NACHITECHNICALREPORT
Machining

19B2

Vol.

Sep/2009■ 新商品・適用事例紹介
超精密5軸加工機「ナノアスファASP01UPX」
マシニング事業

Ultra Precision 5-Axis High-Speed machine"NANO ASPHER ASP01UPX"〈キーワード〉高速高精度位置決め・多軸同時制御・
超精密加工・非球面・自由曲面加工・
円弧シェーパー加工

開発本部／加工開発部／研削室

廣瀬 智博
Tomohiro HIROSE

超精密5軸加工機「ナノアスファASP01UPX」

要旨

1.ASP01UPXの開発背景

微細化・複雑化がすすむ超精密加工のニーズに応えるべく、超 精 密 5 軸 加 工 機「 ナノアスファ
ASP01UPX」を開発、市場投入した。

コンタクトレンズなどのφ100以下の軸対カメラレンズ、

ASP01UPXは、NACHIのこれまでの技術シーズ

称 非 球 面 形 状 の 金 型 加 工 が 中 心 であった 。

をフルに活かした超精密加工機である。ナノグルー

NACHIでは、ASP01A 、ASP005Pでこれらのニーバで培ったリニアモーター駆動技術と制振技術、ナレーザビームプリンタなどにズに対応してきた。次に、ノアスファで培った超精密位置決め技術、多軸同期使われるf・θレンズなど軸対称形状ではない自由曲制御技術などを融合進化させることによって誕生した。

ASP01Xをフライカッ
面形状の金型加工のニーズには、これにより、ASP01UPXは高速・高精度位置決め

1）※1

トによる加工機として提供してきた。

を実現した。これまでは、溝加工はナノグルーバ、非現在の超精密加工は、省エネルギー化の促進や球面・自由曲面加工はナノアスファで行なっていたが、使用する光線の短波長化によってこれまで以上のASP01UPXの誕生により1台の機械で多種多様な形状精度、面粗さが要求されている。例として、ハイ加工が可能になった。

ビジョンの映像を高密度で記録するBlu-RayのピッAbstract
We have developed and released an ultraprecision 5-axis machining machine, Nano Aspher ASP01UPX, responding to the needs of ultra-precise machining for which development ofmicroscopic, complex technology has been progressing,ASP01UPX is an ultra-precision machining
machine in which NACHI's technical seeds budded and were fully utilized. The machine is theproduct of combination and further developmentof the technologies of linear motor drive and vibration control developed for Nano Groover andultra-precise positioning and multiple-axis, synchronized control for Nano Aspher.
In ASP01UPX, the high-speed, high-precision positioning is achieved using above technologies. Up until now, groove machining has been
performed by Nano Groover and non-axisymmetric/aspheric surface machining has been performed by Nano Aspher. A newly released,
ASP01UPX is capable of various types of machining.

1

ピックアップレンズ、これまでの超精密加工ニーズは、クアップレンズ金型は、形状精度0.1μm以下、仕上面粗さRa数nm程度の仕上げが要求されている。
※2

また、従来の用途に加えて、HUD(ヘッドアップディスプレイ)を代表とする車載用光学ユニットや、医療機器・バイオ機器といった分野で新しい超精密加工ニーズが創出されつつある。さらに、必要とされる光学形状も用途によって多様化している。例として、非球面・自由曲面形状に溝加工を加えた微細光学素子金型、超精密平面に球面・非球面形状のレンズ型を数百個レベルで並べたレンズアレイ金型などが挙げられる。近年、加工の微細化・複雑化がさらにすすんできており、これらの加工ニーズに対応できる機種の開発が必要になってきた。
一方、NACHIでは、液晶導光板金型用プリズム
2）

溝加工機ナノグルーバ を提供してきた。V溝などの※3

プレーナー加工を通してリニアモーター駆動による高速送りのノウハウを得てきた。
今回、これまでナノアスファ・ナノグルーバで培った超精密加工の技術シーズを進化・融合させ、これらの加工用途に対応できる「ナノアスファASP01UPX」を開発・市場投入した(図1)。

図1 ナノアスファASP01UPX

2.超精密5軸加工機ASP01UPXの特長
まず、今回開発・市場投入した超精密5軸加工機

NACHIでは、これまでF5〜10mm/minといった低（表1）。
ナノアスファASP01UPXの主な仕様を紹介する

速加工速度を重視し、油静圧ねじによる駆動方式を採用してきたが、今回の開発ターゲットからリニアモー表1 ナノアスファASP01UPXの主な仕様
項 目加工ーク

仕サイズ

切削加工：最大φ100研削加工砥石軸垂直：最大φ30研削加工砥石軸水平：最大φ20分解能対応の「数値制御装置 NACHI Nucleus

油静圧スライド、
リニアモーター
350［mm］〜2,000［mm／min］
0.034［nm］
油静圧スライド、
リニアモーター
300［mm］〜2,000［mm／min］
0.034［nm］
油静圧スライド、
リニアモーター
170［mm］〜2,000［mm／min］
0.034［nm］
非接触型空気圧シリンダ
油静圧軸受
30［rpm］
0.000018［deg］
空気静圧軸受10〜1,500［rpm］
0.000018［deg］
倣い方式±75［deg］

速送り時の位置決め偏差のみならず高速送り時の駆動系
ストローク
X軸テーブル
移動速度
スケール分解能駆動系
ストローク
Ｚ軸テーブル 移動速度
スケール分解能駆動系
ストローク
Y軸テーブル 移動速度
スケール分解能
カウンタウェイト
軸受方式
B軸テーブル 回転数
スケール分解能
軸受方式
C軸テーブル 回転数（ワークスピンドル）スケール分解能
計測方式
機上計測装置
計測範囲
機械本体
除振装置

ターによる駆動方式を採用した。また、高速処理・高様

本体寸法※（W×D×H）
本体重量
構造

2,335×1,830×2,000［mm］
約6,000［kg］
懸垂型構造※突起物を除く

1）従来比6倍の2,000mm/min送りPNC−XP」を搭載することにより、停止時および低輪郭精度を確保している。

2）懸垂型除振構造の採用
超精密加工における外乱には、振動・熱膨張・電気ノイズが挙げられる。とくに、振動は主軸スピンドル・工具刃先を通して加工面に模様として転写されてしまうため、ワーク金型の品質や最終製品の品質に繋がる。また振動は、トラックや鉄道車両の通過を発生源とする床振動と、工作機械自身が発生する振動に分けることができる。
光学金型向けの加工機械に限らず、超精密位置決めを要する装置には一般的に除振装置を備えており、床から伝わる振動を減衰・除去している。
今回、直動軸の高速化を図るにあたり、機械自身が発生する振動の抑制が課題となった。従来構造の除振装置では振動を抑制することができず、高速高精度位置決めおよび超精密加工を実現することが困難であることが分かった。
NACHIでは除振装置の構造を見直し、懸垂型NACHIが得意とする油静圧軸受技術と、ナノグルー構造を採用することにした。これにより、機械重心高バで培ったリニアモーター駆動を組み合わせ、従来さで機械を支持できるようになり、送りテーブルの加比約6倍の各軸2,000mm/minの高速送りを実現し、減速時の揺れに対して強い構造とすることができた。

加工サイクルタイムを短縮、高速送り加工や多軸同また、テーブル高さを従来機よりも低く抑えることがで期制御加工に対応する。

き、作業性も確保できた（図2）。

a）ASP01UPXNACHI TECHNICAL REPORT

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b）ASP01X（従来機）

図2

従来機との作業高さの比較
2超精密5軸加工機「ナノアスファASP01UPX」

3. 多軸同期制御加工法の実現
ASP01UPXは、先述のとおりナノアスファだけではナノグルーバの特長も継承しており、ナノグルーなく、バシリーズのプレーナー加工およびV溝加工、ナノアスファシリーズの非球面・自由曲面加工に対応できる。
また、高速高精度位置決めの実現や多軸同期制御技術の向上により、実現可能になった加工法をここで紹介する。

1）プレーナー加工・シェーパー加工
プレーナー加工は、ナノグルーバAMGシリーズにa）加工中の写真

おいて液晶導光板のＶ溝の加工や直線回折格子リの加工に提供してきた。ASP01UPXにおいても、ニアモーター駆動の採用による高速送りの実現でB軸加工が可能になった。ASP01UPXでは、V溝加工だX軸けでなく自由曲面形状の切削方法の一つとして提（図3）。
供する
従来機における自由曲面形状の加工法は、フライカット方式が主流であった。従来機との加工法の比較を表2に示す。フライカット方式では、加工に長時Z軸間を要するため、加工室・環境の温度変化の影響ワークシェーパーを受けやすい問題があった。ASP01UPXは、バイトb）加工概略図

加工を採用し、加工時間を従来の10分の1に短縮して温度変化の影響を小さくした。
図3では、球面金型の加工に際して、X-Z-B軸の同期を実施している。加工は、送り軸X軸に同期して切込軸のZ軸および工具旋回軸のB軸が動作する。
同期制御により工具すくい面をワークに対して垂直に保つことができ、工具逃げ角の干渉を配慮することなく安定した高精度加工ができる。自由曲面形状c）加工結果例(凸R50球面中央付近)のプレーナー加工を実施できる点がナノグルーバと

図3 シェーパー加工例（球面加工）異なっている。図3（ c）は、R50球面の形状測定の結果である。形状精度を表すPV値は、0.080μmと非常によい結果を得られた。

表2 自由曲面加工例（φ50 R50凸面）
加工法
加工速度
送り速度
加工時間
温度影響

3ASP01X（従来機）
フライカット50mm／min
300mm／min
50H
大ASP01UPX
シェーパー加工2,000mm／min
2,000mm／min5H
小2）円弧シェーパー加工（特許申請中）
本加工法は、高速高精度位置決め、多軸同期制御、制振技術の向上により実現可能となった加工法である。本加工法は非球面形状のレンズアレイを高精度に加工することを目的としている。加工原理を以下に示す。
Ｃ軸の位相にあわせてＸ軸とＹ軸を高速でオシレーションさせ軌跡で円弧を描く。この軌跡の接線方向にバイトすくい面を常に直角に向ける同期制御により、非 球 面 加 工が可 能になる（ 図 4 ）。これ
により、図5のようにφ100程度の平面ワーク上にφ数mm程度の非球面形状を多数持つレンズアレイ

図5 レンズアレイワーク（イメージ）

ワーに対しても本加工法で対応できるようになり、ク形状に応じた加工法の選択の幅を広げることができる。
加 工 結 果を図 6に示す 。形 状 精 度を示す P - V
値も0.07μm以下と非常に良好な加工精度を得ることができ、光学金型として使用できるレベルの加工面を得ることができた。
PV値：0.07μma）形状測定a）加工写真b）実体顕微鏡写真

図6 レンズアレイ加工例（材質：無電解ニッケルメッキ）b）加工概略図

図4

円弧シェーパー加工

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4

超精密5軸加工機「ナノアスファASP01UPX」

3）Fast Tool Servoによる微細形状の加工※4

FTS装置（Fast Tool Servo：超精密加工用高速本装置は、ナノグルーバ向けオプションとして開発

工具サーボ装置）は、独立行政法人産業技術総合したが、ASP01UPXにおいても微細形状の連続加研究所 岡崎祐一工学博士の研究グループと共同工を可能にするオプションとして提供する。NACHI開発にとり組み、NACHIにて商品化した装置であの強みとして、送り軸に同期した微細加工を実施でる（図7）。FTS装置は、工具近傍の軽量な部分のきるため、正確な位置決めを必要とする加工も可能

みを圧電素子で駆動させており、高速応答性に優であり、数μm程度の微細で多種多様な形状の加ヒステリシス効果を持っていれている。圧電素子は、工が可能になった。図7の装置を用いて加工を実施るため位置決め精度に問題があるが、本装置ではフしたワーク写真と、加工形状の一例を図8に示す。

ルクローズドループを採用し、高い位置決め精度を実現している。

a）FTS装置
Design 1

Design 2

Design 3

ワーク
最大1kHz

16μm

Design 4送り軸

バイト

Design 5

Design 6

FTS装置本体b）加工概略図

図7

超精密加工用高速工具サーボ装置（FTS）

図85

FTS装置による加工例(□50ニッケルメッキ面)

4. ナノアスファシリーズについて
NACHIでは、ASP01UPXの他にもターゲットとすサイズ・要求精度に応じた「ナノアスファるワーク形状、ASPシリーズ」をラインナップしているので紹介する。

1）量産型非球面加工機
ナノアスファASP005P

2）超精密非球面金型加工機
ナノアスファASP01A
送り軸には、NACHI独自の油静圧ねじを採用し、静圧ねじ送りでは世界初となる1,200mm/minの高速送りを実現している。高精度の機上計測装置を搭載し、次世代DVDなどのピックアップ用金型加工ワークサイズがφ50までの非球面金型を量産加工す機に適している(図10)。また、静圧ねじによる駆動るのに適している。段取り用のY軸と工具観察用の方式は、研削加工に使用するF5〜10mm/minといっ顕微鏡を搭載し、工具類の芯高さあわせ作業や刃た低速領域ではリニア駆動よりも優れると考えられ、先をＢ軸回転中心にあわせ込むといった段取り作性能を十分に引き出すための研究も引き続きとり組業に要する時間の短縮を図っている(図9)。

んでいる。

図9

量産型非球面加工機 ナノアスファASP005P

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図10

超精密非球面金型加工機 ナノアスファASP01A

65. 医療・バイオ・環境へ
今 回 紹 介した超 精 密 5 軸 加 工 機「ナノアスファ
ASP01UPX」は、NACHIが持つ技術シーズをベースとし、多様化する加工ニーズに対応する高速・高精度な非球面・自由曲面加工機である。
これまでに光学市場NACHIの超精密加工機は、やデジタル家電市場で培ってきた超精密加工技術・機械要素を活かし、確実なものづくりで従来市場の枠を超えた、医療・バイオ・環境分野の超精密加工のニーズにおいて、安心と信頼のブランドを確立していく。

用語解説

関連記事

※1 f･θレンズ
歪曲特性（f･θ特性）を持ったレンズで、像の大きさが入射角に比例する。
通常のレンズは、像の高さがy=f･tanθで表現されるが、f･θレンズはy=f･θで表現される。
レーザープリンタのレーザはポリゴンミラーで反射し、f･θレンズを通って感光ドラムに照射される。このときf･θレンズを通過することによりスポットの走査速度が一定になり、各画素を等しい間隔で描画できるようになる。

1）森 健治：超精密高速送り非球面金型加工機｢ナノアスファ ASP01A｣
NACHI TECHNICAL REPORT、Vol.12 B3、February（2007）2）阿閉 克彦：液晶導光板金型用プリズム溝加工機｢ナノグルーバ AMG62P｣
NACHI TECHNICAL REPORT、Vol.13 B3、june（2007）※2 HUD（ヘッドアップディスプレイ）
ユーザーが必要な情報を透明なディスプレイに映しだす装置。映し出される情報は、無限遠の点に結像されるため、利用者が視点を切り替える必要が無い。
※3 プレーナー加工
ワークを取付けたテーブルに往復運動を与え、刃物をこれと直角な方向に送って切削をおこなう加工法。一方、ワークを固定し工具を送る加工法をシェーパー加工という。
※4 FTSFTSはNACHIの日本国内における登録商標です。

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September / 2009〈発行〉 2009年9月1日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
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