JP5334054B2 - スティッチング加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、切削加工による加工物の表面に精密な３次元微細形状のロール金型加工や大きな平面積加工を行う際、工具摩耗や破損による工具交換の場合、交換された工具の先端位置と再加工点との位置決め偏差を与えることなく、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工することが可能な３次元微細形状のスティッチング加工方法に関するものである。

３次元微細形状を持つ部品は、映像機器や情報通信機器などに多く利用されている。その中で、マイクロレンズアレイのような光学機能を持つ３次元微細形状は、ディスプレイ装置に光源強度分布の補正、反射防止等の機能を付与することができる。３次元微細形状の創成技術としては、精度の高い形状を大面積にわたって創成できる加工法が望ましい。

一方、現在の超精密切削技術では、精密運動制御や精密加工用の工具の進歩によって、マイクロオーダ以下の精度の加工が容易になっている。その中で代表的な機械加工は、超精密旋盤を用いたダイヤモンド切削加工であり、非常に鋭利な切れ刃を持つ単結晶ダイヤモンド切削工具を使い、加工物の表面に３次元微細形状を加工する方法である。ダイヤモンド切削加工は、仕上がり面が良く、微細表面形状を形成するのに適した特徴を持っている。超精密機械加工の中でも、単結晶ダイヤモンド切削工具を高速制御することにより、複雑な３次元微細形状を大面積に渡って創成できる加工装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、単結晶ダイヤモンド切削工具による切削加工では、３次元微細形状の大面積化により加工時間も長時間に及ぶため、工具先端の摩耗が起こりやすくなる。工具の摩耗が起こると、加工時の圧縮残留応力が大きくなり、仕上げ面粗さが悪くなる。そのため、加工中の工具の状態を知ることが重要であり、工具と加工物との間に生じた加工力をインプロセスで検出することも求められる（例えば、特許文献１参照）。

加工力のインプロセス検出により工具の摩耗が検出されると、従来の切削加工による３次元微細形状加工では、摩耗された工具を新しい工具に交換し、既に加工された３次元微細形状を含めた加工物の表面の再面出しを行う。この際、既に加工された３次元微細形状は加工物の表面から除去されてしまい、加工時間も長くなり、加工効率が悪くなる。

高精度を持つ大面積３次元微細形状ロール金型や大面積平面の加工の高効率化を達成するため、加工中に摩耗した工具を交換した場合、加工物の表面の再面だしを行わず、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工する方法（スティッチング加工）が求められる。スティッチング加工の場合は、工具交換による工具先端と再加工点との高精度位置決めが重要な課題となる。

特開２００９−１４２９５０号公報

高精度を持つ３次元微細形状のロール金型を大面積に渡って加工する際や、高精度を持つ３次元微細形状の平面を大面積に渡って加工する際、従来、不可能だった加工途中での工具交換を実現し、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工することができるスティッチング加工方法を提供することを目的としている。

本発明によれば、工具を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに結合され、前記工具を保持する工具ホルダと、前記アクチュエータと同軸に配置され、前記工具の変位を計測する変位センサと、前記工具に印加される力を計測する力センサとを一体として構成する加工計測装置を用いて、加工物の表面に精密な３次元微細形状パターンを繰り返し切削加工する際、前記工具の摩耗や破損により前記工具を交換する工程において、交換した工具を取り付けた前記加工計測装置を変位計測プローブとして用いて、既加工パターンの形状を走査して計測することによって、交換した前記工具の位置を正確に同定することを、特徴とするが得られる。

本発明により、３次元微細形状ロール金型や３次元微細形状平面の加工途中に、摩耗や破損した工具を交換して再加工する場合、加工物表面の再面出しを行うことなく、既加工部位の３次元微細形状を測定基準にして工具先端と再加工点との位置決めを高精度に一致させ、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工することができる。そのため、加工物表面の再面出しによる加工効率の低下を低減することができる。さらに、加工プローブを形状測定プローブとして用いることで、３次元微細形状が加工された加工物を超精密旋盤から取り外すことなく、機械上で短時間に形状評価することもできる。

本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、工具交換による工具先端位置と加工原点との位置決め偏差を示す概略図である。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、機械上加工形状評価システムによる３次元微細形状測定原理を示す概略図である。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、機械上加工形状評価システムのブロック図である。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、３次元微細形状評価による工具先端位置と再加工点との位置決め方法を示す概略図である。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、機械上加工形状評価システムによる加工形状表面と工具とが接触した際の接触力（測定力）を表すグラフである。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、機械上加工形状評価システムの形状評価変位分解能を表すグラフである。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、機械上加工形状評価システムによる３次元微細形状を測定した結果を表すグラフである。 工具交換後、工具先端位置決め偏差がある場合の、３次元微細形状を既加工部位につなげて加工した結果を示す加工物の表面図である。 本発明の実施の形態のスティッチング加工方法の、既加工部位の３次元微細形状を測定基準にして工具先端と再加工点との位置決めを高精度に一致させた後、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工した結果を示す加工物の表面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態のスティッチング加工方法を説明する。
図１は、工具交換による工具先端位置と加工原点との位置偏差を示している。３次元微細形状１０２は、加工物１０１の表面に軸方向ピッチ１０７と円周方向ピッチ１０８で工具１０３を高速制御することにより加工される。しかし、加工中に摩耗や破損した工具１０３を交換して再加工する場合は、工具先端中心１１１は工具１０３の芯の高さの差や工具取り付け偏差により新しい工具先端中心１１２に変わる。工具交換後の工具先端中心１１２は、工具交換する前の工具先端中心１１１から軸方向偏差１１３と円周方向偏差１１４の二方向の偏差を持っている。工具交換の際、加工された３次元微細形状１０２を計測基準にして、工具先端と再加工点との位置決めを高精度に一致させることにより、３次元微細形状１０２を既加工部位１０９と未加工部位１１０とをつなげて加工するスティッチング加工が可能である。

図２には、機械上加工形状評価システムによる３次元微細形状の測定原理を示す。まず、３次元微細形状１０２が加工された加工物１０１を主軸に取り付けて、３次元微細形状１０２の加工に用いられた工具制御機構１２０のＰＺＴアクチュエータ１０６を用いて、工具１０３を微小振動させながら加工物１０１へ接近させる。工具１０３と加工物１０１の表面の弾性変形域での接触を工具制御機構１２０に組み込んだ力センサ１０４で検出し、接触力が一定となるように工具１０３の位置をPID制御器１７０により高速に制御しながら、加工物１０１を取り付けた主軸を一定速度で回転させる。この時、工具１０３の運動軌跡が形状測定結果となり、その軌跡は工具制御機構１２０に搭載された変位センサ１０５で計測する。旋盤主軸にはロータリーエンコーダが取り付けられており、変位センサ１０５の出力はロータリーエンコーダパルスに同期されている。ロータリーエンコーダパルスによる位置検出と、加工プローブを形状測定プローブとして使用することで、加工点と形状計測点とを一致させることができる。

図３は、機械上加工形状評価システムのブロック図を示している。機械上加工形状評価システムは、力センサ１０４を持つ工具制御機構１２０と、接触力が一定となるように工具１０３の位置を制御するPID制御部２１０と、変位センサ１０５の出力信号を記録するコンピュータ２００とによって構成される。３次元微細形状１０２と工具１０３との接触を高感度に検出するため、ロックインアンプ１５０を用いるフィルタリング方法を使用する。特定の周波数成分を高感度に検出するため、ロックインアンプ１５０に参照信号を入力する必要がある。ファンクションジェネレータ１８０によって作られた正弦波状の電圧信号は、ＰＺＴ駆動アンプ１９０を介して、工具制御機構１２０のＰＺＴアクチュエータ１０６に印加され、工具１０３を微小振動させる。工具１０３の振動を工具１０３の真後ろに取り付けられた力センサ１０４が検出し、チャージアンプ１４０で増幅する。ファンクションジェネレータ１８０で作り出した正弦波状の信号を分岐させ、ＰＺＴアクチュエータ１０６とロックインアンプ１５０とに参照信号を入力することで、力センサ１０４から出る出力信号と参照信号とが同じ周波数を検出する。３次元微細形状１０２と工具１０３とが接触した際の接触力の工具駆動周波数成分のみを高感度に検出し、常に一定の低測定力による形状測定を実現するため、PID制御器１７０による制御を行う。

次に、工具交換の際、工具先端位置と再加工点との位置決め方法について記述する。図４は、工具交換の際、加工された形状を計測基準にして、工具先端再加工点の位置決めを高精度に一致させる方法を示している。まず、機械上加工形状評価システムにより３次元微細形状１０２の軸方向形状の測定を行う。３次元微細形状１０２と工具１０３とが常に一定の低測定力になるように工具１０３の位置を制御しながら、工具１０３を超精密旋盤のＸスライドを用いて軸方向に走査させる。この時、工具１０３の運動軌跡が３次元微細形状１０２の軸方向の形状測定結果となる。軸方向の運動軌跡は、超精密旋盤のＸ軸（軸方向）に取り付けられているリニアエンコーダのパルスに同期されており、３次元微細形状１０２の軸方向の中心を１０nmの分解能で位置検出することができる。

同様に、３次元微細形状１０２と工具１０３とが常に一定の低測定力になるように工具１０３の位置を制御しながら、加工物１０１を取り付けた主軸を一定速度で回転させる。工具１０３の円周方向の運動軌跡は、３次元微細形状１０２の円周方向の形状測定結果となり、その運動軌跡も超精密旋盤主軸に取り付けられているロータリーエンコーダのパルスに同期されており、３次元微細形状１０２の円周方向の中心を０．００１°の分解能で位置検出することができる。

工具制御機構１２０のＰＺＴアクチュエータ１０６の駆動により、工具１０３を微小振動させながら加工物表面１０１へ近接させる。工具１０３と加工物１０１の表面との接触を、工具１０３の真後ろに取り付けられた力センサ１０４を用いて検出した接触力を図５に示す。

機械上加工形状評価システムの形状評価変位分解能を評価するため、超精密旋盤のＺスライドを用いて加工物１０１の表面に30 nmのステップを切り込み方向に与え、PID制御による工具１０３の追従性を確認した結果を図６に示す。加工物１０１の表面と工具１０３とを接触させた際の変位センサの安定性は、約30 nmである。

コーナー半径R0.2 mmの工具１０３を用いて、加工物１０１の表面に深さ5.2 μm、ピッチ200 μmを持つ３次元微細形状加工を行った。機械上加工形状評価システムにより３次元微細形状１０２の軸方向の形状と円周方向の形状とを測定した結果を図７に示す。これにより、工具１０３の軸方向運動軌跡の中心１１６と工具１０３の円周方向運動軌跡の中心１１７とを高精度で検出することができる。

加工中に摩耗した工具１０３を交換して再加工する場合は、工具１０３の芯の高さの差や工具取り付け偏差により、既加工部位の３次元微細形状１０２の加工中心位置と交換された工具の先端中心位置との間には位置決め偏差が生じる。３次元微細形状の加工において工具交換の際、加工中心位置と工具交換後の工具先端中心位置との偏差による影響を確認するため、工具１０３を交換した後、３次元微細形状１０２を既加工部位につなげて加工を行い。その結果を図８に示す。工具交換による工具先端位置決め偏差の影響で、既加工部位の３次元微細形状１０２につなげて加工することは不可能である。

機械上加工形状評価システムにより、３次元微細形状１０２の軸方向の形状と円周方向の形状とを測定し、既加工部位の３次元微細形状１０２を測定基準にして、工具先端と再加工点との位置決めを高精度に一致させ、３次元微細形状１０２をつなげて加工した結果を、図９に示す。その結果、工具交換による工具１０３の先端位置と再加工点との位置決め偏差を与えることなく、既加工部位と未加工部位とをつなげて加工するスティッチング加工が可能である。

１０１ 加工物
１０２ ３次元微細形状
１０３ 工具
１０４ 力センサ
１０５ 変位センサ
１０６ ＰＺＴアクチュエータ
１０７ （３次元微細形状の）軸方向ピッチ
１０８ （３次元微細形状の）円周方向ピッチ
１０９ （３次元微細形状の）既加工部位
１１０ （３次元微細形状の）未加工部位
１１１ （工具交換前の）工具先端中心
１１２ （工具交換後の）工具先端中心
１１３ （工具交換による）軸方向偏差
１１４ （工具交換による）円周方向偏差
１１５ ３次元微細形状の軸方向中心
１１６ （工具の）軸方向運動軌跡の中心
１１７ ３次元微細形状の円周方向中心
１１８ （工具の）円周方向運動軌跡の中心
１２０ 工具制御機構
１３０ 変位センサアンプ
１４０ チャージアンプ
１５０ ロックインアンプ
１６０ 基準信号
１７０ PID制御器
１８０ ファンクションゼェネレータ
１９０ ＰＺＴ駆動アンプ
２００ コンピュータ（Ａ/Ｄ変換器）
２１０ ＰＩＤ制御部

Claims (1)

1. 工具を駆動するアクチュエータと、前記アクチュエータに結合され、前記工具を保持する工具ホルダと、前記アクチュエータと同軸に配置され、前記工具の変位を計測する変位センサと、前記工具に印加される力を計測する力センサとを一体として構成する加工計測装置を用いて、加工物の表面に精密な３次元微細形状パターンを繰り返し切削加工する際、前記工具の摩耗や破損により前記工具を交換する工程において、交換した工具を取り付けた前記加工計測装置を変位計測プローブとして用いて、既加工パターンの形状を走査して計測することによって、交換した前記工具の位置を正確に同定することを、特徴とするスティッチング加工方法。