JP3002981B1 - 加工方法および加工装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 従来の加工法において所望の加工形状を得る
ためには、加工具の先端が加工形状の輪郭に沿って被加
工面上を移動するように加工具と被加工物の相対位置を
制御していたため移動ステージの２軸を同時に制御しな
ければならず、高い加工精度を得ることが困難であると
いう技術的課題があった。 【解決手段】 加工電極１０４の先端部が、被加工物１
０３の被加工面上において形状情報記憶装置１１０に記
憶された加工形状パターンを含む矩形領域内を所定の間
隔で走査するように、ＸＹ軸ステージ１０８を駆動し、
同時に、加工具先端位置判定装置１１１によって、加工
電極１０４の先端が形状情報記憶装置１１０に記憶され
た加工形状パターンの直上にあると判定された場合にの
み、加工電極１０４と被加工物１０３の間に一定の電流
を印加して加工を実施する事によって、任意の加工パタ
ーンを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属工業、電子工
業、機械工業分野等において、被加工物に対して任意の
形状に加工を施す加工方法および加工装置に関わる。

【０００２】

【従来の技術】従来の機械加工等の加工方法において任
意の加工形状を得るためには、加工具の先端が加工形状
の輪郭に沿って被加工物の被加工面上を移動するように
加工具と被加工物との相対位置を制御し、同時に加工具
と被加工物を物理的に接触させて加工を実施する方法が
用いられていた。ここで、加工具の先端が所望の加工形
状に沿って移動するように加工具と被加工物の相対位置
を制御するためには、次のような方法が用いられてい
た。

【０００３】１．加工形状パターンを複数の関数で近似
し、加工具の先端が、近似した関数に沿って被加工面上
を移動するように走査ステージの制御を行う。 ２．加工形状パターンを多数の点で補間し、加工具の先
端が、これらの点を直線的につないで移動するように走
査ステージの制御をおこなう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法に
は次のような問題点があった。まず、加工具の先端が所
望の加工形状パターンの輪郭に沿って被加工面上を移動
するように加工具と被加工物との相対位置を制御するた
めには、加工具または被加工物に取りつけられた移動ス
テージを２次元的に駆動する必要がある。よって、移動
ステージの２軸を同時に制御しなければならない。しか
し、２軸の移動を同時に行う場合は、同程度の位置決め
精度をもった移動ステージを使用しても、１軸のみの走
査を行う場合と比較して移動誤差は大きくなる。よっ
て、高い加工精度が要求される場合には、非常に高精度
な移動ステージおよび制御装置が必要となる。

【０００５】また、加工形状パターンを複数の関数で近
似する場合には、はじめに数値計算によって加工形状パ
ターンの情報を解析し、最適な関数の組み合わせを求め
なければならない。そして、得られた関数に沿って加工
具を移動させるためには、与えられた関数に沿って移動
ステージを駆動する機能を備えた、高性能なステージ制
御装置が必要となる。

【０００６】また、加工形状パターンを多数の点で補間
し、加工具の先端がこれらの点の上を直線的につないで
移動するように移動ステージの制御をおこなう場合に
は、直線近似による誤差が生じるため、実際に加工され
た形状が目的とする加工形状と異なってしまう。本発明
は、従来の形状加工方法を改良して、上記のような問題
点を取り除くことを課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の加工方法では、加工具と被加工物を対向し
て配置し、前記加工具の先端と前記被加工物の間に物理
的あるいは化学的な加工現象を発生させることにより、
前記被加工物の被加工面に加工を施す加工方法におい
て、前記加工具の先端が、前記被加工物の被加工面上に
おいて形成しようとする加工形状パターンを含む矩形領
域内を、任意の間隔で走査するように前記加工具あるい
は前記被加工物の少なくともいずれか一方を移動させる
移動行程と、前記加工具先端が、前記加工形状パターン
の直上にある場合にのみ、前記加工具と前記被加工物と
の間に物理的あるいは化学的な加工現象を励起させて加
工を実施する加工工程とを、同時あるいは交互に実施す
ることにより、前記被加工物の加工面に任意の形状の加
工パターンを形成することを特徴としている。

【０００８】また、前記加工現象として、前記加工具と
前記被加工物間に電圧を印加することにより生じる放電
現象を利用すると、加工具に物理的な力が作用しないた
め加工具の先端径を細くすることが可能となり、加工形
状パターンを含む矩形領域内の走査間隔を密にとること
によって高い加工分解能を得ることが出来る。同様に、
前記加工現象として、電解質溶液中で前記加工具と前記
被加工物との間に電圧を印加することにより生じる電気
化学反応を利用した場合には、放電現象を利用した場合
と同様の効果が得られることに加え、加工具の消耗が非
常に少なくなり、さらに除去加工と付加加工の両方の加
工が実現できる。

【０００９】また、本発明の加工装置では、加工具と被
加工物を対向した形態で保持する保持手段を備え、前記
加工具の先端と前記被加工物との間に物理的あるいは化
学的な加工現象を発生させることにより前記被加工物の
被加工面に加工を施す加工装置において、前記被加工物
の被加工面上に形成する加工形状パターンの情報を記憶
する形状情報記憶手段と、前記加工具と前記被加工物と
の相対位置を任意に変更させる移動手段と、前記加工具
の先端が、前記被加工物の被加工面上において、前記形
状情報記憶手段に記憶された加工形状パターンを含む矩
形領域内を任意の間隔で走査するように前記移動手段を
制御する走査手段と、前記形状情報記憶手段に記憶され
た情報に基づき、前記加工具の先端が前記被加工物の加
工パターンの直上にあるかどうかを判定する加工具先端
位置位判定手段を備えることを特徴としている。

【００１０】また、加工分解能を高くするために、前記
加工現象を、加工具と被加工物間に電圧を印加すること
により生じる放電現象とした場合には、前述した構成に
加え、前記加工具先端と前記被加工物の被加工面との間
の距離を任意に設定する離間距離設定手段と、前記加工
具と前記被加工物の間に任意の電圧を印加する電圧制御
手段を備える。

【００１１】さらに、除去加工と付加加工の両方の加工
を実現するために、前記加工現象を、電解質溶液中で前
記加工具と前記被加工物間に電圧を印加することにより
生じる電気化学反応とした場合には、前述した構成に加
え、前記加工具先端と前記被加工物の被加工面との間の
距離を任意に設定する離間距離設定手段と、前記加工具
と前記被加工物の間に任意の電圧あるいは電流を印加す
る電気化学反応制御手段を備える。

【００１２】

【発明の実施の形態】◎実施の形態１ 図１は、本発明の第一の実施の形態として、加工現象に
電気化学反応を利用した場合の加工装置を示すものであ
る。本実施の形態では、加工溶液容器１０１内で加工溶
液１０２に浸漬された被加工物１０３と、被加工物１０
３に対向配置されて被加工物１０３に電解加工を行う加
工電極１０４と、電極電位の基準となる参照電極１０５
と、被加工物１０３および加工電極１０４の電位、電流
を制御する電位・電流制御装置１０６と、加工溶液容器
１０１の下側に設置され、被加工物１０３をＺ軸方向
（垂直方向）に移動させることが可能なＺ軸ステージ１
０７と、Ｚ軸ステージ１０７の下側に設置され、被加工
物１０３をＸ軸およびＹ軸方向（水平方向）に移動させ
ることが可能なＸＹ軸ステージ１０８と、Ｚ軸ステージ
１０７およびＸＹ軸ステージ１０８の移動制御を行う移
動位置制御装置１０９と、任意の加工形状パターンの情
報を記憶する形状情報記憶装置１１０と、移動位置制御
装置１０９と形状情報記憶装置１１０と電位・電流制御
装置１０６に接続され、形状情報記憶装置１１０に記憶
された情報および移動位置制御装置１０９より送られる
被加工物１０３の移動位置情報に基づいて、加工電極１
０４の先端部が、被加工物１０３の被加工面上において
所望の加工形状パターンの直上にあるかどうかを判定す
る加工具先端位置判定装置１１１を備えている。

【００１３】電位・電流制御装置１０６は、例えば、ポ
テンショ・ガルバノスタットと呼ばれる加工電極回路１
０６Ａ、該加工電極回路１０６Ａの加工電極１０４の電
位や加工電極１０４と被加工物１０３との間に流れる電
流等を制御するマイクロコンピュータ、並びに操作用の
各種操作キーなどを備える。加工電極回路１０６Ａは、
例えば、図２に示すように、定電圧電源２０１のプラス
側に接続された可変抵抗２０２、可変抵抗２０２に接続
されたオペアンプ２０３、オペアンプ２０３の出力部に
接続された対向電極（加工電極）１０４、該対向電極
（加工電極）１０４と対向配置され定電圧電源２０１の
マイナス側に接続された作用極（被加工物）１０３、及
び作用極（被加工物）１０３の電位測定の基準となる参
照電極１０５などから構成されている。

【００１４】加工電極１０４は、棒状体であり、その被
加工面と対向する先端は尖鋭化され、かつ、最先端部の
一部のみが露出し、その他の部分は絶縁体で被覆されて
いる。棒状体の材質は、例えば、カーボン、タングステ
ン、白金等が用いられる。参照電極１０５は、例えば、
ガラスの筒状体であり、加工溶液に浸漬する側の先端に
は液絡が備えられ、筒状体の中心には銀よりなる細線が
ガラス膜部に達するように設けられ、前記細線を浸漬す
るように塩化銀溶液が満たされている。

【００１５】この加工電極回路１０６Ａによれば、可変
抵抗２０２の抵抗値を変化させることで、対向電極（加
工電極）１０４と作用極（被加工物）１０３の間に流れ
る電流を電解加工に必要な所要電流に設定することが可
能である。Ｚ軸ステージ１０７およびＸＹ軸ステージ１
０８は、移動位置制御装置１０９による制御の下で、電
気的駆動手段によりＺ軸方向およびＸＹ軸方向へ駆動さ
れ、その移動量や移動位置が電気的に計測されるように
なっている。移動量や移動位置を示す信号は、移動位置
制御装置１０９から加工具先端位置判定装置１１１に送
られる。

【００１６】加工具先端位置判定装置１１１は、移動位
置制御装置１０９より送られるＺ軸ステージ１０７およ
びＸ軸ステージ１０８の移動量信号および移動位置信号
をもとに、加工電極１０４の先端部が被加工物１０３の
被加工面上において、形状情報記憶装置１１０に記憶さ
れた加工形状パターンの直上にあるかどうかを判定す
る。

【００１７】以下、図３に基づいて、本実施の形態に関
わる加工方法の手順について説明する。はじめに、形状
情報記憶装置１１０に所望の加工パターンの形状情報を
記憶させる。次に、離間距離制御手段により加工電極１
０４の先端部と被加工物１０３の被加工面との間の離間
距離を所定の間隔に制御する。離間距離制御手段として
は、例えばレーザ距離センサやトンネル電流を測定する
方法などがある。次に、加工電極１０４の先端部が、被
加工物１０３の被加工面上において形状情報記憶装置１
１０に記憶された加工形状パターンを含む矩形領域内を
所定の間隔で走査するように、移動位置制御装置１０９
によってＸＹ軸ステージ１０８を駆動する。これと同時
に、加工具先端位置判定装置１１１により、加工電極１
０４の先端部が被加工物１０３の被加工面上において形
状情報記憶装置１１０に記憶された加工形状パターンの
直上にあるかどうかを判定する。そして、加工電極１０
４の先端部が加工形状パターンの直上にあると判定され
た場合には、電位・電流制御装置１０６に信号を送り加
工電極１０４と被加工物１０３の間に一定の電流を印加
して加工を実施する。これを加工形状パターンを含む矩
形領域上すべてを走査するまで繰り返し、所望の加工形
状パターンを得る。

【００１８】以上の手順により、被加工物１０３の被加
工面上に任意の形状の加工を施すことができる。例え
ば、図４に示すように円形のパターンを加工しようとし
た場合、加工電極１０４の先端部を被加工物１０３の被
加工面上において点線の矢印で示した様に走査し、加工
電極１０４の先端部が円形の加工パターンの直上にある
場合にのみ電流を印加すると、円形パターンの内部のみ
が加工され、所望の加工形状を得ることができる。

【００１９】本実施の形態を適用して、金属板に直径80
0μmの歯車形状パターンをエッチングにより製作した実
施例では、ＸＹステージ１０８の走査領域を800μm×80
0μmの正方形とし、走査の方向をＸ方向として速度50μ
m／ｓで駆動した。また、走査線の間隔を５μmとした。
そして、加工電極１０４の先端部が、設定した歯車の形
状パターンの直上にあると判定された場合にのみ、電位
・電流制御装置１０６により、加工電極１０４と被加工
物１０３との間に所定の電流を印加しした。この時、加
工電極１０４の先端部と被加工物１０３の被加工面との
間の距離は１０μmとし、加工実行時の印加電流はＩｏ
ｎ＝１０００μＡ、Ｔｏｎ＝０．３秒、Ｔｏｆｆ＝０．
３秒のパルス電流とした。

【００２０】加工電極１０４としては、白金−イリジウ
ム合金線の先端を電解エッチングにより先端径１μmに
まで尖鋭化し、さらに先端部分以外を樹脂により被覆し
たものを用いた。また、被加工物１０３としてクロム板
を用い、参照電極１０５として銀／塩化銀電極を使用し
た。また、加工溶液は、スルファミン酸６２．７ｇ／ｌ
とホウ酸３７．３ｇ／ｌを混合したクロム電解エッチン
グ液を使用した。その結果、直径800μm、深さ約15μm
の歯車形状パターンがエッチングにより得られた。

【００２１】◎実施の形態２ 本実施の形態は、図５に示すように、実施の形態１とほ
ぼ同様の構成であるが、移動位置制御装置１０９により
制御されるＺ軸ステージ１０７に、加工電極取付けアー
ム１１２を介して加工電極１０４が取付けられた点に特
徴を有する。この装置の動作としては、Ｚ軸ステージ１
０７を駆動することにより加工電極取付けアーム１１２
がＺ軸方向に上下運動し、加工電極１０４は加工電極取
付けアーム１１２に従動されて、被加工物１０３の被加
工面との離間距離が設定される。更に、加工溶液容器１
０１の下に設置されたＸＹステージ１０８を駆動するこ
とにより、加工電極１０４は相対的に被加工物１０３の
被加工面上を移動する。

【００２２】これによっても、実施の形態１と同様の効
果が得られる。 ◎実施の形態３ 本実施の形態は、図６に示すように、実施の形態１とほ
ぼ同様の構成であるが、ＸＹステージ１０８の上部にＺ
軸ステージ１０７が設置され、さらにＺ軸ステージ１０
７に加工電極取付けアーム１１２を介して加工電極１０
４が取付けられた点に特徴を有する。

【００２３】この装置の動作としては、Ｚ軸ステージ１
０７を駆動することにより加工電極取付けアーム１１２
がＺ軸方向に上下運動し、加工電極１０４は加工電極取
付けアーム１１２に従動されて、被加工物１０３の被加
工面との離間距離が設定される。更に、ＸＹステージ１
０８を駆動することにより、加工電極１０４は加工電極
取付けアーム１１２に従動されて被加工物１０３の被加
工面上を移動する。

【００２４】これによっても、実施の形態１と同様の効
果が得られる。 ◎実施の形態４ 図７は、実施の形態１とほぼ同様の構成であるが、加工
現象として、放電現象を利用した場合の加工装置を示す
ものである。本実施の形態は、加工液容器１０１内で加
工液１０２に浸漬された被加工物１０３と、被加工物１
０３に対向配置されて被加工物１０３に放電加工を行う
加工電極１０４と、被加工物１０３と加工電極１０４と
の間に流れる放電電流を制御する放電電流制御装置７０
１と、加工液容器１０１の下側に設置され、被加工物１
０３をＺ軸方向（垂直方向）に移動させることが可能な
Ｚ軸ステージ１０７と、Ｚ軸ステージ１０７の下側に設
置され、被加工物１０３をＸ軸およびＹ軸方向（水平方
向）に移動させることが可能なＸＹ軸ステージ１０８
と、Ｚ軸ステージ１０７およびＸＹ軸ステージ１０８の
移動制御を行う移動位置制御装置１０９と、任意の加工
形状パターンの情報を記憶する形状情報記憶装置１１０
と、移動位置制御装置１０９と形状情報記憶装置１１０
と放電電流制御装置７０１に接続され、形状情報記憶装
置１１０に記憶された情報および移動位置制御装置１０
９より送られる被加工物１０３の移動位置情報に基づい
て、加工電極１０４の先端部が、被加工物１０３の被加
工面上において所望の加工形状パターンの直上にあるか
どうかを判定する加工具先端位置判定装置１１１を備え
ている。

【００２５】放電電流制御装置７０１は、加工電極１０
４と被加工物１０３との間に電圧を印可して、加工電極
１０４と被加工物１０３の間に、加工に必要なパルス状
の放電電流を発生させることができる。加工電極１０４
は棒状体であり、黄銅、亜鉛合金、アルミニウム合金な
どが用いられる。また、加工液１０２は絶縁性の油状液
体であり、白燈油、シリコン油、マシン油などが用いら
れる。

【００２６】この装置によっても、実施の形態１と同様
の手順により、加工電極１０４の先端が被加工物１０３
の被加工面上の加工形状パターンの直上にある場合にの
み、放電電流制御装置７０１によって加工電極１０４と
被加工物１０３の間に放電電流を印加することにより、
任意の形状を得ることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、次のような効果が得ら
れる。まず、加工しようとするパターンの形状に依ら
ず、移動ステージの走査は、加工具の先端部が被加工面
上の加工形状パターンを含む矩形領域内を一定の間隔で
走査するように行うため、移動ステージの制御は非常に
単純である。また、ステージは同時には１軸のみしか移
動せず、２軸を同時に制御する場合と比較して移動誤差
が小さくなるため、比較的高い加工精度を簡便に得るこ
とができる。

【００２８】また、加工形状パターンの輪郭を複数の関
数で近似する場合のように、複雑な数値解析などを行う
必要がない。さらに、放電加工技術を用いると、加工具
の先端を細くすることが可能となり、加工電極の走査間
隔を密にとることによって、高い加工分解能を得ること
が出来る。

【００２９】また、電解加工技術を用いると、放電加工
技術を利用する場合と同様の効果が得られるのに加え、
加工具の消耗が非常に少なくなり、さらに除去加工と付
加加工の両方の加工を同一の装置で実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第1の実施の形態を示す模式図であ
る。

【図２】本発明で使用する定電流回路の例を示す回路図
である。

【図３】本発明による加工手順を示すフローチャートで
ある。

【図４】本発明による加工方法の例を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す模式図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す模式図であ
る。

【図７】本発明の第４の実施の形態を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１０１ 加工溶液容器 １０２ 加工溶液 １０３ 被加工物 １０４ 加工電極 １０５ 参照電極 １０６ 電位・電流制御装置 １０７ Ｚ軸ステージ １０８ ＸＹ軸ステージ １０９ 移動位置制御装置 １１０ 形状情報記憶装置 １１１ 加工具先端位置判定装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−79233（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−216127（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−158682（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23H 1/00 - 9/18

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工具と被加工物を対向して配置し、前
   記加工具の先端と前記被加工物との間に物理的あるいは
   化学的な加工現象を発生させることにより、前記被加工
   物の被加工面に加工を施す加工方法において、 前記加工具の先端が、前記被加工物の被加工面上におい
   て形成しようとする加工形状パターンを含む矩形領域内
   を、任意の間隔で走査するように前記加工具あるいは前
   記被加工物の少なくともいずれか一方を移動させる移動
   工程と、前記加工具先端が、前記加工形状パターンの直
   上にある場合にのみ、前記加工具と前記被加工物との間
   に物理的あるいは化学的な加工現象を励起させて加工を
   実施する加工工程とを、 同時あるいは交互に実施することにより、前記被加工物
   の被加工面に任意の形状の加工パターンを形成すること
   を特徴とする加工方法。
2. 【請求項２】 前記加工現象は、前記加工具と前記被加
   工物間に電圧を印加することにより生じる放電現象であ
   ることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
3. 【請求項３】 前記加工現象は、電解質溶液中で前記加
   工具と前記被加工物との間に電圧を印加することにより
   生じる電気化学反応であることを特徴とする請求項１記
   載の加工方法。
4. 【請求項４】 加工具と被加工物を対向した形態で保持
   する保持手段を備え、前記加工具の先端と前記被加工物
   との間に物理的あるいは化学的な加工現象を発生させる
   ことにより前記被加工物の被加工面に加工を施す加工装
   置において、 前記被加工物の被加工面上に形成する加工形状パターン
   の情報を記憶する形状情報記憶手段と、 前記加工具と前記被加工物との相対位置を任意に変更さ
   せる移動手段と、 前記加工具の先端が、前記被加工物の被加工面上におい
   て、前記形状情報記憶手段に記憶された加工形状パター
   ンを含む矩形領域内を任意の間隔で走査するように前記
   移動手段を制御する走査手段と、 前記形状情報記憶手段に記憶された情報に基づき、前記
   加工具の先端が前記被加工物の加工パターンの直上にあ
   るかどうかを判定する加工具先端位置位判定手段を備え
   ることを特徴とする加工装置。
5. 【請求項５】 前記加工現象が、加工具と被加工物間に
   電圧を印加することにより生じる放電現象であり、前記
   加工具の先端と前記被加工物の被加工面との間の距離を
   任意に設定する離間距離設定手段と、前記加工具と前記
   被加工物の間に任意の電圧を印加する電圧制御手段を備
   えることを特徴とする請求項４記載の加工装置。
6. 【請求項６】 前記加工現象が、電解質溶液中で前記加
   工具と前記被加工物との間に電圧を印加することにより
   生じる電気化学反応であり、前記加工具先端と前記被加
   工物の被加工面との間の距離を任意に設定する離間距離
   設定手段と、前記加工具と前記被加工物の間に任意の電
   圧あるいは電流を印加する電気化学反応制御手段を備え
   ることを特徴とする請求項４記載の加工装置。