JP2008542026A - 高精度を有する大きい力の押込加工装置 - Google Patents

Abstract

この発明は高精度を有する押込加工装置に関する。押込加工装置のアクチュエータは、軸方向のミスアラインメントを除去するために押込加工ツール位置に追随して導かれる。

Description

本発明は、高い圧力及び高精度を有するツールを作動させるための装置、及びそのような装置のツール位置偏差を減少又は除去する方法に関する。

ツールを作動させるための大きな力は、様々な産業応用のために必要とされている。例えば、押込加工ツールは、モールドを製造する塑性変形に用いられる。特に光学レンズ及びレンズアレイは、大規模な製造において押込加工によってマスターされることができる。そのようなアプリケーションの精度に対して高い要求がある。例えば携帯電話用のデジタルカメラのための小さい光学レンズに対して、精度は10μmよりも良くなければならない。押込加工のために非常に大きな力が必要とされ、いくつかの場合には1500N以上が必要である。そのような巨大な力は、押込加工装置全体に変形を生じさせる。これらの変形は、補正するのが難しい。非均一なねじれ及び歪みは、押込加工の位置決め精度を制限する。

特許文献１（Susumoその他）は、例えば、マイクロレンズアレイを形成するためのそのような装置を示す。
特開2002-248628号公報

したがって、本発明の目的は、大きな力の押込加工装置の精度を改善することである。

本発明の他の目的は、高精度を有する押込加工装置を制御する効果的な方法を提供することである。押込加工装置の変形は減少する。

本発明によれば、少なくとも１つのツールを少なくとも１つの方向に高精度で作動させる装置が提供される。本装置は、少なくとも１つの加工物を支持するためのベース、少なくとも１つの方向にバランス力を伝えるためにツールに結合しているフォースフレーム、及びツールの正確な位置決めのための測定システムを有している位置決め手段を有し、前記位置決め手段は、前記フォースフレームにおける力によって生じる偏差からの影響を回避するために少なくとも部分的に物理的に前記フォースフレームから分離されている。

フォースフレームは、少なくとも１つの方向に高精度でツールを動かすことができ、このことにより、フォースフレームは、例えば押込加工ツールとして、軸方向にツールを押すために力を伝える。

位置決め手段は、フォースアクチュエータによって伝えられる力によって生じる偏差からの影響を回避するために、少なくとも部分的に物理的に前記フォースフレーム及び前記ベースから分離される。

本発明によれば、押込加工力を印加されるカウンター力と釣り合わせることによって、押込加工の間のツール位置の偏差を低減し又は除去することができる。この補償を達成するために、フォースフレームに取り付けられるアクチュエータは、ツール保持固定具と結合する。アクチュエータフレーム及びツール保持固定具は、位置決めフレームと共に、水平方向にベースに対して一緒に動くことができる。

あるいは、ベースを加工物と共に水平方向に動かす。

好ましくは、位置決め手段は、アクチュエータから水平方向において物理的に分離される。これは、フォースフレームアクチュエータ及びツール保持固定具を接続し、両端部でフレキシブル又はスイベル継手に結合するロッドによって達成される。したがって、フォースフレーム及びベースは半径方向に分離される。

本発明のさらに好ましい実施の形態によれば、位置決め手段は、前記ツールの正確な位置決め及び前記フォースアクチュエータの位置決めのための位置決めフレームを有する。
位置決めフレームは、少なくとも一時的に物理的に前記ベース及び前記フォースフレームから分離されることができ、フレキシブルジョイント及びフォースセンサを有する前記ツール保持固定具に結合する。ツール保持固定具と位置決めフレームとの間の垂直の力が測定されることができるように、フレキシブル継手及びフォースセンサはしかるべく配置される。

好ましくは、ベース又はツール保持固定具及びアクチュエータは、x方向及びy方向に動くことができる。

軸方向の偏差を補正するために、ツールは、位置決めフレームの動きに追従して、フォースアクチュエータによって動かされる。

本発明はまた、ベース及びフォースフレームを備えた装置中の少なくとも１つのツールを、高い位置決め精度で作動させるためのシステムに関する。本システムは、ツール位置の偏差を除去する手段を有する。ツールの正確な位置の偏差を除去するために、アラインメントはフォース測定手段によって制御される。フォース測定手段は、ツール位置の偏差の信号を出す。高い精度は、ツール位置決め手段をフォースフレームから物理的に分離することによって達成される。

好ましい実施の形態において、軸方向の力の様子は前記ツールと位置決めフレームとの間で測定されることができる。位置決めフレームは少なくとも一時的にベース及びフォースフレームから分離されることができる。この力は、前記ツール位置の偏差を回避するためにフォースフレームの前記アクチュエータの制御された力と釣り合うことができる。

本システムは、また、既存の従来の押込加工装置に取り付けられてもよい。本発明によると、前記フォースフレームアクチュエータ、及び押込加工ツールの一部である押込加工ツールヘッドは、常に一直線上で導かれる。

本発明はまた、押込加工ツールヘッド、フォースフレーム及びベースを有し、ベースに対するツールヘッドの高い位置決め精度を特徴とする押込加工装置を制御するための方法に関する。

加工物が型を形成するために押込加工ツールによって押される場合、押込加工ツールヘッド及びフォースアクチュエータの軸方向のアラインメントが保証される。ツール及びツール保持固定具は、押込加工ツールヘッド位置の半径方向の偏差を除去するために押込加工方向に実質的に作動する。

好ましくは、中間に柔軟に取り付けられるロッドは、位置決めフレーム及びフォースフレームを物理的に分離する。

本発明は特に押込加工装置に関することに注意すべきである。しかし、ツールが大きな力によって軸方向に作動する他の産業応用（例えばボンディング装置、ミリング装置、深絞りツールなど）のために、本発明の構想が用いられてもよい。

以下において、本発明の好ましい実施の形態が、単なる例示として、図面を参照してさらに詳細に説明される。

図1は、本発明の好ましい実施の形態による押込加工装置1の略図を示す。押込加工装置1は、フォースフレーム13及び位置決めフレーム14を有する。押込加工ツール4は、z方向（矢印で示される）に、大きな力によって作動することができる。押込加工ツールヘッド4は、型をマスターするために加工物7に押し込まれる押込加工ツール5を有する。加工物7はベース6によって支持される。アクチュエータ2は、フォースフレーム13に取り付けられる。アクチュエータ2及び押込加工ツールヘッド4は、ロッド3に接続される。ロッド3は、少なくともx, y方向の力から前記フォースフレーム13及び前記位置決めフレーム14を物理的に分離するために、前記押込加工ツール4及び前記アクチュエータ2にフレキシブル（スイベル）継手15によって固定される。

押込加工ツールの正確な位置決めのために、押込加工装置の位置決めフレーム14は、ガイダンス8を有する。位置決めフレーム14は、少なくとも一時的に物理的にベース6及びフォースフレーム13から分離されることができる。前記押込加工ツール4は、位置決めフレーム14の前記ガイダンス8にフレキシブルジョイント15によって結合される。

したがって、位置決めフレーム14は、押込加工の間、荷重がかからないままである。また、フォースセンサ9が、押込加工ツール4とガイダンス8との間に取り付けられる。

位置決めフレームに荷重がかからないように保つために、前記フォースフレームアクチュエータ2によって伝えられるバランス力は、押込加工力にほぼ等しくなければならない。したがって、フォースセンサ9で測定される力は、ほぼゼロレベルである。

フォースセンサ9の信号は、制御電子装置10によって判断される。アクチュエータ制御装置11は、制御電子装置10によって制御される。制御電子装置は、フォースセンサ9で測定される力がほぼゼロレベルになるように、アクチュエータ2の力を決定する。

アクチュエータ2、ロッド3及び押込加工ツール4は常に同一直線状にある。アクチュエータ2、ロッド3及び押込加工ツール4を軸方向に一直線に並べるために、アクチュエータ2は、押込加工ツールヘッド5の動きに追随して、x, y方向に動かされる。

z方向の力は半径方向のミスアラインメントを生じ、それは印加されたバランス力によって除去される。大きな力はz方向にのみ存在するので、ねじれの偏差の補正はこの実施の形態において必要でない。

この実施の形態によって、1μm又はそれ以上の精度を有する大きな力の押込加工装置1を提供することが可能である。

図2は、図1のA-A線に沿った概略断面図を示す。１つのフォースセンサ9及び2つのフレキシブル継手15が、図1のロッドのｚ軸12の周囲に互いに対して120度の角度で環状に配置される。押込加工力とバランス力との間の差はフォースセンサ9に反力を生じ、それは測定されることができる。したがって、制御電子装置は押込加工力とバランス力との間の差を補正することができる。

図3は、アクチュエータ制御のフローチャート20を示す。ツールは、型を形成するためにz方向に動かされる（ステップ21）。フォースセンサにおける垂直の力が測定される（ステップ22）。この力がゼロである場合、バランス力の値は正しく（ステップ23）、制御はステップ22に戻る。ゼロレベルからの力の偏差が測定される場合（ステップ24）、制御電子装置がアクチュエータ制御装置への信号の値を変化させ（ステップ25）、それはバランス力の変化を生じさせる。それから、制御ループはステップ22に戻る。この制御方法の結果として、アクチュエータ、ロッド及び押込加工ツールは、常に一直線上に保たれる。

図4は、押込加工装置1の他の実施の形態の概略断面図を示す。図1の実施の形態とは対照的に、位置決めフレーム14は、ガイダンス（図示せず）と共に、フォースフレーム13より上に存在する。したがって、フレキシブルジョイント15を備えたロッド3は、ガイダンスを通って延びていない。

前記押込加工ツール5、ロッド3及びアクチュエータ2が常に一直線上のままになるように、フォースフレーム13はxy方向に再配置される。押込加工の間、位置決めピン16はフォースフレーム13を位置決めフレーム14から分離する。フォースフレーム13は、空気軸受上でスライドする。空気軸受は押込加工の間真空チャックに変わり、フォースフレームブリッジを固定されたままにしておく。

本発明が上記で特に示されて説明されたものに限られないことは、当業者によって認識される。上述の明細書及び先行技術中に無いものを読むことによって当業者が思いつくので、本発明の範囲は、上記の様々な特徴のコンビネーション及びサブコンビネーション並びにそれらの修正及び変形を共に含む。

本発明の押込加工装置の略図。 図1のA-A線に沿った概略断面図。 押込加工装置を高精度で制御する方法の概略フローチャート。 押込加工装置の他の実施の形態の概略断面図。

符号の説明

1 押込加工装置；2 アクチュエータ；3 ロッド；4 押込加工ツールヘッド；5 押込加工ツール；6 ベース；7 加工物；8 ガイダンス；9 フォースセンサ；10 制御電子装置；11 アクチュエータ制御装置；12 ｚ軸；13 フォースフレーム；14 位置決めフレーム；15 フレキシブル継手；16 位置決めピン；20 フローチャート；21 ツールをz方向に移動；22 フォースセンサで力の測定；23 正しい力レベルF =0（おおよそ）；24 F=0からの力の偏差；25 制御電子機器が力変化信号を発生

Claims (16)

1. 少なくとも1つのツールを少なくとも1つの方向に高精度で作動させ、少なくとも1つの加工物を支持するベース、少なくとも１つの方向にバランス力を伝えるために前記ツールに結合したフォースフレーム、前記ツールの正確な位置決めのための測定システムを備える位置決め手段を有する装置であって、
   前記フォースフレームにおける力によって生じる偏差からの影響を回避するために、前記位置決め手段が少なくとも部分的に物理的に前記フォースフレームから分離していること
   を特徴とする装置。
2. 前記位置決め手段が少なくとも１つのフレキシブル又はスイベル継手によって物理的に分離していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記フォースフレームと前記ツールとを結びつけるロッドを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の装置。
4. 前記ロッドがフレキシブル又はスイベル継手によって前記フォースフレーム及び前記ツールに結合していることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記位置決め手段が、前記ツールの正確な位置決めのための測定システムを備えた位置決めフレーム及び前記フォースアクチュエータの位置決め手段を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記位置決めフレームを前記フォースフレーム及び／又は前記ベースから物理的に分離できることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記位置決めフレームがフレキシブル又はスイベル継手によって前記ツールに結合していることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の装置。
8. ツールと位置決めフレームとの間の軸方向の力を測定するために、前記ツールヘッドと前記位置決めフレームとの間に配置された少なくとも１つのフォースセンサを特徴とする請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記フォースフレーム、前記ツール及び／又は前記べースを少なくとも１つの方向に動かすことができることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記装置が押込加工装置であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の装置。
11. 少なくとも１つのツールを高い位置決め精度で作動させる装置を制御するシステムであって、前記装置はベース及びフォースフレームを有し、前記システムは、前記ツールの偏差を除去する手段、前記ベース及び／又は前記ツールを垂直方向及び／又は水平方向に動かす手段、前記ベース、前記ツール及び／又は前記アクチュエータの動きを制御する制御電子装置を有し、前記ツールの偏差を除去する前記手段が前記位置決めフレームから物理的に分離していることを特徴とするシステム。
12. 前記ツールの偏差を除去する前記手段が位置決めフレーム及びフォースフレームを有することを特徴とする請求項１１に記載の押込加工装置を制御するシステム。
13. 少なくとも１つのフォースセンサが位置決めフレームと前記ツールとの間に配置され、前記センサが前記制御電子装置に接続されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の押込加工装置を制御するシステム。
14. 押込加工ツールヘッド、アクチュエータ及びベースを有する押込加工装置を高い位置決め精度で制御する方法であって、
    型を形成するために加工物を押込加工ツールで押し、
    前記押込加工ヘッド及び前記アクチュエータの軸方向のアライメントを保証し、
    押込加工ツールヘッド位置の軸方向の偏差を除去するために、前記アクチュエータを実質的に押込加工の方向に作動させることを特徴とする方法。
15. 前記軸方向のアライメントが位置決めフレームによって達成され、前記位置決めフレームが前記押込加工装置の前記フォースフレームから物理的に分離していることを特徴とする請求項１４に記載の押込加工装置を制御する方法。
16. 軸方向の力が、前記押込加工ツールと前記位置決めフレームとの間に配置される少なくとも１つのフォースセンサによって測定されることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載の押込加工装置を制御する方法。

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