（報告書様式）
2019 年 3 月 29 日

金沢大学先端科学・イノベーション推進機構協力会 御中

第３回 若手研究者奨励賞 研究実施報告書

所 属

理工研究域機械工学系

職

助教

名

ふりがな氏

名

こやの ともひろ
小谷野 智広

研究実施報告書(1) 研究テーマ名
サブマイクロメータースケールの複雑形状機械加工を可能とするナノ放電加工の実現(2) 研究の目的および要旨
本研究では，放電加工の微細化の限界を更新し，これまで不可能であったナノ放電加工（加工寸法：数十 nm～数百 nm）を実現することを最終的な目的としている．放電加工は微細加工のための有力な加工法であるが，従来の技術で加工可能な最小寸法は 1μm 程度であった．これは，放電回路に存在する浮遊容量が単位加工量である放電痕の微小化に限界をもたらすためである．そこで本研究では，工具電極材料として高抵抗材料を用い，浮遊容量の影響を低減することで放電痕を極小化する．また，加工機の位置決めに高精度・高分解能なピエゾステージを用いる．これにより，従来困難であったナ
ノ放電加工の実現を図り，放電加工による直径数百 nm 以下の微細軸加工や，直径数百 nm 以下微細穴加工を可能とする．また，製作した微細軸を工具電極として用い，電極を三次元的に走査することで，従来の機械加工法では困難であったシングルマイクロメータースケール（10μm 以下）からサブマイクロメータースケール（100nm 以上 1μm 以下）までの 3 次元複雑形状加工を実現する．
(3)採択されてからの研究の進捗状況
一般的な微細放電加工では図 1 の RC 放電回路Rが用いられている．回路配線などに存在する浮遊電極ホルダ
電流容量に電荷を蓄積し，工具電極・工作物間で放電が発生するとそのエネルギーが電極間に投入される．本研究では放電エネルギーを極小化するため

浮遊容量V

シリコン工具電極（高抵抗材料）に，工具電極にシリコンなどの高抵抗材料を用い工作物ている．放電電流は高抵抗材料の工具電極を通っ

図1 シリコン工具電極による放電電流の低減て流れるので，放電回路に存在する浮遊容量から流れる電流は高抵抗材料の電極により低減でき，放電エネルギーも低減できる．従って，高抵抗電極を用いることで放電痕の著しい微小化が実現する．一般的な工具電極材料である銅（比抵抗値 1.7×10-8Ωm）を用いて加工した微細軸と，その表面の拡大図を図 2 の上側に示す．また，高抵抗材料であるシリコン（比抵抗値 2.0×10-4Ωm）を工具

放電痕

50 µm
銅電極 （1.7×10-8 Ω·m）
シリコンによる放電痕微小化電極として用いた結果を図 2 の下側に示す．銅電極を用いた場合，放電痕直径は 1μm 程度と非常に大きい．一方，

放電痕

シリコン電極では放電痕の判別が困難なほどに微小化されている．これは，高抵抗材料であるシリコンを用いることで，放電時に流れる電流を低減できたためである．

50 µm
シ リコン電極 （2.0×10-4 Ω·m）

この結果，直径 0.8μm の超硬合金製微細軸加工が行えて

図2 シリコン工具電極による放電痕直径の微小化

いる．本研究ではさらなる微細化を実現するために，電源電圧を従来よりも小さくし，放電エネルギーを更に極小化した．放電エネルギーの概算は CV 2/2（C：コンデンサ容量，V：電源電圧）となるので，低電源電圧化により放電エネルギーを小さくすることができる．これにより，加工物面上の放電痕直径が小さくなり，微細軸加工における最小軸直径や微細軸の作成成功確率も向上することが期待される．しかし，低電源電圧下では加工ギャップが著しく狭くなるため，加工に用いる位置決めステージの分解能の問題により短絡が頻発し，加工が不安定になるとともに，加工時間が長くなるという問題があった．そこで，本研究では，微細軸の位置決めにナノメートルオーダーの位置決め分解能を有するピエゾステージを用いた．ピエゾステージを用いて加工ギャップを制御することで，短絡および異常放電を抑制することが容易になると期待される．その結果，加工が安定し，加工可能な微細軸の最小直径と微細軸の作成成功確率が向上することが期待できる．そこで本研究では，シリコンを工具電極とし，ピエゾステージを用いて通常電圧と低電源電圧下での微細軸作成成功確率と最小軸径を調査した．
(4) 研究の成果

R1

工具電極ホルダー

図 3 に微細軸加工における実験装置を示す．工作物
シリコンとなる微細軸を回転させながらブロック状の工具電極に対して送り，放電を生じさせて軸径を徐々に減少させていく．シリコンを用いる場合にはシリコンウェ
ハを長方形に切り出し，それを銅ブロックに固定している．微細軸の位置決めには 0.38 nm の分解能を有するピエゾステージを用いた．まず，通常の放電加工でV

板バネ
軸状
工作物 送り方向（微細軸）

銅ブロック

R2
図3 シリコン工具電極による微細軸加工多く用いられる銅ブロック工具電極を用いて直径 5µm の微細軸を作成する．そこから，シリコン工具電極を用いて加工を行い，微細軸の直径を減少させていく．
シリコン工具電極の抵抗率は 1.2×10-3 Ωm である．微細軸となる工作物には平均粒径 0.4 μmの超硬を用いた．電源電圧を，一般的に用いられる 40 V とした場合と，低電圧の 20V とした場合で加工を行い，微細軸作成成功確率と最小軸径を調査した．なお，電源電圧 40V の場合は送り速度は 5nm/s，20V の場合は 2nm/s とした．加工においては，微細軸の直径に応じて決定した送り量で加工を行い，微細軸直径を徐々に減少させていく．そして，電極ホルダを各加工工程後に微細放電加工機から取り外し，走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて微細軸の直径を測定する．そして，加工された微細軸の直径に応じて各加工ステップをさらに繰り返し，各ステップで得られた直径と，加工中に破断に至る直径を調査した．加工する微細軸のサンプル数は 40V の場合は 20 個，20V の場合は 12 個として微細軸を加工した．なお，放電エネルギーの概算は CV 2/2（C：コンデンサ容量，V：電源電圧）となるので，電源電圧を 40V から 20V まで小さくすることで，放電エネルギは 40V の時の 25%まで小さくなる．
電源電圧 40V での実験結果を図 4 に示す．各ステップで加工し，測定された微細軸の直径がサンプルの微細軸ごとにプロットされている．得られた微細軸の直径は，加工された微細軸のアスペクト比が 3 より大きい場合にプロットした．破断した場合は破断前のプロットがそのサンプルでの最小軸直径となる．最終的に得られた軸径が小さい順番にサンプル番号を付しているため，このグラフは，微細軸の各直径に対する成功確率も表すことになる．通常電圧 40 V で加工した場合，微細軸の作成

100%: 2.4μm

90

加工成功確率 [%]2040V5 nm/s

8070601816141250%: 1.4μm50

1040830620001μm

40.88μm

10

サンプルナンバー [-]10020.5

11.522.530

図5 最小直径の微細軸（電源電圧40V）

微細軸直径 [μm]100%: 1.2μm

10020V2 nm/s

加工成功確率 [%]9080706050%: 1.1μm50
4030
200.75μm

10000.50.5

111.51.5227 12116 109584 763 54231 210 02.52.5 3 3

サンプルナンバー [-]図4 微細軸加工の成功確率（電源電圧40V）

5μm

Φ0.75µm1μm

微細軸直径 [μm]図6 微細軸加工の成功確率（電源電圧20V）

図7 最小直径の微細軸（電源電圧20V）

成功確率が 100%となる直径は 2.4μm であり，50%となる直径は 1.4μm であった．また，電源電圧 40Vの場合の最小軸直径の微細軸の SEM 画像を図 5 に示す．直径 0.88 μm の微細軸が得られた．
次に，電源電圧 20V と小さくした場合の実験結果を図 6 に示す．電源電圧 20 V で加工した場合，微細軸の作成成功確率が 100%となる直径は 1.2μm であり，50%となる直径は 1.1μm であった．従って，40V の場合よりも各成功確率での直径を小さくすることができた．また，低電源電圧で加工した最小軸の SEM 画像を図 7 に示す．
直径 0.75 μm の微細軸が得られ，最小軸直径を通常電源電圧（40V）で加工した場合と比べて小さくすることができた．また，図 5 の 40V の場合と比べ，表面の粗さが良好になっている．このように成功確率が上昇し，最小直径が小さくなったのは，放電エネルギーが減少したことによって，単発放電当たりの材料除去量が低減したためであると考えられる．本微細軸は，RC 放電回路を用いた放電加工による超硬合金の微細軸加工例としては世界最小のオーダーであり，特筆すべきは，このオーダーの微細軸加工において，アスペクト比が高く，かつ表面粗さも良好なことである．従って，本電極を用いて穴加工や 3 次元複雑形状加工を行うことで，良好な加工形状が得られることが期待できる．

(5) 今後の研究の推進方策
極微小なエネルギーと，高精度な位置決めが可能なピエゾステージを用いることで，前述のように1μm 程度の微細軸加工を安定して行うことが可能となり，1μm 以下の微細軸加工も比較的に安定して加工可能となった．そこで，このような 1μm 以下の微細軸を工具電極として用い，微細穴加工を行うことで，世界に先駆けて 1μm 以下の微細穴放電加工の実現を図る．また，さらに低電圧の電源電圧を用いることで，放電エネルギーの微小化を図り，直径数百 nm 以下の微細軸加工を実現する．
さらにその後は，XYZ の 3 軸にピエゾステージを用い，製作した微細軸を工具電極として三次元的に走査することで，3 次元複雑形状加工を実現する．
(6) 研究発表（平成 29 年度、30 年度）[1] Tomohiro Koyano, Yuki Sugata, Akira Hosokawa, Tatsuaki Furumoto, Micro-Electrical Discharge
Machining of Micro-Rods Using Tool Electrodes with High Electrical Resistivity, Precision Engineering,
Vol.55, pp.95-100, 2019.
[2] Ryuki Hayashi, Tomohiro Koyano, Akira Hosokawa, Tatsuaki Furumoto, Yohei Hashimoto, Electrical
Discharge Machining of Micro-rods Using High Electric Resistance Electrodes and Piezoelectric
Positioning Stage , Proc. of the 17th International Conference on Precision Engineering (ICPE2018),
B-5-19, 2018.
[3] 林 颯輝，小谷野 智広，細川 晃，古本 達明，橋本 洋平, ⾼ 抵抗電極を⽤ いた微細放電加⼯−

ピエゾステージと低電源電圧を⽤ いた微細化限界の向上−, 2018 年度精密工学会北陸信越支部学術講演会講演論文集, 2018.
(7) その他顕著な成果
本研究により，2018 年度日本機械学会奨励賞（研究）を受賞した．