硬脆材料の超精密加工を可能とする超精密旋盤の開発

タイトル (英語と日本語):
Development of an ultra-precision lathe for hard brittle materials
硬脆材料の超精密加工を可能とする超精密旋盤の開発

ジャーナル名および出版年:
Journal of the Japan Society for Abrasive Technology, Vol.56 No.8, 2012年8月

筆頭著者および末尾著者:
Tamotsu IIZUKA, Noboru MORITA

筆頭著者の所属:
Japan Society for the Promotion of Machine Industry

要旨:
硬脆材料であるガラスやセラミックスの延性モード切削を実現するためには、切込み深さが延性・脆性遷移点（dc値）を下回る必要がある。本研究では、数～数十nmレベルの位置決め分解能、運動精度、高い剛性と安定性を実現する超精密旋盤を開発した。自作した装置を用いて、ガラスの延性モード切削が成功し、機械の性能を検証した。

背景:
光学技術と電子技術の進化により、ガラス等の硬脆材料が光学部品として多用されている。しかし、従来の研磨加工では高精度かつ高能率な加工が困難であるため、切削加工への要求が高まっている。延性モード切削を実現するには、切削深さを臨界値以下に制御する超精密旋盤が必要である。

方法:

基本要素の開発:

1nm分解能の位置フィードバック機構
温度変動を抑える小型化設計
静圧油圧案内機構と低脈動ポンプ
フローティングナット機構の採用
機械構造:

Z軸案内機構をベッドに直接設置し、アッベオフセットを最小化
X軸案内機構の両端支持構造による剛性確保
静剛性および動剛性:
プッシュプルゲージ、電気マイクロメータ、およびインパルス加振法を使用して測定

切削実験:
ソーダ石灰ガラスを単結晶ダイヤモンド工具ですくい角-20°で切削し、AFMおよびレーザ顕微鏡で観察

結果:

静剛性:
X軸背分力方向は245N/μm、Z軸背分力方向は69N/μm。
動剛性:
65Hz近傍の共振振動を確認。
真直度:
ばらつきは約35nm（100分間測定）。
切削性能:
切削溝が工具形状を転写
ガラスの延性モード切削に成功
流れ形の切りくずが確認され、工具の逃げ面摩耗も計測
考察:
本装置により、ガラスの延性モード切削が実現された。フローティングナット機構や静圧油圧案内の効果が確認され、装置の温度安定性も非常に高いことが証明された。

従来研究との新規性:

温度変動を抑制する構造設計
低圧作動油による静圧案内機構
工具逃げ面摩耗の詳細な観察と切削性能の検証
限界:

静剛性が一部目標値を下回った点
ガラスの弾性回復による切削深さの誤差
今後の応用:

光学部品の高精度加工への応用
他の硬脆材料（セラミックス等）の高能率加工
工具摩耗のさらなる抑制に関する研究

2.基本要素の開発指針と書いてある章の全文を文字起こししてください

基本要素の開発指針に関する章の全文は以下の通りです：

超精密旋盤によるガラスの延性モード切削を実現するためには，ガラスのdc値（100nm近辺）以下の切込み深さを加工中に維持する必要がある．そのために必要とされる超精密旋盤の能力を以下に示す．

100N/μm以上の静剛性
加工時の振動を抑制可能な案内
100nm以下の切込み深さを実現する位置決め機構
100nm以下の切込み量が維持可能な運動精度
熱変形で切込み深さが変動しない温度安定性
これらの要求を満たす装置に必要な技術を明らかにするためには，独自の超精密旋盤を開発する必要がある．開発が必要な要素，導入可能な既存技術について分析し，以下に示す要素技術を採用した．

(a) 1nm分解能を持つデジタルスケールによる位置フィードバック機構
(b) スケールの読取りヘッドは，X軸・Z軸から独立した低熱膨張鋳物製のメトロロジフレーム上に配置
(c) 剛性と安定性を高めるための大型の空気軸受スピンドル
(d) 高精度位置決め実現のためのアッベオフセット，サーマルオフセット量が最小になる構造​​。
(e) 周辺温度変化に対する影響を最小にする小型化設計
(f) 研削仕上げによる油静圧の直進案内機構
(g) 作動油の温度上昇を抑制するための低粘度の作動油を用いる油静圧機構
(h) 作動油の温度上昇を抑制するための静圧スライドの低圧駆動設計
(i) 作動油の温度変動を緩和するための自然放熱形油温度維持装置
(j) 作動油の脈動を低減させるための低脈動ポンプと脈動減衰機構
(k) 詳細なサーボパラメータ設定が可能なPCベースNC装置
(l) テーブル送り用ボールねじのナット振れ回りを遮断するためのフローティングナット機構 。

直線案内機構を製作する際に研削で仕上げたという記載はどこにありますか？

直線案内機構を製作する際に研削で仕上げたことに関する記載は、提供された文書の中に見つかりました。文書には、直進静圧案内の製作にあたり、まずガイドレールを先に製作し（S45C調質、仕上げ切削後研削）、その寸法に合わせてスライダ部分の寸法を調整研削して所定の軸受隙間が実現できるよう加工・調整したと記載されています 。これにより、直線案内機構の製作において研削工程が重要な役割を果たしていることがわかります。

ガラスの延性モード切削とはなんですか？

ガラスの延性モード切削とは、ガラスなどの硬脆材料を加工する際の特定の方法です。通常、ガラスは脆性が高く、加工時には割れやすく、微細な亀裂が入りやすいですが、延性モード切削を用いると、これらの問題を軽減できます。

延性モード切削の特徴
微細な切込み: 延性モード切削では、非常に小さい切込み深さ（例えば数十ナノメートル単位）を使用します。このような微細な切込みは、材料を割るのではなく、延性的に変形させる効果があります。

高い表面品質: この方法で加工されたガラスの表面は非常に滑らかで、微細な傷や亀裂が少なくなります。これは、光学部品や精密機器などに要求される高品質な表面仕上げに不可欠です。

特別な機械と技術: 延性モード切削を行うためには、非常に高い精度で動作する機械設備が必要です。また、適切な切削条件（切込み深さ、切削速度、工具の種類など）の選定が重要です。

用途
光学部品: レンズ、プリズム、光ファイバーなど、光を伝えるための部品に使用されます。
精密機器: ガラスの高い透明度と耐久性を生かし、各種センサーや計測機器にも利用されます。
延性モード切削は、ガラスを加工する際の割れや亀裂のリスクを最小限に抑え、高い品質の表面を実現するための重要な技術です。

 

延性・脆性遷移点dcについて教えてください

延性・脆性遷移点（dc）は、硬脆材料を機械加工する際に非常に重要な概念です。この点は、材料が延性的な挙動から脆性的な挙動に遷移する切込み深さ（または加工条件）を示しています。硬脆材料には、ガラス、セラミックス、一部の結晶性材料などが含まれます。

延性・脆性遷移点（dc）の特徴
定義: 延性・脆性遷移点は、硬脆材料が主に塑性変形を示す「延性モード」と、亀裂や欠損を伴う「脆性モード」の間の遷移を示す臨界値です。

切込み深さの影響: 加工時の切込み深さがこの遷移点より小さい場合、材料は延性モードで加工され、高品質な表面仕上げが可能です。逆に、この点を超えると、材料は脆性モードで加工され、亀裂や微細な損傷が生じやすくなります。

材料による違い: 硬脆材料ごとに、この遷移点は異なります。材料の物理的特性（硬度、結晶構造など）によって決まります。

重要性
超精密加工: 延性・脆性遷移点を理解し、適切に制御することで、硬脆材料の超精密加工が可能になります。特に光学部品や微細加工が要求される分野で重要です。

工具と加工条件の選定: 切削工具の材質、形状、切削速度、送り速度など、加工条件を適切に設定することで、延性モードの加工を実現できます。

延性・脆性遷移点は、硬脆材料の加工品質を大きく左右する重要な指標であり、特に超精密加工技術の分野での理解と制御が求められています。

 

論文中にある、加工力による変形量が送り分解能未満の工作物・工具の支持剛性を備える。というのを詳しく教えてください

超精密旋盤に関する記載から、「加工力による変形量が送り分解能未満の工作物・工具の支持剛性を備える」という部分について、この旋盤が硬脆材料の超精密加工を可能にするためには、加工中に発生する加工力による変形量が、その旋盤の位置決め分解能よりも小さい必要があるという点が指摘されています。つまり、工作物や工具の支持構造が十分に剛性が高く、加工力によって生じる変形が旋盤の分解能以下であることが求められます。これは、非常に微細な加工を行う際に、加工誤差を最小限に抑え、高精度な加工を実現するために重要な要素です​​。

 

延性・脆性遷移点の値よりも、位置決め分解能を基準とするほうが的確ですか？

はい、延性・脆性遷移点の値よりも位置決め分解能を基準とすることが、超精密旋盤においてはより的確であると考えられます。延性・脆性遷移点は、硬脆材料を加工する際に延性モードと脆性モードの間の遷移を示す指標です。一方で、位置決め分解能は、機械がどれだけ微細な動きを制御できるかを示す指標であり、超精密加工においてはこの分解能が非常に重要になります。

超精密加工では、数ナノメートルレベルでの制御が求められることが多いため、加工力による変形量が位置決め分解能未満であることを確保することが、加工精度を保つ上で非常に重要です。延性・脆性遷移点も加工プロセスを理解する上で重要な指標ではありますが、最終的な加工精度を決定するには位置決め分解能がより直接的な影響を与えるため、この分解能を基準にする方が的確です​​。

ガラスの延性・脆性遷移点はどのように表されますか？

ガラスの延性・脆性遷移点は、主に切込み深さ（切削深さ）によって表されます。この遷移点は、ガラスなどの硬脆材料が切削や加工中に示す挙動の変化を表し、延性モードから脆性モードへの遷移を示します。

延性・脆性遷移点の表現方法
切込み深さ: 延性・脆性遷移点は、加工時の切込み深さ（または切取り厚さ）で定義されます。この深さが臨界値以下であれば、材料は延性的に挙動し（延性モード）、それを超えると脆性的に挙動（脆性モード）します。

臨界値: この臨界値は、材料の種類や特性、加工条件（工具の種類、切削速度など）によって異なります。一般的に、ガラスの場合は数十ナノメートルから数百ナノメートルの範囲であることが多いです。

測定と利用
延性・脆性遷移点の測定は、実験的に行われます。これには、微細加工技術と精密な測定機器が必要です。
この遷移点を知ることは、硬脆材料の超精密加工において非常に重要です。適切な切込み深さを選定し、延性モードでの加工を行うことで、高品質な表面仕上げが可能になります。
延性・脆性遷移点は、材料の物理的特性や加工条件に基づいて定義され、材料の加工方法や加工品質の最適化に役立てられます

 

超精密加工は単結晶ダイヤモンド工具によって行われるのはなぜですか？

 

超精密加工に単結晶ダイヤモンド工具が用いられるのは、ダイヤモンドが極めて硬度が高く、熱伝導率が優れているためです。ダイヤモンド工具は、非常に鋭い切れ味を長時間維持でき、微細かつ精密な加工が可能になります。硬脆材料をナノメートルレベルで加工する際、工具の摩耗が少なく、安定した加工精度を保つことが求められるため、ダイヤモンド工具が適しています。

単結晶ダイヤモンド工具は、結晶方向による物性の違いが少なく、均一な切削性能を発揮します。これにより、加工面の品質を一定に保つことができ、超精密加工において非常に重要な要素となります。また、ダイヤモンド工具は非常に細い刃先を実現できるため、微細な加工が可能となります​​。

 

圧力転写加工と運動転写加工について教えてください

圧力転写加工と運動転写加工は、高精度な形状や微細構造を作成するための加工技術です。これらは、特に微細加工やナノテクノロジーの分野で重要な役割を果たします。

圧力転写加工（Press Transfer Process）
圧力転写加工は、圧力を用いてある形状を別の素材に転写する方法です。この技術は、特に微細パターンの転写に有用です。

プロセス: マスター（元の形状を持つ型）に対して圧力をかけ、柔軟な素材（通常はポリマーなど）にマスターの微細構造を転写します。
用途: 高精度な印刷、マイクロ流体デバイスの製造、生体材料のパターニング、マイクロ／ナノスケールの電子デバイスの製造などに使用されます。
メリット: 複雑な微細構造の迅速な転写が可能で、低コストで大量生産に適しています。
運動転写加工（Motion Transfer Process）
運動転写加工では、特定の運動（例えば回転や直線運動）を別の部分に転写し、精密な動きを実現します。この技術は、特に機械の精密部品製造に用いられます。

プロセス: 特定の運動を生成する部品（例えばモーターやアクチュエーター）から、その運動を別の部品（ツールや作業対象物）に伝達します。
用途: CNC工作機械、ロボットアーム、精密位置決めステージなど、精密な動作が要求される機械や装置で広く使用されます。
メリット: 高精度な運動制御が可能で、複雑な形状やパターンの製造に対応できます。
これらの技術は、高度な製造技術において重要で、特に微細加工や精密機械製造の分野で広く活用されています。それぞれが特有のメリットを持ち、用途に応じて選択されます。

 

アッべオフセット、サーマルオフセットについて教えてください

アッベオフセットとサーマルオフセットは、精密測定や機械設計において重要な概念です。これらは、測定誤差や機械の精度に影響を与える要因として認識されています。

アッベオフセット（Abbe Offset）
アッベオフセットは、アッベの原理に関連した概念です。アッベの原理は、測定軸と測定対象の軸が一致していない場合に測定誤差が発生することを述べています。

定義: アッベオフセットは、測定軸と被測定対象軸の間の距離です。この距離が大きいほど、被測定対象の微小な角度変化が測定誤差を大きくします。
影響: 特に、測定対象が回転や傾斜する場合、アッベオフセットによる誤差が顕著になります。
対策: アッベオフセットを減らすためには、測定軸と被測定対象軸をできるだけ近づける、または並行に配置することが有効です。
サーマルオフセット（Thermal Offset）
サーマルオフセットは、温度変化による材料の膨張や収縮が測定誤差や機械の精度に影響を及ぼす現象です。

定義: サーマルオフセットは、温度変化により機械部品や測定対象が熱膨張や収縮を起こすことによって生じる寸法変化です。
影響: 温度が変化すると、機械部品の長さや形状が変わり、これが測定誤差や機械の精度低下の原因となります。
対策: 温度制御、材料の選定（熱膨張係数が小さい材料の使用）、設計の最適化（温度変化に対する影響を最小限に抑える）などがあります。
これらのオフセットは、精密測定や高精度な機械設計において考慮されるべき重要な要素であり、これらを適切に管理することで、測定誤差の低減や機械の性能向上が可能になります。

 

パッド配置について教えてください

論文内で言及されている「パッド配置」については、加工時の背分力を直接受けるX軸の水平方向における静圧軸受けの設計に関連しています。ここでのパッド配置は、1列に6個のパッドが配置されており、各パッドの大きさは45mm×30mmです​​。

この文脈での「パッド配置」とは、軸受機構において、特定のパッド（圧力を受ける面）を配置する方法を指しています。これは、機械の精密な動作や安定性を確保するために重要であり、特に静圧軸受けにおいては、適切なパッド配置が機械の性能に直接影響を及ぼします。この配置は、加工時に発生する力を効果的に分散し、安定した支持を提供することを目的としています。

ボールねじのナットの振れ回りついて教えてください

ボールねじのナットの振れ回り（ナットの回転誤差や偏心）は、ボールねじメカニズムにおける重要な現象の一つです。この現象は、ボールねじの精度や動作の安定性に影響を与える可能性があります。

ボールねじのナットの振れ回りとは
定義: ボールねじのナットの振れ回りとは、ナットがねじ軸に沿って移動する際に、理想的な直線運動から逸脱して軸周りで微小な回転を伴う現象を指します。
原因: この振れ回りは、ボールねじとナットの製造時の公差、アライメントの不正確さ、ねじ軸の曲がり、あるいはベアリングの偏心などによって引き起こされることがあります。
影響
精度の低下: ナットの振れ回りは、ボールねじメカニズムの位置決め精度に影響を及ぼし、特に高精度を要求される用途において問題となることがあります。
振動や騒音: 振れ回りは、運動中の振動や騒音の原因となることがあります。
対策
高精度の製造: ボールねじとナットの製造精度を向上させることで、振れ回りを減少させることができます。
適切なアライメント: 装置の組み立て時に、ボールねじとナット、および関連する機械部品のアライメントを正確に行うことが重要です。
特殊設計のナット: 一部のボールねじでは、ナットの振れ回りを減少させるための特殊な設計が採用されています。
ボールねじのナットの振れ回りは、精密機械や自動化機械など、正確な動きが求められる多くのアプリケーションにおいて重要な考慮事項です。この振れ回りを適切に管理することで、システムの全体的な性能と信頼性を向上させることができます。

 

精機製品・技術レポート：位置決め精度に対するボールねじ･直動案内の影響

真空チャックのセルフカットとは何ですか？

真空チャックのセルフカットとは、真空チャックを使用している際に発生する特定の現象を指します。真空チャックは、平らな表面を持つ物体を吸着して保持するために真空を利用する装置です。これは、特に半導体の製造や精密加工で広く用いられます。

セルフカットの概要
定義: 「セルフカット」という用語は、真空チャックを使用する際に、チャック上の物体（特に薄い素材や柔軟な素材）が加工中に動かされたり、変形したりする現象を指すことがあります。この現象は、物体が真空チャックに完全に固定されず、加工中の切削力によって微小な動きが生じるために発生します。
セルフカットの原因
不十分な吸着力: 真空チャックの吸着力が弱い場合、加工中の力に対して物体が十分に固定されません。
物体の変形: 特に薄い素材や柔軟な素材は、真空チャック上で加工中に変形することがあります。
不均一な吸着面: チャックの表面が不均一であるか、物体の裏面が完全に平らでない場合、吸着力が一部に集中し、他の部分では不十分になることがあります。
対策
吸着力の向上: 真空チャックの吸着力を増強することで、物体がより確実に固定されるようにします。
表面処理: 真空チャックの表面を均一にし、または物体の裏面を平らにすることで、より効果的な吸着を実現します。
加工条件の調整: 加工時の切削力を調整し、物体に過度のストレスがかからないようにします。
セルフカットは、特に薄い素材や柔軟な素材を加工する際に注意が必要な現象であり、真空チャックの効果的な使用には適切な対策と調整が求められます。

 

空気バネ

空気ばねマウント（Air Spring Mount）は、振動制御と衝撃吸収に用いられるデバイスです。これらは、さまざまな産業や用途において、機械や機器を安定させ、振動やノイズを減少させるために使用されます。

空気ばねマウントの基本構造と原理：
構造:

空気ばねマウントは、一般的にゴムやその他の弾性材料でできた袋（エアバッグ）と、その中に封入された圧縮空気から構成されています。
これらはしばしば、金属製のフレームやプレートで補強され、機器や機械に取り付けられます。
作動原理:

圧縮空気は、外部からの衝撃や振動を吸収し、それを効果的に減衰させます。
空気圧の調整により、マウントの剛性を変更し、異なる負荷や条件に合わせてカスタマイズすることができます。
用途と利点：
用途:

産業機械、HVACシステム、輸送用途（例えば、トラックや鉄道車両）、オーディオ機器、建築物など、様々な分野で使用されます。
利点:

高い振動吸収能力: 空気ばねは、振動とノイズを効果的に減少させます。
調整可能性: 負荷や使用条件に合わせて空気圧を調整することで、マウントの性能を最適化できます。
耐久性: ゴムやその他の弾性材料は耐久性が高く、長期間にわたり効果的に機能します。
注意点：
空気漏れのリスク: 空気ばねマウントは、時間の経過とともに空気が漏れる可能性があります。そのため、定期的な点検とメンテナンスが必要です。
設計上の要件: 正確な空気圧の維持と、適切な負荷範囲の確保が必要です。

マウント・空気ばね

 

部品