(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットを構成する二つの枠体の間に取り付けた圧電素子と、各枠体の脚部に取り付けた電磁石とを有する超小型自走式精密作業ロボットに、梁の先端に圧電素子および上部錘と微細工具とを備えた片持ち梁式のマイクロホッピング工具を装着し、前記超小型自走式精密作業ロボットの圧電素子に駆動周波数の信号を印加するとともに前記電磁石に交互に駆動周波数の信号を印加して前記超小型自走式精密作業ロボットを尺取り虫状態に移動させるとともに、前記駆動周波数の信号と前記マイクロホッピング工具の圧電素子に印加する駆動周波数の信号を同期させることにより、超小型自走式精密作業ロボットの移動ステップ毎にマイクロホッピング工具により加工面上に微細間隔にて打痕を付与することを特徴とする小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法。
【請求項２】
前記片持ち梁の長さあるいは上部錘の質量もしくは微細工具の種類の異なるマイクロホッピング工具を選択して前記超小型自走式精密作業ロボットに装着することによって加工面上に付与される打痕の間隔、大きさあるいは形状を調整できるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工面上に移動ステップ毎に微細間隔にて打痕を付与して精密加工ができ、特にマイクロレンズやマイクロ部品の微小型抜き生産技術に利用可能で、極めて微細な部品を低コストで連続的に生産できる小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロマシン等において微細部品を大量生産する方法としては大別して機械的加工方法と電子的な加工方法に分けられ、ＩＣ等のような数ミクロン以下の集積部品には電子的な加工方法であるいわゆる電子描画や電気化学反応装置等による加工法が適用される。このようなＩＣプロセスに頼ると極めて多額の設備投資を必要とするのが現状である。
また一方、レンズの型のような立体的な形状の微細部品の創成には超精密な機械的加工によるものが多く、そのために工作機械の機械精度を高めることで微細部品の製造に対応せねばならなかったが、詰まるところ工作機械自体の大きさに起因する位置決め精度に限界があり、所定以上の精度向上はコスト上の制約もあって困難であった。
これは、これら工作機械による精密加工では温度変化による構成部品の伸縮や機械自身の動作により発生する振動等が障害となって加工精度に限界があるためである。加工精度の限界は機械の大きさに依存し、例えば、機械の大きさを１とすると加工精度はその千万分の１（１ｍの大きさの機械で加工精度は１０〜１μｍ）程度となるのが一般的である。これ以上の工作機械の性能向上のためには莫大な費用が必要とされる。
【０００３】
このようなことから、本件発明者らは先に、加工精度の問題を解決する方法として、既に工作機械そのものをミリメートルサイズの超小型ロボットとすることを提案し、数種類のタイプの超小型ロボットを製作、発表した。
このようなミニ機構は機構そのものが小さいことによって、従来の機械加工原理を無理なく応用してそのまま利用することができ、低コストで高精度の精密加工が実現できるし、その小型化された機構でさらに微細な部品を生成することになり、従来の機械的加工技術と電子的微細加工技術の隙間を埋めるマクロ・ミクロ加工技術の連続性を確保する意義もあって高い注目を浴び始めている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、従来の工作機械による精密加工の限界を打破する超小型ロボットによる微細加工法をさらに改良して、工作機械の振動に左右されることなく連続的な加工を低コストでより高精度で自動的に行うことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
ロボットを構成する二つの枠体の間に取り付けた圧電素子と、各枠体の脚部に取り付けた電磁石とを有する超小型自走式精密作業ロボットに、梁の先端に圧電素子および上部錘と微細工具とを備えた片持ち梁式のマイクロホッピング工具を装着し、前記超小型自走式精密作業ロボットの圧電素子に駆動周波数の信号を印加するとともに前記電磁石に交互に駆動周波数の信号を印加して前記超小型自走式精密作業ロボットを尺取り虫状態に移動させるとともに、前記駆動周波数の信号と前記マイクロホッピング工具の圧電素子に印加する駆動周波数の信号を同期させることにより、超小型自走式精密作業ロボットの移動ステップ毎にマイクロホッピング工具により加工面上に微細間隔にて打痕を付与することを特徴とする小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法である。また、前記片持ち梁の長さあるいは上部錘の質量もしくは微細工具の種類の異なるマイクロホッピング工具を選択して前記超小型自走式精密作業ロボットに装着することによって加工面上に付与される打痕の間隔、大きさあるいは形状を調整できるように構成したことを特徴とする小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法である。
【０００６】
【実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１から図４は本発明の超小型自走式精密作業ロボットと共振式マイクロホッピング工具による微細加工法の１実施の形態を示す図であり、図１は本発明のマイクロホッピング工具を装着した超小型自走式精密作業ロボットによる微細加工法の概略を説明する側面図、図２（Ａ）は図１の平面図、図２（Ｂ）はマイクロホッピング工具を取り外した超小型自走式精密作業ロボットの正面図、図３（Ａ）はマイクロホッピング工具の正面図、図３（Ｂ）はその側面図、図４はマイクロホッピング工具に装着される微細工具を示す。
図１に示すように、本発明の微細加工法に用いられる超小型自走式精密作業ロボット１は所定の枠体１Ａ、１Ｂに取り付けられた圧電素子５と馬蹄形の脚部６Ａおよびコイル部６Ｂからなる電磁石６により構成される駆動装置を有し、先端に圧電素子９および上部錘８と微細工具１０とを備えたマイクロホッピング工具２の片持ち梁１１の基端部を把持する。
【０００７】
図２（Ａ）はこのようにして構成されたマイクロホッピング工具２を装着した超小型自走式精密作業ロボット１の平面図である。
図２（Ｂ）はマイクロホッピング工具２を取り外した状態の超小型自走式精密作業ロボット１の正面図であり、枠体１Ａ、１Ｂの中央下部には高さ調整用マイクロメータ７の螺合具合によってその高さ位置が調整自在な把持部１３が設けられており、該把持部１３に前記マイクロホッピング工具２の片持ち梁１１の基端部が把持される。
超小型自走式精密作業ロボット１の前後（図２において図面左右方向が超小型自走式精密作業ロボット１の進行方向である前後方向）の枠体１Ａ（前部）、１Ｂ（後部）の下端部にはそれぞれ馬蹄形の鉄芯等の脚部６Ａおよびコイル部６Ｂからなる前電磁石６Ｆ、後電磁石６Ｒが配設され、前後の枠体１Ａ、１Ｂの間には後電磁石を挟んで両側に右圧電素子５Ｒおよび左圧電素子５Ｌが配設され、前記前後の枠体１Ａ、１Ｂの連結部１５には押えばね（復元ばね）１４が設けられている。
前後の枠体１Ａ、１Ｂの連結部１５における左右の圧電素子５Ｌ、５Ｒへの所定周波数の信号の印加によって枠体１Ａ、１Ｂが連結部１５を中心に振動すると同時に所定周波数の信号の印加によって前電磁石６Ｆ、後電磁石６Ｒが交互に励消磁され、超小型自走式精密作業ロボット１は脚部６Ａ、６Ａによって尺取り虫状態にて加工面３（図１）上を移動するように構成されている。
【０００８】
一方、図３に示すように、マイクロホッピング工具２はりん青銅等のばね材からなる片持ち梁１１の先端に圧電素子９および上部錘８と下部に微細工具１０とを備え、前記圧電素子９への所定周波数の信号の印加によって前記片持ち梁１１と所定質量の前記上部錘８からなる振動系の固有振動数にて励起されて振動するように構成されている。なお、図中１２は押えばね（復元ばね）を示す。
前記片持ち梁１１先端の下部に取り付けられる微細工具１０は、図４に示すような形状をしており、ダイヤモンド等の高硬度の材質のものが採用される。その下端部の先端角αは加工面上で必要とされる加工角度によって選択され、図示の例では９０°にされている。
【０００９】
このように構成されたマイクロホッピング工具２が装着された超小型自走式精密作業ロボット１による微細加工方法を以下に説明する。
片持ち梁１１の先端に圧電素子９および所定の質量の上部錘８と下部に微細工具１０とを備えた所定の固有振動数を有するマイクロホッピング工具２が、図１に示されるように超小型自走式精密作業ロボット１に装着されて加工物の加工面３上に載置される。
次いで、図５に示されるように、図示外の制御装置におけるファンクションジェネレータやパソコンＤＡボードから所定の周波数の信号が前記超小型自走式精密作業ロボット１の左右の圧電素子５Ｌ、５Ｒおよび前後の電磁石６Ｆ、６Ｒならびにマイクロホッピング工具２の圧電素子９に送出される。
圧電素子５および９への信号はｓｉｎ波が選定され、電磁石６への信号は矩形波が選定される。これらのｓｉｎ波および矩形波は周波数が同じに同期される。超小型自走式精密作業ロボット１の左右の圧電素子５Ｌ、５Ｒに印可された信号は圧電素子コントロール回路を経て左右それぞれの圧電素子駆動回路を作動させることによって、図２（Ｂ）に示した連結部１５を中心に枠体１Ａ、１Ｂが振動（揺動）する。この連結部１５を中心とした枠体１Ａ、１Ｂの振動に同期して図５に示すように、電磁石コントロール回路を経て電磁石駆動回路からの断続的な矩形波を受けて前電磁石６Ｆ、後電磁石６Ｒが交互に励消磁され、超小型自走式精密作業ロボット１は尺取り虫状態にて加工面３（図１）上を前方（図１では紙面手前、図２では図面矢印右方、図５では図面矢印下方）へ移動することができる。
【００１０】
一方、圧電素子コントロール回路を経てマイクロホッピング工具２の圧電素子９に送出されたｓｉｎ波は圧電素子駆動回路を作動させて圧電素子９を励起させることになる。このことは圧電素子９を片持ち梁１１と該片持ち梁１１の先端部の所定の質量の上部錘８や下部の微細工具１０等からなるマイクロホッピング工具２の振動系の固有振動数で励起したことになり、共振点で大きな振幅として取り出される。実験により、入力する圧電素子９の振幅が数ミクロンである場合でも共振により約９００ミクロンまでの増幅が確認されている。このことは少ない消費エネルギーで必要な加工ストロークが得られることを実証している。
かくして、図１に示すようにマイクロホッピング工具２によって加工面３上に打痕４が刻設される。マイクロホッピング工具２による打設の際には電磁石６の励磁によって脚部６Ａが強固に加工面に吸着され、超小型自走式精密作業ロボット１は妄りに浮上することはない。
前述したように、このようなマイクロホッピング工具２の圧電素子９による共振の加工振動を行わしめる信号と同じ周波数の信号が前記超小型自走式精密作業ロボット１の左右の圧電素子５Ｌ、５Ｒおよび前後の電磁石６Ｆ、６Ｒにも印可されているので、これら超小型自走式精密作業ロボット１の前進速度とマイクロホッピング工具２の加工が同期して作動することになり、超小型自走式精密作業ロボット１のミクロン単位の歩幅とマイクロホッピング工具２の加工振動が同期して進行することを可能にし、微細な加工を高精度で連続して自動的に行うことができる。しかも、超小型自走式精密作業ロボット１の駆動のための振動とマイクロホッピング工具２の加工振動とが同期しているために、超小型自走式精密作業ロボット１の駆動の振動による影響を受けることがないので、より高精度な加工が実現できる。
【００１１】
図６は、上述した原理によって加工した加工例を示すもので、微細工具１０として先端径５ミクロンの円錐型ダイヤモンドを使用し、駆動周波数を約２０Ｈｚとして加工したもので、約７ミクロンの穴（打痕）が精密に所定間隔にて連続して加工されている様子が理解される。
なお、微細工具１０として円錐型のダイヤモンド工具に代えて種々の型を有する先端工具を用いれば、様々な形のマイクロ形状を生成することが可能になり、低コストな微細部品の自動生産システムの基礎技術が確立される。
さらに、片持ち梁の長さあるいは上部錘の質量の異なるマイクロホッピング工具を選択することによって振動系の固有振動数を変えることで、加工面上に付与される打痕の間隔を調整することも可能である。
【００１２】
以上本発明の１実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で、超小型自走式精密作業ロボットの形式、枠体の形状、圧電素子および電磁石の形式および形状ならびに配置形態、マイクロホッピング工具の把持形態、把持部の高さ調整マイクロメータの形式および形状、マイクロホッピング工具の形式、片持ち梁の形状および材質、上部錘および圧電素子の形式および形状ならびに配置形態、微細工具の形状、形式および装着形態等については適宜選択することができる。
【００１３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、移動機構である超小型自走式精密作業ロボットの駆動周波数とマイクロホッピング工具の片持ち梁の共振周波数を同期させることにより、移動ステップ毎に加工面上を打痕を与えつつ移動して、微細な加工を高精度で連続して自動的に行うことができる。しかも、超小型自走式精密作業ロボットの駆動のための振動とマイクロホッピング工具の加工振動とが同期しているために、超小型自走式精密作業ロボットの駆動の振動による影響を受けることがなく、温度変化等の影響が最小で済む超小型自走式精密作業ロボットの加工精度の良さを充分に生かして、より高精度な加工が実現できることとなった。
また、移動機構である超小型自走式精密作業ロボットは圧電素子と電磁石とを間欠的に駆動して尺取り虫状態にて加工面上を移動するので、鉄等の磁性体加工面上を垂直面や天井面であってもガイドレール等なしに精密に進行することができる。
さらに、片持ち梁の先端部に所定の質量を配設したマイクロホッピング工具における圧電素子を所定の振動系の固有振動数で励起することによって、共振点で大きな振幅として取り出すことができるので、共振により入力する圧電素子の振幅に比較して大きな振幅が得られ、少ない消費エネルギーで必要な加工ストロークを得ることが可能となる。
このように、本発明によれば、従来の工作機械による精密加工の限界を打ち破るとともに、エネルギー効率を大幅に向上してより精密な加工を連続して自動的に行うことができてきわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態のマイクロホッピング工具を装着した超小型自走式精密作業ロボットによる微細加工法の概略を説明する側面図である。
【図２】本発明の微細加工法にて使用される超小型自走式精密作業ロボットを示すもので、図２（Ａ）は図１の平面図、図２（Ｂ）はマイクロホッピング工具を取り外した超小型自走式精密作業ロボットの正面図である。
【図３】本発明の微細加工法にて使用されるマイクイロホッピング工具を示すもので、図３（Ａ）は正面図、図３（Ｂ）はその側面図である。
【図４】本発明の微細加工法にて使用される微細工具を示す。
【図５】本発明の微細加工法における制御装置からの所定の周波数の信号の送出フローを示す図である。
【図６】本発明の微細加工法の原理によって加工した加工例を示す加工面の打痕の拡大図である。
【符号の説明】
１      超小型自走式精密作業ロボット
１Ａ      枠体（前部）
１Ｂ      枠体（後部）
２      マイクロホッピング工具
３      加工面
４      打痕跡
５      圧電素子（超小型自走式精密作業ロボット用）
５Ｒ      右圧電素子
５Ｌ      左圧電素子
６      電磁石
６Ａ      脚部
６Ｂ      コイル部
６Ｆ      前電磁石
６Ｒ      後電磁石
７      高さ調整用マイクロメータ
８      上部錘
９      圧電素子（マイクロホッピング工具用）
１０      微細工具
１１      片持ち梁
１２      押えばね
１３      把持部
１４      押えばね
１５      連結部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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