表面加工機
【課題】導光板等の複雑な溝や形状、さらに微細な溝や形状を容易に得られる表面加工機を提供。
【解決手段】基台２上にＸ軸テーブル４と、門型コラム８を設け、門型コラムにＹ軸テーブル９を設け、Ｙ軸テーブルにＺ軸方向の工具送り装置１０に垂直方向に微少高速変位制御可能な微少高速工具位置決め装置２０を介して工具１５を設け、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにする。高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍ、Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、静圧軸受にて保持され、リニアモータ７駆動され、工具送り装置は静圧ねじ１８にて保持され、サーボモータ１７により駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にする。
【解決手段】基台２上にＸ軸テーブル４と、門型コラム８を設け、門型コラムにＹ軸テーブル９を設け、Ｙ軸テーブルにＺ軸方向の工具送り装置１０に垂直方向に微少高速変位制御可能な微少高速工具位置決め装置２０を介して工具１５を設け、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにする。高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍ、Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、静圧軸受にて保持され、リニアモータ７駆動され、工具送り装置は静圧ねじ１８にて保持され、サーボモータ１７により駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶装置に使用される導光板、又は導光板を成形するための金型の表面を加工するための表面加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネルの裏面に配置される導光板は発光ダイオード等からの光をムラなく均一に照射させるためにその表面は曲線を描いたり、格子状の凹凸にしたり、複雑な溝や形状に加工される。かかる導光板の加工機械は例えば、特許文献１に記載のように、基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、基台上に固定されＸ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、門型コラムに設けられ水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、工具送り装置の先端に取付られた工具をＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動させている。このものはさらに工具送り装置に工具軸を垂直軸周りに回転する工具軸回転装置を設けている。
【０００３】
また、特許文献２に記載のものは工具送り装置の先端と工具との間に圧電素子を介して工具の進行方向に対して上方及び前後方向に高周波振動の楕円運動をさせることにより、工具を楕円運動させながら表面を加工している。これによれば、アクリル板等の平滑な光の透過性のよい加工ができ、輝度ムラがなく輝度の高い導光板が得られる。
【０００４】
また、特許文献２のような圧電素子を利用して高速で加工させるものとして、特許文献３においては、ワークを回転させる主軸の回転角度に同期して工具切り込み量を高速に変化させることにより軸受又は軸の表面に旋削溝加工を行っている。同様に、これを軸の端面に応用し、回転角度に同期させて端面への工具切り込み量を高速に変化させて表面を加工することができる。
【特許文献１】特開２００３−２３１０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−２４９３６９号公報
【特許文献３】特開２００２−０３６００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる導光板の溝形状はさらに複雑化し、その形状も複雑なものとなってきている。また、溝の形状寸法も数十μｍ〜数百μｍ程度であるが、本発明者等は、さらに数μｍ〜数十μｍのものが必要となると予想している。また、数十μｍ〜数ｍｍ程度の溝に、さらに重畳的に数μｍ〜数十μｍの別の溝や形状を加工する等、種々の複雑な微細加工が必要となると考えている。しかしながら、特許文献１のものでは、従来の平削盤等とほぼ同じ構成であり、門型として剛性をあげているにとどまり、駆動機構もボールねじを用いておりかかる微細な加工を実現することはできないという問題があった。また、特許文献２に記載のものは、垂直（Ｚ軸）方向の加工については特に開示されていないので想像するしかないが、垂直方向の制御は特許文献１のような工具送り装置を用いて制御し、工具先端に楕円運動をさせているだけなので、微細な加工はできないという問題があった。
【０００６】
さらに、特許文献３のものは回転軸に同期させ、工具切り込み量を高速に制御して微細形状を加工することが開示されている。しかし、導光板のような板材についてまでは示唆も開示もされていない。また、回転に対する同期なので、導光板のような大きなものについては装置が大きくなり現実的でない。さらに特許文献１のようなスパンの長い加工機への適用については示唆も開示もされていない。さらにまた、特許文献３のものを特許文献１のものに取り付け、又は特許文献２のものに代えても、工具送り装置の粗動作と圧電素子等からなる高速微動作の両方を制御しなければならずかかる微細加工は困難である。
【０００７】
本発明の課題は、かかる問題点に鑑みて、導光板等の複雑な溝や形状を容易に得られ、さらには数μｍ〜数十μｍの溝や形状を容易に得られる表面加工機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、前記基台上に固定され前記Ｘ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、前記門型コラムに設けられ前記水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、前記Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、前記工具送り装置に設けられ工具取付け部が垂直方向に微少高速変位制御可能にされた微少高速工具位置決め装置と、前記微少高速工具位置決め装置に取付られた先端に切れ刃を有する工具と、を備え、前記工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ前記微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにされている表面加工機を提供することにより前述した課題を解決した。
【０００９】
即ち、門型コラムを有する剛性の高い平削り盤形状にするとともに、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又はＹ軸を移動させながら、微少高速工具位置決め装置によりＺ軸方向に切り込み量が変化する工具を取り付け垂直方向の微少加工を行えるようにしたので、加工面には工具送り装置のＺ軸方向への影響がなく、微少高速工具位置決め量に応じた加工が施される。
【００１０】
かかる微少高速工具位置決め装置のストロークは多くはとれず特許文献３と同様なものであり、請求項２に記載の発明においては、前記高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍである表面加工機とした。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明においては、前記Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、水平方向及び移動方向に沿った垂直面方向を静圧軸受にて保持され、リニアモータ駆動されており、前記工具送り装置は静圧ねじにて保持され、静圧ねじに接続されたサーボモータにより駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にされた表面加工機とした。
【００１２】
即ち、Ｘ，Ｙ軸テーブルは静圧軸受にし、さらに、リニアモータ駆動によりボールねじのねじれや、変形による位置制御精度の低下を防止することにより、機械変形が少なく、Ｘ、Ｙ軸方向への移動による誤差が低減される。また、Ｚ軸の工具送り装置は静圧ねじで高精度に位置決め保持するようにしたので、位置決め精度を確保し、さらに位置決めした後のＸ，Ｙ軸方向の移動による振動や位置誤差の影響がすくない。
【００１３】
かかる高精度の加工は導光板のような表面に微細な加工が要求されるものに適している。そこで、請求項４に記載の発明においては、前記加工機で加工されるワークは導光板である表面加工機とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、剛性の高い門型コラムとし、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又はＹ軸を移動させながら、垂直方向の微少高速工具位置決め装置による加工を行い、加工面には工具送り装置のＺ軸方向への影響がなく、微少高速工具位置決め量に応じた加工が施されるようにしたので、導光板等の複雑な溝や形状を容易に得られるものとなった。また、請求項２に記載の発明おいては、高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍとしたので、数μｍ〜数十μｍの溝や形状を容易に得られるものとなった。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の発明においては、Ｘ，Ｙ軸テーブルでの静圧軸受、リニアモータ駆動により、Ｘ、Ｙ軸方向への移動誤差の低減、Ｚ軸の工具送り装置の静圧ねじによる高精度の位置決め保持により、位置決め精度を確保し、さらに位置決めした後のＸ，Ｙ軸方向の移動による振動や位置誤差の影響が少なくしたので、数μｍ〜数十μｍのもの溝や形状の加工、さらに、数十μｍ〜数ｍｍ程度の溝に、さらに重畳的に数μｍ〜数十μｍの別の溝や形状を加工することが可能となった。特に請求項４に記載の発明においては、ワークを導光板としたので、近年のより微細で複雑な形状の導光板を実現できるものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す表面加工機を模式化した斜視図、図２は本発明の実施の形態で用いる微少工具位置決め装置の説明図、図３は図２の微少高速工具位置決め装置の制御方法を示すブロック線図である。図１に示すように、本発明の表面加工機１は、基台２上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワーク３が載置されるＸ軸テーブル４が設けられている。Ｘ軸テーブル４は下側部４ａが幅方向に狭くされた下向きの凸断面とされ、両側の下面４ｃと、下側部の長手（Ｘ軸）方向の側面４ｂとが油圧を用いた静圧軸受案内部５により、低抵抗、高精度に保持されている。静圧軸受案内部５の間にはコアレスタイプリニアモータ６が設置され、Ｘ軸テーブルに設けられた可動子７とでリニア駆動によりＸ軸テーブルをＸ軸方向の移動させることができる。基台２上部には門型コラム８がＸ軸テーブル４の上方を跨るように設けられている。なお、符号１６はワーク３をＸ軸テーブル上で回転（矢印Ｃ）させるための回転テーブルである。
【００１７】
図３に示すように、Ｘ軸テーブルの位置は位置検出器３１によりＸ軸フィードバック信号３１ａとしてＸ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１にフィードバックされ、図示しない指令信号に従って、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置よりＸ軸駆動出力４２が出力されリニアモータ６及び可動子７を駆動させＸ軸テーブル４の位置や速度を制御する。また、位置検出器３１からのＸ軸フィードバック信号３１ａはＸ軸位置信号４３として後述する切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１にも入力される。
【００１８】
図１に示すように、門型コラム８には、水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブル９が設けられ、Ｙ軸テーブルにはさらにＺ（垂直）軸方向に移動可能にされた工具送り装置１０が設けられている。Ｙ軸テーブル９は下側部９ａが逆Ｔ字型断面とされ、門型コラム８に設けられた角型静圧軸受案内部１１に静圧軸受を介してＹ軸方向に移動可能に嵌合されている。Ｙ軸テーブル９のＹ軸方向両側下面９ｂと静圧軸受案内部１１の突出部１１ａの両上面１１ｂ、逆Ｔ字型の両狭幅部と９ｃと横方向両突出面１１ｃ、図示しない逆Ｔ字型部の両上面と突出部の両下側面１１ｄが対向するようにして静圧軸受が形成され、Ｙ軸テーブルが低抵抗、高精度に保持されている。
【００１９】
図１，３においては省略しているが、前述したＸ軸テーブルと同様に、静圧軸受案内部１１の間にはコアレスタイプリニアモータが設置され、Ｙ軸テーブル９に設けられた可動子とでリニア駆動によりＹ軸テーブルをＹ軸方向の移動させることができる。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１よりＹ軸テーブル９の位置や速度が制御される。また、Ｙ軸フィードバック信号はＹ軸位置信号４４として切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１に入力される。
【００２０】
図１，３に示すように、工具送り装置１０はサーボモータ（例えばＡＣ，又はＤＣサーボモータ）１７による回転制御される静圧ねじ１８によりＺ軸移動可能にされている。なお、静圧ねじは、ねじ穴と、該ねじ穴に螺合するねじとの間に空気等の流体を所定圧力で供給することによるねじ穴に対しねじを浮揚させることにより低摩擦、低抵抗としたものである。工具送り装置１０はＸ軸と平行に軸周りに回転（矢印Ａ）できるようにされている。
【００２１】
図３に示すように、工具送り装置１０の位置は位置検出器３３によりＺ軸フィードバック信号３３ａとしてＸ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１にフィードバックされ、図示しない指令信号に従って、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置よりＺ軸駆動出力４５が出力されＡＣサーボモータ１７を駆動させ工具送り装置のＺ軸方向の位置や速度を制御する。
【００２２】
工具送り装置１０のＸ軸面側に工具取付け部１０ａが設けられており。切削工具が取付可能にされている。この工具取付け部１０ａにＸ軸方向に切削可能なように切削工具を取付け、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１によりＸ，Ｙ軸テーブル、工具送り装置を制御することにより、ワークの表面加工ができる。かかる構成においては、工具送り装置１０のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又はＹ軸を移動させ平面加工を行うことができ、この場合の移動精度は、静圧軸受、リニアモータの使用により、Ｘ軸で６０ｍｍ、幅８０ｍｍのワークで、０．１μｍ以内にできる。
【００２３】
特に、本発明においては、工具送り装置１０の工具取付け部１０ａに微少高速工具位置決め装置２０が取り付けられている。図２に示すように、微少高速工具位置決め装置２０の先端にはダイヤモンド切れ刃１４が水平面に対して切削可能方向に配置されたダイヤモンド工具１５が取付られている。微少高速工具位置決め装置２０は特許文献３と同様なもので、本体２１内に重畳された複数の圧電素子２２の先端にガイド板２３を介してダイヤモンド工具１５が取付られている。ガイド板２３と本体２１の間には皿ばね２４が装着されており工具２５が垂直方向に移動できるようにガイドしている。圧電素子２２には穴２２ａが開けられており、穴内に圧電素子の変形量即ちダイヤモンド工具の切り込み量３０を検出する静電容量型の変位計３４が設けられている。圧電素子へ所定の電圧を印可することにより圧電素子を変形させダイヤモンド工具、即ちダイヤモンド切れ刃をＺ軸方向にフィードバック制御するようにされている。
【００２４】
即ち、図３に示すように、変位計３４により切り込み量３０を測定し切り込み量フィードバック信号３４ａを切り込み量制御装置５２へ入力し、指令信号である切り込み量出力５３の信号と比較し、圧電素子駆動信号５４として増幅器５５に入力され、増幅器から圧電素子駆動出力５６が出力され圧電素子２２を変位させ、切り込み量出力５３に応じた切り込み量３０をダイヤモンド工具１５即ちダイヤモンド切れ刃１４に与えるようにされている。かかる圧電素子の制御分解能は数ｎｍ（ナノメータ）であり、圧電素子の垂直方向の移動距離は２０μｍ程度、またその最大応答速度は現状１．５ｋＨｚと高速である。また、リンク機構等を通して移動距離の拡大、縮小が可能である。
【００２５】
さらに、本発明においては、Ｚ軸を固定して微細加工を行う場合は、Ｘ，Ｙ軸の位置によりダイヤモンド工具即ちダイヤモンド切れ刃がＺ軸方向に所定量切り込み可能にされている。即ち、図３に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１から出力される微少切削制御開始信号５７により切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１が微細加工モードに入るようにされている。微細加工モードに入ったＣＰＵ５１はＸ、Ｙ軸位置信号４３，４４を読み取り、あらかじめ、Ｘ，Ｙ軸の座標に対して、切り込み量３０が設定又は計算される計算式が格納された切り込み量データテーブル５９を参照し、Ｘ，Ｙ軸位置信号４３，４４に応じた切り込み量データを読み取る６０。この切り込み量データに基づき切り込み量制御装置５２に切り込み量出力５３を出力する。
【００２６】
前述したように切り込み量制御装置５２は切り込み出力に応じてダイヤモンド切れ刃の切り込み量３０を制御できるようにされている。Ｘ軸テーブルが加工終端に達したとき、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１から終了信号５８が送られると切り込み量３０をマイナス、又は原位置に復帰させ、Ｘ軸テーブル位置を戻す。次にＹ軸テーブルを所定量移動させ、再度制御開始信号５７によりＸ軸テーブルを加工方向に動かし微細加工を行うようにされる。これを繰り返し行い所定形状を加工できるようにされている。従って、Ｘ，Ｙ軸位置信号に応じた切り込み量３０を与えることができる。終了信号５８により加工を終了する。なお、前述のようにＸ軸Ｙ軸は別々でも良いが、同時に移動させながら微細加工を施してもよいことはいうまでもない。
【００２７】
Ｘ，Ｙ軸の切り込み量のデータに従い切り込み量を変化させれば、深い溝や浅い溝をワーク上に形成することができる。圧電素子は非常に応答性が早いので、例えば１０μｍ程度の高さの微少角錐を、連続して成形することも可能である。また、数μｍ程度の深さと長さの溝を間隔をおいて形成することも可能である。これにより種々の微細で複雑な加工ができる。なお、テーブル構造や静圧軸受構造等本実施例に限らず種々の形態が可能であることはいうまでもない。
【００２８】
かかる表面加工機を用いて金型に模様を形成する場合について説明する。まず、微少高速工具位置決め装置２０を待避させ、通常のバイトを工具送り装置１０に取付け、Ｘ軸テーブル４上のワーク３をＸ軸方向に移動させながら、Ｙ軸テーブルをＹ軸方向に順次移動させワーク表面を平面又は所定形状に加工する。次に、微少高速工具位置決め装置２０をセットし、工具送り装置（Ｚ軸）の位置決めを行う。次にＸ軸テーブル４を加工方向に移動させながら、ＣＰＵ５１、切り込み量制御装置５２等により微少高速工具位置決め装置２０の切り込み量を制御し、微少加工をする。加工方向で送りが完了したら切り込み量をゼロ又はマイナスにして、逆方向にＸ軸テーブル４を戻し、Ｙ軸テーブル９をＹ軸方向に所定量移動させ、再度Ｘ軸テーブルを加工方向に移動させながら、微少高速工具位置決め装置２０の切り込み量３０を制御する。これを繰り返すことで複雑な溝や形状を形成でき、例えば文字等も溝の集合として表現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態を示す表面加工機を模式化した斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態で用いる微少工具位置決め装置の説明図である。
【図３】図２の微少高速工具位置決め装置の制御方法を示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ 表面加工機
２ 基台
３ ワーク
４ Ｘ軸テーブル
８ 門型コラム
９ Ｙ軸テーブル
１０ 工具送り装置
１０ａ 工具取付け部
１２ リニアモータ
１４ 切れ刃
１５ 工具
２０ 微少高速工具位置決め装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶装置に使用される導光板、又は導光板を成形するための金型の表面を加工するための表面加工機に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネルの裏面に配置される導光板は発光ダイオード等からの光をムラなく均一に照射させるためにその表面は曲線を描いたり、格子状の凹凸にしたり、複雑な溝や形状に加工される。かかる導光板の加工機械は例えば、特許文献１に記載のように、基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、基台上に固定されＸ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、門型コラムに設けられ水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、工具送り装置の先端に取付られた工具をＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動させている。このものはさらに工具送り装置に工具軸を垂直軸周りに回転する工具軸回転装置を設けている。
【０００３】
また、特許文献２に記載のものは工具送り装置の先端と工具との間に圧電素子を介して工具の進行方向に対して上方及び前後方向に高周波振動の楕円運動をさせることにより、工具を楕円運動させながら表面を加工している。これによれば、アクリル板等の平滑な光の透過性のよい加工ができ、輝度ムラがなく輝度の高い導光板が得られる。
【０００４】
また、特許文献２のような圧電素子を利用して高速で加工させるものとして、特許文献３においては、ワークを回転させる主軸の回転角度に同期して工具切り込み量を高速に変化させることにより軸受又は軸の表面に旋削溝加工を行っている。同様に、これを軸の端面に応用し、回転角度に同期させて端面への工具切り込み量を高速に変化させて表面を加工することができる。
【特許文献１】特開２００３−２３１０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−２４９３６９号公報
【特許文献３】特開２００２−０３６００４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
かかる導光板の溝形状はさらに複雑化し、その形状も複雑なものとなってきている。また、溝の形状寸法も数十μｍ〜数百μｍ程度であるが、本発明者等は、さらに数μｍ〜数十μｍのものが必要となると予想している。また、数十μｍ〜数ｍｍ程度の溝に、さらに重畳的に数μｍ〜数十μｍの別の溝や形状を加工する等、種々の複雑な微細加工が必要となると考えている。しかしながら、特許文献１のものでは、従来の平削盤等とほぼ同じ構成であり、門型として剛性をあげているにとどまり、駆動機構もボールねじを用いておりかかる微細な加工を実現することはできないという問題があった。また、特許文献２に記載のものは、垂直（Ｚ軸）方向の加工については特に開示されていないので想像するしかないが、垂直方向の制御は特許文献１のような工具送り装置を用いて制御し、工具先端に楕円運動をさせているだけなので、微細な加工はできないという問題があった。
【０００６】
さらに、特許文献３のものは回転軸に同期させ、工具切り込み量を高速に制御して微細形状を加工することが開示されている。しかし、導光板のような板材についてまでは示唆も開示もされていない。また、回転に対する同期なので、導光板のような大きなものについては装置が大きくなり現実的でない。さらに特許文献１のようなスパンの長い加工機への適用については示唆も開示もされていない。さらにまた、特許文献３のものを特許文献１のものに取り付け、又は特許文献２のものに代えても、工具送り装置の粗動作と圧電素子等からなる高速微動作の両方を制御しなければならずかかる微細加工は困難である。
【０００７】
本発明の課題は、かかる問題点に鑑みて、導光板等の複雑な溝や形状を容易に得られ、さらには数μｍ〜数十μｍの溝や形状を容易に得られる表面加工機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明においては、基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、前記基台上に固定され前記Ｘ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、前記門型コラムに設けられ前記水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、前記Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、前記工具送り装置に設けられ工具取付け部が垂直方向に微少高速変位制御可能にされた微少高速工具位置決め装置と、前記微少高速工具位置決め装置に取付られた先端に切れ刃を有する工具と、を備え、前記工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ前記微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにされている表面加工機を提供することにより前述した課題を解決した。
【０００９】
即ち、門型コラムを有する剛性の高い平削り盤形状にするとともに、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又はＹ軸を移動させながら、微少高速工具位置決め装置によりＺ軸方向に切り込み量が変化する工具を取り付け垂直方向の微少加工を行えるようにしたので、加工面には工具送り装置のＺ軸方向への影響がなく、微少高速工具位置決め量に応じた加工が施される。
【００１０】
かかる微少高速工具位置決め装置のストロークは多くはとれず特許文献３と同様なものであり、請求項２に記載の発明においては、前記高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍである表面加工機とした。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明においては、前記Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、水平方向及び移動方向に沿った垂直面方向を静圧軸受にて保持され、リニアモータ駆動されており、前記工具送り装置は静圧ねじにて保持され、静圧ねじに接続されたサーボモータにより駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にされた表面加工機とした。
【００１２】
即ち、Ｘ，Ｙ軸テーブルは静圧軸受にし、さらに、リニアモータ駆動によりボールねじのねじれや、変形による位置制御精度の低下を防止することにより、機械変形が少なく、Ｘ、Ｙ軸方向への移動による誤差が低減される。また、Ｚ軸の工具送り装置は静圧ねじで高精度に位置決め保持するようにしたので、位置決め精度を確保し、さらに位置決めした後のＸ，Ｙ軸方向の移動による振動や位置誤差の影響がすくない。
【００１３】
かかる高精度の加工は導光板のような表面に微細な加工が要求されるものに適している。そこで、請求項４に記載の発明においては、前記加工機で加工されるワークは導光板である表面加工機とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、剛性の高い門型コラムとし、工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、Ｘ軸又はＹ軸を移動させながら、垂直方向の微少高速工具位置決め装置による加工を行い、加工面には工具送り装置のＺ軸方向への影響がなく、微少高速工具位置決め量に応じた加工が施されるようにしたので、導光板等の複雑な溝や形状を容易に得られるものとなった。また、請求項２に記載の発明おいては、高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍとしたので、数μｍ〜数十μｍの溝や形状を容易に得られるものとなった。
【００１５】
さらに、請求項３に記載の発明においては、Ｘ，Ｙ軸テーブルでの静圧軸受、リニアモータ駆動により、Ｘ、Ｙ軸方向への移動誤差の低減、Ｚ軸の工具送り装置の静圧ねじによる高精度の位置決め保持により、位置決め精度を確保し、さらに位置決めした後のＸ，Ｙ軸方向の移動による振動や位置誤差の影響が少なくしたので、数μｍ〜数十μｍのもの溝や形状の加工、さらに、数十μｍ〜数ｍｍ程度の溝に、さらに重畳的に数μｍ〜数十μｍの別の溝や形状を加工することが可能となった。特に請求項４に記載の発明においては、ワークを導光板としたので、近年のより微細で複雑な形状の導光板を実現できるものとなった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態を示す表面加工機を模式化した斜視図、図２は本発明の実施の形態で用いる微少工具位置決め装置の説明図、図３は図２の微少高速工具位置決め装置の制御方法を示すブロック線図である。図１に示すように、本発明の表面加工機１は、基台２上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワーク３が載置されるＸ軸テーブル４が設けられている。Ｘ軸テーブル４は下側部４ａが幅方向に狭くされた下向きの凸断面とされ、両側の下面４ｃと、下側部の長手（Ｘ軸）方向の側面４ｂとが油圧を用いた静圧軸受案内部５により、低抵抗、高精度に保持されている。静圧軸受案内部５の間にはコアレスタイプリニアモータ６が設置され、Ｘ軸テーブルに設けられた可動子７とでリニア駆動によりＸ軸テーブルをＸ軸方向の移動させることができる。基台２上部には門型コラム８がＸ軸テーブル４の上方を跨るように設けられている。なお、符号１６はワーク３をＸ軸テーブル上で回転（矢印Ｃ）させるための回転テーブルである。
【００１７】
図３に示すように、Ｘ軸テーブルの位置は位置検出器３１によりＸ軸フィードバック信号３１ａとしてＸ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１にフィードバックされ、図示しない指令信号に従って、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置よりＸ軸駆動出力４２が出力されリニアモータ６及び可動子７を駆動させＸ軸テーブル４の位置や速度を制御する。また、位置検出器３１からのＸ軸フィードバック信号３１ａはＸ軸位置信号４３として後述する切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１にも入力される。
【００１８】
図１に示すように、門型コラム８には、水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブル９が設けられ、Ｙ軸テーブルにはさらにＺ（垂直）軸方向に移動可能にされた工具送り装置１０が設けられている。Ｙ軸テーブル９は下側部９ａが逆Ｔ字型断面とされ、門型コラム８に設けられた角型静圧軸受案内部１１に静圧軸受を介してＹ軸方向に移動可能に嵌合されている。Ｙ軸テーブル９のＹ軸方向両側下面９ｂと静圧軸受案内部１１の突出部１１ａの両上面１１ｂ、逆Ｔ字型の両狭幅部と９ｃと横方向両突出面１１ｃ、図示しない逆Ｔ字型部の両上面と突出部の両下側面１１ｄが対向するようにして静圧軸受が形成され、Ｙ軸テーブルが低抵抗、高精度に保持されている。
【００１９】
図１，３においては省略しているが、前述したＸ軸テーブルと同様に、静圧軸受案内部１１の間にはコアレスタイプリニアモータが設置され、Ｙ軸テーブル９に設けられた可動子とでリニア駆動によりＹ軸テーブルをＹ軸方向の移動させることができる。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１よりＹ軸テーブル９の位置や速度が制御される。また、Ｙ軸フィードバック信号はＹ軸位置信号４４として切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１に入力される。
【００２０】
図１，３に示すように、工具送り装置１０はサーボモータ（例えばＡＣ，又はＤＣサーボモータ）１７による回転制御される静圧ねじ１８によりＺ軸移動可能にされている。なお、静圧ねじは、ねじ穴と、該ねじ穴に螺合するねじとの間に空気等の流体を所定圧力で供給することによるねじ穴に対しねじを浮揚させることにより低摩擦、低抵抗としたものである。工具送り装置１０はＸ軸と平行に軸周りに回転（矢印Ａ）できるようにされている。
【００２１】
図３に示すように、工具送り装置１０の位置は位置検出器３３によりＺ軸フィードバック信号３３ａとしてＸ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１にフィードバックされ、図示しない指令信号に従って、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置よりＺ軸駆動出力４５が出力されＡＣサーボモータ１７を駆動させ工具送り装置のＺ軸方向の位置や速度を制御する。
【００２２】
工具送り装置１０のＸ軸面側に工具取付け部１０ａが設けられており。切削工具が取付可能にされている。この工具取付け部１０ａにＸ軸方向に切削可能なように切削工具を取付け、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１によりＸ，Ｙ軸テーブル、工具送り装置を制御することにより、ワークの表面加工ができる。かかる構成においては、工具送り装置１０のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又はＹ軸を移動させ平面加工を行うことができ、この場合の移動精度は、静圧軸受、リニアモータの使用により、Ｘ軸で６０ｍｍ、幅８０ｍｍのワークで、０．１μｍ以内にできる。
【００２３】
特に、本発明においては、工具送り装置１０の工具取付け部１０ａに微少高速工具位置決め装置２０が取り付けられている。図２に示すように、微少高速工具位置決め装置２０の先端にはダイヤモンド切れ刃１４が水平面に対して切削可能方向に配置されたダイヤモンド工具１５が取付られている。微少高速工具位置決め装置２０は特許文献３と同様なもので、本体２１内に重畳された複数の圧電素子２２の先端にガイド板２３を介してダイヤモンド工具１５が取付られている。ガイド板２３と本体２１の間には皿ばね２４が装着されており工具２５が垂直方向に移動できるようにガイドしている。圧電素子２２には穴２２ａが開けられており、穴内に圧電素子の変形量即ちダイヤモンド工具の切り込み量３０を検出する静電容量型の変位計３４が設けられている。圧電素子へ所定の電圧を印可することにより圧電素子を変形させダイヤモンド工具、即ちダイヤモンド切れ刃をＺ軸方向にフィードバック制御するようにされている。
【００２４】
即ち、図３に示すように、変位計３４により切り込み量３０を測定し切り込み量フィードバック信号３４ａを切り込み量制御装置５２へ入力し、指令信号である切り込み量出力５３の信号と比較し、圧電素子駆動信号５４として増幅器５５に入力され、増幅器から圧電素子駆動出力５６が出力され圧電素子２２を変位させ、切り込み量出力５３に応じた切り込み量３０をダイヤモンド工具１５即ちダイヤモンド切れ刃１４に与えるようにされている。かかる圧電素子の制御分解能は数ｎｍ（ナノメータ）であり、圧電素子の垂直方向の移動距離は２０μｍ程度、またその最大応答速度は現状１．５ｋＨｚと高速である。また、リンク機構等を通して移動距離の拡大、縮小が可能である。
【００２５】
さらに、本発明においては、Ｚ軸を固定して微細加工を行う場合は、Ｘ，Ｙ軸の位置によりダイヤモンド工具即ちダイヤモンド切れ刃がＺ軸方向に所定量切り込み可能にされている。即ち、図３に示すように、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１から出力される微少切削制御開始信号５７により切り込み量制御装置（ＣＰＵ）５１が微細加工モードに入るようにされている。微細加工モードに入ったＣＰＵ５１はＸ、Ｙ軸位置信号４３，４４を読み取り、あらかじめ、Ｘ，Ｙ軸の座標に対して、切り込み量３０が設定又は計算される計算式が格納された切り込み量データテーブル５９を参照し、Ｘ，Ｙ軸位置信号４３，４４に応じた切り込み量データを読み取る６０。この切り込み量データに基づき切り込み量制御装置５２に切り込み量出力５３を出力する。
【００２６】
前述したように切り込み量制御装置５２は切り込み出力に応じてダイヤモンド切れ刃の切り込み量３０を制御できるようにされている。Ｘ軸テーブルが加工終端に達したとき、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸制御装置４１から終了信号５８が送られると切り込み量３０をマイナス、又は原位置に復帰させ、Ｘ軸テーブル位置を戻す。次にＹ軸テーブルを所定量移動させ、再度制御開始信号５７によりＸ軸テーブルを加工方向に動かし微細加工を行うようにされる。これを繰り返し行い所定形状を加工できるようにされている。従って、Ｘ，Ｙ軸位置信号に応じた切り込み量３０を与えることができる。終了信号５８により加工を終了する。なお、前述のようにＸ軸Ｙ軸は別々でも良いが、同時に移動させながら微細加工を施してもよいことはいうまでもない。
【００２７】
Ｘ，Ｙ軸の切り込み量のデータに従い切り込み量を変化させれば、深い溝や浅い溝をワーク上に形成することができる。圧電素子は非常に応答性が早いので、例えば１０μｍ程度の高さの微少角錐を、連続して成形することも可能である。また、数μｍ程度の深さと長さの溝を間隔をおいて形成することも可能である。これにより種々の微細で複雑な加工ができる。なお、テーブル構造や静圧軸受構造等本実施例に限らず種々の形態が可能であることはいうまでもない。
【００２８】
かかる表面加工機を用いて金型に模様を形成する場合について説明する。まず、微少高速工具位置決め装置２０を待避させ、通常のバイトを工具送り装置１０に取付け、Ｘ軸テーブル４上のワーク３をＸ軸方向に移動させながら、Ｙ軸テーブルをＹ軸方向に順次移動させワーク表面を平面又は所定形状に加工する。次に、微少高速工具位置決め装置２０をセットし、工具送り装置（Ｚ軸）の位置決めを行う。次にＸ軸テーブル４を加工方向に移動させながら、ＣＰＵ５１、切り込み量制御装置５２等により微少高速工具位置決め装置２０の切り込み量を制御し、微少加工をする。加工方向で送りが完了したら切り込み量をゼロ又はマイナスにして、逆方向にＸ軸テーブル４を戻し、Ｙ軸テーブル９をＹ軸方向に所定量移動させ、再度Ｘ軸テーブルを加工方向に移動させながら、微少高速工具位置決め装置２０の切り込み量３０を制御する。これを繰り返すことで複雑な溝や形状を形成でき、例えば文字等も溝の集合として表現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施の形態を示す表面加工機を模式化した斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態で用いる微少工具位置決め装置の説明図である。
【図３】図２の微少高速工具位置決め装置の制御方法を示すブロック線図である。
【符号の説明】
【００３０】
１ 表面加工機
２ 基台
３ ワーク
４ Ｘ軸テーブル
８ 門型コラム
９ Ｙ軸テーブル
１０ 工具送り装置
１０ａ 工具取付け部
１２ リニアモータ
１４ 切れ刃
１５ 工具
２０ 微少高速工具位置決め装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、前記基台上に固定され前記Ｘ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、前記門型コラムに設けられ前記水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、前記Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、前記工具送り装置に設けられ工具取付け部が垂直方向に微少高速変位制御可能にされた微少高速工具位置決め装置と、前記微少高速工具位置決め装置に取付られた先端に切れ刃を有する工具と、を備え、前記工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ前記微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにされていることを特徴とする表面加工機。
【請求項２】
前記高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の表面加工機。
【請求項３】
前記Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、水平方向及び移動方向に沿った垂直面方向を静圧軸受にて保持され、リニアモータ駆動されており、前記工具送り装置は静圧ねじにて保持され、静圧ねじに接続されたサーボモータにより駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面加工機。
【請求項４】
前記加工機で加工されるワークは導光板であることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の表面加工機。
【請求項１】
基台上を水平Ｘ軸方向に移動可能にされたワークが載置されるＸ軸テーブルと、前記基台上に固定され前記Ｘ軸テーブルの上方に配置された門型コラムと、前記門型コラムに設けられ前記水平Ｘ軸とは直角方向の水平Ｙ軸方向に移動可能にされたＹ軸テーブルと、前記Ｙ軸テーブルに設けられ垂直（Ｚ軸）方向に移動可能にされた工具送り装置と、前記工具送り装置に設けられ工具取付け部が垂直方向に微少高速変位制御可能にされた微少高速工具位置決め装置と、前記微少高速工具位置決め装置に取付られた先端に切れ刃を有する工具と、を備え、前記工具送り装置のＺ軸の位置を固定したまま、前記Ｘ軸又は／及びＹ軸を移動させ前記微少高速工具位置決め装置と工具により垂直方向の微少加工を行えるようにされていることを特徴とする表面加工機。
【請求項２】
前記高速位置決め装置の垂直方向の移動距離は２０μｍであることを特徴とする請求項１記載の表面加工機。
【請求項３】
前記Ｘ軸及びＹ軸テーブルは、水平方向及び移動方向に沿った垂直面方向を静圧軸受にて保持され、リニアモータ駆動されており、前記工具送り装置は静圧ねじにて保持され、静圧ねじに接続されたサーボモータにより駆動され垂直方向に移動・位置決め可能にされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面加工機。
【請求項４】
前記加工機で加工されるワークは導光板であることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の表面加工機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００６−１２３０８７（Ｐ２００６−１２３０８７Ａ）
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３１４９５１（Ｐ２００４−３１４９５１）
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年５月１８日（２００６．５．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月２９日（２００４．１０．２９）
【出願人】（０００００５１９７）株式会社不二越 (625)
【Ｆターム（参考）】
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