超精密ダイヤモンド工具切れ刃形状の非接触式超高速計測法に関する研究

本研究では, 加工機上における工具形状測定の実現を目的とし, 超高速高分解能形状測定に適用する光学プローブを提案した. 研究開始時の研究目標を(1)ナノレベルの測定分解能(2)1mm以上の広測定範囲および(3)AFMを用いた手法に比べて格段に速い1分以内での迅速測定の実現と定め, 以下の通りTaskを策定して研究を遂行した.Task1 : 工具形状評価手法の創案Task2 : 波動光学解析基づく高精度輪郭測定法の確立Task3 : 光学プローブの製作と加工機上への応用に伴うアルゴリズムの確立とソフトウェア開発Task1では, 回折限界まで絞ったレーザスポットを含む光学プローブと, このレーザスポットを工具の輪郭付近にて工具の刃先輪郭形状に沿って走査する機構を備えた, 工具形状評価機構を開発した. 工具によって一部を遮られたレーザを光検出器で受光しつつ, レーザスポット制御軌跡と受光量から工具の輪郭を評価を実施した. Task2としては, 回折光学に基づく解析計算から提案手法の測定限界を検討するとともに, 測定結果の信頼性を高めた. また, Task3では, 測定精度劣化の原因となる周囲環境からの電磁場による影響や加工機の機械振動の影響を低減するため, これらの補正機構を含んだ光学設計を実施するとともに, 光量変化信号を安定して捕捉する補正アルゴリズムを確立した. この結果, 課題開始時の目標を超える高分解能(10nm)を実現した. 更に, 開発の装置を実際の加工工具の形状測定に適用し, 3.5mmの測定距離を目標時間1分以内で測定できることを確認した. この結果は, 工具刃先の欠損を迅速に発見し適切な交換時期の検出を実現するのみならず, 工具の形状測定結果を参照した補正加工の応用にも適用できるものであり, 重要な成果である.更に, 工具走査精度を補う測定装置として, 既製作した光学プローブと同光軸を持つ白色干渉計を含んだ, 新しい測定システムを提案した. 新な測定システムの導入は光軸方向の走査精度を高めただけではなく, すくい面の3D形状測定も可能にした.

本研究では, 加工機上における工具形状測定の実現を目的とし, 超高速高分解能形状測定に適用する光学プローブを提案した. 研究開始時の研究目標を(1)ナノレベルの測定分解能(2)1mm以上の広測定範囲および(3)AFMを用いた手法に比べて格段に速い1分以内での迅速測定の実現と定め, 以下の通りTaskを策定して研究を遂行した.Task1 : 工具形状評価手法の創案Task2 : 波動光学解析基づく高精度輪郭測定法の確立Task3 : 光学プローブの製作と加工機上への応用に伴うアルゴリズムの確立とソフトウェア開発Task1では, 回折限界まで絞ったレーザスポットを含む光学プローブと, このレーザスポットを工具の輪郭付近にて工具の刃先輪郭形状に沿って走査する機構を備えた, 工具形状評価機構を開発した. 工具によって一部を遮られたレーザを光検出器で受光しつつ, レーザスポット制御軌跡と受光量から工具の輪郭を評価を実施した. Task2としては, 回折光学に基づく解析計算から提案手法の測定限界を検討するとともに, 測定結果の信頼性を高めた. また, Task3では, 測定精度劣化の原因となる周囲環境からの電磁場による影響や加工機の機械振動の影響を低減するため, これらの補正機構を含んだ光学設計を実施するとともに, 光量変化信号を安定して捕捉する補正アルゴリズムを確立した. この結果, 課題開始時の目標を超える高分解能(10nm)を実現した. 更に, 開発の装置を実際の加工工具の形状測定に適用し, 3.5mmの測定距離を目標時間1分以内で測定できることを確認した. この結果は, 工具刃先の欠損を迅速に発見し適切な交換時期の検出を実現するのみならず, 工具の形状測定結果を参照した補正加工の応用にも適用できるものであり, 重要な成果である.更に, 工具走査精度を補う測定装置として, 既製作した光学プローブと同光軸を持つ白色干渉計を含んだ, 新しい測定システムを提案した. 新な測定システムの導入は光軸方向の走査精度を高めただけではなく, すくい面の3D形状測定も可能にした.