(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料からなる被加工物を微細に切削する微細切削方法において、
所定の軸を中心に回転させたとき、前記被加工物との間で接触状態及び非接触状態が交互に周期的に発生する断面形状を有する切削刃を備えた切削工具を用意し、
前記被加工物との間に電解液を介在させて電極を配置し、
前記切削工具の前記切削刃の角度位置が前記被加工物との非接触状態にあるとき、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の表面に不働態膜を生成し、
前記切削工具の前記切削刃の角度位置が前記被加工物との接触状態にあるとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加しないで前記被加工物の表面に生成された前記不働態膜を前記切削工具により切削除去することを特徴とする微細切削方法。
【請求項２】
前記接触状態は、前記被加工物と前記切削工具との間に微弱な電流を通電し、前記電流の電流値の変化に基づいて検出する請求項第１項記載の微細切削方法。
【請求項３】
前記接触状態は、前記切削工具の側面、あるいは前記切削工具を保持する回転軸に第１の接点を設け、前記第１の接点の軌跡上に第２の接点を設け、前記第１および第２の接点の接触に基づく導通に基づいて検出する請求項第１項記載の微細切削方法。
【請求項４】
前記接触状態は、前記切削工具の側面、あるいは前記切削工具を保持する回転軸に設けられる光反射部に光源から光を照射し、前記光反射部で反射された反射光を受光部で受光し、受光した前記反射光の光強度に基づいて検出する請求項第１項記載の微細切削方法。
【請求項５】
金属材料からなる被加工物を微細に切削する微細切削装置において、
前記被加工物との間に電界を発生させるための電極と、
前記被加工物と前記電極との間に電解液を介在させた状態で前記被加工物と前記電極との間に電界電圧を印加して前記被加工物の表面に不働態膜を生成する電解電圧印加手段と、
所定の軸を中心に回転したとき、前記被加工物との間で接触状態及び非接触状態が交互に周期的に発生する断面形状を有する切削刃を備え、前記被加工物の表面に形成された前記不働態膜を切削する切削工具と、
前記被加工物と前記切削工具の前記切削刃との接触状態に基づく検出信号を出力する接触状態検出手段と、
前記検出信号に基づいて、前記切削工具と前記被加工物とが非接触状態のとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加し、前記切削工具と前記被加工物とが接触状態のとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加しないように前記電解電圧印加手段を制御する制御手段を有することを特徴とする微細切削装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記被加工物と前記切削工具の接触に基づく出力パターンを前記接触状態検出手段から入力したとき前記電解電圧印加手段に通電停止信号を出力し、前記被加工物と前記切削工具の非接触に基づく出力パターンを前記接触状態検出手段から入力したとき前記電解電圧印加手段に通電信号を出力する構成の請求項第５項記載の微細切削装置。
【請求項７】
前記接触状態検出手段は、前記被加工物と前記切削工具に微弱電流を供給する電源と、前記被加工物と前記切削工具の接触時に供給される前記微弱電流を検出する電流検出手段を有する構成の請求項第５項記載の微細切削装置。
【請求項８】
前記電流検出手段は、前記被加工物に設けられる第１の接点と前記切削工具に設けられる第２の接点の接触に基づいて供給される前記微弱電流を検出する構成の請求項第７項記載の微細切削装置。
【請求項９】
前記接触状態検出手段は、前記切削工具の側面、あるいは前記切削工具を回転自在に保持する回転軸に設けられ、前記被加工物と前記切削工具が接触する位置と所定の位置関係を有する光反射部と、前記光反射部に光を照射する光源と、前記光の反射光を受光して受光強度に応じた光検出信号を前記制御手段に出力する受光器を有する構成の請求項第５項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、金属材料からなる被加工物の切削対象部分の表面に不備態膜を生成し、その不働態膜を切削除去して数μｍから数百μｍ、主として十数μｍから数十μｍの幅の溝や径等を有する微細部品、例えば、インクジェットヘッド部品や微細光学部品、およびこれらを成形する金型を製造する微細切削方法および微細切削装置に関し、特に、微細切削工具の折損防止を図り、金属材料からなる被加工物を微細かつ精密に切削加工することが可能な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】
切削工具を用いて微細形状を形成するためには、微細な切削工具を用いる必要があるが、摩擦による摩耗、反力による切削工具の変形や折損等の問題があることから、被加工物の被削性を改良した微細切削方法が提案されている。
【０００３】
このような従来の微細切削方法としては、例えば、特開平１０−１５６６２６号公報に示されるものがある。この微細切削方法は、まず、導電性の金属からなる被加工物と電極との間に電解液として硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3 ）水溶液を介在させ、被加工物と電極との間に電解電圧を印加し、被加工物の表面に弱化した不働態膜を生成させる。そして、微細切削工具により、この不働態膜の厚さ分に相当する切れ込みを被加工物に与えることにより微細切削加工を行うものである。不働態膜を切削することにより切削抵抗が低減し、数μｍから数百μｍの微細切削加工を実現することが可能になる。
【０００４】
【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によると、被加工物の切削対象となる部分に電界を付与して不働態膜を形成するため、被加工物の切削時に微細切削工具によって電界の付与が妨げられると不働態膜の形成が阻害されて微細切削工具の折損が生じやすくなる。これを補うために被加工物と電極との間に印加する電解電圧を大にすると、電解液のｐＨがアルカリ性側へ変化して被加工物の腐蝕が生じる。また、特開平１０−１５６６２６号公報には電解条件を一定にするために不働態膜の形成工程と切削工程で微細切削工具を離接させ、不働態膜の形成工程で電解電圧を印加する方法が開示されているが、この場合には被加工物の切削加工に時間を要するという問題がある。
従って、本発明の目的は電解の印加電圧を大にすることなく、被加工物に安定した不働態膜を形成することができ、切削加工に要する時間を短縮することのできる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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、金属材料からなる被加工物を微細に切削する微細切削方法において、所定の軸を中心に回転させたとき、前記被加工物との間で接触状態及び非接触状態が交互に周期的に発生する断面形状を有する切削刃を備えた切削工具を用意し、
前記被加工物との間に電解液を介在させて電極を配置し、前記切削工具の前記切削刃の角度位置が前記被加工物との非接触状態にあるとき、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の表面に不働態膜を生成し、前記切削工具の前記切削刃の角度位置が前記被加工物との接触状態にあるとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加しないで前記被加工物の表面に生成された前記不働態膜を前記切削工具により切削除去することを特徴とする微細切削方法を提供する。
【０００６】
上記する微細切削方法において、接触状態は、被加工物と切削工具との間に微弱な電流を通電し、電流の電流値の変化に基づいて検出するようにしても良く、切削工具の側面、あるいは切削工具を保持する回転軸に第１の接点を設け、第１の接点の軌跡上に第２の接点を設け、第１および第２の接点の接触に基づく導通に基づいて検出することもできる。また、接触状態は、切削工具の側面、あるいは切削工具を保持する回転軸に設けられる光反射部に光源から光を照射し、光反射部で反射された反射光を受光部で受光し、受光した反射光の光強度に基づいて検出するようにしても良い。
上記方法によれば、被加工物と切削工具が接触しない状態にあるときに電解電圧を印加することにより、切削対象部分の表面に均等に電界を付与することができ、被加工物の表面に一定量の不働態膜を形成することができる。
【０００７】
また、本発明は上記目的を達成するため、金属材料からなる被加工物を微細に切削する微細切削装置において、前記被加工物との間に電界を発生させるための電極と、前記被加工物と前記電極との間に電解液を介在させた状態で前記被加工物と前記電極との間に電界電圧を印加して前記被加工物の表面に不働態膜を生成する電解電圧印加手段と、所定の軸を中心に回転したとき、前記被加工物との間で接触状態及び非接触状態が交互に周期的に発生する断面形状を有する切削刃を備え、前記被加工物の表面に形成された前記不働態膜を切削する切削工具と、前記被加工物と前記切削工具の前記切削刃との接触状態に基づく検出信号を出力する接触状態検出手段と、前記検出信号に基づいて、前記切削工具と前記被加工物とが非接触状態のとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加し、前記切削工具と前記被加工物とが接触状態のとき、前記被加工物と前記電極との間に電解電圧を印加しないように前記電解電圧印加手段を制御する制御手段を有することを特徴とする微細切削装置を提供する。
【０００８】
上記する微細切削装置において、制御手段は、被加工物と切削工具の接触に基づく出力パターンを接触状態検出手段から入力したとき電解電圧印加手段に通電停止信号を出力し、被加工物と切削工具の非接触に基づく出力パターンを接触状態検出手段から入力したとき電解電圧印加手段に通電信号を出力する構成とすることができる。接触状態検出手段は、被加工物と切削工具に微弱電流を供給する電源と、被加工物と切削工具の接触時に供給される微弱電流を検出する電流検出手段を有する構成としても良く、電流検出手段は、被加工物に設けられる第１の接点と切削工具に設けられる第２の接点の接触に基づいて供給される微弱電流を検出する構成が好ましい。また、接触状態検出手段は、切削工具の側面、あるいは切削工具を回転自在に保持する回転軸に設けられ、被加工物と切削工具が接触する位置と所定の位置関係を有する光反射部と、光反射部に光を照射する光源と、光の反射光を受光して受光強度に応じた光検出信号を制御手段に出力する受光器を有する構成とすることができる。また、切削工具は、所定の軸を中心とした回転に基づいて被加工物との接触状態又は非接触状態が周期的に発生する断面形状を有することが好ましい。
上記装置によれば、被加工物と切削工具の接触状態に応じた検出信号に基づいて被加工物と電極との間に電界電圧を印加する電解電圧印加手段を制御することで、切削対象部分の表面に均等に電界を付与することができ、被加工物の表面に一定量の不働態膜を形成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る微細切削装置を示す。同図においては左右方向をＸ軸方向、紙面に直交する方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とする。この微細切削装置１は、電解液２で満たされた加工槽３を有し、この加工槽３内に、金属材料からなる被加工物４と、被加工物４との間に電解を発生させるための電極５を設け、加工槽３の上方に、Ｚ軸方向を回転軸として微細切削工具を６を回転させるθ軸ステージ７と、微細切削工具６をＺ軸方向へ移動させるＺ軸ステージ８を設け、加工槽３の下方に、加工槽３を水平方向であるＸ軸方向およびＹ軸方向へそれぞれ移動させるＸ軸ステージ９およびＹ軸ステージ１０を設けている。また、微細切削装置１は、被加工物４と電極５との間に電解電圧を印加する電解電源部１１と、被加工物４と微細切削工具６が接触することによって供給される微弱電流に基づいて被加工物４と微細切削工具６の接触を検出する接触状態検出部１２と、微細切削装置１の各部を制御する主制御部１３を有する。
【００１０】
電解液２は、イオン化傾向がＨ+ より大なる陽イオンと、放電容易性がＯＨ- より小なる陰イオンとの組合せからなる電解液を用いる。これにより、被加工物４の表面に不働態膜を形成することが可能となる。また、このような電解液２としては、１Ｎの硝酸ナトリウム（ＮａＮＯ3 ）水溶液を用いる。これにより、被加工物４の表面に形成される不備態膜の膜厚を厚くすることができる。なお、電解液２として塩素酸ナトリウム（ＮａＣｌＯ3 ）水溶液を用いてもよい。
【００１１】
被加工物４は、不働態膜が生成可能な、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、あるいは鉄，ニッケル，コバルト，チタン，あるいはアルミニウム等を含む合金からなる。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となったり、機械的性質が脆くなったりして弱化するため、この不働態膜に対する切削が極めて容易に行えるものである。
【００１２】
電極５は、白金からなり、その形状は、被加工物４の切削対象部分の表面に均等に電界が付与されるように形成される。
【００１３】
微細切削工具６の材料としては、超硬合金，焼結ダイヤモンド，焼結ｃＢＮ（立方晶窒化硼素）等の導電性材料や、単結晶ダイヤモンド，セラミックス等の非導電性材料を用いることができる。本実施の形態では、超硬合金で形成される微細切削工具を使用する。
【００１４】
θ軸ステージ７、Ｚ軸ステージ８、Ｘ軸ステージ９およびＹ軸ステージ１０は、要求される加工精度に応じた位置決め精度、例えば、０．０１μｍを有する。
【００１５】
次に、本発明の実施の形態に係る微細切削装置１の動作を説明する。ここでは、直径５０μｍの超硬の先端をＤ型断面刃６に加工した微細切削工具６を用いてステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）からなる被加工物４に対し切削加工を行う場合について説明する。まず、微細切削工具６を毎分３０００回転で回転させて被加工物４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に移動させる。
【００１６】
次に、電解電源部１１は、被加工物４と電極５の間に２Ｖの電解電圧を印加する。これにより、被加工物４が電解液２と接触している表面全体に微細切削工具６に対する抵抗力が小さい不働態膜が生成される。次に、接触状態検出部１２は、被加工物４と微細切削工具６との間に５０ｍＡの微弱電流を供給する。この状態で被加工物４と微細切削工具６が接触することによって導通を生じると、電解電源部１１に接触検出信号を出力する。電解電源部１１は、接触検出信号を入力すると電解電圧の印加を停止する。
【００１７】
図２は、微細切削工具６による被加工物４の切削工程を示す。図２（ａ）は、微細切削工具６が被加工物４に接している状態を示し、微細切削工具６と被加工物４は導通状態となる。この状態では、電解電源部１１は電解電圧を印加しないので被加工物４に表面に電界が付与されず、不働態膜は形成されない。
【００１８】
図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す状態から微細切削工具６がＡ方向に回転して被加工物４に接していない状態を示し、微細切削工具６と被加工物４は非導通状態となる。この状態では、電解電源部１１は電解電圧を印加することから被加工物４に表面に電界が付与され、不働態膜４Ａが形成される。
【００１９】
図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示す状態から微細切削工具６が更にＡ方向に回転して被加工物４に接している状態を示し、微細切削工具６と被加工物４は導通状態となる。この状態では、図２（ｂ）に示す状態で電界を付与されることによって形成された不働態膜４Ａが微細切削工具６によって切削される。また、電解電源部（図示せず）は電解電圧を印加しないことから被加工物４に表面に電界が付与されず、不働態膜は形成されない。
【００２０】
図３は、本発明の微細切削装置における他の微細切削工具１４を示し、微細切削工具と被加工物４が非接触状態になる時間が短く、被加工物４の切削対象部分に不働態膜を形成するための充分な時間が得られない場合には、図示するように被加工物４と接触する部分の面積を小にすることによって不働態膜形成のための時間を確保することができる。
【００２１】
図４は、本発明の微細切削装置における微細切削工具６と被加工物４の接触状態を検出する他の構成を示し、θ軸ステージ７の任意の位置に設けられる接点７Ａと、接点７Ａの回転軌跡上に位置するように設けられる接点１５を有し、接点７Ａは切削加工時に被加工物４が微細切削工具６と非接触となる位置に設けられており、接点１５との接触に基づく電流値が検出されたときに電界電源部１１をＯＮにして被加工物４と電極５との間に電解電圧を印加する。同図においてはθ軸ステージ７に接点７Ａを設けているが、例えば、微細切削工具６の側面に接点７Ａを設け、この接点の回転軌跡上に位置するように接点１５を設けても良い。
【００２２】
図５は、本発明の微細切削装置における微細切削工具６と被加工物４の接触状態を検出する他の構成を示し、θ軸ステージ７の任意の位置に設けられる高反射率領域７Ｂと、高反射率領域７Ｂに所定の入射角で光を照射する光源１６と、高反射率領域７Ｂで反射された反射光を受光する受光器１７を有し、高反射率領域７Ｂは切削加工時に被加工物４が微細切削工具６と非接触となる位置に設けられており、高反射率領域７Ｂで反射された反射光を受光器１７で受光したときに電界電源部１１をＯＮにして被加工物４と電極５との間に電解電圧を印加する。同図においてはθ軸ステージ７に高反射率領域７Ｂを設けているが、例えば、微細切削工具６の側面に高反射率領域７Ｂを設け、高反射率領域７Ｂで反射された反射光を受光器１７で受光するようにしても良い。
【００２３】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、被加工物４に微細切削工具６が接触していない状態で電界電圧を印加するので、微細切削工具６が切削対象部分を覆うことによる電界の付与を妨げることがなく、切削対象部分の表面に一定量の不働態膜を安定的に形成することができる。この結果、微細切削工具６の折損を防止できるとともに不働態膜の形成と切削を連続的に行えるので、微細切削加工に要する時間を短縮することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被加工物と微細切削工具とが非接触の状態にあるときに電界電圧を印加することによって、切削対象部分の表面に一定量の不働態膜を安定的に形成することができ、微細切削工具の折損を防止できる。また、不働態膜の形成と切削を連続的に行なえることから、被加工物の切削加工に要する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る微細切削装置を示す説明図
【図２】本発明の微細切削装置による被加工物の切削を示す説明図
【図３】本発明の微細切削装置による他の微細切削工具を示す説明図
【図４】本発明の微細切削装置における微細切削工具と被加工物の接触状態を検出する他の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の微細切削装置における微細切削工具と被加工物の接触状態を検出する他の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１，微細切削装置
２，電解液
３，加工槽
４，被加工物
４Ａ，接点
５，電極
６，微細切削工具
７，θ軸ステージ
７Ａ，接点
７Ｂ，高反射率領域
８，Ｚ軸ステージ
９，Ｘ軸ステージ
１０，Ｙ軸ステージ
１１，電解電源部
１２，接触状態検出部
１３，主制御部
１４，微細切削工具
１５，接点
１６，光源
１７，受光器
【図１】
0003858504.tif 000002
【図２】
0003858504.tif 000003
【図３】
0003858504.tif 000004
【図４】
0003858504.tif 000005
【図５】
0003858504.tif 000006