JP2007136600A - マイクロ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】工具の折損の防止が向上されたマイクロ加工装置を提供する。
【解決手段】本発明のマイクロ加工装置は、被加工物が置かれるステージと、工具を保持し、前記ステージに置かれた前記被加工物を該工具によって加工する加工ユニットと、前記ステージを弾性的に支持するようにして該ステージを移動させる移動装置と、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段で検出される前記ステージの位置に基づき前記移動装置を介して前記ステージの位置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記加工による前記ステージの弾性変位に基づく加工力を検出してこれを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工装置、特に、小径の切削工具を用いて微細な切削加工を行うマイクロ加工装置に関する。

通常の工作機械には、ドリルやエンドミルなどの切削工具を保持させると共に、この切削工具を高速回転させる機構と、切削工具又は被加工物を精密に位置決めする機構とが備えられている。このような加工装置では、被加工物と接触する切削工具の先端位置を正確に位置決めし、切削工具と被加工物とを高剛性かつ精密に支持させることによって、精密な加工を実現している。

ここで、近年、加工装置に用いられる切削工具は小径化する傾向にあり、例えば、直径が０．１ｍｍ以下の切削工具が用いられるようになっている。このような切削工具を用いると、被加工物を加工する際に切削工具が折損されやすくなる。直径の小さい切削工具は、通常の切削工具に比べて高価なため、工具の折損が頻繁に起こると、加工者に経済的な負担を強いることになる。

そこで、切削工具にかかる力を検出するセンサを工作機械に取り付けて、所定の加工条件において発生する力をあらかじめ採取してデータベース化し、このデータに基づき良好な加工条件下で加工を行う手段（オフライン手段）が用いられる（特許文献１参照）。

また、切削工具の折損を予防するため、切削工具又は被加工物にかかる力を検出する装置が組み込まれた加工装置も提案されている（特許文献２及び特許文献３参照）。
特開平５−２７７８１７号公報 特開２００１−３４１０１４号公報 特開平１０−６１１３号公報

しかし、上記特許文献１の構成を採用した場合には、さまざまな種類の被加工物に対する加工データを測定しなければならず、かつ、良好な加工条件を見出すことが困難である。

また、上記特許文献２又は３の構成を採用した場合には、切削工具又は被加工物に作用する力を検出しても、誤差が大きい。

したがって、従来の加工装置においては、切削工具の折損の防止が十分とはいえなかった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、切削工具の折損の防止が向上されたマイクロ加工装置を提供することを目的としている。

本件発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特許文献１のようなオフライン手段では、実際の加工現場における突発的な切削工具の折損に対応しきれないと考えた。

また、本件発明者は、特許文献２又は３の構成では、切削工具又は被加工物に作用させることのできる力の自由度が制限されると共に、切削工具と被加工物との摺動部に発生する摩擦力によって、測定できる加工力の誤差が大きくなり、検出可能な力の精度に限界があることを突き止めた。

そこで、本発明のマイクロ加工装置は、被加工物が置かれるステージと、工具を保持し、前記ステージに置かれた前記被加工物を該工具によって加工する加工ユニットと、前記ステージを弾性的に支持するようにして該ステージを移動させる移動装置と、前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、前記位置検出手段で検出される前記ステージの位置に基づき前記移動装置を介して前記ステージの位置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記加工による前記ステージの弾性変位に基づく加工力を検出してこれを制御する。

このような構成とすると、被加工物を加工する過程におけるオンライン手段によって、工具と被加工物との位置関係を制御することができる。よって、被加工物に対する工具の加工力を制御することができるようになるため、工具の折損が防止される。

また、ステージの移動装置として弾性的に支持するものを用いることにより、工具と被加工物との摺動部に発生する摩擦力が小さくなる。よって、被加工物に対する工具の加工力を正確に測定できるようになるため、加工力の制御を精密に行えるようになる。このようにして、さらに工具の折損が防止される。

前記制御装置は、前記ステージの目標位置に対する前記検出される位置のずれに基づいて前記弾性変位を求めてもよい。

前記制御装置は、前記加工力に応じて前記ステージの目標位置を修正することにより、前記弾性変位を制御して前記加工力を制御してもよい。

前記制御装置は、前記加工力に比例した前記ステージの変位を求め、該求めた変位を積分してこれを位置補正量として蓄積し、前記変位と前記位置補正量との差を０にするよう前記ステージの位置を制御してもよい。

本発明のマイクロ加工装置は、上述のような構成を有しており、工具の折損が防止されるという効果を奏する。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るマイクロ加工装置の構成を示す概略図である。図２は図１のマイクロ加工装置における変位センサの配列を示す平面図である。図３は、図１のマイクロ加工装置におけるアクチュエータの配列を示す平面図である。

図１乃至図３に示すように、本実施形態のマイクロ加工装置は、その中心軸を中心に回転して切削する切削工具１を同軸状に保持する主軸（加工ユニット）２と、該主軸２を取り付ける主軸回転装置（加工ユニット）３と、前記切削工具１により加工される被加工物４を搭載するステージ６と、該ステージ６の位置を検出するための変位センサ１３乃至１８と、これらの変位センサ１３乃至１８によって得られたデータに基づき前記ステージ６を移動させる移動装置（アクチュエータ）１９乃至２４と、該アクチュエータ１９乃至２４を制御する制御装置２５とを備えている。本実施形態では、後述するアクチュエータ及び変位センサの配置を特定する基準とするために、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる直交座標系（以下、基準直交座標系という）が想定されている。基準直交座標系は、Ｚ軸が鉛直方向を向くように想定されている。なお、基準直交座標系の原点のＺ軸方向における位置は、特定する必要がないので、想定されていない。以下では、基準直交座標系のＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を、それぞれ、単に、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸と呼ぶ場合がある。

切削工具１は、主軸２に差し込まれた後、保持手段（図示せず）を用いて主軸２に保持されている。本実施形態のマイクロ加工装置においては、切削工具１として直径が０．１ｍｍのドリルを用いる。ここで、切削工具１としては、直径が２０μｍ〜１ｍｍの範囲のものを用いることが好ましい。また、本実施形態のマイクロ加工装置においては、切削工具１としてドリルを用いたが、その他の切削工具、例えば、ミリング工具などを用いることができる。さらに、本実施形態のマイクロ加工装置においては、切削工具１を用いたが、切削以外のその他の加工を行うことのできる工具を用いることもできる。

主軸２は、保持手段（図示せず）を用いて主軸回転装置３に取り付けられている。ここで、主軸２及び主軸回転装置３は、その回転軸がＺ軸に一致するように配設されている。そして、主軸回転装置３を回転させることによって、主軸２ひいては主軸２に保持された切削工具１が回転される。この切削工具１の回転により被加工物４が加工される。

ステージ６は、被加工物４を固定する固定治具５を備えている。固定治具５は、保持手段（図示せず）を用いてステージ６に取り付けられている。ステージ６は、図１乃至図３に示すように、平面視において正方形をなす板状に形成されている。ステージ６は、鉄などの磁気的性質を有する材料を含んで構成されている。ここで、ステージ６には、磁気的性質を有する材料であれば、他の材料を含ませることもできる。ステージ６は、後述するアクチュエータによって瞬時に位置決めすることができるように、その重さを０．０５ｋｇ以上０．２ｋｇ以下の範囲にすることが好ましい。なお、ステージ６の形状は上記正方形状に限定されるものではなく、他の形状、例えば、長方形状、三角形状などに形成されていてもよい。

ステージ６の側面には、図２に示すように、第一位置検出片７と、第二位置検出片８と、第三位置検出片９とが配設されている。これらの位置検出片は、ステージ６と同じ材質、すなわち、鉄などの磁気的性質を有する材料を含んで構成される。ただし、後述するような他の変位センサを用いる場合には、各位置検出片は、磁気的性質を有する材料を含んで構成されなくてもよい場合がある。

変位センサは、第一変位センサ１３と、第二変位センサ１４と、第三変位センサ１５と、第四変位センサ１６と、第五変位センサ１７と、第六変位センサ１８とから構成される。これらの変位センサは、図２に示すように、その全体で、ステージ６の水平方向の位置と、高さ方向の位置とを検出できるように配設されている。これらの変位センサは、非接触式の渦電流式変位センサで構成される。ここで、本発明のマイクロ加工装置においては、非接触式の変位センサであれば他の変位センサを用いることができ、例えば、レーザー式変位センサ、静電式変位センサなどを用いることができる。

第一変位センサ１３と、第二変位センサ１４と、第三変位センサ１５とが、ステージ６と所定の間隔をとってステージ６の下方に配設されている。第一変位センサ１３と、第二変位センサ１４と、第三変位センサ１５とは、ステージ６に対向するようにして配設されている。第一変位センサ１３は、平面視において該変位センサ１３におけるＹ軸に対して平行な中心線Ｓ_１とＹ軸との距離がａ_ｓとなるように配設されている。第二変位センサ１４及び第三変位センサ１５は、平面視において各変位センサにおけるＸ軸に対して平行な中心線Ｓ_２、Ｓ_３とＸ軸との距離がｃ_ｓとなるように配設されている。また、第二変位センサ１４及び第三変位センサ１５は、平面視において各変位センサにおけるＹ軸に対して平行な中心線Ｓ_２３とＹ軸との距離がｂ_ｓとなるように配設されている。

そして、第一変位センサ１３と、第二変位センサ１４と、第三変位センサ１５とによって、ステージ６の高さ方向の変位が検出される。これらの変位センサにより検出されたステージ６の変位から、ステージ６の高さ方向の位置が測定される。そして、このようにして測定されたステージ６の高さ方向の位置データが、後述する制御装置２５に入力される。

一方、第四変位センサ１６は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片７に対向するように配設されている。第五変位センサ１７は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片８に対向するように配設されている。第四変位センサ１６及び第五変位センサ１７は、各変位センサの中心線Ｓ_４、Ｓ_５がＸ軸に対して平行になるように配設されている。第四変位センサ１６及び第五変位センサ１７は、平面視において各変位センサの中心線Ｓ_４、Ｓ_５とＸ軸との距離がｌ_ｓとなるように配設されている。

第六変位センサ１８は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片９に対向するように配設されている。第六変位センサ１８は、該変位センサ１８の中心線Ｓ_６がＹ軸に対して平行になるように配設されている。第六変位センサ１８は、平面視において該変位センサ１８の中心線Ｓ_６とＹ軸との距離がｌ_ｓとなるように配設されている。

そして、第四変位センサ１６によって、前記第一位置検出片７の変位が検出される。また、第五変位センサ１７によって、前記第二位置検出片８の変位が検出される。さらに、第六変位センサ１８によって、前記第三位置検出片９の変位が検出される。これらの変位センサにより検出された位置検出片の変位から、ステージ６の水平方向の位置が測定される。そして、このようにして測定されたステージ６の水平方向の位置データが、後述する制御装置２５に入力される。

本実施形態のマイクロ加工装置においては、各変位センサの分解能は、０．５μｍに設定している。ここで、各変位センサの分解能は、０．１μｍ以上０．５μｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

アクチュエータ１９乃至２４は、図３に示すように、第一電磁石１９と、第二電磁石２０と、第三電磁石２１と、第四電磁石２２と、第五電磁石２３と、第六電磁石２４とから構成される。

ステージ６の上方には、第一電磁石１９と、第二電磁石２０と、第三電磁石２１との三つの電磁石が、ステージ６と所定の間隔をあけて配設されている。第一電磁石１９は、第一変位センサ１３とステージ６を挟んで対向するように配設されている。第二電磁石２０は、第二変位センサ１４とステージ６を挟んで対向するように配設されている。第三電磁石２１は、第三変位センサ１５とステージ６を挟んで対向するように配設されている。第一電磁石１９は、該電磁石の中心線Ｍ_１がＹ軸に対して平行になるように配設されている。第一電磁石１９は、平面視において該電磁石の中心線Ｍ_１とＹ軸との距離がａ_Ｍとなるように配設されている。また、第二電磁石２０と第三電磁石２１とは、それぞれの電磁石の中心線Ｍ_２、Ｍ_３とがＸ軸方向に対して平行になるように配設されている。第二電磁石２０と第三電磁石２１とは、平面視においてそれらの中心線Ｍ_２、Ｍ_３からＸ軸までの距離がｃ_Ｍとなるように配設されている。また、第二電磁石２０と第三電磁石２１とは、平面視において各電磁石の中心線Ｍ_２、Ｍ_３に垂直な中心線Ｍ_２３からＹ軸までの距離がｂ_Ｍとなるように配設されている。第一電磁石１９と、第二電磁石２０と、第三電磁石２１とは、ステージ６に対してＺ軸方向（図４参照）に沿った電磁力を作用させる。

また、第四電磁石２２と、第五電磁石２３と、第六電磁石２４との３組の電磁石は、ステージ６の側面に対して所定の間隔をあけて配設されている。第四電磁石２２と、第五電磁石２３と、第六電磁石２４とは、２個の電磁石が１組となって構成される。第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、図３に示すように、一組の電磁石の中心線Ｍ_４、Ｍ_５とがＸ軸に対して平行になるように配設されている。また、第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、それらの一組の電磁石の中心線Ｍ_４、Ｍ_５とがＸ軸に対して対称をなし、平面視においてそれらの中心線Ｍ_４、Ｍ_５からＸ軸までの距離がｌ_Ｍとなるように配設されている。第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、ステージ６に対してＸ軸方向に沿った電磁力を作用させる。

第六電磁石２４は、その一組の電磁石の中心線Ｍ_６がＹ軸に対して平行になるように配設されている。また、第六電磁石２４は、平面視においてその一組の電磁石の中心線Ｍ_６とＹ軸との距離がｌ_Ｍとなるように配設されている。第六電磁石２４は、ステージ６に対してＹ軸方向に沿った電磁力を作用させる。

そして、上記各電磁石に電力が供給されると、それぞれの電磁石に電磁力が発生する。この電磁力が吸引力となって、磁性体で構成されるステージ６を移動させる。そして、各電磁石に供給する電力を調整して、電磁力すなわち吸引力の強弱をつけることにより、ステージ６の位置決めを行うことができる。

なお、本件発明者は、上記に示したステージ６の位置決め機構としてステージ６の位置決め装置を発明しているので、詳しくは当該発明が記載された特許公報第３４５２３０５号を参照されたい。

ここで、本実施形態のマイクロ加工装置においては、アクチュエータ１９乃至２４として電磁石を用いたが、その他のアクチュエータ、例えばピエゾ素子などを用いることができる。また、本実施形態においては、アクチュエータがステージ６に及ぼす弾性力を２０Ｎ／ｍに設定しているが、１０Ｎ／ｍ以上１００Ｎ／ｍ以下の範囲に設定することが好ましい。

制御装置２５には記憶媒体２６とＣＰＵ２７とが組み込まれている。制御装置２５には、あらかじめ、切削工具１の送り速度、ステージ６の目標とする位置情報、被加工物に対する切削工具１の加工力の制限値などが入力され、これらがＣＰＵ２７を介して記憶媒体２６に記憶されている。ＣＰＵ２７は、以下に述べる制御装置２５における演算、データ処理、制御等の機能を実現する。

そして、図１に示すように、制御装置２５は、変位センサ１３乃至１８により取得された位置情報を入力信号ｙとし、アクチュエータ１９乃至２４の制御情報を出力信号ｖとするフィードバック制御を実施する。本実施形態のマイクロ加工装置においては、応答時間（周期）が０．２５ｍｓｅｃ（周波数４ｋＨｚ）でフィードバック制御を行っている。ここで、応答時間は０．１ｍｓｅｃ〜１ｍｓｅｃの範囲にすることが好ましい。このフィードバック制御に基づき、ステージ６はアクチュエータ１９乃至２４によって弾性支持され、適切な位置に位置決めされる。
［適用例］
以下、上記第１実施形態のマイクロ加工装置の適用例について説明する。

ステージ６の位置は、前述のとおり、変位センサによって検出された位置検出片とステージとの変位によって測定される。そして、変位センサによって検出された出力ベクトル（変位センサ出力ベクトル）を、ｙ＝（ｙ_１ ｙ_２ ｙ_３ ｙ_４ ｙ_５ ｙ_６）とおく。ここで、ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３は、ステージ６の下方（Ｚ軸方向）に配設された変位センサの出力信号であり、ｙ_１は第一変位センサ１３の出力信号、ｙ_２は第二変位センサ１４の出力信号、ｙ_３は第三変位センサ１５の出力信号である。一方、ｙ_４、ｙ_５は、ステージ６の側方（Ｘ軸方向）に配設された変位センサの出力信号であり、ｙ_４は第四変位センサ１６の出力信号、ｙ_５は第五変位センサ１７の出力信号である。また、ｙ_６はステージ６の側方（Ｙ軸方向）に配設された第六変位センサ１８の出力信号である。

また、ステージ６の直交座標系における位置ベクトルを、ｘ＝（x y z θ_ｘ θ_ｙ θ_ｚ）とする。ここで、xはＸ軸方向の変位、yはＹ軸方向の変位、zはＺ軸方向の変位、θ_ｘはＸ軸まわりの回転変位、θ_ｙはＹ軸まわりの回転変位、θ_ｚはＺ軸まわりの回転変位である。

ここで、変位センサ出力ベクトルｙは、直交座標系における位置ベクトルｘと必ずしも一致するわけではない。変位センサ出力ベクトルｙが直交座標系における位置ベクトルｘと一致しない場合には、変位センサ出力ベクトルｙを直交座標系における位置ベクトルｘに変換する必要がある。そこで、座標変換行列Ｔを用いて、変位センサ出力ベクトルｙを直交座標系における位置ベクトルｘに変換すると、以下の式（１）のように表わされる。
[数１]
ｘ＝Ｔｙ （１）

ここで、変位センサ座標系から直交座標系への変換行列Ｔは、以下に示すように、マイクロ加工装置における変位センサの配置から計算される。

まず、Ｘ軸方向の変位x、Y軸方向の変位y、Ｚ軸方向への変位zは、以下の式（２）で表わされる。
[数２]
x＝（ｙ_４＋ｙ_５）／２
y＝（ｙ_４−ｙ_５）／２＋ｙ_６
z＝（ｙ_１＋ｙ_２＋ｙ_３）／３ （２）

一方、ｘ軸まわりの回転変位θ_ｘ、Ｙ軸まわりの回転変位θ_ｙ、Ｚ軸まわりの回転変位θ_ｚは、以下の式（３）のように表わされる。
[数３]
θ_ｘ＝−（ｙ_２−ｙ_３）／２ｃ_Ｓ
θ_ｙ＝（（ｙ_２＋ｙ_３）／２−ｙ_１）／（ａ_Ｓ＋ｂ_Ｓ）
θ_ｚ＝（−ｙ_４＋ｙ_５）／２ｌ_Ｓ （３）

そして、変換行列Ｔは、式（２）及び式（３）を用いて、以下の式（４）で示される。
[数４]

制御装置２５は、変位センサによる出力ベクトルｙを入力信号とし、出力ベクトルｙとステージ６を目標位置に静止させる指示位置ベクトルｕ＝（u_１ u_２ u_３ u_４ u_５ u_６）との差（誤差変位ベクトル）に比例した弾性力Ｆ_ｓを発生させるよう制御信号ｖを出力する。ここで、弾性力Ｆ_ｓは、アクチュエータ１９乃至２４がステージ６を支持するために必要な弾性力である。

ステージ６の弾性支持特性を表す弾性行列をＫとすると、弾性力Ｆ_ｓは以下の式（５）で表わされる。
[数５]

Ｆ_ｓ＝−Ｋ（ｙ−ｕ） （５）

しかし、弾性力Ｆ_ｓは、直交座標系における加工力とモーメントとを要素とするベクトルとして表現されているわけではない。そこで、以下の式（６）に示すように、変換行列Ｌを用いて弾性力Ｆ_ｓを直交座標系における加工力とモーメントとを要素とする弾性力ベクトルＦ_ｃに変換する。
[数６]

Ｆ_ｃ＝ＬＦ_ｓ （６）

ここで、変換行列Ｌは、上記マイクロ加工装置におけるアクチュエータ（電磁石）１９乃至２４の配置から計算される。

電磁石１９乃至２４が発する力を、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５、ｆ_６とする。ここで、ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３は、ステージ６の上方（Ｚ軸方向）に配設された電磁石が発する電磁力であり、ｆ_１は第一電磁石１９が発する電磁力、ｆ_２は第二電磁石２０が発する電磁力、ｆ_３は第三電磁石２１が発する電磁力である。一方、ｆ_４、ｆ_５は、ステージ６の側方（Ｘ軸方向）に配設された電磁石が発する電磁力であり、ｆ_４は第四電磁石２２の発する電磁力、ｆ_５は第五電磁石２３が発する電磁力である。また、ｆ_６は、ステージ６の側方（Ｙ軸方向）に配設された第六電磁石２４が発する電磁力である。

まず、Ｘ軸方向への加工力ｆ_ｘ、Ｙ軸方向への加工力ｆ_ｙ、Ｚ軸方向への加工力ｆ_ｚと、ｆ_１乃至ｆ_６との関係は、以下の式（７）のように表わされる。
[数７]

ｆ_ｘ＝ｆ_４＋ｆ_５
ｆ_ｙ＝ｆ_６
ｆ_ｚ＝ｆ_１＋ｆ_２＋ｆ_３ （７）

一方、Ｘ軸まわりのモーメントｑ_ｘ、Ｙ軸まわりのモーメントｑ_ｙ、Ｚ軸まわりのモーメントｑ_ｚと、ｆ_１乃至ｆ_６との関係は、以下の式（８）のように表わされる。
[数８]
ｑ_ｘ＝−ｆ_２ｃ_Ｍ＋ｆ_３ｃ_Ｍ
ｑ_ｙ＝（ｆ_２＋ｆ_３）ｂ_Ｍ−ｆ_１ａ_Ｍ
ｑ_ｚ＝−ｆ_４ｌ_Ｍ＋ｆ_５ｌ_Ｍ−ｆ_６ｌ_Ｍ （８）

そして、変換行列Ｌは、式（７）及び式（８）を用いて、以下の式（９）で示される。
[数９]

また、ステージ６には重力が作用する。重力加速度ベクトルをｇ＝（０ ０ ｇ ０ ０ ０）、ステージ６の質量をｍとすれば、ステージ６に作用する重力ベクトルは、−ｍｇとして表わされる。さらに、ステージ６に固定された被加工物４に切削工具１が接触すると、切削工具１は被加工物４に対して、加工力を作用させる。加工力は、図４に示すように、Ｆ_ｗ＝（ｆ_ｘ ｆ_ｙ ｆ_ｚ ｑ_ｘ ｑ_ｙ ｑ_ｚ）で表わされ、これを加工力ベクトルと称する。ここで、ｆ_ｘはＸ軸方向への加工力、ｆ_ｙはＹ軸方向への加工力、ｆ_ｚはＺ軸方向への加工力、ｑ_ｘはＸ軸まわりのモーメント、ｑ_ｙはＹ軸まわりのモーメント、ｑ_ｚはＺ軸まわりのモーメントである。

ここで、弾性力ベクトルＦ_ｃは、加工力ベクトルＦ_ｗとステージ６に作用する重力ベクトル−ｍｇとの合力とつりあうため、以下の式（１０）が成立する。
[数１０]
Ｆ_ｃ＝−Ｆ_ｗ＋ｍｇ （１０）

式（５）、（６）、（１０）により、以下の式（１１）が成立する。
[数１１]
ＬＫ（ｙ−ｕ）＝Ｆ_ｗ−ｍｇ （１１）

ここで、式（１１）において、誤差変位ベクトルｙ−ｕを残しておくと、加工誤差となる。そこで、誤差変位ベクトルｙ−ｕを補正し、ステージ６の位置を目標位置と一致させる。具体的には、誤差変位ベクトルｙ−ｕに、加工力補正ベクトルｕ_ｗと重力補正ベクトルｍＫ^−１Ｌ^−１ｇとを加えて、以下の式（１２）を得る。
[数１２]
ＬＫ（ｙ−ｕ＋ｕ_ｗ−ｍＫ^−１Ｌ^−１ｇ）＝Ｆ_ｗ−ｍｇ （１２）

式（１２）においてｍｇを含む項（重力項）は左辺と右辺とで相殺されるので、以下の式（１３）を得る。
[数１３]
ＬＫ（ｙ−ｕ＋ｕ_ｗ）＝Ｆ_ｗ （１３）

ここで、位置補正ベクトルｕ_ｗにより誤差変位ベクトルｙ−ｕを補正し、ステージ６の位置ベクトルｙと目標位置ベクトルｕとを一致させなければならない。そこで、位置補正ベクトルｕ_ｗの時間微分値ｕ’ _ｗ（＝ｄｕ／ｄｔ）と誤差変位ベクトルｙ−ｕとの関係を、以下の式（１４）とおく。ここで、αは正の実数定数である。
[数１４]
αｕ’_ｗ＝ｙ−ｕ （１４）

式（１４）を式（１３）に代入して整理すると、以下の式（１５）を得る。
[数１５]
αＬＫｕ’_ｗ＋ＬＫｕ_ｗ＝Ｆ_ｗ （１５）

ここで、式（１５）は、一階の常微分方程式であり、かつ、αは正の実数定数であるから、時間の経過とともに位置補正ベクトルｕ_ｗの微分値は０に収束する。したがって、以下の式（１６）が成立する。
[数１６]
ＬＫｕ_ｗ＝Ｆ_ｗ （１６）

位置補正ベクトルｕ_ｗと誤差変位ベクトルｙ−ｕとを用いることにより、加工力ベクトルＦ_ｗの推定値Ｆ^＊ _ｗは、以下の式（１７）で表わされる。
[数１７]

ここで、β＝１／αである。また、（１７）式の右辺の第１項は誤差変位をあらわす項であり、（１７）式の右辺の第２項は誤差変位の積分値をあらわす項である。誤差変位の積分値は、位置補正信号として制御装置２５の記録媒体２６に蓄積される。制御装置２５は、誤差変位ベクトルを０にするように位置補正ベクトルｕ_ｗを修正する。

一方、前記式（１）によって得られるステージ６の位置ベクトルｘを時間微分することにより、ステージ６の移動速度を算出することができる。本実施形態のマイクロ加工装置においては、切削工具１を一定位置に固定し、被加工物４が保持されたステージ６を移動させることによって、被加工物４の所望の位置に対して加工を行う。したがって、ステージ６の移動速度が切削工具１の送り速度と等しくなるので、切削工具１の送り速度と加工力ベクトルの推定値（式（１３））とを対応付けることができる。このようにして、従来においては計測できなかった切削工具１の送り速度と加工力との関係が計測できるようになる。

なお、本実施形態のマイクロ加工装置に置いては、切削工具１の送り速度、すなわち、ステージ６の移動速度は、０．０１ｍｍ／ｓｅｃ以上０．１ｍｍ／ｓｅｃ以下の範囲に設定することが好ましい。
［実施例］
以下、本発明のマイクロ加工装置の実施例について説明する。

本実施例においては、上記制御装置２５として電子計算機を用いる。電子計算機は、連続量である位置などの信号を離散量として計測する。すなわち、変位センサからの出力ベクトルｙは時間に関する連続量となるので、時間ｔの関数ｙ（ｔ）として表現することができる。

しかしながら、電子計算機は離散量を取り扱うことができるが、連続量を取り扱うことはできない。したがって、連続量をサンプル時間Δｔごとに採取して得られる離散量として取り扱う。すなわち、整数ｎを時間ｔに至るまでに連続量を採取した回数とすれば、ｔ＝ｎΔｔが成り立つ。したがって、電子計算機は、連続量である変位センサからの出力ベクトルｙを、サンプル時間Δｔごとに採取した離散量ｙ（ｎΔｔ）として取り扱うことができる。電子計算機は、他の時間の関数として表記される連続量（目標位置ベクトルｕ）についても同様に、離散量に変換して取り扱うことができる。

連続量を離散量に置き換えることにより、連続量によって表記される前記（１７）式は、離散量を用いた式（１８）として表わされる。
[数１８]

目標位置ベクトルｕを加工力ベクトルＦ_ｗの推定値の関数出力し、この関数を適切に定めることによって、加工力ベクトルＦ_ｗが適切に制御される。
［制御方法］
図５は、本発明の実施例に係るマイクロ加工装置の制御方法を示すフローチャートである。以下、本実施例のマイクロ加工装置を用いた具体的な加工力の制御方法を、図５を参照しながら説明する。

本実施例におけるマイクロ加工装置においては、制御装置２５の記憶媒体２６に、切削工具１の目標位置及び送り速度、被加工物４に対する切削工具１の加工力の制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}などがあらかじめ入力され、記憶されている。制御装置２５には、終了キーと中断キーとが設けられている。

まず、マイクロ加工装置が起動した時点で、図５に示す加工力制御ルーチンが開始される。

そして、マイクロ加工装置のアクチュエータが起動した時点で、制御装置２５に組み込まれたＣＰＵ２７が、被加工物４に対する切削工具１の加工力を取得する（Ｓ１）。ここで、本実施例においては、ＣＰＵ２７が被加工物４に対する切削工具１の加工力を取得するのは、アクチュエータが起動した時点からであるが、切削工具１により被加工物４を加工している過程において、加工者がＣＰＵ２７に対し加工力を取得するような情報を入力した時点からでもよい。

次に、ＣＰＵ２７は、加工力ベクトルの関数Ｆ_Ｎ（以下、単に、関数Ｆ_Ｎという。）とステージ６の目標位置ベクトルｕとを用いて、以下の式（１９）の演算を行う。
[数１９]

ここで、α_x，α_y，α_z，β_x，β_y，β_zは定数である。また、制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}は関数Ｆ_Ｎの制限値、ｕ_ｏｌｄは更新前のステージ６の目標位置ベクトル、ｕ_ｎｅｗは更新後のステージ６の目標位置ベクトル、Δｕは目標位置ベクトルｕの増分である。式（１９）により、関数Ｆ_Ｎは制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}以下に制限される。

まず、ＣＰＵ２７は、取得した関数Ｆ_Ｎと、あらかじめ記憶媒体２６に入力された制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}とを比較し、関数Ｆ_Ｎが制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さいかどうかを判断する（Ｓ２）。そして、関数Ｆ_Ｎが制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}よりも小さい場合には（Ｓ２においてＹＥＳ）、切削工具１が目標位置ｕに対してΔｕだけ近づけられる（Ｓ３）。そして、その状態で、切削工具１による被加工物４の加工が続行される。

次に、ＣＰＵ２７は、終了キーが押されたかどうかを判断する（Ｓ４）。ここで、加工者が、切削工具１による被加工物４の加工を終了するかどうか目視により確認し、加工を終了する場合には終了キーを押す。ＣＰＵ２７は、終了キーが押されたと判断すると（Ｓ４においてＹＥＳ）、被加工物４の加工は終了する（Ｓ７）。一方、被加工物４の加工を続行する場合には、加工者は終了キーを押さない。ＣＰＵ２７は、終了キーが押されていないと判断すると（Ｓ４においてＮＯ）、ステップＳ１に戻り、加工力を取得する。これにより、切削工具１による被加工物４の加工が続行される。

一方、関数Ｆ_Ｎが制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}よりも大きい場合には（Ｓ２においてＮＯ）、切削工具１が被加工物４の目標位置ｕからΔｕだけ離される（Ｓ５）。このようにして、切削工具１が被加工物に対して過剰な加工力を与えることを抑制することができる。

次に、ＣＰＵ２７は、中断キーが押されたかどうかを判断する（Ｓ６）。まず、加工者が、切削工具１による被加工物４の加工を中断するかどうかを目視により確認する。そして、被加工物の加工を中断する場合には、加工者は制御装置２５における中断キーを押す。制御装置２５のＣＰＵ２７は、中断キーが押されたと判断すると（Ｓ６においてＹＥＳ）、被加工物４の加工は終了する（Ｓ７）。ここで、切削工具１による被加工物４の加工を中断する場合とは、関数Ｆ_Ｎが制限値Ｆ_{ｌｉｍｉｔ}以下とならず、これ以上加工を続行すると切削工具１が折損するおそれのある場合が該当する。一方、被加工物４の加工を続行する場合には、加工者は中断キーを押さない。ＣＰＵ２７は、終了キーが押されていないと判断すると（Ｓ６においてＮＯ）、ステップＳ１に戻り、加工力を取得する。

そして、上記のサイクル、すなわち、加工力の測定とステージ６の位置決めとが繰り返されることにより、被加工物４に対する切削工具１の加工力を制御しながら被加工物４を加工することができるので、切削工具1の折損を防止することができる。

また、切削工具１と被加工物４との組み合わせによって決定される加工力と、送り速度との関係が解明され、最適な加工条件を見い出すことができる。
［測定例］
図６乃至図１２は、上記実施例のマイクロ加工装置を用い、切削工具１にかかる加工力を測定したものである。図６はＺ軸方向への加工力を示すグラフ、図７はＸ軸方向への加工力を示すグラフ、図８はＹ軸方向への加工力を示すグラフである。図９はＸ軸まわりのモーメントを示すグラフ、図１０はＹ軸まわりのモーメントを示すグラフ、図１１はＺ軸まわりのモーメントを示すグラフである。図１２は、Ｚ軸方向への加工力を示すグラフであって、被加工物４に対する切削工具１の加工力を制御したグラフである。

図６に示すように、Ｚ軸方向への加工力は、加工開始から４５秒経過付近までにおいては、Ｚ軸のマイナス方向へ働いている。これは、切削工具１を被加工物４に対して突っ込んでいるときの力を示している。次に、加工開始から４５秒付近で、Ｚ軸方向への加工力がマイナス方向からプラス方向へ転じている。これは、切削工具１が被加工物４を貫通した状態を示している。そして、加工開始から４５秒以降については、Ｚ軸のプラス方向への力が働いている。これは、切削工具１を被加工物４から引き抜いているときの状態を示している。

次に、図７に示すように、Ｘ軸方向への加工力は、加工開始から４５秒経過付近までにおいては、Ｘ軸のプラス方向へ働いている。また、加工開始から４５秒経過付近以降においては、Ｘ軸方向への加工力は０（Ｎ）に収束するように変化している。これは、切削工具１が被加工物４を貫通するまで（図６参照）は、切削工具１に対するＸ軸のプラス方向への曲げ力が徐々に大きくなっているのに対し、切削工具１が被加工物４を貫通した後は、切削工具１に対するＸ軸のプラス方向への曲げ力が徐々に小さくなっていることを示している。

また、図８に示すように、Ｙ軸方向への加工力は、加工開始から４５秒経過付近までにおいては、Ｙ軸のマイナス方向へ働いている。また、加工開始から４５秒経過付近以降においては、Ｙ軸方向への加工力は０（Ｎ）に収束するように変化している。これは、切削工具１が被加工物４を貫通するまで（図６参照）は、切削工具１に対するＹ軸のマイナス方向への曲げ力が徐々に大きくなっているのに対し、切削工具１が被加工物４を貫通した後は、切削工具１に対するＹ軸のマイナス方向への曲げ力が徐々に小さくなっていることを示している。

一方、図９に示すように、切削工具１が被加工物４を貫通するまでは（図６参照）、Ｘ軸まわりのモーメントｑｘが増加していることから、Ｘ軸まわりのねじれが大きくなっていることが分かる。一方、切削工具１が被加工物４を貫通した後は、Ｘ軸まわりのモーメントｑｘが減少していることから、Ｘ軸まわりのねじれが小さくなっていることが分かる。

また、図１０に示すように、切削工具１が被加工物４を貫通するまでは、Ｙ軸まわりのモーメントｑｙが増加していることから、Ｙ軸まわりのねじれが大きくなっていることが分かる。一方、切削工具１が被加工物４を貫通した後は、Ｙ軸まわりのモーメントｑｙが減少していることから、Ｙ軸まわりのねじれが小さくなっていることが分かる。

さらに、図１１に示すように、切削工具１が被加工物４を貫通するまでは、Ｚ軸まわりのモーメントｑｚが増加していることから、Ｚ軸まわりのねじれが大きくなっていることが分かる。一方、切削工具１が被加工物４を貫通した後は、Ｚ軸まわりのモーメントｑｚが減少していることから、Ｚ軸まわりのねじれが小さくなっていることが分かる。

本発明の実施例のマイクロ加工装置を用い、式（１９）においてα_x＝α_y＝β_x＝β_y＝β_z＝０，α_z＝１とし、加工力の絶対値｜ｆｚ｜が制限値０．３Ｎ（３０ｇ）以下になるように制御して、被加工物４を加工したときの加工力ｆｚを、図１２に示す。

図１２から明らかなように、加工力の絶対値｜ｆｚ｜が０．３Ｎを超えそうになると、制御装置２５は、切削工具１と被加工物４との距離を離すように目標位置ベクトルを修正している。結果として、切削工具１の折損が予防されることが明らかである。

なお、上記実施例においては、直径が０．１ｍｍの切削工具１を用いたため、加工力の制限値を０．３Ｎに設定していたが、前述のように直径が２０μｍ〜１ｍｍの範囲の切削工具１を用いた場合には、加工力の制限値を０．０１Ｎ〜２Ｎ（１ｇ〜２００ｇ）の範囲に設定することが好ましい。
（第２実施形態）
図１３は、本発明の第２実施形態に係るマイクロ加工装置の構成を示す概略図である。図１４は、図１３のマイクロ加工装置におけるアクチュエータの配列を示す平面図である。図１３及び図１４において、図１及び図３と同一又は相当する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。

上記の第１実施形態においては、アクチュエータとして電磁石を用いたが、本実施形態のマイクロ加工装置では、アクチュエータとしてピエゾ素子を用いている。

そして、本実施形態のマイクロ加工装置においては、図１４に示すように、ステージ６の側面に、第一ピエゾ素子３１と、第二ピエゾ素子３２と、第三ピエゾ素子３３とが配設されている。各ピエゾ素子は、ステージ６と筐体３０とを連結するように配設されている。各ピエゾ素子は、ステージ６を水平方向に移動させる。

一方、ステージ６の下方には、第四ピエゾ素子３４と、第五ピエゾ素子３５と、第六ピエゾ素子３６とが配設されている。各ピエゾ素子は、ステージ６と筐体３０とを連結するように配設されている。その他の構成については、上記第１実施形態と同様である。

以上のような構成としても、第１実施形態のマイクロ加工装置と同様の効果を奏する。

本発明のマイクロ加工装置は、切削工具の折損の防止が向上された加工装置として有用である。

本発明の第１実施形態に係るマイクロ加工装置の構成を示す概略図である。 図１のマイクロ加工装置における変位センサの配列を示す平面図である。 図１のマイクロ加工装置におけるアクチュエータの配列を示す平面図である。 加工力を示す概略図である。 本発明の実施例に係るマイクロ加工装置の制御方法を示すフローチャートである。 Ｚ軸方向への加工力の経時変化を示すグラフである。 Ｘ軸方向への加工力の経時変化を示すグラフである。 Ｙ軸方向への加工力の経時変化を示すグラフである。 Ｘ軸まわりのモーメントの経時変化を示すグラフである。 Ｙ軸まわりのモーメントの経時変化を示すグラフである。 Ｚ軸まわりのモーメントの経時変化を示すグラフである。 Ｚ軸方向への加工力の経時変化を示すグラフであって、加工力を制限したグラフである。 本発明の第２実施形態に係るマイクロ加工装置の構成を示す概略図である。 図１３のマイクロ加工装置におけるアクチュエータの配列を示す平面図である。

符号の説明

１ 切削工具
２ 主軸（加工ユニット）
３ 主軸回転装置（加工ユニット）
４ 被加工物
５ 固定治具
６ ステージ
７ 第一位置検出片
８ 第二位置検出片
９ 第三位置検出片
１３ 第一変位センサ
１４ 第二変位センサ
１５ 第三変位センサ
１６ 第四変位センサ
１７ 第五変位センサ
１８ 第六変位センサ
１９ 第一アクチュエータ（第一電磁石）
２０ 第二アクチュエータ（第二電磁石）
２１ 第三アクチュエータ（第三電磁石）
２２ 第四アクチュエータ（第四電磁石）
２３ 第五アクチュエータ（第五電磁石）
２４ 第六アクチュエータ（第六電磁石）
２５ 制御装置（電子計算機）
２６ 記憶媒体
２７ ＣＰＵ
３１ 第一ピエゾ素子
３２ 第二ピエゾ素子
３３ 第三ピエゾ素子
３４ 第四ピエゾ素子
３５ 第五ピエゾ素子
３６ 第六ピエゾ素子
４０ 筐体

Claims (4)

1. 被加工物が置かれるステージと、
   工具を保持し、前記ステージに置かれた前記被加工物を該工具によって加工する加工ユニットと、
   前記ステージを弾性的に支持するようにして該ステージを移動させる移動装置と、
   前記ステージの位置を検出する位置検出手段と、
   前記位置検出手段で検出される前記ステージの位置に基づき前記移動装置を介して前記ステージの位置を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記加工による前記ステージの弾性変位に基づく加工力を検出してこれを制御する、マイクロ加工装置。
2. 前記制御装置は、前記ステージの目標位置に対する前記検出される位置のずれに基づいて前記弾性変位を求める、請求項１に記載のマイクロ加工装置。
3. 前記制御装置は、前記加工力に応じて前記ステージの目標位置を修正することにより、前記弾性変位を制御して前記加工力を制御する、請求項２に記載のマイクロ加工装置。
4. 前記制御装置は、前記加工力に比例した前記ステージの変位を求め、該求めた変位を積分してこれを位置補正量として蓄積し、前記変位と前記位置補正量との差を０にするよう前記ステージの位置を制御する、請求項１に記載のマイクロ加工装置。
   

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