2015 Fiscal Year Research-status Report
超伝導砥粒を用いた磁気援用選択加工技術に関する研究
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26630029
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
鈴木 恵友 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (50585156)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小田部 荘司 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (30231236)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 超伝導援用加工 / 中空加工 / ３次元加工 / ナノ微細研磨技術 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は超伝導物質を超伝導コイル中で冷却し着磁し，強磁力を援用により微粒子の運動を制御することで，ナノレベルでの３次元微細構造を実現させることである．そのため，当初に考案した電磁石上に超伝導微粒子を空中に保持した状態で超伝導転移温度以下に冷却する方式と超伝導バルク上に磁性微粒子を空中で一定の位置で保持させることを特徴とする２つの方式を考案した．前者の方式では加工雰囲気が液体窒素温度であることや超伝導粒子の粒子径を小さくした際の保持力が低下により，加工材料や加工寸法の制約や微細化による加工効率の低下が課題となった．一方，後者の方式では常温で加工が可能であることが最大のメリットである．したがって，本研究では加工材料や加工寸法の制約や加工液などの併用も考慮し，後者の方式を採用した．実施内容としては昨年度より専用の簡易加工装置を製作し，原理検証を行った．その結果，工具を保持した磁性体を超伝導バルクにより浮上させ，超伝導バルクにより磁性体を回転や振動運動を行うことで，従来加工技術では困難とされてきた中空加工が実現可能となった．具体的には金型製作で使用される発泡スチロール中に磁性体工具を水平方向や垂直方向に運動させることで，磁性体の運動軌跡を反映した中空加工を行った．ここでは磁場勾配による解析結果から，磁性体における極性の配置が重要であることを確認した．さらに本研究では複数の磁性微粒子を浮上させた状態で，磁性微粒子間の磁力により引力や反発をさせることで，超伝導バルクからの保持力以外の力を併用することも想定している．今後の研究としては，実際に磁場勾配と磁性微粒子の関係から磁性微粒子の運動形態と実験における効果を引き続き検証により磁性体の運動制御技術の確立や，より高い保持力が可能な超伝導物質を適用することで，３次元加工を中空かつ微細で実現可能な新規技術へと発展させていきたい．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の計画において超伝導物質を工具として想定していたが，常温で切削および研磨が可能な磁性体を浮上させる方式へ変更した．本研究において，おおむね順調に進展していると判断した点については，当初の計画では超伝導微粒子を磁場勾配により運動制御を行うことで３次元かつ微細加工を実現可能にする内容であったが，研究過程で磁性体を超伝導バルクにより空中に保持させ，回転および振動運動により加工を行う方式を考案し，従来では工具の干渉などにより困難とされてきた３次元の中空加工が常温で実現可能になった点を考慮した． ここでは超伝導バルクの回転運動や振動運動により磁性体を追従させること特徴としているが，その際磁性体の磁極配置が重要となる．ここでは研究分担者の小田部氏により，磁性磁場勾配の理論的な解析を行うことで，磁極の配列に関する検討を行った．そのため，磁性体が十分に加工可能な駆動力を発生することが可能となった．ただし，磁性体粒子の運動における加工時に発生する力の影響など当初想定できなかった課題もあるため，超伝導援用加工技術を基盤技術へ発展させるには今後引き続き加工条件に対する磁性体および磁性微粒子の制御方法に関しては研究を進めていく必要がある．
また，昨年度より加工工具としては磁性体上にセラミック砥粒を保持したシェル構造や切削刃を保持した切削工具を採用してきた．その他にも，ポリシングパッドに研削用および化学的機械的研磨用（CMP）用の加工液を用いた表面研磨に関する評価も行った．ここでは，現時点では十分な考察までは至っていないものの加工液を用いることにより，複雑な形状に対する表面研磨への可能性が示唆されている．そのため，当初の計画とは変更はあるもの３次元複雑形状に対する表面研磨技術への道筋をつけることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで超伝導援用加工においては，磁性体を超伝導バルクにより浮上させ回転および振動運動させることにより，従来では困難とされてきた３次元中空加工などを実現可能にした．今後，本研究を推進させるため，現時点では大きく分けて２つの方向性を想定している．一つ目は，３次元複雑な微細形状に対する表面研磨技術である．もう一つは，微細工具の運動軌跡を反映した３次元加工技術の確立である．
表面研磨技術に関しては，これまで研究代表者らによって半導体基板の研削および研磨技術に関する研究を推進してきたが，磁性体部分にポリシングパッドを保持させ研磨スラリーによる研磨を行う．ここでは特に配管や容器内などの内面研磨を想定している．ここではスラリーの供給方式や研磨後の表面形状の管理方法に関する課題がある．対応策としてはあらかじめ配管内にスラリーを供給する方式や磁性体工具上に固定砥粒にするなど予定している．また，表面研磨技術をボトムアップ技術による３次元形状に適用させるため，磁性微粒子自身を超伝導バルクにより空中に保持し，直接的に運動制御することで，従来研磨では困難とされてきた微少な中空空間などへの適用を目指す．この研磨技術について，現在も開発しているが，特許出願後公開予定である．
一方，微細工具の運動軌跡を反映した３次元加工技術に関しては，これまで本研究で製作した専用の加工評価装置を改良している．ここでは加工中に発生する反力により浮上工具の位置が変動するため，ステージの設定変更を行うことにより工具運動の位置決めや補正機能を追加する．さらに超伝導バルクを液体窒素で冷却を行っているため，長時間の加工に適用させるには定常的に液体窒素を補充する必要がある．対策案としては，液体窒素から発生するコールドガスによる冷却方式に変更することである．これらの改良により，磁性体浮上工具による長時間加工が期待できる．
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| Causes of Carryover |
次年度使用する理由としては，原理検証用に製作した専用の加工装置を改良する必要が出たためである．当初設計では，超伝導バルクにより磁性体を浮上させ加工を行う機構であったが，加工中に発生する反力により浮上工具の位置補正を想定していなかった．そのため，加工による反力を高くなり浮上工具の位置が変動しても，そのままワークを固定したステージが進んでしまうため，磁性体が保持できない問題があった．そのため，磁性体工具の位置に対する補正機能を追加することで，保持も問題を解決する．さらに超伝導バルクを冷却するためには，定常的に液体窒素を補充する必要がある．対策案としては，液体窒素から発生するコールドガスによる冷却方式に変更することである．これらの改良を行うため，次年度も予算を使用したい．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
使用内容としては，磁性体工具の位置に対する補正機能を追加とコールドガスによる冷却方式に変更することである． 具体的な計画としては，製作した装置の筐体フレームを強化することや超伝導バルク部分の全ふれ精度の向上を行う．またXYステージの位置をサーボモータにより設定しているが，工具の位置を検出するために磁気センサーをXY方向に追加する．このセンサーから出力値に基づき，位置補正を行う.一方，コールドガスに関しては，液体窒素容器にヒータを取り付けることにより発生させる．ここでは超伝導バルク部分に低温用熱電対を保持し，超伝導転移温度以下に温度制御を行う．次年度の計画としてはこれらの内容の改造を行う．
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