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砥粒加工学会誌<12 回連載 ショートレクチャー>

若手技術者のための研削工学（第 12 回）曲面の創成と切断および複合研削
奥山繁樹 （防衛大名誉教授）

１． はじめに

一方，曲率半径がさらに大きい曲面の場合には，横前回のレクチャーでは，研削加工の高能率化・高精軸角テーブルタイプの超精密 CNC 研削盤と， R 付き度化を目指した取り組みの概要とその具体例を紹介し（縁形がドーナツ状の）砥石を用い，同時 2 軸制御してたが，曲面の創成や微細加工には触れることができな創成することが多い．しかしこの方法では，砥石の輪郭かった．そこでまず，これらの超精密研削加工について精度が加工精度に直接影響する．これを防ぐため，工簡単に述べる．

作物をチルト（傾斜）させて常に砥石の最下点で加工で一方，研削加工にはこれまで取り上げていない，心きるように，同時 3 軸制御する方式が採用されることもなし研削，歯車研削，研削切断などがあり，固定砥粒ある．

加工全般に目を向ければ，超仕上げ，ホーニング，固２．２ 微細・複雑形状の創成

定砥粒研磨などもあって，それぞれの機能・特性が生近年，光通信用の光学デバイス，光ディスク用のピッ産加工に生かされている．ここでは紙面の都合で，精クアップレンズなどの微細化，複雑形状化が進められて密切断の代表例である，シリコンインゴットなどのスライいる．生産性向上のため，微細プラスチックレンズは射シングとダイシングを取り上げ，その概要を述べる．

出成形法で，微細ガラスレンズは高硬度の金型を用いさらに，研削加工の高能率化・高機能化のために，たガラスプレス法によって量産される．このため，微細レ電解，放電，超音波振動など他の加工エネルギを援用ンズ金型の研削加工がキーテクノロジーになっている.

した加工法が開発され，実用に供されている．そこで最(a) マイクロ非球面金型の超精密研削

後に，電解研削，放電研削および超音波研削の概要を述べて，このシリーズを閉じることにしたい．

近似曲率半径が 2mm より小さい凹面の場合には，図 1 に示した方法では加工が難しい．このため，図 2に示すように砥石軸を工作物の回転軸に対して 45° 傾２．微細曲面などの超精密研削けて研削する，斜軸研削法が採用される．このとき，非２．１ 軸対称非球面の創成常に小さい砥石が用いられるので，砥石を高速回転さレンズの収差を抑制し，かつレンズ枚数を減らすために，非球面光学部品が用いられる例が多い．
軸対称非球面のガラスレンズやその金型を創成する

砥石頭
砥石
工作物

場合，図 1 に示すように下に向けた砥石頭を前後（X 軸）送り台上に設置し，ワーク主軸（C 軸）を左右（Z 軸）送り台に設置して，（X ･Z ）同時 2 軸制御して研削加工することが多い．近年では 1nm 分解能の非球面加工機が市販され，非球面レンズやその金型の超精密加工が行

ワーク主軸
（C 軸）

Y軸

X軸

砥石＋Z軸

工作物の水平断面われている．仕上げ加工には，レジノイドボンドの微粒ダイヤモンドホイールが用いられることが多い．

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図 1 軸対称非球面金型の研削法

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砥粒加工学会誌

45200 m500 m

図3 マイクロダイヤモンドホイールのSEM写真（左）と超硬合金製マイクロ非球面金型のSEM写真（右）図 2 マイクロ非球面金型の研削法
研削砥石

せることによって周速度をかせぐ必要がある．そこで，主軸回転数が 1.5×105 rpm に達するような空気静圧軸受が用いられる．空気静圧軸受が採用できるのは，切込みと，砥石と工作物の接触長さが微小で，研削抵抗がごくY小さいためでもある．

Y

図 3 は，鈴木らが近似曲率半径および有効径が約工作物

250μm の超硬合金製非球面レンズ金型を，300m のレジノイドボンド・ダイヤモンドホイールを用いて加工した例である．このような方法によって，いわゆるマイクロX

ZZX

図 4 （Y, Z）同時 2 軸制御によるマイクロ
フレネル形状の研削法

非球面のレンズ金型を超精密加工できる．
(b) フレネルレンズ金型の超精密研削
フレネルレンズは，通常のレンズを同心円状に分割して厚みを減らしたもので，のこぎり状の断面を有する．
これにより，非球面コンデンサ（集光）レンズなどを小型10m軽量化できる．

500m

図 4 に示すようなナイフエッジ状の断面を有する砥

イドボンドの微粒ダイヤモンドホイールを，粒度 F200 のダイヤモンドホイールを用いて機上でナイフエッジ状にツルーイングし，その先端を用いて図 5 に示す形状の金型を高精度に創成している．

[μm]

レンズ金型の加工を行うことができる．鈴木らは，レジノ

形状精度：0.1μm P-V

断面形状

石を用い，（Y ･Z ）軸を同時 2 軸制御することでフレネル-4.2

0

半径位置

4.2[mm]図 5 創成したフレネルレンズ金型の SEM 写真とその断面形状

３．スライシングとダイシング
ダイヤモンドブレード

ここでは，電子デバイス用の単結晶インゴットなどを薄く切断するスライシングについて述べる．比較的小さいインゴットのスライシングには，薄いディスク状の外周刃あるいは内周刃が用いられる．図 6 は外周刃を用いたスライシングの様子を模式的に示したもので，工具にインゴットは直径 50～100mm，厚さ 50～200 m 程度のダイヤモンドブレードが用いられる．ブレードはフランジで固定

図 6 外周刃を用いたスライシングの概要

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砥粒加工学会誌する必要があるため，ブレード径の 1/3 程度の工作物まマルチワイヤソーでしか切断できない．
さらに大きいインゴットの切断には，マルチワイヤソーが用いられる．図 7 は，ダイヤモンド電着ワイヤによるス工作物

ライシングの様子を模式的に示したものである．平行に巻き付けられた複数のワイヤ（マルチワイヤ）を作用させ工作物ることで多数のウェハを一度に切り出せる．なおワイヤソワイヤーによる切断には，砥粒を電着していないワイヤに砥粒の懸濁液を作用させる方法もあり，広く用いられているが，電着ワイヤを用いた方が加工能率は高い．
ダイシングは，わずかに刃の突き出た薄刃砥石（複ワイヤ固定砥粒固定砥粒図 7 マルチワイヤソーによるスライシングの概要

数刃のものが多い）を用いて試料を小片に切りそろえたり，ウェハを矩形チップに切り離したりする加工法である．
ウェハ上の電子回路パターンの間に設けられる切りしろは 100m に満たないことも多い上に，歩留まりと加工能率に対する要求も厳しい．このため，ダイシング装置には切りしろが努めて狭く，位置決めと運動精度が高く，かつ切断速度が早いことが求められる．
近年は，さらなる歩留まりと生産性向上のために，レーザ加工によるダイシングも行われている．
４．複合（援用）研削
研削加工は，運動転写を基本とした加工法であるの

図 8 電解平面研削における仕上げ面の創成モデル

で高い形状精度が期待できる反面，超硬合金などの難削材の加工能率に課題がある．一方，電解加工や放削抵抗の減少，③研削比の増加，④残留応力の減少，

電加工は導電性があればほとんどの材料を加工できる⑤焼けやバリの消滅などである．このため，超硬合金製ものの，仕上げ面の粗さや形状精度に難がある．そこ工具の加工や，ステンレス製注射針先端のバリのないで両者の利点を生かす複合研削法が開発・実用化さ加工などに用いられる．

れている．一方，超音波振動を付加（援用）することによ一方電解研削では，⑥ 高価な専用機が必要になる，って，加工の能率や精度を高めようとする試みもある．

⑦ 電解作用が支配的な条件では，形状精度と仕上面以下，電解研削，放電研削および超音波研削の概粗さが低下する，⑧ 廃棄物の処理コストが増大する，要を述べる．

⑨ 超硬合金表層の Co が溶出して，強度が低下する，

４．１ 電解加工と研削加工の複合化などの課題がある．

導電性工作物を陽極（＋）に，導電性ボンドの超砥

図 8 は，電解平面研削における工作物の除去モデ粒ホイールを陰極（－）とし，両者の間に電解液を流しルを示したもの（小野ら）である．P 点における udは電ながら通電すると，工作物表面が電解されると同時に，解加工の速度ベクトルを，vdは工作物の送り速度ベク

電解生成物の被膜がその表面に生じ，次第に電解速トルを，それぞれ示しており，合ベクトルの方向は P 点度が低下する．電解研削は，電解生成物を砥石の機における仕上げ面の傾きを表している．図の C 点では，械的作用によって除去することで電解作用を活発化さ合ベクトルの方向と砥石外周の接線方向が一致していせることを狙いとしているが，機械的な除去作用と電解る．つまり，C 点よりも左側では電解作用を援用しつつ作用が混在する領域で加工を行う場合もある．

機械的な除去作用が行われるのに対し，C 点よりも右

電解研削の複合効果は，①加工速度の増大，②研46

側では電解作用のみによって加工が行われる．したがJournal of the Japan Society for Abrasive Technology Vol.60 No.1 2016 JAN. 44-47

砥粒加工学会誌って右側に行くほど仕上面の形状精度や粗さが悪くなの間隙に，砥粒と加る．このため，加工の最終段階で電解電源を切り，研削工液を供給することのみによって仕上げることが行われる．

で，超音波研磨をなお，電解加工は研削ばかりでなく，ホーニングやラッピングとの複合化も試みられ，成果を上げている．
４．２ 放電加工と研削加工の複合化

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超音波発振器行うことができる．

磁わい振動子

一方， [Ⅱ] の場

振動拡大
ホーン

合には，汎用の平砥石

振動方向

放電と研削を複合した加工においては，[Ⅰ] 軽質油

面 研 削 盤 と通 常 のや導電性の低い研削液を用いて，文字どおり放電研削研削砥石を用いるこを行う場合と，[Ⅱ] 電解液を用いて電解・放電研削を行とができる．このときう場合とがあるが，ここでは主に前者について述べる．

超音波援用の効果

放電研削の複合効果は，① どちらか単独で加工しは，① 振動の伸長た場合よりも加工速度が増大する，② 導電性があれば時に衝撃力が加わあらゆる材料を加工できる，③ 加工抵抗が減少するのり，加工力が増す，② 振動の収縮時に砥石と加工面ので形状精度が向上し，深穴の内面なども高精度に加工間に隙間が生じ，加工液による冷却・潤滑効果が増す，できる，④ 切りくずが放電によって飛散・消滅し，目詰③切りくずの排出が良くなり，キャビテーションによる洗まりが生じにくい，⑤ 砥石のドレッシング効果があり加浄効果も期待できる，④ 研削抵抗が減少し砥石の寿命工の持続性が高められる，などである．

も伸びる，などである．このため，難削材の切断や溝切一方，電解液を用いて電解･放電研削を行う場合に加工液工作物

図 9 超音波（援用）固定
粒加工の概要り加工などに用いられる．

は，前述の電解研削と同様の課題がある．また電解液を使わない場合にも，⑥ 放電関連の設備を要する，⑦

５．おわりに放電痕によって粗さが増大する，⑧ 加工面に熱損傷が本レクチャーの前段で述べたように，研削における工生じやすいなどの問題点があるが，砥石の損耗が激し作物の除去プロセスは難解で，その理論的な取り扱い

い難削材の加工に古くから用いられている.の基礎となる切れ刃の形状も加工時の刃先位置も不確

一方，放電加工用ワイヤがワイヤガイドに接しているかで，しかもこれらは時々刻々変化する．つまり，現象位置で微細放電加工したり（増沢），砥粒層のない導電を科学的に取り扱う基礎となる加工モデルを作ることさ性ホイールを高速回転させて放電加工したりする方法

え難しい．このため，完全とは言い難い多くの議論がこなどがあり，「放電研削」と呼ばれているが，実態は放電れまで展開されて来た．その意味で，皆さんには懐疑加工そのものであるので注意を要する．の念を持って，このレクチャーを読み返してほしい．ま４．３ 超音波（援用）研削

た，ご自分の目で研削現象をつぶさに観察して，自身超音波研削は，砥石と工作物間の相対運動に超音の考えを育む努力を続けていただきたい．

波振動を重畳させて加工能率を上げようとするもので，最後に，このレクチャーに長きにわたってお付き合い[Ⅰ] 比較的小さい固定砥粒工具を振動させる場合と，いただいた読者諸兄に衷心より感謝申し上げ，本レク[Ⅱ] 研削盤のテーブル上に超音波振動装置を設置し，チャーを閉じることにしたい．

その上に固定した工作物を振動させる場合がある．
図 9 は [Ⅰ] の場合おける加工の様子を示したもので，振動を拡大するホーンの先端に取り付けた砥石に，振＜参考資料について＞
この連載記事の内容の多くは，コロナ社から出版した「機械加工学の基礎」をわかりやすくしたものである．さらなる学習を希望

動数 16~30kHz，振幅 0.03～0.1mm 程度の振動を与えされる読者には，本書を参考にしていただきたい．また本書の対ることによって，砥石形状どおりの穴加工や研磨が行え応部分に，このレクチャーで記述を省略した「参考文献」が記載さる．超音波を援用することで難削材の加工や，加工ひれているので，ご参照いただきたい．一方，近年の本学会誌の掲ずみや熱の影響の少ない仕上げが可能になる．なお

載論文は電子ジャーナル「J-STAGE」にアップロードされており，また過去のものは本会が出版した「DVD アーカイブ全集」にまと本図に示した方式の場合には，工具が砥石である必要められている．いずれも，キーワード検索ができるので，今後の学はなく，耐摩耗性の高い材料で作製した工具と工作物習の参考にしていただければ幸いである．

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