やさしいニューガラス講座

光学材料の先進超精密加工プロセス〜ナノ精度を目指す ELID 研削、超平滑研磨、超精密切削〜
独立行政法人理化学研究所

大森整、林偉民、森田晋也、片平和俊、上原嘉宏、渡邉裕

Advanced Ultraprecision Machining Process of OpticalMaterials
─ELID─Grinding, Ultra─Smooth Polishing, Ultraprecision Cutting
to Target at Nanoprecision─
Hitoshi Ohmori, Weimin Lin, Shin−ya Morita, Kazutoshi Katahira,
Yoshihiro Uehara, and Yutaka Watanabe
RIKEN （The Institute of Physical and Chemical Research）

はじめに光学素子・光電子デバイスを心臓部とするオ

１．ELID 研削法
１．
１ ELID 法の原理

プト技術は，我が国の最先端技術の競争力の源

研削加工は，砥粒（研磨剤）を結合させ製作流となっている．特に，これらのデバイスの多された工具である砥石によりガラスを削り取る

くはガラスなどの硬質・脆性材料からなり，超加工法であり，古くから光学部品の加工に使用精密加工プロセスの進歩がキーとなっている．

されてきた．ELID 研 削 法 は，メ タ ル ボ ン ド

中でも，古くからガラス加工に使用されてき（ダイヤモンド砥粒）砥石に電解インプロセス

た，砥石を用いた研削加工は，ガラスに対してドレッシング（ELID=Electrolytic In―process

ナノレベルの鏡面を創成する鏡面研削へと進化

Dressing）を複合して実現された高精度かつ高し，さらに形状と粗さの両立を実現する磁性流効率な研削加工法である（図１）．これは，電体研磨（MRF）などの超平滑研磨との連携技解により砥石の結合材（メタルボンド）のみを術へと進化している．「ELID（エリッド）」研溶出除去させることで，ドレッシング（目立削法は，専用加工システムの実用に伴い，ガラて）を確実ならしめ，また加工しながらも砥石スの超精密加工プロセスの主流として，大型光の切れ味を維持することにより，微細砥粒を持学素子から特殊光学素子まで，用途拡大を続けつ砥石の持続的適用を可能にした世界初の技術ている．また，切削加工によるガラスなどの回である．ガラスなどの硬脆材料の超精密加工に折格子の加工の試みも進められている．本稿で適し，砥石によるガラスの実用鏡面研削を実現

は，１）（ELID）研削法を中心に，２）研磨加した初めての加工プロセスと言える．この電解工法，３）切削加工などの，最近のガラスの新ドレッシングには，電解による目立ての強度をしい超精密加工プロセスについて紹介する．

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jp
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電解電源や水溶性研削液を組み合せて，図２に示すメカニズムを実現している．この電解現象
では，ボンド材が一定量溶出後，速やかに不導体被膜（水酸化鉄／酸化鉄）による絶縁層が砥
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２２００６石面に形成され，過度の溶出を防止する．このンズなどの加工方式を示す．

状態から研削加工を開始後，被加工物がこの不導体被膜に接触し，砥粒が摩耗した分だけ被膜が剥がれる．これに伴い，被膜による絶縁が低下し，再度一定量ボンド材が溶出し砥粒突出が維持される．

ワーク
チャック

図 １ ELID 研削法の基本原理
図 ３ ELID 研削方式の例

１．
３ ELID 法の鏡面研削効果
BK７光学ガラスや単結晶シ リ コ ン な ど では，#４０００（平 均 粒 径 約 ４μｍ）〜#８０００（同約 ２μｍ）鉄系ボンドダイヤモンド砥石により Ry３０〜６０nm，Ra ４〜６ nm の ELID 研 削面粗さが得られ，さらにセラミックスなどでは
Ry２０〜３０nm 以下の良好な研削面も達成され
図 ２ ELID のメカニズムている（図 ４）．#４０００鉄系ボンドダイヤモンド砥石による代表的な ELID 鏡面研削面性状を

１．
２ ELID 法の適用方式

図５に示す．いわゆる延性モード研削面が得ら

ELID 法は，!砥石，"電源，#電極の装着

れ て い る．後 述 す る よ う に，ELID 法 で は#により容易に実現でき，粗加工から仕上げ加工８０００以上の微細な砥粒を持つ砥石を適用するに 広 く 適 用 で き る．平 均 粒 径 約 ４μｍ（#ことで，一層高品位な研削面を得ることができ４０００）以下の砥粒を持つ砥石により，ガラスなる．

どに対しても研削加工のみにより鏡面が得られる．この場合，鏡面を実現できることから，特に「ELID 鏡面研削」と呼ぶ．ELID 研削は，所望の!加工面形状，"加工面精度，#加工能率などの要求から，必要な加工方式や機械システムが選定できる．図 ３ にはその代表例として，ガラスディスクなどの平面加工と非球面レ
５４

図 ４ ELID 鏡面研削粗さの例

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図 ５ ELID 鏡面研削面性状

図 ７ 屈折率傾斜光学素子の種類

１．
４ ELID 鏡面研削事例
図６に，ガラスなどの ELID 鏡面研削事例を示す．これまでに，光学ガラス，単結晶シリコンやゲルマニウム，セラミックス，超硬合金や鋼材などが加工されており，さまざまな工程で実用化が進んでいる．近年，ELID 研削によりGRIN 非球面レンズなどの特殊光学素子の試作

図 ８ ELID 鏡面研削された非球面 GRIN レンズ加工もなされている．GRIN レンズは屈折率が傾斜したガラス材により，さらなる形状を付与

１．
５ ELID 研削システム

しレンズ枚数の削減や光学性能の向上などの効

ELID による粗研削から鏡面研削に至る各作果が期待されている．一般に GRIN レンズに業 性 や 効 率・安 定 性 を 確 保 す る た め に，!

は，図７に示すアキシャル型とラジアル型があELID 専 用 砥 石，電 極，電 源，研 削 液，"

るが，ここではラジアル型 GRIN レンズの放物面形状の ELID 研削を行った（図８）．

図 ６ ELID 鏡面加工事例

図 ９ ELID 研削システムの実用例
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２２００６ELID 専用加工機による専用システムが開発されている（図９）．また，光学ガラス，単結晶シリコン，水晶などの鏡面研削には，CeO２ やSiO２ などの砥粒を有する特殊な ELID 研削用砥石の効果も確認されている．専用 ELID 研削システムを積極的に利用することによって，これまでにさまざまな光学部品の超精密加工が実用化されている．
図１１ 中性子ミラー加工例

１．
６ 大型光学素子開発例
産業界ならびに科学技術分野において，大型光学素子のニーズが高まっている．特に先端光科学分野においては，Ｘ線機器開発があり，超精密な形状精度と極限の平滑性を有した斜入射反射鏡（ミラー）の開発が不可欠となる．中でもシンクロトロン用にはシリンドリカルミラーやトロイダルミラーが，Ｘ線望遠鏡の結像光学系には，放物面と双曲面が複合されたウォル

図１２ 大型ミラーセグメント加工例

ターミラーが用いられる．筆者らが開発した
１０nm 分解能を有する大型非球面加工機を用いて，これらの大型光学素子の実用開発が進められている．１０００mm シンクロトロンミラーを
図１０に，中性子ミラーの事例を図１１に示す．
他にも，天文用レンズ・ミラー開発への適用も進められている（図１２，１３）．図１４は，さらなる精度を目指し，加工機上での計測による加工精度の補正作業の様子を示す．

図１３ 大口径非球面レンズ加工例

図１０ シンクロトロンミラー加工例

図１４ 形状精度補正

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２２００６（主にダイヤモンド，酸化セリウム）を配合し，２．研磨加工法

磁界により研磨圧力を付与することで研磨に供

２．
１ ラップ研削する．回転し磁化されたホイールに磁性流体を前述の ELID 法を利用してサブミクロンの超吐出すると，磁性流体がホイール表面に固着さ微細砥粒砥石による超平滑鏡面研磨加工：ラッれホイールと共に連れ回りを起こす．その際，プ研削が実現されている（図１５）．
本法は，定NC プログラムにより被加工物とホイール間の盤型のメタルボンド砥石を用い，定圧力の研削隙間を制御することによって，必要な研磨加工方式により超微細砥粒も有効に適用できる．本が行える．また，ホイールの連れ回りと共に，加 工 法 の 適 用 と し て，光 学 材 料 に 対 し て#磁場を離れた磁性流体は再び流動化し，吸引回

３００００（約０．
５μm），#６００００（約０．
３μm），#収・循環され使用される．図１８に加工システ

１２００００（約０．
１μm）による各種硬脆材料の鏡ムの主要部を示す．基本的な効果を検証するた面加工が行なわれている．#３００００００（平均粒めに，ELID 研削後の石英材を用い，MRF を径約５０オングストローム）メタルボンド砥石

施 し た と こ ろ，短 時 間 で rms：２５nm か らを用いた超平滑鏡面加工によって，Ry １〜２rms：０．
３nm まで仕上げることができた（図nm，Ra ２〜３ オングストロームの研削面が１９）．形状精度は，素材やサイズ，形状にもよ実現できるようになった（図１６）．

るが，λ／１８〜２８（λ＝６３２．
８ nm）が得られている（図２０）．レーザー用ミラー材である SiC

メタルボンド クーラント
砥石ワーク

電極 -Ve電極に 対 し て は，初 期 粗 さ rms：２３２．
７nm か ら電源rms：３．
６nm まで改善できた．

+Ve クリアランス

砥石0.3mm

図１５ ELID ラップ研削の原理

図１７ MRF 法の原理

図１６ ELID ラップ研削面粗さ

２．
２ 磁性流体研磨（ＭＲＦ）
光学部品に求められるナノレベルのプロファ
イ ル と 粗 さ の 両 立 を 狙 っ て，磁 性 流 体 研 磨（MRF）法（図１７）の適用効果が検証されている．加工ツールとなる磁性流体の中に砥粒

図１８ ガラスの MRF の様子

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図２１ シェーパ加工方法
図１９ MRF による仕上げ面性状

図２０ MRF による仕上げ面形状精度例

３．切削加工法

図２２ 切削加工された回折格子の様子

単結晶ダイヤモンドバイトを用いて，ガラス材などの光学材料，脆性材料の超精密切削加工が試みられている．ELID 法などによる鏡面研削では対応が難しい，極微細かつ急峻な形状を有する回折格子などの加工を狙い，MgF２ 基板の切削加工事例を紹介する。図２１のように，シェーパ加工方式を採用して，１mm あたり３５

図２３ 切削加工された回折格子の形状データ

本の溝本数を持つ回折格子の加工を行ったところ，図２２，２３のように，良好な加工事例が得られ た．深 さ は 約２１３μm で あ る．加 工 面 粗 さ
は，概ね Ra４nm 以下 が 得 ら れ た．ま た，近年，さまざまな応用分野が期待されている金属ガラスに対しても同様の切削加工により，回折格子の加工が試みられている（図２４）．
図２４ 金属ガラスの回折格子の形状データ

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おわりに
本稿では，特にガラスなどの光学材料に対する高精度仕上げ加工として実用化が進められている各種メカニカル加工技術を中心に解説した．ELID 法を中心とする一連の超精密加工プ
ロセスは，理化学研究所が保有する知的財産であり，その実用に際しては広くライセンスを進めるとともに，日本発独自技術として進展し，世界に広がることを期待してやまない．なお本稿の切削加工事例は，慶應義塾大学との共同研究の成果であることを付記し謝意を表する．
参考文献
１）H．Ohmori， and T．
Nakagawa : Mirror Surface
Grinding of Silicon Wafer with Electrolytic In―process Dressing， Annals of the CIRP，
３９，１（１９９０），３２９―３３２．
２）大森 整：超精密鏡面加工に対応した電解インプ
ロセスドレッシング（ELID）研削法，精密工学会誌，
５９，９，（１９９３）１４５１―１４５７．
３）H．Ohmori， and T．
Nakagawa : Analysis of Mirror Surface Generation of Hard and Brittle Materials

with Superfine Grain Metallic Bond Wheels，Annalsof the CIRP，
４４，１（１９９５），２８７―２９０．
４）大森 整：電解ドレッシングで超精密鏡面研削を実現，
日経メカニカル，５４１（１９９９），８０―８５．
５）大森 整：ELID 研削加工技術―基礎開発から実用ノウハウまで―，工業調査会（２０００）．
６）H．
Ohmori， et al : Development of Large Ultraprecision Aspheric Optics ELID―Grinder for Larger X―
Ray Mirrors， International Progress on Advanced
Optics and Sensors，（２００３），
９１―９８．
７）H．
Ohmori， et al : Nanoprecision Mechanical Fabrication for Optical Elements，
Optifab，（２００３），
１２―１５．
８）ELID 研究会ホームページ http : //www．elid．
ne．
jp９）ナノプレシジョン研究委員会 http : //www．nano．
ne．jp１０）新世代加工システムホームページ http : //www．
nexsys．
ne．jp
１１）渡邉 裕ら：屈折率傾斜（GRIN）光学素子への ELID
研削加工の試み―第 ２ 報―，
２００４年度精密工学会秋季大会学術講演会，（２００４），
７６７―７８６．
１２）林 偉民ら：磁性流体研磨法（MRF）によるレンズ金型の仕上げ，
型技術，
１９，８（２００４），
１３０―１３１１３）S．Min，
et al : Variation in Machinability of SingleCrystal Materials in Micromachining， Annals of
the CIRP，
５５，１（２００６）．

by ELID（Electrolytic In―Process Dressing）Grinding

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