(57)【要約】本発明は、振動減衰材料を含むチップ取り外し用途の器具を提供するものであり、振動減衰材料は、ナノ寸法のクラスターの形態で配列された材料である。本発明は、前記器具の製造方法をさらに提供する。本発明は、前記方法によって得られる器具も提供する。さらに、本発明はチップ取り外し用途の器具に使用される物品又はワークピースを提供する。また、上記の方法を制御するためにコンピュータプログラムも提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動減衰材料を含み、チップ取り外し用途の器具であって、
前記振動減衰材料は、ナノ寸法のクラスターの形態で配列されたたＣＮｘを含むセラミック材料であることを特徴とする器具。
【請求項２】
前記器具は、可動又は固定されていることを特徴とする請求項１に記載の器具。
【請求項３】
前記セラミック材料は、前記器具の表面上の層として存在しており、
前記層は、１μｍ〜１ｃｍ、好ましくは１μｍから１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の器具。
【請求項４】
前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターは、０．５〜１００ｎｍの寸法を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の器具。
【請求項５】
適用された前記振動減衰材料は、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の器具。
【請求項６】
適用された前記振動減衰材料は、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項５に記載の器具。
【請求項７】
適用された前記振動減衰材料は、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項５に記載の器具。
【請求項８】
適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、
好ましくは前記窒化炭素層が拘束層であることを特徴とする請求項５に記載の器具。
【請求項９】
振動減衰層の厚さの均一性は、０．１〜１０％であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１０】
前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層は、超格子中に１０〜１００００層のサブレイヤ、好ましくは１００〜１０００層のサブレイヤを有していることを特徴とする請求項１に記載の器具。
【請求項１１】
前記器具は、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、リーマ、コレット又は取付け手段であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１２】
前記器具は、
製造機械内、又は製造機械のツールホルダー内に配置されるシャフト（２）と、
その上にカッターを配置させるように意図されたヘッド（３）と、
前記カッターが振動減衰材料（４）のみを介して前記製造機械に接触するように配置された振動減衰材料（４）と、を含むツールホルダー（１）であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１３】
前記材料は、前記ツールホルダーの表面上に、好ましくは、本質的にカッティングエッジ、カッティングインサートと接触する表面上だけに、及び／又は、前記ツールホルダーを保持する前記製造機械若しくは前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触する表面上に、薄層として存在していることを特徴とする請求項１２に記載の器具。
【請求項１４】
前記シャフト（２）が空洞を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の器具。
【請求項１５】
空洞が、穴をあけたシリンダーであることを特徴とする請求項１２に記載の器具。
【請求項１６】
少なくともシャフト（２）の表面（５）のうち、前記製造機械に接触又は前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触するように意図された部分は、前記振動減衰材料を備えていることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１７】
前記ツールホルダーの全表面が前記振動減衰材料を備えていることを特徴とする請求項１２乃至１４及び１６のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１８】
前記振動減衰材料（４）が、前記シャフト（２）の前記表面（５）を囲んでいることを特徴とする請求項１２乃至１４及び１６のいずれか１項に記載の器具。
【請求項１９】
前記シャフト（２）と前記ヘッド（３）とは、前記振動減衰材料（４）を介して結合された２つの別部品であることを特徴とする請求項１２乃至１４及び１６のいずれか１項に記載の器具。
【請求項２０】
回転カッティングツール用として使用されることを特徴とする請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の器具。
【請求項２１】
前記回転カッティングツールが、フライスカッター、スロットミル、又はエンドミルであることを特徴とする請求項２０に記載の器具。
【請求項２２】
セラミックインサート、ダイヤモンドインサート、立方晶窒化ホウ素インサート、ＨＳＳインサート、又はカーバイドインサート用として使用されることを特徴とする請求項１２乃至１９及び２１のいずれか１項に記載の器具。
【請求項２３】
前記器具は、前記振動減衰材料を備えたシャフトを含むドリルあるいは回転ヤスリであることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の器具。
【請求項２４】
請求項１乃至２３のいずれか１項に記載のチップ取り外し用途の器具を製造する方法であって、
ａ）チップ取り外し用途の器具の製造方法を提供する工程と、
ｂ）前記器具上に、ＣＮｘを含むセラミック材料をナノ寸法のクラスターの形態で沈殿させて、前記器具に振動減衰効果を付与する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記器具は、可動又は固定されていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられており、
前記層は、１μｍ〜１ｃｍ、好ましくは１μｍから１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍであることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターが、０．５〜１００ｎｍの寸法を有していることを特徴とする請求項２４乃至２７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２９】
工程ｂ）の沈殿は、ＤＣ、ＲＦ、パルス、高出力パルスなどのマグネトロンスパッタ析出技術、反応コーティング、ステアリングアーク又はノンステアリングアークなどのアーク技術、ＲＦ、ＤＣ、低圧、高圧、プラズマアシストなどの化学蒸着法（ＣＶＤ）技術、物理蒸着法（ＰＶＤ）技術、プラズマスプレー技術又はそれらの技術の組合せで、好ましくはＰＶＤ及びＣＶＤを用いることにより行なわれることを特徴とする請求項２４乃至２８いずれか１項に記載の方法。
【請求項３０】
工程ｂ）の沈殿は、Ａｒ、Ｎ、ＣＨ４もしくはＣ２Ｈ２、又はＣＯ、又はＣＯ２ガス、又はその組合せを用いて行なわれることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
工程ｂ）の沈殿は、物品またはワークピースが５０〜１５００℃の温度で、好ましくは５０〜４００℃の温度で行なわれることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
適用された前記振動減衰材料は、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項２４乃至３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
適用された前記振動減衰材料は、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
適用された前記振動減衰材料は、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、
好ましくは前記窒化炭素層が拘束層であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
振動減衰層の厚さの均一性が、０．１〜１０％であることを特徴とする請求項２４乃至３５いずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層が、超格子中に１０〜１００００層のサブレイヤ、好ましくは１００〜１０００層のサブレイヤを有していることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３８】
工程ｂ）の沈殿が、リアクター内にマグネトロンカソード上にターゲットを任意に備えたリアクター内で行なわれており、
磁場によって分離されたカソードとアノードとを含み、
（ａ）前記リアクター内で前記カソードがマグネトロンのような磁場を提供するように準備する工程と、
（ｂ）チャンバ内に器具を設置する工程と、
（ｃ）チャンバ内に１つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
（ｄ）前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成して前記プロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記器具上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
（ｅ）分解と化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、
を含むことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項３９】
前記器具が約０．２５ｒｐｍで回転することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記プロセスガスがアセチレン、及び／又はメタン、及び／又は酸化炭素、及び／又は二酸化炭素であり、
前記反応性ガスが窒素であり、
好ましくは、プロセスガスと反応性ガスとの比率が約１／１０〜１０／１であり、
より好ましくは、アセチレン及び／又はメタンと窒素との比率が約５０／５０であることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記リアクター内の圧力が１０−４torr〜１０００torrであり、好ましくは１０−３torr〜１０torrであることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４２】
電流振幅は、約１〜１０００Ａ、好ましくは約５〜６Ａであり、
パルス長は、約１０μs〜１０ｓであり、
周波数は、約０．１〜１００００Ｈｚであることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４３】
パルス電源は、約１００Ｗ〜１ＭＷであり、好ましくは約１ｋＷ〜３ｋＷであることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４４】
ＣＶＤ分解プロセスと、バランス型又はアンバランス型のマグネトロンのような磁場を有するカソードであるＰＶＤ分解ハードウェアと、を組み合わせることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
アノード−カソード高電流パルス放電は、アークグロー放電に対して正常、又は異常、又は移行異常であることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
析出中の磁場強度が、０．０１〜０．３テスラであり、好ましくは３００ガウス以下であることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４７】
請求項２４乃至４６のいずれか１項に記載の方法によって得ることのできるチップ取り外し用途の器具。
【請求項４８】
前記器具が、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、コレット又は取付け手段であることを特徴とする請求項４７に記載の器具。
【請求項４９】
マグネトロンカソードを含むリアクター内で、ワークピース又は物品上に窒化炭素材料を析出する方法によって得ることのできるワークピース又は物品の使用であって、
前記窒化炭素材料は、好ましくは、適用するときに、ナノ寸法及び／又はサブナノ寸法のクラスター／凝集物から成り、
前記方法は、
（ａ）前記リアクター内で前記カソードが磁場（好ましくは、マグネトロンのような磁場）を有するように準備する工程と、
（ｂ）前記リアクター内にワークピース又は物品を設置する工程と、
（ｃ）前記リアクター内に１つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
（ｄ）前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成してプロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記ワークピース又は物品基板上に析出させ、前記反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
（ｅ）分解及び化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、
を含み、
チップ取り外し用途の器具、好ましくはカッティングツール、より好ましくは、旋削加工、中ぐり加工、穴あけ加工、リーマ加工、ねじ切り加工、フライス加工、平削り、バリ取り加工、ドリフティング、及び／又はブローチ加工のツールへの使用であることを特徴とする使用。
【請求項５０】
請求項２４乃至４６のいずれか１項に記載の方法を行なうためのデータ記憶媒体に蓄積されたコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ツールホルダー及びその製造方法に関し、それによって前記ツールホルダーにはセラミック材料の振動減衰層が存在している。
【背景技術】
【０００２】
製造機械のツールホルダーは、使用中に振動してノイズを生じさせる傾向がある。そのような振動は、結果物の精度にマイナスの影響を有することにより、作業プロセスを妨害する。振動はまた、製造機械の周囲の環境を悪化させる煩わしい雑音も生じさせる。
【０００３】
完全な製造機械は振動を生じず、全てのエネルギーは、実施されるべきプロセスに伝えられる。実際に、振動は、機械の様々な部品が互いに反する働きをするときに、常に発生する。機械がさらに摩耗すると、その動的パフォーマンスに変化が生じる。これは、機械の寿命の異なる時期に、新しいタイプの振動が発生しうることを意味する。振動は、ワークピースに不十分な表面仕上げと、ワークピースの低精度をもたらし、さらには機械及びツール（例えば切削工具）を摩耗させ、最悪の場合には、結果として回復できない損傷を伴う。
【０００４】
また、例えば金属、プラスチック、木材又は複合材料などの材料の加工中には、加工による振動と機械のノイズとによる高レベルの雑音によって生じる問題も発生する。ヒトの耳にとって不快な周波数間隔内の振動ノイズの大部分を除去できることは重要である。雑音のレベルを８０ｄｂ未満のレベルまで低減することが望ましい。
【０００５】
さらなる問題は、従来知られている振動減衰材料(vibration damping material)を析出する方法で利用可能な析出速度が、比較的遅いということである。従来知られている振動減衰材料の析出方法に関する別の問題は、析出は、析出される物品又はワークピースの特徴にとって有害かもしれない比較的高温で、行う必要があることである。したがって、前述の析出方法は、例えば、析出される物品又はワークピースの内部構造又は外部構造に損傷を与えるかもしれず、又は前記物品又はワークピースのアニーリングを損なうかもしれない。
【０００６】
インサートホルダーで使用されるカッティングインサート(cutting inserts)に関する問題は、例えば衝撃及び振動に起因するそれらの短い寿命である。インサートとインサートホルダーとの間に振動減衰層(vibration damping layer)を適用することによって、衝撃を低減又は排除することができ、この方法によって、インサートの寿命を伸ばすことができる。
【０００７】
したがって、振動減衰ツールホルダー(vibration damped tool holders)を有して、それにより摩耗及び／又は振動を低減するのが望ましい。さらに、精度を高く保つ振動減衰ツールホルダーを有して、材料の疲労を回避できるようにするのが望ましい。したがって、上述の不利益を排除又は軽減する振動減衰ツールホルダーを有しているのが望ましい。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、振動減衰材料を含んだチップ取り外し用途の(chip removal applications)の器具(appliance)であって振動減衰材料がナノ寸法のクラスターの形態で配列された材料である、第１の態様の器具を提供することにより、上述した問題の１つ以上を解決する。
【０００９】
本発明はまた、第２の態様によって、第１の態様に係るチップ取り外し用途の器具の製造方法も提供し、この方法は、
ａ）器具を提供する工程、および
ｂ）前記器具の上に、材料をナノ寸法のクラスター形態で沈殿(precipitating)させ、それは好ましくはセラミックであり、それにより前記器具に振動減衰効果を付与する工程と、を含む。
【００１０】
本発明の第３態様によれば、第２の態様に係る方法によって得られた器具を提供する。
【００１１】
本発明の第４の態様によれば、マグネトロンカソードを含むリアクター内で、ワークピース(work piece)上又は物品(article)上に窒化炭素材料（前記窒化炭素材料は、適用するときに、ナノ寸法及び／又はサブナノ寸法のクラスター／凝集物から成るのが好ましい）を析出させる方法により得ることのできるワークピース又は物品の使用を提供するものであり、
上記方法は、
（ａ）リアクター内でカソードが磁場（好ましくは、マグネトロンのような磁場）を有するように準備する工程(providing)と、
（ｂ）リアクター内にワークピース又は物品を設置する工程と、
（ｃ）リアクター内に１つ以上の炭素含有プロセスガス(carbon containing process gases)と反応性ガスとを導入する工程と、
（ｄ）プロセスガスおよび反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成してプロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料をワークピース又は物品基板上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
（ｅ）分解及び化学吸着の後に、チャンバからガスを排気する工程と、
を含み、
チップ取り外し用途の器具、好ましくはカッティングツール(切削工具：cutting tools)、より好ましくは、旋削加工(turning)、中ぐり加工(ボーリング:boring)、穴あけ加工(ドリル加工:drilling)、リーマ加工(reaming)、ねじ切り加工(threading)、フライス加工(ミーリング:milling)、平削り(プレーナー加工:planning)、バリ取り加工(デバリング:deburring)、ドリフティング(drifting)、ブローチ加工(ブリーチング:broaching)のツールへの使用である。磁場は異なる位相にすることができる。好ましくは、それは、マグネトロンのような磁場(magnetron-like magnetic field)にすることができる。本発明の第４の態様に係る上述の方法では、基礎となる技術(corner stones)の１つは、炭素含有ガス（例えばメタン、アセチレン、一酸化炭素、二酸化炭素など）をラジカルに加熱分解でき、それにより炭素含有ラジカルをワークピース上又は物品上に析出できるＣＶＤプロセスである。他の基礎となる技術は、前述の方法で用いられるＰＶＤハードウェアである。
【００１２】
本発明の第５の態様によれば、第３の態様に係る方法を行なうためのデータ記憶媒体に蓄積されたコンピュータプログラムを提供する。
【００１３】
＜発明の詳細な説明＞
本願の記載の全体にわたって、「チップ取り外し用途の器具」の表現には、いかなるチップ取り外しツール(chip removal tool)、例えば、旋削加工用、フライス加工用、穴あけ加工用、バリ取り加工用、ブローチ加工用又はドリフティング用などのツールなどの動かない又は回転するツール、又はそれらのツールで使用されるカッティングエッジ(刃先:cutting edge)もしくはカッティングインサート(cutting inserts)、及び工作機械に取り付けるためのチップ取り外しルーツ用保持装置、例えばコレット、ツールホルダー、取付け装置(mounting device)なども含むことを意図している。
【００１４】
減衰の設計では、主に２つのアプローチ――受動的な減衰と能動的な減衰――がある。受動的な減衰方法では、機械部品間にある減衰層の機械的設計及び／又は適用において、高減衰能材料を用いる。これらの方法は簡単で且つ信頼できる。能動的な減衰ではセンサとアクチュエータを使用しており、低周波励振(low frequency excitations)に用いることができる。本発明は受動的な方法に関する。振動の減衰は、対象となる機械に減衰材料を適用することにより達成できる。
【００１５】
材料の減衰能(damping capacity)は、ドメイン又は相の境界間の内部摩擦によって機械的振動エネルギーを熱エネルギーに変換する能力に関係する。このメカニズムは金属合金に特有である。震動エネルギーから熱への変換の他のメカニズムは、粘弾性材料(viscoelastic materials)によって実現される。それらは、粘弾性のポリーマプラスチック又はエラストマーである。これらの材料は、粘性材料（エネルギーを消費する）と弾性材料（エネルギーを蓄える）の両方の性質を有しているので、粘弾性として知られている。
【００１６】
高減衰金属合金は、通常の金属よりは良好な減衰特性を有してはいるものの、粘弾性材料と同レベルの減衰を提供することはできない米国特許US5573344及び米国特許出願US2005084355を参照されたい。しかしながら、粘弾性材料は、一般に狭い温度範囲でのみ有効であり、トライボロジー的特性(tribological properties)が不十分である。
【００１７】
エラストマーに比して低い合金の減衰特性は、ドメイン間の境界の摩擦表面を強く制限する材料を配列するドメインの寸法が大きいことに起因する。特有のドメイン寸法は約１〜２０μｍである。Y. Liu, G. Yang, Y. Lu, L. Yang、「噴霧析出したままの高シリコン合金ＺＡ２７の減衰挙動及びトライボロジー的特性(Damping behaviour and tribological properties of as-spray-deposited high silicon alloy ZA27)」、Journal of materials processing technology、 87 (1999) 53-58、及び K. K. Jee, W. Y. Jang, S. H. Baik, M. C. Shin、「Ｆｅ−Ｍｎ基合金の減衰メカニズムと用途(Damping mechanism and application of Fe-Mn based alloys)」、Materials science and Engineering A273-275 (1999) 538-542を参照されたい。より一般的には、何百μｍ程度の大きさの典型的な金属合金のドメイン寸法について論じることができる。
【００１８】
アクリル系粘弾性ポリーマなどの粘弾性ポリーマは、長鎖分子によって配列されている。商業的見地から見て最も一般的なのは、線形構造、分岐状構造及びネットワーク構造である。高減衰能を示す粘弾性減衰層の特徴的な厚さは、約何百μｍ(合金中でドメイン寸法と同程度)である。米国特許US2005084355と、3M centre Building 21-1W-10, 900 Bush Avenue, St. Paul, USAにある３Ｍ（商標）社の工業用接着剤・テープ部門の減衰フォイル(Damping Foil)２５５２の製品説明書を参照されたい。
【００１９】
したがって、現在の振動減衰技術は、良好なトライボロジー的特性と悪い減衰特性、又は反対に、悪いトライボロジー的特性と良好な減衰特性を有するコーティングに基づいていると結論付けることができる。
【００２０】
本発明は、ある意味では、良好なトライボロジー的特性と振動減衰特性とを組み合わせた新しいタイプのコーティングの創作、と要約することができる。さらに、新しい振動減衰コーティングは、厚さが０．１μｍ(tenths microns)のレベルで、既に著しい減衰容量を有しており、マイクロテクノロジーで用いることができる。これらの特性を達成するために、本発明は、接触する機械パーツの間に適用された減衰層（コーティング）を配列したサブナノ構造及びナノ構造の材料に関する。
【００２１】
このアプローチは、以下の理由により、減衰に有効であると思われる。
１．機械的構造システムには、２つのパーツの界面で接触剛性(contact stiffness)と接触減衰(contact damping)とが存在する。それらは、システム全体の挙動、特に動的挙動に大きく影響する。機械的構造システム全体において、界面はしばしば最も弱いチェーンである。したがって、構造内での減衰とその重要性は、振動の望ましくない効果の制御にとって、ますます重要な意義を持つようになった。
２．サブナノ寸法及びナノ寸法のドメインで配列された材料は、同じ減衰層の厚さにおいて、ドメイン間の表面が数十倍(several decades)大きい。したがって、ドメイン表面間の摩擦による振動エネルギーから熱への変換効率は、ミクロ寸法(micro-sized)のドメインで配列された材料に比べて、数十倍高い。
【００２２】
「減衰材料相("damping material phases")」の表現には、ドメイン(domains)、凝集物(aggregates)、晶子(crystallites)、クラスター(clusters)、又は材料を配列した層(layers arranging the material)を含むことを意図している。
【００２３】
本発明の第２の態様で述べられるように、器具（例えば、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル又は回転ヤスリ(rotary file)）は、加えられた振動減衰（セラミック材料が好適である）のほかに、本質的に純金属又は２つ以上の異なった金属を含む合金（例えば鋼）から成ってもよい。
【００２４】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記材料はセラミック材料であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記器具は、可動(movable)又は固定されている(immovable)ことを特徴とする。
【００２６】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記セラミック材料は、前記器具の表面上の層として存在しており、前記層は、１μｍ〜１ｃｍ、好ましくは１μｍから１０００μｍ、最も好ましくは５０〜５００μｍであることを特徴とする。
【００２７】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターは、０．５〜１００ｎｍの寸法を有していることを特徴とする。
【００２８】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記セラミック材料は、ＣＮｘ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３又はその混合物から成る群から選ばれる。
【００２９】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記セラミック材料はＣＮｘである。
【００３０】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料は、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００３１】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料は、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００３２】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、適用された前記振動減衰材料は、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００３３】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、好ましくは前記窒化炭素層が拘束層である。前記の粘弾性層は、３Ｍ（商標）社の減衰フォイル２５５２（3M centre Building 21-1W-10, 900 Bush Avenue, St. Paul, USAにある工業用接着剤・テープ部門の製品説明書を参照されたい）を含んでいてもよい。
【００３４】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、振動減衰層の厚さの均一性は、０．１〜１０％である。
【００３５】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層は、超格子中に１０〜１００００層のサブレイヤ、好ましくは１００〜１０００層のサブレイヤを有している。
【００３６】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記器具は、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、リーマ（擦るカッター）、コレット又は取付け装置(mounting device)である。
【００３７】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記器具は、製造機械内、又は製造機械のツールホルダー内に配置されるシャフト（２）と、その上にカッター（カッティングインサート）を配置させるように意図されたヘッド（３）と、前記カッターが振動減衰材料（４）のみを介して前記製造機械に接触するように配置された振動減衰材料（４）と、を含むツールホルダー（１）である。前記のツールホルダーは、常置又は可動（すなわち、交換式）のカッティングインサートを有している。
【００３８】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記振動減衰材料は、前記ツールホルダーの表面上に、好ましくは、本質的にカッティングエッジ、カッティングインサートと接触する前記ツールホルダーの表面上だけに、及び／又は、前記ツールホルダーを保持する前記製造機械に接触もしくは前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触する表面上に、薄層として存在している。前記のカッティングインサート／カッティングエッジは、表面の一部又は全部の上に、前記振動減衰材料がさらに析出されてもよい。
【００３９】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記シャフト（２）は空洞を備えている。
【００４０】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、空洞は、穴をあけたシリンダーである。
【００４１】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、器具はツールホルダーであり、ここで、少なくともシャフト（２）の表面（５）のうち、前記製造機械に接触、又は前記ツールホルダーを保持する製造機械のツールホルダーに接触するように意図された部分は、前記振動減衰材料を備えている。
【００４２】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記ツールホルダーの全表面が前記振動減衰材料を備えている。
【００４３】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記振動減衰材料（４）が、前記シャフト（２）の前記表面（５）を囲んでいる。
【００４４】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記シャフト（２）と前記ヘッド（３）とは、前記振動減衰材料（４）を介して結合された２つの別部品である。
【００４５】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって、回転カッティングツール用として使用される器具が提供される。
【００４６】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記回転カッティングツールは、フライスカッター、スロットミル、又はエンドミルである。
【００４７】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって、セラミックインサート、ダイヤモンドインサート、立方晶窒化ホウ素（ＣＢＮ）インサート、ＨＳＳインサート、又はカーバイド（ハードメタル）インサート用として使用される器具が提供さる。
【００４８】
本発明の第１の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記器具は、前記振動減衰材料を備えたシャフトを含むドリルあるいは回転ヤスリである。
【００４９】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記器具は、可動又は固定されている。
【００５０】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられる。
【００５１】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記セラミック材料は、前記器具の表面上に薄層として沈殿させられており、前記層は、１μｍ〜１ｃｍ、好ましくは１μｍから１０００μｍ、より好ましくは５０〜５００μｍである。
【００５２】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記セラミック材料の前記ナノ寸法のクラスターが、０．５〜１００ｎｍの寸法を有している。
【００５３】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記セラミック材料は、金属窒化物又は金属酸化物であり、好ましくはＣＮｘ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３又はその混合物から成る群から選ばれ、最も好ましくはＣＮｘが用いられる。振動減衰材料はまた、セラミックのみ、又は金属もしくは金属−セラミック複合材料に基づいてもよい。異なった金属層もしくはセラミック層、又は金属層及びセラミック層に接着されるような方法で配列された、ＣＮｘ−窒化炭素、ＴｉＮ−窒化チタン、Ａｌ２Ｏ３−酸化アルミニウムのナノスケールの多層構造（超格子）のようなナノ構造化したセラミックを用いてもよい。したがって、本発明の好ましい実施態様は、窒化炭素−ＣＮｘ、窒化チタン−ＴｉＮ、酸化アルミニウム−Ａｌ２Ｏ３及び／又はこれらの材料で配列された複合材料に関する。好ましい材料はＣＮｘである。この材料は、粘弾性ポリーマのみならず金属合金の典型的な特性も示す。上述の材料が完全なトライボロジー的特性を有しており、特に、装飾コーティングのみならずカッティングツールのハードコーティングとしての技術にも幅広く用いられていることは周知の事実である。互いに固定された２つの機械部品（固定ジョイント）の間に適用されたＣＮｘ層は、３０〜５０μｍの層厚で既に著しい減衰能を示し、そして粘弾性ポリーマと同様の減衰特性を有していることを、予想外に発見した。本発明は、ナノ及びマイクロで積層した金属−金属(meta-metal)又は金属−セラミックの超格子のみならず、粘弾性層、及びＣＮｘ又はＴｉＮの拘束層で配列された上記の複合材料にも関する。ＣＮｘ材料中の窒素含有率は、１０〜５０％の原子濃度として「ｘ」で示される。
【００５４】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、工程ｂ）の沈殿は、ＤＣ、ＲＦ、パルス、高出力パルスなどのマグネトロンスパッタ析出技術、反応コーティング、ステアリングアーク又はノンステアリングアークなどのアーク技術、ＲＦ、ＤＣ、低圧、高圧、プラズマアシストなどの化学蒸着法（ＣＶＤ）技術、物理蒸着法（ＰＶＤ）技術、プラズマスプレー技術又はそれらの技術の組合せで、好ましくはＰＶＤ及びＣＶＤを用いることにより行なわれる。
【００５５】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、工程ｂ）の沈殿は、Ａｒ、Ｎ、ＣＨ４もしくはＣ２Ｈ２、又はＣＯ、又はＣＯ２ガス、又はその組合せを用いて行なわれる。
【００５６】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、工程ｂ）の沈殿は、物品またはワークピースが、５０〜１５００℃の温度で、好ましくは５０〜４００℃の温度で行なわれる。
【００５７】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料が、ある種類の金属又は金属化合物と、別の種類の金属又は金属化合物と、を交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００５８】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料が、金属と金属窒化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００５９】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料が、金属と金属酸化物とを交互に入れ替えた複数の層から成る多層構造で配列された複合材料である。
【００６０】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、適用された前記振動減衰材料は、粘弾性層と窒化炭素層とから成る二層構造で配列された複合材料であり、好ましくは前記窒化炭素層が拘束層である。
【００６１】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、振動減衰層の厚さの均一性が、０．１〜１０％である。
【００６２】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記ナノ寸法のクラスターの形態の前記振動減衰層が、超格子中に１０〜１００００層のサブレイヤ、好ましくは１００〜１０００層のサブレイヤを有している。
【００６３】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、工程ｂ）の沈殿が、リアクター内にマグネトロンカソード上にターゲットを任意に備えたリアクター内で行なわれており、磁場によって分離されたカソードとアノードとを含み、そして
（ａ）前記リアクター内で前記カソードがマグネトロンのような磁場(magnetron-like magnetic field)を提供するように準備する工程と、
（ｂ）チャンバ内に器具を設置する工程と、
（ｃ）チャンバ内に１つ以上の炭素含有プロセスガスと反応性ガスとを導入する工程と、
（ｄ）前記プロセスガスおよび前記反応性ガスにエネルギーを与えてプラズマを形成して前記プロセスガスをラジカルに分解し、さらに、炭素材料を前記器具上に析出させ、反応性ガスをイオン化して窒素が炭素に化学吸着される速度を増加させる工程と、
（ｅ）分解と化学吸着の後に、前記チャンバからガスを排気する工程と、を含む。
【００６４】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記器具が約０．２５ｒｐｍで回転する。
【００６５】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記プロセスガスがアセチレン、及び／又はメタン、及び／又は酸化炭素、及び／又は二酸化炭素であり、前記反応性ガスが窒素であり、好ましくは、プロセスガスと反応性ガスとの比率が約１／１０〜１０／１であり、より好ましくは、アセチレン及び／又はメタンと窒素との比率が約５０／５０である。
【００６６】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、前記リアクター内の圧力が１０−４torr〜１０００torrであり、好ましくは１０−３torr〜１０torrである。
【００６７】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、電流振幅は、約１〜１０００Ａ、好ましくは約５〜６Ａであり、パルス長は、約１０μs〜１０ｓであり、周波数は、約０．１〜１００００Ｈｚである。
【００６８】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、パルス電源は、約１００Ｗ〜１ＭＷであり、好ましくは約１ｋＷ〜３ｋＷである。
【００６９】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、ＣＶＤ分解プロセスと、バランス型又はアンバランス型のマグネトロンのような磁場を有するカソードであるＰＶＤ分解ハードウェアと、を組み合わせている。
【００７０】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、アノード−カソード高電流パルス放電は、アークグロー放電に対して正常、又は異常、又は移行異常である。
【００７１】
本発明の第２の態様の好ましい実施態様によって方法が提供され、ここで、析出中の磁場強度は、０．０１〜０．３テスラであり、好ましくは３００ガウス以下である。
【００７２】
本発明の第３の態様の好ましい実施態様によって器具が提供され、ここで、前記器具が、ツールホルダー、カッティングインサート、ドリル、回転ヤスリ、コレット又は取付け装置である。
【００７３】
本発明はまた、製造機械内又は製造機械のツールホルダー内に配置されるシャフトと、その上にカッターを配置させるように意図されたヘッドと、前記カッターが振動減衰材料のみを介して前記製造機械に接触するように配置された振動減衰材料とを提供し、ここで、振動減衰材料はセラミック材料である。
【００７４】
ナノ構造材料で配列された減衰層の小さい厚さのために、既知の従来の層沈殿技術を用いてもよい。これらの例は上述しており、これに限定されるものではないが、化学蒸着法（ＣＶＤ）技術、物理蒸着法（ＰＶＤ）技術、アーク技術、及びプラズマスプレー技術がある。減衰材料の製造及び接着用にＣＶＤ及びＰＶＤ技術を用いてワークピース（すなわちツールホルダー）の温度を低下させるためには、パーツ配列ジョイント(parts arranging joints)に向かって流れる流れの中の気体と固体の蒸気のプラズマ部分を増加させる必要があることが見いだされた。プラズマ法の場合には、ワークピースの温度が４００℃未満の範囲にすることができる。
【００７５】
上記の好ましい実施態様の方法では、工程ｂ）の沈殿は、１パルス当たり約２０ミリ秒〜４０ミリ秒の間、約５００Ｖの電圧、約２０℃〜約２００℃の温度（好ましくは約１３０〜約１７０℃）、約１０Ｈｚの周波数で、約１００Ａの放電を用いることにより行なってもよい。
【００７６】
振動減衰に現在用いられる材料の特有ドメイン又は小粒寸法は、何十μｍ〜何百μｍの範囲にあり、対応する減衰層の厚さは、何ｍｍ〜何十ｍｍの範囲にある。本発明の他の利点は、上記のツールホルダー上のナノ構造材料の層厚が、何十μｍ〜何百μｍの範囲で、高減衰能を現わすことを見いだしたことである。実際に、上述したこれらのセラミック材料の振動減衰用としての適用は既に詳述され、機械ジョイントに用いられ、又は以前のような層厚を全く必要としないことを意味している。
【００７７】
本発明の第３の態様による方法では、交差した電場及び磁場内での強力なパルス放電（Ｅ×Ｂ放電と呼ばれている）が用いられ、この種の放電は、磁場で分離されたアノードとカソードとを含むシステムで用いられる。特に、放電用電極は、アノードと、カソードの近傍にマグネトロンのような磁場を有するカソードとで配列されている。プラズマ技術の際だった特徴は、非常に高いプラズマ反応性、非常に高い析出速度、優れた接着性、並びに電場及び磁場によるプラズマへの影響の可能性である。
【００７８】
減衰効果は、発明の第２の態様による方法のあいだに、セラミック材料内に形成されたナノ構造の結果であると思われる。しかしながら、この仮定は、本発明の範囲と何らかの形で結び付くと見なされるものではない。本発明の第２の態様にかかる方法で得られたツールホルダーは、機械的振動を減衰するのに高い能力を示す。これらの材料の高い減衰特性は、ナノスケールのドメイン間、又は小粒間、又は巨大分子を配列した材料の間の摩擦による機械エネルギーから熱への効率的な変換を通して達成されると思われる。このように、セラミック材料は、ワークピースの中、特に機械継手(mechanical joints)の中で、振動減衰に効果的に用いることができるだろう。
【００７９】
振動減衰を用いて、振幅の幅を減衰すること(attenuating)及び望ましくない共振を抑制することにより、早すぎる疲労を回避することができる。対象の構造に減衰材料を適用することにより、機械エネルギーはそれを熱エネルギーに変換することにより消費することができる。
【００８０】
機械的構造システムにおいて、２つのパーツの界面の接触剛性と接触減衰(contact damping)が存在する。それらは、特にシステム全体の挙動、特に動的挙動に大きな影響を与える。多くの場合、界面は、機械的構造システム全体の中で最も弱いつながり(chains)である。構造振動は大きな設計問題であり、また多くの場合、設計者は、疲労破壊の危険を排除するために振幅を最小限にしようとする。
【００８１】
どんな機械も、振動する傾向がある。接合されたパーツ間に層を析出して振動を減衰するのは、一般的なアプローチである。最も一般的には、減衰層は、粘弾性の材料又は樹脂から成る。本発明は、減衰のための別の種類の材料に関する。ＣＮｘ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３などのサブナノ構造又はナノ構造の材料である。好ましい材料は窒化炭素−ＣＮｘである。接合される機械パーツの間に適用されるこれらの材料層は、層厚１０μｍで既に、機械的な（振動）エネルギーから熱への効果的な変換を示すことが見いだされた。
【００８２】
窒化炭素についての研究は、１９２２年に始まった。何十年間もの間、材料の性質を研究するために世界規模の取り組みが行われた。主な取り組みは、トライボロジー的特性を研究するためになされた。今までのところ、製造された最も多いＣＮｘ膜は、２０〜４５原子％の窒素を含んでいる。窒化炭素は、非常に高い弾性（８５〜９０％まで）と硬さ（４０〜６０ＧＰａ）とを示す。窒化炭素膜は、５０〜６００℃の温度で合成できる。D. Li, Y.-W. Chung, M.-S. Wong, and W.-D. Sproul, Tribology Transactions 37, 479 (1994), H. Sjoestroem et al., Thin Solid Films, 246 (1994) 103-109を参照されたい。ＣＮｘ膜が、アモルファス膜、結晶クラスターを含むアモルファスマトリクスの膜、及び乱層状の膜(turbostatic-like films)になりうることは周知の事実である。通常、窒化炭素膜は複数の異なる相から成る。乱層状の微細構造は、基本的な構造単位(structure units)（フレーク）の乱雑な集合と述べることができる。基本的な構造単位は、図４に模式的に示される。基本的な構造は凝集物の中で組み立てられる。アモルファスマトリックスに組み込まれた凝集物及び結晶クラスターの典型的な寸法は、０．５〜１０ｎｍである。結晶子の間の距離もナノメートルの範囲にある。そのような超微細構造が、例えば基本的な構造単位、結晶子及びアモルファスマトリックスなどの相の間に、非常に広い表面を有していなければならないことは明らかである。
【００８３】
良好なトライボロジー的特性とナノ寸法の構造とを有している他の材料は、窒化チタン（ＴｉＮ）と酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）セラミックである。図５及び図６は、そのことを示している。図５は、走査電子顕微鏡によって得られた、劈開されたＴｉＮ膜の側面図である。ＴｉＮの膜構造は円柱状(columnar)であることがわかる。ＰＶＤ技術によって析出された場合のＴｉＮ層である。Ａｌ２Ｏ３は粒状構造を有する（O. Zywitzki, G. Hoetzsch, Surface and coating technology 76-77 (1995) 754-762を参照されたい）。円柱(column)の特徴的な幅は約５０〜１００ｎｍである。円柱の高さは、膜厚と等しい。サンドイッチ状の構造に設計することができるのは明らかである。例えば、それはＴｉ−ＴｉＮ超格子であってもよい。現代の技術では、約数ナノメートルの厚さを有する膜に沈殿させることができる。
【００８４】
現代の技術が、何千もの層と、層間にある対応の非常に広い表面と、それらの間の調節可能な界面と、を有する超格子の形成を可能にしていることがわかる。Ｔｉベースの超格子の析出時間は、工業的に妥当な約数時間である。
【００８５】
本発明の態様の各々における好ましい特徴は、他の態様の各々に関して変更すべきところは変更する。本発明は、添付の図と共に以下の実施例に記載されているが、それらは本発明の範囲を何ら限定するものではない。本発明の実施態様は、実施態様及び図の例示を用いてさらに詳細に記載されているが、その唯一の目的は本発明を図説することであり、本発明の範囲を限定する意図は全くない。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１は、モーダル解析(modal analysis)を示す。
【図２】図２は、以下の実施例におけるテスト結果を示す。
【図３】図３は、以下の実施例におけるテスト結果を示す。
【図４】図４は、基本的なＣＮｘ面(basal CNx planes)の模式的な表示である。
【図５】図５は、ＴｉＮセラミックの円柱状のナノ構造の顕微鏡写真である。
【図６】図６は、Ａｌ２Ｏ３セラミックの粒状のナノ構造の模式的な表示である。
【図７】図７は、発明の第２の態様によるワークピースを、どのようにして振動減衰をテストしたかについての模式的な表示である。
【図８】図８は、未コーティングバーのパルス励振後の振幅減衰である。
【図９】図９は、コーティングバーのパルス励振後の振幅減衰である。
【図１０】図１０は、振動モーダル解析である。
【図１１】図１１は、減衰層の不均一な厚さによる振動スペクトルへの影響と、連続的な振動励起(vibration excitation)の模式的な表示である。
【図１２】図１２は、振動減衰を測定するときの、上記のワークピースの別のセットアップを示す模式的な表示である。
【図１３】図１３は、未コーティングバーによる機械加工後のワークピース表面の写真である。
【図１４】図１４は、コーティングバーによる機械加工後のワークピース表面の写真である。
【図１５】図１５は、連続的な振動励起による未コーティングバーの音の振幅(sound amplitude)と、連続的な振動励起によるコーティングバーの音の振幅である。
【図１６】図１６は、上記のワークピースの製造に用いられる本発明の第１２の態様にかかる装置を示す。
【図１７】図１７は、析出方法の比較を示しており、ここで符号８は、第４の態様にかかる方法である。
【図１８】図１８は、本発明の第１の態様にかかるツールホルダーを示す。図１８に関して、本発明の第１の態様は、シャフト２およびヘッド３から成るツールホルダー１によって構成される。カッターは、ヘッド３上に配列されるように意図される。ツールホルダー１のシャフト２は、その表面５の周りの振動減衰材料４を備えている。必須ではない鉄チューブ６は、ツールホルダー１を製造機械に取り付けたときに、取付力(mounting forces)をより均一に分配することを目的として、材料４の周囲に配列される。
【図１９】図１９は、本発明の第１の態様にかかるツールホルダーを示す。図１９に関して、発明の別の実施態様は、ツールホルダー１によって構成される。ツールホルダー１は、カッターに適応させることを目的とした前方のヘッド３と、製造機械に取り付けることを目的とした後方のシャフト２との２つのパーツに、物理的に分離されている。シャフト２及びヘッド３は、振動減衰材料４によって互いに分離されている。振動減衰材料４は、ツールホルダーの前端部にあるカッターのアタッチメントと製造機械に取り付けるための領域との間で、ツールホルダー上のどの位置に配列されてもよい。図１９に示される方法で、振動減衰材料４が前端部に配列されるのが好ましい。ツールホルダー１のシャフト２は、図１８に示すようにツールホルダーの表面上に、あるいは図１９に示すようにシャフト２とヘッド３の間に、セラミック材料の被覆表面の形態で、振動減衰材料を備えている。
【図２０】図２０（ａ）は、シャフト上に振動減衰材料を備えたドリルを示しており、図２０（ｂ）及び図２０（ｃ）I、II、IIIは、異なるデザインのフライスカッターを示しており、図２０（ｄ）は、使用中のフライスカッターを示している。
【００８７】
＜実施例＞
以下の実施例において、発明の第１の態様による方法をさらに明らかにする。
【実施例１】
【００８８】
この実験は、カッティングツールの振動を劇的に減衰することが示されたナノ構造材料の用途を対象とする。初期の実現可能な研究フェース(study face)の結果は、非常に肯定的なものであり、下に示す。このナノ構造材料の合成及び沈殿に用いられる技術は、交差した電場及び磁場内での強力な放電の使用であった。
【００８９】
＜ＣＮｘ減衰コーティングの析出及び評価＞
１．方法手順（ＰＰＤ）
基本圧力は１０−６torrであった。操作ガス(operating gas)はアセチレンと窒素であった。動作圧は１０−２〜１０−３torrであった。アセチレン／窒素の割合は５０／５０であった。電源はパルス電流発生器(current generator)であった。電流振幅は５〜７５０Ａである。パルス長は５ミリ秒〜３０マイクロ秒であった。パルス周波数は５０Ｈｚであった。平均電力は１ｋＷであった。パルス電源は２〜３００ｋＷであった。正常、異常及びグローからアークへ移行した放電が用いられた。
【００９０】
ハードウェアは、マグネトロンスパッタリングハードウェア（ＰＶＤ技術）用の標準的なものだった。ガスの分解では、アセチレンはＣＶＤ技術用の典型的なガスである。アルゴン＋窒素の混合物を用いたＰＶＤの析出速度は、０．５μｍ／時間であった。アセチレン＋窒素の混合物（ＣＶＤ）を用いたＣＶＤの析出速度は、１５〜２０μｍ／時間で、ＰＶＤよりも３０〜４０倍高い。これは、アセチレンでは、析出速度が１ｋＷ当たり１５〜２０μｍ／時間であることを意味している。これは、ＣＶＤプロセスが、析出速度に主に影響したことを意味する。析出した炭素の９０％以上はアセチレンに由来し、析出した炭素の残りは、マグネトロンのような磁場を有する炭素陰極に由来する。したがって、第１及び第４の態様による本願の方法は、ＰＶＤハードウェアで提供されたＣＶＤプロセスであり、又はＰＶＤ技術を分解セルとして用いて、ＣＶＤプロセスを提供する、と言うことができる。アノードは真空容器（プロセスチャンバー）であった。
【００９１】
析出は２工程で行われた:
１．厚さ３０μｍの下地層(ground layer)の析出
２．厚さ２０μｍの上層(upper layer)の析出
それらの工程の間に、ワークピースを冷却して、振動減衰のテストをした。
【００９２】
２．ＰＰＤ中ぐりバーの試験
１．方法
ＰＰＤ技術でコーティングされた中ぐりバー(boring bars)は、実験用モーダル解析(experimental modal analysis：ＥＭＡ)の助けを借りてテストされた。結果を、未コーティングバーと比較した。測定は３ステップで行なわれた:
１．未コーティングバーの測定
２．３０μのＰＰＤコーティングバーの測定
３．３０μ＋２０μのＰＰＤコーティングバーの測定
【００９３】
中ぐりバーの横断面は円形であった。したがって、バーは、ＫＴＨ、ＳＰＡＮＯで開発された機械的ホルダーの中にクランプされた。バーの長さは２５０ｍｍである。
バーは長さ５５ｍｍをクランプされた。突出した長さは１９５ｍｍであった。
【００９４】
バーの動的パフォーマンス(dynamic performance)は以下のパラメーターに基づいて比較された。
・動剛性(Dynamic stiffness)
・減衰(Damping)
・静剛性(Static stiffness)
・モード形(Mode shapes)
モーダル解析は、ハンマー励振によって７つのノードで行なわれた。パラメーターは５つの値の平均値として計算された。
【００９５】
３．結果
従来の未コーティングバーでは、以下のようなＥＭＡを示した。
固有振動数：５５２Ｈｚ
動剛性：６３．５９ｍ／ｓ２／Ｎ
３０μＰＰＤバーでは以下の通りである。
固有振動数：５１３Ｈｚ
動剛性：５３．４６ｍ／ｓ２／Ｎ
５０μＰＰＤバーでは以下の通りである。
固有振動数：４６５Ｈｚ
動剛性：２９．６５ｍ／ｓ２／Ｎ
これらの結果を図１に示した。
ＰＰＤバーでは、第２モードが、第１モードに近い周波数に現われているように見える。
【００９６】
減衰比(Damping ratio)
減衰していない（未コーティング）バー：１．１９％
ＰＰＤ−３０μ：１．６６％
ＰＰＤ−５０μ：２．７５％及び４．１１％
図２及び図３から、２つのＦＲＦの結果の間の静剛性に著しい変化がないことが、観察される。この結果はＶＥ材料の代わりにハードコーティングを用いることの利点を示している。
【００９７】
４．結論
ＣＮｘセラミック（これは、フラーレン様(Fullerene-like)であると考えられる)は、硬質の弾性振動減衰コーティングに用いることができる。析出速度は、バッチ式のコーティング機械設計において工業上の許容値である５０μｍ／時間にすることができる。効果的な減衰層の推定厚さは、５時間の析出時間で得られる約２００μｍである。バッチ式のコーティング機械に搭載できるワークピースの数に原則として制限はない。ただ１つの制限は、幾何学的ファクター、すなわち機械の寸法である。例えば、マシンに搭載された１０００個のワークピースでは、それらの１つの等価な加工時間(equivalent processing period)は０．３分であってもよい。
【００９８】
パルス高電流のプラズマ析出原理は、鋼のワークピースへの析出膜の良好な接着をもたらす。５０μｍの厚い層は、振動減衰テスト中に剥離しなかった。
【００９９】
ツールホルダー中にクランプされたカッティングツールの一部において、カッティングツールに接着させた窒化炭素層は、ツールの振動を著しく減衰させ、この方法によって、処理するワークピースの表面の精度が改善されることが発見された。カッティングツールの振動減衰によるワークピースの機械加工へのもう１つの重要な影響は、破壊的な振動なしにワークピースの回転を増加させることへの可能性である。それは生産効率の増大をもたらす。
上記のワークピースのさらなる重要な特性は、それらの剛性であり、そのことにより、減衰材料として一般に用いられている粘弾性高分子材料の場合には必要となる硬質層の追加なしに、機械パーツの接合を可能にする。
【０１００】
上記のワークピースのもう１つの重要な特性は、数百℃までの高温耐性である。本発明の第２の態様による方法によれば、タービンとジェットエンジンにおいて、それらのセラミックをジョイントに利用可能にできる。
【実施例２】
【０１０１】
本発明に用いられる振動減衰方法はまた、ＴｉＮ層によって発揮することもできる。今日の産業において、ＴｉＮはカッティングインサートのハードコーティングとして用いられている。そのために、ＴｉＮは、機械加工するワークピースに対して機能するカッティングインサートの先端に析出される。カッティングインサートは、インサート保持具に接合される（ボルトで締められる）。インサートとホルダーは、カッティングツールを配列している。ワークピースを機械加工している間に、カッティングツールが振動するのは、一般的な現象である。インサートの底面上で、インサートとツールホルダーとの間の界面に、振動減衰ＴｉＮ層又は上述の他の材料層を析出することは、本発明の１つの方法である。うまく振動減衰するように、カッティングツールの背面側で、旋盤又はフライス盤にツールがクランプされる領域に、ＴｉＮを析出させることができる。
【０１０２】
上述のナノ構造材料が良好な減衰特性を有することが分かった。その実例は、窒化炭素の以下の実施例でさらに行われる。
【０１０３】
図７は、振動の振動励起の模式図である。ここで、符号１は、試験される円筒状のバーが弾性ケーブル２で固定されるプラットホームであり、ケーブル−バー固定点が符号３である。バーは符号４で示される。符号５は減衰層である。減衰層の析出には、化学蒸着法を用いた。窒素とアセチレンが操作ガスであった。衝撃振動励起点は符号６で示される。
【０１０４】
振動検知器は点７に固定された。バーは工具鋼(tool steel)から製造された。製造後に、バーを焼き戻し(tempered)した。バーの長さは２２０ｍｍであり、直径は３１．４ｍｍであった。振動減衰材料は厚さ３００μｍの窒化炭素層であり、よって、コーティングバー全体の直径は、合計で３２ｍｍであった。振動減衰は、衝撃励振後のバーの振幅の減衰として検出した。振幅は、加速度検出器によって測定された時間の関数として示される。結果は図８及び図９に示される。減衰定数が、未コーティングバーで０．１ミリ秒、コーティングバーで０．０２ミリ秒であることがわかった。結果を、粘弾性材料から作られた減衰層と比較した。減衰材料としての窒化炭素は、粘弾性ポリーマと同じくらい有効であることがわかった。図１０には、コーティングバー及びコーティングされていない（未コーティング）バーの共振を示す。未コーティングバーの共振周波数は２９８５Ｈｚであった。コーティングバーの共振周波数は３１１０Ｈｚであった。減衰層の沈殿中のバーの温度は１００℃未満であった。低い沈殿温度は、沈殿の前後で基本の固有周波数がほとんど等しいという事実をもたらし、例えば、バーは沈殿中にアニーリングされなかった。小さな差異は、コーティングバー又は未コーティングバーの直径で差異によって説明されるかもしれない。振動減衰層を、鋼のワークピース／構成材／パーツ（カッティングツール、ギア、ベアリング）の上に、それらの特性を変更せずに沈殿できることを明らかに示していることは、重要な結果である。さらに、低温であれば、粘弾性層の上に、窒化炭素層を拘束層として適用することを可能になるだろう。
【０１０５】
振動減衰の効率が、材料だけでなく減衰層の厚さ均一性にも依存することが分かった。そのことが図１１に示される。バーはクランプされた。クランプ長さは８０ｍｍであった。クランプ長さの上で、減衰層の厚さはバーの軸に沿って３０％変更される。衝撃力励振(impulse force excitation)が用いられた。層の不均一性は、基本の固有周波数にオーバーラップしている高周波振動の出現を引き起こす。
【０１０６】
図１２では、連続的な振動励起の概略図を示している。バー７は、旋盤のクランプ１１で締められた。反対側面からは、カッティングインサート９がバーにボルトで締められた。鋼のワークピース８は、旋盤のスピンドルの中にクランプされた。ワークピースの加工点は符号１０である。未コーティングバーにより激しい振動が出るように、機械加工のパラメーターが選択された。ワークピース−カッティングツールの接合の振動は、ワークピースの製造中に発生する音としてマイクロホンで記録された。減衰層は、カッティングツールをクランプするのに特有の強いクランプによって破壊されないことが分かった。３００μｍの窒化炭素層でコーティングされたバーは、同じ機械加工パラメーターでも、振動を全く発生しないことが分かった。それは図１５及び図１４によって示される。図１５では、音の振幅は反射される。図１３及び図１４では、図１３がコーティングバーに相当し、図１４が未コーティングバーに相当する。この結果は、カッティングツールに窒化炭素層を適用することにより、同じ機械加工速度でワークピースの表面の平滑及び精度を増すことができること、又は破壊的な振動によって制限されないので、機械加工速度を増加させることにより生産能力を増加できることを、明らかに示している。振動及び対応するノイズの減衰による別の重要な結果は、人員の作業環境の著しい改善である。振動減衰の別の重要な結果は、カッティングインサートの寿命の増大である。硬質金属の加工によるインサートの特徴的な寿命は約１５分であるということは、よく知られた事実である。それは、特に、周期的な高周波の衝撃に類似したインサートの振動のせいである。インサートとインサートホルダー（固定ジョイント）との間に減衰層を適用することによって衝撃を低減又は除去でき、この方法によってインサートの寿命が増加するだろう。
【０１０７】
上記のワークピース（すなわちツールホルダー）を製造するのに用いられたセットアップは、下記の構成から構築された（数字が示される場合は、図１６を再度参照のこと)。
１−真空容器（プロセスチャンバー）
２−カーボンターゲットを備えたマグネトロンスパッタリングカソード(８０ｍｍの平坦な円形)
３−バー
４−バーホルダー
５−電気モーター
６−真空シール
７−電源
８−バーの回転方向
基本圧力は１０−６torrであった。操作ガスは、アセチレンと窒素であった。動作圧力は１０−２〜１０−３torrであった。アセチレン／窒素の割合は５０／５０であった。
【０１０８】
電源はパルス電流発生器であった。電流振幅は５〜７５０Ａであった。パルス長は５ミリ秒〜３０マイクロ秒であった。パルス周波数は５０Ｈｚであった。平均電力は１ｋＷであった。パルス電源は２〜３００ｋＷであった。電圧は、１０ｋＶで平均１ｋＶであった。析出させるワークピースは、約０．２５ｒｐｓの速度で回転した。正常、異常及びグローからアークへ移行した放電が用いられた。
【０１０９】
ハードウェアは、マグネトロンスパッタリングハードウェア（ＰＶＤ技術）用の標準的なものだった。ガスの分解では、アセチレンはＣＶＤ技術用の典型的なガスである。アルゴン＋窒素の混合物を用いたＰＶＤの析出速度は、０．５μｍ／時間であった。アセチレン＋窒素の混合物（ＣＶＤ）を用いたＣＶＤの析出速度は、１５〜２０μｍ／時間で、ＰＶＤよりも３０〜４０倍高い。これは、アセチレンでは、析出速度が１ｋＷ当たり１５〜２０μｍ／時間であることを意味している。これは、ＣＶＤプロセスが、析出速度に主に影響したことを意味する。析出した炭素の９０％以上はアセチレンに由来し、析出した炭素の残りは、マグネトロンのような磁場を有する炭素陰極に由来する。したがって、これはＰＶＤハードウェアで提供された（実現された）ＣＶＤプロセスであり、又はＰＶＤ技術を分解セルとして用いて、ＣＶＤプロセスを提供する、と言うことができる。アノードは真空容器（プロセスチャンバー）であった。
【０１１０】
異なる析出方法を用いたときは比較も行い、その結果を図１７に反映した。パルスプラズマ析出のハイブリッド方法は、ほとんど工業的な析出速度を有していることが示されている。そのことは図１７に示されている。項目１〜７は従来の方法に相当し、項目８はＰＰＤである（下記のリストを参照）。最も小さな円は、既に達成されていた層厚と温度である。見てわかるように、これは極めて優れた結果である。上述の円の上にある楕円形の部分は、工業的なコーティング機械に相当する。
１  プラズマスプレー
２  電解化学析出
３  リン酸塩処理
４  窒化処理(白色層)
５  ホウ化処理
６  ＣＶＤ
７  ＰＶＤ、ＰＡＣＶＤ
８新しいＰＶＤ＋ＰＡＣＶＤハイブリッド技術、すなわち本発明の１つの態様、
ＰＶＤ＝物理蒸着法
ＰＡＣＶＤ＝プラズマアシスト化学蒸着法
【０１１１】
本発明の様々な実施態様が上述されたが、当業者は追加の小さな変更を理解し、それらは本発明の範囲内にあるだろう。本発明の広さ及び範囲は、上記の典型的な実施態様のいずれによっても制限されたべきではなく、特許請求の範囲及びそれらの等価物によって定義されるべきである。例えば、上記の方法は、他の既知の方法と組み合わせることができる。本発明の範囲内にある他の態様、利点及び変更は、本発明が関連する技術分野の当業者には明白であろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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