ＡＴＣのもつ技術（機械工作について）

先端技術センターＭＥショップ
岡田則夫

内容

1.メカニカルエンジニアリングショップの紹介

2.アルミ鏡の金メッキについて

ATC施設利用・共同開発研究申請のご案内
・先端技術センターでは，共同開発研究および施設利用の募集を年2回（2月と8月）行っています。
・施設利用申請→ ATCの設備，実験室を利用する場合
・共同開発研究申請→ ATCの職員と協力して研究開発を進める場合・募集対象は研究機関および大学。
・申請書（フォーマット用紙）で申し込み
・前期の利用期間は４月１日より最長１年です。
後期の利用期間は１０月１日より年度をまたいで最長１年間です。

メカニカルエンジニアリング（ＭＥ）ショップ

設計
スタッフの年齢構成
30代 4
40代 2
50代 2
60代 2

計測
加工
主力工作機械
・マシンニングセンター

1台

・ＮＣ操作フライス盤

4台

・ＮＣ旋盤

2台

・ワイヤー放電加工機

2台など

MEショップ

観測機器・観測装置の開発を(1)設計(2)製作(3)測定・評価
３本柱による体制で支援する
総勢 10名 のショップである。

設計製作

測定・評価

MEショップのスタッフ

受付
相談・外注対応 岡田、福嶋

設計

加工

測定

大渕

ＡＬＭＡ 量産 福田

三ツ井 兼任 オプト池ノ上

ＡＬＭＡ量産 西野

Band 10で活躍中 金子
斉藤
増員（1）

福嶋
岩下

加工でのＡＴＣ重点の負荷率
・ＡＬＭＡ：45％

三ツ井
ＨＳＣ 浦口 1月に異動予定※一般依頼加工は55％で対応中この1年間の仕事内容（1）• ATC重点領域＆先端技術開発を支援– ALMA Band4、Band8受信機主要部品の量産→ 順調に遂行中で完納目前– ＫＡＧＲＡ → 補助光学系の機械設計を開始– ＴＭＴ / ＩＲＩＳ → 光学系の機械設計を開始– HSC開発 → すばるへの搭載作業・設計図書作成– 電波カメラ開発 → 700素子レンズアレイ（超精密加工）の試作開始– 共同開発、施設利用（製作依頼など）も盛況– 今年度はこれまでに66件の業務依頼を受付

この1年間の仕事内容（２）・外部機関との技術連携– 分子研、名大全学技術センター：脆性材（ＭｇＦ2）レンズなど超精密加工技術での共同開発を実施中– ＫＥＫ機械工学センター：Ｘバンド加速管ディスクの鏡面切削に関する共同開発研究を開始（超精密加工）

２．チーム紹介
2-1 設計チーム◇概念設計から出図まで・構造設計
・熱設計◇設備(CAD/CAM/CAE)

・NX I-deas
・Autodesk Inventor

HSC開発での構造設計と主要部品の製作
解析

製作

ＣＣＤ冷却用熱パス

真空槽隔壁※本年は構造解析に加え製作図面約100枚を作成

KAGRA補助光学系の機械設計

ＭＥ 設計チーム
熱膨張を利用した部品結合の変形・応力解析●24年度は主に狭角散乱用バッフルの構造設計および製作・評価方法の検討を行っている．
○25年度は広角散乱用バッフル（２０K)と透過光モニター用テレスコープの構造設計を行う予定．
ATCで製作されたバッフル試作品
フランジ外径Φ400

TMT/IRIS 光学系の機械設計

ＭＥ 設計チーム

レンズ―金属パッド接着部の応力解析

レンズ―金属パッド接着部の強度試験片
24年度は・キネマティックレンズマウントの設計および試作・試験・ピンホールグリッド寸法測定用クライオスタットの設計・製作
・低温駆動機構および精密位置決め機構の設計などを行っている．
ピンホールグリッド寸法測定用
クライオスタットの設計・製作．

2-2 加工チーム

13mx13m

高精度加工への取り組み

加工チーム

超精密高速スピンドルの設置
新型ワイヤー放電加工機の設置

ABC-20M

NA2400P （三菱電機）

コアレス同期モーター※大型且つ高精度な部品加工が可能

80000（min-1）
特徴：
加工精度に影響を及
ぼす回転ムラが少ない
駆動方式

クラストップの高精度加工機（精度保証±2μm）
従来機比較（㎜）X軸ストローク 350 → 600
Y軸ストローク 250 → 400
Z軸ストローク 220 → 310

超精密ミーリングマシンとしても機能

最小電極線径 0.07 → 0.05

ＡＬＭＡ受信機カートリッジの主要部品の量産

加工チーム

Band 4 サポートストラクチャー

t 25140

Band 8 冷却光学系

120120（各73台）

160

Band 4 常温光学系楕円ミラーBand 4 常温光学系フレーム

加工チームBand 4 サポートストラクチャー

Band 4 常温光学系フレーム

加工チームＫＡＧＲＡ 焼きバメ試験部品

ＭＥ 加工チーム
ＨＳＣ ＣＣＤピンベース加工

高精度加工への取り組み

ＭＥ 加工チーム

ＳＰＩＣＡ機械式デフォーマブル ミラー（ JAXA/ISAS ）イメージスライサー瞳ミラーホルダー（ ＡＴＣ）

ワイヤー放電加工機の活躍

NA2400P （三菱電機）

クラストップの高精度加工機（精度保証±2μm）

サブミリ波望遠鏡搭載用
０．３Kクライオスタット

クライオスタット概略図
熱スイッチ

ポリエチレンレンズ

ボロメータ
CFRP

GM冷凍機
フランジ

0.3K冷凍器
熱スイッチ
ねつ4Kステージ
30Kステージ

銅線

GFRP

300Kステージ

０．３K冷凍器断面図

熱スイッチ15色カメラ ダイクロイックミラーホルダー （チタン合金製）

チタン合金切削中の火花スーパーインバーの加工

超精密加工設備
・CNC超精密非球面加工機（ULG300）☆光学素子（ミラー、レンズ）の開発/製作/試作

ＭＥ 超精密加工

ＭＥ 超精密加工Nano-JASMINE
球面鏡

瞳鏡
中心位置と曲率半径がそれぞれ違う球面鏡が五つ並んでいます。

曲率半径：50mm
有効径：40mm
目標精度：RMS 40nm
達成精度：RMS 31nm

分割された光をそれぞれの球面鏡で受けて、それぞれまた別々の場所に再結像させます。

（評価径50mm）

目標精度：RMS 40nm
達成精度：RMS 20nm

ALMA Band6
電波透過用の窓のテスト加工品
材質：高密度ポリエチレン
形状：頂角20°深さ1.843mm 溝本数107本

共同開発研究＆製作依頼

ＭｇＦ２レンズ（分子研）

球面ミラー（ＫＥＫ）

ＭＥ 超精密加工

Concentric Cone Ｍｉｒｒｏｒ（東大生産研）

Ｐｅｌｌｉｃｌｅ Ｈｏｌｄｅｒ（すばる AO）

スライスミラー（東大）（ミラー幅174μｍ）

お得意様

高純度多結晶シリコンを用いたレンズアレイの製作

使用工具
超硬合金＋TiAlNコーティング

超精密加工機ULG-300

高速スピンドル
ABC-20M• 加工には、既存の超精密加工機ULG-300と高速スピンドルを使用した。
• 高速スピンドルは同期型モーターで最高回転数は毎分80000回転。
• 仕上げ加工に使用した工具は超硬合金+TiAlNコーティングのボールエンド
ミル9素子Siレンズアレイ
仕上げ加工条件
回転数[rpm]40000

送り速度[mm/min]100

切り込み[μm]

20～100• 3つのサンプルで試作を行い、三度目に成功した。
• 二度目の試作で誤差量を見積もり、その補正値を反映させた。
9素子版Siレンズアレイ（三個目で完成）

9素子版Siレンズアレイ
③②④⑤

①⑥

測定位置

測定機械 （LEGEX910）• 断面形状測定の結果、形状誤差約20μmであった。
• 測定にはミツトヨLEGEX910を使用した。

表面粗さ測定• 表面粗さ測定には三鷹光機の非接触三次元測定器NH-3を使用した。
• 頂上部ではRa0.48μm、側面部ではRa1.27μmであった。

三鷹光機NH-3

102素子版Siレンズアレイ（図面）• 電波カメラで必要としているレンズの数は1000素子なのでこれに成功すれば、完成に向けて大きな前進となる。

加工の様子

１．蜂の巣状の溝を切る

２．ある高さでの所定のサイズの円筒形に加工する。

３．これを繰り返し多段の円筒にする

４．半球を加工しレンズにする

固定方法の工夫
ワイヤー

サンプル（Si板）

台座

ワックス
取り外しの際、ワイヤーの隙間に入り込んだ分が熱で溶け出し十分な流動性を示す。

• 試作No3では台座とサンプルの間に十数本のワイヤーを挟んでワックスで固定した。
• これにより取り外し時にワックスの層の厚みが十分確保され、より小さな抵抗で取り外しが可能となる。
• ワイヤーの太さが一定のため台座に平行にサンプルを固定できる。

シリコンレンズアレイ試作

ＭＥ 超精密加工

102素子レンズアレイ（現行品）
26×24ｍｍ

形状誤差：P-V25μm程度
表面粗さ：Ra2.0μm以下

半径1.02ｍｍ700素子レンズアレイを試作開始
対角54.9ｍｍ

半径1.39ｍｍ45

2-3 測定チーム
GPI-XPLEGEX 910

NH-3SP

ＭＥショップの今後○ 高い設計能力を持つ→ 設計チームの更なる増強○ ＡＬＭＡ量産の終了で通常加工能力45％増→ 通常の加工に加え、開発的な仕事も対応可能に○ 高精度化への追求→ 高精度加工機導入にむけての取り組み開始

2.アルミ鏡の金メッキについて

金メッキの腐食事例
赤外雲モニター 外見

副鏡の劣化の様子
材質 ： A5056
被膜 ： カニゼンメッキ ＋ 金メッキ
状況：約3ヶ月～半年で腐食
原因 ： ・ピンホール（カニゼンメッキ）
・電解腐食
対策 ：
地金を金メッキと相性に優れる真鍮に変更して後続機を製作することで対応

山麓のリモート観測室（すばる）

Alan Hatakeyamaさん & 大友さん

金メッキサンプル （A5083）【通常の切削加工面に金メッキを施した例】

測定結果からピンホールの底はアルミ地金まで達している可能性あり → 腐食が発生する危険性がある

顕微鏡200倍顕微鏡500倍

顕微鏡1000倍
深さ８μm程度の穴が点在
最も深いものは18μm以上ある

WYKO NT1100
レーザー干渉計
測定方式 : 位相シフト干渉方式、垂直走査型干渉方式
測定能力 : 視野 非接触式３次元表面形状
粗さ測定

NH3-SP
非接触３次元座標測定器

測定装置

Nikon顕微鏡MM-40

WYKO NT1100
レーザー干渉計

三鷹光器 NH3-SP
非接触３次元座標測定器

加工方法の違いによる孔の発生の比較

顕微鏡200倍での比較

超精密ダイヤバイト旋削 回転中心付近 Ａ6061

通常エンドミル切削

Ａ5083 楕円鏡-1

超精密ダイヤバイト旋削 回転中心付近 Ａ5083

通常エンドミル切削

Ａ5083 楕円鏡-2

超精密ダイヤバイト旋削 回転中心付近 Ａ6061

通常エンドミル切削

Ａ5083 楕円鏡-1

通常エンドミル切削

Ａ5083 楕円鏡-2

素材の孔の確認-1【超精密ダイヤバイトでの加工面】（幅：数μｍ 深さ： 1μｍほどの孔が発生している）

テストピース

顕微鏡200倍

顕微鏡1000倍（幅：数μｍ 深さ： 1μｍほどの孔が発生している）

素材の確認-2【通常エンドミルでの加工面】（幅：10μｍ 深さ： 1μｍほどの溝）（構成刃先？）（幅：30μｍ 深さ： 2.5μｍほどの孔）（化合物の欠落痕跡？）

顕微鏡200倍走査型電子顕微鏡（SEM－EDX）による成分分析

サンプル：Ａ5052 （分子研 青山正樹氏作成）（エネルギー デスパーシブ エックスレイ スペクトロメトリー）
電子線を照射し二次電子により表面形状を観察しつつ同時に発生する特性X線を検出して元素分析、元素分布観察をおこなう

塊の正体は、マグネシウムとシリコンの化合物のようである

SEM－EDS (JEOL JSM-6700F) 鉄成分がチャージにより白く写る孔の開いた部分を電子顕微鏡で元素分析（SEM－EDS）を行ったところ、孔近辺に鉄およびマンガンが検出され、これらが孔の発生になんらかの関与をしていることがうかがえる結果を得た（図.3参照）。素材のA5083はマグネシウム系アルミ合金と呼ばれ、アルミニウムとマグネシウムが成分の大半を占めているが他にもシリコン、銅、鉄、亜鉛、チタンなどの成分も微量に含まれている。孔の発生のメカニズムはまだ仮定の域であるが、アルミ合金内に鉄やマンガンがミクロンサイズの固形物となって存在していて、切削が進むとぽろぽろと塊が抜け落ちた状態になり、その脱落痕が孔となって残るように思われる。

金メッキの工程 （アルミ合金の場合）
溶剤洗浄 （浸漬洗浄 トリエタン 石油系溶剤）↓
アルカリ脱脂 （油脂などの汚れを除去 界面活性剤）↓
エッチング （表面状態の均一化 アルカリ）↓デスマット（エッチングで発生したスマットの除去 硝酸＋フッ酸の混合液）↓
孔が大きくなる
亜鉛置換 （ジンケート）↓
亜鉛置換剥離（緻密な亜鉛被膜を形成させるため一度亜鉛をはく離する 硝酸）↓亜鉛置換↓
無電解ニッケル（5μm～10μm）↓
金めっき（1.5μm）

メッキの工程の進行に伴う孔の拡大【超精密素材】

顕微鏡200倍（幅：5μｍ 深さ： 1μｍ）

【エッチング】

顕微鏡200倍（幅：20μｍ 深さ： 5μｍ）

【エッチング＋硝フッ酸】

顕微鏡200倍（幅：50μｍ 深さ： 5μｍ）

（条件1）

孔の成
長を抑える
た
めの処
理
条
件を変化させた場
合の影
響

エッチング、ジンケートで孔が拡大

（条件2）
条件1

条件2

脱脂

5分

5分

エッチン
グ

30秒

-

デス
マット

10秒

-

ジン
ケート
①500ml/L 30秒

500ml/L 30秒

ジン
ケート
剥離

500ml/L 30秒

500ml/L 30秒

ジン
ケート②500ml/L 30秒

500ml/L 30秒

無電解
ニッケ
ル

5μ m

5μ m

析出

○○

画像撮影のため処理を中断している
ため、外観自体はあまり綺麗ではないが、析出自体は問題ない。
ただし、エッチング、ジンケートなど素材を溶解させる工程があり、その工程により穴の拡大がある。

エッチングを省き処理を行った結果、密着性等に問題はないが、ジンケート（置換反応）により素材が溶解してしまい、その際に穴の拡大がおきていると考えられる。

エッチングなしでもジンケートで孔が拡大結果と考察

メッキ層の追加の効果（条件5）（銅メッキを追加）（条件6）（電解ニッケルメッキを追加）
条件5

条件6

脱脂

5分

5分

エッチン
グ

30秒

30秒

デスマッ
ト

10秒

10秒

ジンケー
ト①

30秒

30秒

ジンケー
ト剥離

30秒

30秒

ジンケー
ト②

30秒

30秒

無電解ニッケル

5μ m

5μ m

銅メッキ

2.5A/dm 20分（10μ m）

-

電解ニッ
ケル
（EPN)

-

5A/dm 20分
（10μ m）

析出○

○

結果と考察

銅メッキを施す事で、穴は減少しているように見受けられる。

電解ニッケルメッキを施す事で、穴は減少しているように見受けられる。

（条件6）電解ニッケルメッキ（10μm）を追加した場合の表面状況

孔はあるものの深さは0.3μmぐらいとなった現時点で良いと思われる金メッキの条件（Ａ5083の場合）

溶剤洗浄↓
アルカリ脱脂↓ソフトエッチング↓
デスマット（フッ硝酸）↓
亜鉛置換↓
亜鉛置換剥離↓亜鉛置換↓
無電解ニッケル（50μm）↓
電解ニッケル（5μm）↓
金めっき（1.5μm）

超精密旋盤 UPL-1 (名大)によるパノラマ鏡の仕上げ加工

ダイヤモンドバイト
CP-305 ノーズR 0.5

アライドマテリアル社製