒子が吸着された放電電極のみとの間で放電加工を行う請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１１】
前記放電電極は、先端が尖った針状電極形状である請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１２】
前記微粒子は、C60フラーレン粒子、C60フラーレン粒子の反応物、或いは水酸化フラーレン粒子である請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１３】
前記微粒子供給手段は、先端を尖らせた針状の前記放電電極の周りに同心円状の隙間を形成するように、同心円状の円筒電極が取り巻くように構成して、前記同心円状の隙間に微粒子を含有したガスを流し込み、かつ、前記微粒子付着手段は、吸着電圧を前記放電電極と前記円筒電極の間に印加して、前記放電電極の先端部に微粒子を吸着させるよう構成した請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１４】
前記微粒子供給手段は、前記放電電極の先端部近辺に、回転可能の帯電させた絶縁性ドラムを配置すると共に、該絶縁性ドラムの円周上のいずれかの位置に対抗して絶縁性円筒体を配置し、該絶縁性円筒体を通して微粒子粉体を供給する請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１５】
前記微粒子供給手段及び前記微粒子付着手段は、先端が尖った針状の放電電極の外周側から取り巻く絶縁性の円筒体を備え、前記放電電極と前記円筒体の間に、微粒子粉体を充填する一方、前記放電電極の先端部が、前記円筒体の先端側から突出するように、前記放電電極に対して前記円筒体を軸方向に相対的に移動させることによって、前記放電電極の先端部に微粒子を吸着させた請求項７に記載の放電加工装置。
【請求項１６】
前記微粒子供給手段は、前記放電電極をコアとして該放電電極の周囲に電線を巻いて構成した電磁石の外周に、磁性を帯びた微粒子粉体を充填することのできるだけのスペースを形成するように非磁性の円筒体で取り巻いて構成し、かつ、前記微粒子付着手段は、前記電磁石をオン、オフ制御することにより、前記スペースに充填した微粒子粉体を前記放電電極の先端部に吸着させるよう構成した請求項７に記載の放電加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、放電電極の先端部に付着させた状態で、放電電極に放電加工電圧を供給して被加工物を放電加工する放電加工方法及び放電加工装置に関する。
【０００２】
本発明による放電加工技術は、医療分野（注射針や内視鏡などにおける微細加工）、金型分野（高精度を要求する特殊金型への適用、造形）、半導体分野（ミニマルファブなどへの適用、ドライエッチングの簡略化）、工作機械分野（特殊微細加工、３次元形状形成、CAD/CAM）等において用いることができる。
【背景技術】
【０００３】
これまでの特殊加工技術としては、放電加工技術やレーザー加工、電界加工などが用いられている。これらの共通した特徴として材料除去プロセスで刃物など工具を必要としないため、除去速度は低いが高精度加工や薄板加工など、マシニングセンタで代表される従来の工作機械では不可能な加工が容易に実現できることである。しかしながら、これらの特殊加工技術は高エネルギーが必要なため装置が大掛かりになることや、改良が進められているものの最少加工寸法がサブμmレベルの領域が限界である（非特許文献１、２参照）。さらに、従来の特殊加工では穴加工や切断など形状制御が困難であるため、用途も限定されている。ナノレベルの加工技術としては、半導体プロセスに代表されるリソグラフィーやドライエッチングなどのパターン形成プロセスが主流であるが、これらのプロセスは真空プロセスであることや設備コストが膨大になることから汎用プロセスとして実用化するのは困難である。そのため、大気中でのナノレベルでの加工技術が求められている。また、ナノレベルの加工技術が必要とされるMEMS分野への適用は困難である。
【０００４】
放電加工は、電極と被加工物との間に短い周期で繰り返されるアーク放電によって被加工物表面の一部を除去する機械加工である。スパークが被加工物の表面の一部を溶かして蒸発させることにより被加工物から除去された粒子は、電極と被加工物との間に満たされた誘電体の液体によって洗い流される。アーク放電のために１個のみの電極を用いるのが通常であるが、複数の電極を用いた放電加工機（特許文献１、２参照）もまた公知である。
【０００５】
図１７（Ａ）は、特許文献１に開示の従来技術による放電加工装置の構成図であり、（Ｂ）は、一括集団加工電極の模式図を示している。図において、導電層が、被加工物である絶縁性のセラミックスの表面に形成されている。一体成形されている一括集団加工電極は、詳細を示す（Ｂ）に見られるように、複数の電極突起部を剣山形状に微小間隔で配置している。加工電極及び被加工物は、加工電源制御装置の制御に基づき、通常のように加工油の中で放電加工を行う。電気的に一体化された剣山状の加工電極を用いることによって、絶縁性セラミックスに対しても、一度に多数の形状を同時に放電加工可能となる。しかしながら、複数の電極突起部は、一体化されているので、個別に制御することはできない。
【０００６】
図１８は、特許文献２に開示の従来技術による放電加工装置の構成図である。図示のように、加工液中に設けられた複数に分割された電極と被加工物間に電源より加工電力を供給し、放電を発生させて被加工物を電極と同じ形状に加工する。ダイオードと抵抗との並列体をそれぞれ直列に接続し、この並列体を介して各電極に共通の電源から加工電力を供給する。これによって、複数の電極のうち１つが放電したときにも、他のダイオードが逆方向バイアス状態となり、他の電極に蓄えられた電気量がその電極に流れ込まず、各々の電極の突入放電エネルギーが小さくなるという効果がある。しかしながら、上記同様、複数の電極を個別に制御することを意図していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平10-249644
【特許文献２】特開平6-226538
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】三菱電機HP<http://www.mitsubishielectric.co.jp/fa/products/mecha/edm/index.html>
【非特許文献２】西部電機HPhttp://www.seibudenki.co.jp/seimitu/electric/
【非特許文献３】科学技術振興機構JST  HPhttp://www.jst.go.jp/pr/info/info56/zu2.html
【非特許文献４】松井功、”ナノ粒子磁性体とその磁気特性”東芝レビューVOL.62, No.1 (2007)https://www.toshiba.co.jp/tech/review/2007/01/62_01pdf/f01.pdf#search=
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の放電加工、レーザー加工、或いは電界加工などの特殊加工技術としては、サブμmレベルの加工寸法が限界であることやワイヤー放電でも深い穴形状が困難である。また、従来技術加工は、加工形態が切断、穴開加工など限定的な加工方法が主流であり、微細かつ複雑な３次元形状を加工することは困難であった。
【００１０】
そこで、本発明は、係る問題点を解決して、電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を放電電極に付着することにより、放電開始電圧を低下させて、絶縁耐力の問題を生じることなく放電電極と被加工物との距離だけでなく、複数の放電電極を用いた際には電極同士間の距離を接近させることを可能にし、これによって、放電電極の微小化を実現して、低出力での微細レベルの加工を行う放電装置の小型化を図ることを目的としている。
【００１１】
また、本発明は、複数の電極を（例えば、ライン状或いは直交する２方向に）配列して、１パルスあたりの放電箇所を制御して、１プロセスで選択した場所を同時に一括して放電することにより、微細かつ複雑な形状に効率的に加工することを目的としている。このことから、例えば、半導体素子上に複数の放電電極を微細に配列可能となり、半導体の寸法レベルまで微細なパターン形成が可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の放電加工方法は、電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、放電電極の先端部近辺に供給して、この供給された微粒子を放電電極の先端部に付着させる微粒子付着プロセスと、放電電極に放電加工電圧を供給して、放電電極の先端部に付着した微粒子に電荷を帯びさせて、この電荷を帯びた微粒子を利用しつつ、被加工物を放電加工する放電加工プロセスと、から成る。
【００１３】
また、本発明の放電加工装置は、電圧印加した際には電荷を帯びるのに十分な導電性を有する微粒子を、放電電極の先端部近辺に供給するための微粒子供給手段と、先端部近辺に供給された微粒子を放電電極の先端部に付着させる微粒子付着手段とを備える。この放電電極に放電加工電圧を供給して、放電電極の先端部に付着した微粒子に電荷を帯びさせて、この電荷を帯びた微粒子を利用しつつ、被加工物を放電加工する。
【００１４】
供給された微粒子は、電界吸着させるための電圧を放電電極に印加することにより、放電電極の先端部に付着させることができる。放電電極を複数個備え、かつ、該複数個の放電電極はライン状、又は直交する２方向ラインに沿って配置することができる。
【００１５】
また、放電電極を複数個備え、電界吸着させるための電圧を放電電極毎に個々に制御することにより、加工に必要な部分のみに対応した放電電極先端部に微粒子を選択吸着した後、放電電極の全てに放電加工電圧を一括して供給することにより、被加工物と微粒子が吸着された放電電極のみとの間で放電加工を行うことができる。
【００１６】
放電電極は、先端が尖った針状電極形状にすることができる。微粒子は、C60フラーレン粒子、C60フラーレン粒子の反応物、或いは水酸化フラーレン粒子が望ましい。
【００１７】
微粒子供給手段は、先端を尖らせた針状の放電電極の周りに同心円状の隙間を形成するように、同心円状の円筒電極が取り巻くように構成して、同心円状の隙間に微粒子を含有したガスを流し込み、かつ、微粒子付着手段は、吸着電圧を放電電極と円筒電極の間に印加して、放電電極の先端部に微粒子を吸着させるよう構成することができる。
【００１８】
また、微粒子供給手段は、放電電極の先端部近辺に、回転可能の帯電させた絶縁性ドラムを配置すると共に、該絶縁性ドラムの円周上のいずれかの位置に対抗して絶縁性円筒体を配置し、該絶縁性円筒体を通して微粒子粉体を供給するよう構成することができる。
【００１９】
また、微粒子供給手段及び微粒子付着手段は、先端が尖った針状の放電電極の外周側から取り巻く絶縁性の円筒体を備え、放電電極と円筒体の間に、微粒子粉体を充填する一方、放電電極の先端部が、円筒体の先端側から突出するように、放電電極に対して円筒体を軸方向に相対的に移動させることによって、放電電極の先端部に微粒子を吸着させる構成にすることができる。
【００２０】
また、微粒子供給手段は、放電電極をコアとして該放電電極の周囲に電線を巻いて構成した電磁石の外周に、磁性を帯びた微粒子粉体を充填することのできるだけのスペースを形成するように非磁性の円筒体で取り巻いて構成し、かつ、微粒子付着手段は、電磁石をオン、オフ制御することにより、スペースに充填した微粒子粉体を放電電極の先端部に吸着させるよう構成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、微粒子を放電に利用することにより、放電開始電圧を低下させて、絶縁耐力の問題を生じることなく放電電極と被加工物との距離だけでなく、複数の放電電極を用いた際には電極同士間の距離を接近させることが可能になり、これによって、微細レベルの加工寸法を高アスペクトで実現することができる。放電加工プロセスでは比較的に高電圧（例えば、３００V〜３０００V）を維持して材料除去量を向上させることも可能である。但し、複数個の放電電極を選択動作させる場合には、微粒子粉体の付着がある放電電極では放電を開始する電圧以上で、かつ、微粒子粉体の付着が無い放電電極で放電を開始する電圧以下に設定する必要がある。
【００２２】
また、本発明によれば、小型の工作機械でも簡便に微細かつ３次元の複雑形状を加工することができる。従来技術の放電加工では穴開け、切断、積層造形が主流であるが、本発明では簡易に半導体寸法レベルの微細加工が簡便にできるため、大掛かりな製造ラインがなくてもMEMS（Micro Electro Mechanical Systems 機械要素部品）の形成が可能である。そのため、低コストかつ大量にMEMS素子が供給可能となる。電極を半導体技術で配列させることで、半導体素子の寸法を反映したうえで３次元形状を一度で同時加工できる。特に従来のレーザー加工や放電加工においては垂直方向に対して加工は可能であるが、本発明では横方向の壁面などの加工が可能となる。
【００２３】
さらに、従来技術の３Dプリンターでは造形物を積層するため表面の凹凸が問題視されているが、本発明では、半導体レベルまで微細プロセスなパターン形成が可能なため、より高精度な３次元積層物に仕上げ加工が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に基づき構成した放電加工装置の概要を例示する概念図である。
【図２】図1に示すような放電加工装置を用いてナノ微粒子吸着及び放電加工実験を行った際の実験条件テーブルである。
【図３】電界を印加した際に針状電極先端部に付着したフラーレン粒子の重量を示すグラフである。
【図４】C60フラーレン粒子の付着に基づく火花放電電圧低下を示す図である。
【図５】C60フラーレン粒子粉体の付着有り、無しの２本のタングステンワイヤ針状放電電極の実験結果を示す写真である。
【図６】被加工物として銅板を用いた際にその表面に形成された加工痕の共焦点レーザ走査型顕微鏡写真（Ａ）と、Ｘ−Ｘ’ラインで切断した断面図（Ｂ）である。
【図７】図６に示す加工痕における３つの測定箇所１，２，３のそれぞれの表面粗さRaを示すグラフである。
【図８】ライン状に配列した放電電極にナノ微粒子を吸着させるプロセスを説明する図である。
【図９】放電加工プロセスを説明する図である。
【図１０】被加工物が加工されて加工痕ができた状態を説明する図である。
【図１１】（Ａ）は、次のステージへの移動を説明する図であり、また、（Ｂ）は被加工物の移動を説明するために（Ａ）とは異なる方向から見た図である。
【図１２】複数の電極をＸＹ状に配列した場合を例として、その動作を説明する図であり、（Ａ）は電気回路からの入力行列を示し、（Ｂ）は電極をＸＹ状の各交点に配列されるメッシュ電極を示し、（Ｃ）は加工後の加工痕を例示している。
【図１３】ナノ微粒子供給及び吸着手段の第１の例を示す図であり、（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ互いに直交する２方向に切断した横断面図及び縦断面図である。
【図１４】ナノ微粒子供給及び吸着手段の第２の例を示す図である。
【図１５】ナノ微粒子供給及び吸着手段の第３の例を示す図であり、（Ａ）は、ナノ微粒子吸着前の状態を示し、また、（Ｂ）は、ナノ微粒子吸着後の状態を示している。
【図１６】ナノ微粒子供給及び吸着手段の第４の例を示す図であり、（Ａ）は、電磁石オフの状態を示し、また、（Ｂ）は、電磁石オンの状態を示している。
【図１７】（Ａ）は、特許文献１に開示の従来技術による放電加工装置の構成図であり、（Ｂ）は、一括集団加工電極の模式図を示している。
【図１８】特許文献２に開示の従来技術による放電加工装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明に基づき構成した放電加工装置の概要を例示する概念図である。図において、被加工物と、放電電極の間に放電加工電圧を印加するために、放電電極には放電電圧制御手段を介して放電加工電源の負電極が接続されている。放電加工電源の正電極に被加工物を直接接続することもできるが、図示のように、金属製のような導電性の載置台の上で被加工物を位置決めすることもできる。放電電圧制御手段は、放電に必要な電圧を放電加工時に供給する。また、放電電極先端部にナノ微粒子を電界吸着させるための電圧を、吸着用電源から吸着用電圧制御手段を介して、放電電極とナノ微粒子供給手段との間に供給する。ナノ微粒子供給手段は、放電電極先端部の近辺にナノ微粒子を供給するために備えられている。なお、ナノ微粒子を放電電極先端部に付着できるものであれば、図１に例示のような電界印加手段に限定されるものではない（後述の図１５、図１６参照）。
【００２６】
本発明の放電加工装置は、放電電極先端部にナノ微粒子を吸着させるナノ微粒子付着プロセスを行った後に、放電加工プロセスを行う。ナノ微粒子付着プロセスは、放電電極先端部の近辺に供給されたナノ微粒子を、例えば、放電電極に印加した電圧に基づく電場により電極に吸着させる。放電電極は、例えば鉄製やタングステンの先端が尖った針状電極（ニードル電極）形状にする。このナノ微粒子付着プロセスによって、針状電極先端には、放電加工プロセスを行う前に、ナノ微粒子が付着した状態にある。
【００２７】
本明細書において、「ナノ微粒子」とは、物質をナノメートルのオーダー（1-100ナノメートル）の粒子にしたものの意味で用いている。本発明で用いることのできる微粒子としては、電圧印加により電荷を帯びるのに十分な導電性を有し、かつ放電開始電圧を低下させることができる微粒子、さらに言えば、微粒子が被加工面の表面を放電により十分除去可能な運動エネルギーと化学反応性が確保できる微粒子を用いる。例えば、グラファイトやチタニア粒子を用いることができるが、カーボンナノ微粒子、特に、熱（200℃程度）により昇華するC60フラーレン粒子が最も望ましい。C60フラーレン粒子以外にも、C60フラーレン微粒子の反応物、或いは水酸化フラーレンが望ましい。C60フラーレンは、グラファイトやチタニア粒子にくらべ最も低電圧で放電を開始したことを実験により確認した。C60フラーレンは、（サッカーボール）ケージ構造が高硬度であり、かつ高い反応性を有している。
【００２８】
次に、放電加工プロセスにおいて、放電電極先端部に付着したナノ微粒子を利用しつつ、放電電極に放電電圧を印加することにより被加工物表面を放電加工する。放電電極先端部にナノ微粒子を付着させたことにより、より低い電圧で放電を始めることが分かった（後述する図４参照）。これによって、従来技術の放電加工技術が必要としたような加工液を使用せずに、大気中で放電加工プロセスを行うことができた。
【００２９】
また、詳細は後述するように、本発明は、放電電極を複数個用いて、ナノ微粒子付着プロセスの際に、この複数個の放電電極に印加する電圧を個々にオン・オフ制御する。これにより、加工に必要部分のみに対応した放電電極に、ナノ微粒子を選択吸着することが可能になる。放電加工プロセスでは、複数個の放電電極の全てに放電加工電圧を一括して印加するが、放電加工は、被加工物とナノ微粒子が吸着された放電電極のみとの間で行われる。この一括印加の放電加工電圧は、ナノ微粒子吸着放電電極では放電が行われる一方、ナノ微粒子を吸着していない放電電極では放電が行われない電圧に設定される。
【００３０】
図２は、図1に示すような放電加工装置を用いてナノ微粒子吸着及び放電加工実験を行った際の実験条件テーブルである。吸着実験は、図３に示すように、印加電場を変化させて、針状電極先端部にナノ微粒子としてC60フラーレン粒子を吸着させ、その重量を測定した。
【００３１】
図３は、電界を印加した際に針状電極先端部に付着したフラーレン粒子の重量を示すグラフである。図中、横軸は印加電場強度［V/μm］を示し、縦軸は、マイクロ天秤で測定したC60フラーレン粒子重量［μg］を表している。針状電極と被加工物としての銅板間に電界を印加し、C60フラーレン粒子に針状電極を接近させることで、平均して13μgの C60フラーレン粒子を静電吸着できることが確認された。但し、印加電界の増加に伴ってクーロン力が増大するため、粒子の吸着量も大きくなることが予想されるが、印加電界に対する粒子の吸着量の依存性は確認されなかった。このことから、針状電極の先端形状が吸着量に大きく影響していると考えられる。
【００３２】
図４は、C60フラーレン粒子の付着に基づく火花放電電圧低下を示す図である。図中、C60フラーレン粒子の付着なし、付着ありのそれぞれについて、縦軸は、火花放電で圧［V］を表している。電極間距離は、約1mmであった。C60フラーレン粒子の付着がない場合は、放電のために８００Vの電圧が必要であったが、C60フラーレン粒子粉体の付着により放電開始電圧が３００Vまで６０％以上も低下したことを確認した。このように、放電開始電圧が低下することにより、電極間距離を短くして接近させることが可能になり、これによって、放電電極の微小化及び低出力での微細レベルの加工を行うことが可能になる。
【００３３】
図５は、C60フラーレン粒子粉体の付着有り、無しの２本のタングステンワイヤ針状放電電極の実験結果を示す写真である。写真中に、白く示した２本の針状放電電極が見えるが、左側の針状電極先端部には粒子付着有り、右側が粒子付着無しで実験した。２本の針状放電電極に同じ電圧１２００Vを印加し、針状電極と被加工物間の間隔を小さくしていくと、電極先端部に粒子付着有りの左側のみが被加工物に対して放電していることが分かる。グラフェン粒子、チタニア粒子でも同様な効果を確認した。
【００３４】
図６は、被加工物として銅板を用いた際にその表面に形成された加工痕の共焦点レーザ走査型顕微鏡写真（Ａ）と、Ｘ−Ｘ’ラインで切断した断面図（Ｂ）である。図に見られるように、針状電極先端部を中心に材料除去が行われていることが確認された。ナノ微粒子が存在しない場合、通常のアーク放電の挙動を示したが、ナノ微粒子を介在させることにより、上述したように放電電圧が低下することが分かった。したがって、ナノ微粒子付着により放電を制御可能である。 
【００３５】
図７は、図６に示す加工痕における３つの測定箇所１，２，３のそれぞれの表面粗さRaを示すグラフである。加工痕付近は断面図に示される通り、未加工部分よりも表面粗さRaが改善されていることが確認された。このように、銅板表面上に直径300μm、深さ2μm程度の加工痕が形成され、加工痕の中心付近では表面粗さが未加工部分と比べ約70%小さいことが確認された。
【００３６】
このように、本発明では低電圧又は無電圧で放電電極上に微粒子を吸着させ、放電加工時には、電子ビームを被加工面に照射して加工する通常の放電加工に加えて、印加した放電加工電圧により微粒子を帯電させ、この帯電微粒子を放電加工電圧により加速して、帯電微粒子をトリガーとして放電加工を行う。このため、微粒子の吸着部分の放電がより低い電圧で始めることができる。このように、低い電圧で放電を始めることができ、かつ微粒子の付着プロセスでは比較的低電圧又は無電圧で行うため、絶縁耐力の問題が解決できる。そのため電極を微細に配列することで、３次元の微細パターン形成が容易になる。放電加工プロセスにおいては、微粒子の吸着部分のみ加工が行われるため、微細形状の寸法精度を低下することはない。さらに微粒子自身は放電時に電極部分から放出され、微粒子が被加工物に衝突することにより加工が行われている。放電加工は微粒子の衝突エリアで発生する。ここで微粒子の飛距離を長くすることにより高アスペクト比の穴形成が可能となる。
【００３７】
さらに電界を印加して、微粒子を横方向に運動させることにより、側壁加工が可能となる。微粒子の運動は外部から電場や磁場を印加することにより行うことができる。電場に関しては水溶液中での微粒子が電場により運動する様子が確認された。そのため、電場の周波数変調による共振などによって微粒子運動の増強を図ることができる。一方、磁場については磁化率の高い微粒子が望ましい。
【００３８】
次に、図８〜図１１を参照して、複数の電極をライン状に配列した場合を例として、その動作を説明する。図８は、ライン状に配列した放電電極にナノ微粒子を吸着させるプロセスを説明する図である。図示のように、導電性のヘッドユニットの内部に、複数の放電電極と、各放電電極に個別に接続された放電選択スイッチ（SW3〜SW6）を収容している。放電電極先端部は針状に構成して、その先端部に対応して、ヘッドユニットには穴がもうけられている。さらに、吸着用電源V1の正極は放電選択スイッチ（SW3〜SW6）のそれぞれに接続される一方、その負極はスイッチSW2を介してヘッドユニットに接続されている。また、放電加工電源V2の正極は被加工物に接続される一方、その負極はスイッチSW1を介して複数の放電電極の全てに一括して接続されている。吸着用電源V1の負極と放電加工電源V2の負極を共通に接続すると共に、アースする。なお、ここでは微粒子が負に帯電している場合を例示しているが、正に帯電させる場合、吸着用電源V1と放電加工電源V２の極性が反転することになる。
【００３９】
ナノ微粒子吸着プロセスにおいて、スイッチSW1はオフであるのに対して、スイッチSW2はオンである。この状態で、放電選択スイッチ（SW3〜SW6）のオン・オフを制御することにより、選択した放電電極のみにナノ微粒子吸着電圧（V1）を印加する。これによって、詳細は後述するナノ微粒子供給手段より供給されたナノ微粒子を、選択した放電電極のみの先端部に吸着させる。
【００４０】
図９は、放電加工プロセスを説明する図である。放電加工プロセスにおいて、スイッチSW1はオンであるのに対して、スイッチSW2はオフである。放電加工プロセスに先立って、全ての放電選択スイッチ（SW3〜SW6）をオフにした後、全ての放電電極に放電加工電圧（V2）を一括して印加する。これによって、被加工物と、ナノ微粒子を吸着した放電電極のみとの間にアーク放電が発生する。通常の放電加工では、電子ビームを被加工面に照射により表面は数千度まで溶融させ、蒸発させることにより加工を進行させる。しかしながら、本発明では、従来の電子ビーム照射に加えて、ナノ微粒子の運動エネルギーと、微粒子自身が放電により化学的に活性になっていることによる化学反応性によって加工している。これによって、放電開始電圧が低下する。例えば、図４に示したように、ナノ微粒子が付着していない場合は８００V電圧が必要であったが、ナノ微粒子粉体の付着により放電開始電圧が３００Vまで低下したことを確認した。この場合、放電電圧を、３００V以上で８００V以下の、例えば５００Vにセットすれば、ナノ微粒子の付着した放電電極のみで放電が開始されることになる。
【００４１】
本発明では、低電圧（例えば、パワーMOSFETの動作電圧２００V以下）又は無電圧による微粒子の付着プロセスと、高電圧による放電加工プロセス（例えば、３００V〜３０００V）の２つのプロセスによって選択加工を実現している。通常、ワイヤ放電加工ではワイヤ径を0.02mm程度に細くしても、±２μm程度の加工精度が限界である。ワイヤ放電加工は本質的な問題として、高電圧を用いるため絶縁耐力を確保するため、加工選択エリアが制限されることになる。これに対して、本発明では、放電開始電圧を低下させることができ、かつナノ微粒子の付着が低電圧又は無電圧で実施できると共に、加工エリアを電気回路的に選択することができるため、半導体プロセスなどナノレベルの微細パターンの形成が可能になる。
【００４２】
図１０は、被加工物が加工されて加工痕ができた状態を説明する図である。スイッチSW1をオフにすることにより放電加工電圧をオフにする。被加工物には、ナノ微粒子を吸着した放電電極位置に対応して、加工痕ができたことを示している。従来の放電加工は、加工屑を除去するために、液体の中で加工し、液体で洗い流すようにしているが、ナノ微粒子を用いた微細レベルの加工では、加工量が極微量であることから、加工完了後、装置から取り出してクリーニングをするだけで十分に加工屑を除去可能である。
【００４３】
図１１（Ａ）は、次のステージへの移動を説明する図であり、また、（Ｂ）は被加工物の移動を説明するために（Ａ）とは異なる方向から見た図である。被加工物をヘッドユニットに対して次のステージに相対的に移動させた後、図８に示すナノ微粒子付着プロセス、図９に示す放電加工プロセス、図１０に示す加工痕の形成プロセスを繰り返す。
【００４４】
図１２は、複数の電極をＸＹ状に配列した場合を例として、その動作を説明する図であり、（Ａ）は電気回路からの入力行列を示し、（Ｂ）は電極をＸＹ状の各交点に配列されるメッシュ電極を示し、（Ｃ）は加工後の加工痕を例示している。なお、複数の電極の配列は、上述したライン状、ＸＹ状（直交する２方向）に限らず、例えば同心円状とか任意の形状に配列可能である。メッシュ電極は、ＸＹ状の各交点に放電電極を配列する一方、各放電電極の放電選択スイッチ（図８参照）は、X1〜X3、及びY1〜Y3のラインに接続されている。ナノ微粒子付着プロセス動作において、（Ａ）に示すような入力行列を例にして、X1のラインを選択するとき、Y1オン、Y2オフ、Y3オンにするように放電選択スイッチを動作させる。これによって、X1ライン上での吸着電圧の印加場所を選択する。次に、X2のラインを選択して、X２ライン上での吸着電圧の印加場所を選択する。同様に、X3ライン上での吸着電圧の印加場所を選択する。言い換えると、X1〜X3ラインを電気回路的にスキャンする。これによって、ＸＹ状の各交点に配列した複数の電極の内、所望の電極のみにナノ微粒子吸着電圧が印加されて、ナノ微粒子が吸着される。
【００４５】
次に、放電加工プロセスにおいては、複数電極の全てに一度にパルス電圧を印加して、その結果、（Ｃ）に示すように、所望位置にのみ効率よく加工痕を形成することができる。針状（ニードル）電極先端に被加工物を接近させ、ナノ微粒子が吸着した部分のみで大気プラズマによる加工を行う。そのため、電気回路で選択した部分のみ加工することが可能となる。さらに針状電極はスピント型の電極形成（非特許文献３参照）を導入することにより、最終的には半導体プロセスの加工寸法を反映させることが可能となる。そのため、電極構造を微細化することにより大気中でも半導体の加工寸法を実現できる。
【００４６】
次に、図１３〜図１６を参照して、放電電極先端部へのナノ微粒子の供給及び吸着について説明する。図１３は、ナノ微粒子供給及び吸着手段の第１の例を示す図であり、（Ａ）と（Ｂ）はそれぞれ互いに直交する２方向に切断した横断面図及び縦断面図である。先端を尖らせた針状の放電電極（正極）の周りには、同心円状の隙間を形成するように、同心円状の円筒電極（負極）が取り巻いている。放電電極の外周側は先端部分を除いて、かつ負極の内周側にはその全面に、絶縁フィルムを貼り付けている。ナノ微粒子付着プロセスにおいて、正極と負極の隙間（スペース）に、尖った正極の先端側に向けて、正極の根本側から導電性ナノ微粒子を含有したガス（例えば、空気）を流し込むと共に、正極には正の電位、負極には負の電位の吸着電圧を、正極と負極の間に印加する。これによって、絶縁フィルムに覆われていない正極の先端部に、ナノ微粒子が吸着する。
【００４７】
図１４は、ナノ微粒子供給及び吸着手段の第２の例を示す図である。図示のように、針状電極先端部の近辺に、回転可能の絶縁性ドラムを配置する。この絶縁性ドラムの円周上において、針状電極よりも回転方向前のいずれかの位置に対抗して、絶縁性円筒体を配置する。この絶縁性円筒体を通して、導電性ナノ微粒子粉体を供給する。また、絶縁性ドラムの円周上において、絶縁性円筒体よりも回転方向前の位置で、帯電器を用いて絶縁性ドラム表面を負電位に帯電する。ナノ微粒子付着プロセスにおいて、放電電極には、アース電位に対して正電位の電圧を印加すると共に、帯電した絶縁性ドラム表面にナノ微粒子を供給する。これによって、回転する絶縁性ドラム表面を針状電極近辺まで運ばれてきたナノ微粒子が針状電極先端部に吸着する。
【００４８】
図１５は、ナノ微粒子供給及び吸着手段の第３の例を示す図であり、（Ａ）は、ナノ微粒子吸着前の状態を示し、また、（Ｂ）は、ナノ微粒子吸着後の状態を示している。図示のように、ナノ微粒子供給手段は、先端が尖った針状放電電極の外周側から取り巻く絶縁性（例えば、樹脂製）の円筒体によって構成する。絶縁性円筒体の内径は、電極外径よりも大きくして、両者の間に導電性ナノ微粒子粉体を充填することのできるだけのスペースを形成する。絶縁性円筒体の先端側に形成した穴は、針状電極の本体部外径と同じか或いはそれよりも小さな径にする。ナノ微粒子付着プロセスにおいて、（Ａ）に示すように、電極と絶縁性円筒体の間に、導電性ナノ微粒子粉体を充填する。次に、（Ｂ）に示すように、針状電極先端部が、絶縁性円筒体の先端側から突出するように、針状電極に対して絶縁性円筒体を軸方向に相対的に移動させる。これによって、絶縁性円筒体の先端側から突出する電極先端部には、ナノ微粒子が吸着する。このナノ微粒子吸着プロセスは、電界を印加すること無く行うことができる。
【００４９】
図１６は、ナノ微粒子供給及び吸着手段の第４の例を示す図であり、（Ａ）は、電磁石オフの状態を示し、また、（Ｂ）は、電磁石オンの状態を示している。図示のように、放電電極の周囲に電線を巻いて、放電電極をコアとする電磁石を構成する。この電磁石の外周に、ナノ微粒子粉体を充填することのできるだけのスペースを形成するように非磁性（例えば、樹脂製）の円筒体で取り巻く。ここで用いる粉体は、放電加工電圧印加時には電荷を帯びさせるのに十分な導電性を有するだけでなく、磁性を帯びたナノ微粒子（非特許文献４参照）である。（Ａ）に示すように、電磁石をオフにして、非磁性円筒体と、電線を巻いた放電電極の間の隙間に、磁性を帯びたナノ微粒子粉体を充填する。次に、（Ｂ）に示すように、電磁石をオンにすると、電磁石のコアとして機能する放電電極先端部にナノ微粒子粉体が吸着する。このナノ微粒子吸着プロセスは、上述した第３の例と同様に、電界を印加すること無く行うことができる。さらに、図８〜図１２を参照して前述したように、放電電極を複数個配列して用いる際には、各放電電極の電磁石を個別にオン、オフ制御することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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