JP4898310B2 - 微細形状加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物の表面に精密な微細形状を形成するための微細形状加工装置に関する。

従来、材料の表面に微細形状を加工する技術は、情報通信分野や液晶製造分野など多くの分野で用いられている。これらの産業において製品の小型化、高集積化、高精度化を達成するために、微細表面形状が高アスペクト比で高精度に形成されることが求められている。一方、ダイヤモンド切削は、仕上がり面が良いなど、微細表面形状を形成するのに適した特徴を持つため、高速工具位置決め装置とともに、これらの産業分野において主要な加工技術として用いられている（例えば、特許文献１参照）。

被加工物の表面に形成される微細表面形状は、工具刃先の大きさにより決まるため、高アスペクト比を実現するには、工具刃先を小さくしていく必要がある。しかし、特許文献１などの従来の装置では、工具刃先が微小になるほど、破損および摩耗のような形状精度に影響する問題が起こりやすい。その上、作業者が工具と被加工物との接触を目視で判断しにくくなるため、工具に余分な負荷がかかり、チッピングなどの破損や摩耗がさらに起こりやすくなるという問題もある。

また，特に液晶分野において、画面の大型化などに対応するために微細表面形状の大型化が求められている。微細表面形状の大型化により加工時間も長時間となるため、工具にかかる負荷を減らすことや加工中の工具の状態を知ることは、生産技術上、必要不可欠である。

このような問題や要望に応えるため、図１０に示すように、本発明者らは、微細形状加工装置として、ダイヤモンド切削などに用いられる高速工具位置決め装置に、工具１２０に加えられた力を計測する力センサ１５０を取り付けた計測加工一体型装置１００を提案している（特願２００４−３４９４３４号参照）。

特開２００２−１６６３１７号公報

図１０に示す計測加工一体型装置１００は、力センサ１５０が工具位置決め装置の後ろに配置され、ネジ１５２，１５４によりベース１１０に固定されているため、工具１２０に加えられた力が、力センサ１５０だけでなく、ネジ１５２，１５４にも分散してしまう。このため、工具１２０に加えられた力に対する力センサ１５０の感度が低くなり、工具１２０に加えられた微小な力を測定しようとする場合には、精度良く測定することが困難になると考えられる。このため、工具に加えられた微小な力を測定するために、さらに測定精度を高める必要があるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、工具に加えられた微小な力を高精度で測定することができる微細形状加工装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る微細形状加工装置は、被加工物の表面に精密な微細形状を形成するための微細形状加工装置であって、加工部と駆動部とを有し、前記加工部は前記被加工物の表面を加工可能な工具と、前記工具に接続され、前記工具に加えられた力を計測して出力する力センサとを有し、前記駆動部は前記被加工物に対し前記加工部を相対的に駆動可能であることを、特徴とする。

本発明に係る微細形状加工装置は、駆動部で被加工物に対し加工部を相対的に駆動させることにより、工具で被加工物の表面に精密な微細形状を形成することができる。このとき、力センサを工具に比較的近い位置に取り付けて工具に接続することにより、工具に加えられた力が、力センサ以外の部分に分散するのを抑えることができる。このため、工具に加えられた力に対する力センサの感度を高めることができ、工具に加えられた微小な力を高精度で計測することができる。

高精度で測定された力センサの出力を利用することにより、工具と被加工物との接触を検出することができ、加工中に工具にかかる負荷を必要最小限に減少させることもできる。また、加工中の工具の摩耗やチッピング等の破損を検出することができ、工具取替の判断が容易で、生産性を向上させることができる。工具の切削特性を調べることができ、加工条件を最適化したり、加工の形状精度を向上させたりすることもできる。

なお、工具は、ダイヤモンドなど、被加工物の表面に切削加工や旋削加工などが可能なものであれば、いかなるものであってもよい。駆動部は、被加工物に対して加工部を駆動するものであってもよく、加工部に対して被加工物を駆動するものであってもよい。

本発明に係る微細形状加工装置は、支持部と変位センサと制御部とを有し、前記支持部は前記駆動部を支持しており、前記駆動部は前記加工部を駆動可能に前記加工部に接続されたアクチュエータを有し、前記変位センサは前記支持部に対する前記加工部の変位を計測可能に前記支持部に設けられ、前記制御部は前記駆動部に接続され、前記変位センサにより計測された変位に基づいて前記駆動部をフィードバック制御可能であることが好ましい。この場合、変位センサにより計測された変位に基づいて制御部で駆動部をフィードバック制御することにより、工具の位置決めを高速かつ高精度で行うことができる。フィードバック制御を力センサの出力と組み合わせることにより、加工精度をさらに向上させることができる。

本発明に係る微細形状加工装置で、前記制御部は前記力センサから出力された力の計測値に基づいて、前記駆動部を制御可能であってもよい。この場合、力センサからの計測値により工具の位置を制御することができ、生産性や加工精度をさらに向上させることができる。力センサの計測値が一定になるよう制御部で駆動部を制御することにより、変位センサの変位から被加工物の表面形状を計測することができる。

本発明に係る微細形状加工装置で、前記制御部は前記力センサから出力された力の計測値および前記変位センサにより計測された変位を表示可能に設けられた表示手段を有していてもよい。この場合、力センサおよび変位センサの計測値を確認することができる。また、計測値を確認しながら、加工条件を変えたり、様々な解析を行ったりすることもできる。

本発明に係る微細形状加工装置で、前記力センサは互いに直交する３軸方向の力を計測可能であってもよい。この場合、３次元空間において、工具に加えられた力の大きさおよび方向を測定することができる。

本発明によれば、工具に加えられた微小な力を高精度で測定することができる微細形状加工装置を提供することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。
図１乃至図７は、本発明の実施の形態の微細形状加工装置を示している。
図１に示すように、微細形状加工装置１０は、支持部１１と駆動部１２と加工部１３と変位センサ１４と制御部１５とを有している。

図１に示すように、支持部１１は、両端に開口２１ａ，２１ｂを有する円筒状のケーシング２１とセンサホルダ２２とを有している。ケーシング２１は、前方の開口２１ａに沿って、内側に突出した円環状のフランジ部２１ｃを有している。また、ケーシング２１は、後方の開口２１ｂに沿って、内側に突出した円環状の駆動固定部２１ｄを有している。センサホルダ２２は、ケーシング２１の外径と同じ径を有する円盤状のキャップ部２２ａと、キャップ部２２ａの表面に垂直に伸びて設けられた柱状部２２ｂとを有している。センサホルダ２２は、柱状部２２ｂがケーシング２１の内部に配置され、キャップ部２２ａでケーシング２１の後方の開口２１ｂを塞ぐよう、ケーシング２１に固定されている。センサホルダ２２は、キャップ部２２ａの中心および柱状部２２ｂの中心を貫通する貫通孔２２ｃを有している。

駆動部１２は、アクチュエータを成す圧電素子（ＰＺＴ）２３と、圧電素子２３に接続されたＰＺＴドライバ（図示せず）とを有している。圧電素子２３は、高剛性かつ応答性に優れ、円筒中空形状を成している。圧電素子２３は、内部に柱状部２２を挿入するようケーシング２１の内部に挿入され、ケーシング２１の内部で後端が駆動固定部２１ｄに固定されて、支持部１１により支持されている。圧電素子２３は、外側面がケーシング２１の内壁面に接触せず、内側面が柱状部２２ｂに接触しないように配置されている。圧電素子２３は、ＰＺＴドライバを介して電圧を加えることにより、ケーシング２１の内部で中心軸方向に沿って伸縮するようになっている。なお、圧電素子２３は、ヒステリシス特性およびクリープ特性により、非線形の電圧−変位特性を有している。

図１に示すように、加工部１３は、力センサ２４と取付部２５とウェーブワッシャ２６と工具ホルダ２７と工具２８とを有している。力センサ２４は、ケーシング２１の内部で、圧電素子２３の先端に取り付けられている。力センサ２４は、計測した力の計測値を出力可能になっている。取付部２５は、円柱状のホルダ固定部２５ａと、ホルダ固定部２５ａの後端に固定された円盤部２５ｂとを有している。ホルダ固定部２５ａは、ケーシング２１の前方の開口２１ａの径よりやや小さい径を有している。円盤部２５ｂは、ホルダ固定部２５ａより大径で、圧電素子２３の外径とほぼ同じ径を有している。取付部２５は、ホルダ固定部２５ａがケーシング２１の前方の開口２１ａから突出するよう、円盤部２５ｂがケーシング２１の内部に配置されている。取付部２５は、円盤部２５ｂと圧電素子２３の間に力センサ２４を挟むよう、配置されている。

ウェーブワッシャ２６は、ケーシング２１の前方の開口２１ａの径とほぼ同じ内径、および、圧電素子２３の外径とほぼ同じ外径を有している。ウェーブワッシャ２６は、ケーシング２１のフランジ部２１ｃと取付部２５の円盤部２５ｂとの間に挟まれるよう、取り付けられている。ウェーブワッシャ２６は、力センサ２４および圧電素子２３に任意の予荷重を負荷可能になっている。工具ホルダ２７は、ホルダ固定部２５ａより小径で、ホルダ固定部２５ａの先端に固定されている。工具２８は、ダイヤモンド製で、先端の刃先が尖った微細な形状を成している。工具２８は、被加工物１の表面１ａを切削加工や旋削加工可能になっている。工具２８は、工具ホルダ２７の先端中央に着脱可能に固定されている。

図１に示すように、力センサ２４は、工具ホルダ２７および取付部２５を介して工具２８に接続されている。これにより、力センサ２４は、工具２８に加えられた力を計測して出力するようになっている。なお、力センサ２４は、工具２８の後部であれば、工具ホルダ２７に配置されていてもよく、工具２８に直接取り付けられていてもよい。駆動部１２は、被加工物１に対し、加工部１３を駆動可能になっている。

変位センサ１４は、静電容量型のセンサから成っている。変位センサ１４は、センサホルダ２２の柱状部２２ｂの先端から突出するよう、貫通孔２２ｃに挿入して固定されている。変位センサ１４は、突出した先端と取付部２５の円盤部２５ｂとのギャップを測定することにより、支持部１１に対する加工部１３の変位を計測して出力可能になっている。

図１に示すように、制御部１５は、ファンクションジェネレータ２９とロックインアンプ３０とＡＤ変換ボード３１とコンピュータ３２と表示手段３３とを有している。ファンションジェネレータ２９は、圧電素子２３に接続され、圧電素子２３に所定の周波数の電圧を加えて圧電素子２３を微小振動させるようになっている。ロックインアンプ３０は、力センサ２４およびファンクションジェネレータ２９に接続されている。ロックインアンプ３０は、力センサ２４から出力された力の計測値の出力信号を検波するようになっている。すなわち、ファンクションジェネレータ２９から入力された周波数と同じ周波数の出力信号を増幅するようになっている。

ＡＤ変換ボード３１は、コンピュータ３２に取り付けられ、ロックインアンプ３０および変位センサ１４が接続されている。ＡＤ変換ボード３１は、ロックインアンプ３０により増幅された力センサ２４の出力信号、および、変位センサ１４により計測された変位の出力信号をアナログ信号からデジタル信号に変換して、コンピュータ３２に送信するようになっている。コンピュータ３２は、力センサ２４の出力信号および変位センサ１４の出力信号を、ＡＤ変換ボード３１を介して受信可能になっている。コンピュータ３２は、力センサ２４の出力信号および変位センサ１４の出力信号に基づいて、様々な解析を実施可能になっている。

表示手段３３は、コンピュータ３２に接続されたモニタから成っている。表示手段３３は、力センサ２４の力の計測値および変位センサ１４の変位の計測値を、表やグラフ、図などで表示可能になっている。また、表示手段３３は、コンピュータ３２による解析結果を表示可能になっている。

制御部１５は、変位センサ１４により計測された変位に基づいて駆動部１２をフィードバック制御可能になっている。すなわち、制御部１５は、ＰＩＤコントローラ（図示せず）に、ＤＡ変換ボード（図示せず）を介してコンピュータ３２からの指令値を入力するとともに、変位センサ１４の出力信号を入力する。ＰＩＤコントローラが、コンピュータ３２からの指令値と変位センサ１４の出力信号とを比較演算して、圧電素子２３に制御信号を送信することにより、駆動部１２をフィードバック制御するようになっている。なお、ＰＩＤコントローラを使用せず、ＡＤ変換ボード３１を介して変位センサ１４の出力信号をコンピュータ３２に入力し、コンピュータ３２が指令値と変位センサ１４の出力信号とを比較演算して、圧電素子２３に制御信号を送信することにより、駆動部１２をフィードバック制御してもよい。また、コンピュータ３２は、力センサ２４の出力信号に基づいて、駆動部１２を制御可能になっている。

次に、作用について説明する。
微細形状加工装置１０は、駆動部１２で被加工物１に対し加工部１３を相対的に駆動させることにより、工具２８で被加工物１の表面１ａに精密な微細形状を形成することができる。このとき、力センサ２４が工具ホルダ２７および取付部２５を介して工具２８に接続されており、工具位置決め装置の後ろに配置されている図１０に示す従来の装置に比べて、工具２８に近い位置に力センサ２４が取り付けられている。このため、工具２８に加えられた力が、力センサ２４以外の部分に分散するのを抑えることができる。このため、工具２８に加えられた力に対する力センサ２４の感度を高めることができ、工具２８に加えられた微小な力を高精度で測定することができる。また、同じ力を測定する場合、図１０に示す従来の装置に比べて、より直接的に加工力を高い感度で測定することができる。

変位センサ１４で計測された変位に基づいて制御部１５で駆動部１２をフィードバック制御することにより、圧電素子２３のヒステリシス特性およびクリープ特性を補償することができ、工具２８の位置決めを高速かつ高精度で行うことができる。また、力センサ２４からの計測値により工具２８の位置を制御することができ、生産性や加工精度を向上させることができる。フィードバック制御と力センサ２４による制御とを組み合わせることにより、加工精度をさらに向上させることができる。表示手段３３により、力センサ２４および変位センサ１４の計測値を確認することができる。また、計測値を確認しながら、加工条件を変えたり、様々な解析を行ったりすることもできる。

図１０に示す従来の計測加工一体型装置１００では、力センサ１５０が工具位置決め装置の後ろに配置されているため、工具位置決め装置を片持ちで支持する必要がある。このため、装置全体の剛性が低下しており、装置も大型化している。これに対し、微細形状加工装置１０は、駆動部１２などを片持ちで支持する必要がないため、装置全体の剛性が高く、小型化も可能である。

［接触の検出］
微細形状加工装置１０は、高精度で測定された力センサ２４の出力を利用することにより、工具２８と被加工物１との接触を検出することができる。すなわち、工具２８と被加工物１とが接触したとき、工具２８に加わる力が大きくなるため、力センサ２４の出力が大きくなり、ロックインアンプ３０の出力も大きくなる。このとき、図２に示すように、ロックインアンプ３０からの力センサ２４の出力をコンピュータ３２で常に監視し、あらかじめ決められた閾値を超えないとき、接触していないと判断して、工具２８をさらに被加工物１に近づける。力センサ２４の出力が閾値を超えると、接触したと判断し、工具２８と被加工物１との相対移動を停止させる。こうして、工具２８と被加工物１との接触を検出することができる。これにより、被加工物１との接触による工具２８の破損を防ぐことができる。

［工具の摩耗や破損の検出］
また、高精度で測定された力センサ２４の出力を利用することにより、加工中の工具２８の摩耗やチッピング等の破損を検出することができる。すなわち、図３に示すように、加工中は、工具２８が被加工物１の表面１ａに接触している。このとき、工具２８が摩耗または破損すると、その接触状態が変化するため、力センサ２４の出力が変化する。この変化を検出することにより、加工中の工具２８の摩耗やチッピング等の破損を検出することができる。これにより、工具２８の取替の判断が容易であり、生産性を向上させることができる。

［工具の摩耗量の測定］
また、工具２８の摩耗量も測定することができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、標準サンプル２を使用して、加工前の工具２８と標準サンプル２との接触位置を測定しておく。加工により工具２８が摩耗すると、図４（ｂ）に示すように、加工前の接触位置では、工具２８は標準サンプル２に接触しない。このとき、図４（ｃ）に示すように、圧電素子２３により工具２８を動かして標準サンプル２に接触させ、加工前の接触位置からの変位を変位センサ１４で測定することにより、工具２８の摩耗量ｄを測定することができる。また、同様の方法により、工具２８を交換したときの取付誤差や工具２８の寸法の個体差などによる工具２８の先端位置のずれを求めることもできる。

［表面加工形状の計測］
図５に示すように、力センサ２４の計測値が一定になるよう制御部１５で駆動部１２を制御することにより、変位センサ１４の変位から試料３の表面３ａの形状を計測することができる。図５に示す一例では、試料３の加工表面３ａは、正弦波で加工されており、波長は５０μｍ、振幅は１００ｎｍである。また、加工表面３ａの弾力変形域は、０．１ｎｍ以内である。このとき、圧電素子２３に電圧を加えて、工具２８を微小振動させながらステップ状に試料３へ接近させ、力センサ２４の計測値が一定になるようフィードバック制御しながら、Ｘ方向に走査する。これにより、変位センサ１４の変位が、試料３の表面３ａの形状測定結果になる。また、同様の方法で、形状が既知の基準試料を使用することにより、工具２８の先端の形状を測定することができ、加工精度を向上させることもできる。

［工具の切削特性の計測］
さらに、高精度で測定された力センサ２４の出力を、直接ＡＤ変換ボード３１に入力することにより、工具２８の切削特性を調べることができる。これにより、加工条件を最適化したり、加工の形状精度を向上させたりすることもできる。

［力センサの校正および感度］
微細形状加工装置１０の力センサ２４（以下、「力センサＩ」とする）と、図１０に示す従来の計測加工一体型装置１００の力センサ１５０とを比較するため、微細形状加工装置１０の支持部１１の後方に別の力センサ（以下、「力センサＩＩ」とする）を取り付けて、以下の測定を行った。

まず、工具２８に錘により負荷（ｌｏａｄ）をかけ、錘を一気に持ち上げて負荷を解放したときの力センサＩおよび力センサＩＩの出力電圧（Ｏｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を測定し、その結果を図６に示す。図６の結果を利用して、力センサＩおよび力センサＩＩの出力電圧から工具２８に加えられた力を計算することができる。

次に、圧電素子２３を１Ｈｚ、振幅２０ｎｍで振動させたときの力センサＩおよび力センサＩＩの出力電圧を測定し、図６の結果を利用して計算した力のグラフを図７に示す。図７に示すように、力センサＩは、力センサＩＩに比べて工具２８により近い位置に配置されているため、より高い感度で工具２８に加えられた力を測定可能であることがわかる。このように、微細形状加工装置１０は、力センサ２４が工具に加えられた力をダイレクトに受けるため、高感度かつ高精度の力の測定が可能である。

［３次元計測］
なお、図８に示すように、微細形状加工装置１０は、互いに直交する３軸方向の力を計測可能に、力センサ５１，５２，５３を有していてもよい。図８に示す一例では、力センサ５１は図８中のＸ軸方向の力を測定可能であり、力センサ５２はＹ軸方向（図８の紙面に垂直な方向）の力を測定可能であり、力センサ５３は図８中のＺ軸方向の力を測定可能になっている。これにより、３次元空間において、工具２８に加えられた力の大きさおよび方向を測定することができる。

通常は、工具２８の切り込み方向である微細形状加工装置１０のＺ軸を、円筒ワーク４の半径方向のＸ’軸と一致するように配置する。その場合、ワーク４のＸ’軸にしか切り込み量を与えることができない。これに対して、図９に示すように、微細形状加工装置１０のＺ軸をワーク４のＸ’軸に対してθ角だけ傾けて配置すると、ワーク４のＸ’軸に切り込み量ｄｘ’を与えるだけでなく、ワーク４の軸方向のＺ’軸にも切り込み量ｄｚ’を同時に与えることができる。これにより、切り込み量ｄｘ’と切り込み量ｄｚ’とを合成した切り込み量ｄｚを、ワーク４に与えることができる。こうして、ワーク４の半径方向、軸方向の両方向に変化するような微細形状を創成することができる。

この場合、図９に示すように、工具２８には、微細形状加工装置１０のＺ軸方向の力Ｆｚと、Ｘ軸方向の力Ｆｘとが加わっている。このとき、微細形状加工装置１０は、力センサ５１によりＦｘを，力センサ５３によりＦｚを測定することができる。このように、力センサ５１，５２，５３により、３次元空間において工具２８に加えられた力を測定することができ、３次元の加工形状の精度向上などに利用することができる。

本発明の実施の形態の微細形状加工装置を示す断面図である。 図１に示す微細形状加工装置の工具と被加工物との接触を検出するときのフローチャートである。 図１に示す微細形状加工装置の加工中の使用状態を示す断面図である。 図１に示す微細形状加工装置の工具の摩耗量の測定方法を示す側面図である。 図１に示す微細形状加工装置の表面加工形状の測定方法を示す側面図である。 図１に示す微細形状加工装置の力センサ（力センサＩ）および比較用の力センサ（力センサＩＩ）の、工具に加えた負荷（ｌｏａｄ）に対する出力電圧（Ｏｕｔｐｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）を示すグラフである。 図１に示す微細形状加工装置の力センサ（力センサＩ）および比較用の力センサ（力センサＩＩ）の、圧電素子を振動させたときの力の測定結果を示すグラフである。 図１に示す微細形状加工装置の力センサの変形例を示す断面図である。 図８に示す微細形状加工装置の使用状態を示す側面図である。 従来の計測加工一体型装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 被加工物
１０ 微細形状加工装置
１１ 支持部
１２ 駆動部
１３ 加工部
１４ 変位センサ
１５ 制御部
２１ ケーシング
２２ センサホルダ
２３ 圧電素子
２４ 力センサ
２５ 取付部
２６ ウェーブワッシャ
２７ 工具ホルダ
２８ 工具
２９ ファンクションジェネレータ
３０ ロックインアンプ
３１ ＡＤ変換ボード
３２ コンピュータ
３３ 表示手段

Claims (3)

1. 被加工物の表面に精密な微細形状を形成するための微細形状加工装置であって、
   前記被加工物の表面を加工可能な工具と、前記工具に加えられた力を計測して出力する力センサと、前記工具が取り付けられる第１の面と前記力センサが取り付けられる第２の面とを有する取付部と、前記第１の面に取付けられたウェーブワッシャとを有する加工部と、
   前記力センサと接続される第１の端部と前記第１の端部とは反対側の第２の端部とを有する円筒中空形状の圧電素子からなり、前記被加工物に対し前記加工部を相対的に駆動可能な駆動部と、
   前記ウェーブワッシャに接続される第１のフランジ部と前記第２の端部に固定される第２のフランジ部とを有し、前記ウェーブワッシャによって前記力センサと前記アクチュエータに予荷重を負荷させた状態で前記駆動部を支持する支持部と、
   前記圧電素子の中空部に配置され、前記取付部との間に形成されるギャップを測定することにより前記支持部に対する前記加工部の変位を計測することが可能な変位センサと、
   前記駆動部に接続され、前記変位センサにより計測された変位と前記力センサから出力された力の計測値とに基づいて前記駆動部をフィードバック制御可能な制御部と
   を具備する微細形状加工装置。
2. 請求項１に記載の微細形状加工装置であって、
   前記制御部は前記力センサから出力された力の計測値および前記変位センサにより計測された変位を表示可能に設けられた表示手段を有する
   微細形状加工装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の微細形状加工装置であって、
   前記力センサは互いに直交する３軸方向の力を計測可能である
   微細形状加工装置。

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