JP5176210B2

JP5176210B2 - 加工装置

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Publication number: JP5176210B2
Application number: JP2008299018A
Authority: JP
Inventors: 隆志安東; 利和馬路; 良一後藤
Original assignee: Hyogo Prefectural Government
Current assignee: Hyogo Prefectural Government
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: JP2010125527A

Description

本発明は、加工装置に関し、特に、加工材料を弾性支持する弾性力を調整するものに関する。

従来の加工装置を説明する。従来の加工装置を用いて穴加工を実施する場合、加工材料は加工装置のテーブルに頑丈に固定され、加工材料の加工面に対してドリルの回転軸を垂直に保持しなければならない。１ｍｍ以上の直径を有するドリルであれば、送りを調整するだけで、加工中にドリルに発生するトルクをドリルのねじり限界の範囲内に抑えることが可能であり、ドリルが折損に至ることがない。
しかし、ドリルの直径が０．１ｍｍ〜１ｍｍのドリルでは、回転軸の振れの大きさがドリルの折損原因となることがあり、高精度の回転発生装置が必要となる。また、長穴加工を実施するためには、ドリルに発生するトルクを検出する必要性が生じる。そのために、回転軸にトルクを検出する機能を有する穴加工装置が開発されている。
さらに、ドリルの直径が０．１ｍｍ以下では、回転駆動側でトルクを検出する装置を組み込んでも、回転軸の振動ノイズにかく乱されて微小なドリルに発生するトルクを測定することは不可能となる。

ドリルの直径が０．１ｍｍ以下のドリルに発生する力とトルクを検出する方法として、ドリルに発生する力及びトルクの反作用として加工材料に発生する力及びトルクを検出する方法が考えられる。しかし、従来のように被加工物を工作機械のテーブルに頑丈に固定する方法では、被加工物に発生する微小な力及びトルクを検出することはできない。
そこで、加工材料を弾性支持することによりドリルに生じる微小な力とトルクを検出する加工装置１００が開発されている。加工装置１００を図７及び図８に基づき説明する。
図７に示すように、ステージ１０６の側面には、第一位置検出片１０７と、第二位置検出片１０８と、第三位置検出片１０９とが設置されている。また、ステージ１０６の側面には、変位センサは、第一変位センサ１１３と、第二変位センサ１１４と、第三変位センサ１１５と、第四変位センサ１１６と、第五変位センサ１１７と、第六変位センサ１１８とが設置されている。これらの変位センサ及び位置検出片によって、ステージ１０６の水平方向の位置と、高さ方向の位置とを検出する。

また、図８に示すように、ステージ１０６の上方には、第一電磁石１１９と、第二電磁石１２０と、第三電磁石１２１との三つの電磁石が、ステージ１０６と所定の間隔をあけて設置されている。第一電磁石１１９と、第二電磁石１２０と、第三電磁石１２１とは、ステージ１０６に対してＺ軸方向に沿った電磁力を作用させる。
また、第四電磁石１２２と、第五電磁石１２３と、第六電磁石１２４との３組の電磁石は、ステージ１０６の側面に対して所定の間隔をあけて設置されている。第四電磁石１２２と第五電磁石１２３とは、ステージ１０６に対してＸ軸方向に沿った電磁力を作用させる。第六電磁石１２４は、ステージ１０６に対してＹ軸方向に沿った電磁力を作用させる。
上記各電磁石に電力が供給されると、それぞれの電磁石に電磁力が発生する。この電磁力が吸引力となって、磁性体で構成されるステージ１０６を移動させる。そして、各電磁石に供給する電力を調整して、電磁力すなわち吸引力の強弱をつけることにより、ステージ１０６の位置決めを行うことができる。
特開２００７−１３６６００号公報

しかしながら、前述の加工装置１００には、以下のような改善すべき点がある。加工装置１００のように加工材料を弾性支持する場合であっても、ドリルと加工材料の接触によって生じる弾性変位を一時的に許容することになり、その弾性変位の中には加工面が傾斜する動作が含まれている。
この加工面の傾斜は、加工穴に拘束されるドリルに対して曲げを発生させる。また、強制的に加工面の傾斜を補正しようとしても、逆にドリルに対して曲げを発生させる結果となる。
そこで、ドリルと加工材料の接触があっても加工面が傾斜することなく弾性変位すればドリルに対して曲げを発生させることはない。

力学の知見によれば、空間中に弾性支持される剛体の一点に力が作用する場合、その剛体には並進運動と傾斜運動が発生する。しかし、剛体を支持する弾性体の弾性定数により決定される特別な一点があり、その点に力が作用すると傾斜運動が発生せず、並進運動のみが発生することが知られている。この点を弾性中心と呼ぶ。この弾性中心は弾性定数を調整することによりその位置を設定するこが可能である。
したがって、加工材料が取り付けられ、弾性支持されたステージにも弾性中心が存在し、弾性定数を調整することによりドリルと加工材料が接触する点を弾性中心となるように調整すれば、加工材料の加工面が傾斜することなく、弾性変位のみを生じさせることが可能である。その結果、ドリルに発生する曲げを抑制することができる。しかし、ドリルと被加工物の接触点が弾性中心となるよう自動的に弾性定数を調整する手段はこれまでのところ見出されていない。
そこで、本発明は、ドリルと被加工物の接触点が弾性中心となるように加工材料を弾性支持する弾性力を調整することができる加工装置を提供する。

本発明者は、様々な検討を重ねた結果、本発明に係る加工装置を完成した。本発明における課題を解決するための手段及び発明の効果を以下に示す。
本発明に係る加工装置及び加工方法では、前記加工材料載置手段の傾斜量を検出し、前記加工材料載置手段の傾斜量に基づき、前記加工材料載置手段を所定の状態にするように弾性力を調整し、前記加工材料載置手段を弾性的に支持する。
これにより、加工材料載置手段の傾斜量に基づく弾性力の調整により、容易に加工材料載置手段の状態を調整することができる。

本発明に係る加工装置では、前記弾性力に関する弾性定数を調整する。
これにより、加工材料の加工位置が弾性中心となるように調整することが可能となる。したがって、加工材料載置手段に並進変位のみを生じさせることができる。
本発明に係る加工装置では、前記工具によって前記加工材料を加工する際に前記加工材料載置手段の傾斜を抑制するように、前記弾性力を調整する。
これにより、加工材料載置手段の傾斜による工具の破損を防止することができる。
本発明に係る加工装置では、前記加工材料載置手段の位置を検出し、検出された前記位置から、前記傾斜量を算出する。
これにより、加工材料載置手段の位置を検出するだけで、加工材料載置手段の傾斜量を得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明していく。

１．マイクロ加工装置５１の全体構成
本発明の実施例１に係るマイクロ加工装置５１の構成を示す概略図を図１に示す。図１に示すように、本実施形態のマイクロ加工装置５１は、ドリル１、加工ユニット３、ステージ６、変位センサ１３〜１８（一部、図示せず）、アクチュエータ、弾性支持用制御装置２５及び制御装置２６を有する。以下において、各構成要素を説明する。
なお、後述するアクチュエータ及び変位センサの配置を特定する基準として、水平面に平行なＸ軸、Ｙ軸、及び鉛直方向に平行なＺ軸からなる直交座標系（以下、基準直交座標系という）を設定する（図２参照）。本実施例では、ステージ６の載置面がＺ軸と直交する状態を所定の状態とする。

１．１．加工ユニット５３
加工ユニット５３は、ドリル保持具２、ドリル回転装置３を有している。ドリル保持具２は、中心軸Ｚを中心に回転して加工材料を切削するドリル１を当該中心軸Ｚ上に保持する。ドリル回転装置３には、ドリル保持具２が取り付けられる。
ドリル１は、ドリル保持具２に差し込まれた後、保持手段（図示せず）を用いてドリル保持具２に保持される。
ドリル保持具２は、保持手段（図示せず）を用いてドリル回転装置３に取り付けられている。ドリル保持具２及びドリル回転装置３は、それぞれの回転軸がＺ軸と平行となるように配置されている。ドリル回転装置３を回転させることによって、ドリル保持具２、ひいてはドリル保持具２に保持されたドリル１が回転する。

１．２．ステージ６
ステージ６は、ドリル１により加工される加工材料４を搭載する。ステージ６は、加工材料４を固定する固定治具５を有している。固定治具５は、保持手段（図示せず）を用いてステージ６に取り付けられている。ステージ６は、平面視において正方形をなす板状に形成されている（図２、図３参照）。ステージ６は、鉄などの磁気的性質を有する材料を含む材料により形成されている。
ステージ６は、第一位置検出片７、第二位置検出片８、及び第三位置検出片９を有している。ここで、マイクロ加工装置５１における変位センサの配置を示す平面図を図２に示す。第一位置検出片７、第二位置検出片８、及び第三位置検出片９は、ステージ６の側面に配置される。第一位置検出片７、第二位置検出片８、及び第三位置検出片９は、ステージ６と同じ材質、すなわち、鉄などの磁気的性質を有する材料を含む材料により形成されている。ステージ６にはｚ方向負向きに重力が作用しているものとする。

１．３．変位センサ１３〜１８
変位センサは、ステージ６の位置を検出する。変位センサは、第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、第三変位センサ１５、第四変位センサ１６、第五変位センサ１７、及び第六変位センサ１８とから構成される。第一変位センサ１３〜第六変位センサ１８は、それぞれ変位信号ｙ_１〜ｙ_６を出力する。変位センサは、全体として、ステージ６の水平方向の位置と、鉛直方向の位置とを検出できるように設置されている。変位センサとして、非接触式の渦電流式変位センサを用いている。
本実施例では、図２に示すように、第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、及び第三変位センサ１５は、ステージ６と所定の間隔をとってステージ６の下方に配置されるが、ステージ６の上方に配置しても良い。第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、及び第三変位センサ１５は、それぞれ、ステージ６に対向するように配置される。第一変位センサ１３は、平面視においてＹ軸に対して平行な中心線Ｓ_１とＹ軸との距離がａ_Sとなるように設置される。第二変位センサ１４は、平面視においてＸ軸に対して平行な中心線Ｓ_２とＸ軸との距離がｂ_Sとなるように設置される。同様に、第三変位センサ１５は、中心線Ｓ_３とＸ軸との距離がｂ_Sとなるように配置される。
第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、及び第三変位センサ１５は、ステージ６のＺ軸方向の変位を検出する。これらの変位センサにより検出されたステージ６の変位から、ステージ６の高さ方向の位置を測定する。そして、このようにして測定されたステージ６の高さ方向の位置データｙ_１〜ｙ_３が、後述する弾性支持用制御装置２５と制御装置２６に入力される。

一方、第四変位センサ１６は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片７に対向するように設置される。第五変位センサ１７は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片８に対向するように設置される。第四変位センサ１６及び第五変位センサ１７は、それぞれ各変位センサの中心線Ｓ_４、Ｓ_５がＸ軸に対して平行になるように設置される。
第六変位センサ１８は、ステージ６の側面と所定の間隔をとり、かつ、位置検出片９に対向するように設置される。第六変位センサ１８は、中心線Ｓ_６がＹ軸に対して平行になるように設置される。
第四変位センサ１６によって第一位置検出片７の変位が、第五変位センサ１７によって第二位置検出片８の変位が、第六変位センサ１８によって第三位置検出片９の変位が、それぞれ検出される。このようにして測定されたステージ６の水平方向の位置データｙ_４〜ｙ_６が、後述する弾性支持用制御装置２５に入力される。

１．４．アクチュエータ
アクチュエータは、変位センサ１３〜１８によって得られたそれぞれの変位信号ｙ_１〜ｙ_６に基づきステージ６を移動させる。アクチュエータの配置を示す平面図を図３に示す。アクチュエータは、第一電磁石１９、第二電磁石２０、第三電磁石２１、第四電磁石２２、第五電磁石２３、及び第六電磁石２４から構成される。第一電磁石１９〜第六電磁石２４が発生する電磁力をそれぞれf₁〜f₆とする。
ステージ６の上方には、第一電磁石１９、第二電磁石２０、及び第三電磁石２１の三つの電磁石が、ステージ６と所定の間隔をあけて設置される。第一電磁石１９、第二電磁石２０、及び第三電磁石２１は、ステージ６に対してｚ方向に沿った正向きの電磁力を作用させ、ステージ６に作用する重力と平衡する。本実施例では、第一電磁石１９は、第一変位センサ１３とステージ６を挟んで対向するように配置される。第二電磁石２０及び第二変位センサ１４、第三電磁石２１及び第三変位センサ１５についても同様である。
第一電磁石１９は、中心線Ｍ_１がＹ軸に対して平行になるように設置される。第一電磁石１９は、平面視において中心線Ｍ_１とＹ軸との距離がａとなるように設置される。また、第二電磁石２０、第三電磁石２１は、それぞれ、中心線Ｍ_２、Ｍ_３がＸ軸方向に対して平行になるように設置される。第二電磁石２０、第三電磁石２１は、平面視において、それぞれの中心線Ｍ_２、Ｍ_３からＸ軸までの距離がｂとなるように設置される。

本実施例では、第一変位センサ１３及び第一電磁石１９は、ステージ６を挟んで対向するように配置されている。また、第一変位センサ１３及び第一電磁石１９は、第一変位センサ１３についての中心線Ｓ_１−Ｙ軸間の距離ａ_Sと第一電磁石１９についての中心線Ｍ_１−Ｙ軸間の距離ａとが同じになるように配置されている。これにより、第一電磁石１９が配置されるｘｙ座標点でのｚ方向変位と第一変位センサ１３が配置されるｘｙ座標点でのｚ方向変位を一致させることができる。第二電磁石２０及び第二変位センサ１４、第三電磁石２１及び第三変位センサ１５についても同様である。
また、第四電磁石２２と、第五電磁石２３と、第六電磁石２４との３組の電磁石は、ステージ６の側面に対して所定の間隔をあけて配設されている。第四電磁石２２と、第五電磁石２３と、第六電磁石２４とは、２個の電磁石が１組となって構成される。第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、図３に示すように、一組の電磁石の中心線Ｍ_４、Ｍ_５とがＸ軸に対して平行になるように配設されている。また、第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、それらの一組の電磁石の中心線Ｍ_４、Ｍ_５とがＸ軸に対して対称をなし、平面視においてそれらの中心線Ｍ_４、Ｍ_５からＸ軸までの距離がｌ_Ｍとなるように配設されている。第四電磁石２２と第五電磁石２３とは、ステージ６に対してＸ軸方向に沿った電磁力を作用させる。

第六電磁石２４は、その一組の電磁石の中心線Ｍ_６がＹ軸に対して平行になるように配設されている。第六電磁石２４は、ステージ６に対してＹ軸方向に沿った電磁力を作用させる。
そして、上記各電磁石に電力が供給されると、それぞれの電磁石に電磁力が発生する。この電磁力が吸引力となって、磁性体で構成されるステージ６を移動させる。そして、各電磁石に供給する電力を調整して、電磁力すなわち吸引力の強弱をつけることにより、ステージ６の位置決めを行うことができる。

１．５．弾性支持用制御装置２５
弾性支持用制御装置２５は、第一変位センサ１３〜第六変位センサ１８における変位信号ｙ_１〜ｙ_６に基づきステージ６を弾性支持するためのフィードバック制御信号を与える出力信号ｖ_１〜ｖ_６を要素とする出力信号ベクトルｖを出力する。出力信号ベクトルｖによりアクチュエータとして動作する第一電磁石１９〜第六電磁石２４が発生する電磁力がステージ６に対する弾性力として作用する。このフィードバック制御に基づき、ステージ６はアクチュエータによって弾性支持され、適切な位置に位置決めされる。なお、弾性支持用制御装置２５におけるステージ６の弾性支持制御については、特許第３４５２３０５号公報及び特開２００７−１３６６００号公報に開示されている技術を用いて実行する。
制御装置２５は、フィードバック制御を実施することにより、アクチュエータとして動作する第一電磁石１９〜第六電磁石２４が発生するそれぞれの電磁力ｆ_１〜ｆ_６がステージ６対して以下の式（１）で示される弾性力として作用するよう制御する。なお、電磁力ｆ_１〜ｆ_６がステージ６対して弾性力として作用する弾性定数をそれぞれｋ_１〜ｋ_６とする。

１．６．制御装置２６
制御装置２６は、第一変位センサ１３〜第三変位センサ１５のそれぞれの変位信号ｙ_１〜ｙ_３を要素とする変位信号ベクトルｙ_Ｖを入力とし、弾性支持用制御装置２５に対して弾性定数ｋ_１〜ｋ_３を要素とする出力信号ベクトルｋ_Ｖを出力する。その結果、ステージ６の載置面が所定の状態となる効果が得られる。
制御装置２６のハードウェア構成を図４に示す。制御装置２６は、ＣＰＵ２１１、メモリ２１２、ハードディスク２１３、キーボード２１４、マウス２１５、ディスプレイ２１６、光学式ドライブ２１７、通信回路２１８を有している。
ＣＰＵ２１１は、ハードディスク２１３に記録されているオペレーティング・システム（ＯＳ）、制御プログラム等その他のアプリケーションに基づいた処理を行う。メモリ２１２は、ＣＰＵ２１１に対して作業領域を提供する。ハードディスク２１３は、オペレーティング・システム（ＯＳ）、制御プログラム等その他のアプリケーションを記録保持する。また、ハードディスク２１３は、ドリル１の送り速度、ステージ６の目標とする位置信号、加工材料４に対するドリル１の加工力の制限値などを記憶保持する。
キーボード２１４、マウス２１５は、外部からの命令を受け付ける。ディスプレイ２１６は、ユーザーインターフェイス等の画像を表示する。光学式ドライブ２１７は、制御プログラムが記録されている光学式メディア２１０から制御プログラムを読み取り、また、他の光学式メディアからその他のアプリケーションのプログラムを読み取る等、光学式メディアからのデータの読み取りを行う。通信回路２１８は、第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、第三変位センサ１５からの変位の取得、アクチュエータへの制御信号の出力、及び、外部の通信機器とのデータの送受信を行う。

２．制御装置２６の動作
制御装置２６が行うアクチュエータの制御動作について以下で説明する。
２．１．動作の概要
制御装置２６が行うアクチュエータ制御動作の概要を図５を用いて説明する。図５は、ステージ６に載置された加工材料４（図示せず）に対してドリル１（図示せず）によって加工を施した状態を簡易に示している。図５には、加工材料４を固定するためのステージ６、ステージ６を鉛直方向に弾性支持するアクチュエータとして、第一電磁石１９、第二電磁石２０、第三電磁石２１を示している。また、ドリル１による加工材料への加工力をＦ、第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、第三変位センサ１５によって検出される鉛直方向の変位ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３を要素とする鉛直方向変位ベクトルｙ_Ｖを以下の式（２）で定義する。

第一電磁石１９、第二電磁石２０、第三電磁石２１がステージ６および加工材料４を鉛直方向に弾性支持するために発生する弾性支持力ｆ_１、ｆ_２、ｆ_３を要素とする鉛直方向弾性支持力ベクトルｆ_Ｖを以下の式（３）で定義する。

鉛直方向弾性支持力ベクトルｆ_Ｖと鉛直方向変位ベクトルｙ_Ｖとの間には、前述の式（１）が成立する。
加工材料４に対してテーブル上の座標点Ｑ（ｘ、ｙ）において加工力Ｆ（＝−ｆ）が発生したとすると、力の平衡式及びモーメントの平衡式は以下の式（４）〜式（６）で表すことができる。

式（４）〜式（６）をｙ_１、ｙ_２、ｙ_３について解くと、以下の式（７）〜式（９）が得られる。

ｘ軸まわりの傾斜角をθ_ｘ、ｙ軸まわりの傾斜角をθ_ｙとすると、傾斜角θ_ｘ、θ_ｙは、以下の式（１０）及び式（１１）で表すことができる。

式（７）〜式（９）を用いると、式（１０）、式（１１）は、以下の式（１２）、式（１３）で表すことができる。

式（１２）、式（１３）において、傾斜角θ_ｘ＝０、傾斜角θ_ｙ＝０とすると、座標点Ｑのｘ座標値、ｙ座標値は、以下の式（１４）、式（１５）で表すことができる。

式（１４）及び式（１５）で表されるｘ_ＥＣ、ｙ_ＥＣに、ドリルの加工力が作用するとき、ステージの傾斜角θ_ｘ、θ_ｙは、それぞれ「０」となる。このことから、弾性支持された加工材料４の加工位置が座標点（ｘ_ＥＣ、ｙ_ＥＣ）であれば、加工材料４の加工面を傾斜させることなく加工を行うことができる。この座標点（ｘ_ＥＣ、ｙ_ＥＣ）が弾性中心に該当する。
本実施例においては、加工すべき任意の位置に対して、被削材にドリルが接触したときに発生する僅かな傾斜角から加工位置が弾性中心となるように弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を自動的に調整し、ステージ６の傾斜を抑制することが可能である。
弾性定数ｋを適切に設定し、−１≦ζ_ｘ≦１、−１≦ζ_ｙ≦１となる変数ζ_ｘ、ζ_ｙを用いて弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を以下の式（１６）〜式（１８）に設定する。なお、弾性定数ｋは、使用者の経験等から適切な値を設定する。

式（１２）、式（１３）及び式(１６)〜式（１８）を用いることによって、傾斜角θ_ｘ、θ_ｙを以下の式（１９）及び式（２０）で表すことができる。

なお、ｃ１〜ｃ５は、それぞれ、以下の式（２１）〜式（２５）で表す。

ここで、変数ζ_ｘ、ζ_ｙとステージの傾斜角θ_ｘ、θ_ｙとの間の関係式を以下の式（２６）及び式（２７）とする。なお、γは正の定数とする。

式（１９）及び式（２０）より、式（２６）、式（２７）は、それぞれ以下の式（２８）、式（２９）で表すことができる。

ここに、ｄ_ｉ＝γｃ_ｉである。式（２８）及び式（２９）に示す微分方程式は安定であることが容易に示される。したがって、式（２８）、式（２９）の変数ζ_ｘ、ζ_ｙは一定値ζ_ｘ0、ζ_ｙ0に収束し、以下の式（３０）、式（３１）が成立する。

式（３０）及び式（３１）は、式(２６)、(２７)によって傾斜角θ_ｘ、θ_ｙは０に収束することを表している。また、このときの弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は、式（１６）〜式（１８）の変数ζ_ｘ、ζ_ｙにそれぞれζ_ｘ０、ζ_ｙ０を代入することにより算出することができる。
また、式（１４）、式（１５）、及び式（１６）〜式（１８）から、加工位置Ｑのｘ座標値、ｙ座標値は、それぞれ、以下の式（３２）、式（３３）で表すことができる。

なお、式（３２）及び式（３３）の変数ζ_ｘ、ζ_ｙのそれぞれに、ζ_ｘ０、ζ_ｙ０を代入することにより、弾性中心（Ｘ_ＥＣ、Ｙ_ＥＣ）を算出することができる。
以上のことから、変数ζ_ｘ、ζ_ｙとステージ６の傾斜角θ_ｘ、θ_ｙとの間の関係が式（２６）、式（２７）で表すことができる変数ζ_ｘ、ζ_ｙを調整すれば、加工材料４に加工を実施する位置を特定せずとも、加工材料４にドリル１が接触したときに発生する僅かなステージ６の傾斜角から、現在の加工位置が弾性中心となるように自動的に弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を調整し、ステージ６の傾斜、ひいては加工材料４の加工面の傾斜を抑制することが可能となる。

ここまでは、加工材料４および加工材料４を固定するステージ６に作用する重力の影響については考慮していない。しかし、計測される変位信号ｙ_１〜ｙ_３に重力の影響が含まれる場合がある。そこで、以下では、重力の影響を排除する手段について説明する。
力学の知見によれば、物体に作用する重力は物体の重心に作用する外力とみなしても差し支えない。したがって、加工材料４に対してドリル１が接触していないときは、加工材料４とステージ６とを一体とみなした物体Ｂの重心に重力と等しい外力が作用している状態とみなすことができる。
その結果、重力のみが作用している状態に対して、これまで記述した手段が適用できる。重力によって発生する鉛直方向変位ベクトルｙ_ＶＧを、以下の式（３４）で表す。

物体Ｂの重心Ｇに重力が作用するものとすれば、式(４)〜式（６）と同様に、力の平衡式及びモーメントの平衡式は以下の式（３５）〜式（３７）で表すことができる。なお、重心Ｇのテーブル上の座標点を（ｘ_Ｇ、ｙ_Ｇ）、物体Ｂの質量をｍ、重力加速度をｇ（≒９．８ｍ／ｓ^２）とする。

式（３５）〜式（３７）は、式(４)〜式（６）において、ｆ＝ｍｇとおいた式と一致する。さらに、重力が作用している状態のもとで、座標点Ｐ（ｘ、ｙ）にドリルによる外力（−ｆ）が作用するものとすれば、力の平衡式及びモーメントの平衡式は以下の式（３８）〜式（４０）で表すことができる。

式（３８）〜式（４０）の両辺から式（３５）〜式（３７）の両辺を、それぞれ差し引くことにより、以下の式（４１）〜式（４３）が得られる。なお、ｙ_Ｆｉ＝ｙ_ｉ−ｙ_Ｇｉ（ｉ＝１，２，３）とする。

式（４１）〜式（４３）によれば、重力が作用する状態で、さらにドリル１の接触による加工力が作用する場合であっても、各変位センサによって計測した変位ｙ_ｉ（ｉ＝１，２，３）から、重力の影響による変位ｙ_Ｇｉ（ｉ＝１，２，３）を差し引けば、式（４）〜式（６）が成立することを示している。したがって、ドリル１によって加工をする前に、加工材料４及びステージ６の重力による変位を計測しておき、各変位センサが計測した弾性変位から重力による変位を差し引くか、又は、本発明の手段を用いて加工する前の傾斜角θ_ｘ＝０、θ_ｙ＝０となるように予め弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を調整しておけば、重力が作用する状態であっても、本発明の適用に支障はない。

２．２．フローチャート
制御装置２６のＣＰＵ２１１の動作を図６示すフローチャートを用いて説明する。制御装置２６は、加工材料４に加工力が作用したときにステージに発生する傾斜角θ_ｘ、θ_ｙに対して、変数ζ_ｘ、ζ_ｙを変化させることにより、弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を調整し、ステージ６の傾斜を補正する。
加工材料４を介してステージ６に作用する加工力は、第１電磁石１９、第二電磁石２０、第三電磁石２１によるステージ６を浮上させる弾性力と平衡する。したがって、第１電磁石１９、第二電磁石２０、第三電磁石２１による弾性力を計測することにより、ステージ６に作用した加工力を計測することができる。

加工装置５１の使用者は、加工装置５１の使用に先立って、変数ζ_ｘ、ζ_ｙの値を、それぞれ、「０」に設定しておくことにより、第一電磁石１９の弾性定数ｋ_１、第二電磁石２０の弾性定数ｋ_２、第三電磁石２１の弾性定数ｋ_３を弾性定数ｋに設定しておく。また、ドリル１による加工材料４の加工位置をステージ６における加工面内のＸＹ座標において（ａ／３、０）に設定する。
ＣＰＵ２１１は、第一変位センサ１３、第二変位センサ１４、及び第三変位センサ１５からｙ_１、ｙ_２、ｙ_３を取得すると（Ｓ６０１）、式（１０）、式（１１）を用いてステージの傾斜角θ_ｘ、θ_ｙを算出する（Ｓ６０３）。ＣＰＵ２１１は、算出した傾斜角θ_ｘ、θ_ｙが、予め設定された許容範囲内であるか否かを判断する（Ｓ６０５）。
ＣＰＵ２１１は、算出した傾斜角θ_ｘ、θ_ｙが許容範囲内でない、つまり許容範囲外であると判断すると、式（２６）、式（２７）を用いて変数ζ_ｘ、ζ_ｙを算出する（Ｓ６０６）。なお、変数ζ_ｘ、ζ_ｙは以下のようにして算出する。
式（２６）、式（２７）を積分すると、以下の式（４４）、式（４５）を得ることができる。

よって、ステップＳ６０３で算出した傾斜角θ_ｘ、θ_ｙをそれぞれ時間で積分し、それに定数γを乗算することによって、変数ζ_ｘ、ζ_ｙを算出する。なお、傾斜角θ_ｘ、θ_ｙの時間積分の方法については、一定間隔のサンプリング時間をおいて取得される傾斜角θ_ｘ、θ_ｙの離散値を順次足していけばよい。
ＣＰＵ２１１は、算出した変数ζ_ｘ、ζ_ｙを用いて、式（１６）〜式（１８）から弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３を算出し、弾性支持用制御装置２５に対して出力する（Ｓ６０７）。さらに、ＣＰＵ２１１は、式（３２）、式（３３）を用いて、弾性中心の座標値（Ｘ_ＥＣ、Ｙ_ＥＣ）を算出する（Ｓ６０９）。ＣＰＵ２１１は、ステップＳ６０５において傾斜角θ_ｘ、θ_ｙが、予め設定された許容範囲内であると判断されるまで、ステップＳ６０１〜ステップＳ６０９の処理を繰り返す。

ＣＰＵ２１１は、ステップＳ６０５において傾斜角θ_ｘ、θ_ｙが、予め設定された許容範囲内であると判断すると、弾性定数ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３、及び、弾性中心の座標値（Ｘ_ＥＣ、Ｙ_ＥＣ）を作業者に対して出力する（Ｓ６１１）。
ＣＰＵ２１１は、作業者から終了指示があるまで（Ｓ６１３）、ステップＳ６０１〜ステップＳ６１１の処理を実行する。
複数の穴を複数の加工材料に対して加工する場合、加工位置がＱ_１（ｘ_１，ｙ_１）、Ｑ_２（ｘ_２，ｙ_３）・・・Ｑ_ｎ（ｘ_ｎ，ｙ_ｎ）として与えられたとき、本発明の手段を適用することによってそれぞれの加工位置が弾性中心となるように弾性定数（ｋ_１１，ｋ_２１，ｋ_３１）（ｋ_１２，ｋ_２２，ｋ_３２）・・・（ｋ_１ｎ，ｋ_２ｎ，ｋ_３ｎ）を調整し、記憶することで穴加工工程の時間を短縮することが可能である。

[その他の実施形態]

（１）ドリル１
前述の実施例１においては、切削工具としてドリルを用いたが、その他の切削工具、例えば、ミリング工具などを用いることができる。さらに、実施例１の加工装置５１においては、切削工具を用いたが、切削以外のその他の加工を行う工具を用いることもできる。
（２）ステージ６
前述の実施例１においては、ステージ６には、磁気的性質を有する材料であれば、他の材料を含ませることもできる。また、ステージ６の形状は、上記正方形状に限定されるものではなく、他の形状、例えば、長方形状、三角形状など様々な形状に形成されていてもよい。
（３）変位センサ
前述の実施例１においては、変位センサとして渦電流式変位センサを用いたが、非接触式の変位センサであれば他の変位センサを用いてもよい。例えば、レーザー式変位センサ、静電式変位センサなどを用いてもよい。

（４）アクチュエータ
前述の実施例１においては、アクチュエータとして電磁石を用いたが、その他のアクチュエータ、例えばピエゾ素子などを用いてもよい。
（５）ステージ６の状態
前述の実施例１においては、ステージ６における加工材料４の載置面がＺ軸に直交する状態を所定の状態として、アクチュエータの制御を行うこととしたが、例示のものに限定されない。例えば、加工材料４における加工面がステージ６の載置面と平行ではない場合、加工面がＺ軸に直交するような載置面の状態を所定の状態としてもよい。
（６）制御装置２６のハードウェア構成
前述の実施例１においては、制御装置２６のハードウェア構成としてＣＰＵ２１１を用いることとしたが、ハードウェアロジック回路を用いて構成するようにしてもよい。
（７）制御装置２６の処理
前述の実施例１においては、本発明の特長と効果を強調するために、制御装置２６とステージ６を弾性支持するための弾性支持用制御装置２５を分離した形態で記述しているが、制御装置２６と弾性支持用制御装置２５を一体とした制御装置としてもよい。

（８）フローチャート
前述の実施例１においては、図６に示すフローチャートにより各処理を実現したが、各処理における目的を実現できるものであれば、例示のものに限定されない。
（９）電磁石及び変位センサの配置
前述の実施例１においては、第一電磁石１９〜第三電磁石２１は第一変位センサ１３〜第三変位センサ１５とステージ６を挟んでそれぞれ対向するよう配置することにより第一変位センサ１３〜第三変位センサ１５のｚ方向の変位と第一電磁石１９〜第三電磁石２１のｚ方向の変位がそれぞれ一致するとしたが、第一変位センサ１３〜第三変位センサ１５のｚ方向の変位を第一電磁石１９〜第三電磁石２１のｚ方向の変位とを関連づけることができるものであれば、例示のものに限定されない。例えば、第一電磁石１９〜第三電磁石２１及び第一変位センサ１３〜第三変位センサ１５がステージ６に対して同じ側に配置されるようにしてもよい。このとき、第一電磁石１９〜第三電磁石２１を、第四電磁石２２〜第六電磁石２４と同様に、それぞれ２個の電磁石がステージ６を挟んで一組となるよう構成してもよい。ただし、この場合、式(４６)の行列を鉛直方向変位ベクトルｙ_Vの左側に乗じて得られる結果を新たに鉛直方向変位ベクトルｙ_Vとし、その要素ｙ_１、ｙ_２、ｙ_３に対する正負の符合を調整する。

本発明は、被加工物を保持するステージに対して、微小ドリルに発生する力により生じるステージの傾斜と同時にドリルに発生する曲げを抑制することにより微小ドリルの折損を予防し、加工品位を高める加工装置として有用である。

本発明に係る加工装置５１の概略図である。変位センサの配置を示す平面図である。アクチュエータの配置を示す平面図である。制御装置２６のハードウェア構成を示す図である。制御装置２６が行うアクチュエータ制御動作を説明するための図である。制御装置２６のＣＰＵ２１１の動作を示すフローチャートである。従来の加工装置を示す図である。従来の加工装置を示す図である。

符号の説明

５１・・・加工装置
５３・・・加工ユニット
１・・・ドリル
２・・・ドリル保持具
３・・・ドリル回転装置
４・・・加工材料
６・・・ステージ
７・・・第一位置検出片
８・・・第二位置検出片
９・・・第三位置検出片
１３・・・第一変位センサ
１４・・・第二変位センサ
１５・・・第三変位センサ
１６・・・第四変位センサ
１７・・・第五変位センサ
１８・・・第六変位センサ
１９・・・第一電磁石
２０・・・第二電磁石
２１・・・第三電磁石
２２・・・第四電磁石
２３・・・第五電磁石
２４・・・第六電磁石
２５・・・弾性支持用制御装置
２６・・・制御装置

Claims

加工材料が載置される加工材料載置手段、
加工材料を加工するための工具を保持し、前記加工材料を前記工具によって加工する加工手段、
弾性力を発生する弾性支持手段であって、前記加工材料載置手段を弾性的に支持する弾性支持手段、
前記加工材料載置手段の傾斜量を検出する傾斜量検出手段、
前記加工材料の加工位置に前記工具による加工力が作用した際の前記加工材料載置手段の傾斜量に基づき、前記加工材料の加工位置が弾性中心となるように、前記弾性支持手段の弾性係数を調整する制御装置、
を有し、
前記加工材料載置手段の傾斜を抑制し、かつ、
前記加工材料の加工位置に前記工具による加工力が作用する場合に、前記加工材料載置手段に対して並進変位のみを生じさせることを特徴とする加工装置。
前記傾斜量検出手段は、さらに、
前記加工材料載置手段の位置を検出する位置検出手段、
検出された前記位置から、前記傾斜量を算出する傾斜量算出手段、
を有すること、
を特徴とする請求項１に記載の加工装置。