JP2006115620A - 磁歪式アクチュエータおよび切削加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動部材を変位させるための指令値に対する応答性を高め、制御性を向上させることができる磁歪式アクチュエータを提供する。
【解決手段】磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子および該磁歪素子に磁界を印加するコイルを含む駆動部を有し、駆動部により被駆動部材を変位させる磁歪式アクチュエータにおいて、駆動部を、第１の磁歪素子４および第１のコイル５を含む粗動部２と、第２の磁歪素子１１および第２のコイル１２を含む、高応答性で制御性の高い微動部３とに分割し、粗動部による駆動と微動部による駆動を重ね合わせることによって、前記被駆動部材を外部指令値に従った位置まで変位させる構成にする。
【選択図】図４

Description

本発明は、磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子を有する磁歪式アクチュエータおよび該アクチュエータを用いた切削加工装置に関するものである。

超精密な位置決めおよび振動などを行う変位アクチュエータとしては、従来から圧電素子に電圧を印加することにより変位（力を与えることも含む）を発生させる圧電式アクチュエータが知られている。しかし、この種の圧電素子を用いたアクチュエータは、一般に発生変位が小さく、素子に直接大電圧を印加するため、素子が破壊しやすく信頼性に欠けるという欠点がある。

そこで、圧電素子に直接電圧を印加する圧電式アクチュエータと違い、磁歪素子の周りに配置されたコイルから発生する磁界を磁歪素子に印加することで、急峻な指令値を入力しても素子が破壊することが無く耐久性に優れている磁歪式アクチュエータ（磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子と、該磁歪素子に磁界を印加するコイルなどから成る）が提案（特許文献１）されており、長期の信頼性を必要とする場合のアクチュエータとして注目されている。
特開平９−２８０９０号公報

しかしながら、上記磁歪式アクチュエータを例えば図１に示すような略台形波の指令値（入力値）で高速駆動した場合、実際の発生変位は図２の実測値に示すように、微小ではあるが指令値に対して僅かな追従誤差が発生する。必要とする精度が数μｍオーダであれば問題ないが、必要精度が数十ｎｍレベルとなると、図２に示す僅かな指令値との誤差が問題となってくる。磁歪素子の磁界に対する変位の応答性は圧電素子に比べて同等以上であるが、実際には磁歪素子を用いた磁歪式アクチュエータにおいては指令値と発生磁界の間に追従遅れが存在するため、指令値に対する変位には追従誤差が発生する。図３は図２の部分拡大図であり、磁歪素子の磁界の変化に対する応答性が良くても、指令値と発生磁界との間に追従誤差が生じてしまっている。また、一般に磁歪式アクチュエータは発生変位が大きくなると応答性が低下することも知られている。

（発明の目的）
本発明の目的は、被駆動部材を変位させるための指令値に対する応答性を高め、制御性を向上させることのできる磁歪式アクチュエータおよびこれを用いた切削加工装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子および該磁歪素子に磁界を印加するコイルを含む駆動部を有し、該駆動部により被駆動部材を変位させる磁歪式アクチュエータにおいて、前記駆動部を、第１の磁歪素子および第１のコイルを含む粗動部と、第２の磁歪素子および第２のコイルを含む、高応答性で制御性の高い微動部とに分割し、前記粗動部による駆動と前記微動部による駆動を重ね合わせることによって、前記被駆動部材を外部指令値に従った位置まで変位させる磁歪式アクチュエータとするものである。

同じく上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、微動部を制御する制御手段を有し、該制御手段が、粗動部によりその大部分が変位させられた被駆動部材の変位情報と外部指令値との差分情報を基に前記微動部を制御する請求項１に記載に記載された磁歪式アクチュエータとするものである。

同じく上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、切削工具を有し、該切削工具を被加工物に対して所定の運動をさせることで、前記被加工物の加工面の切削を行う切削加工装置において、前記切削工具の駆動アクチュエータに請求項１ないし４のいずれかに記載された磁歪式アクチュエータを用いる切削加工装置とするものである。

同じく上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、切削工具を有し、該切削工具を被加工物に対して相対的に主分力方向と背分力方向とに略楕円形に運動させることで、前記被加工物の加工面の切削を行う切削加工装置において、前記切削工具の駆動アクチュエータに請求項１ないし４のいずれかに記載された磁歪式アクチュエータを二つ用い、該二つの磁歪式アクチュエータにより前記切削工具を変位させて任意の軌跡を描かせる切削加工装置とするものである。

本発明によれば、被駆動部材を変位させるための指令値に対する応答性を高め、制御性を向上させることができる磁歪式アクチュエータおよびこれを用いた切削加工装置を提供できるものである。

以下の実施例１および実施例２に示す通りである。

本実施例１は、図１に示すような略台形波の指令値に対して忠実に、ストローク２０μｍ、駆動周波数３００Ｈｚで駆動可能な性能を持つ磁歪式アクチュエータである。この駆動時に必要とされる精度は、変位の最高点で水平であること、つまり変位の最高到達点で規定した時間内一定値を保つことが要求される。立ち上がりに要する時間は０．５ｍｓ程度、水平部の許容誤差は２０ｎｍ以下、水平部保持時間約１ｍｓの駆動を行えるようにすることである。このように微小な時間で急峻な立ち上げ−保持動作を数十［ｎｍ］という高精度で行うには、指令値に対する高い応答性および制御性を必要とする。

図１に示すような略台形波の指令値により従来の磁歪式アクチュエータを駆動した場合、図２の実測値に示すように、指令値に対して遅れおよびオーバーシュートの追従誤差が発生してしまう。図３は図２に示す駆動波形の変位最高到達点近傍の拡大図であり、同時に、磁界の変化も合わせて示してある。このような追従誤差が発生してしまうのは、前述したように指令値である電流値と発生磁界との間に追従誤差があるためである。この点に鑑み、後述の図５に示すように出力値をフィードバックして変位を制御する方法が考えられるが、従来の磁歪アクチュエータでは十分な応答性が得られず、うまく制御することができない。従来の磁歪式アクチュエータで数十μｍのストロークを得るには、磁歪素子長を長くし、また、発生磁界を大きくするために投入電流、コイル巻き数を大きくし、また、磁歪素子にバイアス磁界を印加する永久磁石のサイズあるいは強度も大きくする必要があった。そのため、ヒステリシス損失、渦電流損失といった磁気鉄損が大きくなり、磁気回路の動特性を劣化させている。したがって、前述のような制御を行おうとしても指令値（入力値）に対する発生磁界の応答性が悪いため、うまく制御することができないものであった。

そこで、本発明の実施例１に係わるアクチュエータ１では、図４に示すように、該アクチュエータ１の駆動部を、数十μｍのストロークを得るための粗動部２と、微小な領域での高精度な位置決め性能および高制御性をもつ微動部３とに分割し、粗動部２と微動部３の二つの動きを合成して目的とする駆動を可能にする磁歪式アクチュエータとするものである。

粗動部２は、粗動磁歪素子４、ヨーク７ａ，７ｂ、ヨーク固定端８、粗動コイル５、バイアスマグネット６から成り、約２０μｍの変位である第１の動きを発生させる（変位の大部分（大ストローク）を分担する）部位である。微動部３は、微動磁歪素子１１、ヨーク１４ａ，１４ｂ、ロッド固定端１５、微動コイル１２、バイアスマグネット１３から成り、粗動部２で与えられた変位に、第２の動き（微小変位（残りの変位）を微動部３により与えることで、指令値に対して追従性よく変位を発生させるものである。

上記微動部３で発生させる変位は、粗動部２の１％程度であり、大ストロークを発生させる必要はないため、鉄芯および質量として作用する微動磁歪素子１１の長さを短くすることで、磁気鉄損を小さくするとともに素子の固有振動数を高くしている。また、微動コイル１２はコイル巻数が少なく（小さく）、線径の太いコイルを用い、ヨーク材にはパーマロイなどの高透磁率材を用い、バイアスマグネット１３には磁束密度の大きい希土類磁石を用いることで磁石寸法を小さくして磁気回路の磁気抵抗を小さくし、発生磁界の応答性を高めている。また、微動磁歪素子１１およびヨーク１４ａ，１４ｂにラミネーション加工を施すことで磁気鉄損をより小さくすることもできる。

粗動部２および微動部３は非磁性体から成る結合部材９，１０により連結され、それぞれ閉磁気回路を構成している。結合部材９，１０により連結された粗動部２および微動部３はハウジング１６に納められ、連結された磁歪素子４，１１はロッド１７に結合され、摩擦防止のため、板バネ１８によりヨーク、コイル等に接することなく支持されている。

ここで、本実施例１に係わる磁歪式アクチュエータ１の駆動について、該磁歪式アクチュエータ１の概略回路構成を示す図５のブロック図を用いて説明する。

図５に示すように、粗動部２および微動部３には各々個別に指令値が与えられている。まず、不図示の被駆動部材の変位の大部分、つまり第１の動きは粗動部２により与えられる。この粗動部２への外部よりの指令値１０１は増幅器１０２を介して常に同じ駆動波形がオープン指令値（出力１０６）として与えられている。この際、粗動部２で発生した変位が変位センサ１０３で読み取られ、その値が制御部１０４にフィードバックされ、該制御部１０４にてこのフィードバックされた変位情報と前記指令値１０１との差分（追従誤差分）が算出され、この差分情報が微小な第２の動きとしての指令値として増幅器１０５を介して微動部３に与えられ、不図示の被駆動部材が駆動される。これにより、指令値１０１に対して追従性よく変位させることができる。

次に、粗動部２、微動部３の駆動手順について説明する。例えば、図１に示す略台形波を指令値とした駆動を行う場合、まず図６のように、大まかな第１の動きとして粗動部２を駆動する。このとき図６のように遅れおよびオーバーシュートが発生する。そこで、次に変位センサ１０３の値から理想値との差分を微動部３に指令値としてフィードバックし、微小な第２の動きとして、図７に示す波形で微動部３を駆動し、粗動部２の動きと微動部３の動きとを重ね合わせることにより、変位を理想値に近づけることができる。

また、粗動部２での駆動を、図８のようにしたときには、微動部３の駆動波形は図９のようになる。

上記実施例１によれば、磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子および該磁歪素子に磁界を印加するコイルを含む駆動部を有し、該駆動部により被駆動部材を変位させる磁歪式アクチュエータにおいて、前記駆動部を、粗動磁歪素子４および粗動コイル５を含む粗動部２と、微動磁歪素子１１および微動コイルを含む、高応答性で制御性の高い微動部３とに分割し、そして、粗動部２が外部よりの指令値１０１にしたがって前記変位の大部分を分担し（被駆動部材を変位させるうちの大部分の変位をまかない）、微動部２が前記変位の残りの部分を分担する（残りの変位をまかなう）ようにしている。

詳しくは、微動部３を制御する制御部１０４を備え、該制御部１０４は、粗動部２によりその大部分が変位させられた前記被駆動部材の変位を変位センサ１０３より得、この変位情報と前記外部指令値との差分情報（指令値１０１に対して遅れおよびオーバーシュートの追従誤差の情報）を基に前記微動部３を制御し、前記変位の残りの部分を分担させるようにしている。また、粗動部２に比べて、微動部３の構成要素である微動磁歪素子１１の長さ、発生磁界、変位させる量、および、微動コイル１２の巻数を小さくし、さらには、ヨーク１４ａ，１４の材料に高透磁率材を用いて磁気鉄損を抑える構成として、該微動部３を高応答性で制御性の高いものとしている。

よって、被駆動部材を変位させるための指令値に対する応答性を高め、制御性を向上させることが可能な磁歪式アクチュエータとすることができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。図１０は本発明の実施例２に係わる光学素子を成型するための金型を加工する切削加工装置の概略図であり、この切削加工装置は、１０ｎｍ以下の位置決め分解能をもち、自由曲面加工で形状精度１５０ｎｍ、表面粗さ２０ｎｍＲｙ以下の加工を行う超精密切削加工装置である。

図１０の切削加工装置は、４軸同期の位置決め装置と切削工具を運動させる切削ユニット２０を備えている。切削ユニット２０は、切削工具（バイト）２１と、二つの直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂと、メインフレーム２３から構成されており、本実施例２においては、直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂに、上記実施例１の磁歪式アクチュエータ１を用いている。切削ユニット２０は４軸同期位置決め装置の回転位置決めステージ２４に固定されており、回転位置決めステージ２４はＺ方向に移動するステージ２６上に配置されている。なお、回転位置決めステージ２４は、割り出し位置決め動作とスピンドル動作を行うことが出来る。

３０はワーク（被加工物）、２７はワーク３０を固定する治具、２８はＸＹ方向に移動するステージである。ワーク３０は、治具２７によりＸＹステージ２８に固定されている。５０はミストノズルであり、加工点あるいはその近傍にエアあるいはオイルミストを吹き付けることにより、切り粉の除去およびオイルの供給をしながら加工を行っている。なお、本実施例２では、ワーク３０は例えば光学素子を成型するための金型である。

次に、図１０を用いて、加工時の動作について説明する。

切削工具２１は互いに直交する方向に配列された二つの直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂにより擬似回転運動を行い、ワーク３０がＸＹステージ２８によりＹ方向に走査運動を行い、加工が進行する。Ｙ方向への走査が終了するとＸ方向にステップ移動し、再度Ｙ方向の走査運動を行う。これを繰り返すことによりワーク３０全面の加工を行う。また、形成する自由曲面の形状に合わせ、Ｙ方向に走査するのと同期してＺステージ２６により切削工具２１のＺ方向位置を制御する。また、ワーク３０の傾斜（曲率）に合わせ、回転位置決めステージ２４により、バイト２１の背分力方向が常に自由曲面の法線方向を向くように法線追跡を行っている。本加工動作により、自由曲面鏡面加工を行うことが出来る。

図１１は切削ユニット２０の断面図であり、該図１１を用いて切削ユニット２０について説明する。

直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂは、それぞれＺ方向（背分力方向）、Ｘ方向（主分力方向）に伸縮する方向に配置されており、上記実施例１の磁歪式アクチュエータ１を用いることで、高い制御性と耐久性を備えている。切削工具２１は、シャンク２１ａの先端にダイヤモンドチップ２１ｂを固定した超精密ダイヤモンドＲバイトであり、切削工具２１はバイトホルダー３２に固定され、バイトホルダー３２は可動部３３に固定されている。可動部３３には、直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂが弾性ヒンジ３４ａ，３４ｂを介して接続されている。また、可動部３３は板バネ３５ａ，３５ｂによりメインフレーム２３に固定されている。このアクチュエータと板バネ、弾性ヒンジの構成により、可動部３３は直動アクチュエータユニット２２ａの伸縮によりＺ方向に運動し、また、直動アクチュエータユニット２２ｂの伸縮により弾性ヒンジ３４ａのヒンジ中心を回転中心としてＸ方向に運動する。この直動アクチュエータユニット２２ａ，２２ｂの動きにより切削工具２１の先端は、Ｘ−Ｚ平面内で擬似回転運動を行い、この運動により切削が行われる。３６は非接触変位センサであり、可動部３３の変位すなわち、バイト先端の変位をモニターしている。

図１２は、切削ユニット２０における切削工具２１先端のダイヤモンドチップ２１ｂを拡大した図である。ダイヤモンドチップ２１ｂの先端は、直動アクチュエータ２２ａ，２２ｂの伸縮によりＸ−Ｚ平面内で擬似回転（略楕円形）運動を行っており、その振幅はＸ方向で５０〜１００〔μｍ〕、Ｚ方向で１０〜２０［μｍ］であり、加工条件により任意の軌跡を描かせることによって、加工時間の短縮あるいは微細形状の加工に対応することができる。例えば、加工時間の短縮、すなわち図１０におけるＸ方向のステップ幅を増加させようという場合、図１３に示すような軌跡で切削工具２１を駆動する必要がある。その場合、Ｚ方向の直動アクチュエータ２２ａは図１に示したような略台形波で駆動しなければならない。

上記実施例２によれば、上記実施例１の磁歪式アクチュエータを、切削工具２１をワーク３０に対して相対的に主分力方向と背分力方向とに略楕円形に運動させることで加工面の切削を行う切削加工装置に用い、切削工具２１の第１の動きを粗動部２で行い、第２の動きとしての微小量を微動部３により行うようにしているので、指令値に対して追従性よく切削工具２１を駆動することが可能となる。つまり、図１３に示すような軌跡で切削工具２１を駆動することができる。

本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータの理想駆動波形を示す図である。 図１の理想値に対する実測値を示す図である。 図２の部分拡大図である。 本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータの概略図である。 本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータを駆動する為の回路構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータによる粗動変位と理想値の関係を示す図である。 同じく本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータによる微動変位を示す図である。 同じく本発明の実施例１に係わる磁歪式アクチュエータによる粗動変位と理想値の関係を示す図である。 同じく本発明の実施例２に係わる磁歪式アクチュエータによる微動変位を示す図である。 本発明の実施例２に係わる切削加工装置の概略構成を示す斜視図である。 図１０の切削加工装置における切削ユニットの詳細を示す側面図である。 図１１の切削ユニットの工具運動軌跡の一例を示す図である。 同じく図１１の切削ユニットの工具運動軌跡の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 磁歪式アクチュエータ
２ 粗動部
３ 微動部
４ 粗動磁歪素子
５ 粗動コイル
６ バイアスマグネット
７ａ，７ｂ ヨーク
１１ 微動磁歪素子
１２ 微動コイル
１３ バイアスマグネット
１４ａ，１４ｂ ヨーク
２０ 切削ユニット
２１ バイト
２１ａ シャンク
２１ｂ ダイヤモンドチップ
２２ａ Ｚ方向直動アクチュエータユニット
２２ｂ Ｘ方向直動アクチュエータユニット
２３ メインフレーム
２４ 回転位置決めステージ
２６ Ｚ方向位置決めステージ
２７ 治具
２８ ＸＹ方向位置決めステージ
３０ ワーク
３３ 可動部
３４ａ Ｚ方向弾性ヒンジ
３４ｂ Ｘ方向弾性ヒンジ
３５ａ 板バネ
３５ｂ 板バネ
３６ 変位センサ
３２ バイトホルダー
５０ ノズル

Claims (6)

1. 磁界の変化により伸縮を生じる磁歪特性を持つ磁歪素子および該磁歪素子に磁界を印加するコイルを含む駆動部を有し、該駆動部により被駆動部材を変位させる磁歪式アクチュエータにおいて、
   前記駆動部を、第１の磁歪素子および第１のコイルを含む粗動部と、第２の磁歪素子および第２のコイルを含む、高応答性で制御性の高い微動部とに分割し、
   前記粗動部による駆動と前記微動部による駆動を重ね合わせることによって、前記被駆動部材を外部指令値に従った位置まで変位させることを特徴とする磁歪式アクチュエータ。
2. 前記微動部を制御する制御手段を有し、
   前記制御手段は、前記粗動部によりその大部分が変位させられた前記被駆動部材の変位情報と前記外部指令値との差分情報を基に前記微動部を制御することを特徴とする請求項１に記載された磁歪式アクチュエータ。
3. 前記微動部を前記高応答性で制御性の高いものとするために、該微動部は、前記第１の磁歪素子および第１のコイルを含む前記粗動部に比べて、前記第２の磁歪素子の長さ、発生磁界、変位させる量、および、前記第２のコイルの巻数が小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された磁歪式アクチュエータ。
4. 前記微動部は、構成要素としてマグネットおよびヨークを含み、前記ヨークが、磁気鉄損を抑えることができる高透磁率材により成型されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載された磁歪式アクチュエータ。
5. 切削工具を有し、該切削工具を被加工物に対して所定の運動をさせることで、前記被加工物の加工面の切削を行う切削加工装置において、
   前記切削工具の駆動アクチュエータに請求項１ないし４のいずれかに記載された磁歪式アクチュエータを用いることを特徴とする切削加工装置。
6. 切削工具を有し、該切削工具を被加工物に対して相対的に主分力方向と背分力方向とに略楕円形に運動させることで、前記被加工物の加工面の切削を行う切削加工装置において、
   前記切削工具の駆動アクチュエータに請求項１ないし４のいずれかに記載された磁歪式アクチュエータを二つ用い、該二つの磁歪式アクチュエータにより前記切削工具を変位させて任意の軌跡を描かせることを特徴とする切削加工装置。
   

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