(57)【要約】【課題】簡易な構成で、被加工材の表面位置を精密に検出が可能な表面加工機および表面加工方法を提供する。【解決手段】駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の下側に設けられた検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、僅かに圧縮されるとピエゾ圧電効果によって電圧値が変化する。これにより、検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧値の変化を監視していれば、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長させて加工具２３が被加工材９の表面９ａに接した瞬間、即ち被加工材９の表面９ａの位置を検出することができる。こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えばフルストロークで９μｍ程度の伸縮が可能である。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えば薄いピエゾ圧電効果膜を多数積層して形成した積層型ピエゾ圧電効果素子であり、素子全体として０．２〜０．３μｍ程度の圧縮で電圧変化を観察することが可能である。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工機であって、
前記加工具の先端の移動方向と同軸上に、前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことを検出するピエゾ圧電効果素子を備えたことを特徴とする表面加工機。
【請求項２】
前記ピエゾ圧電効果素子に隣接して、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する加工具押圧手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の表面加工機。
【請求項３】
前記ピエゾ圧電効果素子は、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する加工具押圧手段であることを特徴とする請求項１に記載の表面加工機。
【請求項４】
前記被加工材は略円筒状または円筒状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の表面加工機。
【請求項５】
加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工方法であって、
前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことをピエゾ圧電効果素子の電圧変化によって検出する表面位置検出工程を備えたことを特徴とする表面加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、表面に数百μｍ〜数十μｍの微細な凹みまたは凸形状を多数形成した金属薄膜は、入射した光を効率的に反射させることができるので、液晶表示装置の反射膜として利用されている。このような反射膜は、微細な凹みを象ったローラ状の母型を樹脂層上で回転させて押し付け、微細な凹みが形成された樹脂層上に金属薄膜を積層して作られる。こうした微細な凹みを象ったローラ状の母型を作成する際には、ローラ状の被加工材を回転させつつ、先端が尖った加工具を断続的にこの被加工材に押し付けて、被加工材の表面に微細な凹みを形成する。
【０００３】
被加工材の表面に凹みを形成する表面加工機は、様々な厚みの被加工材の表面位置を検出した後、この表面位置に基づいて所定の位置まで正確に凹みが形成される。このような被加工材の表面位置の検出は、従来、レーザビームの反射を利用したり、オートフォーカス装置による合焦位置の検出などを利用して行われていた（例えば、特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−４７９１６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したようなレーザビームの反射やオートフォーカス装置を利用した被加工材の表面位置の検出では、液晶表示装置の反射膜など数百μｍ〜数十μｍの微細な凹みを形成するには誤差が大き過ぎ、精密に被加工材の表面位置を検出することが困難であった。
【０００６】
また、上述したレーザビームの反射やオートフォーカス装置を利用した被加工材の表面位置の検出では、レーザ光の発生装置、あるいは合焦位置を検出する光学レンズなどが必要になり、表面加工機の小型、ローコスト化の障害なっていた。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、被加工材の表面位置を精密に検出が可能な表面加工機および表面加工方法を提供することを目的する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明によれば、加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工機であって、前記加工具の先端の移動方向と同軸上に、前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことを検出するピエゾ圧電効果素子を備えたことを特徴とする表面加工機が提供される。
【０００９】
このような表面加工機によれば、加工具の先端の移動軸上に検出用のピエゾ圧電効果素子を形成したので、加工具の先端が被加工材の表面に接した瞬間を高精度で確実に検出することが可能になる。こうしたピエゾ圧電効果素子は、安価で、かつ僅かな圧縮で鋭敏に電圧変化を示すので、従来のように、高価なレーザ装置やオートフォーカス装置を使用しなくても、加工具にピエゾ圧電効果素子を設けるだけで、安価で精度の良い加工原点位置の検出が可能な表面加工機を実現することができる。
【００１０】
前記ピエゾ圧電効果素子に隣接して、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する加工具押圧手段を備えていてもよい。また、前記ピエゾ圧電効果素子は、前記加工具を被加工材の表面に押し付けて被加工材に凹凸を形成する加工具押圧手段であってもよい。ピエゾ圧電効果素子に隣接して加工具押圧手段を設けることによって、簡易な構成でコンパクトでローコストに表面加工機を提供することができる。また、こうしたピエゾ圧電効果素子を加工具押圧手段としても用いることによって、表面加工機の構造を更に簡単に構成することが可能になる。前記被加工材は、例えば略円筒形や円筒形であれば好ましい。
【００１１】
加工具の先端を被加工材の表面に押し付けて、被加工材に凹凸を形成する表面加工方法であって、前記加工具の先端が被加工材の表面に接触したことをピエゾ圧電効果素子の電圧変化によって検出する表面位置検出工程を備えたことを特徴とする表面加工方法が提供される。こうした表面加工方法によれば、高価なレーザ装置やオートフォーカス装置を使用しなくても、加工具にピエゾ圧電効果素子を設けるだけで、安価で精度の良い加工原点位置の検出が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の表面加工機の概略を示す説明図である。表面加工機１０は、被加工材９に加工を行う加工部１１と、この加工部１１を制御する制御部１２に大別される。加工部１１は、案内軸１３の長手方向（図中Ｘ方向）に沿って移動体１４を移動させる移動装置１５と、被加工材９を保持する回転チャック１６を回転させる回転装置１７とからなる。
【００１３】
移動装置１５を構成する移動体１４には、ステッピングモータ１８（或いはサーボモータ）を介して駆動ユニット１９が取り付けられている。ステッピングモータ１８は駆動ユニット１９を上下動させて、大まかな位置決めを行う（粗動位置決め装置）。移動体１４の一端には原点標識２５が形成されると共に、この原点標識２５を検出するＸ軸原点センサ２６が形成される。或いはまた、被加工材９の軸上のある１点（有効使用部でない場所）に原点用の点加工がされる方法であってもよい。この方法は、加工材上に形成されるので、精度の点で更に有利である。この原点標識２５およびＸ軸原点センサ２６によって、移動体１４を移動装置１５の原点位置に戻すことができる。
【００１４】
駆動ユニット１９は、加工具押圧手段を成す駆動用ピエゾ圧電効果素子２１と、被加工材９の表面を検出する検出用ピエゾ圧電効果素子２２と、先端が所定形状に形成された加工具２３とから構成される。こうした駆動ユニット１９の作用は後ほど詳述する。
【００１５】
回転装置１７を構成する回転チャック１６は被加工材９を保持し、被加工材９を図中θ方向に回転させる。回転装置１７の一端には原点標識２７が形成されると共に、この原点標識２７を検出するθ軸原点センサ２８が形成される。この原点標識２７およびθ軸原点センサ２８によって、回転チャック１６を回転装置１７の原点位置に戻すことができる。なお、被加工材９上に原点を加工して検出する場合には、原点確認センサ類を置かなくても、制御信号を用いてフィードバックすることができる。
【００１６】
制御部１２は、表面加工機１０全体を制御するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１と、信号変換装置、例えばデジタル−アナログ変換部（Ｄ／Ａ変換部）３２と、信号変換装置、例えばアナログ−デジタル変換部（Ａ／Ｄ変換部）３３と、移動装置ドライバ３４と、回転装置ドライバ３５と、ピエゾ圧電素子駆動ドライバ３８と、粗動位置決め装置ドライバ３９とから構成されている。Ｄ／Ａ変換部３２は、ステッピングモータ１８および駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に制御信号を送出する。Ａ／Ｄ変換部３３は、被加工材表面の検出用ピエゾ圧電効果素子２２から出力された検出信号をＤ／Ａ変換部３２にフィードバックする。移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５、粗動位置決め装置ドライバ３９は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１からの命令に応じて移動装置１５、回転装置１７、ステッピングモータ１８（粗動位置決め装置）をそれぞれ制御する。なお、図１ではＰＣ３１からＤ／Ａ変換部３２、Ａ／Ｄ変換部３３、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５を制御する例を示したが、制御信号のやり取りを高速化するために、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５をマイコン付きのボード化してもよい。
【００１７】
図２は駆動ユニットを示す拡大平面図である。駆動用ピエゾ圧電効果素子（加工具押圧手段）２１は、ピエゾ圧電効果によって通電するとその長さが伸長して、図２中の矢印Ａ方向に加工具２３を被加工材９に押し付ける。こうした駆動用ピエゾ圧電効果素子２１は、例えば薄いピエゾ圧電効果膜を多数積層して形成した積層型ピエゾ圧電効果素子であり、それぞれのピエゾ圧電効果膜に通電することによって、素子全体で例えばフルストロークで１０〜１００μｍ程度の伸縮を行う。
【００１８】
駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の下面には接続手段４１（例えば硬化型接着材）が固着され、この接続手段４１を介して検出用ピエゾ圧電効果素子２２が駆動用ピエゾ圧電効果素子２１の下側に取り付けられる。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、僅かに圧縮されるとピエゾ圧電効果によって電圧が発生変化する。これにより、検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧値の変化を監視していれば、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長させて加工具２３が被加工材９の表面９ａに接した瞬間、即ち被加工材９の表面９ａの位置を検出することができる。こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えばフルストロークで数μｍ、例えば９μｍ程度の伸縮が可能である。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、例えば薄いピエゾ圧電効果膜を多数積層して形成した積層型ピエゾ圧電効果素子であり、素子全体として数百μｍ程度の圧縮で微小電圧変化を観察することが可能である。
【００１９】
検出用ピエゾ圧電効果素子２２の下面には加工具固着手段４２（例えばチャック治具または接着剤）が固着され、この加工具固着手段４２を介して加工具２３が検出用ピエゾ圧電効果素子２２の下側に取り付けられる。加工具２３は、その先端２３ａの形状が被加工材９の表面９ａに対応して形成される微細な凹みを象っており、加工具２３全体は硬質な金属等で形成されれば良い。検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、このような加工具２３の先端２３ａの移動軸Ｃ上に形成されている。これによって、検出用ピエゾ圧電効果素子２２は加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接した瞬間を確実に検出することが可能になる。
【００２０】
次に、上述した構成の表面加工機１０の作用を図１及び図３を交えて説明する。いま、被加工材９の表面９ａに深さｄ、例えば１μｍの微細な凹み（ディンプル）４１を形成することを想定する。なお、被加工材９は、例えば図４に示すように、反射型液晶表示装置などに用いられる反射膜４４の表面加工に用いられる母型が挙げられる。反射膜４４は、反射型液晶表示装置の画素４５よりも小さい、極めて微細な凹部４６を表面に多数形成したものである。
【００２１】
こうした反射膜４４を形成する凹部４６は、例えば幅ｔが数百μｍ〜数十μｍ程度であり、深さも数百μｍ〜数十μｍ程度の断面略円形あるいは楕円形の微細な窪みである。こうした凹部４６を多数形成することによって、反射膜４４は入射した光をムラ無く拡散反射することができる。被加工材９は、こうした反射膜４４を製造するにあたって、反射膜４４に凹部４６を与える樹脂膜を形成する工程で、樹脂膜にこの被加工材９を押し当てて表面に凹凸を形成するのに用いられる。
【００２２】
まず、被加工材９への加工を開始するにあたって、回転チャック１６に被加工材９を固定する。次いでパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１から加工準備を命令すると、Ｘ軸原点センサ２６が原点標識２５を検出するまで移動装置１５の移動体１４を動かして、移動体１４を原点位置にセットする。また、θ軸原点センサ２８が原点標識２７を検出するまで回転装置１７の回転チャック１６を回転させ、回転チャック１６を原点位置にセットする。被加工材９は、例えば円筒形の金属材であればよい。または、被加工材９を回転チャック１６にセットした状態で駆動ユニット１９により１つの凹部を加工し、それを原点標識としてＸ軸、θ軸をそれぞれ原点に戻しても良い。
【００２３】
回転チャック１６に被加工材９がセットされた状態で、移動体１４および回転チャック１６がそれぞれ原点位置に戻ったら、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１はＤ／Ａ変換部３２を介して、図３ａに示すように、粗動位置決め装置ドライバ３９をＰＣ３１もしくは手動で操作し、ステッピングモータ１８を動かして、駆動ユニット１９を被加工材９に向けて緩やかに降下させる。やがて、図３ｂに示すように、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接すると、検出用ピエゾ圧電効果素子２２は僅かに圧縮され、圧電効果によって電圧値が変化する（表面位置検出工程）。検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧値の変化は、加工具２３の先端２３ａの着地信号ＭとしてＡ／Ｄ変換部３３に出力される。
【００２４】
Ａ／Ｄ変換部３３に検出用ピエゾ圧電効果素子２２から着地信号Ｍが入力されると、Ａ／Ｄ変換部３３は直ちに３１はＤ／Ａ変換部３２にステッピングモータ１８の停止を要求する。Ｄ／Ａ変換部３２はステッピングモータ１８を停止させ、駆動ユニット１９の降下を止める。これによって、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに僅かに接した状態で駆動ユニット１９を停止することができる。パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに僅かに接した位置を原点位置として規定する。
【００２５】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は検出用ピエゾ圧電効果素子２２によって検出された原点位置を基準にして、加工具２３が被加工材９を穿つのに必要なストロークｘを開けるため、粗動位置決め装置ドライバ３９にステッピングモータ１８（或いはサーボモータ）の駆動を要求する。図３ｃに示すように、ステッピングモータ１８は駆動ユニット１９を上昇させ、加工具２３の先端２３ａと被加工材９の表面９ａとの間にストロークｘを開ける。このストロークｘは例えば数μｍ〜１０数μｍ程度に設定されれば良い。
【００２６】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１には、凹み（ディンプル）４１を形成する際のＸ軸、θ軸それぞれの駆動ピッチやスピード、またそのタイミングや回数等のパラメータをメモリしておき、ピエゾ圧電素子駆動ドライバ３８、移動装置ドライバ３４、回転装置ドライバ３５をそれぞれ同期させて駆動できるようにしておく。また、同時にＡ／Ｄ変換部３３に検出用ピエゾ圧電効果素子２２の駆動スピード、凹みの深さ等に関わるパラメータを記憶させておく。以上で、被加工材９に凹み（ディンプル）４１を形成する際の準備工程は完了する。
【００２７】
これまで説明したように、本発明の表面加工機１０では、加工具２３の先端２３ａの移動軸Ｃ上に検出用ピエゾ圧電効果素子２２を形成したので、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接した瞬間を高精度で確実に検出することが可能になる。こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２は、安価で、かつ僅かな圧縮で鋭敏に電圧変化を示すので、従来のように、高価なレーザ装置やオートフォーカス装置を使用しなくても、加工具２３にピエゾ圧電効果素子を設けるだけで、安価で精度の良い加工原点位置の検出が可能な表面加工機１０を実現することができる。
【００２８】
この後、表面加工機１０が加工作業を開始すると、図３ｄに示すようにＤ／Ａ変換部３２は駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に通電して「深さｄ＋ストロークｘ」だけ駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長させる。これによって、加工具２３の先端２３ａは被加工材９の表面９ａに達し、この時、検出用ピエゾ圧電効果素子２２から圧電効果による電圧信号が発せられ、Ａ／Ｄ変換部３３を通じてＤ／Ａ変換部３２にトリガを立て、その後、所望のディンプル深さ分、更に駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を伸長することにより、被加工材９には任意の所望深さｄの凹み（ディンプル）４１が形成される。
【００２９】
パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３１は、回転装置ドライバ３５を介して回転装置１７を制御して、回転チャック１６を図１中θ方向に所定のピッチづつ回転させる。これを同時または一方づつおこなうことにより、被加工材９には、所定ピッチ毎に深さｄの凹み４１が、略螺旋状、Ｘ軸方向平行線状、θ軸方向平行線状等、種々のパターンで形成できる。被加工材９上を原点から所定の距離まで加工すると、移動体１４と回転チャック１６をＸ軸原点センサ２６とθ軸原点センサ２８とでそれぞれ原点位置に戻し、所定のピッチだけそれぞれずらした位置から異なるパラメータでの加工を行い、この工程を繰り返すことによって、円筒形の被加工材９には全周面に渡って多数の微細な凹み４１を精度よく形成できる。
【００３０】
なお、こうした検出用ピエゾ圧電効果素子２２を利用して、表面加工機１０の回転チャック１６に被加工材９を固定する際に中心からのズレを検出して、加工時のズレ補正を行うこともできる。被加工材９に高精度に凹み４１を形成する際には、回転チャック１６の回転中心に正確に被加工材９を固定して、回転中に被加工材９がブレの無いようにする必要がある。こうした被加工材９の中心出しを行う際には、図５ａおよび図５ｂに示すように、例えば被加工材９の円周方向θを４５°づつ区切って順に０°＝ａ，４５°＝ｂ，・・・３１５°＝ｈとする。また、被加工材９のＸ軸方向を一定長さで区切って順に例えばＸ１，Ｘ２・・・Ｘ６，Ｘ７として、被加工材９の全周面にＸ１−ａ，Ｘ１−ｂ・・・Ｘ７−ｇ，Ｘ７−ｈというふうに等角度、等間隔で測定点を設定する。
【００３１】
そして、加工具２３の先端２３ａが被加工材９の表面９ａに接触した時に生じる検出用ピエゾ圧電効果素子２２の電圧変化を利用して、一定高さまで引き上げた加工具２３を、上述した各測定点Ｘ１−ａ，Ｘ１−ｂ・・・Ｘ７−ｇ，Ｘ７−ｈで降下させて、それぞれの測定点での被加工材９の表面９ａまでの加工具２３の降下量を測定する。
【００３２】
図５ｃに示すように、縦軸に被加工材９の円周方向θ、横軸に被加工材９のＸ軸方向として、こうした各測定点での降下量を表で表すと、被加工材９の中心Ｃと回転チャック１６の回転中心とのブレを容易に把握することができる。こうして得られた被加工材９の取り付けブレのデータに基づいて、被加工材９の加工時に、ステッピングモータ１８を予め設定した基準値からブレ量に応じて増減することによって、被加工材９には設定した所定の深さの凹部を正確に形成することが可能になる。
【００３３】
なお、表面加工機の駆動ユニットの構成は、上述したような実施形態以外にも、例えば、図６ａに示すように、検出用ピエゾ圧電効果素子２２および駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を板バネ５１で囲う構造とし、この板バネ５１を介して加工具２３を取り付けた構成であってもよい。こうした板バネ５１は、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１および検出用ピエゾ圧電効果素子２２に予圧を与えることで、圧電効果素子自身の伸長による自己破壊を防止するという役割を果たす。
【００３４】
また、図６ｂに示すように、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１を板バネ５２で囲う構造とし、この板バネ５２を介して検出用ピエゾ圧電効果素子２２を取り付け、さらにこの検出用ピエゾ圧電効果素子２２に加工具２３を取り付けた構成であってもよい。こうした板バネ５１も、駆動用ピエゾ圧電効果素子２１に予圧を与えることで、圧電効果素子自身の伸長による自己破壊を防止するという役割を果たす。
【００３５】
また、上述した各実施形態では、被加工材に加工を施すための駆動用ピエゾ圧電効果素子２１と、被加工材の表面を検出する検出用ピエゾ圧電効果素子２２と２つのピエゾ圧電効果素子を備えているが、こうした２つのピエゾ圧電効果素子を兼用して、１つのピエゾ圧電効果素子で被加工材に加工を施すため伸長と、被加工材の表面を検出とを行ってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、このような表面加工機によれば、加工具の先端の移動軸上に検出用のピエゾ圧電効果素子を形成したので、加工具の先端が被加工材の表面に接した瞬間を高精度で確実に検出することが可能になる。こうしたピエゾ圧電効果素子は、安価で、かつ僅かな圧縮で鋭敏に電圧変化を示すので、従来のように、高価なレーザ装置やオートフォーカス装置を使用しなくても、加工具にピエゾ圧電効果素子を設けるだけで、安価で精度の良い加工原点位置の検出が可能な表面加工機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の表面加工機の概要を示す説明図である。
【図２】図２は、図１に示す表面加工機の駆動ユニットの拡大平面図である。
【図３】図３は、本発明の表面加工機の作用を説明する説明図である。
【図４】図４は、被加工材によって形成される反射膜の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、本発明の表面加工機を用いて被加工物の中心出しを行う際の手順を説明した説明図である。
【図６】図６は、他の実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
９  被加工材
９ａ  表面
１０  表面加工機
１８  ステッピングモータ
２１  駆動用ピエゾ圧電効果素子（加工具押圧手段）
２２  検出用ピエゾ圧電効果素子
２３  加工具
２３ａ  先端
４１  凹み（ディンプル）
【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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