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Master's Thesis / 修士論文
単軸圧縮加工による超平滑面創成における
工具表面膜の影響
宮本, 達馬
三重大学, 2014.
三重大学大学院工学研究科博士前期課程物理工学専攻ナノプロセッシング研究室
http://hdl.handle.net/10076/14161
平成 2
5年度修士論文
単軸圧縮加工による超平滑面創成
における工具表面膜の影響
指導教員松井正仁
三重大学大学院工学研究科博士前期課程
物理工学専攻
ナノプロセッシング研究室
宮本達馬
准教授
目次
第 1章
第 2章
緒論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ l
実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
2
.
1 供試材と試験片・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
2
.
2 圧縮試験工具の製作
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
3
2
.
3 圧縮試験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
3
2
.
3
.
1 カーボン蒸着・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
5
2
.
3
.
2 DLC コーテイング・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
2
.
3
.
3 圧縮試験装置・・
• 1
6
2
.
3.
4 圧縮試験条件・・
・1
7
2
.
3
.
5 圧縮試験手順・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
7
2.
4 触針式表面粗さ計 (
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
4
0
0
)による評価方法・・・・・・・・・・・・・・ 1
8
2
.
5 原子問力顕微鏡 (
AFM)による観察方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21
2
.
5
.
1 装置と原理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 2
1
2
.
5
.
2 観察の手順と条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 24
2
.
6 工具表面のカーボン蒸着膜剥離面積率の測定・・・・・・・・・・・・・・・・ 26
FEM)解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 28
2
.
7 有限要素法(
2
.
7
.
1 解析モデ、ルと条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 28
2
.
7
.
2 摩擦係数μの決定方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29
sと工具接触面圧 p の計算・・・・・・・・・・・・・・・・ 30
2
.
7
.
3 相対すべり量 L
第 3章
カーボン蒸着工具を用いた圧縮加工による平滑化挙動・・・・・・・・ 3
1
3
.
1 圧縮率と表面粗さの関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
1
AFM)による表面の観察と評価・. . ... ... ..・・・・・ 35
3
.
2 原子間力顕微鏡 (
FEM)解析結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5
1
3
.
3 有限要素法 (
第 4章
DLC コーテイング工具を用いた圧縮加工による平滑化挙動・・・・・・ 57
4
.
1 圧縮率と表面粗さの関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 57
AFM)による表面の観察と評価・. . . .. . .. ..・・・・・ 6
0
4
.
2 原子間力顕微鏡(
4
.
3 有限要素法 (
FEM)解析結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6
9
第 5章加工品表面のフラクタル解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
5
5
.
1 フラクタノレの百見明・
• 75
5
.
2 フラクタル次元の決定法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76
5
.
2
.
1 零点集合次元・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
7
5
.
2
.
2 パワースベクトル次元・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 7
8
5
.
3 AFM システムにおけるフラクタル次元の測定法・・・・・・・・・・・・・・・ 8
1
5
.
3
.
1 零点集合次元 Dzの測定法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8
1
5
.
3
.
2 パワースベクトル次元 Dj，
sの測定法・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 8
3
5.
4 カーボン蒸着工具における解析結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 84
5.
4.
1 零点集合次元 Dzによる加工品表面の解析結果・・・・・・・・・・・・・・ 84
5.
4.
2 パワースベクトル次元 D/，，)' による加工品表面の解析結果・・・・・・・・・ 89
5
.
5 DLC コーティング工具における解析結果
・・・・・・・・・・・・・・・ 1
0
2
5
.
5
.
1 零点集合次元 Dzによる加工品表面の解析結果・・・・・・・・・・・・・ 1
0
2
sによる加工品表面の解析結果・・
5
.
5
.
2 パワースベクトル次元 Dj，
第 6章
参考文献
•1
0
5
結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
0
8
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1
1
0
謝辞・・・・. . . .. . . . . . . . . . . .. .. . . . . . . . . . . .・・・ 1]
2
第 1章緒論
物理学者リチヤード・ P ・ファインマン (1) が今から約 50年前に可能性を説いた，ナノメ
ートルオーダーで、の加工技術「ナノテクノロジー」は，近年に見られる技術の発展を経て
我々の生活に欠かせない身近な用語となった.その背景として挙げられるのは，半導体，
小型燃料電池，バイオ・医療機器，構造・機能材料などの様々な分野におけるナノテクノ
ロジーの使用や，ナノメートルオーダーの加工技術を必要とする機械部品，半導体デバイ
スなどの工業製品において，高精度かっ高品位な超平滑面の需要増加に伴った，加工技術
の発展に対する期待の高まりなどである.
近年見られるものづくりの微小化，高精度化，高品位化に伴い，低コスト，大量生産が
可能な塑性加工に対して「ナノレベルにおける塑性加工」への期待が高まっている.低コ
スト大量生産が可能な理由として，塑性加工における材料の歩留り，省資源，生産速度，
材質改善性，加工精度等の利点があげられる.また塑性加工を用いてナノメートルオーダ
ーの加工を行うことができれば加工方法の選択肢も広がり，ものづくりのプロセスに選択
肢の幅をもたせることができる.これまで金属表面の平滑化に関する研究は，池山らの塑性
加工のトライボロジー現象と微細表面形状の加工との関連に関する研究，中野ら(3)の Niめ
っき銅線の引き抜き加工における表面光沢に及ぼす摩擦係数とダイス面圧の影響に関する
4
)の金属表面の微小な塑性変形を利用した仕上げ加工における最適な加工条件
研究，田中ら (
に関する研究，梶野ら (5)による微小段付きダイスを用いて棒材表面を平滑化する研究，安部
らゆ)の超高張力鋼板に対して穴抜き加工された破断面に平滑加工を施すことによる穴広げ
性の向上とその最適な加工条件に関する研究，高田ら (7)による高速回転するバニジング工具
を用いて金属表面を擦過，撹件し，用いる工具の先端形状が表面組さに及ぼす影響を調べ
る研究，王ら (8)の金属表面の塑性変形による仕上げ加工を伴う押し出し形摩擦試験法を用い
た潤滑被膜の特性評価に関する研究， H.
J
.L
iら(9)のアルミニウムを単軸圧縮するときの潤滑
剤の有無が表面組さに及ぼす影響を調べる研究， H
.B.Xieら(10)の鋼を冷間圧延するときの板
厚減少率などの表面粗さへの影響に関する研究等が行われている.
これまでにナノプロセッシング研究室では塑性加工の中でも最も基本的な加工法である
単軸圧縮加工における超平滑面の創成を目的とし，様々な研究を行ってきた.服部 (11)は圧
縮加工で用いられる工具表面の仕上げ法および、評価法の確立を行った.大野 (12)は工具の研
磨方法を改善，アルミニウムおよび無酸素銅の圧縮加工における粗さの評価および表面の
凹凸形状の評価に用いるナノメートルスケールで表面を再現できる 3 次元コンビュータシ
1(13)は無酸素銅の圧縮加工における平滑化現象と相対
ミュレーションの開発を行った.井)1
変位量の関係についての検討を行った.また，フラクタル解析におけるプログラム処理の
改良を行った.戸田 (14)は試験片形状を帯板状から円板状に変更し，圧縮後の試験片表面の
評価や相対すべり量と平滑化の関係を検討した.山口(15)は圧縮率を大きくした場合の試験
片の平滑挙動について検討し，潤滑剤を変更した際の試験片表面への影響について解析し
2
た.小川 1(16)は従来の工具よりも表面粗さの大きい工具を用いて圧縮実験を行い，工具の表
面粗さが平滑化に及ぼす影響について検討した.赤塚 (17)は工具表面に蒸着するカーボン蒸
=10nmと 20nmについてアルミニ
着膜の膜厚の違いによる影響を調べるため，蒸着膜厚さ t
ウムの圧縮加工を行った.
本研究ではアルミニウム焼なまし材 AI050・0 に対して，蒸着膜の膜厚の違いによる影響
を調べるため，算術平均粗さ Ra=10nmの工具についてカーボン蒸着膜厚さ t
=
40nm (
t
3
)
の工具を用いて圧縮加工を行い，従来の蒸着膜厚さ t
=
20nm (
t
2
) の工具を用いた結果との
比較を行った.また工具表面膜の違いが超平滑面の創成に及ぼす影響を調べるため，表面
に潤滑剤として DLC(DiamondLikeCarbon)をコーティングした工具を用いて単軸圧縮加工
を施し，カーボン蒸着工具(
t
3
)を用いた実験結果との比較を行った.実験結果の検討では，
触針式表面粗さ計を用いて工具および圧縮前後の試験片表面を算術平均粗さ凡によって評
価した.また，原子問力顕微鏡(AFM)を用いた試験片表面の観察による粗さの評価を行い，
有限要素法(FEM)解析を用いて工具と材料開の相対すべり量と面圧を求め，相対すべり量を
平滑度の関係，面圧と平滑度の関係を検討した.また，工具および試験片表面の凹凸形状
の複雑さについて検討するために，工具と試験片表面のフラクタル解析による評価も行っ
た.
3
第 2章
実験方法
本研究では，アルミニウム焼なまし材の円板試験片を用いた圧縮試験を行った.使用し
た工具は表面粗さ Ra=10nmのもので，膜厚t=
40nmのカーボン蒸着膜もしくは膜厚t=100nm
の DLCコーテイング膜を被膜した.圧縮試験前後の試験片表面を触針式表面粗さ計および
原子間力顕微鏡 (AFM)で測定して異なる膜腫の工具表面膜が試験片表面に及ぼす影響につ
いて評価を行った.そして，有限要素法 (FEM)解析を用いて超平滑面創成挙動に影響を及ぼ
す因子の一つである材料流動量の違いによる平滑化への影響を調査した.
本章では，実験方法および、各解析の具体的手順についての詳細を示す.
2
.
1 供試材と試験片
.
1こ
，
本実験では供試材としてアルミニウム引抜き材 (A1050BD-H14) を用いた. Table 2
化学成分を示す.
試験片は直径 15mmの棒材より，直径 7mm，高さ 10mmの円筒を旋削し，マイクロソー(笠
井商工株式会社製， RCA-005)を用いて板厚が 1mmになるように切断し， #1500のサンドペ
ーパーと粒径 3μm のアルミナ(株式会社フジミインコーポレーテッド製)を砥粒としたナイ
ロンクロス(リファインテック株式会社製，直径 200mm)で、圧縮表面を研磨して板厚を 0.8mm
として試験片とした.以下に試験片の研磨手順， F
i
g
.
2
.
1 ，こ試験片の寸法を示す.
(
1
) #1500のサンドペーパーによる研磨
1
. 試料研磨機(リファインテック株式会社製)にサンドペーパーをしわがでないように
固定し，サンドペーパーに蒸留水を一滴たらし，指で薄く伸ばして均一に広げる.
2
. エタノールで、脱脂した試験片を F
i
g
.
2
.
2に示した治具にセットする.その様子を F
i
g
.
2
.
3 に示す.試験片をセットする穴の深さは直径 7mm，高さ 6.5mmの円柱を移動さ
せることによって変更可能なので， Fig.2.2に示す矢印の部分を適度に押さえて調整
する.
3
. 軽くサンドペーパーに押し付けながら円を描くように 5分程度研磨する.このとき，
試験片表面を均一に研磨するために工具を時々回転させる.順当に研磨されている
とジャリジャリとしづ研磨音がして，研磨を行った範囲が黒っぽい灰色になる.そ
の様子を Fig.2.4に示す.
4
. 研磨後，試験片をエタノールで、脱脂し，目視によって大きな傷等がないか確認する.
5
. 傷等が無ければ，試験片を治具から外し，試験片の裏側も同じように治具にセット
し，研磨する.
6
.
その後，マイクロメータを用いて板厚が 0
.
8
3:
t0.Olmmになっているかを確認し，不
卜分なら再び研磨する.研磨後は試験片を取り付けていた治具はエタノールで、脱脂
する.
4
(
2
) ナイロンパフ研磨
蒸留水で湿らせたナイロンクロスを試料研磨機の台にセットする. その様子を F
i
g
.
2
.
5に示す.
2
. ナイロンクロス上に Fig.2.6に示す粒径 3μmのアルミナ砥粒を二滴ほどたらす.
3
. エタノールで、脱脂した試験片をセットした治具を軽くナイロンクロスに押し付けな
がら円を描くように 1
0分程度研磨する.この際，サンドペーパーの時と同様に F
i
g
.
2
.
2
に示す矢印の部分を適度に押さえて調整する.
4
. 研磨後，試験片をエタノールで、脱脂し，目視によって大きな傷等がないか確認する.
5
. 傷等が無ければ，試験片を治具から外し，試験片の裏側も同じように治具にセット
し，研磨する.
.
8
0:
t0.02mmになっているかを確認し，不十分なら
6
. マイクロメータを用いて板厚が 0
再び研磨する.
7
. 研磨後，試験片を取り付けていた治具はエタノールで脱脂する.使用したナイロン
クロスは試料研磨機から外し，蒸留水で研磨剤を洗い流す.
8
. その後，触針式表面粗さ計(ミットヨ製
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
・4
0
0
)で試験片の測定を行い，最
大高さ組さ R
z
=
0
.
6:
t0
.
1μ
f
f
i，算術平均粗さん =0.08:
t0.01μmになっていることを確認
i
g
.
2
.
7に試験片初期表面の AFM像の例を示
し，不十分であれば再度研磨を行う. F
す.
作成した試験片に焼なまし処理を施した.焼なまし処理は
試験片をアルミホイルで、包
0
み，カンタル士甘桶炉(東海高熱工業株式会社製)を用いて 360C以上に保温した状態で 1時間
加熱し，その後室温で冷却した.
T
a
b
l
e
.
2
.
1 アルミニウム引抜き材(A1050BD-H14)の化学成分
F
i
g
.
2
.
1 試験片の寸法
N0.0日明 ∞.0
O7-8.05
5
φ24
φ7
山
一
.
ト
F
i
g
.
2
.
2 治具
F
i
g
.
2
.
3 試験片と冶具
F
i
g
.
2
.
5 ナイロンパフの台
F
i
g
.
2.
4 研磨中の工具表面 (WA#1500)
F
i
g
.
2
.
6 粒径 3μmのアノレミナ砥粒
6
、
令
000
∞x20∞lμm] Z 000・ 100000[nm]
20
(
a
)
3次元像
守
ハ
リ
ハ
リ
dA
ハリハU
ハりハU
バU
、
戸自ロ¥
る300
a200
100
。
H
o
r
i
z
o
n
t
a
lp
o
s
i
t
i
o
n/μm
(
b
)断面曲線
F
i
g
.
2
.
7 試験片初期表面の AFM像の例
(
e
c
=O%，SR=20μm)
7
2
.
2 圧縮試験工具の製作
F
i
g
.
2
.
8に圧縮試験に用いた工具 (Ra=10nm) の製作手順と各工程終了後の圧縮部表面の
算術平均粗さ九の目安を示す.
(
2
)
L
a
p
p
i
n
g
ゆ￨
WA
岸1
200
Alumina
13um
1
0
m
i
n
u
t
e
s
Ra=
O
.
lμm
l
)
G
r
i
n
d
i
n
g
(Asr
e
c
e
i
v
e
d
)
(
3
)
L
a
p
p
i
n
g
(
4
)
L
a
p
p
i
n
g
WA
者4
000
Alumina
3um
1
5
m
i
n
u
t
e
s
Ra=
0
.
0
3μm
WA
非8
000
Alumina
1um
(
2
)
(
1
)
5
m
i
n
u
t
e
s
Ra=
O
.
O
lμm
(
4
)
(
3
)
F
i
g
.
2
.
8工具の製作手順
F
i
g
.
2
.
8に示した(1)'
"
"
(
4
)の各工程についての詳細を以下に示す.
(1)研磨前
i
g
.2
.
9に工具の寸法を示す.工具は SKD11
工具の製作はオネストン株式会社に依頼した.F
鋼，焼き入れ硬さ HRC60'""62であり，納入時には表面に研削を施した状態で、あった.この
ときの工具表面の最大高さ粗さは Rz
=
0
.
9
5μmである.
O158
.
0
2
咽
.
ー
-
a
O158
.
0
2
C
や〉j
r
、
(
a
)上工具
(b)下工具
F
i
g
.
2
.
9 工具の寸法
(
2
)ラッピング(WA#1200)
i
g
.
2.
10に使用する物の外観を示す.
製作手順を以下に示す. F
1
. エタノールで、脱脂した WA#1200用の定盤の上に研磨砥粒である WA#1200のアルミナ
(株式会社フジミインコーポレーテッド製)を少量のせる.
2
. 研磨液である洗油(灯油)をアルミナと 1対 20程度の割合で供給し，指でよく混ぜ薄く伸
ばして均一に広げる.
8
3
. エタノーノレで脱脂した工具を軽く定盤に押し付けながら円を描くように 1
0分程度研磨
する.このとき，工具表面を均一に研磨するために工具を時々回転させる.また，工具
と定盤の聞にほこり等が入ると工具表面に影響を与えるので，定盤上にほこり等が付か
ないように注意する.研磨中に必要以上に力が必要となる，引っかかるような感じを受
けるというときには，アルミナ砥粒と洗油の割合が良くないか，工具と定盤の聞にほこ
りが入ったということが考えられる.このようなときは工具表面が傷付いて研磨がうま
くし、かないことがあるので，工具表面，定盤をエタノールでよく脱脂し，ラップ加工を
やり直す.なお，順当に研磨されているとシャリシャリという研磨音がして，研磨を行
i
g
.
2
.
1
1に示すように工具表面に木の枝のような模様
った範囲が黒っぽし、灰色になり， F
が出来る.
4
. 研磨後，工具をエタノールで、脱脂し，目視によって大きな傷等がなし、か確認する.その
後，触針式表面粗さ計(ミットヨ製
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
4
0
0
)で測定を行い，Rz=0.30μm 以下，
Ra=0.10μm以下になっていることを確認し，不十分であれば再度ラップ加工を行う.F
i
g
.
2
.
1
2に研磨後の工具表面を示す.
5
. 研磨が終了した後，定盤をエタノールで、よく脱脂してからマシン油(出光興産
G・4
6
)を
供給し，指で薄く伸ばして定盤全体に均一に広げる.F
i
g
.2
.
1
3にマシン油の外観を示す.
(
的W A岸1200用の定盤
(b)WA#1200のアルミナ砥粒
F
i
g
.
2
.
1
0 用意する物 (WA#1200)
F
i
g
.2.
]1 研磨中の工具表面 (WA#1
2
0
0
)
(
c
)洗油
9
F
i
g
.
2
.
1
2 研磨後の工具表面 (WA#1200)
F
i
g
.
2
.
1
3 マシン油
(
3
)ラッピング何1A#4000)
製作手順を以下に示す F
i
g
.
2
.
1
4に使用する物の外観を示す.
1
. エタノールで、脱脂した WA#4000用の定盤の上に研磨砥粒である WA#4000のアルミナ
(株式会社フジミインコーポレーテッド製)をごく少量のせる.
2
. 研磨液であるスピンドル油 (TRUSCO製 TO・S
P
1
0
)を指先につけてからそれぞれを指
で均一になるようによく混ぜて薄く広げる.スピンドル油は多すぎ、ないように容器の
縁できって調整する.ここで，アノレミナ砥粒とスピンドル油は 1対 20程度の割合とす
る.
3
. その後，エタノールで、脱脂した工具を軽く定盤に押し付けながら円を描くように 5 分
程度研磨する.このとき， (
2
)と同様に工具表面を均一に研磨するために工具を時々回
転させる.また，工具と定盤の聞にほこり等が入ると工具表面に影響を与えるので，
定盤上にほこり等が付かないように注意する.研磨中に必要以上に力が必要となる，
または引っかかるような感じを受ける，というときにはアルミナ砥粒と油の割合が良
くないか，工具と定盤の聞にほこりが入ったということが考えられる.このようなと
きは工具表面が傷付き研磨がうまくし、かないことがあるので，工具表面，定盤をエタ
11
ハ
υ
ノールでよく脱脂し，ラップ加工をやり直す.なお，順当に研磨されているとシャリ
シャリとしづ研磨音がして，研磨を行った範囲が黒っぽい灰色になり，工具表面に木
の枝のような模様が出来る.その様子を F
i
g
.
2
.
1
5に示す.
4
. 5分以上研磨すると定盤上のスピンドノレ油の油膜が薄くなり，工具表面と定盤が直接接
触して工具表面に傷ができる原因になるので，新たにスピンドル油を少量付け足して
面積が 3倍程度になるように薄く伸ばしてから再び 5
"
'
1
0分間研磨を行う.このとき，
工具表面を均一に研磨するために工具を時々回転させる.また，工具と定盤の聞にほ
こり等が入ると工具表面に影響を与えるので，定盤上にほこり等が付かないように注
意する.
5
. 研磨後，目視して表面が十分に平滑化されていないようであれば，定盤を脱脂し再び
W A岸4000のラップ加工を行う.目視によって目標通りの平滑化が成されており，大き
な傷等がないことが確認できれば，工具表面をエタノールで、脱脂する.その後，表面
粗さ計で Rz
=0
.
1
0μm以下になっていることを確認する.さらに算術平均粗さんにおい
てもん=0.03μm という基準を定め，二つの値がどちらも基準を満たしているかを確認
することとした.ここで，粗さの基準を満たしていないようであれば再度ラップ加工
を行う. F
i
g
.
2.
16に研磨後の工具表面を示す.
6
. 研磨が終了した後，定盤をエタノーノレでよく脱脂してからマシン油を供給し，指で薄
く伸ばして定盤全体に均一に広げる.
(
めWA#4000用の定盤
(b)WA#4000のアルミナ砥粒
F
i
g
.
2
.
1
4 用意する物(WA#4000)
F
i
g
.
2
.
1
5 研磨中の工具表面(WA#4000)
(
c
)スピンドノレ油
1
1
F
i
g
.
2
.
1
6 研磨後の工具表面 (WA#4000)
(
4
)ラッピング(WA再8
0
0
0
)
WA#8000 のアルミナ砥粒を用いてラップ加工を行う.製作手順を以下に示す. F
i
g
.2
.
1
7
に使用する物の外観を示す.
1
. WA#8000で使用する定盤の上にアルミホイルをしわができないように敷いて，ゴムで
固定する.
2
. 次に， W A岸8000の定盤の上に WA#8000のアルミナ(株式会社フジミインコーポレーテ
ッド製)をごく少量，蒸留水と家庭用洗剤を 20対 1程度に混ぜたものと蒸留水を 1滴た
らし，指で均一になるように混ぜて薄く広げていく.
3
. その後，エタノーノレで、脱脂した工具を軽く定盤に押し付けながら円を描くように 5 分
程度研磨する.このとき，工具表面を均一に研磨するために工具を時々回転させる.
また工具と定盤の聞にほこり等が入ると工具表面に影響を与えるので，定盤上にほこ
り等が付かないように注意する.
4
. 研磨後，目視して表面が十分に平滑化されていないようであれば，定盤の場所を変え
て再び WA#8000のラップ加工を行う.目視によって目標通りの平滑化が成されており，
大きな傷等がないことが確認できれば，工具表面をエタノールで、脱脂する.その後，
表面粗さ計で Rz王子 0.06μm，Ra王子 0.01μmとなっていれば完成である.ただし，高さ 7mm
の下工具については，Ra ，Rzが目標の値に達していたなら原子間力顕微鏡(AFM)でも
測定し，RZ
a
e壬0.02μm CSR
=2
0μm) となっていることを確認する.
壬0.08μm，R
e
5
.
ここで，粗さの基準を満たしていないようであれば再度ラップ加工を行う.研磨後の
i
g
.
2
.
1
8に，表面の AFM像を F
i
g
.
2
.
1
9に，表面の AFM像から得た断面
工具の外観を F
曲線を F
i
g
.
2
.
2
0に示す.
1
2
(a)WA#8000用の定盤
(b)WA#8000のアルミナ砥粒
F
i
g
.
2
.
1
7 用意する物 (WA#8000)
18研磨後の工具表面
F
i
g
.
2.
000
2
0.
0
0x2
0.
0
0[~m]
Z00
0-7
0
0.
0
0[
n
m
]
F
i
g
.
2.
19 工具表面の AFM像
1
3
ハ
リ
ハリハυハVAUAUAUハUAUAUAVAU
5432112345
gロ¥材現
z
z
5
10
1
5
H
o
r
i
z
o
n
t
a
lp
o
s
i
t
i
o
n/μm
20
F
i
g
.
2
.
2
0 工具表面の断面曲線
2
.
3 圧縮試験
圧縮試験では，工具表面にカーボン蒸着を施した工具と DLC Cダイヤモンドライクカー
ボン)を施した工具を使用した.
2ふ 1 カーボン蒸着
工タノールによって脱脂した工具表面にカーボン蒸着を行うにあたり使用したカーボン
蒸着装置およびその手順を以下に示す.カーボン蒸着は真空蒸着用カーボン(日新 EM株式
会社
φ5X100mm)を真空蒸着装置(明石製作所製)を用いて真空蒸着した.真空蒸着装置の
外観を F
i
g
.
2
.
2
1に示す.
(
1
) 試料のセット
床にある青いハンドルを回し冷却用水を流す.電源を入れ，全てのバルブが閉まってい
るのを確認する. MAIN，R
.
P
.のボタンを入れバルブ③を聞き， D
.
P
.ボタンを入れ 1
3
'
"
'
'1
5分
待つ.バルブ①，②が閉まっているのを確認しバルブ④をゆっくり開く.ベルジャーと本
体の隙聞を埋めるため必要に応じて真空グリースを塗布する.D
.Pオイルライオン Sを染み
込ませた紙を置く.試料をシャッターに当たらないように高さを調整してセットする.こ
のとき 10mm 四方にカットした板ガラスに表面の半分をセロハンテープでマスキングした
ものを試料と共にセットする.これは蒸着後に膜厚の測定で用いる.炭素棒を F
i
g
.2
.
2
2の
ようにセットしベルジャーを閉める.炭素棒はグラインダー(目立工機製)を用いて 13mm
程度の針状 C
F
i
g
.
2
.
2
3参照)に削る.この時，折れない程度になるべく細くすると蒸着が成
功しやすい.
(
2
) 荒引きおよび本引き
バルブ、④を閉めバルブ ①が閉まっているのを確認しバルブ③を閉めてからバルブ②を開
F
け，真空室の荒引きをする.真空ポンプの荒引きの音が消えるまで待ち，真空度を確認す
.
S
.ボタンを押し放電光が青紫色になるのを確認する.バルブ②を閉めバルブ③，
るため V
①の順に開け，本引きをする. V
.
S
.ボタンを押し放電光が透明になるのを確認しその後
1
0分程度待つ.
1
4
(
3
) 蒸着操作
EVAP.ボタン， G
.
S
.スイッチのI
}
頃に入れ E
.
S
.つまみを 2にする.炭素棒が切れ工具に落ち
ることがあるので、必ずシャッターを閉める. V.A.ノブを回し電流を 10A未満に上げ数秒待
0
'
"
'
'
4
0
A
ち，更に炭素棒が赤くなるまで電流を上げる.シャッターを開けると同時に電流を 3
程度まで上げ，蒸着させる.任意の膜厚になるように蒸着させるためには，蒸着させる秒
数ではなく，蒸着膜の色の濃淡での判断が有効である.電流を 3
0
'
"
'
'
4
0
A程度まで上げた後，
火花が散りだしてから 1
'
"
'
'
2秒で V.A.ノブ， E
.
S
.つまみ， G
.
S
.，EVAP.を戻し，一度膜の色
を確認して色が薄ければ再度電流を上げて蒸着するという操作を繰り返すと，任意の膜厚
0秒程度蒸着すると膜厚が約 20nm，20
に仕上げ易くなる.目安として，電流を上げた後 1
秒程度蒸着すると膜厚が約 40nm となる.炭素棒は 30秒程度で溶けて無くなってしまうの
で，これらの作業は手早く終わらせなければならない.
(
4
) 試料の取り出し
V.A.ノブを戻し E
.
S
.つまみを 0にした後 O
.
S
.，EVAP.の順にスイッチを切る.試料交換を
する場合はバノレブ①を閉め (
2
) を行う.
(
5
) 装置の停止
バルブ①を閉め (
2
) に従ってベルジャー内から試料，炭素棒を取り出してガラスやステ
ージ等をアセトンで清掃する. (
3
) (
4
) の操作を行って真空にしバルブ①を閉めた後 D
.
P
.
ボタンを切り 1
5
'
"
'
'
3
0分待つ.バルブ③を閉めバルブ⑤を開き R
.
P
.の排気音を確認し R
.
P
.ボ
タンを切る.バルブ⑤以外が閉まっているのを確認し MAINボタンを切る.拡散ポンプの
ボイラーが十分に冷えるまで冷却用水を 30分程度流しておく.冷却用水を止め電源を切り
バノレブ⑤を閉める.
(
6
) 工具膜厚の測定
試料と共に蒸着を行った板ガラスのセロハンテープを剥がし， AFMにて蒸着後の表面と
マスキングされていた表面との境目を測定する.このとき高低差が 40nm以上 60nm以下と
なっていることを確認し，完成とする.
F
i
g
.
2
.
2
1 真空蒸着装置の外観
1
5
低劃川 NV
13mm
F
i
g
.
2
.
2
2 炭素棒の取り付け方法
￨13+2mm
I
先端直符~O.8+0.2mm
ム
'
l 1
'
・
・
・.
.
.
圃圃圃幽圃圃幽幽圃薗由直弘
~::.
~---...!._'-':"
寺町司~吊弓戸ザーテ片号制有す事』守胃
怖侠柄拘肉情暗唱州内;吋ぷ:町加点バψ
FT竺習で~雪~&でつ ..olo;'二:ζ ・E二町三昼、アF吋ー
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ヨ::r-=1!P"':
....
~ョ晶
九日
u ・ι~ム巴""""""自営日空ー!!".I
末端直径2+0.2mm
針状カーボン
フラットカーボン
F
i
g
.
2
.
2
3 炭素棒の外観
2ふ 2 DLCコーティング
工具への DLC (ダイヤモンドライクカーボン)コーティングは，
日本アイ・ティ・エフ
株式会社に依頼した.今回用いた同社のジニアスコート DLCシリーズ HAの仕様を T
a
b
l
e
.
2
.
2に示す.
T
a
b
l
e
.2
.
2DLCコーティングの仕様
DLC構
硬度(
H
v
)
i
三E
と
ヨ
t
a
C
色調
>3000
膜厚
(nm)
1
0
0
酸化温度
0
500C
特徴
処理温度
150""
0
200C
次ぐ硬さを有し
油中での摩擦低減に効果
1
.0 (ラップ後
~.2)___ j
用途
自動車部品
超硬一般鋼
面粗度 Rz(仰 ) I
0
.
1
5
"
"
0
.
2
適用基材
水素フリーでダイヤモンドに
透明干渉色
摩擦係数
油中摺動部品
軟質金属
(アルミ、銅、スズ、亜鉛、ニッケル、
銀等)加工用工具・金型
1
6
2ふ 3 圧縮試験装置
圧縮試験における加圧装置には，万能試験機(島津製作所製， REH・50型)を使用した. F
i
g
.
.
8，2
4
.
5，49，98，
2
.
2
4に圧縮試験装置の外観を示す.この試験機は，最大圧縮荷重として 9
245，490kNの 6段階のレンジがあり，最大で 490kNの負荷が可能である.また，圧縮板の
最大間隔は 8
0
0
r
n
r
n，圧縮荷重の最小目盛は各々の 1000分の lとなっており，圧縮速度は 0
i
g
.
2
.
2
5に示す
"
'80rnm/mi
nの問で調節可能である.上工具と下工具それぞれの圧縮工具は F
ようにダイセット(双葉電子工業製)に設置した.
F
i
g
.
2
.
2
4 万能試験機(島津製作所製， REH・50型)
il社間.d
i
eh
o
l
d
e
r
旬、碍:
rd
i
eh
o
l
d
e
r
F
i
g
.
2
.
2
5 圧縮工具とダイセットの概略図
1
7
2ふ 4 圧縮試験条件
本研究では，ひずみの表面形状への影響を調べるために圧縮率 ιを変化させて実験を行
った.圧縮率 e
(の算出は次式から行うものとする.
ー
t
n
t
ce
t
o
x1 ω (刈
(
2
.
1
)
(
t
(
):試験片初期板厚， t 圧縮後試験片板厚)
mm/minとして実験を行った.
圧縮試験時のひずみ速度は 2
また，圧縮中の荷重と変位の変化を知るために万能試験機と変位測定器(ONOSOKKI製
LINEARGAUGESENSORGS-112)に接続したデジタルゲージ(ONOSOKKI製
OIG汀 AL-ANALOGOUTGAUGEOG-450)をレコーダー(N
EC製オムニエース H 孔1¥1
2
0
0
)に
つなぎ，出力される電圧を記録した.そして，出力された電圧と荷重，電圧と変位量の校
正を行った.
その結果，荷重については
98[kN]レンジの場合:荷重値 [
N
]= 1
0
0
6
.
6
4x出力電圧 [mV]
49[kN]レンジの場合:荷重値仰]=499.24X出力電圧 [mV]
2
4
.
5
[
k
N
]レンジの場合:荷重値[N]=249.
31
8X出力電圧 [mV]
の関係、が得られ，変位については「変位値 [mm]=0
.
0
9
8
2X出力電圧 [
V
]
Jの関係が得られた.
2ふ 5 圧縮試験手順
圧縮試験の実験手順を以下に示す.全ての実験はこの手順に従って行った.
(
1
)試験片表面の汚れやほこりなどを除去するためにエタノールを洗浄剤として超音波洗浄
を 3分間行う.
(
2
)超音波洗浄後，圧縮工具と試験片をダイセットに取り付ける.
(
3
)圧縮を行う万能試験機の電源を入れ実験前に約 2 分間慣らし運転をする.これは試験機
に油の循環をさせるためである.
(
4
)組み付けの完了したダイセットを万能試験機に設置し変位測定機を設置する.
万能試験機に荷重値出力用のコードをつなぎ，
レコーダーに接続する.また，変位測定
器のデジタルゲージもレコーダーに接続する.
(
5
)試験片と上工具の間隔を数 mm程度まで接近させる.このとき，徐々にスピードを遅く
して接触する直前になったら圧縮速度を 2
mm/minとする.
ここで，
レコーダーの記録を開始する.
(
6
)そのまま圧縮速度 2
mm/minで下降させながら，接触する直前で変位測定機の値を 0にす
る.
(7)圧縮速度 2
mm/min で圧縮し，変位測定機の変位より板厚を推測し目標値まで圧縮する.
圧縮終了後に圧縮試験機より荷重の値を，指針が動き始めた時と圧縮終了後の変位測定機
1
8
の変位の値から変位を記録する.
(
8
)
圧縮試験後，試験片の弾性変形部分を考慮し，急激な除荷を避けるために無負荷の状態
に達するまで 2mm/minで万能試験機の圧縮部分を上昇させる.
ここで，
レコーダーの記録を終了する.
(
9
)無負荷の状態に達した後，さらに上昇させる.
(
1
0
)完全に上昇が完了してから万能試験機よりダイセットを取り外して，試験片の裏表が分
かるように試験片を取り出す.また，この時に試験片・工具ともに表面状態が変わらな
し、ように注意する.
(
1
1)試験片表面に付着した潤滑剤等を除去するために再びエタノールで、超音波洗浄を行う.
(
1
2
)実験後試験片は板厚 tを測定し，初期板厚んより圧縮率 ιを求める.
レコーダーの記録より荷重
変位の関係を求める.
(
1
3
)その後，試験片は AFMで観察を行う.
(
1
4
)表面粗さ計で粗さ計測をする.
(
1
5
)計測終了後は空気中の水分が表面へ付着することを防ぐために工具および試験片はデ
シケータ内に保存する.
2.
4 触針式表面粗さ計(
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
4
0
0
)による評価方法
本節では，最大高さ粗さ Rz，算術平均粗さ Raの測定方法について説明する.触針式表面
組さ測定装置 (
S
u
r
f
t
e
s
eS
J
4
0
0
)の外観を F
i
g
.
2
.
2
6に示す.触針式表面粗さ計は F
i
g
.
2
.
2
7に示
すように先端半径 2~10μm 程度の触針で表面を直接トレースし，その触針の上下を差動トラ
ンスなどで電気的な信号に変換し，出力するものである.本装置の触針は，材質がダイヤモ
0
ンド，先端半径が 2μm，先端角度が 60 である.触針表面粗さ計(
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
4
0
0
)の使用方
法を以下に示す.
(1)電源を入れる.バッテリー残量が少ないときは ACアダプタを接続する.
(
2
) 試料表面をアルコールで、洗浄し，計測したい場所の左端が触針の下に来るようにす
る.
(
3
) 測定条件を変更する.現在の設定条件は画面左上に表示されている.
測定レンジ(測定分解能)を変更する場合，画面の「測定条件」→ i
P
a
g
e1
/
3
J→
i
P
a
g
e
2
/
3
J→「レンジ Jの順にタッチし，任意のレンジを選択する.レンジは i
8
0
0
(
μ
m)J ， i
8
0
J， i
8
J の1
)
頂に感度が上がり，デフォルトは i
8
0
0
J である.表面が粗
し、ものや表面粗さが未知の試料を測定する場合は i
8
0
0
J を選択し測定結果に応
じてより高感度の測定レンジに変更する
iレンジ」をタッチすると変更が決定さ
a
b
l
e2.3に本研究で使用したレンジを示す.
れる. T
測定曲線を変更する場合，画面の「測定条件」→「曲線」の順にタッチし， R(粗さ
曲線)を選択する
i
曲線」をタッチすると変更が決定される.
基準長さを変更する場合，画面の「測定条件 J→「 λcJ の1
)
債にタッチし，任意の
1
9
基準長さに設定する
1
λ
c
J をタッチすると変更が決定される.
評価長さを変更する場合は，区間数を変更することで評価長さを変更することがで
きる(例:基準長さ 0.8mm，区間数 5 →評価長さ1.25mm) .画面の「視J
I
定条件 j
→ I
N
J の順にタッチし，任意の区間数を選択する.また，
評価長さを任意の値で指定することができる
「
L」をタッチすると
I
N
J をタッチすると変更が決定さ
れる.
カットオフ値は基準長さに応じて自動で変更されるが，基準長さが 0.08mmまたは
0.25mm の場合のみ変更することができる.変更する場合は，画面の「測定条件J
s
J の順にタッチし，カットオフ値を指定する
→「 λ
1
λ
s
J をタッチすると変更
が決定される.本研究では 2.5μmで
伊
、J
I
定を行った.
・変更が終了したら，画面左下の r<~~ホーム)をタッチしてホーム画面に戻して
おく.
(
4
) ホーム画面の三点 ](
D
A
T
) をタッチして DAT画面にする.スタンドの上下ハンド
ルを回し，触針を試料に接触させる.画面のスタイラス位置表示が 0付近のところ
でハンド、ルを固定し，本体の上下ツマミで 0.0μmになるように調整する. (上下位
置決め)
(5) 甲盛~ (対象切り換え)をタッチする.表示が 1
***** 回転」であことを確
認し， I
S
T
A
R
T
J ボタンを押すと，水平出しが開始される.測定終了後，画面に 10
0 回転」と表示されるので，一度触針を試料から離し本体の斜傾ツマミを表示
回転数だけ回す.
(表示が正の場合は時計回り，負の場合は反時計回り)
(
6
) 水平出し後の表示が 0
.
0
0回転になるまで(
5
)を繰り返す.
(
7
) 校正を行う.校正は検出器(触針等)を着脱した場合に行い，それ以外では定期的
に行えばよい.従って，普段はこの工程を行わなくてもよい.
(
8
) 画面左下のL
全斗(ホーム)をタッチしてホーム画面に戻す.ホーム画面で I
S
T
A
R
T
J
ボタンを押すと計測が開始される.計測が終了すると，画面に Ru値，Rz値が表示さ
れる (
F
i
g
.
2
.
2
8参照) •
(
9
) 計測結果の R
aを確認し基準長さが適切であるかどうかを確認する. (
3
)の基準長さ
を変更する場合を参考に，基準長さの設定画面を表示する.画面には設定値の横に，
適応する九の範囲が表示されているため，計測結果からその範囲内にある基準長さ
を選択する.基準長さを変更した場合は，そのまま再度計測する.
(
10
)計測終了後，
I
P
R
I
N
T
J ボタンを押すと計測結果がプリントされる.
I
(
11
)計測結果を保存する場合は，コンパクトフラッシュを挿し込み，金盛豆 (データ保
J
(データ保存)をタッチする
存/呼出)→乙通
ファイル名入力画面が表示される
のでファイル名を入力し，こ亘コ(エンター)を押すと結果が保存される.
※コンパクトフラッシュは S
J
4
0
0本体でフォーマットしたものにしか保存できない.
(
12
)触針を試料から離し，電源、を切る.バッテリーを充電する場合は ACアダプタを接続
20
したままにし，充電完了後 ACアダプタをはずす.
ここで自動的に出力されたん値，Rz値をそれぞれ算術平均粗さん，最大高さ粗さんと
する.
F
i
g
.
2
.
2
6 触針式表面粗さ計 (
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
・4
0
0
)の外観
F
i
g
.
2
.
2
7 触針式表面粗さ計の原理図
T
a
b
l
e2.
3 触針式表面粗さ計 (
S
u
r
f
t
e
s
tS
J
4
0
0
)で使用したレンジ
レンジ
8μm
W A岸8000
測定対象
ラップ加工後工具
バフ研磨後工具
圧縮後試験片
80μm
800μm
WA#4000
恥r
A#1200
ラップ加工後工具
ラップ加工後工具
圧縮前試験片
2
1
F
i
g
.
2
.
2
8 測定結果の画面表示
2
.
5 原子間力顕微鏡(A
刊のによる観察方法(13)
2ふ 1 装置と原理
SPM(ScanningP
r
o
b
eM
i
c
r
o
s
c
o
p
e
)装置とその周辺システムの外観写真を F
i
g
.
2
.
2
9に示す.
ELL製 OPTIPLEXGX-150)，
これらは本体 SPM9500J3(島津製作所製)，ホストコンピュータ(D
カラーディスプレイモニター(阻TSUBISHI製
RD17GXII) ，除振台 (MEIRITSU製
AZ
-S
) から構成されている.
装置は大別すると， SPM ユニット，制御ユニットおよびデータ処理系から構成される.
SPM ユニットは，試料を三次元に動作させるピエゾスキャナ，試料表面の凹凸を検知する
カンチレバーならびに光てこ検出部， AFMヘッドを試料表面に対して大きく上下させる Z
軸駆動部および除振機構から構成される.また，制御ユニットはスキャンコントローラ (X，
Y，Z軸出力)，フィードパックコントローラ(D
SPによるデ、ジタルフィードバック方式)およ
び制御コンピュータにより，スキャナに装着した試料を走査・フィードバック制御して測
定データを収集する.その測定データなどは，通信インターフェースを通してデータ処理
系へ渡される.そしてデータ処理系は通信インターフェースを介して制御ユニットからの
測定データをホストコンピュータに取り込み，リアルタイムでモニタに表示する.また，
測定データはホストコンピュータにおいて画像表示，画像処理および画像解析を行うこと
が可能である.
2
2
O
p
t
i
c
a
lm
i
c
r
o
s
c
o
p
e
SPMu
n
i
t
F
i
g
.2
.
2
9 SPM装置および周辺装置の外観
SPM-9500J3の主な仕様は，以下の通りである.
0[μm]X30[μm]
・最大走査範囲 (X・Y):3
・最大測定範囲 (
Z
):5
[
μ
m
]
-変位検出系 :LD/光てこ /4分割 PSD
.試料最大形状 :φ24[mm]X8[mm]
・制御方法:D
i
g
i
t
a
l
S
i
g
n
a
l
P
r
o
c
e
s
s
o
r
(
D
S
P
)によるデジタノレ方式
-画像処理:傾斜補正，ノイズライン除去，局所フィルター，周波数フィノレター，画
像拡大，画像反転，画像回転など
-画像解析:断面形状解析，線粗さ解析，表面粗さ解析，パワースペクトル解析，自
己相関解析，フラクタノレ解析など
S
o
1
id，H
e
i
g
h
t，L
i
n
e
s，Mesh)等
・画像表示:濃淡画像表示(測長可能)， 3次元表示 (
また， SPM観察に用いたカンチレバーは OLIMPUS製の Microc
a
n
t
i
l
e
v
e
rである.微小構
造体材料として優れた特性を示すことで，広く用いられている.
MicroC
a
n
t
i
l
e
v
e
rの主な仕様を以下に示す.
-製品名:OMCL-TR800PSA-l
・材質:窒化シリコン (
S
i
N
)
2
3
本研究で使用した SPMでは，高倍率での試料表面の凹凸像が得られる AFM(AtomicF
o
r
c
e
M
i
c
r
o
s
c
o
p
e
)コンタクトモード， AFMダイナミックモード， STMモードおよび表面走査時の
水平力が得られる LFMモードがあるが本研究では AFMコンタクトモード(カンチレバ
ー接触式)を使用して試料表面の観察と解析を行った.
AFMは，試料表面にカンチレバーを接近させることによって試料表面とカンチレバーと
の聞に働く原子間力を検出し，試料表面の形状を観察する装置である.一般に，物質表面
間ではファンデルワールスカ，クーロン力などの原子間力が働いている.カンチレバーは
F
i
g
.
2.
30に示すような微少な構造体であり，半導体フ。ロセスを用いて生成されている.この
カンチレバーを試料表面に近づけると，試料との間で働く原子間力によって F
i
g
.2.
31の点
線で示すようにカンチレバーがたわむ.このわずかな変位は，離れた位置で検出すること
により拡大される.実際の装置では，半導体レーザからのレーザ光をカンチレバー背面で
反射させ，その反射光の位置移動をカンチレバーから離れた位置に配置された分割型フォ
トダイオードで検出する.この検出法は光てこ検出法と呼ばれ AFMの測定に最も多く用
いられている検出方法である.
このようにカンチレバーと試料表面間で働く局所的な力を
カンチレバーのたわみとし
て検出し，この力を一定に保つように探針一試料開の距離を制御しながら試料表面に沿っ
て走査してこの制御量を試料表面像として画像化する.
3
.
7
m
m
呂呂志.-
AJr/
F
i
g
.
2.
30 カンチレバーの外形図
24
P
h
o
t
od
e
t
e
c
t
o
r
恥住T
o
r
Beams
p
l
i
t
t
e
r
L
e
n
s
L
a
s
e
rbeam
白
しW
VE
、
.
，
/
1-
ゆ
ノ
b~Y
凸 LV
V1
n
m
W
c
d
aし
戸
し
m
P
A
F
i
g
.2.
31 光てこ検出法
2ふ 2 観察の手順と条件
本研究では，以下のような手順で試料の AFM観察を行った.
(1)制御ユニットとパーソナノレコンピュータの電源を入れ装置を起動する. SPMmanagerを
起動する.
(2)AFMヘッド部両側面にあるクランプレバーをゆるめ， AFMヘッド部全体を少し持ち上
げ後方に移動させると試料ホルダを装着するスキャナ上面が露出するので，そこへピン
セットを用いて試料ホルダを装着する.
(
3
)レーザスポットをカンチレバー先端へ移動させ，フォトダイオード位置を調整する.
(
4
)
観察条件として，走査範囲，走査速度，画素数， Z レンジ，オペレーティングポイント，
Pゲイン， 1ゲイン，走査モードを T
a
b
l
e2.4のように設定する.
(
5
)高速アフ。
ローチを行い，カンチレバーを試料ホルダ、に近づける.
続いて，精密アフ。
ローチを行う.精密アプローチが終了すると自動的に走査が始まり，
オンラインアプリケーション画面上に画像データが表示される.
(
6
)
続けて観察する場合は手順 (
4
)と(
5
)の操作を繰り返し， AFM画像を得る.
(
7
)作業が終了したらカンチレバーを上昇させて試料を取り出す.
2
5
T
a
b
l
e2.
4 AFMの観察条件
民1
a
t
e
r
i
a
l
SR
Zr
a
n
g
e
S
c
a
n
n
i
n
gr
a
t
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Numberofp
i
x
e
l
s
O
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i
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gp
o
i
n
t
Pg
a
i
n
1g
a
i
n
S
c
a
n
n
i
n
gmode
Tool
20μm
x8
AI050BD
20μm
x4
2Hz
512x512
1
0
0
.
0
1
C
o
n
t
a
c
tmode
工具および試験片表面は圧縮試験前後に AFM観察を行った.走査範囲 SR は 20μmX
2
0
μm(SR=20μm)とした.画像の解像度は最大 512X512画素で出力される.試験片は工具と
材料の相対すべり量による平滑化挙動の影響を調べるため，圧縮試験後の表面の半径 r=0，
1
，2，3mmの 4箇所において測定を行った. AFMにより表面観察を行う場所を F
j
g
.2.
32
に示す.
AFMによる平滑度を表わす指標として，これまでは最大高さ粗さ相当値 RZ
eでの評価を
j
g
.
2
.
3
3に示すように断面曲線の
行ってきた.これは，最大高さ粗さんに相当するもので，F
最大と最小の差であり，局所的かっ微視的な部分で、の粗さ評価に適していると考えられる.
を 2次元に拡張した算術平均面粗
今回，面全体の粗さの評価を行うため，算術平均組さ R。
さを S。と定義し，8.。での評価も行ったところ RZ
eでの評価とほぼ同じ傾向で、あった.そこ
で，AFM測定において表面粗さの傾向を調べる際には主にんで評価した.また，材料流動
による方向性の違いを調べる際には RZ
eではなく，断面曲線から取得した算術平均粗さを算
術平均粗さ相当値 R
a
eと定義して評価した .R
a
eの測定については，各測定位置において F
i
g
.
2
.
3
2に示すように r方向(半径方向)と 0方向 (
r方向に直角な方向(円周方向))を測定した.本
研究で使用した試験片と工具は SR=20μmにおいて，試験片:Sa=80nm，Rae=75nm，工具:
Sa=lOnm，Rae=lOnmであった.
F
i
g
.
2
.
3
2 圧縮後試験片の AFM観察を行う場所
2
6
ハリハ U O V
321
南
口4
F
i
g
.2.
33 R
Z
eの定義
2
.
6 工具表面のカーボン膜剥離面積率の測定
カーボンを蒸着させた工具を用いて圧縮試験を行う場合，工具表面のカーボン膜の剥離
が起きることがある.そして，これによって工具と試験片が金属接触して試験片表面が粗
くなるというように，カーボン膜の剥離は平滑化に大きく影響を及ぼすものと考えられる.
そこで本節では，工具表面のカーボン膜の剥離が平滑化に及ぼす影響を調べるために定義
した剥離面積率?の求め方を以下に示す.
，F
i
nP
i
x
S1
P
r
o
)とマイクロレンズ例i
k
o
n製
， Micro-NIKKOR)
(1)デジタルカメラ (FUJIFILM製
を用意し， F
i
g
.
2.
34のようにコピースタンドに設置する.
(
2
) 工具を厚さ 3mmのアクリル板で、斜めにした状態で黒色のシートの上に載せ撮影する.
鮮明な画像データを得るために，工具には出来る限り強く光を当て，さらに白い紙で光
i
g
.
2.
35に示す.工具を斜めにしたのは剥離面積率の大きい
を反射させる.その様子を F
工具で，目視したときの表面状態の画像データが得られなかったためである.
(
3
) 画像データを WinR
OOF Ver.5.0(MITANICORPORATION製)に取り込み，グレースケ
ールに変換する.
(
4
) 見かけ上の接触範囲を楕円 ROIを用いて手動で設定する.
(
5
) しきい値を決定し二値化する.このとき，しきい値はカーボン蒸着を施した工具表面と
i
g
.
2
.
3
6に示す.目安
蒸着していない工具表面との色調に着目し決定する.その様子を F
・8
0，カーボン膜の色が薄い工具
として，カーボン膜の色が濃い工具ではしきい値は 50
ではしきし吋直は 1
2
0・1
7
0とした.
(
6
) 剥離面積率yは以下の式より算出される.
土
y=
xl00 附
(Ap:.
剥離した面積，ん:見かけ上の接触面積)
ο.2)
27
F
i
g
.
2
.
3
4 デジタルカメラをコピースタンドに設置したときの概観
F
i
g
.
2
.
3
5 撮影時の様子
2
8
(
b
)二値化後
(め二値化前
F
i
g
.
2
.
3
6 圧縮後工具表面のデジタルカメラ像の一例
(アルミニウム引抜き材，ec
=48%， y=
28%)
2
.
7 有限要素法σ EM)解析
2
.
7
.
1 解析モデ、ルと条件
圧縮試験における工具と試験片の相対すべり量や測定箇所の面圧等を知るために剛塑性
有限要素法(FE
M)によるシミュレーションを行った.解析には V
i
r
t
u
a
lF
o
r
g
i
n
g
(コマツ産機製，
7
.
0
3
)を使用し，変形抵抗は材料試験で得られた結果を用いた.解析対象は軸
ノミージョン1.0
対称を仮定した.F
i
g
.2.
37に FEM解析モデルと境界条件， T
a
b
l
e2
.
5に FEM解析条件を示す.
7
.
5
3
.
5
∞.。
F
r
e
eb
o
u
n
d
a
r
y
Symmetryaxis
F
i
g
.
2.
37
FEM解析モデルと境界条件
29
T
a
b
l
e2
.
5 FEM解析条件
表面マーカ粒子数
208
マーカ粒子数
4626
節点数
3109
要素数
2986
工具節点数
4
要素表面節点数
244
2
.
7
.
2 摩擦係数μの決定方法
本実験をシミュレートするためには，工具と試験片聞の摩擦係数μ を決定する必要がある.
i
g
.2
.
3
8に示すように未知のμに初期値を与えて FEM解析を実行し，加工荷重を
そこで， F
求める.そして， FEM解析から求めた加工荷重と実験で得られた荷重の比較を行し、ながら μ
を 0
.
0
1 刻みで変化させ，両者の差の絶対値が最小となる μ を求めて実験時の工具と試験片
聞の摩擦係数であるとした.また F
i
g
.2.
39に，本研究で使用したアルミニウム焼鈍し材試
験片の変形抵抗曲線を示す.
材料試験を行し、変形抵抗曲線を求める
a
FEM解析モデルの作成
思
a
最終荷重を実験値と比較
μを 0
.
0
1刻みで与えた際に実験値に最も近づく
ー
各測定箇所の相対すべり量，面圧を測定
F
i
g
.
2
.
3
8 摩擦係数μの決定方法
30
1
5
0
c
¥
$
A
1
0
5
0
0
且
吋
~
よ1
0
0
∞
00
q
ふ
~
~
ζ50
(
]
)
~
。
0
.
5
1
.
5
S
t
r
a
i
n&
F
i
g
.
2
.
3
9 アルミニウム焼なまし材試験片の変形抵抗曲線
・相対すべり量むと工具接触面圧 pの計算
2
.
7
.
3 相対すべり量むと工具接触面圧 pの計算
材料流動が平滑化に及ぼす影響を調べるため， F
i
g
.
2.
40に示すように圧縮前の試験片表面
上のある点が圧縮することにより移動した移動距離を工具と材料の相対すべり量 Lsと定義
し
， FEMより計算した.また， FEMより工具接触面の面圧を計算し，工具接触面圧 p と相
対すべり量 Lsの関係も調べた.
LS
B
e
f
o
r
ed
e
f
o
r
m
a
t
i
o
n
A
f
t
e
rd
e
f
o
r
m
a
t
i
o
n
F
i
g
.
2.
40 相対すべり量 Lsの定義
3
1
第 3章
カーボン蒸着工具を用いた圧縮加工による平滑化挙動
圧縮加工による平滑化挙動を調べるため，これまでに圧縮試験工具 (Ru=10nm) の表面に
施すカーボン蒸着膜の膜厚をt=
20nm (
t
2
) としてアルミニウム焼なまし材 A1050-0材試験
片の圧縮加工を行ってきた.その結果， t
2では主に高圧縮率の外周部で剥離の影響を受け，
平滑化が進んだ表面が試験片表面と工具表面との凝着により粗くなることがわかった.
そこで，本研究では潤滑膜を更に厚くした場合の影響を調べるため，圧縮試験工具に膜
厚t=
40nm(t
3
)のカーボン蒸着膜を施し実験を行った.表面粗さ計による表面の観察， AFM
による表面の観察， FEM解析による変形シミュレーションを行い，膜厚の影響について検
討した.
3
.
1 圧縮率と表面粗さの関係
F
i
g
.3
.
1i
こ圧縮前と平滑化が進んでいる t
3の圧縮率 ec=51%の試験片の外観を示す.圧縮
加工により試験片表面が鏡面化された様子がわかる.
F
i
g
.
3
.
2に t
3の触針式表面粗さ計より得られた算術平均粗さ九と圧縮率 e
cの関係を示す.
圧縮率が大きくなるほど凡が小さくなる傾向が見られる.また e
=15%程度から初期工具
c
の表面粗さと同等の平滑度を得られることがわかる.
F
i
g
.3
.
3に t
3 とはの触針式表面粗さ計より得られた算術平均組さ九と圧縮率
ιの関係
を示す.t
3は t
・2に比べ平滑化が進んでおり工具表面粗さと同程度の粗さが得られ，実験値
のばらつきが少ないことがわかる.また高圧縮率ではは表面が粗くなるのに対し t
3は平
滑度を保っていることがわかる.これは t
・2は高圧縮率で剥離の影響を受け工具表面と試験
片との凝着が起こるためと考えられる.一方 t
3は膜厚が t
・2 に比べ厚いため高圧縮率でも
剥離の影響が少ないと考えられる.
F
i
g
.
3.
4
にt
3の剥離面積率 yと圧縮率
ιの関係を示す.ぱらつきはあるがおおむね圧縮率
民が大きくなるにつれて剥離面積率 yも大きくなる傾向があることがわかる.
F
i
g
.
3
.
5に t
3と t
2の剥離面積率 yと圧縮率
ιの関係を示す. f
.
.
3はりに比べ剥離面積率 y
が小さく，剥離が起きにくいことがわかる.これは t
3がはよりも膜厚が厚く剥離を生じ
にくいためと考えられる.
各実験において測定された最終荷重 PMAXと圧縮後の試験片の断面積 A，¥'より以下の式から
平均面圧 P m仰を求めて検討を行った.
P
l
l
l
e
a
l
1
p""
= 工~
F
i
g
.
3
.
6に t
3の平均面圧 Pmeul1 と圧縮率
IMPa
(
3
.
1
)
ιの関係を示す.圧縮率 ιが大きくなるにつれて
平均面圧 Pm仰は大きくなっている.
F
i
g
.3
.
7に t
3と t
・2の平均面圧 P
meun と圧縮率 ι
e の関係を示す. t
3は t
2に比べ推移にば
32
らつきが少ないことがわかる.これは t
・3が剥離と凝着の影響を受けにくく，潤滑条件が t
・2
に比べ安定しているためと考えられる.
F
i
g
.
3
.
8に t
3の荷重 P と変位 Srの関係、を示す. t
3は変位が小さい領域から変位が大き
rの推移がおおむね同じであり再
い領域までのすべての領域で，実験ごとの荷重 P一変位 S
現性があることがわかる.
F
i
g
.
3
.
9に t
2の荷重 P と変位 Srの関係を示す.t
2は変位が小さい領域はグラフの推移は
各実験で同じだが，変位が大きい領域ではグラフの推移にばらつきが生じていることがわ
7
J
"
.
る
.
F
i
g
.
3
.
1
0に t
3と t
2の荷重 P と変位 S
rの関係を示す. t
2は t
・3の結果に比べ同じ変位量
・2の荷重と変位の推移
でも大きな荷重を必要としていることがわかる.このような傾向で t
にばらつきがみられるのははが剥離の影響を受けたためと考えられる.
(め圧縮前試験片
(
b
)
圧縮後試験片 (
t
・3
，'ec=51%)
F
i
g
.3
.
1 圧縮試験前後の試験片の外観
80
A1050-0
60
1
4
0
匂
20
。
o
1
0 20 30 40 5
0 60
C
o
m
p
r
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s
i
v
es
t
r
a
i
ne
c/%
F
i
g
.
3
.
2 算術平均粗さんと圧縮率 e
cの関係 (
t
・3
)
3
3
80
A
I
0
5
0
0
6
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同
2
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0
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A
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1
4
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02
03
04
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v
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t
r
a
i
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c/
F
i
g
.
3
.
3 算術平均粗さ Raと圧縮率 ιの関係(ト3，t
2
)
1
0
0
A1050-0
80
，0 6
0
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40
入
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O~ d "1
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04
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05
'
06
'
0
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
F
i
g
.
3.
4 カーボン蒸着膜の剥離面積率 yと圧縮率 ιの関係 (
t
3
)
AV
'EEA
ハリハリハリハ
r
今ノ血
3
司
日
玄
小
ハリ同叶司
、J R
{%の
O/ρH
率
積
5
ρ 同率
、J町EとY
W
到e
ト
ノ
刊以前
VE4HF
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n
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臭
ハ
Avsf 司
2
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4.加圧
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ハ
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ハ
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i
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i
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cI%
F
i
g
.
3
.
6 平均面圧 pmeanと圧縮率 ιの関係 (
t
3
)
900
t
2
ハ
リ
リ
ハ
司
¥、
ミ
き民
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r
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l%
F
i
g
.
3
.
7 平均面圧 Pm
仰と圧縮率 ιの関係 (
t
・3
，
t
2
)
80
70
γ60
き50
~40
3
3
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20
凶
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l~岬F7.
o 0.
10
.
20
.
30
.
40
.
50
.
60
.
7
D
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s
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l
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m
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tS
r/mm
F
i
g
.
3
.
8 荷重 P と変位 S
rの関係 (
t
・3
)
3
5
z
u
¥ 九℃吋。凶
ハ
UAUAUハリハリハリハ U ハリハ U
87654321
AI050-0
t
2
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.
10
.
20
.
30
.
40
.
50
.
60
.
7
D
i
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l
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c
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m
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tS
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rの関係 (
t
2
)
F
i
g
.
3
.
9 荷重 P と変位 S
80
7
0
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同
2
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1
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L~ ~
.
.~-~--:-I
o0
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.
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.
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.
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60
.
7
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i
s
p
l
a
c
e
m
e
n
tS
r/mm
F
i
g
.
3
.
1
0 荷重 P と変位 S
rの関係 (
t
3，
t
・2
)
3
.
2 原子間力顕微鏡(AF
M)による表面の観察と評価
AFMを用いて試験片の局所的な観察を行った.F
i
g
.3
.
1
1に試験片初期表面の AFM像を示す.
また F
i
g
.
3
.
1
2に t
・3のん=
17%に圧縮した試験片， F
i
g
.3.
13に t
3の ec=48%に圧縮した試験片の
r=
Omm， 1mm，2mm，3mm地点での AFM像を示す. t
3は e
c
=17%の低圧縮率で、は外周部で、中
心部よりも平滑化が進んでいることがわかる.そして ec=48%の高圧縮率で、は， 2mm地点， 3mm
地点の外周部の画像から半径方向に材料流動が起こった痕が見られる.また r=Omm~r=3mm
の全ての測定箇所で低圧縮率よりも平滑化が進んでいる様子がわかる.これは中心部では面
圧が大きく圧縮率 e
cが大きくなるほど工具表面の転写効果が大きくなるためと考えられる.
また，外周部については，材料流動によるしごき効果が大きくなるためと考えられる.
F
i
g
.3
.
1
4に t
・2の e
=16%に圧縮した試験片， F
i
g
. 3.
15に t
・2の e
=47%に圧縮した試験片の
c
c
r=
Omm， 1mm，2mm，3mm地点での AFM像を示す. t
2は e
=16%の低圧縮率で、は t
・3と同程
c
度の平滑度であることがわかる.一方 ec=47%の高圧縮率で、は，r=
2mm地点で半径方向に材料
流動した痕が多少見られるが t
・3 に比べ凹凸が大きく，
r=
3mm地点では更に凹凸が大きくなっ
36
ていることがわかる.これは t
2の高圧縮率は材料流動中にカーボ、ン膜の剥離が起き材料流動
の最も起こりやすい r=3mm地点で，最J
I離後に工具と試験片間で凝着が起こったためと考えら
れる.
F
i
g
.3
.
1
6に t
3の試験片表面の算術平均面粗さ S
aと圧縮率 ι の関係を示す. t
3は圧縮率 ι
が大きくなるほど S
aが小さくなる傾向が見られる.
F
i
g
.3
.
1
7にはの試験片表面の算術平均面粗さ丸と圧縮率 ι の関係を示す. t
3に比べ測定
箇所による値のばらつきと，実験ごとの値のばらつきが大きいことがわかる.
Fig.3.18 に t-3 の r=Omm~r=3mm の各測定箇所で、の試験片表面の算術平均面粗さんと圧縮率
ιの関係を示す. t・3 は r=Omm，r=1mm で工具よりも平滑化が進まないが，r=2mm，r=3mm
で工具と同程度もしくはそれ以上に平滑化が進むことがわかる.これは試験片の外周部の材
料流動によるしごき効果によるものと考えられる.
Fig.3.19 に t・3 と t-2 の r=Omm~r=3mm の各測定箇所での試験片表面の算術平均面粗さ Sa と
圧縮率 ι の関係を示す.各測定位置で t
3は t
・2に比べ表面が平滑化されていることがわかる.
これは t
3は膜厚が t2に比べ厚いため，高圧縮率でも剥離の影響が少なく平滑化が進んマい
園
ると考えられる.一方， t
・
2は t
・
3に比べ膜厚が薄く潤滑膜に剥離が生じ易かったため，平滑化
が進まなかったと考えられる.
F
i
g
.3
.
2
0に t
3の S
aと測定箇所 rの関係を示す. t
・3は r
が大きくなるほど S
aは小さくなる
傾向が見られ，中心部は工具表面粗さに近づき，外周部は工具表面よりも平滑化が進む場合
が見られる.
F
i
g
.3
.
2
1に t
3と t
2で同程度の圧縮率での S〆の関係を比較したグラフを示す. t
3は t
・2
に比べ同程度の圧縮率でも実験ごとに粗さのばらつきが小さく，各地点で平滑化がはより進
んでいることがわかる.
また， AFM測定における測定方向による違いを検討するため， AFM画像から断面曲線を取
得し，算術平均粗さ相当値 R山の測定も同時に行った. F
i
g
.3
.
2
2 ~Fig. 3
.
2
5に t
3 の圧縮率
e( 二6~ 17%，ec=26~32% ， ec=38~48% ， ec=50~54% における測定箇所 r=1 mm，r=3mmの R
ω と測
定方向の関係を示す. t
・3 は r
=Immの中心部と r=3mmの外周部共に円周方向 θと半径方向 r
の粗さに大きな差は見られない.
F
i
g
.3
.
2
6~Fig. 3.29 に t-3 の圧縮率 ι=6~I7% と t・2 の ι=5~17% ，
e
c=20~35% ，
t
3の e
c=38~39% と t-2 の ι=37~42% ，
t-3 の ι=26~32% と t・2 の
t
3の e
c=48~54% と t・2 の ι=47~54% に
おける測定箇所 r=lmm，
r=3mmの R
(
/
(
'と測定方向の関係を比較したグラフを示す.t
・2は r
=Imm
の中心部では t
3 と同様に円周方向 θと半径方向 rの組さに大きな差は見られないが，r
ニ 3mm
の外周部で円周方向に比べ材料流動の進む半径方向に平滑化が進む傾向にあることがわかる.
これははの外周部では剥離の影響を受け材料動流動の起こる半径方向が円周方向に比べ平滑
化が進むが， t
3 の外周部では剥離の影響を受けにくく，半径方向と円周方向の両方で工具表
面と同程度に平滑化が進んだと考えられる.
37
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3
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1 試験片初期表面の AFM像の例
SR=20μm)
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) 測定箇所 r
=
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' 000-
(
d
) 測定箇所 r
=
3mm
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.
3
.
1
2 圧縮試験後の試験片表面の AFM像の例
(ec=17%，SR=20μm，t
・3
)
3
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∞
• 3 o
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1
1
1
1
∞
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t
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) 測定箇所 r
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(
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) 測定箇所 r
=
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1
1
(
d
) 測定箇所 r
=
3mm
F
i
g
.
3
.
1
3 圧縮試験後の試験片表面の AFM像の例
(ec=48%，SR=20μm，t
・3
)
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Omm
(
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) 測定箇所 r=lmm
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.
3
.
1
4 圧縮試験後の試験片表面の AFM像の例
(ec=16%，SR=20μm，t
2
)
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(
c
) 測定箇所 r=
2mm
(
d
) 測定箇所 r=
3mm
F
i
g
.
3
.
1
4 圧縮試験後の試験片表面の AFM像の例
(ec=16%，SR=20μm
，t
・2
)
O(J
• 3叩 0
0
(
1
1
0
1
)
(
a
) 測定箇所 r=
Omm
:
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(
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) 測定箇所 r
=1mm
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m
)
(
c
) 測定箇所 r
=
2mm
∞
) : 000 .3 00[
n
m
l
(
d
) 測定箇所 r=
3mm
F
i
g
.
3
.
1
5 圧縮試験後の試験片表面の AFM像の例
(
e
c
=47%，SR
二 2
0μm，t
2
)
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8
0
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t
・3
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3
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2
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.
1
7 S
aと圧縮率 ecの関係 (
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・3
SR=20μm r=Omm
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8 S
aと圧縮率 ecの関係 (
t
3
)
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r
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i
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) 測定箇所 r=
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) 測定箇所 r=
3mm
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3
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1
8 S，。と圧縮率 e
t
3
)
cの関係 (
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r=2mm
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06
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0
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(
c
) 測定箇所 r
=
2mm
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r
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t
r
a
i
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(
d
) 測定箇所 r
=
3mm
F
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.
3
.
1
9 S
aと圧縮率 e
t
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t
2
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aと測定箇所 rの関係 (
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・
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2
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40 SR=20μm
t
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・3
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2
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3
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3
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) 測定箇所 r=3mm
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3
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30~ r=lmm ---鳥 =32%
3
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40ト SR=201
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1
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+Gc=26%
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c
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c
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3
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3
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3
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m -ec=48%
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3
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0 SR720μm .
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(
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24 Rae と測定方向の関係 (ec=38~48% ， t
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3
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)測定箇所戸3mm
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)測定箇所 r=lmm
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2
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2
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2
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:e
c=38~39% ， t
c=37~42%)
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(
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)測定箇所 r=
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g
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.
2
9 Rae と測定方向の関係 (t・ 3:ι=48~54% ， t
2
:e
c=47~54%)
4
6
圧縮試験後の工具表面と試験片表面の関係を調べるため，圧縮後の工具表面を AFMによ
i
g
.
3
.
3
0に t
3の圧縮後の工具表面と試験片表面のんと圧縮率 ecの関係を
り測定を行った.F
示す •
t
・3は測定箇所に関わらず，圧縮後工具と圧縮後試験片の表面粗さは同程度であるこ
とがわかる.また高圧縮率の外周部では試験片が初期工具および圧縮後工具よりも平滑化
される傾向にある.これは t
・3は，外周部では材料流動によるしごき効果が大きいためと考
えられる.
Fig.3.31 に t-3 と t-2 の各測定箇所の圧縮後の工具表面の Sa と圧縮率 e c の関係を示す • t
3
圧縮後工具は中心部，外周部ともに初期工具の S
aと同程度の平滑度であったが， t
・
2では外
周部で初期工具の S
aより圧縮後工具の S
aが大きくなる傾向が見られた.これは t
3では剥
離の影響を受けにくいがはでは材料流動が大きい外周部でカーボン蒸着膜に剥離が生じ，
凝着の影響を受け，圧縮後工具のム丸が大きくなったものと考えられる.
F
i
g
.
3.
32に t
3の圧縮後の工具表面と試験片表面の S
aと測定箇所 rの関係を示す.t
3は圧
縮後工具と圧縮後試験片の測定箇所の違いによる組さの傾向が，全ての実験でおおむね対
応していることがわかる.また圧縮後工具の測定箇所による粗さの違いは見られず初期工
具と同程度の粗さである.そして圧縮後試験片は rが大きくなるとより平滑化が進む傾向が
ある.これは外周部で材料がカーボン膜の上を滑ったときに受けるしごき効果の影響によ
るものと考えられる.
F
i
g
.
3
.
3
3に t
3とはの圧縮後の工具表面のミ1 と測定箇所 rの関係を示す. t
3は中心部と
外周部で圧縮後工具の丸に大きな差は見られないが， t
・2は rが大きくなると表面が組くな
る傾向がある.これははは外周部で剥離の影響を受けて工具表面が組くなったと考えられ
る.
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3
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o
nr
/
mm
2
3
4
/
mm
Measuredp
o
s
i
t
i
o
nr
2
(
c
)e
ζ=39， 420/
0
(
d
)e
=47，48%
c
50
AI050-0
I
n
it
i
a
lt
o
o
l
40トSR=20μm
o
o
l
t
3，T
ニ
30ト珂巾
e
c 5
4%
e
1
占20
EaA
咽
ハリハリ
ハ
リ
2
3
4
Measuredp
o
s
i
t
i
o
nr/m m
(
e
)e
=54%
c
F
i
g
.
3.
33 S
uと測定箇所 rの関係 (
t
3，
t
・
2
)
5
1
t
・3 は剥離の影響が小さく潤滑状態が安定しているため，試験片は低圧縮率と高圧縮率で
共に外周部ほど平滑化が進む傾向があり，工具の平滑度は圧縮前後で大きく変化しない.
しかしはは剥離の影響を受けやすく，試験片は全ての測定箇所で粗さにばらつきが見られ，
工具は外周部で材料流動による凝着の影響で粗くなる.さらに t
3は高圧縮率ほど平滑化が
進む傾向がある.低圧縮率の外周部では初期工具程度の平滑度を得られ，中心部では初期
工具より Sa が 5~10nm ほど粗し 1 平滑度が得られる.また高圧縮率の外周部では初期工具以
上の平滑度を得られる場合もあり，中心部では初期工具と同程度の表面が得られる.
・2に比べ膜厚を厚くすることで各測定箇所での剥離の影響を抑え
以上の結果から， t
3は t
られていることがわかる. t
3は中心部で転写効果，外周部で材料流動によるしごき効果の
影響をはに比べて受けやすく，より平滑化が進んだと考えられる.
3
.
3 有限要素法 (FEM)
解析結果
F
i
g
.3
.
3
4に t
3の実験と FEMにおける荷重 P と圧縮率 ιの関係の例を示す.なお，実験
の圧縮率 ιは変位 Sより求め，変位 Sは，実験中の弾性変形を考慮、して次の式より求めた.
S=Sr-DSxーと /mm
PMAX
(
3.
2
)
ここで， Sr: レコーダ出力の変位，DS:総弾性変形量(行程最後のレコーダ出力の変位一(圧
縮前の試験片の高さ(実測値)-圧縮後の試験片の高さ(実測値)))， PMAX:行程最後の荷重，P:
行程 S
rでの荷重である.実験と FEMの結果はおおむね一致している.
F
i
g
.
3
.
3
5に t
3の試験片の変形の様子を示す.中心部の相対すべり量は小さく，外周部ほ
ど相対すべり量が大きくなる傾向があることがわかる.また，各実験における最終荷重と
一致するように決定した摩擦係数 μ は 0
.
]6
'
"
'
'
0.
45程度となっている.各実験での潤滑状態
は違いがあると考えられる.
F
i
g
.
3
.
3
6に t
3の FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 Lsの関係を示す.t
3は
中央部である L，¥=Omm での面圧が非常に大きいが，Lsが大きいほど面圧が小さくなってい
ることがわかる.また，圧縮率 ecが大きくなると面圧が大きくなることもわかる.
F
i
g
.
3.
37に t
3とt
2で同程度の圧縮率での FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり
量 Lsの関係を示す. t
2は t
・3と同様に，中央部で面圧が大きいが外周へ行くほど面圧が小
さくなり，圧縮率 ι が大きいほど面圧が大きくなっている.また t-2 は圧縮率 eι=32~38%程
度で， t
・3に比べ中央部である L
，
¥=Ommでの面圧が大きく，同じ圧縮率でも Lsが小さくなる
傾向が見られる.これははに比べ t
3は潤滑状態が良いためと考えられる.
F
i
g
.
3.
38に t
3の丸と相対すべり量 Lsの関係を示す.t
3は相対すべり量んが大きいと S
a
が小さくなる傾向が見られる.
F
i
g
.
3.
39に t
・
3とはで同程度の圧縮率での S
aと相対すべり量 L
:
.
;の関係を示す.t
2は相対
すべり量 Lsが大きいと S
aが小さくなる傾向と，相対すべり量 Lsが大きいと S
aが大きくな
る傾向の両方が見られ， t
3に比べ傾向にばらつきが生じている. t
3と t
2は同程度の圧縮
52
率で，各測定位置において同程度の相対すべり量であるが， t
3は t
・2に比べ平滑化が進んで
いることがわかる.これは相対すべり量が同じでも潤滑環境に違いがあるため，粗さに違
いが生じたと考えられる.
30
AI050-0
~20~ ~・3
~ 20~ e
=38%
c=
に
て
'3
310
F
i
g
.
3
.
3
4 荷重 P と圧縮率 ιの関係(t3， e
=38%)
c
5
3
初期
ec
=6%
μ=0
.
2
8
ec
=16%
μ
=
0
.
2
8
ec
=17%
μ
=
0
.
2
5
ec
=26%
μ=
0
.
2
0
ec
=30
%
μ=0
.
2
7
ec
=32%
μ
=
0
.
1
6
ec
=38%
μ
=
0
.
2
9
ec
=39%
μ
=
0
.
2
6
ecニ 48%
0
.
2
4
μ=
ec
=50%
4
5
μ=0.
ec
=51%
μ
=
0
.
3
3
ec
=54%
μ=0
.
3
9
，
，
F
i
g
.3
.
3
5 FEM解析による変形の様子
(ec=6%:μ=0
.
2
8，ec=16%:μ=0.28，ec=17%:μ=0.25，ec=26%:μ=0
.
2
0，
，
ec=30%:μ=0.27，ec=32%:μ=0.16，ec=38%:μ=0.29，ec=39%:μ
=
0
.
2
6，
e
c
=48%:μ=0.
2
4，ec=50%:μ=0.
45，ec=51%:μ=0.
33，ec=54%:μ=0.
39，t
3
)
，
~ 4000 A1050-0
ハリ今400AY
%%%%
戸
しV F I v
1J 3
弓1
d
今 3
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言1000
内
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一
一
一
一
一
一
一
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e
e
t
e
l
e
%%%%
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一
一
一
一
一
一
一
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FFバリウーバ u
2CCC
G
e
e
e
t
e
AVAV
AVAU
AUAU
++++
(
J
)
h
。
υ
一
OMm同3
d一
言
。
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。
﹄
ロ
∞
凶
3
己3000 t
FEM
冒
o
0.
2 0.
40
.
60
.
8 1 1
.2
Ls/mm
(
a
)ec=6~26%
υ
o
0.
2 0.
40
.
60
.
8 1 1
.2
Ls/mm
(
b
)ec=30~39%
F
i
g
.
3.
36 FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 L
sの関係、 (
t
3
)
5
4
ti4斗
%%%%
52000
。。ハリ
一
一
一
一
一
一
一
一
己
A134vF3
7 c一
ec
g
e
e
ec
++++
~ 4000 AI050-0
t
3
3000
FEM
Q)
0
~
g1000
。
百
υ
o
0
.
2 0.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Ls/mm
3-
司
係一
関一
の一
m
2
200o
Q)
O
D
Q)
ん一
一川一一
m
且
o
1
.
2
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e
c=38%
0
.
2 0.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
LsImm
(
b
)ec=32~38%
(a)ι:=17~26%
瓦3000
量一か
uN
7-5xd
0o
t
2
-0-e
c=33%
LsImm
~ 4000
t
3
.
.
.
.
.e
c=32%
.
.
.
.e
c=38%
ハ
リ
HQ
υ
E
言
。1000
0
.
20
.
40
.
60
.
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叶
υ
フ- 1
ω
e
c=24%
。
す一 AC'F
崎 o
lt .
3
包
ω
-6-
h聞のりハリハリハリ
/品。一ツハリハリハ
I L A 斗弓
5包﹄仏含
言
ロ
∞
∞
ご﹄
z仏皇苫¥民g
t
2
o
-e
c=17%
i
E
L2000
円
J
t
3
.
.
.
.
.e
c=17%
_
.
_e
c=26%
3000 Carbon
FEM
村匂司
仇ぺ阻
斗↓酎
ω
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具
工
る
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円
一
九
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M
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3
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3
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~ 4000 AI050-0
t
3
.
.
.
.
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_
.
_ec 50%
二
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田
e
-0- c=49%
C
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言1000
ロ
。
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o
0
.
20
.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
LsImm
(
c
)ec=48~50%
F
i
g
.
3
.
3
7 FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 L
sの関係(ト3，
t
2
)
55
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
~20
リ
ハ
・
咽
_
_
i
_
ーーー
E且
-一ーーーーーーーーーーー
00020.40.60.811.2
Lslmm
。
o
0
.
20
.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Lslmm
(
a
)ec=6~26%
(
b
)ec=30~39%
50
3
AI050O t
40 SR=20μm e
-e
48%
r=
国
e
30
乙~20
%%%%l 一
0289ゆ注
3333K¥-一
一
一
一
一
一
一
一
一 LU
一
e
e
c
e
c九 m 一
~20
ω++++ 凶一
e
30
1
1
-e~=17%
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-+-e~=26%
AV
-
e
30
om
40
4 -e~=16%
FM1
ニ
。
田
ゴ
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50
AI050o t
3
40 SR 20μm .
.
.
.
.
e
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1
1
-e~=51
%
+
-e~=54 %
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n
it
i
a
lt
o
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1
0
000.20.40.60.81 1
.
2
Lslmm
(
c
)ec=48~54%
F
i
g
.
3
.
3
8 S
aと相対すべり量 Lsの関係 (
t
3
)
5
6
50
A1050-Q t
3
.
.
.
.
.
.
e
7%
cニ 1
40 SR=20μm+Ec=26%
e
30
020
圃
e
r
=170
/
0
ト
=
2
4
%
.
.
.
.
.
d
-e
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
000.20.40.60.8112
Ls/mm
e
.
.
.
.
.
d
-
020
e
?
3
S
%
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
ハ
リ
-一ーーーーーーーーーーーーー-_~--_
3
A1050-0 t
.
.
.
.
.
e
r
.=
32%
40ト SR=20μm .
.
.
.
.
.e~=38%
t
2
30
-0-e
r
.
=33%
11
1
0
t2
-0-
50
ー
ー
_
_
_
¥
_
_
_
。
o
0
.
20
.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Ls/mm
(
a
)ec17~26%
(
b
)ec=32~38%
50
3
A1050-Q t
40ト SR=20μm
t
2
-O-e
E30
c=49%
o
o
l
I
n
i
t
i
a
lt
020
土
;
:
ゴ
絞
ふ
1
0
000.20.40.60.811.2
Ls/mm
(
c
)ec=48~50%
F
i
g
.3.
39S
ι
3，
t
2
)
aと相対すべり量 Lsの関係 (
57
第 4章
DLCコーティング工具を用いた圧縮加工による平滑化挙動
ここでは，カーボン蒸着膜よりも高硬度で剥離がほとんど起きない DLCコーティング(膜
=1
0
0
n
m
)を圧縮試験工具に施し実験を行った.そして表面粗さ計による表面の観察， AFM
圧t
i
による表面の観察， FEM解析による変形シミュレーションを行い，工具表面膜の影響につ
いて検討した.
4
.
1 圧縮率と表面粗さの関係
F
i
g
.4
.
1 ~こ圧縮前と平滑化が進んでいる DLC の圧縮率 e c=51 %の試験片の外観を示す.圧
縮加工により試験片表面が鏡面化された様子がわかる.
F
i
g
.
4
.
2に DLCの触針式表面組さ計より得られた算術平均粗さ Raと圧縮率 ecの関係を示
す.圧縮率が大きくなるほど Ra が小さくなる傾向が見られる.また e
=10%
程度から初期
c
工具の表面粗さと同等の平滑度を得られることがわかる.
F
i
g
.
4.
3
に DLCとt
3の触針式表面粗さ計より得られた算術平均粗さ Raと圧縮率 e
cの関係
を示す.DLCと t
・3は共に e
=
1
0
"
'
'15%で工具の粗さ程度に平滑化され平滑度に大きな違い
c
は見られず実験値のばらつきも同程度であることがわかる.
各実験において測定された最終荷重 PMAXと圧縮後の試験片-の断面積んより以下の式から
平均面圧 Pm仰を求めて検討を行った
Pmean
P
.
"
v
IMPa
As
=_!_巴~
(
4
.
1
)
F
i
g
.
4.
4
に DLCの平均面庄内側と圧縮率 e
cの関係を示す.圧縮率 e
cが大きくなるにつれ
て平均面圧 Pmeanは大きくなっている.
F
i
g
.
4
.
5に DLCとりの平均面圧 P m酬と圧縮率 e
3と同じように
cの関係を示す .DLCは t
3は潤滑条件がほとんど同じであるためと考
推移していることがわかる.これは DLC と t
えられる.
F
i
g
.4
.
6に DLCの荷重 P と変位 S
rの関係を示す. DLCは P
S
rの推移の再現性が高いこ
とがわかる.
F
i
g
.
4
.
7に t
3の荷重 P と変位 S
rの関係を示す. t
3も DLCと同様に P
S
rの推移の再現性
が高いが，DLCに比べ各実験で若干のばらつきが見られる.これは DLCは剥離が起こらず
3 は剥離が起こり潤滑環境に変化が生じるためと
潤滑環境に変化が生じにくいのに対し， t
考えられる.
F
i
g
.
4
.
8に DLCと t
3の荷重 P と変位 S
rの関係を示す. DLCの P
S
3と同じ
r の推移は t
傾向にあることがわかる.
5
8
(的圧縮前試験片
F
i
g
.
4
.
1 圧縮試験前後の試験片の外観
80
AI050-0
6
0
140
c
<
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
20
人
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0 20 3
04
0 5
0 6
0
C
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l
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s
i
v
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t
r
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i
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F
i
g
.
4
.
2 算術平均粗さんと圧縮率 e
cの関係 (
D
L
C
)
8
0
6
0
140
匂
2
0
。
o
1
0 20 3
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0 5
0 6
0
C
o
m
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r
e
s
s
i
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t
r
a
i
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0
/
0
F
i
g
.
4
.
3 算術平均粗さんと圧縮率 e
cの関係 (
DLC，t
3
)
59
A
り
O
MWρ ん
目﹄﹃
MW
仏匂/円
ハリハリ
ハリハリ
Mm
ハ
リ
リ
ハハリE oofo
・
'
、
、
、
、
i400
h
2
0
0
O~ 1
'
02
'
03
'
04
'
05
06
'
0
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
F
i
g
.
4.
4 平均面圧 Pm
酬と圧縮率 e
cの関係 (DLC)
DLC
告600
s
:
3400
民
2
0
0
O~
O
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
F
i
g
.
4
.
5 平均面圧 Pm
仰と圧縮率 e
t
3
)
cの関係 (DLC，
80
7
0
760
ぎ5
0
ト
~40
~30
20
1
0
日
i~
o0
.
1.
0
.
20
.
30
.
40
.
50
.
60
.
7
D
i
s
p
l
a
c
e
m
e
n
tS
r/mm
F
i
g
.
4
.
6 荷重 P と変位 S
rの関係 (DLC)
60
I
ハリハリハU A U A U A U ハりハU
。
。
ゥ
五v ζ J A 3
守今
今
，B 1 1
民間 V60凶
ZUA¥
ハU
0
.
10
.
20
.
30
.
40
.
50
.
60
.
7
D
i
s
p
l
a
c
e
m
e
n
tS
r/mm
rの関係 (
t
・3
)
F
i
g
.
4
.
7 荷重 P と変位 S
80
70 AI050-0
760 一 DLC
t
3
ぎ 50
ト
~40
]30
H20
1
0
L~ .
o
0
.
10
.
20
.
30
.
40
.
50
.
60
.
7
D
i
s
p
l
a
c
e
m
e
n
tS
r/mm
F
i
g
.
4
.
8 荷重 P と変位 S
rの関係(D
LC，
t
・3
)
4
.
2 原子間力顕微鏡(AF
M)による表面の観察と評価
AFMを用いて試験片の局所的な観察を行った.F
i
g
.4
.
9に試験片初期表面の AFM像を示す.
F
i
g
.
4
.
1
0に DLCの ec=46%に圧縮した試験片の r
=
Omm，lmm，2mm，3mm地点での AFM
像を示す • r
=
2mm，3mm地点の外周部で半径方向に材料流動が起こり，平滑化が進んでい
る様子がわかる.
F
i
g
.
4
.
1
1に t
3のん=48%に圧縮した試験片の r=
Omm， 1mm，2mm，3mm地点での AFM
像を示す. t
3でも DLCと同様に r=
2mm，3mm地点の外周部で半径方向に材料流動が起こ
り，平滑化が進んでいる様子がわかる.
F
i
g
.
4
.
1
2に DLCの試験片表面の算術平均面粗さんと圧縮率先の関係を示す. DLCは外
cが大きくなるにつれて中心部と外周
周部ほど平滑化が進んでいることがわかる.加えて e
部の粗さの差が小さくなる傾向がみられる.
6
1
3の試験片表面の算術平均面粗さ S
aと圧縮率 e
3では DLC
F
i
g
.
4
.
1
3に t
cの関係を示す .t
に比べ，測定地点ごとの平滑度にばらつきが生じている.
Fig.4.14 に DLC の r=Omm~r=3mm の各測定箇所で、の試験片表面の算術平均面粗さ Sa と圧
縮率 e
cの関係を示す.高圧縮率の外周部ほど平滑化が進む傾向にあることがわかる.また，
e
以上で、は全ての測定箇所で、工具と同程度に平滑化が進んでいることがわかる.
c 40%
二
Fig.4.15 に DLC と t-3 の r=Omm~r=3mm の各測定箇所での試験片表面の算術平均面粗さ
んと圧縮率 ecの関係を示す.r=
Omm，r=1
mmの中心部で DLCと t
・
3は共に工具表面粗さよ
りも粗し、か工具表面組さと同程度まで平滑化され，その後は一定して推移していることが
わかる.これは工具表面の転写効果により工具表面が試験片表面に転写されるためと考え
2mm，r=
3mmの外周部では DLC，凶共に工具表面粗さ以上に平滑化され
られる.一方 r=
ている場合も見られる.これは試験片外周部では材料流動によるしごき効果を得られるた
めと考えられる.
F
i
g
.
4
.
1
6に DLCの S
aと測定箇所 rの関係を示す.中心部から外周部へ行くにしたがって
平滑化が進んでいることがわかる. そしてその推移は実験ごとにばらつきが少ない外周部
(
r
=
2mm，r=
3mm)では e
=28%
程度で、工具と同程度まで平滑化される.また r=lmmでは外周
c
部と同様 ec
=46%程度で、工具と同程度まで平滑化される.そして r=
Ommでは工具ほど平滑化
されることはない.
F
i
g
.
4
.
1
7に DLCと t
3で同程度の圧縮率での S
a
rの関係を比較したグラフを示す.DLC
とt
3では同程度の圧縮率で各測定箇所の粗さに大きな違いはみられない.
AFM測定における測定方向による違いを検討するため， AFM画像から断面曲線を取得し，
i
g
.4
.
1
8~Fig. 4.
21に DLCの圧縮率
算術平均粗さ相当値 R
a
eの測定も同時に行った. F
ec=5~ 19%
，e c二28~30% ， ec
=35%，ec=46~51% における測定箇所 r= lmm ， r=
3mmの R
a
eと測定
方向の関係を示す.中心部と外周部で共に円周方向と半径方向に粗さの違いは見られない.
また，中心部は表面は工具と同程度までしか平滑化されないが，外周部の高圧縮率は工具
以上に平滑化が進む場合もあることがわかる.
F
i
g
.4
.
2
2~Fig. 4.25 に DLC の圧縮率 ι 寸~19% と t-3 の e c =6~ 17%， DLCの ec=28~30% と
t
3の ec=26~32% ，
DLCの ec=35%と t
3の e
c=38~39%，
DLCの e
c=46~51% と t-3 の ec
=48~54%における測定箇所 r= lmm ， r
=
3mmの R
a
eと測定方向の関係、を比較したグラフを示
3で共に r=lmmの中心部および r=
3mmの外周部で円周方向と半径方向の平滑
す .DLCと t
度に差は見られない.
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) 測定箇所 r
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(
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=46%，SR=20μm，DLC)
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) 測定箇所r=lmm
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∞ 00(nm]
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) 測定箇所 r=
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3
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DLC，
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)測定箇所 r=
3mm
(DLC:ec=28~30%， t
3
:ec=26~32%)
69
50
50
AI050-0 SR=20μm
40~
r=lmm
DLC
t
3
c
30~ 0
-e
=35% ~ :c=~~~
e
ωI
AI050-0
SR=20μm
r=3mm
40ト
g30ト
DLC
ト
トo
-鳥
e
c寸
=
35% .
.
.
e
鳥c
寸
=
38%
.
.
.e~ ニ39%
I
.
.
.
.
.
.
e
鳥C ニ
寸
39%
ば 20十 I n i
t
i
a
lt
o
o1 白~\:! 却
2Oト I n 副a
lt
ω
∞
0
ω
O1
1
0ト一一 i
2
。
•
•
D
i
r
e
c
t
i
o
n
θ r
D
i
r
e
c
t
i
o
n
(的測定箇所 r
=lmm
(
b
)
測定箇所 r=
3mm
F
i
g
.4
.
2
5
Raeと測定方向の関係
11%%%JU 一
I
・
一
一
=
-
フ- 1 1
。
問団綿一日日明、一
刀お一一一一一一刻一
o
一
3
r
n2
pt
m
o==
.-- H
3AO
冒
守司
gd
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
-rloo---=
用
箇 VO
がい一-一一
定 t
﹀
45EK M
町 3
到一一一一世
J Y J o C 2 Y 勺一
LLιu
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(mAm++
二一ト
ト・ト
LIl
ι00000
肌
ーさ一一ー--1
o
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係
関
の
向
方
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m 視
10ト一一一 ξ
I
(
)
r
D
i
r
e
c
t
i
o
n
3RF2+1 韮
4EL
SR=20μm
rニ lmm
40~
t
3
DLC
.
.e
c=48%
S 30ト
0
-e
c=46% .
.
.
.
.
.
.
e
51%
c=
ぞ
I~ e~=5i%
-e
c
=
540
/
0
~\:! 2
0
ι
AI050-0
元
1
0ト一一一?ーて吉
Ar
圃
且
l
{疋引
A
叫・培
測 4
(F
50
h
-n
一
O
-c 同よ
e
-r
所凡
ム
θ D 佐田
。
ω
(DLC:e
3
:e
c=46~51%， t
c=48~54%)
4
.
3 有限要素法(FEM)解析結果
F
i
g
.4
.
2
6に DLCの実験と FEMにおける荷重 P と圧縮率 e
cの関係の例を示す.なお，実
験の圧縮率 e
cは変位 S より求め，変位 Sは，実験中の弾性変形を考慮、して次の式より求め
た.
S=Sr-DSxf-imm
PMAX
(
4
.
2
)
ここで， Sr: レコーダ出力の変位，DS:総弾性変形量(行程最後のレコーダ出力の変位一(圧
縮前の試験片の高さ(実測値)-圧縮後の試験片の高さ(実測値)))， PMAX:行程最後の荷重，P:
行程 Srでの荷重である.なお， DLCの圧縮率 e
=51%では本ソフトウェアで設定できる最
c
大摩擦係数μ=0.577としても実験の荷重より小さくなってしまったので結果から除外した.
実験と FEMの結果はおおむね一致している.
7
0
F
i
g
.4
.
2
7に DLCの試験片の変形の様子を示す.中心部の相対すべり量は小さく，外周部
ほど相対すべり量が大きくなる傾向があることがわかる.また，各実験における最終荷重
と一致するように決定した摩擦係数 μ は 0.17~0.577 以上となっている.各実験での潤滑状
態は違いがあると考えられる.
F
i
g
.
4
.
2
8に DLCの FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 Lsの関係を示す .DLC
は中央部である L
:
;=Ommでの面圧が非常に大きいが，んが大きいほど面圧が小さくなって
，
いることがわかる.また，圧縮率 e
cが大きくなると面圧が大きくなることもわかる.
F
i
g
.
4.
29に DLCとt
3の FEM解析による工具接触面圧pと相対すべり量 Lsの関係を示す.
t
3 は DLC と同様に，中央部で面圧が大きいが外周へ行くほど面圧が小さくなり，圧縮率
e
LCと t
3に大きな傾
cが大きいほど面圧が大きくなることがわかる.すべての圧縮率で D
向の差は見られない.
F
i
g
.
4.
30に DLCのんと相対すべり量 Lsの関係を示す. DLCは相対すべり量んが大きい
aが小さくなる傾向が見られる.
とS
F
i
g
.4
.
3
1に DLCと t
3で同程度の圧縮率での&と相対すべり量 Lsの関係を示す. t
3は
DLC と同様に，相対すべり量んが大きいと Saが小さくなる傾向が見られる.また， DLC
は相対すべり量 Lsの推移が t
3に比べ一定であることがわかる.これは DLCでは剥離によ
る潤滑状態の変化が少ないためと考えられる.
30
AI050-0
E
x
n
e
r
i
m
e
n
t
~20
FEM
、¥
え
"
4
3
1
0
"
'
0
o
1
0 20 30 40
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
c/%
F
i
g
.
4
.
2
6 荷重 Pと圧縮率 ecの関係
7
1
初期
ec
=5%
μ=
0
.
2
3
ec
=ll%
μ
=
0
.
2
3
ec
=19%
μ
=
0
.
2
3
ec
=28%
μ
=
0
.
1
6
ec
=29%
μ
=
0
.
1
7
ec
=30%
μ
=
0
.
2
3
ec
=35%
μ
=
0
.
2
3
ec
=46%
μ=0.
4
3
，
F
i
g
.
4
.
2
7 FEM解析による変形の様子
(
e
c
=
5
%
:μ=
0
.
2
3，e
c
=
l
l%
:
μ=
0
.
2
3，e
c
=
1
9
%
:μ=
0
.
2
3，e
=28%:μ=0
.
1
6，e
c
=
2
9
%
:μ=0.
17，
c
，
e
c
=30%:μ=0.
2
3，e
c
=
3
5
%
:μ=
0
.
2
3，e
c
=
3
5
%
:μ=
0
.
2
3，e
=46%:μ=0.
43DLC)
c
~ 4000
~ 4000
A1050-0
瓦3000 DLC
FE
お4
<
>
-e
c=5%
+ee
C
c=11%
4
L
b2
00
+
+
e
c
=
=
2
1
9
8
%
%
5J~也らみ
o
3
。
υ酬
A1050-0
ミ3000 DLC
FEM
+tc=29
%
%
2000
+eE
C
c=30
-0- e
35
c=
q
L
5
0
司
b
司
。
J1
000
巳
言
出
。
0
.
20
.
40
.
60
.
8
Ls/mm
(
a
)ec=5~28%
1
.2
。
0
.
20
.
40
.
60
.
8
Ls/mm
(
b
)ec=29~35%
F
i
g
.4
.
2
8 FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 L
sの関係 (DLC)
1
.2
72
_
r
o4
000
5
ヨ
IAI050-0
瓦3000tDLC
。 nFEM
e=46%
-0- c
3
2000
(
]
.
)
~
g1000
吉
o
u
o
0
.
20
.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Ls/mm
(
c
)ec
=46%
F
i
g
.4
.
2
8 FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 Lsの関係 (DLC)
4000
ヲ
IAI050-0 DLC
-0-e
9%
c 1
瓦 3000~ FEM
-d- e~=28%
(
]
.
)
t
3
.
.
.
e
17%
c=
~(].) 2000
26%
.
.
.
.e
c=
タ
二
』
相
_
r
o4
000
IAI050-0 DLC
-0-e
r
:=
30%
忌 3000~ FEM
-d- e~=35%
(
]
.
)
t
3
.
.
.
.
.
ecニ 30%
~].) 2000
(
4-e
39%
c=
雪
C吋
巳4
言1000
言1000
習
言
u
υ
。
o
。
0.
20
.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Ls/mm
o
0.
2 0.
40
.
60
.
8 1 1
.
2
Ls/mm
(
b
)ec二30~39%
(
a
)ec=17~28%
4000
~
1AI050-0 DLC
-0-e
c=46%
己3000也 FEM
t
3
(
]
.
)
.
.
.
.
.
.e
48%
c=
~(].) 2000
4-e
51%
c=
~
園
C司
言1000
。
言
υ
o
0
.
20
.
40
.
60
.
8 l
' 1
.2
Ls/mm
(
c
)ec=46~51%
F
i
g
.4
.
2
9 FEM解析による工具接触面圧 p と相対すべり量 Lsの関係 (DLC，
t
3
)
7
3
50
50
A1050-0 DLC
40 SR=20μm ~ec=_5 %
A1050-0 DLC
40 SR=20μm ~ec=29%
-6-e
c 30%
ec=
35%
30
e=
l
l%
-6- c
30
e
-(r
e
ニ
c
二
19%
e
<
>
-e
cニ 28%
-(r
~20
~20
E
ハリ
・
咽
1
0
-~ーーーーーー=-=crー四
alz;
凶
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
00 0.20.40.60.8112
00020.40.60.8112
Lslmm
Lslmm
(
a
)e
=5-28%
c
50
・=
r
(
b
)e
9-35%
c2
二
A1050-0
DLC
40ト SR=20μm ~ec=46%
e30
~20
I
n
i
t
i
a
lt
o
o1
1
0f
o
:
.
:
:
.
:
.
.
--
ーも
00020.40.60.811.2
Lslmm
(
c
)e
=46%
c
F
i
g
.
4.
30 S
aと相対すべり量 Lsの関係 (DLC)
74
50
AI050-0 DLC
<
>
-e
{
'
=
1
9
%
40 SR 20μm -6-e~=28 0
/
0
t3
30
.
.
.
.
e=17%
二
e
~20
田
r
.......e~=26%
10~~一雪宇品~ーーコー-;;一ー
50
AI050-0 DLC
<
>
-e
30%
40 SR=20μm r=
-6-e
~=3 5
0
/
0
t
3
530
30%
.
.
.
.
e
r=
.......e~=39%
乙~20
1
0
ーー~こ企ーーー-"
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
h
i
t
i
a
lt
o
o
l
%
。 2040608112
Lslmm
00020.40.60.81 1
.
2
Lslmm
(
a
)ec=17~28%
(
b
)ec=30~39%
50
AI050-0 DLC
<
>
-e
46%
40 SR=20μm c=
t
3
.
.
.
.
e=48%
30
.......e~=51 %
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
~20
e
r
ーーよ三
1
0
000.20.40.60.8112
Lslmm
(
c
)ec=46~51%
F
i
g
.4.
31S.。と相対すべり量 Lsの関係 (DLC，
ω)
7
5
第 5章加工品表面のフラクタル解析
前章までは，表面粗さ計による表面の観察， AFM による表面の観察， FEM 解析
による変形シミュレーションを行い，試験片表面を粗さの観点から評価した.本章
では，試験片表面の凹凸形状を複雑さという観点から評価することで超平滑面の創
成挙動を検討するために，試験片表面のフラクタノレ解析を行った.
5
.
1 フラクタルの説明
f
r
a
c
t
a
l
)とは， 1975 年にフランスの数学者 Mandelbrot(20)~こよって提唱
フラクタル (
された幾何学の概念であり，ラテン語の f
r
a
c
t
u
sが語源となっている.これは特徴
的な長さを持たないような図形や構造，現象などの総称のことである.特徴的な長
さを持たない図形とは，言い換えれば近似が難しい図形のことである.例えば車を
直方体で近似できるようにフラクタル図形を何か単純な図形で近似することは出来
ない.つまりここで言う特徴的な長さとは，その対象に付随する代表的な長さを指
す.フラクタルの概念の基本は，
iきわめて複雑な図形であってもそれはごく単純
な図形の繰り返しによって出来上がっているとみなす」ことにある.
フラクタルには，自己相似フラクタルと自己アフインフラクタルの 2つの種類が
ある.自己相似フラクタルとは，図形の一部を等方的に拡大すると全体と全く同じ
形状になる厳密な自己相似フラクタルと，ほぼ同じ形状になる統計的な自己相似フ
.
1 に示す
ラクタルのことを指す.厳密な自己相似フラクタルの例としては， F
i
g
.5
コッホ曲線， F
i
g
.5
.
2のシルピンスキーのギャスケット， F
i
g
.5
.
3のカントール集合
などが挙げられる.また，統計的な自己相似フラクタルの例としては，山や谷など
の地表や海岸線等の地形，河川の蛇行や分岐の様子，肺や血管の構造，植物の構造
が挙げられる (21)
これに対して自己アフインフラクタルとは，図形の一部を等方的に拡大するの
ではなく異方的に拡大したとき全体と全く同じ形状になる厳密な自己アブインフラ
クタルと，ほぼ同じ形状になるという統計的な自己アフインフラクタルのことを指
す . 自己アフインフラクタルの例としては，金属表面プロフィルや Mandelbrot と
VanNessのフラクショナル・ブラウン運動 (22)が挙げられる.
このようにフラクタルは，拡大しても元の形状と同じように複雑であるために
接線，接平面の引きょうがなく，微分を定義できないとしづ特徴を持つ.
76
F
i
g
.5
.
1 コツホ曲線
F
i
g
.
5
.
2 シルピンスキーのギャスケット
11 11
。
11
11
11
1
/
3
2/
3
11
1
1
1
1
11
1
F
i
g
.
5
.
3 カントール集合
5
.
2 フラクタル次元の決定法
通常，フラクタル特性を定量化するのにフラクタル次元が用いられる.その物
理的意味は扱う対象によって異なるので一般的な説明は困難であるが，直感的に説
7
7
明すると「フラクタル次元が大きいとは，曲線(輪郭を含む)や曲面の形状がより複
雑であること J (21)ということであり，曲線，曲面の複雑性を示す指標である.
ユークリッド幾何学において，点は 0次元，直線は 1次元，平面は 2次元，空間
は 3次元，そして相対論では空間は 4次元となる (21) これらの次元は全て整数であ
り，その数字は独立に選べる変数の数と一致する. しかし，フラクタル次元は非整
数の次元を持つという特徴を持つ.その整数部はどの次元の空間内にあるのかを示
し，小数部は図形の複雑さを示す.
これまでにフラクタル次元の測定法として各種方法が試されてきたが，確立さ
れたものがない上，得られたフラクタル次元相互の理論的関係も明らかではない.
そのため本研究では，対象表面の横断面形状を評価するために零点集合法を，縦断
面形状を評価するためにパワースペクトル法を用いてフラクタル次元を求めた.
5
.
2
.
1 零点集合次元
零点集合とは，曲面 V(x，
y)に対して V(x，
y)-VO=Oとなるすべての点の集合，すな
わちある物体の表面を基準面で切ったときの切り口の輪郭を指す.この方法は「表
面が自己アフィンであっても面内等方性であれば得られる零点集合要素は自己相似
となり，そのフラクタル次元は表面の次元より 1だけ小さくなる J という原理に基
づし、ている.ここで，零点集合要素である周囲長と面積を測定すればフラクタル次
元を求めることができる. F
i
g
. 5.4に零点集合法の原理を模式図で示す.図に示す
零点集合要素から零点集合次元を求めるためには次のような測度の関係を用いる.
一般に，物体の測度には次の関係が成立する . ここでいう測度とは 1次元測度が
長さ， 2 次元測度が面積， 3 次元測度が体積というように長さや面積を一般化した
概念である.
LocA1/2 ocVI/3
(
5
.
1)
ここで，Lは長さ，A は面積， Vは体積である . D次元測度を持つフラクタル物理量
を X とするとき式 (
5
.
1)は次式のように一般化できる (21)
12
I3
lD
Lo
に A/ o
に V/ o
にX /
(
5.
2
)
零点集合要素の面積を A，周囲長を X として，両対数グラフに表すと直線の勾配
αが得られる. したがって X は式 (
5
.
2
)より次式で表すことができる.
X ocAJ)/2
(
5.
3
)
したがって， D=2αがフラクタル次元となる . 以降，零点集合法のフラクタル次元
を Dzで表すことにする.
なお零点集合法は，表面プロフィルがランダム性，一様性，等方性を持っときに
有効であるとの指摘があり，金属表面は多少なりとも面内異方性を持っと考えられ
るが，本研究では面内等方性を仮定することにした.
78
。
ωss
e
c
t
i
o
n
(
Z
e
r
ω
e
t
s
)
Fig.5.
4 零点集合法の概要
5
.
2
.
2 パワースベクトル次元
パワースペクトル次元とは，表面断面曲線に対して FFT解析を行い，得られるパ
ワースベクトル密度 Spと波長 λとの関係から得られる . まず，フーリエ変換 (24)の説
明から行う.
与えられた信号の中に，どのような周波数の成分が含まれているかを調べるの
が周波数分析である.精度の高い周波数分析を行うにはコンピュータによるディジ
タル処理が必要となり，コンピュータを使った周波数分析の基本となる考え方がフ
ーリエ変換である.
(
t
)に対するフーリエ変換は，
アナログ非周期信号 x
f
:
χ
(
巾一
川
X(f)=
t
(
5.
4
)
で定義される.ディジタル信号(離散信号)の周波数分析を扱う場合には，フーリエ
変換も離散値に対して定義されなければならない.
離散信号 xn =x(n){n=0
，1
，2，… ，
n}の離散フーリエ変換 (DFT)は
，
L eN-I
Xk =
Xn
J2.
7
l
1
1kIN
(
5
.
5
)
で定義される .Xkは複素フーリエ係数， nはデータ番号，N はデータ数である . 式
(
5
.
5
)を分解して，正弦波，余弦波成分で表すと，
L
Xω (2 k/N)
N-)
A
k=
n
J
l
J
1
(
5
.
6
)
79
L sin(2 k/N)
N-l
Bk二
Xn
(
5
.
7
)
J
l
1
l
n=O
とおくと
Xk = A k - jB
k
と書け，Ab Bkとんの関係は，
I
X =A/+B/
2
(
5
.
8
)
kl
となる .Xkの 2乗値がパワースペクトルである.
2
式(
5.4)を直接計算するとデータ数 N に対し N 回の複素計算を要し，コンビュー
タの計算時聞がほぼ乗除算の回数に比例することから，妥当な精度で周波数分析結
5
.
5
)を実際に計算
果を得るためには，かなりの時聞がかかってしまう . そこで，式(
するときには，高速フーリエ変換 (FFT)を用いる.この方法は， 1965年に Cooleyと
Tukey によって発表された.高速フーリエ変換とは回転子と呼ばれるものの性質を
イ吏って複素乗算・加算の計算回数を減らし，離散フーリエ変換を高速に行う手法で
ある.
t
)のスベクトル密度とフラクタル次元 Dps
次に，自己アフインフラクタル曲線九(
の関係、を，
r
フラクタルイメージ J (
2
1
)より引用して以下に説明する.
自己アフインフラクタルの VH(t)はfBm
(
F
r
a
c
t
i
o
n
a
lBrownianMotion)関数で、あり， t
とんを各々異なる比率 H(O< H <1
)で拡大したときに，その形状を統計的に繰り返
H
t→ r
t
)，んは r 倍になる (V
す.つまり， tを r倍すると (
H → rHV
H)性質を持つ.
t
)をfBm 関数とすると，適当にスケーリングされた関数
ここで，X(
Y(t)=-LX(rt)
(
5
.
9
)
r
は， r>0を満たす rについて X と統計的に同一の性質を持つ.よってスペクトル密
度も同じはずで、ある.
J
Y
(
t
)=+X(rt)
r
，
0<t<T
I
それ以外
Y(t ， T)=i~\~J
0
(
5
.
1
0
)
とし，以下のような表記法を用いる.
Fx
(t
，η， Fy(t，ηは各々 X，
t
(
η， Y(t，ηのフーリエ変換，Sx(t，η，Sy，
t
( ηは X(t，η，
Y
(
t，
ηのスベクトル密度であり，Fyは次式のように計算される.
f-2J
dlrT-24Ed
s
r
(
t
)
e
LT:lJldt=
T)= Y
Fy(f
，
X(s)e
1
O
(
J
i
fL
r
"
O
(
J
~
~~
r
(
5
.
1
1
)
この 2番目の積分式において s/rを tで， ds/rを dt によって，それぞれ置き換え
ると明らかに
80
w
叫¥ん
T
I
r
)
，
T)=47
r""
(
5
.
1
2
)
である.よって， Y
(
t，ηのスベクトル密度は
~~~1 b
-I
F
x
(f
，
rl
T
i
r
l
r )
1
2
y
8 (f，
T)=
r~""
1
(
5
.
1
3
)
¥
となり， T→∞の極限を考えることは rT
→∞に等価なので，以下の結果を得る.
」
才
問
一一" ¥
Sy(f
，
T)=
Sx
r
(
5
.
1
4
)
r}
Y は X に適当なスケーリングを施したものなので
パワースペクトノレ密度は一致し
なければならない.すなわち，
ん
S削
x(f，
T)
(
5
.
1
5
)
でで、ある.形式的に f
=
と
斗1とし， l
f
rを再度 fで置き換えると，
1
1
8x(
f
)
o
c寸
百
-.
r
s
fLn
t
-l f
J
(5.16)
となり，式 (
5
.
1
6
)を一般化し，スベクトル密度関数を 8p(かとすると
山叱走
。
1
7
)
となる.ここで信号波の進む速度が一定(j
λ=c
o
n
s
t
.
) ならば
8，/ ( λ ) o c λ β ( 5 . 1 8 )
のべき乗の形で表される . この Sp(
f
)を波長 λとの両対数グラフ上にプロットすると
勾配 βの直線状になる.この勾配βと/仰の持つフラクタル次元 Dpsには次の関係が与
えられる.
-且司
<<一
ββ'
3
<一<一
ハυ 1 E
RY一
二2
一
+
3
司
一一一一
ZE
DD
DI'S =1
，
(
5
.
1
9
)
3<β
ただし， E は変数の自由度を表し，本研究のような断面曲線の場合は 1である.
8
1
5
.
3 AFMシステムにおけるフラクタル次元の測定法
5ふ 1 零点集合次元 Dzの測定法
フラクタル解析を行うための試料表面画像は， AFM を用いて走査範囲 SR が
20μmx2
0
μm(SR=20μm)の条件で、求め， SPMに備えられているソフトウェアによって
傾き補正を行った . 補正方法は fX方向の平均値 J と「面フィット j の 2つであり，
それぞれ処理ボタンを押すことによってソフトウェアが自動的に行う.画像情報は
必要に応じてノイズライン除去を行い，画像処理ソフトウェア WinROOF(MITANI
CORPORATION 製 ) に取り込めるように TIFF 形式に変換した (
F
i
g
.5
.
5
(
a
)
)
. この
TIFF形式画像を WinROOFで聞き，グレー画像化する (
F
i
g
.5
.
5
(
b)).そしてキャリプ
レーションを行し、 l画素の長さを設定する . キャリプレーションの値は，SR=20μm
9
.
1nmである.そして，
の場合 512x512画素で表示されているので 1画素の長さは 3
その画像を 2値化し (
F
i
g
.5
.
5
(
c
)
)零点集合要素である面積 Azと周囲長 Lzを得た.こ
こで零点集合要素が境界線に接しているデータと，面積が 1
0画素以下のデータは
削除した.
零点集合カット面をつくるには，色調が 256階調で表されているグレー画像をし
きい値で 2値化しなくてはならない . との 2値化のために AFM画像の最大高さか
らのカット量を相対カット量として表すことにした . 相対カット量 dは次式で表さ
%
ハリ
×
ハ
υ
一
S1s
古巴一
，
一
し一お
き
一6
ν
v
一
一
J
ぶU
う﹄一
、
戸
。
月
れる.
(
5
.
2
0
)
本研究では画像の 2値化を相対カット量を 18%， 34%， 49%， 65%， 80%と固定し，
変化させる.
x
c
e
l
(
M
i
c
r
o
s
o
f
t製)に取込み，
次に，得られた零点集合要素データを表計算ソフト E
F
i
g
.5
.
6に示すように縦軸を周囲長 Lz 横軸を面積 Azとして両対数グラフを作成し
た.両者の関係に対してべき乗近似を適用することで近似直線を求め，直線の勾配
αから零点集合次元 Dz=2αを得た.ここで， 3つの AFM画像から得られる零点集合
要素データを 1つのグラフにプロットすることで信頼性を高めた .
F
i
g
.
5
.
7に相対カット量 6を 18%， 34%， 49%， 65%， 80%で求めた両対数グラフ
とδ=34%だけ， δ=49%だけの両対数グラフを示す . 相対カット量による違いはほ
とんどないことがわかる.
8
2
(a)AFM画像
(
b
)グレー画像
(
c
)
2値化画像 (
δ=49%)
Fig.5.5 零点集合法における画像処理の流れ
c=32%， r=Omrn)
(
t・3， e
'EI
AU
r
o
AI050・0，
t
・3
1
0 SR=20問n
r=Ornm
=32%
c
-1
0 e
5
E
A
斗
』
斗
1
03
Dz=
I
.
4
3
1
02
1
03 1
04 1
05 1
06 1
07 1
08 1
09
2
A
_
Inm
F
i
g
.5
.
6 周囲長 L
zと面積 Azの関係 (
t
3， e
c=32%，r=Ornm)
8
3
AU
OV
-
1
05~
1
06
A1050-0，
1
3
SR=20J
.
l
l
l
l
glFOm
e
A
I
:
=
:
りm m
4
1e~=30%
.
_1
0
守
ト
c
~~ ~" I
会 34%
1
.
_1
04
t e~=30%
骨
v
唱E
、
今AV
且
吋
A1050-0
，
1
3
1
05~ SR=20J
.
l
l
l
l
Dz=1.
38
1
03
1
02
1
03 1
04 1
05 1
06 1
07 1
08 1
09
J
4
z
/
n
m
2
Dz=1
.3
7
1
02
1
03 1
04 1
06 1
05 1
07 1
08 1
09
J
4
z
/
n
m
2
(
a
)
δ
=
1
8
%，
34%，
49%，
65%，
80%
(b)δ=34%
1
06
A1050-0
，
1
3
S
R
=
2
0
阿n
1
0
r=
Omm
e
=
.
_1
0 c 30%
δ=49%
吋
Dz=1
.4
1
1
03
5
e
A
守
1
02
1
03 1
04 1
05 1
06 1
07 1
08 1
09
d
z
/
I
1
I
n
2
(
c
)
δ
=
4
9
%
F
i
g
.
5
.
7 相対カット量の違いによる比較 (
t
3， ec=30%，r=Omm)
5ふ 2
パワースベクトル次元 Dpsの測定法
パワースペクトル法で、も 5
.
3
.
1 節で説明した傾き補正を行った試料表面画像を用
いる.パワースベクトル次元を求めるためには，まず断面曲線より離散的な高さ値
を求める必要がある . そこで，その試料表面画像を AFM に備えられている断面形
状解析ソフトによって断面曲線(
F
i
g
.5
.
8
(
a
)
)を表示する.次に， M
i
c
r
o
s
o
f
tV
i
s
u
a
l
B
a
s
i
c6
.
0を用いて戸田 (14)が改良したプログラム「改良 1次元 F
F
T
.
v
b
p
J を用いて高
速フーリエ変換(
F
F
T
)を行い，パワースベクトル密度 Sp と波長 λの関係を得た.こ
のようにして得られたパワースペクトル密度 Spと波長 λから，パワースペクトル次
元 Dpsを算定した (
F
i
g
.5
.
8
(
b)).本研究で用いた試験片には方向性があるため，円周
方向と半径方向において Dpsを求めた.また，得られた Dpsは，各試料につき 3回
測定したものの平均値を採用した.
84
ハリ
ハυ
.E
‘
皐
Al050-0，
t
3
5
1
1e
32%，O
d
i
r
e
c
t
i
o
n
r=
rニ Omm
lVSR=20μ m，
言 106
80
、
、
、
‘
40
4
主
国
AV
る
寸 104
ヲ-
60
且
・
'
~
20
ハ
υ
且
.
，
1
5
H
o
r
i
z
o
n
t
a
1p
o
s
i
t
i
o
n/μm
5
(
a
)断面曲線
20
100
1
0
-2
1
0
-1
1
00
1
0J
λ/μm
1
02
(
b
)パワースベクトル密度身と波長 λの関係
F
i
g
.
5
.
8 パワースペクトル法における処理の流れ (
ec=32%，B方向，r=umm)
5.
4 カーボン蒸着工具における解析結果
5.
4.
1 零点集合次元 Dzによる加工品表面の解析結果
零点集合法によって表面細部の凹凸形状について検討する. F
i
g
.5
.
9 に工具表面
および試験片表面の周囲長 L
zと面積 Azの関係の一例を示す .L
zと Azの関係が直線
性を持っていることから，工具表面および試験片表面はフラクタル性を有するとい
うことが確認できる.工具初期表面の零点集合次元 D
z=1
.3
6，試験片初期表面の
Dz=1
.31 であった.
F
i
g
.5
.
1uに t
3の零点集合次元 Dzと圧縮率 ecの関係を示す . Dzの値に大きな違
いは見られずおおよそ1.2
'
"
'
"
'1
.5程度の値となっている . 加工すると Dzは初期より
も大きくなる傾向にある.圧縮率 e
cが増加しでも有意な変化は見られず，ぱらつき
が大きく測定箇所による違いも良くわからない.
F
i
g
.5
.
1
1に t
・2の零点集合次元 D
zと圧縮率 ecの関係を示す . Dzの値にはおおよ
.
2
'
"
'
"
'1
.
5程度の値となっており， t
3に比べぱらつきが大きい.
そ 1
F
i
g
.5
.
1
2に t
3と t
2の圧縮後の試験片表面の零点集合次元 Dzと圧縮率 e
cの関係
を示す .t
3 とト2に大きな違いは見られない.
F
i
g
.
5
.
1
3に t
3の Dzとんの関係を示す .Dzとんの聞に有意な関係は見られない.
F
i
g
.
5
.
1
4に t
3と t
2の Dzとんの関係、を示す. t
・3 と t
2で有意な関係は見られな
し
、
.
8
5
且
咽E
A
り
1
05~SR=20阿n
glF
2m
e
e~=32%
~ 10
.
:
:104~I c
4
』
斗
斗
h
103~
，V
A
4
A
り
/O
且
・
・
AI050・0，ト3
105~ SR=20同n
I
n
i
t
i
a
lt
o
o
l
~
Dz=I.
36
1
02
1
031
04 1
05 1
06 1
07 1
08 1
09
Az/nm2
103~
，1
1
02
1
031
04 1
06 1
05 1
07 1
08 1
09
Az/nm2
(
b
)試験片表面 (
t
3， e
=32%， r=2mm)
c
(
a
)工具表面
F
i
g
.
5
.
9 周囲長 Lzと面積 Azの関係、
2
AI050-0
1
.8トSR=20μm
t
3
~
.
.
.
.
.r=Omm
.
.
.
.r=lmm
.
.
.
.r=2mm
+
-r=3mm
I
n
i
t
i
a
lt
o
o1
~i
I
n
i
t
i
a
ls
p
e
c
i
m
e
n
1
Compressives
t
r
a
i
ne
cI
%
0
F
i
g
.
5
.
1
0 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t
3)
2
<
>
-r=Omm
AI0500
<
>
=lmm
1
.8トSR=20μm -I::r r
rニ 2mm
t2
-ir r
=3mm
I
n
i
t
i
a
lt
o
o1
帽
田
~
.47
Dz=1
~t
・hI!tidtpcciゃ
∞
1I
o
1
0 20 30 40 5
0
.60
Compressives
t
r
a
i
ne
cI
%
F
i
g
.
5
.
1
1 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t
2
)
86
21AI050-0 r=lmm
1
.8トSRニ 20μm
21AI050-0 r=Omm
1
.8トSR=20μm
I
I
..今
1
.6
1
.6
d
t
..今
，
d
1
.4
1
.4
1
.2
1~
o
1
.2
1~.hjtial?pcciFcn
o 10 20 30 40 50 60
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
I
n
i
t
i
a
ls
p
と
Clmen
1
0 20 30 40 50 60
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
(
a
) 測定箇所 r=Omm
(
b
) 測定箇所 r=lmm
2
t
AI050-0 r=2mm
1
.8 SR=20μm
1
.6
d
~
1
.4
1
.2
1~t-2 I
n
i
t
i
a
ls
p
e
c
i
m
e
n
o 10 20 30 40 50 60
Compressives
t
r
a
i
ne
c/%
(
c
) 測定箇所 r=2mm
(
d
) 測定箇所 r=3mm
F
i
g
.
5
.
1
2 Dzと圧縮率 e
t
，
.
3t
・2
)
cの関係 (
2
AI050-0
1
.8ト
SR=20μm
t
3
U1.
后
6ト I n
t
i
a
lt
ω
0
0
ωI
“
σ汽1.4~ 泊
j
笛
駅t
一
一
一
一
一
一
一
一
一
一
-一一一-一-
E
1
.2
星且
.
.
-
血
I
n
t
i
a
lspecimen
ハ
り
唱E且
20
40 60
Sa/nm
F
i
g
.
5
.
1
3 Dzとんの関係 (t
3
)
8
0
8
7
・tt-32
2
A1050-0
1
.8ト
SR=20μm
N
Q
・
0
I
n
t
i
a
lt
o
o
l
1
.6
。
一
一j
1
.4
1
.2
1
0
20
40
S
α Inm
60
80
F
i
g
.
5
.
1
4 Dzとんの関係 (
t
3，t
2
)
圧縮後の工具表面の Dzと試験片の Dzとの関係を調べるため，圧縮後の工具表面
の Dzを測定した. F
i
g
.5
.
1
5に t
3の圧縮後の工具表面と試験片表面の Dzと圧縮率
ι
.の関係、を示す.すべての測定箇所で圧縮後試験片は圧縮後工具に比べ
Dzが大き
くなる傾向が見られる . 各測定箇所での大きな変化や圧縮率 ecが増加しでも有意な
変化は見られない.
F
i
g
.
5
.
1
6に t
3と t
・2の圧縮後の工具表面の Dzと圧縮率 e
t
3と t
2
cの関係を示す .
を比較すると，ぱらつきはあるもののほとんど変わらず，各測定箇所での大きな変
化や圧縮率 ιが増加しでも有意な変化は見られない.
2
2
1A1050O
ト3
1
.8トSRニ 20μm r=Omm
t
3
r=lmm
皿
1
.6
d
~
目
ゆ
mm
m
Q凶
c
c
n
y
a
4
・・・且
14Etw
・
h
且
・
0
'4'0 5'0 6'0
1
0 1
'
0 2
'
0 3
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
cI
%
(
a
) 測定箇所 r=Omm
1
.
4
1
.2
T
o
o
l
I
n
i
t
i
a
ls
p
e
c
i
m
e
n
10102030405060
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
cI
%
(
b
) 測定箇所 r=lmm
F
i
g
.
5
.
1
5 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t
3
)
8
8
2
1AI050o t
3
1
.8トS
R=20μm r=2mm
圃
2
1AI050-0 t
3
1
.8トSR
ニ2
0μm
1
.6
Specimen
d
~
1
.4
1
.2
T
o
o
l
1
0 1
'
0 2
'
0 3
'
0 4
'
0 5
'
0 6
'
0
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
cI
%
1
0 1
'
0 2
'
0 3
'
0 4
'
0 5
'
0 6
'
0
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
cI
%
(
c
) 測定箇所 r=2mm
(
d
) 測定箇所 r=3mm
F
i
g
.
5
.
1
5 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t
3
)
1
.8トS
R=20μm
h
i
t
i
a
ls
p
e
c
i
m
e
n
t~2 ，
Tool
1
.2
1
0 1
'
0 2
'
0 3
'
04
'
0 5
'
0 6
'
0
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
es
t
r
a
i
ne
cI%
1
0 1
'
0 2
'
0 3
'
0 40 5
'
0 6
'
0
C
o
m
p
r
e
s
s
i
v
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廿a
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c
l%
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) 測定箇所 r=lmm
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)測定箇所 r
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2
.
2
AI050-0
1
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r=2mm __ I
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c
) 測定箇所 r=2mm
AI050-0
1
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Irニ 3mm
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(
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) 測定箇所 r=3mm
F
i
g
.
5
.
1
6 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t
3，t
2
)
8
9
5.
4.
2 パワースペクトノレ次元 Dpsによる加工品表面の解析結果
次に，パワースベクトル法によって表面細部の凹凸形状について検討した.
F
i
g
.
5
.
1
7に工具表面および試験片表面の断面曲線と FFT解析結果の一例を示す.
FFT解析の結果，パワースペクトル密度 Spと波長 λの関係が直線性を持っているこ
とから，フラクタル'性を有することが確認できる.初期工具表面のパワースペクト
.
0
5，初期試験片の Dps=1
.00であった.
ル次元 DJ子 1
F
i
g
.5
.
1
8に t
3の円周方向，半径方向における Dpsと圧縮率 e
cの関係を示す.圧
縮率が大きくなると
Dpsが大きくなる傾向が見られる.
F
i
g
.5
.
1
9に t
3と t
2の円周方向， F
i
g
.
5
.
2
0に t
3と t
・2の半径方向における Dp，
)
'と
圧縮率 ecの関係、を示す.測定箇所によるぱらつきは大きく， t
・3 と t
2にあまり差は
見られない.
F
i
g
.5
.
2
1に t
3の円周方向，半径方向における Dp
。が大き
sとんの関係を示す .S
sが大きくなる
刃が小さくなり，んが小さい範囲においては Dp
い範囲においては Dp
傾向がある.
F
i
g
.
5
.
2
2に t
・3 と t
2の円周方向，半径方向における Dpsと Saの関係を示す. t
2
もt
3 と同様にんが大きい範囲においては Dp
s治川、さくなり，んが小さい範囲にお
3と t
2ではあまり違いが見られなかった.
いては Dpsが大きくなる傾向がある . t
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7 断面曲線および FFT解析結果
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(
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咽EEA
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主
1itiuu
き40
202
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λ/μm
(
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)試験片表面 (
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7 断面曲線および FFT解析結果
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.
.
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.
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.
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...r=Omm
-A- r
=lmm
....r=2mm
.
.
.
.
.
rニ 3mm
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(
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) 円周方向
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.
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8 Dpsと圧縮率 ecの関係 (
t
3
)
t
t
2
1AI050-0θdirection
1
.
8 SR=20μm r=Omm
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1AI050-0 B
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.
8 SR=20μm rニ lmm
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1
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t
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) 測定箇所 r=Omm
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r
a
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(
b
) 測定箇所 r=1mm
Fig.5.19 Dpsと圧縮率 ecの関係(円周方向 :t
3，t
2
)
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1
t
2
1AI050Oθdirection
1
.
8 SR=20μm r=2mm
2
1AI050-0θdirection
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(
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) 測定箇所 r=2mm
(
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) 測定箇所 r=3mm
F
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.
1
9 Dpsと圧縮率 ecの関係(円周方向 :t
3，t
2
)
2
2
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) 測定箇所 r=Omm
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) 測定箇所 r=lmm
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(
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) 測定箇所 r=2mm
(
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) 測定箇所 r=3mm
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.
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0 Dpsと圧縮率 ecの関係(半径方向 :t
3，t
2
)
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) 円周方向
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) 半径方向
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(
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) 円周方向
0
0
.
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8
0
(
b
) 半径方向
F
i
g
.5
.
2
2 Dp
t
3，t
2
)
sとんの関係 (
圧縮後の工具表面の Dp
sと試験片の Dp
sとの関係を調べるため，圧縮後の工具表
面の Dp
i
g
.
5
.
2
3に t
3の圧縮後の工具表面の Dp
sを測定した . F
sと圧縮率 ecの関係を
示す.圧縮率が大きくなっても測定箇所によらず，初期工具とほぼ同じ値をとって
いる.
F
i
g
.
5
.
2
4に t
・2の圧縮後の工具表面の Dp と圧縮率 e
3 と同様に
cの関係を示す .t
，
<
.
，
'
初期工具とほぼ同じ値をとっている.
F
i
g
.
5
.
2
5に r=Omm， F
i
g
.
5
.
2
6に r=lm m， F
i
g
.5
.
2
7に r=2mm， F
i
g
.
5
.
2
8に r=3mm
のt
3圧縮後の工具表面と試験片表面の Dp
sと圧縮率 ecの関係を示す . 各測定箇所
ともばらつきがみられるが，圧縮後試験片の Dp
sは圧縮率の増加に伴い大きくなり，
試験片の外周部ほど Dp
sが大きくなる傾向が見られる . 圧縮後の工具の Dpsは初期
9
3
工具の Dpsとあまり違いが見られない .
F
i
g
.
5
.
2
9に r=Omm， F
i
g
.5
.
3
0に r=lm m， F
i
g
.5
.
3
1に r=2mm， F
i
g
.5.
32に r=3mm
3と t
・2の圧縮後工具表面の Dp
のt
sと圧縮率 ecの関係を示す . 各測定箇所とも圧縮
後の工具の Dp は初期工具の Dpsとあまり違いが見られない .
，
<
.
，
'
F
i
g
.5.33~44 に t-3 の円周方向と半径方向の圧縮後の工具表面と試験片表面の D ps
と測定箇所 rの関係、を示す . 実験ごとに値にばらつきが見られるが，圧縮後試験片
は外周部ほど
Dpsが高くなる傾向が見られる . また圧縮後の工具の Dpsは初期工具
の Dpsとあまり違いが見られない .
F
i
g
.5 .4 5~49 に t-3 と t-2 の円周方向と半径方向の圧縮後工具表面の D ps と測定箇
2は t
・3 と同様に圧縮後工具の Dpsは初期工具の Dpsとあまり
所 rの関係を示す . t
違いが見られない.
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) 円周方向
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) 半径方向
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) 円周方向
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) 半径方向
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) 円周方向
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(
b
) 半径方向
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(
b
) 半径方向
F
i
g
.5.
45 Dps と測定箇所 rの関係 (
t
3
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=17%， t
2
:ec=20%)
c
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nr
/
mm
(
a
) 円周方向
(
b
) 半径方向
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46 Dps と測定箇所 rの関係 (t-3:ι=320
/
0，ト2
:ec=330
/
0
)
2
2
AI050-0
1
.8トS
Rニ 20μm
ー1.6~θdirection
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(
a
) 円周方向
(
b
) 半径方向
F
i
g
.5.
47 Dpsと測定箇所 rの関係 (
t
3
:e
=39%， t
・2
:ec=42%)
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2
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1
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1
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1
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.
.
.
1
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詔 I
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2‘Too1
~1.4 トト3 ‘ Too1 ec ，
47%
=
合
1
.
2
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1
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o
s
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o
nr
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(
a
) 円周方向
(
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) 半径方向
F
i
g
.5.
48 Dps と測定箇所 rの関係 (
t
3
:e
，t
2
:ec=47%)
c=48%
-EE
0
.
8
咽
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3，
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2
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1
.8トSRニ 20μm
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1
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er=54%
1
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nr
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mm
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1
2 3 4
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s
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t
i
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nr/m m
(
a
) 円周方向
(
b
) 半径方向
F
i
g
.5.
49 Dps と測定箇所 rの関係 (
t・3
:e
54%， t
2
:e
54%)
c=
c=
5
.
5 DLCコーティング工具における解析結果
5
.
5
.
1 零点集合次元 Dzによる加工品表面の解析結果
F
i
g
. 5.50
に DLC の零点集合次元 Dz と圧縮率 e c の関係を示す •
Dzの値に大きな
違いは見られずおおよそ 1
.
3
"
"
'1
.
5程度の値となっている . 加工すると Dzは初期よ
りも大きくなり，圧縮率 ιが増加しても有意な変化は見られない . ぱらつきが大き
く測定箇所による違いも良くわからない.
F
i
g
.5
.
5
1に t
3の零点集合次元 Dzと圧縮率 ecの関係、を示す . DLC同様 Dzの値に
.
3
"
"
'1
.
5程度の値となっている.また，加工すると
大きな違いは見られずおおよそ 1
Dzは初期よりも大きくなり，圧縮率 ecが増加しても有意な変化は見られず，測定箇
所による有意な傾向は見られない.
F
i
g
.5
.
5
2に DLCと t
3の圧縮後の試験片表面の零点集合次元 Dzと圧縮率 ecの関
係を示す . DLCと t
3の違いはほとんど見られない.
F
i
g
.5
.
5
3に DLCの Dzとんの関係を示す .Dzとんの聞に有意な関係は見られな
し、-
F
i
g
.
5
.
5
4に DLCと t
3の Dzと Saの関係を示す
れない.
DLCと t
3で有意な関係は見ら
1
0
3
2
~
~r=Omm
AI050-0
r=lmm
1
.8ト
SRニ 20μm -~
0- r
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DLC
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rニ 3mm
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r
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Fig.5.50 Dzと圧縮率 ecの関係 (DLC)
.
.r=Omm
.
.
.r=lmm
.
.
.
.r=2mm
.
.
.
.r=3mm
I
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1
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SR=20μm
t
3
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F
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g
.
5
.
5
1 Dzと圧縮率 ecの関係 (
t・3
)
2
2
~
AI050-0
1
.8ト SR=20μm r=Omm
t
3
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a
i
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(
a
) 測定箇所 r=Omm
~
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1
.8 SR=20μm r=lmm
t
3
1
.6
1
.
4
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.
2
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r
a
i
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c/%
(
b
) 測定箇所 r=1mm
F
i
g
.
5
.
5
2 Dzと圧縮率 e
，t
3
)
cの関係 (DLC
104
2
2
A1050-0
1
.8トS
R=20μm r=2mm
1
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二
己
3
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(
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) 測定箇所 r=2mm
(
d
) 測定箇所 r=3mm
F
i
g
.
5
.
5
2 Dzと圧縮率 ecの関係 (DLC，t
3
)
2
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A1050-0
1
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R=20μm
DLC
1
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5
3 Dzとんの関係 (DLC)
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1
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SRニ 20μm t
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Sa /nm
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F
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g
.
5
.
5
4 Dzとんの関係 (DLC，t
3
)
1
0
5
5
.
5
.
2 パワースベクトル次元 Dpsによる加工品表面の解析結果
次に，パワースペクトノレ法によって表面細部の凹凸形状について検討した.
F
i
g
.5
.
5
5こ
， DLCの円周方向，半径方向における Dpsと圧縮率 ecの関係を示す.圧
縮率が大きくなると
Dpsが大きくなる傾向が見られる.
F
i
g
.5
.
5
6に DLCと t
3の円周方向， F
i
g
.5
.
5
7に DLCと t
3の半径方向における
Dpsと圧縮率 ecの関係を示す . 測定箇所によるぱらつきは大きく，円周方向と半径
方向でもあまり差は見られなかった。
F
i
g
.5
.
5
8に DLCの円周方向，半径方向， F
i
g
.
5
.
5
9に DLCと t
3の円周方向，半径
方向における Dpsとんの関係を示す . らが大きい範囲においては Dpsが小さくなり，
3ではあまり違
んが小さい範囲においては Dpsが大きくなる傾向がある . DLC と t
いが見られない.
2
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1
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SR=20μm
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) 半径方向
(
a
) 円周方向
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.
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5 Dpsと圧縮率
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DLC)
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) 測定箇所 r=Omm
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5
6 DIばと圧縮率
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(
b
) 測定箇所 r=1mm
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DLC，t
3
)
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(
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) 測定箇所 r=2mm
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d
) 測定箇所 r=3mm
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.
5
6 Dp と圧縮率 e
DLC，t
3
)
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，
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) 測定箇所 r=Omm
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) 測定箇所 r=lmm
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(
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) 測定箇所 r=3mm
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DLC，t
3
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.
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(
a
) 円周方向
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(
b
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.
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.
5
8 DIほとんの関係 (DLC)
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Rニ 20μm
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(
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) 半径方向
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.
5
9 D!'1'J' とんの関係 (DLC，t
3
)
60
80
1
0
8
第 6章結論
本研究では，ナノレベノレでの金属の塑性加工技術を開発することを目的とし，単軸圧縮
加工による超平滑面創成挙動について検討を行った.これまではアルミニウム焼なまし材
A1050-0に対して工具表面粗さ Rα=10nm，カーボン蒸着膜厚さ t
=
20nm (
t
2
) の工具を用
=
40nm (
ω) の工具を用い実験を行
いて実験を行ってきたが，今回はカーボン蒸着膜厚さ t
い，蒸着膜の膜厚の違いによる影響を調べた.また，工具表面膜の違いが超平滑面の創成
i
k
eC
a
r
b
o
n
) をコーティン
に及ぼす影響を調べるため，表面に潤滑剤として DLC(DiamondL
t
3
)との比較も行った.実験結果の検討
グした工具を用いて実験を行い，カーボン蒸着工具(
は，表面粗さ計による表面の観察， AFMによる表面の観察， FEM解析による変形シミュレ
ーションを行い，試験片表面の超平滑面の創成挙動について明らかにした.また，試験片
表面の凹凸形状を複雑さという観点から評価し，超平滑面の創成挙動を検討するために，
，パワースベクトル次元 Dp
零点集合次元 Dz
sを求め，ナノフラクタル構造についても調べ
た.また，圧縮試験後の工具表面と試験片表面の関係、を調べるため，圧縮後の工具の測定
も行った.
以下に本研究によって得られた結果を示す.
(
1
) カーボン蒸着膜厚さ t
=
40nm (
t
・3
) の工具では，圧縮率 e
=15%
程度から初期工具と同程
c
度の平滑度が得られ，低圧縮率よりも高圧縮率，中心部よりも外周部で平滑化が進むこ
とがわかった.これは中心部では面圧が大きく圧縮率 ιが大きくなるほど工具表面の転
写効果が大きくなり，外周部については，材料流動によるしごき効果が大きくなるため
と考えられる.
(
2
)t
=
40nm(
t
3
) は膜厚の薄い t
=
20nm (
t
2
) に比べ，カーボン蒸着膜の剥離が起きにくく，
潤滑状態が安定しているため，平滑化が進むことがわかった.また，カーボン蒸着膜の
剥離の影響を受けにくいため，外周部と中心部で共に測定方向の違いによる粗さに差が
生じにくいことがわかった.
(
3
) DLC の工具では，圧縮率が大きくなるほど平滑化が進み，e
=10%
程度から初期工具の
c
表面粗さと同程度の平滑度が得られ，中心部で工具表面粗さよりも粗し、かもしくは工具
表面粗さと同程度まで平滑化され，外周部では工具表面粗さ以上に平滑化される場合が
あることがわかった
(
4
) DLCと t
3は共に e
=l0
"
"
'1
50/
0で工具の粗さ程度に平滑化されるが，平滑度に大きな違い
c
は見られず，実験値のばらつきも同程度であることがわかった.しかし測定箇所ごとの
粗さで見ると， DLCは外周部ほど平滑化が進み圧縮率 ecが大きくなるにつれて中心部
と外周部の粗さの差が小さくなる傾向があるが，t
3 は剥離の影響を受け測定箇所ごと
の平滑度にばらつきが生じることがわかった.また DLCは t
3同様に中心部と外周部で
共に円周方向と半径方向に粗さの違いは見られないことがわかった.
109
(
5
) フラクタル解析によると，零点集合次元 Dzは加工することで初期表面の Dzより大きく
なる傾向が見られたが，平滑化に伴う変化は認められず，パワースベクトル次元 Dpsは
算術平均面粗さんが小さい範囲において試験片表面の Dpsが大きくなる傾向が見られた.
また Dz，DJ>S共に材料，工具表面粗さ，膜厚の違いによる影響は見られなかった.
1
1
0
[参考文献]
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6
)安部洋平，池田豊，森謙一郎 : 超高張力鋼板の破断面平滑加工による穴広げ性の向
2巻
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上，塑性と加工， 5
(
7
) 高田義正，笹原弘之:二重らせん摩擦援枠形バニシングによる表面改質:パニシング
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工具先端形状が表面粗さ・硬さ・残留応力に及ぼす影響(OS3 工具・ツーリング (
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)，
産加工・工作機械部門講演会:生産と加工に関する学術講演会， 2010巻
8
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(
8
) 王志向上塑性加工における超平滑面創成機構，塑性と加工， 44巻
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15 号 (
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No.9(2011)， 97ト9
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(
11
)服部清一，超精密鍛造品のナノ表面特性に関する研究，平成 1
4年度
修士論文(三重
大学大学院工学研究科)， (
2
0
0
2
)
.
(
12
)大野哲平，金属の塑性加工による超平滑面の創成，平成 1
6年度
修士論文(三重大学
2
0
0
4
)
.
大学院工学研究科)， (
(
13
)井川恵里，金属の圧縮加工における平滑化挙動，平成 1
7年度
卒業論文(三重大学大
学院工学研究科)， (
2
0
0
5
)
.
(
14
)戸田耕平，塑性加工による超平滑面の創成，平成 1
8年度
修士論文(三重大学大学院
2
0
0
6
)
.
工学研究科)， (
(
15
)山口勝也，金属の単軸圧縮加工による超平滑面倉J
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成，平成 1
9年度
学大学院工学研究科)， (
2
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)
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修士論文(三重大
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6
)小川広祐，単軸圧縮加工による超平滑面創成に関する研究，平成 2
1年度
修士論文(三
重大学大学院工学研究科)， (
2
0
0
9
)
.
(
17
)赤塚幸平，圧縮加工による超平滑面の創成に関する研究，平成 22年度
修士論文(三
重大学大学院工学研究科)， (
2
0
1
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)
.
(18)DLC (ダイヤモンドライクカーボン)コーティング:日本アイ・ティ・エフ株式会社
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)島津製作所:走査型ブロープ顕微鏡 SPM-9500シリーズ本体取扱説明書， 8
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)高安秀樹:フラクタル，朝倉書f
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)ハインツ・オットーパイトゲン，ディートマーザウペ(山口昌哉監訳):フラクタル・イ
メージ，シュプリンガー・フェアラーク東京， (
19
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)，3
9
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0
.
(
2
3
)黒崎靖，松井正仁:塑性加工表面問題へのフラクタル手法の適用，塑性と加工， 40巻
，
462号(
1
9
9
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7
)，6
3
5
6
3
9
.
(
2
4
)中西章:等 2軸引張りを受けるアルミニウム薄板自由表面プロフィルのフラクタル解析，
平成 7年度修士論文(三重大学大学院工学研究科)， (
19
9
6
)，8
.
112
謝辞
本研究の遂行および論文作成にあたり，終始懇切なるご指導いただきました
松井正仁准教授，中村裕一准教授，牧清二郎教授，ならびに工具の作製などに
ついて多くの貴重な御指導をいただきました村井健一技術専門員に深く感謝い
たします.
さらに，実験および考察に際して，惜しみないご協力をいただいたナノプロ
セッシング研究室中瀬敦氏ならびにナノプロセッシング研究室諸氏に深く感謝
いたします.