JP2008155350A

JP2008155350A - 精密加工装置

Info

Publication number: JP2008155350A
Application number: JP2006350022A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakamoto; 一雄中元
Original assignee: Sodick Co Ltd
Current assignee: Sodick Co Ltd
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2008-07-10

Abstract

【課題】移動装置が空気静圧軸受を介して設けられている場合、圧電アクチュエータによって工具を高速に微小に往復移動させたとき、機械に振動が発生する。
【解決手段】工具１は、第１の移動体３に設けられる。第１の圧電アクチュエータ４は、第１の加速度で加工深さ方向に変位して第１の移動体３を微小に往復移動させる。第２の圧電アクチュエータ５は、第１の圧電アクチュエータ４に直列に設けられる。第２の圧電アクチュエータ５に第２の移動体６が設けられる。第１の圧電アクチュエータ５は、工具１と第１の移動体３とを含む移動部位の質量と第１の加速度との積と前記第２の移動体の質量と第２の加速度との積が等しくなるように第２の加速度で第１の圧電アクチュエータ４と反対方向に変位する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な形状を加工する精密加工装置に関する。特に、駆動装置として圧電アクチュエータを用いた精密加工装置に関する。

被加工物に微小な形状を切削加工する精密加工装置が知られている。このような精密加工装置では、サブマイクロメートルオーダ以下の加工精度で微小な形状を加工することができる。このような精密加工装置では、工具として主にダイヤモンドバイトが用いられている。

工具は、被加工物に対して少なくとも３軸方向に相対移動できるように構成されている。工具と被加工物とを相対移動させる具体的な構成は種々考えられるが、例えば、工具を工具の取り付けられた軸方向（加工深さ方向）に移動させるとともに、加工深さ方向に対して垂直な２軸方向に移動させる構成が知られている。精密加工装置では、精密な位置決め精度を得るために、各軸方向の移動装置は、それぞれ空気静圧軸受を介して設けられている。

工具を往復移動させる駆動装置としてリニアモータが用いられている。例えば、工具を加工深さ方向に微小に往復移動させると同時に、加工深さ方向に対して垂直な２軸方向に移動させて工具を加工プログラムに従い描かれる軌跡に沿って相対移動させる。工具を工具の取り付けられた軸方向に高速に微小に往復移動させることによって、被加工物に微小な凹凸を形成させることができる。

しかしながら、リニアモータで与えられる微小な往復移動の周波数は、十数Ｈｚ程度である。そのため、同期させる工具の取り付けられた軸方向に垂直な２軸方向の相対移動速度に限界があり、それ以上は相対移動速度を上げることができない。

より速く加工するために、工具を微小移動させる駆動装置として圧電素子からなる圧電アクチュエータを用いることが考えられる。圧電アクチュエータで与えられる往復移動の周波数は数百Ｈｚであるから、同期させる２軸方向の相対移動速度をリニアモータを用いた場合に比べて上げることができる。圧電アクチュエータの移動できる距離は数十μｍ程度であるが、精密加工装置における微小な形状を加工する場合は十分な距離である。

工具を工具の取り付けられた軸方向に移動させる圧電アクチュエータを用いた加工装置として、例えば、特許文献１や特許文献２に開示された加工装置が参照される。なお、本発明の参考として、例えば、特許文献３に示されるように、リニアモータで移動体を往復移動させる方式でカウンタマスを移動させて振動をキャンセルする、いわゆるキャンセル型の移動装置が知られている。

特開２００４−３３７９９５号公報特開平１０−１６６２０４号公報特開２００１−４４２６４号公報（段落００６１−００６３）

工具と工具ホルダ等を含めた移動部位の重量が数百ｇあるので、圧電アクチュエータによって駆動するには比較的重量が大きい。そのため、圧電アクチュエータによって工具を高速に微小に往復移動させた場合、移動部位が振動源となって振動が発生する。精密加工装置では、摺動抵抗を減らすために軸受に静圧軸受を採用しているので剛性が低く振動の影響を受けやすく、機械全体が振動する。この振動によって加工精度が低下する問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて、工具を工具の取り付けられた軸方向に微小に往復移動させる駆動装置として圧電アクチュエータを用いた精密加工装置において、発生する振動を抑制することができる精密加工装置を提供することを目的とする。

本発明の精密加工装置は、加工深さ方向に第１の加速度で変位して第１の移動体を移動させ工具に微小な往復移動を与える第１の圧電アクチュエータを備えた精密加工装置において、第２の移動体が設けられ前記工具と前記第１の移動体とを含む移動部位の質量と前記第１の加速度との積と前記第２の移動体の質量と第２の加速度との積が等しくなるように前記第２の加速度で前記第１の圧電アクチュエータと反対方向に変位する第２の圧電アクチュエータを前記第１の圧電アクチュエータに直列に設けたことを特徴とする。

より具体的には、工具が設けられた第１の移動体と、加工深さ方向に変位するとともにその変位する方向に沿って平行に前記第１の移動体を設け前記第１の移動体を加工深さ方向に微小に往復移動させる第１の圧電アクチュエータと、前記第１の圧電アクチュエータと直列に設けられ前記加工深さ方向に変位するとともにその変位する方向に沿って平行に第２の移動体を設け前記第２の移動体を前記加工深さ方向に微小に往復移動させる第２の圧電アクチュエータと、ベースに空気静圧軸受を介して設けられ前記第１の圧電アクチュエータと前記第２の圧電アクチュエータを含む加工ヘッド部分を水平１軸方向に移動させる移動装置と、前記第１の圧電アクチュエータを所望の変位量変位させるとともに前記第２の圧電アクチュエータを前記工具と前記工具ホルダと前記移動体を含む移動部位の質量と前記第１の移動体の第１の加速度との積と前記第２の移動体の質量と前記第２の移動体の質量の加速度との積が等しくなるように前記第２の圧電アクチュエータを前記第１の圧電アクチュエータと反対方向に変位させるように制御する位置決め制御装置と、を有する。

本発明は、工具に微小な往復移動を与える第１の圧電アクチュエータに対して移動部位の質量と第１の加速度との積と第２の移動体の質量と第２の加速度との積が等しくなるように第２の加速度で反対方向に変位する第２の圧電アクチュエータを備えているので、第１の圧電アクチュエータによる微小な往復移動の際に発生する振動が相殺されて抑制される。その結果、加工精度が低下しないという効果を奏する。

図１は、精密加工装置の全体構成を示す斜視図である。図２は、精密加工装置の全体構成を示す正面図である。図３は、工具を取り付けた部分の詳細を示す斜視図である。図４は、位置決め制御装置を示すブロック図である。以下、図１ないし図４を参照して、本発明の精密加工装置を説明する。

図２および図３に示される工具１は、ダイヤモンドバイトである。工具１は、工具ホルダ２に取り付けられて保持される。工具１は、加工深さ方向（Ｚ軸方向）に取り付けられる。工具ホルダ２は、第１の移動体３に固定されており、工具１は、工具ホルダ２を介して第１の移動体３に設けられる。第１の移動体３は、第１の圧電アクチュエータ４が変位する方向に沿って平行に第１の圧電アクチュエータ４に設けられる。したがって、工具１と、工具ホルダ２と、第１の移動体３とを含む移動部位は、第１の圧電アクチュエータ４によって移動される。

第１の圧電アクチュエータ４は、第１の加速度で工具１が取り付けられた方向である上下方向（加工深さ方向、Ｚ軸方向）に変位して第１の移動体３に微小な往復移動を与えることによって工具１を上下方向に微小に往復移動させる。第１の圧電アクチュエータ４は、数百Ｈｚで変位することが可能である。

第２の圧電アクチュエータ５は、第１の圧電アクチュエータ４に直列に設けられる。第２の圧電アクチュエータ５に第２の移動体６が設けられる。第２の移動体６は、第２の圧電アクチュエータ５が変位する方向に沿って平行に第２の圧電アクチュエータ５に設けられる。第２の圧電アクチュエータ５は、第１の圧電アクチュエータ４と反対方向に変位するように制御される。

第２の圧電アクチュエータ５は、工具１と第１の移動体３とを含む移動部位の質量と第１の圧電アクチュエータ４が変位する第１の加速度との積と第２の移動体６の質量と第２の加速度との積が等しくなるように第２の加速度で反対方向に変位するように制御される。その結果、第１の圧電アクチュエータ４の微小な往復移動によって発生する振動を相殺する。したがって、第２の移動体６は、カウンタマスとして作用する。

図１に示されるように、工具１、工具ホルダ２、第１の移動体３との移動部位と、第１の圧電アクチュエータ４、第２の圧電アクチュエータ５、移動体６とを含む加工ヘッド部分全体は、サーボモータ７によってＺ軸に直交する軸線廻り（Ａ軸方向）に回転移動することができる。また、加工ヘッド部分全体は、リニアモータで移動する移動装置８によってＺ軸方向に直交する水平１軸方向（Ｙ軸方向）に移動することができる。移動装置８は、空気静圧軸受を介してベース上に設置される。

被加工物９は、被加工物ホルダ１０に取り付けられる。被加工物９は、工具１の取り付けられた軸方向であるＺ軸方向廻り（Ｃ軸Ｒ軸）に回転移動および回転角度割出しができる。また、被加工物９は、Ｃ軸Ｒ軸の回転移動機構全体をリニアモータで移動する移動装置１１によってＺ軸方向に移動させることができる。また、Ｚ軸とＹ軸に直交する水平１軸方向（Ｘ軸方向）にリニアモータで移動する移動装置１１によってＺ軸移動機構全体をＸ軸方向に移動させ被加工物９をＸ軸方向に移動させることができる。移動装置１１および移動装置１２の軸受は、空気静圧軸受が採用されている。

したがって、第１の圧電アクチュエータ４で工具１を数百Ｈｚの周波数でＺ軸方向に微小に往復移動させるとともに、移動装置８によってＹ軸方向に相対移動させ、一方、被加工物９を移動装置１１によってＸ軸方向に移動させることによって、工具１と被加工物２を少なくとも同時３軸方向に相対移動させて任意の微小な形状を加工することができる。また、工具１をＡ軸方向に、被加工物９をＣ軸Ｒ軸、Ｚ軸方向に相対的に移動させることでより複雑な形状を加工することができる。

第１の圧電アクチュエータ４は、高周波で変位して第１の移動体３を第１の加速度で移動させる。第１の圧電アクチュエータ４には、第１の圧電アクチュエータ４が移動する方向にそって平行に第１の移動体３が設けられており、第１の移動体３は、Ｚ軸方向に微小に往復移動する。第１の移動体３に工具ホルダ２が固定されており、第１の移動体３が移動することによって、工具１にＺ軸方向に微小な往復移動が与えられる。

第１の圧電アクチュエータ４は、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層された積層型圧電アクチュエータである。第１の圧電アクチュエータ４には、ナノメートルオーダで位置を検出する変位センサ２１が設けられている。第１の圧電アクチュエータ３の変位量は、変位センサ２１で検出され一定の変位量になるように制御される。

第２の圧電アクチュエータ５は、第１の圧電アクチュエータと同じ出力を有する同型の圧電アクチュエータである。第２の圧電アクチュエータ５は、第１の圧電アクチュエータ４に直列に対向配置される。実施の形態の第２の圧電アクチュエータ４には、ナノメートルオーダで位置を検出する変位センサ２２が設けられている。第２の圧電アクチュエータ４の変位量は、変位センサ２２で検出され一定の変位量になるように制御される。ただし、第２の移動体６は、正確に位置決めされる必要がないので、変位センサ２２を設けずに、オープンループで制御されるように構成されていてよい。

位置決め制御装置は、ＰＩＤ制御部２３，２４、ピエゾドライバ部２５，２６を含んでなる。第１の圧電アクチュエータ４の位置決め制御装置のＰＩＤ制御部２３には、図示しない指令装置から第１の加速度で変位するように変位量の指令値が入力される。ＰＩＤ制御部２３は、ピエゾドライバ部２５を経て第１の圧電アクチュエータ４を所定の周波数で第１の加速度で指令された変位量変位するように制御する。

第２の圧電アクチュエータ５の位置決め装置のＰＩＤ制御部２４には、図示しない指令装置から第２の加速度で変位するように指令値が入力される。指令装置は、第１の圧電アクチュエータ４の変位する方向が反転するとき、第２の圧電アクチュエータ５も第２の圧電アクチュエータと反対方向に変位する方向が反転するように指令する。

ＰＩＤ制御部２４は、ピエゾドライバ部２６を経て第２の圧電アクチュエータ５を工具１と、工具ホルダ２と、第１の移動体３を含む移動部位の質量をｍ、第１の圧電アクチュエータ４の第１の加速度をａ、第２の移動体６の質量をＭ、第２の圧電アクチュエータ５の第２の加速度をＡとしたときに、Ｆ＝ｍａ＝ＭＡとなるような第２の加速度Ａで第１の圧電アクチュエータ４と反対方向に変位するように制御する。

変位センサ２１は、第１の圧電アクチュエータ３の変位量をナノメートルオーダで検出する。変位センサ２１の検出値は、センサアンプ部２７に入力され、ＰＩＤ制御部２３にフィードバックされる。なお、図３では、変位センサ２２とセンサアンプ部２８が設けられ、ＰＩＤ制御部２４にフィードバックされるようにされているが、変位センサ２２とセンサアンプ部２８を設ける必要はない。

以上に説明されるように、実施の形態に示される精密加工装置は、第１の圧電アクチュエータ４によって移動される移動部位の質量ｍと第１の圧電アクチュエータの変位する第１の加速度ａとの積と、第２の圧電アクチュエータ５によって移動される第２の移動体６の質量Ｍと第２の圧電アクチュエータ５の変位する第２の加速度Ａとの積が等しくなるように第２の圧電アクチュエータ５を第１の圧電アクチュエータ４と反対方向に変位するように制御するので、移動部位の移動によって発生する振動を相殺して抑制することができる。

本発明は、被加工物に微小な形状を加工をすることができる精密加工装置に利用できる。特に、工具を圧電アクチュエータによって微小に往復移動させる精密加工装置に適する。

本発明の精密加工装置の全体構成を示す斜視図である。本発明の精密加工装置の全体構成を示す正面図である。本発明の精密加工装置の要部を示す斜視図である。本発明の精密加工装置の圧電アクチュエータを制御する位置決め装置を示すブロック図である。

符号の説明

１工具
２工具ホルダ
３第１の移動体
４第１の圧電アクチュエータ
５第２の圧電アクチュエータ
６第２の移動体
７サーボモータ
８移動装置
９被加工物
１０被加工物ホルダ
１１移動装置
１２移動装置
２１，２２変位センサ
２３，２４ＰＩＤ制御部
２５，２６ピエゾドライバ部
２７，２８センサアンプ部

Claims

加工深さ方向に第１の加速度で変位して第１の移動体を移動させ工具に微小な往復移動を与える第１の圧電アクチュエータを備えた精密加工装置において、第２の移動体が設けられ前記工具と前記第１の移動体とを含む移動部位の質量と前記第１の加速度との積と前記第２の移動体の質量と第２の加速度との積が等しくなるように前記第２の加速度で前記第１の圧電アクチュエータと反対方向に変位する第２の圧電アクチュエータを前記第１の圧電アクチュエータに直列に設けたことを特徴とする精密加工装置。
工具が設けられた第１の移動体と、加工深さ方向に変位するとともにその変位する方向に沿って平行に前記第１の移動体を設け前記第１の移動体を加工深さ方向に微小に往復移動させる第１の圧電アクチュエータと、前記第１の圧電アクチュエータと直列に設けられ前記加工深さ方向に変位するとともにその変位する方向に沿って平行に第２の移動体を設け前記第２の移動体を前記加工深さ方向に微小に往復移動させる第２の圧電アクチュエータと、ベースに空気静圧軸受を介して設けられ前記第１の圧電アクチュエータと前記第２の圧電アクチュエータを含む加工ヘッド部分を水平１軸方向に移動させる移動装置と、前記第１の圧電アクチュエータを所望の変位量変位させるとともに前記第２の圧電アクチュエータを前記工具と前記工具ホルダと前記移動体を含む移動部位の質量と前記第１の移動体の第１の加速度との積と前記第２の移動体の質量と前記第２の移動体の質量の加速度との積が等しくなるように前記第２の圧電アクチュエータを前記第１の圧電アクチュエータと反対方向に変位させるように制御する位置決め制御装置と、を有する精密加工装置。