加工装置
【課題】切削力を高精度に検出することができる加工装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る加工装置１は、切刃１２を有する工具２と、工具２を微小振動させるアクチュエータ３と、アクチュエータ３を収容するケーシング４と、ケーシング４の内部に配置されアクチュエータ３に予荷重を与える予負荷機構５と、切刃１２と予負荷機構５の間に配置された力センサ６と、力センサ６の出力に基づいて加工部１の切削力を検出する検出手段（コンピュータ１９）とを具備する。本発明において、力センサ６は、工具２の慣性質量に基づく力成分のみを検出する。これにより、非加工時に検出される力センサ６の出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分が大きくなり、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。
【解決手段】本発明に係る加工装置１は、切刃１２を有する工具２と、工具２を微小振動させるアクチュエータ３と、アクチュエータ３を収容するケーシング４と、ケーシング４の内部に配置されアクチュエータ３に予荷重を与える予負荷機構５と、切刃１２と予負荷機構５の間に配置された力センサ６と、力センサ６の出力に基づいて加工部１の切削力を検出する検出手段（コンピュータ１９）とを具備する。本発明において、力センサ６は、工具２の慣性質量に基づく力成分のみを検出する。これにより、非加工時に検出される力センサ６の出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分が大きくなり、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の表面に微細形状を形成するための加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の表面に微細パターンを作製する技術は、それによって新たな機能表面を生み出すことができるという理由から、近年の情報産業の基幹を成している。例えば、光学的機能では、フレネルレンズ、マイクロプリズム、マイクロレンズアレイ等があり、情報産業において幅広く応用されている。例えば、被加工物の表面に３次元微細形状を形成し、ＦＰＤ（Flat Panel Display）の表示部分を構成する部材に３次元微細形状を分布させることによって、ディスプレイに光源強度分布の補正、反射防止、虹・モアレ発生防止等の機能を付与することができる。また、クリーンエネルギーとして期待されている太陽電池において発電量を高めるために、３次元微細形状が形成される。
【０００３】
近年、ＦＰＤは、中・小型のものから大面積のものまで大きさは様々であり、太陽電池にしても同様である。それらの光学的機能や発電量を高めるなどの目的で形成される３次元微細形状は、デバイスの大きさ、用途によって様々であるため、それぞれの目標スペックに対応可能な微細形状形成技術が必要とされている。
【０００４】
その他にも、トライボロジー的機能を改善するために、エンジンのピストン摺動部に微細形状を形成し、接触面積を減らすことにより摩擦力を低減するといった応用がある。また、境界面的機能を改善するために、微細形状により撥水性を高めた自浄表面を形成したり、熱伝導率、境界層流れ、軸受け、防錆、接着等の特性を改善したりすることもできる。更には、バイオ分野におけるインプラントやバイオセンサ等にも応用が広まっている。
【０００５】
これらの微細パターンの作製技術としては、精度の高い表面形状を大面積にわたって実時間で作製できる加工法が望ましい。電気的、光学的な三次元微細形状作製技術には、電子ビーム描画方式、レーザ描画方式、ホログラフィック方式等、様々な種類が知られている。これらの手法は、無反射表面、回折格子、マイクロレンズアレイ等、マイクロメートルからサブマイクロメートルの非常に短い空間波長をもつ構造の作製には有効ではあるが、複雑な三次元形状の作製には不向きである。
【０００６】
一方、現在の超精密切削・研削加工技術は、精密運動制御や計測・精密加工用ツールの進歩によってサブマイクロメートル・オーダ以下の制度の加工が容易に行えるようになっている。その代表的な例がシングルポイント・ダイヤモンド切削加工であり、非常に鋭利な単一の切刃をもつ単結晶ダイヤモンド工具を使い、軟質金属などを高精度の加工機を用いて加工する方法である。この方法は、ファスト・ツール・サーボ（ＦＴＳ：高速工具サーボ）やファスト・ツール・コントロール（ＦＴＣ：高速工具制御）の技術を用いることによって、工具を工作物に対して三次元的に精密かつ高速に運動制御することが可能である。電気的、光学的加工法に比べて、ダイヤモンド切削では、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲の空間波長を有する三次元微細形状の作製に適している。
【０００７】
通常の切削加工では、直動２軸及び回転軸の３軸を旋盤によって制御し、加工物に目標形状を与える。一方、ＦＴＣは、直動２軸のうち１軸を圧電素子などの高い分解能、剛性および応答性をもつ機構によって制御する技術である。通常の機械加工と異なり、工具を高速に制御するという特徴をもつＦＴＣ技術においては、微細形状を精密に作製する上で、加工時に工具に作用する力を正確に計測することが重要な課題となっている。
【０００８】
そこで特許文献１のように、工具を駆動する圧電素子（ＰＺＴ）からなるアクチュエータと、このアクチュエータに結合され、工具を保持する工具ホルダと、アクチュエータと同軸に配置され、工具の変位を計測する変位センサと、工具に印加される力を計測する力センサとを一体として構成した加工装置が提案されている。アクチュエータは工具を微小振動させて被加工物の表面を加工する。切削力は、加工時に検出される力センサの出力から、非加工時に検出される力センサの出力を差し引いた値として検出される。非加工時に検出される力センサの出力とは、工具を被加工物に接触させないで工具を微小振動させたときに検出される力センサの出力をいう。これにより、工具の切削力をインプロセスでモニタリングすることが可能となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１５９２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の加工装置においては、アクチュエータを予負荷状態で収容するＰＺＴケースと、このＰＺＴケースを支持するベースとの間に、上記力センサが配置されている。このため、力センサは、工具だけでなく、上記アクチュエータやＰＺＴケースを含む系の慣性質量あるいは振動質量をも計測してしまうことになる。その結果、工具の切削力を高精度に検出することができなくなり、被加工物がアルミニウムや銅などの軟質金属である場合には、加工制御が困難となる。
【００１１】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、切削力を高精度に検出することができる加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る加工装置は、切刃を有する加工部と、前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、前記力センサの出力に基づいて前記加工部の切削力を検出する検出手段とを具備する。
【００１３】
本発明において、力センサは、切刃と予負荷機構との間に配置されている。その結果、力センサは、加工部、アクチュエータおよびケーシングのうち、アクチュエータおよびケーシングが除かれた、加工部の慣性質量に基づく力成分のみを検出する。これにより、非加工時に検出される力センサの出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分が大きくなり、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００１４】
前記予負荷機構は、前記アクチュエータに接触され前記ケーシングに対して相対駆動されるヘッド部材と、前記ケーシングと前記ヘッド部材の間に配置され前記ヘッド部材を前記アクチュエータに押し付ける弾性部材とを有し、前記力センサは、前記切刃と前記ヘッド部材の間に配置されている。力センサは、弾性部材の反力を検出することはないので、加工時における切削力を高精度に検出することが可能である。
【００１５】
前記加工部は、切刃を保持する保持部を有する。この場合、前記力センサは、前記保持部と前記ヘッド部材の間に配置されることができる。あるいは、前記力センサは、前記切刃と前記保持部の間に配置されることができる。更には、前記力センサは、前記保持部に埋め込まれることができる。上記構成により、力センサは、切刃または切刃および保持部の慣性質量のみに基づく力検出が可能となるので、切削力の検出精度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る他の加工装置は、切刃を有する加工部と、前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、前記加工部の変位を検出する変位センサと、前記力センサと前記変位センサの出力に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御手段とを具備する。
【００１７】
この構成により、非加工時に検出される力センサの出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分を大きくして、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。また、変位センサの出力に基づいてアクチュエータの駆動をフィードバック制御が可能となり、加工制御を高精度に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、切削力を高精度に検出することができるので、被加工物の表面に対して微細かつ複雑な三次元形状を高精度に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
［加工装置の構成］
図１は本発明の実施形態による加工装置の構成を示す概略断面図である。
【００２１】
本実施形態の加工装置１は、工具２と、工具２を微小振動させるアクチュエータ３と、アクチュエータ３を支持するケーシング本体４と、ケーシング本体４の内部に配置され、アクチュエータ３に予荷重を与える予負荷機構５と、工具２と予負荷機構５の間に配置された力センサ６と、ケーシング本体４に対する工具２の変位を検出する変位センサ７と、アクチュエータ３を駆動する制御部１５とを有している。
【００２２】
ケーシング本体４は、大径孔部４ａおよび小径孔部４ｂからなる段付き孔が内部に形成された円筒形状を有している。このケーシング本体４の大径孔部４ａには、アクチュエータ３および予負荷機構５が収容されている。大径孔部４ａの開口部には、中央部に円形の貫通孔８ａが形成された第１の蓋部材８が複数本のネジ部材Ｍ１によって取り付けられている。一方、ケーシング本体４の小径孔部４ｂには、この小径孔部４ｂの開口部に複数本のネジ部材Ｍ２によって取り付けられた第２の蓋部材９の柱状部９ａが挿通されている。第１の蓋部材８及び第２の蓋部材９は、ケーシング本体４と共に、本発明に係る「ケーシング」を構成している。
【００２３】
アクチュエータ３は、高剛性かつ応答性に優れた圧電素子で構成されている。特に本実施形態では、アクチュエータ３は、円筒形状のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の積層体で構成され、ケーシング本体４と蓋部材９の柱状部９ａとの間に形成された環状空間に同心的に配置されている。アクチュエータ３の外周面および内周面は、ケーシング本体４の内壁面および柱状部９ａの外周面に対してそれぞれ一定以上の隙間を介して対向している。
【００２４】
アクチュエータ３は、ケーシング本体４の段付き孔の段部４ｓと、予負荷機構５を構成するヘッド部材１０との間に予負荷状態で支持されている。この予負荷機構５は、ヘッド部材１０と弾性部材１１を有している。ヘッド部材１０の前面側には、蓋部材８の貫通孔８ａに所定のクリアランスを介して嵌合される凸部１０ａが形成されている。ヘッド部材１０の背面側はアクチュエータ３の先端と接触している。
【００２５】
弾性部材１１は、ウェーブワッシャで構成されており、蓋部材８とヘッド部材１０の凸部１０ａの外周側との間に圧縮状態で組み込まれている。この構成により、弾性部材１１の復元力によってヘッド部材１０がアクチュエータ３に押し付けられ、アクチュエータ３に圧縮方向への予荷重が与えられる。アクチュエータ３に対する予荷重は、ネジ部材Ｍ１の締め付け量によって調整される。弾性部材１１をウェーブワッシャで構成することにより、弾性部材１１の薄型化を図ることができ、さらに、小さい変形量で大きな弾性力を得ることができる。なお、ウェーブワッシャに代えて、板バネ等の他のバネ部材やゴム部材を用いてもよい。
【００２６】
工具２は、切刃１２と、切刃１２を保持するシャンク１３とからなる。切刃１２は、刃先が鋭利に尖った単結晶ダイヤモンドで形成されているが、切刃の形状、材質はこれに限定されない。切刃１２とシャンク１３とは、例えば、ろう付けによって固定されている。工具２は、工具ホルダ１４によって保持されている。なお、シャンク１３および工具ホルダ１４は本発明の「保持部」に対応する。
【００２７】
なお、工具は種々の形状のものが用意されており、目的とする加工形態に応じて着脱自在に構成されている。具体的には、後述するように、被加工物Ｗの表面を鏡面加工する場合には先端が一定の曲率で形成された鏡面加工用の工具２９（図４（Ａ）参照）が用いられ、被加工物Ｗの表面に微細な三次元形状を形成する場合には、上述したような先端が鋭利な切刃１２を有する工具（以下「マイクロ工具」ともいう。）２が用いられる。
【００２８】
工具２は、ネジ等の固定方法によって、工具ホルダ１４に保持されている。工具ホルダ１４はＬ字形状を有するが、これに限られない。また、シャンク１３と工具ホルダ１４が一体となった構成にすることもできる。さらに、シャンク１３や工具ホルダ１４がない、切刃１２のみの構成であってもよい。以上、切刃１２、シャンク１３および工具ホルダ１４により、本発明に係る「加工部」が構成される。
【００２９】
力センサ６は、切刃１２と予負荷機構５の間に設置されている。本実施形態では、力センサ６は、工具ホルダ１４とヘッド部材１０の間に設置されている。力センサを切刃１２と予負荷機構５の間に設置することにより、アクチュエータ３の駆動時に弾性部材１１において生じた反力が、力センサ６によって検出されることがなくなり、力センサ６における力検出感度を高めることができる。
【００３０】
力センサ６は、中心部がアクチュエータ３の軸心部の延長線上に位置するように、ヘッド部材１０の凸部１０ａの表面に設置される。なお、力センサ６は、ヘッド部材１０の表面に設置される構成に限られず、例えば、ヘッド部材１０の表面に埋め込む構成であってもよい。
【００３１】
力センサ６は、高剛性かつ応答性に優れた圧電素子で構成され、特に本実施形態では、圧電素子（ＰＺＴ）の積層体で構成されている。力センサ６の出力は、制御部１５へ供給される。なお、力センサ６の検出精度を高めるために、当該力センサ６を構成する圧電素子は、予荷重が付与された状態で設置されることが好ましい。
【００３２】
力センサ６は、ウェーブワッシャからなる弾性部材１１よりも小さい外形寸法で形成されている。この構成により、加工時において切刃１２を中心とするモーメントによる影響を受けにくくし、力センサ６における力検出精度を高めることができる。
【００３３】
ここで、力センサ６として市販されている圧電素子を使用する場合は通常、力の検出感度が不明であるため、感度の校正が必要である。校正方法としては、例えば、以下の方法がある。
【００３４】
すなわち、予荷重を与えられた当該圧電素子に、その予荷重を解放するように分銅を吊り下げて当該予荷重を減少させる。当該圧電素子の出力が安定した後、分銅を一気に持ち上げ、減少された予荷重を当該圧電素子に再び付与する。そして、この圧電素子で発生した電荷（電圧）を所定の増幅率で増幅して計測する。この作業を分銅の質量を変えて複数回行い、図２に示すように、分銅の質量と圧電素子の出力電圧との関係を求める。圧電素子の感度は、図２に示された近似直線の傾きに相当する。図２の例からでは、圧電素子の感度は、約４４５ｍＶ／Ｎである。
【００３５】
一方、変位センサ７は、第２の蓋部材９の柱状部９ａの先端に設置されている。柱状部９ａはセンサホルダとして構成されており、軸心部に貫通孔９ｂを有している。変位センサ７は、ヘッド部材１０の背面中心部に対向するように貫通孔９ｂの端部に取り付けられている。本実施形態において、変位センサ７は、静電容量型変位計で構成されている。変位センサ７の出力は、制御部１５へ供給される。
【００３６】
次に、制御部１５の詳細について説明する。
【００３７】
制御部１５は、ファンクションジェネレータ１６と、ロックインアンプ１７と、変位センサアンプ１８と、コンピュータ１９と、ＰＺＴ駆動回路２０を有している。
【００３８】
ファンクションジェネレータ１６は、アクチュエータ３を微小な振幅で振動させる正弦波信号を生成し、生成された正弦波信号をロックインアンプ１７およびＰＺＴ駆動回路２０へ入力する。ＰＺＴ駆動回路２０は、ファンクションジェネレータ１６からの正弦波信号に基づいて、アクチュエータ３を微小な振幅で振動させるための駆動信号を生成しアクチュエータ３へ入力する。なお、このアクチュエータ３の微小振動の方向は、アクチュエータ３の軸方向（図１においてＸ軸方向）である。
【００３９】
ロックインアンプ１７は、ファンクションジェネレータ１６とチャージアンプ２１に接続されている。ロックインアンプ１７は、チャージアンプ２１を介して力センサ６のＡＣ出力を検波し、ファンクションジェネレータ１６から入力された正弦波信号の周波数と同じ周波数の出力信号を増幅する。増幅された力センサ６の出力信号は、Ａ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換ボード２２は、コンピュータ１９に取り付けられ、ロックインアンプ１７および変位センサアンプ１８に接続されている。Ａ／Ｄ変換ボード２２は、ロックインアンプ１７により増幅された力センサ６の出力信号、および、変位センサアンプ１８により増幅された変位センサ７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１９へ送信する。
【００４１】
コンピュータ１９は、所定の演算器およびメモリーを内蔵し、力センサ６の出力信号および変位センサ７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。具体的には、被加工物Ｗの表面への切刃１２の接触検出、切削力検出、表面加工形状の検出等である。コンピュータ１９には、図示せずとも、解析結果を表示するディスプレイが接続されている。なお、コンピュータ１９は、本発明に係る「検出手段」の一具体例である。
【００４２】
コンピュータ１９には、被加工物Ｗの表面に形成するべき三次元微細形状の加工プロファイルが記憶されている。コンピュータ１９は、ＰＺＴ駆動回路２０に対してアクチュエータ３をその軸方向（図１においてＸ軸方向）へ伸縮させることで、工具２を被加工物Ｗの表面に接近させ、あるいは、遠ざける制御を行う。その制御信号は、コンピュータ１９からＤ／Ａ変換ボード２３、加算器２４を介してＰＺＴ駆動回路２０へ入力される。アクチュエータ３の伸縮制御を上記加工プロファイルに基づいて行うことにより、被加工物Ｗの表面に所定の三次元微細形状が形成される。なお、このアクチュエータ３の伸縮量は、弾性部材１１の弾性変形量の範囲とされる。
【００４３】
Ｄ／Ａ変換ボード２３は、コンピュータ１９に取り付けられ、加算器２４に接続されている。Ｄ／Ａ変換ボード２３は、コンピュータ１９から送信されたデジタル信号をアナログ信号に変換して加算器２４へ入力する。加算器２４は、Ｄ／Ａ変換ボード２３からの出力信号と、ファンクションジェネレータ１６からの出力信号とを加算して、ＰＺＴ駆動回路２０へ入力する。
【００４４】
一方、アクチュエータ３として用いている圧電素子（ＰＺＴ）は、非線形の電圧−変位特性を示す。原因の一つはヒステリシスである。これは電圧に対する変位の応答が線形ではなく、また電圧の上昇時と下降時で一致しないという現象である。もう一つはクリープである。これは一定電圧を加え、一定の位置を保持しようとしても、時間と共に変位がゆっくりと変化してしまう現象である。このため工具の位置を検出し、フィードバック制御を行う必要がある。
【００４５】
この場合、図３に示すように、ＰＺＴ駆動回路２０とＤ／Ａ変換ボード２３との間にＰＩＤコントローラ２５を設けることにより、変位センサ７により計測された工具２の変位に基づいてアクチュエータ３の駆動をフィードバック制御することが可能となる。なお、図３において、ファンクションジェネレータ１６、ロックインアンプ１７、チャージアンプ２１およびＡ／Ｄ変換ボード２２の図示は省略している。
【００４６】
ＰＩＤコントローラ２５は、Ｄ／Ａ変換ボード２３からの出力信号と変位センサアンプ１８からの出力信号とを比較演算する比較器２６と、比例制御ブロック２７ａ、積分制御ブロック２７ｂおよび微分制御ブロック２７ｃからなるＰＩＤ制御部２７と、各制御ブロック２７ａ〜２７ｃの出力信号を加算する加算器２８とを有する。
【００４７】
図３に示す制御部１５は、ＰＩＤコントローラ２５が、コンピュータ１９からの指令値と変位センサ７の出力信号とを比較演算し、ＰＺＴ駆動回路２０へ制御信号を送信することによって、アクチュエータ３の駆動をフィードバック制御することが可能になっている。なお、ＰＩＤコントローラ２５は、本発明に係る「制御手段」の一構成例である。
【００４８】
以上のように構成される本実施形態の加工装置１は、図示しないＸＹＺステージの上に設置されており、被加工物Ｗに対して図１に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向（高さ方向）にそれぞれ移動自在に構成されている。加工装置１は、上記ＸＹＺステージによって、被加工物Ｗの表面の任意の加工位置へ移動される。被加工物Ｗは、その軸心Ｗａの周りに回転駆動される。なお、上記ＸＹＺステージに代えて、ＸＹステージを採用してもよい。この場合、被加工物Ｗは加工装置１に対してＺ軸方向へ相対移動される。
【００４９】
次に、以上のように構成される本実施形態の加工装置１の作用について説明する。
【００５０】
加工装置１は、図示しないＸＹＺステージの上で、被加工物Ｗの表面の加工位置からＸ軸方向に一定以上離れた位置で静止される。次に、以下の手順で、加工装置１による被加工物Ｗの加工が行われる。
【００５１】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は加工装置１による被加工物Ｗの加工手順を示す概略図である。被加工物Ｗは旋盤のスピンドルＲに取り付けられる。被加工物Ｗの軸心ＷａはスピンドルＲの軸心と一致している。
【００５２】
［鏡面加工］
図４（Ａ）に示すように、まず、加工装置１には、曲率半径が２．０ｍｍの鏡面加工用工具２９が取り付けられる。そして、被加工物Ｗをその軸心Ｗａを中心として所定の回転数で回転させ、鏡面加工用工具２９を用いて被加工物Ｗの表面を鏡面状に加工する。
【００５３】
鏡面加工工程は、被加工物Ｗの表面が荒れており、そのままでは三次元微細形状の加工に適さない場合に、被加工物Ｗの表面を平滑にする目的で実施される。なお、鏡面加工工程では、磨耗しにくく、比較的大きな先端半径を有する工具を用いて、鏡面加工後の被加工物表面の面粗さを小さくすることが望ましい。
【００５４】
次に、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、工具２９に代えて、先端が鋭利な切刃１２を有するマイクロ工具２を加工装置１に取り付けて、被加工物Ｗの表面に三次元形状を加工する。
【００５５】
図４（Ｂ）は、被加工物Ｗに対する工具２の接触検出工程を示している。工具２と被加工物Ｗとの接触は、力センサ６によって検出される。その検出方法を以下説明する。なお、接触検出工程では、被加工物Ｗの回転は停止される。
【００５６】
［接触検出］
図１を参照して、まず、ファンクションジェネレータ１６で生成された任意の周波数の正弦波信号（電圧信号）がＰＺＴ駆動回路２０を通じてアクチュエータ３へ入力される。これにより、アクチュエータ３は、Ｘ軸方向に上記周波数で振動される。工具２が固定されているヘッド部材１０は、アクチュエータ３と一体的に接触しているため、アクチュエータ３の伸縮はヘッド部材１０を介して工具２に微小振幅の振動変位を与える。
【００５７】
次に、与えられた工具２の振動成分が、工具２とヘッド部材１０の間に設置された力センサ６によって検出される。その検出信号は、チャージアンプ２１に送られ、チャージアンプ２１からその周波数の信号とノイズ成分を含む信号がロックインアンプ１７に出力される。一方、ファンクションジェネレータ１６で生成された正弦波信号がロックインアンプ１７へ入力される。ロックインアンプ１７では、ファンクションジェネレータ１６からの正弦波信号が参照信号として用いられ、これにより力センサ６の出力信号からノイズ信号が除去される。
【００５８】
ロックインアンプ１７の出力は、Ａ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。ロックインアンプ１７の出力の大きさは、力センサ６の振幅に比例する。コンピュータ１９は、このときの力センサ６の検出信号を、工具２が被加工物Ｗと接触する前の信号（以下「空振り信号」ともいう。）Ｓｗとして記憶、処理する。
【００５９】
次に、ＸＹＺステージによって加工装置１をＸ方向へ移動させ、工具２を被加工物Ｗへ接近させる。工具２が被加工物Ｗに接触すると、このときの力センサ６の出力がロックインアンプ１７からコンピュータ１９へ送信される。測定された力センサ６の振幅は、接触前よりも大きくなり、ロックインアンプ１７の出力が上昇する。図５は、工具２が被加工物Ｗと接触したときのロックインアンプ１７の出力信号の一例を示している。図５から、接触時にロックインアンプ１７の出力が上昇していることがわかる。
【００６０】
コンピュータ１９は、このロックインアンプ１７の出力から、工具２と被加工物Ｗの接触を検出する。被加工物Ｗに対する工具２の接触位置は、コンピュータ１９により記憶される。これにより、工具２と被加工物Ｗの初期位置が設定される。本実施形態によれば、力センサ６とロックインアンプ１７で駆動周波数成分のみが高感度に検出されるため、接触点の位置が高感度に測定される。
【００６１】
［微細形状加工］
続いて、図４（Ｃ）に示すように、被加工物Ｗの表面に三次元の微細形状を加工する。
【００６２】
まず、工具２を被加工物Ｗとの接触位置から所定量だけ離間させた後、スピンドルＲを駆動して被加工物Ｗを回転させる。スピンドルＲには、図示せずともロータリーエンコーダが設置されている。ロータリーエンコーダのパルス信号は、加工装置１の制御部１５を構成するコンピュータ１９へ入力される。
【００６３】
次に、アクチュエータ３の駆動により工具２を微小振動させながら、上記接触検出工程にて検出された接触位置へ工具２を移動させる。コンピュータ１９は、ロータリーエンコーダから入力されるパルス信号をクロックとして、記憶されている加工プロファイルに基づいて、アクチュエータ３を伸縮移動させる。これにより、図４（Ｃ）に示すように、被加工物Ｗの表面に対する切削加工が行われる。また、被加工物Ｗに対して工具２を被加工物Ｗの軸方向に相対移動させることにより、被加工物Ｗの長さ方向（図１においてＺ軸方向）にわたって所定の微細形状を形成することができる。
【００６４】
本実施形態では、複数段階に分けて被加工物Ｗの表面に所定の三次元微細形状を加工する。例えば、被加工物Ｗの円周方向に沿って溝形状を複数列形成する場合、各列の溝加工が複数回に分けて実施される。具体的には、各列において円周方向に所定長さのパターンＰ（図４（Ｃ）参照）を所定ピッチで形成した後、同一列上に位置するパターンＰの間に再度同様なパターンを形成することで、円周方向に連続する溝を形成する。
【００６５】
なお、上記の例に限られず、例えば複数の工具を同時に使用する等して、所定の三次元微細形状を被加工物Ｗの表面に一時に形成することも可能である。
【００６６】
［切削力の検出］
さて、被加工物Ｗの加工工程では工具２に加わる切削力が検出される。以下、切削力の検出方法について説明する。
【００６７】
図１を参照して、被加工物Ｗの加工中に測定された力センサ６の出力は、チャージアンプ２１、ロックインアンプ１７およびＡ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。コンピュータ１９は、このときの力センサ６の検出信号を、被加工物Ｗの加工中に測定された信号（以下「測定信号」ともいう。）Ｓｐとして記憶、処理する。
【００６８】
切削力は、工具２の切刃１２の形状を被加工物Ｗに転写するときに生じる力である。したがって、加工中に測定された力の出力から空振り駆動中に測定された力の出力を減じることで、切削力が求められる。すなわち、測定信号Ｓｐから空振り信号Ｓｗの成分を差し引くことで、被加工物Ｗに対する工具２の切削力に相当する信号（以下「切削力信号」ともいう。）Ｓｃが求められる。切削力は、コンピュータ１９によって演算される。
【００６９】
図６は、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗと切削力信号Ｓｃとの関係を示す力センサ６の出力の一例である。切削力信号Ｓｃは、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗの差分が大きいほど高い精度で検出することが可能となる。したがって、空振り信号Ｓｗの出力は小さいほど、切削力は高精度で検出される。
【００７０】
本実施形態によれば、上述のように、力センサ６を工具２とヘッド部材１０の間に配置されているので、力センサ６は、工具２の慣性質量に基づく力成分のみを検出することになる。これにより、非加工時に検出される力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ）を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサ６の出力（測定信号Ｓｐ）との差分が大きくなり、切削力信号Ｓｃの検出精度を向上させることが可能となる。
【００７１】
［本実施形態の効果］
以下、図７および図８に示す加工装置の構成例と比較した本実施形態の効果について説明する。
【００７２】
図７は、比較例１に係る加工装置３１の構成を示す概略断面図である。図８は、比較例２に係る加工装置３２の構成を示す概略断面図である。なお、図７および図８において図１と対応する部分についてはそれぞれ同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００７３】
図７に示す加工装置３１は、力センサ３３は、工具２を支持するヘッド部材１０とアクチュエータ３の間に設置されている。図８に示す加工装置３２は、アクチュエータ３を収容するケーシング本体４は、ベース３４に対して複数本のネジ部材３５を介して固定されている。力センサ３６は、ケーシング本体４とベース３４の間に設置されており、ネジ部材３５の締め付け力によって力センサ３６の予荷重量が設定されている。
【００７４】
図９は、比較例１に係る加工装置３１の力センサ３３が出力する空振り信号（センサＩ）と、比較例２に係る加工装置３２の力センサ３６が出力する空振り信号（センサＩＩ）をそれぞれ示している。
【００７５】
比較例２に係る加工装置３２においては、力センサ３６がベース３４とケーシング本体４の間に設置されているため、工具２の微小振動時に、工具２だけでなく、これを支持するアクチュエータ３、さらにアクチュエータ３を収容するケーシング本体４等を含む慣性系に作用する力を検出することになる。つまり、工具２以外にも、アクチュエータ３やケーシング本体４の質量成分に基づく力も同時に検出される。その結果、図９に示すように、力センサ３６の出力（センサＩＩ）はノイズが重畳した波形となり、精度の高い力検出が困難な状態にある。
【００７６】
一方、比較例１に係る加工装置３１においては、力センサ３３が弾性部材１１とアクチュエータ３の間に設置されているため、工具２の微小振動時に、ケーシング本体４やアクチュエータ３の質量成分に基づく力を含まない、力検出が可能となる。その結果、図９に示すように、力センサ３３の出力（センサＩ）を、力センサ３６の出力（センサＩＩ）に比べて、より高感度に検出することが可能である。
【００７７】
しかしながら、比較例１に係る加工装置３１においては、力センサ３３は、弾性部材１１とアクチュエータ３の間に設置される構成であるため、工具２の切削力のみならず、弾性部材１１の反力をも同時に検出してしまう。このため、空振り信号Ｓｗの出力が大きくなるという不都合がある。測定信号Ｓｐは、被加工物の硬度が高いほど大きな出力が得られるが、被加工物が銅やアルミニウムなどの比較的軟質の材料の場合には大きな出力が得られない。
【００７８】
したがって、軟質の被加工物を加工する場合には、空振り信号Ｓｗの出力が大きいと、測定信号Ｓｐと差分がとれず、所望とする切削力信号Ｓｃを得ることができないおそれがある。図１０は、その一例を示している。空振り信号Ｓｗ（破線）と測定信号Ｓｐ（一点鎖線）とがほぼ同じ出力となった結果、切削力信号Ｓｃ（実線）を高精度に検出することができない。
【００７９】
これに対して、本実施形態の加工装置１においては、力センサ６が工具２とヘッド部材１０の間に設置されているため、弾性部材１１の反力の影響を受けることはない。したがって、本実施形態によれば、空振り信号Ｓｗの出力を比較例１および比較例２よりも小さくすることが可能となる。これにより、加工中の測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの差分を大きくとることが可能となるので、これら２つの信号の差として抽出される切削力信号Ｓｃを高精度に検出することが可能となる。
【００８０】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、表面にＮｉ−Ｐ（ニッケル−リン）めっきが施された被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．３４［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．４３［Ｎ］である。
【００８１】
また、図１２（Ａ），（Ｂ）は、Ａｌ（アルミニウム）製の被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．１５［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．１２［Ｎ］である。
【００８２】
さらに、図１３（Ａ），（Ｂ）は、Ｃｕ（銅）製の被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．０８［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．１１［Ｎ］である。
【００８３】
図１１〜図１３に示したように、本実施形態によれば、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの差分を大きくとることができるので、切削力信号Ｓｃの信号を高精度に検出することができる。また、図１１〜図１３の各図の（Ａ），（Ｂ）に示したように、被加工物の表面状態（平滑面または凹凸面）に応じた切削力の違いも高精度に検出することができる。これにより、加工中の切削力を高精度に測定することができ、被加工物の表面に微細な三次元形状を高精度に作製することが可能となる。
【００８４】
さらに、本実施形態によれば、空振り信号Ｓｗを測定信号Ｓｐよりも十分小さく抑えることができるので、アルミニウムや銅などの比較的軟質の被加工物に対しても、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの間に所定以上の出力差を確保することができる。これにより、図１２および図１３に示したように、加工中の切削力を高精度に検出することが可能である。
【００８５】
（第２の実施形態）
次に、図１４および図１５を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図１４（Ａ），（Ｂ）、図１５（Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の加工装置における加工部（工具）周辺の概略構成を示す側面図である。なお、それ以外の構成は上述の第１の実施形態と同様であるので、その図示は省略している。また、各図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８６】
本実施形態においては、切刃１２、シャンク１３および工具ホルダ１４によって構成される加工部の構成内に力センサ６が設けられている点で、上述の第１の実施形態と異なっている。
【００８７】
具体的に、図１４（Ａ）に示す構成の加工装置においては、工具２を保持する工具ホルダ１４の内部に力センサ６が埋め込まれている。工具ホルダ１４は、Ｌ字形状を有しており、シャンク１３とヘッド部材１０の間に位置する第１のアーム部１４ａと、この第１のアーム部１４ａと直交しシャンク１３を支持する第２のアーム部１４ｂとを有している。力センサ６は、第１のアーム部１４ａに埋め込まれている。
【００８８】
この構成においても上述の第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、工具ホルダ１４と力センサ６を一体化できるので、当該加工装置の加工部周辺の部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００８９】
図１４（Ｂ）に示す構成の加工装置においては、工具２を構成するシャンク１３の内部に力センサ６が埋め込まれている。この構成によれば、力センサ６は、切刃１２および一部のシャンク１３の質量成分に基づく力のみを検出することが可能となるので、第１の実施形態に比べて、工具２の空振り信号Ｓｗの出力を更に抑制して、切削力信号Ｓｃの検出精度の更なる高精度化を実現することができる。
【００９０】
一方、図１５（Ａ），（Ｂ）に示す構成の加工装置においては、工具２を構成する切刃１２とシャンク１３の間に力センサ６が設置されている。特に、図１５（Ａ）の構成では、力センサ６の一端部が切刃１２の基端部に接続され、力センサ６の底面の一部がシャンク１３の上面に接合されている。また、図１５（Ｂ）の構成では、力センサ６の上面に切刃１２の下面が接合され、力センサ６の下面がシャンク１３の上面に接合されている。なお図示せずとも、シャンク１３と工具ホルダ１４の間に力センサ６を配置してもよい。
【００９１】
図１５に示した構成によれば、力センサ６により検出される力信号は、実質的に、切刃１２に作用する慣性力のみとなる。その結果、図１４に示した構成に比べて、工具２の空振り信号Ｓｗの更なる低出力化を実現することができ、切削力の検出精度の更なる高精度化を図ることが可能となる。
【００９２】
（第３の実施形態）
図１６は本発明の第３の実施形態による加工装置４１の構成を示す側断面図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
本実施形態の加工装置４１は、工具２を支持するヘッド部材１０が第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂの２分割構造を有している。第１のヘッド部材１０ａは工具２を支持し、第２のヘッド部材１０ｂはアクチュエータ３の端部に一体的に固定されている。そして、これら第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂの間には、力センサ６が設置されている。
【００９４】
力センサ６は、圧電素子で構成されている。力センサ６の中心部には、第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂとを一体的に固定するネジ部材４４の軸部が貫通する貫通孔が形成されており、このネジ部材４４の締め付け力によって、力センサ６の予荷重量が設定される。ネジ部材４４は、力センサ６をヘッド部材１０への押付け機構を構成している。なお、ネジ部材４４の軸心位置は、アクチュエータ３の軸心位置と一致している。
【００９５】
ケーシング本体４の先端部には、第２のヘッド部材１０ｂをアクチュエータ３の端部に押し付ける予負荷機構が設けられている。この予負荷機構は、ケーシング本体４の開口端に取り付けられ、中心部に第１のヘッド部材１０ａが挿通されるガイド孔４２ａが形成されたガイド部材４２と、このガイド部材４２と第２のヘッド部材１０ｂの間に設置された弾性部材１１とを備えている。
【００９６】
弾性部材１１は、力センサ６の外形寸法よりも大きな内径を有するウェーブワッシャで構成されている。弾性部材１１の弾性力によって、アクチュエータ３に所定の予荷重が与えられる。なお、ガイド部材４２は、ケーシング本体４の側周部に複数形成されたネジ収容孔を介してガイド部材４２の側周部に結合された複数のネジ部材４３によって、ケーシング本体４に固定されている。なお、上記ネジ収容孔の内径は、ネジ部材４３の頭部とほぼ同等の大きさに形成されている。
【００９７】
ガイド部材４２は、そのガイド孔４２ａに挿通されたヘッド部材１０をアクチュエータ３の伸縮駆動によってネジ部材４４の軸方向に所定長だけスライド自在に支持している。ヘッド部材１０のスライド量は、弾性部材１１の弾性変形量の範囲内とされている。本実施形態では、ガイド孔４２ａの一部、特に、第１のヘッド部材１０ａの移動案内部を、ガイド部材４２に装着したブッシュ４５で構成している。ブッシュ４５は低摩擦の合金材料やゴム材料で構成することができる。なお、ブッシュ４５を省略して、ガイド部材４２の構成材料で第１のヘッド部材１０ａのスライド面を構成してもよい。
【００９８】
以上のように構成される本実施形態の加工装置４１においても、上述の第１の実施形態と同様な作用および効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、ネジ部材４４の締め付け力によって力センサ６に任意の予荷重を設定することができるので、力センサ６の安定した力検出信号を得ることができる。
【００９９】
また、本実施形態によれば、ガイド部材４２によってヘッド部材１０の軸移動を規制することができるので、力センサ６の検出精度を高めて信頼性の高い切削力測定が可能となる。また、力センサ６が弾性部材１１よりも小さい外形寸法を有するので、図７を参照して説明した加工装置３１のように弾性部材１１とほぼ同等の大きさに形成された力センサ３３に比べて、アクチュエータ３の中心部に関するモーメントの影響を受けにくい。これにより、力センサ６による切削力の検出精度の向上を図ることができる。
【０１００】
［被加工物の具体例］
本発明に係る加工装置は、ＦＰＤや太陽電池などの分野をはじめとして、様々な分野において利用可能である。本実施形態では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に搭載される光学シート（又は光学フィルム）を作製する際に用いられる成形ロールを、本加工装置を用いて形成することができる。
【０１０１】
図１７は光学シートの成形装置５０を示す概略構成図である。この成形装置５０は、押出機５１、Ｔダイ５２、成形ロール５３、弾性ロール５４および冷却ロール５５を備えている。押出機５１は、ホッパー（図示略）から供給された樹脂材料を溶融し、Ｔダイ５２に供給する。Ｔダイ５２は、押出機５１から供給された樹脂材料を、成形しようとするシートの幅まで広げて吐出する。Ｔダイ５２から吐出された溶融樹脂は、成形ロール５３と弾性ロール５４にニップされて、成形ロール５３によって成形される。成形された樹脂シートは、その後、冷却ロール５５にて冷却され、光学シート６０として連続的に形成される。
【０１０２】
成形ロール５３は、ステンレス製の本体の表面にＮｉＰ、Ｃｕをめっきした円柱体であり、その中心軸を回転軸として回転駆動可能に構成されている。成形ロール５３の円柱面には、光学シート６０の一主面に凹凸パターンを転写するための微細三次元形状（図示略）が設けられている。この微細形状は、例えば図１８（Ａ）に示したプリズム体６０Ｐ、図１８（Ｂ）に示したシリンドリカルレンズ体６０Ｌ、更には図示せずともマイクロレンズ体などをシートに転写するための微細な凹凸形状である。また、この微細形状は、円柱形状を有する成形ロール５３の周方向または軸方向に向けて形成されている。
【０１０３】
光学シートには、上記プリズム体またはシリンドリカルレンズ体が、例えば、数μｍ〜数百μｍのピッチで連続的に形成されている。液晶ディスプレイのバックライト光源からの光を効率よく集光するためには、これらのプリズム体などが所望の光学設計どおりに作製される必要があり、そのためには成形ロールの表面の微細形状が所望の配列で形成されていることが必須である。
【０１０４】
成形ロール５３の表面への凹凸形状の形成には、例えば図１に示したような本発明に係る加工装置１を用いることができる。工具２の切刃１２としては、例えばダイヤモンドバイトが用いられる。本発明によれば、成形ロール５３の加工時において、工具２の切削力を正確に測定しながら微細加工を行うことができるため、微細形状の配列が歪んだり、凹形状の谷の深さ又は凸形状の山の高さにバラツキが生じたりすることが防止される。
【０１０５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１０６】
例えば以上の実施形態では、力センサ６を圧電素子で構成したが、これに限られず、例えば歪ゲージ等の他の検出器を用いても構わない。同様に、アクチュエータ３を圧電素子の積層体で構成したが、これに代えて、ソレノイドと鉄心を備えた電磁アクチュエータを用いてもよい。
【０１０７】
また、以上の実施形態では、本発明に係る加工装置を被加工物の表面への微細形状の加工に用いる例を説明したが、その他にも、以下に説明するような用途にも適用することが可能である。
【０１０８】
［工具の摩耗や破損の検出］
本発明に係る加工装置１は、高精度で測定された力センサ６の出力を利用することにより、加工中の切刃１２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２の取替の判断が容易となり、生産性を向上させることが可能となる。
【０１０９】
［工具の摩耗量の測定］
また、本発明に係る加工装置１は、切刃１２の摩耗量も測定することができる。すなわち、加工前に行われる被加工物と工具の接触検出工程において、接触位置の変化を変位センサ７の出力に基づいて検出することで、工具２の摩耗量を測定することができる。また、同様な方法により、工具２を交換したときの取付け誤差や工具２の寸法の個体差などによる工具２の先端位置のずれを求めることができる。
【０１１０】
［表面加工形状の計測］
さらに、本発明に係る加工装置１は、力センサ６の計測値が一定になるよう制御部１５でアクチュエータ３の駆動を制御することにより、変位センサ７の変位から被加工物Ｗの表面の形状を計測することができる。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２の先端の形状を測定することができる。
【０１１１】
［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６の出力を、直接、Ａ／Ｄ変換ボード２２へ入力することにより、工具２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ができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施形態による加工装置の概略構成図である。
【図２】力センサの感度の測定例を示す一実験結果である。
【図３】図１に示した加工装置の構成の変形例を示す図である。
【図４】図１の加工装置を用いた被加工物の加工手順を説明する図である。
【図５】被加工物と工具の接触検出工程において測定された力センサの出力例を示す図である。
【図６】力センサの空振り時の出力（空振り信号）と加工時の出力（測定信号）から切削力を算出する方法を説明する図である。
【図７】比較例１に係る加工装置の構成を示す概略断面図である。
【図８】比較例２に係る加工装置の構成を示す概略構成図である。
【図９】図７の加工装置における力センサの出力と、図８の加工装置における力センサの出力との関係を示す図である。
【図１０】図７に示した加工装置において発生し得る力センサの出力例を示す図である。
【図１１】本発明に係る加工装置における力センサの出力例を示す図である。
【図１２】本発明に係る加工装置における力センサの他の出力例を示す図である。
【図１３】本発明に係る加工装置における力センサの更に他の出力例を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態による加工装置の加工部の構成例を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態による加工装置の加工部の他の構成例を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態による加工装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明に係る加工装置を用いて加工された成形ロールを具備する光学シートの成形装置の概略構成図である。
【図１８】図１７の成形装置を用いて製造された光学シートの構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１…加工装置
２…工具
３…アクチュエータ
４…ケーシング本体
５…予負荷機構
６…力センサ
７…位置センサ
１０…ヘッド部材
１１…弾性部材
１２…切刃
１５…制御部
１９…コンピュータ
４１…加工装置
５０…成形装置
５３…成形ロール
６０…光学シート
Ｗ…被加工物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物の表面に微細形状を形成するための加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
被加工物の表面に微細パターンを作製する技術は、それによって新たな機能表面を生み出すことができるという理由から、近年の情報産業の基幹を成している。例えば、光学的機能では、フレネルレンズ、マイクロプリズム、マイクロレンズアレイ等があり、情報産業において幅広く応用されている。例えば、被加工物の表面に３次元微細形状を形成し、ＦＰＤ（Flat Panel Display）の表示部分を構成する部材に３次元微細形状を分布させることによって、ディスプレイに光源強度分布の補正、反射防止、虹・モアレ発生防止等の機能を付与することができる。また、クリーンエネルギーとして期待されている太陽電池において発電量を高めるために、３次元微細形状が形成される。
【０００３】
近年、ＦＰＤは、中・小型のものから大面積のものまで大きさは様々であり、太陽電池にしても同様である。それらの光学的機能や発電量を高めるなどの目的で形成される３次元微細形状は、デバイスの大きさ、用途によって様々であるため、それぞれの目標スペックに対応可能な微細形状形成技術が必要とされている。
【０００４】
その他にも、トライボロジー的機能を改善するために、エンジンのピストン摺動部に微細形状を形成し、接触面積を減らすことにより摩擦力を低減するといった応用がある。また、境界面的機能を改善するために、微細形状により撥水性を高めた自浄表面を形成したり、熱伝導率、境界層流れ、軸受け、防錆、接着等の特性を改善したりすることもできる。更には、バイオ分野におけるインプラントやバイオセンサ等にも応用が広まっている。
【０００５】
これらの微細パターンの作製技術としては、精度の高い表面形状を大面積にわたって実時間で作製できる加工法が望ましい。電気的、光学的な三次元微細形状作製技術には、電子ビーム描画方式、レーザ描画方式、ホログラフィック方式等、様々な種類が知られている。これらの手法は、無反射表面、回折格子、マイクロレンズアレイ等、マイクロメートルからサブマイクロメートルの非常に短い空間波長をもつ構造の作製には有効ではあるが、複雑な三次元形状の作製には不向きである。
【０００６】
一方、現在の超精密切削・研削加工技術は、精密運動制御や計測・精密加工用ツールの進歩によってサブマイクロメートル・オーダ以下の制度の加工が容易に行えるようになっている。その代表的な例がシングルポイント・ダイヤモンド切削加工であり、非常に鋭利な単一の切刃をもつ単結晶ダイヤモンド工具を使い、軟質金属などを高精度の加工機を用いて加工する方法である。この方法は、ファスト・ツール・サーボ（ＦＴＳ：高速工具サーボ）やファスト・ツール・コントロール（ＦＴＣ：高速工具制御）の技術を用いることによって、工具を工作物に対して三次元的に精密かつ高速に運動制御することが可能である。電気的、光学的加工法に比べて、ダイヤモンド切削では、数十マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲の空間波長を有する三次元微細形状の作製に適している。
【０００７】
通常の切削加工では、直動２軸及び回転軸の３軸を旋盤によって制御し、加工物に目標形状を与える。一方、ＦＴＣは、直動２軸のうち１軸を圧電素子などの高い分解能、剛性および応答性をもつ機構によって制御する技術である。通常の機械加工と異なり、工具を高速に制御するという特徴をもつＦＴＣ技術においては、微細形状を精密に作製する上で、加工時に工具に作用する力を正確に計測することが重要な課題となっている。
【０００８】
そこで特許文献１のように、工具を駆動する圧電素子（ＰＺＴ）からなるアクチュエータと、このアクチュエータに結合され、工具を保持する工具ホルダと、アクチュエータと同軸に配置され、工具の変位を計測する変位センサと、工具に印加される力を計測する力センサとを一体として構成した加工装置が提案されている。アクチュエータは工具を微小振動させて被加工物の表面を加工する。切削力は、加工時に検出される力センサの出力から、非加工時に検出される力センサの出力を差し引いた値として検出される。非加工時に検出される力センサの出力とは、工具を被加工物に接触させないで工具を微小振動させたときに検出される力センサの出力をいう。これにより、工具の切削力をインプロセスでモニタリングすることが可能となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１５９２９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の加工装置においては、アクチュエータを予負荷状態で収容するＰＺＴケースと、このＰＺＴケースを支持するベースとの間に、上記力センサが配置されている。このため、力センサは、工具だけでなく、上記アクチュエータやＰＺＴケースを含む系の慣性質量あるいは振動質量をも計測してしまうことになる。その結果、工具の切削力を高精度に検出することができなくなり、被加工物がアルミニウムや銅などの軟質金属である場合には、加工制御が困難となる。
【００１１】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、切削力を高精度に検出することができる加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る加工装置は、切刃を有する加工部と、前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、前記力センサの出力に基づいて前記加工部の切削力を検出する検出手段とを具備する。
【００１３】
本発明において、力センサは、切刃と予負荷機構との間に配置されている。その結果、力センサは、加工部、アクチュエータおよびケーシングのうち、アクチュエータおよびケーシングが除かれた、加工部の慣性質量に基づく力成分のみを検出する。これにより、非加工時に検出される力センサの出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分が大きくなり、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。
【００１４】
前記予負荷機構は、前記アクチュエータに接触され前記ケーシングに対して相対駆動されるヘッド部材と、前記ケーシングと前記ヘッド部材の間に配置され前記ヘッド部材を前記アクチュエータに押し付ける弾性部材とを有し、前記力センサは、前記切刃と前記ヘッド部材の間に配置されている。力センサは、弾性部材の反力を検出することはないので、加工時における切削力を高精度に検出することが可能である。
【００１５】
前記加工部は、切刃を保持する保持部を有する。この場合、前記力センサは、前記保持部と前記ヘッド部材の間に配置されることができる。あるいは、前記力センサは、前記切刃と前記保持部の間に配置されることができる。更には、前記力センサは、前記保持部に埋め込まれることができる。上記構成により、力センサは、切刃または切刃および保持部の慣性質量のみに基づく力検出が可能となるので、切削力の検出精度の更なる向上を図ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明に係る他の加工装置は、切刃を有する加工部と、前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを収容するケーシングと、前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、前記加工部の変位を検出する変位センサと、前記力センサと前記変位センサの出力に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御手段とを具備する。
【００１７】
この構成により、非加工時に検出される力センサの出力を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサの出力との差分を大きくして、切削力の検出精度を大幅に向上させることが可能となる。また、変位センサの出力に基づいてアクチュエータの駆動をフィードバック制御が可能となり、加工制御を高精度に行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、切削力を高精度に検出することができるので、被加工物の表面に対して微細かつ複雑な三次元形状を高精度に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づき説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
［加工装置の構成］
図１は本発明の実施形態による加工装置の構成を示す概略断面図である。
【００２１】
本実施形態の加工装置１は、工具２と、工具２を微小振動させるアクチュエータ３と、アクチュエータ３を支持するケーシング本体４と、ケーシング本体４の内部に配置され、アクチュエータ３に予荷重を与える予負荷機構５と、工具２と予負荷機構５の間に配置された力センサ６と、ケーシング本体４に対する工具２の変位を検出する変位センサ７と、アクチュエータ３を駆動する制御部１５とを有している。
【００２２】
ケーシング本体４は、大径孔部４ａおよび小径孔部４ｂからなる段付き孔が内部に形成された円筒形状を有している。このケーシング本体４の大径孔部４ａには、アクチュエータ３および予負荷機構５が収容されている。大径孔部４ａの開口部には、中央部に円形の貫通孔８ａが形成された第１の蓋部材８が複数本のネジ部材Ｍ１によって取り付けられている。一方、ケーシング本体４の小径孔部４ｂには、この小径孔部４ｂの開口部に複数本のネジ部材Ｍ２によって取り付けられた第２の蓋部材９の柱状部９ａが挿通されている。第１の蓋部材８及び第２の蓋部材９は、ケーシング本体４と共に、本発明に係る「ケーシング」を構成している。
【００２３】
アクチュエータ３は、高剛性かつ応答性に優れた圧電素子で構成されている。特に本実施形態では、アクチュエータ３は、円筒形状のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の積層体で構成され、ケーシング本体４と蓋部材９の柱状部９ａとの間に形成された環状空間に同心的に配置されている。アクチュエータ３の外周面および内周面は、ケーシング本体４の内壁面および柱状部９ａの外周面に対してそれぞれ一定以上の隙間を介して対向している。
【００２４】
アクチュエータ３は、ケーシング本体４の段付き孔の段部４ｓと、予負荷機構５を構成するヘッド部材１０との間に予負荷状態で支持されている。この予負荷機構５は、ヘッド部材１０と弾性部材１１を有している。ヘッド部材１０の前面側には、蓋部材８の貫通孔８ａに所定のクリアランスを介して嵌合される凸部１０ａが形成されている。ヘッド部材１０の背面側はアクチュエータ３の先端と接触している。
【００２５】
弾性部材１１は、ウェーブワッシャで構成されており、蓋部材８とヘッド部材１０の凸部１０ａの外周側との間に圧縮状態で組み込まれている。この構成により、弾性部材１１の復元力によってヘッド部材１０がアクチュエータ３に押し付けられ、アクチュエータ３に圧縮方向への予荷重が与えられる。アクチュエータ３に対する予荷重は、ネジ部材Ｍ１の締め付け量によって調整される。弾性部材１１をウェーブワッシャで構成することにより、弾性部材１１の薄型化を図ることができ、さらに、小さい変形量で大きな弾性力を得ることができる。なお、ウェーブワッシャに代えて、板バネ等の他のバネ部材やゴム部材を用いてもよい。
【００２６】
工具２は、切刃１２と、切刃１２を保持するシャンク１３とからなる。切刃１２は、刃先が鋭利に尖った単結晶ダイヤモンドで形成されているが、切刃の形状、材質はこれに限定されない。切刃１２とシャンク１３とは、例えば、ろう付けによって固定されている。工具２は、工具ホルダ１４によって保持されている。なお、シャンク１３および工具ホルダ１４は本発明の「保持部」に対応する。
【００２７】
なお、工具は種々の形状のものが用意されており、目的とする加工形態に応じて着脱自在に構成されている。具体的には、後述するように、被加工物Ｗの表面を鏡面加工する場合には先端が一定の曲率で形成された鏡面加工用の工具２９（図４（Ａ）参照）が用いられ、被加工物Ｗの表面に微細な三次元形状を形成する場合には、上述したような先端が鋭利な切刃１２を有する工具（以下「マイクロ工具」ともいう。）２が用いられる。
【００２８】
工具２は、ネジ等の固定方法によって、工具ホルダ１４に保持されている。工具ホルダ１４はＬ字形状を有するが、これに限られない。また、シャンク１３と工具ホルダ１４が一体となった構成にすることもできる。さらに、シャンク１３や工具ホルダ１４がない、切刃１２のみの構成であってもよい。以上、切刃１２、シャンク１３および工具ホルダ１４により、本発明に係る「加工部」が構成される。
【００２９】
力センサ６は、切刃１２と予負荷機構５の間に設置されている。本実施形態では、力センサ６は、工具ホルダ１４とヘッド部材１０の間に設置されている。力センサを切刃１２と予負荷機構５の間に設置することにより、アクチュエータ３の駆動時に弾性部材１１において生じた反力が、力センサ６によって検出されることがなくなり、力センサ６における力検出感度を高めることができる。
【００３０】
力センサ６は、中心部がアクチュエータ３の軸心部の延長線上に位置するように、ヘッド部材１０の凸部１０ａの表面に設置される。なお、力センサ６は、ヘッド部材１０の表面に設置される構成に限られず、例えば、ヘッド部材１０の表面に埋め込む構成であってもよい。
【００３１】
力センサ６は、高剛性かつ応答性に優れた圧電素子で構成され、特に本実施形態では、圧電素子（ＰＺＴ）の積層体で構成されている。力センサ６の出力は、制御部１５へ供給される。なお、力センサ６の検出精度を高めるために、当該力センサ６を構成する圧電素子は、予荷重が付与された状態で設置されることが好ましい。
【００３２】
力センサ６は、ウェーブワッシャからなる弾性部材１１よりも小さい外形寸法で形成されている。この構成により、加工時において切刃１２を中心とするモーメントによる影響を受けにくくし、力センサ６における力検出精度を高めることができる。
【００３３】
ここで、力センサ６として市販されている圧電素子を使用する場合は通常、力の検出感度が不明であるため、感度の校正が必要である。校正方法としては、例えば、以下の方法がある。
【００３４】
すなわち、予荷重を与えられた当該圧電素子に、その予荷重を解放するように分銅を吊り下げて当該予荷重を減少させる。当該圧電素子の出力が安定した後、分銅を一気に持ち上げ、減少された予荷重を当該圧電素子に再び付与する。そして、この圧電素子で発生した電荷（電圧）を所定の増幅率で増幅して計測する。この作業を分銅の質量を変えて複数回行い、図２に示すように、分銅の質量と圧電素子の出力電圧との関係を求める。圧電素子の感度は、図２に示された近似直線の傾きに相当する。図２の例からでは、圧電素子の感度は、約４４５ｍＶ／Ｎである。
【００３５】
一方、変位センサ７は、第２の蓋部材９の柱状部９ａの先端に設置されている。柱状部９ａはセンサホルダとして構成されており、軸心部に貫通孔９ｂを有している。変位センサ７は、ヘッド部材１０の背面中心部に対向するように貫通孔９ｂの端部に取り付けられている。本実施形態において、変位センサ７は、静電容量型変位計で構成されている。変位センサ７の出力は、制御部１５へ供給される。
【００３６】
次に、制御部１５の詳細について説明する。
【００３７】
制御部１５は、ファンクションジェネレータ１６と、ロックインアンプ１７と、変位センサアンプ１８と、コンピュータ１９と、ＰＺＴ駆動回路２０を有している。
【００３８】
ファンクションジェネレータ１６は、アクチュエータ３を微小な振幅で振動させる正弦波信号を生成し、生成された正弦波信号をロックインアンプ１７およびＰＺＴ駆動回路２０へ入力する。ＰＺＴ駆動回路２０は、ファンクションジェネレータ１６からの正弦波信号に基づいて、アクチュエータ３を微小な振幅で振動させるための駆動信号を生成しアクチュエータ３へ入力する。なお、このアクチュエータ３の微小振動の方向は、アクチュエータ３の軸方向（図１においてＸ軸方向）である。
【００３９】
ロックインアンプ１７は、ファンクションジェネレータ１６とチャージアンプ２１に接続されている。ロックインアンプ１７は、チャージアンプ２１を介して力センサ６のＡＣ出力を検波し、ファンクションジェネレータ１６から入力された正弦波信号の周波数と同じ周波数の出力信号を増幅する。増幅された力センサ６の出力信号は、Ａ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。
【００４０】
Ａ／Ｄ変換ボード２２は、コンピュータ１９に取り付けられ、ロックインアンプ１７および変位センサアンプ１８に接続されている。Ａ／Ｄ変換ボード２２は、ロックインアンプ１７により増幅された力センサ６の出力信号、および、変位センサアンプ１８により増幅された変位センサ７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１９へ送信する。
【００４１】
コンピュータ１９は、所定の演算器およびメモリーを内蔵し、力センサ６の出力信号および変位センサ７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。具体的には、被加工物Ｗの表面への切刃１２の接触検出、切削力検出、表面加工形状の検出等である。コンピュータ１９には、図示せずとも、解析結果を表示するディスプレイが接続されている。なお、コンピュータ１９は、本発明に係る「検出手段」の一具体例である。
【００４２】
コンピュータ１９には、被加工物Ｗの表面に形成するべき三次元微細形状の加工プロファイルが記憶されている。コンピュータ１９は、ＰＺＴ駆動回路２０に対してアクチュエータ３をその軸方向（図１においてＸ軸方向）へ伸縮させることで、工具２を被加工物Ｗの表面に接近させ、あるいは、遠ざける制御を行う。その制御信号は、コンピュータ１９からＤ／Ａ変換ボード２３、加算器２４を介してＰＺＴ駆動回路２０へ入力される。アクチュエータ３の伸縮制御を上記加工プロファイルに基づいて行うことにより、被加工物Ｗの表面に所定の三次元微細形状が形成される。なお、このアクチュエータ３の伸縮量は、弾性部材１１の弾性変形量の範囲とされる。
【００４３】
Ｄ／Ａ変換ボード２３は、コンピュータ１９に取り付けられ、加算器２４に接続されている。Ｄ／Ａ変換ボード２３は、コンピュータ１９から送信されたデジタル信号をアナログ信号に変換して加算器２４へ入力する。加算器２４は、Ｄ／Ａ変換ボード２３からの出力信号と、ファンクションジェネレータ１６からの出力信号とを加算して、ＰＺＴ駆動回路２０へ入力する。
【００４４】
一方、アクチュエータ３として用いている圧電素子（ＰＺＴ）は、非線形の電圧−変位特性を示す。原因の一つはヒステリシスである。これは電圧に対する変位の応答が線形ではなく、また電圧の上昇時と下降時で一致しないという現象である。もう一つはクリープである。これは一定電圧を加え、一定の位置を保持しようとしても、時間と共に変位がゆっくりと変化してしまう現象である。このため工具の位置を検出し、フィードバック制御を行う必要がある。
【００４５】
この場合、図３に示すように、ＰＺＴ駆動回路２０とＤ／Ａ変換ボード２３との間にＰＩＤコントローラ２５を設けることにより、変位センサ７により計測された工具２の変位に基づいてアクチュエータ３の駆動をフィードバック制御することが可能となる。なお、図３において、ファンクションジェネレータ１６、ロックインアンプ１７、チャージアンプ２１およびＡ／Ｄ変換ボード２２の図示は省略している。
【００４６】
ＰＩＤコントローラ２５は、Ｄ／Ａ変換ボード２３からの出力信号と変位センサアンプ１８からの出力信号とを比較演算する比較器２６と、比例制御ブロック２７ａ、積分制御ブロック２７ｂおよび微分制御ブロック２７ｃからなるＰＩＤ制御部２７と、各制御ブロック２７ａ〜２７ｃの出力信号を加算する加算器２８とを有する。
【００４７】
図３に示す制御部１５は、ＰＩＤコントローラ２５が、コンピュータ１９からの指令値と変位センサ７の出力信号とを比較演算し、ＰＺＴ駆動回路２０へ制御信号を送信することによって、アクチュエータ３の駆動をフィードバック制御することが可能になっている。なお、ＰＩＤコントローラ２５は、本発明に係る「制御手段」の一構成例である。
【００４８】
以上のように構成される本実施形態の加工装置１は、図示しないＸＹＺステージの上に設置されており、被加工物Ｗに対して図１に示すＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向（高さ方向）にそれぞれ移動自在に構成されている。加工装置１は、上記ＸＹＺステージによって、被加工物Ｗの表面の任意の加工位置へ移動される。被加工物Ｗは、その軸心Ｗａの周りに回転駆動される。なお、上記ＸＹＺステージに代えて、ＸＹステージを採用してもよい。この場合、被加工物Ｗは加工装置１に対してＺ軸方向へ相対移動される。
【００４９】
次に、以上のように構成される本実施形態の加工装置１の作用について説明する。
【００５０】
加工装置１は、図示しないＸＹＺステージの上で、被加工物Ｗの表面の加工位置からＸ軸方向に一定以上離れた位置で静止される。次に、以下の手順で、加工装置１による被加工物Ｗの加工が行われる。
【００５１】
図４（Ａ）〜（Ｃ）は加工装置１による被加工物Ｗの加工手順を示す概略図である。被加工物Ｗは旋盤のスピンドルＲに取り付けられる。被加工物Ｗの軸心ＷａはスピンドルＲの軸心と一致している。
【００５２】
［鏡面加工］
図４（Ａ）に示すように、まず、加工装置１には、曲率半径が２．０ｍｍの鏡面加工用工具２９が取り付けられる。そして、被加工物Ｗをその軸心Ｗａを中心として所定の回転数で回転させ、鏡面加工用工具２９を用いて被加工物Ｗの表面を鏡面状に加工する。
【００５３】
鏡面加工工程は、被加工物Ｗの表面が荒れており、そのままでは三次元微細形状の加工に適さない場合に、被加工物Ｗの表面を平滑にする目的で実施される。なお、鏡面加工工程では、磨耗しにくく、比較的大きな先端半径を有する工具を用いて、鏡面加工後の被加工物表面の面粗さを小さくすることが望ましい。
【００５４】
次に、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、工具２９に代えて、先端が鋭利な切刃１２を有するマイクロ工具２を加工装置１に取り付けて、被加工物Ｗの表面に三次元形状を加工する。
【００５５】
図４（Ｂ）は、被加工物Ｗに対する工具２の接触検出工程を示している。工具２と被加工物Ｗとの接触は、力センサ６によって検出される。その検出方法を以下説明する。なお、接触検出工程では、被加工物Ｗの回転は停止される。
【００５６】
［接触検出］
図１を参照して、まず、ファンクションジェネレータ１６で生成された任意の周波数の正弦波信号（電圧信号）がＰＺＴ駆動回路２０を通じてアクチュエータ３へ入力される。これにより、アクチュエータ３は、Ｘ軸方向に上記周波数で振動される。工具２が固定されているヘッド部材１０は、アクチュエータ３と一体的に接触しているため、アクチュエータ３の伸縮はヘッド部材１０を介して工具２に微小振幅の振動変位を与える。
【００５７】
次に、与えられた工具２の振動成分が、工具２とヘッド部材１０の間に設置された力センサ６によって検出される。その検出信号は、チャージアンプ２１に送られ、チャージアンプ２１からその周波数の信号とノイズ成分を含む信号がロックインアンプ１７に出力される。一方、ファンクションジェネレータ１６で生成された正弦波信号がロックインアンプ１７へ入力される。ロックインアンプ１７では、ファンクションジェネレータ１６からの正弦波信号が参照信号として用いられ、これにより力センサ６の出力信号からノイズ信号が除去される。
【００５８】
ロックインアンプ１７の出力は、Ａ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。ロックインアンプ１７の出力の大きさは、力センサ６の振幅に比例する。コンピュータ１９は、このときの力センサ６の検出信号を、工具２が被加工物Ｗと接触する前の信号（以下「空振り信号」ともいう。）Ｓｗとして記憶、処理する。
【００５９】
次に、ＸＹＺステージによって加工装置１をＸ方向へ移動させ、工具２を被加工物Ｗへ接近させる。工具２が被加工物Ｗに接触すると、このときの力センサ６の出力がロックインアンプ１７からコンピュータ１９へ送信される。測定された力センサ６の振幅は、接触前よりも大きくなり、ロックインアンプ１７の出力が上昇する。図５は、工具２が被加工物Ｗと接触したときのロックインアンプ１７の出力信号の一例を示している。図５から、接触時にロックインアンプ１７の出力が上昇していることがわかる。
【００６０】
コンピュータ１９は、このロックインアンプ１７の出力から、工具２と被加工物Ｗの接触を検出する。被加工物Ｗに対する工具２の接触位置は、コンピュータ１９により記憶される。これにより、工具２と被加工物Ｗの初期位置が設定される。本実施形態によれば、力センサ６とロックインアンプ１７で駆動周波数成分のみが高感度に検出されるため、接触点の位置が高感度に測定される。
【００６１】
［微細形状加工］
続いて、図４（Ｃ）に示すように、被加工物Ｗの表面に三次元の微細形状を加工する。
【００６２】
まず、工具２を被加工物Ｗとの接触位置から所定量だけ離間させた後、スピンドルＲを駆動して被加工物Ｗを回転させる。スピンドルＲには、図示せずともロータリーエンコーダが設置されている。ロータリーエンコーダのパルス信号は、加工装置１の制御部１５を構成するコンピュータ１９へ入力される。
【００６３】
次に、アクチュエータ３の駆動により工具２を微小振動させながら、上記接触検出工程にて検出された接触位置へ工具２を移動させる。コンピュータ１９は、ロータリーエンコーダから入力されるパルス信号をクロックとして、記憶されている加工プロファイルに基づいて、アクチュエータ３を伸縮移動させる。これにより、図４（Ｃ）に示すように、被加工物Ｗの表面に対する切削加工が行われる。また、被加工物Ｗに対して工具２を被加工物Ｗの軸方向に相対移動させることにより、被加工物Ｗの長さ方向（図１においてＺ軸方向）にわたって所定の微細形状を形成することができる。
【００６４】
本実施形態では、複数段階に分けて被加工物Ｗの表面に所定の三次元微細形状を加工する。例えば、被加工物Ｗの円周方向に沿って溝形状を複数列形成する場合、各列の溝加工が複数回に分けて実施される。具体的には、各列において円周方向に所定長さのパターンＰ（図４（Ｃ）参照）を所定ピッチで形成した後、同一列上に位置するパターンＰの間に再度同様なパターンを形成することで、円周方向に連続する溝を形成する。
【００６５】
なお、上記の例に限られず、例えば複数の工具を同時に使用する等して、所定の三次元微細形状を被加工物Ｗの表面に一時に形成することも可能である。
【００６６】
［切削力の検出］
さて、被加工物Ｗの加工工程では工具２に加わる切削力が検出される。以下、切削力の検出方法について説明する。
【００６７】
図１を参照して、被加工物Ｗの加工中に測定された力センサ６の出力は、チャージアンプ２１、ロックインアンプ１７およびＡ／Ｄ変換ボード２２を介してコンピュータ１９へ入力される。コンピュータ１９は、このときの力センサ６の検出信号を、被加工物Ｗの加工中に測定された信号（以下「測定信号」ともいう。）Ｓｐとして記憶、処理する。
【００６８】
切削力は、工具２の切刃１２の形状を被加工物Ｗに転写するときに生じる力である。したがって、加工中に測定された力の出力から空振り駆動中に測定された力の出力を減じることで、切削力が求められる。すなわち、測定信号Ｓｐから空振り信号Ｓｗの成分を差し引くことで、被加工物Ｗに対する工具２の切削力に相当する信号（以下「切削力信号」ともいう。）Ｓｃが求められる。切削力は、コンピュータ１９によって演算される。
【００６９】
図６は、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗと切削力信号Ｓｃとの関係を示す力センサ６の出力の一例である。切削力信号Ｓｃは、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗの差分が大きいほど高い精度で検出することが可能となる。したがって、空振り信号Ｓｗの出力は小さいほど、切削力は高精度で検出される。
【００７０】
本実施形態によれば、上述のように、力センサ６を工具２とヘッド部材１０の間に配置されているので、力センサ６は、工具２の慣性質量に基づく力成分のみを検出することになる。これにより、非加工時に検出される力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ）を小さくすることができるため、加工時に検出される力センサ６の出力（測定信号Ｓｐ）との差分が大きくなり、切削力信号Ｓｃの検出精度を向上させることが可能となる。
【００７１】
［本実施形態の効果］
以下、図７および図８に示す加工装置の構成例と比較した本実施形態の効果について説明する。
【００７２】
図７は、比較例１に係る加工装置３１の構成を示す概略断面図である。図８は、比較例２に係る加工装置３２の構成を示す概略断面図である。なお、図７および図８において図１と対応する部分についてはそれぞれ同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００７３】
図７に示す加工装置３１は、力センサ３３は、工具２を支持するヘッド部材１０とアクチュエータ３の間に設置されている。図８に示す加工装置３２は、アクチュエータ３を収容するケーシング本体４は、ベース３４に対して複数本のネジ部材３５を介して固定されている。力センサ３６は、ケーシング本体４とベース３４の間に設置されており、ネジ部材３５の締め付け力によって力センサ３６の予荷重量が設定されている。
【００７４】
図９は、比較例１に係る加工装置３１の力センサ３３が出力する空振り信号（センサＩ）と、比較例２に係る加工装置３２の力センサ３６が出力する空振り信号（センサＩＩ）をそれぞれ示している。
【００７５】
比較例２に係る加工装置３２においては、力センサ３６がベース３４とケーシング本体４の間に設置されているため、工具２の微小振動時に、工具２だけでなく、これを支持するアクチュエータ３、さらにアクチュエータ３を収容するケーシング本体４等を含む慣性系に作用する力を検出することになる。つまり、工具２以外にも、アクチュエータ３やケーシング本体４の質量成分に基づく力も同時に検出される。その結果、図９に示すように、力センサ３６の出力（センサＩＩ）はノイズが重畳した波形となり、精度の高い力検出が困難な状態にある。
【００７６】
一方、比較例１に係る加工装置３１においては、力センサ３３が弾性部材１１とアクチュエータ３の間に設置されているため、工具２の微小振動時に、ケーシング本体４やアクチュエータ３の質量成分に基づく力を含まない、力検出が可能となる。その結果、図９に示すように、力センサ３３の出力（センサＩ）を、力センサ３６の出力（センサＩＩ）に比べて、より高感度に検出することが可能である。
【００７７】
しかしながら、比較例１に係る加工装置３１においては、力センサ３３は、弾性部材１１とアクチュエータ３の間に設置される構成であるため、工具２の切削力のみならず、弾性部材１１の反力をも同時に検出してしまう。このため、空振り信号Ｓｗの出力が大きくなるという不都合がある。測定信号Ｓｐは、被加工物の硬度が高いほど大きな出力が得られるが、被加工物が銅やアルミニウムなどの比較的軟質の材料の場合には大きな出力が得られない。
【００７８】
したがって、軟質の被加工物を加工する場合には、空振り信号Ｓｗの出力が大きいと、測定信号Ｓｐと差分がとれず、所望とする切削力信号Ｓｃを得ることができないおそれがある。図１０は、その一例を示している。空振り信号Ｓｗ（破線）と測定信号Ｓｐ（一点鎖線）とがほぼ同じ出力となった結果、切削力信号Ｓｃ（実線）を高精度に検出することができない。
【００７９】
これに対して、本実施形態の加工装置１においては、力センサ６が工具２とヘッド部材１０の間に設置されているため、弾性部材１１の反力の影響を受けることはない。したがって、本実施形態によれば、空振り信号Ｓｗの出力を比較例１および比較例２よりも小さくすることが可能となる。これにより、加工中の測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの差分を大きくとることが可能となるので、これら２つの信号の差として抽出される切削力信号Ｓｃを高精度に検出することが可能となる。
【００８０】
図１１（Ａ），（Ｂ）は、表面にＮｉ−Ｐ（ニッケル−リン）めっきが施された被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．３４［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．４３［Ｎ］である。
【００８１】
また、図１２（Ａ），（Ｂ）は、Ａｌ（アルミニウム）製の被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．１５［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．１２［Ｎ］である。
【００８２】
さらに、図１３（Ａ），（Ｂ）は、Ｃｕ（銅）製の被加工物に対する加工装置１の力センサ６の出力（空振り信号Ｓｗ、測定信号Ｓｐおよび切削力信号Ｓｃ）の一例を示している。ここで、（Ａ）は、平滑な（形状加工する前の）被加工物の表面を切削する場合を示しており、（Ｂ）は、形状加工した被加工物の表面を更に切削する場合を示している。切削力（図における「Trust force」）は、（Ａ）の例では０．０８［Ｎ］、（Ｂ）の例では０．１１［Ｎ］である。
【００８３】
図１１〜図１３に示したように、本実施形態によれば、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの差分を大きくとることができるので、切削力信号Ｓｃの信号を高精度に検出することができる。また、図１１〜図１３の各図の（Ａ），（Ｂ）に示したように、被加工物の表面状態（平滑面または凹凸面）に応じた切削力の違いも高精度に検出することができる。これにより、加工中の切削力を高精度に測定することができ、被加工物の表面に微細な三次元形状を高精度に作製することが可能となる。
【００８４】
さらに、本実施形態によれば、空振り信号Ｓｗを測定信号Ｓｐよりも十分小さく抑えることができるので、アルミニウムや銅などの比較的軟質の被加工物に対しても、測定信号Ｓｐと空振り信号Ｓｗとの間に所定以上の出力差を確保することができる。これにより、図１２および図１３に示したように、加工中の切削力を高精度に検出することが可能である。
【００８５】
（第２の実施形態）
次に、図１４および図１５を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図１４（Ａ），（Ｂ）、図１５（Ａ），（Ｂ）は、本実施形態の加工装置における加工部（工具）周辺の概略構成を示す側面図である。なお、それ以外の構成は上述の第１の実施形態と同様であるので、その図示は省略している。また、各図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８６】
本実施形態においては、切刃１２、シャンク１３および工具ホルダ１４によって構成される加工部の構成内に力センサ６が設けられている点で、上述の第１の実施形態と異なっている。
【００８７】
具体的に、図１４（Ａ）に示す構成の加工装置においては、工具２を保持する工具ホルダ１４の内部に力センサ６が埋め込まれている。工具ホルダ１４は、Ｌ字形状を有しており、シャンク１３とヘッド部材１０の間に位置する第１のアーム部１４ａと、この第１のアーム部１４ａと直交しシャンク１３を支持する第２のアーム部１４ｂとを有している。力センサ６は、第１のアーム部１４ａに埋め込まれている。
【００８８】
この構成においても上述の第１の実施形態と同様の作用および効果を得ることができる。また、工具ホルダ１４と力センサ６を一体化できるので、当該加工装置の加工部周辺の部品点数の削減を図ることが可能となる。
【００８９】
図１４（Ｂ）に示す構成の加工装置においては、工具２を構成するシャンク１３の内部に力センサ６が埋め込まれている。この構成によれば、力センサ６は、切刃１２および一部のシャンク１３の質量成分に基づく力のみを検出することが可能となるので、第１の実施形態に比べて、工具２の空振り信号Ｓｗの出力を更に抑制して、切削力信号Ｓｃの検出精度の更なる高精度化を実現することができる。
【００９０】
一方、図１５（Ａ），（Ｂ）に示す構成の加工装置においては、工具２を構成する切刃１２とシャンク１３の間に力センサ６が設置されている。特に、図１５（Ａ）の構成では、力センサ６の一端部が切刃１２の基端部に接続され、力センサ６の底面の一部がシャンク１３の上面に接合されている。また、図１５（Ｂ）の構成では、力センサ６の上面に切刃１２の下面が接合され、力センサ６の下面がシャンク１３の上面に接合されている。なお図示せずとも、シャンク１３と工具ホルダ１４の間に力センサ６を配置してもよい。
【００９１】
図１５に示した構成によれば、力センサ６により検出される力信号は、実質的に、切刃１２に作用する慣性力のみとなる。その結果、図１４に示した構成に比べて、工具２の空振り信号Ｓｗの更なる低出力化を実現することができ、切削力の検出精度の更なる高精度化を図ることが可能となる。
【００９２】
（第３の実施形態）
図１６は本発明の第３の実施形態による加工装置４１の構成を示す側断面図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
本実施形態の加工装置４１は、工具２を支持するヘッド部材１０が第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂの２分割構造を有している。第１のヘッド部材１０ａは工具２を支持し、第２のヘッド部材１０ｂはアクチュエータ３の端部に一体的に固定されている。そして、これら第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂの間には、力センサ６が設置されている。
【００９４】
力センサ６は、圧電素子で構成されている。力センサ６の中心部には、第１のヘッド部材１０ａと第２のヘッド部材１０ｂとを一体的に固定するネジ部材４４の軸部が貫通する貫通孔が形成されており、このネジ部材４４の締め付け力によって、力センサ６の予荷重量が設定される。ネジ部材４４は、力センサ６をヘッド部材１０への押付け機構を構成している。なお、ネジ部材４４の軸心位置は、アクチュエータ３の軸心位置と一致している。
【００９５】
ケーシング本体４の先端部には、第２のヘッド部材１０ｂをアクチュエータ３の端部に押し付ける予負荷機構が設けられている。この予負荷機構は、ケーシング本体４の開口端に取り付けられ、中心部に第１のヘッド部材１０ａが挿通されるガイド孔４２ａが形成されたガイド部材４２と、このガイド部材４２と第２のヘッド部材１０ｂの間に設置された弾性部材１１とを備えている。
【００９６】
弾性部材１１は、力センサ６の外形寸法よりも大きな内径を有するウェーブワッシャで構成されている。弾性部材１１の弾性力によって、アクチュエータ３に所定の予荷重が与えられる。なお、ガイド部材４２は、ケーシング本体４の側周部に複数形成されたネジ収容孔を介してガイド部材４２の側周部に結合された複数のネジ部材４３によって、ケーシング本体４に固定されている。なお、上記ネジ収容孔の内径は、ネジ部材４３の頭部とほぼ同等の大きさに形成されている。
【００９７】
ガイド部材４２は、そのガイド孔４２ａに挿通されたヘッド部材１０をアクチュエータ３の伸縮駆動によってネジ部材４４の軸方向に所定長だけスライド自在に支持している。ヘッド部材１０のスライド量は、弾性部材１１の弾性変形量の範囲内とされている。本実施形態では、ガイド孔４２ａの一部、特に、第１のヘッド部材１０ａの移動案内部を、ガイド部材４２に装着したブッシュ４５で構成している。ブッシュ４５は低摩擦の合金材料やゴム材料で構成することができる。なお、ブッシュ４５を省略して、ガイド部材４２の構成材料で第１のヘッド部材１０ａのスライド面を構成してもよい。
【００９８】
以上のように構成される本実施形態の加工装置４１においても、上述の第１の実施形態と同様な作用および効果を得ることができる。特に本実施形態によれば、ネジ部材４４の締め付け力によって力センサ６に任意の予荷重を設定することができるので、力センサ６の安定した力検出信号を得ることができる。
【００９９】
また、本実施形態によれば、ガイド部材４２によってヘッド部材１０の軸移動を規制することができるので、力センサ６の検出精度を高めて信頼性の高い切削力測定が可能となる。また、力センサ６が弾性部材１１よりも小さい外形寸法を有するので、図７を参照して説明した加工装置３１のように弾性部材１１とほぼ同等の大きさに形成された力センサ３３に比べて、アクチュエータ３の中心部に関するモーメントの影響を受けにくい。これにより、力センサ６による切削力の検出精度の向上を図ることができる。
【０１００】
［被加工物の具体例］
本発明に係る加工装置は、ＦＰＤや太陽電池などの分野をはじめとして、様々な分野において利用可能である。本実施形態では、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に搭載される光学シート（又は光学フィルム）を作製する際に用いられる成形ロールを、本加工装置を用いて形成することができる。
【０１０１】
図１７は光学シートの成形装置５０を示す概略構成図である。この成形装置５０は、押出機５１、Ｔダイ５２、成形ロール５３、弾性ロール５４および冷却ロール５５を備えている。押出機５１は、ホッパー（図示略）から供給された樹脂材料を溶融し、Ｔダイ５２に供給する。Ｔダイ５２は、押出機５１から供給された樹脂材料を、成形しようとするシートの幅まで広げて吐出する。Ｔダイ５２から吐出された溶融樹脂は、成形ロール５３と弾性ロール５４にニップされて、成形ロール５３によって成形される。成形された樹脂シートは、その後、冷却ロール５５にて冷却され、光学シート６０として連続的に形成される。
【０１０２】
成形ロール５３は、ステンレス製の本体の表面にＮｉＰ、Ｃｕをめっきした円柱体であり、その中心軸を回転軸として回転駆動可能に構成されている。成形ロール５３の円柱面には、光学シート６０の一主面に凹凸パターンを転写するための微細三次元形状（図示略）が設けられている。この微細形状は、例えば図１８（Ａ）に示したプリズム体６０Ｐ、図１８（Ｂ）に示したシリンドリカルレンズ体６０Ｌ、更には図示せずともマイクロレンズ体などをシートに転写するための微細な凹凸形状である。また、この微細形状は、円柱形状を有する成形ロール５３の周方向または軸方向に向けて形成されている。
【０１０３】
光学シートには、上記プリズム体またはシリンドリカルレンズ体が、例えば、数μｍ〜数百μｍのピッチで連続的に形成されている。液晶ディスプレイのバックライト光源からの光を効率よく集光するためには、これらのプリズム体などが所望の光学設計どおりに作製される必要があり、そのためには成形ロールの表面の微細形状が所望の配列で形成されていることが必須である。
【０１０４】
成形ロール５３の表面への凹凸形状の形成には、例えば図１に示したような本発明に係る加工装置１を用いることができる。工具２の切刃１２としては、例えばダイヤモンドバイトが用いられる。本発明によれば、成形ロール５３の加工時において、工具２の切削力を正確に測定しながら微細加工を行うことができるため、微細形状の配列が歪んだり、凹形状の谷の深さ又は凸形状の山の高さにバラツキが生じたりすることが防止される。
【０１０５】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１０６】
例えば以上の実施形態では、力センサ６を圧電素子で構成したが、これに限られず、例えば歪ゲージ等の他の検出器を用いても構わない。同様に、アクチュエータ３を圧電素子の積層体で構成したが、これに代えて、ソレノイドと鉄心を備えた電磁アクチュエータを用いてもよい。
【０１０７】
また、以上の実施形態では、本発明に係る加工装置を被加工物の表面への微細形状の加工に用いる例を説明したが、その他にも、以下に説明するような用途にも適用することが可能である。
【０１０８】
［工具の摩耗や破損の検出］
本発明に係る加工装置１は、高精度で測定された力センサ６の出力を利用することにより、加工中の切刃１２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２の取替の判断が容易となり、生産性を向上させることが可能となる。
【０１０９】
［工具の摩耗量の測定］
また、本発明に係る加工装置１は、切刃１２の摩耗量も測定することができる。すなわち、加工前に行われる被加工物と工具の接触検出工程において、接触位置の変化を変位センサ７の出力に基づいて検出することで、工具２の摩耗量を測定することができる。また、同様な方法により、工具２を交換したときの取付け誤差や工具２の寸法の個体差などによる工具２の先端位置のずれを求めることができる。
【０１１０】
［表面加工形状の計測］
さらに、本発明に係る加工装置１は、力センサ６の計測値が一定になるよう制御部１５でアクチュエータ３の駆動を制御することにより、変位センサ７の変位から被加工物Ｗの表面の形状を計測することができる。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２の先端の形状を測定することができる。
【０１１１】
［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６の出力を、直接、Ａ／Ｄ変換ボード２２へ入力することにより、工具２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ができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施形態による加工装置の概略構成図である。
【図２】力センサの感度の測定例を示す一実験結果である。
【図３】図１に示した加工装置の構成の変形例を示す図である。
【図４】図１の加工装置を用いた被加工物の加工手順を説明する図である。
【図５】被加工物と工具の接触検出工程において測定された力センサの出力例を示す図である。
【図６】力センサの空振り時の出力（空振り信号）と加工時の出力（測定信号）から切削力を算出する方法を説明する図である。
【図７】比較例１に係る加工装置の構成を示す概略断面図である。
【図８】比較例２に係る加工装置の構成を示す概略構成図である。
【図９】図７の加工装置における力センサの出力と、図８の加工装置における力センサの出力との関係を示す図である。
【図１０】図７に示した加工装置において発生し得る力センサの出力例を示す図である。
【図１１】本発明に係る加工装置における力センサの出力例を示す図である。
【図１２】本発明に係る加工装置における力センサの他の出力例を示す図である。
【図１３】本発明に係る加工装置における力センサの更に他の出力例を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態による加工装置の加工部の構成例を示す図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態による加工装置の加工部の他の構成例を示す図である。
【図１６】本発明の第３の実施形態による加工装置の構成を示す断面図である。
【図１７】本発明に係る加工装置を用いて加工された成形ロールを具備する光学シートの成形装置の概略構成図である。
【図１８】図１７の成形装置を用いて製造された光学シートの構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０１１３】
１…加工装置
２…工具
３…アクチュエータ
４…ケーシング本体
５…予負荷機構
６…力センサ
７…位置センサ
１０…ヘッド部材
１１…弾性部材
１２…切刃
１５…制御部
１９…コンピュータ
４１…加工装置
５０…成形装置
５３…成形ロール
６０…光学シート
Ｗ…被加工物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
切刃を有する加工部と、
前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、
前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、
前記力センサの出力に基づいて前記加工部の切削力を検出する検出手段と
を具備する加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加工装置であって、
前記予負荷機構は、
前記アクチュエータと接触し、前記加工部と共に前記ケーシングに対して相対駆動されるヘッド部材と、
前記ケーシングと前記ヘッド部材の間に配置され前記ヘッド部材を前記アクチュエータに押し付ける弾性部材とを有し、
前記力センサは、前記切刃と前記ヘッド部材の間に配置されている
加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記保持部と前記ヘッド部材の間に配置されている
加工装置。
【請求項４】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記切刃と前記保持部の間に配置されている
加工装置。
【請求項５】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記保持部に埋め込まれている
加工装置。
【請求項６】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記弾性部材は、ウェーブワッシャでなり、
前記力センサは、前記ウェーブワッシャよりも小さい外形寸法を有する圧電素子でなる
加工装置。
【請求項７】
請求項１に記載の加工装置であって、さらに、
前記ケーシングに対する前記加工部の変位を検出する変位センサを具備する
加工装置。
【請求項８】
請求項２に記載の加工装置であって、さらに、
前記加工部と前記力センサの間に、前記力センサを前記ヘッド部材へ押し付ける機構を具備する
加工装置。
【請求項９】
請求項１に記載の加工装置であって、
前記検出手段は、前記アクチュエータを駆動する駆動回路を含む
加工装置。
【請求項１０】
切刃を有する加工部と、
前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、
前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、
前記加工部の変位を検出する変位センサと、
前記力センサと前記変位センサの出力に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御手段と
を具備する加工装置。
【請求項１】
切刃を有する加工部と、
前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、
前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、
前記力センサの出力に基づいて前記加工部の切削力を検出する検出手段と
を具備する加工装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加工装置であって、
前記予負荷機構は、
前記アクチュエータと接触し、前記加工部と共に前記ケーシングに対して相対駆動されるヘッド部材と、
前記ケーシングと前記ヘッド部材の間に配置され前記ヘッド部材を前記アクチュエータに押し付ける弾性部材とを有し、
前記力センサは、前記切刃と前記ヘッド部材の間に配置されている
加工装置。
【請求項３】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記保持部と前記ヘッド部材の間に配置されている
加工装置。
【請求項４】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記切刃と前記保持部の間に配置されている
加工装置。
【請求項５】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記加工部は、前記切刃を保持する保持部を有し、
前記力センサは、前記保持部に埋め込まれている
加工装置。
【請求項６】
請求項２に記載の加工装置であって、
前記弾性部材は、ウェーブワッシャでなり、
前記力センサは、前記ウェーブワッシャよりも小さい外形寸法を有する圧電素子でなる
加工装置。
【請求項７】
請求項１に記載の加工装置であって、さらに、
前記ケーシングに対する前記加工部の変位を検出する変位センサを具備する
加工装置。
【請求項８】
請求項２に記載の加工装置であって、さらに、
前記加工部と前記力センサの間に、前記力センサを前記ヘッド部材へ押し付ける機構を具備する
加工装置。
【請求項９】
請求項１に記載の加工装置であって、
前記検出手段は、前記アクチュエータを駆動する駆動回路を含む
加工装置。
【請求項１０】
切刃を有する加工部と、
前記加工部を微小振動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを収容するケーシングと、
前記ケーシングの内部に配置され前記アクチュエータに予荷重を与える予負荷機構と、
前記切刃と前記予負荷機構の間に配置された力センサと、
前記加工部の変位を検出する変位センサと、
前記力センサと前記変位センサの出力に基づいて前記アクチュエータを駆動する制御手段と
を具備する加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２００９−１４２９５０（Ｐ２００９−１４２９５０Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２４０２２（Ｐ２００７−３２４０２２）
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（８９９００００３５）株式会社 東北テクノアーチ (68)
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１４日（２００７．１２．１４）
【出願人】（８９９００００３５）株式会社 東北テクノアーチ (68)
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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