(57)【要約】【課題】  本発明は、新規な被加工体を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の被加工体は、被膜をコーティングした基体からなるものである。  被膜の材質として金属を用いることができる。好ましくは、被膜の材質として金を用いることができる。基体の材料として硬脆材料を用いることができる。好ましくは、基体の材料としてガラスを用いることができる。被加工体は塑性加工することができる。好ましくは、被加工体は押込み塑性加工することができる。【選択図】        図１
2005096359.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被膜をコーティングした基体からなる
ことを特徴とする被加工体。
【請求項２】
被膜は金属からなる
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項３】
被膜は金からなる
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項４】
基体は硬脆材料からなる
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項５】
基体はガラスからなる
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項６】
被加工体は塑性加工される
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項７】
被加工体は押込み塑性加工される
ことを特徴とする請求項１記載の被加工体。
【請求項８】
被膜をコーティングした基体を、加工する
ことを特徴とする加工方法。
【請求項９】
被膜は金属からなる
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【請求項１０】
被膜は金からなる
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【請求項１１】
基体は硬脆材料からなる
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【請求項１２】
基体はガラスからなる
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【請求項１３】
加工は塑性加工である
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【請求項１４】
加工は押込み塑性加工である
ことを特徴とする請求項８記載の加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工体に関する。
また、本発明は、この被加工体を加工する加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス等の硬脆材料はほとんど塑性変形を起こさないため、通常の機械加工、塑性加工により材料表面に複雑な三次元形状を造形するのは困難である。そのため現状では硬脆材料の表面加工にはフォトリゾグラフィーなどの化学的エッチングを主体とした方法しか実用化していない。しかしながらフォトリゾグラフィーでは大量生産を前提とした大型の設備が必要であり、高能率で自由度が高い加工には向いていない。
【０００３】
硬脆材料の表面に微細形状を造形するために、押込み加工などの塑性加工を利用できれば高能率で形状自由度が高い三次元形状の加工が可能になると期待できる。しかし、もともと変形能が小さい硬脆材料に塑性加工を施すと加工部から亀裂が生じ、表面割れが生じてしまうという問題がある。
【０００４】
ところが硬脆材料といえども特定の加工量（臨界加工量）以下では加工欠陥、破壊を起こさず、滑らかな延性的な無欠陥加工が可能なことが知られている。
【０００５】
なお、発明者は、本発明に関連する技術内容を開示している（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】2003精密工学会春季大会第１０回学生会員卒業研究会発表講演会  「硬脆材料の機械的特性に及ぼす加工油剤の影響と特性制御  ―硬脆材料の無欠陥高能率機械加工（第１報）」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、この臨界加工量は非常に小さく、また材料および加工条件に依存し、これを増大させる（すなわき加工効率を向上させる）有効な手段は見つかっていない。そのため実用的に十分な形状にまで変形させることは困難であるという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、新規な被加工体を提供することを目的とする。
また、本発明は、新規な加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の被加工体は、被膜をコーティングした基体からなるものである。
被膜の材質として金属を用いることができる。また、被膜の材質として金を用いることができる。
基体の材料として硬脆材料を用いることができる。また、基体の材料としてガラスを用いることができる。
被加工体は塑性加工することができる。また、被加工体は押込み塑性加工することができる。
【０００９】
本発明の加工方法は、被膜をコーティングした基体を、加工する方法である。
被膜の材質として金属を用いることができる。また、被膜の材質として金を用いることができる。
基体の材料として硬脆材料を用いることができる。また、基体の材料としてガラスを用いることができる。
加工として塑性加工を採用することができる。また、加工として押込み塑性加工を採用することができる
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明は、被膜をコーティングした基体からなる被加工体であるので、新規な被加工体を提供することができる。
【００１１】
本発明は、被膜コーティングした基体を加工する方法であるので、新規な加工方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための最良の形態について説明する。
最初に、被加工体について説明する。被加工体は、被膜をコーティングした基体からなるものである。
【００１３】
基体は、硬脆材料からなっている。
硬脆材料としてはガラスを挙げることができる。具体的には、ソーダガラス、耐熱ガラス、石英ガラス、鉛アルカリケイ酸塩ガラス、ほうケイ酸塩ガラスなどを挙げることができる。
【００１４】
硬脆材料は、ガラスに限定されない。そのほか、シリコン、水晶、サファイア、炭化珪素、窒化アルミニウム、ホタル石、ガリウム、ガリウム砒素などの半導体、アルミナ、チッ化珪素など各種ファインセラミックスなどを挙げることができる。
【００１５】
被膜の材質として金属を挙げることができる。具体的には、金、銀、白金、銅、亜鉛などを挙げることができる。被膜の材質はここに列挙した金属に限定されず、金属全般に適用することができる。
【００１６】
被膜の膜厚は、５〜１０００nmの範囲内にあることが好ましい。膜厚が５nm以上であると、臨界加工量が顕著に増大するという利点がある。膜厚が１０００nm以下であると、被膜のコーティングに要する時間、コストが節約できる、また、被膜の厚さが加工寸法に較べて小さく、被加工体の加工形状・寸法精度に及ぼす影響を少なくすることができるという利点がある。
【００１７】
被膜のコーティング方法は、スパッタ法を挙げることができる。被膜のコーティング方法は、このスパッタ法に限定されない。このほか、CVD法、真空蒸着法、分子線エピタキシー法、イオンプレーティング法、レーザー蒸着法などを採用することができる。
【００１８】
被膜のコーティングにおいては、被膜の形成前に基体表面の前処理をすることができる。前処理の具体的な方法としては、有機溶媒や洗剤による洗浄、スパッタによるクリーニング、エッチングなどを採用することができる。このように前処理をする理由は、金属薄膜の付着性を向上させ、均一性を増すためである。
【００１９】
つぎに、加工方法について説明する。
本実施の形態においては、被膜をコーティングした基体を、塑性加工する。塑性加工としては、押込み塑性加工を挙げることができる。ここで、押込み塑性加工とは、硬質の材料で所定の形状に成形された型工具を被加工材に所定の押し付け、塑性変形させることにより被加工材を目的の形状に成形する方法である。
【００２０】
本発明が適用できる塑性加工は押込み塑性加工に限定されない。このほか、転造、圧延、押出し、引抜き、鍛造、剪断、曲げ、絞り、コイニング、ロール成形、スピニングなど、材料の塑性変形により成形する加工法全般を挙げることができる。
【００２１】
つぎに、上述の方法により作製した基体について種々の試験を行った。
【００２２】
まず、微細押込み工具による限界押込み深さの変化を調べた。
【００２３】
サンプルの作製方法について説明する。
基体としては、ソーダガラス（商品名：Micro Slide Glass、松浪硝子工業株式会社製）、耐熱ガラス（商品名：Firelige Glass、日本電気板硝子製）、石英ガラスを用いた。基体の形状寸法は、約25mm×25mm×１mmである。
【００２４】
被膜の形成は、スパッターコーティングにより行った。具体的には、試験片にエイコーエンジニアリング製イオンコーターIB-３を用いて、1分間金をコーティングした。被膜の膜厚は、約10ｎｍであった。
【００２５】
試験方法について説明する。上述のコーティングした試験片に、被膜の上からダイヤモンド製微細押込み工具を押し付け、微細塑性加工を行った。ダイヤモンド工具は四角錐台形をしており、その上面が工具面となる。その工具面の寸法は約60μm×60μmの正方形で、その面上に縦１μ×横１μ×高さ１μｍの立方体状の突起が18列×19行配列したマトリックス状になっている。このダイヤモンド工具を微細押込み装置で所定の荷重で押し付け、試験片に工具形状に相当する穴の配列を作成した。押込みは準静的に行い、一回の押込み加工に要する時間は約４秒であった。
【００２６】
押込み加工した試験片をレーザー顕微鏡で観察し、各突起により成形された押込み痕深さを測定した。さらに押込み痕周辺にラテラル亀裂が発生するかどうかを調べ、ラテラル亀裂が発生しない最大押込み深さを求めた。最大押込み深さの値を限界押込み深さとした。
【００２７】
測定結果は図１に示すとおりである。図１からわかるように、コーティングを行わない試験片に較べて、コーティングを行った試験片は、臨界加工量（加工欠陥の生じない限界押込み深さ）が約40％〜70％増大した。すなわち、ソーダガラスにおいては無コーティングの試験片では臨界加工量は150nmであったのに対して、コーティングした試験片の臨界加工量は250nmであり、臨界加工量は約70％増大している。石英ガラスにおいては無コーティングの試験片では臨界加工量は110nmであったのに対して、コーティングした試験片の臨界加工量は155nmであり、臨界加工量は約40％増大している。耐熱ガラスにおいては無コーティングの試験片では臨界加工量は75nmであったのに対して、コーティングした試験片の臨界加工量は120nmであり、臨界加工量は約60％増大している。
【００２８】
本実験で用いたような立方体状の工具を押込んだ場合、材料内の塑性変形量（塑性ひずみ）は押込み量に依存することが知られている。すなわち押込み深さが大きくなるほど塑性変形量が大きくなる。一般に硬脆材料に押込み加工を行うと、材料の塑性変形限界が低いため、小さな押込み量で塑性変形限界に達してしまい、工具近傍から亀裂が発生し材料に割れ剥離が生じてしまう。ところが前述のように試験片にコーティングを施すことにより臨界押込み深さが増大したということは、それだけ大きな塑性変形量に達したことをいみしており材料の塑性変形限界が増大したことがわかる。
【００２９】
このような塑性変形限界の増大は金属コーティングにより試験片の表面に存在する微小亀裂の表面エネルギーが増大したため、もしくは亀裂の鈍化により応力拡大係数が低下したためと考えられる。破壊力学によるとガラスに限らず全ての材料の表面には深さ数ｎｍ程度の微細な欠陥、もしくは微小亀裂が存在すると考えられており、塑性加工などによりその欠陥近傍に応力が作用することにより、亀裂が進展し割れや脆性破壊が生じると説明されている。このときの亀裂が進展する条件は
KIC＜KI
で表される。ここでKICは材料の破壊靭性値（材料の物性値）、KIは微小亀裂の形状と応力によって決まる応力拡大係数である。本実験において試験片表面に金属をコーティングしたことにより表面の微小亀裂の亀裂先端に金属原子が入り込み、亀裂進展に要する表面エネルギーが増大したことにより材料の破壊靭性値KICが増大し、割れが減少したものと考えられる。これにより結果として臨界加工量が増大したものと考えられる。もしくは金属原子が亀裂先端に入り込むことにより亀裂先端の曲率半径が増大し、応力拡大係数KIが減少したことも考えられる。そのほかの原因としてはコーティングにより材料表面層の流動応力が低下し、亀裂先端に作用する応力が低下したことも考えられる。このような応力低下により応力拡大係数KIは低下するため、上記と同様に臨界加工量が増大する。
【００３０】
つぎに、コーティングによる表層部の硬度の変化を調べた。
試験片を上述の押込み試験と同じ方法で作成し、スパッター装置により金をコーティングした。
【００３１】
硬度の測定はJISZ2244、押込み荷重0.5Kg（4.903N）により行った。
【００３２】
測定結果は図２に示すとおりである。図２からわかるように、コーティングした試験片の硬さは、明らかに低下しており、最大で17％減少した。すなわち、ソーダガラスにおいては無コーティングの試験片ではビッカース硬さは約628Kg/mm2であったのに対して、コーティングした試験片のビッカース硬さは約538Kg/mm2であり、ビッカース硬さは約14％減少している。耐熱ガラスにおいては無コーティングの試験片ではビッカース硬さは約1019Kg/mm2であったのに対して、コーティングした試験片のビッカース硬さは約844Kg/mm2であり、ビッカース硬さは約17％減少している。
【００３３】
これよりコーティングには表面硬度を低下させる効果があることが確認できる。この効果により破壊が抑制され臨界加工量が増大したものと考えられる。具体的には、材料の硬度が低下するということは材料の流動応力が低下したことを意味しており、これにより材料が塑性変形するときの応力は同じ変形量であってもコーティングしない場合に比べ低下することになる。応力拡大係数は一般に
【００３４】
【数１】
2005096359.tif 000003
【００３５】
で表され、ここでσは亀裂先端に働く応力、aは亀裂の長さである。塑性変形時の応力が低下すればσが低下し、応力拡大係数KIが低下する。これにより亀裂の進展が抑制され割れが減少することにより臨界加工量が増大したものと考えられる。
【００３６】
つぎに、コーティングによる表層部の破壊靭性の変化を調べた。
【００３７】
試験方法について説明する。IF法に基づいて破壊靭性値を測定した。これは上述のビッカース硬度試験と同時に測定する方法で、ビッカース圧痕の角部から進展する亀裂の長さを顕微鏡で測定する。ここで圧痕の中心から亀裂の先端までの長さをC、圧痕の対角線の半分の長さをaとすると次式で計算できる。
(1)ｃ／ａ＞2.3の場合
【００３８】
【数２】
2005096359.tif 000004
【００３９】
(2)ｃ／ａ＜2.3の場合
【００４０】
【数３】
2005096359.tif 000005
【００４１】
ただしここでEはヤング率、Ｐは押し込み荷重0.5Kg/mm2である。
【００４２】
測定結果は図３に示すとおりである。図３からわかるように、コーティングした試験片の破壊靭性値は、押込み深さに依存するが、最大で約5％向上した。すなわち、ソーダガラスにおいては無コーティングの試験片では破壊靭性値は約0.8089MNm-1.5であったのに対して、コーティングした試験片の破壊靭性値は約0.8454MNm-1.5であり、破壊靭性値は約4.5％増大している。耐熱ガラスにおいては無コーティングの試験片では破壊靭性値は約1.069MNm-1.5であったのに対して、コーティングした試験片の破壊靭性値は約1.125MNm-1.5であり、破壊靭性値は約5％増大している。
【００４３】
これよりコーティングには表面の破壊靱性を増大させる効果があることが確認できる。この効果により破壊が抑制され臨界加工量が増大したものと考えられる。具体的には、亀裂が進展する条件は
KIC＜KI
で表されるので、破壊靭性値KICが増大することにより同じ押込み量、同じ応力拡大係数KIであっても亀裂の発生は抑制されることになる。これにより結果として臨界加工量が増大したものと考えられる。
【００４４】
このような破壊靭性値KICの変化はコーティングにより表面の微小亀裂の亀裂先端に金属原子が入り込んだためと考えられる。金属原子が試験片表面の原子に付着することにより安定化し、表面の原子のポテンシャルが低下すると考えられる。そのため亀裂が進展するのに必要な表面エネルギーが相対的に増大し、これにより破壊靭性値が増大したものと考えられる。
【００４５】
つぎに、コーティングによる破壊応力の変化を調べた。
ガラスの表面に金を約300Åの厚さで真空蒸着し、４点曲げ試験により破壊応力に対するワイブル確率分布を調べた。ここで試験片はソーダガラス、試験片寸法は直径5mm×長60mm、４点曲げ試験装置の内側支点間距離は30mm、外側支点間距離は50mmである。
【００４６】
図４は、金を蒸着した試験片と蒸着しなかった試験片の破壊応力に対するワイブル確率分布を示したものである。図４より明らかなように金を蒸着したことにより、平均的な破壊応力（破壊確率50％）は殆ど変化無いが、破壊応力の分散は極めて小となり破壊応力の最低値が金を蒸着しない場合に比べ1.2倍程大きくなることが判る。
【００４７】
一般に知られているように硬脆材料の破壊は最弱リング機構で説明される。すなわち最も弱い部分から亀裂の進展が始まると、それが一気に全体の破壊につながるという原理である。硬脆材料の押込み加工の場合、表面に多数存在する微小亀裂のうち最も破壊しやすい亀裂が進展を開始するとそれが割れや剥離につながる。金をコーティングすることにより破壊応力の分散が小さくなり、破壊応力の最低値が増大したことにより、最弱の亀裂の強度が増大したことに相当し、結果として押込み加工による割れが減少したものと考えられる。
【００４８】
以上のことから、本発明を実施するための最良の形態によれば、ガラス等の硬脆材料の表面に薄い金属膜をコーティングすることにより硬脆材料の変形能を増大させ、その上から押込み加工等の塑性加工を行うことにより、加工割れを防止しながら微細塑性加工を行うことができる。
【００４９】
この効果は、次の理由が考えられる。すなわち、硬脆材料の加工欠陥は主に材料の表面より進展する亀裂によるのである。材料表面の破壊靭性を増大させるもしくは表面エネルギーを低下させてから加工すれば、亀裂の発生状況が変化し、加工欠陥が生じにくくなると、考えられる。
【００５０】
なお、本発明は上述の発明を実施するための最良の形態に限らず本発明の要旨を逸脱することなくその他種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】コーティングによる限界押込み深さの変化を示す図である。
【図２】コーティングによる表面部の硬度の変化を示す図である。
【図３】コーティングによる表面部の破壊靭性の変化を示す図である。
【図４】破壊応力に及ぼす金蒸着の影響を示す図である。
【図１】
2005096359.tif 000006
【図２】
2005096359.tif 000007
【図３】
2005096359.tif 000008
【図４】
2005096359.tif 000009