(57)【要約】【課題】バイトを駆動する磁歪アクチュエータの制御系の応答性を向上させ、バイトの高速駆動を可能にする。【解決手段】バイト１１は、Ｘ、Ｚ方向に直線駆動する磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂによって擬似回転を行いながら、図示しないワークに対して相対移動し、ワーク表面を切削加工する。磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂには、励磁コイルと磁石と磁歪素子を通る磁路の磁束変化を検出するサーチコイルが内蔵され、前記サーチコイルの出力を励磁コイルの電流制御系にフィードバックすることによってアクチュエータ剛性を強化し、応答性を向上させる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪素子とバイアス磁束を発生する磁石によって形成された磁気回路に励磁コイルを配設し、前記励磁コイルに供給する電流を制御することで前記磁歪素子を伸縮させる磁歪アクチュエータと、前記磁歪素子の伸縮によって駆動される加工工具と、前記加工工具の位置を検出する工具位置検出手段と、前記磁気回路の磁束変化を検出するために前記励磁コイルに近接して配設されたサーチコイルと、前記工具位置検出手段による位置信号とともに、前記サーチコイルによる磁束変化信号を前記磁歪アクチュエータにフィードバックするフィードバック制御系を備えたことを特徴とする工具駆動装置。
【請求項２】
磁歪アクチュエータの励磁コイルが、並列に接続された複数のコイルによって構成されていることを特徴とする請求項１記載の工具駆動装置。
【請求項３】
磁歪アクチュエータの励磁コイルが、複数のコイルによって構成され、前記複数のコイルに対してそれぞれ個別に電流を供給するための複数の電流アンプが配設されていることを特徴とする請求項１記載の工具駆動装置。
【請求項４】
交差する２軸の方向に加工工具をそれぞれ往復駆動するための２つの磁歪アクチュエータが配設され、前記２つの磁歪アクチュエータを同一周期で駆動することによって、前記加工工具を擬似回転させることを特徴とする請求項１ないし３いずれか１項記載の工具駆動装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項記載の工具駆動装置と、前記工具駆動装置に対して被加工物を相対移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工物をバイトにより加工する精密旋盤等の加工装置に用いられる工具駆動装置および加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工を行う精密旋盤等のバイト駆動装置に、圧電素子、磁歪素子などの固体歪み素子を駆動源とし、案内部には板バネやヒンジを用いるものが開発されている。このようなバイト駆動装置を制御するには、図７や図８に示す制御系が用いられている。これらは駆動手段として磁歪素子による磁歪アクチュエータを用いた例であり、図７は、バイトを動かす運動機構部をオープンで駆動制御する開ループ方式で、駆動信号生成装置１０１において生成した駆動信号を電流アンプ１０２で増幅し、磁歪アクチュエータを構成する励磁コイル１０３で発生した磁束によって磁歪素子１０４を伸縮させることで、可動部１０５と、これに連結されたバイトホルダ１０６およびバイト１０７を駆動制御している。
【０００３】
また、図８に示す閉ループ方式は、バイトホルダ１０６の位置を変位センサ２０８で検出し、検出したバイトホルダ１０６の位置を減算器２０９にフィードバックし、制御補償器２１０を経て電流アンプ１０２に入力している。なお、バイトホルダ１０６を検出する構成に代えて、バイト１０７の位置を検出するような構成にしてもよい。
【０００４】
制御補償器２１０は、上記のフィードバック制御系の安定化を行い、制御補償器２１０によって出力された制御信号は電流アンプ１０２において増幅され、磁歪アクチュエータを構成する励磁コイル１０３で発生した磁束で磁歪素子１０４を伸縮させることで、可動部１０５とバイトホルダ１０６およびバイト１０７を駆動制御している。
【０００５】
図７および図８の制御系では、駆動手段として磁歪素子を用いているが、駆動手段として圧電素子を用いた場合も同様の駆動制御方法によってバイト等の工具を駆動することが考えられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図７の駆動制御方式は開ループによるオープン駆動をしているため、バイトの運動が発振などの現象を起こすおそれがないという利点があるが、バイトの位置精度が、電流アンプ、磁歪アクチュエータ、可動部、バイトホルダなどの構成部品の精度に依存し、また、環境などの外部影響を受け易いという問題がある。
【０００８】
これに比べて、図８の閉ループによる駆動制御方式は、バイトホルダ（もしくはバイト）の位置を変位センサで検出しフィードバック制御しているので、バイトの位置精度は変位センサの検出精度に依存することになり、変位センサの精度を上げることで位置精度を向上させることができる。
【０００９】
また、閉ループ方式によれば環境などの外部変動に対しても常にバイトの位置を変位センサで監視し、誤差を補正するように駆動制御しているので影響を受けにくい。
【００１０】
しかしながら、フィードバック制御する場合には、制御系の安定化をしなければならないという制約が発生する。一般的にこのような駆動装置をフィードバック制御する際に課題となるのは、駆動装置の共振特性であり、バイトを含む運動機構の共振周波数によってバイト駆動の応答性が制限される。
【００１１】
バイトを含む運動機構の共振は、固体歪み素子とガイドの板バネもしくはヒンジとの剛性と、その負荷となる可動部、バイトホルダおよびバイト等の重量によって決まるものであり、運動機構の共振周波数が高いほどバイトの応答性は向上する。
【００１２】
本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、磁歪アクチュエータを駆動源とするフィードバック制御系の応答性を向上させ、バイト等加工工具をより高速度で駆動できる工具駆動装置および加工装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の工具駆動装置は、磁歪素子とバイアス磁束を発生する磁石によって形成された磁気回路に励磁コイルを配設し、前記励磁コイルに供給する電流を制御することで前記磁歪素子を伸縮させる磁歪アクチュエータと、前記磁歪素子の伸縮によって駆動される加工工具と、前記加工工具の位置を検出する工具位置検出手段と、前記磁気回路の磁束変化を検出するために前記励磁コイルに近接して配設されたサーチコイルと、前記工具位置検出手段による位置信号とともに、前記サーチコイルによる磁束変化信号を前記磁歪アクチュエータにフィードバックするフィードバック制御系を備えたことを特徴とする。
【００１４】
磁歪アクチュエータの励磁コイルが、並列に接続された複数のコイルによって構成されていてもよい。
【００１５】
磁歪アクチュエータの励磁コイルが、複数のコイルによって構成され、前記複数のコイルに対してそれぞれ個別に電流を供給するための複数の電流アンプが配設されているとよい。
【００１６】
交差する２軸の方向に加工工具をそれぞれ往復駆動するための２つの磁歪アクチュエータが配設され、前記２つの磁歪アクチュエータを同一周期で駆動することによって、前記加工工具を擬似回転させるとよい。
【００１７】
本発明の加工装置は、上記の工具駆動装置と、前記工具駆動装置に対して被加工物を相対移動させるための相対移動手段を有することを特徴とする。
【００１８】
【作用】
サーチコイルで検出した磁束変化信号を積分して磁歪素子の伸縮量と相関のある磁束量を検出し、磁歪アクチュエータの電流アンプにフィードバックすることで、磁歪アクチュエータの制御剛性を向上させる。これによって、バイト等加工工具を含む運動機構の共振周波数が上がり、工具位置を検出する変位センサ等の出力をフィードバックするフィードバック制御系の周波数帯域が拡がって、応答性を向上させることができる。
【００１９】
また、磁歪アクチュエータの励磁コイルを複数のコイルに分割し、分割したコイル毎に電流アンプを配備する構成や、分割したコイルを並列に接続して通電する構成にすれば、電流アンプから見た負荷（励磁コイル）のインダクタンス成分が小さくなり、電流制御の応答性が向上する。その結果、工具駆動装置としての応答性もより一層向上し、バイト等をより高速で駆動することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１は、一実施の形態による加工装置の主要部を示すもので、工具駆動装置であるバイト駆動ユニット２０は、加工工具であるバイト１１と、バイト１１を２軸の方向にそれぞれ駆動する磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂを有する駆動部を備えており、磁歪アクチュエータ２１ａはＺ方向に伸縮し、磁歪アクチュエータ２１ｂはＸ方向に伸縮するように配置されている。
【００２２】
磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの発熱による熱変位の影響を極力減らし、短時間で熱的安定を図るために、冷却部２２ａ、２２ｂを磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの周囲に配設し、冷却を行っている。バイト１１は、シャンク１１ａの先端にダイヤモンドチップ１１ｂを固定した超精密ダイヤモンドバイトを用いる。バイト１１はバイトホルダ１２に固定され、バイトホルダ１２は可動部１３に固定されている。
【００２３】
可動部１３には、前記磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂが弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂを介してして接続されている。一方の弾性ヒンジ２３ａはヒンジ部分が１段であり、他方の弾性ヒンジ２３ｂは２段のヒンジである。また、可動部１３は板バネ２４、２５によってバイト駆動ユニット２０のメインフレーム２６に保持されている。
【００２４】
板バネ２４は、図２の（ａ）に示すように十字の形状をしておりＸ、Ｙ方向に剛であり、かつ、Ｚ方向に柔らかい板バネであり、また、そのＺ方向の取り付け位置は弾性ヒンジ２３ａのほぼ中央に配置されている。板バネ２５は図２の（ｂ）に示すように、Ｙ方向に剛で、Ｘ、Ｚ方向に柔らかい板バネである。
【００２５】
磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂ、弾性ヒンジ２３ａ、２３ｂ、板バネ２４、２５からなる駆動機構により、バイト１１の可動部１３は、磁歪アクチュエータ２１ａの伸縮によりＺ方向に運動し、また、磁歪アクチュエータ２１ｂの伸縮により板バネ２５の十字形状の中央を回転中心とした円弧運動を行う。この磁歪アクチュエータ２１ｂの動きは、図１に示すように、磁歪アクチュエータ２１ｂの駆動軸から弾性ヒンジ２３ａまでの距離Ｌ１と、弾性ヒンジ２３ａからバイト１１の先端までの距離Ｌ２の比で拡大され、バイト１１の先端のＸ方向のストロークとなる。
【００２６】
すなわち、磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの駆動により、バイト１１の先端をＸ−Ｚ平面内で擬似回転させることができる。そしてこのような擬似回転運動を行うバイト１１を、図示しない被加工物であるワークに対して、４軸位置決めステージ等の相対移動手段によって相対移動させることで、ワーク表面を所望の形状に切削加工する。
【００２７】
なお、板バネ２４、２５の形状および配置により、バイト先端の移動方向以外の他方向の剛性を強化し、かつ、Ｘ方向のストロークを大きくすることが可能である。
【００２８】
図３は、バイト駆動ユニット２０の磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの内部構造を示す。各磁歪アクチュエータは、バイアス磁束を発生させる磁石３１、磁歪素子３２、磁石３１と磁歪素子３２とで磁気回路の磁路を形成するためのヨーク３３ａ〜３３ｄ、機械的な与圧を与える与圧バネ３４、磁歪素子３２を伸縮させるための磁束を発生させる励磁コイル３５、磁路の磁束変化を検出するサーチコイル３６等を有する。
【００２９】
磁石３１と磁歪素子３２とヨーク３３ａ〜３３ｄを通る磁路上には励磁コイル３５とサーチコイル３６が配置される。励磁コイル３５に流す電流を制御することで、磁路の磁束を制御し、磁歪素子３２は磁束に応じて伸縮する。前記磁気回路の磁路に配設されたサーチコイル３６は、励磁コイル３５と独立して配置され、磁歪素子３２を通過する磁束の変化を検出する。
【００３０】
図６は、図１のバイト駆動ユニット２０を駆動制御する制御系４０を示す。これは、バイト１１の駆動軌跡信号を生成する駆動信号生成装置４１、工具位置検出手段である変位センサ１４によって検出したバイト１１の位置信号と、駆動信号生成装置４１からの駆動指令との誤差を計算する減算器４２、フィードバック制御の制御ループを安定化するＰＩＤ補償器などに代表されるフィードバック制御補償器４３、フィードバック制御補償器４３による変位制御信号とサーチコイル３６で検出し演算によって得られた磁束変化信号との誤差を求める減算器４４、磁歪アクチュエータ２１ａ（２１ｂ）の磁路を励磁する電流を制御する電流アンプ４５を有する。磁歪アクチュエータ２１ａ（２１ｂ）は、前述のように磁路に磁束変化を発生させる励磁コイル３５、バイト１１の駆動手段である磁歪素子３２、磁歪アクチュエータ２１ａ（２１ｂ）の磁路の磁束変化を検出するサーチコイル３６を有し、磁歪素子３２の伸縮によって駆動される可動部１３は、バイトホルダ１２を介してバイト１１を駆動する。
【００３１】
バイトホルダ１２の位置は変位センサ１４によって検出され前述のようにフィードバックされる。なお、バイトホルダ１２の位置を検出する代わりに、バイト１１の位置を検出してもよい。
【００３２】
サーチコイル３６で検出される磁束変化は、磁束を演算する積分器４６に入力され、積分器４６によって求めた磁束信号のフィードバック量を調整する補償器４７を経て減算器４４に入力される。
【００３３】
前述のように、駆動信号生成装置４１で作成された駆動軌跡信号と、変位センサ１４で検出されるバイトホルダ１２の位置信号とが、減算器４２で演算され誤差信号が形成される。この誤差信号を補正するように、磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂ内の磁歪素子３２を伸縮させ、バイトホルダ１２もしくはバイト１１を駆動信号生成装置４１で発生する目標軌跡で擬似回転させる。
【００３４】
フィードバック制御補償器４３は、上記のフィードバック制御系を安定化する働きをし、電流アンプ４５は、磁歪素子３２に制御磁束を発生させる励磁コイル３５に電流を供給する。
【００３５】
サーチコイルを持たない磁歪アクチュエータの場合では、バイトもしくはバイトホルダの位置を検出してフィードバック制御すると、運動機構の共振特性が不安定要因となる。そのため、フィードバック制御補償器は上記運動機構の共振周波数より低い周波数成分の信号だけを有効にするような特性の補償器になり、その結果、変位センサで検出した位置を基にフィードバック制御して駆動するバイトの応答性が制限される。
【００３６】
そこで、図３に示すように磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂ内の磁歪素子３２を通過する磁束変化をサーチコイル３６で検出し、このサーチコイル３６の出力を積分器４６で積分することで磁歪素子３２を通過する磁束を検出する。検出した磁束を補償器４７で調整して、磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの磁束を生成させる電流アンプ４５にフィードバックをかける。磁歪素子３２を通過する磁束は、磁歪素子３２の伸縮量と相関関係にあり、磁束をフィードバックすることで、磁歪素子３２の伸縮量をフィードバックしている効果を得られる。このようにして、磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの剛性を向上させることができる。
【００３７】
図１のバイト駆動機構におけるＺ方向の共振周波数は、磁歪アクチュエータ２１ａの剛性とガイドである板バネ２４、２５およびヒンジ２３ｂの剛性とで合成されたＺ方向の剛性値と、負荷となる可動部１３とバイトホルダ１２とバイト１１の質量によって決まる。
【００３８】
また、Ｘ方向の共振周波数は、磁歪アクチュエータ２１ｂの剛性とガイドである板バネ２５およびヒンジ２３ａの剛性とで合成されたＸ方向の剛性値と、可動部１３とバイトホルダ１２とバイト１１の質量によって決まる。
【００３９】
図６に示すようにサーチコイル３６による制御系を付加することで、前述のように、磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂの剛性が上がり、バイト駆動機構のＸ方向、Ｚ方向の共振周波数が向上する。その結果、バイト位置をフィードバックする制御系において、フィードバック制御補償器４３で処理する信号の周波数帯域が高い周波数領域に拡がり、バイト制御の応答性が向上する。
【００４０】
図３の磁歪アクチュエータ構成では、磁歪アクチュエータの磁路に磁束を発生させるために電流アンプが励磁コイルに流す電流の応答性も、バイトの応答性に影響し、大きなインダクタンス係数を持つコイルに応答よく電流を流すためには、電流アンプの構造が複雑になる。
【００４１】
そこで、図４に示すように磁歪アクチュエータの励磁コイルを複数のコイル３５ａ〜３５ｄに分割し、分割したコイル３５ａ〜３５ｄを図５の（ａ）に示すように電流アンプ４５に並列に接続する。この構成により、電流アンプ４５の負荷となる励磁コイルのインダクタンスを下げ、簡単な電流アンプで通電電流の応答性を向上させることができる。
【００４２】
あるいは、図５の（ｂ）に示すように分割したコイルごとに通電する電流アンプ４５ａ〜４５ｄを設けても同様の効果が得られる。
【００４３】
図１の装置において、２つの磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂを直交して配置し、それぞれの磁歪アクチュエータ２１ａ、２１ｂを同一周期で任意の駆動信号で駆動することで、バイト１１をＸ−Ｚ平面内で回動させることができる。例えば、Ｘ方向をｓｉｎ駆動し、Ｚ方向をｃｏｓ駆動するとバイト１１をＸ−Ｚ平面内で円運動させることができる。
【００４４】
その際に、図３もしくは図４に示す構造の磁歪アクチュエータと図６に示すフィードバック制御系を用いることで、回転速度の速い円運動ができる。そして、このように高速で擬似回転運動を行うバイト１１を用いることで、ワークの切削加工を高速かつ高精度で行うことができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４６】
バイト駆動に用いる磁歪アクチュエータの磁束変化を検出してフィードバック制御を行うことで、アクチュエータ剛性を向上させ、バイト駆動機構の共振周波数を上げることができる。このようにして、バイトを駆動制御する閉ループ制御系の周波数特性を改善し、バイトの駆動速度を大幅に上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施の形態による工具駆動装置を示す模式図である。
【図２】２つの板バネを説明する図である。
【図３】図１の磁歪アクチュエータの構成を説明する図である。
【図４】一変形例による磁歪アクチュエータの構成を説明する図である。
【図５】図４の磁歪アクチュエータの励磁方法を示す説明図である。
【図６】図１の装置の制御系を示すブロック図である。
【図７】一従来例による制御系を示すブロック図である。
【図８】別の従来例による制御系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１　　バイト
１２　　バイトホルダ
１３　　可動部
１４　　変位センサ
２０　　バイト駆動ユニット
２１ａ、２１ｂ　　磁歪アクチュエータ
２３ａ、２３ｂ　　弾性ヒンジ
２４、２５　　板バネ
３１　　磁石
３２　　磁歪素子
３３ａ〜３３ｄ　　ヨーク
３４　　与圧バネ
３５、３５ａ〜３５ｄ　　励磁コイル
３６　　サーチコイル
４１　　駆動信号生成装置
４２、４４　　減算器
４３　　フィードバック制御補償器
４５、４５ａ〜４５ｄ　　電流アンプ
【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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【図７】
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【図８】
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