JP2006026864A - 微細加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 極細ドリルなどの微細加工用の回転工具を用いて効率良く微細加工を行うことのできる微細加工装置を提案すること。
【解決手段】 微細加工装置１のスピンドル軸２は、空気静圧式のラジアル軸受５、６およびスラスト軸受７、８によって支持され、ノズル１２を介して供給される一定圧力・一定流量の空気流によって高速回転し、その先端に取り付けた極細ドリル４によってワークＷに微細穴を加工する。極細ドリル４に過負荷が作用してスピンドル軸２が後方に押されて移動すると、その後端側の軸部分２ｂに組み付けた静電容量型のスラストセンサ１５によって、そのスラスト方向の移動が検出される。制御部２０は、センサ出力に基づき過負荷状態であると判別すると、スピンドル軸２の送り、あるいは回転を止めて、極細ドリル４の折損などを未然に防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細穴を加工する微細ドリルなどの微細加工用の回転工具を用いて微細加工を行う微細加工装置に関し、回転工具が過負荷状態に陥って破損するなどの弊害を回避可能な微細加工装置に関するものである。

微細加工、例えば微細な穴あけ加工を行うために用いるドリルは極細であり、穴あけ作業時においてドリルに僅かな過負荷が作用しても、ドリルが折損するなどの弊害が発生しやすい。

本発明の課題は、この点に鑑みて、微細加工用の回転工具を用いて微細加工を行うに当り、回転工具の折損などの弊害を伴うことなく微細加工を効率良く行うことのできる微細加工装置を提案することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の微細加工装置は、
微細穴加工用ドリルなどの微細加工を行う回転工具を回転駆動するためのスピンドル軸と、
前記スピンドル軸を回転自在の状態で支持している支持部と、
前記スピンドル軸を回転駆動するための回転駆動機構と、
前記スピンドル軸に作用する負荷の状態を検出するための非接触型のセンサとを有し、
前記センサは、前記支持部に対する前記スピンドル軸のスラスト方向への微小移動を検知するスラストセンサ、および／または、前記スピンドル軸の回転状態を検出する回転センサであることを特徴としている。

微細加工のためのスピンドル軸の支持部としては、小型でコンパクトに構成でき、高速回転時における回転抵抗の少ない空気静圧式のラジアル軸受を用いることが望ましい。また、空気静圧式のスラスト軸受によってスピンドル軸をスラスト方向から支持することが望ましい。

また、回転駆動機構として、スピンドル軸に形成したラジアル方向に放射状に延びる複数枚の羽根車部分と、当該羽根車部分に対して一定圧力および一定流量の空気を供給する作動空気供給部とを備えた空気圧式の回転駆動機構を用いることが望ましい。スピンドル軸を高速回転する場合には、電動式の回転駆動機構に比べて、より精度良く定速状態を保持できる。

ここで、前記センサとして、前記スピンドル軸と一体でスラスト方向に移動する移動側電極板と、前記支持部に取り付けられた固定側電極板とを備えた可変容量形キャパシタを有する静電容量型のスラストセンサを用いることができる。静電容量の変化に基づき、微小なスラスト方向の移動を検出できる。

この場合、前記移動側電極板を前記スピンドル軸と一体回転する円環状電極板とし、前記固定側電極板を、前記スピンドル軸の回転中心に対して点対称状態に配置された一対の円弧板とすることができる。

次に、前記センサとして、前記スピンドル軸と一体回転する光透過部あるいは光反射部を備えた回転数検出用の光学センサを用いることができる。

一方、本発明の微細加工装置は、上記構成に加えて、前記センサの出力に基づき、前記スピンドル軸の回転駆動する前記回転駆動機構を制御する制御部を有していることを特徴としている。

本発明の微細加工装置は、スピンドル軸の負荷状態を検出するためのスラストセンサあるいは回転センサを備えている。スピンドル軸に取り付けた微細加工用の回転工具の負荷が増加すると、スピンドル軸に作用するトルクが増加する。この結果、スピンドル軸にスラスト力が作用し、また、スピンドル軸が減速して回転数が低下する。よって、スピンドル軸のスラスト方向の移動、あるいは、回転状態を検出することにより、スピンドル軸に取り付けて微細加工用の回転工具の負荷状態を知ることができる。よって、センサ出力に基づき、スラスト量が増加した場合、スピンドル軸が減速した場合には、過負荷状態に陥ったものとしてスピンドル軸の回転を停止するなどの処置を施せば、そこに取り付けられている微細加工用の回転工具の折損などの弊害を未然に回避でき、効率良く微細加工を行うことが可能である。

また、空気圧式の回転駆動機構を用いれば、スピンドル軸の高速回転状態を安定的に保持できるので、効率良く微細加工を行うことができる。

さらに、センサとして静電容量形のスラストセンサを用いた場合には、微細加工用の回転工具に作用する微小負荷に起因するスラスト方向の微小な移動量を精度良く検出できるので好ましい。

また、静電容量形のスラストセンサおよび光学式の回転数センサは小型でコンパクトに構成できるので、小径のスピンドル軸にも簡単に組み付けることができる。

以下に、図面を参照して、本発明を適用した微細加工装置の実施例を説明する。

（実施の形態１）
図１は本例の微細加工装置を示す概略構成図であり、図２はそこに組み込まれている静電容量型のスラストセンサを示す説明図である。微細加工装置１はスピンドル軸２を有しており、この先端部に、チャックなどの工具取り付け部３を介して、同軸状態に微細加工用の回転工具、例えば微細穴形成用の極細ドリル４が取り付け可能となっている。スピンドル軸２は、前後一対の空気静圧式のラジアル軸受５、６と、前後一対の空気静圧式のスラスト軸受７、８を介して、支持板９に対して回転自在の状態で支持されている。支持板９は送り機構１０に搭載されており、送り機構１０によって、支持板９に支持されているスピンドル軸２がその回転中心線１ａの方向に往復移動可能となっている。

スピンドル軸２における前後一対のラジアル軸受５、６によって支持されている間の部位は、回転中心線１ａを中心として等角度間隔で放射状に延びている複数枚の羽根を備えた羽根車部分１１となっている。この羽根車部分１１の外周側の部位には、羽根車部分１１に対して接線方向から一定圧力の空気を一定流量で供給するためのノズル１２が配置されており、このノズル１２には、高圧空気源１３から空気圧回路１４を介して高圧空気が供給されるようになっている。ノズル１２からの空気流によってスピンドル軸２は一定の回転数で回転駆動される。

スピンドル軸２の後端部分は後側のスラスト軸受８から後方に突出しており、この突出した小径の軸部分２ｂには、静電容量形のスラストセンサ１５が組み付けられている。本例のスラストセンサ１５は、スピンドル軸２のスラスト方向(回転中心線１ａの方向)の移動量を検出するためのものであり、小径の軸部分２ｂに同軸状態で固着した円環状の移動側電極板１６と、この移動側電極板１６に所定のギャップで対向配置した一対の固定側電極板１７、１８とを備えている。本例の固定側電極板１７、１８は、ほぼ１８０度の弧を張る点対称状態に配置した円弧板であり、支持板９の側に取り付けられている。移動側電極板１６と固定側電極板１７の間、および移動側電極板１６と固定側電極板１８の間にはそれぞれ交流電圧が印加される。スピンドル軸２がスラスト方向に移動すると、移動側電極板１６と、固定側電極板１７、１８の電極間ギャップが変化する。したがって、これらの電極板によって可変容量形キャパシタが構成され、この静電容量の変化を検出することにより、スラスト方向の移動量を検出できる。

可変容量形キャパシタの静電容量は、制御部２０の判別回路２１に供給される。判別回路２１では、静電容量の変化に基づきスピンドル軸２の移動量を算出し、これに基づきスピンドル軸２に負荷状態が過剰であるか否かを判別する。すなわち、スピンドル軸２に取り付けられている極細ドリルの負荷トルクが過剰であるか否かを判別する。過剰負荷状態であると判別されると、制御部２０の送り制御回路２２により送り機構１０による送りが制御され、また、空気圧制御回路２３により空気圧回路１４が制御され、スピンドル軸２の回転数が調整される。例えば、送り機構１０による送りを停止すると共に、スピンドル軸２の回転を止める。この結果、極細ドリル４が過負荷状態に陥って折損するなどの弊害を未然に回避できる。

なお、空気静圧式のラジアル軸受５、６およびスラスト軸受７、８に対する圧縮空気の供給も、高圧空気源１３から空気圧回路１４を介して行われるようになっている。

この構成の微細加工装置１では、制御部２０の制御の下に、送り機構１０によってスピンドル軸２の先端に取り付けた極細ドリル４を高速回転させながらワークＷに対して送り出し、その所定の部位に微細穴を形成する。微細穴の穴あけ動作中において、極細ドリル４が過負荷状態に陥ると、極細ドリル４の負荷トルクが増加するので、その送り抵抗および回転抵抗が増加する。送り抵抗の増加によって、極細ドリル４が取り付けられているスピンドル軸２が後方に押されて移動する。スピンドル軸２が後方に移動すると、その後端の軸部分２ｂに取り付けてある移動側電極板１６も後方に移動するので、移動側電極板１６と、固定側電極板１７、１８の電極間ギャップが広がり、静電容量が減少する。制御部２０の判別回路２１ではこの変化に基づき、極細ドリル３が過負荷状態に陥ったことを判別できる。よって、スピンドル軸２の送りあるいは回転を停止し、または、送り速度あるいは回転数を低下させることにより、極細ドリルの折損などの弊害を防止できる。

なお、移動側電極板１６を設ける代わりに、スピンドル軸２に電極板部分を形成してもよい。同様に、固定側電極板１７、１８を設ける代わりに、支持板９の側に固定されている部位、例えば、スラスト軸受８など軸受ケースの端面などに固定側電極板部分を形成してもよい。

（実施の形態２）
上記の微細加工装置１では、スラストセンサ１５を用いてスピンドル軸２の過負荷状態を検出している。スラストセンサ１５の代わりに、スピンドル軸２の回転状態(回転数、加速度)を検出してもよい。スピンドル軸２の回転数を検出するためのセンサとしては、透過型あるいは反射型の光学センサ、磁気センサなどの非接触型センサを用いることができる。

図３は、図１の微細加工装置１において、スラストセンサ１５の代わりに、透過型の光学センサを組み付けた場合の一例を示す部分説明図である。この図に示すように、光学センサ３０は、一般的に用いられているロータリエンコーダを用いることができる。すなわち、光学センサ３０は、スピンドル軸２の後側の軸部分２ｂに同軸状態に固着したスリット付き回転円盤３１と、これに対向配置した固定側スリット板３２と、これらを挟み、対向配置された発光素子３３および受光素子３４とから構成されている。

反射型の光学センサを用いる場合には、例えば、スピンドル軸２の後端側の軸部分の外周面に、円周方向に配列した反射面を形成し、その外周側に配置した発光素子および受光素子を用いて、各反射面で反射したパルス光を検出すればよい。

本発明を適用した微細加工装置の概略構成図である。 (ａ)は図１の微細加工装置に組み込まれている静電容量形のスラストセンサを示す説明図であり、(ｂ)はその透過回路である。 図１の微細加工装置に回転数検出用の透過型光学センサを組み付けた場合を示す説明図である。

符号の説明

１ 微細加工装置
２ スピンドル軸
４ 極細ドリル
５、６ ラジアル軸受
７、８ スラスト軸受
１０ 送り機構
１１ 羽根車部分
１２ ノズル
１３ 高圧空気源
１４ 空気圧回路
１５ スラストセンサ
１６ 移動側電極板
１７、１８ 固定側電極板
２０ 制御部
２１ 判別回路
２２ 送り制御回路
２３ 空気圧制御回路
Ｗ ワーク
３０ 透過型光センサ
３１ スリット付き回転円盤
３２ スリット付き固定板
３３ 発光素子
３４ 受光素子

Claims (8)

1. 微細穴加工用ドリルなどの微細加工を行う回転工具を回転駆動するためのスピンドル軸と、
   前記スピンドル軸を回転自在の状態で支持している支持部と、
   前記スピンドル軸を回転駆動するための回転駆動機構と、
   前記スピンドル軸に作用する負荷の状態を検出するための非接触型のセンサとを有し、
   前記センサは、前記支持部に対する前記スピンドル軸のスラスト方向への微小移動を検知するスラストセンサ、および／または、前記スピンドル軸の回転状態を検出する回転センサであることを特徴とする微細加工装置。
2. 請求項１において、
   前記支持部は、空気静圧式のラジアル軸受を介して前記スピンドル軸を回転自在の状態で支持していることを特徴とする微細加工装置。
3. 請求項２において、
   前記支持部は、空気静圧式のスラスト軸受を介して前記スピンドル軸を回転自在の状態で支持していることを特徴とする微細加工装置。
4. 請求項２または３において、
   前記回転駆動機構は、前記スピンドル軸に形成したラジアル方向に放射状に延びる複数枚の羽根車部分と、当該羽根車部分に対して一定圧力および一定流量の空気を供給する作動空気供給部とを備えた空気圧式の回転駆動機構であることを特徴とする微細加工装置。
5. 請求項３において、
   前記センサは、前記スピンドル軸と一体でスラスト方向に移動する移動側電極板と、前記支持部に取り付けられた固定側電極板とを備えた可変容量形キャパシタを有する静電容量型のスラストセンサであることを特徴とする微細加工装置。
6. 請求項５において、
   前記移動側電極板は前記スピンドル軸と一体回転する円環状電極板であり、
   前記固定側電極板は、前記スピンドル軸の回転中心に対して点対称状態に配置された一対の円弧板であることを特徴とする微細加工装置。
7. 請求項４において、
   前記センサは、前記スピンドル軸と一体回転する光透過部あるいは光反射部を備えた回転数検出用の光学センサであることを特徴とする微細加工装置。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれかの項において、
   前記センサの出力に基づき、前記スピンドル軸を回転駆動する前記回転駆動機構を制御する制御部を有していることを特徴とする微細加工装置。

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