JP4762194B2 - 加工装置、および加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、工具を独立に３軸方向に微小動作させることのできる３軸工具ユニットを搭載した加工装置、および加工方法に関する。

従来の工具の高速位置決め機構としては、圧電素子、ボイスコイルモータ、電磁力により、１軸方向にダイレクトに工具台を位置決めするものがあった（例えば、非特許文献１参照。）。図１０に、その従来の１軸高速位置決め機構の内部構造図を示す。

この従来の１軸高速位置決め機構は、図１０に示すように、ケーシング１００に円筒形圧電素子１０１が装着され、可動部である工具ホルダ１０２がダイヤフラム１０３により支持され、工具ホルダ１０２の変位を容量型変位センサ１０４により直接測定する構造となっている。また、工具ホルダ１０２、容量型変位センサ１０４、およびダイヤモンド工具１０５は中心線が一致するように配置されている。

図１１に、上記した１軸高速位置決め機構の１軸動作を制御する位置制御ループ回路のブロック図を示す。この位置制御ループ回路は、容量型変位センサ１０４からの信号と指令値との偏差を、積分器１１０とノッチフィルタ１１１で構成される補償回路により位相補償し、アンプ（ブロック１１２に含まれる）により電力増幅して、円筒形圧電素子１０１を駆動することで、工具ホルダ１０２（ダイヤモンド工具１０５）の位置を変位させる。

以上のような構成の従来の１軸高速位置決め機構は、例えば、互いに直交する２軸（Ｘ、Ｙ軸）方向にそれぞれ動作する２つのスライド軸と、いずれか一方のスライド軸上に設置された被加工物を回転させる回転軸と、ＮＣ制御装置とで構成された加工装置上に、１軸動作の動作方向がＺ軸方向となるように搭載され、容量型変位センサ１０４からの信号（ダイヤモンド工具１０５のＺ軸方向の現在位置を示す信号）とＮＣ制御装置からのＺ軸方向の指令値との偏差が‘０’になるように、１軸高速位置決め機構の軸の伸縮が制御される。

このように１軸高速位置決め機構を用いることで、加工装置のみによる旋盤加工よりも加工精度が向上する。すなわち、加工装置のスライド軸を動作させるだけでは、高速回転する被加工物に対して工具を高速高精度に相対移動させることは困難であり、機械系の誤差が発生するが、１軸高速位置決め機構を用いることで、その機械系の誤差を精度補償できる。

よって、以上のような１軸高速位置決め機構を搭載した加工装置を、光学部品等のサブミクロン以下の精度が求められる加工に用いた場合、加工精度を向上させることができるが、その動作は基本的に１軸動作であり、比較的単純な軸対称形状が加工対象となる。

一方、近年、光学設計技術、加工技術の進展に伴い、非軸対称非球面（回転対称でなく、いずれの象限においても対称面が無いため、通称“自由曲面”と呼ばれることもある）形状が実現できるようになってきた。

一般的に非軸対称非球面の加工には、ラスターフライカット法と呼ばれる加工方法が用いられる。図１２にラスターフライカット法の模式図を示す。この加工方法では、高速回転する回転軸２００に取り付けた工具２０１を、ＮＣデータに基づいて、ラスタ走査のように１ラインごとにゆっくり走査させる。１ラインの走査が終わると、工具２０１を元の位置に戻し、所定の距離分だけピッチをずらして、次のラインを走査する。要するに片道走査して加工面を仕上げる。なぜならば、往復走査すると、アップカットの面とダウンカットの面が交互に繰り返された加工面となり、加工面の状態が一定にならないためである。よって、往復走査は、粗加工で使われることはあっても、仕上げ加工では使用しない。また往復走査は工具摩耗の点で望ましくない。以上の理由により、ラスターフライカット法では片道走査が一般的である。

このラスターフライカット法は制約が比較的少なく、３軸動作する加工装置上で高速回転する回転軸にホルダを介して工具を取り付ければ実現できる。しかしながら、この加工方法は、加工時間が長いという問題がある。例えば２００ｍｍ×１０ｍｍ程度の非軸対称非球面の加工に概ね２０時間程度を要する。このように加工時間が長時間に及ぶと、加工精度が悪化する。すなわち、加工中に加工環境（温度や気圧、湿度、振動等の外乱など）が変化する可能性が高く、この加工環境の変化が高精度化を阻む要因となっている。またそれらの環境変化の要因を小さくするには膨大なコストがかかり、その割に効果が小さい。またこの加工方法は、ＮＣデータを作製するのにかかる時間やデータの容量が膨大になるという問題もある。

そこで、非軸対称非球面の加工においても、上記した従来の１軸高速位置決め機構を使用することが考えられる。この機構を使用する場合、被加工物をあたかも旋盤で加工するかのごとく回転させながら１軸高速位置決め機構を移動させるとともに、その１軸動作を高速制御すればよい。この加工を実現できれば、加工時間を、回転対称面の加工にかかる時間と同等にできる可能性がある。すなわち加工時間を、従来のラスターフライカット法による加工時間と比較して、１／１０〜１／１００程度に短縮できる。

しかしながら、上記した１軸高速位置決め機構は、可動軸の動作方向と直交する方向の剛性が低いという欠点がある。図１０に示す構成例では、可動軸の動作方向と直交する方向は、ダイヤフラム１０３でのみ支持されている。このような支持方法で工具を保持しても、可動軸の動作方向と直交する方向の剛性が低く、加工抵抗によって工具が不要に動くので良好な加工面を得ることができなかった。

加えて、上記した１軸高速位置決め機構を用いて加工を行う場合、工具の刃先が有限の大きさを有するので、工具刃先の被加工物に接触する部分を事前に算出して、工具の位置を制御する必要がある。この課題を図１３を用いて説明すると、以下のようになる。なお、ここでは、１軸高速位置決め機構の上記課題を容易に理解するために、関数Ｚ＝ｆ（Ｘ）で定義される回転対称面の加工を例に、説明を行う。

この１軸高速位置決め機構は、一定半径ｒの刃先を有する工具３００をＺ軸方向にのみ動作させる。また、被加工物はＺ軸を中心に旋回させる。この例では、軸対称面の加工なので、工具３００を、回転している被加工物の外周側から回転中心に向けて、Ｘ−Ｚ面の形状をなぞるように走査させる。

図１３に示すように、関数Ｚ＝ｆ（Ｘ）で定義される曲面の加工を行う場合、工具３００の刃先の先端部と関数Ｚ＝ｆ（Ｘ）で定義される加工面上の加工点（制御点）Ｐとが一致するように工具３００を動作させるが、このとき、刃先の先端部とは異なる部分が、被加工物の既に加工された部分に接触してしまい、刃先が干渉する干渉点（実際の加工点）Ｍと制御点Ｐとが一致しない。その結果、関数Ｚ＝ｆ（Ｘ）で定義される加工面より削り過ぎてしまい、良好な加工面とならない。

この削り過ぎの問題を回避するために、加工中にリアルタイムで干渉点を算出できればよいが、実際の加工速度、コンピュータの算出能力を鑑みた場合、今日の技術では困難である。そこで、加工動作を始める前に、工具のたどるべき位置を事前に算出しておき、そのＮＣデータに基づいて加工を行う必要がある。回転対称面の加工の場合、その計算量は少なく、大きな手間はかからないが、対称形状を有しない非軸対称非球面の加工の場合、例えば１０ｍｍ角の小さな面であっても、ＮＣデータの算出点が１００万点にもなる。ＮＣデータの算出をするには収束計算を伴うため、計算量が多くなり計算時間が多大になる（例えば、特許文献１参照。）。また、製作したＮＣデータの容量も１００メガバイトを超えることも珍しくない。また実際の加工では、刃先の半径が異なる工具に変換した場合、その都度ＮＣデータを作製する必要がある。

要するに従来の１軸高速位置決め機構による非軸対称非球面の加工を実現できたとしても、加工時間は短縮されるが、ＮＣデータの製作に膨大な時間がかかり、総合的にみて実用的でない。そのため従来、このような方法は実用手的に用いられることは無かった。
「光学ガラスの微細切削における加工モードのインプロセス認識に関する研究」、精密工学会誌、６７巻、５号、２００１年、Ｐ８４４〜８４９ 特許第３０２１１５６号

本発明は、上記問題点に鑑み、互いに直交する３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向に動作する３つのアクチュエータと、各アクチュエータの変位量を測定する３つのセンサを有し、工具を独立に３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向に微小動作させることのできる３軸工具ユニットを、３つのセンサのセンシング方向の交点に工具刃先が位置する構成にして、その３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向が加工装置の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）方向と異なる方向となるように加工装置上に搭載することにより、加工装工具を保持する剛性を高めることができ、加工時間の短縮化および加工精度の向上を図ることができる加工装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の加工装置は、
工具と、
前記工具が固定される工具ホルダと、
互いに直交する第１の３軸方向にそれぞれ動作して前記工具ホルダの位置を変位させる３つのアクチュエータと、
前記各アクチュエータの動作方向への変位量を示す信号を生成する３つのセンサと、を有し、前記工具ホルダが、前記各アクチュエータの動作方向の軸線上の交点に設けられ、前記３つのセンサが、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置され、前記工具が、前記３つのセンサのセンシング方向の延長線上の交点に刃先が位置するように配置された３軸工具ユニットと、
被加工物に対して前記３軸工具ユニットを互いに直交する第２の３軸方向に相対移動させるリニアステージと、
前記被加工物に対して前記３軸工具ユニットを相対的に円運動させる回転ステージと、
前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じて前記各アクチュエータの変位量の目標値を求め、記各アクチュエータへの指令信号を生成する目標値演算処理部と、
前記各センサからの信号と前記各指令信号との偏差を基に前記各アクチュエータの動作を制御する信号を生成する３つの位置制御ループ回路と、
を備え、前記リニアステージにより前記３軸工具ユニットの前記被加工物に対する相対位置を調整しながら、前記回転ステージにより前記３軸工具ユニットを前記被加工物に対して相対的に円運動させるとともに、前記各位置制御ループ回路により前記各アクチュエータを駆動して、前記工具の刃先を前記被加工物に接触させて加工を行う加工装置であって、前記３軸工具ユニットは、前記第１の３軸方向が前記第２の３軸方向と異なる方向となるように配置されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の加工装置は、請求項１記載の加工装置であって、前記目標値演算処理部は、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じた加工点の座標を算出するとともに、前記加工点における法線ベクトルを算出して、前記法線ベクトル上の前記加工点から前記工具の刃先の半径分離れた位置に前記工具の刃先の半径の中心点が位置するように前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めることを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の加工装置は、請求項１もしくは２のいずれかに記載の加工装置であって、前記３軸工具ユニットが前記３つのアクチュエータおよび前記３つのセンサを覆うカバー部を有することを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の加工方法は、
工具と、
前記工具が固定される工具ホルダと、
互いに直交する第１の３軸方向にそれぞれ動作して前記工具ホルダの位置を変位させる３つのアクチュエータと、
前記各アクチュエータの動作方向への変位量を示す信号を生成する３つのセンサと、を有し、前記工具ホルダが、前記各アクチュエータの動作方向の軸線上の交点に設けられ、前記３つのセンサが、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置され、前記工具が、前記３つのセンサのセンシング方向の延長線上の交点に刃先が位置するように配置された３軸工具ユニットを用いた加工方法であって、
前記第１の３軸方向とは異なる互いに直交する第２の３軸方向に動作可能なリニアステージにより前記３軸工具ユニットの被加工物に対する相対位置を調整しながら、回転ステージにより前記３軸工具ユニットを前記被加工物に対して相対的に円運動させるとともに、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じて前記各アクチュエータの変位量の目標値を求め、前記各アクチュエータへの指令信号を生成し、その各指令信号と前記各センサからの信号との偏差を基に前記各アクチュエータの動作を制御する信号を生成して、前記各アクチュエータを駆動し、前記工具の刃先を前記被加工物に接触させて加工を行うことを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の加工方法は、請求項４記載の加工方法であって、前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めるに際し、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じた加工点の座標を算出するとともに、前記加工点における法線ベクトルを算出して、前記法線ベクトル上の前記加工点から前記工具の刃先の半径分離れた位置に前記工具の刃先の半径の中心点が位置するように前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めることを特徴とする。

本発明の好ましい形態によれば、３軸工具ユニットにおいて、各アクチュエータの３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向への変位量を測定する３つのセンサを、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置し、その交点に工具の刃先を配置したので、工具の刃先の位置決め誤差を抑制することができ、加工精度を向上させることができる。

また、各アクチュエータの３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向への変位量の目標値をリアルタイムに算出して、工具を３次元的に微小動作させることができるので、旋盤加工に代表される軸対称加工法での加工を実現でき、加工時間およびＮＣデータの製作にかかる時間の短縮化を図ることができる。また、加工時間を短くできるので、加工環境の変化に伴う加工誤差を抑制することができ、加工精度を向上させることができる。よって、非軸対称非球面を高速高精度に加工できる。

また、３軸工具ユニットのセンサやアクチュエータをカバー部で覆うことで、切削油をミスト状にして噴霧しながら加工しても３軸工具ユニットの誤動作や破損の防止を図ることができ、信頼性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態における３軸工具ユニットを搭載した加工装置、およびその加工装置を用いた加工方法について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの鳥瞰図、図２は本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの側面図である。

図１、図２に示すように、３軸工具ユニット１の支持体２には、互いに直交する３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向にそれぞれ動作可能な３つのアクチュエータ３、４、５の一端が、取り付け部材６、７、８を介して固定されている。また、アクチュエータ３、４、５の支持体２に固定された端とは異なる他端には、工具９が固定された工具ホルダ１０が取り付けられている。

アクチュエータ３、４、５は、ｕ、ｖ、ｗ軸方向にそれぞれ動作して工具ホルダ１０の位置を変位させる。本実施の形態では、アクチュエータを圧電素子で構成している。圧電素子としては、例えば、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ_３−ＰｂＴｉＯ_３）を主成分とする積層型のものなどを用いることができる。

また、支持体２には、センサ１１、１２、１３がセンサホルダ１４、１５、１６を介して取り付けられている。センサ１１、１２、１３としては、よく知られた静電容量型センサ、渦電流型センサ、光センサなどを用いることができる。より高精度にアクチュエータを動作させるためには静電容量型センサで構成することが望ましい。

また、センサ１１、１２、１３の測定対象であるセンサターゲット１７、１８、１９が、工具ホルダ１０と一体となって設けられている。なお、センサターゲットは、工具ホルダ１０の変位に従って変位するのであれば、工具ホルダ１０と別異に設けてもよい。

センサ１１、１２、１３は、それぞれの先端部から、工具ホルダ１０の変位に従って変位するセンサターゲット１７、１８、１９までの距離をセンシングして、アクチュエータ３、４、５のｕ、ｖ、ｗ軸方向（動作方向）への変位量（工具９の位置情報）を示す変位信号を生成する。

以上のようにアクチュエータ３、４、５の動作方向の軸線上の交点に工具ホルダ１０を設けることで、工具ホルダ１０に対していずれの方向から外力がかかっても、３軸のアクチュエータ３、４、５が補助しあって、その外力による軸の変動を抑えることができるので、工具９を保持する剛性が向上し、良好な加工面を得ることができる。

なお、センサホルダ１４、１５、１６は、弾性変形を利用した微動機構を有する構成とするのが好適である。すなわち、センサ取り付け時に、調整ネジによってセンサ１１、１２、１３のセンシング方向に弾性変形を生じさせて、センサ１１、１２、１３の先端部とセンサターゲット１７、１８、１９との間隔が所定の間隔となるように調整することが可能な構成とするのがよい。

また、精密加工を行う場合、環境温度の変化による３軸工具ユニットの構成部材の伸縮が加工精度に影響するので、支持体２、工具ホルダ１０、およびセンサホルダ１４、１５、１６は低熱膨張材料で構成することが望ましい。

続いて、センサ１１、１２、１３および工具９の刃先の配置について、図３を用いて説明する。図３に示すように、センサ１１、１２、１３は、アクチュエータ３、４、５の動作方向の軸線上とは異なる位置に、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置される。また、その各センシング方向の延長線上の交点に工具９の刃先が配置される。

アクチュエータ３、４、５に圧電素子を用いた場合、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を伸縮させることで、アクチュエータ３、４、５をｕ、ｖ、ｗ軸方向へ動作させるが、圧電素子はヒステリシスをもった素子であるため、アクチュエータ３、４、５のｕ、ｖ、ｗ軸方向への変位量の目標値に即した電圧を圧電素子に印加するだけでは、精度良くアクチュエータ３、４、５を駆動することはできない。そこで、一般的に、センサ１１、１２、１３が生成する変位信号を基に、センサ１１、１２、１３とセンサターゲット１７、１８、１９との間隔を一定に保つフィードバック制御を行うことで、ヒステリシスの無い特性を実現している。

また、３軸のアクチュエータ３、４、５を動作させると、工具ホルダ１０が各軸から押し引きされ、３軸に弾性ひずみ（弾性変形）が生じ、その３軸の弾性ひずみによる力に起因して工具ホルダ１０（工具９）が３軸まわりに回転運動する。よって、工具９の刃先は、ｕ、ｖ、ｗ軸方向へ直進運動するとともに、ｕ、ｖ、ｗ軸まわりに回転運動するが、上記した３つのセンサ１１、１２、１３だけでは、その直進運動による工具ホルダ１０の変位と回転運動による工具ホルダ１０の変位を分離して測定できないので、上記したようにフィードバック制御を行っても、工具９の刃先に位置決め誤差が生ずる。光学部品の加工においては、ナノメータオーダの位置決め精度が求められるので、わずかな誤差も問題となる。

そこで、本実施の形態では、上記したように、センサ１１、１２、１３を、アクチュエータ３、４、５の動作方向の軸線上とは異なる位置に、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置するとともに、その各センシング方向の延長線上の交点に工具９の刃先を配置している。このように配置してフィードバック制御を行えば、３軸まわりの回転運動は工具９の刃先（センサ１１、１２、１３の各センシング方向の延長線上の交点）を中心に行われるので、位置決め精度は悪化しない。よって、刃先の位置決め誤差を最小にすることができ、高精度な加工が可能となる。

また、アクチュエータ３、４、５として圧電素子を使用する場合、圧電素子は引張り力に弱く、引張り力が加わると破損するおそれがある。そのために、圧電素子は、一般的にプリロードを付与して使用する。

図４は、本実施の形態におけるプリロードの構造を示す断面図である。図４に示すように、本実施の形態では、３軸のアクチュエータ３、４、５に対して、１本のプリロードロッド２０により、３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）のいずれの軸とも平行でない方向からプリロードを付与する構造としている。具体的には、３軸工具ユニット１は３軸の対象構造であるので、互いに直交するｕ、ｖ、ｗ軸の各々と４５度をなす方向からプリロードを付与している。このような構造とすることで、３軸のアクチュエータ３、４、５に対して均等にプリロードを付与することができる。その結果、３軸のアクチュエータ３、４、５の機械的特性および制御特性を同等にすることができる。

続いて、上記した３軸工具ユニット１を搭載した加工装置について、図５、図６を用いて説明する。図５は３軸工具ユニット１を搭載した加工装置を説明するための要部構成を示す図である。また、図６は３軸工具ユニット１を搭載した加工装置による加工動作を説明するための一部拡大図である。但し、図５には、ｗ軸のアクチュエータ５の動作を制御するための位置制御ループ回路を例示している。

図５に示すように、この加工装置は、被加工物（例えば光学部品や光学部品用金型）２１に対して３軸工具ユニット１を互いに直交する３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）方向に相対移動させるリニアステージとして、３軸工具ユニット１をＸ軸方向へ移動させるＸ軸テーブル２２と、３軸工具ユニット１をＹ軸方向へ移動させるＹ軸テーブル２３と、３軸工具ユニット１をＺ軸方向へ移動させるＺ軸テーブル２４を具備する。また、被加工物２１に対して３軸工具ユニット１を相対的に円運動させる回転ステージとして、被加工物２１を回転させる回転テーブル２５を具備する。このリニアステージと回転ステージは、そのＸ、Ｙ、Ｚ軸の座標と中心軸の角度座標が数値制御（ＮＣ制御）されるＮＣテーブルである。

なお、ここでは、Ｙ軸テーブル２３上に回転テーブル２５を設置し、Ｚ軸テーブ２４上に３軸工具ユニット１を設置する場合について説明するが、無論、この構成に限られるものではない。また、３軸工具ユニット１を移動させる場合について説明するが、被加工物２１を移動させてもよい。また、被加工物２１を円運動させる場合について説明するが、３軸工具ユニット１を円運動させてもよい。また、回転テーブル２５が１軸を有する場合について説明するが、２軸以上を有してもよい。

図５、図６に示すように、本実施の形態では、３軸工具ユニット１は、アクチュエータ３、４、５の動作方向であるｕ、ｖ、ｗ軸方向（第１の３軸方向）が、加工装置のリニアステージ（Ｘ軸テーブル２２、Ｙ軸テーブル２３、Ｚ軸テーブル２４）の動作方向であるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向（第２の３軸方向）とは異なる方向となるように、加工装置に搭載されている。

このように３軸工具ユニット１のアクチュエータ３、４、５の動作方向（ｕ、ｖ、ｗ軸方向）が、加工装置のリニアステージの動作方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向）に対して平行とならないように、３軸工具ユニット１を加工装置に搭載した場合、そのｕ、ｖ、ｗ軸とＸ、Ｙ、Ｚ軸は、図６に示す式（１）の関係になる。

具体的には、γはＺ軸まわりの角度、αはＸ軸まわりの角度であり、ここではγが４５度、αが約５５度（ａｃｏｓ（１／ｓｑｒｔ３））となるように３軸工具ユニット１を加工装置に搭載した。このα、γの角度は、必ずしもこの角度である必要は無いが、この角度に設定すると対称構造になるため製作が容易となる。この式（１）から理解できるように、例えばＺ軸方向へのみ工具９を動作させたい場合においても、アクチュエータ３、４、５をそれぞれ動作させることになる。

以上のように３軸工具ユニット１を加工装置のＸ、Ｙ、Ｚ軸に対して傾斜させて搭載することで、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のいずれか１軸方向にのみ工具９を変位させる場合に、その最大変位量をアクチュエータ単体の有する最大ストロークよりも大きくすることができる。例えば、アクチュエータ３、４、５として最大ストロークが４０マイクロメータのものを使用した場合、工具９のＺ軸方向への最大変位量は約７０マイクロメータ、Ｘ軸方向への最大変位量は約５６マイクロメータ、Ｙ軸方向への最大変位量は約４９マイクロメータとなる。

通常、工具の最大変位量を増大させたい場合、機械的な変位の拡大機構を用いたり、アクチュエータを最大ストロークが長いものに交換する。しかし、これらの方法では、工具の最大変位量は増大するが、高速応答時の制御特性が悪くなる。これに対して、本実施の形態によれば、制御特性が悪化することなく、工具の最大変位量を増大させることが可能となる。

また、上記したように、センサ１１、１２、１３を、アクチュエータ３、４、５の動作方向の軸線上とは異なる位置に、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置するとともに、その各センシング方向の延長線上の交点に工具９の刃先を配置した場合でも、アクチュエータ３、４、５やセンサ１１、１２、１３が被加工物２１に干渉しない加工を行うことができる。よって、センサ１１、１２、１３の各センシング方向の延長線上の交点（回転運動の中心）に工具９の刃先を配置して、工具９の刃先の位置決め誤差を小さくすることができる。

図７に、工具の刃先に生じる位置決め誤差のシミュレーション結果を、３つのセンサの各センシング方向の延長線上の交点（回転運動の中心）から工具の刃先をオフセットさせた構成の加工装置と比較して示す。

図７（ａ）は、図６に示す式（１）のγが４５度、αが約５５度となるように３軸工具ユニット１を搭載した加工装置Ａを示している。一方、図７（ｂ）には、３つのセンサの各センシング方向の延長線上の交点から工具の刃先をｗ軸方向に６．５ｍｍオフセットさせた３軸工具ユニットを、３軸工具ユニットの３軸（ｕ、ｖ、ｗ軸）方向と加工装置の３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）方向を一致させて搭載した加工装置Ｂを示している。

図７（ｃ）に、ｕ、ｖ、ｗ軸方向に動作する３つのアクチュエータを同量変位させた場合にＸ軸方向に生ずる刃先の位置決め誤差のシミュレーション結果を示す。図７（ｃ）において、実線Ａは加工装置Ａのシミュレーション結果、破線Ｂは加工装置Ｂのシミュレーション結果である。また、縦軸は、３つのアクチュエータが同量変位した場合にＸ軸方向に生じる刃先の位置決め誤差を示している。また、横軸はアクチュエータの変位量を示している。

図７（ｃ）に示すように、３つのアクチュエータを４０μｍ変位させた場合、加工装置ＢではＸ軸方向に刃先の位置決め誤差が３７０ｎｍ生じる。これに対して、本実施の形態における加工装置Ａでは、Ｘ軸方向の刃先の位置決め誤差は２５ｎｍとなる。図７（ｃ）にはＸ軸方向の誤差のみ記したが、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の誤差を比較しても、加工装置Ａの誤差の方が小さくなることが確認できた。このように、３つのセンサのセンシング方向の延長線上の交点に工具の刃先を配置することで、アクチュエータ動作時の工具ホルダの回転運動の影響を抑えることができる。

このシミュレーション結果から理解できるように、刃先の位置を回転運動の中心からオフセットすると、３軸まわりの回転運動の影響により、刃先に生じる位置決め誤差が無視できなくなる。特に光学部品のようにサブミクロンオーダの形状精度が要求される加工面の加工の場合、この誤差は無視できない。本実施の形態によれば、刃先に生じる位置決め誤差を小さくすることができるので、工具の刃先を目標値通りに動作させることができ、高精度な加工を実現できる。

また、３軸工具ユニット１を加工装置のＸ、Ｙ、Ｚ軸に対して傾斜させることで、図８に示すように、３軸工具ユニット１に付属する高精度なセンサ１１、１２、１３およびアクチュエータ３、４、５を含めてカバー部４０で覆っても、加工中にカバー部４０が被加工物２１に干渉しないので、カバー部４０を設けることが可能となる。このようにカバー部４０を設けることで、カバー部４０の外側に工具９や工具ホルダ１０のみを露出させることができる。よって、加工する際に、光学部品の超精密加工時に通常用いられる加工液（切削油）をミスト状にして加工点に噴霧しながら加工しても、センサに加工液が浸入して誤動作することを回避できる。また、工具の長寿命化も期待できる。このように、カバー部４０を設けることで、センサやアクチュエータを保護することが可能となり、３軸工具ユニット１の信頼性、耐久性、および工具寿命の向上を図ることができる。

続いて、３軸工具ユニット１のアクチュエータ３、４、５の動作（工具９の位置）を制御する位置制御ループ回路について説明する。例えば、ｗ軸方向に動作するアクチュエータ５を例にとると、図５に示すように、位置制御ループ回路は、加算器２６が、センサ１３からの変位信号と目標値（指令信号）との偏差を演算し、位相補償部２７が、加算器２６からの信号に対して、例えば積分処理（Ｉ制御）や比例積分処理（ＰＩ制御）、比例積分微分処理（ＰＩＤ制御）などを行うことで位相補償を施し、アンプ２８が、位相補償部２７からの信号を電力増幅してアクチュエータ５の動作を制御する駆動信号を生成して、アクチュエータ５を駆動する。

この位置制御ループ回路により、上記したセンサ１３とセンサターゲット１９との間隔を一定に保つフィードバック制御をかけることができる。なお、ｕ、ｖ軸方向に動作するアクチュエータ３、４に関しても、同様の位置制御ループ回路を構成して、同様に制御すればよい。

続いて、この加工装置による被加工物の加工方法について説明する。この加工装置は、記憶部（不図示）に記憶された加工プログラムに基づいてリニアステージの３軸座標および回転ステージの角度座標を数値制御（ＮＣ制御）して、３軸工具ユニット１（工具９の刃先）の被加工物２１に対する相対位置を調整しながら、３軸工具ユニット１を被加工物２１に対して相対的に円運動させることで、被加工物２１の旋盤加工を行う。ここでは、回転テーブル２５の中央に配置されて回転している被加工物２４に対して３軸工具ユニット１（工具９）を移動させる。なお、リニアステージの３軸座標および回転ステージの角度座標を数値制御して旋盤加工を行う構成については、既に知られているＮＣ制御の構成を用いるので、ここでは図示していない。

また、この加工装置では、リニアステージの３軸座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）ごとに、その３軸座標に対応する加工範囲を、３軸工具ユニット１の工具９を３次元方向に微小動作させることで、旋盤加工する。加工範囲は回転ステージの角度座標（θ）で表すことができる。１つの３軸座標に対応する加工範囲は１つに限るものではなく、加工形状によっては１つの３軸座標に対応する加工範囲が複数存在する場合もある。

このように、工具９を３次元方向に微小動作させて加工を行うことで、良好な加工面を得ことができる。すなわち、一般的に、加工装置のテーブルを１００Ｈｚ以上の速度で動作させることはできず、例えば１８０［ｓ^−１］で回転する被加工物に対して工具をナノメータオーダで高速高精度に相対移動させることは困難である。よって、高速回転する被加工物に対応して充分な加工精度を得ることが困難であるため、高精度に加工するには、被加工物を遅い速度で回転させる必要が生じる。その場合、加工時間が遅くなるばかりか、被加工物の回転速度が遅いために最適な加工速度が得られないので、良好な加工面も得られない。これに対して、本実施の形態によれば、工具を３次元方向に高速高精度に微小動作させて加工を行うことができ、加工時間の短縮化並びに加工精度の向上を図ることができる。

工具９の微小な３次元動作は、リアルタイム目標値演算処理部２９がアクチュエータ３、４、５の指令信号（目標値）をリアルタイムに演算して、アクチュエータ３、４、５の位置制御ループ回路へ出力し、アクチュエータ３、４、５を駆動することで行う。

以下、リアルタイム目標値演算処理部２９について説明する。リアルタイム目標値演算処理部２９は、リニアステージの３軸座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および回転テーブル２３の角度座標（θ）に応じたアクチュエータ３、４、５の変位量の目標値をリアルタイムに求めて、アクチュエータ３、４、５の指令信号を生成する。

図５に示すように、リアルタイム目標値演算処理部２９は、現在位置演算部３０と目標値演算部３１を具備する。現在位置演算部３０は、リニアステージの現在の３軸座標および回転ステージの現在の角度座標を示す情報を基に、リアルタイム目標値演算処理部２９で演算可能なように、現在の３軸座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および角度座標（θ）を演算する。ここで、３軸座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、被加工物２１の回転中心をプログラム原点とした場合の座標である。

例えば、リニアステージおよび回転ステージから３軸座標および角度座標を示す情報がパルス列で入力される場合、現在位置演算部３０は、パルス列をカウンタでカウントし、リニアステージおよび回転ステージの機械仕様で定義される感度（１パルスあたりの距離）から、現在の３軸座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）および角度座標（θ）を求める。

目標値演算部３１は、加工面を定義する光学設計式や、工具９の刃先の先端半径、図６に示す式（１）およびα、γの値、現在位置演算部３０において演算された現在の座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ）などを基に、アクチュエータ３、４、５の変位量の目標値をリアルタイムに演算して、アクチュエータ３、４、５の指令信号を生成し、各位置制御ループ回路へ出力する。なお、加工面を定義する光学設計式や、工具の刃先の先端半径、図６に示す式（１）およびα、γの値などは、図示しないユーザインターフェースより入力され、図示しない記憶部に記憶されている。

続いて、上記した加工装置の加工動作について、図９を用いて詳細に説明する。図９は、図６に示す刃先付近のＡ部の拡大図であり、上記した加工装置の加工動作を説明するための説明図である。ここでは、図１３に示した従来の１軸高速位置決め機構の加工動作と比較できるように、関数Ｚ＝ｆ（Ｘ）で定義される回転対称面の加工を例に、説明を行う。

回転対称面を加工する場合、３軸工具ユニット１（工具９）を、回転テーブル２５の中央に配置された被加工物２１の外周側から回転中心へＸ軸方向に沿って移動させるので、Ｘ軸座標ごとに工具９を微小動作させて旋盤加工を行う。

なお、回転テーブル２５は回転速度一定で回転させてもよいし、線速度一定で回転させてもよい。ただし、線速度一定で回転させた場合、外周の回転速度に内周の回転速度を合わせるためには、工具９が内周に近づくほど回転テーブル２５の回転速度を上げる必要があり、ある地点で回転テーブル２５が回転可能な限界の回転数になることが考えられる。そこで、そのような場合には、線速度一定の範囲を何段階かに分ける。

目標値演算部３１は、現在位置演算部３０から現在の座標の情報を受け取ると、そのＸ軸座標から加工面上の制御点ＰにおけるＺ軸方向の位置を算出する。同時に、その制御点Ｐにおける法線ベクトルを解析的に算出する。そして、工具９の刃先の先端半径ｒの中心点が、算出した法線ベクトル上の制御点Ｐから「ｒ」だけオフセットした位置に移動するように、アクチュエータ３、４、５の目標値を演算する。その結果、刃先が干渉する干渉点（実際の加工点）Ｍと制御点Ｐとが一致する。すなわち、刃先が干渉する干渉点Ｍと制御点Ｐとが一致するように、アクチュエータ３、４、５をｕ、ｖ、ｗ軸方向に動作させる。

この回転対称面の加工の例では、Ｘ−Ｚ平面で工具を動作させるだけでよい。同様に、非軸対称非球面の加工においては、３次元的にＸ−Ｙ−Ｚ面内で工具を動かせばよい。目標値演算処理部３１における演算は解析的に実行でき、収束演算等は伴わないので、現在の技術レベルでもリアルタイムに処理でき、３次元的に工具を高速高精度に動作させることができる。また、事前に加工データを製作する必要がない。すなわち、ＮＣデータの作製に膨大な時間を必要としないので、実用的な加工方法となる。

また、リアルタイムに制御点（次に加工する位置：加工点）Ｐを算出して３軸のアクチュエータ３、４、５の目標値を求めつつ、順次加工していくので、非軸対称非球面を、あたかも旋盤で加工するかのごとく短時間で作成できる。具体的には、回転対称面の加工にかかる時間と同等にでき、従来のラスターフライカット法による加工時間と比較して、１／１０〜１／１００程度に短縮できる。また、加工時間が短いので、加工環境の変化も少ない。よって、加工環境の変化に伴う加工誤差を抑制でき、加工面を高精度に仕上げることができる。

また、刃先の半径が異なる工具に変換した場合でも、ユーザインターフェースを通して工具の先端半径ｒの値を変更するだけで済む。同様に、加工後、加工精度が所期の精度に達しておらず、形状精度の補正をするため再加工する場合においても、ユーザインターフェースを通して、直接光学設計式をパラメータ変更するなり、光学設計式に新たに補正式を加えるだけで済む。よって、短時間で再加工を開始できる。

なお、加工面を定義した光学設計式や工具の刃先の先端半径などをユーザインターフェースを通して変更する場合に限らず、リアルタイム目標値演算処理部２９の制御プログラムを直接書き換えてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、目標値をリアルタイムで演算することができ、加工時間の短縮化を図ることができる。また、工具を３次元的に高速高精度に動作させて、高速超精密加工を行うことができ、微細な形状を有する光学部品や精密機構部品等の精密部品を、旋盤加工に代表される軸対称加工法と同様の工法で、高精度にかつ高速に加工することができ、高能率な加工を行うことができる。

なお、本実施の形態では３軸とも圧電素子を用いた場合について説明したが、例えば３軸のうちの１つが圧電素子で、他の２軸に圧電素子以外の素子を用いる構成でもよい。圧電素子以外の素子として、例えば磁歪素子やボイスコイルモータなどを用いることができる。

本発明の加工装置、および加工方法は、加工精度の高精度化とともに加工時間の短縮化を図ることができ、微細な形状を有する光学部品や精密機構部品等の精密部品の加工に有用である。

本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの鳥瞰図 本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの側面図 本発明の実施の形態における３軸工具ユニットのセンサおよび刃先の配置を示す拡大図 本発明の実施の形態における３軸工具ユニットのプリロードの構成を示す断面図 本発明の実施の形態における加工装置を説明するための要部構成を示す図 本発明の実施の形態における加工装置の加工動作を説明するための一部拡大図 本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの刃先に生じる位置決め誤差のシミュレーション結果を示す図 本発明の実施の形態における３軸工具ユニットの他の例を示す図 本発明の実施の形態における加工装置の加工動作を説明するための説明図 従来の１軸高速位置決め機構の内部構造図 従来の１軸高速位置決め機構の１軸動作を制御する位置制御ループ回路のブロック図 ラスターフライカット法の模式図 従来の１軸高速位置決め機構の加工動作を説明するための説明図

符号の説明

１ ３軸工具ユニット
２ 支持体
３〜５ アクチュエータ
６〜８ 取り付け部材
９ 工具
１０ 工具ホルダ
１１〜１３ センサ
１４〜１６ センサホルダ
１７〜１９ センサターゲット
２０ プリロードロッド
２１ 被加工物
２２ Ｘ軸テーブル
２３ Ｙ軸テーブル
２４ Ｚ軸テーブル
２５ 回転テーブル
２６ 加算器
２７ 位相補償部
２８ アンプ
２９ リアルタイム目標値演算処理部
３０ 現在位置演算部
３１ 目標値演算部
４０ カバー部
１００ ケーシング
１０１ 円筒形圧電素子
１０２ 工具ホルダ
１０３ ダイヤフラム
１０４ 容量型変位センサ
１０５ ダイヤモンド工具
１１０ 積分器
１１１ ノッチフィルタ
１１２ アンプおよびＰＺＴの伝達関数
２００ 軸
２０１ 工具
３００ 工具

Claims (5)

1. 工具と、
   前記工具が固定される工具ホルダと、
   互いに直交する第１の３軸方向にそれぞれ動作して前記工具ホルダの位置を変位させる３つのアクチュエータと、
   前記各アクチュエータの動作方向への変位量を示す信号を生成する３つのセンサと、を有し、前記工具ホルダが、前記各アクチュエータの動作方向の軸線上の交点に設けられ、前記３つのセンサが、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置され、前記工具が、前記３つのセンサのセンシング方向の延長線上の交点に刃先が位置するように配置された３軸工具ユニットと、
   被加工物に対して前記３軸工具ユニットを互いに直交する第２の３軸方向に相対移動させるリニアステージと、
   前記被加工物に対して前記３軸工具ユニットを相対的に円運動させる回転ステージと、
   前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じて前記各アクチュエータの変位量の目標値を求め、記各アクチュエータへの指令信号を生成する目標値演算処理部と、
   前記各センサからの信号と前記各指令信号との偏差を基に前記各アクチュエータの動作を制御する信号を生成する３つの位置制御ループ回路と、
   を備え、前記リニアステージにより前記３軸工具ユニットの前記被加工物に対する相対位置を調整しながら、前記回転ステージにより前記３軸工具ユニットを前記被加工物に対して相対的に円運動させるとともに、前記各位置制御ループ回路により前記各アクチュエータを駆動して、前記工具の刃先を前記被加工物に接触させて加工を行う加工装置であって、前記３軸工具ユニットは、前記第１の３軸方向が前記第２の３軸方向と異なる方向となるように配置されていることを特徴とする加工装置。
2. 前記目標値演算処理部は、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じた加工点の座標を算出するとともに、前記加工点における法線ベクトルを算出して、前記法線ベクトル上の前記加工点から前記工具の刃先の半径分離れた位置に前記工具の刃先の半径の中心点が位置するように前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めることを特徴とする請求項１記載の加工装置。
3. 請求項１もしくは２のいずれかに記載の加工装置であって、前記３軸工具ユニットが前記３つのアクチュエータおよび前記３つのセンサを覆うカバー部を有することを特徴とする加工装置。
4. 工具と、
   前記工具が固定される工具ホルダと、
   互いに直交する第１の３軸方向にそれぞれ動作して前記工具ホルダの位置を変位させる３つのアクチュエータと、
   前記各アクチュエータの動作方向への変位量を示す信号を生成する３つのセンサと、を有し、前記工具ホルダが、前記各アクチュエータの動作方向の軸線上の交点に設けられ、前記３つのセンサが、それぞれのセンシング方向の延長線が一点に交わるように配置され、前記工具が、前記３つのセンサのセンシング方向の延長線上の交点に刃先が位置するように配置された３軸工具ユニットを用いた加工方法であって、
   前記第１の３軸方向とは異なる互いに直交する第２の３軸方向に動作可能なリニアステージにより前記３軸工具ユニットの被加工物に対する相対位置を調整しながら、回転ステージにより前記３軸工具ユニットを前記被加工物に対して相対的に円運動させるとともに、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じて前記各アクチュエータの変位量の目標値を求め、前記各アクチュエータへの指令信号を生成し、その各指令信号と前記各センサからの信号との偏差を基に前記各アクチュエータの動作を制御する信号を生成して、前記各アクチュエータを駆動し、前記工具の刃先を前記被加工物に接触させて加工を行うことを特徴とする加工方法。
5. 前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めるに際し、前記リニアステージの３軸座標および前記回転ステージの角度座標に応じた加工点の座標を算出するとともに、前記加工点における法線ベクトルを算出して、前記法線ベクトル上の前記加工点から前記工具の刃先の半径分離れた位置に前記工具の刃先の半径の中心点が位置するように前記各アクチュエータの変位量の目標値を求めることを特徴とする請求項４記載の加工方法。

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