JPH08338712A - ワークスピンドルユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】より高精度なワークの位置決めを要する装置に
適した、安価なワークスピンドルユニットを提供する。 【構成】ワークスピンドルユニットは、中空形状のワー
クスピンドル１００と、もと雇１０１に工作物Ａを取付
けるための治具であるワーク雇１０２と、ワーク雇１０
２に取付けられた反射ミラー１０３と、反射ミラー１０
３の変位量を測定するレーザ測長器１０４とを備える。
なお、レーザ測長器１０４と反射ミラー１０３と工作物
Ａは、アッベの原理に従って一直線上に配置されてい
る。工作物Ａの加工中、レーザ測長器１０４は、工作物
Ａと一体となって移動する反射ミラー１０３の変位量を
測定する。この測定結果に基づいて、移動ステージ１０
８の駆動が制御すれば、研削中、常に、工作物Ａと砥石
１０９との位置関係を適正な状態におくことができる。
結果として、工作物Ａの加工精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高精度なワークの位置
決めが要求される工作機械及び形状測定機等に用いるの
に適したワークスピンドルユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の製造装置等の精密機械を構成す
る主要な部品には高い加工精度が要求される。こうした
加工精度に関する要求を満足するような部品を製造する
ためには、これらを加工する工作機械の性能の向上、及
びこれらを製品として検査するための形状測定機の性能
の向上が不可欠である。例えば、精密機械を構成する部
品の内の、レンズやミラー等の光学素子は、超精密研削
加工機、超精密切削加工機や高分解能な形状測定装置が
開発されたことにより、効率的かつ高精度に製品化され
るようになった。

【０００３】さて、こうした工作機械及び形状測定装置
においては、一般的に、稼動中に受ける外乱が及ぼす加
工精度及び測定精度への影響を除去するための補正が行
なわれている。以下、このことについて、工作物の表面
に軸対称非球面を創成するための研削装置において行な
われている補正方法を例に挙げて説明する。

【０００４】さて、図４に示すように、研削装置は、一
般的に、工作物Ａを回転させながら保持するワークスピ
ンドル１と、ワークスピンドル１を矢印ａの示す方向に
送る移動ステージ２と、工作物Ａの表面を研削するため
の砥石３を回転させながら保持する工具保持部４と、工
具保持部４を矢印ｂの示す方向に送る工具移動ステージ
５と、ワークスピンドル１のもと雇６に工作物Ａを取付
けるための治具であるワーク雇７とを備える。そして、
制御部（不図示）が、工作物Ａと砥石３とが適当に接触
するように、移動ステージ２と工具移動ステージ５との
駆動を各々制御する。このようにして、この研削装置で
は、工作物Ａの表面が目標形状となるように、工作物Ａ
の表面を砥石３で研削する。

【０００５】ところが、こうした研削装置の稼動中に
は、一般的に、工作物Ａを研削する際に発生する熱や、
研削抵抗等の、外的な要因により、装置を構成する各部
材に局部的な変形が生じている。装置各部にこのような
変形が生じると、加工中に、砥石３に対する工作物Ａの
相対的な位置が予定外に変化するので、工作物Ａの加工
精度が低下することになる。なお、こうした装置各部の
変形の原因となる熱源としては、例えば、ワークスピン
ドル１を回転させるモーター８からの発熱や、装置の運
動部分（ワークスピンドル１と軸受９、移動ステージ２
とその案内面、ワークスピンドル１とこれにモータ６か
らの駆動力を伝達する伝達ベルト１０等）での摩擦等が
挙げられる。

【０００６】そこで、こうした研削装置では、一般的
に、装置各部の変形が及ぼす加工精度への影響を除去す
るために、次のような方法で、加工中の砥石３と工作物
Ａとの相対的な位置関係を適正な状態に補正している。

【０００７】加工中には、所定の位置に配置されたレー
ザ測長器１１により、移動ステージ２に取付けられた反
射ミラー１２の変位量がリアルタイムに測定される。移
動ステージ２を移動させれば、この反射ミラー３は工作
物Ａと共に移動することになるので、こうして測定され
たレーザ測長器１１に対する反射ミラー１２の変位量に
応じて移動ステージ２の移動量を制御すれば、加工中の
装置各部の変形に伴う、砥石３に対する工作物Ａの相対
的な移動量が相殺され、工作物Ａを砥石３に対して適正
に移動させることができる。従って、工作物Ａを、高精
度に加工することができる。なお、研削装置の中には、
軸受９のハウジングに取付けた反射ミラー１２を利用し
て、上記方法と同様な方法により、加工中の砥石３と工
作物Ａとの相対的な位置関係の補正を行なっているもの
もある。

【０００８】なお、このレーザ測長器１１は、物体（反
射ミラー１２）で反射した測定光ｃと、参照光ｃ（不図
示）とを干渉させることにより物体（反射ミラー１２）
の変位量を測定するものであり、これは通常こうした用
途に使用される周知の測長器（例えば、干渉計等）なの
で、ここでは、これに用いられている測定原理等の詳し
い説明を省略する。

【０００９】以上研削装置を例として工作中の工具と工
作物との相対的な位置関係の補正方法を説明したが、そ
の他の工作機械においても上記方法と同様な方法により
工作中の工具と工作物との相対的な位置関係の補正を行
なっているものがある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ワークスピ
ンドル１と移動ステージ２との締結具合によっては、研
削抵抗の影響を受けて、測定光ｃの光軸方向に、ワーク
スピンドル１が移動ステージ２に対して相対的に移動す
る可能性がある。このような場合には、工作物Ａは、測
定光ｃの光軸方向に、反射ミラー１２に対して相対的に
移動することになる。ところが、上記従来の方法では、
レーザ測長器１１での測定結果すなわち反射ミラー１２
の変位量に応じて、移動ステージ２の移動量を制御して
いるために、このように工作物Ａが反射ミラー１２に対
して相対的に移動してしまうと砥石３と工作物Ａとの位
置関係を適正な状態にすることができないという問題が
生じる。

【００１１】また、ワークスピンドル１が軸方向に適当
な剛性を有していないと、研削抵抗の影響により、工作
物Ａが、測定光ｃの光軸方向に、反射ミラー１２に対し
て相対的に移動する可能性がある。また、軸受５におけ
る摩擦により生じた熱によって、ワークスピンドル１が
伸縮する可能性がある。このような場合にも、工作物Ａ
が、測定光ｃの光軸方向に、反射ミラー１２に対して相
対的に移動することになるので、上記従来の方法では、
上記ワークスピンドル１が研削抵抗の影響を受ける場合
と同様に砥石３と工作物Ａとの位置関係を適正な状態に
することができないという問題が生じる。このような問
題を解決するためには、例えば低熱膨張ガラス−セラミ
ックス材やインバー（鉄とニッケルとの合金）等の線膨
張係数の小さい材料でワークスピンドル１を作成し、ワ
ークスピンドル１に生じる変形を防止することが効果的
であるが、これらの材料が難加工性を有しかつ高価格で
あるという点を考慮すれば、このようにすることは好ま
しい対策とはいえない。

【００１２】また、図４におけるレーザ測長器１１と反
射ミラー１２と工作物Ａとの位置関係はアッベの原理に
従っていないので、レーザ測長器１１による測定結果に
は、測定光ｃの光軸方向に対するワークスピンドル１の
傾きによる誤差が含まれる可能性がある。結果的に誤差
を含むレーザ測長器１１での測定結果に応じて移動ステ
ージ２の移動量を制御することになり、砥石３と工作物
Ａとの位置関係を適正な状態にすることができないとい
う問題が生じる。

【００１３】そこで本発明は、より高精度なワークの位
置決めを要する工作機械や形状測定装置等の装置に適し
た、安価なワークスピンドルユニットを提供することを
目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的達成のため、本
発明は、一端に保持したワークを回転させるワークスピ
ンドルを備えたワークスピンドルユニットであって、前
記ワークスピンドルは中空の形状を有し、前記ワークス
ピンドルユニットは、前記ワークスピンドルの一端に保
持されたワークの変位量を測定するレーザ測長器と、前
記中空の内部の前記ワークスピンドルのワークを保持し
ている位置の近傍の位置において前記ワークスピンドル
に保持された、前記レーザ測長器からの測定光を反射す
る反射手段とを備えることを特徴とするワークスピンド
ルユニットを提供する。

【００１５】

【作用】本発明に係るワークスピンドルユニットによれ
ば、前記レーザ測長器は、前記中空の内部の前記ワーク
スピンドルのワークを保持している位置の近傍の位置に
おいて前記ワークスピンドルに保持された反射手段で反
射した測定光に基づいて、前記ワークスピンドルの一端
に保持されたワークの変位量を測定する。

【００１６】このようにワークスピンドルの形状を中空
とすれば、ワークスピンドルがワークを保持している位
置の近傍の位置に、レーザ測長のための測定光を反射さ
せる反射手段を取付けることができる。その結果、ワー
クスピンドルが熱などの外乱の影響により変形した場合
であっても、レーザ測長器ではワークの変位量を正確に
測定することができる。こうしたワークスピンドルを工
作機械に適用し、レーザ測長器で測定されたワークの変
位量に基づいて、ワークを移動させる移動ステージの制
御を行なえば、加工中、常に、工具と工作物との位置関
係を適正な状態とすることができる。その結果、工作物
の加工精度が向上する。

【００１７】

【実施例】以下、添付の図面を参照しながら、本発明に
係る実施例について説明する。

【００１８】本実施例に係るワークスピンドルユニット
は工作物Ａを工具に対して相対的に移動させながら工作
を行なう工作機械の全般に適用することが可能である
が、ここでは一例として研削装置に使用した場合を挙げ
ることにする。

【００１９】まず、図１の研削装置の上面図を参照しな
がら、本実施例に係るワークスピンドルユニットの構成
について説明する。

【００２０】本実施例に係るワークスピンドルユニット
は、中空円筒形のワークスピンドル１００と、ワークス
ピンドル１００のもと雇１０１に工作物Ａを取付けるた
めの治具であるワーク雇１０２と、ワーク雇１０２に取
付けられた反射ミラー１０３と、反射ミラー１０３の変
位量を測定するレーザ測長器１０４とを備える。なお、
ここでは、ワークスピンドル１の形状を中空円筒形とし
ているが、本実施例に係るワークスピンドル１の形状
は、中空であれば、必ずしも円筒形に限定されるもので
はない。

【００２１】ワークスピンドル１００は、従来技術の欄
で説明した研削装置のワークスピンドル１と同様に、ハ
ウジングに空気軸受１０５で回転可能に支持されてお
り、伝達ベルト１０６が伝達するモータ１０７からの駆
動力で回転することによって工作物Ａを回転させるよう
になっている。また、ハウジングが移動ステージ１０８
上に固定されているので、移動ステージ１０８がワーク
スピンドル１００の軸方向（矢印ａの示す方向）に駆動
されれば、それに応じてワークスピンドル１００が軸方
向（矢印ａの示す方向）に移動する。その結果、工作物
Ａは、回転しながら、ワークスピンドル１００の軸方
向、すなわち砥石１０９に向う方向（矢印ａの示す方
向）に移動する。一方、図１の研削装置は、従来技術の
欄で説明した研削装置と同様に、工作物Ａの表面を研削
するための砥石１０９を回転させながら保持する工具保
持部１１０と、工具保持部１１０を矢印ｂの示す方向に
送る工具移動ステージ１１１とを備える。そして、詳細
は後述するが、制御部（不図示）が、工作物Ａの表面に
目標形状が高精度に創成されるように、レーザ測長器１
０４での測定結果に応じて、移動ステージ１０８と工具
移動ステージ１１１の駆動を各々制御する。こうした構
成により、この研削装置では、工作物Ａを砥石１０９に
対して相対的に移動させながら、工作物Ａの表面を砥石
１０９で研削する。

【００２２】次に、前述の、図１の研削装置の制御部
（不図示）で行なわれる制御について説明する前に、こ
の制御を行なう際に参照されるレーザ測長器１０４での
測定結果について説明しておく。ただし、図１のレーザ
測長器１０４は、従来技術の欄で説明した研削装置に使
用されているレーザ測長器１１と同様な、周知の測長器
（例えば、干渉計等）なので、ここでは、これに用いら
れている測定原理等についての詳細な説明は省略する。

【００２３】さて、本実施例では、反射ミラー１０３と
工作物Ａとが常に一体となって移動するように、反射ミ
ラー１０３は、工作物Ａに付属するワーク雇１０２に取
付けられている。すなわち、このようにすれば、熱の影
響でワークスピンドル１００の軸方向（矢印ａに示す方
向）に伸縮が生じたり、研削抵抗の影響でワークスピン
ドル１００がその軸方向（矢印ａに示す方向）に移動ス
テージ１０８に対して相対的に移動した場合であって
も、反射ミラー１０３と工作物Ａとは常に一体となって
移動するので、従来技術の欄で説明した研削装置のよう
に、ワークスピンドル１の変形及び位置の変化が原因
で、レーザ測定装置７で測定される反射ミラー１２の変
位量と、レーザ測定装置７に対する工作物Ａの変位量と
の間に誤差が生じるという問題が生じない。また、本実
施例に係るワークスピンドルユニットでは、レーザ測長
器１０４と反射ミラー１０３と工作物Ａがアッベの原理
に従って一直線上に配置されているため、レーザ測長器
１０４の測定結果には、測定光ｃの光軸方向に対するワ
ークスピンドル１００の傾きによる誤差が含まれない。

【００２４】このように、本実施例に係るワークスピン
ドルユニットによれば、より精度良くレーザ測定装置７
に対する工作物Ａの変位量を測定することができる。こ
のような精度の良い測定結果に基づいて移動ステージ１
０８の駆動を制御すれば、研削中、常に、工作物Ａと砥
石１０９との位置関係を適正な状態におくことができ
る。その結果、工作物Ａを、より高精度に加工すること
ができる。また、本実施例に係るワークスピンドルユニ
ットによれば、ワークスピンドル１００の熱変形を防止
するためにワークスピンドル１００を線膨張係数の小さ
な材料で形成する必要もないので、特別に、製造コスト
が増大するということもない。

【００２５】なお、本実施例に係るワークスピンドルユ
ニットではワーク雇１０２に取付けられた反射ミラー１
０３がワークスピンドル１００と共に回転するので、こ
うした反射ミラー１０３の回転に伴って測定誤差が生じ
ないように、測定光ｃは反射ミラー１０３の回転中心に
照射されていることが望ましい。また、本実施例ではワ
ーク雇１０２に反射ミラー１０３を取付けたが、測定光
ｃを入射方向と逆方向に正反射させることができるもの
であれば、これは必ずしも反射ミラー１０３である必要
はない。例えば、コーナーキューブ等をワーク雇１０２
に取付けても構わない。ただし、いずれを使用する場合
も、効率的に測定光ｃを入射方向と逆方向に正反射する
ことができるような方向に反射面を向けて、それらをワ
ーク雇１０２に取付ける必要がある。

【００２６】ところが、このような構成とした場合であ
っても、ワーク雇１０２の厚さ方向（矢印ａに示す方
向）への伸縮によって工作物Ａが反射ミラー１０３に対
して相対的に移動する可能性がある。しかし、一般的な
研削装置におけるワーク雇１０２の厚さとワークスピン
ドル１００の全長との割合を考慮すれば、ワーク雇１０
２の厚さ方向への伸縮による、反射ミラー１０３に対す
る工作物Ａの相対的な変位量は、ワークスピンドル１の
軸方向への伸縮による、反射ミラー１２に対する工作物
Ａの相対的な変位量に比べて無視することができる程度
の距離である。従って、同一の加工条件において、本実
施例に係るワークスピンドルユニットを使用した研削装
置と、従来技術の欄で説明した研削装置（図４参照）と
の双方で研削を行なった場合、本実施例に係るワークス
ピンドルユニットのレーザ測長器１０４の測定結果の方
が、従来技術の欄で説明した研削装置（図４参照）のレ
ーザ測長器１１の測定結果よりも、装置各部の変形に伴
って生じる誤差は少ない。従って、本実施例に係るワー
クスピンドルユニットを使用した研削装置によれば、従
来技術の欄で説明した研削装置（図４参照）以上の加工
精度を実現できる。

【００２７】さて、このようにレーザ測長器１０４で測
定された反射ミラー１０３に対する工作物Ａの相対的な
変位量に基づいて、図１の研削装置の制御部（不図示）
が行う制御について説明する。なお、このような制御
は、従来技術の欄で説明した研削装置において行なわれ
ている制御と同様な、周知な処理によるものであるの
で、ここでは、レーザ測長器１０４での測定結果に基づ
く処理の流れが理解できる程度の説明にとどめる。

【００２８】さて、図１の研削装置の制御系は、工作物
Ａの位置決めの精度を向上させるために、図２に示すよ
うなフィードバック系を構成する。なお、図２のブロッ
ク図において、加速度を積分して速度を得る積分要素
や、速度を積分して位置を得る積分要素等は省略してあ
る。

【００２９】図２の制御系に、目標値Ｂとして、工作物
Ａの変位量を示すＮＣデータが入力されると、ドライバ
２０１は、これに応じてモータ２０２を駆動する。この
とき、モータ２０２を制御対象とするフィードバックが
行なわれるが、これはモータ２０２の調速のために一般
的に行なわれる速度制御なので、ここでは説明しない。
モータ２０２が移動ステージ１０８を送ってワ−クの位
置２０３を操作すると、工作物Ａが目標値Ｂによって定
まる変位量だけ移動する。このとき、前述した熱や研削
抵抗等の外乱２０４による工作物Ａの位置変動を減少さ
せるために、レーザ測長器１０４で工作物Ａの実際の変
位量を測定してフィードバックすることにより工作物Ａ
の位置制御を行なう。その結果、工作物Ａの位置決め精
度が向上する。そして、本実施例に係るワークスピンド
ルユニットを使用した研削装置によれば、前述したよう
に工作物Ａの実際の移動量をより高精度に測定すること
ができるので、従来技術の欄で説明した研削装置におい
て同様な位置制御を行なった場合と比較して、より高精
度な工作物Ａの位置決めを行なうことができる。

【００３０】ところで、図１のワークスピンドルユニッ
トのように、工作物Ａに付属するワーク雇１０２に反射
ミラー１０３を取付けているような場合には、工作物Ａ
を取替える度に、新たな工作物Ａに付属するワーク雇１
０２に反射ミラー１０３を付け換える必要がある。そこ
で、図３に示すように、反射ミラー１０３をワークスピ
ンドル１００のもと雇１０１に取付けておけば、反射ミ
ラー１０３の付け替えという面倒な作業を省くことがで
きる。すなわち、大量の製品を連続的に製造する工程に
組み入れられた工作機械に図３のワークスピンドルユニ
ットを適用すれば、製造工程の効率化を図ることができ
る。ただし、図３のワークスピンドルユニットでは、ワ
ークスピンドル１００のもと雇１０１が変形すると、工
作物Ａが反射ミラー１０３に対して相対的に移動するこ
とになる。しかし、このワークスピンドル１００のもと
雇１０１の変形は、前述した図１のワークスピンドルの
ワーク雇１０２の変形と同様な理由から、工作物Ａの加
工精度に対して重大な影響を及ぼす程度のものではない
ので、図３のワークスピンドルユニットを研削装置に適
用した場合であっても、図１のワークスピンドルユニッ
トを研削装置に適用した場合と同様の効果が達成するこ
とができる。

【００３１】なお、図１のワークスピンドル１００と同
様に、図３のワークスピンドル１００も、研削装置に限
らず、工具に対して工作物Ａを相対的に移動させながら
工作を行なう、他の工作機械に適用することが可能であ
る。また、本実施例に係るワークスピンドルユニット
は、工作機械だけでなく、形状測定装置に適用すること
も可能である。こうした場合には、ワークスピンドルで
被測定物を測定子に対して相対的な運動を与えながら、
測定子によって被測定物の表面の座標を測定し、この座
標をレーザ測長器で測定された反射ミラーの変位量に応
じて補正する。このようにすれば、装置各部に変形が起
った場合であっても、正確に被測定物の表面の形状を測
定することができる。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係るワークスピンドルユニット
によれば、加工機器等の装置において、外的な要因の有
無によらず、より高精度なワークの位置決めをすること
ができる。その結果、例えば、本発明に係るワークスピ
ンドルユニットを工作機械に適用した場合には、工作物
の加工精度が向上する。また、本実施例に係るワークス
ピンドルユニットでは、熱変形を防止するために線膨張
係数の小さな材料で形成したワークスピンドルを使用す
る必要がないので、特別に、製造コストが増大するとい
うことがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るワークスピンドルユニ
ットを適用した研削装置の上面図である。

【図２】図１の移動ステージの制御を説明するためのブ
ロック図である。

【図３】本発明の他の実施例に係るワークスピンドルユ
ニットを適用した研削装置の上面図である。

【図４】従来の研削装置の上面図である。

【符号の説明】

１…ワークスピンドル、２…移動ステージ、３…砥石、
４…工具保持部、５…工具移動ステージ、６…もと雇、
７…ワーク雇、８…モータ、９…軸受、１０…伝達ベル
ト、１１…レーザ測長器、１２…反射ミラー、１００…
本発明に係るワークスピンドル、１０１…ワークスピン
ドル１００のもと雇、１０２…ワーク雇、１０３…反射
ミラー、１０４…反射ミラー１０３の変位量を測定する
レーザ測長器、１０５…空気軸受、１０６…伝達ベル
ト、１０７…モータ、１０８…移動ステージ、１０９…
砥石、１１０…工具保持部、１１１…工具移動ステージ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端に保持したワークを回転させるワーク
   スピンドルを備えたワークスピンドルユニットであっ
   て、 前記ワークスピンドルは中空の形状を有し、 前記ワークスピンドルユニットは、 前記ワークスピンドルの一端に保持されたワークの変位
   量を測定するレーザ測長器と、 前記中空の内部の前記ワークスピンドルのワークを保持
   している位置の近傍の位置において前記ワークスピンド
   ルに保持された、前記レーザ測長器からの測定光を反射
   する反射手段とを備えることを特徴とするワークスピン
   ドルユニット。
2. 【請求項２】請求項１記載のワークスピンドルユニット
   であって、 前記反射手段は、前記ワークスピンドルの回転中心軸上
   の点を略中心とする所定の領域で、前記レーザ測長器か
   らの測定光を反射することを特徴とするワークスピンド
   ルユニット。
3. 【請求項３】請求項１または２記載のワークスピンドル
   ユニットと、 前記ワークスピンドルに保持されたワークの表面の位置
   の座標を測定する測定子とを備え、 前記測長器が測定したワークの変位量に基づいて、前記
   測定子が測定した座標を補正することを特徴とする形状
   測定装置。
4. 【請求項４】請求項１または２記載のワークスピンドル
   ユニットと、 前記ワークスピンドルに保持されたワークの表面を加工
   する工具と、 前記ワークスピンドルを、前記工具に対して相対的に移
   動させる移動手段と、 予め定めたワ−クの目標形状と、前記測長器が測定した
   ワークの変位量に基づいて、前記移動手段による前記ワ
   ークスピンドルの移動量を決定する制御手段とを備える
   ことを特徴とする工作機械。