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マイクロメカニカルパーツ_ ベアリング内面の溝の微細加工

キーワード:マイクロメカニカルパーツ、ステンレス鋼製部品の微細加工、  ミニチュア銅部品空気静圧軸受の内面のレーザーリソグラフィーと電解エッチング

概要:
エアベアリングの正確な溝の加工では、小径パイプの内面にレーザースキャンとフォトリソグラフィー技術を適用することが研究されています。レーザー直接描画およびリソグラフィー技術とそれに続く電解エッチング技術を使用して、内径2ミリメートルの銅管の表面に28ミクロンの所定幅の狭いバンドを正確に形成し、溝を作成します。パイプを切断して軸受ブッシングに製造し、次に空気軸受ブッシングを備えたシャフトを加工します。中空のアルミニウム合金シャフトが挿入され、シャフトは両端に配置されたエアベアリングと電磁スラストベアリングによって支持されています。その後、空気中でブラストすることにより、シャフトは20,000 rpmを超える高速でスムーズに回転できます。従来の加工技術では、このような細いパイプの内面に正確な細長い溝を形成することは困難です。この研究の結果は、マイクロメカニカル部品を加工し、内面に溝を形成する必要がある場合、リソグラフィとエッチング技術の組み合わせが非常に効果的であることを示しています。


ステンレス鋼の微細加工部品

1.はじめに
小径パイプの内面に細かいテクスチャや溝を加工することは非常に困難です。 機械ツールをパイプの内側に配置して幾何学的に駆動できる場合でも、パイプの最小内径はツールとシャフトのサイズによって制限されます。 また、せん断力が細いサンプルチューブに作用するため、サンプルチューブが変形したり、サンプルチューブを支える作業台が突然移動したりするため、事前に考慮する必要があります。

一方、レーザースキャンリソグラフィでは、内径が1 mm未満のパイプの内面に微細なレジストパターンが定義され、これらのパイプには外力がかかりません。 さらに、パイプラインの内面が防食パターンでマークされ、適切に電解エッチングできる場合、正確な溝が得られます。


一般に、上記の内部エッチング技術および電解エッチング技術は、軸受の溝の加工に使用できると考えられています。特に、「ヘリンボーン」として知られる一対の対角平行溝は、高速エアベアリングまたは静圧ベアリングに適していると予想されます。実際、この論文で述べた内径2 mmの銅パイプの内面にある細いヘリンボーン溝は、この方法で処理されます。さらに、パイプは非常に短く取られてからブッシングになります。さらに、パイプは非常に短くインターセプトされ、ブッシングになります。スリーブはシャフトの中央に固定され、アルミ製の中空シャフトが挿入されています。アルミニウム製の中空シャフトとパイプ壁の穴には空気が供給され、シャフトは2組のヘリンボーンベアリングで支えられています。ローターの重量は、数対の強力なネオジム部品によって支えられています。そのため、ローター駆動力として空気を吹き込むと、ローターは20,000 rpmを超える高速回転でスムーズに回転します。回転速度の変化と変動は、エアベアリングのないローターに比べて大幅に減少します。

2.細いチューブの内面のフォトリソグラフィー
微細銅管の表面に使用されるレーザー走査とフォトリソグラフィー技術の原理を図1に示し、研究用の手動露光システムを図2に示します。波長408nmの半導体バイオレットレーザーを使用しました。 露光光源(レーザー:TC20-405 / 20-4.5 / 15、およびそのモデル:DPS-5004)。 放射光は、直径423μmのピンホールによって形状が変化し、2倍の接眼レンズと10倍の対物レンズの組み合わせを使用して、サンプルチューブの内面の画像が20倍に拡大されました。 他端からパイプに挿入された反射ロッドの45度で、レーザービームの方向が変更され、サンプルの表面にピンホールサイズの1/20より大きい直径の円形スポットが生成されます。


照明ポイントからの反射光を使用して、サンプルチューブ上の照明スポットの画像がCCDカメラで生成され、露光スポットのサイズと形状が露光前と露光中に監視されます。 プログラムの指示に従って、パターンは、回転テーブルと線形テーブルに固定されている微細なサンプルチューブの自動移動によって定義されます。 Tokyo Applied Chemistry Companyは、防食剤としてポジティブP MER P-LA900PMを使用しており、これはサンプルの表面に感染性の方法でコーティングされています。 レジストをレーザーにさらし、サンプルを現像液PMER P-7Gに垂直に浸すと、パターンの輪郭が描かれます。 PMER P-7Gは、3%水酸化テトラメチルアンモニウム(TMAH)の特別なソリューションです。

細管表面の走査露光システムの原理
図1細いチューブ表面での走査露光システムの原理

研究用の手作り露出システム
図2研究用の手作り暴露システム

3.パイプ内部エッチング
サンプルチューブの内面がレジストパターンで処理された後、電解エッチング液でエッチングが行われます。エッチング液は、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、ホウ酸を含む水溶液です。外表面からレジストパターンでマークされたチューブのエッチングは成功するが、この技術を使用して内側からエッチングを適用することは難しい。エッチングが外部で行われる場合、サンプルチューブは、図1に示すように、円筒形のアルミニウムカソードの周りに犠牲アノードとして配置されます。一方、チューブの内側からエッチングするためには、カソードを配置する位置と、電源とアノードおよびカソード間の電源ラインの接続方法を理解する必要があります。ただし、図4は、かなりの研究の結果、人為的に設計された方法を示しています。本研究では、試料管を陽極として使用し、そこに挿入されたアルミニウム棒を陰極として使用した。式(1)によれば、陽極銅管に電圧が印加されると、銅原子がイオン化され、管表面から除去されます。 式(2)によれば、銅イオンの出現により、より複雑な塩が生成されます。

Micro-machined copper parts

Cu Cu2 ++ 2e-(1)
Cu2 ++ 4NH3 [Cu(NH3)4] 2+(2)電解エッチング中に、アノードに印加されたループ電圧が破壊されると、エッチングは直ちに停止します。 さらに、腐食電流を監視すると、エッチングプロセスの終点を比較的簡単に判断できます。 したがって、実際のエッチング時間を厳密に制御できます。 チューブの端から20mmの長さを有する部分にレジストを塗布した。 このため、アルミ陰極管にレジストが塗布されていない部分は絶縁テープで覆われています。 局所的なエッチング速度はカソードとアノード間の距離の影響を受けるため、図4に示すように、カソードはアノードチューブの中心に機械的に配置されます。



図3外部からの電解エッチング用パイプ

図4銅管の内面で電解エッチングが行われます。 銅管が陽極として使用され、その中にアルミニウム陰極管が挿入されます。 陰極管の場所
機械的な調整は、サンプルチューブの中央で行われます。
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