JP2009276263A - 材料の機械的特性の評価装置および切削装置 - Google Patents

Abstract

【課題】材料を切削して、その機械的特性を表す指標を求める。
【解決手段】試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する。
【効果】剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓは、材料の機械的特性に依存し、切削刃幅ｂや切削深さｄには依存しないため、材料の機械的特性を表す指標として好適に利用することが出来る。
【選択図】図３

Description

本発明は、材料の機械的特性の評価装置および切削装置に関し、さらに詳しくは、材料を切削してその機械的特性を表す指標を求めることが出来る材料の機械的特性の評価装置およびその指標に基づいて切削の制御を行う切削装置に関する。

従来、切削刃で試料の表層に切り込み試料の表層を切削し、その切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定する塗膜付着強度・剪断強度測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
他方、切削刃で試料の表層に切り込んだ後、ある深さで切削刃を試料の表面に平行に且つ切削刃稜線に直交する方向に移動して試料の表層を切削し（これを水平２次元切削と呼ぶ）、その水平２次元切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを基に剪断角φを求める数式が知られている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照。）。
特開２００６−３４９３９８号公報 西山逸雄、高橋健造「表面−界面切削法による定量的測定方法」、色材、６２〔１２〕７４４〜７４８、１９８９ 西山逸雄、木嶋芳雄、黒木健「表面−界面切削法（ＳＡＩＣＡＳ法）による材料強度の深さ方向解析」、材料システム、第１０巻、８１〜８６、平成３年９月

上記従来の塗膜付着強度・剪断強度測定装置では、試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定することが出来た。
しかし、切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖは、材料の機械的特性に依存するだけでなく、切削刃幅ｂや切削深さｄにも依存するため、材料の機械的特性を表す指標として利用し難い問題点があった。
そこで、本発明の目的は、材料を切削して、その機械的特性を表す指標を求めることが出来る材料の機械的特性の評価装置およびその指標に基づいて切削の制御を行う切削装置を提供することにある。

第１の観点では、本発明は、切削刃で試料の表層に切り込み試料の表層を切削する切削手段と、前記切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定する切削抗力測定手段と、前記切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖに基づいて剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する算出手段とを具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第１の観点による材料の機械的特性の評価装置では、試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する。剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓは、材料の機械的特性に依存し、切削刃幅ｂや切削深さｄには依存しないため、材料の機械的特性を表す指標として好適に利用することが出来る。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄまたは切削水平距離ｋに対する剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つの変化を表す指標を算出する変化指標算出手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第２の観点による材料の機械的特性の評価装置では、例えば切削深さｄまたは切削水平距離ｋに対する剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓの変化を表す関数を算出する。この指標は、特に積層材料の機械的特性を表す指標として好適に利用することが出来る。

第３の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点による材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、atan()を逆正接関数とするとき、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２に基づいて剪断角φを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
前記非特許文献１および非特許文献２で知られている数式は、水平２次元切削を前提としていた。ところが、本願発明の発明者は、鋭意研究し、切削刃を試料の表面に平行な方向だけでなく深さ方向へも移動し且つ切削刃稜線に直交する方向に移動する切削（これを切込み２次元切削と呼ぶ）の場合でも前記非特許文献１および非特許文献２で知られている数式が成立することを見い出した。
すなわち、上記第３の観点による材料の機械的特性の評価装置では、水平２次元切削の場合だけでなく、切込み２次元切削の場合でも、
φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２
に基づいて剪断角φを算出する。

第４の観点では、本発明は、前記第１から第３のいずれかの観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断角φのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第４の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削深さｄに対する剪断角φのグラフを描画するので、試料の表面からの深さに依存する機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第５の観点では、本発明は、前記第１から第４のいずれかの観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断角φのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第５の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削水平距離ｋに対する剪断角φのグラフを描画するので、試料の表面に平行な水平位置に依存する材料の機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第６の観点では、本発明は、前記第１から第５のいずれかの観点による材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２，ｂを切削刃幅，ｄを切削深さとするとき、τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／（ｂ・ｄ）に基づいて剪断応力τｓを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第６の観点による材料の機械的特性の評価装置では、試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に、
τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／（ｂ・ｄ）
により剪断応力τｓを算出する。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断応力τｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第７の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削深さｄに対する剪断応力τｓのグラフを描画するので、試料の表面からの深さに依存する材料の機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第８の観点では、本発明は、前記第６または第７のいずれかの観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断応力τｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第８の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削水平距離ｋに対する剪断応力τｓのグラフを描画するので、試料の表面に平行な水平位置に依存する材料の機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第９の観点では、本発明は、前記第１から第８のいずれかの観点による材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２，ｂを切削刃幅，ｄを切削深さとするとき、σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／（ｂ・ｄ）に基づいて剪断面垂直応力σｓを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第９の観点による材料の機械的特性の評価装置では、試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に、
σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／（ｂ・ｄ）
に基づいて剪断面垂直応力σｓを算出する。

第１０の観点では、本発明は、前記第９の観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第１０の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削深さｄに対する剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するので、試料の表面からの深さに依存する材料の機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第１１の観点では、本発明は、前記第９または第１０の観点による材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置を提供する。
上記第１１の観点による材料の機械的特性の評価装置では、切削水平距離ｋに対する剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するので、試料の表面に平行な水平位置に依存する材料の機械的性質の変化が判る。従って、特に積層材料の機械的特性を評価するのに好適に利用することが出来る。

第１２の観点では、本発明は、切削刃で切削対象の表層に切り込み切削対象の表層を切削する切削手段と、前記切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定する切削抗力測定手段と、前記切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖに基づいて剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する算出手段と、前記剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つに基づいて切削を制御する切削制御手段を具備したことを特徴とする切削装置を提供する。
上記第１２の観点による切削装置では、試料切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する。剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓは材料の機械的特性に依存しているため、剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓから切削中の材料の変化を知ることが出来る。よって、例えば切込み角ψ＞０で切込み２次元切削中に剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓが特定の値になったら切削を止めたり、切削条件を切り替えたりする切削制御を行えば、異なる材料を積層した切削対象中の特定の材料の表層側だけを切削することが出来る。

第１３の観点では、本発明は、前記第１２の観点による切削装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、atan()を逆正接関数とするとき、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２に基づいて剪断角φを算出することを特徴とする切削装置を提供する。
前記非特許文献１および非特許文献２で知られている数式は、水平２次元切削を前提としていた。ところが、本願発明の発明者は、鋭意研究し、切込み２次元切削の場合でも前記非特許文献１および非特許文献２で知られている数式が成立することを見い出した。
すなわち、上記第１３の観点による切削装置では、水平２次元切削の場合だけでなく、切込み２次元切削の場合でも、
φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２
に基づいて剪断角φを算出する。

第１４の観点では、本発明は、前記第１２または第１３の観点による切削装置において、前記切削制御手段は、前記剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つに基づいて、切込み角ψ，切削深さｄ，切削水平距離ｋおよび切削速度の少なくとも１つを制御することを特徴とする切削装置を提供する。
上記第１４の観点による切削装置では、例えば切込み角ψ＞０で切込み２次元切削中に剪断角φが特定の値になったら切込み角ψ＝０での切削に変えるといった切削制御を行えるので、異なる材料を積層した切削対象中の特定の材料までを切削することが出来る。

本発明の材料の機械的特性の評価装置によれば、材料の機械的特性を表す指標として好適に利用することが出来る剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを得ることが出来る。
本発明の切削装置によれば、剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを制御パラメータとして切削を制御することが出来る。例えば、異なる材料を積層した切削対象中の特定の材料までを切削するといったことが出来る。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

図１は、実施例１にかかる材料の機械的特性の評価装置１００の構成説明図である。
この材料の機械的特性の評価装置１００は、基台１と、第１辺２１を水平（ｘｙ方向）に保って基台１に支持され且つ第２辺２２を第１辺２１と平行を保って弾性変形しうる水平用弾性平行リング２と、第１辺３１を垂直（ｚ方向）に保って水平用弾性平行リング２の第２辺２２にスペーサ１２を介して支持され且つ第２辺３２を第１辺３１と平行を保って弾性変形しうる垂直用弾性平行リング３と、水平用弾性平行リング２の第２辺２２の一端に水平ロッド６ａを介し水平力を加えて水平用弾性平行リング２を弾性変形させるための水平用フォースコイル６と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２の一端に垂直ロッド７ａを介して垂直力を加えて垂直用弾性平行リング３を弾性変形させるための垂直用フォースコイル７と、水平変位量を測定するための水平位置センサ９と、垂直変位量を測定するための垂直位置センサ１１と、垂直用弾性平行リング３の第２辺３２に取り付けられた移動ヘッド４と、その移動ヘッド４の下端に取り付けられた切削刃５と、水平面内および垂直方向に移動可能なｘｙｚステージ１４と、試料Ｓを固定するためにｘｙｚステージ１４に設置された試料ホルダ１５と、垂直力Ｆｖ＝０のときに移動ヘッド４や切削刃５の重量で垂直用弾性平行リング３が弾性変形しないように移動ヘッド４や切削刃５の重量を支えるための支点４１，天秤４２および重り４３と、出力インタフェース４０ａ，入力インタフェース４０ｂおよびパソコン４０とを具備している。

パソコン４０は次の動作を行う。
（ａ）出力インタフェース４０ａを介して、水平用フォースコイル６，垂直用フォースコイル７およびｘｙｚステージ１４を駆動する。
（ｂ）入力インタフェース４０ｂを介して、水平位置センサ９および垂直位置センサ１１の出力を読み込む。
（ｃ）水平用フォースコイル６の駆動信号から切削抗力水平成分Ｆｈを取得する。
（ｄ）垂直用フォースコイル７の駆動信号から切削抗力垂直成分Ｆｖを取得する。
（ｅ）切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖに基づいて、剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓを算出する。
（ｆ）切削深さｄに対する剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフを描画する。
（ｇ）切削水平距離ｋに対する剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフを描画する。
（ｈ）水平位置センサ９および垂直位置センサ１１の出力、切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖ、および、剪断角φに基づいて、水平用フォースコイル６，垂直用フォースコイル７およびｘｙｚステージ１４を制御する。

図２は、試料Ｓの表層を切削刃５で切削している状態を示す断面図である。
切削深さｄは、試料Ｓの表面から切削刃５の先端までの垂直距離である。
剪断面Ｓｐは、切削刃５の先端線と試料Ｓの表面における切りくずＲの基端線を結ぶ面である。
剪断角φは、水平面に対して剪断面Ｓｐが成す角度である。
切込み角ψは、水平面に対して切削刃５の進行方向が成す角度である。
すくい角αは、切削刃５の先端線を通る垂直面に対して切削刃５の上面が成す角である。
摩擦角βは、切削刃５の上面に対する垂直面に対し切削抗力Ｒが成す角である。
剪断力Ｆｓは、切削抗力Ｒの、剪断面Ｓｐに沿った成分である。
剪断面垂直力Ｆｎは、切削抗力Ｒの、剪断面Ｓｐに垂直な成分である。

−水平２次元切削の場合−
試料Ｓの表面から目標切削深さＤまで切り込んだ後、切込み角ψ＝０゜で切削刃５を移動して試料Ｓを切削する。このとき、切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖは、図２より、式（１），（２）と表される。
Ｆｈ＝Ｆｎ・sinφ＋Ｆｓ・cosφ …(１)
Ｆｖ＝Ｆｎ・cosφ−Ｆｓ・sinφ …(２)

剪断面Ｓｐの面積Ａｓは、切削刃幅ｂと切削深さｄと剪断角φから、
Ａｓ＝ｂ・ｄ／sinφ …(３)
と表せる。
剪断応力τｓは、
τｓ＝Ｆｓ／Ａｓ＝Ｆｓ・sinφ／ｂ・ｄ …(４)
また、剪断面垂直応力σｓは、
σｓ＝Ｆｎ／Ａｓ＝Ｆｎ・sinφ／ｂ・ｄ …(５)
となる。
（４）（５）式で（１）（２）式を変形すれば、
Ｆｈ＝ｂ・ｄ（σｓ・sinφ＋τｓ・cosφ）／sinφ …(1')
Ｆｖ＝ｂ・ｄ（σｓ・cosφ＋τｓ・sinφ）／sinφ …(2')

一方、図２より、切削抗力Ｒは、
Ｒ＝Ｆｓ／cos(φ＋β−α)
＝Ａｓ・τｓ／cos(φ＋β−α)
＝ｂ・ｄ・τｓ／（sinφ・cos(φ＋β−α)） …(６)
と表される。
他方、図２より、切削抗力水平成分Ｆｈと切削抗力垂直成分Ｆｖは、
Ｆｈ＝Ｒ・cos(β−α) …(７)
Ｆｖ＝Ｒ・sin(β−α) …(８)
となる。
（７）（８）式より、
tan(β−α)＝Ｆｖ／Ｆｈ …(９)
となる。

切削刃５が切削水平距離ｋだけ進んだときの切削の仕事Ｗは、
Ｗ＝Ｆｈ・ｋ
＝Ｒ・cos(β−α)・ｋ
＝ｂ・ｄ・τｓ・cos(β−α)・ｋ／（sinφ・cos(φ＋β−α)） …(10)
となる。
剪断面Ｓｐは、切削の仕事Ｗが最小となる方向に形成されるものと考えられる（Ｍ．Ｅ．Ｍerchant，Ｊ．Ａppl．Ｐhys．１６，（1945）318 ）。すなわち、
ｄＷ／ｄφ＝０ …(11)
を満たすφが剪断角φとなるから、
φ＝π／４−（β−α）／２ …(12)
と求まる。
（９）式を（12）式に適用すれば、
φ＝π／４−atan（Ｆｖ／Ｆｈ）／２ …(12')
となる。

また、（1'）（2'）式を変形すると、
τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／(ｂ・ｄ) …(13)
σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／(ｂ・ｄ) …(14)
となる。

−切込み２次元切削の場合−
切込み角ψ＞０゜で切削刃５を移動して試料Ｓを切削する。この切込み２次元切削においても、（１）〜（９）式が成立する。
切削刃５が切込み角ψの方向に距離Ｌだけ進んだときの切削の仕事Ｗは、
Ｗ＝（Ｆｈ・cosψ＋Ｆｎ・sinψ）Ｌ
＝ｂ・ｄ・τｓ［cos(β−α)・cosψ＋sin(β−α)・sinψ］Ｌ／（sinφ・cos(φ＋β−α)） …(15)
と表される。剪断角φは分母だけに含まれ、（10）式と同じ形である。したがって、切削の仕事Ｗが最小となる（11）式の条件から求めた剪断角φの（12）式は、この場合にも成立つ。よって、（12'）〜（14）式も成り立つ。

図３は、切込み２次元切削を行う場合の動作を示すフロー図である。
ステップＳ１では、操作者は、切削刃幅ｂ、水平削速度Ｖｈ、切込み角ψを入力する。切込み角ψは、例えば０．０１゜〜１０゜である。
ステップＳ２では、操作者は、切削を止める時の深さである終了切削深さＤ’を入力する。
ステップＳ３では、操作者は、切削刃５を初期位置に移動する。切削刃５の初期位置は、切削刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置（例えば切削刃５の先端が試料Ｓの表面から１０ｎｍ〜１００ｎｍ上にある位置）または試料Ｓの表面に当接した位置のいずれでもよい。なお、切削刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置を初期位置とする場合は、切削抗力水平成分Ｆｈ＞０且つ切削抗力垂直成分Ｆｖ＞０となった位置を切削深さｄ＝０とする。また、切削刃５が試料Ｓの表面に当接した位置を初期位置とする場合は、初期位置を切削深さｄ＝０とする。
ステップＳ４では、操作者は、切削開始の指示を入力する。操作者から切削開始の指示が入力されると、パソコン４０は、ステップＳ７の処理へ進む。

ステップＳ７では、パソコン４０は、切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖ，切削深さｄおよび切削水平距離ｋを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込み、試料Ｓの表層を切削する。

ステップＳ８では、パソコン４０は、切削深さｄが終了切削深さＤ’に達してないならばステップＳ９へ進み、切削深さｄが終了切削深さＤ’に達したならばステップＳ１２へ進む。

ステップＳ９では、パソコン４０は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２、に基づいて剪断角φを算出する。
ステップＳ１０では、パソコン４０は、τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／(ｂ・ｄ)、に基づいて剪断応力τｓを算出し、σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／(ｂ・ｄ)、に基づいて剪断応力τｓを算出する。
ステップＳ１１では、切削深さｄに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフを描画する。そして、ステップＳ７に戻る。

ステップＳ１２では、切削深さｄに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を表す指標を算出する。例えば、切削深さｄに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフをｎ（≧３）次関数でカーブフィティングし、得られたｎ次関数の係数を変化指標として出力する。そして、処理を終了する。

図４は、切削深さｄに対する剪断角φのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ１，Ｓ２の表面から１００ｎｍ上にある位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ１，Ｓ２を切込み角ψ＝１．１゜で切込み２次元切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ１，Ｓ２は、均一物質である。
終了切削深さＤ’≧１．４μｍとすれば、試料Ｓ１，Ｓ２の機械的特性を表している剪断角φを得ることが出来る。

図５は、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ１，Ｓ２の表面から１００ｎｍ上にある位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ１，Ｓ２を切込み角ψ＝１．１゜で切込み２次元切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ１，Ｓ２は、均一物質である。
終了切削深さＤ’≧１．４μｍとすれば、試料Ｓ１，Ｓ２の機械的特性を表している剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓを得ることが出来る。

図６は、切削深さｄに対する剪断角φのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ３，Ｓ４の表面に付いた位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ３，Ｓ４を切込み角ψ＝１．１゜で切込み２次元切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ３，Ｓ４は、均一物質である。
終了切削深さＤ’≧１．４μｍとすれば、試料Ｓ３，Ｓ４の機械的特性を表している剪断角φを得ることが出来る。

図７は、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ３，Ｓ４の表面に付いた位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ３，Ｓ４を切込み角ψ＝１．１゜で切込み２次元切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ３，Ｓ４は、均一物質である。
終了切削深さＤ’≧１．４μｍとすれば、試料Ｓ３，Ｓ４の機械的特性を表している剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓを得ることが出来る。

図８は、水平２次元切削を行う場合の動作を示すフロー図である。
ステップＳ１では、操作者は、切削刃幅ｂ、水平削速度Ｖｈ、切込み角ψを入力する。切込み角ψは、例えば０．０１゜〜１０゜である。
ステップＳ２’では、操作者は、水平切削を始める時の深さである目標切削深さＤ、目標切削深さＤに達した後から切削を止めるまでに進む水平距離である終了切削水平距離Ｋを入力する。
ステップＳ３では、操作者は、切削刃５を初期位置に移動する。切削刃５の初期位置は、切削刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置または試料Ｓの表面に当接した位置のいずれでもよい。
ステップＳ４では、操作者は、切削開始の指示を入力する。操作者から切削開始の指示が入力されると、パソコン４０は、ステップＳ５の処理へ進む。

ステップＳ５では、パソコン４０は、切削深さｄを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込み、試料Ｓの表層を切削する。

ステップＳ６では、パソコン４０は、切削深さｄが目標切削深さＤに達してないならば切削を継続し、切削深さｄが目標切削深さＤに達したならばステップＳ７へ進む。

ステップＳ７では、パソコン４０は、切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖ，切削深さｄおよび切削水平距離ｋを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψ＝０で試料Ｓの表層を切削する。

ステップＳ８’では、パソコン４０は、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達してないならばステップＳ９へ進み、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達したならばステップＳ１２’へ進む。

ステップＳ９では、パソコン４０は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２、に基づいて剪断角φを算出する。
ステップＳ１０では、パソコン４０は、τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／(ｂ・ｄ)、に基づいて剪断応力τｓを算出し、σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／(ｂ・ｄ)、に基づいて剪断応力τｓを算出する。
ステップＳ１１’では、切削水平距離ｋに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフを描画する。そして、ステップＳ７に戻る。

ステップＳ１２’では、切削水平距離ｋに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を表す指標を算出する。例えば、切削水平距離ｋに対する剪断角φ、剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフをｎ（≧３）次関数でカーブフィティングし、得られたｎ次関数の係数を変化指標として出力する。そして、処理を終了する。

図９は、切削水平距離ｋに対する剪断角φのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ１，Ｓ２の表面から０．５ｍｍ上にある位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ１，Ｓ２に切り込み、目標切削深さＤ＝０．７μｍとＤ＝１．４μｍの異なる切削深さで水平切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ１，Ｓ２は、均一物質である。
終了切削水平距離Ｋ≧１０μｍとすれば、試料Ｓ１，Ｓ２の機械的特性を表している剪断角φを得ることが出来る。

図１０は、切削水平距離ｋに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ１，Ｓ２の表面から１００ｎｍ上にある位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ１，Ｓ２に切り込み、目標切削深さＤ＝１．４μｍで水平切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ１，Ｓ２は、均一物質である。
終了切削水平距離Ｋ≧５０μｍとすれば、試料Ｓ１，Ｓ２の機械的特性を表している剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓを得ることが出来る。

図１１は、切削深さｄに対する剪断角φのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ３，Ｓ４の表面に付いた位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ３，Ｓ４に切り込み、目標切削深さＤ＝０．５μｍで水平切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ３，Ｓ４は、均一物質である。
終了切削水平距離Ｋ≧５０μｍとすれば、試料Ｓ３，Ｓ４の機械的特性を表している剪断角φを得ることが出来る。

図１２は、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓのグラフの例示図である。
このグラフは、切削刃５の先端が試料Ｓ３，Ｓ４の表面に付いた位置を切削刃５の初期位置として試料Ｓ３，Ｓ４を切込み角ψ＝１．１゜で切込み２次元切削した場合に得られたグラフである。試料Ｓ３，Ｓ４は、均一物質である。
終了切削水平距離Ｋ≧５０μｍとすれば、試料Ｓ３，Ｓ４の機械的特性を表している剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓを得ることが出来る。

図１３は、機械的特性が異なる４つの層Ｌ１〜Ｌ４がベース材Ｂの表面に積層された試料Ｓの断面図である。層Ｌ１〜Ｌ４は、例えば塗布，メッキ，蒸着，スパッタリング，イオン照射等により積層または改質されたものである。

図１４は、図１３に示す如き試料Ｓの積層表面の所望の層まで切り込んでから水平切削する場合の切削制御の動作を示すフロー図である。
ステップＣ１では、操作者は、切込み初期のノイズを回避するために試料Ｓの表面から切り込む最小の深さである最小切削深さＤ”、水平削速度Ｖｈ、切込み角ψを入力する。最小切削深さＤ”は、例えば０．４μｍである。切込み角ψは、例えば０．０１゜〜１０゜である。
ステップＣ２では、操作者は、水平切削を始める時の剪断角φである目標剪断角Φ、目標剪断角Φとの許容誤差である許容剪断角幅ΔΦ、目標剪断角Φの層に達した後から水平切削を止めるまでに進む水平距離である終了切削水平距離Ｋを入力する。例えば、図１３に示す試料Ｓの層Ｌ３まで切削するなら、Φ＝Φ３を入力する。なお、図１３の層Ｌ１の厚さは最小切削深さＤ”より厚いものとする。
ステップＣ３では、操作者は、切削刃５を初期位置に移動する。切削刃５の初期位置は、切削刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置または試料Ｓの表面に当接した位置のいずれでもよい。
ステップＣ４では、操作者は、切削開始の指示を入力する。操作者から切削開始の指示が入力されると、パソコン４０は、ステップＣ６の処理へ進む。

ステップＣ６では、パソコン４０は、切削深さｄを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込む。
ステップＣ７では、切削深さｄが最小切削深さＤ”に達してないならばステップＳ６に戻り、切削深さｄが最小切削深さＤ”に達したならばステップＳ８へ進む。

ステップＣ８では、パソコン４０は、切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込み、試料Ｓの表層を切削する。
ステップＣ９では、パソコン４０は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２、に基づいて剪断角φを算出する。
ステップＣ１０では、パソコン４０は、Φ−ΔΦ≦Φ≦Φ＋ΔΦ、が成立しないならばステップＣ８に戻り、Φ−ΔΦ≦Φ≦Φ＋ΔΦ、が成立するならばステップＣ１３へ進む。

ステップＣ１３では、パソコン４０は、切削水平距離ｋを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψ＝０で試料Ｓの表層を切削する。

ステップＣ１４では、パソコン４０は、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達してないならばステップＣ１３に戻り、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達したならば切削を止める。

図１５は、図１３に示す如き試料Ｓの積層表面の所望の層まで切り込んでから水平切削する場合の切削制御の動作を示す別のフロー図である。
ステップＣ１では、操作者は、切込み初期のノイズを回避するために試料Ｓの表面から切り込む最小の深さである最小切削深さＤ”、水平削速度Ｖｈ、切込み角ψを入力する。最小切削深さＤ”は、例えば０．４μｍである。切込み角ψは、例えば０．０１゜〜１０゜である。
ステップＣ２’では、操作者は、水平切削を始めるまでに切り込む層の数である目標層数Ｎ、一つの層の剪断角Φの振れ幅である許容剪断角変化幅δ、目標層数Ｎまで切り込んだ後から水平切削を止めるまでに進む水平距離である終了切削水平距離Ｋを入力する。例えば、図１３に示す試料Ｓの層Ｌ３まで切削するなら、Ｎ＝３を入力する。なお、図１３の層Ｌ１の厚さは最小切削深さＤ”より厚いものとする。
ステップＣ３では、操作者は、切削刃５を初期位置に移動する。切削刃５の初期位置は、切削刃５が試料Ｓの表面に当接しない位置または試料Ｓの表面に当接した位置のいずれでもよい。
ステップＣ４では、操作者は、切削開始の指示を入力する。操作者から切削開始の指示が入力されると、パソコン４０は、ステップＣ５の処理へ進む。
ステップＣ５では、パソコン４０は、層数カウンタｎ＝１に初期化する。

ステップＣ６では、パソコン４０は、切削深さｄを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込む。
ステップＣ７では、切削深さｄが最小切削深さＤ”に達してないならばステップＳ６に戻り、切削深さｄが最小切削深さＤ”に達したならばステップＳ８へ進む。

ステップＣ８では、パソコン４０は、切削抗力水平成分Ｆｈ，切削抗力垂直成分Ｆｖを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψで試料Ｓに切り込み、試料Ｓの表層を切削する。
ステップＣ９では、パソコン４０は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２、に基づいて剪断角φを算出する。
ステップＣ１０’では、パソコン４０は、最新に算出した今回剪断角φと直前に算出した前回剪断角φの差が許容剪断角変化幅δより小さいならステップＣ８に戻り、小さくないならステップＣ１１へ進む。

ステップＣ１１では、パソコン４０は、層数カウンタｎの値が目標層数Ｎに達していないならステップＣ１２へ進み、層数カウンタｎの値が目標層数Ｎに達したならステップＣ１３へ進む。

ステップＣ１２では、パソコン４０は、層数カウンタｎを１だけインクリメントする。そして、ステップＣ８に戻る。

ステップＣ１３では、パソコン４０は、切削水平距離ｋを取得しながら、水平削速度Ｖｈ，切込み角ψ＝０で試料Ｓの表層を切削する。

ステップＣ１４では、パソコン４０は、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達してないならばステップＣ１３に戻り、切削水平距離ｋが終了切削水平距離Ｋに達したならば切削を止める。

図１４，図１５では、剪断角φを基に切削を制御したが、同様に、剪断応力τｓや剪断面垂直応力σｓを基に切削を制御することも可能である。

実施例１の材料の機械的特性の評価装置１００によれば次の効果が得られる。
（ａ）平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定し、それらを基に剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出するが、剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓは、材料の機械的特性に依存するだけであり、切削刃幅ｂや切削深さｄには依存しないため、切込み２次元切削の場合でも水平切削の場合でも、材料の機械的特性を表す指標として好適に利用することが出来る。
（ｂ）剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓを基にした切削制御を行うことが出来るので、例えば切込み２次元切削中に剪断角φ，剪断応力τｓまたは剪断面垂直応力σｓが特定の値になったら切削を止めるといった切削制御を行うことが出来る。

本発明の材料の機械的特性の評価装置は、例えば表面材料の機械的特性を調べるのに利用できる。
本発明の切削装置は、例えば積層材料の表面を切削するのに利用できる。

実施例１に係る材料の機械的特性の評価装置を示す構成説明図である。 試料の表面を切削している状態を示す断面図である。 実施例１に係る切込み２次元切削の動作を示すフロー図である。 試料に切削刃が接触しない初期位置から切込み２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断角φの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触しない初期位置から切込み２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触した初期位置から切込み２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断角φの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触した初期位置から切込み２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を示すグラフである。 実施例１に係る水平２次元切削の動作を示すフロー図である。 試料に切削刃が接触しない初期位置から水平２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断角φの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触しない初期位置から水平２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触した初期位置から水平２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断角φの変化を示すグラフである。 試料に切削刃が接触した初期位置から水平２次元切削した場合において、切削深さｄに対する剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの変化を示すグラフである。 試料の積層表面を示す断面図である。 削除対象層の剪断角Φを指定して行う水平２次元切削制御の動作を示すフロー図である。 削除対象層の数Ｎを指定して行う水平２次元切削制御の動作を示すフロー図である。

符号の説明

４ 移動ヘッド
５ 切削刃
６ 水平用フォースコイル
７ 垂直用フォースコイル
９ 水平位置センサ
１１ 垂直位置センサ
４０ パソコン
１００ 材料の機械的特性の評価装置
Ｓ 試料

Claims (14)

1. 切削刃で試料の表層に切り込み試料の表層を切削する切削手段と、前記切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定する切削抗力測定手段と、前記切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖに基づいて剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する算出手段とを具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
2. 請求項１に記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄまたは切削水平距離ｋに対する剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つの変化を表す指標を算出する変化指標算出手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、atan()を逆正接関数とするとき、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２に基づいて剪断角φを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断角φのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断角φのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２，ｂを切削刃幅，ｄを切削深さとするとき、τｓ＝sinφ・(Ｆｈ・cosφ−Ｆｖ・sinφ)／（ｂ・ｄ）に基づいて剪断応力τｓを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
7. 請求項６に記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断応力τｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断応力τｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の材料の機械的特性の評価装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２，ｂを切削刃幅，ｄを切削深さとするとき、σｓ＝sinφ・(Ｆｈ・sinφ＋Ｆｖ・cosφ)／（ｂ・ｄ）に基づいて剪断面垂直応力σｓを算出することを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
10. 請求項９に記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削深さｄに対する前記剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
11. 請求項９または請求項１０に記載の材料の機械的特性の評価装置において、切削水平距離ｋに対する前記剪断面垂直応力σｓのグラフを描画するグラフ描画手段を具備したことを特徴とする材料の機械的特性の評価装置。
12. 切削刃で切削対象の表層に切り込み切削対象の表層を切削する切削手段と、前記切削中の切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖを測定する切削抗力測定手段と、前記切削抗力水平成分Ｆｈおよび切削抗力垂直成分Ｆｖに基づいて剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つを算出する算出手段と、前記剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つに基づいて切削を制御する切削制御手段を具備したことを特徴とする切削装置。
13. 請求項１２に記載の切削装置において、前記剪断角φを算出する算出手段は、atan()を逆正接関数とするとき、φ＝π／４−atan(Ｆｖ／Ｆｈ)／２に基づいて剪断角φを算出することを特徴とする切削装置。
14. 請求項１２または請求項１３に記載の切削装置において、前記切削制御手段は、前記剪断角φ，剪断応力τｓおよび剪断面垂直応力σｓの少なくとも１つに基づいて、切込み角ψ，切削深さｄ，切削水平距離ｋおよび切削速度の少なくとも１つを制御することを特徴とする切削装置。

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