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Machining

7B2

Vol.

May/2005■ 新商品・適用事例紹介
次世代ＤＶＤ用非球面加工機「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」
マシニング事業マシナリー

Next-generation Aspheric Generator for DVD"NANO ASPHER ASP-E"〈キーワード〉

次世代DVD・カメラ付き携帯電話・ピックアップレンズ
金型・非球面・機上計測・研削加工

機械工具事業部／プレシジョン製造所／技術開発部

越後 敬介
Keisuke Echigo
ナノアスファ とは、「ナノメートル単位（1μmの1／1000）」「アスファは、Aspheric（非球面）」
ナノメートル精度で非球面形状を加工する機械という意味合いを込めた。

次世代ＤＶＤ用非球面加工機 「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」

要1.微細化・高精度化がすすむ

旨

デジタル放送が開始され、ハイビジョンなどの高画DVD市場※1

質な映像を長時間録画するために次世代ＤＶＤが求められるようになってきている。

NACHIは、油静圧スライド、静圧ねじ、空気静圧ス
ピンドルなどの静圧技術を開発し、デジタルカメラ、カ次世代ＤＶＤ用のピックアップレンズには、記録密メラ付携帯電話、ＤＶＤピックアップレンズなどの精密度を高めるため、従来に比べて小径で深い形状、高レンズ金型加工用非球面加工機やレーザービームプい形状精度が求められている。

リンターのＦθレンズ金型加工用自由曲面加工機な※2※3

高い品 質のレンズを安 定して供 給できるよう、どの超精密加工機を開発・販売し、好評を得ている。

NACHIは、これまでデジタル家電市場で培ってきた高画質のデジタル放送の開始を背景に、従来のナノレベルの超精密加工技術、機上計測技術、機ＤＶＤの記憶容量を約5倍に増大した次世代ＤＶＤ械要素・制御技術をさらに高め、今後市場の拡大がの需要拡大が見込まれている。

期待される次世代DVD市場に対して、超精密、特次世代ＤＶＤ用の記録、再生用のピックアップレン

殊形状のレンズ金型を高能率で加工できる非球面ズは、記録密度を高めるため、従来のＤＶＤ用と比加工機「ナノアスファ」を開発し、市場投入した。

較して小径で深い凹形状と、波長の短い青色の使用により数十ｎｍオーダの高い形状精度が必要となる。

Abstract
The next-generation DVD has been sought for
the long-hour recording of high-resolution pictures like high vision since digital broadcasting started.
Smaller diameter and deeper shape with higher precision in shape are required in the pickup lenses for the next-generation DVD for
higher recording density.
Nachi further improved the ultra-precision machining technology of Nanometer level, in-line
gauging technology and machine component/control technology that have been developed for the digital home appliance market inorder to supply the high-quality lenses consistently. Furthermore, Nachi has developed andmarketed the aspheric surface processing machine “Nano Aspher ASP-E” that machines ultra-precision, special-shape lens mold withhigh efficiency as the market for the next-generation DVD is expected to grow in the future.
1

そして、次世代ＤＶＤの量産を実現するには、より高精度なピックアップレンズ用金型を、今まで以上の高い生産性で加工することが求められている。
NACHIは、次世代DVDのピックアップレンズ金型を超精密・高能率で加工できる「ナノアスファ」を世界で初めて量産機として開発、市場投入した。
（図1）

図1．ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ

2. 次世代DVDに求められる加工・計測精度
DVD（デジタル多用途ディスク）は、ピックアップレ

次世代DVDは、ハイビジョン放送の長時間録画ンズで集光した光スポットを用いてデータの記録、再に必要な記憶容量を確保するため、ディスクの記憶生を行なう。CDの約7倍の記憶容量をもち、データ密度を高めるとともに、半径2mm以下の微小な非や音楽だけでなく、映像やテレビ番組も記録、再生

球面形状で、外周部の傾斜角70°程度の極端な凸できることから、これまで世界的に普及してきた。

状レンズを採用し、光スポット（読み取り）面積を従来一方、2003年末から、地上波デジタル放送がスターの1/5以下にする必要がある。
（図2）

トし、当初の計画を上回るペースで世界各地域に普そして、微小なピックアップレンズの複雑形状を加及する見通しである。音声や画像がデジタル信号と工するため、これまでの金型加工機にはない超精して配信され、高画質放送、双方向データ通信など密加工技術、計測技術が必要不可欠となる。

が可能となることから、各家電メーカーでは、より記憶容量の大きい次世代DVDシステムの開発をすすめている。
項 目
性能比較

ピックアップレンズの仕様比較

DVD

次世代DVD

次世代DVDの特徴

記録容量

4.7GB

27GB以上次世代DVDは、DVDの5倍以上

ハイビジョン
録画時間18分120分以上

光スポットの面積比 100％18％

レンズの開口数（NA）

0.600.85

形状

浅い形状

深い形状

光の波長（λ）

650nm
赤色405nm
青色

形状精度

100nm
以下

レンズ金型の要求精度比較

60°程度

40nm
以下

従来のDVDでは、ハイビジョン番組を録画できない。
記録容量を大きくするためには光スポットを小さくすることが必要。
光スポットの直径は、2NA／λに比例光スポットを小さくするため、・波長の短い光を使用・NAの大きい深い形状のレンズが用いられている。
次世代ＤＶＤの金型の形状精度は、70°程度 従来の４０％以下の高い形状精度が必要。
レンズ形状の計測器は、60°の範囲までしか計測できない。
次世代ＤＶＤ用金型の形状を75°まで計測できる計測器を開発した。

外周部角度

図2．DVDと次世代DVDの比較

X・Z軸テーブルに完全非接触で摩擦、摩耗のな精度、回転精度を実現した。これにより、傾斜角70°

い静圧スライド、静圧ねじを、また、工具旋回軸（B軸）の深い凹形状のレンズ金型を、40nm以下の形状には、油静圧軸受を採用し、超精密で円滑な軌跡精度で研削仕上げ加工することを可能にした。

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次世代ＤＶＤ用非球面加工機 「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」

3.「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」の特長
1）超精密加工を実現する機械要素技術
静圧スライドは、テーブルと案内面の間に高圧の油（2）空気静圧スピンドルを外部から送り込み、テーブルと案内面の隙間に高NACHIは、超精密非球面加工機のワークスピン圧の潤滑膜を生じさせテーブルを支える機構である。

ドル、工具スピンドルとして、空気静圧スピンドルを軸受面全体を高圧の潤滑油膜で支える効果により、採用している。空気静圧スピンドルは、空気静圧摩擦が極めて低く、バックラッシュなどのガタがない、軸受の技術をスピンドルに適用したものであり、案内面の形状精度以上の高い真直度を実現した。

平均化効果による高い回転精度と低摩擦、低摩擦による摩耗の影響が全くないため、高い精度を発熱の特長がある。
ｎｍオーダの高い回転精度長期間維持できる。と回転中の熱変形を低く抑え、加工ワークの高※4い形状精度と安定した加工精度の実現を可能（1）油静圧スライド・静圧ねじにしている。

超精密非球面加工機のスライドの構造を、図3にＡＳＰ-Ｅでは、スピンドルハウジング、軸の全てに示す。スライドを油静圧で浮上させているだけで低熱膨張材料を使用し、スピンドルの伸びをさらなく、送り用ねじ、ねじを支持する軸受も全て油に低く抑え、また、静圧用空気の供給部に温度コ静圧で浮上させており、完全非接触のスライド機ントロールするユニットを標準で装備することによ構を実現している。

り温度変化量と、加工中の熱変位による加工位油静圧ねじは、油静圧軸受の技術をねじに応用置ずれを低く抑えることができ、高い加工安定性したものであり、非接触、低摩擦、高精度、バックラッを実現している。

シュレスの特長がある。静圧ねじは、油静圧で浮上するため摩擦による外乱がなく、モーターの回転運動を直線運動に1／10〜1／20の縮小率で変換する効果により、モーター単体の性能以上に高い位置決め分解能を実現し、加工中の外レンズ金型乱に対して高い制御安定性を可能にしている。
ＡＳＰ-Ｅでは、機械を小型コンパクトにし、精度を出しやすく、つくりこみを行ないやすい構造とし、加工点の位置を低く抑える設計により、従来の静圧スライドの軌跡性能をさらに高めている。

油静圧スライド

油静圧ねじ

円筒砥石

ACサポーター●砥石の軸径を太くでき、軸の剛性を高くできる。
●常に１点で加工するため、砥石の形状誤差の影響をうけにくい。

図3．静圧スライド構造図3

図4．パラレル研削の特長

2）機上計測で高い生産性
ピックアップレンズ金型の超精密加工において、加（2）ソフトウェアによる生産性の向上

工中の形状計測、補正加工が不可欠で重要な工程

非球面形状解析用ソフトには、加工ワークの形である。次世代DVD用レンズの特殊形状に対応す状誤差の解析や、加工ワークの形状誤差から工るため、これまでの計測範囲±60°から±75°へ拡大。

具のＸ軸方向の加工原点ずれ量、工具径の測また、計測再現精度を、50nm以下から20nm以下へ定誤差量、砥石の摩耗量の解析を行なう機能と大幅に高めた。

ワークの形状誤差を補正したＮＣプログラムを作成する機能があり、作業者の技能に依存しない（1）機上計測装置による生産性の向上安定した生産性を可能にしている。

機上計測装置により、ワークの形状を機上で計小径ワークの研削加工では、加工ワークの曲率測できる。そして、ワークの着脱作業を省き、とりが小さく深い形状が多く、工具とワークの干渉が付け誤差分の加工時間もなくして、生産性を高生じ易い。NACHIでは、工具干渉チェック用のめた。ＡＳＰ-Ｅの機上計測装置を、図5に示す。

ソフトウェアをオプションに準備した。立体的な工※6※5

機上計測装置のプローブとして、空気静圧スライ具がワーク表面をＸＺＢ軸軌跡で移動した時のドに光学式スケールを搭載した構造を採用した。

干渉発生の有無、工具とワークの隙間量の確認

これにより、バックラッシュレス、プローブの滑らかを加工前に確認している。

な動きと高い分解能を可能にしている。測定には、プローブの変位が一定になるよう、Ｚ軸を自動的（3）1台の機械で多種類のワーク対応に追従制御する方式を採用。それによって、
プロー

ＡＳＰ-Ｅは、研削加工による次世代ＤＶＤ用ピックブのストローク以上の広い測定レンジと、機上計アップレンズの超硬、ＳｉＣ材の金型加工をターゲッ測装置のセットアップ誤差が計測精度に与えるトとしている。研削・切削仕様では、無電解Ｎｉメッ影響を低減することを可能にしている。

キ材を用いたプラスチックレンズ金型の加工にも

ＡＳＰ-Ｅでは、機上計測装置の応答性、追従制対応できる。

御精度、スケール精度、Ｘ・Ｚ軸スライドの制御性

非球面金型の切削用ＮＣプログラム作成ソフト

能を高めて、ワークの計測範囲の角度±75°を実のオプションにより、1台の機械で多種類の光学現。次世代ＤＶＤ用金型の機上計測を可能にし部品の加工が可能であり、光学部品の種類のている。また、計測の信頼性を高めるため、機上変化に対してフレキシブルに加工対応すること計測装置をＹ軸テーブル上に搭載した。ワーク中ができる。

心ラインの正確なトレースを可能にし、計測の信頼性を高めた。

高さ調整機構
レンズ金型

機上計測装置

図5．機上計測装置

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次世代ＤＶＤ用非球面加工機 「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」

3）独自の加工技術

4）操作性の向上と省スペース化※10

微小径で極端な凸状のレンズを成型するため、金※7（1）
ＰＮＣによる操作性の向上

型を超精密に深彫りする必要がある。これまでの算NACHIの超精密非球面加工機のＮＣとして、盤型の砥石形状を円筒型に改善して深彫りを可能

NACHIが独自に開発したＰＮＣを採用している。にすると同時に、X・Z・B軸の3軸同時制御で加工を多数の点列で構成された非球面ＮＣプログラム※8

行なう新しい加工方法、パラレルB研削法を採用した。
パラレルB研削は、従来の成型された砥石の形状に対応した高速プログラム処理機能や高い制御性能を実現している。

精度を転写する方法と違い、常に円筒型の砥石のエッＰＮＣを用いることで、タッチパネルを採用した分ジ部で加工し、回転、位置決め精度によって超精密かり易い操作性、ＬＡＮ接続によるＮＣプログラムを実現する方法で、砥石のツルーイング時の形状誤作成・形状解析用外部パソコンとの容易な通信差によるトラブルを回避することが可能となる。

作業を実現している。

（1）パラレルB研削（2）省スペース化、作業性を向上したカバー構造※9Ｂ軸テーブルは、テーブル上に刃物台や砥石軸

ＡＳＰ-Ｅでは、静圧ユニット、ベースの熱解析、振スピンドルを搭載し、ワークの傾きに合わせて工動解析などＣＡＥ解析を駆使。ユニットは機械下具を旋回させ、常に同じ点で加工するよう工具部に組み込み、小型化を図ったＡＳＰ-01に対して、の向きを移動させる軸である。Ｂ軸を用いたパラさらに省スペースを図り、設置面積60％に低減しレル研削の特長を、図4に示す。工具が常に同た。ＡＳＰ-01とＡＳＰ-Ｅのレイアウトを、図7に示す。

じ点で加工するため、加工精度は工具の形状機械の小型化と作業エリアの全面をフルオープ誤差の影響を受けない。また、小径の金型を加ンできるカバーを採用し、作業性の向上を実現し工した際に、工具とワークが干渉しにくいというている。

特長がある。ＡＳＰ-Ｅのパラレル研削のセットアップを、図6に示す。
NACHIは、Ｂ軸テーブルとして油静圧軸受を採用し、モーターで直接駆動する方式による完全ワークスピンドル

レンズ金型

非接触の駆動機構の採用により、高い回転精砥石
工具スピンドル度と加工中の外乱に対する高い安定性を実現している。
ＡＳＰ-Ｅでは、軸の回転誤差の微小うねり成分をさらに低く抑えるため、回転軸の形状精度を高めることが可能な構造を採用。軸と加工点の距Z軸B軸離を低く抑えることで、加工点での回転精度を高めた。

5

図6．パラレル研削X軸

ASP-01設置レイアウト

ASP-E設置レイアウト

3225

2125
研削液ユニット

3000
1350

機械本体

機械本体：75％
設置スペース：60％

2800

クリーンエアユニット

静圧ユニット

機械本体＋静圧ユニット

1250

クリーンエア 研削液ユニット
ユニット

1470
1770図7．ASP-01とASP-Eのレイアウト比較

4. ＡＳＰ-Ｅの加工実例
ＡＳＰ-Ｅのマスター球で計測したデータを、図8に示す。±70°の計測範囲にわたって、計測再現性11ｎｍを実現している。

計測再現性3s［μm］（1）機上計測の実例

0.10
0.09
0.08
0.07
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.010.00-80

計測再現性
3s＝平均11nm／±70°-60-40-20020
角度［ °］

図8．機上計測装置

0.20

次世代ＤＶＤ用レンズ金型の加工実例を、図9に0.15示す。
・加工方法：パラレル研削法

形状誤差［μm］（2）次世代ＤＶＤ用ピックアップレンズ用金型の加工実例

80

形状精度38nm

0.050.00：レジンボンド砥石

・ワーク：超硬-0.10

φ４ｍｍ、Ｒ２．
２ｍｍ凹非球面-0.15-0.05-0.20-80

形状計測は、±70°まで行ない、その結果を図1060

計測再現性評価

0.10・砥石

図9．加工実例

40-60-40-20020角度［ °］図10．次世代DVD金型

406080

加工精度に示す。

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7B265. 次世代金型加工の柱へ
今回紹介した「ナノアスファ ＡＳＰ-Ｅ」は、これまでの超精密機械要素技術と加工技術をベースに、加工・計測技術をさらに発展させた高機能で高精度な非球面加工機であり、次世代ＤＶＤ、次世代携帯電話等の次世代金型加工を通じて光学業界の発展に貢献する。
現在、すでに大手電機メーカーをはじめ数社から引合や試削りテストの依頼を受けており、2005年度●ナノアスファ（ASP-E、ASP-01、ASP-01Xなど）
加 工 内 容 ：非球面光学部品用の金型を切削、研削加工。
対象ワーク：軸対象非球面レンズ用金型。
●ナノグルーバ（AMG62P、AMG42Pなど）
加 工 内 容 ：ダイヤモンドバイトによるプレーナ加工で溝加工。
対象ワーク：導光板のバックライト、フロントライト用のプリズム溝金型。には、NACHIの超精密加工機械事業の1本の柱に●ナノフェーサ（NNF100P）成長すると見込んでいる。
これにより、ナノシリーズは次の3シリーズとなった。

加 工 内 容 ：平面研削＋フィルムラップを1チャックで行ない、加工面の面粗さをナノレベルに仕上げる。
対象ワーク：光通信コネクターの接続面。

用語解説※1 次世代ＤＶＤ
次世代DVDは、デジタル放送の高画質の映像や音声を長時間録画できる新しい規格の大記録容量DVD。
次世代DVDは、波長の短い青色レーザー光や開口数の大きい深い形状レンズを採用し、記録・再生用のスポット光を従来DVDの1/5のサイズにすることで、大記録容量を実現している。
※2 Ｆθレンズ
レーザービームプリンターやコピー機で用いられる自由曲面形状のレンズ。
高い印字品質を実現するため高い形状精度が要求される。
※3 自由曲面加工機
レーザービームプリンターのＦθレンズ用の金型など、非軸対称の自由曲面形状の光学部品用の金型を加工する超精密加工機。
※4 平均化効果
静圧軸受は、軸受隙間のエア、油の圧力を介して浮上する機構であり、軸受面全体で支持されている効果により、案内面の誤差の軸受面全体で平均した分しか影響を受けず、高い回転精度、真直度が得られる。この効果を平均化効果と呼んでいる。

※8 パラレルB研削B軸に搭載された円筒砥石のエッジをワークの傾きに応じてB軸を旋回させることで、砥石の常に同じ点で加工する方法。小径ワークの加工においても干渉が生じにくく、面粗さの良い加工面が得られる特徴がある。
※9 Ｂ軸テーブル
工具を旋回させるテーブル。B軸テーブルに搭載した工具をワークの傾きに応じて旋回し、常に工具の同じ点で加工する加工方法を可能とし、工具の形状誤差の影響のない高い加工精度を実現できる。
※10 ＰＮＣ
NACHI製のパソコンNC。タッチパネルによる容易な操作性と高速処理を実現している。

関連記事※5 プローブ
ワークの形状を計測するためのセンサー。

1）薮谷 誠：超精密非球面加工機用機上計測システム
不二越技報Vol.54 No.1通巻116号 p.91-95※6 ＸＺＢ軸軌跡
パラレル研削などワークの傾きに応じてXZB軸同時制御で工具を旋回しながら移動して得られる軌跡。

2）水本 洋：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」
NACHI-BUSINESS news Vol.4 A1、August／2004※7 算盤型
曲率の大きい非球面金型は、垂直に設置した砥石軸スピンドルに取り付けた算盤型砥石の外周を用いて加工することができる。曲率の小さい金型の場合は、算盤型砥石では干渉が発生するため、パラレルＢ研削加工などＢ軸に搭載した円筒砥石のエッジを用いて加工が行なわれる。

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Vol.7 B2

May / 2005

〈発3）牧野哲也：液晶ディスプレイ光学素子金型加工機「ナノグルーバ AMG 92P」
NACHI-BUSINESS news Vol.2 B2、February／2004
4）永井久司：超精密表面仕上げ加工機「ナノフェーサ NNF100P」
NACHI-BUSINESS news Vol.4 B2、August／2004

行〉 2005年5月1日 （2005年9月15日 第2刷）
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