JPH0557521A

JPH0557521A - 加工装置

Info

Publication number: JPH0557521A
Application number: JP22295691A
Authority: JP
Inventors: Takao Yokomatsu; 孝夫横松; Masayoshi Asami; 政義浅見; Makoto Higomura; 誠肥後村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-09-03
Filing date: 1991-09-03
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】従来の機械加工技術では達成できない直線溝
加工時の溝深さ誤差１／１００μｍ、あるいはその型加
工時に必要な数ｎｍオーダーの溝深さ誤差を可能にす
る。【構成】ロータ７の周囲には、ロータの振れ回りを検
出するロータ用変位センサ１０が配置されている。スラ
イダ用変位センサ１５はＺスライダ４とＸスライダ１の
Ｙ方向の相対位置変位を検出する。微動変位用センサと
エンコーダの出力から微動台のＹ方向位置を算出する。
制御系はロータ用変位センサ１０、スライダ用変位セン
サ１５の各信号、微動台のＹ方向の位置等からＹ方向の
総合誤差ΔＹを算出し、この誤差ΔＹに相当する電圧Δ
Ｖを微動アクチュエータに与え微動台を誤差分移動させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度な光学部品ある
いはその成形に必要な金型等の形状創生に用いられる超
精密切削機または超精密研削機に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学部品の高精度化への要求が高
まっている。例えば、色分解用のフィルターでは深さが
μｍオーダーの直線溝が必要となり、その溝深さ精度は
１／１００μｍ程度である。従来の機械加工技術では、
このような高い形状精度を達成することは困難であり、
半導体製造技術を応用したエッチング等により製作して
いる。しかし、複雑な形状への対応、コスト低減のため
型を使用する際の型耐久を考慮すると、機械加工による
形状創生を可能とすることが望まれる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来、この種の直線溝
加工を行うには、主軸を搭載したＺスライダと、Ｚスラ
イダと直角に移動し、工具あるいはワークを載せるＸス
ライダと、ＺスライダまたはＸスライダを切り込み方向
に移動させるＹスライダからなる超精密旋盤を用いてい
た。主軸にダイヤモンドバイトを取り付け、Ｘスライダ
にワークを固定し、Ｙスライダで切り込み量を設定しフ
ライカット方式により直線溝を加工する。この際、主軸
の回転再現性は１／１００μｍ程度であり、また１００
ｇ程度の切削抵抗に対する溝深さ方向の変動は、主軸、
Ｘ・Ｙ・Ｚスライダの加工点での溝深さ方向の総合剛性
が数ｋｇｆ／μｍであるため百分の数μｍとなり所望の
精度を得ることはできない。

【０００４】本発明の目的は、以上のように従来の機械
加工技術では達成できない直線溝加工時の溝深さ誤差１
／１００μｍ、あるいはその型加工時に必要な数ｎｍオ
ーダーの溝深さ誤差を可能にする加工装置を提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の加工装置は、直
線上を移動する第１のスライダと、第１のスライダの移
動方向と直角方向に直線上を移動する第２のスライダ
と、第１のスライダ上に設置された主軸と、第２のスラ
イダに搭載された被加工物または工具を第１のスライダ
および第２のスライダの移動方向と直角方向に移動させ
る第３のスライダとを有する加工装置において、前記主
軸ロータの振れ回りを検出する第１の位置検出手段と、
第１のスライダと第２のスライダの、第３のスライダ移
動方向の相対位置変動を検出する第２の位置検出手段
と、第３のスライダの位置変動を検出する第３の位置検
出手段と、前記各位置検出手段から位置信号を取り込
み、所定の運動からの変動量を演算し、補正信号を第３
のスライダの駆動装置に与える制御手段を有することを
特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明は、溝加工時に主軸の溝深さ方向の振れ
回りおよび切削抵抗による変位を検出するとともに、第
１のスライダと第２のスライダの移動精度および切削抵
抗による溝深さ方向の変位を検出し、それぞれの変位誤
差から所定の溝深さからの誤差分を算出し、第２のスラ
イダ上の溝深さ方向に移動可能な第３のスライダを、変
位誤差をキャンセルする方向に誤差変動分だけ移動させ
ることにより、数ｎｍオーダーの溝深さ精度を達成可能
とするものである。

【０００７】

【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【０００８】図１は本発明の一実施例の加工装置の構成
図、図２は加工対象のワーク１４の形状を示す斜視図、
図３は微動Ｙスライダ１２の構成図、図４は制御ブロッ
ク図、図５は主軸検出系のロータ変位用センサ１０ａ、
１０ｂ、１０ｃの配置図、図６はスライダ検出系の配置
図、図７は形状精度と振れまわり量の分離の一般的な手
順を示す流れ図、図８は誤差補正フィードバックの処理
の流れ図である。

【０００９】Ｘスライダ１は静圧軸受パッド３によりＸ
スライダガイド２に対し非接触に支承されてＸ方向に直
線移動する。このＸスライダ１は図示しないリニアモー
タ、摩擦駆動ユニット等の駆動装置と、レーザ干渉計等
の位置検出器を備え、位置指令に対するフィードバック
制御を行なうことにより高い位置決め精度が得られる。
Ｚスライダ４はスライダガイド５により支承され、Ｘス
ライダ１と直角方向（Ｚ方向）に移動する。Ｚスライダ
４はＸスライダ１と同様の案内、駆動方式、位置検出方
式、位置決め方式が取られている。Ｚスライダ４上には
主軸ユニット６が搭載され、主軸ユニット６には、図示
しない静圧軸受とダイレクトドライブモータにより高精
度に回転するロータ７と、ロータ７の回転角度を検出す
るエンコーダ８が取り付けられている。ロータ７の先端
にはバイト９が固定されている。ロータ７の周囲には３
個のロータ用変位センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが図５
に示すように円周方向に配置され、これらロータ用変位
センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃのＺ方向の位置はバイト
９にできるだけ近い位置となっている。Ｘスライダ１上
には粗動Ｙスライダ１１が搭載され、さらに微動Ｙスラ
イダ１２が、粗動Ｙスライダ上にＸスライダ１上に搭載
されている固定治具１３により取り付けられている。微
動Ｙスライダ１２にはワーク１４が固定されている。ス
ライダ用変位センサ１５がスライダ用変位センサ固定用
治具１６で主軸ユニット６に固定されている。リファレ
ンス１７がＸスライダ１に搭載されている。

【００１０】微動Ｙスライダ１２は、図３に示すよう
に、ワークを移動させる微動台１８と、微動アクチュエ
ータ１９（高剛性、高速応答可能な圧電素子）と、薄く
リング状の弾性体を平行に二段配置することにより移動
方向以外の方向に高い剛性を持つ構成となっている板バ
ネ２０ａ、２０ｂと、ハウジング２１と、微動台１８、
即ちワークの変位を検出する微動用変位センサ２２ａ、
２２ｂで構成されている。ここでは、微動用変位センサ
２２ａ、２２ｂの変位出力の平均値をワークの変位とす
る。微動用変位センサ２２ａ、２２ｂは、ｎｍオーダー
誤差補正に用いるため１ｎｍレベルの分解能を持つ静電
容量センサが望ましい。

【００１１】図２はワーク１４に加工すべき光学フィル
タの形状の一例を示している。この光学フィルタは階段
状の直線溝であり、溝深さｈ１、ｈ２、ｈ３はそれぞれ
μｍオーダーで、許容深さ誤差は１／１００μｍあるい
は数ｎｍ、溝幅は数十μｍである。

【００１２】このような形状を加工する場合、まずワー
ク１４を微動Ｙスライダ１２上に固定し、粗動Ｙスライ
ダ１１を移動させワーク上面とバイト先端の距離が数μ
ｍになるようにする。粗動Ｙスライダ１１は手動で移動
させてもよく、位置決め後微動Ｙスライダ１２のハウジ
ング２１を固定治具により強固に固定する。次に、微動
Ｙスライダ１２をワーク１４とバイト９の距離＋ｈ１だ
け移動させる。ワーク１４を所定の位置に移動させた
後、Ｚスライダ４を所定の位置に位置決めし、主軸を数
百〜数千ｒｐｍの適当な回転数で旋回させ、Ｘスライダ
１を一定速度で移動させることにより深さｈ１の溝が加
工され、順次微動Ｙスライダ１２、Ｚスライダ４を位置
決めし同様の加工を繰り返すことにより深さｈ２、ｈ３
の溝を創生することができる。

【００１３】以上のような加工において、溝深さ誤差の
要因となるのは第１に主軸の振れ回りと切削抵抗を受け
たときの変動、第２にＸスライダ１およびＺスライダ４
の切削抵抗による変動である。そこで、本実施例では図
４の制御ブロック図により誤差補正を行う。即ち、主軸
検出系２４、スライダ検出系２５、微動スライダ検出系
２６のそれぞれから得られる変位信号を制御系２７に取
り込み、制御系２７は所定の溝深さを得るための指令値
との差分を演算し微動Ｙスライダ１２のアクチュエータ
１９に誤差補正用の駆動電圧を出力し、アクチュエータ
１９である圧電素子は駆動電圧にみあった変位をワーク
１４に与える。例えば、５００Ｖの駆動電圧で１０μｍ
変位する圧電素子を使用すれば０．１μｍの誤差補正の
ために５Ｖの電圧を与えればよい。主軸検出系２４は、
図５に示すように、ロータ用変位センサ１０ａ、１０
ｂ、１０ｃを円周方向に適当な角度（例えばφ＝３８
度、τ＝２９度）で配置したものとエンコーダ（図示せ
ず）からなる。エンコーダの角度出力と同期した３個の
ロータ用変位センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの出力は３
点法の原理により、ロータ７の形状誤差（真円度）と
Ｘ、Ｙ方向の振れ回り誤差に分離できる。３点法は、工
作機械などの主軸回転精度を高精度に計測する手法で、
マスタ球を用いる方法と異なり測定対象の形状精度をキ
ャンセルし純粋な振れまわり量のみを得ることができ
る。形状精度と振れまわり量の分離の一般的な手順を図
７に示す。３点法の原理上の制約からこの分離演算はロ
ータ７が１回転した後でないと行えないため、１回転前
に計算した形状誤差と現在のロータ用変位センサ１０ａ
の出力変位との差をＹ方向のロータ７の振れ回り誤差と
して採用する。この方法では、毎回形状誤差と振れ回り
誤差の分離演算を行うが、制御系２７の演算速度が充分
でなく必要な回転数に追従できない場合は、事前にロー
タ７の熱変形等が充分におさまった時点での形状誤差を
測定しておき、このデータを毎回形状誤差として採用し
てもよい。ロータ用変位センサ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ
をできるだけバイト９寄りにしているのは、アッベ誤差
による計測誤差を抑えるためである。

【００１４】スライダ検出系２５は図６のように配置さ
れる。切削抵抗の背分力により、Ｘスライダ１はローリ
ング、Ｚスライダ４はピッチングを起こし、加工点にお
けるＹ方向の変位に換算すると百分の数μｍの誤差にな
る。この誤差を計測するため、スライダ用変位センサ１
５ａ、１５ｂと上面の平面度が百分の数μｍのリファレ
ンス１７ａ、１７ｂが加工点を中心にＸ方向に等距離に
配置されている。また、スライダ用変位センサ１５ａ、
１５ｂのＺ方向の位置は加工点と同じ位置とし、アッベ
誤差をゼロとしている。リファレンス１７ａ、１７ｂの
平面度は直線溝のＹ方向のうねりとなるが、図２におけ
る面２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは同様のうねりと
なるので溝深さの誤差要因にはならない。制御系２７
は、２個のスライダ用変位センサ１５ａ、１５ｂの変位
出力の平均値を、加工点におけるＹ方向のＸスライダ１
とＺスライダ４の相対変位として誤差補正演算に用い
る。主軸検出系２４とスライダ検出系２５の変位センサ
は、微動スライダ検出系２６に用いたのと同様の１ｎｍ
レベルの分解能を持つ静電容量センサである。

【００１５】以上の誤差補正フィードバックのフローチ
ャートを図８に示す。これは、ロータ７の熱変形等によ
る形状変形が充分におさまった時点で基準となる形状を
測定し、溝一本分の加工をする場合についての手順を示
している。

【００１６】まず、目標溝深さ値Ｙを設定する（ステッ
プ３１）。次に、ロータ用変位センサ１０ａ、１０ｂ、
１０ｃとエンコーダの１回転の出力を制御系２７が受け
取り（ステップ３２）、ロータ用センサ１０ａ、１０
ｂ、１０ｃとエンコーダの１回転分の信号から３点法に
よりロータの形状精度ｒ（θ）を求め（ステップ３
３）、ロータ用変位センサ１０ａ出力の変位換算量ｓａ
（θ）とｒ（θ）の差をＹ方向の振れまわりＳｙ（θ）
とし（ステップ３４）、スライダ用変位センサ１５ａ、
１５ｂとエンコーダの出力から得られるＸスライダ１と
Ｚスライダ４のＹ方向相対位置変位Ｔａ（θ）、Ｔｂ
（θ）を制御系２７が取り込み（ステップ３５）、Ｔａ
（θ）とＴｂ（θ）の平均値Ｔ（θ）を算出し（ステッ
プ３６）、Ｔ（θ）の変位換算量ｔ（θ）と基準値ｑ
（加工前の定状状態におけるＴ（θ）の変位換算量）と
の差をＴｙ（θ）とし（ステップ３７）、更に微動用セ
ンサ２２ａ、２２ｂとエンコーダの出力から得られる微
動台１８のＹ方向位置Ｕａ（θ）、Ｕｂ（θ）を制御系
２７が取り込み（ステップ３８）、Ｕａ（θ）とＵｂ
（θ）の平均値Ｕ（θ）を算出し（ステップ３９）、Ｕ
（θ）の変位換算量ｕ（θ）と溝深さ指令値Ｔとの差を
Ｕｙ（θ）とし（ステップ４０）、総合誤差ΔＹ（θ）
＝Ｓｙ（θ）＋Ｔｙ（θ）＋Ｕｙ（θ）とし（ステップ
４０）、この変位に相当する微動アクチュエータ１９の
電圧ΔＶを算出し（ステップ４２）、微動アクチュエー
タ１９にΔＶを与え微動台１８を誤差分移動させ（ステ
ップ４３）、Ｘスライダ１が溝長さ分移動したか判定し
（ステップ４４）、移動していなければステップ３４に
戻り、移動したならば加工が終了したことになる。

【００１７】このようなフィードバック制御を行う際、
サーボ周波数を律則するのはＸスライダ１のローリング
周波数、ロータ７，Ｚスライダ４のピッチング周波数で
ある。しかし、これらのメカ共振周波数は特に注意を払
った設計をしなくても百数十Ｈｚであり、数百ｒｐｍの
回転数における切削抵抗外乱に対し２０ｋｇｆ／μｍ程
度のサーボ剛性が得られ、０．１ｋｇｆの切削抵抗を受
けても溝深さ誤差を５ｎｍ程度に抑えることができる。
数千ｒｐｍの回転数において以上のような誤差を得るに
は、メカ共振周波数を数百Ｈｚにするような設計をすれ
ばよい。

【００１８】以上、深さがμｍオーダーの直線溝加工を
例にとり説明したが、本発明は平面研削盤としても利用
可能である。即ち主軸にバイト９の代わりに砥石を取り
付け、ワーク１４を微動Ｙスライダ１２上に置き、同様
の誤差補正制御を行いながら加工すれば極めて高い平面
度が得られる。ただし、この際得られる平面度は、リフ
ァレンス１７の平面度と同等のものである。さらに高い
平面度を得るには、ロータ７の形状精度と振れ回りを分
離するのと同様にリファレンス１７上に３本のセンサを
配置し、リファレンス１７の形状精度を分離しＹ方向の
変動のみを誤差補正演算に用いればよい。３点法を拡張
した多点法（センサを４本以上使用）を用いれば、形状
と変動をさらに高精度に分離できるのでこれを採用して
もよい。

【００１９】また、本発明の構成では、ロータ７にワー
ク１４を取り付け微動Ｙスライダ１２にバイト９を付け
ることにより超精密旋盤として使用できることは言うま
でもない。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、溝加工時
に主軸の溝深さ方向の振れ回りおよび切削抵抗による変
位を検出するとともに、第１のスライダと第２のスライ
ダの移動精度および切削抵抗による溝深さ方向の変位を
検出し、それぞれの変位誤差から所定の溝深さからの誤
差分を算出し、第２のスライダ上の溝深さ方向に移動可
能な第３のスライダを、変位誤差をキャンセルする方向
に誤差変動分だけ移動させることにより、数ｎｍオーダ
ーの溝深さ精度を達成できる効果がある。

【００２１】また、本発明は平面研削盤としての機能も
持ち、ｎｍオーダーの平面度を得ることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の加工装置の構成図である。

【図２】加工対象のワーク１４の形状を示す斜視図であ
る。

【図３】微動Ｙスライダ１２の構成図である。

【図４】制御ブロック図である。

【図５】主軸検出系のロータ用変位センサ１０ａ、１０
ｂ、１０ｃの配置図である。

【図６】スライダ検出系の配置図である。

【図７】形状精度と振れまわり量の分離の一般的な手順
を示す流れ図である。

【図８】誤差補正フィードバックの処理の流れ図であ
る。

【符号の説明】

１Ｘスライダ２Ｘスライダガイド３静圧軸受パッド４Ｚスライダ５Ｚスライダガイド６主軸ユニット７ロータ８回転角検出用エンコーダ９バイト１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃロータ用変位センサ１１粗動Ｙスライダ１２微動Ｙスライダ１３固定治具１４ワーク１５，１５ａ，１５ｂスライダ用変位センサ１６スライダ用変位センサ固定用治具１７，１７ａ，１７ｂリファレンス１８微動台１９微動アクチュエータ２０ａ，２０ｂ板バネ２１ハウジング２２ａ，２２ｂ微動用変位センサ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄワーク１４の面２４主軸検出系２５スライダ検出系２６微動スライダ検出系２７制御系３１〜４４ステップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線上を移動する第１のスライダと、第
１のスライダの移動方向と直角方向に直線上を移動する
第２のスライダと、第１のスライダ上に設置された主軸
と、第２のスライダに搭載された被加工物または工具を
第１のスライダおよび第２のスライダの移動方向と直角
方向に移動させる第３のスライダとを有する加工装置に
おいて、前記主軸ロータの振れ回りを検出する第１の位置検出手
段と、第１のスライダと第２のスライダの、第３のスラ
イダ移動方向の相対位置変動を検出する第２の位置検出
手段と、第３のスライダの位置変動を検出する第３の位
置検出手段と、前記各位置検出手段から位置信号を取り
込み、所定の運動からの変動量を演算し、補正信号を第
３のスライダの駆動装置に与える制御手段を有すること
を特徴とする加工装置。
【請求項２】第１の位置検出手段は前記主軸ロータの
加工点近傍の同一円周上に複数個配置され、前記制御手
段は第１の位置検出手段の位置信号を取り込み、前記主
軸ロータの真円度と振れ回り量を分離する演算をし、振
れ回り量のみを補正信号算出演算に用いる請求項１記載
の加工装置。
【請求項３】第２の位置検出手段は、第１のスライダ
の移動方向には加工点と同じ位置に、第２のスライダの
移動方向には加工点を中心に対称に２個配置されている
請求項１または２記載の加工装置。