微小テクスチャ金型の開発とその応用－ 圧子の稜を用いた微小切削によるテクスチャパターンの複雑化 －
茨城大学

工学部技術部山本武幸

Development of Microtextured Mold and Its Application- Complicating Texture Patterns by Microcutting Using Indenter Edge College of Engineering Ibaraki University Technical Services Division, Takeyuki YAMAMOTO
Improving materials surface functions using micro-textures is of great interest in various fields. The authors have also
performed to improve the photocatalytic surface functions by introducing the microcutting textures and achieved an improvementin the hydrophilicity, which is one of the photocatalytic functions, due to the increase in the real surface area. In this report,vibration assisted microcutting was conducted on a pure aluminum workpiece using an edge of the diamond indenter as the toolrake and a depth of cut of less than zero in order to fabricate finer and more complicated micro-texture. As a result, finer and more
complicated microcuttting surface texture composed of numerous plastically deformed micro embossments, impressions and flat
portions was successfully fabricated on the workpiece.
1. 緒 言反射防止構造をはじめ，材料表面にマイクロないしナノメータオーダの凹凸を設け，表面機能の発現ないし改善を目指す例は多くなっている 1)．著者も純チタン薄板に無数のマイクロ切削溝を創成し，それを陽極酸化することによって酸化チタン膜を製作した．そして，その濡れ性評価試験の結果，光触媒機能の一つである親水性が改善されることを明らかにし，これが無数の切削溝で構成される表面テクスチャによる実表面積増大の効果によるものと論じた．さらに，酸化チタン膜の例のような直接加工に限らず，表面テクスチャ創成用の金型製造への展開を見据え，表面積のさらなる増大やより緻密なテクスチャパターンを創成するため，FTS（Fast toolservo）を用い，m オーダの振動を工作物表面に対し垂直に付加しつつ正面旋削することにより，より複雑な工具軌跡による切削テクスチャ創成も試みている．それによりこれまでに，数～十数m 周期・規模の複雑テクスチャを取得している 4),5)．
本報では，ダイヤモンド圧子の稜をすくい面とした微小振動切削によって，微細かつ複雑な表面テクスチャの創成を試みた結果について報告する．
2. 実験装置および微小テクスチャの創成と評価方法
振動切削実験には，X，Z，C 軸に NC 制御可能な精密三軸同時制御加工装置（東芝機械社製 ULG-100 の改良品）に，FTS（ナノコントロール製 NS6141）を搭載したものを利用する．
加工装置の概略を Fig. 1(a)に示す．ここでは，Fig. 1(b)に示す
ように，FTS を用いて工作物表面に対し垂直な方向に微小振動を与えながら切削することにより，正弦波状に切込み深さが変化する正面旋削を試みる．FTS による工具への振動付加時は，内臓する静電容量式変位センサからの信号をもとにしたフィードバック制御（PID）により，振動振幅の安定化も図れるようになっている．本研究では，m ないしそれ以下のオーダの寸法を有する切削溝の集合による複雑な表面微小テクスチャを創成したいため，切削工具には Fig. 1(c)に示す
ように，微小硬度計に用いられる鋭利な先端を持つ三角錐形状の単結晶ダイヤモンド圧子を用いる．より複雑なテクスチ
ャ創成のため，三角錐圧子の陵側をすくい面とした検討を実施する．まずは，基本特性把握のための単線切削を実施し，その知見を参考にテクスチャ創成を試みる．単線・テクスチ
ャ切削により得られた加工面の観察・計測には，レーザ顕微鏡（島津製作所製 OLS4000-SMT）を用いる．

3. 実験結果および考察
Table 1 に微小振動切削実験における各種条件を示す．単線切削では，振動周波数 5 kHz，振幅 2.3 m とし，平均切込み深さを-0.5～2.5 m に変化させ，切込み深さが切削溝

Air spindle
Workpiece

PC

Cutting toolYXZFTSC(a) 3-axis NC lathe system attached with FTS
Cutting
toolVibration
Workpiece

FTS(b) Machining method(c) SEM image of cutting tool tipFig. 1 Experimental setup, machining method and cutting tool
Table 1 Vibration assisted cutting conditions
Workpiece
Pure aluminum
Cutting tool
Monocrystalline diamondThree edge angle
90° (Triangular indenter)
Edge radius
1.2 m (A little bit worn)
Tool rake direction
Edge-0.5, 0.5, 1.5, 2.5 m (Single)
Depth of cut in average-0.5 m (Texture)
7.5 m/min (Single)
Cutting speed
1.4 m/min (Texture)
Feed for texturing
5 m/rev
Vibration frequency
5 kHz
Vibration amplitude
2.3 mEnvironment
MQL (Plant oil)

-0.5m

Cutting
direction

DOC in average
0.5m
1.5m

Cuttingdirection

2.5mFig. 2 Laser micrograph of single cutting grooves(Area: 256m x 256m)
Fig. 5 Laser micrograph of micro-texture (Area: 42m x 42m)
Wp: Ploughing width3

Estimated trajectoryof tool tip

Cross-section height μm

Wg: Groove width
H: Ploughing
height
D: Groove
depth
Cross-section

Fig. 3 Definition of groove geometries

Cutting direction

Cross-section
10-1

840-2

Wpmax

7

Wpmin
30

Wgmax

25

Wgmin

520Dmax

4Dmin

315Hmax
1020

2Hmin

1500-1 -0.5

00.511.522.533.52224262830

Position in cutting direction μm

6D and H m35

Wp and Wg m

24

Depth of cut mFig. 4 Comparison result of cutting groove geometriesの各部の寸法に及ぼす影響を調べた．
Fig. 2 に，単線振動切削により得られた切込み深さの異なる 4 本の切削溝のレーザ顕微鏡観察結果を示す．各溝とも切込み深さ方向の微小振動を反映した溝寸法の連続的な変化をよく表している．切込みの増加に伴い，溝深さと周囲の塑性盛上り高さは増大している．また，切込み-0.5 m の場合，凹みを生成した直後に塑性盛上りが溝の両脇に出ている様子や，振動のため切込みが最小となる領域において溝が形成されない様子がわかる．一方，切込みがそれを超過すると，正弦波状に高さが変化する塑性盛上りを生成する様子が伺える．
溝の各部の寸法を定量的に把握するため，Fig. 3 に切削溝断面の各部寸法の定義を，Fig. 4 に切削溝の各部寸法の測定結果をそれぞれ示す．Fig. 4 からも，各部寸法とも切込み深さにほぼ比例して増加していること，切込み深さが-0.5 m の場合に溝深さおよび塑性盛上り高さがゼロとなっていることがわかる．一方，切込み深さが 0.5 や 1.5 m の場合は，幾何学的にみれば，切込みが最小となる点近傍において溝生成されないことになるが，Fig. 4 の結果からは，最小溝深さ・盛上り高さともにゼロを超える値を示していることがわかる．これは，その領域を工具が通過する前に生じていた塑性流動がその領域にも変形を及ぼしたことに起因すると考えられ，これには稜切削のために面切削よりも切りくずが排出されにくいことも影響していると考えられる．

Fig. 6 Cross-section of cutting groove along its center line
これらの結果を参考し，テクスチャ創成では溝創成されない（未切削）領域を伴う，平均切込み深さ-0.5 m を選定した．
Fig. 5 は前述のテクスチャ創成用の条件で加工されたテクスチャのレーザ顕微鏡観察結果であり，Fig. 6 は切削溝の中心線を通る断面の一部分を例示した結果である．
Fig. 5 より，切削・送り方向ともに 5 m 周期で，ただし切削方向には押込みと除荷が，送り方向には塑性盛上りがそれぞれ強調されたようなテクスチャが創成されていることがわかる．テクスチャの起伏はミクロンオーダである．さらに，Fig. 6 からわかるように，押込み痕と塑性盛上りと平坦部が組み合わされるなど，複雑な様相を呈していることがわかる．
4. 結 言緻密な表面テクスチャ創成のため，数m 振幅の高周波微小振動を加工面の垂直方向に付加しつつ微小硬度計用圧子の稜をすくい面として平均切込み深さをゼロ未満として微小切削する検討を行った．その結果，数m の高低差の押込み痕と塑性盛上り，さらには平坦部が組み合わされた溝パターンによる複雑な表面テクスチャが得られた．
謝辞 研究の一部は，学振の科研費基盤研究(C)（No. 25420043，No. 22560134）を受けたことを記し，ここに感謝申し上げる．
参考文献
1) 諸貫信行: 微細構造から考える表面機能, 森北出版, (2011).
2) J. Shimizu, L. Zhou, K. Takamori, H. Ojima, T. Yamamoto, H.
Huang: Materials Science Forum, 654-656, (2010) 1784.
3) J. Shimizu, G. Kobayashi, N. Hasegawa, T. Yamamoto, H. Ojima,
T. Onuki, L. Zhou: Materials Science Forum, 706-709, (2012)2646.
4) 山本武幸, 清水 淳, 周 立波, 尾嶌裕隆, 小貫哲平, 長谷川直美: 精密工学会秋季大会講演論文集, (2012) 877.
5) 清水 淳, 山本武幸, 周 立波, 尾嶌裕隆, 小貫哲平, 永岡駿
一: 精密工学会春季大会講演論文集, (2013) 311.

研究の背景－圧子の稜を用いた微小切削によるテクスチャパターンの複雑化－

・ 微小テクスチャ創成による表面機能向上は、多くの分野において活用
ex. 反射防止、表面積増、親水・疎水性制御…
・ 微小テクスチャ創成法も様々
ex. リソグラフィー、腐食、転写加工、塑性加工、機械加工、レーザ加工、粒子集積、…

茨城大学 工学部技術部 モノづくり部門

・発表者らも，①純チタンの微小切削＋陽極酸化⇒ 微小テクスチャ付き酸化チタン膜

微小テクスチャ金型の開発とその応用

山本武幸

・さらに，②切込み深さ方向への振動付与による微小テクスチャ金型製作

nLab (Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)

加工装置
PC

微小振動援用切削の概要

スピンドルNC制御盤
Fast Tool Servo
ピエゾドライバ＋コントローラ
X軸

Z軸

C軸

送り速度

1~1260[mm/min]

1~1260[mm/min]

1~50000[mm/min]

位置制御の分解能

0.00001[mm]0.00001[mm]0.00001[deg]ストローク

60[mm]

150[mm]FTS
バーコビッチ圧子：
三角錐90°先端半径1.2μm

3[nm]30[m]nLab (Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)①工具軌跡制御と表面構造（Ti）(c) 同期制御切削面（Ti）(b) 非同期制御切削面（Ti）(d) 同期切削＋陽極酸化（TiO2）

1.4

Standardized surface area ratio(a) 鏡面切削面（Ti）

表面積比
1.2

After anodic-oxidation (TiO2)

10.8
0.60.40.20

nLab (Nano-Engineering Laboratory)

After cutting (Ti)

Mirrorfinished

Irregularly
Regularly
texturedtexturednLab (Nano-Engineering Laboratory)

親 水 性 評 価 試 験 装 置（光触媒）

親水性評価方法

接触角  :

測 定 窓



試験条件

h  2 tan 1 (h / r )

/2

温度

25±5℃

湿度

50±10%

水量4l

光源

紫外線蛍光灯h : 液滴高さr : 液滴径2r
東芝ランプ総合カタログ2007 P.161
nLab (Nano-Engineering Laboratory)

親水性試験

nLab (Nano-Engineering Laboratory)

酸化チタン膜の濡れ性試験結果
90

Contact angle deg.

80
70
60
50

Irregularly
textured (TiO2)

30
20

12分後Mirror finished(TiO2)
Mirror finished(Ti)40

Regularly
textured (TiO2)

1000510152025

UV irradiation time min.
nLab (Nano-Engineering Laboratory)

研究の目的

nLab (Nano-Engineering Laboratory)②圧子の面側による単線振動切削

振動援用切削による微小テクスチャ金型の製作と転写加工への応用
ここでは圧子の面側・稜側をすくい面として塑性盛上りを強調することで、限られた面積により微細で複雑なテクスチャの制作（純Alを対象にテクスチャ創成）
nLab (Nano-Engineering Laboratory)

Depth <1.5 m
Height = 2 m
Pitch = 8 m

Depth = 0.5 m
Height = 0.5 m
Pitch = 8 mnLab (Nano-Engineering Laboratory)テクスチャ創成結果（圧子の面側利用）

振動切削条件（単線）工作物

純アルミニウム

工具

単結晶ダイヤモンド圧子(三角錐)

工具先端半径
工具切込み

1200 nm（若干の摩耗あり）-0.5, 0.5, 1.5, 2.5 m

切削速度（平均）7.5 m/min

工具振動振幅2.3 m

工具振動周波数

3 kHz

工具の向き

稜切削

加工環境

MQL(植物油)

前加工：切込み 2 m，送り 0.5 mnLab (Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)

単線の振動切削結果
40

Wpmax

Wg: Groove width35

Wp and Wg m

8

Wp: Ploughing width
H: Ploughing
height30

7Wpmin

D: Groovedepth

6Wgmax
Wgmin

520

Dmax

415

Dmin

325

Cross-section

Hmax

102Hmin

1500-1 -0.5

工作物

純アルミニウム

工具

単結晶ダイヤモンド圧子(三角錐)

工具先端半径
工具切込み

1200 nm（若干の摩耗あり）-0.5 m

切削速度（平均）

1.4 m/min

送り5 m/rev

工具振動振幅2.3 m

工具振動周波数

3 kHz

工具の向き

稜切削

加工環境

MQL(植物油)

前加工：切込み 2 m，送り 0.5 mnLab (Nano-Engineering Laboratory)

00.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

Depth of cutmnLab(Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)

振動切削条件（テクスチャ創成）

D and H m

単線の振動切削結果

テクスチャの振動切削実験結果
PV < 1 m
Pitch = 3 mnLab (Nano-Engineering Laboratory)テクスチャの振動切削実験結果

テクスチャの振動切削実験結果
3PV < 1 m

PV < 1 m
Pitch = 3 m

Estimated trajectory

Cross-section height μm

Pitch = 3 m of tool tip
2盛上り

Cross-section

1Cutting direction

平坦
0-1

押込み-2
20

22

24

26

28

30

Position in cutting direction μm
nLab (Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)

ま と め
緻密な表面テクスチャ創成のため，数m
振幅の高周波微小振動を加工面の垂直方向に付加しつつ微小硬度計用圧子の稜をすくい面として平均切込み深さをゼロ未満として微小切削する検討を行った．その結果，数mの高低差の押込み痕と塑性盛上り，さらには平坦部が組み合わされた溝パターンによる複雑な表面テクスチャが得られた．
課題： サブm規模・周期のテクスチャ創成
nLab (Nano-Engineering Laboratory)

テクスチャの加工後の工具先端

nLab (Nano-Engineering Laboratory)nLab (Nano-Engineering Laboratory)