JP2005177943A

JP2005177943A - 表面加工機

Info

Publication number: JP2005177943A
Application number: JP2003424297A
Authority: JP
Inventors: Tomoe Chisera; 知恵千善良
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】ピエゾ圧電効果素子を用いて、被加工材に正確に、かつ高速に凹凸を形成することが可能な表面加工機を提供する。
【解決手段】駆動用ピエゾ圧電効果素子の通電開始点（Ｓ点）から所定時間Ｔが経過したＲ点までは検出用ピエゾ圧電効果素子から出力される信号を処理せず、所定時間Ｔが経過して加工具の先端が被加工材の表面に接して生じる信号を表面検出信号Ｍとして処理する。これによって、閾値Ｌを設定してそれより低い値の信号をカットする方式に比べて、検出精度を上げることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工機に関するものである。

例えば、表面に数百μｍ〜数十μｍの微細な凹みまたは凸形状を多数形成した金属薄膜は、入射した光を効率的に反射させることができるので、液晶表示装置の反射膜として利用されている。このような反射膜は、微細な凹みを象ったローラ状の母型を樹脂層上で回転させて押し付け、微細な凹みが形成された樹脂層上に金属薄膜を積層して作られる。こうした微細な凹みを象ったローラ状の母型を作成する際には、ローラ状の被加工材を回転させつつ、先端が尖った加工具を断続的にこの被加工材に押し付けて、被加工材の表面に微細な凹みを形成する。
特開平１０−４７９１６号公報

被加工材の表面に凹みを形成する表面加工機は、様々な厚みの被加工材の表面位置を検出した後、この表面位置に基づいて所定の位置まで正確に凹みが形成される。このような表面加工機として、加工具を駆動するための駆動用ピエゾ圧電効果素子と、被加工材の表面位置を検出するための検出用ピエゾ圧電効果素子とを備えた表面加工機が考えられている。加工具を駆動する手段としてピエゾ圧電効果素子を用いることによって、被加工材の表面に高精度に凹みを形成することができる。

上述したような表面加工機では、被加工材の表面位置を検出する際に、加工具を駆動する駆動用ピエゾ圧電効果素子の動作開始時に生じる振動ノイズを検出用ピエゾ圧電効果素子が拾ってしまうという問題があった。このため、検出用ピエゾ圧電効果素子から出力される信号のうち、駆動用ピエゾ圧電効果素子の動作開始時に生じるノイズの最大値よりも大きな信号だけを表面位置検出信号とする、いわゆる閾値を設定して被加工材の表面位置を検出していた。

しかしながら、このようなノイズの最大値を閾値として、閾値以上の大きさの信号だけを表面位置の検出信号とすると、表面位置の検出精度が低下し、表面位置を高精度に検出することが困難であった。また、こうした駆動用ピエゾ圧電効果素子の動作開始時に生じる振動ノイズは、高速駆動させるほど大きくなるので、被加工材の表面に多数の凹みを正確に、かつ高速に形成することが困難であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ピエゾ圧電効果素子を用いて、被加工材に正確に、かつ高速に凹凸を形成することが可能な表面加工機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に１つずつ形状を制御された凹凸を形成する表面加工機であって、前記加工具の先端の移動方向と同軸上に形成され、前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことを検出する検出用ピエゾ圧電効果素子と、前記検出用ピエゾ圧電効果素子に隣接して形成され、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する駆動用ピエゾ圧電効果素子とを備え、前記検出用ピエゾ圧電効果素子は前記駆動用ピエゾ圧電効果素子の駆動開始から所定時間経過後に検出を開始することを特徴とする表面加工機が提供される。

本発明の表面加工機によれば、駆動用ピエゾ圧電効果素子の通電（駆動）開始から所定時間が経過するまでは検出用ピエゾ圧電効果素子から出力される信号を処理せず、所定時間Ｔが経過してから生じる信号を表面検出信号Ｍとして処理するので、閾値を設定してそれより低い値の信号をカットする従来の方式に比べて、検出精度を上げることができる。

そして、駆動用ピエゾ圧電効果素子の通電開始から所定時間Ｔが経過するまで、検出用ピエゾ圧電効果素子からの出力を表面検出信号として処理しないことによって、駆動用ピエゾ圧電効果素子の駆動開始に伴って検出用ピエゾ圧電効果素子に生じるノイズを表面検出信号から確実に除外することができる。これにより、被加工材に正確に、かつ高速に凹凸を形成することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の表面加工機の概略を示す説明図である。表面加工機１０は、被加工材９に加工を行う加工部１１と、この加工部１１を制御する制御部１２に大別される。加工部１１は、案内軸１３の長手方向（図中Ｘ方向）に沿って移動体１４を移動させる移動装置１５と、被加工材９を保持する回転チャック１６を回転させる回転装置１７とからなる。

移動装置１５を構成する移動体１４には、ステッピングモータ１８（或いはサーボモータ）を介して駆動ユニット１９が取り付けられている。ステッピングモータ１８は駆動ユニット１９を上下動させて、大まかな位置決めを行う（粗動位置決め装置）。

移動体１４の一端には原点標識２５が形成されると共に、この原点標識２５を検出するＸ軸原点センサ２６が形成される。或いはまた、被加工材９の軸上のある１点（有効使用部でない場所）に原点用の点加工がされる方法であってもよい。この方法は、加工材上に形成されるので、精度の点で更に有利である。この原点標識２５およびＸ軸原点センサ２６によって、移動体１４を移動装置１５の原点位置に戻すことができる。または、原点センサがなく、移動体１４の絶対位置決め移動にて原点位置に戻すこともできる。

駆動ユニット１９は、加工具押圧手段を成す駆動用ピエゾ圧電効果素子２１と、被加工材９の表面を検出する検出用ピエゾ圧電効果素子２２と、先端が所定形状に形成された加工具２３とから構成される。こうした駆動ユニット１９の作用は後ほど詳述する。

回転装置１７と係合した回転チャック１６は被加工材９を保持し、被加工材９を図中θ方向に回転させる。回転装置１７の一端には原点標識２７が形成されると共に、この原点標識２７を検出するθ軸原点センサ２８が形成される。この原点標識２７およびθ軸原点センサ２８によって、回転チャック１６を回転装置１７の原点位置に戻すことができる。また、原点センサ類がなくても、モータ内蔵のスケール信号等で原点位置に戻すこともできる。なお、被加工材９上に原点を加工して検出する場合には、Ｘ軸、θ軸上にそれぞれセンサを置く必要はなく、１つのセンサで両軸を原点に戻すことができる。

制御部１２は、表面加工機１０全体を制御するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１と、信号変換装置、例えばデジタル−アナログ変換部（Ｄ／Ａ変換部）３２と、信号変換装置、例えばアナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）３３と、移動装置ドライバ３４と、回転装置ドライバ３５と、ピエゾ圧電素子駆動ドライバ３８と、粗動位置決め装置ドライバ３９とから構成されている。

Ｄ／Ａ変換部３２は、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に制御信号を送出する。Ａ／Ｄ変換部３３は、被加工材表面の検出用ピエゾ圧電効果素子２２から出力された検出信号をＤ／Ａ変換部３２にフィードバックする。移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５、粗動位置決め装置ドライバ３９は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１からの命令に応じて移動装置１５、回転装置１７、ステッピングモータ１８（粗動位置決め装置）をそれぞれ制御する。

なお、図１ではＰＣ３１からＤ／Ａ変換部３２、Ａ／Ｄ変換部３３、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５を制御する例を示したが、制御信号のやり取りを高速化するために、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５をマイコン付きのボード化してもよい。

図２は駆動ユニットを示す拡大平面図である。駆動用ピエゾ圧電効果素子（加工具押圧手段）２１は、ピエゾ圧電効果によって通電するとその長さが伸長して、図２中の矢印Ａ方向に加工具２３を１つずつ加工具２３の先端形状に対応した凹部を形成しながら被加工材９に押し付ける。こうした駆動用ピエゾ圧電効果素子２１は、例えば薄いピエゾ圧電効果膜を多数積層して形成した積層型ピエゾ圧電効果素子であり、それぞれのピエゾ圧電効果膜に通電することによって、素子全体で例えばフルストロークで１０〜１００μｍ程度の伸縮を行う。

駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の下面には接続手段４１（例えば硬化型接着材もしくは固定用治具を介しても良いし、その治具には板バネ構造等が含まれていても良い）が固着され、この接続手段４１を介して検出用ピエゾ圧電効果素子２２が駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の下側に取り付けられる。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、僅かに圧縮されるとピエゾ圧電効果によって電圧が発生変化する。これにより、検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧値の変化を監視していれば、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長させて加工具２３が被加工材９の表面９ａに接した瞬間、即ち被加工材９の表面９ａの位置を検出することができる。

このような検出用ピエゾ圧電効果素子２２で被加工材９の表面９ａを検出する際には、後ほど詳述するように、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の駆動開始から一定時間経過した後に検出用ピエゾ圧電効果素子２２が検出を開始する。

こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えばフルストロークで数μｍ、例えば９μｍ程度の伸縮が可能である。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えば薄いピエゾ圧電効果膜を多数積層して形成した積層型ピエゾ圧電効果素子であり、素子全体として数百ｎｍ程度の圧縮で微小電圧変化を観察することが可能である。また、積層されていない素子単体のものでも良い。

検出用ピエゾ圧電効果素子２２の下面には加工具固着手段４２（例えばチャック治具または接着剤）が固着され、この加工具固着手段４２を介して加工具２３が検出用ピエゾ圧電効果素子２２の下側に取り付けられる。加工具２３は、その先端２３ａの形状が被加工材９の表面９ａに対応して形成される微細な凸型を象っており、加工具２３全体は被加工材９よりも大きな硬度を有する硬質な金属、セラミック、ダイヤモンド等で形成されれば良い。

検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、このような加工具２３の先端２３ａの移動軸Ｃ上に形成されている。これによって、検出用ピエゾ圧電効果素子２２は加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接した瞬間を確実に検出することが可能になる。

次に、上述した構成の表面加工機１０の作用を図１及び図３を交えて説明する。いま、被加工材９の表面９ａに深さｄ、例えば１μｍの微細な凹み（ディンプル）６１を形成することを想定する。なお、被加工材９は、例えば図４に示すように、反射型液晶表示装置などに用いられる反射膜４４の表面加工に用いられる母型が挙げられる。反射膜４４は、反射型液晶表示装置の画素４５よりも小さい、極めて微細な凹部４６を表面に多数形成したものである。

こうした反射膜４４を形成する凹部４６は、例えば幅ｔが数μｍ〜数十μｍ程度であり、深さは数百ｎｍ〜数μｍ程度の断面略円形あるいは楕円形の微細な窪みである。こうした凹部４６を多数形成することによって、反射膜４４は入射した光をムラ無く拡散反射することができる。被加工材９は、こうした反射膜４４を製造するにあたって、反射膜４４に凹部４６を与える樹脂膜を形成する工程で、樹脂膜にこの被加工材９を押し当てて表面に凹凸を形成するのに用いられる。

まず、被加工材９への加工を開始するにあたって、回転チャック１６に被加工材９を固定する。次いでパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１から加工準備を命令すると、Ｘ軸原点センサ２６が原点標識２５を検出するまで移動装置１５の移動体１４を動かして、移動体１４を原点位置にセットする。

また、θ軸原点センサ２８が原点標識２７を検出するまで回転装置１７で回転チャック１６を回転させ、回転チャック１６を原点位置にセットする。被加工材９は、例えば円筒あるいは円柱形の金属材であればよい。または、被加工材９を回転チャック１６にセットした状態で駆動ユニット１９により１つの凹部を加工し、それを原点標識としてＸ軸、θ軸をそれぞれ原点に戻しても良い。

回転チャック１６に被加工材９がセットされた状態で、移動体１４および回転チャック１６がそれぞれ原点位置に戻ったら、図３ａに示すように、粗動位置決め装置ドライバ３９をＰＣ３１もしくは手動で操作し、ステッピングモータ１８を動かして、駆動ユニット１９を被加工材９に向けて一定位置まで降下させる。

そして、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を駆動させて加工具２３を被加工材９の表面９ａに向けて降下させる。この駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の駆動開始から所定時間経過した後、検出用ピエゾ圧電効果素子２２からの検出信号を有効にする。

やがて、図３ｂに示すように、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接すると、検出用ピエゾ圧電効果素子２２は僅かに圧縮され、圧電効果によって電圧値が変化する（表面位置検出工程）。検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧値の変化は、加工具２３の先端２３ａの表面検出信号ＭとしてＡ／Ｄ変換部３３に出力される。

Ａ／Ｄ変換部３３に検出用ピエゾ圧電効果素子２２から表面検出信号Ｍが入力されると、Ａ／Ｄ変換部３３は直ちにＤ／Ａ変換部３２に駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の停止を要求する。Ｄ／Ａ変換部３２は駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を停止させ、駆動ユニット１９の降下を止める。

検出用ピエゾ圧電効果素子２２および駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の駆動開始からの信号波形を図６に示す。駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に通電を開始（Ｓ点）すると、駆動用ピエゾ圧電効果素子の波形を示すＡは駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の伸長に伴い変化するが、検出用ピエゾ圧電効果素子２２の波形を示すＢには、この駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の伸長開始にともなうノイズＮが発生する。

こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２に生ずるノイズＮは、従来はノイズＮの最大値よりも大きい閾値Ｌを設定して、この閾値Ｌよりも大きい信号だけを検出用ピエゾ圧電効果素子２２の表面検出信号として処理していた。しかし、本発明では、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の通電開始点（Ｓ点）から所定時間Ｔが経過したＲ点までは検出用ピエゾ圧電効果素子２２から出力される信号を処理せず、所定時間Ｔが経過して加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接して生じる信号を表面検出信号Ｍとして処理する。

これによって、閾値Ｌを設定してそれより低い値の信号をカットする方式に比べて、検出精度を上げることができる。そして、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の通電開始点（Ｓ点）から所定時間Ｔが経過するまで、検出用ピエゾ圧電効果素子２２からの出力を表面検出信号として処理しないことによって、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の駆動開始に伴って検出用ピエゾ圧電効果素子２２に生じるノイズＮを表面検出信号から確実に除外することができる。

こうして加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに僅かに接した状態で、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに僅かに接した位置を高さ方向原点位置として規定する。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は検出用ピエゾ圧電効果素子２２によって検出された原点位置を基準にして、加工具２３が被加工材９を穿つのに必要なストロークｘを開けるため、粗動位置決め装置ドライバ３９にステッピングモータ１８（或いはサーボモータ）の駆動を要求する。

図３ｃに示すように、ステッピングモータ１８は駆動ユニット１９を上昇させ、加工具２３の先端２３ａと被加工材９の表面９ａとの間にストロークｘを開ける。このストロークｘは例えば数μｍ〜１０数μｍ程度に設定されれば良い。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１には、凹み（ディンプル）６１を形成する際のＸ軸、θ軸それぞれの駆動ピッチやスピード、またそのタイミングや回数等のパラメータをメモリしておき、ピエゾ圧電素子駆動ドライバ３８、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５をそれぞれ同期させて駆動できるようにしておく。また、同時にＤ／Ａ変換部３２に駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の駆動スピード、凹みの深さ等に関わるパラメータを記憶させておき、Ａ／Ｄ変換部３３に検出用ピエゾ圧電効果素子２２のトリガ電圧を記憶させておく。以上で、被加工材９に凹み（ディンプル）６１を形成する際の準備工程は完了する。

この後、表面加工機１０が加工作業を開始すると、図３ｄに示すようにＤ／Ａ変換部３２は駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に通電して「深さｄ＋ストロークｘ」だけ駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長させる。

これによって、加工具２３の先端２３ａは被加工材９の表面９ａに達し、この時、検出用ピエゾ圧電効果素子２２から圧電効果による電圧信号が発せられ、Ａ／Ｄ変換部３３を通じてＤ／Ａ変換部３２にトリガを立て、その後、所望のディンプル深さ分、更に駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長することにより、被加工材９には任意の所望深さｄの凹み（ディンプル）６１が形成される。

パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は、回転装置ドライバ３５を介して回転装置１７を制御して、回転チャック１６を図１中θ方向に所定のピッチづつ回転させる。これを同時または一方づつおこなうことにより、被加工材９には、所定ピッチ毎に深さｄの凹み６１が、略螺旋状、Ｘ軸方向平行線状、θ軸方向平行線状等、種々のパターンで形成できる。

被加工材９上を原点から所定の距離まで加工すると、移動体１４と回転チャック１６をＸ軸原点センサ２６とθ軸原点センサ２８とでそれぞれ原点位置に戻し、所定のピッチだけそれぞれずらした位置から異なるパラメータでの加工を行い、この工程を繰り返すことによって、円筒形の被加工材９には全周面に渡って多数の微細な凹み６１を精度よく形成できる。

なお、こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２を利用して、表面加工機１０の回転チャック１６に被加工材９を固定する際に中心からのズレを検出して、加工時のズレ補正を行うこともできる。被加工材９に高精度に凹み６１を形成する際には、回転チャック１６の回転中心に正確に被加工材９を固定して、回転中に被加工材９がブレの無いようにする必要がある。

こうした被加工材９の中心出しを行う際には、図５ａおよび図５ｂに示すように、例えば被加工材９の円周方向θを４５°づつ区切って順に０°＝ａ，４５°＝ｂ，・・・３１５°＝ｈとする。また、被加工材９のＸ軸方向を一定長さで区切って順に例えばＸ１，Ｘ２・・・Ｘ６，Ｘ７として、被加工材９の全周面にＸ１−ａ，Ｘ１−ｂ・・・Ｘ７−ｇ，Ｘ７−ｈというふうに等角度、等間隔で測定点を設定する。

そして、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接触した時に生じる検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧変化を利用して、一定高さまで引き上げた加工具２３を、上述した各測定点Ｘ１−ａ，Ｘ１−ｂ・・・Ｘ７−ｇ，Ｘ７−ｈで降下させて、それぞれの測定点での被加工材９の表面９ａまでの加工具２３の降下量を測定する。

図５ｃに示すように、縦軸に被加工材９の円周方向θ、横軸に被加工材９のＸ軸方向として、こうした各測定点での降下量を表で表すと、被加工材９の中心Ｃと回転チャック１６の回転中心とのブレを容易に把握することができる。こうして得られた被加工材９の取り付けブレのデータに基づいて、被加工材９の加工時に、ステッピングモータ１８を予め設定した基準値からブレ量に応じて増減することによって、被加工材９には設定した所定の深さの凹部を正確に形成することが可能になる。

なお、上述した実施形態では、被加工材に加工を施すための駆動用ピエゾ圧電効果素子２１と、被加工材の表面を検出する検出用ピエゾ圧電効果素子２２と２つのピエゾ圧電効果素子を備えているが、こうした２つのピエゾ圧電効果素子を兼用して、１つのピエゾ圧電効果素子で被加工材に加工を施すため伸長と、被加工材の表面を検出とを行ってもよい。

本出願人は、本発明の表面加工機を検証した。まず、ピエゾ圧電効果素子の移動時間と移動距離について、駆動速度を１０ｍｍ／ｓ，５０ｍｍ／ｓ，１００ｍｍ／ｓのそれぞれに検証した結果を図７に示す。また、ピエゾ圧電効果素子の駆動サイクル時間と、それによって可能な凹部の加工ピッチとの関係を図８に示す。これらの結果から、凹部の加工ピッチの制約を回避するには、ピエゾ圧電効果素子の駆動サイクル時間を短くするほうが好ましいことが判明した。

一方、図９に、ピエゾ圧電効果素子の駆動サイクル時間と衝撃ノイズとの関係を測定した結果を示す。こうした結果によれば、早いサイクル（例えば０．８１９μｓ）で加工を行うには、従来は深い凹部（例えば０．８μｍ）しか形成できなかったが、本発明によれば、浅い凹部（例えば０．５μｍ）の加工も可能になることが判明した。こうした浅い凹部の加工が可能になれば、反射板の設計における凹部の深さ制限を軽減して、より反射性能に優れた反射板を製造することが可能になる。

図１は、本発明の表面加工機の概要を示す説明図である。図２は、図１に示す表面加工機の駆動ユニットの拡大平面図である。図３は、本発明の表面加工機の作用を説明する説明図である。図４は、被加工材によって形成される反射膜の一例を示す平面図である。図５は、本発明の表面加工機を用いて被加工物の中心出しを行う際の手順を説明した説明図である。図６は、各ピエゾ圧電効果素子の波形を示す説明図である。図７は、本発明の表面加工機の検証結果を示すグラフである。図８は、本発明の表面加工機の検証結果を示すグラフである。図９は、本発明の表面加工機の検証結果を示すグラフである。

符号の説明

９被加工材
９ａ表面
１０表面加工機
１８ステッピングモータ
２１駆動用ピエゾ圧電効果素子（加工具押圧手段）
２２検出用ピエゾ圧電効果素子
２３加工具
２３ａ先端
６１凹み（ディンプル）

Claims

加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工機であって、
前記加工具の先端の移動方向と同軸上に形成され、前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことを検出する検出用ピエゾ圧電効果素子と、前記検出用ピエゾ圧電効果素子に隣接して形成され、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する駆動用ピエゾ圧電効果素子とを備え、
前記検出用ピエゾ圧電効果素子は前記駆動用ピエゾ圧電効果素子の駆動開始から所定時間経過後に検出を開始することを特徴とする表面加工機。