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Machining

5A1Vol.

November/2004■ 寄稿・論文・報文・解説
近未来技術展望「工具屋から見た超精密加工」
マシニング事業
プレシジョン

Perspective on the Near Future Technology--Cutting Tool Researcher's View
on Ultra-precision Machining〈キーワード〉超精密加工・延性モード切削・工具機上再生
マイクロマシニング・ダメージフリー加工

東京大学 生産技術研究所

教授

谷 泰弘
By Prof.Dr.Yasuhiro Tani, Institate of Industrial Science of the University of Tokyo寄稿〈近未来技術展望〉「工具屋から見た超精密加工」

要

1. 超精密加工の旨

伸び悩み打開策

超精密加工は実用化という新しいフェーズに突入している。このフェーズでは加工機械の高剛性・高精度化とともに、工具に新しい機能を付加するこ術はどうなるだろうか」とか言うアンケートが盛んに行とが求められている。
本稿では、現在、超精密加工において注目されて※1

20世紀の終わり頃に「10年後、20年後の生産技※2※3いる延性モード切削、マイクロマシニング、ダメージフ
リー加工の３つの加工技術に関して、工具として考えなければならない点および問題点を克服するための方策について解説する。

なわれ、いろいろな場所で結果が報告されていた。
未来予測は目標と夢を与えてくれる。それに呼応したわけではないが、15年近く前に、これからの超精密加工は、① 現状よりも高精度の加工② 大型部品の加工

Abstract
Ultra-precision machining has entered a newphase called practical application that requires
the addition of new functions to tools as well as
highly rigid and highly precise machining.
Currently, three machining technologies, ductile-mode-cutting, micro-machining and damage-free machining are drawing attention in
the ultra-precision machining industry.
In this paper, some considerations for applicable tools and the measures to solve problems
are explained in relation to these machining
technologies.

③ 硬質材料の加工④ 微細三次元形状の加工の４つの方面に展開されるだろうと、ある雑誌に書か１)せて頂いた 。この頃、超精密加工に関連して騒がれていた項目として、すでに非球面加工や鉄系材料の加工も存在していた。非球面加工は①と④の重ね合わせのような分野であり、鉄系材料の加工は③に類する難削材の加工になる。
書いたことには責任がある。幸いなことにだいたいの方向性としては間違ってはいなかったと思うが、超精密切削に限って言えば、伸び悩んでいるという気がするのは著者だけだろうか。
もし伸び悩みが事実だとすれば、その原因を作った犯人がいる。
一般に加工に与える影響は機械が3、工具が7。
工作物に近い位置にいる工具の影響度がどうしても大きくなる。これを信じると、工具屋が犯人である可能性が高くなる。確かに工具屋の努力が足りないのかもしれないが、自称工具屋の著者が「工具屋も悪あがきはしているんだ」ということを本稿で示したい。

12. 延性モード切削（延性モード切削とは）（延性モード切削のための負圧浮上工具）

１９８０年代に延性モード切削という言葉が流行した。

運動誤差（振動）があっても延性モード切削を安

これはシリコンやガラスなどの脆性材料を、鉄などの定的に実現できないものかと考え、図３の負圧浮上延性材料と同じように、流れ型の切りくずを出しな工具なるものを開発した 。これは磁気ディスクドライ

※52)

※4

がらクラックフリーで切削しようというものである。ここ

ブの負圧浮上ヘッドにヒントを得たもので、その原理で注意しなければいけないことは、クラックフリー＝ダを流用している。この負圧浮上工具は、対向する工メージフリーではないということである。そのことは、作物に追随して常に安定に工具と工作物との隙間通常の鉄系材料の正常な延性切削で加工歪が残を一定に維持してくれる優れもの、たとえば、数μｍ留していることから伺える。の面ぶれがあるような工作物に対しても、安定に0.1

延性モード切削は、直径が数ｍなどという天体望
遠鏡の大口径光学部品などの加工において、研削μm以下の隙間を保つことができる。非常に気に入っていて名刺の背景の図として使っている。

後の粗面を鏡面化し、後工程の研磨の取り代を減らす有効な手段として注目されていた。延性モード

軸方向回転誤差非周期成分

切削を行なうには、Dc値（図１）と言われるCriticalDepth以下の、切れ刃切込み深さで切削を行なう

ワックスマーク必要がある。Dc値は工具形状や加工条件、被削材スピンドルの種類等で異なるが、大体0.1μm程度である。
しかし、回転ぶれ＋平面度誤差

この値はポリシング面を単刃で切込みを変化させて加工して求められたものであり、研削面やラップ面な静電容量型微小変位計

どの粗面となるとマイクロクラックや加工歪が残留するため、もっと小さくなる可能性がある。そこで、50nm程度のNRRO（非同期成分の回転誤差，図２参照）がある超精密工作機械でも、なかなか厳しい話となる。

アンプ

オシロスコープ

図2．回転誤差非同期成分の測定

力
加工力
加脆性モード切削域

微小破砕
切削域

図1．Dc値（Critical Depth）

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延 塑弾 工性 性性 溝
モ 変変
ー 形形 深ド 域域 さ
切削域

図3．負圧浮上工具2

寄稿〈近未来技術展望〉「工具屋から見た超精密加工」

図４のように、工具の中央に針状のダイヤモンド工切りくずに影響されず、安定に切削を行なうことが具が取り付けてあり、その周りには真空吸引するた可能になる。この負圧浮上工具を用いて、図５のよめの穴がある。この穴に対して、リング状の溝とつなうに世界で初めて、ガラスやシリコンの粗面の延性モーがる溝が４方向から掘られている。
リング状の溝にはド切削を可能にした。また、
この加工法は圧力転写背面より切削液が供給され、中央の負圧により、こ方式の切削加工を初めて提案したものであり、そうれらの溝を埋めて切削液が中央の穴に向かって流いう意味でも興味深い。ただそのために、基本的にれる。切削液の存在により、静圧が発生し、これがは前加工面にならった加工になってしまう。
しかし、中央の負圧とバランスして、対向する工作物に対して、この加工工程で形状精度を出すことを目的とせず、工具を一定の高さに保ってくれる。この円筒状の浮研削面などの粗面を鏡面化するのみという目的で上工具部は、工具台に３本の板ばねで支持され、回あれば、十分その役割を果たすことができる。

転しないようにしてある。

ただ残念なことにガラスやシリコンなどの硬質材料※6（世界初の延性モード切削）の加工では、最も硬くて摩耗しにくいビッカースイン
デンタ形状のダイヤモンド工具であっても、図６のよう※7

磁気ディスクドライブの負圧浮上ヘッドと異なる点は、に容易にアブレイシブ摩耗が生じて切削距離が伸この工具の場合、真空吸引により能動的に負圧を作っびない。そのため、延性モード切削は盛んに研究がていることで、これは切りくずを中央の穴から吸引し行なわれたが、未だ実用化されていない。

除去すると言う作用も行なっている。このことにより、切込み調整ねじ切削液
板
バ
ネ

AEセンサー
切削液
ダイ
ヤ
モン
ド
工具

板
バ
ネ

真空吸引
工作物

図4．負圧浮上工具の構造（a）加工前（b）加工後

図6．
ダイヤモンド工具の摩耗3

図5．延性モード切削されたシリコンウェーハの粗面

3. マイクロマシニング（小径の工具を精度よく取り付けるには）
微細な3次元形状を持つ金型や小径の穴加工

浄と複合めっきの五槽と予備槽から成り立っている。のために、マイクロマシニングの需要が着実に増えこの装置を用いれば、約3分で工具の再生を行なうている。こういう需要に関連して、導光板金型用プリことができる。

3)

4)

ズム溝加工機 や自由曲面加工機 などの開発がこの機上再生装置で形成した硬質層で、中〜重行なわれている。これらの機械では、従来と同様の切削を行なうと、現状ではそれほど切削距離が伸び工具が用いられているので問題とはならないが、一ないが、今後、膜の特性を改善して再生までの寿命般にマイクロマシニングを行なおうとすると、どうしてを伸ばしていきたいと考えている。また、様々な加工も工具は小径のものになる。小径の工具は摩耗し形態に対応するために、将来的には金属層のみで易い。摩耗した工具は交換しなければいけない。
しなく、この硬質層として無機質層や有機質層も念頭かし、小径の工具を精度よく取り付けることは難しい。

において研究を続けている。それが実現すれば機プリント配線板の穴あけ等に用いられているマイクロ上で粗切削から研削、固定砥粒研磨に近い状態まドリルなどは工具には全く欠陥がないのに、取り付けで同じ工具で加工できるかもしれない。夢は広がる。

が悪いために折損してしまうことも多いという。精度
よく取り付けた小径工具は取り外したくないのが人情。
※8（機上再生という新たな概念）
そこで、提案したのが機上再生という概念。図７のように工具の母材の表面に切削工具の場合は硬質層、研削工具の場合は砥粒層を形成する。加工によってその形成した層が磨耗すれば、摩耗が母材（台金）に達する前に剥離して再形成する。摩耗した部分のみを埋めるという考え方もあるが、修正

図7．工具の機上再生して形状を出すのは結構難しく、また摩耗した表面には残留歪や拡散物質があるため、大部分を剥離して元の母材に近い形状に戻した方が密着性と再生精度があがる。
著者らはこの概念を電着と電解剥離により実現
5)してみせた 。その研究成果をもとに、図8のような回転工具用の機上再生装置をバッテリーケースを利用して試作した。この機上再生装置は、硫酸による硬質層の電解剥離、膜の密着性をあげるためのアルカリによるアノード電解とストライクめっき、そして洗NACHI-BUSINESS news

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図8．工具機上再生装置

4

寄稿〈近未来技術展望〉「工具屋から見た超精密加工」

4. ダメージフリー加工（ダメージフリーの加工面を得るには）延性モード切削の話でこれはクラックフリーであってもダメージフリーではないと申し上げた。機械的なが気になる。そのため、加工域のみをいかに乾式に8)近い状態に保つかが焦点となる 。

加工を行なえば、加工歪が残留するのは道理。
しかこうした化学的な作用を生じる砥粒を用いた砥石し、光学部品や半導体関係の部品の超精密研削

は、肉を切らせて骨をたつ的な除去作用となり、研では、ダメージフリーの加工面を得たいという無茶な削比の低い加工となるため、いかに砥石形状を維要望が強い。ダメージを残さない加工を行なうため持させるかが問題となる。には、何らかの化学的作用を付加するしかない。まずは、砥石は現状のままで、研削液で何とかできな（マイクロカプセル砥石の効果）

いかという試みが行なわれている。この場合、腐食化学的作用を生じるフィラーとしては鉄系に対す性の高い酸やアルカリの研削液を用いることになる。

る食塩がよく知られているが、食塩をシリコンの加工

そのため、加工機械へのダメージ、砥石の劣化、機に用いるにはコンタミネーションの関係で抵抗がある。

械的作用とのバランスに注意しなければいけない。

金属に関してはハロゲン化鉱物も効果的であること

あまり加工のマージンは広くない。

が知られているが、ハロゲン化鉱物では相当の高温※10（砥石に化学的作用を持たせるには）そうなると、砥石にそういう化学的作用を持たせられないかという話になる。砥石の3要素は砥粒、結にならないとその反応が期待できない。そこで、液体状態のハロゲン化鉱物を用いることにした。図9のようにその液体をマイクロカプセル化し、砥石の中に含有させれば使用できるようになる。

※9

合剤、気孔と言われるが、実際にはフィラーという第4用いたのは、PFPE（パーフルオロポリエーテル）オの要素が含まれている。
したがって、砥石に化学的イル。このオイル100％ではマイクロカプセルの壁物作用を付加しようという話になると、工作物と反応す質のメラミン樹脂が溶解したため、同種のPFC（パーるような砥粒を用いるか、反応する物質をフィラーとフルオロカーボン）オイルで１０倍希釈してマイクロカして用いるかという話になる。砥粒としてはシリコンとプセル化した。図１０はアルミニウムとシリコンに対して、

6)7)

ガラスと反応するセリアがよく知ら反応するシリカ 、このマイクロカプセル砥石の効果を示したものである。

れている。シリコンに対しては炭酸塩も知られている

PFCオイルのみのマイクロカプセルを使用した時のが、コンタミネーションの関係でシリカが好まれている。

結果を比較して示している。PFCオイルでも若干のセリアは湿式状態でメカノケミカル的な反応を生じる効果は観察されているが、PFPEオイルの効果が一が、シリカは乾式状態での除去作用が湿式状態より段と優れていることが分かる。この砥石を用いれば、2桁以上高速の反応を示す。完全に乾式状態の加アルミニウムやシリコンに対して目づまりなく、高能率

工では、工作物を異常に昇温させ、熱的なダメージに仕上げ加工を行なうことが可能になる 。

9)

除去能率（μm／mm）

0.4

0.3
0.2
0.10
無

図9．マイクロカプセル砥石の作用

5合成オイル
PFC
カプセル芯物質

PFPE＋PFC

図10．マイクロカプセル砥石の効果5. おわりに
超精密加工は研究者の手を離れ、新しいフェー

加工機械は工具を選び、工具は加工機械を選ぶ。

ズに入っている。実用化というフェーズでは、高剛性今後、加工機械屋と工具屋が手を携えてこそ、付加で高精度の加工機械をいかに安価に作るかという価値の高い加工が可能になり、新しい飛躍が起こることも重要であるが、それと同時に無視できないのがことだろう。

工具である。工具は工作物に近い位置にいるため、より加工特性への影響が大きい。延性モード切削で高硬度材料を切削できる工具、マイクロマシニングで小径でも寿命の長い工具、ダメージフリー加工を行なうために化学的作用を期待できる工具など、これまでの工具に対してさらにレベルアップした工具が求められている。

用語解説参考文献※1 延性モード切削
ガラスやセラミックス、結晶材料などの脆性材料をクラックを発生させることなく金属切削のように延性破壊状態で切削する技術。微小切込み状態を維持することで実現できる。

1) 谷※2 マイクロマシニング
微細形状の創成を行なう加工技術。切削加工のみでなく、放電加工や電解加工、アブレイシブジェット加工など種々の加工方法で行なわれる。
切削の場合は微小径の工具が用いられる。
※3 ダメージフリー加工
工作物表面に加工ダメージを残さないような加工技術。化学的作用を付加することで実現できる。
※4 クラックフリー
マクロクラック、マイクロクラックともに生じないこと。とくに脆性材料の場合は工作物の強度低下につながる。
※5 負圧浮上工具
負圧で工作物に吸着しながら切削を行なう工具台。磁気ディスクドライブ装置の負圧浮上ヘッドに切削工具を取り付けたような形態になっている。
※6 ビッカースインデンタ
ビッカース硬度の測定のために用いられる圧子。ダイヤモンドで製作されており、先端の対面角が136°の四角錐となっている。最も摩耗しにくい形状だと言われている。
※7 アブレイシブ摩耗
機械的な摩擦により生じる磨り減り摩耗。硬度の高い物質により削り取られて摩耗する。
※8 機上再生
工作機械上で工具の切れ味を再生する技術。これまでの工具の切れ味の再生技術としては工具研削が知られている。
※9 フィラー砥石中に強度、潤滑性、吸熱性などの向上のために添加される物質。砥
石の第４の要素である。フィラーの含まれていない砥石は皆無と言ってもいい。

泰弘：超精密切削加工技術−研究最前線−、
マシニスト、34巻１号、1990年１月、p.52-55

2) 上村康幸・谷 泰弘・佐藤壽芳・山口ひとみ：
負圧浮上工具方式による硬脆材料の延性モード切削、日本機械学会論文集(Ｃ編)、63巻614号、1997年10月、p.3654-3659
3) http://www.nachi-fujikoshi.co.jp/sei/kakouki/nano̲a.htm4) http://www.nachi-fujikoshi.co.jp/sei/kakouki/asp30a.htm5) 倉橋一豪・谷 泰弘・柳原 聖：
切削工具の機上再生技術に関する研究、
日本機械学会論文集（Ｃ編）、70巻690号、2004年2月、p.590−595
6) 谷 泰弘・佐伯達彦・左光大和・小林一雄・佐藤良幸：
超微細砥粒の電気泳動現象を利用したシリコンウェーハのインフィード研削、
日本機械学会論文集(Ｃ編)、64巻625号、1998年９月、p.3650-3654
7) 榎本俊之・斉藤克己・金澤孝明・谷 泰弘：
超極細シリカ凝集砥粒を用いた研磨フィルムによるシリコンウェーハのエッジ仕上げ―高生産性研磨フィルムの開発―、砥粒加工学会誌、46巻9号、2002年9月、p.38-43
8) 奥山哲雄・河津知之・加賀宗明・
斉田国広・村井史朗・谷 泰弘：
多段研削によるシリコンウェーハの高品位BG加工、2002年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、2002年10月、p.132
9) 榎本俊之・島崎 裕・谷 泰弘・江藤 桂・
日暮久乃・山口幸男・酒井安昭：
マイクロカプセルを利用したラッピング砥石によるメカノケミカル研磨、
日本機械学会論文集(Ｃ編)、65巻632号、1999年4月、p.1698-1703

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フッ素・塩素などのハロゲン元素と結合している鉱物。岩塩、蛍石、氷晶石、アタカマ石、ボレオ石などがある。ハロゲン化鉱物は、一般的には透明でガラス光沢があり、水に溶けるものもある。一般にこういうものが含まれる砥石は切れ味がよいとされる。

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