专利名称：用于电化学加工的电极工具和用于制造该工具的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于电化学加工的电极工具，并涉及一种制造该电极工具的方法。本发明尤其涉及一种能长时间高精度地对流体轴承中的动态压力产生槽进行电化学加工的电极工具。
背景技术：
动力槽(动态压力产生槽，dynamic groove)加工设备用于在工件-例如流体轴承-的表面上形成动力槽。动力槽在位于轴承和轴之间的支承流体上产生动态压力，以支承轴承中的轴。如图1所示，用于动力槽加工的传统电极工具包括电极基体1和通过公知的防镀(resist)方法在电极基体1的表面上形成的不导电绝缘膜2。在这种电极工具中，导电图案3越细微，电极基体1和绝缘膜2之间的附着强度就越弱，绝缘膜2脱落的发生率就越高。
所形成的凹槽对应于电极工具上的导电区域的暴露图案。另一种已知的电极工具具有上述暴露图案以外区域被绝缘树脂层覆盖的基体。该绝缘树脂层是通过将树脂微粒附着和烘焙到基体上而形成。此外，另一种已知的动力槽加工设备包括电极工具，在该电极工具上，在待加工的动力槽图案内预先形成有孔的树脂薄片固定在电极基体表面上。
此外，在用于细微表面形状的电化学加工的电极工具中，由于加工图案以外区域的绝缘膜很薄，因此不导电绝缘树脂附着到基体的强度通常很弱。结果，绝缘膜由于在电化学加工过程中使用的电解质溶液的影响会脱落。这是因为，在很多情况下，用作绝缘层膜的绝缘树脂被紫外线、热等硬化，并且该绝缘树脂与电极工具中所用的导电基体的附着力通常很低。
另外，由于这种细微表面形状的电化学加工通过设置在电极工具和工件之间的狭窄加工间隙进行，因此绝缘膜受到由于电解质溶液流动而产生的相当大的剪切力。当绝缘膜发生脱落时，就不可能将加工图案精确地传递到工件上。此外，电极工具和工件之间的加工间隙会被绝缘膜脱落的碎片阻塞。这种阻塞部分地阻隔了电解质溶液的流动，造成工件的加工形状缺陷，因此降低了将该工件用作部件的最终产品-例如动态轴承(dynamicbearing)等-的产量。而且，上述阻塞会导致损坏电极工具和工件的电短路。
为了避免上述阻塞问题，已知在另一种已知的用于电化学加工的电极工具中，电极包括在导电基体表面上形成特殊图案的导电区域。电极和表面上将形成有凹陷的工件面对面地浸在电解质溶液中。工件和电极分别连接到加工电源的正极和负极，电流通过它们以在对应于电极导电区域图案的工件表面上形成凹陷。电沉积涂层膜形成为在上述导电区域图案以外的电极表面区域上的绝缘膜。
如图2所示，另一种已知的电极工具的导电图案具有由凸台3限定的电极基体表面。凸台3通过对电极基体1的表面进行凹槽加工并然后用绝缘树脂模制基体1而形成。对电极基体1的表面进行机械抛光，以暴露出导电图案的凸台。从而，绝缘膜2就被充填在表面基本平坦的基体1中的被切除的凹陷中。
然而，虽然在这种电极工具结构中对电解质溶液的流动所带来的力的影响不敏感，但是电解质溶液逐渐地穿透绝缘膜2和导电基体1之间的分界面，导致绝缘膜2最终脱落。
在第三种已知的用于电化学加工的电极工具中，在面向工件但不对应于动力槽图案的电极工具基体部分形成有凹陷。在这些凹陷中设置不导电绝缘膜，未被绝缘膜覆盖的基体部分形成暴露的电极图案。电极图案表面形成为与不导电绝缘膜表面齐平。因此，即使为了提高传递精度而使加工间隙变窄，也将没有由加工产生的电解副产品或热电解质溶液的滞留，因此可以维持所期望的电解条件。此外，也不会有因电解副产品与不导电绝缘膜2碰撞而脱落的不导电绝缘膜碎片的阻塞，并且防止了电解质溶液的流量下降。
当电极工具的上述表面被做成齐平的时，消除了凹坑和凸起，因此在更大程度上防止了电解质溶液流量下降。当防止了流量下降时，也防止了电流密度下降，从而降低了工件加工表面的表面粗糙度。此外，防止电流密度下降提高了电化学加工速度。
上述电极工具可以由具有导电图案的电极基体表面形成，所述导电图案是由通过凹槽加工形成的凸台限定的。用缘树脂模制电极工具。然后，对绝缘树脂表面进行机械抛光，以暴露出导电图案的凸台。该电极工具可以对工件进行精确的表面加工并能长时间使用。
然而，已经确定，当使用绝缘树脂模制上述由凸台限定的导电图案表面并对树脂表面进行机械抛光时，凸台会沿凹槽下降的方向向外伸入当抛光电极基体表面的凸台时应该为槽的区域。这通常导致严重的毛刺，因为与绝缘树脂电极相比基体具有金属特征的延展性。
发明内容
鉴于已知电极工具的上述限制，本发明的电极工具包括在由凸台限定的导电图案中精确形成的凹槽，并且凸台不伸入凹槽下降的方向。更具体地，本发明的电极工具包括通过对电极基体的表面进行凹槽加工形成的凸台和凹槽。由凸台限定的导电图案的表面形成为低于绝缘树脂表面或换句话说从绝缘树脂表面凹进，该绝缘树脂被一体地模制在导体图案上并充填在凹槽中。具体地，两个表面之间的高度差在1μm和5μm之间。
通过使电极工具的导电图案表面低于绝缘树脂表面1至5μm，可以防止凸台产生毛刺。结果，甚至对于细微的导电图案，也可获得能够制造200,000件或更多工件并且导电图案具有良好的再现性的电极工具。
此外，由于可以防止电极基体和树脂产生毛刺，因此可以精确地形成细微的凸台图案。另外，通过选择基体和树脂的适当组合，可以没有毛刺地制造用于电化学加工的电极工具。
本发明中所使用的绝缘树脂可以是任何类型的，只要它对电解质溶液-例如典型的是NaNO3(硝酸钠)-具有高的抗腐蚀能力，并对电极基体具有良好的附着性。该绝缘树脂可以是从环氧树脂、聚氨酯树脂或聚酰亚胺树脂中选出的材料。另外，本发明的电极工具的电极基体优选包括铜合金和铁合金，铜合金包括黄铜，铁合金包括奥氏体不锈钢。
此外，本发明的另一方面涉及一种制造用于电化学加工的电极工具的方法，该方法包括形成由凸台限定的导电图案，即，通过对电极基体表面进行凹槽加工，用绝缘树脂模制电极基体表面，对绝缘树脂的表面进行机械抛光以暴露出导电图案的凸台，以及对导电图案的凸台进行化学溶解。
而且，在本发明中，当通过对下降到刀凹槽内的凸台的边缘进行倒圆来形成由凸台限定的导电图案时，可以防止下降到凹槽中的凸台的边缘在抛光过程中延展，从而防止产生毛刺。
电化学加工、铣削或其它机械加工、激光加工、电火花加工、喷丸处理等都可用于对电极基体进行凹槽加工并形成凹陷。
此外，可以通过蚀刻、通过使用酸或碱溶解电极基体或通过电化学加工来化学溶解导电图案的凸台。
附图和下文的详细说明包含在说明书中并形成说明书的一部分，用以进一步说明根据本发明的各种实施例并解释本发明的各种原理和优点，在附图中，相同的参考数字在所有附图中表示相同的元件或功能相似的元件。
图1示出用于电化学加工的现有技术电极工具的横截面；图2示出用于电化学加工的另一种现有技术电极工具的横截面；图3A-图3E示出形成根据本发明的第一实施例的电极工具的工艺步骤；图4A-图4E示出形成根据本发明的第二和第三实施例的电极工具的工艺步骤；图5是在根据本发明的电极工具上形成的典型导电图案的示意图；图6是使用根据本发明的电极工具的电化学加工装置的实施例的简图；图7是使用图6的电化学加工装置在工件上形成的典型导电图案的照片；图8A是由光波干涉测量系统生成的三维图片，该图片示出由图6的电化学加工装置使用传统电极工具在工件上形成的导电图案；图8B是由光波干涉测量系统生成的图片，该图片示出由图6的电化学加工装置使用根据本发明的电极工具在工件上形成的导电图案。
具体实施例方式
下文将根据附图详细说明本发明。省略了对于本领域的技术人员理解本发明不必要的对部件的图示和说明。
参考图3A-图3E，下文将说明形成根据本发明的第一实施例的用于电化学加工的电极工具的工艺。
在图3A中，优选由铜合金黄铜制成的电极基体1包括用作加工电极的表面1a。清洗加工电极表面1a，然后，如图3B中所示，通过凹槽加工在表面1a上铣出凸台3。凸台3共同形成导电图案，例如图5中所示的导电图案14。导电图案14形成后，去除加工电极表面的油污并清洗加工电极表面。
然后，如图3C中所示，用环氧树脂模制加工电极表面1a的上部，以形成坚硬的绝缘树脂层4。用抛光机抛光该坚硬的绝缘树脂层4以使之逐渐变薄，直到如图3D中所示暴露出导电图案14，抛光后绝缘树脂2仍保留于在凸台3之间限定的凹槽3a中。在凸台3伸入凹槽3a的位置处，在凸台3的边缘5处形成毛刺。
然后，将电极工具浸在60％的硝酸溶液中3秒钟并用清水清洗。导电图案14被蚀刻，而且毛刺被完全去除。如图3E中所示，形成最终的电极工具，导电图案14的表面形成为低于坚硬的绝缘树脂层4的表面，或者说从绝缘树脂层4的表面凹进。导电图案14的表面和绝缘树脂2的表面之间的高度差约为2μm。
根据本发明第二实施例的用于电化学加工的电极工具可通过图4A-图4E所示的工艺制造。
在第二实施例中，用铜合金黄铜作为电极基体1。如图4A中所示，清洗将用作加工电极的表面1a。然后，如图4B中所示，通过凹槽加工在电极基体的表面1a上铣出凸台3，以形成图5中所示的导电图案14。导电图案14形成后，对伸入相邻凹槽3a内的凸台3的边缘进行倒圆，并清洗加工电极的表面1a。
如图4C中所示，用环氧树脂模制加工电极的表面1a，以在加工电极上形成坚硬的绝缘树脂层4。然后通过抛光去掉坚硬的绝缘树脂层4，抛光后绝缘树脂2仍保留在凹槽中。坚硬的绝缘树脂层4通过抛光加工而逐渐变薄，直到如图4D中所示暴露出导电图案14。在伸入凹槽3a的凸台3的边缘5处几乎没有毛刺。
然后，将电极工具浸在60％的硝酸溶液中2秒钟并用清水清洗。导电图案3被蚀刻，而且毛刺被完全去除。参考图4E，最终的电极工具具有导电图案表面，所述导电图案表面形成为低于坚硬的绝缘树脂2的表面或者说从绝缘树脂2的表面凹进，导电图案表面和绝缘树脂2的表面之间的高度差约为3μm。
根据本发明第三实施例的用于电化学加工的电极工具也可通过图4A-图4E中所示的工艺制造。
具体地，用奥氏体不锈钢SUS304作为电极基体1。清洗将用作加工电极的表面。如图4B中所示，通过激光加工对加工电极的表面进行凹槽加工，以形成凸台3。凸台3共同形成例如图5中所示的电极导电图案14。
导电图案14形成后，对伸入凹槽3a内的凸台3的边缘进行倒圆，去除加工表面的油污并清洗加工表面。如图4C中所示，用环氧树脂模制加工电极的表面1a，以形成坚硬的绝缘树脂层4。抛光该坚硬的绝缘树脂层4并使之逐渐变薄，直到如图4D中所示暴露出导电图案14。在伸入凹槽3a的凸台3的边缘5处几乎没有毛刺。
然后，将电极工具浸在60％的硝酸溶液中3秒钟并用清水清洗。导电图案14被蚀刻并且存在的任何毛刺都被完全去除。最终的电极工具包括导电图案14，所述导电图案的表面形成为低于绝缘树脂2的表面，导电图案表面和绝缘树脂2的表面之间的高度差约为1μm。
用于电化学加工的电极工具也可以基于表1中所示的条件通过与上述第一、第二和第三实施例类似的方式制造。(表1)示出基于第四至第八实施例的实际使用的试验结果、现有技术电极工具的对比试验结果和相应的制造条件。现有技术的例子的电极工具是根据上述第一实施例制造的，但省略了蚀刻步骤。
(表1)
在表1中，术语“最小宽度”是指凹槽最窄部分处(例如，图5所示的典型电极导电图案中的图案中心附近)的电极导电图案能够被精确复制的最小宽度。在本发明中，该最小宽度约为20μm±5μm。并且，术语“寿命”是指用于电化学加工的单个电极工具在保持图案再现性的情况下所能制造的工件数量。
图6示出使用在本发明的上述任一实施例中所讨论的类型的电极工具在工件上形成导电图案的电化学加工装置。
包括由电极基体1和绝缘树脂2形成的导电图案14的电极工具和工件6隔着一间隙(约为20至100μm)相互对置，电解质溶液8穿过所述间隙循环。直流脉冲电源13的负极端子连接到电极工具上，正极端子连接到工件6上。
包含重量百分比为15的NaNO3(硝酸钠)的特定量电解质溶液8存储在电解质溶液存储槽15中。向电极工具的壳体16内供给电解质溶液8的电解质溶液供给管11和从电极工具的壳体16排出电解质溶液并使之返回到电解质溶液存储槽15的电解质溶液排出管12通过泵9和过滤器10连接到存储槽15。因此，电解质溶液8穿过壳体16循环，同时被过滤器9过滤。
优选地，电化学加工装置中的电解质溶液8的流速设定在8至12m/s。来自电压为8至16V的直流脉冲电源13的电流供给到电极工具1至5秒。
只有与电极工具的导电图案凸台3相对应的工件6的表面区域通过电解反应被除去并变为凹槽或凹陷7，从而凹槽或凹陷7形成为电极工具的导电图案14的形状。图7示出具有使用上述电化学加工装置在工件6的表面上形成的凹槽7的典型导电图案18。
图8A是由光波干涉测量系统生成的三维图片，该图片更详细地示出由图6的电化学加工装置使用如上所述的传统电极工具在工件表面上形成的在1627μm×1237μm的区域内的导电图案20。图8B是由光波干涉测量系统生成的图片，该图片更详细地示出由图6的电化学加工装置使用本发明的电极工具在工件表面上形成的在1627μm×1237μm的区域内的导电图案21。如所示出的，导电图案20表现出变形，例如在22处、在凹槽的尖端或末端部分的变形，所述变形造成凹槽分隔部断口(break)，例如在23处示出凹槽分隔部断口。另一方面，导电图案21没有这种变形或凹槽分隔部断口，因此根据本发明的电极工具能够形成具有更高精度且没有缺陷的动力槽，从而能够制造出例如与具有使用传统电极工具形成的动力槽的流体轴承相比性能更好的流体轴承。
在形成根据本发明的电极工具时在加工电极表面上不产生毛刺，从而可以精确地形成不受毛刺影响的凸台导电图案。此外，上述用于制造本发明的电极工具的方法可以防止产生毛刺，甚至在使用易于起毛刺的电极基体和树脂时。这使得可以选择电极基体和树脂的组合以制造具有期望特性的电极工具，这反过来有助于开发更小的流体轴承。
本公开旨在解释如何制造和使用根据本发明的各种实施例，并非意图穷举或将本发明限制为所公开的具体形式。可以根据上文的教导进行修改和变型。选择并描述实施例旨在最清楚地说明本发明的原理及其实际应用，并使本领域的普通技术人员能够在各种适合于特定用途并落在由所附权利要求限定的本发明的范围内的实施例和变型中应用本发明，还可以在根据所附权利要求被清楚地、合法地并公正地授权的范围内解释时的所有等同物中使用本发明。
权利要求
1.一种用于电化学加工的电极工具，包括包含加工电极表面的电极基体；由形成在加工电极表面上的多个凸台和凹槽限定的导电图案；与电极基体模制成一体并充填在导电图案的凹槽中的绝缘树脂，其中，凸台限定导电图案的表面，所述表面低于充填在导电图案的凹槽中的绝缘树脂的表面，并且导电图案表面与绝缘树脂表面之间的高度差在1μm和5μm之间。
2.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，绝缘树脂包括从环氧树脂、聚氨酯树脂和聚酰亚胺树脂中选出的树脂。
3.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，电极基体包括黄铜和奥氏体不锈钢之一，绝缘层包括环氧树脂。
4.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，凸台包括去除了毛刺的凸台。
5.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，导电图案表面与绝缘树脂表面之间的高度差在1μm和3μm之间。
6.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，导电图案表面与绝缘树脂表面之间的高度差是2μm。
7.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，导电图案表面与绝缘树脂表面之间的高度差是3μm。
8.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，凸台具有倒圆的边缘。
9.根据权利要求1的电极工具，其特征在于，在工件上复制出的导电图案没有凹槽分隔部断口。
10.一种制造用于电化学加工的电极工具的方法，包括对电极基体的加工电极表面进行凹槽加工，以形成限定导电图案的凸台和凹槽；用绝缘树脂模制加工电极表面；对绝缘树脂的表面进行机械抛光，以暴露出导电图案的凸台；以及仅对导电图案的凸台进行化学溶解，以使导电图案表面低于绝缘树脂表面。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，还包括对在凹槽加工时伸入凹槽中的凸台边缘进行倒圆。
12.根据权利要求10的方法，其特征在于，仅对导电图案的凸台进行化学溶解包括将导电图案浸在60％的硝酸溶液中大约2秒钟，然后用清水清洗导电图案。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，通过将导电图案浸入在60％的硝酸溶液中大约2秒钟并然后用清水清洗导电图案，来从凸台上去除毛刺。
14.根据权利要求10的方法，其特征在于，仅对导电图案的凸台进行化学溶解以使导电图案表面低于绝缘树脂表面包括仅对导电图案的凸台进行化学溶解，以使导电图案表面低于绝缘树脂表面1至5μm。
15.根据权利要求10的方法，其特征在于，仅对导电图案的凸台进行化学溶解包括通过将导电图案浸在60％的硝酸溶液中大约3秒钟并然后用清水清洗导电图案，来化学溶解导电图案的凸台。
16.一种使用具有从不导电表面凹进的导电图案表面的电极工具对工件进行机械加工的方法，包括将工件和电极工具相互分开地置于电解质溶液中，以限定工件和电极工具之间的间隙；使电解质溶液穿过间隙循环；以及产生通过电极工具到工件的直流电流，以在工件上形成凹槽，所述凹槽对应于电极工具上的导电图案。
17.根据权利要求16的方法，其特征在于，将工件和电极工具相互分开地置于电解质溶液中以限定工件和电极工具之间的间隙包括将工件和电极工具相互分开地置于电解质溶液中，以限定工件和电极工具之间约为20-100μm的间隙。
18.根据权利要求16的方法，其特征在于，使电解质溶液穿过间隙循环包括使电解质溶液以8m/s至12m/s的速度穿过间隙循环。
19.根据权利要求16的方法，其特征在于，将工件和电极工具相互分开地置于电解质溶液中以限定工件和电极工具之间的间隙包括将工件和电极工具相互分开地置于电解质溶液中，以限定工件和电极工具之间约为20-100μm的间隙；使电解质溶液穿过间隙循环包括使电解质溶液以8m/s至12m/s的速度穿过间隙循环。
20.根据权利要求16的方法，其特征在于，产生通过电极工具到工件的直流电流以在工件上形成凹槽包括将直流脉冲电源的负极端子连接到电极工具上；将直流脉冲电源的正极端子连接到工件上。
全文摘要
一种用于电化学加工的电极工具包括加工电极表面(1a)。该加工电极表面(1a)包括由通过对电极表面(1a)进行凹槽加工形成的凸台(3)和凹槽(3a)限定的导电图案。然后，将加工电极表面(1a)模制上坚硬的绝缘树脂层(4)，并对该坚硬的绝缘树脂层(4)的表面进行机械抛光，以暴露出导电图案的凸台(3)。对凸台(3)进行化学溶解，以得到导电图案(14)，所述导电图案的表面形成为低于最终的绝缘树脂表面(2)，两个表面之间的高度差在1μm和5μm之间。电极工具能够对工件进行精确的表面加工，并能够长时间使用。
文档编号B23Q15/00GK1989276SQ200480040833
公开日2007年6月27日 申请日期2004年12月21日 优先权日2004年1月23日
发明者安田知行, 井出淳 申请人:美蓓亚株式会社