JP2007326179A - 微細形状加工装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】加工部13が、被加工物1の表面1aを加工可能な工具28と、工具28に接続され、工具28に加えられた力を計測して出力する力センサ24とを有している。駆動部12が、被加工物1に対して加工部13を駆動可能に、加工部13に接続されたアクチュエータを有している。支持部11が、駆動部12を支持している。変位センサ14が、支持部11に対する加工部13の変位を計測可能に、支持部11に設けられている。制御部15が、駆動部12に接続され、変位センサ14により計測された変位に基づいて駆動部12をフィードバック制御可能である。また、制御部15は、力センサ24から出力された力の計測値に基づいて、駆動部12を制御可能である。
【選択図】図1
Description
図1乃至図7は、本発明の実施の形態の微細形状加工装置を示している。
図1に示すように、微細形状加工装置10は、支持部11と駆動部12と加工部13と変位センサ14と制御部15とを有している。
微細形状加工装置10は、駆動部12で被加工物1に対し加工部13を相対的に駆動させることにより、工具28で被加工物1の表面1aに精密な微細形状を形成することができる。このとき、力センサ24が工具ホルダ27および取付部25を介して工具28に接続されており、工具位置決め装置の後ろに配置されている図10に示す従来の装置に比べて、工具28に近い位置に力センサ24が取り付けられている。このため、工具28に加えられた力が、力センサ24以外の部分に分散するのを抑えることができる。このため、工具28に加えられた力に対する力センサ24の感度を高めることができ、工具28に加えられた微小な力を高精度で測定することができる。また、同じ力を測定する場合、図10に示す従来の装置に比べて、より直接的に加工力を高い感度で測定することができる。
微細形状加工装置10は、高精度で測定された力センサ24の出力を利用することにより、工具28と被加工物1との接触を検出することができる。すなわち、工具28と被加工物1とが接触したとき、工具28に加わる力が大きくなるため、力センサ24の出力が大きくなり、ロックインアンプ30の出力も大きくなる。このとき、図2に示すように、ロックインアンプ30からの力センサ24の出力をコンピュータ32で常に監視し、あらかじめ決められた閾値を超えないとき、接触していないと判断して、工具28をさらに被加工物1に近づける。力センサ24の出力が閾値を超えると、接触したと判断し、工具28と被加工物1との相対移動を停止させる。こうして、工具28と被加工物1との接触を検出することができる。これにより、被加工物1との接触による工具28の破損を防ぐことができる。
また、高精度で測定された力センサ24の出力を利用することにより、加工中の工具28の摩耗やチッピング等の破損を検出することができる。すなわち、図3に示すように、加工中は、工具28が被加工物1の表面1aに接触している。このとき、工具28が摩耗または破損すると、その接触状態が変化するため、力センサ24の出力が変化する。この変化を検出することにより、加工中の工具28の摩耗やチッピング等の破損を検出することができる。これにより、工具28の取替の判断が容易であり、生産性を向上させることができる。
また、工具28の摩耗量も測定することができる。すなわち、図4(a)に示すように、標準サンプル2を使用して、加工前の工具28と標準サンプル2との接触位置を測定しておく。加工により工具28が摩耗すると、図4(b)に示すように、加工前の接触位置では、工具28は標準サンプル2に接触しない。このとき、図4(c)に示すように、圧電素子23により工具28を動かして標準サンプル2に接触させ、加工前の接触位置からの変位を変位センサ14で測定することにより、工具28の摩耗量dを測定することができる。また、同様の方法により、工具28を交換したときの取付誤差や工具28の寸法の個体差などによる工具28の先端位置のずれを求めることもできる。
図5に示すように、力センサ24の計測値が一定になるよう制御部15で駆動部12を制御することにより、変位センサ14の変位から試料3の表面3aの形状を計測することができる。図5に示す一例では、試料3の加工表面3aは、正弦波で加工されており、波長は50μm、振幅は100nmである。また、加工表面3aの弾力変形域は、0.1nm以内である。このとき、圧電素子23に電圧を加えて、工具28を微小振動させながらステップ状に試料3へ接近させ、力センサ24の計測値が一定になるようフィードバック制御しながら、X方向に走査する。これにより、変位センサ14の変位が、試料3の表面3aの形状測定結果になる。また、同様の方法で、形状が既知の基準試料を使用することにより、工具28の先端の形状を測定することができ、加工精度を向上させることもできる。
さらに、高精度で測定された力センサ24の出力を、直接AD変換ボード31に入力することにより、工具28の切削特性を調べることができる。これにより、加工条件を最適化したり、加工の形状精度を向上させたりすることもできる。
微細形状加工装置10の力センサ24(以下、「力センサI」とする)と、図10に示す従来の計測加工一体型装置100の力センサ150とを比較するため、微細形状加工装置10の支持部11の後方に別の力センサ(以下、「力センサII」とする)を取り付けて、以下の測定を行った。
なお、図8に示すように、微細形状加工装置10は、互いに直交する3軸方向の力を計測可能に、力センサ51,52,53を有していてもよい。図8に示す一例では、力センサ51は図8中のX軸方向の力を測定可能であり、力センサ52はY軸方向(図8の紙面に垂直な方向)の力を測定可能であり、力センサ53は図8中のZ軸方向の力を測定可能になっている。これにより、3次元空間において、工具28に加えられた力の大きさおよび方向を測定することができる。
10 微細形状加工装置
11 支持部
12 駆動部
13 加工部
14 変位センサ
15 制御部
21 ケーシング
22 センサホルダ
23 圧電素子
24 力センサ
25 取付部
26 ウェーブワッシャ
27 工具ホルダ
28 工具
29 ファンクションジェネレータ
30 ロックインアンプ
31 AD変換ボード
32 コンピュータ
33 表示手段
Claims (5)
- 被加工物の表面に精密な微細形状を形成するための微細形状加工装置であって、
加工部と駆動部とを有し、
前記加工部は前記被加工物の表面を加工可能な工具と、前記工具に接続され、前記工具に加えられた力を計測して出力する力センサとを有し、
前記駆動部は前記被加工物に対し前記加工部を相対的に駆動可能であることを、
特徴とする微細形状加工装置。 - 支持部と変位センサと制御部とを有し、
前記支持部は前記駆動部を支持しており、
前記駆動部は前記加工部を駆動可能に前記加工部に接続されたアクチュエータを有し、
前記変位センサは前記支持部に対する前記加工部の変位を計測可能に前記支持部に設けられ、
前記制御部は前記駆動部に接続され、前記変位センサにより計測された変位に基づいて前記駆動部をフィードバック制御可能であることを、
特徴とする請求項1記載の微細形状加工装置。 - 前記制御部は前記力センサから出力された力の計測値に基づいて、前記駆動部を制御可能であることを、特徴とする請求項2記載の微細形状加工装置。
- 前記制御部は前記力センサから出力された力の計測値および前記変位センサにより計測された変位を表示可能に設けられた表示手段を有することを、特徴とする請求項2または3記載の微細形状加工装置。
- 前記力センサは互いに直交する3軸方向の力を計測可能であることを、特徴とする請求項1、2、3または4記載の微細形状加工装置。
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