単結晶ダイヤモンド製圧子を用いた超音波援用マイクロプレス加工によるマイクロレンズアレイ金型の超精密成形
中部大学 工学部 機械工学科教授 鈴木 浩文（2018 年度 一般研究開発助成 AF-2018032-B3）
キーワード：インデンテーション，超音波振動，単結晶ダイヤモンド圧子，マイクロアレイ金型，超精密成形

１．研究の目的と背景

その他，撥水性の向上，光の吸収率の向上，汚れの付着近年，様々な領域で超精密・微細テキスチャリングの需の防止機能などが有るが割愛する．このように様々なテキ要が増大している 1),2)．その例を以下に示す．

スチャリングの付加の効果があるが，多くは量産成形する(a) 光学系レンズの成形型ため，高精度・高能率のテキスチャリングがキー技術とな

回折レンズ，赤外レンズ等の車載センサ，内視カメラ，マイクロカプセル等の医療っている．

デバイス等において，素子の形状のテキスチャリング化，従来は「切削加工」などの機械的除去加工で実施されるガラス化，マイクロ化，高精度化が求められ，量産成形が，効率が悪い，量産性が劣るなど実用化に大きな問題がのため「テキスチャリング成形型の超精密微細加工」が有る 2),3),4)．一方，本提案の「超音波振動援用ナノインデ不可欠である．

ンテーションによる微細形状の高精度テキスチャリング」(b) 歯科用 Ti インプラント

生体細胞と適合性が優れでは，図 1 に示すようにレーザファブリケーションプロセ

るチタン（Ti）は既に人工骨にも用いられ，最近の研究

ス 5),6)で単結晶ダイヤモンド製圧子を創成し，超音波振動

では歯科 Ti インプラント表面に 10µm 幅程度の微細溝をを援用しながらインデンテーション（圧入）を行うため，設けると生体融合性が高まるとの報告がある．Ti は難

図 2 に示すように小さな押込み荷重で金属やアモルファ削材であり微細加工が困難である．

ス材料の微細形状の高精度・高能率転写加工が可能である
スマートフォ

ことが予備実験の結果から明らかとなっている．単純な圧ン，液晶パネルや車載表示パネルに，光の波長レベルの子による押込み加工では微細形状の高精度高能率加工が段差の微細なパターンを創成することにより，表示パネ困難であるが，それに反して，(1) なぜ超音波を付加するルの反射光を防止する効果が付加できる．

ことにより高硬度材料においても低圧力で材料の塑性流(c) 表示デバイス用反射防止機能表面

単結晶レーザ

ダイヤ動が生じるのか，(2) 高精度・高能率転写加工ができるの単結晶ダ荷重 W

イヤモン

超音波

ド製圧子

モンド

かを，塑性流動解析，実験的検証により，明らかにすることを本研究の目的として実験を実施した．

振動子

２．実験装置および方法
2・1

超硬合金

超音波振動援用ナノインデンテーション装置

製シャン

開発した超音波振動援用ナノインデンテーション装置

クを図 3 に示す．ランジュバン型の圧電素子を用いて超音波振動を創成する．縦方向の超音波振動の振幅はホーンによ(a)ダイヤモンドの(b)微細圧(c) 超音波援用

シャンクへの接合

子の創成

プレス加工

図 1 レーザ光による単結晶ダイヤモンド製圧子のマイクロ加工と超音波援用インデンテーションり増大し，先端のダイヤモンド圧子に伝達する構造となっている.
超音波振動システムを開発するにあたり，図 3(b)に示すように ANSYS を用いて超音波振動解析を行い，システムと最適な 振動ホーンの形状を設計した 7),8),9)．３軸制御

応

通常の押込み加工

通常の押込み加工にNC 駆動装置（芝浦機械㈱製 UVM350B）に圧電素子型の超音おける弾性回復量波振動装置を取付け，単結晶ダイヤモンド圧子はコレット力チャックを介して超音波装置に取付けた．また，プレス力
超音波援用加工0

図2

変位
累積永久変形

超音波援用インデン測定のため，金型・ワークジグを動力計（キスラー製）にテーションにおける取り付け，押し付け荷重，圧子の位置を制御するシステム

弾性回復量を構築した．超音波振動装置の振動数は 39kHz，振幅は 2

超音波援用インデンテーションの効果～6.2μm となるようにした．駆動テーブルは X,Y,Z 軸同時制御で，位置決め精度は 10nm である．

ピエゾ素子2・3

実験方法

インデンテーション実験の条件を表１に示す．超音波振4.8

3.62.41.20.2µm

動装置の振動数は 39kHz，振幅は 2～6.2μm となるようにした．駆動テーブルは X,Y,Z 軸同時制御で，位置決め精度は 10nm である．押し込み量は 5 - 80 μm とし，インデンテータの動きとインデンテーション時間は超精密機械のピエゾ素子

NC システムにより制御した．工作物は，6-4 黄銅，無酸素銅，無電解 Ni-P を用いて実験した．インデンテーション
荷重はキスラー社の動力計によりインプロセスで計測しホーンた．インデンテーション加工はドライでも可能であるが，ダイヤモンド圧子の摩耗と破損を防止するため，白灯油を工具軸掛けながら潤滑して加工を行った．
XZ

圧子(a) 超音波振動装置の概略図
図3

表1(b) 超音波振動解析

開発した超音波援用インデンテーションシステム
クーラント
ノズル

ピエゾデバイス

圧子

工作物

動力計

超精密加工機謝 辞

実験条件

単結晶ダイヤモンド四角錐
円錐
0.1 mm R
90 度
ピエゾ素子
39 kHz0, 2.0 - 6.2 μm
6-4 銅
無酸素銅 無電解 Ni-P
HV 153
HV 100
HV 565
5, 10, 20, 40, 80 μm
100 mm/min
0.1, 0.2, 0.4, 0.8, 1.6 s
白灯油

３．研究成果図4開発した超音波援用インデンテーション装置

2・2

単結晶ダイヤモンド製の圧子の試作

3・1 超音波援用インデンテーションの基礎的特性の評価
はじめに，超音波援用インデンテーションの基礎的特性を把握するために，無電解 Ni-P，無酸素銅，6-4 黄銅を材

単結晶ダイヤモンド製の圧子は図 1 のレーザファブリケーションシステムにより試作した．レーザ光を走査し自由曲面を創成することができる．使用したレーザは IR
YVO4 (λ=1.064 μm)を用いた．試作した２種類の単結晶ダイヤモンド製の圧子の SEM 写真を図 5 に示す．先端が90 度の四角錐形状と，曲率半径 100μm の円錐形状の圧子を試作した．
単結晶ダイヤモンド製の圧子工具
形状
先端形状
超音波装置
振動数
振幅
工作物
硬度
押込み深さ
送り速度
押し込み時間
クーラント料に対して，インデンテーション荷重，インデンテーション深さを変化させて特性を評価した．３種類の材料に対して，インデンテーション深さが 10μm，40μm において，超音波振動の振幅を変化させて時の荷重の変化を図 6 に示す．硬度の高い材料ほどインデンテーション荷重が大きく，振幅が大きいほど荷重が小さくなっていることがわかる．

単結晶ダイヤモンド製の圧子

先端
先端

50 μm
(a) 四角錐 (90 度)
図5100 μm(b) 円錐 (先端 100 μm R)

試作した単結晶ダイヤモンド製の圧子(a)押込み深さ, d=10 μm
図6(b)押込み深さ, d=40 μm

超音波振動の振幅に対する荷重の変化（無電解 Ni-P，無酸素銅，6-4 黄銅）

次に，無電解 Ni-P，無酸素銅，6-4 黄銅を材料に対して，インデンテーション荷重，インデンテーション深さを変化させて特性を評価した．３種類の材料に対して，インデンテーション深さの変化によるインデンテーション荷重の変化を図 7 に示す．超音波振動の振幅が大きいほど変形に必要な荷重が小さくなっていることがわかる．

(a)無電解 Ni-P(a) 無電解 Ni-P(b)無酸素銅(b)無酸素銅(c)6-4 黄銅
図8

インデンテーション深さに対する加工深さの変化

次に，圧子に対するインデンテーションの転写性を検討した．90 度の四角錐のインデンテータを用いて，視聴音
図7(c)6-4 黄銅

波振動の振幅に対する転写性を評価した結果を図 9 に示

超音波振動のインデンテーション深さに対するす．単結晶ダイヤモンド製の圧子およびインデンテーショ荷重の変化ンを行って加工した金型の形状は先端半径が 2μm の接触式形状測定機 UA3P を用いて計測した．超音波振動の振幅

また，設定したインデンテーション深さに対する実際のが大きいほど転写性が優れていることがわかる．無電解

加工深さの変化を図 8 に示す．いずれの超音波振動の振幅

Ni-P は最も硬度が高いが，転写性は比較的良好であっにおいても設定深さ通りの加工が行われている．

た．比較的硬度が低い黄銅が最も悪かった．

に示す．金型と成形品の断面を重ねて表示した図を図11(c)に示す．エッジ先端も転写され，良好に成形できていることがわかる．
HH
30305010015020025050100150200(a)圧子と加工形状の比較(a) 四角錐アレイ金型(b)四角錐アレイ成形品（無電解 Ni-P）（アクリル）(b) 圧子と加工形状の差の分布(c)成形転写性
図 10四角錐アレイ金型（無電解 Ni-P）とアクリル製アレイ成形品
H100

100200ei
Height27(c)超音波振動の振幅に対する転写性の評価
図9

超音波振動の振幅に対する加工の転写性(a) 円錐アレイ金型

3・2

超音波援用インデンテーションによるアレイ金型の（無電解 Ni-P）(b)円錐アレイ成形品（アクリル）

試作実験および成形実験結果の評価
最後に，四角錐および球形状の無電解 Ni-P 製アレイ金型を圧子により超音波援用インデンテーションを行った．インデンテーション後に金型はバリを除去するために，平面切削を行った．四角錐の圧子を用いて加工したア
レイ金型を図 10(a)に，このアレイ金型でアクリル樹脂に加圧圧縮成形した成形品図 10(b)に示す．金型の断面と成形品の断面も上に示した．また，金型と成形品の断面を重ねて表示した図を 10(c)に示す．エッジ先端も転写され，良好に成形できていることがわかる．同様に，球形状の圧子を用いて加工したアレイ金型を図 11(a)に，このアレイ金型でアクリル樹脂に加圧圧縮成形した成形品図 11(b)(c)成形転写性
図 11

円錐アレイ金型（無電解 Ni-P）とアクリル製アレイ成形品

200４．結 言4） Suzuki H, Okada M, Lin W, Morita S, Yamagata Y,

本研究では，高能率加工を行うために変形加工である

Hanada H, Araki H, Kashima S (2014) Fine Finishing「ナノインデンテーション」に着目し，レーザ加工を応用

of Ground DOE Lens of Synthetic Silica by Magnetic

した単結晶ダイヤモンド等のマイクロインデンテータ（圧Field-Assisted子）を創成し，超音波振動援用のナノインデンテーション

Manufacturing Technology 63(1): 313–316.

システムを開発し，超音波振動を付加することによる無電

5） Suzuki H, Okada M, Fujii K, Matsui S, Yamagata Y

解 Ni-P などのアモルファス金属材料の高精度・高能率塑(2013) Development of Micro Milling Tool Made of性変形特性を明らかにし，微細で構造的な超精密形状の創

Single Crystalline Diamond for Ceramic Cutting:成の高精度・高能率加工を実現することを検討した．そのCIRP Annals – Manufacturing Technology 62(1):結果，無酸素銅，黄銅，無電解 Ni-P などの精密金型材料に対して，高精度で高能率に微細加工できることが示された．

Polishing:

CIRP

Annals–59–62.
6） Suzuki H, Okada M, Asai W, Sumiya H, Harano K,
Yamagata Y, Miura K (2017) Micro Milling Tool Madeof Nano-Polycrystalline Diamond for Precision

謝辞

本研究は，科学研究費補助金

Cutting of SiC: CIRP Annals – Manufacturing
基盤研究（B）20H02486，

Technology 66 (1) 93–96.

公 益 財 団 法 人 天 田 財 団 一 般 研 究 開 発 助 成7） Abdullah A, Paknejad M, Dashti S, Pak A, M Beigi（AF-2018032-B3），中部大学生産技術開発センターの助成

A (2014) Theoretical and Experimental Analyses ofにより行われた．関係各位に謝意を表します．

Ultrasonic-Assisted Indentation Forming of Tube:
Proceeding of the Institution of Mechanical

参考文献

Engineers,

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B:

JornalofEngineering

Manufacture 228(3): 388-398.

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