CN101064119B - 纳米级加工电极和工件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有诸如细微凹槽间距(<100微米)、细微特征宽度(<25微米)、变化的凹槽深度和3D表面剖面等用于最优轴承性能的特征的电动机轴承元件。公开了用于制造该工件的方法、用于制造最终部分的电极设计、以及用于制造这一电极的方法。公开了一种包括具有期望剖面的导电块的电极。本发明的实施例的电极可由包括极难或难以加工的材料在内的各种各样材料制成。电极可由固体、具有空心芯的轴套或具有填充芯的轴套制成。这一电极可被用来在工件上实现最优化的凹槽几何形状。本发明的实施例的电极还通过一种制造方法制成，该方法包括：通过激光烧蚀空心导电块的部分在该空心导电块的表面上形成凹槽图案，且在该凹槽图案中形成或不形成介电材料。公开了涉及光聚合、选择性烧蚀、电镀和用于凹陷槽脊的反ECM的其它方法。

Description

纳米级加工电极和工件及其制造方法

技术领域

本发明涉及纳米级加工电极和诸如磁盘驱动器推力和轴颈电动机等工件。

背景技术

在大多数计算机***中，具有可磁化介质的磁盘被用于数据存储。当前的磁硬盘驱动器使用仅在磁盘表面上方几纳米的读-写头、并以通常为每秒几米的相当高的速度来工作。

通常，磁盘被安装在通过主轴电动机旋转的主轴上，以在读/写头下移过磁盘表面。主轴电动机通常包括固定到底板的轴和连接到主轴、并具有其中***该轴的轴套的轮毂。连接到轮毂的永久磁铁与底板上的定子绕组相互作用，以使轮毂相对于轴旋转。为了便于旋转，通常在轮毂与轴之间设置一个或多个轴承。另一设计使用了旋转轴构造。此处，轴套被连接到底板。

图1示出了一磁盘驱动器的示意图，其中具有通过本发明的方法和装置制造的流体动力轴承的主轴电动机对于该磁盘驱动器特别有用。参看图1，磁盘驱动器100通常包括具有通过密封件120与盖子115密封的底座110的外壳105。磁盘驱动器100具有主轴130，其中具有覆盖有用于磁性地存储信息的磁性介质(未示出)的表面140的多个磁盘135被连接到该主轴130。主轴电动机(未在此图中示出)旋转磁盘135使其通过读/写头，该读/写头通过悬臂组件150悬挂于磁盘表面140之上。在工作中，主轴电动机以高速旋转磁盘135使其通过读/写头145，同时悬臂组件150在多个径向隔开的磁道(未示出)之一上移动和定位读/写头。这允许读/写头145在磁盘135的表面140的选定位置上向磁性介质读和写磁编码信息。

近年来，存储密度倾向于增加，而存储***的尺寸倾向于减小。这种倾向导致磁性存储盘的制造和工作中的更高的精度和更低的容限。例如，为了实现增加的存储密度，读/写头必须被放置得愈加靠近存储盘的表面。这种接近度要求磁盘基本上在单一平面中旋转。磁盘旋转时的轻微摇晃或振摆都会导致磁盘的表面接触到读/写头。这被称为“崩溃”，并可能会损坏读/写头和存储盘的表面，从而导致数据丢失。

根据以上讨论，可以看到，支承存储盘的轴承组件相当重要。一种典型的轴承组件包括支承在允许存储盘的轮毂相对于一固定件旋转的一对滚道之间的滚珠轴承。然而，滚珠轴承组件具有诸如磨损、振摆和制造困难等许多机械问题。此外，由于低阻尼，对工作冲击和振动的抵抗力很差。

另一种轴承设计是流体动力轴承。在流体动力轴承中，诸如空气或液体等润滑流体在外壳的固定件与磁盘轮毂的旋转件之间提供一轴承面。除空气之外，典型的润滑剂还包括石油或其它流体。与包括一系列点接触面的滚珠轴承组件相比，流体动力轴承将轴承接触面扩展到大表面积。因为增大的轴承面减少了旋转件与固定件之间的摇晃和振摆，所以这是合乎需要的。此外，在接触面区域中使用流体对轴承赋予了阻尼效应，这有助于减小非重复的振摆。

设置于轴颈、推力和锥形流体动力轴承上的动压发生凹槽(即流体动力凹槽)生成局部的高流体压力区，并为传送机构提供流体或空气，以在轴承内和旋转表面之间均匀地分配流体压力。

图2A是对磁盘驱动器100有用的一类主轴电动机155的横截面侧视图。主轴电动机155通常包括具有连接到其***的一个或多个磁铁165的可旋转轮毂160。磁铁165与连接到底座110的定子绕组170相互作用以使轮毂旋转。轮毂160支承在一端具有止推板180的轴175上。止推板180可以是枢轴175的一组成部分，或者可以是例如通过压配合连接到主轴的独立的零件。轴175和止推板180配合到轮毂160内的轴套185和止推板腔体190中。对面板195设置在置于从轮毂160中延伸出的环形圈205上的止推板180上5轮毂。O形圈210将对面板195与轮毂160密封。图2A是主轴电动机的一种可能的构造。另一种可能的构造包括具有诸如图2D所示的锥形轴承的主轴电动机。

诸如润滑油或铁磁流体等流体填充轴175与轴套185之间、以及止推板180与止推板腔体190及对面板195之间的界面区域。止推板180、止推板腔体190、轴175、轴套185或对面板195中的一个或多个具有根据本发明形成的压力发生凹槽(未在此图中示出)以构成流体动力轴承220、225。凹槽可形成于轴175的外表面或轴套185上。更佳地，轴175的外表面215中的凹槽形成具有在径向方向上可旋转地支承轮毂160的动力缓冲垫的一个或多个流体动力轴颈轴承225。轴颈轴承也可在轴或轴套或者两者上具有凹槽。

图2B和2C分别是轮毂和轴套的组合的垂直横截面图和俯视图，它们示出了构建用于支承轴套和轮毂以相对于轴175旋转的流体动力轴承的凹槽。根据本领域中众所周知的设计原理，轴套185在其外表面上支承轮毂160，而轮毂160进而将支承一个或多个磁盘(未示出)以便旋转。轴套185的主腔的内表面包括一对凹槽组212、214，该凹槽组212、214与轴表面以及介于其间的流体(未示出)一起形成用于支承轮毂160以便绕轴175旋转的轴颈轴承。

这种设计通常还包括支承于轴的一端上的止推板(图2A中示出为180)。对止推板180设置凹口216；对对面板195设置第二凹口218，该第二凹口在组装的电动机中重叠在止推板上，并被用来与止推板的上表面一起限定流体动力轴承间隙。对面板195的下表面219面向止推板180的轴向外表面221。止推板180的表面或者对面板195的表面中的任一个还包括一组凹槽222(图2B)，该组凹槽在这一情况下为连续的人字形，它们与止推板150的外表面221一起形成支承止推板180和对面板195以便平滑地相对旋转的压力梯度。这也防止轮毂160和轴套105相对于止推板180及止推板固定于其上的轴175倾斜，从而轮毂160绕着轴175以极好的稳定性旋转。

图2D是由双锥形轴颈轴承支承以绕着轴(未示出)旋转的轮毂200的垂直横截面图。轮毂200与轴套形成整体，该轴套的内表面限定了形成支承轮毂200以便旋转的流体动力轴承的凹槽。如本技术中所公知的，轴(未示出)被***到轮毂200中并具有面向轴承区域的上端和下端的锥形区域210、212的双锥形表面。轴还可包括与由凹槽区域214、216限定的轴颈轴承共同配合的平滑中心部分。如流体动力轴承领域中所公知的，流体将填充固定轴与轴套的内部凹槽表面之间的间隙。当轴套旋转时，在安装于轮毂内表面上的与其轮毂底座所支承的绕组共同配合的磁铁之间的相互作用的推动力之下，每一凹槽区域中的压力增大。这样，轴易于支承轮毂200和磁盘202以便恒定的高速旋转。图2D中可容易地看到轴套内表面上的压力发生凹槽。在该较佳示例中，压力发生凹槽包括两组凹槽：用于上锥形的凹槽组230、232和用于下锥形的对应组234、236。这种特定的设计还利用了两个轴颈轴承240、242来进一步稳定轴。

考虑流体动力轴承，凹槽精度的重要性在于：流体动力轴承通常包括具有并列表面的两个相对旋转的构件，在该并列表面之间保持有层、薄膜或流体以形成减摩介质的动力缓冲垫。为了形成动力缓冲垫，表面的至少之一(在此例中为轮毂和轴套的内表面)设有凹槽，该凹槽在分界面区域中引入流体流动并生成局部的高流体压力区。凹槽由凸起的槽脊或肋条隔开。可以容易地明白，形成在表面上相对紧密地压挤在一起的这些小尺寸的凹槽是极其困难的。为此，在此例中为图2D的轮毂的工件被置入开槽设备中以在工件中形成凹槽。

流体动力凹槽的形状取决于所需的压力均匀度。因此，流***移以及由此产生的压力均匀度的质量通常取决于凹槽深度和尺寸的均匀度。凹槽深度中的可控梯度与凹槽宽度梯度相结合可在轴承表面提供所需的压力分布。

作为上述问题的结果，已开发出流体动力轴承中的凹槽的电化加工(ECM)。一般而言，ECM是在不使用机械或热能的情况下去除材料金属的工艺。基本上，电能与化学相结合以形成蚀刻反映，以便从流体动力轴承中去除材料从而在其上形成流体动力凹槽。为了实现这种方法，使直流电在用作阳极的工件(例如对面板、轴套、轴颈或锥形轴承)与通常带有要形成的图案并用作阴极的电极之间传递，并且该电流通过位于两个表面之间的导电电解液。在阳极表面，电子通过电流来去除，并且破坏表面上的分子结构的金属键。这些原子进入到溶液中，且电解液作为金属离子并形成金属氢氧化物。这些金属氢氧化物(MOH)分子被携带走以便过滤出。然而，该工艺引发了对精确并同时地跨间隙在表面上设置凹槽的需求，必须十分精确地测量该间隙，因为间隙的设定将决定金属离子被携带走的速率和数量。即使在简单结构中也难以解决这个问题。当结构为锥形轴承的内表面时，间隙宽度的设定可能极为困难。与锥形部分相关联的可制造性问题通常使得难以控制锥体的直径。由于机械容限，工件可能不与电极对齐，从而导致不均匀的间隙以及相应的不均匀深度的流体动力凹槽。因此，难以制造具有将确保工件持续与电极间隙一致以形成尺寸上一致的流体动力凹槽的固定电极的工具。

目前通过ECM工艺来制造推力和轴颈轴承上的高级凹槽图案。ECM工艺中所使用的电极由高导电性材料制成并通常具有圆柱形，并且工件表面被加工成反映特定形状和深度的3D图案。

ECM工艺使用有形状的电极来通过电解质提供电通量场，以便在被这些场影响的区域中从工件上去除金属。电极具有由绝缘材料区隔开的导电材料区。这些区域的形状和图案通常与要通过电化作用来加工的区域形成反向的图像。加工通常发生在导电区域范围内，并且在绝缘材料范围受到限制。这些电极的形状可能是复杂且多维的。

这些电极的制造取决于允许构造交替的导电和绝缘材料区的技术。制造能力中的典型限制包括传统机器切削工具的有限尺寸和形成单个多维结构的能力。其它制造方法可包括光刻，该光刻可能具有结构形状上的限制，或者由于所涉及的大量步骤而可能具有较低的成本效率。

当前的FDB电动机使用ECM工艺在推力和轴颈轴承上设置凹槽。通常，使用铣削工艺在电极上加工凹槽。通过在电极中铣削凹槽的常规工艺，往往难以控制凹槽宽度、深度以及凹槽之间的间隔。

此外，目前的FDB电动机使用ECM工艺，通过在电极上加工凹槽以在轴颈轴承上设置凹槽。然后，使用环氧树脂来填充凹槽。经填充的电极需要后续的加工或研磨操作来去除多余的绝缘材料(图9)。

需要一种改进的电极及其制造方法，以提供用于形成精确且成本有效的流体动力凹槽的可靠方法和装置。

发明内容

本发明的实施例涉及以下：

具有大凹槽间距的流体动力轴承电动机的元件(工件)。小于100微米且特性宽度小于10微米的间距是可行的。

通常使用电极和/或ECM工艺来开槽的工件。本发明的其它实施例可被用于直接在工件上设置凹槽。

在电极上形成可以为凸面的导电部分(槽脊)，以形成通向工件上较平坦的槽脊和较尖锐的沟道壁的均匀的电流流动/密度(图8)。

电极上可被成形的导电部分(槽脊)，以由此在工件上形成任意期望的槽脊或凹槽几何形状。这在三维中是可行的，其中可在三维中选择性地改变工件的径向剖面、凹槽深度和其它特性。

ECM工艺，用于任意形状的电极或工件，包括用于诸如推力、轴颈和锥形的轴承表面，或者用于非轴承表面或工件。

最优化的电极几何形状--在ECM加工期间对与工件和电极之间较紧密的加工间隙、超短脉冲(时间)有关的电因子、电解质化学动力学以及电解质流体动力学最优化，以有助于在工件上形成精确且最优化的几何形状。

本发明的一个实施例涉及包括导电块的电极，该导电块具有穿过该导电块的第一开口和穿过该导电块的第二开口，并且第二开口从第一开口横穿到导电块的表面。第一开口较佳地不包含实心塞，并且第二开口被构造成允许流体流过第二开口。第一开口较佳地包含由非导电材料构成的实心塞。电极较佳地被构造成通过电化加工工艺在工件上形成凹槽图案。导电块的表面较佳地包括由具有25微米或更小的特征宽度的凹槽构成的凹槽图案。导电块的表面较佳地包括由具有12微米或更小的特征宽度的凹槽构成的凹槽图案。第一开口和第二开口较佳地不包含介电材料。电极较佳地被构造成以基本上为零且不产生电弧的加工间隙在工件中形成的凹槽图案。电极较佳地是对面板电极、轴套轴颈电极或锥形轴承电极。导电块的表面较佳地包括由凹槽和凹槽之间的平面或剖面的非平面槽脊构成的凹槽图案。

另一个实施例涉及一种制造电极的方法，包括用具有纳秒或更小的脉冲时间的激光或聚焦的能量束烧蚀介电层部分以在导电块上的电介层中形成凹槽图案。介电层较佳地具有比导电块的导电材料低的烧蚀阈值。激光烧蚀较佳地基本上不烧蚀导电块的导电材料而执行。介电层较佳地具有比导电块的导电材料高的烧蚀阈值。激光烧蚀较佳地通过导电块的导电材料的爆发或去除来执行，从而导致导电材料和覆盖凹槽图案区域的介电层的介电材料的同时去除。另一实施例还可包括聚合单体以形成介电层，其中单体是光敏单体。激光或聚焦的能量束较佳地激活绝缘材料并使该绝缘材料在电极的导电部分上方或之上膨胀，从而形成绝缘支座。

又一实施例涉及一种电极的制造方法，该方法包括通过对空心导电块的部分的激光烧蚀而在导电块表面上形成凹槽图案，以及在该凹槽图案中形成介电材料。凹槽较佳地具有20微米或更小的特征宽度。凹槽图案中的介电材料或者凹槽之间的非平面槽脊较佳地具有曲面。另一变化方案还可包括在凹槽图案中沉积金属。脉冲时间较佳地小于100皮秒。脉冲时间更佳地在1皮秒到1飞秒之间。

本发明的再一实施例涉及一种包括凹槽图案的工件，该凹槽图案包括用于流体动力轴承的凹槽，该凹槽图案具有小于100微米的间距，而且该凹槽图案具有由带有凸面槽脊的电极形成的基本上垂直的壁。凹槽图案较佳地具有10微米或更小的特征宽度。凹槽图案较佳地具有以5微米或更小为间隙的20微米或更小的特征宽度。工件较佳地是对面板、轴套轴颈或锥形轴承。

本领域技术人员从以下的详细描述中可以容易地明白本发明的其它优点，以下详细描述中仅作为对实现本发明所构想的最佳方式的说明仅示出并描述本发明的较佳实施例。如将认识到的，本发明包括其它不同实施例的特性，并且其细节能在各个明显的方面中进行更改而都不背离本发明。因此，附图和说明书本职上被认为是说明性的而非作为限制。

附图说明

当结合附图参考本发明的详细描述时，将更好地理解本发明，附图中：

图1示出了磁盘驱动器的示意图。

图2是图1的主轴电动机的垂直剖面。图2B和2C是电动机的一部分，特别是轴和止推板的垂直和水平截面图，它们示出了可利用本发明形成的凹槽。图2D是在图1的磁盘驱动器的主轴电动机中使用的轮毂的垂直截面图，它示出了可通过本发明有效地形成的一类双锥形轴承。

图3是空心芯的示意图。

图4是填充芯的示意图。

图5是用于使用本发明的ECM电极在工件中形成凹槽的装置的示意图。

图6示出了通过本发明的实施例在电极中实现的良好的特征宽度。

图7示出了推力电极。

图8是电极上的有形状槽脊及其对过烧和凹槽几何形状的影响的示意图。

图9是按照常规制造的电极的示意图。

图10是通过使用激光直接烧蚀介电材料制成的电极的示意图。

图11是通过选择性地固化液态光敏单体制成的凹陷式电极的示意图。

图12是通过选择性地固化沟道中的液态光敏单体制成的电极(凹陷式或水平式)的示意图。

图13是通过使用激光选择性地固化液态光敏单体、接着在凹槽中进行金属电镀而制成的电极(凹陷式或水平式)的示意图。

具体实施方式

本发明的基础是发明人对将多维变化应用于诸如轴、轴套、锥体、平面止推表面等电动机轴承元件上的槽脊和凹槽剖面的认识和演示。本发明的实施例允许在电极上制造精确的对应几何形状。

在本发明的实施例中，飞秒脉冲激光加工方法允许在电极上制造细微特征。它与当前填充工艺(将介电材料浇注到预加工的凹槽中，接着通过表面研磨使介电表面与导电元件齐平)兼容，并且是用于在电极上实现细微特征和复杂几何形状的深入解决方案。这种电极与传统的ECM工艺兼容。在本发明的此实施例中，构造电极时所使用的材料可具有任意密度和硬度。

在本发明的实施例中，流体动力轴承电动机的凹槽部分可通过电化加工工艺(ECM)来制造。凹槽形状和宽度以及凹槽密度可被加工成使轴承性能最优化。在某些实施例中，凹槽可提供以下功能：

-作为用于流体输送和分配的微米沟道；

-通过在电极上形成槽脊以降低过烧(图8)；

-净化空气并防止气穴现象；

-最优化能量消耗；以及

-最优化轴承刚度和阻尼特性。

在本发明的实施例中，电化加工是一种可被用来在各种几何结构的流体动力轴承工件零件上制造凹槽的制造技术。如上所述，ECM装置由电极、电解槽、工件零件和在电极与工件之间设置特定间隙的固定件构成。以通过间隙的高电流施加电位允许将图案从电极转移到工件零件的表面。所得的凹槽的深度主要取决于加工间隙、电流、ECM处理时间、由电极上的槽脊剖面所产生的通量场的形状和分布。凹槽的宽度以及它们的形状和密度(零件的每一单元面积的凹槽数量)都由ECM电极(ECM装置)与工件之间的加工间隙、电解液通过该加工间隙的流速和ECM电极的特征几何形状来限定。这些因素可决定零件上的凹槽几何形状的宽度和壁平直度(垂直度)。

由于所谓的过烧(overburn)现象，工件零件上电化加工的凹槽的宽度通常大于电极上的原始特性。影响工件零件的凹槽宽度的主要因素之一是电极图案的特征宽度。

本发明的实施例的电极具有在1到100微米、较佳地在5到50微米、更佳地在10到20微米范围内的电极特征宽度，在一实施例中，电极的特征宽度是11微米。通过使用ECM工艺和本发明的实施例的电极，可制造高密度凹槽，其凹槽的密度是由允许开槽部分上100微米的最小凹槽宽度和有限的凹槽密度的常规电极所产生的凹槽密度的三倍到五倍。例如，本发明的实施例在工件上产生具有在10到150微米、较佳地在50到100微米范围内的间距的凹槽，并且工件的特征宽度在2到150微米、较佳地在5到100微米、更佳地在10到30微米的范围内。在一实施例中，工件上的凹槽的间距为80微米(与常规工件的凹槽的200微米的间隔密度相比)，且工件的特征宽度为20微米。

ECM电极的特征几何形状(特征宽度、深度和壁平直度(垂直度))由其制造工艺来限定。ECM电极当前是通过端铣工艺来制造的，该端铣工艺将电极特征宽度限定为35微米(由于端铣切削负载，以及如果过薄以致不能承受切削负载而导致的槽脊变形)。通过端铣制成的电极凹槽受限于通常为125um的最小端铣直径。这限制了最终的ECM零件上的结果凹槽特征宽度和凹槽密度。

在本发明的过程中，发明人发现新一代的高性能电动机产品需要将凹槽宽度显著减至到20微米并显著增加工件零件上单位面积的凹槽密度(保持凹槽间距比为0.5)以及工件零件上的壁平直度(垂直度)。为了在零件上实现这些特性，发明人认识到将需要减小加工间隙。经减小的加工间隙结合良好特征宽度的电极可在ECM零件上产生细微特征。

为了不久常规电极设计和制造工艺的缺点，发明人获得了适于改进常规电极效率的设计和制造工艺，以及其中电极由导电材料的空心圆柱体制成的新ECM电极设计。加工于电极上的凹槽图案将切穿导电材料的厚度。以下描述了两种可能的构造：

(1)具有空心芯的电极(图3)：凹槽图案被加工成穿过导电体表面。圆柱体的内部通路向左敞开，并且可被用来抽运电解液使其通过暴露的凹槽。这与其中在轴颈或锥形电极中设置径向电解液通孔的现有电极设计不同。

(2)具有填充芯的电极(图4)：由绝缘材料制成的轴被浇注、连接或***到诸如黄铜等导电材料的空心圆柱的内部。诸如水力喷射等微加工方法、或控制能量阈值和峰值能量以选择性地去除或烧蚀导电圆柱的顶层的激光加工工艺可被用来从导电层切削出凹槽图案。导电圆柱中的凹槽较佳地完全穿透导电圆柱的导电层直至绝缘塞内部。绝缘塞可被用于向电极提供结构上的刚度。

在本发明的电极的实施例中，因为凹槽沟道较佳地从外表面“穿过”凹槽直至导电空心圆柱的内部，所以不需要使用绝缘材料填满凹槽以防止导电空心圆柱的导电槽脊区域之间的短路。

本发明的电极的某些优点包括：

1.电极可具有非平面的槽脊。

2.可以在没有诸如填充层的研磨等后处理步骤的情况下制成电极。

3.在ECM处理期间，电极中的凹槽可为电解液流过电极提供附加路径。

即使图4和5示出了圆柱形的电极，但本发明的实施例的电极也可具有其它形状，诸如板形、盘形、锥形、椭圆形横截面和其它可能的形状。本发明的电极也可以是用于对面板、轴套轴颈或锥形轴承的电极。

本发明的电极的某些实施例具有位于电极的外部介电(非导电)表面之下的电极导电表面。发明人发现相对于工件零件制造，本发明的实施例的电极具有显著的优点。它允许外部电极表面与工件零件之间的加工间隙减至零。加工间隙的减小导致零件上的最终凹槽宽度的减小。加工间隙的减小进而允许在ECM处理期间增加工件零件上单位面积的凹槽密度并增加凹槽壁的平直度，它们都是良好轴承性能所需的参数。

本发明的实施例的电极可通过用于制造EMC电极的精确特征的加工的微米级或纳米级方法、或者通过使用激光或可选择性地聚焦于所需特征或区域的其它电磁辐射的直接材料积累(buildup)(图12)或去除(图9、10)来制造，如下：

选择1：使用高能量超细液体喷射的机械加工工艺可被用来加工凹槽区域中的材料。可控制喷射直径和加工轨迹以获得相应的特征宽度。

选择2：使用超快激光的纳米级加工：能以极高的强度使用超短脉冲激光以选择性地将特征烧蚀成小至20纳米(图6)。

选择3：直接材料积累：该方法通过涂覆可使用该聚焦的能量束来接合、电镀、固化或活性催化的各种绝缘层(图10、11)或导电层(图13)开始。这些材料特性仅在暴露于变化阈值之上的能级的区域中变化。因为这种能量可被聚焦、引导、以及在多维中在强度上改变的能力，并且具有非常高的精确度和分辨率，所以可形成高复杂性和精度的单个或多个电极结构。所使用的材料可以是光敏激活的聚合物、单体或最初作为液体、粉末(固体)或气体来涂覆的其它材料。通过涂覆并激活连续薄层内的这些材料，并且每一层集成或接合到每一底层中，所得的结构可以在多维中改变并具有多个特性。

选择4：直接材料去除(烧蚀)：激光或电磁能量源可被用来直接去除(烧蚀)材料。它可被用来在材料积累(参见选择3)之前准备或加工表面或结构，或者在材料积累(图8)之后的精加工或材料去除。

这些方法也可被应用来加工诸如回流孔和凹槽等精确特征。这些方法的某些优点包括：

1.这些工艺可加工50nm宽度的范围内的极其细微的特征。这允许更高的沟槽密度。

2.这些工艺相对清洁。

3.与用于制造电极的现有工艺相比，这些工艺可更具可再现性。

4.这些工艺与光刻掩模和化学或活性蚀刻的不同之处在于：与光刻掩模工艺相比，它减少了工艺步骤数。

5.这些工艺允许制造用其它技术难以或不可能制成的多维结构形状。例如，顶部的更细微的槽脊宽度，以及朝向底部增加的特征宽度。在此，槽脊根部可被制成基本上比槽脊顶部宽。这为暴露于顶部的窄槽脊提供结构强度。这不能通过常规的铣削工艺来实现。

6.这些工艺允许在电极、电动机元件或任何其它元件中制造微米或纳米级特征。

发明人已成功地将本发明的实施例的电极制造成具有约为10到12微米的最小电极特征尺寸，并在ECM工艺中测试以在约为20到50微米的工件零件上以约为5到20微米的间隙制造最小凹槽宽度。

例如，各实施例的电极也可如下所述地制造：

步骤1：在空心导电块上的介电层中的形成凹槽图案。

选择(a)：在导电块上涂覆介电层。通过激光烧蚀介电层的部分以形成高达导体块表面或凹陷于导体块内的凹槽。如果介电层具有比导电块低的烧蚀阈值，则对导体块以最小位移烧蚀介电层。如果介电层具有比导电块高的烧蚀阈值，则凹槽形成可通过使用聚焦的激光束对导体块的导体材料的***或去除来完成，从而在凹槽图案区域中同时去除导电材料及其上的介电材料。

选择(b)：在导电块上涂覆光敏单体或者可通过激光或日光或其它聚焦的能量源来固化的任何材料。聚合光敏单体或其它材料以在导体块上形成介电层。通过激光烧蚀介电层的部分以形成高达导体块表面或凹陷于导体块内的凹槽。如果介电层具有比导电块低的烧蚀阈值，则对导体块以最小位移烧蚀介电层。如果介电层的介电材料具有比导电块高的烧蚀阈值，则凹槽形成可通过使用聚焦的激光束对导电块的导电材料的***或去除来完成，从而在凹槽图案区域中同时移除导电材料及其上的介电材料。

步骤2：在凹槽图案中沉积金属。使用介电层来用作电镀掩模，通过电解或化学方法电镀凹槽图案中的凹槽，以用导电材料填充凹槽并在电极上形成齐平表面(图13)。

例如，各实施例的电极也可如下所述地制造：

步骤1：在空心导电块中形成凹槽图案。在导体块的表面上对凹槽进行激光加工。

步骤2：在凹槽图案中形成介电材料。在具有空心芯的导电块上涂覆光敏单体或者可通过激光或日光固化的任何材料，以便填充凹槽图案的凹槽。聚合光敏单体或其它材料以固化介电材料并在电极上形成齐平表面。

通过本发明的实施例的这些方法，电极可具有20微米或更小、更佳地为11微米或更小的特征宽度的凹槽。凹槽图案中的介电材料或凹槽之间的槽脊区(图8)也可具有曲面以ECM处理期间在通过在工件中聚焦或形成电场而在工件中形成凹槽期间防止过烧。

图5特别示出了用于使用本发明的实施例的ECM电极在工件中形成凹槽的装置。诸如图2D所示的工件放置于机架300内；如可以见到的，机架300被构造成限定具有贯穿其中心的一对电极304的腔体302。当工件200放被置于腔体302中时，它通常牢固地适当夹持在构架件306的边缘内。可沿轴310轴向移动的电极304各自包括：与轮毂200的内部锥体210和212配合的锥形区312；以及从锥形区的窄端延伸出、与内部轮毂轴颈214和242分别配合的轴颈区314。

当工件200被放置于机架300中时，电极304沿轴310来回移动，直到形成了每一电极与工件的刮削面之间的间隙。如在图中概括性地示出的，可以看到，电极304的每一个都带有将施加于工件200的锥形区201、212和轴颈区214、216的内表面上的图案。也可容易地明白，剩余的问题是精确地设定可移动电极与被适当夹持在机架中的工件200之间的、必须以微米来测量的间隙，并且在高速的基础上快速并重复地完成这一过程。

在本发明的其它变体中，使用相反的ECM极性将改变电荷流经电解液的方向。因此，可侵蚀导电块上的槽脊。这种工艺可被控制成使槽脊以所需量凹陷于绝缘表面之下。能以紧密的加工间隙使用这种电极，以便最小化过烧。

在本申请中，词“包含”表示一材料包括在词“包含”之前的元素或化合物，但是该材料仍可包括其它元素或化合物。本申请在文本和附图中公开了若干数值范围。即使本说明书中并未逐字陈述精确的范围限制，但所公开的数值范围本质上支持落在所公开的数值范围内的任意范围或值，因为本发明可在所公开的全部数值范围中实现。

以上所提供的描述使得本领域技术人员可进行或使用本发明，并且是在特定应用及其要求的上下文中提供的。对优选实施例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文所定义的一般原理可应用于其它实施例和应用中而不背离本发明的精神和范围。因而，本发明并不旨在限于所示的实施例，而是依照与本文所公开的原理和特征相一致的最宽泛的范围。最后，本申请中所涉及的专利公开和出版物的全部内容通过引用结合于此。

Claims (25)

1.一种包括导电块的电化加工电极，所述导电块具有穿过所述导电块以形成所述导电块的空心部分的第一开口和穿过所述导电块的第二开口，所述第二开口从所述第一开口横穿到所述导电块的表面。

2.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述第一开口不包含实心塞，并且所述第二开口被构造成允许流体流过所述第二开口。

3.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述第一开口包含由非导电材料构成的实心塞。

4.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极被构造成通过电化加工工艺在工件上形成凹槽图案。

5.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述导电块的表面包括由具有25微米或更小的特征宽度的凹槽构成的凹槽图案。

6.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述导电块的表面包括由具有12微米或更小的特征宽度的凹槽构成的凹槽图案。

7.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述第一开口和所述第二开口不包含介电材料。

8.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极被构造成以基本上为零的加工间隙且在不产生电弧的情况下在工件中形成凹槽图案。

9.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述电极是对面板电极、轴套轴颈电极或锥形轴承电极。

10.如权利要求1所述的电极，其特征在于，所述导体块的表面包括由凹槽和凹槽之间的平面或刨面的非平面槽脊构成的凹槽图案。

11.一种制造电化加工电极的方法，包括

通过具有纳秒或更少的脉冲时间的激光或聚焦的能量束烧蚀所述导电块上的介电层的部分来在所述介电层中形成凹槽图案；以及

在所述凹槽图案中沉积金属。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述介电层具有比所述导电块的导电材料低的烧蚀阈值。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述激光烧蚀是在基本上不烧蚀所述导电块的导电材料的情况下执行的。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述介电层具有比所述导电块的导电材料高的烧蚀阈值。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述激光烧蚀是通过所述导电块的导电材料的***和去除来执行的，使得同时去除所述导电材料和覆盖所述凹槽图案区域的介电层的介电材料。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括聚合单体以形成所述介电层，其中所述单体是光敏单体。

17.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述激光或聚焦的能量束激活绝缘材料并使所述绝缘材料在所述电极的导电部分上方膨胀，从而形成绝缘支座。

18.一种制造电极的方法，包括：通过烧蚀导电块的部分而在所述导电块的表面上形成凹槽图案；以及在所述凹槽图案中形成介电材料，其中所述凹槽图案中的介电材料或凹槽之间的非平面槽脊具有曲面。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述凹槽具有20微米或更小的特征宽度。

20.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述烧蚀是用具有小于100皮秒的脉冲时间的激光进行的。

21.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述烧蚀是用具有在1皮秒到1飞秒之间的脉冲时间的激光进行的。

22.一种包括包含用于流体动力轴承的凹槽的凹槽图案的工件，所述凹槽图案具有小于100微米的间距，并且所述凹槽具有基本上垂直的壁，其中所述基本上垂直的壁是由具有凸面槽脊的电极来形成的。

23.如权利要求22所述的工件，其特征在于，所述凹槽图案具有10微米或更小的特征宽度。

24.如权利要求22所述的工件，其特征在于，所述凹槽图案具有以5微米或更小为间隔的20微米或更小的特征宽度。

25.如权利要求22所述的工件，其特征在于，所述工件是对面板、轴套轴颈或锥形轴承。

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