JP5029094B2 - 電気鋳造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属部品を製造するための電気鋳造方法に関する。

母型に金属を膜厚メッキ（電着）することで金属成型品を形成する電気鋳造技術が知られている。母型の電着が不要な部分に絶縁膜を形成することで、所望部分にのみ金属を電着することができるが、絶縁膜に遮断された電流の一部が絶縁膜近傍の電着部分に流れ込んで電着量を部分的に増加させる結果、電着した金属層の厚みが不均一になるという問題がある。例えば、特許文献１には、電気鋳造した金属層の表面（母型の反対側）を研磨して平滑化する旨の記載がある。

このように、従来の電気鋳造では、金属成型品の表面（母型に電着する面の反対側）の形状が制御不能であり、成型可能な形状に大きな制約があった。
特開平８−２２５９８３号公報

前記問題点に鑑みて、本発明は、母型に電着する面と反対面の形状を制御することが可能な電気鋳造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による電気鋳造方法は、キャビティが形成された導電性の母型の外表面および前記外表面から前記キャビティの内部に延伸する側壁面に絶縁層を形成し、前記母型を電解槽内に配置して電圧を印加し、前記側壁面に囲まれ、且つ、前記キャビティの最深部を含むとともに、前記キャビティの開口部に対向する底面に金属を電着し、前記キャビティの最も浅い部分における、前記キャビティの開口部の幅が最も短い前記電圧印加方向に沿う断面において、電着した前記金属の表面から前記キャビティの開口部までの電圧印加方向の高さの最小値が、前記開口部の幅の１／３以上となるように金属層を成長させる方法とする。

この方法によれば、キャビティの内部空間全体に金属を電気鋳造することなく、キャビティの幅の１／３以上、より好ましくは２／３以上の空間を残して金属層の成長を停止するようにすることで、キャビティ側壁面に形成した絶縁層の上部が、対向電極のキャビティに正対しない部分から既に電着されている金属層に斜めに流れ込もうとする電流を遮断するので、電着される金属の厚みがばらつかない。このため、電気鋳造される金属層は、母型の絶縁層が形成されていない部分からの距離が一定となるように、均一に成長する。

また、本発明の電気鋳造方法において、前記絶縁層は、さらに、前記キャビティの底面の周縁部の少なくとも一部分に形成してもよい。金属層は、母型の絶縁層が形成されていない部分からの距離が一定となるように成長するので、底面の外周部の絶縁層の上部に曲面を形成するように金属層を形成する。これによって、金属成型品の母型と反対側のエッジを面取することが可能である。

また、本発明の電気鋳造方法において、前記底面は、電圧印加方向に垂直な面に対する傾斜角度が６０°以下となる面の集合であってもよい。母型の絶縁層が形成されていない面が、対向電極との間の電圧印加方向に垂直な面から６０°より大きく傾斜しないようにすることで、その傾斜した面が対向電極からの電流を斜めに引き込み、金属層を不均一に成長させることを防止できる。

また、本発明の電気鋳造方法において、前記側壁面に、前記キャビティの開口面積を拡大する段差部を形成してもよい。これにより、金属成型品の一部を電圧印加方向と異なる方向に突出させることができる。

また、本発明の電気鋳造方法において、前記電着の終点を、供給した電流量の総和によって判定してもよい。電着した金属の総量は、供給した電流量に比例するので、直接測定しなくても、成長した金属層の厚みを知ることができる。

本発明によれば、キャビティの幅の１／３以上の空間を残して金属層の成長を停止するので、金属層に側方から電流が流れ込んで、成型した金属層の厚みが均一になり、母型と反対側の表面を仕上げ加工する必要がない。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明により電気鋳造した金属成型品１と、その電気鋳造に使用した導電性の母型２との断面を示す。母型２は、電解液を貯留する電解槽内に対向電極に対向して配置され、対向電極との間に電圧が印加される。電気鋳造とは、電解液に電流を流すことで、電解した金属を母型２に電着させる厚膜メッキ技術を言い、当該電気鋳造により母型２に電着した金属層を母型２から剥離することにより、母型２の形状を反転転写した金属部品を形成する技術である。

本発明に使用する母型２は、金属成型品１の反転型となるキャビティ３が形成されており、対向電極に対向する外表面４のキャビティ３が形成されていない部分と、キャビティ３の側壁面５に絶縁層Ｆが形成されている。しかしながら、キャビティ３の底面６には、絶縁層Ｆが形成されていない。

新しい母型２を電解槽に配置し、母型２と対向電極との間に電圧を印加、通電すると、図２に示すように、電解液中の金属イオンをその表面に電着させ、金属層７を形成する。一方、絶縁層Ｆは、電流を遮断するので、母型２と不図示の対向電極との間に電圧を印加しても、絶縁層Ｆには直接金属が電着しない。このため、キャビティ３の内部には、底面６から電圧印加方向に金属層７が成長してゆく。

本発明では、図１に示すように、金属層７が、所望の金属成型品１の高さで成長したときに、キャビティ３の幅Ｗの１／３以上の高さＨを有する空間が残されるように、キャビティ３をデザインしておく。つまり、本発明では、金属層７の成長を停止する終点をキャビティ３の上部に、Ｈ≧１／３Ｗのヘッドスペースを残すように定める。

尚、ファラデーの法則により、母型２と対向電極との間に流れた電流の総和と電着された金属の総量とは比例関係にあるので、供給した電流の電流値を積算することで、電気鋳造の終点を検知することができる。

キャビティ３の上部に、Ｈ≧１／３Ｗのヘッドスペースを残すように金属層７の成長を停止することで、キャビティ３の側壁面５に形成した絶縁層Ｆの上部が、金属層７から対向電極の外壁面４に対向する位置から斜めに流れ込もうとする電流を遮断し、金属層７全体に均一な電流を流して、金属層７を均一に成長させる。

このため、金属層７が成長してなる金属成型品１は、母型２と反対側の対向電極に対向する面が、底面６から一定の距離を有し、キャビティ３に習った形状となる。

図３に、キャビティの幅Ｗと、金属成型品１の上に残るヘッドスペースの高さＨとの比によって、金属成型品１の金属層７の厚みにどの程度バラツキが生じるかを確認した結果を示す。金属層７の厚みのバラツキは、金属層７の最も薄い部分の厚み（最小高さ）と、最も厚い部分の厚み（最大高さ）との比で評価した。

このように、ヘッドスペースの高さＨが、キャビティの幅Ｗの１／３以上であれば、金属層７の厚みのバラツキは５％以下となり、実用上、殆ど問題とならない程度に抑制される。さらに、ヘッドスペースの高さＨがキャビティの幅Ｗの２／３以上であれば、金属層７の厚みのバラツキは１％以下となり、殆ど無視できる程度に抑制できる。

図４に、金属成型品１および母型２の長さ方向の断面を示す。図示するように、キャビティ３は、底面６を深さが異なり、それぞれ対向電極に正対（電圧印加方向に垂直）する３つの平面部６ａ，６ｂ，６ｃと、平面部６ａ，６ｂ，６ｃを接続し、電圧印加方向に垂直な面に対して傾斜する傾斜面部６ｄ，６ｅとからなる。

ここで、ヘッドスペースの高さＨは、キャビティ３の最も浅い部分に残る空間の高さである。この図４が示すように、ヘッドスペースの高さＨに比してキャビティ３の長さが長くても、ヘッドスペースの高さＨがキャビティ３の幅（横断距離が短くなる方向の長さ）Ｗの１／３以上であれば、金属成型品１の厚みがばらつくことはない。

また、傾斜面部６ｄ，６ｅを有する底面６に対して、金属層７は、平面部６ａ，６ｂ，６ｃおよび傾斜面部６ｄ，６ｅにそれぞれ厚みが等しくなる（底面６からの距離が一定になる）ように積層して電着される。平面部６ａと傾斜面部６ｄとが、および、平面部６ｂと傾斜面部６ｅとが形成する角にも、金属層７は、その厚みが等しくなる（底面６からの距離が一定になる）ように積層して電着する。

図５に、傾斜面部６ｄ，６ｅの傾斜角度θ（電圧印加方向に垂直な面との間になす角度）を変えて、金属層７の厚みのバラツキを測定した結果を示す。図示するように、傾斜面部６ｄ，６ｅの傾斜角度θが６０°以下であれば、金属層７の厚みのバラツキは、１％以下であり、全く問題がない。しかしながら、傾斜面部６ｄ，６ｅの傾斜角度θが６０°を超えると、金属層７の厚みにバラツキが生じる。尚、この金属層７の厚みのバラツキは、中段の平面部６ｂに比べて、上段の平面部６ａおよび下段の平面部６ｃにおいて、大きくなる傾向がある。

このように、本発明では、傾斜面部６ｄ，６ｅの傾斜角度θを６０°以下にするように、底面６に深さの変化を設けることで、金属成型品１のデザインを、厚みを一定に保ちながら、電圧印加方向に屈曲したものとすることもできる。換言すると、底面６は、必ずしも対向電極に正対する必要がない。

さらに、図６に、本発明の変形例のキャビティ３と、金属層７の成長過程とを示す。このキャビティ３は、側壁面５の中程に、段差部５ａを形成することで、キャビティ３の断面積を途中から拡大して、キャビティ３の開口面積を底面６よりも大きくしている。また、段差部５ａを覆う絶縁層Ｆが底面６上の周縁部６ｆを覆うように延伸している。

このキャビティ３を用いて電気鋳造すると、先ず、絶縁層Ｆに覆われていない底面６の表面に金属層７が電着する。さらに電圧を印加し続けると、金属層７は、底面６の絶縁層Ｆに覆われていない部分からの距離が一定になるように、周縁部６ｆを覆う絶縁層Ｆの上に覆い重なるように成長する。

さらに、電流を流して金属層７を成長させると、段差部５ａの上にも金属層７が張り出して成長する。このとき、絶縁層Ｆに覆われていない底面６から見て段差部５ａの陰になる部分には、段差部５ａのエッジからの距離が一定になるように金属層７が成長する。

このように、キャビティ３に段差部５ａを設けることで、金属成型品１は、段差部５ａの上部に張り出した形状に鋳造される。また、底面６の周縁部６ｆを絶縁層Ｆで覆うことで、その上部において金属成型品１を面取りした形状にすることができる。すなわち、本変形例を用いることで、母型２の形状を反転転写した形状の表面に、Ｒ状の面取りを追加した金属部品を形成することができる。

例として、図７に、本発明により形成した電子部品用の接点部材の形状を示す。本発明によれば、このような形状の金属部品を、いかなる仕上げ加工も必要とせず、電気鋳造のみによって形成できる。

本発明の実施形態の金属成型品と母型の幅方向の断面図。 図１の金属成型品の電気鋳造過程を示す断面図。 ヘッドスペースの高さとキャビティの幅との比による金属層の厚みのバラツキの変化を示すグラフ。 図１の金属成型品と母型の長さ方向の断面図。 底面の傾斜面部の傾斜角度による金属層の厚みのバラツキの変化を示すグラフ。 本発明の変形例のキャビティを示す断面図。 本発明により形成した接点部材の斜視図。

符号の説明

１ 金属成型品
２ 母型
３ キャビティ
４ 外表面
５ 側壁面
５ａ 段差部
６ 底面
６ａ，６ｂ，６ｃ 平面部
６ｄ，６ｅ 傾斜面部
７ 金属層

Claims (5)

1. キャビティが形成された導電性の母型の外表面および前記外表面から前記キャビティの内部に延伸する側壁面に絶縁層を形成し、
   前記母型を電解槽内に配置して電圧を印加し、前記側壁面に囲まれ、且つ、前記キャビティの最深部を含むとともに、前記キャビティの開口部に対向する底面に金属を電着し、前記キャビティの最も浅い部分における、前記キャビティの開口部の幅が最も短い前記電圧印加方向に沿う断面において、電着した前記金属の表面から前記キャビティの開口部までの電圧印加方向の高さの最小値が、前記開口部の幅の１／３以上となるように金属層を成長させることを特徴とする電気鋳造方法。
2. 前記絶縁層は、さらに、前記キャビティの底面の周縁部の少なくとも一部分に形成することを特徴とする請求項１に記載の電気鋳造方法。
3. 前記底面は、電圧印加方向に垂直な面に対する傾斜角度が６０°以下となる面の集合であることを特徴とする請求項１または２に記載の電気鋳造方法。
4. 前記側壁面に、前記キャビティの開口部面積を拡大する段差部を形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気鋳造方法。
5. 前記電着の終点を、供給した電流量の総和によって判定することを特徴とする請求項１