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Machining

4A1

Vol.

August/2004■ 寄稿・論文・報文・解説
近未来技術展望「超精密工作機械の位置決め技術について」
マシニング事業
プレシジョンTechnology in Positioning Mechanism
for Ultra-precision Machine Tools〈キーワード〉超精密位置決め・静圧送りねじ・リニアモーター
運動縮小・摩擦駆動・サブナノメートル
ピコ位置決め・ツイストローラ

鳥取大学

工学部

水本 洋教授寄稿〈近未来技術展望〉「超精密工作機械の位置決め技術について」

要1. 超精密位置決め

旨

技術の現状

超精密数値制御工作機械はデジタルカメラやさDVDなどに用いられる非球面レンズやその金型、らには液晶用導光板金型などを製造する装置として注目を集めている。超精密工作機械には多くの（デジタルカメラ・DVDの非球面レンズ金型、液晶ディスプレイの導光板金型の製作に）
最近、超精密加工技術に支えられた高機能な日その中心となるのが超先端技術が投入されており、本製品が世界の市場で健闘しており、景気回復の精密位置決め技術である。
本稿では、超精密工作機械に採用されている直牽引役となっている。たとえば、デジタルカメラや動型位置決め技術について 摩擦 と 運動縮小

その金型、DVDには必須となった非球面レンズや、をキーワードとして比較、検討している。その結果、さらには液晶ディスプレイの性能向上に欠かせない高精度化に有利な「静圧送りねじ」方式と、高速化「非球面加工機」や「ナノグルー導光板の金型などは、※1※2※3※4※5に有利な「リニアモーター」方式の2方式が今後のバ」などと呼ばれる超精密数値制御工作機械によ超精密工作機械の発展を支えると結論づけている。

り生産されている。
形状精度0.1μm程度、金型などの超精密加工には、Abstract
Ultraprecision CNC machine tools are considered to be indispensable as an industrial equipment for manufacturing aspheric lenses usedin digital cameras and DVDs, and light guideplates used in liquid crystal displays. Several
innovative technologies are employed in the ultraprecision machine tools; especially fundamental and important technology is ultraprecision positioning.
In the present paper, the ultraprecision positioning technologies for the linear motion of ultraprecision machine tool tables are discussed
from the viewpoint of friction and motion-reduction in the feed drive mechanism. It is concluded that the following two positioning technologies will support the development of theultraprecision machine tools: the hydrostatic
lead screw that is versatile and advantageousfor high-positioning accuracy, and the linear
motor that is advantageous for high feed rate.

1

仕上げ面あらさ数nm(Ra)程度の仕上げが要求され、このような加工を実現するための超精密工作機械には多くの先端技術が投入されている。その中心となるのが超精密位置決め技術である。

（超精密工作機械の位置決め）
市販されている超精密工作機械の直線運動軸（X､Y､Z軸）の最小設定単位はすでに1nmに達し※6ており、制御分解能はサブナノメートルの領域に入っている。伝統的な直動型位置決め技術は「送りねじ」あるいは方式であり、サーボモーターとボールねじ、静圧ねじの組み合わせにより、位置決めの高精度化が計られている。

それに対して最近、高速化に有利でコンパクトな「リ（「ボールねじ＋転がり案内」は0.1μmが限界）ニアモーター」方式の精度向上が著しく、同期型コ一番上に示した「ボールねじ＋転がり案内」方式

アレスモーターなどが超精密工作機械に採用されるは現在、マシニングセンタをはじめとするNC工作機ようになった。送りねじ方式がモーターの運動をねじねじ機構による械で最も広く用いられているもので、機構により縮小してテーブル運動を与えているのに運動縮小効果が期待できる。NSKやTHKなどの専対して、リニアモーター方式ではモーター運動が縮業メーカーが優れたボールねじやローラガイドなどを小されずにそのままテーブル運動となっている。位

提供しているので、工作機械メーカーとしては低コ

置決め分解能を上げるには、運動縮小率の大きいストで高性能の位置決めシステムを構成でき、日本方が有利であるが、運動縮小機構は一般に位置決製工作機械の高い市場競争力を支えている方式

めに有害な摩擦の発生を伴う。つまり、運動縮小率である。

（リニアモーター方式の精度が向上）※7の向上と摩擦の低減とは二律背反的な性格を持っしかしながら通常の設計による位置決めシステムている。そこで、位置決め技術の現状と発展についの分解能は0.1μm程度が限界である。その理由はボーて 運動縮小 と 摩擦 とをキーワードに考察する。

ルねじに加えて、ころがり案内機構で発生する摩擦表1には超精密工作機械に採用されているおもの大きさやその変動にある。案内機構の性能が最終な位置決めシステム（送り機構と案内機構の組み合的な工作機械の加工精度を左右していることから、わせ）の特徴・性能などを示す。ここではまず、表1

超精密工作機械の案内面には表1の他の方式に見の最初の3方式について概観する。

られるように「静圧案内」機構の採用が常識とされている。

表1.超精密工作機械に用いられる主な位置決めシステムの比較
方

特式

徴 ・ 性

能マシニングセンタなどの汎用NC工作機械にも採用される方式で、ボールねじコストパフォーマンスに優れる。超精密工作機械へ採用する場合＋転がり案内 には転がり要素の精度向上が課題。位置決め分解能は0.1μm程度（一部10nm）
摩擦駆動
＋静圧案内

LODTM（ローレンスリバモア研究所（米）で開発された大型光学素子加工機）に採用された機構。構成部品の形状が単純なので高い部品精度が期待される。高速位置決めには有利だが、運動縮小が行なわれず、位置決め分解能は数nmが限界か。

超精密工作機械で最もよく採用されている形式で、コストパフォー
ボールねじマンスに優れ、多くの機種が市販されている。位置決め分解能は＋静圧案内 10nm〜1nm程度。

静圧ねじ
＋静圧案内

全静圧、非接触の 夢の工作機械 として提案された組み合わせ。
摩擦がなく、性能的には理想的ではあるが、高精度の静圧ねじの製作が課題となる。位置決め分解能1nm程度は問題なく、実験室レベルでは0.1nmを実現。

運動縮小は行なわれないが、摩擦部分がなく、高性能が期待さリニアモーターれる。コイルの冷却が課題だが、位置決め分解能1nm実現可能＋静圧案内 となったことで、最近、注目を浴びる組み合わせ。高速位置決めには有利で、設計自由度の面でも有利となる。

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摩擦中

運動縮小率

市販の機種

1：10〜
1：20

ULGシリーズ（東芝機械）
SNCシリーズ（西部電機）
NANOWAVE（ナノ）Nano-Centre（CPE）
軽1：1

軽1：10〜
1：20なし

1：10〜
1：20

なし

1：1

AHN60（豊田工機）
Nanoform600（Precitech）
Nanotech500FG（Moore）
Microturn100（Hembrug）など
ASP30（NACHI）
ROBOnano（ファナック）

Nanoform200（Precitech）
Nanotech220（Moore）
AHN05（豊田工機）
AMG92P（NACHI）

2

寄稿〈近未来技術展望〉「超精密工作機械の位置決め技術について」（高精度な「静圧案内」方式）
静圧案内とは、テーブルと案内面の間に外部から高圧潤滑油や圧縮空気などの加圧流体を送り込んで高圧の潤滑膜を生成させてテーブルを支える機構で、摩擦が極めて低く、流体膜による平均化効果と相まって、高い案内精度が実現できる。それに対し東芝機械では、転がり案内に用いられる転がり要素の形状精度を高めることなどで転がり案内でも静圧案内に匹敵する性能の得られることを実証し、静圧案内に必須の油圧ポンプなどの補機を必要としないコストパフォーマンスに優れた超精密工作機
械群を市場に投入している。

（「摩擦駆動＋静圧案内」では10nm）

しかしながら、この方式では運動縮小が行なわれないため、位置決め分解能の向上が困難で、実用的には10nmが限度であり、実験室レベルでも1nmの位置決め分解能実現は困難と思われる。
しかも、運動縮小が行なわれないために負荷変化に対する計測・制御機構の特性調整が困難であるなどの弱点も明らかになり、汎用性を求められる市販工作機械への採用は限定的なものとなった。
LODTMなどにより非球面光学素子を直接、創成加工できることが示されたことから、多くの超精密が開発され、NC工作機械（いわゆる非球面加工機）市場投入されることとなった。それらの工作機械には、表1の3番目に示す「ボールねじ＋静圧案内」方式がよく採用されている。

※8

二番目の「摩擦駆動＋静圧案内」方式はおよそ半世紀前に軍需・宇宙開発で使用される大型非球（「ボールねじ＋静圧案内」では1nm）面光学素子の加工用にアメリカで開発され、現在静圧案内面を用いることで低摩擦と高い案内性の 超 精 密 工 作 機 械 の 先 駆 けとなったN C 旋 盤

能が期待でき、専業メーカーから供給されるボール（LODTM, Large Optics Diamond Turning

ねじと組み合わせることでコストパフォーマンスに優「摩擦駆動」とは、ちょうどMachine）に採用された。

れた超精密工作機械を実現できる。位置決め分解

鉄道車両の走行のように、レール上をモーター駆動能も10nm程度は問題なく実現でき、1nmの最小分されたローラを転がすことで、モーターの回転運動を解能を公称する機種も少なくない。ただし、ボール直線運動に変換して推力を得る機構である。レール

ねじ内部ではボールとねじ溝、そしてボール同士のやローラは単純な形状なので高精度に仕上げるこ

個体接触が生じるため、運転に伴って摩擦とサブミとができ、しかも運動変換はスムーズでバックラッシュしクロンオーダーの横ぶれを生じるので、案内精度、も生じないなどの理由から高い位置決め性能が期たがって加工精度の要求を満たすことはできない。

待された。この摩擦駆動に、低摩擦、高性能の静圧以上で述べた3方式は従来技術と位置づけられ案内を組み合わせたLODTMの位置決めシステムは、るもので、技術的な完成度は高いが、性能的な限当時としては画期的なものであり、類似の位置決め界も見えてきている。そこで次節以降では、今後のシステムが大学、企業の研究室で盛んに開発された。

発展が期待できる表1に残された「高精度化に有利な静圧ねじ」と「高速化に有利なリニアモーター」の2方式について詳しく述べる。

3

2. 静圧ねじ−高精度化への必須アイテム−
ねじ送り方式は運動縮小率が大きくとれるため、位置決め分解能向上に有利であるが、ねじフランク面で発生する摩擦の問題があった。ボールねじでは、ねじフランクに転がり要素を挿入することで摩擦の低減が計られているが、超精密分野では無視できない摩擦とそれに伴う振動の発生が避けられない。
そこで非接触化により摩擦を完全になくす技術として「静圧ねじ」が開発された。

（ＮＡＣＨＩは「静圧ねじ」を実用化）
静圧ねじは静圧案内機構をねじに応用したもので、おねじとめねじのフランク面間に設けた10μmオーダ（位置決め分解能0.1nmを達成）
位置決め分解能1nmは問題なく達成でき、非接触で横ぶれを生じないので案内精度も高く、0.1μmさらにこの方式の実程度の加工精度が期待できる。
験機では図3に示すように位置決め分解能0.1nmステップでの位置決め動作も正確に行なえることがしたがって、
この「静圧ねじ＋静圧案示されている。
内面」方式は、前節で述べた3方式では困難な加工精度の要求にも応えることができ、より一層の高精度化をめざす次世代の超精密工作機械を支える位置決め技術であると言える。のすきまに外部から高圧流体を供給して潤滑膜を生成させ、おねじとめねじを非接触で対向させるものである。
したがって、ねじ機構によりモーターの回転運動を摩 擦なしで極めて正 確に直 線 運 動に1 / 1 0〜1/20程度に縮小して変換することができるので、モーターのロータ−ステータ間の分解能よりも1ケタ高い位置決め分解能が期待できる。
しかしながら単純な平面である案内面と違って、

図1．静圧ねじ（NACHIカタログより）

らせん形状のフランク面を持つ送りねじを静圧化することはあまりにも技術的課題が多く、市販レベルで採算をとるのは極めて難しかった。そのような課題を筆者とNACHIは協力して克服し、図1に示すような静圧ねじを製品化することができた。

（ 完全非接触、摩擦なし の 夢の工作機械 ）このような静圧ねじを活用して、運動変換機構と案内面での 完全非接触、摩擦なし をめざしたの

図2．静圧ねじを用いた自由曲面加工機 ASP30（NACHI）

が表1の4番目に示した「静圧ねじ＋静圧案内」方式である。この方式は30年ばかり前に 夢の工作機械 として提案されたもので、テーブルは流体膜によりベッドやおねじなどと完全に絶縁されるので位置決めに際して摩擦・摩耗をまったく生じない。
したがって位置決めシステムとしては理想的な組合せである。図2にはこの方式を採用した3軸制御自由曲面加工機（ASP30；NACHI）
を示す。

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図3．静圧ねじを用いた位置決め実験機によるサブナノメートル位置決め4

寄稿〈近未来技術展望〉「超精密工作機械の位置決め技術について」

3. リニアモーター −高速化の切り札−
超精密位置決め技術のもう一つの課題は「高速ただし、コイルからの発熱と磁気漏れの対策を施す化」で、送り速度や切削速度の高速化により生産これらの弱点を適当な制御回路と冷却必要があり、性の改善が期待できる。
さらに最近は、液晶の導光を施すことで克服し、1nmオーダの位置決めが実現

板金型加工などに見られるようなシェーパ加工の必可能になった。最近は回折格子や液晶のバックライ要性が増加しており、この点からも切削速度の高速ト用導光板の金型をプレーナ加工することが増えて化が望まれている。

このような点からも、今後は高速・高加減きており、※9

ただし、汎用工作機械では分速100mを越える送り速度も珍しくはないが、超精密工作機械の分野で※9速運転に有利なリニアモーターの需要が増すと見込まれる。

はようやく分速10mを越え始めたところである。この程度の送り速度であれば送りねじでも実現可能と思われるが、汎用機に比べて格段に高い精度を求められる超精密工作機械では、分速10mの送りをねじで行なった場合の発熱、振動は許容されるレベルを超えてしまうであろう。しかも今後、より一層のリニアモーター高速加工が要求されることを考えると、が超精密工作機械の分野でもにわかに注目され始めたのも納得できる。アメリカのPrecitech社が表1の最後に示す「リニアモーター＋静圧案内」方式の超精密工作機械を製品化したのに続いて、国内でもNACHIや豊田工機などが製品を市場投入している。

（「リニアモーター＋静圧案内面」で高速・高精度）（液晶導光板加工機にリニア採用）
以上、現状の位置決め方式の特徴を概観した。
ところで、工作機械は複数の位置決め軸を持つことそれぞれの軸の機能に応じて位置決め方式から、を使い分けることで、総合性能を高めた機種が登場している。たとえば図4の液晶導光板加工機としてプレー
最近発表された機種（AMG71P；NACHI）は、
ナ加工を行なうX軸にはリニアモーター方式（最大分速12m）を、工具の精密な位置決めを行なうY、Zを採軸には静圧ねじ方式（位置決め分解能1nm）（案内は3軸すべて静圧案内を採用）。
用している
今後はこの例に見られるように、使用目的を明確にして、それに最も適した位置決め方式を採用することで、高い精度と生産性を持ち、しかもコストパフォーマンスに優れた機種が増えるであろう。

リニアモーターはすでに高速マシニングセンタなどで多用されているが、超精密工作機械の分野では高速性もさることながら、完全非接触で摩擦のないことと、設計の自由度が大きいことが採用の理由と思われる。つまり、サーボモーターなどの動力源とねじなどの運動変換機構を必要とする他の方式とは異なり、この方式ではリニアモーターから直接、電磁的に推力が得られるために変換機構が不要であるので、位置決めシステム全体をコンパクトにまとめることが可能である。
リニアモーターにも多くの形式があるが、推力むらなどの変動を極力さけたい超精密工作機械では、推力は劣るがコアレスモーターの採用が適当であろう。

5

図4．
リニアモーターと静圧ねじを用いたナノグルーバ AMG92P（NACHI）

4. 今後の超精密位置決め技術 −ピコ位置決めに向かって−
今後の超精密位置決め技術について考えてみ
ると、ナノメートルレベルの位置決め技術が実用化※10（能動静圧案内面で10pmのステップ送りが可能に）された現在、次の課題は「ピコメートル位置決め」で能動静圧案内面とは、静圧案内面への流体供ある。今日のナノテクノロジーの発展によりマイクロメー（図7）を給回路に圧電素子で駆動される可変絞りトルレベルの技術が安定し、一般化していったように、挿入したもので、圧電素子変位の数十分の一の変

現在の先端技術であるナノテクノロジーのより安定位を静圧支持されたテーブルに生じさせる機構であした実用化をめざすには、現状の技術をより高いピる。圧電素子それ自身が0.1nm程度の変位分解能

コメートルレベルから考察する必要がある。

この機構によって実現される摩を持つと考えられ、擦のない運動縮小によって圧電素子の変位分解（サブナノメートルの位置決めシステム）
計測・制御技術に関してみると、テーブル位置計測に使用されるレーザ干渉計やレーザスケールの分解能が数十ピコメートルに達するなど、その分解能は上がり続けている。加工上の要求も考慮すると超精密工作機械の最小設定単位、位置決め分解能が本格的にサブナノメートルに入るのは時間の問題であろう。そのようなサブナノ位置決めシステムに能の数十分の一、つまりピコメートルオーダの分解能での位置決めが可能となる。次ページの図8には20pmおよび10pmのステップ位置決め結果を示す。
ピコメートルオー
今後はこれらの技術を改良することで、ダの位置決めを実現させる予定である。そのときに得られる知見は次世代の超精密工作機械で必須となるサブナノメートルの位置決め技術に貢献するものと期待している。

は非接触であるリニアモーター、あるいは静圧ねじのHosing

Twist roller
Ball bearings
Roller shaft

いずれかの方式が採用されると思われる。

71

Twist roller
34

さらにその先のピコ位置決めに対応するために筆者はこれまでに、新しい摩擦駆動方式である「ツ図5．ツイストローラ摩擦駆動装置などを提案してきた。ツイストローラ摩擦駆動機構とは、

e

図5に示すように駆動軸と従動軸をわずかな交差Displacementた超精密位置決め機構である「能動静圧案内面」

pm※11イストローラ摩擦駆動機構」、
そして圧電素子を使っ角で接触させ、駆動軸の回転運動を従動軸のらせん運動に変換するもので、従動軸のらせん運動の軸方向移動を位置決めに使用する。機構学的には

18（ピコ位置決めに「ツイストローラ摩擦駆動機構」）

26

Drive shaft

ある程度のころがり摩擦は生ねじ送りと等価であり、じるものの、ねじのつるまき角に相当する交差角を極端に小さくすることでリードを小さくでき、大きな運図6．ツイストローラ摩擦駆動装置を用いた実験機による位置決め動縮小率が得られる（1/100〜1/1000）。この機構を採用した位置決め実験装置で得られた位置決め分解能は、図6に示すように、50pm（0.05nm）に達している。ストロークは駆動軸の長さによるので、数百ミリメートルが可能である。

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図7．空気静圧案内面に組み込まれる能動自成絞り

65. まとめ今日に至る超精密工作機械の発展は、ここで示した多くの位置決め方式に支えられてきたといえる。
工業製品である以上、コストパフォーマンスも十分に考慮する必要があるが、超精密工作機械に課せられる要求を満たす位置決め方式を性能面から考えるときには、「静圧ねじ＋静圧案内」方式と「リニアモーター＋静圧案内」方式を第一に挙げるべきであろう。しかもこの両方式は、今後予想される一層の高精度化、高速化などへの要求にも十分対応できるものと判断される。
最近は、制御軸ごとにその使用目的に応じて最も適した位置決め方式を備えることで、性能的にもコストパフォーマンスにも優れた超精密工作機械が現れており、超精密工作機械の発展の方向を示すものとして注目される。研究室レベルでは、新しい超図8．能動型静圧案内面を用いた実験機による位置決め

精密位置決め技術の提案も多く行なわれており、それらの新技術が超精密工作機械に採用される日も遠くないと期待している。

用語解説※1 運動縮小
機構上、入力変位よりも出力変位が小さくなる状態で、例えば、てこ、歯車、ねじなどで実現される。

※7 コアレスモーター
通常のモーターで用いられるコア（鉄心）を持たないモーターで、出力は落ちるが推力ムラが少ないなど滑らかな駆動が期待できる。

※2 静圧送りねじ
おねじとめねじの間に高圧潤滑油または圧縮空気を強制的に送り込み潤滑膜を形成する低摩擦、高性能の送りねじ。

※8 摩擦駆動
駆動力を摩擦により従動側に伝える機構。機構は比較的簡単だが、滑りを生じる。

※3 リニアモーター
電気入力に応じて直線運動を与えるアクチュエータ。簡素な構成と高速性能に特徴がある。

※9 シェーパ加工／プレーナ加工
被削材表面を非回転工具により削り取る加工で、平面加工や溝加工に適した加工法である。被削材が固定され、工具が直線運動する場合はシェーパ加工と呼ばれ、逆に静止した工具の下を被削材が直線運動する場
合はプレーナ加工と呼ばれる。

※4 非球面レンズ
球面以外の曲面を持った、収差の少ない高性能レンズ。
※5 導光板
バックライトの光を適当に反射させることで液晶ディスプレイ全面を均一に照明するための光学素子。

※10 ピコメートル位置決め
ピコメートルとは10-12ｍのこと、つまり0.001nm。このような分解能での位置決めを指す。

※6 サブナノメートル
１ナノメートルを下回る大きさを言い、普通は0.1nmのオーダを指す。

※11 圧電素子
電圧をかけると変形する「圧電効果」を示す結晶でつくられた素子。アクチ
ュエータとしてはチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）の結晶が良く用いられる。

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August / 2004

〈発行〉 2004年8月10日
株式会社 不二越 開発本部 開発企画部
富山市不二越本町1-1-1 〒930-8511
Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213