JP2002102952A - 超微細穿孔パンチの製作方法及びその装置 - Google Patents

超微細穿孔パンチの製作方法及びその装置

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JP2002102952A
JP2002102952A JP2000321542A JP2000321542A JP2002102952A JP 2002102952 A JP2002102952 A JP 2002102952A JP 2000321542 A JP2000321542 A JP 2000321542A JP 2000321542 A JP2000321542 A JP 2000321542A JP 2002102952 A JP2002102952 A JP 2002102952A
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electrode
punch
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ultra
cathode
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Soo-Hyun Kim
金秀鉉
Young-Mo Lim
林榮模
Hyung-Jun Lim
林亨俊
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23HWORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H3/00Electrochemical machining, i.e. removing metal by passing current between an electrode and a workpiece in the presence of an electrolyte
    • B23H3/04Electrodes specially adapted therefor or their manufacture
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23H7/26Apparatus for moving or positioning electrode relatively to workpiece; Mounting of electrode

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 超微細穿孔パンチを製作する方法及びその装
置を提供する。 【解決手段】 電解加工を用いた超微細穿孔パンチの製
作方法は、用意された電解液(3)内に加工される少な
くとも1つの電極(1)と陰極(2)とをそれぞれ一定
の深さに浸漬させた後、これら電極(1)と陰極(2)
との間に設定された電圧を印加しながら、電極(1)の
浸漬深さを所定の比率で減らしていくようにして電極
(1)を超微細穿孔パンチとして製作する。また、この
製作装置は、電解液(3)を入れる電解槽(30)と、
電解液(3)内で加工される少なくとも1つの電極
(1)と陰極(2)とを一定の深さに位置させるための
ホルダー手段と、電極(1)および/もしくは電解槽
(30)を移送させながら、電極(1)の浸漬深さを減
らしていくための移送手段と、電極(1)と陰極(2)
との間に設定された電圧を印加させるための制御装置
(4)とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直径100μm以
下の超微細穿孔パンチを製作するための方法及びその装
置に関し、特に、電解質溶液(以下、電解液という)を
用いて電解加工を行う超微細穿孔パンチの製作方法及び
その装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、システムの大きさが次第に小さく
なることによって、μm単位の構造物を成形するために
数多くの研究がなされている。簡単な例として、インク
ジェットプリンタや繊維放射ノズルなどを製作するため
には、数乃至数十μmの微細孔を大量に生産する必要が
ある。
【0003】このような構造物を得るためには、既存の
機械加工方法だけでは不可能であるため、IC製造技術
を拡張させて応用したり、放電加工や微細パンチングを
小型化するなど、色々な方法への研究が進んでいる。金
属性材料の単純な孔形状は、現在ほとんどこの微細パン
チングによって得ている。
【0004】現在、この微細パンチングは、約30μm
の直径を有する微細孔を製作するために使用されている
が、この製作は単純であり、且つ、速い加工速度を有し
ているため、微細機械加工の最も基本的な要素として認
められている。
【0005】このような微細機械加工を行うためには、
微細孔に類似している形状を有する微細穿孔パンチを製
作しなければならない。現在は、微細穿孔パンチを製作
するために主にワイヤ放電研削(Wire Elect
rodischarge Grinding)のような
機械加工に依っているが、この方法は、一度の工程を通
じて一つのパンチしか生産できず、パンチの加工に約1
00分という長時間を要するなど、生産性効率面が良く
ないという短所がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであって、
本発明の目的は、テーパ部分を有し、このテーパ部分の
先端部に均一な直径を有する超微細穿孔パンチを製作す
る方法及びその装置を提供することにある。
【0007】また、本発明の他の目的は、生産効率を高
め、短時間で多量に超微細穿孔パンチを製作することが
できるようにすることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の具体的な方法において、電解加工を用いた
超微細穿孔パンチの製作方法は、用意された電解液内に
超微細穿孔パンチとして加工される少なくとも1つの電
極と陰極とをそれぞれ一定の深さに浸漬させた後、これ
ら電極と陰極との間に設定された電圧を印加しながら、
この電極の浸漬深さを所定の比率で減らしていくように
して前記電極を超微細穿孔パンチとして製作したことを
特徴とする。
【0009】また、目的を達成するための本発明の具体
的な装置において、電解加工を用いた超微細穿孔パンチ
の製作装置は、電解液を入れる電解槽と、この電解液内
に超微細穿孔パンチとして加工される少なくとも1つの
電極と陰極とを一定の深さに位置させるためのホルダー
手段と、前記電極および/もしくは電解槽を移送させな
がら、この電極の浸漬深さを減らしていくための移送手
段と、前記電極と陰極との間に設定された電圧を印加さ
せるための制御装置とを有することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】まず、本発明を理解するために役
立つ電解プロセスの原理を簡単に説明する。
【0011】図1のように、電解液(Electrol
yte)に浸漬した2つの金属材料の間に電圧を印加さ
せると、陽極(Electrode)では、金属が電子
を失いながら金属イオンの形態に変わって電解液内へ溶
解される酸化反応が起こる。反対に、陰極(Catho
de)では、周辺のイオンが電子を得て分子に変わって
析出される還元反応が起こる。電解プロセスは、陽極の
酸化反応を用いて加工対象物を加工していく方法であ
る。
【0012】この電解プロセスは、化学反応によって加
工対象物を分子単位で加工するため、数μmの直径を有
する微細電極の製作も可能であり、かつ、なめらかな表
面形状を得ることができる。また、化学反応を用いた非
接触方式であるので、タングステンのように剛性の高い
材料の加工が容易である。さらに、このような材料を、
単に電解液内に浸漬した後、これらの材料の間にかける
電圧の調節だけで加工がなされるため、装置の構造が簡
単であり、低廉なことが特徴である。
【0013】以下、添付された図面を参照して本発明の
実施の形態を詳細に説明する。
【0014】図2は、本発明の電解加工システムの概略
図である。ホルダー(図示せず)に固定され、電解槽3
0内の電解液3で超微細穿孔パンチ(以下、パンチとい
う)として加工される、それぞれ制御装置4の陽極
(+)及び陰極(−)端子に連結された電極1および電
極(陰極)2が、それぞれ一定の深さに浸漬されてい
る。
【0015】この状態において、これら電極1および陰
極2の間に設定した電圧を印加させると、電極1には金
属が溶解される酸化反応が、陰極2には還元反応が起こ
る。この時、加工状態に従って、電極1を通して流れる
電流密度値を調節し、均一な直径を有するように加工す
ることができる。即ち、加工中、所定の比率で電極1を
電解液3から好ましくは上方へ垂直に移送させていく
と、図3のような多段階形状の多段階部1−1を含む電
極1を得ることができる。
【0016】上記のように得られた多段階形状の製作方
法を用いて、電極1の段階の間を減らしていくことによ
って、図4に示すように、各段階の直径が大きいものか
ら矢印方向に沿って次第に小さいものとすることができ
る。つまり、右図に示すように、多段階形状の部分が初
期直径の部分からテーパ形状をなすテーパ部分を有し、
このテーパ部分の先端部には均一な直径を有する電極
1、即ち、パンチを製作することができる。
【0017】この時、使用した電極1は、純度99.9
%のタングステンであり、この電極1の直径は、0.5
mmの円柱形である。また、電解液には、5.0mMの
KOH(水酸化カリウム)を用いた。この電極1のホル
ダーは、光学用ステージとステップモータとから構成さ
れたステップ状に移送する移送装置のチャックに噛み合
わされて移送される。
【0018】そして、これら電極1及び陰極2の両端に
は、これらの間にかける電圧の調節が可能な制御装置4
が連結されている。電流密度14mA/mm、加工温
度26.5℃で電極1の加工が行われ、その他の加工条
件は、パンチのテーパ部分と先端部との形状によって決
められる値であり、浸漬深さ、加工時間などが考慮され
る。
【0019】図6は加工されたパンチの形状を示し、こ
のパンチのテーパ部分1aの長さは0.72mm、先端
部の直径は60μmの円柱形であるように加工され、テ
ーパ形状に加工するためのステップ状に移送する段階の
間は20μmである。実際に加えられた電流は、すべて
の時間について14mA/mmを維持するように流れ
るため、初期には35.6mAであった電流は、終了直
前には5.0mAにまで減らされている。この時の総加
工時間は903秒であり、流れ込んだ総電荷量は17.
1Cである。
【0020】電解液の表面張力がない場合であれば、図
4の右図ような形状のテーパ部分の製作のためには、加
工中、電極1を等速で上昇させなければならない。しか
し、表面張力の効果とその流動性とを考慮すると、数十
μm程度のステップ状の移送だけでも十分にテーパ形状
を得ることができる。
【0021】超微細穿孔パンチの形状は、テーパ部分の
長さ、先端部の直径、そして、テーパ部分の角度に従っ
て左右される。このような形状は、電解液の濃度と温
度、電極1の浸漬深さ、初期直径、材料定数、並びに、
加工中の電圧の変化などによって決められる。
【0022】このように、パンチの形状を決めるための
制御要素と、これら制御要素が決められるパンチ形状と
の関係は、図5に示されている。
【0023】図5の左列は制御要素、右列は加工形状を
意味している。電極1の浸漬深さによって加工する長さ
が定められ、初期直径を始めとし、電極1の材料定数値
などと共に加えられる電圧に従って電極1の直径が変化
する。
【0024】パンチの製作において、テーパ部分の線形
化程度と、先端部の均一な直径部分の直進度とは、その
形状において重要な要素である。
【0025】図6の点線部分を拡大したものが図7に示
されているが、加工されたテーパ部分の形状に対して線
形化を行い、並びに、テーパ部分と先端部の均一な直径
部分との連結部の曲率半径を測定するために、長さ方向
へ20μmずつ移動させながら直径を測定した。測定に
は400倍の倍率を有する光学式顕微鏡を用い、最大測
定誤差は0.5μmである。図8に示す部分は、均一な
直径部分とテーパ部分とに分かれており、これらの間
は、曲率半径140μmで連結されている。このパンチ
のテーパ部分の角度は22.4°である。そして、この
テーパ部分における各部分の直径の値を線形化し、この
線形化した値と実測値との誤差は、図9に図示されてい
る。この図から分かるように、これら誤差は、最大で
2.5μmである。
【0026】また、この図9を見ると、加工がなされな
かった部分となされた部分との連結部で、連続的に直径
の変化が起こる追加加工がなされたことを確認すること
ができる。この追加加工とは、電極1および陰極2が電
解液に浸漬した後、これら電極および陰極の間にかける
電圧が印加されるとき、表面張力によって電解液面より
やや上部分の電解液が引かれた部分で追加に加工されて
現われる現象である。この実験の条件では、表面張力に
よって発生した液面上昇の効果が現われたので、テーパ
部分の長さが短いパンチを要求する場合、その形状をま
ともに得ることができない。
【0027】従って、短いテーパ部分を得る時には、良
くない結果が得られる。次に示す表1は、テーパ部分の
長さ変化に従って得られるテーパ部分の角度に対する実
験結果である。
【0028】
【表1】
【0029】初期直径0.5mmの電極1から約100
μmの先端部の直径を得る場合、可能な最大のテーパ部
分の角度は、24°である。
【0030】本実験では、直径0.5mmの材料からテ
ーパ部分の先端部が均一な直径の円柱形となる電極1を
得る方法を用いて超微細穿孔パンチを製作した。また、
電解液内に電極1が浸漬する深さを調節することによっ
て、色々なテーパ部分の角度が得られる。
【0031】これまで、1本の電極について説明した
が、電極1は、複数でも良い。また、パンチの製作方法
として、電極1を上方に移送させる方法を示したが、電
極1の代わりに電解槽30を下方に移送させても良く、
さらに、電極1を上方に、電解槽30を下方に移送させ
て電極1の浸漬深さを減らしても良い。
【0032】ここで得られた超微細穿孔パンチによっ
て、超微細放電加工とパンチングとを用いて同一な形状
を有する微細孔が得られる。
【0033】一方、図5のような形状決定要素などの詳
しい解釈を通じて、浸漬深さ、及び、電圧の調節を行う
ことによって、所望の形状が得られる。
【0034】ここで、本実施の形態では、設定した電圧
を印加することによってパンチの加工を行ったが、設定
した電流を流すことによってパンチの加工を行っても良
い。
【0035】これまで、実施の形態について図面を参照
しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施
の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しな
い範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【0036】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、超微
細穿孔パンチの製作が簡単になり、且つ、電解液に電極
を浸漬して加工することによって、多量の超微細穿孔パ
ンチを短時間で生産できるという有利な長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、電解加工の概念図である。
【図2】図2は、本発明に係る超微細穿孔パンチの製作
システムの構成図である。
【図3】図3は、本発明に係る多段階形状を有する超微
細穿孔パンチの製作方法の概念図である。
【図4】図4は、本発明に係る多段階形状の縮小による
超微細穿孔パンチのテーパ形成過程を説明した例示図で
ある。
【図5】図5は、超微細穿孔パンチの形状を決めるため
の制御要素と、これら制御要素が決められるパンチ形状
との関係図である。
【図6】図6は、本発明に係る加工を完了した超微細穿
孔パンチの加工形状図である。
【図7】図7は、図6の点線部位の拡大図である。
【図8】図8は、図7のテーパ部分の先端部の直径変化
線図である。
【図9】図9は、図7のテーパ部分の先端部の直径誤差
線図である。
【符号の説明】
1…電極、1a…テーパ部分、1−1…多段階部、2…
電極(陰極)、3…電解液、4…制御装置、30…電解
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成13年3月6日(2001.3.6)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0017
【補正方法】変更
【補正内容】
【0017】この時、使用した電極1は、純度99.9
%のタングステンであり、この電極1の直径は、0.5
mmの円柱形である。また、電解液には、5.0Mol
のKOH(水酸化カリウム)を用いた。この電極1のホ
ルダーは、光学用ステージとステップモータとから構成
されたステップ状に移送する移送装置のチャックに噛み
合わされて移送される。
フロントページの続き (72)発明者 林亨俊 大韓民国、大田廣域市儒城區九城洞373− 1番地 Fターム(参考) 3C059 AA02 AB03 CF01 CG03 CH01 CJ03 HA17 4E050 JA02 JB06 JD07

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解加工を用いた超微細穿孔パンチの製
    作方法であって、 用意された電解液内に超微細穿孔パンチとして加工され
    る少なくとも1つの電極と陰極とをそれぞれ一定の深さ
    に浸漬させた後、これら電極と陰極との間に設定された
    電圧を印加しながら、この電極の浸漬深さを所定の比率
    で減らしていくようにして前記電極を超微細穿孔パンチ
    として製作したことを特徴とする超微細穿孔パンチの製
    作方法。
  2. 【請求項2】 前記電極は、円形断面を有することを特
    徴とする、請求項1に記載の製作方法。
  3. 【請求項3】 前記電極は、前記電解液の濃度および温
    度、前記電極の浸漬深さ、初期直径、材料定数、加工中
    の電圧の変化によって決められた形状を有することを特
    徴とする、請求項2に記載の製作方法。
  4. 【請求項4】 前記電極の浸漬深さを減らしていく速度
    を変化させ、前記電極の初期直径から先端部の直径に至
    るまで直径の変化を多様にすることを可能としたことを
    特徴とする、請求項2もしくは3に記載の製作方法。
  5. 【請求項5】 電解加工を用いた超微細穿孔パンチの製
    作装置であって、 電解液を入れる電解槽と、 この電解液内に超微細穿孔パンチとして加工される少な
    くとも1つの電極と陰極とを一定の深さに位置させるた
    めのホルダー手段と、 前記電極および/もしくは電解槽を移送させながら、こ
    の電極の浸漬深さを減らしていくための移送手段と、 前記電極と陰極との間に設定された電圧を印加させるた
    めの制御装置とを有することを特徴とする超微細穿孔パ
    ンチの製作装置。
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