JP4689850B2 - マイクロ放電加工方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として高精度な寸法・形状を有する直径１００μｍ以下の微細な穴を大量に必要とされる部品、例えばインクジェットプリンタノズルや微細部品の吸着ノズルなどの加工を実現するマイクロ放電加工方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細穴加工には、フォトリソグラフィを用いたエッチング加工、レーザ加工、電鋳加工などの多種の加工方法がある。その中で、高精度な微細穴加工には、高精度に成形した微細工具電極を回転させ、１穴づつ放電によって加工する微細放電加工方法が適しており、真円度の高い加工が可能である（参考文献：「超微細放電加工機」、National Technical Report Vol.39 No.5 、Oct. 1993 年、ｐ33〜39 ）。
【０００３】
大量の微細穴を均質に穴加工し、穴群を形成する場合には、工具電極と被加工材の相対的な位置をＮＣによって決めて、１つ１つの穴を順次加工して穴群を形成している。また、寸法の異なる穴から成る穴群を加工する場合には、穴径の寸法に対応した工具電極を準備し、交換しながら加工している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の方法で大量の微細穴を高精度に加工すると、１つ１つ加工する段階での誤差、順次加工する段階での電極消耗に伴う誤差、電極消耗のために電極を再成形して用いなければならないために生じる誤差などにより、誤差が大きくなるという問題がある。また、加工時間が穴数に比例して増加し、大量の微細穴を加工するには長時間を要し、生産性の向上を図ることができないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題に鑑み、大量の微細穴の穴径精度の高精度化を達成できるとともに、トータルの加工時間を短縮できて生産性を向上できるマイクロ放電加工方法及び装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロ放電加工方法は、
複数の穴加工を施したプレート電極と工具電極との間で放電加工してプレート電極のパターンを工具電極に転写し、転写後の工具電極と被加工材との間で放電加工し、かつそれらの放電加工の際に、工具電極とプレート電極もしくは被加工材との距離を、振動駆動用のアクチュエータにて任意の周波数と放電ギャップの１〜１０倍の範囲で振動の振幅を変化させるとともに工具電極とプレート電極もしくは被加工材との距離の変化に同期して放電パルスの発生を制御することを特徴とする。本発明によれば、工具電極と被加工材との距離を任意の周波数と振幅で変化させることにより工具電極を回転せずに適正な放電加工ができるため、複数の穴加工や任意のパターンの穴加工をそれに対応した工具電極を用いて一度に加工することができて生産性を向上でき、また誤差の累積が少なくなって高精度に加工でき、かつ工具電極と被加工材との距離の変化に同期して放電パルスの発生を制御するので、距離の大きい状態で電圧がかからないため、電解電流が流れて放電用の充電が不充分になったり、被加工材が異常溶出したりするのを防止でき、高い加工精度を確保できる。
【０００７】
また、プレート電極の複数の穴を転写した工具電極を用いることで、精度の高い工具電極を作業性良く作製でき、生産性を向上できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のマイクロ放電加工装置の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。
【００１３】
図１において、１は本体ベースである。２はＸＹテーブルで、水平なＸＹ平面に沿ってＸ軸方向及びＹ軸方向の任意の位置に移動・位置決めする。３はＺ軸機構で、可動部３ａをＸＹ平面に対して鉛直な立柱ガイド３ｂに沿ってＺ軸方向に移動・位置決めする。４は工具電極で、Ｚ軸機構３の可動部３ａに取付けられている。
【００１４】
５は振動台で、ＸＹテーブル２上に固定された取付枠６に両端部が固定された板ばね７の中間部に取付けられてＺ軸方向にのみ一定範囲で移動自在に支持され、取付枠６内に配設された振動駆動用のアクチュエータ８にて任意の周波数と振幅で振動駆動可能に構成されている。９は振動台５上に設置されたプレート電極、１０は同じく振動台５上に設置された被加工材である。
【００１５】
１１はパルス放電発生回路、１２はパルス放電発生回路１１及びアクチュエータ８を制御するコントローラである。
【００１６】
次に、図２を参照して加工方法を説明する。まず、プレート電極９に穴加工を施すための円筒電極１３を形成するため、図２（ａ）に示すように、ブロック電極１４を用いて任意の直径の円筒電極１３を仕上げる。この加工は、ブロック電極１４をＸＹテーブル２上の振動台５に設置し、回転駆動機構を内蔵したＺ軸機構３に円筒電極１３を取付け、振動台５を動作させず、回転機構にて円筒電極１３を回転させながらブロック電極１４との間で逆極性放電することによって形成できる。
【００１７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＸＹテーブル２上の振動台５にプレート電極９を設置し、円筒電極１３を用いてプレート電極９に丸穴、スリット等の穴１５、あるいは複数の穴１５を組み合わせた穴群１６のパターンを加工する。この円筒電極１３によるプレート電極９の加工時には円筒電極１３自身を回転させることによって微細放電加工を安定させることができる。また、本実施形態では複数の穴１５からなる穴群１６を複数組配列して形成する。
【００１８】
次に、図２（ｃ）に示すように、穴群１６をパターン加工したプレート電極９を用いて、Ｚ軸機構３に新たに取付けたブロック電極１７に対して放電加工を行ってパターンを転写し、工具電極４を作製する。出来上がる工具電極４の形状の長さは、ブロック電極１７の送り深さによって規定される。
【００１９】
その際に、プレート電極９の厚さを限定すると、転写する形状精度を高く維持することができるため、工具電極４の長さを長く転写する場合には、上記のようにプレート電極９として、厚さが薄くかつ穴群１６のパターンを複数組配列して形成したものを用い、図２（ｃ）に矢印で示すように、これらの穴群１６を順次使って転写することで、転写形状精度が高くかつ長さの長い工具電極４を形成することができる。
【００２０】
次に、以上の工程でパターンが転写された工具電極４を用いてＸＹテーブル２上の振動台５に設置された被加工材１０に放電加工を行う。これによって、被加工材１０に対して大量のパターンを均一に転写加工することができる。
【００２１】
以上の放電加工に際して、円筒電極１３によるプレート電極９の加工時には円筒電極１３自身を回転させることによって微細放電加工を安定させることができるが、プレート電極９によるブロック電極１７の加工時、及び工具電極４による被加工材１０の加工時には、回転させることができずかつ対向面積が広くなるため、微細放電加工が安定し難く、高精度の加工が困難となる。そこで、本実施形態では、高精度な転写を実現するため振動台５によってプレート電極９や被加工材１０をＺ軸方向に微動振動させる。板ばね７とアクチュエータ８は、少なくとも放電条件によって決まる放電ギャップの１〜１０倍程度の範囲で振動の振幅を調整できるように設計されている。また、比較的大きな質量を大きなストロークで微動させるため、微動の周波数は数１００Ｈｚ程度に限定される。
【００２２】
ところで、上記放電加工時の加工液には電気的絶縁液を用いるが、高速加工には超純水を用いる場合がある。超純水加工においては、加工液としての電気絶縁度が瞬時に大きく変化して加工精度に影響する。したがって、微振動によって電極間のギャップが広い状態では両極間に電圧が与えられていると、微小な電解電流が流れ、放電するための充電が不充分になったり、電解作用によるワークの異常溶出が加工精度の劣化を引き起こす恐れがある。
【００２３】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、放電が発生する距離に近づいた瞬間のみ電圧を加えることができるようにパルス放電発生回路１１とアクチュエータ８をコントローラ１２で同期制御している。図３（ａ）は振動台５による振動波形、図３（ｂ）はパルス放電発生回路１１から出力されるパルス電圧波形、図３（ｃ）はそれらによって発生する放電電流のタイミングをそれぞれ示す。なお、図３では、微動の最上点（最近接位置）から少し時間遅れをもって電圧がオンしているが、その遅れ量、電圧のオン時間の幅もコントローラ１２で任意に制御することができる。
【００２４】
また、パルス電圧は電解作用が発生しない１０マイクロ秒以下にすることができるが、一般にマイクロ放電は放電パルスの電流の幅は数１０ナノ秒の単位になるため、図３に示すようにその間にも複数回の放電が連続的に発生する。
【００２５】
また、本実施形態の構成によれば、超純水加工のみならず、ギャップがさらに微小となる油加工においてもアーク状態の発生の回避に効果を示し、加工精度の向上や高アスペクトの加工形状を形成することができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のマイクロ放電加工方法によれば、以上のように工具電極と被加工材との距離を任意の周波数と放電ギャップの１〜１０倍の範囲で振動の振幅を変化させることにより工具電極を回転せずに適正に放電加工ができ、複数の穴加工や任意のパターンの穴加工をそれに対応した工具電極を用いて一度に加工することができて生産性を向上でき、また誤差の累積が少なくなって高精度に加工でき、かつ工具電極と被加工材との距離の変化に同期して放電パルスの発生を制御することにより、相対距離の大きい状態で電圧がかからないようにして電解電流が流れて放電用の充電が不充分になったり、被加工材が異常溶出したりするのを防止できて高い加工精度を確保できる。特に、超純水を用いた高速加工の可能性を最大限に引き出し、なおかつ高精度を実現することができる。
【００２７】
また、転写後の工具電極と被加工材との間で放電加工することにより、大量のマイクロ形状を均一に加工する作業において、精度の高い工具電極を作業性良く作製でき、高精度で生産性の高い加工を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロ放電加工装置の一実施形態の概略構成図である。
【図２】同実施形態における加工工程の説明図である。
【図３】同実施形態における振動台の振動とパルス放電回路の出力電圧と放電電流のタイミングの説明図である。
【符号の説明】
２ ＸＹテーブル
３ Ｚ軸機構
４ 工具電極
５ 振動台
９ プレート電極
１０ 被加工材
１１ パルス放電発生回路
１２ コントローラ
１５ 穴
１６ 穴群

Claims (1)

  1. 複数の穴加工を施したプレート電極と工具電極との間で放電加工してプレート電極のパターンを工具電極に転写し、転写後の工具電極と被加工材との間で放電加工し、かつそれらの放電加工の際に、工具電極とプレート電極もしくは被加工材との距離を、振動駆動用のアクチュエータにて任意の周波数と放電ギャップの１〜１０倍の範囲で振動の振幅を変化させるとともに工具電極とプレート電極もしくは被加工材との距離の変化に同期して放電パルスの発生を制御することを特徴とするマイクロ放電加工方法。
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