資料

高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究
平岡大治

浜崎耕二

松村謙二郎

Research on Developing a Prototype of NC EEM Machine for Machining Mirrors Used for High Power Laser
D. HIRAOKA K. HAMASAKIK. MATSUMURA

EEM (Elastic Emission Machining), invented by professor Mori at Osaka university, is proved that it canmake perfectly flat surface in a level of atom size.
In this paper we will introduce a newly developed EEM machine that all the numerically controlled stages
are set in a tank filled with ultra-pure water containing machining powder, and also every driving or guiding
components are constructed with hydrostatic system using ultra-pure water.

1．はじめに2．EEMの基本原理
3．EEMの特徴
4．試作研究の内容
5．材料選定6．全体システム

1．はじめにEEMとは，大阪大学森勇藏教授の発明による

7．加工機本体
8．主軸ユニット
9．水静圧システム
10．制御装置
11．おわりに生じるのである（図 2）．
このように，EEMは従来の化学研磨に対して， 粉末粒子表面の反応性を利用した化学研磨と考えることができる．

世界最先端の超精密加工法であり，原子レベルで平坦な完全表面が得られることから，次世代科学を支える基盤技術として期待されている．
当社では，20数年前より森教授の御指導のもとで加工機の開発を進めてきた．この度，科学技術振興事業団から題記のテーマを受託し，新しいタイプの数値制御EEM加工機を試作したので以下に紹介する．

荷重
加工液
超純水＋粉末粒子
回転球

2．EEMの基本原理１）

粉末粒子EEMは，微細粉末粒子表面の反応性を利用した固体表面間反応にもとづく超精密加工法であ加工液の流れる．本加工法では水の流れを利用して粉末粒子を輸送し，過大な運動エネルギーを与えること加工物なく加工物表面に作用させる（図 1）．
加工物表面との反応性のある粉末粒子では両表面原子間が化学結合するため，その近傍の価

図 1 加工物表面への粉末粒子の供給方法
Method for transporting powder particles onto work surface

電子状態が変化し，加工物表面原子のバックボンドの結合エネルギーが減少する場合がある．
このとき，粉末粒子が水の流れによってさらに輸送されることにより，原子単位の加工現象が48

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−を創成することができる（図 4）．

超流水の流れ
微粒子

加工物

加工物表面原子を原子単位で除去

図 2 EEM のメカニズム
Mechanism of EEM(a) WYKO TOPO-3Dによる測定結果
0.829＋目的形状

3．EEMの特徴

EEMでは，粉末粒子表面原子と加工物表面原（μm）

１）

0.415
0子が相互作用するサイトのみが加工されるので，−0.415

加工物表面上の微小な凹部では加工が起こらず，−0.8290.08

自動的に原子サイズのオーダで平坦な表面が得られる
（図 3）
．

1.37

2.65
3.94（mm）

5.22

6.51(b) 中心線上の表面形状と目的形状との差

PV:2.4nm

図 4 石英の球面形状加工
Spherically machined quarts［nm］
2104．試作研究の内容
60［nm］

60［nm］

本研究は，EEMを利用して高出力レーザ用ミラーの加工を行うための数値制御加工機を開発するものである．具体的には，1996年度から運転0(a)が始まったシンクロトロン放射光施設 Spring-８

超LSI 用のSiウエハ表面で使用されるＸ線ミラーへの適用を考えており，世界最高出力のＸ線を有効利用するために，トPV:0.5nm

ロイダルと呼ばれる複雑な形状のミラーを原子［nm］レベルで凹凸なく仕上げることが要求される．

210

ところで，化学反応を利用したEEMにおいて，60［nm］

60［nm］

加工現象を高次元につねに安定に維持するためには，加工雰囲気の制御が極めて大切であることが明らかになってきている．開発した加工機では，0(b)EEM加工面図 3 ＳＴＭによる観察
Observation by use of STM

加工液の汚染の原因となる加工環境からの不純物の混入を避けるために，加工液で満たされた密閉系の加工槽内に数値制御用ステージ全体を設置したものであり，さらにステージ本体による加工液の汚染を防ぐために，すべての駆動，案また，EEMによる超精密数値制御加工システ

内機器要素を超純水の静圧システムで構成した．

ムでは，制御された水の流れによって微細粉末

このように，本研究は世界に例のない加工シ粒子を加工物上の特定の領域のみに作用させる

ステムの実現にチャレンジしたものであり，超ことができるため，加工物表面上の各点を必要精密加工の未来を開くものとして期待される．

な量だけ加工することによって原子レベルで平坦な表面をもつ任意曲面（形状精度0.01μm以上）

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)49

資−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−

料

重点開発項目は，①

アルマイト膜からのＳ

良好な環境でのEEMを実現し，加工現象を安定化させるために，クリーンな環境100を汚染しない超純水静圧軸受システムの開発．
②

Ｓの検出限界完全に超純水加工液中に没しながら稼働
加工液のクリーン化のための精製システ

液中濃度，③ムの開発．
④

低純度アルミナからのSippbすることのできる加工機本体の開発．

トロイダルミラーと軸対称ミラーの加工が可能な，ステージ構成，および姿勢制

アルマイト膜からのＡR

10
SUS304からのFe

高純度アルミナからのSi御技術の開発．
SUS316からのFeであったが，本報では特に加工機本体と超純水
1静圧システム，制御システムについて概要を紹介

高純度アルミナ（99％）
からのＡRする．
低純度アルミナ（86％）
からのＡR

5．材料選定装置を製作するにあたり，超純水中で安定か0.1

つ溶出の少ない材料を使用することが絶対条件となった．

204060day

図 5 超純水500cc中に表面積25fから溶出した金属イオン濃度（溶出テスト期間４日）
Dissolved metal ion concentration into 500cc ultra purewater from material surface of 25f. (Test period; 4 days)

考えられるいくつかの材料について溶出試験を行い，ある種のセラミックスやSUS316，SUS304，アルマイトなどを使用可能なものとして選定した（図 5）．

6．全体システム
図 6 に数値制御EEM加工システムの構成を示
す．加工機本体と制御装置の他に，液面制御タ
バッファ２（液面制御タンク）
制御装置

ＥＥＭ加工機本体バッファ１静圧発生ポンプ
超純水静圧機器（加工液回収タンク）Ｐ

超純水精製装置

超純水

制御信号

加工液
Ｐ 循環ポンプ

加工液（超純水＋微粉末）

市水

濃縮
加工液

液相分離ユニット

水

限外ろ過法
低分子物質
純水
イオン類

高分子コロイド

図 6 数値制御EEM加工システム
NC EEM machining system

50

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−

ンク，加工液回収タンク，液相分離ユニット，加工槽内に設置され，さらに加工機自身による超純水精製装置より構成されている．

加工液の汚染を防ぐためにすべての駆動，案内

超純水製造装置から供給される超純水は，加工機本体の超純水静圧機器に供給されるが，こ機器要素をしゅう動部を持たない超純水静圧システムで構成している．

れにより加工槽から同量の加工液があふれ出し，加工槽はベース部分と側壁部，蓋部よりなり，あふれ出た加工液は液面制御タンクに導かれ，試料の取り付け時など必要に応じて分割して取タンク内の水面を押し上げる．

り外すことができる．ここでは紹介しないが，タンク上部に取り付けた超音波センサーでこ巨大な加工槽を持ち上げるために，ウルトラクの変位を検出し，液相分離ユニットへの循環ポリーンルーム（大阪大学，クラス１レベル）
内でンプを制御することで，あふれ出る加工液と同使用できる専用リフターを別途開発した．

量の液相分をこし出すことができ，加工槽内を常に一定の水位に保つことができる．
さらに加工液の液相分が，順次新しい超純水

また，装置の組立てはウルトラクリーンルーム内で行われたが，完全洗浄された部品ゆえに特殊な組立技術を必要とするなど，作業は困難を極めた．と入れ替わるので，常に安定した加工環境を維持することができる．
以下に加工機本体と制御装置の仕様を示す．
１）加工機本体
外 形 寸 法………2 880（Ｗ）
×1 780（Ｄ）
×1 760（Ｈ）
mm
軸数………Ｘ−Ｙ−θ軸，主軸軸

受………超純水静圧スライドベアリン
グ，スピンドル

送 り 機 構………超純水静圧ねじストローク………Ｘ 600 mm

Ｙ 200 mm分

解能………１μm

加工

物………500×100×50 mm トロイダル

図 7 加工機本体外観状況
Appearance of the machine

φ300 mm 円盤２）制御装置

主軸ユニット

制 御 方 式………パソコンとの高速データリン

バッファタンク
コラム

クによるCNC制御
入力データ………前加工での計測データから求められた１mm□ メッシュ

軸対称試料

トロイダル試料Ｙ軸駆動ユニット

毎の速度データ
制 御 軸 数………Ｘ軸，Ｙ軸，θ軸，主軸スピ加工機本体ベースンドル
加 工 速 度………0.1mm/min〜600mm/min
制 御 範 囲………EEM加工機本体，加工液精製循環装置

7．加工機本体
図 7 に外観写真を，図 8 に斜視図を示す．加Ｘ軸テーブル

θ軸駆動ユニット
Ｘ軸駆動ユニット

Ｙ軸テーブル

図 8 加工機本体斜視図
Drawing of the machine

工機本体ベースの上にＸ軸テーブル，Ｙ軸テーブル，θ軸を積み重ね，ベース上に別途取り付けたコラムに，回転加工球とその加圧機構を含む主軸ユニットを設置する構造となっている．
外部からの加工液の汚染を防ぐために，これらはすべて超純水加工液で満たされた密閉系のKOYO Engineering Journal No.155 (1999)51

−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−

資料が要求された．

8．主軸ユニット

設計にあたり，テストサンプルを製作し，理図 9 に主軸ユニットの内部構造を示す．リニ論式の妥当性について検証を行った．その結果，アアクチュエータによる推力が加圧用ばね，ロ一部補正を行うことにより，油静圧の理論式をードセルを介して加工球に伝わり，試料への押水静圧に適用できることを確認した．

し付け力となる加圧機構を開発した．ロードセ

また，補正式にもとづいて設計した最終部品

ルからの信号が設定値に達した時点でリニアアについて流量測定を行い，計算値とよく一致す

クチュエータの前進を止めることにより，そのることを確認した（図12，図13）．

後は加圧用ばねによる安定した加工圧を得るこ
超純水とができる．
図 10 にトロイダル試料と軸対称試料を加工す

静圧ポケット

給水ポンプる時のイメージ図を示す．
軸受すきま

加圧用アクチュエータ
スピンドル駆動サーボモータ

加圧用ばね
加圧力検出用ロードセル

圧力分布
給水ポンプ

静圧軸受（ラジアル）

図 11 静圧システムの基本原理
Theory of hydrostatic system

マグネットカップリング
防水隔壁

静圧軸受
（ラジアル）
静圧軸受（アキシアル）

1.5

図9 主軸ユニット内部構造
Inner structure of the spindle unit.

計算値

加工球
加工球

流量，R／min

実測値
1.00.5
給水圧力，80N/F
軸対称試料

トロイダル試料

図 10 加工イメージ図
Image of machining

151020

軸受すきま，μm9．水静圧システム
図 11 に静圧システムの基本原理を示す．微小な軸受すきまに高圧の流体を噴出することにより浮上し，非接触で荷重を受けることができる．

図12

軸受すきまと流量の関係（Ｙ軸スライドベアリング）
Relation between bearing gap and water flow.
( Y-axis slide bearing)

本装置では，超純水を潤滑流体として使用することにより，加工液中への設置を可能にしたが，超純水の供給量に制限のあることから，最小限の流量で目標の性能を達成することが要求された．すなわち，最小の軸受すきまにするための最適設計と，高精度の加工，組立て，調整技術

52

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)

資料−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−30
計算値
流量，R／min

実測値
2010050100

給水圧力，N/F

図13 給水圧力と流量の関係（Ｙ軸静圧ねじ）
Relation between supplying water pressure and water flow.
( Y-axis hydrostatic screw)
図14 〜図16 に開発した主な要素部品の外観状況を示す．潤滑流体の特異性を考慮した静圧

図16 静圧ねじ（ねじ：SUS製，ナット：アルマイト処理アルミ製）
Hydrostatic screw

10．制御装置

ポケット部の形状や，角度剛性を持たせるためのポケットの配置など種々の工夫が施されている．

図 17 に制御ブロック図を示す．前加工での計測データから変換された速度データを基に加工プログラムを自動的に作成し，ＣＮＣに移動指令を送るが，この時，データの途切れによる機械の停止が起こらないようにパソコンで制御するなど工夫を施した．
前加工での計測データ（速度データ）
DOS/Vパソコン（PC/AT互換機）

計測データ
変換プログラム
NC制御装置自動プログラム

図14 主軸とサポートベアリング（セラミック製）
Spindle and support bearing

EEM加工機本体制御盤

DNC運転（高速シリアルバス）
CNC: Computer numerical control

CNC制御
シリーズ160−MC

サーボアンプ

Ｘ軸モータ
Ｙ軸モータ
θ軸モータ

シーケンス制御PMC−PB5
A2US

スピンドルアンプ

スピンドルモータ

操作パネル
セ ン サ 等加

図15 Ｘ−Ｙスライドベアリング（セラミック製）
X-Y slide bearing

純水再精製ユニット制御盤

工槽

加工液貯蔵タンク（バルブ・ポンプ等の制御盤・操作盤兼用）
静 圧 ポ ン プ

純水ろ過装置制御盤

ろ 過 装 置

図17 制御ブロック図
Block diagram

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)53

−高出力レーザ用ミラーの加工のための数値制御EEM加工機の試作研究−

資料

また，機械本体以外に，加工槽内圧力制御や静圧システム圧力制御なども同時に行うことができる．

11．おわりに開発した各要素を組み合わせることにより，超純水加工液で満たされた密閉系の加工槽内に数値制御ステージ全体を設置するという，世界に例のない加工システムの試作に成功した．この成果は，当社の加工技術と静圧・動圧軸受の研究開発で培ちかってきた技術を結集したものである．現在，装置は大阪大学のウルトラクリーンルームで稼動されており，例えば槽内の有機物分子濃度が20ppb以下の値を示すなど，所期の目標を達成している．実際の加工結果については，今後の大学での成果を待ちたい．
最後に，本試作研究にあたりご指導ご協力を頂きました大阪大学，京都工芸繊維大学の先生方，ならびに科学技術振興事業団の関係者の方々に深く感謝致します．

参考文献
１）森 勇藏，安武 潔，遠藤勝義，山内和人：次世代を担う原子・電子レベルの先端技術，精密工学会誌，vol. 62, no.６
（1996）
769．

筆者

平岡大治*
D. HIRAOKA*

浜崎耕二**
松村謙次郎***
K. HAMASAKI K. MATSUMURA

総合技術研究所
軸受研究開発部

基礎技術開発センター**

軸受事業本部 生産技術センター
生産技術開発部*** 軸受事業本部 生産技術センター
生産技術部

54

KOYO Engineering Journal No.155 (1999)