JP2017177231A - 切削ユニット - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、サーボモータに内蔵されているエンコーダからの情報に基づき切削工具の位置決めが行われる場合、サーボモータの出力軸から、切削工具と共に移動する移動体(例えばテーブルおよび工具ホルダ等)までの間にある減速機およびボールねじ等のバックラッシュや熱変形に起因して、必ず位置決め誤差が生じる。
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ナノメートルオーダーの超精密切削加工が行える安価な切削ユニットを提供することである。
接触子は、軸状であり、先端に刃を有する。保持部は、接触子を軸方向へ移動可能に支持している。軸方向支持部は、接触子と保持部との間に設けられ、軸方向において接触子を支持している。変位測定部は、被加工物に対する接触子の軸方向の相対変位を測定する。位置検出部は、保持部と接触子との軸方向の相対位置を検出する。
これによれば、接触子の軸方向位置の誤差をアクチュエータにより補正して、接触子の位置決め精度を高めることができる。
[一実施形態]
本発明の一実施形態による切削ユニットは、図1の切削加工機に適用されている。切削加工機10は、定盤11上の保持台13に固定された被加工物12を切削加工する機械である。本実施形態では、多数の極小鏡面(すなわちマイクロミラー)が整列するように設けられてなるマイクロミラーアレイを製作する用途に使用される。
先ず、切削加工機10の全体的な構成について図1を参照して説明する。
図1に示すように、切削加工機10は、定盤11と、被加工物12を固定する保持台13と、定盤11上に設けられているXY駆動部14と、XY駆動部14のXYテーブル15に取り付けられている切削ユニット16と、XY駆動部14および切削ユニット16の作動を制御する制御装置17とを備えている。
XY駆動部14は、XYテーブル15を、定盤11の上面18に対して平行なX軸方向およびY軸方向へ移動させる。X軸方向およびY軸方向は互いに直交している。
(測定部23)
図1に示すように、定盤11には、プローブ22の各軸方向(すなわち、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向)の位置を測定するときの基準となる基準ミラーが設けられている。基準ミラーには、図示しないX軸基準ミラーおよびY軸基準ミラーと、Z軸基準ミラー31とが含まれる。測定部23は、公知の光干渉法により、X軸基準ミラーを基準としたプローブ22のX座標、Y軸基準ミラーを基準としたプローブ22のY座標、および、Z軸基準ミラー31を基準とした接触子24のZ座標を測定する。プローブ22全体における接触子24のX軸方向位置およびY軸方向位置は変わらないため、プローブ22のX座標は接触子24のX座標と同等であり、また、プローブ22のY座標は接触子24のY座標と同等である。測定部23は、被加工物12に対する接触子24の各軸方向の相対変位を測定可能であり、特許請求の範囲に記載の「変位測定部」に相当する。
図1、図2に示すように、プローブ22は、移動体21に固定されているケース41と、ケース41の定盤11側に固定されている保持部42と、保持部42により軸方向へ移動可能に支持されている接触子24と、保持部42と接触子24との間に設けられている圧電アクチュエータ43と、ケース41内に設けられている光学部品51〜63と、フォーカス誤差信号発生部44とを有している。プローブ22を含む移動体21の自重は渦巻きばね49により支持されている。
また、圧電アクチュエータ43は、Z軸方向において接触子24を支持する軸方向支持部としても機能する。圧電アクチュエータ43は、Z軸方向のたわみ量に応じた付勢力を発生させる。
切削ユニット16でマイクロミラーアレイを製作するとき、1つのマイクロミラーを形成するごとにその形状が測定される。その測定結果は、接触子24のZ軸方向の位置決め精度を高めるために利用される。以下、図1〜図3を参照して詳しく説明する。
先ず、1つのマイクロミラー71が形成される。その際、接触子24は、ロック部47によるロック状態でXY駆動部14により切削方向へ移動させられながらZ駆動部19によりZ軸方向へ切込み深さ分だけ往復移動させられて平削りを行う。このとき、図3に矢印Aで示すように、刃25は、被加工物12の表層部をすくうように切削する。マイクロミラー71のY軸方向の断面形状は、刃25の移動経路に沿った形となる。また、マイクロミラー71のX軸方向の断面形状は、刃25の形状がそのまま転写された形となる。刃25は、単結晶のダイヤモンドチップから構成されており、刃先の稜線の算術平均粗Raは数ナノメートル以下に抑えられている。
以上の「マイクロミラー71の形成」と、「マイクロミラー71の形状測定」と、「接触子24のZ軸方向位置の補正」とが繰り返されることにより、マイクロミラー71のZ軸方向位置が目標とする位置に一致するようになる。
次に、制御装置17が実行する処理について図5を参照して説明する。図5の処理は、マイクロミラーアレイの製作中、繰り返し実行される。
図5のステップS1では、制御装置17は、1つのマイクロミラー71を形成するための接触子24の移動経路を決定し、ロック部47によるロック状態で接触子24が上記移動経路に沿って移動するように、ロック部47、XY駆動部14およびZ駆動部19の作動を制御する。このとき、XY駆動部14およびZ駆動部19は、測定部23から得られるプローブ22の位置情報に基づきフィードバック制御される。このステップS1により、1つのマイクロミラー71が形成される。ステップS1の後、処理はステップS2に移行する。
これらの処理は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理と、専用の電子回路によるハードウェア処理とにより実現されている。
以上説明したように、本実施形態では、切削ユニット16は、接触子24と、保持部42と、圧電アクチュエータ43と、測定部23と、位置検出部48と、ロック部47と、Z駆動部19とを備えている。
接触子24は、軸状であり、先端に刃25を有している。保持部42は、接触子24を軸方向へ移動可能に支持している。圧電アクチュエータ43は、接触子24と保持部42との間に設けられ、軸方向において接触子24を支持している。測定部23は、被加工物12に対する接触子24の軸方向の相対変位を測定する。位置検出部48は、保持部42と接触子24との軸方向の相対位置を検出する。
これによれば、接触子24の軸方向位置の誤差を圧電アクチュエータ43により補正して、接触子24の位置決め精度を高めることができる。
これによれば、圧電アクチュエータ43の電圧を変えることによって接触子24の軸方向位置を微調整することができる。また、軸方向支持部を別途設ける必要がない。
これによれば、1つの接触子24で切削加工と形状測定とを実施することができる。
これによれば、高精度な位置測定が可能である。
これによれば、接触子24が加工面に倣ってY軸方向へ移動する間、接触子24をZ軸方向へ自由に移動させることができる。
本発明の他の実施形態では、切削加工を複数回行うこと、すなわち、接触子を切削方向へ複数回移動させることにより1つのマイクロミラーを形成するようにして、1回の切削加工が行われるごとに加工面の形状が測定されてもよい。
本発明の他の実施形態では、1回の切削加工を所定箇所に施した後に加工面の形状を測定した結果、加工面のZ軸方向位置が目標位置に達していない場合には再び同一箇所の切削加工を行い、目標位置に達している場合には次の箇所の切削加工を行うようにしてもよい。
本発明の他の実施形態では、接触子が加工面をトレースする際、他の公知のオートフォーカス技術を用いて保持部と接触子との軸方向の相対位置が一定となるように保持部を移動させてもよい。
本発明の他の実施形態では、接触子を軸方向に支持する軸方向支持部が圧電アクチュエータとは別に設けられてもよい。
本発明の他の実施形態では、測定部は、レーザ光を用いた測定装置に限らず、スケールを用いた測定装置であってもよい。また、X座標、Y座標、Z座標の一部は、他部とは異なる方法で測定されてもよい。
本発明の他の実施形態では、保持部は、空気軸受以外の軸受で接触子を支持してもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
12・・・被加工物
16・・・切削ユニット
19・・・Z駆動部(駆動部)
23・・・測定部(変位測定部)
24・・・接触子
25・・・刃
42・・・保持部
43・・・圧電アクチュエータ(軸方向支持部、アクチュエータ)
47・・・ロック部
48・・・位置検出部
71・・・マイクロミラー、加工面
Claims (6)
- 切削加工機(10)の一部を構成する切削ユニット(16)であって、
先端に刃(25)を有する軸状の接触子(24)と、
前記接触子を軸方向へ移動可能に支持している保持部(42)と、
前記接触子と前記保持部との間に設けられ、軸方向において前記接触子を支持している軸方向支持部(43)と、
被加工物(12)に対する前記接触子の軸方向の相対変位を測定する変位測定部(23)と、
前記保持部と前記接触子との軸方向の相対位置を検出する位置検出部(48)と、
前記刃が前記被加工物を切削するとき、前記接触子と前記保持部との相対位置を固定するロック部(47)と、
前記接触子と前記保持部との相対位置の固定が解除された状態で前記接触子の先端部(45)が切削後の加工面(71)をトレースしつつ、前記変位測定部が前記接触子の軸方向の相対変位を測定するとき、前記位置検出部の検出値が一定となるように前記保持部を軸方向へ移動させる駆動部(19)と、
を備える切削ユニット。 - 前記変位測定部の測定値と目標値との差が小さくなるように前記接触子を軸方向へ移動させるアクチュエータ(43)をさらに備える請求項1に記載の切削ユニット。
- 前記アクチュエータは、バイモルフ型の圧電素子を用いた圧電アクチュエータであって、前記軸方向支持部を兼ねている請求項2に記載の切削ユニット。
- 前記接触子の先端部は、所定の切削方向へ移動するとき前記被加工物を切削加工する前記刃と、前記切削方向とは反対方向へ移動するとき前記加工面と摺動する摺動面(45)とを有する請求項1〜3のいずれか一項に記載の切削ユニット。
- 前記変位測定部は、前記接触子に照射した光の反射光から前記接触子の軸方向の相対変位を測定する請求項1〜4のいずれか一項に記載の切削ユニット。
- 前記保持部は、前記接触子を支持している空気軸受(46)を有する請求項1〜5のいずれか一項に記載の切削ユニット。
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