ナノ加工による金型の高精度化に関する研究
東京工業大学 精密工学研究所
助教

澤野 宏

（平成 20 年度一般研究開発助成 AF-2008014）
キーワード：超精密切削加工，ナノテクノロジー，形状計測

１．緒言

超精密切削加工では一般的な切削加工と比較して，切高度情報化社会の到来に伴い，情報通信，エレクトロ

削力や切削熱など加工状態を認識するのに有用な物理量

ニクス，メカトロニクス分野を中心に各種製品の高性能の変化が小さく，さらに複数の熱的および動的挙動が複化への要求が一段と高まっている．その結果，光学素子

雑に相互作用をおよぼすため，正確な加工状態の認識がのような精密部品にはナノメートルオーダの形状精度が困難である．したがって，超精密切削加工において加工要求されている．これらの部品を製作するために用いる

状態認識技術を確立するためには，加工に関わる熱的お金型は製品の品質やコストを決める重要な要素であり，よび動的挙動を効果的に認識する方法が必要である．

金型の高精度化，低コスト化が求められている．
金型加工の高精度化，高能率化を実現する有用な方法
として超精密切削加工があげられる．近年，加工の微細化，高精度化により，切削加工は新たなマイクロ・ナノ
超精密切削加工へと展開しており 1), 2)，ナノメートルオー
ダの加工精度を持つ金型の製作が実現可能であると考えられる．
一方，超精密切削加工により，金型の高精度化，低コスト化を実現するためには，以下の課題を解決する必要
がある．
(1)

超精密切削加工におけるオンマシン形状計測技術の実現

加工品質の向上のためには加工後の形状計測と所望の形状が得られなかった際の修正加工が必須である．しかしながら，加工後，一度工作物を加工システムから取り外して計測システムで計測をおこなうという従来の方法
では，修正加工をおこなう際に工作物を加工システムに再度設置する必要があり，取り付け誤差の原因となる．
そのため，超精密切削加工の高精度化，低コスト化のためには，超精密切削加工システム上で形状計測が可能な

広い加工領域と高い加工精度を同時に実現する超精密切削加工システムの実現

これまで，ナノメートルオーダの加工要求を達成するために開発された切削加工システムは，基本的に狭い加工領域を対象としており，広い加工領域とナノメートル
オーダの加工精度を同時に実現する切削加工システムは少ない．しかしながら，今後の金型部品の高性能化に対応するためには，100mm オーダの加工領域に対してナノメートルオーダの加工精度で加工可能な超精密切削加工
システムが必要である．
(2)

(3)

オンマシン形状計測技術が必要不可欠である．
本研究では，まず，誤差発生要因を排除することによって，100mm オーダの加工領域とナノメートルオーダの加工精度を同時に実現可能な新しい設計概念に基づく超精密切削加工システムを開発する．次に，超精密切削加工におけるインプロセス加工状態認識技術を確立するた
め，加工状態が工具を通じてエアスピンドルにおける熱的および動的挙動を引き起こすことに着目し，状態因子
ネットワークを用いてエアスピンドルの駆動状態から加工状態を推定する状態認識方法を提案する．また，光学

超精密切削加工におけるインプロセス加工状態認

プローブを用いたオンマシン形状計測システムを開発す

識技術の確立る．具体的には，計測試料までの距離検出方法として非加工の高精度化，高能率化を達成するためには，加工点収差法を用い，試料表面の微小な凹凸によって生じる状態をインプロセスで認識する技術が必要不可欠である．

反射むらを低減する手法を提案することで，非接触で高一般的な切削加工を対象としたインプロセスでの加工状

精度な形状計測が可能な形状計測システムを実現する．

態認識技術として，センサフュージョンを適用した研究

さらに，開発した加工システムを用いて実際に加工実例などがあげられる3), 4)

一方で，超精密切削加工を対象とした加工状態認識の研究は少ない．

験をおこない，本研究の金型の精度向上に対する有用性を検証する．

－ 91 －

２．広域ナノパターンジ
ジェネレータタ
2・1

広域域ナノパターンンジェネレータ
タの開発

本研究で提提案する広域ナ
ナノパターンジ
ジェネレータのの構
造概念を図 1 に示す．XY テーブルシステ
テ
テムは空気静圧
圧軸
イスコイルモーータ（VCM）ににより，非接触
触状
受およびボイ
態で支持・駆駆動される．ささらに，Z 軸位
位置決めシステテム
は空気静圧軸軸受および VCM による非接接触支持・駆動にに加え，真空シリリンダ方式によよる重力補償機機構により，非非接触で重力の影影響を補償してている．以上のの構成により，，完
全非接触でのの 3 軸支持・駆駆動が可能でああり，接触面のの摩擦に起因する
る非線形要素をを排除することとが可能であるる．
また，熱的・
・力学的安定性性を付与するた
ため，主要構造
造に
図 2 広域ナノパター
広ーンジェネレーータ

比剛性が高くく低熱膨張でああるセラミック
クスを適用する
ると共に，各要素素を軸対称にななるように配置
置して熱変形おおよび不要な構造
造振動を低減ししている．さららに，これらのの構2・22

造体は恒温エエンクロージャャ内に設置し，アクティブ除除振本研究で開発本した広域ナノパ
パターンジェネレータの位
位システムを用用いて支持し，周辺環境かららシステムへのの外

置決
決め性能を評価価するため， ３軸同時制御状態においてて乱の伝達を抑抑制している．

1nm
m の微小ステップ駆動をお こなった．その結果，図 3

本研究で開開発した広域ナ
ナノパターンジ
ジェネレータをを図
2 に示す

5), 6)．XY テーブルのの駆動要素に VCM
（微動機構
構）

ータ（粗動機構構）を組合せたた粗微動機構をを用とリニアモー

広域ナノノパターンジェェネレータの位位置決め性能に示示すように各軸
軸とも明確な 1nm のステップが確認でき，
開発
発したシステムムが 1nm の位
位置決め分解能能を持つことをを確認認した．

いることによより，180mm の駆動範囲との1nm
1 の位置決めめ分
解能を同時にに実現しているる 7), 8)．開発したたシステムの仕仕様
を表 1 に示す
す．
表1 広
広域ナノパターンジェネレータの仕様
スト
トローク（X, Y）
Y
ス
ストローク（Z））
位置決
決め分解能（X,, Y, Z）
最最大速度（X, Y）
Y
最最大速度（Z）
スピ
ピンドル最高回
回転数

180mm
70mm
1nm
250mm/s
150mm/s
60,000rpm

ップ駆動結果果
図 3 1 nm ステッ３．エアスピンンドルの状態因
因子ネットワ
ワークを用いい
た加工状態
態認識 9), 10)
3・1
3

状態因子
子ネットワーククを用いた加工
工状態認識

超精密切削加工
超工では，切削力
力や切削熱など加工状態をを認識識するのに有用
用な物理量の変変化が小さく，加工状態のの認識識が困難であるる．これに対 して，複数のセンサ情報をを
ンサフュージョンが加工状
統合合して必要な情
情報を得るセン状態のの認識に有用でである．しか しながら，切削加工では複複数のの熱的および動
動的挙動が複雑
雑に相互作用をおよぼすたため，効果的にセン
ンサフュージ ョンを適用するためには，工に関わる熱的的および動的挙挙動の相互作用を効果的にに加工
解析析する必要があある．本研究ででは状態因子ネットワーク
を用用いて加工状態態を推定する状
状態認識方法を提案した．
状態
態認識の手順をを以下に示す 110)．
(1) 熱的および動動的挙動に関すする因子の抽出出係の数学的な解
解析(2) 因子間の関係
ットワークの構
構築(3) 状態因子ネッ
図 1 広域域ナノパターンジェネレータの構造概念

有用なセンサ情情報の選択(4) 状態認識に有－ 92 －

3・2

エアスピンドルの状態因子ネットワーク

3・3

工具摩耗の検出エアスピンドルは超精密切削加工システムに広く用い

加工精度に直接大きな影響をおよぼす工具摩耗の検出られており，重要な要素のひとつである．加工においては超精密切削加工における重要な課題の一つである．工

生じる加工状態の変化は工具を通じてエアスピンドルに

具摩耗は切削力に影響をおよぼすことから，力センサにおける熱的および動的挙動を引き起こす．そこで，本研より摩耗の検出は可能である．しかしながら，この検出究ではエアスピンドルにおける熱的および動的挙動を解方法はセンサの設置やコストの問題から実用的ではない．

析し，状態因子ネットワークを構築することにより，超一方，図 5 に示す状態因子ネットワークより，ハウジン

精密切削加工における加工状態認識技術を確立する．

グ振動，スピンドルのエラーモーション（NRRO）および

図 4 にエアスピンドルの状態因子を示す．エアスピン

スピンドルの回転速度から切削力の推定が可能である．

ドルは空気静圧軸受およびエアタービンにより非接触でそこで，摩耗した工具を用いて超精密切削加工実験を支持，駆動される．エアスピンドルにおける熱的およびおこない，新品の工具を用いた場合と各状態量を比較し動的挙動は相互に作用を及ぼし，ナノメートルオーダのた．図 6 に摩耗した工具を用いた場合の各状態量の変化

運動精度および生産性に対して重要な役割を果たす．

率を示す．工具の摩耗に伴う切削力の増加がハウジング

この熱的および動的挙動の相互作用について解析を加振動および NRRO の増加，ならびにスピンドルの回転速

え，エアスピンドルの状態因子ネットワークを構築した．

度の減少を引き起こしており，これらの状態量の取得に構築した状態因子ネットワークを図 5 に示す．

より工具摩耗の検出が可能であることを示した．

Air inlet for thrust bearing Radial bearing
Friction loss
Air inlet for turbine
Bearing temperature

Cutting force(Feed direction)

Bearing deformation

Hausing vibration(Radial direction)

Hausing vibration
Thrust bearing

Hausing vibration(Thrust direction)

Bearing clearance

Exhaust air flow rateof thrust bearing

Hausing temperature
Clearance temperature
Temperature of
main spindle

NRRO

Hausing vibration
Hausing
deformation

Decrease in spindle
rotational speed

Friction loss

Spindle rotation

Centrifugal force
Cutting force
Deformation of main spindle

図4

-200
図6

エアスピンドルの状態因子
Housingvibration

Air inletpressureof
turbineCutting
force

200
400
Intensity %Air inletpressure
Pressure inbearing
clearance

Error motionof spindle

Air inlet
flowrate

Air flow speed
in bearing
clearance

Bearing
clearance
Centrifugal
force
Spindlerotational
speed

Friction
torqueFrictionloss

Flowrate of
exhaust air

Housing
deformation

DeformationofMain spindle

Temperatureof MainspindleClearance
temperature

エアスピンドルの状態因子ネットワーク
図 5図 5エアスピンドルの状態因子ネットワーク－ 93 －

600

工具摩耗による各状態量の変化率

Bearing
stiffness

Air inlet
flowrate ofturbine0

Housing
temperature
Temperatureofexhaust air

800

４．光プローーブを用いたたオンマシン形状計測シス
ステ
ム
4・1

11), 1 2)ージ
ジは楕円となるる．この現象をを利用することで計測点までのの距離を高精度度に検出するこ
ことが可能とな
なる．

オン
ンマシン形状計
計測システムのの概念

しかしながら，
し計測試料の面
面粗さ等の影響により計測
測オンマシン
ン計測機能を付付与した超精密密切削加工シスステ

点にに反射むらが生生じると，反射
射光の形状の変変化が生じる．

ムの概念を図図 7 に示す．Z
Z 軸上に工具ととオンマシン計
計測

本研
研究では図 10 に示すようにに，反射光の形
形状の変化を光
光用の光学プロ
ローブを設置しし，Y 軸の駆動動によって加工工と軸のの移動と仮定すする．この光軸軸の移動により出力が変化
化

計測の機能をを切り替えるこ
ことができる．計測時には，図 8

し，正確な距離のの検出が困難ととなる．

に示すようにに，光学プローーブから得られれる計測点まででのこれに対して，こ
本研究では反反射むらを補正する機能をを距離が一定にになるように Z 軸を制御しなながら XY 軸をを駆付加
加した光学プロ
ローブシステムムを提案した．提案するプ
プ

動することににより，工作物
物の三次元形状状を取得する．

ローーブシステムをを図 11 に示す
す．QPD-B の出
出力を用いて光光Laser interrferometer

軸のの移動の影響をを差し引くこ とにより，反射むらによる

Noncontact vacuumvcylinderr

光軸軸の移動が生じた場合でも，可，高精度な距離の検出が可Z axis motioonplatformm

PZT actuatorP
Plane
mirror

能ととなる．

Objective lenslQuadrantt photodiodeC
Cylindricallenss (QPD)
M
MeasuringpoinntC B A

Optical plobe
Cutting toool

QPD
Imaage ofthe light

Workpiecce
X-Y plaanar motion tab
ble
Aero
ostatic guideway
y

A1

A4

A2

A3

A:Closse B:In focuss C:Distant
図 9 非点点収差法

Active vibraation isolation system
s

ex

QPD

Ceramic beed

Assumptioon

A1

図 7 オンマシン計測機機能を持つ超精密切削加工
システ
テムの概念

ey

A2

A4
A3

Objectivve
lens

Reflected lighht
Specimennsurfacce
Even reflecttion

図 10

Laser head

Uneven refleection

反射む
むらの影響

QPD-B
B1
B2

B4

図8

B3

光
光学プローブを用いた三次元形状計測

QPD--A

Polarizing Pbbeam
splitter
4・2

射むらの補正方
方法
反射

本研究では
は，光学プローーブとして非点点収差法 13) を用用い

λ/4 plate

る．非点収差差法の計測原理
理を図 9 に示す
す．計測点で反反射

O
Objectivelens

したレーザ光
光はシリンドリリカルレンズをを通して 4 分割
割フ

Close
A1
A2

A4
A3

C
Cylindricallenss In focus
Half mirror
Condeensing lensS
Specimenォトダイオーード（QPD）にに照射する．こ
このとき，計測
測点

Distantが焦点位置ににあると QPD 上のレーザ光の上のイメージは円
円に備えた光学プロービング
図 11 反射むら補正機能を備なるのに対しし，焦点位置かからずれると，レーザ光のイ
イメ

システ
テム

－ 94 －

4・3

表 2 加工工条件

光学
学プローブの計
計測分解能評価価

開発した光
光学プローブのの特性を評価すするために，計計測

工作物
物

分解能の評価価をおこなった
た．開発した光学プローブを 第 2工具章で開発した
た広域ナノパタ
ターンジェネレ
レータの Z 軸テ
テー

Ni-P メッキ
単単結晶ダイヤモンド
4 mm
ノーズ径 0.41 m
1 m
5 mm/s

切りこみ深
深さ
送り量
量
工具送り速
速度

ブルに搭載しし，光学プローーブによるフィィードバック制
制御はかけない状状態で Z 軸に 10
1 nm ステップ
プ駆動をさせた
た．Z
軸の座標はレレーザ干渉計でで計測し，光学学プローブの出出力との比較をおおこなった．
図 12 に示す
すように，Z 位置，光学プロ位
ローブ出力共にに明
確な 10 nm ののステップが確確認できる．ここのことから，，開発した光学ププローブが 10 nm の計測分解解能を持つこととを明らかにしたた．

40
Z position nm

30
20

図 13

超平滑面
面の加工結果

10
5・2
5

0
-10

Ni-P
N めっきを工工作物として，，幅 10m，高高さ 20nm の段
段

0

0.2

0.4

0.6 0.8
Time s

1
1.0

1.2

1.44

差加
加工をおこなっった．加工条件件として，超平平滑面と同様，
表 2 に示す条件をを用いた．

(a)) Z 位置

Output signal V

微小段差
差の加工

AFM
A
による加
加工形状の測定
定結果を図 14 に示す．図
に
144

0.016

にお
おいて，明確なな 20nm の段差差を確認するこ
ことができる．

0.012

このの結果より，開開発したシステテムによりナノメートルオ
オ

0.008

ーダ
ダの形状創成がが可能であるこ
ことを明らかに
にした．

0.004
0
-0.0040

0.2

0.4

0.6 0.8
Time s

1.0

1.2

1.4

(b) 光学プ
プローブ出力図 12

100 nm ステップ駆動時の Z 位置および光学
位学
ブ出力の応答
プローブ
図 14

微小段差
差の加工結果５．加工実験
験
5・1

超平
平滑面の加工

5・3
5

開発した広
広域ナノパターーンジェネレーータを用いて，，ダ
イヤモンド工工具によるナノノ加工特性評価
価をおこなった
た．
Ni-P めっきをを工作物としてて，切りこみ深深さ 1 m で平面面加工をおこなっった．加工条件件を表 2 に示す
す．
AFM による形状計測結果
果を図 13 に示示す．図に示すすよ究で開発した広広域ナノパターーンジェネレーータ
うに，本研究により，表面
面粗さ 2.15 nm
m Ra，10.4 nm PV の超平滑面面を得ることがでできた．

オンマシ
シン形状計測シ
システムを用いいた修正加工開発したオンマ
開
マシン形状計測
測システムを用いて修正加加工実
実験をおこなっった．図 16 の a の曲線に示示すように，ああらか
かじめ Xo の領域のみ加工を ほどこした黄黄銅を工作物としてて用い，この工工作物の Xm のの領域に対してて図 15 に示す
す方法
法で修正加工ををおこなった．
．オンマシン形状計測シス
テム
ムを用いて工作
作物の形状を計
計測し，計測結果を元に次次の加加工条件を決定定した．
図 16 にオンマシン形状計測
測システムによる工作物の形
形状のの計測結果を示
示す．3 回の修修正加工の結果果，図 16 の d－ 95 －

参考文献の曲線に示すような平滑面を得ることができた．
以上の結果より，開発したオンマシン形状計測システ

1) W. Gao・R.J. Hocken・J.A. Patten・J. Lovingood：Experiments

ムを用いることにより，超精密切削加工における加工精Using a Nano-Machining Instrument for Nano-Cutting Brittle
Materials，Annals of the CIRP，49-1（2000），439-442．

度の向上が実現可能であることを確認した

2) D. Dornfeld・S. Min・Y. Takeuchi：Recent Advances in Mechanical

Determination of cutting conditions
by the result measured
Measuring

Micromachining，Annals of the CIRP，55-2（2006），745-768．
3) C. Aliustaoglu・H.M. Ertunc・H. Ocak：Tool wear condition

Cutting

monitoring using a sensor fusion model based on fuzzy inference
system，Mechanical Systems and Signal Processing，23（2009），
539-546．
4) N. Ghosh・et al.：Estimation of tool wear during CNC millingusing neural network-based sensor fusion，Mechanical Systems
and Signal Processing，21（2007），466-479．

Y axis motion Workpiece

図 155) H. Yoshioka ・ H. Sawano ・ H. Shinno ： A newly developed

修正加工方法ultraprecision machining tool “ANGEL”，Proceedings of the 10th
euspen International Conference，2（2010），239-242．

Profile μm

Surface profile before shape modification
8

Depth of cut μm

6

a: 0.0b: 2.5c: 5.0d: 0.76

4

a

-2

0.5

Proceedings of the 14th International Machine Tool Engineers'
Conference，（2010），70-71．
7) Y. Kurisaki・H. Sawano・H. Yoshioka・H. Shinno：A newly

Xm

Xo
0

developed advanced nano-pattern generator with large work area，b206) H. Sawano・Y. Kurisaki・H. Yoshioka・H. Shinno：A newly

1.0
1.5
X position mm

図 16

c

developed X-Y planar nano-motion table system with large traveldranges ， Proceedings of the 5th International Conference on
Leading Edge Manufacturing in 21st Century，（2009），187-190．

2.0

2.5

8) Y. Kurisaki・H. Sawano・H. Yoshioka・H. Shinno：A newly
developed X-Y planar nano-motion table system with large travel

修正加工結果ranges，Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, andManufacturing，4-5（2010），976-984．

６．結9) R. Kobayashi・H. Sawano・H. Yoshioka・H. Shinno：A proposed

言

本研究では，高精度かつ低コストな金型の実現を目的

ultraprecision machining process monitoring using causal network

として，超精密切削加工の加工精度の向上および加工のmodel of air spindle bearing system，Proceedings of 4th CIRPInternational Conference on High Performance Cutting，2（2010），

高能率化に関する研究をおこなった．
この目的のために，まず，誤差要因を排除することによって，100mm オーダの加工領域とナノメートルオーダ

281-284．
10) H. Sawano・R. Kobayashi・H. Yoshioka・H. Shinno：A Proposed
Ultraprecision Machining Process Monitoring Method Usingの加工精度を同時に実現可能な広域ナノパターンジェネ

Causal Network Model of Air Spindle System，International

レータの開発をおこない，XYZ の 3 軸について 1 nm の分

Journal of Automation Technology，5-3（2011），362-368．

解能での位置決めが可能であることを確認した．次に，

11) H. Sawano・M. Takahahsi・H. Yoshioka・H. Shinno・K. Mitsui：

状態因子ネットワークを用いてエアスピンドルの駆動状

On-machine shape measuring system by means of optical stylus

態から加工状態を推定する状態認識方法を提案し，工具for nano-machining ， Proceedings of 4th CIRP International

摩耗の検出実験を通して提案する手法が超精密切削におConference on High Performance Cutting，2（2010），211-214．

ける加工状態の認識に有用であることを確認した．また，

12) H. Sawano・M. Takahahsi・H. Yoshioka・H. Shinno・K. Mitsui：

光学プローブを用いたオンマシン形状計測システムを開On-Machine Optical Surface Profile Measuring System for

発し，開発した光学プローブが 10 nm の計測分解能を持

Nano-Machining，International Journal of Automation Technology，5-3（2011），369-376．

つことを確認した．
さらに，加工実験をおこなった結果，開発した加工シ

13) K. Mitsui：In-process sensors for surface roughness and their

ステムにより表面粗さ 2.15 nm Ra の超平滑面および高さ20 nm の段差形状が実現できることを確認し，本研究の成果が金型の高精度化に有効であることを確認した．

－ 96 －

applications，Precision Engineering，8-4（1986），212-220．