可視赤外線観測装置技術ワークショップ2020
2020/12/1 (オンライン開催）

理研におけるサイエンスのための超精密加工
理化学研究所 光量子工学研究センター
先端光学素子開発チーム○細畠拓也 山形豊

※著作権保護のため、一部の図を黒塗りにしています先端光学素子開発チームの紹介• 超精密／微細加工技術の開発• 先端的科学機器の開発• 理研内外の基礎科学研究をサポート(共同研究)• 産業界や社会の役に立つ技術を開発

山形 豊 チームリーダー

多分野の専門家を集めた研究開発
城田 幸一郎（光物性）田島 右副 （有機化学）
滝澤 慶之 （宇宙線天文学・EUSO）
海老塚 昇 （天文・分光）
青木 弘良 （生物学）

細畠 拓也（中性子光学・超精密加工）
江川 悟（X線光学・超精密加工）
河合 利秀（機械加工技師）
竹田 真宏（機械加工技師）
佐藤 祐子（秘書）2

講演の目的
先端光学素子開発チーム＠理研における超精密加工技術の実例を紹介

天文観測装置分野の皆様が特殊な光学素子を検討する上での参考にしていただく

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得意分野
ダイヤモンド切削加工
ミーリング

シェーパー

旋削

フライカット砥粒加工
研削（固定砥粒加工）

研磨（遊離砥粒加工）

レンズ金型の磨きレス加工に関する長年の研究↓
特に超精密切削加工については、最先端の技術を提供できる

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超精密切削加工に対するよくある誤解
材料

超精密加工機超高精度部品• 超精密加工機は、マシニングセンターの単なる高精度版ではない• 能率よりも精度に重点をおいたコンセプトで設計されている• 超精密加工機単体ではものづくりは完結しない5

超精密加工の実際
材料

下加工

超精密加工

超高精度な光学面加工するのは薄皮一枚（<0.1 mm）

ほぼ完成している部品の特定の面に超高精度曲面微細パターンを加工して光学的機能を与える

機能創成のための仕上げプロセス

6保有設備（超精密加工機）

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保有設備（形状測定装置）

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事例紹介（プレビュー）9

事例紹介①

共同研究者：京大複合研 日野正裕准教授、高エネ研 山田悟史助教 ほか
加工担当：細畠 拓也、竹田 真宏

10事例紹介②

共同研究： 理研 テラヘルツ光源研究チーム 野竹孝志 研究員、南出 泰亜 TL ほか
加工担当：竹田 真宏、細畠 拓也
11事例紹介③

共同研究：東大 上塚 貴史 助教
回折格子設計：海老塚 昇
加工担当：細畠 拓也

12事例紹介④
微小重力観測実験用振動子

共同研究者：東北大 松本伸之 助教 ほか
加工担当：細畠 拓也
細畠 拓也, 松本 伸之, Cataño-Lopez Seth, 山形 豊,「超精密5軸同時制御旋削による微小振動子の削り出し加工」，2019年度 精密工会春季大会

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事例紹介⑤
モノリシックな多チャンネル光学素子
SWIMS-IFU のための光学素子群（レンズは除く）

共同研究者：
東京大学アタカマ天文台 (TAO) 計画
SWIMS-IFUチームの皆様
加工担当：東京大学 櫛引 洸佑氏
河野 志洋氏北川 祐太朗氏

超高速撮影法STAMPのためのスライスミラー

Takao Saiki et. al, Opt. Express 28, 31914-31922 (2020)

共同研究者：東京大学 中川桂一講師ほか
加工担当：東京大学 佐伯 峻生氏

14事例紹介⑥
材料開発：田島 右副、㈱T&K TOKA
加工担当：竹田 真宏、細畠 拓也
表面（放物面ミラー）

Φ１００ mm

裏面（軽量化リブ構造）

短繊維CFRP• 短く切断したミルドカーボンファイバーをエポキシに分散させた特殊複合材料• 剛性・強度はアルミと同等、比重はアルミの半分、熱膨張係数はほぼゼロ• 型に流し込んで硬化させることにより、複雑形状に成形可能

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以下、詳細説明（４項目）
中性子集光ミラー

ゲルマニウム・グリズム

微小振動子の削り出し
短繊維CFRPミラー

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中性子集光ミラー
・中性子はユニークな物質構造解析プローブ
・「冷中性子」を試料に導く「中性子スーパーミラー」
・理研の独自技術「金型用ニッケルリンメッキを用いたオール金属製中性子ミラー」
・製造プロセスの確立と中性子ビームラインでの実用化に成功

17物質構造解析用プローブとしての中性子
Photons (X-rays)

Neutrons

Isotopic Labeling≠
Scattered by Electrons

NucleiDeep Penetration into Materials

HydrogenTime-of-flight
Spectroscopy𝑣 ∝ 𝜆−1

Deuterium

Inspection ofMagnetic Properties

Charge = 0Spin = 1/2

X線と相補的な役割を果たす
ユニークなプローブ
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「冷」中性子
EnergySpeed

De Broglie
Wavelength

Fast Neutrons< 20 MeV< 14000 km/s

> 2.8 x 10-5 nm

Cold Neutrons< 25 meV< 2 km/s> 0.18 nm

Moderator++++++++++Fast

𝜆~ Lattice Spacing
Useful for Material Analysis!

+Large-scale Spallation Source
J-PARC/MLF @ Tokai

Slow

Compact Source
RANS @ RIKEN

Cold Moderator Coming Soon!
From : Shoji Nagamiya: "Introduction to J-PARC." (Fig.
1)Prog. Theor. Exp. Phys. (2012) 02B001

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「中性子光学」の最重要コンポーネント
中性子スーパーミラー「機械技術」 ４月号より• 発生原理的に、中性子ビームには全く指向性が無い• 線源から試料（検出器）まで導く反射光学素子＝中性子スーパーミラー
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中性子スーパーミラー多層膜
中性子は微小な角度でしか反射できない
𝜆 = 0.4 nm> 0.4∘< 0.4∘
Ni

𝜆 = 0.4 nm< 1.2∘
Supermirror (Class m=3)

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理研の金属基板
無電解ニッケルリンメッキ
リン含有率

構造

1–4%

多結晶

5–8%

中間的

9 – 12 %アモルファス

高速な下加工ダイヤモンド工具を用いた
超精密加工が容易

レンズ金型のコーティングとして広く用いられている
Ni-P
研磨によりサブナノメートル粗さが達成可能

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製造プロセス23

実用化した中性子集光ミラー• 中性子反射率計
SOFIA@J-PARC/MLFにて実用化（恒久的に設置）• 中性子強度を倍加し、電池材料などの測定効率化に貢献
プレスリリース「超精密中性子集束ミラーによる電極界面のナノ構造解析技術の実用化」2020年10月27日「超精密な金属製中性子集束ミラー」2019年9月19日

24ゲルマニウム・グリズム・シリコンやゲルマニウムの「延性モード」切削

・なぜ「研削」では駄目なのか・グリズム加工用特殊工具の設計
T. Hosobata et al., "Fabrication of Germanium Grism for Infrared
Spectroscopy by Diamond Fly Cutting", in Proc. 8th Int. Conf. of AsianSociety for Prec. Eng. and Nanotech. (ASPEN2019), Nov. 12-15, 2019,Matsue, Japan

Prism
Grating

Grating + Prism = Grism25

ゲルマニウムの延性モード切削
GeプリズムGeグリズム?

研削・研磨で容易に加工できる

脆性モード

微細な溝加工が必要

延性モード

溝加工のソリューション:
ダイヤモンド工具を用いた延性モード加工
GeGe 極小な切り込み深さ(< 100 nm)
 負のすくい角（局所的圧縮応力による結晶構造変化）

詳細な先行研究•

Yan, J. et al., “Experimental study on the ultraprecision ductile machinability of single-crystal germanium,”
JSME Int. J. Ser. C, Vol. 47, No.1, pp. 29-36, 2004.

赤外線光学素子の成功例•••

Fresnel Lens: Yan, J. et al., J. Micromech. Microeng. (2005)
Grism: Kuzmenko, P. J. et al., Proc. SPIE (2012)
Various Gratings for IR: Sukegawa, T. et al. (Canon Inc.), Proc. SPIE (2018)26

工具への要請
正のすくい角負のすくい角シャープなエッジ

負のすくい角+ シャープエッジ
研削 = 超多刃工具

フライカット = 単刃工具

低速
一回転あたりの除去 砥粒一粒あたりの除去深さは極小
 ほぼ全ての砥粒は負のすくい角 シャープなエッジは得られない

 低速＋
微小切り込み深さ＝除去量は極小 負のすくい角となるように設計する
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負のすくい角を実現する工具設計
5-Axis Ultraprecision Machine(ULG-100D, Toshiba Machine)

Coolant (Oil Mist)
NozzleAir Spindle

the Tool
Ge Prism33

テスト加工結果

Spindle Speed
10000 rpm (const)
Feed Direction(Down Cut)Ge Prism

Measured with White Light Scanning Interferometer(NewView7200, Zygo)

移動速度が遅く、切り込みが浅いほどカケが少ない（当然の結果）マシンタイムの制約により条件Cを選択

140 μmEdge Chipping

Brittle Fractures
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MIMIZUKU用グリズムの加工結果
Feed Rate

Zero-order Wavefront Error
270 nm(P-V)

Measured with Laser Interferometer (GPI, Zygo)

20 μm/rev (200 mm/min)

Depth of Cut (per Round)

200 nmUndeformed Chip
Thickness

66 nm

Number of Grooves

1240

Number of Rounds

25 rounds

Total Depth5μm(including warm up)

Total Machining Time

7 days and 30 min.

Transmission Efficiency
70 % of Ge Bulk

Measured with Fourier Transform Infrared Spectrometer(FTIR 410, JASCO)
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微小振動子の削り出し加工• 不可能に見える加工形状に挑む• 低剛性片持ち梁の逐次的旋削加工• CAMに頼らないツールパスの最適化

36微小振重力観測実験用振動子
用途：微小重力の観測実験において、細線で懸架されたmgスケールのミラーを用いた光共振器に対する振動的な重力源として用いる

細い楕円柱の先端に球（重り）が付いた、極めて加工が難しい構造

材料の均質性が本質的に重要であるため、バルクからの削り出し（接合不可）

細畠 拓也, 松本 伸之, Cataño-Lopez Seth, 山形 豊,「超精密5軸同時制御旋削による微小振動子の削り出し加工」，2019年度 精密工会春季大会
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５軸同時制御による逐次的加工

先端から逐次的に仕上げていく
細く弱くなった部分と、未加工で太い部分の境界のみを加工する

CAMソフトを使わないツールパスの最適化• 同じ形状を加工するための「工具の軌跡」は無数に存在• 当チームでは、被加工物の途中過程での剛性、加工機のダイナミクス、工具の干渉などを考慮して自由に軌跡をデザインできます・ 「こんなカタチがあれば良いが、多分無理だろう」と思ったらぜひご相談下さい39

短繊維CFRPミラー
剛性・強度はアルミ相当、重さは半分、線膨張係数は極めて低く、注型で任意形状に成形できる樹脂で超軽量ミラーの実現を目指す40

ミルドファイバーCFRPミラー
炭素繊維のミルドファイバーを分散させた、注型可能なエポキシ樹脂を㈱T&K TOKAと開発（理研 田島右副氏）

強度はアルミ相当、重さは半分、線膨張係数は極めて低く、任意形状に対応できる宇宙用途光学素子の軽量化に貢献できないか？

裏面（軽量化リブ構造）
 超精密加工技術を駆使した特殊製法を考案（特許出願中） ニッケルリンめっきとミルドファイバーCFRPを組み合わせた精密凹面鏡の試作に成功

表面（放物面ミラー）
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ミラー化の課題
CFRPを直接加工しても鏡面にならない

直接ニッケルメッキ処理できない
下地として銅メッキすると重すぎる

さらに、界面が弱く剥がれやすい

注型精度では光学的精度が達成できない
注型品
マスター金型数μｍ 数百μｍ42

ソリューション
接着

余分なアルミを削り取る

CFRP注型
放物面（精度悪くて可）NC旋盤で加工（薄皮一枚残す）
注型と同じ素材で貼り合わせ、形状のつじつまをあわせる
アルミ部品の表面を放物面に削る

ニッケルめっき処理

鏡面仕上げ

超精密加工

NC旋盤で加工CFRPの複雑構造・剛性＋ニッケルリンメッキの形状精度と表面粗さ→それぞれの材料の利点を生かした複合化

研磨

Φ100mm放物面鏡の試作に成功！
（Φ200mmに挑戦中） 43

最後に• 先端光学素子開発チーム＠理研では、超精密加工技術の提供を通じて、様々な分野のサイエンスに貢献することを目指しています。

• 特に装置ごとに特殊な光学素子が要求される天文観測装置の分野には、積極的に関わっていきたいと考えています。

• 興味のあるテーマがありましたら気軽にご連絡下さい。
装置を使用して自分で加工したい方には、トレーニングの対応もできます。

チームリーダー：山形 豊（yamagata@riken.jp）
加工担当：細畠 拓也（takuya.hosobata@riken.jp）
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