JP2009202320A - 微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に微細工具を製造することができる微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置を提供する。
【解決手段】微細工具の製造方法は、棒状工具本体１の外周部を棒状工具本体１とは別の材料からなると共に、棒状工具本体１より除去成形が容易な材料のクラッド材２によって被覆して複合構造工具３を形成し、この複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて微細工具１００を製造するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置に係り、特に、容易に微細工具を製造することができる微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置に関する。

従来、例えば、微細加工に放電加工を適用する場合、微細軸を中空のパイプに埋め込んで把持する方法も用いられているが、パイプの選定および芯出しに多大の負担が掛かるという問題点があった。
あるいは他の方法として、把持可能な直径の丸棒をチャックに把持してから、必要とする微小直径の微細軸をあらかじめ機上で成形する。
従来の微細軸の成形法として提案されている手法としては、逆放電法，WEDG法などがある。
最近では、加工穴を利用した放電微細軸形成法（例えば、特許文献１参照）や走査マイクロ放電加工による微細軸成形（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
これらの微細軸成形法では、本来のマイクロ加工に適した工具消耗の小さな材料からなる丸棒を用いているために、微細軸成形工程で多大の時間が掛かる。単発放電による微細軸瞬時成形法もあるが、中心軸および必要とする軸直径の確保が難しいという問題点があった。
また、加工穴を利用した高速放電微細軸形成法として、亜鉛合金電極による微細加工（例えば、特許文献３参照）があるが、成形される工具部がもとの亜鉛合金であるため、微細加工の際の消耗が激しく通常の加工としては適さない。
特開２００４−１４２０８７号公報 特願２００５−３３１６５６ 特開２００３−１３６３３７号公報、特開２００４−３１４２６０号公報

本発明は、上記の問題点を除去するようにした微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置を提供することを目的とする。

本発明の微細工具の製造方法は、放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体の外周部を前記棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易な材料のクラッド材によって被覆して複合構造工具を形成し、この複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させて微細工具を製造するものである。

また、請求項２記載の微細工具の製造方法は、平行に整列した複数の棒状工具本体の外周部を前記複数の棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易なクラッド材によって被覆して複合構造工具を形成し、この複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記複数の棒状工具本体を必要長さに露出させて微細工具を製造するものである。

また、請求項３記載の微細工具の製造方法は、請求項１又は２記載の微細工具の製造方法において、クラッド材は、棒状工具本体の材料よりも融点あるいは昇華点の低い低融点の金属、金属粉末、プラスチック樹脂、透明プラスチック、光硬化樹脂、あるいは低昇華温度材料である。

また、請求項４記載の微細工具の製造方法は、請求項１又は２記載の微細工具の製造方法において、棒状工具本体の材料は、クラッド材の融点より高いタングステン、モリブデン、銅、黄銅、銅タングステン、銀タングステン、タングステンカーバイドなどの高融点高熱伝導率材料を用い、放電加工用電極として機能せしめるものである。

また、請求項５記載の微細工具の製造方法は、請求項１又は２記載の微細工具の製造方法において、棒状工具本体の材料は、イリジウム、白金イリジウムなどの抗酸化材料、シリコン、ニッケル合金などの表面改質用材料、高硬度材料からなる微細切削工具、高硬度材料からなる微細電着砥石の内の何れかである。

また、請求項６記載の微細工具の製造方法は、請求項１又は２記載の微細工具の製造方法において、棒状工具本体の材料は、クラッド材より硬度が硬い高硬度材料である。

また、請求項７記載の微細工具の製造方法は、請求項１〜６記載のいずれかの微細工具の製造方法において、複合構造工具のクラッド材の一部を除去する加工手段は、放電加工、単発放電、電解加工、クラッド材の溶融温度より高い温度で、且つ、棒状工具本体の材料より低い温度の液体に浸漬する方法、レーザ加工の内の何れかである。

また、請求項８記載の微細工具の製造装置は、放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体の外周部を前記棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易な材料のクラッド材によって被覆して複合構造工具を把持する把持部と、この把持部によって把持された前記複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させる加工手段とを備えているものである。

また、請求項９記載の微細工具の製造装置は、平行に整列した複数の棒状工具本体の外周部を前記複数の棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易なクラッド材によって被覆して複合構造工具を把持する把持部と、
この把持部によって把持された前記複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させる加工手段とを備えているものである。

本発明の微細工具の製造方法によれば、放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体の外周部を前記棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易な材料のクラッド材によって被覆して複合構造工具を形成し、この複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させて微細工具を製造するため、微細工具を露出（ピーリング）させて容易に微細工具を製造することができる。
通常は微細工具本体材料と同一材料で一体製作された把持部を持つが、外段取りとしての工具部の微細化には限界がある。したがって、把持部と同一直径の工具電極先端部を機上で成形するが、この場合は成形される微細工具による加工よりも工具の微細化に時間とコストが掛かる。市販の微細細線をクラッド材で被覆する本発明によれば大幅な効率の向上とコストダウンを図ることができる。

本発明の一実施例の微細工具の製造方法及び微細工具の製造装置について、図面を参照して説明する。
図１（ａ）において、１は、放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体で、２は、棒状工具本体１の外周部を棒状工具本体１とは別の材料からなると共に、棒状工具本体１より除去成形が容易な材料のクラッド材２によって被覆して複合構造工具３を形成する。
また、図１（ｂ）（ｃ）において、１０は微細工具の製造装置の要部を示すもので、１１は、複合構造工具３を把持する把持部（例えば、コレットチャックである。）である。

上述した複合構造工具３の形成後、説明を後述する「放電加工」、「単発放電」、「電解加工」、「クラッド材の溶融温度より高い温度で、且つ、棒状工具本体の材料より低い温度の液体に浸漬する方法」、「レーザ加工」等の加工手段により複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さ（例えば、１mm）に露出させて微細工具１００を製造する[図１（ｄ）]。
つまり、加工機械の把持部（例えば、コレットチャックである。）１１に把持した後、切刃となる加工工具部位を必要長さだけ機上または外段取りで露出（ピーリング）させて加工を行うものである。
即ち、本来の微細加工用の工具材料からなる、希望とする軸直径の工具細線を、除去成形が容易な材料で被覆して把持し、必要に応じて微細工具１００の切り刃部分の棒状工具本体１の部位を必要長さだけ機上または外段取りで露出（ピーリング）させて加工を行う一連の加工プロセスおよびその装置である。

また、棒状工具本体１の直径は、例えば、１〜１００μm程度であり、棒状工具本体１の材料は、クラッド材２の融点より高い「タングステン、モリブデン、銅、黄銅、銅タングステン、銀タングステン、タングステンカーバイドなどの高融点高熱伝導率材料」を用い、放電加工用電極として機能せしめるものでも良い。
また、棒状工具本体１の材料は、イリジウム、白金イリジウムなどの抗酸化材料（例えば、気中放電用抗酸化材料）、シリコン、ニッケル合金などの表面改質用材料、クラッド材２の材料より硬度が高い高硬度材料からなる微細切削工具、クラッド材２の材料より硬度が高い高硬度材料からなる微細電着砥石の内の何れかでも良い。
また、クラッド材２は、棒状工具本体１の材料（コア材料）よりも融点あるいは昇華点の低い低融点の金属、金属粉末、プラスチック樹脂、透明プラスチック、光硬化樹脂、あるいは低昇華温度材料（樟脳、ナフタリンなど）でも良い。
また、微細工具１００の把持を容易にするために切り刃部分、つまり、棒状工具本体１をクラッド材２である把持材料で被覆し、必要部分を露出して加工を行うものであり、微細工具１００の露出した棒状工具本体１の部位は、放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などを用いた微細加工分野において、使用されるものである。

上述した複合構造工具３は、例えば、図２（ａ）（ｂ）に示すように、接離自在な金型２１、２２の上部に設けられた開口部２３より溶融されたクラッド材、例えば、棒状工具本体１の材料（例えば、タングステン）よりも融点の低い低融点の金属、金属粉末、プラスチック樹脂、透明プラスチック、光硬化樹脂、あるいは低昇華温度材料を入れて、クラッド材２を固化させて形成する。
なお、下記に示す表１は、タングステンの棒状工具本体１をタングステンより融点が低い低融点合金のクラッド材２で被覆された複合構造工具３を示している。

また、上述した複合構造工具３は、例えば、鍍金被膜法、より具体的には、図３(ａ)に示すように、溶融亜鉛中に棒状工具本体１（棒状工具本体１の材料は、例えば、タングステン）を入れて、棒状工具本体１の表面を亜鉛のクラッド材２で被覆して形成することができる。
なお、３０は、溶融亜鉛液の容器である。

また、上述した複合構造工具３は、図３(ａ)に記載のものに限らず、図３（ｂ）に示すように、被覆しようとするクラッド材の金属イオン（例えば、亜鉛イオン）を含む液の中に被覆しようとするクラッド材の棒状材料２’を入れて陰極（−）とし、陽極（＋）には棒状工具本体１を用いて、両極間に直流電源を接続し電圧を与えて、陰極での還元反応によりメッキしようとする金属を析出させ、棒状工具本体１の表面を亜鉛のクラッド材２で被覆して形成することができる。
なお、３１は、溶融亜鉛液の容器である。

また、上述した複合構造工具３は、上述記載のものに限らず、図４（ａ）（ｂ）に示すように、例えば、真空中でプラズマ状態にし、皮膜をしたいクラッド材の材料（例えば、タングステン ）のイオン気体を棒状工具本体１表面にとばして行う蒸着法によって形成することができる。

また、上述した複合構造工具３は、図４（ａ）（ｂ）に記載のものに限らず、図５に示すように、例えば、シート状部材を積層してクラッド材２を作る「積層ラピッドプロタイピング」によって形成することもできる。

また、上述した微細工具１００は、例えば、図６に示すように、電極（＋の電極）３３面に回転する複合構造工具（−の電極）３の移動方向に先細りとなる凹溝３４を形成すると共に、両極に電圧をかけ、複合構造工具３と電極３３との相対的移動中に電極３３の放電により、複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さ（例えば、１mm）に露出させて製造することができる（無垢材料への走査放電加工）。

また、微細工具１００は、図６に記載のものに限らず、例えば、図７に示すように、電極（＋の電極）３５の端面に回転する複合構造工具（−の電極）３の移動方向に先細りとなる切り欠き溝３６を形成すると共に、両極に電圧をかけ、複合構造工具３と電極３５との相対的移動中に電極３５の放電により、複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さ（例えば、１mm）に露出させて製造することができる（電極端面を用いたピーリング走査放電加工）。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図８（ａ）（ｂ）に示すように、放電加工用ワイヤ３７が走行移動し、且つ、放電加工用ワイヤ３７に直交する方向に複合構造工具３のクラッド材２が相対的に移動し、同時に、放電加工用ワイヤ３７を放電することにより熱を発生させ、その熱で複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（ワイヤ放電研削ピーリング法）。
なお、３８、３９、４０は、放電加工用ワイヤ３７を所定の部位に案内する案内部材である。

また、微細工具１００は、上述記載に限らず、図９に示すように、薄板４１と複合構造工具３との放電加工によりその熱で複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（薄板面へ垂直走査放電加工）。
この例による微細工具１００の顕微鏡写真を下記表２に示す。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１０に示すように、複合構造工具３と微細穴４２を有した薄板４３とが相対的に移動し、同時に、複合構造工具３と薄板４３とを通電させて放電することにより熱を発生させ、その熱で複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（微細穴付薄板面へ垂直走査放電加工）。
この例による微細工具１００の顕微鏡写真を下記表３に示す。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１１に示すように、放電電流数十Ａ、放電パルス幅数百μｓの単発放電による単発放電エネルギーにより複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（単発放電ピーリング法）。
ここで、単発放電 とは、複合構造工具３と電極４４とを通電させて、所定の放電エネルギーの所定時間での一回のみの放電を意味し、この一回の放電によりクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させる。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１２に示すように、電解加工により複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（電解ピーリング法）。
この電解加工は、容器４５を−の極、複合構造工具３を＋の極とし、容器４５内を電解液で満たし、直流電圧をかけることによる電解作用を用いるものである。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１３に示すように、容器４６内にクラッド材（クラッド材は、例えば、低融点亜鉛合金である。）２の融点より高い温度の液体（例えば、100℃以下の温熱水）を入れ、該液体中に複合構造工具３の一部を所定時間（例えば、数秒間）浸漬し、クラッド材２の一部を除去して棒状工具本体（棒状工具本体は、例えば、タングステンである。）１を必要長さに露出させて製造することもできる（浸漬溶融ピーリング法）。
なお、液体４７に数十ｋＨｚの超音波振動を付与して上記プロセスを実行すれば、クラッド材２の溶融液体の表面張力が低下して、極めて容易に露出が完了する。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１４に示すように、レーザー発生器５０から発射するレーザービームによるレーザ加工により、複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して棒状工具本体１を必要長さに露出させて製造することもできる（レーザ加熱ピーリング法）。
なお、上述した微細工具１００による微細放電加工の例を下記表４に示す。また、上述しました複合構造工具３が長い場合には、図１５に示すように、放電加工用ワイヤ５１が走行移動し、且つ、放電加工用ワイヤ５１に直交する方向に複合構造工具３が相対的に移動し、同時に、放電加工用ワイヤ５１を放電することにより熱を発生させ、その熱で複合構造工具３を必要長さに切断することができる。また、５２、５３は、放電加工用ワイヤ５１を所定の部位に案内する案内部材である。

また、微細工具１００は、上述記載のものに限らず、図１６に示すように、平行に整列した複数の棒状工具本体１、１・・の外周部を複数の棒状工具本体１、１・・とは別の材料からなると共に、棒状工具本体１、１・・より除去成形が容易なクラッド材２によって被覆して複合構造工具３を形成し、この複合構造工具３のクラッド材２の一部を除去して複数の棒状工具本体１、１・・を必要長さに露出させて製造するものである。
即ち、図１６は、例えば、タングステン細線（棒状工具本体１）を多数整列し、これらを、例えば、低融点亜鉛合金（クラッド材２）で鋳造被覆して作成した多電極ピーリング工具（微細工具１００）を示している。
また、図１７（ａ）（ｂ）は、低融点亜鉛合金（クラッド材２）で鋳造被覆して作成した多電極ピーリング工具（微細工具１００）を、ピーリング工程を経ないで、直接加工対象物２００に放電加工して多数の微細穴を同時に開けた例を示している。この場合、クラッドとしての低融点合金部は消耗が著しく、従って、クラッド部２は後退し、微細工具１００が自動的に露出して多数穴が穿たれる結果となる。図中の微細軸成形板３００は、加工対象表面における放電の影響を除くために設けられたダミー電極である。

図１は、本発明の一実施例の微細工具の製造方法の製造過程を概略的に示すもので、図１（ａ）は、棒状工具本体をクラッド材によって被覆した複合構造工具の概略的断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の複合構造工具を加工機械の把持部で把持した状態の概略的断面図であり、図１（ｃ）は、図１（ｂ）の複合構造工具のクラッド材の一部を除去した状態の概略的断面図であり、図１（ｄ）は、図１（ｃ）のピーリング過程が終了して製造された微細工具の概略的斜視図である。 図２は、図１の複合構造工具の製造過程を概略的に示すもので、図２（ａ）は、接離自在な金型の上部に設けられた開口部より溶融されたクラッド材が投入される状態の概略的斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の金型から分離された複合構造工具の概略的斜視図である。 図３は、図２の複合構造工具の製造過程と異なる他の実施例を概略的に示すもので、図３（ａ）は、鍍金被膜法による第１の実施例の概略的斜視図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）と異なる鍍金被膜法による第２の実施例の概略的斜視図である。 図４は、図３の複合構造工具の製造過程と異なる他の実施例を概略的に示すもので、図４（ａ）は、蒸着法による途中過程の概略的斜視図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の棒状工具本体がクラッド材によって被覆された状態を示した概略的斜視図である。 図５は、図４の他の実施例の製造方法による複合構造工具の概略的斜視図である。 図６は、微細工具の製造方法を示す概略的斜視図である。 図７は、図６の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図である。 図８（ａ）は、図７の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図である。 図９（ａ）（ｂ）は、図８（ｂ）の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図で、図９（ａ）は放電加工前を、図９（ｂ）は放電加工後を、それぞれ示している。 図１０（ａ）（ｂ）は、図９の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図で、図１０（ａ）は放電加工前を、図１０（ｂ）は放電加工後を、それぞれ示している。 図１１（ａ）（ｂ）は、図１０の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図で、図１１（ａ）は単発放電前を、図１１（ｂ）は単発放電後を、それぞれ示している。 図１２（ａ）（ｂ）は、図１１の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図で、図１２（ａ）は電解加工前を、図１２（ｂ）は電解加工後を、それぞれ示している。 図１３は、図１２の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図である。 図１４は、図１３の他の実施例の製造方法による微細工具の製造方法を示す概略的斜視図である。 図１５は、図３記載の複合構造工具の切断方法の概略的斜視図である。 図１６は、図１の他の微細工具の概略的斜視図である。 図１７（ａ）（ｂ）は、低融点亜鉛合金で鋳造被覆して作成した多電極ピーリング工具を、ピーリング工程を経ないで、直接加工対象物に放電加工して多数の微細穴を同時に開けた例を示している。

符号の説明

１ 棒状工具本体
２ クラッド材
３ 複合構造工具
１００ 微細工具

Claims (9)

1. 放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体の外周部を前記棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易な材料のクラッド材によって被覆して複合構造工具を形成し、この複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させて微細工具を製造する
   ことを特徴とする微細工具の製造方法。
2. 平行に整列した複数の棒状工具本体の外周部を前記複数の棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易なクラッド材によって被覆して複合構造工具を形成し、この複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記複数の棒状工具本体を必要長さに露出させて微細工具を製造する
   ことを特徴とする微細工具の製造方法。
3. クラッド材は、棒状工具本体の材料よりも融点あるいは昇華点の低い低融点の金属、金属粉末、プラスチック樹脂、透明プラスチック、光硬化樹脂、あるいは低昇華温度材料である
   ことを特徴とした請求項１又は２記載の微細工具の製造方法。
4. 棒状工具本体の材料は、クラッド材の融点より高いタングステン、モリブデン、銅、黄銅、銅タングステン、銀タングステン、タングステンカーバイドなどの高融点高熱伝導率材料を用い、放電加工用電極として機能せしめるものである
   ことを特徴とした請求項１又は２記載の微細工具の製造方法。
5. 棒状工具本体の材料は、イリジウム、白金イリジウムなどの抗酸化材料、シリコン、ニッケル合金などの表面改質用材料、高硬度材料からなる微細切削工具、高硬度材料からなる微細電着砥石の内の何れかである
   ことを特徴とした請求項１又は２記載の微細工具の製造方法。
6. 棒状工具本体の材料は、クラッド材より硬度が硬い高硬度材料である
   ことを特徴とした請求項１又は２記載の微細工具の製造方法。
7. 複合構造工具のクラッド材の一部を除去する加工手段は、放電加工、単発放電、電解加工、クラッド材の溶融温度より高い温度で、且つ、棒状工具本体の材料より低い温度の液体に浸漬する方法、レーザ加工の内の何れかである
   ことを特徴とした請求項１〜６記載のいずれかの微細工具の製造方法。
8. 放電加工、電解加工、切削加工、研削加工などの棒状工具本体の外周部を前記棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易な材料のクラッド材によって被覆して複合構造工具を把持する把持部と、
   この把持部によって把持された前記複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させる加工手段とを備えている
   ことを特徴とする微細工具の製造装置。
9. 平行に整列した複数の棒状工具本体の外周部を前記複数の棒状工具本体とは別の材料からなると共に、前記棒状工具本体より除去成形が容易なクラッド材によって被覆して複合構造工具を把持する把持部と、
   この把持部によって把持された前記複合構造工具の前記クラッド材の一部を除去して前記棒状工具本体を必要長さに露出させる加工手段とを備えている
   ことを特徴とする微細工具の製造装置。