JP5046277B2 - 電気化学的エッチングの均一化手法 - Google Patents

Description

本発明は金属をエッチング加工する技術に関し、特に宇宙用のエンジンの壁構造体に用いられるモリブデンを含むニッケル合金をエッチング加工するのに最適な技術に関する。

宇宙機用エンジン特にスクラムジェットエンジンの開発に当たって、その壁は空気あるいは燃焼ガスによって強く加熱をされることから、使用される材料は高温における強度が高いことが要求されると共に、壁には冷却構造を採ることが必要である。これらのことから、冷却構造の適正材料としてニッケル系の耐熱合金が選択され、特に耐熱性の高いモリブデンを含む合金が望まれた。従来、当該宇宙機用エンジンの壁に用いる合金は機械加工により物理的に加工されているが、当該モリブデンを含む合金は物性的にねばく、物理的加工が難しい。宇宙機用エンジンの壁に採用するためには、大きな面積にわたり冷却に必要となる均一な溝構造を加工する必要があることを勘案し、機械加工ではない方法を開発することが求められる。

本発明者らは、先に「ニッケル合金の電気化学的手法によるエッチング加工」に関する技術を開発し、特許文献１を特許出願した。この加工を実行するシステムは図６(Ａ)に示すように図中の１は被加工品（モリブデンを含むニッケル合金パネル）である。２はこのパネル１全体を浸漬することのできる大きさの水溶液槽であり、３が硫酸と硝酸が混合された水溶液であるエッチング液。水溶液槽２の底部近傍には被加工品であるパネル１が入れられたときそれと対峙するように対向電極４が配置される。また、５は参照電極であり、この参照電極５の槽と前記水溶液槽２との間に塩橋６が設置される。そして、７はエッチング液を攪拌する攪拌機であり、８は各電極を構成するパネル１、対向電極４そして参照電極５とリード線で接続され、パネル１と参照電極５間の電位差をモニターしながら制御すると共にパネル１と対向電極４間の電流をモニターする制御装置である。

この加工方法は、レジスト材としてはアクリル樹脂系のものを用い、パターンの焼付けと現像というフォトグラフィックの手法で図６(Ｂ)のＡに示すようなパターンのレジスト１１のマスクを形成する。続いて、マスク処理が行われた被加工パネル１を図６(Ａ)のような装置の水溶液槽２内でエッチング液３に浸して支持する。攪拌機７を駆動させてエッチング液３を水溶液槽２内で対流させながら制御装置８のパネル１と参照電極５間の電位差を１.１〜１.３Ｖ中の所定値を保つように制御して電気化学的エッチングを実行させる。図６(Ｂ)のＢに示されるようにレジスト１１に覆われていない部分の金属が電気化学的にエッチングされていく。この所定値はエッチング反応速度すなわち、パネル１と対極電極４間の電流をモニターしながら設定する。図６(Ｂ)のＣに示されるようにエッチングした溝の深さが設定した深さに達した時点で制御装置をＯＦＦにしてエッチング加工を停止させる。つづいてエッチング加工されたパネル１を水溶液槽２から引き上げ、剥離剤を用いてレジストを剥離させ除去する。最後に水で洗浄して乾燥させ、エッチング加工を終了する。図６(Ｂ)のＤに示すものが加工を終えたパネル１である。溝加工されたパネル１には図６(Ｂ)のＥに示すように、蓋体９を鑞付け等の手段で一体的に貼り合わせ、冷却路１０を形成する。
特願２００５−３０３００６号明細書 「ニッケル合金の電気化学的手法によるエッチング加工」 平成１７年１０月１８日出願

ところが、先の特許出願(特許文献１)は供試体を液に浸し対極との間に通電することで供試体をエッチングして目的の形状を得るという加工技術であるが、このような電気化学的エッチング(ニッケル合金を対象にしたものに限らない)では、大きな面積全体、あるいは適当なピッチでの溝構造をエッチングする際、図１の左側に示すように、加工過程で周辺部が中心部より早くエッチングされてしまうという現象を伴い、被加工品の中央では浅い溝、両側では深い溝となる加工がなされてしまい、全体として加工精度が悪くなるという問題が生じた。
本発明の課題は、この問題を解決すること、すなわち、大きな面積全体、あるいは適当なピッチでの溝構造をエッチングするにあたり、周辺部が中心部より早くエッチングされてしまう不具合を解決して、全体として加工精度のよいエッチング加工を施せる方法を提示することにある。

本発明の電気化学的エッチングの均一化手法は、水溶液槽内においてパネルを陽電極とし対向電極の陰電極との間に電圧を印加して前記パネルの面に穴を電気化学的反応でエッチング加工する際に、前記パネルの被加工面部の最も外側部分に板状矩形絶縁体のブロック（長さ×幅×厚み）の幅方向を対極電極側に向けて配置して配置してエッチングを実施するようにした。
本発明の電気化学的エッチングの均一化手法の１形態では、前記板状矩形絶縁体のブロックの素材は塩化ビニル製の平板を用いるものとした。
本発明の電気化学的エッチングの均一化手法の他の形態では、前記穴は等間隔の溝構造であり、前記外側部分は前記パネルの周縁部分であるものとした。
また、本発明の電気化学的エッチングの均一化手法の更に異なる形態では、上記構成に加え前記パネルは宇宙機用エンジンの壁に用いられるものであって、素材としてモリブデンを含むニッケル合金が選択されるものとした。

本発明の電気化学的エッチングの均一化手法は、エッチング加工する際に、パネルの被加工面部の最も外側部分に絶縁体のブロックを配置してエッチングを実施するようにしたので、絶縁物は電位分布に対して鏡のように働き、絶縁物から外側にも同様に電極が配置しているように、周辺部の溝にも電位勾配の影響が現れる。その結果全体の電極が相互に影響し合い、全体として均一なエッチング速度となるため、中央と端部の加工が均一化される。
本発明の電気化学的エッチングの均一化手法において、前記絶縁体のブロックの素材として塩化ビニル製の平板を用いたものは、絶縁性に優れているだけでなく、電解液中に浸漬しても安定であるので素材として好適である。
本発明の電気化学的エッチングの均一化手法において、前記穴は適当なピッチの溝構造とし、前記外側部分は前記パネルの周縁部分であるものとしたものは、適当なピッチの溝構造が上記の作用によってピッチ幅方向にも溝方向にも中央部分と両側部分で均一深さの溝加工が施される。
また、本発明の電気化学的エッチングの均一化手法において、上記構成に加え前記パネルの素材としてモリブデンを含むニッケル合金が選択されたものは、素材として耐熱性能が高く、しかも求められる冷却構造の加工がなされた、宇宙機用エンジンの壁に用いるパネルとして最適なものが得られる。

本発明の電気化学的エッチングの均一化手法について図１を参照しつつ説明する。図中Ａに示したものが加工目標となる設計形状であり、これはパネル片面において等間隔で同じ深さの溝形状である。図中Ｂは前記特許文献１に示された従来方法による加工を示し、図中Ｃは本発明の方法による加工を示している。B-1及びC-1に示す加工前の被加工パネル１は同じ平板状の基材である。この基材にマスクとなるレジスト１１を形成してこれを図６(Ａ)に示すようなエッチング加工システムの水溶液槽２内にセットする。従来法ではB-2に示すようにそのまま対極電極４と対峙させて設置するが、本発明はレジスト１１を形成した被加工パネル１の周縁部に板状の絶縁ブロック２０を固定し、それをC-2に示すように対極電極４と対峙させて設置する。このような形態で被加工パネル１と対極電極４間に電圧を印加して電気化学的なエッチング加工を実行する。図６(Ｂ)のＢに示すようにマスク開口部分でエッチングが進んでいき、図６(Ｂ)のＣに示すように所定深さに達したところで加工を終了する。この加工によって得られた被加工パネル１を水溶液槽２から取出し、それぞれ、図１のB-3とC-3に示す。これはまだ表面にレジスト１１を残したもの、すなわち、図６(Ｂ)のＣに示した状態のものである。B-3の図に示されるように従来方法によったものは両側の溝は深くエッチングされ、中央部分では浅いエッチングが施されている。これに対し、本発明の方法によったものは、C-3の図に示されるように両側の溝も中央部の溝も均一なエッチングがなされており、図１の(Ａ)に示した目標形状に近い均一深さの溝が形成されている。

この加工動作を説明すると、電解液中で対向する電極間に電圧を印加して通電すると、電極の周りに電位勾配が生じる。本発明においてエッチング液３内に浸っている被加工パネル１は電極として作用し、エッチング中はレジスト１１に覆われていない液に露出している部分はそれぞれが同電位の電極と見なすことができる。電極同士が近接した状態にあると、隣接する電極の電位勾配の影響が生じて中央付近の電極に流れる電流は小さくなる。従って、適当なピッチの溝構造を形成するエッチングではパネル周辺の溝より中心部分の溝への電流は小さくなる。エッチング量は電流に比例するので、結果として、周辺部のエッチング速度が速くなってしまう。このため、図１のＢに示した従来方法による加工では加工後の被加工パネル１にエッチングされた溝構造は図のB-3に示されるように両側の溝は深くエッチングされ、中央部分では浅いエッチングが施されることとなる。これに対して、本発明ではエッチングの際に、パネルの被加工面部の最も外側部分に絶縁体のブロック２０を配置してエッチングを実施する。絶縁物は電位分布に対して鏡のように働き、レジスト１１に覆われていない液に露出している部分が同電位の電極の列と見なされるが、絶縁物のミラー効果によってその外側にも同様に電極が配置しているように作用し、周辺部の溝（電極）にも電位勾配の影響が同様に現れる。この結果、全体の電極が相互に影響し合い、絶縁体のブロック２０が電流整流板として機能して、全体として均一なエッチング速度となる。従って、図１のＣに示した本発明の方法による加工では加工後の被加工パネル１にエッチングされた溝構造は図のC-3に示されるように両側の溝も中央部分の溝も同様の深さで均一にエッチングが施されることとなる。

本発明の加工法による１実施加工例と従来方法による加工例との比較データを報告する。図６(Ａ)に示すようなエッチングシステムにおいて、被加工パネル１の基材として双方とも同じモリブデンを含むニッケル合金パネルを用いた。このパネル１全体を浸漬することのできる大きさの水溶液槽２には硫酸と硝酸が混合された水溶液であるエッチング液３（この実施例で用いたものは９６％以上ＪＩＳ特級の硫酸と６９〜７０％特級の硝酸で、これをそれぞれ１〜１０％加えた水溶液）を満たし、水溶液槽２の底部近傍には被加工品であるパネル１が入れられたときそれと対峙するように対向電極４が配置されるようにした。また、参照電極５の槽と前記水溶液槽２との間に塩橋６が設置される。そして、７はエッチング液を攪拌する攪拌機であり、８は各電極を構成するパネル１、対向電極４そして参照電極５とリード線で接続され、パネル１と参照電極５間の電位差をモニターしながら制御すると共にパネル１と対向電極４間の電流をモニターする制御装置である。

電解液の中に２つの電極があると電池を構成し、両電極間には電位差が生じる。この両電極間の電位差は測定することができるが、電気化学的反応を制御するにはこれだけではなく電解液の状態、すなわち可溶性成分の酸化形のものと還元形のものとの濃度比を知ることが必要であり、これを知る手段として参照電極が設置される。ここに用いた参照電極５は水銀を用いたカロメル電極であり、この参照電極の電位を基準とする。カロメル電極は、ＫＣｌの塩橋６の先端を、測定しようとする溶液３に挿入することにより簡単に１組の電池が構成され、電池となって電位差が測れる。この電位差は溶液中の可溶性成分の酸化形のものと還元形のものとの濃度比を示すものとなる。

まず、モリブデンを含むニッケル合金パネル１の表面にレジスト１１が施された後、本発明のものは加工領域の周縁部を方形に囲うように４枚の平板状の絶縁ブロック２０が被加工パネル１に取付けられる。使用する絶縁物(電流整流板)２０の素材は特に限定されないが、本実施例では塩化ビニル製の板材を設置した供試体(図２の写真)と、しなかった従来法の供試体(図３の写真)を用意し、それぞれ同じ条件でエッチング試験を実施した。これらの被加工パネル１を水溶液槽２内の底部近傍に浸漬する。この実施形態では対向電極４の材料に梯子配列した白金を用いたが、炭素など他の材料からなる平板電極でもよい。制御装置８は被加工品であるパネル１の電位を参照電極５の電位より一定量高く保つようにパネル１と参照電極５間の電流を制御するための装置であって、参照電極がカロメル電極である本実施形態では、パネル１と参照電極５間の電位差を１.３Ｖ（ＳＣＥ）に保ってエッチングを行うようにした。通電時間は３０時間とし、本発明の加工と従来方法によるエッチング加工を実施した。

本発明のエッチング加工方法によって溝加工した被加工パネル１を図４に写真で示す。この図中形状計測領域として示した部分について、断面形状を測定した。測定されたデータを溝方向（約１ｃｍ幅）に平均したものを図５にグラフとして示す。グラフ中実線で示すものが本発明の加工方法での供試体の溝の断面、破線で示すものが絶縁ブロック２０（電流整流板）無しの供試体の溝の断面である。なお、従来方法によって溝加工した被加工パネル１の形状計測は、本発明のエッチング加工方法による被加工パネル１の計測領域と対応する部分を測定した。破線で示す従来方法では、端の溝と２番目に示される溝が他の溝より深くなっており、また、幅も広く、山(溝のリブに相当する)は細くなってしまっていることが分かる。これに対して実線で示す本発明のエッチング加工方法によって溝加工した被加工パネル１では、溝の深さ、幅とも全体的に均一になっていることが分かる。このことから、絶縁ブロック２０の電流整流板としての効果が認められる。

本発明は、宇宙用のエンジンの壁構造体に用いられるモリブデンを含むニッケル合金をエッチング加工するのに最適な技術として、研究開発がなされたが、電気化学的エッチングでは、大きな面積全体、あるいは適当なピッチでの溝構造をエッチングする際、加工過程で周辺部が中心部より早くエッチングされてしまうという現象はニッケル合金を対象にしたものに限られず、電気化学的エッチングの現象として一般に起こる現象であるので、この分野の技術に留まらず、ひろく電気化学的エッチングの手法として適用できる。

本発明のエッチング均一化手法を従来法と比較説明する図である。 絶縁ブロックを配置した本発明のエッチング均一化手法による供試体の写真である。 絶縁ブロックを配置しない従来のエッチング手法による供試体の写真である。 本発明のエッチング均一化手法によって加工した供試体の写真である。 本発明のエッチング均一化手法と従来法で加工した溝形状のデータを比較したグラフである。 Ａは電気化学的エッチングを実施するシステムを示す図であり、Ｂはその加工ステップを説明する図である。

符号の説明

１ 被加工パネル ２ 水溶液槽
３ エッチング液 ４ 対極電極
５ 参照電極 ６ 塩橋
７ 攪拌機 ８ 制御装置
９ 蓋体 １０ 冷却路
１１ レジスト ２０ 絶縁ブロック

Claims (4)

1. 水溶液槽内においてパネルを陽電極とし対向電極の陰電極との間に電圧を印加して前記パネルの面に穴を電気化学的反応でエッチング加工する際に、前記パネルの被加工面部の最も外側部分に絶縁体の板状矩形ブロック（長さ×幅×厚み）の幅方向を対極電極側に向けて配置してエッチングを実施することを特徴とする電気化学的エッチングの均一化手法。
2. 前記絶縁体の板状矩形ブロックの素材は塩化ビニル製を用いるものである請求項１に記載の電気化学的エッチングの均一化手法。
3. 前記穴は等間隔の溝構造であり、前記外側部分は前記パネルの周縁部分である請求項１または２に記載の電気化学的エッチングの均一化手法。
4. 前記パネルは宇宙機用エンジンの壁に用いられるものであって、素材としてモリブデンを含むニッケル合金が選択された請求項３に記載の電気化学的エッチングの均一化手法。