JP5002359B2

JP5002359B2 - 加圧装置

Info

Publication number: JP5002359B2
Application number: JP2007183542A
Authority: JP
Inventors: 修福山; 祐輔藤野
Original assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Current assignee: Kuroda Precision Industries Ltd
Priority date: 2007-07-12
Filing date: 2007-07-12
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-07-12
Also published as: JP2009018394A

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加圧（押圧）装置に関する。

精密加工における研磨加工での加工量は、工具と被加工物との接触圧力・相対速度・加工時間に比例し、高精度の研磨加工をするためには、これらを高精度に制御する必要がある。接触圧力に関して言えば、接触面積が広ければ、工具が被加工物に加える加圧力の制御精度が多少悪くても、単位面積での接触圧力の変化は小さく、加工量の精度を悪くさせることはない。しかし、接触面積が小さい工具だと、単位面積での接触圧力の変化は大きく、加工量の精度を悪くする。そのため、接触面積の小さい研磨工具を使用する場合には、接触圧力つまり加圧力の制御を如何に高精度に行うかが重要になる。

従来、このような研磨装置（ポリシング装置）における加圧力を付加する装置は、特開平２−１３１８５１号公報（特許文献１）および特開平１０−１０９２５９号公報（特許文献２）として知られている。
特許文献１は、加圧力の制御精度を良くするために、ベアリングを介したアームで研磨ヘッドの重心位置を支持することで、研磨ヘッド自体の重量が加圧力に影響しないようにした上で、マイクロメータを回転させることにより、ばねの反発力を発生させ、この反発力を初期の加圧力として、ロードセルを介して接続された工具に伝えている。さらに、研磨中の工具の移動の際に何らかの原因で生じた加圧力の変動を、ばねと工具の間に取り付けたロードセルで測定し、制御機構で常に加圧力が一定になるよう制御したものである。
特許文献２は、夫々工具付近又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、さらに、変位調整用あるいは荷重調整用ばねを設置するなど、ばね要素やダンパ要素を介して工具が装着された構造である。
特開平２−１３１８５１号公報特開平１０−１０９２５９号公報

しかしながら、上記各特許文献１，２による装置では、ロードセル等のセンサが、ばね要素やダンパ要素を介して取り付けられているため、加圧力を直接測定することができない。また、このような構造のため、センサ近傍の剛性が下がり、正確な加圧力を測定することが難しいという問題を有している。
また、アクチュエータで加圧力を付加する場合においても、変位調整用あるいは荷重調整用ばね、あるいは、圧力センサやロードセルを介して、加圧力が工具へ伝えられる構造となっているため、ばねは勿論のこと、圧力センサやロードセルが持っているばね特性のため、アクチュエータからの加圧力を被加工物に直接伝達することが困難であり、さらに、圧力センサからの信号をもとに、加圧力の制御を行う場合においても、ばね要素やダンパ要素を考慮しなければならず、制御が複雑になるという問題を有している。

本発明はかかる従来の問題を解決するためになされたもので、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に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簡便な方法で正確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ッ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つのエアスライダと、前記２つのエアスライダ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、前記固定側に設けた滑車と、前記他方のエアスライダ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つのエアスライダを連結したワイヤーと、前記ワイヤーに掛る張力を測定する引張り型ロードセルと、前記固定側に配置され、前記スピンドルに負荷力を与える荷重付加手段と、前記一方のエアスライダに配置され、前記荷重付加手段と連絡する伝達部材と、前記加工工具によりワーク加工点へ加工圧を付加する際に予め設定された張力と前記引張り型ロードセルにより検出された前記張力との差を補正し、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たことを特徴とする。
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、前記荷重負荷手段は、リニアアクチュエータにより構成してなることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の加圧装置において、前記荷重負荷手段は、前記制御装置による前記負荷力の制御時に、前記一方のエアスライダと接触する可動子と固定子とを有することを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の加圧装置において、前記可動子が前記一方のエアスライダに取り付けられ、固定子が前記固定側に配置され、前記可動子と前記固定子が互いに離間していることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項３に記載の加圧装置において、前記荷重付加手段は、前記可動子が前記一方のエアスライダに取り付けられ、前記固定子が前記固定側に配置され、前記可動子と前記固定子が互いに離間していることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の加圧装置において、前記荷重付加手段は、押圧片を有する可動子と、前記固定側に配置される固定子とを備えたリニアアクチュエータからなり、前記伝達部材は、前記リニアアクチュエータの押圧片と係合する凹部を備え、前記凹部は前記補正を必要としない場合に前記押圧片と相互に接触しない隙間を有することを特徴とする。
請求項７に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の加圧装置において、前記荷重付加手段は、センターヨークに移動自在に配置する可動コイルと、前記可動コイルと対向する外側ヨークと、前記外側ヨークと前記センターヨークとの間に配置する永久磁石とを備え、前記補正を必要としない場合に、前記可動コイルと前記センターヨーク、前記永久磁石および前記外側ヨークとが接触していないボイスコイルモータからなり、前記ボイスコイルモータの可動コイルには、前記伝達部材と連結する接続部材が備えていることを特徴とする。

請求項８に係る発明は、請求項１に記載の加圧装置において、前記荷重負荷手段は、圧電素子により構成してなることを特徴とする。
請求項９に係る発明は、請求項８に記載の加圧装置において、前記伝達部材は、前記圧電素子の変位部と係合する凹部を備え、前記凹部は前記補正を必要としない場合に前記変位部と相互に接触しない隙間を有することを特徴とする。
請求項１０に係る発明は、請求項１ないし請求項９の何れかに記載の加圧装置において、前記引張り型ロードセルは、前記一方のエアスライダに配置されていることを特徴とする。
請求項１１に係る発明は、請求項１ないし請求項９の何れかに記載の加圧装置において、前記引張り型ロードセルは、前記一方のエアスライダと前記滑車との間に位置するワイヤーに取り付られていることを特徴とする。

本発明の加圧装置によれば、次のような効果を奏する。
（１）加工力を正確に求めることができる。
（２）加工力の測定方法がシンプルである。
（３）工具付近にばね・ダンパ要素が挿入されていないので、精度の高い加工が可能である。
（４）引張り型ロードセル付近にばね・ダンパ要素が挿入されていないので、精度の高い測定が可能である。
（５）自重による、金型形状に倣った定圧加工が可能である。

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わ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とを有する。ここでは、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。

（第１実施形態）
図２は、本発明の加圧装置の第１実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図を示すもので、このポリッシングヘッドＰＨは、ダブルエアスライダによるバランス機構１０と、張力測定手段である引張り型ロードセル３０および荷重付加手段２０により主体部分が構成されている。
先ず、ダブルエアスライダによるバランス機構１０および引張り型ロードセル３０について説明する。
主軸ヘッド４の支持部５に対して垂直下方にエアガイドを構成するガイド軸１１を取り付けている。このガイド軸１１には、２つのエアスライダ１２，１３が摺動自在に外周部に装着されている。
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。さらに、エアスライダ１２には引張り型ロードセル３０が連結されている。
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に連結された引張り型ロードセル３０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するとともに、エアスライダ１２とワイヤー１５との間に連結した引張り型ロードセル３０によって、常にワイヤー１５の張力を測定することができるように構成されている。滑車１６に低摩擦のボールベアリングを用いた場合は、図２に示すように、引張り型ロードセル３０の取付位置としては滑車１６とエアスライダ１２の間が望ましい。なお、滑車１６に摩擦力を発生しないエアベアリングを用いた場合は、滑車１６とエアスライダ１３の間に位置するワイヤー１５に引張り型ロードセル３０を取り付けても同様の効果を得ることができる。この構成ではスピンドル付ガイドとカウンターウェイトとが垂直方向で同軸上に設置してある。

次に、荷重付加手段２０について説明する。
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に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、リニアアクチュエータの駆動により、加工荷重の発生と補正とを行うものであり、リニア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に対して下方に押圧することで、スピンドルＳ先端に取り付けた加工工具Ｔに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が固定子側であり、２３が可動子側に取り付けた押圧片である。押圧片２３は、他方のエアスライダ１２に装着した伝達部材１７に連絡している。従って、荷重付加手段２０によって付加される荷重は、伝達部材１７を介して他方のエアスライダ１２、取付部材１４を経てスピンドルＳに装着した加工工具ＴからワークＷに加えられる。

次に、このように構成した装置における、加工中の張力の変化△Ｆ３と加工力Ｆ２の関係について説明する。
図２において、加工中に加工工具ＴとワークＷによって発生する外乱の影響で、エアスライダ１２が上方へ移動すると、ワイヤー１５には弛み方向の力が加わるため、張力は減少する。反対にエアスライダ１２が下方へ移動すると、ワイヤー１５には引張り方向の力が加わるため張力は増加する。
同じく、エアスライダ１２が上方へ移動すると、加工工具ＴからワークＷへ加わる加工力Ｆ２も減少し、エアスライダ１２が下方へ移動すると加工力Ｆ２も増加する。さらに、この時のワイヤー１５の張力の変化△Ｆ３と加工力Ｆ２の変化の値は等しくなる。

次に、加工手順および加工工具ＴからワークＷへ加わる加工力Ｆ２が変化した場合の荷重補正方法について説明する。
先ず、初期設定として加工力Ｆ２の初期値を設定する。次に、加工工具ＴをワークＷに当接する。さらに、荷重付加手段２０により負荷力Ｆ１をエアスライダ１２に加える。これにより負荷力Ｆ１は、エアスライダ１２、取付部材１４、スピンドルＳ、加工工具Ｔを介しワークＷに加工力Ｆ２として加わる。つまりこの状態では負荷力Ｆ１と加工力Ｆ２は等しい値となり、この時のワイヤー１５に掛かる張力を引張り型ロードセル３０で測定し基準張力とする。
次に、スピンドルＳを回転させ加工を開始する。加工中は引張り型ロードセル３０で常にワイヤー１５に掛かる張力を測定し、制御手段５０で基準張力との比較を行っている。加工中にワイヤー１５に掛かる張力が変化した場合、制御手段５０から荷重付加手段２０に変化分を補正する指令を出し、負荷力Ｆ１を変化させる。

図３は、第１実施形態に係わる制御系のフローチャートを示すもので、第１実施形態をステップ毎に詳細に説明する。
ステップＳ１：加工力Ｆ２の初期値を設定する
ステップＳ２：加工工具ＴをワークＷに当接する。
ステップＳ３：荷重付加手段２０によりスピンドルＳ側のエアスライダ１２を押圧して、初期一定荷重を付加する。
ステップＳ４：スピンドルＳ回転前の張力を引張り型ロードセル３０で測定し基準張力とする。
ステップＳ５：スピンドルＳを回転させ加工を開始する。
ステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８：加工中、引張り型ロードセル３０で常に張力を測定し、制御手段５０で基準張力と比較して変化していないか、又は、張力が変化した場合はその変化量△Ｆ３を検出し、基準張力に対しプラス変化かマイナス変化かを判断する。
ステップＳ９：張力変化が基準張力に対してプラス変化の場合、制御手段５０は荷重付加手段２０のリニアモータを上昇させ、負荷力Ｆ１を変化量△Ｆ３下げる指令を出す。
ステップＳ１０：張力変化が基準張力に対してマイナス変化の場合、制御手段５０は荷重付加手段２０のリニアモータを下降させ、負荷力Ｆ１を変化量△Ｆ３上げる指令を出す。
ステップＳ１１：張力の変化がない場合は、そのままの状態を維持し加工を続ける。
なお、図３では、基準張力と張力変化の比較を、張力変化がない場合、プラス変化の場合、マイナス変化の場合の順で行ったが、順番を逆にしても、あるいは同時に行ってもよい。

本実施形態は、このように構成したので、ワークＷの形状により加工工具Ｔが上下動しても、加工中の加工力Ｆ２の変化を正確に測定でき、この測定結果を基に負荷力Ｆ１を制御することによって、加工中の加工力Ｆ２の変化を無くし、常時一定の加工力Ｆ２での研磨を行うことが可能となるとともに、引張り型ロードセル３０によってスピンドルＳ側のエアスライダ１２の動きが阻害されることもない。
さらに、本実施形態では、押圧片２３と伝達部材１７との間には、上下方向の隙間１７ａが設けられており、荷重補正の必要がない場合は互いに接触しない位置関係をとることによって、スピンドルＳ側のエアスライダ１２は荷重付加手段２０であるリニアモータからの影響を受けなくすることが可能である。
つまり、スピンドルＳ側のエアスライダ１２に掛かる重量と、エアスライダ１３との重量に差を設けることによって、自重による金型形状に倣った定圧加工が可能である。
よって、スピンドルＳ側のエアスライダ１２に掛かる重量を初期設定の加工力Ｆ２分だけ重くすることによって、荷重付加手段２０は補正のみに使用できることになり、エネルギー消費を減らすことが可能となる。

なお、伝達部材１７と押圧片２３とを直接連絡することも可能である。
また、引張り型ロードセル３０は、後述する第２実施形態のようにワイヤー１５ａとワイヤー１５ｂとの間に取り付けても良い。
また、伝達部材１７は、他方のエアスライダ１２に組み付ける又は他方のエアスライダ１２を切削などで一体に形成するなどによって形成される。

（第２実施形態）
図４は、本発明の加圧装置の第２実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図である。
本実施形態は、荷重付加手段２０として、ボイスコイルモータ４０を用いた。バランス機構１０と引張り型ロードセル３０としては第１実施形態と同じである。ただし、引張り型ロードセル３０はワイヤー１５ａとワイヤー１５ｂとの間に取り付られている。
ボイスコイルモータ４０は、図４に示すように、導線４１をボビン４２に巻いた可動コイル４３を、センターヨーク４４に移動自在に配置し、可動コイル４３と対向する円筒状の外側ヨーク４５とセンターヨーク４４の間に永久磁石４６を配置した構造となっており、可動コイル４３に正逆の電流を流すとフレミングの左手の法則による駆動力が発生し、可動コイル４３を駆動することができるため、エアガイドを構成しているスピンドルＳ側のエアスライダ１２に接触している接続部材４７が移動して所定の加工圧を付与することができる。ただし、ボイスコイルモータ４０は円筒型に限定されるものではない。
さらに、本実施形態では、リニアアクチェータの可動側である可動コイル４３とリニアアクチェータの固定側であるセンターヨーク４４、永久磁石４６および外側ヨーク４５とが接触していない、すなわち両者間に空間が存在しているため、機械的に干渉しないことから、摺動抵抗を発生することがない、したがって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
つまり、スピンドルＳ側のエアスライダ１２に掛かる重量と、エアスライダ１３との重量に差を設けることによって、自重による金型形状に倣った定圧加工が可能である。
よって、スピンドルＳ側のエアスライダ１２に掛かる重量を初期設定の加工力Ｆ２分だけ重くすることによって、荷重付加手段２０は補正のみに使用できることになり、エネルギー消費を減らすことが可能となる。
なお、ボイスコイルモータ４０は、可動側と固定側とが一体に形成されていても良い。
また、引張り型ロードセル３０は、第１実施形態のように他方のエアスライダ１２に取り付けても良い。

（第３実施形態）
図５は、本発明の加圧装置の第３実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図である。
本実施形態では、荷重付加手段２０として、２枚の圧電セラミックを貼り合わせたバイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）２５を用いた。バランス機構１０と引張り型ロードセル３０としては第１実施形態と同じである。ただし、引張り型ロードセル３０はワイヤー１５ａとワイヤー１５ｂとの間に取り付られている。
したがって、このバイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）２５に所定の電圧を加えることによって、エアガイドを構成しているスピンドルＳ側のエアスライダ１２に接触している素子先端（変位部）２５ａが変形して所定の加工圧を付与することができる。
さらに、本実施形態では、バイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）２５の素子先端（変位部）２５ａと伝達部材１７との間には、上下方向の隙間１７ａが設けられており、荷重補正の必要がない場合は互いに接触しない位置関係をとることによって、エアスライダ１２は荷重付加手段２０からの影響を受けなくすることも可能であり、本実施形態においても、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができるとともに、荷重付加手段２０の構造を簡略化することが可能である。
なお、伝達部材１７と素子先端（変位部）２５ａとを直接連絡することも可能である。
また、引張り型ロードセル３０は、第１実施形態のように他方のエアスライダ１２に取り付けても良い。

前述した実施形態においては、本発明の加圧装置をポリシングヘッドＰＨに適用した場合について説明したが、本発明は、このような加工工具のワークへの加工圧力の制御に限らず、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）制御装置としても応用できる。

本発明の加圧装置の一実施形態に係わ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第１実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図である。第１実施形態に係わる制御系のフローチャートである。本発明の加圧装置の第２実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図である。本発明の加圧装置の第３実施形態に係わるポリッシングヘッドＰＨを組み込んだ部分断面図である。

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
１７伝達部材
１７ａ隙間
２０荷重付加手段
３０引張り型ロードセル
２１可動子
２２固定子側
２３押圧片
２５バイモルフ形ピエゾ素子（圧電素子）
２５ａ素子先端（変位部）
４０ボイスコイルモータ
４１導線
４２ボビン
４３可動コイル
４４センターヨーク
４５外側ヨーク
４６永久磁石
４７接続部材
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加工中の張力の変化

Claims

固定側に垂直に装着され、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つのエアスライダと、
前記２つのエアスライダ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、
前記固定側に設けた滑車と、
前記他方のエアスライダ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つのエアスライダを連結したワイヤーと、
前記ワイヤーに掛る張力を測定する引張り型ロードセルと、
前記固定側に配置され、前記スピンドルに負荷力を与える荷重付加手段と、
前記一方のエアスライダに配置され、前記荷重付加手段と連絡する伝達部材と、
前記加工工具によりワーク加工点へ加工圧を付加する際に予め設定された張力と前記引張り型ロードセルにより検出された前記張力との差を補正し、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
を備えたことを特徴とする加圧装置。
前記荷重負荷手段は、リニアアクチュエータにより構成してなることを特徴とする請求項１に記載の加圧装置。
前記荷重負荷手段は、前記制御装置による前記負荷力の制御時に、前記一方のエアスライダと接触する可動子と固定子とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加圧装置。
前記可動子が前記一方のエアスライダに取り付けられ、固定子が前記固定側に配置され、前記可動子と前記固定子が互いに離間していることを特徴とする請求項３に記載の加圧装置。
前記荷重付加手段は、前記可動子が前記一方のエアスライダに取り付けられ、前記固定子が前記固定側に配置され、前記可動子と前記固定子が互いに離間していることを特徴とする請求項３に記載の加圧装置。
前記荷重付加手段は、押圧片を有する可動子と、前記固定側に配置される固定子とを備えたリニアアクチュエータからなり、
前記伝達部材は、前記リニアアクチュエータの押圧片と係合する凹部を備え、前記凹部は前記補正を必要としない場合に前記押圧片と相互に接触しない隙間を有する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加圧装置。
前記荷重付加手段は、センターヨークに移動自在に配置する可動コイルと、前記可動コイルと対向する外側ヨークと、前記外側ヨークと前記センターヨークとの間に配置する永久磁石とを備え、前記補正を必要としない場合に、前記可動コイルと前記センターヨーク、前記永久磁石および前記外側ヨークとが接触していないボイスコイルモータからなり、
前記ボイスコイルモータの可動コイルには、前記伝達部材と連結する接続部材が備えている
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加圧装置。
前記荷重負荷手段は、圧電素子により構成してなることを特徴とする請求項１に記載の加圧装置。
前記伝達部材は、前記圧電素子の変位部と係合する凹部を備え、前記凹部は前記補正を必要としない場合に前記変位部と相互に接触しない隙間を有する
ことを特徴とする請求項８に記載の加圧装置。
前記引張り型ロードセルは、前記一方のエアスライダに配置されている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れかに記載の加圧装置。
前記引張り型ロードセルは、前記一方のエアスライダと前記滑車との間に位置するワイヤーに取り付られている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れかに記載の加圧装置。