KR20090064340A - 가공 장치 - Google Patents

Abstract

가공부와, 액추에이터와, 케이싱과, 예부하(豫負荷; preload) 기구와, 힘 센서와, 검출 유닛을 구비하는 가공 장치를 개시하고 있다. 가공부는 절삭날(切刃; cutting edge)을 가지고 있다. 액추에이터는 가공부를 미소(微小; microscopically) 진동시키도록 구성되어 있다. 케이싱은 액추에이터를 수용하도록 구성되어 있다. 예부하 기구는 케이싱의 내부에 배치되고, 액추에이터에 예하중(豫荷重; preload)을 부여하도록 구성되어 있다. 힘 센서는 절삭날과 예부하 기구 사이에 배치되어 있다. 검출 유닛은 힘 센서의 출력에 의거하여 가공부의 절삭력(cutting force)을 검출하는 것이다.

가공 장치, 공구, 액추에이터, 힘 센서, 위치 센서, 절삭날.

Description

가공 장치{PROCESSING APPARATUS}

본 발명은, 그 전체 내용이 본원 명세서에 참고용으로 병합되어 있는, 2007년 12월 14일자로 일본 특허청에 출원된 일본특허출원 제2007-324022호에 관련된 주제를 포함한다.

본 발명은, 처리될 피가공물의 표면에 미세 형상을 형성하기 위한 가공 장치에 관한 것이다.

피가공물의 표면에 미세 패턴을 제작하는 기술은, 그것에 의해서 새로운 기능 표면(functional surface)을 생성해 낼 수 있다는 이유 때문에, 요즈음의 정보 산업의 기간을 이루고 있다. 예를 들면, 광학적 기능에서는, 프레넬 렌즈, 마이크로 프리즘, 마이크로 렌즈 어레이 등이 있으며, 정보 산업에 있어서 폭넓게 응용되고 있다. 예를 들면, 피가공물의 표면에 3차원 미세 형상을 형성하고, FPD(Flat Panel Display)의 표시 부분을 구성하는 부재에 3차원 미세 형상을 분포시키는 것에 의해서, 디스플레이에 광원 강도 분포의 보정 기능, 반사방지 기능, 무지개(虹)/모아레 발생 방지 등의 기능을 부여할 수가 있다. 또, 클린 에너지로서 기대되고 있는 태양 전지에 있어서 발전량을 높이기 위해서, 3차원 미세 형상(패턴)이 형성된다.

요즈음, FPD는, 소형 또는 중형의 FPD에서부터 큰 면적의 FPD까지 크기는다양하며, 태양 전지로서도 마찬가지이다. 그들의 광학적 기능이나 발전량을 높이는 등의 목적으로 형성되는 3차원 미세 형상은, 디바이스의 크기 및 용도에 따라서 다양하기 때문에, 각각의 목표 스펙(specs)에 대응가능한 미세 형상 형성 기술이 필요하게 되고 있다.

그 이외에도, 마찰학적(tribological) 기능을 개선하기 위해서, 엔진의 피스톤 접동부(摺動部; sliding portion)에 미세 형상을 형성하고, 접촉 면적을 줄이는 것에 의해 마찰력을 저감한다고 하는 응용이 있다. 또, 경계면적(境界面的; interfacial) 기능을 개선하기 위해서, 미세 형상에 의해 발수성(撥水性; water repellency)을 높인 자정(自淨; self-clean) 표면을 형성하거나, 열 전도율, 경계 층류, 베어링(축받이), 방청(antirust), 접착 등의 특성을 개선하거나 할 수도 있다. 나아가서는, 바이오 분야에서의 임플란트나 바이오센서 등에도 응용이 확대되고 있다.

이들 미세 패턴의 제작 기술로서는, 정밀도가 높은 표면 형상을 큰 면적에 걸쳐서 실시간으로 제작할 수 있는 가공법이 바람직하다. 전기적, 광학적인 3차원 미세 형상 제작 기술에는, 전자빔 묘화(depiction) 방식, 레이저 묘화 방식, 홀로그래픽 방식 등 다양한 종류가 알려져 있다. 이들 수법(방법)은, 무반사 표면, 회절 격자, 마이크로 렌즈 어레이 등, 마이크로미터 오더(order) 내지 서브마이크로미터 오더의 매우 짧은 공간 파장을 가지는 구조의 제작에는 유효하기는 하지만, 복잡한 3차원 형상의 제작에는 적합하지 않다.

한편, 현재의 초정밀 절삭/연삭 가공 기술은, 정밀 운동 제어나 계측/정밀 가공용 툴의 진보에 의해서 서브마이크로미터 오더 이하의 제도의 가공을 용이하게 행할 수 있도록 되어 있다. 그의 대표적인 예가 싱글포인트 다이아몬드 절삭 가공 방법으로서, 매우 예리한 단일(single)의 절삭날(切刃; cutting edge)을 가지는 단결정 다이아몬드 공구를 사용하며, 연질 금속 등을 고정밀도의 가공기를 이용해서 가공하는 방법이다. 이 방법은, FTS(퍼스트 툴 서보(Fast Tool Servo: 고속 공구 서보)나 FTC(Fast Tool Control: 고속 공구 제어) 기술을 이용하는 것에 의해서, 공구를 공작물에 대해서 3차원적으로 정밀하게 또한 고속으로 운동 제어하는 것이 가능하다. 전기적, 광학적 가공법에 비해서, 다이아몬드 절삭 방법에서는, 수십 마이크로미터 내지 수백 마이크로미터 범위의 공간 파장을 가지는 3차원 미세 형상의 제작에 적합하다.

통상의 절삭 가공에서는, 직동 2축(直動2軸; two orthogonal axes) 및 회전축을 포함하는 3축을 선반에 의해서 제어하고, 가공물에 목표 형상을 부여한다. 한편, FTC는, 직동 2축중 1축을 압전 소자와 같은 높은 분해능, 강성 및 응답성을 가지는 기구에 의해서 제어하는 기술이다. 통상의 기계 가공과는 달리, 공구를 고속으로 제어한다고 하는 특징을 가지는 FTC 기술에서는, 미세 형상을 정밀하게 제작하는데 있어서, 가공시에 공구에 작용하는 힘을 정확하게 계측하는 것이 중요한 과제로 되어 있다.

그래서, 예를 들면 일본공개특허공보(特開) 제2006-159299호와 같이, 액추에 이터, 공구 홀더, 변위 센서 및 힘 센서를 일체로 구성한 구조를 가지는 가공 장치가 제안되어 있다. 액추에이터는, 공구를 구동하는 압전 소자(PZT)로 이루어진다. 공구 홀더는, 이 액추에이터에 결합되어, 공구를 보존유지(保持; retain)한다. 변위 센서는, 액추에이터와 동축에 배치되어, 공구의 변위를 계측한다. 힘 센서는, 공구에 인가되는 힘을 계측한다. 액추에이터는 공구를 미소(微小; microscopically) 진동시켜서 피가공물의 표면을 가공한다. 절삭력은, 가공시에 검출되는 힘 센서의 출력으로부터, 비가공(no processing)시에 검출되는 힘 센서의 출력을 뺀(감산한) 값으로서 검출된다. 비가공시에 검출되는 힘 센서의 출력이라 함은, 공구를 피가공물에 접촉시키지 않고 공구를 미소 진동시켰을 때에 검출되는 힘 센서의 출력을 말한다. 이것에 의해, 공구의 절삭력을 인프로세스(in-process)로 모니터링하는 것이 가능해진다.

일본공개특허공보 제2006-159299호에 기재된 가공 장치에 있어서는, 액추에이터를 예부하(豫負荷; preload) 상태로 수용하는 PZH 케이스와 이 PZT 케이스를 지지하는 베이스 사이에, 상기 힘 센서가 배치되어 있다. 이 때문에, 힘 센서는, 공구의 관성 질량 혹은 진동 질량 뿐만 아니라, 상기 액추에이터나 PZT 케이스를 포함하는 계(系; system)의 관성 질량 혹은 진동 질량도 계측(검출)해 버리게 된다. 그 결과, 공구의 절삭력을 고정밀도로 검출할 수 없게 되고, 피가공물이 알루 미늄이나 구리 등의 연질 금속인 경우에는, 가공 제어가 곤란해진다.

이상과 같은 사정을 감안해서, 본 발명의 목적은, 절삭력을 고정밀도로 검출할 수 있는 가정 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따르면, 가공부와, 액추에이터와, 케이싱과, 예부하(豫負荷; preload) 기구와, 힘 센서와, 검출 수단을 구비하는 가공 장치가 제공된다. 상기 가공부는 절삭날(切刃; cutting edge)을 가지고 있다. 상기 액추에이터는 상기 가공부를 미소(微小; microscopically) 진동시키도록 구성되어 있다. 상기 케이싱은 상기 액추에이터를 수용하도록 구성되어 있다. 상기 예부하 기구는 상기 케이싱의 내부에 배치되고, 상기 액추에이터에 예하중(豫荷重; preload)을 부여하도록 구성되어 있다. 상기 힘 센서는 상기 절삭날과 상기 예부하 기구 사이에 배치되어 있다. 상기 검출 수단은 상기 힘 센서의 출력에 의거하여 상기 가공부의 절삭력(cutting force)을 검출하는 것이다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따른 가공 장치에 있어서, 힘 센서는, 절삭날과 예부하 기구 사이에 배치되어 있다. 그 결과, 힘 센서는, 가공부, 액추에이터 및 케이싱 중, 액추에이터 및 케이싱이 제외된, 가공부만의 관성 질량에 의거하는 힘 성분만을 검출한다. 이것에 의해, 비가공시에 검출되는 힘 센서의 출력을 작게 할 수 있기 때문에, 가공시에 검출되는 힘 센서의 출력과의 차분(difference)이 커져, 절삭력의 검출 정밀도를 대폭 향상시키는 것이 가능해진다.

본 발명의 하나의 실시형태에 따른 가공 장치에 있어서, 상기 예부하 기구는, 상기 액추에이터에 접촉되고 상기 케이싱에 대해서 상대 구동되는 헤드 부재와, 상기 케이싱과 상기 헤드 부재 사이에 배치되고 상기 헤드 부재를 상기 액추에이터에 대해 강압(押付; press; 밀어붙임, 꽉 누름)하는 탄성 부재를 가지고, 상기 힘 센서는, 상기 절삭날과 상기 헤트 부재 사이에 배치되어 있다. 힘 센서는, 탄성 부재의 반력(反力)을 검출하는 일은 없으므로, 가공시에 있어서의 절삭력을 고정밀도로 검출하는 것이 가능하다.

상기 가공부는, 절삭날을 보존유지하도록 구성된 보존유지부를 가진다. 이 경우, 상기 힘 센서는, 상기 보존유지부와 상기 헤드 부재 사이에 배치될 수가 있다. 혹은, 상기 힘 센서는, 상기 절삭날과 상기 보존유지부 사이에 배치될 수가 있다. 나아가서는, 상기 힘 센서는, 상기 보존유지부에 매설(埋入; embed)될 수가 있다. 상기 구성에 의해, 힘 센서는, 절삭날 또는 절삭날 및 보존유지부의 관성 질량에만 의거하는 힘 검출이 가능해지므로, 절삭력의 검출 정밀도를 한층더 향상시키는 것이 가능해진다.

또, 본 발명의 다른 실시형태에 따르면, 가공부와, 액추에이터와, 케이싱과, 예부하 기구와, 힘 센서와, 변위 센서와, 제어 수단을 구비하는 가공 장치게 제공된다. 상기 가공부는 절삭날을 가지고 있다. 상기 액추에이터는 상기 가공부를 미소 진동시키도록 구성되어 있다. 상기 케이싱은 상기 액추에이터를 수용하도록 구성되어 있다. 상기 예부하 기구는 상기 케이싱의 내부에 배치되고, 상기 액추에이터에 예하중을 부여하도록 구성되어 있다. 상기 힘 센서는 상기 절삭날과 상기 예부하 기구 사이에 배치되어 있다. 상기 변위 센서는 상기 가공부의 변위를 검출하도록 구성되어 있다. 상기 제어 수단은 상기 힘 센서와 상기 변위 센서의 출력에 의거하여 상기 액추에이터를 구동하는 것이다.

이 구성에 의해, 비가공시에 검출되는 힘 센서의 출력을 작게 할 수 있기 때문에, 가공시에 검출되는 힘 센서의 출력과의 차분을 크게 해서, 절삭력의 검출 정밀도를 대폭 향상시키는 것이 가능해진다. 또, 변위 센서의 출력에 의거하여 액추에이터의 구동시에 피드백 제어가 가능해져, 가공 제어를 고정밀도로 실행하는 것이 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명의 상기 실시형태에 따르면, 절삭력을 고정밀도로 검출할 수 있으므로, 피가공물의 표면에 대해서 미세하고 또한 복잡한 3차원 형상을 고정밀도로 형성할 수가 있다.

본 발명의 이들 및 다른 목적, 특징 및 이점(장점)은 첨부 도면에 도해(圖解)되어 있는 바와 같이, 그의 최량의 실시형태(실시예)의 하기 상세 설명으로부터 한층더 명확하게 될 것이다.

이하, 본 발명의 각 실시형태를 도면에 의거하여 설명한다.

(제1 실시형태)

[가공 장치의 구성]

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 가공 장치의 구성을 도시하는 개략 단면도이다.

이 실시형태의 가공 장치(1)는, 공구(2)와, 공구(2)를 미소 진동시키는 액추에이터(3)와, 액추에이터(3)를 지지하는 케이싱 본체(4)와, 케이싱 본체(4)의 내부에 배치되어 액추에이터(3)에 예하중을 부여하도록 구성된 예부하 기구(5)와, 공구(2)와 예부하 기구(5) 사이에 배치된 힘 센서(6)와, 케이싱 본체(4)에 대한 공구(2)의 변위를 검출하는 변위 센서(7)와, 액추에이터(3)를 구동하는 제어부(15)를 가지고 있다.

케이싱 본체(4)는, 대경(大徑) 구멍부(孔部)(4a)및 소경(小徑) 구멍부(4b)로 이루어지는 계단식(段付; stepped) 구멍이 내부에 형성된 원통 형상을 가지고 있다. 이 케이싱 본체(4)의 대경 구멍부(4a)에는, 액추에이터(3) 및 예부하 기구(5)가 수용되어 있다. 대경 구멍부(4a)의 개구부에는, 중앙부에 원형의 관통구멍(8a)이 형성된 제1 뚜껑(蓋; lid) 부재(8)가 복수개의 나사 부재 M1에 의해서 부착(取付; attach)되어 있는, 한편, 케이싱 본체(4)의 소경 구멍부(4b)에는, 이 소경 구멍부(4b)의 개구부에 복수개의 나사 부재 M2에 의해서 부착된 제2 뚜껑 부재(9)의 기둥모양부(柱狀部)(9a)가 삽입관통(揷通; insert)되어 있다. 제1 뚜껑 부재(8) 및 제2 뚜껑 부재(9)는, 케이싱 본체(4)와 함께, 본 발명의 "케이싱"을 구성하고 있다.

액추에이터(3)는, 고강성이고 또한 응답성이 뛰어난 압전(壓電; piezoelectric) 소자로 구성되어 있다. 특히, 이 실시형태에서는, 액추에이터(3)는, 원통 형상의 PZT(티탄산 지르콘산 납)의 적층체로 구성되고, 케이싱 본체(4)와 뚜껑 부재(9)의 기둥모양부(9a) 사이에 형성된 고리모양(環狀; annular) 공간에 동심적(同心的)으로 배치되어 있다. 액추에이터(3)의 외주면 및 내주면은, 케이싱 본체(4)의 내벽면 및 기둥모양부(9a)의 외주면에 대해서 각각 일정 이상의 간극(隙間; gap)을 거쳐서 대향하고 있다.

액추에이터(3)는, 케이싱 본체(4)의 계단식 구멍의 계단부(段部; stepped portion)(4s)와, 예부하 기구(5)를 구성하는 헤드 부재(10) 사이에 예부하 상태로 지지되어 있다. 이 예부하 기구(5)는, 헤드 부재(10)와 탄성 부재(11)를 가지고 있다. 헤드 부재(10)의 앞면(前面) 측에는, 뚜껑 부재(8)의 관통구멍(8a)에 소정의 클리어런스를 거쳐서 감합(嵌合; fit)되는 볼록부(10a)가 형성되어 있다. 헤드 부재의 배면(背面) 측은 액추에이터(3)의 선단과 접촉하고 있다.

탄성 부재(11)는, 웨이브 워셔로 구성되어 있고, 뚜껑 부재(8)와 헤드 부재(10)의 볼록부(10a)의 외주측 사이에 압축 상태로 짜넣어져(위치되어) 있다. 이 구성에 의해, 탄성 부재(11)의 복원력에 의해서 헤드 부재(10)가 액추에이터(3)에 대해 강압하고, 이것에 의해 액추에이터(3)에 압축 방향으로의 예하중이 부여된다. 액추에이터(3)에 대한 예하중은, 나사 부재 M1의 조임량(締付量; tightening amount)에 의해서 조정된다. 탄성 부재(11)를 웨이브 워셔로 구성하는 것에 의해, 탄성 부재(11)의 박형화를 도모할 수 있으며, 또 작은 변형량으로 큰 탄성력을 얻을 수가 있다. 또한, 웨이브 워셔 대신에, 판스프링 등의 다른 스프링 부재나 고 무 부재를 이용해도 좋다.

공구(2)는, 절삭날(12)과, 절삭날(12)을 보존유지하는 생크(13)로 이루어진다. 절삭날(12)은, 날끝(刃先; blade edge)이 예리하게 뾰족한 단결정 다이아몬드로 형성되어 있지만, 절삭날의 형상, 재질은 이것에 한정되지 않는다. 절삭날(12)과 생크(13)는, 예를 들면 납땜(brazing)에 의해서 고정되어 있다. 공구(2)는, 공구 홀더(14)에 의해서 보존유지되어 있다. 또한, 생크(13) 및 공구 홀더(14)는 본 발명의 "보존유지부"에 대응한다.

또한, 공구는 여러 가지 형상의 것이 준비되어 있으며, 목적으로 하는 가공 형태에 따라서 착탈가능하게(着脫自在; detachable) 구성되어 있다. 구체적으로는, 후술하는 바와 같이, 피가공물 W의 표면을 경면(鏡面) 가공하는 경우에는 선단이 일정한 곡률로 형성된 경면 가공용 공구(29)(도 4의 (a) 참조)가 이용되고, 피가공물 W의 표면에 미세한 3차원 형상을 형성하는 경우에는, 상술한 바와 같은 선단이 예리한 절삭날(12)을 가지는 공구(이하, "마이크로 공구"라고도 한다)(2)가 이용된다.

공구(2)는, 나사 등의 고정 방법에 의해서, 공구 홀더(14)에 보존유지 되어 있다. 공구 홀더(14)는 L자 형상을 가지지만, 이것에 한정되지 않는다. 또, 생크(13)와 공구 홀더(14)가 일체로 된 구성으로 할 수도 있다. 또, 생크(13)나 공구 홀더(14)가 없는, 절삭날(12)만의 구성이더라도 좋다. 이상, 절삭날(12), 생크(13) 및 공구 홀더(14)에 의해, 본 발명의 "가공부"가 구성된다.

힘 센서(6)는, 절삭날(12)과 예부하 기구(5) 사이에 설치되어 있다. 본 실 시형태에서는, 힘 센서(6)는, 공구 홀더(14)와 헤드 부재(10) 사이에 설치되어 있다. 힘 센서를 절삭날(12)와 예부하 기구(5) 사이에 설치하는 것에 의해, 액추에이터(3)의 구동시에 탄성 부재(11)에서 생긴 반력이, 힘 센서(6)에 의해서 검출되는 일이 없어져, 힘 센서(6)에서의 힘 검출 감도를 높일 수가 있다.

힘 센서(6)는, 중심부가 액추에이터(3)의 축심부의 연장선상에 위치하도록, 헤트 부재(10)의 볼록부(10a)의 표면에 설치된다. 또한, 힘 센서(6)는, 헤드 부재(10)의 표면에 설치되는 구성에 한정되지 않고, 예를 들면 헤드 부재(10)의 표면에 매설하는 구성이더라도 좋다.

힘 센서(6)는, 고(高)강성이나 응답성이 뛰어난 압전 소자로 구성되며, 특히 본 실시형태에서는, 압전 소자(PZT)의 적층체로 구성되어 있다. 힘 센서(6)의 출력은, 제어부(15)에 공급된다. 또한, 힘 센서(6)의 검출 정밀도를 높이기 위해서, 해당(當該; 그) 힘 센서(6)를 구성하는 압전 소자는, 예하중이 부여된 상태로 설치되는 것이 바람직하다.

힘 센서(6)는, 웨이브 워셔로 이루어지는 탄성 부재(11)보다도 작은 외형 치수로 형성되어 있다. 이 구성에 의해, 가공시에 있어서 절삭날(12)을 중심으로 하는 모멘트에 의한 영향을 받기 어렵게 하여, 힘 센서(6)에서의 힘 검출 정밀도를 높일 수가 있다.

여기서, 힘 센서(6)로서 시판되고 있는 압전 소자를 사용하는 경우에는 통상, 힘의 검출 감도가 불명확하기 때문에, 감도의 교정(校正)이 필요하다. 교정 방법으로서는, 예를 들면 이하의 방법이 있다.

즉, 예하중이 부여된 해당 압전 소자에, 그 예하중을 해방(解放; release)하도록 추(分銅)를 매달아 해당 예하중을 감소시킨다. 해당 압전 소자의 출력이 안정된 후, 추를 한꺼번에 들어올려, 감소된 예하중을 해당 압전 소자에 다시 부여한다. 그리고, 이 압전 소자에서 발생한 전하(전압)를 소정의 증폭률로 증폭해서 계측한다. 이 작업을 추의 질량을 바꾸어 복수회(여러번) 실행하고, 도 2에 도시하는 바와 같이, 추의 질량과 압전 소자의 출력 전압의 관계를 구한다. 압전 소자의 감도는, 도 2에 도시된 근사 직선의 기울기에 상당한다. 도 2의 예에서는, 압전 소자의 감도는 약 445㎷/N이다.

한편, 변위 센서(7)는, 제2 뚜껑 부재(9)의 기둥모양부(9a)의 선단에 설치되어 있다. 기둥 모양부(9a)는 센서 홀더로서 구성되어 있으며, 축심부에 관통구멍(9b)을 가지고 있다. 변위 센서(7)는, 헤드 부재(10)의 배면 중심부와 대향하도록 관통구멍(9b)의 단부(端部; end portion)에 부착되어 있다. 본 실시형태에 있어서, 변위 센서(7)는, 정전 용량형 변위계로 구성되어 있다. 변위 센서(7)의 출력은, 제어부(15)에 공급된다.

다음에, 제어부(15)에 대해서 상세하게 설명한다.

제어부(15)는, 펑션 제네레이터(function generator)(16)와, 록인(lock-in) 앰프(17)와, 변위 센서 앰프(18)와, 컴퓨터(19)와, PZT 구동 회로(20)를 가지고 있다.

펑션 제네레이터(16)는, 액추에이터(3)를 미소한 진폭으로 진동시키는 정현파 신호를 생성하고, 생성된 정현파 신호를 록인 앰프(17) 및 PZT 구동 회로(20)에 입력한다. PZT 구동 회로(20)는, 펑션 제네레이터(16)로부터의 정현파 신호에 의거하여, 액추에이터(3)를 미소한 진폭으로 진동시키기 위한 구동 신호를 생성하고, 액추에이터(3)에 입력한다. 또한, 이 액추에이터(3)의 미소 진동 방향은, 액추에이터(3)의 축방향(도 1에서 X축 방향)이다.

록인 앰프(17)는, 펑션 제네레이터(16)와 차지 앰프(21)에 접속되어 있다. 록인 앰프(17)는, 차지 앰프(21)를 거쳐서 힘 센서(6)의 AC 출력을 검파하고, 펑션 제네레이터(16)로부터 입력된 정현파 신호의 주파수와 동일한 주파수의 출력 신호를 증폭한다. 증폭된 힘 센서(6)의 출력 신호는, A/D 변환 보드(22)를 거쳐서 컴퓨터(19)에 입력된다.

A/D 변환 보드(22)는, 컴퓨터(19)에 부착되고, 록인 앰프(17) 및 변위 센서 앰프(18)에 접속되어 있다. A/D 변환 보드(22)는, 록인 앰프(17)에 의해 증폭된 힘 센서(6)의 출력 신호 및, 변위 센서 앰프(18)에 의해 증폭된 변위 센서(7)의 출력 신호를 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환해서, 컴퓨터(19)에 송신한다.

컴퓨터(19)는, 소정의 연산기 및 메모리를 내장하고, 힘 센서(6)의 출력 신호 및 변위 센서(7)의 출력 신호에 의거하여, 여러 가지 해석을 실시가능하게 되어 있다. 구체적으로, 피가공물 W의 표면에의 절삭날(12)의 접촉 상태 검출, 절삭력 검출, 표면 가공 형상의 검출 등이다. 컴퓨터(19)에는 도시하지는 않았지만, 해석 결과를 표시하는 디스플레이가 접속되어 있다. 또한, 컴퓨터(19)는, 본 발명의 "검출 수단"의-구체적인 예이다.

컴퓨터(19)에는, 피가공물 W의 표면에 형성해야 할 3차원 미세 형상의 가공 프로파일이 기억되어 있다. 컴퓨터(19)는, PZT 구동 회로(20)에 대해서 액추에이터(3)를 그의 축방향(도 1에서 X축 방향)으로 신축시킴으로써, 공구(2)를 피가공물 W의 표면에 접근시키거나 혹은 멀어지게 하는 제어를 행한다. 그 제어 신호는, 컴퓨터(19)로부터 D/A 변환 보드(23), 가산기(24)를 거쳐서 PZT 구동 회로(20)에 입력된다. 액추에이터(3)의 신축 제어를 상기 가공 프로파일에 의거하여 행하는 것에 의해, 피가공물 W의 표면에 소정의 3차원 미세 형상이 형성된다. 또한, 이 액추에이터(3)의 신축량은, 탄성 부재(11)의 탄성 변형량의 범위로 된다.

D/A 변환 보드(23)는, 컴퓨터(19)에 부착되고, 가산기(24)에 접속되어 있다. D/A 변환 보드(23)는, 컴퓨터(19)로부터 송신된 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하여 가산기(24)에 입력한다. 가산기(24)는, D/A 변환 보드(23)로부터의 출력 신호와, 펑션 제너레이터(16)로부터의 출력 신호를 가산해서, PZT 구동 회로(20)에 입력한다.

한편, 액추에이터(3)로서 이용하고 있는 압전 소자(PZT)는, 비선형의 전압-변위 특성을 나타낸다. 원인의 하나는 히스테리시스이다. 이것은 전압에 대한 변위의 응답이 선형이 아니며, 또 전압의 상승시와 하강시에서 일치하지 않는다는 현상이다. 다른 하나의 원인은, 크리프(creep)이다. 이것은 일정 전압을 인가해서, 일정 위치를 보존유지하려고 해도, 시간과 함께 변위가 천천히 변화해 버리는 현상이다. 이 때문에, 공구의 위치를 검출하여, 피드백 제어를 행할 필요가 있다.

이 경우, 도 3에 도시하는 바와 같이, PZT 구동 회로(20)와 D/A 변환 보드(23) 사이에 PID 컨트롤러(25)를 설치하는 것에 의해, 변위 센서(7)에 의해 계측 된 공구(2)의 변위에 의거하여 액추에이터(3)의 구동을 피드백 제어하는 것이 가능해진다. 또한, 도 3에서, 펑션 제너레이터(16), 록인 앰프(17), 차지 앰프(21) 및 A/D 변환 보드(22)의 도시는 생략하고 있다.

PID 컨트롤러(25)는, D/A 변환 보드(23)로부터의 출력 신호와 변위 센서 앰프(18)로부터의 출력 신호를 비교 연산하는 비교기(26)와, 비례 제어 블록(27a), 적분 제어 블록(27b) 및 미분 제어 블록(27c)로 이루어지는 PID 제어부(27)와, 각 제어 블록(27a∼27c)의 출력 신호를 가산하는 가산기(28)를 가진다.

도 3에 도시하는 제어부(15)는, PID 컨트롤러(25)가, 컴퓨터(19)로부터의 지령값과 변위 센서(7)의 출력 신호를 비교 연산하고, PZT 구동 회로(20)에 제어 신호를 송신하는 것에 의해서, 액추에이터(3)의 구동을 피드백 제어하는 것이 가능하게 되어 있다. 또한, PID 컨트롤러(25)는, 본 발명의 "제어 수단"의 1구성예이다.

이상과 같이 구성되는 이 실시형태의 가공 장치(1)는, 도시하지 않은 XYZ 스테이지 위에 설치되어 있으며, 피가공물 W에 대해서 도 1에 도시하는 X축 방향, Y축 방향 및 Z축 방향(높이 방향)으로 각각 이동가능하게 구성되어 있다. 가공 장치(1)는, 상기 XYZ 스테이지에 의해서, 피가공물 W의 표면의 임의의 가공 위치로 이동된다. 피가공물 W는, 그의 축심 Wa를 중심으로 회전 구동된다. 또한, 상기 XYZ 스테이지 대신에, XY 스테이지를 채용해도 좋다. 이 경우, 피가공물 W는 가공 장치(1)에 대해서 Z축 방향으로 상대 이동된다.

다음에, 이상과 같이 구성되는 이 실시형태의 가공 장치(1)의 작용에 대해서 설명한다.

가공 장치(1)는, 도시하지 않은 XYZ 스테이지 위에서, 피가공물 W의 표면의 가공 위치로부터 X축 방향으로 일정 이상 떨어진 위치에서 정지(靜止; rest)된다. 다음에, 이하의 수순(procedure)으로, 가공 장치(1)에 의한 피가공물 W의 가공이 행해진다.

도 4의 (a)∼(c)는 가공 장치(1)에 의한 피가공물 W의 가공 수순을 도시하는 개략도이다. 피가공물 W는 선반의 스핀들 R에 부착된다. 피가공물 W의 축심 Wa는 스핀들 R의 축심과 일치하고 있다.

[경면 가공]

도 4의 (a)에 도시하는 바와 같이, 우선, 가공 장치(1)에는, 곡률 반경이 2.0㎜인 경면 가공용 공구(29)가 부착된다. 그리고, 피가공물 W를 그의 축심 Wa를 중심으로 해서 소정의 회전수로 회전시키고, 경면 가공용 공구(29)를 이용하여 피가공물 W의 표면을 경면모양으로 가공한다.

경면 가공 공정은, 피가공물 W의 표면이 거칠어져 있으며, 그대로는 3차원 미세 형상의 가공에 적합하지 않은 경우에, 피가공물 W의 표면을 평활하게 하는 목적으로 실시된다. 또한, 경면 가공 공정에서는, 마모하기 어렵고, 비교적 큰 선단 반경을 가지는 공구를 이용하여, 경면 가공후의 피가공물 표면의 면 거칠음(粗度)를 작게 하는 것이 바람직하다.

다음에, 도 4의 (b), (c)에 도시하는 바와 같이, 공구(29) 대신에, 선단이 예리한 절삭날(12)을 가지는 마이크로 공구(2)를 가공 장치(1)에 부착해서, 피가공물 W의 표면에 3차원 형상을 가공한다.

도 4의 (b)는, 피가공물 W에 대한 공구(2)의 접촉상태(in-contact state) 검출 공정을 도시하는 것이다. 공구(2)와 피가공물 W와의 접촉은, 힘 센서(6)에 의해서 검출된다. 그 검출 방법을 이하에 설명한다. 또한, 접촉상태 검출 공정에서는, 피가공물 W의 회전은 정지(停止)된다.

[접촉상태 검출]

도 1을 참조하여, 우선, 펑션 제네레이터(16)에서 생성된 임의의 주파수의 정현파 신호(전압 신호)가 PZT 구동 회로(20)를 통해서 액추에이터(3)에 입력된다. 이것에 의해, 액추에이터(3)는, X축 방향으로 상기 주파수로 진동된다. 공구(2)가 고정되어 있는 헤드 부재(10)는, 액추에이터(3)와 일체적으로 접촉하고 있기 때문에, 액추에이터(3)의 신축은 헤드 부재(10)를 거쳐서 공구(2)에 미소 진폭의 진동 변위를 부여한다.

다음에, 부여된 공구(2)의 진동 성분이, 공구(2)와 헤드 부재(10) 사이에 설치된 힘 센서에 의해서 검출된다. 그 검출 신호는, 차지 앰프(21)로 보내지고, 차지 앰프(21)로부터 그 주파수의 신호와 노이즈 성분을 포함하는 신호가 록인 앰프(17)로 출력된다. 한편, 펑션 제네레이터(16)에서 생성된 정현파 신호가 록인 앰프(17)에 입력된다. 록인 앰프(17)에서는, 펑션 제네레이터(16)로부터의 정현파 신호가 참조 신호로서 이용되며, 이것에 의해 힘 센서(6)의 출력 신호로부터 노이즈 신호가 제거된다.

록인 앰프(17)의 출력은, A/D 변환 보드(22)를 거쳐서 컴퓨터(19)에 입력된다. 록인 앰프(17)의 출력의 크기는, 힘 센서(6)의 진폭에 비례한다. 컴퓨터919) 는, 이 때의 힘 센서(6)의 검출 신호를, 공구(2)가 피가공물 W와 접촉하기 전의 신호(이하, "공회전(空振; idle; 헛돎) 신호」라고도 한다) Sw로서 기억하고, 처리한다.

다음에, XYZ 스테이지에 의해서 가공 장치(1)를 X방향으로 이동시키고, 공구(2)를 피가공물 W에 접근시킨다. 공구(2)가 피가공물 W에 접촉하면, 이 때의 힘 센서(6)의 출력이 록인 앰프(17)로부터 컴퓨터(19)에 송신된다. 측정된 힘 센서(6)의 진폭은, 접촉전보다도 커지고, 록인 앰프(17)의 출력이 상승한다. 도 5는, 공구(2)가 피가공물 W와 접촉했을 때의 록인 앰프(17)의 출력 신호의 1예를 도시하는 것이다. 도 5로부터, 접촉시에 록인 앰프(17)의 출력이 상승하고 있다는 것을 알 수 있다.

컴퓨터(19)는, 이 록인 앰프(17)의 출력으로부터, 공구(2)와 피가공물 W의 접촉을 검출한다. 피가공물 W에 대한 공구(2)의 접촉 위치는, 컴퓨터(19)에 의해 기억된다. 이것에 의해, 공구(2)와 피가공물 W의 초기 위치가 설정된다. 본 실시형태에 따르면, 힘 센서(6)와 록인 앰프(17)에 의해 구동 주파수 성분만이 고감도로 검출되기 때문에, 접촉점의 위치가 고감도로 측정된다.

[미세 형상 가공]

계속해서, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 피가공물 W의 표면에 3차원 미세 형상을 가공한다.

우선, 공구(2)를 피가공물 W와의 접촉 위치로부터 소정량만큼 이간시킨(떨어트린) 후, 스핀들 R을 구동하여 피가공물 W를 회전시킨다. 스핀들 R에는, 도시하 지는 않지만 로터리 인코더(rotary encoder)가 설치되어 있다. 로터리 인코더의 펄스 신호는, 가공 장치(1)의 제어부(15)를 구성하는 컴퓨터(19)에 입력된다.

다음에, 액추에이터(3)의 구동에 의해 공구(2)를 미소 진동시키면서, 상기 접촉상태 검출 공정에서 검출된 접촉 위치로 공구(2)를 이동시킨다. 컴퓨터(19)는, 로터리 인코더로부터 입력되는 펄스 신호를 클럭으로 해서, 기억되어 있는 가공 프로파일에 의거하여, 액추에이터(3)를 신축 이동시킨다. 이것에 의해, 도 4의 (c)에 도시하는 바와 같이, 피가공물 W의 표면에 대한 절삭 가공이 행해진다. 또, 피가공물 W에 대해서 공구(2)를 피가공물 W의 축방향으로 상대 이동시키는 것에 의해, 피가공물 W의 길이 방향(도 1에서 Z축 방향)에 걸쳐서 소정의 미세 형상을 형성할 수가 있다.

본 실시형태에서는, 복수 단계로 나누어 피가공물 W의 표면에 소정의 3차원 미세 형상을 가공한다. 예를 들면, 피가공물 W의 원주 방향을 따라서 홈형상을 복수열 형성하는 경우, 각 열의 홈 가공이 복수회로 나누어 실시된다. 구체적으로는, 각 열에서 원주 방향으로 소정 길이의 패턴 P(도 4의 (c) 참조)를 소정 피치로 형성한 후, 동일열 위에 위치하는 패턴 P 사이에 다시(재차) 동일한 패턴을 형성함으로써, 원주 방향으로 연속하는 홈을 형성한다.

또한, 상기의 예에 한정되지 않고, 예를 들면 복수의 공구를 동시에 사용하는 등 해서, 소정의 3차원 미세 형상을 피가공물 W의 표면에 일시에 형성하는 것도 가능하다.

[절삭력의 검출]

피가공물 W의 가공 공정에서는, 공구(2)에 가해지는 절삭력이 검출된다. 이하, 절삭력의 검출 방법에 대해서 설명한다. :

도 1을 참조하여, 피가공물 W의 가공중에 측정된 힘 센서(6)의 출력은, 차지 앰프(21), 록인 앰프(17) 및 A/D 변환 보드(22)를 거쳐서 컴퓨터(19)에 입력된다. 컴퓨터(19)는, 이 때의 힘 센서(6)의 검출 신호를, 피가공물 W의 가공중에 측정된 신호(이하, "측정 신호"라고도 한다) Sp 로서 기억하고, 처리한다.

절삭력은, 공구(2)의 절삭날(12)의 형상을 피가공물 W에 전사(轉寫)할 때에 생기는 힘이다. 따라서, 가공중에 측정된 힘의 출력으로부터 공회전 구동중에 측정된 힘의 출력을 줄임으로써, 절삭력이 구해진다. 즉, 측정 신호 Sp로부터 공회전 신호 Sw의 성분을 빼는(차감하는) 것에 의해, 피가공물 W에 대한 공구(2)의 절삭력에 상당하는 신호(이하, "절삭력 신호"라고도 한다) Sc가 요구된다. 절삭력은, 컴퓨터(19)에 의해서 연산된다.

도 6은, 측정 신호 Sp와 공회전 신호 Sw와 절삭력 신호 Sc와의 관계를 도시하는 힘 센서(6)의 출력의 1예이다. 절삭력 신호 Sc는, 측정 신호 Sp와 공회전 신호 Sw의 차분이 클수록 높은 정밀도로 검출하는 것이 가능해진다. 따라서, 공회전 신호 Sw의 출력은 작을수록, 절삭력은 고정밀도로 검출된다.

본 실시형태에 따르면, 상술한 바와 같이, 힘 센서(6)가 공구(2)와 헤드 부재(10) 사이에 배치되어 있으므로, 힘 센서(6)는, 공구(2)의 관성 질량에 의거하는 힘 성분만을 검출하게 된다. 이것에 의해, 비가공시에 검출되는 힘 센서(6)의 출력(공회전 신호 Sw)을 작게 할 수 있기 때문에, 가공시에 검출되는 힘 센서(6)의 출력(측정 신호 Sp)과의 차분이 커져, 절삭력 신호 Sc의 검출 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.

[본 실시형태의 효과]

이하, 도 7 및 도 8에 도시하는 가공 장치의 구성예와 비교한 본 실시형태의 효과에 대해서 설명한다.

도 7은, 비교예 1에 관계된 가공 장치(31)의 구성을 도시하는 개략 단면도이다. 도 8은, 비교예 2에 따른 가공 장치(32)의 구성을 도시하는 개략 단면도이다. 또한, 도 7 및 도 8에서 도 1과 대응하는 부분에 대해서는 각각 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

도 7에 도시하는 가공 장치(31)에 있어서, 힘 센서(33)는, 공구(2)를 지지하는 헤드 부재(10)와 액추에이터(3) 사이에 설치되어 있다. 도 8에 도시하는 가공 장치(32)에 있어서, 액추에이터(3)를 수용하는 케이싱 본체(4)는, 베이스(34)에 대해서 복수개의 나사 부재(35)를 거쳐서 고정되어 있다. 힘 센서(36)는, 케이싱 본체(4)와 베이스(34) 사이에 설치되어 있으며, 나사 부재(35)의 조임력에 의해서 힘 센서(36)의 예하중량(豫荷重量)이 설정되어 있다.

도 9는, 비교예 1에 따른 가공 장치(31)의 힘 센서(33)가 출력하는 공회전 신호(센서 Ⅰ)와, 비교예 2에 따른 가공 장치(32)의 힘 센서(36)가 출력하는 공회전 신호(센서 Ⅱ)를 각각 도시하고 있다.

비교예 2에 따른 가공 장치(32)에 있어서는, 힘 센서(36)가 베이스(34)와 케이싱 본체(4) 사이에 설치되어 있기 때문에, 공구(2)의 미소 진동시에, 공구(2) 뿐 만 아니라, 이것을 지지하는 액추에이터(3), 나아가서는 액추에이터(3)를 수용하는 케이싱 본체(4) 등을 포함하는 관성계(慣性系)에 작용하는 힘을 검출하게 된다. 다시말해, 공구(2) 이외에도, 액추에이터(3)나 케이싱 본체(4)의 질량 성분에 의거하는 힘도 동시에 검출된다. 그 결과, 도 9에 도시하는 바와 같이, 힘 센서(36)의 출력(센서 Ⅱ)은 노이즈가 중첩된 파형으로 되어, 정밀도가 높은 힘 검출이 곤란한 상태에 있다.

한편, 비교예 1에 따른 가공 장치(31)에 있어서는, 힘 센서(33)가 탄성 부재(11)와 액추에이터(30 사이에 설치되어 있기 때문에, 공구(2)의 미소 진동시에, 케이싱 본체(4)나 액추에이터(3)의 질량 성분에 의거하는 힘을 포함하지 않는 힘 검출이 가능해진다. 그 결과, 도 9에 도시하는 바와 같이, 힘 센서(33)의 출력(센서 Ⅰ)을, 힘 센서(36)의 출력(센서 Ⅱ)에 비해서, 보다 고감도로 검출하는 것이 가능하다.

그렇지만, 비교예 1에 따른 가공 장치(31)에 있어서는, 힘 센서(33)는, 탄성 부재(11)와 액추에이터(3) 사이에 설치되는 구성이기 때문에, 공구(2)의 절삭력 뿐만 아니라, 탄성 부재(11)의 반력도 동시에 검출해 버린다. 이 때문에, 공회전 신호 Sw의 출력이 커진다는 불합리함(不都合; inconvenience)이 있다. 측정 신호 Sp는, 피가공물의 경도(硬度)가 높을수록 큰 출력이 얻어지지만, 피가공물이 구리나 알루미늄 등의 비교적 연질의 재료인 경우에는 큰 출력이 얻어지지 않는다.

따라서, 연질의 피가공물을 가공하는 경우에는, 공회전 신호 Sw의 출력이 크면, 측정 신호 Sp와 차분을 취할 수 없어, 소망으로 하는 절삭력 신호 Sc를 얻을 수 없을 우려가 있다. 도 10은, 그의 1예를 도시하는 것이다. 공회전 신호 Sw(파선)와 측정 신호 Sp(일점 쇄선)가 거의 동일한 출력으로 된 결과, 절삭력 신호 Sc(실선)를 고정밀도로 검출할 수가 없다.

이것에 대해서, 이 실시형태의 가공 장치(1)에 있어서는, 힘 센서(6)가 공구(2)와 헤드 부재(10) 사이에 설치되어 있기 때문에, 탄성 부재(11)의 반력의 영향을 받는 일은 없다. 했따라서, 이 실시형태에 따르면, 공회전 신호 Sw의 출력을 비교예 1 및 비교예 2보다도 작게 하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 가공중인 측정 신호 Sp와 공회전 신호 Sw와의 차분을 크게 취하는 것이 가능해지므로, 이들 2개의 신호의 차로서 추출되는 절삭력 신호 Sc를 고정밀도로 검출하는 것이 가능해진다.

도 11의 (a) 및 (b)는, 표면에 Ni-P(니켈-인) 도금이 실시된 피가공물에 대한 가공 장치(1)의 힘 센서(6)의 출력(공회전 신호 Sw, 측정 신호 Sp 및 절삭력 신호 Sc)의 1예를 도시하는 것이다. 여기서, 도 11의 (a)에는, 평활한 (형상 가공하기 전의) 피가공물의 표면을 절삭하는 경우를 도시하고, 도 11의 (b)에는, 형상 가공한 피가공물의 표면을 또 적삭하는 경우를 도시하고 있다. 절삭력(도면에서의 "Trust force")은, 도 11의 (a)의 예에서는 0.34[N], 도 11의 (b)의 예에서는 0.43[N]이다.

또, 도 12의 (a) 및 (b)는, Al(알루미늄)제의 피가공물에 대한 가공 장치(1)의 힘 센서(6)의 출력(공회전 신호 Sw, 측정 신호 Sp 및 절삭력 신호 Sc)의 1예를 도시하는 것이다. 여기서, 도 12의 (a)에는, 평활한 (형상 가공하기 전의) 피가공 물의 표면을 절삭하는 경우를 도시하고, 도 12의 (b)에는, 형상 가공한 피가공물의 표면을 또 절삭하는 경우를 도시하고 있다. 절삭력(도면에서의 "Trust force")는, 도 12의 (a)의 예에서는 0.15[N], 도 12의 (b)에서는 0.12[N]이다.

또, 도 13의 (b) 및 (b)는, Cu(구리)제의 피가공물에 대한 가공 장치(1)의 힘 센서(6)의 출력(공회전 신호 Sw, 측정 신호 Sp 및 절삭력 신호 Sc)의 1예를 도시하는 것이다. 여기서, 도 13의 (a)에는, 평활한 (형상 가공하기 전의) 피가공물의 표면을 절삭하는 경우를 도시하고, 도 13의 (b)에는, 형상 가공한 피가공물의 표면을 또 절삭하는 경우를 도시하고 있다. 절삭력(도면에서의 "Trust force")은, 도 13의 (a)의 예에서는 0.08[N], 도 13의 (b)의 예에서는 0.11[N]이다.

도 11∼도 13에 도시한 바와 같이, 이 실시형태에 따르면, 측정 신호 Sp와 공회전 신호 Sw와의 차분을 크게 취할 수 있으므로, 절삭력 신호 Sc의 신호를 고정밀도로 검출할 수가 있다. 또, 도 11∼도 13의 각 도면의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 피가공물의 표면 상태(평활면 또는 요철면(凹凸面; concavoconvex surface))에 따른 절삭력의 차이도 고정밀도로 검출할 수가 있다. 이것에 의해, 가공중의 절삭력을 고정밀도로 측정할 수 있어, 피가공물의 표면에 미세한 3차원 형상을 고정밀도로 제작하는 것이 가능해진다.

또, 본 실시형태에 따르면, 공회전 신호 Sw를 측정 신호 Sp보다도 충분히 작게 억제할 수 있으므로, 알루미늄이나 구리 등의 비교적 연질의 피가공물에 대해서도, 측정 신호 Sp와 공회전 신호 Sw 사이에 소정 이상의 출력차를 확보할 수가 있다. 이것에 의해, 도 12 및 도 13에 도시한 바와 같이, 가공중의 절삭력을 고정밀 도로 검출하는 것이 가능하다.

(제2 실시형태)

다음에, 도 14 및 도 15를 참조하여 본 발명의 제2 실시형태에 대해서 설명한다. 도 14의 (a) 및 (b)와 도 15의 (a) 및 (b)는, 이 실시형태의 가공 장치에서의 가공부(공구) 주변의 개략 구성을 도시하는 측면도이다. 또한, 그 이외의 구성은 상술한 제1 실시형태와 마찬가지이므로, 그의 도시는 생략하고 있다. 또, 각 도면에서 상술한 제1 실시형태와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 실시형태에서는, 절삭날(12), 생크(13) 및 공구 홀더(14)에 의해서 구성되는 가공부의 구성내에 힘 센서(6)가 설치되어 있는 점에서, 상술한 제1 실시형태와는 다르다.

구체적으로, 도 14의 (a)에 도시하는 구성의 가공 장치에서는, 공구(2)를 보존유지하는 공구 홀더(14)의 내부에 힘 센서(6)가 매설되어 있다. 공구 홀더(14)는, L자 형상을 가지고 있으며, 생크(13)와 헤드 부재(10) 사이에 위치하는 제1 암부(14a)와, 이 제1 암부(14a)와 직교하고 생크(13)를 지지하는 제2 암부(14b)를 가지고 있다. 센서(6)는, 제1 암부(14a)에 매설되어 있다.

이 구성에서도 상술한 제1 실시형태와 마찬가지 작용 및 효과를 얻을 수가 있다. 또, 공구 홀더(14)와 힘 센서(6)를 일체화할 수 있으므로, 해당 가공 장치의 가공부 주변의 부품 점수의 삭감을 도모하는 것이 가능해진다.

도 14의 (b)에 도시하는 구성의 가공 장치에서는, 공구(2)를 구성하는 생 크(13)의 내부에 힘 센서(6)가 매설되어 있다. 이 구성에 의하면, 힘 센서(6)는, 절삭날(12) 및 일부의 생크(13)의 질량 성분에 의거하는 힘만을 검출하는 것이 가능해지므로, 제1 실시형태에 비해, 공구(2)의 공회전 신호 Sw의 출력을 더욱더 억제해서, 절삭력 신호 Sc의 검출 정밀도의 더 높은 고정밀도화를 실현할 수가 있다.

한편, 도 15의 (a) 및 (b)에 도시하는 구성의 가공 장치에서는, 공구(2)를 구성하는 절삭날(2)과 생크(13) 사이에 힘 센서(6)가 설치되어 있다. 특히, 도 15의 (a)의 구성에서는, 힘 센서(6)의 일단부(一端部)가 절삭날(12)의 기단부(基端部; base portion)에 접속되고, 힘 센서(6)의 바닥면(底面)의 일부가 생크(13)의 상면에 접합되어 있다. 또, 도 15의 (b)의 구성에서는, 힘 센서(6)의 상면에 절삭날(12)의 하면이 접합되고, 힘 센서(6)의 하면이 생크(13)의 상면에 접합되어 있다. 또한, 도시하지는 않지만, 생크(13)와 공구 홀더(14) 사이에 힘 센서(6)를 배치해도 좋다.

도 15에 도시한 구성에 의하면, 힘 센서(6)에 의해 검출되는 힘 신호는, 실질적으로 절삭날(2)에 작용하는 관성력만으로 된다. 그 결과, 도 14에 도시한 구성에 비해, 공구(2)의 공회전 Sw의 더 높은 저출력화를 실현할 수 있고, 절삭력의 검출 정밀도의 더 높은 고정밀도화를 도모하는 것이 가능해진다.

(제3 실시형태)

도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 가공 장치(41)의 구성을 도시하는 측단면도이다. 또한, 도면에서 상술한 제1 실시형태와 대응하는 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.

이 실시형태의 가공 장치(41)는, 공구(2)를 지지하는 헤드 부재(10)가 제1 헤드 부재(10a)와 제2 헤드 부재(10b)의 2분할 구조를 가지고 있다. 제1 헤드 부재(10a)는 공구(2)를 지지하고, 제2 헤드 부재(10b)는 액추에이터(3)의 단부에 일체적으로 고정되어 있다. 그리고, 이들 제1 헤드 부재(10a)와 제2 헤드 부재(10b) 사이에는, 힘 센서(6)가 설치되어 있다.

힘 센서(6)는, 압전 소자로 구성되어 있다. 힘 센서(6)의 중심부에는, 제1 헤드 부재(10a)와 제2 헤드 부재(10b)를 일체적으로 고정하는 나사 부재(44)의 축부가 관통하는 관통구멍이 형성되어 있으며, 이 나사 부재(44)의 조임력에 의해서, 힘 센서(6)의 예하중량이 설정된다. 나사 부재(44)는, 힘 센서(6)를 헤드 부재(10)에의 누름(押付; pressing) 기구를 구성하고 있다. 또한, 나사 부재(44)의 축심 위치는, 액추에이터(3)의 축심 위치와 일치하고 있다.

케이싱 본체(4)의 선단부에는, 제2 헤드 부재(10b)를 액추에이터(3)의 단부에 대해 강압하는 예부하 기구가 설치되어 있다. 이 예부하 기구는, 케이싱 본체(4)의 개구단(開口端)에 부착되고, 중심부에 제1 헤드 부재(10a)가 삽입관통되는 가이드구멍(42a)이 형성된 가이드 부재(42)와, 이 가이드 부재(42)와 제2 헤드 부재(10b) 사이에 설치된 탄성 부재(11)를 구비하고 있다.

탄성 부재(11)는, 힘 센서(6)의 외형 치수보다도 큰 내경을 가지는 웨이브 워셔로 구성되어 있다. 탄성 부재(11)의 탄성력에 의해서, 액추에이터(3)에 소정의 예하중이 부여된다. 또한, 가이드 부재(42)는, 케이싱 본체(4)의 측면둘레부(側周部; circumferential side portion)에 복수 형성된 나사 수용 구멍을 거쳐서 가이드 부재(42)의 측면둘레부에 결합된 복수의 나사 부재(43)에 의해서, 케이싱 본체(4)에 고정되어 있다. 또한, 상기 나사 수용 구멍의 내경은, 나사 부재(43)의 머리부분(頭部)과 거의 동등한 크기로 형성되어 있다.

가이드 부재(42)는, 그 가이드구멍(42a)에 삽입관통된 헤드 부재(10)를 액추에이터(3)의 신축(伸縮; extension/retraction) 구동에 의해서 나사 부재(44)의 축방향으로 소정 길이(거리)만큼 슬라이드가능하게 지지하고 있다. 헤드 부재(10)의 슬라이드량은, 탄성 부재(11)의 탄성 변형량의 범위내로 되어 있다. 이 실시형태에서는, 가이드구멍(42a)의 일부, 특히 제1 헤드 부재(10a)의 이동 안내부를, 가이드 부재(42)에 장착(裝着; mount)한 부시(45)로 구성하고 있다. 부시(45)는 저(低)마찰의 합금 재료나 고무 재료로 구성할 수가 있다. 또한, 부시(45)를 생략하고, 가이드 부재(42)의 구성 재료로 제1 헤드 부재(10a)의 슬라이드면을 구성해도 좋다.

이상과 같이 구성되는 이 실시형태의 가공 장치(41)에서도, 상술한 제1 실시형태와 마찬가지 작용 및 효과를 얻을 수가 있다. 특히, 이 실시형태에 따르면, 나사 부재(44)의 조임력에 의해서 힘 센서(6)에 임의의 예하중을 설정할 수 있으므로, 힘 센서(6)의 안정된 힘 검출 신호를 얻을 수가 있다.

또, 본 실시형태에 따르면, 가이드 부재(42)에 의해서 헤드 부재(10)의 축 이동을 규제할 수 있으므로, 힘 센서(6)의 검출 정밀도를 높여 신뢰성이 높은 절삭력 측정이 가능해진다. 또, 힘 센서(6)가 탄성 부재(11)보다도 작은 외형 치수를 가지므로, 도 7을 참조하여 설명한 가공 장치(31)와 같이 탄성 부재(11)와 거의 동 등한 크기로 형성된 힘 센서(33)에 비해, 액추에이터(3)의 중심부에 관한 모멘트의 영향을 받기 어렵다(잘 받지 않는다). 이것에 의해, 힘 센서(6)에 의한 절삭력의 검출 정밀도의 향상을 도모할 수가 있다.

[피가공물의 구체예]

본 발명의 실시형태에 따른 가공 장치는, FPD나 태양전지 등의 분야를 비롯해서, 각종 분야에서 이용가능하다. 이 실시형태에서는, 액정 디스플레이(LCD)에 탑재(搭載; mount)되는 광학 시트(또는 광학 필름)를 제작할 때에 이용되는 성형 롤을, 본 가공 장치를 이용하여 형성할 수가 있다.

도 17은 광학 시트의 성형 장치(50)를 도시하는 개략 구성도이다. 이 성형 장치(50)는, 압출기(押出機; extruder)(51), T자 형상 다이(T-shaped die)(52), 성형 롤(53), 탄성 롤(54) 및 냉각 롤(55)을 구비하고 있다. 압출기(51)는, 호퍼(hopper)(도시하지 않음)로부터 공급된 수지 재료를 용융하고, T자 형상 다이(52)에 공급한다. T자 형상 다이(52)는, 압출기(51)로부터 공급된 수지 재료를, 성형하려고 하는 시트의 폭까지 넓혀서 토출(吐出; discharge)한다. T자 형상 다이(52)로부터 토출된 용융 수지는, 성형 롤(53)과 탄성 롤(54)에 의해 닙(nip)되어, 성형 롤(53)에 의해서 성형된다. 성형된 수지 시트는, 그 후 냉각 롤(55)에 의해서 냉각되고, 광학 시트(60)로서 연속적으로 형성된다.

성형 롤(53)은, 스텐레스제 본체의 표면에 NiP, Cu를 도금한 원기둥체(圓柱體; cylindrical body)이며, 그의 중심축을 회전축으로 해서 회전 구동가능하게 구성되어 있다. 성형 롤(53)의 원기둥면에는, 광학 시트(60)의 한 주면(主面)에 요 철 패턴을 전사하기 위한 미세 3차원 형상(도시 생략)이 설치되어 있다. 이 미세 형상은, 예를 들면 도 18의 (a)에 도시한 프리즘체(60P), 도 18의 (b)에 도시한 실린더리컬(원통형) 렌즈체(60L), 나아가서는 도시하지는 않지만 마이크로 렌즈체 등을 시트에 전사하기 위한 미세한 요철 형상이다. 또, 이 미세 형상은, 원기둥 형상을 가지는 성형 롤(53)의 둘레방향(周方向) 또는 축방향을 향해서 형성되어 있다.

광학 시트에는, 상기 프리즘체 또는 실린더리컬 렌즈체가, 예를 들면 수㎛∼수백㎛의 피치로 연속적으로 형성되어 있다. 액정 디스플레이의 백 라이트 광원으로부터의 광을 효율좋게 집광하기 위해서는, 이들 프리즘체 등이 소망하는(원하는) 광학 설계대로 제작될 필요가 있으며, 그러기 위해서는 성형 롤의 표면의 미세 형상이 소망한 배열로 형성되어 있는 것이 필수이다.

성형 롤(53)의 표면에의 요철 형상의 형성에는, 예를 들면 도 1에 도시한 바와 같은 본 발명에 따른 가공 장치(1)를 이용할 수가 있다. 공구(2)의 절삭날(12)로서는, 예를 들면 다이아몬드 바이트기 이용된다. 본 발명에 따르면, 성형 롤(53)의 가공시에 있어서, 공구(2)의 절삭력을 정확하게 측정하면서 미세 가공을 행할 수 있기 때문에, 미세 형상의 배열이 일그러지거나(왜곡되거나), 오목 형상의 계곡(谷; groove)의 깊이 또는 볼록 형상의 산(山; apex)의 높이에 편차가 생기거나 하는 것이 방지된다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시형태에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위내에서 여러 가 지 변경을 가할(실시할) 수 있는 것은 물론이다.

예를 들면, 이상의 실시형태에서는, 힘 센서(6)를 압전 소자로 구성했지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들면 일그러짐(歪; distortion) 게이지 등의 다른 검출기를 이용해도 상관없다. 마찬가지로, 액추에이터(3)를 압전 소자의 적층체로 구성했지만, 이것 대신에, 솔레노이드와 철심을 구비한 전자(電磁) 액추에이터를 이용해도 좋다.

또, 이상의 실시형태에서는, 본 발명에 따른 가공 장치를 피가공물의 표면에의 미세 형상의 가공에 이용하는 예를 설명했지만, 그 이외에도, 이하에 설명하는 바와 같은 용도에도 적용하는 것이 가능하다.

[공구의 마모나 파손의 검출]

본 발명에 따른 가공 장치(1)는, 고정밀도로 측정된 힘 센서(6)의 출력을 이용하는 것에 의해, 가공중의 절삭날(12)의 마모나 치핑(chipping) 등의 파손을 검출할 수가 있다. 이것에 의해, 공구(2)의 교체(取替) 판단이 용이해지며, 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.

[공구의 마모량 측정]

또, 본 발명에 따른 가공 장치(1)는, 절삭날(12)의 마모량도 측정할 수가 있다. 즉, 가공전에 행해지는 피가공물과 공구의 접촉상태 검출 공정에 있어서, 접촉 위치의 변화를 변위 센서(7)의 출력에 의거하여 검출함으로써, 공구(2)의 마모량을 측정할 수가 있다. 또, 마찬가지 방법에 의해, 공구(2)를 교환했을 때의 부착 오차나 공구(2)의 치수의 개체차 등에 따른 공구(2)의 선단 위치의 어긋남 량(deviation amount)을 구할 수가 있다.

[표면 가공 형상의 계측]

또, 본 발명에 따른 가공 장치(1)는, 힘 센서(6)의 계측값이 일정하게 되도록 제어부(15)에 의해 액추에이터(3)의 구동을 제어하는 것에 의해서, 변위 센서(7)의 변위로부터 피가공물 W의 표면 형상을 계측할 수가 있다. 또, 마찬가지 방법에 의해, 형상이 이미 알려진(旣知) 기준 시료를 사용하는 것에 의해서, 공구(2)의 선단 형상을 측정할 수가 있다.

[공구의 절삭 특성의 계측]

또, 고정밀도로 측정된 힘 센서(6)의 출력을, 직접 A/D 변환 보드(22)에 입력하는 것에 의해, 공구(2)의 절삭 특성을 조사할(알아볼) 수가 있다. 이것에 의해, 가공 조건을 최적화하거나, 가공의 형상 정밀도를 향상시킬 수가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 가공 장치의 개략 구성도,

도 2는 힘 센서의 감도의 측정예의 1실험 결과를 도시하는 그래프,

도 3은 도 1에 도시한 가공 장치의 구성의 변형예를 도시하는 도면,

도 4는 도 1에 도시한 가공 장치를 이용하는 피가공물(워크)의 가공 수순을 설명하는 도면,

도 5는 피가공물과 공구와의 접촉상태 검출 공정에서 측정된 힘 센서의 출력예를 도시하는 도면,

도 6은 힘 센서의 공회전시의 출력(공회전 신호)과 가공시의 출력(측정 신호)에 의거하여 절삭력을 산출하는 방법을 설명하는 도면,

도 7은 비교예 1에 따른 가공 장치의 구성을 도시하는 개략 단면도,

도 8은 비교예 2에 따른 가공 장치의 구성을 도시하는 개략 구성도,

도 9는 도 7에 도시한 가공 장치에서의 힘 센서의 출력과 도 8에 도시한 가공 장치에서의 힘 센서의 출력의 관계를 도시하는 도면,

도 10은 도 7에 도시한 가공 장치에서 발생할 수 있는 힘 센서의 출력예를 도시하는 도면,

도 11은 본 발명의 실시형태에 따른 가공 장치에서의 힘 센서의 출력예를 도시하는 도면,

도 12는 본 발명의 실시형태에 따른 가공 장치에서의 힘 센서의 다른 출력예를 도시하는 도면,

도 13은 본 발명의 실시형태에 따른 가공 장치에서의 힘 센서의 또 다른 출력예를 도시하는 도면,

도 14는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 가공 장치의 가공부의 구성예를 도시하는 도면,

도 15는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 가공 장치의 가공부의 다른 구성예를 도시하는 도면,

도 16은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 가공 장치의 구성을 도시하는 단면도,

도 17은 본 발명의 실시형태에 따른 가공 장치를 이용하여 가공된 성형 롤을 구비하는 광학 시트의 성형 장치의 개략 구성도,

도 18은 도 17에 도시한 성형 장치를 이용하여 제조된 광학 시트의 구성예를 도시하는 사시도.

Claims (10)

1. 절삭날(切刃; cutting edge)을 가지는 가공부와;

   상기 가공부를 미소(微小; microscopically) 진동시키도록 구성된 액추에이터와;

   상기 액추에이터를 수용하도록 구성된 케이싱과;

   상기 케이싱의 내부에 배치되고, 상기 액추에이터에 예하중(豫荷重; preload)을 부여하도록 구성된 예부하(豫負荷; preload) 기구와;

   상기 절삭날과 상기 예부하 기구 사이에 배치된 힘 센서와;

   상기 힘 센서의 출력에 의거하여 상기 가공부의 절삭력(cutting force)을 검출하는 검출 수단

   을 구비하는 가공 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 예부하 기구는,

   상기 액추에이터와 접촉하고, 상기 가공부와 함께 상기 케이싱에 대해서 상대 구동되는 헤드 부재와,

   상기 케이싱과 상기 헤드 부재 사이에 배치되고, 상기 헤드 부재를 상기 액추에이터에 대해 강압(押付; press; 밀어붙임, 꽉 누름)하도록 구성된 탄성 부재를 가지고,

   상기 힘 센서는, 상기 절삭날과 상기 헤드 부재 사이에 배치되어 있는 가공 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 가공부는, 상기 절삭날을 보존유지(保持; retain)하도록 구성된 보존유지부를 가지고,

   상기 힘 센서는, 상기 보존유지부와 상기 헤드 부재 사이에 배치되어 있는 가공 장치.
4. 제2항에 있어서,

   상기 가공부는, 상기 절삭날을 보존유지하도록 구성된 보존유지부를 가지고,

   상기 힘 센서는, 상기 절삭날과 상기 보존유지부 사이에 배치되어 있는 가공 장치.
5. 제2항에 있어서,

   상기 가공부는, 상기 절삭날을 보존유지하도록 구성된 보존유지부를 가지고,

   상기 힘 센서는, 상기 보존유지부에 매설(埋入; embed)되어 있는 가공 장치.
6. 제2항에 있어서,

   상기 탄성 부재는, 웨이브 워셔로 이루어지고,

   상기 힘 센서는, 상기 웨이브 워셔보다도 작은 외형 치수를 가지는 압전(壓電; piezoelectric) 소자로 이루어지는 가공 장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 케이싱에 대한 상기 가공부의 변위(displacement)를 검출하도록 구성된 변위 센서를 더 구비하는 가공 장치.
8. 제2항에 있어서,

   상기 가공부와 상기 힘 센서 사이에, 상기 힘 센서를 상기 헤드 부재에 대해 강압하도록 구성된 기구를 더 구비하는 가공 장치.
9. 제1항에 있어서,

   상기 검출 수단은, 상기 액추에이터를 구동하도록 구성된 구동 회로를 포함하는 가공 장치.
10. 절삭날을 가지는 가공부와;

    상기 가공부를 미소 진동시키도록 구성된 액추에이터와;

    상기 액추에이터를 수용하도록 구성된 케이싱과;

    상기 케이싱의 내부에 배치되고, 상기 액추에이터에 예하중을 부여하도록 구성된 예부하 기구와;

    상기 절삭날과 상기 예부하 기구 사이에 배치된 힘 센서와;

    상기 가공부의 변위를 검출하도록 구성된 변위 센서와;

    상기 힘 센서와 상기 변위 센서의 출력에 의거하여 상기 액추에이터를 구동하는 제어 수단

    을 구비하는 가공 장치.

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