JPH11207526A

JPH11207526A - 微小構造体の製造方法

Info

Publication number: JPH11207526A
Application number: JP1853698A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Nehashi; 紀之根橋; Kimihiro Wakabayashi; 公宏若林; Yoshio Suzuki; 良雄鈴木; Masanari Nagata; 真生永田; Maki Yamada; 真樹山田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 1999-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】放電加工によって１０μｍ以下の寸法の穴や
溝などの三次元形状で構成される、形状精度が高い微小
構造体を製造する方法を提供する。【解決手段】放電加工電極２を超低消耗の状態で放電
させることによって金属材料５を微細加工して母型１を
形成する（１０１）。次に、形成した母型１に電鋳処理
を施して電鋳部３を形成する（１０２）。更に、電鋳部
３と母型１の接合品から母型１をエッチング液４によっ
て選択エッチングで溶解して除去し（１０３）、電鋳部
３だけを残して微小構造体として得る（１０４）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放電加工を用いて
微細で精密な微小構造体を製造する方法に関し、特に、
放電加工によって形成された形状精度の高い金型から微
細形状の微小構造体を製造する微小構造体の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年において、インクジェットプリンタ
の印字ヘッドなどの高精度が要求される部品の作成にお
いては、一層の微細化、軽量化、コストダウンが求めら
れるようになってきており、これらの部品をプラスチッ
ク射出成形で生産する低コスト化への動きが主流となっ
ている。この高精度部品の射出成形を実現するために
は、転写の母体となる金型を目的の形状に微細精密加工
する方法が必要となり、このような方法の一つとして従
来より放電加工が一般的に知られている。

【０００３】この放電加工は、切削加工や研削加工に比
べ、０．１ｍｍ程度の寸法を持った複雑形状の構造体で
も比較的容易に作成できる。このため、従来から比較的
小さい部品をプラスチック射出成形で生産する場合に、
転写の母体となる金型を目的の形状に加工する方法とし
て放電加工が使用されていた。

【０００４】また、放電加工には、型彫り方式と、ワイ
ヤカット方式とがあるが、ワイヤカット方式では底付き
の形状ができないなど形成できる構造体の形状に制約が
生じる。また、微細構造体用にワイヤの径を小さくする
と、すぐに断線してしまうため、微細構造体の加工形成
においては、特殊な形状以外は型彫り方式を用いてき
た。

【０００５】型彫り方式による放電加工によって微細構
造体を製造する場合には、あらかじめ作成しようとする
形状を反転させた微細な電極を作成し、これを工具とし
て使用していた。この電極による加工の際には、電極消
耗が生じるため電極形状が崩れ、高精度な加工が困難で
あった。

【０００６】これに対して近年の微小構造体の製造方法
によれば、円柱や角柱といった単純形状の電極を用い
て、電極をＮＣ装置で所定の軌跡を走査させて目的形状
の製品を得る電極走査方式が採用されるようになってき
た。この従来の微小構造体の製造方法によれば、必要な
面積に関係なく単純で微細な電極を用いることができる
ため、前述のような作成しようとする形状を反転させた
電極の作成工程は不要となる。また、電極消耗を積極的
に利用することによって電極の端面形状を再形成して所
定の形状に維持でき、再形成による電極位置を予め予想
して、電極を消耗方向に対して余分に送り込むように位
置決めできるので、加工精度を向上することができる。
この電極の端面形状を再形成することにより、特に、電
極の底面のエッジ部を維持することにより、高精度での
三次元の構造体の製造を実施している。

【０００７】一方、電極の消耗を抑制することに対して
は、電流波形制御や加工液や電極材料の改善などいろい
ろなことが考えられている。例えば、特開平８−２４３
８４２号公報においては、放電パルス幅を大きくし、放
電電流のピーク値を小さくすることによって電極の消耗
を抑制している。

【０００８】また、特開昭６３−１８０４１４号公報に
おいては、加工中断後に再び加工を再開する際に、始動
電流値を低くしておいて徐々にこの値を上げるようにし
て、始動時のピーク電流による過大加工を防止し、これ
によって電極の消耗を抑制している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電極を
消耗させてその形状を維持するような従来の微小構造体
の製造方法によれば、電極の再形成及び形状維持は容易
であるが、放電状態によって変化する電極消耗率によっ
て電極の位置決めを調整する必要があるため、高精度を
維持しようとすると加工時のＮＣ制御が極めて難しくな
るという問題があった。

【００１０】更に、電極を消耗しながら金型などを加工
する場合は、基本的に電極の底面による加工になるの
で、電極の径よりも小さなＶ字の溝を加工することがで
きず、また、溝の側面形状が複雑で、特に底部が開口部
よりも広がった溝の加工には単純電極の走査では対応で
きないため、微細度が高く、高い形状精度が求められる
微小構造体を製造することが困難であるという問題があ
った。

【００１１】また、微小構造体を製造するのに使用され
る微細放電加工では、１回当たりの放電エネルギを非常
に小さくする必要があり、このため放電発生にはＲＣ放
電回路によるものが一般的である。特開平８−２４３８
４２号公報及び特開昭６３−１８０４１４号公報を例に
とって示したような電極の消耗を抑制する従来の方法は
トランジスタ制御の放電発生回路に対するものであるの
で、ＲＣ放電回路には適用できない。したがって、この
ＲＣ放電回路の放電波形は、抵抗、静電容量、電圧とい
ったＲＣ放電回路の構成要素で決定されるため、放電電
流の波形を任意に制御することが困難であるという問題
があった。特に、これらの従来の微小構造体の製造方法
において、直径が１０μｍ以下の微細電極を使用して金
属ワークを加工した場合、この微細電極は加工条件を適
正にしても一般に１０％〜３０％程度の消耗率で消耗
し、１０μｍ以下の寸法で穴や溝などの三次元形状を加
工する微小構造体の放電加工では、使用する微細電極の
消耗を無くして高精度の加工を行なうことは困難である
という問題があった。

【００１２】従って、本発明の目的は、放電加工によっ
て１０μｍ以下の寸法の穴や溝などの三次元形状で構成
される、形状精度が高い微小構造体を製造する微小構造
体の製造方法を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、以上に述べた
目的を実現するため、電極と被加工物の間に所定の放電
エネルギを与えて被加工物を放電加工することにより微
小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、電
極及び被加工物の材質、及び電極の外径に応じて所定の
放電エネルギを制御することによって電極の消耗率を超
低消耗の消耗率に設定して被加工物を放電加工すること
を特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明の微小構造体の製造方
法を詳細に説明する。

【００１５】図１は、本発明の微小構造体の製造工程を
示したものである。図１において、放電加工電極２を用
いて放電加工によって金属材料５を微細加工して母型１
を形成する（１０１）。即ち、放電加工電極２が、回転
機構（図示せず）により回転Ｃを行いながら、移動機構
（図示せず）によって送りＡ及び送りＢの任意の方向に
送られ、また、ＲＣ放電回路（図示せず）が、放電加工
電極２と金属材料５に接続され、放電加工電極２と金属
材料５が相対する部分で放電を発生させて、放電加工の
原理により金属材料５から母型１を加工している。ここ
で、放電加工電極２に回転Ｃを与えるのは、回転により
加工屑の排出や放電の分散を促し、放電加工が安定して
進行するようにするためである。また、回転Ｃを行なう
場合には、放電加工電極２は、回転軸に対称な形状でよ
いが、四角穴を縦に加工する場合などでは、電極を回転
させないで加工する。

【００１６】このようにして放電加工電極２の側面形状
が金属材料５へ転写され母型１が形成される。ここで、
母型１の形状は、製造される微小構造体の形状を反転し
た形状になるように加工される。

【００１７】次に、形成した母型１に電鋳処理を施して
電鋳部３を形成する（１０２）。ここで、電鋳として
は、例えば、Ｎｉ（ニッケル）系の電鋳が望ましく、ま
た、電鋳部３へのストレスが非常に少なく、かつ電鋳部
３の変形が無い電鋳方法としては、スルファミン酸ニッ
ケル浴によるものが望ましい。

【００１８】次に、電鋳部３と母型１の接合品から母型
１をエッチング液４によって選択エッチングで溶解して
除去し（１０３）、電鋳部３だけを残して微小構造体と
して得ることができる（１０４）。

【００１９】また、母型１の融点が電鋳部３の融点より
も低い場合には、母型１と電鋳部３の両者の融点の間の
温度に、母型１と電鋳部３の接合品を置くことによって
母型１のみを溶融させて電鋳部３を取り出すこともでき
る。

【００２０】図２は、金属材料５及び放電加工電極２に
接続され、放電エネルギを与えるＲＣ放電回路を示す。
このＲＣ放電回路２０は、電圧７０〜１００Ｖの直流電
源２１と、抵抗値１ｋΩの抵抗２２と、容量１０〜１０
００ｐＦのコンデンサ２３とを備える。また、ＲＣ放電
回路２０に接続される陰極側の放電加工電極２と陽極側
の金属材料５の距離は、約１μｍまで近接するように移
動機構（図示せず）によって制御される。ここで、放電
加工電極２及び金属材料５に供給される放電エネルギ
は、コンデンサ２３内に一旦蓄えられ、放電加工電極２
と金属材料５の間が近接し絶縁が破壊されることによっ
て、放電加工電極２と金属材料５の間で放出される。放
電エネルギの充放電はＲＣ回路の発振により１〜１００
ｋＨｚ程度のサイクルで発生する。ここで、放電エネル
ギは、コンデンサ２３の容量Ｃと直流電源２１の電圧Ｖ
によって定まる（１／２）・ＣＶ２により制御すること
ができる。

【００２１】図３は、放電加工電極２をワイヤ放電研削
（ＷＥＤＧ）装置により精密整形することを示し、図３
（ａ）はその上面を示し、図３（ｂ）はその側面を示
す。図３（ａ）及び（ｂ）において、ワイヤ放電研削
（ＷＥＤＧ）装置は、電極２を放電研削するための電極
ワイヤ３４と、電極ワイヤ３４を所定の位置に導くワイ
ヤガイド３５と、放電加工電極２に当接されたブラシ３
９と、リード３８を介してワイヤガイド３５及びブラシ
３９に接続される放電加工電源３６とを有する。

【００２２】図３（ａ）において、ワイヤ放電研削装置
の電極ワイヤ３４はワイヤガイド３５の回りに送りＥで
走行しており、ワイヤガイド３５の周囲には電極ワイヤ
３４の半分程度の断面を保持できる半月断面の溝３５ａ
が刻まれている。ワイヤガイド３５は、送り機構（図示
せず）による送りＤによって、放電加工電極２との距離
を調整することができる。

【００２３】図３（ｂ）は、放電加工電源３６との接続
を示す。放電加工電源３６と電極ワイヤ３４はリード３
８によりワイヤガイド３５を介して導通され、放電加工
電源３６と放電加工電極２とはリード３８によりブラシ
３９を介して接続される。放電加工電源３６を始動さ
せ、電極ワイヤ３４と放電加工電極２との距離を適当に
制御することで放電３７が発生し放電加工の原理により
放電加工電極２の整形が行われる。ここで放電加工電極
２を送りＡで垂直方向に制御し放電ワイヤ３４を送りＤ
で水平方向に制御することで、任意の軸対称の形状の放
電加工電極２を作成できる。整形される放電加工電極２
は、直径が１０μｍ以下にまで小さくすることができ、
この場合放電加工電源３６は、ＲＣ放電回路を有する。
このＲＣ放電回路は、電圧７０Ｖでコンデンサ容量１０
０ｐＦであり、最終仕上げには電圧５０Ｖでコンデンサ
は浮遊容量のみで、かつ切り込み１μｍ以内で仕上げる
のが適当である。この時の極性は電極ワイヤ３４側を陰
極にする。

【００２４】このようにして整形された放電加工電極２
を用いて、図１に示したように、放電加工で母型１を加
工する。母型１を放電加工する場合の、放電加工電極２
の動きは、ＮＣ装置で位置決めできるが、側面の形状は
電極自体の形状が転写される為、複雑な移動が不要にな
ることで、三次元形状を高精度に加工することができ
る。このときの加工条件としては、放電加工電極２の材
料にタングステンを用い、母型１の金属材料５に黄銅を
用いるとよい。こうすることで、電極消耗率を超低消耗
の消耗率（０．２％以下）に放電加工を行うことがで
き、形状精度の高い加工ができる。

【００２５】図４は、放電加工電極２の径の違いにおけ
る、放電加工エネルギに対する電極消耗率の関係を示
す。ここで、電極径がそれぞれ５μｍ、７μｍ、１３μ
ｍの放電加工電極２を比較した。放電加工電極２の径が
小さくなるにつれて、放電エネルギの電極消耗率への影
響度が強くなるが、放電加工電極２の径に応じて放電エ
ネルギを制御することにより、電極消耗率０．２％以下
の超低消耗の状態で金属材料５を加工することができ
る。例えば、電極径が５μｍの放電加工電極２の場合、
放電エネルギを約３０ｎＪにすれば、放電加工電極２の
消耗率を約０．１％にすることができる。

【００２６】尚、母型１の形状に応じては、電極消耗条
件と無消耗条件とを使い分けることもできる。即ち、本
発明においては、電極消耗率を約０．１％程度にして母
型１を形成できるが、母型１の形状に対して角部にシャ
ープさが求められる部分に関しては、電極を消耗させる
条件へ切り替えて放電加工電極２を再形成するようにす
る。こうすることで、放電加工電極２は大きく消耗する
半面、放電加工電極２のエッジが安定して得られる効果
があるために、放電加工電極２の消耗長さを適切に補正
することで、母型１に精度の良い角部を形成することが
可能である。ここで、本発明では、電極消耗率が約０．
１％程度にしているため、この様な有消耗による放電加
工電極２の再形成の回数を従来に比べて大幅に少なくす
ることができる。

【００２７】図５（ａ）は、放電加工電極２の形状の一
形態を示し、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した放電加
工電極２によって形成される溝を示す。放電加工電極２
を、先端方向に向かって径が途中よりも大きくなるよう
な逆テーパ５１をもった形状として、この放電加工電極
２で母型１の金属材料５の側面から加工することによっ
て、母型１に開口部Ｆよりも内部が広くなった溝５２を
形成することができるようになる。

【００２８】図６（ａ）は、放電加工電極２の形状の他
の形態を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示した放電
加工電極２によって形成される溝を示す。放電加工電極
２に途中に径の細くなったくびれ部６１を形成し、母型
１の金属材料５の側面から加工することにより、内部の
途中が狭くなった溝６２を母型１に形成することができ
る。

【００２９】この図５及び図６に示された母型１の形状
は、電鋳することによって、反転された形状の微小構造
体へ展開することができる。

【００３０】以上のような本発明の微小構造体の製造方
法によれば、従来のように電極消耗を補正しながら微細
放電加工する手段に比べて、電極消耗による精度低下を
起こさずに、高精度の微小構造体が製造できるようにな
る。また母型を電鋳処理した後に母型部分を除去するの
で、高精度に微細加工できる母型の材料が限定されてい
ても、製造される微小構造体を別の金属へ転換すること
ができる。また三次元形状や底辺部が溝上部より広くな
る、凸字形の精密で微細な溝を有する微小構造体でも容
易に加工することができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による微小
構造体の製造方法によれば、電極消耗がほとんど無い超
低消耗の状態で微細放電加工によって微小構造体を製造
するか、あるいは母型を作成し、この母型を電鋳して転
写したものを取り出して微小構造体を得ることとしたの
で、従来の放電加工法では成し得なかった微細で高精度
の形状を持つ微小構造体を得ることができ、特に、惻面
が複雑な形状を有する溝や突起でも容易に加工すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微小構造体の製造方法を示す概略
図である。

【図２】金属材料と放電加工電極に放電エネルギを与え
るＲＣ放電回路を示す図である。

【図３】放電加工電極を形成する装置を示す概略図であ
る。

【図４】放電エネルギと電極消耗率の関係を示す図であ
る。

【図５】放電加工電極とそれによって形成される溝を示
す図である。

【図６】放電加工電極とそれによって形成される溝を示
す図である。

【符号の説明】

１母型２放電加工電極３電鋳部４エッチング液５金属材料２０ＲＣ放電回路２１直流電源２２抵抗２３コンデンサ３４電極ワイヤ３５ワイヤガイド３６放電加工電源３７放電３８リード５１逆テーパ５２、６２溝６１くびれ部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者永田真生神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者山田真樹神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電極と被加工物の間に所定の放電エネルギ
を与えて前記被加工物を放電加工することにより微小構
造体を製造する微小構造体の製造方法において、前記電極及び前記被加工物の材質、及び前記電極の外径
に応じて前記所定の放電エネルギを制御することによっ
て前記電極の消耗率を所定の超低消耗の消耗率に設定し
て前記被加工物を放電加工することを特徴とする微小構
造体の製造方法。
【請求項２】前記被加工物を放電加工する段階は、前記
電極をタングステンもしくはその合金によって外径を１
０μｍ以下として準備する段階と、前記被加工物を黄銅
によって準備する段階と、前記電極の消耗率を前記超低
消耗の消耗率として０．２％以下に設定する段階を含む
ことを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方
法。
【請求項３】前記電極を準備する段階は、タングステン
もしくはその合金の電極材料をワイヤ放電研削によって
微細整形する段階を含むことを特徴とする請求項２記載
の微小構造体の製造方法。
【請求項４】前記ワイヤ放電研削によって微細整形する
段階は、前記電極の形状を先端方向に向かって径が途中
よりも大きくなるような形状とする段階を含み、前記被
加工物を放電加工する段階は、前記被加工物の側面から
前記電極を挿入して、前記被加工物に開口部よりも内部
が広い溝を形成する段階を含むことを特徴とする請求項
３記載の微小構造体の製造方法。
【請求項５】前記被加工物を放電加工する段階は、前記
被加工物から所定の形状を有する母型を形成する段階
と、前記母型に電鋳を施して前記母型と一体になった電
鋳部分を形成する段階と、前記一体形成された前記母型
と前記電鋳部分から前記母型のみを選択的に除去し、前
記電鋳部分を取り出す段階とを含むことを特徴とする請
求項１乃至４に記載の微小構造体の製造方法。
【請求項６】前記電極と前記被加工物の間に前記所定の
放電エネルギを与える段階は、ＲＣ放電回路のコンデン
サを直流電源によって充放電させる段階を含むことを特
徴とする請求項１乃至５記載の微小構造体の製造方法。
【請求項７】前記母型を形成する段階は、前記電極の移
動をＮＣ装置で位置決めする段階を含むことを特徴とす
る請求項５に記載の微小構造体の製造方法。