JP2008105163A - 加圧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工力を常時測定しながら適切な荷重（加工力）を工具スピンドルに保持した工具へ加える。
【解決手段】 エアガイドを構成するガイド軸と、ガイド軸に同軸上に嵌合した２つのエアスライドと、２つのエアスライドの一方に装着されるとともに加工工具を装着するスピンドルと、固定側に設けた滑車と、他方のエアスライドをバランスウエイトとして構成するように、滑車を介して２つのエアスライドを連結したワイヤーと、固定側に配置され、スピンドルを装着したエアスライダを押圧して負荷力を与える荷重付加手段と、スピンドルを装着したエアスライダを介して荷重付加手段により押圧される負荷力を検出するセンサと、加工工具によりワーク加工点へ付加する際に予め設定された押圧力とセンサにより検出された押圧力との変化分を補正し、荷重付加手段による負荷力を制御する制御装置とを備えた。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光・半導体業界、精密加工における加工工具のワークへの加圧装置、あるいは精密測定における測定子の被測定物への押圧（加圧）装置に関する。

従来、このような装置、例えば精密加工装置である磨き装置（ポリシング装置）における加工力を付加する装置が知られている。
また、特開昭６１−２６５２５７号公報、特開平２−１３１８５１号公報、特開平１０−１０９２５９号公報に開示される技術が知られている。
これらの各公知例は、夫々工具付近または工具と直列あるいは並列に圧力センサあるいはロードセルを設置したり、例えばピエゾ素子のようなアクチュエータを設置したり、更にまた変位調整用あるいは荷重調整用ばねを設置するなど、ばね系やダンパ系を介して工具が装着されている。
特開昭６１−２６５２５７号公報 特開平２−１３１８５１号公報 特開平１０−１０９２５９号公報

上記各公知例による装置では、加工力を直接測定することができない構造であり、よって、センサ近傍の剛性が下がり、微小加圧力を正確に測定することが難しいという問題点を有している。
ところで、表面形状、性状を加工する（測定する）場合、ワークに対し、微小で適切な加工力を加える必要がある。しかし、前述したように、特に加工の場合、適切な加圧機構がなく、また加圧力を測定する方法がなく、推測により加圧力を付加していた。

従って、本発明では、加工力を常時測定しながら適切な荷重（加工力）を工具スピンドルに保持した工具へ加えることが可能な機構を提案することを目的とする。
また、本発明では、ワークに対して加工力を直接伝達できる機構を提案し、ワークに対する加工力を高剛性に測定できる機構を提案すると共に、加圧力が変化した場合に即応して補正し、常時一定した加圧圧力を工具に付与するよう構成したポリシングヘッドを提供することにある。

請求項１に係る発明は、固定側（工具ヘッド）に垂直に装着され、エアガイドを構成するガイド軸と、前記ガイド軸に同軸上に嵌合した２つのエアスライドと、前記２つのエアスライドの一方に装着されるとともに加工工具を装着するスピンドルと、前記固定側（工具ヘッド）に設けた滑車と、前記他方のエアスライドをバランスウエイトとして構成するように、前記滑車を介して前記２つのエアスライドを連結したワイヤーと、前記固定側（工具ヘッド）に配置され、前記スピンドルを装着したエアスライダを押圧して負荷力を与えるリニアアクチュエータから成る荷重付加手段と、前記スピンドルを装着したエアスライダを介して前記荷重付加手段により押圧される負荷力を検出するセンサと、前記加工工具によりワーク加工点へ付加する際に予め設定された押圧力と前記センサにより検出された前記押圧力との変化分を補正し、前記荷重付加手段による前記負荷力を制御する制御装置とを備え、前記荷重付加手段と前記加工工具と前記センサとは、前記荷重付加手段により押圧される負荷力が、前記加工工具によりワーク加工点へ付加される押圧力と、前記センサを押圧する押圧力とに分圧されて付与されるように配置されていることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の加圧装置において、前記荷重付加手段を構成するリニアアクチュエータがリニアモータであることを特徴とする。

１． 加工力を正確に求めることができる。
２． 加工状態により加工力の変化に対しセンサ力を介して負荷力を制御することにより加工力を一定に保つことができる。
３． 加工力の測定方法がシンプルである。
４． 工具付近にばね・ダンパ系が挿入されないので、剛性の高い加工が可能である。

５． センサ付近にばね・ダンパ系が挿入されないので、剛性の高い測定が可能である。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の加圧装置の一実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨを組み込んだレンズ用金型磨き装置を示しており、ベース１と、ベース１に垂直に植立したコラム２と、ベース１の上面に装着されたワークＷ取付テーブル装置３と、コラム２に対して垂直方向に上下動自在に取り付けてなる主軸ヘッド４とを有しており、この主軸ヘッド４にポリッシングヘッドＰＨが装着されている。

以下、図２に基づいて本実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨについて詳細に説明する。
本実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨは、全体の構成が大きく以下の３つの機構から成る。
１．ダブルエアスライダによるバランス機構１０
主軸ヘッド４の支持部５に対して垂直下方に取り付けたガイド軸１１と、このガイド軸１１と摺動自在に外周部へ装着した２つのエアスライダ１２，１３とでエアガイドを構成しており、２つのエアスライダ１２，１３のうち、下側に配置したエアスライダ１２の側方には、取付部材１４を介してスピンドルＳが装着されている。他方上側に配置されたエアスライダ１３は側方１箇所にワイヤー１５の端部が取り付けられ、主軸ヘッド４の支持部５側に回転自在に装着された滑車１６を介してエアスライダ１２の側方１箇所に連結されている。即ち、一方のエアスライダ１３をカウンターウェイト、他方のエアスライダ１２をスピンドル付ガイドとし、双方の間をワイヤー１５を介し繋げることで重量バランスを取るように構成してある。この構成ではスピンドル付ガイドとカウンターウエイトとが垂直方向で同軸上に設置してある。また、本実施形態に示してある滑車１６は、低摩擦のベアリングを用いている。

２．アクチュエータによる荷重付加手段２０
主軸ヘッド４の支持部５には、スピンドルＳに装着した加工工具Ｔを所定の圧力でワークＷへ加えるための荷重付加手段２０が配置されている。本実施形態における荷重付加手段２０は、アクチュエータの駆動により加工荷重の発生と補正を行うものであり、アクチュエータとしてリニアモータを示している。リニアモータとしての構成は一般的なものであり、例えばリニアパルスモータのように、入力パルス信号により所定ステップ直線移動させ、エアスライダ１２に対して下方へ押圧することで、スピンドルＳ先端に取り付けた工具Ｔへ微小圧を付加することができる。図２において、２１が可動子、２２が固定子側側であり、２３が可動子側に取り付けた押圧片である。

３．センサ力付与手段
荷重付加手段２０が配置された主軸ヘッド４の下方には、センサ３０が上下（垂直）方向に移動可能な駆動手段３２（３２ａは固定部材、３２ｂは可動部材）を介して装着されている。図中、３１は取付台を示す。センサ３０は例えばロードセルである。
このように構成した装置における加工工具ＴのワークＷへの荷重補正方法について説明する。

図２、図３において、リニアアクチュエータからなる荷重付加手段２０により加える力を負荷力Ｆ１とすると、この負荷力Ｆ１はスピンドル側エアスライダ１２を介してスピンドルＳに装着した加工工具ＴによりワークＷへ加わる加工力Ｆ２として加わる。このような構成においては、負荷力Ｆ１が直接ワークＷへ加わるため、加工状態の変化に伴って加工力Ｆ２が変化した場合、負荷力Ｆ１を制御する必要がある。しかしながら、特に微小な加工力Ｆ２を必要とする場合には、荷重付加手段２０による制御が困難になるので、本実施形態においては、図２、図３に示すように、更に荷重付加手段２０が配置された主軸ヘッド４の下方にセンサ３０を設け、センサ３０の先端をスピンドル側エアスライダ１２の下端面へ当接自在に構成している。そして、センサ３０のスピンドル側エアスライダ１２の下端面への当接状態を変化させることで、負荷力Ｆ１を加工力Ｆ２のみでなく、センサ３０側へ分力させるよう構成している。更に説明すれば、センサ３０は、駆動手段３２に装着してあるので、センサ３０の先端がスピンドル側エアスライダ１２の下端面へ当接する力を変えられるものである。従って、このセンサ３０に加わる力をセンサ力Ｆ３とすると、Ｆ１＝Ｆ２＋Ｆ３と言うように分力させることが可能となる。そこで、本実施形態においては、このセンサ３０によるセンサ力Ｆ３を加工工具Ｔに加わる加工力Ｆ２の制御に用いることにより正確な微小加工力Ｆ２の付与と常時定圧を加工点へ付与する制御を可能にした。即ち、上記のように設定したので、負荷力Ｆ１と加工力Ｆ２とセンサ力Ｆ３の間には、以下の関係が得られる。

静的な場合： 負荷力Ｆ１＝加工力Ｆ２＋センサ力Ｆ３
動的な場合：
加工中など動的な場合に外乱発生した変動力ΔＦ１も加工力Ｆ２の変動力ΔＦ２、センサ力Ｆ３の変動力ΔＦ３に分配され、
負荷力（Ｆ１＋ΔＦ１）＝加工力（Ｆ２＋ΔＦ２）＋センサ力（Ｆ３＋ΔＦ３）となる。

ここで、加工力Ｆ２とセンサ力Ｆ３は同じエアスライダ１２によって発生するので同じ方向に働くため、センサ力Ｆ３の変動分ΔＦ３を０にすると、加工力Ｆ２の変動分ΔＦ２も０となる。
これが、センサ力Ｆ３を制御することにより加工力Ｆ２が制御できる理由である。
例として、加工力Ｆ２を５ｇｆとして設定して加工する場合、はじめに負荷力Ｆ１を２０ｇｆにして一定力で押し当て、押し当てたほうの反対側から駆動手段３２を作動させ、センサ３０をスピンドル側エアスライダ１２の下端面に押し当てて、負荷力Ｆ１に対抗する力であるセンサ力Ｆ３を１５ｇｆとなるようにしてやればよい。

そこで、加工中においては、センサ力Ｆ３を測定することで、加工力Ｆ２が求められることを利用し、ワークＷの加工力Ｆ２の変化量をセンサ３０で検出し、その変化量を負荷力Ｆ１を発生させるリニアアクチュエータからなる荷重付加手段２０へフィードバックさせて負荷力Ｆ１を制御し、センサ力Ｆ３の変化量ΔＦ３を「０」することで、加工力Ｆ２を常時一定にすることが可能となる。

一例を図３、図４に基づいて説明する。
力の設定と加工
Ｓ１：加工工具TをワークＷに当接する。
Ｓ２：荷重付加手段２０によりスピンドル側エアスライダ１２を押圧して、初期一定加工力２０ｇｆを設定する。

Ｓ３：スピンドル側エアスライダ１２の下端面へセンサ３０を当接し、センサ力１５ｇｆを設定する。このとき加工力Ｆ２は上述したように５ｇｆとなる。
加工中の変動と制御
Ｓ４，Ｓ５：加工中、加工力Ｆ２が変化した場合、その変動をセンサ３０で検出し、そのセンサ力Ｆ３が１５ｇｆより大きいか、小さいかを判断する。

Ｓ６：センサ力Ｆ３＞１５ｇｆのとき、荷重付加手段２０に対しリニアアクチュエータを上昇させ、負荷力F1を下げる指令を出す。
Ｓ７：センサ力Ｆ３＜１５ｇｆのとき、荷重付加手段２０に対しリニアアクチュエータを下降させ、負荷力Ｆ１を上げる指令を出す。
Ｓ８：センサ力が１５ｇｆのときに加工指令を出す。

なお、図４では、センサ力Ｆ３＞１５ｇｆか否かの判断を、センサ力Ｆ３＜１５ｇｆか否かの判断より先に行ったが、逆にしても、あるいは同時に行っても良い。
また、本実施形態では、センサ３０としては、ロードセルを用いたが、それに限定したものではない。
また、センサ３０の位置を変動させるにはボールねじなどのリニアアクチュエータを用いるが、それ以外の駆動手段でも可能である。

また、本実施形態では、ポリシングヘッドＰＨについて説明したが、このような加工工具ＴのワークＷへの加工力Ｆ２の制御のみでなく、例えば精密測定における測定子の被測定物への押圧（加圧）制御装置としても同様に実施できる。

本発明の加圧装置の一実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨを組み込んだレンズ用金型磨き装置を示す説明図である。 本発明の加圧装置の一実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨを説明する部分断面図である。 本発明の加圧装置の一実施形態に係るポリッシングヘッドＰＨにおける制御系を示す説明図である。 図３の制御系によるフローチャートである。

符号の説明

１ ベース
２ コラム
３ ワークＷ取付テーブル装置
４ 主軸ヘッド
５ 支持部
１０ バランス機構
１１ ガイド軸
１２，１３ エアスライダ
１４ 取付部材
１５ ワイヤー
１６ 滑車
２０ 荷重付加手段
２１ 固定子側
２２ 可動子側
２３ 押圧片
３０ センサ
３１ 取付台
３２ 駆動手段
３２ａ 固定部材
３２ｂ 可動部材
４０ 制御装置
ＰＨ ポリッシングヘッド
Ｓ スピンドル
Ｔ 加工工具
Ｗ ワーク
Ｆ１ 負荷力
Ｆ２ 加工力
Ｆ３ センサ力

Claims (2)

1. 固定側（工具ヘッド）に垂直に装着され、エアガイドを構成するガイド軸と、
   前記ガイド軸に同軸上に嵌合した２つのエアスライドと、
   前記２つのエアスライドの一方に装着されるとともに加工工具を装着するスピンドルと、
   前記固定側（工具ヘッド）に設けた滑車と、
   前記他方のエアスライドをバランスウエイトとして構成するように、前記滑車を介して前記２つのエアスライドを連結したワイヤーと、
   前記固定側（工具ヘッド）に配置され、前記スピンドルを装着したエアスライダを押圧して負荷力を与えるリニアアクチュエータから成る荷重付加手段と、
   前記スピンドルを装着したエアスライダを介して前記荷重付加手段により押圧される負荷力を検出するセンサと、
   前記加工工具によりワーク加工点へ付加する際に予め設定された押圧力と前記センサにより検出された前記押圧力との変化分を補正し、前記荷重付加手段による前記負荷力を制御する制御装置とを備え、
   前記荷重付加手段と前記加工工具と前記センサとは、前記荷重付加手段により押圧される負荷力が、前記加工工具によりワーク加工点へ付加される押圧力と、前記センサを押圧する押圧力とに分圧されて付与されるように配置されている
   ことを特徴とする加圧装置。
2. 前記荷重付加手段を構成するリニアアクチュエータがリニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の加圧装置。
   

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