JP2007021593A

JP2007021593A - 加工装置

Info

Publication number: JP2007021593A
Application number: JP2005203338A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Kawai; 知彦河合; Kenzo Ebihara; 建三蛯原
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2007-02-01
Also published as: CN1895844A; EP1745885A1; US20070012147A1

Abstract

【課題】導光板のディンプル加工のような微細な所定パターンの加工を容易で、効率よくできるようにする。
【解決手段】直線駆動手段１で可動部２を直線移動させる。可動部２には、明暗パターン部材３の明暗パターンを走査するセンサ６が設けられている。また、センサ６は明暗パターンの明暗の階調に応じた大きさの出力信号をだす。このセンサ６の出力信号の大きさによって、切り込み手段７が工具５の切り込み量を制御し、加工物４に加工する。加工物４には、明暗パターンに応じた加工がなされる。加工プログラムを作成することなく、又可動部２を位置決め、停止させることなく、可動部２を所定速度で移動させながら、明暗パターンに応じた加工がなされる。よって、多数のディンプルを有する導光板の金型等の微細な所定パターンの加工が容易にかつ効率よくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、精密工作機械の分野に関し、精密な加工を行う加工装置に関する。

液晶ディスプレイなどに用いられる導光板には、多数のディンプル形状（くぼみ形状）をその表面に数万から数十万個加工する必要がある。この導光板を成形する金型に対してこれら一つ一つのディンプルを形成するよう加工しなければならないが、従来、この加工は、加工機の直線送り軸を位置決めして、送り軸がとまっている間に加工している。１個につき一秒程度の時間がかかり、ワーク全面を加工するためには、数日かかる場合もある。この導光板用の金型の加工について、上述した加工方法以外の方法は知られておらず、公知文献もない。

１つのディンプルを形成するために、ワーク（金型）を位置決めして１つ１つディンプル形成の加工を行うのでは、時間がかかり過ぎて効率がよくない。ワークを送る送り軸を停止させずに、一定速度で送りながら、加工ができれば、位置決めする時間を必要とせず、効率的に加工ができる。

しかし、直線軸の送りを速くしてゆくとディンプルの加工速度も速くなるが、その分正確な速度制御、位置制御が必要になる。送り速度が１ｍ／秒の速度で、０．１ｍｍピッチでディンプルを加工する場合は、１秒間に１万個のディンプルを加工する速度となる。このときに、速度に微小な変化があると、加工されるディンプルの位置が微小にずれる。特に導光板金型では見た目の一様さが重要視され、1μｍの位置ずれが歪みや曇りとして見えてくることがある。１ｍ/秒の送り速度の場合、1μｍの位置ずれは１μ秒の時間のずれに相当し、一般的なNC（数値制御）工作機械の制御周期は数１０μ秒なので、１μ秒のずれもない高速な制御は一般的には難しく、この速度で正確な位置にディンプルを加工することは困難である。

また、導光板ではディンプルの粗密を意図的につくり、光源からの光の拡散を調整することがある。これを加工するためには、ディンプル一つ一つの位置を加工プログラムで指示することになるので、数十万個のディンプルを加工するためには、プログラムが膨大になる。
そこで、本発明の目的は、導光板の金型に行うディンプル形状加工のような、微細な加工が、容易に簡単にできる加工装置を提供することにある。

本願請求項１に係る発明は、可動部を直線的に移動させる直線駆動手段と、加工情報を明暗でパターン化した明暗パターンを有する明暗パターン部材と、前記可動部の移動と同期して前記明暗パターンに対し相対的に移動し前記明暗パターンの読取り信号を出力するセンサとを備え、前記可動部には、工具、及び前記センサからの信号に基づいて工具の切り込み量を変化させる切り込み手段とを備え、前記可動部及び前記センサの移動中に前記センサにより前記明暗パターンを読取り、該センサから受信した信号により前記切り込み手段は工具の切り込み量を変化させて加工を行う加工装置である。又、請求項２に係る発明は、前記センサを前記可動部に配置し、前記明暗パターン部材を前記センサと対向する位置に固定したものとした。

又、請求項３に係る発明は、前記明暗パターンを、所定ピッチの明暗パターンとし、前記切り込み手段で前記センサから受信した信号を間引きし、前記明暗パターンの整数倍のピッチに同期させて加工するようにしたものである。請求項４に係る発明は、前記切り込み手段を、前記センサから受信した信号の大きさにより、工具切り込み量を変化させるものとした。さらに、請求項５に係る発明は、前記切り込み手段を、前記センサから受信した信号の大きさにより、工具切り込みの周波数を変化させるものとした。又、請求項６に係る発明は、前記切り込み手段を、前記可動部が往復運動に対して往路で工具が加工して、復路で工具が加工対象物から逃げる動作を繰り返すものとした。

請求項７に係る発明は、前記直線駆動手段の駆動方向と前記工具の切り込み方向の双方に直交する２つ方向に前記直線駆動手段を移動させる第２の直線駆動手段を設けたものである。請求項８に係る発明は、前記可動部及びセンサを、直交する２つの方向に走査するように動き、前記明暗パターン部材に設けられた２次元的に描画した明暗パターンを前記センサが読取り前記工具により加工するようにした。
さらに、請求項９に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記明暗パターン部材を前記可動部と同期して回転する回転部材に取り付け、前記センサを前記明暗パターン部材の明暗パターンに対向して固定したものとした。

微細な加工パターンを明暗パターンによって、簡単にかつ効率よく加工できる。

以下、図面と共に本発明を説明する。
図１は、本発明の概要説明図である。図１中、符号１は、直線駆動手段であり、図示しないモータ、ボールねじ／ナット機構等によって、可動部２を直線移動させるものである。図１の例では、図中左右方向（Ｘ軸方向とする）に移動させるものである。又、可動部２の移動方向（Ｘ軸方向）と平行に、明暗パターン部材３が配置され、可動部２の移動方向（Ｘ軸方向）に沿って明暗が変化する明暗パターンが設けられている。又、可動部２の移動方向（Ｘ軸方向）に沿って、加工を行う加工物（ワーク）４が配置されている。

可動部２には、前記明暗パターン部材３の明暗パターンを読み取り、その明暗に応じて信号を出力するセンサ６と、工具５と、前記センサ６からの信号によって工具５を該可動部２の移動方向に対して直交する方向（Ｚ軸方向とする）に移動させ、加工物に切り込みを与える切り込み手段７が設けられている。

図２（ａ），（ｂ）は、この切り込み手段７の詳細説明図である。可動部２の加工物４との対向面に、板バネ９を介して工具５が取り付けられている。又、板バネ９を伸縮させるように該板バネ９と可動部２間にピエゾ素子８が取り付けられている。このピエゾ素子８に電圧を印加すると、図２（ａ）の状態からその電圧の大きさに応じ、図２（ｂ）に示すようにピエゾ素子８が伸長し、板バネ９を押し、工具５を切り込み方向（Ｚ軸方向）に移動させて、加工物４に切り込みを与え、可動部２の移動によって、加工物４は加工されることになる。工具５は、板バネ９に取り付けられ、ピエゾ素子８には直接取り付けられていないから、工具５に加わる力は、直接ピエゾ素子８には伝わらないので、伸縮方向に対して圧縮する方向以外の外力に弱いピエゾ素子８を板バネ９によって保護している。

図３は、明暗パターンによる加工例を示す図で、明暗パターン部材３に設けられた明暗パターンが図３（ａ）に示すように一定ピッチａのパターンであったとする。直線駆動手段１を駆動して可動部２を移動させ、センサ６の出力によって切り込み手段７のピエゾ素子８を駆動すると、明暗パターンの暗の部分では、ピエゾ素子８が伸長し明の部分では、伸長が復帰する（圧縮される）。その間、可動部２は移動しているから、センサ６及び工具５も移動し、加工物（ワーク）４に対して図３（ｂ）に示すように、台形状の凹部（ディンプル）Ｐが形成され、又、凹部Ｐ間に台形状の凸部Ｑが形成されることになる。こうして加工された加工物４を、導光板を成形する金型として使用するときは、この凸部Ｑが導光板のディンプルを形成することになる。
工具５を駆動する信号が十分速くても、ピエゾ素子８の応答速度は数10ｋＨｚなので、加工形状は矩形にはならず、図３（ｂ）のように台形状になる。可動部２の速度によらず、加工位置は明暗パターンに必ず一致する。

上述したような、一定ピッチのパターンで加工物４を加工するような場合には、明暗のパターンとして、一般的なリニアスケールを用いることができる。この場合は、センサ６はリニアスケールの読み取りヘッドとなる。リニアスケールのフィードバック信号を使って可動部の位置や速度を制御するのが一般的な直線駆動装置であるが、本発明では、リニアスケールからの信号は工具５の切り込み量を変化させるために使われることになる。この点に本発明の特徴がある。リニアスケールからの信号をもとに位置や速度を制御するためには、複雑な制御ループと高速な演算回路が必要であるが、本発明では、速度が一定である必要がないため、制御自体を単純化できる。

図４〜図７は、明暗パターン部材３に設けた明暗パターンと、該明暗パターンで加工したときの加工形状の例である。
図４は、一定ピッチの明暗パターン（図４（ａ）参照）であるが、明暗パターンから得られるセンサ６からの信号を一つ間引くことによって、２倍のピッチで凹部Ｐの加工を行う例である（図４（ｂ）参照）。この凹部Ｐ間のピッチは、図４（ａ）に示す明暗パターンから得られるセンサ６からの信号を１つ、２つ、３つ…と間引くことによって、任意のピッチでパターンの加工を行うことができる。また、この間引いた後の信号を反転回路に通し反転させれば、凹部Ｐと凸部Ｑを反転させた加工を行うことができる。

図５は、明暗パターン（図５（ａ））の階調を連続的に変化させたものである。図３，図４に示した明暗パターンは明と暗の２階調のパターンであるが、この図５（ａ）に示す明暗パターンは、一定ピッチの明暗パターンが繰り替えされるものであり、その一定ピッチ間の明暗の階調が連続的に変化するものとしている。そして、この明暗パターンを読み取って得られるセンサ６からの信号の大きさに応じて、切り込み手段７のピエゾ素子８を駆動することによって、図５（ｂ）に示すような一定ピッチで所定形状を加工するものである。

図６は、明暗パターンの階調に応じて、工具５を駆動する周波数を変化させるものである。図６（ａ）に示すように階調が段階的に変化する明暗パターンとし、該明暗パターンを走査して得られるセンサ６からの信号（アナログ電圧）の大きさに応じてｖ−ｆコンバータ等で周波数に変化させてパルスを得るようにし、該パルスで工具５を駆動するようにする。このように簡便に明暗パターンを駆動周波数に変換してピエゾ素子８を駆動するものである。これによって、加工プログラムの代わりに明暗パターンの階調でディンプルの粗密を簡単に表現できるようにしたものである。

図７は、明暗パターンのピッチと階調を変えることによって、加工物に形成される凹部（ディンプル）Ｐの深さ、及びピッチ幅を変えたものである。
以上のように、明暗パターン部材３に設ける明暗パターンによって、加工物４に加工する形状パターンが決まることから、加工プログラムを組むことなく明暗パターンを設けるだけで、所望の形状の加工ができる。多量のディンプルを有する導光板を成形する金型の加工においても、この明暗パターンによって簡単に加工できることになる。

上述した、各加工パターンを加工する場合、可動部２を往復動させて加工することになるが、往路又は復路の一方で加工を行い他方では工具５は逃げて加工を行わないようにする。図８は、工具５の動きの説明図である。可動部２は、図８において左右に移動し、工具５は切り込み手段７の駆動により上下方向に移動するものとし、可動部２の往路では、明暗パターン読み取って得られるセンサ６からの信号に応じて切り込み手段７のピエゾ素子８が作動して工具５が加工を行う。なお、図８は、図５に示した明暗パターンによる加工例のときを示している。一方、復路では、センサ６からの信号は無視され、切り込み手段７は動作せず工具５は加工物から離れた状態で復帰するものである。

図９は、本発明の加工装置の一実施形態の概要図である。
この実施形態では可動部２を直交するＸ，Ｙ軸方向に駆動する直線駆動手段を備え、加工物の平面を加工するものであり、図１に示す直線駆動手段１を直線移動させる第２の直線駆動手段を備えるものである。ベース１０には、加工物（ワーク）４が取り付けられ、該ワーク載置面に対向して可動部２が配置され、該可動部２をＸ軸方向に駆動する直線駆動手段１が設けられている。さらに、この直線駆動手段１の駆動方向のＸ軸方向と直交し、ワーク載置面と平行なＹ軸方向に該直線駆動手段１を移動させ、結果的には可動部２をＹ軸方向に駆動する第２の直線駆動手段１１がベース１０に配置されている。さらに、ベース１０には、ワーク載置面と対向し、可動部２に設けられたセンサ６が走査する明暗パターンが施された明暗パターン部材３を配置する門型の明暗パターン配置部材１２が設けられている。

可動部２の加工物４との対向面には、図１に示すように切り込み手段７を介して工具５が配置されており、該工具５の配置面に対向する可動部２の面にはセンサ６が設けられ、明暗パターン配置部材１２に取り付けられた明暗パターン部材３の明暗パターンを検出し、その明暗によって、信号を出力するように構成されている。

直線駆動手段１及び第２の直線駆動手段１１は、従来の工作機械のテーブル送り機構と同様で、モータ、ボールねじ／ナット機構等によって、可動部２をＸ，Ｙ軸方向に駆動するものである。

明暗パターン部材３に設けられる明暗パターンは、図１１に示すような２次元的な明暗パターンが設けられているものであり、可動部２を直線駆動手段１でＸ軸プラス方向に所定速度で駆動し、このときこの明暗パターンを走査したセンサ６からの出力に基づいて、加工物４を加工し、可動部２をＸ軸マイナス方向に駆動して復帰し、かつ第２の直線駆動部１１を駆動して直線駆動手段１及び可動部２を所定ピッチＹ軸方向に移動させ、その後、再び直線駆動手段１でＸ軸プラス方向に駆動して加工を行う。これを繰り返すことによって、加工物４を加工し、加工物４に３次加工面を得ることができるものである。

図１０は、切り込み手段７のピエゾ素子８を駆動する駆動制御部のブロック図である。この駆動制御部は、ピエゾ素子８を駆動するピエゾ駆動部２１と、センサ６からの信号と、加工が実行される可動部２の駆動方向信号を受け、ピエゾ駆動部２１に駆動信号を出力する演算部２０で構成されている。
演算部２０は、加工動作を選択する選択部２２、コンパレータ２３、リニアアンプ２４、カウンティング回路２５、ｖ−ｆコンバータ２６及びＡＮＤ演算回路２７で構成されている。

選択部２２は、オペレータによって選択され、センサ６からの信号を切換て、コンパレータ２３、リニアアンプ２４、カウンティング回路２５、ｖ−ｆコンバータ２６のいずれか１つに導くものである。
コンパレータ２３が選択された場合は、センサ６からの信号が、該コンパレータ２３に設定されているしきい値以上になると該コンパレータ２３から所定レベルの出力をＡＮＤ演算回路２７に出力するものである。

選択部２２でリニアアンプ２４が選択された場合には、センサ６からの信号は、リニアに増幅されてＡＮＤ演算回路２７に出力されるものである。
カウンティング回路２５が選択された場合は、センサ６からの信号が計数され、設定した計数毎に出力信号をＡＮＤ演算回路２７に出力するものである。
ｖ−ｆコンバータ２６が選択された場合には、センサ６の出力電圧の大きさに応じた周波数のパルス列に変換され、ＡＮＤ演算回路２７に出力される。

ＡＮＤ演算回路２７は、コンパレータ２３、リニアアンプ２４、カウンティング回路２５又はｖ−ｆコンバータ２６の内、選択部２２で選択されたいずれか１つからの信号と、実際に加工動作が行われる方向である可動部２の駆動方向信号が入力される。すなわち、この実施形態では可動部２がＸ軸のプラス方向（往路）に移動するときに加工物４を加工するものとしており、この可動部２がＸ軸プラス方向に移動するときの信号が入力される。そして、ＡＮＤ演算回路２７は、Ｘ軸のプラス方向移動のときのみ、選択されたコンパレータ２３、リニアアンプ２４、カウンティング回路２５又はｖ−ｆコンバータ２６の出力信号を、ピエゾ駆動部２１に出力し、ピエゾ素子８を駆動することになる。

選択部２２で、コンパレータ２３が選択されたときは、図３に示すようなパターンで加工がなされることになる。
又、リニアアンプ２４が選択されたときには、明暗パターンの明暗の階調に応じて、工具５の切り込み量が変化することとから、図５，図７に示したような加工がなされることになる。又、図３に示すような加工もできる。この場合、コンパレータ２３を選択した場合と比較し、図３（ｂ）に示す凹部Ｐの台形状の加工形状における切り込み傾斜が、コンパレータ２３を選択した場合は、コンパレータの出力が瞬時に立ち上がり、立ち下がることになるから急峻となり、リニアアンプ２４を選択したときは、リニアアンプの出力が緩やかに立ち上がり、立ち下がることからこの傾斜は緩やかになる。

選択部２２でカウンティング回路２５を選択したときは、センサ６からの出力が、該カウンティング回路２５に設定された数に達する毎に出力信号が出力をされ、図４に示すような加工を行うものである。図４に示した例では、カウンティング回路の設定を２として、センサ６からの出力が２つある毎に出力して加工した例である。なお、このカウンティング回路２５に反転回路を設けて、カウンティング回路の出力を反転して出力するようにしてもよい。
ｖ−ｆコンバータが選択された場合には、センサ６の出力電圧の大きさに応じた周波数のパルス列が出力され、図６に示したような加工がなされる。

以上のように、明暗パターンによって、微細な加工ができることから、多数のディンプル形状をその表面に数万から数十万個加工する必要な導光板の金型を作成するときなどに本発明は適しているが、さらには、図７に示したように、切り込み深さをも変えて加工できるものであるから、微細な精密な加工をも効率よく容易に実施することができるものである。

上述した実施形態では、明暗パターン部材３を可動部２に対向して配置し、可動部２に設けたセンサ６で該明暗パターン部材３の明暗パターンを走査し読み取るようにした。すなわち、明暗パターンを直線上に配置した例を示した。
一方、可動部２の移動に応じて明暗パターンが変化するようにすればよいものであるから、明暗パターンを円盤状に配置した明暗パターン部材とし、該円盤状の明暗パターン部材を、可動部２を駆動するモータ軸、又は回転する送り軸（直線駆動手段１のモータ軸又は送り軸）に取り付け、かつ、センサをこの回転する明暗パターン部材の明暗パターンが配設された位置に対向するように固定し、このセンサからの信号を演算部２０に入力するようにしてもよいものである。すなわち、図１，図９に示した例では、センサ６が移動し、明暗パターン部材３が固定され、その明暗パターンが直線上に変化するパターンであったものが、センサが固定され、明暗パターン部材が回転し、その明暗パターンが円上で変化するパターンとなる。この場合一定ピッチで加工するような場合には、一般的なロータリエンコーダをこの明暗パターンとセンサの代わりに用いることができる。

本発明の概要説明図である。本発明の切り込み手段の一例の説明図である。本発明が実施する明暗パターンと該明暗パターンによる加工例を示す図である。本発明が実施する明暗パターンと該明暗パターンのピッチを間引いて加工する加工例を示す図である。本発明が実施する明暗パターンと該明暗パターンの明暗の階調によって加工する加工例を示す図である。本発明が実施する一定ピッチで変化する明暗パターンと該明暗パターンの階調により工具を駆動する駆動周波数を変えて行う加工例を示す図である。本発明が実施する明暗パターンと該明暗パターンの明暗の階調によって加工する加工例を示す図である。工具の動作を説明する説明図である。本発明の一実施形態の加工装置の概要図である。同実施形態における切り込み手段のピエゾ素子を駆動する駆動制御部のブロック図である。同実施形態において使用する２次元の明暗パターンの一例を示す図である。

符号の説明

１直線駆動手段（Ｘ軸直線駆動手段）
２可動部
３明暗パターン部材
４加工物（ワーク）
５工具
６センサ
７切り込み手段
８ピエゾ素子
９板バネ
１０ベース
１１Ｙ軸直線駆動手段
１２明暗パターン配置部材

Claims

可動部を直線的に移動させる直線駆動手段と、
加工情報を明暗でパターン化した明暗パターンを有する明暗パターン部材と、
前記可動部の移動と同期して前記明暗パターンに対し相対的に移動し前記明暗パターンの読取り信号を出力するセンサとを備え、
前記可動部には、工具、及び前記センサからの信号に基づいて工具の切り込み量を変化させる切り込み手段とを備え、
前記可動部及び前記センサの移動中に前記センサにより前記明暗パターンを読取り、該センサから受信した信号により前記切り込み手段は工具の切り込み量を変化させて加工を行う加工装置。
前記センサは、前記可動部に配置され、前記明暗パターン部材は前記センサと対向する位置に固定されている請求項１に記載の加工装置。
前記明暗パターンは、所定ピッチの明暗パターンであり、前記切り込み手段は、前記センサから受信した信号を間引き、前記明暗パターンの整数倍のピッチに同期させて加工することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加工装置。
前記切り込み手段は、前記センサから受信した信号の大きさにより、工具切り込み量を変化させて加工することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加工装置。
前記切り込み手段は、前記センサから受信した信号の大きさにより、工具切り込みの周波数を変化させて加工することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加工装置。
前記切り込み手段は、前記可動部が往復運動に対して往路で工具が加工して、復路で工具が加工対象物から逃げる動作を繰り返して引き切り加工を行うことを特徴とした請求項１乃至５の内いずれか１項に記載の加工装置。
前記直線駆動手段の駆動方向と前記工具の切り込み方向の双方に直交する２つ方向に前記直線駆動手段を移動させる第２の直線駆動手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至６の内いずれか１項に記載の加工装置。
前記可動部及びセンサは、直交する２つの方向に走査するように動き、前記明暗パターン部材に設けられた２次元的に描画した明暗パターンを前記センサが読取り前記工具により加工することを特徴とする請求項７に記載の加工装置。
前記明暗パターン部材は、前記可動部と同期して回転する回転部材に取り付けられ、前記センサは、前記明暗パターン部材の明暗パターンに対向して固定されている請求項１に記載の加工装置。