ガラス材のナノプレシジョン・メカニカルファブリケーション

電解電源
ELID用研削液
供給ノズル
光学素子のナノプレシジョン・
メカニカルファブリケーション
メタルボンド
砥石
(+)
(-)
（−）電極
ブラシ
(+)
(-)
大森 整
クーラント（研削液）ノズル
独立行政法人 理化学研究所
基幹研究所
大森素形材工学研究室
ELID鏡面研削法の基本原理図
ELID鏡面研削法の基本原理図
Ground Surface Quality
電極
導電性加工液を供給
ダイヤモンド砥粒
目立て完了
メタルボンド
電解ドレッシング前
電解溶出層
電解ドレッシング後
電解ドレッシングによる砥石表面状態の変化
１０
Roughness Ｒy（μｍ）
(-)
(+)
ワーク
＃１２００
＃４０００
１
＃８０００
＃３００００
０．１
＃１２００００
０．０１
０．００１
１００(150
μm) １０００(15
μm) １００００(1.5
μm) １０００００(0.15
μm)
１００(150μ
１０００(15μ
１００００(1.5μ
１０００００(0.15μ
Grinding wheel mesh（
mesh（mean grain size）
size）
Monocrystalline
silicon
1000nm
Brittle mode
Boundary
Ductile mode
100nm
1
Components of ELID grinding system
Iron Based Bonded SuperSuper-abrasive Wheel
１ｍ溶融石英ミラーの加工特性
ELIDELID-ground fused silica
mirror measuring 1m in length
Grinding Wheel
Grinding surface
ELIDELID-Technique
Mirror Surface Grinding
Efficient Grinding
Grinding Fluid
Power Supply
Direct Current
Pulse Generator
Electrode
http://www.nexsys.org
Chemical Solution
Type Fluid
*NEXSYS (RIKEN Venture) Licensed by RIKEN
500L単結晶シリコンシリンドリカルミラーのELID研削加工
放物面ミラー（ゼロデュア）の超精密ELID研削
パラレル研削
Y軸
Z軸
C軸
砥石
ワーク
電極
ツルアー
＜研削条件＞
砥石回転数：1000rpm(砥石径f305mm)
送り速度:2000mm/min
送りピッチ(ｍｍ/pass) ＃325 ＃1200 ＃4000 ＃4000仕上
X軸方向：
1
1
0.5
0.25
Y軸方向：
1
1
1
0.5
切り込み(mｍ)：
20∼2 0.5
0.2
0.1
＜ELID条件＞
無負荷電圧(Eo):90V, 最大電流(Ip):16A
パルス幅(ton, off):4/3ms, 波形：矩形波
脆性モード研削面
粒度#1200（×245倍）
X軸
延性モード研削面
加工後のゼロデュア
放物面鏡
粒度#3000（×245倍）
2
ソリッドイマージョンミラーの加工
ラマン分光分析用放物面鏡
Polisher
Work
砥石
Rotary table
加工前
ワーク
ElectroElectro-Forming Method
電極
Master produced by ELID
Coolant
Rotary table
加工後
ウォルターミラープレス成形用金型加工
Work
Electrode
Wheel
Electroplated mirror
mirror
Electroplated
数値計算によるSiCミラーの補正加工
超精密大型加工機
0.00E+00
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
-2.00E-04
研削ｽﾋﾟﾝﾄﾞﾙ
-4.00E-04
-6.00E-04
-8.00E-04
-1.00E-03
-1.20E-03
-1.40E-03
f80mm焼結SiCミラーワーク
非球面多重薄板型X線反射鏡
0
10
20
30
40
50
60
ave
砥石の加工軌道（3Dイメージ）
金型
放電ﾂﾙｰｲﾝｸﾞ装置
通常の研削結果（ULG）
PV ： 741.292[nm]
rms : 339.979[nm]
数値計算導入-結果①
数値計算導入-結果②
PV ： 195.800[nm]
rms : 26.391[nm]
PV ： 67.706[nm]
rms : 10.574[nm]
実験に使用した超精密研削機 ULG-100(H3)
3
中性子物質レンズ加工
Air-spindle
S5
Wheel
S4
20
15°
Neutron
beam
中性子線
15°-24分割
ELID Electrode
99
R40
φ2500
λ＝１４Å neutron beam:
ｎ＝ ５０ ［lenses］
中性子フレネルレンズ
Neutron fresnel lens
Ｌ＝５．７８９×１０ ［ｍｍ］
φ1500
φ2000
Neutron Refractive Lens
Extreme Universe Space Observatory (EUSO)
20
55
R25
Work
S2
S1
Mold die for hot hydraulic press
Focus
焦点
n ｎ個
(lenses)
（ａ）
Traverse
トラバース研削
grinding
(a) traverse
grinding
焦点距離
Focal
length
Ｌ
（ｂ）
プランジ研削
Form
grinding
(b) plunge
grinding
Grinding Method for Neutron Refractive Lens
超精密４軸同時制御による金型加工
Overview of the ground fresnel lens
ナノ精度光学素子金型加工の例
フレネルレンズ金型（ニッケル）加工
ナノ精度光学素子金型加工の例
非球面レンズ金型（無酸素銅）加工
単結晶ダイヤモンドバイト
PV 47nm
100μm
レーザー干渉計（ZYGO）による測定結果
4
Micro VV-groove Machining
微細光学素子金型加工例 【Ｖ-Grooves】
Diamond Tool
C-axis
Work
Ｚ
Work
Ｙ
Ｙ
Ｚ
250nm
Diffraction grating mold
Ｘ
Ｘ
250nm
570nm
Cutting tool
Top radius must be
< 50nm
Work
Diffractive parts
1000nm V-groove
500nm V-groove
250nm V-groove
1.72
R30
3
100nm
230nm
超精密加工事例 【三次元複雑形状】
Micro Curved Groove Machining
４５°
μｍ
Ultrafine Ｖ-groove accuracy
Strongly depends on Top radius of tool
[μｍ]
20
∼10μm
マイクロレンズアレイ
三次元形状
∼20μm
Micro pin (Φ10μm)
100μm
マイクロ針金型
マイクロ流路
5
100μm
切削方向
ELID grinding of aspheric glass lens using
developed 4-axes desk-top machine
Work; Silica glass
Lens diameter; 50mm
Grinding wheel; #1200
Work
Wheel
Before
硬質・脆性材料の超精密／マイクロ切削
After
Independent Administrative Institution
Micro-lens mold grinding
on desktop system #20000
Machined samples using developed 4-axes
desk-top machine
#4000
Before
Before
Fresnel lens
Concave mirror
（cemented carbide）
SD4000
After
0.6mm
Before
Machining
After
Micro-lens array
Cemented carbide alloy
(#12000, Ra1.4nm)
Convex lens（BK7）
SD4000
6