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JP4898310B2 - Fine shape processing equipment - Google Patents
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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。   The present invention relates to a fine shape processing apparatus for forming a precise fine shape on the surface of a workpiece.

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)。   Conventionally, a technique for processing a fine shape on the surface of a material has been used in many fields such as an information communication field and a liquid crystal manufacturing field. In these industries, in order to achieve miniaturization, high integration, and high accuracy of products, it is required that fine surface shapes be formed with high aspect ratio and high accuracy. On the other hand, diamond cutting has characteristics suitable for forming a fine surface shape such as a good finished surface, and is therefore used as a main processing technique in these industrial fields together with a high-speed tool positioning device (for example, Patent Document 1).

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。   Since the fine surface shape formed on the surface of the workpiece is determined by the size of the tool edge, it is necessary to reduce the tool edge to achieve a high aspect ratio. However, in conventional devices such as Patent Document 1, problems that affect shape accuracy such as breakage and wear are more likely to occur as the tool edge becomes smaller. In addition, since it is difficult for the operator to visually determine the contact between the tool and the workpiece, there is a problem that an excessive load is applied to the tool, and damage such as chipping and wear are more likely to occur.

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。   In particular, in the liquid crystal field, there is a demand for an increase in the fine surface shape in order to cope with an increase in the size of the screen. Since the machining time becomes longer due to the increase in the size of the fine surface shape, it is indispensable in terms of production technology to reduce the load on the tool and to know the state of the tool during the machining.

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)。   In order to respond to such problems and demands, as shown in FIG. 10, the present inventors measured the force applied to the tool 120 to a high-speed tool positioning device used for diamond cutting or the like as a fine shape processing device. The measurement processing integrated device 100 to which the force sensor 150 is attached is proposed (see Japanese Patent Application No. 2004-349434).

特開2002−166317号公報JP 2002-166317 A

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。   Since the force sensor 150 is arranged behind the tool positioning device and is fixed to the base 110 with screws 152 and 154, the force applied to the tool 120 is applied to the force sensor 150 in the measurement processing integrated device 100 shown in FIG. Not only 150 but also screws 152 and 154 are dispersed. For this reason, the sensitivity of the force sensor 150 with respect to the force applied to the tool 120 becomes low, and when trying to measure a minute force applied to the tool 120, it is considered difficult to measure with high accuracy. For this reason, in order to measure the minute force applied to the tool, there is a problem that it is necessary to further improve the measurement accuracy.

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。   The present invention has been made paying attention to such a conventional problem, and an object thereof is to provide a fine shape processing apparatus capable of measuring a minute force applied to a tool with high accuracy.

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。   In order to achieve the above object, a fine shape processing apparatus according to the present invention is a fine shape processing apparatus for forming a precise fine shape on the surface of a workpiece, and has a processing portion and a drive portion. The processing unit includes a tool capable of processing the surface of the workpiece, and a force sensor connected to the tool and measuring and outputting a force applied to the tool, and the driving unit includes the workpiece. It is characterized in that the processed portion can be driven relative to the workpiece.

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。   The fine shape processing apparatus according to the present invention can form a precise fine shape on the surface of the workpiece with a tool by driving the processing portion relative to the workpiece with the drive portion. At this time, by attaching the force sensor to a position relatively close to the tool and connecting it to the tool, it is possible to suppress the force applied to the tool from being distributed to portions other than the force sensor. For this reason, the sensitivity of the force sensor with respect to the force applied to the tool can be increased, and a minute force applied to the tool can be measured with high accuracy.

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。   By utilizing the output of the force sensor measured with high accuracy, contact between the tool and the workpiece can be detected, and the load on the tool during machining can be reduced to the minimum necessary. Further, it is possible to detect damage such as tool wear or chipping during machining, and it is easy to determine tool replacement, thereby improving productivity. The cutting characteristics of the tool can be examined, the machining conditions can be optimized, and the shape accuracy of the machining can be improved.

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。   The tool may be any tool as long as it can perform cutting or turning on the surface of the workpiece, such as diamond. The drive unit may drive the machining unit with respect to the workpiece, or may drive the workpiece with respect to the machining unit.

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。   The fine shape processing apparatus according to the present invention includes a support unit, a displacement sensor, and a control unit, the support unit supports the drive unit, and the drive unit is capable of driving the process unit. The displacement sensor is provided in the support part so as to be able to measure the displacement of the processing part relative to the support part, and the control part is connected to the drive part and measured by the displacement sensor. It is preferable that the drive unit can be feedback controlled based on the displacement. In this case, the tool can be positioned at high speed and with high accuracy by feedback control of the drive unit by the control unit based on the displacement measured by the displacement sensor. The processing accuracy can be further improved by combining the feedback control with the output of the force sensor.

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。   In the fine shape processing apparatus according to the present invention, the control unit may be capable of controlling the drive unit based on a measured value of the force output from the force sensor. In this case, the position of the tool can be controlled by the measurement value from the force sensor, and productivity and machining accuracy can be further improved. By controlling the drive unit with the control unit so that the measurement value of the force sensor becomes constant, the surface shape of the workpiece can be measured from the displacement of the displacement sensor.

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。   In the micro-shape processing apparatus according to the present invention, the control unit may include display means provided so as to be able to display a measured value of the force output from the force sensor and a displacement measured by the displacement sensor. . In this case, the measurement values of the force sensor and the displacement sensor can be confirmed. In addition, while confirming the measured value, the machining conditions can be changed and various analyzes can be performed.

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。   In the fine shape processing apparatus according to the present invention, the force sensor may be capable of measuring forces in three axial directions orthogonal to each other. In this case, the magnitude and direction of the force applied to the tool can be measured in the three-dimensional space.

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。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fine shape processing apparatus which can measure the micro force added to the tool with high precision can be provided.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 7 show a fine shape processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the fine shape processing apparatus 10 includes a support unit 11, a drive unit 12, a processing unit 13, a displacement sensor 14, and a control unit 15.

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。   As shown in FIG. 1, the support portion 11 includes a cylindrical casing 21 having sensor openings 21 a and 21 b at both ends and a sensor holder 22. The casing 21 has an annular flange portion 21c protruding inward along the front opening 21a. The casing 21 has an annular drive fixing portion 21d protruding inward along the rear opening 21b. The sensor holder 22 has a disc-shaped cap portion 22a having the same diameter as the outer diameter of the casing 21, and a columnar portion 22b provided so as to extend perpendicularly to the surface of the cap portion 22a. The sensor holder 22 is fixed to the casing 21 such that the columnar portion 22b is disposed inside the casing 21 and the cap portion 22a closes the opening 21b behind the casing 21. The sensor holder 22 has a through hole 22c that passes through the center of the cap portion 22a and the center of the columnar portion 22b.

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。   The drive unit 12 includes a piezoelectric element (PZT) 23 that constitutes an actuator, and a PZT driver (not shown) connected to the piezoelectric element 23. The piezoelectric element 23 has high rigidity and excellent responsiveness, and has a cylindrical hollow shape. The piezoelectric element 23 is inserted into the casing 21 so that the columnar portion 22 is inserted therein, and the rear end is fixed to the drive fixing portion 21 d inside the casing 21 and supported by the support portion 11. The piezoelectric element 23 is disposed such that the outer surface does not contact the inner wall surface of the casing 21 and the inner surface does not contact the columnar portion 22b. The piezoelectric element 23 is adapted to expand and contract along the central axis direction inside the casing 21 by applying a voltage via a PZT driver. The piezoelectric element 23 has nonlinear voltage-displacement characteristics due to hysteresis characteristics and creep characteristics.

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。   As shown in FIG. 1, the processing unit 13 includes a force sensor 24, an attachment unit 25, a wave washer 26, a tool holder 27, and a tool 28. The force sensor 24 is attached to the tip of the piezoelectric element 23 inside the casing 21. The force sensor 24 can output a measured value of the measured force. The attachment part 25 has a cylindrical holder fixing part 25a and a disk part 25b fixed to the rear end of the holder fixing part 25a. The holder fixing portion 25 a has a diameter slightly smaller than the diameter of the opening 21 a in front of the casing 21. The disk part 25 b has a larger diameter than the holder fixing part 25 a and has substantially the same diameter as the outer diameter of the piezoelectric element 23. The mounting portion 25 has a disk portion 25 b disposed inside the casing 21 so that the holder fixing portion 25 a protrudes from the opening 21 a in front of the casing 21. The attachment portion 25 is disposed so that the force sensor 24 is sandwiched between the disc portion 25 b and the piezoelectric element 23.

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。   The wave washer 26 has an inner diameter that is substantially the same as the diameter of the opening 21 a in front of the casing 21 and an outer diameter that is substantially the same as the outer diameter of the piezoelectric element 23. The wave washer 26 is attached so as to be sandwiched between the flange portion 21 c of the casing 21 and the disk portion 25 b of the attachment portion 25. The wave washer 26 can apply an arbitrary preload to the force sensor 24 and the piezoelectric element 23. The tool holder 27 has a smaller diameter than the holder fixing portion 25a and is fixed to the tip of the holder fixing portion 25a. The tool 28 is made of diamond and has a fine shape with a sharp cutting edge. The tool 28 can cut or turn the surface 1a of the workpiece 1. The tool 28 is detachably fixed to the center of the tip of the tool holder 27.

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。   As shown in FIG. 1, the force sensor 24 is connected to the tool 28 via a tool holder 27 and a mounting portion 25. Thereby, the force sensor 24 measures and outputs the force applied to the tool 28. The force sensor 24 may be disposed on the tool holder 27 as long as it is the rear part of the tool 28 or may be directly attached to the tool 28. The drive unit 12 can drive the processing unit 13 with respect to the workpiece 1.

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。   The displacement sensor 14 is composed of a capacitance type sensor. The displacement sensor 14 is inserted and fixed in the through hole 22c so as to protrude from the tip of the columnar portion 22b of the sensor holder 22. The displacement sensor 14 can measure and output the displacement of the processing portion 13 relative to the support portion 11 by measuring the gap between the protruding tip and the disc portion 25b of the attachment portion 25.

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。   As shown in FIG. 1, the control unit 15 includes a function generator 29, a lock-in amplifier 30, an AD conversion board 31, a computer 32, and a display unit 33. The function generator 29 is connected to the piezoelectric element 23 and applies a voltage having a predetermined frequency to the piezoelectric element 23 to cause the piezoelectric element 23 to vibrate slightly. The lock-in amplifier 30 is connected to the force sensor 24 and the function generator 29. The lock-in amplifier 30 detects an output signal of a force measurement value output from the force sensor 24. That is, an output signal having the same frequency as that input from the function generator 29 is amplified.

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。   The AD conversion board 31 is attached to the computer 32, and the lock-in amplifier 30 and the displacement sensor 14 are connected thereto. The AD conversion board 31 converts the output signal of the force sensor 24 amplified by the lock-in amplifier 30 and the output signal of the displacement measured by the displacement sensor 14 from an analog signal to a digital signal, and transmits the digital signal to the computer 32. It is like that. The computer 32 can receive the output signal of the force sensor 24 and the output signal of the displacement sensor 14 via the AD conversion board 31. The computer 32 can perform various analyzes based on the output signal of the force sensor 24 and the output signal of the displacement sensor 14.

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。   The display means 33 is composed of a monitor connected to the computer 32. The display means 33 can display the force measurement value of the force sensor 24 and the displacement measurement value of the displacement sensor 14 in a table, a graph, a figure, or the like. The display means 33 can display the analysis result obtained by the computer 32.

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。   The control unit 15 can feedback control the drive unit 12 based on the displacement measured by the displacement sensor 14. That is, the control unit 15 inputs a command value from the computer 32 to a PID controller (not shown) via a DA conversion board (not shown) and also inputs an output signal of the displacement sensor 14. The PID controller compares the command value from the computer 32 with the output signal of the displacement sensor 14 and sends a control signal to the piezoelectric element 23 to feedback control the drive unit 12. The output signal of the displacement sensor 14 is input to the computer 32 via the AD conversion board 31 without using the PID controller, and the computer 32 compares the command value with the output signal of the displacement sensor 14 to calculate the piezoelectric element. The drive unit 12 may be feedback-controlled by transmitting a control signal to 23. The computer 32 can control the drive unit 12 based on the output signal of the force sensor 24.

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。
Next, the operation will be described.
The fine shape processing apparatus 10 can form a precise fine shape on the surface 1 a of the workpiece 1 with the tool 28 by driving the processing portion 13 relative to the workpiece 1 with the driving portion 12. . At this time, the force sensor 24 is connected to the tool 28 via the tool holder 27 and the mounting portion 25, and is closer to the tool 28 than the conventional device shown in FIG. 10 disposed behind the tool positioning device. A force sensor 24 is attached to the position. For this reason, it is possible to suppress the force applied to the tool 28 from being distributed to portions other than the force sensor 24. For this reason, the sensitivity of the force sensor 24 with respect to the force applied to the tool 28 can be increased, and the minute force applied to the tool 28 can be measured with high accuracy. Further, when the same force is measured, the processing force can be measured more directly with higher sensitivity than the conventional apparatus shown in FIG.

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。   Feedback control of the drive unit 12 by the control unit 15 based on the displacement measured by the displacement sensor 14 can compensate for the hysteresis characteristics and creep characteristics of the piezoelectric element 23, and the tool 28 can be positioned at high speed and with high accuracy. Can be done. Further, the position of the tool 28 can be controlled by the measurement value from the force sensor 24, and productivity and machining accuracy can be improved. By combining the feedback control and the control by the force sensor 24, the machining accuracy can be further improved. The measured values of the force sensor 24 and the displacement sensor 14 can be confirmed by the display means 33. In addition, while confirming the measured value, the machining conditions can be changed and various analyzes can be performed.

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。   In the conventional integrated measuring and processing apparatus 100 shown in FIG. 10, since the force sensor 150 is disposed behind the tool positioning device, it is necessary to support the tool positioning device in a cantilever manner. For this reason, the rigidity of the whole apparatus has fallen and the apparatus is also enlarged. On the other hand, since the fine shape processing apparatus 10 does not need to support the drive unit 12 and the like in a cantilever manner, the rigidity of the entire apparatus is high and the size can be reduced.

[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。
[Contact detection]
The fine shape processing apparatus 10 can detect contact between the tool 28 and the workpiece 1 by using the output of the force sensor 24 measured with high accuracy. That is, when the tool 28 and the workpiece 1 come into contact with each other, the force applied to the tool 28 increases, so that the output of the force sensor 24 increases and the output of the lock-in amplifier 30 also increases. At this time, as shown in FIG. 2, the output of the force sensor 24 from the lock-in amplifier 30 is constantly monitored by the computer 32, and when the predetermined threshold is not exceeded, it is determined that the tool 28 is not in contact. Is further brought closer to the workpiece 1. When the output of the force sensor 24 exceeds the threshold value, it is determined that contact has occurred, and the relative movement between the tool 28 and the workpiece 1 is stopped. In this way, contact between the tool 28 and the workpiece 1 can be detected. Thereby, damage to the tool 28 due to contact with the workpiece 1 can be prevented.

[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。
[Detection of tool wear and damage]
Further, by using the output of the force sensor 24 measured with high accuracy, it is possible to detect damage such as wear or chipping of the tool 28 during processing. That is, as shown in FIG. 3, the tool 28 is in contact with the surface 1 a of the workpiece 1 during machining. At this time, when the tool 28 is worn or broken, the contact state changes, so the output of the force sensor 24 changes. By detecting this change, damage such as wear and chipping of the tool 28 during processing can be detected. Thereby, it is easy to determine replacement of the tool 28, and productivity can be improved.

[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。
[Measurement of tool wear]
Further, the wear amount of the tool 28 can also be measured. That is, as shown in FIG. 4A, the standard sample 2 is used to measure the contact position between the tool 28 before processing and the standard sample 2. When the tool 28 is worn by processing, the tool 28 does not contact the standard sample 2 at the contact position before processing as shown in FIG. At this time, as shown in FIG. 4C, the tool 28 is moved by the piezoelectric element 23 to contact the standard sample 2, and the displacement from the contact position before processing is measured by the displacement sensor 14, whereby the tool 28 is moved. The wear amount d can be measured. Further, the deviation of the tip position of the tool 28 due to an attachment error when the tool 28 is replaced or an individual difference in the size of the tool 28 can be obtained by the same method.

[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。
[Measurement of surface processing shape]
As shown in FIG. 5, the shape of the surface 3 a of the sample 3 can be measured from the displacement of the displacement sensor 14 by controlling the drive unit 12 with the control unit 15 so that the measurement value of the force sensor 24 becomes constant. . In the example shown in FIG. 5, the processed surface 3a of the sample 3 is processed with a sine wave, the wavelength is 50 μm, and the amplitude is 100 nm. Further, the elastic deformation region of the processed surface 3a is within 0.1 nm. At this time, a voltage is applied to the piezoelectric element 23 to make the tool 28 approach the sample 3 stepwise while finely vibrating, and scanning is performed in the X direction while performing feedback control so that the measured value of the force sensor 24 becomes constant. Thereby, the displacement of the displacement sensor 14 becomes the shape measurement result of the surface 3 a of the sample 3. In addition, by using a reference sample whose shape is known in the same manner, the shape of the tip of the tool 28 can be measured, and the processing accuracy can be improved.

[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。
[Measurement of tool cutting characteristics]
Further, the cutting characteristics of the tool 28 can be examined by directly inputting the output of the force sensor 24 measured with high accuracy to the AD conversion board 31. Thereby, processing conditions can be optimized, and the shape accuracy of processing can be improved.

[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。
[Calibration and sensitivity of force sensor]
In order to compare the force sensor 24 of the fine shape processing apparatus 10 (hereinafter referred to as “force sensor I”) with the force sensor 150 of the conventional integrated measuring and processing apparatus 100 shown in FIG. Another force sensor (hereinafter referred to as “force sensor II”) was attached to the rear of the support portion 11 and the following measurements were performed.

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。   First, a load is applied to the tool 28 with a weight, and the output voltages (Output Voltage) of the force sensor I and the force sensor II when the load is released by lifting the weight all at once are measured, and the result is shown in FIG. . The force applied to the tool 28 can be calculated from the output voltage of the force sensor I and the force sensor II using the result of FIG.

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。   Next, the output voltage of the force sensor I and the force sensor II when the piezoelectric element 23 is vibrated at 1 Hz and an amplitude of 20 nm is measured, and a graph of force calculated using the results of FIG. 6 is shown in FIG. As shown in FIG. 7, since the force sensor I is disposed at a position closer to the tool 28 than the force sensor II, it can be seen that the force applied to the tool 28 can be measured with higher sensitivity. As described above, since the force sensor 24 directly receives the force applied to the tool, the fine shape processing apparatus 10 can measure the force with high sensitivity and high accuracy.

[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。
[3D measurement]
As shown in FIG. 8, the fine shape processing apparatus 10 may have force sensors 51, 52, and 53 so as to be able to measure forces in three axial directions orthogonal to each other. In the example shown in FIG. 8, the force sensor 51 can measure the force in the X-axis direction in FIG. 8, and the force sensor 52 can measure the force in the Y-axis direction (direction perpendicular to the paper surface of FIG. 8). The force sensor 53 can measure the force in the Z-axis direction in FIG. Thereby, the magnitude and direction of the force applied to the tool 28 can be measured in the three-dimensional space.

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。   Usually, the Z axis of the fine shape processing apparatus 10 which is the cutting direction of the tool 28 is arranged so as to coincide with the X ′ axis in the radial direction of the cylindrical workpiece 4. In that case, the cutting amount can be given only to the X′-axis of the workpiece 4. On the other hand, as shown in FIG. 9, when the Z axis of the fine shape processing apparatus 10 is tilted by the θ angle with respect to the X ′ axis of the work 4, the cutting amount dx ′ is set on the X ′ axis of the work 4. Not only can the cutting amount dz ′ be given to the Z ′ axis in the axial direction of the workpiece 4 at the same time. Thereby, the cut amount dz obtained by combining the cut amount dx ′ and the cut amount dz ′ can be given to the workpiece 4. Thus, a fine shape that changes in both the radial direction and the axial direction of the workpiece 4 can be created.

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。   In this case, as shown in FIG. 9, a force Fz in the Z-axis direction and a force Fx in the X-axis direction of the fine shape processing apparatus 10 are applied to the tool 28. At this time, the fine shape processing apparatus 10 can measure Fx by the force sensor 51 and Fz by the force sensor 53. As described above, the force sensors 51, 52, and 53 can measure the force applied to the tool 28 in the three-dimensional space, and can be used to improve the accuracy of the three-dimensional machining shape.

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。It is sectional drawing which shows the fine shape processing apparatus of embodiment of this invention. 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。It is a flowchart when detecting the contact of the tool and workpiece of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the use condition in the process of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is a side view which shows the measuring method of the abrasion amount of the tool of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is a side view which shows the measuring method of the surface processing shape of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is a graph which shows the output voltage (Output Voltage) with respect to the load (load) applied to the tool of the force sensor (force sensor I) and the comparative force sensor (force sensor II) of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is a graph which shows the measurement result of the force when vibrating the piezoelectric element of the force sensor (force sensor I) and the comparative force sensor (force sensor II) of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is sectional drawing which shows the modification of the force sensor of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 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。It is a side view which shows the use condition of the fine shape processing apparatus shown in FIG. 従来の計測加工一体型装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the conventional measurement processing integrated apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Workpiece 10 Fine shape processing apparatus 11 Support part 12 Drive part 13 Processing part 14 Displacement sensor 15 Control part 21 Casing 22 Sensor holder 23 Piezoelectric element 24 Force sensor 25 Mounting part 26 Wave washer 27 Tool holder 28 Tool 29 Function generator 30 Lock-in amplifier 31 AD conversion board 32 Computer 33 Display means

Claims (3)

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。
A fine shape processing apparatus for forming a precise fine shape on the surface of a workpiece,
A tool capable of processing the surface of the workpiece, a force sensor for measuring and outputting a force applied to the tool, a first surface to which the tool is attached, and a second surface to which the force sensor is attached And a processing part having a wave washer attached to the first surface ;
A cylindrical hollow piezoelectric element having a first end connected to the force sensor and a second end opposite to the first end; A drive unit capable of relatively driving ,
A first flange portion connected to the wave washer and a second flange portion fixed to the second end portion, and a preload was applied to the force sensor and the actuator by the wave washer. A support part for supporting the drive part in a state;
A displacement sensor disposed in a hollow portion of the piezoelectric element and capable of measuring a displacement of the processing portion with respect to the support portion by measuring a gap formed between the mounting portion and the mounting portion;
A control unit connected to the drive unit and capable of feedback-controlling the drive unit based on a displacement measured by the displacement sensor and a force measurement value output from the force sensor;
A fine shape processing apparatus comprising:
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。
The fine shape processing apparatus according to claim 1,
The said control part has the display means provided so that the measured value of the force output from the said force sensor and the displacement measured by the said displacement sensor could be displayed.
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。
The fine shape processing apparatus according to claim 1 or 2,
The force sensor is capable of measuring forces in three axial directions orthogonal to each other.
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